JP6224432B2 - Vibrating device, optical scanning device, image forming apparatus and video projection apparatus using the same - Google Patents
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Description
本発明は、振動装置、光走査装置、それを用いた画像形成装置および映像投射装置に関する。 The present invention relates to a vibration device, an optical scanning device, an image forming device using the same, and a video projection device.
近年、シリコンウエハを用いた、いわゆるＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）型の振動ミラーが実用化され、プリンタやプロジェクタなどに応用されている。これに対して、析出硬化型ステンレス鋼や銅合金など疲労源の高い金属材料を用いた振動ミラーも提案されている。これらの振動ミラーは、ミラーを支持するねじり梁を有ししており、ミラーの慣性モーメントとねじり梁のばね定数で決まる共振周波数の近傍で振動する。また、金属材料として恒弾性材料を用いることで、温度によるばね特性の変動、すなわち、共振周波数の変動を抑えた振動ミラーも提案されている（特許文献１）。金属材料を用いた振動ミラーは、シリコンウエハを用いたものと比較して、簡易なプロセスで作製することができ、また、耐衝撃性に優れるという利点も持っている。 In recent years, so-called MEMS (Micro Electro Mechanical Systems) type vibrating mirrors using silicon wafers have been put into practical use and applied to printers, projectors, and the like. On the other hand, a vibrating mirror using a metal material having a high fatigue source such as precipitation hardening stainless steel or a copper alloy has also been proposed. These vibrating mirrors have a torsion beam that supports the mirror, and vibrate in the vicinity of a resonance frequency determined by the moment of inertia of the mirror and the spring constant of the torsion beam. Further, there has been proposed a vibrating mirror that uses a constant elastic material as a metal material to suppress fluctuations in spring characteristics due to temperature, that is, fluctuations in resonance frequency (Patent Document 1). A vibrating mirror using a metal material can be manufactured by a simple process as compared to a mirror using a silicon wafer, and has an advantage of excellent impact resistance.
しかし、金属材料を用いた振動ミラーを小型化すると、光走査特性に係わるジッタと呼ばれる走査振幅のばらつきが大きくなるという課題がある。この理由は次のとおりである。最大走査速度を低下させることなく振動ミラーを小型化するには、ミラーを有する振動体（質量体）を軽量にするとともに、ねじり梁を細く、かつ、短くしなければならない。しかし、振動体が軽量になると空気抵抗の影響を受けやすくなり、ねじり梁に軸ブレが発生しやすくなる。また、ねじり梁の剛性も低下するため、やはりねじり梁に軸ブレが発生しやすくなる。軸ブレは回転振動の振幅にジッタをもたらす。 However, when a vibrating mirror using a metal material is downsized, there is a problem that variation in scanning amplitude called jitter related to optical scanning characteristics increases. The reason for this is as follows. In order to reduce the size of the vibrating mirror without reducing the maximum scanning speed, it is necessary to reduce the weight of the vibrating body (mass body) having the mirror and to make the torsion beam thin and short. However, when the vibrating body is lighter, it is more susceptible to air resistance, and axial blurring tends to occur in the torsion beam. Further, since the rigidity of the torsion beam is also lowered, it is easy for shaft torsion to occur in the torsion beam. Axial wobbling introduces jitter in the amplitude of rotational vibration.
なお、上述した問題は、梁によって振動部を支持する振動装置においても同様に発生するおそれがある。 Note that the above-described problem may occur in the vibration device that supports the vibration unit with a beam.
そこで、本発明は、梁によって振動部が支持された構成において安定した振動を実現する技術を提供する。 Therefore, the present invention provides a technique for realizing stable vibration in a configuration in which a vibration unit is supported by a beam.
本発明は、たとえば、
少なくとも一部が導電性部材で形成された振動部と、
前記振動部のうち前記導電性部材で形成された部分を通じて電気的に互いに接続され、前記振動部の少なくとも片側を支持する複数の金属ねじり梁と、
前記複数の金属ねじり梁に対して駆動電流を通電する駆動回路と、
前記複数の金属ねじり梁を流れる電流に対して磁界が作用するように配置された磁石と、を備え、
前記駆動回路は、前記振動部に回転振動を発生させるための第１の周波数の駆動電流を前記複数の金属ねじり梁に対して通電することを特徴とする振動装置を提供する。
The present invention is, for example,
A vibrating portion at least partially formed of a conductive member;
A plurality of metal torsion beams that are electrically connected to each other through a portion formed of the conductive member of the vibrating portion and support at least one side of the vibrating portion;
A drive circuit for supplying a drive current to the plurality of metal torsion beams;
A magnet arranged so that a magnetic field acts on a current flowing through the plurality of metal torsion beams,
The drive circuit provides a vibration device characterized in that a drive current having a first frequency for generating rotational vibration in the vibration unit is applied to the plurality of metal torsion beams .
本発明によれば、梁によって振動部が支持された構成において安定した振動を実現することができる。 According to the present invention, stable vibration can be realized in the configuration in which the vibrating portion is supported by the beam.
本発明では、振動部の少なくとも一端に接続されてその振動部から並行して延びる複数の梁を備えた構成とし、振動部を複数の梁により安定して支持することで、安定した振動を実現できる。たとえば、振動部に鏡面を設ければ、安定した光走査を実現することができる。なお、さらに安定した振動（光走査）を実現するために、振動部の一端および他端のそれぞれから並行して延びる複数の梁が設けられてもよい。 In the present invention, a structure including a plurality of beams that are connected to at least one end of the vibration unit and extend in parallel from the vibration unit, and the vibration unit is stably supported by the plurality of beams, thereby realizing stable vibration. it can. For example, if a mirror surface is provided on the vibration part, stable optical scanning can be realized. In order to realize more stable vibration (optical scanning), a plurality of beams extending in parallel from one end and the other end of the vibration unit may be provided.
以下、振動部の一端に接続されて当該振動部から並行して延びる複数の梁を備えた振動装置の一例として、図１は光走査装置１を示している。図２は振動ミラー１０の分解斜視図である。本実施形態の梁は、第１の金属梁として機能するねじり梁１１、第２の金属梁として機能するねじり梁１２とで構成され、これらねじり梁１１、１２が平行して延びた構成としている。なお、ねじり梁１１、１２はその一部が導電性部材により形成されていれば十分であり、全体が導電性部材により形成されていなくてもよい。図１、図２において、ねじり梁１１、１２は、同形状であり、回転軸Ｌに対して対称に配置されている。このような対象配置を採用することで、たとえば、振動部に相当する振動ミラー１０の振動を安定させやすくなる。ねじり梁１１、１２の各一端は絶縁性の固定部材３１に固定されている。ねじり梁１１、１２の各他端は、振動部の少なくとも一部を構成する質量体２０を構成する第１の導電性部材１３に電気的に接続されている。質量体２０は、光を走査する鏡面として機能するミラー２１、２２と磁石４１を有した振動体である。質量体２０は、回転軸Ｌを中心に回転振動する。磁石４１および駆動コイル５１は、質量体２０に回転振動を励起する励起手段として機能する。駆動コイル５１には、駆動回路２４４からの第１の周波数ｆ１の駆動電流が通電され、磁界を発生する。磁石４１が発生する磁界（磁力線）と駆動コイル５１が発生する磁界（磁力線）とが作用しあうことで、質量体２０には回転軸Ｌを中心にした回転トルクが発生する。ねじり梁１１、１２はそれぞれ第２の導電性部材および第３の導電性部材の一例である。ねじり梁１１、１２の各一端は第１の導電性部材１３に接続されており、各他端は、第２の周波数ｆ２の駆動電流を発生して出力する駆動回路２４３に接続されている。 FIG. 1 shows an optical scanning device 1 as an example of a vibration device including a plurality of beams connected to one end of the vibration unit and extending in parallel from the vibration unit. FIG. 2 is an exploded perspective view of the vibrating mirror 10. The beam according to this embodiment includes a torsion beam 11 that functions as a first metal beam and a torsion beam 12 that functions as a second metal beam, and the torsion beams 11 and 12 extend in parallel. . Note that it is sufficient that a part of the torsion beams 11 and 12 is formed of a conductive member, and the whole may not be formed of a conductive member. 1 and 2, the torsion beams 11 and 12 have the same shape and are arranged symmetrically with respect to the rotation axis L. By adopting such a target arrangement, for example, it becomes easy to stabilize the vibration of the vibration mirror 10 corresponding to the vibration part. One end of each of the torsion beams 11 and 12 is fixed to an insulating fixing member 31. The other ends of the torsion beams 11 and 12 are electrically connected to the first conductive member 13 constituting the mass body 20 constituting at least a part of the vibration part. The mass body 20 is a vibrating body having mirrors 21 and 22 that function as mirror surfaces for scanning light and a magnet 41. The mass body 20 oscillates around the rotation axis L. The magnet 41 and the drive coil 51 function as excitation means that excites rotational vibration in the mass body 20. The drive coil 51 is energized with a drive current having the first frequency f1 from the drive circuit 244, and generates a magnetic field. A rotating torque centering around the rotation axis L is generated in the mass body 20 by the action of the magnetic field (line of magnetic force) generated by the magnet 41 and the magnetic field (line of magnetic force) generated by the drive coil 51. The torsion beams 11 and 12 are examples of the second conductive member and the third conductive member, respectively. One end of each of the torsion beams 11 and 12 is connected to the first conductive member 13, and the other end is connected to a drive circuit 243 that generates and outputs a drive current of the second frequency f2.
