(57)【要約】【課題】ミラー部材をトーションバーを介して往復運動させる光偏光器においてミラーの駆動力を高め、同一駆動力を発揮できる圧電素子の印加電圧を低減して絶縁破壊に、より強い装置を得る。【解決手段】フレーム部１０内で一対のトーションバー１２により支持されるミラー部１１と、連結部１３を介してトーションバー１２と連結され、表面に有した、圧電素子１６に電圧が印加されて変形することで、ミラー部１１がトーションバー１２を回転軸として往復共振運動するためのトルクを生じさせる一対のカンチレバー１５と、を備え、各連結部１３は、フレーム部１０の内壁に設けた連結弾性部１４によってフレーム部１０に接続するようにした。そして連結弾性体１４の設計を最適化して共振振幅を向上させた。【選択図】図１
2010204142.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
フレーム部と、
該フレーム部内で一対のトーションバーにより支持されるミラー部と、
前記トーションバーの、前記ミラー部との結合部とは反対側の端部と接合される一対の連結部と、
前記トーションバー部と略直交する方向で前記連結部を介して連結され、且つ表面に圧電素子を有して該圧電素子に電圧を印加されることにより前記ミラー部に前記トーションバーを回転軸とした往復共振運動をさせるための駆動トルクを生じさせる一対のカンチレバーと、を備え、前記一対の連結部は、前記フレーム部内壁に設けた連結弾性部によって前記フレームに接続されており、前記連結弾性部は、断面形状が前記トーションバーとは異なっていることを特徴とする光偏光器。
【請求項２】
請求項１に記載の光偏光器において、前記連結弾性部のバネ定数を前記トーションバーのバネ定数の２０倍〜１／１００に設定したことを特徴とする光偏光器。
【請求項３】
請求項１又は２に記載の光偏光器において、前記トーションバーのバネ定数により前記ミラー部の共振周波数が決定されることを特徴とする光偏光器。
【請求項４】
請求項１乃至３の何れか一項に記載の光偏光器において、前記連結部に、前記カンチレバーを複数組設けたことを特徴とする光偏光器。
【請求項５】
請求項１乃至３の何れか一項に記載の光偏光器において、前記連結部を複数設け、各連結器に少なくとも一組以上の前記カンチレバーを設けたことを特徴とする光偏光器。
【請求項６】
請求項１乃至５の何れか一項に記載の光偏光器において、前記連結弾性部を複数設けたことを特徴とする光偏光器。
【請求項７】
請求項１乃至６の何れか一項に記載の光偏光器を備えたことを特徴とする光走査装置。
【請求項８】
請求項７に記載の光走査装置を備えたことを特徴とする画像形成装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ミラー部材によって光源からの光ビームを偏向させるための光偏向器に関し、特に、一対のトーションバーにより支持されたミラー部材を、そのトーションバーを回転軸として往復振動させる光偏光器、この光偏光器を用いた光走査装置、画像形成装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、電子写真方式の複写機やレーザープリンターや、スキャナ等において、レーザ光等の光ビームを偏向、走査するための光偏光器が広く用いられている。
このような用途に用いられる光偏光器としては、元来、回転多面鏡（ポリゴンミラー）を用いたものが一般的であったが、ポリゴンミラーを用いることで、光偏光器自体の小型化が難しいという問題がある。そこで、ポリゴンミラーを使わず、圧電アクチュエータを振動させ、梁を介してミラーを往復共振させることで光偏向を行う光偏光器が提案されている。
かかる光偏光器における、ミラーの往復共振の振幅を向上をさせるために、特許文献１には、光を反射可能な可動板（ミラー）と、一端がミラーに接続されてミラーを支持しつつ、他端はフレームに接続された一対の梁と、この梁に概ね直角に、梁からフレームに渡って形成される振動板と、振動板の表面に設けた圧電アクチュエータから圧電ユニモルフ振動体とを備える光偏光器が記載されている。
