JP6316123B2 - 光走査装置 - Google Patents

Description

本発明は、直交２軸回りに回動するミラーにより光をリサジュー走査する光走査装置に関し、特にリサジュー波形を高精度に維持可能にした光走査装置に係るものである。

従来の光走査装置は、２次元スキャナーに、第一の方向の振動に同期した第一の同期信号及び第二の方向の振動に同期した第二の同期信号を出力する手段を設け、該第一の同期信号と第二の同期信号の位相関係を検出し、該検出した位相関係に基づいて２次元走査の位相関係を制御するものとなっていた（例えば、特許文献１参照）。

特開２０１２−１４１４６２号公報

しかし、このような従来の光走査装置は、直交２軸間の位相差の制御において、一方の軸の同期信号のゼロクロスを基準にして他方の軸の同期信号の位相を制御しているため、一方の軸の同期信号のジッタが他方の軸の同期信号の位相検出に重畳してしまい、位相制御の精度が悪化するという問題があった。したがって、リサジュー波形を高精度に維持することができなかった。

そこで、本発明は、このような問題点に対処し、リサジュー波形を高精度に維持可能にした光走査装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明による光走査装置は、直交するＸ軸及びＹ軸回りに回動するミラーにより光をリサジュー走査する光走査装置であって、前記リサジュー走査の一周期内に描画しようとするリサジューパターンに応じて、予め設定されたＸ軸及びＹ軸駆動基準信号に基づいて前記ミラーの各軸回りの回動を独立に制御する駆動制御装置を備えたものである。

本発明によれば、リサジュー走査の一周期内に描画しようとするリサジューパターンに応じて、予め設定された基準信号に基づいてミラーの各軸回りの回動を独立に制御することができる。したがって、従来技術と違って、一方の軸回りのミラー回動にジッタ等の外乱が発生しても、該ジッタが他方の軸回りのミラー回動に影響せず、リサジュー波形を高精度に維持することができる。

本発明による光走査装置の一実施形態を示す概略構成図である。 本発明による光走査装置の駆動制御装置の一構成例を示すブロック図である。 リサジュー走査におけるミラー駆動の位相制御を説明する各信号のタイミングチャートである。 リサジュー走査におけるミラー駆動の位相制御を説明するフローチャートである。

以下、本発明の実施形態を添付図面に基づいて詳細に説明する。図１は本発明による光走査装置の一実施形態を示す概略構成図である。この光走査装置は、直交２軸回りに回動するミラーにより光をリサジュー走査するもので、二次元駆動ミラー１と、駆動制御装置２と、発光装置３と、を備えて構成されている。

二次元駆動ミラー１は、ミラーが直交する２軸（以下「X軸」及び「Y軸」という）回りに回動するもので、ミラー４と該ミラー４の外側に設けた枠状の可動板５とからなり、該可動板５を固定部７にＸ軸トーションバー６で回動可能に軸支し、ミラー４を可動板５にＸ軸トーションバー６の軸方向に直交するＹ軸トーションバー８で回動可能に軸支する構成とし、各トーションバーの軸線に直交する方向にそれぞれ図示省略の静磁界発生手段を配置したものであり、公知のプレーナ型電磁アクチュエータを適用することができる。

上記ミラー４を直交するＸ軸及びＹ軸回りに回動可能に駆動制御装置２が設けられている。この駆動制御装置２は、ミラー４をＸ軸及びＹ軸回りに回動して、ミラー４で反射される光Ｌをリサジュー走査するためのものであり、図２に示すように、リサジュー原点信号生成部９と、駆動基準信号生成部１０と、位相調節部１１と、制御量算出部１２と、駆動制御部１３と、駆動コイル１４と、駆動状態検出部１５と、を備えて構成されている。

上記リサジュー原点信号生成部９は、リサジュー走査の周期を規定するリサジュー原点信号を生成するものであり、図３（ａ）に示すように、リサジュー走査の一周期の開始点と終了点を定めるパルス状のリサジュー原点信号が生成されるようになっている。リサジュー走査の一周期は、予め定められたものであり、一定のクロック数Ｎで規定されている。

