專利名稱：光偏轉器及使用光偏轉器的光學儀器的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及光偏轉器及使用這種光偏轉器的光學儀器，例如諸如圖像形成裝置或顯示設備。本發(fā)明的光偏轉器可適用于基于光的偏轉掃描投影圖像的投影顯示器，或者圖像形成裝置，例如諸如具有電子照相處理的激光束打印機或數(shù)字復印機。
背景技術：
對于這種光偏轉器，已經提出了各種類型的光學掃描系統(tǒng)或光學掃描設備，其中具有反射表面的可移動元件正弦振動以偏轉光。與使用旋轉多角反射鏡(多面反射鏡)的掃描光學系統(tǒng)相比，具有基于諧振現(xiàn)象正弦振動的光偏轉器的光學掃描系統(tǒng)具有如下優(yōu)點。即，該光偏轉器尺寸可以制作得很??；功耗低；并且特別是那些由單晶硅制成并且由半導體工藝生產的光偏轉器在理論上無金屬疲勞并且具有良好耐久性。
取決于應用，這種光偏轉器可能必須以恒定頻率驅動。因此，已經就相對于環(huán)境溫度變化而保持頻率恒定提出了一些建議。一個實例是這樣一種方法具有由彈性扭桿彈性地支撐的可移動元件的振蕩器配備有用來加熱彈性扭桿的加熱元件，從而不管環(huán)境溫度如何變化都保持彈性扭桿的溫度恒定并且穩(wěn)定諧振頻率。在這種結構中，可以向扭桿添加頻率檢測元件以檢測頻率(參見專利文獻No.1和2)。
有另外一種方法，其中具有由一對彈性扭桿彈性地支撐的可移動元件的振蕩器固定至熱膨脹系數(shù)大于振蕩器的部件，使得隨著溫度上升，在彈性扭桿中以抵消剛性變化的方向產生應力，從而穩(wěn)定諧振頻率(參見專利文獻No.3)。
此外，作為壓電阻抗效應而已知，如果硅中出現(xiàn)形變，則其電阻根據(jù)畸變引起的應力而改變。有一種基于以下的方法即，通過在硅中注入并擴散雜質而在硅的擴散區(qū)形成電阻，并且將其用于基于前述的壓電阻抗效應而檢測形變(參見非專利文獻No.1)。
另一方面，一些基于諧振現(xiàn)象的光偏轉器使用這樣一種方法同時激勵扭振方向中的兩個或更多固有振動模式，以執(zhí)行不同于正弦光學掃描的光學掃描。這涉及這樣一種光偏轉器，其中同時激勵關于相同中心軸的兩個或更多固有振動模式以產生斬波狀近似恒定的角速度掃描(參見專利文獻No.4)。圖15是說明此類型光偏轉器的框圖。
在圖15中，總體上用1012指示的光偏轉器包括第一可移動元件1014、第二可移動元件1016、用于連接并彈性地支撐它們的第一扭簧1018、以及用于彈性地支撐第二可移動元件1016和機械基底表面1023的第二扭簧1020。通過驅動單元1030，所有這些組件都可以關于扭軸1026扭振。第一可移動元件1014具有用于偏轉光的反射表面，并且響應于第一可移動元件1014的扭振，來自光源的光被掃描地偏轉。對于關于扭軸1026的扭振，光偏轉器1012具有參考頻率的一階固有振動模式和頻率大約三倍于參考頻率的二階固有振動模式。驅動單元1030在兩個頻率處驅動光偏轉器1012即，一階固有振動模式的頻率和三倍于前者但是相位相同的頻率。因此，光偏轉器1012同時基于一階固有振動模式和二階固有振動模式而扭振。結果，第一可移動元件1014反射的光的偏轉掃描的位移角是基于這兩個振動模式的疊加的，并且它近似斬波狀變化，而不是正弦。結果，對于偏轉掃描的角速度，比起基于正弦波的位移角，近似恒定的角速度的區(qū)域變得更大。因此，可用區(qū)域與整個偏轉掃描范圍的比會更大。
