JP6123290B2 - 圧電アクチュエータ装置、2次元走査装置、画像形成装置、及び画像投影装置 - Google Patents
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Description
特許文献1に記載の発明は、光偏向器及びその製造方法に関するものであり、具体的には、光偏向器は、反射面を有するミラー部と、ミラー部を駆動する少なくとも1つの圧電アクチュエータとを備えて構成される。圧電アクチュエータは、支持体上に形成された圧電体を有し圧電駆動により屈曲変形を行う複数の圧電カンチレバーを含む。これと共に、複数の圧電カンチレバーの圧電体にそれぞれ駆動信号の電圧を印加するための複数の電極を独立に備える。複数の圧電カンチレバーは、各々の屈曲変形を累積するように端部が機械的に連結され、駆動電圧の印加により各圧電カンチレバーが独立に屈曲変形される。
特許文献3に記載の発明は、光偏向器用アクチュエータ装置に関するものであり、具体的には、支持体に支持された圧電アクチュエータが、光源からの光を偏向する光偏向器を搭載する台座を並進振幅させることにより、光偏向器による反射光に微小な光路差を付与するものである。
特許文献2に記載の発明は、電圧を印加する向きが同じでも反りが発生する方向が異なる圧電膜を梁部に設ける構成である。しかし、SOI基板に予め、圧電膜、上下の電極層を形成し、半導体プロセスのエッチングにより梁部に圧電部材を構成する場合、部分的に電圧を印加する方向が同じでも反る方向が異なる圧電膜を形成するのは困難である。尚、SOIはSilicon On Insulating substrateの略である。
特許文献3に記載の発明は、スペックルノイズ低減のために、支持構造ミラー部を回動させると同時に併進させるために、蛇行状梁部で反射面を支持する。アクチュエータしての駆動手段や配線についての発明ではない。
弾性係数の大きいシリコンウエハーからなる構造部を、限られたスペースで、可動部材を保持するバネ系のバネ剛性を小さくするために、図1〜4に示すように、枠部材内に可動部材を支持する梁部を蛇行状に形成する提案がなされている。
図1〜図4において、12−1〜12−4は、枠部材である。枠部材12−1〜12−4内には可動部材14−1〜14−4が蛇行状梁部13−1a、13−1b〜13−4a、13−4bにより両側から支持されている。
図5に示す圧電アクチュエータ装置11−4は、矩形パルス波形のように折り返された蛇行状梁部13−4a、13−4bに圧電部材15−4a、15−4bを配置し、蛇行状梁部13−4a、13−4bに反りを発生させるようになっている。
図6に示すように、各々の反りによる圧電アクチュエータ装置11−4の変形が累積するようにして、可動部材14−4に大きな傾け角を得られるように構成している。
圧電アクチュエータ装置11−4の蛇行状梁部13−4a、13−4bに各々の反りによる変形が累積する必要がある。このため、後述する図7に示すように圧電部材15−4a、15−4bの一方の死点側としての奇数番目と、圧電部材15−4a、15−4bの他方の死点側としての偶数番目とでそれぞれ異なる変位を発生させる必要がある。そのため、特許文献2に記載の発明のように、駆動信号を印加する方向が同じでも反る方向が異なる圧電部材を蛇行状梁部13−4a、13−4bに設ける構成が考えられる。
蛇行状梁部13−4a、13−4bの厚み方向に駆動信号を印加すると、一つおきに、異なる向きに反りが発生するので、上部電極に接続する配線及び下部電極に接続する配線のそれぞれ一箇所に配線するだけでよく、配線に関しては理想的である。
圧電アクチュエータへの駆動信号を印加する方向が同じであって、変形が異なるように構成するには、2種類の圧電部材としての圧電膜層を別々に作り、支持体となるシリコン基板などに貼り合わせることが挙げられる。
次に、例えば、図7に示した圧電アクチュエータ11−4のA、Bに、図8に示すような正弦波電圧からなる駆動信号を印加する場合、位相を180度ずらした駆動信号を印加することが挙げられる。また、図9に示すようなタイミングをずらした鋸波からなる駆動信号を印加したりすることが挙げられる。
