(57)【要約】【課題】断線などの不良が生じ難く、信頼性の高い曲率可変機構を有する振動素子を提供する。【解決手段】圧電材４０１は第１電極５０１が形成された第１面と第２電極５０２が形成された第２面とを有する。導電性部材２０１は第１電極５０１に結合し、導電性の第１の捻り梁部材１０１が導電性部材２０１に結合している。配線２０２は第２電極５０２に結合している。ミラー部材３０１は溝３０２を有し、溝３０２に導電性部材２０１の少なくとも一部が収容されている。ミラー部材３０１の曲率は圧電材４０１の変形に伴って変化する。【選択図】図１Ｂ
2015210449.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１電極が形成された第１面と第２電極が形成された第２面とを有する圧電材と、
前記第１電極に結合した導電性部材と、
前記導電性部材に結合した導電性の捻り梁と、
前記圧電材の変形に伴って曲率が変化するミラー部材と
を有し、
前記ミラー部材は、前記導電性部材を収容する溝を有し、当該溝に収容された前記導電性部材を前記圧電材とともに挟持するように当該圧電材に固定されていることを特徴とする振動素子。
【請求項２】
前記導電性部材のヤング率は、前記ミラー部材のヤング率と同等または前記ミラー部材のヤング率未満であることを特徴とする請求項１に記載の振動素子。
【請求項３】
前記第２電極には配線が接続されていることを特徴とする請求項１または２に記載の振動素子。
【請求項４】
前記圧電材の前記第２面の側には磁石が固定されていることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１項に記載の振動素子。
【請求項５】
前記捻り梁は、第１の捻り梁部材と第２の捻り梁部材とを有し、前記第１の捻り梁部材と前記第２の捻り梁部材は前記導電性部材を両持ち支持していることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１項に記載の振動素子。
【請求項６】
前記導電性部材を保持する導電性の第１の保持部を介して前記第１の捻り梁部材が前記導電性部材に結合していることを特徴とする請求項５に記載の振動素子。
【請求項７】
前記第１の保持部は、前記振動素子の回動軸に対して対称となる２箇所において前記導電性部材を保持していることを特徴とする請求項６に記載の振動素子。
【請求項８】
前記第１の保持部を挟むように２つの磁石が固定されていることを特徴とする請求項６または７に記載の振動素子。
【請求項９】
前記導電性部材を保持する導電性の第２の保持部を介して前記第２の捻り梁部材が前記導電性部材に結合していることを特徴とする請求項５ないし８のいずれか１項に記載の振動素子。
【請求項１０】
前記第２の保持部は、前記振動素子の回動軸に対して対称となる２箇所において前記導電性部材を保持していることを特徴とする請求項９に記載の振動素子。
【請求項１１】
前記第２の保持部を挟むように２つの磁石が固定されていることを特徴とする請求項９または１０に記載の振動素子。
【請求項１２】
前記導電性部材は厚みが一定の平板であることを特徴とする請求項１ないし１１のいずれか１項に記載の振動素子。
【請求項１３】
前記導電性部材は複数のフレームを有していることを特徴とする請求項１ないし５のいずれか１項に記載の振動素子。
【請求項１４】
前記複数のフレームのうち前記溝に収容される少なくとも２本のフレームが交差していることを特徴とする請求項１３に記載の振動素子。
【請求項１５】
前記第１の捻り梁部材と前記第２の捻り梁部材は線材により形成されており、前記導電性部材は当該線材に形成された平坦部であることを特徴とする請求項５に記載の振動素子。
【請求項１６】
請求項１ないし１５のいずれか１項に記載された振動素子と、
前記振動素子の捻り梁を介して前記圧電材に駆動信号を供給する駆動回路と、
前記振動素子のミラー部を揺動させる磁界を発生する磁界発生部と
を有し、光源からの光を前記ミラー部により走査することを特徴とする光走査装置。
【請求項１７】
前記駆動回路は、前記ミラー部の回転振動周波数の２倍の周波数の信号と４倍の周波数の信号とを重畳して前記駆動信号を生成することを特徴とする請求項１６に記載の光走査装置。
【請求項１８】
前記ミラー部の回転角は±２０度以上であることを特徴とする請求項１６または１７に記載の光走査装置。
【請求項１９】
請求項１６ないし１８のいずれか１項に記載の光走査装置を備え、当該光走査装置によって走査された光によってスクリーンに画像を投影することを特徴とする画像投影装置。
【請求項２０】
請求項１６ないし１８のいずれか１項に記載の光走査装置と像担持体とを備え、当該光走査装置によって走査された光によって当該像担持体に画像を形成することを特徴とする画像形成装置。
【請求項２１】
請求項１６ないし１８のいずれか１項に記載の光走査装置を備えたことを特徴とする光学パターン読み取り装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光の走査などに用いられる振動素子およびそれを用いた、光走査装置、画像形成装置、画像投影装置および光学パターン読み取り装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）タイプの振動素子が実用化され、レーザービームプリンターやレーザープロジェクターなどに応用されている。振動素子は、ミラーをトーションバー（捻り梁）で支持するように構成された振動子を有しており、ミラーの慣性モーメントと捻り梁のばね定数で決まる共振周波数の近傍の駆動周波数で駆動される。このような振動素子を用いた光走査装置では、レーザー光のビームウエストが走査角に依らずに所定の投射面上に位置するように、走査角に応じて焦点距離を補正するアークサインレンズなどの光学系が必要となる。
