(57)【要約】【課題】小型で駆動効率がよく、大きな角度振幅が得られる光偏向器を提供する。【解決手段】固定ベース４０と、光反射面を有するミラー部１０と、ミラー部を揺動可能に支持する一対の弾性支持部材２０ａ，２０ｂと、それぞれ梁状部材３１ａ，３１ｂに圧電部材３２ａ，３２ｂが固着された一対の駆動梁３０ａ，３０ｂとを備え、弾性支持部材２０ａ，２０ｂの長手方向と駆動梁３０ａ，３０ｂの長手方向とを略直交して配置して、両者を接続し、駆動梁３０ａ，３０ｂの他端は固定ベース４０に固定して、一対の駆動梁３０ａ，３０ｂで、ミラー部１０と一対の弾性支持部材２０ａ，２０ｂとを固定ベース４０に対して片持ち支持する。【選択図】図１
2011018026.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
固定ベースと、光反射面を有するミラー部と、前記ミラー部を揺動可能に支持する一対の弾性支持部材と、梁状部材に圧電部材が固着された一対の駆動梁とを有し、
前記弾性支持部材の長手方向と前記駆動梁の長手方向とが略直交して配置されて、両者が接続され、前記駆動梁の他端は固定ベースに固定されて、一対の前記駆動梁で、前記ミラー部と一対の前記弾性支持部材とが前記固定ベースに対して片持ち支持され、
前記駆動梁が曲げ振動することで、前記弾性支持部材に捻り変形が発生して、前記ミラー部が回転振動することを特徴とする光偏向器。
【請求項２】
前記駆動梁の１次の曲げ変形のモードの固有周波数が、前記弾性支持部材の１次の捻り変形のモードの固有周波数の近傍に設定されていることを特徴とする請求項１記載の光偏向器。
【請求項３】
前記駆動梁の１次の曲げ変形および前記弾性支持部材の１次の曲げ変形を有する第１のモードの固有周波数が、前記弾性支持部材の１次の捻り変形を有する第２のモードの固有周波数よりも低いことを特徴とする請求項１項記載の光偏向器。
【請求項４】
前記ミラー部の重心が、前記弾性支持部材の中心軸に対して、前記駆動梁と前記固定ベースとの接続部側に近接する方向にオフセットされていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項記載の光偏向器。
【請求項５】
前記第２のモードの変形形状において、ミラー部がミラー部中心で回転することを特徴とする請求項４項記載の光偏向器。
【請求項６】
前記駆動梁の１次の曲げ変形および前記弾性支持部材の１次の曲げ変形を有する第１のモードの固有周波数が、前記弾性支持部材の１次の捻り変形を有する第２のモードの固有周波数の近傍にあり、
前記第２のモード形状において、前記ミラー部と前記弾性支持部材との接続点の、前記光反射面と垂直な方向の変形量が、前記駆動梁の可動端の変形量と略等しいことを特徴とする請求項３乃至５のいずれか１項記載の光偏向器。
【請求項７】
前記弾性支持部材と前記駆動梁の接続部分に、前記光反射面と垂直な方向の厚さが部分的に薄くなるように窪みが形成されていることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項記載の光偏向器。
【請求項８】
前記駆動梁のミラー部側の端面が、前記弾性支持部材のミラー部と反対側の端部よりもミラー部側に近接するように、前記駆動梁と前記弾性支持部材の接続部分に切り込みが形成されていることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項記載の光偏向器。
【請求項９】
前記駆動梁のミラー部側の先端部が他の部分より厚く形成されていることを特徴とする請求項８記載の光偏向器。
【請求項１０】
可動枠と、光反射面を有するミラー部と、前記ミラー部を揺動可能に支持する一対の第１の弾性支持部材と、梁状部材に圧電部材が固着された一対の第１の駆動梁と、前記可動枠を揺動可能に支持する一対の第２の弾性支持部材と、梁状部材に圧電部材が固着された一対の第２の駆動梁と、固定ベースとを有し、
前記第１の弾性支持部材の長手方向と前記第１の駆動梁の長手方向とが略直交して配置されて、両者が接続され、前記第１の駆動梁の他端は可動枠に固定されて、一対の前記第１の駆動梁で、前記ミラー部と前記一対の第１の弾性支持部材とが前記可動枠に対して片持ち支持され、
前記第２の弾性支持部材の長手方向と前記第２の駆動梁の長手方向とが略直交して配置されて、両者が接続され、前記第２の駆動梁の他端は固定ベースに固定されて、一対の前記第２の駆動梁で、前記可動枠と一対の前記第２の弾性支持部材とが前記固定ベースに対して片持ち支持され、
前記第１の駆動梁が曲げ振動することで、前記第１の弾性支持部材に捻り変形が発生して、前記ミラー部が第１の方向に回転振動し、
前記第２の駆動梁が曲げ振動することで、前記第２の弾性支持部材に捻り変形が発生して、前記可動枠が回転振動し、前記ミラー部が第２の方向に回転振動することを特徴とする光偏向器。
【請求項１１】
可動枠と、光反射面を有するミラー部と、前記ミラー部を揺動可能に支持する一対の第１の弾性支持部材と、前記可動枠を揺動可能に支持する一対の第２の弾性支持部材と、梁状部材に圧電部材が固着された一対の駆動梁と、固定ベースとを有し、
一対の前記第１の弾性支持部材は、その一端が前記ミラー部に接続され、他端が可動枠に固定されて、前記ミラー部が揺動可能に支持され、
前記第２の弾性支持部材の長手方向と前記駆動梁の長手方向とが略直交して配置されて、両者が接続され、前記駆動梁の他端は固定ベースに固定されて、一対の前記駆動梁で、前記可動枠と一対の前記第２の弾性支持部材とが前記固定ベースに対して片持ち支持され、
一対の前記駆動梁が逆位相で曲げ振動することで、一対の前記第１の弾性支持部材の軸周りに回転振動が発生して、前記ミラー部が第１の方向に回転振動し、
一対の前記振動梁が同位相で曲げ振動することで、前記第２の弾性支持部材に捻り変形が発生して、前記可動枠が回転振動し、前記ミラー部が第２の方向に回転振動することを特徴とする光偏向器。
【請求項１２】
光源と、光源からの光ビームを偏向させる請求項１乃至９のいずれか１項記載の光偏向器と、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ることを特徴とする光走査装置。
【請求項１３】
請求項１２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。
【請求項１４】
光源と、
前記光源からの光ビームを画像信号に応じて変調する変調器と、
前記光ビームを略平行光とするコリメート光学系と、
前記略平行光とされた光ビームを偏向して投影面に投射する請求項１乃至１１のいずれか１項記載の光偏向器とを有することを特徴とする画像投影装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
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、詳しくは圧電力を用いた光偏向器に関し、さらに、この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、この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。
【背景技術】
【０００２】
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。
【０００３】
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。
【０００４】
電磁力を用いた光偏向器は、大きな偏向角を得るためには、永久磁石の磁力を強めるか、コイルの電流を大きくする必要があり、大型化や消費電力の増大を招くこととなる。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、この点からも消費電力が大きくなってしまう。
