JP2019191402A - 光偏向機、および、光偏向機制御装置 - Google Patents

光偏向機、および、光偏向機制御装置 Download PDF

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Abstract

【課題】本発明は、ねじり振動モードによる反射鏡の反射面の凹凸を抑制することで、その反射面を反射する画像のひずみを抑制できる光偏向機を提供することを目的とする。【解決手段】上記課題を解決するため、本発明の光偏向機1は、光ビームを偏向するものであって、前記光ビームを反射する反射鏡2と、該反射鏡2の一端を把持する第一の把持部3aと、該第一の把持部3aに連結した第一の回転軸4aを回転させる第一の駆動部と、該反射鏡の他端を把持する第二の把持部3bと、該第二の把持部3bに連結した第二の回転軸4bを回転させる第二の駆動部と、を具備するものとした。【選択図】図1

Description

本発明は、光ビームを偏向する光偏向機、および、光偏向機を制御する光偏向機制御装置に関する。
光ビームを偏向する光偏向機として、ガルバノ式光偏向機が知られている。図7は、従来の可動磁石型のガルバノ式光偏向機100の横断図である。このガルバノ式光偏向機100は、光ビームを偏向する反射鏡2と、反射鏡2の一端を把持する把持部3と、把持部3と一端を連結した回転軸4と、回転軸4の外周に設けた永久磁石5と、回転軸4の両端を支持する一対の軸受6と、永久磁石5の外周に設けた略円筒状のヨーク7と、ヨーク7の内周に設けたコイル8と、回転軸4の他端側に設けた角度検出器9と、それらを覆う筐体12で構成される。なお、角度検出器9は、回転軸4の他端に取り付けた略円盤状のスケール10と、スケール10上のスリットを読み取る光学ピックアップ11で構成される。
このように構成したガルバノ式光偏向機100は、回転軸4の回転と連動して反射鏡2とスケール10が同じ回転角度θだけ回転するものであり、その回転力発生源は、回転軸4と永久磁石5からなる回転子と、ヨーク7とコイル8からなる固定子と、により構成される揺動型電磁アクチュエータである。そして、図示しない駆動アンプからコイル8に所定の電圧を印加すると、コイル8に流れる所定の電流と、永久磁石5の磁場により電磁力が生じ、回転軸4が所定の回転角度θだけ回転し、それにより反射鏡2とスケール10も同じ回転角度θだけ回転する。このとき、角度検出器9は、光学ピックアップ11によるスケール10の観測結果に基づいて反射鏡2の回転角度θを検出することができる。そして、ガルバノ式光偏向機100は、反射鏡2の回転角度θが目標角度θと一致するように正確な位置決めを実現するためのサーボ機構であることから、角度検出器9の出力信号(以下、「角度検出信号Sθ」という)を用いたフィードバックによるサーボ制御が行われる。
図7に示した、片持ち型のガルバノ式光偏向機100は、図8、図9を用いて後述するように、回転軸4まわりに反射鏡2がねじれる振動モード(以下、「ねじり振動モード」という)を持つ。このねじり振動モードは回転力によって励起され、また、回転力の大きさは動作の高速化に伴い増大する。ねじり振動モードが励起されると、反射鏡の反射面に凹凸が生じるため、反射の前後で光ビームの断面形状が変化する。これは、光偏向機を画像転送系で用いる場合は画像ひずみの原因となり、望ましくない。そのため、従来は、反射鏡の動作速度に対してねじり振動モードの周波数が十分高くなるように設計することで、ねじり振動モードの発生を回避してきた。
例えば、反射鏡のねじり振動モード周波数を向上させる技術として、反射鏡の背面部に回転軸から反射鏡外縁部にリブを形成する技術がある(特許文献1)。また、反射鏡背面に圧電素子を設置して変形力を付与する手段とすることで、反射鏡のねじり振動モードを抑制する技術もある(特許文献2)。
特開平7−287184号公報 特開2011−154196号公報
