JP4065502B2 - Electromagnetic actuator, drive and drive state detection method, control method, optical deflector, and image forming apparatus using the same - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、レーザディスプレイ、レーザプリンタ、スキャナ等の光走査装置に用いることができる電磁ガルバノミラー等の電磁アクチュエータの駆動並びに駆動状態検出方法、駆動制御方法、こうした電磁アクチュエータを含む光偏向器及び画像形成装置などの装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
従来から、光偏向器として、電磁力でミラーを駆動する電磁ガルバノミラーが知られている。近年は、半導体プロセスを用いて作製された小型な電磁ガルバノミラーが提案されている。この種の電磁ガルバノミラーは、可動部上にミラーを配置し、その可動部が回動軸中心の回りで回動するようにトーションバーにより本体部から支持される構成になっている。電磁型の構成例としては、ムービングマグネット型(特開平6-82711号公報で提案)やムービングコイル型(特開2001-117043号公報で従来例として記載)などが挙げられる。
【0003】
ムービングマグネット型電磁ガルバノミラーの構成例を図2に示す。この例は、走査ミラー1001、ガラス基板1001a、鏡面部1001b、永久磁石1001c、支持部材1001d、駆動軸1001e、磁気発生部1002、コイル1002a、コイル枠1002bを備える。これの動作は次の如く行われる。コイル1002aに通電して、磁気発生部1002から発生する磁気により、永久磁石1001cの磁極との間で吸引及び反発力が働く。そして、走査ミラー1001は、支持部材1001dがねじられることで、図2に示す駆動軸1001eを回動中心として矢示のように、磁気発生部1002から発生する磁気に応じて任意の角度に角変位するよう駆動される。
【0004】
他方、ムービングコイル型電磁ガルバノミラーの構成例を図3に示す(ここでは上下方向に分離して示されている)。この例は、ベース1101、左右一対の支持部1102、1103、振動体1104、外枠部1105、外枠部1105の開口部1105A、反射ミラー部1106、左右一対の梁部1107、左右一対の永久磁石1108、1109、駆動用コイル1110、駆動手段Dを備える。この駆動手段Dは、ベース1101上に配置された左右一対の永久磁石1102、1103と反射ミラー部1106の外周部に配置された駆動用コイル1110とを有し、この駆動用コイル1110に正逆交互の駆動電流を通電するように構成されている。この構成において、駆動手段Dにより駆動用コイル1110に正逆交互の駆動電流が通電されると、一対の永久磁石1102、1103の外部磁界と駆動用コイル1110の電流とによるローレンツ力で反射ミラー部1106が一対の梁部1107、1108を軸として振動する。
【0005】
前述の電磁ガルバノミラーは、ガルバノミラー固有の共振周波数を持つ駆動信号を印加してやることにより、機械的な共振現象を起こし効率的な駆動を行うことができる。この共振駆動を行うことにより、低投入エネルギーで広振幅の光走査を行える。
【0006】
しかし、ガルバノミラー固有の共振周波数は、環境温度の変化、ガルバノミラー自体の発熱などにより、容易に変化してしまう。その結果、駆動信号の周波数が、共振周波数からずれてきてしまい、走査振幅が一定に保たれなくなる。そのため、常時ガルバノミラー固有の共振周波数をモニタリングしておく必要がある。
【0007】
共振周波数のモニタリングの方法としては、検出用のコイルを配置し、駆動用コイルとの相互インダクタンスを用いて計測する方法や、走査光を検出する光センサを用いる方法や、静電の検出用電極を配置して検出する方法が考えられる。しかし、いずれの手段もガルバノミラーの部品及び回路構成要素が大幅に増加してしまい、コスト高の原因となる。
【0008】
これらを解決するために、電磁ガルバノミラーの駆動により発生する誘導起電圧や誘導起電流を用いて共振周波数をモニタリングする方法がある。特開平2001-305471号公報では、単極性のパルスにより駆動波形を生成し、電磁ガルバノミラーの誘導起電圧又は誘導起電流を検出する方法が提案されている。
【0009】
【発明が解決しようとする課題】
電磁ガルバノミラーを効率的に駆動するためには、正弦波印加信号で駆動を行うことが理想的であり、単極性のパルス駆動波形では大幅な駆動効率の低下が発生してしまう。これは、低消費電力の電磁ガルバノミラーを実現するためには大きな課題となる。また、誘導起電圧又は誘導起電流を用いる場合、微小信号を増幅する必要があり、その為の増幅手段のオフセットやオフセットの変動が、大幅な検出精度低下の原因となるため、そのままでは表示装置や画像形成装置などには用いられない。
【0010】
また、共振駆動の電磁ガルバノミラーをレーザディスプレイ等の表示装置に用いる場合、正弦波的な速度変化を伴う光走査波形となってしまうため、光利用効率を高めるには、往復走査描画を行う必要がある。そのため、正方向の走査描画開始タイミングと負方向の走査描画開始タイミングを高精度に検出する必要がある。同様に、レーザビームプリンタ等の画像形成装置に用いる場合にも、高速印刷を行うためには、走査描画開始タイミングを高精度に検出する必要がある。
【0011】
本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであって、
▲1▼構成要素を大幅に増やすことなく、
▲2▼共振型電磁アクチュエータの効率的な駆動を行いながら、
▲3▼電磁アクチュエータ固有の共振周波数、電磁アクチュエータの回動タイミング等をリアルタイムに高精度検出できる
電磁ガルバノミラー等の電磁アクチュエータの駆動並びに駆動状態検出方法、駆動制御方法、こうした電磁アクチュエータを利用した光偏向器及び画像形成装置などの装置を提供することを、その目的とする。
【0012】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成する本発明の電磁アクチュエータの駆動並びに駆動状態検出方法は、軸中心に回動可能な可動部と、複数の要素を含む可動部駆動用磁界発生手段とを有し、磁界発生手段の少なくとも1つの要素がコイルであり、磁界発生手段の複数の要素の相互作用により可動部を回動させる電磁アクチュエータの駆動並びに駆動状態検出方法であって、
電磁アクチュエータの駆動1周期内に、コイルに駆動信号を印加する駆動期間と、駆動信号を印加しない検出期間を設定し、
検出期間において前記可動部の回動によって発生する誘導信号を検出することで、ゼロ点からの或る回動角を可動部が通過する2つの時間を測定し、
測定した2つの時間の平均値と駆動信号に同期した基準信号の発生時点との時間差を測定し、
測定した時間差から、前記同期信号と前記回動角との位相差情報を算出する、
ことを特徴とする。
【0013】
上記基本の構成に基づいて以下の様な態様が可能である。
検出期間において可動部の回動によって磁界発生手段のコイルに発生する誘導信号を検出する様にできる。これは駆動用コイルに検出用コイルを兼ねさせる構成である。
【0014】
電磁アクチュエータが、磁界発生手段のコイルと、或る回動角での可動部の通過タイミングを検出する検出用コイルとの複数種類のコイルを有しており、検出期間において可動部の回動によって前記検出用コイルに発生する誘導信号を検出する様にもできる。これは駆動用コイルと検出用コイルの多段構成を採用する態様である。
【0015】
可動部に印加する駆動信号に同期する基準信号の発生時点と可動部が第1、第2の回動角に到達したことの検出信号との時間差情報と、基準信号の間隔と、第1、第2の回動角差を基にして、駆動信号に対する可動部の回動の位相差情報並びに最大回動角情報を算出する様にもできる。
【0016】
駆動期間に、異なる駆動信号を印加する複数の駆動期間を含ませ、複数の駆動期間の間に必ず検出期間を設定する様にもできる。この場合、複数の駆動期間を、第1の駆動期間と第2の駆動期間から構成し、電磁アクチュエータの駆動1周期内に、第1の駆動期間、第1の検出期間、第2の駆動期間、第2の検出期間の順に期間を設定し、それぞれの期間の時間間隔を、ほぼ1:1:1:1に設定する様にできる。さらに、異なる駆動信号を、正・負の極性が異なる駆動信号で構成する様にできる。
【0017】
また、前記異なる駆動信号を、時間軸に対して、電磁アクチュエータの駆動1周期内において、近似的な正弦波である様に設定する様にできる。また、検出期間を、可動部の回動角速度が最大・最小である期間を含まない様に設定する様にできる。こうして検出期間の限定を行って、高効率駆動を達成できる。
【0018】
さらに、上記目的を達成する本発明の電磁アクチュエータの制御方法は、上記の電磁アクチュエータの駆動並びに駆動状態検出方法を実行すると共に、前記算出した位相差情報を基に、可動部固有の共振周波数で駆動する共振型電磁アクチュエータの駆動信号の周波数を算出して駆動信号を生成することを特徴とする。ここにおいて、前記算出した最大回動角情報を基に、駆動信号の印加エネルギーを算出して駆動信号を生成する様にもできる。
【0019】
また、前記算出した位相差情報が比較的大きい状態では、検出期間を拡大して、一定程度可動部固有の共振周波数へ追従させた後に、検出期間を通常の範囲に戻す処理を行なう様にもできる。
【0020】
さらに、上記目的を達成する本発明の電磁アクチュエータは、軸中心に回動可能な可動部と、複数の要素を含む可動部駆動用磁界発生手段とを有し、該磁界発生手段の少なくとも1つの要素がコイルであり、該磁界発生手段の複数の要素の相互作用により可動部を回動させる電磁アクチュエータであって、
可動部の駆動1周期内に、前記コイルに駆動信号を印加する駆動期間と、駆動信号を印加しない検出期間とを有し、
該検出期間において前記可動部の回動によって発生する誘導信号を検出する誘導信号検出手段と、
ゼロ点からの或る回動角を可動部が通過する2つの時間を測定し、該測定した2つの時間の平均値と駆動信号に同期した基準信号の発生時点との時間差を測定する時間差測定手段と、
測定した前記時間差から、前記同期信号と前記回動角との位相差情報を算出する手段と、
を有することを特徴とする。こうした電磁アクチュエータは、半導体加工プロセスにより一体作製され得る。また、こうした構成は、マイコン、電子回路の技術などを用いて容易に構築される。
【0021】
また、上記目的を達成する本発明の光偏向器は、上記の電磁アクチュエータの可動部を光ビーム偏向用の手段として用いる光偏向器であって、前記算出した情報を基に、電磁アクチュエータにより偏向される光ビームの出射タイミングの同期信号を出力する様に構成されたことを特徴とする。
【0022】
また、上記目的を達成する本発明の画像形成装置は、上記の光偏向器と光ビーム光源と光照射面を備え、前記出射タイミングの同期信号を少なくとも光ビーム光源の点灯及び変調タイミングの制御に用いる様に構成されて、光ビーム光源からの光ビームが光偏向器で偏向されて光照射面に照射されることを特徴とする。
【0023】
【発明の実施の形態】
以下に、図面を参照して本発明の実施の形態について本発明の原理に触れながら説明する。
【0024】
