JPH06175060A - ねじり振動子および光偏向子 - Google Patents

ねじり振動子および光偏向子

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JPH06175060A
JPH06175060A JP4291839A JP29183992A JPH06175060A JP H06175060 A JPH06175060 A JP H06175060A JP 4291839 A JP4291839 A JP 4291839A JP 29183992 A JP29183992 A JP 29183992A JP H06175060 A JPH06175060 A JP H06175060A
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 小型かつ安価な構成で安定な動作を可能とす
る。 【構成】 １対のねじりばね２２と板状部材（反射ミラ
ー）２１とからなる第１ねじり振動子２の外側に、外枠
部３１と第２のねじりばね３２とからなる第２ねじり振
動子３を形成し、固定部４により第２ねじり振動子３を
固定する。そして、第１ねじり振動子２の共振周波数を
第２ねじり振動子３のそれよりも高く設定し、第２ねじ
り振動子３の外枠部３１を磁気引力または静電引力によ
り、第１ねじり振動子の共振周波数近傍で駆動すること
で、小さな駆動力で大きな変位または走査角を安定して
得られるようにする。図は外枠部３１に一方向の磁気引
力または静電引力を加える例であるが、これを偶力とす
ることもできる。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】この発明は、電子写真式複写機，
レーザビームプリンタ画像形成装置またはバーコード読
取装置などの光学機器の走査装置に適用して好適な、ね
じり振動子および光偏向子に関する。
【０００２】
【従来の技術】この種の従来技術として、図８に示すよ
うなものがある（特開昭５７−８５２０号公報参照）。
同図において、５１は例えばシリコンプレートからスパ
ンバンド５２ａ，５２ｂと反射ミラー５３とを一体に形
成した振動子、５４はガラス製の基板である。反射ミラ
ー５３は中心でこの基板５４の突起５５と接している
が、その左右は窪み５６により一定のギャップが保たれ
ている。５７ａ，５７ｂは基板５４に設けた電極で、一
方の電極とミラー５３との間に適宜な手段にて外部から
電圧を印加することにより、ミラー５３が静電引力で吸
引されて傾くことから、ミラー５３に当たった光は図８
（ロ）に矢印で示すように走査されることになる。つま
り、ミラー５３が左右に各φだけ傾くと、光は２φだけ
振れることになる。この例は部品点数が少ないので、極
めて小型にし得るという特徴がある。
【０００３】しかし、図８に示すものではミラーの振れ
角（光走査角）を大きくすべく電極間距離を大きくする
と、大電圧を必要として実用的でなくなるので、高々１
〜２度の走査角しか得られないという欠点がある。そこ
で、図９に示すような画像形成装置も提案されている
（特開昭６３−８２１６５号公報）。この装置は、反射
ミラー３１２と駆動用コイル３１１を一体形成したガル
バノミラーを、ヨーク３２８とコイル３２９からなる外
部磁界中に配置し、その共振周波数に一致した交流電流
をコイル３１１に通電し、電流に比例したミラー変位を
得るようにしたものである。このガルバノミラーは通電
する電流を大きくすることで、反射ミラーの角度変位を
容易に大きくできるので、光走査角を大きくし得る利点
がある。なお、同図（イ）は光偏向子３１０を示す正面
図、（ロ）はその全体構成である光偏向器３００を示す
斜視図である。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、図９に
示す光偏向子には以下のような問題がある。 （１）反射ミラー３１２と同一基板上の駆動用コイル３
１１に大きな電流を通電する必要があるので、発熱によ
ってミラーに変形が生じ易く、反射光像に歪みを生じ
る。 （２）ねじりばね部の上に銅または銀でリードを設ける
必要があるため、周囲温度が変化すると、ばね部材との
線膨張係数の違いにより、共振周波数とそのＱが変化
し、不安定となる。 したがって、この発明の課題は小型かつ安価な構成で安
定な光走査などの動作を可能にすることにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】このような課題を解決す