しかしながら、反射鏡の背面にリブを設ける特許文献1では、リブ数やリブ厚みを増やすことで剛性の向上が見込めるが、それに伴いイナーシャも増加するため、ねじり振動モードの共振周波数向上の効果は限定的であった。
また、反射鏡の背面に変形力を付与する手段を設ける特許文献2では、新たに圧電素子を駆動する駆動アンプや動力線が新たに必要となり、導入容易性の面から不利であった。
本発明は、以上を踏まえてなされたものであり、ねじり振動モードによる反射鏡の反射面の凹凸を抑制することで、その反射面を反射する画像のひずみを抑制できる光偏向機を提供することを目的とする。
上記課題を解決するため、本発明の光偏向機は、光ビームを偏向するものであって、前記光ビームを反射する反射鏡と、該反射鏡の一端を把持する第一の把持部と、該第一の把持部に連結した第一の回転軸を回転させる第一の駆動部と、該反射鏡の他端を把持する第二の把持部と、該第二の把持部に連結した第二の回転軸を回転させる第二の駆動部と、を具備するものとした。
本発明によれば、回転軸上に反射鏡を挟む形で配置された複数の駆動部で回転力を発生することにより、回転力により反射鏡が回転軸まわりにねじれる振動モードの共振周波数を高めることができるため、反射鏡を高速に位置決めした場合であっても、ねじり振動モードの発生を抑制することが可能となる。
実施例1のガルバノ式光偏向機の要部を示す横断図 実施例1のガルバノ式光偏向機の周波数応答特性図 実施例2のガルバノ式光偏向機の要部を示す横断図 実施例2のガルバノ式光偏向機の周波数応答特性図 実施例3のガルバノ式光偏向機制御装置の電流制御部の概要図 実施例4のガルバノ式光偏向機制御装置の制御ブロック図 従来のガルバノ式光偏向機の要部を示す横断図 従来のガルバノ式光偏向機の周波数応答特性図 従来のガルバノ式光偏向機における反射鏡のモード変形図(模式図)
以下、図面を用いながら、本発明の各実施例を説明する。なお、以下の実施例において、便宜上その必要があるときは、複数の実施例に分割して説明するが、特に明示した場合を除き、それらはお互いに無関係なものではなく、一方は他方の一部または全部の変形例、詳細、補足説明等の関係にある。
図1は、実施例1のガルバノ式光偏向機1の要部を示す横断部である。図7に示す従来のガルバノ式光偏向機100では、反射鏡2の一端を把持部3で把持し、この把持部3を揺動型電磁アクチュエータで回転駆動する構成としたが、本実施例のガルバノ式光偏向機1では、反射鏡2の両端を把持部3a、3bで把持し、これらの把持部3a、3bを一対の揺動型電磁アクチュエータで同方向に回転駆動する構成とした。なお、以下では、把持部3a側のアクチュエータの各構成には符号aを付し、把持部3b側のアクチュエータの各構成には符号bを付しており、また、コイル8a、8bは、駆動電流が流れる際に2つの駆動部で発生する回転力が同じ方向となるよう直列に接続されているものとする。
次に、従来構成の問題を挙げながら、本実施例による効果について説明する。図8は、図7に示した従来のガルバノ式光偏向機100の走査量から角度検出信号までの周波数応答特性(ゲイン特性)の一例を示す図である。ここで、コイル8に駆動電流を供給する駆動アンプは注目する周波数帯に対して十分な応答特性を持っていることから、ガルバノ式光偏向機100の走査量は駆動電流とほぼ一致する。図8では、周波数f1、f2の位置に突出した振動モードを持っていることが確認できる。すなわち、従来のガルバノ式光偏向機においては、周波数f1、f2が共振周波数である。
図9は、共振周波数である周波数f1における反射鏡2のねじり振動モード変形を示す図である。ここに示すように、紙面に対して左回りに反射鏡2の位置決め動作を行った際には、回転軸4に対して反射鏡2の左半面は上向きの慣性力を受け、右半面は下向きの慣性力を受ける。このとき、受ける慣性力は回転軸4から遠ざかるほど、また回転力を生み出す駆動部から距離が離れるほど大きくなるため、反射鏡2の先端部では変形量が拡大される。
