JP2005257811A - 光スキャナ、光スキャナ駆動方法および光スキャナ駆動装置 - Google Patents

Abstract

【課題】可動部材の両面に反射ミラーを持つ構造を単一シリコン基板に形成する。
【解決手段】シリコン基板１を矩形の単層厚板で形成する。可動部材１０には、第一の可動電極４、第二の可動電極５と、両面ミラー部９が形成される。第一、第二の可動電極４、５に対向して第一、第二の固定電極３、６が形成され、可動部材１０の支持部材２はその両端でシリコン基板１に固定される。可動部材１０は支持部材２の捩じりにより、ミラー部９の平面方向と垂直な方向に揺動可能となる。第二の固定電極６はシリコン基板１に嵌め込む。
【選択図】図１

Description

本発明は、マイクロミラーをトーションバー軸の周りに揺動させ、ミラーに反射した光ビームを走査する静電駆動型の駆動装置に関し、例えばレーザープリンター、バーコードリーダー、ディスプレー等の光学機器に好適な技術に関する。

近年、光ビームを走査する光スキャナが光ディスクやレーザプリンタなどでの光ビームを走査するために用いられている。これらの光スキャナは、シリコンマイクロマシニング技術を利用した微小ミラーを揺動させる構成のものが提案されている。この様なマイクロミラーディバイスはその駆動方式から大別して、電磁駆動方式、静電駆動方式が提案されている（例えば、特許文献１、２を参照）。特許文献１では磁界発生手段を用いた方法を提案し、特許文献２では静電誘導発生手段を用いた方法を提案している。 前記従来のマイクロミラー可動部の駆動方式として、磁界発生手段を用いた駆動方式あるいは静電誘導発生手段を用いた駆動方式では、駆動電圧を正弦波交流信号として定常的に印加して駆動する方式を採っている。代表的な例として、図８に静電引力によってミラーを揺動させる光スキャナを示す（例えば、特許文献３を参照）。支持基板１０１に設けられた凹部にミラー１０２が配置され、前記ミラーは一体的に設けられたトーションバー１０３を介して前記支持基板１０１に支持される。前記ミラー１０２はトーションバー１０３の捩じり作用により、その両側がミラーの平面に対して垂直方向に揺動可能としている。トーションバー１０３は導電性部材で構成されその両端は前記支持基板１０１に設けられたパッド１０４に電気接続されている。さらに、前記支持基板１０１の凹部の両側には絶縁体１０６を介して固定電極１０７が支持されている。固定電極１０７は前記ミラーの電極部の初期位置よりも揺動方向に沿って高い位置に配置し、ミラーの電極部の初期位置においてミラーの電極部と固定電極部とは高低差を持って配置した構成を採る。この光スキャナーは、固定電極１０７のパッド１０８とトーションバー１０３が接続されたパッド１０４との間に高電圧を印加し、固定電極１０７とミラー１０２との間に静電力を発生させ、その静電引力によってミラー１０２の一方の側面を固定電極１０７側に吸引し、この吸引動作によってトーションバー１０３を捩じり変形させながらミラー１０２をミラーの平面に対して垂直方向に揺動させる。この揺動動作の直後に固定電極１０７への電圧の印加を解除すると、トーションバー１０３の捩じり復元力によってミラーは逆方向に揺動される。この電圧印加と停止を繰り返すことにより、ミラー１０２を揺動させることができ、図示していない光源からの光をミラー１０２で反射させることで、光を偏向、走査することが可能となる。

特開２００２−７８３６８号公報 特開平８−２１１３２０号公報 特許第３０１１１１４４号公報

前記シリコンマシニング技術を用いた従来の光スキャナーでは、単一シリコン基板上に光スキャニング機構に関る全ての機能を作りこむには製造プロセス機能上、制限がある。また、上記した従来の光スキャナのように、ミラー電極部の初期位置においてミラー電極部と固定電極部に高低差を持って配置するような複雑なレイアウトは現実的にはシリコンマシニング製造工程での薄膜形成、エッチングの繰り返しが多くなるため、非常に効率が悪い上に、製造の歩留まりも悪い。

最近のシリコンマシニング技術は複雑な構造物も形成可能であるが、製造コストを考慮した場合、より簡素化されたレイアウトが望ましい。また、電圧を印加するタイミングを生成する方法として、可動部材に設けられた電極と固定電極間に交流電圧を印加し、これらの間に流れる電流値を測定し、タイミングを制御する方法が提案されているが、検出される値は微小電流であり、複雑な制御回路が必要である。さらに、静電駆動の光スキャナの駆動周波数に対する振れ角の揺動特性が図１２に示すように、急峻なＱ特性となっている。このような特性の可動部材の起動時の駆動方法として、初めから共振周波数の信号を印加して駆動することは、温度、駆動電圧等の変動により難しい。

本発明は上記した問題点に鑑みてなされたもので、
本発明の目的は、シリコンマイクロマシニング技術を利用した従来の光スキャナの欠点を改善し、可動部材の両面に反射ミラーを構成する構造を単一シリコン基板に形成した、静電駆動の捩じり振動型の光スキャナ、該光スキャナの起動時の駆動方法および駆動装置を提供することにある。

本発明（請求項１、２、３）は、反射ミラーを両面に配設した可動部材と、前記可動部材を揺動可能に支持する支持部材と、前記支持部材を挟む可動部材に両側位置に第一の固定電極と支持部材片側位置に第二の固定電極を備え、前記可動部材の反射ミラーが配設された以外の支部材を挟む両側位置に第一の可動部材配設電極と支持部材片側位置側に第二の可動部材配設電極備え、第一の固定電極と第一の可動部材配設電極は互いに対向し、第二の固定電極と第二の可動部材配設電極とは互いに対向し、第一の固定電極と第一の可動部材配設電極の間に電圧を印加して、あるいは第二の固定電極と第二の可動部材配設電極の間に電圧を印加して、両者間に発生する静電力によって前記可動部材を揺動させる光スキャナにおいて、前記第一の固定電極と第一の可動部材配設電極の厚さが同一であるようにし、さらに、前記第二の可動部材配設電極に対向する第二の固定電極の位置は、前記第二の可動部材配設電極の初期位置から揺動方向に沿ってずらした位置に配置したことにより、簡素化されたレイアウトで構成することができ、コストを安価にすることが出来る。