上記リサジュー原点信号生成部９に電気的に接続して駆動基準信号生成部１０が設けられている。この駆動基準信号生成部１０は、リサジュー走査の一周期内に描画しようとするリサジューパターンに応じて定められた駆動基準信号を生成するものであり、ミラー４のＸ軸及びＹ軸回りの駆動基準信号を生成するようになっている。そして、Ｘ軸駆動信号生成部１６と、Ｙ軸駆動信号生成部１７とを備えている。

ここで、上記Ｘ軸駆動信号生成部１６は、図３（ｃ）に示すように、ミラー４をＸ軸回りに回動させるパルス状の駆動基準信号を生成するものであり、このＸ軸駆動基準信号の繰返し発生パルスの一周期は、リサジュー走査の一周期内に描画しようとするリサジューパターンに応じて予め定められており、リサジュー原点信号の一周期のクロック数Ｎに基づいて定められた所定のクロック数ｎに相当する。

また、上記Ｙ軸駆動信号生成部１７は、図３（ｂ）に示すように、ミラー４をＹ軸回りに回動させるパルス状の駆動基準信号を生成するものであり、このＹ軸駆動基準信号の繰返し発生パルスの一周期は、リサジュー走査の一周期内に描画しようとするリサジューパターンに応じて予め定められており、リサジュー原点信号の一周期のクロック数Ｎに基づいて定められた所定のクロック数ｍに相当する。

上記駆動基準信号生成部１０に電気的に接続して位相調節部１１が設けられている。この位相調節部１１は、描画しようとするリサジューパターンに応じて決まる位相差分だけ上記Ｘ軸及びＹ軸駆動基準信号に対して夫々位相調節されたＸ軸及びＹ軸用基準信号を生成するものであり、Ｘ軸位相調節部１８と、Ｙ軸位相調節部１９と、を備えている。

ここで、上記Ｘ軸位相調節部１８は、描画しようとするリサジューパターンに応じて決まるＸ軸回りの位相差分だけ図３（ｃ）に示すＸ軸駆動基準信号に対して、同図（ｇ）に示すように位相調節されたＸ軸用基準信号を生成するものであり、このＸ軸用基準信号の繰返し発生パルスの一周期を規定するクロック数は、Ｘ軸駆動基準信号の一周期のクロック数ｎと同数となっている。

上記Ｙ軸位相調節部１９は、描画しようとするリサジューパターンに応じて決まるＹ軸回りの位相差分だけ図３（ｂ）に示すＹ軸駆動基準信号に対して、同図（ｄ）に示すように位相調節されたＹ軸用基準信号を生成するものであり、このＹ軸用基準信号の繰返し発生パルスの一周期を規定するクロック数は、Ｙ軸駆動基準信号の一周期のクロック数ｍと同数となっている。

上記位相調節部１１に電気的に接続して制御量算出部１２が設けられている。この制御量算出部１２は、後述の駆動状態検出部１５で検出されるミラー４のＸ軸及びＹ軸駆動波形を取得し、該Ｘ軸及びＹ軸駆動波形と、上記位相調節部１１で生成されたＸ軸及びＹ軸用基準信号との間の検出位相差を算出するもので、Ｘ軸制御量算出部２０と、Ｙ軸制御量算出部２１と、を備えている。

詳細には、上記Ｘ軸制御量算出部２０は、駆動状態検出部１５で検出されるミラー４のＸ軸回りの実際の駆動状態を示すＸ軸駆動波形のゼロクロス点を読み込むと共に、図３（ｈ）に示すように、上記Ｘ軸用基準信号を基準にしたＸ軸駆動波形のゼロクロス点までのクロック数をカウントし、このクロック数をＸ軸検出位相差として算出するものである。

また、上記Ｙ軸制御量算出部２１は、駆動状態検出部１５で検出されるミラー４のＹ軸回りの実際の駆動状態を示すＹ軸駆動波形のゼロクロス点を読み込むと共に、図３（ｅ）に示すように、上記Ｙ軸用基準信号を基準にしたＹ軸駆動波形のゼロクロス点までのクロック数をカウントし、このクロック数をＹ軸検出位相差として算出するものである。