【０００３】
焦点距離の補正は可変焦点ミラーによっても実現できる。特許文献１によれば、光走査装置の光学系に可変焦点ミラーを配置してビームウエストの走査位置を変更できる光学的情報読み取り装置が提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平０７−１２１６４５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
アークサインレンズなどの光学系に代えて可変焦点ミラーを配置すれば、焦点距離の補正に係わる光学部品を簡素化できるであろう。しかし、単純に可変焦点ミラーを配置したのでは光走査装置が大型化してしまう。
【０００６】
光走査装置の小型化のためには走査ミラーと可変焦点ミラーを一体化することが考えられる。つまり、振動素子の捻り梁で支持されたミラー自体を焦点可変ミラーとするのである。しかしこれには次のような課題がある。
【０００７】
捻り梁で支持されたミラーを焦点可変ミラーとするには、ミラーを変形させるために圧電素子などの駆動源をミラー部材の背面や周囲に配置する必要がある。さらに、圧電素子を駆動するためには振動素子の外部から駆動源に電力を供給するための配線が必要となる。しかし、ワイヤーを用いた配線などではミラーの高速振動により断線や結合部の剥離の問題が生じる。一方で、捻り梁に導電層を形成することで配線を実現することも考えられる。しかし、捻り梁には振動時に最大応力が加わるため、とりわけ捻り梁の単位長さ当りの捻り角が大きい用途では導電層の膜剥がれが生じうる。広い走査角が必要な場合は捻り梁を長くする必要があり、振動素子の小型化が必要な場合には走査角を狭くする必要がある。つまり、広角走査と小型化を両立できないという課題がある。また、表面に配線層が形成された捻り梁では、最も変形量の大きい表面に内部摩擦の大きい層があることによって振動のＱ値が低下したり、膜応力による捻り梁の変形で異常振動が発生したりする可能性がある。Ｑ値の低下は消費電力の増大や走査角の低下を招く。異常振動は光の走査速度の変動や焦点の副走査方向への変動などを招き、たとえ可変ミラーの曲率を圧電素子により精密に制御したとしても、走査光のビームウエストを投射面上の所定の位置に正確に形成することができない。
【０００８】
ところで、振動素子を金属材料で構成し、振動素子に圧電素子やミラー部材を固定した場合、振動体の質量が非常に大きくなる。ミラー部は、密度の高い金属材料で構成されるからである。このため、撓み振動モードの共振周波数が下がって外部からの衝撃などにより走査線が副走査方向へ変動してしまう。この現象は捻り梁の撓み剛性が低い場合に起きやすい。振動体の質量が大きくなると捻り梁の撓みが大きくなり、異常振動が発生しうる。さらに、振動体の慣性モーメントも増大するため、捻り梁への応力負荷が増大し、耐久性が低下する。
【０００９】
そこで、本発明は、反射ビームに歪みが生じにくい曲率可変機構を有する振動素子を提供する。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明は、たとえば、
第１電極が形成された第１面と第２電極が形成された第２面とを有する圧電材と、
前記第１電極に結合した第１の導電性部材と、
前記第１の導電性部材に結合した導電性の第１の捻り梁と、
前記第２電極に結合した第２の導電性部材と、
前記第２の導電性部材に結合した導電性の第２の捻り梁と、
前記圧電材とともに前記第１の導電性部材を挟持するように当該圧電材に対して固定され、当該圧電材の変形に伴って曲率が変化するミラー部材と
を有することを特徴とする振動素子を提供する。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、２本の捻り梁自体を導電性材料により形成することで、断線などの不良が生じ難く、かつ、信頼性の高い曲率可変機構を有する振動素子が提供される。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１Ａ】振動素子の一例を示す斜視図である。
【図１Ｂ】振動素子の構成部品の一例を示す構成図である。
【図２】振動素子の一例示す斜視図および構成図である。
【図３】振動素子の一例を示す斜視図および構成図である。
【図４】振動素子の一例の変形状態を示す斜視図である。
【図５】振動素子の一例を示す斜視図および構成図である。
【図６】光走査装置の動作を説明する平面図である。
【図７】光走査装置の駆動信号を示すグラフ図である。
【図８】光走査装置の動作を説明する平面図である。
【図９】光走査装置の動作を説明するグラフ図である。
【図１０】光走査装置の動作を説明するグラフ図である。
【図１１】画像形成装置の一例を示す平面図である。
【図１２】画像投影装置の一例を示す平面図である。
【図１３】光学パターン読み取り装置の一例を示す平面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
［光走査装置］
