JP2007199682A - 光偏向器および光ビーム走査装置 - Google Patents

Abstract

【課題】温度変化等の種々の要因による共振周波数の変動を一定に補正して共振スキャナの振幅を一定にすることにより、振幅、速度の安定化した光偏向器および光ビーム走査装置を提供すること。
【解決手段】電気−機械変換素子を制御素子に用い、光偏向器の回転振動によって制御素子に発生する電荷に起因する電位差を制御することで、温度変化等の種々の要因による共振周波数の変動を一定に補正して共振スキャナの振幅を一定にすることができ、振幅、速度の安定化した光偏向器および光ビーム走査装置を提供することができる。
【選択図】図２

Description

本発明は、光偏向器および光ビーム走査装置に関し、特に、光学素子の回転振動に同期して振動する電気−機械変換素子を備えた光偏向器および光ビーム走査装置に関する。

光偏向器は、光学素子を用いてレーザ光などの光線の向きを走査するもので、デジタル複写機やレーザプリンタなどの書き込み系、レーザディスプレイや網膜ディスプレイなどの表示系のほか、バーコードリーダ、レーザ顕微鏡、レーザ加工装置、三次元計測器など種々の用途に用いられるもので、多面鏡を回転させるポリゴンスキャナ（例えば、特許文献１参照）や、単一のミラーを回転振動させるガルバノスキャナ等が用いられている。また、その他に、半導体の製造技術（ウェハプロセス）を用いた薄板状の共振スキャナが提案されている。

共振スキャナは、ねじり梁と単一のミラーを組み合わせて、ねじり梁の復元力とミラーの慣性モーメントでねじれ振動系を形成し、この系の共振周波数で駆動を行うことにより、高い偏向速度と大きな偏向角を両立させており、可動部の質量が小さいため必要なエネルギーが少ない、軸受けなどの摺動部分がないため寿命が長い、などの特徴を備えている。

共振スキャナのねじり梁は、一般にシリコンなどの板状材料をエッチング等で加工して作成するが、温度変化による膨張、収縮等により外形寸法が変化すると、復元力が変化する。一方、温度変化による膨張、収縮等による外形寸法の変化程度では慣性モーメントはほとんど変化しないため、結果として系の共振周波数が変動する。また、この他にも、ねじり梁の繰り返し疲労によるバネ定数の変化や、空気抵抗など周囲の特性変化によっても共振周波数が変動する可能性がある。

共振周波数の近傍では、駆動信号の周波数に対して振幅は急激に変化する。そのため、駆動信号の周波数を固定していると、共振周波数の変動により、共振スキャナの振幅が大きく変動する。これに対処するため、駆動信号の周波数を共振周波数の変動に追従させる方法が考えられる。この方法を用いることで振幅は一定に保てるが、駆動周波数が変動するため、例えば映像表示等の二次元に同期して走査する用途には、縦横比が変化してしまい、適用が難しい。

そこで、共振周波数の変動を補正して共振スキャナの振幅を一定にする方法として、ヒータを用いて共振スキャナの温度を一定に調節する方法（例えば、特許文献２参照）、ねじり梁を引っ張る機構を備えて、張力を一定に調節する方法（例えば、特許文献３参照）、振幅の変動を電力で補正する方法（例えば、特許文献４参照）等が提案されている。
特公平６−５２１９６号公報 特許第２７１１１５８号公報 特開平８−１４６３３４号公報 特開平５−４５６０３号公報

しかしながら、特許文献２の方法では、温度の制御は応答性が悪く、また、加熱に余分な電力が必要であり、実用性に欠ける。また、特許文献３の方法では、伸び変形による張力の制御は、機構が複雑、かつ変動に敏感なために調節が難しく実用性に欠ける。さらに、特許文献４の方法でも、振幅の変動が急峻かつ非線形なために調節が難しく、かつ余分な電力が必要で実用性に欠ける。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたもので、温度変化等の種々の要因による共振周波数の変動を一定に補正して共振スキャナの振幅を一定にすることにより、振幅、速度の安定化した光偏向器および光ビーム走査装置を提供することを目的とする。

本発明の目的は、下記構成により達成することができる。

１．光学素子を回転軸のまわりに回転振動させて光線を走査する光偏向器において、
前記光学素子を有する振動体と、
前記振動体の上に配置され、前記回転軸に対して垂直方向を長手方向とした矩形形状をした、前記振動体を変形させて振動させるための電気−機械変換素子からなる駆動素子と、
前記振動体の上に配置され、前記回転軸に対して垂直方向を長手方向とした矩形形状をした、前記振動体の変形により電荷を発生する電気−機械変換素子からなる制御素子と、
前記制御素子に発生した電荷に起因する電位差を制御する電位差制御素子とを備えたことを特徴とする光偏向器。

２．前記駆動素子と前記制御素子とは、前記振動体を挟んでその表裏において互いに対向する位置に配置され、さらに、２組の前記駆動素子と前記制御素子の組が、前記回転軸に対して回転対称な位置に配置されていることを特徴とする１に記載の光偏向器。

３．前記２組の前記駆動素子と前記制御素子の組を１対として、２対の前記２組の前記駆動素子と前記制御素子の組が、前記回転軸に対して垂直方向を対称軸方向として、前記光学素子を中心にして線対称に配置されていることを特徴とする２に記載の光偏向器。

４．前記電位差制御素子は、前記振動体の変形により前記制御素子に発生した電荷に起因する電位差を制御することにより、前記制御素子の剛性を変化させて前記振動体の共振周波数を調整することを特徴とする１乃至３の何れか１項に記載の光偏向器。

