JP2005181394A

JP2005181394A - ねじり振動子、光偏向器および画像形成装置

Info

Publication number: JP2005181394A
Application number: JP2003417977A
Authority: JP
Inventors: Susumu Yasuda; 進安田; Yasuhiro Shimada; 康弘島田
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 2003-12-16
Filing date: 2003-12-16
Publication date: 2005-07-07
Also published as: US20050128552A1

Abstract

【課題】目的駆動周波数に切り替えられる共振型ねじり振動子を提供する。
【解決手段】加振周波数を少なくとも２つ以上の段階で切り替えることができる周波数切り替え手段を有する。
【選択図】図１

Description

本発明は、ＭＥＭＳ（ＭｉｃｒｏＥｌｅｃｔｒｏＭｅｃｈａｎｉｃａｌＳｙｓｔｅｍｓ）技術を利用して作成される光偏向器に関するものである。また、この光偏向器を使用した画像形成装置に関するものである。

ミラー部を有する光偏向器において、少ない消費電力で大きな偏向角を得るには、ミラー部とそれを支持する弾性支持部からなる構造体の共振現象を利用するものが一般的である。そして、この共振周波数を可変にするため光偏向器の一つとして、特許文献１が知られている。

図８は、この従来の周波数可変型の光偏向器を説明する図である。この光偏向器はミラー部１００２と、このミラー部１００２の重心を通る揺動軸に沿って、ミラー部１００２に一体的に形成された一対の弾性支持ビーム１００３と、この一対の弾性支持ビーム１００３を保持する基板１００５と、ミラー部１００２を揺動させる振動手段１０１５を有している。励振周波数発生手段１０１８は振動手段１０１５に励振周波数を供給し、またその周波数は、ミラー部１００２の共振周波数を検出する共振周波数検出手段１０１９の出力と比較器１０１７で比較される。そして、制御手段１０１６は、ビーム拘束手段１００７を用いて、一対の弾性支持ビーム１００３の拘束状態を変化させて弾性支持ビーム１００３の固有弾性定数を変化させ、比較器１０１７の出力が０になるような制御を行う。そうすることで、励振周波数発生手段１０１８が発生する任意の周波数において、ミラー部１００２を機械的に共振状態で駆動することができる。
特開２００２−２０２４７４号公報

本発明は、周波数可変型の光偏向器について、以下のような課題を解決しようとするものである。

構造が複雑でコストが高くなる。

駆動機構とは別の周波数可変機構が必要なため、消費電力が大きくなる。

拘束手段と弾性支持ビームにおいて摩擦損失が生じ、共振のＱ値が低くなる。

拘束手段と弾性支持ビームにおいて磨耗が生じ、共振特性の経時変化が生じる。

上記問題点を解決するための本発明は、
複数のねじりバネと複数の振動子が交互に連結され、すべての前記複数のねじりバネのねじれの軸が同一直線上に存在し、前記複数のねじりバネのうち少なくとも１つの端部が固定部に固定され、前記複数の振動子のうち少なくとも１つにねじり振動を与える加振手段と、該加振手段の加振周波数を少なくとも２つ以上の段階で切り替えることができる周波数切り替え手段を有することを特徴とするねじり振動子である。