図１Ａは光走査装置１を例示している。図１Ｂは振動素子１１の構成を例示している。振動素子１１は、振動部２１とそれを揺動（回転振動）可能に支持する導電性を有する第１の捻り梁部材１０１と第２の捻り梁部材１０２とを有している。第１の捻り梁部材１０１と第２の捻り梁部材１０２とが、導電性部材に結合した導電性の捻り梁として機能する。振動部２１は、導電性部材２０１、圧電材４０１、ミラー部材３０１および磁石６０１を有している。導電性部材２０１は、たとえば、平板状の導電性部材２０１であり、ミラー部材３０１に形成された溝３０２に収容される。この例では、導電性部材２０１のＸＹＺ方向の各寸法と溝３０２の各寸法はほぼ同じであるが、溝３０２の各寸法は導電性部材２０１を収容できる程度の遊びが存在する。図１Ｂが示すように、導電性部材２０１のＸ方向の幅は、第１の捻り梁部材１０１と第２の捻り梁部材１０２のＸ方向の幅よりも広いが、ミラー部材３０１のＸ方向の幅よりは狭い。導電性部材２０１のＸ方向の幅を、第１の捻り梁部材１０１と第２の捻り梁部材１０２のＹ方向の幅よりも広くすることで、導電性部材２０１をミラー部材３０１にしっかりと固定しやすくなる。また、導電性部材２０１のＸ方向の幅をミラー部材３０１のＸ方向の幅よりは狭くすることで、導電性部材２０１の質量を小さくすることが可能となる。とりわけ、ミラー部材３０１の全面を導電性部材２０１で保持する場合に比べて大幅に質量を削減できる。ミラー部材３０１と導電性部材２０１は圧電材４０１の第１面側に固定される。ミラー部材３０１の第２面側には磁石６０１が固定される。第１の捻り梁部材１０１および第２の捻り梁部材１０２の各端部（基端部）は不図示の筐体に固定される。第１の捻り梁部材１０１および第２の捻り梁部材１０２の他方の各端部（先端部）はそれぞれ導電性部材２０１に結合、接合、接続または固定されている。第１の捻り梁部材１０１および第２の捻り梁部材１０２の捻り変形によって振動部２１のミラー部材３０１の反射方向が変化し、光走査が行われる。振動部２１の近傍には磁界発生部７００が配置され、駆動回路８０１からの駆動信号に基づいて発生した交番磁界により第１の磁石６０１および第２の磁石６０２に回転トルクが生じ、振動部２１に回転振動が励起される。第１の捻り梁部材１０１および第２の捻り梁部材１０２は導電性部材２０１に配線等を介さずに電気的に接続されている。圧電材４０１の第１面には第１の電極５０１が形成されており、第１の電極５０１に対して導電性部材２０１が電気的に結合している。圧電材４０１の第２面には第２の電極５０２が形成されており、第２の電極５０２に対して配線２０２が結合している。振動素子１１の回動軸に対して、第１の捻り梁部材１０１の長手方向に延びる中心線と、第２の捻り梁部材１０２の長手方向に延びる中心線とが一致している。第１の捻り梁部材１０１および配線２０２は電力を供給する駆動回路８０２に接続されている。第１の捻り梁部材１０１は駆動回路８０２から供給される駆動信号を導電性部材２０１を介して圧電材４０１の第１の電極５０１に供給する。配線２０２は駆動回路８０２から供給される駆動信号を第２の電極５０２に供給する。これにより圧電材４０１の第１の電極５０１と第２の電極５０２の間に電界が生じ、圧電材４０１が電界に応じて伸縮して導電性部材２０１とミラー部材３０１に変形を生じさせる。このように圧電材４０１とミラー部材３０１を有する振動部２１は曲率可変ミラーとして機能する。駆動回路８０２からの駆動信号の大きさによってミラー部材３０１の曲率が制御され、走査光の焦点位置が補正される。これにより、ビームウエストの位置が照射対象位置に合致するようになる。
【００１４】
図２（ａ）は、溝３０２が形成されたミラー部材３０１およびその溝３０２に収納される導電性部材２０１のヤング率と圧電材４０１の伸縮による曲率変化の関係の一例を示している。厚さ（Ｙ方向の長さ）が０．１ｍｍの圧電材４０１の上には、厚さｔ（＝０．０５〜０．４ｍｍ）でヤング率Ｅａの導電性部材２０１と、同じ厚さｔでヤング率１９０ＧＰａのミラー部材３０１を重ねられている。曲率（１／Ｒ）はミラー部材３０１の溝３０２が形成されていない厚さ２ｔの部分の曲率を基準とした変化量で表されている。ミラー部材３０１としてシリコンウエハが採用されている。導電性部材２０１として各種の金属材料が用いられる。導電性部材２０１のヤング率Ｅａがミラー部材３０１と同じ１９０ＭＰａであるときには、導電性部材２０１の収納された溝３０２の部分に位置的に対応したミラーの曲率は溝３０２が形成されていない部分の曲率と同じである。よって、ミラー部材３０１の全体にわたって曲率分布は一様になる。
【００１５】
しかし、導電性部材２０１のヤング率Ｅａがミラー部材３０１のヤング率からずれるにしたがって溝３０２の部分の曲率とその周囲の部分の曲率とで差が大きくなり、ミラー部材３０１の曲率分布が一様ではなくなる。このような場合には、反射光のビーム形状に歪が生じるようになる。
【００１６】
よって、ミラー部材３０１とそれに形成された溝３０２に収納される導電性部材２０１とは同等のヤング率を有するのが好ましい。各部材の厚さにも依存するが、一般に、ミラー部材３０１のヤング率と導電性部材２０１のヤング率との差が１０％程度であれば、良好な曲率分布が得られる。
【００１７】
導電性部材２０１を接着剤等の樹脂材料で溝３０２に接着する場合には曲率が接着層の影響を受けることがある。樹脂材料のヤング率が低い場合、溝３０２に位置的に対応したミラー部分における導電性部材２０１のヤング率Ｅａによる曲率変化は、溝３０２が形成されていない部分のミラーの曲率を基準にして図２（ｂ）のようになる。部材の厚さに依存して曲率は変化するが、溝３０２の部分の曲率と溝３０２が形成されていない部分の曲率とが一致するのは、導電性部材２０１のヤング率Ｅａがミラー部材３０１のヤング率よりも低いときである。以上の考察から、ミラーの曲率を一様にするためには、導電性部材２０１のヤング率はミラー部材３０１のヤング率以下であることがわかる。
【００１８】
［振動素子］
図１Ａおよび図１Ａには示した振動素子１１では、導電性部材２０１のＸ方向の幅は、第１の捻り梁部材１０１と第２の捻り梁部材１０２のＸ方向の幅よりも広い。図３（ａ）および図３（ｂ）に示した振動素子１２も導電性部材２０１の両側に捻り梁（第１の捻り梁部材１０１および第２の捻り梁部材１０２）が配置されている。なお、振動素子１２については、振動素子１１と共通する部分の図示を省略している。
【００１９】
