JP2018156092A - 圧電光偏向器、光走査装置、画像形成装置及び画像投影装置 - Google Patents

Abstract

【課題】圧電光偏向器において、連続駆動時の偏向ミラーの振幅経時変動の安定性を確保する。
【解決手段】圧電光偏向器は、光反射面を有する可動部１０、該可動部１０を回転可能に支持する弾性支持部材のトーションバー２０ａ，２０ｂ、可動部１０及びトーションバー２０ａ，２０ｂを固定ベース４０に対して片持ち支持する駆動梁３０ａ，３０ｂを有している。駆動梁２０ａ，２０ｂは、梁状部材３１ａ，３１ｂと該梁状部材３１ａ，３１ｂ上に設けられたＰＺＴなどの圧電部材３２ａ，３２ｂからなり、該圧電部材２０ａ，２０ｂに電圧を印加し、駆動梁３０ａ，３０ｂが曲げ変形することで、可動部１０が回転変位する。ここで、圧電部材２０ａ，２０ｂの駆動電圧の最小値あるいは最大値を圧電部材の抗電界値から０Ｖの範囲に設定する。
【選択図】図１

Description

本発明は、レーザ光等の光ビームを偏向・走査する光偏向器に関し、特に圧電力を用いた圧電光偏向器に関する。さらに、本発明は、この圧電光偏向器を備えた光走査装置、この光走査装置を光書込みユニットとして備える画像形成装置、及び、圧電光偏向器を投影面の走査ユニットとして備える画像投影装置に関する。

レーザ光等の光ビームを偏向・走査する光偏向器は、複写機等の画像形成装置、画像投影装置、さらには、レーザビームプリンタ、バーコードスキャナなどに広く用いられている。従来、この種の光偏向器として、静電力を用いたもの、電磁力を用いたもの、圧電力を用いたものなどが知られている。

静電力を用いた光偏向器は、電極の形状が平行平板型と櫛歯型のものがあり、櫛歯型の電極では近年の微細加工技術の向上によって比較的大きな駆動力を発生できるようにはなったが、十分な光ビーム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。しかし、駆動電圧を大きくしようとすると、電源系の部品が大きくなり、全体として大型化したり、コストが増加することとなる。

電磁力を用いた光偏向器は、外に永久磁石を配置するため、構造が複雑により、生産性が悪いと共に小型化が困難である。小型化のため磁歪膜などを用いたものも検討されているが、磁性体としての特性が劣るため、十分な偏向角が得られない問題がある。また、コイルに電流を流すと余分な熱が発生し、消費電力が大きくなってしまう。

一方、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させることが可能である。また、圧電材料を梁状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わずかな歪みを反りに変えることで大きな変形を得ることも可能である。この圧電力を用いた光偏向器（以下、圧電光偏向器という）としては、圧電駆動部を片持ち梁構造とすることで、小型化で駆動効率がよく、より大きな回転振幅を得るようにしたものも提案されている（特許文献１）。

圧電光偏向器では、圧電部材に電圧を印加して発生する圧電力を利用して、駆動梁を介してミラー部を変位させて、レーザ光等を偏向・走査する。この圧電光偏向器に用いられる圧電部材の代表的な材料は、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）である。

ところで、ＰＺＴなどの強誘電体に電圧を印加すると、強誘電体内部に電圧が発生することがある。この現象は、インプリントと呼ばれ、主な原因として、電極から電荷が注入され、該電荷がＰＺＴ内部を移動して、電荷分布を作ることが考えられる。

インプリント現象は、ＰＺＴ薄膜等の圧電部材を使用する圧電光偏向器の経時安定動作に影響を及ぼす。すなわち、圧電部材に駆動電圧を一定で印加し続けると、駆動梁の変位量が変化していき、ミラー部の変位量も経時的に変化してしまう。駆動電圧一定に対して、ミラー変位量が経時的に変化すると、例えば、圧電光偏向器をレーザプロジェクタ（画像投影装置）に用いた場合、投影画像サイズが経時的変化してしまうといった問題が生じる。従来の圧電光偏向器では、このようなインプリント現象について考慮されていない。

本発明の課題は、圧電光偏向器において、インプリント現象の進行を低減し、連続駆動時のミラー変位量の経時変動の安定性を向上させることにある。

本発明は、固定ベースと、光反射面を有する可動部と、前記可動部を回転可能に支持する弾性支持部材と、前記可動部及び前記弾性支持部材を前記固定ベースに対して支持する駆動梁とを有し、前記駆動梁は、梁状部材と該梁状部材上に設けられた圧電部材とからなり、前記圧電部材に電圧を印加し、前記駆動梁が曲げ変形することで、前記弾性支持部材に捻り変形が発生して、前記可動部が回転する圧電光偏向器において、前記圧電部材の駆動電圧の最小値を、前記圧電部材の負の抗電界値以上で、かつ０Ｖ以下の範囲とし、あるいは前記圧電部材の前記駆動電圧の最大値を、前記圧電部材の正の抗電界値以下で、かつ０Ｖ以上の範囲とすることを特徴とする。

