JP2006154490A - Optical scanner - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、特定の振動数で反射ミラーを回転振動させることにより光源から照射された光を走査する光スキャナ装置(ガルバノミラー)において、共振振動数の精密調整方式および駆動方式に関する。 The present invention relates to a precise adjustment method and a driving method of a resonance frequency in an optical scanner device (galvanometer mirror) that scans light emitted from a light source by rotating and vibrating a reflection mirror at a specific frequency.
光を走査するための代表的な従来技術として、多角形の側面を反射ミラーとし、モータで回転させて入射光を走査するポリゴンミラーが挙げられ、プリンタ等に使用されている。 As a typical conventional technique for scanning light, a polygon mirror that scans incident light by using a polygonal side surface as a reflection mirror and rotated by a motor is used, and is used in a printer or the like.
また、可動鉄片を介して磁力やモータで反射ミラーをメカニカルに揺動させて光を走査する従来型ガルバノミラーはデータレコーダ、光造形システム、レーザ顕微鏡等に使用されている。 A conventional galvanometer mirror that scans light by mechanically swinging a reflection mirror with a magnetic force or a motor through a movable iron piece is used in a data recorder, an optical modeling system, a laser microscope, and the like.
光スキャナ装置はガルバノミラーの一種であるが、マイクロマシニング技術を用いて、単結晶シリコン基板などからエッチングにより可動板部(反射ミラー)、トーションバー(ねじり梁)、固定部を一体加工したもので、内視鏡への実用例もあり、今後はカラーレーザプリンタ、バーコードリーダ、ディスプレイ装置等への応用が期待される。しかしながら、この光スキャナ装置は開発途上にあり、下記特許文献例のように構造や駆動方式について種々のアイデアが提案されている。
マイクロマシン技術を用いた光スキャナ装置は、メカニカル要素を用いたポリゴンミラーや従来型ガルバノミラーに較べて省電力化、小型化や高速化が期待されるが、種々の解決すべき問題がある。特許文献1記載の方式は、駆動コイルが反射ミラーとともに可動板部に形成されているために、ねじり軸上に敷設されたコイルヘの導線が破断したり、発熱の影響で反射ミラーが変形したり共振振動数が変化して走査幅が一定にならないなどの問題がある。また、特許文献2記載の方式は、可動板部に薄板伏永久磁石を設け板厚方向に着磁し、これと対向するように固定側にコイルを配置して発熱の問題を改良しているが、コイルが空心であるため駆動力が小さい。
Optical scanner devices using micromachine technology are expected to save power, reduce size, and increase speed as compared with polygon mirrors using mechanical elements and conventional galvanometer mirrors, but have various problems to be solved. In the method described in
特許文献3記載の方式は、特許文献2記載の方式のコイルにコアを設けて磁力を強化してあるが、可動板部の振れ角が大きくなるとコアに接触するため、走査幅を大きくできない欠点がある。
The method described in Patent Document 3 is provided with a core in the coil of the method described in
ところで、電磁駆動コイルの加振振動数を可動板部の慣性モーメントとトーションバーのねじれ剛性で定まる固有振動数と同じにして共振させると、消費電力を小さくし、走査幅(可動板部の振幅)を大きくすることが可能となる。しかしながら、共振振動数(固有振動数)は可動板部およびトーションバーの寸法、材質や熱などの影響によって変化する。 By the way, if the excitation frequency of the electromagnetic drive coil is made the same as the natural frequency determined by the moment of inertia of the movable plate and the torsional rigidity of the torsion bar, the power consumption is reduced and the scanning width (the amplitude of the movable plate is reduced). ) Can be increased. However, the resonance frequency (natural frequency) varies depending on the dimensions, material, heat, and the like of the movable plate portion and the torsion bar.
共振振動数が変化すると所定の振幅で走査することができなくなり、また、走査幅のゆらぎ(ジッタ)が生じ、プリンタなどでは印字品質が低下する。特に、カラーレーザプリンタなどでは色別に4つの光スキャナを使用するが、これらの走査幅を高精度に合わせる必要があるため、不具合が生じる。 If the resonance frequency changes, scanning with a predetermined amplitude cannot be performed, and fluctuations in the scanning width (jitter) occur, resulting in a decrease in print quality in a printer or the like. In particular, in a color laser printer or the like, four optical scanners are used for each color, but a problem arises because it is necessary to adjust the scanning width with high accuracy.