第１の捻り梁部材１０１および第２の捻り梁部材１０２として、線引き加工で形成した線材が用いられている。捻り梁を構成している線材の一部分にプレス加工などを施すことで、平坦部が形成されている。この平坦部が導電性部材２０１として機能する。導電性部材２０１として機能する平坦部のヤング率は、線引き加工およびプレス加工での加工率と熱処理によってミラー部材３０１のヤング率と同等またはそれ未満に調整される。このように、振動素子１２は振動素子１１と比較して製造面で非常に有利である。
【００２０】
図４（ａ）および図４（ｂ）は振動素子１３を示している。図４（ａ）および図４（ｂ）が示すように、導電性部材２０１を枠状としてもよい。導電性部材２０１は、Ｘ方向に延びる第１フレーム７０１、第４フレーム７０４と、Ｚ方向に延びる第２フレーム７０２、第３フレーム７０３とを有している。第２フレーム７０２はミラー部材３０１に形成された溝３０２に収容される。第３フレーム７０３はミラー部材３０１に形成された溝３０３に収容される。導電性部材２０１のうち第２フレーム７０２および第３フレーム７０３は、回転振動の回転軸から離れた対称な２箇所で保持部材として機能する第１フレーム７０１、第４フレーム７０４に結合している。
第１フレーム７０１の中央部は第１の捻り梁部材１０１に結合しており、第１フレーム７０１の両端部は第２フレーム７０２および第３フレーム７０３に結合している。第４フレーム７０４の中央部は第２の捻り梁部材１０２に結合しており、第４フレーム７０４の両端部は第２フレーム７０２および第３フレーム７０３に結合している。第１フレーム７０１の第一面には磁石６０２が固定されており、第二面には磁石６０３が固定されている。第４フレーム７０４の第一面には磁石６０４が固定されており、第二面には磁石６０５が固定されている。このように保持部を設けることで保持部が曲率変化の緩衝材として機能する。よって、ミラー部材３０１等の曲率変化が捻り梁に及びにくくなり、異常振動の発生を低減できる。よって、振動素子１３は安定して光走査を行うことが可能となる。
【００２１】
図５（ａ）および図５（ｂ）は振動素子１４を示している。振動素子１４は振動素子１３を変形したものであり、第２フレーム７０２と第３フレーム７０３とが交差している。これに合わせて溝３０２、３０３も交差している。なお、ミラー部材３０１、圧電材４０１の外形を円形としている。溝３０２、３０３を交差させることで、溝３０２、３０２が曲率に与える影響を走査方向と副走査方向で同じにすることができる。つまり、これらの方向で曲率分布が同じになる。よって、振動素子１４は振動素子１３と比較してより安定して光走査を行うことが可能となる。
【００２２】
［材料など］
捻り梁に用いられる材料としては、金属材料の他、カーボンを混合した樹脂材料など導電性材料であれば特に限定されるものではないが、繰り返し耐久性や耐衝撃性の観点から、ＳＵＳ３０１やＳＵＳ６３１等のステンレスや銅合金、Ｃｏ（コバルト）−Ｎｉ（ニッケル）基合金などの金属材料が採用されてもよい。その中でもＳＰＲＯＮ（登録商標）５１０に代表されるＣｏ−Ｎｉ−Ｃｒ（クロム）−Ｍｏ（モリブデン）合金などの時効硬化型Ｃｏ−Ｎｉ基合金は特に疲労限が高く、繰り返し応力が加わる光走査装置には都合がよい。また、Ｃｏ−Ｎｉ基合金は耐熱性や耐食性も高いため、通電やそれによる発熱が材料特性に影響を与えることは小さく、その点においても捻り梁に通電を行う光走査装置には適切であろう。さらに、Ｃｏ−Ｎｉ基合金は内部摩擦が小さいという特徴もあり、振動素子１１〜１４を共振させて回転振動させる際のＱ値が高く、駆動に要する消費電力を低減できる利点もある。Ｃｏ−Ｎｉ−Ｃｒ−Ｍｏ合金を用いる場合には、加工率５０％以上、より好ましくは９０％以上の圧延加工、または、線引き加工により加工硬化処理を施した後、形状加工を行い、５００〜６００℃程度の温度で時効硬化処理が施されてもよい。最終的なヤング率や硬度は、加工率と時効熱処理の温度および時間で調整も可能である。形状加工には、エッチング加工やプレス加工、レーザー加工、ワイヤー放電加工等を用いることができる。加工硬化処理や形状加工において、その仕上がり具合によっては表面付近の内部摩擦が増加し、振動素子のＱ値が低下してしまうことがある。そのような場合には、時効硬化処理前にエッチング処理を行うのが良く、目標寸法に対して大きめに形状加工を施したのち、硝酸系のエッチャントなどを用いて仕上げの形状加工を施すのが好ましい。また、加工硬化処理や形状加工時に生じた微少なクラックや表面の荒れがある場合にも、振動素子のＱ値低下や耐久性低下の問題が生じる。そのような場合には、時効硬化処理前に電界研磨処理を行うのが良く、リン酸系やエチレングリコール系の液を用いた電界研磨処理によって表面を平滑化するのが好ましい。
【００２３】
導電性部材２０１は、生産性の観点から、夫々捻り梁と同一材料で一体構造であるのが好ましい。しかしこれに限定されるものではなく、金属材料など導電性材料で形成して捻り梁と接合しても良い。接合する際には、形状加工を簡素化できることから捻り梁に線材を用いるのが好ましく、また、接合部の耐久性向上のために接合する線材の端部に鍛造などによって接合面を形成するのが好ましい。
【００２４】
