JP2015175984A - アクチュエータ、光偏向器、光走査装置、画像形成装置及び画像投影装置 - Google Patents
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Abstract
Description
また、駆動部分の形成もシリコンウエハーを素材として、半導体微細加工技術を用いて安価で大量に形成できる可能性があるため実用化が期待されている。
この種のアクチュエータの構成は、例えば図17(a)に示すように、可動部100と、可動部100を回転振動可能に支持するトーション梁102と、トーション梁102を支持する枠部材104とで構成されたものが知られている。
種々の駆動方式でトーション梁102に捩りを発生させることにより、図17(b)、(c)に示すように、可動部100を回転振動させることができる。
このような構成では、共振を利用することで、小さなエネルギーで、高速、大振幅の回転振動が得られることが知られている。
そこで、共振を利用せずに、可動部により大きな捩り力を発生させて、所望の周波数で振動させることが考えられる。
しかし、大きな力を発生させるためには、一般的に、駆動手段も大型化、高コスト化となり、供給するエネルギーも大きくしなくてはならない。
バネ剛性を下げるためには、トーション梁を長くし、あるいは細くする必要がある。しかし、長くした場合は大きなスペースを必要とし、細くした場合は寸法のバラツキの影響が大きくなる不具合がある。
この問題を解消すべく、図18、図19に示すように、可動部100を支持する梁部106を折り曲げるようにして、すなわち蛇行形状として、限られたスペースの中でバネ剛性を下げる構成が提案されている。
図20に示すように、梁部106に圧電膜108を配置し、圧電膜の伸縮によって梁部106に直接反りを発生させ、それぞれの梁での反り変形を累積させて、可動部100を回転振動させる圧電方式も知られている(特許文献1〜3)。
圧電方式は、製造が容易で、駆動力を発生させるためのスペースをほとんど必要としない利点がある。
本発明者の考察によると、上記従来技術において、共振が発生する理由は、図21に示すように、蛇行する梁部106の回転軸心110に平行な方向(横方向)の幅aが全て一定であるからであると考えられる。
本発明はこの点に着目してなされたものである。
本実施形態に係るアクチュエータ2は、可動部4と、複数の折り返し部を有する蛇行形状を有し、可動部4を回転振動可能に支持する蛇行状梁部6と、蛇行状梁部6を支持する枠部材8と、蛇行状梁部6に配置された図示しない層状ないし膜状の圧電体と、該圧電体に駆動電圧を印加するための図示しない電極とを備えている。
圧電体の具体的な配置は、図5と同じである。
「回転振動」とは、回転軸心回りに一方と他方に交互に回転変位して一定の振幅で振動することをいう。
上記圧電体は各梁部12にその長手方向(縦方向)に沿って配置されている。
上記圧電体に駆動電圧を印加して生じる圧電体の伸縮によって、蛇行状梁部6に反りを発生させ、各梁部12での反り変形を累積させて、可動部4を回転振動させるものである。
すなわち、各梁部12の横幅の寸法は、図中左側から右側に向かって順に、b、b、a、a、c、cとなっている。a、b、cの大きさは、b<a<cの関係にある。
このように、一部の梁部の横幅だけを変え、ターン数(折り返し数)、梁部の縦方向の長さ、厚み、梁部同士の間隔tを同じとし、梁部の横幅の寸法の合計が同じであれば、蛇行する梁部と可動部の大きさは同じになる。
部分的に梁部の横幅を変えることで、アクチュエータ2の可動部4と、蛇行状梁部6のスペースの大きさとを変えずに、共振周波数特性を変えることができる。
梁部の横幅を部分的に変えることで、駆動感度(単位エネルギー当たりの振幅角)が変化するので、共振周波数を所望の値になるように設定できるだけでなく、駆動感度が改善するように寸法を設定することもできる。
