JP4562960B2

JP4562960B2 - Optical scanner drive circuit

Info

Publication number: JP4562960B2
Application number: JP2001214178A
Authority: JP
Inventors: 信明酒井
Original assignee: Olympus Corp
Current assignee: Olympus Corp
Priority date: 2001-07-13
Filing date: 2001-07-13
Publication date: 2010-10-13
Anticipated expiration: 2021-07-13
Also published as: JP2003029193A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光源からの光を反射しその反射光を１次元または２次元に走査する光スキャナを駆動する、光スキャナ駆動回路に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の光スキャナとして、例えば、特開平７−１７５００５号公報や特開平１０−１２３４４９号公報に開示されたものがある。これらの光スキャナは半導体製造技術により製作されるものであり、小型、薄型といった特徴を持っている。
以下にその動作原理について説明する。
【０００３】
図１は光スキャナの動作原理を説明するための概略構成図である。図１に示すように、光スキャナはミラー面１０１ａと平行にコイルパターン（駆動コイル１０２）が形成されたミラー部１０１と、ミラー部１０１を振動させるためのばね部１０４ａ，１０４ｂと、ミラー部１０１の近傍に配置された、ミラー部１０１が静止状態時のミラー面１０１ａとほぼ平行な磁界を生じさせるための永久磁石１０５ａ，１０５bとを備えている。ばね部１０４ａ，１０４ｂは、任意の部材を固定するための不図示の支持体に接続されている。そして、駆動コイル１０２に交流電流（周波数ｆ）を流すことにより、ミラー面１０１ａに垂直な向きにフレミング左手の法則に従う力を発生させ、ミラー部１０１を周波数ｆで振動させるようになっている。
【０００４】
このときの振れ角θと発生力Ｆには、交流電流をＩ（＝Ｉ₀ｓｉｎ（２πｆｔ））、磁界の強さをＨ（磁束密度Ｂ）、コイルの巻き数をＮ、コイルの面積をＳ、真空誘磁率をμ₀とすると、次式(1)

の関係があり、振れ角θは次式(2)に示す運動方程式を解くことによって求めることができる。

但し、kはばね部のねじりばね定数であり、光スキャナの機械的共振周波数をｆ_cとすると、ｋ＝（２πｆ_c）²の関係がある。また、Dは減衰係数、Jは光スキャナの慣性モーメントである。
【０００５】
また、振れ角θと交流電流の周波数fとの関係は、振れ角θが小さいものとして、上記式(1)，(2)より、次式(3)

を導くことができる。
図２は上記式(3)をプロットしたものである。図２に示すように、交流電流の駆動周波数ｆを機械的共振周波数ｆ_cに合わせると最大の振れ角（振動振幅）が得られる。
このような理由から、光スキャナの駆動では、駆動信号の周波数を光スキャナの機械的共振周波数に合わせることが一般的となっている。
【０００６】
ところで、上述した光スキャナの駆動を安定させるためには、光スキャナの振動状態を検出するためのセンサが必要となる。そのようなセンサを用いた光スキャナとしては、例えば、特開平１１−２４２１８０号公報に開示されているように、図１の構成に加えて、ミラー部１０１に駆動コイル１０２とは別のコイルパターン（以下、センサコイル１０３）を駆動コイル１０２と同一の平面上にほぼ同心状に設けて（図３参照）、ミラー部１０１が振動する際にセンサコイル１０３が磁界と鎖交することによって発生する起電力を検出することで振動状態を検出するようにした光スキャナが知られている。
【０００７】
ここで、このような構成の光スキャナにおける振動状態の検出方法では、センサコイル１０３に発生する起電力Ｖｒは、次式(4)で与えられる。

但し、Ｎｓはセンサコイルの巻き数、Ｂは磁束密度、Ｓｓはセンサコイルの面積である。
【０００８】
ここで、光スキャナを機械的共振周波数ｆ_cで駆動する場合を考える。
駆動信号をＩ＝Ｉ₀ｓｉｎ（２πｆ_cｔ）とおくと、光スキャナの振動は駆動
信号に対し位相が９０°遅れるので、次式(5)

とおくことができる。従って上記式(4)で表される起電力Ｖｒは、振れ角θ（θ₀）が小さいものとして、次式(6)

と近似することができる。
【０００９】
これにより、センサコイルに発生する起電力は、光スキャナの振動に対し位相が９０°進むことがわかる（なお、コイルの両端の接続を入れ替えれば起電力の符号が反転し、９０°遅れることになるが、以下この向きで説明する。）。従って、共振周波数駆動時では、駆動信号、光スキャナの駆動、センサコイルの起電力（センサ信号）の位相関係は図４に示すようになり、駆動信号とセンサ信号は位相が一致することになる。
【００１０】
なお、光スキャナを共振周波数より十分低い任意の周波数で駆動する場合は、駆動信号をＩ＝Ｉ₀ｓｉｎ（２πｆｔ）とすると、光スキャナの振動は駆動信号に対し位相が一致するので、次式(7)

とおくことができ、従って上記式(4)で表される起電力Ｖｒは、振れ角θ（θ₀）が小さいものとして、次式(8)