本発明の圧電光偏向器によれば、連続駆動時のミラー変位量の経時変動を軽減することが可能になる。

本発明の実施例１の圧電光偏向器の斜視図である。 図１の圧電光偏向器の平面図である。 図１の圧電光偏向器の駆動梁の構成を説明する図である。 チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）のＰＥヒステリシス特性を示す図である。 ＰＺＴ膜を用いた圧電光偏向器の駆動電圧とミラー変位の経時変化の関係を示した図である。 本発明の実施例２の圧電光偏向器の平面図である。 本発明の実施例３の２軸圧電光偏向器の斜視図である。 本発明の圧電光偏向器を用いた光走査装置の一例の全体構成図である。 図８の光走査装置の圧電光偏向器と駆動手段の接続を示した図である。 図８の光走査装置を光書込みユニットとして実装した画像形成装置の一例の概略構成図である。 本発明の圧電光偏向器を用いた画像投影装置の一例の概略構成図である。 本発明の実施例７の圧電光偏向器の平面図である。 圧電部材に印加する電圧波形の一例である。 本発明の実施例８の２次元光偏向器の平面図である。

以下、本発明の実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。なお、以下では、特許文献１に記載のような圧電駆動部を片持ち梁構造とした圧電光偏向器を対象とするが、勿論、本発明はこのような圧電光偏向器に限定されるものではない。

図１に、実施例１に係る圧電光偏向器の斜視図、図２に平面図を示す。図１，図２において、１０は可動部であり、レーザ光等を反射させる光反射面としてのミラー部１５を有している。可動部１０の両端は、該可動部１０を回転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２０ａ，２０ｂが接続されている。このトーションバー２０ａ，２０ｂの可動部１０と反対側の端部は、該トーションバー２０ａ，２０ｂの長手方向と直交する向きを長手方向とした一対の梁状部材３１ａ，３１ｂの一端と接続されている。梁状部材３１ａ，３１ｂの他端は固定ベース４０に接続されている。

梁状部材３１ａ，３１ｂは、トーションバー２０ａ，２０ｂの片側にのみ有し、該梁状部材３１ａ，３１ｂで可動部１０とトーションバー２０ａ，２０ｂとを固定ベース４０に対して片持ち支持した構成となっている。この梁状部材３１ａ，３１ｂの片面に、圧電部材３２ａ，３２ｂが積層され、梁状部材３１ａと圧電部材３２ａとで駆動梁３０ａを形成し、また、梁状部材３１ｂと圧電部材３２ｂとで駆動梁３０ｂを形成している。

圧電部材３２ａ，３２ｂは、それぞれ上部電極及び下部電極を有しているが、図１及び図２には上部電極３４ａ，３４ｂのみが示されている。ここで、圧電部材３２ａ，３２ｂには、後述するように、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）膜が用いられる。

なお、駆動梁３０ａ，３０ｂ全体は絶縁層（絶縁膜）で覆われているが、図１及び図２では省略してある。

図３は、駆動梁３０ａとその近傍の固定ベース４０を拡大して示した模式図で、（ａ）は駆動梁３０ａを絶縁層で覆う前の平面図、（ｂ）は絶縁層で覆った後の平面図、（ｃ）は（ｂ）のＡ−Ａ'線の断面図である。なお、駆動梁３０ｂも同様の構成であるので、図示は省略する。

図３に示すように、駆動梁３０ａは、固定ベース４０から突出して形成された梁状部材３１ａ上に、接着層３３ａ、下部電極３５ａ、圧電部材３２ａ、上部電極３４ａ、絶縁層３６ａの順でスパッタにより成膜し積層して構成される。上部電極３４ａ及び下部電極３５ａは、それぞれ配線を通してランド部３７ａ，３８ａに接続され、ランド部３７ａ，３８ａは外部の駆動回路（不図）と接続される。なお、ランド部３７ａ，３８ａや配線も、上部電極３４ａ及び下部電極３５ａと同様にスパッタにより成膜して形成される。

固定ベース４０はシリコン（Ｓｉ）、接着層３３ａはチタン（Ｔｉ）、上部電極３４ａ及び下部電極３５ａは白金（Ｐｔ）、圧電部材３２ａはチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）が使用される。

薄膜型圧電光偏向器の場合、圧電部材３２ａ，３２ｂのＰＺＴの厚さは、およそ２μｍ程度である。ＰＺＴは電気−機械エネルギーの変換効率が他の圧電材料に比べると良好で、かつ、ＰＺＴ膜は、スパッタリング法やゾルゲル液のスピンナによる塗布形成法等、一般的な製法で安価に形成することができる。

図１に戻り、圧電部材３２ａ，３２ｂの上部電極と下部電極の間に、電圧を印加すると、圧電部材３２ａ，３２ｂが、その電歪特性によって梁状部材３１ａ，３１ｂ表面の面内方向に伸縮し、その結果、駆動梁３０ａ，３０ｂが反って曲げ変形する。駆動梁３０ａ，３０ｂが曲げ変形することで、弾性支持部材としてのトーションバー２０ａ，２０ｂに捻り変形が発生し、可動部１０が回転する。

具体的には、上部／下部電極に印加する電圧は正弦波であり、駆動梁３０ａ，３０ｂは曲げ振動する。この駆動梁３０ａ，３０ｂの曲げ振動がトーションバー２０ａ，２０ｂで回転振動（捻り振動）に変換され、可動部１０が回転振動する。

