JP2010002783A - 光走査装置及び該光走査装置を用いた画像形成装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 従来は、基板に発生した板波の節の位置とミラーの回転軸の位置とがずれて、ミラーの回転軸が基板の厚み方向に変動する虞がある。
【解決手段】 基板に設けられた支持部により支持されたミラー部１３０を揺動させ、光源からの光を当該ミラー部により反射させて走査させる光走査装置であって、基板１００上に設けられ当該基板に板波を発生させるための圧電素子１１０と、圧電素子１１０を駆動する駆動回路２００と、圧電素子の駆動を制御すると共に、ミラー部１３０の駆動周波数に対応する板波の基準波長に対して、１／２倍、又は、１／３倍の波長の板波を重畳させるように駆動回路２００を制御する制御部４００とを有する。
【選択図】 図８

Description

本発明は、例えばレーザビームプリンタやディスプレイ等に用いられる光走査装置及び該光走査装置を用いた画像形成装置に関するものである。

従来から、レーザービームプリンタやディスプレイ等に用いられる光走査装置において、ガルバノミラーやポリゴンミラーにより光ビームを走査させる機構が知られている。また、シリコンプロセスを使ったＭＥＭＳ技術によるマイクロミラーも用いられ、その駆動方法として電磁駆動、静電駆動、圧電駆動など幾つかの方法が提案され、実用化されている。

一方、これらとは異なる駆動方式の光走査装置として、板波を利用したものが提案されている（特許文献１）。この方式は、基板に捩れ梁を設け、そこにミラー部を支持し、その状態で基板に板波を発生させると、この板波により捩れ梁を介してミラー部に捩れ振動が励起され、ミラー部により反射された光ビームが走査するというものである。この駆動方式は構造が簡単で、プレス加工による金属板を基板として使用できるため光走査装置の低コスト化が可能な技術として注目されている。

図１は、この駆動方式を説明する図である。

基板１０は、捻り梁１２と、この梁１２の支持部１９を有し、捻り梁１２にはミラー部１３が形成されている。この基板１０を固定部材１６に固定し、基板１０上に設けられた圧電膜（圧電素子）１１を振動させて基板１０に板波を発生させ、ミラー部１３に回転振動を励起する。図中のｘは、捻り梁１２の中心軸を示しており、この中心軸１２は板波の節１４からずれた位置に設定されている。

ここで基板１０の厚みは５０μｍ程度、ミラー部１３の長手方向の長さは約１ｍｍ、梁１２の幅は約１００μｍｍで、基板１０の最大長さが１０ｍｍ以下と小型である。圧電膜１１は、２０ＫＨｚを超える周波数で振動するとき、ミラー部１３の振れ角は約４０°となっている（非特許文献１参照）。

上記方式では、基本的に、捩れ梁１２と基板１０との接続位置と、基板に発生した板波の節１４の位置とを一致させて、ミラー部１３には捻り振動のみを励起するのが理想的であるが、その構造上、捻り振動の立ち上げに非常に時間がかかる。即ち、圧電膜１１の振動を開始してからミラー部１３の振動が正規の振動状態に到達するまでの時間が長くなる。そこで、この立ち上がり時間を短縮するために、ミラー部１３の重心を捻り梁１２の位置から若干ずらしている。
特開２００６−２９３１１６号公報 特許４０２７３５９号公報 米国特許４８５９８４６号公報 Jae-Hyuk Park, et al.,MEMS 2006,Istanbul, 19th IEEE Int. Conf.,pp730-733

上記特許文献１の光走査装置は、振れ角が正弦波（ｓｉｎ波）で変化する。レーザビームプリンタなどでは、結像光学系の課題から、ミラーの回転は等角速度駆動であるのが好ましい。これに対して捩れ振動を用いた光走査装置では、通常、ミラーの回転角は正弦波で変化しているため、これに２倍又は３倍の周波数の振動を加えることで、ほぼ等角速度の駆動を実現する方法が提案されている（特許文献２、特許文献３参照）。

しかしながら特許文献１の光走査装置では、伝播速度に分散性のある板波を用いてミラーの駆動を行っているため、これら特許文献２，３に開示された手法を単純に適用することが難しい。

