振動ミラーおよびレーザスキャニングユニット
【課題】特性ばらつきを抑制した金属材料からなる振動ミラーおよび当該振動ミラーを使用したレーザスキャニングユニットを提供する。
【解決手段】梁をねじり回転軸として往復振動する、プレス加工により成形された金属材料からなる振動子と、当該振動子に支持されたミラー５とを備える振動ミラーにおいて、振動子が、同一プレス方向のプレス加工により成形された、ミラー５を支持する支持部４を備える。支持部４のプレス加工方向の上流側の面には、当該面外に一部が突出する状態でミラー５が支持される。また、支持部４のプレス加工方向の下流側の面内には、永久磁石６が配置される。これにより、プレス加工によるバリの有無に関わらず、ミラーと永久磁石とを常に同一の状態で支持部に固定することができる。
【解決手段】梁をねじり回転軸として往復振動する、プレス加工により成形された金属材料からなる振動子と、当該振動子に支持されたミラー５とを備える振動ミラーにおいて、振動子が、同一プレス方向のプレス加工により成形された、ミラー５を支持する支持部４を備える。支持部４のプレス加工方向の上流側の面には、当該面外に一部が突出する状態でミラー５が支持される。また、支持部４のプレス加工方向の下流側の面内には、永久磁石６が配置される。これにより、プレス加工によるバリの有無に関わらず、ミラーと永久磁石とを常に同一の状態で支持部に固定することができる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、振動ミラーおよびレーザスキャニングユニットに関し、特に、梁をねじり回転軸として往復振動する、プレス加工により成形された金属材料からなる振動子と、前記振動子に支持されたミラーとを備える振動ミラーおよび当該振動ミラーを備えたレーザスキャニングユニットに関する。
【背景技術】
【０００２】
レーザプリンタ等の画像形成装置は、レーザ光を走査することにより、感光体（感光ドラム）上に潜像を形成する。このようなレーザ光の走査は、レーザスキャニングユニットにより実現される。レーザスキャニングユニットは、光源から形成画像に応じて変調されて出射したレーザ光をミラーにより偏向し、偏向したレーザ光を感光体上にスポット状に結像する。この種のレーザスキャニングユニットに使用される偏向ミラーとして、複数の反射面を有するポリゴンミラーが広く知られている。ポリゴンミラーを備えるレーザスキャニングユニットは、モータ等の駆動手段によりポリゴンミラーを一方向に回転させることによりレーザ光を偏向する。
【０００３】
近年の書込速度高速化の要求に応じて、ポリゴンミラーの回転速度は高まっているが、ポリゴンミラーの回転数を高めると、風切音やモータの振動等に起因して発生する音が大きくなり静寂性を確保することが困難になる。また、ポリゴンミラーを備えるレーザスキャニングユニットは、モータ等の駆動手段を備える必要があるため、小型化や軽量化が困難であるという問題もある。このため、レーザスキャニングユニットに往復型の偏向ミラーが使用されることもある。
【０００４】
このような往復型の偏向ミラーとして振動ミラーが知られている。この振動ミラーは、レーザ光の走査方向に対して垂直方向に配置されたねじり回転軸を有する機械的振動子により構成されている。そして、振動子に支持されたミラーを往復振動させることでレーザ光を走査させる。
【０００５】
近年、このような振動ミラーの製造に半導体製造技術が適用されるようになっている。このような振動ミラーは、単結晶シリコン基板等の半導体基板を加工することにより形成され、ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）振動ミラーとして注目されている（例えば、特許文献１、２等参照。）。
【特許文献１】特開２００３−８４２２６号公報
【特許文献２】特開２００１−３０５４７２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、上述のような半導体製造技術を適用したＭＥＭＳ振動ミラーを製造するためには、リソグラフィ装置等の非常に高価な製造設備が必要であり、低コストで製造することが困難である。また、シリコン単結晶基板等の半導体基板を基材として形成されたＭＥＭＳ振動ミラーは、比較的容易にへき開するためハンドリングの際に破損しやすいという問題もある。
【０００７】
一方、金属材料を加工することにより、振動ミラーを形成することも可能である。例えば、エッチング技術を適用して金属薄板を加工することにより、比較的容易に振動ミラーを製造することができる。しかしながら、金属材料はシリコン単結晶と比較すると許容応力が低いため、同一性能の振動ミラーを形成する場合、振動軸の長さを長くする必要があり、振動ミラーの外形サイズが大きくなってしまう。また、加工精度の観点では、エッチング技術は半導体製造技術に比べると精度が劣るため、完成品の特性にばらつきが生じやすいという問題もある。
【０００８】
本発明は、このような実情を鑑みて提案されたものであって、特性ばらつきを抑制した、金属材料からなる振動ミラーおよび当該振動ミラーを使用したレーザスキャニングユニットを提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記課題を解決するため、本発明は以下の技術的手段を採用している。まず、本発明は、梁をねじり回転軸として往復振動する、プレス加工により成形された金属材料からなる振動子と、前記振動子に支持されたミラーとを備える振動ミラーを前提としている。そして、本発明に係る振動ミラーは、振動子が、同一プレス方向のプレス加工により成形され、上記ミラーを支持する支持部を備える。当該支持部のプレス加工方向の上流側の面には、当該面外に一部が突出する状態で上記ミラーが支持される。また、上記支持部のプレス加工方向の下流側の面内には、永久磁石が配置される。
【００１０】
これにより、プレス加工によるバリの有無に関わらず、ミラーと永久磁石とを常に同一の状態で支持部に固定することができる。
【００１１】
また、本発明は、当該振動ミラーと、当該振動ミラーを往復振動させる駆動手段と、ミラーの反射面に向けて所定波長の光を照射する光源と、を備えたレーザスキャニングユニットを提供することもできる。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、プレス加工により成形された金属材料からなる振動子を備えた振動ミラーを、低コストに安定して製造することが可能となる。また、本発明に係る振動ミラーはハンドリングが容易であり、レーザスキャニングユニットの組立時等に破損することもない。さらに、本発明に係る振動ミラーは、バリの有無に関わらず、ミラーと永久磁石とを常に同一の状態で支持部に固定できるため、振動ミラーをプレス加工により低コストで安定して製造することができる。加えて、共振周波数が所望の範囲内になっているため、レーザスキャニングユニットの組立時の調整作業を大幅に軽減できる。その結果、レーザスキャニングユニットを極めて低コストで製造することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下、本発明の実施形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。
【００１４】
（レーザスキャニングユニットの構成）
まず、往復振動する振動ミラーを備えるレーザスキャニングユニットの構成について説明する。図１は、当該レーザスキャニングユニットを示す概略構成図である。レーザスキャニングユニット５０は、光源５２、偏向器５３、結像レンズ系５４を筐体５１内に備える。
【００１５】
光源５２は、回路基板６３上に実装されたレーザダイオード６１と、コリメータレンズ６２とを備える一体のユニットとして構成されている。回路基板６３は、外部から入力される画像信号にしたがってレーザダイオード６１が出射するレーザ光の強度変調を行う。変調されたレーザ光はコリメータレンズ６２に入射される。コリメータレンズ６２は、円筒形状のガラスレンズからなり、レーザダイオード６１から出力されたレーザ光をコリメータレンズ６２の光軸と一致した平行光に変換して出力する。なお、レーザダイオード６１の発光点は、コリメータレンズ６２の焦点に配置されている。
【００１６】
光源５２から出力されたレーザ光は、アパーチャ５５、シリンドリカルレンズ５６を通じて偏向器５３の反射面に入射される。偏向器５３は、感光体上でのレーザ光の走査方向に対して垂直方向に配置されたねじり回転軸を有する振動ミラー１０（以下で詳述する）と、当該振動ミラー１０を正弦的に往復振動させる駆動手段１１とにより構成されている。シリンドリカルレンズ５６は、振動ミラー１０の反射面上に、レーザ光のねじり回転軸方向のみを収束させた状態でレーザ光を投影する。
【００１７】
偏向器５３により偏向されたレーザ光は結像レンズ系５４に入射される。ここでは、結像レンズ系５４は、２枚のアクリルレンズにより構成されており、偏向器５３により偏向されたレーザ光を、感光体上の走査速度が略同一となる状態で感光体上にスポット状に結像させる。すなわち、結像レンズ系５４は、正弦的に振動する反射ミラー１０により反射され、入射角が時間とともに三角関数的に変化するレーザ光を、感光体上に等間隔なスポット列として結像させるアークサインθレンズになっている。
【００１８】
（振動ミラーの構成）
続いて、上述のレーザスキャニングユニットに搭載される振動ミラー１０の構造について詳細に説明する。図２は、本実施形態の振動ミラー１０の構造を示す概略斜視図である。図２に示すように、振動ミラー１０は、後述するプレス加工により成形された振動子１と、ミラー５と、永久磁石６とを備える。振動子１は、ミラー５および永久磁石６が固定される支持部４が同一直線上に配置された２本の梁３により支持された構造を有する。梁３の他端は、振動子１として一体に成形された矩形状の枠体２に支持されており、振動子１は梁３をねじり回転軸として往復振動する。この往復振動は、永久磁石６に交番磁場を付与することで持続される。
【００１９】
永久磁石６に付与する交番磁場は、例えば、電磁石に交流電力を印加する駆動手段１１により生成できる。この場合、往復振動の周波数、すなわち、電磁石に印加する交流電力の周波数（以下、駆動周波数という。）と振動ミラー１の共振周波数とが一致していると、振動ミラー１０の駆動のための消費電力を小さくすることができる。振動ミラー１０が共振周波数で往復振動する場合、振動を維持するために必要な外力の大きさが最小になるからである。
【００２０】
振動ミラー１０を介してレーザ光を感光体上で走査させるレーザスキャニングユニットでは、駆動周波数は感光体上の記録密度および印字速度（感光体の送り速度）に密接に関係する。すなわち、駆動周波数ｆは、記録密度Ｄ（ｄｐｉ）、印字速度Ｖ（ｍｍ／ｓｅｃ）により以下の式１で示される。
【００２１】
【数１】
【００２２】
