(57)【要約】【課題】比較的に低コストを実現でき、消費電力の増加を抑制し、かつ、製造ばらつきの影響にも寛容な手法で、共振周波数の安定化を図ること。【解決手段】振動素子１０は捻り梁１０１、１０２と、捻り梁１０１、１０２と一体または接合されているミラー部２０と、ミラー部２０を駆動する駆動部として機能する磁石４０および駆動コイル５０と、ミラー部２０に取り付けられ、環境温度の変化に応じて共振周波数を調整する共振周波数調整部材３０１〜３０４を有する。このように、環境温度の変化に応じて共振周波数を調整する共振周波数調整部材３０１〜３０４がミラー部２０に取り付けられている。これにより、環境温度の変化に依存した梁部のヤング率の変化を相殺し、共振周波数の変動を抑えることが可能となる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
捻り梁と、
前記捻り梁と一体または接合されているミラー部と、
前記ミラー部を駆動する駆動部と、
前記ミラー部に取り付けられ、環境温度の変化に応じて共振周波数を調整する共振周波数調整部材と
を有することを特徴とする振動素子。
【請求項２】
前記ミラー部は、
ミラー部材と、
前記捻り梁と一体または接合され、前記ミラー部材を支持する支持部材と
を有し、
前記共振周波数調整部材は前記支持部材の一部分に固定されてい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】
前記共振周波数調整部材の線膨張係数と前記支持部材の前記一部分の線膨張係数は異なっていることを特徴とする請求項２に記載の振動素子。
【請求項４】
前記共振周波数調整部材と前記支持部材の前記一部分とが貼り合わせられることで共振周波数調整手段が構成されていることを特徴とする請求項２または３に記載の振動素子。
【請求項５】
複数の前記共振周波数調整手段が前記ミラー部の重心に対して点対称となるように配置されていることを特徴とする請求項４に記載の振動素子。
【請求項６】
複数の前記共振周波数調整手段が前記ミラー部の回転軸に対して線対称となるように配置されていることを特徴とする請求項４または５に記載の振動素子。
【請求項７】
複数の前記共振周波数調整手段のうち第１共振周波数調整手段および第２共振周波数調整手段が前記ミラー部の第一面側に配置されており、第３共振周波数調整手段および第４共振周波数調整手段が前記ミラー部の第二面側に配置されていることを特徴とする請求項５または６に記載の振動素子。
【請求項８】
前記共振周波数調整部材は、前記ミラー部の端部よりも回転軸に近い位置に配置されていることを特徴とする請求項１ないし７のいずれか１項に記載の振動素子。
【請求項９】
請求項１ない８のいずれか１項に記載された振動素子と、
前記駆動部と協働して前記ミラー部を揺動させるための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１０】
請求項９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１１】
請求項９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１２】
請求項９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、振動素子、光走査装置、画像形成装置、画像投影装置および画像読み取り装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
ミラー部材をその両側から梁部で支持し、ミラー部材を揺動させて光走査を行う光学走査装置が提案されている（特許文献１、２）。これらの光学走査装置では環境温度が変化すると梁部のヤング率が変化し、その結果として共振周波数も変化し、所望の光走査を実現できなくなることがある。特許文献１では梁部にヒータを設けて梁部の温度を一定に維持することが提案されている。特許文献２によれば、ミラー部材を支持する振動部の熱膨張係数と、梁部を支持するベース部材の熱膨張係数とを異なる値にすることで、梁部の剛性変化を相殺することが提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開平９−１９７３３４号公報
【特許文献２】特開２００２−３２１１９５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし、特許文献１の発明ではヒータが必要となるため部品点数が増加してしまう。さらに継続的にヒータに通電するため、消費電力も増加してしまう。さらに、ヒータの発熱により弾性部材の温度を制御するため、環境温度の低下には対処可能であるが、環境温度の上昇には対処不可能である。また、特許文献２では、梁部とブース部材とを異なる材料にして接合する必要があり、接合部には捻じれによる応力が加わるため、振動素子の耐久性を低下させる。
【０００５】
そこで、本発明は、比較的に低コストを実現でき、消費電力の増加を抑制し、かつ、耐久性の高い手法で、共振周波数の安定化を図ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記課題を解決するための本発明は、
捻り梁と、