図１の構造の圧電光偏向器の場合、トーションバー２０ａ，２０ｂと駆動梁３０ａ，３０ｂの長手方向が直交して配置されているため、駆動梁３０ａ，３０ｂの曲げ振動がトーションバー２０ａ，２０ｂの回転振動（捻り振動）に効率よく変換され、可動部１０が大きく回転振動する。また、駆動梁３０ａ，３０ｂはトーションバー２０ａ，２０ｂと可動部１０を片持ちした構成となっているため、駆動梁３０ａ，３０ｂの先端は自由に振動することができ、可動部１０ではより大きな角度振幅を得ることができる。さらに、駆動部３０ａ，３０ｂは、トーションバー２０ａ，２０ｂの片側にのみ配置されているため、小型化が可能である。

ところで、駆動梁３０ａ，３０ｂの圧電部材３２ａ，３２ｂに用いられるＰＺＴなどの強誘電体に電圧を印加すると、強誘電体に電圧が発生することがある。この現象はインプリントと呼ばれ、主として電極から電荷が注入され、ＰＺＴ内部を電荷が移動して、電荷分布を作ることに起因する。インプリント現象は、圧電光偏向器の経時安定動作に影響を及ぼす。具体的には、圧電部材に駆動電圧を一定で印加し続けると、ミラー部の変位量（回転量）が経時的に変化してしまう。

そこで、本実施例の圧電光偏向器では、圧電部材３２ａ，３２ｂに印加する駆動電圧の最小値あるいは最大値を、該圧電部材に用いられるＰＺＴの抗電界値から０Ｖの範囲に設定する。この結果、ミラー部の変位量の経時的変化（振幅経時変動）が軽減される。

図４は、本実施例の圧電光偏向器に用いられるチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）のＰＥヒステリシス特性を計測した結果である。図４において、縦軸は分極量（Ｐ）、横軸は電界（Ｅ）である。ＰＺＴはゾルゲ法にて製作し、膜厚（ＰＺＴ膜）は２μｍとした。図４より、抗電界値は１８.７５ｋＶ／cm-1であることがわかる。これは、電圧に換算すると、１８.７５（ｋＶ／cm-1）×２（μｍ）＝３.７５（Ｖ）である。

図５は、本実施例の圧電光偏向器について、圧電部材３２ａ，３２ｂの駆動電圧の振幅値を１２.５Ｖと一定とし、駆動電圧の最小値を０Ｖ，−２.５０Ｖ，−３.７５Ｖ，−５.０Ｖと変化させて（このように駆動電圧のオフセット量を設定する）、該圧電光偏向器を長時間動作させた場合の、各駆動電圧（図５（ａ））とミラー部の振幅経時変動（図５（ｂ））の関係を示した図である。ここで、圧電部材の３２ａ，３２ｂのＰＺＴの膜厚は、図４と同じく２μｍである。また、共振周波数は２０ＫＨzであり、駆動周波数＝共振周波数となるように設定した。

図５より、駆動電圧の最小値を−３.７５Ｖに設定した場合（Ｃのケース）、ミラー部の振幅経時変動が最小になることがわかる。図４で説明したように、この３.７５Ｖの値は、圧電部材３２ａ，３２ｂのＰＺＴの抗電界値（電圧換算値）に相当する。

駆動電圧の最小値がＰＺＴの抗電界値を下回ると分極反転を起こし、その結果、長時間駆動すると、分離疲労が蓄積され、ミラー部の振幅経時変動が増加する（Ｄのケース）。一方、駆動電圧の最小値を０Ｖ以上にすると、インプリント現象が進行し、ＰＺＴ内部に電荷が蓄積され、ミラー部の振幅経時変動が増加する（Ａのケース）。

以上より、本実施例の圧電光偏向器において、圧電部材の駆動電圧の最小値は、分極反転が起こらないようにＰＺＴの抗電界値以上で、かつ、インプリント現象が進行しないように０Ｖ以下にすればよいことが分かる。同様に、駆動電圧の極性を反転させて使用する場合には、駆動電圧の最大値をＰＺＴの抗電界値以下で、かつ、０Ｖ以上にすればよいことがわかる。すなわち、圧電部材の駆動電圧の最小値あるいは最大値を、圧電部材に用いられるＰＺＴの抗電界値から０Ｖの範囲に設定することが好ましいことがわかる。

図６に、実施例２に係る圧電光偏向器の平面図を示す。図６において、図１、図２と同一部分には同一の符号が付されている。全体の構成は実施例１と基本的に同じであるが、本実施例では、駆動梁３０ａ，３０ｂとトーションバー２０ａ，２０ｂの接続部分に切り込み４０ａ，４０ｂが形成されている。詳しくは、駆動梁３０ａ，３０ｂの可動部１０側の端部が、トーションバー２０ａ，２０ｂの可動部１０と反対側の端部よりも可動部１０側に近接するように、駆動梁３０ａ，３０ｂとトーションバー２０ａ，２０ｂの接続部分に切り込み４０ａ，４０ｂが形成されている。

トーションバー２０ａ，２０ｂはバネの特性として非線形性が大きいが、長さが短くなるほど非線形が大きくなり設計が難しくなる。また、トーションバー２０ａ，２０ｂが長いほど、許容変位角度が大きくなる。

本実施例は、トーションバー２０ａ，２０ｂの長さを所望範囲に維持しつつ、スペースが空いた部分に駆動梁３０ａ，３０ｂが配置されることにより、すなわち、駆動梁３０ａ，３０ｂが内側にオフセットされることにより、圧電光偏向器全体を更に小型化できる。これにより、圧電光偏向器をＭＥＭＳプロセスで製作する場合、一枚のウエハにおけるとり数が増加するため、低コスト化も可能である。