式１は、振動ミラー１０がねじり回転軸に対していずれの方向に回転している場合にも印字を行う往復印字を前提としている。振動ミラー１０がねじり回転軸に対して一方向に回転している場合にのみ印字を行う片方向印字の場合には、駆動周波数ｆは２倍になる。例えば、記録密度Ｄが６００ｄｐｉであり、印字速度Ｖが１８０ｍｍ／ｓｅｃである場合、駆動周波数ｆは、約２１２６Ｈｚ（往復印字）である。
【００２３】
また、以上の構造を有する振動ミラー１０の共振周波数ｆ0は、梁３のばね定数Ｋ（両方の梁３の合計）と、ミラー５および永久磁石６を含む支持部４の慣性モーメントＪとにより、以下の式２で示される。
【００２４】
【数２】
【００２５】
一方、本実施形態では、振動子１が金属材料により構成されているため、往復振動中に梁３に付加されるせん断応力が梁３の許容応力を超えると、振動子１が破損してしまう。このため、構造上、振動子１には、梁３に付加されるせん断応力が、梁３の許容応力以下であることが求められる。各梁３のねじり回転軸方向の長さをＬ、梁３の幅をｂ、梁３の厚さをｔ（ここでは、ｔ≦ｂ）、梁３に付与されるトルクをＴとすると、梁３の幅方向の中点でのせん断応力τAは、以下の式３により表現される。
【００２６】
【数３】
【００２７】
また、梁３の厚さ方向の中点でのせん断応力τBは、以下の式４により表現される。
【００２８】
【数４】
【００２９】
さらに、梁３の単位長さあたりのねじれ角ω（共振周波数で往復振動しているときの最大振り角θ／梁長Ｌ）は、梁３の横方向弾性係数Ｇを用いて、以下の式５により表現される。
【００３０】
【数５】
【００３１】
この場合、ばね定数Ｋは、以下の式６を満足する。
【００３２】
【数６】
【００３３】
したがって、梁３は、式３および式４に示すせん断応力τAとτBとが、梁３の許容応力以下であり、かつ式２、式５および式６を満足する必要がある。金属材料はシリコン単結晶と比較すると許容応力が小さい。そのため、梁３をシリコン単結晶で形成された振動ミラーと同一寸法とした場合、梁３に付与可能なトルクＴの大きさはシリコン単結晶で形成された振動ミラーよりも小さくなる。したがって、シリコン単結晶で形成された振動ミラーと同一特性の振動ミラーを金属材料により構成する場合、梁３の断面の寸法を同一にすると、シリコン単結晶で形成された振動ミラーよりも梁長Ｌを長くしなければならない。このため、振動ミラー１０のねじり回転軸方向のサイズが大きくなってしまう。
【００３４】
そこで、本実施形態では、振動ミラー１０のねじり回転軸方向のサイズを小さくするために、梁３の断面形状として、ミラー５の反射面に平行な方向（以下、幅方向という。）を長辺とし、ミラー５の反射面に垂直な方向（以下、厚さ方向という。）を長辺の１／２倍以下の長さを有する短辺とした矩形形状を採用している。
【００３５】
図３は、せん断応力τA、τBが一定となる条件下で、梁３の幅ｂと厚さｔとの比（ｂ／ｔ）と、同一の共振周波数ｆ0が得られる梁３の長さとの関係を示す図である。図３において、横軸が梁断面比率（ｂ／ｔ）に対応し、縦軸が梁長に対応する。なお、図３では、梁長は、ｂ＝ｔ（断面が正方形）であるときの梁長を基準として規格化している。
【００３６】
図３に示すように、梁長は、梁断面比率の増大に伴って一旦増大し、その後に減少する。したがって、梁断面比率を２以上にすれば梁長を短縮でき、振動ミラー１０のねじり回転軸方向のサイズを小さくすることができる。
【００３７】
また、本実施形態では、このような断面形状を採用することにより、プレス加工に起因する成形誤差が共振周波数ｆ0に与える影響を緩和している。すなわち、後述のように振動子１はマルチステージのプレス加工（順送プレス加工）により成形されるため、梁３の各短辺（厚さ方向の辺）は少なくとも２回のプレス工程を経て形成される。各プレス工程では、ワークは金型に対して厳密に位置合わせされるが、位置合わせのクリアランスの範囲内での位置ずれは発生しうる。このような位置ずれが発生した場合、個々の振動子１において梁幅ｂの寸法が変動することになる。
【００３８】
図４は、共振周波数ｆ0およびせん断応力τA、τBが一定となる条件下で、梁断面比率（ｂ／ｔ）が異なる梁３をプレス加工により形成した場合に、梁幅ｂの変動量が共振周波数ｆ0に与える影響を示す図である。図４において、横軸は、梁幅ｂの変動量に対応し、縦軸は共振周波数ｆ0の変動量に対応する。また、図４では、梁断面比率が１（ｂ＝１、ｔ＝１）、２（ｂ＝１．４８、ｔ＝０．７４）、３（ｂ＝１．８９、ｔ＝０．６３）、５（ｂ＝２．５９、ｔ＝０．５２）である場合の、梁幅ｂの変動量と共振周波数ｆ0の変動量との関係を示している。なお、図４では、梁断面比率が１である場合の梁厚ｔは０．１５５ｍｍである。
【００３９】
図４から理解できるように、梁断面比率が大きいほど、共振周波数ｆ0の変動量が小さくなる。これは、梁幅ｂの変動量はプレス加工のクリアランスのみに依存するため、梁断面比率に関わらずほぼ一定になるからである。すなわち、共振周波数ｆ0およびせん断応力τA、τBが一定となる条件下では、梁断面比率が大きいほど梁幅ｂが大きくなる。そのため、プレス加工のクリアランスのみに依存する梁幅変動量が梁幅ｂに占める割合は、梁断面比率の増大に伴って相対的に小さくなり、結果として、共振周波数ｆ0の変動が小さくなる。したがって、梁厚ｔが梁幅ｂの１／２以下となる矩形断面形状を有する梁３を採用することにより、振動ミラー１０のねじり回転軸方向のサイズを小さくできるとともに、プレス加工の成形誤差に起因する共振周波数ｆ0の変動を抑制することができる。このような構成は、金属材料をプレス加工することにより振動子１を形成する場合に極めて好適である。
【００４０】
以下、振動ミラー１０の具体的な構造をその設計手順とともに説明する。振動ミラー１０を設計する場合、まず、振動子１を構成する金属材料を選定する。上述のように、振動子１はプレス加工により成形される。このような成形を可能とするために、金属材料はフープ材である必要がある。また、往復振動に起因する金属疲労を生じることがなく、かつ梁３の許容応力を大きくするという観点では、振動子１を構成する金属材料は、大きな疲労限度を有することが望ましい。さらに、慣性モーメントＪを小さくする（共振周波数ｆ0を大きくする）観点では、密度が小さいことが好ましく、往復振動の振り角θを大きくする観点では、横弾性係数Ｇが小さいことが好ましい（上記式５参照）。また、往復振動の際に発生する熱による形状変形が大きい場合、慣性モーメントＪが変動し、往復振動の過程で共振周波数ｆ0が変動してしまう。このため、熱膨張係数が小さいことも求められる。加えて、耐環境性能の観点からは材料的に安定しており、価格も安価であることが好ましい。そこで、本実施形態では、以上の条件を全て満足する金属材料としてチタン合金（Ｔｉ−１５Ｖ−３Ｃｒ−３Ｓｎ−３Ａｌ、ＡＭＳ４９１４）を採用している。当該チタン合金の疲労強度は３５０ＭＰａであり、密度は４．７ｇ／ｃｍ3である。なお、振動子１を構成する金属材料として、他のチタン合金や純チタンを採用することも可能である。
【００４１】
振動子１を構成する金属材料を選定した後、振動ミラー１０の振り角、ミラー５の材質およびサイズ、永久磁石６の材質およびサイズを決定する。振動ミラー１０の振り角およびミラー５のサイズは、レーザスキャニングユニットとして所望のビーム特性を得るのに必要な振り角およびサイズに決定される。当該ビーム特性は、振動ミラー１０と、振動ミラー１０により反射されたビームを感光体上に結像するレンズとの間の距離等のレーザスキャニングユニットの構造に依存して決まる。例えば、記録密度Ｄが６００ｄｐｉであり、印字速度Ｖが１８０ｍｍ／ｓｅｃである場合、振り角は±２３度、ミラー５のサイズは幅４．７ｍｍ×長さ（ねじり回転軸方向）０．８ｍｍ×厚さ０．１５ｍｍとすることができる。なお、ここではミラー５の平面形状を矩形としているが、所望のビーム形状のレーザ光を反射可能であれば、楕円形状等の他の平面形状であってもよい。また、ミラー５の材質はレーザ光を反射可能な材質であればよく、ここではガラスベース誘電体多層膜を採用している。
【００４２】
次いで、上記チタン合金の疲労強度に基づいて許容応力を決定する。許容応力は、チタン合金の疲労強度曲線（Ｓ−Ｎ曲線）に基づいて決定することができる。図５は、上記チタン合金のＳ−Ｎ曲線を示す図である。上述のように、当該チタン合金の疲労限度は３５０ＭＰａであり、最大振り角時に梁３に付与される最大応力が当該疲労限度以下とすれば、半永久的な寿命を実現することができる。ここでは、疲労限度３５０ＭＰａに対して１００ＭＰａのマージンを設けた２５０ＭＰａを許容応力としている。
【００４３】
続いて、決定されたミラー５のサイズに基づいて、振動子１の支持部４のサイズを決定する。当該支持部４のサイズが大きいと、慣性モーメントＪが大きくなり共振周波数ｆ0が小さくなる（式２参照）。このため、支持部４のサイズは、ミラー５を固定することができる最小限のサイズに決定することが好ましい。ここでは、支持部４のサイズを幅２．０ｍｍ×長さ（ねじり回転軸方向）１．２ｍｍとしている。なお、永久磁石６は、この支持部４に固定可能なサイズで、振動ミラー１０を往復振動させる外力を発生しうるものであればよい。ここでは、永久磁石６として、径０．８ｍｍ×厚さ０．４ｍｍの希土類磁石を使用している。
【００４４】
続いて、振動子１の厚みを仮設定し、ミラー５および永久磁石６を固定した状態、すなわち、ミラー５、永久磁石６、ミラー５を支持部４に固定するための接着部材および永久磁石６を支持部４に固定するための接着部材を含めた状態で、慣性モーメントＪを算出する。そして、当該慣性モーメントＪおよび式２より、所望の共振周波数ｆ0が得られるばね定数Ｋを算出する。そして、算出したばね定数Ｋと式３〜式６を用いて、式３および式４のせん断応力τA、τBが許容応力２５０ＭＰａ以下になる条件下で、梁幅ｂおよび梁長Ｌを決定する。なお、梁厚ｔは、上記仮設定した支持部４の厚さと同一である。また、上述のように梁幅ｂは、梁厚ｔの２倍以上に設定される。梁幅ｂの上限は特に限定されるものではないが、慣性モーメントＪへの影響を考慮すると、梁厚ｔの１０倍以下が目安となる。例えば、振動子１の厚みｔを０．１１ｍｍに仮設定した場合、慣性モーメントＪは、３．１×１０-12ｋｇｍ2であり、ばね定数Ｋは、５．５３×１０-4Ｎｍ／ｒａｄである。このため、梁幅ｂは０．２４３ｍｍ、梁長Ｌは８．７ｍｍに設定することができる。なお、梁長Ｌが極端に大きくなる場合には、振動子１の厚み（梁厚ｔ）を再設定して、慣性モーメントＪおよびばね定数Ｋを再計算し、梁幅ｂと梁長Ｌを再設計すればよい。
【００４５】
（振動ミラーの製造方法）
次に、以上の構成を有する振動ミラー１０の製造方法について説明する。図６は、振動ミラー１０を構成する振動子１の製造に使用する金型の一例を示す平面図である。なお、図６では、ダイパンチの形状と位置のみを模式的に示している。
【００４６】
図６に示すように、金型３０は、マルチステップの順送プレス加工により振動子１を成形する構造を有している。図６の例では、５ステップのプレス加工により振動子１が成形される。すなわち、領域３１では、板状の金属材料にガイド孔が形成される。領域３２では、梁３の幅方向の一方の端面が形成される。この時点では、支持部４は枠体２から分離されない。領域３３では、梁３の幅方向の他方の端面が形成される。領域３２と同様に、この時点では、支持部４は枠体２から分離されない。領域３４では、支持部４の幅方向の一方が枠体２から分離されて端面が形成される。そして、領域３５では、支持部４の幅方向の他方が枠体２から分離されて端面が形成される。
