專利名稱：微振動(dòng)部件、光偏轉(zhuǎn)器和成像設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種屬于微結(jié)構(gòu)技術(shù)領(lǐng)域的微振動(dòng)部件，具體地說(shuō)涉及一種適合于光偏轉(zhuǎn)器的微振動(dòng)部件，和使用該微振動(dòng)部件的光偏轉(zhuǎn)器。此外，本發(fā)明涉及一種成像設(shè)備，例如使用該光偏轉(zhuǎn)器的掃描型顯示器、激光束打印機(jī)、數(shù)字復(fù)印機(jī)。
背景技術(shù)：
迄今為止，已經(jīng)提出共振驅(qū)動(dòng)反射鏡的各種光偏轉(zhuǎn)器。通常，與使用例如多角鏡的多角旋轉(zhuǎn)鏡的光掃描光學(xué)系統(tǒng)相比，共振型光偏轉(zhuǎn)器的特征在于，可以在很大程度上使光偏轉(zhuǎn)器小型化，并且可以減少其耗費(fèi)功率，以及理論上不存在面混亂(face tangle)，特別地，包含通過(guò)半導(dǎo)體加工工藝制造的硅單晶的光偏轉(zhuǎn)器理論上沒(méi)有金屬疲勞，并且耐用性優(yōu)異(見(jiàn)日本專利申請(qǐng)?zhí)卦S公開(kāi)No.S57-8520)。
同時(shí)，在共振型反射鏡中，有一個(gè)問(wèn)題是因?yàn)榉瓷溏R的掃描角原則上按正弦方式變化，因此角速度不是常量。為校正本特征，已經(jīng)提出幾種方法。
例如，在日本專利申請(qǐng)?zhí)卦S公開(kāi)No.H9-230276、H9-230277、H9-230278、以及H9-230279中，一種反正弦透鏡被用作成像光學(xué)系統(tǒng)(成像透鏡)，因此在被掃描表面上實(shí)現(xiàn)等速掃描。
此外，在日本專利申請(qǐng)?zhí)卦S公開(kāi)No.2003-279879中，由振動(dòng)周期互不相同的正弦振動(dòng)驅(qū)動(dòng)兩塊偏轉(zhuǎn)反射面，從而合成正弦波并在掃描范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)近似恒角速度驅(qū)動(dòng)。
此外，在第4,859,846號(hào)美國(guó)專利中，通過(guò)使用具有基頻和頻率是基頻三倍的振動(dòng)模式的共振型反射鏡，實(shí)現(xiàn)近似斬波驅(qū)動(dòng)。
在例如激光束打印機(jī)的電子照相中，將激光掃描至光敏體上以形成圖像。此時(shí)，激光的掃描速度優(yōu)選為在光敏體上等速。因此，在用于電子照相的光掃描裝置中，通常在光偏轉(zhuǎn)器執(zhí)行掃描之后進(jìn)行光學(xué)校正。
例如，在使用旋轉(zhuǎn)多面鏡的光掃描光學(xué)系統(tǒng)中，為將由偏轉(zhuǎn)反射面所反射和偏轉(zhuǎn)的光通量轉(zhuǎn)換為光敏體上的恒速掃描，使用稱作fθ透鏡的成像透鏡。
此外，在使用用于執(zhí)行正弦振動(dòng)的光偏轉(zhuǎn)器的光掃描光學(xué)系統(tǒng)中，為將角速度以正弦方式變化的光通量變化為光敏體上的恒速掃描，使用稱作反正弦透鏡的成像透鏡。
然而，反正弦透鏡有個(gè)問(wèn)題，在光學(xué)掃描校正時(shí)光敏體上的激光束斑的尺寸變化。通常，在成像設(shè)備中，根據(jù)要求的圖像質(zhì)量存在允許的束斑尺寸的允許的上下限。因此，在光偏轉(zhuǎn)器發(fā)射的激光角速度中，在角速度的波動(dòng)寬度方面存在一允許值。此處，角速度的上下限分別由θ′max和θ′min表示。
現(xiàn)在，在執(zhí)行正弦振動(dòng)的光偏轉(zhuǎn)器中，可以由以下公式代表位移角θ和角速度θ′θ＝θ0sin(ωt)(公式1)θ′＝θ0ωcos(ωt)(公式2)假定θ0是最大位移角，并且ω是角振動(dòng)的數(shù)目。此時(shí)，建立如下關(guān)系式θ′max＝θ0ω (公式3)θ′min＝≤θ0ωcos(ωt) (公式4)圖17解釋此情況。圖17中，在t＝0附近滿足上述公式的時(shí)間范圍在以下范圍內(nèi)-cos-1(θ′min/θxω)≤ωt≤-cos-1(θ′min/θ0ω)(公式5)并且滿足此條件的最大可用偏轉(zhuǎn)角θeff和作為在一個(gè)周期中可用時(shí)間的有效時(shí)間teff如下θeff＝θ0sin(cos-1(θ′min/θ′max))(公式6)
