JP6311314B2 - 光偏向装置、光走査装置、画像表示装置及び画像形成装置 - Google Patents

Description

本発明は光偏向装置、光走査装置、画像表示装置及び画像形成装置に関し、特に、光ビームを偏向、走査する光偏向装置、光走査装置、画像表示装置及び画像形成装置に関する。

近年、光ビームを偏向、走査する手段として、半導体製造技術を応用したシリコンやガラスを微細加工するマイクロマシニング技術により、基板上に反射面を設けた可動部や弾性梁部を一体形成した小型の光偏向器が開発されている。

このような光偏向器の構成として、薄膜化した圧電材料からなる薄膜圧電体をアクチュエータとして使用したタイプのものがある。この圧電アクチュエータを使用した光偏向器では、薄膜圧電体をカンチレバーの表面に重ねあわせて形成する。この構成においては、圧電体の圧電特性から生じる面内方向の伸縮が、カンチレバーとなる支持体に伝わり、カンチレバーを上下に振動させることができる。

このような光偏向器において、水平走査および垂直走査の２次元の光走査が可能な光偏向器を用いることで、１次元走査の光偏向器２つを組み合わせる場合と比べて、小型化、低コスト化が可能になる。２次元走査を行う場合の構成は、水平方向の光走査に関しては、機械的な共振周波数を使用する共振駆動が使われる。それに対し、垂直方向への光走査に関しては、多くの場合非共振駆動が使われる。

２次元光走査に際して、機械的共振を使った水平方向の駆動に関しては、カンチレバーの片方の端が枠部に固定されて支持され、カンチレバーの他端を圧電駆動により振動させる。このカンチレバーの振動によって発生するトルクをカンチレバー他端に連結された弾性梁、即ちトーションバーに伝え、トーションバー先に設置されたミラーを回転振動させる。これにより、小型、低電圧駆動で、大きな走査角が得られることになる。

一方、表示画像の高精細化、面内均一化を達成するためにはラスタ走査が必要となるため、垂直方向の光走査には非共振駆動を用いる。非共振駆動の垂直方向の理想的な光走査角度の時間変化としては、図７に示すように直線的な光走査となるのが望ましいが、種々の要因により、直線的にならない場合がある。

通常２軸での光走査を行う場合、副走査である垂直方向の非共振駆動の高調波と副走査方向の構造による共振周波数が干渉して、副走査に波打ち現象が生じ、走査速度が不均一になる場合がある。

特許文献１に記載されている２次元スキャナ駆動装置では、光走査の速度を検出する速度検出手段を設け、速度検出信号を生成する。その速度検出信号に基づいて走査駆動手段へのフィードバックを行い、光走査の走査速度の不均一性を低減させている。

通常、ラスタ走査させるためには、駆動信号としてのこぎり波を使った光走査を行う。ところが、このような垂直方向にラスタ走査させるための駆動において、圧電材料に電圧を印加して生じる変位量が電圧値によって異なる特性を持つため、駆動信号としてのこぎり波を使った光走査を行うと、走査速度の不均一を生じる。例えば、図１１に示すように、光走査角度の時間的変位が曲線を描くようになる。

前述の特許文献１に記載されている２次元スキャナ駆動装置では、振動による走査の歪みについては対策が取られているが、前述ののこぎり波を使用した場合の電圧を印加した際に生じる走査速度の不均一については考慮されていない。

本発明の目的は、均一な速度で光走査を行うことが可能な光偏向装置を提供することにある。

本発明の光偏向装置は、複数の折り返し部を有し梁部が蛇行して形成された一対の蛇行状梁部と、前記蛇行状梁部を支持する枠体と、前記蛇行状梁部に支持された、光を反射し偏向させる反射面と、前記梁部の間にそれぞれ設けられた複数の圧電部材と、前記圧電部材に２種類の電圧波形の電圧を互い違いに印加し、前記蛇行状梁部の前記梁部を屈曲変形させる電圧印加手段と、を有し、前記反射面は、前記屈曲変形により回転振動させられ、前記電圧印加手段は、電圧に対する前記圧電定数の変化率をもとに、前記回転振動が一定の速度となるように前記２種類の電圧波形の電圧を調整することを特徴とする。