圧電材４０１には、圧電定数の大きいチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）が好適に用いられる。しかし、これ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、ニオブ酸鉛等、圧電特性を有する材料であればよい。圧電材４０１は両面に電極の形成された焼結体の他、成膜可能な形状であれば、導電性部材２０１、ミラー部材３０１、または、導電性部材２０１を収納したミラー部材３０１など導電性部材とミラー部材の複合構成に対して成膜によって形成されたものであってもよい。焼結体を用いる場合には、電極５０１と導電性部材２０１およびミラー部材３０１の直接接合、または、接着剤等を用いた接着により圧電材４０１が導電性部材２０１およびミラー部材３０１に保持される。接着による場合には、接着部における導電性部材と電極の間の電気容量が圧電材４０１の両電極間の電気容量よりも大きくなるように、できるだけ対向面積を大きくし、かつ、接着層を薄くして、導電性部材と電極を近接させるのが好ましい。また、接着剤に導電性を付与して導電性を確保しても良い。成膜で形成する場合には、導電性部材２０１に直接成膜され、その間に電極は形成されない。成膜の方法としては、ゾルゲル法など各種の成膜方法を用いることができるが、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４０１の材料にＰＺＴを用い、導電性部材２０１に金属材料を用いる場合には、鉛の拡散を防止する中間層が形成されてもよい。また、圧電特性の向上には熱処理温度を上げることが有効であるため、成膜の基材となる導電性部材２０１は耐熱性が高い材料で形成されるのが好ましく、Ｃｏ−Ｎｉ基合金などが好適に用いられる。
【００２５】
ミラー部材３０１は、シリコンウエハや薄板ガラスなどの表面平坦性の良い基材に反射膜や増反射膜を形成したものの他、導電性部材２０１に直接形成された反射膜等であってもよい。反射膜としては、蒸着等で形成されるＡｕ、Ａｇ、Ａｌ等の膜が挙げられる。また、必要に応じてその上に増反射膜が形成される。また、導電性部材２０１の研磨によって鏡面を形成することも可能であり、この場合には、導電性部材２０１がミラー部材３０１としても機能する。
【００２６】
磁石６０１〜６０５は、特に限定されるものではないが、捻り振動に係わる慣性モーメントを小さくするために出来るだけ小型で磁力の強いものが好ましい。よって、磁力の強いＮｄ−Ｆｅ−Ｂ系磁石やＳｍ−Ｃｏ系磁石等や、小型形状形成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うる。
【００２７】
［光走査装置の動作］
次に、図６〜図１０を参照して光走査装置の動作を説明する。
【００２８】
図６（ａ）は振動素子１１〜１４のいずれかを採用した光走査装置によるレーザー光走査の状態を示したものである。図６（ｂ）は振動部２１に配置されたミラー部材３０１の変形の様子を示したものであり、光の走査方向、および、それに垂直な副走査方向に共通の変形である。ミラー部材３０１が圧電材４０１に加えられた電気信号により図６（ｂ）の（Ｒ１）のような曲率を持った状態であるとき、ビームウエストが走査中心からＲ１の距離にある投射面Ｐ１の中央に位置しているとする。捻り梁の捻り振動により振動部２１が回転して図６（ｂ）の（Ｒ１’）の状態になったとき、ミラー部材３０１の曲率は圧電材４０１に加えられる電気信号の変化により（Ｒ１）の状態から小さくなる方向に変化し、ビームウエストは走査中心からＲ１’の距離にある投射面Ｐ１の右端に位置するようになる。仮に（Ｒ１）の状態から曲率が変化していない場合には、ビームウエストは走査端方向にＲ１の位置になり、投射面Ｐ１の右端ではビーム径が拡がってしまう。走査左端も同様に、図６（ｂ）の（Ｒ”）の状態で曲率が変化することによりビームウエストは投射面Ｐ１上に保持される。このように、１回の往復走査の間に２回のミラー曲率変化を生じさせる制御、即ち、走査周波数に対して２倍の周波数を含む信号を用いたミラー曲率の制御を行うことにより、アークサインレンズなどのレンズ光学系を使用することなく、最小スポットが形成されるビームウエスト位置をほぼ同一平面上に保持した光走査が可能になる。図６（ｃ）は、同様に面Ｐ１よりも投射距離の長い投射面Ｐ２にビームウエストを保持するためのミラー部材３０１の変形状態を示したものであり、図６（ｂ）よりも曲率が大きい状態を維持することで、ビームウエスト位置は（Ｒ２）→（Ｒ２’）→（Ｒ２）→（Ｒ２”）→（Ｒ２）と移動する。このように、圧電材４０１の駆動信号の制御により、ビームウエストを保持する面を変化させることも可能である。
【００２９】
図７は、図６のような走査を行うための駆動信号の例である。駆動回路８０１が周波数ｆ１の駆動信号を供給することで振動部２１に回転振動が誘起する。一方、駆動回路８０２が周波数ｆ１の２倍の周波数ｆ２を持つ信号にオフセット電圧ΔＶを加えて生成した駆動信号が捻り梁に印加される。これにより、ミラー部材３０１の曲率変形が誘起される。
【００３０】
周波数ｆ２の駆動信号は一走査内でビームウエストを走査面上に維持するための駆動信号であり、ΔＶはビームウエストを保持する面を変化させるためのオフセットである。振動部２１を共振により回転振動させる場合には周波数ｆ１の駆動信号と振動部２１の回転角の位相が９０度ずれる。そのため、回転角に合わせて振動部２１のミラー部材３０１の曲率変形が制御されるよう、駆動回路８０２が出力する駆動信号の位相も駆動回路８０１が出力する駆動信号の位相とはずれている。
【００３１】
次に、投射面に形成されるビームスポットの移動速度について説明する。光走査装置では、ビームを走査しながら時系列データに基づいてビーム強度を変化させたり、ビーム走査時の反射光の強度変化を時系列データとして検出したりすることで、画像の形成や投影、光学パターンの読み取りなどを行う。その際、ビームの移動速度が大きく変化すると、画像の歪や読み取り分解能のばらつきが生じてしまう。時系列データを補正してビーム強度の変化をビームの移動速度の変化に対応させる方法や、読み取り速度を移動速度の変化に対応させる方法も考えられるが、それには高価な高速の制御手段が必要となる。投射面上のビームスポットの移動はできるだけ等速であるのが好ましく、サイン波状に角度変化する振動素子１１〜１４のビーム走査角に対して、投射面上での等速性が得られる範囲で使用するのが好ましい。
【００３２】