teff＝2cos-1(θ′min/θ′max)/ω (公式7)例如，如果允許θ′達(dá)到基準(zhǔn)角速度的±20％，它變?yōu)棣取鋗in∶θ′max＝0.8∶1.2(公式8)因此最大可用偏轉(zhuǎn)角θeff和有效時(shí)間teff如下θeff＝sin(cos-1(0.8/1.2)＝0.7454θ0(公式9)teff＝2cos-1(0.8/1.2)/ω＝1.6821/ω (公式10)因此，存在一個(gè)問(wèn)題是常規(guī)共振型光偏轉(zhuǎn)器不能完全獲得較大值的最大可用偏轉(zhuǎn)角θeff和有效時(shí)間teff。
此外，有一個(gè)問(wèn)題是，因?yàn)樵摴舱裥推D(zhuǎn)器在向后和向前移動(dòng)時(shí)具有相同角速度，當(dāng)做單邊掃描時(shí)，有效地獲得的掃描時(shí)間變短。
此外，有一個(gè)問(wèn)題是，當(dāng)使用多個(gè)偏轉(zhuǎn)器校正這些問(wèn)題時(shí)，結(jié)構(gòu)變復(fù)雜。
此外，有一個(gè)問(wèn)題是因?yàn)榧词乖隍?qū)動(dòng)時(shí)也必須為反射鏡保持要求的平面度，因此必須提高它的剛度以便抑制反射鏡的變形。在執(zhí)行如公式1中的正弦振動(dòng)的光偏轉(zhuǎn)器中，反射鏡的角速度θ″可以如下給定θ″＝-θ0ω2sin(ωt)(公式11)上述實(shí)施例中，在掃描的兩端角加速度達(dá)到最大值，該最大值為θ″max＝θ0ω2sin(cos-1(0.8/1.2))＝0.7454θ0ω2(公式12)此外，有一個(gè)問(wèn)題是，當(dāng)裝配可移動(dòng)元件和扭力彈簧時(shí)產(chǎn)生許多麻煩，并且容易產(chǎn)生裝配誤差。
此外，有一個(gè)問(wèn)題是，當(dāng)設(shè)法使可移動(dòng)元件的慣性矩變大時(shí)，小型化就很困難。在具有兩個(gè)或更多可移動(dòng)元件的共振型光偏轉(zhuǎn)器中，最合乎需要的是其上排列光偏轉(zhuǎn)元件的可移動(dòng)元件的慣性矩最小。然而，當(dāng)企圖通過(guò)加工一塊板形成可移動(dòng)元件和扭力彈簧時(shí)，為了加大慣性矩而需要大面積的板。這成為小型化的障礙。此外，如果通過(guò)半導(dǎo)體工藝形成可移動(dòng)元件和扭力彈簧，則大基底面的更大尺寸成為成本增加的原因。
此外，有一個(gè)問(wèn)題是，當(dāng)可移動(dòng)元件由扭力彈簧串聯(lián)連接時(shí)，不僅容易產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)，而且容易產(chǎn)生彎曲振動(dòng)模式。
圖18是用于解釋彎曲振動(dòng)模式的模型。由扭力彈簧1611連接可移動(dòng)元件1601和1602，由扭力彈簧1612連接可移動(dòng)元件1602和支撐部分1621。這種系統(tǒng)通常具有兩種彎曲振動(dòng)模式。圖19A和19B顯示此時(shí)形成的振動(dòng)模式。圖19A表示低頻率下的同相彎曲振動(dòng)模式，而圖19B表示高頻率下的反相彎曲振動(dòng)模式。最好是盡可能地控制這兩種振動(dòng)模式。

發(fā)明內(nèi)容
為解決上述問(wèn)題，本發(fā)明的微振動(dòng)部件為一種包含如下元件的微振動(dòng)部件多個(gè)可移動(dòng)元件；設(shè)置在同一軸上的多個(gè)扭力彈簧，該軸串聯(lián)連接多個(gè)可移動(dòng)元件；用于支撐多個(gè)扭力彈簧的一部分的支撐部分；用于應(yīng)用扭矩至至少一個(gè)可移動(dòng)元件的驅(qū)動(dòng)裝置；和控制驅(qū)動(dòng)裝置的驅(qū)動(dòng)控制裝置，其中包含多個(gè)扭力彈簧和多個(gè)可移動(dòng)元件的系統(tǒng)具有多個(gè)獨(dú)立的特征振動(dòng)模式，并且在這些獨(dú)立特征振動(dòng)模式中，存在著基準(zhǔn)振動(dòng)模式和偶數(shù)振動(dòng)模式，所述基準(zhǔn)振動(dòng)模式是基準(zhǔn)頻率的特征振動(dòng)模式，所述偶數(shù)振動(dòng)模式是頻率近似為基準(zhǔn)頻率的偶數(shù)倍的特征振動(dòng)模式。
此外，在上述微振動(dòng)部件中，最好多個(gè)可移動(dòng)元件和多個(gè)扭力彈簧由一塊板整體地形成。
此外，在上述微振動(dòng)部件中，最好該塊板為單晶硅晶片。
此外，在上述微振動(dòng)部件中，最好地，當(dāng)垂直于扭力彈簧的軸提供一平面時(shí)，該平面與多個(gè)扭力彈簧的其中之一和多個(gè)可移動(dòng)元件的至少之一相交。
此外，在上述微振動(dòng)部件中，最好地，當(dāng)垂直于扭力彈簧的軸提供一平面時(shí)，該平面與多個(gè)可移動(dòng)元件中的兩個(gè)或更多相交。
此外，在上述微振動(dòng)部件中，最好多個(gè)可移動(dòng)元件連接至多個(gè)扭力彈簧的其中兩個(gè)。
