JP6301184B2 - 振動素子、光走査装置、画像形成装置、画像投影装置および光学パターン読み取り装置 - Google Patents

Description

本発明は、光の走査などに用いられる振動素子およびそれを用いた光走査装置、画像形成装置、画像投影装置および光学パターン読み取り装置に関する。

近年、ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）タイプの振動素子が実用化され、レーザービームプリンターやレーザープロジェクターなどに応用されている。振動素子は、ミラーをトーションバー（捻り梁）で支持するように構成された振動子を有しており、ミラーの慣性モーメントと捻り梁のばね定数で決まる共振周波数の近傍の駆動周波数で駆動される。このような振動素子を用いた光走査装置では、レーザー光のビームウエストが走査角に依らずに所定の投射面上に位置するように、走査角に応じて焦点距離を補正するアークサインレンズなどの光学系が必要となる。

焦点距離の補正は可変焦点ミラーによっても実現できる。特許文献１によれば、光走査装置の光学系に可変焦点ミラーを配置してビームウエストの走査位置を変更できる光学的情報読み取り装置が提案されている。

特開平０７−１２１６４５号公報

アークサインレンズなどの光学系に代えて可変焦点ミラーを配置すれば、焦点距離の補正に係わる光学部品を簡素化できるであろう。しかし、単純に可変焦点ミラーを配置したのでは光走査装置が大型化してしまう。

光走査装置の小型化のためには走査ミラーと可変焦点ミラーを一体化することが考えられる。つまり、振動素子の捻り梁で支持されたミラー自体を焦点可変ミラーとするのである。しかしこれには次のような課題がある。

捻り梁で支持されたミラーを焦点可変ミラーとするには、ミラーを変形させるために圧電素子などの駆動源をミラー部材の背面や周囲に配置する必要がある。さらに、圧電素子を駆動するためには振動素子の外部から駆動源に電力を供給するための配線が必要となる。しかし、ワイヤーを用いた配線などではミラーの高速振動により断線や結合部の剥離の問題が生じる。一方で、捻り梁に導電層を形成することで配線を実現することも考えられる。しかし、捻り梁には振動時に最大応力が加わるため、とりわけ捻り梁の単位長さ当りの捻り角が大きい用途では導電層の膜剥がれが生じうる。広い走査角が必要な場合は捻り梁を長くする必要があり、振動素子の小型化が必要な場合には走査角を狭くする必要がある。つまり、広角走査と小型化を両立できないという課題がある。また、表面に配線層が形成された捻り梁では、最も変形量の大きい表面に内部摩擦の大きい層があることによって振動のＱ値が低下したり、膜応力による捻り梁の変形で異常振動が発生したりする可能性がある。Ｑ値の低下は消費電力の増大や走査角の低下を招く。異常振動は光の走査速度の変動や焦点の副走査方向への変動などを招き、たとえ可変ミラーの曲率を圧電素子により精密に制御したとしても、走査光のビームウエストを投射面上の所定の位置に正確に形成することができない。

ところで、可変焦点ミラーの駆動源として圧電素子が用いられる場合、圧電素子の両面に電極が設けられ、これらの電極間に電圧が印加されてミラーの焦点が変化する。これらの電極には電圧を印加するための配線を接続しなければならないが、この配線の接続箇所が問題となる。すなわち、配線との接続箇所の曲率変化量が接続箇所の周囲の曲率変化量と異なってしまうため、反射ビームに歪みをもたらす。

そこで、本発明は、断線などの不良が生じ難く、信頼性の高い曲率可変機構を有する振動素子を提供することを目的とする。さらに、本発明は、反射ビームに歪みが生じにくい曲率可変機構を有する振動素子を提供する。

本発明は、たとえば、
第１電極が形成された第１面と第２電極および第３電極が形成された第２面とを有する圧電材と、
前記第２電極に結合した第１の導電性部と、
前記第１の導電性部に結合した導電性の第１の捻り梁と、
前記第３電極に結合した第２の導電性部と、
前記第２の導電性部に結合した導電性の第２の捻り梁と、
前記圧電材とともに前記第１の導電性部および前記第２の導電性部を挟持するように当該圧電材に対して固定され、当該圧電材の変形に伴って曲率が変化するミラー部材とを有する
ことを特徴とする振動素子を提供する。

本発明によれば、２本の捻り梁自体を導電性材料により形成することで、断線などの不良が生じ難く、かつ、信頼性の高い曲率可変機構を有する振動素子が提供される。さらに、振動素子の片面側にミラー部材、第１の導電性部材および第２の導電性部材が配置されるため、理想的なユニモルフ構造が実現され、反射ビームに歪みが生じにくくなる。

振動素子の一例を示す斜視図である。 振動素子の構成部品の一例を示す構成図である。 振動素子の一例を示す断面図である。 振動素子の一例示す斜視図および構成図である。 振動素子の一例を示す斜視図および構成図である。 振動素子の一例の変形状態を示す斜視図である。 振動素子の一例を示す斜視図および構成図である。 振動素子の一例を示す斜視図および構成図である。 光走査装置の動作を説明する平面図である。 光走査装置の駆動信号を示すグラフ図である。 光走査装置の動作を説明する平面図である。 光走査装置の動作を説明するグラフ図である。 光走査装置の動作を説明するグラフ図である。 画像形成装置の一例を示す平面図である。 画像投影装置の一例を示す平面図である。 光学パターン読み取り装置の一例を示す平面図である。