【００４７】
振動子１の製造工程では、以上の金型３０に対して、コイルフィーダー等を使用して帯状の金属材料が送り込まれる。図７は、図６に示す金型３０による振動子１の製造過程を示す平面図である。図７に示す矢印は金属材料４０の送り方向を示している。図７において、金属材料４０の領域４１、４２、４３、４４、４５が金型３０の領域３１、３２、３３、３４、３５によりそれぞれ成形された部分である。図７に示すように、金型３０の各領域３１〜３５を通過し、５回のプレス加工が完了すると、振動子１の成形が完了する。５回のプレス加工が完了した金属材料４０は、順次、振動子１として切断分離される。以上のようなプレス加工を使用することにより、枠体２、梁３、支持部４が一体に形成された振動子１を容易に製造することができる。
【００４８】
以上のようにして形成された振動子１の支持部４には、永久磁石６およびミラー５が順に装着される。永久磁石６の装着には、支持部４の永久磁石搭載面を上方に向けて振動子１を固定支持する機能と、永久磁石６をピックアップして永久磁石搭載面上に搬送する機能とを有する実装装置を使用する。当該実装装置としては、例えば、プリント基板等に電子部品を実装する公知のマウンタ等を流用することができる。
【００４９】
上記実装装置に振動子１が永久磁石搭載面を上方に向けて固定支持されると、実装装置の搬送手段が備える真空コレット等の吸着手段により、当該振動子１に搭載される永久磁石６がピックアップされる。永久磁石６を吸着した搬送手段は、振動子１の永久磁石搭載面の上方に移動する。この移動の過程で、永久磁石６の永久磁石搭載面との接触面にエポキシ樹脂等の接着部材が塗布される。そして、搬送手段は、永久磁石６の接着部材が塗布された面を永久磁石搭載面に接触させ、永久磁石６を永久磁石搭載面上に配置する。なお、永久磁石搭載面上における永久磁石６の配置位置は、公知の画像認識等により、振動ミラー１０の対称性を維持した状態に厳密に位置合わせされる。永久磁石６が装着された振動子１は、実装装置から搬出される。
【００５０】
永久磁石６が固定されると、当該振動子１のミラー搭載面にミラー５が装着される。ミラー５の装着には、永久磁石６が固定された支持部４のミラー搭載面を上方に向けて振動子１を固定支持する機能と、ミラー５をピックアップしてミラー搭載面上に搬送する機能とを有する実装装置を使用する。当該実装装置としては、例えば、プリント基板等に電子部品を実装する公知のマウンタ等を流用することができる。
【００５１】
上記実装装置に永久磁石６が固定された振動子１がミラー搭載面を上方に向けて固定支持されると、実装装置の搬送手段が備える真空コレット等の吸着手段により、当該振動子１に搭載されるミラー５がピックアップされる。このとき、吸着手段はミラー５を反射面側から吸着する。また、吸着手段は、ミラー５の反射面の光学特性を劣化させないように、ミラー５外縁を支持する。ミラー５を吸着した搬送手段は、振動子１のミラー搭載面の上方に移動する。この移動の過程で、ミラー５のミラー搭載面との接触面にエポキシ樹脂やＵＶ（Ultra Violet）硬化樹脂等の接着部材が塗布される。そして、搬送手段は、ミラー５の接着部材が塗布された面をミラー搭載面に接触させ、ミラー５をミラー搭載面上に配置する。なお、ミラー搭載面上におけるミラー５の配置位置は、公知の画像認識等により、振動ミラー１０の対称性を維持した状態に厳密に位置合わせされる。ミラー５が装着された振動子１は、実装装置から搬出される。なお、接着部材がＵＶ硬化樹脂である場合には、ミラー搭載面上に配置されたミラー５に、反射面側からＵＶ光が照射され、ＵＶ硬化樹脂の硬化が行われる。なお、この場合、ミラー５の反射面は当該ＵＶ光の波長を透過する光学特性を有することになる。
【００５２】
以上のようにして振動ミラー１０を構成することにより、従来のように、半導体製造装置等の極めて高価な製造設備を使用することなく、低コストで振動ミラーを製造することができる。
【００５３】
なお、本実施形態では、支持部４を成形するための複数回のプレス工程を同一方向から実施している。そして、支持部４のプレス加工方向上流側の面をミラー搭載面とし、プレス加工方向下流側の面を永久磁石搭載面にしている。図８は、図２のＸ−Ｘ線における断面構造を示す断面図である。図８に示すように、プレス加工により金属材料を成形する場合、プレス加工方向の下流側にバリが発生することがある。上述のように、支持部４のミラー搭載面のサイズは、ミラー５のサイズよりも小さくなっている。したがって、ミラー５をミラー搭載面に固定した場合、ミラー５の一部がミラー搭載面の外方へ突出する。しかしながら、ミラー５をプレス加工方向上流側の面に固定する構成とすることで、バリの有無に関わらずミラー５をミラー搭載面に密着して固定することができる。また、永久磁石６のサイズは、支持部４の永久磁石搭載面のサイズより小さいため、バリが形成された状況下であっても、永久磁石６と支持部４とを密着して固定することができる。したがって、本構成によれば、バリの有無に関わらず、ミラー５と永久磁石６とを常に同一の状態で支持部４に固定することができる。このため、プレス加工の過程でバリが形成された場合であっても、バリを除去する必要がなくバリ除去工程の追加による製造コストの増大を防止できる。
【００５４】
（共振周波数の調整方法１）
ところで、以上で説明した手法により設計、製造された振動ミラー１０は、プレス加工の加工精度、ミラー５や永久磁石６の固定に使用する接着部材の付着量の差異等に起因する個々の振動ミラー１０の個体差が、半導体製造技術を使用した形成された振動ミラーに比べると大きくなってしまう。このような個体差は、各振動ミラー１０の共振周波数ｆ0の差異として顕在化する。上述のように、レーザスキャニングユニットでは、共振周波数ｆ0は感光体上の記録密度および印字速度を決定するパラメータである。このため、共振周波数ｆ0は一定の範囲内に属している必要がある。
【００５５】
図９は、駆動周波数ｆと共振周波数ｆ0との差異がレーザスキャニングユニットに与える影響を示す図である。図９（ａ）は、電磁石に印加する交流電力が一定である場合の、周波数比（ｆ／ｆ0）と振幅（振り角）との関係を示している。また、図９（ｂ）は、振幅を一定にする場合の、周波数比と交流電力の大きさとの関係を示している。図９（ａ）において、横軸は周波数比に対応し、縦軸は振幅比に対応する。ここで、振幅比は、駆動周波数ｆと共振周波数ｆ0とが一致する場合の振幅を基準として規格化している。また、図９（ｂ）において、横軸は周波数比に対応し、縦軸は消費電力に対応する。
【００５６】
図９（ａ）および図９（ｂ）に示すように、振動ミラー１０の共振周波数ｆ0と駆動周波数ｆとが一致している場合、非常に小さな消費電力で大きな振幅が得られている。そして、図９（ａ）から理解できるように、駆動周波数ｆと共振周波数ｆ0との間に不一致が発生すると、同一の印加電力により得られる振幅が急激に小さくなる。このため、駆動周波数ｆと共振周波数ｆ0とが一致している場合と同一の振幅を得るために印加が必要な電力は急激に増大する（図９（ｂ））。レーザスキャニングユニットとして使用する場合、振り角が所望の範囲内でなければ正常な画像形成を行うことができない。また、振動ミラー１０を駆動する駆動手段１１が電磁石に供給する電力を大幅に調整可能な構成を採用することはレーザスキャニングユニットの製造コストが増大するとともに、全体の消費電力も大きくなるため好ましくない。このため、製造される振動ミラー１０のそれぞれの共振周波数ｆ0は、目標とする周波数の±０．５％の範囲内であることが望ましい。しかしながら、図３に示したように、金属材料をプレス加工により成形した振動子１を使用した振動ミラー１０では、共振周波数ｆ0の固体差は、目標とする周波数の±０．５％以上の範囲で変動する可能性がある。このため、上記振動ミラー１０は、共振周波数ｆ0を調整できる必要がある。
【００５７】
図１０は、振動ミラー１０の共振周波数ｆ0の調整方法を示す図である。ここでは、梁３の支持端部を一部除去する形状加工を施すことにより梁３のばね定数を変更し、共振周波数ｆ0を調整する手法について説明する。なお、梁３の支持端部とは、梁３と枠体２との接続部および梁３と支持部４との接続部の双方を指す。また、図１０では、梁３の支持端部のみを拡大して示している。
【００５８】
例えば、図１０（ａ）に示すように、梁３の厚さ方向に沿う面と枠体２の厚さ方向に沿う面との接続部に曲率半径ｒのＲ面取りを有する状態で梁３と枠体２とを接続すると、共振周波数ｆ0は曲率半径Ｒに応じて以下の表１に示すように変化する。表１においてｒ＝０は、梁３の厚さ方向に沿う面と枠体２の厚さ方向に沿う面とが垂直に接続している状態である（図１０（ｂ））。
【００５９】
【表１】
【００６０】
したがって、梁３の支持端部の形状加工により、Ｒ面取りの曲率半径ｒを変更することで、１．５％程度のレンジで共振周波数ｆ0を調整することができることになる。なお、このような形状加工は、例えば、レーザ光を照射することにより実現することができる。この場合、レーザ光のビーム径を変更することにより支持端部の曲率半径ｒを変更してもよく、また、レーザ光照射の走査経路を変更することにより、支持端部の曲率半径ｒを変更してもよい。また、形状加工は、レーザ照射に限らず、放電加工等によって行ってもよい。また、形状加工は、所定の曲率半径のＲ面取りを有する支持端部の曲率半径を小さくする加工およびＲ面取りを有しない支持端部にＲ面取りを形成する加工のいずれであってもよい。
【００６１】
また、例えば、図１０（ｃ）に示すように、梁３の厚さ方向に沿う面と枠体２の厚さ方向に沿う面との接続部に長さ０．１５のＣ面取りを有する状態で梁３と枠体２とを接続すると、共振周波数ｆ0は２０５８．５Ｈｚになる。このＣ面取り部の一方を曲率半径０．１５のＲ面取りに変更すると、共振周波数ｆ0は２０５５．５Ｈｚになる。また、両方のＣ面取り部を曲率半径０．１５のＲ面取りに変更すると（図１０（ｄ）参照）、共振周波数ｆ0は２０５２．６Ｈｚになる。このような形状加工を行うことによっても、共振周波数ｆ0を調整することができる。当該形状加工は、所定のＣ面取りを有する支持端部にＲ面取りを形成する加工および所定の曲率半径のＲ面取りを有する支持端部にＣ面取りを形成する加工のいずれであってもよい。
【００６２】
また、上記では、梁３と枠体２との接続部のみに形状加工を施す事例を説明したが、当該形状加工は、梁３と支持部４との接続部に対して実施してもよく、全支持端部に対して形状加工を施してもよい。全支持端部に対して形状加工を施す場合、共振周波数ｆ0の調整可能レンジはさらに広くなる。なお、梁３と枠体２との接続部では、振動ミラー１０が往復振動している状態であっても、ほとんど変位が発生しない。このため、当該箇所に対する形状加工は、振動ミラー１０を往復振動させた状態で実施することもできる。