と近似することができる。
【００１１】
また、光スキャナを安定動作させるための制御駆動回路は、特開平０９−１０１４７４号公報に開示されているものが一般的である。この制御駆動回路は、光スキャナを常に共振周波数で駆動するための周波数追従制御（正帰還制御）と、所望の振動振幅で安定動作させるための振幅制御（負帰還制御）を有している。
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記センサを有する光スキャナを制御駆動する場合には、次のような問題がある。
センサ信号（センサコイルに生じる起電力）は上記式(6)や式(8)で示されるように、駆動周波数に比例した信号となる。このため、特開平０９−１０１４７４号公報に示すような共振周波数追従制御を行う場合、環境の変化や経時変化等で光スキャナの機械的共振周波数が変動すると、それに伴い、振れ角が変化していないにも関わらずセンサ信号が変化してしまう、すなわち振れ角センサとしてのセンサ感度が変化してしまうのである。このことは、高精度な振幅制御を行う上で致命的な問題となる。
また、光スキャナを共振周波数より十分低い周波数で駆動する場合でも、駆動周波数に応じてセンサ信号（センサ感度）が変わるので、振幅制御が困難になる。
【００１３】
そこで、本発明は、上述の問題点を鑑みてなされたものであり、光スキャナの駆動周波数の変化に影響を受けることなく、高精度に振幅制御を行うことが可能な光スキャナ駆動回路を提供することを目的とする。
【００１４】
【課題を解決するための手段及び作用】
上記目的を達成するため、本第１の発明による光スキャナ駆動回路は、任意の部材に固定するための支持体と、少なくとも一方の面が光を反射する反射面である可動板と、前記支持体と前記可動板を接続する弾性部材と、前記可動板近傍に所定の間隔をあけて配置された磁石と、前記可動板上に形成された駆動コイルと、前記可動板上に形成されたセンサコイルとを有する光スキャナにおいて、前記駆動コイルに少なくとも交流成分を含む電流を供給する電流供給手段と、前記センサコイルに生じる誘導起電力を検出し、その誘導起電力に応じた検出信号を出力する検出手段と、前記検出手段が出力した検出信号に基づいて、前記電流供給手段による前記駆動コイルへの電流供給を制御する制御手段とを備え、前記制御手段が、前記可動板のねじり振動の周波数を制御する振動周波数制御手段と、少なくとも前記可動板のねじり振動周波数の近傍の周波数帯域において、前記検出信号に対し周波数に反比例したゲインを施すゲイン回路と、前記ゲイン回路の出力に基づいて、可動板のねじり振動の振動振幅を制御する振幅制御手段とを有することを特徴とする。
【００１５】
このように構成した本第１の発明によれば、可動板のねじり振動の周波数に比例した検出信号に対し、周波数に反比例したゲインを施すことで光スキャナの駆動周波数の変化に影響されずに可動板のねじり振動の振動振幅を検出することができ、従って、高精度に振幅制御を行うことが可能となる。
【００１６】
また、本第２の発明による光スキャナ駆動回路は、本第１の発明において、前記振動周波数制御手段が、前記検出信号に基づいて、前記可動板を機械的共振周波数でねじり振動させる共振周波数追従制御手段であることを特徴とする。
【００１７】
このように構成した本第２の発明によれば、光スキャナを機械的共振周波数でねじり振動させることができると共に、光スキャナの機械的共振周波数の変動に影響されない振動振幅の検出が可能となり、従って、高精度に振幅制御を行うことができる。
【００１８】
さらに、本第３の発明による光スキャナ駆動回路は、本第１又は第２の発明において、前記ゲイン回路が、前記可動板のねじり振動周波数よりも十分低いカットオフ周波数をもつ１次のローパスフィルターで構成されていることを特徴とする。
【００１９】
このように構成した本第３の発明によれば、可動板のねじり振動の周波数に比例した検出信号に対し、周波数に反比例したゲインを施すと共に、低周波領域のゲインを抑えることができるので、安定した振幅制御を行うことが可能となる。
【００２０】
加えて、本第４の発明による光スキャナ駆動回路は、本第１又は第２の発明において、前記ゲイン回路が、前記可動板のねじり振動周波数よりも十分低いカットオフ周波数をもつ１次のバンドパスフィルターで構成されていることを特徴とする。
【００２１】
このように構成した本第４の発明によれば、可動板のねじり振動の周波数に比例した検出信号に対し、周波数に反比例したゲインを施すと共に、低周波領域のノイズを減らすことができるので、高精度な振幅制御を行うことが可能となる。
【００２２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の光スキャナ駆動回路の実施の形態について説明する。
図３に示すように、本発明の駆動回路が適用される光スキャナ１はミラー面１０１ａと平行にコイルパターン（駆動コイル１０２）およびセンサコイル１０３が形成されたミラー部１０１と、ミラー部１０１を振動させるためのばね部１０４ａ，１０４ｂと、ミラー部１０１の近傍に配置された、ミラー部１０１が静止状態時のミラー面１０１ａとほぼ平行な磁界を生じさせるための２つの永久磁石１０５ａ，１０５bとを備えている。ばね部１０４ａ，１０４ｂは、任意の部材を固定するための不図示の支持体に接続されている。そして、駆動コイル１０２に交流電流（周波数ｆ）を流すことにより、ミラー面１０１ａに垂直な向きにフレミング左手の法則に従う力を発生させ、ミラー部１０１を周波数ｆで振動させるようになっている。
【００２３】
図５は本発明の駆動回路が適用される、光スキャナ１を制御駆動するための回路の概略構成を示すブロック図である。
図５に示す回路では、不図示のＰＣ等の操作コントローラにより、光スキャナ１の振動振幅（振れ角）や振動周波数など、光スキャナ１の所望の駆動条件を指示するコントロール信号をコントロール回路４に供給する。コントロール回路４は、コントロール信号を受けて駆動回路２に駆動指令信号Ｖｄを出力する。駆動回路２は、駆動指令信号Ｖｄに基づいて駆動信号（交流信号）を駆動コイル１０２に出力する。こうして光スキャナ１は所定の振れ角、周波数で振動することになる。このとき、センサコイル１０３の両端には、センサコイル１０３が永久磁石１０５ａ，１０５ｂによって生成される磁界と鎖交することにより、起電力（センサ信号）が発生する。この起電力（センサ信号）は、検出回路３により検出され、検出信号Ｖｓとしてコントロール回路４にフィードバックされる。コントロール回路４では、この検出信号Ｖｓを監視し、光スキャナ１の振動振幅（振れ角）や振動周波数が所定の値から外れた場合には駆動回路２に出力する駆動指令信号Ｖｄを補正する。このようにして光スキャナ１を安定した状態に制御駆動することができるようになっている。
【００２４】
次に、上述した駆動回路２と検出回路３、およびコントロール回路４の一構成例を図６及び図７にそれぞれ示す。
図６に示すように、駆動回路２は、オペアンプ２０１と、抵抗素子（Ｒ０）２０２とで構成され、これらによって駆動指令信号Ｖｄを駆動信号（交流信号）に変換するようになっている。
ここで、駆動指令信号Ｖｄと駆動信号（交流信号）との関係は、駆動コイル１０２に供給する駆動信号をＩ＝Ｉ₀ｓｉｎ（２πｆｔ）とおくと、次式(9)

