(57)【要約】      （修正有）【課題】移動速度の変化率をある範囲に収めたまま有効走査角を広げるとともに、走査光のビームウエスとを投射面に維持しやすくする光走査装置を提供する。【解決手段】振動素子１１は、ミラー部２１を回転可能に支持する第１の捻り梁１０１と、第１の捻り梁を保持する第１振動部３１と、第１振動部を回転可能に支持する第２の捻り梁１０２とを有している。振動素子１１は、ミラー部２１と第１振動部３１が同相で回転振動する第１の共振周波数と、ミラー部２１と第１振動部３１が逆相で回転振動する第２の共振周波数を有している。第２の共振周波数は第１の共振周波数の４倍または５倍の周波数に設定される。さらに、曲率可変ミラーとしても機能するミラー部２１は、第１の共振周波数の２倍の周波数を有する信号と第１の共振周波数の４倍の周波数を有する信号とが重畳した制御信号によって曲率を制御される。【選択図】図１Ｂ
2015210452.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
曲率可変ミラーを有する光走査装置であって、
前記曲率可変ミラーを用いた光走査は、第１の周波数を有する信号と、前記第１の周波数の４倍、または、５倍の周波数を有する信号とを重畳した信号に基づいて制御され、
前記曲率可変ミラーの曲率は、前記第１の周波数の２倍、及び、４倍の周波数を有する信号を重畳させた信号に基づいて制御されることを特徴とする光走査装置。
【請求項２】
光源と、
ミラー部材と、前記ミラー部材の曲率を変化させる圧電材とを有し、前記光源からの光を反射する曲率可変ミラーと、
前記光を走査するミラー部と、前記ミラー部を回転可能に支持する第１の捻り梁と、前記第１の捻り梁を保持する第１振動部と、前記第１振動部を回転可能に支持する第２の捻り梁とを有する振動素子と
を有し、
前記ミラー部と前記第１振動部が同相で回転振動する第１の共振周波数と、前記ミラー部と前記第１振動部が逆相で回転振動する第２の共振周波数を持ち、
前記第２の共振周波数は前記第１の共振周波数の４倍または５倍の周波数であり、
前記曲率可変ミラーは、前記第１の共振周波数の２倍の周波数を有する信号と前記第１の共振周波数の４倍の周波数を有する信号とが重畳した制御信号によって曲率を制御されることを特徴とする光走査装置。
【請求項３】
前記第１振動部に回転振動を励起する第１駆動手段をさらに有し、
前記第１駆動手段は、前記第１の共振周波数に一致した周波数を有する信号と、前記第１の共振周波数の４倍または５倍の周波数を有する信号とを重畳させた信号を用いて前記振動素子を駆動させることを特徴とする請求項２に記載の光走査装置。
【請求項４】
前記圧電材に対して前記第１の共振周波数の２倍の周波数を有する信号と前記第１の共振周波数の４倍の周波数を有する信号とが重畳した制御信号を供給する第２駆動手段をさらに有することを特徴とする請求項２または３に記載の光走査装置。
【請求項５】
前記振動素子の前記ミラー部と前記可変ミラーとが一体化されていることを特徴とする請求項２ないし４のいずれか１項に記載の光走査装置。
【請求項６】
前記圧電材の第１電極および前記第１の捻り梁の一端に接続した第１導電性部材と、
前記第１の捻り梁の他端と前記第２の捻り梁の一端とに接続し、前記第１振動部の一部を構成する第２導電性部材と
を有することを特徴とする請求項５に記載の光走査装置。
【請求項７】
前記圧電材の第２電極に接続した第３導電性部材と、
前記第３導電性部材に一端を接続された第３の捻り梁と、
前記第３の捻り梁の他端に接続し、第２振動部の一部を構成する第４導電性部材と、
前記第４導電性部材に一端を接続された第４の捻り梁と
を有し、
前記第１の共振周波数により前記ミラー部、前記第１振動部および前記第２振動部が同相で回転振動し、前記第２の共振周波数により前記ミラー部、前記第１振動部および前記第２振動部が逆相で回転振動することを特徴とする請求項６に記載の光走査装置。
【請求項８】
前記第２導電性部材の第１面側に設けられた第１磁石と、
前記第２導電性部材の第２面側に設けられた第２磁石と、
前記第４導電性部材の第１面側に設けられた第３磁石と、
前記第４導電性部材の第２面側に設けられた第４磁石と
をさらに有することを特徴とする請求項７に記載の光走査装置。
【請求項９】
前記圧電材の第２電極に接続した第３導電性部材と、
前記第３導電性部材に一端を接続された第３の捻り梁と、
前記第３の捻り梁の他端に接続した第４導電性部材と、
前記第４導電性部材に一端を接続された第４の捻り梁と、
前記第２導電性部材と前記第４導電性部材とに取り付けられた磁石と
をさらに有し、
前記第１の捻り梁と前記第３の捻り梁とが並行するように設けられており、
前記第２の捻り梁と前記第４の捻り梁とが並行するように設けられている
ことを特徴とする請求項６に記載の光走査装置。
【請求項１０】
前記第１導電性部材は平板状の導電性部材であり、
前記第３導電性部材はリング状の導電性部材である
ことを特徴とする請求項７ないし９のいずれか１項に記載の光走査装置。
【請求項１１】
前記第１の捻り梁が前記振動素子の回転振動の軸に近づくように前記第１の捻り梁には曲げ加工が施されていることを特徴とする請求項２ないし８のいずれか１項に記載の光走査装置。
【請求項１２】
前記圧電材の前記第１電極および前記第２電極は前記圧電材の第１面側に設けられており、前記圧電材の第２面側には第３電極が設けられていることを特徴とする請求項７ないし９のいずれか１項に記載の光走査装置。
【請求項１３】
前記圧電材の第２電極に接続した第３導電性部材と、
前記第３導電性部材に一端を接続された第３の捻り梁と、
前記第３の捻り梁の他端に接続し、第２振動部の一部を構成する第４導電性部材と、
前記第４導電性部材に一端を接続された第４の捻り梁と、
前記第１導電性部材に一端を接続されて第５の捻り梁と、
