JP5659672B2 - 光スキャナー、ミラーチップ、光スキャナーの製造方法、および画像形成装置 - Google Patents
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Description
特許文献1には、一対の永久磁石が設けられた絶縁基板と、一対の永久磁石の間に位置するように絶縁基板に支持されたスキャナー本体とを有するアクチュエーターが開示されている。また、スキャナー本体は、枠状の支持部と、支持部の内側に設けられた枠状の外側可動板と、外側可動板の内側に設けられた内側可動板(ミラー)とを有している。また、外側可動板は、X軸方向に延長する一対の第1トーションバーを介して支持部に連結されており、内側可動板は、X軸方向と直交するY軸方向に延長する第2トーションバーを介して外側可動板に連結している。また、外側可動板および内側可動板には、それぞれコイルが設けられている。
第1実施形態の光スキャナー1について説明する。
図1および図2に示す光スキャナー1は、可動部2、可動部2に支持される光反射部材20、可動部2に連結する4つの連結部4,5,6,7と、連結部4,5,6,7を連結する固定部13とで構成された振動基板11と、振動基板11を支持する基台12と、可動部2を変位させる変位手段8とを有している。以下、光スキャナー1の各構成について順次詳細に説明する。ここで、図2(a)は、図1のA−A断面図であり、図2(b)は、図1のC−C断面図である。
第1実施形態では、振動基板11(すなわち、可動部2、4つの固定部13、および4つの連結部4,5,6,7)は、SOI基板の不要部位をドライエッチングおよびウェットエッチング等の各種エッチング法により除去することにより一体的に形成されている。
可動部2は、平板状をなしている。そして、可動部2には、支持部材23を備えた光反射部材20が配置されている。光反射部材20は平板状をなし、光反射部材20の一方の面(基台12と反対側の面)21には、光反射性を有する光反射部22が形成されている。そして、支持部材23が接着剤などにより可動部2に固定されることで、光反射部材20は、可動部2に支持される。光反射部22は、例えば、面21上に金、銀、アルミニウム等の金属膜などを蒸着等により形成することにより得られる。
また、反射部22は、可動部2の基台12と反対側の面に直接設けられていてもよい。
このような可動部2は、4つの連結部4,5,6,7によって固定部13に連結されている。4つの連結部4,5,6,7は、可動部2のXY平面視にて、可動部2の周方向に沿って等間隔、すなわち90度間隔で配置されている。
具体的には、連結部(第1の連結部)4は、変位部41と、可動梁42と、一対の駆動梁43とを有している。可動梁42は、変位部41と可動部2とを連結している。駆動梁43は、変位部41と固定部13とを連結している。
そして、連結部(第3の連結部)5は、変位部51と、可動梁52と、一対の駆動梁53とを有している。可動梁52は、変位部51と可動部2とを連結している。駆動梁53は、変位部51と固定部13とを連結している。
また、連結部(第2の連結部)6は、変位部61と、可動梁62と、一対の駆動梁63とを有している。可動梁62は、変位部61と可動部2とを連結している。駆動梁63は、変位部61と固定部13とを連結している。
同様に、連結部(第4の連結部)7は、変位部71と、可動梁72と、一対の駆動梁73とを有している。可動梁72は、変位部71と可動部2とを連結している。駆動梁73は、変位部71と固定部13とを連結している。
なお、前記「同様の構成」とは、連結部を構成する要素が共通しているということである。したがって、外形形状については一致している必要はない。
各連結部4,5,6,7をこのような構成とすることにより、連結部の構成が簡単となるとともに、可動部2の回動中心軸X1,Y1まわりの回動等をスムーズに行うことができる。
このような変位部41は、可動梁42によって可動部2と連結している。可動梁42は、全体的にX軸方向に延長するように設けられている。このような可動梁42は、変位部41と可動部2との間に設けられた屈曲部421と、可動部側可動梁422と、変位部側可動梁423とを有している。可動部側可動梁422は、屈曲部421と可動部2とを連結し、変位部側可動梁423は、屈曲部421と変位部41とを連結している。
可動部側可動梁422および変位部側可動梁423は、それぞれ、X軸方向に延長する棒状をなしている。また、可動部側可動梁422および変位部側可動梁423は、同軸的に設けられている。
このような可動部側可動梁422および変位部側可動梁423は、屈曲部421を介して連結している。屈曲部421は、可動梁42が屈曲変形する際の節となる機能と、可動部側可動梁422の捩じり変形により発生するトルクを緩和(吸収)し、前記トルクが変位部側可動梁423に伝わるのを防止または抑制する機能とを有している。