本実施例の圧電光偏向器においても、駆動梁３０ａ，３０ｂの圧電部材に印加する駆動電圧の最小値あるいは最大値を、該圧電部材に用いられるＰＺＴの抗電界値から０Ｖの範囲に設定することで、ミラー部１５の振幅経時変動を軽減することが可能になる。

図７に、実施例３に係る圧電光偏向器の全体斜視図を示す。これまで説明した圧電光偏向器は、いずれも１軸方向に光を偏向するものであったが、本実施例は２軸方向に光を偏向する構成としたものである。

図７において、１０は光を反射させる光反射面としてのミラー部を有する可動部であり、この可動部１０の両側には、該可動部１０を回転可能に支持する一対の第１の弾性支持部材としての第１のトーションバー１２０ａ，１２０ｂが接続されている。この第１のトーションバー１２０ａ，１２０ｂの可動部１０と反対側の端部は、該第１のトーションバー１２０ａ，１２０ｂの長手方向と略直交する向きを長手方向として一対の第１の駆動梁１３０ａ，１３０ｂが接続されている。第１の駆動梁１３０ａ，１３０ｂは、梁状部材の片面に圧電部材が積層され、平板短冊状のユニモルフ構造を形成している。この第１の駆動梁１３０ａ，１３０ｂは、中央に穴が開いている枠状の可動枠１４０の内側の一辺から同一方向に突出するように配置されて、可動枠１４０と接続されている。そして、この第１の駆動梁１３０ａ，１３０ｂは、第１のトーションバー１２０ａ，１２０ｂの片側にのみ配置され、該駆動梁１３０ａ，１３０ｂで可動部１０と第１のトーションバー１２０ａ，１２０ｂを可動枠１４０に対して片持ち支持した構成となっている。

第１の駆動梁１３０ａ，１３０ｂは、それぞれ上部電極及び下部電極を有しているが、図７では上部電極１３４ａ，１３４ｂのみを示す。また、これら第１の駆動梁１３０ａ，１３０ｂの圧電部材にはチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）が用いられる。

可動枠１４０の両側には、該可動枠１４０を回転可能に支持する一対の第２の弾性支持部材としてのトーションバー２２０ａ，２２０ｂが接続されている。第２のトーションバー２２０ａ，２２０ｂの可動枠１４０と反対側の端部は、第２のトーションバー２２０ａ，２２０ｂの長手方向と略直交する向きを長手方向として一対の第２の駆動梁２３０ａ，２３０ｂが接続されている。第２の駆動梁２３０ａ，２３０ｂも梁状部材の片面に圧電材料が積層され、平板短冊状のユニモルフ構造を形成している。この第２の駆動梁２３０ａ，２３０ｂは、固定ベース２４０から同一方向に突出するように配置されて、固定ベース２４０と接続されている。この第２の駆動梁２３０ａ，２３０ｂも、第２のトーションバー２２０ａ，２２０ｂの片側にのみ配置されており、該第２の駆動梁２３０ａ，２３０ｂで、可動枠１４０と第２のトーションバー２２０ａ，２２０ｂを固定ベース２４０に対して片持ち支持した構成となっている。第２の駆動梁２３０ａ，２３０ｂもそれぞれ上部電極及び下部電極を有しているが、図６では省略している。また、該第２の駆動梁２３０ａ，２３０ｂの圧電部材にもＰＺＴが用いられる。

本実施例では、第１の駆動梁１３０ａ，１３０ｂの圧電部材の上部電極及び下部電極に電圧を印加し、該第１の駆動梁１３０ａ，１３０ｂが曲げ変形することで、第１のトーションバー（第１の弾性支持部材）１２０ａ，１２０ｂに捻り変形が発生して、可動部１０が該第１のトーションバー１２０ａ，１２０ｂの軸周りの第１の方向に回転する。また、第２の駆動梁２３０ａ，２３０ｂの圧電部材の上部電極及び下部電極に電圧を印加し、該第２の駆動梁２３０ａ，２３０ｂが曲げ変形することで、第２のトーションバー２２０ａ，２２０ｂに捻り変形が発生して、可動枠１４０が該第２のトーションバー２２０ａ，２２０ｂの軸周りに回転し、可動部１０が第２の方向に回転する。ここで、第１のトーションバー１２０ａ，１２０ｂの軸周りの第１の回転方向と第２のトーションバー２２０ａ，２２０ｂの軸周りの第２の回転方向の振動モードの固有周波数を異ならせておき、それぞれの周波数で第１の駆動梁１３０ａ，１３０ｂと第２の駆動梁２２０ａ，２２０ｂを駆動することで、可動部１０を２軸方向に大きく回転させることができる。

一般に、この種の２軸圧電光偏向器は、二次元画像等について、第１の駆動梁１３０ａ，１３０ｂを駆動して水平方向（Ｘ方向）に走査し、第２の駆動梁２２０ａ，２２０ｂを駆動して垂直方向（Ｙ方向）に走査するような使われ方をする。したがって、第１の駆動梁１３０ａ，１３０ｂの駆動周波数が、第２の駆動梁２２０ａ，２２０ｂの駆動周波数より格段に高く設定される。

本実施例の２軸圧電光偏向器においても、例えば、第１の駆動梁１３０ａ，１３０ｂの圧電部材に印加する駆動電圧の最小値あるいは最大値を、該圧電部材に用いられるＰＺＴの抗電界値から０Ｖの範囲に設定することで、ミラー部１５の振幅経時変動を軽減することが可能になる。

