JP2005326745A

JP2005326745A - 光偏向装置およびその制御方法

Info

Publication number: JP2005326745A
Application number: JP2004146212A
Authority: JP
Inventors: Kazunari Fujii; 一成藤井; Takayuki Yagi; 隆行八木; Yasuhiro Shimada; 康弘島田; Susumu Yasuda; 進安田
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 2004-05-17
Filing date: 2004-05-17
Publication date: 2005-11-24

Abstract

【課題】ミラー面精度の悪化、質量の向上による固有振動数の低下を生じさせることなく、構造の簡略化、製造工程の簡略化を実現する。
【解決手段】複数の可動子は複数のねじりバネによって直列に連結され、複数のねじりバネの一部は支持部によって支持され、複数のねじりばねの少なくとも一つ以上のねじりばねがセンサーを有している光偏向装置を提供する。
【選択図】図１

Description

本発明は、マイクロ構造体の技術分野に関連する技術であり、より詳しくは光偏向装置に好適なものである。また、この光偏向装置を使用した走査型ディスプレイやレーザービームプリンタやデジタル複写機等の画像形成装置に関するものである。

従来、ミラーが共振駆動される光偏向装置が色々と提案されている。共振型光偏向装置は、ポリゴンミラー等の回転多面鏡を使用した光走査光学系に比べて、光偏向装置を大幅に小型化することが可能であること、消費電力が少ないこと、面倒れが理論的に存在しないこと、特に半導体プロセスによって製造されるＳｉ単結晶からなる光偏向装置は理論上金属疲労が無く耐久性にも優れていること等の特徴がある（特許文献１）。

一方、共振型偏向器においては、原理的にミラーの走査角が正弦的に変化するため、角速度が一定でないという問題点がある。この特性を補正するために、特許文献２においては、基本周波数とその３倍の周波数の振動モードを有する共振型偏向器を用いることで、略三角波駆動を実現している。図４に三角波駆動を実現したマイクロミラーを示す。光偏向装置12は可動子14,16・ねじりばね18,20・駆動部23,50・検出部15,32・制御回路30から構成される。このマイクロミラーは基本共振周波数と略三倍の共振周波数を持ち、基本周波数と三倍の周波数との合成周波数で駆動する。これにより、ミラー面を持つ可動子14は三角波駆動で駆動し略等角速度領域を実現する。その際、検出部15,32により可動子14の振動を検出し、制御回路30により三角波実現のために必要な駆動信号を生成し、駆動部23,50によりマイクロミラーを駆動している。
特開昭５７−８５２０号公報米国特許４，８５９，８４６号公報

しかしながら、特許文献２においては、可動子と可動子近傍に検出部を設け可動子の駆動を検出しているため、可動子の面精度の悪化、質量の増加による固有振動数の低下、構造の複雑化、製造工程の複雑化という問題が生じる。

本発明は、ミラー面精度の悪化、質量の向上による固有振動数の低下を生じさせることなく、構造の簡略化、製造工程の簡略化を実現するものである。

本発明の特徴とするところは第１に、複数のねじりバネと複数の可動子と支持部とからなる振動系と、前記振動系を動作させる駆動手段と、を有する光偏向装置であって、前記振動系は分離した複数の共振周波数を有し、前記可動子の少なくとも一つに反射ミラーが形成され、前記複数の可動子は前記複数のねじりバネによって直列に連結され、前記複数のねじりバネの一部は支持部によって支持され、前記複数のねじりばねの少なくとも一つ以上のねじりばねがセンサーを有していることを特徴とする光偏向装置であり、第２に、前記センサーがピエゾ抵抗素子であることを特徴とする光偏向装置であり、第３に、前記複数の可動子は、一つの平板形状可動子と、一つの以上の輪形状可動子と、からなり、これらが入れ子状に配置されていることを特徴とする光偏向装置であり、第４に、前記ピエゾ抵抗素子の抵抗の変化から前記複数の可動子の駆動周波数と振幅と位相とを得るための算出手段有することを特徴とする光偏向装置であり、第５に、前記駆動手段と前記算出手段の結果から前記振動系を所望の動作に制御することを特徴とする光偏向装置の制御方法であり、第６に、前記算出手段の結果から前記駆動手段によって、まず振幅を所望の値に制御した後に、位相を制御することを特徴とする光偏向装置の制御方法である。