本発明の目的は、可動板部の固有振動数を制御することにより、常に所定の振動数で共振し、大振幅で安定に一定の走査幅が得られる光スキャナ装置を提供することにある。 SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to provide an optical scanner device that always resonates at a predetermined frequency by controlling the natural frequency of a movable plate part, and can stably obtain a constant scanning width with a large amplitude.
上記目的を達成するために本発明は、以下(1)〜(5)の構成を備える。 In order to achieve the above object, the present invention comprises the following configurations (1) to (5).
(1)固定部で両側を支持させた可動板部の反射ミラーを、磁界の変動を介して回転振動させることにより光源から照射された光を反射走査する光スキャナ装置であって、前記可動板部の少なくとも一側の回転軸付近に複数の支持梁部を配置して支持する構造とし、この複数の支持梁部を介して回転振動させるようにして成ることを特徴とする光スキャナ装置。 (1) An optical scanner device that reflects and scans light emitted from a light source by rotating and vibrating a reflecting mirror of a movable plate supported on both sides by a fixed portion through a change in a magnetic field, the movable plate An optical scanner device having a structure in which a plurality of support beam portions are arranged and supported in the vicinity of a rotation axis on at least one side of the portion, and is configured to rotate and vibrate through the plurality of support beam portions.
(2)支持梁部には、軸力を働かせて、可動板部の共振振動数(固有振動数)を制御調整できるようにして成ることを特徴とする前記(1)記載の光スキャナ装置。 (2) The optical scanner device according to (1), wherein an axial force is applied to the support beam portion to control and adjust the resonance frequency (natural frequency) of the movable plate portion.
(3)可動板部の共振振動数の制御調整は、可動板部の回転角を検出して行うようにして成ることを特徴とする前記(2)記載の光スキャナ装置。 (3) The optical scanner device according to (2), wherein the control adjustment of the resonance frequency of the movable plate portion is performed by detecting the rotation angle of the movable plate portion.
(4)軸力は、支持梁部に対して圧電素子、リニアモータなどのアクチュエータまたはネジで附与できるようにして成ることを特徴とする前記(2)記載の光スキャナ装置。 (4) The optical scanner device according to (2), wherein the axial force can be applied to the support beam portion by an actuator such as a piezoelectric element or a linear motor or a screw.
(5)固定部で両側を支持させた可動板部の反射ミラーを、磁界の変動を介して回転振動させることにより光源から照射された光を反射走査する光スキャナ装置であって、可動板部に回転軸と直交する垂直な長手方向に着磁した磁石体を設け、この磁石体に対して固定部を介して対称位置に電磁石で磁気方向が変化できる磁極を配設して成ることを特徴とする光スキャナ装置。 (5) An optical scanner device that reflects and scans light emitted from a light source by rotating and vibrating a reflecting mirror of a movable plate supported on both sides by a fixed portion through a change in a magnetic field. A magnet body magnetized in a vertical longitudinal direction perpendicular to the rotation axis is provided, and a magnetic pole whose magnetic direction can be changed by an electromagnet is arranged at a symmetrical position via a fixed portion with respect to this magnet body. Optical scanner device.
本発明の光スキャナ装置においては、共振振動数(固有振動数)を精密に制御することが可能であるので、小さい消費電力で振幅が大きくまた安定した走査を行うことが可能となる。また、製造上の寸法誤差や材質のばらつきによる固有振動数のばらつきも補正できるので、寸法精度や材料の品質管理の許容範囲を厳しくする必要がなく、製造コストが低減される効果もある。 In the optical scanner device of the present invention, the resonance frequency (natural frequency) can be precisely controlled, so that stable scanning can be performed with a large amplitude with low power consumption. In addition, since variations in the natural frequency due to manufacturing dimensional errors and material variations can be corrected, it is not necessary to tighten the tolerances of dimensional accuracy and material quality control, and the manufacturing cost can be reduced.
以下に、本発明の実施の形態を添付図面に基づいて詳細に説明する。 Embodiments of the present invention will be described below in detail with reference to the accompanying drawings.
図1は本発明の光スキャナの実施形態の一例の概略を示す斜視図、図2は図1の平面図、正面図および右側面図で、図3、図4はそれぞれ図2のAA断面、BB断面およびCC断面の図である。 1 is a perspective view schematically showing an example of an embodiment of an optical scanner of the present invention, FIG. 2 is a plan view, a front view, and a right side view of FIG. 1, and FIGS. 3 and 4 are AA cross sections of FIG. It is a figure of a BB cross section and CC cross section.