また特許文献１の光走査装置では、基板に発生した板波の節の位置とミラーの回転軸の位置とがずれる可能性があり、その場合には、ミラーの回転軸が基板の厚み方向に変動する。このようなミラー回転軸の変動は、レーザの光路長や焦点距離の変動の原因となる。またミラーエッジでの入射光のケラレによるレーザ光の劣化や光量低下等を引き起こす。これらは形成される画像品質の低下を招くため大きな問題となる。

本発明の目的は、上記従来技術の問題点を解決することにある。

本発明の特徴は、基板の板波振動を利用してミラー部の等角速度駆動を可能にした光走査装置及び該光走査装置を用いた画像形成装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために本発明の一態様に係る光走査装置は以下のような構成を備える。即ち、
基板に設けられた支持部により支持されたミラー部を揺動させ、光源からの光を当該ミラー部により反射させて走査させる光走査装置であって、
前記基板を前記ミラー部が設けられた側の反対側端部で固定する固定部材と、
前記基板上に設けられ当該基板に板波を発生させるための振動源と、
前記振動源を駆動する駆動手段と、
前記駆動手段による前記振動源の駆動を制御すると共に、前記ミラー部の駆動周波数に対応する板波の基準波長に対して、１／２倍、又は、１／３倍の波長の板波を重畳させるように前記駆動手段を制御する制御手段を有し、
前記ミラー部は前記駆動手段による駆動で発生する板波の節に設けられていることを特徴とする。

上記目的を達成するために本発明の一態様に係る光走査装置は以下のような構成を備える。即ち、
基板に設けられた支持部により支持されたミラー部を揺動させ、光源からの光を当該ミラー部により反射させて走査させる光走査装置であって、
前記ミラー部に対してほぼ対称となる基板上の位置に設けられ当該基板に板波を発生させるための第１及び第２の振動源と、
前記基板を当該基板の両端部で固定する固定部と、
前記第１及び第２の振動源をそれぞれ駆動する駆動手段と、
前記駆動手段による前記第１及び第２の振動源の駆動を制御する制御手段とを有し、
前記ミラー部は前記第１及び第２の振動源の振動により発生する前記基板の板波が合成されるた板波の節に設けられていることを特徴とする。

本発明によれば、基準周波数と、その基準周波数の２倍又は３倍の周波数の板波を合成させ、その合成波の節の位置にミラー部を設けることにより、ミラー回転軸を変動させずに略等角速度駆動が可能となる。

以下、添付図面を参照して本発明の好適な実施形態を詳しく説明する。尚、以下の実施形態は特許請求の範囲に係る本発明を限定するものでなく、また本実施形態で説明されている特徴の組み合わせの全てが本発明の解決手段に必須のものとは限らない。以下の説明では、振動源として圧電素子を用いるが、本発明はこれに限定されるものではなく、磁歪素子や、磁石を配置した電磁駆動などであってもよい。尚、以下の説明で使用される基板や振動源である圧電素子の材質や寸法、形成方法などについては、特許文献１に記載されているものを同様に適用できるが、本発明はそれに限定されないことはもちろんである。

［実施形態１］
図２は、本実施形態１に係る光走査装置のミラーを振動させるミラー振動部１の構成を説明する図で、図２（Ａ）は、このミラー振動部１の上面図、図２（Ｂ）は、このミラー振動部１を駆動する原理を説明する図である。

図２（Ａ）において、１００は基板、１１０は基板上に設けられた圧電素子（圧電膜）、１２０はミラー部１３０が取り付けられている梁を示している。ここではミラー部１３０とそれを支持する捩れ梁１２０の外側に振動子１３１と、それを支持する捩れ梁１２１が形成されている。１６０は、この基板１００を、ミラー部１３０が取り付けられている側の反対側端部で光走査装置に固定するための固定部である。圧電素子（振動源）１１０は、図示していない電極を介して周波数可変の駆動回路２００に接続されている。ミラー部１３０と振動子１３１は２振動子系を構成し、共振周波数ｆと２ｆ、又は、ｆと３ｆを有するように設計されている。ここでは、圧電素子１１０の中心とミラー部１３０の重心中心とを略一致させている。

