JP5098319B2 - 光スキャナ装置 - Google Patents

Description

本発明は、所定の反射面からの反射光によりスキャンを行う光スキャナ装置に関する。

レーザ光等の光線を偏向・走査する光スキャナは、例えばバーコードリーダーやレーザープリンタ、ディスプレイ等の光学機器に利用されている。この光スキャナについては、多角柱ミラーをモータで回転させて反射光を走査するポリゴンミラーや、平面ミラーを電磁アクチュエータによって回転振動させるガルバノミラー等を有するものがある。しかし、このような光スキャナにおいては、ミラーをモータや電磁アクチュエータで駆動する機械的な駆動機構が必要であるが、その駆動機構はサイズが比較的大きく、また高価であることから、光スキャナの小型化を阻害するとともに高価格化を招くといった問題がある。

そこで、光スキャナの小型化、低価格化および生産性の向上を図るために、半導体製造技術を応用したシリコンやガラスを微細加工するマイクロマシニング技術を用いてミラーや弾性梁等の構成部品が一体成形されたマイクロ光スキャナの開発が進んでいる。

例えば特許文献１に開示されるマイクロ光スキャナでは、ミラー部(慣性要素)とトーションバー部(バネ要素)とを含んでなる振動系の共振周波数が、バネ定数(振動特性)を変化させるためにトーションバー部に設置されたバネ定数可変素子によって制御されるようになっている。このバネ定数可変素子としては、例えば電気抵抗素子や圧電素子が用いられるが、それらの素子で生じる熱や歪みによってトーションバー部のバネ定数が変化することとなる。

特許第２９８１６００号公報

しかしながら、上記特許文献１の光スキャナ装置では、その幅が比較的狭く形状も細長いトーションバー部にバネ定数可変素子を設置するため、設置可能なバネ定数可変素子が制限されてしまい、例えばバネ定数の可変量が大きい比較的大型のバネ定数可変素子は設置できないこととなる。これでは、十分なバネ定数の可変量が得られないため、光スキャナの性能低下を招く恐れがある。

本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、振動特性を変化させるための可変デバイスに関する配置設計の自由度を向上できる光スキャナ装置を提供することを目的とする。

上記の課題を解決するため、請求項１の発明は、所定の反射面からの反射光によりスキャンを行う光スキャナ装置であって、(a)前記所定の反射面を有し、揺動振動が可能な可動部と、(b)前記可動部に連結し、弾性変形を行う弾性変形部と、(c)前記弾性変形部に連結し、前記可動部を加振するための加振部とを備え、前記加振部は、(c-1)所定の剛性を有し、前記弾性変形部に接続する板状部材と、(c-2)前記可動部の揺動振動中心を両側から挟む位置に設けられ、前記弾性変形部を介して前記可動部を揺動振動させるアクチュエータと、(c-3)前記板状部材上の前記揺動振動中心を両側から挟む位置において、前記アクチュエータとそれぞれ一対となるように、該アクチュエータと並列して配置されているかまたは該板状部材および該アクチュエータと積層され、前記加振部の振動特性を変化させる可変デバイスとを有するとともに、前記可変デバイスの動作によって、前記可動部と前記弾性変形部と前記加振部とを含んでなる振動系の共振周波数が変更される。

また、請求項４の発明は、請求項１ないし請求項３のいずれかの発明に係る光スキャナ装置において、前記アクチュエータは、圧電アクチュエータである。

また、請求項５の発明は、請求項１ないし請求項４のいずれかの発明に係る光スキャナ装置において、前記加振部の振動特性は、前記加振部の弾性特性である。

また、請求項６の発明は、請求項１ないし請求項５のいずれかの発明に係る光スキャナ装置において、前記可変デバイスは、圧電デバイスである。

また、請求項２の発明は、請求項１の発明に係る光スキャナ装置において、前記アクチュエータと前記可変デバイスとは、互いに積層接合されている。

また、請求項３の発明は、請求項１の発明に係る光スキャナ装置において、前記板状部材のうちの前記アクチュエータが配置されている一方の面とは反対側の他方の面に前記可変デバイスが配置されている。

また、請求項７の発明は、請求項１ないし請求項６のいずれかの発明に係る光スキャナ装置において、(d)前記可動部の揺動振動に係る変位を検出する検出手段と、(e)前記検出手段で検出された前記変位に基づき、前記可変デバイスの動作を制御する制御手段とをさらに備える。

