JP2013195485A - Optical scanner - Google Patents

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a drive starting method for reducing the start-up time when starting driving an optical scanner showing nonlinear characteristics.SOLUTION: A determination method for determining a drive starting method which controls an AC voltage to be supplied to a driving part when starting driving an optical scanner showing nonlinear characteristics includes: determining a resonance frequency and a resonance amplitude for an AC voltage having a first voltage value, where the first voltage value is such a voltage value that a resonance amplitude of the optical scanner is smaller than a desired amplitude; determining a resonance frequency and a resonance amplitude for a second voltage value higher than the first voltage value; and determining, if the resonance amplitude for the second voltage value is equal to or larger than the desired amplitude, that a frequency should be changed from the resonance frequency for the first voltage value toward the resonance frequency for the second voltage value when driving the optical scanner is started.

Description

本発明は、レーザ等の光を走査する光スキャナの駆動を開始するときに、光スキャナを駆動する駆動部に対して供給される交流電圧を制御する駆動開始方法を決定する決定方法と、光スキャナの駆動方法と、光スキャナとに関する。   The present invention relates to a determination method for determining a drive start method for controlling an AC voltage supplied to a drive unit for driving an optical scanner, and a light when starting driving of an optical scanner that scans light such as a laser. The present invention relates to a scanner driving method and an optical scanner.

現在、揺動するミラーによりレーザ光などの光を走査する光スキャナが知られている。光スキャナにおいて、駆動部に対して電圧が印加されることで、ミラーは揺動する。ミラーを周期的に揺動するために、駆動部に対して交流電圧が印加される。   Currently, an optical scanner that scans light such as laser light with a swinging mirror is known. In the optical scanner, the mirror swings when a voltage is applied to the drive unit. In order to periodically swing the mirror, an AC voltage is applied to the drive unit.

ミラーを保持する捩り梁の共振を利用し、共振周波数にて共振駆動される光スキャナも知られている。共振周波数に対応する周波数の交流電圧が駆動部に対して印加された場合、光スキャナは、共振駆動する。共振駆動される光スキャナの中には、非線形特性を示すものも知られている。例えば、特許文献1に記載の光スキャナでは、非線形特性の例として、駆動電圧が変化した場合に共振周波数が変化する。   An optical scanner that uses resonance of a torsion beam that holds a mirror and is driven to resonate at a resonance frequency is also known. When an AC voltage having a frequency corresponding to the resonance frequency is applied to the drive unit, the optical scanner is driven to resonate. Some optical scanners that are resonantly driven exhibit nonlinear characteristics. For example, in the optical scanner described in Patent Document 1, as an example of nonlinear characteristics, the resonance frequency changes when the drive voltage changes.

特開2011−133728号公報JP 2011-133728 A

光スキャナを駆動する場合、駆動を開始してからミラーの振幅が安定するまでに、ある程度の立ち上がり時間が必要になる。なお、立ち上がり時間の定義は後述する。光スキャナを用いた装置に電源を投入して利用可能になるまでの待ち時間を短くするためには、この立ち上がり時間は短い方が望ましい。   When driving an optical scanner, a certain amount of rise time is required from the start of driving to the stabilization of the mirror amplitude. The definition of the rise time will be described later. In order to shorten the waiting time until the apparatus using the optical scanner is turned on and becomes usable, it is desirable that the rise time is short.

今現在、この立ち上がり時間を短くするという観点の研究は、ほとんど知られていない。そのため、例えば、立ち上がり時間を短くするために、どのように光スキャナの駆動を開始したらよいかという知見は、殆ど知られていない。   At present, little research is known from the viewpoint of shortening the rise time. Therefore, for example, little is known about how to start driving the optical scanner in order to shorten the rise time.

共振駆動が可能な光スキャナの場合、共振周波数にて駆動を行うため、駆動の開始時点から、共振周波数に等しい周波数の交流電圧を印加する方法が考えられる。しかし、例えば非線形特性を示す光スキャナの場合、共振周波数は振幅の大きさ、換言すれば、交流電圧の電圧値に伴い変動する。従って、非線形特性を示す光スキャナにおいて、立ち上がり時間を短くするために、どのように光スキャナの駆動を開始したらよいかは不明である。   In the case of an optical scanner capable of resonance driving, in order to drive at a resonance frequency, a method of applying an AC voltage having a frequency equal to the resonance frequency from the start of driving can be considered. However, for example, in the case of an optical scanner that exhibits nonlinear characteristics, the resonance frequency varies with the magnitude of the amplitude, in other words, with the voltage value of the AC voltage. Therefore, it is unclear how to start driving the optical scanner in order to shorten the rise time in the optical scanner exhibiting nonlinear characteristics.

本発明は、非線形特性を示す光スキャナの駆動開始時の立ち上がり時間を短縮するための駆動開始方法を決定する決定方法と、光スキャナの駆動方法と、光スキャナとを提供することを目的とする。   An object of the present invention is to provide a determination method for determining a drive start method for shortening the rise time at the start of drive of an optical scanner exhibiting non-linear characteristics, an optical scanner drive method, and an optical scanner. .

上記課題を解決するために、本発明の一側面は、共振駆動が可能であって振幅に応じて共振周波数が変化する非線形特性を示す光スキャナの駆動を開始するときに、前記光スキャナを駆動する駆動部に対して供給される交流電圧を制御する駆動開始方法を決定する決定方法であって、前記駆動部に対して、前記光スキャナが共振駆動された状態における振幅である共振振幅が所望の振幅より小さくなる第1電圧値を有する前記交流電圧の供給を開始する供給開始ステップと、前記供給開始ステップの後に、駆動される前記光スキャナによって走査される光を検出する光検出ステップと、前記光検出ステップの検出結果に基づいて、少なくとも前記光スキャナの振幅を決定する振幅決定ステップと、前記交流電圧の周波数を変更した状態で、前記光検出ステップと前記振幅決定ステップを実行することで、前記第1電圧値における前記光スキャナの共振周波数と前記共振振幅とを決定する第1決定ステップと、前記交流電圧の電圧値を前記第1電圧値よりも大きな第2電圧値に変更した状態で、前記光検出ステップと前記振幅決定ステップを実行することで、前記第2電圧値における前記光スキャナの共振周波数と前記共振振幅とを決定する第2決定ステップと、前記第2決定ステップにおいて決定された前記共振振幅が、前記所望の振幅以上が否かを判断する判断ステップと、前記判断ステップにて前記共振振幅が前記所望の振幅以上と判断された場合に、前記光スキャナの駆動を開始するときに、前記第1電圧値における前記共振周波数から前記第2電圧値における前記共振周波数に向う方向に前記周波数を変更すると決定する駆動開始決定ステップと、を備えることを特徴とする決定方法である。   In order to solve the above-described problem, one aspect of the present invention is to drive the optical scanner when starting to drive an optical scanner that exhibits a non-linear characteristic in which resonance driving is possible and resonance frequency changes according to amplitude. A determination method for determining a driving start method for controlling an AC voltage supplied to a driving unit, wherein a resonance amplitude that is an amplitude in a state where the optical scanner is resonantly driven is desired for the driving unit. A supply start step for starting supply of the AC voltage having a first voltage value smaller than the amplitude of the light; and a light detection step for detecting light scanned by the optical scanner driven after the supply start step; Based on the detection result of the light detection step, at least an amplitude determination step for determining the amplitude of the optical scanner, and a state in which the frequency of the AC voltage is changed, A first determination step for determining a resonance frequency and a resonance amplitude of the optical scanner at the first voltage value by executing a light detection step and the amplitude determination step; and a voltage value of the AC voltage as the first voltage value. The resonance frequency and the resonance amplitude of the optical scanner at the second voltage value are determined by executing the light detection step and the amplitude determination step with the second voltage value being larger than the voltage value. A second determining step; a determining step for determining whether or not the resonance amplitude determined in the second determining step is equal to or greater than the desired amplitude; and the resonance amplitude is equal to or greater than the desired amplitude in the determining step. When it is determined, when the driving of the optical scanner is started, the resonance frequency at the second voltage value is changed from the resonance frequency at the first voltage value. , A drive start determination step of determining to change the frequency in the direction toward the a determination method, characterized in that it comprises a.

前述したように、非線形特性を示す光スキャナの中には、振幅に応じて共振周波数が変化する光スキャナが存在する。今、共振駆動時に所望の振幅を得るために必要な交流電圧の電圧を、第2電圧値とする。この第2電圧値における共振周波数に等しい駆動周波数で、非線形特性を示す光スキャナの駆動が開始される。光スキャナのミラーが静止状態から駆動される場合、振幅はゼロから増大する。即ち、非線形特性を示す光スキャナの場合、駆動を開始してから振幅が増大するに従い、共振周波数が変化する。これは、駆動開始直後にミラーの振幅が開始されるときの光スキャナの共振周波数と、第2電圧値における共振周波数とが異なることを意味する。駆動開始時から第2電圧値における共振周波数に等しい駆動周波数にて光スキャナが駆動される場合、駆動開始直後の状態において、駆動周波数と共振周波数とがずれている。その結果、立ち上がり時間は長くなる。従って、立ち上がり時間を短縮するためには、第2電圧値における共振周波数から離れた駆動周波数、換言すれば、第2電圧値よりも小さい第1電圧値における共振周波数に近い駆動周波数によって光スキャナの駆動を開始し、共振周波数にむけて駆動周波数をスイープすることが望まれる。   As described above, among optical scanners exhibiting non-linear characteristics, there are optical scanners whose resonance frequency changes according to amplitude. Now, the voltage of the AC voltage necessary for obtaining a desired amplitude during resonance driving is set as the second voltage value. Driving of the optical scanner exhibiting non-linear characteristics is started at a driving frequency equal to the resonance frequency at the second voltage value. When the optical scanner mirror is driven from a stationary state, the amplitude increases from zero. In other words, in the case of an optical scanner that exhibits nonlinear characteristics, the resonance frequency changes as the amplitude increases after driving is started. This means that the resonance frequency of the optical scanner when the amplitude of the mirror starts immediately after the start of driving is different from the resonance frequency at the second voltage value. When the optical scanner is driven at a drive frequency equal to the resonance frequency at the second voltage value from the start of driving, the driving frequency and the resonance frequency are shifted immediately after the start of driving. As a result, the rise time becomes longer. Therefore, in order to shorten the rise time, the optical scanner is driven by a drive frequency that is distant from the resonance frequency at the second voltage value, in other words, by a drive frequency close to the resonance frequency at the first voltage value that is smaller than the second voltage value. It is desirable to start the drive and sweep the drive frequency towards the resonant frequency.

本発明の一側面によれば、第1電圧値における光スキャナの共振周波数と共振振幅とが決定される。また、第1電圧値よりも大きな第2電圧値における光スキャナの共振周波数と共振振幅とが決定される。そして、第2電圧値における光スキャナの共振振幅が所望の振幅以上と判断された場合、光スキャナの駆動を開始するときに、第1電圧値における共振周波数から第2電圧値における共振周波数に向う方向に周波数を変更すると決定される。これによって、立ち上がり時間を短くしつつ、所望の振幅を得ることが可能な光スキャナの駆動開始方法が得られる。   According to one aspect of the present invention, the resonance frequency and resonance amplitude of the optical scanner at the first voltage value are determined. Further, the resonance frequency and resonance amplitude of the optical scanner at the second voltage value larger than the first voltage value are determined. When it is determined that the resonance amplitude of the optical scanner at the second voltage value is greater than or equal to a desired amplitude, the resonance frequency at the second voltage value is shifted from the resonance frequency at the first voltage value when driving of the optical scanner is started. It is decided to change the frequency in the direction. As a result, it is possible to obtain an optical scanner driving start method capable of obtaining a desired amplitude while shortening the rise time.

また、前記判断ステップにて前記共振振幅が前記所望の振幅未満と判断された場合に、以前に実行された前記第2決定ステップにおける前記第2電圧値よりも電圧値が大きくなるように、前記第2決定ステップを再度実行し、前記第2決定ステップの再度実行の後、前記判断ステップが再度実行されてもよい。第2決定ステップ及び判断ステップが再度実行されることで、所望の振幅を得られる第2電圧値を決定することが可能になる。   Further, when the resonance amplitude is determined to be less than the desired amplitude in the determination step, the voltage value is larger than the second voltage value in the second determination step that has been performed previously. The second determination step may be executed again, and the determination step may be executed again after the second determination step is executed again. By executing the second determination step and the determination step again, it is possible to determine a second voltage value that can obtain a desired amplitude.

