JP2016035498A - ミラー制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】光偏向器等に使用するミラーの駆動線によるジュール熱に伴うミラー器体のバイメタル効果のドリフトによる影響を排除し、ミラーの安定動作を図ること。【解決手段】ミラー１０と、ミラーに変位を与える駆動線駆動器２０と、駆動線の両端電圧を検出する駆動線電圧監視器３０と、発熱線への電流を制御する発熱線電力制御器４０と、を備え、ミラー１０は、器体１３と、器体に設置された鏡面と、ミラーを変位駆動する駆動線１１と、ジュール熱を発生させる発熱線１２と、を有し、発熱線電力制御器４０は、駆動線駆動器２０に入力されるミラー変位の設定値を一方の入力とし、駆動線電圧監視器３０で検出した駆動線の両端電圧に対応する電圧を他方の入力とする補正アンプ４１を有し、発熱線電力制御器４０による発熱線１２への電力制御により、駆動線１１の両端電圧がミラー変位の設定値に相当する駆動線１１の駆動電流に線形依存した値とする。【選択図】図３

Description

本発明はミラーの制御装置に係わり、特に、ミラーの角度変位の安定動作を行う制御装置に関するものである。

近年、半導体製造技術を応用したマイクロマシン技術を用いて作製される光偏向器が注目されている。光偏向器に装備されるミラーは、このミラーに内蔵された配線に電流を流すことでその発生磁界により角度変位されるが、この角度変位を与えるミラー制御装置においては、ミラーの変位量に相当する電流を流すように構成されている。

しかし、ミラーに変位を与えるミラー制御装置には、駆動電流を流すことで配線のもつ抵抗により発熱して、ミラーを設置する器体の材質の熱歪によりミラー自体が変形するという課題があって、ミラーに大きな角度変位を与えることができなかった。

また、レーザプリンタ又は投影型ディスプレイのスキャナ等に用いられる光偏向器の従来技術として、例えば、特許文献１には、温度勾配による歪ゲージの温度ドリフトを低減し、高精度にミラー面の角度変位を検出できる光偏向器が提案されている。この特許文献１によれば、ミラーの角度変位を検出するためのホイートストンブリッジの複数の抵抗を概ね同一の温度状態となる領域である等温度特性領域に配置することによって、検出精度を維持して角度変位を検出する技術が開示されている。

特開２００６−１７１１８２号公報

しかしながら、上記の特許文献１においては、角度変位の検出に際して、温度差が出ない領域にホイートストンブリッジを構成する複数の抵抗を配置して、温度の影響を排除しているが、特許文献１における角度変位の検出部の構成と配置ではそのためのスペースを確保する必要があり、ミラーを多く設置する場合では、場所的な制約が大きい等の課題が生じる。

本発明の目的は、ミラー制御装置における場所的な制約を少なくするとともに、ミラーを設置する器体の温度の影響を受けないミラー制御装置を提供することにある。

前記目的を達成するために、本発明は主として次のような構成を採用する。

ミラーと、該ミラーに変位を与える駆動線駆動器と、前記ミラー内の駆動線の両端電圧を検出する駆動線電圧監視器と、前記ミラー内の発熱線への電流を制御する発熱線電力制御器と、を備え、前記ミラーは、器体と、該器体に設置された鏡面と、前記器体に配置され前記ミラーを変位駆動する前記駆動線と、前記器体に配置されジュール熱を発生させる前記発熱線と、を有し、前記発熱線電力制御器は、前記駆動線駆動器に入力されるミラー変位の設定値を一方の入力とし、前記駆動線電圧監視器で検出した前記駆動線の両端電圧に対応する電圧を他方の入力とする補正アンプを有し、前記発熱線電力制御器による前記発熱線への電力制御により、前記駆動線の両端電圧が前記ミラー変位の設定値に相当する駆動線の駆動電流に線形依存した値とするミラー制御装置。

また、ミラーと、該ミラーに角度変位を与える駆動線駆動器と、前記ミラー内の駆動線の両端電圧を検出する駆動線電圧監視器と、前記ミラー内の発熱線への電流を制御する発熱線電力制御器と、を備え、前記ミラーは、器体と、該器体に設置された鏡面と、前記器体に配置され前記ミラーを角度変位させる前記駆動線と、前記器体に配置されジュール熱を発生させる前記発熱線と、を有し、前記発熱線電力制御器は、前記駆動線駆動器に入力される前記ミラーの角度変位の設定値を一方の入力とし、前記駆動線電圧監視器で検出した前記駆動線の両端電圧に対応する電圧を他方の入力とする補正アンプを有し、前記発熱線電力制御器による前記発熱線への電力制御は、前記ミラーの鏡面の角度変位が最大となる設定値のときに、前記駆動線電圧監視器で検出した駆動線の両端電圧が前記駆動線への設定電流に相当する前記角度変位の設定値に比例するように電力制御して、前記器体の温度を前記設定値の如何に関わらず一定値としているミラー制御装置。