【０００５】
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。しかし、従来の圧電力を用いた光偏向器には、まだ種々の問題がある。
【０００６】
例えば、特許文献１には、マイクロミラーが揺動可能に支持された枠体全体をバルク圧電素子により加振することで、マイクロミラーを回転振動させる光偏向器が記載されている。しかしながら、バルク圧電素子を使用しているため、加振振幅が小さく、また、小型化が困難で、コストがかかること云う問題がある。
【０００７】
また、特許文献２には、一対の圧電バイモルフの各一端を基体に片持ち梁状に固定し、自由端同士を連結部材で接続し、該連結部材の中央部から圧電バイモルフと平行に延出したねじり変形部材にミラー部を設けた構成の光偏光器が記載されている。この光偏光器では、ねじり変形部は一端を自由端としているので、ねじり変形方向だけではなく曲げ方向にも変形ができ、ミラー部は２軸方向の回転動作が可能になっている。しかしながら、ねじり変形部材は圧電バイモルフと平行に配置されているため、バイモルフの曲げによるモーメントが十分に生かされてない問題がある。また、ねじりと直交する曲げ方向の動作についても、圧電バイモルフの変形量は非常に小さいため、周波数を高くしようとした場合、ねじり部材の剛性を上げると、曲げ方向に変形しにくくなるため、曲げ方向の動作は大きな振幅を得ることが難しい問題がある。
【０００８】
また、特許文献３には、ミラー部の両側に接続されて、ミラー部を揺動可能に支持する一対の弾性支持部材をそれぞれ、圧電材料を梁状弾性部材に張り合わせた一対の駆動梁（カンチレバー）で、該弾性支持部材の軸と直角に固定ベースの両方から支持し、これから一対の駆動梁を互い逆方向に駆動（逆相駆動）することで、ミラー部を回転振動させる光偏向器が記載されている。しかしながら、ミラー部と該ミラー部の支持部材は、その両端がそれぞれ一対の駆動梁で固定ベースの両方向から支持される構成であるため、ミラー部の回転振幅には限界があり、また、一方向の回転振幅に計４個の駆動梁を配置する必要があるため、小型化も困難であり、コスト高になる問題がある。
【０００９】
また、特許文献４には、一対の円弧状に湾曲した板状の変形部材の各一端を固定部に固定し、各他端に支持部材を介してミラー部を支持し、該一対の変形部材を弾性変形することでミラー部を偏向させるようにした光走査装置が記載されている。特許文献４の構造の場合、構造体をポリイミドのような軟らかい材料で形成した場合には比較的大きな振幅角度が得られるが、構造体をシリコンのような材料で形成する場合には、圧電材料の電圧印加による圧電ユニモルフ構造の変形量は非常に小さいため、微小な振幅角度しか得ることが出来ない。また、該文献中の図１７や図１８のような構造は変形を累積し大振幅が得られる反面、寸法が大きくなってしまうため、高速動作には向かない問題がある。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
本発明は、従来の圧電力を用いる光偏向器の上記のような問題を解決し、小型で駆動効率が良く、大きな回転振幅が得られる光偏向器を提供することにある。
【００１１】
また、本発明は、小型で駆動効率がよく、大振幅が得られる光偏向器を用いて、特性の良い光走査装置を提供することにある。
【００１２】
また、本発明は、小型で駆動効率がよく、大振幅が得られる光偏向器を用いた光走査装置を光書込みユニットに用いて、性能の良い画像形成装置を提供することにある。
【００１３】
さらに、本発明は、小型で駆動効率がよく、大振幅が得られる光偏向器を用いて、消費電力が小さく、広画角な投影が得られる画像投影装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
請求項１の発明の光偏向器は、固定ベースと、光反射面を有するミラー部と、前記ミラー部を揺動可能に支持する一対の弾性支持部材と、梁状部材に圧電部材が固着された一対の駆動梁とを有し、前記弾性支持部材の長手方向と前記駆動梁の長手方向とが略直交して配置されて、両者が接続され、前記駆動梁の他端は固定ベースに固定されて、一対の前記駆動梁で、前記ミラー部と一対の前記弾性支持部材とが前記固定ベースに対して片持ち支持され、前記駆動梁が曲げ振動することで、前記弾性支持部材に捻り変形が発生して、前記ミラー部が回転振動することを特徴とする。
【００１５】
請求項２の発明は、請求項１記載の光偏向器において、前記駆動梁の一次の曲げ変形のモードの固有周波数が、前記弾性支持部材の１次の捻り変形のモードの固有周波数の近傍に設定されていることを特徴とする。
【００１６】
請求項３の発明は、請求項１記載の光偏向器において、前記駆動梁の１次の曲げ変形および前記弾性支持部材の１次の曲げ変形を有する第１のモードの固有周波数が、前記弾性支持部材の１次の捻り変形を有する第２のモードの固有周波数よりも低いことを特徴とする。
【００１７】
請求項４の発明は、請求項１乃至３のいずれか１項記載の光偏向器において、前記ミラー部の重心が、前記弾性支持部材の中心軸に対して、前記駆動梁と前記固定ベースとの接続部側に近接する方向にオフセットされていることを特徴とする。
【００１８】
請求項５の発明は、請求項４項記載の光偏向器において、前記第２のモードの変形形状において、ミラー部がミラー部中心で回転することを特徴とする。
【００１９】
請求項６の発明は、請求項３乃至５のいずれか１項記載の光偏向器において、前記駆動梁の１次の曲げ変形及び前記弾性支持部材の１次の曲げ変形を有する第１のモードの固有周波数が、前記弾性支持部材の１次の捻り変形を有する第２のモードの固有周波数の近傍にあり、
前記第２のモードの形状において、前記ミラー部と前記弾性支持部材との接続点の、前記光反射面と垂直な方向の変形量か、前記駆動梁の可動端の変形量と略等しいことを特徴とする。
【００２０】
請求項７の発明は、請求項１乃至６のいずれか１項記載の光偏向器において、前記弾性支持部材と前記駆動梁の接続部分に、前記光反射面と垂直な方向の厚さが部分的に薄くなるように窪みが形成されていることを特徴とする。
【００２１】
請求項８の発明は、請求項１乃至６のいずれか１項記載の光偏向器において、前記駆動梁のミラー部側の端面が、前記弾性支持部材のミラー部と反対側の端部よりもミラー部側に近接するように、前記駆動梁と前記弾性支持部材の接続部分に切り込みが形成されていることを特徴とする。
【００２２】
請求項９の発明は、請求項８記載の光偏向器において、前記駆動梁のミラー部側の先端部が他の部分より厚く形成されていることを特徴とする。
【００２３】
請求項１０の発明の光偏向器は、可動枠と、光反射面を有するミラー部と、前記ミラー部を揺動可能に支持する一対の第１の弾性支持部材と、梁状部材に圧電部材が固着された一対の第１の駆動梁と、前記可動枠を揺動可能に支持する一対の第２の弾性支持部材と、梁状部材に圧電部材が固着された一対の第２の駆動梁と、固定ベースとを有し、前記第１の弾性支持部材の長手方向と前記第１の駆動梁の長手方向とが略直交して配置されて、両者が接続され、前記第１の駆動梁の他端は可動枠に固定されて、一対の前記第１の駆動梁で、前記ミラー部と前記一対の第１の弾性支持部材とが前記可動枠に対して片持ち支持され、前記第２の弾性支持部材の長手方向と前記第２の駆動梁の長手方向とが略直交して配置されて、両者が接続され、前記第２の駆動梁の他端は固定ベースに固定されて、一対の前記第２の駆動梁で、前記可動枠と一対の前記第２の弾性支持部材とが前記固定ベースに対して片持ち支持され、前記第１の駆動梁が曲げ振動することで、前記第１の弾性支持部材に捻り変形が発生して、前記ミラー部が第１の方向に回転振動し、前記第２の駆動梁が曲げ振動することで、前記第２の弾性支持部材に捻り変形が発生して、前記可動枠が回転振動し、前記ミラー部が第２の方向に回転振動することを特徴とする。
