JP2011191422A - 光偏向器、光走査装置、画像形成装置及び画像投影装置 - Google Patents

Abstract

【課題】偏向ミラーの共振周波数を切り替え可能とし、かつ小形化も図ることができる光偏向器を提供する。
【解決手段】各第１のねじり梁部材３ａ，３ｂを往復振動させることで、光源からの光ビームを偏向する偏向ミラー４を有するミラー基板２と、ミラー基板２を保持する外枠部材５と、両外側がフレーム部材７に固定保持されるとともに両内側が外枠部材５の両側に接合された各第２のねじり梁部材６ａ，６ｂを備え、外力発生手段８からの可振による偏向ミラー４の往復振動時に、外枠部材５の慣性と第２のねじり梁部材６ａ，６ｂのねじり剛性で概ね定まる第１の共振周波数が、偏向ミラー４の慣性と第１のねじり梁部材３ａ，３ｂのねじり剛性で概ね定まる第２の共振周波数の略１／２となるように、偏向ミラー４と第１、第２の各ねじり梁部材３ａ，３ｂ、６ａ，６ｂの各形状寸法を設定した。
【選択図】図１

Description

本発明は、両側に設けた一対の梁部材をねじり回転軸として往復振動させることで光源から出射される光ビームを偏向するミラーを有する光偏向器、該光偏向器を備えた光走査装置、画像形成装置及び画像投影装置に関する。

従来より、レーザ光源などから出射される光ビームを光偏向器によって偏向し、この偏向光束を感光体など被走査面上で走査させることによって被走査面上に画像を書き込む光走査装置が知られている。このような光走査装置においては、光ビームを走査する光偏向器としてポリゴンミラーが一般に用いられている。ポリゴンミラーは高速で回転して光ビームを走査するが、ポリゴンミラーを用いた画像形成では、より高い解像度の画像及高速の画像形成を達成するには、ポリゴンミラーをさらに高速に回転させて走査する必要がある。

しかしながら、ポリゴンミラーをさらに高速回転させるには、軸受の耐久性や発熱、騒音等の課題を解決する必要があるので、ポリゴンミラーの高速回転化には限界があった。

このような課題を解決するために、近年、両側に設けた一対の梁部材をねじり回転軸として往復振動させることで光源から出射される光ビームを偏向するミラーを有する光偏向器が提案されている（例えば、特許文献１、特許文献２参照）。

特許文献１の光偏向器（ねじれヒンジ型ミラー・デバイス）は、図２３（ａ），（ｂ）に示すように構成されている。

図２３（ａ）に示すように、この光偏向器（ねじれヒンジ型ミラー・デバイス）は、反射部１０１、支持部１０２、及びヒンジ゛層１０３は、旋回軸１０４の周りの回転を提供する一対の捻れヒンジ゛１０３ａ及び１０３ｂを画定する。さらに図示するように、旋回軸１０５を中心とする永久磁石１０６がある。このため、反射部１０１、支持部１０２、及びヒンジ層１０３は対称に配置されている。また永久磁石１０６が旋回軸１０４を中心としているため、これらが組み合わされたミラー構造１０７の質量中心は旋回軸１０５を中心とする。

図２３（ｂ）に示すように、このミラー構造１０７に回転トルクを生じさせるために、永久磁石１０６と相互作用する磁気的駆動機構１０８を有している。更に、ミラー構造１０７は、その垂直軸１０９が磁気コア・アーム１１０ａと１１０ｂ間の中間に位置するようにして配置されている。このため、コア・アーム１１０ａ及び１１０ｂが、Ｎ極及びＮ極の提供間で交互に継続的に切り替えられると、永久磁石１０６との磁気的相互作用が、旋回軸１０５の周りでミラー構造１０７を振動させるような磁力を提供する。

また、特許文献２の光偏向器は、複数の捻りバネと複数の振動子が交互に連結され、前記複数の捻りバネの捻れ軸が同一直線上に存在し、複数の振動子のうち少なくとも１つにねじれ振動を与える加振手段と、該加振手段の加振周波数を少なくとも２つ以上の段階で切り替えることができる周波数切り替え手段を有し、２つの振動モードを持っている。この共振型光偏向器は、ラスター走査型デイスプレー用におけるＳＶＧＡ（800×600画素、20kHz）とＸＧＡ（1024×768画素、25.6kHz）の２つの表示モード゛に対応する共振周波数を有する。

ところで、特許文献１の光偏向器（ねじれヒンジ型ミラー・デバイス）では、磁力によって旋回軸１０５の周りでミラー構造１０７を振動させる場合のミラーねじれ角（揺れ角）の周波数特性は、図２４に示すように、一つの共振点ピーク（共振周波数）を有する。

このため、この光偏向器（ねじれヒンジ型ミラー・デバイス）をプリンタや複写機などの画像形成装置の光走査装置（光書き込み装置）に用いた場合、画像形成速度（プロセス速度）が一つの所定速度に固定されている通常の画像形成装置では問題がないが、用紙などの記録媒体の種類によって画像形成速度（プロセス速度）を切り替可能な画像形成装置では対応できない。

また、特許文献２の光偏向器では、ミラーの共振周波数は２０kHz〜２５kHz程度であるが、プリンタや複写機などの画像形成装置の光走査装置（光書き込み装置）に用いられるミラーの共振周波数は３kHz〜６kHz程度と低い。

このため、特許文献２の光偏向器を画像形成装置の光走査装置（光書き込み装置）に用いる場合には、ミラーの共振周波数を下げるためにミラーを両側に結合されるねじりバネの長さを長くする必要があるため、光偏向器全体が大きくなる不具合が生じる。

そこで、本発明は、ミラーの共振周波数を切り替え可能とし、かつ小形化も図ることができる光偏向器、光走査装置、画像形成装置及び画像投影装置を提供することを目的とする。