前記第５の捻り梁の他端に接続し、前記第４導電性部材とともに前記第２振動部を構成する第５導電性部材と、
前記第５導電性部材に一端を接続された第６の捻り梁と、
前記第３導電性部材に一端を接続されて第７の捻り梁と、
前記第７の捻り梁の他端に接続し、前記第２導電性部材とともに前記第１振動部を構成する第６導電性部材と、
前記第６導電性部材に一端を接続された第８の捻り梁と、
前記第２導電性部材と前記第６導電性部材とを絶縁する第１絶縁材と、
前記第４導電性部材と前記第５導電性部材とを絶縁する第２絶縁材と、
前記第２の捻り梁に沿ってその近傍に配置された第１磁石と、
前記第８の捻り梁に沿ってその近傍に配置された第２磁石と、
前記第６の捻り梁に沿ってその近傍に配置された第３磁石と、
前記第４の捻り梁に沿ってその近傍に配置された第４磁石と
を有し、
前記第２の捻り梁、前記第２導電性部材、前記第１の捻り梁、前記第１導電性部材、前記第５の捻り梁、前記第５導電性部材および前記第６の捻り梁を含むパスを流れる信号と、前記第８の捻り梁、前記第６導電性部材、前記第７の捻り梁、前記第３導電性部材、前記第３の捻り梁、前記第４導電性部材および前記第４の捻り梁を含むパスを流れる信号とによって回転振動することを特徴とする請求項６に記載の光走査装置。
【請求項１４】
請求項１ないし１３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１５】
請求項１ないし１３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１６】
請求項１ないし１３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、レーザー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、振動素子の走査角はサイン波状に変化するため、投射面上でのビームスポットの移動速度が場所によって大きく変化してしまう。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ることで画像の形成や投影を行う。また、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することで、光学パターンの読み取りが実行される。それ故、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。移動速度の変化率を小さくしようとすると、今度は振動素子の有効走査角が狭くなってしまう。
【０００６】
そこで、本発明は、移動速度の変化率をある範囲に収めたまま有効走査角を広げるとともに、走査光のビームウエスとを投射面に維持しやすくすることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、たとえば、
曲率可変ミラーを有する光走査装置であって、
前記曲率可変ミラーを用いた光走査は、第１の周波数を有する信号と、前記第１の周波数の４倍、または、５倍の周波数を有する信号とを重畳した信号に基づいて制御され、
前記曲率可変ミラーの曲率は、前記第１の周波数の２倍、及び、４倍の周波数を有する信号を重畳させた信号に基づいて制御されることを特徴とする光走査装置を提供する。
【０００８】
また、本発明の他の態様は、
光源と、
ミラー部材と、前記ミラー部材の曲率を変化させる圧電材とを有し、前記光源からの光を反射する曲率可変ミラーと、
前記光を走査するミラー部と、前記ミラー部を回転可能に支持する第１の捻り梁と、前記第１の捻り梁を保持する第１振動部と、前記第１振動部を回転可能に支持する第２の捻り梁とを有する振動素子と
を有し、
前記ミラー部と前記第１振動部が同相で回転振動する第１の共振周波数と、前記ミラー部と前記第１振動部が逆相で回転振動する第２の共振周波数を持ち、
前記第２の共振周波数は前記第１の共振周波数の４倍または５倍の周波数であり、
前記曲率可変ミラーは、前記第１の共振周波数の２倍の周波数を有する信号と前記第１の共振周波数の４倍の周波数を有する信号とが重畳した制御信号によって曲率を制御されることを特徴とする光走査装置を提供する。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、移動速度の変化率をある範囲に収めたまま有効走査角を広げることが可能となる。また、このような振動素子を光走査装置に採用すれば、投射面上でのビームスポット径、及び、ビームスポットの移動速度の変化を抑えることができる。また、投射面上に走査光のビームウエストが維持されやすくなる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１Ａ】光走査装置の一例を示す図である。
【図１Ｂ】光走査装置の一例を示す図である。
【図１Ｃ】振動素子の構成部品の一例を示す図である。
【図２】振動素子の回転振動の一例を示す図である。
【図３】振動素子の一例を示す図である。
【図４】振動素子の回転振動の一例を示す図である。
【図５】振動素子の一例を示す図である。
【図６】振動素子の一例を示す図である。
【図７】光走査装置および振動素子の一例を示す図である。
【図８】光走査装置の動作を説明する図である。
【図９】光走査装置の駆動信号を示す図である。
【図１０】光走査装置の動作を説明する図である。
【図１１】光走査装置の動作を説明する図である。
【図１２】光走査装置の動作を説明する図である。
【図１３】光走査装置の動作を説明する図である。
【図１４】画像形成装置の一例を示す図である。
【図１５】画像投影装置の一例を示す図である。
【図１６】光学パターン読み取り装置の一例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
