(57)【要約】【課題】光偏向器などの揺動体装置において、回転振動する走査ミラーなどの可動部材の回転角の時間に対する振動波形が正弦波形ではなく略三角波形になる様にすることである。【解決手段】光偏向器などの揺動体装置は、支持手段１１で略回転軸回りに回転して振動可能に支持される走査ミラーなどの可動部材１０と、可動部材１０を略回転軸回りに中央位置を中心に回転して振動する様に駆動する駆動手段と、可動部材１０の回転振動範囲を決めるとともに可動部材１０を中央位置の方向に戻そうとする復元力を発生する復元手段２０を有する。【選択図】  図３
2006323001.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
支持手段で略回転軸回りに回転して振動可能に支持される可動部材と、可動部材を略回転軸回りに中央位置を中心に回転して振動する様に駆動する駆動手段と、可動部材の回転振動範囲を決めるとともに可動部材を中央位置の方向に戻そうとする復元力を発生する復元手段を有することを特徴とする揺動体装置。
【請求項２】
支持手段で略回転軸回りに回転して振動可能に支持される可動部材と、可動部材の回転角度を検知する検知手段と、可動部材を略回転軸回りに中央位置を中心に回転して振動する様に駆動すると共に、検知手段からの信号に基づいて、可動部材の回転振動範囲を決め、可動部材を中央位置の方向に戻そうとする復元力を発生する駆動・復元手段を有することを特徴とする揺動体装置。
【請求項３】
前記復元手段または駆動・復元手段が、前記可動部材の回転振動範囲の両端の少なくとも一方の近傍に設けられている請求項１または２に記載の揺動体装置。
【請求項４】
前記支持手段が、前記回転軸を規定する捩り軸を中心に比較的弱い或いは殆どゼロの捩れ剛性でもって捩れ振動可能に前記可動部材を支持するトーションバーである請求項１乃至３のいずれかに記載の揺動体装置。
【請求項５】
前記復元手段または駆動・復元手段の発生する復元力が、前記可動部材が衝突したときに生ずるばね部材の変形による機械的な反発力、或いは前記可動部材が近接したときに生ずる電磁力の反発力、或いは前記可動部材が近接したときに生ずる注入電荷による静電力の反発力である請求項１乃至４のいずれかに記載の揺動体装置。
【請求項６】
前記可動部材に反射面が形成され、前記検知手段が反射面で反射される光の角度を検知することで可動部材の回転角度を検知する請求項２乃至５のいずれかに記載の揺動体装置。
【請求項７】
前記可動部材が偏向ミラーであり、光偏向器を構成することを特徴とする請求項１乃至６のいずれかに記載の揺動体装置。
【請求項８】
請求項１及び３乃至７のいずれかに記載の揺動体装置の制御方法において、前記可動部材の固有振動数と略等しい駆動周波数で前記駆動手段を駆動することで、可動部材を回転振動せしめ、その後、前記復元手段による復元力を得た後に駆動手段の駆動周波数と振幅を増大させて、所望の振動数と略三角波形の可動部材の回転振動を得ることを特徴とする揺動体装置の制御方法。
【請求項９】
請求項２乃至７のいずれかに記載の揺動体装置の制御方法において、前記駆動・復元手段により、揺動体装置の始動時に、可動部材を回転振動せしめ、その後、可動部材の回転角度の検知手段からの信号に基づいて発生される復元力による可動部材の回転振動方法に切り替えることを特徴とする揺動体装置の制御方法。
【請求項１０】
光源と、光源を変調する光源変調手段と、請求項７に記載の光偏向器と、光源変調手段と光偏向器を制御する制御手段を有する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、可動部材を略回転軸回りに回転して振動（回転振動）させる揺動体装置、それを用いた光偏向器などに関する。特に、マイクロメカニクス技術などにより作製される機械共振を用いた共振型光偏向器の技術分野に関連する技術、この共振型光偏向器を使用した走査型ディスプレイやレーザビームプリンタやデジタル複写機等の画像形成装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、半導体デバイスの高集積化に代表されるように、マイクロエレクトロニクスの発展に伴い、様々な機器が高機能化と共に小型化されてきている。シリコンプロセスを用いたマイクロメカニクス技術によるマイクロマシンデバイス（例えば、捩り軸中心に捩り振動する可動部材を用いたマイクロ光偏向器、マイクロ力学量センサ、マイクロアクチュエータ等）を利用した装置も同様である。例えば、マイクロ光偏向器を用いて光走査を行うレーザビームプリンタ、ヘッドマウントディスプレイ等の走査型画像表示装置等においても高機能化、小型化がなされている。
【０００３】
捩り振動する光偏向器の従来例として、電磁型の構成例では、ムービングマグネット型やムービングコイル型などが挙げられる。
【０００４】
ムービングマグネット型走査ミラーの構成例を図１４に示す（特許文献１参照）。この例は、走査ミラー１００１（ガラス基板１００１ａ、鏡面部１００１ｂ、永久磁石１００１ｃを有する）、支持部材１００１ｄ、駆動軸（回転軸）１００１ｅ、磁気発生部１００２（電磁コイル１００２ａ、コイル枠１００２ｂを有する）を備える。これの動作は次の如く行われる。電磁コイル１００２ａに通電して、磁気発生部１００２から発生する磁力により、永久磁石１００１ｃの磁極に対して吸引力または復元力が働く。そして、走査ミラー１００１は、支持部材１００１ｄが捩られることで、駆動軸１００１ｅを回転中心として図１４に示す矢印のように回転振動する。この際、磁気発生部１００２から発生する磁力に応じて、走査ミラー１００１は任意の角度に角変位するよう駆動される。