前記捻り梁と一体または接合されているミラー部と、
前記ミラー部を駆動する駆動部と、
前記ミラー部に取り付けられ、環境温度の変化に応じて共振周波数を調整する共振周波数調整部材と
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】
【０００７】
本発明によれば、環境温度の変化に応じて共振周波数を調整する共振周波数調整部材がミラー部に取り付けられている。これにより、環境温度の変化に依存した梁部のヤング率の変化を相殺し、共振周波数の変動を抑えることが可能となる。また、コスト的に高価なヒータを用いる必要がないため、コスト削減に有利である。また、ヒータを用いないため、消費電力に関しても有利である。また、ミラー部に共振周波数調整部材を取り付けているため、耐久性の点で特許文献２の発明よりも有利であろう。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】図１（ａ）は振動素子の第一面側の斜視図であり、図１（ｂ）は振動素子の第二面側の斜視図であり、図１（ｃ）は振動素子の側面図である。
【図２】図２は共振周波数調整手段の効果を示す図である。
【図３】図３（ａ）は振動素子の第一面側の斜視図であり、図３（ｂ）は振動素子の第二面側の斜視図である。
【図４】図４は画像形成装置の一例を示す平面図である。
【図５】図５は画像投影装置の一例を示す平面図である。
【図６】図６は画像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】
【０００９】
図１に光走査装置の一例を示す。ここでは光走査装置１のうち振動素子１０を中心に説明する。振動素子１０のミラー部２０は第一捻り梁１０１および第二捻り梁１０２に対して一体に成型されている。なお、第一捻り梁１０１の一端と第二捻り梁１０２の一端とがそれぞれミラー部２０に接合されていてもよい。第一捻り梁１０１および第二捻り梁１０２は素子固定部１０３と一体成型されている。なお、第一捻り梁１０１の他端と第二捻り梁１０２の他端とがそれぞれ素子固定部１０３に接合されていてもよい。接合と比較して一体成型は耐久性の面や製造工程の容易化の面で有利である。
【００１０】
ミラー部２０は、振動体または揺動体として機能する。ミラー部２０は、ミラー部材２０１と、第一捻り梁１０１および第二捻り梁１０２と一体または接合され、ミラー部材を支持する支持部材２０２とを有している。ミラー部材２０１の表面には必要に応じて反射膜、像反射膜およびダイヤモンドライクコーティング膜などが形成されていてもよい。ミラー部材２０１自体が反射膜であってもよい。ミラー部２０の２つの表面のうちミラー部材２０１が取り付けられている面を第一面と称し、その反対側の面を第二面と称す。ミラー部２０の第二面には、ミラー部２０を駆動して回転振動させるための駆動部である磁石４０が取り付けられている。図１（ｃ）が示すように、磁石４０に対向して駆動コイル５０が設けられている。駆動回路６０が電気信号を駆動コイル５０に供給することで駆動コイル５０から磁界が発生し、磁石４０からの磁界と相互作用し、第一捻り梁１０１および第二捻り梁１０２に捻りの振動が発生する。つまり、磁石４０と駆動コイル５０とが協働してミラー部２０を回転振動させる。駆動コイル５０や磁石４０はミラー部２０を揺動させるための磁界を発生する磁界発生部として機能する。なお、ミラー部２０に電磁石などの磁界発生手段が設けられてもよい。ミラー部２０が回転振動することで、ミラー部２０のミラー面に入射したレーザー光が回転軸と直交した方向に走査される。
【００１１】
ミラー部２０には、環境温度の変化に応じて共振周波数を調整する第一共振周波数調整部材３０１、第二共振周波数調整部材３０２、第三共振周波数調整部材３０３、第四共振周波数調整部材３０４が設けられている。とりわけ、図１に示した例では、ミラー部２０の四隅に１つずつ共振周波数調整部材が取り付けられている。図１（ｃ）が示すように、これらの共振周波数調整部材は支持部材２０２の一部分に固定されている。より具体的には、支持部材２０２の熱膨張係数（線膨張係数）とこれらの共振周波数調整部材の熱膨張係数とが異なっている。このように支持部材２０２の熱膨張係数と共振周波数調整部材の熱膨張係数とを異ならしめることで、環境温度の変化に応じてこれらが屈曲する。支持部材２０２と共振周波数調整部材は、たとえば、貼り合せによって固定されている。
【００１２】
図２が示すように、支持部材２０２の熱膨張係数と共振周波数調整部材の熱膨張係数の差から生じる第一共振周波数調整部材３０１、第二共振周波数調整部材３０２、第三共振周波数調整部材３０３および第四共振周波数調整部材３０４の屈曲により、ミラー部２０の慣性モーメントが変化する。この屈曲による共振周波数の変化成分によって、これより、梁部を構成する弾性部材のヤング率の変化による共振周波数の変化成分が相殺されることになり、共振周波数が安定化する。
【００１３】