この記載にあっては、圧電アクチュエータに電圧が印加されて振動板が駆動することで、ミラーの駆動トルクを発生するが、圧電ユニモルフ振動体の振動板及び圧電アクチュエータを増やすことで、駆動トルクを向上させることができる。
【０００３】
また、特許文献２は、光を反射する反射面を設けたミラー部と、このミラー部を保持する梁と、梁を圧電素子の伸縮により回転させる駆動部と、からなる駆動ミラーを開示している。
かかる駆動ミラーにおいて、駆動部は、梁を挟むように梁に略直交するように連結される２本の腕部から成る駆動腕を少なくとも１本有し、腕部それぞれに圧電素子を設けるようにしている。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、特許文献１において、より重いミラーを駆動させる際には、駆動トルクを向上させるために、振動板、圧電アクチュエータの数が増えるために、装置はより大型化する虞がある。さらに、圧電アクチュエータに印加する駆動電圧を上げれば、絶縁破壊を起こす可能性もある。
また、特許文献２に記載のように圧電素子を備える２本の腕部から駆動腕を構成するようにしても、より大きな振幅を得るために圧電素子に加える電圧を大きくすれば、絶縁破壊の可能性はぬぐえない。
そこで、上記の問題に鑑みて、本発明は、ミラー部材をトーションバーを介して往復運動させる形式の光偏光器においてミラーの駆動力を高める際に、同一駆動力を発揮できる圧電素子の印加電圧を低減し、絶縁破壊により強い光偏向器を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
以上の課題を解決するために、請求項１の発明は、フレーム部と、該フレーム部内で一対のトーションバーにより支持されるミラー部と、前記トーションバーの、前記ミラー部との結合部とは反対側の端部と接合される一対の連結部と、前記トーションバー部と略直交する方向で前記連結部を介して連結され、且つ表面に圧電素子を有して該圧電素子に電圧を印加されることにより前記ミラー部に前記トーションバーを回転軸とした往復共振運動をさせるための駆動トルクを生じさせる一対のカンチレバーと、を備え、前記一対の連結部は、前記フレーム部内壁に設けた連結弾性部によって前記フレームに接続されており、前記連結弾性部は、断面形状が前記トーションバーとは異なっている光偏光器を特徴とする。
また、請求項２の発明は、請求項１に記載の光偏光器において、前記連結弾性部のバネ定数を前記トーションバーバネ定数の２０倍〜１／１００に設定した光偏光器を特徴とする。
また、請求項３の発明は、請求項１又は２に記載の光偏光器において、前記トーションバーのバネ定数により前記ミラー部の共振周波数が決定される光偏光器を特徴とする。
【０００６】
また、請求項４の発明は、請求項１乃至３の何れか一項に記載の光偏光器において、前記連結部に、前記カンチレバーを複数組設けた光偏光器を特徴とする。
また、請求項５の発明は、請求項１乃至３の何れか一項に記載の光偏光器において、前記連結部を複数設け、各連結器に少なくとも一組以上の前記カンチレバーを設けた光偏光器を特徴とする。
また、請求項６の発明は、請求項１乃至５の何れか一項に記載の光偏光器において、前記連結弾性部を複数設けた光偏光器を特徴とする。
また、請求項７の発明は、請求項１乃至６の何れか一項に記載の光偏光器を備えた画像形成装置を特徴とする。
また、請求項８の発明は、請求項７に記載の光走査装置を備えたことを特徴とする画像形成装置。
【発明の効果】
【０００７】
以上のように構成したので、本発明によれば、ミラーを支持し回転軸となるトーションバーと、トーションバーをフレームに連結する連結バネにより機能を分離することにより、より少ない駆動力で、ミラーの振幅をより大きく得ることが可能となる。すなわち、同一駆動力を発揮する発電素子の印加電力を低減することで、絶縁破壊に対するマージンを増加した光偏光器とすることが出来る。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係る光偏向器の構成例を示す図。