図2において、反射ミラー1が形成された可動板部2は支持梁部3a、3bおよび3c、3dに接続され、さらに、これらの支持梁部は梁保持部4a、4bに接続されている。
In FIG. 2, the
梁保持部4a、4bにはヒンジ部5a〜5dが設けられており、さらに、ヒンジ部6a〜6dを介して、変位拡大レバー7a〜7dに接続されている。
The
これらの変位拡大レバー7a〜7dはヒンジ部8a〜8dを介して軸力伝達部10a、10bに接続され、さらに、軸力伝達部10a、10bは積層型圧電素子12a、12bに接続されている。なお、変位拡大レバー7a〜7dはヒンジ部9a〜9dを介して、固定部11a、11bにも接続されている。
These
可動板部2から固定部11亘る部分は、単結晶シリコンなどの薄板からエッチングなどのマイクロマシン技術により一体加工する。
A portion extending from the
さらに図3に示すように、可動板部2には磁性体(薄板状永久磁石)13が形成されており、図示のようにN、S極が着磁された磁性体13の端部と対向するようにコア14の両端部が配置され、図2に示すようにコア14にはコイル15が巻かれて電磁石を構成している。なお、コア14の端部の一方は、磁性体13から磁性体13の厚さの2倍程度の距離の図面上方向に離れた位置に配置され、コア14の端部の他方は同じ距離だけ図面下方向の位置に配置されている。また、磁性体13とコア14の端部との図面水平方向隙間は、互いに接触しない範囲で出来るだけ狭くする。
Further, as shown in FIG. 3, a magnetic body (thin plate-like permanent magnet) 13 is formed on the
次に、本装置の作用について説明する。先ず、可動板部2に効率的に大振幅の回転振動を与える電磁力駆動方式について説明する。図5は図2のAA断面の可動板部2付近の詳細を示す。可動板部2の下面には磁性体13が形成され図示のようにN、S極が着磁されているので、コイル15に電流を流しコア14の両端部の極性を図5(a)のようにすると、磁性体13とコア14の端部には吸引力(トルク)が生じて可動板部2は左回り回転運動を開始する。
Next, the operation of this apparatus will be described. First, an electromagnetic force drive system that efficiently applies large-amplitude rotational vibration to the
磁性体13とコア14の端部が最も接近した瞬間に、電流の方向を切り替えてコア14の極性を逆にすると、図5(b)に示すように磁性体13とコア14の端部には反発力が生じて、可動板部2は左回り回転運動が加速される。
At the moment when the ends of the
この間、回転角に比例して、支持梁部3a〜3dによる復原トルクが増大し、磁力によるトルクが減少するため、ある角度だけ振れて一且停止した後、右回りの回転運動に変化する。
During this time, the restoring torque by the
この瞬間に、再び電流の方向を切り替えてコア14の極性を逆にすると、図5(c)に示すように磁性体13とコア14の端部には吸引力が発生して右回り回転運動が加速される。
At this moment, when the direction of the current is switched again and the polarity of the
さらに、磁性体13とコア14の端部が最も接近した瞬間に、電流の方向を切り替えてコア14の極性を逆にすると、図5(d)に示すように磁性体13とコア14の端部には反発力が生じて、右回り回転運動が継続する。
Furthermore, when the direction of the current is switched and the polarity of the
以上の動作を繰り返すことによって、可動板部2に効率的に大振幅の回転振動を発生させることができる。なお、コイル15の電流の切替は、正弦波や矩形波などの交流電流を流すことによって行われるが、加振振動数を可動板部と支持梁部の系の固有振動数に合わせて共振させると、最大振幅が得られる。
By repeating the above operation, it is possible to efficiently generate a large amplitude rotational vibration in the
ところで、可動板部と支持梁部の系の固有振動数は、主に可動板部の慣性モーメントと支持梁部の剛性によって定まるが、これらは製造時の寸法誤差、材質のばらつきや熱発生による温度変化などによって変化するため、固有振動数を所定の値に精度良く設定して一定に保つのは非常に難しい。 By the way, the natural frequency of the system of the movable plate part and the support beam part is mainly determined by the moment of inertia of the movable plate part and the rigidity of the support beam part, but these are due to dimensional errors during manufacturing, material variations and heat generation. Since it changes due to a temperature change or the like, it is very difficult to accurately set the natural frequency to a predetermined value and keep it constant.