るため、第１の発明では、板状部材と第１ばね部とから
なる第１振動子と、この第１振動子に接続される応動部
と第２ばね部とからなる第２振動子とを持つ２自由度以
上の振動子の前記応動部に駆動力を与え、第１振動子の
共振周波数近傍で動作させることを特徴としている。第
２の発明では、反射ミラー部と第１ばね部とからなる第
１振動子と、この第１振動子に接続される応動部と第２
ばね部とからなる第２振動子とを持つ２自由度以上の振
動子の前記応動部に駆動力を与え、第１振動子の共振周
波数近傍で動作させることを特徴としている。
【０００６】第３の発明では、反射ミラー部と第１ばね
部とからなる第１振動子と、この第１振動子に接続され
る応動部と第２ばね部とからなる第２振動子とを持つ２
自由度以上の振動子の前記応動部に、前記第２ばね部を
中心とする偶力を与え、第１振動子の共振周波数近傍で
動作させることを特徴としている。上記第２または第３
の発明では、その駆動力または偶力を電磁力または静電
気力とすることができる。
【０００７】
【作用】１対のねじりばね部と板状部材または１対のね
じりばね部とミラー部からなる第１ねじり振動子の外側
に、応動部と第２のねじりばね部とからなる第２ねじり
振動子を形成し、第２のねじりばね部を固定する。さら
に、第１ねじり振動子の共振周波数を第２ねじり振動子
のそれよりも高く設定して、第２ねじり振動子の応動部
を磁気引力または静電引力発生手段により、第１の共振
周波数近傍で駆動する。こうすることにより、第２ねじ
り振動子の角度振幅はその共振周波数で最大となるが、
それよりも高い周波数では駆動周波数が高ければ高い程
振幅は小さくなる。
【０００８】つまり、第１の共振周波数近傍で駆動する
ことにより第２ねじり振動子の振幅は小さく、第１ねじ
り振動子の振幅は大きくすることができる。なお、応動
部に加える力を偶力とすることができる。こうすれば、
駆動手段を設けている第２ねじり振動子側の振幅は小さ
くて良いので、駆動手段と第２ねじり振動子との距離を
小さく設定することができ、極めて小さなエネルギー
で、大きな振れ角または走査角を得ることができる。ま
た、板状部材または反射ミラーに接することのない駆動
手段を用い得ることから、発熱による熱歪を生じること
がなく、安定な光ビーム走査などの動作が可能となる。
【０００９】
【実施例】図１はこの発明の実施例を示す斜視図、図２
は図１の振動子の構成を示す平面図である。これらの図
において、１は磁性体で作られた２自由度振動子で、板
状部材２１と１対の第１ねじりばね２２とからなる第１
のねじり振動子２、外枠部３１と第２ねじりばね３２と
からなる第２のねじり振動子３、および固定部４などか
ら構成される。なお、板状部材２１を反射ミラーで置換
するかまたは板状部材２１に反射ミラーを設けることに
より、光偏向器とすることができる。以下、主として光
偏向器の例について説明する。
【００１０】板状部材（反射ミラー）２１および外枠部
３１はそれぞれ第１，第２ねじりばね２２，３２を中心
に回転運動できるよう構成されていて、固定部４は基板
５にしっかりと固定されている。外枠部３１の近傍には
小さい距離を隔ててヨーク６１，６２およびコイル７
１，７２からなる電磁駆動手段が、第１，第２ねじりば
ね２２，３２を中心に左右に１つずつ配置されている。
なお、外枠部３１は駆動手段に応動する部分ともなるの
で、以下応動部とも言う。
【００１１】このような構成において、コイル７１（７
２）に電流を流せば磁束が発生し、ヨーク６１（６２）
近傍の磁性体である外枠部３１を吸引する力が生じるの
で、コイル７１，７２に交互に通電することにより、振
動子２，３はそれぞれ第１，第２ねじりばね２２，３２
を中心に回転振動することになる。このような２自由度
振動子の原理モデル図を図３に示す。いま、第２ねじり
振動子３に調和起振力Ｆｅjwt を加えたときの第２ねじ
り振動子３の振幅をｘ、第１ねじり振動子２の変位をｙ
とすると、これらは次式のように表現される。なお、ｗ
は振動角周波数、Ｃは弾性係数、Ｉ1 ，Ｉ2 はそれぞれ
第１，第２ねじり振動子の慣性モーメント、ｋ，Ｋはそ
れぞれ第１，第２振動子のねじりばね定数を示す。
【００１２】 ｜ｘ｜＝Ｆ・｛（ｋ−Ｉ1 ｗ2 ）2 ＋（Ｃｗ）2 ｝1/2 ／｜Δ（ｗ）｜ …（１） ｙ ＝Ｆ・｛ｋ2 ＋（Ｃｗ）2 ｝1/2 ／｜Δ（ｗ）｜ …（２） ｜Δ（ｗ）｜＝［｛（Ｋ−Ｉ2 ｗ2 ）（ｋ−Ｉ1 ｗ2 ）−Ｉ1 ｋｗ2 ｝2 ＋（Ｃｗ）2 ｛（Ｋ−（Ｉ1 ＋Ｉ2 ）ｗ2 ｝2 ］1/2 …（３）