また、前記駆動開始決定ステップはさらに、前記光スキャナの駆動を開始するときに、前記第1電圧値における前記共振周波数から前記第2電圧値における前記共振周波数に向う方向に前記周波数を変更する前に、前記第1電圧値における前記共振周波数と等しい前記周波数を有する前記交流電圧を供給すると決定してもよい。これによれば、駆動開始時に、第1電圧値における共振周波数と等しい前記周波数を有する交流電圧が供給される。従って、立ち上がり時間を最短にできる。   The drive start determination step may further include a step of changing the frequency from the resonance frequency at the first voltage value toward the resonance frequency at the second voltage value when driving the optical scanner. Further, it may be determined that the AC voltage having the frequency equal to the resonance frequency at the first voltage value is supplied. According to this, at the start of driving, an AC voltage having the frequency equal to the resonance frequency at the first voltage value is supplied. Therefore, the rise time can be minimized.

また、前記駆動開始決定ステップはさらに、前記第1電圧値における前記共振周波数から前記第2電圧値における前記共振周波数に達するまで前記周波数を変更すると決定してもよい。これによれば、光スキャナの駆動後に、駆動周波数が、第1電圧値における共振周波数から、第2電圧値における共振周波数までスイープされる。従って、最短の立ち上がり時間を得られるとともに、所望の振幅を正確に得ることができる。   The drive start determination step may further determine that the frequency is changed from the resonance frequency at the first voltage value until the resonance frequency at the second voltage value is reached. According to this, after driving the optical scanner, the drive frequency is swept from the resonance frequency at the first voltage value to the resonance frequency at the second voltage value. Therefore, the shortest rise time can be obtained and a desired amplitude can be obtained accurately.

また、前記駆動開始決定ステップはさらに、前記光スキャナの駆動を開始するときに、前記第2電圧値を有する前記交流電圧を供給すると決定してもよい。これによれば、第1電圧値における共振周波数と、第2電圧とを有する交流電圧が駆動開始時に与えられると決定される。この方法で決定された駆動開始方法が光スキャナに適用される場合、駆動開始後は周波数の変更をするだけでよく、電圧変更のルーチンを省略することが可能となる。従って、さらに立ち上がり時間が短縮される。   The driving start determination step may further determine that the AC voltage having the second voltage value is supplied when driving of the optical scanner is started. According to this, it is determined that an AC voltage having the resonance frequency at the first voltage value and the second voltage is applied at the start of driving. When the drive start method determined by this method is applied to the optical scanner, it is only necessary to change the frequency after the drive start, and the voltage change routine can be omitted. Therefore, the rise time is further shortened.

本発明の他の側面は、光スキャナを駆動する駆動部に対して、前記光スキャナが共振駆動された状態における振幅である共振振幅が所望の振幅より小さくなる第1電圧値における共振周波数に等しい周波数と、前記光スキャナが共振駆動された状態において前記所望の振幅が得られる第2電圧値とを有する前記交流電圧を供給する初期供給ステップと、前記初期供給ステップの後に、前記第2電圧値を維持した状態で、前記交流電圧の周波数を、前記第1電圧値における前記共振周波数から前記第2電圧値における共振周波数に達するまで変更する供給変更ステップと、前記供給変更ステップによって前記交流電圧の周波数が前記第2電圧値における共振周波数となった状態で、前記光スキャナへの前記交流電圧の供給を継続する定常駆動ステップと、を備える駆動方法である。これによれば、第2電圧値及び第1電圧値における共振周波数に等しい駆動周波数を有する交流電圧によって、光スキャナの駆動が開始される。光スキャナの駆動開始後、第2電圧値を維持した状態で、駆動周波数は第2電圧値における共振周波数に達するまでスイープされる。従って、光スキャナの立ち上がり時間は最短となる。   According to another aspect of the present invention, a resonance amplitude, which is an amplitude in a state where the optical scanner is resonantly driven, is equal to a resonance frequency at a first voltage value that is smaller than a desired amplitude with respect to a driving unit that drives the optical scanner. An initial supply step of supplying the AC voltage having a frequency and a second voltage value at which the desired amplitude is obtained in a state where the optical scanner is resonantly driven; and after the initial supply step, the second voltage value In a state where the frequency of the AC voltage is changed from the resonance frequency at the first voltage value until the resonance frequency at the second voltage value is reached, and the change of the AC voltage by the supply change step. In a state where the frequency becomes the resonance frequency at the second voltage value, the steady drive drive that continues the supply of the AC voltage to the optical scanner is performed. Tsu and up, a driving method comprising. According to this, the driving of the optical scanner is started by an AC voltage having a driving frequency equal to the resonance frequency in the second voltage value and the first voltage value. After driving the optical scanner, the drive frequency is swept until the resonance frequency at the second voltage value is reached while maintaining the second voltage value. Therefore, the rise time of the optical scanner is the shortest.

本発明のさらに他の側面は、入射した光を反射する反射面を有し、第1軸線を中心として揺動可能に構成されるミラーと、前記ミラーを両持ち支持する一対の捩れ梁と、前記一対の捩れ梁の端部に連結される本体部と、を有する平板状の構造体と、前記構造体の一部が固定される台座と、前記本体部に設けられ、電圧が印加されることで前記構造体に対して力を与え、前記ミラー部を前記第1軸線回りに揺動させることが可能な駆動部と、前記駆動部に対して印加される交流電圧を制御する制御部とを備え、前記光スキャナは、共振駆動が可能であって振幅に応じて共振周波数が変化する非線形特性を示し、前記制御部は、前記光スキャナの駆動を開始するときに、前記駆動部に対して、前記光スキャナが共振駆動された状態における振幅である共振振幅が所望の振幅より小さくなる第1電圧値における共振周波数に等しい周波数と、前記光スキャナが共振駆動された状態において前記所望の振幅が得られる第2電圧値とを有する前記交流電圧の供給を開始し、前記供給の開始後に、前記第2電圧値を維持した状態で、前記交流電圧の周波数を、前記第1電圧値における前記共振周波数から前記第2電圧値における共振周波数に達するまで変更する光スキャナである。これによれば、立ち上がり時間が最短となる光スキャナが得られる。   Still another aspect of the present invention has a reflecting surface that reflects incident light and is configured to be swingable about a first axis, and a pair of torsion beams that support both of the mirrors, A plate-like structure having a main body connected to the ends of the pair of torsion beams; a pedestal to which a part of the structure is fixed; and a voltage applied to the main body. A driving unit capable of applying a force to the structure and swinging the mirror unit about the first axis; and a control unit for controlling an AC voltage applied to the driving unit; The optical scanner is capable of resonance driving and exhibits a nonlinear characteristic in which a resonance frequency changes according to amplitude, and the control unit applies to the driving unit when starting the driving of the optical scanner. And the amplitude of the optical scanner in a state of being driven by resonance. Of the AC voltage having a frequency equal to a resonance frequency at a first voltage value at which the resonance amplitude is smaller than a desired amplitude and a second voltage value at which the desired amplitude is obtained in a state where the optical scanner is driven to resonate. The supply is started, and after the supply is started, the frequency of the AC voltage is changed from the resonance frequency at the first voltage value to the resonance frequency at the second voltage value while maintaining the second voltage value. It is an optical scanner to change. According to this, an optical scanner with the shortest rise time can be obtained.

本発明によれば、非線形特性を示す光スキャナの駆動開始時の立ち上がり時間を短縮するための駆動開始方法を決定する決定方法と、駆動方法と、光スキャナとが得られる。   According to the present invention, it is possible to obtain a determination method, a driving method, and an optical scanner for determining a driving start method for shortening a rise time at the start of driving an optical scanner exhibiting nonlinear characteristics.

(A)線形特性を示す光スキャナにおける、駆動周波数と振幅との関係を示す図、(B)線形特性を示す光スキャナにおける駆動開始時の駆動周波数と立ち上がり時間とを示す図。(A) The figure which shows the relationship between the drive frequency and amplitude in the optical scanner which shows a linear characteristic, (B) The figure which shows the drive frequency and rise time at the time of the drive start in the optical scanner which shows a linear characteristic. 立ち上がり時間の定義を説明する図。The figure explaining the definition of rise time. (A)非線形特性を示す光走査部100における、周波数と振幅との関係を示す図、(B)非線形特性を示す光走査部100における駆動開始時の駆動周波数と立ち上がり時間とを示す図。(A) The figure which shows the relationship between the frequency and amplitude in the optical scanning part 100 which shows a nonlinear characteristic, (B) The figure which shows the drive frequency at the time of the drive start in the optical scanning part 100 which shows a nonlinear characteristic, and rise time. (A)光走査部100の斜視図、(B)光走査部100の平面図及び断面図(A) Perspective view of optical scanning unit 100, (B) Plan view and cross-sectional view of optical scanning unit 100 光スキャナ1の構成を示す図。1 is a diagram showing a configuration of an optical scanner 1. FIG. 光スキャナ1の駆動開始方法を決定する駆動開始決定処理を説明するフローチャート。6 is a flowchart for explaining drive start determination processing for determining a drive start method of the optical scanner. 光スキャナ1の共振周波数を決定する共振周波数決定処理を説明する図。The figure explaining the resonant frequency determination process which determines the resonant frequency of the optical scanner. 光スキャナ1を駆動する駆動処理を説明する図。FIG. 6 is a diagram for explaining a driving process for driving the optical scanner.

本発明者は、先ず、非線形特性を示さない光スキャナ、即ち、線形特性を示す光スキャナに対して、立ち上がり時間を短縮するための検討を行った。   The inventor first studied to shorten the rise time for an optical scanner that does not exhibit nonlinear characteristics, that is, an optical scanner that exhibits linear characteristics.

図1(A)に、線形特性を示す光スキャナにおいて、駆動部に対して印加される交流電圧の周波数(駆動周波数)に対する、ミラーの振幅を測定した結果を示す。図1(A)において、実線は、共振駆動時に所望の振幅を得られる電圧値で光スキャナが駆動された場合の、駆動周波数と振幅との関係を示す。所望の振幅は、例えば、光スキャナが組み込まれる装置の要求仕様などによって予め決められている。即ち、所望の振幅が先ず決定され、光スキャナは、所望の振幅を得るために必要な電圧値において駆動される。図1(A)における破線は、実線で示す場合よりも小さい電圧値で光スキャナが駆動された場合の、駆動周波数と振幅との関係の例を示す。図1(A)における一点鎖線は、電圧値を変化させた場合に、共振周波数とその共振周波数にて共振駆動される場合の振幅との値を繋いだ稜線を示す。以下、この稜線を、背骨曲線と呼称する。   FIG. 1A shows the result of measuring the amplitude of the mirror with respect to the frequency (drive frequency) of the AC voltage applied to the drive unit in the optical scanner having the linear characteristics. In FIG. 1A, the solid line shows the relationship between the drive frequency and the amplitude when the optical scanner is driven with a voltage value that can obtain a desired amplitude during resonance driving. The desired amplitude is determined in advance by, for example, required specifications of an apparatus in which the optical scanner is incorporated. That is, the desired amplitude is first determined and the optical scanner is driven at the voltage value necessary to obtain the desired amplitude. The broken line in FIG. 1A shows an example of the relationship between the drive frequency and the amplitude when the optical scanner is driven with a voltage value smaller than that indicated by the solid line. A dashed line in FIG. 1A indicates a ridge line connecting values of a resonance frequency and an amplitude when resonance driving is performed at the resonance frequency when the voltage value is changed. Hereinafter, this ridge line is referred to as a spine curve.

