CN100587546C - 光偏转器及使用光偏转器的光学仪器 - Google Patents

Abstract

本申请涉及一种光偏转器及使用光偏转器的光学仪器，尤其涉及不管诸如温度的环境干扰如何，都可以相对稳定地驱动的光偏转器，该光偏转器包括具有不同频率的多个固有振动模式的振动系统(160)、用于驱动振动系统的驱动单元、以及用于将驱动信号提供给驱动单元的驱动控制单元，该振动系统(160)包括具有光偏转元件(22)的第一振荡器可移动元件(11)、第一扭簧(12)、第二振荡器可移动元件(13)、第二扭簧(12)、和支撑部件(15)，该光偏转器还包括用于检测第一和/或第二扭簧的机械形变的畸变检测元件(25a和25b)，以及生热元件(19)，其用于稳定固有振动模式的频率和扫描状态以确保稳定的正弦波组合驱动。

Description

光偏转器及使用光偏转器的光学仪器

技术领域

本发明涉及光偏转器及使用这种光偏转器的光学仪器，例如诸如图像形成装置或显示设备。本发明的光偏转器可适用于基于光的偏转扫描投影图像的投影显示器，或者图像形成装置，例如诸如具有电子照相处理的激光束打印机或数字复印机。

背景技术

对于这种光偏转器，已经提出了各种类型的光学扫描系统或光学扫描设备，其中具有反射表面的可移动元件正弦振动以偏转光。与使用旋转多角反射镜(多面反射镜)的扫描光学系统相比，具有基于谐振现象正弦振动的光偏转器的光学扫描系统具有如下优点。即，该光偏转器尺寸可以制作得很小；功耗低；并且特别是那些由单晶硅制成并且由半导体工艺生产的光偏转器在理论上无金属疲劳并且具有良好耐久性。

取决于应用，这种光偏转器可能必须以恒定频率驱动。因此，已经就相对于环境温度变化而保持频率恒定提出了一些建议。一个实例是这样一种方法：具有由弹性扭杆弹性地支撑的可移动元件的振荡器配备有用来加热弹性扭杆的加热元件，从而不管环境温度如何变化都保持弹性扭杆的温度恒定并且稳定谐振频率。在这种结构中，可以向扭杆添加频率检测元件以检测频率(参见专利文献No.1和2)。

有另外一种方法，其中具有由一对弹性扭杆弹性地支撑的可移动元件的振荡器固定至热膨胀系数大于振荡器的部件，使得随着温度上升，在弹性扭杆中以抵消刚性变化的方向产生应力，从而稳定谐振频率(参见专利文献No.3)。

此外，作为压电阻抗效应而已知，如果硅中出现形变，则其电阻根据畸变引起的应力而改变。有一种基于以下的方法：即，通过在硅中注入并扩散杂质而在硅的扩散区形成电阻，并且将其用于基于前述的压电阻抗效应而检测形变(参见非专利文献No.1)。

另一方面，一些基于谐振现象的光偏转器使用这样一种方法：同时激励扭振方向中的两个或更多固有振动模式，以执行不同于正弦光学扫描的光学扫描。这涉及这样一种光偏转器，其中同时激励关于相同中心轴的两个或更多固有振动模式以产生斩波状近似恒定的角速度扫描(参见专利文献No.4)。图15是说明此类型光偏转器的框图。

在图15中，总体上用1012指示的光偏转器包括第一可移动元件1014、第二可移动元件1016、用于连接并弹性地支撑它们的第一扭簧1018、以及用于弹性地支撑第二可移动元件1016和机械基底表面1023的第二扭簧1020。通过驱动单元1030，所有这些组件都可以关于扭轴1026扭振。第一可移动元件1014具有用于偏转光的反射表面，并且响应于第一可移动元件1014的扭振，来自光源的光被扫描地偏转。对于关于扭轴1026的扭振，光偏转器1012具有参考频率的一阶固有振动模式和频率大约三倍于参考频率的二阶固有振动模式。驱动单元1030在两个频率处驱动光偏转器1012：即，一阶固有振动模式的频率和三倍于前者但是相位相同的频率。因此，光偏转器1012同时基于一阶固有振动模式和二阶固有振动模式而扭振。结果，第一可移动元件1014反射的光的偏转扫描的位移角是基于这两个振动模式的叠加的，并且它近似斩波状变化，而不是正弦。结果，对于偏转扫描的角速度，比起基于正弦波的位移角，近似恒定的角速度的区域变得更大。因此，可用区域与整个偏转扫描范围的比会更大。

【专利文献】

No.1：日本特开专利申请No.H09-197334

No.2：日本特开专利申请No.2004-69731

No.3：日本特开专利申请No.2002-321195

No.4：美国专利No.4859846

【非专利文献】

No.1：C.S.Smith，“Physical Review”，Vol.94，No.1，pp42-49，April 1，1954

发明内容

在诸如上述专利文献No.4中所示的并且具有多个振荡器可移动元件和多个扭簧的振动系统中，为了产生基于不同频率的正弦波组合驱动，驱动波形的单个频率分量的幅度和相位必须保持在所需值。但是在实际的操作环境中，由于来自环境的干扰，典型地比如温度，这些值易于改变并且这使得很难实现稳定的驱动。

