JP2005308863A - 偏向ミラー、光走査装置及び画像形成装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】ねじり梁23の非支持端は一対の連結部材24,24を介しミラー基板と連結される。ミラー基板をねじり梁23と直接結合して振動させた場合の動的撓み量のピーク位置より、回転中心軸から遠い位置においてミラー基板と連結部材24が結合される。このような連結部材の介在によりミラー基板の動的撓み変形が抑制され、動的歪み量の小さい領域が拡大し、かつ、その領域内の動的撓み量も減少する。ねじり梁23の支持端33が結合した支持部50が、ねじり梁の回転に伴って同じ方向に弾性変形することによりミラー基板に作用する曲げモーメントが減少し、これによってもミラー基板の動的撓み変形が抑制される。
【選択図】 図29
Description
(2)請求項2,3の発明に係る偏向ミラーにおいては、連結部材の変形が起こりにくくなるため、ミラー基板の動的撓み変形の抑制効果が向上する。
(3)請求項4,5の発明に係る偏向ミラーにおいては、ミラー基板の往復振動時に、ねじり梁のねじり回転に伴い、ねじり梁の支持端も同じ方向に回転するため、ミラー基板に作用する曲げモーメントが減少し、ミラー基板の動的撓み変形がさらに抑制される。
(4)請求項6の発明に係る偏向ミラーにおいては、ミラー基板全体の慣性モーメントを増加させることなく、ミラー基板の偏向に利用される領域の曲げ剛性を高めて動的撓み量を小さくすることができる。
(5)請求項8の発明に係る偏向ミラーにおいては、駆動用電極がミラー基板の回転中心軸に近づくため、ミラー基板の振れ角の大きい時にも静電トルクの減少が小さく、その分だけミラー基板の振れ角を大きくすることができる。また、ミラー基板の自由端に電極を設ける必要がないため、ミラー基板をその自由端近傍まで光ビームの偏向に利用可能である。
(6)請求項9の発明による偏向ミラーにおいては、上記(5)に述べた理由に加え、駆動用電極面積が増加するため、低い駆動電圧でミラー基板を大きな振れ角で振動させることができる。
(7)請求項10の発明に係る偏向ミラーにおいては、ミラー基板の移動方向にずれた2段以上の固定電極を適切なタイミングで駆動することにより、ミラー基板を大きな振れ角で振動させることができ、また、ミラー基板が含まれる共振系の共振点から外れた周波数で大きな安定した振れ角でミラー基板を振動させることができる。
(8)請求項11の発明に係る偏向ミラーにおいては、ミラー基板の回転中心軸に近い固定電極と遠い固定電極とを適当なタイミングで駆動することにより、ミラー基板の振れ角が小さい時点から大きい時点まで連続的に静電トルクを作用させ、低い駆動電圧でミラー基板を大きな振れ角で振動させることができる。
(9)請求項12の発明に係る偏向ミラーにおいては、駆動電極の電極パッドが同一平面にあるため、封止を含む実装プロセスの信頼性が向上する。
(10)請求項13の発明に係る偏向ミラーにおいては、容易に大きな電磁トルクを発生させてミラー基板を大きな振れ角で振動させることができる。
(11)請求項13の発明に係る偏向ミラーにおいては、ミラー基板の振動時の粘性抵抗を減らし、小さな駆動エネルギーでミラー基板を大きな振れ角で振動させることができ、また、ミラー基板振動空間への塵埃などの異物の侵入を阻止し偏向ミラーの信頼性を高めることができる。
(12)請求項15の発明に係る偏向ミラーは、ミラー基板の振れ角より大きな偏向角を得ることができる。
(13)請求項16,17の発明に係る光走査装置は、光学特性の良好な光ビームにより被走査面を走査することができ、また、往復走査による高速走査も可能である。また、ポリゴンミラーを用いる光走査装置に比べ静粛性や省電力性に優れている。請求項17の発明に係る光走査装置によれば、大きな走査角での走査が可能である。
