KR100901237B1 - 광 편향기 및 이를 이용하는 광학 기구 - Google Patents

광 편향기 및 이를 이용하는 광학 기구 Download PDF

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Abstract

온도와 같은 환경적인 외란에 관계없이 비교적 안정적으로 구동될 수 있도록 구성된 광 편향기는 상이한 주파수의 복수의 고유 진동 모드를 갖는 진동 시스템(160)과, 진동 유닛을 구동하는 구동 유닛과, 구동 유닛에 구동 신호를 공급하는 구동 제어 유닛을 포함하며; 진동 시스템(160)은 광 반사 요소(22)를 갖는 제1 진동자 가동 소자(11)와, 제1 비틀림 스프링(12)과, 제2 진동자 가동 소자(13)와, 제2 비틀림 스프링(14)과, 지지 부재(15)를 포함하고; 안정된 정현파 합성 구동이 가능하도록 고유 진동 모드의 주파수 및 주사 상태를 안정화시키기 위해서, 광 편향기는 제1 및/또는 제2 비틀림 스프링의 기계적인 변형을 검출하는 왜곡 검출 소자(25a, 25b)와, 발열 소자(19)를 더 포함한다.
진동 시스템, 제1 진동자 가동 소자, 제2 진동자 가동 소자, 제1 비틀림 스프링, 제2 비틀림 스프링, 지지 부재, 진동축, 반사면, 왜곡 검출 소자

Description

광 편향기 및 이를 이용하는 광학 기구 {OPTICAL DEFLECTOR AND OPTICAL INSTRUMENT USING THE SAME}
도1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 광 편향기의 평면도.
도2a는 본 발명의 제1 실시예에 따른 광 편향기의 종단면도.
도2b는 도 1의 A-A선을 따라 취한 본 발명의 제1 실시예에 따른 광 편향기의 단면도.
도3은 본 발명의 제1 실시예에 따른 광 편향기에 의해 주사 편향된 광의 변위각을 설명하기 위한 그래프.
도4는 본 발명의 제1 실시예에 따른 광 편향기에 의해 주사 편향된 광의 각속도를 설명하기 위한 그래프.
도5는 본 발명의 제1 실시예에서 반사면이 제공되는 진동 시스템의 측면의 구조를 도시하는 평면도.
도6은 본 발명의 제1 실시예에서 반사면이 제공되지 않는 진동 시스템의 측면의 구조를 도시하는 평면도.
도7은 본 발명의 제2 실시예에 따른 광 편향기의 평면도.
도8은 본 발명의 제2 실시예에 따른 광 편향기의 단면도.
도9a는 본 발명에서 이용 가능한 왜곡 검출 소자의 예를 도시하는 평면도.
도9b는 왜곡 검출 소자의 확산 저항체 재료를 도시하는 도9a의 선 C-C를 따라 취한 단면도.
도10은 본 발명에서 활용 가능한 왜곡 검출 소자의 예의 대응 회로도이다.
도11a는 본 발명의 제3 실시예에서 반사면이 제공된 진동 시스템의 측면의 구조를 도시하는 평면도.
도11b는 본 발명의 제3 실시예에서 반사면이 제공되지 않는 진동 시스템의 측면의 구조를 도시하는 평면도.
도12는 본 발명에 따라 왜곡 검출 소자와 가열기 와이어 구성의 예를 도시하는 평면도.
도13a는 본 발명에 따른 광 편향기의 제2 비틀림 스프링의 예를 도시하는 평면도.
도13b는 도13a의 제2 비틀림 스프링의 사시도.
도14는 본 발명의 광 편향기를 갖는 광학 기구의 실시예를 도시하는 사시도.
도15는 공지된 형식의 광 편향기를 설명하기 위한 블록도.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
11: 제1 진동자 가동 소자
12: 제1 비틀림 스프링
13: 제2 진동자 가동 소자
14: 제2 비틀림 스프링
15: 지지 부재
17: 진동축
22: 반사면
25a, 25b: 왜곡 검출 소자
26a, 26b, 26c, 26d: 압전 저항체
150: 고정 부재
160: 진동 시스템
본 발명은 광 편향기, 및 예컨대 화상 형성 장치 또는 디스플레이 장치와 같이 이런 광 편향기를 이용하는 광학 기구에 관한 것이다. 본 발명의 광 편향기는 화상이 광의 편향 주사에 기반하여 투사되는 투사 디스플레이 또는 예컨대, 레이저빔 프린터나 디지털 복사기 등과 같이 전자 사진식 프로세스를 구비한 화상 형성 장치에 적절히 이용 가능하다.
이런 광 편향기로는 반사면을 갖는 가동소자가 정현 진동되어 광을 편향시키는 다양한 유형의 광 주사 시스템이나 광 주사 장치가 제안되고 있다. 공진 현상을 기반으로 정현 진동을 수행하는 광 편향기를 이용하는 광 주사 시스템은 회전식 다각형 거울(다각 거울)을 이용하는 주사 광학 시스템에 비해 다음과 같은 장점이 있다. 즉, 광 편향기는 아주 소형화될 수 있고 소비전력이 낮으며, 특히 Si 단결정으로 제조되어 반도체 공정을 거쳐 생산되는 광 편향기는 이론적으로 금속 피로 를 겪지 않고 내구성이 우수하다.
이러한 광 편향기는 응용예에 따라, 일정한 주파수에서 구동될 수 있다. 따라서, 환경 온도 변화에 대해 주파수를 일정하게 유지하도록 하는 수단이 제안되었다. 예로서는 탄성 비틀림 레버에 의해 탄성적으로 지지되는 가동 소자를 갖는 진동자가 탄성 비틀림 레버를 가열하기 위한 가열 부재를 구비하여 탄성 비틀림 부재의 온도를 환경 온도 변화와 관계없이 일정하게 유지하고 공진 주파수를 안정화시키도록 하는 방법이 있다. 이러한 구조에서, 주파수 검출 요소가 주파수를 검출하도록 비틀림 레버에 추가될 수 있다(특허 문헌 1 및 2 참조).
한 쌍의 탄성 비틀림 레버에 의해 탄성 지지되는 가동 소자를 갖는 진동자가, 온도 상승시 강성을 변화를 취소시키는 방향으로 탄성 비틀림 부재에서 응력이 생성되어 공진 주파수를 안정화시키도록, 진동자보다 열팽창계수가 큰 부재에 고정되는 다른 방법이 있다(특허 문헌 3 참조).
또한, 실리콘에 변형이 발생되면, 그 전기 저항은 비틀림에 의해 발생되는 응력에 따라 변화하고, 이는 압전 저항 효과로써 공지된다. 이에 기초하여, 전기 저항이 주입 및 확산에 의해 실리콘의 확산 영역에 형성되고, 전술한 압전 저항 효과에 기초하여 변형을 검출하도록 이용되는 방법이 있다(비특허 문헌 1 참조).
한편, 공진 현상에 기반한 광 편향기 중에는 비틀림 진동방향으로 둘 이상의 고유 진동모드를 동시에 여기시켜 정현 광 주사와 다른 광 주사를 수행하는 방법을 이용하는 것도 있다. 이는 동일한 중심축에 대한 둘 이상의 고유 진동모드를 동시에 여기시켜 각속도가 거의 일정한 삼각파 형상 주사를 생성하는 광 편향기(특허문 헌 4)에 관한 것이다. 도15는 이런 유형의 광 편향기를 설명하는 블록도이다.
도15에서, 1012로 지시된 광 편향기는 제1 가동소자(1014)와, 제2 가동소자(1016)와, 이들 가동소자를 연결하여 탄성 지지하기 위한 제1 비틀림 스프링(1018)과, 제2 가동소자(1016) 및 기계 연마면(1023)를 탄성 지지하기 위한 제2 비틀림 스프링(1020)을 포함한다. 이들 구성요소 모두는 구동부(1030)에 의해 비틀림 축(1026)을 중심으로 비틀림 진동된다. 제1 가동소자(1014)는 광을 편향시키기 위한 반사면을 가지며, 광원에서 나온 광은 제1 가동소자(1014)의 비틀림 진동에 따라 주사 편향된다. 비틀림 축(1026)을 중심으로 한 비틀림 진동과 관련하여, 광 편향기(1012)는 기준 주파수의 1차 고유 진동모드와 기준 주파수의 대략 세 배인 주파수의 2차 고유 진동모드를 갖는다. 구동부(1030)는 두 주파수, 즉, 1차 고유 진동모드의 주파수와 이 주파수의 세 배이지만 위상이 동일한 주파수로 광 편향기(1012)를 구동시킨다. 따라서, 광 편향기(1012)는 동시에 2차 고유 진동모드와 함께 1차 고유 진동모드에 기반하여 비틀림 진동된다. 그 결과, 제1 가동소자(1014)에 의해 반사될 때 광의 편향 주사의 변위각은 이들 진동모드의 중첩에 기반하여 정현파 형상이 아닌 대략 삼각파 형상으로 변경된다. 그 결과, 편향 주사의 각속도와 관련하여, 거의 일정한 각속도 영역은 정현파에 기반한 변위각에 비해 더 넓게 된다. 따라서, 전체 편향 주사 범위에 대한 가용 영역의 비는 더 클 수 있다.
