JP2021177214A

JP2021177214A - 光走査装置及び光走査装置の調整方法

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Publication number: JP2021177214A
Application number: JP2020082373A
Authority: JP
Inventors: 裕一郎堀口; Yuichiro Horiguchi; 慎悟森上; Shingo Morikami; 博文小西; Hirofumi Konishi; 洋一朝本; Yoichi Asamoto
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2020-05-08
Filing date: 2020-05-08
Publication date: 2021-11-11
Anticipated expiration: 2040-05-08
Also published as: DE102021204345A1; US20210349284A1; JP6925476B1

Abstract

【課題】コストを増加させることなく、クロストークが抑制された光走査装置を得ること。【解決手段】反射ミラーを有する可動部と、可動部を取り囲む中間フレームと、中間フレームを取り囲む支持部と、可動部と中間フレームとを連結し第１軸回りに捩じれる第１のトーションバーと、中間フレームと支持部とを連結し第１軸と直交する第２軸回りに捩じれる第２のトーションバーと、可動部にコイル状に設けられた第１の配線と、中間フレームにコイル状に設けられた第２の配線と、第１軸と第２軸の双方に対して傾いた磁界を発生する磁石と、第１の配線に第１の駆動信号を供給する第１の駆動波形生成部と、第２の配線に第２の駆動信号を供給する第２の駆動波形生成部と、分岐された第１の駆動信号の位相をシフトさせるとともに振幅に利得を乗じて補正信号を生成し、第２の駆動信号に補正信号を重畳する補正信号生成部とを備える。【選択図】図３

Description

本願は、光走査装置及び光走査装置の調整方法に関するものである。

近年、映像プロジェクタ及び３次元距離計測の分野において光ビームの照射方向を所望の方向に走査する光走査装置が用いられている。光走査装置として、シリコンウェハ上に微小な可動ミラーとアクチュエータを形成したＭＥＭＳ（ＭｉｃｒｏＥｌｅｃｔｒｏＭｅｃｈａｎｉｃａｌＳｙｓｔｅｍｓ）ミラーの開発が進められている。ＭＥＭＳミラーにおいては、光学系の小型化及び低価格化を実現するために二軸の走査が可能な構造体が求められている。

二軸の走査が可能なＭＥＭＳミラーの一般的な構造例は、反射ミラーを有した可動部が第１のトーションバーを介して中間フレームに連結され、中間フレームが第２のトーションバーを介してこれらを取り囲む支持部に連結されるものである。第１のトーションバーと第２のトーションバーとが直交し、反射ミラーは二軸方向に駆動される。可動部及び中間フレームにはそれぞれコイル状の第１の配線及び第２の配線が設けられ、外部から電流が供給される。支持部の外側には磁石が設けられ、直交する第１のトーションバーと第２のトーションバーに対して４５°の方向に磁界が印加される。第１の配線に流れる電流と印加された磁界によるローレンツ力によって第１のトーションバーが捻じれて変形し、第２の配線に流れる電流と印加された磁界によるローレンツ力によって第２のトーションバーが捻じれて変形する。配線に供給する電流を調整することで可動部は所望の角度で傾斜し、反射ミラーで反射させた光ビームの射出方向を二次元に走査できる。

第１のトーションバーを変形させるため第１の配線に第１の駆動信号を供給すると、第１の配線のうち第１のトーションバーに平行な部位では、第１のトーションバー回りに可動部を回転させるローレンツ力が発生する。同時に第２のトーションバーに平行な部位では、第２のトーションバー回りに可動部を回転させるローレンツ力が発生する。この同時に発生したローレンツ力により第２のトーションバーが不要に変形し、所望の走査の軌跡からずれが発生するという課題があった。以下、この不要なローレンツ力によりトーションバーに不要な変形を生じさせる力をクロストークと記載する。第２のトーションバーを変形させるために第２の配線に第２の駆動信号を供給する場合にも、不要なローレンツ力は発生する。このような課題に対して、第１の配線が設けられた部位からさらに反射ミラーを分離してクロストークの影響を機械的に遮断する構成が開示されている（例えば、特許文献１参照）。

特開２００９−７５５８７号公報

上記特許文献１においては、反射ミラーを分離しているため、クロストークの影響を機械的に遮断することができる。しかしながら、反射ミラーを分離するためにはミラーを分離するためのスペースがさらに必要であるため、同じ開口径のミラーを設けるには素子サイズが増大して１枚のシリコンウェハから作製できる素子数が減少する。また、適切な剛性を持つ複数のリンクの形成工程が必要であり、製造工程が複雑化する。よって、素子サイズの増大及び製造工程の複雑化により、光走査装置のコストが増加するという課題があった。

そこで、本願は、光走査装置のコストを増加させることなく、クロストークが抑制された光走査装置を得ることを目的としている。

本願に開示される光走査装置は、反射ミラーを有する可動部と、可動部を取り囲む中間フレームと、中間フレームを取り囲む支持部と、可動部と前記中間フレームとを連結すると共に第１軸の回りに捩じれる第１のトーションバーと、中間フレームと支持部とを連結すると共に第１軸と直交する第２軸の回りに捩じれる第２のトーションバーと、可動部の外周にコイル状に設けられ支持部まで配線された第１の配線と、中間フレームにコイル状に設けられ支持部まで配線された第２の配線と、第１軸と第２軸との双方に対して傾いた方向の磁界を発生させる磁石と、第１の駆動信号を生成し、第１の配線に第１の駆動信号を供給する第１の駆動波形生成部と、第２の駆動信号を生成し、第２の配線に第２の駆動信号を供給する第２の駆動波形生成部と、第１の配線に供給される第１の駆動信号を分岐し、分岐された第１の駆動信号の位相をシフトさせるとともに振幅に利得を乗じて補正信号を生成し、第２の配線に供給される第２の駆動信号に補正信号を重畳する補正信号生成部とを備えたものである。