(14)請求項18の発明に係る画像形成装置によれば、光学特性の良好な光ビームにより感光体に光書込みを行って高品質の画像形成が可能であり、また、往復走査による高速な光書込みが可能であるため高速な画像形成が可能である。また、ポリゴンミラーを用いる光走査装置に比べ、静粛性や省電力性などに優れている、等々の効果を得られるものである。
本発明に係る偏向ミラーにおいては、ミラー基板とねじり梁(ねじりばね)の非支持端とは一対の同一長の連結部材を介して連結される。この一対の連結部材の第1の端は、ミラー基板の回転中心軸に対して対称な特定位置においてミラー基板の辺にそれぞれ結合され、一対の連結部材の第2の端はねじり梁の非支持端にそれぞれ結合され、一対の連結部材とミラー基板の辺は全体として、ねじり梁の非支持端を頂点とする略2等辺三角形状の構造をなす。かかる連結部材をミラー基板とねじり梁の非支持端との間に介在させることにより、ミラー基板の動的撓み量のピーク位置は、ミラー基板とねじり梁の非支持端を直接結合した場合の動的撓み量のピーク位置より外側に移動し、ミラー基板の動的撓み量の小さい領域が拡大し、かつ、その領域内の、特にミラー基板の回転中心軸近傍の動的撓み量が減少する。
本発明に係る偏向ミラーのもう一つの特徴は、ミラー基板の裏面に複数の凹部を配することにより、ミラー基板の曲げ剛性を、ミラー基板の回転中心軸から離れるに従って減少させることにある。
ミラー基板21の曲げ剛性Mjは、各部位の断面二次モーメントIj にヤング率Eを乗じた値である。すなわち、
Mj=E*Ij
よって、リブ28の本数及び間隔の調節によって、ミラー基板21の曲げ剛性Mjの値及び分布を調整可能である。
θ=Trq/I*K(f0,C)
ただし、K(f0、C)は、共振周波数f0及び振動空間の粘性抵抗係数Cの関数であり、f0、Cに反比例する。Kθはねじり梁のねじりバネ定数、Trqは駆動コイルに作用する電磁トルク、Iはミラー基板の慣性モーメントである。
本発明に係る偏向ミラーのもう一つの特徴は、ねじり梁の支持端を、その回転方向に弾性を持たせて支持することにある。このような回転弾性を有する支持は、ねじり梁の支持端の軸方向及びそれと直交する方向の移動を規制する軸受けなどの手段と、ねじり梁の支持端に結合した渦巻きバネの組み合わせなどによっても可能であるが、ねじり梁の支持端を、その回転に伴って同じ方向に弾性変形可能な支持部材に結合した構造によっても可能である。
(1)0<t<T0・1/4の期間ではミラー基板21は矢印方向に回転し、t=T0・1/4の時点でミラー基板21の撓み変形は最大となる。
(2)T0・1/4<t<T0・2/4の期間ではミラー基板21は逆方向に回転し始め、振れ角が減少するに従い撓み変形量は減少し、t=T0・1/4の時点でにおいて撓み変形量は0となる。
(3)T0・2/4<t<T0・3/4の期間ではミラー基板21は同方向に回転し続け、振れ角が大きくなるに従い撓み変形量は再び増加し、t=T0・3/4の時点で撓み形量は最大になる。
(4)T0・3/4<t<T0・4/4の期間ではミラー基板21逆方向に回転し始め、振れ角が減少するに従い撓み変形量は減少し、t=T0・4/4の時点で撓み変形量は0となる。
本発明に係る偏向ミラーのもう1つの特徴は、駆動のための固定電極を、可動電極の移動方向にずらして配置した2以上の電極に分割した構造にある。このような2段以上の分割電極構造は、振れ角の増加及び共振点外での安定振動を可能にする。
慣性モーメントI=(4abρd/3)・a^2
バネ定数K=(G/2L)・{cd(c^2+d^2)/12}
で表され、共振周波数fは