そこで、反射鏡2の先端部にも回転軸4まわりに同じ大きさの回転力を発生させるため、本実施例では、図1に示すように、回転軸上に反射鏡2を挟む対称位置に一対のアクチュエータを配置した。図1のように反射鏡2の両端に同じ回転力を加える構成とした場合、図7に示す従来のガルバノ式光偏向機100では周波数f1で発生した、反射鏡2の変形量が最大となるねじり振動モードは消滅し、周波数f1より高周波側のねじり振動モードが最も低い周波数のねじり振動モードとなる。すなわち、回転軸4まわりのねじり振動モード周波数の高めることができるので、反射鏡2をより高速回転させた場合であっても、ねじり振動モードの発生を避けることができる。
図2は、本実施例の構成の効果をより具体的に示す図であり、本実施例のガルバノ式光偏向機1の走査量(≒駆動電流)から角度検出信号までの周波数応答特性を示す図である。ここに示すように、本実施例のガルバノ式光偏向機1では、最も周波数の低いねじり振動モードは、従来の周波数f1と比べて、約1.3倍高い周波数f2’に変化している。この結果、本実施例のガルバノ式光偏向機1では、周波数f1近傍で反射鏡2の回転制御を行ったとしても、ねじり振動モードの発生の抑制効果が確認される。これにより、反射鏡2を介して得られる画像の歪みも抑制することができる
なお、本実施例では、角度検出器9を2つ設けているが、1つあれば位置決め動作が可能であるため、片方は取り外してもよい。例えば右側の角度検出器9bを取り外した場合は、反射鏡2を挟んで左右の回転軸まわりのイナーシャが同一となるよう、スケール10bと同じイナーシャの重りを回転軸4bの右側端部に付加することで、左右の駆動部で発生する回転力とイナーシャのバランスが同一となり、回転軸まわりのねじれる振動モードが抑制できる。
また、本実施例では、左右の駆動部のコイル8a、8bを直列に接続し、1つの駆動アンプで駆動できる構成としたが、2つのコイル8a、8bを並列に接続し、2つの独立した駆動アンプにより、各々のコイル8a、8bに同じ大きさの駆動電流を流す構成としてもよい。また、本実施例では、2つの駆動部を左右に配置する構成としたが、3つ以上の駆動部を左右で同じイナーシャとなるよう配置し、かつ左右で同じ回転力が発生する構成としてもよい。
以上で説明した本実施例の構成によれば、従来に比べ、最も低い周波数のねじり振動モードがより高い周波数側に移動するため、反射鏡をより高速制御した場合でも、ねじり振動モードの発生を抑制でき、反射鏡を介して取得した画像のひずみも抑制することができる。
図3は、実施例2にかかるガルバノ式光偏向機1の要部を示す横断部である。なお、実施例1との共通点は重複説明を省略する。
図1に示す実施例1のガルバノ式光偏向機1と比較すると、本実施例では、角度検出器9が1つである点が異なり、また、反射鏡2の中心を通る線A−Aの右側の回転軸4まわりのイナーシャ(J)が左側のイナーシャ(J)よりも大きい点、および、右側駆動部のトルク定数(T)が左側駆動部のトルク定数(T)より大きい点が異なる。この一例として、以下では、J:J=1.0:1.1であり、T:T=1.0:1.1である例を説明する。
図4の点線は、反射鏡2の左右イナーシャが異なる本実施例のガルバノ式光偏向機1において、左右の回転力を等しくした場合の、走査量(≒駆動電流)から角度検出信号までの周波数応答特性を示す図である。なお、図4中の周波数f1、f2’は、図2で示した周波数f1、f2’と同一である。
図4の破線が示す周波数応答特性図では、f1周波数よりも低い周波数f1’にねじり振動モードがあることが分かり、このモードは反射鏡2の中心が振動の節となり、左右の可動部が腹となる、ねじり振動モードである。すなわち、図3の構成では、2つの駆動部で同じ回転力を発生させると、右側のイナーシャが大きいために右側で発生する回転角度θ(角加速度ωの2階積分)が左側に比べて小さくなるため、左右の回転軸4にねじりが生じる。従って、ねじりが生じないようにするためには、左右の加速度a、aを同一にする必要がある。ここで、左右で発生する回転力をFおよびF、流れる電流をI、Iとすると、加速度a、aは次式になる。
=F/J=(T×I)/J …(式1)
=F/J=(T×I)/J …(式2)