図２（Ｂ）において、駆動回路２００は、駆動周波数を切り替えて圧電素子１１０を駆動する。この圧電素子１１０への電圧の印加により圧電素子１１０が伸縮して図２（Ｂ）の上下方向に基板１００を振動させる。尚、この圧電素子１１０は、基板１００上に直接形成された圧電膜であると基板１００の板波の励起効率をより良くすることができる。この圧電素子１１０は、図２（Ａ）において圧電素子１１０の上側に正の電圧を印加すると圧電素子１１０は伸び、負の電圧を印加すると縮むように構成されている。これにより基板１００上で板波が発生し、基板１００の一端が固定部１６０により固定されているため、その板波の振動エネルギーが梁１２０で支持されたミラー部１３０を揺動させ、より効率的にミラー部１３０に回転モーメントを与えることができる。

図３は、圧電素子１１０によって発生された板波による基板１００の変形とミラー部１３０の回転振動の様子を示す図である。

この図では、基板１００の長さ方向をｘ軸、基板１００の厚み方向をｚ軸とし、ｚ軸方向のスケールをｘ軸に比べて大きくして描画している。基板１００とミラー部１３０、及び、振動子１３１の交点が捻り梁１２０，１２１の位置、即ち、ミラー部１３０の回転軸となる。図において、実線と点線は、夫々、圧電素子１１０に正と負の電圧が印加されたときの最大振幅時の状態を示している。

図４（Ａ）（Ｂ）は、ミラー部の駆動周波数ｆに対応する板波の基準波長に、２ｆ、又は、３ｆの周波数の波長を合成した場合を説明する図である。

図４（Ａ）は、基準波長の波形４０００に周波数２ｆの信号４００１を合成した場合を示し、４００２はその合成波を示している。この合成波４００２により略等角速度振動が実現できる。即ち、図４（Ａ）では、合成波４００２が基準線（θ）と交差する場合、合成波４００２が右下がりになっている部分で直線性が得られている。従って、この直線性を利用して圧電素子１１０によりミラー部１３０の等角速度振動を発生できる。よって、この場合は片側走査の場合に適している。

図４（Ｂ）は、基準波長の波形４０００に周波数３ｆの信号４００３を合成した場合を示し、４００４はその合成波を示している。この合成波４００４により略等角速度振動が実現できる。即ち、図４（Ｂ）では、合成波４００４が基準線（θ）と交差する場合、合成波４００４が右下がりの部分、及び右上がりの部分で直線性が得られている。従って、この直線性を利用して圧電素子１１０によりミラー部１３０の等角速度振動を発生できる。よって、この場合は両側走査の場合に適していると言える。

図５（Ａ）（Ｂ）は、基板に発生する板波の波長と、板波の節の位置との関係を示す図である。

いま板波の波長をλとすると、板波の節は基板１００の開放端（図１の基板１００の左端）からλ／４の位置にある。

図５（Ａ）は、板波の波長をλ'としたとき、距離λ'／４と、基板１００の端からミラー部１３０の回転軸の位置までの距離ｄとが一致しない場合を示している。この場合は、ミラー部１３０の回転軸は、ｚ軸方向に±Δｚ変動する。これは、光走査装置の特性低下の原因となる。このため節の位置と回転軸が一致する適切な波長、即ち、図６に示す板波速度の分散性により決まる適切な駆動周波数を設定することにより、ミラー部１３０の回転軸を安定化できる。

図６は、基板に発生する板波の特性を示すグラフ図である。

この図は、横軸は基板の板厚と周波数の積［Ｈｚ・ｍ］、縦軸は位相速度［ｍ／ｓ］を示している。このグラフで示される特性に基づいて、圧電素子１１０の駆動周波数が決定される。