[특허 문헌]
1. 일본 특허 출원 공개 제H09-197334호
2, 일본 특허 출원 공개 제2004-69731호
3. 일본 특허 출원 공개 제2002-321195호
4. 미국 특허 제4,859,846호
[비특허 문헌]
1. 씨.에스.스미스(C.S. Smith) "물리적 고찰(Physical Review)"1954년 4월 1일자, Vol.94, 제1권 제42면 내지 제49면
전술한 특허 문헌 4에 도시된, 복수의 진동자 가동 소자와 복수의 비틀림 스프링을 갖는 진동 시스템에서, 다른 주파수의 정현파 합성 구동을 생성하기 위해서, 구동 파형의 개별 주파수 성분에 대해서 진폭과 위상을 원하는 값으로 유지하여야 한다. 실제의 작동 환경에서, 통상적으로 온도와 같은 환경으로부터의 교란 때문에, 이들 값은 쉽게 변화할 수 있고, 안정적인 구동을 달성하는 것이 어려워진다.
이러한 태양에서 본 발명은 공진 진동에 기초한 진동 시스템을 제공하고, 안정적인 정현파 합성 구동이 달성된다.
본 발명의 일 태양에 따라, 광 편향 요소를 갖는 제1 진동자 가동 소자, 제2 진동자 가동 소자, 상기 제1 및 제2 진동자 가동 소자와 서로 커플링되고 상기 제2 진동자 가동 소자에 대해 비틀림 진동하도록 상기 제1 진동자 가동 소자를 지지하도록 구성된 제1 비틀림 스프링, 지지 부재 및 상기 지지 부재와 상기 제2 진동자 가동 소자를 서로 커플링시키고 상기 지지 부재에 대해 제1 진동자 가동 소자의 진 동축과 동일한 축에 대해 비틀림 진동하도록 상기 제2 진동자 가동 소자를 지지하도록 구성된 제2 비틀림 스프링을 포함하는 진동 시스템과,
상기 진동 시스템으로 구동력을 인가하도록 구성된 구동 시스템과,
상기 구동 시스템으로 구동 신호를 공급하도록 구성된 구동 제어 시스템을 포함하고,
상기 진동 시스템은 상기 제1 및 제2 비틀림 스프링 중 하나 이상의 기계적인 변형을 검출하도록 구성된 왜곡 검출 소자와, 상기 진동 시스템을 가열하도록 구성된 발열 소자를 더 포함하고,
상기 진동 시스템은 진동축에 대해 상이한 주파수를 갖는 두 개 이상의 고유 진동 모드를 갖는 광 편향기가 제공된다.
본 발명의 다른 태양에 따라, 전술한 바와 같은 광 편향기의 구동 방법이 제공되며, 이는, 왜곡 검출 소자의 제1 검출 신호(예를 들어, 후술의 상대 측정에 의해 얻어질 수 있는 것, 즉 왜곡량의 상대값)에 기초하여 발열 소자의 발열량을 조절하기 위한 조절 단계와, 왜곡 검출 소자의 제2 검출 신호(예를 들어 왜곡량의 절대값과 같은 왜곡량 정보일 수 있음)에 기초하여 구동 시스템에 인가되는 구동 신호를 보정하기 위해 보정 신호를 생성하기 위한 보정 단계를 포함한다.
본 발명의 또다른 태양에 따르는 광학기구는, 광원과, 상술한 광 편향기와, 감광부재 및 화상 표시부재 중 하나를 포함하며, 상기 광 편향기는 상기 광원에서 나온 광을 편향시키고 편향된 광의 적어도 일부를 상기 감광부재나 화상 표시부재로 진행시키도록 구성된다.
본 발명에 따른 광 편향기는 발열 소자와 왜곡량 검출 요소를 갖는 진동 시스템을 포함할 수 있다. 따라서, 복수의 고유 진동 모드가 동시에 여기되면서 광학 주사를 수행하기 위해 광 편향기에 적용될 때, 안정적인 구동이 보장된다. 그 세부 사항은 본 발명의 실시예를 참조하여 후술된다.
본 발명의 이러한 그리고 그 밖의 목적, 특징 및 장점은 첨부도면과 함께 본 발명의 바람직한 실시예들에 대한 다음의 설명을 고려하여 보다 자명하게 될 것이다.
본 발명의 바람직한 실시예는 첨부된 도면을 참조하여 설명될 것이다.
본 발명의 일 실시예가 우선 설명된다. 이러한 실시예에 따라, 진동 시스템은 주사 상태의 방향을 안정화(가동 소자의 진동 상태)시킬 뿐 아니라, 복수의 고유 진동 주파수의 안정을 보장하여 안정적인 정현파 합성 구동을 달성하기 위해 발열 소자 및 기계적인 왜곡을 검출하기 위한 왜곡 검출 소자를 구비할 수 있다.
광원으로부터 광을 주사식으로 반사하기 위한 본 실시예에 따른 광 편향기는, 진동 시스템, 진동 시스템을 보유하기 위한 고정 부재, 진동 시스템에 구동력을 인가하기 위한 구동 유닛(후술하는 바와 같이, 예를 들어 자석과 코일을 포함할 수 있음), 구동 유닛에 구동 신호를 공급하기 위한 구동 제어 유닛을 포함할 수 있다. 본 실시예의 진동 시스템은 발열 소자, 기계적인 왜곡을 검출하기 위한 왜곡 검출 소자, 반사면(광 편향 요소)을 갖는 제1 진동자 가동 소자, 제2 진동자 가동 소자 및 지지 부재를 포함한다.
제1 진동자 가동 소자는 진동축에 대해 비틀림 진동하도록 제1 비틀림 스프링(탄성 지지 수단)에 의해 제2 진동자 가동 소자에 탄성적으로 커플링될 수 있다. 제2 진동자 가동 소자는 진동축에 대해 비틀림 진동하도록 제2 비틀림 스프링(탄성 지지 수단)에 의해 지지 부재에 탄성적으로 커플링될 수 있다. 지지 부재는 고정 부재에 고정될 수 있다. 진동 시스템은 상이한 주파수를 갖는 두 개 이상의 진동 모드를 가질 수 있고, 구동부는 이들 고유 진동 모드의 주파수에 부근에서 동시에 비틀림축에 대해 진동 시스템의 비틀림 진동을 야기할 수 있다.
본 발명의 이러한 실시예에 따른 광 편향기는 두 개의 진동자 가동 소자의 비틀림 진동에 대해 기계적인 왜곡을 검출하기 위한 왜곡 검출 소자와 발열 소자가 진동 시스템에 직접 제공되는 구조를 가질 수 있다. 여기서, 지지 부재, 제1 비틀림 스프링 및 제2 비틀림 스프링 중 적어도 하나는 이러한 발열 소자를 가질 수 있다. 이러한 구성에 의해, 환경 온도와 같은 외적 조건이 변화하더라도, 진동 시스템의 온도는 일정하게 유지될 수 있고, 그 결과, 모두 소정의 온도 특성을 갖는 진동 시스템의 고유 진동 모드의 주파수 뿐만 아니라 왜곡 검출 소자의 비틀림양 검출 출력은 안정화된다.
본 실시예는 진동 시스템의 온도를 일정하게 유지하기 위해 진동 시스템의 외부에 임의의 센서를 사용할 필요가 없다. 대신에, 진동 시스템의 고유 진동 모드의 주파수의 온도 특성과 왜곡 검출 소자의 비틀림 출력의 온도 특성이 조합하여 이용될 수 있고, 진동 시스템 온도는 환경 온도가 변화하더라도 일정하게 유지될 수 있다.