本発明（請求項４、５）は、前記駆動部材の両面に設けられた反射ミラーの内少なくも一方を前記駆動部材の揺動検知手段として用い、前記反射ミラーに光を照射する光照射部材と、前記反射ミラーによって反射された光を検知する光部材を設け、前記駆動部材の揺動軌跡を検知信号として用いることにより反射ミラーの揺動状態を忠実に検知することができ、精度良い信号を得ることが出来る。

本発明（請求項６）は、反射ミラーに光を照射し、前記反射ミラーによって反射された光を検知する部材として、フォトダイオードアレーを用いることにより、スポット光の位置データが直接得られ、レスポンスが非常に早く、分解能が非常に高く、スポット光の大きさに影響されない特徴により、精度の良い位置信号を得ることが出来る。

本発明（請求項７、８）は、光を照射する光照射部材は光源として発光ダイオードを用いることにより小型で安価な光源を用いることができ、さらに光を照射する光照射部材は光源としてレーザーダイオードを用いる事に拠り指向性に優れた光ビームを用いることができ、駆動部材の揺動軌跡をより精密に検知できる。

本発明（請求項９）は、請求項１〜８記載のマイクロミラー装置の駆動方法において、駆動開始時、前記第二の固定電極と第二の可動部材配設電極の間に電圧を印加して、前記可動部材を前記第二の固定電極の位置に揺動せしめ、前記可動部材を初期位置から第二の固定電極方向に平衡停止させ、その後前記第二の固定電極と第二の可動部材配設電極の間に印加していた電圧をオフにし、前記可動部材が第一の固定電極に近接する揺動タイミングにて第一の固定電極と第一の可動部材配設電極の間に矩形波電圧を印加して駆動することにより、第一の固定電極と第一の可動部材配設電極の厚さ同一とする光スキャナの構造が簡素なレイアウトであっても駆動部材を最大角度で共振揺動を実現できる。

本発明（請求項１０）は、さらに、反射ミラーに光を照射する光照射部材と、前記反射ミラーによって反射された光を検知する光部材を設け、前記駆動部材の揺動軌跡を検知信号とし、その信号を前記第一の固定電極と第一の可動部材配設電極の間に矩形波電圧を印加するタイミングに用いる事により、駆動部材を最大角度で共振揺動可能とするように制御できる。

本発明（請求項１１）は、反射ミラーを両面に配設した可動部材と、前記可動部材を揺動可能に支持する支持部材と、前記支持部材を挟む可動部材に両側位置に第一の固定電極と支持部材片側位置に第二の固定電極を備え、前記可動部材の反射ミラーが配設された以外の支部材を挟む両側位置に第一の可動部材配設電極と支持部材片側位置側に第二の可動部材配設電極備え、第一の固定電極と第一の可動部材配設電極は互いに対向し、第二の固定電極と第二の可動部材配設電極とは互いに対向し、第一の固定電極と第一の可動部材配設電極の間に電圧を印加して、あるいは第二の固定電極と第二の可動部材配設電極の間に電圧を印加して、両者間に発生する静電力によって前記可動部材を共振で揺動可能とする光スキャナであって、前記光スキャナを駆動する光スキャナ駆動装置において、発振周波数を決定するデジタルデータを格納するデータ格納手段とデジタルデータの値に対応した周波数を生成するプログラマブル発振器と、印加電圧が可変可能の電圧可変手段とを具備した駆動手段と、振幅のピークを検知するピークホールド回路と、振幅を記憶振幅記憶手段とを具備した検出手段と、検出手段から得られた情報を元に振幅の大小の演算を行う振幅演算回路と、発振周波数を決定するデータの選択、及びプログラマブル発振器の制御、及び印加電圧の制御、及び駆動信号の印加順の判断と演算を行う駆動制御回路を具備したデータ信号処理手段より構成することにより任意の共振周波数を設定することが簡便に出来る。

本発明（請求項１２）は、初期起動時、所望の共振周波数の駆動信号と異なる周波数の駆動信号を印加し前記可動部材を揺動せしめ、その後駆動周波数を逐次、前記所望の共振周波数に合わせ込む様可変し、最終的に所望の共振周波数の駆動信号で前記可動部材を揺動制御可能とすることに拠り、駆動周波数を徐々に印加するスイープ制御が可能になる。
本発明（請求項１３）は、初期起動時、所望の共振周波数の駆動信号と異なる周波数の駆動信号を印加し前記可動部材を揺動せしめ、その後駆動周波数を逐次、前記所望の共振周波数に合わせ込む様可変し、最終的に所望の共振周波数の駆動信号で前記可動部材を揺動制御する方法として、前記振幅演算器により得られる振幅値を比較して振幅の最大値を検出して共振周波数を求める事に拠り、振幅の値と駆動駆動周波数の関係を演算により求めその演算結果より駆動周波数を求め駆動周波数を徐々に可変印加するスイープ制御が可能になる。

本発明（請求項１４）は、初期起動時、所望の共振周波数より低周波数の領域の任意の周波数の駆動信号印加から開始し、徐々に、振幅の増加傾向を検知しながら駆動信号の周波数を増加させる、振幅のピーク値を検出したら、徐々に振幅の減少を検知しながら任意の周波数値まで減少させ、所望の共振周波数より高周波数の領域に駆動周波数にする、その後この高周波数領域から、所望の共振周波数に向かって、徐々に振幅の増加を検知しながら所望の共振周波数に合わせる。その時振幅の値が所望の値かを演算し所定の振幅になる様に印加電圧を調整可能とすることに拠り、図１２に示す特性を持った可動部材の目的とする共振周波数での振幅のピーク値とピークの数を検知することが出来、何らかの原因で複数のピーク値が発生した場合、或はピーク値の周波数が著しく変化した場合、初期起動時に検知でき、且つ所定の共振周波数で所定の振幅の設定が確実に行うことが出来る。

本発明（請求項１５）は、初期起動時、前記第二の固定電極と第二の可動部材配設電極の間に電圧を印可して、前記可動部材を前記第二の固定電極の位置に揺動せしめ、前記可動部材を初期位置から第二の固定電極方向に平衡停止させ、その後前記第二の固定電極と第二の可動部材配設電極の間に印加していた電圧をオフにし、前記可動部材が第一の固定電極に近接する揺動タイミングにて第一の固定電極と第一の可動部材配設電極の間に矩形波電圧を印加して駆動することにより、前記第二の固定電極と第二の可動部材配設電極は起動時のみに用いる様にすることにより、第二の固定電極と第二の可動部材配設電極の配置面積は少なくて済み、本発明の構成をより簡素化できる。