図1(A)の背骨曲線にて示されるように、線形特性を示す光スキャナの場合、駆動電圧が変化しても、共振周波数はほぼ一定である。この光スキャナにおいて、図1(A)の実線に対応する電圧値で光スキャナが駆動される場合に、ある駆動周波数で駆動を開始してから振幅が安定するまでに必要な立ち上がり時間を調べた。なお、立ち上がり時間は、駆動開始から、安定振幅からの差が±1%未満となったときまでの時間間隔として定義される。以下、図2を用いて立ち上がり時間を説明する。   As shown by the spine curve in FIG. 1A, in the case of an optical scanner that exhibits linear characteristics, the resonance frequency is substantially constant even if the drive voltage changes. In this optical scanner, when the optical scanner is driven at a voltage value corresponding to the solid line in FIG. 1A, the rise time required from the start of driving at a certain driving frequency to the stabilization of the amplitude was examined. . The rise time is defined as the time interval from the start of driving to when the difference from the stable amplitude becomes less than ± 1%. Hereinafter, the rise time will be described with reference to FIG.

図2の横軸は、時間を示す。なお、駆動周波数は一定である。図2の縦軸は、揺動状態にあるミラーの揺動速度を示す。ミラーの揺動は往路と復路との両経路があるため、一方の速度は正となり、他方の速度は負となる。そのため、ミラーの揺動速度は、「0」を中心に正負両方に分布する。なお、ミラーの揺動速度は、ドップラー干渉計を用いて計測される。ミラーの揺動速度は、時間積分を行うことによって、揺動角度である振幅に変換できる。従って、図2の縦軸は、振幅に対応すると見なせる。   The horizontal axis in FIG. 2 indicates time. The driving frequency is constant. The vertical axis in FIG. 2 indicates the swing speed of the mirror in the swing state. Since the mirror swings in both forward and return paths, one speed is positive and the other speed is negative. Therefore, the swinging speed of the mirror is distributed in both positive and negative directions centering on “0”. The mirror swing speed is measured using a Doppler interferometer. The swing speed of the mirror can be converted into an amplitude that is a swing angle by performing time integration. Therefore, it can be considered that the vertical axis in FIG. 2 corresponds to the amplitude.

図2のA点において、交流電圧が駆動部に対して印加される。ミラーの揺動速度は、急激に増加した後に減少に転ずる。ミラーの揺動速度は、増加と減少を繰り返しながら、十分な時間の経過後、一定値に収束する。正側の速度の一定値が上側安定振幅、負側の速度の一定値が下側安定振幅と、夫々定義される。図2のB点において、ミラーの揺動速度が、上側安定振幅及び下側安定振幅の±1%未満の範囲に収まる。B点以降、ミラーの揺動速度は、常に上側安定振幅及び下側安定振幅の±1%未満の値を有する。このB点が、ミラーの振幅が安定した時点と定義される。交流電圧の印加を開始した時点(A点)と、ミラーの揺動速度が上側安定振幅及び下側安定振幅の±1%未満となった時点(B点)との間の時間間隔が、立ち上がり時間として定義される。   At point A in FIG. 2, an AC voltage is applied to the drive unit. The mirror swing speed rapidly increases and then decreases. The mirror swing speed converges to a constant value after a sufficient amount of time while repeating increasing and decreasing. The constant value of the positive speed is defined as the upper stable amplitude, and the constant value of the negative speed is defined as the lower stable amplitude. At point B in FIG. 2, the mirror swing speed falls within a range of less than ± 1% of the upper and lower stable amplitudes. After point B, the mirror swing speed always has a value less than ± 1% of the upper and lower stable amplitudes. This point B is defined as the time when the amplitude of the mirror is stabilized. The time interval between the time when the application of AC voltage starts (point A) and the time when the mirror swing speed becomes less than ± 1% of the upper and lower stable amplitudes (point B) rises. Defined as time.

再び図1(B)に戻り、線形特性を示す光スキャナにおける、駆動周波数と立ち上がり時間との関係を説明する。図1(B)の縦軸は、立ち上がり時間を示す。図1(B)の横軸は、共振周波数と駆動周波数との差分を示す。即ち、横軸の「0」は、駆動周波数が共振周波数に等しいことを意味する。   Returning to FIG. 1B again, the relationship between the drive frequency and the rise time in the optical scanner exhibiting linear characteristics will be described. The vertical axis in FIG. 1B represents the rise time. The horizontal axis in FIG. 1B shows the difference between the resonance frequency and the drive frequency. That is, “0” on the horizontal axis means that the drive frequency is equal to the resonance frequency.

本発明者による実験の結果、図1(B)に示されるように、線形特性を示す光スキャナの場合は、共振周波数にて駆動を開始した場合が、最も立ち上がり時間が短くなることが分かった。立ち上がり時間は、共振周波数と駆動周波数との差が大きくなると、増加する傾向にあった。即ち、線形特性を示す光スキャナでは、駆動を開始する時点から、共振周波数に等しい駆動周波数を印加することで、立ち上がり時間が最小になる。   As a result of an experiment by the present inventor, as shown in FIG. 1B, in the case of an optical scanner exhibiting linear characteristics, it was found that the start-up time is the shortest when driving is started at the resonance frequency. . The rise time tended to increase as the difference between the resonance frequency and the drive frequency increased. That is, in an optical scanner that exhibits linear characteristics, the start-up time is minimized by applying a drive frequency equal to the resonance frequency from the start of driving.

光スキャナの構造に加わる変形応力は、光スキャナが駆動される際の振幅の大小により変化する。変形応力の変化によって、非線形特性を示す光スキャナでは、共振周波数が変動すると考えられる。図2に示されるように、光スキャナの駆動開始時において、ミラーの揺動速度は変化する。ミラーの揺動速度はミラーの振幅に対応するため、非線形スキャナは、駆動開始時において共振周波数が変化すると考えられる。そこで、本発明者は、非線形特性を示す光スキャナに対しても、立ち上がり時間を短縮するための検討を行った。   The deformation stress applied to the structure of the optical scanner changes depending on the amplitude when the optical scanner is driven. It is considered that the resonance frequency fluctuates in an optical scanner that exhibits nonlinear characteristics due to a change in deformation stress. As shown in FIG. 2, the mirror swing speed changes at the start of driving of the optical scanner. Since the oscillation speed of the mirror corresponds to the amplitude of the mirror, the resonance frequency of the nonlinear scanner is considered to change at the start of driving. Therefore, the present inventor has studied to shorten the rise time even for an optical scanner exhibiting nonlinear characteristics.

図3(A)に、非線形特性を示す光スキャナにおいて、駆動周波数に対する、ミラーの振幅を測定した結果を示す。図3(A)において、実線は、共振駆動時に所望の振幅を得られる電圧値で光スキャナが駆動された場合の、駆動周波数と振幅との関係を示す。図3(A)における破線は、実線で示す場合よりも小さい電圧値で光スキャナが駆動された場合の、駆動周波数と振幅との関係の例を示す。図3(A)にも、背骨曲線が一点鎖線にて示される。   FIG. 3A shows the result of measuring the amplitude of the mirror with respect to the drive frequency in an optical scanner exhibiting nonlinear characteristics. In FIG. 3A, the solid line shows the relationship between the drive frequency and the amplitude when the optical scanner is driven with a voltage value that can obtain a desired amplitude during resonance driving. The broken line in FIG. 3A shows an example of the relationship between the drive frequency and the amplitude when the optical scanner is driven with a voltage value smaller than that indicated by the solid line. Also in FIG. 3A, the spine curve is shown by a one-dot chain line.

非線形特性を示す光スキャナの場合、振幅が変化すると、共振周波数は変動する。図3(A)の例では、振幅が増加するに従い、共振周波数も増大する。従って、背骨曲線は、振幅が大きいほど周波数の値が大きくなる、右曲がりの漸硬型のばね特性を示す。具体的には、背骨曲線の先端部分と、背骨曲線の根元部分との間には、図3(A)中に示されるように、周波数幅Aの開きが存在する。背骨曲線の先端部分は、共振駆動時に所望の振幅を得られる電圧値である第2電圧値において光スキャナが駆動された場合の、共振周波数と振幅とに対応する。背骨曲線の根元部分は、光スキャナの微小振幅が得られる電圧値において光スキャナが駆動された場合の、共振周波数と振幅とに対応する。微小振幅が得られる電圧値は、第2電圧値よりも小さな第1電圧値の一例である。また、微少振幅とは、例えば、ドップラー干渉計やBDセンサなどの振幅検出機構を用いて、ミラーの揺動を検出することが可能な最小の振幅である。   In the case of an optical scanner exhibiting non-linear characteristics, the resonance frequency varies as the amplitude changes. In the example of FIG. 3A, the resonance frequency increases as the amplitude increases. Accordingly, the spine curve shows a right-curved gradually stiffened spring characteristic in which the frequency value increases as the amplitude increases. Specifically, as shown in FIG. 3A, there is an opening of the frequency width A between the distal end portion of the spine curve and the root portion of the spine curve. The tip portion of the spine curve corresponds to the resonance frequency and amplitude when the optical scanner is driven at the second voltage value, which is a voltage value that can obtain a desired amplitude during resonance driving. The root portion of the spine curve corresponds to the resonance frequency and amplitude when the optical scanner is driven at a voltage value at which a small amplitude of the optical scanner is obtained. The voltage value at which a minute amplitude is obtained is an example of a first voltage value that is smaller than the second voltage value. The minute amplitude is the minimum amplitude that can detect the mirror swing using an amplitude detection mechanism such as a Doppler interferometer or a BD sensor.

この光スキャナにおいて、図3(A)の実線に対応する電圧値で光スキャナが駆動される場合に、ある周波数で駆動を開始してから振幅が安定するまでに必要な立ち上がり時間が調べられた。図3(B)を用いて、非線形特性を示す光スキャナにおける、駆動周波数と立ち上がり時間との関係を説明する。図3(B)の縦軸は、立ち上がり時間を示す。図3(B)の横軸は、光スキャナが図3(A)において実線で示される電圧値において駆動された場合の共振周波数と、駆動周波数との差分を示す。   In this optical scanner, when the optical scanner is driven at a voltage value corresponding to the solid line in FIG. 3A, the required rise time from the start of driving at a certain frequency to the stabilization of the amplitude was examined. . With reference to FIG. 3B, the relationship between the drive frequency and the rise time in an optical scanner exhibiting nonlinear characteristics will be described. The vertical axis in FIG. 3B represents the rise time. The horizontal axis in FIG. 3B represents the difference between the resonance frequency and the drive frequency when the optical scanner is driven at the voltage value indicated by the solid line in FIG.

本発明者による実験の結果、非線形特性を示す光スキャナの場合、第2電圧値における共振周波数にて駆動を開始しても、立ち上がり時間は短くならないことが分かった。非線形特性を示す光スキャナのミラーが静止状態から駆動される場合、振幅はゼロから増大する。即ち、非線形特性を示す光スキャナの場合、駆動を開始してから振幅が増大するに従い、共振周波数が変化する。これは、駆動開始直後にミラーの揺動が開始されるときの光スキャナの共振周波数と、第2電圧値における共振周波数とが異なることを意味する。換言すれば、第2電圧値における共振周波数にて非線形特性を示す光スキャナの駆動が開始されることは、駆動開始時における共振周波数と異なる駆動周波数にて駆動が開始されることを意味する。図1(B)に示されるように、共振周波数と異なる駆動周波数にて光スキャナが駆動される場合、立ち上がり時間は長くなる。この理解は、図3(B)の結果とつじつまが合う。   As a result of experiments by the present inventor, it was found that in the case of an optical scanner exhibiting non-linear characteristics, the rise time is not shortened even when driving is started at the resonance frequency at the second voltage value. When a mirror of an optical scanner exhibiting non-linear characteristics is driven from a stationary state, the amplitude increases from zero. In other words, in the case of an optical scanner that exhibits nonlinear characteristics, the resonance frequency changes as the amplitude increases after driving is started. This means that the resonance frequency of the optical scanner when the mirror starts to swing immediately after the start of driving is different from the resonance frequency at the second voltage value. In other words, the start of driving of the optical scanner that exhibits nonlinear characteristics at the resonance frequency at the second voltage value means that the drive is started at a driving frequency different from the resonance frequency at the start of driving. As shown in FIG. 1B, when the optical scanner is driven at a driving frequency different from the resonance frequency, the rise time becomes long. This understanding is consistent with the results of FIG.