なお、上記実施形態と同一部分は同一符号で示し、特に必要がない限り既にした構成上及び機能上の説明は省略して要部のみ説明する(以下の他の実施形態において同じ)。
本実施形態では、図2に示すように、蛇行状梁部6における各梁部12の横幅は、可動部4に近い方が遠い方よりも狭いものとなっている。
換言すれば、可動部4に近い内側ほど梁部12の横幅を狭くし、外側ほど梁部12の横幅を広くしている。
すなわち、各梁部12の横幅の寸法は、図中左側から右側に向かって順に、c、c、a、a、b、bとなっている。a、b、cの大きさは、b<a<cの関係にある。
根元側(枠部材側)の横幅を広くし、先端側(可動部側)の横幅を狭くする構成は、図4に示すような片持ち梁12bの形状に置き換えることができる。
図3、4に示ように、梁部の先端に同じ荷重Fがかかる場合、図4に示す形状とすると、図3に示す形状に比べて変形量が小さくなる。
これは蛇行状梁部でも同じことで、可動部に近い側の幅を小さくすることによって、可動部の重さなどによる変形が小さくなるので、姿勢差の影響などを受けにくくなる。
特に可搬性があり、置き方が特定されぬ条件で、振動源に近い場所で使用される可能性のある機器に組み込む場合に、振動の振幅を安定させることができる。
駆動用圧電体を「駆動用圧電パターン」、検出用圧電体を「検出用圧電パターン」ともいう。
検出用圧電体16は、圧電効果によって梁部の反りに応じた電荷を発生させるので、電荷を検出することで、梁部での反りの大きさが分かる。検出した反り量から可動部の振幅角度を算出することができる。
一定のオフセット量は梁部の検出用圧電パターンでも同様であるが、横幅が異なると正しく検出できなくなってしまうので、同じ横幅の梁部であるならば、同じ横幅の検出パターンを設ける方が、検出誤差が小さくなる。
このため、可動部に近い横幅がbの梁部では、横幅がaやcの梁部よりも検出用圧電体16の横幅を狭くしている。
そのため、図6に示すように、駆動用圧電体14、検出用圧電体16のそれぞれの奇数番目同士、偶数番目同士をつなぐ導電線パターン18を設け、それぞれのパターンを一つおきに繋いでいる。
導電線パターン18は、加工や、信頼性の観点から必要な幅が決まってくる。導電線パターン18は、検出用圧電パターンの上に、絶縁膜を介して配置される。
しかし、可動部に一番近い梁部では、検出用圧電パターンを次ぎのパターンと接続する必要がないため、導電線パターンを乗せる必要がない。
そこで、検出用圧電体の横幅を狭くすることで、駆動感度を落とさずに幅を狭めることができる。
縮められる寸法は僅かであっても、一枚のウエハから大量のデバイスを取るので、取り数が増える可能性がある。
本実施形態では、梁部の横幅が、1つの梁部で縦方向において変化し、1つの梁部における両辺が縦方向において平行ではない形状を有している。
図7の部分拡大図である図8に示すように、最も左側の梁部12を例にとると、下側の横幅w1と上側の横幅w2とは同じではなく、w1>w2となっている。
すなわち、梁部12は折り返し部分の間の形状が略台形形状となっている。また、梁部12の横幅は可動部4に近づくにつれ狭くなっている。
このような構成にすることによって、横方向に断続的に梁部の幅が変化していたものを連続的に変化させることができる。
上記台形状の蛇行状梁部を一直線の梁に置き換えた場合、図9に示すような片持ち梁12cの形状となる。
そのため、角度検出部としては、梁部に対して垂直で同じ幅であることが望ましい。そこで、図10に示すように、梁部を、回転軸心10に直交する方向の両辺のうち、一方が回転軸心10に対して垂直、もう一方が傾いた形状に形成する。
そして、回転軸心10に対し垂直な一辺12dの側(直交する辺側)に検出用圧電体を設け、検出用圧電体の幅が一定となるようにする。
検出用圧電パターンの幅が一定なので、各梁部での変形量が正しく検出されやすい。また、回転軸心10に対し垂直(直角)が保たれているので、変形の所望の成分を検出することができる。
