(57)【要約】【課題】小型化した場合でも、固有振動モードの周波数を比較的容易に検査・調整可能とできる振動系を含む光偏向器を提供することである。【解決手段】光偏向器は、振動系と、振動系を駆動する駆動手段151、152を有する。振動系は、反射面22を持つ第1揺動可動子11と、第2揺動可動子13と、支持体15を有する。第1揺動可動子11は、第2揺動可動子13に対して、第1ねじりバネ12で揺動軸17を中心にねじり振動可能に弾性支持され、第2揺動可動子13は、支持体15に対して、第2ねじりバネ14で揺動軸17を中心にねじり振動可能に弾性支持される。振動系は、揺動軸17回りに、周波数が異なる複数の固有振動モードを有する。第1ねじりバネ12と第2ねじりバネ14のうちの少なくとも一方は、揺動軸17と平行なねじり軸中心に夫々ねじり変形する複数のねじり部位を有し、各ねじり部位の端は、他のねじり部位の端、第1揺動可動子11、第2揺動可動子13、または支持体15に連結される。【選択図】図1
2007316443.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光を偏向走査する光偏向器であって、
振動系と、該振動系を駆動する駆動手段とを備え、
前記振動系は、光偏向素子を有する第1揺動可動子と、第2揺動可動子と、支持体とを有し、
前記第1揺動可動子は、前記第2揺動可動子に対して、第1ねじりバネで揺動軸を中心にねじり振動可能に弾性支持され、
前記第2揺動可動子は、前記支持体に対して、第2ねじりバネで前記揺動軸を中心にねじり振動可能に弾性支持され、
前記振動系は、前記揺動軸回りに、周波数が異なる少なくとも2つの固有振動モードを有し、
前記第1ねじりバネと前記第2ねじりバネのうちの少なくとも一方は、前記揺動軸と平行なねじり軸中心に夫々ねじり変形する複数のねじり部位を有し、各ねじり部位の端は、他のねじり部位の端、または前記第1揺動可動子、または前記第2揺動可動子、または前記支持体に連結されている、
ことを特徴とする光偏向器。
【請求項２】
前記複数のねじり部位を有するねじりバネは、該ねじり部位の断面が2つ以上ある前記揺動軸に垂直な平面を有する、
こと特徴とする請求項1に記載の光偏向器。
【請求項３】
前記複数のねじり部位を有するねじりバネは、該ねじり部位が、ミアンダー構造となる様に連結されている、
ことを特徴とする請求項1または2に記載の光偏向器。
【請求項４】
前記第1ねじりバネは、前記複数のねじり部位を有するねじりバネである、
ことを特徴とする請求項1乃至3の何れか1つに記載の光偏向器。
【請求項５】
前記駆動手段は、前記振動系を、前記揺動軸回りに少なくとも2つの前記固有振動モードで、同時にねじり振動させる、
ことを特徴とする請求項1乃至4の何れか1つに記載の光偏向器。
【請求項６】
光源と、請求項1乃至5の何れか1つに記載の光偏向器と、感光体または画像表示体を有し、前記光偏向器は、前記光源からの光を偏向し、該光の少なくとも一部を前記感光体または前記画像表示体上に入射させる、
ことを特徴とする光学機器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光偏向器、及びそれを用いた画像形成装置、ディスプレイなどの光学機器に関する。この光偏向器は、例えば、光の偏向走査によって画像を投影するプロジェクションディスプレイや、電子写真プロセスを有するレーザービームプリンタ、デジタル複写機等の画像形成装置に好適に利用されるものである。
【背景技術】
【０００２】
従来から、光偏向器として、反射面を持つ可動子を正弦振動させて光を偏向する光走査系ないし光走査装置が種々提案されている。ここにおいて、共振現象を利用して正弦振動を行う光偏向器を使用した光走査系は、ポリゴンミラー等の回転多面鏡を使用した光走査光学系に比べて、次の様な特徴がある。すなわち、光偏向器を大幅に小型化することが可能であること、消費電力が少ないこと、特に半導体プロセスによって製造されるSi単結晶からなる光偏向器は理論上金属疲労が無く耐久性にも優れていること、等の特徴がある。
【０００３】
この様な共振現象を利用した光偏向器の中で、2つ以上のねじり振動方向の固有振動モードを同時に励起させて、正弦波状の光走査以外の光走査を行う技術がある。これは、同一中心軸回りの2つ以上の固有振動モードを同時に励起させて、三角波様の略等角速度走査を行う光偏向器である（特許文献1参照）。図13は、この文献に示された、2つの固有振動モードを同時に励起させて、三角波様の略等角速度走査を行う光偏向器を説明するブロック図である。
【０００４】