非線形特性を示す光スキャナにおいて、駆動周波数が共振周波数から離れるに従い、立ち上がり時間は減少する。立ち上がり時間は、駆動周波数が共振周波数から周波数幅Aだけ離れた時点で、最小となる。そして、立ち上がり時間は、駆動周波数が共振周波数から周波数幅A以上離れる場合、再度増加に転ずる。従って、立ち上がり時間を短縮するためには、共振周波数から離れた駆動周波数によって光スキャナの駆動を開始し、共振周波数にむけて駆動周波数をスイープするのがよい。また、立ち上がり時間が最短となるのは、背骨曲線の根元に相当する周波数、即ち、微小振幅が得られる第1電圧値における共振周波数と等しい駆動周波数において、光スキャナの駆動が開始される場合である。   In an optical scanner that exhibits non-linear characteristics, the rise time decreases as the drive frequency moves away from the resonance frequency. The rise time is minimized when the drive frequency is separated from the resonance frequency by the frequency width A. The rise time starts to increase again when the drive frequency is separated from the resonance frequency by the frequency width A or more. Accordingly, in order to shorten the rise time, it is preferable to start driving the optical scanner at a drive frequency that is far from the resonance frequency, and to sweep the drive frequency toward the resonance frequency. The rise time is the shortest when the optical scanner starts to be driven at a frequency corresponding to the root of the spine curve, that is, a drive frequency equal to the resonance frequency at the first voltage value at which a minute amplitude is obtained. is there.

非線形特性を示す光スキャナの駆動を開始する際に、立ち上がり時間を短くするという観点からは、駆動開始時の駆動周波数は、第2電圧値における共振周波数からずれた位置に設定されるのがよい。より望ましくは、立ち上がり時間を最小化するために、駆動開始時の駆動周波数は、微小振幅が得られる第1電圧値における共振周波数と等しく設定されるのがよい。   From the viewpoint of shortening the rise time when starting the driving of the optical scanner exhibiting nonlinear characteristics, the driving frequency at the start of driving should be set at a position shifted from the resonance frequency in the second voltage value. . More preferably, in order to minimize the rise time, the driving frequency at the start of driving should be set equal to the resonance frequency at the first voltage value at which a minute amplitude is obtained.

しかし、第2電圧値における共振周波数からずれた駆動周波数で光スキャナを駆動し続ける場合、第2電圧値が駆動部に印加されても、所望の振幅は得られない(図3(A)参照)。所望の振幅を得るためには、第2電圧値における共振周波数、且つ、第2電圧値において、光スキャナが最終的に駆動される必要がある。そこで、本発明者は、
1.駆動開始時には、第2電圧値と第2電圧値における共振周波数からずれた駆動周波数とを有する交流電圧を駆動部に印加する、
2.駆動開始後、第2電圧値を維持した状態で、駆動周波数を第2電圧値における共振周波数までスイープする、
ことによって、立ち上がり時間を短くしつつ、所望の振幅を得ることが可能な光スキャナの駆動開始方法を提案する。なお、上記「1」において、立ち上がり時間を最小化するために、第1電圧値における共振周波数と等しい駆動周波数が用いられてもよい。この駆動開始方法を実現するためには、駆動周波数をスイープする方向を知る必要がある。例えば、非線形特性を示す光スキャナが、図3(A)に示されるような漸硬型のばね特性を示す場合、駆動周波数はスイープアップされる必要がある。一方、非線形特性を示す光スキャナが、背骨曲線が左曲がりの漸軟型のばね特性を示す場合、駆動周波数はスイープダウンされる必要がある。
However, when the optical scanner is continuously driven at a drive frequency that is shifted from the resonance frequency at the second voltage value, the desired amplitude cannot be obtained even if the second voltage value is applied to the drive unit (see FIG. 3A). ). In order to obtain a desired amplitude, it is necessary to finally drive the optical scanner at the resonance frequency at the second voltage value and at the second voltage value. Therefore, the present inventor
1. At the start of driving, an AC voltage having a second voltage value and a driving frequency shifted from the resonance frequency in the second voltage value is applied to the driving unit.
2. After driving, with the second voltage value maintained, the drive frequency is swept to the resonance frequency at the second voltage value.
Accordingly, a method for starting driving of an optical scanner capable of obtaining a desired amplitude while shortening the rise time is proposed. In the above “1”, a drive frequency equal to the resonance frequency at the first voltage value may be used in order to minimize the rise time. In order to realize this driving start method, it is necessary to know the direction in which the driving frequency is swept. For example, when an optical scanner that exhibits nonlinear characteristics exhibits a gradually hardening type spring characteristic as shown in FIG. 3A, the drive frequency needs to be swept up. On the other hand, when the optical scanner showing the nonlinear characteristic shows a gradually soft spring characteristic with the spine curve turning to the left, the drive frequency needs to be swept down.

<第1実施形態>
以上の知見に基づいて、本実施形態では、非線形特性を示す光スキャナの駆動を開始するときの、駆動周波数をスイープする方向が決定される。先ず、図4を用いて、本実施形態において用いられる光スキャナ1おいて、光を走査する光走査部100の説明を行う。
<First Embodiment>
Based on the above knowledge, in this embodiment, the direction in which the drive frequency is swept when the drive of the optical scanner exhibiting nonlinear characteristics is started is determined. First, the optical scanning unit 100 that scans light in the optical scanner 1 used in the present embodiment will be described with reference to FIG.

[光走査部100の構成]
光走査部100は、構造体110と、台座120とを有する。構造体110のミラー111は、駆動部114によって、第1軸線aを中心軸として揺動する。この揺動によって、ミラー111に入射した光は走査される。なお、図4において、第1軸線aは、前後方向に平行である。
[Configuration of Optical Scanning Unit 100]
The optical scanning unit 100 includes a structure 110 and a pedestal 120. The mirror 111 of the structure 110 is swung around the first axis a by the driving unit 114. By this oscillation, the light incident on the mirror 111 is scanned. In FIG. 4, the first axis a is parallel to the front-rear direction.

構造体110は、前後方向に伸長する一対の短辺と、左右方向に伸長する一対の長辺とから構成される、平面視矩形の板状構造である。構造体110は、ミラー111、一対の捩れ梁112、本体部113を有する。本体部113の一方の面(例えば、上面)には、駆動部114が設けられる。構造体110は、例えば、チタンやステンレスなどの金属材料によって構成される。但し、シリコンなどの非金属材料によって、構造体110が構成されても差し支えない。以下、構造体110の説明を行う。   The structure 110 is a plate-like structure having a rectangular shape in a plan view, which includes a pair of short sides extending in the front-rear direction and a pair of long sides extending in the left-right direction. The structure 110 includes a mirror 111, a pair of torsion beams 112, and a main body 113. A drive unit 114 is provided on one surface (for example, the upper surface) of the main body unit 113. The structure 110 is made of a metal material such as titanium or stainless steel, for example. However, the structure 110 may be formed of a nonmetallic material such as silicon. Hereinafter, the structure 110 will be described.

ミラー111は、レーザ等の光を反射する反射面を含む。ミラー111の形状は、本実施形態では、平面視において矩形である。しかし、ミラー111の形状は、平面視において円形、楕円形、多角形など、任意の形状であっても差し支えない。反射面は、ミラー111の上面に設けられる。反射面は、例えば、ミラー111の上面を鏡面研磨することで形成される。しかし、金属薄膜を有する透明誘電体がミラー111の上面に貼り付けられることで、反射面が形成されてもよい。具体的には、サファイヤやダイヤモンドなどの基材に対して、銀やアルミニウムなどが蒸着などによって成膜されることで、金属薄膜を有する透明誘電体が得られる。   The mirror 111 includes a reflection surface that reflects light such as a laser. In the present embodiment, the shape of the mirror 111 is rectangular in plan view. However, the shape of the mirror 111 may be an arbitrary shape such as a circle, an ellipse, or a polygon in plan view. The reflection surface is provided on the upper surface of the mirror 111. The reflection surface is formed, for example, by mirror polishing the upper surface of the mirror 111. However, a reflective surface may be formed by attaching a transparent dielectric having a metal thin film to the upper surface of the mirror 111. Specifically, a transparent dielectric having a metal thin film can be obtained by depositing silver, aluminum, or the like on a base material such as sapphire or diamond by vapor deposition or the like.

一対の捩れ梁112の一端は、ミラー111の両側に連結される。一対の捩れ梁112は、ミラー111から離れる方向にそれぞれ延出する。本実施形態では、一対の捩れ梁112の延出方向は、第1軸線aに平行である。具体的には、第1軸線aは、一対の捩れ梁112の中心を通る。一対の捩れ梁112によって、ミラー111の両側が、第1軸線a回りに揺動可能に弾性的に支持される。つまり、一対の捩れ梁112は、ミラー111を第1軸線a回りに揺動可能に支持するトーションバーとしての役割を持っている。   One end of the pair of torsion beams 112 is connected to both sides of the mirror 111. The pair of torsion beams 112 respectively extend in a direction away from the mirror 111. In the present embodiment, the extending direction of the pair of torsion beams 112 is parallel to the first axis a. Specifically, the first axis a passes through the centers of the pair of torsion beams 112. By the pair of torsion beams 112, both sides of the mirror 111 are elastically supported so as to be swingable about the first axis a. That is, the pair of torsion beams 112 serves as a torsion bar that supports the mirror 111 so as to be swingable about the first axis a.

本体部113は、一対の捩れ梁112の他端に連結される。本体部113は、ミラー111から離間し、且つ第1軸線aに交差する方向に延出する。本実施形態では、本体部113は、一対の捩れ梁112との連結部分から、左右方向の両側へと延出する。本体部113は、被固定部分113aと、橋渡し部分113bとを有する。被固定部分113aは、一対の捩れ梁112及びミラー111を挟んで、前後方向に一対設けられる。本実施形態では、本体部113の前後方向の両端に、左右方向に沿う一対の貫通孔が設けられる。被固定部分113aは、前後方向においてこの一対の貫通孔よりもミラー111から遠い位置に存在する本体部113の一部領域である。この被固定部分113aにおいて、構造体110と台座120とが、接着や溶接などによって固定される。橋渡し部分113bは、一対の貫通孔の左右方向における中心部分に設けられる。橋渡し部分113bは、前後方向に伸長し、一対の貫通孔よりもミラー113に近い本体部113と、被固定部分113aとを橋渡しする。より具体的には、橋渡し部分113bは、前後方向において、一対の捩れ梁112と一直線に配列される。   The main body 113 is connected to the other ends of the pair of torsion beams 112. The main body 113 is separated from the mirror 111 and extends in a direction intersecting the first axis a. In the present embodiment, the main body 113 extends from the connecting portion with the pair of torsion beams 112 to both sides in the left-right direction. The main body 113 has a fixed portion 113a and a bridging portion 113b. A pair of fixed portions 113a are provided in the front-rear direction with the pair of torsion beams 112 and the mirror 111 interposed therebetween. In the present embodiment, a pair of through holes along the left-right direction are provided at both ends of the main body 113 in the front-rear direction. The fixed portion 113a is a partial region of the main body 113 that is located farther from the mirror 111 than the pair of through holes in the front-rear direction. In the fixed portion 113a, the structure 110 and the pedestal 120 are fixed by adhesion, welding, or the like. The bridging portion 113b is provided at a central portion in the left-right direction of the pair of through holes. The bridging portion 113b extends in the front-rear direction, and bridges the main body 113 closer to the mirror 113 than the pair of through holes and the fixed portion 113a. More specifically, the bridging portion 113b is aligned with the pair of torsion beams 112 in the front-rear direction.

本体部113の上面には、駆動部114が設けられる。駆動部114は、本体部113の前後方向における中間位置に設けられる。駆動部114は、本体部113の左右方向の両端部に、一対設けられる。駆動部114は、例えば、厚さ30μm〜100μmの平板状に成形されたチタン酸ジルコン酸鉛などの圧電材料の両面に対して、電極層として金や白金等を0.2μm〜0.6μm積層することで形成される。駆動部114と本体部113とは、導電性接着剤で接着される。そして、駆動部114の上面に、ワイヤボンディングなどで金などの金属細線(非図示)が接続される。   A driving unit 114 is provided on the upper surface of the main body unit 113. The drive unit 114 is provided at an intermediate position in the front-rear direction of the main body unit 113. A pair of drive units 114 are provided at both ends in the left-right direction of the main body unit 113. For example, the drive unit 114 is a laminate of 0.2 μm to 0.6 μm of gold, platinum, or the like as an electrode layer on both surfaces of a piezoelectric material such as lead zirconate titanate formed into a flat plate having a thickness of 30 μm to 100 μm. It is formed by doing. The drive unit 114 and the main body unit 113 are bonded with a conductive adhesive. A thin metal wire (not shown) such as gold is connected to the upper surface of the drive unit 114 by wire bonding or the like.