図８は図６（ａ）と同様に光走査の状態を示したものである。走査の中央を基準にして、ミラー部材３０１の回転振動によるビームの最大走査角をθｏ、その内実際に走査光が利用される有効範囲をθｅｆｆとし、走査中心から距離Ｌの位置にある投射面Ｐ上でθｅｆｆに相当する範囲をＸｅｆｆとしている。投射面Ｐを図６（ａ）のＰ１とすると、Ｘｅｆｆの位置は投射面Ｐ１端部のＲ１’の位置に相当する。ビーム方向が角度θの方向であるとき、投射面Ｐ上に形成されるビームスポットの移動速度をＶとすると、角度θ＝０の時の移動速度Ｖｏを基準にして、角度θに対する移動速度Ｖの変化率Ｖ／Ｖｏは図９（ａ）のようになる。図９（ａ）において横軸はビームの方向を示す角度θであり、縦軸は移動速度Ｖの変化率Ｖ／Ｖｏである。最大走査角θｏを増加させていくと図の（ｉ）〜（ｖ）のように角度θに対する移動速度Ｖが変化する。このとき、スポット移動速度の許容誤差をΔｖとすると、（ｉｉｉ）のグラフでこの範囲内にある角度、即ち、有効走査角θｅｆｆはΘ３である。最大走査角を増加させた（ｉｖ）のグラフでは有効走査角がΘ４に拡がる。しかし、さらに最大走査角を増加させた（ｖ）のグラフでは有効走査角がΘ５となって逆に狭まり、これ以上最大走査角を増加しても有効走査角を拡げることはできない。図９（ｂ）はこの最大走査角θｏと有効走査角θｅｆｆの関係を示したものであり、許容誤差の大きさによって有効走査角が最も広くなる最大走査角が異なる。図９（ｃ）は、許容誤差の大きさに対する最大の有効走査角と、その有効走査角を得るために必要な最大走査角を示している。許容誤差による差はあるが、最大の有効走査角を得るには、４０度以上の最大走査角が必要となる。光走査装置においては、短い投射距離で広い範囲の画像形成や読み取りを行うことができるのが望ましく、有効走査角はできるだけ広いのが好ましい。また、振動素子１１〜１４の小型化や消費電力の観点から最大走査角はできるだけ狭いのが好ましい。これらのことから、有効走査角がピークとなる最大走査角で振動素子を動作させるのが好ましく、そのためには、最大走査角として走査の中央に対して±４０度以上、振動素子の回転振動振幅として±２０度以上にするのが好ましい。小型の振動素子でこの振幅を実現するには、ミラー部材３０１を支持する捻り梁に高い強度と耐久性が必要であり、時効硬化型のＣｏ−Ｎｉ基合金を用いた捻り梁はこの点からも非常に好ましい。
【００３３】
次に、光走査時の投射面に投射されるビームスポット径の変化について説明する。光走査装置において、ビームスポット径は光走査により形成や投影される画像の精細度や、光学パターン読み取りの分解能に大きく影響する。このため、有効走査領域内でのビームスポット径の変動は極力少ないのが好ましい。
【００３４】
図１０（ａ）に投射面上の位置によるビームスポット径の変化の一例を示す。図８に示した投射距離Ｌを１７４ｍｍに設定し、振動素子１１〜１４の回転振動によって投射面の中央Ｏからｘ軸方向へのビームスポットを移動したときのビームスポット径変化を示している。図１０（ａ）の横軸は投射面中央からの距離ｘであり、縦軸はビームスポット径φである。また、図１０（ｂ）には、ミラー部材３０１の曲率を変化させるために圧電材４０１に印加する駆動信号の一例を示す。周波数ｆ２の駆動信号は振動素子１１〜１４の回転振動の周波数、即ち、走査周波数（回転振動周波数）ｆ１の２倍の周波数ｆ２を持つ駆動信号であり、図７に示した周波数ｆ２の駆動信号と同じである。周波数ｆ４の駆動信号は周波数ｆ１の４倍の周波数ｆ４を持つ信号であり、周波数ｆ２＋ｆ４の駆動信号は周波数ｆ２の駆動信号と周波数ｆ４の駆動信号を適当な比率で重畳した信号である。走査面上の位置によるビームスポット径の変化は、走査周波数と同期したミラー変形を行わない場合には図１０（ａ）の“ｆ２なし”のグラフに示されたものとなり、走査端に向うに従って急激にスポット径が増大する。これに対して、周波数ｆ２の駆動信号によりミラー部材３０１の曲率を変化させた場合には、図１０（ａ）の“ｆ２のみ”のグラフに示されたものとなり、Ｘｅｆｆの有効走査範囲内でのビームスポット径の変動を大幅に抑えることができる。さらに、周波数ｆ２とｆ４を重畳させた駆動信号でミラー部材３０１の曲率を変化させた場合には、図１０（ａ）の“ｆ２＋ｆ４”のグラフに示されたものとなり、位置に依らずにほぼ一定のビームスポット径を得ることができる。
【００３５】
上に述べた等速性やビームスポット径の安定化の効果は、振動素子１１〜１４が異常振動などを生じずに安定した光走査を行うことができる場合に限って得られるものである。振動素子１１〜１４を用いて最大走査角を適切に設定し、また、走査周波数の２倍および４倍の周波数を持つ信号で振動部２１の曲率を制御することにより、画像の形成や投影、光学パターンの読み取りなどを高精度に行うことが可能な光走査装置を実現できる。
【００３６】
［画像形成装置］
図１１に光走査装置の実施例である画像形成装置７を示す。振動素子１０は上述した振動素子１１〜１４のいずれか１つであり、振動部周辺の構成は省略してある。光源９７１は、画像データに応じて制御回路９７０が出力した駆動信号に基づき強度変調した光を射出する。射出された光は射出光学系９７２を通って振動素子１０のミラー部材３０１で反射され、像担持体の一例である感光体９７５上を走査する。走査された光は、ＢＤセンサ９７３、９７４で検出される。制御回路９７０は、ＢＤセンサ９７３、９７４が出力する検出信号を基に走査角を制御するための制御信号を生成して出力する。制御信号は振動素子１０の駆動回路８７０の駆動回路８０１にフィードバックされる。これにより駆動回路８０１は振動素子１０の最大走査角を安定的に適切な値に維持する。また、駆動回路８７０に含まれている駆動回路８０２は検出信号に基づいてミラー曲率を制御するための制御信号を出力する。これにより、感光体９７５上でのビームスポット径がほぼ一定の大きさに維持される。
【００３７】