本願に開示される光走査装置によれば、可動部が備えた第１の配線に供給される第１の駆動信号を分岐し、分岐された第１の駆動信号の位相をシフトさせるとともに振幅に利得を乗じて補正信号を生成し、中間フレームが備えた第２の配線に供給される第２の駆動信号に補正信号を重畳する補正信号生成部を備えているため、第１の駆動信号に起因して生じた不要なローレンツ力を打ち消すローレンツ力を発生させることができるので、光走査装置のコストを増加させることなく、クロストークを抑制することができる。

実施の形態１に係る光走査装置のミラー構造体の概略を示す斜視図である。実施の形態１に係る光走査装置のミラー構造体の要部の概略を示す平面図である。実施の形態１に係る光走査装置の概略構成図である。実施の形態１に係る光走査装置の駆動信号の波形を示す図である。図１のＡ−Ａ断面位置で切断したミラー構造体の断面図である。実施の形態２に係る光走査装置の概略構成図である。実施の形態２に係る光走査装置の補正信号制御部における処理を示すフローチャートである。実施の形態３に係る光走査装置の概略構成図である。実施の形態３に係る光走査装置の補正信号制御部における処理を示すフローチャートである。実施の形態４に係る光走査装置の概略構成図である。実施の形態５に係る光走査装置の概略構成図である。比較例の光走査装置の概略構成図である。比較例の光走査装置の駆動信号と光走査の軌跡を示す図である。比較例の光走査装置で発生する駆動力を示す図である。比較例の光走査装置の各軸回りの変位と光走査の軌跡を示す図である。光走査装置の制御部のハードウェアの一例を示す構成図である。

以下、本願の実施の形態による光走査装置を図に基づいて説明する。なお、各図において同一、または相当部材、部位については同一符号を付して説明する。

実施の形態１．
図１は実施の形態１に係る光走査装置１００のミラー構造体５０の概略を示す斜視図、図２は光走査装置１００のミラー構造体５０の要部の概略を示す平面図、図３は光走査装置１００の概略構成図、図４は光走査装置１００の駆動信号の波形を示す図、図５は図１のＡ−Ａ断面位置で切断したミラー構造体５０の断面図である。光走査装置１００は、二軸の走査が可能なミラー構造体５０とミラー構造体５０の動作を制御する制御部２０とを備え、光ビームの照射方向を所望の方向に走査する装置である。

＜ミラー構造体５０の構成の概要＞
ミラー構造体５０の要部は、図２に示すように、反射ミラー８を有する可動部５と、可動部５を取り囲む中間フレーム６と、中間フレーム６を取り囲む支持部７を備える。またミラー構造体５０は、可動部５と中間フレーム６とを連結すると共に第１軸の回りに捩じれる第１のトーションバー９と、中間フレーム６と支持部７とを連結すると共に第１軸と直交する第２軸の回りに捩じれる第２のトーションバー１０とを備える。可動部５は第１軸及び第２軸に平行な辺を有する矩形板状に形成され、中間フレーム６は第１軸及び第２軸に平行な辺を有する矩形環板状に形成される。ミラー構造体５０の要部は、例えば、１枚のシリコンウェハ等の基板から微細加工技術を利用して形成される。支持部７は、例えば、スペーサ２などの機構部品に固定され、スペーサ２はプリント基板などの基板１上に固定されて保持される。

一対の第１の磁石３は、図１に示すように、第１軸に垂直に支持部７の外側に支持部７を挟んで設けられ、第１軸の方向に磁界を印加する。一対の第２の磁石４は第２軸に垂直に支持部７の外側に支持部７を挟んで設けられ、第２軸の方向に磁界を印加する。第１の磁石３と第２の磁石４は、基板１上でスペーサ２にて位置決めされて固定される。第１の磁石３と第２の磁石４により第１軸と第２軸の双方に対して傾いた方向（例えば４５°の方向）の磁界が発生し、発生した磁界はミラー構造体５０の要部に印加される。

第１の配線１１は、図２に示すように、反射ミラー８が設けられた面の可動部５の外周にコイル状に設けられる。第１の配線１１は、第１のトーションバー９、中間フレーム６、及び第２のトーションバー１０を介して支持部７まで配線される。第２の配線１２は、第１の配線１１が設けられた可動部５の面と同じ側の中間フレーム６の面にコイル状に設けられる。第２の配線１２は、第２のトーションバー１０を介して支持部７まで配線される。第１の配線１１と第２の配線１２は、基板１上に設けられたドライバアンプ（図示せず）と接続され電流が供給される。

第１の配線１１に流れる電流と印加された磁界とにより生じたローレンツ力によって第１のトーションバー９が捻じれて変形し、可動部５は第１のトーションバー９を中心とする第１軸回りに回転して入射された光の反射方向は変更される。第２の配線１２に流れる電流と印加された磁界とにより生じたローレンツ力によって第２のトーションバー１０が捻じれて変形し、可動部５と中間フレーム６は第２のトーションバー１０を中心とする第２軸回りに回転して入射された光の反射方向は変更される。供給する電流を調整することで可動部５は所望の角度で傾斜し、反射ミラー８で反射させた光ビームの射出方向を二次元に走査できる。

