JPH04211217A - 光偏向子 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、電子写真式複写機，レ
ーザプリンタの画像形成装置または磁気記憶装置のトラ
ッキングサーボ等、光学機器の光走査に適用して好適な
光偏向子に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、例えばスパンバンドに反射ミラー
を取り付けて一体に形成し、ミラーを静電気力で駆動す
るガルバノミラーが知られている（必要ならば、例えば
ＩＢＭＪ．“Ｒ＆Ｄ”ＶＯＬ．２４，Ｐ．６３１，１９
８０年を参照されたい）。図１１にこのような従来装置
を示す。同図において、６１はシリコンプレートからス
パンバンド６２ａ，６２ｂと反射ミラー６３とを一体に
形成した振動子、６４はガラス製の基板である。反射ミ
ラー６３はその中心でこの基板６４の突起６５と接して
いるが、その左右は窪み６６により一定のギャップが確
保されている。６７ａ，６７ｂは基板６４に設けられた
電極で、一方の電極とミラー６３との間に適宜な手段に
て外部から電圧を印加することにより、ミラー６３が静
電引力で吸引されて傾くことから、ミラー６３に当たっ
た光は図１１（ロ）に矢印で示すように走査されること
になる。つまり、ミラー６３が左右に各φずつ傾くと、
光は全体で２φだけ振れることになる。

【０００３】この装置は、電磁的に駆動するものに比べ
て永久磁石等の外部磁界を必要とせず、ミラーに対向さ
せた一対の駆動用電極があれば良いので、装置外形を小
さくできる利点がある。しかし、ミラーに対し一対のス
パンバンドを配置しスパンバンド軸を中心に回転運動を
行なうので直線（一方向，一次元）走査しかできず、二
次元走査を可能とするにはそのための送り機構が別途必
要になると云う難点がある。これに対し、反射ミラーの
四方を圧電バイモルフで支持し二次元の走査、つまり面
上の任意の点を走査し得る光偏向子がある。図１２にこ
の種の装置の１例を示す。なお、その詳細が必要ならば
、１９８９年１０月２７日，電気学会産業計測制御会発
表の“マイクロマシーニングとマイクロメカニクス”Ｐ
．７１に記載のものを参照されたい。

【０００４】図１３はその作用を説明するための断面図
である。すなわち、圧電バイモルフ７２は中心の金属板
７３を両面から同じ形状の圧電素子７４にて挟む構造と
なっている。この圧電素子７４の表面には分割電極７５
ａ，７５ｂと全面電極７５ｃが設けられ、図の矢印の向
きに分極されている。また、２枚の圧電素子の分極方向
は図の矢印の如く、互いに逆向きになっている。金属板
および電極に同図（ロ）の如く電圧Ｖを加えると、圧電
バイモルフは同図（イ）に破線で示すように変形し、反
射ミラー７１に傾きが生じる。この装置は、圧電バイモ
ルフを直交する２軸状に構成しているので、１つのアク
チュエータでビームを二次元に振らすことができ、従来
の如く直線走査に送り機構を付加するものに対し、その
構造を大きく簡略化，小形化および低コスト化し得る特
徴を有している。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、このよ
うに２軸走査が可能な光偏向子にも以下の如き問題があ
る。第１の問題点は、２軸のバイモルフで同一ミラーを
駆動するので、相互干渉が生じる点にある。すなわち、
一方の軸を駆動しミラーの傾きを大きくしようとすると
、他方の軸のバイモルフにねじりが生じてその傾きを抑
制する力となり、所期通りの振れ角を得ることができな
いと云う点である。第２の問題点は、反射ミラーの初期
ねじれに伴う偏向角のオフセットが生じて振れ角が影響
を受けたり、偏向角を設定する際に誤差が大きくなる点
にある。すなわち、各部品の歪や残留応力および組立時
の歪によって反射ミラーは水平とはならず、このため従
来は反射ミラーの傾きを機械的に調整するようにしてい
るのであるが、全体の大きさが小さくなるとその精度を
得ることが困難となる。また、振幅については反射ミラ
ーを駆動する電圧のみを制御するオープンループ制御と
なっているため、周囲温度変化による圧電定数変化に伴
う駆動力変化により振れ角が影響を受け、誤差が大きく
なると云う点である。