また、請求項８の発明は、請求項７の発明に係る光スキャナ装置において、前記可動部の揺動振動の周期に関する目標周波数が設定されており、前記制御手段は、(e-1)前記共振周波数を前記目標周波数に略一致させるように前記可変デバイスの動作を制御する共振周波数制御手段を有する。

また、請求項９の発明は、請求項８の発明に係る光スキャナ装置において、前記共振周波数制御手段では、前記アクチュエータへの前記目標周波数による入力と、前記可動部の揺動振動に係る変位出力との位相差が略９０度となる負帰還制御を行うことにより、前記共振周波数を前記目標周波数に略一致させる。

請求項１から請求項９の発明によれば、加振部は、所定の反射面を有する可動部を弾性変形部を介して揺動振動させるアクチュエータと、アクチュエータと剛体結合されて加振部の振動特性を変化させる可変デバイスとを備えており、可変デバイスの動作によって、可動部と弾性変形部と加振部とを含んでなる振動系の共振周波数が変更される。このように可変デバイスが加振部に設けられることにより、可変デバイスに関する配置設計の自由度を向上できる。

特に、請求項４の発明においては、アクチュエータが圧電アクチュエータであるため、アクチュエータを小型化できる。

また、請求項５の発明においては、可変デバイスによって変化される加振部の振動特性は加振部の弾性特性であるため、可変デバイスによる共振周波数の変更を適切に行える。

また、請求項６の発明においては、可変デバイスが圧電デバイスであるため、可変デバイスを小型化できる。

また、請求項２の発明においては、アクチュエータと可変デバイスとが互いに積層接合されているため、アクチュエータと可変デバイスとの配置について省スペース化が図れる。

また、請求項７の発明においては、可動部の揺動振動に係る変位を検出する検出手段で検出された変位に基づき可変デバイスの動作を制御するため、可変デバイスを適切に制御して共振周波数を効果的に調整できる。

また、請求項８の発明においては、可動部の揺動振動の周期に関して設定されている目標周波数に共振周波数を略一致させるように可変デバイスの動作を制御するため、所望する目標周波数で共振させることが可能となる。

また、請求項９の発明においては、アクチュエータへの目標周波数による入力と、可動部の揺動振動に係る変位出力との位相差が略９０度となる負帰還制御を行うことにより、共振周波数を目標周波数に略一致させるため、所望の目標周波数において的確に共振させることができる。

＜光スキャナの要部構成＞
図１は、本発明の実施形態に係る光スキャナ１の要部構成を示す平面図である。また、図２は、図１のII−II位置から見た断面図である。

光スキャナ１は、「ロ」字状の板状部材として構成され不図示の筐体等に固定されているフレーム部１０と、フレーム部１０に内包されるミラー部１１とを備えている。また、光スキャナ１では、弾性変形を行うトーションバー部(弾性変形部)１２がミラー部１１に連結するとともに、ミラー部１１を加振するための加振部２がトーションバー部１２に連結している。そして、加振部２の端部は、フレーム部１０に接続している。

ミラー部１１は、円板状の形状を有しており、その表面Ｓａおよび裏面Ｓｂは、光を反射させる反射面として機能する。すなわち、ミラー部１１の表面Ｓａおよび裏面Ｓｂには、例えば金やＡｌ（アルミニウム）等の金属薄膜による反射膜が形成されており、入射光線の反射率を向上させる構成となっている。

トーションバー部１２は、Ｘ軸と平行なミラー部１１の中心線Ａｘに沿ってミラー部１１の両端部から加振部２まで伸びている２つのトーションバー１２ａ、１２ｂからなっている。このようなトーションバー部１２により、ミラー部１１は、加振部２に対して弾性的に支持されることとなる。

加振部２は、トーションバー１２ａに接続する板状部材としての曲がり梁２１、２２と、トーションバー１２ｂに接続する板状部材としての曲がり梁２３、２４とを有している。これらの曲がり梁２１〜２４、フレーム部１０、ミラー部１１、および２つのトーションバー１２ａ、１２ｂについては、例えばシリコン基板の異方性エッチングにより一体的に形成されている。

また、加振部２は、曲がり梁２１〜２４の各上面に例えば接着剤によって貼付されている第１圧電素子３１〜３４および第２圧電素子４１〜４４を備えている。ここで、第１圧電素子３１〜３４は、それぞれ第２圧電素子４１〜４４と一対になるように配置されており、ペアとなる第１圧電素子３１〜３４および第２圧電素子４１〜４４と各曲がり梁２１〜２４とによって４つのユニモルフ部Ｕａ〜Ｕｄが形成される。