前記目的を達成するために請求項１に記載の光偏向器は、両側に接合された一対の第１のねじり梁部材をねじり回転軸として往復振動させることで、光源からの光ビームを偏向する偏向ミラーを有するミラー基板と、前記ミラー基板を保持する外枠部材と、前記第１のねじり梁部材と同一直線上に設けられ、両外側が固定保持されるとともに両内側が前記外枠部材の両側に接合された一対の第２のねじり梁部材と、前記外枠部材又は前記一対の第２のねじり梁部材を可振するための外力発生手段とを備え、前記外力発生手段から前記外枠部材又は前記一対の第２のねじり梁部材に可振力を付与することで、前記一対の第２のねじり梁部材及び前記第１のねじり梁部材をねじり回転軸として前記偏向ミラーを往復振動させる光偏向器であって、前記偏向ミラーの往復振動時に、前記外枠部材の慣性と前記一対の第２のねじり梁部材のねじり剛性で概ね定まる第１の共振周波数が、前記偏向ミラーの慣性と前記第１のねじり梁部材のねじり剛性で概ね定まる第２の共振周波数の略１／２となるように、前記偏向ミラーと前記第１、第２の各ねじり梁部材の各形状寸法を設定したことを特徴としている。

請求項２に記載の光偏向器は、前記ミラー基板はＳｉ基板により構成されるとともに、前記外枠部材と前記第２のねじり梁部材は金属材料により構成されており、前記ミラー基板は前記外枠部材に接合されていることを特徴としている。

請求項３に記載の光偏向器は、前記外枠部材と前記一対の第２のねじり梁部材は、金属板材料を積層して構成されていることを特徴としている。

請求項４に記載の光偏向器は、前記外枠部材と前記一対の第２のねじり梁部材は、拡散接合により金属板材料を積層・接合して構成されていることを特徴としている。

請求項５に記載の光偏向器は、前記一対の第１のねじり梁部材は、複数個の直線部と屈曲部を有する折り畳みバネ形状に形成されていることを特徴としている。

請求項６に記載の光偏向器は、前記一対の第２のねじり梁部材の固定保持される両外側近傍に、前記第２のねじり梁部材と直交する方向に延びる一対の腕部材を設け、前記一対の腕部材に前記外力発生手段を設けていることを特徴としている。

請求項７に記載の光偏向器は、前記外力発生手段は、印加される電圧に対応して厚さ方向に伸縮する圧電素子であり、前記圧電素子を前記一対の腕部材の両端部にそれぞれ設けることを特徴としている。

請求項８に記載の光偏向器は、前記一方側の腕部材の両端部に設けられる各圧電素子と、前記他方側の腕部材の両端部に設けられる各圧電素子には、それぞれ位相が１８０度ずれた駆動信号が印加されることを特徴としている。

請求項９に記載の光偏向器は、前記外力発生手段は、前記外枠部材に配置したコイルと、前記一対の第１のねじり梁部材と直交する方向で前記外枠部材の両側に配置した一対の永久磁石とで構成されており、前記コイルに正弦波の電流を印加したときに、前記一対の永久磁石間に形成される磁界との交互作用によって発生するローレンツ力で前記外枠部材を可振させることを特徴としている。

請求項１０に記載の光偏向器は、前記コイルは、前記外枠部材の背面に固着されたフレキシブル基板に一体に形成されていることを特徴としている。

請求項１１に記載の光走査装置は、請求項１乃至１０のいずれか一項に記載の光偏向器を有することを特徴としている。

請求項１２に記載の画像形成装置は、請求項１１に記載の光走査装置を有することを特徴としている。

請求項１３に記載の画像投影装置は、請求項１１に記載の光走査装置を有することを特徴としている。

本発明に係る光偏向器によれば、外枠部材の慣性と一対の第２のねじり梁部材のねじり剛性で概ね定まる第２の共振周波数が、偏向ミラーの慣性と第１のねじり梁部材のねじり剛性で概ね定まる第１の共振周波数の略１／２となるように、偏向ミラーと第１、第２の各ねじり梁部材の各形状寸法を設定したことにより、例えば、このような形状寸法に設定された光偏向器をプリンタや複写機などの画像形成装置の光走査装置（光書き込み装置）に用いた場合、用紙などの記録媒体の種類によって画像形成速度（プロセス速度）を通常の１／２速に切り替可能な画像形成装置であっても、通常の画像形成速度（プロセス速度）の場合は、偏向ミラーを第２の共振周波数で往復振動するように設定し、厚紙等が給紙される通常の１／２速の画像形成速度（プロセス速度）の場合は、偏向ミラーを第１の共振周波数で往復振動するように設定することで対応することが可能となる。

本発明の実施形態１に係る光偏向器の構成を示す概略図。 図１に示した光偏向器を２自由度系としてモデル化して近似した図。 （ａ）は、可動ミラーの変位角（振れ角）の周波数特性の測定結果を示した図、（ｂ）は、可動ミラー４の変位角（振れ角）の振れ角位相特性の測定結果を示した図。 本発明の実施形態２に係る光偏向器の構成を示す概略図。 本発明の実施形態２に係る光偏向器のミラー基板を示す斜視図。 本発明の実施形態２の変形例に係る光偏向器の構成を示す概略図。 ミラー枠部材とフレーム部材の構成を示す分解斜視図。 ミラー枠部材とフレーム部材を作製する際の中間部材を示す斜視図。 ミラー枠部材とフレーム部材を作製するための装置を示す図。 本発明の実施形態２における外力発生手段としての圧電素子を示す図。 本発明の実施形態３に係る光偏向器の構成を示す概略図。 （ａ），（ｂ）は、本発明の実施形態３に係る光偏向器の第１のねじり梁部材を示す図。 本発明の実施形態４に係る光偏向器の構成を示す概略図。 本発明の実施形態４におけるミラー枠部材の背面側を示す斜視図。 本発明の実施形態４における外力発生手段としての磁界とコイル電流により発生するローレンツ力を示す図。 本発明の実施形態４におけるコイルへ駆動電流を印加する駆動回路の構成を示す図。 本発明の実施形態４の変形例におけるコイルの構成を示す概略図。 本発明の実施形態５に係る光走査装置の構成を示す概略図。 本発明の実施形態６に係る画像形成装置の構成を示す概略図。 本発明の実施形態６におけるプロセス速度の切り替え選択動作を示すフローチャート。 （ａ）は、本発明の実施形態６におけるプロセス速度の切り替え選択動作を行なった場合の可動ミラーの振動振幅の変化状態を示す図、（ｂ）は、本発明の実施形態６におけるプロセス速度の切り替え選択動作を行なった場合の定着温度の変化状態を示す図。 本発明の実施形態７に係る画像投影装置の構成を示す概略図。 （ａ），（ｂ）は、従来の光偏向器の構成を示す概略図。 従来の光偏向器の周波数特性を示す図。