典型的には、本発明の実施の形態は、軸中心に回動可能なミラー面を設けた可動板を有した光偏向器である。本発明は、複数の要素を含む磁界発生手段を有し、その磁界発生手段の少なくとも1つの要素がコイルであり、その複数の要素の相互作用により前記可動板を回動させる電磁アクチュエータの構成であれば、適用できる。その例として、従来例で挙げたムービングマグネット型電磁ガルバノミラーや、ムービングコイル型電磁ガルバノミラーが挙げられる。
【0025】
図1は、本発明の一実施形態の構成例を示すブロック図である。この電磁アクチュエータは、周波数発生手段101、駆動信号発生手段102、駆動手段103、磁界発生手段に含まれるコイル104、信号増幅手段105、タイミング検出手段106、時間差測定手段107、駆動制御情報発生手段108を備える。ここにおいて、基準クロック201、駆動信号202、印加信号203、誘導信号204、増幅信号205、タイミング信号206、同期信号207、測定時間情報208、周波数設定情報209、振幅設定情報210、走査タイミング情報211が出・入力される。
【0026】
周波数発生手段101は、コイル104に印加する印加信号203の共振周波数の基準となる周波数の基準クロック201を発生させる。この基準クロック201は、駆動信号発生手段102により、駆動に必要な波形に整形され、駆動信号202として出力される(図4(a)参照)。また、駆動信号発生手段102は、この駆動信号202に同期した同期信号207を出力する。ここで、駆動信号202が存在する期間を駆動期間、駆動信号202が存在しない期間を検出期間とする。本実施形態では、駆動期間は、駆動期間A、駆動期間Cという異なる期間を有する。
【0027】
ここでは、駆動期間Aは負の駆動信号、駆動期間Cは正の駆動信号を印加する期間である。この正負の駆動信号202は、同じ形・大きさ・幅である必要は無い。検出期間も、検出期間B、検出期間Dという異なる期間を有する。検出期間Bが、可動板の回動角の角速度が増加する期間を検出する期間であれば、検出期間Dは、可動板の角速度が減少する期間を検出する期間となり、逆の場合もある。電磁アクチュエータの1周期内に、駆動期間A、検出期間B、駆動期間C、検出期間Dの順に期間が存在する。ガルバノミラーの駆動効率と位相差(駆動信号207と可動板の回動角変化との位相差)を検出できる範囲から考えて、それぞれの期間の比は1:1:1:1が理想的である。しかし、可動板の回動角の位相が大幅にずれている初期状態などでは、検出期間を拡大して、或る程度ガルバノミラー固有の共振周波数へ追従させてから、検出期間を通常の範囲に戻す処理を行ってもよい。また、駆動波形は、必ずしもパルスである必要は無く、駆動期間中に印加される波形は、可動板を効率的に駆動できるものであれば正弦波に近い形のものなど任意のものでよい。
【0028】
駆動信号202は、駆動手段103により、印加信号203とされてコイル104に印加される。コイル104に印加された信号により、電磁アクチュエータの可動板が回動し、その回動運動により誘導された信号が誘導信号204として発生する。その発生原理と取り扱い法を説明する。
【0029】
以下の説明のため、可動板の回動角θを、θ=a・sin(2πf・t)(f:電磁アクチュエータの駆動周波数、t:時間、a:振幅)で変化すると仮定する。ここで、例として図3のようなの構成のムービングコイル型電磁ガルバノミラーを考える。磁束密度は、一様に矢印の方向に掛かっているとする。ここで、電磁誘導でコイル1110に発生する信号は、コイル1110への鎖交磁束Φの時間的に変化する割合に等しいため、コイルの抵抗値Rとすると、誘導起電流Iは、
I=-dΦ/dt・1/R (a)
とできる。鎖交磁束Φは、
Φ=K・sinθ (K:定数) (b)
なので、式(a)は、
I=K’dθ/dt・(cosθ)=K”cos(2πf・t)×cos{a・sin(2πf・t)}(K’、K”:定数) (c)
とできる。ここで、cos{a・sin(2πf・t)}≒1と近似できるとすると、I=K”cos(2πf・t)とすることができる。これから、誘導起電流Iは可動板の回動角θとは位相が90°ずれて変化していることが分かる。
【0030】
信号増幅手段105には、印加信号203と、印加信号203による誘導信号と、可動板の回動による誘導信号の和が入力される(図4(c)参照。ただし、図4(a)、図4(b)では回動角がゼロの所を時間軸(横軸)の基準として描いていて、図4(c)、図4(d)、図4(e)では同期信号発生時点を時間軸(横軸)の基準として描いている)。この信号増幅手段105で、誘導信号204を所定の大きさまで増幅する(図4(d)参照)。印加信号203による誘導信号がほぼ0であるとみなせば、信号増幅手段105で増幅された増幅信号205は、検出期間において、可動板の回動角速度に対応した増幅信号となる。さらには、上記した様に共振型電磁アクチュエータの回動角は正弦波的な変化をしているので、増幅信号205は、検出期間において、可動板の回動角に対応付けられ得る。ここで、駆動期間に対応する増幅信号205は、増幅手段105の電源レベル等にクリッピングされる。
【0031】
この増幅信号205に基づき、タイミング検出手段106において、1点以上の信号レベル(回動板の或る回動角に対応する図5でのφ1、φ2)での通過タイミングをタイミング信号206(図5でのtd1、td2、td3、td4)として出力する。このタイミング信号206と、駆動信号発生手段102からの同期信号207(図4(e)参照)との時間差を時間差測定手段107で測定し、測定時間情報208として出力する。この測定時間情報208から、駆動制御情報発生手段108で、周波数設定情報209を生成する。後述するように、周波数設定情報209の生成は1点の信号レベルでの通過タイミングを測るだけでも可能であるが、振幅設定情報210や回動タイミング情報211を更に生成する場合には、2点以上の信号レベルでの通過タイミングを測って、2点以上の信号レベル間隔の情報をも用いて、駆動制御情報発生手段108で、周波数設定情報209、振幅設定情報210、回動タイミング情報211を生成する。
【0032】
ここで、上記時間差情報から駆動信号とガルバノミラーの回動角との位相差を得て、それが可動板の駆動制御に有効に用いられる原理を説明する。図7(a)は、電磁アクチュエータのコイルへの印加信号の周波数と、電磁アクチュエータの最大回動角との関係を示す図である。図7(b)は、電磁アクチュエータのコイルへの印加信号の周波数と、印加信号と電磁アクチュエータの回動角の位相差との関係を示す図である。図7(a)で回動角が最大の点が、この条件での電磁アクチュエータの共振周波数である。これらの図から、「共振周波数付近では、電磁アクチュエータの回動角の上記位相差が大きく変化する」、また「共振周波数からの印加信号周波数のズレと、回動角の上記位相差は相関を持っている」ことが確認できる。これらについては、環境温度等の変化により、固有の共振周波数の値が変化しても、同じ現象・相関を確認することができる。
【0033】
次に、電磁アクチュエータが置かれている周辺の環境温度を互いに変えた2つのデータ(特性A、B)を図8(a)、(b)に示す。図8(a)は、横軸に印加周波数、縦軸に最大回動角を示している。図8(b)は、横軸に印加周波数、縦軸に上記位相差を示している。この図から分かるように、「電磁アクチュエータの環境温度が変わると、共振周波数は著しく変化する」。具体的な例としては、温度が1℃変わると、共振周波数は数Hz変わる場合もある。そのため、この電磁アクチュエータを共振周波数付近で駆動する場合は、環境温度によって最大回動角が大きく変化してしまう。具体的な例としては、共振周波数から印加信号の周波数が1Hzずれるだけで、最大回動角が半減してしまう場合もある。そのため、電磁アクチュエータ固有の共振周波数の変化に対応させて、印加信号の周波数を追従させてやる必要がある。
【0034】
ここで、何らかの外的要因で特性Aから特性Bに変わるとする(これは、共振周波数が高くなることに対応する)。同じ印加周波数で駆動しているままであると、回動角が大幅に減少する。しかし、図8(a)の特性Aに示すように共振点を中心としてほぼ対称となるような共振特性の場合、共振周波数が変化した時に回動角波形の振幅だけを検出したのでは、共振周波数が高低のいずれ側に変化したのかを検出することができない。
【0035】
そこで、「共振周波数からの印加周波数のズレと、上記位相差は相関を持っている」ことを利用して、図8(b)に示すように、駆動信号の位相情報の変化を検出して、共振周波数が高低のいずれ側に変化したのかを検出できる様にする。すなわち、図8(a)、図8(b)の特性A、Bで示すように、「共振周波数が高い方へ変化した場合には、位相差が正の方向に大きくなる(回動角の位相が遅れる)。一方、共振周波数が低い方へ変化した場合には、位相差が負の方向に大きくなる(回動角の位相が進む)。」ことを利用する。このようにして、駆動制御情報発生手段108では、測定時間情報から回動角の上記位相差情報を得て、共振周波数と印加周波数が一致するように制御する為に、周波数設定情報209を出力する(周波数追従制御)。
【0036】
本発明によれば、回動角の位相差情報を得ることは、増幅信号205における往復の同一点での測定時間情報の平均を取ることにより実現できる。具体的には、駆動信号の同期信号207の時間情報と、ゼロ点からの或る回動角φ1に対応した増幅信号205の或るレベルを通過する時点の時間情報を測定する。この場合、電磁アクチュエータが1周期回動する間に、双方向で2回の時間情報td1、td2を計測できる。上述した様に共振型電磁アクチュエータの回動角は正弦波的な変化をしていて増幅信号205とは90°位相がずれている。これら増幅信号205の測定時間情報の平均を取ることにより、位相90°または270°のところの増幅信号205の時間情報が得られる。つまり、位相0°または180°での回動角の時間差情報(同期信号207の時間情報との差)が得られる。この得られた時間差情報が位相0°または180°の回動角でのものであるとすると、印加周波数の周期Tを用いて、式(1)のように回動角のゼロ点での時間差情報Dcが得られる。
Dc=1/2・(td1+td2) (位相0°の場合) または Dc=1/2・(td1+td2-T) (位相180°の場合) (1)
【0037】
更に、印加周波数fの周期Tから、式(2)のように、駆動信号の同期信号207と回動角との位相差情報ωを得ることができる。
ω=2πf・Dc (0≦ω<2π) (2)
【0038】
ゼロ点からの或る回動角に対応した複数の点において同様の処理を行い、積算平均化を行うことにより、さらに高精度な位相差情報が得られる。式(1)、(2)からの位相差情報を用いて(上述した様に、この位相差情報は、共振周波数からの印加周波数のズレの大きさと方向の情報を含んでいる)、常時印加周波数の設定を変更することによって、共振型電磁アクチュエータの周波数追従制御を行うことができる。
【0039】
増幅信号のゼロクロスタイミングより上記位相差を検出する方法では、増幅手段の使用環境によるオフセットの変動により、ゼロクロス点が変化してしまい、検出精度低下が問題となる。しかし、本発明によれば、平均した時間を情報として用いるため、増幅手段のオフセットやオフセットの変動による影響や、最大回動角の大きさの変化等に影響を受けることなく、正確な回動角の各種情報を得ることができる。
【0040】
上記の方法により、印加周波数を共振周波数に一致させた場合でも、電磁アクチュエータの最大回動角は一定とはならない場合があり、光偏向器における走査ビームの振幅を一定に保てない。これは、環境温度などの要因により、Q値等が変化してしまい、同じ印加エネルギーでも同じ回動角振幅を得ることができないからである。そのため、周波数追従制御に加えて、電磁アクチュエータの最大回動角情報から、電磁アクチュエータの最大回動角が一定なる様に印加エネルギーを調整してやる必要がある(振幅制御)。そのために、測定時間情報から現在の最大回動角情報を得て、電磁アクチュエータの最大回動角が一定になるように印加信号203の振幅・デューティ比等を変化させる。