專利文獻No.1日本特開專利申請No.H09-197334No.2日本特開專利申請No.2004-69731No.3日本特開專利申請No.2002-321195No.4美國專利No.48598非專利文獻
No.1C.S.Smith，“Physical Review”，Vol.94，No.1，pp42-49，April 1，1954發(fā)明內容在諸如上述專利文獻No.4中所示的并且具有多個振蕩器可移動元件和多個扭簧的振動系統(tǒng)中，為了產生基于不同頻率的正弦波組合驅動，驅動波形的單個頻率分量的幅度和相位必須保持在所需值。但是在實際的操作環(huán)境中，由于來自環(huán)境的干擾，典型地比如溫度，這些值易于改變并且這使得很難實現(xiàn)穩(wěn)定的驅動。
在本發(fā)明的一個方面中提供了一種基于諧振振動的振動系統(tǒng)，其中確保了穩(wěn)定的正弦波組合驅動。
根據(jù)本發(fā)明的一個方面，提供了一種光偏轉器，包括振動系統(tǒng)，包括具有光偏轉元件的第一振蕩器可移動元件、第二振蕩器可移動元件、配置以將所述第一和第二振蕩器可移動元件互相耦合并且支撐所述第一振蕩器可移動元件用于相對于所述第二振蕩器可移動元件扭振的第一扭簧、支撐部件、以及配置以將所述支撐部件和所述第二振蕩器可移動元件互相耦合并且支撐所述第二振蕩器可移動元件用于關于與所述第一振蕩器可移動元件的振動軸相同的軸而相對于所述支撐部件扭振的第二扭簧；配置以將驅動力施加給所述振動系統(tǒng)的驅動系統(tǒng)；以及配置以將驅動信號提供給所述驅動系統(tǒng)的驅動控制系統(tǒng)；其中所述振動系統(tǒng)還包括畸變檢測元件，配置其以檢測所述第一和第二扭簧中至少一個的機械形變，以及生熱元件，配置其以加熱所述振動系統(tǒng)，并且其中所述振動系統(tǒng)關于振動軸具有至少兩個不同頻率的固有振動模式。
根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提供了一種驅動如上所述的光偏轉器的方法，該方法包括調整步驟，用于基于畸變檢測元件的第一檢測信號(它可以是可由例如相對測量獲得的畸變量信息，即以下要描述的畸變量的相對值)調整生熱元件的生熱量，以便將固有振動模式的頻率調諧到目標頻率；以及校正步驟，用于基于畸變檢測元件的第二檢測信號(它可以是畸變量信息，例如諸如畸變量的絕對值)產生校正信號，該校正信號用于校正要施加到驅動系統(tǒng)的驅動信號。
根據(jù)本發(fā)明的再一方面，提供了一種光學儀器，包括光源；如上所述的光偏轉器；以及光敏部件和圖像顯示部件之一；其中配置所述光偏轉器以偏轉來自所述光源的光并且將至少部分的被偏轉光引導至所述光敏部件或圖像顯示部件上。
根據(jù)本發(fā)明的光偏轉器可以包括具有生熱元件和畸變檢測元件的振動系統(tǒng)。因此，當其用作光偏轉器以在同時激勵多個固有振動模式時執(zhí)行光學掃描的時候，可以確保穩(wěn)定驅動。此后將參考本發(fā)明的實施例具體說明這些細節(jié)。
本發(fā)明的這些和其它目的、特征和優(yōu)點將在考慮本發(fā)明優(yōu)選實施例的結合附圖的以下描述的基礎上更加顯而易見。
圖1是根據(jù)本發(fā)明第一工作實例的光偏轉器的平面圖。
圖2A是根據(jù)本發(fā)明第一工作實例的光偏轉器的縱截面。
圖2B是根據(jù)本發(fā)明第一工作實例的光偏轉器沿圖1中的A-A線的橫截面。
圖3是用于說明由根據(jù)本發(fā)明的第一工作實例的光偏轉器掃描偏轉的光的位移角的曲線圖。