在本发明的一个方面中提供了一种基于谐振振动的振动系统，其中确保了稳定的正弦波组合驱动。

根据本发明的一个方面，提供了一种光偏转器，包括：振动系统，包括具有光偏转元件的第一振荡器可移动元件、第二振荡器可移动元件、配置以将所述第一和第二振荡器可移动元件互相耦合并且支撑所述第一振荡器可移动元件用于相对于所述第二振荡器可移动元件扭振的第一扭簧、支撑部件、以及配置以将所述支撑部件和所述第二振荡器可移动元件互相耦合并且支撑所述第二振荡器可移动元件用于关于与所述第一振荡器可移动元件的振动轴相同的轴而相对于所述支撑部件扭振的第二扭簧；配置以将驱动力施加给所述振动系统的驱动系统；以及配置以将驱动信号提供给所述驱动系统的驱动控制系统；其中所述振动系统还包括畸变检测元件，配置其以检测所述第一和第二扭簧中至少一个的机械形变，以及生热元件，配置其以加热所述振动系统，并且其中所述振动系统关于振动轴具有至少两个不同频率的固有振动模式。

根据本发明的另一方面，提供了一种驱动如上所述的光偏转器的方法，该方法包括：调整步骤，用于基于畸变检测元件的第一检测信号(它可以是可由例如相对测量获得的畸变量信息，即以下要描述的畸变量的相对值)调整生热元件的生热量，以便将固有振动模式的频率调谐到目标频率；以及校正步骤，用于基于畸变检测元件的第二检测信号(它可以是畸变量信息，例如诸如畸变量的绝对值)产生校正信号，该校正信号用于校正要施加到驱动系统的驱动信号。

根据本发明的再一方面，提供了一种光学仪器，包括：光源；如上所述的光偏转器；以及光敏部件和图像显示部件之一；其中配置所述光偏转器以偏转来自所述光源的光并且将至少部分的被偏转光引导至所述光敏部件或图像显示部件上。

根据本发明的光偏转器可以包括具有生热元件和畸变检测元件的振动系统。因此，当其用作光偏转器以在同时激励多个固有振动模式时执行光学扫描的时候，可以确保稳定驱动。此后将参考本发明的实施例具体说明这些细节。

本发明的这些和其它目的、特征和优点将在考虑本发明优选实施例的结合附图的以下描述的基础上更加显而易见。

附图说明

图1是根据本发明第一工作实例的光偏转器的平面图。

图2A是根据本发明第一工作实例的光偏转器的纵截面。

图2B是根据本发明第一工作实例的光偏转器沿图1中的A-A线的横截面。

图3是用于说明由根据本发明的第一工作实例的光偏转器扫描偏转的光的位移角的曲线图。

图4是用于说明由根据本发明的第一工作实例的光偏转器扫描偏转的光的角速度的曲线图。

图5是示出在本发明的第一工作实例中，振动系统的设置有反射面的一侧的结构的平面图。

图6是示出在本发明的第一工作实例中，振动系统的没有设置反射面的一侧的结构的平面图。

图7是根据本发明第二工作实例的光偏转器的平面图。

图8是根据本发明第二工作实例的光偏转器的横截面。

图9A是示出可用在本发明中的畸变检测元件的实例的平面图。

图9B是沿图9A中C-C线的剖视图，示出畸变检测元件的扩散电阻材料。

图10是可用在本发明中的畸变检测元件的实例的等效电路图。

图11A是示出在本发明的第三工作实例中，振动系统的设置有反射面的一侧的结构的平面图。

图11B是示出在本发明的第三工作实例中，振动系统的没有设置反射面的一侧的结构的平面图。

图12是示出根据本发明的畸变检测元件和加热器布线布置的实例的平面图。

图13A是示出根据本发明的光偏转器中的第二扭簧的实例的平面图。

图13B是图13A的第二扭簧的透视截面。

图14是示出具有本发明的光偏转器的光学仪器的工作实例的透视图。

图15是用于说明已知类型的光偏转器的框图。

具体实施方式

现在参考附图描述本发明的优选实施例。

首先说明本发明的一个实施例。根据此实施例，可以为振动系统配备生热元件和用于检测机械畸变的畸变检测元件，以确保多个固有振动频率的稳定性以及扫描状态(可移动元件的振动状态)检测的稳定性，从而实现稳定的正弦波组合驱动。

根据本实施例的用于扫描地偏转来自光源的光的光偏转器可以包括振动系统、用于支持振动系统的固定部件、用于将驱动力施加到振动系统的驱动单元(该驱动单元可以包括例如磁体和线圈，后文描述)、以及用于将驱动信号提供给驱动单元的驱动控制单元。本实施例的振动系统可以包括生热元件、用于检测机械畸变的畸变检测元件、具有反射面(光偏转元件)的第一振荡器可移动元件、第二振荡器可移动元件、以及支撑部件。

第一振荡器可移动元件可以通过第一扭簧(弹性支撑部件)弹性耦合到第二振荡器可移动元件，以便关于振动轴扭振。第二振荡器可移动元件可以通过第二扭簧(弹性支撑部件)弹性耦合到支撑部件，以便关于振动轴扭振。支撑部件可以固定到固定部件。振动系统可以具有至少两个不同频率的固有振动模式，并且驱动单元可以使振动系统同时在这些固有振动模式的频率附近关于扭轴而扭振。

根据本发明的本实施例的光偏转器可以具有这样的结构：生热元件和用于响应两个振荡器可移动元件的扭振而检测机械畸变的畸变检测元件直接设置在振动系统中。在此，支撑元件、第一扭簧、和第二扭簧中的至少一个可以具有这种生热元件。通过这种布置，即使诸如环境温度的外部条件改变，振动系统的温度也可以保持恒定，结果，都具有一定的温度特性的振动系统固有振动模式的频率以及畸变检测元件的畸变量检测输出得到稳定。

