KR100806015B1

KR100806015B1 - 마이크로요동체, 광편향기 및 화상형성장치

Info

Publication number: KR100806015B1
Application number: KR1020067012285A
Authority: KR
Inventors: 스스무 야스다; 야스히로 시마다
Original assignee: 캐논 가부시끼가이샤
Priority date: 2003-12-25
Filing date: 2004-12-10
Publication date: 2008-02-26
Also published as: JP2005208578A; JP4027359B2; CN101276054A; EP1697254A4; US20090080044A1; US7388702B2; JP4533407B2; KR20060103927A; CN1780786A; US20080204843A1; US7643198B2; CN101276054B; WO2005063613A1; DE602004015328D1; EP1697254B1; US20080013140A1; EP1697254A1; US7474452B2; US20060152785A1; US7271943B2

Abstract

본 발명은 각속도의 변동을 억제할 수 있는 공진형의 마이크로요동체를 제공하며, 특히 둥우리형 마이크로요동체로서, 기준주파수의 고유진동모드인 기준진동모드, 및 이 기준주파수의 대략 짝수 배의 주파수의 고유진동모드인 짝수배진동모드가 존재하는 마이크로요동체를 제공한다.

Description

마이크로요동체, 광편향기 및 화상형성장치{MICRO-OSCILLATING MEMBER, LIGHT-DEFLECTOR, AND IMAGE-FORMING APPARATUS}

본 발명은 마이크로구조체의 기술분야에 속하는 요동체에 관한 기술이며, 보다 자세하게는 광편향기에 적합한 마이크로요동체, 및 이 마이크로요동체를 사용한 광편향기에 관한 것이다. 또, 이 광편향기를 사용한 주사형 디스플레이나 레이저빔프린터나 디지털복사기 등의 화상형성장치에 관한 것이다.

종래, 미러가 공진구동되는 광편향기가 다양하게 제안되어 있다. 일반적으로, 공진형 광편향기는, 다각형미러 등의 회전다면경을 사용한 광주사광학계에 비해, 광편향기를 큰 폭으로 소형화하는 것이 가능한 것, 소비전력이 적은 것, 면엉킴(face tangle)이 이론적으로 존재하지 않는 것, 특히 반도체프로세스에 의해 제조되는 Si단결정으로 이루어진 광편향기는 이론상 금속피로가 없고, 내구성에도 우수한 것 등의 특징이 있다(일본국 특개소 57-8520호 공보).

한편, 공진형 편향기에 있어서는, 원리적으로 미러의 주사각이 정현적으로 변화하기 때문에, 각속도가 일정하지 않다고 하는 문제점이 있다. 이 특성을 보정하기 위해서 몇몇의 수법이 제안되어 있다.

예를 들면, 일본국 특개평 9-230276호 공보, 동 특개평 9-230277호 공보, 동 특개평 9-23278호 공보, 동 특개평 9-230279호 공보에 있어서는, 결상광학계(결상렌즈)로서 아크사인렌즈(arcsin lens)를 사용함으로써, 피주사면 상에서 등속주사를 실현하고 있다.

또, 일본국 특개 2003-279878호 공보에 있어서는, 2매의 편향반사면을 서로 다른 진동주기의 정현진동에 의해 구동함으로서, 정현파를 합성해서 주사범위 내에서 대략 등각속도구동을 실현하고 있다.

또, 미국특허 4,859,846호 공보에 있어서는, 기본주파수와 그 3배의 주파수의 진동모드를 가지는 공진형 편향기를 사용함으로써, 대략 삼각파구동을 실현하고 있다.

레이저빔프린터 등의 전자사진에 있어서는, 레이저광을 감광체 상에서 주사 함으로써 화상을 형성한다. 그 때 레이저광의 주사속도는 감광체 상에서 등속도인 것이 바람직하다. 여기서, 전자사진에 사용하는 광주사수단에 있어서는, 광편향기로 주사한 후에 광학적인 보정을 행하는 것이 일반적이다.

예를 들면, 회전다면경을 사용한 광주사광학계에서는, 편향반사면에 의해 등속도로 반사편향된 광속을 감광체 상에서 등속주사로 변환하기 위해 fθ렌즈라고 하는 결상렌즈가 사용되고 있다.

또, 정현진동을 행하는 광편향기를 사용하는 광주사광학계에 있어서는, 정현적으로 각속도가 변화하는 광속을 감광체 상에서 등속주사로 변환하기 위해 아크사인렌즈라고 하는 결상렌즈가 사용되고 있다.

그러나, 아크사인렌즈에는 광학적인 주사보정시에 감광체 상에 있어서의 레 이저광의 빔스폿의 크기가 변화한다고 하는 문제점이 있다. 일반적으로 화상형성장치에 있어서는, 그 필요하게 되는 화질에 따라 허용할 수 있는 빔스폿의 크기에 상한치와 하한치가 존재한다. 그 때문에, 광편향기로부터 사출되는 레이저광의 각속도에는, 각속도 변동의 폭에 허용치가 존재한다. 여기서, 각속도의 상한과 하한을 각각 θ'_max과 θ'_min로 한다.

그런데, 정현진동을 행하는 광편향기에 있어서, 변위각θ과 각속도θ'는 이하의 식으로 나타낼 수가 있다.