本発明（請求項１６、１７、１８）は、前記駆動部材の両面に設けられた反射ミラーの内少なくも一方を前記駆動部材の揺動検知手段として用い、前記反射ミラーに光を照射する光照射部材と、前記反射ミラーによって反射された光を検知する光部材を設け、前記可動部材の揺動軌跡の変位信号であることにより反射ミラーの揺動状態を忠実に検知することが出来、精度良い信号を得る事が出来る。且つ、反射ミラーに光を照射する光照射部材と、前記反射ミラーによって反射された光を検知する光部材を設け、前記駆動部材の揺動軌跡を検知信号とし、その信号を前記第一の固定電極と第一の可動部材配設電極の間、及び第二の固定電極と第二の可動部材配設電極の間に矩形波電圧を印加するタイミングに用いる事に拠り精度良く可動部材を最大角度で共振揺動可能とするように制御できる。

本発明（請求項１９）は、初期起動時、所望の共振周波数の駆動信号と異なる周波数の駆動信号を印加し前記可動部材を揺動せしめ、その後駆動周波数を逐次、前記所望の共振周波数に合わせ込む様可変し、最終的に所望の共振周波数の駆動信号で前記可動部材を揺動する様、駆動信号印加手順のアルゴリズムを予め駆動手順フローチャートとして記憶する手段を有している事により制御アルゴリズムの変更に容易に対応出きる光スキャナ駆動装置が提供出きる。

本発明（請求項１、２、３）は、反射ミラーを両面に配設した可動部材と、前記可動部材を揺動可能に支持する支持部材と、前記支持部材を挟む可動部材に両側位置に第一の固定電極と支持部材片側位置に第二の固定電極を備え、前記可動部材の反射ミラーが配設された以外の支部材を挟む両側位置に第一の可動部材配設電極と支持部材片側位置側に第二の可動部材配設電極を備え、第一の固定電極と第一の可動部材配設電極は互いに対向し、第二の固定電極と第二の可動部材配設電極とは互いに対向し、第一の固定電極と第一の可動部材配設電極の間に電圧を印加して、あるいは第二の固定電極と第二の可動部材配設電極の間に電圧を印加して、両者間に発生する静電力によって前記可動部材を揺動させる光スキャナにおいて、前記第一の固定電極と第一の可動部材配設電極の厚さが同一である様にし、さらに、前記第二の可動部材配設電極に対向する第二の固定電極の位置は、前記第二の可動部材配設電極の初期位置から揺動方向に沿ってずらした位置に配置したことにより、簡素化されたレイアウトで構成することができ、コストを安価にする光スキャナを提供できる。

本発明（請求項４、５）は、前記駆動部材の両面に設けられた反射ミラーの内少なくも一方を前記駆動部材の揺動検知手段として用い、前記反射ミラーに光を照射する光照射部材と、前記反射ミラーによって反射された光を検知する光部材を設け、前記駆動部材の揺動軌跡を検知信号として用いることにより反射ミラーの揺動状態を忠実に検知することが出来、精度良い信号を得る事が出来る光スキャナを提供できる。

本発明（請求項６）は、反射ミラーに光を照射し、前記反射ミラーによって反射された光を検知する部材として、フォトダイオードアレーを用いることにより、スポット光の位置データが直接得られ、レスポンスが非常に早く、分解能が非常に高く、スポット光の大きさに影響されない特徴により、精度の良い位置信号を得る光スキャナを提供できる。

本発明（請求項７、８）は、光を照射する光照射部材は光源として発光ダイオードを用いる事に拠り小型で安価な光源を用いる事ができる、さらに光を照射する光照射部材は光源としてレーザーダイオードを用いる事に拠り指向性に優れた光ビームを用いることが出来、駆動部材の揺動軌跡をより精密に検知出来る光スキャナを提供できる。

本発明（請求項９）は、請求項１〜８記載のマイクロミラー装置の駆動方法において、駆動開始時、前記第二の固定電極と第二の可動部材配設電極の間に電圧を印加して、前記可動部材を前記第二の固定電極の位置に揺動せしめ、前記可動部材を初期位置から第二の固定電極方向に平衡停止させ、その後前記第二の固定電極と第二の可動部材配設電極の間に印加していた電圧をオフにし、前記可動部材が第一の固定電極に近接する揺動タイミングにて第一の固定電極と第一の可動部材配設電極の間に矩形波電圧を印加して駆動することにより、第一の固定電極と第一の可動部材配設電極の厚さ同一とする光スキャナの構造が簡素なレイアウトであっても駆動部材を最大角度で共振揺動を実現できる光スキャナを提供できる。

本発明（請求項１０）は、さらに、反射ミラーに光を照射する光照射部材と、前記反射ミラーによっ反射された光を検知する光部材を設け、前記駆動部材の揺動軌跡を検知信号とし、その信号を前記第一の固定電極と第一の可動部材配設電極の間に矩形波電圧を印加するタイミングに用いる事により、駆動部材を最大角度で共振揺動可能とするように制御できる光スキャナを提供できる。

本発明（請求項１１）は、反射ミラーを両面に配設した可動部材と、前記可動部材を揺動可能に支持する支持部材と、前記支持部材を挟む可動部材に両側位置に第一の固定電極と支持部材片側位置に第二の固定電極を備え、前記可動部材の反射ミラーが配設された以外の支部材を挟む両側位置に第一の可動部材配設電極と支持部材片側位置側に第二の可動部材配設電極備え、第一の固定電極と第一の可動部材配設電極は互いに対向し、第二の固定電極と第二の可動部材配設電極とは互いに対向し、第一の固定電極と第一の可動部材配設電極の間に電圧を印加して、あるいは第二の固定電極と第二の可動部材配設電極の間に電圧を印加して、両者間に発生する静電力によって前記可動部材を共振で揺動可能とする光スキャナであって、前記光スキャナを駆動する光スキャナ駆動装置において、発振周波数を決定するデジタルデータを格納するデータ格納手段とデジタルデータの値に対応した周波数を生成するプログラマブル発振器と、印加電圧が可変可能の電圧可変手段とを具備した駆動手段と、振幅のピークを検知するピークホールド回路と、振幅を記憶振幅記憶手段とを具備した検出手段と、検出手段から得られた情報を元に振幅の大小の演算を行う振幅演算回路と、発振周波数を決定するデータの選択、及びプログラマブル発振器の制御、及び印加電圧の制御、及び駆動信号の印加順序の判断と演算を行う駆動制御回路を具備したデータ信号処理手段より構成される事により任意の共振周波数を設定することが簡便に出来る光スキャナ駆動装置を提供できる。

