JP2016033651A - 光偏向器、光走査装置、画像形成装置、画像投影装置及びヘッドアップディスプレイ - Google Patents
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Abstract
Description
静電力を用いた偏向ミラーは、平行平板型の電極を有するタイプと櫛歯型の電極を有するタイプとがあり、櫛歯型の電極を有するタイプでは近年の微細加工技術の向上によって比較的大きな力を発生できるようにはなったが、十分な光の偏向角が得られないため、駆動電圧を大きくして補うしかない。
駆動電圧を大きくするためには電源系の部品が大きくなり、全体として大型化したり、コスト増加につながってしまう。
電磁力を用いた偏向ミラーは、外部に永久磁石を配置する必要があるため、デバイスの構成が複雑になり、生産性が悪いと共に小型化が困難である。
また、コイルに電流を流すと余分な熱が発生しやすく、消費電力が大きくなってしまう。
圧電力を用いた場合は比較的大きな駆動電圧が必要ではあるが、小さな電力で大きな力を発生することが可能である。
圧電デバイスは発生力は大きいものの、変形量は微小であるため、これを拡大するために、圧電材料を他の梁状の弾性部材に張り合わせてユニモルフ構造、バイモルフ構造とすることで、圧電力による面内方向の僅かな歪みを梁状部材の反りに変えることで大きな変形を得られるようにしている。
トーション梁の軸心はミラー部の重心位置からずれている。
駆動梁に固定された圧電体に電圧を印加することにより、圧電体が伸縮して駆動梁の曲げ変形が生じる。
駆動梁の振動方向はミラー部の光反射面の略法線方向であるが、トーション梁がミラー部の重心からずれていることで発生するモーメントによってミラー部が回転振動する。
このとき、トーション梁は主にその軸心を中心にして捻り変形しながらミラー部の回転振動を支持する。
すなわち、ミラー部の駆動周波数が数kHz〜数十kHzとなると、ミラー部の構造部材であるシリコン材料が変形し、光学的に必要な平面精度が確保できなくなる場合がある。
この問題に対処すべく、ミラー部の光反射面と反対側にリブを設けて機械的強度を増加させ、光反射面の動的歪みを抑制する構成も提案されている(例えば、特許文献2)。
しかしながら、トーション梁のずれ量を大きくすると、ミラー部に対するトーション梁の非対称性が大きくなる。
ミラー部はミラー中心で回転するように設計するため、トーション梁のずれ量が大きくなると、トーション梁の軸心とミラー部の回転中心とがずれてしまい、トーション梁にはその軸を中心とする捻り以外の変形(曲げ等)が生じるため、破損や故障を生じやすくなるという問題があった。
図1乃至図5に基づいて第1の実施形態を説明する。
図1及び図2に示すように、本実施形態に係る光偏向器2は、1方向に光を偏向する偏向ミラーである。
光偏向器2は、光反射面4を有するミラー部6と、一端がミラー部6に固定され、ミラー部6を回転振動可能に支持する一対の弾性支持部材としてのトーションバースプリング8、10と、一端がトーションバースプリング8、10の他端側に固定された一対の梁状部材としての駆動梁12、14と、駆動梁12、14の他端側が固定されたベース部材16とを備えている。
ミラー部6の光反射面4と反対側には、ミラー部の機械的強度を補強して光反射面4の歪みを抑制する円筒状のリブ18が一体に形成されている。
以下においては、トーションバースプリングをトーションバーと略記する。
すなわち、ミラー部6と一対のトーションバー8、10とが、一対の駆動梁12、14を介してベース部材16に対して片持ち状態で支持された構成となっている。
本実施形態では、シリコン材料でMEMS(micro electro mechanical systems)プロセスによって加工することで、ミラー部6、トーションバー8、10、駆動梁12、14を一体で形成している。
ミラー部6では、シリコン基板の表面にアルミニウムや銀などの金属の薄膜を形成することによって光反射面4を形成している。