この光偏向器1012は、第1可動子1014、第2可動子1016、それらを連結して弾性支持する第1ねじりバネ1018、第2可動子1016と機械的な接地面1023を弾性支持する第2ねじりバネ1020で構成されている。これら全ての要素は、ねじり軸1026を中心として駆動手段1030によりねじり振動させられる。また、第1可動子1014は、光を偏向するための反射面を有しており、第1可動子1014のねじり振動によって、光源からの光を偏向走査する。光偏向器1012は、ねじり軸1026を中心としたねじり振動について、基準周波数となる1次の固有振動モードと基準周波数の略3倍の周波数となる2次の固有振動モードを有している。駆動手段1030は、この1次の固有振動モードの周波数とこれに対して同位相で3倍の周波数の2つの周波数で光偏向器1012を駆動する。したがって、光偏向器1012は、1次の固有振動モードに加えて、2次の固有振動モードで同時にねじり振動される。そのため、第1可動子1014で反射された光の偏向走査の変位角は、この2つの振動モードの重ね合わせとなり、正弦波ではなく略三角波状に変化する。これにより、偏向走査の角速度は、変位角が正弦波であったときと比べ、略等角速度となる領域が広く存在するため、偏向走査の全域に対する利用可能な領域を大きくすることができる。
【０００５】
一方、半導体プロセスによって製造される小型のバネ構造として、蛇行した構造が知られている（非特許文献1参照）。図12は、この蛇行した構造の典型的な例を示している。図12（a）は上面図、図12（b）は、繰り返しとなる部位を示す模式図、図12（c）は、図12（a）のA−A断面を矢印方向からみた断面斜視図である。図12（a）に示す様に、可動端90から固定端91に向かって、蛇行バネ93が図の様に構成されている。蛇行バネ93の断面は、図12（c）に示す様に、幅W、厚さHの長方形断面である。
【０００６】
図12（b）に示す如く、蛇行バネ93は、ねじりバネ定数Kθへの寄与について、長さJの撓みバネと長さTのねじりバネが直列に連結された構造に近似できる。この様に、バネ構造は、可動端90から固定端91の間を実質的に複数の撓みバネとねじりバネが直列に連結されているため、揺動軸17を中心としたねじり変位に対して、部位を繰り返すことで、ねじりバネ定数Kθを低くすることができる。これは、部位の繰り返しの数や部材の横弾性係数や部材の縦弾性係数を考慮した考察から分かるものである。
【０００７】
更に、ここで、J＜＜Tという構成であれば、実質的に、揺動軸17に平行なねじり軸23を有する長さTのねじりバネが連結された構造となる。この場合も、ねじりバネの部位の数を増やすことで、全長を増大させないで、ねじりバネ定数Kθを低くすることができる。その上、上記考察から分かることであるが、ねじりバネ定数Kθは、厚さHとほぼ比例関係にあるため、厚さHが厚い場合でも比較的低いバネ定数とすることができる。幅Wとは、それのほぼ3乗と比例関係にある。
【０００８】
そこで、このことを利用して、部材の厚みを自由な設計パラメータに選びにくい半導体製造プロセスによるバネ構造に用いられる例（例えば、光偏向器におけるバネ構造）がある（非特許文献2参照）。
【特許文献１】米国特許第4859846号公報
【非特許文献１】Journal of Micromechanics and Microengineering, 15(2005) PP736-746
【非特許文献２】Sensor and Actuators, A119 (2005) PP559-566
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
複数の揺動可動子と複数のねじりバネを有する振動系では、駆動対象となる固有振動モードの周波数を所望の値に調整しないと、これらの周波数の関係が、光を偏向走査する揺動可動子の揺動振動について、走査周波数だけでなく走査波形を劣化させてしまう。
【００１０】
しかし、上記の如き従来の振動系を小型化すると、ねじりバネの非線形性が顕著となる。そのため、駆動対象となる固有振動モードの周波数を検査・調整することが困難となり、これらの光偏向器の小型化の妨げとなっている。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記課題に鑑み、光を偏向走査する本発明の光偏向器は、振動系と、該振動系を駆動する駆動手段とを有する。ここで、前記振動系は、光偏向素子を有する第1揺動可動子と、第2揺動可動子と、支持体とを有する。前記第1揺動可動子は、前記第2揺動可動子に対して、第1ねじりバネで揺動軸を中心にねじり振動可能に弾性支持され、前記第2揺動可動子は、前記支持体に対して、第2ねじりバネで前記揺動軸を中心にねじり振動可能に弾性支持される。前記振動系は、前記揺動軸回りに、周波数が異なる少なくとも2つの固有振動モードを有する。更に、前記第1ねじりバネと前記第2ねじりバネのうちの少なくとも一方は、前記揺動軸と平行なねじり軸中心に夫々ねじり変形する複数のねじり部位を有し、各ねじり部位の端は、他のねじり部位の端、または前記第1揺動可動子、または前記第2揺動可動子、または前記支持体に連結されている。
【００１２】