【0041】
本発明によれば、最大回動角情報は、増幅信号205における複数の点での時間情報を測定し、以下の式から算出できる。周波数追従制御は、上述したように増幅信号205における1つの点での時間情報を測定するのみでも可能であったが、振幅制御は、増幅信号205における複数の点での時間情報を測定する必要がある。
【0042】
図5で、増幅信号205の信号レベルφ1、φ2、時間差Dc、検出タイミングtd1、td2、td3、td4、印加周波数周期Tとすると、
φ1=Asin2π・1/T・(td2-Dc) (3)
φ2=Asin2π・1/T・(td3-Dc) (4)
ここで、φ0=φ1+φ2とすると、式(3)、(4)より、
A=φ0/{sin2π・1/T・(td2-Dc)+sin2π・1/T・(td3-Dc)} (5)
となり、式(5)よりφα、tαの関係式は、式(6)のようになる。
φα=Asin2π・1/T・(tα-Dc)
=φ0/{sin2π・1/T・(td2-Dc)+sin2π・1/T・(td3-Dc)}・sin2π・1/T・(tα-Dc) (6)
式(6)でtα=1/4・Tとすると、式(7)のように最大回動角Θが得られる。
Θ=φ0/{sin2π・1/T・(td2-Dc)+sin2π・1/T・(td3-Dc)}・sin2π・(1/4-Dc/T)(7)
この式(7)の最大回動角情報を用いることにより、共振型電磁アクチュエータの振幅制御を行うことができる。
【0043】
ここで、式(1)、(2)、(6)、(7)では、或るレベルでのタイミング信号td1、td2、td3、td4、レベル間隔φ0、周波数f、周期Tのみで記述されるため、増幅信号のレベルのゼロ点との関係に対して制約は無い。つまり、増幅手段105においてオフセットが存在しても、レベル間隔φ0は一定に保たれるので、ゼロ点からのレベルの変動による影響を受けることはない。また、オフセットの変動の周期は、電磁アクチュエータの駆動周期に対して、著しく長く且つ変動も連続的なため、電磁アクチュエータの駆動周期毎の増幅信号205に対してオフセットの変動は影響を与えない。
【0044】
共振型電磁アクチュエータは、正弦波的な回動角の変化をするため、画像形成装置においてビームを走査させる場合、片方向走査よりも双方向走査の方が効率良い走査を行うことができる。しかし、双方向走査のレーザ点灯や変調タイミングがずれてしまうと、形成する画像の画質劣化を招く。そのため、ビームの走査タイミング情報を正確に把握する必要がある。よって、上記測定情報から現在の回動角の回動タイミング情報を得て、ビームの走査タイミング情報として、出力するのがよい。
【0045】
この場合も、回動タイミング情報は、tαとφαの関係式(6)から得ることができる。ここで、周波数追従制御によっても共振周波数に完全に印加周波数が一致していない時、現在の回動タイミング情報を出力することにより、その情報を基にビームを点灯又は変調させて、画像形成装置の描画位置及び描画振幅を一定位置に保つことができる。
【0046】
以上の説明では、電磁アクチュエータをムービングコイル型として説明したが、本発明はムービングマグネット型を始め、コイルを含む複数の要素を含む磁気発生手段を有した電磁アクチュエータであれば、同様にI=K”cos(2πf・t)で誘導起電流を近似することができ、上記のことは適用できる。
【0047】
また、「cos{a・sin(2πf・t)}≒1」と近似したが、近似により精度低下が問題になる場合は、前述の式を補正して用いればよい。同様に、磁束密度は、均一であると仮定しているが、精度低下が問題になるようであれば、前述の式に磁束密度の変化・分布を考慮して補正を行ってやればよい。可動板の厚さ、コイルと永久磁石の配置なども考慮して、上記式を補正することで、より高精度な検出を行うこともできる。
【0048】
また、以上の説明では、駆動用コイルと検出用コイルを兼用としたが、駆動用コイルと検出用コイルを別の構成にし、駆動用コイルに駆動期間の印加信号を入力し、検出用コイルからの検出期間の誘導信号を増幅して、上記処理を実行してもよい。この構成であれば、駆動用コイルと検出用コイルをそれぞれ最適に配置でき、駆動効率と検出精度の向上を図ることができる。
【0049】
加えて、駆動用コイルと検出用コイルを別の構成にし、検出用コイルは或る回動角の通過タイミングを検出できるような検出手段に含まれるようにして、複数の回動角の通過タイミング情報を用いてもよい。この構成であれば、実際の回動角の位置によってタイミング情報を得ているため、「cos{a・sin(2πf・t)}≒1」の近似が問題になるような精度でも、信号処理を簡易に行なえて処理回路の負担を軽くできる。
【0050】
以上の様に本発明を用いると、電磁アクチュエータであっても、駆動と同時に電磁誘導による検出を行うことができる。電磁誘導は、容易な構成で高精度な検出を実現できる検出法であるので、低コストで高精度な検出を実現できる。また、電磁アクチュエータに検出部を組み込むことが容易で、コンパクトな電磁アクチュエータを実現できる。
【0051】
電磁アクチュエータは、理想的には正弦波駆動することが最も効率として良い。しかし、正弦波駆動を行う場合、駆動のために発生する磁場により、コイルによる磁場検出を行うことが困難となってしまう。そのため、本発明の一形態では、電磁アクチュエータの1周期内に、2種類の駆動期間と、検出期間を有することにより、効率的な電磁アクチュエータの駆動を行なえる。ここでは、単極の矩形波で駆動した場合より、正・負パルスで駆動した方が、効率的な駆動ができ、低消費電力を実現できる。
【0052】
また、本発明では、検出期間の誘導起電圧又は誘導起電流を増幅手段により増幅し検出信号として用いる。しかし、検出に関しては、検出期間に誘導信号のピークが含まれない場合、検出期間の信号を増幅しただけでは、電磁アクチュエータの最大回動角情報を得ることができない。更に、増幅手段のオフセット変動が存在するため、電磁アクチュエータの位相差情報や、電磁アクチュエータの回動タイミングを高精度に検出することは困難となる。そのため、本発明の一形態では、複数の回動角での通過タイミングを測定し、測定した時間情報と複数の回動角間の角度差を基に最大回動角情報を得る。本発明では、増幅手段のオフセットが存在しても、回動角検出点の相関により算出を行うため、検出精度がオフセットの影響を受けない。また、上記時間差を検出するレベルは、回動角のゼロ点に対しての関係の制約が無いため、検出手段や駆動信号の自由度が増加する。また、電磁アクチュエータの1駆動周期に対して、増幅手段のオフセットの変動の周期は、極端に大きいため、オフセットの変動が精度の低下をもたらすことは無い。このように、本発明は、検出手段の構成要素からの影響を受けることなく、検出を行うことができる。
【0053】
さらに、本発明は、或る回動角での可動板の通過タイミングを検出できるコイルを電磁アクチュエータに用いると、最適な構成の検出用コイルを最適な位置に配置できて駆動磁場の影響を検出用コイルが受けないため、高効率な駆動と高精度な検出を同時に行うことができる。
【0054】
【実施例】
以下に、より具体的な実施例を図面に沿って説明する。
【0055】
(実施例1)
本実施例では、図2の構成のムービングコイル型の共振型電磁ガルバノミラーを用いて、光偏向器としてレーザ光の光走査を行う。また、図1の構成を用いて、上記実施の形態で述べたように走査ミラー1001の駆動、駆動状態検出、駆動制御を行う。さらに、図4と同様に、駆動信号波形は、正・負パルス駆動を用い、駆動手段103により印加信号203としてコイル104に印加される。本実施例でも、電磁アクチュエータの1駆動周期中に、駆動期間A、検出期間B、駆動期間C、検出期間Dを有し、その時間の比は、1:1:1:1である。検出期間の誘導信号204は増幅手段105により増幅信号205とされる。そして、増幅信号205において2つのレベルを通過するタイミングはタイミング検出手段106で検出され、この検出値と同期信号207に基づいて時間差測定手段107により測定時間情報208が測定される。駆動制御信号情報発生手段108は、検出された測定時間情報208から上記式(1)、(2)により上記位相差情報を算出し、それをもとに走査ミラー1001の周波数追従制御を行う。また、同様に上記式(1)、(7)により算出した走査ミラー1001の最大回動角情報により、印加信号203の振幅を調整し、走査光の振幅制御を行う。
【0056】
ここで、電磁ガルバノミラーの環境温度を変化させて、強制的に走査ミラー1001の共振周波数を変化させてみる。本実施例では、電磁ガルバノミラーの共振周波数が変動した場合でも、駆動周波数を共振周波数に追従させられ、安定な走査を行うことができる。また、電磁ガルバノミラーの回動角の位相を一定に保てるため、走査光のタイミングを安定に制御できる。加えて、振幅制御により、環境温度変化で電磁ガルバノミラーのQ値等が変化した場合でも、一定の走査振幅を得ることができる。また、環境温度を任意のまま、長時間駆動しても、同様な結果が得られる。
【0057】
この結果、共振型電磁ガルバノミラーを光偏向器に用いた際、光を安定に走査することができ、本実施例を高性能な光偏向器として用いられる。また、余分なセンサの構成を増やすことなく、高精度検出と高効率な駆動を行なえる。
【0058】
(実施例2)
実施例2は、図6の構成を用いて走査ミラー1001の駆動、駆動状態検出、駆動制御を行う。この点以外は、実施例1と同様である。以下に相違点のみを述べる。図6において、109は駆動用コイルであり、110と111は検出用コイルであり、実施例2では実施例1と異なり駆動用コイル109と検出用コイル110、111を別構成としている。検出コイル110、111は、それぞれ或る回動角を可動板(走査ミラー1001)が通過した際、最大の信号を出力する様に設けられている。駆動信号波形は実施例1と同様の波形であり、駆動手段103により駆動用コイル109に印加され、検出用コイル110、111には印加されない。そして、電磁誘導により、可動板(走査ミラー1001)の回動で発生する検出用コイル110、111からの誘導信号204は増幅手段105で増幅され、増幅信号205として用いられる。
【0059】
タイミング検出手段106により、それぞれの検出用コイル110、111からの増幅信号204のピークタイミングが検出され、タイミング信号206として出力される。本実施例では、共振型電磁アクチュエータの可動板の回動角は正弦波的な変化をしているが、増幅信号204とは位相がずれていないので、この検出値の処理は実施例1と若干異なる(本実施例では、位相90°または270°での回動角の時間差情報(同期信号207の時間情報との差)が得られる)。しかし、上記式(1)がDc=1/4・(2td1+2td2-T)(位相90°の場合)、またはDc=1/4・(2td1+2td2-3T)(位相270°の場合)と若干変わるのみで、実質的に同様な処理が行なわれる。
【0060】
この構成を用いた結果、実施例1に比べて、検出用のコイル110、111を最適な位置に配置することができ、高精度な検出ができる。また、検出精度の更なる高精度化のための算出式の補正が不要となり、信号処理の負荷が少なくなって、回路構成の減少化、トータルの回路の低消費電力化という効果が得られる。
【0061】
(実施例3)