【００１３】第１ねじり振動子に作用する減衰は小さ
く、省略できるものとすると、Ｃ＝０として、第２ねじ
り振動子の振幅ｘは、 ｜ｘ｜＝Ｆ｜ｋ−Ｉ1 ｗ2 ｜／｜（Ｋ−Ｉ2 ｗ2 ）（ｋ−Ｉ1 ｗ2 ）−Ｉ1 ｋ ｗ2 ｜ …（４） となり、第１ねじり振動子の共振周波数ｆ＝２πｗ＝２
π（ｋ／Ｉ1 ）1/2 で駆動すると、 ｜ｘ｜＝０ となる。一方、第１ねじり振動子の振幅ｙは、 ｜ｙ｜＝Ｆ｜ｋ｜／｜（Ｋ−Ｉ2 ｗ2 ）（ｋ−Ｉ1 ｗ2 ）−Ｉ1 ｋｗ2 ｜ ＝Ｆ／｜ｋ｜ となり、駆動力Ｆに比例した振幅を得ることができる。
【００１４】また、この実施例では第２ねじり振動子３
の共振周波数よりも、第１ねじり振動子２の共振周波数
の方を非常に高く設定しておくことにより、第１ねじり
振動子２の共振周波数から若干ずれた周波数で駆動され
ても、第２ねじり振動子３の振幅は小さく押さえること
が可能となり、その結果、第２ねじり振動子３とヨーク
６１，６２とのギャップ距離が小さくても板状部材（反
射ミラー）２１の振幅を大きくすることができる。つま
り、ギャップ距離が小さいので、駆動電流に対する駆動
力を大きくすることができ、小さな駆動エネルギーで大
きな板状部材（反射ミラー）振幅を確保することが可能
となる。
【００１５】図４はこの発明の他の実施例を示す斜視図
である。この実施例では、外枠部（応動部）３１に対向
して固定電極９１，９２を配置し、例えば外枠部３１は
固定部４を経て接地状態にする一方、固定電極９１また
は９２にスイッチＳＷを介して交互に電圧を加え、これ
により両者間に生じる静電気力を利用するものである。
このとき、この２自由度振動子は図１，図２の実施例と
同様に、第１ねじり振動子の共振周波数近傍で回転振動
させられることになる。
【００１６】静電気力Ｆはギャップ間距離をｄ、電極面
積をＳ、印加電圧をＶ、εを比誘電率、ε0 を真空の誘
電率として、 Ｆ＝ε・ε0 ・Ｓ・Ｖ／ｄ2 と表現できるので、同じ力を得るのにギャップを小さく
設定できれば、非常に小さな電圧で済むことを示してい
る。すなわち、このようなねじり振動子を利用すること
により、低電圧で大きな板状部材（反射ミラー）振幅を
得ることができる。また、このような静電駆動方式は電
磁駆動型に比べて部品数が少なく、固定電極を配置する
だけで良いので、小型化が容易となる利点が得られる。
【００１７】以上では、振動子を２自由度としたが、自
由度は３以上とすることができる。３自由度の実施例を
図５に示す。４１は図２の外枠部３１に対応する応動部
で、その他は図２と同様なので詳細は省略する。なお、
このように構成することにより、外形形状を小さくし得
るわりには板状部材または反射ミラーを比較的大きくす
ることが可能となる。
【００１８】ところで、これまでのものは駆動力が一方
向の力であるため、大きな力を印加すると支持部にたわ
み振動が発生し、走査光に走査方向以外のブレ（ウォブ
ル）が生じるという問題が残されている。また、設定し
たギャップ距離の２乗に反比例する力のため、過大な力
を発生させると可動部が固定部に吸引固定してしまい動
作不能になるという問題もある。図６に、このような問
題に対処するための実施例を示す。
【００１９】これは、２自由度振動子１の外枠部（応動
部）に対向して、適当な距離を隔てて表裏に２組の固定
電極９１，９２および９３，９４を配置し、左右の電極
は交互に表裏の電極では逆位相となるように電圧を加
え、これにより発生する静電気力を利用するものであ
る。このときの発生力は、２自由度振動子１の第２ねじ
りばねを中心とする偶力となるので、同じ振幅を得るの
に低い電圧で済み、回転以外の力がばね部に作用しない
ので安定した光走査が可能となる。
【００２０】図７に別の実施例を示す。同図（イ）はそ
の斜視図、（ロ）は断面図をそれぞれ示す。これは、例
えばフォトリソグラフィによる微細加工技術で製作した
シリコン製の第１ねじり振動子を、金属製の第２ねじり
振動子に接合して、２自由度振動子１０としたもので、
１１は板状部材（反射ミラー）、１２Ａ，１２Ｂは第１
ねじりばね、１３は外枠部（応動部）、１４Ａ，１４Ｂ
は第２ねじりばねを示す。
【００２１】そして、外枠部（応動部）１３の左右には
それぞれ永久磁石４１Ａ，４１Ｂを接合し、２つのコイ
ル２５Ａ，２５Ｂを基板２０に固定して磁石４１Ａ，４