왜곡 검출 소자의 왜곡량 검출 신호의 절대값은 후술하는 본 발명의 실시예에서 사용된 압전 저항체에 기초한 왜곡 검출 소자와 유사하게 온도에 쉽게 변화할 수 있다. 그러나, 왜곡량의 상대 측정에 의해 얻어질 수 있는 상대값은 온도에 영향을 받지 않는다. 이러한 상대 측정은 비틀림이 생성되지 않는 타이밍의 측정 또는 비틀림의 상대 비교에 기초한다.
한편, 진동 시스템의 고유 진동 모드의 주파수는 진동 시스템의 온도에 대해 상호 관련된다. 따라서, 진동 시스템이 갖는 고유 진동 모드의 주파수를 측정함으로써, 진동 시스템의 온도가 추정될 수 있다.
이들 특성에 기초하여, 본 실시예에서는 우선, 진동 시스템의 고유 진동 모드의 주파수가 광 편향기에 사용되는 목표 주파수로 변화되도록 발열량을 제어하기 위해 발열 소자에 적절한 전압이 인가될 수 있다. 여기서, 임의의 외부 온도 센서를 이용하지 않고, 고유 진동 모드의 주파수는 왜곡 검출 소자로부터 출력된 왜곡량에 대한 정보에 기초하여 측정될 수 있고, 이에 기초하여 발열 소자에 인가되는 전압량을 제어할 수 있다.
고유 진동 모드의 주파수는 다양한 방법으로 측정될 수도 있다. 간단한 예로서는 한편으로는 구동 소자의 발생력과 함께 발열 소자로의 통전량을 일정하게 유지하고, 다른 한편으로는 구동 신호의 주파수를 변화시키면서 진동 시스템이 진동되는 것이다. 왜곡 검출 소자로부터 출력되는 왜곡량에 대한 정보를 비교하면서, 왜곡의 최대값이 측정되는 순간의 주파수가 고유 진동 모드의 주파수로서 검출된다.
일단 고유 진동 모드의 주파수가 목표 주파수로 조정되면, 진동 시스템의 고유 진동 모드의 주파수의 온도 특성에 의해, 광 편향기는 주위 환경 온도와 무관하게 안정적으로 고정된 온도를 가진다. 이는 고유 진동 모드의 주파수가 목표 주파수로 조정된 이후에는 온도가 일정함을 의미한다. 그 결과, 왜곡 검출 소자의 왜곡량의 출력의 절대값이 온도 특성을 가지더라도, 출력 오차는 매우 작아지고 출력은 확실하게 안정된다. 따라서, 전술한 바와 같이 이제 안정된 왜곡량 출력의 절대값에 기초하여, 구동 제어 유닛은 원하는 주사 작동을 달성하는데 필요한 만큼, 진동 시스템 내에서 여기되어야 하는 두 개의 주파수의 구동 신호의 크기 또는 위상을 보정하는 보정 신호를 생성할 수도 있다. 이러한 방식으로, 진동 시스템의 합성파 구동은 보다 안정화된다. 이는 본 실시예에서, 발열 소자 및 왜곡 검출 소자가 진동 시스템에서 조합하여 사용되고, 안정된 구동이 보장될 수 있는 이유이다.
전술한 바와 같은 본 실시예에 있어서, 2개의 고유 진동 모드의 주파수 및 왜곡 검출 소자의 왜곡량 출력을 안정화시키고 또한 합성파 구동을 안정화시키기 위해 발열 소자 및 왜곡 검출 소자가 진동 시스템에 제공될 수도 있다.
따라서, 본 발명이 화상 형성에 적용되는 경우, 광점이 안정적으로 생성된다. 또한, 렌즈가 광 편향기 뒤에 위치되는 경우에도, 광 주사의 위치와 속도 사이의 관계가 안정화된다. 따라서, 더 양호한 성능의 광 주사 유닛이 달성된다.
특히, 본 실시예에 있어서, 발열 소자가 진동 시스템에 직접 배치될 수도 있다. 따라서, 가열 영역의 열용량이 작게 될 수 있고, 온도 조절 및 안정화에 필요 한 시간이 단축될 수 있다. 따라서, 전력 소모도 낮게 될 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 광 편향기는 예를 들어 화상 표시 장치 또는 화상 형성 장치와 같은 광학 기구에서 이용 가능하다. 이와 같은 광학 기구는 광원, 앞서 인용된 광 편향기 그리고 감광 부재와 화상 표시 부재 중 하나를 포함할 수도 있다. 광 편향기는 광원으로부터의 광을 편향하고 편향된 광의 적어도 일부를 감광 부재 또는 화상 표시 부재 상으로 안내하는 기능을 한다.
다음으로, 본 발명의 구체적인 실시예가 도면을 참조하여 설명된다.
[제1 실시예]
도1, 도2a, 도2b, 도5 및 도6은 본 발명의 제1 실시예에 따른 광 편향기를 도시한다. 여기서, 도1은 평면도이다. 도2a는 도1의 지면에 수직이고 도1의 진동축(17)을 포함하는 평면을 따라 취한 단면도이다. 도2b는 도1의 선A-A를 따라 취한 단면도이다. 도5는 도1에 도시된 진동 시스템(160)의 구성 요소를 더 상세하게 설명하는 평면도이다. 도6은 바닥으로부터 본, 도5의 구성을 설명하는 평면도이다.
먼저, 본 실시예의 구동 원리가 그 구성과 함께 이후 설명된다. 본 실시예 에 있어서, 도1에 도시된 진동 시스템(160)은 이후 기술되는 구동 유닛을 통해, 진동축(17)을 중심으로 비틀림 진동을 만든다. 도1에 도시된 진동 시스템(160)의 구성 요소, 즉, 제1 진동자 가동 소자(11), 제1 비틀림 스프링(12), 제2 진동자 가동 소자(13), 제2 비틀림 스프링(14) 및 지지 부재(15)는 반도체 제조 방법에 따른 포토리소그래픽 공정 및 에칭 공정에 의해 단결정 실리콘 기판으로부터 일체식으로 생성된다. 따라서, 공정 정밀도가 높고, 극소형의 진동 시스템이 생성될 수 있다. 또한, 단결정 실리콘은 높은 영률 및 작은 밀도를 가지기 때문에, 진동자의 자중에 의한 변형이 작다. 따라서, 공진 동안에 큰 진폭 증폭률을 가지는 진동 시스템이 달성된다.
본 실시예에 있어서, 제1 진동자 가동 소자(11)는 진동축(17)에 수직 방향으로 사이즈가 3 mm이고 축에 평행한 방향의 사이즈가 1 mm이다. 진동 시스템(160)의 전체 길이는 약 15 mm이다. 제1 진동자 가동 소자(11)는 진동축(17)을 중심으로 한 비틀림 진동을 위해, 한 쌍의 제1 비틀림 스프링(12)에 의해 탄성 지지된다. 마찬가지로, 제2 진동자 가동 소자(13)는 진동축(17)을 중심으로 한 비틀림 진동을 위해, 한 쌍의 제2 비틀림 스프링(14)에 의해 탄성 지지된다. 따라서, 제1 진동자 가동 소자(11) 및 제2 진동자 가동 소자(13)는 진동축(17)을 중심으로 한 비틀림 진동을 위해, 직렬로 배치되고 탄성 지지된다.
제1 진동자 가동 소자(11)는 광을 편향하기 위한 광 편향 요소로서 반사면(22)을 구비하여 형성되고, 제1 진동자 가동 소자(11)의 비틀림 진동에 응답하여 광원으로부터의 광을 편향 주사하는 기능을 한다. 반사면(22)은 알루미늄으로 제조되고 진공 증착에 의해 형성된다. 반사면은 예를 들어 금 또는 구리 등과 같은 다른 재료로 제조될 수도 있다. 그 최외측 표면에 보호막이 형성될 수도 있다.
여기서, 제1 진동자 가동 소자(11)가 반사면(22)을 구비하여 형성되어야 하기 때문에, 구동 중 그 평탄성이 특히 중요하다. 이러한 예에 있어서, 제1 진동자 가동 소자(11)는 한 쌍의 비틀림 스프링(12)에 의해 그 대향 단부에서 지지된다. 따라서, 단일 스프링 지지와 비교하여, 그 자중에 의한 변형이 양호하게 억제되고 양호한 평탄성이 유지된다.