図10は本発明の光偏向器を用いたレーザビームプリンタの基本的な構成を示す本実施例の模式図である。図10において、2002はレーザ光源であり、2003はレンズ或いはレンズ群であり、2004は書き込みレンズまたはレンズ群であり、2006はドラム状感光体(画像表示面)である。2つのレンズ或いはレンズ群2003、2004の間には、共振型電磁ガルバノミラーを用いた光偏向器2001が配置されている。この光偏向器2001では、実施例1の周波数追従制御と振幅追従制御に加えて、回動タイミング情報を出力して、レーザ光源2002の点灯及び変調タイミングの制御、及び感光体2006の回転駆動の制御を行なう。
【0062】
光偏向器2001は、ドラム状感光体2006の回転中心と平行な一次元方向に光を走査する光スキャナ装置として機能する。ここにおいて、レーザ光源2002から射出されたレーザ光は、光走査のタイミングと関係した所定の強度変調を受けており、電磁ガルバノミラー2001により一次元的に走査される。一方、ドラム状感光体2006は回転中心の回りで所定の回転速度で回転している。そして、感光体2006は図示しない帯電器により表面が一様に帯電されている。従って、光偏向器2001による走査と感光体2006の回転とに基づき、走査されたレーザ光は書き込みレンズ2004により感光体2006の表面にパターン状に二次元状に入射されることになり、その光入射部分と光非入射部分とで静電潜像が形成される。図示しない現像器により、感光体2006の表面の静電潜像に対応したパターンのトナー像が形成され、これを例えば図示しない用紙に転写・定着することで用紙上に可視画像が形成される。
【0063】
図9に、実施例3での制御のフローチャートを示す。初期起動時は、駆動信号202の周波数を予め設定された値に設定し、検出された同期信号207と誘導信号204との位相差情報が、予め設定された位相差と一致するまで、駆動信号202の周波数の増減を行う。この際、環境温度が予め想定したものとほぼ一致しているとは限らない。また、電磁アクチュエータは、駆動を開始してから装置温度が安定するまで暫く時間が必要となるため、装置起動時は周波数追従制御が重要になる。この周波数制御により、駆動周波数が共振周波数に一致するまでは、設定値からの位相ズレが走査光に存在し、そのままではレーザビームの印刷開始位置や終了位置がずれてしまう。しかし、アクチュエータの温度が安定して上記位相ズレが無くなるまで印刷を行えないのであれば、プリンターの起動が極めて遅いものになってしまう。
【0064】
そのため、初期起動時は、周波数追従制御を行いつつ、可動板の回動角の位相ズレを把握するために上記式(6)より回動タイミング情報を得て、これを、レーザビームの点灯及び変調のタイミング制御、及び感光体2006の回転駆動の制御を行うために用いる。これにより上記位相ズレを考慮できるようになり、更に式(7)の最大回動角情報を用いて、レーザビーム点灯及び変調の制御、及び感光体2006の回転駆動の制御をすることによって、印刷開始位置及び終了位置を一定位置に固定できる。また、上記位相差が0になる、つまり共振周波数と駆動周波数が一致する場合は、初期設定の回動タイミング情報を出力し、振幅制御のみを行なう。これにより、処理回路の負担が軽減され、低消費電力化が図られる。
【0065】
この結果、本発明の上記位相差等の回動角情報を用いることによって、従来の電磁アクチュエータを用いたものに比べ、初期起動時間が短縮されるレーザビームプリンタを実現できる。また、回動角情報を用いることによって、電磁アクチュエータと感光体2006の回転との同期を取れるようになり、印刷位置を精度良く制御できて、高品位な印刷を実現することができる。
【0066】
(実施例4)
図11は、本発明の光偏向器を用いた光学機器であるレーザディスプレイの基本的な構成を示す本実施例の模式図である。図11において、2002はレーザ光源であり、2003はレンズ或いはレンズ群であり、2004は書き込みレンズまたはレンズ群であり、2005は投影面(画像表示面)である。2つのレンズ或いはレンズ群503、504の間には、光偏向器群2001が配置されている。光偏向器群2001は、2つの電磁ガルバノミラー2001a、2001bを備えており、レーザ光源2002からレンズ或いはレンズ群2003を経て到来する光が電磁ガルバノミラー2001aにより第1方向の回りでの偏向作用を受け、電磁ガルバノミラー2001aにより偏向された光が電磁ガルバノミラー2001bにより第1方向と直交する第2方向の回りでの偏向作用を受けて、書き込みレンズまたはレンズ群2004を経て投影面2005上へと投影されて画像を形成する。
【0067】
2つの電磁ガルバノミラー2001a、2001bは本発明によるものであり、半導体作製プロセスを用いて作製される。レーザ光源2002から入射したレーザ光は、光走査のタイミングと関係した所定の強度変調を受けて2つの電磁ガルバノミラー2001a、2001bにより2次元的に走査される。そして、上記した様に、この走査されたレーザ光は書き込みレンズ2004を経て投影面2005上に画像を形成する。周波数追従制御及び振幅制御、回動タイミング情報出力は、水平走査用電磁ガルバノミラーに対して用いられて、実施例1、3と同様の処理が行われる。
【0068】
この結果、水平走査用と垂直走査用の電磁ガルバノミラーの同期を取ることが可能となり、走査ビームの位置制御が可能となって、高画質な2次元画像を表示することができる。また、複雑な検出部が不要な電磁ガルバノミラーを画像表示装置に用いられるため、超小型な画像表示装置を実現できる。さらに、高効率なミラー駆動と駆動状態検出を両立できるため、低消費電力の表示装置を実現することができる。
【0069】
【発明の効果】
以上に説明したように、本発明により、共振型電磁ガルバノミラーなどの電磁アクチュエータの構成要素を大幅に増やすことなく、その効率的な駆動を行いながら、高精度な駆動状態検出を行うことができる。従って、検出された情報により、周波数追従制御や振幅制御を行うことができ、回動タイミング情報を出力することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】図1は本発明による電磁アクチュエータの構成例を示す図である。
【図2】図2は本発明も適用できるムービングマグネット型電磁アクチュエータの構成例を示す図である。
【図3】図3は本発明も適用できるムービングコイル型電磁アクチュエータの構成例を示す図である。
【図4】図4は本発明の実施の形態を説明するための信号図である。
【図5】図5は本発明の実施の形態を説明するための信号図であって、本発明の増幅信号から最大回動角、走査タイミング情報を算出することを説明するための図である。
【図6】図6は本発明の実施例2を実施するための構成例を示す図である。
【図7】図7は本発明の共振周波数追従制御を説明する図である。
【図8】図8は本発明の共振周波数追従制御を説明する図である。
【図9】図9は本発明の実施例3の光偏向器の制御の一部を示すチャート図である。
【図10】図10は本発明の実施例3の光偏向器を1次元画像形成に用いた構成図である。
【図11】図11は本発明の実施例4の光偏向器を2次元画像表示装置に用いた構成図である。
【符号の説明】
101 周波数発生手段
102 駆動信号発生手段
103 駆動手段
104、1002a、1110 コイル
105 誘導信号増幅手段
106 タイミング検出手段
107 時間差測定手段
108 駆動制御手段
109 駆動用コイル
110、111 検出用コイル
201 基準クロック
202 駆動信号
203 印加信号
204 誘導信号
205 増幅信号
206 タイミング信号
207 同期信号
208 測定時間情報
209 周波数設定情報
210 振幅設定情報
211 回動タイミング情報
1001 走査ミラー
1001a ガラス基板
1001b 鏡面部
1001c 永久磁石
1001d 支持部材
1001e 駆動軸
1002 磁気発生部
1002b コイル枠
1101 ベース
1102、1103 左右一対の支持部
1104 振動体
1105 外枠部
1105A 外枠部の開口部
1106 反射ミラー部
1107 左右一対の梁部
1108、1109 左右一対の永久磁石
2001 共振型電磁ガルバノミラーを用いた光偏向器ないし光偏向器群
2001a、2001b 共振型電磁ガルバノミラー
2002 レーザ光源
2003 レンズないしレンズ群
2004 書き込みレンズないし書き込みレンズ群
2005 投影面
2006 感光体[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a method for driving and detecting an electromagnetic actuator such as an electromagnetic galvanometer mirror that can be used in an optical scanning device such as a laser display, a laser printer, and a scanner, a driving state detecting method, an optical deflector including such an electromagnetic actuator, and an image. The present invention relates to an apparatus such as a forming apparatus.
[0002]
[Prior art]
Conventionally, an electromagnetic galvanometer mirror that drives a mirror with electromagnetic force is known as an optical deflector. In recent years, a small electromagnetic galvanometer mirror manufactured using a semiconductor process has been proposed. This type of electromagnetic galvanometer mirror has a configuration in which a mirror is disposed on a movable portion, and the movable portion is supported from the main body portion by a torsion bar so as to rotate around the rotation axis center. Examples of the electromagnetic type configuration include a moving magnet type (proposed in JP-A-6-82711) and a moving coil type (described as a conventional example in JP-A-2001-117043).
[0003]
A configuration example of the moving magnet type electromagnetic galvanometer mirror is shown in FIG. This example includes a
[0004]
On the other hand, a configuration example of the moving coil type electromagnetic galvanometer mirror is shown in FIG. 3 (shown separately in the vertical direction here). This example includes a