本発明によれば、均一な速度で光走査を行うことが可能な光偏向装置を提供することができる。

本発明の光偏向装置の実施形態１の構成例を示す上面図である。 本発明の光偏向装置を有する画像表示装置の実施形態１の構成例を示す図である。 本発明の光偏向装置の実施形態１の構成例を示す斜視図である。 本発明の光偏向装置の実施形態１の印加する電圧に対する圧電定数を示す図である。 本発明の光偏向装置の実施形態１の印加する電圧の例を示す図である。 本発明の光偏向装置の実施形態１の印加する電圧の例を示す図である。 本発明の光偏向装置の実施形態１の可動部の変位を示す図である。 本発明の光偏向装置を有する光書き込みユニットを有する画像形成装置の実施形態２の構成を示す図である。 本発明の光偏向装置を有する光書き込みユニットの実施形態２の構成を示す図である。 本発明の光偏向装置を有する光スキャナの実施形態２の構成を示す図である。 従来の光偏向装置の可動部の変位を示す図である。

＜実施形態１の構成＞
図２を参照しながら、実施形態１の光偏向装置を有する画像表示装置の構成例について説明する。画像表示装置１は、ＬＤ駆動部１５に接続された、赤色の光を射出する光源１１Ｒ、緑色の光を射出する光源１１Ｇ、青色の光を射出する光源１１Ｂ、及び光源から射出された光をコリメートするコリメータ１２Ｒ、１２Ｇ、１２Ｂを有する。

光源の先に設けられ、ダイクロックミラー等により光の合成を行う光路合成プリズム１３は、反射面１４Ｒ、１４Ｇ、１４Ｂを有する。反射面１４Ｒは、青色の波長のレーザ光を反射する。反射面１４Ｂは、赤色の波長のレーザ光を反射し、緑色、青色の波長のレーザ光を透過するダイクロイック膜が形成されている。反射面１４Ｇは、緑色の波長のレーザ光を反射し、青色の波長のレーザ光を透過するダイクロイック膜が形成されている。

その先には光偏向装置２、及び投影面としてスクリーン１９が設けられている。光偏向装置２には光偏向器駆動部１８が接続されており、さらに、ＬＤ駆動部１５及び光偏向器駆動部１８に接続された制御部１６、制御部１６に接続された記憶部１７を有する。

次に、光偏向装置２の構成について、図１を参照しながら説明する。図１に示すように、光偏向装置２は、枠体２１、枠体２１に備え付けられた蛇行状梁部２２ａ及び２２ｂを有している。また、蛇行状梁部２２ａ及び２２ｂには圧電部材２３及び反射ミラー２６が備え付けられている。

圧電部材２３は、ＰＺＴ（lead zirconate titanate：チタン酸ジルコン酸鉛）膜を用いて、スパッタリング法やゾルゲル液のスピンナーによる塗布形成法等で形成されている。

図１を参照しながら、反射ミラー２６周辺の詳細な構成について説明する。反射ミラー２６は、一対のトーションバー２５によって蛇行状梁部２２ａ及び２２ｂに回転可能に支持されている。トーションバー２５の端部は、それぞれ圧電カンチレバー２４の一端に支持され、圧電カンチレバー２４の他端はそれぞれ枠体２１に支持されている。

＜実施形態１の動作＞
実施形態１の光偏向装置を有する画像表示装置の動作について説明する。光源１１Ｒ、１１Ｇ、１１Ｂから射出された光は、コリメートレンズ１２Ｒ、１２Ｇ、１２Ｂによってそれぞれ平行光にコリメートされる。具体的な例としては、赤色レーザとして波長６４０ｎｍ、緑色レーザとして波長５２ｎｍ、青色レーザとして波長４５０ｎｍの光源を用いる。

コリメートされたレーザ光は、光路合成プリズム１３に入射する。光路合成プリズム１３は、３本の光路を1つの光路に合成する。合成されたレーザ光は、光偏向装置２によって、入射されたレーザ光を２次元に走査させ、スクリーン１９に画像を形成する。