台座120は、平面視矩形の形状を示す。台座120は、上下方向に貫通する矩形の貫通孔を、その中央部分に有する。貫通孔の長手方向は、左右方向に平行である。貫通孔の長手方向に沿って、構造体110の被固定部分113aは、台座120の貫通孔の隣接部分に固定される。台座120の厚みは、構造体110の厚みに比べて十分に大きい(例えば10倍程度)。そのため、構造体110が揺動しても、台座120は、殆ど変形しない。台座120は、例えば、構造体110と同様に、ステンレスやチタンなどの金属材料によって構成される。   The pedestal 120 has a rectangular shape in plan view. The pedestal 120 has a rectangular through-hole penetrating in the vertical direction at the center. The longitudinal direction of the through hole is parallel to the left-right direction. Along the longitudinal direction of the through hole, the fixed portion 113 a of the structure 110 is fixed to an adjacent portion of the through hole of the pedestal 120. The thickness of the pedestal 120 is sufficiently larger than the thickness of the structure 110 (for example, about 10 times). Therefore, even if the structure 110 swings, the pedestal 120 hardly deforms. The pedestal 120 is made of, for example, a metal material such as stainless steel or titanium, similarly to the structure 110.

構造体110は金属で形成されるので、構造体110と駆動部114の上面の電極層との間に電圧を印加することで、駆動部114を変形させることが可能となる。本体部113の右端に設けられる駆動部114と、左端に設けられる駆動部114とには、逆位相となるように交流電圧がそれぞれ印加される。駆動周波数が、光走査部100の共振周波数に相当する場合、駆動部114の変形に伴い、本体部114に板波が励起される。この板波が、本体部113及び一対の捩れ梁112を介してミラー111に伝達されることで、ミラー111は、所定の共振周波数において第1軸線a回りに揺動する。ここで、構造体110は、被固定部分113aにおいて台座120に固定され、被固定部分113aに挟まれる本体部113は、台座120によって宙に浮いた状態となっている。そのため、光走査部100の駆動時に、本体部113は上下方向に変位する。しかし、捩れ梁112は、本体部113の振動の節となる位置に設けられるので、本体部113が上下に変位しても、捩れ梁112は、上下に変位しない。さらに、捩れ梁112と同一直線上に設けられた橋渡し部分113bが、被固定部分113aと捩れ梁112とを接続する。そのため、捩れ梁112は、上下方向の変位がより抑制される。そのため、ミラー111は、第1軸線a回りに揺動される際に、上下方向の変位が抑制される。従って、ミラー111に入射する光は、常にミラー111上の同じ位置に入射するので、安定した光走査が可能になる。   Since the structure body 110 is formed of metal, the driving section 114 can be deformed by applying a voltage between the structure body 110 and the electrode layer on the upper surface of the driving section 114. An AC voltage is applied to the drive unit 114 provided at the right end of the main body 113 and the drive unit 114 provided at the left end so as to be in opposite phases. When the drive frequency corresponds to the resonance frequency of the optical scanning unit 100, a plate wave is excited in the main body 114 with the deformation of the drive unit 114. The plate wave is transmitted to the mirror 111 through the main body 113 and the pair of torsion beams 112, so that the mirror 111 swings around the first axis a at a predetermined resonance frequency. Here, the structure body 110 is fixed to the pedestal 120 at the fixed portion 113 a, and the main body 113 sandwiched between the fixed portions 113 a is in a state of being suspended in the air by the pedestal 120. Therefore, when the optical scanning unit 100 is driven, the main body unit 113 is displaced in the vertical direction. However, since the torsion beam 112 is provided at a position that becomes a vibration node of the main body 113, even if the main body 113 is displaced up and down, the torsion beam 112 is not displaced up and down. Further, a bridging portion 113 b provided on the same straight line as the torsion beam 112 connects the fixed portion 113 a and the torsion beam 112. Therefore, the torsion beam 112 is further suppressed from being displaced in the vertical direction. Therefore, when the mirror 111 is swung around the first axis a, the vertical displacement is suppressed. Therefore, the light incident on the mirror 111 is always incident on the same position on the mirror 111, so that stable light scanning is possible.

[光スキャナ1の構成]
図5に示されるように、光スキャナ1は、光走査部100と、制御部200とを含む。この光スキャナ1と、BDセンサ300と、光源LDとを用いて、光スキャナ1の駆動開始時における、駆動開始方法が決定される。駆動開始方法の決定とは、たとえば、光走査部100の駆動開始時の駆動周波数や、駆動開始後に駆動周波数をスイープする方向を決定することである。光源LDは、例えば、半導体レーザなどで構成される。光源LDから射出された光は、ミラー111によって走査される。
[Configuration of Optical Scanner 1]
As shown in FIG. 5, the optical scanner 1 includes an optical scanning unit 100 and a control unit 200. Using this optical scanner 1, the BD sensor 300, and the light source LD, a driving start method at the start of driving of the optical scanner 1 is determined. The determination of the drive start method is, for example, determining the drive frequency at the start of driving of the optical scanning unit 100 and the direction in which the drive frequency is swept after the drive starts. The light source LD is composed of, for example, a semiconductor laser. The light emitted from the light source LD is scanned by the mirror 111.

BDセンサ300は、光走査部100によって走査される走査光を検出する。BDセンサ300は、走査光が通過する走査範囲の所定の位置に配置される。言い換えれば、BDセンサ300は、ミラー111の振幅が所定の角度になったときに走査光を受光できるように、光走査部100に対して所定の相対位置に配置される。なお、BDセンサ300は、第1電圧値が駆動部114に印加された状態の微小振幅を検知可能なように、光走査部100の走査範囲の中央から僅かに(例えば数度)オフセットした位置に配置される。BDセンサ300は、例えば、単素子のアバランシェ・フォトダイオードなどによって構成される。但し、受光素子がマトリクス状に配置されたアレイセンサが、BDセンサ300として用いられてもよい。BDセンサ300は、走査光を受光することで、検出信号を発生する。この検出信号は、BDセンサ300から制御部200に対して送信される。   The BD sensor 300 detects scanning light scanned by the optical scanning unit 100. The BD sensor 300 is disposed at a predetermined position in a scanning range through which scanning light passes. In other words, the BD sensor 300 is disposed at a predetermined relative position with respect to the optical scanning unit 100 so that the scanning light can be received when the amplitude of the mirror 111 reaches a predetermined angle. The BD sensor 300 is a position slightly offset (for example, several degrees) from the center of the scanning range of the optical scanning unit 100 so that the minute amplitude in a state where the first voltage value is applied to the driving unit 114 can be detected. Placed in. The BD sensor 300 is configured by, for example, a single element avalanche photodiode. However, an array sensor in which light receiving elements are arranged in a matrix may be used as the BD sensor 300. The BD sensor 300 receives the scanning light and generates a detection signal. This detection signal is transmitted from the BD sensor 300 to the control unit 200.

制御部200は、走査状態決定部210、判断制御部220、記憶部230、交流電圧生成部240を有する。制御部200に含まれる構成は、その機能によって定義されている。従って、制御部200に含まれる構成は、同一の電子回路によって達成されてもよいし、個別の電子回路に分けられてもよい。制御部200は、例えば、マイコンやFPGA(Field−Programmable Gate Array)、ASIC(Application Specific Integrated Circuit)などで構成される。   The control unit 200 includes a scanning state determination unit 210, a determination control unit 220, a storage unit 230, and an AC voltage generation unit 240. The configuration included in the control unit 200 is defined by its function. Therefore, the configuration included in the control unit 200 may be achieved by the same electronic circuit or may be divided into individual electronic circuits. The control unit 200 includes, for example, a microcomputer, a field-programmable gate array (FPGA), and an application specific integrated circuit (ASIC).

走査状態決定部210は、BDセンサ300からの検出信号に基づいて、光走査部100の走査状態を決定する。光走査部100の走査状態は、例えば、ミラー111の振幅が含まれる。光走査部100が共振駆動される場合、ミラー111の振幅は、時間に対して正弦状に変化する。換言すれば、ミラー111の振幅の時間変動は、時間を変数とし、振幅と周波数との2係数を有する正弦関数で表すことが可能である。BDセンサ300は走査範囲の中央から僅かにオフセットしているため、一周期の走査において、BDセンサ300は検出信号を2度発生する。走査状態決定部210は、一周期の走査における2度の検出信号のタイミングと、予め決められたBDセンサ300の位置とに基づいて、ミラー111の振幅を決定する。この決定は、例えば計算によって行われてもよいし、検出信号のタイミングとミラー111の振幅とが対応付けられたテーブルが利用されてもよい。なお、走査状態決定部210は、走査状態の他の例として、ミラー111の駆動周波数を決定することも可能である。走査状態決定部210によって決定された振幅は、走査状態信号として、判断制御部220に送信される。   The scanning state determination unit 210 determines the scanning state of the optical scanning unit 100 based on the detection signal from the BD sensor 300. The scanning state of the optical scanning unit 100 includes, for example, the amplitude of the mirror 111. When the optical scanning unit 100 is driven to resonate, the amplitude of the mirror 111 changes sinusoidally with respect to time. In other words, the time variation of the amplitude of the mirror 111 can be represented by a sine function having time as a variable and having two coefficients of amplitude and frequency. Since the BD sensor 300 is slightly offset from the center of the scanning range, the BD sensor 300 generates a detection signal twice in one cycle of scanning. The scanning state determination unit 210 determines the amplitude of the mirror 111 based on the timing of two detection signals in one cycle of scanning and the position of the BD sensor 300 determined in advance. This determination may be performed by calculation, for example, or a table in which the timing of the detection signal and the amplitude of the mirror 111 are associated with each other may be used. The scanning state determination unit 210 can also determine the driving frequency of the mirror 111 as another example of the scanning state. The amplitude determined by the scanning state determination unit 210 is transmitted to the determination control unit 220 as a scanning state signal.

判断制御部220は、走査状態決定部210からの走査状態信号に基づいて、様々な処理を行う。具体的には、判断制御部220は、
1.共振周波数と、共振周波数における振幅(以下、共振振幅)との決定
2.共振振幅と、所望の振幅との比較
3.駆動開始時の駆動周波数及び電圧値と、駆動開始後の駆動周波数のスイープ方向及びスイープ量の決定
を行う。判断制御部220は、様々な処理を行う際に、記憶部230に対して必要な情報の取得及び記憶を行う。判断制御部220によって、情報の読み出し及び書き込みが記憶部230に対して行われる。記憶部230は、例えば、フラッシュメモリなどの書き込み可能な不揮発性の記憶媒体である。判断制御部220は、交流電圧生成部240に対して制御信号を送信することで、交流電圧生成部240の生成する交流電圧の周波数及び電圧値を調整する。
The determination control unit 220 performs various processes based on the scanning state signal from the scanning state determination unit 210. Specifically, the judgment control unit 220
1. 1. Determination of resonance frequency and amplitude at resonance frequency (hereinafter referred to as resonance amplitude) 2. Comparison of resonance amplitude with desired amplitude The drive frequency and voltage value at the start of driving, and the sweep direction and sweep amount of the drive frequency after starting driving are determined. The determination control unit 220 acquires and stores necessary information in the storage unit 230 when performing various processes. The determination control unit 220 reads and writes information from and to the storage unit 230. The storage unit 230 is a writable nonvolatile storage medium such as a flash memory, for example. The determination control unit 220 adjusts the frequency and voltage value of the AC voltage generated by the AC voltage generation unit 240 by transmitting a control signal to the AC voltage generation unit 240.

交流電圧生成部240は、駆動部114に印加される交流電圧を生成する。交流電圧の周波数、即ち駆動周波数と、電圧値とは、判断制御部220からの制御信号に従って調整される。   The AC voltage generator 240 generates an AC voltage applied to the drive unit 114. The frequency of the AC voltage, that is, the driving frequency and the voltage value are adjusted according to a control signal from the determination control unit 220.