非変形部4213は、Y軸方向に延長する棒状をなしている。このような非変形部4213は、光スキャナー1の駆動時に実質的に変形しない硬さに設定されている。これにより、非変形部4213の回動中心軸Y4を中心に可動梁42を屈曲させることができ、屈曲部421に節としての機能を確実に発揮させることができ、光スキャナー1を安定して駆動させることができる。
このような各接続部4214,4215は、X軸方向に延長する棒状をなしている。また、各接続部4214,4215は、Z軸方向に湾曲可能でかつその中心軸まわりに捩じり変形可能となっている。
以上、振動基板11の構成について具体的に説明した。
一方、前記「変形させない部位」には、可動部2、固定部13、変位部41,51,61,71、変位部側可動梁423,523,623,723および非変形部4213,5213,6213,7213が含まれる。
図1に示すように、変位手段8は、第1の変位手段81と、第2の変位手段82と、第3の変位手段83と、第4の変位手段84とを有している。
第1の変位手段81は、永久磁石811、コイル812が巻き付けられた駆動部810、および電源813を有している。第2の変位手段82は、永久磁石821、コイル822が巻き付けられた駆動部820、および電源823を有している。第3の変位手段83は、永久磁石831、コイル832が巻き付けられた駆動部830、および電源833を有している。第4の変位手段84は、永久磁石841、コイル842が巻き付けられた駆動部840、および電源843を有している。
このような構成によれば、変位手段8の構成が簡単となる。また、変位手段8を電磁駆動とすることにより、比較的大きな力を発生させることができ、可動部2をより確実に回動させることができる。また、各連結部4,5,6,7に1つの変位手段8(81,82,83,84)が設けられているため、各連結部4,5,6,7を独立して変形させることができる。そのため、可動部2を様々な態様で変位させることができる。
このような永久磁石811としては、特に限定されず、例えば、ネオジウム磁石、フェライト磁石、サマリウムコバルト磁石、アルニコ磁石、ボンド磁石などの、硬磁性体を着磁したものを好適に用いることができる。
次いで、光スキャナー1の作動について説明する。
上述のような構成の光スキャナー1では、可動部2を回動させるパターンと、可動部2を振動させるパターンと、可動部2を所定位置で静止させるパターンとを選択することができるようになっている。このように、光スキャナー1が種々のパターンで駆動することができるのは、各連結部4,5,6,7の可動梁42,52,62,72を屈曲変形させることにより得られる効果である。
以下、これら3つのパターンについて順次説明する。なお、以下では、説明の便宜上、永久磁石811,821,831,841が全てN極を上側にして配置された構成について代表して説明する。
<Y軸まわりの回動>
図5に基づいて、可動部2のY軸まわりの回動について説明する。なお、図5は、図1中A−A線断面図に対応する断面図である。
まず、コイル812の永久磁石811側がN極、コイル832の永久磁石831側がS極となる第1の状態と、コイル812の永久磁石811側がS極、コイル832の永久磁石831側がN極となる第2の状態とが交互にかつ周期的に切り替わるように、電源813,833からコイル812,832に交番電圧を印加する。電源813,833からコイル812,832に印加される交番電圧は、互いに同じ波形(強さおよび周波数が同じ)であるのが好ましい。
そして、変位部側可動梁423,623の可動部2側の端同士がZ軸方向にずれることによって、変形部4211,4212,6211,6212をその中心軸まわりに捩じり変形させるとともに各接続部4214,4215,6214,6215を湾曲変形させながら、可動部側可動梁422,622および可動部2が一体的に図5(a)中反時計回りに傾斜する。
なお、コイル812,832に印加する交番電圧の周波数としては特に限定されず、可動部2および連結部4,5,6,7で構成される振動基板11の共振周波数と等しくても異なっていてもよいが、前記共振周波数と異なっているのが好ましい。すなわち、光スキャナー1を非共振で駆動するのが好ましい。これにより、光スキャナー1のより安定した駆動が可能となる。
次いで、図6に基づいて、可動部2のX軸まわりの回動について説明する。なお、図6は、図1中B−B線断面図に対応する断面図である。