図11に示すように、本実施形態に係る光偏向器としての振動ミラー921は、上述したアクチュエータを利用して構成されている。
すなわち、可動部2に光線を偏向する反射面としてのミラー面32を形成し、ミラー面32に入射した光の反射方向を変えられるようにしている。
上記のように、蛇行状梁部における梁部の横幅や形状を調整することで、限られたスペースの中で、使用条件に合う特性の光偏向器を構成することができる。
図12は、光線を偏向走査する振動ミラー921を備えた光走査装置901と、該光走査装置901を有する画像形成装置を示している。
帯電された感光体ドラム902の表面に光走査装置901により画像情報に基づいて静電潜像が形成される。
静電潜像は、該静電潜像を可視像化する現像手段としての現像部905でトナー像に顕像化され、トナー像は転写部906で記録媒体としての記録紙908に転写される。転写されたトナー像は定着部907によって記録紙908に定着される。
感光体ドラム902の転写部906を通過した表面部分は、クリーニング部909で残留トナーを除去される。感光体ドラム902に代えてベルト状の感光体を用いる構成としてもよい。
また、トナー像を転写媒体に一旦転写し、この転写媒体からトナー像を記録紙に転写して定着させる中間転写方式としてもよい。
光走査装置901は、記録信号によって変調された1本又は複数本のレーザビームを発する光源部910と、振動ミラー921と、振動ミラー921のミラー面34に光源部910からのレーザビームを結像させるための結像光学系922と、ミラー面34で反射された1本又は複数本のレーザビームを感光体ドラム902の表面に結像させるための走査光学系923とから構成されている。
振動ミラー921は、その駆動のための集積回路924と共に回路基板925に実装された形で光走査装置901に組み込まれている。
振動ミラー921は、ミラー基板(可動部)の変形が少なくビーム形状が安定しているため、安定したビームスポット径での書き込みが可能である。
また、回転多面鏡に比べ駆動のための消費電力が小さいため、画像形成装置の高画質化、省電力化に有利である。
振動ミラー921のミラー基板の振動時の風切り音は回転多面鏡に比べ小さいため、画像形成装置の静音化の改善に有利である。
振動ミラー921は回転多面鏡に比べ設置スペースが圧倒的に少なくて済み、また発熱量もわずかであるため、光走査装置901の小型化が容易であり、したがって画像形成装置の小型化に有利である。
なお、記録紙908の搬送機構、感光体ドラム902の駆動機構、現像部905、転写部906などの制御手段、光源部910の駆動系などは、従来の画像形成装置と同様でよいため、図中では省略している。
図13に示すように、本実施形態に係る光偏向器としての振動ミラー930は、上述したアクチュエータを利用して構成されている。
すなわち、可動部2に光線を偏向する反射面としてのミラー面34bを形成し、ミラー面34bに入射した光の反射方向を変えられるようにしている。
さらにミラー面34bは、可動部4内において、横方向(X軸方向)と直交する縦方向(Y軸方向)を回転軸心として回転振動可能となっている。
X軸周りの駆動は、前述した蛇行状梁部に圧電体を配置した構成を採り、低速で駆動する。
これにより、X軸方向周りとY軸方向周りで、大きな速度差が得られるので、ラスタースキャンが可能となり、高画質で2次元的に走査することができる。
図14は、2軸ともに蛇行状梁部と圧電体とによる駆動の例である。2軸それぞれで、上記のように梁部の横幅(Y軸方向では縦幅)の部分的な調整を行うことができる。符号34cはミラー面を示している。
画像投影装置は、赤色のレーザー光を射出する赤色光源装置1Rと、緑色のレーザー光を射出する緑色光源1Gと、青色のレーザー光を射出する青色光源装置1Bと、クロスダイクロイックプリズム38と、クロスダイクロイックプリズム38から射出されたレーザー光を走査する振動ミラー930とを備え、投射面(スクリーン)40に投影する。