そのため、それぞれの圧電部材15−4a、15−4bに独立した駆動信号を印加できるようにする必要があるので、隣接する圧電部材15−4a、15−4bを一つおきに結ぶための配線パターンを形成することが必要となる。
図7は、図5に示した圧電アクチュエータ装置の平面図である。図8は、図7に示した圧電アクチュエータ装置に印加される駆動信号の波形の一例である。図9は、図7に示した圧電アクチュエータ装置に印加される駆動信号の波形の他の一例である。
<実施形態1>
実施形態1について説明する。
図5に示す蛇行状梁部13−4a、13−4bに圧電部材15−4a、15−4bを設ける。これとともに、図7に示す各圧電部材15−4a、15−4bに対し、一つおきに分けて、異なる駆動信号を印加するように各圧電部材15−4a、15−4bに配線をする必要がある。
図7のA、Bそれぞれに全く個別の配線を行うと、Aに2本の配線、Bに2本の配線の合計4本の配線が必要となり、配線の引き回しが複雑になる。
図10は、圧電アクチュエータ装置から絶縁膜を除いて、蛇行状梁部のシリコン101、下部電極104、圧電部材103、上部電極102、導電線パターン110の配置を示したものである。
共通グラウンドとなる上部電極102は、下部電極104よりも外側に張り出してはならないので、折り返し箇所で、スルーホール105を介して、導電線パターン110で接続される。
下部電極104は、圧電部材103に一つおきに異なる駆動信号を印加できるように、すなわち、AとBとに異なる駆動信号を印加できるように、一つおきに接続される。そのため、導電線パターン110で、絶縁膜に覆われた、圧電部材103と互い違いに跨、それぞれの接続箇所でスルーホール105を介して、下部電極104に接続する。
下部電極104はそれぞれ独立に、圧電部材103を一つおきに、つまり図7中のA、Bに駆動信号を与えられるようにして、上部電極102側を共通グラウンドにして絶縁膜を挟んで、その上に、導電線パターン110を配置する。グラウンド層を挟んで、導電線パターン110が配置されるので、クロストークノイズが混信しにくくなる。
図1〜図4に示した蛇行状梁部に駆動用の圧電部材だけでなく、駆動の状況をモニターするための検出手段として、検出用の圧電部材を駆動用圧電部材と並列して配置する。
図13(a)は、圧電アクチュエータ装置の平面図であり、図13(b)は、図13(a)の蛇行状梁部の領域Cの拡大図である。
図13(a)に示すように圧電アクチュエータ装置の圧電部材の長手方向が水平となるように配置した場合に、圧電部材を設けた蛇行状梁部のうち奇数番目の梁部は、駆動用の圧電部材202が上側になり、検出用の圧電部材201が下側になる。偶数番目の梁部では駆動用の圧電部材202が下側となり、検出用の圧電部材201が上側となるように配置する。
駆動用の圧電部材202と検出用の圧電部材201の短手方向の位置関係は、蛇行状梁部が、回動軸方向としてのX軸方向の偶数番目と奇数番目とで異なる。
圧電部材201、202をこのように配置することにより、図13(b)の蛇行状梁部の右側の折り返し部では、外側で駆動用の圧電部材への配線を接続し、内側で検出用の圧電部材への配線を接続する。また左側では、外側で検出用の圧電部材の配線がなされ、内側で検出用の圧電部材の配線がなされる。
回動軸方向、すなわち図13では縦方向に駆動用の圧電部材と検出用の圧電部材の位置が入れ替わることにより、折り返し部分で検出用の配線と駆動用の配線とを交差させることがなくなるので、配線をシンプルにすることができる。
駆動用の圧電部材に並行して、蛇行状梁部の検出用の圧電部材を設ける。圧電効果を利用し、蛇行状梁部が変形するのに伴って、圧電部材が変形することで、電荷が発生するので、その電荷をモニターすることによって、蛇行状梁部の反り量、可動部材の傾き角等を算出する。
検出パターンは、駆動用の圧電部材の配線に並行して、形成され、それぞれの圧電部材で発生する変位に応じて、検出用の圧電部材が変形させられるので、圧電効果によって電荷が発生する。それぞれの蛇行状梁部の圧電部材によって生じる変位量の合計を検出することが可能となる。
図12は、圧電アクチュエータ装置の部分拡大図である。
配線は図12に示すように下部電極104を共通グラウンドとする。下部電極104は、蛇行状梁部にあわせて蛇行したパターンとなる。圧電部材112は、蛇行状梁部の折り返し部分で途切れるように、下部電極104の上に形成される。