本発明（請求項１２）は、初期起動時、所望の共振周波数の駆動信号と異なる周波数の駆動信号を印加し前記可動部材を揺動せしめ、その後駆動周波数を逐次、前記所望の共振周波数に合わせ込む様可変し、最終的に所望の共振周波数の駆動信号で前記可動部材を揺動制御可能とすることに拠り、駆動周波数を徐々に印加するスイープ制御が可能とする光スキャナを提供できる。

本発明（請求項１３）は、さらに、初期起動時、所望の共振周波数の駆動信号と異なる周波数の駆動信号を印加し前記可動部材を揺動せしめ、その後駆動周波数を逐次、前記所望の共振周波数に合わせ込む様可変し、最終的に所望の共振周波数の駆動信号で前記可動部材を揺動制御する方法として、前記振幅演算器により得られる振幅値を比較して振幅の最大値を検出して共振周波数を求める事に拠り、振幅の値と駆動周波数の関係を演算により求めその演算結果より駆動周波数を求め駆動周波数を徐々に可変印加するスイープ制御が可能とする光スキャナを提供できる。

本発明（請求項１４）は、初期起動時、所望の共振周波数より低周波数の領域の任意の周波数の駆動信号印加から開始し、徐々に、振幅の増加傾向を検知しながら駆動信号の周波数を増加させる、振幅のピーク値を検出したら、徐々に振幅の減少を検知しながら任意の周波数値まで減少させ、所望の共振周波数より高周波数の領域に駆動周波数にする、その後この高周波数領域から、所望の共振周波数に向かって、徐々に振幅の増加を検知しながら所望の共振周波数に合わせる。その時振幅の値が所望の値かを演算し所定の振幅になるように印加電圧を調整可能とすることに拠り、図１２に示す特性を持った可動部材の目的とする共振周波数での振幅のピーク値とピークの数を検知することができ、何らかの原因で複数のピーク値が発生した場合、或はピーク値の周波数が著しく変化した場合、初期起動時に検知でき、且つ所定の共振周波数で所定の振幅の設定が確実に行うことが出来る光スキャナを提供できる。

本発明（請求項１５）は、初期起動時、前記第二の固定電極と第二の可動部材配設電極の間に電圧を印加して、前記可動部材を前記第二の固定電極の位置に揺動せしめ、前記可動部材を初期位置から第二の固定電極方向に平衡停止させ、その後前記第二の固定電極と第二の可動部材配設電極の間に印加していた電圧をオフにし、前記可動部材が第一の固定電極に近接する揺動タイミングにて第一の固定電極と第一の可動部材配設電極の間に矩形波電圧を印加して駆動することにより、前記第二の固定電極と第二の可動部材配設電極は起動時のみに用いる様にすることにより、第二の固定電極と第二の可動部材配設電極の配置面積は少なくて済み、本発明の構成をより簡素化出きる光スキャナを提供できる。

本発明（請求項１６、１７、１８）は、前記駆動部材の両面に設けられた反射ミラーの内少なくも一方を前記駆動部材の揺動検知手段として用い、前記反射ミラーに光を照射する光照射部材と、前記反射ミラーによって反射された光を検知する光部材を設け、前記可動部材の揺動軌跡の変位信号であることにより反射ミラーの揺動状態を忠実に検知することが出来、精度良い信号を得る事が出来る光スキャナを提案できる。且つ、反射ミラーに光を照射する光照射部材と、前記反射ミラーによって反射された光を検知する光部材を設け、前記駆動部材の揺動軌跡を検知信号とし、その信号を前記第一の固定電極と第一の可動部材配設電極の間、及び第二の固定電極と第二の可動部材配設電極の間に矩形波電圧を印加するタイミングに用いる事に拠り精度良く可動部材を最大角度で共振揺動可能とするように制御できる光スキャナを提供できる。

本発明（請求項１９）は、所望の共振周波数の駆動信号と異なる周波数の駆動信号を印加し前記可動部材を揺動せしめ、その後駆動周波数を逐次、前記所望の共振周波数に合わせ込むように可変にし、最終的に所望の共振周波数の駆動信号で前記可動部材を揺動する様、駆動信号印加手順のアルゴリズムを予め駆動手順フローチャートとして記憶する手段を有していることにより制御アルゴリズムの変更に容易に対応できる光スキャナ駆動装置を提供できる。

以下、発明の実施の形態について図面により詳細に説明する。 図１は、本発明の光スキャナを示す。本光スキャナはシリコンマイクロマシニング技術を用いて形成されている。シリコン基板１は矩形の単層厚板で形成され、第一の可動部材配設電極４、第二の可動部材配設電極５とミラー部９が形成された可動部材１０と、前記第一の可動部材配設電極４、第二の可動部材配設電極５の各電極に対向してそれぞれの第一の固定電極３、第二の固定電極６と、前記可動部材１０に一体的に両側に突出形成された支持部材２はその両端でシリコン基板１に固定されている。これにより、前記可動部材１０は支持部材２の捩じりにより、ミラー部９の平面方向と垂直な方向に揺動可能とされる。支持部材２の片側位置に設けられた第二の固定電極６は、支持部材２の位置から揺動方向に沿ってずらした位置に配置されている。また、可動部材１０の両面には、反射ミラー部９が形成されている。

本発明の光スキャナーは、可動部材１０の厚みと、支持部材２を固定し各固定電極を構成しているシリコン基板１の厚みとを同一に構成し、さらに第二の固定電極部６はシリコン基板１の厚みより厚くするように構成している。一例として第二の固定電極６は個別部品として製作し、シリコン基板１に付加する構成としている。

図２は、可動部材１０を形成したシリコン基板本体と、第二の固定電極６となる部材を分離した構成を示す。このように、本発明では光スキャナの構成を単純なレイアウトで設計している。これにより、製造コストが安価で歩留まりが良い製品が提供できる。