本実施例では単一の駆動アンプで、直列接続したコイル8a、8bに電流供給しているため、I=Iである。また、回転軸4まわりのイナーシャがJ:J=1.0:1.1であり、加速度a=aとするために、左右の駆動部のトルク定数比をT:T=1.0:1.1とすることで、左右の回転軸4に生じるねじりを低減することができる。なお、イナーシャの比とトルク定数の比は完全に一致させる必要はなく、おおむね一致するトルク定数を設定すればよい。
ここで、トルク定数Tを左右で変えるために、回転子に作用する回転力Fとコイル8のターン数をNとして表現される次式を用いる。
F∝NI …(式3)
つまり、トルク定数比をT:T=1.0:1.1としたい場合、コイル8aと8bのターン数比(N:N)を1.0:1.1とすればよい。図4の実線は、ターン数比が10:11であるコイル8a、8bに同じ電流を流した場合の、駆動電流から角度検出信号までの周波数応答特性を示す図である。このように、左右のイナーシャの大きさに対応した回転力を加えることで、同一の回転力を加えた点線の場合に生じる周波数f1’でのねじり振動モードの励起が抑制され、最も低いねじり振動モード周波数をより高周波方向に移動させることができる。
以上で説明したように、本実施例では、反射鏡2の左右のイナーシャが異なる場合、2つの駆動部を構成するコイル8a、8bのターン数を変えることで、トルク定数に差を付け、回転軸4まわりの振動モード周波数をより高周波方向に移動させ、反射鏡2をより姑息回転させた場合であっても、共振変形を抑制することができる。
なお、上述した構成に代え、例えば磁気回路の長さを変更することや、コイル8a、8bは同一で永久磁石5a、5bの長さだけを変更するなどによって、トルク定数に差をつけてもよい。
図5は、実施例3にかかるガルバノ式光偏向機1の制御装置50の制御ブロック図である。なお、上述の実施例との共通点は重複説明を省略する。また、この制御装置50の後述する各機能は、半導体メモリ等の記憶装置にロードされたプログラムを、CPU等の演算装置が実行することで実現されるものであるが、以下では、このような周知技術を適宜省略しながら説明する。
本実施例における制御装置50は、反射鏡2を挟んで設けて2つの駆動部に供給する駆動電流Iの大きさを駆動部毎に独立して調整可能な、電流量調整部52a、52bを持つことを特徴とする。ここで、本実施例のガルバノ式光偏向機1は、反射鏡2の中心を通る線A−Aに対して右側の回転軸4まわりのイナーシャが左側のイナーシャよりも大きい(J<J)が、トルク定数は左右同じ(T=T)のものである。
次に、図5の制御装置について、その動作を説明する。回転角度補償部51は、図示しない上位の制御系より受け取った目標角度θと、回転角度検出部54で検出した反射鏡2の回転角度θを減算した偏差Δθに対して制御演算処理を行い、走査量rとして電流量調整部52a、52bに出力する。電流量調整部52a、52bで調整された調整後走査量r、rは、電流制御部53a、53bで増幅され、電流I、Iとして、コイル8a、8bに流れることで、前述の通り電磁力により回転軸4が回転する。このとき、回転角度検出部54は、角度検出器9が出力する角度検出信号Sθに基づいて、回転角度θを検出するものであり、ここで検出された回転角度θは、回転角度補償部51にフィードバックされる。
電流量調整部52a、52bは、回転軸4a、4bがねじれぬように、左右の加速度a、aを同一とする調整後走査量r、rを設定する。加速度a、aを求める(式1)、(式2)から分かるように、2つの駆動部のトルク定数T、Tが同一である場合に、左右の加速度a、aを同一とするには、両駆動部に流れる電流の比I:Iがイナーシャ比J:Jと等しければよい。そのため、走査量rに基づいて設定される、調整後走査量r、rは、次の(式4)、(式5)で表現できる。
=r×(I/I) …(式4)
=r×(I/I) …(式5)
ここで、電流量調整部52a、52bの中身が、(式4)の(I/I=G)、(式5)の(I/I=G)であるとすると、走査量rに対して電流ゲイン成分G