駆動用の圧電部材112では、高電圧の駆動信号が印加されるので、上部電極102側を共通グラウンドにし、上部電極102の上に配線する導電線パターン110にクロストークの影響が及びにくくした。
しかし、検出用の圧電部材には大きな電圧が発生しないので、より配線しやすくなるように、下部電極104側を共通グラウンドにする構成とする。駆動側と検出側とで共通グラウンドとなる電極が異なっても作製上の支障はない。
画像形成装置の振動ミラーとして、前述の圧電アクチュエータ装置を搭載する。
図23は、画像形成装置の概略構成図である。
この画像形成装置は、枠部材と、反射部材を有する可動部材と、蛇行状に形成された圧電部材の各折り返し部に電極が設けられ、枠部材内に可動部材を両側から回動自在に支持する蛇行状梁部と、を備えている。この画像形成装置は、圧電部材の蛇行の下部電極は一つおきに接続して駆動信号を印加する電極とし、上部電極は全てを接続してグラウンドとしている。この画像形成層値は、電極に駆動信号を印加することによって反射部材の傾き角度を変える圧電アクチュエータ装置によって光線を走査し、感光体ドラム表面に像を結像させる装置である。
光源部820は、記録信号によって変調された1本又は複数本のレーザビームを発する。
結像光学系822は、振動ミラー821のミラー基板のミラー面に光源部820からのレーザビームを結像させる。
走査光学系823は、ミラー面で反射された1本又は複数本のレーザビームを感光体ドラム802の表面、すなわち被走査面に結像させる。
本実施形態に係る振動ミラー821は、前述のようにミラー基板の変形が少なくビーム形状が安定しているため、安定したビームスポット径での書き込みが可能である他、回動多面鏡に比べ駆動のための消費電力が小さい。このため、画像形成装置の高画質化、省電力化に有利である。
振動ミラー821の振動時の風切り音は回動多面鏡に比べ小さいため、画像形成装置の静粛性の改善に有利である。振動ミラー821は回動多面鏡に比べ設置スペースが圧倒的に少なくて済む。また、振動ミラー821の発熱量もわずかであるため、光書込装置801の小型化が容易であり、したがって画像形成装置の小型化に有利である。また、振動ミラー821は高速の往復走査が可能であるため、画像記録速度の高速化が可能である。
尚、記録紙808の搬送機構、感光体ドラム802の駆動機構、現像部805、転写部806等の制御手段、光源部820の駆動系等は、一般的な画像形成装置と同様でよいため、図中では省略されている。
図14〜図17は、2次元光走査装置の平面図である。図23は、圧電アクチュエータ装置の2軸構成例である。
2次元光走査装置は、複数方向に反射面の傾きを発生させる装置である。この装置は、枠部材と、反射部材を有する可動部材と、蛇行状に形成された圧電部材の各折り返し部に電極が設けられ、枠部材内に可動部材を両側から回動自在に支持する蛇行状梁部と、を備えている。圧電部材の蛇行の下部電極は一つおきに接続して駆動信号を印加する電極とし、上部電極は全てを接続してグラウンドとし、電極に駆動信号を印加する。これにより反射部材の傾き角度を変える圧電アクチュエータ装置を、少なくとも一方向の軸周りの回動部に入れ子状に配置して、反射部材を回動振動可能としたものである。
少なくとも一方の駆動手段として、蛇行状梁部13−5a、13−5bに圧電部材15−5a、15−5bを配置し、圧電部材15−5a、15−5bによって発生する反りによって、可動部材としての枠部材12−5bを回動振幅させる方式を採用する。例えば、図14に示す圧電アクチュエータ装置11−5の可動部材14−5は、枠部材(内枠部とも言う)12−5b内でY軸周りに駆動され、枠部材12−5bに連結された、圧電層カンチレバー18−1a、18−1bで、反射部材としてのミラー部18−1を支持するトーションに回動を与え、共振を利用して高速に回動振幅する。尚、17−1a、17−1b、17−1c、17−1dは、圧電部材である。
図16において、13−7a、13−7bは蛇行状梁部であり、15−7a、15−7bは圧電部材であり、12−7a、12−7bは枠部材である。
これらにより、X軸方向周りとY軸方向周りとで、大きな速度差が得られるので、走査された光線で、光線によるラスター描画の作成を可能とする。
