(57)【要約】【課題】光走査部と可変焦点部が一体となった可変焦点型光走査装置において、ミラー部の回動振動と曲率可変動作が干渉せず、安定的な駆動を可能とする可変焦点型光走査装置を提供する。【解決手段】捻り梁と、該捻り梁と同一、或いは接合されている固定部と、前記固定部に接合されている磁石と、前記固定部に接合されている可変焦点ミラーとを備え、前記固定部と前記可変焦点ミラーの間にギャップを有する。ギャップが捻り梁の垂直方向の固定部両端に凸部を設けることで実現されてもよい。【選択図】図１
2019003002.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
捻り梁と、該捻り梁と同一、或いは接合されている固定部と、前記固定部に接合されている磁石と、前記固定部に接合されている可変焦点ミラーとを備え、前記固定部と前記可変焦点ミラーの間にギャップを有することを特徴とする可変焦点型振動素子。
【請求項２】
前記ギャップが捻り梁の垂直方向の固定部両端に凸部を設けることで実現される請求項１に記載の可変焦点型振動素子。
【請求項３】
前記可変焦点ミラーの反射部は梁により支持され、端部の凸部により支持されていることを特徴とする請求項１に記載の可変焦点型振動素子。
【請求項４】
請求項１〜３の何れか１項に記載の可変焦点型振動素子と、前記可変焦点型振動素子の揺動体を振動させる素子駆動部と、前記可変焦点型振動素子の揺動体に設けられる光反射面及び該光反射面に光を照射する光源を備え、前記揺動体による振動に基づいて光を走査させることを特徴とする可変焦点型光走査装置。
【請求項５】
請求項１〜３の何れか１項に記載の可変焦点型振動素子と、前記可変焦点型振動素子の揺動体を振動させる素子駆動部と、前記可変焦点型振動素子の揺動体に設けられる光反射面及び該光反射面に光を照射する光源を備え、前記揺動体による振動に基づいて光を走査させ画像を形成することを特徴とする画像形成装置。
【請求項６】
請求項１〜３の何れか１項に記載の可変焦点型振動素子と、前記可変焦点型振動素子の揺動体を振動させる素子駆動部と、前記可変焦点型振動素子の揺動体に設けられる光反射面及び該光反射面に光を照射する光源を備え、前記揺動体による振動に基づいて光を走査させ画像を投影することを特徴とする画像投影装置。
【請求項７】
請求項１〜３の何れか１項に記載の可変焦点型振動素子と、前記可変焦点型振動素子の揺動体を振動させる素子駆動部と、前記可変焦点型振動素子の揺動体に設けられる光反射面及び該光反射面に光を照射する光源を備え、前記揺動体による振動に基づいて光を走査させ画像を投影することを特徴とする光学パターンの読み取り装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、レーザー光を走査しつつ、焦点距離を可変できる可変焦点型光走査装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、固定部に梁部を介して可動可能に支持された可動部に光学部材を設け、可動部を介して光学部材を稼働させることにより、光走査するような光学装置として、例えば、半導体製造技術を利用して製造するプレーナ型光学装置があり、光学部材として反射ミラーを用いる光反射型と光学部材としてレンズを用いる光透過型がある。
【０００３】
光反射型の一例としては、固定部に、梁部を介して回動可能に可動部を軸支し、可動部の駆動手段として、可動部に設けた駆動コイルと、この駆動コイルに静磁界を作用させる静磁界発生手段で構成し、通電により駆動コイルに発生する磁界と静磁界との相互作用により発生するローレンツ力を利用して、可動部を、梁部を中心として回動させることにより、反射ミラーを回動させ光ビームを走査するものがある（例えば、特許文献１参照）。
【０００４】
ところで、光スキャナや光ディスク装置等の光学機器においては、光学手段で反射又は屈折された光ビームの焦点位置を光軸方向に調整して所定の位置に合わせる必要がある。特許文献２に記載の可変焦点型光走査装置においては、可動部にヒータコイルを兼ねる駆動コイルを設け、駆動電流に重畳して駆動部加熱用のヒータ電流を供給制御して、可動部の変形量を制御して光学部材の焦点距離を可変する構成としている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特許第２７２２３１４号公報
【特許文献２】特開２００６−８４４９５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