以上が発明の構成要素であり、その詳細および作用については以下に説明する。

本発明により、ミラー面精度の悪化、質量の向上による固有振動数の低下を生じさせることなく、構造の簡略化、製造工程の簡略化を実現し、ピエゾ抵抗素子によって複数の可動子の振動状態を算出し、それによって駆動手段による駆動力を変更することで、反射ミラーを有する可動子は略三角波状で駆動し、変位角が正弦波であったときと比べ、略等角速度となる領域が広くなり、偏向走査の全域に対する利用可能な領域を大きくすることが可能となり、レーザープリンタに本発明の光偏向装置を導入することで良好に印字することができる。

複数のねじりバネと複数の可動子と支持部とからなる振動系は、分離した複数の共振周波数を有しており、前記可動子の少なくとも一つに駆動手段により駆動力を与え、前記複数の可動子を動作させる。駆動手段としては、電磁型・静電型・圧電型などが考えられる。

前記複数のねじりばねの少なくとも一つ以上のねじりばねがセンサーを有している、センサーとしてはピエゾ抵抗素子等が考えられる。さらにセンサーの出力から、前記複数の可動子の駆動周波数・振幅・位相を得るための算出手段を有している。

本発明による画像投射装置の代表的なブロック図を図１に示す。振動系100は、可動子101・可動子102からなり、可動子101・可動子102を直列に連結するねじりばね111と可動子102と支持部121を連結するねじりばね112からなる。

駆動手段130は可動子102に、電磁・静電・圧電などにより振動系100の複数の固有振動モードを同時に励振する駆動力を加える。

ねじりばね111上のセンサー140は、可動子101と可動子102との相対ねじれ角を検出する。

算出手段150は検出手段の出力である可動子101と可動子102との相対ねじれ角から可動子101および可動子102の振動状態を算出する。以下に、算出手段150によって、可動子101,102のねじれ角θ₁，θ₂の振動状態を数式化する方法の一例を示す。

可動子101と可動子102との相対ねじれ角をθ₀、可動子101と102のねじれ軸周りの固有モードの角振動数をω₁，ω₂・ねじれ角をθ₁，θ₂・位相をφ₁，φ₂とすると、可動子101,102の振動振幅θ₁，θ₂は、
θ₀＝Ａ₁sin（ω₁ｔ−φ₁）＋Ａ₂sin（ω₂ｔ−φ₂）（数式 1）
θ₁＝Ｂ₁sin（ω₁ｔ−φ₁＋β_B1）＋Ｂ₂sin（ω₂ｔ−φ₂＋β_B2）（数式 2）
θ₂＝Ｃ₁sin（ω₁ｔ−φ₁＋β_C1）＋Ｃ₂sin（ω₂ｔ−φ₂＋β_C1）（数式 3）
Ｂ₁＝Ｄ₁×Ａ₁，Ｂ₂＝Ｄ₂×Ａ₂，Ｃ₁＝Ｄ₃×Ａ₁，Ｃ₂＝Ｄ₄×Ａ₂ （数式 4）
と表せる（Ａ₁，Ａ₂Ｂ₁，Ｂ₂Ｃ₁，Ｃ₂，Ｄ₁，Ｄ₂，Ｄ₃，Ｄ₄，β_B1，β_B2，β_C1，β_C2は定数）。

可動子101と可動子102との相対ねじれ角をθ₀から、（数式 2）と（数式 3）の形に変形するために、可動子101,102の駆動振動数ｆ₁，ｆ₂のバンドパスフィルタにより検出信号を２つの周波数成分に分けＡ₁，Ａ₂・φ₁，φ₂を求める。また、バンドパスフィルタの変りにローパスフィルタとハイパスフィルタやロックインアンプを用いることも可能である。

さらに、ω₁，ω₂・Ｄ₁，Ｄ₂，Ｄ₃，Ｄ₄，β_B1，β_B2，β_C1，β_C2を事前に把握することで、（数式 4）によって可動子101、102の振動状態を算出できる。

算出した振動状態から、所望の振幅および位相になるように駆動手段130からの駆動信号を制御する。その際にまず振幅を所望の値にした後に、位相を調整することが望ましい。