［曲率可変ミラー別体型振動素子を有する光走査装置］
図１Ａに本発明の実施形態である光走査装置１を示す。光源装置９１１は、レーザーなどの光源と射出光学系を含み、曲率可変ミラー１７に向けて光を射出する。曲率可変ミラー１７は、光源装置９１１からの光を反射して振動素子１６に導く。曲率可変ミラー１７はミラー部材３０１と圧電材４０１のユニモルフ構造を持ち、駆動回路８０２からの駆動信号により曲率が制御される。ミラー部材３０１の第１面にはミラー面が形成されており、第２面には圧電材４０１が固定されている。つまり、曲率可変ミラー１７の圧電材４０１が駆動回路８０２から供給される制御信号（駆動信号）にしたがって伸縮することでミラー部材３０１の曲率が適宜変更され、ミラー部材３０１の反射光の焦点距離、すなわち、ビームウエストの位置が変化する。このように、曲率可変ミラー１７の圧電材４０１を制御信号によって制御することで、投射面上に走査光のビームウエストが維持される。
【００１２】
振動素子１６は、第１の捻り梁１０１や第２の捻り梁１０２で支持された２つの振動部（ミラー部２１および第１振動部３１）を有している。ミラー部２１は、ミラー部材３０１’と保持部材２９１とを接着して構成されている。なお、保持部材２９１にミラー面を形成することで当該ミラー面をミラー部材３０１’としてもよい。第１の捻り梁１０１の一端はミラー部２１に結合されており、その他端は第１振動部３１に結合されている。第１振動部３１は、保持部材２９２と、保持部材２９２の第１面に取り付けられた第１磁石６０１と、保持部材２９２の第２面に取り付けられた第２磁石６０２とを有している。第２の捻り梁１０２の一端は第１振動部３１に結合しており、第２の捻り梁１０２の他端は光走査装置１の筐体などに固定されている。
【００１３】
振動素子１６は、同相モードと逆相モードといった２つの共振モードを持つ。逆相モードの共振周波数（第２の共振周波数）は同相モードの共振周波数（第１の共振周波数）の４倍または５倍の周波数に設定されている。駆動回路８０１は、走査周波数を有する第１信号と、走査周波数の４倍または５倍の周波数を有する第２信号とを適当な振幅比率で重畳して駆動信号（制御信号）を生成し、磁界発生部７０１のコイルの両端に印加する。これにより、磁界発生部７０１は走査周波数とそれの４倍または５倍の周波数が適当な比率で重畳されて得られる周波数で変化する磁界を発生する。この磁界によって第１磁石６０１および第２磁石６０２に回転トルクが生じ、同相モードと逆相モードが重畳した回転振動が振動素子１６に励起され、ミラー部２１によって光走査が行われる。
【００１４】
駆動回路８０２は、圧電材４０１に対して第１の共振周波数の２倍の周波数を有する信号と第１の共振周波数の４倍の周波数を有する信号とが重畳した制御信号を供給する第２駆動手段として機能する。これにより、投射面上に走査光のビームウエストが維持されやすくなる。この点の詳細な説明については図８を用いて後述する。
【００１５】
［曲率可変ミラー一体型振動素子を有する光走査装置］
図１Ａを用いて曲率可変ミラー別体型の振動素子１６を有する光走査装置１について説明したが、以下では曲率可変ミラーと走査ミラー部とが一体化された振動素子を有する光走査装置について説明する。つまり、ミラー部２１にミラー部材３０１や圧電材４０１が取り付けられることになる。曲率可変ミラー一体型の振動素子は、光走査装置を小型化する上で非常に役立つであろう。
【００１６】
図１Ｂは光走査装置１を例示している。図１Ｃは振動素子１１の構成を例示している。振動素子１１は、３つの振動部を有している。ミラー部２１は、ミラー部材３０１と、第１導電性部材２０１と、圧電材４０１と、第３導電性部材２０３とを有し、振動部として機能する。第１の捻り梁１０１は、ミラー部２１を回転可能に支持する。第１振動部３１は、第１の捻り梁１０１を保持している。つまり、第１の捻り梁１０１の一端は第１導電性部材２０１に接続されており、第１の捻り梁１０１の他端は第２導電性部材２０２に接続されている。第２の捻り梁１０２の一端は第１振動部３１の第２導電性部材２０２に接続されており、第１振動部３１を回転可能に支持している。第２の捻り梁１０２の他端は光走査装置の筐体などに固定されている。圧電材４０１の第１電極５０１には第１導電性部材２０１が電気的に導通するように接続されている。
【００１７】
圧電材４０１の第２電極５０２には第３導電性部材２０３が電気的に導通するように接続されている。第３の捻り梁１０３の一端は第３導電性部材２０３に接続されており、第３の捻り梁１０３の他端は第４導電性部材２０４に接続されている。第４の捻り梁１０４の一端は、第２振動部３２の一部を構成する第４導電性部材２０４に接続されている。第４の捻り梁１０４の他端は光走査装置の筐体などに固定されている。
【００１８】
振動素子１１では、第２導電性部材２０２の第１面側に第１磁石６０１が設けられており、第２導電性部材２０２の第２面側には第２磁石６０２が設けられている。第４導電性部材２０４の第１面側には第３磁石６０３が設けられており、第４導電性部材２０４の第２面側には第４磁石６０４が設けられている。
【００１９】
第１の捻り梁１０１、第２の捻り梁１０２、第３の捻り梁１０３、第４の捻り梁１０４を導電性の素材で構成することで、これらは配線の代わりに駆動信号を圧電材４０１に供給することが可能となる。配線を使用しなければ、断線が生じないため、振動素子の耐久性が向上する。
【００２０】
第１導電性部材２０１としては平板状の導電性部材が使用され、第３導電性部材２０３としてはリング状の導電性部材が採用されている。よって、第３導電性部材２０３については軽量化を図ることが可能となる。
【００２１】