【００６３】
以上のように、梁３の支持端部を形状加工することで、共振周波数ｆ0を調整することができるが、調整可能レンジが十分に大きいとはいえない。調整可能レンジをさらに大きくするため、振動ミラーは一部または全部が除去される共振周波数調整片を備えていてもよい。図１１は、共振周波数調整片を備えた共振ミラーの支持部構造の一例を示す平面図である。図１１に示すように、支持部４は、同一平面内の外方に延出された共振周波数調整片２１を備える。図１１の例では、ミラー５の外縁よりも外方に突出する状態でねじり回転軸方向に延出された共振周波数調整片２１が、支持部本体４ａの四隅のそれぞれに設けられている。なお、共振周波数調整片２１は、プレス加工により振動子１として一体に形成される。
【００６４】
この例では、レーザ照射等により各共振周波数調整片２１の一部または全部を除去することにより振動ミラーの慣性モーメントＪを減少させることができる。なお、振動ミラーの対称性を維持するため、各共振周波数調整片２１はそれぞれ同一長さだけ除去することが好ましい。この場合、慣性モーメントＪの減少量は、各共振周波数調整片２１の除去長さに応じて調整することができる。
【００６５】
当該調整方法により調整できる共振周波数のレンジは、調整前の慣性モーメントＪおよび慣性モーメントＪの減少量に依存するため一概にはいえないが、３％以上のレンジで共振周波数を調整することができる。図１２は、共振周波数調整片２１の除去長と共振周波数ｆ0の変動量との関係の一例を示す図である。ここでは、支持部本体４ａが幅２ｍｍ、長さ１．２ｍｍ、厚さ０．１１ｍｍであり、各共振周波数調整片２１が、突出長さ１ｍｍ、幅０．４ｍｍである。図１２に示すように、除去長が増大するにつれて共振周波数ｆ0は単調に増加する。本例の場合、除去量を１ｍｍ（全除去）にすると共振周波数ｆ0を８％程度変動させることができる。
【００６６】
また、当該共振周波数調整片の除去による共振周波数調整と上述の支持端部の形状加工による共振周波数調整とを併用することも可能である。この場合、共振周波数調整片の除去により共振周波数を粗調整し、支持端部の形状加工により共振周波数を微調整することができる。なお、共振周波数調整片２１はレーザ照射や放電加工により除去可能であればよく、その形状および数は限定されない。また、共振周波数調整片が支持部本体４ａから突出していることも必須ではなく、支持部本体４ａの一部が共振周波数調整片として機能する構成であってもよい。例えば、矩形形状の支持部４の四隅をミラー５の外縁よりも外側に突出するサイズとすれば、支持部４の四隅を共振周波数調整片として機能させることができる。
【００６７】
（共振周波数の調整方法２）
以上では、振動子１の一部を除去することにより共振周波数ｆ0を調整する構成を説明したが、振動子１の一部を除去することなく共振周波数ｆ0を調整することも可能である。図１３は、振動子１の一部を除去することなく共振周波数ｆ0を調整する共振周波数調整片を備える振動ミラーの支持部構造の一例を示す図である。図１３（ａ）に示すように、支持部４は、同一平面内の外方に延出された共振周波数調整片２２を備える。図１３（ａ）の例では、ミラー５の外縁よりも外方に突出する状態でねじり回転軸方向と垂直な方向に延出された共振周波数調整片２２が、支持部本体４ａの四隅のそれぞれに設けられている。本例では、支持部本体４ａは幅２ｍｍ、長さ２．４ｍｍであり、各共振周波数調整片２２は突出長さ１ｍｍ、幅０．５ｍｍである。なお、共振周波数調整片２２は、プレス加工により振動子１として一体に形成されるため、共振周波数調整片２２の厚さは支持部４ａの厚さと同一である。
【００６８】
共振周波数調整片２２が溶断するエネルギー照射量より小さいエネルギー照射量でレーザ光を照射した場合、共振周波数調整片２２は、レーザ光照射位置を基点としてレーザ光照射側へ向けて屈曲する。これは、レーザにより照射された箇所の材料が一旦加熱された後冷却することで熱収縮するからである。例えば、図１３（ａ）に示すように、支持部４の永久磁石搭載面に対向する方向から、共振周波数調整片２２の根元の幅方向中央部（矢指部Ａ）にレーザ光を照射すると、図１３（ｂ）に示すように、レーザ光照射位置を基点として共振周波数調整片２２の先端が永久磁石搭載面側へ向かって屈曲する。すなわち、共振周波数調整片２２の先端が梁３を含む面外に配置される。図１４は、共振周波数調整片２２の先端を梁３を含む面外に屈曲させた場合の、各共振周波数調整片２２の曲げ角度αと慣性モーメントＪとの関係を示す図である。ここで、曲げ角度αは、梁３を含む面と各共振周波数調整片２２とがなす角であり、α＝０度がレーザ光を照射していない状態である。レーザ光のビーム径および照射エネルギーを固定した場合、曲げ角度αは照射時間により調整することができる。また、図１５は、曲げ角度αと共振周波数ｆ0の変動量との関係を示す図である。図１４および図１５では、横軸が曲げ角度αに対応する。また、図１４では、縦軸が慣性モーメントＪに対応し、図１５では縦軸が共振周波数ｆ0に対応する。
【００６９】
図１４および図１５から理解できるように、曲げ角度αが増大するにつれて慣性モーメントＪは単調に減少する。また、慣性モーメントＪの減少に伴って、共振周波数ｆ0は単調に増加する。本例の場合、曲げ角度を３０度にすると共振周波数ｆ0を０．５％程度変動させることができる。
【００７０】
また、図１６に示すように、支持部４の永久磁石搭載面と対向する方向から、共振周波数調整片２２の根元の幅方向の一端（矢指部Ｂ）にレーザ光を照射すると、レーザ光照射位置を基点として共振周波数調整片２２の先端がレーザ光照射側へ向かって屈曲する。この場合、共振周波数調整片２２の先端は同一面内（梁３を含む面内）に配置される。図１７は、各共振周波数調整片２２を同一平面内で屈曲させた場合の、各共振周波数調整片２２の曲げ角度βと慣性モーメントＪとの関係を示す図である。ここでは、振動子１の対称性を維持するため、各共振周波数調整片２２の先端を隣り合う梁３の方向に屈曲させている。曲げ角度βは、ねじり回転軸に垂直な面と共振周波数調整片２２とがなす角であり、β＝０度がレーザ光を照射していない状態である。また、図１８は、曲げ角度βと共振周波数ｆ0の変動量との関係を示す図である。図１７および図１８では、横軸が曲げ角度βに対応する。また、図１７では、縦軸が慣性モーメントＪに対応し、図１８では、縦軸が共振周波数ｆ0に対応する。
【００７１】
図１７および図１８から理解できるように、曲げ角度βが増大するにつれて慣性モーメントＪは単調に減少する。また、慣性モーメントＪの減少に伴って、共振周波数ｆ0は単調に増加する。本例の場合、曲げ角度βを３０度とすると共振周波数を０．８％程度変動させることができる。
【００７２】
このように、振動子１の一部を除去することなく共振周波数ｆ0を調整すれば、加工くずの発生がない。したがって、加工くずがミラー５に付着してミラー５の光学特性を劣化させることもない。
【００７３】
なお、以上説明した共振周波数ｆ0の調整は、図１に示したレーザスキャニングユニット５０として組み立てる際に、筐体５１に固定されるフレームに振動ミラー１０を装着した状態で実施される。そして、共振周波数ｆ0の調整が完了した振動ミラー１０のフレームに駆動手段１１が装着された後、当該フレームがレーザスキャニングユニット５０の筐体５１に固定される。
【００７４】
以上説明したように、本発明によれば、プレス加工により成形された金属材料からなる振動子を備えた振動ミラーを、低コストに安定して製造することが可能となる。また、本発明に係る振動ミラーはハンドリングが容易であるためレーザスキャニングユニットの組立時等に破損することがない。さらに、本発明に係る振動ミラーは、共振周波数が所望の範囲内になっているため、レーザスキャニングユニットの組立時の調整作業を大幅に軽減できる。その結果、レーザスキャニングユニットを極めて低コストで製造することができる。
【００７５】
なお、本発明は上述した各実施形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想を逸脱しない範囲において、種々の変形および応用が可能である。
【産業上の利用可能性】
【００７６】
本発明は、特性が均一な振動ミラーを低コストで実現できるという効果を有し、振動ミラーおよびレーザスキャニングユニットとして有用である。
【図面の簡単な説明】
【００７７】
【図１】本発明の一実施形態におけるレーザスキャニングユニットの構造を示す概略構成図
【図２】本発明の一実施形態における振動ミラーの構造を示す概略斜視図
【図３】せん断応力が一定となる条件下で、梁幅と梁厚との比と、同一の共振周波数が得られる梁長との関係を示す図
【図４】共振周波数およびせん断応力が一定となる条件下で、梁幅の変動量が共振周波数に与える影響を示す図
【図５】チタン合金のＳ−Ｎ曲線を示す図
【図６】本発明の一実施形態における振動ミラーの製造に使用する金型を示す平面図
【図７】本発明の一実施形態における振動ミラーの製造過程を示す平面図
【図８】図２のＸ−Ｘ線における断面構造を示す断面図
【図９】駆動周波数と共振周波数との差異がレーザスキャニングユニットに与える影響を示す図
【図１０】本発明の一実施形態における振動ミラーの共振周波数の調整方法を示す図
【図１１】本発明の一実施形態における共振周波数調整片を備えた共振ミラーの支持部構造の一例を示す平面図
【図１２】本発明の一実施形態における共振周波数調整片の除去長と共振周波数ｆ0の変動量との関係を示す図
【図１３】本発明の一実施形態における共振周波数調整片を備えた共振ミラーの支持部構造の一例を示す図
【図１４】本発明の一実施形態における曲げ角度αと慣性モーメントＪとの関係を示す図
【図１５】本発明の一実施形態における曲げ角度αと共振周波数ｆ0の変動量との関係を示す図
【図１６】本発明の一実施形態における共振周波数調整片を備えた共振ミラーの支持部構造の一例を示す平面図
【図１７】本発明の一実施形態における曲げ角度βと慣性モーメントＪとの関係を示す図
【図１８】本発明の一実施形態における曲げ角度βと共振周波数ｆ0の変動量との関係を示す図
【符号の説明】
【００７８】
１ 振動子
２ 枠体
３ 梁（ねじり回転軸）
４ 支持部
５ ミラー
６ 永久磁石
１０ 振動ミラー
２１ 共振周波数調整片
２２ 共振周波数調整片
３０ 金型
４０ 金属材料（フープ材）
５０ レーザスキャニングユニット
５１ 光源
５２ 偏向器
５３ 結像レンズ系（アークサインθレンズ）
Ｌ 梁長
ｂ 梁幅
ｔ 梁厚
【技術分野】
【０００１】
本発明は、振動ミラーおよびレーザスキャニングユニットに関し、特に、梁をねじり回転軸として往復振動する、プレス加工により成形された金属材料からなる振動子と、前記振動子に支持されたミラーとを備える振動ミラーおよび当該振動ミラーを備えたレーザスキャニングユニットに関する。
【背景技術】
【０００２】