一方、図2に示すように、可動板部2の回転軸付近に平行に配置された2本の支持梁部2組3a〜3d(合計4本の支持梁部)で可動板部2を支持する構造とすると、図6に示すように可動板部2が回転することによって、支持梁部3a〜3dにはねじれとともに面外方向のたわみ変形が生じる。
On the other hand, as shown in FIG. 2, the
このような場合、支持梁部に引っ張りの軸力Fを加えると復原力が大きくなり、この結果ねじれ剛性が大きくなったことと同等の効果になり、固有振動数が増加する。また、逆に圧縮の軸力を加えると復原力が小さくなり、固有振動数は減少する。これらの関係を詳細に把握するためには理論解析や有限要素法などによる計算を行う必要があるが、定性的に簡略な説明を以下に行う。 In such a case, when a tensile axial force F is applied to the support beam portion, the restoring force is increased, and as a result, the effect equivalent to the increased torsional rigidity is obtained, and the natural frequency is increased. On the other hand, when a compression axial force is applied, the restoring force decreases and the natural frequency decreases. In order to grasp these relationships in detail, it is necessary to perform calculations by theoretical analysis, the finite element method, etc., but a qualitatively brief explanation will be given below.
図7は図6のDD断面を示し、支持梁部3a、3cが図面上方向にyだけたわみ、軸力Fが梁保持部4a、4bを介して図面水平方向に作用している様子を表す。この場合、ミラー1を形成された可動板部2と支持梁部3cの接続部に作用する図面上下方向の力Qは、図8(a)に示すような両端の回転を拘束された梁の一端がyだけ変位した場合のせん断力Q1と、図8(b)に示すような両端をピン支持された梁を介して作用する軸力Nの図面上下方向成分Q2の和、
Q=Q1+Q2・・・・・・・・・・・・・(1)
と考えられる。なお軸力Nは、図7に示したような梁保持部4bを介して作用する水平方向軸力Fと、梁保持部4bが図面上下方向に動かないように拘束されているために生じる反力Sの合力であり、支持梁部の傾き角度をθとすると、
N=F/cosθ・・・・・・・・・・・・(2)
であるが、θは小さいのでN≒Fと近似しても良い。
FIG. 7 shows a DD cross section of FIG. 6 and shows that the
Q = Q1 + Q2 (1)
it is conceivable that. Note that the axial force N is a reaction caused by the horizontal axial force F acting through the
N = F / cos θ (2)
However, since θ is small, it may be approximated as N≈F.
ここで、支持梁部のヤング率をE、断面二次モーメントをI、長さをLとすると、
Q1=12×E×I×y/L3・・・・・・・・(3)
Q2=N×y/L・・・・・・・・・・・・・・(4)
である。なお図8(a)において、M1は梁断面に作用する曲げモーメントを表すが、ここでは特に考慮する必要はない。せん断力Q1の導出においては、森北出版「材料力学演習第2巻」、野口尚一編、p55、1971年発行などが参考になり、力Q2の導出においては、張力Nが作用する弦のばね定数の導出過程が参考になり、コロナ社「機械力学入門」、長屋幸助著、p20、1996年発行などの参考文献がある。
Here, when the Young's modulus of the support beam is E, the moment of inertia of the cross section is I, and the length is L,
Q1 = 12 × E × I × y / L 3 (3)
Q2 = N × y / L (4)
It is. In FIG. 8A, M1 represents a bending moment acting on the beam cross section, but there is no need to consider it here. For the derivation of the shearing force Q1, Morikita Publishing “Material Mechanics Exercise Vol. 2”, Shoichi Noguchi, p55, published in 1971, etc. is helpful. For the derivation of the force Q2, the spring of the string on which the tension N acts The derivation process of the constant is helpful, and there are references such as Corona “Introduction to Mechanical Mechanics”, Kosuke Nagaya, p20, 1996.