本实施例不需要使用振动系统外部的任何传感器来保持振动系统温度恒定。而是，可以组合使用振动系统固有振动模式的频率的温度特性和畸变检测元件的检测输出的温度特性，并且即使环境温度改变，振动系统温度也可以保持恒定。

畸变检测元件的畸变量检测信号的绝对值易于随温度变化，如同后文要描述的本发明工作实例中使用的基于压电阻抗的畸变检测元件。然而，可由畸变量的相对测量获得的相对量不易受温度影响。此相对测量可以基于畸变的相对比较或者不产生畸变的定时的测量。

另一方面，振动系统的固有振动模式的频率与振动系统的温度具有相关性。因此，通过测量振动系统具有的固有振动模式的频率，可以推定振动系统温度。

基于这些特征，在本实施例中，首先，可以将适当的电压施加到加热元件以控制其生热量，使得振动系统的固有振动模式的频率被调谐到要在光偏转器中使用的目标频率。在此，不使用任何外部温度传感器，可以基于关于从畸变检测元件输出的畸变量的信息测量固有振动模式的频率，并且在其基础上，可以控制施加到加热元件的电压量。

可以用多种方法测量固有振动模式的频率。一个简单的实例可以是：一方面保持施加到加热元件的电压量以及驱动单元所产生的力恒定，另一方面当改变振动系统的驱动信号频率的同时，振动系统被振动。当比较关于从畸变检测元件输出的畸变量的信息的同时，检测当测量到最大畸变值时的时刻的频率作为固有振动模式的频率。

一旦固有振动模式的频率已经调谐到目标频率，由于振动系统的固有振动模式的频率的温度特性，不管环境温度如何，光偏转器都具有稳定的固定温度。这意味着，当固有振动模式的频率调谐到目标频率之后，温度是恒定的。结果，尽管畸变检测元件的畸变量输出的绝对值可具有温度特性，但输出错误仍变得很小并且输出被很好地稳定住。因此，基于如所述现在稳定的畸变量输出的绝对值，驱动控制单元可以产生校正信号以校正要在振动系统中激励出的两个频率的驱动信号的幅度或相位等，如实现所需扫描操作所要求的。以此方式，振动系统的组合波驱动变得更稳定。这就是为什么在本实施例中生热元件和畸变检测元件可以在振动系统中组合使用，并且从而可以确保稳定的驱动。

在如上所述的本实施例中，可以在振动系统中提供生热元件和畸变检测元件，以稳定两个固有振动模式的频率和畸变检测元件的畸变量输出，并且也可以稳定组合波的驱动。

因此，当本发明应用于图像形成时，稳定地产生光点。此外，即使将透镜置于光偏转器后方，光学扫描的位置和速度之间的关系也是稳定的。因此，实现了性能更好的光学扫描单元。

特别地，在本实施例中，生热元件可以直接放置在振动系统中。因此，可以令加热区的热容量较小，并且温度调整和稳定所需的时间可以缩短。同样，可以使功耗较低。

根据本发明的光偏转器可用于例如诸如图像显示设备或图像形成装置的光学仪器中。这种光学仪器可以包括光源、如上所述的光偏转器、以及光敏部件和图像显示部件之一。光偏转器可以用于从光源偏转光并且将至少部分所偏转的光引导至所述光敏部件或图像显示部件上。

然后，将参考附图描述本发明的具体工作实例。

[第一工作实例]

图1、2A、2B、5和6示出根据本发明的第一工作实例的光偏转器。这里，图1是平面图。图2A是沿图1中包含振动轴17的平面并且垂直于图1纸面的截面图。图2B是沿图1中线A-A的截面图。图5是用于更详细地说明图1中所示的振动系统160的结构组件的平面图。图6是从底部看的用于说明图5结构的平面图。

首先，以下将结合其结构说明本工作实例中的驱动原理。在本实例中，图1中所示的振动系统160通过如下所述的驱动单元关于振动轴17做扭振。图1中所示的振动系统160的结构组件，即，第一振荡器可移动元件11、第一扭簧12、第二振荡器可移动元件13、第二扭簧14和支撑部件15是根据半导体制造方法通过照相平版印刷工艺和蚀刻工艺从单晶硅衬底整体生产出来的。因此，处理精度很高，并且可以生产很小的振动系统。此外，由于单晶硅具有高杨式模量和小密度，由振荡器的自重而产生的形变很小。因此，实现在谐振期间具有大振幅放大因子的振动系统。

在本工作实例中，第一振荡器可移动元件11在垂直于振动轴17的方向上尺寸为3mm，并且在平行于该轴的方向上尺寸为1mm。振动系统160的整体长度约15mm。第一振荡器可移动元件11由一对第一扭簧12弹性地支撑，以关于振动轴17扭振。类似地，第二振荡器可移动元件13由一对第二扭簧14弹性地支撑，以关于振动轴17扭振。因而，可以串联放置并且弹性地支撑第一振荡器可移动元件11和第二振荡器可移动元件13，以关于振动轴17扭振。

第一振荡器可移动元件11具有反射面22，其作为用于偏转光的光偏转元件，并且用于响应第一振荡器可移动元件11的扭振而扫描地偏转来自光源的光。反射表面22由铝制成并且由真空汽相淀积形成。此反射表面可以由任何其它材料，例如诸如金或铜制成。可以在其顶表面形成保护膜。

在此，由于第一振荡器可移动元件11应具有反射面22，因此驱动期间其平坦度尤其重要。在此实例中，通过一对扭簧12在第一振荡器可移动元件11的相对端支撑它。因此，与单个弹簧支撑相比，很好地避免了由其自重产生的形变并且保持了更好的平坦度。