[駆動開始方法の決定処理]
図6を用いて、駆動開始方法の決定処理を説明する。なお、図6に示される処理は、制御部200に含まれる構成によって実行される。ステップS1では、判断制御部220が、第1電圧値V1及び所定の駆動周波数を有する交流電圧を生成する旨の制御信号を、交流電圧生成部240に対して送信する。第1電圧値V1及び所定の駆動周波数は、例えば、記憶部230に予め記憶されている。また、第1電圧値V1は、微小振幅が得られる電圧値である。交流電圧生成部240は、第1電圧値V1及び所定の駆動周波数を有する交流電圧を、駆動部114に対して印加する。ステップS1によって、駆動部114への交流電圧の供給が開始される。その後、処理はステップS2に移行する。
[Driving process of driving start method]
The drive start method determination process will be described with reference to FIG. 6 is executed by the configuration included in the control unit 200. In step S <b> 1, determination control unit 220 transmits to AC voltage generation unit 240 a control signal for generating an AC voltage having first voltage value V <b> 1 and a predetermined drive frequency. The first voltage value V1 and the predetermined drive frequency are stored in advance in the storage unit 230, for example. Further, the first voltage value V1 is a voltage value at which a minute amplitude is obtained. The AC voltage generator 240 applies an AC voltage having the first voltage value V1 and a predetermined drive frequency to the drive unit 114. By step S1, supply of AC voltage to the drive unit 114 is started. Thereafter, the process proceeds to step S2.

ステップS2では、BDセンサ300からの検出信号に基づいて、第1電圧値V1における共振周波数f1と、共振周波数f1における振幅とが決定される。この処理は、図7を用いて詳細に後述される。その後、処理はステップS3に移行する。   In step S2, the resonance frequency f1 at the first voltage value V1 and the amplitude at the resonance frequency f1 are determined based on the detection signal from the BD sensor 300. This process will be described later in detail with reference to FIG. Thereafter, the process proceeds to step S3.

ステップS3では、判定処理部220が、ステップS2にて決定された共振周波数f1と、共振周波数f1における共振振幅とを、記憶部230に対して記憶する。具体的には、ステップS2の処理の完了後に、記憶部230に記憶されている現在の駆動周波数及び振幅を、共振周波数f1と、共振周波数f1における共振振幅として、記憶部230に対して記憶する。その後、処理はステップS4に移行する。   In step S3, the determination processing unit 220 stores the resonance frequency f1 determined in step S2 and the resonance amplitude at the resonance frequency f1 in the storage unit 230. Specifically, after the process of step S2 is completed, the current drive frequency and amplitude stored in the storage unit 230 are stored in the storage unit 230 as the resonance frequency f1 and the resonance amplitude at the resonance frequency f1. . Thereafter, the process proceeds to step S4.

ステップS4では、判断制御部220が、第2電圧値V2及び所定の駆動周波数を有する交流電圧を生成する旨の制御信号を、交流電圧生成部240に対して送信する。所定の駆動周波数は、ステップS1と同一のものである。第2電圧値V2は、第1電圧値V1よりも大きな値である。第2電圧値V2は、例えば、第1電圧値V1に対して所定の電圧幅ΔVを加算することで得られる。この電圧幅ΔVは、例えば、記憶部230に予め記憶されている。判断制御部220は、第2電圧値V2を、記憶部230に記憶する。交流電圧生成部240は、第2電圧値V2及び所定の駆動周波数を有する交流電圧を、駆動部114に対して印加する。その後、処理はステップS5に移行する。   In step S <b> 4, determination control unit 220 transmits to AC voltage generation unit 240 a control signal for generating an AC voltage having second voltage value V <b> 2 and a predetermined drive frequency. The predetermined drive frequency is the same as that in step S1. The second voltage value V2 is larger than the first voltage value V1. The second voltage value V2 is obtained, for example, by adding a predetermined voltage width ΔV to the first voltage value V1. The voltage width ΔV is stored in advance in the storage unit 230, for example. The determination control unit 220 stores the second voltage value V2 in the storage unit 230. The AC voltage generator 240 applies an AC voltage having the second voltage value V2 and a predetermined drive frequency to the drive unit 114. Thereafter, the process proceeds to step S5.

ステップS5では、BDセンサ300からの検出信号に基づいて、第2電圧値V2における共振周波数f2と、共振周波数f2における振幅とが決定される(図7参照)。その後、処理はステップS6に移行する。   In step S5, based on the detection signal from the BD sensor 300, the resonance frequency f2 at the second voltage value V2 and the amplitude at the resonance frequency f2 are determined (see FIG. 7). Thereafter, the process proceeds to step S6.

ステップS6では、判定処理部220が、ステップS5にて決定された共振周波数f2と、共振周波数f2における振幅とを、記憶部230に対して記憶する。具体的には、ステップS5の処理の完了後に、記憶部230に記憶されている現在の駆動周波数及び振幅を、共振周波数f2と、共振周波数f2における共振振幅として、記憶部230に対して記憶する。その後、処理はステップS7に移行する。   In step S6, the determination processing unit 220 stores the resonance frequency f2 determined in step S5 and the amplitude at the resonance frequency f2 in the storage unit 230. Specifically, after the process of step S5 is completed, the current drive frequency and amplitude stored in the storage unit 230 are stored in the storage unit 230 as the resonance frequency f2 and the resonance amplitude at the resonance frequency f2. . Thereafter, the process proceeds to step S7.

ステップS7では、判断制御部220が、ステップS6にて決定された振幅が所望の振幅以上であるか判断する。所望の振幅の値は、記憶部230に予め記憶されている。ステップS6にて決定された振幅が所望の振幅未満である場合、即ち、ステップS7の判断が否定の場合、処理はステップS8に移行する。   In step S7, the determination control unit 220 determines whether the amplitude determined in step S6 is equal to or greater than a desired amplitude. The desired amplitude value is stored in advance in the storage unit 230. If the amplitude determined in step S6 is less than the desired amplitude, that is, if the determination in step S7 is negative, the process proceeds to step S8.

ステップS8が実行される場合は、ミラー111の振幅が所望の振幅に到達していない場合である。判断制御部220は、記憶部230に記憶されている第2電圧値V2の値を増加させる。例えば、ステップS4において用いられた電圧幅ΔVが、第2電圧値V2に対して加算される。判断制御部220は、電圧幅ΔVが加算された第2電圧値V2を、記憶部230に上書きする。判断制御部220は、電圧幅ΔVが加算された第2電圧値V2に基づく制御信号を、交流電圧生成部240に対して送信する。交流電圧生成部240は、電圧幅ΔVが加算された第2電圧値V2及び所定の駆動周波数を有する交流電圧を、駆動部114に対して印加する。その後、処理はステップS5に戻る。従って、ステップS7の判断が肯定になるまで、換言すれば、所望の振幅が得られるまで、ステップS5からステップS8を繰り返すことで、第2電圧値は増加する。この処理によって、所望の振幅が得られる第2電圧値を求めることが可能になる。   Step S8 is executed when the amplitude of the mirror 111 has not reached the desired amplitude. The determination control unit 220 increases the value of the second voltage value V2 stored in the storage unit 230. For example, the voltage width ΔV used in step S4 is added to the second voltage value V2. The determination control unit 220 overwrites the storage unit 230 with the second voltage value V2 added with the voltage width ΔV. Determination control unit 220 transmits a control signal based on second voltage value V <b> 2 to which voltage width ΔV is added to AC voltage generation unit 240. The AC voltage generation unit 240 applies an AC voltage having the second voltage value V2 to which the voltage width ΔV is added and a predetermined driving frequency to the driving unit 114. Thereafter, the process returns to step S5. Therefore, the second voltage value is increased by repeating steps S5 to S8 until the determination in step S7 becomes affirmative, in other words, until a desired amplitude is obtained. By this processing, it is possible to obtain the second voltage value that provides a desired amplitude.

ステップS6にて決定された振幅が所望の振幅以上である場合、即ち、ステップS7の判断が肯定の場合、処理はステップS9に移行する。ステップS9では、判断制御部220は、記憶部230に記憶された共振周波数f1、共振周波数f2、第2電圧値V2から、駆動開始方法を決定する。具体的には、駆動開始時の駆動周波数は、共振周波数f1に等しい値に決定される。また、共振周波数f1から共振周波数f2を減算することで、駆動開始時の駆動周波数のスイープ方向及びスイープ幅が決定される。減算結果が正の値であれば、共振周波数f1から駆動周波数が小さくなる方向(負方向)に、スイープ方向が決定される。一方、減算結果が負の値であれば、共振周波数f1から駆動周波数が大きくなる方向(正方向)に、スイープ方向が決定される。スイープ幅は、共振周波数f1と共振周波数f2との差の絶対値として定義される。また、第2電圧値V2が、駆動開始時の交流電圧の電圧値として決定される。駆動開始に必要なこれらのパラメータは、記憶部230に保存される。以上で駆動開始方法の決定処理が終了する。   If the amplitude determined in step S6 is greater than or equal to the desired amplitude, that is, if the determination in step S7 is affirmative, the process proceeds to step S9. In step S9, the determination control unit 220 determines a drive start method from the resonance frequency f1, the resonance frequency f2, and the second voltage value V2 stored in the storage unit 230. Specifically, the drive frequency at the start of driving is determined to be equal to the resonance frequency f1. Further, by subtracting the resonance frequency f2 from the resonance frequency f1, the sweep direction and the sweep width of the drive frequency at the start of driving are determined. If the subtraction result is a positive value, the sweep direction is determined in a direction (negative direction) in which the drive frequency decreases from the resonance frequency f1. On the other hand, if the subtraction result is a negative value, the sweep direction is determined in the direction (positive direction) in which the drive frequency increases from the resonance frequency f1. The sweep width is defined as the absolute value of the difference between the resonance frequency f1 and the resonance frequency f2. The second voltage value V2 is determined as the voltage value of the AC voltage at the start of driving. These parameters necessary for starting driving are stored in the storage unit 230. This completes the drive start method determination process.

図6に示される駆動開始決定処理によって、光スキャナ1の駆動開始に必要なパラメータが決定される。パラメータの例としては、例えば、駆動開始時の駆動周波数及び電圧値、駆動開始後の駆動周波数のスイープ方向及びスイープ幅、である。これらのパラメータを用いることで、図3(B)に示されるように、光スキャナ1の立ち上げ時間の短縮が可能となる。   The parameters necessary for starting the driving of the optical scanner 1 are determined by the driving start determining process shown in FIG. Examples of parameters include a drive frequency and voltage value at the start of driving, and a sweep direction and a sweep width of the drive frequency after starting driving. By using these parameters, the startup time of the optical scanner 1 can be shortened as shown in FIG.

[共振周波数の決定処理]
図7を用いて、図6のステップS2及ステップS6にて実行される共振周波数の決定処理を説明する。なお、図7に示される処理も、制御部200に含まれる構成によって実行される。
[Resonance frequency determination process]
The resonance frequency determination process executed in steps S2 and S6 in FIG. 6 will be described with reference to FIG. 7 is also executed by the configuration included in the control unit 200.

ステップS501では、走査光が検出される。具体的には、走査状態決定部210は、走査光を受光したBDセンサ300から送信される検出信号を受信する。その後、処理はステップS502に移行する。   In step S501, scanning light is detected. Specifically, the scanning state determination unit 210 receives a detection signal transmitted from the BD sensor 300 that has received the scanning light. Thereafter, the process proceeds to step S502.

ステップS502では、振幅が決定される。具体的には、走査状態決定部210は、受信された検出信号に基づいて、ミラー111の振幅を決定する。走査状態決定部210によって決定された振幅は、走査状態信号として、判断制御部220に送信される。判断制御部220は、現在の振幅及び駆動周波数を、記憶部230に記憶する。その後、処理はステップS503に移行する。   In step S502, the amplitude is determined. Specifically, the scanning state determination unit 210 determines the amplitude of the mirror 111 based on the received detection signal. The amplitude determined by the scanning state determination unit 210 is transmitted to the determination control unit 220 as a scanning state signal. The determination control unit 220 stores the current amplitude and drive frequency in the storage unit 230. Thereafter, the process proceeds to step S503.