θ = θ₀sin(ωt) (수식 1)

θ' = θ₀ωcos(ωt) (수식 2)

단, θ₀: 최대 변위각, ω: 각진동수이다. 이 때,

θ'_max = θ₀ω (수식 3)

θ'_min ≤ θ₀ωcos(ωt) (수식 4)

의 관계가 성립한다. 이 모습을 설명하는 것이 도 17이다. 도 17에 있어서, t=0의 전후로 상기 식을 만족하는 시간 범위는,

-cos^-1(θ'_min/θ_Oω) ≤ ωt ≤ -cos^-1(θ'_min/θ_Oω) (수식 5)

의 범위이며, 이 조건을 만족하는 사용가능 최대 편향각θ_eff와 일 주기 중 사용할 수 있는 유효시간 t_eff는,

θ_eff = θ₀sin(cos^-1(θ'_min/θ'_max)) (수식 6)

t_eff = 2cos^-1(θ'_min/θ'_max)/ω (수식 7)

이 된다.

예를 들면, θ'가 기준의 각속도에 대해서 ±20%까지 허용할 수 있다고 하면, 이 때,

θ'_min : θ'_max = 0.8 : 1.2 (수식 8)

이 되므로, 사용가능 최대 편향각 θ_eff와 유효시간 t_eff는,

θ_eff = θ₀sin(cos^-1(0.8/1.2)) = 0.7454θ₀ (수식 9)

t_eff = 2cos^-1(0.8/1.2)/ ω = 1.6821/ ω (수식 10)

이 된다. 이와 같이, 종래의 공진형 광편향기는 이 사용가능 최대 편향각 θ_eff와 유효시간 t_eff를 충분히 크게 취할 수가 없다고 하는 문제점이 있다

또, 공진형 편향기는 왕로와 복로의 각속도가 같기 때문에, 한 쪽 주사를 행하면, 주사에 유효하게 사용할 수 있는 시간이 짧다고 하는 문제점이 있다.

또, 이들 문제점을 보정하기 위해서 복수의 편향기를 사용하면 구조가 복잡하게 된다고 하는 문제점이 있다.

또, 미러는 구동시에 있어서도 소망하는 평면도를 유지하지 않으면 안되기 때문에, 미러의 변형을 억제하기 위해서 강성을 높게 해야 한다고 하는 문제점이 있다. 수식 1과 같은 정현진동을 행하는 광편향기에 있어서, 미러의 각가속도 θ''는 다음과 같이 주어진다.

θ'' = -θ₀ω²sin(ωt) (수식 11)

상기의 예에서는, 각가속도의 최대치가 되는 것은 주사의 양단이며, 그 최대치는,

θ''_max = θ₀ω²sin(cos^-1(0.8/1.2)) = 0.7454θ₀ω² (수식 12)

가 된다.

또, 가동자와 토션스프링을 조립할 때, 시간과 수고가 들고, 또 조립오차가 발생하기 쉬워진다고 하는 문제점이 있다

또, 가동자의 관성모멘트를 크게 하려고 하면, 소형화가 어렵다고 하는 문제점이 있다. 2개 이상의 가동자를 가지는 공진형 광편향기에 있어서는, 광편향소자가 배치되어 있는 가동자의 관성모멘트가 가장 작은 것이 가장 바람직하다. 그러나, 1매의 판을 가공해서 가동자와 토션스프링을 형성하려고 하면, 관성모멘트를 크게 하기 위해서 큰 면적의 판이 필요하게 된다. 이것은 소형화의 장벽이 된다. 또, 가동자와 토션스프링을 반도체프로세스에 의해 형성하는 경우에는 푸트프린트(foot print)의 대형화는 코스트상승의 요인이 된다.

또, 가동자를 토션스프링에 의해 직렬로 연결하면, 비틀림뿐만이 아니라, 휨진동모드가 발생하기 쉬워진다고 하는 문제점이 있다.

도 18은 휨진동모드를 설명하기 위한 모델이다. 가동자(1601) 및 (1602)가 토션스프링(1611)에 의해 연결되고, 가동자(1602)와 지지부(1621)는 토션스프링(1612)에 의해 연결되어 있다. 이러한 계는 일반적으로 2개의 휨진동모드를 가진다. 이 때의 진동모드 형상을 도 19A 및 도 19B에 나타낸다. 도 19A는 주파수가 낮은 쪽의 동상 휨진동모드, 도 19B는 주파수가 높은 쪽의 역상 휨진동모드이다. 이들 진동모드는 가능한 한 억제하는 것이 바람직하다.

상기 문제점을 해결하기 위하여, 본 발명은,

복수의 가동자; 이 복수의 가동자를 직렬로 연결하는 동일 축 상에 배치된 복수의 토션스프링; 이 복수의 토션스프링의 일부를 지지하는 지지부; 상기 가동자의 적어도 하나에 토크를 인가하는 구동수단; 및 이 구동수단을 제어하는 구동제어수단을 가지는 마이크로요동체에 있어서,

상기 복수의 토션스프링과 상기 복수의 가동자로 이루어진 계가 분리된 복수의 고유진동모드를 가지고, 이 분리된 복수의 고유진동모드 내에, 기준주파수의 고유진동모드인 기준진동모드, 및 이 기준주파수의 대략 짝수 배의 주파수의 고유진동모드인 짝수배진동모드가 존재하는 것을 특징으로 하는 마이크로요동체이다.

또, 상기한 마이크로요동체에 있어서, 상기 복수의 가동자와 상기 복수의 토션스프링을 1매의 판으로부터 일체로 형성하는 것이 바람직하다.

또, 상기한 마이크로요동체에 있어서, 상기의 1매의 판이 단결정실리콘웨이퍼인 것이 바람직하다.