【図２】カンチレバーのバネ定数に対する連結バネのバネ定数の比と、ミラー部の共振振幅の関係をグラフで示す図。
【図３】本発明の光偏光器の第１の変形例を示す図。
【図４】本発明の光偏光器の第２の変形例を示す図。
【図５】本発明の光偏光器の第３の変形例を示す図。
【図６】本発明の光偏光器の第４の変形例を示す図。
【図７】本発明の光偏光器を適用した光走査装置の概略図。
【図８】本発明の光偏向器を用いた画像形成装置の構成例を示す概略図。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
以下に、図面を参照して本発明の実施の形態を詳細に説明する。
図１は、本発明の第１の実施の形態に係る光偏向器の構成例を示す図であり、（ａ）は上面概略図、（ｂ）はＡ−Ａ線における断面図である。また、（ｃ）は、Ｂ−Ｂ線における断面図である。
図１に示す光偏光器は、フレーム部１０、ミラー面を有し、図示しない光源からの光を偏向するためのミラー部１１、ミラー部１１の捻り回転軸となって往復振動をさせるトーションバー１２、一方の表面に圧電素子を有し、図示しない電圧源により電圧が印加されることで圧電素子が変形して、自身も変形することでトーションバー１２を捻り、ミラー部１１の駆動用トルクを発生するカンチレバー１５、トーションバー１２及びカンチレバー１５を連結する連結部１３、さらに、連結部１３をフレーム部１０に接続する連結バネ（弾性連結部）１４から構成される。
詳しくは、フレーム部１０の内側において、ミラー部１１は、その周縁部における対向する両辺を一対のトーションバー１２によって支持されており、さらに、トーションバー１２は、連結部１３を介して連結バネ１４に接続されて、連結バネ１４は、さらにフレーム部１０の内壁面に接続されている構成である。
また、図１に示すように、トーションバー１２は、連結部１３を介して接続された一組のカンチレバー１５ａ、１５ｂよりなり、これらのカンチレバーは、連結バネ１４、トーションバー１２とは略直交する方向で連結部１３からフレーム部１０にかけて橋渡されている。
【００１０】
図１（ｃ）に詳しく示すように、カンチレバー１５上には、圧電素子１６が、形成されている。
なお、これらの各構成部は、Ｓｉ、ガラス、ＳＩＯ基板等をＲＩＥ（Reactive Ion Etching：反応性イオンエッチング）、化学エッチング等で、フレーム部、ミラー部、トーションバー部、連結部、連結バネ部およびカンチレバーの基板部に各プロセスを通じて適宜形成する。同一素材で形成可能であるが、各部を分けて形成させてもよい。
その後、ＰＺＴ（チタン酸ジルコル酸塩）、ＬｉＮｂＯ3（ニオブ酸リチウム）、ＺｎＯ（酸化亜鉛）などの圧電素子をスパッタ法、ゾルゲル法等によってカンチレバー１５に形成する。薄膜法によらず、各素材をバルク材より切り出して、カンチレバー１５に貼りつけて形成することも可能である。
その後、圧電素子１６に電圧を印加する配線部材（図示せず）を設け、パッケージに入れて完成する。パッケージ工程としては、ＷＬＰ（Wafer Level Package）プロセスでも可である。なお、大気中、真空中どちらの封止も可能であり、応用用途に応じて選択できる。
トーションバー１２のバネ定数とミラー部１１の質量とで概ね決定されるこの系の共振周波数の近傍の駆動周波数の電圧を図示しない電圧源によりカンチレバー１５の圧電素子１６に印加し、その駆動トルクを受けて、ミラー部１１が共振を開始することで光偏光器として機能させることが出来る。
【００１１】