電圧印加による駆動梁12、14の曲げ変形(後述)がトーションバー8、10を介して伝達されることによりミラー部6を回転させるモーメントが生じる。ミラー部6が回転するとトーションバー8、10が捻り変形し、ミラー部6を元に戻す弾性力が生じる。
これが繰り返されることにより、ミラー部6は一定の振幅で回転振動する。
図4(a)は駆動梁のベース部材16側端部付近の配線パターンを示す平面図、(b)は(a)のB−B線での断面図、(c)は(a)のC−C線での断面図である。
図4に示すように、駆動梁12、14の表面に下部電極22が設けられ、その上に圧電体20、上部電極24が設けられている。最表面には絶縁層26が設けられている。
駆動梁の上に下部電極、圧電体、上部電極の順でスパッタにより成膜して積層し、必要な部分だけが残るようにエッチング加工されている。
接着層の材料はチタン(Ti)、上部電極及び下部電極は白金(Pt)、圧電材料はチタン酸ジルコン酸鉛(PZT)などが使用できる。
図4において、符号28、30はコンタクトホールを、32、34はアルミ配線(断面表示を省略)を示している。
このようにランド部から配線を引き出し、上部電極24と下部電極22との間に電圧を印加すると、圧電体20の体積が電歪特性により変化し、駆動梁の表面の面内方向に圧電体20が伸縮することで駆動梁12、14が反って、曲げ変形する。
圧電体20へ正弦波形の電圧を印加することによって、一対の駆動梁12、14は、ミラー部6の光反射面4の略法線方向への曲げ変形を繰り返し、振動する。
換言すれば、トーションバー8、10の軸心Tcに対して、ミラー部6の中心Mcがベース部材16側、すなわち駆動梁12、14の固定端側にずれている。
このため、駆動梁12、14の曲げ変形による振動によってミラー部6を回転させるモーメントが生じ、これによってミラー部6は回転振動する。
このとき、ミラー部6を支持するトーションバー8、10は、主にその軸心Tcに対して捻り変形する。
駆動梁12、14は、自由端側でトーションバー8、10とミラー部6を片持ちした構造となっているため、ミラー部6を大きな振幅で振動させることができる。
すなわち、従来においては、図26に示すように、ミラー部6の重心位置Mcに対してトーションバー8、10のずれ量を大きくする必要があった。
しかしながら、トーションバーのずれ量を大きくすると、図27に示すように、ミラー部6の中心Mcを通りトーションバーの軸心Tcに平行な線Lを基準とした場合、ミラー部6に対するトーションバーの非対称性が大きくなって破損や故障を生じやすくなる。
ミラー部はミラー中心で回転するように設計するため、トーションバーのずれ量が大きくなると、トーションバーの軸心Tcとミラー部の回転中心とがずれてしまい、トーションバーにはその軸心を中心とする捻り以外の変形(曲げ等)が加味されるためである。
図3はミラー部6を裏面側(光反射面の反対側)から見た図である。
図3に示すように、ミラー部6の形状中心MFcに対して、トーションバー8、10の軸心Tcがベース部材16側と反対側にずれているとともに、リブ18の中心Rcがベース部材16側にずれている。符号Rdはリブのずれ量を示している。
リブ18の中心Rcがミラー部6の中心Mcに対してベース部材16側にずれているため、リブ18を一体に有するミラー部6の重心は、ミラー部6の形状中心MFcからベース部材16側へずれていることになる。
トーションバー8、10は、ミラー部の重心がミラー部の形状中心に対してずれている方向と逆の方向に、ミラー部の形状中心に対してずれている。
換言すれば、リブ18を含むミラー部6の重心位置は、ミラー部6の形状中心MFcに対し、駆動梁12、14とベース部材16との接続部に近接する方向にずれている。
このようにすることで、駆動梁12、14の振動によってミラー部6に大きなモーメントを発生させ、ミラー部6の回転振幅を大きくすることが可能となる。
すなわち、ミラー部6の中心Mcに対するトーションバーのオフセットによる従来の「ミラー部を回転させるモーメント」に加え、本実施形態では、ミラー部6の形状中心MFcに対してミラー部6の重心がずれていることによる「ミラー部を回転させるモーメント」が重畳される。