電気−機械変換素子である第１圧電素子３１〜３４は、ミラー部１１を加振するための圧電振動子として構成されている。すなわち、第１圧電素子３１〜３４は、トーションバー部１２を介してミラー部１１を揺動振動させる圧電アクチュエータとして機能する。

一方、電気−機械変換素子である第２圧電素子４１〜４４は、ミラー部１１を加振する加振系のバネ定数(弾性係数)を変化させるための圧電振動子として構成されている。すなわち、第２圧電素子４１〜４４は、曲がり梁２１〜２４を介して第１圧電素子３１〜３４と剛体結合されて、加振部２の弾性特性(振動特性)を変化させることが可能な圧電デバイス（可変デバイス）として機能する。

また、第１圧電素子３１〜３４および第２圧電素子４１〜４４それぞれは、表面および裏面に上部電極Ｅｕおよび下部電極Ｅｄが設けられている(図２)。そして、第１圧電素子３１〜３４および第２圧電素子４１〜４４の上部電極Ｅｕには、それぞれフレーム部１０に設けられた電極パッド３１ｕ〜３４ｕ、４１ｕ〜４４ｕが例えばワイヤを介して電気的に接続されているとともに、第１圧電素子３１〜３４および第２圧電素子４１〜４４の下部電極Ｅｄには、それぞれフレーム部１０に設けられた電極パッド３１ｄ〜３４ｄ、４１ｄ〜４４ｄが例えばワイヤを介して電気的に接続されている。このような電極パッドを介して光スキャナ１の外部から第１圧電素子３１〜３４および第２圧電素子４１〜４４それぞれに駆動電圧を印加できることとなる。

以上のような光スキャナ１の構成により、電極パッド３１ｕ〜３４ｕ、３１ｄ〜３４ｄ、４１ｕ〜４４ｕ、４１ｄ〜４４ｄを介して第１圧電素子３１〜３４（および第２圧電素子４１〜４４）に駆動電圧を印加することで曲がり梁２１〜２４において曲げ変形が生じることとなる。このように曲がり梁２１〜２４で曲がりが生じることにより、トーションバー１２ａ、１２ｂを介しミラー部１１に対して中心軸Ａｘ周りに回転トルクが与えられ、可動部として働くミラー部１１を中心軸Ａｘを中心に揺動振動を行わせることが可能となる。このミラー部１１の揺動振動動作について、詳しく説明する。

図３は、ミラー部１１の揺動振動動作を説明するための図である。ここで、図３(ａ)および図３(ｂ)は、図１のII−II位置から見た断面を示す図２に対応している。

光スキャナ１においては、第１圧電素子３１〜３４および第２圧電素子４１〜４４に対して上部電極Ｅｕと下部電極Ｅｄとの間に分極反転が生じない範囲の交流電圧を印加することにより、第１圧電素子３１〜３４および第２圧電素子４１〜４４は伸縮し、ユニモルフ的に厚み方向に変位することとなる。

そこで、第１圧電素子３１に対して長手方向(Ｙ軸方向)に伸長させる駆動電圧を印加するとともに、この駆動電圧と逆位相の駆動電圧を第１圧電素子３２に印加して第１圧電素子３２を収縮させることにより、一端がフレーム部１０に連結するユニモルフ部Ｕａ、Ｕｂにおいて、図３(ａ)に示すように曲がり梁２１を下方に湾曲させる一方、曲がり梁２２を上方に湾曲させる。同様に、第１圧電素子３３および第１圧電素子３４に対しても、第１圧電素子３１および第１圧電素子３２それぞれと同位相の駆動電圧を印加することにより、曲がり梁２３を下方に湾曲させる一方、曲がり梁２４を上方に湾曲させる。これにより、トーションバー１２ａ、１２ｂを介しミラー部１１において中心軸Ａｘ回りの回転トルクが生じるため、図３(ａ)に示すようにミラー部１１は中心軸Ａｘを中心として方向Ｄａに傾くこととなる。

また、第１圧電素子３２に対して長手方向(Ｙ軸方向)に伸長させる駆動電圧を印加するとともに、この駆動電圧と逆位相の駆動電圧を第１圧電素子３１に印加して第１圧電素子３１を収縮させることにより、一端がフレーム部１０に連結するユニモルフ部Ｕａ、Ｕｂにおいて、図３(ｂ)に示すように曲がり梁２１を上方に湾曲させる一方、曲がり梁２２を下方に湾曲させる。同様に、第１圧電素子３３および第１圧電素子３４に対しても、第１圧電素子３１および第１圧電素子３２それぞれと同位相の駆動電圧を印加することにより、曲がり梁２３を上方に湾曲させる一方、曲がり梁２４を下方に湾曲させる。これにより、トーションバー１２ａ、１２ｂを介しミラー部１１において中心軸Ａｘ回りの回転トルクが生じるため、図３(ｂ)に示すようにミラー部１１は中心軸Ａｘを中心として回動方向Ｄｂに傾斜することとなる。