５．前記電位差制御素子は、前記制御素子の電極間に接続されたインピーダンス素子であることを特徴とする１乃至４の何れか１項に記載の光偏向器。

６．前記制御素子の動作を制御する制御回路を備え、
前記制御回路は、前記振動体の回転振動の変形量を検出する検出部を有することを特徴とする１乃至５の何れか１項に記載の光偏向器。

７．前記検出部は、前記振動体の変形により前記制御素子に発生した電荷に起因する電位差を測定することにより、前記振動体の回転振動の変形量を検出することを特徴とする６に記載の光偏向器。

８．前記制御回路は、前記制御素子に前記振動体を駆動するための駆動信号を印加する制御素子駆動部を有することを特徴とする６または７に記載の光偏向器。

９．前記制御回路は、前記制御素子駆動部による前記制御素子への駆動信号の印加を所定のタイミングで停止させるとともに、前記検出部に前記振動体の回転振動の変形量を検出させることを特徴とする８に記載の光偏向器。

１０．前記制御回路は、前記検出部による前記振動体の回転振動の変形量の検出結果に基づき、前記制御素子駆動部により前記制御素子に印加される駆動信号を制御することにより、前記振動体の共振周波数を調節することを特徴とする８または９に記載の光偏向器。

１１．前記振動体の近傍の温度を検出する温度センサを備え、
前記所定のタイミングは、前記温度センサにより検出された前記振動体の近傍の温度変化が所定値以上になった時であることを特徴とする９に記載の光偏向器。

１２．前記駆動素子および前記制御素子は、圧電素子であることを特徴とする１乃至１１の何れか１項に記載の光偏向器。

１３．９に記載の光偏向器を備え、
前記光偏向器によって光ビームを１次元または２次元に走査する光ビーム走査装置において、
前記所定のタイミングは、前記振動体の回転振動の方向が切り替わる時であることを特徴とする光ビーム走査装置。

１４．９に記載の光偏向器を備え、
前記光偏向器によって光ビームを１次元または２次元に走査する光ビーム走査装置において、
前記所定のタイミングは、光ビームの走査を停止している時であることを特徴とする光ビーム走査装置。

本発明によれば、電気−機械変換素子を制御素子に用い、光偏向器の回転振動によって制御素子に発生する電荷に起因する電位差を制御することで、温度変化等の種々の要因による共振周波数の変動を一定に補正して共振スキャナの振幅を一定にすることができ、振幅、速度の安定化した光偏向器および光ビーム走査装置を提供することができる。

以下、本発明を図示の実施の形態に基づいて説明するが、本発明は該実施の形態に限られない。なお、図中、同一あるいは同等の部分には同一の番号を付与し、重複する説明は省略する。

まず、本発明の第１の実施の形態について、図１乃至図１０を用いて説明する。図１は、本発明における光偏向器の構成の一例を示すブロック図である。

図１において、光偏向器１は、共振スキャナ１００、電位差制御素子であるインピーダンス素子１５３および制御回路２００等で構成されている。共振スキャナ１００およびインピーダンス素子１５３については、図２および図３の説明で詳述する。制御回路２００は、光偏向器１の動作を制御する制御部２１０、共振スキャナ１００の振動状態を検出する検出部２２０、共振スキャナ１００を駆動するための駆動信号を印加する駆動部２３０および共振スキャナ１００近傍の温度を検出する温度センサ２４０等で構成されている。

図２は、光偏光器１を構成する共振スキャナ１００の構成を示す模式図であり、図２（ａ）は正面図、図２（ｂ）は、図２（ａ）のＡ方向から見た側面図である。

図２において、共振スキャナ１００は、光学素子であるミラー１０１、ねじり梁１０２、駆動片１０３、突起部１０４、保持部１０５、電気−機械変換素子である圧電素子１１１により構成されており、ミラー１０１を中心に左右対称の形状をしている。ミラー１０１は、回転軸１２１のまわりに回転振動する。ここに、ミラー１０１、ねじり梁１０２、駆動片１０３および突起部１０４は、本発明における振動体として機能する。

駆動片１０３は、回転軸１２１に垂直な方向を長手方向とした矩形形状をしている。圧電素子１１１も同様に回転軸１２１に垂直な方向を長手方向とした矩形の薄板形状をしており、薄板の表面および裏面に全面電極あるいは部分電極を有し、両面の電極間に電圧を印加することで電気−機械変換作用を行う。

ミラー１０１、ねじり梁１０２、駆動片１０３、突起部１０４および保持部１０５は、シリコン薄板を半導体ウェハプロセスにより加工して作成する。駆動片１０３は、図の左右のねじり梁１０２の上下にそれぞれ１対づつあり、図２（ａ）の右上部に例示するように、駆動片１０３の表裏には、それぞれ、圧電素子１１１が接着等により貼り付けられている。突起部１０４は、駆動片１０３のねじれ変形を防止するための突起である。保持部１０５は、共振スキャナ１００を外部筐体に固定するための保持部である。

図３は、共振スキャナ１００の駆動時の駆動片１０３の形状を図２（ａ）のＢ−Ｂ’断面で示した模式図で、図３（ａ）は静止状態、図３（ｂ）は変形状態を示す。

図３（ａ）において、４つの圧電素子１１１のうち、図の右上と左下の圧電素子を駆動素子１５１、左上と右下の圧電素子を制御素子１５２と呼ぶことにする。駆動素子１５１は、単板の圧電素子を駆動片１０３に貼り付けた所謂ユニモルフ構造で、上述したように、ねじり梁１０２をはさんだ上下に回転対称に配置されており、図３（ｂ）に示すように、駆動部２３０によって同位相の駆動信号Ｖｉｎが与えられることによって曲げ変形を生じ、この曲げ変形によって、ねじり梁１０２を回転振動させる。この回転振動の周波数が共振スキャナ１００の全系の共振周波数ωと一致するときに、ミラー１０１の回転振動の振幅が最大となる。

