(57)【要約】【課題】液体レンズを用いた光走査装置において、導電性液体と絶縁性液体との界面が、光軸及び鉛直方向を含む断面において、光軸に対して非対称な形状に変形することを抑制する。【解決手段】レーザダイオード１２は、ビームを出射する。液体レンズ１４は、導電性液体４０と絶縁性液体４２とを含み、かつ、レーザダイオード１２が出射したビームを集光する。ポリゴンミラー２０は、液体レンズ１４を通過したビームを偏向する。導電性液体４０と絶縁性液体４２との界面Ｓの形状が、エレクトロウエッティング現象により変形することによって、液体レンズ１４の焦点距離が変化する。液体レンズ１４は、該液体レンズ１４の光軸と鉛直方向とが略平行となるように配置される。【選択図】図２
2008304791.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光源と、
第１の液体と第２の液体とを含み、かつ、前記光源が出射した光を集光する光学素子と、
前記光学素子を通過した光を偏向する偏向手段と、
を備え、
前記第１の液体と前記第２の液体との界面の形状が、エレクトロウエッティング現象により変形することによって、前記光学素子の焦点距離が変化し、
前記光学素子は、該光学素子の光軸と鉛直方向とが略平行となるように配置されていること、
を特徴とする光走査装置。
【請求項２】
前記第１の液体の比重は、前記第２の液体の比重よりも大きく、
前記第１の液体は、前記第２の液体よりも鉛直方向の下側に位置していること、
を特徴とする請求項１に記載の光走査装置。
【請求項３】
前記光源及び前記光学素子を収納する筐体を、
更に備え、
前記光学素子は、該光学素子の鉛直方向の下側半分の部分において前記筐体に固定されていること、
を特徴とする請求項２に記載の光走査装置。
【請求項４】
前記第１の液体は、導電性液体であり、
前記第２の液体は、絶縁性液体であること、
を特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれかに記載の光走査装置。
【請求項５】
前記第１の液体は、絶縁性液体であり、
前記第２の液体は、導電性液体であること、
を特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれかに記載の光走査装置。
【請求項６】
前記光学素子の収差を補正する補正光学素子を、
更に備えること、
を特徴とする請求項１ないし請求項５のいずれかに記載の光走査装置。
【請求項７】
前記光学素子は、該光学素子の収差を補正する補正光学素子を、
更に含むこと、
を特徴とする請求項１ないし請求項５のいずれかに記載の光走査装置。
【請求項８】
前記偏向手段により偏向された光を受光し、該光のビーム径を示す電気信号を生成する受光素子と、
前記受光素子が生成した電気信号に基づいて、前記光学素子の焦点距離を制御する制御手段と、
を更に備えること、
を特徴とする請求項１ないし請求項７のいずれかに記載の光走査装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光走査装置に関し、より特定的には、液体レンズを備えた光走査装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
オートフォーカス機能や光学ズームを備えた光学モジュールに用いられるレンズにおいて、液体レンズと呼ばれるものが存在する。図８は、液体レンズ１０１の光軸及び鉛直方向を含んだ面における断面構造図である。この液体レンズ１０１は、導電性液体１０２と絶縁性液体１０３とが混ざり合わない状態で接触するように容器１０４に封入されており、導電性液体１０２と絶縁性液体１０３とがレンズを構成しているものである。この液体レンズ１０１では、導電性液体１０２に電圧を印加して、エレクトロウエッティング現象により導電性液体１０２と絶縁性液体１０３との界面Ｓの形状を変化させることができる。これにより、液体レンズ１０１の焦点を調整することができる。
【０００３】
前記液体レンズ１０１は、焦点の調整の際にレンズを移動させる機構が不要であるため、近年、様々な用途に利用することが提案されている。例えば、特許文献１ないし特許文献３では、液体レンズ１０１を光走査装置に適用することが提案されている。これらの光走査装置は、液体レンズ１０１の焦点距離を制御することにより、より高品位な画像形成を実現することを目的としている。
【０００４】
