专利名称：光偏转器和使用光偏转器的光学仪器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种光偏转器和诸如图像形成装置或显示器的使用这种光偏转器的光学仪器。本发明的光偏转器适合用于例如基于光的偏转扫描来投影图像的投影显示器，或者图像形成装置如具有电子照相过程的激光束打印机或数字复印机。
背景技术：
关于这种光偏转器，已经提出了各种类型的光扫描系统或光扫描仪，其中具有反射表面的活动元件正弦振荡以偏转光。与采用旋转多面镜(多面体镜)的光扫描系统相比，采用基于共振现象正弦振荡的光偏转器的光扫描系统具有以下优点。即光偏转器的尺寸可以做得非常小；功耗很低；尤其是用Si单晶体制造并通过半导体过程生产的光偏转器在理论上不存在金属疲劳并具有良好的耐久性。
利用共振现象的光偏转器的例子是如图8所示的致动器(参见专利文献1)。
在图8中，用100一般表示的该致动器包括第一质量构件1、第二质量构件2和一对支撑构件3。这些部件都例如由硅制成。光反射元件21设置在致动器的第二质量构件2的表面。如图8所示，致动器100具有一对第一弹性耦合构件4，用于将第一质量构件1与支撑构件3耦合，以便第一质量构件相对于支撑构件3进行枢轴运动。此外，致动器还具有一对第二弹性耦合构件5，用于将第一质量构件1与第二质量构件2耦合，以便第二质量构件2相对于第一质量构件1进行枢轴运动。用6表示相对衬底。
所述两个自由度的振荡类型致动器具有其中第一和第二质量构件1、2的振幅很大的两个共振频率(固有振荡模式)，以及其中第一质量构件1的振幅近似等于0的一个反共振频率(固有振荡模式)。在上述结构的致动器中，通过利用用于驱动的两个频率中的较低频率，可以使第二质量构件2的位移角(旋转角)很大，同时保持第一质量构件1的振幅很小。
一些基于共振现象的光偏转器利用同时激励扭转振荡方向上的两个或更多固有振荡模式以执行不同于正弦波光扫描的光扫描的方法(参见专利文献2)。
图9是用于说明这种光偏转器的平面图。平面形状的活动元件1001在其顶部和底部受到两个扭转弹簧1011a和1011b的支撑，如图9所示。框架形的活动元件1002向内支撑这些扭转弹簧1011a和1011b，同时如图9所示其顶部和底部由两个扭转弹簧1012a和1012b支撑。框架形的支撑框架1021向内支撑扭转弹簧1012a和1012b。活动元件1001、1002和扭转弹簧1011、1012具有两个频率比为1∶2的固有振荡模式。通过同时激励这两个模式，通过类似锯齿波的振荡来驱动光偏转器，而且提供角速度变化小的光扫描。1000表示平板构件，1041表示永久磁体。
(专利文献)1日本专利申请公开No.2005-099760和对应的美国专利申请公开No.2005/088715(A1)2日本专利申请公开No.2005-208578和对应的美国专利申请公开No.2006/152785(A1)发明内容在激光束打印机等的电子照相过程中，由激光束扫描感光构件以便在该感光构件上形成图像。在用具有多个活动元件和多个扭转弹簧的光偏转器来执行具有大位移角的光扫描的情况下，期望多个固有振荡模式具有期望的关系，而且位移角是稳定的。但是，在具有多个活动元件和多个扭转弹簧的光偏转器中，由于过程精度的离差等原因，不容易将多个固有振荡模式设置为期望的关系。此外，如果光偏转器的位移角因为空气阻力等原因而很大，则不容易保持位移角的稳定。
根据本发明的一个方面，提供了一种光偏转器，包括支撑构件；具有光偏转元件的第一活动元件；至少一个第二活动元件；至少一个配置为支撑所述第一和第二活动元件的第一扭转弹簧，用于围绕振荡轴的扭转振荡；至少一个配置为支撑所述第二活动元件和所述支撑构件的第二扭转弹簧，用于围绕振荡轴的扭转振荡；以及配置为向所述第一和第二活动元件中的至少一个施加驱动力的驱动系统；其中所述第二活动元件对所述振荡轴的转动惯量大于所述第一活动元件对所述振荡轴的转动惯量，其中所述第二活动元件在垂直于振荡轴的方向上的长度等于或小于所述第一活动元件在垂直于振荡轴的方向上的长度。
根据本发明的另一方面，提供了一种光学仪器，包括光源；上述光偏转器；以及感光构件和图像显示构件之一；其中所述光偏转器配置为偏转来自所述光源的光，并将被偏转的光的至少一部分引向所述感光构件或图像显示构件。
按照本发明，如上所述设置第二活动元件的转动惯量或在垂直于振荡轴的方向上的长度。这实现了这样的光偏转器，其中该光偏转器的多个固有振荡模式可以容易地调整为期望的关系，而且，即使位移角较大，也能保持位移角的稳定。在采用这种光偏转器的光学仪器中，通过本发明实现了大而稳定的位移角。