＜比較例＞
本願の要部である制御部２０の説明の前に、図１２から図１５を用いて比較例について説明する。図１２は比較例の光走査装置２００の概略構成図、図１３は比較例の光走査装置２００の駆動信号と光走査の軌跡を示す図、図１４は比較例の光走査装置２００で発生する駆動力を示す図、図１５は比較例の光走査装置２００の各軸回りの変位と光走査の軌跡を示す図である。なお、比較例の光走査装置２００において、ミラー構造体５０は図１と同様である。制御部２０１は、第１のトーションバー９を変形させる第１の駆動信号を生成する第１の駆動波形生成部２１、及び第２のトーションバー１０を変形させる第２の駆動信号を生成する第２の駆動波形生成部２２を備える。これらの信号は、ドライバアンプ２３である第１のドライバアンプ２３ａ及び第２のドライバアンプ２３ｂを介してそれぞれの配線に供給される。図１３に示すように、第１の駆動信号（図１３（ａ））として正弦波を供給し、第２の駆動信号（図１３（ｂ））としてのこぎり波を供給すれば、理想的には垂直方向に正弦波の軌跡となるラスタ走査を実現できる（図１３（ｃ））。

図１４に光走査装置２００で発生する駆動力を示す。図１４（ｂ）は図１４（ａ）で示した平面ａにおける断面図、図１４（ｃ）は図１４（ａ）で示した平面ｂにおける断面図である。第１のトーションバー９を変形させるために第１の配線１１に第１の駆動信号（図１４の可動部５に示した破線矢印）を供給すると、第１の配線１１のうち第１のトーションバー９に平行な部位では、第１軸回りに可動部５を回転させるローレンツ力である駆動力４０が発生する。同時に第２のトーションバー１０に平行な部位では、第２軸回りに可動部５を回転させるローレンツ力である不要な駆動力４１が発生する。以下、この不要な駆動力４１をクロストークと記載する。この同時に発生したクロストークにより第２のトーションバー１０が不要に変形（図１５（ｂ））し、図１５（ｃ）に示すように、所望の光走査の軌跡からずれが発生するという課題があった。第２のトーションバー１０を変形させるために第２の配線１２に第２の駆動信号（図１４の中間フレーム６に示した一点鎖線矢印）を供給する場合にも、所望の駆動力４２以外に不要な駆動力４３が発生する。

＜制御部２０の構成の概要＞
制御部２０について説明する。制御部２０は、不要な駆動力４１を抑制する機能を有する。制御部２０は、図３に示すように、第１の駆動波形生成部２１、第２の駆動波形生成部２２、及び補正信号生成部２４を備える。制御部２０は、図１２に示した比較例の制御部２０１の構成に加えて補正信号生成部２４を備える。第１の駆動波形生成部２１は、第１の駆動信号を生成し、第１の配線１１に第１のドライバアンプ２３ａを介して第１の駆動信号を供給する。第２の駆動波形生成部２２は、第２の駆動信号を生成し、第２の配線１２に第２のドライバアンプ２３ｂを介して第２の駆動信号を供給する。補正信号生成部２４は、信号の位相をシフトさせる位相シフタ２４ａ、及び信号の振幅に利得を乗じる利得調整部２４ｂを備える。補正信号生成部２４は、第１の配線１１に供給される第１の駆動信号を分岐し、分岐された第１の駆動信号の位相をシフトさせるとともに振幅に利得を乗じて補正信号を生成し、第２の配線１２に供給される第２の駆動信号に補正信号を重畳する。利得を乗じることで、振幅は増幅又は減衰する。ドライバアンプ２３は、ドライバアンプ２３に入力された駆動信号の電圧に比例した電流を第１の配線１１及び第２の配線１２に供給する。制御部２０はアナログ回路によって実装してもよいがアナログ回路に限るものではなく、ロジック回路とデジタルアナログコンバータで実装しても構わない。

反射ミラー８を駆動する駆動信号について説明する。駆動信号に含まれる周波数成分がトーションバーのばね定数とトーションバーよりも内側の可動部５が有する質量により定まる共振周波数より十分小さい場合、トーションバーの捻じれ量（すなわち可動部５の傾斜）は、ローレンツ力により発生するトルクとトーションバーの反発力によるトルクがつりあうため、駆動信号に対して遅れなく追随する。一方、駆動信号のもつ周波数が共振周波数に近づくと可動部５の動作が駆動信号に追随できず、可動部５の傾斜角の位相は駆動周波数の位相から遅れが発生する。共振周波数と等しい周波数成分では可動部５は共振して傾斜角が増大し、この時の駆動信号に対する可動部５の傾斜角の位相の遅れは９０°となる。一般に、広い走査範囲が必要な場合は、駆動信号として共振周波数と等しい周波数の正弦波を用いて可動部５を単振動させる。広い走査範囲が不要な場合は、共振周波数より十分に低いのこぎり波を駆動信号として用いて可動部５を等角速度運動させる。なお、本実施の形態では、第１軸に単振動、第２軸に等角速度運動させるラスタ走査を行う場合について記載するが、両軸とも単振動を行うリサジュー走査の場合にも本願の構成を適用することができる。

第１の駆動信号として可動部５と第１のトーションバーがもつ共振周波数に等しい周期の正弦波を生成し、第２の駆動信号として第１の駆動信号の周期の整数倍の周期ののこぎり波を生成する。のこぎり波の１周期開始時における正弦波の位相を０°に設定すれば、クロストークを考慮しなければ例えば図１３（ｃ）に示したように、光走査の軌跡はミラーの走査範囲の右上端を起点に正弦波の軌跡が配置される。なお、駆動信号の正負とミラー傾斜方向の上下左右の関係は、磁界の方向、配線の巻き方向、ドライバアンプの構成（反転又は非反転）などに依存するため、設計により変更が可能である。以降駆動信号の正負については上述した配置を前提に記載するが、異なる場合においても駆動信号の正負変更または正弦波の位相を１８０°シフトすることにより同様に適用することが可能である。

＜補正信号生成部２４の動作＞
補正信号生成部２４の動作について、図４に示した波形及び図５を用いて説明する。図４に示した（ａ）から（ｄ）の波形は、図３に記載したａからｄの箇所における信号の波形である。第１の駆動信号の波形Ｓ_ａは、式（１）及び図４（ａ）で表される。