［光走査装置］
図１Ａは光走査装置１を例示している。図１Ｂは振動素子１１の構成を例示している。図１Ｃは振動部２１の断面を例示している。振動素子１１は、振動部２１とそれを揺動（回転振動）可能に支持する導電性を有する第１の捻り梁１０１と第２の捻り梁１０２とを有している。振動部２１は、導電性部材、圧電材、ミラー部材および磁石を有している。この例の振動部２１は平板状の第１の導電性部材２０１、平板状の第２の導電性部材２０２、それらによって挟持される圧電材４０１、第１の導電性部材２０１および第２の導電性部材２０２に取り付けられたミラー部材３０１、圧電材４０１に取り付けられた磁石６０１を有している。第１の捻り梁１０１および第２の捻り梁１０２の各端部（基端部）は不図示の筐体に固定される。第１の捻り梁１０１および第２の捻り梁１０２の他方の各端部（先端部）はそれぞれ第１の導電性部材２０１と第２の導電性部材２０２とに結合、接合、接続または固定されている。第１の捻り梁１０１および第２の捻り梁１０２の捻り変形によって振動部２１のミラー部材３０１の反射方向が変化し、光走査が行われる。振動部２１の近傍には磁界発生部７００が配置され、駆動回路８０１からの駆動信号に基づいて発生した交番磁界により磁石６０１に回転トルクが生じ、振動部２１に回転振動が励起される。第１の捻り梁１０１および第２の捻り梁１０２は第１の導電性部材２０１および第２の導電性部材２０２にそれぞれ配線等を介さずに電気的に接続されている。圧電材４０１の第１面には第１電極５０１が形成されている。圧電材４０１の第２面には第２電極５０２および第３電極５０３が形成されている。第２電極５０２に対して第１の導電性部材２０１が結合している。第３電極５０３に対して第２の導電性部材２０２が結合している。

振動素子１１の回動軸に対して、第１の捻り梁１０１の長手方向に延びる中心線と、第２の捻り梁１０２の長手方向に延びる中心線とが一致するように、第１の導電性部材２０１に第１の捻り梁１０１が結合され、かつ、第２の導電性部材２０２に第２の捻り梁１０２が結合部されている。第１の捻り梁１０１および第２の捻り梁１０２はそれぞれ電力を供給する駆動回路８０２に接続されている。

図１Ｃが示すように圧電材４０１において、第１電極５０１と第２電極５０２との間に生じる分極Ｐの方向と第１電極５０１と第３電極５０３との間に生じる分極Ｐの方向は反対方向である。これは製造時に１つの電極を分割して第２電極５０２および第３電極５０３を形成し、第２電極５０２および第３電極５０３間に圧電材４０１の抗電界以上の電界を印加することで実現される。駆動回路８０２は、第１の捻り梁１０１および第２の捻り梁１０２に駆動信号を印加する。印加された駆動信号により第２電極５０２と第１電極５０１との間に分極Ｐと同じ方向の電界Ｅが生じる。同様に、第３電極５０３と第１電極５０１との間に分極Ｐと同じ方向の電界Ｅが生じる。これにより圧電材４０１では第２電極５０２と第３電極５０３とに対応した部分でそれぞれ同じ伸縮変形が生じる。この伸縮変形に応じてミラー部材３０１の曲率が変化する。

このように圧電材４０１とミラー部材３０１を有する振動部２１は曲率可変ミラーとして機能する。駆動回路８０２からの駆動信号の大きさによってミラー部材３０１の曲率が制御され、走査光の焦点位置が補正される。これにより、ビームウエストの位置が照射対象位置に合致するようになる。

［振動素子］
図１Ａおよび図１Ａには示した振動素子１１では、第１の捻り梁１０１と第２の捻り梁１０２とがそれぞれ圧電材４０１およびミラー部材３０１のそれぞれ異なる側に存在することで圧電材４０１およびミラー部材３０１を両持ち支持している。つまり、第１の捻り梁１０１と第２の捻り梁１０２とがそれぞれ振動素子１１の回転軸に沿ってそれぞれ異なる方向に延び、圧電材４０１およびミラー部材を両持ち支持している。また、第２電極５０２および第３電極５０３は振動素子１１の回転軸に沿って並んで配置されている。つまり、第２電極５０２および第３電極５０３は、１つの電極を回転軸と直交する方向に沿って分割されている。なお、第１の導電性部材２０１と第２の導電性部材２０２についても第２電極５０２および第３電極５０３と同様の位置関係が採用されている。しかし、このような構成は一例にしかすぎない。図２ないし図７を用いて振動素子１１の他の実施形態について説明する。

図２（ａ）および図２（ｂ）が示す振動素子１２では、第１の導電性部材２０１と第２の導電性部材２０２が回転軸に対して対称に分割されている。同様に、第２電極５０２および第３電極５０３も回転軸に対して対称に分割されている。つまり、第１の導電性部材２０１と第２の導電性部材２０２が回転軸と直交する方向に沿って並んで配置されている。同様に、第２電極５０２および第３電極５０３は振動素子の回転軸と直交する方向に沿って並んで配置されている。なお、第２電極５０２および第３電極５０３の分割に合わせて、圧電材４０１のうち第２電極５０２に対応した領域の分極の方向と、圧電材４０１のうち第３電極５０３に対応した領域の分極の方向とが逆方向である。

さらに、振動素子１１の回動軸に対して、第１の捻り梁１０１の長手方向に延びる中心線と、第２の捻り梁１０２の長手方向に延びる中心線とが一致するように、第１の導電性部材２０１に対する第１の捻り梁１０１の結合部と、第２の導電性部材２０２に対する第２の捻り梁１０２の結合部とにはそれぞれ曲げ加工が施されている。

図３（ａ）および図３（ｂ）に示した振動素子１３では第１の捻り梁１０１および第２の捻り梁１０２が平行に配置された構成（いわゆる片持ち支持）の振動素子１３を例示している。第１の捻り梁１０１および第２の捻り梁１０２の端部はともに筐体に固定され、振動素子１３の回転振動の中心軸（回動軸）は第１の捻り梁１０１および第２の捻り梁１０２の中間となる。

図３に示すような片持ち支持構造では、捻り梁の撓み剛性が低すぎると、図３に示した座標軸のｙ方向にミラー部材３０１が首を振る撓みモードの共振周波数が低くなる。そのため、振動部２１の振動状態は外部からの衝撃などで回転振動モードに撓み振動モードが加わった振動状態になり、走査線が副走査方向（ｚ方向）に変動する場合がある。

図３に示すようにｙ方向に第１の捻り梁１０１および第２の捻り梁１０２を並べた構成では撓み剛性が増加するため、撓み振動の共振周波数が高くなる。つまり、外部から衝撃が加わっても変動し難くなり、また、変動しても短時間で変動を減衰させることができる。