振動素子１１〜１４を用いた画像形成装置７は、断線や異常振動などが生じにくくなり安定した光走査およびミラー曲率制御を行うことができる。このため、最大走査角の適切化やミラー曲率制御信号の適切化により、等速性やビームスポット径の安定化の効果を発揮する。つまり、高精度で信頼性の高い画像形成が可能となる。また、振動素子１１〜１４を用いた画像形成装置７では、走査速度の変動を補正するレンズ光学系を簡素化できる。また、走査速度の変動に対応するための画像データの補正やレーザー光の強度変調信号の補正などが不要となる。これにより、小型で安価な画像形成装置が実現できる。
【００３８】
［画像形成装置］
図１２（ａ）に光走査装置の実施例である画像投影装置８を示す。振動素子１０は上記の振動素子１１〜１４のいずれか１つである。ＲＧＢ３原色を含む光源装置９８１は、画像データに基づいて制御回路９８０から出力された信号にしたがって強度変調した光を射出する。振動素子１０および垂直走査装置９８２により光は２次元走査され、スクリーン９８３に映像として投射される。垂直走査装置９８２の走査速度は振動素子１０よりも遅い。垂直走査装置９８２には、たとえば、非共振駆動で高精度な位置決めができるガルバノミラーが用いられる。制御回路９８０から出力される制御信号に基づいて駆動回路８８０に含まれる駆動回路８０１は振動素子１０の走査角を制御する。また、垂直走査装置９８２も同様に、制御回路９８０からの出力に基づいて走査角が制御される。さらに、駆動回路８８０の駆動回路８０２がミラー曲率制御信号（駆動信号）を出力することで、スクリーン９８３上でのビームスポット径がほぼ一定の大きさに維持される。また、制御回路９８０は、入力部９８４を通じて画像の台形補正が設定されると、垂直走査装置９８２の駆動信号の変化に応じてミラー曲率制御信号を変化させる。これにより、図１２（ｂ）のように斜め投影を行う際にも、スクリーン上部の走査では焦点距離を長く、下部では焦点距離を短くしてスクリーン上のビームスポット径をほぼ一定の大きさに維持することができる。
【００３９】
このように振動素子１１〜１４のいずれかを用いた画像投影装置８は、断線や異常振動などを生じずに安定した光走査およびミラー曲率制御を行うことができる。このため、最大走査角の適切化やミラー曲率制御信号の適切化により、等速性やビームスポット径の安定化の効果を発揮することができる。その結果、高精度で信頼性の高い画像投影が可能となる。また、画像投影装置８では、ミラー曲率制御信号の調整により斜め投影でもスクリーン上でビームスポット径をほぼ一定にすることができる。これにより、限られたスペースでも使用可能な高精細の画像投影装置８を実現できる。
【００４０】
［光学パターン読み取り装置］
図１３に光走査装置の実施例である光学パターン読み取り装置９を示す。振動素子１０は振動素子１１〜１４のいずれか１つである。光源９９１から射出された光は射出光学系９９２を通って振動素子１０のミラー部材３０１で反射され、光学パターン上を走査する。光学パターンに応じて強度が変化する反射光は、振動素子１０で再び反射された後に検出光学系９９４によって集光され、光センサ９９５で検出される。デコーダ９９６は、光センサ９９５が出力する検出信号を２値化する。これにより光学パターンの情報が読み取られる。駆動回路８９０は制御回路９９０からの信号に基づいて振動素子１０の回転振動の駆動信号およびミラー曲率制御信号を出力する。これにより、光学パターンのある投射面上でビームスポット径がほぼ一定の大きさに維持される。
【００４１】
振動素子１１〜１４のいずれかを用いた光学パターン読み取り装置９は、断線や異常振動などを生じずに安定した光走査およびミラー曲率制御を行うことができる。このため、最大走査角の適切化やミラー曲率制御信号の適切化により、等速性やビームスポット径の安定化の効果を発揮できる。その結果、高精度でかつ信頼性の高い読み取りが可能となる。
【００４２】
［まとめ］
本実施例によれば、圧電材４０１は第１電極５０１が形成された第１面と第２電極５０２が形成された第２面とを有する。導電性部材２０１は第１電極５０１に結合している。導電性の第１の捻り梁部材１０１が導電性部材２０１に結合している。配線２０２は第２電極５０２に結合している。ミラー部材３０１は導電性部材２０１を収容する溝３０２を有している。さらに、ミラー部材３０１は溝３０２に収容された導電性部材２０１を圧電材４０１とともに挟持するように圧電材４０１に固定されている。溝３０２を設けずにミラー部材３０１の全面を導電性部材２０１で保持する場合に比べて、導電性部材２０１の質量を小さくすることが可能となる。つまり、振動部の全体として軽量化を達成できるため、撓み振動モードの共振周波数が下がりにくくなる。これにより、外部からの衝撃などあっても、走査線が副走査方向へ変動しにくくなる。また、捻り梁の撓みを小さくできるため、異常振動が発生しにくくなる。さらに、振動部の慣性モーメントを削減できるため、捻り梁への応力負荷を軽減でき、耐久性も向上しよう。
【００４３】
図２（ａ）および図２（ｂ）を用いて説明したように、導電性部材２０１のヤング率をミラー部材３０１のヤング率と同等またはミラー部材３０１のヤング率未満とすることで、さらに安定した光走査を実現しやすくなる。
【００４４】
第２電極５０２には配線２０２が設けられるが、第１電極５０１では捻り梁が配線として機能する。つまり、第１電極５０１については配線が不要となるため、断線などの不良が生じずにくくなり、安定した回転振動（揺動）を実現できる。なお、本実施例では、走査ミラーと可変焦点ミラーが一体化されるため、光走査装置の小型化も期待できる。
【００４５】