또한, 도1, 도2a, 도2b 및 도6에 있어서, 고정 부재(150) 및 구동 유닛이 도시된다. 이들 도면에 도시된 바와 같이, 본 실시예의 구동 유닛은 제2 진동자 가동 소자(13)에 부착된 영구 자석(151) 및 고정 부재(150)에 고정된 고정 코일(152)을 포함한다. 도2a, 도2b 및 도6에 도시된 바와 같이, 각각의 영구 자석(151)은 약 2 mm의 길이 및 150 μm × 150 μm의 단면 치수를 가지는 프리즘 형상의 금속 자석이다. 영구 자석(151)은 그 길이 방향을 따라 연장하는 편광(자기화) 방향을 가지고, 접착제에 의해 제2 가동 소자(13)에 고정된다.
도2a 및 도2b로부터 알 수 있는 바와 같이, 고정 부재(150)는 진동 시스템(160) 및 영구 자석(151)의 위치와 고정 코일(152)의 위치를 적절하게 유지시키는 기능을 한다. 구동 제어 유닛(153)으로부터의 구동 교류 전류의 적용에 응답하여, 고정 코일(152)은 도2b에 도시된 화살표(H)의 방향으로 교류 자장을 생성한다. 영구 자석(151)의 자속 밀도 방향이 화살표(B) 방향으로 있기 때문에, 고정 코일(152)에 의해 생성되는 자장은 진동축(17)을 중심으로 토크를 발생시키고, 이에 의해 진동 시스템(160)이 구동된다. 또한, 도2a에 도시된 바와 같이, 지지 부재(15)는 접착제에 의해 접착 영역(155)에서 고정 부재(150)에 부착된다. 또한, 도시된 바와 같이, 본 실시예의 광 편향기는 거기에 2개의 제2 비틀림 스프링(14)이 연결되는 지지 부재(15)를 고정하기 위한 2개의 접착 영역(155)을 가진다.
다음으로, 본 실시예에 따르는 광 편향기의 톱니 파형 진동의 구동 원리를 설명한다. 비틀림 축(17)을 중심으로 한 비틀림 진동에 대해 본 실시예의 진동 시스템(160)은 주파수(f1)의 1차 고유 진동모드와 기준 주파수의 대략 두 배인 주파수(f2)의 2차 고유 진동모드를 갖는다. 이런 진동 시스템(160)은 비틀림 진동에 대해 "2"의 자유도를 갖는 진동 시스템으로 취급될 수 있다.
한편, 고정 코일(152)은 기준 주파수(f0)(시스템의 응용 사양에 의해 결정된 목표 구동 주파수)와 기준 주파수의 대략 두 배인 주파수(2f0)에 기반한 합성 구동 신호에 따라 진동 시스템(160)을 구동시킨다. 기준 주파수(f0)와 고유 진동모드 주파수(f1, f2)는 후술하는 관계를 가지며, 본 실시예의 광 편향기는 고유 진동모드의 큰 동배율에 기반하여 낮은 소비전력으로 합성파 구동을 수행한다.
특히, 고유 진동모드 주파수(f1)는 기준 주파수(f0)에 가깝게 설계된다. 여기에서, 1차 및 2차 고유 진동모드의 모드 감쇠비(고유 모드 주파수에서 동배율의 피크의 날카로움을 나타내고 1/2Q와 대략 동일)가 각각 γ1과 γ2으로 표시되는 경우, 그 범위는 다음과 같이 표현된다.
[수학식 1]
Figure 112007039302592-pat00001
또한, 본 명세서에서는, 고유 모드 주파수(f1, f2) 사이의 주파수비에 대해서 다음의 범위가 설정되고, 이는 "대략 2배"라고 칭한다.
[수학식 2]
Figure 112007039302592-pat00002
또한, 본 실시예에서 주파수비는 다음 범위에 있다.
[수학식 3]
Figure 112007039302592-pat00003
본 실시예의 진동 시스템(160)에서, γ1은 대략 0.001이고 γ2는 대략 0.00025이다. 따라서, 수학식 1 내지 3을 통해, 본 실시예에서 f0과 2f0의 진동이 고정 코일(152)에 의해 두 개의 고유 진동모드의 피크 근처에서 여기되며 진동 시스템(160)은 이에 기반하여 구동됨을 알 수 있다. 특히, 수학식 1에 의해 한정된 범위에서, 정현파 합성 구동을 위한 소비전력의 주 성분인 주파수(f0)의 진동과 관련하여, 1차 고유 진동모드의 동배율이 큰 범위가 이용될 수 있다. 따라서, 광 편향기의 소비전력은 낮아진다.
이하, 구동 방법을 상세히 설명한다.
도3은 가로축을 시간(t)으로 한 그래프로서 주파수(f0)의 비틀림 진동 동안의 제1 진동자(11)의 변위각을 설명한다(본 명세서에서, 가동소자의 왕복 진동과 광 편향기에 의해 편향 주사된 광의 변위각은 상수만이 서로 다르기 때문에, 이들은 등가적으로 취급된다). 특히, 도3은 제1 진동자 가동소자(11)의 비틀림 진동의 일 주기(T0)에 대응하는 부분을 도시한다(-T0/2 < X < T0/2).
곡선 61은 고정 코일(152)을 구동하는 구동 신호의 기준 주파수(f0)의 성분을 나타낸다. 이는 최대 진폭 범위(±φ1) 내에서 왕복 진동하고 시간이 t이고 각 주파수가 w0 = 2πf0인 아래의 수학식 4에 의해 표현되는 정현 진동이다.
[수학식 4]
Figure 112007039302592-pat00004
한편, 곡선 62는 기준 주파수(f0)의 두 배인 주파수 성분을 나타내며 이는 최대 진폭 범위(±φ2)에서 진동하고 아래의 수학식 5에 의해 표현되는 정현 진동이다.
[수학식 5]
Figure 112007039302592-pat00005
곡선 63은 상술한 구동의 결과로서 생성된 제1 진동자 가동소자(11)의 비틀림 진동의 변위각을 나타낸다. 비틀림 축(17)을 중심으로 한 비틀림 진동에 대해, 광 편향기는 상술한 바와 같이 기준 주파수(f0)와 기준 주파수의 두 배인 주파수(2f0) 근처에서 조절되는 주파수(f1)의 고유 진동모드와 주파수(f2)의 2차 고유 진동모드를 갖는다. 따라서, θ1에 대응하는 구동 신호에 의해 여기되는 공진과 θ2에 대응하는 구동 신호에 의해 여기되는 공진이 모두 광 편향기에서 발생한다. 즉, 곡선 63에서 제1 진동자 가동소자(11)의 변위각은 이들 두 개의 정현 진동의 중첩에 의한 진동에 따르며, 다시 말해 아래의 수학식 6에 의해 표현되는 톱니파형 진동이 생성된다.
[수학식 6]
Figure 112007039302592-pat00006
도4는 도3의 곡선 61 및 63과 직선 64를 미분함으로써 얻어지는 곡선 61a 및 63a과 직선 64a를 도시하며 이들 곡선의 각속도를 설명한다. 기준 주파수(f0)의 정현 진동의 각속도를 도시하는 곡선 61a에 비해, 제1 진동자 가동소자(11)의 톱니파형 왕복 진동의 각속도를 도시하는 곡선 63a는, 구간 N-N'에서 각속도가 각각 최대값에서의 각속도 V1 및 최소값에서의 각속도 V2에 대응하는 상한 및 하한을 갖는 범위에서 유지된다. 따라서, 광 편향기를 이용하는 광 편향 주사에 기반한 용도에서, V1과 V2는 일정한 각속도 주사에 대응하는 직선 64a로부터 각속도의 가용 오차 범위 내에 존재하며, 구간 N-N'는 사실상 일정 각속도 주사 영역으로 간주될 수 있다.
상술한 바와 같이, 정현파를 따르는 변위각에 기반한 진동에 비해, 톱니파형 왕복 진동은 편향 주사의 각속도에 대해 각속도가 사실상 일정한 훨씬 더 넓은 영역을 제공한다. 따라서, 전체 편향 주사 영역에 대한 가용 영역의 비율은 현저히 확장된다. 또한, 톱니파형 구동은 규칙적인 주사선 간격을 보장하고 이는 예컨대, 프린터 용도에 특히 유익하다.