【０００６】

【課題を解決するための手段】上記第１の課題を解決す
るために、可動部と一対のスパンバンドで構成された振
動子を２つ用い、第１の振動子にはスパンバンドを挟ん
で２つの第１電極を設け、第２の振動子には全面に第２
の電極を設けて第２の振動子の可動部上に第１および第
２電極が適当な間隔を保って対向し、かつ２組のスパン
バンドの軸が直交するように設置する。そして、第１の
振動子が載った第２の振動子を、各スパンバンドの軸に
対して対称となる２つの第３電極を持つ基板に、電極同
士が対向し適当な間隔を保つように固定する。なお、反
射ミラーは第１振動子の可動部上に設置する。また、上
記第２の課題を解決するために、前記第１振動子および
基板に設けた２つの電極をさらに２分割して４つずつ設
け、中心軸に対して対称に駆動用電極と、静電容量の検
出電極およびこれらの出力値の演算手段、さらにその演
算結果に基づき駆動用電極に電圧を与える電圧印加手段
を設ける。

【０００７】

【作用】第１振動子の１つの電極と第２振動子の電極と
の間に電圧を加えると、第１振動子のスパンバンドを中
心に回転モーメントが生じ、反射ミラーが回転する。ま
た、第２振動子の電極と基板上の１つの電極間に電圧を
加えると、第２振動子のスパンバンドを中心に回転モー
メントが生じ、反射ミラーの固定部が回転する。第１お
よび第２振動子のスパンバンドは直交しているので、反
射ミラーは各軸を中心に回転でき、二次元の光走査が可
能となる。この走査方法では２軸を完全に独立させてい
るので相互に干渉することがなく、かつ各可動部とそれ
に対向させた電極との間に生じる静電気力で駆動するの
で、ミラーを保持する部材の長さは小さくて良く、外形
寸法を小さくすることができる。また、第１振動子およ
び第２振動子の回転中心に対して左右対称に設けた２対
の第１，第３電極の静電容量は、第１電極と第２電極お
よび第２電極と第３電極の間隔で決まり、振動子が傾け
ば一方の容量は増大し他方のそれは減少する。したがっ
て、この２つの静電容量を検出し、その比が“１”とな
るよう、軸に対し対称に配置した駆動用電極の左右の電
圧配分を制御（調整）すれば前記間隔は左右等しくなり
、振動子は水平に維持される。同様にして、任意の角度
だけ振らす場合も静電容量の比を設定し、第１，第３駆
動用電極に加える電圧を制御すれば良い。この制御は第
１振動子，第２振動子とも全く独立に行なえるので、平
面上の任意の点への光走査が可能となる。

【０００８】

【実施例】図１は本発明の実施例を示す構造図、図２は
第１振動子の裏面を示す概要図、図３は図１の断面を示
す断面図である。図１において、２０は第１振動子で、
第１の可動部３とこれを保持する一対のスパンバンド２
ａ，２ｂとスパンバンドを固定する枠体１２とからなり
、例えばＳｉＯ２　，ガラス，樹脂等の絶縁物で一体に
形成されている。第１可動部３の裏面には図２のように
、スパンバンドの軸を挟んで対称に２つに分割された電
極１０ａ，１０ｂが接合されており、各々の電極をスパ
ンバンドを通して枠体に引き出し、ボンディングにより
リード線を図３（イ）のように接続している。なお、第
１可動部の電極表面には光を反射させるためのミラー１
を設置する。