図２が示すように質量体２０は、第１の導電性部材１３を挟むようにミラー２１、２２が取り付けられている。ねじり梁１１、１２は第１の導電性部材１３を介して電気的に接続され、電流ループを形成している。ねじり梁１１、１２および第１の導電性部材１３は、同じ金属材料で一体に成形されてもよい。これは、製造コストに関して有利となる。材料としては、たとえば、ステンレス材や銅合金のほか、Ｃｏ−Ｎｉ基合金などを採用してもよい。ミラー２１、２２は、シリコンウエハを主材としてもよい。この場合、主材の表面に増反射膜を成膜することで鏡面が形成される。ミラー２１、２２は、導電性部材を主材とし、導電性部材のうえ反射膜が成膜されてもよい。この場合、ミラー２１、２２が第１の導電性部材１３として兼用され、部品点数を削減できる。 As shown in FIG. 2, the mass body 20 has mirrors 21 and 22 attached so as to sandwich the first conductive member 13. The torsion beams 11 and 12 are electrically connected via the first conductive member 13 to form a current loop. The torsion beams 11 and 12 and the first conductive member 13 may be integrally formed of the same metal material. This is advantageous with respect to manufacturing costs. As the material, for example, a Co—Ni-based alloy may be employed in addition to a stainless steel or a copper alloy. The mirrors 21 and 22 may use a silicon wafer as a main material. In this case, a mirror surface is formed by forming an increased reflection film on the surface of the main material. The mirrors 21 and 22 may include a conductive member as a main material, and a reflective film may be formed on the conductive member. In this case, the mirrors 21 and 22 are also used as the first conductive member 13, and the number of parts can be reduced.
図３は、駆動周波数に対する振幅特性（周波数特性）を示す図である。横軸は振動ミラー１０の周波数であり、縦軸は振動ミラー１０の振幅である。Ｗ１は温度Ｔ１における周波数特性を示している。Ｗ２、Ｗ３は温度Ｔ２における周波数特性を示している。駆動回路２４３は、振動ミラー１０の環境温度が温度Ｔ１のときに駆動周波数ｆ１の値を共振周波数ｆｓ１に設定することで、振動ミラー１０の動作点はＰ１からＰ２に移動する。つまり、振動ミラー１０は、共振点付近で駆動される。 FIG. 3 is a diagram showing amplitude characteristics (frequency characteristics) with respect to the drive frequency. The horizontal axis is the frequency of the vibrating mirror 10, and the vertical axis is the amplitude of the vibrating mirror 10. W1 indicates the frequency characteristic at the temperature T1. W2 and W3 indicate frequency characteristics at the temperature T2. The drive circuit 243 moves the operating point of the vibrating mirror 10 from P1 to P2 by setting the value of the driving frequency f1 to the resonance frequency fs1 when the environmental temperature of the vibrating mirror 10 is the temperature T1. That is, the vibrating mirror 10 is driven near the resonance point.
ところで、金属材料を主材としたねじり梁１１、１２は、温度に依存してヤング率が変化する。そのため、周囲の発熱や気流のできかたによりねじり梁１１、１２のばね特性が変動し、その結果、回転振動の共振周波数が変動する。たとえば、環境温度がＴ１からそれよりも高いＴ２に変化したとすると、周波数特性がＷ１からＷ２に変動する。すなわち、金属製の梁（ここでは、ねじり梁１１、１２）は、通電によってばね特性を可変できることから、通電条件によってばね特性を調整することが可能なる。 By the way, the Young's modulus of the torsion beams 11 and 12 whose main material is a metal material changes depending on the temperature. Therefore, the spring characteristics of the torsion beams 11 and 12 vary depending on how the surrounding heat generation and air flow are generated, and as a result, the resonance frequency of the rotational vibration varies. For example, if the environmental temperature changes from T1 to T2 higher than that, the frequency characteristic changes from W1 to W2. That is, since the spring characteristics of the metal beams (here, the torsion beams 11 and 12) can be varied by energization, the spring characteristics can be adjusted according to the energization conditions.
駆動回路２４３が第１の周波数ｆ１の駆動電流の振幅（電流量）を一定に制御することで、振動ミラー１０には一定の駆動力が付与される。この条件の下で、共振周波数ｆｓ１からｆｓ２へ変動する（周波数特性がＷ１からＷ２に変動する）と、振動ミラー１０は共振周波数ｆｓ２から外れた駆動周波数ｆｓ１で駆動される（動作点Ｐ３）。そのため、走査振幅が変動してしまい、ジッタの原因となる。 The drive circuit 243 controls the amplitude (current amount) of the drive current of the first frequency f1 to be constant, so that a constant drive force is applied to the oscillating mirror 10. Under this condition, when the resonance frequency fs1 changes to fs2 (the frequency characteristic changes from W1 to W2), the oscillating mirror 10 is driven at the drive frequency fs1 that deviates from the resonance frequency fs2 (operation point P3). For this reason, the scanning amplitude fluctuates, causing jitter.
振動ミラー１０の振動振幅をフィードバックして駆動電流の電流量を制御することで、振動振幅を一定にすることができる。しかし、周波数特性Ｗ２上で極大値をとる共振周波数ｆｓ２付近の周波数を駆動周波数ｆ１とすれば、振幅変動が小さくなり、振幅制御が安定する。ただし、共振周波数ｆｓ２から外れた駆動周波数では振幅変動が大きくなるため、振動振幅の制御性が低下し、ジッタの増大に繋がる。 By controlling the amount of drive current by feeding back the vibration amplitude of the vibration mirror 10, the vibration amplitude can be made constant. However, if the frequency in the vicinity of the resonance frequency fs2 having the maximum value on the frequency characteristic W2 is set as the drive frequency f1, the amplitude fluctuation is reduced, and the amplitude control is stabilized. However, since the amplitude fluctuation becomes large at a driving frequency deviating from the resonance frequency fs2, the controllability of the vibration amplitude is lowered, leading to an increase in jitter.
そこで、本実施形態では、温度変化やコイルに発生する逆起電力の位相などから共振周波数を検出し、検出した共振周波数が所望の共振周波数に近づくように駆動回路２４３がねじり梁１１、１２を加熱することで、ねじり梁１１、１２のばね特性を安定化することができる。たとえば、ねじり梁１１、１２の温度が環境温度よりも高い所定の温度に維持すれば、共振周波数の温度ドリフトが抑えられ、安定した光走査を実現することができる。なお、所望の共振周波数とは、環境温度よりも高い所定の温度に対応した周波数特性上の共振周波数である。 Therefore, in this embodiment, the resonance frequency is detected from the temperature change, the phase of the counter electromotive force generated in the coil, and the like, and the drive circuit 243 moves the torsion beams 11 and 12 so that the detected resonance frequency approaches the desired resonance frequency. By heating, the spring characteristics of the torsion beams 11 and 12 can be stabilized. For example, if the temperature of the torsion beams 11 and 12 is maintained at a predetermined temperature higher than the environmental temperature, the temperature drift of the resonance frequency can be suppressed and stable optical scanning can be realized. The desired resonance frequency is a resonance frequency on a frequency characteristic corresponding to a predetermined temperature higher than the environmental temperature.
図４は、光走査装置１の制御部の構成例を示すブロック図である。本実施形態では、駆動コイル５１を振動ミラー１０の振動振幅や共振周波数を検出するための検出コイルとして共用するため、スイッチ２１０が設けられている。なお、駆動コイル５１とは別に専用の検出コイルが設けられてもよい。制御回路２０４はスイッチ切り替え信号を出力することで、駆動回路２４３と駆動コイル５１とを接続したり、増幅回路２０１と駆動コイル５１とを接続したりする。 FIG. 4 is a block diagram illustrating a configuration example of the control unit of the optical scanning device 1. In the present embodiment, a switch 210 is provided in order to share the drive coil 51 as a detection coil for detecting the vibration amplitude and resonance frequency of the vibration mirror 10. A dedicated detection coil may be provided separately from the drive coil 51. The control circuit 204 outputs a switch switching signal to connect the drive circuit 243 and the drive coil 51 or connect the amplifier circuit 201 and the drive coil 51.