さらに、図9は図6のEE断面を示す。可動板部2の回転角がaの場合、支持梁部も同じ角度だけねじれを生じ、モーメント
M=B×α/L・・・・・・・・・・・・・・・(5)
が作用する。ここに、Bはねじり剛性であり断面形状と横弾性係数Gで定まる。また、式(1)で説明した力Qが支持梁部3cには下向きに、支持梁部3dには上向きに作用するので、回転軸から支持梁部3a〜3dまでの距離をHとすると、これらの支持梁部から可動板部2に作用する復元トルク(モーメント)の合計Tは
T=4×(M+Q×H)
=4×B×α/L+(48×E×I/L3+4×N/L)×y×H・・・(6)
となる。また、図9において、
y=α×H・・・・・・・・・・・(7)
と近似できるので、式(6)は
T=K×α・・・・・・・・・・・(8)
ここに、
K=4×B/L+(48×E×I/L3+4×N/L)×H2・・・・・・(9)
のように整理され、Kは支持梁部のたわみ変形も考慮に入れたねじれ剛性となる。式(8)、(9)より、復元トルクTは軸力N(軸力Fとほぼ同じ)に比例することが分かる。
Further, FIG. 9 shows an EE cross section of FIG. When the rotation angle of the
Works. Here, B is torsional rigidity and is determined by the cross-sectional shape and the lateral elastic modulus G. Further, since the force Q described in the equation (1) acts downward on the
= 4 × B × α / L + (48 × E × I / L 3 + 4 × N / L) × y × H (6)
It becomes. In FIG.
y = α × H (7)
Since equation (6) can be approximated as T = K × α (8)
here,
K = 4 × B / L + (48 × E × I / L 3 + 4 × N / L) × H 2 (9)
K is the torsional rigidity taking into account the deflection deformation of the support beam. From equations (8) and (9), it can be seen that the restoring torque T is proportional to the axial force N (substantially the same as the axial force F).
式(8)を考慮するとともに、支持梁部の質量を無視し、ミラー1を形成された可動板部2を慣性モーメントJの剛体と見なして1自由度の回転振動で近似すると、固有振動数fが
f=(K/J)1/2/(2×π)・・・・・・・・・・・(10)
で表される。式(9)、(10)より、固有振動数は軸力N(軸力Fとほぼ同じ)の平方根に比例することが分かる。
Considering the equation (8), ignoring the mass of the support beam, and considering the
It is represented by From equations (9) and (10), it can be seen that the natural frequency is proportional to the square root of the axial force N (substantially the same as the axial force F).
なお、必ずしも、平行に配置された2本の支持梁部を2組にする必要はなく、図10(a)のように一方のみ支持梁部を3a、3bの2本にし、他方は3eの1本にしだ場合でも軸力によって固有振動数は変化する。また、図10(b)、(c)に示すように、支持梁部3aと3bあるいは3cと3dが平行に配置されていなくとも効果があり、この場合には図面横方向に外乱が作用しても影響されにくくなる。
It is not always necessary to make two sets of two support beam portions arranged in parallel. As shown in FIG. 10 (a), only one of the support beam portions is 3a and 3b, and the other is 3e. Even if only one is used, the natural frequency varies depending on the axial force. Further, as shown in FIGS. 10B and 10C, it is effective even if the
以上、複数の支持梁部を回転軸付近に配置して軸力Fを作用させた場合の効果について説明してきたが、図11に示すように回転軸上に支持梁部3a、3cのみを配置した従来の光スキャナーの構造で軸力Fを作用させた場合についての説明を補足する。この場合には図11から明らかなように、支持梁部はねじれのみ生じ、図7に示した変位yは常に0であり、図9の距離Hも0である。したがって、式(6)、(9)の第2項目以降は0になり、復元トルクTや固有振動数fは軸力Fによって変化しないことが分かる。なお以上の説明は材料力学の線形理論を元にしたもので、実際には非線形性やポアソン比などのために、図11の場合でも軸力の影響がある可能性もあるが、影響の大きさは微小であると予測される。
As described above, the effect when the plurality of support beam portions are arranged near the rotation axis and the axial force F is applied has been described. However, only the
次に、固有振動数を所定の値に正確に合わせるために、積層型圧電素子を用いて軸力を制御する方法について詳細に説明する。 Next, a method for controlling the axial force using the laminated piezoelectric element in order to accurately match the natural frequency with a predetermined value will be described in detail.