【０００９】第２振動子２１も第１振動子２０と同じよ
うに、第２可動部４とスパンバンド４ａ，４ｂおよび枠
体１３で構成され、第２可動部４には凹部１４が形成さ
れ、その裏面には振動子全面に第２電極１５が接合して
ある。また、第１振動子２０は第２可動部４に対し第１
スパンバンドと第２スパンバンドが直交し、かつ凹部１
４の突起４ｃが第１可動部３の回転中心で接するように
接合されていて、第１可動部３が第１スパンバンド２ａ
，２ｂを中心に回転するときの支点の役目を果たしてい
る。さらに、絶縁材の基板６の上には２つに分割された
第３電極１１ａ，１１ｂが接合され、その上にガラス，
セラミックまたは樹脂をコーティングして絶縁層１６を
、またその上には凹部となるような適当な高さを持った
スペーサ１７が接合されている（図３（ロ）参照）。第
１振動子が載せられた第２振動子は、基板６のスペーサ
１７上にスペーサ凹部９の突起が第２可動部の回転中心
で接するように接合されていて、第２可動部が第２スパ
ンバンドを中心に回転する際の支点となっている。なお
、２つに分割された第３電極は第２スパンバンドに対し
て左右対称に配置されており、第１可動部および第２可
動部の振れ角はそれぞれ凹部９と１４の高さによって決
まるようになっている。また、第２電極はグランドに接
地され、０電位になっている。

【００１０】ここで、その動作について説明する。まず
、２つの電極を持つ第１電極において、電極１０ａの電
位が電極１０ｂの電位よりも高いと、第２電極との間に
作用する静電引力でモーメントを受け、第１スパンバン
ド２ａ，２ｂは捩じられ、図３（イ）の矢印方向に回転
する。同様に、第３電極において、電極１１ａの電位が
電極１１ｂの電位よりも高いと、第２電極との間に作用
する静電引力でモーメントを受け、第２スパンバンド４
ａ，４ｂは捩じられ、図３（ロ）の矢印方向に回転する
。したがって、第１，第３電極が持つ各々２つの電極に
印加する電圧に応じて、反射ミラーは第１および第２ス
パンバンドを中心に回転し、これによって二次元平面の
光走査が可能となる。

【００１１】図４は圧電バイモルフを用いた実施例を示
す構造図である。同図において、３９は第１振動子で、
金属板３３に圧電素子３２，３４を貼り合わせて構成さ
れている。３１は第２振動子で圧電素子３５，３７と金
属板３６から構成されている。振動子３９と３１とは直
交し、かつ適当な間隔を保つよう凹部を有する可動部３
８を介して固定されており、第２振動子の両端を固定し
て使用する。第１および第２振動子の各圧電素子は、図
１３（イ）の場合と同じように電極が設置され分極され
ているので、図４のように電圧Ｖｘを印加すると矢印θ
ｘ方向に、また電圧Ｖｙを印加すると矢印θｙ方向にそ
れぞれ回転する。したがって、反射ミラー３０はｘ軸，
ｙ軸に対し全く独立に回転し、二次元の光走査ができる
ことになる。

【００１２】 図５に本発明の別の実施例を示す。 上述した如き小型，軽量のねじり振動子２０を、永久磁
石４１ａ，４１ｂによる外部磁界内に設置したリガメン
ト４２ａ，４２ｂおよびコイル４３からなるガルバノミ
ラー４０に固定する。この場合、ねじり振動子２０の回
転軸をガルバノミラー４０のリガメント４２ａ，４２ｂ
による軸と直角に設置する。ガルバノミラー４０はここ
では、図１の第２振動子に相当する。なお、ねじり振動
子２０としては図１に示すスパンバンドの代わりに、Ｓ
字形のビームを用いたものを使用することもでき、図５
はこの例を示している。このような構成において、Ｙ軸
方向の走査はねじり振動子２０に設けられた２つの電極
に電圧を印加することにより電界を発生させ、その静電
気力で可動板（反射ミラー）を回転運動させることによ
り行なう。また、Ｘ軸方向の走査はコイル４３に電流を
流すことにより、この電流に比例する磁界と直角方向の
力を発生させ、ガルバノミラー４０を回転運動させるこ
とにより行なう。こうして、磁界と電界を各軸方向の走
査（駆動）に用いることにより、各軸の走査に当たって
図１２または図１３に示すような干渉がなく、互いに全
く独立に駆動できるので、小型かつ低コストで制御性が
良く、しかも広範囲の走査が可能な二次元光偏向子を得
ることが可能となる。なお、第１，第２の振動子の構成
を逆にする、つまり第１振動子をガルバノミラー型とし
、第２振動子を静電気駆動型とすることができるのは勿
論である。