【００２４】
請求項１１の発明の光偏向器は、可動枠と、光反射面を有するミラー部と、前記ミラー部を揺動可能に支持する一対の第１の弾性支持部材と、前記可動枠を揺動可能に支持する一対の第２の弾性支持部材と、梁状部材に圧電部材が固着された一対の駆動梁と、固定ベースとを有し、一対の前記第１の弾性支持部材は、その一端が前記ミラー部に接続され、他端が可動枠に固定されて、前記ミラー部が揺動可能に支持され、前記第２の弾性支持部材の長手方向と前記駆動梁の長手方向とが略直交して配置されて、両者が接続され、前記駆動梁の他端は固定ベースに固定されて、一対の前記駆動梁で、前記可動枠と一対の前記第２の弾性支持部材とが前記固定ベースに対して片持ち支持され、一対の前記駆動梁が逆位相で曲げ振動することで、一対の前記第１の弾性支持部材の軸周りに回転振動が発生して、前記ミラー部が第１の方向に回転振動し、一対の前記振動梁が同位相で曲げ振動することで、前記第２の弾性支持部材に捻り変形が発生して、前記可動枠が回転振動し、前記ミラー部が第２の方向に回転振動することを特徴とする。
【００２５】
請求項１２の発明の光走査装置は、光源と、光源からの光ビームを偏向させる請求項１乃至９のいずれか１項記載の光偏向器と、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ることを特徴とする。
【００２６】
請求項１３の発明の画像形成装置は、請求項１２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。
【００２７】
請求項１４の発明の画像投影装置は、光源と、前記光源からの光ビームを画像信号に応じて変調する変調器と、前記光ビームを略平行光とするコリメート光学系と、前記略平行光とされた光ビームを偏向して投影面に投射する請求項１乃至１１のいずれか１項記載の光偏向器とを有することを特徴とする。
【発明の効果】
【００２８】
本発明の光偏向器によれば、駆動梁は、ミラー部と該ミラー部を揺動可能に支持する弾性支持部材を固定ベースに対して片持ち支持する構成であるため、小型で、駆動効率がよく、大きな回転振幅が得られる。具体的には、駆動梁の微小な曲げ振動で、弾性支持部材に大きな捻り変形が発生して、効率よくミラーが回転し、大きな回転振幅が得られる。したがって、本発明の光偏向器を用いて、特性の良い光走査装置を提供でき、該光走査装置を光書込みユニットに用いて、性能の良い画像形成装置を提供することができる。さらに、本発明の光偏向器を用いて、消費電力が小さく、広画角投影が可能な画像投影装置を提供することができる。
なお、本発明の光偏向器のさらなる作用効果は、後述の実施の形態の説明で明らかになる。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】本発明の実施例１の光偏向器の斜視図である。
【図２】図１の光偏向器の平面図である。
【図３】図１の光偏向器の駆動梁の構成を説明する図である。
【図４】図１の光偏向器のミラー部の回転振幅の周波数応答特性を示す図である。
【図５】図１の光偏向器のミラー部の２種類の固有振動モード形状を示す図である。
【図６】本発明の実施例２の光偏向器の斜視図である。
【図７】図６の光偏向器の平面図である。
【図８】図６の光偏向器のミラー部の回転振幅の周波数応答特性を示す図である。
【図９】図６の光偏向器のミラー部の２種類の固有振動モード形状を示す図である。
【図１０】図６の光偏向器の駆動梁の撓み変形とミラー部の回転の関係を説明する図である。
【図１１】本発明の実施例３の光偏向器の斜視図である。
【図１２】図１１の光偏向器のトーションバースプリングと駆動梁の接続部の詳細を示す一部拡大斜視図である。
【図１３】本発明の実施例４の光偏向器の斜視図である。
【図１４】図１３の光偏向器の平面図である。
【図１５】本発明の実施例５の光偏向器の斜視図である。
【図１６】図１５の光偏向器を裏側から見た一部拡大斜視図である。
【図１７】本発明の実施例６の光偏向器の平面図である。
【図１８】図１７の光偏向器のミラー部の回転振幅の周波数応答特性の一例を示す図である。
【図１９】図１７の光偏向器のミラー部の２種類の固有振動モード形状を示す図である。
【図２０】図１７の光偏向器において駆動梁の長さをパラメータとして駆動周波数を変化させたときのミラー回転振幅の周波数応答特性を示す図である。
【図２１】駆動梁の長さとモード２におけるミラー部の回転振幅の関係を示す図である。
【図２２】本発明の光偏向器の実施例７を説明するための概念図である。
【図２３】本発明の光偏向器の実施例８を説明するための概念図である。
【図２４】駆動梁の長さをパラメータとして駆動周波数を変化させたときのトーションバースプリングとミラー接続点と駆動梁先端の相対変位量の周波数応答特性を示す図である。
【図２５】駆動梁の長さをパラメータとしてミラー回転振幅の周波数応答特性を比較した図である。
【図２６】本発明の実施例９の光偏向器の斜視図である。
【図２７】本発明の実施例１０の光偏向器の斜視図である。
【図２８】本発明の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２９】図２８の光装置の光偏向器と駆動手段の接続を示す図である。
【図３０】図２８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全体構成図である。
【図３１】本発明の光偏向器を用いた画像形成装置の一例の全体斜視図である。
【図３２】図３１の画像投影装置を駆動系も含めて示した概略構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００３０】
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。
【実施例１】
【００３１】
図１に、本発明の光偏向器の実施例１の全体斜視図、図２に平面図を示す。図１，図２において、１０は光を反射させる反射面を有するミラー部であり、このミラー部１０の両端には、該ミラー部１０を回転（揺動）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２０ａ，２０ｂが接続されている。なお、実施例１では、ミラー部１０の中心（重心）は、トーションバースプリング２０ａ，２０ｂの中心軸に対して一致させる。このトーションバースプリング２０ａ，２０ｂのミラー部１０と反対側の端部は、該トーションバースプリング２０ａ，２０ｂの長手方向と略直交する向きを長手方向として一対の梁状部材３１ａ，３１ｂの一端と接続されている。この梁状部材３１ａ，３１ｂの他端は固定ベース４０に接続されている。
【００３２】
梁状部材３１ａ，３１ｂは、トーションバースプリング２０ａ，２０ｂの片側にのみ配置されており、この梁状部材３１ａ，３１ｂでミラー部１０とトーションバースプリング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、梁状部材と圧電部材とで、平板短柵状のユニモルフ構造の駆動梁３０ａ，３０ｂを形成している。
【００３３】
例えば、ＭＥＭＳ（micro  electro  mechanical  systems）プロセスによって加工することで、ミラー部１０、トーションバースプリング２０ａ，２０ｂ、駆動梁３０ａ，３０ｂを一体で形成する。ミラー部１０は、シリコン基板の表面にアルミニウムや金などの金属の薄膜を形成することによって反射面を形成する。
【００３４】
ここで、図３により駆動梁の詳細な構成を説明する。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’線部分の断面図である。なお、駆動梁３０ｂも同様の構成であるので、図示は省略する。