この時第１のドライバアンプ２３ａから第１の配線１１に供給される電流Ｉ_ａは、式（２）で表わされる。

ここでＧ_１は第１のドライバアンプ２３ａの利得、Ｚ_１は第１の配線１１のインピーダンス、φ_１は第１の配線１１を流れる電流の電圧に対する位相遅れである。第１の配線１１の抵抗をＲ_１とし、リアクタンスをＬ_１とすると、第１の配線１１のインピーダンスＺ_１、及び位相遅れφ_１は式（３）、式（４）で表わされる。

第１の駆動信号の電流によるクロストークで可動部５に第２軸回り発生するトルクＴ_ｘは、式（５）で表わされる。

図５に示すように、Ｌ_Ｖ１は可動部５の第１軸に平行な辺の長さ、Ｌ_ｈ１は可動部５の第２軸に平行な辺の長さ、Ｂは磁界の大きさ、ｍは第１の配線１１のコイル部分の巻き数である。

分岐された第１の駆動信号の位相をシフトさせるとともに振幅に利得を乗じて生成された補正信号Ｓ_ｃは、式（６）及び図４（ｃ）で表わされる。

ここでＧ_ｃは振幅に乗じた利得、θ_ｃは位相のシフト量である。この補正信号Ｓ_ｃが図４（ｂ）で示された第２の駆動信号に重畳され、図４（ｄ）で示された信号になる。第２のドライバアンプ２３ｂから第２の配線１２供給される電流のうち補正信号による成分Ｉｃ（図５の中間フレーム６に示した二点鎖線矢印）は、式（７）で表わされる。

ここでＧ_２は第２のドライバアンプ２３ｂの利得、Ｚ_２は第２の配線１２のインピーダンス、φ_２は第２の配線１２を流れる電流の電圧に対する位相遅れである。

第２の駆動信号に重畳された補正電流Ｓ_ｃにより中間フレーム６に第２軸回り発生するトルクＴ_ｃは、式（８）であらわされる。

図５に示すように、Ｌ_Ｖ２は中間フレーム６の第１軸に平行な辺の長さ、Ｌ_ｈ２は中間フレーム６の第２軸に平行な辺の長さ、Ｂは磁界の大きさ、ｎは第２の配線１２のコイル部分の巻き数である。式（５）で示したトルクＴ_ｘと式（８）で示したトルクＴ_ｃがＴ_ｘ＝−Ｔ_ｃとなれば、補正信号Ｓ_ｃによるトルクＴ_ｃと、クロストークによるトルクＴ_ｘがつりあうため、第２軸である第２のトーションバー１０は第２の駆動信号によるトルクＴ_ｂのみで変形する。よって、トルクがつりあうための位相のシフト量θ_ｃと振幅に乗じる利得Ｇ_ｃは式（９）と式（１０）で表わされる。

式（９）より、補正信号の位相のシフト量は概ね１８０°とすることで第１の配線１１に流れる電流に起因して生じる不要なローレンツ力を打ち消すことができる。また、第１の配線１１に流れる電流は第１の配線１１のインダクタンスの影響で駆動信号に対して位相遅れが発生し、第２の配線１２に流れる電流は第２の配線１２のインダクタンスの影響で駆動信号に対して位相遅れが発生する。補正信号の位相のシフト量を、１８０°に第１の配線１１を流れる電流の第１の配線１１のインダクタンスによる位相遅れの量と第２の配線１２を流れる電流の第２の配線１２のインダクタンスによる位相遅れの量との差を加算した値とすることで、より正確に第１の配線１１により生じる不要なローレンツ力を打ち消すことができる。

補正信号の振幅は、第１の配線１１により生じる不要なローレンツ力によるトルクＴ_ｘと同等のトルクＴ_ｃを第２の配線１２に発生させる振幅とする。具体的には、第１のドライバアンプ２３ａと第２のドライバアンプ２３ｂの増幅率が同じ場合、式（１０）より補正信号の振幅に乗じる利得Ｇ_ｃを第１の配線１１と第２の配線１２のそれぞれのコイル部分の巻き数の比と、可動部５の第２軸に平行な辺の長さと中間フレーム６の第２軸に平行な辺の長さの比と、可動部５の第１軸に平行な辺の長さと中間フレーム６の第１軸に平行な辺の長さの比とを乗じ、第１の配線１１のインピーダンスと第２の配線１２のインピーダンスの比で除した値とすればよい。

以上のように、実施の形態１による光走査装置１００において、分岐された第１の駆動信号の位相をシフトさせるとともに振幅に利得を乗じて補正信号を生成し、第２の配線１２に供給される第２の駆動信号に補正信号を重畳する補正信号生成部２４を備えたため、第１の配線１１に流れる電流に起因して生じるクロストークを抑制することができる。また、補正信号生成部２４は制御部２０に設けられ、制御部２０の変更のみでクロストークを抑制できるためミラー構造体５０を大型化させることがなく、光走査装置１００のコストを増加させることもなく、クロストークを抑制することができる。また、デジタル的に補正信号を生成する方式とした場合、ハードウェアを追加することなくソフトウェアの変更のみで容易にクロストークを抑制することができる。

また、補正信号の位相のシフト量を１８０°とした場合、第１の配線１１に流れる電流に起因して生じる不要なローレンツ力であるクロストークを打ち消すことができる。また、補正信号の位相のシフト量を１８０°に第１の配線１１を流れる電流の第１の配線１１のインダクタンスによる位相遅れの量と第２の配線１２を流れる電流の第２の配線１２のインダクタンスによる位相遅れの量との差を加算した値とした場合、より正確に第１の配線１１に流れる電流に起因して生じる不要なローレンツ力であるクロストークを打ち消すことができる。また、補正信号の振幅に乗じる利得を第１の配線１１と第２の配線１２のそれぞれのコイル部分の巻き数の比と、可動部５の第２軸に平行な辺の長さと中間フレーム６の第２軸に平行な辺の長さの比と、可動部５の第１軸に平行な辺の長さと中間フレーム６の第１軸に平行な辺の長さの比とを乗じ、第１の配線１１のインピーダンスと第２の配線１２のインピーダンスの比で除した値とした場合、より正確に第１の配線１１に流れる電流に起因して生じる不要なローレンツ力であるクロストークを打ち消すことができる。