[0005]
The electromagnetic galvanometer mirror described above can drive efficiently by causing a mechanical resonance phenomenon by applying a drive signal having a resonance frequency unique to the galvanometer mirror. By performing this resonance driving, wide-amplitude optical scanning can be performed with low input energy.
[0006]
However, the resonance frequency unique to the galvanometer mirror easily changes due to a change in environmental temperature, heat generation of the galvanometer mirror itself, and the like. As a result, the frequency of the drive signal deviates from the resonance frequency, and the scanning amplitude cannot be kept constant. Therefore, it is necessary to always monitor the resonance frequency unique to the galvanometer mirror.
[0007]
As a method for monitoring the resonance frequency, a detection coil is arranged and measured using a mutual inductance with the driving coil, a method using an optical sensor for detecting scanning light, an electrostatic detection electrode, or the like. A method of arranging and detecting the above is conceivable. However, any of these means greatly increases the parts and circuit components of the galvanometer mirror, which causes high costs.
[0008]
In order to solve these problems, there is a method of monitoring the resonance frequency using an induced electromotive voltage or induced electromotive current generated by driving an electromagnetic galvanomirror. Japanese Patent Laid-Open No. 2001-305471 proposes a method of generating a drive waveform with a unipolar pulse and detecting an induced electromotive voltage or induced electromotive current of an electromagnetic galvanomirror.
[0009]
[Problems to be solved by the invention]
In order to efficiently drive the electromagnetic galvanometer mirror, it is ideal to drive with a sine wave application signal, and a drastic reduction in driving efficiency occurs with a unipolar pulse driving waveform. This is a major issue for realizing a low power consumption electromagnetic galvanometer mirror. In addition, when an induced electromotive voltage or induced electromotive current is used, it is necessary to amplify a minute signal, and the offset of the amplifying means and the fluctuation of the offset cause a significant decrease in detection accuracy. And is not used for image forming apparatuses.
[0010]
In addition, when a resonance-driven electromagnetic galvanometer mirror is used in a display device such as a laser display, it becomes an optical scanning waveform accompanied by a sinusoidal speed change, so that it is necessary to perform reciprocating scanning drawing in order to improve the light utilization efficiency. There is. Therefore, it is necessary to detect the scanning drawing start timing in the positive direction and the scanning drawing start timing in the negative direction with high accuracy. Similarly, when used in an image forming apparatus such as a laser beam printer, it is necessary to detect the scanning drawing start timing with high accuracy in order to perform high-speed printing.
[0011]
The present invention has been made in view of the above problems,
(1) Without significantly increasing the number of components,
(2) While efficiently driving the resonant electromagnetic actuator,
(3) High-precision detection of resonance frequency specific to the electromagnetic actuator, rotation timing of the electromagnetic actuator, etc. in real time
It is an object of the present invention to provide a device for driving and detecting a driving state of an electromagnetic actuator such as an electromagnetic galvanomirror, a driving control method, and an optical deflector and an image forming apparatus using such an electromagnetic actuator.
[0012]
[Means for Solving the Problems]
The electromagnetic actuator drive and drive state detection method of the present invention that achieves the above object is a movable part that is rotatable about an axis.When, Magnetic field generating means for driving a movable part including a plurality of elementsWhenAnd at least one element of the magnetic field generating means is a coil, and a driving state and a driving state detecting method of an electromagnetic actuator for rotating the movable part by the interaction of a plurality of elements of the magnetic field generating means,
Within one cycle of driving the electromagnetic actuator, a drive period for applying a drive signal to the coil and a detection period for not applying the drive signal are set,
Detects induction signals generated by the rotation of the movable part during the detection periodBy measuring the two times that the movable part passes through a certain rotation angle from the zero point,
The average value of the two times measuredWhen the reference signal synchronized with the drive signal is generatedMeasure the time difference between,
From the measured time difference, the synchronization signal and the rotation angleThe phase difference information of,
It is characterized by that.