또, 상기한 마이크로요동체에 있어서, 상기 토션스프링의 축에 수직인 어느 평면을 취했을 경우에, 그 평면이 상기 복수의 토션스프링 중의 하나 및 상기 복수의 가동자 중의 적어도 하나와 교차하는 것이 바람직하다.

또, 상기한 마이크로요동체에 있어서, 상기 토션스프링의 축에 수직인 어느 평면을 취했을 경우에, 그 평면이 적어도 2개 이상의 상기 복수의 가동자와 교차하는 것이 바람직하다.

또, 상기한 마이크로요동체에 있어서, 상기 복수의 가동자가 상기 복수의 토션스프링 중 2개에 연결되어 있는 것이 바람직하다.

또, 본 발명은 상기 구동제어수단이, 상기 기준진동모드와 상기 짝수배진동모드를 동시에 여진하도록 상기 구동수단을 제어하는 것을 특징으로 하는 마이크로요동체이다.

또 상기한 마이크로요동체에 있어서, 구동시에, 상기 복수의 가동자의 적어도 하나의 변위각이 증가하고 있는 시간과 상기 변위각이 감소하고 있는 시간이 다른 것이 바람직하다.

또, 본 발명의 광편향기는 상기 마이크로요동체와 이 마이크로요동체의 가동자 상에 배치된 광편향소자를 가지는 광편향기이다.

또, 본 발명의 화상형성장치는 상기 광편향기와 광원과 결상광학계를 가지는 화상형성장치이다.

도 1A 및 도 1B는 실시예 1의 광편향기를 설명하는 도면.

도 2는 실시예 1의 광편향기의 공진특성을 설명하는 도면.

도 3은 실시예 2의 광편향기에 사용하는 플레이트부재를 설명하는 도면.

도 4는 실시예 2의 광편향기의 변위각을 설명하는 그래프.

도 5는 실시예 2의 광편향기의 각속도를 설명하는 그래프.

도 6은 실시예 3의 화상형성장치를 설명하는 그래프.

도 7은 본 발명의 마이크로요동체의 원리를 설명하는 도면.

도 8은 본 발명의 광편향기의 원리를 설명하는 도면.

도 9는 본 발명의 마이크로요동체의 변위각을 설명하는 그래프.

도 10은 본 발명의 마이크로요동체의 각속도를 설명하는 그래프.

도 11은 본 발명의 마이크로요동체의 각속도와 정현파구동의 각속도를 비교하는 그래프.

도 12는 본 발명의 마이크로요동체의 변위각과 정현파구동의 변위각을 비교하는 그래프.

도 13은 본 발명의 마이크로요동체의 각가속도와 정현파구동의 각가속도를 비교하는 그래프.

도 14는 본 발명의 효과를 설명하는 도면.

도 15는 본 발명의 효과를 설명하는 도면.

도 16은 본 발명의 효과를 설명하는 도면.

도 17은 정현파구동의 유효시간을 설명하는 도면.

도 18은 복수의 진동모드를 가지는 마이크로요동체의 휨진동모드를 설명하는 모델.

도 19A 및 도 19B는 복수의 진동모드를 가지는 마이크로요동체의 휨진동의 진동모드를 설명하는 도면.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

100, 200: 플레이트부재

101, 102, 201~203, 1001~1003, 1101, 1102, 1301, 1302, 1401, 1402, 1501, 1502, 1601, 1602: 가동자

111a, 111b, 112a, 112b, 211~213, 1311, 1312, 1511, 1512, 1011~1013, 1111, 1112, 1411, 1412, 1611: 토션스프링

121, 221: 지지프레임

1021, 1121, 1321, 1421, 1521, 1522, 1621: 지지부

131: 광반사막 1131: 광반사소자

1141: 구동수단 1151: 구동제어수단

1391, 1392, 1491: 토션스프링의 축에 수직인 면

140: 전자액츄에이터 141: 영구자석

142: 코일 144: 요크

143: 코어 150: 제어기

190: 절단선 151: 기준클록생성기

152: 분주기 153, 154: 카운터

155, 156: 정현함수기 157, 158: 승산기

159: 가산기 160: DA컨버터

161: 파워앰프 301: 본 발명의 광편향기

302: 광원 303: 출사광학계

304: 결상광학계 305: 감광드럼

311: 레이저광 312: 주사궤적

1201: 수식 16의θ1' 1202: 수식 2의θ'

1211: θ'_max 1212: θ'_min

1221: 각속도θ1'의 유효시간 1222: 정현파θ'의 유효시간

1231: 수식 15의 θ1 1232: 수식 1의 θ

1241: 본 발명의 최대 유효변위각 1242: 정현파의 최대 유효변위각

1251: 수식 15의 θ1'' 1252: 수식 1의 θ''

1261: 각가속도 저감 구간

도 7은 본 발명의 마이크로요동체의 원리를 설명하는 도면이다. 도 7에 있어서, (1001)~(1003)은 n개의 가동자, (1011)~(1013)은 n개의 토션스프링, (1021)은 지지부를 모식화하고 있다. 토션스프링(1011)~(1013)은 일직선형상으로 배치되어 있고, 가동자(1001)~(1003)는 토션스프링(1011)~(1013)의 비틀림 축 둘레에 요동할 수 있게 되어 있다. 이 계의 자유진동의 방정식은 이하와 같이 주어진다.