図22は、図17に示した圧電アクチュエータ装置11−8に、配線及びコネクタ20を表示した図であり、図17と同様の構成である。
蛇行状梁部に設けられたそれぞれの圧電部材により光が走査される方向とは、異なる方向に、光を走査させるために、蛇行状梁部の内側に設けた駆動部としての圧電部材に電力を供給するための配線が必要となる。このときに、圧電部材の上部電極を覆う絶縁膜の上に、外側のアクチュエータの圧電部材を一つおきに接続するための配線だけではなく、内側のアクチュエータの配線パターンを配置する。
この実施形態は、駆動用の圧電部材の上に内側アクチュエータへの配線203を2本配置した場合の構成例である。両側から蛇行状梁部で、内側アクチュエータ部を支持する場合には、反対側からも同様に2本の配線を用意できる。内側のアクチュエータが、図17のように構成されている場合に、駆動用に1対の配線とし、検出用に1対の配線とすることもできる。
図19に示すように、蛇行状梁部で内側可動部材に最も近い圧電部材では、次の圧電部材に接続するための配線パターンが不要になる。そのため、空いたスペースを使って内側駆動部に接続する配線を太くし、配線部の電気抵抗を小さくすることができる。
図19は、圧電アクチュエータ装置における内側可動部材へ、片側の蛇行状梁部から、内側可動部材へ2本の導電線を配置する場合の一例である。内側可動部材への配線幅は途中の梁部ではaであるが、最後の内側可動部材の近くではb(a<b)に広げることができる。尚、204は内側アクチュエータの枠部材である。
図20は、投影装置の一例を示す図である。
例えば図20に示すように、主走査方向は、共振特性を利用するように、共振周波数で駆動する。副走査方向は、主走査方向よりも低速で駆動する必要があるので、中枠部を蛇行状のバネ部で保持し、振幅駆動させるようになっている。
投影装置に、前述の光走査装置を搭載し、2次元的にビームを走査して投射面としてのスクリーン4に画像を表示することができる。
画像投影装置は、図21に示すように、赤色光源装置1Rと、緑色光源1Gと、青色光源装置1Bと、ダイクロイックプリズム2と、光走査装置3とを備え、投射面(スクリーン)4に投影する。
赤色光源装置1Rは赤色のレーザー光を射出し、緑色光源1Gは緑色のレーザー光を射出し、青色光源装置1Bは青色のレーザー光を射出する。光走査装置3はダイクロイックプリズム2から射出されたレーザー光を走査する。
投影装置は投射面を一体とする構成であっても良い。
赤色光源装置1Rは、中心波長が630nm前後である半導体レーザー(LD)であり、青色光源装置1Bは、中心波長が430nm前後である半導体レーザー(LD)である。緑色光源装置1Gは、中心波長が540nm前後である緑色のレーザー光を出射する。
また、光走査装置3は、2軸周りに回動できる構造を備えており、入射したレーザー光を投影面としてのスクリーン4に反射させるものである。
これらにより、光走査装置のミラー部投影面内で2方向に振動運動が可能となる。スクリーン4の水平方向及び垂直方向にレーザー光を走査することが可能となり、投影位置に応じて、各色の光源1R、1B、1Gの発光量を調整することで、所望の画像を表示することができる。
図21に示すように赤、緑、青で光路を1つにしない構成であってもよい。
カラー画像を投影する例を述べたが、白黒の場合は、白色だけで、投影像を形成する場合にも適応可能である。
本実施形態の一つによれば、共通グラウンドを上部電極側とするので、上部電極の上の配線には、圧電部材に印加する駆動信号の電圧によって生じるクロストークの影響を小さくすることができる。
1B 青色光源
1G 緑色光源
2 ダイクロイックプリズム
3 光走査装置
4 投射面(スクリーン)
11−1〜11−9 圧電アクチュエータ装置
12−1〜12−9 枠部材
13−1a、13−1b〜13−8a、13−8b 蛇行状梁部
14−1〜14−9 可動部材
15−1a、15−1b〜15−9a、15−9b、103 圧電部材(駆動手段)
101 シリコン
102 上部電極
103 圧電膜
104 下部電極
105 スルーホール
106 導電線
110 導電線パターン
112 絶縁膜
201 検出用の圧電部材
202 駆動用の圧電部材
801 光書込装置
802 感光体ドラム(像担持体)
803 回動方向矢印