【００３５】
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の上に、接着層３３ａ、下部電極３５ａ、圧電材料（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、ランド部３７ａ，３８ａなどの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３３ａの材料はチタン（Ｔｉ）、上部電極３４ａ、下部電極３５ａは白金（Ｐｔ）、圧電材料３２ａはチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）などが使用される。
【００３６】
ランド部３７ａ，３８ａから配線を引き出し、上部電極３４ａと下部電極３５ａの間に電圧を印加すると、圧電材料３２ａは、その電歪特性により、梁状部材３１ａ表面の面内方向に伸縮することで、駆動梁３０ａ全体が反って、曲げ変形する。駆動梁３０ｂについても、圧電部材３２ａと同相の電圧を印加することで、駆動梁３０ｂ全体が、駆動梁３０ａと同一方向に曲げ変形する。駆動梁３０ａ．３０ｂの圧電部材３２ａ，３２ｂに印加する電圧の波形は、パルス波や正弦波などのいずれでもよい。
【００３７】
ここで、図１、図２に示すように、トーションバースプリング２０ａ，２０ｂと駆動梁３０ａ，３０ｂの長手方向が略直交して配置されて接続されていることにより、駆動梁３０ａ，３０ｂの曲げ振動による該駆動梁３０ａ，３０ｂの先端の上下振動がトーションバースプリング２０ａ，２０ｂの捻り中心軸に対して垂直に働くため、駆動梁３０ａ，３０ｂの曲げ振動がトーションバースプリング２０ａ，２０ｂの回転振動（捻り振動）に効率よく変換され、ミラー部１０が大きく回転振動する。また、駆動梁３０ａ，３０ｂはトーションバースプリング２０ａ，２０ｂとミラー部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、ミラー部１０はより大きな角度振幅を得ることができる。さらに、梁状部材３１ａ，３１ｂは、トーションバースプリング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。これらの作用・効果は、以後の各実施例においても基本的に同様である。
【００３８】
図４に、本実施例の光偏向器における駆動梁３０ａ，３０ｂの圧電部材３２ａ，３２ｂへの印加電圧に対するミラー部１０の回転角度の振幅の周波数応答特性を示す。図４において、ａとｂはそれぞれ共振点であるが、ａとｂとでは、ミラー部１０はそれぞれ異なる固有振動モード形状を示す。ここでは、ａの共振点での固有振動モード形状をモード１、ｂの共振点での固有振動モードをモード２と称す。
【００３９】
図５は、図４の周波数応答特性中の共振点ａ，ｂにおけるミラー部１０の固有振動モード形状（モード１、モード２）を示したものである。図５（ａ）に示すように、モード１では、トーションバースプリング２０ａ，２０ｂの曲げ変形が発生し、ミラー部１０全体が図中Ｚ方向に変動する。一方、モード２では、図５（ｂ）に示すように、トーションバースプリング２０ａ，２０ｂの曲げ変形がほとんどなく、トーションバースプリング２０ａ，２０ｂが大きく捻じれて、ミラー部１０はミラー中心近傍で大きく回転する。光偏向器では、ミラー部全体のＺ方向の変動を阻止し、ミラー部１０の中心近傍で回転させる必要があるため、モード２の固有振動モードでの周波数を使用すればよいことが分かる。モード２の固有周波数で、駆動梁３０ａ，３０ｂの圧電部材３２ａ，３２ｂへ印加電圧を与えることによって、ミラー部１０は大きな角度振幅を得ることができ、かつ、ミラー部１０全体のＺ方向の変動を阻止することができる。
【００４０】
具体的には、ミラー部形状（質量）と共振周波数から、トーションバースプリング２０ａ，２０ｂの形状を決定し、駆動梁３０ａ，３０ｂの１次の曲げ変形のモードの固有周波数が、トーションバースプリング２０ａ，２０ｂの１次の捻り変形のモードの固有周波数の近傍に設定する。こうすることで、ミラー部１０は大きな角度振幅で振動する。
【００４１】
なお、先に述べたように、駆動梁３０ａ，３０ｂの圧電部材３２ａ，３２ｂへの印加電圧の波形は、パルス波形でも、正弦波などの波状のいずれでもよく、その周波数がモード１の固有周波数近傍であればよい。
【００４２】
なお、本実施例では、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（図３）、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、またエアロゾルデポジション法（ＡＤ法）で形成しても良い。また、駆動梁は、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としたが、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。これは、以後の各実施例においても同様である。
【実施例２】
【００４３】
図６に本発明の光偏向器の実施例２の全体斜視図、図７に平面図を示す。図６、図７において、図１と図２と同一部分には同一の符号が付与されている。
【００４４】
図７に示すように、実施例２では、ミラー部１０の中心（重心）Ｏが、トーションバースプリング２０ａ，２０ｂと固定ベース４０との接続部に近接する方向に距離ΔＳだけオフセットされている。こうすることで、先の実施例１の場合と比較して、駆動梁３０ａ，３０ｂのたわみ変形を利用してミラー部１０を大きく回転振動させることができる。駆動の仕方は実施例１の場合と同様である。
【００４５】
図８に、本実施例のミラー部１０の重心をオフセットしている構造の場合における、駆動梁３０ａ，３０ｂの圧電部材３２ａ，３２ｂへの印加電圧に対するミラー部１０の回転角度の振幅の周波数応答特性を示す。また、図９に、図８の周波数応答特性中の共振点ａ，ｂにおけるミラー部１０の固有振動モード形状（モード１，モード２）を示す。
【００４６】
本実施例においても、モード２の固有周波数で、駆動梁３０ａ，３０ｂの圧電部材３２ａ，３２ｂへ印加電圧を与えることによって、ミラー部１０は大きな角度振幅を得ることができ、かつ、ミラー部１０全体のＺ方向の変動を阻止することができる。しかも、先の実施例１の場合と比較して、ミラー部１０は、より大きな角度振幅を得ることができる。
【００４７】
図１０は、本実施例のモード２の場合の駆動梁の撓み変形とミラー部の回転の関係を示したものである。トーションバースプリング２０ａ，２０ｂが捩じれるモード２において、ミラー部１０と、トーションバースプリング２０ａ，２０ｂの接続部ｐとミラー部１０の回転中心ｑとの距離ΔＳ、ミラー部１０の回転角度をθとしたとき、駆動梁３０ａ，３０ｂのミラー反射面と垂直方向（Ｚ方向）の撓み変形分ｄがΔＳ・ｓｉｎθとなるように設定することで、ミラー部１０が回転する際に、ミラー部１０の回転中心ｂがＺ方向に変動しない構成とすることができる。また、ミラー部１０の回転中心がミラー部１０の重心Ｏに近くなるため、慣性モーメントが小さくなり、固有周波数を高くすることが可能となる。すなわち、より高速駆動が可能になる。
【００４８】
なお、ミラー部１０の重心とは、トーションバースプリング２０ａ，２０ｂで支持されている回転部全体の重心であり、ミラー裏面のリブ構造なども含めて重心をオフセットしてもよい。ミラー部全体が等質量の場合には、ミラー部１０の中心＝重心である。
【実施例３】
【００４９】