在图1、2A、2B和6中，示出了固定部件150和驱动单元。如这些附图中所示，本工作实例的驱动单元包括附着到第二振荡器可移动元件13的永久磁体151和固定到固定部件150的固定线圈152。如图2A、2B和6所示，每个永久磁体151是类棱柱形的金属磁体，具有大约2mm的长度和150μm×150μm的截面尺寸。永久磁体151的极化(磁化)方向沿它的纵长方向延伸，并且通过粘合剂将它固定到第二可移动元件13。

从图2A和2B可见，固定部件150用于适当地保持振动系统160和永久磁体151的位置以及固定线圈152的位置。响应来自驱动控制单元153的驱动AC电流的施加，固定线圈152在图2B中所示的箭头H的方向上产生交变的磁场。由于永久磁体151的磁通量密度方向是箭头B的方向，所以由固定线圈152产生的磁场生成关于振动轴17的扭矩，从而驱动振动系统160。如图2A中所示，通过粘合剂在粘合区域155将支撑部件15附着到固定部件150。此外，如所示，本工作实例的光偏转器具有两个粘合区域155以固定支撑部件15，两个第二扭簧14连接到该支撑部件15。

然后，将更详细地说明根据本工作实例的光偏转器的锯齿波状振动的驱动原理。对于关于振动轴17的扭振，本实例的振动系统160具有频率f₁的一阶固有振动模式和频率f₂的二阶固有振动模式，f₂大约是参考频率的二倍。此振动系统160可以看作关于扭振的自由度为“2”的振动系统。

另一方面，固定线圈152在参考频率f₀(通过系统应用的规格确定的目标驱动频率)和两倍于参考频率的频率2f₀的基础上根据组合驱动信号驱动振动系统160。参考频率f₀和固有振动模式频率f₁和f₂具有下述关系，并且本实例的光偏转器基于固有振动模式的大动态-静态模量比率(振幅放大因子)以低功耗执行组合波驱动。

特别地，固有模式频率f₁设计得接近参考频率f₀。在此，如果一阶和二阶固有振动模式的模阻尼比率(其表示动态-静态模量比率曲线的在固有模式频率处的峰的锐度，并且大约等于1/2Q)分别由γ₁和γ₂表示，则其范围表示如下：

f₀(1-2γ₁)＜f₁＜f₀(1+2γ₁)    (1)

此外，在本说明书中，关于固有模式频率f₁和f₂之间的频率比设置以下范围，并且将其称为“大约两倍”：

$-2({\mathrm{\&gamma;}}_1+{\mathrm{\&gamma;}}_2)+1<2\frac{f_1}{f_2}<2({\mathrm{\&gamma;}}_1+{\mathrm{\&gamma;}}_2)+1---\left(2\right)$

另外，在本工作实例中，频率比处于以下范围中：

$-({\mathrm{\&gamma;}}_1+{\mathrm{\&gamma;}}_2)+1<2\frac{f_1}{f_2}<({\mathrm{\&gamma;}}_1+{\mathrm{\&gamma;}}_2)+1---\left(3\right)$

在本实例的振动系统160中，γ₁大约是0.001并且γ₂大约是0.00025。因此，从等式(1)到(3)可见，在本实例中，通过固定线圈152，在两个固有振动模式的峰附近激励f₀和2f₀的振动，并且基于它驱动振动系统160。特别地，在等式(1)定义的范围中，关于频率f₀的振动——它是正弦波组合驱动消耗的电功率中的主要分量，可以使用具有一阶固有振动模式的大动态-静态模量比率(振幅放大因子)的范围。因此，光偏转器的功耗被降低。

将更详细地说明驱动方法。

图3是横坐标轴为时间t的曲线图，它说明了在频率f₀的扭振期间第一振荡器11的位移角(在本说明书中，因为可移动元件的往复振动的位移角和光偏转器偏转扫描的光的位移角仅关于常数是不同的，因此将它们看作是等价的)。特别地，图3示出对应于第一振荡器可移动元件11的一个扭振周期T₀的部分(-T₀/2＜X＜T₀/2)。

曲线61描绘了驱动固定线圈152的驱动信号中的参考频率f₀的分量。它是在最大幅度的范围内往复振动的正弦振动，并且由以下的等式(4)表示，其中时间是t并且角频率是w₀＝2πf₀。

另一方面，曲线62描绘了两倍于参考频率f₀的频率分量，并且它是在最大幅度的范围内振动的正弦振动，并且由以下的等式(5)表示。

曲线63描绘了作为上述驱动的结果而产生的第一振荡器可移动元件11的扭振的位移角。对于关于扭轴17的扭振，光偏转器具有频率f₁的固有振动模式和频率f₂的二阶固有振动模式，其被调整到参考频率f₀和两倍于参考频率的频率2f₀附近，如上所述。因此，对应于θ₁的驱动信号所激励的谐振和对应于θ₂的驱动信号所激励的谐振都发生在光偏转器中。即，曲线63中第一振荡器可移动元件11的位移角基于此两个正弦振动的叠加所提供的振动；即，产生可以由以下等式(6)表示的锯齿波状振动。

图4示出通过求图3中曲线61、63以及直线64的微分而获得的曲线61a和63a以及直线64a，并且它示出这些曲线的角速度。与描绘参考频率f₀的正弦振动的角速度的曲线61a相比，描述第一振荡器可移动元件11的锯齿波状往复振动的角速度的曲线63a具有这样的特征：在截面N-N，中，角速度保持在上限和下限分别对应于最大角速度V₁和最小角速度V₂的范围内。因此，如果在基于使用光偏转器的光学偏转扫描的应用中，V₁和V₂是在来自对应于恒定角速度扫描的直线64a的角速度的可允许误差范围内出现的，则可以认为截面N-N’是基本上恒定的角速度扫描区。

