JP2007193115A - 共振型光偏向器およびそれを用いた画像形成装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】共振型光偏向器の走査角速度の補正を行なう際に、正確な調律作業を不用にする。
【解決手段】偏向ミラー201と、その偏向ミラーを回転軸周りに弾性的に支持するトーションバー202と、そのトーションバーを支持する支持部と偏向ミラーを回転軸周りに加振する加振手段と偏向ミラーと一体に設けられた慣性モーメント可変手段を有する。慣性モーメント可変手段は、制御質量と、その制御質量をトーションバーのねじりの軸に略垂直な方向に変移可能に弾性的に支持する支持バネからなる。
【選択図】図4
【解決手段】偏向ミラー201と、その偏向ミラーを回転軸周りに弾性的に支持するトーションバー202と、そのトーションバーを支持する支持部と偏向ミラーを回転軸周りに加振する加振手段と偏向ミラーと一体に設けられた慣性モーメント可変手段を有する。慣性モーメント可変手段は、制御質量と、その制御質量をトーションバーのねじりの軸に略垂直な方向に変移可能に弾性的に支持する支持バネからなる。
【選択図】図4
Description
本発明は、機械共振を用いた共振型光偏向器の技術分野に関連する技術である。また、この共振型光偏向器を使用した走査型ディスプレイやレーザービームプリンタやデジタル複写機等の画像形成装置に関するものである。
従来、ミラーが共振駆動される共振型光偏向器が色々と提案されている。共振型光偏向器は、ポリゴンミラー等の回転多面鏡を使用した光走査光学系に比べて、大幅に小型化が可能であること、消費電力が少ないこと、面倒れが理論的に存在しないこと、特に半導体プロセスによって製造されるSi単結晶からなる共振型光偏向器は理論上金属疲労が無く耐久性にも優れていること等の特徴がある(特許文献1)。
一方、共振型光偏向器においては、原理的にミラーの走査角が正弦的に変化するため、角速度が一定でないという問題点がある。この特性を補正するために、以下の手法が提案されている。
特許文献2においては、基本周波数とその3倍の周波数の振動モードを有する共振型偏向器を用い、基本波と3倍波を重ね合わせることで、略三角波駆動を実現している。この方法は、2つの振動モードを作成時に正確に調律し、それらを駆動することで角速度補正を行なうものである。
特開昭57−8520号公報
米国特許4,859,846号公報
本発明は、共振型光偏向器の走査角速度の補正を行なう際に、正確な調律作業を不用にすうものである。また、より簡略化された構成を実現するものである。また、装置の小型化および消費エネルギーの低減化を実現するものである。また、共振周波数の制御を可能にするものである。また、より小型で消費電力が小さく低コストの画像形成装置を提供するものである。
上記課題を解決するための本発明は、
偏向ミラーと、その偏向ミラーを回転軸周りに弾性的に支持するトーションバーと、そのトーションバーを支持する支持部と偏向ミラーを回転軸周りに加振する加振手段と偏向ミラーと一体に設けられた慣性モーメント可変手段を有する共振型光偏向器である。
偏向ミラーと、その偏向ミラーを回転軸周りに弾性的に支持するトーションバーと、そのトーションバーを支持する支持部と偏向ミラーを回転軸周りに加振する加振手段と偏向ミラーと一体に設けられた慣性モーメント可変手段を有する共振型光偏向器である。
また、上記共振型光偏向器において、前記慣性モーメント可変手段が、制御質量と、その制御質量をトーションバーのねじりの軸に略垂直な方向に変位可能に弾性的に支持する支持バネからなることを特徴とする共振型光偏向器である。
また、上記加振手段が、偏向ミラーに取り付けられた可動永久磁石と、可動永久磁石に対して磁化方向に略垂直に交番磁界を印加する交番磁界発生手段を有することを特徴とする共振型光偏向器である。
また、上記加振手段が、圧電素子と該圧電素子の伸張により変形する変形部材を有することを特徴とする共振型光偏向器である。
また、光源と、該光源を変調する光源変調手段と、上記の共振型光偏向器と、光源変調手段と共振型光偏向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。
本発明の共振型光偏向器の動作原理を、図を用いて説明する。図8は、本発明の共振型光偏向器の原理を示すための模式図である。901は偏向ミラー、902はトーションバー、909は慣性モーメント可変手段909である。偏向ミラー901と慣性モーメント可変手段909は一体になって動くように結合されている。それらは2本のトーションバー902で弾性的に支持されており、2本のトーションバー902の他端は固定されている。本発明の共振型光偏向器は、偏向ミラー901に外部から加振力を加えることで、共振を起こさせ、偏向ミラー901の駆動を行なう。本発明の共振型光偏向器においては、慣性モーメント可変手段909を有することが特徴である。慣性モーメント可変手段909の慣性モーメントIvは、図9に示すように、角速度ωの絶対値が大きくなると大きくなるように変化する。