비록 상술한 내용은 고유 진동모드의 주파수(f1, f2)가 후자가 전자의 대략 두 배인 "두 배" 관계를 갖는 예를 참조하여 설명했지만, 후자가 전자의 대략 세 배인 "세 배" 관계도 설정될 수 있다. 이 경우, "두 배" 관계와 마찬가지로, 정현파의 중첩에 기반한 진동을 통해 톱니파형 진동이 된다. 이는 광의 왕복 주사를 이용할 수 있도록 하기 때문에, 소정 가용 주파수에서의 주사선의 수가 두 배로 될 수 있다.
그런데, 정현 진동이 단일의 주파수에 기초하여 이루어지는 광 편향기에 있어서, 주사 진폭을 원하는 값으로 설정하는 것만으로 안정된 주사가 얻어질 수 있다. 고유 진동 모드의 주파수가 어긋난 경우에도, 주사 중심으로부터의 대향 단부의 최대 진폭의 대칭성(즉, 주사의 대칭성) 또는 광 주사의 파형(즉, 정현파)은 거의 변화되지 않는다.
그러나, 본 실시예에서와 같이 복수의 정현파를 합성시킴으로써 특징적인 구동이 이루어지는 진동 시스템에 있어서, 합성될 개별 정현파의 진폭 또는 위상이 목표치로부터 벗어나는 경우, 주사 진폭뿐만 아니라, 주사의 대칭성이나 수학식 6에 정의된 톱니 파형의 주사 파형이 악영향을 받는다.
따라서, 수학식 6에 따라 구동을 행하기 위해서는, 다음 식에 있어서의 3개의 변수, φ1, φ2 및 α을 목표치로 취하고 이들을 일정하게 유지하는 것이 매우 중요하다.
[수학식 7]
θ = θ1 + θ2 = φ1sin[w0t] + φ2sin[2w0t + α]
여기서, 진동 시스템(160)의 2개의 고유 진동 모드의 주파수(f1, f2)와 목표 구동 주파수(f0, 2f0)의 주파수차에 따라, 실제로 생성되는 진폭과 구동 신호로부터의 위상 지연은 상이하다. 따라서, 고유 진동 모드의 주파수(f1, f2)가 변화하면, 수학식 7의 3개의 변수, Φ1, Φ2, α가 각각 변화하여, 주사 파형의 열화를 야기한다.
특히, 광 편향기는 주위 환경 온도에 매우 민감하고, 진동 시스템(160)을 구성하는 부품의 영률, 체적 또는 응력 상태는 변화되기 쉽다. 이들의 변화는 진동 시스템(160)의 고유 진동 모드의 주파수(f1, f2)의 변화를 차례로 야기한다. 예를 들면, 본 실시예의 광 편향기에서는, 1차 고유 진동 모드의 주파수(f1)는 (Δf1/f1)/ΔT = 160 ppm/K의 온도 변화율을 가지고, 2차 고유 진동 모드의 주파수(f2)는 (Δf2/f2)/ΔT = 170 ppm/K의 온도 변화율을 가진다.
수학식 7의 3개의 변수, φ1, φ2 및 α가 주위 환경 온도의 변화에 따라 변화 가능하기 때문에, 정현파 합성 구동은 불안정하다. 따라서, 이로부터, 주변 환경 온도의 변화에 대하여 진동 시스템(160)의 온도가 일정하게 되는 경우, 정현파 합성 구동이 안정하게 될 수 있음을 알 수 있다. 또한, 수학식 7의 3개의 변수, φ1, φ2 및α가 정확하게 검출되면, 구동 신호는 원하는 합성파 주사를 보장하도록 검출된 변수 값에 따라 보정될 수 있다. 따라서, 보다 안정적인 구동이 얻어질 수 있다.
이러한 발견에 기초하여, 본 실시예에서는, 도5에 도시된 바와 같이, 가열기 와이어(19) 및 왜곡 검출 소자(25a, 25b)가 진동 시스템(160)에 제공된다.
도5는 진동 시스템(160)의 부품을 더 상세하게 도시한 평면도이다. 특히, 반사면(22)이 형성되는 측면에서의 구성을 도시하고 있다. 가열기 와이어(19)는 도시된 바와 같이 지지 부재(15)를 따라 주위로 연장한다. 전극 단자(23)는 가열기 와이어의 대향 단부에 형성되고, 이들 단자(23)는 가열기 와이어(19)에 전류를 적용하기 위한, 도시하지 않은 구동 전원에 접속된다. 왜곡 검출 소자(25a, 25b)는 제1 및 제2 비틀림 스프링(12, 14) 상에 개별적으로 형성된다. 왜곡 검출 소자(25a, 25b)는 전극 단자(24)에 개별적으로 전기적으로 접속된다. 이들 전극 단자(24)는 모두 도시되지 않은 구동 전원 회로 및 검출 회로에 접속된다.
본 실시예에 있어서, 가열기 와이어(19)는 알루미늄으로 제조된 박막 저항이다. 가열기 와이어(19)는 다음과 같이 형성될 수 있다. 진동 시스템(160)을 드라이 에칭하기 전 공정에서, 알루미늄 코팅이 진공 증착에 의해 형성된다. 이어서, 알루미늄 박막은 포토리소그래피에 의해 패터닝되어서, 도5에 도시된 바와 같은 형상의 가열기 와이어(19)가 달성된다. 가열기 와이어(19)에 전압이 가해지는 작동시, 적용되는 전류량에 따라 열이 발생된다. 따라서, 가열기 와이어(19)에 의해, 진동 시스템(160)의 온도는 전체적으로 제어될 수 있다.
여기서, 진동 시스템(160)은 단결정 실리콘으로 일체로 형성되고, 양호한 열전도성을 가진다. 따라서, 가열기 와이어(19)에 의해 발생되는 열은 진동 시스템(160)으로 효율적으로 전달될 수 있다. 또한, 가열기 와이어(19)는 지지 부재(15)에만 형성되고, 이는 가열기 와이어(19)가 기계적인 변형이 쉽게 발생하지 않는 부분에 형성되는 것을 의미한다. 따라서, 가열기 와이어(19)의 단선은 양호하게 억제된다.
도9a는 왜곡 검출 소자(25a)가 형성되는 제1 비틀림 스프링 부분의 확대 평면도이다. 도시된 바와 같이, 왜곡 검출 소자(25a)는 도10에 도시된 바와 같은 휘트스톤 브릿지 회로를 구성하는 4개의 압전 저항체(26a, 26b, 26c, 26d)를 포함한다. 전기 와이어(27)가 이들 압전 저항체(26a, 26b, 26c, 26d)에 접속되고, 이들 와이어는 도5에 도시된 바와 같이 타단부에서 전극 단자(24)에 접속된다.
도9b는 도9a의 선C-C를 따라 취한 단면이다. 압전 저항체(26c)는 인을 p형 단결정 실리콘인 제1 비틀림 스프링(12)에 확산시킴으로써 제조되는 확산 저항 물질을 포함한다. 절연층(28)으로서 실리콘 산화막이 저항 물질 상에 형성된다. 나머지 3개의 압전 저항체(26a, 26b, 26d)는 유사한 단면 구성을 가진다. 또한, 제2 비틀림 스프링(14) 상에 형성되는 왜곡 검출 소자(25b)는 유사한 구조를 가진다. 따라서, 왜곡 검출 소자(25a, 25b)는 전술한 방식으로 동시에 제조될 수 있다. 따라서, 이들은 염가로 제조될 수 있다.
또한, 진동 시스템(160)이 단결정 실리콘으로 이루어지기 때문에, 불순물을 제1 또는 제2 비틀림 스프링(12 또는 14) 내부로 확산시킴으로써 제조되는 확산 저항 물질에 기초하여 이들 왜곡 검출 소자는 일체로 형성될 수 있다. 이는 염가 생산을 가능하게 한다.
다음으로, 도10에 도시된 왜곡 검출 소자(25a)의 등가 회로를 참조하여, 진동자 가동 소자의 변위각 검출 원리가 설명될 것이다. 도10에 도시된 바와 같이, 4개의 압전 저항체(26a, 26b, 26c, 26d)는 휘트스톤 브릿지 회로를 구성한다. 도9a에 도시된 바와 같이, 이들 압전 저항체(26a, 26b, 26c, 26d)는 진동축(17)에 대하여 45°기울어져 형성되기 때문에, 진동축(17) 주위에서의 비틀림 변위가 제1 비틀림 스프링(12)에서 발생되면, 이는 길이 방향으로의 압전 저항체(26a, 26b, 26c, 26d)의 큰 왜곡을 야기한다. 전술된 압전 저항 효과에 의해, 이러한 왜곡은 4개의 압전 저항체(26a, 26b, 26c, 26d)의 전기 저항값의 변화를 야기한다.