図３、図４は、本発明の光スキャナを基台に設置して構成する例を示す。図５は、光スキャナの上面の平面図と、側面の断面図である。

基台２０には光スキャナの図示しないパッドに接続される接触子２３が配置されている。また、基台２０には光源２１とフォトダイオードアレー２２が設けられている。

本発明の光スキャナにおいて、可動部材１０の両面にはミラー９が配設されている。前記ミラー９の一方は可動部材１０の揺動に応じた信号生成用に用いる。例えば、図３、図５に示すように、基台２０には、光源２１と光検知部材（フォトダイオードアレー）２２（この例では位置検出素子）が配設されている。

このような構成における信号生成について説明する。図５、図６において、光源２１から任意の角度でミラーに単一指向性ビームを照射し、ミラーで反射させ光検知部材２２に入射する。本発明では、光検知部材として位置検出素子を用い、前記位置検出素子上を単一指向性ビームが等速往復軌跡を描く場合、図１０に示すグラフになる。

θＡは図６（ａ）に示す可動部材が揺動角度０度の位置、θＢは図６（ｂ）に示す反時計方向に揺動した時の位置、θＣは図６（ｃ）に示す時計方向に揺動した時の位置である。このように、位置検出素子上を単一指向性ビームが等速往復軌跡運動をすることにより、可動部材の揺動軌跡に忠実な信号を得ることができる。前記検知した信号から可動部材の揺動角度を導き出すことができ、さらに可動部材を揺動せしめる電圧を印加するタイミングを生成することができる。

前記光源として発光ダイオードを用いることにより、小型で安価な光源を構成することができる。さらに、光路上に集光レンズを配置することにより、指向性が有るビームが得られる。さらに前記光源としてレーザダイオードを用いることにより、より指向性の強い極小ビームスポットが得られるので微細な位置信号を得ることが可能になる。

次に、本発明の光スキャナの駆動方法について説明する。図６（ａ）は初期位置である。第二の固定電極６と第二の可動部材配設電極５間に所定の電圧を印加すると、第二の固定電極６と第二の可動部材配設電極５間に電荷が蓄積してコンデンサが構成される。そうすると第二の固定電極６と第二の可動部材配設電極５間に静電引力が働き、可動部材１０は図６（ｂ）のように、反時計方向に回転開始し、第二の固定電極６に接近する。第二の固定電極６と第二の可動部材配設電極５間の距離が最小になったとき、前記電圧の印加を停止すると、回転動作の慣性により第二の可動部材配設電極５が第二の固定電極６の位置を超えて回転し、最大回転位置まで回転する。そして、前記慣性力が低下し、支持部材２の捩じり力より低下すると、可動部材１０は支持部材２の反力により時計方向に回転開始する。

次に、時計方向に回転している可動部材１０の第一の可動部材配設電極４と第一の固定電極３間に電圧を印加すると、第一の可動部材配設電極４と第一の固定電極３間に静電引力が働き、前記時計方向の回転動作を加速することができる。第一の固定電極３と第一の可動部材配設電極４間の距離が最小になったとき、前記電圧の印加を停止すると、回転動作の慣性により第一の可動部材配設電極４が第一の固定電極３の位置を超えて回転し、図６（ｃ）に示す最大回転位置まで回転する。そして、前記慣性力が低下し支持部材２の捩じり力より低下すると、可動部材は支持部材２の反力により反時計方向に回転開始する。

次に、反時計方向に回転している可動部材１０の第一の可動部材配設電極４と第一の固定電極３間に電圧を印加すると、第一の可動部材配設電極４と第一の固定電極３間に静電引力が働き、前記反時計方向の回転動作を加速することができる。第一の固定電極３と第一の可動部材配設電極４間の距離が最小になったとき、前記電圧の印加を停止すると、回転動作の慣性により第一の可動部材配設電極４が第一の固定電極３の位置を超えて回転し、図６（ｂ）に示す最大回転位置まで回転する。以後、前記したように、第一の固定電極３と第一の可動部材配設電極４間に前記した手順で電圧の印加および停止を繰り返して行うことにより、可動部材は時計方向及び反時計方向のそれぞれの最大回転位置まで回転する動作を繰り返す揺動動作を行う。図７は、可動部材が反時計方向に揺動した斜視図である。

図１０は、可動部材１０の揺動を連続的に行うための可動部材１０の揺動位置と時間の関係、さらにこれに対応する第二の固定電極６と第二の可動部材配設電極５間に印加する電圧のタイミング及び第一の固定電極３と第一の可動部材配設電極４間に印加する電圧のタイミングを示す。

可動部材１０の揺動位置の変化に同期させて、第一の固定電極３と第一の可動部材配設電極４間に印加する電圧のタイミングを制御することにより、図６、図１０に示す可動部材１０の揺動動作を連続的に行う。また、第一の固定電極３と第一の可動部材配設電極４間に印加する電圧を矩形波とすることにより、印加する矩形波に同期した共振状態で可動部材の連続的動作が可能になる。

ところで、可動部材１０の共振周期の揺動に同期して矩形波電圧を印加するには、可動部材１０の揺動位置を検知する必要がある。図５、図６は、可動部材１０の揺動位置を検知するための構成を示す。基台２０には、光源２１とフォトダイオードアレー２２が配設され、光源２１からの光ビームが反射ミラー９に所定の角度で照射され、反射ミラー９で反射されフォトダイオードアレー２２に入射する。フォトダイオードアレー２２は半導体位置検出素子であり、１つの接合面を持つＰＩＮ構造となっていて、半導体面上に光のスポットを与えると電荷が発生し、発生した電荷は両端の電極に到達し、到達した電荷の量は、スポット光の位置から電極までの距離に反比例する。電極から取り出した電流は、図示しない演算部で必要な計算を行うことにより、スポット光位置に比例したデータとして得られ、スポット光位置を検知できる。

図１１は、検知部材であるフォトダイオードアレーで検知された信号を示す。これが可動部材１０の揺動軌跡を検知信号として用いる方法である。さらに、信号波形から、図１０で示した最大回転位置位置αＢ、αＣにそれぞれ対応した信号ＳＢ、ＳＣが得られる。図１１に示す信号ＳＢ，ＳＣの信号を利用して、第一の固定電極３と第一の可動部材配設電極４間に印加する電圧のタイミングを制御し、可動部材の揺動動作を連続的に行い、最大角度の制御が可能になる。