上記制御量算出部１２に電気的に接続して駆動制御部１３が設けられている。この駆動制御部１３は、ミラー４をＸ軸及びＹ軸回りに回動させるものであり、上記制御量算出部１２で算出された検出用位相差と予め設定して保存された保持位相差とを比較して両者が合致するように駆動パルスの生成を制御するようになっている。そして、Ｘ軸駆動制御部２２と、Ｙ軸駆動制御部２３と、を備えている。

ここで、上記Ｘ軸駆動制御部２２は、図３（ｈ）に示すように、上記Ｘ軸制御量算出部２０で算出されたＸ軸検出用位相差と予め設定して保存されたＸ軸保持位相差とを比較して両者が許容範囲内で合致するように、Ｘ軸駆動パルスの生成を制御するもので、同図（ｉ）に示すように正常動作時にはＸ軸用基準信号に同期して駆動パルスが生成され、上記Ｘ軸検出位相差とＸ軸保持位相差に差が生じた場合には、その差に相当するクロック数Δｎ分だけＸ軸駆動パルスの生成を制御するようになっている。そして、上記Ｘ軸検出位相差とＸ軸保持位相差に差が生じた場合のＸ軸駆動パルスの生成制御は、次のリサジュー走査における一周期内に実行される。

また、上記Ｙ軸駆動制御部２３は、図３（ｅ）に示すように、上記Ｙ軸制御量算出部２１で算出されたＹ軸検出用位相差と予め設定して保存されたＹ軸保持位相差とを比較して両者が許容範囲内で合致するように、Ｙ軸駆動パルスの生成を制御するもので、同図（ｆ）に示すように正常動作時にはＹ軸用基準信号に同期して駆動パルスが生成され、上記Ｙ軸検出位相差とＹ軸保持位相差に差が生じた場合には、その差に相当するクロック数Δｍ分だけＹ軸駆動パルスの生成を制御するようになっている。そして、上記Ｙ軸検出位相差とＹ軸保持位相差に差が生じた場合のＹ軸駆動パルスの生成制御は、次のリサジュー走査における一周期内に実行される。

上記駆動制御部１３に電気的に接続してミラー４には駆動コイル１４が設けられている。この駆動コイル１４は、駆動制御部１３で生成されたパルス状の駆動電流を通電し、各トーションバーの軸線に平行なコイル部分を流れる電流と静磁界との相互作用によりミラー４を回動させるものであり、枠状の可動板５の周縁部に沿って設けられたＸ軸用駆動コイル２４と、ミラー４の周縁部に沿って設けられたＹ軸用駆動コイル２５と含むものである。

ここで、Ｘ軸用駆動コイル２４は、Ｘ軸駆動制御部２２に結線され、Ｘ軸駆動制御部２２から入力するＸ軸駆動パルスの電流を通すようになっており、Ｘ軸トーションバー６の軸線に平行なコイル部分を流れる電流に静磁界を作用させて、上記可動板５をＸ軸回りに回動させるものである。

また、Ｙ軸用駆動コイル２５は、Ｙ軸駆動制御部２３に結線され、Ｙ軸駆動制御部２３から入力するＹ軸駆動パルスの電流を通すようになっており、Ｙ軸トーションバー８の軸線に平行なコイル部分を流れる電流に静磁界を作用させて、ミラー４をＹ軸回りに回動させるものである。

ミラー４の駆動状態を検出可能に駆動状態検出部１５が設けられている。この駆動状態検出部１５は、ミラー４に敷設された検出コイルを含むものであり、該検出コイルが磁界中を搖動することにより検出コイルに発生する逆起電力波形を検出するようになっている。この逆起電力波形には、ミラー４のＸ軸回りの回動により発生するＸ軸逆起電力波形と、ミラー４のＹ軸回りの回動により発生するＹ軸逆起電力波形とが重畳したものである。そして、この逆起電力波形は、図示省略のフィルターを通してＸ軸逆起電力波形とＹ軸逆起電力波形とに分離され、各軸の逆起電力波形のゼロクロスが検出される。そして、Ｘ軸ゼロクロスは、Ｘ軸制御量算出部２０にフィードバックされ、Ｙ軸ゼロクロスはＹ軸制御量算出部２１にフィードバックされるようになっている。