以下、本発明を図示の実施形態に基づいて説明する。
〈実施形態１〉
図１は、本発明の実施形態１に係る光偏向器の構成を示す概略図である。

図１に示す本実施形態に係る光偏向器１において、２はミラー基板であり、一対の第１のねじり梁部材３ａ，３ｂをねじり回転軸として往復振動させて光を偏向させる偏向ミラー４を有している。第１のねじり梁部材３ａ，３ｂの両端側は、外枠部材５に接続されている。外枠部材５は、第１のねじり梁部材３ａ，３ｂと同一直線上に設けた第２のねじり梁部材６ａ，６ｂを介して枠状のフレーム部材７に接続されている。これにより、ミラー基板２は、その第１のねじり梁部材３ａ，３ｂによって外枠部材５に保持され、外枠部材５は、第２のねじり梁部材６ａ，６ｂによってフレーム部材７に保持されている。

ミラー基板（偏向ミラー４と第１のねじり梁部材３ａ，３ｂ）２は、Ｓｉ基板により構成されており、外枠部材５、第２のねじり梁部材６ａ，６ｂ、フレーム部材７は、金属部材により構成されている。また、外枠材５には、該外枠部材５を往復振動させるための可振力を付与する圧電素子などの外力発生手段８が接続されている。

本実施形態に係る光偏向器１は上記のように構成されており、圧電素子などの外力発生手段８を駆動して外枠部材５に振動を発生させる。発生した振動によって第２のねじり梁部材６ａ，６ｂに可振力Ｍを作用させて、外枠部材５に往復振動（往復揺動）を発生させる。この往復振動により偏向ミラー４は、第１のねじり梁部材３ａ，３ｂをねじり回転軸として往復振動（往復揺動）する。

図１の光偏向器１において、偏向ミラー４の共振周波数が２つの共振点を持ち、各共振点の共振周波数をｆ１、ｆ２とした場合に、ｆ１が約１．５kHz、ｆ２が約３kHzとなるように設定すると、ミラー基板（偏向ミラー４と第１のねじり梁部材３ａ，３ｂ）２、外枠部材５の形状寸法は、ａ1＝7.5mm、a2＝5.5mm、ａ3＝4.5mm、b１＝10mm、b2＝8mm、b3＝1mmに設定される。

また、偏向ミラー４、第１のねじり梁部材３ａ，３ｂ、第２のねじり梁部材６ａ，６ｂの長さ、幅、厚さ、材質は、下記の表１のように設定した。

図１に示した光偏向器１において、偏向ミラー４の振れ角周波数特性を以下のように計算した。

図２は、図１に示した光偏向器１を２自由度系としてモデル化して近似した図である。

図２において、Ｋ1は、フレーム部材７に接続された一対の第２のねじり梁部材６ａ，６ｂのねじり剛性、Ｉ1は、外枠部材５の慣性モーメント、Ｃ1は、外枠部材５に作用する粘性抵抗抵抗係数、Ｋ2は、第１のねじり梁部材３ａ，３ｂのねじり剛性、Ｉ2は、可動ミラー４の慣性モーメント、Ｃ2は、偏向ミラー４に作用する粘性抵抗係数を示している。

図２に示したモデルにおいて、外枠部材５、偏向ミラー４の角度変位（振れ角）をそれぞれθ1、θ2とて運動方程式を求める。力の釣り合いより、以下の式（１）、（２）が得られる。ただし、加振力として第２のねじり梁部材６ａ，６ｂの固定端に作用するねじりモーメントＭｘを考慮した。

Ｉ1*θ1＋Ｃ1*（θ1−θ2）＋Ｋ1*（θ1）＝Ｍｘ（ｔ） …式（１）
Ｉ2*θ2＋Ｃ2*（θ2−θ1）＋Ｋ2*（θ2−θ1）＝０ …式（２）

式（１）、（２）を解くことにより、偏向ミラー４の各共振周波数（ｆ１、ｆ２）が求まる。共振周波数ｆ１、ｆ２に対する粘性抵抗係数Ｃ1、Ｃ2の影響は少ないので無視して、式（１）、（２）より変位角（振れ角）θ1、θ2を求める。

なお、式（１）、（２）を解析的に解くことはできないので、数値計算ソフトなどにより、数値計算によって解を求める。

そして、上記のような寸法に設定された光偏向器１に対して、外力発生手段８から外枠部材５に、正弦波状に変化する加振力Ｍを作用させた場合について，式（１）、（２）より変位角（振れ角）θ1、θ2を求めた。

図３（ａ）は、求めた偏向ミラー４の変位角（振れ角）θ1、θ2の周波数特性の測定結果を示した図である。なお、図３（ｂ）は、求めた偏向ミラー４の変位角（振れ角）θ1、θ2の振れ角位相特性の測定結果を示した図である。