制御回路２０４は、振動ミラー１０の共振周波数を検出する周波数検出回路２４１と、上述した駆動回路２４３、２４４を有している。駆動コイル５１は、スイッチ２１０を介して増幅回路２０１に接続されている。増幅回路２０１は、駆動コイル５１が出力する検出信号Ｖｄを増幅する。制御回路２０４が第１の駆動電流を供給することで振動ミラー１０が振動しているときに駆動電流の供給を停止すると、振動ミラー１０が減衰振動を開始する。減衰振動に伴う磁石４１の回転によって、駆動コイル５１には逆起電力が発生し、逆起電力に応じた検出信号Ｖｄが駆動コイル５１から出力される。このように、制御回路２０４は、駆動力印加手段（駆動回路２４３など）を停止させて、振動ミラー１０に減衰振動を開始させる制御手段として機能する。なお、振動ミラー１０は、振幅に依存した共振周波数で減衰振動する。 The control circuit 204 includes a frequency detection circuit 241 that detects the resonance frequency of the oscillating mirror 10 and the drive circuits 243 and 244 described above. The drive coil 51 is connected to the amplifier circuit 201 via the switch 210. The amplifier circuit 201 amplifies the detection signal Vd output from the drive coil 51. When the control circuit 204 supplies the first drive current and the vibration mirror 10 is vibrating, when the supply of the drive current is stopped, the vibration mirror 10 starts damped vibration. Due to the rotation of the magnet 41 accompanying the damped vibration, a back electromotive force is generated in the drive coil 51, and a detection signal Vd corresponding to the back electromotive force is output from the drive coil 51. In this way, the control circuit 204 functions as a control unit that stops the driving force application unit (such as the driving circuit 243) and causes the oscillating mirror 10 to start the damped vibration. The oscillating mirror 10 oscillates at a resonance frequency depending on the amplitude.
増幅回路２０１の後段にはパルス化回路２０２とピークホールド回路２０３とが接続されている。パルス化回路２０２は、増幅回路２０１により増幅された検出信号Ｖｄを２値化してパルス信号Ｐｄを生成する。このパルス信号Ｐｄの周期は検出信号Ｖｄの周期に一致している。パルス信号Ｐｄの周期は振動ミラー１０の減衰振動の周期に相当するため、周波数検出回路２４１でパルス信号Ｐｄの周期を測定すれば、振動ミラー１０の減衰振動の周期（その逆数が共振周波数）が判明する。このようにして周波数検出回路２４１は振動ミラー１０の共振周波数を測定する。 A pulsing circuit 202 and a peak hold circuit 203 are connected to the subsequent stage of the amplifier circuit 201. The pulse circuit 202 binarizes the detection signal Vd amplified by the amplifier circuit 201 to generate a pulse signal Pd. The period of the pulse signal Pd is coincident with the period of the detection signal Vd. Since the period of the pulse signal Pd corresponds to the period of the damped vibration of the oscillating mirror 10, if the period of the pulse signal Pd is measured by the frequency detection circuit 241, the period of the damped vibration of the oscillating mirror 10 (the reciprocal is the resonance frequency). Prove. In this way, the frequency detection circuit 241 measures the resonance frequency of the vibrating mirror 10.
ピークホールド回路２０３は、検出信号Ｖｄの振幅のピーク値Ｖｐｈをホールドして制御回路２０４に出力する。ピーク値Ｖｐｈは振動ミラー１０の振動振幅に対応している。よって、ピークホールド回路２０３は、振幅検出手段として機能する。 The peak hold circuit 203 holds the peak value Vph of the amplitude of the detection signal Vd and outputs it to the control circuit 204. The peak value Vph corresponds to the vibration amplitude of the vibration mirror 10. Therefore, the peak hold circuit 203 functions as an amplitude detection unit.
制御回路２０４は、ＣＰＵとメモリを有し、入力されたパルス信号Ｐｄおよび検出信号Ｖｄの振幅のピーク値Ｖｐｈに基づいて第１の周波数ｆ１や第２の周波数ｆ２を設定する。周波数検出回路２４１、駆動回路２４３、２４４は、メモリに記憶されているプログラムをＣＰＵが実行することで実現されてもよいし、のハードウエアによって実現されてもよい。 The control circuit 204 includes a CPU and a memory, and sets the first frequency f1 and the second frequency f2 based on the input pulse signal Pd and the peak value Vph of the amplitude of the detection signal Vd. The frequency detection circuit 241 and the drive circuits 243 and 244 may be realized by the CPU executing a program stored in the memory, or may be realized by hardware.
制御回路２０４は、ときどき駆動電流の供給を停止することで、振動ミラー１０の共振周波数を測定し、共振周波数がある範囲を超えて変動したかどうかを監視してもよい。たとえば、図５が示すように、温度変動により周波数特性がＷ１からＷ２に移行すると、共振周波数がｆｓ１からｆｓ２に変動する。図５の例では、初期状態でねじり梁１１、１２が雰囲気温度よりも高い温度となるように加熱されており、時間の経過とともにねじり梁１１、１２の温度が低下したことで、周波数特性がＷ１からＷ２に移行したことを示している。 The control circuit 204 may measure the resonance frequency of the oscillating mirror 10 by stopping the supply of the drive current from time to time, and monitor whether the resonance frequency fluctuates beyond a certain range. For example, as shown in FIG. 5, when the frequency characteristic shifts from W1 to W2 due to temperature variation, the resonance frequency varies from fs1 to fs2. In the example of FIG. 5, the torsion beams 11 and 12 are heated so as to have a temperature higher than the ambient temperature in the initial state, and the temperature characteristics of the torsion beams 11 and 12 are lowered with the passage of time. It shows that the process has shifted from W1 to W2.
制御回路２０４は、｜ｆｓ１−ｆｓ２｜が所定の閾値を超えると、第２の周波数ｆ２の駆動電流を駆動回路２４４に生成させ、ねじり梁１１、１２に印加する。これにより、ねじり梁１１、１２が加熱されて所望の温度に維持される。つまり、振動ミラー１０の周波数特性が所望の周波数特性Ｗ１に維持される。これにより、振動ミラー１０の振動振幅も目標振幅Ａｄｒｖに維持される。 When | fs1-fs2 | exceeds a predetermined threshold, the control circuit 204 causes the drive circuit 244 to generate a drive current of the second frequency f2 and apply it to the torsion beams 11 and 12. Thereby, the torsion beams 11 and 12 are heated and maintained at a desired temperature. That is, the frequency characteristic of the oscillating mirror 10 is maintained at a desired frequency characteristic W1. Thereby, the vibration amplitude of the vibration mirror 10 is also maintained at the target amplitude Adrv.
駆動回路２４４が出力する駆動電流の周波数は、第１の周波数ｆ１とは異なる第２の周波数ｆ２である。また、第２の周波数ｆ２の駆動電流は、ＤＣ（直流）電流であってもよい。第２の周波数ｆ２は、振動ミラー１０のねじりおよび撓みの共振モードの周波数と重ならない周波数に設定されうる。これにより、フィードバック制御が安定し、ジッタをさらに低減することができるだろう。 The frequency of the drive current output from the drive circuit 244 is a second frequency f2 that is different from the first frequency f1. Further, the driving current of the second frequency f2 may be a DC (direct current) current. The second frequency f <b> 2 can be set to a frequency that does not overlap with the resonance mode frequency of the torsional and bending of the vibrating mirror 10. This will stabilize the feedback control and further reduce jitter.
図１に示した光走査装置１では固定部材３１とねじり梁１１、１２の接触部は絶縁されている。しかし、ねじり梁１１とねじり梁１２のうちいずれか一方と固定部材３１との接触部だけを絶縁性とし、固定部材３１のそれ以外の部分は導電性としてもよい。この場合、固定部材３１を接地電極として使用することが可能となる。なお、固定部材３１側ではなく、ねじり梁１１、１２側の接触部に絶縁性の部材が設けられてもよい。 In the optical scanning device 1 shown in FIG. 1, the contact portion between the fixing member 31 and the torsion beams 11 and 12 is insulated. However, only the contact portion between one of the torsion beam 11 and the torsion beam 12 and the fixing member 31 may be insulative, and the other part of the fixing member 31 may be conductive. In this case, the fixing member 31 can be used as a ground electrode. Note that an insulating member may be provided at the contact portion on the torsion beams 11 and 12 side instead of the fixing member 31 side.
図６は、光走査装置１の他の構成例を示す図である。図６において図１と共通する部分の説明は省略する。図６において、振動ミラー１０の質量体２０は、反射膜が形成された導電性部材１３によって構成されている。質量体２０からは、平行に延びる２本のねじり梁１１、１２が設けられている。ねじり梁１１、１２は導電性部材１３によって電気的に接続されている。 FIG. 6 is a diagram illustrating another configuration example of the optical scanning device 1. In FIG. 6, the description of the parts common to FIG. 1 is omitted. In FIG. 6, the mass body 20 of the vibrating mirror 10 is configured by a conductive member 13 on which a reflective film is formed. Two torsion beams 11 and 12 extending in parallel are provided from the mass body 20. The torsion beams 11 and 12 are electrically connected by a conductive member 13.