となる。
【００２５】
また、検出回路３は、オペアンプ３０１と、抵抗素子（Ｒ１）３０２と、抵抗素子（Ｒ１）３０３と、抵抗素子（Ｒ２）３０４と、抵抗素子（Ｒ２）３０５とで構成され、これらによって起電力（センサ信号）を検出信号Ｖｓに変換するようになっている。
ここで、起電力と検出信号Ｖｓとの関係は、起電力をＶｒ、センサコイルの抵抗値をＲsensとおき、センサコイル１０３の自己インダクタンスや配線容量等は無視できるものとして、次式(10)

と表すことができる。
【００２６】
図７は検出回路３が出力した検出信号Ｖｓに基づいて光スキャナ１の振動振幅、振動周波数を制御するコントロール回路４の第一実施例（コントロール回路４ａ）を示すブロック図である。本発明では、このコントロール回路４の回路構成に大きな特徴がある。
本実施例のコントロール回路４ａは、増幅回路４０３と、フィルター回路４０４と、移相回路４０８と、ゲインコントロール回路４０２とにより正帰還ループを構成することで光スキャナ１を機械的共振周波数ｆ_cで振動させる機能（共振周波数追従制御機能）を有している。
また、コントロール回路４ａは、増幅回路４０３と、フィルター回路４０４と、積分回路４０９と、振幅検出回路４０５と、引き算回路４０６と、ＰＩ回路４０７と、ゲインコントロール回路４０２とにより負帰還ループを構成することで光スキャナ１を所望の振動振幅（振れ角）で振動させる機能（振動振幅制御機能）を有している。
【００２７】
増幅回路４０３は、検出信号Ｖｓの信号レベル（信号の振幅）をコントロールし易くするために所定の倍率で増幅するように構成されている。
フィルター回路４０４は、振動周波数成分（周波数指令値に示された周波数成分）のみを抽出するバンドパスフィルターで構成されており、ノイズ除去の役割を果たしている。なお、フィルター回路４０４は、バンドパスフィルターで構成するのが最も望ましいが、ノイズの状況次第では、ローパスフィルターやハイパスフィルター、あるいはフィルターなしでも同様の効果が得られる。
【００２８】
移相回路４０８は、ゲインコントロール回路４０２が出力する駆動指令信号Ｖｄと、増幅回路４０３に供給される検出信号Ｖｓの位相とが一致するように（共振周波数で振動するときには両方の信号の位相が一致するため）位相調整を行う回路であり、フィルター回路４０４の出力の位相をずらしてゲインコントロール回路４０２に供給するように構成されている。なお、ここで行なう位相調整量は、増幅回路４０３、フィルター回路４０４、ゲインコントロール回路４０２での位相のズレ量によって決まる。ゲインコントロール回路４０２は、ＰＩ回路４０７から出力される制御信号に基づいて、移相回路４０８から供給される信号の振幅をコントロールし、駆動指令信号Ｖｄを出力するように構成されている。
【００２９】
積分回路４０９は、フィルター回路４０４の出力に対し、その周波数の逆数（ｋ／ｆ但し、ｋは定数）のゲインを施す回路である。ここで定数ｋは、初期状態における光スキャナ１の共振周波数ｆ_coに設定するのが望ましい（なお、初期状態とは、環境の変化による影響や経時変化がゼロの状態をいう。）。
【００３０】
ところで、この積分回路４０９では、フィルター回路４０４の出力に対し、周波数の逆数（ｋ／ｆ但し、ｋは定数）のゲインを施すため、低周波、特にＤＣ（周波数ゼロ）領域ではゲインが限りなく大きくなってしまい、電源ノイズなどの低周波ノイズを増大させてしまうことになる。
そこで、本実施形態では、初期状態における光スキャナ１の共振周波数ｆ近傍（少なくとも、環境の変化や経時変化により変動する共振周波数のズレ幅程度）の周波数帯域でのみ周波数の逆数（k／f：kは定数）となるゲイン特性をもつように積分回路が構成されている。
【００３１】
具体的な例を挙げると、図８に示すような、初期状態における光スキャナ１の共振周波数ｆ_co（４０００Ｈｚとする）の１／１０のカットオフ周波数（４００Ｈｚ）をもつゲイン×１０のローパスフィルターで積分回路４０９を構成すれば、共振周波数ｆ_coでゲインが×１となるので扱いやすく、また設計も容易である。このゲイン特性であれば、共振周波数ｆ_co近傍の帯域ではゲインは周波数の逆数となり、また低周波領域ではフラットな特性になっているので、上述の問題に対して効果がある。あるいは、図９に示すように、図８に示す特性をもつローパスフィルターと、カットオフ周波数４００Ｈｚのゲイン×１のハイパスフィルターとを組み合わせて積分回路４０９を構成すると、低周波領域のノイズ除去に効果がある。
【００３２】
振幅検出回路４０５は、供給された信号の振幅値（あるいはＲＭＳ値）を検出するための回路であり、その結果である検出信号を引算回路４０６に出力するようになっている。引算回路４０６は、振幅検出回路４０５で求めた振幅値とコントロール信号である振幅指令値との偏差を求める回路であり、その結果である偏差信号をＰＩ回路４０７へ出力するようになっている。ＰＩ回路４０７は、Ｉ回路（積分回路）とＰ回路（比例回路）とを有して構成されており、引算回路４０６から出力される偏差信号を所定のゲインで増幅し、その結果である制御信号をゲインコントロール回路４０２に出力するようになっている。
【００３３】
次に、図３，５〜７に示した光スキャナの制御駆動回路の動作を説明する。
光スキャナ１が振動していない初期状態において、検出回路３の出力Ｖｓはゼロであり、コントロール信号である振幅指令値が引算回路４０６に供給されるので、引算回路４０６の出力がプラスになり、ＰＩ回路４０７で生成される制御信号が大きくなる（負帰還利得が１以上になる。）。その結果、光スキャナ１の共振周波数で発振を開始し、ゲインコントロール回路４０２では、検出回路３の出力Ｖｓが振幅指令値に一致するまで（引算回路４０６の出力がゼロになるまで）光スキャナ１の振動振幅を増やそうとする方向に働く。
逆に、検出回路３の出力Ｖｓが振幅指令値を越えた場合には、ゲインコントロール回路４０２では、移相回路４０８から出力される正弦波（あるいは矩形波やパルス波）信号の振幅を減少させ、光スキャナ１の振動振幅を減らす方向に働く。
このようにしてコントロール回路４ａでは、光スキャナ１を常に共振周波数で駆動することができ、かつ共振周波数が変動しても振幅を高精度に制御することができる。
【００３４】
なお、上記実施形態では共振周波数で駆動する場合に効果があるとしているが、本発明は任意の周波数で駆動する場合（共振周波数追従制御を行わない場合）にも効果がある。そこで、その場合の構成を第二実施形態として説明する。
【００３５】
図１０はコントロール回路４の第二実施形態（コントロール回路４ｂ）を示すブロック図である。