上述した特許文献２に記載の可変焦点型光走査装置においては、可動部にヒータコイル若しくは圧電素子を設けることにより、光ビームの焦点位置を、光学部品を設けることなく調整可能としている。この構成において、ミラー面及び焦点距離を可変するためのヒータコイル或いは圧電素子は可動部上に直接、設けられている。このような走査ミラーと曲率変形するミラーを一体化した構成においては、ミラーの回動振動と曲率可変動作が干渉する不具合が生じる。すなわち、ミラーの走査軸方向の曲率変化により捻り梁が撓んで回転時の重心ずれが発生し、光の走査に異常をきたす。また、片持ち梁構成ではミラーが副走査方向に傾き、光軸ずれが発生する。
【０００７】
本発明は上述した事情を鑑み、走査ミラーと可変焦点ミラーを一体化した可変焦点型光走査装置において、ミラーの回動振動と屈曲振動の干渉、すなわち、屈曲振動による重心ずれ或いは光軸ずれを起こさず、安定的な走査及び焦点の可変を可能とする可変焦点型光走査装置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】
【０００８】
上記課題を解決するために本発明の可変焦点型振動素子は、捻り梁と、該捻り梁と同一、或いは接合されている固定部と、前記固定部に接合されている磁石と、前記固定部に接合されている可変焦点ミラーを備え、前記固定部と前記可変焦点ミラーの間にギャップを有することを特徴とする。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、走査ミラーと可変焦点ミラーを一体化した構成においても、走査ミラーを兼ねる可変焦点ミラーは固定部上にギャップを有する状態で支持されているため、ミラーの走査軸方向の曲率変化による、重心ずれが発生せず、安定な駆動を実現できる。また、本発明によれば、片持ち構成においては、走査軸方向の曲率変化によるミラーの傾きを抑制し、光軸ずれを防止できる。加えて、本発明によれば、可変焦点ミラーとは反対側の固定部上に剛直なマグネットなどを配置しても、可変焦点ミラーの屈曲振動は影響を受けないため、走査に必要なパーツを自由に設置できるようになる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】図１は本発明の第１の実施形態における素子の斜視図（ａ）、及び、装置の側面図（ｂ）である。
【図２】図２は本発明の第１の実施形態の効果を示す図である。
【図３】図３は本発明の第１の実施形態の他の構成を示す斜視図である。
【図４】図４は本発明の第２の実施形態における素子の斜視図（ａ）、及び、素子の側面図（ｂ）である。
【図５】図５は本発明の第２の実施形態の効果を示す図である。
【図６】図６は本発明の実施例１を示す平面図である。
【図７】図７は本発明の実施例２を示す平面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下に、図面を参照しながら本発明の実施形態について詳細に説明する。
【００１２】
（第１の実施形態）
図１に、本発明の第１の実施形態である可変焦点型光走査装置１を示す。振動部材１０は捻り梁１０１、及び、１０２と、ミラー部２０及び磁石４０を保持するための固定部１０３から構成される。ミラー部２０はスペーサー１０４、及び、１０５を介して、固定部１０３に固定される。ミラー部２０は可変焦点ミラー部２０３と、それを支持するための支持梁２０１、及び、２０２から構成される。可変焦点ミラー部２０３の表面には必要に応じて反射膜が形成される。また、固定部１０３の背面には磁石４０が配置され、駆動回路６１からの電気信号に基づいて、駆動コイル５０から発生する磁界によって捻り梁１０１、及び、１０２には捻りの振動が誘起される。捻り梁１０１、及び、１０２の捻り振動により可変焦点ミラー部２０３が回転振動することで、可変焦点ミラー部２０３に入射されたレーザー光が捻り梁の垂直方向に走査される。
【００１３】
可変焦点ミラー部２０３の背面には圧電素子３０が配置され、駆動回路６１からの電気信号により伸縮して可変焦点ミラー部２０３には曲げ変形が誘起される。この圧電素子３０による曲げ変形によりミラーの曲率が変化することで、ある位置に焦点を持つ入射レーザー光の焦点距離が変化し、可変焦点ミラーとして機能する。ミラー部２０は固定部１０３に、スペーサー部１０４、及び、１０５を介し、配置され、可変焦点ミラー部２０３は、捻り梁１０１、及び、１０２に対して垂直方向の支持梁２０１、及び、２０２により支持される。