通过考虑下面结合附图对本发明优选实施例的描述，本发明的这些以及其它目的、特征和优点将会更加明显。
图1A是按照本发明实施例以及本发明的第一工作示例的光偏转器的平面图。
图1B是沿着图1A的线A-B截取的图1A的光偏转器的截面图。
图2是用于说明按照本发明第一工作示例由光偏转器扫描偏转的光的位移角的图。
图3是用于说明按照本发明第一工作示例由光偏转器扫描偏转的光的角速度的图。
图4A是按照本发明第二工作示例的光偏转器的平面图。
图4B是沿着图4A的线A-B截取的图4A的光偏转器的截面图。
图5A是按照本发明第三工作示例的光偏转器的平面图。
图5B是沿着图5A的线A-B截取的图5A的光偏转器的截面图。
图6A是按照本发明第四工作示例的光偏转器的平面图。
图6B是沿着图6A的线A-B截取的图6A的光偏转器的截面图。
图7是用于说明本发明第五工作示例的光学仪器的透视图。
图8是用于说明公知类型的致动器的平面图。
图9是用于说明公知类型的振荡器装置的平面图。
具体实施例方式
下面参照附图描述本发明的优选实施例。
首先，参照图1A和1B描述本发明的光偏转器的实施例。图1A是按照该实施例的光偏转器的平面图，图1B是沿着图1A的线A-B截取的截面图。该实施例的光偏转器可以包括支撑构件101；具有可以作为光偏转元件的反射表面107的第一活动元件102；第二活动元件120；以及用于围绕振荡轴104弹性耦合支撑构件101、第一活动元件102和第二活动元件120的扭转弹簧105、106。第二活动元件120可以包括主体103、诸如金属等设置在主体的顶表面上用于调整质量的质量调整构件109、设置在主体底部的磁体(硬磁性材料)108。第一活动元件102可以由第二活动元件120通过第一扭转弹簧105弹性支撑，以围绕振荡轴104扭转振荡。第二活动元件120可以由支撑构件101通过第二扭转弹簧106弹性支撑，以围绕振荡轴104扭转振荡。支撑构件101可以通过间隔件112固定在静止的基板111上。
该实施例的光偏转器还可以包括用于驱动第一和第二活动元件102、120的驱动单元；以及用于控制该驱动单元的驱动控制单元。典型的，该驱动单元可以包括用于向第一和第二活动元件102、120中的至少一个施加扭矩以便对该活动元件产生共振驱动的装置。在此，驱动单元可以包括用于向第二活动元件120施加扭矩以便对第一和第二活动元件102、120产生共振驱动的磁体108和线圈110。磁体108可以设置在第二活动元件120处，线圈110可以安装在基板111上。驱动控制单元例如可以是用于基于驱动信号向驱动单元的线圈110提供驱动电流的驱动控制电路。该驱动单元可以基于该示例中的电磁方法，或者例如可以使用静电方法或压电方法。
该实施例的光偏转器可以具有频率不同的两个固有扭转振荡模式。通过驱动控制单元和驱动单元(108，110)，可以同时或分别激励这两个固有振荡模式(一阶固有振荡模式和二阶固有振荡模式)。这以相对于支撑构件101较大的位移角产生对第一和第二活动元件102、120围绕振荡轴104的扭转共振驱动。在这两个固有扭转振荡模式被同时激励的情况下，由基于叠加的正弦波的振荡来驱动该实施例的光偏转器。
该实施例的光偏转器可以具有这样的特征第二活动元件120对振荡轴104的转动惯量I2可以大于第一活动元件102对振荡轴104的转动惯量I1。此外，第二活动元件120在垂直于振荡轴104的方向上的长度122可以等于或低于第一活动元件102在垂直于振荡轴104的方向上的长度121。在第一活动元件102或第二活动元件120的形状非矩形(包括正方形)的情况下，在垂直于振荡轴104的方向上的长度可以是指垂直于振荡轴104并直到离振荡轴104最远的点的长度。
下面说明该实施例的功能和操作。在按照该实施例的光偏转器中，第二活动元件120(与支撑构件101连接)对振荡轴104的转动惯量I2可以大于第一活动元件102(与第二活动元件120连接)对振荡轴104的转动惯量I1。该结构使得能够容易地调整两个固有扭转振荡模式，从而使它们具有希望的关系。
例如，如果第一和第二活动元件102、120的转动惯量具有I1＞I2的关系，则改变转动惯量I1会对两个固有振荡模式都导致很大的变化。而且，改变转动惯量I2也会类似地对两个固有振荡模式都导致很大的变化。因此，很难单独调整两个固有扭转振荡模式。
另一方面，如果第一和第二活动元件102、120的转动惯量具有I1＜I2的关系，通过改变转动惯量I1或I2，可以主要改变光偏转器的一阶固有振荡模式和二阶固有振荡模式之一。优选地，I2应当是I1的四倍或更大。
因此，即使两个固有扭转振荡模式由于制造光偏转器时导致的形状离差而不满足期望的关系，例如通过调整转动惯量I1和I2中的至少一个，也可以将这两个固有扭转振荡模式调整为期望的频率关系。