図３（ａ），（ｂ）に示した測定結果から明らかなように、図１に示した光偏向器１の偏向ミラー４は２つの共振点を持ち、偏向ミラー４の第１の共振周波数ｆ１は約１．８６ｋＨｚ、第２の共振周波数ｆ２は２．９２ｋＨｚであった。

このように、上記のように構成された本実施形態の光偏向器１は、ミラー基板（偏向ミラー４と第１のねじり梁部材３ａ，３ｂ）２、外枠部材５、第２のねじり梁部材６ａ，６ｂの形状寸法を適切に設定することにより、偏向ミラー４の２つの共振周波数が２つの共振点を持ち、各共振周波数ｆ１、ｆ２に対して、ｆ１が略ｆ２／２となるように設定することができる。

よって、この光偏向器１をプリンタや複写機などの画像形成装置の光走査装置（光書き込み装置）に用いた場合、用紙などの記録媒体の種類によって画像形成速度（プロセス速度）を通常の１／２速に切り替可能な画像形成装置であっても、通常の画像形成速度（プロセス速度）の場合は、偏向ミラー４を第２の共振周波数ｆ２で往復振動するように設定し、厚紙等が給紙される通常の１／２速の画像形成速度（プロセス速度）の場合は、偏向ミラー４を第１の共振周波数ｆ１で往復振動するように設定することで対応することが可能となる。

また、本実施形態の光偏向器１は、ミラー基板（偏向ミラー４と第１のねじり梁部材３ａ，３ｂ）２は、Ｓｉ基板により構成され、外枠部材５、第２のねじり梁部材６ａ，６ｂ、フレーム部材７は、金属部材により構成されている。これにより、ミラー基板２と第２のねじり梁部材６ａ，６ｂを有する外枠部材５とを分離することができるので、Ｓｉ基板により構成されるミラー基板２の形状を小さくすることができる。よって、光偏向器１全体の小形化を図ることができる。

更に、Ｓｉ基板からなるミラー基板２は、半導体製造プロセスによって１枚のウェハから複数切り出すことができ、また外枠部材５、第２のねじり梁部材６ａ，６ｂ、フレーム部材７を、安価な金属部材で形成することにより、低コスト化を図ることができる。

〈実施形態２〉
図４は、本発明の実施形態２に係る光偏向器の構成を示す概略図である。

図４に示すように、本実施形態に係る光偏向器１ａは、ミラー基板１０が設けられた外枠部材１１と、外力発生手段１３ａ，１３ｂを有し、こららの部材はベース基板１４上に設置されている。

ミラー基板１０は、図５に示すように、偏向ミラー１５と、偏向ミラー１５の両側に一体的に接続された一対の第１のねじり梁部材１６ａ，１６ｂと、該第１のねじり梁部材１６ａ，１６ｂの両側に一体的に接続された一対の保持部材１７ａ，１７ｂを有している。

フレーム部材１２は、外枠部材１１の両側を保持するように接続された一対の第２のねじり梁部材１８ａ，１８ｂと、該第２のねじり梁部材１８ａ，１８ｂの各両端側に一体的に接続され、この第２のねじり梁部材１８ａ，１８ｂに対して直交両方向に延びる一対の腕部材１９ａ，１９ｂと、第２のねじり梁部材１８ａ，１８ｂの両端に形成された一対の固定部材２０ａ，２０ｂを有している。

各固定部材２０ａ，２０ｂは、ベース基板１４上に固定されている。各腕部材１９ａ，１９ｂの下面に後述する外力発生手段１３ａ，１３ｂがそれぞれ固着されている。

なお、図６に示すように、第２のねじり梁部材１８ａ，１８ｂに対して直交方向の一方向側に延びるようして一対の腕部材１９ａ，１９ｂを接続してもよい。

一体的に形成されている外枠部材１１、第２のねじり梁部材１８ａ，１８ｂ、腕部材１９ａ，１９ｂ、固定部材２０ａ，２０ｂは、図７に示すように構成されている。

図７に示すように、本実施形態では、これらの一体部材は第１〜第４の各フレーム部材１２ａ，１２ｂ，１２ｃ，１２ｄの４層構造からなり、第１〜第４の各フレーム部材１２ａ〜１２ｄは、ＳＵＳ３０４からなる厚さ０．０５mmの金属板で構成されている。

第１〜第４の各フレーム部材１２ａ〜１２ｄには、前記した外枠部材１１、第２のねじり梁部材１８ａ，１８ｂ、腕部材１９ａ，１９ｂ、固定部材２０ａ，２０ｂがそれぞれ一体的に接合されている。なお、最下部の第１のフレーム部材１２ａが１層目であり、最上部の第４のフレーム部材１２ｄが４層目である。１層〜４層に位置する各外枠部材１１には、往復揺動する偏向ミラー１５の揺動空間を確保するための開口部１１ａ，１１ｂ，１１ｃ，１１ｄが形成されている。

なお、３層目の外枠部材１１には、ミラー基板１０の保持部材１７ａ，１７ｂを位置決めするための凹状の溝部１１ｅ，１１ｆが形成されている。また、４層目の外枠部材１１は、軽量化のために大きな開口部１１ｄを有している。

第１〜第４の各フレーム部材１２ａ〜１２ｄと各外枠部材１１は、例えば、図８に示すように、最初に各層（図では、４層目の第１のフレーム部材１２ｄと外枠部材１１）を金属シート部材２１上に連結部材２２でそれぞれ繋がった形状にエッチング加工で順次形成した後に、各層の前記金属シート部材２１を積層して接合させることで、上記した４層構造のフレーム部材１２と外枠部材１１を得ることができる。

なお、第２のねじり梁部材１８ａ，１８ｂの幅と厚さの寸法を、例えば幅０．３mm、厚さ０．２mmに設定した場合、この場合のアスペスト比（幅／厚さ）は１．５となる。このような高アスペスト比を有する形状を厚さ０．２mmの１枚の金属板で実現することは難しいが、本実施形態のように、薄い金属板を積層構造とすることで実現することができる。