【００１４】
図２（ａ）のように、圧電素子が固定部に直接、設けられている構成においては、ミラー部の屈曲振動が誘起されると、圧電素子と直接、接触している固定部に応力がかかり、捻り梁が撓み、振動部材１０の重心が移動する。これにより、振動部材１０が異常振動を起こし、正常な光走査が出来なくなる。一方、本実施形態の構成においては、ミラー部２０及び圧電素子３０はスペーサーを介し、固定部に固定されている。そのため、可変焦点ミラー部２０３の曲げ振動が誘起された場合でも、固定部１０３を介し、捻り梁１０１、及び、１０２に走査軸方向の応力が働かないため、振動部材の重心は変動せず、捻り梁１０１、及び、１０２に撓み振動が誘起されるのを防ぐことが出来る（図２（ｂ））。また、ミラー設置面と反対側の固定部に剛直なマグネットなど、他の部材を配置しても、可変焦点ミラーの屈曲振動の阻害要因とはならないため、走査駆動に必要なパーツを自由に配置できるという効果もある。
【００１５】
振動部材１０は必ずしも一体構造である必要はないが、接合部の耐久性や製造工程の簡略化、低コスト化の観点から一体構造が望ましい。振動部材１０は金属材料やシリコンウエハの他、セラミック基板などからなり、エッチングやプレス加工、レーザー加工、ワイヤ放電加工等で形成できるが、耐衝撃性の観点から容易には破断しない金属材料が好ましく、繰り返し耐久性の高いＳＵＳ３０１やＳＵＳ６３１等のステンレスや銅合金、Ｃｏ-Ｎｉ合金などが好ましい。その中でも、セイコーインスツル社製ＳＰＲＯＮ５１０に代表されるＣｏ-Ｎｉ合金は特に疲労限界が高く、繰り返しの捻り応力及び曲げ応力が加わる本発明の光走査装置には好適に用いられる。
【００１６】
スペーサー部１０４、及び、１０５の材質は特に限定されるものではなく、金属材料やシリコン、セラミック基板、プラスチック、ゴムなどを使用できる。スペーサー部に固定部、及びミラー部より柔軟な材料を使用することで、ミラー屈曲時に発生する応力を吸収し、固定部を介して捻り梁にかかる応力を低減することができる。また、スペーサー部と固定部を一体化することも可能である。
【００１７】
ミラー部２０として、シリコンウエハ、金属、ガラスが使用され、必要に応じて、可変焦点ミラー部２０３上に反射膜が形成される。
【００１８】
反射膜は、Ａｕ、Ａｇ、Ａｌ等の蒸着膜で形成され、必要に応じて保護膜や増反射膜が形成される。
【００１９】
磁石４０の材質は特に限定されるものではないが、捻り振動に関わる慣性モーメントを小さくするためにできるだけ小型で磁力の強いものが好ましく、磁力の強いＮｄ-Ｆｅ-Ｂ系磁石やＳｍ-Ｃｏ系磁石等や、小型化が可能な加工性に優れたＦｅ-Ｃｒ-Ｃｏ系磁石などが好適に用いられる。
【００２０】
圧電素子３０は、変位量の大きいチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）が好ましいが、特に限定されるものではなく、チタン酸バリウム、チタン酸鉛、ニオブ酸鉛、酸化亜鉛、ニオブ酸ナトリウム・カリウム等、圧電特性を有する材料であれば良い。圧電素子３０は焼結体の素子の接着や直接成膜によって形成することが可能であり、接着部への耐久性を考慮すると可変焦点ミラー部２０３への直接成膜が好ましい。その中でも、成膜レートが高く、膜質の良い厚膜形成が容易なエアロゾルディポジション法やガスデポジション法を用いるのが好ましい。圧電材料にＰＺＴを用い、ミラー部材として金属材料を用いる場合には、圧電特性を向上させるために、鉛の拡散を防止する中間層の形成、及び、熱処理温度をできるだけ高くするために、金属材料として耐熱性の高い材料を用いるのが好ましい。
【００２１】
図３は本発明の第１の実施形態の他の構成例であり、可変焦点ミラー部を支持する梁を、ミラー方向から見て、捻り梁と重ねた構成にしたものである。可変焦点ミラー部を支持する梁を、捻り梁と重ねる構成とすることで、走査時のミラーの動撓みによる可変焦点ミラーの位置ズレを低減することが可能である。
【００２２】
図１の構成以外にも、固定部にコイルパターンを形成して外部に磁石を配置することで、ムービングコイル方式の駆動により固定部の回動振動を誘起することも可能である。また、上記図１及び図３の構成は固定部を両側で支持したものであるが、捻り梁を固定部の片側に設けた片側支持の構成であっても本発明の効果は同様であり、加えて、片側支持の構成においては、屈曲時に、ミラーが副走査方向に傾き、発生する、光軸ずれを抑制することが出来る。