実施の形態２．
実施の形態２に係る光走査装置１００について説明する。図６は実施の形態２に係る光走査装置１００の概略構成図、図７は光走査装置１００の補正信号制御部２５における処理を示すフローチャートである。実施の形態２に係る光走査装置１００は、可動部５の回転角に基づいて補正信号の位相のシフト量と利得を調整する構成になっている。

ミラー構造体５０は、可動部５の回転角を検出して出力するミラー角度検出部１３を備える。第１のトーションバー９及び第２のトーションバー１０の近傍にピエゾ抵抗を設け、ピエゾ抵抗の抵抗変化からこれらのトーションバーの捻じれ量を検出することで回転角を検出することができる。なお回転角の検出はピエゾ抵抗に限るものではなく、可動部５の裏面と基板との距離を容量の変化によって回転角を検出しても構わない。また走査光の一部を分岐してフォトディテクタに入射させ、光入射位置の変化から回転角を検出しても構わない。

制御部２０は、検出した回転角に基づいて補正信号の位相のシフト量と補正信号の振幅に乗じる利得を調整する補正信号制御部２５、及び光走査装置１００の温度を検出して出力する温度検出部２６を備える。制御部２０を構成するハードウェアは、第１の配線１１及び第２の配線１２の抵抗とリアクタンスの温度特性のデータを備える。

補正信号制御部２５における検出した回転角に基づいた処理の例について、図７を用いて説明する。ここでは補正信号制御部２５はまず補正信号の利得を調整し、その後位相のシフト量を調整する。なお調整の順序はこれに限るものではない。光走査装置１００を起動した際、制御部２０は第１の駆動波形生成部２１にて第１の駆動波形のみを生成して出力する（ステップＳ１０１）。補正信号生成部２４は、補正信号を初期設定状態で生成する（ステップＳ１０２）。補正信号の初期設定値は予め定めておいてもよく、また光走査装置１００を以前に起動した際に用いた位相のシフト量と利得としてもよい。次に、ミラー角度検出部１３は第２軸の回転角を検出する（ステップＳ１０３）。次に、利得調整部２４ｂは補正信号制御部２５の指示により予め定めたステップにて利得を変化させ（ステップＳ１０４）、ミラー角度検出部１３は利得の変化後の第２軸の回転角を検出する（ステップＳ１０５）。補正信号制御部２５は利得変化前の回転角と利得変化後の回転角を比較し、回転角の増減を確認して回転角が最小となるまで利得を変化させて変位量が最小となる利得を探索する（ステップＳ１０６）。補正信号制御部２５は変位量が最小となった利得を補正信号の利得として設定する（ステップＳ１０７）。

次に、補正信号の位相のシフト量を調整する。位相シフタ２４ａは補正信号制御部２５の指示により予め定めたステップにて位相のシフト量を変化させ（ステップＳ１０８）、ミラー角度検出部１３は位相のシフト量の変化後の第２軸の回転角を検出する（ステップＳ１０９）。補正信号制御部２５は位相のシフト量変化前の回転角と位相のシフト量変化後の回転角を比較し、回転角の増減を確認して回転角が最小となるまで位相のシフト量を変化させて変位量が最小となる利得を探索する（ステップＳ１１０）。補正信号制御部２５は変位量が最小となった位相のシフト量を補正信号の位相のシフト量として設定する（ステップＳ１１１）。以上の工程で、第２軸回りのクロストークによる不要な動作が最小値となる補正信号の振幅と位相が設定される。その後、制御部２０は第２の駆動波形生成部２２にて第２の駆動波形を生成し、光走査を開始する（ステップＳ１１２）。

検出した回転角に基づいた処理に加えて、補正信号制御部２５はさらに温度検出部２６が検出した温度に基づいて位相のシフト量と利得を調整してもよい。温度に基づく処理について説明する。温度検出部２６は、光走査装置１００の温度を検出する（ステップＳ１１３）。補正信号制御部２５は検出された温度と予め備えた第１の配線１１及び第２の配線１２の抵抗とリアクタンスの温度特性のデータとから第１の配線１１及び第２の配線１２の抵抗とリアクタンスの値を補正して補正信号の位相のシフト量と利得を調整する（ステップＳ１１４）。温度に基づいた位相のシフト量と利得の調整は、光走査装置１００の動作中、繰り返し行われる。

以上のように、実施の形態２による光走査装置１００において、回転角を検出して出力するミラー角度検出部１３と回転角に基づいて補正信号の位相のシフト量と利得を調整する補正信号制御部２５とを備えたため、ミラー構造体５０の第１の配線１１及び第２の配線１２等に経時変化が生じても第１の配線１１に流れる電流に起因して生じるクロストークを抑制することができる。また、第１の駆動信号が第１の配線１１に供給されたときの第２軸回りの回転角に基づいて補正信号制御部２５が位相のシフト量と利得を調整する場合、光走査装置１００の起動時に位相のシフト量と利得を調整して第１の配線１１に流れる電流に起因して生じるクロストークを抑制することができる。そのため、起動した当初から第１の配線１１に流れる電流に起因して生じるクロストークを抑制することができる。

また、補正信号制御部２５が温度に基づいて位相のシフト量と前記利得を調整する場合、第１の配線１１及び第２の配線１２に温度変化が生じても第１の配線１１に流れる電流に起因して生じるクロストークを抑制することができる。また、光走査装置１００が備えたミラー角度検出部１３と温度検出部２６は送信光の発光タイミング及び発光出力の制御のために光走査装置には一般的に具備されるものであるため、既に設けられているミラー角度検出部１３と温度検出部２６を利用することで、光走査装置１００のコストを増加させることなくクロストークを抑制することができる。