本発明によれば、ミラーの角度変位が最大であるときの駆動線の両端電圧の検出、監視によって発熱線への電力制御を行うので、ミラー角度変位の設定に基づく駆動線によるジュール熱発生に伴う器体温度の変動をなくして、ミラーのドリフトの影響を回避することができる。

また、駆動線の両端電圧を検出することで駆動線における抵抗値の温度依存性を監視できるので、器体の温度環境を一定にするための温度検出器等を備える必要がないので、ミラーの場所的制約をなくすることができる。

本発明の実施形態に係るミラー制御装置の基本的概念を表すブロック構成図である。 本実施形態に係るミラー制御装置におけるミラーの構造を示す図である。 本実施形態に係るミラー制御装置の具体的構成を示すブロック図である。 本実施形態に係るミラー制御装置の他の具体的構成を示すブロック図である。 本実施形態に係るミラー制御装置の別の具体的構成を示すブロック図である。

本発明の実施形態に係るミラー制御装置の基本的構成について、図１〜図３を参照しながら以下詳細に説明する。図１は本発明の実施形態に係るミラー制御装置の基本的概念を表すブロック構成図であり、図２は本実施形態に係るミラー制御装置におけるミラーの構造を示す図であり、図３は本実施形態に係るミラー制御装置の具体的構成を示すブロック図である。

図１〜図３において、１０はミラー、１１は駆動線、１２は発熱線、１３は器体、２０は駆動線駆動器、２１は誤差アンプ、２２は電流検出抵抗、３０は駆動線電圧監視器、３１は計装アンプ、４０は発熱線電力制御器、４１は補正アンプ、４２は較正抵抗、をそれぞれ表す。

本発明の実施形態に係るミラー制御装置は、光偏光器を構成するミラー１０と、ミラー１０の鏡面に角度変位を与える駆動線駆動器２０と、ミラー１０の一の構成要素である駆動線１１の両端電圧を検出する駆動線電圧監視器３０と、ミラー１０の一の構成要素である発熱線１２への電流を供給制御する発熱線電力制御器４０と、から構成される。

ミラー１０は、器体１３上に設置された鏡面と、器体１３上に配置されてミラー１０を駆動する（一例として、ミラー１０に角度変位を与える）駆動線１１と、器体１３に配置されて器体１３にジュール熱を発生させる発熱線１２と、鏡面・駆動線１１・発熱線１２を載置する器体１３と、から成り立っている。また、駆動線駆動器２０は、誤差アンプ２１と、設定値との誤差電圧を検出するための電流検出抵抗２２と、から成り立っている。また、駆動線電圧監視器３０は駆動線１１の両端電圧の計装アンプ３１から成り立っている。また、発熱線電力制御器４０は、駆動線１１の両端電圧に対応する電圧を引き出す較正抵抗４２と、設定値を一方の入力として較正抵抗４２の端子電圧を他方の入力とする補正アンプ４１と、から成り立っている。

光偏光器として動作させるためのミラー１０の駆動（一例として角度変位、以下の説明では角度変位として例示説明する）は、駆動線１１に電流（ミラーに角度変位を与える動作態様のさせ方次第でＤＣでもＡＣでも可）を流して磁界を発生させ、当該発生した磁界と器体１３近傍に設けた永久磁石（一例）による磁界との磁気作用によって、ミラー１０の鏡面を所望の角度に変位させる。

図１の全体構成であるミラー制御装置への入力は、ミラー鏡面を傾けるための変位角度値が設定値として設定され、この設定値が設定電圧値に変換されて誤差アンプ２１の一方の入力になる。駆動線駆動器２０は、ミラー鏡面に所望の角度変位を与える設定電流を駆動線１に流し、設定電流は電流検出抵抗２２を流れて設定値相当の電圧を発生する。ここで、誤差アンプ２１、駆動線１１，電流検出抵抗２２のルートは１パスであり誤差アンプ２１の負帰還動作の制御により、設定電流と同一の電流が流れている。