ねじり梁１１、１２の脇には磁石４２、４３が配置（併設）されている。磁石４２、４３が発生する磁界がねじり梁１１、１２を流れる電流に作用する。図６において、駆動回路２４３、２４４は、駆動回路２４５として一体化されており、第１の周波数ｆ１の駆動電流と第２の周波数ｆ２の駆動電流とが重畳された駆動電流をねじり梁１１、１２に通電する。第１の周波数ｆ１は振動ミラー１０の回転振動モード近傍の周波数であり、第２の周波数ｆ２は振動ミラー１０の共振モードと重ならない周波数である。ねじり梁１１、１２および導電性部材１３によって電流ループが形成されているため、第１の周波数ｆ１の駆動電流はねじり梁１１、１２を通過する際に磁石４２、４３からの磁界による作用を受ける。その結果、振動ミラー１０に回転軸Ｌを中心にした回転トルクが励起される。第２の周波数ｆ２の駆動電流はねじり梁１１、１２を加熱させるため、ねじり梁１１、１２の温度が環境温度よりも高い所定の温度に維持される。その結果、ねじり梁１１、１２のばね特性が所望の特性に安定する。このときの制御方法はすでに説明したとおりである。 Magnets 42 and 43 are arranged (adjacent) beside the torsion beams 11 and 12. The magnetic field generated by the magnets 42 and 43 acts on the current flowing through the torsion beams 11 and 12. In FIG. 6, the drive circuits 243 and 244 are integrated as a drive circuit 245, and the drive current in which the drive current of the first frequency f1 and the drive current of the second frequency f2 are superimposed on the torsion beam 11, 12 is energized. The first frequency f1 is a frequency in the vicinity of the rotational vibration mode of the oscillating mirror 10, and the second frequency f2 is a frequency that does not overlap with the resonance mode of the oscillating mirror 10. Since the current loop is formed by the torsion beams 11 and 12 and the conductive member 13, the drive current of the first frequency f 1 is affected by the magnetic field from the magnets 42 and 43 when passing through the torsion beams 11 and 12. . As a result, rotational torque about the rotation axis L is excited in the vibrating mirror 10. Since the driving current of the second frequency f2 heats the torsion beams 11 and 12, the temperature of the torsion beams 11 and 12 is maintained at a predetermined temperature higher than the environmental temperature. As a result, the spring characteristics of the torsion beams 11 and 12 are stabilized to a desired characteristic. The control method at this time is as already described.
図６に示した光走査装置１では、最も高速で動作する質量体２０の周囲に、電磁駆動方式の振動ミラーで必要であった駆動コイル５１や磁石４１等がなく、気流の乱れを低減することができる。気流の乱れが少なくなれば、温度変化も小さくなろう。たとえば、２本のねじり梁１１、１２を平行に設けることで、軸ブレの抑制効果が得られるとともに、さらにジッタの低減を図ることができる。すなわち、梁に通電が可能となるため、梁の温度が調整可能となり、安定した振動特性となるように調整が可能となる。また、本実施例は、上述した光走査装置に限定されず、梁によって振動部を振動可能に支持した振動装置に適用され、梁への通電条件を制御することにより、安定した振動特性が実現されてもよい。なお、本実施例を光走査装置に適用した場合、梁の温度が環境温度よりも高い所定の温度に維持可能となるため、共振周波数の温度ドリフトが抑えられ、安定した光走査が実現されうる。 In the optical scanning device 1 shown in FIG. 6, there is no drive coil 51 or magnet 41 or the like required for the electromagnetically driven vibration mirror around the mass body 20 that operates at the highest speed, thereby reducing the turbulence of the airflow. be able to. If the turbulence is less, the temperature change will be smaller. For example, by providing the two torsion beams 11 and 12 in parallel, it is possible to obtain an axial blur suppression effect and to further reduce jitter. That is, since it is possible to energize the beam, the temperature of the beam can be adjusted, and adjustment can be performed so as to achieve stable vibration characteristics. In addition, this embodiment is not limited to the above-described optical scanning device, but is applied to a vibration device in which a vibrating portion is supported by a beam so as to be able to vibrate, and stable vibration characteristics are realized by controlling the energization conditions to the beam. May be. Note that when this embodiment is applied to an optical scanning device, the beam temperature can be maintained at a predetermined temperature higher than the environmental temperature, so that the temperature drift of the resonance frequency can be suppressed and stable optical scanning can be realized. .
図７、図８は第１の周波数ｆ１の駆動電流および第２の周波数ｆ２の駆動電流を用いた制御方法の一例を示す図である。ここでは、初期状態（図８の時刻ｔ０）における周波数特性がＷ１であり、共振周波数がｆｓ１であると仮定する。 7 and 8 are diagrams illustrating an example of a control method using the driving current having the first frequency f1 and the driving current having the second frequency f2. Here, it is assumed that the frequency characteristic in the initial state (time t0 in FIG. 8) is W1 and the resonance frequency is fs1.
時刻ｔ０において制御回路２０４は第１の駆動周波数ｆ１をｆｓ１に設定し、駆動電流を出力している。一方で、制御回路２０４は、振動ミラー１０の共振周波数を所望の共振周波数ｆｓ２に調整するために、第２の周波数ｆ２の駆動電流の出力を開始する。 At time t0, the control circuit 204 sets the first drive frequency f1 to fs1 and outputs a drive current. On the other hand, the control circuit 204 starts outputting the drive current of the second frequency f2 in order to adjust the resonance frequency of the oscillating mirror 10 to the desired resonance frequency fs2.
時刻ｔ０から時刻ｔ１にかけて、制御回路２０４は、振動ミラー１０の共振周波数を監視しながら、徐々に第２の周波数ｆ２の駆動電流の電流量を増加する。これにより、ねじり梁１１、１２が加熱され、その温度が上昇する。なお、この期間において、第１の周波数ｆ１の駆動電流については、周波数も電流量も一定に制御される。 From time t0 to time t1, the control circuit 204 gradually increases the amount of drive current at the second frequency f2 while monitoring the resonance frequency of the oscillating mirror 10. Thereby, the torsion beams 11 and 12 are heated and the temperature rises. Note that during this period, the drive current of the first frequency f1 is controlled to be constant in both frequency and current amount.
時刻ｔ１において、制御回路２０４は、共振周波数がｆｓ２になったことを確認すると、電流量の増加を停止する。図７によれば、時刻ｔ１で周波数特性がＷ１からＷ２に遷移している。 At time t1, when the control circuit 204 confirms that the resonance frequency has become fs2, the control circuit 204 stops increasing the amount of current. According to FIG. 7, the frequency characteristic transitions from W1 to W2 at time t1.
時刻ｔ２で、制御回路２０４は、振動ミラー１０の振動振幅を目標振幅Ａｄｒｖに移行させるための振幅制御を開始する。つまり、周波数特性をＷ２からＷ２’に遷移させる。制御回路２０４は、振動ミラー１０の振動振幅を目標振幅Ａｄｒｖに近づけるために、第１の駆動周波数ｆ１の駆動電流の電流量を徐々に増加させてゆく。制御回路２０４は、ピーク値Ｖｐｈを監視することで、振動ミラー１０の振動振幅を目標振幅Ａｄｒｖになったかどうかを判定する。時刻ｔ３において、振動ミラー１０の振動振幅を目標振幅Ａｄｒｖに到達する。つまり、周波数特性がＷ２’になる。 At time t2, the control circuit 204 starts amplitude control for shifting the vibration amplitude of the vibration mirror 10 to the target amplitude Adrv. That is, the frequency characteristic is shifted from W2 to W2 '. The control circuit 204 gradually increases the amount of drive current at the first drive frequency f1 in order to bring the vibration amplitude of the vibration mirror 10 closer to the target amplitude Adrv. The control circuit 204 determines whether or not the vibration amplitude of the vibration mirror 10 has reached the target amplitude Adrv by monitoring the peak value Vph. At time t3, the vibration amplitude of the vibration mirror 10 reaches the target amplitude Adrv. That is, the frequency characteristic is W2 '.