このようにミラー部１１を方向Ｄａ(図３(ａ))および方向Ｄｂ(図３(ｂ))に回動させる交流の駆動電圧を第１圧電素子３１〜３４に印加するようにすれば、この印加電圧に追従した上下方向の振動がユニモルフ部Ｕａ〜Ｕｄで繰り返されるため、トーションバー１２ａ、１２ｂにシーソー的な回転トルクが生じ、トーションバー１２ａ、１２ｂおよびミラー部１１は所定の角度範囲で揺動振動することとなる。

ここで、ミラー部１１の揺動角度が小さい場合には、第１圧電素子３１〜３４に印可する交流電圧の周波数を、光スキャナ１に関する振動系の共振周波数に設定することにより、ミラー部１１が共振振動されるため、光スキャナ１として大きな偏向角度(揺動角度)が得られるようになる。

以上のような構成の光スキャナ１と、光スキャナ１を駆動するための駆動部とを備えた光スキャナシステム１００の構成を以下で説明する。

＜光スキャナシステムの要部構成＞
図４は、光スキャナシステム１００の要部構成を示す図である。

光スキャナシステム１００は、上述した光スキャナ１と、光スキャナ１のミラー部１１の表面Ｓａにビーム状の光(以下では「ビーム光」と略称する)Ｌａを照射するための光源５０と、第１圧電素子３１〜３４に電圧を印加して駆動するための加振用駆動部５１と、第２圧電素子４１〜４４に電圧を印加して駆動するためのバネ定数可変用駆動部５２とを備えている。また、光スキャナシステム１００は、交流電圧を加振用駆動部５１に出力する交流電源５３と、加振用駆動部５１およびバネ定数可変用駆動部５２を制御する制御部５４と、ミラー部１１の裏面Ｓｂにビーム光Ｌｂを照射するための光源５５と、光源５５から照射されたビーム光Ｌｂのミラー部１１の裏面Ｓｂでの反射光を受光する角度検出器５６とを有している。この交流電源５３において生成される交流電圧の周波数は、ミラー部１１の揺動振動の周期に関する目標周波数に設定されている。

光源５０は、例えばレーザーダイオードで構成されている。この光源５０からのビーム光Ｌａがミラー部１１の表面Ｓａに投光され、その表面(反射面)Ｓａからの反射光がミラー部１１の揺動振動に伴って方向を変えることにより、スキャン対象の対象物９に対しての光によるスキャンが可能となる。

角度検出部５６は、例えばＰＳＤ(Position Sensitive Detector)やＣＣＤラインセンサ等の光電変換素子を有しており、角度検出部５６に入射する光の入射位置を検出する部位である。このような角度検出部５６では、ミラー部１１の裏面(反射面)Ｓｂに投光されミラー部１１の揺動振動に伴って反射方向を変えた光源５５からのビーム光Ｌａを受光することにより、ミラー部１１の揺動振動における変位(変位角)の検出が可能である。

制御部５４は、例えばＣＰＵおよびメモリを有しており、光スキャナシステム１００の各部を統括的に制御する部位である。この制御部５４では、角度検出器５６からの角度検出信号Ｇａによって得られるミラー部１１の現在の変位角等に基づき駆動制御信号Ｇｂを生成してバネ定数可変用駆動部５２に出力するとともに、ミラー部１１の揺動振動に関する振幅制御を行うための駆動制御信号Ｇｅを生成して加振用駆動部５１に出力する。

また、制御部５４においては、スキャン対象の対象物９に必要なスキャン量に対応するミラー部１１の振幅データがメモリに記憶されており、この振幅データと角度検出器５６で検出されるミラー部１１の振幅とを比較してその差分が最小となるように加振用駆動部５１の駆動利得、つまり交流電源５３から入力される交流電圧に対するゲイン(増幅率)を調整する。これにより、加振用駆動部５１からは適切な振幅の駆動電圧Ｇｆが出力されるため、スキャン対象の対象物９に対してミラー部１１の揺動振動による適切なスキャン動作が可能となる。