画像投影装置は投射面を一体とする構成であってもよい。
緑色光源装置1Gは、中心波長が540nm前後である緑色のレーザー光を出射する。
振動ミラー930は、上記のように2軸周りに回転振動できる構造を備えており、入射したレーザー光をスクリーン40に反射させる。
これにより、スクリーン40の水平方向及び垂直方向にレーザー光を走査することが可能となり、投影位置に応じて、各色の光源の発光量を調整することで、所望の画像を表示することができる。
画像投影装置は、図16に示すように、赤、緑、青で光路を1つにしない構成であってもよい。
ここではカラー画像を投影する構成を例示したが、白黒の場合にも同様に実施することができる。
本発明の実施の形態に記載された効果は、本発明から生じる最も好適な効果を例示したに過ぎず、本発明による効果は、本発明の実施の形態に記載されたものに限定されるものではない。
4 可動部
6 蛇行状梁部
8 枠部材
10 回転軸心
12 梁部
14 圧電体としての駆動用圧電体
16 圧電体としての検出用圧電体
34、34b、34c 反射面としてのミラー面
40 投影面
901 光走査装置
902 像担持体としての感光体ドラム
905 現像手段としての現像装置
921 光偏向器としての振動ミラー
Claims (10)
- 可動部と、
複数の折り返し部を有する蛇行形状を有し、前記可動部を回転振動可能に支持する蛇行状梁部と、
前記蛇行状梁部を支持する枠部材と、
前記蛇行状梁部に配置された圧電体と、
前記圧電体に駆動電圧を印加するための電極と、
を備え、
前記圧電体に駆動電圧を印加して生じる前記圧電体の伸縮によって前記蛇行状梁部に反りを発生させ、各梁部での反り変形を累積させて前記可動部を回転振動させるものであり、
前記蛇行状梁部における各梁部の前記可動部の回転軸心と直交する横方向の幅が、少なくとも一つの梁部で他の梁部と異なっているアクチュエータ。 - 請求項1に記載のアクチュエータにおいて、
前記蛇行状梁部における各梁部の前記横方向の幅は、前記可動部に近い方が遠い方よりも狭いアクチュエータ。 - 請求項1又は2に記載のアクチュエータにおいて、
前記各梁部には前記圧電体に並行に検出用圧電体が配置され、前記可動部に最も近い梁部に配置された検出用圧電体の前記横方向の幅は、他の位置に配置された検出用圧電体の幅よりも狭いアクチュエータ。 - 請求項1〜3のいずれか1つに記載のアクチュエータにおいて、
前記梁部の前記横方向の幅が、1つの梁部で前記横方向と直交する縦方向において変化し、該1つの梁部における両辺が前記縦方向において平行ではないアクチュエータ。 - 請求項4に記載のアクチュエータにおいて、
前記1つの梁部の一辺は前記回転軸心に直交し、前記検出用圧電体は前記直交する辺側に該辺に平行に配置されているアクチュエータ。 - 請求項1〜5のいずれか1つに記載のアクチュエータの前記可動部に、光線を偏向する反射面を設けてなる光偏向器。
- 光源と、該光源から光線を偏向走査する光偏向器とを有する光走査装置において、
前記光偏向器が請求項6に記載の光偏向器である光走査装置。 - 像担持体と、
画像情報に基づいて前記像担持体に静電潜像を形成する光走査装置と、
前記静電潜像を可視像化する現像手段と、
前記可視像を記録媒体に転写して定着する手段と、
を有し、
前記光走査装置が請求項7に記載の光走査装置である画像形成装置。 - 請求項7に記載の光走査装置において、
前記可動部が、前記回転軸心に直交する方向においても該方向を回転軸心として回転振動可能である光走査装置。 - 請求項9に記載の光走査装置を有し、投影面に光線を走査して画像を表示する画像投影装置。
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