上記ミラー４に光を照射可能に発光装置３が設けられている。この発光装置３は、ミラー４によってリサジュー走査される光Ｌを生成してミラー４に向けて放射するものであり、駆動制御装置２のリサジュー原点信号生成部９で生成されるリサジュー原点信号により、ミラー４に向けた光Ｌの放射開始及び放射終了が制御されるようになっている。そして、上記発光装置３は、例えばＬＥＤ発光装置やレーザ等で構成されている。

次に、このように構成された光走査装置の動作について説明する。図４はリサジュー走査におけるミラー駆動の位相制御を説明するフローチャートである。
先ず、初期設定値として、リサジュー原点信号の一周期のクロック数Ｎ、及びリサジュー走査の一周期内に描画しようとするリサジューパターンに基づいて決まるＸ軸駆動基準信号のパルスの発生周期に相当するクロック数ｎ、同じくリサジュー走査の一周期内に描画しようとするリサジューパターンに基づいて決まるＹ軸駆動基準信号のパルスの発生周期に相当するクロック数ｍを入力して図示省略の記憶部に記憶する。

これにより、ステップＳ１においては、上記初期設定値に基づいてリサジュー原点信号生成部９で図３（ａ）に示すようなリサジュー原点信号が生成される。以下、Ｘ軸及びＹ軸回りのミラー駆動の位相制御について、それぞれ個別に説明する。先ず、Ｘ軸回りのミラー駆動の位相制御について説明する。

ステップＳ１において、リサジュー原点信号が生成されると、ステップＳ２に進んで、ステップＳ２において、上記初期設定値に基づいてＸ軸駆動基準信号生成部１０で図３（ｃ）に示すようなＸ軸駆動基準信号が生成される。

次に、ステップＳ３においては、Ｘ軸位相調節部１８で描画しようとするリサジューパターンに応じて決まる位相差分だけＸ軸駆動基準信号に対して位相調節する。これにより、ステップＳ４では、図３（ｇ）に示すように、Ｘ軸用基準信号が生成される。そして、同図（ｉ）に示すように、Ｘ軸用基準信号に同期してＸ軸駆動パルスが生成され、ミラー４がＸ軸回りに回動する。後述するが、同様にして生成されるＹ軸駆動パルスによりミラー４は、Ｙ軸回りにも回動する。

ミラー４の回動により、ミラー４に設けられた検出コイルには、逆起電力が発生する。駆動状態検出部１５は、上記検出コイルで検出された逆起電力信号を例えば低速フィルターを通して低速のＸ軸逆起電力波形を抽出する。そして、抽出されたＸ軸逆起電力波形のゼロクロスを検出する。

ステップＳ５においては、上記検出されたＸ軸ゼロクロスをＸ軸制御量算出部２０に読み込む。そして、ステップＳ６に進んで、図３（ｇ）、（ｈ）に示すようにＸ軸用基準信号とＸ軸ゼロクロスとの位相差を検出する。詳細には、Ｘ軸用基準信号の１パルスが検出されるとクロック数のカウントを開始し、上記Ｘ軸ゼロクロスが検出されるまでのクロック数をカウントする。このようにしてカウントされたクロック数が検出位相差となる。この検出位相差は、同図（ｈ）に示すように、図示省略の記憶部に予め設定して保存された保持位相差と比較される。そして、上記検出位相差と保持位相差の差がＸ軸制御量Δｎとして算出される。