如上所述，与基于遵从正弦波的位移角的振动相比，锯齿波往复振动确实为偏转扫描的角速度提供了宽得多的角速度基本恒定的区域。因此，可用区域与整个偏转扫描区域的比显著扩大。此外，基于锯齿波的驱动确保了扫描线的规则区间，这在例如打印机的应用中是十分有利的。

尽管已经参考实例进行了前述说明，其中固有振动模式的频率f₁和f₂具有“双倍”关系——后者大约是前者的两倍，但是也可以设置“三倍”关系，其中后者大约是前者的三倍。在这种情况下，类似于“双倍”关系，通过基于正弦波叠加的振动提供了斩波状振动。由于这能够利用光的往复扫描，所以可以令在一定可用频率处的扫描线数目加倍。

另外，在基于单一频率进行正弦振动的光偏转器中，仅可以通过将扫描幅度设置到所需值来达到稳定的扫描。即使固有振动模式的频率漂移，在相对端从扫描中心算起的最大振幅的对称性(即，扫描的对称性)或光学扫描的波形(即，正弦波)几乎不改变。

然而，在如本工作实例中的通过组合多个正弦波造成特征驱动的振动系统中，如果要被组合的单个正弦波的幅度或相位偏离目标值，则不仅扫描幅度而且扫描的对称性或如等式(6)所定义的锯齿波状扫描波形也会因此受不利影响。

因此，对于根据等式(6)的驱动，将下式中的三个变量

和α看作目标值并且保持它们恒定是很重要的。

这里，取决于振动系统160的两个固有振动模式的频率f₁和f₂与目标频率f₀和2f₀的频率差，实际要产生的幅度和从驱动信号的相位延迟有所不同。因此，如果固有振动模式的频率f₁和f₂改变，则等式(7)中的三个变量

和α改变，使得扫描波形劣化。

特别地，光偏转器很易受环境温度的影响，并且构成振动系统160的组件的杨式模量、体积或受力状态容易改变。这些变化反过来又引起振动系统160的固有振动模式的频率f₁和f₂的改变。例如，在本工作实例的光偏转器中，一阶固有振动模式的频率f₁对于温度的变化率是(Δf₁/f₁)/ΔT＝160ppm/K，并且二阶固有振动模式的频率f₂对于温度的变化率是(Δf₂/f₂)/ΔT＝170ppm/K。

由于等式(7)中的三个变量和α可随环境温度的改变而改变，所以正弦波组合驱动不稳定。从此可以看出，如果令振动系统160的温度相对于环境温度的变化保持恒定，则可以稳定正弦波组合驱动。此外，如果精确地检测等式(7)中的三个变量

和α，则可以根据这些变量的检测值校正驱动信号，以便确保所需的组合波扫描。因此，将可以获得更稳定的驱动。

基于这些发现，在本工作实例中，在振动系统160中提供加热器线19和畸变检测元件25a和25b，如图5中所示。

图5是更详细地示出驱动系统160的组件的平面图。特别地，它示出形成反射面22一侧的结构。加热器线19沿支撑部件15的周围延伸，如图示的那样。电极端子23形成在加热器线的相对端，并且这些端子23连接到未示出的驱动电压源，以将电流施加给加热器线19。在第一和第二扭簧12和14上分别形成畸变检测元件25a和25b。畸变检测元件25a和25b分别电连接到电极端子24。这些端子24连接到驱动电极电路和检测电路，二者都未在图中示出。

在此工作实例中，加热器线19包括铝制成的薄膜电阻器。可如下形成加热器线19。在用于干蚀刻振动系统160的前步工序中，通过真空汽相沉积形成铝涂层。然后，基于照相平版印刷术对该铝薄膜进行构图，从而实现图5中所示形状的加热器线19。当在操作中把电压施加到加热器线19时，根据所施加的电流量产生热。因此，通过此加热器线19，可以整体控制振动系统160的温度。

在此，振动系统160是从单晶硅整体制造的，并且具有良好的热传导性。因此，加热器线19产生的热高效地传递到振动系统160。此外，仅在支撑部件15处形成加热器线19，并且这意味着加热器线19在不易发生机械形变的部分形成。因此，很好地避免了加热器线19的损坏。

图9A是第一扭簧中形成畸变检测元件25a的部分的放大平面图。如所示，畸变检测元件25a包括四个压电电阻器26a、26b、26c和26d，它们构成图10中所示的惠斯通(Wheatstone)电桥电路。电线27连接到这些压电电阻器26a-26d，并且这些线的另一端连接到图5中所示的电极端子24。

图9B是沿图9A中线C-C的截面。压电电阻器26c包括通过将磷扩散到p型单晶硅的第一扭簧12中而制成的扩散电阻材料。在电阻材料上形成硅的氧化膜作为绝缘层28。其余三个压电电阻器26a、26b和26d具有相似的截面结构。此外，在第二扭簧14上形成的畸变检测元件25b具有相似结构。因此，可以以上述方式同时生产这些畸变检测元件25a和25b。因而可以便宜地生产它们。

此外，由于振动系统160由单晶硅制成，因此这些畸变检测元件可以在通过将杂质扩散到第一或第二扭簧12或14中而制成的扩散电阻材料的基础上整体地形成。这使得能够便宜地生产。