本実施例は、実施例１や実施例２の１軸方向に光を偏向する圧電光偏向器を用いて画像形成装置の光書き込みユニットとしての光走査装置を提供するものである。

図８に本実施例の光走査装置の全体構成図、図９に該光走査装置に用いる圧電光偏向器と駆動手段の接続図を示す。

図８において、レーザ素子としての光源部１０２０からのレーザ光（光ビーム）は、結像光学系（コリメータレンズ系）１０２１を経た後、圧電光偏向器１０２２により偏向される。この圧電光偏向器１０２２として、実施例１乃至３のいずれかの構成の圧電光偏向器が用いられる。圧電光偏向器１０２２で偏向されたレーザ光は、その後、第一レンズ１０２３ａと第二レンズ１０２３ｂ、反射ミラー１０２３ｃからなる走査光学系１０２３を経て感光体ドラム１００２等の被走査面にスポット状に照射され結像される。

図９に示すように、圧電光偏向器１０２２はパッケージ部材１０３０に収容されている。パッケージ部材１０３０には、樹脂やセラミック材料が用いられる。パッケージ部材１０３０に収容された圧電光偏向器１０２２は駆動手段１０２４と電気的に連結されている。この駆動手段１０２４が、圧電光偏向器１０２２の構成要素である駆動梁の下部電極と上部電極間に駆動電圧を印加する。これにより、圧電光偏向器１０２２の可動部（ミラー部）が回転してレーザ光が偏向され、被走査面上が光走査される。

本発明の圧電光偏向器を利用した光走査装置は、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書込ユニットの構成部材として最適である。

本実施例は、実施例４の光走査装置を光書込みユニットの構成部材として実装した画像形成装置を提供するものである。

図１０に本実施例の画像形成装置の一例の全体構成図を示す。図１０において、１００１が光書込みユニットであり、レーザビームを被走査面に出射して画像を書き込む。１００２は光書込みユニット１００１による走査対象としての被走査面を提供する像担持体としての感光体ドラムである。

光書込みユニット１００１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としての感光体ドラム１００２の表面（被走査面）を同ドラムの軸方向に走査する。感光体ドラム１００２は矢印１００３方向に回転駆動され、帯電手段１００４により帯電された表面に、光書込みユニット１００１により光走査されることによって、静電潜像（潜像）が形成される。この静電潜像は現像手段１００５でトナー像に顕像化され、このトナー像は転写手段１００６で記録紙１００７に転写される。転写されたトナー像は定着手段１００８によって記録紙１００７に定着される。感光体ドラム１００２の転写手段１００６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１００９で残留トナーを除去される。

なお、感光体ドラム１００２に代えてベルト状の感光体を用いる構成も可能である。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構成とすることも可能である。

光書込みユニット１００１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レーザ素子としての光源部１０２０と、レーザビームを変調する光源駆動手段１５００と、本発明の１軸方向にレーザビームを偏向する圧電光偏向器１０２２と、この圧電光偏向器１０２２の可動部のミラー面に光源部１０２０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１０２１と、ミラー面で反射・偏向された１本又は複数本のレーザビームを感光体ドラム１００２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１０２３などから構成される。圧電光偏向器１０２２は、その駆動のための集積回路（駆動手段）１０２４とともに回路基板１０２５に実装された形で光書込みユニット１００１に組み込まれている。なお、圧電光偏向器１０２２は、実際には図９に示したように、パッケージ部材１０３０に収容されている。

圧電光偏向器１０２２は、従来の回転多面鏡に比べ駆動のための消費電力が小さいため、画像形成装置の省電力化に有利である。また、圧電光偏向器１０２２の可動部の振動時の風切り音は回転多面鏡に比べ小さいため、画像形成装置の静粛性の改善に有利である。さらに、圧電光偏向器１０２２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、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１００７の搬送機構、感光体ドラム１００２の駆動機構、現像手段１００５、転写手段１００６などの制御手段、光源部１０２０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１０では省略されている。

本実施例は、実施例３で説明した２軸方向に光を偏向する圧電光偏向器を実装した画像投影装置を提供するものである。

図１１に、本実施例の画像投影装置の一例の全体構成図を示す。図１１において、２００１−Ｒは赤色（Ｒ）のレーザ光を出射するレーザ光源、２００１−Ｇは緑色（Ｇ）のレーザ光を出射するレーザ光源、２００１−Ｂは青色（Ｂ）のレーザ光を出射するレーザ光源である。これらレーザ光源２００１−Ｒ，２００１−Ｇ，２００１−Ｂから出射されたＲ，Ｇ，Ｂのレーザ光はクロスダイクロイックプリズム２００２によって合成され、２軸用圧電光偏向器２００３の反射面に入射される。２軸用圧電光偏向器２００３は反射面に入力した合成レーザ光を２軸方向（主走査／副走査方向）に偏向・走査して投影面（スクリーン）２００４に投影する。レーザ光源２００１−Ｒ，２００１−Ｇ，２００１−Ｂから出射されるＲ，Ｇ，Ｂのレーザ光は、図示しない光源駆動手段により、表示画像の各色成分について、２軸用圧電光偏向器２００３の二次元偏向走査のタイミングに合わせて強度変調（パルス幅変調、振幅変調等）されている。これにより、投影面２００４に二次元の画像情報が投影される。