圖4是用于說明由根據(jù)本發(fā)明的第一工作實例的光偏轉器掃描偏轉的光的角速度的曲線圖。
圖5是示出在本發(fā)明的第一工作實例中，振動系統(tǒng)的設置有反射面的一側的結構的平面圖。
圖6是示出在本發(fā)明的第一工作實例中，振動系統(tǒng)的沒有設置反射面的一側的結構的平面圖。
圖7是根據(jù)本發(fā)明第二工作實例的光偏轉器的平面圖。
圖8是根據(jù)本發(fā)明第二工作實例的光偏轉器的橫截面。
圖9A是示出可用在本發(fā)明中的畸變檢測元件的實例的平面圖。
圖9B是沿圖9A中C-C線的剖視圖，示出畸變檢測元件的擴散電阻材料。
圖10是可用在本發(fā)明中的畸變檢測元件的實例的等效電路圖。
圖11A是示出在本發(fā)明的第三工作實例中，振動系統(tǒng)的設置有反射面的一側的結構的平面圖。
圖11B是示出在本發(fā)明的第三工作實例中，振動系統(tǒng)的沒有設置反射面的一側的結構的平面圖。
圖12是示出根據(jù)本發(fā)明的畸變檢測元件和加熱器布線布置的實例的平面圖。
圖13A是示出根據(jù)本發(fā)明的光偏轉器中的第二扭簧的實例的平面圖。
圖13B是圖13A的第二扭簧的透視截面。
圖14是示出具有本發(fā)明的光偏轉器的光學儀器的工作實例的透視圖。
圖15是用于說明已知類型的光偏轉器的框圖。
具體實施例方式
現(xiàn)在參考附圖描述本發(fā)明的優(yōu)選實施例。
首先說明本發(fā)明的一個實施例。根據(jù)此實施例，可以為振動系統(tǒng)配備生熱元件和用于檢測機械畸變的畸變檢測元件，以確保多個固有振動頻率的穩(wěn)定性以及掃描狀態(tài)(可移動元件的振動狀態(tài))檢測的穩(wěn)定性，從而實現(xiàn)穩(wěn)定的正弦波組合驅動。
根據(jù)本實施例的用于掃描地偏轉來自光源的光的光偏轉器可以包括振動系統(tǒng)、用于支持振動系統(tǒng)的固定部件、用于將驅動力施加到振動系統(tǒng)的驅動單元(該驅動單元可以包括例如磁體和線圈，后文描述)、以及用于將驅動信號提供給驅動單元的驅動控制單元。本實施例的振動系統(tǒng)可以包括生熱元件、用于檢測機械畸變的畸變檢測元件、具有反射面(光偏轉元件)的第一振蕩器可移動元件、第二振蕩器可移動元件、以及支撐部件。
第一振蕩器可移動元件可以通過第一扭簧(彈性支撐部件)彈性耦合到第二振蕩器可移動元件，以便關于振動軸扭振。第二振蕩器可移動元件可以通過第二扭簧(彈性支撐部件)彈性耦合到支撐部件，以便關于振動軸扭振。支撐部件可以固定到固定部件。振動系統(tǒng)可以具有至少兩個不同頻率的固有振動模式，并且驅動單元可以使振動系統(tǒng)同時在這些固有振動模式的頻率附近關于扭軸而扭振。
根據(jù)本發(fā)明的本實施例的光偏轉器可以具有這樣的結構生熱元件和用于響應兩個振蕩器可移動元件的扭振而檢測機械畸變的畸變檢測元件直接設置在振動系統(tǒng)中。在此，支撐元件、第一扭簧、和第二扭簧中的至少一個可以具有這種生熱元件。通過這種布置，即使諸如環(huán)境溫度的外部條件改變，振動系統(tǒng)的溫度也可以保持恒定，結果，都具有一定的溫度特性的振動系統(tǒng)固有振動模式的頻率以及畸變檢測元件的畸變量檢測輸出得到穩(wěn)定。
本實施例不需要使用振動系統(tǒng)外部的任何傳感器來保持振動系統(tǒng)溫度恒定。而是，可以組合使用振動系統(tǒng)固有振動模式的頻率的溫度特性和畸變檢測元件的檢測輸出的溫度特性，并且即使環(huán)境溫度改變，振動系統(tǒng)溫度也可以保持恒定。