図１４は、本発明の光スキャナ駆動装置を示す。駆動手段は電圧可変手段４７、第二の固定電極と第二の可動部材配設電極（以下、第二の電極）に印加する第二電極印加信号生成手段３５、デジタルデータ格納手段３６、プログラマブル発信器３９、信号切替部４０、ドライバーアンプ部４１より構成され、光スキャナ４３の可動部材１０を揺動可能とする。また、デジタルデータ格納手段３６、プログラマブル発信器３９は、第一の固定電極と第一の可動部材配設電極（以下、第一の電極）に印加する第一電極印加信号生成手段を構成する。

検出手段は、センサアンプ部４２、ピークホールド回路部３８、振幅値格納部３７、振幅演算回路４６より構成され、光スキャナ４３の信号検知部４５からの信号を検知及び格納する。

データ信号処理手段は、マイクロプロセッサ（ＭＰＵ）３１、リードオンリメモリ（ＲＯＭ）３２、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）３３、アドレス／データバス３４より構成されている。

駆動手段は、データ信号処理手段からの制御指示に従い、電圧可変部４７では第一電極、及び第二電極に印加する電圧を設定し、第二電極印加信号生成手段３５では第二電極に印加する信号を設定し、デジタルデータ格納手段３６には第一電極に印加する信号の駆動周波数に関するデータが格納さ、プログラマブル発信器３９では前記デジタルデータ格納手段３６に格納されたデータに対応した駆動周波数を生成する。第二電極印加信号生成手段３５で生成された信号とプログラマブル発信器３９で生成された信号は、信号切替部４０で適時、信号が切替えられ、ドライバーアンプ部４１に接続されている。ドライバーアンプ部４１では信号印加電圧が前記電圧可変手段４７により任意に可変可能となっている。ドライバーアンプ部４１の出力は光スキャナに配設された端子に接続され各電極に信号を与える。

検出手段は、光スキャナ４３の信号検知部４５から取り出された信号をセンサアンプ部４２で増幅され、ピークホールド回路３８で適時サンプル時間に応じた信号のピーク値を検出し、そのピーク値を振幅値格納部３７に格納する。データ信号処理手段と駆動手段及び検出手段間はアドレス／データバス３４を経由してデータあるいは指令の授受を行い、データ信号処理手段での所定の制御処理手順に従った動作を行う。

本発明の光スキャナの揺動特性は、図１２に示すように、共振点となる周波数範囲が極小で所謂Ｑが高い特性となっている。このような特性を持った可動部材は共振周波数から数パーセント変化しただけで振角が大きく変化してしまう傾向がある。共振周波数が変化する要因として駆動装置の電源電圧の変動あるいは光スキャナを構成する材質の温度特性の変動が考えられる。

このような光スキャナを起動する場合、共振周波数が数パーセント変動していることを考慮した制御が必要になる。特に、初期起動時は共振周波数と最大振角との関係を演算しながら駆動を開始する必要がある。

本発明は、デジタルデータに対応して発振周波数を設定可能とするプログラマブル発振器を具備することにより、共振周波数と異なる周波数を生成可能である。例えば、共振周波数Ｆｃより±ｎヘルツ変動した周波数Ｆ（ｃ−ｎ）＜Ｆｃ＜Ｆ（ｃ＋ｎ）の範囲の周波数を生成可能とすると、初期起動時、最初にＦ（ｃ−ｎ）の駆動周波数で駆動を開始し、以降、順次周波数を共振周波数Ｆｃに近づけるように可変にする駆動信号の印加手順のアルゴリズムを用いることにより、確実に共振周波数で駆動可能とする。

さらに、前記周波数Ｆ（ｃ−ｎ）＜Ｆｃ＜Ｆ（ｃ＋ｎ）の範囲の周波数で共振周波数Ｆｃに近づけるように可変にする駆動信号印加手順のアルゴリズムを用いる制御に加え、検出手段から得られる振幅値を求め、前記振幅値と駆動周波数との関係を演算して共振周波数を求める。

即ち、本光スキャナは、図１２の標準揺動特性をデータして、図示しない記憶部に記憶して、前記周波数をＦ（ｃ−ｎ）＜Ｆｃ＜Ｆ（ｃ＋ｎ）の範囲で変化させた時の検出手段から得られる振幅値から、実際の揺動軌跡に基づく実揺動特性を得、前記記憶された標準揺動特性との類似を演算することによりさらに確実に共振周波数で駆動可能とする。

図１５は、各々の周波数での振幅がピーク１、ピーク２、ピーク３と変化する概略を示している。

さらに、所望の共振周波数より低周波数の領域の任意の周波数の駆動信号の印加から開始し、徐々に、振幅の増加傾向を検知しながら駆動信号の周波数を増加させる。振幅のピーク値を検出したら、徐々に振幅の減少を検知しながら任意の周波数値まで減少させ、所望の共振周波数より高周波数の領域に駆動周波数にする。その後、この高周波数領域から、所望の共振周波数に向かって、徐々に振幅の増加を検知しながら所望の共振周波数に合わせる。即ち、周波数Ｆ（ｃ−ｎ）＜Ｆｃ＜Ｆ（ｃ＋ｎ）の範囲で共振周波数Ｆｃを得るために、図１３に示すように、周波数の領域を、領域１、領域２、領域３と区分した場合、初期起動時、領域１から領域２さらに領域３そして領域２の順序で共振周波数を発見して行くことにより、共振周波数が未知数の光スキャナの駆動が可能になる。また、設定された共振周波数での振幅を可変にすることにより、任意の共振周波数で且つ任意の振幅が得られる光スキャナ駆動装置が実現できる。

図１７は、所望の共振周波数の駆動信号と異なる周波数の駆動信号を印加し可動部材１０を揺動せしめ、その後、駆動周波数を逐次、前記所望の共振周波数に合わせ込むように可変にし、最終的に所望の共振周波数の駆動信号で可動部材１０を揺動する駆動信号印加手順のフローチャートを示す。

図１３、図１６と対応して説明すると、図１７において、「開始」〜ステップ２０２の処理は、図１６の起動部の部分、ステップ２０３〜ステップ２０８は領域１の部分、ステップ２０９〜ステップ２１３は領域２の部分、ステップ２１４〜ステップ２１９は領域３の部分、そして、ステップ２２０〜「終了」は領域２の部分を示す。このように、駆動信号印加手順のフローチャートをデータ信号処理手段のＲＯＭ３２にプログラムとして格納する。