まず、コイル822の永久磁石821側がN極、コイル842の永久磁石841側がS極となる第1の状態と、コイル822の永久磁石821側がS極、コイル842の永久磁石841側がN極となる第2の状態とが交互にかつ周期的に切り替わるように、電源823,843からコイル822,842に交番電圧を印加する。電源823,843からコイル822,842に印加される交番電圧は、互いに同じ波形であるのが好ましい。
このような第1の状態と、第2の状態とを交互にかつ周期的に切り替えることによって、可動部2を回動中心軸X1まわりに回動させることができる。なお、可動部2の回動中心軸X1まわりの回動は、連結部4,6が有する可動部側可動梁422,622がその中心軸まわりに捩じり変形することにより許容される。
前述したようなX軸まわりの回動と、Y軸まわりの回動とを同時に行うことにより、可動部2を回動中心軸Y1および回動中心軸X1のそれぞれの軸まわりに2次元的に回動させることができる。前述したように、可動部2の回動中心軸Y1まわりの回動は、可動部側可動梁522,722がその中心軸まわりに捩じり変形することによって許容され、可動部2の回動中心軸X1まわりの回動は、可動部側可動梁422,622がその中心軸まわりに捩じり変形することにより許容される。
コイル812,822,832,842のS極引き付け強さがN極引き付け強さよりも大きい場合には、通常状態と比較して、図1中A−A断面から見た変位部41,51,61,71の可動部側の端部における回動の上死点および下死点(回動方向が切り替わる点)が下側に移動する。その結果、図7に示すように、可動部2の回動中心軸X1,Y1が通常状態に比べて下側に移動する。逆に、コイル812,822,832,842のS極引き付け強さがN極引き付け強さよりも弱い場合には、通常状態と比較して、図1中A−A断面から見た変位部41,51,61,71の可動部側の端部における回動の上死点および下死点がそれぞれ上側に移動するため、可動部2の回動中心軸X1,Y1が通常状態に比べて上側に移動する。
まず、コイル812,822,832,842の永久磁石811,821,831,841側がそれぞれN極となる第1の状態と、コイル812,822,832,842の永久磁石811,821,831,841側がそれぞれS極となる第2の状態とが、交互にかつ周期的に切り替わるように、電源813,823,833,843からコイル812,822,832,842に交番電圧を印加する。電源813,823,833,843からコイル812,822,832,842に印加される交番電圧は、互いに同じ波形であるのが好ましい。
なお、コイル812,822,832,842に印加する交番電圧の周波数としては特に限定されず、可動部2および連結部4,5,6,7で構成される振動基板11の共振周波数と等しくても異なっていてもよいが、前記共振周波数と等しいのが好ましい。すなわち、光スキャナー1を共振で駆動するのが好ましい。これにより、光スキャナー1のより安定した駆動が可能となる。
このような振動パターンでも、前述した回動パターンと同様に、コイル812,822,832,842に印加する交番電圧にオフセット電圧を重畳させることにより、自然状態からZ軸方向にシフトして可動部2を振動させることができる。
例えば、コイル812,822,832,842の永久磁石811,821,831,841側がそれぞれN極となる状態となるように電源813,823,833,843からコイル812,822,832,842に直流電圧を印加する。電源813,823,833,843からコイル812,822,832,842に印加される直流電圧は、互いに同じ強さであるのが好ましい。このような電圧をコイル812,822,832,842に印加すると図8(a)に示すような状態で可動部2が静止する。
このように、可動部2を自然状態とは異なる位置に維持することができる。このような駆動によれば、例えば光反射部22で反射した光の光路を自然状態のときに対してずらすことができるため、例えば、光スキャナー1を光スイッチとして利用するときに特に有効である。
以上、光スキャナー1の駆動について詳細に説明した。
また、光スキャナー1では、連結部4において、前述のように捩じり変形する可動部側可動梁422と変形させたくない変位部側可動梁423との間に屈曲部421を設けている。そのため、前述の捩じり変形により生じた応力は、屈曲部421の変形部4211,4212や接続部4214,4215が変形することにより吸収・緩和され、変位部側可動梁423に伝わらない。すなわち、屈曲部421を設けることにより、可動部2の回動中に変位部側可動梁423がその中心軸まわりに捩じり変形してしまうのを確実に防止することができる。このことは、連結部4以外の他の連結部5,6,7についても同様である。そのため、可動部2を回動中心軸Y1,X1のそれぞれの軸まわりにスムーズに回動させることができる。