また、前記加振手段が、静電アクチュエータであることを特徴とする１に記載のねじり振動子である。

また、前記加振手段が、電磁アクチュエータであることを特徴とする１に記載のねじり振動子である。

また、前記加振手段が、圧電アクチュエータであることを特徴とする１に記載のねじり振動子である。

また、１〜４に記載のねじり振動子において、前記複数の振動子のうち少なくとも１つに光偏向手段を有することを特徴とする光偏光器である。

また、光源と該光源を変調する光源変調手段と、５に記載の光偏光器と、前記光源変調手段と前記光偏光器を制御する制御手段を有することを特徴とする画像形成装置である。

以上説明したように、本発明によれば、複雑な周波数切り替え機構を用いないで、周波数可変のねじり振動子や共振型光偏向器を提供することができる。

また、駆動機構とは別の周波数可変機構が不要なため、消費電力を低くすることができる。

また、拘束手段が不要なので摩擦損失が少なくなり、共振のＱ値を高くすることができ、消費電力を低くすることができる。

また、磨耗する部分が存在しないので、共振特性の経時変化が少なくすることができる。

また、本発明の共振型光偏向器を用いることで、走査周波数を切り替えることができる光走査型ディスプレイを提供することができる。

本発明の共振型振動子の動作原理を説明する。図３は、本発明の共振型振動子の模式図である。ねじりバネ０２１、ねじり振動子０１１、ねじりバネ０２２、ねじり振動子０１２が、順番に同軸上に連結され、ねじりバネ０２１が固定部００４に結合されている。

振動子０１１と０１２の軸周り慣性モーメントと変位角をそれぞれＩ１、θ１、Ｉ２、θ２、ねじりバネ０２１と０２２のバネ定数をｋ１、ｋ２とし、減衰項を無視すると、この振動子０１１とねじり振動子０１２の運動方程式は以下で与えられる。

このとき、Ｍの固有値と固有ベクトルが、それぞれ角振動数ωの二乗と振動モードを表す。ここで、慣性モーメントとバネ定数を適当に設計することで、固有値を所望の値にすることが可能である。この共振振動の様子を図４に示す。図４は、図３における矢印の方向から振動子の振動の様子を観察した図である。この例においては、θ１とθ２が同位相で振動するモード１（図４ａ）と、逆位相で振動するモード２（図４ｂ）の２つが存在する。

また、容易にわかるように、振動子とねじりバネをさらに連結することで、振動モードの数を２つ以上に増やすこともできる。

そして、これら共振モードのうちのどれか１つに略等しい駆動周波数で加振手段０５０により駆動トルクを与えることで、ねじり振動子を共振駆動することができる。この駆動周波数を切り替えることで、ねじり振動子の駆動周波数を選択することができる。

また、ねじり振動子のうち少なくとも一つに光偏向部を配置することで、共振型光偏向器とすることができる。

さらに、本発明の共振型光偏向器を用いることで、走査周波数を切り替えることができる光走査型ディスプレイを提供することができる。

（実施例）

図１は、実施例１の共振型光スキャナの上面図である。枠形状の振動子１１１がねじりバネ１２１と１２４で固定枠１０４に結合され、振動子１１２が振動子１１１の内側にねじりバネ１２２と１２３で結合されている。ねじりバネ１２１〜１２４のねじれの軸と、振動子１１１、１１２の慣性主軸は一致するように配置されており、これらは、シリコンウエハをエッチングすることで一体に形成される。振動子１１２の表面には光反射層が成膜されている。加振手段１５０は、振動子１１１や１１２に駆動トルクを与える。具体的には、対向電極を用いた静電アクチュエータや、磁性体に作用する電磁力を用いた電磁アクチュエータ、積層型圧電素子等が考えられる。また、これらを真空封止する事で、共振のＱ値を高くして、消費電力を低くすることも可能である。

本実施例の図１に示す振動子１１１と１１２の寸法は、ａ１＝２４００μｍ、ａ２＝１６００μｍ、ａ３＝１２００μｍ、ｂ１＝３８００μｍ、ｂ２＝３０００μｍ、ｂ３＝１０００μｍである。シリコンウエハの厚みｔを１５０μｍ、密度ρを２３３０ｋｇｍ^３とすると、ねじれの軸周りの慣性モーメントＩ１、Ｉ２は、Ｉ１＝１．１７５×１０^−１２［ｋｇｍ^２］、Ｉ２＝５．１１１×１０^−１４［ｋｇｍ^２］となる。ねじりバネ１２１と１２２のねじりのバネ定数ｋ１、ｋ２を、ｋ１＝２．１２３×１０^−２［Ｎｍ／ｒａｄ］、ｋ２＝１．１５６×１０^−３［Ｎｍ／ｒａｄ］とすると、