図１１に、本発明の光偏向器の実施例３の全体斜視図を示す。図１１において、図１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とトーションバースプリング２０ａ，２０ｂの接続部分に、ミラー部１０のミラー面と垂直方向（Ｚ方向）の厚さが部分的に小さくなるように、くぼみ５０ａ，５０ｂが形成されている。こうすることによって、駆動梁３０ａ，３０ｂの撓み変形で、トーションバースプリング２０ａ，２０ｂの根元から回転するため、ミラー部１０の回転振幅を更に増大させることができる。
【００５０】
図１２は、駆動梁３０ｂとトーションバースプリング２０ｂの接続部分を拡大して示したものである。図１２に示すように、梁状部材３１ｂとトーションバースプリング２０ｂの接続部分に段差を付けることで、容易に窪み５０ｂを形成することができる。梁状部材３１ａのトーションバースプリング２０ａの接続部分についても同様である。
【００５１】
なお、本実施例においても、ミラー部１０の中心（重心）は、トーションバースプリング２０ｂの２０ａ，２０ｂの中心部に対して、駆動梁３０ａ，３０ｂと固定ベース４０との接続部に近接する方向にオフセットすることでもよく、こうすることによって、ミラー部１０の回転振幅を更に増大させることができる。
【実施例４】
【００５２】
図１３に本発明の光偏向器の実施例４の全体斜視図、図１４に平面図を示す。図１３、図１４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、図１４に示すように、駆動梁３０ａ，３０ｂとトーションバースプリング２０ａ，２０ｂの接続部分に切り込み６０ａ，６０ｂが形成されている。詳しくは、駆動梁３０ａ，３０ｂのミラー部１０側の端部が、トーションバースプリング２０ａ，２０ｂのミラー部１０と反対側の端部よりもミラー部１０側に近接するように、駆動梁３０ａ，３０ｂとトーションバースプリング２０ａ，２０ｂの接続部分に切り込み６０ａ，６０ｂが形成されている。
【００５３】
トーションバースプリング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、トーションバースプリング２０ａ，２０ｂが長いほど、許容変位角度が大きくなる。
【００５４】
本実施例は、トーションバースプリング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、光偏向器全体を更に小型化できる。これにより、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。
【実施例５】
【００５５】
図１５に、本発明の光偏向器の実施例５の全体斜視図を示す。また、図１６に本実施例の光偏向器を裏側から見た一部の拡大斜視図を示す。全体の構成は実施例４と同じであるが、本実施例では、駆動梁３０ａ，３０ｂの先端部（梁状部材３１ａ，３１ｂの先端部）
を一部分だけ厚い形状７０ａ，７０ｂに形成されている。
【００５６】
図１３、図１４に示した実施例４の構成において、駆動梁３０ａ，３０ｂの幅が広くなると、駆動梁３０ａ，３０ｂが捩じれる形となり、トーションバースプリング２０ｂとの接続部から離れた部分の力が伝わらなくなってしまう。本実施例は、これを防ぐようにしたもので、駆動梁３０ａ，３０ｂの先端部を一部分だけ厚くすることで、全ての力を有効に使うことが可能になる。図１６では、駆動梁３０ａ，３０ｂの梁状部材３１ａ，３１ｂの先端部をＬ字状にした例を示したが、要は駆動梁３０ａ，３０ｂの捩じれが防止できれはよく、その形状は何でもよい。
【００５７】
なお、実施例４，５においても、ミラー部１０の中心（重心）は、トーションバースプリング２０ｂの２０ａ，２０ｂの中心部に対して、駆動梁３０ａ，３０ｂと固定ベース４０との接続部に近接する方向にオフセットすることでもよく、こうすることによって、ミラー部１０の回転振幅を増大させることができる。
【実施例６】
【００５８】
図１７に、本発明の光偏向器の実施例６の平面図を示す。全体の構成は、図１、図２と基本的に同じである。図１７において、１０は光を反射させる反射面を有するミラー部であり、このミラー部１０の両端には、該ミラー部１０を回転（揺動）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２０ａ，２０ｂが接続されている。図１７では、図７と同様にミラー部１０の中心（重心）Ｏがオフセットとしている場合を示したが、図１のように、ミラー部１０の中心（重心）Ｏはトーションバースプリング２０ａ，２０ｂの中心軸に対して一致させてもよい。また、ミラー部１０の形状も、図１７に示すような形状とする必要はなく、図１のように円形でもよい。
【００５９】
トーションバースプリング２０ａ，２０ｂのミラー部１０と反対側の端部は、該トーションバースプリング２０ａ，２０ｂの長手方向と略直交する向きを長手方向とする一対の梁状部材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に一体的に接続されている。
【００６０】
梁状部材３１ａ，３１ｂは、固定ベース４０からそれぞれ同一方向に突出するようにトーションバースプリング２０ａ，２０ｂに接続され、且つ、該トーションバースプリング２０ａ，２０ｂの片側にのみ配置されて、該梁状部材３１ａ，３１ｂでミラー部１０とトーションバースプリング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、梁状部材と圧電部材（３１ａと３２ａ、３１ｂと３２ｂ）とで、平板短冊状のユニモルフ構造の駆動梁３０ａ，３０ｂを形成している。駆動梁３０ａ，３０ｂの具体的構成は図３と同様であるため、図示は省略するが、圧電部材３２ａ，３２ｂに設けられた上部電極と下部電極の間に電圧を印加すると、圧電部位３２ａ，３２ｂの電歪特性により体積が変化し、梁状部材３１ａ，３１ｂ表面の面内方向に伸縮することで、駆動梁３０ａ，３０ｂ全体が反って曲げ変形する。
【００６１】
本実施例においても図１、図２と同様に、トーションバースプリング２０ａ，２０ｂと駆動梁３０ａ，３０ｂの長手方向が略直交して配置されて接続されているため、駆動梁３０ａ，３０ｂの曲げ変形で発生する回転力を効率よくトーションバースプリング２０ａ，２０ｂの捻り方向の変形に変換することができる。また、駆動梁３０ａ，３０ｂはトーションバースプリング２０ａ，２０ｂとミラー部１０を片持ちした構造となっているため、駆動梁３０ａ，３０ｂの先端は自由に振動することができ、大きな角度振幅を得ることができる。
【００６２】
後述するように、先の実施例１と本実施例６の相違は、曲げモードと捻りモードの固有周波数の関係にある。
本実施例の光偏向器において、駆動梁３０ａ，３０ｂの圧電部材３２ａ，３２ｂに同相の正弦波を印加して周波数を変化させたときのミラー部１０の回転角度の振幅の周波数応答特性を図１８に示す。図１８において、ａとｂとでは、ミラー部１０はそれぞれ異なる固有振動モード形状を示す。ここでは、ａの共振点での固有振動モード形状をモード１、ｂの共振点での固有振動モードをモード２と称す。
【００６３】
図１９は、図１３の周波数応答特性中の共振点ａ，ｂにおけるミラー部１０の固有振動モード形状（モード１，モード２）を示したものである。図１９（ａ）に示すように、モード１では、振動梁３０ａ，３０ｂの１次の曲げ変形とトーションバースプリング２０ａ，２０ｂの１次の曲げ変形が主体となっており（曲げモード）、ミラー部１０全体が図中Ｚ方向に変動する。一方、モード２では、図１９（ｂ）に示すように、トーションバースプリング２０ａ，２０ｂの捻り変形が主体となっており（捻りモード）、ミラー部１０は図中Ｘ方向周りに大きく回転する。したがって、先の実施例１と同様に実際に利用するのは、ミラー部１０の回転振幅が大きいモード２ということになる。
【００６４】
