JP4390174B2

JP4390174B2 - 光走査装置

Info

Publication number: JP4390174B2
Application number: JP2001279420A
Authority: JP
Inventors: 光美藤井; 智宏中島; 幸人佐藤; 善紀林; 栄二望月
Original assignee: Ricoh Co Ltd
Current assignee: Ricoh Co Ltd
Priority date: 2001-09-14
Filing date: 2001-09-14
Publication date: 2009-12-24
Anticipated expiration: 2021-09-14
Also published as: JP2003084226A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、微小なミラーを揺動させて光ビームの偏向を行う光スキャナを備えた光走査装置及び該光走査装置を適用した画像形成装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年におけるレーザー光等の光ビームを走査する光走査装置は、バーコードリーダ、レーザープリンタ、ヘッドマウントディスプレー等の光学機器に用いられている。この種の光スキャナとして、マイクロマシニング技術を利用した微小ミラーを揺動させる構成のものが提案されている。
【０００３】
図１５は、従来の光走査装置に用いられる光スキャナの斜視図と断面図である。同一直線上に設けた２本の梁としての弾性部材３を回転軸として支持されたミラー１と、ミラー１に設けた可動電極２６と、可動電極２６に対向して固定部材５に設けた固定電極２５を有し、可動電極２６と固定電極２５との間の静電吸引力で、２本の弾性部材3を捻り回転軸としてミラー１を往復振動させる光スキャナである。
上記光スキャナにおいて、ミラー１の共振周波数ｆ０は概略以下の式で与えられる。
ｆ０＝１／２π√（Ｋθ／Ｉ）・・・（式１）
但し、Ｉはミラー慣性モーメント、Ｋθは２本の弾性部材によって決まるバネ定数を表す。
ところで、例えば、弾性部材３は加工時によって精度にばらつきを生じる。これにより、Ｋθがばらつく。よって、式１で示される共振周波数ｆ０の値にもばらつきを生じることになる。
複数の光スキャナを有する光走査装置において、各光スキャナ間でミラー１の共振周波数ｆ０にばらつきがあると、図１５（ｂ）に示すミラーの振れ角θにばらつきを生じるため、その結果、隣接する光スキャナ間によって形成される画像のつなぎ目が視認できるようになり、画質の劣化を招くという問題点がある。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
上記問題点に鑑み、本発明は、部材の加工精度のばらつきが起因して発生するミラーの共振周波数のばらつきを調節し、ミラーの振れ角を一定にする光スキャナを有する光走査装置を提供することを課題とする。更には、前記光走査装置を備え、良好な画質の画像形成を行う画像形成装置を提供することを課題とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
請求項１に記載の発明は、光源と、光スキャナを備える光走査装置であって、前記光スキャナは、シリコンからなる第一の基板及び第二の基板と、該第一の基板と該第二の基板との間に設けられる絶縁層と、第一の基板に弾性部材を介して支持されたミラーとを有し、前記弾性部材を捻り回転軸として前記ミラーを往復振動させて前記光源からの照射光を偏向する光スキャナであり、前記ミラーの側面に設けられる可動電極と、前記可動電極と対向する前記第一の基板に設けられる固定電極と、前記第一の基板に設けられる、固定電極と可動電極を電気的に分離する分離溝と、前記ミラーと捻り回転軸としての前記弾性部材とで決まる固有の共振周波数を調節する調節手段と、前記調節手段により設定された共振周波数に応じて、前記可動電極及び前記固定電極に印加する電圧の周波数を可変する周波数可変手段と、前記可動電極及び前記固定電極に印加する電圧を調整する調整手段とを有する光走査装置であることを特徴とする。