となるので、Ｍの固有値と固有ベクトルは、

となる。固有値は角振動数の２乗だから、共振周波数ｆ１、ｆ２は、

となる。つまり、この共振型ミラーは、２０．０ｋＨｚと、２５．６ｋＨｚの２つの振動モードを持つ。２０．０ｋＨｚで共振するときには、振動子１１１の振幅角はミラー１１２の０．３０１８倍で、振動子１１１とミラー１１２とは同位相で振動し、２５．６ｋＨｚで共振するときには、振動子１１１の振幅角はミラー１１２の０．１４４１倍で、振動子１１１とミラー１１２とは逆位相で振動する。

この二つの共振周波数は、例えば、ラスター走査型のディスプレイにおいて、ＳＶＧＡ（８００×６００ピクセル）とＸＧＡ（１０２４×７６８ピクセル）の２つの表示モードに対応させることができる。つまり、本実施例の共振型光偏向器は、ＳＶＧＡ表示とＸＧＡ表示の２つの振動モードを切り替えて使うことが可能である。

以上説明したように、本発明によれば、複雑な周波数切り替え機構を用いないで、周波数可変の共振型光偏向器を提供することができる。

さらに、磨耗する部分が存在しないので、共振特性の経時変化が少なくすることができる。

図５は、本発明の実施例２の光偏向器を説明する図である。固定枠２０４と、ねじり振動子２１１〜２１５と、ねじりバネ２２１〜２２６は、シリコンウエハをエッチングして一体に作成される。ねじり振動子２１１〜２１５と、ねじりバネ２２１〜２２６は、図５に示した順番に連結され、ねじりバネ２２１と２２６は、固定枠に連結されている。また、中央のねじり振動子２１３には、光反射面が形成されている。また、実施例１と同様な手段で加振を行う。
ねじり振動子２１１〜２１５の寸法は、ａ１＝４０００μｍ、ｂ１＝２００μｍ、ａ２＝３０００μｍ、ｂ２＝２００μｍ、ａ３＝１２００μｍ、ｂ３＝１０００μｍである。

ねじりバネ２２１〜２２６の寸法は、ｌ１＝１００μｍ、ｌ２＝２００μｍ、ｌ３＝１０００μｍ、ｗ＝５０μｍである。

シリコンの密度を２３３０ｋｇｍ^２、せん断弾性係数を６５ＧＰａとし、シリコンウエハの厚さを１５０μｍとすると、ねじり振動子２１１〜２１５の軸回り慣性モーメントＩ１〜Ｉ５は、Ｉ１＝３．７３３×１０^−１３［ｋｇｍ^２］、Ｉ２＝１．５７７×１０^−１３［ｋｇｍ^２］、Ｉ３＝５．１１１×１０^−１４［ｋｇｍ^２］、Ｉ４＝１．５７７×１０^−１３［ｋｇｍ^２］、Ｉ５＝３．７３３×１０^−１３［ｋｇｍ^２］となり、ねじりバネ２２１〜２２６のバネ定数ｋ１〜ｋ６は、ｋ１＝３．２０９×１０^−３［Ｎｍ／ｒａｄ］、ｋ２＝１．６０４×１０^−３［Ｎｍ／ｒａｄ］、ｋ３＝３．２０９×１０^−４［Ｎｍ／ｒａｄ］、ｋ４＝３．２０９×１０^−４［Ｎｍ／ｒａｄ］、ｋ５＝１．６０４×１０^−３［Ｎｍ／ｒａｄ］、ｋ６＝３．２０９×１０^−３［Ｎｍ／ｒａｄ］となる。すると、