여기서, 도10에 도시된 등가 회로에 있어서, 압전 저항체(26a, 26b, 26c, 26d)는 왜곡이 없는 상태에서 전기 저항값(R0)을 가진다. 배치의 대칭성에 기인하여, 압전 저항체(26a, 26c)와 압전 저항체(26b, 26d)는 동일 방향 및 동일 크기로 왜곡을 받게 될 것이다. 이어서, 압전 저항 효과에 기초하여, 왜곡에 대응한 전기 저항 변화율이 ξ1, ξ2으로 표시되면, 왜곡이 적용되는 압전 저항체(26a, 26b, 26c, 26d)의 전기 저항값(R1, R2, R3, R4)은 다음 식으로 표현된다.
[수학식 8]
R1 = R3 = (1 + ξ1)R0
[수학식 9]
R2 = R4 = (1 - ξ2)R0
따라서, 도10에 도시된 바와 같은 브릿지 회로에 적용되는 구동 전원 전압(Vi)에 대응하여, 왜곡에 기인한 전기 저항 변화는 출력 전압(V0)으로서 다음과 같이 출력된다.
[수학식 10]
Figure 112007039302592-pat00007
전술된 방식에서, 제1 비틀림 스프링(12)의 비틀림 변위에 응답하여, 출력 전압(V0)이 생성된다. 이어서, 도시되지 않은 검출 회로에 의해 출력 전압(V0)을 측정함으로써, 제1 비틀림 스프링(12)의 비틀림 변위가 검출될 수 있다. 제2 비틀림 스프링(14)에 제공되는 왜곡 검출 소자(25b)는 유사한 원리에 따라 작동하고 제2 비틀림 스프링(14)의 비틀림 변위는 검출될 수 있다. 따라서, 왜곡 검출 소자(25a, 25b)의 검출 신호에 기초하여, 제1 및 제2 진동자 가동 소자(12, 13)의 변위 각이 검출된다. 또한, 검출 신호가 시간에 대한 변위 각도의 변화에 따라 출력되기 때문에, 검출 회로(도시 생략)를 사용함으로써 제1 및 제2 진동자 가동 소자(11, 13)의 구동 주파수 및 고정 코일(152)의 구동 신호로부터의 위상 지연을 검출하는 것이 가능하다. 또한, 고정 코일(152)을 일정 전류로 다른 주파수에서 구 동하고 왜곡 검출 소자(25a, 25b)의 출력 전압(V0)을 비교함으로써, 고유 진동 모드의 주파수를 검출하는 것이 가능하다.
전술된 바와 같이, 왜곡 검출 소자가 비틀림 스프링에 배치되고, 비틀림 스프링이 2개의 진동자 가동 소자의 변위에 기인한 큰 기계적인 왜곡을 받기 때문에, 변위 각은 이러한 왜곡 검출 소자에 의해 효과적으로 검출될 수 있다.
전술된 방식에 있어서, 왜곡 검출 소자(25a, 25b)의 사용은 수학식 7에 도시된 정현파 합성 구동의 3 변수, φ1, φ2 및 α 그리고 고유 진동 모드의 주파수(f1, f2)의 검출을 가능하게 한다. 그러나, 왜곡 검출 소자(25a, 25b)의 ξ1 및 ξ2로 표시되는 전기 저항 변화율은 온도에 대해 변화 가능하다. 그 결과, 주위 환경 온도가 변화되면, 왜곡에 대한 출력 전압(V0)의 절대값은 불안정하게 된다. 따라서, 주위 환경 온도가 변화하면, 수학식 7의 φ1, φ2와 같은 변수가 정확하게 검출될 수 없다.
따라서, 이러한 문제점은 이후 기술될 방식으로 본 실시예에서 제거되고, 주위 환경 온도에 무관하게, 고유 진동 모드의 주파수(f1, f2)는 목표 주파수 부근에서 안정화되고, 추가로 3개의 변수, φ1, φ2 및 α는 정확하게 검출된다.
이를 위해, 히터 선(19)의 발열량은 왜곡 검출 소자(25a, 25b)에 의해 검출된 고유 진동 모드의 주파수(f1, f2)의 검출값에 기초하여 조절되므로, 주파수(f1, f2)는 각각 그들의 목표 주파수(f0, 2f0) 근방으로 일정하게 조정된다. 여기서, 고유 진동 모드의 주파수(f1, f2)는 전술된 출력 전압(V0)과 비교함으로써 검출된다. 이는 환경적인 온도 변화에 민감한 출력 전압(V0)의 절대값의 정확도에 의해 쉽게 영향받지 않는 비교 검출량이다. 따라서, 주파주 조정은 환경적인 온도 변화에 관계없이 정확하게 실시될 수 있다.
광 편향기 온도와 고유 진동 모드 주파수 사이에 양호한 상호관계가 있기 때문에, 히터 선(19)을 이용하는 고유 진동 모드 주파수 조절은 환경적인 온도 변화에 관계없이 실질적으로 일정한 광 편향기 온도를 보장한다. 따라서, 고유 진동 모드 주파수(f1, f2)가 조정된 후, 왜곡 검출 소자(25a, 25b)의 전기 저항 변화율(ξ1, ξ2)은 실질적으로 일정하게 된다. 설명한 바와 같이, 주파수 조정후, φ1 및 φ2 등의 정확한 값이 검출될 수 있다. 따라서, 구동 제어부는 이들 검출값에 기초하여 소망의 정현파 합성 구동이 이루어질 수 있도록 구동부에 공급되는 구동 신호를 보정할 수 있다.
본 실시예에 따른 광 편향기에 있어서, 전술한 바와 같이, 히터 선(발열 소자)과 왜곡 검출 소자가 이용되어, 환경적인 온도 변화에 관계없이, 양호한 정현파 합성 구동이 안정적으로 실행된다.
[제2 실시예]
도7 및 도8은 본 발명의 제2 실시예에 따른 광 편향기를 도시한다. 도7은 평면도이고, 도8은 진동축(17)을 가지며 도면의 지면에 수직한 평면을 따라서 취한 단면도이다. 이들 도면에 있어서, 제1 실시예의 요소와 유사한 기능을 갖는 요소는 동일한 부호로 표시하였다. 이후, 제1 실시예와 유사한 기능을 갖는 이들 부분의 설명은 생략하고, 구별되는 특징부만이 설명된다. 도7 및 도8에 도시된 바와 같이, 본 실시예의 광 편향기는 제1 진동자 가동 소자(11), 제1 비틀림 스프링(12), 제2 진동자 가동 소자(13), 제2 비틀림 스프링, 지지 부재(15) 및 반사면(22)을 포함하고, 이들 모두는 재료, 구조 및 기능면에서 제1 실시예의 것과 유사하다.
본 실시예의 진동 시스템(160)은 도5 및 도6에 도시된 제1 실시예와 유사한 구성요소를 포함한다. 즉, 도5 및 도6에 도시된 바와 같이, 왜곡 검출 소자(25a, 25b)는 각각 제1 및 제2 비틀림 스프링(12, 14)에 위치되어, 제1 및 제2 진동자 가동 소자(11, 13)의 진동에 응답하여 왜곡을 검출한다. 또한, 지지 부재(15)에는 도시된 바와 같이 히터 선(19)이 설치되어 있으며, 이러한 히터 선은 전압 인가에 응답하여 열을 발생시켜 진동 시스템(160)의 온도를 제어한다.
제1 실시예와 비교했을 때, 본 실시예는 진동축(17) 방향의 응력이 제1 및 제2 비틀림 스프링(12, 14)으로 쉽게 전달되지 않는 구조를 갖는다. 이는 고유 진동 모드의 주파수(f1, f2)의 안정화를 촉진한다.
진동축(17) 방향의 응력이 제1 및 제2 비틀림 스프링(12, 14)에 가해지면, 이들의 단면 형상에 따라서 이들 스프링의 스프링 상수가 변한다. 본 실시예의 제 1 및 제2 비틀림 스프링(12, 14)은 직사각형 단면 형상을 갖는다. 그 단면의 종횡비가 클 경우, 스프링 상수는 이하와 같이 근사될 수 있다.