【０００５】
また、ムービングコイル型走査ミラーの構成例を図１５に示す（特許文献２の従来例参照）ここでは各部が上下方向に分離して示されている）。この例は、ベース１１０１、左右一対の支持部１１０２、１１０３、振動体１１０４（外枠部１１０５、外枠部１１０５の開口部１１０５Ａ、走査ミラー部１１０６、左右一対の梁部１１０７、駆動用電磁コイル１１１０を有する）、左右一対の永久磁石１１０８、１１０９、駆動手段Ｄを備える。この駆動手段Ｄは、ベース１１０１上に配置された左右一対の永久磁石１１０２、１１０３と走査ミラー部１１０６の外周部に配置された駆動用電磁コイル１１１０とから成り、この駆動用電磁コイル１１１０に正逆交互の駆動電流を通電するように構成されている。この構成において、駆動手段Ｄにより駆動用電磁コイル１１１０に正逆交互の駆動電流が通電されると、一対の永久磁石１１０２、１１０３の外部磁界と駆動用電磁コイル１１１０の電流とによるローレンツ力で走査ミラー部１１０６が一対の梁部１１０７、１１０８を回転軸として回転振動する。
【０００６】
他にも、固定して配置された２つの駆動電極に交互に電圧を印加することで、可動部材に静電引力を作用させて、走査ミラーである可動部材を弾性支持部の回転軸の回りに捩り振動させる方式のものもある。なお、これら従来の光偏向器で用いられている駆動手段は、本発明の光偏向器などの揺動体装置でも採用できるものである。
【０００７】
上記走査ミラーは、走査ミラーに固有の共振周波数を持つ駆動信号を駆動手段に印加してやることにより、機械的な共振現象を起こし、比較的大きな偏向角（回転角、走査角）で効率的な駆動を行うことができる。この共振駆動を行うことにより、比較的低い投入エネルギで広振幅の光走査を行える。
【特許文献１】特開平６−８２７１１号公報
【特許文献２】特開２００１−１１７０４３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかし、共振周波数で回転振動する上記のミラーは、時間に対する回転角度の関係が正弦波形となる。そのため、回転振動範囲の一部の直線と見なされる範囲を利用したい場合は、その時間的な利用範囲及び振幅的な利用範囲が比較的狭く、画像を形成する手段として走査ミラーに用いることに多くの制約があった。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記課題に鑑み、本発明の光偏向器などの揺動体装置は、支持手段で略回転軸回りに回転して振動可能に支持される可動部材と、可動部材を略回転軸回りに中央位置を中心に回転して振動する様に駆動する駆動手段と、可動部材の回転振動範囲を決めるとともに可動部材を中央位置の方向に戻そうとする復元力を発生する復元手段を有することを特徴とする。
【００１０】
また、上記課題に鑑み、本発明の光偏向器などの揺動体装置は、支持手段で略回転軸回りに回転して振動可能に支持される可動部材と、可動部材の回転角度を検知する検知手段と、可動部材を略回転軸回りに中央位置を中心に回転して振動する様に駆動すると共に、検知手段からの信号に基づいて、可動部材の回転振動範囲を決め、可動部材を中央位置の方向に戻そうとする復元力を発生する駆動・復元手段を有することを特徴とする。
【００１１】
また、上記課題に鑑み、本発明の光偏向器などの揺動体装置の制御方法は、上記の揺動体装置の制御方法において、前記可動部材の固有振動数と略等しい駆動周波数で前記駆動手段を駆動することで、可動部材を回転振動せしめ、その後、前記復元手段による復元力を得た後に駆動手段の駆動周波数と振幅を増大させて、所望の振動数と略三角波形の可動部材の回転振動を得ることを特徴とする。
【００１２】
また、上記課題に鑑み、本発明の光偏向器などの揺動体装置の制御方法は、上記の揺動体装置の制御方法において、前記駆動・復元手段により、揺動体装置の始動時に、可動部材を回転振動せしめ、その後、可動部材の回転角度の検知手段からの信号に基づいて発生される復元力による可動部材の回転振動方法に切り替えることを特徴とする。
【００１３】
また、上記課題に鑑み、本発明の画像形成装置は、光源と、光源を変調する光源変調手段と、上記の揺動体装置において可動部材を偏向ミラーとした光偏向器と、光源変調手段と光偏向器を制御する制御手段を有することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、上記の如き復元手段または駆動・復元手段を備えるので、可動部材の回転角（偏向角、走査角）の時間に対する振動波形が正弦波形ではなく略三角波形になる構成を実現できる。すなわち、可動部材の回転振動における往路、復路の比較的広い領域においてそれぞれ角速度が略一定の駆動が実現できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