図10は、本発明の共振型光偏向器の角速度ωを時間tに対してプロットしたものである。図より、角速度ωの絶対値が大きな中立付近では、系の慣性モーメントが相対的に大きいため速度変動が少なくなり、また、角速度ωの絶対値が小さい領域では、系の慣性モーメントが相対的に小さくなるため速度変動が大きくなる様子が見て取れる。
以上のように、本発明においては、慣性モーメント可変手段909の慣性モーメントIvは、角速度ωの絶対値が大きくなると大きくなるように変化する。このことにより、中立付近で速度変動の小さな共振型光偏向器を実現することができる。また、本発明の共振型光偏向器は、振動振幅を大きくすると共振周波数が低くなる特性があるので、振動振幅を制御することにより共振周波数を制御することができる。
次に、本発明の慣性モーメント可変手段の原理について説明する。図11は、原理を説明する図である。919は慣性モーメント可変手段の回転軸、910は回転部材、904は支持バネ、905は制御用質量である。回転部材910は回転軸919の周りに回転できるように支持されており、2つの支持バネ904が放射状に取り付けられている。2つの支持バネ904の他端には制御質量905が連結されている。回転部材910が回転軸919の周りに角速度ωで回転しているとする。支持バネ904のバネ定数をk、制御質量905の質量をm、回転部材の回転軸919周りの慣性モーメントをI0、支持バネ904が自由長のときの制御質量905の回転軸919からの距離をR0、支持バネ904の伸びをΔRとする。この系の力の釣り合いを考えると、支持バネ904のバネ力と制御質量905に働く遠心力が釣り合うので、
(実施例1)
図1(A)は、本実施例の共振型光偏向器の上面図、図1(B)はA−A’における断面図を表している。101は偏向ミラー、102は偏向ミラーを支える2本のトーションバー、103は支持部、104は4本の支持バネ、105は4つの制御質量、106は駆動コイル、107は磁性材料からなるコイル用磁心、108は偏向ミラー101の裏面につけられた可動永久磁石、110は基台、111はスペーサである。101〜105は、単結晶シリコン基盤をエッチングすることで一体に形成されており、偏向ミラー101の表面には光反射膜がコーティングされている。また、基台110とスペーサ111も金属材料から一体に形成されている。可動永久磁石108は、N極とS極が図1(B)で示した方向になるように磁化されている。また、制御質量105には、質量調整のために金属等の材料でできた重りを付加しても良い。
図1(A)は、本実施例の共振型光偏向器の上面図、図1(B)はA−A’における断面図を表している。101は偏向ミラー、102は偏向ミラーを支える2本のトーションバー、103は支持部、104は4本の支持バネ、105は4つの制御質量、106は駆動コイル、107は磁性材料からなるコイル用磁心、108は偏向ミラー101の裏面につけられた可動永久磁石、110は基台、111はスペーサである。101〜105は、単結晶シリコン基盤をエッチングすることで一体に形成されており、偏向ミラー101の表面には光反射膜がコーティングされている。また、基台110とスペーサ111も金属材料から一体に形成されている。可動永久磁石108は、N極とS極が図1(B)で示した方向になるように磁化されている。また、制御質量105には、質量調整のために金属等の材料でできた重りを付加しても良い。
まず、本実施例の慣性モーメント可変手段について説明を行なう。図2は、本共振型光偏向器がトーションバー102の軸周りに角速度ωで回転しているときの様子を示している。静止時の制御質量105の重心とトーションバーとの距離をR、変位量をΔR、支持バネ104の1本のバネ定数をk/2、制御質量105の1個の質量をm/2、制御質量105の重心周りの慣性モーメントと偏向ミラー101と可動永久磁石108のトーションバー102の軸周りの慣性モーメントの総和をI0とすると、本共振型光偏向器の可動部の慣性モーメントIvは、式3で表される。それゆえ、本実施例の共振型光偏向器は、図10に示したような、中立位置で速度の変動が少ない自由振動運動を行なうことがわかる。また、本実施例の共振型光偏向器は、振動振幅が大きくなると共振周波数が下がる傾向があるので、振動振幅を制御することで共振周波数を制御することができる。
次に、本実施例の加振手段について説明を行なう。図3(A)は、コイル用磁心107の先端がS極になるようにコイル106に電流を流した場合の概略図である。図に示すように、磁力線はコイル用磁心107の底部から出て、先端部に入るような形になり、可動永久磁石108には図中左回りにトルクが作用する。また、図3(B)に示すように、コイル用磁心107の先端がN極になる向きにコイル106に電流を流すと、可動永久磁石108には図中右回りにトルクが作用することになる。つまり、コイル106に交番電流を流すことで、偏向ミラー101を駆動できることがわかる。この際の駆動周波数を、偏向ミラー101の共振周波数と略等しくすることで、本実施例の共振型光偏向器を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、中立付近の角速度変動小さい共振型光偏向器を提供できる。また、駆動周波数を制御することが可能な共振型光偏向器を提供できる。また、複数の共振周波数を合わせる必要が無いので正確な調律作業が不要な共振型光偏向器を提供できる。また、構造が単純なため小型化が容易でコストが安くできる。