制御素子１５２は、駆動片１０３を挟んで駆動素子１５１に対向して配置され、駆動素子１５１による曲げ変形力を受けて発生する電荷により電位差Ｖｏｕｔを生ずる。制御素子１５２は、駆動素子１５１と同じ寸法で表裏、線対称に配置されているため、仮に制御素子１５２側の端子をオープンにして電位差Ｖｏｕｔを測定した場合、同じ変形量で駆動信号Ｖｉｎと電位差Ｖｏｕｔの位相が反転する関係となる。制御素子１５２の変形量Ｄと、発生する電荷量Ｅｏｕｔとは、図４の説明で後述するように、若干のヒステリシスはあるが略線形の関係にあるため、電荷量Ｅｏｕｔまたは該電荷に起因する電位差Ｖｏｕｔを検出することにより、変形量Ｄを検出することができる。

そして制御素子１５２の少なくともどちらか一方にはこの電位差Ｖｏｕｔを測定するための検出部２２０が接続され、また、図８で詳述するインピーダンス素子１５３が接続される。図３では簡略化のため２つの制御素子１５２が１つの検出部２２０と１つのインピーダンス素子１５３に並列に接続されているが、これらは、それぞれを独立のものとして２つの制御素子１５２に別個に接続しても、或いはどちらかの制御素子１５２だけに接続する形態でも適宜選択され得る。

図４は圧電素子１１１からなる制御素子１５２の変形量Ｄを横軸に、発生する電荷量Ｅｏｕｔを縦軸にとった場合の、両者の略線形の関係を示すグラフである。

図４において、圧電素子は、十分に歪みが除去された状態（グラフの原点）から変形量Ｄが加えられる（グラフの点Ｗ）と、変形量Ｄとほぼ正比例の関係で電荷が発生し、変形量Ｄが０（ゼロ）に戻される（グラフの点Ｘ）と若干のヒステリシスが発生して正の電荷が残り、点Ｗと正反対の変形量Ｄが加えられる（グラフの点Ｙ）と、点Ｗと正反対の電荷が発生し、変形量Ｄが０（ゼロ）に戻される（グラフの点Ｚ）と若干のヒステリシスが発生して負の電荷が残る。発生したヒステリシスは、十分に時間をかけて放電されることで除去される。

また、逆に、横軸を圧電素子に印加する印加電圧Ｖｉｎ、縦軸を変形量Ｄと読み替えると、上述したと同様の関係が成り立ち、圧電素子は、十分に歪みが除去された状態（グラフの原点）から電圧Ｖｉｎが印加される（グラフの点Ｗ）と、印加電圧Ｖｉｎとほぼ正比例の関係で変形量Ｄが発生し、印加電圧Ｖｉｎが０（ゼロ）に戻される（グラフの点Ｘ）と若干のヒステリシスが発生して正の変形量Ｄが残り、点Ｗと正反対の印加電圧Ｖｉｎが加えられる（グラフの点Ｙ）と、点Ｗと正反対の変形量Ｄが発生し、印加電圧Ｖｉｎが０（ゼロ）に戻される（グラフの点Ｚ）と若干のヒステリシスが発生して負の変形量Ｄが残る。発生したヒステリシスは、十分に時間をかけて放電されることで除去される。

つまり、印加電圧Ｖｉｎに対して、若干のヒステリシスはあるが略線形の変形量Ｄを得ることができる。一方、制御素子１５２の変形量Ｄとミラー１０１の偏向角εも所定の関係にあるため、結局、制御素子１５２に発生する電荷に起因する電位差Ｖｏｕｔを検出することにより、ミラー１０１の偏向角εを検出することができる。

図５は、共振スキャナ１００における駆動素子１５１の駆動周波数ｆとミラー１０１の偏向角εの関係を示す模式図である。

図５に示したように、共振周波数ωにおいてミラー１０１の偏向角ε即ち振幅は最大になり、そこから駆動周波数ｆが例えばｆ２にずれたり、或いは共振スキャナ１００の共振周波数がω２にずれることにより、偏向角は最大値ε１からε２へと小さくなる。従ってミラー１０１の振幅を常に最大に或いは一定に保つためには、共振スキャナ１００の共振周波数ω或いは共振周波数ωと一定の差のある周波数で常に駆動し続ける必要がある。

次に、本発明の課題である共振周波数の変動について、温度変化による共振周波数の変化を例にとって、図６を用いて説明する。図６は、ねじり梁１０２の回転振動の状態を示す模式図で、図６（ａ）は静止状態、図６（ｂ）はねじれ状態を示す。

図６（ａ）において、ねじり梁１０２は、長さｌ、幅ａ、厚さｂのシリコンの平板で、回転軸１２１の回りに回転振動する。図６（ｂ）において、ねじり梁１０２のバネ定数は、次の（１式）におけるねじれ角φの係数として定義される。

ここに、Ｍｔはねじり梁のねじりモーメント、Ｇは横弾性係数、αは形状にかかわる係数、φはねじれ角である。

周囲の温度が変化すると、シリコンが膨張、収縮して外形寸法が変化する。例えば温度が上昇して膨張すると、長さｌも伸びるが断面の寸法（ａ×ｂ）も大きくなるため、ねじり梁１０２のバネ定数は大きくなる。一方、ねじり梁１０２によって回転振動させられるミラー１０１の質量は変化しないため、結果として、温度の影響により共振周波数ωが変動する。この変動を、図７に示す。