本発明の揺動体装置の原理を図面を用いて説明しつつ、本発明の一実施形態を説明する。なお、回転軸の回りで回転振動する偏向ミラーを持つ共振型光偏向器の原理として説明するが、この原理は、揺動体を略回転軸回りに回転振動させる揺動体装置の駆動にも一般的に当てはまるものである。
【００１６】
図３（ａ）は、本発明の揺動体装置の原理を説明するための一実施形態を示す概念図である。図２（ａ）は、比較の為に示す正弦波駆動の従来例の概念図である。
【００１７】
本実施形態の光偏向器においては、支持基板に、可動部材である走査ミラー１０が回転軸１１を中心に回転振動可能に支持されている（ここでは、回転軸１１をトーションバーとした場合、その捩れ剛性は非常に小さいか殆どゼロである）。また、可動部材の一方面側にアルミニウム、誘電体多層膜などで反射率の高い膜を成膜して反射面が形成されている。そして、可動部材を外部から駆動することによって、支持基板に対して可動部材を相対的に駆動させて、反射面に入射する入射光を偏向する。この際、可動部材から離れた所定の位置に配置された反発ばね２０などの復元手段を備えるので、可動部材は回転振動範囲の端近くで反発力ないし復元力を受ける。したがって、可動部材は図３（ｂ）に示す様な特性の反発（復元）トルクを回転振動運動の中で受けることになる。このトルク特性は、非線形保存系を持つ非線形振動において不感帯（図３（ｂ）でθＬ>θ>−θＬの水平な部分）を伴い傾斜がＣの部分（図３（ｂ）で第１象限と第３象限の斜線部）を持つ対称折れ線のばね特性と等価なものである。
【００１８】
これに対して、図２（ａ）の光偏向器においては、支持基板に、可動部材である走査ミラー１０がトーションバーの回転軸１１を中心に捩り回転振動可能に支持されているのみである。したがって、可動部材は、図２（ｂ）に示す様なトーションバーの特性による復元トルクを回転振動運動の中で受けるのみである。
【００１９】
図１に、本発明の揺動体装置の回転振動運動を従来例のそれと比較して示す。図中、（I）で示す正弦曲線は、従来の共振型光偏向器で得られる走査ミラーの角度変位（回転角）と時間の関係を示している。この正弦曲線では、略等角速度と見なされる範囲は図のAからAで示す範囲であり、この範囲の時間的な利用効率は低い。ここで、もしAとAのところで走査ミラーに復元力を加えれば、走査ミラーの動きは（IIａ）及び（IIｂ）で示される運動をすることができる。その場合、（IIａ）で示される範囲が略等角速度の範囲で、（IIｂ）で示される範囲が復元力を受けて走査ミラーが反転する範囲である。
【００２０】
図１に示す例でも、（I）の正弦波形の場合は、１サイクルに２回の略等角速度と見なせる範囲を得られるのみであるのに対し、略三角波形の駆動にした場合は、同じ時間に４回の等角速度範囲を得られ、時間的利用効率が高いことが分かる。略三角波形の駆動の場合、（I）で示す正弦波形の周期が大きければ大きいほど、利用できる回数は多くなり、（I）で示す正弦波の振幅が大きければ大きいほど、利用できる振幅範囲は広くなる。
【００２１】
復元力を受けて走査ミラーが反転する（IIｂ）で示される範囲を作り出して略三角波形の駆動を実現するために、本発明では、非線形保存系を持つ非線形振動で不感帯を伴い傾斜がＣの対称折れ線を持つ非線形ばねの特性と略等価なトルク特性を利用する。ここで、略等価とは、次のことを意味する。不感帯は完全な不感帯でなくてもよく、図２（ｂ）の傾きを緩めた様な多少の傾きを持った領域でもよく（この場合、回転軸も復元手段を構成することになる）、また、対称折れ線特性は、対称性が多少壊れたものや、多少曲線的になった特性でもよい。要するに、本発明は、何らかの手段により回転振動範囲の端近傍で可動部材を中央位置の方向に戻そうとする復元力が発生される様にすれば、正弦曲線は、程度の差こそあれ、三角波形に近づいて、略等角速度の範囲が増大するという効果を得ようとするものである。
【００２２】
この非線形ばね特性による振動の周期Ｔとすると、上記非線形保存系の振動方程式は次の式（１）の様になる。
Ｉ・d2θ／dｔ2＋g(θ)=0    （１）
ここで、Iは走査ミラーの慣性モーメント、θは走査ミラーの振れ角度（回転角）である。
【００２３】
図３（ｂ）に示すように、
g(θ)=C(θ−θＬ)  θ≧θＬ（図３の例では、θＬは走査ミラーがばねに衝突する角度）
=0           θＬ>θ>−θＬ
=C(θ+θＬ)   θＬ≧θ
とすれば、上記振動方程式の解θは時間に対して略三角波的に変化するものとなり、その周期Ｔは、
Ｔ＝４√(I/C)・｛π/2+θＬ/(A−θＬ)｝、  A≧θＬ  （Aは回転振動の振幅）
で表される。この周期Ｔは、g(θ)の形が上記したものに近いものであれば、回転振動の振幅Aに対して略同様な依存性（すなわち、Aが増大すれば、Ｔは小さくなる）を有する。なお、ここの説明では、回転振動範囲の中央位置を基準とする走査ミラーの回転角のプラスの方向と復元力（トルク）Ｔのプラスの方向を互いに逆方向としている。
【００２４】
これに対して、図２の系では振動方程式は次式の様になる。
Ｉ・d2θ／dｔ2＋Ｔ=0    （Ｔは、図２（ｂ）で示すＴ（トルク）である）
この振動方程式の解を求めれば、θは時間に対して正弦波的に変化することが分かり、これでは上述した問題点があることになる。
【００２５】
