JP2008225041A - 光スキャナ駆動制御方法及び駆動制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】
ミラー機構に共振周波数の調整機能を持たせた場合の共振点の調整方法について、消費電力を低減でき、また、共振周波数が異なりバラツキがある中で走査速度を揃えられるように、工夫すること。
【課題を解決するための手段】
可動ミラー共振周波数の検出手段と、共振周波数の変更手段を有する光スキャナの駆動装置において、可動ミラーの駆動制御手段が、可動ミラーの共振周波数を観測することにより、目標駆動周波数と可動ミラーの共振周波数との偏差を減少させるように共振周波数の調整機能を有すること。
【選択図】 図２

Description

この発明は、光スキャナ駆動制御装置、殊に、その光走査系に関するものであり、電子写真プリンタ、プロジェクタなどのレーザー光走査技術に利用して有効なものである。

ここでは電子写真方式のプリンタにおけるレーザー光走査係の従来技術について説明する。
この発明に関連する従来技術として、例えば、特開２００４−０２９０６４号公報に記載されているもの、特開平７−５６１０６号公報に記載されているもの、特開２００５−２６６５６７号公報に記載されているもの、さらに、特開平９−１９７３３４号公報に記載されているものがある。

上記特開２００４−０２９０６４号公報に記載されているものは、構成要素を大幅に増やすことなく、効率的な駆動を行いながら、可動部の駆動状態をリアルタイムに高精度検出できる電磁アクチュエータの工夫を目的とし、磁界発生手段の複数の要素１０４の相互作用により可動部を回動させる電磁アクチュエータにおいて、駆動１周期内に、コイル１０４に駆動信号２０２を印加する駆動期間と、駆動信号２０２を印加しない検出期間を設定し、検出期間において可動部の回動によって発生する誘導信号２０４を検出し、駆動信号２０２に同期した基準信号２０７の発生時点と或る信号レベルで検出する誘導信号２０４の通過タイミングとの時間差を検出し、この時間差情報２０８を基にして、駆動信号２０２に対する可動部の回動の位相差情報を算出するものである（当該段落における符号については同公報の図１参照）。

また、上記特開平７−５６１０６号公報に記載されているものは、振動光学要素の振幅を正確かつ安定に制御し、又容易に振幅の変更設定が可能な振動光学要素の振幅制御装置を提供することを目的とするものであり、光源４からの光線を振動光学要素５により振動し、マスク１２での振幅に対応した時間間隔を計時回路１４が計測し、制御部１５が正弦波発生回路１からの正弦波の周波数を制御するものである（当該段落における符号については同公報の第１図参照）。

さらに、特開２００５−２６６５６７号公報に記載されているものは、ねじり梁を介して支持部材に支持されたミラー基板を、ねじり梁を回転軸として往復振動させる偏向ミラーにおいて、共振周波数を調整するための改良した機構の工夫を目的とし、ねじり梁１０２，１０３などと一体的にシリコン基板で形成された動き抑制部材２０３，２０４を備える。動き抑制部材とねじり梁１０２，１０３の間に電圧を印加することにより、動き抑制部材は、ねじり梁側へ変形又は変位し、ねじり梁の側面を両側から挟み付け押圧（挟圧）する。印加電圧を上げて動き抑制部材の変形量又は変位量を増加させるに従い、ねじり梁の押圧される範囲は、ねじり梁の上部枠体１０４との結合部側から反対側へ向かって徐々に拡大する。押圧範囲が拡大するほど、ねじり梁の実効的な長さが短くなるため共振周波数は上昇するものである（当該段落における符号については同公報の図１参照）

さらに、特開平９−１９７３３４号公報のものは、光スキャナの加工プロセスにおいて生じる共振特性のばらつきを簡易かつ微細に調整するための工夫を目的とし、振動子１の弾性変形部１３には電気抵抗素子６が形成されている。電気抵抗素子６に通電することにより電気抵抗素子６が発熱し，弾性変形部１３の温度が変化する。これにより弾性変形部１３のばね定数が変化し，振動の共振周波数が変化する（同公報の図１参照）。
このものは、共振周波数検出方法についての詳細開示がなされていないため、この文面より実現することができない。したがって、下記のとおりの本発明の課題が残されているものである。

ところで、感光体ドラムに画像を書き込む方法として、これまでポリゴンミラーを回転させることにより光源からのレーザー光を走査する方法が採られてきたが、最近の画像の高解像化に伴いポリゴンミラーの回転速度は増大する傾向にあり、比例してポリゴンモータによる温度上昇や騒音、耐久性の問題から回転速度に限界が見られるようになってきた。