第２導電性部材２０２および第４導電性部材２０４だけでなく、第１磁石６０１、第２磁石６０２、第３磁石６０３および第４磁石６０４はほぼ同じ形状を有している。これは大量生産の観点から好ましいといえる。第１の捻り梁１０１と第３の捻り梁１０３は同一のばね定数を有している。同様に、第２の捻り梁１０２と第４の捻り梁１０４も同一のばね定数を有している。ミラー部材３０１にはミラー面が形成されている。よって、ミラー部２１が回転振動することで、ミラー部材３０１のミラー面の法線方向が変化し、ミラー面に入射した光が走査される。なお、振動素子１１が静止した状態においてミラー面の法線はｙ軸と平行である。回転軸はｚ軸と平行である。
【００２２】
駆動回路８０１が発生する駆動信号によってコイル等の磁界発生部７０１が磁界を発生し、この磁界と第１磁石６０１、第２磁石６０２、第３磁石６０３および第４磁石６０４の磁界とが作用して、振動素子１１に回転振動が励起される。また、駆動回路８０２が発生する駆動信号が捻り梁や導電性部材を介して圧電材４０１の第１電極５０１および第２電極５０２に印加される。これにより、圧電材４０１が伸縮変形し、圧電材４０１に取り付けられたミラー部材３０１の曲率が変化する。曲率を適宜変化させることで、ビームウエストが走査面上に維持されることになる。つまり、走査面上でのビームスポット径が一定のサイズに維持される。このように、圧電材４０１とミラー部材３０１を有するミラー部２１は曲率可変ミラーとして機能し、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。
【００２３】
図２に振動素子の共振振動状態を示す。図２（ａ）は振動素子１１が静止した状態を示している。図２（ｂ）はミラー部２１と第１振動部３１および第２振動部３２が同相で回転振動する同相モードを示している。図２（ｃ）はミラー部２１と第１振動部３１および第２振動部３２が逆相で回転振動する逆相モードを示している。通常、逆相モードの共振周波数のほうが同相モードの共振周波数よりも高くなる。振動素子１１では、同相モードの共振周波数は光走査周波数近傍に設定される。逆相モードの共振周波数は同相モードの共振周波数の４倍または５倍となるように、振動部（ミラー部２１、第１振動部３１および第２振動部３２）の慣性モーメントと各捻り梁のばね定数が調整される。
【００２４】
第１振動部３１および第２振動部３２の近傍には磁界発生部７０１が配置される。磁界発生部７０１は、駆動回路８０１から供給された駆動信号に基づいて磁界を発生する。これにより第１磁石６０１〜第４磁石６０４に回転トルクが生じ、第１振動部３１および第２振動部３２に回転振動が励起される。駆動回路８０１が出力する駆動信号は光走査周波数の信号とそれの４倍または５倍の周波数の信号とが適当な振幅比率で重畳されたものである。振動素子１１の振動状態は、同相モードの振動に逆相モードの振動が重畳されたものとなる。
【００２５】
第１の捻り梁１０１には第１導電性部材２０１の接続部付近に曲げ加工が施されている、これにより、振動素子１１の回転振動の軸と、第１の捻り梁１０１の長手方向の軸とが一致する。同様に、第３の捻り梁１０３には第３導電性部材２０３の接続部付近に曲げ加工が施されている、これにより、振動素子１１の回転振動の軸と、第３の捻り梁１０３の長手方向の軸とが一致する。これは振動素子１１を安定して回転振動させることに寄与する。
【００２６】
駆動回路８０２から供給された駆動信号に基づいて圧電材４０１の第１電極５０１と第２電極５０２の間に電界が生じ、圧電材４０１が伸縮して導電性部材２０１とミラー部材３０１の変形を生じさせる。
【００２７】
［振動素子］
図３ないし図６を用いて振動素子の他の実施形態について説明する。なお、複数の振動素子において共通する機能や部材についてはできるだけ同一の参照符号を付与することで、説明の簡明化を図ることにする。
【００２８】
図３が示す振動素子１２は振動素子１１と比較して、複数の捻り梁の位置関係と磁石の数が変更されている。つまり、第１の捻り梁１０１と第３の捻り梁１０３とが並行となるように配置され、第２の捻り梁１０２と第４捻り梁１０４とが並行となるように配置されている。その結果、第２導電性部材２０２と第４導電性部材２０４とが対向するように配置されている。また、磁界発生部７０１の磁界と作用する磁界を発生する磁石６０５は、第２導電性部材２０２と第４導電性部材２０４に挟持されるように配置されている。回転振動の中心軸は並行する２本の捻り梁の中間になる。
【００２９】
振動素子１１はミラー部２１を両側から支持する両持ち構造を採用しているが、振動素子１２はミラー部２１を片側から支持する片持ち構造を採用している。片持ち構造では、振動素子を小型化できる反面、ミラー部が首を振る撓みモードの共振周波数が低くなりやすい。よって、外部からの衝撃などで回転振動モードに撓み振動モードが加わった振動状態が振動素子に生じ、走査線が副走査方向に変動することがある。
【００３０】
しかし、図３が示すように、振動素子１２では２本の梁を並べた構成を採用しているため、撓み剛性が増加し、撓み振動の共振周波数が高くなる。よって、振動素子１２は、衝撃によっても変動し難く、かつ、変動しても短時間で変動を減衰させることができる。
【００３１】
図４（ａ）は振動素子１２が静止した状態を示している。図４（ｂ）はミラー部２１と振動部３１が同相で回転振動する同相モードを示している。図４（ｃ）はミラー部２１と振動部３１が逆相で回転振動する逆相モードを示している。振動素子１１と同様に振動素子１２についても逆相モードの共振周波数は同相モードの共振周波数のそれよりも高くなる。
【００３２】
図５（ａ）、図５（ｂ）および図５（ｃ）は、振動素子１１の変形例である振動素子１３を示している。振動素子１３では第１導電性部材２０１と第３導電性部材２０３の形状がそれぞれ半円状となっている。圧電材４０１の第１電極５０１および第２電極５０２は圧電材の第１面側に設けられている。第１電極５０１および第２電極５０２も第１導電性部材２０１と第３導電性部材２０３の形状とそれぞれ一致している。圧電材４０１の第２面側には第３電極５０３が設けられている。第１電極５０１および第２電極５０２は、円形状の１つの電極を製造時にｘ軸方向に分割することで形成可能である。