図７は、温度Ｔと共振周波数ωの変化Δωとの関係を示す模式的なグラフである。

図７において、各温度Ｔでの共振周波数ωの常温Ｔ０での共振周波数ω０からの変化Δωは、基本的には温度Ｔの３次式となる。共振スキャナ１００が実際に用いられる温度範囲を、最大Ｔｍａｘ、最少Ｔｍｉｎとし、Ｔｍａｘでの共振周波数変化Δωをω１、Ｔｍｉｎでの共振周波数変化Δωをω２とすると、少なくとも共振周波数の変化（ω１−ω２）分の調整幅ＣＷが必要である。

上述の通り、圧電素子に変形を加えると電荷が発生するが、この時の圧電素子は、変形により発生した電荷に起因する電位差により自身のみかけの剛性が変化するという性質も併せ持つ。具体的には、発生した電荷に起因する電位差が小さいほどみかけの剛性が低下し、逆に電位差が大きいほどみかけの剛性は高くなる。即ち、圧電素子の端子間にインピーダンス素子を接続し、そのインピーダンスを制御して圧電素子の端子間の電位差を制御することにより、みかけの剛性を変化させることができる。

更に、共振スキャナ１００の一部をなす制御素子１５２としての圧電素子１１１のみかけの剛性が変化することより、共振スキャナの共振周波数も変化する。従って、上記のインピーダンスを制御することにより、共振スキャナの共振周波数を制御することが可能となる。具体的な実現方法としては、例えば制御素子１５２と並列に交流抵抗（リアクタンス）素子を挿入し、制御素子１５２に発生した電荷に起因する電位差Ｖｏｕｔを温度変化に応じて制御することにより、制御素子１５２の見かけの剛性を変化させる。図８にその回路を示す。

図８は、制御素子１５２を構成する圧電素子の等価回路と、共振周波数ωの調整方法を示す回路図である。

図８において、制御素子（圧電素子）１５２は、容量成分Ｃｐ２と、容量成分Ｃｐ１、インダクタンス成分Ｌｐおよび抵抗成分Ｒｐが直列に繋がった抵抗成分との並列接続として表される。この制御素子１５２に、発生した電荷に起因する電位差Ｖｏｕｔを制御するインピーダンス素子１５３として、例えば可変容量キャパシタＶＣを並列に接続して、その容量を温度変化に応じて最適に調整することで、駆動素子１５１の駆動による変形によって制御素子１５２に発生する電荷に起因する電位差Ｖｏｕｔを制御することができる。インピーダンス素子１５３としては、それ以外にも容量可変のインダクタンス等を用いてもよい。

図７に示したように、インピーダンス素子１５３は、共振スキャナ１００が実際に用いられる温度範囲における共振周波数の変化の幅ＣＷを一定に制御できるだけの調節代を備えている必要がある。

次に、上述したような方法で共振周波数を一定にする上で共振スキャナ１００が備えるべき要件について、図９を用いて説明する。図９は、共振スキャナ１００が備えるべき要件を説明するための振動系の模式図である。

図９（ａ）に示すように、ねじり梁１０２とミラー１０１とは、ねじり梁１０２の復元力とミラー１０１の慣性モーメントにより第２の振動系ＶＳ２を形成している。一方、駆動片１０３も復元力と慣性モーメントを備えており、第１の振動系ＶＳ１を形成している。

従って、共振スキャナ１００の振動系は二自由度の振動系であり、図９（ｂ）に示すように、バネ定数ｋ１のバネと質量ｍ１の錘と、バネ定数ｋ２のバネと質量ｍ２の錘の二組のバネと錘が直列につながった合成振動系として表すことができる。この合成振動系には、図９（ｂ）に示すように、それぞれの錘が同じ位相で振動する同位相モード（共振周波数ｆ１）と、逆の位相で振動する逆位相モード（共振周波数ｆ２）の二種類の固有振動が存在する。合成振動系の共振周波数は前者（ｆ１）＜後者（ｆ２）で、質量ｍ２の錘の変位は前者＞後者となり、用途に応じて使い分けることができる。

ここで、図９（ｃ）に示すように第１の振動系ＶＳ１と第２の振動系ＶＳ２とを個別の孤立系と考えた場合に、各々の孤立系での共振周波数（ｇ１とｇ２）の差が大きいと、合成系での同位相モードの共振周波数ｆ１は孤立系の低い方の共振周波数に近くなり、逆位相モードの共振周波数ｆ２は孤立系の高い方の共振周波数に近くなる。そして、この場合には、合成系の共振周波数に近い孤立系の振動の方が振幅が大きくなる。

例えば、駆動片（第１の振動系ＶＳ１）１０３の共振周波数ｇ１＜＜ねじり梁（第２の振動系ＶＳ２）１０２の共振周波数ｇ２である場合、同位相モードでは駆動片１０３が、逆位相モードではねじり梁１０２が、それぞれ振幅が大きくなる。

本発明においては、制御素子１５２による共振周波数調節の感度を高め、かつ、ねじり梁１０２の振幅を大きくするためには、駆動片１０３の振動の振幅とねじり梁１０２の振動の振幅とを共に大きくすることが望ましい。そのためには、孤立系での両者の振動周波数を近づけること、すなわち駆動片１０３の共振周波数ｇ１とねじり梁１０２の共振周波数ｇ２とを一致させることが望ましい。両者が一致する場合の同位相モードの共振周波数ｆ１および逆位相モードの共振周波数ｆ２は、次の（２式）で表される。