即使固有振荡模式的频率f1和f2由于诸如包括第一和第二活动元件的振荡系统的加工公差等误差因素而偏离目标频率，也可以基于上述转动惯量关系来很好地调整这些频率f1和f2。详情如下。
在满足上述转动惯量关系的本实施例的振荡系统中，围绕振荡轴104的一阶和二阶固有振荡模式的频率f1和f2可以通过下面的等式(1)给出的关系来近似，其中I1是第一活动元件102的转动惯量，I2是第二活动元件120的转动惯量，K1和K2分别是第一和第二扭转弹簧105、106的弹簧常数。此外，关于右手边的双重符号，在f1的情况下选择负号，而在f2的情况下选择正号。
(2πf1,2)2=12(K1+K2I2+K1I1)+-12(K1+K2I2+K1I1)2-4K1K2I1I2---(1)]]>从等式(1)可以看出，如果I1和I2之差不大，则频率f1和f2都会根据I1和I2的增加/减少而变化。因此，为了分别朝着期望的频率调整频率f1和f2，必须加大I1和I2的增加/减少量，否则朝着期望值调整该频率就会变得很困难。
另一方面，在等式(1)中如果I1＜＜I2(例如I2是I1的四倍或更大)，则由于调整两个活动元件的转动惯量I1和I2而导致的频率f1和f2的变化会具有频率f1响应I1的增加/减少而变化、而频率f2响应I2的增加/减少而变化的特性；同时I1的增加/减少导致频率f2很小的变化，而I2的增加/减少导致频率f1很小的变化。
当上述等式(1)应用于如图4所示具有两个第二活动元件220a、220b的振荡系统时，可以用这两个第二活动元件220a、220b的转动惯量之和作为第二活动元件的转动惯量I2。此外，关于第一扭转弹簧的弹簧常数K1，可以使用第一扭转弹簧205a、205b的弹簧常数之和。类似地，关于第二扭转弹簧的弹簧常数K2，可以使用第二扭转弹簧206a、206b的弹簧常数之和。
考虑到上述振荡系统的特性，该实施例的振荡系统可以设置为使得永久磁体108和质量调整构件109都只设置在第二活动元件120上，由此满足关系I1＜＜I2同时保证扫描稳定性得到改善。特别是，将磁体108只设置在第二活动元件120上，在该磁体用作扭转产生源的同时，该磁体的质量也用作转动惯量来保证关系I1＜＜I2。
在该实施例的振荡系统中，基于激光束投影，第一活动元件102和/或质量调整构件109可以被部分地去除以减小I1和I2的合适量，由此可以将频率f1和f2调整为满足期望的关系(即通过下面描述的等式(2)或等式(4)定义的关系)。因此，即使固有振荡模式的频率偏离期望值，这也可以得到合适地满足。即，在这种情况下，通过扫描驱动频率来测量振荡系统的振幅，可以确定固有振荡模式的频率f1和f2与其目标值之间的任何偏差。基于这样测得的值，可以根据等式(1)计算必要的调整量δI1和δI2。然后，例如通过利用激光束部分去除第一活动元件103和/或质量调整构件109，可以按照需要准确地调整频率f1和f2。
具体地说，关于调整量δI2，通过在磁体108和质量调整构件109之间共享用于向第二活动元件120提供转动惯量的功能，与去除第二活动元件120本身的一部分的情况相比，通过激光束加工而去除的单位体积对应的调整量δI2加大了。因此，可以快速进行基于激光束加工的固有振荡模式的频率调整，而且保证了廉价的生产。此外，由于去除的单位体积对应的调整量δI2较大，因此即使第二活动元件120的宽度很小，频率的可调整范围也可以很大。利用这些特征，不仅可以改善扫描稳定性，而且还可以将振荡系统的尺寸做得很小。因此，在根据半导体制造方法用单晶硅衬底制造该器件时，制造成本可以进一步降低。
另一方面，如果第二活动元件120在垂直于振荡轴104的方向上的长度122大于第一活动元件102在垂直于振荡轴104的方向上的长度121，则施加在第二活动元件120上的空气阻力变大。考虑到这一点，第二活动元件120在垂直于振荡轴104的方向上的长度优选可以小于第一活动元件102在垂直于振荡轴104的方向上的长度。这减小了空气阻力，并改善了位移角稳定性。因此，即使以较大的位移角驱动光偏转器，也能保证良好的位移角稳定性。
此外，通过使第二活动元件120的转动惯量较大，可以改善固有振荡模式的振幅放大系数(共振锐度Q值)。通过增大转动惯量来增大振幅放大系数以由此减小振荡能量的离差，改善了位移角的稳定性。因此，即使以较大的位移角驱动光偏转器，也能保证良好的位移角稳定性。
在该实施例的光偏转器中，第二活动元件120在垂直于振荡轴104的方向上的长度可以等于或小于第一活动元件102在垂直于振荡轴104的方向上的长度。利用这一结构，由于第二活动元件120在扭转振荡期间的空气阻力进一步降低，因此改善了位移角稳定性。