また、上記課題に鑑み、画像表示装置、画像形成装置などとして構成される本発明の光学機器は、光源と、上記の光偏向器と、感光体または画像表示体を有する。そして、前記光偏向器は、前記光源からの光を偏向し、該光の少なくとも一部を前記感光体または前記画像表示体上に入射させる。
【発明の効果】
【００１３】
本発明の光偏向器では、前記第1ねじりバネと前記第2ねじりバネのうちの少なくとも一方が上記の如き構成を有する。したがって、例えば、複数の固有振動モードを同時に励起させて光走査を行う光偏向器において、小型にした場合でも、固有振動モードの周波数を比較的容易に検査・調整可能な構造とできる。この様にできる詳細な理由については、本発明の実施例の説明のところで後述されている。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下に、本発明の実施形態を説明する。ここでは、良好な線形性を示すバネ構造を用いることによって、小型で且つ、複数の固有振動モードの周波数を容易に調整可能な構造となっている。
【００１５】
光源などからの光を偏向走査する本実施形態の光偏向器は、振動系と、該振動系を駆動するための電磁力、静電気力などを利用する駆動手段とで構成される。振動系は、光偏向素子である反射面を有する第1揺動可動子と、第2揺動可動子と、支持体とを有し、第1揺動可動子は、第2揺動可動子に対して、第1ねじりバネで揺動軸を中心にねじり振動可能に弾性支持される。第2揺動可動子は、支持体に対して、第2ねじりバネで前記揺動軸を中心にねじり振動可能に弾性支持される。支持体は固定体に固定され、固定体には、駆動手段の一部も固定される。振動系は、前記揺動軸回りに、周波数が異なる2つの固有振動モードを有する。そして、第1ねじりバネと第2ねじりバネのうちの少なくとも一方は、前記揺動軸と平行なねじり軸中心に夫々ねじり変形する複数のねじり部位を有し、各ねじり部位の端は、他のねじり部位の端、または前記第1揺動可動子、または前記第2揺動可動子、または前記支持体に連結されている。
【００１６】
典型的には、前記複数のねじり部位を有するねじりバネは、ねじり部位の断面が2つ以上ある前記揺動軸に垂直な平面を有するミアンダー構造となっている。特に、第1ねじりバネは、前記複数のねじり部位を有するねじりバネであるのが好ましい。
【００１７】
前記駆動手段は、永久磁石と電磁コイル、ピエゾ素子などから構成され、前記振動系を、前記揺動軸回りに少なくとも2つの前記固有振動モードで、同時にねじり振動させる様に構成されている。典型的には、前記振動系は2つの異なる周波数の前記固有振動モードを有し、一方の周波数が他方の周波数の略2倍、または略3倍である。また、好適には、前記第1揺動可動子と、前記第1ねじりバネと、前記第2揺動可動子と、前記第2ねじりバネと、前記支持体は、単結晶シリコンで一体的に形成されている。
【００１８】
光源と感光体または画像表示体を有する光学機器に上記の如き光偏向器を用いることで、光偏向器が、光源からの光を偏向し、該光の少なくとも一部を感光体または画像表示体上に入射させる画像形成装置、ディスプレイなどを構成することができる。
【００１９】
複数の固有振動モードを同時に励起させて光走査を行う本実施形態による光偏向器において、小型で、且つ固有振動モードの周波数を容易に調整可能な構造とできる。上記の如き従来の振動系を小型化すると、ねじりバネの非線形性が顕著となり、駆動対象となる固有振動モードの周波数を検査・調整することが困難であったが、こうした困難が解消される。そして、光偏向器の小型化、省電力化、低コスト化が容易となる。固有振動モードの周波数などの検査は、歪みセンサなどを用いてねじりバネの機械的変形の変化態様の周波数や位相を検知することで行なうことができる。そして、その検査結果に基づいて、電気抵抗体を用いるヒータなどの温度調整素子により固有振動モードの周波数を調整することができる。
【実施例】
【００２０】
次に、本発明の実施例について図面に沿って説明する。
【００２１】
（第1の実施例）
図1、図2は本発明の光偏向器の第1の実施例を示す図である。図1は上面図、図2は、揺動軸17を通り紙面に垂直な平面で切った断面図である。図2の破線で示す様に、破線で囲まれた振動系160が、以下に説明する駆動手段により、揺動軸17を中心としてねじり振動させられる。ここで、振動系160は、半導体製造プロセスのフォトリソグラフィとドライエッチングにより単結晶シリコン基板から一体的に形成されている。したがって、加工精度が高く、小型の振動系を形成することが可能となる。また、単結晶シリコンはヤング率が高く、密度が小さいため、揺動可動子の自重による変形が少なく、共振時の振動増幅率が高い振動系を形成できる。
【００２２】