図１Ａ、図１Ｂ、図３〜図５に示したように、第１の捻り梁部材１０１と第２の捻り梁部材１０２とがそれぞれ圧電材４０１およびミラー部材３０１のそれぞれ異なる側に存在することで圧電材４０１およびミラー部材３０１を両持ち支持してもよい。たとえば、第１の捻り梁部材１０１が第一方向から振動部２１を支持し、第２の捻り梁部材１０２が第二方向（たとえば第一方向とは１８０度異なる方向）から振動部２１を支持してもよい。このような両持ち支持構造は片持ち支持構造と比較して、全体のサイズは大きくなるが、より撓み剛性が高くなり、走査線の副走査方向への変動を抑えやすくなる。反対に片持ち支持構造は小サイズ化の面で有利である。
【００４６】
図４および図５を用いて説明したように、導電性部材２０１を保持する導電性の第１の保持部材（第１フレーム７０１）を介して第１の捻り梁部材１０１が導電性部材２０１（第２フレーム７０２、第３フレーム７０３）に結合していてもよい。これにより、ミラー部材３０１等の曲率変化が捻り梁に及びにくくなり、異常振動の発生を低減できる。さらに、第１の保持部材（第１フレーム７０１）は、振動素子１１の回動軸に対して対称となる２箇所において導電性部材２０１（第２フレーム７０２、第３フレーム７０３）を保持していてもよい。これにより異常振動の抑制効果がさらに高まるであろう。
【００４７】
図１Ａ、図１Ｂ、図３〜図５に示したように、磁石は回動軸の中心近くに配置されてもよい。図４、図５を用いて説明したように、第１の保持部材（第１フレーム７０１）の両面と第２の保持部材（第４フレーム７０４）の両面とが２つの磁石によって挟持されていてもよい。磁石のような重量物が回動軸の中心に配置可能となり、振動部２１をさらに安定して揺動させることが可能となろう。
【００４８】
導電性部材２０１は厚みが一定の平板であってもよい。なお、導電性部材２０１の形状は、異常振動が発生しない限りにおいては平板でなくてもよい。
【００４９】
図４、図５を用いて説明したように、導電性部材２０１は複数のフレームを有していてもよい。平板構造と比較してフレーム構造は軽量化の点で有利である。
【００５０】
図５を用いて説明したように、少なくとも２本のフレームを交差させてもよい。これにより、走査方向の曲率分布と副走査方向の曲率分布との差を小さくすることが可能となる。これは安定振動をもたらすであろう。
【００５１】
なお、振動素子１１〜１４のいずれかと、振動素子１１の第１の捻り梁部材１０１を介して圧電材４０１に駆動信号を供給する駆動回路８０１、８０２と、振動素子１１のミラー部材３０１を揺動させる磁界を発生する磁界発生部７００とを有し、光源からの光をミラー部材３０１により走査する光走査装置１がさらに提供されてもよい。振動素子１１〜１４を採用することで、安定した光り走査を実現できる。
【００５２】
駆動回路は、ミラー部材３０１の回転振動周波数ｆ１の２倍の周波数ｆ２の信号と４倍の周波数ｆ４の信号とを重畳して駆動信号を生成してもよい。これにより、位置に依らずにほぼ一定のビームスポット径を得ることができる。
【００５３】
ミラー部材３０１の回転角は±２０度以上であってもよい。これはミラー部材３０１の走査角を広くしつつ、消費電力を削減するうえで有効である。
【００５４】
図１１を用いて説明したように、光走査装置１と像担持体とを備え、当該光走査装置によって走査された光によって当該像担持体に画像を形成することを特徴とする画像形成装置７が提供されてもよい。振動素子１１〜１４を用いた画像形成装置７は、断線や異常振動などが生じにくくなり安定した光走査およびミラー曲率制御を行うことができる。このため、最大走査角の適切化やミラー曲率制御信号の適切化により、等速性やビームスポット径の安定化の効果を発揮する。つまり、高精度で信頼性の高い画像形成が可能となる。また、振動素子１１〜１４を用いた画像形成装置７では、走査速度の変動を補正するレンズ光学系を簡素化できる。また、走査速度の変動に対応するための画像データの補正やレーザー光の強度変調信号の補正などが不要となる。これにより、小型で安価な画像形成装置が実現できる。
【００５５】
図１２を用いて説明したように、光走査装置によって走査された光によってスクリーンに画像を投影することを特徴とする画像投影装置８が提供されてもよい。振動素子１１〜１４のいずれかを用いた画像投影装置８は、断線や異常振動などを生じずに安定した光走査およびミラー曲率制御を行うことができる。このため、最大走査角の適切化やミラー曲率制御信号の適切化により、等速性やビームスポット径の安定化の効果を発揮することができる。その結果、高精度で信頼性の高い画像投影が可能となる。また、画像投影装置８では、ミラー曲率制御信号の調整により斜め投影でもスクリーン上でビームスポット径をほぼ一定にすることができる。これにより、限られたスペースでも使用可能な高精細の画像投影装置８を実現できる
図１３を用いて説明したように、光走査装置を備えたことを特徴とする光学パターン読み取り装置９が提供されてもよい。振動素子１１〜１４のいずれかを用いた光学パターン読み取り装置９は、断線や異常振動などを生じずに安定した光走査およびミラー曲率制御を行うことができる。このため、最大走査角の適切化やミラー曲率制御信号の適切化により、等速性やビームスポット径の安定化の効果を発揮できる。その結果、高精度でかつ信頼性の高い読み取りが可能となる。
【図１Ａ】
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【図１Ｂ】
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【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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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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