然后，将参考图10中所示的畸变检测元件25a的等效电路，说明检测振荡器可移动元件的位移角的原理。如图10中所示，四个压电电阻器26a、26b、26c和26d构成惠斯通电桥电路。由于如图9A中所示，这些压电电阻器26a-26d关于振动轴17形成45度倾斜，所以如果在第一扭簧12中产生关于振动轴17的扭转位移，则在压电电阻器26a-26d的纵长方向上产生这些压电电阻器的大畸变。由于上述压电阻抗效应，这种畸变引起四个压电电阻器26a-26d的电阻的改变。

在此，在图10中所示的等效电路中，压电电阻器26a-26d在没有畸变的情况下具有电阻R0。由于对称布置，压电电阻器26a和26c以及压电电阻器26b和26d将在相同方向上承受畸变并且畸变幅度相同。然后，如果基于压电阻抗效应，响应畸变的电阻的改变率由ζ₁和ζ₂表示，则施加了畸变的压电电阻器26a-26d的电阻R₁、R₂、R₃和R₄由下式表示。

R₁＝R₃＝(1+ζ₁)R₀    (8)

R₂＝R₄＝(1-ζ₂)R₀    (9)

因此，响应施加给如图10中所示的电桥电路的驱动电压V_i，作为输出电压V₀而输出畸变造成的电阻变化，如下。

$\frac{V_0}{V_i}=\frac{R_1{R}_3-R_2{R}_4}{(R_1+R_3)(R_2+R_4)}---\left(10\right)$

以所述方式，响应于第一扭簧12的扭转位移而产生输出电压V₀。然后，通过借助未示出的检测电路测量此输出电压V₀，可以检测第一扭簧12的扭转位移。在第二扭簧14处提供的畸变检测元件25b根据类似原理而操作，并且可以检测第二扭簧14的扭转位移。因此，基于畸变检测元件25a和25b的检测信号，检测到第一和第二振荡器可移动元件11和13的位移角。此外，由于根据位移角关于时间的改变而输出检测信号，通过使用检测电路(未示出)，可以检测来自固定线圈152的驱动信号的相位延迟以及第一和第二振荡器可移动元件11和13的驱动频率。此外，通过在不同频率以恒定电流驱动固定线圈152并且通过比较畸变检测元件25a和25b的输出电压V₀，可以检测固有振动模式的频率。

如上所述，畸变检测元件被置于扭簧处，并且由于扭簧承受两个振荡器可移动元件的位移造成的大机械畸变，所以可以通过此畸变检测元件有效地检测位移角。

以上述方式，使用畸变检测元件25a和25b使得能够检测等式(7)中所示的正弦波组合驱动的三个变量

和α以及固有振动模式的频率f₁和f₂。然而，畸变检测元件25a和25b的由ζ₁和ζ₂表示的电阻改变率可随温度变化。结果，一旦环境温度变化，响应畸变的输出电压V₀的绝对值就变得不稳定。因此，如果有环境温度改变，则不能精确检测诸如等式(7)的

和

的变量。

在本工作实例中以下述方式去除了这些不便，并且固有振动模式的频率f₁和f₂被稳定在目标频率附近，而不管环境温度如何变化，另外，精确地检测了三个变量

和α。

为此，首先，基于畸变检测元件25a和25b检测的固有振动模式的频率f₁和f₂的检测值，调整加热器线19的生热量，使得频率f₁和f₂分别被恒定地调谐到它们的目标频率f₀和2f₀附近。在此，基于上述输出电压V₀的比较检测固有振动模式的频率f₁和f₂。这是不易受输出电压V₀的绝对值精度的影响的相对检测量，而输出电压V₀的绝对值精度易受环境温度改变的影响。因此可以精确地调谐此频率而不管环境温度如何变化。

由于在光偏转器温度和固有振荡模频率之间有良好的对应关系，所以使用加热器线19调整固有振动模式频率确保了基本上恒定的光偏转器温度，而不管环境温度如何变化。因此，在很好地调整了固有振动模式的频率f₁和f₂之后，畸变检测元件25a和25b的电阻ζ₁和ζ₂的改变率将变得基本恒定。如所述，在调整频率之后，

和

等的精确值是可检测的。因此，现在可操作驱动控制单元以基于这些检测值校正要提供给驱动单元的驱动信号，使得从而产生所需的正弦波组合驱动。

在根据本工作实例的光偏转器中，如上所述，使用加热器线(生热元件)和畸变检测元件，并且不管环境温度如何变化都产生了良好的正弦波组合驱动。

[第二工作实例]

图7和8示出根据本发明的第二工作实例的光偏转器。图7是平面图，并且图8是沿包含振动轴17的平面并且垂直于图纸面的截面图。在这些图中，具有与第一工作实例的组件相似功能的组件以相同的标记表示。以下，将省略那些具有与第一工作实例相似功能的部分的描述，并且仅说明不同的特征。如图7和8所示，本实例的光偏转器包括第一振荡器可移动元件11、第一扭簧12、第二振荡器可移动元件13、第二扭簧14、支撑部件15和反射表面22，它们在材料、结构和功能方面都类似于第一工作实例。

本工作实例的振动系统160包括与图5和6中所示的第一工作实例相似的组件。即，如图5和6中所示，畸变检测元件25a和25b分别被置于第一和第二扭簧12和14处，以检测响应于第一和第二振荡器可移动元件11和13的振动的畸变。此外，支撑部件15配备有如图所示的加热器线19，它响应于施加的电压而产生热以控制振动系统160的温度。