ここで、２軸用圧電光偏向器２００３は、図７に示したような構成である。Ｘ方向（主走査方向）は、第１の駆動梁１０３ａ，１３０ｂを共振周波数で駆動して、共振特性を利用して可動部１０を高速に回転振幅させる。一方、Ｙ方向（副走査方向）は、第２の駆動梁２３０ａ，２３０ｂを共振周波数より低い周波数で駆動して、可動枠１４０を低速に回転振幅させる。すなわち、Ｘ方向振動とＹ方向駆動の周波数の差が十分に大きくなるようにする。これにより、Ｘ軸方向とＹ軸方向で大きな速度差が得られるようになる。したがって、２軸用圧電光偏向器２００３により２次元的に光ビームを走査し、投射面（スクリーン）２００４上に２次元的に画像を投影することができる。

画像投影装置においても、光偏向手段には、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が、２軸用圧電光偏向器２００３は、回転走査ミラーに比べ駆動のための消費電力が小さいため、画像投影装置の省電力に有利である。また、２軸用圧電光偏向器２００３の可動部の振動時の風切り音は回転走査ミラーに比べて小さいため、画像投影装置の静粛性の改善に有利である。さらに２軸用圧電光偏向器２００３は、回転走査ミラー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、小型化が容易であり、したがって、画像投影装置の小型化に有利である。

なお、図１１では、カラー画像を投影する構成例を示したが、レーザ光源を一つとすることで、白黒の画像を投影する場合にも適応可能である。

図１２に、実施例７に係る圧電光偏向器の平面図を示す。図１２において、図１、図２と同一部分には同一の符号が付されている。全体の構成は実施例１と基本的に同じであるが、本実施例では、駆動梁１１ａ、１１ｂが蛇行状に形成されている。

図１２に示す様に、駆動梁１１ａ、１１ｂは、折り返し部１４、１５と、折り返し部間に設けられた梁状部材１６、１７とを有する蛇行状部材と、梁状部材１６、１７上に設けられた圧電部材１３Ａ、１３Ｂから構成される。圧電部材１３Ａと圧電部材１３Ｂとは、交互に設けられている。梁状部材１６、１７は、回転軸Ｘ−Ｘに垂直な方向に設けられている。

例えば、折り返し部１４ｘ１と折り返し部１５ｘ１との間には、梁状部材１６ｘ１が設けられている。折り返し部１４ｘ２と折り返し部１５ｘ２との間には、梁状部材１６ｘ２が設けられている。折り返し部１４ｘ３と折り返し部１５ｘ３との間には、梁状部材１６ｘ３が設けられている。

又、例えば、折り返し部１５ｘ１と折り返し部１４ｘ２との間には、梁状部材１７ｘ１が設けられている。折り返し部１５ｘ２と折り返し部１４ｘ３との間には、梁状部材１７ｘ２が設けられている。折り返し部１５ｘ３と折り返し部１４ｘ３との間には、梁状部材１７ｘ３が設けられている。

又、例えば、梁状部材１６ｘ１、１６ｘ２、１６ｘ３上には、圧電部材１３Ａが設けられ、例えば、梁状部材１７ｘ１、１７ｘ２、１７ｘ３上には、圧電部材１３Ｂが設けられている。

本実施例では、圧電部材１３Ａと圧電部材１３Ｂとに、それぞれ別の電圧を印加する。ここで、図１３に、圧電部材１３Ａ及び圧電部材１３Ｂに印加する電圧の信号波形を示す。横軸は時間であり、縦軸は印加電圧である。

図１３に示す様に、圧電部材１３Ａには、信号波形ａの電圧を印加し、圧電部材１３Ｂには、信号波形ｂの電圧を印加する。

信号波形ａ及び信号波形ｂから明らかな様に、圧電部材１３Ａと圧電部材１３Ｂとには、等しい電圧が印加される場合もあるし、異なる電圧が印加される場合もある。

各梁状部材に上に設けられた圧電部材に、信号波形ａ及び信号波形ｂの電圧が印加されることにより、駆動梁１１ａ、１１ｂは、カンチレバーとして動作し、可動部（ミラー部）１０が回転駆動する。つまり、駆動梁１１ａ、１１ｂを、Ｙ方向（副走査方向）へ駆動させ（非共振駆動）、光走査を行うことができる。

なお、圧電部材１３Ａ及び圧電部材１３Ｂに印加する電圧の信号波形を制御することで、副走査方向の速度ムラを低減させることが可能である。例えば、信号波形ａと信号波形ｂとが異なる「のこぎり波」となる様に印加電圧を調整して、信号波形ａと信号波形ｂとの位相をずらすことで、副走査方向の速度を変更することができる。

上述の様に、圧電光偏向器に備えられる駆動梁を蛇行状に形成し、複数の圧電部材に印加する電圧を制御することで、副走査方向の非共振駆動により光走査を行うことができる。

図１４に、実施例８に係る２次元光偏向器の平面図を示す。図１４において、図１２と同一部分には同一の符号が付されている。全体の構成は実施例７と基本的に同じであるが、本実施例では、可動部を、Ｘ軸周りだけでなく、Ｙ軸周りにも回転振動させている。これにより、２軸方向での光走査が可能になる。