[0013]
The following modes are possible based on the above basic configuration.
It is possible to detect the induction signal generated in the coil of the magnetic field generating means by the rotation of the movable part during the detection period. This is a configuration in which the drive coil also serves as the detection coil.
[0014]
The electromagnetic actuator has a plurality of types of coils, that is, a coil of the magnetic field generation means and a detection coil for detecting the passage timing of the movable part at a certain rotation angle. An induction signal generated in the detection coil can also be detected. This is an aspect in which a multistage configuration of a driving coil and a detection coil is adopted.
[0015]
Time difference information between the generation time point of the reference signal synchronized with the drive signal applied to the movable part and the detection signal that the movable part has reached the first and second rotation angles, the interval of the reference signal, Based on the second rotation angle difference, it is also possible to calculate the phase difference information of the rotation of the movable part with respect to the drive signal and the maximum rotation angle information.
[0016]
It is also possible to include a plurality of drive periods in which different drive signals are applied in the drive period, and to always set the detection period between the plurality of drive periods. In this case, the plurality of driving periods are constituted by a first driving period and a second driving period, and the first driving period, the first detection period, and the second driving period are within one driving period of the electromagnetic actuator. The periods can be set in the order of the second detection period, and the time interval of each period can be set to approximately 1: 1: 1: 1. Furthermore, different drive signals can be configured with drive signals having different positive and negative polarities.
[0017]
Further, the different drive signals can be set so as to be approximate sine waves within one drive cycle of the electromagnetic actuator with respect to the time axis. Further, the detection period can be set so as not to include a period in which the rotational angular velocity of the movable part is maximum / minimum. Thus, the detection period can be limited to achieve high efficiency driving.
[0018]
Furthermore, the electromagnetic actuator control method of the present invention that achieves the above object executes the above-mentioned electromagnetic actuator drive and drive state detection method, and at the resonance frequency unique to the movable part based on the calculated phase difference information. The drive signal is generated by calculating the frequency of the drive signal of the resonance type electromagnetic actuator to be driven. Here, based on the calculated maximum rotation angle information, the drive signal can be generated by calculating the applied energy of the drive signal.
[0019]
Further, in the state where the calculated phase difference information is relatively large, the detection period may be expanded to follow the resonance frequency specific to the movable part to a certain extent, and then the detection period may be returned to the normal range. it can.
[0020]
Furthermore, the electromagnetic actuator of the present invention that achieves the above object is as follows.A movable part rotatable about an axis; and a movable part driving magnetic field generating means including a plurality of elements, wherein at least one element of the magnetic field generating means is a coil, and the plurality of elements of the magnetic field generating means An electromagnetic actuator that rotates the movable part by the interaction of
Within one drive cycle of the movable part, it has a drive period for applying a drive signal to the coil and a detection period for not applying a drive signal,
Guidance signal detection means for detecting a guidance signal generated by rotation of the movable part in the detection period;
Time difference measurement that measures two times when the movable part passes through a certain rotation angle from the zero point, and measures the time difference between the average value of the two measured times and the generation time point of the reference signal synchronized with the drive signal Means,
Means for calculating phase difference information between the synchronization signal and the rotation angle from the measured time difference;
HaveIt is characterized by that. Such an electromagnetic actuator can be integrally manufactured by a semiconductor processing process. Also, theseConstitutionIs easily constructed using microcomputers and electronic circuit technology.
[0021]
An optical deflector of the present invention that achieves the above object is an optical deflector that uses the movable part of the electromagnetic actuator as a means for deflecting the light beam, and deflects by the electromagnetic actuator based on the calculated information. It is configured to output a synchronization signal of the emission timing of the light beam to be output.
[0022]
An image forming apparatus of the present invention that achieves the above object includes the above-described optical deflector, a light beam light source, and a light irradiation surface, and the synchronization signal of the emission timing is used to control at least lighting of the light beam light source and modulation timing. The light beam from the light beam light source is deflected by the light deflector and irradiated onto the light irradiation surface.
[0023]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings while touching the principle of the present invention.
[0024]
Typically, an embodiment of the present invention is an optical deflector having a movable plate provided with a rotatable mirror surface about its axis. The present invention has a configuration of an electromagnetic actuator having magnetic field generation means including a plurality of elements, wherein at least one element of the magnetic field generation means is a coil, and the movable plate is rotated by the interaction of the plurality of elements. If applicable, it is applicable. Examples thereof include the moving magnet type electromagnetic galvanometer mirror and the moving coil type electromagnetic galvanometer mirror mentioned in the conventional example.
[0025]
FIG. 1 is a block diagram showing a configuration example of an embodiment of the present invention. The electromagnetic actuator includes a
[0026]
The frequency generation means 101 generates a
[0027]
Here, the drive period A is a negative drive signal, and the drive period C is a period during which a positive drive signal is applied. The positive and negative drive signals 202 need not have the same shape, size, and width. The detection period also has different periods of a detection period B and a detection period D. If the detection period B is a period for detecting a period during which the angular velocity of the rotational angle of the movable plate increases, the detection period D is a period for detecting a period during which the angular velocity of the movable plate decreases, and vice versa. Within one cycle of the electromagnetic actuator, there are periods in the order of drive period A, detection period B, drive period C, and detection period D. Considering the range in which the drive efficiency and phase difference of the galvano mirror (the phase difference between the
[0028]
The
[0029]
For the following explanation, it is assumed that the rotation angle θ of the movable plate changes with θ = a · sin (2πf · t) (f: driving frequency of electromagnetic actuator, t: time, a: amplitude). Here, as an example, consider a moving coil electromagnetic galvanometer mirror having a configuration as shown in FIG. It is assumed that the magnetic flux density is uniformly applied in the direction of the arrow. Here, since the signal generated in the
I = -dΦ / dt · 1 / R (a)
And can. The linkage flux Φ is
Φ = K · sinθ (K: constant) (b)
So equation (a) is
I = K′dθ / dt · (cos θ) = K ”cos (2πf · t) × cos {a · sin (2πf · t)} (K ′, K ″: constant) (c)
And can. Here, if it can be approximated as cos {a · sin (2πf · t)} ≈1, it can be assumed that I = K ”cos (2πf · t). From this, the induced electromotive force I is the rotation of the movable plate. It can be seen that the phase is shifted by 90 ° from the angle θ.
[0030]
The sum of the applied
[0031]
Based on this amplified
[0032]
Here, the principle of obtaining the phase difference between the drive signal and the rotation angle of the galvanometer mirror from the time difference information and effectively using it for the drive control of the movable plate will be described. FIG. 7A is a diagram showing the relationship between the frequency of the signal applied to the coil of the electromagnetic actuator and the maximum rotation angle of the electromagnetic actuator. FIG. 7B is a diagram showing the relationship between the frequency of the applied signal to the coil of the electromagnetic actuator and the phase difference between the applied signal and the rotation angle of the electromagnetic actuator. In FIG. 7A, the point with the maximum rotation angle is the resonance frequency of the electromagnetic actuator under this condition. From these figures, “the phase difference of the rotation angle of the electromagnetic actuator changes greatly in the vicinity of the resonance frequency”, and “the deviation of the applied signal frequency from the resonance frequency and the phase difference of the rotation angle are correlated. I can confirm. For these, the same phenomenon / correlation can be confirmed even if the value of the inherent resonance frequency changes due to a change in environmental temperature or the like.
[0033]
Next, two data (characteristics A and B) in which the ambient temperature around the electromagnetic actuator is changed are shown in FIGS. 8A and 8B. FIG. 8A shows the applied frequency on the horizontal axis and the maximum rotation angle on the vertical axis. FIG. 8B shows the applied frequency on the horizontal axis and the phase difference on the vertical axis. As can be seen from this figure, “when the environmental temperature of the electromagnetic actuator changes, the resonance frequency changes significantly”. As a specific example, when the temperature changes by 1 ° C., the resonance frequency may change several Hz. For this reason, when the electromagnetic actuator is driven near the resonance frequency, the maximum rotation angle greatly changes depending on the environmental temperature. As a specific example, there is a case where the maximum rotation angle is halved only by shifting the frequency of the applied signal by 1 Hz from the resonance frequency. Therefore, it is necessary to follow the frequency of the applied signal in accordance with the change in the resonance frequency unique to the electromagnetic actuator.
[0034]
Here, it is assumed that the characteristic A changes to the characteristic B due to some external factor (this corresponds to an increase in the resonance frequency). If the driving is continued at the same applied frequency, the rotation angle is greatly reduced. However, in the case of a resonance characteristic that is substantially symmetrical about the resonance point as shown by characteristic A in FIG. 8A, if only the amplitude of the rotation angle waveform is detected when the resonance frequency changes, the resonance It cannot be detected to which side the frequency has changed.