複数の共振周波数調整部材がそれぞれ屈曲してもミラー部２０の重心が変動しないことが望ましい。ミラー部２０の重心が変動すると所望の回転振動が得られないからである。図１に示した事例では、第一共振周波数調整部材３０１、第二共振周波数調整部材３０２、第三共振周波数調整部材３０３および第四共振周波数調整部材３０４がミラー部２０の重心に対して点対称となるように配置されている。具体的には、第一共振周波数調整部材３０１と第三共振周波数調整部材３０３とが点対称に配置されおり、第二共振周波数調整部材３０２と第四共振周波数調整部材３０４が点対称に配置されている。第一共振周波数調整部材３０１、第二共振周波数調整部材３０２、第三共振周波数調整部材３０３および第四共振周波数調整部材３０４の質量は同じとする。これにより、第一共振周波数調整部材３０１、第二共振周波数調整部材３０２、第三共振周波数調整部材３０３および第四共振周波数調整部材３０４が屈曲しても、ミラー部２０の重心位置が維持される。
【００１４】
動撓みの影響を受けにくくするために、複数の共振周波数調整部材がミラー部２０の回転軸に対して線対称となるように配置されていてもよい。図１に示した事例では、第一共振周波数調整部材３０１と第二共振周波数調整部材３０２とが線対称に配置されており、第三共振周波数調整部材３０３および第四共振周波数調整部材３０４が線対称に配置されている。
【００１５】
図３は振動素子１０の変形例を示している。図１と比較して図３では各共振周波数調整部材が、ミラー部２０の端部よりも回転軸や捻り梁に近い位置にオフセット配置されている。これにより、ミラー部２０の慣性モーメントを小さくなるため、ミラー部２０の動撓みが発生しにくくなる。
【００１６】
＜振動素子１０の制作方法など＞
振動素子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有利である。振動素子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可能である。しかし、耐衝撃性の観点から容易には破断しない金属材料が有利であり、とりわけ、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合金などが有利である。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およ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。
【００１７】
ミラー部２０は振動素子１０と一体化した構成（支持部材２０２に反射面を設けるような構成）や、振動素子１０上にミラー部材２０１を配置する構成が可能である。ミラー表面には必要に応じて、反射膜が形成される。ミラー部材２０１には、一例として、シリコンウエハ、金属、ガラス等が使用可能である。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。
【００１８】
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有利である。とりわけ、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系磁石などが有利である。
【００１９】
共振周波数調整部材３０１、３０２、３０３、３０４として用いられる弾性部材は振動素子１０と熱膨張係数が異なれば特に限定されるものではない。一例として、金属材料やシリコンウエハ、セラミック等が使用可能である。弾性部材は振動素子１０上への接着、或いは、振動素子１０上への直接成膜等の手段により形成可能である。
【００２０】
図１等に示した構成以外にも、ミラー部２０にコイルパターンを形成して外部に磁石を配置するムービングコイル方式や、捻じり梁を圧電素子で構成する方式によって、回動振動を誘起することが可能である。また、捻じり梁に通電して磁界を発生し、外部磁界との相互作用によって回転振動を有機する構成が採用されてもよい。支持部材２０２を圧電素子で構成し、ミラー部２０の曲率を可変させてもよい。また、図１に示した振動素子１０はミラー部２０を両側で軸支した両側軸支構造を採用しているが、ミラー部の片側にだけ捻り梁を設けた片側軸支構造を採用してもよい。
【００２１】
［画像形成装置］
図４に光走査装置１の実施例である画像形成装置７を示す。振動素子１０は上述したものであり、振動素子１０の周辺構成は省略して図示してある。振動素子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。裏面の磁石４０にはＳｍ−Ｃｏ磁石が用いられ、接着剤により固定されている。共振周波数調整部材３０１〜３０４を構成する弾性部材としてはＳＰＲＯＮ５１０に比べ線膨張係数の小さいシリコンが用いられ、接着剤により貼り付けられている。接着剤には、共振周波数調整部が屈曲した際、その変位量の低下を防ぐため、接着後、高硬度になるエポキシ接着剤を用いている。
【００２２】
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２０１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（ビーム検出）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６０を内蔵した制御回路８７０にフィードバックされる。これにより駆動回路６０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。