図４（ａ）および図４（ｂ）に示した振動素子１４は、片持ち支持構造の振動素子１３に第３の捻り梁１０３および第４の捻り梁１０４を追加した両持ち支持構造の振動素子である。このように振動素子１４で第１の導電性部材２０１および第２の導電性部材２０２の両側に捻り梁が配置されている。第１の捻り梁１０１と第３の捻り梁１０３はそれぞれ反対側から第１の導電性部材２０１に結合されている。同様に、第２の捻り梁１０２と第４の捻り梁１０４はそれぞれ反対側から第２の導電性部材２０２に結合されている。第１の捻り梁１０１の長手方向の中心線と第３の捻り梁１０３の長手方向の中心線は一致している。同様に、第２の捻り梁１０２の長手方向の中心線と第４の捻り梁１０４の長手方向の中心線は一致している。図３や図４では第１の捻り梁１０１と第２の捻り梁１０２との間には絶縁のための空間が存在する。第３の捻り梁１０３と第４の捻り梁１０４との間には絶縁のための空間が存在する。第１の捻り梁１０１、第２の捻り梁１０２、第３の捻り梁１０３および第４の捻り梁１０４にも曲げ加工が採用されてもよい。

図４に示した振動素子１４の構造は両持ち支持構造の一種であり、図３に示した片持ち支持構造に比べて全体のサイズは大きくなるが、より撓み剛性が高くなり、走査線の副走査方向への変動を抑えることができる。

図５（ａ）および図５（ｂ）は振動素子１５を示している。図５（ａ）および図５（ｂ）が示すように、第１の導電性部材２０１および第２の導電性部材２０２の夫々を回転振動の回転軸から離れた対称な２箇所で保持するような導電性を有する保持部材７０１、７０２を形成してもよい。なお、第１の保持部材７０１は第１の捻り梁１０１に結合しており、また、第１の導電性部材２０１と２点で結合している。第２の保持部材７０２は第１の捻り梁１０２に結合しており、また、第２の導電性部材２０２と２点で結合している。ミラー部材３０１は円形の円盤である。これに対応して、第１の導電性部材２０１および第２の導電性部材２０２の形状は半円形である。第１の保持部材７０１の第一面には磁石６０２が固定されており、第二面には磁石６０３が固定されている。第２の保持部材７０２の第一面には磁石６０４が固定されており、第二面には磁石６０５が固定されている。このように保持部を設けることで保持部が曲率変化の緩衝材として機能する。よって、ミラー部材３０１等の曲率変化が捻り梁に及びにくくなり、異常振動の発生を低減できる。

図６（ａ）および図６（ｂ）は、振動素子１５を発展させた振動素子１６を示している。振動素子１６の第１の導電性部材２０１および第２の導電性部材２０２はいずれも枠状の形状（コの字形状）をしている。この例では、第１の導電性部材２０１は複数のフレームから構成されている。第１フレーム７１１は、横方向に延び、第１の捻り梁１０１に結合したフレームである。第２フレーム７１２、第３フレーム７１３はそれぞれ縦方向に延び、第１フレーム７１１に結合したフレームである。第１の導電性部材２０１および第２の導電性部材２０２は同一の形状であるため大量生産しやすい。ミラー部材３０１には、第１の導電性部材２０１および第２の導電性部材２０２が有する第２フレーム７１２および第３フレーム７１３の一部を収容する溝７２３、７２４が形成されている。なお、第１の導電性部材２０１の第１フレーム７１１の第一面には磁石６０２が固定されており、第二面には磁石６０３が固定されている。第２の導電性部材２０２の第１フレーム７１１の第一面には磁石６０４が固定されており、第二面には磁石６０５が固定されている。

一般に導電性部材の材料としては金属材料が用いられうる。ただし、導電性部材の体積が大きくなりすぎると、振動部の重量が増加する。その結果、撓み振動モードの共振周波数が下がって走査線の副走査方向への変動が生じたり、異常振動の原因になったりすることがある。また、振動部の慣性モーメントも増大するため、捻り梁への応力負荷が増大し、耐久性に問題が生じることもありうる。これに対して、図６（ａ）および図６（ｂ）に示した振動素子１６のように第１の導電性部材２０１および第２の導電性部材２０２して枠状の導電性部材を採用することで、振動部２１を軽量化することができる。振動素子１６では、ミラー部材３０１とそれに形成された溝７２３、７２４に収納される第２フレーム７１２のヤング率と第３フレーム７１３のヤング率とを整合させることが好ましい。圧電材４０１の伸縮によるミラー部材３０１の曲率の変化量は、圧電材４０１に結合された部材のヤング率と厚みにより変わる。そのため、ミラー部材３０１と溝７２３、７２４内に固定された第１の導電性部材２０１の第２フレーム７１２のヤング率と第３フレーム７１３のヤング率に大きな差異があると、曲率に位置によるばらつきが生じる。また、第２フレーム７１２のヤング率と第３フレーム７１３のヤング率はミラー部材のヤング率に近ければ、曲率に与える影響がさらに小さくなる。よって、第２フレーム７１２、第３フレーム７１３の材料としてはミラー部材３０１のヤング率に近くなるような材料を選択されてもよい。または、第１の導電性部材２０１の材料として金属材料を用いる場合には、加工率や熱処理によって第１の導電性部材２０１のヤング率をミラー部材３０１のヤング率に近付けてもよい。