ここに、ｆ０は孤立系の共振周波数（ｆ０＝ｇ１＝ｇ２）、ｆ１，ｆ２は、それぞれ同位相モードおよび逆位相モードでの共振周波数である。

次に、共振スキャナ１００の共振周波数ωを制御する方法について、図１０を用いて説明する。図１０は、共振スキャナ１００の共振周波数ωの制御の動作の流れを示すフローチャートである。

図１０において、ステップＳ１０１で、まず、所定の周波数で駆動素子への駆動信号Ｖｉｎの印加が開始される。ステップＳ１０２で、駆動素子１５１の動作が安定するまでの所定の時間が経過したか否かが確認される。所定時間が経過するまで、ステップＳ１０２で待機する。所定時間経過後（ステップＳ１０２；ＹＥＳ）、ステップＳ１０３で、ミラー１０１の偏向角εが演算される。具体的には制御素子１５２の端子間のインピーダンス素子１５３のインピーダンスが所定値の時の電位差Ｖｏｕｔが測定され、図４で説明したように、電位差Ｖｏｕｔからミラー１０１の偏向角εが求められる。

ステップＳ１０４で、偏向角εが所定の範囲に入っているか否かが確認される。所定の範囲に入っている場合（ステップＳ１０４；ＹＥＳ）には動作が終了され、印字や表示等の実際の利用段階に進む。これについての説明は省略する。所定の範囲に入っていない場合（ステップＳ１０４；ＮＯ）、共振スキャナ１００の全系の共振周波数ωがずれているものと判断し、これを変化させて所定の範囲内に入れるように制御する。

具体的には、ステップＳ１０５で、初回の共振周波数制御であるか否かが確認される。初回の制御である場合（ステップＳ１０５；ＹＥＳ）、ステップＳ１０６で、インピーダンス素子１５３のインピーダンスを所定値だけ増加させる。次に、ステップＳ１０７で、駆動素子１５１の動作が安定するまでの所定の時間が経過したか否かが確認される。所定時間が経過するまで、ステップＳ１０７で待機する。所定時間経過後（ステップＳ１０７；ＹＥＳ）ステップＳ１０３に戻って、上述の動作を繰り返す。

ステップＳ１０５で初回の制御ではない場合（ステップＳ１０５；ＮＯ）、ステップＳ１０８で、前回の制御時と比べてミラー１０１の偏向角εが所定範囲に近づいているか否かが確認される。前回よりも所定範囲に近づいている場合（ステップＳ１０８；ＹＥＳ）には、ステップＳ１０９で、引き続きインピーダンス素子１５３のインピーダンスを所定値だけ増加させて、ステップＳ１０７に進む。以降は、上述した動作を繰り返す。

ステップＳ１０８で、ミラー１０１の偏向角εが前回よりも所定範囲から遠ざかっている場合（ステップＳ１０８；ＮＯ）には、ステップＳ１１０で、インピーダンス素子１５３のインピーダンスを所定値だけ減少させて、ステップＳ１０７に進む。以降は、上述した動作を繰り返す。

共振周波数ωの制御は、共振スキャナ１００の駆動による共振スキャナ１００自体の温度上昇や、プリンタやディスプレイなど共振スキャナ１００が組み込まれている装置内の温度上昇、さらには装置の置かれている周囲温度の変動などに対応する必要があるため、以上の制御は、動作中定期的に行われる必要がある。

例えば装置がプリンタであれば、前後の印刷用紙の間で印字していない期間等、ディスプレイでは、走査線が一番下の行から一番上の行に移動する回帰期間等を利用して制御を行うと良い。また、共振スキャナ１００の近傍に温度センサ２４０を設けて、所定期間における温度変化が所定以上になったら制御を行う構成としても良い。なお、インピーダンス素子１５３のインピーダンスを調整してもミラー１０１の偏向角εが所定の範囲内に達しない場合は、異常が発生したと判断し、機器を停止して修理を促す。

上述した第１の実施の形態では、ミラー１０１の偏向角εは、制御素子１５２に発生した電荷に起因する電位差Ｖｏｕｔの測定値から演算するとしたが、これに限るものではなく、例えば実際に光の走査範囲を光検出器等で検出しても良い。図１１および図１２に、この例を示す。

図１１は、共振スキャナ１００をプリンタや複写機の感光ドラムへの光ビーム走査装置である１次元の主走査装置１０として用いた例を示す模式図である。半導体レーザ１８１から出力されたレーザ光１８２は、コリメータレンズ１８３を介して共振スキャナ１００で偏向され、主走査レンズ１８５を介して主走査ビーム１８７として感光ドラム１７１上を水平方向に主走査される。

一方、感光ドラム１７１が回転軸１７３の回りに回転されることで主走査と直交する方向に副走査が行われ、主走査と合わせて面の走査が実現される。プリンタや複写機においては、主走査方向のデータ出力タイミングの同期をとるために、感光ドラム１７１の書込範囲外に光検出器１６１が設けられているものがあり、これを併用することでコストやスペースの新たな負荷無しにミラー１０１の偏向角εを直接検出することができる。

図１２は、共振スキャナを水平と垂直に組み合わせた２次元共振スキャナ８００を光ビーム走査装置として用いて、例えばレーザディスプレイ等の面走査に用いる例を示す模式図である。ＲＧＢ各色の半導体レーザ８５１から出力されたレーザービーム束８４１は、コリメータレンズ８５３を介して２次元共振スキャナ８００で偏向され、走査レンズ８５５を介して２次元走査ビーム８４３としてディスプレイ画面８７１上を２次元走査される。データ出力タイミングの同期をとるために、ディスプレイ画面８７１の表示範囲外に光検出器１６１が設けられ、これを用いることでミラー８０１の偏向角εを直接検出することができる。