以上に説明した様に、本発明では、上記の如き復元力特性を利用するので、−θＬ≦θ≦θＬの広い範囲で略均一角速度を有する回転振動特性が得られることになる。これを実現するために、上記実施形態では、走査ミラー１０の慣性モーメントに対して回転軸１１の捩れ剛性を下げ、長い周期と広い振幅を有する固有周波数での正弦振動を起こさせている。そして、略等角速度と見なせる広い振幅範囲と、復元力を受けて走査ミラーが反転するそれ以外の狭い範囲からなる略三角波形を得ている。
【００２６】
走査ミラー１０の回転軸１１として、捩れ剛性を殆ど持たない細い糸状の強度の強い物質、例えば、カーボンナノチューブ等を用いれば、上記の理想的遊び要素（不感帯）を持つ対称折れ線特性を得ることが可能となる。
【００２７】
本実施形態では、光ビームを走査するにあたり、従来の正弦波形での共振型の往復走査に代えて、略三角波形での共振型の往復走査を実現しているが、走査ミラーを加振（共振モードを意識するときには加振というが、一般的には駆動という）するには２通りの方法がある。第１の方法は、走査ミラーを加振（駆動）する部分と、走査ミラーの振れ端で復元力を与える手段を分ける方法である（例えば、後記図４の実施例参照）。この場合、復元力を与える手段は走査ミラーの減衰を補うエネルギを与えない。第２の方法は、復元力を与える手段自体が走査ミラーの減衰を補うエネルギを供給する方法である。すなわち、走査ミラーの走査角度の情報を得て、その情報からのタイミングに合わせて一瞬の復元力を与える方法がその一つである（例えば、後記図１０の実施例参照）。
【００２８】
また、上記両者とも、走査ミラーに復元力を与えるまでの始動を考える必要がある。第１の方法では、走査ミラーの固有の回転振動数に等しい周波数の外力を与え、振幅が増大して復元力を与える領域に達したならば、共振運動を成立させる条件の外力の振幅と周波数を合わせ込み、所望の周波数を得る（例えば、後記図４の実施例参照）。第２の方法では、走査ミラーの固有振動数に等しい周波数の外力を与えて走査ミラーを回転振動させ、その後、走査ミラーの走査角度情報を得て、外力を、その瞬間に復元力を与える方式に切り替えて、所望の振動数に合わせる（例えば、後記図１０の実施例参照）。
【実施例】
【００２９】
以下に、図面を参照して本発明の実施例について説明する。
【００３０】
（実施例１）
図３（ａ）は、走査ミラーの利用振幅範囲のすぐ外に弾性ばねを配置して、不感帯を持つ非線形ばね特性を生じさせた光偏向器の実施例１を示す概念図である。１０は走査ミラーで、その表面側（図３（ａ）において上面側）に光反射面を構成している。１１はトーションバーなどで形成される回転軸で、走査ミラー１０の慣性モーメントに対し、十分弱い捩り剛性を有している。走査ミラー１０は、大きな振幅と長い周期を持つ固有の捩れ共振振動特性を有している。
【００３１】
走査ミラー１０は、始動時に、その固有振動数と等しい周波数の外力（駆動力）を駆動部（図３（ａ）では不図示）から受けてゆっくりと回転軸１１の回りで中央位置を中心に回転振動し始める。この際、典型的には、駆動力は、走査ミラー１０が略中央位置を通るタイミングで与えられる。そして、走査ミラー１０の縁部が、やがて走査ミラー１０から離れた所定の位置に配置された反発ばね２０に衝突して復元力を受ける。
【００３２】
こうして、回転振動範囲の両端での走査ミラー１０のばね２０への衝突後、ばね２０は変位し、走査ミラー１０は急減速して跳ね返され、これを繰り返して略三角波（略等角速度）の光走査が実現される。図３（ｂ）は、この非線形ばねの特性を示したグラフである。走査ミラー１０がばね２０に回転角−θＬとθＬで衝突するまでは不感帯範囲となっていて、走査ミラー１０は略等角速度で回転運動をする。
【００３３】
ここで、ばね定数を高く取れば（例えば、硬い部材を用いて、図３（ｂ）のθ軸に略直交するような非線形ばね特性にすれば）、衝突した瞬間に走査ミラー１０が跳ね返る現象が得られる。例えば、走査ミラー１０との反発係数が略１と見なせる物性値を持つブロックに衝突した時がこれに相当する。
【００３４】
図４（ａ）にムービングマグネット型の本実施例の具体的形態を示す。図４（ｂ）はその断面図を示す。図４において、４００は走査ミラー枠、４０１は回転軸（上記回転軸１１に対応）で、走査ミラー４０３（上記走査ミラー１０に対応）を回転自在に保持している（すなわち、回転軸４０１の捩れ剛性は非常に小さいか殆どゼロである）。これらはシリコン板からマイクロマシニング技術で一体に形成されている。４０４は、シリコンの酸化膜で形成された反発ばね（上記反発ばね２０に対応）で、走査ミラー枠４００上に走査ミラー４０３から所定距離だけ離れて形成されている。
【００３５】
また、４０５は駆動用電磁コイル、４０６は、走査ミラー４０３の裏面に構成されたバルクの永久磁石であり、回転軸４０１に対して略直角な方向に磁化されている。走査ミラー枠４００と駆動用電磁コイル４０５は基板４１０に図示の様に取り付けられている。こうした構成において、永久磁石４０６は駆動用電磁コイル４０５から電磁力を受けて、走査ミラー４０３に回転振動力を与える。共振モードでは、走査ミラー４０３の固有周波数と等しい周波数の電磁力によって永久磁石４０６は加振され始める。加振力の強度を増やすにつれて回転振動の振幅が大きくなって、やがて走査ミラー４０３は反発ばね４０４に衝突する（図４（ｂ）参照）。衝突を開始してから、その周期Ｔは上記（１）式に従って変化する。したがって、駆動用電磁コイル４０５への駆動電流を制御して、この周波数（1/T）と振幅Ａを徐々に求める周波数に合致させていけば、求める三角波駆動と周波数を得ることができる。  