図１４に示す様に、レーザ光を反射させる可動部（反射ミラー部）２０は、一対のトーションバー２１ａ、２１ｂで支持されている。トーションバー２１ａ（２１ｂ）の端部は、圧電カンチレバー２２ａ（２２ｂ）の一端で支持され、圧電カンチレバー２２ａ（２２ｂ）の他端は、可動枠２３で支持されている。可動枠２３は、駆動梁１１ａ、１１ｂの一端で支持され、駆動梁１１ａ、１１ｂの他端は、枠部材２５で支持されている。各梁状部材上には圧電部材１３が独立して設けられている。

[Ｙ軸周りの回転]
２次元光偏向器において、圧電カンチレバー２２ａ、２２ｂを駆動させると、可動部２０を支持するトーションバー２１ａ、２１ｂにねじれが発生する。これにより、可動部２０は、Ｙ軸周りに回転振動する。

圧電カンチレバー２２ａ、２２ｂに印加する電圧を正弦波とすることで、圧電カンチレバー２２ａ、２２ｂは、曲げ振動する。つまり、この圧電カンチレバー２２ａ、２２ｂの曲げ振動がトーションバー２１ａ、２１ｂで回転振動（捻り振動）に変換されることにより、可動部２０が回転振動する。可動部２０の回転は、共振（機械的共振）駆動となる。

例えば、印加電圧を約２０ｋＨｚの正弦波電圧としてもよい。この場合、可動部２０がトーションバー２１ａ、２１ｂのねじれにより約２０ｋＨｚで回動し、可動部２０の回動角度は、±１５°程度となる。

[Ｘ軸周りの回転]
２次元光偏向器において、駆動梁１１ａ、１１ｂを駆動させると、可動枠２３がＸ軸周りに回転し、可動部２０は、Ｘ軸周りに回転振動する。

圧電部材１３Ａ、１３Ｂに印加する電圧を、のこぎり波（図１３参照）とすることで、各梁状部材は、変形する。つまり、各梁状部材の変形が累積して、蛇行状部材にも変形が発生することにより、駆動梁１１ａ、１１ｂはカンチレバーとして動作し、これにより、可動部２０が回転振動する。可動部２０の回転は、非共振駆動となる。なお、のこぎり波の位相、及び圧電部材１３Ａに印加する電圧と圧電部材１３Ｂに印加する電圧との間の最大電位差を調整することで、駆動梁１１ａ、１１ｂの回転振動は、制御可能である。

例えば、約６０Ｈｚの、のこぎり波電圧を印加してもよい。のこぎり波電圧は、共振周波数との関係を考慮して、駆動周波数を数Ｈｚ程度シフトさせることも可能である。

この場合、圧電部材の駆動電圧の最小値を、分極反転が起こらないようにＰＺＴの抗電界値以上で、且つ、インプリント現象が進行しないように０Ｖ以下とすることが好ましい。なお、駆動電圧の極性を反転させる場合、同様にして、圧電部材の駆動電圧の最大値を、ＰＺＴの抗電界値以下で、且つ、０Ｖ以上とすることが好ましい。

圧電部材１３Ａ及び圧電部材１３Ｂに印加する電圧を緻密に制御することで、副走査方向における均一性の高い光走査が可能になる。

上述の様に、Ｙ軸周りの機械的共振駆動による正弦波振動と、Ｘ軸周りの非共振駆動による回転振動を利用して、可動部２０を駆動させることにより、２軸方向での光走査が可能な２次元光偏向器を実現できる。又、２次元光偏向器において、非共振駆動に対しても、インプリント現象の進行を低減し、連続駆動時のミラー部の変位量の経時変動の安定性を向上させることができる。

１０ 可動部
１５ ミラー部
２０ａ，２０ｂ トーションバー（弾性支持部材）
３０ａ，３０ｂ 駆動梁
３１ａ，３１ｂ 梁状部材
３２ａ，３２ｂ 圧電部材
３４ａ，３４ｂ 上部電極
３５ａ 下部電極
３６ａ 絶縁層（絶縁膜）
４０ 固定ベース
１２０ａ，１２０ｂ 第１のトーションバー（第１の弾性支持部材）
１３０ａ，１３０ｂ 第１の駆動梁
１４０ 可動枠
２２０ａ，２２０ｂ 第２のトーションバー（第２の弾性支持部材）
２３０ａ，２３０ｂ 第２の駆動梁
１３４ａ，１３４ｂ 上部電極
２４０ 固定ベース

特開２０１１−０１８０２６号公報

本発明の課題は、圧電光偏向器において、連続駆動時のミラー変位量の経時変動の安定性を向上させることにある。

本発明は、固定ベースと、ミラーを有する可動部と、前記可動部を支持する弾性支持部材と、前記弾性支持部材を前記固定ベースに支持する駆動梁とを有し、前記駆動梁は、梁状部材と該梁状部材上に設けられた圧電部材とで形成され、前記駆動梁は上部電極及び下部電極を有する圧電光偏向器において、前記駆動梁の一端は前記弾性支持部材と接続され、前記駆動梁の他端は前記固定ベースに接続されており、前記上部電極の前記一端の側の角部が面取り形状になっていることを特徴とする。

Claims (9)