此外，本發(fā)明為特征在于驅(qū)動(dòng)控制裝置控制驅(qū)動(dòng)裝置以同時(shí)激發(fā)基準(zhǔn)振動(dòng)模式和偶數(shù)振動(dòng)模式的微振動(dòng)部件。
此外，在上述微振動(dòng)部件中，最好地，在驅(qū)動(dòng)時(shí)間，多個(gè)可移動(dòng)元件的至少之一的位移角的增加時(shí)間和該位移角的減少時(shí)間是不同的。
此外，本發(fā)明的光偏轉(zhuǎn)器是包含上述微振動(dòng)部件和設(shè)置在該微振動(dòng)部件的可移動(dòng)元件上的光偏轉(zhuǎn)元件的光偏轉(zhuǎn)器。
此外，本發(fā)明的成像設(shè)備是包含上述光偏轉(zhuǎn)器、光源和成像光學(xué)系統(tǒng)的成像設(shè)備。


圖1A和1B說(shuō)明第一實(shí)施方式的光偏轉(zhuǎn)器；圖2說(shuō)明第一實(shí)施方式的光偏轉(zhuǎn)器的共振特性；圖3說(shuō)明用于第二實(shí)施方式的光偏轉(zhuǎn)器的板部件；圖4的曲線圖說(shuō)明第二實(shí)施方式的光偏轉(zhuǎn)器的位移角；圖5的曲線圖說(shuō)明第二實(shí)施方式的光偏轉(zhuǎn)器的角速度；圖6的曲線圖說(shuō)明第三實(shí)施方式的成像設(shè)備；圖7說(shuō)明本發(fā)明的微振動(dòng)部件的原理；圖8說(shuō)明本發(fā)明的光偏轉(zhuǎn)器的原理；圖9的曲線圖說(shuō)明本發(fā)明的微振動(dòng)部件的位移角；圖10的曲線圖說(shuō)明本發(fā)明的微振動(dòng)部件的角速度；圖11的曲線圖比較本發(fā)明的微振動(dòng)部件的角速度與正弦波驅(qū)動(dòng)的角速度；圖12的曲線圖比較本發(fā)明的微振動(dòng)部件的位移角與正弦波驅(qū)動(dòng)的位移角；圖13的曲線圖比較本發(fā)明的微振動(dòng)部件的角加速度與正弦波驅(qū)動(dòng)的角加速度；圖14說(shuō)明本發(fā)明的效果；圖15說(shuō)明本發(fā)明的效果；圖16說(shuō)明本發(fā)明的效果；圖17說(shuō)明正弦波驅(qū)動(dòng)的有效時(shí)間；
圖18的模型說(shuō)明具有多個(gè)振動(dòng)模式的微振動(dòng)部件的彎曲振動(dòng)模式；和圖19A和19B說(shuō)明具有多個(gè)振動(dòng)模式的微振動(dòng)部件的彎曲振動(dòng)的振動(dòng)模式。
具體實(shí)施例方式
利用本發(fā)明，有可能抑制共振型微振動(dòng)部件中的角速度的波動(dòng)。具體說(shuō)來(lái)，本發(fā)明的光偏轉(zhuǎn)器適合于例如激光束打印機(jī)、數(shù)字復(fù)印機(jī)之類的成像設(shè)備。
首先，說(shuō)明附圖中的標(biāo)號(hào)。
標(biāo)號(hào)100和200表示板部件。標(biāo)號(hào)101，102，201至203，1001至1003，1101，1102，1301，1302，1401，1402，1501，1502，1601和1602表示可移動(dòng)元件。
標(biāo)號(hào)111a，111b，112a，112b，211至213，1311，1312，1511，1512，1011至1013，1111，1112，1411，1412和1611表示扭力彈簧。
標(biāo)號(hào)121和221表示支撐框架。
標(biāo)號(hào)1021，1121，1321，1421，1521，1522和1621表示支撐部分。
標(biāo)號(hào)131表示光反射膜。標(biāo)號(hào)1131為光反射元件。標(biāo)號(hào)1141表示驅(qū)動(dòng)裝置。標(biāo)號(hào)1151表示驅(qū)動(dòng)控制部件。標(biāo)號(hào)1391，1392和1491表示垂直于扭力彈簧的軸的平面。標(biāo)號(hào)140表示電磁致動(dòng)器。標(biāo)號(hào)141表示永磁體。標(biāo)號(hào)142表示線圈。標(biāo)號(hào)144表示磁軛。標(biāo)號(hào)143表示磁芯。標(biāo)號(hào)150表示控制器。標(biāo)號(hào)190表示切割線。標(biāo)號(hào)151表示基準(zhǔn)時(shí)鐘發(fā)生器。標(biāo)號(hào)152表示分頻器。標(biāo)號(hào)153和154表示計(jì)數(shù)器。標(biāo)號(hào)155和156表示正弦函數(shù)單元。標(biāo)號(hào)157和158表示乘法器。