を乗算することで、加速度a、aを等しくする調整後走査量r、rを算出できる。
以上のように算出した調整後走査量r、rに基づいて、各々のコイル8a、8bに供給する電流I、Iを制御することで、左右のイナーシャJ、Jが異なるガルバノ式光偏向機1において左右の回転軸4a、4b間に生じるねじりを抑制でき、振動モードの周波数を向上することができる。
なお、本実施例では、左右のイナーシャJ、Jが異なる場合について説明したが、イナーシャが同一でトルク定数T、Tが異なる場合にも、同様の制御により、左右の回転軸4a、4b間に生じるねじりを抑制することができる。これは、特に回転角度θに依存するトルクの非線形特性の影響を低減したい場合に特に有用である。
図6は、実施例4にかかるガルバノ式光偏向機1の制御装置50の制御ブロック図である。なお、上述の実施例との共通点は重複説明を省略する。
本実施例における制御装置50は、上述の電流ゲインG、Gを演算して決定するゲイン決定部61を備え、電流量調整部52a、52bでのゲイン調整を自動で調整するものである。上述した実施例3の制御装置50は、トルク定数TやイナーシャJが設計通りである場合には有効であるが、製造ばらつきや経年劣化によりトルク定数Tが変化した場合には適切な電流ゲインG、Gを設定できなくなる場合がある。
そこで、本実施例では、トルク定数TやイナーシャJの変化した場合であっても、電流ゲインG、Gを自動的に調整できるようにした。なお、本実施例のガルバノ式光偏向機1の横断図は図3の通りであり、電流ゲインG、Gを1とした場合の周波数応答特性は図4の破線の通りである。
本実施例のガルバノ式光偏向機1では、通常は上位制御系より送られる目標角度θを目標として動作するが、ゲイン決定部61を有効にし、電流量調整機能を有効にした場合は、目標角度θを制御装置内部で生成した、振幅が同じで周波数の異なる複数の単一正弦波を目標角度θとして動作する。ここで設定する周波数は、図4の周波数応答特性図において、設計値で求められる周波数f1’の近傍から数周波数選択する。ここで、周波数f1’周辺のゲインピーク値をBとする。
ゲイン決定部61では、電流ゲインG、Gを1として、各周波数における走査量rから回転角度θまでのゲイン特性を算出することで、ゲインピーク値Bを探索する。次に、電流ゲインGの値を0.9〜1.1の間で0.1刻みで変化させ、各ケースにおけるゲインピーク値Bを観察する。なお、Gは1/Gとする。そして、ゲインピーク値Bが最小となる場合の電流ゲインG、Gを最終決定値として用いることで、回転軸4がねじれる周波数f1’の振動モードが励起されない、図4の実線のような周波数応答特性を得ることができる。
以上より、本実施例によれば、製造ばらつきや経年劣化によりトルク定数やイナーシャが未知の場合においても、回転力により反射鏡2が回転軸4まわりにねじれる振動モードの共振周波数を向上することができるため、反射鏡2を高速に位置決めすることが可能となる。
100、1 ガルバノ式光偏向機、
2 反射鏡、
3、3a、3b 把持部、
4、4a、4b 回転軸、
5、5a、5b 永久磁石、
6、6a、6b 軸受、
7、7a、7b ヨーク、
8、8a、8b コイル、
9、9a、9b 角度検出器
10、10a、10b スケール、
11、11a、11b 光学ピックアップ、
12、12a、12b 筐体、
50 制御装置、
51 回転角度補償部、
52a、52b 電流量調整部、
53a、53b 電流制御部、
54 回転角度検出部、
61 ゲイン決定部
上記課題を解決するため、本発明の光偏向機は、光ビームを偏向するものであって、前記光ビームを反射する反射鏡と、該反射鏡の一端を把持する第一の把持部と、該第一の把持部に連結した第一の回転軸を回転させる第一の駆動部と、該反射鏡の他端を把持する第二の把持部と、該第二の把持部に連結した第二の回転軸を回転させる第二の駆動部と、を具備し、前記第一の駆動部は、前記第一の回転軸の外周に設けた第一の永久磁石と、該第一の永久磁石の外周に設けた第一のコイルと、を備え、前記第二の駆動部が、前記第二の回転軸の外周に設けた第二の永久磁石と、該第二の永久磁石の外周に設けた第二のコイルと、を備えたものであり、両駆動部で発生する回転力、または、両駆動部のトルク定数が異なるものとした。