第二実施形態のコントロール回路４ｂは、図７に示す第一実施形態のコントロール回路４ａの構成からフィルター回路４０４と接続する移相回路４０８の代わりに図示省略した操作コントローラに接続された発振回路４０１を備えている点で、第一実施形態のコントロール回路４ａと異なる。そして、第二実施形態では、図１０に示すように、コントロール信号は周波数指令値と振幅指令値の２つあり、まず周波数指令値が発振回路４０１に供給される。発振回路４０１では、周波数指令値に示された周波数で所定の振幅をもつ正弦波信号、あるいはその正弦波成分を含む矩形波（パルス波）を生成し、ゲインコントロール回路４０２に出力する。ゲインコントロール回路４０２では、ＰＩ回路４０７から出力される制御信号に基づいて、発振回路４０１から出力される正弦波信号（あるいは正弦波成分）の振幅をコントロールし、駆動指令信号Ｖｄを出力する。振幅制御を行う負帰還ループ構成については第一実施形態と同じなので説明を省略する。
【００３６】
なお、第一実施形態のコントロール回路４ａでは、積分回路４０９は、ゲイン特性が図８や図９に示すように共振周波数近傍の周波数帯域においてｋ／ｆの特性を有するフィルターで構成するのが良いとしたが、第二実施形態のコントロール回路４ｂでは、積分回路４０９は、ゲイン特性が周波数指令値の範囲（周波数帯域）においてｋ／ｆの特性を有しているフィルターで構成する必要がある。
【００３７】
このように構成されたコントロール回路４ｂを用いた光スキャナの制御駆動回路の動作を説明する。
光スキャナ１が振動していない初期状態において、コントロール信号である周波数指令値が出力されると、発振回路４０１は駆動指令信号を出力する。出力された駆動指令信号は、ゲインコントロール回路４０２を介して駆動回路２に供給される。また、初期状態においては、検出回路３の出力Ｖｓはゼロであり、コントロール信号である振幅指令値が引算回路４０６に供給されるので、引算回路４０６の出力がプラスになり、ＰＩ回路４０７で生成される制御信号が大きくなる（負帰還利得が１以上になる。）。その結果、光スキャナ１は周波数指令値で指示された周波数で振動を開始し、ゲインコントロール回路４０２では、検出回路３の出力Ｖｓが振幅指令値に一致するまで（引算回路４０６の出力がゼロになるまで）光スキャナ１の振動振幅を増やそうとする方向に働く。
逆に、検出回路３の出力Ｖｓが振幅指令値を越えた場合には、ゲインコントロール回路４０２では発振回路４０１から出力される正弦波（あるいは矩形波やパルス波）信号の振幅を減少させ、光スキャナ１の振動振幅を減らす方向に働く。
このようにしてコントロール回路４ｂでは、光スキャナ１を任意の周波数で駆動することができ、かつ振幅を高精度に制御することが可能となる。
【００３８】
【発明の効果】
本発明によれば、光スキャナの駆動周波数変化の影響を除去することができ、高精度な振幅制御が可能となる。その結果、常に安定した光走査が可能な光スキャナ駆動回路を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】光スキャナの動作原理を説明するための概略構成図である。
【図２】光スキャナの駆動周波数に対する振れ角特性を示すグラフである。
【図３】本発明の駆動回路が適用される光スキャナの概略構成図である。
【図４】共振周波数駆動時における駆動信号、光スキャナの駆動、センサコイルの起電力（センサ信号）の位相関係を示すグラフであり、(a)は駆動信号、(b)は光スキャナの駆動、(c)はセンサ信号を示している。
【図５】本発明の駆動回路が適用される、光スキャナ１を制御駆動するための回路の概略構成を示すブロック図である。
【図６】図５の回路における駆動回路２及び検出回路３の一構成例を示す回路図である。
【図７】図５の回路におけるコントロール回路４の一構成例を示す回路図である。
【図８】図７のコントロール回路の積分回路における周波数に対するゲイン特性の一例を示すグラフである。
【図９】図７のコントロール回路の積分回路における周波数に対するゲイン特性の他の例を示すグラフである。
【図１０】図５の回路におけるコントロール回路４の他の構成例を示す回路図である。
【符号の説明】
１光スキャナ
２駆動回路
３検出回路
４，４ａ，４ｂコントロール回路
１０１ミラー部
１０１ａミラー面
１０２駆動コイル
１０３センサコイル
１０４ａ，１０４ｂばね部
１０５ａ，１０５ｂ永久磁石
２０１，３０１オペアンプ
２０２，３０２，３０３，３０４，３０５抵抗素子
４０１発振回路
４０２ゲインコントロール回路
４０３増幅回路
４０４フィルター回路
４０５振幅検出回路
４０６引算回路
４０７ＰＩ回路
４０８移相回路
４０９積分回路[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to an optical scanner driving circuit that drives an optical scanner that reflects light from a light source and scans the reflected light in one or two dimensions.
[0002]
[Prior art]
Examples of conventional optical scanners include those disclosed in JP-A-7-175005 and JP-A-10-123449. These optical scanners are manufactured by a semiconductor manufacturing technology and have features such as a small size and a thin shape.
The operation principle will be described below.
[0003]
FIG. 1 is a schematic configuration diagram for explaining the operation principle of the optical scanner. As shown in FIG. 1, the optical scanner has a mirror part 101 in which a coil pattern (drive coil 102) is formed in parallel with the mirror surface 101a,