各層の前記金属シート部材２１を積層して接合させるには、例えば、図９に示すように拡散接合装置を用いることができる。

図９に示すように、内部を真空にした（或いは、内部に不活性ガスを満たした）拡散接合装置２３内に、第１層〜第４層を構成する前記金属シート部材２１（第１〜４のフレーム部材１２ａ〜１２ｄ）を位置決めして積層する。そして、この雰囲気中で加熱・加圧し、各層の接合面に生じる電子の拡散を利用することで、各層の金属シート部材２１が接合される。

この拡散接合は、接合の進行とともに接合面の空隙が消失する。なお、拡散接合は固相接合の一種であり、接合時に接合面の被覆を取り除きながら同時に接合面を密着させていく。これにより、接合部材間が密着し、空隙が存在しない。そのため、疲労強度などの材料特性は、母材強度とほぼ同じ強度を示す。よって、拡散接合により作製された４層構造からなる第２のねじり梁部材１８ａ，１８ｂは、振動に対する疲労強度特性に優れている。

図１０に示すように、本実施形態の外力発生手段１３ａ，１３ｂは、各圧電素子保持部材２４ａ，２４ｂの上面一端側にそれぞれ配置された第１の圧電素子２５ａ，２５ｂと、その上面他端側にそれぞれ配置された第２の圧電素子２５ｃ，２５ｄとで構成されている。第１の圧電素子２５ａ，２５ｂと第２の圧電素子２５ｃ，２５ｄが、各腕部材１９ａ，１９ｂの下面両側にそれぞれ固着される。

第１、第２の各圧電素子２５ａ，２５ｂ，２５ｃ，２５ｄは、例えば、１０〜２０層のバルクＰＺＴが積層されて構成されており、印加される電圧に対応してその厚さ方向に収縮する。

一方側の各第１の圧電素子２５ａ，２５ｂには、共通のリード端子２６ａからＡ相の駆動パルス信号が印加され、他方側の各第２の圧電素子２５ｃ，２５ｄには、共通のリード端子２６ｂから前記Ｂ相の駆動パルス信号が印加される。なお、Ａ相とＢ相の各駆動パルス信号は互いに位相が１８０度ずれている。これにより、Ａ相の駆動パルス信号で駆動される一方側の各第１の圧電素子２５ａ，２５ｂとＢ相の駆動パルス信号で駆動される他方側の各第２の圧電素子２５ｃ，２５ｄは、振動の位相が１８０度ずれる。

このように、一方側の各第１の圧電素子２５ａ，２５ｂと他方側の各第２の圧電素子２５ｃ，２５ｄが、位相が１８０度ずれて振動することにより、一方側の各第１の圧電素子２５ａ，２５ｂが伸びると、他方側の各第２の圧電素子２５ｃ，２５ｄは縮む方向に変位が発生する。これにより、一方側の各第１の圧電素子２５ａ，２５ｂと他方側の各第２の圧電素子２５ｃ，２５ｄが交互に伸縮動作を繰り返すことによって、固着されている各腕部材１９ａ，１９ｂが第２のねじり梁部材１８ａ，１８ｂを揺動中心として往復振動（往復揺動）する。

そして、第２のねじり梁部材１８ａ，１８ｂの往復振動（往復揺動）により、外枠部材１７ａ，１７ｂに往復振動を発生させる。この往復振動により偏向ミラー１５は、第１のねじり梁部材１６ａ，１６ｂをねじり回転軸として往復振動（往復揺動）する。

また、上記した本実施形態の光偏向器１ａにおいても、実施形態１と同様にミラー基板（偏向ミラー１５と第１のねじり梁部材１６ａ，１６ｂ）１０、外枠部材１１、第２のねじり梁部材１８ａ，１８ｂの形状寸法を適切に設定することにより、偏向ミラー１５の２つの共振周波数が２つの共振点を持ち、各共振周波数ｆ１、ｆ２に対して、ｆ１が略ｆ２／２となるように設定することができる。

よって、この光偏向器１ａをプリンタや複写機などの画像形成装置の光走査装置（光書き込み装置）に用いた場合、用紙などの記録媒体の種類によって画像形成速度（プロセス速度）を通常の１／２速に切り替可能な画像形成装置であっても、通常の画像形成速度（プロセス速度）の場合は、偏向ミラー１５を第２の共振周波数ｆ２で往復振動するように設定し、厚紙等が給紙される通常の１／２速の画像形成速度（プロセス速度）の場合は、偏向ミラー１５を第１の共振周波数ｆ１で往復振動するように設定することで対応することが可能となる。

また、本実施形態の光偏向器１ａは、ミラー基板（偏向ミラー１５と第１のねじり梁部材１６ａ，１６ｂ）１０は、Ｓｉ基板により構成され、外枠部材１１、第２のねじり梁部材１８ａ，１８ｂ、腕部材１９ａ，１９ｂ、固定部材２０ａ，２０ｂは薄い金属板を積層して構成されている。これにより、ミラー基板１０と第２のねじり梁部材１８ａ，１８ｂを有する外枠部材１１とを分離することができるので、Ｓｉ基板により構成されるミラー基板１０の形状を小さくすることができる。よって、光偏向器１ａ全体の小形化を図ることができる。

〈実施形態３〉
実施形態２では、図５に示したように、直線状の一対の第１のねじり梁部材１６ａ，１６ｂを偏向ミラー１５の両側に接続した構成であったが、本実施形態では、例えば、図１１に示すように、複数の直線部と屈曲部を有する一対の第１のねじり梁部材２７ａ，２７ｂで偏向ミラー１５の両側を保持するようにしてもよい。他の構成は、図４に示した実施形態２の光偏向器と同様である。