【０００８】
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の光走査装置において、前記光スキャナを複数配備し、各光スキャナが有するミラーの共振周波数は、最大の共振周波数に一致させるよう調節手段によって調節されることを特徴とする。請求項３に記載の発明は、請求項１ないし２のいずれかに記載の光走査装置と、該光走査装置により静電潜像を形成する感光体と、該静電潜像をトナーにより顕像化する現像手段と、トナー像を用紙に転写する転写手段とを有する画像形成装置であることを特徴とする。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
図１は、本発明に係る光スキャナの第一の実施形態を示す斜視図及び断面図である。
シリコンからなるミラー基板７は、エッチングによる加工で側面に捻りバネ等の弾性部材３を有するミラー１を支持している。ミラー１端面には可動電極２６が設けられ、可動電極２６に対向する固定部材５には固定電極２５が設けられている。更に、ミラー１端面と固定部材５との間には、電極ギャップ１１が形成されている。このようにして形成されたミラー基板７は、ガラスやセラミックス等の絶縁材料からなるフレーム基板９上に接合されている。更に、フレーム基板９上に接合されたミラー基板７には、分離溝１２が設けられる。分離溝１２の加工にはＣＯ_２レーザー等が用いられる。分離溝１２を設けることにより、ミラー１と固定部材５とは電気的に分離される。以上により、光スキャナ４が構成される。
尚、本実施の形態は、ミラー１を往復振動させる駆動源として、静電気力を用いる場合について記載してあるが、他の駆動源、例えばＰＺＴ等の圧電体による分極力、磁性体による電気・磁気力を用いるものであってもよい。
【００１０】
次に、光スキャナ４の動作について説明する。ミラー１と固定部材５の間に、電圧を印加する。電極ギャップ１１に形成される静電場により、静電吸引力が発生する。この力によりミラー１は、弾性部材３を回転軸として回転運動を始める。このとき、印加電圧の周波数が、弾性部材３とミラー１の慣性モーメントによって決まる共振周波数と一致する時、振動は共振振動となり、ミラー１は大きな振れ角が得られる。
【００１１】
ここで、共振周波数ｆ０は、先にも述べたように、ミラー慣性モーメントＩと、２本の弾性部材によって決まるバネ定数Ｋθにより、以下の式１によって求められる。
ｆ０＝１／２π√（Ｋθ／Ｉ）・・・（式１）
式１において、例えば、慣性モーメントＩが６．３×１０^−５g・cm^２、バネ定数Ｋθが６０７６dyne-cm/radの時、共振周波数ｆ０は１．５ｋＨｚである。ここで、慣性モーメントＩを１０％減少させると、共振周波数ｆ０は１．６４ｋＨｚとなり、約１５０Ｈｚ共振周波数を高くすることができる。本発明は、上記原理に基づき、光走査装置にミラー１の共振周波数ｆ０を調節し、振れ角を一定にする調節手段を備えるものとする。
【００１２】
ミラー１の共振周波数を調節する調節手段は、以下の通りである。図１において、１７はＣＯ_２レーザー、１６は照射位置を変えるミラーである。ミラー１の慣性モーメントを減少させるために、ミラー１の端面１４を、ミラー１の裏面側からＣＯ_２レーザー１７によるレーザービーム１５で照射し、照射部に発生するレーザービーム１５による熱で、端面１４の微小質量を蒸発させる。これにより、ミラー１の慣性モーメントを減少させる。このように、ミラー１の裏面側の微小質量を蒸発させることで、ミラー面に損傷を与えることもなく、また、弾性部材３に余分な力を加えることもなく、ミラー慣性モーメントを減少させることができる。
【００１３】
図２は、本発明に係る光スキャナの第二の実施形態を示す斜視図である。ミラー１の端部には、ミラー慣性モーメント調整用の切片２０が設けられている。切片２０の厚さは、ミラー１の厚さより薄く設定されている。これにより、切片２０とミラー１との境界面をＣＯ_２レーザー１７によるレーザービーム１５で照射すると、薄い切片２０は急激に温度が上昇してミラー１から割断する。ミラー１に与える熱の影響は、少なくすることができる。また、このときに減少するミラー慣性モーメントの割合は、切片２０の割断に相当する分となるため、共振周波数の定量的な調節が可能となる。