レーザプリンタ等の画像形成装置は、レーザ光を走査することにより、感光体（感光ドラム）上に潜像を形成する。このようなレーザ光の走査は、レーザスキャニングユニットにより実現される。レーザスキャニングユニットは、光源から形成画像に応じて変調されて出射したレーザ光をミラーにより偏向し、偏向したレーザ光を感光体上にスポット状に結像する。この種のレーザスキャニングユニットに使用される偏向ミラーとして、複数の反射面を有するポリゴンミラーが広く知られている。ポリゴンミラーを備えるレーザスキャニングユニットは、モータ等の駆動手段によりポリゴンミラーを一方向に回転させることによりレーザ光を偏向する。
【０００３】
近年の書込速度高速化の要求に応じて、ポリゴンミラーの回転速度は高まっているが、ポリゴンミラーの回転数を高めると、風切音やモータの振動等に起因して発生する音が大きくなり静寂性を確保することが困難になる。また、ポリゴンミラーを備えるレーザスキャニングユニットは、モータ等の駆動手段を備える必要があるため、小型化や軽量化が困難であるという問題もある。このため、レーザスキャニングユニットに往復型の偏向ミラーが使用されることもある。
【０００４】
このような往復型の偏向ミラーとして振動ミラーが知られている。この振動ミラーは、レーザ光の走査方向に対して垂直方向に配置されたねじり回転軸を有する機械的振動子により構成されている。そして、振動子に支持されたミラーを往復振動させることでレーザ光を走査させる。
【０００５】
近年、このような振動ミラーの製造に半導体製造技術が適用されるようになっている。このような振動ミラーは、単結晶シリコン基板等の半導体基板を加工することにより形成され、ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）振動ミラーとして注目されている（例えば、特許文献１、２等参照。）。
【特許文献１】特開２００３−８４２２６号公報
【特許文献２】特開２００１−３０５４７２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、上述のような半導体製造技術を適用したＭＥＭＳ振動ミラーを製造するためには、リソグラフィ装置等の非常に高価な製造設備が必要であり、低コストで製造することが困難である。また、シリコン単結晶基板等の半導体基板を基材として形成されたＭＥＭＳ振動ミラーは、比較的容易にへき開するためハンドリングの際に破損しやすいという問題もある。
【０００７】
一方、金属材料を加工することにより、振動ミラーを形成することも可能である。例えば、エッチング技術を適用して金属薄板を加工することにより、比較的容易に振動ミラーを製造することができる。しかしながら、金属材料はシリコン単結晶と比較すると許容応力が低いため、同一性能の振動ミラーを形成する場合、振動軸の長さを長くする必要があり、振動ミラーの外形サイズが大きくなってしまう。また、加工精度の観点では、エッチング技術は半導体製造技術に比べると精度が劣るため、完成品の特性にばらつきが生じやすいという問題もある。
【０００８】
本発明は、このような実情を鑑みて提案されたものであって、特性ばらつきを抑制した、金属材料からなる振動ミラーおよび当該振動ミラーを使用したレーザスキャニングユニットを提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記課題を解決するため、本発明は以下の技術的手段を採用している。まず、本発明は、梁をねじり回転軸として往復振動する、プレス加工により成形された金属材料からなる振動子と、前記振動子に支持されたミラーとを備える振動ミラーを前提としている。そして、本発明に係る振動ミラーは、振動子が、同一プレス方向のプレス加工により成形され、上記ミラーを支持する支持部を備える。当該支持部のプレス加工方向の上流側の面には、当該面外に一部が突出する状態で上記ミラーが支持される。また、上記支持部のプレス加工方向の下流側の面内には、永久磁石が配置される。
【００１０】
これにより、プレス加工によるバリの有無に関わらず、ミラーと永久磁石とを常に同一の状態で支持部に固定することができる。
【００１１】
また、本発明は、当該振動ミラーと、当該振動ミラーを往復振動させる駆動手段と、ミラーの反射面に向けて所定波長の光を照射する光源と、を備えたレーザスキャニングユニットを提供することもできる。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、プレス加工により成形された金属材料からなる振動子を備えた振動ミラーを、低コストに安定して製造することが可能となる。また、本発明に係る振動ミラーはハンドリングが容易であり、レーザスキャニングユニットの組立時等に破損することもない。さらに、本発明に係る振動ミラーは、バリの有無に関わらず、ミラーと永久磁石とを常に同一の状態で支持部に固定できるため、振動ミラーをプレス加工により低コストで安定して製造することができる。加えて、共振周波数が所望の範囲内になっているため、レーザスキャニングユニットの組立時の調整作業を大幅に軽減できる。その結果、レーザスキャニングユニットを極めて低コストで製造することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下、本発明の実施形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。
【００１４】
（レーザスキャニングユニットの構成）
まず、往復振動する振動ミラーを備えるレーザスキャニングユニットの構成について説明する。図１は、当該レーザスキャニングユニットを示す概略構成図である。レーザスキャニングユニット５０は、光源５２、偏向器５３、結像レンズ系５４を筐体５１内に備える。
【００１５】
光源５２は、回路基板６３上に実装されたレーザダイオード６１と、コリメータレンズ６２とを備える一体のユニットとして構成されている。回路基板６３は、外部から入力される画像信号にしたがってレーザダイオード６１が出射するレーザ光の強度変調を行う。変調されたレーザ光はコリメータレンズ６２に入射される。コリメータレンズ６２は、円筒形状のガラスレンズからなり、レーザダイオード６１から出力されたレーザ光をコリメータレンズ６２の光軸と一致した平行光に変換して出力する。なお、レーザダイオード６１の発光点は、コリメータレンズ６２の焦点に配置されている。
【００１６】
光源５２から出力されたレーザ光は、アパーチャ５５、シリンドリカルレンズ５６を通じて偏向器５３の反射面に入射される。偏向器５３は、感光体上でのレーザ光の走査方向に対して垂直方向に配置されたねじり回転軸を有する振動ミラー１０（以下で詳述する）と、当該振動ミラー１０を正弦的に往復振動させる駆動手段１１とにより構成されている。シリンドリカルレンズ５６は、振動ミラー１０の反射面上に、レーザ光のねじり回転軸方向のみを収束させた状態でレーザ光を投影する。
【００１７】
偏向器５３により偏向されたレーザ光は結像レンズ系５４に入射される。ここでは、結像レンズ系５４は、２枚のアクリルレンズにより構成されており、偏向器５３により偏向されたレーザ光を、感光体上の走査速度が略同一となる状態で感光体上にスポット状に結像させる。すなわち、結像レンズ系５４は、正弦的に振動する反射ミラー１０により反射され、入射角が時間とともに三角関数的に変化するレーザ光を、感光体上に等間隔なスポット列として結像させるアークサインθレンズになっている。
【００１８】
（振動ミラーの構成）
続いて、上述のレーザスキャニングユニットに搭載される振動ミラー１０の構造について詳細に説明する。図２は、本実施形態の振動ミラー１０の構造を示す概略斜視図である。図２に示すように、振動ミラー１０は、後述するプレス加工により成形された振動子１と、ミラー５と、永久磁石６とを備える。振動子１は、ミラー５および永久磁石６が固定される支持部４が同一直線上に配置された２本の梁３により支持された構造を有する。梁３の他端は、振動子１として一体に成形された矩形状の枠体２に支持されており、振動子１は梁３をねじり回転軸として往復振動する。この往復振動は、永久磁石６に交番磁場を付与することで持続される。
【００１９】
永久磁石６に付与する交番磁場は、例えば、電磁石に交流電力を印加する駆動手段１１により生成できる。この場合、往復振動の周波数、すなわち、電磁石に印加する交流電力の周波数（以下、駆動周波数という。）と振動ミラー１の共振周波数とが一致していると、振動ミラー１０の駆動のための消費電力を小さくすることができる。振動ミラー１０が共振周波数で往復振動する場合、振動を維持するために必要な外力の大きさが最小になるからである。
【００２０】
振動ミラー１０を介してレーザ光を感光体上で走査させるレーザスキャニングユニットでは、駆動周波数は感光体上の記録密度および印字速度（感光体の送り速度）に密接に関係する。すなわち、駆動周波数ｆは、記録密度Ｄ（ｄｐｉ）、印字速度Ｖ（ｍｍ／ｓｅｃ）により以下の式１で示される。
【００２１】
【数１】
【００２２】
式１は、振動ミラー１０がねじり回転軸に対していずれの方向に回転している場合にも印字を行う往復印字を前提としている。振動ミラー１０がねじり回転軸に対して一方向に回転している場合にのみ印字を行う片方向印字の場合には、駆動周波数ｆは２倍になる。例えば、記録密度Ｄが６００ｄｐｉであり、印字速度Ｖが１８０ｍｍ／ｓｅｃである場合、駆動周波数ｆは、約２１２６Ｈｚ（往復印字）である。
【００２３】
また、以上の構造を有する振動ミラー１０の共振周波数ｆ0は、梁３のばね定数Ｋ（両方の梁３の合計）と、ミラー５および永久磁石６を含む支持部４の慣性モーメントＪとにより、以下の式２で示される。
【００２４】
【数２】
【００２５】
一方、本実施形態では、振動子１が金属材料により構成されているため、往復振動中に梁３に付加されるせん断応力が梁３の許容応力を超えると、振動子１が破損してしまう。このため、構造上、振動子１には、梁３に付加されるせん断応力が、梁３の許容応力以下であることが求められる。各梁３のねじり回転軸方向の長さをＬ、梁３の幅をｂ、梁３の厚さをｔ（ここでは、ｔ≦ｂ）、梁３に付与されるトルクをＴとすると、梁３の幅方向の中点でのせん断応力τAは、以下の式３により表現される。
【００２６】
【数３】
【００２７】
また、梁３の厚さ方向の中点でのせん断応力τBは、以下の式４により表現される。
【００２８】
【数４】
【００２９】
さらに、梁３の単位長さあたりのねじれ角ω（共振周波数で往復振動しているときの最大振り角θ／梁長Ｌ）は、梁３の横方向弾性係数Ｇを用いて、以下の式５により表現される。
【００３０】
【数５】
【００３１】
この場合、ばね定数Ｋは、以下の式６を満足する。
【００３２】
【数６】
【００３３】
したがって、梁３は、式３および式４に示すせん断応力τAとτBとが、梁３の許容応力以下であり、かつ式２、式５および式６を満足する必要がある。金属材料はシリコン単結晶と比較すると許容応力が小さい。そのため、梁３をシリコン単結晶で形成された振動ミラーと同一寸法とした場合、梁３に付与可能なトルクＴの大きさはシリコン単結晶で形成された振動ミラーよりも小さくなる。したがって、シリコン単結晶で形成された振動ミラーと同一特性の振動ミラーを金属材料により構成する場合、梁３の断面の寸法を同一にすると、シリコン単結晶で形成された振動ミラーよりも梁長Ｌを長くしなければならない。このため、振動ミラー１０のねじり回転軸方向のサイズが大きくなってしまう。