この第１のねじり梁部材２７ａ，２７ｂは、図１１、図１２（ａ）に示すように、複数の直線部と屈曲部により折り畳みバネ状に形成されており、中心軸Ａに対して対称形状となっている。この第１のねじり梁部材２７ａ，２７ｂは、図１２（ｂ）に示すように、中心軸Ａ方向に沿って３つの長梁部２７ａ１，２７ａ２，２７ａ３と２つの短梁部２７ａ４，２７ａ５を有し、更に、中心軸Ａ方向と直交する方向に４つの中梁部２７ａ６，２７ａ７，２７ａ８，２７ａ９を有している。一方の短梁部２７ａ４がミラー保持部材１７ａに接続され、他方の短梁部２７ａ５が偏向ミラー１５に接続される。なお、、図１２（ｂ）は、第１のねじり梁部材２３ａを示しているが、他方の第１のねじり梁部材２３ｂも同様に構成されている。

図１２（ｂ）に示した第１のねじり梁部材２７ａを、例えば、両外側の２つの長梁部２７ａ１，２７ａ３の長さａを１mm、中央の長梁部２７ａ２の長さｂを０．８mm、２つの短梁部２７ａ４，２７ａ５の長さｃ，ｄを０．２mmに設定した場合、中心軸Ａ方向に沿って長さ３mm程度の直線状のねじり梁部材と略等価とみなすことができる。このように、第１のねじり梁部材２７ａ，２７ｂを複数の直線部と屈曲部を有するように形成することにより、直線状に形成する場合に比べて長さが短縮され、光偏向器全体の小形化を図ることができる。

〈実施形態４〉
図１３は、本発明の実施形態４に係る光偏向器の構成を示す概略図である。

実施形態２の光偏向器では、外力発生手段として圧電素子を用いた構成であったが、図１３に示すように、本実施形態の光偏向器１ｂでは、一対の永久磁石と電流が印加されるコイルとで外力発生手段を構成している。他の構成は実施形態２の光偏向器と同様であり、重複説明は省略する。

図１３に示すように、本実施形態の光偏向器１ｂは、ミラー枠部材１１の第２のねじり梁部材１８ａ，１８ｂと直交する方向の両端側（外枠部材１１の長手方向両端側）には、外力発生手段を構成する一対の永久磁石３０ａ，３０ｂが配置されている。各永久磁石３０ａ，３０ｂは、Ｓ極とＮ極が向かい合うようにしてベース基板１４上に固定されている。これにより、永久磁石３０ａから永久磁石３０ｂ方向への磁界が形成される。

また、図１４に示すように、外枠部材１１の背面側には、偏向ミラー１５の揺動空間を形成するための開口縁部１１ｇの周囲に沿って、外力発生手段を構成するコイル３１が複数回周回するようにして配置されている。コイル３１には、第２のねじり梁部材１８ａ，１８ｂの長手方向に沿って引き出し線３２ａ，３２ｂが接続されている。引き出し線３２ａ，３２ｂのターミナル３３ａ，３３ｂの一方側には、駆動回路４０（図１６参照）が接続されている。

そして、図１５に示すように、コイル３１に正弦波の駆動電流Ｉを印加することにより、発生する磁界とコイル３１に流れる正弦波の駆動電流Ｉとの交互作用により、ローレンツ力Ｆ１，Ｆ２がそれぞれ矢印方向に作用する。そして、駆動電流Ｉの向きが反転するとローレンツ力Ｆ１，Ｆ２の向きが反転することにより、第２のねじり梁部材１８ａ，１８ｂを揺動中心とし外枠部材１１に往復振動を発生させる。この往復振動により偏向ミラー１５は、第１のねじり梁部材１６ａ，１６ｂをねじり回転軸として往復振動（往復揺動）する。

図１６に示すように、コイル３１へ駆動電流Ｉを印加する駆動回路４０は、制御部４１、Ｄ／Ａコンバータ４２、ＯＡアンプ４３等で構成されている。

なお、本実施形態において、図１７に示すように、外枠部材１１の背面側の開口縁部１１ｇの周囲に接合されるフレキシブル配線基板４４に、複数回周回するようにしてコイル３１を一体に設けてもよい。フレキシブル配線基板４４には、コイル３１からの引き出し線３２ａ，３２ｂとターミナル３３ａ，３３ｂが設けられている。

このように、コイル３１を一体に設けたフレキシブル配線基板４４を用いることにより、外枠部材１１の背面への取り付けが容易になり、取り付け作業の効率化を図ることができる。

〈実施形態５〉
図１８は、本発明の実施形態５に係る光走査装置の構成を示す概略図である。本実施形態の光走査装置５０は、例えば実施形態４の光偏向器１ｂを備えている。なお、この光偏向器１ｂは、図４に示した実施形態４の光偏向器と同様の構成であり、重複する説明は省略する。

図１８に示すように、本実施形態の光走査装置５０では、光源としての半導体レーザ１１より出射したレーザ光ビームは、カップリングレンズ５２、シリンダレンズ５３及び入射ミラー５４からなる光学系を経由して、光偏向器１ｂの可動ミラー１５表面に入射する。入射したレーザ光ビームは、可動ミラー１５表面で反射しｆθレンズなどからなる結像光学系（補正光学系）５５によって、被走査面５６に走査スポットとしてスポット状に結像される。

そして、この走査スポットは、上記したように向きが反転するローレンツ力Ｆ１，Ｆ２による偏向ミラー１５の往復振動（往復揺動）に応じて主走査方向Ｘに移動する。そして、図１６に示した駆動回路４０の制御部４１に周波数切り替え信号が入力されにより、コイル３１に流れる正弦波の駆動電流Ｉの周波数を切り替えることができる。これにより、光走査装置４０は予め設定されている２つの走査周波数ｆ１、ｆ２の選択した一方の走査周波数に切り替えることができる。