標(biāo)號(hào)159表示加法器。標(biāo)號(hào)160表示DA轉(zhuǎn)換器。標(biāo)號(hào)161表示功率放大器。標(biāo)號(hào)301表示本發(fā)明的光偏轉(zhuǎn)器。標(biāo)號(hào)302表示光源。標(biāo)號(hào)303表示發(fā)射光學(xué)系統(tǒng)。標(biāo)號(hào)304表示成像光學(xué)系統(tǒng)。標(biāo)號(hào)305表示感光鼓。標(biāo)號(hào)311表示激光。標(biāo)號(hào)312表示掃描軌跡。標(biāo)號(hào)1201表示公式16的θ1′。標(biāo)號(hào)1202表示公式2的θ。標(biāo)號(hào)1211表示θ′max。標(biāo)號(hào)1212表示θ′min。標(biāo)號(hào)1221表示角速度θ1′的有效時(shí)間。標(biāo)號(hào)1222表示正弦波θ′的有效時(shí)間。標(biāo)號(hào)1231表示公式15的θ1。標(biāo)號(hào)1232表示公式1的θ。標(biāo)號(hào)1241表示本發(fā)明的最大有效位移角。標(biāo)號(hào)1242表示正弦波的最大有效位移角。標(biāo)號(hào)1251表示公式15的θ1″。標(biāo)號(hào)1252表示公式1的θ1″。標(biāo)號(hào)1261表示角加速度降低部分。
圖7說(shuō)明本發(fā)明的微振動(dòng)部件的原理。在圖7中，標(biāo)號(hào)1001至1003表示n件可移動(dòng)元件，標(biāo)號(hào)1011至1013表示n件扭力彈簧，標(biāo)號(hào)1021示意說(shuō)明支撐部分。線性排列扭力彈簧1011至1013，并且允許可移動(dòng)元件1001至1003能夠圍繞扭力彈簧1011至1013的扭轉(zhuǎn)軸振動(dòng)。此系統(tǒng)的自由振動(dòng)的公式如下。
Mθ··+Kθ=0]]> (公式13)上述公式中，Ik可移動(dòng)元件的慣性矩，kk扭力彈簧的彈簧常數(shù)，θk可移動(dòng)元件的扭轉(zhuǎn)角(k＝1，2，...，n)。當(dāng)本系統(tǒng)的M-1K的特征值取λk(k＝1至n)時(shí)，由以下公式給出特征模式的角頻率數(shù)ωkωk＝(λk)(公式14)本發(fā)明的微振動(dòng)部件的特征是在ωk中，存在著基準(zhǔn)頻率和該基準(zhǔn)頻率的近似偶數(shù)倍的頻率。此處所稱的″近似偶數(shù)倍″希望包含近似1.98n至2.02n(n是任意整數(shù))倍的數(shù)值范圍。
舉例來(lái)說(shuō)，考慮如圖8所示的可移動(dòng)元件數(shù)目為二個(gè)的共振型光偏轉(zhuǎn)器。標(biāo)號(hào)1101和1102表示可移動(dòng)元件，標(biāo)號(hào)1111和1112表示扭力彈簧，標(biāo)號(hào)1121表示支撐部分，標(biāo)號(hào)1131表示設(shè)置在可移動(dòng)元件1101上的光反射元件，標(biāo)號(hào)1141表示驅(qū)動(dòng)裝置，標(biāo)號(hào)1151表示驅(qū)動(dòng)控制裝置。此處，假定I1＝1.3951E-11[kgm2]，I2＝1.7143E-10[kgm2]，K1＝7.91914E-03[N/m]，K2＝3.0123E-02[N/m]。此時(shí)，因?yàn)镸-1K的特征值變?yōu)棣?＝1.5790E08和λ2＝6.3166E08，相應(yīng)的特征頻率數(shù)變?yōu)棣?＝2π×2000[Hz]和ω2＝2π×4000[Hz]。簡(jiǎn)而言之，ω2＝2ω1。以下將這兩者振動(dòng)模式分別為″模式1″和″模式2″。
此外，在本發(fā)明中，驅(qū)動(dòng)控制裝置1151以這樣一種方法控制驅(qū)動(dòng)裝置1141，以致多個(gè)可移動(dòng)元件和扭力彈簧構(gòu)成的系統(tǒng)同時(shí)按基準(zhǔn)頻率和基準(zhǔn)頻率偶數(shù)倍的頻率振動(dòng)。此時(shí)，通過(guò)不同地改變基準(zhǔn)頻率和基準(zhǔn)頻率的偶數(shù)倍的頻率的可移動(dòng)元件的振幅和相位，可以執(zhí)行不同的驅(qū)動(dòng)。
作為一實(shí)例，驅(qū)動(dòng)控制裝置1141控制驅(qū)動(dòng)裝置1151，使得模式1中可移動(dòng)元件1101的振幅變?yōu)?.6a，而模式2中可移動(dòng)元件1101的振幅變?yōu)?.4a，從而使得各相位相差180度。此處，在下面公式中的″a″是任意常數(shù)。因?yàn)閷?duì)應(yīng)于模式1和2的特征向量分別為v1＝[1，0.72174]T和v2＝[1，-0.11275]T，可移動(dòng)元件1101和1102的振幅θ1和θ2可以如下給定。