(수식 13)

단, I_k: 가동자의 관성모멘트, k_k: 토션스프링의 스프링 상수, θ_k: 가동자의 비틀림각이다(k=1, 2, ㆍㆍㆍ, n). 이 계의 M^- ^lK의 고유치를 λ_k라 하면(k = 1~n), 고유모드의 각진동수 ω_k는,

(수식 14)

로 주어진다. 본 발명의 마이크로요동체의 특징은 이들 ω_k중에 기준주파수와 이 기준주파수의 대략 짝수 배의 주파수가 있는 것이다. 또한 여기서 말하는 "대략 짝수 배"란, 기준주파수의 1.98n~2.02n 배 정도(n은 임의의 정수)의 수치범위에 포함되는 것이 바람직하다.

예로서, 도 8에 나타내는 바와 같은 가동자의 수가 2개인 공진형 광편향기에 대해 생각한다. (1101), (1102)는 가동자, (1111), (1112)는 토션스프링, (1121)은 지지부, (1131)은 가동자(1101) 상에 배치된 광반사소자, (1141)은 구동수단, (1151)은 구동제어수단이다. 여기서, I₁ = 1.3951E - 11 [kgm²], I₂ = 1.7143E - 10 [kgm²], k₁ = 7.91914E - 03 [N/m], k₂ = 3.0123E - 02 [N/m]라 한다. 이 때, M^-1 K의 고유치는 λ₁= 1.5790E08, λ₂= 6.3166 E08이 되므로, 대응하는 고유진동수는 ω₁= 2π × 2000[Hz], ω₂= 2π × 4000[Hz]가 된다. 즉, ω₂= 2ω₁이 되고 있다. 이들 진동모드를 각각 이하 "모드 1", "모드 2"로 칭한다.

또한 본 발명에 있어서는, 복수의 가동자와 토션스프링이 구성하는 계가 기준주파수 및 그 짝수 배의 주파수에 의해 동시에 진동하도록 구동제어수단(1151)이 구동수단(1141)을 제어한다. 그 때에, 기준주파수 및 그 짝수 배의 주파수의 가동자의 진폭과 위상을 여러가지로 변화시킴으로써, 다양한 구동을 행할 수 있다

일례로서, 구동제어수단(1141)이 구동수단(1151)을 제어해서, 모드 1에 있어서의 가동자(1101)의 진동진폭이 1.6a가 되고, 모드 2에 있어서의 가동자(1101)의 진동진폭이 0.4a가 되도록 함으로써, 각각의 위상이 180도 다르도록 한다. 여기서, 다음 식에 있어서의 "a"는 임의의 정수이다. 모드 1, 2에 대응하는 고유벡터는 v1 = [1, 0.72174]^T, V2 = [1, -0.11275]^T이므로, 가동자(1101), (1102)의 진동진폭 θ1, θ2는,

θ1 = a {1.6 sin (ω₁t) - 0.4 sin (2ω₁t)} (수식 15)

θ2 = a {1.6 (0.72174) sin (ω₁t) - 0.4 (-0.11275) sin (2ω₁t)(수식 16)

로 주어지게 된다. 가동자(1101)에는 광반사소자(1131)가 배치되어 있으므로, 광반사소자의 움직임은 θ1으로 주어진다. 또 가동자(1101)의 각속도 θ1'와 각가속도 θ1''는 이하와 같이 표시될 수 있다.

θ1' = aω₁{1.6cos(ω₁t) - 2 × 0.4cos(2ω₁t) (수식 17)

01'' = aω₁ ²{-1.6sin(ω₁t) + 4 × 0.4sin(2ω₁t) (수식 18)

도 9와 도 10에, θ1 및 θ1'를 각각 표시한다.

다음에 본 발명의 효과에 대해 설명한다. 도 11은 수식 2의 θ'(1202) 및 수식 16의 θ1'(1201)를 최대치가 동일해지도록 규격화해서 플롯한 그래프이다. 이 그래프에 있어서, 각속도가 θ'_max(1211)와 θ'_min(1212)의 범위에 있는 시간을 유효시간으로 하면 각속도 θ1'(1201)의 유효시간은 도 11에서 (1221)이며, 정현파 θ'(1202)의 유효시간은 도 11에서 (1222)이다. 도 11에서 명백한 바와 같이, 본 발명의 마이크로요동체는 정현파구동에 비해 유효시간이 길다. 구체적으로는, θ1'_max = 1.2× aω₁, θ1'_min = 0.8 × aω₁이므로,

θ1'_min=aω₁{1.6cos(ω₁t) - 2 × 0.4cos(2ω₁t) (수식 19)

0.8 = 1.6cos(ω₁t) - 2 × 0.4cos(2ω₁t) (수식 20)

으로부터 t = 0, ±1/(2ω₁/π)가 된다. 그러므로 유효시간 t1_eff는,

t1_eff = 1/(2ω₁/π) - (-1/(2ω₁/π))=π/ω₁ (수식 21)

이 된다.

또, 도 12로부터 변위각 θ1이 증가하고 있는 시간(그래프가 우상쪽으로 이 동하고 있는 구간)이 변위각 θ1이 감소하고 있는 시간(그래프가 우하쪽으로 이동하고 있는 구간)보다 긴 것을 알 수 있다. 즉, 본 발명을 이용함으로써, 정현파구동의 광편향기와 달리, 왕로와 복로에서 주사속도를 바꿀 수가 있다. 이것은 광이 일정 방향으로 주사되고 있을 때에만 화상형성을 행하는 화상형성장치에 있어서 유리한 특성이다.