また、図１０に示した例では、インピーダンス素子１５３のインピーダンスを一旦増加させてミラー１０１の偏向角εの変化する方向を確認することで、インピーダンス素子１５３の制御の方向を決定したが、温度センサ２４０を備えて共振スキャナ１００近傍の温度を測定してインピーダンス素子１５３の制御の方向を決定しても良い。この場合、図１０のステップＳ１０６で、検出された温度に従ってインピーダンス素子１５３のインピーダンスの増減の方向が決められるため、制御に必要な時間を短縮することができる。

上述したように、本発明の第１の実施の形態によれば、電気−機械変換素子を制御素子に用い、光偏向器の回転振動によって制御素子に発生する電荷に起因する電位差を制御することで、温度変化等の種々の要因による共振周波数の変動を一定に補正して共振スキャナの振幅を一定にすることができ、振幅、速度の安定化した光偏向器を提供することができる。

次に、本発明の第２の実施の形態について、図１３を用いて説明する。上述した第１の実施の形態においては、駆動素子１５１と制御素子１５２とは、それぞれ駆動と制御のみに使われたのに対し、本第２の実施の形態では、制御素子１５２の回路を切り替えることにより、ミラー１０１の偏向角εの測定時以外は制御素子１５２にも駆動信号Ｖｉｎを印加して、駆動素子として機能させ、駆動力の向上を図る。

即ち、図２あるいは図３に示したように、制御素子１５２を駆動素子１５１と同じ材料、大きさおよび形状で作成すれば、駆動片１０３の両面に圧電素子が貼り付けられた所謂バイモルフ構成となり、駆動力が倍増する。その結果、ミラー１０１が同じ大きさなら、より小さい圧電素子１１１で共振スキャナ１００の構成が可能となり、装置全体の小型化が可能となる。また、圧電素子１１１が同じ大きさなら、より大きなミラー１０１或いはミラー精度を重視したより厚くて重いミラー１０１の搭載が可能となる。

そこで、制御素子１５２を駆動にも利用するための方法について、図１３を用いて説明する。図１３は、制御素子１５２を駆動にも利用するための制御回路２００の回路構成の一例を示す模式図である。

図１３において、制御素子１５２を駆動する制御回路２００は、制御素子１５２に印加される駆動信号Ｖｉｎを発生する駆動源２６１と制御素子１５２を駆動する駆動電流を調節する電流調節器２６３、制御素子１５２の駆動と検出を切り替える切替器２５０、制御素子１５２の共振状態を検出する電位差検出器からなる検出部２２０、およびこれらを制御する制御部２１０等からなる。

電流調節器２３３は、制御部２１０からの信号により、駆動信号Ｖｉｎの駆動周波数に応じて駆動電流を調節して、共振スキャナ１００の所定の共振状態を維持するように制御する。駆動源２６１および電流調節器２６３は制御素子駆動部２６０を構成する。制御部２１０は、切換器２５０を介して、制御素子１５２への接続を検出側と駆動側との間で所定のタイミングで切り替える。

駆動状態にある制御素子１５２を検出に切り替えるタイミングとしては、図１０乃至は図１２で述べたタイミングが考えられる。即ち、例えば本共振スキャナ１００がプリンタに適用された場合であれば、（１）ある行から次の行へ移る時の非印字期間において、１行毎或いは所定行毎に行う、（２）用紙一枚印字後、次の用紙へ移る時の非印字期間に一枚毎或いは所定枚数毎に行う、（３）所定期間休止後の印字開始時に必ず行う、（４）改ページ時には必ず行う、等である。

また、例えば本共振スキャナ１００がディスプレイに適用された場合であれば、（１）走査線のあるラインの走査が終わって次のラインへ移る時の非表示期間において、１ライン毎或いは所定ライン毎に行う、（２）一画面分の走査終了後、再び走査開始点へ戻る時の非表示期間に一画面毎或いは所定画面毎に行う、（３）一フレーム分の走査終了後、再び走査開始点へ戻る時の非表示期間に一フレーム毎或いは所定フレーム毎に行う、等である。

また、本共振スキャナ１００の適用分野に関係なく、制御素子１５２近傍の温度を検出する温度センサ２４０を設けて、所定期間における温度変化が所定値以上になったら検出を行う構成としても良い。

上述した検出時には、制御素子１５２が駆動ではなく検出に用いられるために、駆動力が低下するが、共振状態では振幅は駆動力が変化しても急激には減少せず、共振スキャナの全系の減衰係数によって決まる時間の経過とともに徐々に減少する。従って、制御素子１５２による駆動を一時的に停止して検出動作に切り替えても差し支えない。

そして、上述した検出の結果が所定の条件（周波数ｆ、偏向角ε、電位差Ｖｏｕｔ等）から所定値以上ずれていた場合は、駆動素子１５１および制御素子１５２の何れか一方あるいは両方の駆動電流を調節して、検出結果が所定の条件の所定値内に入るように制御する。

上述の検出のタイミングとしては、制御素子１５２に発生する電荷に起因する電位差Ｖｏｕｔを検出する場合には、制御素子１５２の変形が大きい程発生する電荷量も多く、検出精度が上がるため、偏向角εの大きい状態の方が好ましい。該状態は、プリンタでいえば、主走査方向において最大に近い角度まで偏向された状態で、かかる状態の時には、通常は印字範囲を超えており、もともと印字動作のない領域になるので好都合である。逆に、印字範囲を超えた領域を検出動作可能範囲として、上記の所定タイミング中で、かつ該可能範囲の時に検出動作を行うことにしても良い。