θ1＝a{1.6sin(ω1t)-0.4sin(2ω1t)}(公式15)θ2＝a{1.6(0.72174)sin(ω1t)-0.4(-0.11275)sin(2ω1t)}(公式16)因?yàn)楣夥瓷湓?131被設(shè)置在可移動(dòng)元件1101上，因此可以由θ1給出光反射元件的運(yùn)動(dòng)。此外，可移動(dòng)元件1101的角速度θ1′和角加速度θ1″可以表示如下。
θ1′＝aω1{1.6cos(ω1t)-2×0.4cos(2ω1t)}(公式17)θ1″＝aω12{-1.6sin(ω1t)+4×0.4sin(2ω1t)}(公式18)θ1和θ1′分別顯示在圖9和10中。
下面，說(shuō)明本發(fā)明的效果。在圖11的曲線圖中，公式2的θ′(1202)和公式16的θ1′(1201)按如下方式標(biāo)準(zhǔn)化并繪制其最大值相等。在本曲線圖中，當(dāng)角速度的時(shí)間出現(xiàn)于θ′max(1211)和θ′min(1212)之間的范圍時(shí)被認(rèn)為是有效時(shí)間時(shí)，由圖11中的1221表示角速度θ1′(1201)的有效時(shí)間，由圖11中的1222表示正弦波θ′(1202)的有效時(shí)間。由圖11明顯可見(jiàn)，本發(fā)明的微振動(dòng)部件具有與正弦波驅(qū)動(dòng)相比更長(zhǎng)的有效時(shí)間。具體地說(shuō)，因?yàn)棣?′max＝1.2×aω1和θ1′min＝0.8×aω1，根據(jù)θ1′min＝aω1{1.6cos(ω1t)-2×0.4cos(2ω1t)}(公式19)和0.8＝1.6cos(ω1t)-2×0.4cos(2ω1t)(公式20)，t變?yōu)閠＝0，±1/(2ω1/π)。因此，有效時(shí)間t1eff變?yōu)閠1eff＝{1/(2ω1/π)-(-1/(2ω1/π)＝π/ω1(公式21)。
此外，由圖12明顯可見(jiàn)，增加位移角θ1的時(shí)間(曲線圖移到右上側(cè)的部分)長(zhǎng)于減少位移角θ1的時(shí)間(曲線圖移到右下側(cè)的部分)。也就是說(shuō)，通過(guò)利用本發(fā)明，不同于正弦波驅(qū)動(dòng)的光偏轉(zhuǎn)器，可以前后移動(dòng)而改變掃描速度。這在僅僅沿一個(gè)固定方向上掃描光時(shí)執(zhí)行成像的成像設(shè)備中是有利的特性。
在圖12的曲線圖中，在與圖11相同的條件下繪制公式15的θ1(1231)和公式1的θ(1232)。在本曲線圖中，當(dāng)具有出現(xiàn)于θ′max(1211)和θ′min(1212)之間的范圍的角速度的位移角被認(rèn)為是有效位移角時(shí)，因?yàn)橛蓤D12中的1221和1212分別表示θ1(1231)和θ(1232)的有效時(shí)間，因此本發(fā)明和正弦波的最大有效位移角分別變?yōu)棣?eff1241和θeff1242。由圖12明顯可見(jiàn)，本發(fā)明的θ1eff1241大于θeff1242。此時(shí)的θ1eff可以表示如下。
θ1eff＝a{1.6sin(π/2)-0.4sin(π)}＝1.6a(公式22)在圖13的曲線圖中，在與圖11相同的條件下繪制公式15的θ1″(1251)和公式1的θ″(1252)。由圖13可見(jiàn)，在角加速度降低部分1261，θ1″(1251)的絕對(duì)值小于θ″(1252)。如果反射鏡被用作光掃描裝置，因?yàn)樗膭?dòng)態(tài)彎曲與角加速度成比例，因此按照本發(fā)明，當(dāng)使用相同反射鏡時(shí)，該動(dòng)態(tài)彎曲變小。此外，當(dāng)允許相同動(dòng)態(tài)撓曲時(shí)，可以使用具有較低剛度的反射鏡。通常，因?yàn)榭梢灾圃熘亓枯p的低剛度反射鏡，因此可以降低慣性矩，并且可以抑制功率消耗。
此外，在本發(fā)明中，扭力彈簧和可移動(dòng)元件被整體形成，因此可以省去裝配工作并且可以消除裝配精度的不規(guī)則性。
此外，在本發(fā)明中，當(dāng)扭力彈簧和可移動(dòng)元件被整體地形成時(shí)，使用硅晶片作為材料，因此可以提高作為共振的銳度(acuity ofresonance)指數(shù)的Q值，并且可以減少能耗。
此外，在本發(fā)明中，當(dāng)垂直于扭力彈簧的軸提供平面時(shí)，使用可移動(dòng)元件，使得該平面與多個(gè)可移動(dòng)元件和扭力彈簧相交，從而可以在小面積內(nèi)保證大慣性矩。