【００２３】
このように振動素子１０を用いた画像形成装置７は、環境温度の変化に応じて共振周波数を補正できるため、安定した光走査を実現できる。これにより高精度な画像形成が可能である。
【００２４】
［画像投影装置］
図５（ａ）に光走査装置１の実施例である画像投影装置８を示す。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６０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。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５（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。
【００２５】
このように振動素子１０を用いた画像投影装置８は、環境温度の変化に応じて共振周波数を補正できるため、安定した光走査を実現できる。これにより高精度な画像投影が可能である。
【００２６】
［画像読み取り装置］
図６に光走査装置１の実施例である画像（光学パターン）読み取り装置９を示す。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２０１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で再び反射した後に検出光学系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を出力する。駆動回路８９０は駆動回路６０を内蔵している。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。
【００２７】
このように振動素子１０を用いた光学パターン読み取り装置９は、環境温度の変化に応じて共振周波数を補正できるため、安定した光走査を実現できる。これにより高精度な画像の読み取りが可能である。
【００２８】
＜まとめ＞
以上説明したように本実施形態によれば、捻り梁１０１、１０２と、捻り梁１０１、１０２と一体または接合されているミラー部２０と、ミラー部２０を駆動する駆動部として機能する磁石４０および駆動コイル５０と、ミラー部２０に取り付けられ、環境温度の変化に応じて共振周波数を調整する共振周波数調整部材３０１〜３０４を有する振動素子１０が提供される。このように、環境温度の変化に応じて共振周波数を調整する共振周波数調整部材３０１〜３０４がミラー部２０に取り付けられている。これにより、環境温度の変化に依存した梁部のヤング率の変化を相殺し、共振周波数の変動を抑えることが可能となる。また、コスト的に高価なヒータを用いる必要がないため、コスト削減に有利である。また、ヒータを用いないため、消費電力に関しても有利である。また、共振周波数調整部材３０１〜３０４がミラー部２０に取り付けられているため、耐久性に関しても特許文献２の発明よりも有利であろう。
【００２９】
ミラー部２０は、ミラー部材２０１と、捻り梁１０１、１０２に対して一体または接合され、ミラー部２０材を支持する支持部材２０２とを有していてもよい。共振周波数調整部材３０１〜３０４は支持部材２０２の一部分に固定されていてもよい。とりわけ、ミラー部材２０１と捻り梁１０１、１０２とを一体成型すると、製造工程を簡易にすることができるとともに、接合部が生じないため耐久性の面でも有利であろう。
【００３０】
共振周波数調整部材３０１〜３０４の線膨張係数と支持部材２０２の一部分の線膨張係数は異なっている。これは上述した相殺効果を増強する上で有利に寄与するであろう。
【００３１】
共振周波数調整部材３０１〜３０４と支持部材２０２の一部分とが貼り合わせられることで共振周波数調整手段が構成されてもよい。貼り合せは比較的に容易に実現できるため、製造工程に関して有利に働くであろう。なお、貼り合せるための接着剤としては、共振周波数調整手段が屈曲した際に、その変位量の低下を防ぐため、接着後に高硬度になるエポキシ接着剤などが用いられてもよい。
【００３２】
複数の共振周波数調整部材３０１〜３０４がミラー部２０の重心に対して点対称となるように配置されてもよい。これにより重心位置の変動が生じにくくなり、安定した回転振動が得られよう。
【００３３】
複数の共振周波数調整部材３０１〜３０４がミラー部２０の回転軸に対して線対称となるように配置されてもよい。これは動撓みを低減する上で有利であろう。
【００３４】
複数の共振周波数調整部材のうち第１共振周波数調整部材３０１および第２共振周波数調整部材３０２がミラー部２０の第一面側に配置されており、第３共振周波数調整部材３０３および第４共振周波数調整部材３０４がミラー部２０の第二面側に配置されてもよい。
【００３５】
共振周波数調整部材３０１〜３０４は、ミラー部２０の端部よりも回転軸に近い位置に配置されてもよい。ミラー部２０の慣性モーメントを小さくなるため、ミラー部２０の動撓みが発生しにくくなるであろう。
【図１】
2016114715.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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