一般的に、積層型圧電素子の発生力は固有振動数を変化させるのに充分な性能であるが、ストロークは不足するおそれがある。すなわち、可動板部2の回転に伴う変形や軸力の作用のために支持梁部3a〜3dが伸縮するので、積層型圧電素子が充分な力を発生するためには積層型圧電素子のストロークが支持梁部の伸縮量より大きくなる必要がある。
In general, the generated force of the laminated piezoelectric element is sufficient to change the natural frequency, but the stroke may be insufficient. That is, since the
そこで本発明では、図2に示すように変位拡大レバー7a〜7dなどから成る変位拡大機構を設けてある。
Therefore, in the present invention, as shown in FIG. 2, a displacement enlarging mechanism including
図12によって変位拡大機構の作用について説明する。積層型圧電素子12aと12b(図12では記載を省略している)に電圧を加えた場合の軸力伝達部10aの図面上方向変位をuとすると、ヒンジ部8aも上にu移動する。一方、ヒンジ部9aは固定部11aに拘束されているため動かない。
The operation of the displacement enlarging mechanism will be described with reference to FIG. Assuming that the axial displacement of the axial
したがって、変位拡大レバー7aは右回りに僅かに回転し、ヒンジ部6aが上に変位w持ち上げられ、梁保持部4aも同様に持ち上げられて支持梁部3a〜3dに軸力が作用する。ヒンジ部9aと8aの図面水平方向距離をr、ヒンジ部9aと6aの水平方向距離をsとすると、w=(s/r)uの関係になり、s>rとすると変位wは変位uのs/r倍になる。したがって、積層型圧電素子のストロークがs/r倍に拡大されることになる。
Therefore, the
なおこの関係は、ヒンジ部では曲げ変形のみ生じ、変位拡大レバーは変形しない場合の幾何学的な関係で、実際にはこれ以外の変形が生じるために、拡大倍率は若干小さめになると予測される。 Note that this relationship is a geometrical relationship in which only the bending deformation occurs in the hinge portion and the displacement magnifying lever does not deform. Actually, other deformations occur, so the magnification is expected to be slightly smaller. .
また、ヒンジ部5aおよび5bは、変位拡大レバー7aが回転した場合にヒンジ部6aが僅かに左右に動いても、梁保持部4aに無理な力が生じないように設けている。
Further, the
支持梁部に軸力を作用させる実施形態は図1、2の構成に限られることなく、種々の変形が可能である。 The embodiment in which the axial force is applied to the support beam portion is not limited to the configuration of FIGS. 1 and 2 and various modifications are possible.
例えば、図2では支持梁部3a〜3dが伸縮しても反射ミラー1が支持梁部の方向に移動することがないように、断面AAに関し対称な構造となっているが、支持梁部3a〜3dの伸縮による反射ミラー1の移動が走査に及ぼす影響が小さく、また積層型圧電素子のストロークに余裕がある場合には図13のような実施形態も考えられる。なお、図13の平面図、正面図、右側面図を図14に示し、図14のBB断面とCC断面を図15に示す。
For example, in FIG. 2, the
この実施形態は図1、2において、梁保持部4b〜軸力伝達部10bの部分が固定部11aおよび11bと一体になった固定部16を形成した構造になっている。ヒンジ部が少ない単純な構造であるため、外乱に対して強い利点がある。
1 and 2, the
さらに、積層型圧電素子のストロークが充分大きい場合には、変位拡大機構を用いる必要はなく、図16に示すように単純な構造でよい。この構成では、積層型圧電素子12a、12bで発生した力が軸力伝達部16、17を介して支持梁部3a〜3dに作用する。
Further, when the stroke of the multilayer piezoelectric element is sufficiently large, it is not necessary to use a displacement magnifying mechanism, and a simple structure as shown in FIG. In this configuration, the force generated by the laminated
また、光スキャナを使用している最中に継続的に固有振動数を調整する必要がなく、製造上の寸法誤差や材料のばらつきによる固有振動数の誤差のみを調整するだけで充分な場合には、図16の積層型圧電素子12a、12bの代わりに調整ネジを設けて手動で支持梁部に軸力を作用させることも考えられる。この際、ネジの部分をマイクロメーターのような構造にすると、軸力の精密な調整が可能である。
In addition, there is no need to continuously adjust the natural frequency while using the optical scanner, and it is sufficient to adjust only the natural frequency error due to manufacturing dimensional errors and material variations. It is also conceivable that an adjustment screw is provided instead of the laminated
一方、走査幅(可動板部の振幅)を更に大きくする必要がある場合には、図17に示すように図2の構成にコア18およびコイル19を追加することが考えられる。この場合、新たに追加されたコア18の磁極が図18に示すように切り替わるようにコイル19に交流電流を流すことにより、可動板部に作用するトルクが約2倍になって、図5の場合より大きい振幅が得られる。
On the other hand, when it is necessary to further increase the scanning width (amplitude of the movable plate portion), it is conceivable to add a
これまでの説明では、軸力を発生するアクチュエータとして積層型圧電素子を用いた実施形態を中心に述べてきたが、他のアクチュエータを用いることも可能である。 In the description so far, the embodiments using the laminated piezoelectric element as the actuator for generating the axial force have been mainly described. However, other actuators can be used.