【００２３】
（第２の実施形態）
次に、図４を参照して本発明の第２の実施形態について説明する。
図４の構成は図１のそれと、スペーサーの位置及びミラー形状の点で異なり、スペーサーは捻り梁の垂直方向の両端２カ所に配置され、その２カ所を介し、支持梁を有しないミラーが、固定部に固定されている。図４のように、ミラーを両側２カ所のスペーサーを介し、固定することにより、捻り梁の走査軸方向の屈曲により発生する応力を、固定部に伝達させず、捻り梁の撓みを防止することが可能である。それにより、回動振動と屈曲振動が干渉せず、安定な走査が可能となる（図５）。
【００２４】
（実施例）
次に、本発明の可変焦点型光走査装置を用いた光学パターンの読み取り装置の実施例を説明する。
【００２５】
（実施例１）
図６は本発明の可変焦点型光走査装置を利用した光学パターン読み取り装置の実施例であり、光走査装置として図１の光走査装置１の構成を用いている。振動部材１０にはＣｏ-Ｎｉ-Ｃｒ-Ｍｏ合金のＳＰＲＯＮ５１０（セイコーインスツル製）が用いられ、ワイヤーカット加工で形成されている。裏面の圧電素子３０にはエアロゾルデポジション法で成膜したＰＺＴ膜が用いられている。光学パターン読み取り装置４は、レーザー光源７０から図示していないコリメータレンズを通して射出されたレーザー光が、光走査装置１により走査面の距離を変えながら走査され、バーコード７１からの散乱光が集光レンズ７２を通してフォトセンサ７３で検出される構成になっている。フォトセンサ７３の出力の時系列変化からバーコード７１の読み取り信号を検出し、デコード出力を行う。本実施例の光学パターン読み取り装置は、本発明の光走査装置を用いているため、バーコードとの距離が変化しても、分解能を落とさず、検出することが可能であり、且つ、小型化も可能である。
【００２６】
次に、本発明の可変焦点型光走査装置を用いた画像形成装置の実施例を説明する。
【００２７】
（実施例２）
図７は本発明の可変焦点型光学走査装置を利用した画像形成装置の実施例であり、光走査装置として図１の光走査装置１の構成を用いている。振動部材１０にはＣｏ-Ｎｉ-Ｃｒ-Ｍｏ合金のＳＰＲＯＮ５１０（セイコーインスツル製）が用いられ、ワイヤーカット加工で形成されている。裏面の圧電素子３０にはエアロゾルデポジション法で成膜したＰＺＴ膜が用いられている。画像形成装置５は、画像情報に対応したパルス状のレーザー光を発信するレーザー光源７０から、図示していないコリメータレンズを通して射出されたレーザー光が、光走査装置１により走査され、感光ドラム８０１に画像情報に対応した静電潜像を形成する構成になっている。駆動回転する感光ドラム８０１の外周面にはレーザー光源７０からのレーザー光が可変焦点型光走査装置１を介して照射され、感光ドラム８０１の回転軸線と平行な方向にレーザー光が走査移動する。
【００２８】
制御装置８０２は、走査されたレーザー光を検出する一対のＢＤセンサ８０３を備えるとともに、検出信号に基づいて制御信号を出力し、可変焦点型光走査装置１の光反射面の振れ角が感光ドラム８０１の表面の所定範囲内に収まるように、一対のＢＤセンサ８０３からの検出信号に基づいて可変焦点型光走査装置１の出力をフィードバック制御する。これら感光ドラム８０１及び露光部以外に、周知の給紙部、帯電部、トナー供給部、転写部、定着部、紙搬送部（いずれも図示せず）などを備えている。本発明の可変焦点型光走査装置を用いることで、反射したレーザー光をｆθレンズに透過させる必要がなくなり、小型化及び低コスト化が可能となる。
【符号の説明】
【００２９】
１,２,３  可変焦点型光走査装置
４  光学パターン読み取り装置
５  画像形成装置
１０  振動部材
１０１,１０２  捻り梁
１０３  固定部
１０４,１０５  スペーサー
２０  ミラー部
２０１,２０２  支持梁
２０３  可変焦点ミラー部
３０  圧電素子
４０  磁石
５０  駆動コイル
６０,６１,６２,６３  駆動回路
７０  レーザー光源
７１  バーコード
７２  集光レンズ
７３  フォトセンサ
７４  信号処理回路
７６  デコーダー
８０１  感光ドラム
８０２  制御装置
８０３  ＢＤセンサ
【図１】
2019003002.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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