JP2005326463A - ひずみ検出による共振駆動保持機構を持った光偏向器 - Google Patents

Abstract

【課題】 ねじれ振動動作に関連する部位の一部に構成した歪ゲージだけでは、その抵抗値変化、すなわちねじれひずみ量の変化の測定精度および分解能の点で十分であるとはいえない。
【解決手段】 弾性支持体は断面がＸ字の形状であり、反射面と同じ方向を向いた弾性支持体の表面に歪ゲージを構成している光偏向器を提供する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、入射光を偏向する光偏向器、及びそれを用いた光学機器、そしてねじり揺動体に関するものである。

近年において半導体デバイスの高集積化に代表されるようにマイクロエレクトロニクスの発展に伴い、様々な機器が高機能化とともに小型化されてきている。例えば、光偏向器を用いて光走査を行うレーザービームプリンタ、ヘッドマウントディスプレイ等の画像表示装置、バーコードリーダー等の入力デバイスの光取り入れ装置等においてもより一層の小型化が要求されている。これらの要求を満たす光偏向器として、例えば、マイクロマシンニング技術を用いて微小ミラーをねじり梁で支持しねじり振動させる構成で光を走査する光偏向器があり、その構造や駆動方法において様々なものが提案されている。

また、微小ミラーをねじり振動させる構成で光を走査する光偏向器として使用する際、微小ミラー部分の振動による振れ角（以下、変位角と呼ぶ）の値は重要な情報となるが、その検出や制御の方法としては特許文献１や特許文献２などで開示されているように、ねじり軸に関連する部位に歪ゲージを形成することで、その部分の歪を検出して可動部の変位角を算出し、それをもとに制御回路によって可動部の変位角を制御する方法がある。

またＸ字型の多角形断面からなる弾性支持体を持つ光偏向器は特許文献３に記載されている。

また特許文献４には可動板に形成された反射面の裏側の面に磁性体からなる可動コアを、その面と対面する場所にコイルを周回させた固定コアとを持ち、コイルを通電することで可動コアと固定コアの間に生じる異磁極または同磁極間の磁力（の吸引力または反発力）によって揺動動作を行う光偏向器が記載されている。
特開平１−３１６７１８号公報 特開平５−１１９２８０号公報 特開２００３−１３１１６１号公報 特開２００２−３２３６６９号公報

しかしながら歪ゲージが検出する歪は、ゲージの構成方向に生じるひずみ成分のみであるため、微小ミラーの振動運動の軸で、ねじれ動作を生じる弾性支持体に歪ゲージを適用する場合、ゲージの構成方向は重要な要素になってくる。また、本件に掛かる光偏向器のように、その光偏向器が持つ共振周波数での駆動を前提とし、比較的大きな変位角で動作するデバイスにおいては、厳密には弾性支持体の部位によってねじれの強度の分布が異なるため、ねじれ振動動作に関連する部位の一部に構成した歪ゲージだけでは、その抵抗値変化、すなわちねじれひずみ量の変化の測定精度および分解能の点で十分であるとはいえない。また、ねじり軸方向にゲージを構成した場合、可動板がどちらの方向に傾いているのかも判別しにくい。

そこで本発明では、微小ミラーをねじり振動させる構成で光走査を行う光偏向器において、入射光を偏向するための微小ミラーの振動状態を、弾性支持体に生ずる引張り応力の方向に沿うように構成した歪ゲージの抵抗値変化によって検出することで、弾性支持体のねじれひずみ量の変化を鋭敏にとらえ、さらにその結果を帰還することで微小ミラーの共振駆動状態を保持することを目的とするものである。

よって本発明は、
支持基板に可動板の両端が弾性支持体で支持され、該可動板の一方の面には反射面が形成され、該可動板を該弾性支持体のねじり軸を中心にねじり振動させることによって、該反射面に入射する入射光を偏向する光偏向器であって、該弾性支持体は断面がＸ字の形状であり、該反射面と同じ方向を向いた該弾性支持体の表面に歪ゲージを構成していることを特徴とする光偏向器を提供する。

微小ミラーの揺動に伴う弾性支持部のねじれひずみ量に応じて変化する歪ゲージの抵抗値（ブリッジ回路の電圧値）を精密に検出することができるため、その変化量に応じた補正値を駆動回路に帰還して固有の共振周波数で駆動することができ、微小ミラーによる光偏向器で安定した光走査を可能にすることができた。