コンバイナ等のスクリーン１９への画像の形成は、光偏向装置２によるレーザ光の２次元光走査と、各レーザ光源の強度変調によって行われる。このとき、各光源の強度変調信号はＬＤ駆動部１５から送られ、光偏向装置２によるスクリーン１９への光走査方向は、光偏向器駆動部１８より送られる。画像を形成するためのＬＤ駆動部１５及び光偏向器駆動部１８の制御は、制御部１６で行われる。

以下、図１を参照しながら、主走査方向である水平方向の走査について説明する。圧電カンチレバー２４を駆動することで、反射ミラー２６を支持するトーションバー２５にねじれが発生し、反射ミラー２６がＹ軸周りに回転振動する。ここでは、圧電カンチレバー２４には正弦波による駆動を行い、反射ミラー２６の回転は機械的共振を利用することになる。具体的には、約２ｋＨｚの正弦波の電圧印加により、反射ミラー２６がトーションバー２５のねじれにより２ｋＨｚで回動することになる。反射ミラー２６の回動角度に関しては、−１５°〜＋１５°程度の回転が得られるように動作させる。

以下、図１を参照しながら、副走査方向である垂直方向の走査について説明する。まず、蛇行状梁部２２ａ及び２２ｂの蛇行した各梁部Ａ及びＢに独立に設けられた圧電部材２３に、異なる電波波形を持つ２種類ののこぎり波による電圧を互い違いに１つおきに印加する。

これにより隣り合う梁部が異なる方向にたわみ、それが累積されて蛇行状梁部２２ａ及び２２ｂが駆動され、屈曲変形する。この屈曲変形が累積することで枠体２１がＸ軸周りに回転し、これに応じて反射ミラー２６もＸ軸周りに回転する。図５の実線ａは梁部Ａに印加される電圧を、破線ｂは梁部Ｂに印加される電圧を示している。図１の梁部Ａ及び梁部Ｂに印加される電圧ののこぎり波のパターンは、１周期の立ち上がり時間と立ち下がり時間が互いに入れ替わったものである。

電圧印加パターンとしては、図５に示すように、図１に示す梁部Ａと梁部Ｂへののこぎり波の位相をずらし、ＡＢ間での電圧の最大値の調整を行うことができる。このように、電圧毎に位相及び最大を個別に調整することが可能である。

このような非共振駆動によるラスタ走査は、例えば約６０Hzののこぎり波により光走査させる。ただし、共振周波数との関係により、駆動周波数を数Hz程度シフトさせることも可能である。

このとき、まず印加電圧値に対しての歪量即ち圧電定数を測定しておき、さらに、梁部Ａと梁部Ｂに対して印加する電圧ののこぎり波形を、圧電定数の電圧依存性に応じて修正し最適化した波形を印加して駆動させる。

以下に、圧電定数の測定及び印加電圧の最適化の手順について説明する。圧電部材に使用する圧電材料には、一般的に、前述したスパッタ法やゾルゲル法で成膜されたＰＺＴが用いられるが、そのＰＺＴは印加する電圧値に対して変位する量即ち圧電定数が異なる特性を持っている。

図４に示すのは、横軸に示す電圧を印加した場合の圧電定数を実験的に測定したデータの一例である。カンチレバー構造を作成し、印加した電圧値からレーザードップラー法で変位量を計測し、下記の数式に表１及び表２に示すパラメータ値を代入して、圧電定数ｄ３１を測定した。

その特性をふまえ、図６のように、印加電圧の時間波形を電圧に対する圧電定数の変化率をもとに補正し、図７に示すような均一な速度で反射ミラー２６が変位するようにする。なお、測定した印加電圧に対する圧電定数は、記憶部１７に記憶されており、制御部１６によって参照される。

＜実施形態１の効果＞
圧電部材２３への電圧の印加により、蛇行状梁部２２ａ及び２２ｂが駆動する構成とすることで、Ｘ軸を中心とした垂直方向への光走査が、低電圧で可能となる。

ＰＺＴは電気−機械エネルギーの変換効率が他の圧電材料に比べると良好で、かつ前述の一般的な製法で安価で作成することができる。しかし、圧電定数が印加した電圧値によって一定ではないため、一定速度で変位を生じさせようとしても直線的な光走査を妨げてしまうことがあった。