ところで、液体レンズ１０１は、導電性液体１０２と絶縁性液体１０３とにより構成されている。そのため、光軸の向きが鉛直方向からずれると、導電性液体１０２と絶縁性液体１０３との界面Ｓは、重力の影響により、界面Ｓ'の様に、光軸と鉛直方向とを含む断面において、光軸に対して非対称に変形してしまうという問題があった。
【特許文献１】特開２００６−２５１３４３号公報
【特許文献２】特開２００６−２５１５１３号公報
【特許文献３】特開２００６−２５８８３８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
そこで、本発明の目的は、液体レンズを用いた光走査装置において、導電性液体と絶縁性液体との界面が、光軸と鉛直方向とを含む断面において、光軸に対して非対称な形状に変形することを抑制することである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、光源と、第１の液体と第２の液体とを含み、かつ、前記光源が出射した光を集光する光学素子と、前記光学素子を通過した光を偏向する偏向手段と、を備え、前記第１の液体と前記第２の液体との界面の形状が、エレクトロウエッティング現象により変形することによって、前記光学素子の焦点距離が変化し、前記光学素子は、該光学素子の光軸と鉛直方向とが略平行となるように配置されていること、を特徴とする。
【０００７】
本発明によれば、光学素子の光軸と鉛直方向とが略平行となるように、該光学素子が配置されるので、第１の液体と第２の液体との界面に対して、略垂直に均等に重力がかかるようになる。その結果、光軸と鉛直方向とを含む断面において、重力の影響により光軸に非対称な形状に第１の液体と第２の液体との界面が変形することが抑制される。
【０００８】
本発明において、前記第１の液体の比重は、前記第２の液体の比重よりも大きく、前記第１の液体は、前記第２の液体よりも鉛直方向の下側に位置していてもよい。
【０００９】
本発明によれば、比重が大きい第１の液体が第２の液体よりも下側に配置されているので、重力の影響により光軸に対称な変形が界面に発生することが効果的に抑制される。更に、比重が大きい第１の液体が第２の液体よりも下側に配置されているので、比重が大きい第１の液体が第２の液体よりも上側に配置された場合のように、重力の影響により光軸に対称な変形が界面に発生することを抑制するために、第１の液体と第２の液体との比重差を極力小さくする必要がなくなる。これにより、第１の液体と第２の液体とに用いる液体の選択の自由度が向上する。
【００１０】
本発明において、前記光源及び前記光学素子を収納する筐体を、更に備え、前記光学素子は、該光学素子の鉛直方向の下側半分の部分において前記筐体に固定されていてもよい。
【００１１】
本発明によれば、光学素子は、該光学素子の鉛直方向の下側半分の部分において筐体に固定され、かつ、比重が大きい第１の液体が第２の液体よりも下側に配置されているので、光学素子の重心と光学素子の固定位置との距離が小さくなる。その結果、偏向手段を駆動させるためのモーターの振動により光学素子が振動しにくくなり、第１の液体と第２の液体との界面の変形が抑制される。
【００１２】
本発明において、前記第１の液体は、導電性液体であり、前記第２の液体は、絶縁性液体であってもよい。
【００１３】
本発明において、前記第１の液体は、絶縁性液体であり、前記第２の液体は、導電性液体であってもよい。
【００１４】
本発明において、前記光学素子の収差を補正する補正光学素子を、更に備えていてもよい。
【００１５】
本発明において、前記光学素子は、該光学素子の収差を補正する補正光学素子を、更に含んでいてもよい。
【００１６】
本発明において、前記偏向手段により偏向された光を受光し、該光のビーム径を示す電気信号を生成する受光素子と、前記受光素子が生成した電気信号に基づいて、前記光学素子の焦点距離を制御する制御手段と、を更に備えていてもよい。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
以下に、本発明の一実施形態に係る光走査装置の構成について図面を参照しながら説明する。図１は、該光走査装置１０の上視図である。図２は、光走査装置１０の側面図である。なお、図１及び図２において、ｙ軸は、主走査方向を示し、ｚ軸は副走査方向を示す。なお、ｚ軸は、鉛直方向とも一致する。
【００１８】