なお、図６に示した実施形態では、第１の駆動周波数ｆ１と第２の駆動周波数ｆ２とが重畳されてねじり梁１１、１２に印加されるため、第１の駆動周波数ｆ１も加熱に寄与する。そこで、時刻ｔ２からｔ３において、制御回路２０４は、第１の駆動周波数ｆ１の駆動電流の電流量を増加させた分だけ、第２の駆動周波数ｆ２の駆動電流の電流量を減少させる。これにより、制御回路２０４は、第１の駆動周波数ｆ１の駆動電流による電力量と第２の駆動周波数ｆ２の駆動電流による電力量との合計が一定の電力量になるようにこれらの電流量を制御する。その結果、ねじり梁１１、１２に生じるジュール熱が一定になるため、共振周波数が一定の共振周波数に維持される。よって、時刻ｔ３以降は、制御回路２０４が、電力量のみを増減することで、振動ミラー１０の振動振幅を目標振幅Ａｄｒｖに維持する。 In the embodiment shown in FIG. 6, since the first drive frequency f1 and the second drive frequency f2 are superimposed and applied to the torsion beams 11, 12, the first drive frequency f1 also contributes to heating. To do. Therefore, from time t2 to time t3, the control circuit 204 decreases the current amount of the drive current at the second drive frequency f2 by an amount corresponding to the increase in the current amount of the drive current at the first drive frequency f1. As a result, the control circuit 204 sets these current amounts so that the sum of the amount of power by the drive current at the first drive frequency f1 and the amount of power by the drive current at the second drive frequency f2 becomes a constant amount of power. Control. As a result, since the Joule heat generated in the torsion beams 11 and 12 becomes constant, the resonance frequency is maintained at a constant resonance frequency. Therefore, after time t3, the control circuit 204 maintains the vibration amplitude of the vibration mirror 10 at the target amplitude Adrv by increasing or decreasing only the electric energy.
図１や図６に示した光走査装置１は質量体２０を片側で支持する、いわゆる片持ち構成を採用している。一方、図９（Ａ）および図９（Ｂ）が示すように、質量体２０の両側にねじり梁１１ａ、１１ｂ、１２ａ、１２ｂが設けられる、いわゆる両持ち構成が採用されてもよい。図９（Ａ）および図９（Ｂ）によれば、ねじり梁１１ａ、１２ａに対して磁石４２ａ、４３ａが設けられ、ねじり梁１１ｂ、１２ｂに対して磁石４２ｂ、４３ｂが設けられている。これにより、回転軸Ｌを中心にした回転トルクが発生する。その結果、図１０に示すように鏡面を設けられた質量体２０が回転振動する。 The optical scanning device 1 shown in FIGS. 1 and 6 employs a so-called cantilever configuration in which the mass body 20 is supported on one side. On the other hand, as shown in FIG. 9A and FIG. 9B, a so-called both-end support structure in which torsion beams 11 a, 11 b, 12 a, and 12 b are provided on both sides of the mass body 20 may be adopted. 9A and 9B, magnets 42a and 43a are provided for the torsion beams 11a and 12a, and magnets 42b and 43b are provided for the torsion beams 11b and 12b. As a result, rotational torque about the rotation axis L is generated. As a result, as shown in FIG. 10, the mass body 20 provided with a mirror surface vibrates rotationally.
なお、図９（Ａ）と、図９（Ｂ）とでは、磁石４２ａ、４３ａの磁界の方向が反転しているため、駆動回路２４５と、ねじり梁１１ａ、１１ｂ、１２ａ、１２ｂとの接続が異なっている。図９（Ａ）、図９（Ｂ）には、ねじり梁１１ａ、１１ｂ、１２ａ、１２ｂを支持する固定部材３１が示されているが、これは図示が省略されているにすぎない。その他の点も、基本的に図１ないし図８で説明したとおりである。 9A and 9B, since the magnetic field directions of the magnets 42a and 43a are reversed, the connection between the drive circuit 245 and the torsion beams 11a, 11b, 12a, and 12b is established. Is different. 9A and 9B show the fixing member 31 that supports the torsion beams 11a, 11b, 12a, and 12b. However, this is merely omitted. Other points are basically the same as those described with reference to FIGS.
（ねじり梁の２本の梁部材により構成する効果）
上述したように、最大走査速度を低下させることなく振動ミラーを小型化するには、ミラーを有する振動体（質量体）を軽量にするとともに、ねじり梁を細く、かつ、短くしなければならない。しかし、振動体が軽量になると空気抵抗の影響を受けやすくなり、ねじり梁に軸ブレが発生しやすくなる。たとえば、質量体２０を数ｋ〜数十ｋＨｚの高速な周波数で回転振動させると、空気抵抗の影響を大きく受ける。また、空気抵抗を避けるようにミラーが移動しようとする。そのため、ねじり梁の剛性が低いと、ねじり梁が変形して撓み振動が発生し、振動特性が変動してしまう。つまり、ねじり梁の剛性が低下することで、やはりねじり梁に軸ブレが発生しやすくなる。軸ブレは回転振動の振幅にジッタをもたらす。質量体の両側をねじり梁で支持する「両持ち構造」よりも、質量体の片側のみをねじり梁で支持する片持ち構造は、小型化に有利である。しかしながら、両持ち構造よりも片持ち構造でジッタが大きくなりやすい。
(Effect made up of two torsion beam members)
As described above, in order to reduce the size of the vibrating mirror without reducing the maximum scanning speed, it is necessary to reduce the weight of the vibrating body (mass body) having the mirror and to make the torsion beam thin and short. However, when the vibrating body is lighter, it is more susceptible to air resistance, and axial blurring tends to occur in the torsion beam. For example, when the mass body 20 is rotated and vibrated at a high frequency of several k to several tens kHz, it is greatly affected by air resistance. Also, the mirror tries to move to avoid air resistance. For this reason, if the rigidity of the torsion beam is low, the torsion beam is deformed to cause flexural vibration, and the vibration characteristics are fluctuated. That is, since the rigidity of the torsion beam is lowered, the shaft shake is likely to occur in the torsion beam. Axial wobbling introduces jitter in the amplitude of rotational vibration. The cantilever structure in which only one side of the mass body is supported by the torsion beam is more advantageous for miniaturization than the “both-end support structure” in which both sides of the mass body are supported by the torsion beam. However, the jitter tends to be larger in the cantilever structure than in the both-end structure.
本実施形態によれば、図１、図２、図６、図９、図１０に示したように、質量体２０の一方の片側を少なくとも２本の平行な梁部材（ねじり梁１１、１２）で支持する構造が採用されている。これにより、ジッタを低減して、安定した光り走査が実現されている。とりわけ、ねじり梁１１、１２は固定部材３１から質量体２０まで平行に延びる構造を採用することで、ジッタを削減しやすくなっている。さらに、図９、図１０に示したように、両持ち構造においても２本の平行な梁部材（ねじり梁１１ａ、１１ｂ、１２ａ、１２ｂ）で支持することで、さらに、ジッタを削減しやすくなる。なお、本実施形態の技術的効果を確かめるために、比較例と本実施形態とについて実験を行った。 According to the present embodiment, as shown in FIGS. 1, 2, 6, 9, and 10, at least one parallel beam member (torsion beams 11, 12) on one side of the mass body 20 is provided. The structure supported by is adopted. Thereby, jitter is reduced and stable light scanning is realized. In particular, the torsion beams 11 and 12 employ a structure extending in parallel from the fixing member 31 to the mass body 20, thereby making it easy to reduce jitter. Furthermore, as shown in FIGS. 9 and 10, even in the both-end supported structure, it is easier to reduce jitter by supporting with two parallel beam members (torsion beams 11a, 11b, 12a, 12b). . In addition, in order to confirm the technical effect of this embodiment, it experimented about the comparative example and this embodiment.
図１１（Ａ）は、比較例の振幅変化率（ジッタの実測値）を示す図である。図１１（Ｂ）は、本実施形態の振幅変化率を示す図である。比較例は、図１に示した振動ミラー１０を一本のねじり梁で構成した例である。本実施形態は、図１に示した振動ミラー１０である。図１１（Ａ）と図１１（Ｂ）とを比較してみると、本実施形態では比較例よりも大幅にジッタが削減されていることがわかる。 FIG. 11A is a diagram illustrating the amplitude change rate (actual measurement value of jitter) of the comparative example. FIG. 11B is a diagram showing the amplitude change rate of the present embodiment. The comparative example is an example in which the oscillating mirror 10 shown in FIG. 1 is configured by a single torsion beam. This embodiment is the vibration mirror 10 shown in FIG. Comparing FIG. 11 (A) and FIG. 11 (B), it can be seen that the jitter is significantly reduced in this embodiment compared to the comparative example.
以上説明したように、本実施形態の振動ミラー１０は、光を走査するための鏡面を有する質量体２０を備えている。図１、図２、図６、図９、図１０に示したように、質量体２０の一方の片側には２本の梁部材としてねじり梁１１、１２が結合している。ねじり梁１１、１２は、質量体２０から平行に延びている。これにより、安定した光走査を実現できる。上述したようにねじり梁を小型化するために、質量体２０を軽量にするとともに、ねじり梁を細く、かつ、短くすると、ジッタが大きくなりやすい。本実施形態では、質量体２０を平行な２本の梁部材で支持されているため、回転軸Ｌがぶれにくくなり、質量体２０の振動が安定する。つまり、質量体２０の鏡面による光の走査が安定する。 As described above, the vibrating mirror 10 of the present embodiment includes the mass body 20 having a mirror surface for scanning light. As shown in FIGS. 1, 2, 6, 9, and 10, torsion beams 11 and 12 are coupled to one side of the mass body 20 as two beam members. The torsion beams 11 and 12 extend in parallel from the mass body 20. Thereby, stable optical scanning can be realized. As described above, in order to reduce the size of the torsion beam, when the mass body 20 is reduced in weight and the torsion beam is made thin and short, jitter tends to increase. In the present embodiment, since the mass body 20 is supported by two parallel beam members, the rotation axis L is less likely to shake, and the vibration of the mass body 20 is stabilized. That is, the light scanning by the mirror surface of the mass body 20 is stabilized.