与第一工作实例相比，本工作实例具有这样的结构：振动轴17方向中的应力不易传送到第一和第二扭簧12和14。这有助于稳定固有振动模式频率f₁和f₂。

当振动轴17方向中的应力施加到第一和第二扭簧12和14时，这些弹簧的弹簧常数根据它们的截面形状而改变。本工作实例的第一和第二扭箦12和14具有矩形截面形状。如果该截面的纵横比大，则弹簧常数可如下近似。

$K=\frac{{\mathrm{Gbt}}^3}{3L}(1+\frac{b^2}{4G{t}^2}\mathrm{\&sigma;})---\left(11\right)$

其中K是扭簧的弹簧常数，G是横向弹性模量，且σ是振动轴17方向中的应力。图13A是第二扭簧14的平面图，且图13B是截面和透视图，示出了垂直于振动轴17的平面的截面。如从这些图中可见，等式(11)中的L是扭簧长度，t是扭簧宽度，并且b是扭簧厚度。

从等式(11)看出，弹簧常数K随振动轴方向的应力σ的增加而增加。其系数包含扭簧宽度t和厚度b之比的平方项。本工作实例的第一和第二扭簧具有相同的厚度b，但是它们的宽度t不同。因而，即使它们承受相同的应力σ，弹簧常数的改变率也是不同的。这导致当应力σ传送到第一和第二扭簧12和14时，振动系统160的固有振动模式的频率f₁和f₂将取决于应力σ以不同的改变率改变。

考虑到这一点，在本工作实例中，为了进一步稳定固有振动模式频率f₁和f₂，光偏转器具有这样的结构：应力σ难以传递到第一和第二扭簧12和14。具体地，对这一点使用以下结构。如图7和8中所示，在本工作实例中，粘合区域155仅限定在线P-P的远离形成第一和第二振荡器可移动元件11和13的位置的一侧，该线P-P垂直于振动轴17并且延伸通过成对的第二扭簧14之一和支撑部件15之间的连接点E。以此结构，由于各种因素，比如在支撑部件15的粘合区域155处粘合剂的收缩、固定部件150的形变、固定部件150和振动系统160之间热膨胀系数的不同等因素而产生的要施加到振动系统160的振动轴17方向上的应力将不传递到除了支撑部件15之外的任何部分。即，应力难以传递到第一和第二扭簧12和14。

在具有上述这种结构的本工作实例的光偏转器中，一阶和二阶固有振动模式的频率f₁和f₂中的每个频率的对温度的改变率是(Δf/f)/ΔT＝-46ppm/K。使用此结构，振动轴17方向上的应力σ难以引起固有振动模式频率f₁和f₂的改变。因而，使频率f₁和f₂更稳定。

此外，由于该结构使得去除了除温度之外的固有振动模式频率的变化因素，所以可以令基于固有振动模式频率调整的光偏转器的温度稳定更加准确，并且作为结果，使畸变检测元件25a和25b的输出更稳定。因此基于这些检测值，可以更精确地校正驱动单元的驱动信号以实现所需的正弦波组合驱动。

此外，在本工作实例中，热从振动系统160通过热传导传递到固定部件150的路径仅限定在一个位置，即，粘合区域155。因而，比起具有两个这种路径的结构，阻热性更大并且因此用于温度调整的功耗更低。

[第三工作实例]

图11A和11B示出根据本发明的第三工作实例的光偏转器。图11A是平面图，示出形成振动系统160的反射表面22那一侧的结构。图11B是从底部看该结构的平面图。在这些图中，具有与第一工作实例的组件相似功能的组件以相同的标记表示。以下，将省略那些具有与第一工作实例相似功能的部分的描述，并且仅说明不同的特征。如图11A和11B所示，本实例的光偏转器包括第一振荡器可移动元件11、第一扭簧12、第二振荡器可移动元件13、第二扭簧14、支撑部件15、和反射表面22，它们在材料、结构和功能方面都类似于第一工作实例。比起第一工作实例，本实例的光偏转器仅包括一个第一扭簧12和一个第二扭簧14。使用单个扭簧结构使得振动系统160在振动轴17方向上的尺寸更小。

此外，热从振动系统160通过热传导传递到固定部件150的路径仅限定在单个扭簧处。因而，比起具有一对扭簧的结构，阻热性更大并且因此使用于温度调整的功耗低的多。另外，由于支撑部件15的尺寸因为单个扭簧(第二扭簧14)结构而可以做得更小，所以用于温度调整的功耗被降低更多。

类似于第二工作实例，支撑部件15仅在单个粘合区域155被附着到固定部件150(图11A和11B中未示出)。因而，在此结构中，振动轴17方向上的应力难以传递到第一和第二扭簧12和14，并且可获得类似第二工作实例的优越效果。

在本工作实例中，如图11A中所示，分别在第一和第二扭簧处提供第一和第二加热器线20和21以及畸变检测元件25a和25b。这些加热器线和畸变检测元件通过在支撑部件15上形成的未示出的电极端子分别电连接到驱动电压电路和检测电路。在本工作实例中，仅在扭簧处提供生热元件以确保可以仅有效调节这样一种部分的温度：该部分对光偏转器的温度改变导致的固有振动模式频率的改变具有最大影响。

图12是第一扭簧12中设置有第一加热器线20和畸变检测元件25a的部分的放大平面图。类似于第一工作实例，畸变检测元件25a包括具有四个压电电阻器26a、26b、26c和26d的电桥电路。此外，如同压电电阻器26a-26d，第一加热器线20由扩散的电阻材料制成，该扩散电阻材料通过将磷作为杂质扩散到p型硅衬底中而制成。因此，可以通过在半导体制造工艺中使用的杂质扩散工艺而同时生产加热器线20和压电电阻器26a-26d。被置于第二扭簧14处的加热器线21和畸变检测元件26b具有与图12中所示相似的结构。