[수학식 11]
Figure 112007039302592-pat00008
여기서, K는 비틀림 스프링의 스프링 상수이고, G는 가로 탄성 계수이고, σ는 진동축(17) 방향의 응력이다. 도13a는 제2 비틀림 스프링(14)의 평면도이고, 도13b는 진동축(17)에 수직한 평면을 따라서의 단면을 도시하는 단면사시도이다. 이들 도면에서 알 수 있는 바와 같이, 수학식 11에서 L은 비틀림 스프링의 길이이고, t는 비틀림 스프링의 폭이며, b는 비틀림 스프링의 두께이다.
수학식 11에 따르면 진동축 방향의 응력(σ)이 증가함에 따라 스프링 상수(K)가 증가한다. 이를 위한 계수는 비틀림 스프링의 폭(t)과 두께(b) 사이의 비의 제곱항을 갖는다. 본 실시예의 제1 및 제2 비틀림 스프링은 동일한 두께(b)를 가지지만, 그들의 폭(t)은 상이하다. 따라서, 이들이 동일한 응력(σ)을 받을 경우에도, 스프링 상수의 변화율은 다르다. 이는, 응력(σ)이 제1 및 제2 비틀림 스프링(12, 14)에 전달될 때, 진동 시스템(160)의 고유 진동 모드의 주파수(f1, f2)가 응력(σ)에 의해 상이한 변화율로 변화되도록 한다.
이러한 것을 고려하여, 본 실시예에서는, 고유 진동 모드의 주파수(f1, f2)의 보다 안정화를 위해, 광 편향기는 응력(σ)이 제1 및 제2 비틀림 스프링(12, 14)으로 거의 전달되지 않도록 하는 구조를 갖는다. 특히, 이를 위해 하기의 구조가 사용된다. 도7 및 도8에 도시된 바와 같이, 본 실시예에서, 접착 영역(155)은 제1 및 제2 진동자 가동 소자(11, 13)가 형성되는 위치로부터 멀리 떨어진 P-P 선의 일측에만 형성되고, 상기 선은 진동축(17)에 수직하며 쌍으로 된 제2 비틀림 스프링(14) 중 어느 하나와 지지 부재(15) 사이의 접속점(E)을 통해 연장한다. 이러한 구조에 의하면, 지지 부재(15)의 접착 영역(155)에 있어서 접착제의 수축, 고정 부재(150)의 변형, 고정 부재(150)과 진동 시스템(160) 사이의 열팽창에 있어서의 차이 등과 같은 각종 요인에 의해 진동 시스템(160)에 가해지는 진동축(17) 방향의 응력은 지지 부재(15) 이외의 부분에는 전달되지 않을 수 있다. 즉, 응력은 제1 및 제2 비틀림 스프링(12, 14)에 거의 전달되지 않는다.
전술한 구조를 갖는 본 실시예의 광 편향기에서, 1차 및 2차 고유 진동 모드의 주파수(f1, f2)의 온도 변화율은 (Δf/f)/ΔT = -46ppm/K 이다. 이러한 구조에 의해, 진동축(17) 방향의 응력(σ)은 고유 진동 모드의 주파수(f1, f2)에 있어서 변화를 거의 발생시키지 않는다. 따라서, 주파수(f1, f2)는 보다 안정될 수 있다.
또한, 본 구조는 고유 진동 모드의 주파수의 온도 이외의 변화 요인이 제거된 것으로 되어 있으므로, 고유 진동 모드의 주파수 조정에 기초한 광 편향기의 온도 안정화가 더 정확하게 달성될 수 있으며, 그 결과, 왜곡 검출 소자(25a, 25b)의 출력이 보다 안정될 수 있다. 이들 검출값에 기초하여, 구동 유닛의 구동 신호는 소망의 정현파 합성 구동을 달성하도록 보다 정확하게 수정될 수 있다.
또한, 본 실시예에서, 진동 시스템(160)으로부터 열전도에 의해 고정 부재(150)에 전달되는 열이 지나는 경로는 일 위치, 즉 접착 영역(155)에만 형성된다. 따라서, 2개의 경로를 갖는 구조와 비교했을 때, 열저항이 커지므로 온도 조절을 위한 전력 소비가 작아진다.
[제3 실시예]
도11a 및 도11b는 본 발명의 제3 실시예에 따른 광 편향기를 도시한다. 도11a는 진동 시스템(160)의 반사면(22)이 형성되어 있는 측의 구성을 도시하는 평면도이다. 도11b는 바닥에서 본 평면도이다. 이들 도면에 있어서, 제1의 실시예의 구성요소와 유사한 기능을 갖는 구성요소는 동일한 부호로 표시된다. 이하, 제1 실시예와 유사한 기능을 갖는 부분의 설명은 생략하고, 상이한 특징부만을 상세하게 설명한다. 도11a 및 도11b에 도시한 바와 같이, 본 실시예의 광 편향기는 제1 진동자 가동 소자(11), 제1 비틀림 스프링(12), 제2 진동자 가동 소자(13), 제2 비틀림 스프링(14), 지지 부재(15) 및 반사면(22)을 포함하며, 이들 모두는 재료, 구조 및 기능면에서 제1의 실시예 것과 유사하다. 제1 실시예와 비교했을 때, 본 실시예의 광 편향기는 단지 1개의 제1 비틀림 스프링(12) 및 제2 비틀림 스프링(14)을 구비한다. 단일 비틀림 스프링 구조를 이용함으로써, 진동축(17) 방향의 진동 시스템(160)의 크기를 소형화할 수 있다.
또한, 진동 시스템(160)으로부터 열전도에 의해 고정 부재(150)에 전달되는 열이 지나는 경로가 단일 비틀림 스프링에만 형성된다. 따라서, 한쌍의 비틀림 스프링을 갖는 구조와 비교했을 때, 열저항이 커지므로 온도 조절을 위한 전력 소비 가 더욱 작아진다. 게다가, 단일 스프링[제2 비틀림 스프링(14)] 구조로 인해 지지 부재(15)의 크기가 보다 작아질 수 있기 때문에, 온도 조절을 위한 전력 소비가 더욱 작아진다.
제2 실시예와 마찬가지로, 지지 부재(15)는 단일 접착 영역(155)에서만 고정 부재(150)(도11a 및 도11b에 도시되지 않음)에 접착된다. 따라서, 본 구조에 있어서, 진동축(17) 방향의 응력이 제1 및 제2 비틀림 스프링(12, 14)에 거의 전달되지 않으며, 제2 실시예와 유사한 효과가 얻어질 수 있다.
본 실시예에서, 도11a에 도시한 바와 같이, 제1 및 제2 히터 선(20, 21) 및 왜곡 검출 소자(25a, 25b)는 제1 및 제2 비틀림 스프링에 각각 설치되어 있다. 이들 히터 선 및 왜곡 검출 소자는 지지 부재(15)상에 형성된 전극 단자(도시되지 않음)를 거쳐서 구동 전원 회로 및 검출 회로에 각각 전기적으로 접속되어 있다. 본 실시예에서, 광 편향기의 온도 변화에 의해 발생하는 고유 진동 모드의 주파수 변화에 가장 영향을 주는 부분만의 온도가 효과적으로 조정될 수 있도록 발열 소자는 비틀림 스프링에만 설치된다.
도12는 제1 히터 선(20)과 왜곡 검출 소자(25a)가 설치되는 제1 비틀림 스프링(12) 부분의 확대 평면도이다. 제1 실시예와 마찬가지로, 왜곡 검출 소자(25a)는 4개의 압전 저항체(26a, 26b, 26c, 26d)를 갖는 브릿지 회로를 포함한다. 또한, 압전 저항체(26a 내지 26d)와 마찬가지로, 제1 히터 선(20)은 p형 실리콘 기판에 불순물로서 인을 확산시킴으로써 이루어진 확산 저항체 재료에 의해 형성된다. 따라서, 히터 선(20)과 압전 저항체(26a 내지 26d)는 반도체 제조 공정에서 이용되 는 불순물 확산 공정을 통해 동시에 형성될 수 있다. 제2 비틀림 스프링(14)에 설치되는 제2 히터 선(21)과 왜곡 검출 소자(25b)는 도12에 도시된 것과 유사한 구성을 갖는다.