ステップS503では、駆動周波数が変更される。具体的には、判断制御部220は、現在の駆動周波数に対して、所定の周波数幅Δfを加算する。所定の周波数幅Δfは、記憶部230に予め記憶されている。判断制御部220は、変更された駆動周波数に基づく制御信号を、交流電圧生成部240に対して送信する。その後、処理はステップS504に移行する。   In step S503, the drive frequency is changed. Specifically, the determination control unit 220 adds a predetermined frequency width Δf to the current drive frequency. The predetermined frequency width Δf is stored in the storage unit 230 in advance. Determination control unit 220 transmits a control signal based on the changed drive frequency to AC voltage generation unit 240. Thereafter, the process proceeds to step S504.

ステップS504では、走査光が検出される。この処理は、ステップS501と同様である。その後、処理はステップS505に移行する。   In step S504, scanning light is detected. This process is the same as step S501. Thereafter, the process proceeds to step S505.

ステップS505では、ステップS503にて変更された駆動周波数に対応する振幅が決定される。この処理は、ステップS502と同様である。記憶部230には、ステップS502で記憶された振幅及び駆動周波数が存在する。判断制御部220は、ステップS502で記憶された振幅及び駆動周波数を、前回の振幅及び駆動周波数として記憶部230に記憶する。そして、判断制御部220は、新たに決定された振幅及び駆動周波数を、現在の振幅及び駆動周波数として、記憶部230に記憶する。従って、記憶部230には、現在の振幅及び駆動周波数と、前回の振幅及び駆動周波数との両方が存在する。その後、処理はステップS506に移行する。   In step S505, the amplitude corresponding to the drive frequency changed in step S503 is determined. This process is the same as step S502. The storage unit 230 includes the amplitude and the driving frequency stored in step S502. The determination control unit 220 stores the amplitude and drive frequency stored in step S502 in the storage unit 230 as the previous amplitude and drive frequency. Then, the determination control unit 220 stores the newly determined amplitude and drive frequency in the storage unit 230 as the current amplitude and drive frequency. Therefore, both the current amplitude and drive frequency and the previous amplitude and drive frequency exist in the storage unit 230. Thereafter, the process proceeds to step S506.

電圧一定で光走査部100が駆動される場合、駆動周波数が共振周波数に近づくと、振幅は増加する。一方、駆動周波数が共振周波数から遠ざかると、振幅は減少する。ステップS506では、判断制御部220が、ステップS502で記憶された前回の振幅と、ステップS505で記憶された現在の振幅とを比較する。比較の結果、振幅が増加していると判断された場合(ステップS506が肯定)、駆動周波数を増加することで、駆動周波数が共振周波数に近づく。この場合、処理はステップS508に移行する。一方、比較の結果、振幅が増加していないと判断された場合(ステップS506が否定)、処理はステップS507に移行する。   When the optical scanning unit 100 is driven with a constant voltage, the amplitude increases as the drive frequency approaches the resonance frequency. On the other hand, the amplitude decreases as the drive frequency moves away from the resonance frequency. In step S506, the determination control unit 220 compares the previous amplitude stored in step S502 with the current amplitude stored in step S505. As a result of the comparison, when it is determined that the amplitude is increased (Yes in step S506), the drive frequency approaches the resonance frequency by increasing the drive frequency. In this case, the process proceeds to step S508. On the other hand, if it is determined that the amplitude has not increased as a result of the comparison (No in step S506), the process proceeds to step S507.

ステップS506が否定の場合とは、ステップS503での周波数幅Δfの加算によって、振幅が減少した場合である。このとき、駆動周波数を共振周波数に近づけるためには、駆動周波数を減少させる必要がある。従って、ステップS507では、判断制御部220が、周波数の変更方向を切り替える。具体的には、ステップS507によって、今後実行される周波数を変更する処理では、周波数幅Δfが減算されることとなる。その後、処理はステップS508に移行する。   The case where step S506 is negative is a case where the amplitude is reduced by the addition of the frequency width Δf in step S503. At this time, in order to bring the drive frequency close to the resonance frequency, it is necessary to reduce the drive frequency. Accordingly, in step S507, the determination control unit 220 switches the frequency change direction. Specifically, in step S507, the frequency width Δf is subtracted in the process of changing the frequency to be executed in the future. Thereafter, the process proceeds to step S508.

ステップS508では、駆動周波数が変更される。具体的には、ステップS506が肯定であれば、判断制御部220は、現在の駆動周波数に対して、周波数幅Δfを加算する。一方、ステップS506が否定であれば、判断制御部220は、現在の駆動周波数に対して、周波数幅Δfを減算する。判断制御部220は、変更された駆動周波数に基づく制御信号を、交流電圧生成部240に対して送信する。その後、処理はステップS509に移行する。   In step S508, the drive frequency is changed. Specifically, if step S506 is positive, determination control unit 220 adds frequency width Δf to the current drive frequency. On the other hand, if step S506 is negative, the determination control unit 220 subtracts the frequency width Δf from the current drive frequency. Determination control unit 220 transmits a control signal based on the changed drive frequency to AC voltage generation unit 240. Thereafter, the process proceeds to step S509.

ステップS509では、走査光が検出される。この処理は、ステップS501と同様である。その後、処理はステップS510に移行する。   In step S509, scanning light is detected. This process is the same as step S501. Thereafter, the process proceeds to step S510.

ステップS510では、ステップS508にて変更された駆動周波数に対応する振幅が決定される。この処理は、ステップS502と同様である。判断制御部220は、既に記憶部230に記憶されている現在の振幅及び駆動周波数を、前回の振幅及び駆動周波数として記憶部230に記憶する。そして、判断制御部220は、ステップS508で得られた新たな振幅及び駆動周波数を、現在の振幅及び駆動周波数として、記憶部230に記憶する。その後、処理はステップS511に移行する。   In step S510, the amplitude corresponding to the drive frequency changed in step S508 is determined. This process is the same as step S502. The determination control unit 220 stores the current amplitude and drive frequency already stored in the storage unit 230 in the storage unit 230 as the previous amplitude and drive frequency. Then, the determination control unit 220 stores the new amplitude and driving frequency obtained in step S508 in the storage unit 230 as the current amplitude and driving frequency. Thereafter, the process proceeds to step S511.

ステップS511では、振幅が最大になったかが判断される。具体的には、判断制御部220は、記憶部に記憶されている現在の振幅と、前回の振幅とを比較する。現在の振幅が前回の振幅以上の場合は、駆動周波数が共振周波数に近づいている状態である。従って、現在の振幅が前回の振幅以上の場合、判断制御部220は、振幅が最大になっていないと判断する(ステップS511が否定)。ステップS511の判断が否定の場合、処理はステップS508に戻る。従って、ステップS511の判断が肯定になるまで、換言すれば、振幅が最大になるまで、ステップS508からステップS511を繰り返すことで、駆動周波数が変更される。一方、前回の振幅よりも現在の振幅が小さい場合は、駆動周波数が共振周波数から離れている状態である。従って、前回の振幅における駆動周波数が、共振周波数に最も近いと考えられる。判断制御部220は、前回の振幅よりも現在の振幅が小さい場合、振幅が最大になったと判断する(ステップS511が肯定)。ステップS511の判断が肯定の場合、共振周波数決定処理が終了する。記憶部230に記憶された現在の振幅及び駆動周波数は、共振振幅及び共振周波数として、図6に示される駆動開始決定処理において参照される。   In step S511, it is determined whether the amplitude is maximized. Specifically, the determination control unit 220 compares the current amplitude stored in the storage unit with the previous amplitude. When the current amplitude is greater than or equal to the previous amplitude, the drive frequency is approaching the resonance frequency. Therefore, if the current amplitude is greater than or equal to the previous amplitude, the determination control unit 220 determines that the amplitude is not maximized (No in step S511). If the determination in step S511 is negative, the process returns to step S508. Accordingly, the drive frequency is changed by repeating steps S508 to S511 until the determination in step S511 becomes affirmative, in other words, until the amplitude becomes maximum. On the other hand, when the current amplitude is smaller than the previous amplitude, the drive frequency is away from the resonance frequency. Therefore, it is considered that the drive frequency at the previous amplitude is closest to the resonance frequency. If the current amplitude is smaller than the previous amplitude, the determination control unit 220 determines that the amplitude is maximized (Yes in step S511). If the determination in step S511 is affirmative, the resonance frequency determination process ends. The current amplitude and drive frequency stored in the storage unit 230 are referred to in the drive start determination process shown in FIG. 6 as the resonance amplitude and the resonance frequency.

[駆動処理]
図8を用いて、図6の駆動開始方法の決定処理によって決定された駆動開始方法を用いた、光スキャナ1の駆動処理を説明する。なお、図8に示される処理は、制御部200によって実行される。
[Drive processing]
The drive process of the optical scanner 1 using the drive start method determined by the drive start method determination process of FIG. 6 will be described with reference to FIG. The process shown in FIG. 8 is executed by the control unit 200.

ステップS101において、判断処理部220は、第2電圧値V2及び共振周波数f1に等しい駆動周波数を有する交流電圧を生成する旨の制御信号を、交流電圧生成部240に対して送信する。第2電圧値V2及び共振周波数f1は、図6に示される駆動開始決定処理によって、記憶部230に予め記憶されている。交流電圧生成部240は、第2電圧値V2及び共振周波数f1に等しい駆動周波数を有する交流電圧を、駆動部114に対して印加する。なお、判断制御部220は、第2電圧値V2及び共振周波数f1を、現在の電圧値及び駆動周波数として、記憶部230に記憶する。その後、処理はステップS102に移行する。   In step S101, the determination processing unit 220 transmits a control signal for generating an AC voltage having a drive frequency equal to the second voltage value V2 and the resonance frequency f1 to the AC voltage generation unit 240. The second voltage value V2 and the resonance frequency f1 are stored in advance in the storage unit 230 by the drive start determination process shown in FIG. The AC voltage generator 240 applies an AC voltage having a drive frequency equal to the second voltage value V2 and the resonance frequency f1 to the drive unit 114. Note that the determination control unit 220 stores the second voltage value V2 and the resonance frequency f1 in the storage unit 230 as the current voltage value and the drive frequency. Thereafter, the process proceeds to step S102.

ステップS102において、判断制御部220は、駆動周波数が共振周波数f2に達するまでスイープされたかを判断する。駆動周波数が共振周波数f2に達していない場合(ステップS102の判断が否定)、処理はステップS103に移行する。   In step S102, the determination control unit 220 determines whether the drive frequency has been swept until the resonance frequency f2 is reached. If the drive frequency has not reached the resonance frequency f2 (No at Step S102), the process proceeds to Step S103.

ステップS102の判断が否定の場合、判断制御部220は、現在の駆動周波数を、周波数幅Δfだけ変更する。周波数幅Δfの変更方向、即ち周波数幅Δfを加算するか減算するかは、図6に示される駆動開始決定処理によって、記憶部230に予め記憶されている。このとき、交流電圧の電圧値は、第2電圧値V2に維持される。判断制御部220は、変更された駆動周波数に基づく制御信号を、交流電圧生成部240に対して送信する。その後、処理はステップS102に移行する。即ち、駆動周波数が共振周波数f2に達するまで、駆動周波数はスイープされる。   If the determination in step S102 is negative, the determination control unit 220 changes the current drive frequency by the frequency width Δf. The change direction of the frequency width Δf, that is, whether to add or subtract the frequency width Δf, is stored in advance in the storage unit 230 by the drive start determination process shown in FIG. At this time, the voltage value of the AC voltage is maintained at the second voltage value V2. Determination control unit 220 transmits a control signal based on the changed drive frequency to AC voltage generation unit 240. Thereafter, the process proceeds to step S102. That is, the drive frequency is swept until the drive frequency reaches the resonance frequency f2.

ステップS102の判断が肯定の場合とは、駆動周波数が共振周波数f2に到達している場合である。外部から駆動終了の指示が光スキャナ1に対してなければ、判断制御部220は、ステップS103の判断を否定する。ステップS103の判断が否定されることで、交流電圧生成部240は、第2電圧値V2及び共振周波数f2に等しい駆動周波数を有する交流電圧を、駆動部114に対して継続的に供給する。これによって、光スキャナ1の駆動が継続される。   The case where the determination in step S102 is affirmative is a case where the drive frequency has reached the resonance frequency f2. If there is no instruction for termination of driving from the outside to the optical scanner 1, the determination control unit 220 denies the determination in step S103. When the determination in step S103 is negative, the AC voltage generation unit 240 continuously supplies an AC voltage having a drive frequency equal to the second voltage value V2 and the resonance frequency f2 to the drive unit 114. As a result, the driving of the optical scanner 1 is continued.