【００３３】
第１電極５０１と第３電極５０３との間における分極Ｐの方向と、第２電極５０２と第３電極５０３との間における分極Ｐの方向とは反対になっている。これは製造時に第１電極５０１、第２電極５０２および第３電極５０３を利用して、これらの電極間に圧電材４０１の抗電界以上の電界を印加すること実現される。
【００３４】
駆動回路８０２は第２の捻り梁１０２の他端と第４の捻り梁１０４の他端とに接続されており、そこから駆動信号を振動素子１３に印加する。駆動信号は捻り梁や導電性部材を介して第１電極５０１および第２電極５０２に印加される。これにより、図５（ｃ）が示すように第１電極５０１と第３電極５０３との間には分極Ｐと同じ方向の電界が発生する。同様に、第２電極５０３と第３電極５０３との間にも分極Ｐと同じ方向の電界が発生する。よって、第１電極５０１の部分と第２電極５０２の部分とで同じ伸縮変形を生じる。駆動回路８０２からの駆動信号の振幅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。
【００３５】
振動素子１３では第１の捻り梁１０１と第３の捻り梁１０３はともに回転振動の軸を通っている。よって、振動素子１３は、振動素子１１と比較して、第１の捻り梁１０１と第３の捻り梁１０３とには曲げ加工を省略できる利点がある。また、第１導電性部材２０１、第１の捻り梁１０１、第２導電性部材２０２および第２の捻り梁１０２により構成される部分と、第３導電性部材２０３、第３の捻り梁１０３、第４導電性部材２０４および第４の捻り梁１０４により構成される部分とはそれぞれ形状が一致している。つまり、これらは同一部品として量産することが可能である。このように振動素子１３は製造コストの面でも有利であろう。
【００３６】
図６（ａ）および図６（ｂ）は、振動素子１４を示している。振動素子１４は、振動素子１３を片持ち構造へと変形したものです。図６（ｂ）が示すように、圧電材４０１の第１面側の円形電極が回転軸（ｚ軸）に対して線対称に分割されて、第１電極５０１と第２電極とが形成されている。これは、振動素子１３の圧電材４０１を９０度回転させたものに他ならない。また、導電性部材や捻り梁の部分は、振動素子１２の導電性部材や捻り梁を回転軸に対して線対称に分割することで形成されている。つまり、円形の導電性部材はｚ軸方向に沿って第１導電性部材２０１と第３導電性部材２０３とに分割されている。円形の導電性部材から矩形の導電性部材までの間に設けられている捻り梁も第１の捻り梁１０１と第３の捻り梁１０３とに分割されている。矩形の導電性部材も第２導電性部材２０２と第４導電性部材２０４とに分割されている。矩形の導電性部材から延びている捻り梁も第２の捻り梁１０２と第４の捻り梁１０４とに分割されている。
【００３７】
第１磁石６０１は第２導電性部材２０２と第４導電性部材２０４の第１面側に取り付けられる。第２磁石６０２は第２導電性部材２０２と第４導電性部材２０４の第２面側に取り付けられる。
【００３８】
なお、圧電材４０１の分極や電界の方向は図５（ｃ）に示したものと同じである。
【００３９】
第１導電性部材２０１、第１の捻り梁１０１、第２導電性部材２０２および第２の捻り梁１０２により構成される部分と、第３導電性部材２０３、第３の捻り梁１０３、第４導電性部材２０４および第４の捻り梁１０４により構成される部分とはそれぞれ形状が一致している。つまり、これらは同一部品として量産することが可能である。このように振動素子１４は製造コストの面でも有利であろう。
【００４０】
図７（ａ）および図７（ｂ）は振動素子１５を示している。圧電材４０１は円形をしており、第１面側に第１電極５０１を有して第２面側に第２電極５０２を有している。第１電極に接続した第１導電性部材２０１には、第１の捻り梁１０１の一端と第５の捻り梁１０５の一端とがそれぞれ接続されている。第１の捻り梁１０１の他端は第２導電性部材２０２に接続している。第２の捻り梁１０２の一端も第２導電性部材２０２に接続している。第２の捻り梁１０２の他端は筐体に固定されているとともに、駆動回路８０３に接続している。第５の捻り梁１０５の他端は第５導電性部材２０５に接続している。第６の捻り梁１０６の一端も第５導電性部材２０５に接続している。第６の捻り梁１０６の他端は筐体に固定されているとともに、駆動回路８０３に接続している。
【００４１】
第２電極に接続した第３導電性部材２０３には、第３の捻り梁１０３の一端と第７の捻り梁１０７の一端とがそれぞれ接続されている。第３の捻り梁１０３の他端は第４導電性部材２０４に接続している。第４の捻り梁１０４の一端も第４導電性部材２０４に接続している。第４の捻り梁１０４の他端は筐体に固定されているとともに、駆動回路８０３に接続している。第７の捻り梁１０７の他端は第６導電性部材２０６に接続している。第８の捻り梁１０８の一端も第６導電性部材２０６に接続している。第８の捻り梁１０８の他端は筐体に固定されているとともに、駆動回路８０３に接続している。第２導電性部材２０２と第６導電性部材２０６とを絶縁するために第１絶縁材６２１が設けられている。さらに、第４導電性部材２０４と第５導電性部材２０５とを絶縁するために第２絶縁材６２２が設けられている。
【００４２】
第２の捻り梁１０２に沿ってその近傍に第１磁石６１１が配置されている。第８の捻り梁１０８に沿ってその近傍に第２磁石６１２が配置されている。第６の捻り梁１０６に沿ってその近傍に第３磁石６１３が配置されている。第４の捻り梁１０４に沿ってその近傍に第４磁石６１４が配置されている。
【００４３】