これによってミラー部6の回転振幅を大きくすることが可能となる。
したがって、ミラー部6の形状中心MFcは、本実施形態のようにミラー部6が正円の場合には、ミラー部6の中心Mcと一致する。
すなわち、図27に示すように、従来構成では、リブ18はその中心Rcがミラー部の中心と一致するように配置されているため、リブ18を含むミラー部の重心とミラー部の形状中心とは一致することとなる。
したがって、従来構成においては、ミラー部6の形状中心MFcに対してミラー部6の重心がずれていないため、重心のずれによる「ミラー部を回転させるモーメント」は生じない。
図3から明らかなように、リブ18を含めたミラー部6の重心がベース部材16側に寄るため、結果的にトーションバーの軸心Tcとの間のずれ量が増加したのと同じになり、駆動梁12、14が振動したときに発生するミラー部6を回転させるモーメントを増大させることができる。
換言すれば、ミラー部6の中心に対してリブ18の位置をずらしてミラー部6の重心をずらすことにより、リブによる光反射面の歪み抑制機能を維持しつつ、トーションバーのずれ量Tdを大きくした場合と同様の効果を得ることができる。
実際に振動させたときのミラー部6の回転中心は駆動梁の長さやトーションバーのずれ量などによって変化するので、ミラー部の形状中心に回転中心が一致するように設計する。
しかしながら、ミラー部の形状中心に対するトーションバーのずれ量が大きい場合、回転中心が一致しにくくなる。
回転中心が一致しないと、上述のようにトーションバーにはその軸心を中心とする捻り以外の変形(曲げ等)が生じ、破損や故障を生じやすくなる。
換言すれば、トーションバーのずれ量が大きくなると、トーションバーに掛かる本来の捻り変形に加えてそれ以外の曲げ等の変形が加わり、破損や故障を生じやすくなる。
これにより、トーションバーに掛かる変形を本来の捻り変形に留めることができ、破損や故障を抑制することができる。
このとき、トーションバーの捻り回転軸心Tcに平行な軸に対して非対称にすることで、ミラー部の重心をミラー部の形状中心に対して数μm〜数十μmずらし、さらにトーションバーをミラー部の形状中心からミラー部の重心をずらした方向と逆方向にずらすことで、ミラー部の振動に係るモーメントを、ミラー部の重心を100μm程度ずらした場合と同等にする構成でもよい。
リブ18の大きさや質量は、ミラー部6の回転振動における慣性モーメントの影響を抑制する観点から決定される。
本実施形態では下部電極、上部電極と共に、スパッタにより圧電材料を成膜した構成を示したが、圧電材料はバルク材料を所定のサイズに切断したものを接着剤により貼り付けても良いし、CVD、ゾルゲル法、エアロゾルデポジション法(AD法)等で形成しても良い。
駆動梁12、14は、梁状部材の片面に圧電材料が配置されたユニモルフ構造で説明しているが、梁状部材の両面に圧電材料を配置したバイモルフ構造としてもよい。
ミラー部の重心のずれる方向は、光反射面に平行な方向であって、トーションバーの捻り回転軸に垂直な方向であれば、上記実施例に限定されない。
また、ベース部材16は、駆動梁および圧電部材、トーションバー、ミラー部を固定できる形状であればどのような形状でもよく、図5に示すように、ミラー部6の周囲を囲むような構成でもよい(他の実施形態において同じ)。
上記実施形態と同一部分は同一符号で示し、既にした構成上及び機能上の説明は適宜省略する(以下の他の実施形態において同じ)。
リブの形状や必要なモーメント量にもよるが、リブのオフセットによってトーションバーの軸心とミラー部の形状中心とを一致させることもできる。
すなわち、本発明では、ミラー部の重心がミラー部の形状中心に対してずれているという要件のみでミラー部を回転させるモーメントを得ることができるので、トーションバーのずれ量を0としてもよい。
図6に示すように、トーションバーの軸心Tcはミラー部6の中心Mcに一致しており、トーションバーのずれ量は0となっている。