此外，在该实施例的光偏转器中，第二活动元件120可以具有大于第一活动元件102的厚度。利用这一结构，第一和第二活动元件102、120的转动惯量可以很容易满足I1＜I2的关系。
该实施例的光偏转器可以具有这样的结构支撑构件101和多个扭转弹簧之一彼此连接。利用这一结构，即使支撑构件101的固定点由于任何热应力或固定该支撑构件101时产生的应力而导致的任何非期望的力而变形，也会在第一和第二活动元件102、122上作用非常小的应力。因此，避免了反射表面107的平坦度(表面精确度)的降低。具体地说，当第二活动元件120由单个元件构成时，由于空气阻力很小，因此改善了位移角稳定性，此外，还实现了尺寸很小的光偏转器。
该实施例的光偏转器可以具有第一和第二活动元件102、120在多个扭转弹簧的相反两端与连接支撑构件连接的结构。利用这一结构，由于在相反两端的支撑(每个扭转弹簧固定在两个点上)，可以在扭转振荡期间更为可靠地避免除扭转弹簧以外的不期望振荡。尤其是，即使该光偏转器配备了具有较大转动惯量而很容易在扭转振荡期间产生不期望振荡的活动元件，也能很好地避免这种不期望振荡的出现。
该实施例的光偏转器可以具有第一活动元件102由单个部件或单种材料提供的结构。利用该结构，由于具有反射表面107的第一活动元件102是由单个部件制造的，因此可以更为可靠地避免反射表面107的变形。
该实施例的光偏转器可以具有第二活动元件120由多个部件提供的结构，如上所述。利用该结构，由于第二活动元件120可以包括具有大转动惯量的部件(例如质量调整构件109或磁体108)，因此可以很容易地使第二活动元件120的转动惯量很大。因此，可以很容易地将第一和第二活动元件102、120的转动惯量设置为满足I1＜I2的关系(参见下面描述的第一工作示例)。
该实施例的光偏转器可以具有第二活动元件120的上述多个部件设置在将振荡轴104夹在中间的位置的结构。例如，如图1A和1B所示，诸如金属构件的部件可以设置在沿着第二活动元件120的平坦表面部位的法线方向并且将振荡轴104夹在中间的位置。在这种情况下，可以使第二活动元件120的转动惯量非常大。可替换地，诸如金属构件的部件可以设置在平行于第二活动元件的平坦表面部位并且将振荡轴104夹在中间的位置。在这种情况下，也可以使第二活动元件120的转动惯量非常大。因此，利用这些结构，可以更容易地使第二活动元件的转动惯量I2很大。
该实施例的光偏转器可以具有第二活动元件120的重心与振荡轴104对齐的结构。利用该结构，可以更为可靠地避免在扭转振荡期间除扭转振荡以外的不期望振荡(参见下面讨论的第三工作示例)。具体地说，即使该光偏转器配备了具有较大转动惯量而很容易在扭转振荡期间产生不期望振荡的活动元件，也很好地避免这种不期望振荡的出现。
该实施例的光偏转器可以具有上述多个部件中至少一个是由金属制成的结构。利用该结构，由于第二活动元件120包括具有大比重的金属，因此可以很容易地使第二活动元件120的转动惯量很大。因此，可以很容易地将第一和第二活动元件102、120的转动惯量设置为满足I1＜I2的关系。
该实施例的光偏转器可以具有上述多个部件中至少一个是硬磁性材料108的结构，如上所述。利用该结构，一方面可以使第二活动元件120的转动惯量很大，另一方面如果驱动单元基于电磁力，则可以通过很小的电流产生很大的驱动力。由此，降低了功耗。
该实施例的光偏转器可以具有第一活动元件、第二活动元件、扭转弹簧和支撑构件都由单晶硅整体制成的结构。在这种情况下，这些都可以基于采用半导体制造过程的微加工方法而在相同过程中制造。由此可以用非常高的加工精度制造光偏转器。
该实施例的光偏转器可以具有至少两个不同频率的固有振荡模式，而且第一活动元件102可以根据该至少两个固有振荡模式同时围绕振荡轴104扭转振荡。利用该设置，可以基于叠加正弦波的振荡来驱动光偏转器。
该实施例的光偏转器可以具有两个不同固有振荡模式之一的频率大致为另一种模式频率的两倍或三倍的结构。在这种情况中，第二活动元件的转动惯量I2应当为第一活动元件的转动惯量I1的1.8倍或更大。这使得能够基于类似锯齿波的(或类似斩波的)振荡来驱动第一活动元件(参见下面讨论的第一工作示例)。
该实施例的光偏转器可以具有这样的结构当定义垂直于振荡轴104的平面时，第一和第二活动元件的至少一个具有在多个位置与该平面相交的形状(参见下面讨论的第三工作示例)。利用该结构，即使活动元件具有比较小的面积，也能使其转动惯量很大。另外，质量的调整很容易，由此可以比较容易地调整转动惯量。