図９、図１０を用いて説明したように両持ち構造に本発明を適用してもよい。質量体２０の一方の片側は質量体２０から平行に延びる２本のねじり梁１１ａ、１２ａを有する第１の梁によって支持され、質量体２０の他方の片側は質量体２０から平行に延びる２本のねじり梁１１ｂ、１２ｂを有する第２の梁で支持される。つまり、質量体２０の両側に２本の平行な梁部材を設けることで、片持ち構造よりもさらに安定した光り走査を実現できる。ただし、小型化の観点からは片持ち構造のほうが両持ち構造よりも有利である。 As described with reference to FIGS. 9 and 10, the present invention may be applied to a both-end supported structure. One side of the mass body 20 is supported by a first beam having two torsion beams 11 a and 12 a extending in parallel from the mass body 20, and the other side of the mass body 20 is extended in parallel from the mass body 20. Are supported by a second beam having torsion beams 11b and 12b. That is, by providing two parallel beam members on both sides of the mass body 20, more stable light scanning can be realized than in the cantilever structure. However, the cantilever structure is more advantageous than the double-end structure from the viewpoint of miniaturization.
ねじり梁１１、１２（ねじり梁１１ａ、１１ｂ、１２ａ、１２ｂ）は金属材料により形成されていてもよい。また、これらの梁を支持および固定する固定部材３１は金属材料により形成されていてもよい。この場合、２本の梁部材のうち１本の梁部材のみが固定部材３１に対して電気的に導通していてもよい。これは、固定部材３１を接地電極などの電極部材として利用できる利点がある。 The torsion beams 11 and 12 (torsion beams 11a, 11b, 12a, and 12b) may be formed of a metal material. Moreover, the fixing member 31 that supports and fixes these beams may be formed of a metal material. In this case, only one beam member of the two beam members may be electrically connected to the fixing member 31. This has an advantage that the fixing member 31 can be used as an electrode member such as a ground electrode.
図６や図１１に示したように、質量体２０を回転振動させるための磁界を発生する磁石４２、４３は、質量体２０の回転軸Ｌに直交し、質量体２０を通る回転面から離れた位置に配置されてもよい。つまり、磁石４２、４３はねじり梁１１、１２（ねじり梁１１ａ、１１ｂ、１２ａ、１２ｂ）に近接して配置されてよい。このような配置により、磁石４２、４３に起因した、質量体２０が回転振動することによる気流の乱れを削減することが可能となる。つまり、光走査がさらに安定することになる。 As shown in FIGS. 6 and 11, the magnets 42 and 43 that generate a magnetic field for rotating and oscillating the mass body 20 are perpendicular to the rotation axis L of the mass body 20 and away from the rotation plane passing through the mass body 20. May be arranged at different positions. That is, the magnets 42 and 43 may be disposed in the vicinity of the torsion beams 11 and 12 (the torsion beams 11a, 11b, 12a, and 12b). With such an arrangement, it is possible to reduce the turbulence of the airflow caused by the mass body 20 due to rotational vibration caused by the magnets 42 and 43. That is, the optical scanning is further stabilized.
図６や図１１に示したように、質量体２０を回転振動させるための磁界を発生する磁石４２、４３は、２本の梁部材に対して平行に設けられており、２本の梁部材に流れる駆動電流に作用する磁界を発生してもよい。このような配置も気流の乱れを低減しつつ、効率よく振動ミラー１０を駆動する上で有利である。 As shown in FIGS. 6 and 11, the magnets 42 and 43 for generating a magnetic field for rotating and vibrating the mass body 20 are provided in parallel to the two beam members, and the two beam members A magnetic field that acts on the drive current flowing through may be generated. Such an arrangement is also advantageous for efficiently driving the vibrating mirror 10 while reducing the turbulence of the airflow.
さらに、振動ミラー１０の制御方法を工夫することで、さらに光走査を安定させることができる。図２などに示したように、質量体２０は、光を走査するための鏡面と第１の導電性部材１３とを有している。梁は、質量体２０に結合され、第１の導電性部材１３を介して電気的に接続された第２の導電性部材であるねじり梁１１と、第３の導電性部材であるねじり梁１２を有している。図１によれば、駆動コイル５１が、第１の周波数ｆ１の駆動電流により質量体２０に回転振動を励起する励起手段として機能する。図６、図９によれば、ねじり梁１１とねじり梁１２が励起手段として機能している。駆動回路２４４、２４５は、第１の周波数ｆ１の駆動電流とは異なる第２の周波数ｆ２の駆動電流をねじり梁１１とねじり梁１２に流して梁を発熱させる通電手段として機能している。これにより、梁の温度が環境温度よりも高い所定の温度に維持されるため、共振周波数の温度ドリフトが抑えられ、安定した光走査を実現することができる。 Furthermore, the optical scanning can be further stabilized by devising the control method of the vibrating mirror 10. As shown in FIG. 2 and the like, the mass body 20 has a mirror surface for scanning light and the first conductive member 13. The beam is coupled to the mass body 20 and is electrically connected via the first conductive member 13. The torsion beam 11 is a second conductive member and the torsion beam 12 is a third conductive member. have. According to FIG. 1, the drive coil 51 functions as an excitation unit that excites rotational vibration in the mass body 20 by the drive current of the first frequency f1. According to FIGS. 6 and 9, the torsion beam 11 and the torsion beam 12 function as excitation means. The drive circuits 244 and 245 function as energization means that causes a drive current of a second frequency f2 different from the drive current of the first frequency f1 to flow through the torsion beam 11 and the torsion beam 12 to generate heat. Thereby, since the temperature of the beam is maintained at a predetermined temperature higher than the environmental temperature, the temperature drift of the resonance frequency is suppressed, and stable optical scanning can be realized.
制御回路２０４は、第１の周波数ｆ１の駆動電流および第２の周波数ｆ２の駆動電流を制御する制御手段として機能する。とりわけ、第２の周波数ｆ２の駆動電流をねじり梁１１とねじり梁１２に流して梁を発熱させることで、ねじり梁１１とねじり梁１２が所望の温度に維持されるため、周波数特性も所望の周波数特性に維持される。その結果、ジッタが小さくなり、光走査が安定する。 The control circuit 204 functions as control means for controlling the drive current at the first frequency f1 and the drive current at the second frequency f2. In particular, since the torsion beam 11 and the torsion beam 12 are maintained at a desired temperature by causing the drive current of the second frequency f2 to flow through the torsion beam 11 and the torsion beam 12 to generate heat, the frequency characteristic is also desired. The frequency characteristics are maintained. As a result, jitter is reduced and optical scanning is stabilized.
図４によれば、梁の共振周波数を検出する周波数検出手段として、駆動コイル５１や周波数検出回路２４１が機能している。周波数検出手段としては、フォトセンサや歪ゲージが採用されてもよい。図５や図７を用いて説明したように、制御回路２０４は、周波数検出回路２４１により検出された共振周波数が所定の共振周波数に近づくよう第２の周波数ｆ２を調整する調整手段として機能してもよい。図８を用いて説明したように、第２の周波数ｆ２を一定に維持しつつ、第２の周波数ｆ２の駆動電流の電流量を調整することで、振動ミラー１０の共振周波数が所定の共振周波数に設定される。その結果、ねじり梁１１とねじり梁１２の温度を所望の温度に維持することが可能となる。ねじり梁１１とねじり梁１２の温度が所望の温度に維持されば、振動ミラー１０のジッタが減少する。 According to FIG. 4, the drive coil 51 and the frequency detection circuit 241 function as frequency detection means for detecting the resonance frequency of the beam. As the frequency detection means, a photo sensor or a strain gauge may be employed. As described with reference to FIGS. 5 and 7, the control circuit 204 functions as an adjusting unit that adjusts the second frequency f2 so that the resonance frequency detected by the frequency detection circuit 241 approaches a predetermined resonance frequency. Also good. As described with reference to FIG. 8, the resonance frequency of the oscillating mirror 10 is adjusted to a predetermined resonance frequency by adjusting the amount of the drive current of the second frequency f2 while maintaining the second frequency f2 constant. Set to As a result, the temperature of the torsion beam 11 and the torsion beam 12 can be maintained at a desired temperature. If the temperature of the torsion beam 11 and the torsion beam 12 is maintained at a desired temperature, the jitter of the vibrating mirror 10 is reduced.