このため、永久磁石811,821,831,841により駆動部810,820,830,840に発生させるトルクを高い状態にすることができる。トルクは磁界に比例し、コイルにより発生する磁界は電流に比例するので、同一のトルクを発生させることは、駆動部810,820,830,840が永久磁石811,821,831,841に近付けて配置されることにより、低い電流で可能となる。そして、消費電力Wは、W=I2×R(Wは消費電力、Iは電流、Rは抵抗を示す)であらわされるように、電流の2乗に比例するので、変位部41,51,61,71を駆動する駆動部810,820,830,840の消費電力を低くすることができ、消費電力化を実現する光スキャナー1を得ることができる。たとえば、駆動部810,820,830,840と永久磁石811,821,831,841との距離を、従来に比べて1/4にすると、同一トルクを発生させるために、従来比1/4の電流、および従来比1/16の消費電力で、光スキャナー1を安定して駆動させることができる。
図9(a)に示すように、変位部41の内枠部411は、可動梁42の延長方向へ開口している。すなわち、変位部41と可動梁42とが連結される面と反対側の面(コイル812が設けられる側)へ開口しているとも言える。
図9(b)に示すように、変位部41の内枠部411は、可動梁42の延長方向へ開口している。すなわち、変位部41と可動梁42とが連結される面と反対側の面(コイル812が設けられる側)へ開口しているとも言える。
第2実施形態のミラーチップ10について、図10を参照して説明する。
第2実施形態のミラーチップ10は、第1実施形態の光スキャナー1の振動基板11を備えた構成である。このため、同様の構成については、同一の符号を付与し、構成の説明を省略する。
そして、支持部3は、分離部14により固定部13と連結されている。本実施形態において、分離部14は支持部3と固定部13との間を部分的に連結している。すなわち、分離部14は、支持部3や固定部13に対して構造的な強度が弱く形成されている。このため、分離部14において支持部3と固定部13とを確実に分離することが可能である。分離部14は、支持部3や固定部13に対して構造的な強度が弱く構成されていればよく、上記の構成に限定されない。例えば、支持部3や固定部13の厚みによりも分離部14の厚みを小さく形成してもよい。
なお、支持部3は、固定部13の外側に形成され、分離部14を介して固定部13の間を接続していればよく、上記の形に限定されるものではない。
第3実施形態の光スキャナー1の製造方法について、図11〜図13を参照して説明する。
第3実施形態の光スキャナー1の製造方法は、第2実施形態のミラーチップ10を用いて、第1実施形態の光スキャナーを製造する方法である。このため同様の構成については、同一の符号を付与し、構成の説明を省略する。図11は第3実施形態にかかる光スキャナー1の製造方法を示すフローチャートである。図12および図13は、第3実施形態にかかる光スキャナー1の製造方法を示す概略工程図である。
図12(a)に示すように、ミラーチップ10を保持部材(図示省略)などにより保持し、基台12の枠部122と向き合わせる。
そして、図12(b)に示すように、ミラーチップ10の固定部13を、基台12の枠部122に配置する。そして、接着剤または陽極接合等の各種接合方法を用いて、固定部13を枠部122に固定する。これにより、ミラーチップ10は基台12に固定される。そして、基台12によって振動基板11が支持される。
図13(c)に示すように、保持治具91および分離治具92を矢印の方向に移動させ、保持治具91により固定部13を押し付け、分離治具92により支持部3および分離部14を押し付ける。ここで、分離部14は、保持治具91または分離治具92により押し付けられていてもよく、いずれにも押し付けられないとしてもよく、適宜選択することができる。また、保持治具91および分離治具92を矢印の方向に移動させるとしたが、これに限るものではなく、固定部13、つまり基台12を矢印の方向と逆の方向に移動させるとしてもよく、または保持治具91および分離治具92を矢印の方向に移動させるとともに、基台12を矢印の方向と逆の方向に移動させるとしてもよい。
引き続き、図13(d)に示すように、分離治具92を矢印の方向に移動させ、分離部14を破壊させて折り取ることで、基台12に固定されたミラーチップ10から、支持部3を分離する。これにより、振動基板11が基台12によって支持された光スキャナー1を得る(図2参照)。
第4実施形態の画像形成装置について、図14を参照して説明する。
第4実施形態の画像形成装置は、第1実施形態の光スキャナー1を備えている。このため、同様の構成および製造方法については、同一の符号を付与し、構成および製造方法などの説明を省略する。
Claims (7)
- 光反射面を有する光反射部材と、