また、制御部５４では、角度検出部５６から入力される角度検出信号Ｇａに基づき駆動制御信号Ｇｂを生成してバネ定数可変用駆動部５２に出力する。この駆動制御信号Ｇｂが入力されたバネ定数可変用駆動部５２では、駆動制御信号Ｇｂに基づく駆動電圧Ｇｃを生成して第２圧電素子４１〜４４に印加することにより、ミラー部１１の揺動振動の変位角に従った第２圧電素子４１〜４４の駆動が行われることとなる。これにより、各ユニモルフ部Ｕａ〜Ｕｄにおいては、第１圧電素子３１〜３４の発生力に対して第２圧電素子４１〜４４の発生力が合成されるため、この合成力が回転トルクとしてトーションバー１２ａ、１２ｂに伝達される。すなわち、第２圧電素子４１〜４４で生じる発生力に応じて加振部２のバネ定数が変化することとなるが、第２圧電素子４１〜４４の動作によるバネ定数可変の原理について以下で説明する。

図５は、上記バネ定数可変の原理を説明するための図であり、ミラー部１１の揺動振動に関連した各機械要素を電気素子に等価変換した等価回路１ｃを示している。

等価回路１ｃは、３つのコンデンサＣｄ、Ｃｋ、Ｃｍと、インダクタＬｍと、電圧電源Ｆｄとを備えている。

コンデンサＣｄは、第１圧電素子３１〜３４の弾性と、第１圧電素子３１〜３４が貼付される曲がり梁２１〜２４の弾性とを合成して決定されるバネの等価素子である。このコンデンサＣｄの容量値は、バネ定数の逆数となっている(他のコンデンサＣｋ、Ｃｍについても同様)。

コンデンサＣｋは、第２圧電素子４１〜４４の弾性と、第２圧電素子４１〜４４が貼付された曲がり梁２１〜２４の弾性とを合成して決定されるバネの等価素子である。また、コンデンサＣｍは、トーションバー１２ａ、１２ｂに関するバネの等価素子である。

インダクタＬｍは、ミラー部１１の慣性モーメントに対応した等価素子である。

電圧電源Ｆｄは、第１圧電素子３１〜３４に印加される駆動電圧Ｇｆ(図４)に比例して生じる発生力(回転トルク)の等価素子である。

また、インダクタＬｍを流れる電流ωは、ミラー部１１の揺動振動に関する角速度に対応している。

このような等価回路１ｃにおいては、図１に示すように第１圧電素子３１〜３４と第２圧電素子４１〜４４と曲がり梁２１〜２４とが剛体結合されているため、これに対応するコンデンサＣｄとコンデンサＣｋとが直列接続されるとともに、発生力(回転トルク)として電圧電源Ｆｄから等価回路１ｃに供給される電圧は、コンデンサＣｄ、Ｃｋと、コンデンサＣｍおよびインダクタＬｍで構成される並列共振回路Ｗｍとで分圧されてインダクタＬｍにミラー部１１の角速度に対応した電流ωが流れることとなる。

なお、等価回路１ｃでは、考察を容易にするため光スキャナ１で生じる諸々の損失に対応した等価抵抗を省略している。また、第１圧電素子３１〜３４および第２圧電素子４１〜４４の各質量に相当するインダクタがコンデンサＣｄ、Ｃｋに直列して存在するが、このインダクタとコンデンサＣｄ、Ｃｋとによる共振周波数はミラー部１１の共振周波数に比べて大きいため、上記インダクタは省略している。さらに、４つのユニモルフ部Ｕａ〜Ｕｄを１つに纏めて考えている。

以上の等価回路１ｃにおいて、揺動振動の角速度(インダクタＬｍに流れる電流)ωと、揺動振動の変位角θとを求める伝達関数は、次の式(１)および式(２)で示される。

なお、上式(１)、(２)においては、ｓがラプラス演算子を示しており、Ｃは、コンデンサＣｄとコンデンサＣｋとを合成した容量値、つまりＣ＝Ｃｄ・Ｃｋ／（Ｃｄ＋Ｃｋ）を表している。

ここで、上式(２)の伝達関数は２次遅れ系であるため、その共振周波数ｆｏは、次の式(３)のように表される。

また、ミラー部１１の変位角θについての運動方程式は、上式(２)を変形して次の式(４)のように表される。

次に、第２圧電素子４１〜４４にミラー部１１の変位角θに比例(比例定数Ａ)した駆動電圧が印加される場合には、その発生力(回転トルク)Ｆｋは、次の式(５)のように表される。

一方、各ユニモルフ部Ｕａ〜Ｕｄでは、第１圧電素子３１〜３４の発生力(回転トルク)と第２圧電素子４１〜４４の発生力(回転トルク)とが合成されるため、その運動方程式は、次の式(６)のように表される。