1. 固定ベースと、光反射面を有する可動部と、前記可動部を回転可能に支持する弾性支持
   部材と、前記可動部及び前記弾性支持部材を前記固定ベースに対して支持する駆動梁とを
   有し、
   前記駆動梁は、梁状部材と該梁状部材上に設けられた圧電部材とからなり、前記圧電部
   材に電圧を印加し、前記駆動梁が曲げ変形することで、前記弾性支持部材に捻り変形が発
   生して、前記可動部が回転する圧電光偏向器において、
   前記圧電部材の駆動電圧の最小値を、前記圧電部材の負の抗電界値以上で、かつ０Ｖ以下の範囲とし、あるいは前記圧電部材の前記駆動電圧の最大値を、前記圧電部材の正の抗電界値以下で、かつ０Ｖ以上の範囲とすることを特徴とする圧電光偏向器。
2. 固定ベースと、光反射面を有する可動部と、前記可動部を回転可能に支持する弾性支持
   部材と、前記可動部及び前記弾性支持部材を前記固定ベースに対して支持する駆動梁とを
   有し、
   前記駆動梁は、梁状部材と該梁状部材上に設けられた圧電部材とからなり、前記圧電部
   材に電圧を印加し、前記駆動梁が曲げ変形することで、前記弾性支持部材に捻り変形が発
   生して、前記可動部が回転する圧電光偏向器において、
   前記圧電部材の駆動電圧の最小値を、前記圧電部材の負の抗電界値以上で、かつ０Ｖ以下の範囲とし、前記駆動電圧の極性を反転させて使用する場合には、前記圧電部材の前記駆動電圧の最大値を、前記圧電部材の正の抗電界値以下で、かつ０Ｖ以上の範囲とすることを特徴とする圧電光偏向器。
3. 一対の前記駆動梁により、前記可動部及び前記弾性支持部材が前記固定ベースに対して片持ち支持されていることを特徴とする請求項１、又は２に記載の圧電光偏向器。
4. 前記圧電部材はチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）を用いていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の圧電光偏向器。
5. 可動枠と、光反射面を有する可動部と、前記可動部を回転可能に支持する第１の弾性支持部材と、前記可動部及び前記第１の弾性支持部材を前記可動枠に対して支持する第１の駆動梁と、
   固定ベースと、前記可動枠を回転可能に支持する第２の弾性支持部材と、前記可動枠及び前記第２の弾性支持部材を前記固定ベースに対して支持する第２の駆動梁とを有し、
   前記第１の駆動梁及び前記第２の駆動梁は、各々、梁状部材と該梁状部材上に設けられた圧電部材とからなり、
   前記第１の駆動梁の圧電部材に電圧を印加し、前記第１の駆動梁が曲げ変形することで、前記第１の弾性支持部材に捻り変形が発生して、前記可動部が第１の方向に回転し、
   前記第２の駆動梁の圧電部材の上部電極及び下部電極に電圧を印加し、前記第２の駆動梁が曲げ変形することで、前記第２の弾性支持部材に捻り変形が発生して、前記可動枠が回転して、前記可動部が第２の方向に回転する圧電光偏向器において、
   少なくとも前記第１の駆動梁における前記圧電部材の駆動電圧の最小値を、前記圧電部材の負の抗電界値以上で、かつ０Ｖ以下の範囲とし、あるいは前記圧電部材の前記駆動電圧の最大値を、前記圧電部材の正の抗電界値以下で、かつ０Ｖ以上の範囲とすることを特徴とする圧電光偏向器。
6. 光源と、光源からの光ビームを偏向走査させる請求項１乃至４のいずれか１項記載の圧電光偏向器と、該圧電光偏向器で偏向走査された光ビームを被走査面にスポット状に結像する走査光学系とを備えることを特徴とする光走査装置。
7. 請求項６記載の光走査装置と、光ビームの走査により潜像を形成する感光体と、潜像をトナーで顕像化する現像手段と、トナー像を記録紙に転写する転写手段とを有することを特徴とする画像形成装置。
8. 請求項５に記載の圧電光偏向器を有し、該圧電光偏向器により光ビームを偏向・走査して、投影面に画像を投影することを特徴とする画像投影装置。
9. 可動枠と、光反射面を有する可動部と、前記可動部を回転可能に支持する第１の弾性支持部材と、前記可動部及び前記第１の弾性支持部材を前記可動枠に対して支持する第１の駆動梁と、
   固定ベースと、前記可動枠を回転可能に支持する第２の弾性支持部材と、前記可動枠及び前記第２の弾性支持部材を前記固定ベースに対して支持する第２の駆動梁とを有し、
   前記第１の駆動梁は、梁状部材と、該梁状部材上に設けられた圧電部材とからなり、
   前記第２の駆動梁は、複数の折り返し部及び前記折り返し部間に設けられた梁状部材を有する蛇行状部材と、該梁状部材上に設けられた圧電部材とからなり、
   前記第１の駆動梁の圧電部材に電圧を印加し、前記第１の駆動梁が曲げ変形することで、前記第１の弾性支持部材に捻り変形が発生して、前記可動部が第１の方向に回転し、
   前記第２の駆動梁の圧電部材に電圧を印加し、前記梁状部材の変形が累積して前記蛇行状部材に変形が発生することで、前記可動枠が回転して、前記可動部が第２の方向に回転する圧電光偏向器において、
   少なくとも前記第１の駆動梁における前記圧電部材の駆動電圧の最小値を、前記圧電部材の負の抗電界値以上で、かつ０Ｖ以下の範囲とし、あるいは前記圧電部材の前記駆動電圧の最大値を、前記圧電部材の正の抗電界値以下で、かつ０Ｖ以上の範囲とすることを特徴とする圧電光偏向器。

Images