f=(1/2π)・(K/I)^1/2 =(1/2π)・{Gcd(c^2+d^2)/24LI}^1/2
で表される。ここで、梁の長さLと振れ角θは比例関係にあるため
θ=A/I・f^2 、Aは定数
で表され、振れ角θは慣性モーメントIに反比例し、共振振動数fを上げるには慣性モーメントを低減しないと振れ角θが小さくなってしまう。
電極間の静電力Fは
F=ε・H・V^2/2δ
となり、振れ角θ=B・F/I(Bは定数)とも表されるので、電極長さHが長いほど振れ角θが大きくなる。そこで、本実施例では、電極を櫛歯状とし、櫛歯数nに対して2n倍の駆動トルクを得ている。このように外周長をできるだけ長くして電極長をかせぐことで、低電圧でより大きい静電トルクが得られるように配慮している。
空気の粘性抵抗
P=C・η・υ^2・E^3(Cは定数)
がミラー基板の回転の負荷として働く。したがって、ミラー基板の振動空間を減圧状態に封止することが望ましい。そこで、本実施例においては、振動空間に連通した絶縁分離用スリット溝に非蒸発型ゲッタを配置し、これを外部から加熱して活性化することで振動空間を1torr以下に減圧している。
本発明に係る光走査装置の主たる特徴は、以上に説明したような本発明に係る偏向ミラーを光偏向手段として用いることにある。本発明に係る光走査装置は、光ビームの光学特性が良好であり、また、偏向角(走査角)を大きくとることができるため、イメージスキャナ装置などにおける読み取り走査や、画像形成装置における光書込み走査などの用途に好適である。本発明に係る画像形成装置の主たる特徴は、本発明に係る光走査装置を光書込み走査手段として用いることである。
21 ミラー基板
23 ねじり梁
24 連結部材
27 凹部
28 リブ
39 可動電極
40 固定電極
51 可動電極
52 固定電極
57 駆動コイル
62 永久磁石
101 ミラー基板
102 ねじり梁
105,106 可動電極
107,108 固定電極
111,112 起動用電極
121 連結部材
123 補強梁
124 補強梁
50 ねじり梁の支持部
1202 ミラー基板
1203 可動電極
1204 第1の固定電極
1205 カバー基板
1208 ねじり梁
1209 連結部材
1210 枠状支持部
1211,1212 第2の固定電極
1213 スリット窓
1215a,1215b ルーフミラーのミラー面
1312 ベース基板
1316 リード端子
1203a 連結部材に設けられた第1の固定電極
1211a,1212a 連結部材に設けられた第2の固定電極
302 半導体レーザ
303 カップリングレンズ
304 シリンダレンズ
305 入射ミラー
306 ルーフミラー
306 結像光学系
307 被走査面
2500 光走査装置
2504 感光体ドラム
Claims (18)
- ミラー基板が、一端を支持されたねじり梁をねじり回転軸として往復振動する偏向ミラーであって、
前記ミラー基板と前記ねじり梁の非支持端は一対の同一長の連結部材を介して連結され、前記一対の連結部材の第1の端は、前記ミラー基板の回転中心軸に対して対称な特定位置において前記ミラー基板の辺にそれぞれ結合され、前記一対の連結部材の第2の端は前記ねじり梁の非支持端にそれぞれ結合され、前記一対の連結部材及び前記ミラー基板の辺とが全体として前記ねじり梁の非支持端を頂点とする略2等辺三角形状の構造をなし、
前記一対の連結部材の第1の端が前記ミラー基板の辺と結合される前記特定位置は、前記ミラー基板を前記ねじり梁の非支持端に直結して往復振動させた場合における前記ミラー基板の動的撓み量のピーク位置より、前記ミラー基板の回転中心軸から遠い位置に選ばれたことを特徴とする偏向ミラー。 - 前記連結部材は前記ねじり梁より高い剛性を持つ部材からなることを特徴とする請求項1に記載の偏向ミラー。