光走査装置１０は、図１及び図２に示すように、レーザダイオード１２、液体レンズ１４、ミラー１６、シリンドリカルレンズ１８、ポリゴンミラー２０、走査レンズ２２，２４、ミラー２６、受光素子２８、筐体２９及び制御部３０を備える。
【００１９】
レーザダイオード１２は、ビームを出射する光源としての役割を果たす。レーザダイオード１２から出射されたビームは、拡散光である。そこで、液体レンズ１４は、レーザダイオード１２から出射されたビームを集光するコリメータレンズとしての役割を果たし、ビームの焦点距離を変化させる機能を有する。なお、液体レンズ１４の詳細については後述する。
【００２０】
ミラー１６は、液体レンズ１４を通過したビームを、ポリゴンミラー２０側へと反射する。シリンドリカルレンズ１８は、ミラー１６により反射されたビームを、ポリゴンミラー２０のミラー面近傍においてｚ軸方向に集光する。
【００２１】
ポリゴンミラー２０は、図示しないモーターにより矢印の方向に回転され、シリンドリカルレンズ１８を通過してきたビームをｙ軸方向に等角速度に偏向する偏向手段としての役割を果たす。走査レンズ２２，２４は、ポリゴンミラー２０により偏向されたビームを等速走査して、該ビームを感光体ドラム３２上に結像させる。感光体ドラム３２は、所定速度で回転駆動される。これにより、ビームによる主走査と感光体ドラム３２の回転による副走査によって２次元の静電潜像が形成される。
【００２２】
また、ミラー２６は、ポリゴンミラー２０により偏向され、走査レンズ２２，２４を通過したビームを受光素子２８側へと反射する役割を果たす。受光素子２８は、ミラー２６により反射されたビームを受光し、ビーム径を示す電気信号を生成する。制御部３０は、受光素子２８が生成した電気信号に基づいて、受光素子２８が受光しているビームのビーム径が一定となるように、液体レンズ１４の焦点距離を制御する制御手段としての役割を果たす。これにより、制御部３０は、走査レンズ２２，２４等が熱の影響により歪んだとしても、感光体ドラム３２に照射されるビームのビーム径が変化することを抑制している。
【００２３】
筐体２９は、図１に示すように、レーザダイオード１２、液体レンズ１４、ミラー１６、シリンドリカルレンズ１８、ポリゴンミラー２０、走査レンズ２２，２４、ミラー２６及び受光素子２８を収納する。液体レンズ１４は、図２に示すように、液体レンズ１４の鉛直方向の下側半分の部分において筐体２９に固定されている。より詳細には、液体レンズ１４は、底面Ａにおいて筐体２９に固定されている。
【００２４】
次に、図３及び図４を参照しながら、液体レンズ１４の構成について説明する。図３は、液体レンズ１４の光軸を含む面における断面構造図である。なお、図３（ａ）は、電圧を印加した状態における液体レンズ１４の断面構造図であり、図３（ｂ）は、電圧を印加していない状態における液体レンズ１４の断面構造図である。図４は、図３の液体レンズ１４のＣの部分の拡大図である。なお、図３及び図４では、理解の容易のため、図２に示した液体レンズ１４をｚ軸方向に上下反転させて記載した。
【００２５】
図３に示すように、液体レンズ１４は、導電性液体４０、絶縁性液体４２、透明板４４，４６、第１の電極４８、絶縁膜５０及び第２の電極５２を含む。該液体レンズ１４は、導電性液体４０と絶縁性液体４２との界面Ｓの形状を、エレクトロウエッティング現象により変形させることによって、焦点距離を変化させることができるものである。具体的には、電圧が印加されると、界面Ｓは、図３（ｂ）に示す状態から、図３（ａ）に示す状態へと変化する。
【００２６】
透明板４４，４６は、透明な樹脂又はガラスにより構成され、互いに平行に所定の隙間を残して配置される。この隙間には、導電性液体４０と絶縁性液体４２とが封入される。
【００２７】
導電性液体４０は、無機塩の水溶液や、有機液体など、それ自身が導電性を有するもの、或いはイオン性成分を付加することによって導電性とされた液体である。絶縁性液体４２は、導電性液体４０とは異なる屈折率を有し、シリコーンオイルやパラフィンオイルなどのような導電性液体４０と混合しない液体である。そのため、導電性液体４０と絶縁性液体４２とは、互いに分離した状態となっており、界面Ｓを形成している。これにより、導電性液体４０と絶縁性液体４２とはレンズを構成している。なお、導電性液体４０の屈折率の方が、絶縁性液体４２の屈折率よりも小さいことが好ましい。
【００２８】