【００３４】
そこで、本実施形態では、振動ミラー１０のねじり回転軸方向のサイズを小さくするために、梁３の断面形状として、ミラー５の反射面に平行な方向（以下、幅方向という。）を長辺とし、ミラー５の反射面に垂直な方向（以下、厚さ方向という。）を長辺の１／２倍以下の長さを有する短辺とした矩形形状を採用している。
【００３５】
図３は、せん断応力τA、τBが一定となる条件下で、梁３の幅ｂと厚さｔとの比（ｂ／ｔ）と、同一の共振周波数ｆ0が得られる梁３の長さとの関係を示す図である。図３において、横軸が梁断面比率（ｂ／ｔ）に対応し、縦軸が梁長に対応する。なお、図３では、梁長は、ｂ＝ｔ（断面が正方形）であるときの梁長を基準として規格化している。
【００３６】
図３に示すように、梁長は、梁断面比率の増大に伴って一旦増大し、その後に減少する。したがって、梁断面比率を２以上にすれば梁長を短縮でき、振動ミラー１０のねじり回転軸方向のサイズを小さくすることができる。
【００３７】
また、本実施形態では、このような断面形状を採用することにより、プレス加工に起因する成形誤差が共振周波数ｆ0に与える影響を緩和している。すなわち、後述のように振動子１はマルチステージのプレス加工（順送プレス加工）により成形されるため、梁３の各短辺（厚さ方向の辺）は少なくとも２回のプレス工程を経て形成される。各プレス工程では、ワークは金型に対して厳密に位置合わせされるが、位置合わせのクリアランスの範囲内での位置ずれは発生しうる。このような位置ずれが発生した場合、個々の振動子１において梁幅ｂの寸法が変動することになる。
【００３８】
図４は、共振周波数ｆ0およびせん断応力τA、τBが一定となる条件下で、梁断面比率（ｂ／ｔ）が異なる梁３をプレス加工により形成した場合に、梁幅ｂの変動量が共振周波数ｆ0に与える影響を示す図である。図４において、横軸は、梁幅ｂの変動量に対応し、縦軸は共振周波数ｆ0の変動量に対応する。また、図４では、梁断面比率が１（ｂ＝１、ｔ＝１）、２（ｂ＝１．４８、ｔ＝０．７４）、３（ｂ＝１．８９、ｔ＝０．６３）、５（ｂ＝２．５９、ｔ＝０．５２）である場合の、梁幅ｂの変動量と共振周波数ｆ0の変動量との関係を示している。なお、図４では、梁断面比率が１である場合の梁厚ｔは０．１５５ｍｍである。
【００３９】
図４から理解できるように、梁断面比率が大きいほど、共振周波数ｆ0の変動量が小さくなる。これは、梁幅ｂの変動量はプレス加工のクリアランスのみに依存するため、梁断面比率に関わらずほぼ一定になるからである。すなわち、共振周波数ｆ0およびせん断応力τA、τBが一定となる条件下では、梁断面比率が大きいほど梁幅ｂが大きくなる。そのため、プレス加工のクリアランスのみに依存する梁幅変動量が梁幅ｂに占める割合は、梁断面比率の増大に伴って相対的に小さくなり、結果として、共振周波数ｆ0の変動が小さくなる。したがって、梁厚ｔが梁幅ｂの１／２以下となる矩形断面形状を有する梁３を採用することにより、振動ミラー１０のねじり回転軸方向のサイズを小さくできるとともに、プレス加工の成形誤差に起因する共振周波数ｆ0の変動を抑制することができる。このような構成は、金属材料をプレス加工することにより振動子１を形成する場合に極めて好適である。
【００４０】
以下、振動ミラー１０の具体的な構造をその設計手順とともに説明する。振動ミラー１０を設計する場合、まず、振動子１を構成する金属材料を選定する。上述のように、振動子１はプレス加工により成形される。このような成形を可能とするために、金属材料はフープ材である必要がある。また、往復振動に起因する金属疲労を生じることがなく、かつ梁３の許容応力を大きくするという観点では、振動子１を構成する金属材料は、大きな疲労限度を有することが望ましい。さらに、慣性モーメントＪを小さくする（共振周波数ｆ0を大きくする）観点では、密度が小さいことが好ましく、往復振動の振り角θを大きくする観点では、横弾性係数Ｇが小さいことが好ましい（上記式５参照）。また、往復振動の際に発生する熱による形状変形が大きい場合、慣性モーメントＪが変動し、往復振動の過程で共振周波数ｆ0が変動してしまう。このため、熱膨張係数が小さいことも求められる。加えて、耐環境性能の観点からは材料的に安定しており、価格も安価であることが好ましい。そこで、本実施形態では、以上の条件を全て満足する金属材料としてチタン合金（Ｔｉ−１５Ｖ−３Ｃｒ−３Ｓｎ−３Ａｌ、ＡＭＳ４９１４）を採用している。当該チタン合金の疲労強度は３５０ＭＰａであり、密度は４．７ｇ／ｃｍ3である。なお、振動子１を構成する金属材料として、他のチタン合金や純チタンを採用することも可能である。
【００４１】
振動子１を構成する金属材料を選定した後、振動ミラー１０の振り角、ミラー５の材質およびサイズ、永久磁石６の材質およびサイズを決定する。振動ミラー１０の振り角およびミラー５のサイズは、レーザスキャニングユニットとして所望のビーム特性を得るのに必要な振り角およびサイズに決定される。当該ビーム特性は、振動ミラー１０と、振動ミラー１０により反射されたビームを感光体上に結像するレンズとの間の距離等のレーザスキャニングユニットの構造に依存して決まる。例えば、記録密度Ｄが６００ｄｐｉであり、印字速度Ｖが１８０ｍｍ／ｓｅｃである場合、振り角は±２３度、ミラー５のサイズは幅４．７ｍｍ×長さ（ねじり回転軸方向）０．８ｍｍ×厚さ０．１５ｍｍとすることができる。なお、ここではミラー５の平面形状を矩形としているが、所望のビーム形状のレーザ光を反射可能であれば、楕円形状等の他の平面形状であってもよい。また、ミラー５の材質はレーザ光を反射可能な材質であればよく、ここではガラスベース誘電体多層膜を採用している。
【００４２】
次いで、上記チタン合金の疲労強度に基づいて許容応力を決定する。許容応力は、チタン合金の疲労強度曲線（Ｓ−Ｎ曲線）に基づいて決定することができる。図５は、上記チタン合金のＳ−Ｎ曲線を示す図である。上述のように、当該チタン合金の疲労限度は３５０ＭＰａであり、最大振り角時に梁３に付与される最大応力が当該疲労限度以下とすれば、半永久的な寿命を実現することができる。ここでは、疲労限度３５０ＭＰａに対して１００ＭＰａのマージンを設けた２５０ＭＰａを許容応力としている。
【００４３】
続いて、決定されたミラー５のサイズに基づいて、振動子１の支持部４のサイズを決定する。当該支持部４のサイズが大きいと、慣性モーメントＪが大きくなり共振周波数ｆ0が小さくなる（式２参照）。このため、支持部４のサイズは、ミラー５を固定することができる最小限のサイズに決定することが好ましい。ここでは、支持部４のサイズを幅２．０ｍｍ×長さ（ねじり回転軸方向）１．２ｍｍとしている。なお、永久磁石６は、この支持部４に固定可能なサイズで、振動ミラー１０を往復振動させる外力を発生しうるものであればよい。ここでは、永久磁石６として、径０．８ｍｍ×厚さ０．４ｍｍの希土類磁石を使用している。
【００４４】
続いて、振動子１の厚みを仮設定し、ミラー５および永久磁石６を固定した状態、すなわち、ミラー５、永久磁石６、ミラー５を支持部４に固定するための接着部材および永久磁石６を支持部４に固定するための接着部材を含めた状態で、慣性モーメントＪを算出する。そして、当該慣性モーメントＪおよび式２より、所望の共振周波数ｆ0が得られるばね定数Ｋを算出する。そして、算出したばね定数Ｋと式３〜式６を用いて、式３および式４のせん断応力τA、τBが許容応力２５０ＭＰａ以下になる条件下で、梁幅ｂおよび梁長Ｌを決定する。なお、梁厚ｔは、上記仮設定した支持部４の厚さと同一である。また、上述のように梁幅ｂは、梁厚ｔの２倍以上に設定される。梁幅ｂの上限は特に限定されるものではないが、慣性モーメントＪへの影響を考慮すると、梁厚ｔの１０倍以下が目安となる。例えば、振動子１の厚みｔを０．１１ｍｍに仮設定した場合、慣性モーメントＪは、３．１×１０-12ｋｇｍ2であり、ばね定数Ｋは、５．５３×１０-4Ｎｍ／ｒａｄである。このため、梁幅ｂは０．２４３ｍｍ、梁長Ｌは８．７ｍｍに設定することができる。なお、梁長Ｌが極端に大きくなる場合には、振動子１の厚み（梁厚ｔ）を再設定して、慣性モーメントＪおよびばね定数Ｋを再計算し、梁幅ｂと梁長Ｌを再設計すればよい。
【００４５】
（振動ミラーの製造方法）
次に、以上の構成を有する振動ミラー１０の製造方法について説明する。図６は、振動ミラー１０を構成する振動子１の製造に使用する金型の一例を示す平面図である。なお、図６では、ダイパンチの形状と位置のみを模式的に示している。
【００４６】
図６に示すように、金型３０は、マルチステップの順送プレス加工により振動子１を成形する構造を有している。図６の例では、５ステップのプレス加工により振動子１が成形される。すなわち、領域３１では、板状の金属材料にガイド孔が形成される。領域３２では、梁３の幅方向の一方の端面が形成される。この時点では、支持部４は枠体２から分離されない。領域３３では、梁３の幅方向の他方の端面が形成される。領域３２と同様に、この時点では、支持部４は枠体２から分離されない。領域３４では、支持部４の幅方向の一方が枠体２から分離されて端面が形成される。そして、領域３５では、支持部４の幅方向の他方が枠体２から分離されて端面が形成される。
【００４７】
振動子１の製造工程では、以上の金型３０に対して、コイルフィーダー等を使用して帯状の金属材料が送り込まれる。図７は、図６に示す金型３０による振動子１の製造過程を示す平面図である。図７に示す矢印は金属材料４０の送り方向を示している。図７において、金属材料４０の領域４１、４２、４３、４４、４５が金型３０の領域３１、３２、３３、３４、３５によりそれぞれ成形された部分である。図７に示すように、金型３０の各領域３１〜３５を通過し、５回のプレス加工が完了すると、振動子１の成形が完了する。５回のプレス加工が完了した金属材料４０は、順次、振動子１として切断分離される。以上のようなプレス加工を使用することにより、枠体２、梁３、支持部４が一体に形成された振動子１を容易に製造することができる。
【００４８】
以上のようにして形成された振動子１の支持部４には、永久磁石６およびミラー５が順に装着される。永久磁石６の装着には、支持部４の永久磁石搭載面を上方に向けて振動子１を固定支持する機能と、永久磁石６をピックアップして永久磁石搭載面上に搬送する機能とを有する実装装置を使用する。当該実装装置としては、例えば、プリント基板等に電子部品を実装する公知のマウンタ等を流用することができる。
【００４９】
上記実装装置に振動子１が永久磁石搭載面を上方に向けて固定支持されると、実装装置の搬送手段が備える真空コレット等の吸着手段により、当該振動子１に搭載される永久磁石６がピックアップされる。永久磁石６を吸着した搬送手段は、振動子１の永久磁石搭載面の上方に移動する。この移動の過程で、永久磁石６の永久磁石搭載面との接触面にエポキシ樹脂等の接着部材が塗布される。そして、搬送手段は、永久磁石６の接着部材が塗布された面を永久磁石搭載面に接触させ、永久磁石６を永久磁石搭載面上に配置する。なお、永久磁石搭載面上における永久磁石６の配置位置は、公知の画像認識等により、振動ミラー１０の対称性を維持した状態に厳密に位置合わせされる。永久磁石６が装着された振動子１は、実装装置から搬出される。