具有按照本发明该实施例的光偏转器的诸如显示器或打印机的光学仪器可以包括光源、上述光偏转器，还可以包括感光构件和图像显示构件之一。光偏转器可以偏转来自光源的光，并将被偏转的光的至少一部分引向该感光构件或图像显示构件。
接下来，参照本发明的具体工作示例详细描述本发明。
下面描述本发明的第一工作示例。该工作示例直接对应于上述实施例。图1A和1B示出按照该第一工作示例的光偏转器的结构。图1A是光偏转器的平面图，图1B是沿着图1A的线A-B截取的截面图。该光偏转器包括支撑构件101；具有反射表面107的第一活动元件102；第二活动元件120；以及用于围绕振荡轴104弹性耦合支撑构件101、第一活动元件102和第二活动元件120的扭转弹簧105、106。该光偏转器还包括用于向第二活动元件120施加扭矩以便对第一和第二活动元件102、120产生共振驱动的驱动单元；以及用于控制该驱动单元的驱动控制单元。驱动单元包括设置在第二活动元件120上的磁体108和安装在基板111上的线圈110。
第一活动元件102在垂直于振荡轴104的方向上具有3mm的长度121，在平行于该轴的方向上具有1mm的尺寸。第二活动元件120在垂直于振荡轴104的方向上具有2.8mm的长度122，在平行于该轴的方向上具有1.5mm的尺寸。支撑构件101、第一和第二活动元件102和120的硅部分(主体部分)103、扭转弹簧105和106根据半导体制造方法的光刻和干蚀刻而由单晶硅衬底整体地制成。因此，可以制造具有最高加工精度以及很小尺寸的光偏转器。
第一活动元件102的反射表面107由铝制成，而且是通过真空汽相沉积形成的。当然，还可以例如由任何其它材料如金或铜制成。可以在反射表面的最上表面设置保护膜。第二活动元件120具有硅部分103、硬磁性材料108和铜构件(质量调整构件)109。
下面说明该工作示例的驱动原理。硬磁性材料108在垂直于振荡轴104的方向上极化(磁化)。该工作示例的光偏转器具有两个具有不同的频率f1和f2的固有扭转振荡模式。当驱动控制单元和驱动单元向线圈110施加AC电流时，产生电磁力，并且该电磁力施加在硬磁性材料108上。作为响应，两个固有扭转振荡模式同时被激励。结果，以相对于支撑构件101较大的位移角产生对第一和第二活动元件102、120围绕振荡轴104的扭转共振驱动。
下面详细说明按照该工作示例的光偏转器的类似锯齿波的振荡的驱动原理。关于围绕扭转轴104的扭转振荡，该示例的光偏转器的振荡系统具有频率为f1的一阶固有振荡模式和频率为f2的二阶固有振荡模式，频率f2大约是基准频率的两倍。该振荡系统可以视为具有关于扭转振荡的自由度“2”的振荡系统。
另一方面，固定线圈110基于基准频率f0(由系统应用的规格确定的目标驱动频率)和两倍于该基准频率的频率2f0，根据组合的驱动信号来驱动振荡系统。基准频率f0和固有振荡模式频率f1和f2具有下面描述的关系，而且该示例的光偏转器基于固有振荡模式的大的动态与静态模量比(振幅放大系数)执行低功耗的正弦波组合驱动。
具体地说，固有模式频率f1设计为接近基准频率f0。在此，如果一阶和二阶固有振荡模式的模式衰减比(表示在固有模式频率下动态与静态模量比频率特征曲线的峰值的尖锐度，而且近似等于1/2Q)分别用γ1和γ2表示，则其范围表达如下。
f0(1-2γ1)＜f1＜f0(1+2γ1)(2)此外，在该说明书中，涉及频率f1和f2的频率比的失谐Δ如下定义，而且确定“大约整数倍”的范围。失谐Δ通过Δ＝N(f1/f2)定义，作为振荡系统的频率f1和f2在“N倍”关系中的指标。例如，在该说明书中，词组“大约两倍”是指通过下面等式(3)表示的范围。
-2(γ1+γ2)+1<2f1f2<2(γ1+γ2)+1---(3)]]>此外在该工作示例中，频率比在如下范围内。
-(γ1+γ2)+1<2f1f2<(γ1+γ2)+1---(4)]]>
在该工作示例的振荡系统中，γ1大约是0.001，γ2大约是0.00025。在该示例中，通过固定线圈110，在两个固有振荡模式的峰值的附近激励频率为f0和2f0的振荡，并以此为基础驱动振荡系统。具体地说，在通过等式(2)定义的范围中，关于作为用于正弦波组合驱动而消耗的电功率的主要分量的频率f0的振荡，可以使用具有一阶固有振荡模式的大动态与静态模量比(振幅放大系数)的范围。因此，降低了该光偏转器的功耗。
下面详细说明驱动方法。图2是取时间t为横轴的图，其说明在频率为f0的扭转振荡期间第一振荡器102的位移角(在本说明书中，由于活动元件的往复振荡的位移角和被光偏转器偏转扫描的光的位移角只是关于常数不同，因此它们被视为等同)。具体地说，图2示出对应于第一活动元件102的扭转振荡的一个周期T0的部分(-T0/2＜X＜T0/2)。