図５（Ｂ）は、板波の波長をλとしたとき、距離λ／４と、基板１００の端からミラー部１３０の回転軸の位置までの距離ｄとが一致している場合を示している。

このようにミラー部１３０の回転軸の変動を抑えながら、ミラー部１３０の略等角速度駆動を実現させるには、基準周波数ｆに対応する波長λ１と、これに合成する周波数２ｆ又は３ｆに対応する波長λ２を決定する。ここでは、
（２ｍ−１）×λ／４＝（２ｎ−１）×λ２／４［ｍ，ｎ＝１，２，...］
の関係を概ね満たすように選択する。尚、ここで２つの波長での節の位置ずれは、捻り梁１２０の幅と同程度以下であるようにすることが好ましい。

図７は、本実施形態１に係る圧電素子の駆動信号の一例を示す図である。

圧電素子１１０には、周波数ｆ１の駆動信号Ｖ１と、それの２倍の周波数ｆ２の駆動信号Ｖ２の合成信号が印加される。図６に示す伝播速度の分散性により、周波数によって伝播速度が異なるため、ミラー部１３０の回転軸の位置で適切な合成振動が得られるように、２つの駆動信号Ｖ１とＶ２は、Δｔだけ位相をずらして振動源に印加される。

図８は、本実施形態１に係る光走査装置の概略構成を示すブロック図である。

図において、レーザ光源４０３から射出されたレーザ光は、図示していない光学系を通過してミラー部１３０で反射され、ミラー部１３０の回転振動に応じて走査される。ＢＤセンサ４０４は、このミラー部１３０で反射されたレーザ光を有効走査範囲（実際に画像形成或いは画像読み取り等で使用される領域）の外で、最大走査角の位置（所定位置）に設けられており、レーザ光を検出すると検出信号を出力する。

制御部４００は、ＣＰＵ４１０、ＣＰＵ４１０により実行されるプログラム等を記憶するＲＯＭ４１１、ＣＰＵ４１０による制御処理時にワークエリアを提供して、各種データを記憶するＲＡＭ４１２を有している。レーザ駆動回路４０２は、制御部４００から供給されるＰＷＭ信号に応じてレーザ光源４０３を駆動する。駆動回路２００は、制御部４００からの指令信号に応じて圧電素子１１０の駆動周波数を変更して圧電素子１１０を駆動することができる。

この実施の形態１では、ミラー部１３０により反射された光の走査周波数に対応する板波の基準波長に対して、１／２倍、或いは１／３倍の波長の板波を重畳させた駆動信号を駆動回路２００から出力させて圧電素子１１０を駆動する。従って駆動回路２００は、基準周波数ｆ１の発振器、その１／２倍の波長の周波数信号ｆ２の発振器、或いは１／３倍の波長の周波数信号ｆ３の発振器を備えている。

［実施形態２］
図９（Ａ）（Ｂ）は、本発明の実施形態２に係る光走査装置のミラーを振動させるミラー振動部２の構成を説明する図で、図９（Ａ）は、このミラー振動部２の上面図、図９（Ｂ）は、このミラー振動部２を駆動する原理を説明する図である。前述の図２と共通する部分は同じ記号で示している。尚、この実施形態２に係る光走査装置の構成は、圧電素子とその駆動回路が追加されるだけで、それ以外は前述の実施の形態１と同様である。

この実施形態２では、基板１００上に、捩れ梁１２０，１２１の軸に対してほぼ対称な位置に振動源１１０（第１の振動源），１１１（第２の振動源）が配置されている。また、この基板１００の両端部がそれぞれ固定部１６０，１６１により、装置の筐体等に固定されている。振動源１１０，１１１のそれぞれは、図示していない電極を介して各駆動回路２００，２０１に接続されている。

図１０（Ａ）（Ｂ）は、本実施形態２に係る、圧電素子１１０，１１１の振動によって基板１００に発生された２つの板波の干渉による基板１００の変形とミラー部１３０の回転振動の様子を説明する図である。この図では、基板１００の長さ方向をｘ軸、基板１００の厚み方向をｚ軸とし、ｚ軸方向のスケールをｘ軸に比べて大きくして描画している。ここでは、基板１００とミラー部１３０の交点が捻り梁１２０の位置、即ち、ミラー部１３０の回転軸となる。図１０（Ａ）、（Ｂ）はそれぞれ、圧電素子１１０，１１１のそれぞれに対して、互いに位相が逆の正負の電圧が印加されたときの各最大振幅を示している。