spring parts

104a and 104b for vibrating the mirror part 101, and a mirror part 101. Is provided with

permanent magnets

105a and 105b for generating a magnetic field substantially parallel to the mirror surface 101a when the mirror unit 101 is stationary. The

spring portions

104a and 104b are connected to a support (not shown) for fixing arbitrary members. Then, by passing an alternating current (frequency f) through the drive coil 102, a force in accordance with the Fleming left-hand rule is generated in a direction perpendicular to the mirror surface 101a, and the mirror unit 101 is vibrated at the frequency f.
[0004]
In this case, the deflection angle θ and the generated force F include AC current I (= I ₀ sin (2πft)), magnetic field strength H (magnetic flux density B), coil turns N, and coil area. When S and the vacuum magnetic inductivity are μ ₀ , the following formula (1)

The deflection angle θ can be obtained by solving the equation of motion shown in the following equation (2).

Here, k is the torsional spring constant of the spring portion, when the mechanical resonance frequency of the optical scanner and f _c, k = a relationship of (2πf _c) ^2. D is the attenuation coefficient, and J is the moment of inertia of the optical scanner.
[0005]
In addition, the relationship between the swing angle θ and the frequency f of the alternating current is based on the assumption that the swing angle θ is small, and from the above formulas (1) and (2),

Can guide you.
FIG. 2 is a plot of the above equation (3). As shown in FIG. 2, the maximum deflection angle (vibration amplitude) is obtained Together the driving frequency f of the alternating current to mechanical resonance frequency f _c.
For this reason, in driving the optical scanner, it is common to match the frequency of the drive signal with the mechanical resonance frequency of the optical scanner.
[0006]
By the way, in order to stabilize the driving of the optical scanner described above, a sensor for detecting the vibration state of the optical scanner is required. As an optical scanner using such a sensor, for example, as disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 11-242180, in addition to the configuration of FIG. (Hereinafter, the sensor coil 103) is provided substantially concentrically on the same plane as the drive coil 102 (see FIG. 3), and the sensor coil 103 is linked to the magnetic field when the mirror unit 101 vibrates. There is known an optical scanner which detects a vibration state by detecting an electromotive force.
[0007]
Here, in the detection method of the vibration state in the optical scanner having such a configuration, the electromotive force Vr generated in the sensor coil 103 is given by the following equation (4).

Where Ns is the number of turns of the sensor coil, B is the magnetic flux density, and Ss is the area of the sensor coil.
[0008]
Here, consider the case of driving the optical scanner in the mechanical resonance frequency f _c.
When the drive signal is set to I = I ₀ sin (2πf _c t), the vibration of the optical scanner is delayed in phase by 90 ° with respect to the drive signal.

It can be said. Therefore, the electromotive force Vr expressed by the above equation (4) is assumed to have a small deflection angle θ (θ ₀ ), and the following equation (6)

And can be approximated.
[0009]
As a result, it can be seen that the phase of the electromotive force generated in the sensor coil advances by 90 ° with respect to the vibration of the optical scanner. It will be explained in this direction.) Therefore, when the resonance frequency is driven, the phase relationship between the drive signal, the optical scanner drive, and the sensor coil electromotive force (sensor signal) is as shown in FIG. 4, and the drive signal and the sensor signal are in phase. .
[0010]
When the optical scanner is driven at an arbitrary frequency sufficiently lower than the resonance frequency, if the drive signal is I = I ₀ sin (2πft), the vibration of the optical scanner is in phase with the drive signal. (7)

Therefore, the electromotive force Vr expressed by the above equation (4) is assumed to have a small deflection angle θ (θ ₀ ), and the following equation (8)