(実施例2)
図4(A)、(B)は、それぞれ本実施例の共振型光偏向器の上面図と正面図を表している。201は偏向ミラー、202は偏向ミラーを支えるトーションバー、203は支持部、204は4本の支持バネ、205は2つの制御質量、210は基台である。220は加振アクチュエータであり、変形部材221と積層型圧電素子222A、Bから構成されている。201〜205は単結晶シリコン基盤をエッチングすることで一体に形成されており、201の表面には光反射膜がコーティングされている。制御質量205には、質量調整のために金属等の材料でできた重りを付加しても良い。
図4(A)、(B)は、それぞれ本実施例の共振型光偏向器の上面図と正面図を表している。201は偏向ミラー、202は偏向ミラーを支えるトーションバー、203は支持部、204は4本の支持バネ、205は2つの制御質量、210は基台である。220は加振アクチュエータであり、変形部材221と積層型圧電素子222A、Bから構成されている。201〜205は単結晶シリコン基盤をエッチングすることで一体に形成されており、201の表面には光反射膜がコーティングされている。制御質量205には、質量調整のために金属等の材料でできた重りを付加しても良い。
本実施例においても、偏向ミラー201が回転すると、図5に示すように制御質量205に遠心力が働き、支持バネ204がたわむことで、可動部全体の慣性モーメントが大きくなる。よって、本実施例の共振型光偏向器は、図10に示したような、中立位置で速度の変動が少ない自由振動運動を行なうことがわかる。また、本実施例の共振型光偏向器は、振動振幅が大きくなると共振周波数が下がる傾向があるので、振動振幅を制御することで共振周波数を制御することができる。
次に、本実施例の加振手段について説明を行なう。図6は、本実施例の加振アクチュエータ220の動作を説明する図である。積層型圧電素子222Aが縮み、222Bが伸びる向きに電圧を印加すると、変形部材221は図で示したように変形し、支持部203を回転させる。積層型圧電素子222A、Bの伸縮を逆にすれば、支持部203の回転方向は逆になる。これらのことから、2つの積層型圧電素子222A、Bに交番電圧を印加することで、偏向ミラー201を駆動できることがわかる。この際の駆動周波数を、偏向ミラー201の共振周波数と略等しくすることで、本実施例の共振型光偏向器を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、中立付近の角速度変動小さい共振型光偏向器を提供できる。また、駆動周波数を制御することが可能な共振型光偏向器を提供できる。また、複数の共振周波数を合わせる必要が無いので正確な調律作業が不要な共振型光偏向器を提供できる。また、構造が単純なため小型化が容易でコストが安くできる。
(実施例3)
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、本発明の第1光偏向器301で水平方向に走査され、次に第2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。光偏向器301、302とレーザー光源303は、制御手段304から制御される。
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、本発明の第1光偏向器301で水平方向に走査され、次に第2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。光偏向器301、302とレーザー光源303は、制御手段304から制御される。
本発明によれば、走査中央部と周辺部で走査速度の違いが少ない光走査型ディスプレイを提供することができる。
(B)実施例1の共振型光偏向器の断面図である。
実施例1の共振型光偏向器の慣性モーメント可変手段を説明する図である。
(A)(B)実施例1の共振型光偏向器の加振手段を説明する図である。
(A)実施例2の共振型光偏向器の上面図である。
(B)実施例2の共振型光偏向器の正面図である。
実施例2の共振型光偏向器の慣性モーメント可変手段を説明する図である。
実施例2の共振型光偏向器の加振手段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。
本発明の構成を説明する図である。
本発明の慣性モーメントの変化を説明する図である。
本発明の共振型光偏向器の角速度ωを説明する図である。