ここでは、振動系160の第1揺動可動子11は、揺動軸17に垂直方向のサイズが3mm、平行方向のサイズが1mmであり、振動系160の全長は約15mmである。そして、第1揺動可動子11は、2個で一対の第1ねじりバネ12により、揺動軸17中心にねじり振動可能に弾性支持される。本実施例では、特に、第1ねじりバネ12は、図1に示す様なミアンダー構造となっている。一方、第2揺動可動子13は、1本の角柱状の第2ねじりバネ14によって揺動軸17中心にねじり振動可能に弾性支持されている。以上の様に、第1揺動可動子11、第2揺動可動子13は、揺動軸17中心にねじり振動可能に直列に弾性支持されている。
【００２３】
第1揺動可動子11には反射面22が形成されるため、駆動時の平坦性が特に重要であるが、2個で一対のねじりバネ12で両端支持されることにより、1本の場合と比べ、自重による変形を抑え、平坦性を良好に保つことができる。この様に、第1揺動可動子11は、光を偏向するための光偏向子として、反射面22を有しており、第1揺動可動子11のねじり振動によって、光源からの光を偏向走査する。本実施例の反射面22の材料はアルミニウムで、真空蒸着で成膜されている。反射面は、別の材質、例えば金、銅等でもよく、最表面に保護膜を形成してもよい。
【００２４】
更に、図1、図2に示す様に、本実施例の光偏向器は、固定体150と駆動手段を備える。本実施例の駆動手段は、第2揺動可動子13に接着された永久磁石151と、固定体150に固定された固定コイル152によって構成されている。永久磁石151は、長さ約1mm、断面150μm×150μmの角柱の金属磁石である。永久磁石151の着磁方向はその長手方向であり、これを接着剤により第2揺動可動子13に固定する。図示の様に、固定体150は、振動系160・永久磁石151の位置と固定コイル152の位置を適切に保持している。そして、固定コイル152は、これに駆動用の交流電流を通電することにより、図1の紙面の法線方向に磁場を発生する。この磁場により、永久磁石151に揺動軸17回りのトルクが発生し、振動系160を駆動させる。図2に示す様に、支持体15は、接着部分155において固定体150に固定されている。
【００２５】
また、図1、図2に示す様に、支持体15は、接着部分155においてのみ固定体150へ固定されていて、振動系160は、固定体150により片持ち梁状に支持されている。この片持ち梁構造により、固定体150からねじりバネへの軸方向応力を減ずることができる。
【００２６】
次に、本実施例の光偏向器の鋸波状の振動の駆動原理を更に詳細に説明する。本実施例の振動系160は、ねじり軸17を中心としたねじり振動について、周波数f1の1次の固有振動モードと基準周波数の略2倍の周波数となるf2の2次の固有振動モードを有している。この振動系160は、ねじり振動についての2自由度振動系として扱うことができる。
【００２７】
一方、応用の仕様から決定される目標駆動周波数である基準周波数f0とその2倍の周波数2f0との合成駆動信号によって、固定コイル152は振動系160を駆動する。基準周波数f0と固有モード周波数f1、f2は以下に示す関係を有しており、本実施例の光偏向器は固有振動モードの高い動倍率（振幅増幅率）を利用して、合成波駆動を低消費電力で行う。
【００２８】
特に、固有モード周波数f1は、基準周波数f0の付近に設計される。ここで、1次と2次の固有振動モードのモード減衰比（動倍率の周波数特性曲線における固有モード周波数でのピークのシャープさを表し、ほぼ1/2Qに等しい）をγ1、γ2とすると、その範囲は以下の様になっている。
【００２９】
【数１】
2007316443.tif 000003
【００３０】
更に、本明細書では、固有モード周波数f1、f2の周波数比について以下の範囲を想定し、“略2倍”と称する。
【００３１】
【数２】
2007316443.tif 000004
【００３２】
加えて、本実施例では、周波数比は以下の範囲となっている。
【００３３】
【数３】
2007316443.tif 000005
【００３４】
本実施例の振動系160は、γ1が0．001、γ2が0．00025程度である。したがって、式1乃至式3から分かる様に、本実施例では、固定コイル152により、f0、2f0の振動が2つの固有振動モードのピーク付近で励起され振動系160が駆動される。特に、式1の範囲の場合、合成駆動の消費電力の主成分となる周波数f0の振動について、1次の固有振動モードの動倍率（振幅増幅率）が高い範囲を利用できるため、光偏向器を低消費電力とできる。
【００３５】
更に、駆動の様子を詳しく説明する。
図3は、横軸を時間tとして、第1揺動可動子11の周波数f0のねじり振動の変位角を説明する図である（本明細書においては、可動子の往復振動の変位角と、光偏向器によって偏向走査される光の変位角とは定数分が異なるのみであるので、等価的に扱う）。図は、特に第1揺動可動子11のねじり振動の1周期T0に相当する部分を示している（−T0／2＜X＜T0／2）。
【００３６】
曲線61は、固定コイル152を駆動する駆動信号のうち、基準周波数f0の成分を示しており、最大振幅±φ1の範囲で往復振動し、時間t、角周波数w0＝2πf0として、次の式4で表される正弦振動である。