【００１３】 図６に図５の変形例を示す。 これは、ねじり振動子２０および外部磁界中に設置され
るコイル４３とリガメント４２ａ，４２ｂをガラス等の
絶縁基板４５に直接設置したものである。このガラス基
板４５は成形性の良い絶縁基板であれば如何なるもので
も良い。なお、４４ａ，４４ｂは電極を示す。こうする
ことにより、組立が簡単かつ低コストで、しかもリガメ
ント回りの慣性モーメントを低くすることができるので
、ねじり共振周波数が高く、応答性の良い二次元光偏向
子を得ることが可能となる。

【００１４】 図７に図５の別の変形例を示す。 これは、図４に示す第１振動子３９と第２振動子３１の
うち第１振動子はそままで、第２振動子を図６と同様に
リガメント４２ａ，４２ｂとコイル４３をガラス等の基
板４５に直接設置して構成したもので、第１振動子３９
には電圧を印加して駆動し、第２振動子は磁界により駆
動するものである。なお、この場合も第１，第２の振動
子の構成を互いに逆にすることができる。

【００１５】次に、振れ角を調整する場合の実施例につ
いて説明する。図８に光偏向子の構造図を、図９にその
第１振動子の電極構成図を、図１０に調整，制御回路を
含む全体構成図をそれぞれ示す。この場合、左右対称に
配置された第１，第３電極をさらに分割し、左右対称に
駆動用電極と検出用電極とを設けることが必要になる。 すなわち、図９のように第１振動子２０上の第１スパン
バンド２ａ，２ｂに対し、左右対称に駆動用第１電極１
０ａ，１０ｂと検出用第１電極１０ｃ，１０ｄが接合さ
れ、図８のように基板６には第２振動子のスパンバンド
４ａ，４ｂに対し、左右対称に駆動用第３電極１１ａ，
１１ｂと検出用第３電極１１ｃ，１１ｄが接合される。 なお、その他の構成は図１と全く同様である。５６，５
７，５８，５９は図１０（イ），（ロ）に示すように、
前記第１電極１０ｃ，１０ｄと第２電極１５との間、お
よび第２電極１５と第３電極１１ｃ，１１ｄとの間の静
電容量検出器で、容量値に応じた電圧を出力する。５２
，５３はこの左右の各出力の比を演算する演算器、５４
，５５はこの演算結果にもとづいて駆動用第１電極１０
ａ，１０ｂと駆動用第３電極１１ａ，１１ｂに電圧を加
える電圧印加部であり、５１Ｘ，５１Ｙは上記演算器５
２，５３に反射ミラーの振れ角設定信号を与えるための
設定器であり、外部機器より設定される。

【００１６】その作用について説明する。いま、検出用
第１電極１０ｃ，１０ｄと第２電極１５との間隔が等し
い時は、その静電容量も等しく検出器５６，５７の検出
値に差は生じない。ここで、第１可動部が図１０（イ）
に破線で示すように傾くと、第１電極１０ｄの間隔が狭
くなるので静電容量は大きくなり、検出器５６，５７の
検出値に差が生じるので、その比が１に等しくなるよう
駆動用第１電極１０ｂの電圧を下げ、電極１０ａの電圧
を上げるよう調整（制御）する。このことは振れ角を制
御する場合も同様で、外部から振れ角に応じた静電容量
の差に応じた制御信号を与えれば、検出器５６，５７の
電圧出力比、つまり振幅が制御されることになる。全く
同様に第２振動子についても制御できるので、二次元平
面の任意の点について光走査が可能となる。

【００１７】

【発明の効果】本発明によれば、可動部を駆動手段によ
り回転振動させる振動子を２つ用い、２つの振動子の回
転中心が互いに直交するように一方の振動子全体を他方
の可動部に固定するように構成したので、２軸を中心に
それぞれ独立した振れ角が得られ、小形にできるだけで
なく製造コストも低く抑えられるという利点がある。ま
た、圧電素子で構成したり静電気力または電磁力にて駆
動することにより、消費電力を少なくすることができる
。さらに、２軸の可動部の角度を回転中心の左右の静電
容量の比として検出して振れ角を制御すれば、製作時に
発生する反射ミラーの初期傾きを機械的に調整すること
なく補正することがコストも増大させず比較的簡単にで
き、したがって精度良く振れ角を制御することが可能と
なる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例を示す組立構成図である。