本発明の光スキャナの構成を示す。 本発明の第二の固定電極を嵌め込み型とした例を示す。 光スキャナを基台に配置する位置関係を示す図である。 光スキャナを基台にセットした図である。 光スキャナの上面の平面図と、側面の断面図である。 光スキャナの駆動方法を説明する図である。 可動部材が反時計方向に揺動した斜視図である。 従来の光スキャナを示す。 従来の光スキャナの揺動状態を示す。 光スキャナの揺動軌跡と印加電圧のタイミングを示す。 光スキャナの揺動軌跡の検知信号を示す。 本発明の光スキャナの揺動特性を示す。 本発明の光スキャナの揺動特性を駆動制御する各領域を示す。 本発明の光スキャナ駆動装置の構成を示す。 振幅のピーク値が徐々に増加するスイープ制御を説明する図である。 図１３の各領域における信号印加手順を説明する図である。 駆動信号の印加手順のフローチャートを示す。

符号の説明

１ シリコン基板
２ 支持部材
３ 第一の固定電極
４ 第一の可動部材配設電極
５ 第二の可動部材配設電極
６ 第二の固定電極
９ ミラー部
１０ 可動部材
２０ 基台
２１ 光源
２２ フォトダイオードアレー
３０ クロック
３１ マイクロプロセッサ（ＭＰＵ）
３２ リードオンリーメモリ（ＲＯＭ）
３３ ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）
３４ アドレス／データバス
３５ 第二電極印加信号生成手段
３６ デジタルデータ格納手段
３７ 振幅値格納部
３８ ピークホールド回路
３９ プログラマブル発振器
４０ 信号切替部
４１ ドライバーアンプ部
４２ センサーアンプ部
４３ 光スキャナ
４５ 信号検知部
４６ 振幅演算回路
４７ 電圧可変手段

Claims (19)