前記光反射部材を備え、かつ回動中心軸まわりに回動可能な可動部と、
前記可動部から前記光反射面に沿って延在し、かつ前記可動部の平面視にて前記可動部の周方向に沿って90度間隔で設けられた4つの可動梁と、
前記可動梁に連結される変位部と、
前記変位部に連結される前記可動梁の延在方向と直交して前記光反射面の面方向に沿って前記変位部から延在する2つの駆動梁と、
前記駆動梁が連結される固定部と、
前記変位部に形成される内枠部と、
前記内枠部に固定される永久磁石と、
前記変位部を駆動する駆動部と、を備え、
前記固定部は、基部と、前記基部から前記光反射面に平行な面と交差する方向に突出して設けられる複数の保持部と、前記保持部に接合される複数の固定部位とから構成され、
前記2つの駆動梁は、前記光反射面の法線方向から見てそれぞれ異なる前記固定部位に連結され、
前記可動梁は、前記光反射面と垂直な方向に前記可動梁を屈曲変形させる屈曲部を有することを特徴とする光スキャナー。 - 請求項1に記載の光スキャナーにおいて、
前記内枠部は、当該内枠部を有する変位部に連結される前記可動梁の延在方向へ開口していることを特徴とする光スキャナー。 - 光反射面を有する光反射部材と、
前記光反射部材を備え、かつ回動中心軸まわりに回動可能な可動部と、
前記可動部から前記光反射面に沿って延在し、かつ前記可動部の平面視にて前記可動部の周方向に沿って90度間隔で設けられた4つの可動梁と、
前記可動梁に連結される変位部と、
前記変位部に連結される前記可動梁の延在方向と直交して前記光反射面の面方向に沿って前記変位部から延在する2つの駆動梁と、
前記駆動梁が連結される固定部位と、
前記変位部に形成される内枠部と、
前記内枠部に固定される永久磁石と、
前記可動部、前記可動梁、前記変位部、前記駆動梁、および前記固定部位を取り囲んで形成される支持部と、
前記固定部位と前記支持部とを切断可能に連結する分離部とを備え、
前記2つの駆動梁は、前記光反射面の法線方向から見てそれぞれ異なる前記固定部位に連結され、
前記可動梁は、前記光反射面と垂直な方向に前記可動梁を屈曲変形させる屈曲部を有することを特徴とするミラーチップ。 - 請求項3に記載のミラーチップにおいて、
前記分離部は、前記固定部位と前記支持部とが部分的に連結されていることを特徴とするミラーチップ。 - 請求項3または4に記載のミラーチップにおいて、
前記分離部は、前記固定部位および前記支持部の厚さよりも小さい厚さを有することを特徴とするミラーチップ。 - 光スキャナーの製造方法であって、
光反射面を有する光反射部材と、
前記光反射部材を備え、かつ回動中心軸まわりに回動可能な可動部と、
前記可動部から前記光反射面に沿って延在し、かつ前記可動部の平面視にて前記可動部の周方向に沿って90度間隔で設けられた4つの可動梁と、
前記可動梁に連結される変位部と、
前記変位部から前記可動梁に直交して前記光反射面の面方向に延長する2つの駆動梁と、
前記駆動梁が連結される固定部位と、
前記光反射部材、前記支持部材、前記可動部、前記可動梁、前記変位部、前記駆動梁、および前記固定部位を取り囲んで形成される支持部と、
前記固定部位と前記支持部とを切断可能に連結する分離部と、を含み、
前記可動梁は、前記光反射面と垂直な方向に前記可動梁を屈曲変形させる屈曲部を有するミラーチップを形成する工程と、
前記固定部位を基台に固定する固定工程と、
前記固定工程の後に、前記分離部において前記固定部位と前記支持部とを分離する分離工程と、を備えることを特徴とする光スキャナーの製造方法。 - 光源と、
前記光源からの光を走査する光スキャナーと、を備え、
前記光スキャナーは、
光反射面を有する光反射部材と、
前記光反射部材を備え、かつ回動中心軸まわりに回動可能な可動部と、
前記可動部から前記光反射面に沿って延在し、かつ前記可動部の平面視にて前記可動部の周方向に沿って90度間隔で設けられた4つの可動梁と、
前記可動梁に連結される変位部と、
前記変位部に連結される前記可動梁の延在方向と直交して前記光反射面の面方向に沿って前記変位部から延在する2つの駆動梁と、
前記駆動梁が連結される固定部と、
前記変位部に形成される内枠部と、
前記内枠部に固定される永久磁石と、
前記変位部を駆動する駆動部と、を備え、
前記固定部は、基部と、前記基部から前記光反射面に平行な面と交差する方向に突出して設けられる複数の保持部と、前記保持部に接合される複数の固定部位とから構成され、
前記2つの駆動梁は、前記光反射面の法線方向から見てそれぞれ異なる前記固定部位に連結され、
前記可動梁は、前記光反射面と垂直な方向に前記可動梁を屈曲変形させる屈曲部を有することを特徴とする画像形成装置。
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