尚、ここで圧電素子１１０及び１１１は、板波の振幅の山が表れる位置に設けられているのが好ましい。

図１１（Ａ）は、圧電素子１１０と１１１からの２つの板波の伝播を説明する図である。このように２つの板波は、互いに反対方向に伝播して、中央で干渉し合う。そして図１１（Ｂ）に示すような波を形成する。これが図１０に示す状態であり、このときミラー部１３０の回転軸と基板１００の板波の節とが一致するため、ミラー部１３０は回転軸が変動することなく回転振動する。

本実施形態２に係るミラー振動部２においては、板波の節の位置は波長に依存しない。

図１２（Ａ）（Ｂ）は、圧電素子１１０と１１１からの２つの板波の合成波の伝播を説明する図である。

図１２（Ａ）は、周波数ｆの板波Ｗ１と周波数２ｆの板波Ｗ１'との合成波、及び周波数ｆの板波Ｗ２と周波数３ｆの板波Ｗ２'との合成波の干渉を示す図である。

また図１２（Ｂ）は、周波数ｆの板波Ｗ１と周波数３ｆの板波Ｗ３'との合成波、及び周波数ｆの板波Ｗ２と周波数３ｆの板波Ｗ４'との合成波の干渉を示す図である。

これら合成波はいずれも中央に節を生成する。よって、この位置にミラー部１３０の回転軸を位置付けることにより、ミラー部１３０の回転軸に周波数ｆと２ｆの板波が合成された捻り振動が加わることになる。また合成波の節の位置が固定であるため、振動の周波数に応じてミラーの回転軸が節の位置とずれるという不具合が発生しない。

このように、略等角速度駆動に必要な２倍、または、３倍の周波数の駆動信号を合成する場合でも、図６に示す伝播速度の分散性に基づいて、駆動信号の位相を適切に設定しさえすれば、基準となる走査周波数を自由に設定できることになる。

これにより、板波を利用した光走査装置においても走査周波数を選ばず、ミラー部１３０の略等角速度駆動が可能となる。

図１３は、本実施の形態に係る光走査装置を用いたレーザビームプリンタ（ＬＢＰ）の全体構成を示す模式断面図である。

ピックアップローラ（給送ローラ）１１００は、その回転により、カセット１１０１に積載されたシート（記録媒体）を最上側より送り出す。１１０２はリタードローラ対であり、ピックアップローラ１１００の回転により送り出されたシートを一枚ずつに分離して搬送する。１１０３，１１０４は、こうして１枚ずつに分離されたシートを本体内で搬送する搬送ローラである。

１１０５は、画像形成に関する公知のプロセス手段を内蔵したプロセスカートリッジで、このプリンタ装置本体に着脱可能に設けられている。このプロセスカートリッジ１１０５には像担持体としての感光体ドラム１１０６が内蔵されている。１１０７は帯電器で、感光体ドラム１１０６の表面を一様に帯電する。帯電器１１０７により帯電された感光体ドラム１１０６の表面に、上述した本実施形態１，２に係る光走査装置１１１０から画像情報に応じたレーザ光が照射されることにより、その表面に静電潜像が形成される。現像器１１０８は、静電潜像が形成された感光体ドラム１１０６の表面にトナーを付着させることによりその静電潜像をトナー像にする。この感光体ドラム１１０６には転写ローラ１１１１が押圧されており、搬送ローラ１１０４により搬送されたシートが感光体ドラム１１０６と転写ローラ１１１１との間を通過する際に、このドラム表面のトナー像がシートに転写される。定着装置１１１２は、こうして画像が転写・形成された後のシートに対して熱及び圧力を印加して転写画像を定着させる。そして、画像が定着された後のシートが搬送されて、排出ローラ対１１１３により装置上面に形成された排出トレイ１１１４に画像面を下側にして排出される。１１０９はクリーニング器で、転写されずに感光体ドラム１１０６の表面に残ったトナーを回収してドラム表面を清掃する。１１１５は、両面印刷用のシート搬送路である。