【００５０】
永久磁石６が固定されると、当該振動子１のミラー搭載面にミラー５が装着される。ミラー５の装着には、永久磁石６が固定された支持部４のミラー搭載面を上方に向けて振動子１を固定支持する機能と、ミラー５をピックアップしてミラー搭載面上に搬送する機能とを有する実装装置を使用する。当該実装装置としては、例えば、プリント基板等に電子部品を実装する公知のマウンタ等を流用することができる。
【００５１】
上記実装装置に永久磁石６が固定された振動子１がミラー搭載面を上方に向けて固定支持されると、実装装置の搬送手段が備える真空コレット等の吸着手段により、当該振動子１に搭載されるミラー５がピックアップされる。このとき、吸着手段はミラー５を反射面側から吸着する。また、吸着手段は、ミラー５の反射面の光学特性を劣化させないように、ミラー５外縁を支持する。ミラー５を吸着した搬送手段は、振動子１のミラー搭載面の上方に移動する。この移動の過程で、ミラー５のミラー搭載面との接触面にエポキシ樹脂やＵＶ（Ultra Violet）硬化樹脂等の接着部材が塗布される。そして、搬送手段は、ミラー５の接着部材が塗布された面をミラー搭載面に接触させ、ミラー５をミラー搭載面上に配置する。なお、ミラー搭載面上におけるミラー５の配置位置は、公知の画像認識等により、振動ミラー１０の対称性を維持した状態に厳密に位置合わせされる。ミラー５が装着された振動子１は、実装装置から搬出される。なお、接着部材がＵＶ硬化樹脂である場合には、ミラー搭載面上に配置されたミラー５に、反射面側からＵＶ光が照射され、ＵＶ硬化樹脂の硬化が行われる。なお、この場合、ミラー５の反射面は当該ＵＶ光の波長を透過する光学特性を有することになる。
【００５２】
以上のようにして振動ミラー１０を構成することにより、従来のように、半導体製造装置等の極めて高価な製造設備を使用することなく、低コストで振動ミラーを製造することができる。
【００５３】
なお、本実施形態では、支持部４を成形するための複数回のプレス工程を同一方向から実施している。そして、支持部４のプレス加工方向上流側の面をミラー搭載面とし、プレス加工方向下流側の面を永久磁石搭載面にしている。図８は、図２のＸ−Ｘ線における断面構造を示す断面図である。図８に示すように、プレス加工により金属材料を成形する場合、プレス加工方向の下流側にバリが発生することがある。上述のように、支持部４のミラー搭載面のサイズは、ミラー５のサイズよりも小さくなっている。したがって、ミラー５をミラー搭載面に固定した場合、ミラー５の一部がミラー搭載面の外方へ突出する。しかしながら、ミラー５をプレス加工方向上流側の面に固定する構成とすることで、バリの有無に関わらずミラー５をミラー搭載面に密着して固定することができる。また、永久磁石６のサイズは、支持部４の永久磁石搭載面のサイズより小さいため、バリが形成された状況下であっても、永久磁石６と支持部４とを密着して固定することができる。したがって、本構成によれば、バリの有無に関わらず、ミラー５と永久磁石６とを常に同一の状態で支持部４に固定することができる。このため、プレス加工の過程でバリが形成された場合であっても、バリを除去する必要がなくバリ除去工程の追加による製造コストの増大を防止できる。
【００５４】
（共振周波数の調整方法１）
ところで、以上で説明した手法により設計、製造された振動ミラー１０は、プレス加工の加工精度、ミラー５や永久磁石６の固定に使用する接着部材の付着量の差異等に起因する個々の振動ミラー１０の個体差が、半導体製造技術を使用した形成された振動ミラーに比べると大きくなってしまう。このような個体差は、各振動ミラー１０の共振周波数ｆ0の差異として顕在化する。上述のように、レーザスキャニングユニットでは、共振周波数ｆ0は感光体上の記録密度および印字速度を決定するパラメータである。このため、共振周波数ｆ0は一定の範囲内に属している必要がある。
【００５５】
図９は、駆動周波数ｆと共振周波数ｆ0との差異がレーザスキャニングユニットに与える影響を示す図である。図９（ａ）は、電磁石に印加する交流電力が一定である場合の、周波数比（ｆ／ｆ0）と振幅（振り角）との関係を示している。また、図９（ｂ）は、振幅を一定にする場合の、周波数比と交流電力の大きさとの関係を示している。図９（ａ）において、横軸は周波数比に対応し、縦軸は振幅比に対応する。ここで、振幅比は、駆動周波数ｆと共振周波数ｆ0とが一致する場合の振幅を基準として規格化している。また、図９（ｂ）において、横軸は周波数比に対応し、縦軸は消費電力に対応する。
【００５６】
図９（ａ）および図９（ｂ）に示すように、振動ミラー１０の共振周波数ｆ0と駆動周波数ｆとが一致している場合、非常に小さな消費電力で大きな振幅が得られている。そして、図９（ａ）から理解できるように、駆動周波数ｆと共振周波数ｆ0との間に不一致が発生すると、同一の印加電力により得られる振幅が急激に小さくなる。このため、駆動周波数ｆと共振周波数ｆ0とが一致している場合と同一の振幅を得るために印加が必要な電力は急激に増大する（図９（ｂ））。レーザスキャニングユニットとして使用する場合、振り角が所望の範囲内でなければ正常な画像形成を行うことができない。また、振動ミラー１０を駆動する駆動手段１１が電磁石に供給する電力を大幅に調整可能な構成を採用することはレーザスキャニングユニットの製造コストが増大するとともに、全体の消費電力も大きくなるため好ましくない。このため、製造される振動ミラー１０のそれぞれの共振周波数ｆ0は、目標とする周波数の±０．５％の範囲内であることが望ましい。しかしながら、図３に示したように、金属材料をプレス加工により成形した振動子１を使用した振動ミラー１０では、共振周波数ｆ0の固体差は、目標とする周波数の±０．５％以上の範囲で変動する可能性がある。このため、上記振動ミラー１０は、共振周波数ｆ0を調整できる必要がある。
【００５７】
図１０は、振動ミラー１０の共振周波数ｆ0の調整方法を示す図である。ここでは、梁３の支持端部を一部除去する形状加工を施すことにより梁３のばね定数を変更し、共振周波数ｆ0を調整する手法について説明する。なお、梁３の支持端部とは、梁３と枠体２との接続部および梁３と支持部４との接続部の双方を指す。また、図１０では、梁３の支持端部のみを拡大して示している。
【００５８】
例えば、図１０（ａ）に示すように、梁３の厚さ方向に沿う面と枠体２の厚さ方向に沿う面との接続部に曲率半径ｒのＲ面取りを有する状態で梁３と枠体２とを接続すると、共振周波数ｆ0は曲率半径Ｒに応じて以下の表１に示すように変化する。表１においてｒ＝０は、梁３の厚さ方向に沿う面と枠体２の厚さ方向に沿う面とが垂直に接続している状態である（図１０（ｂ））。
【００５９】
【表１】
【００６０】
したがって、梁３の支持端部の形状加工により、Ｒ面取りの曲率半径ｒを変更することで、１．５％程度のレンジで共振周波数ｆ0を調整することができることになる。なお、このような形状加工は、例えば、レーザ光を照射することにより実現することができる。この場合、レーザ光のビーム径を変更することにより支持端部の曲率半径ｒを変更してもよく、また、レーザ光照射の走査経路を変更することにより、支持端部の曲率半径ｒを変更してもよい。また、形状加工は、レーザ照射に限らず、放電加工等によって行ってもよい。また、形状加工は、所定の曲率半径のＲ面取りを有する支持端部の曲率半径を小さくする加工およびＲ面取りを有しない支持端部にＲ面取りを形成する加工のいずれであってもよい。
【００６１】
また、例えば、図１０（ｃ）に示すように、梁３の厚さ方向に沿う面と枠体２の厚さ方向に沿う面との接続部に長さ０．１５のＣ面取りを有する状態で梁３と枠体２とを接続すると、共振周波数ｆ0は２０５８．５Ｈｚになる。このＣ面取り部の一方を曲率半径０．１５のＲ面取りに変更すると、共振周波数ｆ0は２０５５．５Ｈｚになる。また、両方のＣ面取り部を曲率半径０．１５のＲ面取りに変更すると（図１０（ｄ）参照）、共振周波数ｆ0は２０５２．６Ｈｚになる。このような形状加工を行うことによっても、共振周波数ｆ0を調整することができる。当該形状加工は、所定のＣ面取りを有する支持端部にＲ面取りを形成する加工および所定の曲率半径のＲ面取りを有する支持端部にＣ面取りを形成する加工のいずれであってもよい。
【００６２】
また、上記では、梁３と枠体２との接続部のみに形状加工を施す事例を説明したが、当該形状加工は、梁３と支持部４との接続部に対して実施してもよく、全支持端部に対して形状加工を施してもよい。全支持端部に対して形状加工を施す場合、共振周波数ｆ0の調整可能レンジはさらに広くなる。なお、梁３と枠体２との接続部では、振動ミラー１０が往復振動している状態であっても、ほとんど変位が発生しない。このため、当該箇所に対する形状加工は、振動ミラー１０を往復振動させた状態で実施することもできる。
【００６３】
以上のように、梁３の支持端部を形状加工することで、共振周波数ｆ0を調整することができるが、調整可能レンジが十分に大きいとはいえない。調整可能レンジをさらに大きくするため、振動ミラーは一部または全部が除去される共振周波数調整片を備えていてもよい。図１１は、共振周波数調整片を備えた共振ミラーの支持部構造の一例を示す平面図である。図１１に示すように、支持部４は、同一平面内の外方に延出された共振周波数調整片２１を備える。図１１の例では、ミラー５の外縁よりも外方に突出する状態でねじり回転軸方向に延出された共振周波数調整片２１が、支持部本体４ａの四隅のそれぞれに設けられている。なお、共振周波数調整片２１は、プレス加工により振動子１として一体に形成される。
【００６４】
この例では、レーザ照射等により各共振周波数調整片２１の一部または全部を除去することにより振動ミラーの慣性モーメントＪを減少させることができる。なお、振動ミラーの対称性を維持するため、各共振周波数調整片２１はそれぞれ同一長さだけ除去することが好ましい。この場合、慣性モーメントＪの減少量は、各共振周波数調整片２１の除去長さに応じて調整することができる。
【００６５】
当該調整方法により調整できる共振周波数のレンジは、調整前の慣性モーメントＪおよび慣性モーメントＪの減少量に依存するため一概にはいえないが、３％以上のレンジで共振周波数を調整することができる。図１２は、共振周波数調整片２１の除去長と共振周波数ｆ0の変動量との関係の一例を示す図である。ここでは、支持部本体４ａが幅２ｍｍ、長さ１．２ｍｍ、厚さ０．１１ｍｍであり、各共振周波数調整片２１が、突出長さ１ｍｍ、幅０．４ｍｍである。図１２に示すように、除去長が増大するにつれて共振周波数ｆ0は単調に増加する。本例の場合、除去量を１ｍｍ（全除去）にすると共振周波数ｆ0を８％程度変動させることができる。
【００６６】