Claims (10)

  1. 光ビームを偏向する光偏向機であって、
    前記光ビームを反射する反射鏡と、
    該反射鏡の一端を把持する第一の把持部と、
    該第一の把持部に連結した第一の回転軸を回転させる第一の駆動部と、
    該反射鏡の他端を把持する第二の把持部と、
    該第二の把持部に連結した第二の回転軸を回転させる第二の駆動部と、
    を具備することを特徴とする光偏向機。
  2. 請求項1に記載の光偏向機において、
    前記第一の駆動部は、前記第一の回転軸の外周に設けた第一の永久磁石と、該第一の永久磁石の外周に設けた第一のコイルと、を備え、
    前記第二の駆動部が、前記第二の回転軸の外周に設けた第二の永久磁石と、該第二の永久磁石の外周に設けた第二のコイルと、を備えたものであり、
    前記反射鏡の中心より前記第一の駆動部側のイナーシャをJ、前記反射鏡の中心より前記第二の駆動部側のイナーシャをJ、前記第一の駆動部の回転力をF、前記第二の駆動部の回転力をFとしたとき、下記式が略成立することを特徴とすることを特徴とする光偏向機。
    :J=F:F
  3. 請求項1に記載の光偏向機において、
    前記第一の駆動部は、前記第一の回転軸の外周に設けた第一の永久磁石と、該第一の永久磁石の外周に設けた第一のコイルと、を備え、
    前記第二の駆動部が、前記第二の回転軸の外周に設けた第二の永久磁石と、該第二の永久磁石の外周に設けた第二のコイルと、を備えたものであり、
    前記反射鏡の中心より前記第一の駆動部側のイナーシャをJ、前記反射鏡の中心より前記第二の駆動部側のイナーシャをJ、前記第一の駆動部のトルク定数をT、前記第二の駆動部のトルク定数をTとしたとき、下記式が略成立することを特徴とすることを特徴とする光偏向機。
    :J=T:T
  4. 請求項3に記載の光偏向機において、
    前記第一のコイルのターン数をN、前記第二のコイルのターン数をNとしたとき、下記式が略成立することを特徴とすることを特徴とする光偏向機。
    :J=N:N
  5. 請求項1に記載の光偏向機において、
    前記第一の駆動部は、前記第一の回転軸の外周に設けた第一の永久磁石と、該第一の永久磁石の外周に設けた第一のコイルと、を備え、
    前記第二の駆動部が、前記第二の回転軸の外周に設けた第二の永久磁石と、該第二の永久磁石の外周に設けた第二のコイルと、を備えたものであり、
    前記反射鏡の中心より前記第一の駆動部側のイナーシャをJ、前記反射鏡の中心より前記第二の駆動部側のイナーシャをJ、両駆動部のトルク定数を同等、前記第一のコイルの供給電流をI、前記第二のコイルの供給電流をIとしたとき、下記式が略成立することを特徴とすることを特徴とする光偏向機。
    :J=I:I
  6. 回転軸と、反射鏡と、回転角度検出器と、前記反射鏡を前記回転軸に取り付ける把持部と、前記回転軸を支持する軸受部を持ち、前記回転軸上に複数の駆動部を持つことを特徴とする光偏向機。
  7. 請求項6に記載の光偏向機において、
    各駆動部で発生する回転力が異なることを特徴とする光偏向機。
  8. 請求項7に記載の光偏向機において、
    各駆動部のトルク定数が異なることを特徴とする光偏向機。
  9. 請求項1から請求項8の何れか一項に記載の光偏向機を制御する光偏向機制御装置であって、
    各駆動部に供給する駆動電流の大きさを独立して調整する電流量調整部を持つことを特徴とする光偏向機制御装置。
  10. 請求項9に記載の光偏向機制御装置において、
    前記電流量調整部での電流量の増幅量を自動で設定するゲイン決定部を持つことを特徴とする光偏向機制御装置。
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