第１の電極４８は、導電性液体４０と接触するように、透明板４４上に設けられる。第２の電極５２は、透明板４６と第１の電極４８との間に設けられる。絶縁膜５０は、第２の電極５２を覆うように形成される。具体的には、絶縁膜５０は、第１の電極４８と第２の電極５２との間に形成されて該第１の電極４８と第２の電極５２とを絶縁すると共に、第２の電極５２の内周面に形成されて第２の電極５２と導電性液体４０及び絶縁性液体４２とが接触しないようにしている。第１の電極４８と第２の電極５２との間には、液体レンズ１４の駆動時において、電圧が印加される。
【００２９】
以上のように構成された液体レンズ１４について、以下に、その動作原理について図４を参照しながら説明する。図４は、図３の液体レンズ１４のＣの部分の拡大図である。図４（ａ）は、電圧が印加されていない状態での液体レンズ１４（図３（ｂ）に対応）のＣの部分の拡大図であり、図４（ｂ）は、電圧が印加された状態での液体レンズ１４（図３（ａ）に対応）のＣの部分の拡大図である。
【００３０】
まず、導電性液体４０と絶縁性液体４２との間の界面張力を界面張力γ１２とし、絶縁膜５０と導電性液体４０との間の界面張力を界面張力γ３１とし、絶縁性液体４２と絶縁膜５０との間の界面張力を界面張力γ２３と定義する。図４（ａ）に示すように、第１の電極４８と第２の電極５２との間に電圧が印加されていない場合には、界面張力γ１２と界面張力γ２３と界面張力γ３１とは、互いに釣り合っており、界面Ｓと絶縁膜５０とが角θ１の角度をなしている。このとき、角θ１と界面張力γ１２と界面張力γ２３と界面張力γ３１との間には、ヤングの方程式により、式（１）の関係が成立する。
【００３１】
【数１】
2008304791.tif 000003
【００３２】
ここで、第１の電極４８と第２の電極５２とに電圧を印加すると、例えば、図４（ｂ）に示すように、絶縁膜５０と導電性液体４０との境界には、プラスの電荷が現れる。一方、絶縁膜５０と第２の電極５２との境界には、マイナスの電荷が現れる。これにより、電荷による圧力Πが、絶縁性液体４２と絶縁膜５０との間に、界面張力γ２３と同じ方向に発生する。この圧力Πは、式（２）のように示される。
【００３３】
【数２】
2008304791.tif 000004
【００３４】
なお、εは絶縁膜５０の誘電率であり、ε０は真空の誘電率であり、ｅは絶縁膜５０の厚さであり、Ｖは第１の電極４８と第２の電極５２との間の電圧である。
【００３５】
圧力Πが発生することにより、界面Ｓと絶縁膜５０とは、角θ１よりも大きな角θ２の角度をなすようになる。このとき、液体レンズ１４の界面Ｓは、図３（ａ）に示すように、湾曲する。この角θ２は、式（３）のように示される。
【００３６】
【数３】
2008304791.tif 000005
【００３７】
以上のように、第１の電極４８と第２の電極５２との間に印加する電圧を変化させることにより、界面Ｓと絶縁膜５０とのなす角度が変化することがわかる。そして、界面Ｓと絶縁膜５０とのなす角度が変化することにより、電圧が印加された状態では、図３（ａ）に示すように、界面Ｓが湾曲して、焦点距離が相対的に短くなる。また、電圧が印加されていない状態では、図３（ｂ）に示すように、界面Ｓが平坦状になり、焦点距離が相対的に長くなる。図１に示す制御部３０は、この電圧の大きさを制御して、液体レンズ１４の焦点距離を制御する。
【００３８】
ところで、液体レンズ１４は、相対的に比重が大きい導電性液体４０と相対的に比重が小さい絶縁性液体４２とにより構成される。そのため、図８に示すように、光軸が水平方向を向くと、重力の影響により、界面Ｓ'に示すように、光軸及び鉛直方向を含む断面において、光軸に非対称な変形が発生する。より詳細には、導電性液体４０（１０２）が絶縁性液体４２（１０３）の下側に潜り込んでしまい、界面Ｓが、界面Ｓ'に示すようにＳ字状に変形してしまう。そこで、光走査装置１０では、液体レンズ１４は、液体レンズ１４の光軸とｚ軸（鉛直方向）とが略平行となるように配置される。これにより、液体レンズ１４の界面Ｓには、光軸に対して対称な変形は発生するものの、光軸に対して非対称な変形は発生しなくなる。その結果、感光体ドラム３２により高精細な静電潜像を形成することが可能となる。なお、光軸とｚ軸とは略平行であれば良く、製造ばらつき程度の誤差は許容される。この誤差は、例えば、±１０度以内であることが望ましい。
【００３９】
更に、導電性液体４０の比重は、絶縁性液体４２の比重よりも大きく、かつ、図２に示すように、導電性液体４０は、絶縁性液体４２よりも鉛直方向の下側に配置される。そのため、重力の影響により光軸に対称な変形が界面Ｓに発生することも効果的に抑制される。
【００４０】