そして、上式(６)に式(５)を代入して変形すると、次の式(７)のようになる。

ここで、式(４)と式(７)とを比較すると、第１圧電素子３１〜３４の発生力(回転トルク)に対応した電圧電源Ｆｄから見れば、バネ定数は（１/Ｃ)から(１/Ｃ−Ａ)に可変できることを示している。よって、このように可変された振動系(動特性)の共振周波数ｆｏｋは、式(７)に基づき、次の式(８)のように表されることとなる。

この式(８)に式(３)を代入すると、次の式(９)が成立する。

上式(９)によれば、比例定数Ａが正の場合にはｆｏｋ＜ｆｏとなり、比例定数Ａが負の場合にはｆｏｋ＞ｆｏとなることが分かる。よって、比例定数Ａの符号および絶対値を調整すれば、共振周波数ｆｏに対する共振周波数ｆｏｋの増減および、その増減量の制御が可能となる。

次に、上記の式(７)に基づき、電圧電源Ｆｄに対する揺動振動の変位角θの伝達関数Ｇ(＝θ/Ｆｄ)を求めると、次の式(１０)のようになる。

この式(１０)に示される２次遅れ系の伝達関数Ｇに関して入力周波数ｆｉと位相遅れθｄとの関係をグラフに表すと図６のようになる。この図６によれば、共振周波数ｆｏｋ付近では、位相が急激に変化していることが分かる。このように位相が急激に変化するのは、一般にミラー部１１の共振特性が数百程度のＱ値を持っているためである。

よって、図６からは、
(１)入力周波数ｆｉ＜共振周波数ｆｏｋの場合には、ほぼ位相遅れなし、
(２)入力周波数ｆｉ＝共振周波数ｆｏｋの場合には、９０度の位相遅れ、
(３)入力周波数ｆｉ＞共振周波数ｆｏｋの場合には、ほぼ１８０度の位相遅れ
という特性が得られ、入力周波数ｆｉに対して光スキャナ１の振動系が単調な位相特性であることが分かる。

そこで、制御部５４では、ミラー部１１を共振させるため、交流電源５３から出力される入力信号Ｇｄに対して角度検出器５６からの角度検出信号Ｇａの位相遅れ角(上記の位相遅れθｄに対応)を求め、この位相遅れ角と、例えば制御部５４の外部から設定信号Ｇｈとして入力された基準位相遅れ角９０度との差分、つまり(位相遅れ角θｄ−９０度)に比例した電圧信号の駆動制御信号Ｇｂをバネ定数可変用駆動部５２に出力することとなる。具体的には、図７に示すグラフのように、位相遅れθｄに比例した電圧Ｖｄの駆動制御信号Ｇｂが制御部５４から出力される。

このような制御部５４の動作により、入力信号Ｇｄで設定されている目標周波数に共振周波数ｆｏｋを略一致させるように、つまり(位相遅れθｄ−９０度)を０に近づけるように第２圧電素子４１〜４４の機械出力動作を制御する負帰還ループの構成が可能となる。

この負帰還ループの具体的な動作については、まず制御部５４が、角度検出器５６で検出された角度検出信号Ｇａと基準位相遅れ角９０度との差分量に比例した電圧Ｖｄの駆動制御信号Ｇｂをバネ定数可変用駆動部５２に出力する。次に、バネ定数可変用駆動部５２では、例えば図８に示すグラフのように、制御部５４から入力された駆動制御信号Ｇｂの電圧Ｖｄに基づき式(５)の比例定数(ゲイン)Ａを変化させて駆動電圧Ｇｃを生成し第２圧電素子４１〜４４に印加する。以上のような負帰還ループにより、図９に示すグラフのように、駆動制御信号Ｇｂの電圧Ｖｄによって光スキャナ１の共振周波数ｆｏｋが制御できることとなる。

すなわち、光スキャナシステム１００では、ミラー部１１の揺動振動に係る変位角に基づき第２圧電素子４１〜４４の機械出力動作を制御して、ミラー部１１とトーションバー部１２と加振部２とを含んでなる機械振動系の共振周波数ｆｏｋが変更されることとなる。そして、第１圧電素子３１〜３４への揺動振動に係る目標周波数による入力と、ミラー部１１の揺動振動に係る変位出力との位相差が略９０度となる負帰還制御を行うことにより、共振周波数ｆｏｋを交流電源５３の目標周波数に一致させることが可能となる。