[0035]
Therefore, by utilizing the fact that “the deviation of the applied frequency from the resonance frequency and the above phase difference have a correlation”, as shown in FIG. 8B, a change in the phase information of the drive signal is detected. It is possible to detect which side of the resonance frequency has changed. That is, as shown by the characteristics A and B in FIGS. 8A and 8B, “when the resonance frequency is changed to a higher value, the phase difference increases in the positive direction (the rotation angle On the other hand, when the resonance frequency changes to a lower value, the phase difference increases in the negative direction (the phase of the rotation angle advances). In this way, the drive control information generating means 108 obtains the phase difference information of the rotation angle from the measurement time information, and outputs the
[0036]
According to the present invention, obtaining the phase difference information of the rotation angle can be realized by taking the average of the measurement time information at the same reciprocal point in the amplified
Dc = 1/2 ・ (td1+ td2) (When phase is 0 °) or Dc = 1/2 ・ (td1+ td2-T) (When the phase is 180 °) (1)
[0037]
Furthermore, phase difference information ω between the synchronizing
ω = 2πf · Dc (0 ≦ ω <2π) (2)
[0038]
By performing the same processing at a plurality of points corresponding to a certain rotation angle from the zero point and performing averaging, more accurate phase difference information can be obtained. Using the phase difference information from equations (1) and (2) (as described above, this phase difference information includes information on the magnitude and direction of deviation of the applied frequency from the resonance frequency). By changing the setting of the frequency, the frequency tracking control of the resonance type electromagnetic actuator can be performed.
[0039]
In the method of detecting the phase difference based on the zero-cross timing of the amplified signal, the zero-cross point changes due to the offset variation due to the use environment of the amplification means, and there is a problem that the detection accuracy decreases. However, according to the present invention, since the average time is used as information, it is possible to accurately rotate without being affected by the offset of the amplifying means or the variation of the offset, or the change in the maximum rotation angle. Various information on the corners can be obtained.
[0040]
Even when the applied frequency is matched with the resonance frequency by the above method, the maximum rotation angle of the electromagnetic actuator may not be constant, and the amplitude of the scanning beam in the optical deflector cannot be kept constant. This is because the Q value or the like changes due to factors such as the environmental temperature, and the same rotation angle amplitude cannot be obtained even with the same applied energy. Therefore, in addition to the frequency tracking control, it is necessary to adjust the applied energy from the maximum rotation angle information of the electromagnetic actuator so that the maximum rotation angle of the electromagnetic actuator is constant (amplitude control). For this purpose, the current maximum rotation angle information is obtained from the measurement time information, and the amplitude / duty ratio of the applied
[0041]
According to the present invention, the maximum rotation angle information can be calculated from the following equation by measuring time information at a plurality of points in the amplified
[0042]
In FIG. 5, the signal levels φ1, φ2, time difference Dc, detection timing t of the amplified
φ1 = Asin2π ・ 1 / T ・ (td2-Dc) (3)
φ2 = Asin2π ・ 1 / T ・ (td3-Dc) (4)
Here, assuming that φ0 = φ1 + φ2, from equations (3) and (4),
A = φ0 / {sin2π ・ 1 / T ・ (td2-Dc) + sin2π ・ 1 / T ・ (td3-Dc)} (5)
Thus, from Expression (5), the relational expression of φα and tα is as shown in Expression (6).
φα = Asin2π ・ 1 / T ・ (tα-Dc)
= φ0 / {sin2π ・ 1 / T ・ (td2-Dc) + sin2π ・ 1 / T ・ (td3-Dc)} ・ sin2π ・ 1 / T ・ (tα-Dc) (6)
When tα = 1/4 · T in the equation (6), the maximum rotation angle Θ is obtained as in the equation (7).
Θ = φ0 / {sin2π ・ 1 / T ・ (td2-Dc) + sin2π ・ 1 / T ・ (td3-Dc)} ・ sin2π ・ (1 / 4-Dc / T) (7)
By using the maximum rotation angle information of the equation (7), the amplitude control of the resonance type electromagnetic actuator can be performed.
[0043]
Here, in the equations (1), (2), (6), (7), the timing signal t at a certain leveld1, Td2, Td3, Td4Since it is described only by the level interval φ0, the frequency f, and the period T, there is no restriction on the relationship with the zero point of the level of the amplified signal. That is, even if there is an offset in the amplifying means 105, the level interval φ0 is kept constant, so that it is not affected by the level fluctuation from the zero point. Further, the offset fluctuation cycle is significantly longer than the electromagnetic actuator driving cycle and is continuously continuous. Therefore, the offset fluctuation does not affect the amplified
[0044]
Since the resonance type electromagnetic actuator changes the sinusoidal rotation angle, when scanning the beam in the image forming apparatus, the bidirectional scanning can perform scanning more efficiently than the unidirectional scanning. However, if the laser scanning or modulation timing of the bidirectional scanning is shifted, the image quality of the image to be formed is deteriorated. Therefore, it is necessary to accurately grasp the beam scanning timing information. Therefore, it is preferable to obtain rotation timing information of the current rotation angle from the measurement information and output it as beam scanning timing information.
[0045]
Also in this case, the rotation timing information can be obtained from the relational expression (6) between tα and φα. Here, when the applied frequency does not completely match the resonance frequency even by the frequency tracking control, the current rotation timing information is output, and the beam is turned on or modulated based on the information, and the image forming apparatus The drawing position and the drawing amplitude can be kept constant.
[0046]
In the above description, the electromagnetic actuator has been described as a moving coil type. However, the present invention similarly applies to I = K as long as it is an electromagnetic actuator including a moving magnet type and a magnetic generating means including a plurality of elements including a coil. The induced electromotive current can be approximated by “cos (2πf · t), and the above can be applied.
[0047]
Further, although approximated as “cos {a · sin (2πf · t)} ≈1,” when the accuracy degradation becomes a problem due to the approximation, the above equation may be corrected and used. Similarly, the magnetic flux density is assumed to be uniform. However, if accuracy degradation is a problem, correction may be performed in consideration of the change and distribution of the magnetic flux density in the above formula. By taking into account the thickness of the movable plate, the arrangement of the coil and the permanent magnet, and the like, it is possible to perform detection with higher accuracy by correcting the above equation.
[0048]
In the above description, the drive coil and the detection coil are combined. However, the drive coil and the detection coil are configured separately, and an application signal for the drive period is input to the drive coil. The above process may be executed by amplifying the induction signal during the detection period. With this configuration, the drive coil and the detection coil can be optimally arranged, and the drive efficiency and detection accuracy can be improved.
[0049]
In addition, the drive coil and the detection coil are configured separately, and the detection coil is included in the detection means that can detect the passage timing of a certain rotation angle, so that the passage timings of a plurality of rotation angles are obtained. Information may be used. With this configuration, the timing information is obtained from the actual rotational angle position, so signal processing is possible even with an accuracy that approximates “cos {a · sin (2πf · t)} ≈1”. Can be easily performed and the burden on the processing circuit can be reduced.
[0050]
As described above, by using the present invention, even an electromagnetic actuator can be detected by electromagnetic induction simultaneously with driving. Since electromagnetic induction is a detection method that can realize highly accurate detection with an easy configuration, it is possible to realize highly accurate detection at low cost. Further, it is easy to incorporate the detection unit into the electromagnetic actuator, and a compact electromagnetic actuator can be realized.
[0051]
Ideally, the electromagnetic actuator is most efficiently driven by a sine wave. However, when sinusoidal driving is performed, it is difficult to detect the magnetic field by the coil due to the magnetic field generated for driving. Therefore, in one embodiment of the present invention, the electromagnetic actuator can be efficiently driven by having two types of drive periods and detection periods within one cycle of the electromagnetic actuator. Here, driving with positive and negative pulses can achieve more efficient driving and lower power consumption than driving with a monopolar rectangular wave.
[0052]
In the present invention, the induced electromotive voltage or induced electromotive current in the detection period is amplified by the amplifying means and used as the detection signal. However, regarding detection, if the peak of the induction signal is not included in the detection period, the maximum rotation angle information of the electromagnetic actuator cannot be obtained only by amplifying the signal in the detection period. Furthermore, since there is an offset variation of the amplification means, it is difficult to detect the phase difference information of the electromagnetic actuator and the rotation timing of the electromagnetic actuator with high accuracy. Therefore, in one embodiment of the present invention, the passage timing at a plurality of rotation angles is measured, and the maximum rotation angle information is obtained based on the measured time information and the angle difference between the plurality of rotation angles. In the present invention, even if there is an offset of the amplification means, the calculation is performed based on the correlation of the rotation angle detection points, so that the detection accuracy is not affected by the offset. In addition, since the level for detecting the time difference is not limited in relation to the zero point of the rotation angle, the degree of freedom of the detection means and the drive signal increases. Further, since the cycle of fluctuation of the offset of the amplification means is extremely large with respect to one driving cycle of the electromagnetic actuator, the fluctuation of offset does not cause a decrease in accuracy. Thus, the present invention can perform detection without being affected by the components of the detection means.
[0053]
Furthermore, according to the present invention, when a coil that can detect the passage timing of a movable plate at a certain rotation angle is used for an electromagnetic actuator, a detection coil having an optimal configuration can be arranged at an optimal position to detect the influence of a driving magnetic field Since the coil for receiving is not received, highly efficient driving and highly accurate detection can be performed simultaneously.
[0054]
【Example】
Hereinafter, more specific embodiments will be described with reference to the drawings.
[0055]
Example 1
In the present embodiment, the moving light type electromagnetic galvanometer mirror of the moving coil type configured as shown in FIG. 2 is used to perform optical scanning of laser light as an optical deflector. Further, using the configuration of FIG. 1, as described in the above embodiment, the
[0056]
Here, the resonance temperature of the
[0057]
As a result, when the resonant electromagnetic galvanometer mirror is used for an optical deflector, light can be stably scanned, and this embodiment is used as a high-performance optical deflector. In addition, high-precision detection and high-efficiency driving can be performed without increasing the configuration of extra sensors.