共振を維持できる程度のエネルギーをカンチレバー１５に与えることで動作するので、比較的低消費電力でたとえばレーザープリンターのポリゴンミラーに代わる機能を発揮することが可能となる。このときに、カンチレバー１５の圧電素子１６への印加電圧に比例して共振時のミラー部１１の回転角度を制御できることは広く知られているが、より大きな振幅を得るために、圧電素子１６への印加電圧を過剰に大きくすると、絶縁破壊が発生する虞がある。そこで、本発明では、圧電素子１６への印加電圧を大きくするのではなく、トーションバー１２をフレーム部１０に対して連結する弾性体（連結バネ１４）の設計の最適化により同様の効果（大きな共振振幅）を得ることを見出し、（図２の説明において詳述する）これを設計値として導くこととしたものである。
すなわち、トーションバー１２とミラー部１１の質量によって、共振周波数はほぼ決定され、トーションバー１２のバネ定数に対する連結バネ１４のバネ定数の比によって共振振幅の大きさを決定するのである。
このように、トーションバーと連結バネの機能を分離することで、圧電素子１６への印加電圧を大きくすることなく、より振幅を得られる装置とすることができる。
なお、図１（ｂ）に示すように、連結バネ１４の、Ａ−Ａ線上の断面における形状（特に断面高さ）が、トーションバー１２のそれとは異なっており、この形状を調整することで、トーションバー１２とのバネ定数の比が変更可能である。このように調整できるようにしたことで、両者のバネ比率の容易な調整が可能となる。
また、トーションバー１３のミラー部１１の質量とでほぼ共振周波数は決定可能とすることで設計が容易となり、製作のばらつきも抑えることが可能となる。
【００１２】
図２は、本発明における、トーションバー１３のバネ定数に対する連結バネ１４のバネ定数の比と、ミラー部１１の共振振幅の関係をグラフで示す図である。
図２のグラフにおいて、横軸はトーションバー１２のバネ定数に対する連結バネ１４のバネ定数の比を示している。また、縦軸は、このバネ定数の比に対応するミラー部１１の共振振幅の値を示している。
図２によれば、連結バネ１４のバネ定数が低下して、トーションバー１３のバネ定数に対する比率が低下するに伴い（グラフ内、横軸が左にいくにつれ）、振幅の向上が得られることがわかる。図２中で範囲ａ間は望ましいバネ定数比の範囲であり、範囲ｂ間は最適なバネ定数比の範囲を示す。
下限（グラフ内、横軸の最も右側）はシステムとして必要最低限の振幅比が得られる範囲であり、範囲ａの上限は片側のカンチレバーの圧電素子を印加した場合に現れるミラー部共振の中央からの変位の許容範囲であり、範囲ｂの上限は同様な変位の点での最適範囲から得られたものである。
望ましいバネ定数比の範囲は２０倍から１／１００の範囲であり、最適な範囲は２０倍から１／２０の範囲となるとデータから求めることが出来た。
【００１３】
以下に、本発明の光偏光器の変形例を説明する。
図３は、本発明の光偏光器の第１の変形例を示す図であり、（ａ）は上面概略図、（ｂ）は（ａ）におけるＤ部を拡大して示す図である。
図３（ａ）に示す連結バネ２０は、図３（ｂ）に詳しく示すように、図１に示したような直線形状でなく、曲がりをもって構成することも可能である。
かかる構成によっては、実効的な系の長手方向の長さを短縮でき（すなわち、光偏光器全体のサイズを小さくすることができる）、コスト上有利とすることが出来る。
図４は、本発明の第２の変形例を示す図である。
この変形例では、連結部１３及びフレーム部１０を接続する連結バネを複数設けた構成としている。なお、図４においては、連結バネ３０として２つの連結バネ３０−１、３０−２を示したが、この個数に限らず３つ以上に構成してもよい。
かかる構成によっては、フレーム部１０に水平方向の分力に対して抗す力が増すことで、共振の安定性を高めることが出来る。
【００１４】
図５は、本発明の第３の変形例を示す図である。
本変形例では連結部１３に対して複数のカンチレバー４０を配している。
なお、図５におけるカンチレバー４０は、連結部１３からフレーム部１０への両方向に橋渡されるカンチレバー４０ａ、４０ｂからなり、複数のカンチレバー４０からなる組が、ミラー部１１を挟んでフレーム１０の両側に、対称に２組設けられている。
なお、複数のカンチレバー４０（ａ、ｂ）のそれぞれには、図１の場合と同様に、圧電素子が形成されていることはもちろんである。