駆動回路８０３は、第２の捻り梁１０２、第２導電性部材２０４、第１の捻り梁１０１、第１導電性部材２０１、第５の捻り梁１０５、第５導電性部材２０５および第６の捻り梁１０６を含むパスに駆動信号を流す。さらに、駆動回路８０３は、第８の捻り梁１０８、第６導電性部材２０６、第７の捻り梁１０７、第３導電性部材２０３、第３の捻り梁１０３、第４導電性部材２０４および第４の捻り梁１０４を含むパスに駆動信号を流す。つまり、第２の捻り梁１０１と第６の捻り梁１０６との間に印加される電流と、第４の捻り梁１０４と第８の捻り梁１０８との間とに印加される電流と、第１磁石６１１〜第４磁石６１４の磁界とが作用することで、各捻じり梁に捻りトルクが発生する。その結果、振動部に回転振動が励起される。
【００４４】
第１導電性部材２０１と第３導電性部材２０３との間に生じる電圧を調整することで、圧電材４０１の伸縮に応じてミラー部材３０１の曲率が制御される。
【００４５】
振動素子１５では、振動素子１１ないし振動素子１４で必要であった磁界発生部７０１を不要にすることができる。また、振動素子１５の駆動するための信号はすべて捻り梁に供給される。
【００４６】
［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１１〜１６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。
【００４７】
導電性部材２０１〜２０６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。
【００４８】
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２０１〜２０６、ミラー部材３０１、または、導電性部材２０３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５０１〜５０３と導電性部材２０１、２０２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２０１〜２０６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２０１〜２０６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２０１〜２０６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。
【００４９】
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。
【００５０】
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。
【００５１】
［光走査装置の動作］
次に、図８〜図１４を参照して光走査装置の動作を説明する。
【００５２】
図８（ａ）は振動素子１１〜１６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８（ｂ）はミラー部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８（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ミラー部２１が回転して図８（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８（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８（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８（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。
【００５３】
図９は、図８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ミラー部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。
【００５４】
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。ミラー部２１を共振により回転振動させる場合には周波数ｆ１の駆動信号とミラー部２１の回転角の位相が９０度ずれる。そのため、回転角に合わせてミラー部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。
【００５５】
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１１〜１６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。
【００５６】
図１０は図８（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８（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１１のようになる。図１１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。
【００５７】
以上の説明は、振動素子のビーム走査角がサイン波状に変化する場合のもの、即ち、本実施形態の振動素子の同相モードのみで走査を行った場合のものである。そこで、図１２（ａ）および図１２（ｂ）を用いて同相モードに逆相モードを重畳させた場合のビームスポットの移動速度の変化率について説明する。
【００５８】
図１２（ａ）は同相モードｆ１およびそれの５倍の周波数を持つ逆相モードｆ５の角度振幅の一例を示している。振動素子１１〜１６ではこれらを重畳した走査角変化を生じる。なお、逆相モードｆ５の角度振幅は同相モードｆ１の角度振幅に対して小さいためグラフのスケールを変えて示している。