となるので、Ｍの固有値λ_１〜５は、λ_１＝４．１６０×１０^９、λ_２＝５．９３０×１０^９、λ_３＝１．２６８×１０^１０、λ_４＝１．９１７×１０^１０、λ_５＝２．０８２×１０^１０であるので、共振周波数は、ｆ_１＝１０．２６×１０^３［Ｈｚ］、ｆ_２＝１２．２６×１０^３［Ｈｚ］、ｆ_３＝１７．９２×１０^３［Ｈｚ］、ｆ_４＝２２．０４×１０^３［Ｈｚ］、ｆ_５＝２２．９６×１０^３［Ｈｚ］である。

また、固有ベクトルｖ_１〜５は、

で与えられる。

この５つの振動モードのうち、光走査に使用することができるのは、中央のねじり振動子２１３が変位するモードなので、ｖ１、ｖ３、ｖ５である。このときの振動の様子を図６に示す。図６の（ａ）、（ｂ）、（ｃ）は、それぞれ、ｖ１、ｖ３、ｖ５に対応している。

よって、加振手段によって、ねじり振動子２１１〜２１５を、ｆ_１＝１０．２６×１０^３［Ｈｚ］、ｆ_３＝１７．９２×１０^３［Ｈｚ］、ｆ_５＝２２．９６×１０^３［Ｈｚ］に略近い周波数で加振することで、これらの周波数で共振駆動することができる。

以上説明したように、本発明によれば、複雑な周波数切り替え機構を用いないで、周波数可変の共振型光偏向器を提供することができる。
また、駆動機構とは別の周波数可変機構が不要なため、消費電力を低くすることができる。

図７は、本発明の光走査型ディスプレイを説明するための概略図である。レーザー光源３０３から射出されたレーザー光３１０は、本発明の共振型光偏向器３０１で水平方向に走査され、次にガルバノミラー等の光偏向器３０２で垂直方向に走査され、スクリーン３２０上に画像を形成する。共振型光偏向器３０１と光偏向器３０２とレーザー光源３０３は、制御手段３０４から制御される。

本発明の共振型光偏向器を用いることで、本発明の光走査型ディスプレイは、解像度の切り替えを行う際に、駆動周波数を容易に切り替えることが可能になる。

実施例１の共振型光偏向器を説明する図である。実施例１の共振型光偏向器の振動モードを説明する図である。本発明の動作原理を説明するための図である。本発明の動作原理を説明するための図である。実施例２の共振型光偏向器を説明する図である。実施例２の共振型光偏向器の振動モードを説明する図である。実施例３の光走査型ディスプレイを説明する図である。従来の共振周波数可変型光偏向器を説明する図である。

符号の説明

００４固定部
０１１、０１２ねじり振動子
０２１、０２２ねじりバネ
０５０加振手段
１０４固定枠
１１１〜１１２振動子
１２１〜１２４ねじりバネ
１５０加振手段
２０４固定枠
２１１〜２１５ねじり振動子
２２１〜２２６ねじりバネ
３０１共振型光偏向器
３０２光偏向器
３０３レーザー光源
３０４制御手段
３１０レーザー光
３２０スクリーン

Claims

複数のねじりバネと複数の振動子が交互に連結され、
すべての前記複数のねじりバネのねじれの軸が同一直線上に存在し、
前記複数のねじりバネのうち少なくとも１つの端部が固定部に固定され、
前記複数の振動子のうち少なくとも１つにねじり振動を与える加振手段と、
該加振手段の加振周波数を少なくとも２つ以上の段階で切り替えることができる周波数切り替え手段を有することを特徴とするねじり振動子。
前記加振手段が、静電アクチュエータであることを特徴とする請求項１に記載のねじり振動子。
前記加振手段が、電磁アクチュエータであることを特徴とする請求項１に記載のねじり振動子。
前記加振手段が、圧電アクチュエータであることを特徴とする請求項１に記載のねじり振動子。
請求項１ないし４に記載のねじり振動子において、
前記複数の振動子のうち少なくとも１つに光偏向手段を有する
ことを特徴とする光偏光器。
光源と
該光源を変調する光源変調手段と、
請求項５に記載の光偏光器と、
前記光源変調手段と前記光偏光器を制御する制御手段を有することを特徴とする画像形成装置。