以上のような負帰還ループでは、ループゲインを十分に高く設定することにより、（位相遅れθｄ−９０度）が０に近づくため、共振周波数ｆｏｋを交流電源５３の目標周波数に略一致させることが可能となる。なお、制御部５４には、図４に示すように負帰還ループの位相余裕や振幅余裕を補償するためのＬＰＦ(Low Pass Filter)５４ｆを設けるのが好ましい。

上述の負帰還ループによる共振周波数ｆｏｋの調整動作が安定した後には、制御部５４は、上述した振幅データと角度検出器５６の角度検出信号Ｇａとを比較し、その差分値が最小となるような駆動利得(駆動ゲイン)を加振用駆動部５１で設定させるための駆動制御信号Ｇｅを生成して加振用駆動部５１に出力することにより、スキャン対象の対象物９に対して必要なスキャン量の制御が可能となる。

以上で説明した光スキャナシステム１００の光スキャナ１では、加振用の第１圧電素子３１〜３４を有してトーションバー部１２に連結する加振部２にバネ定数可変用の第２圧電素子４１〜４４が設けられている。これにより、設置スペースの制約が比較的少ない加振部２に第２圧電素子４１〜４４を設置できるため、第２圧電素子に関する配置設計(圧電素子のサイズや形状等の設定など)の自由度を向上できることとなる。

また、上記の特許文献１の光スキャナのように電気抵抗素子で生じる熱によってバネ定数を調整する場合には、電気抵抗素子自身の加熱や外気温の影響により安定な制御が困難となるが、本実施形態の光スキャナ１では、圧電素子(第２圧電素子４１〜４４)によってバネ定数を変化させるため、特許文献１のような問題が生じない。

さらに、上記の特許文献１の光スキャナのように比較的変位が大きいトーションバー部に圧電素子を配置してバネ定数を調整する場合には、内部応力による圧電素子の不具合（破壊や低寿命化）を招く可能性があるが、本実施形態の光スキャナ１では、トーションバー部１２に比べて変位の小さい加振部２に圧電素子(第２圧電素子４１〜４４)を配置するため、圧電素子に不具合が発生する可能性が小さくなる。

＜変形例＞
・上記の実施形態においては、第１圧電素子３１〜３４と第２圧電素子４１〜４４とを一対にして曲がり梁２１〜２４上に並列して配置するのは必須ではなく、図１０に示すように第１圧電素子３１〜３４と第２圧電素子４１〜４４とを配置するようにしても良い。

図１０は、本発明の変形例に係る第１圧電素子と第２圧電素子との配置を説明するための図である。

図１０(ａ)に示す配置においては、曲がり梁２１(２３)、２２(２４)の上面に第１圧電素子３１(３３)、３２(３４)が例えば貼付して配置されるとともに、その第１圧電素子３１(３３)、３２(３４)の上に第２圧電素子４１(４３)、４２(４４)が配置されている。すなわち、第１圧電素子３１(３３)、３２(３４)と第２圧電素子４１(４３)、４２(４４)とは、互いに積層接合されている。なお、第１圧電素子と第２圧電素子との位置を逆転するようにしても良い。

このように第１圧電素子と第２圧電素子とが剛体結合する積層型の配置では、圧電素子の配置について省スペース化が図れる。

図１０(ｂ)に示す配置においては、一定の剛性を有してトーションバー部２(図１)に接続する曲がり梁２１(２３)、２２(２４)の上面に第１圧電素子３１(３３)、３２(３４)が例えば貼付して配置されるとともに、曲がり梁２１(２３)、２２(２４)の下面に第２圧電素子４１(４３)、４２(４４)が例えば貼付して配置されている。すなわち、第１圧電素子３１(３３)、３２(３４)と第２圧電素子４１(４３)、４２(４４)との間には、曲がり梁２１(２３)、２２(２４)が介挿されている。

このように曲がり梁の表裏面にそれぞれ第１圧電素子および第２圧電素子を設置して剛体結合されるバイモルフ型の配置においては、圧電素子の配置について省スペース化が図れる。

・上記の実施形態においては、図４のように光源５５からのビーム光Ｌｂをミラー部１１の裏面Ｓｂで反射させ角度検出器５６に入射させることによりミラー部１１の変位角を検出するのは必須でなく、変位角検出センサとしてトーションバー１２ａに貼付された圧電素子ＳＮ(図１)からの出力信号に基づき変位角の検出を行うようにしても良い。