[0058]
(Example 2)
In the second embodiment, driving of the
[0059]
The timing detection means 106 detects the peak timing of the amplified
[0060]
As a result of using this configuration, the detection coils 110 and 111 can be arranged at optimal positions as compared with the first embodiment, and highly accurate detection can be performed. Further, it is not necessary to correct the calculation formula for further increasing the detection accuracy, the signal processing load is reduced, and the effects of reducing the circuit configuration and reducing the power consumption of the total circuit are obtained.
[0061]
(Example 3)
FIG. 10 is a schematic diagram of this embodiment showing a basic configuration of a laser beam printer using the optical deflector of the present invention. In FIG. 10, 2002 is a laser light source, 2003 is a lens or a lens group, 2004 is a writing lens or lens group, and 2006 is a drum-shaped photoconductor (image display surface). An
[0062]
The
[0063]
FIG. 9 shows a flowchart of control in the third embodiment. At initial startup, the frequency of the
[0064]
Therefore, at the time of initial activation, rotation timing information is obtained from the above equation (6) in order to grasp the phase deviation of the rotation angle of the movable plate while performing frequency tracking control, It is used to control the modulation timing and the rotation drive of the
[0065]
As a result, by using the rotation angle information such as the phase difference of the present invention, it is possible to realize a laser beam printer in which the initial startup time is shortened as compared with the one using the conventional electromagnetic actuator. Further, by using the rotation angle information, the electromagnetic actuator and the rotation of the
[0066]
(Example 4)
FIG. 11 is a schematic diagram of this example showing the basic configuration of a laser display which is an optical apparatus using the optical deflector of the present invention. In FIG. 11, 2002 is a laser light source, 2003 is a lens or a lens group, 2004 is a writing lens or lens group, and 2005 is a projection surface (image display surface). An
[0067]
The two electromagnetic galvanometer mirrors 2001a and 2001b are in accordance with the present invention and are fabricated using a semiconductor fabrication process. The laser light incident from the
[0068]
As a result, the electromagnetic galvanometer mirror for horizontal scanning and vertical scanning can be synchronized, the position of the scanning beam can be controlled, and a high-quality two-dimensional image can be displayed. In addition, since an electromagnetic galvanometer mirror that does not require a complicated detection unit is used in the image display device, an ultra-small image display device can be realized. Furthermore, since both high-efficiency mirror driving and driving state detection can be achieved, a display device with low power consumption can be realized.
[0069]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, it is possible to detect a driving state with high accuracy while performing efficient driving without greatly increasing the number of components of an electromagnetic actuator such as a resonant electromagnetic galvanometer mirror. . Therefore, frequency follow-up control and amplitude control can be performed based on the detected information, and rotation timing information can be output.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a diagram showing a configuration example of an electromagnetic actuator according to the present invention.
FIG. 2 is a diagram showing a configuration example of a moving magnet type electromagnetic actuator to which the present invention can also be applied.
FIG. 3 is a diagram showing a configuration example of a moving coil type electromagnetic actuator to which the present invention can also be applied.
FIG. 4 is a signal diagram for explaining an embodiment of the present invention.
FIG. 5 is a signal diagram for explaining the embodiment of the present invention, and is a diagram for explaining the calculation of the maximum rotation angle and the scanning timing information from the amplified signal of the present invention. .
FIG. 6 is a diagram showing a configuration example for carrying out a second embodiment of the present invention.
FIG. 7 is a diagram illustrating resonance frequency tracking control according to the present invention.
FIG. 8 is a diagram for explaining resonance frequency tracking control according to the present invention.
FIG. 9 is a chart showing a part of the control of the optical deflector according to the third embodiment of the present invention.
FIG. 10 is a configuration diagram in which the optical deflector according to the third embodiment of the present invention is used for one-dimensional image formation.
FIG. 11 is a configuration diagram in which an optical deflector according to a fourth embodiment of the present invention is used in a two-dimensional image display device.
[Explanation of symbols]
101 Frequency generator
102 Drive signal generation means
103 Drive means
104, 1002a, 1110 coil
105 Induction signal amplification means
106 Timing detection means
107 Time difference measurement means
108 Drive control means
109 Driving coil
110, 111 detection coil
201 Reference clock
202 Drive signal
203 Applied signal
204 Inductive signal
205 Amplified signal
206 Timing signal
207 Sync signal
208 Measurement time information
209 Frequency setting information
210 Amplitude setting information
211 Rotation timing information
1001 Scanning mirror
1001a glass substrate
1001b Mirror surface
1001c Permanent magnet
1001d Support member
1001e Drive shaft
1002 Magnetic generator
1002b Coil frame
1101 base
1102, 1103 A pair of left and right support parts
1104 Vibrating body
1105 Outer frame
1105A Opening of outer frame
1106 Reflection mirror
1107 Pair of left and right beams
1108, 1109 A pair of left and right permanent magnets
2001 Optical deflector or group of optical deflectors using resonant electromagnetic galvanometer mirror
2001a, 2001b Resonant electromagnetic galvanometer mirror
2002 Laser light source
2003 Lens or lens group
2004 Writing lens or writing lens group
2005 Projection plane
2006 Photoconductor
Claims (14)
前記電磁アクチュエータの駆動1周期内に、前記コイルに駆動信号を印加する駆動期間と、駆動信号を印加しない検出期間を設定し、
該検出期間において前記可動部の回動によって発生する誘導信号を検出することで、ゼロ点からの或る回動角を可動部が通過する2つの時間を測定し、
前記測定した2つの時間の平均値と駆動信号に同期した基準信号の発生時点との時間差を測定し、
測定した前記時間差から、前記同期信号と前記回動角との位相差情報を算出する、
ことを特徴とする電磁アクチュエータの駆動並びに駆動状態検出方法。 A movable portion rotatable around the axis, and a movable portion driving magnetic field generating means including a plurality of elements, at least one element of the magnetic field generating means is a coil, a plurality of elements of the magnetic field generating means In the driving method and the driving state detection method of the electromagnetic actuator for rotating the movable part by the interaction of
Within one driving period of the electromagnetic actuator, a driving period for applying a driving signal to the coil and a detection period for not applying a driving signal are set,
By detecting an induction signal generated by the rotation of the movable part in the detection period, two times for the movable part to pass through a certain rotation angle from the zero point are measured,
Measuring the time difference between the average value of the two measured times and the time point of generation of the reference signal synchronized with the drive signal;
From the measured time difference, phase difference information between the synchronization signal and the rotation angle is calculated .
An electromagnetic actuator drive and drive state detection method characterized by the above.
位相差情報をωとした場合、ω=2πf・Dc(0≦ω<2π)であることを特徴とする請求項1に記載の電磁アクチュエータの駆動並びに駆動状態検出方法。 When the two measured times are t d1 and t d2 , the period of the applied frequency f is T, and the time difference at the zero point of the rotation angle is Dc, Dc = 1/2 · (t d1 + t d2 ) (In the case of a rotation angle of 0 phase), or Dc = 1/2 · (t d1 + t d2 −T) (in the case of a rotation angle of 180 ° phase),
2. The method of driving an electromagnetic actuator and detecting a driving state according to claim 1 , wherein ω = 2πf · Dc (0 ≦ ω <2π) when the phase difference information is ω .
可動部の駆動1周期内に、前記コイルに駆動信号を印加する駆動期間と、駆動信号を印加しない検出期間とを有し、
該検出期間において前記可動部の回動によって発生する誘導信号を検出する誘導信号検出手段と、
ゼロ点からの或る回動角を可動部が通過する2つの時間を測定し、該測定した2つの時間の平均値と駆動信号に同期した基準信号の発生時点との時間差を測定する時間差測定手段と、
測定した前記時間差から、前記同期信号と前記回動角との位相差情報を算出する手段と、
を有することを特徴とする電磁アクチュエータ。 A movable portion rotatable around the axis, and a movable portion driving magnetic field generating means including a plurality of elements, at least one element of the magnetic field generating means is a coil, a plurality of elements of the magnetic field generating means an electromagnetic actuator for the movable portion Ru is rotated by the interaction,
Within one drive cycle of the movable part, it has a drive period for applying a drive signal to the coil and a detection period for not applying a drive signal,
Guidance signal detection means for detecting a guidance signal generated by rotation of the movable part in the detection period;
Time difference measurement that measures two times when the movable part passes through a certain rotation angle from the zero point, and measures the time difference between the average value of the two measured times and the generation time point of the reference signal synchronized with the drive signal Means,
Means for calculating phase difference information between the synchronization signal and the rotation angle from the measured time difference ;
An electromagnetic actuator, characterized in that it comprises a.
位相差情報をωとした場合、ω=2πf・Dc(0≦ω<2π)であることを特徴とする請求項9に記載の電磁アクチュエータ。 When the two measured times are t d1 and t d2 , the period of the applied frequency f is T, and the time difference at the zero point of the rotation angle is Dc, Dc = 1/2 · (t d1 + t d2 ) (In the case of a rotation angle of 0 phase), or Dc = 1/2 · (t d1 + t d2 −T) (in the case of a rotation angle of 180 ° phase),
The electromagnetic actuator according to claim 9 , wherein ω = 2πf · Dc (0 ≦ ω <2π) when the phase difference information is ω .
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