θ1＝φ1sin[w0t]          （式4）
【００３７】
一方、曲線62は、基準周波数f0の2倍の周波数成分を示しており、最大振幅±φ2の範囲で振動し、次の式5で表される正弦振動である。
θ2＝φ2sin[2w0t]          （式5）
【００３８】
曲線63は、この様な駆動の結果生じる第1揺動可動子11のねじり振動の変位角を示している。光偏向器は、前述の様に基準周波数f0とその2倍の2f0付近に調整された周波数f1の固有振動モードと周波数f2の2次の固有振動モードをねじり軸17中心のねじり振動について有している。そのため、光偏向器には、上記θ1、θ2の駆動信号に励起された共振が夫々生じる。つまり、曲線63の第1揺動可動子11の変位角は、2つの正弦振動の重ね合わせの振動となり、次の式6で表される鋸波状の振動となる。
θ＝θ1＋θ2＝φ1sin[w0t]＋φ2sin[2w0t]          （式6）
【００３９】
図4は、図3の曲線61、63、直線64を微分した曲線61a、63a、直線64aを示しており、これらの曲線の角速度を説明している。基準周波数f0の正弦振動の角速度である曲線61aと比べ、第1揺動可動子11の鋸波状の往復振動の角速度を示す曲線63aは、区間N−N’において、極大点の角速度V1、極小点の角速度V2を最大・最小とする範囲に角速度が収まっている。したがって、光偏向器による光の偏向走査を利用する応用において、等角速度走査である直線64aからの角速度の許容誤差以内にV1、V2が存在するならば、区間N−N’は実質的な等角度走査とみなすことができる。
【００４０】
この様に、鋸波状の往復振動によって、偏向走査の角速度は、変位角が正弦波であったときと比べ、実質的な等角速度となる領域を広く設定できるため、偏向走査の全域に対する利用可能な領域を大きくできる。更に、この鋸波状の駆動により、毎回の走査線が等間隔となるため、プリンタなどの応用において好適となる。
【００４１】
以上では、f1とf2の固有振動モードの周波数が略2倍の関係を有すると説明したが、略3倍とすることもできる。その場合、上記2つの周波数の関係が2倍であった場合と同様に正弦波の重ね合わせの振動により、三角波状の振動となる。これによれば、光走査の往復利用が可能になるため、利用できる或る周波数における走査線の数が2倍とできる。
【００４２】
ところで、2つ以上のねじり振動方向の固有振動モードを同時に励起させて、光走査を行う光偏向器では、各モードのモード減衰比が小さいほど低消費電力とできる。一方、式1乃至式3で示した様に、モード減衰比が小さいと、駆動の対象となっている複数の固有振動モードの周波数（本実施例の光偏向器では周波数f1、f2）の設定範囲は狭くなる。そのため、光偏向器の低消費電力化を実現するには、複数の固有振動モードの周波数の調整を式1乃至式3に示した範囲に精度良く行う必要がある。
【００４３】
多自由度ねじり振動系の固有振動モードは、全ての振動体の慣性モーメントとそれを弾性支持するねじりバネのバネ定数によって決定される。これらの特性は、製造誤差や、ヤング率、密度などの材料の機械的特性のばらつき、周囲からの静的な応力状態などの影響を受ける。したがって、良好に全ての周波数が調整された光偏向器を安価に実現するためには、この複数の周波数全てを容易に検査できることが望ましい。しかし、従来の光偏向器の構造では、以下に説明する様に小型の光偏向器において周波数の検査が困難となる。
【００４４】
図13に示した光偏向器では、第1ねじりバネ1018と第2ねじりバネ1020は、梁状の部材をねじり変形するねじりバネである。この様なねじりバネにおいて、全ねじり角Θをねじり軸方向のバネの長さLで除した値β（単位長あたりのねじり角）が大きくなると、ねじりバネの幾何学的な形状によるバネの非線形性が顕著となる。ねじり角が小さい範囲では、トルクとねじり角の関係は比例関係であり、この比例定数をKθ、トルクをTとすれば、以下のようである。
T＝Kθβ          （式7）
【００４５】
しかし、単位長あたりのねじり角βが大きな値となると、トルクTとβの関係は、以下に示す様に3乗に比例する項が顕著となる。
T＝Kθβ＋K’θβ3          （式8）
【００４６】
したがって、ねじりバネの振動系は小型とするほど、全ねじり角Θに対応するβは大きくなるので、βの3乗項による非線形性が顕著となる傾向がある。ここで、βの3乗項の係数K’θはねじりバネの断面形状に主に関係する定数である。
【００４７】
多自由度ねじり振動系を構成する何れかのねじりバネが、式8の様な非線形性が顕著となる範囲で使用されると、式7の線形バネの共振特性と比べ、大きく異なる特性を示す。
【００４８】