【００５９】
同相モードｆ１の角度振幅と逆相モードｆ５の角度振幅の比率の設定は、同相モードｆ１と逆相モードｆ５の駆動信号を適当な振幅比率で重畳させることで得られる。逆相モードｆ５の共振周波数が同相モードｆ１の４倍の周波数であるときは、４倍の周波数の信号が重畳される。
【００６０】
図８（ｂ）は、逆相モードｆ５を同相モードｆ１に重畳した場合に得られるビームスポットの移動速度の変化率の一例を示している。ｉｉｉ及びｉｖのグラフは図１１に示したものと同じグラフであり、縦軸が拡大されている。ｉｖ’はｉｖと同じ最大走査角で４倍の周波数の逆相モードを重畳した場合のグラフである。ｉｖ”は５倍の周波数の逆相モードを重畳した場合のグラフである。逆相モードを重畳しない場合にはｉｉｉから最大走査角を大きくするとｉｖのように移動速度の変化率が大きくなってしまう。これに対して、逆相モードを重畳することで、ｉｖ’またはｉｖ”のように移動速度の変化率をある範囲内に収めたまま有効走査角を拡大することができる。
【００６１】
つまり、走査周波数を持つ同相モードの駆動信号に対して４倍または５倍の周波数を持つ逆相モードの駆動信号を重畳させることで、最大走査角を大きくして有効走査角を広げることができる。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い。そのため、有効走査角はできるだけ広いほうが好ましい。小型の振動素子で最大走査角を大きくするには、ミラー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。
【００６２】
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。
【００６３】
図１３（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１０に示した投射距離Ｌを１７４ｍｍに設定し、振動素子１１〜１６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１３（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１３（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１１〜１６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９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１３（ａ）の“ｆ２なし”のグラフに示されたものとなり、走査端に向うにしたが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１３（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１３（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。
【００６４】
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１１〜１６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１１〜１６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ミラー部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。
【００６５】
［画像形成装置］
図１４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１１〜１６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。
【００６６】
振動素子１１〜１６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１１〜１６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。
【００６７】
［画像形成装置］
図１５（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１１〜１６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１５（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。
【００６８】
このように振動素子１１〜１６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。
【００６９】
［光学パターン読み取り装置］
図１６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１１〜１６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。
【００７０】
振動素子１１〜１６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。
【００７１】
［まとめ］
本実施形態によれば、曲率可変ミラーを用いた光走査は、第１の周波数を有する信号と、第１の周波数の４倍、または、５倍の周波数を有する信号とを重畳した信号に基づいて制御される。また、曲率可変ミラーの曲率は、第１の周波数の２倍、及び、４倍の周波数を有する信号を重畳させた信号に基づいて制御される。とりわけ、本実施形態によれば、振動素子１１〜１６は、ミラー部２１と第１振動部３１が同相で回転振動する第１の共振周波数と、ミラー部２１と第１振動部３１が逆相で回転振動する第２の共振周波数を有している。さらに、第２の共振周波数は第１の共振周波数の４倍または５倍の周波数である。これにより、移動速度の変化率をある範囲に収めたまま有効走査角を広げることが可能となる。この点は図１２を用いて説明したとおりである。