畸變檢測元件的畸變量檢測信號的絕對值易于隨溫度變化，如同后文要描述的本發(fā)明工作實例中使用的基于壓電阻抗的畸變檢測元件。然而，可由畸變量的相對測量獲得的相對量不易受溫度影響。此相對測量可以基于畸變的相對比較或者不產生畸變的定時的測量。
另一方面，振動系統(tǒng)的固有振動模式的頻率與振動系統(tǒng)的溫度具有相關性。因此，通過測量振動系統(tǒng)具有的固有振動模式的頻率，可以推定振動系統(tǒng)溫度。
基于這些特征，在本實施例中，首先，可以將適當?shù)碾妷菏┘拥郊訜嵩钥刂破渖鸁崃?，使得振動系統(tǒng)的固有振動模式的頻率被調諧到要在光偏轉器中使用的目標頻率。在此，不使用任何外部溫度傳感器，可以基于關于從畸變檢測元件輸出的畸變量的信息測量固有振動模式的頻率，并且在其基礎上，可以控制施加到加熱元件的電壓量。
可以用多種方法測量固有振動模式的頻率。一個簡單的實例可以是一方面保持施加到加熱元件的電壓量以及驅動單元所產生的力恒定，另一方面當改變振動系統(tǒng)的驅動信號頻率的同時，振動系統(tǒng)被振動。當比較關于從畸變檢測元件輸出的畸變量的信息的同時，檢測當測量到最大畸變值時的時刻的頻率作為固有振動模式的頻率。
一旦固有振動模式的頻率已經調諧到目標頻率，由于振動系統(tǒng)的固有振動模式的頻率的溫度特性，不管環(huán)境溫度如何，光偏轉器都具有穩(wěn)定的固定溫度。這意味著，當固有振動模式的頻率調諧到目標頻率之后，溫度是恒定的。結果，盡管畸變檢測元件的畸變量輸出的絕對值可具有溫度特性，但輸出錯誤仍變得很小并且輸出被很好地穩(wěn)定住。因此，基于如所述現(xiàn)在穩(wěn)定的畸變量輸出的絕對值，驅動控制單元可以產生校正信號以校正要在振動系統(tǒng)中激勵出的兩個頻率的驅動信號的幅度或相位等，如實現(xiàn)所需掃描操作所要求的。以此方式，振動系統(tǒng)的組合波驅動變得更穩(wěn)定。這就是為什么在本實施例中生熱元件和畸變檢測元件可以在振動系統(tǒng)中組合使用，并且從而可以確保穩(wěn)定的驅動。
在如上所述的本實施例中，可以在振動系統(tǒng)中提供生熱元件和畸變檢測元件，以穩(wěn)定兩個固有振動模式的頻率和畸變檢測元件的畸變量輸出，并且也可以穩(wěn)定組合波的驅動。
因此，當本發(fā)明應用于圖像形成時，穩(wěn)定地產生光點。此外，即使將透鏡置于光偏轉器后方，光學掃描的位置和速度之間的關系也是穩(wěn)定的。因此，實現(xiàn)了性能更好的光學掃描單元。
特別地，在本實施例中，生熱元件可以直接放置在振動系統(tǒng)中。因此，可以令加熱區(qū)的熱容量較小，并且溫度調整和穩(wěn)定所需的時間可以縮短。同樣，可以使功耗較低。
根據(jù)本發(fā)明的光偏轉器可用于例如諸如圖像顯示設備或圖像形成裝置的光學儀器中。這種光學儀器可以包括光源、如上所述的光偏轉器、以及光敏部件和圖像顯示部件之一。光偏轉器可以用于從光源偏轉光并且將至少部分所偏轉的光引導至所述光敏部件或圖像顯示部件上。
然后，將參考附圖描述本發(fā)明的具體工作實例。
圖1、2A、2B、5和6示出根據(jù)本發(fā)明的第一工作實例的光偏轉器。這里，圖1是平面圖。圖2A是沿圖1中包含振動軸17的平面并且垂直于圖1紙面的截面圖。圖2B是沿圖1中線A-A的截面圖。圖5是用于更詳細地說明圖1中所示的振動系統(tǒng)160的結構組件的平面圖。圖6是從底部看的用于說明圖5結構的平面圖。