［材料など］
捻り梁に用いられる材料としては、金属材料の他、カーボンを混合した樹脂材料など導電性材料であれば特に限定されるものではないが、繰り返し耐久性や耐衝撃性の観点から、ＳＵＳ３０１やＳＵＳ６３１等のステンレスや銅合金、Ｃｏ（コバルト）−Ｎｉ（ニッケル）基合金などの金属材料が採用されてもよい。その中でもＳＰＲＯＮ（登録商標）５１０に代表されるＣｏ−Ｎｉ−Ｃｒ（クロム）−Ｍｏ（モリブデン）合金などの時効硬化型Ｃｏ−Ｎｉ基合金は特に疲労限が高く、繰り返し応力が加わる光走査装置には都合がよい。また、Ｃｏ−Ｎｉ基合金は耐熱性や耐食性も高いため、通電やそれによる発熱が材料特性に影響を与えることは小さく、その点においても捻り梁に通電を行う光走査装置には適切であろう。さらに、Ｃｏ−Ｎｉ基合金は内部摩擦が小さいという特徴もあり、振動素子１１〜１６を共振させて回転振動させる際のＱ値が高く、駆動に要する消費電力を低減できる利点もある。Ｃｏ−Ｎｉ−Ｃｒ−Ｍｏ合金を用いる場合には、加工率５０％以上、より好ましくは９０％以上の圧延加工、または、線引き加工により加工硬化処理を施した後、形状加工を行い、５００〜６００℃程度の温度で時効硬化処理が施されてもよい。最終的なヤング率や硬度は、加工率と時効熱処理の温度および時間で調整も可能である。形状加工には、エッチング加工やプレス加工、レーザー加工、ワイヤー放電加工等を用いることができる。加工硬化処理や形状加工において、その仕上がり具合によっては表面付近の内部摩擦が増加し、振動素子のＱ値が低下してしまうことがある。そのような場合には、時効硬化処理前にエッチング処理を行うのが良く、目標寸法に対して大きめに形状加工を施したのち、硝酸系のエッチャントなどを用いて仕上げの形状加工を施すのが好ましい。また、加工硬化処理や形状加工時に生じた微少なクラックや表面の荒れがある場合にも、振動素子のＱ値低下や耐久性低下の問題が生じる。そのような場合には、時効硬化処理前に電界研磨処理を行うのが良く、リン酸系やエチレングリコール系の液を用いた電界研磨処理によって表面を平滑化するのが好ましい。

導電性部材２０１、２０２は、生産性の観点から、夫々捻り梁と同一材料で一体構造であるのが好ましい。しかしこれに限定されるものではなく、金属材料など導電性材料で形成して捻り梁と接合しても良い。接合する際には、形状加工を簡素化できることから捻り梁に線材を用いるのが好ましく、また、接合部の耐久性向上のために接合する線材の端部に鍛造などによって接合面を形成するのが好ましい。

圧電材４０１には、圧電定数の大きいチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）が好適に用いられる。しかし、これに限定されるものではなく、チタン酸バリウム、チタン酸鉛、ニオブ酸鉛等、圧電特性を有する材料であればよい。圧電材４０１は両面に電極の形成された焼結体の他、成膜可能な形状であれば、導電性部材２０１、２０２、ミラー部材３０１、または、導電性部材２０１、２０２の少なくとも一部を収納したミラー部材３０１など導電性部材とミラー部材の複合構成に対して成膜によって形成されたものであってもよい。焼結体を用いる場合には、電極５０１、５０２と導電性部材２０１、２０２の直接接合、または、接着剤等を用いた接着により圧電材４０１が保持される。接着による場合には、接着部における導電性部材と電極の間の電気容量が圧電材４０１の両電極間の電気容量よりも大きくなるように、できるだけ対向面積を大きくし、かつ、接着層を薄くして、導電性部材と電極を近接させるのが好ましい。また、接着剤に導電性を付与して導電性を確保しても良い。成膜で形成する場合には、導電性部材２０１、２０２に直接成膜され、その間に電極は形成されない。成膜の方法としては、ゾルゲル法など各種の成膜方法を用いることができるが、その中でも、成膜レートが高く膜質の良い厚膜形成が容易なエアロゾルディポジション法やガスデポジション法を用いるのが好ましい。圧電材４０１の材料にＰＺＴを用い、導電性部材２０１、２０２に金属材料を用いる場合には、鉛の拡散を防止する中間層が形成されてもよい。また、圧電特性の向上には熱処理温度を上げることが有効であるため、成膜の基材となる導電性部材２０１、２０２は耐熱性が高い材料で形成されるのが好ましく、Ｃｏ−Ｎｉ基合金などが好適に用いられる。

ミラー部材３０１は、シリコンウエハや薄板ガラスなどの表面平坦性の良い基材に反射膜や増反射膜を形成したものの他、導電性部材２０１に直接形成された反射膜等であってもよい。反射膜としては、蒸着等で形成されるＡｕ、Ａｇ、Ａｌ等の膜が挙げられる。また、必要に応じてその上に増反射膜が形成される。また、導電性部材２０１の研磨によって鏡面を形成することも可能であり、この場合には、導電性部材２０１がミラー部材３０１としても機能する。

磁石６０１〜６０５は、特に限定されるものではないが、捻り振動に係わる慣性モーメントを小さくするために出来るだけ小型で磁力の強いものが好ましい。よって、磁力の強いＮｄ−Ｆｅ−Ｂ系磁石やＳｍ−Ｃｏ系磁石等や、小型形状形成が可能な加工性に優れたＦｅ−Ｃｒ−Ｃｏ系磁石などが好適に用いられうる。

［光走査装置の動作］
次に、図７〜図１１を参照して光走査装置の動作を説明する。

図７（ａ）は振動素子１１〜１６のいずれかを採用した光走査装置によるレーザー光走査の状態を示したものである。図７（ｂ）は振動部２１に配置されたミラー部材３０１の変形の様子を示したものであり、光の走査方向、および、それに垂直な副走査方向に共通の変形である。ミラー部材３０１が圧電材４０１に加えられた電気信号により図７（ｂ）の（Ｒ１）のような曲率を持った状態であるとき、ビームウエストが走査中心からＲ１の距離にある投射面Ｐ１の中央に位置しているとする。捻り梁の捻り振動により振動部２１が回転して図７（ｂ）の（Ｒ１’）の状態になったとき、ミラー部材３０１の曲率は圧電材４０１に加えられる電気信号の変化により（Ｒ１）の状態から小さくなる方向に変化し、ビームウエストは走査中心からＲ１’の距離にある投射面Ｐ１の右端に位置するようになる。仮に（Ｒ１）の状態から曲率が変化していない場合には、ビームウエストは走査端方向にＲ１の位置になり、投射面Ｐ１の右端ではビーム径が拡がってしまう。走査左端も同様に、図７（ｂ）の（Ｒ”）の状態で曲率が変化することによりビームウエストは投射面Ｐ１上に保持される。このように、１回の往復走査の間に２回のミラー曲率変化を生じさせる制御、即ち、走査周波数に対して２倍の周波数を含む信号を用いたミラー曲率の制御を行うことにより、アークサインレンズなどのレンズ光学系を使用することなく、最小スポットが形成されるビームウエスト位置をほぼ同一平面上に保持した光走査が可能になる。図７（ｃ）は、同様に面Ｐ１よりも投射距離の長い投射面Ｐ２にビームウエストを保持するためのミラー部材３０１の変形状態を示したものであり、図７（ｂ）よりも曲率が大きい状態を維持することで、ビームウエスト位置は（Ｒ２）→（Ｒ２’）→（Ｒ２）→（Ｒ２”）→（Ｒ２）と移動する。このように、圧電材４０１の駆動信号の制御により、ビームウエストを保持する面を変化させることも可能である。