実施の形態３．
実施の形態３に係る光走査装置１００について説明する。図８は実施の形態３に係る光走査装置１００の概略構成図、図９は光走査装置１００の補正信号制御部２５における処理を示すフローチャートである。実施の形態３に係る光走査装置１００は、差動増幅器２７の出力に基づいて補正信号の位相のシフト量と利得を調整する構成になっている。

制御部２０は、実施の形態２に示した構成に加えて、分岐された第２の駆動信号とミラー角度検出部１３が検出した第２軸回りの回転角との差分に応じた信号を出力する差動増幅器２７を備える。補正信号制御部２５は、差動増幅器２７の出力に基づいて補正信号の位相のシフト量と利得を調整する。

補正信号制御部２５における差動増幅器２７の出力に基づいた処理の例について、図９を用いて説明する。ここでは補正信号制御部２５はまず補正信号の利得を調整し、その後位相のシフト量を調整する。なお調整の順序はこれに限るものではない。光走査装置１００を起動した際、制御部２０は第１の駆動波形生成部２１にて第１の駆動波形を生成して出力し（ステップＳ２０１）、第２の駆動波形生成部２２にて第２の駆動波形を生成して出力する（ステップＳ２０２）。補正信号生成部２４は、補正信号を初期設定状態で生成する（ステップＳ２０３）。補正信号の初期設定値は予め定めておいてもよく、また光走査装置１００を以前に起動した際に用いた位相のシフト量と利得としてもよい。次に、差動増幅器２７は分岐された第２の駆動信号とミラー角度検出部１３が検出した第２軸の回転角との差分を検出して差分に応じた信号を出力する（ステップＳ２０４）。次に、利得調整部２４ｂは補正信号制御部２５の指示により予め定めたステップにて利得を変化させ（ステップＳ２０５）、差動増幅器２７は利得の変化後の差分を検出して差分に応じた信号を出力する（ステップＳ２０６）。変化させる利得は増加でも減少でも構わない。補正信号制御部２５は利得変化前の差分結果と利得変化後の差分結果を比較し、変化後の差分結果が変化前の差分結果以下の場合は利得を変化させて差分結果の比較を繰り返す（ステップＳ２０７）。変化後の差分結果が変化前の差分結果よりも大きくなった場合は繰り返しのループを抜け、補正信号の利得の更新、及び利得変化値の増減方向の変更を設定して次のステップに進む（ステップＳ２０８）。

次に、補正信号の位相のシフト量を調整する。位相シフタ２４ａは補正信号制御部２５の指示により予め定めたステップにて位相のシフト量を変化させ（ステップＳ２０９）、差動増幅器２７は位相のシフト量の変化後の差分を検出して差分に応じた信号を出力する（ステップＳ２１０）。補正信号制御部２５は位相のシフト量変化前の差分結果と位相のシフト量変化後の差分結果を比較し、変化後の差分結果が変化前の差分結果以下の場合は位相のシフト量を変化させて差分結果の比較を繰り返す（ステップＳ２１１）。変化後の差分結果が変化前の差分結果よりも大きくなった場合は繰り返しのループを抜け、補正信号の位相のシフト量の更新、及び位相のシフト量変化値の増減方向の変更を設定して次のステップに進む（ステップＳ２１２）。

最後に、補正信号制御部２５は分岐された第２の駆動信号と第２軸の回転角との差分を検出した結果を差動増幅器２７から取得し（ステップＳ２１３）、結果が予め定めた許容値以下であるかを確認する。結果が許容値以下であれば結果の取得を繰り返し、許容値を上回れば補正信号の利得の設定更新（ステップＳ２０５）に戻る（ステップＳ２１４）。ステップＳ２０５における利得変化値の増減の方向はステップＳ２０８において設定した方向とする。ステップＳ２０９における位相シフト量変化値の増減の方向はステップＳ２１２において設定した方向とする。

以上のように、実施の形態３による光走査装置１００において、差動増幅器２７は分岐された第２の駆動信号と第２軸回りの回転角との差分に応じた信号を出力し、この差動増幅器２７の出力に基づいて補正信号制御部２５は位相のシフト量と利得を調整するため、光走査装置１００を駆動しながら第１の配線１１に流れる電流に起因して生じるクロストークを抑制することができる。

実施の形態４．
実施の形態４に係る光走査装置１００について説明する。図１０は実施の形態４に係る光走査装置１００の概略構成図である。実施の形態４に係る光走査装置１００は、制御部２０がＰＩＤ制御器２８を備えた構成になっている。

制御部２０は、実施の形態３に示した構成に加えて、第２の駆動信号と第２軸回りの回転角との差分値からＰＩＤ制御を行って生成した操作量を出力するＰＩＤ制御器２８を備える。第２の駆動信号が目標値で第２軸回りの回転角をフィードバック信号として、この２つの差分値に対してＰＩＤ制御が行われる。ＰＩＤ制御の比例制御部、積分制御部、微分制御部を通して生成された操作量がＰＩＤ制御器２８から出力され、補正信号生成部２４はＰＩＤ制御器２８が出力した操作量に補正信号を重畳する。

以上のように、実施の形態４による光走査装置１００において、ＰＩＤ制御器２８は第２の駆動信号と第２軸回りの回転角との差分値からＰＩＤ制御を行って生成した操作量を出力し、この操作量に補正信号生成部２４は補正信号を重畳するため、例えば外乱振動等のクロストーク以外の要因に起因した第２軸回りの不要な動作が発生する条件下においてもクロストーク以外の要因に起因した第２軸回りの不要な動作はＰＩＤ制御により抑制され、第１の配線１１に流れる電流に起因して生じるクロストークも抑制することができる。