駆動線１１に設定電流が流れるとジュール熱により駆動線１１は発熱する。駆動線１１が実装されている器体１３（例えばシリコン）は駆動線１１（例えば銅）と異なる材質でできており、駆動線１１が発熱すると当然器体１３も暖められそれぞれが膨張する。駆動線１１と器体１３の材質ごとに熱膨張率が異なっているため、バイメタル効果が発生してミラー１０自体が反り返ってしまい、ミラー１０の動作の正確さが失われてしまうという事態が生じる。

駆動線１１の発熱によるミラーの変位現象に対応する手法として、発熱による変位も取り込んでミラー可変量とする制御の方法も考えられ得るが、一般的には、駆動電流の制御による角度変位に比べて、バイメタル効果による反りの動作は遅く、その安定状態を待つと実用的な時間でミラー角度変位の動作を完了することができないと云う課題が生じる。また、ミラーを駆動する電流を減らす手法では、発熱を減らすことにはなるが同時に駆動電流によるミラー変位量の減少を招いてしまう。ジュール熱は電流の二乗に比例するから電流を減らすことによりバイメタル効果によるドリフトを減少させることはできるが、駆動電流をどんなに小さくしてもバイメタル効果によるドリフトを無くすことはできないという事情が存在する。

ミラーを所望の角度に変位制御する場合、ミラーの変位量を変化させる動作制御の度に発生ジュール熱が変化してバイメタル効果によるドリフト量が変化してしまう。このように、ミラー駆動のために駆動線１１への駆動電流を変化させることは避けられない状態であるので、この状態でも器体１３が温度変化しないような制御が可能であるならば、ミラー動作を安定化することができると云える。

そこで、一般的に考え得る解決手法として、ミラー１０を構成している器体１３の温度を熱電対又はサーミスタを用いて器体温度をモニターし、別設したヒータ等で暖める等のことを実施して、駆動電流を変更制御してミラーの角度を変更した場合においても器体１３の温度一定の状態を作り出すことが考えられる。ミラー１０に相当程度の配置スペースがあれば熱電対又はサーミスタを実装することは一応可能であるが、ミラーの小型化が求められている現状では実現することが困難である。また、ミラー温度の計測を赤外線等を使って測定する方法もあるが、光学系の構造を新たに採用せねばならずそのための配置スペースも嵩張り実用的ではない。

以上説明したような事情、状況を考慮して、本発明の実施形態に係るミラー制御装置における特徴は、駆動線１１の材質の抵抗値の温度依存性に着目し、その温度依存性が３，０００ｐｐｍ程である銅線はジュール熱で発熱すると抵抗値は上昇するが、銅線駆動線１１の抵抗値が一定値を維持すれば、駆動線１１引いては器体１３の温度は一定となっているという原則に基づいて成された発明である。

駆動線１１への駆動電流は、ミラーの角度変位値、誤差アンプ２１への印加電圧値を表す設定値に相当するように制御されるのでその電流値は既知であり、すなわち、設定値に相当する電流が駆動線１１に流れているので、駆動線１１の抵抗値は駆動線１１の両端電圧÷駆動電流で求まる。換言すると、駆動線１１の両端電圧が駆動電流に正確に比例している関係を維持すれば、駆動線１１の抵抗値は一定であり、すなわち温度一定ということができる。繰り返して説明すると、駆動線１１の両端に発生する端子電圧（Ｖ）を設定値（Ｉ）に線形依存させる値（Ｒ＝Ｖ／Ｉ）とさせることで（逆に言えば、駆動線の抵抗値が温度上昇の影響を受ければ、端子電圧は設定値に線形依存の関係では無くなる）、温度の影響を受けないミラーの角度変位の制御をすることができる。

本発明の実施形態に係るミラー制御装置においては、図２の説明で後述するが、駆動線１１の駆動巻線の外に、同一の器体１３に発熱線１２を設けて当該発熱線１２に電流を流すことにより、器体１３の温度を上げて器体１３自体の温度が一定になるように制御するものである。すなわち、ミラーの角度変位の設定値如何に関わらず、駆動線の端子電圧と電流が線形依存の関係（比例の関係）となるように、器体温度を高めた状態に維持するように発熱線への電流制御をするものである。

本実施形態におけるミラー制御の基本は、ミラー１０の鏡面の角度変位を最大とする最大駆動時の駆動線１１の温度を維持するように、発熱線１２で器体１３の温度を制御することである。この最大駆動時の駆動状態のときに、発熱線電力制御器４０の出力がゼロとなるように較正抵抗４２の抵抗値を調整する。発熱線電力制御器４０の入力の一方には、図３に図示するように設定値（補正アンプ４１への一方の入力としての設定電圧）が与えられており、最大駆動時の最大値に対する較正が行われることになる。