図11（a）は、図13に典型的に示される多自由度ねじり振動系の第1ねじりバネ1018が式8の特性を有する場合の固有振動モードの周波数−走査角特性を示している。一方、図11（b）は、第1ねじりバネ1018が式7の様な線形の特性の場合を示している。尚、（a）（b）とも、第2ねじりバネ1020は、式7の様な線形の特性である。特に、これらのグラフは、図13の構成が有する2次の固有振動モードの周波数f2周辺において、それぞれ或る大きさの正弦波状駆動トルクの周波数を変化させて振動系に印加した場合の第1可動子1014の最大走査角を示している。特に、図11（a）の81a、81b、81c、図6（b）の83a、83b、83cの曲線は、それぞれa、b、cの順に印加トルクの最大値が大きくなっている。したがって、各曲線の頂点における走査角も図示のとおり大きくなっている。
【００４９】
図11（b）に示す様に、線形のねじりバネのみで多自由度ねじり振動系が構成されている場合は、曲線83a、83b、83cの各頂点X、Y、Zの周波数は、全てf2で一致している。つまり、固有振動モードの周波数は、振動系の走査角に依らず一定となっている。そのため、頂点Zの走査角が実際に使用する走査角の場合でも、例えば、それより小さな走査角において周波数掃引を行って周波数を測定することで、容易に固有振動モードの周波数を検査することが可能となる。また、複数の固有振動モードについて、それぞれを個別に検査した周波数で、同時に励起し光走査を行うことができる。
【００５０】
一方、図11（a）の通り、非線形のねじりバネの寄与が大きい場合は、曲線81a、81b、81cの各頂点P、Q、Rの様に、周波数が振動系の走査角と共に、高周波数側にシフトする現象が見られる。つまり、固有振動モードの周波数は、振動系の走査角に応じて変化する。したがって、上記図11（b）の場合と異なり、非線形のねじりバネの寄与が大きい固有振動モードについては、非線形を有するバネを実際の使用走査角と同量のねじり変形させた場合の周波数を検査する必要がある。
【００５１】
ここで、一次の固有振動モードでは、第1可動子1014、第2可動子1016ともに同位相でねじり振動し、2次の固有振動モードでは、第1可動子1014と第2可動子1016は、逆位相でねじり振動する。そして、第1可動子1014と第2可動子1016の走査角の差が第1ねじりバネ1018の全ねじり角Θとなる。したがって、第1ねじりバネ1018を使用時と同量ねじり変形させるには、単一の固有振動モードのみを励起するのではなく、光走査で利用する1次と2次の固有振動モードの両方を励起し、第1可動子1014を使用走査波形とする必要がある。
【００５２】
しかし、第1可動子1014と第2可動子1016の応答する走査角と駆動トルクとの位相遅れの関係は、2つの可動子の慣性モーメントと第1ねじりバネ1018、第2ねじりバネ1020のバネ定数によって変化する。ここで、前述の通り、製造誤差、機械的特性のばらつき、周囲からの応力状態など様々な影響をうけ、これらの値は変化する恐れがある。したがって、第1可動子1014を使用走査波形とするために、個体や環境毎に適切な駆動トルクとする必要が生じてしまい、図11（b）の場合と比べ、固有振動モードの周波数の検査は煩雑になってしまう。
【００５３】
更に、注目する固有振動モードの周波数以外の周波数成分も励起されているため、測定された波形から注目する固有振動モードの周波数成分を抽出するための周波数解析等の手法が必要となり煩雑となる。
【００５４】
また、第1ねじりバネ1018の全ねじり角Θ（これは2つの可動子の走査角の差）は、同位相と逆位相の固有振動モードの周波数への寄与度にばらつきがある。したがって、同じ走査角においても第1ねじりバネ1018の全ねじり角Θが異なってしまうことにより、これらの周波数がシフトしてしまう。そのため、設計値に対する周波数ばらつきの要因が増えてしまう。
【００５５】
以上の様に、図13で典型的に示したねじりバネを有する多自由度振動系では、小型化するとねじりバネの非線形性が顕著となり、固有振動モードの周波数が走査角に対して一定ではなくなってしまう。  
【００５６】
そこで、本実施例の振動系160は、第1ねじりバネ12を図5に示す構造とする。図5（a）は、図1に示した本実施例の光偏向器の第1ねじりバネ12を拡大した上面図である。図5（b）は、第1ねじりバネ12を異なる機能を担っている部位を示した模式図である。図5（c）は、図5（a）に示した揺動軸17に垂直なA−A断面で切断した第1ねじりバネ12の断面図である。図5に示す様に、第1ねじりバネ12は、揺動軸17に平行な各ねじり軸23を中心にねじり変形する5個のねじり部位24a、24b、24c、24d、24eの端が、連結部位25a、25b、25c、第1揺動可動子11、または第2揺動可動子13に固定されている。そして、ねじり部位24aと24b及びねじり部位24dと24eのねじり変形について直列結合の2要素が並列に結合され、これらが、ねじり部位24cに更に直列結合された構造となっている。
【００５７】