And can be approximated.
[0011]
Further, a control drive circuit for stably operating the optical scanner is generally disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 09-101474. This control drive circuit has frequency follow-up control (positive feedback control) for always driving the optical scanner at a resonance frequency and amplitude control (negative feedback control) for stable operation at a desired vibration amplitude.
[0012]
[Problems to be solved by the invention]
However, when the optical scanner having the sensor is controlled and driven, there are the following problems.
The sensor signal (electromotive force generated in the sensor coil) is a signal proportional to the drive frequency as shown in the above formulas (6) and (8). For this reason, when the resonance frequency tracking control as shown in Japanese Patent Application Laid-Open No. 09-101474 is performed, if the mechanical resonance frequency of the optical scanner fluctuates due to environmental changes or changes with time, the deflection angle changes accordingly. In spite of the absence, the sensor signal changes, that is, the sensor sensitivity as the deflection angle sensor changes. This is a fatal problem in performing highly accurate amplitude control.
Further, even when the optical scanner is driven at a frequency sufficiently lower than the resonance frequency, the sensor signal (sensor sensitivity) changes according to the drive frequency, making it difficult to control the amplitude.
[0013]
Accordingly, the present invention has been made in view of the above-described problems, and provides an optical scanner driving circuit capable of performing amplitude control with high accuracy without being affected by a change in the driving frequency of the optical scanner. The purpose is to do.
[0014]
[Means and Actions for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, an optical scanner driving circuit according to the first invention includes a support for fixing to an arbitrary member, a movable plate having at least one surface reflecting light, and the support. An elastic member for connecting the body and the movable plate, a magnet disposed in the vicinity of the movable plate at a predetermined interval, a drive coil formed on the movable plate, and a sensor formed on the movable plate In an optical scanner having a coil, current supply means for supplying a current including at least an alternating current component to the drive coil, an induced electromotive force generated in the sensor coil, and a detection signal corresponding to the induced electromotive force are output. Detection means; and control means for controlling current supply to the drive coil by the current supply means based on a detection signal output from the detection means. Vibration frequency control means for controlling the frequency of torsional vibration, a gain circuit for applying a gain inversely proportional to the frequency to the detection signal in at least a frequency band in the vicinity of the torsional vibration frequency of the movable plate, and an output of the gain circuit And an amplitude control means for controlling the vibration amplitude of the torsional vibration of the movable plate.
[0015]
According to the first invention configured as described above, a gain that is inversely proportional to the frequency is applied to the detection signal that is proportional to the torsional vibration frequency of the movable plate, so that the change in the driving frequency of the optical scanner is not affected. The vibration amplitude of the torsional vibration of the movable plate can be detected, and therefore the amplitude control can be performed with high accuracy.
[0016]
The optical scanner drive circuit according to the second aspect of the present invention is the optical scanner drive circuit according to the first aspect, wherein the vibration frequency control means causes the movable plate torsionally vibrate at a mechanical resonance frequency based on the detection signal. It is a control means.
[0017]
According to the second invention configured as described above, the optical scanner can be torsionally vibrated at a mechanical resonance frequency, and vibration amplitude can be detected without being affected by fluctuations in the mechanical resonance frequency of the optical scanner. Therefore, amplitude control can be performed with high accuracy.
[0018]
Further, the optical scanner drive circuit according to the third invention is the first or second low-pass filter according to the first or second invention, wherein the gain circuit has a cutoff frequency sufficiently lower than the torsional vibration frequency of the movable plate. It is characterized by comprising.
[0019]
According to the third invention configured as described above, a gain that is inversely proportional to the frequency can be applied to the detection signal that is proportional to the frequency of the torsional vibration of the movable plate, and the gain in the low frequency region can be suppressed. Stable amplitude control can be performed.
[0020]
In addition, the optical scanner driving circuit according to the fourth invention is the first band according to the first or second invention, wherein the gain circuit has a cutoff frequency sufficiently lower than the torsional vibration frequency of the movable plate. It is composed of a pass filter.
[0021]
According to the fourth invention configured as described above, a gain that is inversely proportional to the frequency can be applied to the detection signal proportional to the frequency of the torsional vibration of the movable plate, and noise in the low frequency region can be reduced. High-precision amplitude control can be performed.
[0022]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the optical scanner driving circuit of the present invention will be described.
As shown in FIG. 3, the optical scanner 1 to which the drive circuit of the present invention is applied includes a mirror unit 101 in which a coil pattern (drive coil 102) and a sensor coil 103 are formed in parallel with a mirror surface 101a, and a mirror unit 101.

Spring portions

104a and 104b for vibrating, and two

permanent magnets

105a and 105b disposed in the vicinity of the mirror portion 101 for generating a magnetic field substantially parallel to the mirror surface 101a when the mirror portion 101 is stationary. It has. The

spring portions

104a and 104b are connected to a support (not shown) for fixing arbitrary members. Then, by passing an alternating current (frequency f) through the drive coil 102, a force in accordance with the Fleming left-hand rule is generated in a direction perpendicular to the mirror surface 101a, and the mirror unit 101 is vibrated at the frequency f.
[0023]
FIG. 5 is a block diagram showing a schematic configuration of a circuit for controlling and driving the optical scanner 1 to which the drive circuit of the present invention is applied.
In the circuit shown in FIG. 5, a control signal for instructing a desired driving condition of the optical scanner 1 such as a vibration amplitude (a vibration angle) and a vibration frequency of the optical scanner 1 is sent to the control circuit 4 by an operation controller such as a PC (not shown). Supply. The control circuit 4 receives the control signal and outputs a drive command signal Vd to the drive circuit 2. The drive circuit 2 outputs a drive signal (AC signal) to the drive coil 102 based on the drive command signal Vd. Thus, the optical scanner 1 vibrates at a predetermined deflection angle and frequency. At this time, an electromotive force (sensor signal) is generated at both ends of the sensor coil 103 by the sensor coil 103 interlinking with the magnetic field generated by the

permanent magnets

105a and 105b. This electromotive force (sensor signal) is detected by the detection circuit 3 and fed back to the control circuit 4 as the detection signal Vs. The control circuit 4 monitors the detection signal Vs and corrects the drive command signal Vd output to the drive circuit 2 when the vibration amplitude (vibration angle) or vibration frequency of the optical scanner 1 deviates from a predetermined value. In this way, the optical scanner 1 can be controlled and driven in a stable state.
[0024]
Next, a configuration example of the above-described drive circuit 2, detection circuit 3, and control circuit 4 is shown in FIGS. 6 and 7, respectively.
As shown in FIG. 6, the drive circuit 2 is composed of an operational amplifier 201 and a resistance element (R0) 202, and converts the drive command signal Vd into a drive signal (AC signal).
Here, the relationship between the drive command signal Vd and the drive signal (alternating current signal) is as follows. When the drive signal supplied to the drive coil 102 is I = I ₀ sin (2πft), the following equation (9)

It becomes.
[0025]
The detection circuit 3 includes an operational amplifier 301, a resistance element (R1) 302, a resistance element (R1) 303, a resistance element (R2) 304, and a resistance element (R2) 305. (Sensor signal) is converted into a detection signal Vs.
Here, the relationship between the electromotive force and the detection signal Vs is as follows, assuming that the electromotive force is Vr, the resistance value of the sensor coil is Rsens, and the self-inductance and wiring capacitance of the sensor coil 103 can be ignored.