ミラー部の回転中心をミラー部の形状中心に合わせた設計をすることで、トーションバーには純粋に本来の捻り変形のみが掛かり、破損や故障の限界値を大きくすることができる。
本実施形態では、リブ18の形状を、ミラー部の形状中心を通り、トーションバーの捻り回転軸心Tcに平行な軸に対して非対称としている。
このようにすることで、重心のずれ量を大きくでき、大きなモーメントを発生させることができる。
図9(b)に示すように、半円状の筒部18cと平板部18bとから構成される形状としてもよい。
図9(c)に示すように、図9(b)よりもミラー部6の外周縁から内方に寄せた半円状の筒部18dと、該筒部18dをトーションバーの捻り回転軸心Tcと直交する方向に貫通する平板部18eとから構成される形状としてもよい。
光反射面は、光反射面の外周周辺ほど変形しやすいため、平板部18eを貫通させ、光反射面を可能な限り端まで覆うことで、光反射面の変形をより抑制する効果がある。
図9(c)において、符号Mgはミラー部の重心位置を示す。
また、図10に示すように、楕円状のリブ18において、駆動梁12、14の固定端側の厚みt2を反対側の厚みt1よりも大きくして重心のずれ量を大きくする構成としてもよい。
本実施形態では、図11(b)から明らかなように、リブ18の光反射面の法線方向における高さを変えてテーパ形状としている。
すなわち、リブ18における駆動梁12、14の固定端側の高さを大きくすることにより、重心のずれを大きくして大きなモーメントが発生するようにしている。
換言すれば、リブ18は光反射面の法線に対して非対称の形状を有している。
図12に示すように、リブ18の中心Rcとミラー部6の中心Mcとは一致しており、慣性モーメントの影響を受けにくい構成となっている。
本実施形態では、リブ18を設けずにミラー部6の厚みを変えることにより、重心のずれを大きくして大きなモーメントが発生するようにしている。
すなわち、ミラー部6における駆動梁12、14の固定端側の厚みを大きくしている。換言すれば、ミラー部6は光反射面の法線に対して非対称のテーパ形状を有している。
リブ18による補強は、ミラー部6の厚みの大きさによって担っている。
ミラー部6の厚みの変化だけで光反射面の歪み抑制が十分でない場合には、図14及び図15に示すように、さらにリブ18を付加する構成としてもよい(第6の実施形態)。
リブ18の形状は、図7(b)で示したものと同様の楕円状であるが、駆動梁12、14の固定端側略半分の材質が異なって比重が大きい。
比重の大きな部分がミラー部の形状中心よりも駆動梁の固定端側にずれるようにリブ18を配置することで大きなモーメントが発生する。
図5で示したようにベース部材16を1つの枠体として構成し、ベース部材自体をミラー部6とは異なる方向に回転振動させるようにすれば、二次元走査が可能となる。
図18に示すように、光源としてのレーザ素子50からのレーザ光はコリメート光学系52を経た後、偏向ミラー2により偏向される。
偏向されたビームは、fθレンズ54、トロイダルレンズ56及びミラー58からなる結像光学系で感光ドラム等の被走査面60にスポット状に結像する。
偏向ミラー2は、上記各実施形態で説明した光偏向器である。
図4に示した如き下部電極及び上部電極はミラー駆動手段62と電気的に接続されている。ミラー駆動手段62は下部電極と上部電極間に駆動電圧を印加する。
本実施形態に係る光走査装置は、写真印刷方式のプリンタや複写機などの画像形成装置のための光走査装置として好適である。
上記各実施形態で示した光偏向器2を備えた光書き込みユニット(光走査装置)62は、レーザビームを被走査面に出射して画像を書き込む。
符号64は光書き込みユニット62による走査対象としての被走査面を有する像担持体としての感光体ドラムを示す。
光書き込みユニット62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で感光体ドラム64の表面(被走査面)を同ドラムの軸方向に走査するものである。
静電潜像は現像手段70でトナー像に可視像化され、トナー像は転写手段72で被転写体としての記録紙74に転写される。