804 帯電部
805 現像部
806 転写部
807 定着部
808 記録紙
809 クリーニング部
820 光源部
821 振動ミラー
822 結像光学系
823 走査光学系
824 集積回路
825 回路基板
Claims (10)
- 枠部材と、
反射部材を有する可動部材と、
複数の梁部が蛇行状に連続して形成され、前記枠部材に対して前記可動部材を支持する蛇行状梁部材と、
前記複数の梁部にそれぞれ設けられた圧電部材と、
を備え、
前記圧電部材は、駆動信号印加により変形する圧電膜と、該圧電膜と前記梁部の間に設けられた下部電極と、該圧電膜の上に設けられた上部電極とを有し、
前記下部電極は、前記蛇行状梁部材の1つおきの梁部の下部電極に電気的に接続され、
前記上部電極は、前記蛇行状梁部材の隣接する梁部の上部電極に電気的に接続されることを特徴とする圧電アクチュエータ装置。 - 前記上部電極は、共通電極であることを特徴とする請求項1に記載の圧電アクチュエータ装置。
- 駆動信号の印加によって前記蛇行状梁部に反りを発生させる駆動用の圧電部材に並列して前記蛇行状梁部に配置され、前記蛇行状梁部の変位によって発生する電荷により、前記蛇行状梁部の反り量、前記反射部材の傾き角度を検出する検出用の圧電部材を備え、
前記駆動用の圧電部材と前記検出用の圧電部材の短手方向の位置関係は、回動軸方向の前記蛇行状梁部の偶数番目と奇数番目とで異なることを特徴とする請求項1または2に記載の圧電アクチュエータ装置。 - 前記検出用の圧電部材はそれぞれ、圧電膜の上面に設けた上部電極と、該圧電膜と前記蛇行状梁部材との間に設けた下部電極とを有し、前記複数の検出用の圧電部材の少なくとも1つは、前記上部電極層の上に設けた絶縁膜と、該絶縁膜の上に設けた導電体とを有し、該検出用の圧電部材の上部電極層同士を接続したことを特徴とする請求項3記載の圧電アクチュエータ装置。
- 複数のアクチュエータによって複数方向に反射面の傾きを発生させる2次元光走査装置であって、
前記複数のアクチュエータの少なくとも1つは、複数の梁部が蛇行状に連続して形成される蛇行状梁部材と、前記複数の梁部にそれぞれ設けられた圧電部材と、
を有し、
前記圧電部材は、駆動信号印加により変形する圧電膜と、該圧電膜と前記梁部の間に設けられた下部電極と、該圧電膜の上に設けられた上部電極とを有し、前記下部電極は、前記蛇行状梁部材の1つおきの梁部の下部電極に接続され、前記上部電極は、前記蛇行状梁部材の隣接する梁部の上部電極に接続されることを特徴とする2次元走査装置。 - 前記上部電極は、共通電極であることを特徴とする請求項5に記載の圧電アクチュエータ装置。
- 駆動信号の印加によって前記蛇行状梁部に反りを発生させる駆動用の圧電部材に並列して配置され、前記蛇行状梁部の変位によって発生する電荷により、前記蛇行状梁部の反り量及び前記反射部材の傾き角度を検出する検出用の圧電部材を設け、
前記蛇行状梁部は、前記反射面を所定の回転軸で回動可能に支持し、
前記駆動用の圧電部材と前記検出用の圧電部材との短手方向の位置関係は、前記蛇行状梁部が、前記所定の回動軸と平行な方向の偶数番目と奇数番目とで異なることを特徴とする請求項5または6に記載の2次元走査装置。 - 前記検出用の圧電部材はそれぞれ、圧電膜の上面に設けた上部電極層と、前記圧電膜と前記蛇行状梁部材との間に設けた下部電極層とを有し、前記複数の検出用の圧電部材の少なくとも1つは、前記上部電極層の上に設けた絶縁膜と、該絶縁膜の上に設けた導電体とを有し、該検出用の圧電部材の上部電極層同士を接続したことを特徴とする請求項7記載の2次元走査装置。
- 請求項1から4の何れか一項に記載の圧電アクチュエータ装置と、
光を投射する光源と、
感光体が表面に設けられた感光体ドラムと、を備え、
前記光源からの光を前記圧電アクチュエータ装置により偏向し、前記感光体ドラム表面を光走査することを特徴とする画像形成装置。 - 投影面に画像を投影する画像投影装置であって、
請求項5から8の何れか一項に記載の2次元走査装置と、
光を投射する光源と、
を備え、
前記光源からの光を前記2次元走査装置により前記投影面を光走査することで画像を投影することを特徴とする画像投影装置。
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