【００３６】
図４では電磁力による走査ミラーの駆動方法としてムービングマグネット型の例を示したが、勿論、ムービングコイル型でも実現できる。この場合は、外部の固定側にバルクの永久磁石を設け、走査ミラー上に電磁コイルを構成する。また、電磁力に代えて、静電引力による駆動方法を利用することもできる。この場合は、走査ミラーの回転軸の両側に固定・配置された２つの駆動電極に交互に電圧を印加して走査ミラー上の回転軸を挟む電極に交互に静電引力を作用させ、走査ミラーを回転軸の回りで回転振動させる。
【００３７】
また、図４では外部に反発バネ４０４を設けたが、走査ミラー４０３側に反発ばね（ムービングばね）を設けてもよい。上記実施例１によれば、走査ミラーが大偏向角度かつ略三角波形で振動可能な光偏向器を実現できる。
【００３８】
（実施例２）
図５（ａ）は、走査ミラーの利用振幅範囲外に電極を配置して、不感帯を生じさせた実施例２の概念図である。１０は走査ミラーで、その表面側に光反射面を構成している。走査ミラー１０は大きな振幅と長い振動周期を持った固有振動特性を有している。走査ミラー１０には可動電極３０が取り付けられていて、可動電極３０には予め電荷が与えられている。１１は回転軸で、３１は、走査ミラー１０から離れた所定の位置に配置された対向固定電極である。ここでは、両電極３０、３１は共に正に帯電されている。
【００３９】
本実施例でも、走査ミラー１０は、始動時に、その固有振動数と等しい周波数の外力（駆動力）を駆動部（図５（ａ）では不図示）から受けてゆっくりと回転軸１１の回りで中央位置を中心に回転振動し始める。この際も、典型的には、駆動力は、走査ミラー１０が略中央位置を通るタイミングで与えられる。そして、その可動電極３０が、回転振動範囲の両端近くで、対向固定電極３１に近接して復元力を受ける。こうして、回転振動範囲の両端で、走査ミラー１０は急減速して跳ね返され（すなわち、非線形ばね特性と等価のトルク特性に基づき復元力を受け）、これを繰り返して略三角波（略等角速度）の光走査が実現される。図５（ｂ）は、この非線形ばね特性と等価の復元トルク特性を示したグラフである。ここでは、一般にＴ（トルク）∝１／（電極間距離）ｎと考えられるので（ｎ≧２）、可動電極３０が対向固定電極３１に最接近するまでは、トルクは略不感帯となった範囲にある。
【００４０】
ここにおいて、走査ミラー１０の可動電極３０が対向固定電極３１に近接にするにつれて、対向固定電極３１内の電子が電源側に遡って逃げない様にする為に、電荷の形で対向固定電極３１に注入するのも良い。図５（ａ）では駆動部を省略しているが、可動電極３０と対向固定電極３１間の静電力と干渉しないように、静電引力でない駆動方式、例えば、電磁力による駆動方式が望ましい。
【００４１】
図６に、ムービングマグネット型の本実施例の具体的形態の断面図を示す。４００は走査ミラー枠、４０１は回転軸で、ミラー４０３を回転自在に保持している。これらはシリコン板からマイクロマシニング技術で一体に形成されている。６００は、走査ミラー表面に形成された可動電極（上記可動電極３０に対応）である。また、６０１は対向固定電極（上記対向固定電極３１に対応）で、走査ミラー表面から所定の距離を離れて支持部材６１０上に構成されている。可動電極６００には予め電荷（ここでは正の電荷）が与えられている。
【００４２】
さらに、４０５は駆動用電磁コイル、４０６は、走査ミラー４０３の裏面に構成されたバルクの永久磁石である。走査ミラー枠４００と駆動用電磁コイル４０５は基板４１０に図示の様に取り付けられている。こうした構成において、永久磁石４０６が駆動用電磁コイル４０５から電磁力を受けて、走査ミラー４０３に回転振動力が与えられる。走査ミラー４０３は、その固有周波数と等しい周波数の電磁力によって加振され、加振力を増やすにつれて、やがて走査ミラー４０３上の可動電極６００と対向固定電極６０１が近接し可動電極６００が跳ね返される。静電力は大きな非線形性を有しているので、図５（ｂ）の如き不感帯領域を実現できる。ここでも、電極間の反発が開始されてから、その周期Ｔは上記（１）式に近似した式にほぼ従って変化する。したがって、駆動用電磁コイル４０５への駆動電流を制御して、この周波数（1/T）と振幅Ａを徐々に求める周波数に合致させていけば、求める三角波駆動と周波数を得ることができる。
【００４３】
図６ではムービングマグネット型の例を示したが、勿論、ムービングコイル型でも実現できる。この場合は、外部にバルクの永久磁石、走査ミラー側に電磁コイルを構成する。上記実施例２によっても、走査ミラーが大偏向角度かつ略三角波形で振動可能な光偏向器を実現できる。
【００４４】
（実施例３）