一方、外部から駆動終了の指示が光スキャナ1に対してあった場合、判断制御部220は、ステップS103の判断を肯定する。ステップS103の判断が肯定の場合、処理はステップS104に移行する。ステップS104において、判断制御部220は、駆動部114に対する交流電圧の印加を停止する旨の制御信号を、交流電圧生成部240に対して送信する。これにより、光スキャナ1の駆動が停止される。   On the other hand, when an instruction to finish driving is given to the optical scanner 1 from the outside, the determination control unit 220 affirms the determination in step S103. If the determination in step S103 is affirmative, the process proceeds to step S104. In step S <b> 104, determination control unit 220 transmits a control signal for stopping application of AC voltage to drive unit 114 to AC voltage generation unit 240. Thereby, the drive of the optical scanner 1 is stopped.

図8に示される駆動処理によって、第2電圧値V2及び共振周波数f1に等しい駆動周波数を有する交流電圧によって、光スキャナ1の駆動が開始される。光スキャナ1の駆動開始後、第2電圧値V2を維持した状態で、駆動周波数は共振周波数f2までスイープされる。従って、光スキャナ1の立ち上がり時間は、図3(B)に示されるように、最短となる。   The driving of the optical scanner 1 is started by an AC voltage having a driving frequency equal to the second voltage value V2 and the resonance frequency f1 by the driving process shown in FIG. After starting the driving of the optical scanner 1, the drive frequency is swept to the resonance frequency f2 while maintaining the second voltage value V2. Therefore, the rise time of the optical scanner 1 is the shortest as shown in FIG.

なお、本発明において、駆動部に対して印加される交流電圧は、正弦波に限定されず、例えば矩形波交流や三角波交流などの非正弦波交流も含む。また、駆動部に対してパルス幅変調された電圧が印加される場合も、交流電圧に含まれると解される。   In the present invention, the AC voltage applied to the drive unit is not limited to a sine wave, and includes, for example, a non-sine wave AC such as a rectangular wave AC or a triangular wave AC. Further, it is understood that a pulse width-modulated voltage is applied to the drive unit as being included in the AC voltage.

また、本発明において、光スキャナ1は、前記した実施形態の形態に限定されない。例えば、光スキャナは、共振駆動が可能であれば任意の形状であってよい。また、光スキャナは、圧電素子以外の駆動方法(例えば、電磁や静電)で駆動されてもよい。   In the present invention, the optical scanner 1 is not limited to the embodiment described above. For example, the optical scanner may have an arbitrary shape as long as resonance driving is possible. The optical scanner may be driven by a driving method other than the piezoelectric element (for example, electromagnetic or electrostatic).

1 光スキャナ
100 光走査部
110 構造体
111 ミラー
112,212 捩れ梁
113,213 本体部
113a 被固定部分
113b 橋渡し部分
114 駆動部
120 台座
200 制御部
300 BDセンサ
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Optical scanner 100 Optical scanning part 110 Structure 111 Mirror 112,212 Torsion beam 113,213 Main body part 113a Fixed part 113b Bridging part 114 Drive part 120 Base 200 Control part 300 BD sensor

Claims (7)

共振駆動が可能であって振幅に応じて共振周波数が変化する非線形特性を示す光スキャナの駆動を開始するときに、前記光スキャナを駆動する駆動部に対して供給される交流電圧を制御する駆動開始方法を決定する決定方法であって、
前記駆動部に対して、前記光スキャナが共振駆動された状態における振幅である共振振幅が所望の振幅より小さくなる第1電圧値を有する前記交流電圧の供給を開始する供給開始ステップと、
前記供給開始ステップの後に、前記光スキャナによって走査される光を検出する光検出ステップと、
前記光検出ステップの検出結果に基づいて、前記光スキャナの振幅を決定する振幅決定ステップと、
前記交流電圧の周波数を変更した状態で、前記光検出ステップと前記振幅決定ステップを実行することで、前記第1電圧値における前記光スキャナの共振周波数と共振振幅とを決定する第1決定ステップと、
前記交流電圧の電圧値を前記第1電圧値よりも大きな第2電圧値に変更した状態で、前記光検出ステップと前記振幅決定ステップを実行することで、前記第2電圧値における前記光スキャナの共振周波数と共振振幅とを決定する第2決定ステップと、
前記第2決定ステップにおいて決定された前記共振振幅が、前記所望の振幅以上が否かを判断する判断ステップと、
前記判断ステップにて前記共振振幅が前記所望の振幅以上と判断された場合に、前記光スキャナの駆動を開始するときに、前記第1電圧値における前記共振周波数から前記第2電圧値における前記共振周波数に向う方向に前記周波数を変更すると決定する駆動開始決定ステップと、
を備えることを特徴とする決定方法。
Drive that controls the AC voltage supplied to the drive unit that drives the optical scanner when starting to drive the optical scanner that exhibits resonance characteristics that can be resonantly driven and whose resonance frequency changes according to the amplitude A decision method for determining a starting method,
A supply start step for starting the supply of the AC voltage having a first voltage value in which a resonance amplitude that is an amplitude in a state in which the optical scanner is resonance-driven to the drive unit is smaller than a desired amplitude;
A light detection step of detecting light scanned by the optical scanner after the supply start step;
An amplitude determining step for determining an amplitude of the optical scanner based on a detection result of the light detecting step;
A first determination step of determining a resonance frequency and a resonance amplitude of the optical scanner at the first voltage value by executing the light detection step and the amplitude determination step in a state where the frequency of the AC voltage is changed; ,
By executing the light detection step and the amplitude determination step in a state where the voltage value of the AC voltage is changed to a second voltage value larger than the first voltage value, the optical scanner at the second voltage value is executed. A second determining step for determining a resonance frequency and a resonance amplitude;
A determination step of determining whether the resonance amplitude determined in the second determination step is greater than or equal to the desired amplitude;
When the resonance amplitude is determined to be greater than or equal to the desired amplitude in the determination step, the resonance at the second voltage value from the resonance frequency at the first voltage value is started when driving the optical scanner. A drive start determination step for determining to change the frequency in a direction toward the frequency;
A determination method comprising:
前記判断ステップにて前記共振振幅が前記所望の振幅未満と判断された場合に、以前に実行された前記第2決定ステップにおける前記第2電圧値よりも電圧値が大きくなるように、前記第2決定ステップを再度実行し、
前記第2決定ステップの再度実行の後、前記判断ステップを再度実行する、
請求項1に記載の決定方法。
When it is determined in the determination step that the resonance amplitude is less than the desired amplitude, the second voltage value is larger than the second voltage value in the second determination step that has been performed previously. Run the decision step again,
After the second determination step is performed again, the determination step is performed again.
The determination method according to claim 1.
前記駆動開始決定ステップはさらに、前記光スキャナの駆動を開始するときに、前記第1電圧値における前記共振周波数から前記第2電圧値における前記共振周波数に向う方向に前記周波数を変更する前に、前記第1電圧値における前記共振周波数と等しい前記周波数を有する前記交流電圧を供給すると決定する、
請求項1又は2に記載の決定方法。
The drive start determination step further includes, when starting the driving of the optical scanner, before changing the frequency from the resonance frequency in the first voltage value toward the resonance frequency in the second voltage value. Determining to supply the alternating voltage having the frequency equal to the resonant frequency at the first voltage value;
The determination method according to claim 1 or 2.
前記駆動開始決定ステップはさらに、前記第1電圧値における前記共振周波数から前記第2電圧値における前記共振周波数に達するまで前記周波数を変更すると決定する、
請求項3に記載の決定方法。
The drive start determination step further determines to change the frequency from the resonance frequency at the first voltage value until the resonance frequency at the second voltage value is reached.
The determination method according to claim 3.
前記駆動開始決定ステップはさらに、前記光スキャナの駆動を開始するときに、前記第2電圧値を有する前記交流電圧を供給すると決定する、
請求項3又は4に記載の決定方法。
The driving start determination step further determines that the AC voltage having the second voltage value is supplied when driving the optical scanner is started.
The determination method according to claim 3 or 4.
光スキャナを駆動する駆動部に対して、前記光スキャナが共振駆動された状態における振幅である共振振幅が所望の振幅より小さくなる第1電圧値における共振周波数に等しい周波数と、前記光スキャナが共振駆動された状態において前記所望の振幅が得られる第2電圧値とを有する前記交流電圧を供給する初期供給ステップと、
前記初期供給ステップの後に、前記第2電圧値を維持した状態で、前記交流電圧の周波数を、前記第1電圧値における前記共振周波数から前記第2電圧値における共振周波数に達するまで変更する供給変更ステップと、
前記供給変更ステップによって前記交流電圧の周波数が前記第2電圧値における共振周波数となった状態で、前記光スキャナへの前記交流電圧の供給を継続する定常駆動ステップと、
を備える駆動方法。
The optical scanner resonates with a frequency equal to a resonance frequency at a first voltage value at which a resonance amplitude that is an amplitude in a state where the optical scanner is resonantly driven is smaller than a desired amplitude with respect to a driving unit that drives the optical scanner. An initial supply step of supplying the alternating voltage having a second voltage value at which the desired amplitude is obtained in a driven state;
After the initial supply step, a supply change that changes the frequency of the AC voltage from the resonance frequency at the first voltage value to the resonance frequency at the second voltage value while maintaining the second voltage value. Steps,
A steady driving step of continuing the supply of the AC voltage to the optical scanner in a state where the frequency of the AC voltage becomes the resonance frequency at the second voltage value by the supply changing step;
A driving method comprising:
入射した光を反射する反射面を有し、第1軸線を中心として揺動可能に構成されるミラーと、
前記ミラーを両持ち支持する一対の捩れ梁と、
前記一対の捩れ梁の端部に連結される本体部と、
を有する平板状の構造体と、
前記構造体の一部が固定される台座と、
前記本体部に設けられ、電圧が印加されることで前記構造体に対して力を与え、前記ミラー部を前記第1軸線回りに揺動させることが可能な駆動部と、
前記駆動部に対して印加される交流電圧を制御する制御部とを備え、
前記光スキャナは、共振駆動が可能であって振幅に応じて共振周波数が変化する非線形特性を示し、
前記制御部は、前記光スキャナの駆動を開始するときに、
前記駆動部に対して、前記光スキャナが共振駆動された状態における振幅である共振振幅が所望の振幅より小さくなる第1電圧値における共振周波数に等しい周波数と、前記光スキャナが共振駆動された状態において前記所望の振幅が得られる第2電圧値とを有する前記交流電圧の供給を開始し、
前記供給の開始後に、前記第2電圧値を維持した状態で、前記交流電圧の周波数を、前記第1電圧値における前記共振周波数から前記第2電圧値における共振周波数に達するまで変更する、
ことを特徴とする光スキャナ。
A mirror having a reflecting surface for reflecting incident light and configured to be swingable about a first axis;
A pair of torsion beams for supporting the mirror on both sides;
A main body connected to the ends of the pair of torsion beams;
A planar structure having
A pedestal to which a part of the structure is fixed;
A driving unit that is provided in the main body unit, applies a voltage to the structure to apply a force, and can swing the mirror unit around the first axis;
A control unit for controlling an AC voltage applied to the drive unit,
The optical scanner is capable of resonance driving and exhibits nonlinear characteristics in which the resonance frequency changes according to the amplitude,
When the controller starts driving the optical scanner,
A state in which the optical scanner is resonantly driven with a frequency equal to a resonant frequency at a first voltage value at which a resonance amplitude that is an amplitude in a state where the optical scanner is resonantly driven with respect to the driving unit is smaller than a desired amplitude. And starting the supply of the AC voltage having the second voltage value at which the desired amplitude is obtained,
After the start of the supply, with the second voltage value maintained, the frequency of the AC voltage is changed from the resonance frequency at the first voltage value until the resonance frequency at the second voltage value is reached.
An optical scanner characterized by that.
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