曲线61描绘向固定线圈110供给能量的驱动信号的基准频率f0分量。这是正弦振荡，其在最大振幅±1的范围内往复振荡，并且通过下面的等式(5)表达，其中时间是t，角频率是w0＝2πf0。
θ1＝1sin[w0t](5)另一方面，曲线62描绘了两倍于基准频率f0的频率分量，而且这是正弦振荡，其在最大振幅±2的范围内振荡，并且通过下面的等式(6)表达。
θ2＝2sin[2w0t](6)曲线63描绘了作为上述驱动的结果而产生的第一活动元件102的扭转振荡的位移角。关于围绕扭转轴104的扭转振荡，光偏转器具有频率为f1的固有振荡模式和频率为f2的二阶固有振荡模式，分别调整在基准频率f0和基准频率两倍的频率2f0附近，如上所述。因此，由对应于θ1的驱动信号激励的共振和由对应于θ2的驱动信号激励的共振都在光偏转器中发生。也就是说，第一活动元件102在曲线63中的位移角基于由这两个正弦振荡的叠加提供的振荡；即，产生可以通过下面的等式(7)表达的类似锯齿波的振荡。
θ＝θ1+θ2＝1sin [w0t]+2sin[2w0t](7)图3示出曲线61a和63a和直线64a，它们分别是通过对图2中的曲线61和63以及直线64求微分而获得的，并且示出这些曲线的角速度。与描绘基准频率f0的正弦振荡的角速度的曲线61a相比，描绘第一活动元件102的类似锯齿波的往复振荡的角速度的曲线63a具有这样的特征在区间N-N’中，角速度保持在上限对应于最大角速度V1而下限对应于最低角速度V2的范围内。因此，如果在基于利用该光偏转器的光偏转扫描的应用中，V1和V2存在于距离对应于恒定角速度扫描的直线64a的角速度可容许误差范围内，则区间N-N’可以视为基本恒定角速度扫描区。
如上所述，与基于遵循正弦波的位移角的振荡相比，锯齿波往复振荡为偏转扫描的角速度提供更宽的角速度基本上保持恒定的范围。因此可用范围与整个偏转扫描范围之比显著增大。此外，基于锯齿波的驱动保证扫描行的规则间隔，这在例如打印机的应用中非常有利。
尽管上面的描述是参照固有振荡模式的频率f1和f2具有后者大约是前者两倍的“两倍”关系的示例来进行的，但是也可以设置后者大约是前者三倍的“三倍”关系。在这种情况下，与“两倍”关系类似，通过基于正弦波叠加的振荡，提供类似斩波的振荡。由于这使得能够利用光的往复扫描，因此特定可用频率下的扫描行的个数可以加倍。
当准备进行该工作示例的驱动时，应当将多个固有振荡模式调整为预定的关系，而且应当使位移角稳定。为此，在该工作示例的光偏转器中，第二活动元件120对振荡轴104的转动惯量I2大于第一活动元件102对振荡轴104的转动惯量I1。通过这样做，两个固有振荡频率可以很容易调整为满足期望的关系。这正好与上面参照本发明实施例描述的相同。因此，即使两个固有扭转振荡模式由于例如制造光偏转器时导致的形状等偏差而不能满足期望的关系，通过调整转动惯量I1和I2，也可以将这两个固有扭转振荡模式调整为期望的频率关系。
此外，通过使转动惯量I2较大，改善了固有振荡模式的振幅放大系数(共振锐度Q值)。因此，通过增大转动惯量以增大振幅放大系数并由此减小振荡能量的离差，可以改善位移角的稳定性。
在该工作示例的光偏转器中，第二活动元件120在垂直于振荡轴104的方向上的长度122可以小于第一活动元件102在垂直于振荡轴104的方向上的长度121。通过这样做，减小了第二活动元件120的空气阻力，并且进一步改善了位移角的稳定性。
此外，在该工作示例的光偏转器中，第二活动元件120由多个部件提供(硅部分103、硬磁性材料108和铜构件109)，而另一方面，具有反射表面107的第一活动元件102由单个部件提供。结果，即使第二活动元件120在硬磁性材料108和铜构件109粘附到硅部分103时变形，也不会引起第一活动元件102的反射表面107的变形。因此，避免了扫描光斑的劣化。
下面参照图4A和4B描述按照本发明第二工作示例的光偏转器。图4A是该示例的光偏转器的平面图，图4B是沿着图4A的线A-B截取的截面图。第二工作示例的光偏转器具有与第一工作示例的光偏转器总体上类似的结构，但是在该工作示例中，光偏转器包括两个第二活动元件220a、220b以及用于将具有反射表面107的第一活动元件202与第二活动元件220a、220b围绕振荡轴204弹性连接的扭转弹簧205a、205b、206a、206b。第二活动元件220a、220b分别具有硅部分203a、203b和膜状的永久磁体208a、208b。