【図２】第１振動子の電極構造を示す構成図である。

【図３】図１の動作を説明するための断面図である。

【図４】本発明の他の実施例を示す斜視図である。

【図５】本発明のさらに他の実施例を示す斜視図である
。

【図６】図５の変形例を示す斜視図である。

【図７】図５の別の変形例を示す斜視図である。

【図８】本発明の別の実施例を示す組立構成図である。

【図９】図８の第１振動子の電極構造を示す構成図であ
る。

【図１０】図８に示すものに調整，制御回路を付加した
全体構成図である。

【図１１】一次元走査が可能な光偏向子の従来例を示す
構成図である。

【図１２】二次元走査が可能な光偏向子の従来例を示す
構成図である。

【図１３】図１２の断面図である。

【符号の説明】

１　　反射ミラー ３　　可動部 ４　　可動部 ６　　基板 ９　　凹部 ２ａ　　スパンバンド ２ｂ　　スパンバンド ４ａ　　スパンバンド ４ｂ　　スパンバンド ４ｃ　　突起 １２　　枠体 １３　　枠体 １４　　凹部 １５　　電極 １６　　絶縁層 １７　　スペーサ ２０　　第１振動子 ２１　　第２振動子 ３０　　反射ミラー ３１　　第２振動子 ３２　　圧電素子 ３３　　金属板 ３４　　圧電素子 ３５　　圧電素子 ３６　　金属板 ３７　　圧電素子 ３８　　可動部 ３９　　第１振動子 ４０　　ガルバノミラー ４３　　コイル ４５　　基板 ５２　　演算器 ５３　　演算器 ５４　　電圧印加部 ５５　　電圧印加部 ５６　　検出器 ５７　　検出器 ５８　　検出器 ５９　　検出器 １０ａ　　電極 １０ｂ　　電極 １０ｃ　　電極 １０ｄ　　電極 １１ａ　　電極 １１ｂ　　電極 １１ｃ　　電極 １１ｄ　　電極 ４１ａ　　永久磁石 ４１ｂ　　永久磁石 ４２ａ　　リガメント ４２ｂ　　リガメント ４４ａ　　電極 ４４ｂ　　電極 ５１Ｘ　　設定器 ５１Ｙ　　設定器

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　１軸を中心に回転する可動板とこれを
   駆動する駆動部とを有する第１，第２振動子に対し、第
   １振動子の可動板には反射ミラーを設置し、第２振動子
   の可動板には第１振動子を、両振動子の回転軸が互いに
   直交するように固定したことを特徴とする光偏向子。
2. 【請求項２】　　前記第１，第２振動子の可動板を静電
   気力にて駆動することを特徴とする請求項１に記載の光
   偏向子。
3. 【請求項３】　　前記第１，第２振動子の可動板を圧電
   素子により構成し電圧を印加して駆動することを特徴と
   する請求項１に記載の光偏向子。
4. 【請求項４】　　前記第１，第２振動子の可動板のいず
   れか一方を静電気力にて駆動し、他方を電磁力にて駆動
   することを特徴とする請求項１に記載の光偏向子。
5. 【請求項５】　　前記第１，第２振動子の可動板のいず
   れか一方を圧電素子として電圧を印加して駆動し、他方
   を電磁力にて駆動することを特徴とする請求項１に記載
   の光偏向子。
6. 【請求項６】　　前記第１，第２振動子の可動板に対し
   、その各回転軸に対称に設置されて静電容量を検出する
   検出手段と、その各静電容量値の比を演算する演算手段
   と、演算結果に応じた駆動電圧を印加する電圧印加手段
   とを設け、２つの回転軸に対し可動板の振れ角を検出し
   その調整を可能にしてなることを特徴とする請求項１に
   記載の光偏向子。