そこで、前述のように、予め印加電圧に対する圧電定数を求めておくことで、ミラーの変位が直線的になるように電圧を印加することが可能となる。これにより、実施形態１のように、光偏向装置２を画像表示装置に用いた際に、明るさムラや画像パターン歪みをなくし、均一な画像表示が可能になる。また、駆動信号の最適化によって、均一な速度でミラーを変位させることが可能であることは、実験的に確かめられている。

また、実施形態１の方法を採用すれば、新たな検出デバイスを使うことや、複雑な信号処理等を行うことなく、駆動信号の調整のみによって均一な画像を得ることができる。

さらに、光偏向素子の製作プロセスにおいて発生する加工誤差、圧電材料のばらつきがわずかに生じる場合にも、電圧波形の調整機構によりその誤差を補償することができる。そのため、副走査方向の均一性向上ができると同時に、加工により発生する誤差の補償が可能になり、製造プロセスによる歩留まりを上げることもできる。

＜実施形態２の構成＞
図８から図１０を参照しながら、実施形態２の構成例について説明する。図８に示すように、画像形成装置３は、光書き込みユニット４、記録紙３１、現像手段３２、帯電手段３３、感光体ドラム３４、クリーニング部３５、定着手段３６及び転写手段３７を有する。

図８に示すように、光書き込みユニット４には、結像光学系５、集積回路４１、光スキャナ４２及び走査光学系６が含まれている。光スキャナ４２は回路基板４３に実装された状態で光書き込みユニット４に組み込まれている。光スキャナ４２の構成は、実施形態１の光偏向装置２と同様である。また、図９に示すように、結像光学系５は光源駆動手段５１、光源５２、コリメートレンズ５３より形成されている。また、走査光学系６は第１レンズ６１及び第２レンズ６２を含む。この構成により、光書き込みユニット４は光走査装置として機能している。

図１０に示すように、光スキャナ４２はパッケージ部材４２１に覆われている。パッケージ部材４２１の材料には、樹脂やセラミック等が用いられる。光スキャナ４２の上下電極は駆動回路４２２と電気的に連結されている。

＜実施形態２の動作＞
以下、実施形態２の動作について説明する。図９に示すように、光源５２から射出された光源駆動手段５１の記録信号によって変調された１本又は複数本のレーザ光をコリメートレンズ５３で平行光にした後、光スキャナ４２によりレーザ光が偏向される。その後、第１レンズ６１と第２レンズ６２で、感光体ドラム３４等のビーム走査面に、感光体ドラム３４の軸方向に沿ってレーザ光を供給する。

この時、光スキャナ４２には、図１０に示す駆動回路４２２により、上下電極間に電圧が印加される。この時、光スキャナ４２は実施例１の光偏向装置２と同様に動作する。

以降の動作について、図８を参照しながら説明する。レーザ光が供給された感光体ドラム３４は、矢印方向に回転駆動され、帯電手段３３により帯電された表面に供給されたレーザ光により静電潜像を形成される。

この静電潜像は現像手段３２でトナー像に顕像化され、このトナー像は転写手段３７で記録紙３１に転写される。転写されたトナー像は定着手段３６によって記録紙３１に定着される。感光体ドラム３４の転写手段３７対向部を通過した感光体ドラム３４の表面部分はクリーニング部３５で残留トナーを除去される。

なお、感光体ドラム３４に代えてベルト状の感光体を用いる構成も可能である。また、トナー像を記録紙以外の転写媒体に一旦転写し、この転写媒体からトナー像を記録紙に転写して定着させる構成とすることも可能である。

＜実施形態２の効果＞
実施形態２の光スキャナ４２に備えられた図示しない反射ミラーは、回転多面鏡に比べ駆動のための消費電力が小さいため、画像形成装置の省電力化に有利である。反射ミラーのミラー基板の振動時の風切り音は回転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。光走査装置は回転多面鏡に比べ設置スペースが圧倒的に少なくて済み、また、反射ミラーの発熱量もわずかであるため、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。

なお、記録紙３１の搬送機構、感光体ドラム３４の駆動機構、現像手段３２、転写手段３７等の制御手段、光源部の駆動系等は、従来の画像形成装置と同様であるため図示していない。