本実施例は本発明による光偏向装置の第一態様である。本実施例の画像投射装置のブロック図は図１に示されるものと同一である。図２は本実施例の具体的な構成図である。

図２（a）は光偏光器、図２（b）は振動系である。振動系200はシリコンウェハをエッチング加工で作成されたプレート部材である。平板状の可動子201は、表面に反射ミラーを有し、図中の上下を２本のねじりバネ211a,bで支持されている。枠形状の可動子202は、その内側にねじりバネ211a,bを支持しており、図中の上下を２本のねじり212a,bで支持されている。枠形状の可動子202は、ねじりバネ212a,bで固定台221に支持されている。振動系200は一つの振動モードの周波数とこれに対し３倍の振動モードの周波数との２つの振動モードを有する。

駆動手段230は、可動子202の表面上に形成された可動コイル231に流す電流と、固定永久磁石232a,bから形成される磁界とによりローレンツ力による回転トルクが発生する。この際、可動子202の２つの振動モードで回転トルクを励起することにより、可動子201,202には大きなねじれ振動が生じる。

本実施例では駆動手段230に可動コイル231・固定永久磁石231a,bを用いたが、可動永久磁石・固定コイルによる電磁駆動、もしくは固定電極と可動電極による静電駆動を用いることも可能である。

ねじりばね211a上にはピエゾ抵抗素子が配置されおり、可動子201と可動子202との相対ねじれ角を検出する。

本実施例ではねじりばね211aにピエゾ抵抗素子を配置したが、ねじりばね211b,212a,212bそれぞれ、もしくは複数配置してもよい。

ピエゾ抵抗素子によって検出した可動子201と可動子202との相対ねじれ角から、算出手段によって可動子201と可動子202の振動状態を算出し、それによって駆動手段230による駆動力を変更することで、可動子201は略三角波状で駆動し、変位角が正弦波であったときと比べ、略等角速度となる領域が広くなり、偏向走査の全域に対する利用可能な領域を大きくすることが可能となる。

本実施例は本発明による画像投射装置の第二態様である。本実施例の構成を図３に示す。本実施例は実施例1の光偏光器をレーザープリンタに用いたものである。

光源310から出射した光は、コリメータレンズ320で整形された後、光偏向装置300によって1次元に偏向される。偏向光は結合レンズ330を経て感光ドラム340上に結像する。

本実施例により、偏向光の角速度は、略等角速度となり良好に印字することができる。

本発明による光偏向装置のブロック図。実施例１による光偏向装置の構成図および振動系の構成図。実施例２による構成図。三角波駆動マイクロミラー。

符号の説明

100 振動系
101 可動子
102 可動子
111 ねじりばね
112 ねじりばね
121 支持部
130 駆動手段
140 センサー
150 算出手段
200 振動系
201 平板状の可動子
202 枠形状の可動子
211 ねじりばね
212 ねじりばね
230 駆動手段
231 可動コイル
232 固定永久磁石
300 光偏向装置
310 光源
320 コリメータレンズ
330 結合レンズ
340 感光ドラム

Claims

複数のねじりバネと複数の可動子と支持部とからなる振動系と、該振動系を動作させる駆動手段と、を有する光偏向装置であって、
前記振動系は分離した複数の共振周波数を有し、
前記可動子の少なくとも一つに反射ミラーが形成され、
前記複数の可動子は前記複数のねじりバネによって直列に連結され、
前記複数のねじりバネの一部は支持部によって支持され、
前記複数のねじりばねの少なくとも一つ以上のねじりばねがセンサーを有していることを特徴とする光偏向装置。
前記センサーがピエゾ抵抗素子であることを特徴とする請求項１に記載の光偏向装置。
前記複数の可動子は、一つの平板形状可動子と、一つの以上の輪形状可動子と、からなり、これらが入れ子状に配置されていることを特徴とする請求項１または２に記載の光偏向装置。
前記ピエゾ抵抗素子の検出値から前記複数の可動子の駆動周波数と振幅と位相とを得るための算出手段有することを特徴とする請求項１〜３に記載の光偏向装置。
請求項４に記載の光偏向装置の制御方法であって、前記算出手段の結果から前記駆動手段によって前記振動系を所望の動作に制御することを特徴とする光偏向装置の制御方法。
前記算出手段の結果から前記駆動手段によって、まず振幅を所望の値に制御した後に、位相を制御することを特徴とする請求項5に記載の光偏向装置の制御方法。