図７（ａ）は、走査ミラーの利用振幅範囲のすぐ外側に磁極を配置して、不感帯を持つばね特性と等価のトルク特性を生じさせた実施例３の概念図である。１０は走査ミラーで、その表面側に光反射面を構成している。１１は回転軸で、走査ミラー１０の慣性モーメントに対し、弱い捩り剛性を有している。走査ミラー１０は、大きな振幅と長い振動周期をもって固有共振運動をする。走査ミラー１０には、図７（ａ）に示す如く磁化された固定磁石が取り付けられている。４０はヨークであり、４１は電磁コイルである。ヨーク４０に形成される磁極は、走査ミラー１０の利用振幅範囲のすぐ外側の所定の位置に配されている。本実施例では、ヨーク４０と電磁コイル４１と走査ミラー１０の固定磁石が駆動・復元手段を構成する。
【００４５】
また、４２は光源、４３は光ビーム、４４、４５は、走査ミラー１０の振れ角度幅を検知するための光センサである。走査ミラー１０は、電磁コイル４１の巻かれたヨーク４０による電磁力によって共振しながら始動される。この際、典型的には、電磁力は、走査ミラー１０が回転振動の略中央位置を通るタイミングで与えられる。やがて、光センサ４４、４５によって走査ミラー１０が所定の振れ角度幅になったのが検知された時点で、電磁コイル４１への通電タイミングが切り替えられて、回転振動範囲の端近くで短時間の復元力がヨーク４０の磁極から走査ミラー１０の磁極に与えられる様になる。こうして、その後、走査ミラー１０へ駆動力を与える方法は切り替わって、このヨーク４０の磁極からの復元力ないし反発力によって与えられ、略三角波形の光走査が実現される。図７（ｂ）は、この復元力について、非線形ばね特性と等価のトルク特性を示したグラフである。
【００４６】
図８に、ムービングマグネット型の本実施例の具体的形態を示す斜視図である。４００は走査ミラー枠、４０１は回転軸で、走査ミラー４０３を回転自在に保持している。これらはシリコン板からマイクロマシニング技術で一体に形成されている。７００は、走査ミラー表面から離れた所定の位置に形成された電磁石（上記ヨーク４０に対応する）である。７０１は駆動用電磁コイル（上記電磁コイル４１に対応する）である。７０２はバルクの永久磁石（上記走査ミラー１０上の固定磁石に対応する）で、走査ミラー４０３に構成されている。走査ミラー４０３の動きと共に、電磁石７００に永久磁石７０２が接近したタイミングで、電磁コイル７０１に流す電流が制御されて、電磁石７００と永久磁石７０２が同極性とされて復元力が加えられる。
【００４７】
また、７０３は、走査ミラー４０３の走査角度を検知するために捩り軸（回転軸）４０１の足元に形成されたピエゾ抵抗部である。捩り軸４０１の捩れ応力の変化によってピエゾ抵抗値が変化する原理で、走査ミラー４０３の走査範囲角度を検知することができる。こうした構成において、光偏向器の始動時に、最初の駆動方法で走査ミラー４０３を回転振動せしめ、その後、走査ミラー４０３の回転振動角度のピエゾ抵抗部７０３からの信号に基づいて駆動方法が切り替えられる。この駆動方法では、異なるタイミング（電磁石７００に永久磁石７０２が接近したタイミング）で電磁力が発生されて走査ミラー４０３の回転振動が行われる。
【００４８】
上記走査角度を検知する方法としては、光ビームを用いても良い。また、走査ミラーの下面と、この下面に対向する構造体部分に対向平面電極を配置して、その電気容量の変化を利用して走査角度を検知しても良い。
【００４９】
図９は、静電力の復元力を利用した本実施例の他の具体的な実施形態を示す断面図である。５０２と５０３は、支持基板５１０に取り付けられた対向電極で、所望の空間を保って支持基板５１０上に配置される。本例では、可動電極５０３が走査ミラー４０３の裏面に形成されていて、これに電荷が与えられている。ここでは、対向電極５０２、５０３と可動電極５０３が駆動・復元手段を構成する。
【００５０】
この構成において、始動時には、走査ミラー４０３の固有の捩れ振動数と同じ周波数で電極５０２と５０３に交互の印加電圧が加えられて、低周波数での走査ミラー振動が開始される。この際も、典型的には、静電力は、走査ミラー１０が回転振動の略中央位置を通るタイミングで与えられる。８０１はレーザビーム光源で、８００はレーザビーム、８０２と８０３は、走査ミラー４０３の振幅角度範囲の両端を検知する検知手段である光センサである。走査ミラー４０３が所定の振幅に達したとき、光センサ８０２と８０３の信号に基づいて、走査ミラー４０３の駆動方式が切り替わる。すなわち、可動電極５０３の電荷に対して、対向電極５０２と５０３に大きな復元力となる交互の電圧が異なるタイミングで印加される駆動方式が採られる。その後、上記（１）式に近似した式にほぼ従って、所定の振動周波数に合わせられる。
【００５１】
図１０は、ピエゾ振動素子を用いた本実施例の更に他の具体的な実施形態を示す断面図である。９００は、支持基板５１０に取り付けられたバイモルフ型のピエゾ素子である。走査ミラー４０３がこの素子９００に衝突した瞬間に、走査ミラー４０３に復元力が加えられる。始動時は、別の起動方式、例えば、電磁力を用いる方式や、静電力を用いる方式（図示なし）が採用される。
【００５２】
また、９０１は、永久磁石９０２からの磁界の変化を検知するセンスコイルであり、走査ミラー４０２の振幅角度範囲を検知するためのものである。始動時の駆動手段を、この永久磁石９０２とコイル９０１が兼ねることもできる。この実施形態例では、ピエゾ素子９００と始動時の駆動手段により駆動・復元手段が構成される。
【００５３】
［実施例４］