上記目的を達成するために本発明は、微小ミラーをねじり振動させる構成で光を走査する光偏向器おいて、Ｘ字型の多角形断面からなる弾性支持体を持つ。ここで、Ｘ字状の断面形状を持つ弾性支持体を有する光偏向器は、特許文献３で開示されているように、その微小ミラーをねじり軸回りにねじり易く、ねじり軸に垂直方向にたわみにくい状態で弾性支持することが可能であるため、微小ミラーはねじり軸回りのねじり振動以外の不要振動が生じにくく、安定した光偏向器を実現できる。このようなＸ型断面を有する光偏向器の前記弾性支持体のねじり振動時に生じるねじれひずみ量を、それに応じた抵抗値の変化量として検出するために前記弾性支持体の前面（ミラー面側）全域にねじれひずみによる引張り応力の発生方向と整合する方向に構成された歪ゲージと、前記歪ゲージの抵抗値の変化を検出するねじれ検出回路と、検出した抵抗値の変化量の最大値と共振駆動時のそれとを比較して、共振周波数のズレに伴う最大ねじれ量からの変動分を補正するために、抵抗値の最大変化量が共振駆動時のそれと一致するように駆動周波数を調整することで微小ミラーの共振駆動状態を保持する制御回路を少なくとも有することを特徴とする。

これにより弾性支持体に生じるひずみに伴う引張り応力を全域にわたって鋭敏に捕らえることが出来るため、その構成方向に配慮しない場合に比べ、検出感度および分解能を向上させることが出来る。

なお、微小ミラーの振動状態すなわち変位角は、そのねじり軸である弾性支持体のねじれ量に対応して一義的に定まり、そのねじれ量に対する歪ゲージの抵抗値の変化量もまた一義的に定まるものであるから、結果的に歪ゲージの抵抗値を知ることは微小ミラーの振動状態を知ることになる。したがって、抵抗値の変化量が最大となる時、それは弾性支持体のねじれ量が最大の時であり、微小ミラーが共振駆動の状態にあることになる。よって、その抵抗値の変化量の最大値を監視することで共振駆動状態にあることを見極めることができ、それが変化した場合は、その変化量を基に駆動系を制御することで、共振周波数が温度変化などの外乱により変動した際にも常に追従して安定した光走査が行える光偏向器を提供することができる。

ここで、図１〜図４に基づいて、弾性支持体に構成する歪ゲージの方向について説明する。図１は本発明で用いる光偏向器の一例であり、全体構成を示す斜視図である。図１において、光偏向器１は支持基板２に可動板５の両端がねじり揺動運動軸に相当する弾性支持体（ねじりバネ）３で支持された構造となっている。弾性支持体３は可動板５をＢ軸（つまりねじり軸）を中心に弾性的にＣ方向、つまり時計回り方向と反時計回り方向の両方向のねじり振動を自在に支持するものである。また、可動板５の一方の面は反射面４となっていて可動板５のＣ方向へのねじれにより反射面４に入射する入射光を所定変位角偏向するものである。なお、可動板５ははその両端がそれぞれねじれバネ３と接続しているため、支持基板２によって支持されている。また可動板５は、ねじり揺動するがＢ軸を中心に回転はしない。

なお、本件は可動板の駆動方法については特に規定するものではないが、ここでは特許文献４に記載される光偏向器の揺動動作について考えることにする。ここで図２は図１で説明した光偏向器で、図１では可動板５の裏側にあるため不図示のアクチュエータ部を取り付けた状態の一例で、可動板５のねじり軸３方向から見た時の側面図である。可動板５の反射面４が構成されている面の裏側に磁性体からなる可動コア６を取り付け、可動コア６を吸引し可動板５にトルクを発生させるためのコイルを周回させた固定コア７（いわゆる電磁石）が支持基板２の外側に、可動板５の反射面４とは反対側の面（すなわち、可動コアを取り付けた面）に対面する状態で設置されており、このコイルに通電することにより電磁力で可動板５が駆動される。なお固定コア７の取り付け方法は、支持基板部２をホルダー８によって保持し、固定コア７を設置した別基板と接合すればよい。

このような光偏向器において前記弾性支持体の前面（反射面側）全域に歪ゲージＲ１〜Ｒ４を形成する。これらＲ１〜Ｒ４は、その抵抗値の変化に伴う出力電圧の変化から弾性支持体のねじれ量を検出するためのホイートストン・ブリッジを構成するものであり、光偏向器が駆動されていない状態では平衡状態となるように調整されたものである。

図３（a）〜（c）は光偏向器を真上から見た時の図である。ここで固定コアに通電し、反射面が形成された可動部を揺動させた時の弾性支持体に作用する引張り応力の方向について図３（a）〜（c）を用いて考えてみる。まず、可動部が図３の（a）の矢印Ａの方向に振れた時、それぞれの弾性支持体には同図中の両矢印の方向にねじれによる引張り応力が作用する。一方、可動部が図３の（b）の矢印Bの方向に振れた時、それぞれの弾性支持体には同図中の両矢印の方向にねじれによる引張り応力が働く。ここで、弾性支持体に構成する歪ゲージの方向であるが、図３の（c）のようにそれぞれ４箇所の弾性支持体には歪ゲージを構成するゲージ抵抗のすべての長手方向成分を弾性支持体のねじり軸の方向に対し45°傾けて配置する。図３（c）の向きに構成することにより、可動部が図３（a）の矢印Ａの方向に振れた時、歪ゲージＲ３およびＲ４は、そのゲージの全長の大部分を占める長手方向へのねじれによる引張り応力を強く受けることになり、その抵抗値は大きく変化する。しかしＲ１およびＲ２に作用する引張り応力はＲ３およびＲ４に作用する引張り応力と同じ方向であるため、Ｒ１およびＲ２の主方向となる長手方向とは90°方向が異なることになり、弾性支持体のねじれに伴う引張り応力にほとんど影響されないことになる。同様に、可動部が図３（b）の矢印Bの方向に振れた時には上記とは全く逆になるため、Ｒ１およびＲ２の抵抗値が大きく変化するのに対し、Ｒ３およびＲ４がほとんどねじりによる引張り応力の影響を受けないことになる。この結果、Ｒ１〜Ｒ４で構成された図４のホイートストン・ブリッジ回路（ねじれ検出回路）のＶout＝Ｖ13−Ｖ24は図３（a）の時正電圧、図３（b）の時負電圧となり、その変位角に応じてＶoutの大きさも変化する。なお、図４のＲ１〜Ｒ４が実際の光偏向器の弾性支持体に構成される際の位置は、図３で説明したＲ１〜Ｒ４の位置と一致する。