〈実施形態６〉
図１９は、本発明の実施形態６に係る光走査装置を備えた画像形成装置（本実施形態では、カラーレーザプリンタ）の構成を示す概略図である。

図１９に示すように、本実施形態に係る画像形成装置（レーザプリンタ）６０は、シアン、マゼンタ、イエロー、ブラックの４色の各画像形成部６１、６２、６３、６４を有している。そして、各画像形成部６１〜６４において、例えば、実施形態５で示した各光走査装置４０によって、対応した各画像形成部６１〜６４の感光体ドラム６５に記録信号により変調されたレーザ光ビームによる光書き込み走査を行って静電潜像を形成し、それぞれの感光体ドラム６５に形成された静電潜像を異なった色のトナー像に現像し、そのトナー像を転写ベルト６６に重ねて転写するタンデム方式のものである。

光走査装置４０は、図１８に示した実施形態５の光走査装置と同様の構成であり、重複する説明は省略する。

転写ベルト６６は、駆動ローラ６７と２本の従動ローラ６８，６９とで支持され移動するもので、その移動方向に沿って均等間隔で各画像形成部６１〜６４の感光体ドラム６５が配列されている。

各感光体ドラム６５の周囲には、感光体ドラム６５の表面を帯電させる帯電器７０と、イエロー、マゼンタ、シアン、ブラックの各色に対応したトナーを補給する現像装置７１と、感光体ドラム６５上の転写後の残留トナーをブレードで掻き取り備蓄するクリーニング装置７２が設けられている。

画像形成動作時には、転写ベルト６６の端に形成されたレジストマーク（不図示）を検出するセンサ７３の信号をトリガとして、副走査方向の書出しタイミングをずらして、書き込み装置としての各光走査装置４０によって各色の静電潜像が書き込まれ、現像装置７１にてトナーをのせて転写ベルト６６上で順次画像を重ねていく。

給紙トレイ７４から用紙Ｐが給紙コロ７５により供給され、４色目の画像形成のタイミングに合わせてレジストローラ７６により送り出され、転写部７７にて転写ベルト６６から４色同時に転写される。トナー像が転写された用紙は搬送ベルト７８により定着ローラ７９と加圧ローラ８０間の定着ニップに送られ、トナー像を定着した後に排紙ローラ８１によって排紙トレイ８２に排出される。

なお、本実施形態の画像形成装置６０は、レジストローラ７６に隣接して、給紙される用紙の紙種を検出する記録媒体検出センサ８３が配置されており、記録媒体検出センサ８３によって検出された用紙の紙種に応じたプロセス速度に切り替えることができる。本実施形態の画像形成装置６０は、通常のプロセス速度と、通常の１/２速のプロセス速度を選択することができる。

以下、プロセス速度の切り替え選択動作について、図２０に示したフローチャートを参照して説明する。

初期状態では、画像形成装置６０のプロセス速度は標準速（１／１速）に設定されており、この標準速に合わせて定着ローラ７９の加熱による定着温度が１８０℃に設定されている（ステップＳ１、Ｓ２）。

そして、上記した画像形成動作時において、記録媒体検出センサ８３により給紙される紙種が判定される。この際、給紙されている記録媒体が厚紙であると判定した場合（ステップＳ３：ＹＥＳ）、画像形成装置６０の制御部（不図示）からの制御信号に基づいて、定着ローラ７９の加熱ヒータ（不図示）への通電をオフにし、同時に、同時に各光走査装置４０への通電をオフにする（ステップＳ４、Ｓ５）。なお、ステップＳ３で、給紙されている記録媒体が通常の用紙であると判定した場合（ステップＳ３：ＮＯ）、ステップＳ１、Ｓ２で設定されている標準速のプロセス速度、１８０℃の定着温度で画像形成動作を行なう。

図２１（ａ）に示すように、時刻Ｔ１で光走査装置４０と定着ローラ７９の加熱ヒータ（不図示）への通電がオフされると、光走査装置４０の偏向ミラー１５（図１８参照）の振動振幅は時間とともに減衰していく。また、図２１（ｂ）に示すように、定着ローラ７９の温度（定着温度）もａ２（１８０℃）から低下していく。

そして、図２１（ａ），（ｂ）に示すように、定着温度がａ１（１５０℃）に近づいた時刻Ｔ０において、画像形成装置６０の制御部（不図示）からプロセス速度を標準速の１/２にする命令と、光走査装置４０の走査速度（偏向ミラー１５（図１８参照）の往復振動）を標準速の１/２にする命令が出される（ステップＳ６、Ｓ７）。この命令により、感光体ドラム６５、転写ベルト６６、搬送ベルト７８等の移動速度は、標準速の１/２速に設定される。なお、感光体ドラム６５、転写ベルト６６、搬送ベルト７８等の駆動系の慣性が大きいため、標準速の１/２になるまで所定の時間を要する。

そして、所定時間経過後に、時刻Ｔ０でプロセス速度が標準速の１/２速に切り替えられると（ステップＳ８：ＹＥＳ）、定着温度がａ１（１５０℃）に設定されるように制御され（ステップＳ９）、プロセス速度と光走査装置４０の走査速度（偏向ミラー１５（図１８参照）の往復振動）が標準速の１/２に切り替えられた状態で画像形成動作が行なわれる。

なお、光走査装置の偏向ミラー１５（図１８参照）の時定数は概略０．１（秒）)程度であり、感光体ドラム６５、転写ベルト６６、搬送ベルト７８等の駆動系の時定数に比較して十分に小さい。そのため、時刻Ｔ１において、光走査装置４０の偏向ミラー１５（図１８参照）の振動は定常振動になっている。

このように、本実施形態の画像形成装置６０は、例えば実施形態５で示した光走査装置４０を備えているので、プロセス速度を標準速の１/２に切り替えた場合に、それに応じて光走査装置４０の偏向ミラー１５（図１８参照）の往復振動（往復揺動）も標準速の１/２に切り替えて画像形成動作を行なうことができる。