该工作示例的光偏转器具有第二活动元件220a、220b的厚度大于第一活动元件202的厚度的特征。此外，第二活动元件220a、220b的硅部分203a、203b的厚度大于第一活动元件202的厚度。第一活动元件202的厚度为100μm，而第二活动元件203a、203b的厚度分别为200μm。
支撑构件201a、201b，第一活动元件202，第二活动元件220a、220b的硅部分203a、203b，扭转弹簧205a、205b、206a、206b都由单晶硅衬底整体地制成。因此，可以生产具有最高加工精度且尺寸很小的光偏转器。这些元件可以基于半导体制造方法的光刻和干蚀刻来形成。膜状的永久磁体208a、208b包括例如由稀土元素如SmCo(钴化钐)制成的永久磁体，而且通过溅射等来形成。
在该工作示例的光偏转器中，第二活动元件220a、220b的硅部分203a、203b具有大于第一活动元件202的厚度。这确保在不将具有大转动惯量的金属构件等附接到第二活动元件220a、220b的情况下，第二活动元件220a、220b的转动惯量就可以大于第一活动元件202的转动惯量。以此为基础，固有扭转振荡频率可以很容易地调整为满足期望的关系。
此外，在该工作示例中，如图4A和4B所示，第二活动元件220a、220b在垂直于振荡轴204的方向上的长度222a、222b也小于第一活动元件202在垂直于振荡轴204的方向上的长度221。结果，减小了空气阻力，改善了位移角的稳定性。由于在该工作示例的结构中，活动元件在相反两端受到支撑，因此更为确定地避免了在扭转振荡期间除扭转振荡以外的不期望振荡。
参照图5A和5B描述按照第三工作示例的光偏转器。图5A是该示例的光偏转器的平面图，图5B是沿着图5A的线A-B截取的截面图。第三工作示例的光偏转器具有与第一工作示例的光偏转器总体上类似的结构，但是与第一工作示例不同的是通过扭转弹簧306与支撑构件301弹性连接的第二活动元件320具有硅部分303和硬磁性材料308a、308b。在该示例中，这些硬磁性材料308a、308b是Fe-Cr-Co磁体。
该工作示例的光偏转器的第二活动元件320配备有多个硬磁性材料如308a、308b，它们设置为将振荡轴304夹在中间。由于硬磁性材料308a、308b是用具有大比重的Fe-Cr-Co制成的，因此可以很容易地使第二活动元件320的转动惯量很大。
此外，由于该工作示例中硬磁性材料308a、308b设置在上述位置，很容易将第二活动元件320的重心位置与振荡轴304对齐。因此，更为确定地避免了在扭转振荡期间除扭转振荡以外的不期望振荡。
由于用硬磁性材料作构件308a、308b以增大第二活动元件320的转动惯量，因此降低了需要施加在线圈上以驱动光偏转器的电流。因此，实现了可以以较低功耗工作的光偏转器。
此外，第二活动元件320在垂直于振荡轴304的方向上的长度322小于通过扭转弹簧305与第二活动元件320连接的第一活动元件302在垂直于振荡轴304的方向上的长度321。结果，减小了空气阻力，改善了位移角的稳定性。
此外，光偏转器可以具有这样的结构，即当定义了垂直于振荡轴304的平面时，第一和第二活动元件302、320中的至少一个具有在多个位置与该平面相交的形状。一个例子是如图5A中细虚线所示在活动元件的外周部位上设置一些突起的情况。替换例子是该活动元件以s纺锤形状形成，使得离振荡轴304越远，在平行于振荡轴304的方向上的长度越长。利用这些结构，可以很容易地使对振荡轴304的转动惯量很大。为了调整活动元件的质量，可以去除外周部位上的突起，这使得能够进行有效的质量调整。该方法可用于其它工作示例。
下面参照图6A和6B描述按照本发明第四工作示例的光偏转器。图6A是按照该示例的光偏转器的平面图，图6B是沿着图6A的线A-B截取的截面图。第四工作示例的光偏转器具有与第一工作示例的光偏转器总体上类似的结构，但是与第一工作示例不同的是通过扭转弹簧406与支撑构件401弹性连接的第二活动元件420具有硅部分403和硬磁性材料408a、408b，这些硬磁性材料包括Fe-Cr-Co磁体。
因此，在该工作示例中，也可以很容易地使通过扭转弹簧405与第一活动元件402弹性连接的第二活动元件420的转动惯量很大。此外，由于在该工作示例中多个硬磁性材料408a、408b也设置为将振荡轴404夹在中间，因此第二活动元件420的重心位置可以很容易地与振荡轴对齐。因此，可以避免在扭转振荡期间除扭转振荡以外的不期望振荡。此外，由于需要施加给驱动单元以驱动光偏转器的电流降低了，因此实现了可以以较低功耗工作的光偏转器。