１Ｂの近傍に配置してコイル２５Ａ，２５Ｂに互いに逆
向きの電流を流し、その結果発生する電磁力を利用する
ものである。このとき発生する電磁力は、左右の磁気回
路について、同一磁束方向に対し電流の向きを逆に設定
していることから偶力となり、図６の場合と同様の効果
が得られるようになっている。また、接合する永久磁石
の磁界の向きを逆にして、コイルに流す電流の向きを同
じにしても作用効果は同じである。
【００２２】
【発明の効果】この発明によれば、板状部材または反射
ミラーと１対の第１ねじりばねとからなる第１ねじり振
動子を、応動部と第２ねじりばねとからなる第２ねじり
振動子に結合して２自由度振動子を形成し、第２ねじり
振動子の応動部に駆動力または偶力を与え、第１ねじり
振動子の共振周波数で駆動するようにしたので、第２ね
じり振動子の振幅を第１ねじり振動子のそれに比べて著
しく小さくすることができる。そのため、振動子とヨー
クまたは固定電極と対向させて力を発生する電磁駆動手
段または静電駆動手段の如く、振動子とのギャップを小
さく設定しなければならなかった駆動手段に対しても、
板状部材または反射ミラーの振幅を大きくすることがで
きる。また、偶力を利用するものにあっては、支持部に
回転以外の力が加わらないのでばね部のたわみ変形が無
くなり、光走査のブレが小さく安定した動作が可能とな
る利点が得られる。また、電磁式では振動子に磁性材料
を使用すれば、振動子上にコイルやリードを形成する必
要がないため、通電によりコイルから発生する熱でミラ
ーを歪ませることもなく、安定した光ビーム走査などの
動作が可能となる。さらに、静電式では、振動子に対向
して固定電極を配置するだけで良いので、部品数を少な
くでき、小型化が可能となる。また、この方式では、振
動子は導電性であれば良いので、その材質を幅広く選択
することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の実施例を示す斜視図である。
【図２】図１に示す振動子を示す平面図である。
【図３】この発明の原理説明図である。
【図４】この発明の他の実施例を示す斜視図である。
【図５】３自由度振動子の例を示す平面図である。
【図６】静電気力の偶力を利用するこの発明の実施例を
示す断面図である。
【図７】電磁気力の偶力を利用するこの発明の実施例を
示す構成図である。
【図８】第１の従来例を示す構成図である。
【図９】第２の従来例を示す構成図である。
【符号の説明】
１，１０…２自由度ねじり振動子、２…第１ねじり振動
子、１１，２１…板状部材（反射ミラー）、１２Ａ，１
２Ｂ，１４Ａ，１４Ｂ，２２，３２…ねじりばね、３…
第２ねじり振動子、１３，３１…外枠部（応動部）、４
…固定部、４１…応動部、４１Ａ，４１Ｂ…永久磁石、
５，５Ａ，５Ｂ，２０…基板、６１，６２…ヨーク、２
５Ａ，２５Ｂ，７１，７２…コイル、８…止め板、９
１，９２，９３，９４…固定電極。

Claims (5)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 板状部材と第１ばね部とからなる第１振
    動子と、この第１振動子に接続される応動部と第２ばね
    部とからなる第２振動子とを持つ２自由度以上の振動子
    の前記応動部に駆動力を与え、第１振動子の共振周波数
    近傍で動作させることを特徴とするねじり振動子。
  2. 【請求項２】 反射ミラー部と第１ばね部とからなる第
    １振動子と、この第１振動子に接続される応動部と第２
    ばね部とからなる第２振動子とを持つ２自由度以上の振
    動子の前記応動部に駆動力を与え、第１振動子の共振周
    波数で動作させることを特徴とする光偏向子。
  3. 【請求項３】 反射ミラー部と第１ばね部とからなる第
    １振動子と、この第１振動子に接続される応動部と第２
    ばね部とからなる第２振動子とを持つ２自由度以上の振
    動子の前記応動部に、前記第２ばね部を中心とする偶力
    を与え、第１振動子の共振周波数近傍で動作させること
    を特徴とする光偏向子。
  4. 【請求項４】 前記駆動力を電磁力とすることを特徴と
    する請求項２または３に記載の光偏向子
  5. 【請求項５】 前記駆動力を静電力とすることを特徴と
    する請求項２または３に記載の光偏向子
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