以上により、弾性支持体のねじれに伴う引張り応力が働く方向に沿って歪ゲージを構成することで、その引張り応力を鋭敏に捕らえることができるため、測定感度および分解能が向上し、また、可動部の振れ（傾き）方向が容易に判別することができ、より精密に可動板の振動状態を把握することができた。

続いて図５により実施例の一形態である弾性支持部のねじれ量を検出・制御することにより可動部の共振駆動状態を保持する例について説明する。

501は図４において説明した、光偏向器の弾性支持体に構成した歪ゲージＲ１〜Ｒ４からなるホイートストン・ブリッジ回路とその出力を増幅して取り出す差動アンプからなるねじれ検出回路部であり、その出力電圧の最大値と、ねじれ検出回路501の共振駆動状態における出力電圧の最大値とを比較し、変動していた場合にその変動分に見合った量を、駆動周波数のシフト量として変換するための演算部分が502に示す共振周波数制御回路部であり、503は共振周波数制御回路502の演算によって求められた駆動周波数のシフト量を帰還し、光偏向器の固定コアに新規の駆動周波数で駆動電圧を印加する光偏向器駆動回路（電源）部である。

ここで、共振周波数制御回路部の動作であるが、もし弾性支持体の最大ねじれ量に変動が生じた場合は、光偏向器の共振周波数ｆ0が温度変化などの要因によって変動したと考えられる。そこで、光偏向器としての動作・性能に影響が無い程度の微小量（±Δｆ0）だけ駆動周波数を共振周波数から変位させ、その時のねじれ検出回路501の変位方向を観測する。もし＋Δｆ0でねじれ検出回路501の出力が増加の方向に変位すれば共振周波数は周波数が高くなる方向に変位したと考えられ、一方−Δｆ0でねじれ検出回路501の出力が増加の方向に変位すれば共振周波数は低くなる方向に変位したと考えられる。したがって、変位方向が判れば、その方向にさらに微小量づつ駆動周波数を変位させて行き、ねじれ検出回路501で検出される出力が最大となる周波数が、元の共振周波数から変動した後の新しい共振周波数ということになり、再び共振周波数で光偏向器の駆動を継続することが出来た。

（ａ）光偏向器の構成概略図で（ｂ）光偏向器の弾性支持体をＡ−Ａで切った時の断面図。 微小ミラーの可動原理の一例を説明するための概略側面図。 （ａ）（ｂ）微小ミラーが傾いた時に弾性支持体に作用する引張り応力の方向を説明するための図で（ｃ）弾性支持体に歪ゲージを構成する際の方向を説明するための図。 弾性支持体のねじれを検出するためのホイートストン・ブリッジの構成図。 微小ミラーの共振駆動保持方法を説明するブロック図。

符号の説明

１ 光偏向器
２ 支持基板
３ 弾性支持体（ねじりバネ）
４ 反射面（微小ミラー面）
５ 可動板
Ａ 弾性支持体の断面形状を説明するための切り口方向
Ｂ ねじり軸
Ｃ ねじれ方向

Claims (4)

1. 支持基板に可動板の両端が弾性支持体で支持され、該可動板の一方の面には反射面が形成され、該可動板を該弾性支持体のねじり軸を中心にねじり振動させることによって、該反射面に入射する入射光を偏向する光偏向器であって、該弾性支持体は断面がＸ字の形状であり、該反射面と同じ方向を向いた該弾性支持体の表面に歪ゲージを構成していることを特徴とする光偏向器。
2. 該弾性支持体の表面に構成した歪ゲージの長手方向の角度が、ねじり軸の方向に対して45°であることを特徴とする請求項1に記載の光偏向器。
3. 少なくとも１つの該弾性支持体は２つの該歪ゲージを有し、該２つの歪ゲージの長手方向は互いに略直交することを特徴とする請求項２に記載の光偏向器。
4. 該弾性支持体のねじれひずみ量を検出して、振動周期を補正することで該光偏向器の共振駆動状態を補正する手段を有することを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の光偏向器。

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