図８は、図７のような走査を行うための駆動信号の例である。駆動回路８０１が周波数ｆ１の駆動信号を供給することで振動部２１に回転振動が誘起する。一方、駆動回路８０２が周波数ｆ１の２倍の周波数ｆ２を持つ信号にオフセット電圧ΔＶを加えて生成した駆動信号が捻り梁に印加される。これにより、ミラー部材３０１の曲率変形が誘起される。

周波数ｆ２の駆動信号は一走査内でビームウエストを走査面上に維持するための駆動信号であり、ΔＶはビームウエストを保持する面を変化させるためのオフセットである。振動部２１を共振により回転振動させる場合には周波数ｆ１の駆動信号と振動部２１の回転角の位相が９０度ずれる。そのため、回転角に合わせて振動部２１のミラー部材３０１の曲率変形が制御されるよう、駆動回路８０２が出力する駆動信号の位相も駆動回路８０１が出力する駆動信号の位相とはずれている。

次に、投射面に形成されるビームスポットの移動速度について説明する。光走査装置では、ビームを走査しながら時系列データに基づいてビーム強度を変化させたり、ビーム走査時の反射光の強度変化を時系列データとして検出したりすることで、画像の形成や投影、光学パターンの読み取りなどを行う。その際、ビームの移動速度が大きく変化すると、画像の歪や読み取り分解能のばらつきが生じてしまう。時系列データを補正してビーム強度の変化をビームの移動速度の変化に対応させる方法や、読み取り速度を移動速度の変化に対応させる方法も考えられるが、それには高価な高速の制御手段が必要となる。投射面上のビームスポットの移動はできるだけ等速であるのが好ましく、サイン波状に角度変化する振動素子１１〜１６のビーム走査角に対して、投射面上での等速性が得られる範囲で使用するのが好ましい。

図９は図７（ａ）と同様に光走査の状態を示したものである。走査の中央を基準にして、ミラー部材３０１の回転振動によるビームの最大走査角をθｏ、その内実際に走査光が利用される有効範囲をθｅｆｆとし、走査中心から距離Ｌの位置にある投射面Ｐ上でθｅｆｆに相当する範囲をＸｅｆｆとしている。投射面Ｐを図７（ａ）のＰ１とすると、Ｘｅｆｆの位置は投射面Ｐ１端部のＲ１’の位置に相当する。ビーム方向が角度θの方向であるとき、投射面Ｐ上に形成されるビームスポットの移動速度をＶとすると、角度θ＝０の時の移動速度Ｖｏを基準にして、角度θに対する移動速度Ｖの変化率Ｖ／Ｖｏは図１０（ａ）のようになる。図１０（ａ）において横軸はビームの方向を示す角度θであり、縦軸は移動速度Ｖの変化率Ｖ／Ｖｏである。最大走査角θｏを増加させていくと図の（ｉ）〜（ｖ）のように角度θに対する移動速度Ｖが変化する。このとき、スポット移動速度の許容誤差をΔｖとすると、（ｉｉｉ）のグラフでこの範囲内にある角度、即ち、有効走査角θｅｆｆはΘ３である。最大走査角を増加させた（ｉｖ）のグラフでは有効走査角がΘ４に拡がる。しかし、さらに最大走査角を増加させた（ｖ）のグラフでは有効走査角がΘ５となって逆に狭まり、これ以上最大走査角を増加しても有効走査角を拡げることはできない。図１０（ｂ）はこの最大走査角θｏと有効走査角θｅｆｆの関係を示したものであり、許容誤差の大きさによって有効走査角が最も広くなる最大走査角が異なる。図１０（ｃ）は、許容誤差の大きさに対する最大の有効走査角と、その有効走査角を得るために必要な最大走査角を示している。許容誤差による差はあるが、最大の有効走査角を得るには、４０度以上の最大走査角が必要となる。光走査装置においては、短い投射距離で広い範囲の画像形成や読み取りを行うことができるのが望ましく、有効走査角はできるだけ広いのが好ましい。また、振動素子１１〜１６の小型化や消費電力の観点から最大走査角はできるだけ狭いのが好ましい。これらのことから、有効走査角がピークとなる最大走査角で振動素子を動作させるのが好ましく、そのためには、最大走査角として走査の中央に対して±４０度以上、振動素子の回転振動振幅として±２０度以上にするのが好ましい。小型の振動素子でこの振幅を実現するには、ミラー部材３０１を支持する捻り梁に高い強度と耐久性が必要であり、時効硬化型のＣｏ−Ｎｉ基合金を用いた捻り梁はこの点からも非常に好ましい。

次に、光走査時の投射面に投射されるビームスポット径の変化について説明する。光走査装置において、ビームスポット径は光走査により形成や投影される画像の精細度や、光学パターン読み取りの分解能に大きく影響する。このため、有効走査領域内でのビームスポット径の変動は極力少ないのが好ましい。