一方、ＭＥＭＳ（Ｍｉｃｒｏ Ｅｌｅｃｔｒｏ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｓｙｓｔｅｍｓ）に代表されるように、近年になって微細加工技術が発達してきており、ポリゴンミラーに替わる方式として、マイクロミラー（可動ミラー）の機構共振を利用した遥動走査方式が有望視されるようになってきた。本方式はポリゴンミラーと比較して、小型軽量、低騒音、低発熱、低消費電力の利点を有しているため、ポリゴンミラーに替わる新しい方式として期待されている。

図１はマイクロミラー駆動制御系の従来例をブロック線図で示したものであり、その構成は図３の（ａ）に示しているとおりである。ただし、レンズ系は省略している。
制御対象としては、図１に示すように駆動機構、可動ミラー、受光センサーＡ，Ｂから構成され、それぞれ図３の（ａ）に示すように配置されており、駆動機構と可動ミラー１組に対して、受光センサー２個が有効走査範囲の両外側において感光ドラムの両端に取り付けられた構成になっている。

光源から出力されるレーザー光は可動ミラーで反射して感光ドラム表面上に照射されるが、可動ミラーは単振動するために、レーザー光は感光ドラムの有効走査範囲上を走査することとなる。このとき、有効走査範囲の外側にそれぞれ受光センサーを配置して、レーザー光の通過時間（有効走査範囲を外れてから再び有効走査範囲に入る動作の中で、同じセンサーを２度通過する時間間隔）を計測することにより、単振動しているミラーの振幅相当の値を得ることができる（図３の（ｂ））。

制御系では、これら２センサー出力の振幅値を利用して、ミラー単振動の振幅制御および零点制御（オフセット調整）を行う。実際には２センサー出力の平均値で振幅制御を行い、２センサー出力の差分で零点制御を行う。
制御計算により得られる操作量を基に、この操作量を振幅とする正弦波（共振周波数が望ましい）を発生させて、ミラーを正弦波駆動する。駆動方式としては、一般的には電磁駆動方式や圧電駆動方式があり、電磁駆動方式では、磁石とコイルの対にコイル電流を流すことでミラーが単振動し、圧電駆動方式では、圧電素子に電圧を印加させることで素子が変形し、これをトルクに変換することでミラーが単振動する。
特開２００４−０２９０６４号公報 特開平７−５６１０６号公報 特開２００５−２６６５６７号公報 特開平９−１９７３３４号公報

以上が従来の駆動制御系であり、このような制御系ではミラー単振動における振幅と零点調整は可能であるが、ミラー駆動に必要とされる消費電力については検討の余地のある問題である。すなわち、現実にはミラーの駆動能力には限界があり、温度変化等によりミラーの共振周波数は変化するため、想定される環境下では消費電力を抑えた動作が要求される。また、広幅のプリンタでは感光ドラムの有効走査範囲を複数の光スキャナで分割走査する形態も考えられるが、このような形態ではミラー単体毎に機構の共振周波数が異なりバラツキがある中で走査速度を揃える必要がある。

この発明は、以上の観点に鑑みられたものであり、ミラー機構に共振周波数の調整機能を持たせた場合の共振点の調整方法について、消費電力を低減でき、また、共振周波数が異なりバラツキがある中で走査速度を揃えられるように、工夫することをその課題とするものである。

（１）請求項１の発明の手段
請求項１の発明の手段は、可動ミラー共振周波数の検出手段と、共振周波数の変更手段を有する光スキャナの駆動装置において、可動ミラーの駆動制御手段が、可動ミラーの共振周波数を観測することにより、目標駆動周波数と可動ミラーの共振周波数との偏差を減少させるように共振周波数の調整機能を有することである。

（２）請求項２の発明の手段
請求項２の発明の手段は、請求項１の偏差検出手段として、予め印刷動作等の本動作前に、目標駆動周波数近傍において、一定時間だけ駆動周波数を変化させて予備動作することにより、可動ミラーの共振点方向を検出することである。

（３）請求項３の発明の手段
請求項３の発明の手段は、請求項２の制御手段として、可動ミラーの共振点方向に基づいて、山登り探索法を用いた共振点探索を行うことである。

（４）請求項４の発明の手段
請求項４の発明の手段は、請求項１の可動ミラー共振周波数の調整手段として、電気信号に連動してトーションバーのバネ定数を変更することにより共振周波数を変更することである。