かかる光偏光器の作製方法は図１に示したものと同様であり、カンチレバー４０の組数分と連結部１３の長さ分、長手方向（図中左右方向）の長さが増すが、図５に示すようにカンチレバー４０の組数が３組から５組程度までの時は、ほぼ組数分の振幅向上がさらに見込める。５組以上でも増加傾向は減少するが、増加が見込め、サイズ対コストを考慮して設計を行なうことが可能となる。
【００１５】
図６は、本発明の第４の変形例を示す図であり、（ａ）は、上面概略図、（ｂ）は、（ａ）のＣ−Ｃ線における断面図である。
この変形例では、図５の構成に対して、さらに連結部を複数設け（５０−１、５０−２、５０−３）、それぞれに対してカンチレバー４０を一対設けた構成としている。
さらに、各連結部同士は、スペーサ６０にて互いに連接されているものとする。
このように構成すると、図５の場合と同様に、カンチレバー４０の組数分と連結部１３の個数分、さらにスペーサ６０の個数分だけ長手方向（図中左右方向）の長さが増すが、カンチレバーをもつ連結部１３の個数にほぼ比例して振幅増大が見込める。
図５の場合と異なるメリットとしては、トーションバーの曲がり分にあわせて、細かく連結部５０とカンチレバー１５の寸法を変更することでより破壊が起きにくい構成とすることが可能である。さらに、図４の構成と組み合わせて、複数連接した１つの連結部５０に付き、図５のように複数組のカンチレバー４０を設けることで振幅向上を見込む構成も可能である。
なお、図示はしないが、図５、図６の場合にも、図４のごとく、連結バネを複数設ける構成としてもよい。
なお、以上に説明した本発明の光偏光器は、電子写真方式の複写機やプリンタなどの画像形成装置の光走査装置に適用可能である。
【００１６】
図７は、本発明の光偏光器を適用した光走査装置の概略図である。この光走査装置は、シングルビーム方式の装置である。本実施形態による光走査装置は、光源１０１、カップリングレンズ１０２、アパーチャ１０３、シリンドリカルレンズ１０４、本発明の光偏光器である光偏光器１０５、レンズ１０６、１０７、ミラー１０８、感光体１０９、ミラー部１１０、レンズ１１１及び受光素子１１２を有する。
光源１０１は、光走査のための光を発する半導体レーザ素子である。カップリングレンズ１０２は、光源１０１が発した光を光学系に適応させるためのレンズである。アパーチャ１０３は、光走査のためのビーム光を所定の形状にする。レンズ１０６、１０７は、ビーム光を感光体１０９上に結像させるためのレンズである。ミラー１０８は、ビーム光の光路を折り曲げ、感光体１０９に導く。感光体１０９は、照射されたビーム光に応じて静電潜像を形成する。ミラー部１１０及びレンズ１１１は、ビーム光を受光素子１１２に集光する。受光素子１１２は、フォトダイオードなどの光検出素子である。
【００１７】
カップリングレンズ１０２を通過したビームは、アパーチャ１０３の開口部を通過する際、光束周辺部の光強度の小さい部分が遮断されて「ビーム整形」され、「線形結像光学系」であるシリンドリカルレンズ１０４に入射する。シリンドリカルレンズ１０４は、略かまぼこ型を呈しており、パワーのない方向（光を屈折させない方向）を主走査方向に向け、副走査方向には正のパワー（光を集束させるパワー）を持ち、入射してくるビームを副走査方向に集束させ、光偏光器１０５のミラーに集光する。
光偏光器１０５によって反射されたビームは、走査光学系をなす２枚のレンズ１０６、１０７を透過し、折り曲げミラー１０８によって光路を折り曲げられ、感光体１０９上に光スポットとして集光し、被走査面を走査する。
【００１８】
図８は、本発明の光偏向器を用いた画像形成装置の構成例を示す概略図である。
以下に説明する画像形成装置は、本発明の光偏光器を適用可能な構成の一例であり、これに限定されるものではない。