なお、上記の実施形態は、本発明の好適な実施形態であり、上記実施形態のみに本発明を限定するものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々の変更を施した形態での実施が可能である。例として、下記のような形態での実施が挙げられる。

実施形態１として、光偏向装置２によって２次元走査されたレーザ光がスクリーン１９に投影される実施形態を示したが、スクリーンの代わりに拡散板を使用し、半透明板等使って虚像を形成するヘッドアップディスプレイへ適用しても良い。

また、実施形態１及び２では、主に光源としてＲＧＢの３色を使用し２次元走査することによるカラー画像を投影することを想定しているが、レーザ光源を一つとすることでモノクロの画像を投影する場合にも適用可能である。

さらに、光偏向素子として、２軸走査可能な構成の説明を行ったが、図３に示すように、非共振によるラスタ走査のみの1次元光走査用の光偏向器にも適用可能である。

１ 画像表示装置
１１Ｒ、１１Ｇ、１１Ｂ 光源
１２Ｒ、１２Ｇ、１２Ｂ コリメートレンズ
１３ 光路合成プリズム
１４Ｒ、１４Ｇ、１４Ｂ 反射面
１５ ＬＤ駆動部
１６ 制御部
１７ 記憶部
１８ 光偏向器駆動部
１９ スクリーン
２ 光偏向装置
２１ 枠体
２２ａ、２２ｂ 蛇行状梁部
２３ 圧電部材
２４ 圧電カンチレバー
２５ トーションバー
２６ 反射ミラー
３ 画像形成装置
３１ 記録紙
３２ 現像手段
３３ 帯電手段
３４ 感光体ドラム
３５ クリーニング部
３６ 定着手段
３７ 転写手段
４ 光書き込みユニット
４１ 集積回路
４２ 光スキャナ
４３ 回路基板
５ 結像光学系
５１ 光源駆動手段
５２ 光源
５３ コリメートレンズ
６ 走査光学系
６１ 第１レンズ
６２ 第２レンズ

特開２０１１−１０７５０５号公報

Claims (8)

1. 複数の折り返し部を有し梁部が蛇行して形成された一対の蛇行状梁部と、
   前記蛇行状梁部を支持する枠体と、
   前記蛇行状梁部に支持された、光を反射し偏向させる反射面と、
   前記梁部の間にそれぞれ設けられた複数の圧電部材と、
   前記圧電部材に２種類の電圧波形の電圧を互い違いに印加し、前記蛇行状梁部の前記梁部を屈曲変形させる電圧印加手段と、
   を有し、
   前記反射面は、前記屈曲変形により回転振動させられ、
   前記電圧印加手段は、電圧に対する前記圧電定数の変化率をもとに、前記回転振動が一定の速度となるように前記２種類の電圧波形の電圧を調整することを特徴とする光偏向装置。
2. 前記電圧印加手段は、
   前記２種類の電圧波形の電圧の最大値と位相を電圧毎に個別に調整することを特徴とする請求項１記載の光偏向装置。
3. 前記圧電部材は、ＰＺＴで形成されていることを特徴とする請求項１または２記載の光偏向装置。
4. 請求項１から３のいずれか１項に記載の光偏向装置を有し、
   前記光偏向装置によって偏向された光を結像する結像光学系を有することを特徴とする光走査装置。
5. 請求項４に記載の光走査装置を有する画像表示装置であって、
   複数の異なる波長のレーザ光を射出する光源と、
   前記レーザ光の光路を一つに合成する光路合成手段と、
   前記光走査装置が前記光路合成手段によって合成されたレーザ光を走査し、画像を投影する投影面と、
   を有することを特徴とする画像表示装置。
6. 請求項４記載の光走査装置を有し、
   前記光走査装置によって光を走査され、潜像を形成する感光体を有することを特徴とする画像形成装置。
7. 請求項１から３のいずれか１項に記載の光偏向装置を有する画像表示装置であって、
   画像光を偏向する期間において前記回転振動が一定の速度となるように印加する電圧を調整することを特徴とする画像表示装置。
8. 請求項１から３のいずれか１項に記載の光偏向装置を有する画像形成装置であって、
   画像光を偏向する期間において前記回転振動が一定の速度となるように印加する電圧を調整することを特徴とする画像形成装置。

Images