図１１（ａ）に投射面上の位置によるビームスポット径の変化の一例を示す。図９に示した投射距離Ｌを１７４ｍｍに設定し、振動素子１１〜１６の回転振動によって投射面の中央Ｏからｘ軸方向へのビームスポットを移動したときのビームスポット径変化を示している。図１１（ａ）の横軸は投射面中央からの距離ｘであり、縦軸はビームスポット径φである。また、図１１（ｂ）には、ミラー部材３０１の曲率を変化させるために圧電材４０１に印加する駆動信号の一例を示す。周波数ｆ２の駆動信号は振動素子１１〜１６の回転振動の周波数、即ち、走査周波数（回転振動周波数）ｆ１の２倍の周波数ｆ２を持つ駆動信号であり、図８に示した周波数ｆ２の駆動信号と同じである。周波数ｆ４の駆動信号は周波数ｆ１の４倍の周波数ｆ４を持つ信号であり、周波数ｆ２＋ｆ４の駆動信号は周波数ｆ２の駆動信号と周波数ｆ４の駆動信号を適当な比率で重畳した信号である。走査面上の位置によるビームスポット径の変化は、走査周波数と同期したミラー変形を行わない場合には図１１（ａ）の“ｆ２なし”のグラフに示されたものとなり、走査端に向うに従って急激にスポット径が増大する。これに対して、周波数ｆ２の駆動信号によりミラー部材３０１の曲率を変化させた場合には、図１１（ａ）の“ｆ２のみ”のグラフに示されたものとなり、Ｘｅｆｆの有効走査範囲内でのビームスポット径の変動を大幅に抑えることができる。さらに、周波数ｆ２とｆ４を重畳させた駆動信号でミラー部材３０１の曲率を変化させた場合には、図１１（ａ）の“ｆ２＋ｆ４”のグラフに示されたものとなり、位置に依らずにほぼ一定のビームスポット径を得ることができる。

上に述べた等速性やビームスポット径の安定化の効果は、振動素子１１〜１６が異常振動などを生じずに安定した光走査を行うことができる場合に限って得られるものである。振動素子１１〜１６を用いて最大走査角を適切に設定し、また、走査周波数の２倍および４倍の周波数を持つ信号で振動部２１の曲率を制御することにより、画像の形成や投影、光学パターンの読み取りなどを高精度に行うことが可能な光走査装置を実現できる。

［画像形成装置］
図１２に光走査装置の実施例である画像形成装置７を示す。振動素子１０は上述した振動素子１１〜１６のいずれか１つであり、振動部周辺の構成は省略してある。光源９７１は、画像データに応じて制御回路９７０が出力した駆動信号に基づき強度変調した光を射出する。射出された光は射出光学系９７２を通って振動素子１０のミラー部材３０１で反射され、像担持体の一例である感光体９７５上を走査する。走査された光は、ＢＤセンサ９７３、９７４で検出される。制御回路９７０は、ＢＤセンサ９７３、９７４が出力する検出信号を基に走査角を制御するための制御信号を生成して出力する。制御信号は振動素子１０の駆動回路８７０の駆動回路８０１にフィードバックされる。これにより駆動回路８０１は振動素子１０の最大走査角を安定的に適切な値に維持する。また、駆動回路８７０に含まれている駆動回路８０２は検出信号に基づいてミラー曲率を制御するための制御信号を出力する。これにより、感光体９７５上でのビームスポット径がほぼ一定の大きさに維持される。

振動素子１１〜１６を用いた画像形成装置７は、断線や異常振動などが生じにくくなり安定した光走査およびミラー曲率制御を行うことができる。このため、最大走査角の適切化やミラー曲率制御信号の適切化により、等速性やビームスポット径の安定化の効果を発揮する。つまり、高精度で信頼性の高い画像形成が可能となる。また、振動素子１１〜１６を用いた画像形成装置７では、走査速度の変動を補正するレンズ光学系を簡素化できる。また、走査速度の変動に対応するための画像データの補正やレーザー光の強度変調信号の補正などが不要となる。これにより、小型で安価な画像形成装置が実現できる。

［画像形成装置］
図１３（ａ）に光走査装置の実施例である画像投影装置８を示す。振動素子１０は上記の振動素子１１〜１６のいずれか１つである。ＲＧＢ３原色を含む光源装置９８１は、画像データに基づいて制御回路９８０から出力された信号にしたがって強度変調した光を射出する。振動素子１０および垂直走査装置９８２により光は２次元走査され、スクリーン９８３に映像として投射される。垂直走査装置９８２の走査速度は振動素子１０よりも遅い。垂直走査装置９８２には、たとえば、非共振駆動で高精度な位置決めができるガルバノミラーが用いられる。制御回路９８０から出力される制御信号に基づいて駆動回路８８０に含まれる駆動回路８０１は振動素子１０の走査角を制御する。また、垂直走査装置９８２も同様に、制御回路９８０からの出力に基づいて走査角が制御される。さらに、駆動回路８８０の駆動回路８０２がミラー曲率制御信号（駆動信号）を出力することで、スクリーン９８３上でのビームスポット径がほぼ一定の大きさに維持される。また、制御回路９８０は、入力部９８４を通じて画像の台形補正が設定されると、垂直走査装置９８２の駆動信号の変化に応じてミラー曲率制御信号を変化させる。これにより、図１３（ｂ）のように斜め投影を行う際にも、スクリーン上部の走査では焦点距離を長く、下部では焦点距離を短くしてスクリーン上のビームスポット径をほぼ一定の大きさに維持することができる。

このように振動素子１１〜１６のいずれかを用いた画像投影装置８は、断線や異常振動などを生じずに安定した光走査およびミラー曲率制御を行うことができる。このため、最大走査角の適切化やミラー曲率制御信号の適切化により、等速性やビームスポット径の安定化の効果を発揮することができる。その結果、高精度で信頼性の高い画像投影が可能となる。また、画像投影装置８では、ミラー曲率制御信号の調整により斜め投影でもスクリーン上でビームスポット径をほぼ一定にすることができる。これにより、限られたスペースでも使用可能な高精細の画像投影装置８を実現できる。

［光学パターン読み取り装置］
図１４に光走査装置の実施例である光学パターン読み取り装置９を示す。振動素子１０は振動素子１１〜１６のいずれか１つである。光源９９１から射出された光は射出光学系９９２を通って振動素子１０のミラー部材３０１で反射され、光学パターン上を走査する。光学パターンに応じて強度が変化する反射光は、振動素子１０で再び反射された後に検出光学系９９４によって集光され、光センサ９９５で検出される。デコーダ９９６は、光センサ９９５が出力する検出信号を２値化する。これにより光学パターンの情報が読み取られる。駆動回路８９０は制御回路９９０からの信号に基づいて振動素子１０の回転振動の駆動信号およびミラー曲率制御信号を出力する。これにより、光学パターンのある投射面上でビームスポット径がほぼ一定の大きさに維持される。