ここで、モード１とモード２の固有周波数は、構造体の寸法によって変化する。光偏向器としてはミラー部１０の振幅角度が大きい程よいことになるが、本発明者らは、モード１の固有周波数がモード２の固有周波数より低くなる場合において、モード２におけるミラー部１０の振幅角度が特に大きくなることを発見した。
【００６５】
モード１とモード２の固有周波数と構造体の寸法との関係について、更に詳しく説明する。モード１は、駆動梁３０ａ，３０ｂの１次の曲げ変形が主体となっているので、例えば駆動梁３０ａ，３０ｂの長手方向の長さ（以下、単に長さ）を変えることで、モード１の固有周波数だけを変化させることができる。図２０は、駆動梁３０ａ，３０ｂの長さをパラメータとして駆動周波数を変化させたときのミラー部１０の角度振幅の周波数特性を示したものである。また、図２１は図２０の周波数応答特性をもとに、駆動梁３０ａ，３０ｂの長さに対して、利用するモード２におけるミラー部１０の角度振幅がどのように変化するかを示したものである。
【００６６】
図２１によると、駆動梁３０ａ，３０ｂの長さを変化させていくと、所定の長さ以上（図２１では、約８００μｍ以上）では、モード２の角度振幅（共振振幅）が一律に大きな振幅の得られることが分かる。この条件が丁度、モード１の固有周波数がモード２の固有周波数より低くなる場合に相当する。なお、図２１において、駆動梁３０ａ，３０ｂの長さが約８００μｍ以下の領域が、モード１の固有周波数がモード２の固有周波数より大になる領域であり、モード２で大きな振幅が得られない。
【００６７】
先の図１８の周波数応答特性は、駆動梁３０ａ，３０ｂの長さが９００μｍの場合であり、モード１の固有周波数がモード２の固有周波数より低くなっており、ミラー部１０で大きな角度振幅が得られていることが分かる。
【００６８】
このように、本実施例では、駆動梁３０ａ，３０ｂの１次の曲げ変形及びトーションバースプリング２０ａ，２０ｂの１次の曲げ変形が主体のモード１の固有周波数が、トーションバー２０ａ，２０ｂの１次の捻り変形が主体のモード２の固有周波数より低くなるようしているため、モード２の固有周波数の駆動信号を駆動梁３０ａ，３０ｂに与えることによって、小さな駆動電圧でミラー部１０での大きな角度振幅が得られる。なお、振動信号の波形はパルス上でも正弦波でもよく、周波数がモード２の固有周波数近傍であればよい。
【００６９】
また、図１７の構成例では、図７と同様にミラー部１０の中心（重心）が、トーションバースプリング２０の中心軸に対して、駆動梁３０ａ，３０ｂと固定ベース４０との接続部に近接する方向にオフセットされている。これによって、先の実施例２と同様に、より大きな回転力がトーションバースプリング２０ａ，２０ｂに発生し、ミラー部１０の回転角度を更に大きくすることができる。
【００７０】
更に、本実施例でも先の実施例３〜５の構成を利用することが可能である。便宜上、図１７の構成例は実施例４を利用したものである。
【実施例７】
【００７１】
本実施例７の光偏向器の基本構成は、実施例６と同じである。図２２に本実施例７の概念図を示す。
図２２（ａ）は、図１７の構成例におけるモード２の変形形状をｘ軸方向から見た図である。ミラー部１０の中心（重心）がトーションバースプリング２０ａ，２０ｂの中心軸に対して、駆動梁３０ａ，３０ｂと固定ベース４０との接続部に近接する方向にオフセットされている構造の場合、図２２（ａ）に示すように、モード２でのミラー部１０の固有振動モード形状（図１９（ｂ））において、ミラー部１０に並進方向への振動が加わる。図２２（ａ）中、ｐはミラー部１０とトーションバースプリング２０ａ，２０ｂの接続部、ｑがミラー部１０の回転軸中心、ｒがミラー部１０の中心を表している。
【００７２】
図２２（ｂ）は、本実施例７におけるモード２の変形形状をｘ軸方向から見た図である。図２２（ｂ）に示すように、本実施例７では、モード２の変形形状において、ミラー部１０がミラー部の幾何学的中心を中心として回転するように設定することで（ミラー部回転中心ｑをミラー部中心ｒと一致させる）、ミラー部１０が並進方向に振動しないようにする。このようにすることで、該光偏向器を後述の光走査装置に適用した場合、光走査ビームの位置ずれを抑制することができる。また、ミラー部１０の慣性モーメントが最小となり、高速動作が可能になるとともにミラー部１０の振幅角度θを増大させることが可能になる。
【実施例８】
【００７３】
実施例８の光偏向器の基本構成は、実施例６と同じである。ここで、仮に実施例７を適用したとしても、モード２の固有振動モード形状（図１９（ｂ））においては、トーションバースプリング２０ａ，２０ｂには捻りだけでなく、曲げ変形も発生しており、光偏向器の動作時、この曲げ変形による応力によってトーションバースプリング２０ａ，２０ｂが破壊してしまう問題がある。そこで、本実施例では、モード２の固有振動モード形状において、トーションバースプリング２０ａ，２０ｂの曲げ変形をなくした構成を提案するものである。図２３に本実施例５の概念図を示す。
【００７４】
図２３（ａ）は、先の図２２（ｂ）と同じ図である。ここで、モード２の固有振動モード形状では、駆動梁３０ａ，３０ｂの曲げ変形量が大きく、トーションバースプリング２０ａ，２０ｂは捻り変形だけでなく曲げ変形が生じてしまっている。図２３（ａ）において、ｄは駆動梁３０ａ，３０ｂの曲げ変形量（撓み量）、ｚはミラー部１０とトーションバースプリング２０ａ，２０ｂとの接続点の振幅量を示している。
【００７５】
図２３（ｂ）は、本実施例８におけるモード２の変形形状をｘ軸方向からみたものである。このように、本実施例では、モード２の固有振動モード形状において、振動梁３０ａ，３０ｂの曲げ変形量（撓み量）ｄと、ミラー部１０とトーションバースプリング２０ａ，２０ｂとの接続の振幅量ｚが略等しくなるようにする。これにより、トーションバースプリング２０ａ，２０ｂの曲げ変形をなくすことが可能となる。
【００７６】
ここで、本発明者らは、先の実施例６において、駆動梁３０ａ，３０ｂの１次の曲げ変形とトーションバースプリング２０ａ，２０ｂの１次の曲げ変形が主体のモード１の固有周波数が、トーションバースプリングの捻り変形が主体のモード２の固有周波数に略一致する場合に、図２３（ｂ）に示すように、駆動梁３０ａ，３０ｂの曲げ変形量と、ミラー部１０とトーションバースプリング２０ａ，２０ｂとの接続点の振幅量（接続点のミラー反射面と垂直な方向の変形量）とが略等しくなることを見出した。
【００７７】
これについて図２４を用いて詳しく説明する。先に述べたように、モード１は駆動梁３０ａ，３０ｂの１次の曲げ変形が主体になっているので、例えば駆動梁３０ａ，３０ｂの長さを変えることで、モード１の固有周波数だけを変化させることができる。図２４は、駆動梁３０ａ，３０ｂの長さをパラメータとして駆動周波数を変化させたときの、ミラー部１０とトーションバースプリング２０ａ，２０ｂの接続点と、駆動梁３０ａ，３０ｂの可動端の相対変位量の周波数応答特性である。便宜上、図２４では、駆動梁３０ａ，３０ｂの長さが６００μｍ，８００μｍ，９００μｍの場合のみを示している。ここで、駆動梁３０ａ，３０ｂの長さが８００μｍの場合に、図２３（ｂ）のような関係になることが分かる。先の図２０、図２１より、駆動梁３０ａ，３０ｂの長さが８００μｍ近傍でちょうど、モード１の固有周波数とモード２の固有周波数が略一致する。
【００７８】
図２５は、図２４に対応して、図２０から駆動梁３０ａ，３０ｂの長さが６００μｍ，８００μｍ，９００μｍの場合のミラー角度振幅の周波数応答特性のものを抽出して示した図である。図２５（ａ）は、駆動梁３０ａ，３０ｂの長さが６００μｍの場合であり、モード１の固有周波数がモード２の固有周波数より大きくなる。図２５（ｂ）は、駆動梁３０ａ，３０ｂの長さが８００μｍの場合であり、モード１の固有周波数がモード２の固有周波数と略等しくなる。本実施例８は、これに対応する。図２５（ｃ）は、駆動梁３０ａ，３０ｂにの長さが９００μｍの場合であり、モード１の固有周波数がモードの固有周波数より低くなる。先の実施例６は、これに対応する。