ステップＳ７においては、Ｘ軸駆動制御部２２でＸ軸制御量Δｎに基づいてＸ軸駆動パルスの生成タイミングが制御される。詳細には、Ｘ軸駆動パルスの１パルスが生成されてからクロック数がカウントされ、図３（ｇ）に示すＸ軸用基準信号のパルスの発生周期と同じクロック数ｎに対して、上記Ｘ軸制御量Δｎ分だけずれたクロック数に達したとき、次のＸ軸駆動パルスの１パルスが生成される。即ち、保持位相差に対する検出位相差の差が＋Δｎであるときには、Ｘ軸駆動パルスの上記クロック数が（ｎ−Δｎ）となったときに、次のＸ軸駆動パルスの１パルスが生成される。また、保持位相差に対する検出位相差の差が−Δｎであるときには、Ｘ軸駆動パルスの上記クロック数が（ｎ＋Δｎ）となったときに、次のＸ軸駆動パルスの１パルスが生成される。なお、図３（ｈ）は上記位相差が−Δｎであり、同図（ｉ）は、Ｘ軸駆動パルスのクロック数が（ｎ＋Δｎ）となったときに、Ｘ軸駆動パルスの１パルスが生成される場合を一例として示している。

ステップＳ８においては、前述したように、ミラー４の回動により、ミラー４に設けられた検出コイルに逆起電力が発生する。駆動状態検出部１５では、上記検出コイルで検出された逆起電力信号を例えば低速フィルターを通して低速のＸ軸逆起電力波形を抽出し、このＸ軸逆起電力波形のゼロクロスが検出される。そして、ステップＳ５に戻り、ミラー４の駆動動作中、常時ステップＳ５〜Ｓ８が繰り返し実行される。

一方、Ｙ軸回りのミラー駆動の位相制御も同時に実行される。以下、Ｙ軸回りのミラー駆動の位相制御について説明する。
ステップＳ１において、リサジュー原点信号が生成されると、ステップＳ９に進んで、上記初期設定値に基づいてＹ軸駆動基準信号生成部１０で図３（ｂ）に示すようなＹ軸駆動基準信号が生成される。

次に、ステップＳ１０においては、Ｙ軸位相調節部１９で描画しようとするリサジューパターンに応じて決まる位相差分だけＹ軸駆動基準信号に対して位相調節する。これにより、ステップＳ１１では、図３（ｄ）に示すように、Ｙ軸用基準信号が生成される。そして、同図（ｆ）に示すように、Ｙ軸用基準信号に同期してＹ軸駆動パルスが生成され、ミラー４がＹ軸回りに回動する。

ミラー４の回動により、ミラー４に設けられた検出コイルには、逆起電力が発生する。駆動状態検出部１５は、上記検出コイルで検出された逆起電力信号を例えば高速フィルターを通して高速のＹ軸逆起電力波形を抽出する。そして、抽出されたＹ軸逆起電力波形のゼロクロスを検出する。

ステップＳ１２においては、上記検出されたＹ軸ゼロクロスをＹ軸制御量算出部２１に読み込む。そして、ステップＳ１３に進んで、図３（ｄ）、（ｅ）に示すようにＹ軸用基準信号とＹ軸ゼロクロスとの位相差を検出する。詳細には、Ｙ軸用基準信号の１パルスが検出されるとクロック数のカウントを開始し、上記Ｙ軸ゼロクロスが検出されるまでのクロック数をカウントする。このようにしてカウントされたクロック数が検出位相差となる。この検出位相差は、同図（ｅ）に示すように、図示省略の記憶部に予め設定して保存された保持位相差と比較される。そして、上記検出位相差と保持位相差の差がＹ軸制御量Δｍとして算出される。

ステップＳ７においては、Ｙ軸駆動制御部２３でＹ軸制御量Δｍに基づいてＹ軸駆動パルスの生成タイミングが制御される。詳細には、Ｙ軸駆動パルスの１パルスが生成されてからクロック数がカウントされ、図３（ｄ）に示すＹ軸用基準信号のパルスの発生周期と同じクロック数ｍに対して、上記Ｙ軸制御量Δｍ分だけずれたクロック数に達したとき次のＹ軸駆動パルスの１パルスが生成される。即ち、保持位相差に対する検出位相差の差が＋Δｍであるときには、Ｙ軸駆動パルスの上記クロック数が（ｍ−Δｍ）となったときに、次のＹ軸駆動パルスの１パルスが生成される。また、保持位相差に対する検出位相差の差が−Δｍであるときには、Ｙ軸駆動パルスの上記クロック数が（ｍ＋Δｍ）となったときに、次のＹ軸駆動パルスの１パルスが生成される。なお、図３（ｅ）は上記位相差が＋Δｍであり、同図（ｆ）は、Ｙ軸駆動パルスのクロック数が（ｍ−Δｍ）となったときに、Ｙ軸駆動パルスの１パルスが生成される場合を一例として示している。