こうして本実施形態に係る光走査装置は、レーザ光により画像を形成する画像形成装置（プリンタ）にも適用できる。

またこの光走査装置は、原稿上に光を走査させて、その原稿を読み取るスキャナ（画像読み取り装置）にも適用できる。

またこの光走査装置は、スクリーンや網膜に光を走査させて、画像を表示するディスプレイにも適用できる。

周知の駆動方式を説明する図である。 本発明の実施形態１に係る光走査装置のミラーを振動させるミラー振動部の構成を説明する図である。 実施形態１において、圧電素子によって発生された板波による基板の変形とミラーの回転振動の様子を示す図である。 実施形態１において、ミラー部の駆動周波数ｆに対応する板波の基準波長に、２ｆ、又は、３ｆの周波数の波長を合成した場合を説明する図である。 実施形態１において、基板に発生する板波の波長と、板波の節の位置との関係を示す図である。 基板に発生する板波の特性を示すグラフ図である。 本実施形態１に係る圧電素子の駆動信号の一例を示す図である。 本実施形態１に係る光走査装置の概略構成を示すブロック図である。 本発明の実施形態２に係る光走査装置のミラーを振動させるミラー振動部の構成を説明する図である。 本実施形態２に係る、２つの圧電素子の振動によって基板に発生された２つの板波の干渉による基板の変形とミラーの回転振動の様子を説明する図である。 ２つの圧電素子からの２つの板波の伝播を説明する図である。 実施形態２に係る２つの圧電素子からの２つの板波の合成波の伝播を説明する図である。 本実施の形態に係る光走査装置を用いたレーザビームプリンタ（ＬＢＰ）の全体構成を示す模式断面図である。

符号の説明

１００ 基板
１１０，１１１ 振動源
１２０ 捩れ梁
１３０ ミラー
１６０，１６１ 固定部
２００，２０１ 駆動回路

Claims (6)

1. 基板に設けられた支持部により支持されたミラー部を揺動させ、光源からの光を当該ミラー部により反射させて走査させる光走査装置であって、
   前記基板を前記ミラー部が設けられた側の反対側端部で固定する固定部材と、
   前記基板上に設けられ当該基板に板波を発生させるための振動源と、
   前記振動源を駆動する駆動手段と、
   前記駆動手段による前記振動源の駆動を制御すると共に、前記ミラー部の駆動周波数に対応する板波の基準波長に対して、１／２倍、又は、１／３倍の波長の板波を重畳させるように前記駆動手段を制御する制御手段とを有し、
   前記ミラー部は前記駆動手段による駆動で発生する板波の節に設けられていることを特徴とする光走査装置。
2. 前記駆動手段は、前記基準波長の板波を発生する駆動信号と、前記基準波長の１／２倍、又は、１／３倍の波長の板波を発生する駆動信号とを位相をずらして合成した信号で前記振動源を駆動することを特徴とする請求項１に記載の光走査装置。
3. 基板に設けられた支持部により支持されたミラー部を揺動させ、光源からの光を当該ミラー部により反射させて走査させる光走査装置であって、
   前記ミラー部に対してほぼ対称となる基板上の位置に設けられ当該基板に板波を発生させるための第１及び第２の振動源と、
   前記基板を当該基板の両端部で固定する固定部材と、
   前記第１及び第２の振動源をそれぞれ駆動する駆動手段と、
   前記駆動手段による前記第１及び第２の振動源の駆動を制御する制御手段とを有し、
   前記ミラー部は前記第１及び第２の振動源の振動により発生する前記基板の板波が合成されるた板波の節に設けられていることを特徴とする光走査装置。
4. 前記制御手段は、前記ミラー部の駆動周波数に対応する板波の基準周波数に対して、２倍、又は、３倍の周波数の板波を重畳させるように前記駆動手段を制御することを特徴とする請求項３に記載の光走査装置。
5. 前記第１及び第２の振動源は、前記板波の振幅の山が表れる位置に設けられていることを特徴とする請求項３又は４に記載の光走査装置。
6. 請求項１乃至５のいずれか１項に記載の光走査装置と、
   前記光走査装置から照射される画像情報に応じたレーザ光により記録媒体に像を形成する手段と、
   を有することを特徴とする画像形成装置。

Images