装置内の下部側には水平方向に配設されて給紙カセット２０１から給紙される転写紙（図示せず）を搬送する搬送ベルト２０２が設けられている。搬送ベルト２０２上には、イエロー（Ｙ）用の感光体２０３Ｙ、マゼンタ（Ｍ）用の感光体２０３Ｍ、シアン（Ｃ）用の感光体２０３Ｃ及びブラック（Ｋ）用の感光体２０３Ｋが上流側から順に等間隔で配設されている。なお、以下、符号に添え字Ｙ、Ｍ、Ｃ、Ｋを適宜付して各色を区別するものとする。
これらの感光体２０３Ｙ、２０３Ｍ、２０３Ｃ及び２０３Ｋは、全て同一径に形成されたもので、その周囲には、電子写真プロセスに従いプロセス部材が順に配設されている。
感光体２０３Ｙを例に採れば、帯電チャージャ２０４Ｙ、本発明の光偏光器を用いた光走査装置２０５Ｙ、現像装置２０６Ｙ、転写チャージャ２０７Ｙ、クリーニング装置２０８Ｙ等が順に配設されている。これは、他の感光体２０３Ｍ、２０３Ｃ及び２０３Ｋに関しても同様である。すなわち、本実施形態においては、感光体２０３Ｙ、２０３Ｍ、２０３Ｃ及び２０３Ｋを色ごとに設定された被照射面とするものであり、各々に対して光走査装置２０５Ｙ、２０５Ｍ、２０５Ｃ、２０５Ｋが１対１の対応関係で設けられている。
【００１９】
また、搬送ベルト２０２の周囲には、感光体２０５Ｙよりも上流側に位置させてレジストローラ２０９とベルト帯電チャージャ２１０とが設けられ、感光体２０５Ｋよりも下流側に位置させてベルト分離チャージャ２１１、除電チャージャ２１２、クリーニング装置２１３等が順に設けられている。また、ベルト分離チャージャ２１１よりも搬送方向下流側には定着装置２１４が設けられ、排紙ローラ２１６を介して排紙トレイ２１５と結ばれている。
上記構成において、例えば、フルカラーモード（複数色モード）時であれば、各感光体２０３Ｙ、２０３Ｍ、２０３Ｃ及び２０３Ｋに対して、Ｙ、Ｍ、Ｃ、Ｋ用の各色の画像信号に基づき、各々の光走査装置２０５Ｙ、２０５Ｍ、２０５Ｃ及び２０５Ｋによる光ビームの光走査によって静電潜像を形成する。これらの静電潜像は、各々の対応する色トナーで現像されてトナー像となり、搬送ベルト２０２上に静電的に吸着されて搬送される転写紙上に順次転写されることで重ねあわされる。各色のトナー像が重ね合わされた転写紙は、定着装置２１４によってフルカラー画像として転写紙に定着され、画像が定着した転写紙は排紙ローラ２１６によって排紙トレイ２１５に排出される。
【符号の説明】
【００２０】
１０  フレーム部、１１  ミラー部、１２  トーションバー、１３  連結部、１４  連結バネ、１５  カンチレバー、１６  圧電素子、２０  連結バネ、３０  連結バネ、４０  カンチレバー、５０  連結部、６０  スペーサ、１０１  光源、１０２  カップリングレンズ、１０３  アパーチャ、１０４  シリンドリカルレンズ、１０５  光偏光器、１０６  レンズ、１０８  ミラー、１０９  感光体、１１０  ミラー部、１１１  レンズ、１１２  受光素子、２０１  給紙カセット、２０２  搬送ベルト、２０３Ｃ  感光体、２０３Ｋ  感光体、２０３Ｍ  感光体、２０３Ｙ  各感光体、２０３Ｙ  感光体、２０４Ｙ  帯電チャージャ、２０５Ｋ  感光体、２０５Ｙ  感光体、２０５Ｙ  光走査装置、２０６Ｙ  現像装置、２０７Ｙ  転写チャージャ、２０８Ｙ  クリーニング装置、２０９  レジストローラ、２１０  ベルト帯電チャージャ、２１１  ベルト分離チャージャ、２１２  除電チャージャ、２１３  クリーニング装置、２１４  定着装置、２１５  排紙トレイ、２１６  排紙ローラ
【先行技術文献】
【特許文献】
【００２１】
【特許文献１】特開２００８−２５７２２６公報
【特許文献２】特開２００７−１０８２３公報
【図１】
2010204142.tif 000003
【図２】
2010204142.tif 000004
【図３】
2010204142.tif 000005
【図４】
2010204142.tif 000006
【図５】
2010204142.tif 000007
【図６】
2010204142.tif 000008
【図７】
2010204142.tif 000009
【図８】
2010204142.tif 000010