도 12는 도 11과 같은 조건에서 수식 15의 θ1(1231) 및 수식 1의 θ(1232)를 플롯한 그래프이다. 각속도가 θ'_max(1211)와 θ'_min(1212)의 범위에 있는 변위각을 유효변위각으로 하면, 이 그래프에 있어서, θ1(1231) 및 θ(1232) 각각의 유효시간은 도 12에서 (1221) 및 (1222)이므로, 본 발명과 정현파의 최대 유효변위각은 각각 θ1_eff(1241)와 θ_eff(1242)가 된다. 도 12에서 명백한 바와 같이, 본 발명의 θ1_eff(1241)는 θ_eff(1242)보다 크다. 이 때의 θ1_eff는 이하와 같이 나타낼 수 있다.

θ1_eff = a{1.6sin(π/2) - 0.4sin(π)} = 1.6a (수식 22)

도 13은 도 11과 같은 조건에서 수식 15의 θ1''(1251) 및 수식 1의 θ''(1252)를 플롯한 그래프이다. 도 13에서, 각가속도저감구간(1261)에 있어서는, θ''(1252)에 비해 θ1''(1251)의 절대치가 작은 것을 읽어낼 수 있다. 미러가 광주사기로서 사용되는 경우, 미러의 동적 휨(dynamic flexure)은 각가속도에 비례하기 때문에, 본 발명에 의하면, 같은 미러를 사용했을 경우 동적 휨이 작아진다. 또, 같은 동적 휨을 허용할 수 있는 경우에는, 보다 강성이 낮은 미러를 사용할 수 있다. 일반적으로 강성이 낮은 미러는, 경량으로 만들 수 있으므로, 관성모멘트를 저감할 수 있어 소비전력을 억제할 수가 있다.

또, 본 발명에 있어서는, 토션스프링과 가동자를 일체로 형성함으로써, 조립의 수고를 없애고, 조립정밀도의 불균형을 없앨 수가 있다.

또, 본 발명에 있어서는, 토션스프링과 가동자를 일체로 형성할 때에, 실리콘웨이퍼를 재료로 사용함으로써, 공진의 예리함의 지표인 Q치를 높게 할 수가 있어, 소비에너지를 줄일 수가 있다

또, 본 발명에 있어서는, 토션스프링의 축에 수직인 어느 평면을 취했을 경우에, 그 평면이 상기 복수의 가동자 및 토션스프링과 교차하는 가동자를 사용함으로써, 적은 면적 내에서 큰 관성모멘트를 확보할 수가 있다.

도 14에 있어서, 가동자(1301), (1302)와 토션스프링(1311), (1312)은 1매의 판으로 일체로 형성되고, 토션스프링(1312)은 지지부(1321)에 고정되어 있다. 이 예에 있어서, 토션스프링의 축에 수직인 면(1391)은 가동자(1302) 및 토션스프링(1312)과 교차하고 있고, 또, 토션스프링의 축에 수직인 면(1392)은 가동자(1302) 및 토션스프링(1311)과 교차하고 있다. 이러한 형상의 가동자(1302)를 사용함으로써, 작은 면적으로 유효한 관성모멘트를 얻을 수가 있다.

도 15에 있어서, 가동자(1401), (1402)와 토션스프링(1411), (1412)은 1매의 판으로 일체로 형성되고, 토션스프링(1412)은 지지부(1421)에 고정되어 있다. 이 예에 있어서, 토션스프링의 축에 수직인 면(1491)은 가동자(1401) 및 가동자(1402)와 교차하고 있다. 이러한 형상의 가동자(1402)를 사용함으로써, 작은 면적으로 유효한 관성모멘트를 얻을 수가 있다.

또, 본 발명에 있어서는, 복수의 가동자를 각각 2개의 토션스프링로 지지함으로써 휨강성을 높여서 불필요한 휨모드의 움직임을 억제할 수가 있다. 도 16에 있어서, 가동자(1501), (1502)와 토션스프링(1511), (1512)은 1매의 판으로 각각 일체로 형성되고, 토션스프링(1511), (1512)은 각각 지지부 (1521), (1522)에 고정되어 있다. 도 16에서 명백한 바와 같이, 가동자(1501), (1502)는 어느 쪽이나 2개의 토션스프링에 의해 지지를 받고 있다. 이와 같이 구성함으로써, 휨모드의 움직임을 억제할 수가 있다. 또한 토션스프링의 축에 수직인 면(1591)은 가동자(1502) 및 토션스프링(1511)과 교차하고 있고, 토션스프링의 축에 수직인 면(1592)은, 가동자(1501) 및 가동자(1502)와 교차하고 있다. 도 14, 도 15와 마찬가지로, 이 형상에 있어서도 적은 면적으로 관성모멘트를 얻는 효과가 있다.

[실시예 1]

도 1A 및 도 1B는 본 실시예의 광편향기를 설명하기 위한 도면이다.

본 발명의 광편향기는 마이크로요동체와 가동자(101)의 상면에 형성된 광반사막(131)으로 구성된다. 그리고 마이크로요동체는 판부재(100), 전자액츄에이터(140) 및 제어기(150)로 구성된다.