【００１４】
図３は、本発明に係る光スキャナの第三の実施形態を示す斜視図である。ミラー１の端部には、ミラー慣性モーメント調整用の櫛歯状の切片２１が設けられている。切片２１の歯の幅Ｗは、数１００μｍとする。これにより、切片２１とミラー１との境界面をＣＯ_２レーザー１７によるレーザービーム１５で照射すると、ミラー１に対して十分小さい切片２１は急激に温度が上昇してミラー１から割断する。ミラー１に与える熱の影響は、少なくすることができる。また、このときに減少するミラー慣性モーメントの割合は、切片２１の割断に相当する分となるため、共振周波数の定量的な調節が可能となる。
【００１５】
また、本発明の光走査装置は、上記の共振周波数の調節手段に加え、ミラー１と固定部材５の間に印加される電圧の周波数を可変する周波数可変手段を有する。
図４は、本発明に係る光スキャナの第四の実施形態を示す断面図である。ミラー１端面には可動電極２６が設けられ、可動電極２６に対向する固定部材５には固定電極２５が設けられている。２８はレーザー光源、２９はミラー１により反射されたレーザービームである。３０は周波数可変手段を有する駆動装置である。
上記の共振周波数の調節手段によって調節されたミラー１の共振周波数をｆ０とするとき、共振周波数ｆ０と同じ印加電圧の周波数を、周波数可変手段を有する駆動装置３０により調整して、ミラー１と固定部材５の間に印加する。すると、電極ギャップ１１に静電場が形成され、静電吸引力が発生する。この力により、ミラー１は弾性部材３を回転軸として回転運動を始める。このとき、ミラー１の共振周波数と印加電圧の周波数とが一致し、共振振動となって、ミラー１の大きな振れ角θを得ることができる。
【００１６】
更に、本発明の光走査装置は、上記の共振周波数の調節手段、及び電圧の周波数可変手段に加えて、ミラー１と固定部材５の間に印加される電圧を調整する調整手段を有する。
図４の構成において、３０は、周波数可変手段に加え、電圧の調整手段を有する駆動装置とする。共振周波数の調節手段によって調節されたミラー１の共振周波数をｆ０′と同じ周波数の電圧を、駆動装置３０により調整してミラー１と固定部材５の間に印加する。すると、電極ギャップ１１には静電場が形成され、静電吸引力が発生する。この力により、ミラー１は弾性部材３を回転軸として回転運動を始める。このとき、ミラー１は共振振動となる。
【００１７】
ここで、図５は、一定の周波数における印加電圧とミラー１の振れ角との関係を示す図である。共振周波数及び電圧の周波数が同じｆ０′であっても、ミラー１と固定部材５の間に印加される電圧がＶ０とＶ１とでは、ミラー１の振れ角θが異なる。
これは、以下のようにして説明される。共振状態に於けるミラー１の振れ角θは概略以下の式２によって与えられる。
θ＝（Ｔｑ／Ｉ）・Ｋ・・・（式２）
但し、Ｔｑはミラー１に働く静電トルク、Ｉはミラー慣性モーメント、Ｋは共振周波数で決まる定数である。
また、静電トルクＴｑは以下の式３で表される関係式が与えられる。
Ｔｑ∝Ｓ・（Ｖ／ｇ）^２・・・（式３）
但し、Ｓは電極間対向面積、Ｖは印加電圧、ｇは電極間距離である。式２及び式３の関係より、印加電圧Ｖの値によって、静電トルクＴｑが変化するため、ミラー１の振れ角θが変化する。
【００１８】
従って、上記の原理を利用し、周波数がｆ０′に調整された後であっても、印加電圧の調整を駆動装置３０により行い、所望のミラー１の振れ角θを得ることができる。例えば、ミラー１の共振周波数を電圧の周波数と完全に一致させることができなかった場合、一致させた場合に比べ、ミラー１の振れ角θは小さくなるが、このとき、電圧調整手段により電圧を調整することによって、ミラー１の振れ角θを調整することが可能となる。
【００１９】
また、本発明の光走査装置は、マイクロマシニング技術を利用した微小ミラーを備えることができる。
図６は、本発明に係る光スキャナの第五の実施形態を示す斜視図及び断面図である。シリコンからなる第一の基板３５は、エッチングによる加工で側面に捻りバネ等の弾性部材３を有するミラー１を支持する構成となっている。また、シリコンの性質上、第一の基板は導電性を有する。ミラー１の端部には、櫛歯状の共振周波数調整用の切片２１が設けられている。また、第二の基板３６もシリコンからなる。第一の基板３５と第二の基板３６は、二酸化ケイ素等からなる絶縁層３７を挟んで接合されている。更に、第一の基板３５には、分離溝１２がエッチング等により設けられている。これにより、ミラー１と固定部材５とは電気的に分離される。