実施の形態５．
実施の形態５に係る光走査装置１００について説明する。図１１は実施の形態５に係る光走査装置１００の概略構成図である。実施の形態５に係る光走査装置１００は、実施の形態３に示した構成に加えて、加速度検出部１４、及び制御部２０が変位量算出部２９と第２の差動増幅器３０を備えた構成になっている。

光走査装置１００は、光走査装置１００に印加される加速度を検出して出力する加速度検出部１４を備える。加速度検出部１４は、例えば微細加工技術を利用して作製されたＭＥＭＳ（ＭｉｃｒｏＥｌｅｃｔｒｏＭｅｃｈａｎｉｃａｌＳｙｓｔｅｍｓ）方式の加速度検出器である。小型なＭＥＭＳ方式の加速度検出器であれば基板１上に実装してもよく、またミラー構造体５０上に集積しても構わない。

制御部２０は、実施の形態３に示した構成に加えて、変位量算出部２９と第２の差動増幅器３０とを備える。変位量算出部２９は、加速度検出部１４から出力された加速度と第２のトーションバーのばね定数と可動部５の質量とから第２軸回りの可動部５の角度変位量を算出して出力する。第２の差動増幅器３０は、差動増幅器２７の出力と変位量算出部２９から出力された角度変位量との差分に応じた信号を出力する。

補正信号制御部２５における第２の差動増幅器３０の出力に基づいた処理について説明する。加速度検出部１４から出力される加速度は、光走査装置１００に印加された外乱に起因した加速度である。変位量算出部２９から出力される可動部５の角度変位量は、外乱に起因した加速度により回転した可動部５の角度の変位である。補正信号制御部２５は、第２の差動増幅器３０の出力である、差動増幅器２７の出力と外乱に起因した可動部５の角度の変位との差分の結果に基づいて補正信号の位相のシフト量と利得を調整する。この構成により、振動等の外乱によるクロストーク以外の要因に起因した第２軸回りの不要な動作が発生する条件下においてもクロストーク以外の要因に起因した第２軸回りの不要な動作を分離して抑制することができる。

以上のように、実施の形態５による光走査装置１００において、光走査装置１００に印加される加速度を検出して出力する加速度検出部１４と、加速度と第２のトーションバー１０のばね定数と可動部５の質量とから第２軸回りの可動部５の角度変位量を算出する変位量算出部２９と、差動増幅器２７の出力と角度変位量との差分に応じた信号を出力する第２の差動増幅器３０とを備え、補正信号制御部２５は第２の差動増幅器３０の出力に基づいて補正信号の位相のシフト量と利得を調整するため、振動等の外乱がある条件下においてもクロストーク以外の要因に起因する第２軸の不要な動作を分離して抑制することができ、第１の配線１１に流れる電流に起因して生じるクロストークも抑制することができる。

なお、光走査装置１００の制御部２０のハードウェアの一例は図１６に示すように、プロセッサ１１０と記憶装置１１１から構成される。記憶装置は図示していないが、ランダムアクセスメモリ等の揮発性記憶装置と、フラッシュメモリ等の不揮発性の補助記憶装置とを具備する。また、フラッシュメモリの代わりにハードディスクの補助記憶装置を具備してもよい。プロセッサ１１０は、記憶装置１１１から入力されたプログラムを実行する。この場合、補助記憶装置から揮発性記憶装置を介してプロセッサ１１０にプログラムが入力される。また、プロセッサ１１０は、演算結果等のデータを記憶装置１１１の揮発性記憶装置に出力してもよいし、揮発性記憶装置を介して補助記憶装置にデータを保存してもよい。

また本願は、様々な例示的な実施の形態及び実施例が記載されているが、１つ、または複数の実施の形態に記載された様々な特徴、態様、及び機能は特定の実施の形態の適用に限られるのではなく、単独で、または様々な組み合わせで実施の形態に適用可能である。
従って、例示されていない無数の変形例が、本願明細書に開示される技術の範囲内において想定される。例えば、少なくとも１つの構成要素を変形する場合、追加する場合または省略する場合、さらには、少なくとも１つの構成要素を抽出し、他の実施の形態の構成要素と組み合わせる場合が含まれるものとする。

１基板、２スペーサ、３第１の磁石、４第２の磁石、５可動部、６中間フレーム、７支持部、８反射ミラー、９第１のトーションバー、１０第２のトーションバー、１１第１の配線、１２第２の配線、１３ミラー角度検出部、１４加速度検出部、２０制御部、２１第１の駆動波形生成部、２２第２の駆動波形生成部、２３ドライバアンプ、２３ａ第１のドライバアンプ、２３ｂ第２のドライバアンプ、２４補正信号生成部、２４ａ位相シフタ、２４ｂ利得調整部、２５補正信号制御部、２６温度検出部、２７差動増幅器、２８ＰＩＤ制御器、２９変位量算出部、３０第２の差動増幅器、４０駆動力、４１不要な駆動力、４２駆動力、４３不要な駆動力、５０ミラー構造体、１００光走査装置、１１０プロセッサ、１１１記憶装置、２００光走査装置、２０１制御部