本発明の慣性モーメント可変手段の原理を説明する図である。
本発明の慣性モーメント可変手段の原理を説明するグラフである。
101、201、901 偏向ミラー
102、202、902 トーションバー
103、203 支持部
104、204、904 支持バネ
105、205、905 制御用質量
106 駆動コイル
107 コイル用磁心
108 可動永久磁石
110、210 基台
111 スペーサ
220 加振アクチュエータ
221 変形部材
222A、B 積層型圧電素子
301 第1光偏向器
302 第2光偏向器
303 レーザー光源
310 レーザー光
304 制御手段
320 スクリーン
909 慣性モーメント可変手段
910 回転部材
102、202、902 トーションバー
103、203 支持部
104、204、904 支持バネ
105、205、905 制御用質量
106 駆動コイル
107 コイル用磁心
108 可動永久磁石
110、210 基台
111 スペーサ
220 加振アクチュエータ
221 変形部材
222A、B 積層型圧電素子
301 第1光偏向器
302 第2光偏向器
303 レーザー光源
310 レーザー光
304 制御手段
320 スクリーン
909 慣性モーメント可変手段
910 回転部材
Claims (5)
- 偏向ミラーと、該偏向ミラーを回転軸周りに弾性的に支持するトーションバーと、該トーションバーを支持する支持部と該偏向ミラーを該回転軸周りに加振する加振手段と該偏向ミラーと一体に設けられた慣性モーメント可変手段を有する共振型光偏向器。
- 前記慣性モーメント可変手段が、制御質量と、該制御質量を前記トーションバーのねじりの軸に略垂直な方向に変位可能に弾性的に支持する支持バネからなることを特徴とする請求項1に記載の共振型光偏向器。
- 前記加振手段が、前記偏向ミラーに取り付けられた可動永久磁石と、該可動永久磁石に対して磁化方向に略垂直に交番磁界を印加する交番磁界発生手段を有することを特徴とする請求項1から2に記載の共振型光偏向器。
- 前記加振手段が、圧電素子と該圧電素子の伸張により変形する変形部材を有することを特徴とする請求項1から2に記載の共振型光偏向器。
- 光源と、該光源を変調する光源変調手段と、請求項1から4に記載の前記共振型光偏向器と、前記光源変調手段と前記共振型光偏向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。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2006011318A JP2007193115A (ja) | 2006-01-19 | 2006-01-19 | 共振型光偏向器およびそれを用いた画像形成装置 |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JP2007193115A true JP2007193115A (ja) | 2007-08-02 |
Family
ID=38448860
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2006011318A Withdrawn JP2007193115A (ja) | 2006-01-19 | 2006-01-19 | 共振型光偏向器およびそれを用いた画像形成装置 |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JP2007193115A (ja) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2008055516A (ja) * | 2006-08-29 | 2008-03-13 | Fujitsu Ltd | マイクロ揺動素子 |
-
2006
- 2006-01-19 JP JP2006011318A patent/JP2007193115A/ja not_active Withdrawn
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Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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JP2008055516A (ja) * | 2006-08-29 | 2008-03-13 | Fujitsu Ltd | マイクロ揺動素子 |
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
A300 | Withdrawal of application because of no request for examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A300 Effective date: 20090407 |