また、図６（ｂ）において、駆動装置３０は、印加電圧の周波数可変手段、及び電圧の調整手段を有する駆動装置である。
【００２０】
共振周波数がｆ０に調整された状態で、周波数ｆ０の電圧をミラー１と固定部材５に印加すると、ミラー１と固定部材５は導電性を有するため、ミラー１は可動電極として、固定部材５は固定電極としてそれぞれ作用する。これにより、電極ギャップ１１に静電場が形成され、発生する静電吸引力により、ミラー１が共振振動を示す。
図７は、印加電圧Ｖとミラー１の振れ角θの関係を示す図である。駆動装置３０により印加電圧Ｖを変化させると、図７に示すように振れ角θが変化する。印加電圧Ｖを調整することにより、ミラー１の所望の振れ角θを得ることができる。
また、シリコンを用いたマイクロマシニング技術により、ミラー１や弾性部材３の加工誤差が少なくできるため、周波数、印加電圧等の調整範囲を小さくすることができる。
【００２１】
上記の光スキャナの構成において、ミラー１の振れ角を大きくするために、ミラーの形状を以下のようにすることができる。
図８は、本発明に係る光スキャナの第六の実施形態を示す斜視図である。また、図９は、ミラーの断面図である。ミラー１の形状は、肉抜きされた薄肉部４２と、肉抜きされないリブ部４３から構成される。このように、ミラー１の形状を肉抜きしたことにより、上述した式２における慣性モーメントＩの値は小さくなる。これにより、ミラー１の振れ角θを更に大きくすることが出来る。
【００２２】
また、上記の光スキャナの構成において、ミラー１の振れ角を大きくするために、ミラー１と固定部材５に形成される電極の形状を以下のようにすることができる。
図１０は、本発明に係る光スキャナの第七の実施形態を示す斜視図である。櫛歯形状をした可動電極４５がミラー１側面に設けられ、同じく櫛歯形状をした固定電極４６が固定部材５に設けられている。可動電極４５と固定電極４６とは、互いに噛み合わせて対向する構成となっている。このような構成により、前述した式３における電極間対向面積Ｓの値を増加させることができる。電極間対向面積Ｓが増加すると、静電トルクＴｑの値が増加する。静電トルクＴｑの増加により、式２によって導き出されるミラー１の振れ角θが大きくなる。
【００２３】
本発明の光走査装置は、上記のいずれかの構成をもつ光スキャナを複数配備した構成とすることができる。
図１１は、本発明に係る光走査装置の構成を示す断面図である。ベース３１上に、複数の光スキャナ４を配備している。３０は、駆動電圧を印加する駆動装置である。また、２８はレーザー光源、２９はミラー１により反射されたレーザービームである。
図１２は、各光スキャナ４の共振周波数ｆ０を測定した結果を示す図である。各光スキャナ４は、図１２に示すようにそれぞれの共振周波数を有している。ここで、最も大きい共振周波数をｆ０４とすると、上述した共振周波数調節手段により、その他の光スキャナ４の共振周波数ｆ０１、ｆ０２、ｆ０３をｆ０４と一致させるように調節する。これにより、駆動装置３０の駆動周波数が単一にできるため、駆動回路を簡易にすることができる。
【００２４】
更に、本発明の画像形成装置は、上記のいずれかの構成をもつ光走査装置を搭載したものとする。
図１３は、本発明の画像形成装置の一実施形態であるレーザープリンタの概略構成図である。画像形成装置としてのレーザープリンタ６６は、上記のいずれかの構成をもつ光走査装置６０と、光走査装置６０のミラー１により偏向された反射レーザー光により静電潜像が形成される感光体６５と、感光体６５に形成された静電潜像をトナーにより現像する現像手段６２と、感光体６５上に形成されたトナー像を被記録体に転写するための転写手段６３と、被記録体を画像形成部に供給するための被記録体供給手段６４と、被記録体上のトナー像を定着させるための定着手段６７とを備える。