圖14中，可移動(dòng)元件1301和1302以及扭力彈簧1311和1312由一塊板整體地形成，并且扭力彈簧1312被固定到支撐部分1321上。在本實(shí)施例中，垂直于扭力彈簧的軸的平面1391與可移動(dòng)元件1302和扭力彈簧1312相交，此外，垂直于扭力彈簧的軸的平面1392與可移動(dòng)元件1302與扭力彈簧1311相交。通過(guò)使用這種形狀的可移動(dòng)元件1302，可以由小面積獲得有效的慣性矩。
圖15中，可移動(dòng)元件1401和1402以及扭力彈簧1411和1412由一塊板整體地形成，并且扭力彈簧1412被固定到支撐部分1421上。在本實(shí)施例中，垂直于扭力彈簧的軸的平面1491與可移動(dòng)元件1401和可移動(dòng)元件1402相交。通過(guò)使用這種形狀的可移動(dòng)元件1402，可以由小面積獲得有效的慣性矩。
此外，在本發(fā)明中，多個(gè)可移動(dòng)元件分別由兩段扭力彈簧支撐，因此彎曲剛度提高，可以控制不必要的彎曲模式的運(yùn)動(dòng)。圖16中，可移動(dòng)元件1501和1502以及扭力彈簧1511和1512由一塊板整體地形成，并且扭力彈簧1511和1512分別被固定到支撐部分1521和1522上。由圖16明顯可見(jiàn)，可移動(dòng)元件1501和1502均分別由兩段扭力彈簧支撐。通過(guò)以這種方法構(gòu)成，可以控制彎曲模式的運(yùn)動(dòng)。此外，垂直于扭力彈簧的軸的平面1591與可移動(dòng)元件1502和扭力彈簧1511相交，并且垂直于扭力彈簧的軸的平面1592與可移動(dòng)元件1501和可移動(dòng)元件1502相交。類似于圖14和15，即使以這種形狀，也具有由小面積獲得慣性矩的效果。
(第一實(shí)施方式)圖1A和1B說(shuō)明本實(shí)施方式的光偏轉(zhuǎn)器。本實(shí)施方式的光偏轉(zhuǎn)器由微振動(dòng)部件和形成在可移動(dòng)元件101上表面上的光反射膜131組成。而微振動(dòng)部件由板部件100、電磁致動(dòng)器140和控制器150組成。
圖1A是由蝕刻成形的硅晶片形成的部件100的頂視圖。在圖1A中通過(guò)兩段扭力彈簧111a和111b向上和向下支撐平整的可移動(dòng)元件101?？蚣苄慰梢苿?dòng)元件102在它的內(nèi)側(cè)支撐扭力彈簧111a和111b，并且在圖1A中由兩段扭力彈簧112a和112b支撐在上方和下方?？蚣苄沃С锌蚣?21在它的內(nèi)側(cè)支撐扭力彈簧112a和112b。在可移動(dòng)元件101和102以及扭力彈簧111和112具有兩種振動(dòng)模式時(shí)，以使其近似加倍的方法調(diào)整它們的頻率。例如，當(dāng)可移動(dòng)元件101和102的慣性矩取為I1和I2，扭力彈簧111a和111b的彈簧常數(shù)取為k1/2，并且扭力彈簧112a和112b的彈簧常數(shù)取為k2/2，并且使用對(duì)圖8說(shuō)明中所用的參數(shù)時(shí)，兩特征角頻率的數(shù)目變?yōu)棣?＝2π×2000[Hz]和ω2＝2π×4000[Hz]。
圖1B是說(shuō)明光偏轉(zhuǎn)器的示意圖。圖1B中，板部件100說(shuō)明沿圖1A的切線190所取的剖面。在可移動(dòng)元件101的上表面上，形成光反射膜131，而在下表面上粘附永磁體141。圖1B中，板部件100被粘附至由高磁導(dǎo)率材料制成的磁軛144上。在與永磁體141相對(duì)的磁軛144的區(qū)域，設(shè)置由高磁導(dǎo)率材料制成的磁芯143，并且圍繞磁芯143的周邊卷繞線圈142。永磁體141、線圈142、磁芯143、和磁軛144構(gòu)成電磁致動(dòng)器140。當(dāng)電流流入線圈142時(shí)，轉(zhuǎn)矩作用于永磁體141上，并驅(qū)動(dòng)可移動(dòng)元件101。
在控制器150中，由基準(zhǔn)時(shí)鐘發(fā)生器151產(chǎn)生的頻率2nf的時(shí)鐘信號(hào)分流為兩個(gè)信號(hào)，其中一個(gè)信號(hào)被輸入分頻器152并變?yōu)轭l率2nf的半頻nf。這兩個(gè)信號(hào)被分別輸入計(jì)數(shù)器153和154的增加信號(hào)(increment signals)。計(jì)數(shù)器153和154為數(shù)字計(jì)數(shù)器，其當(dāng)?shù)竭_(dá)最大值n時(shí)歸零。計(jì)數(shù)器153和154的輸出分別被輸入正弦函數(shù)單元155和156。正弦函數(shù)單元155和156是函數(shù)單元，當(dāng)輸入取為X時(shí)，該單元返回SIN(2πX/n)的輸出。正弦函數(shù)單元155和156分別產(chǎn)生頻率2f和f的數(shù)字正弦信號(hào)。正弦函數(shù)單元155和156分別具有由乘法器157和158乘以A和B的增益，并由加法器159加和。由DA轉(zhuǎn)換器160將加法器159的輸出信號(hào)轉(zhuǎn)換為模擬信號(hào)，并由功率放大器161放大，并允許電流流入線圈142。