また、上記した実施形態で述べたように光偏向器全体の小形化を図ることができるので、それによって、画像形成装置６０全体の小形化も図ることができる。

〈実施形態７〉
図２２は、本発明の実施形態７に係る光走査装置を備えた画像投影装置の構成を示す概略図である。

図２２に示すように、本実施形態に係る画像投影装置９０は、赤色半導体レーザからなる光源９１ａと、青色半導体レーザからなる光源９１ｂと、緑色半導体レーザからなる光源９１ｃからそれぞれ放射される異なる波長の光を、色合成素子９２異なる面から入射させ、一つの光路上へ集約させる。

色合成素子９２の多重干渉膜面は、それぞれ各光源９１ａ〜９１ｃの発振波長のみが透過もしくは反射する面となっていて、合成が行われる。そして、色合成素子９２から出射した光ビームのビームウエストがコリメータレンズ９３を通して、光走査装置９４、９５により被投射面９６付近に来るように平行化する。光走査装置９４、９５としては、例えば、図１８に示した実施形態５の光走査装置を用いることができる

即ち、水平方向の光走査を行う光走査装置９４に光を当てた後、垂直走査を担当する光走査装置９５に光りビームを当て２次元走査する。これにより、被投射面９６に３色の光パルスが重なった画素９７が並んだカラー画像が表示される。

１，１ａ，１ｂ 光偏向器
２、１０ ミラー基板
３ａ，３ｂ、１６ａ，１６ｂ、２７ａ，２７ｂ 第１のねじり梁部材
４、１５ 偏向ミラー
５、１１ 外枠部材
６ａ，６ｂ、１８ａ，１８ｂ 第２のねじり梁部材
７ フレーム部材
２５ａ，２５ｂ 第１の圧電素子
２５ｃ，２５ｄ 第２の圧電素子
３０ａ，３０ｂ 永久磁石
３１ コイル
４０ 駆動回路
５０ 光走査装置
６０ 画像形成装置（レーザプリンタ）
９０ 画像投影装置

特表２００８−５０５３６７号公報 特開２００５−１８１３９４号公報

Claims (13)

1. 両側に接合された一対の第１のねじり梁部材をねじり回転軸として往復振動させることで、光源からの光ビームを偏向する偏向ミラーを有するミラー基板と、前記ミラー基板を保持する外枠部材と、前記第１のねじり梁部材と同一直線上に設けられ、両外側が固定保持されるとともに両内側が前記外枠部材の両側に接合された一対の第２のねじり梁部材と、前記外枠部材又は前記一対の第２のねじり梁部材を可振するための外力発生手段とを備え、
   前記外力発生手段から前記外枠部材又は前記一対の第２のねじり梁部材に可振力を付与することで、前記一対の第２のねじり梁部材及び前記第１のねじり梁部材をねじり回転軸として前記偏向ミラーを往復振動させる光偏向器であって、
   前記偏向ミラーの往復振動時に、前記外枠部材の慣性と前記一対の第２のねじり梁部材のねじり剛性で概ね定まる第１の共振周波数が、前記偏向ミラーの慣性と前記第１のねじり梁部材のねじり剛性で概ね定まる第２の共振周波数の略１／２となるように、前記偏向ミラーと前記第１、第２の各ねじり梁部材の各形状寸法を設定したことを特徴とする光偏向器。
2. 前記ミラー基板はＳｉ基板により構成されるとともに、前記外枠部材と前記第２のねじり梁部材は金属材料により構成されており、前記ミラー基板は前記外枠部材に接合されていることを特徴とする請求項１に記載の光偏向器。
3. 前記外枠部材と前記一対の第２のねじり梁部材は、金属板材料を積層して構成されていることを特徴とする請求項２に記載の光偏向器。
4. 前記外枠部材と前記一対の第２のねじり梁部材は、拡散接合により金属板材料を積層・接合して構成されていることを特徴とする請求項３に記載の光偏向器。
5. 前記一対の第１のねじり梁部材は、複数個の直線部と屈曲部を有する折り畳みバネ形状に形成されていることを特徴とする請求項１に記載の光偏向器。
6. 前記一対の第２のねじり梁部材の固定保持される両外側近傍に、前記第２のねじり梁部材と直交する方向に延びる一対の腕部材を設け、前記一対の腕部材に前記外力発生手段を設けていることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか一項に記載の光偏向器。
7. 前記外力発生手段は、印加される電圧に対応して厚さ方向に伸縮する圧電素子であり、前記圧電素子を前記一対の腕部材の両端部にそれぞれ設けることを特徴とする請求項６に記載の光偏向器。
8. 前記一方側の腕部材の両端部に設けられる各圧電素子と、前記他方側の腕部材の両端部に設けられる各圧電素子には、それぞれ位相が１８０度ずれた駆動信号が印加されることを特徴とする請求項７に記載の光偏向器。
9. 前記外力発生手段は、前記外枠部材に配置したコイルと、前記一対の第１のねじり梁部材と直交する方向で前記外枠部材の両側に配置した一対の永久磁石とで構成されており、前記コイルに正弦波の電流を印加したときに、前記一対の永久磁石間に形成される磁界との交互作用によって発生するローレンツ力で前記外枠部材を可振させることを特徴とする請求項１に記載の光偏向器。
10. 前記コイルは、前記外枠部材の背面に固着されたフレキシブル基板に一体に形成されていることを特徴とする請求項９に記載の光偏向器。
11. 請求項１乃至１０のいずれか一項に記載の光偏向器を有することを特徴とする光走査装置。
12. 請求項１１に記載の光走査装置を有することを特徴とする画像形成装置。
13. 請求項１１に記載の光走査装置を有することを特徴とする画像投影装置。

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