【００７９】
ここでは、駆動梁３０ａ，３０ｂの長さを変えてモード１の固有周波数を変化させるようにしたが、トーションバースプリング２０ａ，２０ｂの長さの方を変えてもよく、また、駆動梁３０ａ，３０ｂとトーションバースプリング２０ａ，２０ｂの両方の長さを変えてもよい。このようにして、モード１や２の固有周波数を変えていくことで、モード２の最適な変形形状とすることが可能となる。
【実施例９】
【００８０】
図２６に、本発明の光偏向器の実施例９の全体斜視図を示す。これまで説明した光偏向器は、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。
【００８１】
図２６において、１０は光を反射させる反射面を有するミラー部であり、このミラー部１０の両側には、該ミラー部１０を揺動可能に支持する一対の第１の弾性指示部材としての第１のトーションバースプリング１２０ａ，１２０ｂが接続されている。この第１のトーションバースプリング１２０ａ，１２０ｂのミラー部１０と反対側の端部は、該第１のトーションバースプリング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接続され、第１のトーションバースプリング１２０ａ，１２０ｂの片側にのみ配置され、該駆動梁１３０ａ，１３０ｂでミラー部１０と第１のトーションバースプリング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。
【００８２】
さらに、可動枠１４０の両側には、該可動枠１４０を揺動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スプリング２２０ａ，２２０ｂが接続されている。第２のトーションバースプリング２２０ａ，２２０ｂの可動枠４２と反対側の端部は、第２のトーションバースプリング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接続され、第２のトーションバースプリング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２４０と第２のトーションバースプリング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。
【００８３】
本実施例では、第１の駆動梁１３０ａ，１３０ｂで第１のトーションバースプリング１２０ａ，１２０ｂに振動を与えることで、ミラー部１０を第１のトーションバースプリング１２０ａ，１２０ｂの軸周りに回転させ、第２の駆動梁２３０ａ，２３０ｂで第２のトーションバースプリング２２０ａ，２２０ｂに振動を与えることで、可動枠２４０を第２のトーションバースプリング２２０ａ，２２０ｂの軸周りに回転させ回転させる。ここで、第１のトーションバースプリング１２０ａ，１２０ｂの軸周りの第１の回転方向と第２のトーションバースプリング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、ミラー部１０を２軸方向に大きく回転させることができる。
【実施例１０】
【００８４】
図２７に、本発明の光偏向器の実施例１０の全体斜視図を示す。本実施例の光偏向器も２軸方向に光を偏向するものであるが、実施例９とは構成及び駆動の仕方が異なる。
【００８５】
図２７において、１０は、光を反射させる反射面を有するミラー部であり、このミラー部１０の両側には、該ミラー部１０を揺動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のトーションバースプリング１２０ａ，１２０ｂが接続されている。この第１のトーションバースプリング１２０ａ，１２０ｂのミラー部１０と反対側の端部は、中央に穴が開いている枠状の可動枠１４０の２辺の内部に接続されている。可動枠１４０の他の２辺の外側には、第１のトーションバースプリング１２０ａ，１２０ｂに対して直交する向きを長手方向とする第２のトーションバースプリング（第２の弾性支持部材）２２０ａ，２２０ｂが接続されている。この第２のトーションバースプリング２２０ａ，２２０ｂの可動枠１４０と反対側の端部は、該第２のトーションバースプリング２２０ａ，２２０ｂの長手方向と略直交する向きを長手方向とする駆動梁２３０ａ，２３０ｂが接続されている。この駆動梁２３０ａ，２３０ｂは、固定ベース２４０から同一方向に突出するように接続され、第２のトーションバースプリング２２０ａ，２２０ｂの片側にのみ配置されており、該駆動梁２２０ａ，２２０ｂでミラー部１０と第２のトーションバースプリング２０２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。駆動梁２３０ａ，２３０ｂは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。
【００８６】
本実施例では、駆動梁２３０ａ，２３０ｂで第２のトーションバースプリング２２０ａ，２２０ｂに同相の振動を与えることで、可動枠１４０を第２のトーションバースプリング２２０ａ，２２０ｂの軸周りに回転させる。さらに、駆動梁２３０ａ，２３０ｂで、該第２のトーションバースプリング２２０ａ，２２０ｂの両側それぞれを逆位相で振動させることで、第１のトーションバースプリング１２０ａ，１２０ｂの軸を中心とする回転動作をするようにしている。これによって、ミラー部１０は、第１のトーションバースプリング１２０ａ，１２０ｂの軸周りの第１の回転方向と第２のトーションバースプリング２２０ａ，２２０ｂの軸周りの第２の回転方向に回転する。
【００８７】
具体的に、第１の回転方向と第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、それぞれの周波数成分を含んだ信号で駆動梁２２０ａ，２２０ｂを同相および逆相で駆動することで、ミラー部１０を２軸方向に大きく回転させることができる。本実施例では、実施例９の第１の駆動梁１２０ａ，１２０ｂが不要であり、製作が簡単で低コスト化が可能である。
【実施例１１】
【００８８】
本実施例は、実施例１〜８の１軸方向に光を偏向する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。
【００８９】
図２８に本実施例の光走査装置の全体構成図、図２９に該光走査装置に用いる光偏向器と駆動手段の接続図を示す。
【００９０】
図２８において、レーザ素子１０２０からのレーザ光は、コリメータレンズ系１０２１を経た後、光偏向器１０２２により偏向される。この光偏向器１０２２として、実施例１〜５のいずれかの構成の光偏向器が用いられる。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を経て感光ドラム等のビーム走査面１０２２に照射される。
【００９１】
図２９に示すように、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、光偏向器１０２２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、光偏向器１０２２のミラー部が回転してレーザ光が偏向され、ビーム走査面１０２２上が光走査される。
【００９２】
このように、本発明の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。
【実施例１２】
【００９３】
本実施例は、実施例１１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。
【００９４】