Claims

反射ミラーを有する可動部と、前記可動部を取り囲む中間フレームと、前記中間フレームを取り囲む支持部と、前記可動部と前記中間フレームとを連結すると共に第１軸の回りに捩じれる第１のトーションバーと、前記中間フレームと前記支持部とを連結すると共に前記第１軸と直交する第２軸の回りに捩じれる第２のトーションバーと、前記可動部の外周にコイル状に設けられ前記支持部まで配線された第１の配線と、前記中間フレームにコイル状に設けられ前記支持部まで配線された第２の配線と、前記第１軸と前記第２軸との双方に対して傾いた方向の磁界を発生させる磁石と、
第１の駆動信号を生成し、前記第１の配線に前記第１の駆動信号を供給する第１の駆動波形生成部と、
第２の駆動信号を生成し、前記第２の配線に前記第２の駆動信号を供給する第２の駆動波形生成部と、
前記第１の配線に供給される前記第１の駆動信号を分岐し、分岐された前記第１の駆動信号の位相をシフトさせるとともに振幅に利得を乗じて補正信号を生成し、前記第２の配線に供給される前記第２の駆動信号に前記補正信号を重畳する補正信号生成部と、を備えた光走査装置。
前記補正信号の位相のシフト量は１８０°である請求項１に記載の光走査装置。
前記補正信号の位相のシフト量は、１８０°に前記第１の配線を流れる電流の前記第１の配線のインダクタンスによる位相遅れの量と前記第２の配線を流れる電流の前記第２の配線のインダクタンスによる位相遅れの量との差を加算した値である請求項１に記載の光走査装置。
前記可動部は前記第１軸及び前記第２軸に平行な辺を有する矩形板状に形成され、
前記中間フレームは前記第１軸及び前記第２軸に平行な辺を有する矩形環板状に形成され、
前記利得は、前記第１の配線と前記第２の配線のそれぞれのコイル部分の巻き数の比と、
前記可動部の前記第２軸に平行な辺の長さと前記中間フレームの前記第２軸に平行な辺の長さの比と、前記可動部の前記第１軸に平行な辺の長さと前記中間フレームの前記第１軸に平行な辺の長さの比とを乗じ、前記第１の配線のインピーダンスと前記第２の配線のインピーダンスの比で除した値である請求項１に記載の光走査装置。
前記可動部の回転角を検出して出力するミラー角度検出部と、
前記回転角に基づいて前記補正信号の位相のシフト量と前記利得を調整する補正信号制御部と、を備えた請求項１に記載の光走査装置。
前記補正信号制御部は、前記第１の駆動信号が前記第１の配線に供給されたときの第２軸回りの前記回転角に基づいて前記位相のシフト量と前記利得を調整する請求項５に記載の光走査装置。
前記光走査装置の温度を検出して出力する温度検出部を備え、
前記補正信号制御部は、前記温度に基づいて前記位相のシフト量と前記利得を調整する請求項５または６に記載の光走査装置。
前記可動部の回転角を検出して出力するミラー角度検出部と、
分岐された前記第２の駆動信号と第２軸回りの前記回転角との差分に応じた信号を出力する差動増幅器と、
前記差動増幅器の出力に基づいて前記位相のシフト量と前記利得を調整する補正信号制御部と、を備えた請求項１に記載の光走査装置。
前記第２の駆動信号と第２軸回りの前記回転角との差分値からＰＩＤ制御を行って生成した操作量を出力するＰＩＤ制御器を備え、
前記補正信号生成部は、前記操作量に前記補正信号を重畳する請求項８に記載の光走査装置。
前記光走査装置に印加される加速度を検出して出力する加速度検出部と、
前記加速度と前記第２のトーションバーのばね定数と前記可動部の質量とから第２軸回りの前記可動部の角度変位量を算出する変位量算出部と、
前記差動増幅器の出力と前記角度変位量との差分に応じた信号を出力する第２の差動増幅器と、を備え、
前記補正信号制御部は、前記第２の差動増幅器の出力に基づいて前記位相のシフト量と前記利得を調整する請求項８に記載の光走査装置。
反射ミラーを有する可動部と、前記可動部を取り囲む中間フレームと、前記中間フレームを取り囲む支持部と、前記可動部と前記中間フレームとを連結すると共に第１軸の回りに捩じれる第１のトーションバーと、前記中間フレームと前記支持部とを連結すると共に前記第１軸と直交する第２軸の回りに捩じれる第２のトーションバーと、前記可動部の外周にコイル状に設けられ前記支持部まで配線された第１の配線と、前記中間フレームにコイル状に設けられ前記支持部まで配線された第２の配線と、前記第１軸と前記第２軸との双方に対して傾いた方向の磁界を発生させる磁石と、
第１の駆動信号を生成し、前記第１の配線に前記第１の駆動信号を供給する第１の駆動波形生成部と、
第２の駆動信号を生成し、前記第２の配線に前記第２の駆動信号を供給する第２の駆動波形生成部と、
前記第１の配線に供給される前記第１の駆動信号を分岐し、分岐された前記第１の駆動信号の位相をシフトさせるとともに振幅に利得を乗じて補正信号を生成し、前記第２の配線に供給される前記第２の駆動信号に前記補正信号を重畳する補正信号生成部と、
前記可動部の回転角を検出して出力するミラー角度検出部と、
前記回転角に基づいて前記補正信号の位相のシフト量と前記利得を調整する補正信号制御部と、を備えた光走査装置の調整方法であって、
第１の駆動波形を生成するステップと、補正信号を予め定めた初期設定状態で生成するステップと、第２軸の回転角を検出するステップと、前記補正信号制御部の指示により利得を変化させるステップと、利得の変化後の第２軸の回転角を検出するステップと、利得変化前の回転角と利得変化後の回転角を比較し、回転角の増減を確認して回転角が最小となるまで利得を変化させて変位量が最小となる利得を探索するステップと、変位量が最小となった利得を補正信号の利得として設定するステップと、前記補正信号制御部の指示により位相のシフト量を変化させるステップと、位相のシフト量の変化後の第２軸の回転角を検出するステップと、位相のシフト量変化前の回転角と位相のシフト量変化後の回転角を比較し、回転角の増減を確認して回転角が最小となるまで位相のシフト量を変化させて変位量が最小となる利得を探索するステップと、変位量が最小となった位相のシフト量を補正信号の位相のシフト量として設定するステップと、を備えた光走査装置の調整方法。