図４によれば、質量体２０の回転振動の振幅を検知する振幅検知手段として、駆動コイル５１やピークホールド回路２０３が機能している。図７を用いて説明したように、制御回路２０４は、周波数検出回路２４１により検出された共振周波数が所定の共振周波数に一致すると、少なくとも第１の周波数ｆ１の駆動電流の量の調整を開始する。これにより、ピークホールド回路２０３によって検知される質量体２０の回転振動の振幅が、目標振幅Ａｄｒｖに近づけられる。このように、制御回路２０４は、振幅制御手段としても機能する。なお、駆動コイル５１は、質量体２０に設けられた磁石４１によって、質量体２０の共振周波数に応じた逆起電力が発生するコイルの一例である。図１において、駆動コイル５１は、質量体２０の外部に設けられている。図１によれば、質量体２０は、駆動コイル５１が発生する磁力線と作用する磁力線を発生する磁石４１を有している。 According to FIG. 4, the drive coil 51 and the peak hold circuit 203 function as amplitude detection means for detecting the amplitude of the rotational vibration of the mass body 20. As described with reference to FIG. 7, when the resonance frequency detected by the frequency detection circuit 241 matches the predetermined resonance frequency, the control circuit 204 starts adjusting the amount of the drive current at least at the first frequency f1. . Thereby, the amplitude of the rotational vibration of the mass body 20 detected by the peak hold circuit 203 is brought close to the target amplitude Adrv. As described above, the control circuit 204 also functions as an amplitude control unit. The drive coil 51 is an example of a coil in which a counter electromotive force corresponding to the resonance frequency of the mass body 20 is generated by the magnet 41 provided in the mass body 20. In FIG. 1, the drive coil 51 is provided outside the mass body 20. According to FIG. 1, the mass body 20 includes a magnet 41 that generates a magnetic force line that acts on a magnetic force line generated by the drive coil 51.
励起手段は、第１の導電性部材１３と、ねじり梁１１と、ねじり梁１２とによって形成されたループであってもよい。この場合、第１の周波数ｆ１の駆動電流と第２の周波数ｆ２の駆動電流とが重畳されてループに通電されることで、ねじり梁の加熱と振動ミラー１０の駆動力の発生とが同時に実現される。なお、ループが発生する磁界と作用する磁界は、振動ミラー１０の外部に設けられた磁石４２、４３から発生する。磁石４１、４２、４３を永久磁石とすることで製造コストを低減できるが、磁石４１、４２、４３を電磁石などとすることを除外する意思はない。 The excitation means may be a loop formed by the first conductive member 13, the torsion beam 11, and the torsion beam 12. In this case, the driving current of the first frequency f1 and the driving current of the second frequency f2 are superimposed and the loop is energized, so that the heating of the torsion beam and the generation of the driving force of the vibrating mirror 10 are realized simultaneously. Is done. The magnetic field that acts with the magnetic field generated by the loop is generated from the magnets 42 and 43 provided outside the vibrating mirror 10. Although the manufacturing cost can be reduced by making the magnets 41, 42, 43 permanent magnets, there is no intention to exclude the magnets 41, 42, 43 from electromagnets.
本実施形態において、ねじり梁は、第１の金属梁であるねじり梁１１と、第２の金属梁であるねじり梁１２とによって構成されてもよい。これにより第１の導電性部材１３、ねじり梁１１、ねじり梁１２を同一の金属材料からプレス加工により製作可能となり、振動ミラー１０の製造が容易になる。これは製造コストを削減することにも寄与する。 In the present embodiment, the torsion beam may be constituted by a torsion beam 11 that is a first metal beam and a torsion beam 12 that is a second metal beam. As a result, the first conductive member 13, the torsion beam 11, and the torsion beam 12 can be manufactured from the same metal material by pressing, and the vibration mirror 10 can be easily manufactured. This also contributes to reducing manufacturing costs.
図８を用いて説明したように、制御回路２０４は、第１の周波数ｆ１の駆動電流と第２の周波数ｆ２の駆動電流とを調整することで、第１の周波数ｆ１の駆動電流と第２の周波数ｆ２の駆動電流とによって発生するジュール熱を制御してもよい。とりわけ、第１の周波数ｆ１の駆動電流と第２の周波数ｆ２の駆動電流とが重畳される場合は、第１の周波数ｆ１の駆動電流も加熱に寄与する。よって、第１の周波数ｆ１の駆動電流を調整して振動ミラー１０の振動振幅が目標振幅Ａｄｒに一致すると、それに応じて第２の周波数ｆ２の駆動電流が調整される。これにより、ねじり梁１１、１２が一定の温度に維持される。つまり、振動ミラー１０の周波数特性が所望の周波数特性に維持され、ジッタが減少する。 As described with reference to FIG. 8, the control circuit 204 adjusts the driving current of the first frequency f1 and the driving current of the second frequency f2 to adjust the driving current of the first frequency f1 and the second driving current. The Joule heat generated by the drive current having the frequency f2 may be controlled. In particular, when the driving current of the first frequency f1 and the driving current of the second frequency f2 are superimposed, the driving current of the first frequency f1 also contributes to heating. Therefore, when the driving current of the first frequency f1 is adjusted and the vibration amplitude of the vibrating mirror 10 matches the target amplitude Adr, the driving current of the second frequency f2 is adjusted accordingly. Thereby, the torsion beams 11 and 12 are maintained at a constant temperature. That is, the frequency characteristic of the vibrating mirror 10 is maintained at a desired frequency characteristic, and jitter is reduced.
図１、図６に示したように、ねじり梁１１、１２は、質量体２０の回転面から見て片側にのみ設けられてもよい。また、図９に示したように、ねじり梁１１、１２は、質量体２０の回転面から見て両側に設けられてもよい。回転面とは、回転軸Ｌに直交した平面であって、質量体２０の中心を通る平面である。 As shown in FIGS. 1 and 6, the torsion beams 11 and 12 may be provided only on one side when viewed from the rotating surface of the mass body 20. As shown in FIG. 9, the torsion beams 11 and 12 may be provided on both sides as viewed from the rotation surface of the mass body 20. The rotation plane is a plane orthogonal to the rotation axis L and passes through the center of the mass body 20.
上述した実施形態では、第１の周波数および第２の周波数の駆動信号の振幅の制御について電流制御を適用する例を用いて説明したが、電圧制御が採用されてもよい。いずれの場合でも電力量を制御できるからである。 In the above-described embodiment, the control of the amplitudes of the drive signals having the first frequency and the second frequency has been described using an example in which current control is applied. However, voltage control may be employed. This is because the power amount can be controlled in any case.
（その他）
振動ミラー１０の振動振幅や共振周波数を検出するセンサとしては、他のセンサが使用されてもよい。たとえば、ミラー２１およびミラー２２のうち一方を光の走査に利用し、他方を振動の検出に利用してもよい。この場合、他方のミラーに対して光源から光を照射し、そのミラーからの反射光をフォトセンサで検出することで、検出信号Ｖｄが得られる。さらに、駆動方法と検出方法の組み合わせも限定されるものではない。たとえば、電磁駆動方式の振動ミラー１０に対して、歪ゲージを設け、歪ゲージによって梁の捩れを検出してもよい。この場合は、歪ゲージからの出力信号が検出信号Ｖｄとして使用される。
(Other)
Other sensors may be used as sensors that detect the vibration amplitude and resonance frequency of the vibration mirror 10. For example, one of the mirror 21 and the mirror 22 may be used for light scanning, and the other may be used for vibration detection. In this case, the detection signal Vd is obtained by irradiating the other mirror with light from the light source and detecting the reflected light from the mirror with a photosensor. Furthermore, the combination of the driving method and the detection method is not limited. For example, a strain gauge may be provided for the electromagnetically driven vibrating mirror 10 and the torsion of the beam may be detected by the strain gauge. In this case, the output signal from the strain gauge is used as the detection signal Vd.
図１２は、光走査装置１を備えた画像形成装置２を示す。光源３３０から射出されたレーザー光は、射出光学系３２０を通過した後に振動ミラー１０によって走査される。さらにレーザー光は、結像光学系３２１により感光体３１０上を主走査方向に走査する。感光体３１０が回転することで副走査が実行される。これにより、感光体３１０に静電潜像が形成される。静電潜像は、その後、現像装置によりトナーが付与されて、トナー像へと現像される。トナー像は転写装置によって記録材上に転写され、定着装置によって定着される。 FIG. 12 shows an image forming apparatus 2 including the optical scanning device 1. The laser light emitted from the light source 330 is scanned by the vibrating mirror 10 after passing through the emission optical system 320. Further, the laser beam scans the photoconductor 310 in the main scanning direction by the imaging optical system 321. Sub-scanning is executed by rotating the photosensitive member 310. Thereby, an electrostatic latent image is formed on the photosensitive member 310. The electrostatic latent image is then developed into a toner image with toner applied thereto by a developing device. The toner image is transferred onto a recording material by a transfer device and fixed by a fixing device.