도 1A는 실리콘웨이퍼를 에칭가공으로 형성하는 플레이트부재(1OO)의 상면도이다. 평판 형상의 가동자(101)는 도 1A에서 상하를 2개의 토션스프링(111a), (111b)에 의해 지지를 받고 있다. 프레임 형상의 가동자(102)는 그 안쪽에서 토션스프링(111a), (111b)을 지지하고 있고, 도 1A에서 상하를 2개의 토션스프링 (112a), (112b)에 의해 지지를 받고 있다. 프레임 형상의 지지프레임(121)은 그 안 쪽에서 토션스프링(112a), (112b)을 지지하고 있다. 가동자(101), (102) 및 토션스프링(111), (112)은 2개의 진동모드를 가지지만, 그들의 주파수가 대체로 2배가 되도록 조정이 행해진다. 예를 들면, 가동자(101), (102)의 관성모멘트를 (I1), (I2)로 하고, 토션스프링(111a), (111b)의 스프링 상수를 k1/2, 토션스프링(112a), (112b)의 스프링 상수를 k2/2로 하고, 도 8의 설명에서 사용된 파라미터를 사용하면 2개의 고유각진동수는 ω₁= 2π × 2000[Hz], ω₂= 2π × 4000[Hz]가 된다.

도 1B는 광편향기를 설명하기 위한 모식도이다. 도 1B에 있어서, 플레이트부재(100)는 도 1A의 절단선(190)에서 절단한 단면을 도시하고 있다. 가동자(101)의 상면에는, 광반사막(131)이 형성되고, 하면에는 영구자석(141)이 접착되어 있다. 도 1B에 있어서, 플레이트부재(100)는 투자율이 높은 재료로 만들어진 요크(144)에 접착되어 있다. 요크(144)의, 영구자석(141)에 대향하는 부위에는, 투자율이 높은 재료로 만들어진 코어(143)가 배치되고, 코어(143)의 주위에는 코일(142)이 감겨져 있다. 영구자석(141), 코일(142), 코어(143), 요크(144)는 전자액츄에이터(140)를 구성하고 있다. 코일(142)에 전류를 흘리면, 영구자석(141)에 토크가 작용해서, 가동자(101)가 구동된다.

제어기(150)에 있어서, 기준클록생성기(151)로부터 생성된 주파수 2nf의 클록신호는 2개의 신호로 분기해서, 그 한 쪽은 분주기(152)에 입력되어 그 반의 주파수 nf가 된다. 이들 2개의 신호는 각각 카운터(153) 및 (154)의 인크리먼트 신호에 입력된다. 카운터(153) 및 (154)는 최대치 n에 이르면 0으로 돌아오는 디지털카 운터이다. 카운터(153) 및 (154)의 출력은 각각 정현함수기(155) 및 (156)에 입력된다. 정현함수기(155) 및 (156)는, 입력을 X라 하면, SIN(2πX/n)의 출력을 돌려주는 함수기이다. 정현함수기(155) 및 (156)는 각각 주파수 2f 및 f의 디지털정현신호를 생성한다. 정현함수기(155) 및 (156)는 각각 승산기(157) 및 (158)에 의해 승산된 게인 A, B를 가지며, 가산기(159)에 의해 함께 가산된다. 가산기(159)의 출력은 DA컨버터(160)에 의해 애널로그신호로 변환되고, 파워앰프(161)에 의해 증폭되어, 코일 (142)에 전류를 흘린다.

도 2는 코일(142)에 흘리는 교류전류의 주파수를 횡축에, 가동자(101)의 변위진폭을 세로축에 취한 그래프이다. 이 광편향기에는 2개의 고유진동모드가 존재하고, 또 그들의 주파수는 1 : 2의 관계에 있다. 이들 모드를 각각 이하 "모드 1", "모드 2"로 칭한다. 본 발명의 광편향기는 이들 2개의 모드를 동시에 여기하는 것이 특징이다.

다음에, 본 실시예의 광편향기의 사용방법에 대해 설명한다. 조정을 행하기 위해서 가동자(101)의 변위를 계측하는 변위계측수단을 준비한다. 우선, 기준클록생성기(151)의 발생 주파수를 조정해서, 가동자(101)가 모드 1 및 모드 2에서 동시에 공진하는 주파수에 맞춘다. 다음에, 그 주파수에 있어서, 가동자(101)의 모드 1 및 모드 2의 진폭이 소망하는 값이 되도록 승산기(157) 및 (158)의 게인을 조정한다. 그리고, 가동자(101)의 모드 1 및 모드 2의 위상이 소망한 위상이 되도록 카운터(153)의 인크리먼트/디크리먼트를 행한다. 여기서, 게인과 위상의 조정은 역순으로 행해도 된다. 예를 들면, 모드 1의 진폭과 모드 2의 진폭의 비가 1.6 : 0.4가 되도록 하고, 주사중심에서의 위상이 역이 되도록 조정을 행하면, 가동자(101)는 변위각과 각속도가 각각 도 9, 도 10에서 표시되는 바와 같이 나타내지도록 구동되게 된다.

본 발명의 광편향기를 사용함으로써, 종래의 공진형 광편향기보다 각속도의 변동이 적은 광주사를 행할 수가 있다.

[실시예 2]

도 3은 실리콘웨이퍼를 에칭가공으로 형성하는 플레이트부재(200)의 상면도이다. 평판 형상의 가동자(201)~(203)와 토션스프링(211)~(213)은 교대로 직렬 접속되어 있다. 토션스프링(211)~(213)의 축은 직선 형상으로 배치되어 있고, 토션스프링(213)의 타단은 고정프레임(221)에 연결되어 있다. 이 계는 3개의 진동모드를 가지지만, 그들의 주파수는 대략 1 : 2 : 3의 관계가 되도록 조정이 실시된다. 이들 모드를 이하 "모드 1", "모드 2", "모드 3"으로 칭한다.