更に、比重が大きい導電性液体４０を鉛直方向の下側に配置しているので、比重が大きい導電性液体４０を鉛直方向の上側に配置した場合のように、重力の影響により光軸に対称な変形が界面Ｓに強く発生することを抑制するために、導電性液体４０と絶縁性液体４２との比重差を極力小さくする必要がなくなる。これにより、導電性液体４０と絶縁性液体４２に用いる液体の選択の自由度が広がる。
【００４１】
更に、前記のように導電性液体４０と絶縁性液体４２とが配置されることにより、液体レンズ１４の重心の位置が低くなる。該液体レンズ１４は、底面Ａにおいて筐体２９に固定されているので、液体レンズ１４の重心の位置が低くなることにより、液体レンズ１４の重心と液体レンズ１４の固定位置との距離が小さくなる。その結果、ポリゴンミラー２０のモーターの振動により液体レンズ１４が振動しにくくなり、界面Ｓの変形が抑制される。
【００４２】
（変形例）
なお、図５に示すように、界面Ｓに生じる光軸に対称な変形による球面収差を補正する補正光学素子６０が、液体レンズ１４とミラー１６との間に設けられてもよい。また、図６に示すように、補正光学素子６０は、液体レンズ１４の一部を構成していてもよい。図６では、液体レンズ１４の透明板４４が、この補正光学素子６０の役割を兼ねている。補正光学素子６０の例としては、レンズや透明な板などが挙げられる。
【００４３】
なお、図２に示す光走査装置１０では、レーザダイオード１２から出射されたビームは、ｚ軸方向に進行した後、ｘｙ平面内を進行しているが、例えば、図７に示すように、鉛直方向（ｘ軸）を含む平面内にのみ進行してもよい。この場合、ｙ軸方向から見たときに、レーザダイオード１２、液体レンズ１４、シリンドリカルレンズ１８、ポリゴンミラー２０、走査レンズ２２，２４及び感光体ドラム３２は、一直線に並ぶように配置される。
【００４４】
また、図１及び図２に示す光走査装置１０では、導電性液体４０の比重は、絶縁性液体４２の比重よりも大きいとしたが、導電性液体４０の比重は、絶縁性液体４２の比重以下であることを妨げるものではない。
【００４５】
なお、図１及び図２に示す光走査装置１０では、液体レンズ１４は、絶縁性液体４２が鉛直方向の上側に位置し、導電性液体４０が鉛直方向の下側に位置するように配置されているが、図３に示すように、該液体レンズ１４は、絶縁性液体４２が鉛直方向の下側に位置し、導電性液体４０が鉛直方向の上側に位置するように配置されてもよい。この場合、絶縁性液体４２の比重が導電性液体４０の比重よりも大きいことが好ましい。
【００４６】
また、ポリゴンミラー２０により偏向されたビームは、走査レンズ２２，２４を通過した後、直接に感光体ドラム３２を照射しているが、該ビームは、ミラーにより進行方向が変えられた後に、感光体ドラム３２を照射してもよい。
【００４７】
また、図１、図２、図５、図６及び図７に示す筐体２９の上視図及び側面図における外形は、四角形状であるが、該筐体２９の外形はこれに限らない。
【図面の簡単な説明】
【００４８】
【図１】光走査装置の上視図である。
【図２】光走査装置の側面図である。
【図３】液体レンズの光軸を含む面における断面構造図である。
【図４】図３の液体レンズのＣの部分の拡大図である。
【図５】変形例に係る光走査装置の側面図である。
【図６】変形例に係る光走査装置の側面図である。
【図７】変形例に係る光走査装置の側面図である。
【図８】液体レンズの断面構造図である。
【符号の説明】
【００４９】
１０  光走査装置
１２  レーザダイオード
１４  液体レンズ
１６，２６  ミラー
１８  シリンドリカルレンズ
２０  ポリゴンミラー
２２，２４  走査レンズ
２８  受光素子
２９  筐体
３０  制御部
３２  感光体ドラム
４０  導電性液体
４２  絶縁性液体
４４，４６  透明板
４８  第１の電極
５０  絶縁膜
５２  第２の電極
６０  補正光学素子
Ａ  底面
Ｓ  界面
【図１】
2008304791.tif 000006
【図２】
2008304791.tif 000007
【図３】
2008304791.tif 000008
【図４】
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【図５】
2008304791.tif 000010
【図６】
2008304791.tif 000011
【図７】
2008304791.tif 000012
【図８】
2008304791.tif 000013