また、図5（c）に示す様に、第1ねじりバネ12は、揺動軸17に垂直なA−A断面で切断すると、ねじり部位24a、24b、24c、24d、24eに対応した5個の断面を有している。本明細書では、この様に揺動軸と垂直な断面が2個以上となるねじり部位の連結を特にミアンダー構造と呼ぶ。第1ねじりバネ12は、この様なミアンダー構造をとることにより、揺動軸17方向の全長が短くなるよう形成されている。したがって、光偏向器の全長を小さくすることができる。
【００５８】
本実施例の第1ねじりバネ12は、ねじり部位24aと連結部25a、25bを繰り返して接続していくことにより、第1ねじりバネ12の揺動軸方向の全長を増加させないで、全ねじり角Θに対するねじり部位の単位長あたりのねじり角βを小さくできる。したがって、第1ねじりバネ12は、小型で良好な線形性を有するため、全固有振動モードの周波数を容易に検査可能とできる。同時に、上記周波数ばらつきを低減することができ、全ての周波数を良好に調整可能な多自由度ねじり振動系を提供できる。
【００５９】
更に、本実施例の光偏向器では、第1揺動可動子11より第2揺動可動子13の方の慣性モーメントが大きく、約15倍となっている。そして、振動系160の2つの固有振動モードの周波数f1、f2が1：2の関係となるため、第1ねじりバネ12より第2ねじりバネ14のバネ定数の方が大きく、約4．5倍となる。このことも、固有振動モードの周波数の検査・調整を容易にするのに、寄与している。また、本実施例の第1ねじりバネ12では、図12の説明のところで述べた様にねじりバネ定数が幅Wのほぼ3乗と比例関係にあるため、厚さHに対して幅Wを大きくしても比較的大きいコンプライアンスとできる。本実施例の光偏向器では、ドライエッチングでバネを作製するため、エッチング加工誤差に対して幅Wを大きくすることにより、バネ定数の加工ばらつきを低減することができる。
【００６０】
以上の様に、複数の固有振動モードを同時に励起させて光走査を行う本実施例の光偏向器は、小型で、且つ固有振動モードの周波数を容易に調整可能な構造とできる。
【００６１】
（第2の実施例）
図6は本発明の光偏向器の第2の実施例を示す上面図である。図7は、図6の揺動軸17を通り紙面に垂直な平面で切った断面図である。これらの図面では、第1の実施例と同じ機能を有する個所には同じ符号を付して説明を省略し、特に異なる箇所について詳細に説明する。
【００６２】
図6に示す様に、本実施例の光偏向器は、振動系160の第1揺動可動子11、第1ねじりバネ12、支持体15、反射面22は、第1の実施例と同様の材質・構造・機能を有している。しかし、第2ねじりバネ14は、第1の実施例では1本の角柱状のねじりバネであったのに対し、本実施例では2本で一対の図示の様なミアンダー構造を有している。
【００６３】
また、図7に示す様に、本実施例の駆動手段は、永久磁石151、固定コイル152が2個で一対の構成となっている。駆動原理は第1の実施例と同様で、2個の永久磁石151と固定コイル152が第1揺動可動子11を式6の様に駆動し、図3の曲線63の様に光を走査する。
【００６４】
図8（a）は、図6に示した第2ねじりバネ14を拡大した上面図である。図8（b）は、第2ねじりバネ14の異なる機能を担っている部位を示した模式図である。図8（c）は、図8（a）に示した揺動軸17に垂直なB−B断面で切断した第2ねじりバネ14の断面図である。図8に示す様に、第2ねじりバネ14は、揺動軸17に平行な各ねじり軸23を中心にねじり変形する3個のねじり部位24a、24b、24cの端が、連結部位25a、25b、または連結部位26a、26bに固定されている。したがって、第2揺動可動子13を、ねじり部位24a、24b、24cの直列結合で弾性支持している。
【００６５】
また、図8（c）に示す様に、第2ねじりバネ14は、揺動軸17に垂直なB−B断面で切断すると、ねじり部位24a、24b、24cに対応した3個の断面を有している。すなわち、第2ねじりバネ14は、揺動軸17に垂直な断面で切断した断面が2個以上となるミアンダー構造である。したがって、本実施例の第2ねじりバネ14は、第1ねじりバネ12と共に、小型で良好な線形性を有するため、全固有振動モードの周波数を更に容易に検査可能とできる。同時に、上記周波数ばらつきを低減することができ、全ての周波数を良好に調整可能な多自由度ねじり振動系を実現できる。
【００６６】
一方、第2ねじりバネ14を、図9（a）、（b）に示す様な構造の蛇行したバネとすることもできる。図9（a）は上面図、図9（b）は、異なる機能を担っている部位を示した模式図である。この蛇行バネでは、図9（a）に示す様に、揺動軸17に平行な各ねじり軸23を中心にねじり変形する2個のねじり部位24a、24bの端が、連結部位25a、25b、25cに連結されている。図9に示す構造の蛇行バネでは、揺動軸17に垂直な断面は、1個のみとなる。この様な場合には、連結部位25a、25b、25cの長さを長くすることにより、第2ねじりバネ14を良好な線形バネとすることができる。そのため、本変形例の第2ねじりバネ14も、小型で良好な線形性を有するため、全固有振動モードの周波数を容易に検査可能とできる。同時に、上記周波数ばらつきを低減することができ、全ての周波数を良好に調整可能な多自由度ねじり振動系を実現できる。