예로서, 가동자(201)~(203)의 관성모멘트와 토션스프링(211)~(213)의 스프링 상수가 I₁, I₂, I₃, k₁, k₂ 및 k₃ 일 때에, I₁ = 2.0E-11[kgm²], I₂ = 2.0E-10[kgm²], I₃= 5.0E-10tkgm²], k₁ = 6.17854E-3[Nm/rad], k₂ = 2.03388E-2[Nm/rad] 및 k₃ = 3.52534E-2[Nm/rad]라 하면,

이므로, 수식 14로부터 모드 1~3의 고유각진동수는 2π × 1000[rad/s], 2π × 2000[rad/s], 2π × 3000[rad/s]가 되는 것이 명백하다. 실시예 1과 마찬가지로, 이들 고유진동모드를 동시에 가진함으로써, 모드 1~3의 조합의 구동을 행할 수가 있다.

도 4, 도 5는 각 모드에 있어서의 가동자(201)의 진폭비를 24 : -6 : 1로 설정했을 때의 가동자(201)의 변위각 및 각속도를 나타내는 그래프이다. 도 5와 도 10을 비교하면, 모드 3을 더함으로써, 각속도의 변동의 폭이 작아져 있는 상태를 볼 수 있다

이와 같이, 모드의 수를 늘려 감으로써, 각속도의 변동의 폭을 훨씬 작게 할 수가 있다.

[실시예 3]

도 6은 본 발명의 광편향기를 레이저빔프린터 등의 화상형성장치에 적용한 예이다. 광원(302)으로부터 출사한 레이저광(311)은 출사광학계(303)에 의해 정형되어, 본 발명의 광편향기(301)에 의해 주사된다. 결상광학계(304)는 주사된 레이저광을 감광드럼(305) 상에 결상시켜서 스폿을 형성한다. 주사된 스폿은 주사궤적(312)에 따라 이동한다.

본 실시예의 화상형성장치에 있어서는, 도 12에 나타내는 유효시간(1221) t1_eff의 범위에서 화상의 묘화를 행한다. 도 11로부터 수 있는 바와 같이, 본 발명의 광편향기에 있어서는, 주사중에 주사각속도가 (도 11의 1212) θ'_min로부터 (도 11의 1211) θ'_max의 사이에서 변동한다.

결상광학계(304)에 통상의 fθ렌즈를 사용했을 경우는, 감광드럼(305) 상에서의 주사속도가 변동하게 된다. 이 주사속도의 변동을 없애도록 레이저빔의 변조클록을 제어함으로써, 감광드럼 상에 올바른 화상을 형성할 수가 있다.

혹은, 결상광학계(304)에 주사 속도의 변동을 없애는 특성을 갖게 하는 것도 가능하다. 이 경우에는, 스폿의 지름이 변동하게 되므로, 이 지름의 변동폭이 허용치를 넘지 않도록 광편향기(301)의 주사방법을 결정해도 된다.

본 발명을 사용함으로써, 공진형의 마이크로요동체에 있어서, 각속도의 변동을 억제하는 것이 가능하게 된다. 특히, 본 발명의 광편향기는 레이저빔프린터나 디지털복사기 등의 화상형성장치에 매우 적합하다.

이 출원은, 참조함으로써 본 명세서에 포함되는, 일본특허출원 제 2003-430425호(2003. 12. 25.)와 동 제 2004-323758호(2004. 11. 8)로부터 우선권을 주장한다.

Claims

복수의 가동자;

이 복수의 가동자를 직렬로 연결하는 동일 축 상에 배치된 복수의 토션스프링;

이 복수의 토션스프링의 일부를 지지하는 지지부;

상기 가동자의 적어도 하나에 토크를 인가하는 구동수단; 및

이 구동수단을 제어하는 구동제어수단을 가지는 마이크로요동체에 있어서,

상기 복수의 토션스프링과 상기 복수의 가동자로 이루어진 계가 분리된 복수의 고유진동모드를 가지고,

이 분리된 복수의 고유진동모드 내에, 기준주파수의 고유진동모드인 기준진동모드, 및 n이 임의의 정수일 때 상기 기준파수의 1.98n 내지 2.02n배 범위의 주파수의 고유진동모드인 짝수배진동모드가 존재하고,

상기 구동제어수단은 상기 기준진동모드와 상기 짝수배 진동모드를 동시에 여진하도록 상기 구동수단을 제어하는 것을 특징으로 하는 마이크로요동체.
제 1항에 있어서,

상기 복수의 가동자와 상기 복수의 토션스프링을 1매의 판으로부터 일체로 형성하는 것을 특징으로 하는 마이크로요동체.
제 2항에 있어서,

상기 1매의 판이 단결정실리콘웨이퍼인 것을 특징으로 하는 마이크로요동체.
제 1항에 있어서,

상기 토션스프링의 축에 수직인 어느 평면을 취했을 경우에, 그 평면이 상기 복수의 토션스프링 중의 하나 및 상기 복수의 가동자 중의 적어도 하나와 교차하는 것을 특징으로 하는 마이크로요동체.
제 1항에 있어서,

상기 토션스프링의 축에 수직인 어느 평면을 취했을 경우에, 그 평면이 2개 이상의 상기 복수의 가동자와 교차하는 것을 특징으로 하는 마이크로요동체.
제 1항에 있어서,