同様に、ディスプレイにおける走査においても、水平方向の走査において最大に近い角度まで偏向された状態は、実際の画面の表示範囲外となる場合が多く、かかる状態の時には表示範囲を超えており、もともと表示に影響しない領域になるので好都合である。この場合も、実際の表示範囲を超えた領域を検出動作可能範囲として、上記の所定タイミング中でかつ該可能範囲の時に検出動作を行うことにしても良い。

上述したように、本発明の第２の実施の形態によれば、第１の実施の形態の効果に加えて、制御素子１５２を駆動にも兼用することで、駆動力が倍増し、ミラー１０１が同じ大きさなら、より小さい圧電素子１１１で共振スキャナ１００の構成が可能となり、装置全体の小型化が可能となる。また、圧電素子１１１が同じ大きさなら、より大きなミラー１０１或いはミラー精度を重視したより厚くて重いミラー１０１の搭載が可能となる。

次に、本発明における第３の実施の形態について、図１４を用いて説明する。上述した第１及び第２の実施の形態においては、共振スキャナ１００の共振状態の検出に、制御素子１５２に発生する電荷を検出する手法を用いたが、本第３の実施の形態では、その検出を、駆動素子１５１に印加される駆動信号Ｖｉｎの位相と、ミラー１０１の偏向角ε、すなわち制御素子１５２に発生する電荷に起因する電位差Ｖｏｕｔの位相とを比較することにより行う。

図１４は、駆動素子１５１に印加される駆動信号Ｖｉｎと制御素子１５２に発生する電位差Ｖｏｕｔ、つまりミラー１０１の偏向角εとの位相の関係を示す模式図で、図１４（ａ）は共振状態からずれた中間的な状態、図１４（ｂ）は非共振状態、図１４（ｃ）は共振状態を示す。

図１４において、本発明の共振スキャナ１００においては、共振状態からずれた中間的な状態（図１４（ａ））では、駆動信号Ｖｉｎの位相に対して電位差Ｖｏｕｔの位相はθだけずれており、完全に非共振な状態（図１４（ｂ））では、位相差θ＝９０°となり、共振状態（図１４（ｃ））では位相差θ＝０（ゼロ）となる。従って、駆動信号Ｖｉｎと電位差Ｖｏｕｔの位相差θを求めることにより、共振スキャナ１００の共振状態を検出することができる。

具体的には、図１３の回路において、検出部２２０を構成する電位差検出器の代わりに位相検出器を配置し、第１および第２の実施の形態で述べたと同様の検出のタイミングで、制御素子１５２に発生する電位差Ｖｏｕｔの位相を測定する。測定された電位差Ｖｏｕｔの位相と、駆動素子１５１に印加されている駆動信号Ｖｉｎの位相とを比較し、位相差θが所定値以上であれば共振状態からずれていると判断して、両者の位相が一致する方向へ駆動信号Ｖｉｎの周波数ｆを制御する。

位相差の検出は、単に位相がずれていることのみを検出して、駆動信号Ｖｉｎの周波数ｆを制御して、トライアンドエラーにより所望の共振状態へ合わせ込んでいく方法でも良いが、位相がどちらにずれているか、即ち位相差の正負まで検出して、それに応じて制御する方向を決定したのちに駆動信号Ｖｉｎの周波数ｆを制御した方が、装置は若干複雑になるが、制御の効率の面において、より望ましい。

以上に述べたように、本発明の第３の実施の形態によれば、第１および第２の実施の形態の効果に加えて、駆動信号Ｖｉｎと電位差Ｖｏｕｔとの位相差θを検出することで、より効率的に共振状態への合わせ込みを行うことができる。

本発明における電気−機械変換素子は、磁歪力や電磁力を利用したものであっても良い。前者の場合、変形により生じる磁界の変化を、例えば外部の磁界により制御すれば変形量を調節できる。また後者の場合、変形（変位）により生じる電界や磁界の変化を制御すれば変形量を調節できる。

さらに、本発明を用いて共振周波数ωを能動的に変化させることもできる。例えばレーザプリンタにはトナーと呼ばれる樹脂インクを用紙に加熱定着するプロセスが存在するが、このプロセスを経ることにより、用紙に含まれる水分が減少して一時的に用紙の寸法が小さくなる場合がある。従って、両面印刷の場合には、裏面ではトナー像を縮小する必要がある。本発明を用いて共振周波数ωを表面の印刷時より高めに調節し、駆動周波数をそれに合わせて調節すれば、トナー像を縮小することができる。

最後に、制御素子１５２は、駆動片上に配置するだけでなく、ミラー１０１と同期して曲げ変形する位置であればどこに配置しても良い。駆動片１０３と並べる、ねじり梁１０２の各辺いずれかの表面に貼り付ける、ミラー１０１やねじり梁１０２に専用の振動片を設けて貼り付けるなどが可能である。

以上に述べたように、本発明によれば、電気−機械変換素子を制御素子に用い、光偏向器の回転振動によって制御素子に発生する電荷に起因する電位差を制御することで、温度変化等の種々の要因による共振周波数の変動を一定に補正して共振スキャナの振幅を一定にすることができ、振幅、速度の安定化した光偏向器および光ビーム走査装置を提供することができる。