【００６７】
特に、本実施例では、第1ねじりバネ12と第2ねじりバネ14の何れも蛇行した構造で構成されており、振動系160の全長を更に小型とすることができる。
【００６８】
（第3の実施例）
図10は、本発明の光偏向器を用いた光学機器の実施例を示す概略斜視図である。ここでは、光学機器として画像形成装置を示している。図10において、3003は本発明の光偏向器であり、本実施例では入射光を1次元に走査する。3001はレーザ光源である。3002はレンズ或いはレンズ群であり、3004は書き込みレンズ或いはレンズ群、3005はドラム状の感光体である。
【００６９】
レーザ光源3001から射出されたレーザ光は、光の偏向走査のタイミングと関係した所定の強度変調を受けている。この強度変調光は、レンズ或いはレンズ群3002を通って、光走査系（光偏向器）3003により1次元的に走査される。この走査されたレーザ光は、書き込みレンズ或いはレンズ群3004により、感光体3005上に画像を形成する。
【００７０】
走査方向と直角な方向に回転軸の回りに回転される感光体3005は、図示しない帯電器により一様に帯電されており、この上に光を走査することによりその走査部分に静電潜像が形成される。次に、図示しない現像器により静電潜像の画像部分にトナー像が形成され、これを、例えば、図示しない用紙に転写・定着することで用紙上に画像が形成される。
【００７１】
本発明の光偏向器3003を用いることにより、光の偏向走査の角速度を感光体3005上の仕様範囲内で略等角速度とできる。更に、本発明の光偏向器3003を用いることで、小型で低消費電力の画像形成装置とできる。
【図面の簡単な説明】
【００７２】
【図１】本発明の第1の実施例の光偏向器を示す上面図である。
【図２】本発明の第1の実施例の光偏向器を示す断面図である。
【図３】本発明の第1の実施例の光偏向器によって偏向走査された光の変位角を示す図である。
【図４】本発明の第1の実施例の光偏向器によって偏向走査された光の角速度を示す図である。
【図５】（a）は本発明の第1の実施例の光偏向器の第1ねじりバネを示す上面図であり、（b）は本発明の第1の実施例の光偏向器の第1ねじりバネの機能要素を示す概略図であり、（c）は本発明の第1の実施例の光偏向器の第1ねじりバネの断面図である。
【図６】本発明の第2の実施例の光偏向器を示す上面図である。
【図７】本発明の第2の実施例の光偏向器を示す断面図である。
【図８】（a）は本発明の第2の実施例の光偏向器の第2ねじりバネを示す上面図であり、（b）は本発明の第2の実施例の光偏向器の第2ねじりバネの機能要素を示す概略図であり、（c）は本発明の第2の実施例の光偏向器の第2ねじりバネの断面図である。
【図９】（a）は本発明の第2の実施例の変形例の光偏向器のねじりバネを示す上面図であり、（b）は本発明の第2の実施例の光偏向器のねじりバネの機能要素を示す概略図である。
【図１０】本発明の光偏向器を用いた第3の実施例である光学機器を示す図である。
【図１１】（a）はねじりバネが非線形の場合の共振特性を示すグラフであり、（b）はねじりバネが線形の場合の共振特性を示すグラフである。
【図１２】（a）は蛇行する構造の従来のねじりバネを示す上面図であり、（b）はこのねじりバネの機能要素を示す概略図であり、（c）はこのねじりバネの断面斜視図である。
【図１３】従来例の光偏向器を説明するブロック図である。
【符号の説明】
【００７３】
11  第1揺動可動子
12  第1ねじりバネ
13  第2揺動可動子
14  第2ねじりバネ
15  支持体
17  揺動軸
22  反射面
23  ねじり軸
24a、24b、24c、24d、24e  ねじり部位
150  固定体
151  駆動手段（永久磁石）
152  駆動手段（固定コイル）
160  振動系
3001  光源（レーザ光源）
3003  光偏向器（光走査系）
3005  感光体
【図１】
2007316443.tif 000006
【図２】
2007316443.tif 000007
【図３】
2007316443.tif 000008
【図４】
2007316443.tif 000009
【図５】
2007316443.tif 000010
【図６】
2007316443.tif 000011
【図７】
2007316443.tif 000012
【図８】
2007316443.tif 000013
【図９】
2007316443.tif 000014
【図１０】
2007316443.tif 000015
【図１１】
2007316443.tif 000016
【図１２】
2007316443.tif 000017
【図１３】
2007316443.tif 000018