It can be expressed as.
[0026]
FIG. 7 is a block diagram showing a first embodiment (control circuit 4 a) of the control circuit 4 that controls the vibration amplitude and vibration frequency of the optical scanner 1 based on the detection signal Vs output from the detection circuit 3. The present invention has a great feature in the circuit configuration of the control circuit 4.
Control circuit 4a of this embodiment, an amplifier circuit 403, a filter circuit 404, a phase shift circuit 408, the optical scanner 1 by configuring the positive feedback loop by the gain control circuit 402 by a mechanical resonance frequency f _c It has a function of vibrating (resonance frequency tracking control function).
In the control circuit 4a, the amplification circuit 403, the filter circuit 404, the integration circuit 409, the amplitude detection circuit 405, the subtraction circuit 406, the PI circuit 407, and the gain control circuit 402 constitute a negative feedback loop. Thus, the optical scanner 1 has a function (vibration amplitude control function) for vibrating the optical scanner 1 at a desired vibration amplitude (shake angle).
[0027]
The amplifier circuit 403 is configured to amplify the detection signal Vs at a predetermined magnification in order to easily control the signal level (signal amplitude).
The filter circuit 404 is composed of a band-pass filter that extracts only vibration frequency components (frequency components indicated in the frequency command value), and plays a role of noise removal. The filter circuit 404 is most preferably composed of a band-pass filter, but the same effect can be obtained without a low-pass filter, a high-pass filter, or no filter depending on the noise situation.
[0028]
The phase shift circuit 408 is arranged so that the drive command signal Vd output from the gain control circuit 402 matches the phase of the detection signal Vs supplied to the amplifier circuit 403 (when the signal vibrates at the resonance frequency, the phase of both signals is This circuit adjusts the phase (to match) and is configured to shift the phase of the output of the filter circuit 404 and supply it to the gain control circuit 402. Note that the amount of phase adjustment performed here is determined by the amount of phase shift in the amplifier circuit 403, the filter circuit 404, and the gain control circuit 402. The gain control circuit 402 is configured to control the amplitude of the signal supplied from the phase shift circuit 408 based on the control signal output from the PI circuit 407 and output the drive command signal Vd.
[0029]
The integration circuit 409 is a circuit that applies a gain of the reciprocal of the frequency (k / f, where k is a constant) to the output of the filter circuit 404. Here, the constant k is preferably set to the resonance frequency f _co of the optical scanner 1 in the initial state (the initial state refers to a state in which there is no influence or change with time due to environmental changes).
[0030]
By the way, in this integrating circuit 409, since the gain of the reciprocal of the frequency (k / f, where k is a constant) is applied to the output of the filter circuit 404, the gain is not limited in the low frequency, particularly in the DC (frequency zero) region. It becomes large and increases low frequency noise such as power supply noise.
Therefore, in the present embodiment, the reciprocal of the frequency (k / f: The integrating circuit is configured to have a gain characteristic that k is a constant.
[0031]
As a specific example, a gain × 10 low-pass filter having a cutoff frequency (400 Hz) of 1/10 of the resonance frequency f _co (4000 Hz) of the optical scanner 1 in the initial state as shown in FIG. If the integrating circuit 409 is configured, the gain becomes × 1 at the resonance frequency f _co , so that it is easy to handle and design. With this gain characteristic, the gain is the reciprocal of the frequency in the band in the vicinity of the resonance frequency f _co and is flat in the low frequency region, which is effective for the above-described problem. Alternatively, as shown in FIG. 9, the integration circuit 409 is configured by combining a low-pass filter having the characteristics shown in FIG. 8 and a gain × 1 high-pass filter having a cutoff frequency of 400 Hz, which is effective in removing noise in the low-frequency region. There is.
[0032]
The amplitude detection circuit 405 is a circuit for detecting the amplitude value (or RMS value) of the supplied signal, and outputs a detection signal as a result to the subtraction circuit 406. The subtraction circuit 406 is a circuit for obtaining a deviation between the amplitude value obtained by the amplitude detection circuit 405 and the amplitude command value as a control signal, and outputs a deviation signal as a result to the PI circuit 407. . The PI circuit 407 includes an I circuit (integration circuit) and a P circuit (proportional circuit). The PI circuit 407 amplifies the deviation signal output from the subtraction circuit 406 with a predetermined gain. A control signal is output to the gain control circuit 402.
[0033]
Next, the operation of the control drive circuit of the optical scanner shown in FIGS.
In an initial state in which the optical scanner 1 is not oscillating, the output Vs of the detection circuit 3 is zero, and the amplitude command value as a control signal is supplied to the subtraction circuit 406, so that the output of the subtraction circuit 406 becomes positive. Therefore, the control signal generated by the PI circuit 407 becomes large (the negative feedback gain becomes 1 or more). As a result, oscillation starts at the resonance frequency of the optical scanner 1 and the gain control circuit 402 causes the optical scanner until the output Vs of the detection circuit 3 matches the amplitude command value (until the output of the subtraction circuit 406 becomes zero). It works in the direction to increase the vibration amplitude of 1.
Conversely, when the output Vs of the detection circuit 3 exceeds the amplitude command value, the gain control circuit 402 decreases the amplitude of the sine wave (or rectangular wave or pulse wave) signal output from the phase shift circuit 408. This works in the direction of reducing the vibration amplitude of the optical scanner 1.
In this way, in the control circuit 4a, the optical scanner 1 can always be driven at the resonance frequency, and the amplitude can be controlled with high accuracy even if the resonance frequency varies.
[0034]
In the above embodiment, the effect is obtained when driving at a resonance frequency, but the present invention is also effective when driving at an arbitrary frequency (when resonance frequency tracking control is not performed). Therefore, the configuration in that case will be described as a second embodiment.
[0035]
FIG. 10 is a block diagram showing a second embodiment of the control circuit 4 (control circuit 4b).
The control circuit 4b of the second embodiment has an oscillation circuit 401 connected to an operation controller (not shown) instead of the phase shift circuit 408 connected to the filter circuit 404 from the configuration of the control circuit 4a of the first embodiment shown in FIG. Is different from the control circuit 4a of the first embodiment. In the second embodiment, as shown in FIG. 10, there are two control signals, a frequency command value and an amplitude command value. First, the frequency command value is supplied to the oscillation circuit 401. The oscillation circuit 401 generates a sine wave signal having a predetermined amplitude at the frequency indicated in the frequency command value or a rectangular wave (pulse wave) including the sine wave component, and outputs it to the gain control circuit 402. The gain control circuit 402 controls the amplitude of the sine wave signal (or sine wave component) output from the oscillation circuit 401 based on the control signal output from the PI circuit 407, and outputs the drive command signal Vd. Since the negative feedback loop configuration for performing amplitude control is the same as that of the first embodiment, description thereof is omitted.
[0036]
In the control circuit 4a of the first embodiment, the integrating circuit 409 is preferably constituted by a filter having a gain characteristic of k / f in the frequency band near the resonance frequency as shown in FIGS. However, in the control circuit 4b of the second embodiment, the integration circuit 409 needs to be configured with a filter having a gain characteristic of k / f in the range (frequency band) of the frequency command value.
[0037]
The operation of the control drive circuit of the optical scanner using the control circuit 4b configured as described above will be described.
In the initial state where the optical scanner 1 is not oscillating, when a frequency command value that is a control signal is output, the oscillation circuit 401 outputs a drive command signal. The output drive command signal is supplied to the drive circuit 2 via the gain control circuit 402. In the initial state, the output Vs of the detection circuit 3 is zero, and the amplitude command value as a control signal is supplied to the subtraction circuit 406. Therefore, the output of the subtraction circuit 406 becomes positive, and the PI circuit 407 The control signal generated by (1) becomes larger (the negative feedback gain becomes 1 or more). As a result, the optical scanner 1 starts to vibrate at the frequency indicated by the frequency command value, and the gain control circuit 402 until the output Vs of the detection circuit 3 matches the amplitude command value (the output of the subtraction circuit 406 is zero). Until the vibration amplitude of the optical scanner 1 is increased.
On the contrary, when the output Vs of the detection circuit 3 exceeds the amplitude command value, the gain control circuit 402 decreases the amplitude of the sine wave (or rectangular wave or pulse wave) signal output from the oscillation circuit 401, It works to reduce the vibration amplitude of the scanner 1.
In this way, the control circuit 4b can drive the optical scanner 1 at an arbitrary frequency and can control the amplitude with high accuracy.
[0038]
【The invention's effect】
According to the present invention, it is possible to remove the influence of a change in the driving frequency of the optical scanner, and it is possible to perform amplitude control with high accuracy. As a result, it is possible to provide an optical scanner driving circuit capable of always performing stable optical scanning.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic configuration diagram for explaining an operation principle of an optical scanner.
FIG. 2 is a graph showing a deflection angle characteristic with respect to a driving frequency of the optical scanner.
FIG. 3 is a schematic configuration diagram of an optical scanner to which the drive circuit of the present invention is applied.
FIGS. 4A and 4B are graphs showing a phase relationship between a drive signal, an optical scanner drive, and an electromotive force (sensor signal) of a sensor coil at the time of resonance frequency drive, where FIG. 4A is a drive signal, and FIG. 4B is an optical scanner drive. , (C) show sensor signals.
FIG. 5 is a block diagram showing a schematic configuration of a circuit for controlling and driving the optical scanner 1 to which the drive circuit of the present invention is applied.
6 is a circuit diagram showing a configuration example of a drive circuit 2 and a detection circuit 3 in the circuit of FIG. 5;
7 is a circuit diagram showing a configuration example of a control circuit 4 in the circuit of FIG. 5. FIG.
8 is a graph showing an example of gain characteristics with respect to frequency in the integrating circuit of the control circuit of FIG. 7;
9 is a graph showing another example of gain characteristics with respect to frequency in the integrating circuit of the control circuit of FIG. 7;
10 is a circuit diagram showing another configuration example of the control circuit 4 in the circuit of FIG. 5. FIG.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Optical scanner 2 Drive circuit 3 Detection circuit 4, 4a, 4b Control circuit 101 Mirror part 101a Mirror surface 102 Drive coil 103