振動素子１１〜１６のいずれかを用いた光学パターン読み取り装置９は、断線や異常振動などを生じずに安定した光走査およびミラー曲率制御を行うことができる。このため、最大走査角の適切化やミラー曲率制御信号の適切化により、等速性やビームスポット径の安定化の効果を発揮できる。その結果、高精度でかつ信頼性の高い読み取りが可能となる。

［まとめ］
本実施例によれば、圧電材４０１は第１電極５０１が形成された第１面と第２電極５０２および第３電極５０３が形成された第２面とを有する。第１の導電性部材２０１は第２電極５０２に結合し、導電性の第１の捻り梁１０１が第１の導電性部材２０１に結合している。第２の導電性部材２０２は第３電極５０３に結合し、導電性の第２の捻り梁１０２が第２の導電性部材２０２に結合している。ミラー部材３０１は圧電材４０１とともに第１の導電性部材２０１および第２の導電性部材２０２を挟持するように当該圧電材４０１に対して固定され、当該圧電材４０１の変形に伴って曲率が変化する。このように第１の導電性部材２０１、第２の導電性部材２０２に加え、第１の捻り梁１０１および第２の導電性部材２０２が導電性材料により構成されているため、配線を用いなくても電力を圧電材４０１に供給できる。よって、断線などの不良が生じずにくくなり、安定した回転振動（揺動）を実現できる。なお、走査ミラーと可変焦点ミラーが一体化されるため、光走査装置の小型化も期待できる。さらに、本実施例では、圧電材４０１の一方の面のみにミラー部材３０１、第１の導電性部材２０１および第２の導電性部材２０２などを配置できる。そのため、理想的なユニモルフ構造が実現され、一様な曲率分布が得られる。これにより、反射ビームの歪みを抑えることができる。

図１Ａ、図１Ｂ、図１Ｃ、図２、図５〜図７に示したように、第１の捻り梁１０１と第２の捻り梁１０２とがそれぞれ振動素子の回転軸に沿ってそれぞれ異なる方向に延び、圧電材４０１およびミラー部材を両持ち支持してもよい。つまり、第１の捻り梁１０１と第２の捻り梁１０２とがそれぞれ圧電材４０１およびミラー部材３０１のそれぞれ異なる側に存在することで圧電材４０１およびミラー部材３０１を両持ち支持してもよい。たとえば、第１の捻り梁１０１が第一方向から振動部２１を支持し、第２の捻り梁１０２が第二方向（たとえば第一方向とは１８０度異なる方向）から振動部２１を支持してもよい。このような両持ち支持構造は片持ち支持構造と比較して、全体のサイズは大きくなるが、より撓み剛性が高くなり、走査線の副走査方向への変動を抑えやすくなる。反対に片持ち支持構造は小サイズ化の面で有利である。

図１Ａ、図５および図６に示したように第２電極５０２および第３電極５０３は振動素子の回転軸に沿って並んで配置されてもよいし、図２ないし図４に示したように第２電極５０２および第３電極５０３は振動素子の回転軸と直交する方向に沿って並んで配置されてもよい。

第１の捻り梁１０１と第２の捻り梁１０２とが平行に配置されることで、捻り梁の撓み剛性が増加する。これにより、走査線が副走査方向（ｚ方向）に変動しにくくなり、異常振動を低減でき、安定した振動を実現可能となる。なお、圧電材４０１およびミラー部材３０１が片持ち支持されてもよい。また、第１の捻り梁１０１と第２の捻り梁１０２との間には空間が存在してもよい。これらの構成は、外部から衝撃が加わっても変動し難くし、また、変動しても短時間で変動を減衰させるといった効果をもたらそう。

図２（ａ）および図２（ｂ）に示したように、第１の捻り梁１０１は第１の導電性部材２０１との接合部の近傍に曲げ加工が施されており、第１の捻り梁１０１の長手方向の中心線と振動素子１１の回動軸とが概ね一致していてもよい。同様に、第２の捻り梁１０２は第２の導電性部材２０２との接合部の近傍に曲げ加工が施されており、第１２捻り梁の長手方向の中心線と振動素子１１の回動軸とが概ね一致していてもよい。

図５を用いて説明したように、第１の導電性部材２０１を保持する導電性の第１の保持部材７０１を介して第１の捻り梁１０１が第１の導電性部材２０１に結合していてもよい。これにより、ミラー部材３０１等の曲率変化が捻り梁に及びにくくなり、異常振動の発生を低減できる。さらに、第１の保持部材７０１は、振動素子１５の回動軸に対して対称となる２箇所において第１の導電性部材２０１を保持していてもよい。これにより異常振動の抑制効果がさらに高まるであろう。

第２の導電性部材２０２を保持する導電性の第２の保持部材７０２を介して第２の捻り梁１０２が第２の導電性部材２０２に結合していてもよい。また、第２の保持部材７０２は、振動素子１５の回動軸に対して対称となる２箇所において第２の導電性部材２０２を保持していてもよい。このように第２の導電性部材２０２に関しても異常振動抑制する保持部が採用されてもよい。

図６を用いて説明したように、第１の導電性部材２０１や第２の導電性部材２０２はミラー部材３０１に形成された溝に収納されていてもよい。これにより振動部２１を軽量化することが可能となる。同様に、第２の導電性部材２０２はミラー部材３０１に形成された溝に収納されていてもよい。

図４を用いて説明したように、平行に配置された第３の捻り梁１０３と第４の捻り梁１０４とが追加されてもよい。第３の捻り梁は第１の導電性部材２０１に結合しており、第４の捻り梁は第２の導電性部材２０２に結合している。これにより異常振動を抑制しやすくなる。

図５を用いて説明したように、第１の保持部材７０１を挟むように２つの磁石が固定されていてもよい。同様に、第２の保持部材７０２を挟むように２つの磁石が固定されていてもよい。磁石のような重量物が回動軸に対して対称に配置されているため、振動部２１をさらに安定して揺動させることが可能となろう。