特に、発生力とストロークが大きいリニアモータを用いた場合には図16において積層型圧電素子をリニアモータで置き換えた簡素な構成となる。 In particular, when a linear motor having a large generated force and stroke is used, the simple structure is obtained by replacing the stacked piezoelectric element with a linear motor in FIG.
なお、ストロークは充分であるが発生力が小さい小型のリニアモータを用いる場合には、図19に示すように、力拡大機構を用いると良い。 In addition, when using a small linear motor having a sufficient stroke but a small generated force, a force expanding mechanism is preferably used as shown in FIG.
力拡大機構の作用について図20によって説明する。リニアモータ20aと20b(図20では記載を省略)によって軸力伝達部23に力Pが作用すると、ヒンジ部22aを介して力拡大レバー21aに力が伝達されるが、ヒンジ部24aにおいて固定部16から図面上下方向に拘束されているため反力Rが発生し、また梁保持部4aでは支持梁部3a、3bからの反力Fが発生する。一方、支持梁部はFと逆方向に軸力を受ける。
The operation of the force expanding mechanism will be described with reference to FIG. When the force P is applied to the axial
力Rの作用点であるヒンジ部24aから力P、Fの作用線までの距離をそれぞれr、sとすると、ヒンジ部24aまわりのモーメントの釣り合い式はP×r−F×s=0となる。これよりF=(r/s)Pとなり、r>sとすると力Fは力Pのr/s倍になる。なお、この関係式はヒンジ部24aの曲げモーメントを無視した場合であり、実際には曲げモーメントの影響により拡大倍率は小さめになると予測される。また、ヒンジ部22a、24a、25a、5a、6a等は、力が作用した場合に力拡大レバー21aが多少回転できるように設けてある。
Assuming that the distances from the
次に、可動板部の回転振動状態を検出して支持梁部の軸力を調整し、固有振動数を所定の値に制御する方式について説明する。 Next, a method of detecting the rotational vibration state of the movable plate portion, adjusting the axial force of the support beam portion, and controlling the natural frequency to a predetermined value will be described.
図21は可動板部2の動きを検出する実施形態の一例を示す。可動板部2に形成された反射ミラー1によって反射されたレーザ光26の一部をハーフミラー(ビームスプリッタ)27によって光検出器28に当てる。可動板部2が回転するとレーザ光の当たる位置が変わるため、光検出器28の出力信号29が変化する。
FIG. 21 shows an example of an embodiment for detecting the movement of the
なおハーフミラー27を使用する代わりに、図22に示すように参照光30を反射ミラー31に当てて、その反射光を光検出器28で検出する実施形態も考えられる。
Instead of using the
上述のように反射ミラー1で反射されたレーザ光の動きを検出する方法は直接的で最も正確であるが経費や設置スペース等の面からこのような方法を採用できない場合は他の方法も考えられる。例えば、図17では振幅を大きくする目的で2組のコアとコイルを用いたのであるが、同様の構成でコイルの一方のみに電流を流して可動板部を加振すると、もう一つのコイルには可動板部の動きに応じた起電電流が流れるため、これを増幅して検出することができる。
As described above, the method of detecting the movement of the laser beam reflected by the reflecting
上記のようにして検出された信号より軸力を制御する方式は、状態フィードバツタやモデルマッチングなど種々の制御理論を応用することが考えられるが、実施形態の一例として、検出信号の振幅と位相差を利用する方法について以下に説明する。 As a method for controlling the axial force from the signal detected as described above, various control theories such as state feedback and model matching can be applied. As an example of the embodiment, the amplitude and level of the detection signal are considered. A method using the phase difference will be described below.