在圖2的曲線圖中，流入線圈142的交流電流的頻率繪制在橫坐標(biāo)軸，而可移動(dòng)元件101的位移振幅繪制在縱坐標(biāo)軸。在本光偏轉(zhuǎn)器中，存在兩種特征振動(dòng)模式，此外，這兩種模式的頻率關(guān)系為1∶2。以下將這兩種模式分別簡(jiǎn)稱為″模式1″和″模式2″。本發(fā)明的光偏轉(zhuǎn)器的特征在于這兩種模式同時(shí)激發(fā)。
接下來(lái)，將說(shuō)明使用本實(shí)施方式的光偏轉(zhuǎn)器的方法。準(zhǔn)備測(cè)量可移動(dòng)元件101位移的位移測(cè)量裝置以執(zhí)行調(diào)整。首先，調(diào)整基準(zhǔn)時(shí)鐘發(fā)生器151的所產(chǎn)生頻率，使其與可移動(dòng)元件101同時(shí)按模式1和模式2共振的頻率相配。其次，在此頻率，調(diào)整乘法器157和158的增益以使可移動(dòng)元件101的模式1和模式2振幅成為所要求值。執(zhí)行計(jì)數(shù)器153的遞增量/遞減量以使可移動(dòng)元件101的模式1和2的相位成為所要求相位。此處，可以按顛倒次序執(zhí)行增益和相位的調(diào)整。例如，當(dāng)允許模式1的振幅和模式2的振幅的比率為1.6∶0.4，并且調(diào)整使得掃描中心的相位反轉(zhuǎn)時(shí)，可移動(dòng)元件101以如下方法來(lái)驅(qū)動(dòng)使得位移角和角速度分別如圖13所示。
通過(guò)使用本發(fā)明的光偏轉(zhuǎn)器，可以與傳統(tǒng)的共振型光偏轉(zhuǎn)器相比以更小的角速度執(zhí)行光掃描。
(第二實(shí)施方式)圖3是由蝕刻加工的硅晶片形成的板部件200的頂視圖。平整的可移動(dòng)元件201至203以及扭力彈簧211至213交替地串聯(lián)連接。扭力彈簧211至213的軸按直線排列，并且扭力彈簧213的另一端連接至固定框架221。在本系統(tǒng)具有三種振動(dòng)模式時(shí)，調(diào)整其頻率使得三種模式的關(guān)系約為1∶2∶3。以下將這三種模式分別簡(jiǎn)稱為″模式1″、″模式2″和″模式3″。
舉例來(lái)說(shuō)，當(dāng)可移動(dòng)元件201至203的慣性矩和扭力彈簧211至213的扭力彈簧常數(shù)為I1、I2、I3、k1、k2和k3時(shí)，其中I1＝2.0E-11[kgm2]，I2＝2.0E-10[kgm2]，I3＝5.0E-10[kgm2]，k1＝6.17854E-3[Nm/rad]，k2＝2.03388E-2[Nm/rad]，k3＝3.52534E-2[Nm/rad]，建立M-1K=3.08927×108-3.08927×1080-3.08927×1071.32587×108-1.01694×1080-4.06776×1071.11284×108,]]>因此，由公式14明顯得出，從模式1到模式3的特征角振動(dòng)數(shù)目為2π×1000[rad/s]，2π×2000[rad/s]，和2π×3000[rad/s]。類似于笫一實(shí)施方式，通過(guò)同時(shí)激發(fā)這些特征振動(dòng)模式，可以執(zhí)行模式1至3的組合的驅(qū)動(dòng)。
圖4和5的曲線圖表示當(dāng)在各模式中可移動(dòng)元件201的振幅比設(shè)置為24∶-6∶1時(shí)，可移動(dòng)元件201的位移角和角速度。對(duì)圖5和10的比較使得容易發(fā)現(xiàn)通過(guò)增加模式3而使得角速度的波動(dòng)裕度變小的狀態(tài)。
可見(jiàn)，通過(guò)增加模式數(shù)目，可以使得角速度的波動(dòng)裕度小得多。
(第三實(shí)施方式)圖6是其中將本發(fā)明的光偏轉(zhuǎn)器應(yīng)用于例如激光束打印機(jī)的成像設(shè)備的實(shí)例。由光源302發(fā)出的激光311由發(fā)射光學(xué)系統(tǒng)303成形，并由本發(fā)明的光偏轉(zhuǎn)器301掃描。成像光學(xué)系統(tǒng)304將掃描后的激光聚焦在感光鼓305上以形成束斑。該掃描束斑沿掃描軌跡312移動(dòng)。
在本實(shí)施方式的成像設(shè)備中，在圖12由1221所示的有效時(shí)間t1eff的范圍內(nèi)執(zhí)行圖像繪制。由圖11明顯可見(jiàn)，在本發(fā)明的光偏轉(zhuǎn)器中，在掃描期間掃描角速度在θ′min(圖11中的1212)和θ′max(圖11中的1211)之間波動(dòng)。