各請求項の発明の効果は、次のとおりである。
（１）請求項１の発明の効果
目標駆動周波数と可動ミラー自身の共振周波数との偏差を減少させる調整手段を有することにより、機構の共振周波数を目標駆動周波数に合わせることができるから、部品毎の共振周波数にバラツキがある場合でも、調整手段を用いることで同一の駆動周波数で全ての部品を低消費電力で駆動することができる。

（２）請求項２の発明の効果
予め本動作前に、目標駆動周波数近傍において、一定時間だけ駆動周波数を変化させて可動ミラーの共振点方向を検出することにより、共振点の方向が判明することで、低消費電力で駆動するための情報を得ることができる。

（３）請求項３の発明の効果
請求項２の発明によって得られる可動ミラーの共振点方向に基づいて、山登り探索法を用いた共振点探索を行うことにより、迂回することなく、速やかに共振点を検出できる。

（４）請求項４の発明の効果
電気信号に連動してトーションバーのバネ定数を変更することによって共振周波数を変更することにより、ミラーを含む慣性体の形状を変更せずに容易に共振点を移動できる。

図２はマイクロミラー駆動制御系のこの発明の実施例のブロック線図であり、図３にその物理的な構成を示している。ただし、レンズ系は省略している。
制御対象としては、図２に示すように駆動機構・可動ミラー・受光センサーから構成され、それぞれ図３（ａ）に示すように配置されており、駆動機構と可動ミラー１組に対して、受光センサー２個が有効走査範囲の両外側に取り付けられている構成となっている。

光源から出力されるレーザー光は可動ミラーで反射して、その光は感光ドラム表面上に照射されるが、可動ミラーは単振動するために、レーザー光は感光ドラムの有効走査範囲上を走査することとなる。このとき、有効走査範囲の外側にそれぞれ受光センサーを配置して、レーザー光の通過時間（有効走査範囲を外れてから再び有効走査範囲に入る動作の中で、センサーを２度通過する時間間隔）を計測することにより、単振動している可動ミラーの振幅相当の値を得ることができる。

制御系では、これら２センサー出力の振幅値を利用して、ミラー単振動の振幅制御および零点制御（オフセット調整）を行う。実際には２センサー出力の平均値で振幅制御を行い、２センサー出力の差分で零点制御を行う。
また、駆動周波数に対するミラー振幅の特性を図４に示しているが、この図では駆動周波数が機構共振点からずれることによりゲインが低下することを示しており、このことは、駆動周波数が共振点（ｆａ）から離れるほど同一の振れ角を維持するのには大きな消費電力を要することを意味する。このため、駆動周波数＝共振周波数であることが望ましいが、実際には、ミラー機構寸法は部品毎のバラツキや、環境変化による変動が発生するため、複数のミラーが同一共振周波数になることは稀であり、ミラー単体で共振周波数を調整する必要がある。

そこで、ミラー機構自身に共振周波数調整機能を設け、この調整機能を使って駆動周波数と共振周波数を一致させる調整系を、先の振幅制御と零点制御に追加する。
この調整系では、図５に示すように、環境変化等によりミラー共振周波数が変化したときに、駆動周波数に対して、高周波側あるいは低周波側のどちらに変化したかを検出して、ミラー機構であるトーションバーの捩れ定数を電気的に変化させることにより、共振周波数が駆動周波数に戻るように操作する。
このとき詳細には、図６に示すように、予め駆動周波数を目標周波数ｆａからｆｂ又はｆｃに変移させることにより、操作量（電圧振幅値）を一定振幅値にしておき、ミラー振れ角の振幅制御をかけない状態で、各周波数でのミラー振れ角を検出することで制御対象であるミラー機構の伝達特性を検出し、共振周波数を探索する。この共振周波数の探索の一例を図６に示している。

図６の例の場合、旧の共振点がｆａであるとすると、温度変化等により、時間経過と共に新共振点がｆｂまたはｆｃに変化する。もしも探索をｂ方向に開始した場合には、周波数変化に従いミラー振幅が増大し、増大から減少へと推移するため、最大に増大したときの周波数が共振点であると検出される。また、探索をｃ方向に開始した場合には、周波数変化に従いミラー振幅が減少するために、共振点が反対方向であることが検出される。そして、共振周波数が確定したならば、ミラー共振周波数が目標周波数と一致するように、加熱温度を調整する等して、弾性変形部（トーションバー）の捩れ定数を変更させる。
また、別の伝達特性検出方法として、ミラー振れ角を一定振幅になるように振幅制御した状態で、各周波数での操作量（電圧振幅値）を検出することで制御対象であるミラー機構の伝達特性を検出してもよい。