図23(a)、(b)は振幅Aおよび加振力に対する位相差φと加振振動数fの関係を示し、実際の固有振動数f1が所定の固有振動数f0より大きい場合を想定している。図において、実線32a、32bおよび破線33a、33bはそれぞれ固有振動数f1および固有振動数f0に対応する振幅および位相差の曲線を示す。
23A and 23B show the relationship between the amplitude A and the phase difference φ with respect to the excitation force and the excitation frequency f, and assume that the actual natural frequency f1 is greater than the predetermined natural frequency f0. ing. In the figure,
一般的に、振幅Aは図23(a)のように固有振動数の付近で最大になり、加振力に対する位相差φは図23(b)のように固有振動数より小さい範囲ではほぼ0度、固有振動数付近では90度、これより大きい振動数範囲では180度である。 In general, the amplitude A becomes maximum near the natural frequency as shown in FIG. 23A, and the phase difference φ with respect to the excitation force is almost 0 in the range smaller than the natural frequency as shown in FIG. It is 90 degrees near the natural frequency and 180 degrees in the higher frequency range.
したがって、実際の固有振動数f1が所定の固有振動数f0(駆動しようとする加振振動数付近)より大きい場合、所定の振動数f0において振幅A1は小さく位相差φはほぼ0であるので、軸力を減少させると固有振動数が減少して図23(a)の曲線32aが左側に移動するにしたがって所定の固有振動数f0における振幅が増加する。振幅が所定の大きさA0に達したところで軸力を一定に保つ。
Therefore, when the actual natural frequency f1 is larger than the predetermined natural frequency f0 (near the excitation frequency to be driven), the amplitude A1 is small and the phase difference φ is almost 0 at the predetermined frequency f0. When the axial force is decreased, the natural frequency decreases, and the amplitude at a predetermined natural frequency f0 increases as the
一方、位相差φがほぼ180度の場合には、軸力を増加させ振幅が所定の大きさA0に達したところで軸力を一定に保つ。なお、軸力を増減させる割合は、振幅の所定の大きさA0と光検出器28で検出された大きさA1の差に比例するように設定すると良い。
On the other hand, when the phase difference φ is approximately 180 degrees, the axial force is increased and the axial force is kept constant when the amplitude reaches a predetermined magnitude A0. The ratio of increasing or decreasing the axial force is preferably set so as to be proportional to the difference between the predetermined amplitude A0 and the magnitude A1 detected by the
以上の制御の実施例の手順を図24に示す。検出器34で検出した可動板部2の回転角の信号を信号処理部36に入力する。信号処理部36では、検出された回転角の信号と可動板部2にトルクを与えて加振するための電磁石のコイル15(図2)を駆動する加振信号35から位相差を求め、位相差φがφ≧90度の場合はd=1、φ<90度の場合はd=−1を設定するとともに、振幅設定値である目標信号A0と振幅解析で得られた振幅信号A1との差e=A0−A1にdを乗じ、さらに積分して駆動ドライバ37への指令信号を出力する。駆動ドライバ37によって圧電素子あるいはリニアモータなどのアクチュエータ38が作動すると支持梁部の軸力が変化して可動板部2の振幅が所定の大きさに保たれる。なお信号処理部は、デジタルシグナルプロセッサあるいは専用のアナログ回路で構成することが考えられる。また、積分器と並列に微分器を追加して応答性を速めるなど、実施形態の種々の変形がある。
The procedure of the embodiment of the above control is shown in FIG. A signal of the rotation angle of the
1 反射ミラー
2 可動板部
3a〜3e 支持梁部
4a、4b 梁保持部
5a〜6d ヒンジ部
7a〜7d 変位拡大レバー
8a〜9d ヒンジ部
10a、10b 軸力伝達部
11a、11b 固定郎
12a、12b 積層型圧電素子
13 磁性体(薄板状永久磁石)
14 コア
15 コイル
16 固定部
17 軸力仏達部
18 コア
19 コイル
20a、20b リニアモータ(ボイスコイルモータ)
21a、21b 力拡大レバー
22a、22b ヒンジ部
23 軸力伝達部
24a〜25b ヒンジ部
26 レーザ光
27 ハーフミラー(ビームスプリツタ)
28 光検出器
29 出力信号
30 参照光
31 反射ミラー
32a、33a 振幅応答曲線
32b、33b 位相差曲線
34 回転角検出器
35 加振信号
36 信号処理部
37 駆動ドライバ
38 アクチュエータ
DESCRIPTION OF
14
21a, 21b
28
Claims (5)
Priority Applications (1)
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Family Applications (1)
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JP2004346920A Withdrawn JP2006154490A (en) | 2004-11-30 | 2004-11-30 | Optical scanner |
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-
2004
- 2004-11-30 JP JP2004346920A patent/JP2006154490A/en not_active Withdrawn
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