第１の導電性部材２０１は厚みが一定の平板であってもよい。同様に第２の導電性部材２０２は厚みが一定の平板であってもよい。なお、第１の導電性部材２０１の形状と第２の導電性部材２０２の形状とは一致していてもよいが、異常振動が発生しない限りにおいては両者の形状が異なっていてもよい。

図６を用いて説明したように、第１の導電性部材２０１は複数のフレームを有していてもよい。同様に、第２の導電性部材２０２は複数のフレームを有していてもよい。平板構造と比較してフレーム構造は軽量化の点で有利である。

なお、振動素子１１〜１６のいずれかと、振動素子１１の第１の捻り梁１０１および第２の捻り梁１０２を介して圧電材４０１に駆動信号を供給する駆動回路８０１、８０２と、振動素子１１のミラー部を揺動させる磁界を発生する磁界発生部７００とを有し、光源からの光をミラー部材３０１により走査する光走査装置がさらに提供されてもよい。振動素子１１〜１６を採用することで、安定した光り走査を実現できる。

駆動回路は、ミラー部材３０１の回転振動周波数ｆ１の２倍の周波数ｆ２の信号と４倍の周波数ｆ４の信号とを重畳して駆動信号を生成してもよい。これにより、位置に依らずにほぼ一定のビームスポット径を得ることができる。

ミラー部材３０１の回転角は±２０度以上であってもよい。これはミラー部の走査角を広くしつつ、消費電力を削減するうえで有効である。

図１２を用いて説明したように、光走査装置と像担持体とを備え、当該光走査装置によって走査された光によって当該像担持体に画像を形成することを特徴とする画像形成装置７が提供されてもよい。振動素子１１〜１６を用いた画像形成装置７は、断線や異常振動などが生じにくくなり安定した光走査およびミラー曲率制御を行うことができる。このため、最大走査角の適切化やミラー曲率制御信号の適切化により、等速性やビームスポット径の安定化の効果を発揮する。つまり、高精度で信頼性の高い画像形成が可能となる。また、振動素子１１〜１６を用いた画像形成装置７では、走査速度の変動を補正するレンズ光学系を簡素化できる。また、走査速度の変動に対応するための画像データの補正やレーザー光の強度変調信号の補正などが不要となる。これにより、小型で安価な画像形成装置が実現できる。

図１３を用いて説明したように、光走査装置によって走査された光によってスクリーンに画像を投影することを特徴とする画像投影装置８が提供されてもよい。振動素子１１〜１６のいずれかを用いた画像投影装置８は、断線や異常振動などを生じずに安定した光走査およびミラー曲率制御を行うことができる。このため、最大走査角の適切化やミラー曲率制御信号の適切化により、等速性やビームスポット径の安定化の効果を発揮することができる。その結果、高精度で信頼性の高い画像投影が可能となる。また、画像投影装置８では、ミラー曲率制御信号の調整により斜め投影でもスクリーン上でビームスポット径をほぼ一定にすることができる。これにより、限られたスペースでも使用可能な高精細の画像投影装置８を実現できる
図１４を用いて説明したように、光走査装置を備えたことを特徴とする光学パターン読み取り装置９が提供されてもよい。振動素子１１〜１６のいずれかを用いた光学パターン読み取り装置９は、断線や異常振動などを生じずに安定した光走査およびミラー曲率制御を行うことができる。このため、最大走査角の適切化やミラー曲率制御信号の適切化により、等速性やビームスポット径の安定化の効果を発揮できる。その結果、高精度でかつ信頼性の高い読み取りが可能となる。

Claims (10)

1. 第１電極が形成された第１面と第２電極および第３電極が形成された第２面とを有する圧電材と、
   前記第２電極に結合した第１の導電性部と、
   前記第１の導電性部に結合した導電性の第１の捻り梁と、
   前記第３電極に結合した第２の導電性部と、
   前記第２の導電性部に結合した導電性の第２の捻り梁と、
   前記圧電材とともに前記第１の導電性部および前記第２の導電性部を挟持するように当該圧電材に対して固定され、当該圧電材の変形に伴って曲率が変化するミラー部材とを有することを特徴とする振動素子。
2. 前記圧電材は、前記第１電極と前記第２電極に挟まれた領域と、前記第１電極と前記第３電極に挟まれた領域とで異なる方向に分極していることを特徴とする請求項１に記載の振動素子。
3. 前記第１の捻り梁と前記第２の捻り梁とがそれぞれ前記振動素子の回転軸に沿ってそれぞれ異なる方向に延び、前記圧電材および前記ミラー部材を両持ち支持していることを特徴とする請求項１又は２に記載の振動素子。
4. 前記第２電極および前記第３電極は前記振動素子の回転軸に沿って並んで、または、前記振動素子の回転軸に直交する方向に沿って並んで配置されていることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか一項に記載の振動素子。
5. 前記第１の捻り梁と前記第２の捻り梁とが平行に配置され、前記圧電材および前記ミラー部材を片持ち支持していることを特徴とする請求項１または２に記載の振動素子。
6. 前記第１の導電性部及び前記第２の導電性部は前記ミラー部材に形成された溝に収納されていることを特徴とする請求項１ないし５のいずれか１項に記載の振動素子。
7. 請求項１ないし６のいずれか１項に記載された振動素子と、
   前記圧電材に駆動信号を供給する駆動回路と、
   前記振動素子のミラー部を揺動させる磁界を発生する磁界発生部とを有し、
   前記駆動回路は前記振動素子の前記第１の捻り梁及び前記第２の捻り梁を介して前記第２電極と前記第３電極との間に駆動信号を印加することを特徴とする光走査装置。
8. 請求項７に記載の光走査装置を備え、当該光走査装置によって走査された光によってスクリーンに画像を投影することを特徴とする画像投影装置。
9. 請求項７に記載の光走査装置と像担持体とを備え、当該光走査装置によって走査された光によって当該像担持体に画像を形成することを特徴とする画像形成装置。
10. 請求項７に記載の光走査装置を備えたことを特徴とする光学パターン読み取り装置。

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