第一加热器线20和第二加热器线21可以省略，并且作为其替代，也可以使用畸变检测元件25a和25b作为生热元件。更具体地，通过改变用于畸变检测的驱动电压V_i(参见图10)，可以调节四个压电电阻器26a-26d的生热量，从而将固有振动模式的频率f₁和f₂分别调谐到相应目标驱动频率f₀和2f₀。通过这样做，尽管用于通过畸变检测元件25a和25b的畸变检测的信号转换效率(电阻变化率)可能取决于温度，但是在上述的生热量调整之后，可以稳定地使此效率恒定。

此外，通过畸变检测元件也充当生热元件的结构，所需电线数目减少，并且因此减少电极端子(未示出)的数目。因此，振动系统160在尺寸上可以做得较小。另外，由于简化了布线过程，所以可以便宜地生产光偏转器。此外，线路损坏概率降低。

[第四工作实例]

图14是示意透视图，示出光学仪器的工作实例，该光学仪器中包括根据本发明的光偏转器。在此实例中，示出作为光学仪器的图像形成装置。在图14中，在3003处表示的是根据本发明的光偏转器，并且它用于一维扫描入射其上的光。在3001处表示的是激光源，并且在3002处表示的是透镜或透镜组。在3004处表示的是写透镜或透镜组，并且在3005处表示的是鼓形光敏部件。

从激光源3001发射的激光束已经通过预定的强度调制关于光的偏转扫描定时进行了调制。该强度调制的光通过透镜或透镜组3002，并且由光学扫描系统(光偏转器)3003一维扫描地偏转。由光敏部件3005上的写透镜或透镜组3004对扫描地偏转的激光束聚焦，以在其上形成图像。

光敏部件3005关于旋转轴在垂直于扫描方向的方向上旋转，并且通过未示出的充电器为它均匀地充电。通过用光扫描光敏部件表面，在被扫描表面部分中形成了静电潜像。随后，通过使用未示出的显影设备，根据该静电潜像产生了调色剂图像，并且该调色剂图像然后转印到并定影到未示出的转印片材上，从而在片材上产生图像。

通过使用本发明的光偏转器3003，可以令光的偏转扫描角速度在光敏部件3005表面的有效区域内大致均匀。此外，通过使用本发明的可以稳定驱动的光偏转器，实现了具有稳定性能的图像形成装置。

虽然参考在此公开的结构描述了本发明，但本发明不限于所述的细节，并且本申请意图覆盖改进目的之内或随后的权利要求范围内的修改和变更。

Claims (8)

1.一种光偏转器，包括：

振动系统，包括具有光偏转元件的第一振荡器可移动元件、第二振荡器可移动元件、第一扭簧、支撑部件、以及第二扭簧，所述第一扭簧被配置为将所述第一和第二振荡器可移动元件互相耦合，并且支撑所述第一振荡器可移动元件以使其相对于所述第二振荡器可移动元件扭振，所述第二扭簧被配置为将所述支撑部件和所述第二振荡器可移动元件互相耦合，并且支撑所述第二振荡器可移动元件以使其关于与所述第一振荡器可移动元件的振动轴相同的轴而相对于所述支撑部件扭振；

配置以将驱动力施加给所述振动系统的驱动系统；以及

配置以将驱动信号提供给所述驱动系统的驱动控制系统；

其中所述振动系统还包括：畸变检测元件，其被配置为检测所述第一扭簧和第二扭簧的机械形变；以及生热元件，其被配置为加热所述振动系统，并且

其中所述振动系统关于振动轴至少具有不同频率的两个固有振动模式。

2.根据权利要求1的光偏转器，其中，所述生热元件被置于所述支撑部件、所述第一扭簧和所述第二扭簧中的一个或更多个处。

3.根据权利要求1的光偏转器，其中，所述畸变检测元件也用作所述生热元件。

4.根据权利要求1的光偏转器，其中，所述振动系统具有不同频率的两个固有振动模式，一个频率大约是另一频率的两倍或三倍。

5.一种驱动如权利要求1所述的光偏转器的方法，包括：

调整步骤，用于通过使用从畸变检测元件输出的第一畸变量信息调整生热元件的生热量，使得振动系统能够在目标频率处振动；以及

所述调整步骤之后的校正步骤，用于基于从畸变检测元件输出的第二畸变量信息校正要施加到驱动系统的驱动信号。

6.一种驱动如权利要求1所述的光偏转器的方法，包括：

调整步骤，用于基于从畸变检测元件输出的第一畸变量信息调整生热元件的生热量，使得振动系统能够在对应于目标频率的固有振动模式的频率处振动；以及

所述调整步骤之后的校正步骤，用于基于从畸变检测元件输出的第二畸变量信息校正要施加到驱动系统的驱动信号，使得振动系统能够在固有振动模式的频率处振动。

7.一种驱动如权利要求1所述的光偏转器的方法，包括：

调整步骤，用于基于从畸变检测元件输出的畸变量的相对值调整生热元件的生热量，使得振动系统能够在目标频率处振动；以及

所述调整步骤之后的校正步骤，用于基于从畸变检测元件输出的畸变量的绝对值校正要施加到驱动系统的驱动信号。

8.一种光学仪器，包括：

光源；

如权利要求1所述的光偏转器；以及

光敏部件和图像显示部件之一；

其中配置所述光偏转器以偏转来自所述光源的光，并且将至少部分的被偏转光引导至所述光敏部件或图像显示部件上。

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