ここで、本実施形態に係るミラー制御装置への設定値が、仮に、最大値の半分の値になった場合（ミラー変位角度を半分にする制御）について以下説明する。設定値が半減するとジュール熱は１／４に低下する。温度はジュール熱に略比例するので、駆動線１１の抵抗値の変動は減少方向に働くため、駆動線１１の両端の端子電圧（駆動線電圧監視器３０により監視される電圧）は半減設定値を下回ることになる。この半減設定値に合わせるように発熱線電力制御器４０は発熱線１２を駆動制御して、不足している器体１３の温度を上昇させて駆動線１１の抵抗値が常に一定となる（駆動線端子電圧が駆動電流に線形依存する）ように動作制御する。

このように、本発明の実施形態においては、器体の温度制御において、別に設ける必要がある温度検出器などを使用せずに、駆動線１１の端子電圧の検出を利用するものであり、本実施形態の基本的構成は、発熱線電力制御器４０として、駆動線駆動器２０に入力されるミラーの角度変位の設定値を一方の入力とし、駆動線電圧監視器３０で検出した駆動線１１の両端電圧に対応する電圧（較正抵抗４２で可変する電圧）を他方の入力とする補正アンプ４１を設けて、発熱線電力制御器４０による発熱線１２への電力制御は、ミラー１０の鏡面の角度変位が最大となる設定値のときに、駆動線電圧監視器３０で検出した駆動線１１の両端電圧が駆動線１１への設定電流に相当する角度変位の設定値に比例するように電力制御することによって、器体１３の温度を設定値の如何に関わらず一定値（最大角度変位時の温度）としているのである。

本実施形態では、駆動線１１に流した電流の大小によりミラー１０の変位量を制御するものであるから、器体１３の温度制御を行う発熱線１２の駆動によって、駆動線１１による発生磁界を妨げてはいけないので、発熱線１２は、駆動線１１に沿って配置され、その往復が平行した無誘導巻の構造であり、発熱線１２の駆動による駆動線１１の駆動力への影響を無くしている。また、熱の伝達が良ければ応答性も良くなるので、駆動線１１と発熱線１２は近接して実装されている。

次に、本発明の実施形態に係るミラー制御装置の他の構成例について、図４を参照しながら以下説明する。図４は本実施形態に係るミラー制御装置の他の具体的構成を示すブロック図である。図４において、２３はＤＡＣ、２４はバッファアンプをそれぞれ表す。図４において、バッファアンプ２４とＤＡＣ（デジタル−アナログ変換器）２３を除いて他の構成要素は、図３の構成と同じでありそれらの説明は図３の説明を援用する。

図４に示すミラー制御装置は、図３に示す駆動線駆動器２０内にバッファーアンプ２４を追加したことを特徴としている。このバッファアンプ２４は、インピーダンス変換と回路分離の機能をもつボルテージフォロアである。ボルテージフォロアの特徴は、広帯域で高ゲインのアンプで構成した場合に出力インピーダンスが非常に低いバッファーとなる。

ミラー１０は、電流駆動であって強力な磁界中において駆動線１１に電流を流してミラー鏡面に角度変位を与えるものであるが、誤差アンプ２１の出力インピーダンスが高いと、外部から受ける機械的振動等に影響されてミラー１０がたやすく動いてしまう。このミラー１０の動きを回避するために、出力インピーダンスの低いアンプで駆動すると、振動による発電効果で駆動線１１の両端に電圧が発生しようとするが、低い出力インピーダンスによって電圧発生を許容させ難くするので、外部からの機械的振動に依るミラー１０の動きを止める効果が生じる。

次に、本発明の実施形態に係るミラー制御装置の別の構成例について、図５を参照しながら以下説明する。図５は本実施形態に係るミラー制御装置の別の具体的構成を示すブロック図である。図５において、５０は駆動線１１の入力側を短絡する短絡スイッチを表す。図５において、短絡スイッチ５０を除いて他の構成要素は、図３及び図４の構成と同じであり、それらの説明は図３及び図４の説明を援用する。

図５に示すミラー制御装置は、図４に示す駆動線１１の入力側を短絡する短絡スイッチ５０を追加したことを特徴としている。図５に示す本実施形態の別の構成例は、駆動線１１の入力側の両端子に短絡スイッチ５０を取り付け、ミラー制御装置の非動作時には短絡スイッチ５０を手動で閉じておくことにより、外部から加わる無用な振動でミラー１０が共振作用を引き起こして破損することから防止するようにしている。