転写されたトナー像は定着手段76によって記録紙74に定着される。
感光体ドラム64の転写手段72との対向部を通過した感光体ドラムの表面部分はクリーニング部78で残留トナーを除去される。
また、トナー像を記録紙以外の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の構成としてもよい。
光書き込みユニット62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80と、光源を変調する光源駆動手段82と、上記各実施形態で説明した光偏向器2と、光偏向器2の光反射面に光源部80からの、記録信号によって変調されたレーザビーム(光ビーム)を結像させるための結像光学系84と、ミラー面で反射された1本又は複数本のレーザビームを感光体ドラム64の表面(被走査面)に結像させるための手段である走査光学系86などから構成される。
光偏向器2は、その駆動のための集積回路88とともに回路基板90に実装された形で光書き込みユニット62に組み込まれている。
光偏向器2のミラー部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。
光走査装置62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、光偏向器2の発熱量も僅かであるため、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74の搬送機構、感光体ドラム64の駆動機構、現像手段70、転写手段72などの制御手段、光源部80の駆動系などは、従来の画像形成装置と同様であるため図中省略している。
図21は、本実施形態に係る画像投影装置の概念図、図22はその全体斜視図である。
画像投影装置には、異なる3波長のレーザ光を出射するレーザ光源92R、92G、92Bと、それぞれの光源の出射端近傍に配置され、レーザ光源からの発散光を略平行光にする集光レンズ94R、94G、94Bが配置されている。
レーザ光源92Rから赤色のレーザ光LRが、レーザ光源92Gからは緑色のレーザ光LGが、レーザ光源92Bからは青色のレーザ光LBがそれぞれ出射される。
レーザ光LRはミラー93で反射されてハーフミラー95を透過し、レーザ光LGハーフミラー95で反射される。
二次元反射角度可変ミラー98は、上記各実施形態で説明した光偏向器と同様の構成である。
二次元反射角度可変ミラー98は、直交した2つの方向に所定角度(例えば10deg程度)の振幅で振動をする。
二次元反射角度可変ミラー98は一個で二次元のものではなく、一次元走査のものを二つ組み合わせてもよい。
また、ポリゴンミラーなどの回転走査ミラーを使用することもできる。
強度変調はパルス幅を変調してもよいし、振幅を変調してもよい。
この変調された信号を駆動回路によりレーザを駆動できる電流に変換してレーザ光源を駆動している。
本実施形態のヘッドアップディスプレイは、上記各実施形態で説明した偏向ミラーを有する画像投影装置を備えている。
ヘッドアップディスプレイ装置の全体概念図を図23に示す。本実施形態のヘッドアップディスプレイは、車のフロントガラスを投射面の一部として使用したウィンドウシールド方式のヘッドアップディスプレイである。
図23に示すように、ヘッドアップディスプレイ120は、筐体122と、筐体122内に収容された画像形成部124等を備えている。
画像形成部124は、筐体122の底面に配置されたベース126に防振材128を介して設置されている。
図24に示すように、この反射光がドライバーの目に届くようになっており、ドライバーから見るとフロントガラスの数m先(視認領域)にスクリーンに照射した像が虚像136として認識される。
ここでは、レーザ光源92は1個しか図示しないが、上記実施形態と同様に3色のレーザを利用してカラー表示を行うことが可能である。
レーザ光源92から出射されたレーザ光はカップリングレンズ94で略平行光のビームになり二次元反射角度可変ミラー98に照射される。