상기 복수의 가동자가 상기 복수의 토션스프링 중 2개에 연결되어 있는 것을 특징으로 하는 마이크로요동체.
삭제
제 1항에 있어서,

구동시에, 상기 복수의 가동자의 적어도 하나의 변위각이 증가하고 있는 시간과 상기 변위각이 감소하고 있는 시간이 다른 것을 특징으로 하는 마이크로요동체.
제 1항에 기재된 마이크로요동체와 이 마이크로요동체의 가동자 상에 배치된 광편향소자를 가지는 것을 특징으로 하는 광편향기.
제 9항에 기재된 광편향기;

광원; 및

결상광학계를 가지는 것을 특징으로 하는 화상형성장치.
지지부;

제 1가동자, 이 제 1가동자가 요동축 둘레에 요동할 수 있도록 상기 제 1가동자를 상기 지지부에 연결하는 제 1토션스프링, 제 2가동자, 및 이 제 2가동자가 상기 요동축 둘레에 요동할 수 있도록 상기 제 2가동자를 상기 제 1가동자에 연결하는 제 2토션스프링을 구비한 가동계;

상기 제 1 및 제 2가동자를 상기 요동축 둘레에 요동시키기 위한 구동부; 및

상기 구동부를 제어하기 위한 구동제어부를 가지는 마이크로요동체로서,

상기 가동계는 기준주파수의 고유진동모드인 기준진동모드, 및 n이 1 이상의 정수일 때 상기 기준주파수의 1.98n배 내지 2.02n배인 주파수의 고유진동모드인 짝수배진동모드를 가지며,

상기 구동제어부는, 상기 가동계가 상기 기준진동모드와 상기 짝수배진동모드에서 동시에 진동하도록 상기 구동부를 제어하는 것을 특징으로 하는 마이크로요동체.
제 11항에 있어서,

상기 제 1 및 제 2 가동자와 상기 제 1 및 제 2 토션스프링을 1매의 판으로부터 일체로 형성하는 것을 특징으로 하는 마이크로요동체.
제 12항에 있어서,

상기 1매의 판이 단결정실리콘웨이퍼인 것을 특징으로 하는 마이크로요동체.
제 11항에 있어서,

상기 가동계의 구동시에, 상기 제 1 및 제 2 가동자의 적어도 하나의 변위각이 증가하고 있는 시간과 상기 변위각이 감소하고 있는 시간이 다른 것을 특징으로 하는 마이크로요동체.
제 11항에 있어서,

상기 짝수배진동모드의 주파수는 상기 기준진동모드의 주파수의 1.98배 내지 2.02배인 것을 특징으로 하는 마이크로요동체.
제 11항에 있어서,

상기 가동계는 제 3가동자, 및 이 제 3가동자가 상기 요동축 둘레에 요동할 수 있도록 상기 제 3가동자를 상기 제 2가동자에 연결하는 제 3토션스프링을 또 가지는 것을 특징으로 하는 마이크로요동체.
제 11항에 기재된 마이크로요동체, 및 상기 제 1 및 제 2가동자의 적어도 하나에 배치된 광반사부를 가지는 것을 특징으로 하는 광편향기.
레이저광을 출사하는 광원; 제 17항에 기재된 광편향기; 및 상기 광편향기에 의해 편향된 레이저광을 사용해서 감광체 상에 화상을 형성하는 결상광학계를 가지는 것을 특징으로 하는 화상형성장치.
삭제
레이저광을 출사하는 광원; 상기 레이저광을 편향시키는 공진형 광편향기; 상기 공진형 광편향기에 의해 편향된 레이저광을 사용해서 화상을 형성하는 결상광학계; 및 상기 결상광학계에서 형성된 화상의 레이저광에 의해 화상이 형성되는 감광체를 가지는 화상형성장치로서,

상기 공진형 광편향기는,

지지부;

제 1가동자, 이 제1가동자가 요동축 둘레에 요동할 수 있도록 상기 제 1가동자를 상기 지지부에 연결하는 제 1토션스프링, 제 2가동자, 및 이 제 2가동자가 상기 요동축 둘레에 요동할 수 있도록 상기 제 2가동자를 상기 제 1가동자에 연결하는 제 2토션스프링을 구비한 가동계;

상기 제 1 및 제 2가동자를 상기 요동축 둘레에 요동시키기 위한 구동부; 및

상기 구동부를 제어하기 위한 구동제어부를 가지며,

상기 제 1 및 제 2가동자의 적어도 하나의 가동자의 동작은, 상기 요동축 둘레의 제 1방향으로 변위하는 제 1동작, 및 상기 제 1방향과 반대방향인 제 2방향으로 변위하는 제 2동작을 포함하고,

상기 구동제어부는 상기 제 1동작의 기간이 상기 제 2동작의 기간보다 길어지도록 상기 구동부를 제어하고,

상기 공진형 광편향기는 상기 제 1동작시에 상기 광원으로부터의 레이저광을 편향시키며,

상기 결상광학계는 상기 제 1동작시에 편향된 레이저광을 사용해서 상기 감광체 상에 화상을 형성하는 것을 특징으로 하는 화상형성장치.
제 20항에 있어서,

레이저광의 변조클록은 상기 감광체 상의 상기 레이저광의 주사속도의 변동을 없애도록 제어되는 것을 특징으로 하는 화상형성장치.
제 20항에 있어서,

상기 결상광학계는 상기 감광체 상의 상기 레이저광의 주사속도의 변동을 없애는 특성을 가지는 것을 특징으로 하는 화상형성장치.