制御回路２０５は、上述した制御回路２０４を内包しており、さらに、光源３３０を制御するとともに、フォトセンサ３００、３０１からの光検出信号に応じて振動ミラー１０の振幅が一定の振幅となるように制御する。検出回路２００には、上述した増幅回路２０１、パルス化回路２０２およびピークホールド回路２０３を内包している。制御回路２０５は、１枚の画像が形成される毎に、振動ミラー１０の駆動周波数ｆ１、ｆ２や電流量を調整してもよい。制御回路２０５は、光源３３０にレーザー光の出力を停止させ、さらに振動ミラー１０の駆動信号の出力も停止する。これにより、振動ミラー１０は減衰振動を開始する。上述した方法にしたがって検出回路２００は振動ミラー１０の振動振幅に連動した検出信号Ｖｄから、ピーク値Ｖｐｈとパルス信号Ｐｄを制御回路２０５に出力する。制御回路２０５は、ピーク値Ｖｐｈとパルス信号Ｐｄに基づき共振周波数ｆを求める。駆動回路２４３は、設定された駆動周波数ｆの駆動信号を生成して出力する。なお、制御回路２０５は、感光体３１０の回転速度などの画像形成速度に係わる画像形成装置２の本体クロックを駆動周波数ｆに合わせて調整する。その後、制御回路２０５は、光源３３０を駆動してレーザー走査を行い、フォトセンサ３００、３０１の出力信号の時間間隔に基づいて、振動ミラー１０の振動振幅が目標振幅となるように駆動信号Ｄｒｖの振幅を微調整する。これにより、ジッタなどの振動状態の変動を抑えることができる。 The control circuit 205 includes the above-described control circuit 204, controls the light source 330, and makes the vibration mirror 10 have a constant amplitude according to the light detection signals from the photosensors 300 and 301. To control. The detection circuit 200 includes the amplifier circuit 201, the pulse circuit 202, and the peak hold circuit 203 described above. The control circuit 205 may adjust the drive frequencies f1 and f2 and the current amount of the vibrating mirror 10 each time one image is formed. The control circuit 205 causes the light source 330 to stop outputting the laser light, and further stops outputting the drive signal of the vibrating mirror 10. As a result, the vibrating mirror 10 starts damped vibration. According to the method described above, the detection circuit 200 outputs the peak value Vph and the pulse signal Pd to the control circuit 205 from the detection signal Vd linked to the vibration amplitude of the vibration mirror 10. The control circuit 205 obtains the resonance frequency f based on the peak value Vph and the pulse signal Pd. The drive circuit 243 generates and outputs a drive signal having the set drive frequency f. The control circuit 205 adjusts the main body clock of the image forming apparatus 2 related to the image forming speed such as the rotation speed of the photosensitive member 310 according to the driving frequency f. Thereafter, the control circuit 205 drives the light source 330 to perform laser scanning, and based on the time interval between the output signals of the photosensors 300 and 301, the control signal 205 sets the drive signal Drv so that the vibration amplitude of the vibration mirror 10 becomes the target amplitude. Fine-tune the amplitude. Thereby, fluctuations in the vibration state such as jitter can be suppressed.
本実施形態の光走査装置１を画像形成装置２に適用することで、温度などの環境変化に追従して駆動周波数を調整できるため安価で信頼性の高い画像形成装置２を提供できる。また、ジッタの少ない光走査が実行されるため、形成される画像の品質も所望の品質に維持できる。 By applying the optical scanning apparatus 1 of the present embodiment to the image forming apparatus 2, the driving frequency can be adjusted following the environmental change such as temperature, so that an inexpensive and highly reliable image forming apparatus 2 can be provided. Further, since optical scanning with less jitter is executed, the quality of the formed image can be maintained at a desired quality.
図１３は、光走査装置１を用いた映像投射装置３を示す。光源装置３３１は、ＲＧＢ３色のレーザー光源を有している。光源装置３３１から射出されたレーザー光は、振動ミラー１０によって水平方向に２０ｋＨｚ近傍の周波数で走査される。レーザー光はさらに、垂直走査装置３４０によって６０Ｈｚ程度の周波数で垂直走査される。これらによって２次元的走査が実現され、スクリーン３５０上に映像が投射される。 FIG. 13 shows a video projection device 3 using the optical scanning device 1. The light source device 331 has RGB three-color laser light sources. The laser light emitted from the light source device 331 is scanned by the vibrating mirror 10 in the horizontal direction at a frequency in the vicinity of 20 kHz. The laser beam is further vertically scanned by the vertical scanning device 340 at a frequency of about 60 Hz. As a result, two-dimensional scanning is realized, and an image is projected on the screen 350.
制御回路２０６は、上述した制御回路２０４を内包している。検出回路２００には、上述した増幅回路２０１、パルス化回路２０２およびピークホールド回路２０３を内包している。制御回路２０６には映像信号源３６０から映像信号が入力される。制御回路２０６は、映像信号に応じて光源装置３３１を駆動する。また、制御回路２０６は、フォトセンサ３０３の出力信号に基づいて光源装置３３１の発光タイミングを調整する。 The control circuit 206 includes the control circuit 204 described above. The detection circuit 200 includes the amplifier circuit 201, the pulse circuit 202, and the peak hold circuit 203 described above. A video signal is input from the video signal source 360 to the control circuit 206. The control circuit 206 drives the light source device 331 according to the video signal. Further, the control circuit 206 adjusts the light emission timing of the light source device 331 based on the output signal of the photosensor 303.
制御回路２０６に内包されている制御回路２０４は、上述した手順で駆動周波数を調整する。駆動周波数の調整タイミングは、定期的であってもよいし、映像信号源３６０から信号が入力されたタイミングであってもよい。制御回路２０６は、光源装置３３１のレーザー出力を停止させるとともに、振動ミラー１０の駆動信号の供給を停止する。これにより、振動ミラー１０は減衰振動を開始する。上述した方法にしたがって検出回路２００は振動ミラー１０の振動振幅に連動した検出信号Ｖｄから、ピーク値Ｖｐｈとパルス信号Ｐｄを制御回路２０６に出力する。制御回路２０６は、ピーク値Ｖｐｈとパルス信号Ｐｄに基づき共振周波数ｆを求め、求めた共振周波数ｆを駆動回路の駆動周波数として設定する。制御回路２０６は、振動ミラー１０の駆動周波数に同期するように、垂直走査装置３４０の駆動周波数も調整する。駆動周波数の調整が終了すると、制御回路２０６は、光源装置３３１の駆動を再開するとともに、振動ミラー１０および垂直走査装置３４０の駆動も再開する。本実施形態によれば、ジッタの少ない光走査が実行されるため、投影される画像の品質も所望の品質に維持できる。 The control circuit 204 included in the control circuit 206 adjusts the drive frequency according to the above-described procedure. The adjustment timing of the drive frequency may be regular or may be a timing when a signal is input from the video signal source 360. The control circuit 206 stops the laser output of the light source device 331 and stops the supply of the drive signal for the vibrating mirror 10. As a result, the vibrating mirror 10 starts damped vibration. According to the method described above, the detection circuit 200 outputs the peak value Vph and the pulse signal Pd to the control circuit 206 from the detection signal Vd linked to the vibration amplitude of the vibration mirror 10. The control circuit 206 obtains the resonance frequency f based on the peak value Vph and the pulse signal Pd, and sets the obtained resonance frequency f as the drive frequency of the drive circuit. The control circuit 206 also adjusts the driving frequency of the vertical scanning device 340 so as to be synchronized with the driving frequency of the vibrating mirror 10. When the adjustment of the driving frequency is completed, the control circuit 206 resumes driving of the light source device 331 and also resumes driving of the vibrating mirror 10 and the vertical scanning device 340. According to this embodiment, since optical scanning with little jitter is executed, the quality of the projected image can be maintained at a desired quality.
Claims (6)
前記振動部のうち前記導電性部材で形成された部分を通じて電気的に互いに接続され、前記振動部の少なくとも片側を支持する複数の金属ねじり梁と、 A plurality of metal torsion beams that are electrically connected to each other through a portion formed of the conductive member of the vibrating portion and support at least one side of the vibrating portion;
前記複数の金属ねじり梁に対して駆動電流を通電する駆動回路と、 A drive circuit for supplying a drive current to the plurality of metal torsion beams;
前記複数の金属ねじり梁を流れる電流に対して磁界が作用するように配置された磁石と、を備え、 A magnet arranged so that a magnetic field acts on a current flowing through the plurality of metal torsion beams,
前記駆動回路は、前記振動部に回転振動を発生させるための第１の周波数の駆動電流を前記複数の金属ねじり梁に対して通電することを特徴とする振動装置。 The drive circuit supplies a drive current having a first frequency for generating rotational vibration to the vibration unit to the plurality of metal torsion beams.
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