该工作示例与第一工作示例的不同之处还在于以下两点即第二活动元件420在垂直于振荡轴404的方向上的长度422小于第一活动元件402在垂直于振荡轴404的方向上的长度421；第二活动元件420在平行于振荡轴404的方向上的长度424小于第一活动元件402在平行于振荡轴404的方向上的长度423。结果，减小了空气阻力，并且改善了位移角的稳定性。
图7是示意性透视图，示出其中并入了按照本发明的光偏转器的光学仪器的工作示例。在该示例中，图像形成装置作为光学仪器示出。在图7中，503表示按照本发明的光偏转器，其对入射到其上的光进行一维扫描。501表示激光源，502表示透镜或透镜组。504表示写入透镜或透镜组，505表示鼓形感光构件。506表示扫描轨迹。
从激光源501发射的激光束通过涉及光的偏转扫描定时的预定强度调制进行调制。经过强度调制的光穿过透镜或透镜组502，而且由光扫描系统(光偏转器)503一维扫描偏转。被扫描偏转的激光束由写入透镜或透镜组504聚焦在感光构件505上以便在感光构件505上形成图像。
感光构件505围绕旋转轴在垂直于扫描方向的方向上旋转，并且由未示出的充电器均匀充电。通过用光扫描感光构件表面，在扫描后的表面部分中形成静电潜像。然后，利用未示出的显影装置，根据该静电潜像产生调色剂图像，接着将该调色剂图像转印并定影在未示出的转印片材上，由此在该片材上产生图像。
利用本发明的光偏转器503，可以使光的偏转扫描的角速度在感光构件505表面的有效范围内近似均匀。此外，利用本发明的光偏转器503可以使图像形成装置的操作稳定，并由此产生清晰的图像。
尽管参照在此公开的结构描述了本发明，但是本发明不限于所阐述的细节，本申请意欲覆盖落入改进目的的这种变型或修改或者所附权利要求的范围。
权利要求
1.一种光偏转器，包括支撑构件；具有光偏转元件的第一活动元件；至少一个第二活动元件；至少一个配置为支撑所述第一和第二活动元件的第一扭转弹簧，用于围绕振荡轴的扭转振荡；至少一个配置为支撑所述第二活动元件和所述支撑构件的第二扭转弹簧，用于围绕振荡轴的扭转振荡；以及配置为向所述第一和第二活动元件中的至少一个施加驱动力的驱动系统；其中所述第二活动元件对所述振荡轴的转动惯量大于所述第一活动元件对所述振荡轴的转动惯量，并且其中所述第二活动元件在垂直于振荡轴的方向上的长度等于或小于所述第一活动元件在垂直于振荡轴的方向上的长度。
2.根据权利要求1所述的光偏转器，其中所述第二活动元件在平行于振荡轴的方向上的长度等于或小于所述第一活动元件在平行于振荡轴的方向上的长度。
3.根据权利要求1所述的光偏转器，其中所述第二活动元件的厚度大于所述第一活动元件的厚度。
4.根据权利要求1所述的光偏转器，其中所述第二活动元件由多个部件构成。
5.根据权利要求4所述的光偏转器，其中所述第二活动元件的部件设置为将振荡轴夹在中间。
6.根据权利要求1所述的光偏转器，其中所述第二活动元件的重心与振荡轴对齐。
7.根据权利要求1所述的光偏转器，其中所述第一活动元件、所述第二活动元件、所述第一扭转弹簧、所述第二扭转弹簧以及所述支撑构件由单晶硅整体地制成。
8.根据权利要求1所述的光偏转器，其中所述第二活动元件对所述振荡轴的转动惯量是所述第一活动元件对所述振荡轴的转动惯量的四倍或更大。
9.根据权利要求1所述的光偏转器，其中所述第二活动元件设置有永久磁体。
10.根据权利要求1所述的光偏转器，其中所述光偏转器具有至少两个频率不同的固有振荡模式，其中所述驱动系统配置为使所述第一活动元件同时以所述至少两个固有振荡模式围绕振荡轴扭转振荡。
11.根据权利要求1所述的光偏转器，其中所述第一活动元件和所述第二活动元件中的至少一个具有形成在远离振荡轴的端部的多个突起。
12.一种光学仪器，包括光源；根据权利要求1所述的光偏转器；以及感光构件和图像显示构件之一；其中所述光偏转器配置为偏转来自所述光源的光，并将被偏转的光的至少一部分引向所述感光构件或图像显示构件。
全文摘要
一种光偏转器，包括支撑构件；具有光偏转元件的第一活动元件；至少一个第二活动元件；至少一个配置为支撑所述第一和第二活动元件的第一扭转弹簧，用于围绕振荡轴的扭转振荡；至少一个配置为支撑所述第二活动元件和所述支撑构件的第二扭转弹簧，用于围绕振荡轴的扭转振荡；以及配置为向所述第一和第二活动元件中的至少一个施加驱动力的驱动系统；其中第二活动元件对所述振荡轴的转动惯量大于所述第一活动元件对振荡轴的转动惯量，第二活动元件在垂直于振荡轴的方向上的长度等于或小于第一活动元件在垂直于振荡轴的方向上的长度。
文档编号G02B26/10GK101082696SQ20071010817
公开日2007年12月5日 申请日期2007年5月30日 优先权日2006年5月30日
发明者虎岛和敏, 加藤贵久, 古川幸生, 岛田康弘 申请人:佳能株式会社