図３０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３０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。
【００９５】
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。
【００９６】
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。
【００９７】
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、これまで説明した本発明の１軸方向にレーザビームを偏向する光偏向器１００２と、この光偏向器１０２２のミラー基板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。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。
【００９８】
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、光偏向器１０２２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、画像形成装置の静粛性の改善に有利である。さらに、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。
【００９９】
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２１では省略されている。
【実施例１３】
【０１００】
本実施例は、実施例９、１０のような２軸方向に光を偏向する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。
【０１０１】
図３１に本実施例の画像投影装置の全体構成図を示す。図３１において、筐体２０００に赤（Ｒ）、緑（Ｇ）、青（Ｂ）の異なる３波長のレーザ光を出射するレーザ光源２００１−Ｒ，２００１−Ｇ，２００１−Ｂが取り付けられ、これらレーザ光源２００１−Ｒ，２００１−Ｇ，２００１−Ｂの出射端近傍には、該レーザ光源２００１−Ｒ，２００１−Ｇ，２００１−Ｂからの出射光を略平行光に集光する集光レンズ２００２−Ｒ，２００２−，００２−Ｂが配置されている。集光レンズ２００２−Ｒ，２００２−，００２−Ｂで略平行になったＲ，Ｇ，Ｂのレーザ光は、ミラー２００３やハーフミラー２００４を経て、合成プリズム２００５によって合成され、光偏向器２００６のミラー面に入射される。光偏向器２００６には、実施例７や８のような２軸方向に光を偏向する構成の光偏向器（二次元反射角度可変ミラー）が使用される。光偏向器２００６のミラー面に入射した合成レーザ光は、光偏向器２００６によって二次元偏向走査されて投影面に投射され、画像を投影する。
【０１０２】
図３２は、本実施例の画像投影装置の制御系も含めた概略構成図である。なお、図３２では、３波長のレーザ光源や集光レンズは一つにまとめて示し、また、ミラー、ハーフミラー、合成プリズムは省略してある。
【０１０３】
画像情報に応じて画像生成部２０１１で画像信号を生成し、この画像信号が変調器２０１２を介して光源駆動回路２０１３に送られると共に、スキャナ駆動回路２０１４に画像同期信号が送られる。スキャナ駆動回路２０１４は、画像同期信号に応じて駆動信号を光偏向器２００６に与える。この駆動信号によって、光偏向器２００６のミラー部１０は、直交した２つの方向に所定角度（例えば１０deg程度）の振幅で共振振動し、入射したレーザ光が二次元偏向走査される。一方、レーザ光源２００１から出射されるレーザ光は、光源駆動回路２０１３により、光偏向器２００６の二次元偏向走査のタイミングに合わせて強度変調されており、これによって、投影面２００７に二次元の画像情報が投影される。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。変調器２０１２は画像信号をパルス幅変調あるいは振幅変調し、この変調された信号を光源駆動回路２０１３によりレーザ光源２００１を駆動できる電流に変調してレーザ光源２００１を駆動する。
【０１０４】
ここで、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、本発明の実施例７、８の構成の光偏向器（二次元反射角度可変ミラー）２００６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、光偏向器２００６のミラー基板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。さらに光偏向器２００６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。
【符号の説明】
【０１０５】
１０    ミラー部
２０ａ，２０ｂ  トーションバースプリング（弾性支持部材）
３０ａ，３０ｂ  駆動梁
３１ａ，３１ｂ  梁状部材
３２ａ，３２ｂ  圧電部材
４０    固定ベース
５０ａ，５０ｂ  窪み部
６０ａ，６０ｂ  切れ込み部
７０ａ，７０ｂ  厚み部
１２０ａ，１２０ｂ  第１のトーションバースプリング
１３０ａ，１３０ｂ  第１の駆動梁
１４０  可動枠
２２０ａ，２２０ｂ  第２のトーションバースプリング
２３０ａ，２３０ｂ  第２の駆動梁（駆動梁）
２４０  固定ベース
【先行技術文献】
【特許文献】
【０１０６】
【特許文献１】特許第３１２９２１９号公報
【特許文献２】特許第３２４６１０６号公報
【特許文献３】特開２００８−０８３６０３号公報
【特許文献４】特開２００４−２５２３３７号公報
【図１】
2011018026.tif 000003
【図２】
2011018026.tif 000004
【図３】
2011018026.tif 000005
【図４】
2011018026.tif 000006
【図５】
2011018026.tif 000007
【図６】
2011018026.tif 000008
【図７】
2011018026.tif 000009
【図８】
2011018026.tif 000010
【図９】
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【図１０】
2011018026.tif 000012
【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
2011018026.tif 000015
【図１４】
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【図１５】
2011018026.tif 000017
【図１６】
2011018026.tif 000018
【図１７】
2011018026.tif 000019
【図１８】
2011018026.tif 000020
【図１９】
2011018026.tif 000021
【図２０】
2011018026.tif 000022
【図２１】
2011018026.tif 000023
【図２２】
2011018026.tif 000024
【図２３】
2011018026.tif 000025
【図２４】
2011018026.tif 000026
【図２５】
2011018026.tif 000027
【図２６】
2011018026.tif 000028
【図２７】
2011018026.tif 000029
【図２８】
2011018026.tif 000030
【図２９】
2011018026.tif 000031
【図３０】
2011018026.tif 000032
【図３１】
2011018026.tif 000033
【図３２】
2011018026.tif 000034