入射光は二次元反射角度可変ミラー98で主走査方向と副走査方向の2軸方向に走査され、走査ミラー140を介してスクリーン142に照射される。
ここで図示しないレーザ変調手段にてレーザ光源を変調することで所望の画像を形成することができる。
スクリーン142は拡散板やマイクロレンズなどで形成されており、ここで形成された中間像を投射系のミラー130、フロントガラス134を介してドライバーが虚像として視認する。
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 光反射面
6 ミラー部
8、10 弾性支持部材としてのトーションバースプリング
12、14 駆動梁
16 ベース部材
20 圧電体
MFc ミラー部の形状中心
Claims (12)
- 光反射面を有するミラー部と、
一端が前記ミラー部に固定され、前記ミラー部を回転振動可能に支持する一対の弾性支持部材と、
電圧を印加することにより変形する構成を有し、一端が前記弾性支持部材の他端側に固定された一対の駆動梁と、
前記一対の駆動梁の他端側が片持ち状態で固定されたベース部材と、
を備え、
電圧印加による前記駆動梁の変形が前記弾性支持部材を介して伝達されることにより前記ミラー部が回転振動するものであり、
前記ミラー部の重心が、前記光反射面の法線方向から前記ミラー部を投影して得られる平面形状の重心位置である前記ミラー部の形状中心に対してずれている光偏向器。 - 請求項1に記載の光偏向器において、
前記ミラー部の重心は、前記光反射面に平行な方向であって前記ミラー部の回転軸心に垂直な方向にずれている光偏向器。 - 請求項1又は2に記載の光偏向器において、
前記ミラー部の重心のずれが、前記ミラー部の材質が部分的に異なることにより生じている光偏向器。 - 請求項1又は2に記載の光偏向器において、
前記ミラー部の重心のずれが、前記ミラー部の非対称な形状により生じている光偏向器。 - 請求項1又は2に記載の光偏向器において、
前記ミラー部には、前記光反射面の反対側に、前記光反射面の変形を抑制するためのリブが形成され、前記リブは、前記ミラー部の形状中心に対してずれて配置されている光偏向器。 - 請求項1又は2に記載の光偏向器において、
前記ミラー部には、前記光反射面の反対側に、前記光反射面の変形を抑制するためのリブが形成され、前記リブの形状は、前記ミラー部の形状中心を通り、前記弾性支持部材の捻り回転軸心に平行な軸に対して非対称である光偏向器。 - 請求項1又は2に記載の光偏向器において、
前記ミラー部には、前記光反射面の反対側に、前記光反射面の変形を抑制するためのリブが形成され、前記ミラー部の重心のずれが、前記リブの材質が部分的に異なることにより生じている光偏向器。 - 請求項1〜7のいずれか1つに記載の光偏向器において、
前記弾性支持部材は、前記ミラー部の重心が前記ミラー部の形状中心に対してずれている方向と逆の方向に、前記ミラー部の形状中心に対してずれている光偏向器。 - 光源と、
前記光源からの光ビームを偏向する光偏向器と、
偏向された光ビームを被走査面にスポット状に結像する結像光学系と、
を備え、
前記光偏向器は、請求項1〜8のいずれか1つ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、
前記可視像を被転写体に転写する転写手段と、
を有し、
前記光走査装置が請求項9に記載の光走査装置である画像形成装置。 - 光源と、
前記光源からの発散光を略平行光とするコリメート光学系と、
前記コリメート光学系を通った光を投影面に偏向走査して画像を表示する光偏向器と、
を有し、
前記光偏向器は、請求項1〜8のいずれか1つに記載の光偏向器である画像投影装置。 - 画像投影装置と、
前記画像投影装置からの画像を投影するスクリーンと、
前記スクリーンに投影された画像を所定の視認領域に投射する画像投射手段と、
を有し、
前記画像投影装置は請求項11に記載の画像投影装置であるヘッドアップディスプレイ装置。
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