また、当該共振周波数調整片の除去による共振周波数調整と上述の支持端部の形状加工による共振周波数調整とを併用することも可能である。この場合、共振周波数調整片の除去により共振周波数を粗調整し、支持端部の形状加工により共振周波数を微調整することができる。なお、共振周波数調整片２１はレーザ照射や放電加工により除去可能であればよく、その形状および数は限定されない。また、共振周波数調整片が支持部本体４ａから突出していることも必須ではなく、支持部本体４ａの一部が共振周波数調整片として機能する構成であってもよい。例えば、矩形形状の支持部４の四隅をミラー５の外縁よりも外側に突出するサイズとすれば、支持部４の四隅を共振周波数調整片として機能させることができる。
【００６７】
（共振周波数の調整方法２）
以上では、振動子１の一部を除去することにより共振周波数ｆ0を調整する構成を説明したが、振動子１の一部を除去することなく共振周波数ｆ0を調整することも可能である。図１３は、振動子１の一部を除去することなく共振周波数ｆ0を調整する共振周波数調整片を備える振動ミラーの支持部構造の一例を示す図である。図１３（ａ）に示すように、支持部４は、同一平面内の外方に延出された共振周波数調整片２２を備える。図１３（ａ）の例では、ミラー５の外縁よりも外方に突出する状態でねじり回転軸方向と垂直な方向に延出された共振周波数調整片２２が、支持部本体４ａの四隅のそれぞれに設けられている。本例では、支持部本体４ａは幅２ｍｍ、長さ２．４ｍｍであり、各共振周波数調整片２２は突出長さ１ｍｍ、幅０．５ｍｍである。なお、共振周波数調整片２２は、プレス加工により振動子１として一体に形成されるため、共振周波数調整片２２の厚さは支持部４ａの厚さと同一である。
【００６８】
共振周波数調整片２２が溶断するエネルギー照射量より小さいエネルギー照射量でレーザ光を照射した場合、共振周波数調整片２２は、レーザ光照射位置を基点としてレーザ光照射側へ向けて屈曲する。これは、レーザにより照射された箇所の材料が一旦加熱された後冷却することで熱収縮するからである。例えば、図１３（ａ）に示すように、支持部４の永久磁石搭載面に対向する方向から、共振周波数調整片２２の根元の幅方向中央部（矢指部Ａ）にレーザ光を照射すると、図１３（ｂ）に示すように、レーザ光照射位置を基点として共振周波数調整片２２の先端が永久磁石搭載面側へ向かって屈曲する。すなわち、共振周波数調整片２２の先端が梁３を含む面外に配置される。図１４は、共振周波数調整片２２の先端を梁３を含む面外に屈曲させた場合の、各共振周波数調整片２２の曲げ角度αと慣性モーメントＪとの関係を示す図である。ここで、曲げ角度αは、梁３を含む面と各共振周波数調整片２２とがなす角であり、α＝０度がレーザ光を照射していない状態である。レーザ光のビーム径および照射エネルギーを固定した場合、曲げ角度αは照射時間により調整することができる。また、図１５は、曲げ角度αと共振周波数ｆ0の変動量との関係を示す図である。図１４および図１５では、横軸が曲げ角度αに対応する。また、図１４では、縦軸が慣性モーメントＪに対応し、図１５では縦軸が共振周波数ｆ0に対応する。
【００６９】
図１４および図１５から理解できるように、曲げ角度αが増大するにつれて慣性モーメントＪは単調に減少する。また、慣性モーメントＪの減少に伴って、共振周波数ｆ0は単調に増加する。本例の場合、曲げ角度を３０度にすると共振周波数ｆ0を０．５％程度変動させることができる。
【００７０】
また、図１６に示すように、支持部４の永久磁石搭載面と対向する方向から、共振周波数調整片２２の根元の幅方向の一端（矢指部Ｂ）にレーザ光を照射すると、レーザ光照射位置を基点として共振周波数調整片２２の先端がレーザ光照射側へ向かって屈曲する。この場合、共振周波数調整片２２の先端は同一面内（梁３を含む面内）に配置される。図１７は、各共振周波数調整片２２を同一平面内で屈曲させた場合の、各共振周波数調整片２２の曲げ角度βと慣性モーメントＪとの関係を示す図である。ここでは、振動子１の対称性を維持するため、各共振周波数調整片２２の先端を隣り合う梁３の方向に屈曲させている。曲げ角度βは、ねじり回転軸に垂直な面と共振周波数調整片２２とがなす角であり、β＝０度がレーザ光を照射していない状態である。また、図１８は、曲げ角度βと共振周波数ｆ0の変動量との関係を示す図である。図１７および図１８では、横軸が曲げ角度βに対応する。また、図１７では、縦軸が慣性モーメントＪに対応し、図１８では、縦軸が共振周波数ｆ0に対応する。
【００７１】
図１７および図１８から理解できるように、曲げ角度βが増大するにつれて慣性モーメントＪは単調に減少する。また、慣性モーメントＪの減少に伴って、共振周波数ｆ0は単調に増加する。本例の場合、曲げ角度βを３０度とすると共振周波数を０．８％程度変動させることができる。
【００７２】
このように、振動子１の一部を除去することなく共振周波数ｆ0を調整すれば、加工くずの発生がない。したがって、加工くずがミラー５に付着してミラー５の光学特性を劣化させることもない。
【００７３】
なお、以上説明した共振周波数ｆ0の調整は、図１に示したレーザスキャニングユニット５０として組み立てる際に、筐体５１に固定されるフレームに振動ミラー１０を装着した状態で実施される。そして、共振周波数ｆ0の調整が完了した振動ミラー１０のフレームに駆動手段１１が装着された後、当該フレームがレーザスキャニングユニット５０の筐体５１に固定される。
【００７４】
以上説明したように、本発明によれば、プレス加工により成形された金属材料からなる振動子を備えた振動ミラーを、低コストに安定して製造することが可能となる。また、本発明に係る振動ミラーはハンドリングが容易であるためレーザスキャニングユニットの組立時等に破損することがない。さらに、本発明に係る振動ミラーは、共振周波数が所望の範囲内になっているため、レーザスキャニングユニットの組立時の調整作業を大幅に軽減できる。その結果、レーザスキャニングユニットを極めて低コストで製造することができる。
【００７５】
なお、本発明は上述した各実施形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想を逸脱しない範囲において、種々の変形および応用が可能である。
【産業上の利用可能性】
【００７６】
本発明は、特性が均一な振動ミラーを低コストで実現できるという効果を有し、振動ミラーおよびレーザスキャニングユニットとして有用である。
【図面の簡単な説明】
【００７７】
【図１】本発明の一実施形態におけるレーザスキャニングユニットの構造を示す概略構成図
【図２】本発明の一実施形態における振動ミラーの構造を示す概略斜視図
【図３】せん断応力が一定となる条件下で、梁幅と梁厚との比と、同一の共振周波数が得られる梁長との関係を示す図
【図４】共振周波数およびせん断応力が一定となる条件下で、梁幅の変動量が共振周波数に与える影響を示す図
【図５】チタン合金のＳ−Ｎ曲線を示す図
【図６】本発明の一実施形態における振動ミラーの製造に使用する金型を示す平面図
【図７】本発明の一実施形態における振動ミラーの製造過程を示す平面図
【図８】図２のＸ−Ｘ線における断面構造を示す断面図
【図９】駆動周波数と共振周波数との差異がレーザスキャニングユニットに与える影響を示す図
【図１０】本発明の一実施形態における振動ミラーの共振周波数の調整方法を示す図
【図１１】本発明の一実施形態における共振周波数調整片を備えた共振ミラーの支持部構造の一例を示す平面図
【図１２】本発明の一実施形態における共振周波数調整片の除去長と共振周波数ｆ0の変動量との関係を示す図
【図１３】本発明の一実施形態における共振周波数調整片を備えた共振ミラーの支持部構造の一例を示す図
【図１４】本発明の一実施形態における曲げ角度αと慣性モーメントＪとの関係を示す図
【図１５】本発明の一実施形態における曲げ角度αと共振周波数ｆ0の変動量との関係を示す図
【図１６】本発明の一実施形態における共振周波数調整片を備えた共振ミラーの支持部構造の一例を示す平面図
【図１７】本発明の一実施形態における曲げ角度βと慣性モーメントＪとの関係を示す図
【図１８】本発明の一実施形態における曲げ角度βと共振周波数ｆ0の変動量との関係を示す図
【符号の説明】
【００７８】
１ 振動子
２ 枠体
３ 梁（ねじり回転軸）
４ 支持部
５ ミラー
６ 永久磁石
１０ 振動ミラー
２１ 共振周波数調整片
２２ 共振周波数調整片
３０ 金型
４０ 金属材料（フープ材）
５０ レーザスキャニングユニット
５１ 光源
５２ 偏向器
５３ 結像レンズ系（アークサインθレンズ）
Ｌ 梁長
ｂ 梁幅
ｔ 梁厚
【特許請求の範囲】
【請求項１】
梁をねじり回転軸として往復振動する、プレス加工により成形された金属材料からなる振動子と、前記振動子に支持されたミラーとを備える振動ミラーであって、
前記振動子が、
同一プレス方向のプレス加工により成形され、前記ミラーを支持する支持部と、
前記支持部のプレス加工方向の上流側の面に、当該面外に一部が突出する状態で支持された前記ミラーと、
前記支持部のプレス加工方向の下流側の面に、当該面内に配置された永久磁石と、
を備えたことを特徴とする振動ミラー。
【請求項２】
請求項１に記載の振動ミラーと、
前記振動ミラーを往復振動させる駆動手段と、
前記ミラーの反射面に向けて所定波長の光を照射する光源と、
を備えたレーザスキャニングユニット。
【請求項１】
梁をねじり回転軸として往復振動する、プレス加工により成形された金属材料からなる振動子と、前記振動子に支持されたミラーとを備える振動ミラーであって、
前記振動子が、
同一プレス方向のプレス加工により成形され、前記ミラーを支持する支持部と、
前記支持部のプレス加工方向の上流側の面に、当該面外に一部が突出する状態で支持された前記ミラーと、
前記支持部のプレス加工方向の下流側の面に、当該面内に配置された永久磁石と、
を備えたことを特徴とする振動ミラー。
【請求項２】
請求項１に記載の振動ミラーと、
前記振動ミラーを往復振動させる駆動手段と、
前記ミラーの反射面に向けて所定波長の光を照射する光源と、
を備えたレーザスキャニングユニット。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【公開番号】特開２００９−１７５５１３（Ｐ２００９−１７５５１３Ａ）
【公開日】平成２１年８月６日（２００９．８．６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−１４８３１（Ｐ２００８−１４８３１）
【出願日】平成２０年１月２５日（２００８．１．２５）
【出願人】（０００００５８２１）パナソニック株式会社 (73,050)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２１年８月６日（２００９．８．６）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年１月２５日（２００８．１．２５）
【出願人】（０００００５８２１）パナソニック株式会社 (73,050)
【Ｆターム（参考）】
[ Back to top ]