以上説明したように、本発明により、可動ミラー機構の共振可能な限定された周波数範囲において、ミラー機構の共振周波数を任意に設定できるようになるため、環境変化に左右されることなく、低消費電力、単一周波数駆動が可能となる。

次いで、図７を参照して、可動ミラーの駆動制御手段の具体例について説明する。この実施例の構成は次のとおりである。
すなわち、
図７(a)において、振動部（ミラー）は弾性変形部１と弾性変形部２の２つの梁で固定部と接続されており、ミラー裏側には加振装置が設けられている。この加振装置は図７(b)に示すように磁石と電磁石によって構成されており、電磁石のコイルに正弦波電圧を印加して電流を流すことにより、弾性変形部１や２を軸とする回転トルクが正弦波状に発生するため、これに連動してミラーが遥動運動する。
このとき、弾性変形部の捩れ定数をＫ、ミラーのイナーシャをＪとすると、ミラーの共振周波数はω＝√（Ｋ／Ｊ）で決まるため、ＫまたはＪを変化させることによりωは変化する。環境温度変化により、弾性変形部である捩れ定数Ｋは変化するため、このままでは共振周波数ωが変化してしまい、駆動周波数から共振周波数がずれるほどミラーを駆動するための消費電力は高くなる。
そこで図２に示すように、ミラーの共振周波数を意図的に変化させるための工夫として、共振周波数調整機構を弾性変形部に新たに設けることとし、目標周波数（駆動周波数）と現在の共振周波数の偏差に対して、偏差をゼロにするように共振周波数調整機構を操作する。
なお、この実施例では、共振周波数調整機構は、次のように構成されている。
すなわち、
図７(c)に示すように、弾性変形部において捩れ定数を電気的に変化させるための共振周波数調整機構を設け、この機構を用いて意図的に捩り定数を変化させて共振周波数を駆動周波数に一致させるようにフィードバック制御を行う。
この実施例では、弾性変形部表面に電気抵抗体を設け、これ両端電極に電圧を掛けて発熱させることにより、弾性変形部を構成する材料の温度を変化させることで、捩れ定数が変化する場合を示している。

は、マイクロミラー駆動制御系の従来例を示すブロック線図。 は、マイクロミラー駆動制御系のこの発明の実施例のブロック線図。 （ａ）は、マイクロミラー駆動制御系の物理的な構成を示す模式図であり、（ｂ）は、（ａ）の構成による可動ミラー角度と時間経過との関係を示すグラフであり、（ｃ）は、（ｂ）における受光センサーＡ出力、受光センサーＢに対する光通過間隔を示す図。 は、駆動周波数に対するミラー振幅の特性を示す図。 は、ミラー共振周波数が変化したときに、駆動周波数に対して、高周波側あるいは低周波側のどちらに変化したかを示す模式図。 は、予め駆動周波数を目標周波数ｆａからｆｂ又はｆｃに変移させた状態を示す模式図。 （ａ）は、実施例の駆動機構の実施例の平面図、（ｂ）は、（ａ）におけるＸ−Ｘ断面図であり、（ｃ）は（ａ）におけるＡ部の拡大図。

Claims (4)

1. 可動ミラー共振周波数の検出手段と、共振周波数の変更手段を有する光スキャナの駆動装置において、可動ミラーの駆動制御手段が、可動ミラーの共振周波数を観測することにより、目標駆動周波数と可動ミラーの共振周波数との偏差を減少させるように共振周波数の調整機能を有することを特徴とする光スキャナ駆動制御装置。
2. 請求項１の偏差検出手段として、予め印刷動作等の本動作前に、目標駆動周波数近傍において、一定時間だけ駆動周波数を変化させて予備動作することにより、可動ミラーの共振点方向を検出することを特徴とする光スキャナ駆動制御装置。
3. 請求項２の制御手段として、可動ミラーの共振点方向に基づいて、山登り探索法を用いた共振点探索を行うことを特徴とする光スキャナ駆動制御装置。
4. 請求項１の可動ミラー共振周波数の調整手段として、電気信号に連動してトーションバーのバネ定数を変更することにより共振周波数を変更することを特徴とする光スキャナ駆動制御装置。

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