在使用常規(guī)fθ透鏡用于該成像光學(xué)系統(tǒng)304時(shí)，感光鼓305上的掃描速度波動(dòng)。通過(guò)控制激光束的調(diào)制時(shí)鐘從而消除該掃描速度的波動(dòng)，可在感光鼓上形成正確的圖像。
或者，也可以允許聚焦光學(xué)系統(tǒng)304具有消除掃描速度波動(dòng)的特性。在這種情況下，由于束斑的直徑波動(dòng)，應(yīng)該確定光偏轉(zhuǎn)器301的掃描方法，以使該直徑的波動(dòng)幅度不超過(guò)允許誤差。
本申請(qǐng)要求2003年12月25日提交的日本專利申請(qǐng)2003-430425和2004年11月8日提交的日本專利申請(qǐng)2004-323758的優(yōu)先權(quán)，其內(nèi)容以引用方式結(jié)合在本文中。
權(quán)利要求
1.一種微振動(dòng)部件，包含多個(gè)可移動(dòng)元件；設(shè)置在同一軸上的多個(gè)扭力彈簧，該軸串聯(lián)連接該多個(gè)可移動(dòng)元件；用于支撐該多個(gè)扭力彈簧的一部分的支撐部分；用于應(yīng)用扭矩至至少一個(gè)所述可移動(dòng)元件的驅(qū)動(dòng)裝置；和用于控制該驅(qū)動(dòng)裝置的驅(qū)動(dòng)控制裝置，其中由所述多個(gè)扭力彈簧和所述多個(gè)可移動(dòng)元件構(gòu)成的系統(tǒng)具有多個(gè)獨(dú)立的特征振動(dòng)模式，并且其中在所述多個(gè)獨(dú)立的特征振動(dòng)模式中，存在著基準(zhǔn)振動(dòng)模式和偶數(shù)振動(dòng)模式，所述基準(zhǔn)振動(dòng)模式是基準(zhǔn)頻率的特征振動(dòng)模式，所述偶數(shù)振動(dòng)模式是頻率近似為基準(zhǔn)頻率的偶數(shù)倍的特征振動(dòng)模式。
2.如權(quán)利要求1的微振動(dòng)部件，其中所述多個(gè)可移動(dòng)元件和所述多個(gè)扭力彈簧由一塊板整體地形成。
3.如權(quán)利要求1的微振動(dòng)部件，其中所述一塊板為單晶硅晶片。
4.如權(quán)利要求1的微振動(dòng)部件，其中當(dāng)垂直于所述扭力彈簧的軸提供一平面時(shí)，該平面與所述多個(gè)扭力彈簧的其中之一和所述多個(gè)可移動(dòng)元件的至少之一相交。
5.如權(quán)利要求1的微振動(dòng)部件，其中當(dāng)垂直于所述扭力彈簧的軸提供一平面時(shí)，該平面與所述多個(gè)可移動(dòng)元件中的兩個(gè)或更多個(gè)相交。
6.如權(quán)利要求1的微振動(dòng)部件，其中所述多個(gè)可移動(dòng)元件被連接至所述多個(gè)扭力彈簧的其中兩個(gè)。
7.如權(quán)利要求1的微振動(dòng)部件，其中所述驅(qū)動(dòng)控制裝置是用于控制所述驅(qū)動(dòng)裝置的裝置，以同時(shí)激發(fā)所述基準(zhǔn)振動(dòng)模式和所述偶數(shù)振動(dòng)模式。
8.如權(quán)利要求1的微振動(dòng)部件，其中，在驅(qū)動(dòng)時(shí)間，所述多個(gè)可移動(dòng)元件的至少之一的位移角的增加時(shí)間和該位移角的減少時(shí)間是不同的。
9.一種光偏轉(zhuǎn)器，該光偏轉(zhuǎn)器包括如權(quán)利要求1的微振動(dòng)部件和設(shè)置在該微振動(dòng)部件的可移動(dòng)元件上的光偏轉(zhuǎn)元件。
10.一種成像設(shè)備，該成像設(shè)備包括如權(quán)利要求9的光偏轉(zhuǎn)器；光源；和成像光學(xué)系統(tǒng)。
全文摘要
本發(fā)明提供一種能夠抑制角速度的波動(dòng)的共振型微振動(dòng)部件，具體地說(shuō)提供一種微振動(dòng)部件，該微振動(dòng)部件為一種套裝微振動(dòng)部件，其中存在著基準(zhǔn)振動(dòng)模式和偶數(shù)振動(dòng)模式，所述基準(zhǔn)振動(dòng)模式是基準(zhǔn)頻率的特征振動(dòng)模式，所述偶數(shù)振動(dòng)模式是頻率近似為基準(zhǔn)頻率的偶數(shù)倍的特征振動(dòng)模式。
文檔編號(hào)G02B26/10GK1780786SQ20048001123
公開(kāi)日2006年5月31日 申請(qǐng)日期2004年12月10日 優(yōu)先權(quán)日2003年12月25日
發(fā)明者安田進(jìn), 島田康弘 申請(qǐng)人:佳能株式會(huì)社