図１４は、光走査装置６０と感光体６５を上から見た図である。光スキャナ４が主走査方向に複数配置されている。レーザー光源２８は、画像信号生成装置（図示せず）による画像信号に基づき発光する。レーザー光源２８より照射されるレーサービームは、光走査装置６０に入射する。光走査装置６０のミラー１により偏向された反射レーザー光２９が、感光体６５上に静電潜像を形成する。
【００２５】
【発明の効果】
以上説明してきたように、本発明により、弾性部材を捻り回転軸としてミラーを往復振動させて光源からの照射光を偏向する光スキャナに、ミラーの共振周波数の調節手段を設けたことで、部材の加工精度のばらつきによって生じるミラーの共振周波数のばらつきを調節し、ミラーの振れ角を一定にする光スキャナを有する光走査装置を提供することができる。
また、上記に加え、ミラー側面と、ミラー側面に対向する固定部材とに設けられた電極間に印加される電圧の周波数可変手段と、電圧の調整手段を設けたことにより、ミラーの共振周波数と印加電圧の周波数とを一致させて共振振動とし、ミラーの大きな振れ角を得ると共に、振れ角の微調整も容易に行うことができる。
更には、上記の光走査装置を備え、隣接する光スキャナ間でミラーの振れ角にばらつきを生じることなく、良好な画質の画像形成を行うことができる画像形成装置を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る光スキャナの第一の実施形態を示す斜視図及び断面図である。
【図２】本発明に係る光スキャナの第二の実施形態を示す斜視図である。
【図３】本発明に係る光スキャナの第三の実施形態を示す斜視図である。
【図４】本発明に係る光スキャナの第四の実施形態を示す断面図である。
【図５】一定の周波数における印加電圧とミラーの振れ角との関係を示す図である。
【図６】本発明に係る光スキャナの第五の実施形態を示す斜視図及び断面図である。
【図７】印加電圧Ｖとミラー１の振れ角θの関係を示す図である。
【図８】本発明に係る光スキャナの第六の実施形態を示す斜視図である。
【図９】光スキャナの第六の実施形態におけるミラーの断面図である。
【図１０】本発明に係る光スキャナの第七の実施形態を示す斜視図である。
【図１１】本発明に係る光走査装置の構成を示す断面図である。
【図１２】各光スキャナ４の共振周波数ｆ０を測定した結果を示す図である。
【図１３】本発明の画像形成装置の一実施形態であるレーザープリンタの概略構成図である。
【図１４】光走査装置と感光体を上から見た図である。
【図１５】従来の光走査装置に用いられる光スキャナの斜視図と断面図である。
【符号の説明】
１ミラー
３弾性部材
４光スキャナ
５固定部材
７ミラー基板
９フレーム基板
２５固定電極
２６可動電極
２８レーザー光源
２９レーザービーム
３０駆動装置
３５第一の基板
３６第二の基板
６０光走査装置
６６画像形成装置

Claims

光源と、光スキャナを備える光走査装置であって、
前記光スキャナは、シリコンからなる第一の基板及び第二の基板と、該第一の基板と該第二の基板との間に設けられる絶縁層と、第一の基板に弾性部材を介して支持されたミラーとを有し、
前記弾性部材を捻り回転軸として前記ミラーを往復振動させて前記光源からの照射光を偏向する光スキャナであり、
前記ミラーの側面に設けられる可動電極と、
前記可動電極と対向する前記第一の基板に設けられる固定電極と、
前記第一の基板に設けられる、固定電極と可動電極を電気的に分離する分離溝と、
前記ミラーと捻り回転軸としての前記弾性部材とで決まる固有の共振周波数を調節する調節手段と、
前記調節手段により設定された共振周波数に応じて、前記可動電極及び前記固定電極に印加する電圧の周波数を可変する周波数可変手段と、
前記可動電極及び前記固定電極に印加する電圧を調整する調整手段と、
を有することを特徴とする光走査装置。
請求項１に記載の光走査装置において、
前記光スキャナを複数配備し、
各光スキャナが有するミラーの共振周波数は、最大の共振周波数に一致させるよう前記調節手段によって調節されることを特徴とする光走査装置。
請求項１ないし２に記載の光走査装置と、
該光走査装置により静電潜像を形成する感光体と、
該静電潜像をトナーにより顕像化する現像手段と、
トナー像を用紙に転写する転写手段と、
を有することを特徴とする画像形成装置。