尚、本発明に係る光偏向器および光ビーム走査装置を構成する各構成の細部構成および細部動作に関しては、本発明の趣旨を逸脱することのない範囲で適宜変更可能である。

本発明における光偏向器の構成の一例を示すブロック図である。 光偏光器を構成する共振スキャナの構成を示す模式図である。 共振スキャナの駆動時の駆動片の形状を示す断面模式図である。 制御素子の変形量と発生する電荷量との略線形の関係を示すグラフである。 共振スキャナにおける駆動素子の駆動周波数とミラーの偏向角の関係を示す模式図である。 ねじり梁の回転振動の状態を示す模式図である。 温度と共振周波数の変化との関係を示す模式的なグラフである。 制御素子を構成する圧電素子の等価回路と、共振周波数の調整方法を示す回路図である。 共振スキャナが備えるべき要件を説明するための振動系の模式図である。 共振スキャナの共振周波数の制御の動作の流れを示すフローチャートである。 共振スキャナをプリンタや複写機の感光ドラムへの１次元の主走査装置として用いた例を示す模式図である。 共振スキャナを水平と垂直に組み合わせた２次元共振スキャナを用いて、例えばレーザディスプレイ等の面走査に用いる例を示す模式図である。 制御素子を駆動にも利用するための制御回路の回路構成の一例を示す模式図である。 駆動素子に印加される駆動信号と制御素子に発生する電位差との位相の関係を示す模式図である。

符号の説明

１ 光偏向器
１０ 主走査装置
１００ 共振スキャナ
１０１ ミラー
１０２ ねじり梁
１０３ 駆動片
１０４ 突起部
１０５ 保持部
１１１ 圧電素子
１２１ 回転軸
１５１ 駆動素子
１５２ 制御素子
１５３ インピーダンス素子
２００ 制御回路
２１０ 制御部
２２０ 検出部
２３０ 駆動部
２３１ 駆動源
２３３ 電流調節器
２４０ 温度センサ
２５０ 切替器

Claims (14)

1. 光学素子を回転軸のまわりに回転振動させて光線を走査する光偏向器において、
   前記光学素子を有する振動体と、
   前記振動体の上に配置され、前記回転軸に対して垂直方向を長手方向とした矩形形状をした、前記振動体を変形させて振動させるための電気−機械変換素子からなる駆動素子と、
   前記振動体の上に配置され、前記回転軸に対して垂直方向を長手方向とした矩形形状をした、前記振動体の変形により電荷を発生する電気−機械変換素子からなる制御素子と、
   前記制御素子に発生した電荷に起因する電位差を制御する電位差制御素子とを備えたことを特徴とする光偏向器。
2. 前記駆動素子と前記制御素子とは、前記振動体を挟んでその表裏において互いに対向する位置に配置され、さらに、２組の前記駆動素子と前記制御素子の組が、前記回転軸に対して回転対称な位置に配置されていることを特徴とする請求項１に記載の光偏向器。
3. 前記２組の前記駆動素子と前記制御素子の組を１対として、２対の前記２組の前記駆動素子と前記制御素子の組が、前記回転軸に対して垂直方向を対称軸方向として、前記光学素子を中心にして線対称に配置されていることを特徴とする請求項２に記載の光偏向器。
4. 前記電位差制御素子は、前記振動体の変形により前記制御素子に発生した電荷に起因する電位差を制御することにより、前記制御素子の剛性を変化させて前記振動体の共振周波数を調整することを特徴とする請求項１乃至３の何れか１項に記載の光偏向器。
5. 前記電位差制御素子は、前記制御素子の電極間に接続されたインピーダンス素子であることを特徴とする請求項１乃至４の何れか１項に記載の光偏向器。
6. 前記制御素子の動作を制御する制御回路を備え、
   前記制御回路は、前記振動体の回転振動の変形量を検出する検出部を有することを特徴とする請求項１乃至５の何れか１項に記載の光偏向器。
7. 前記検出部は、前記振動体の変形により前記制御素子に発生した電荷に起因する電位差を測定することにより、前記振動体の回転振動の変形量を検出することを特徴とする請求項６に記載の光偏向器。
8. 前記制御回路は、前記制御素子に前記振動体を駆動するための駆動信号を印加する制御素子駆動部を有することを特徴とする請求項６または７に記載の光偏向器。
9. 前記制御回路は、前記制御素子駆動部による前記制御素子への駆動信号の印加を所定のタイミングで停止させるとともに、前記検出部に前記振動体の回転振動の変形量を検出させることを特徴とする請求項８に記載の光偏向器。
10. 前記制御回路は、前記検出部による前記振動体の回転振動の変形量の検出結果に基づき、前記制御素子駆動部により前記制御素子に印加される駆動信号を制御することにより、前記振動体の共振周波数を調節することを特徴とする請求項８または９に記載の光偏向器。
11. 前記振動体の近傍の温度を検出する温度センサを備え、
    前記所定のタイミングは、前記温度センサにより検出された前記振動体の近傍の温度変化が所定値以上になった時であることを特徴とする請求項９に記載の光偏向器。
12. 前記駆動素子および前記制御素子は、圧電素子であることを特徴とする請求項１乃至１１の何れか１項に記載の光偏向器。
13. 請求項９に記載の光偏向器を備え、
    前記光偏向器によって光ビームを１次元または２次元に走査する光ビーム走査装置において、
    前記所定のタイミングは、前記振動体の回転振動の方向が切り替わる時であることを特徴とする光ビーム走査装置。
14. 請求項９に記載の光偏向器を備え、
    前記光偏向器によって光ビームを１次元または２次元に走査する光ビーム走査装置において、
    前記所定のタイミングは、光ビームの走査を停止している時であることを特徴とする光ビーム走査装置。

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