제1 히터 선(20)과 제2 히터 선(21)은 생략될 수 있으며, 그 위치에 왜곡 검출 소자(25a, 25b)가 발열 소자로서 이용될 수도 있다. 특히, 왜곡 검출을 위한 구동 전압(Vi)(도10 참조)을 변화시킴으로써, 4개의 압전 저항체(26a 내지 26d)의 발열량이 조절될 수 있고, 그에 따라 고유 진동 모드의 주파수(f1, f2)를 각각의 목표 구동 주파수(f0, 2f0)로 조정한다. 이렇게 함으로써, 왜곡 검출 소자(25a, 25b)를 통해 왜곡 검출을 위한 신호 변환 효율(전기 저항의 변화율)이 온도에 의존할 수 있을지라도, 전술한 발열량 조절후, 이러한 효율은 안정적으로 일정하게 될 수 있다.
또한, 왜곡 검출 소자가 발열 소자로서 기능하는 구조에 의해, 필요한 전기적인 배선의 수가 감소되고, 따라서 전극 단자(도시하지 않음)의 수가 감소된다. 그에 따라, 진동 시스템(160)은 소형화될 수 있다. 또한, 배선 공정이 단순화되기 때문에, 광 편향기는 염가로 제조될 수 있다. 또한, 배선의 단선 가능성이 줄어든다.
[제4 실시예]
도14는 본 발명에 따르는 광 편향기가 합체된 광학기구의 실시예를 도시하는 개략 사시도이다. 본 예에서는 화상 형성 장치가 광학기구로서 도시되어 있다. 도14에서, 3003은 본 발명에 따르는 광 편향기를 지시하며 광 편향기는 입사하는 광을 1차원적으로 주사하는 기능을 한다. 3001은 레이저 광원을 지시하고 3002는 렌즈 또는 렌즈 그룹을 지시한다. 3004는 기록 렌즈 또는 렌즈 그룹을 지시하고 3005는 드럼형 감광부재를 지시한다.
레이저 광원(3001)에서 방출된 레이저 빔은 광의 편향 주사 타이밍에 관련된 소정의 강도 변조를 받는다. 강도 변조된 광은 렌즈 또는 렌즈 그룹(3002)을 통해 진행하며 광 주사 시스템(광 편향기)(3003)에 의해 1차원적으로 주사 편향된다. 주사 편향된 레이저 빔은 감광부재(3005) 상의 기록 렌즈 또는 렌즈 그룹(3004)에 의해 집속되어 감광부재에 화상을 형성한다.
감광부재(3005)는 회전축을 중심으로 주사 방향에 수직한 방향으로 회전하며 도시 안된 대전 장치에 의해 균일하게 대전된다. 광을 이용하여 감광부재 표면을 주사함으로써, 주사된 표면 부분에는 정전 잠상이 형성된다. 그 후, 도시 안된 현상 장치를 이용함으로써, 토너 화상이 정전 잠상에 따라 생성되고 도시 안된 전사 용지로 전사되어 정착됨으로써, 화상이 용지에 생성된다.
본 발명의 광 편향기(3003)를 이용함으로써, 광의 편향 주사의 각속도는 감광부재(3005) 표면의 유효 영역 내에서 거의 균등하게 될 수 있다. 또한, 안정적으로 구동될 수 있는 본 발명의 광 편향기를 이용함으로써, 안정적인 성능을 갖는 화상 형성 장치가 달성된다.
비록 본 발명은 본 명세서에 개시된 구조를 참조하여 설명되었지만, 본 발명은 그 세부 사항으로 국한되지 않으며 본 출원은 개선 목적이나 아래의 특허청구범 위에 속하는 변경이나 개조를 포괄한다.
본 발명에 의하면 광 편향기는 온도와 같은 환경적인 외란에 관계없이 비교적 안정적으로 구동될 수 있다.

Claims (8)

  1. 광 편향기이며,
    광 편향 요소를 갖는 제1 진동자 가동 소자, 제2 진동자 가동 소자, 상기 제1 및 제2 진동자 가동 소자를 서로 커플링하고 상기 제2 진동자 가동 소자에 대해 비틀림 진동하게끔 상기 제1 진동자 가동 소자를 지지하도록 구성된 제1 비틀림 스프링, 지지 부재, 및 상기 지지 부재와 상기 제2 진동자 가동 소자를 서로 커플링하고 상기 지지 부재에 대해 제1 진동자 가동 소자의 진동축과 동일한 축에 대해 비틀림 진동하게끔 상기 제2 진동자 가동 소자를 지지하도록 구성된 제2 비틀림 스프링을 구비하는 진동 시스템과,
    상기 진동 시스템에 구동력을 인가하도록 구성된 구동 시스템과,
    상기 구동 시스템에 구동 신호를 공급하도록 구성된 구동 제어 시스템을 포함하고,
    상기 진동 시스템은, 실리콘으로 형성된 확산 저항체 재료로 구성된 압전 저항체에 의해 제공되고 상기 제1 및 제2 비틀림 스프링 중 하나 이상의 기계적인 변형을 검출하도록 구성된 왜곡 검출 소자와, 상기 진동 시스템을 가열하도록 구성된 발열 소자를 더 포함하고,
    상기 진동 시스템은 진동축에 대해 상이한 주파수를 갖는 두 개 이상의 고유 진동 모드를 갖고, 상기 왜곡 검출 소자로부터의 출력 신호에 기초하여 상기 두 개 이상의 고유 진동 모드의 진폭 및 주파수를 조정하도록 구성된 광 편향기.
  2. 제1항에 있어서, 상기 발열 소자는 상기 지지 부재, 상기 제1 비틀림 스프링 및 상기 제2 비틀림 스프링 중 하나 이상에 배치되는 광 편향기.
  3. 제1항에 있어서, 상기 왜곡 검출 소자는 상기 발열 소자를 겸하고 있는 광 편향기.
  4. 제1항에 있어서, 상기 진동 시스템은 2개의 다른 주파수의 고유 진동 모드를 가지며, 하나의 주파수는 나머지 하나의 주파수의 2배 또는 3배인, 광 편향기.
  5. 제1항에 따른 광 편향기의 구동 방법이며,
    왜곡 검출 소자로부터 출력되는 왜곡량을 이용해 진동 시스템이 목표 주파수에서 진동할 수 있도록 발열 소자의 발열량을 조절하는 조절 단계와,
    상기 조절 단계 후에 실시되고, 왜곡 검출 소자로부터 출력되는 왜곡량에 기초해 구동 시스템에 인가되는 구동 신호를 보정하는 보정 단계를 포함하는 광 편향기의 구동 방법.
  6. 제1항에 따른 광 편향기의 구동 방법이며,
    왜곡 검출 소자로부터 출력되는 왜곡량에 기초해 진동 시스템이 목표 주파수에 대응하는 고유 진동 모드의 주파수에서 진동할 수 있도록 발열 소자의 발열량을 조절하는 조절 단계와,
    상기 조절 단계 후에 실시되고, 왜곡 검출 소자로부터 출력되는 왜곡량에 기초해 진동 시스템이 고유 진동 모드의 주파수에서 진동할 수 있도록 구동 시스템에 인가되는 구동 신호를 보정하는 보정 단계를 포함하는 광 편향기의 구동 방법.
  7. 제1항에 따른 광 편향기의 구동 방법이며,
    왜곡 검출 소자로부터 출력되는 왜곡량의 상대값에 기초해 진동 시스템이 목표 주파수에서 진동할 수 있도록 발열 소자의 발열량을 조절하는 조절 단계와,
    상기 조절 단계 후에 실시되고, 왜곡 검출 소자로부터 출력되는 구동 신호의 위상 지연, 상이한 주파수의 구동 신호에서의 왜곡량의 비교 및 상이한 주파수의 구동 신호에서 왜곡이 발생되지 않는 타이밍 중 어느 하나에 기초하여 구동 시스템에 인가되는 구동 신호를 보정하는 보정 단계를 포함하는 광 편향기의 구동 방법.
  8. 광원과,
    제1항에 따른 광 편향기와,
    감광 부재와 화상 표시 부재 중 하나의 부재를 구비하는 광학 기구이며,
    상기 광 편향기는 상기 광원으로부터의 광을 편향시키고, 편향되는 광 중 적어도 일부를 상기 감광 부재 또는 화상 표시 부재 상으로 향하게 구성되는 광학 기구.
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