1. 反射ミラーを両面に配設した可動部材と、前記可動部材を揺動可能に支持する支持部材と、前記支持部材を挟む可動部材の両側位置に第一の固定電極を備え、前記支持部材の片側位置には第二の固定電極を備え、前記可動部材の反射ミラーが配設された以外の支部部材を挟む両側位置に第一の可動部材配設電極と支持部材片側位置側に第二の可動部材配設電極を備え、前記第一の固定電極と前記第一の可動部材配設電極は互いに対向し、前記第二の固定電極と前記第二の可動部材配設電極は互いに対向し、前記第一の固定電極と前記第一の可動部材配設電極の間に電圧を印加して、あるいは前記第二の固定電極と前記第二の可動部材配設電極の間に電圧を印加して、両者間に発生する静電力によって前記可動部材を揺動させることを特徴とする光スキャナ。
2. 前記第一の固定電極と前記第一の可動部材配設電極の厚さは同一であることを特徴とする請求項１記載の光スキャナ。
3. 前記第二の固定電極は、前記第二の可動部材配設電極の初期位置から揺動方向に沿ってずらした位置に配置したことを特徴とする請求項１記載の光スキャナ。
4. 前記可動部材の両面に設けられた反射ミラーの内、少なくも一方を前記可動部材の揺動検知手段として用いることを特徴とする請求項１記載の光スキャナ。
5. 前記反射ミラーに光を照射する光照射部材と、前記反射ミラーによって反射された光を検知する光検知部材を設け、前記可動部材の揺動軌跡を検知信号として用いることを特徴とする請求項４記載の光スキャナ。
6. 前記光検知部材は、フォトダイオードアレーであることを特徴とする請求項５記載の光スキャナ。
7. 前記光照射部材は、光源として発光ダイオードを用いることを特徴とする請求項５記載の光スキャナ。
8. 前記光照射部材は、光源としてレーザーダイオードを用いることを特徴とする請求項５記載の光スキャナ。
9. 請求項１乃至８のいずれか一つに記載の光スキャナの駆動方法において、駆動開始時、前記第二の固定電極と前記第二の可動部材配設電極の間に電圧を印加して、前記可動部材を前記第二の固定電極の位置に揺動せしめ、前記可動部材を初期位置から前記第二の固定電極方向に平衡停止させ、その後、前記第二の固定電極と前記第二の可動部材配設電極の間に印加していた電圧をオフにし、前記可動部材が前記第一の固定電極に近接する揺動タイミングで前記第一の固定電極と前記第一の可動部材配設電極の間に矩形波電圧を印加して駆動することを特徴とする光スキャナ駆動方法。
10. 反射ミラーに光を照射する光照射部材と、前記反射ミラーによって反射された光を検知する光検知部材を設け、前記可動部材の揺動軌跡を検知信号とし、前記検知信号を前記第一の固定電極と前記第一の可動部材配設電極の間に矩形波電圧を印加するタイミングに用いることを特徴とする請求項９記載の光スキャナ駆動方法。
11. 反射ミラーを両面に配設した可動部材と、前記可動部材を揺動可能に支持する支持部材と、前記支持部材を挟む可動部材の両側位置に第一の固定電極を備え、前記支持部材の片側位置には第二の固定電極を備え、前記可動部材の反射ミラーが配設された以外の支部部材を挟む両側位置に第一の可動部材配設電極と支持部材片側位置側に第二の可動部材配設電極を備え、前記第一の固定電極と前記第一の可動部材配設電極は互いに対向し、前記第二の固定電極と前記第二の可動部材配設電極は互いに対向し、前記第一の固定電極と前記第一の可動部材配設電極の間に電圧を印加して、あるいは前記第二の固定電極と前記第二の可動部材配設電極の間に電圧を印加して、両者間に発生する静電力によって前記可動部材を揺動させる光スキャナにおいて、前記光スキャナを駆動する光スキャナ駆動装置であって、前記第一の固定電極と前記第一の可動部材配設電極（以下、第一の電極）に印加する第一電極印加信号生成部と、前記第二の固定電極と前記第二の可動部材配設電極（以下、第二の電極）に印加する第二電極印加信号生成手段と、前記第一電極及び第二電極に印加する信号の印加電圧を可変にする電圧可変手段からなる駆動手段と、前記可動部材の揺動に応じた信号を検出する検出手段と、前記駆動手段の駆動手順の指示または駆動の開始及び停止を指示し、また前記検出手段に対して検出手段の信号取得タイミング及び信号格納に関する指示を行うデータ信号処理手段から構成され、前記第一電極印加信号生成手段は、発振周波数を決定するデジタルデータを格納するデータ格納手段とデジタルデータの値に対応した任意の周波数を生成するプログラマブル発振器とを備え、前記可動部材の揺動周波数に対応した周期性を持つ信号を生成し、前記第二電極印加信号生成手段は一定幅の駆動信号を生成し、前記検出手段は、前記可動部材の揺動に応じた信号のピークを検知するピークホールド回路と、前記信号を記憶する信号記憶手段とを備え、前記データ信号処理手段は、前記検出手段から得られた情報を基に前記信号の比較演算を行う信号演算回路と、前記第一電極の発振周波数を決定するデータの選択、プログラマブル発振器の制御、印加電圧の制御、及び駆動信号の印加順序の判断と演算を行うためのマイクロプロセッサシステムを備えたことを特徴とする光スキャナ駆動装置。
12. 前記第一電極印加信号生成手段は、可動部材の固有振動数に対応した共振周波数Ｆｃから±ｎヘルツ可変にした周波数範囲Ｆ（ｃ−ｎ）〜Ｆ（ｃ＋ｎ）の周波数を生成し、初期起動時、初期起動信号の周波数Ｆｄが前記共振周波数Ｆｃと異なる周波数で前記周波数範囲Ｆ（ｃ−ｎ）〜Ｆ（ｃ＋ｎ）の任意の周波数として第一電極に駆動信号を印加して前記可動部材を揺動せしめ、その後、駆動周波数を逐次、前記共振周波数Ｆｃに合わせ込むように可変にし、最終的に所望の共振周波数の駆動信号で前記可動部材を揺動するように、任意の周波数を生成するプログラマブル発振器に与えるデジタルデータを予めデータテーブルとしてデータ格納手段に記憶し、初期起動時の駆動信号の印加手順をマイクロプロセッサシステムに記憶したことを特徴とする請求項１１記載の光スキャナ駆動装置。
13. 前記第一電極印加信号生成手段は、可動部材の固有振動数に対応した共振周波数Ｆｃから±ｎヘルツ可変にした周波数範囲Ｆ（ｃ−ｎ）〜Ｆ（ｃ＋ｎ）の周波数を生成し、初期起動時、初期起動信号の周波数Ｆｄが前記共振周波数Ｆｃと異なる周波数で前記周波数範囲Ｆ（ｃ−ｎ）〜Ｆ（ｃ＋ｎ）の任意の周波数として第一電極に駆動信号を印加して前記可動部材を揺動せしめ、その後、駆動周波数を逐次、前記共振周波数Ｆｃに合わせ込むように可変にし、最終的に所望の共振周波数の駆動信号で前記可動部材を揺動する駆動方法において、前記検出手段から得られる信号の変化を参照して制御することを特徴とする請求項１１記載の光スキャナ駆動装置。
14. 前記第一電極印加信号生成手段は、可動部材の固有振動数に対応した共振周波数Ｆｃから±ｎヘルツ可変にした周波数範囲Ｆ（ｃ−ｎ）〜Ｆ（ｃ＋ｎ）の周波数を生成し、初期起動時、初期起動信号の周波数Ｆｄが前記共振周波数Ｆｃと異なる周波数で前記周波数範囲Ｆ（ｃ−ｎ）〜Ｆ（ｃ＋ｎ）の任意の周波数として第一電極に駆動信号を印加して前記可動部材を揺動せしめ、その後、駆動周波数を逐次、前記共振周波数Ｆｃに合わせ込むように可変にし、最終的に所望の共振周波数の駆動信号で前記可動部材を揺動する駆動方法において、駆動信号の印加手順は、所望の共振周波数Ｆｃより低周波数の領域の任意の周波数Ｆ（ｃ−ｎ）の駆動信号の印加から開始し、徐々に、振幅の増加傾向を検知しながら駆動信号の周波数を増加させ、信号の第一回目のピーク値を検出したら、徐々に信号のピーク値の減少を検知しながら任意の周波数値Ｆ（ｃ＋ｎ）まで増加させ、所望の共振周波数Ｆｃより高周波数の領域の駆動周波数にし、その後、この高周波数領域から、所望の共振周波数Ｆｃに向かって、徐々に信号のピーク値の増加を検知しながら所望の共振周波数Ｆｃに合わせる手順とし、信号のピーク値を２回検知し、さらに２回目で検知した周波数を共振周波数Ｆｃと設定し、さらにその時の信号のピーク値が所望の値かを演算し、所定のピーク値になるように、印加電圧を調整することを特徴とする請求項１２記載の光スキャナ駆動装置。
15. 初期起動時、前記第二の固定電極と前記第二の可動部材配設電極の間に電圧を印加して、前記可動部材を前記第二の固定電極の位置に揺動せしめ、前記可動部材を初期位置から第二の固定電極方向に平衡停止させ、その後、前記第二の固定電極と前記第二の可動部材配設電極の間に印加していた電圧をオフにし、前記可動部材が前記第一の固定電極に近接する揺動タイミングで前記第一の固定電極と前記第一の可動部材配設電極の間に矩形波電圧を印加して駆動することを特徴とする請求項１１記載の光スキャナ駆動装置。
16. 前記可動部材の両面に設けられた反射ミラーの内、少なくも一方を前記可動部材の揺動検知手段として用いることを特徴とする請求項１１記載の光スキャナ駆動装置。
17. 前記反射ミラーに光を照射する光照射部材と、前記反射ミラーによって反射された光を検知する光検知部材を設け、前記可動部材の揺動軌跡を検知信号として用いることを特徴とする請求項１６記載の光スキャナ駆動装置。
18. 前記反射ミラーに光を照射する光照射部材と、前記反射ミラーによって反射された光を検知する光検知部材を設け、前記可動部材の揺動軌跡を検知信号とし、その信号を第一の固定電極と第一の可動部材配設電極の間に矩形波電圧を印加するタイミングに用いることを特徴とする請求項１６または１７記載の光スキャナ駆動装置。
19. 初期起動時、所望の共振周波数の駆動信号と異なる周波数の駆動信号を印加して前記可動部材を揺動せしめ、その後、駆動周波数を逐次、前記所望の共振周波数に合わせ込むように可変にし、最終的に所望の共振周波数の駆動信号で前記可動部材を揺動するように、駆動信号の印加手順を予め記憶する手段を有していることを特徴とする請求項１２記載の光スキャナ駆動装置。

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