ステップＳ１４においては、前述したように、ミラー４の回動により、ミラー４に設けられた検出コイルに逆起電力が発生する。駆動状態検出部１５では、上記検出コイルで検出された逆起電力信号を例えば高速フィルターを通して高速のＹ軸逆起電力波形を抽出し、このＹ軸逆起電力波形のゼロクロスが検出される。そして、ステップＳ１２に戻り、ミラー４の駆動動作中、常時ステップＳ１２〜Ｓ１４が繰り返し実行される。

なお、上記位相制御は、位相ずれが検出されたリサジュー走査の一周期内では実行されず、次のリサジュー走査期間中に実行される。そして、上記位相制御は、リサジュー走査の一周期毎に繰り返され、上記位相ずれが１クロックの範囲内まで追い込まれる。

上記実施形態においては、ミラー４の駆動状態を検出するために検出コイルに発生する逆起電力波形を検出する場合について説明したが、本発明はこれに限られず、ミラー４及び可動板５に検出光を照射し、それらの反射光を検出してミラー４のＸ軸及びＹ軸回りの回動状態を検出してもよい。

上記実施形態は、本発明が理解及び実施できる程度に概略的に示したものであり、本発明はこれに限定されるものではない。本発明は、特許請求の範囲に示された技術的思想の範囲を逸脱しない限り種々に変更及び修正をすることができる。

２…駆動制御装置
４…ミラー
１０…駆動基準信号生成部
１１…位相調節部
１２…制御量算出部
１３…駆動制御部
１５…駆動状態検出部

Claims (6)

1. 直交するＸ軸及びＹ軸回りに回動するミラーにより光をリサジュー走査する光走査装置であって、
   前記リサジュー走査の一周期内に描画しようとするリサジューパターンに応じて、予め設定されたＸ軸及びＹ軸駆動基準信号に基づいて前記ミラーの各軸回りの回動を独立に制御する駆動制御装置を備えたことを特徴とする光走査装置。
2. 前記駆動制御装置は、描画しようとするリサジューパターンに応じて決まる位相差分だけ前記Ｘ軸及びＹ軸駆動基準信号に対して夫々位相調節されたＸ軸及びＹ軸用基準信号を生成し、該Ｘ軸及びＹ軸用基準信号を前記ミラーの各軸回りの回動制御に使用することを特徴とする請求項１記載の光走査装置。
3. 前記ミラーは、前記Ｘ軸及びＹ軸用基準信号に基づいて生成されるＸ軸及びＹ軸駆動パルスによって駆動されることを特徴とする請求項２記載の光走査装置。
4. 前記駆動制御装置は、前記ミラーのＸ軸及びＹ軸駆動波形を取得し、該Ｘ軸及びＹ軸駆動波形と前記Ｘ軸及びＹ軸用基準信号との間の検出位相差が、予め設定して保存された保持位相差と合致するように前記Ｘ軸及びＹ軸駆動パルスの生成を制御することを特徴とする請求項３記載の光走査装置。
5. 前記駆動制御装置は、前記Ｘ軸及びＹ軸駆動波形のゼロクロスを検出し、該ゼロクロスと前記Ｘ軸及びＹ軸用基準信号との間の位相差を前記検出位相差としたことを特徴とする請求項４記載の光走査装置。
6. 前記ミラーのＸ軸及びＹ軸駆動波形は、前記ミラーに敷設されて磁界中を搖動するコイルに発生するＸ軸及びＹ軸逆起電力波形であることを特徴とする請求項４又は５記載の光走査装置。