上記実施例では、可動部材である走査ミラーを捩れ剛性が非常に小さいか殆どゼロである回転軸の回りで回転振動させていたが、可動部材を弾性体からなるカンチレバー式可動部材として、この可動部材を固定端付近の根元部５５０ａの撓みで回転振動させることもできる。根元部５５０ａの厚みを調整して、所望の非線形な復元トルク特性を実現する様にこの撓み剛性を調整してもよい。
【００５４】
図１１は、こうした構成の実施例４の共振型光偏向器を示す断面図である。本実施例を示す図１１において、５５０はカンチレバー式可動部材である走査ミラー、５５６は駆動コイル、５５８は走査ミラー５５０に着けられた磁性体、５５２は基台、５５１は走査ミラー５５０の一端部を固定・支持するスペーサである。この構成では、駆動手段が、走査ミラー５５０と一体に動くように取り付けられた磁性体５５８と、駆動コイル５５６から成る。磁性体５５８が駆動コイル５５６からの磁場に応じて磁化されて駆動コイル５５６から引力を受けたり、駆動コイル５５６への通電が切られて引力が消滅することで、走査ミラー５５０が回転振動させられる。本実施例では、復元手段は、反発ばね５２０と、支持手段の一部を構成する走査ミラー５５０の固定端付近の撓み可能な根元部５５１ａからなる。ここでは、走査ミラー５５０に何も外力が働いていないときに走査ミラー５５０が水平な中央位置を保てる様に、撓み可能な根元部５５１ａは、或る程度の撓み剛性を持つ。したがって、図３の不感帯が完全な不感帯ではなく、若干の傾きを持つ。
【００５５】
本実施例のカンチレバー式走査ミラー５５０の図１１の矢印で示す回転振動は、加振ないし駆動手段である駆動コイル５５６と磁性体５５８により、上記した如く行われる。走査ミラー５５０が、復元手段である反発ばね５２０により略三角波駆動されることは、実施例１で述べた通りである。
【００５６】
この様な固定端付近の根元部５５０ａの撓みを利用したカンチレバー式振動体を用いる実施例４でも、走査ミラーが大偏向角度かつ略三角波形で振動可能な光偏向器を実現できる。
【００５７】
上記実施例では、復元手段または駆動・復元手段が、可動部材の回転振動範囲の両端の近傍に設けられていたが、可動部材の回転振動範囲の一方の端近傍のみにあって、他方の回転振動範囲の端は、例えば、回転軸に一定程度の捩り剛性を持たせて決める様にしてもよい。また、可動部材を中央位置の方向に戻そうとする復元力を発生する復元手段は、必ずしも、可動部材の回転振動範囲の端近くにある必要はなく、例えば、中央位置近くにあってもよい。そして、可動部材が回転振動範囲の端近傍に至るのを検知手段で検知する様にして、ここからの信号に基づいて復元手段が電磁力などを発生して可動部材を中央位置の方向に戻す様にしてもよい。
【００５８】
（実施例５）
図１２は、本発明の光偏向器を用いたレーザビームプリンタの基本的な構成を示す本実施例の模式図である。図１２において、２００２はレーザ光源であり、２００３はレンズ或いはレンズ群であり、２００４は書き込みレンズまたはレンズ群（ｆθレンズを含む）であり、２００６はドラム状感光体（画像表示面）である。２つのレンズ或いはレンズ群２００３、２００４の間には、本発明の共振型走査ミラーを用いた光偏向器２００１が配置されている。この光偏向器２００１では、上記実施例の駆動方式に加えて、回転振動タイミング情報を出力して、レーザ光源２００２の点灯及び変調タイミングの制御、及び感光体２００６の回転駆動の制御を行う。光偏向器２００１は、ドラム状感光体２００６の回転中心と平行な一次元方向に光を走査する光スキャナ装置として機能する。ここにおいて、レーザ光源２００２から射出されたレーザ光は、光走査のタイミングと関係した所定の強度変調を受けており、走査ミラー２００１により略等角速度で偏向され、そしてｆθレンズの存在により略等速度で感光体２００６上を一次元的に走査される。
【００５９】
一方、ドラム状感光体２００６は回転中心の回りで所定の回転速度で回転している。そして、感光体２００６は図示しない帯電器により表面が一様に帯電されている。したがって、光偏向器２００１による走査と感光体２００６の回転とに基づき、走査されたレーザ光は書き込みレンズ２００４により感光体２００６の表面にパターン状に二次元状に入射されることになり、その光入射部分と光非入射部分とで静電潜像が形成される。さらに、図示しない現像器により、感光体２００６の表面の静電潜像に対応したパターンのトナー像が形成され、これを例えば図示しない用紙に転写・定着することで用紙上に可視画像が形成される。
【００６０】
（実施例６）
図１３は、本発明の光偏向器を用いた光学機器であるレーザディスプレイの基本的な構成を示す本実施例の模式図である。図１３において、２００２はレーザ光源であり、２００３はレンズ或いはレンズ群であり、２００４は書き込みレンズまたはレンズ群（ｆθレンズを含む）であり、２００５は投影面（画像表示面）である。２つのレンズ或いはレンズ群２００３、２００４の間には、光偏向器群２００１が配置されている。光偏向器群２００１は、２つの走査ミラー２００１ａ、２００１ｂを備えている。レーザ光源２００２からレンズ或いはレンズ群２００３を経て到来する光は、走査ミラー２００１ａにより第１方向の回りでの偏向作用を受け、走査ミラー２００１ａにより偏向された光は、走査ミラー２００１ｂにより第１方向と直交する第２方向の回りでの偏向作用を受ける。そして、書き込みレンズまたはレンズ群２００４を経て投影面２００５上へと投影されて画像を形成する。２つの走査ミラー２００１ａ、２００１ｂは本発明によるものであり、半導体作製プロセスを用いて作製される。レーザ光源２００２から入射したレーザ光は、光走査のタイミングと関係した所定の強度変調を受けて、２つの走査ミラー２００１ａ、２００１ｂにより略等角速度で２次元的に走査される。