- 前記一対の連結部材に、その補強のための部材が設けられたことを特徴とする請求項1に記載の偏向ミラー。
- 前記ねじり梁の支持端は支持手段により回転弾性を持たせて支持されていることを特徴とする請求項1,2又は3に記載の偏向ミラー。
- 前記ねじり梁の支持端は、その回転に伴って同じ方向に弾性変形する支持部材に結合されていることを特徴とする請求項1,2又は3に記載の偏向ミラー。
- 前記ミラー基板は、裏面に複数の凹部が形成され、回転中心軸から離れるに従って曲げ剛性が減少することを特徴とする請求項1,2,3,4又は5に記載の偏向ミラー。
- 前記ミラー基板を駆動するための手段として、前記ミラー基板の自由端に設けられた可動電極と、該可動電極と微小ギャップを介して対向する固定電極とを有することを特徴とする請求項1乃至6のいずれか1項に記載の偏向ミラー。
- 前記ミラー基板を駆動するための手段として、前記連結部材に設けられた可動電極と、該可動電極と微小ギャップを介して対向する固定電極とを有することを特徴とする請求項1乃至6のいずれか1項に記載の偏向ミラー。
- 前記ミラー基板を駆動するための手段として、前記ミラー基板の自由端に設けられた可動電極及び該可動電極と微小ギャップを介して対向する固定電極、並びに、前記連結部材に設けられた可動電極及び該可動電極と微小ギャップを介して対向する固定電極を有することを特徴とする請求項1乃至6のいずれか1項に記載の偏向ミラー。
- 前記固定電極は、前記可動電極の移動方向にずらして設けられた複数の電極からなることを特徴とする請求項7,8又は9に記載の偏向ミラー。
- 前記連結部材に設けられた前記可動電極と微小ギャップを介して対向する前記固定電極は、前記ミラー基板の回転中心軸の方向に、絶縁分離された複数の部分に分割されていることを特徴とする請求項8,9又は10に記載の偏向ミラー。
- 前記固定電極及び前記可動電極のための電極パッドが同一平面に設けられたことを特徴とする請求項7,8,9又は10に記載の偏向ミラー。
- 前記ミラー基板を駆動するための手段として、前記ミラー基板に設けられた駆動コイルと、該駆動コイルが鎖交する静磁界を発生する磁石とを有することを特徴とする請求項1乃至6のいずれか1項に記載の偏向ミラー。
- 封止手段を有し、該封止手段により少なくとも前記ミラー基板の振動空間が減圧状態に封止されたことを特徴とする請求項1乃至13のいずれか1項に記載の偏向ミラー。
- 前記ミラー基板に対向し、前記ミラー基板に入射した光ビームを前記ミラー基板との間で複数回反射させるための固定したミラーを有することを特徴とする請求項1乃至14のいずれか1項に記載の偏向ミラー。
- 請求項1乃至14のいずれか1項に記載の偏向ミラーと、光源と、前記光源より出射された光ビームを前記偏向ミラーに入射させる光学系と、前記偏向ミラーのミラー基板との間で光ビームを複数回往復反射するミラーと、前記複数回往復反射の後の光ビームを被走査面に結像させる光学系とを有することを特徴とする光走査装置。
- 請求項1乃至15のいずれか1項に記載の偏向ミラーと、光源と、前記光源より出射された光ビームを前記偏向ミラーに入射させる光学系と、前記偏向ミラーにより偏向された光ビームを被走査面に結像させる光学系とを有することを特徴とする光走査装置。
- 感光体と、画像信号で変調された光ビームにより前記感光体の表面を走査して静電潜像を形成する請求項16又は17に記載の光走査装置と、前記感光体上の静電潜像をトナー像に現像する現像手段とを有することを特徴とする画像形成装置。
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