・上記の実施形態における第１圧電素子と第２圧電素子との配置については、図１に示す配置に対して曲がり梁上の位置が逆転している配置であっても良い。

本発明の実施形態に係る光スキャナ１の要部構成を示す平面図である。 図１のII−II位置から見た断面図である。 ミラー部１１の揺動振動動作を説明するための図である。 光スキャナシステム１００の要部構成を示す図である。 ミラー部１１の揺動振動に関連した各機械要素を電気素子に等価変換した等価回路１ｃを示す図である。 入力周波数ｆｉと位相遅れθｄとの関係を示す図である。 位相遅れθｄと駆動制御信号Ｇｂの電圧Ｖｄとの関係を示す図である。 駆動制御信号Ｇｂの電圧Ｖｄとバネ定数可変用駆動部５２に関する比例定数(ゲイン)Ａとの関係を示す図である。 駆動制御信号Ｇｂの電圧Ｖｄと共振周波数ｆｏｋとの関係を示す図である。 本発明の変形例に係る第１圧電素子と第２圧電素子との配置を説明するための図である。

符号の説明

１ 光スキャナ
１ｃ 等価回路
２ 加振部
１０ フレーム部
１１ ミラー部
１２ トーションバー部
１２ａ、１２ｂ トーションバー
２１〜２４ 曲がり梁
３１〜３４ 第１圧電素子
４１〜４４ 第２圧電素子
５０、５５ 光源
５１ 加振用駆動部
５２ バネ定数可変用駆動部
５３ 交流電源
５４ 制御部
５５ 角度検出器
１００ 光スキャナシステム
Ｓａ ミラー部の表面
Ｓｂ ミラー部の裏面
Ｕａ〜Ｕｄ ユニモルフ部

Claims (9)

1. 所定の反射面からの反射光によりスキャンを行う光スキャナ装置であって、
   (a)前記所定の反射面を有し、揺動振動が可能な可動部と、
   (b)前記可動部に連結し、弾性変形を行う弾性変形部と、
   (c)前記弾性変形部に連結し、前記可動部を加振するための加振部と、
   を備え、
   前記加振部は、
   (c-1)所定の剛性を有し、前記弾性変形部に接続する板状部材と、
   (c-2)前記可動部の揺動振動中心を両側から挟む位置に設けられ、前記弾性変形部を介して前記可動部を揺動振動させるアクチュエータと、
   (c-3)前記板状部材上の前記揺動振動中心を両側から挟む位置において、前記アクチュエータとそれぞれ一対となるように、該アクチュエータと並列して配置されているかまたは該板状部材および該アクチュエータと積層され、前記加振部の振動特性を変化させる可変デバイスと、
   を有するとともに、
   前記可変デバイスの動作によって、前記可動部と前記弾性変形部と前記加振部とを含んでなる振動系の共振周波数が変更されることを特徴とする光スキャナ装置。
2. 請求項１に記載の光スキャナ装置において、
   前記アクチュエータと前記可変デバイスとは、互いに積層接合されていることを特徴とする光スキャナ装置。
3. 請求項１に記載の光スキャナ装置において、
   前記板状部材のうちの前記アクチュエータが配置されている一方の面とは反対側の他方の面に前記可変デバイスが配置されていることを特徴とする光スキャナ装置。
4. 請求項１ないし請求項３のいずれかに記載の光スキャナ装置において、
   前記アクチュエータは、圧電アクチュエータであることを特徴とする光スキャナ装置。
5. 請求項１ないし請求項４のいずれかに記載の光スキャナ装置において、
   前記加振部の振動特性は、前記加振部の弾性特性であることを特徴とする光スキャナ装置。
6. 請求項１ないし請求項５のいずれかに記載の光スキャナ装置において、
   前記可変デバイスは、圧電デバイスであることを特徴とする光スキャナ装置。
7. 請求項１ないし請求項６のいずれかに記載の光スキャナ装置において、
   (d)前記可動部の揺動振動に係る変位を検出する検出手段と、
   (e)前記検出手段で検出された前記変位に基づき、前記可変デバイスの動作を制御する制御手段と、
   をさらに備えることを特徴とする光スキャナ装置。
8. 請求項７に記載の光スキャナ装置において、
   前記可動部の揺動振動の周期に関する目標周波数が設定されており、
   前記制御手段は、
   (e-1)前記共振周波数を前記目標周波数に略一致させるように前記可変デバイスの動作を制御する共振周波数制御手段、
   を有することを特徴とする光スキャナ装置。
9. 請求項８に記載の光スキャナ装置において、
   前記共振周波数制御手段では、前記アクチュエータへの前記目標周波数による入力と、前記可動部の揺動振動に係る変位出力との位相差が略９０度となる負帰還制御を行うことにより、前記共振周波数を前記目標周波数に略一致させることを特徴とする光スキャナ装置。

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