【００７２】
図１ないし図６を用いて説明したように、圧電材４０１を駆動する第２駆動手段として駆動回路８０３が設けられてもよい。駆動回路８０３は、第１の共振周波数の２倍の周波数を有する信号と第１の共振周波数の４倍の周波数を有する信号を重畳した信号を用いて圧電材４０１を駆動してもよい。これによりいずれの走査位置でもビームスポット径を一定のサイズに維持しやすくなる。つまり、走査光の投射面上にビームウエストが維持されるようになる。
【００７３】
また、このような振動素子１１〜１６を光走査装置１に採用すれば、投射面上でのビームスポット径およびビームスポットの移動速度の変化を抑えることができる。たとえば、補正光学系を簡略化しても、広い範囲でビームスポット径やビームスポットの移動速度のばらつき抑えることが可能となる。
【００７４】
なお、駆動回路８０２または駆動回路８０３は、第１振動部３１に回転振動を励起する第１駆動手段として機能する。駆動回路８０２または駆動回路８０３は、第１の共振周波数に一致した周波数を有する信号と、第１の共振周波数の４倍または５倍の周波数を有する信号とを重畳させた信号を用いて振動素子１１ないし１５を駆動する。
【００７５】
図１ないし図７を用いて説明したように、ミラー部材３０１の曲率を変化させる圧電材４０１を採用することで可変曲率ミラーが実現されてもよい。この場合、光学系に可変焦点ミラーを配置する必要がなくなるため、製造コストを削減できる。また、光学系を簡素化して、光走査装置１をコンパクトにすることが可能となる。
【００７６】
図１、図２、図５および図７を用いて説明したように第２振動部３２が採用されてもよい。第１の共振周波数によりミラー部２１、第１振動部３１および第２振動部３２が同相で回転振動し、第２の共振周波数によりミラー部２１、第１振動部３１および第２振動部３２が逆相で回転振動することになる。このようにミラー部２１の両側に振動部が配置されるため、安定してミラー部２１が回転振動することが可能となる。
【００７７】
図３を用いて説明した振動素子１２では第２導電性部材２０２と第４導電性部材２０４との間に磁石６０５を取り付ければよいため、磁石の数を減らすことが可能となる。なお、振動素子１２はいわゆる片持ち構造を採用しているが、２本の捻り梁が並行に配置されているため撓み振動を抑制しやすい。
【００７８】
図１などを用いて説明したように第３導電性部材２０３はリング状の導電性部材とすることで、ミラー部２１を軽量化することが可能となる。
【００７９】
図１Ｃを用いて説明したように、第１の捻り梁１０１が振動素子１１の回転振動の軸に近づくように第１の捻り梁１０１には曲げ加工が施されていてもよい。このように捻り梁の長さ方向の軸を回転振動の軸に近づけて配置することで、振動素子１１の回転振動が安定しやすくなる。
【００８０】
図５や図６を用いて説明したように、圧電材４０１の第１電極５０２および第２電極５０２は圧電材４０１の第１面側に設けられ、圧電材４０１の第２面側には第３電極５０３が設けられてもよい。このような構成はミラー部２１の軽量化をもたらすであろう。また、共通部品の数を増やすことも可能となり、生産コストの低減にも役立つであろう。
【００８１】
図７を用いて説明したように、第２の捻り梁、第２導電性部材、第１の捻り梁、第１導電性部材、第５の捻り梁、第５導電性部材および第６の捻り梁を含むパスを流れる信号と、第８の捻り梁、第８導電性部材、第７の捻り梁、第３導電性部材、第３の捻り梁、第４導電性部材および第４の捻り梁を含むパスを流れる信号とによって振動素子１５を回転振動させてもよい。この場合、重量物である磁石を振動素子１５に固定する必要がなくなり、振動素子１５の重量を削減できる。また、磁界発生部７０１を省略できる利点もある。
【００８２】
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。
【００８３】
図１４を用いて説明したように、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７が提供されてもよい。振動素子１１〜１６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１１〜１６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。
【００８４】
図１５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１１〜１６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１６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１１〜１６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１Ｃ】
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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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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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