【００６１】
そして、上記した様に、この走査されたレーザ光は書き込みレンズ２００４を経て投影面２００５上に等速度で画像を形成する。周波数追従制御及び振幅制御、回動タイミング情報出力は、水平走査用走査ミラーに対して用いられて、上記実施例と同様の処理が行われる。この結果、水平走査用と垂直走査用の走査ミラーの同期を取ることが可能となり、走査ビームの位置制御が可能となって、高画質な２次元画像を表示することができる。また、複雑な検出部が不要な走査ミラーを画像表示装置に用いられるため、超小型な画像表示装置を実現できる。さらに、高効率なミラー駆動と駆動状態検出を両立できるため、低消費電力の表示装置を実現することができる。
【００６２】
この様に、本発明の光偏向器を用いることで、光走査の線形性が求められる用途、特にレーザプリンタや走査型画像形成装置等において、従来のポリゴンミラーに代えて小型で安価な光走査ユニットを実現できる。
【００６３】
また、現在、マイクロマシンデバイスを用いて光走査を行うレーザビームプリンタ、ヘッドマウントディスプレイ等の走査型画像表示装置の高機能化のために、大偏向角度でかつ三角波形で振動する光偏向器が望まれる状況にある。こうした状況の中で、本発明の光偏向器の三角波形の等角速度走査範囲を利用できれば、例えば、レーザビームプリンタ等にこれを利用した場合、高速で回転するポリゴンミラーを使うことなく、従来のｆθレンズを用いて感光ドラム上で比較的広い範囲の等速光走査が得られる。
【図面の簡単な説明】
【００６４】
【図１】図１は、本発明による非線形ばねに相当する復元手段を用いて略三角波駆動を実現する原理を説明する図である。
【図２】図２（ａ）は従来例を説明する断面図であり、図２（ｂ）は捩りばね特性を示すグラフである。
【図３】図３（ａ）は本発明の実施例１を実施するための構成原理を説明する断面図であり、図３（ｂ）はその復元手段の非線形ばね特性を示すグラフである。
【図４】図４（ａ）は本発明の実施例１を説明する斜視図であり、図４（ｂ）はその断面図である。
【図５】図５（ａ）は本発明の実施例２を実施するための構成原理を説明する断面図であり、図５（ｂ）はその復元手段の非線形ばね特性を示すグラフである。
【図６】図６は本発明の実施例２を説明する断面図である。
【図７】図７（ａ）は本発明の実施例３を実施するための構成原理を説明する断面図であり、図７（ｂ）はその復元手段の非線形ばね特性を示すグラフである。
【図８】図８は電磁力を用いた実施例３を説明する斜視図ある。
【図９】図９は静電力を用いた実施例３を説明する断面図である。
【図１０】図１０は機械力を用いた実施例３を説明する断面図である。
【図１１】図１１はカンチレバー式の可動部材を用いた実施例４を説明する断面図である。
【図１２】図１２は本発明の光偏向器を用いた実施例５の１次元画像形成装置の構成図である。
【図１３】図１３は本発明の光偏向器を用いた実施例６の２次元画像表示装置の構成図である。
【図１４】図１４は従来例のムービングマグネット電磁駆動方式を用いた光偏向器を示す斜視図である。
【図１５】図１５は従来例のムービングコイル電磁駆動方式を用いた光偏向器を示す分解斜視図である。
【符号の説明】
【００６５】
１０、４０３  可動部材（走査ミラー）
１１、４０１  支持手段（回転軸）
２０、４０４  復元手段（反発ばね）
３０、３１、６００、６０１  復元手段（対向電極）
４０、４１、７００、７０１、７０２  駆動・復元手段（ヨーク、電磁コイル、電磁石、永久磁石）
４２、４４、４５、８０１、８０２、８０３  検知手段（光源、光センサ）
４０５、４０６  駆動手段（駆動用電磁コイル、永久磁石）
５０２、５０３  駆動・復元手段（対向電極）
７０３  検知手段（ピエゾ抵抗部）
９００  駆動・復元手段（ピエゾ素子）
９０１、９０２  検知手段（センスコイル、永久磁石）
２００１  本発明の光偏向器
２００２  光源（レーザ光源）
【図１】
2006323001.tif 000003
【図２】
2006323001.tif 000004
【図３】
2006323001.tif 000005
【図４】
2006323001.tif 000006
【図５】
2006323001.tif 000007
【図６】
2006323001.tif 000008
【図７】
2006323001.tif 000009
【図８】
2006323001.tif 000010
【図９】
2006323001.tif 000011
【図１０】
2006323001.tif 000012
【図１１】
2006323001.tif 000013
【図１２】
2006323001.tif 000014
【図１３】
2006323001.tif 000015
【図１４】
2006323001.tif 000016
【図１５】
2006323001.tif 000017