Sensor coil

104a,

104b Spring part

105a, 105b

Permanent magnet

201, 301

Operational amplifier

202, 302, 303, 304, 305 Resistance element 401 Oscillation circuit 402 Gain control circuit 403 Amplification circuit 404 Filter circuit 405 Amplitude detection circuit 406 Subtraction circuit 407 PI circuit 408 Phase shift circuit 409 Integration circuit

Claims

A support for fixing to an arbitrary member; a movable plate having at least one surface reflecting light; an elastic member connecting the support and the movable plate; In an optical scanner having a pair of magnets arranged at intervals, a drive coil formed on the movable plate, and a sensor coil formed on the movable plate,
Current supply means for supplying a current containing at least an AC component to the drive coil;
Detecting means for detecting an induced electromotive force generated in the sensor coil and outputting a detection signal corresponding to the induced electromotive force;
Control means for controlling current supply to the drive coil by the current supply means based on the detection signal output by the detection means;
The control means, vibration frequency control means for controlling the frequency of torsional vibration of the movable plate,
A gain circuit that applies a gain inversely proportional to the frequency to the detection signal in a frequency band at least in the vicinity of the torsional vibration frequency of the movable plate;
An optical scanner drive circuit comprising: amplitude control means for controlling the vibration amplitude of torsional vibration of the movable plate based on the output of the gain circuit.

2. The optical scanner driving circuit according to claim 1, wherein the vibration frequency control means is resonance frequency tracking control means for torsionally vibrating the movable plate at a mechanical resonance frequency based on the detection signal.

3. The optical scanner drive circuit according to claim 1, wherein the gain circuit includes a first-order low-pass filter having a cutoff frequency sufficiently lower than a torsional vibration frequency of the movable plate.

3. The optical scanner drive circuit according to claim 1, wherein the gain circuit includes a first-order bandpass filter having a cutoff frequency sufficiently lower than a torsional vibration frequency of the movable plate.