図４に示す他の構成例と同様に、外部振動による発電効果で駆動線１１の両端子に発生する電圧を短絡スイッチ５０により短絡することによって、発生電圧を抑止し外部振動からのミラー１０の不要な動きを防止することができる。

なお、本発明の実施形態に係るミラー制御装置におけるミラー構造の変形例として、器体１３の表裏面側に同一形状の駆動線を配置する構造を採用してもよい。この変形例によると、Ｓｉからなる器体材質と銅からなる駆動線とによるバイメタル効果のドリフトを少なくすることができる。

以上説明したように、本発明の実施形態に係るミラー制御装置は、光偏向器等に使用するミラー（可変ミラーとも称される）に発生するジュール熱に伴うミラーの器体の歪（バイメタル効果によるドリフト）によるミラー変位の変動、狂いについて、ミラー温度を常に一定に保つことによりミラー駆動時の発熱による影響を排除してミラーの安定動作を保持するものである。本実施形態によれば、偏光精度を改善するとともにダイナミックレンジの拡大もでき、飛躍的に性能を高めることができる。

１０ ミラー
１１ 駆動線
１２ 発熱線
１３ 器体
２０ 駆動線駆動器
２１ 誤差アンプ
２２ 電流検出抵抗
２３ ＤＡＣ
２４ バッファアンプ
３０ 駆動線電圧監視器
３１ 計装アンプ
４０ 発熱線電力制御器
４１ 補正アンプ
４２ 較正抵抗
５０ 短絡スイッチ

Claims (6)

1. ミラーと、該ミラーに変位を与える駆動線駆動器と、前記ミラー内の駆動線の両端電圧を検出する駆動線電圧監視器と、前記ミラー内の発熱線への電流を制御する発熱線電力制御器と、を備え、
   前記ミラーは、器体と、該器体に設置された鏡面と、前記器体に配置され前記ミラーを変位駆動する前記駆動線と、前記器体に配置されジュール熱を発生させる前記発熱線と、を有し、
   前記発熱線電力制御器は、前記駆動線駆動器に入力されるミラー変位の設定値を一方の入力とし、前記駆動線電圧監視器で検出した前記駆動線の両端電圧に対応する電圧を他方の入力とする補正アンプを有し、
   前記発熱線電力制御器による前記発熱線への電力制御により、前記駆動線の両端電圧が前記ミラー変位の設定値に相当する駆動線の駆動電流に線形依存した値とする
   ことを特徴とするミラー制御装置。
2. ミラーと、該ミラーに角度変位を与える駆動線駆動器と、前記ミラー内の駆動線の両端電圧を検出する駆動線電圧監視器と、前記ミラー内の発熱線への電流を制御する発熱線電力制御器と、を備え、
   前記ミラーは、器体と、該器体に設置された鏡面と、前記器体に配置され前記ミラーを角度変位させる前記駆動線と、前記器体に配置されジュール熱を発生させる前記発熱線と、を有し、
   前記発熱線電力制御器は、前記駆動線駆動器に入力される前記ミラーの角度変位の設定値を一方の入力とし、前記駆動線電圧監視器で検出した前記駆動線の両端電圧に対応する電圧を他方の入力とする補正アンプを有し、
   前記発熱線電力制御器による前記発熱線への電力制御は、前記ミラーの鏡面の角度変位が最大となる設定値のときに、前記駆動線電圧監視器で検出した駆動線の両端電圧が前記駆動線への設定電流に相当する前記角度変位の設定値に比例するように電力制御して、前記器体の温度を前記設定値の如何に関わらず一定値としている
   ことを特徴とするミラー制御装置。
3. 請求項１または２において、
   前記駆動線駆動器の前記駆動線側に出力インピーダンスの低いバッファアンプを設けることを特徴とするミラー制御装置。
4. 請求項１または２において、
   前記ミラーの駆動線の両端を短絡する短絡スイッチを設けることを特徴とするミラー制御装置。
5. 請求項１または２において、
   前記ミラーの発熱線は無誘導巻きの巻線構造であることを特徴とするミラー制御装置。
6. 請求項２において、
   前記補正アンプの前記他方の入力の側に較正抵抗を設け、前記ミラーの鏡面の角度変位が最大となる設定値のときに、前記発熱線電力制御器による前記発熱線への出力が零となるように前記較正抵抗を調整することを特徴とするミラー制御装置。