首先，以下將結合其結構說明本工作實例中的驅動原理。在本實例中，圖1中所示的振動系統(tǒng)160通過如下所述的驅動單元關于振動軸17做扭振。圖1中所示的振動系統(tǒng)160的結構組件，即，第一振蕩器可移動元件11、第一扭簧12、第二振蕩器可移動元件13、第二扭簧14和支撐部件15是根據(jù)半導體制造方法通過照相平版印刷工藝和蝕刻工藝從單晶硅襯底整體生產出來的。因此，處理精度很高，并且可以生產很小的振動系統(tǒng)。此外，由于單晶硅具有高楊式模量和小密度，由振蕩器的自重而產生的形變很小。因此，實現(xiàn)在諧振期間具有大振幅放大因子的振動系統(tǒng)。
在本工作實例中，第一振蕩器可移動元件11在垂直于振動軸17的方向上尺寸為3mm，并且在平行于該軸的方向上尺寸為1mm。振動系統(tǒng)160的整體長度約15mm。第一振蕩器可移動元件11由一對第一扭簧12彈性地支撐，以關于振動軸17扭振。類似地，第二振蕩器可移動元件13由一對第二扭簧14彈性地支撐，以關于振動軸17扭振。因而，可以串聯(lián)放置并且彈性地支撐第一振蕩器可移動元件11和第二振蕩器可移動元件13，以關于振動軸17扭振。
第一振蕩器可移動元件11具有反射面22，其作為用于偏轉光的光偏轉元件，并且用于響應第一振蕩器可移動元件11的扭振而掃描地偏轉來自光源的光。反射表面22由鋁制成并且由真空汽相淀積形成。此反射表面可以由任何其它材料，例如諸如金或銅制成?？梢栽谄漤敱砻嫘纬杀Ｗo膜。
在此，由于第一振蕩器可移動元件11應具有反射面22，因此驅動期間其平坦度尤其重要。在此實例中，通過一對扭簧12在第一振蕩器可移動元件11的相對端支撐它。因此，與單個彈簧支撐相比，很好地避免了由其自重產生的形變并且保持了更好的平坦度。
在圖1、2A、2B和6中，示出了固定部件150和驅動單元。如這些附圖中所示，本工作實例的驅動單元包括附著到第二振蕩器可移動元件13的永久磁體151和固定到固定部件150的固定線圈152。如圖2A、2B和6所示，每個永久磁體151是類棱柱形的金屬磁體，具有大約2mm的長度和150μm×150μm的截面尺寸。永久磁體151的極化(磁化)方向沿它的縱長方向延伸，并且通過粘合劑將它固定到第二可移動元件13。
從圖2A和2B可見，固定部件150用于適當?shù)乇３终駝酉到y(tǒng)160和永久磁體151的位置以及固定線圈152的位置。響應來自驅動控制單元153的驅動AC電流的施加，固定線圈152在圖2B中所示的箭頭H的方向上產生交變的磁場。由于永久磁體151的磁通量密度方向是箭頭B的方向，所以由固定線圈152產生的磁場生成關于振動軸17的扭矩，從而驅動振動系統(tǒng)160。如圖2A中所示，通過粘合劑在粘合區(qū)域155將支撐部件15附著到固定部件150。此外，如所示，本工作實例的光偏轉器具有兩個粘合區(qū)域155以固定支撐部件15，兩個第二扭簧14連接到該支撐部件15。
然后，將更詳細地說明根據(jù)本工作實例的光偏轉器的鋸齒波狀振動的驅動原理。對于關于振動軸17的扭振，本實例的振動系統(tǒng)160具有頻率f1的一階固有振動模式和頻率f2的二階固有振動模式，f2大約是參考頻率的二倍。此振動系統(tǒng)160可以看作關于扭振的自由度為“2”的振動系統(tǒng)。
另一方面，固定線圈152在參考頻率f0(通過系統(tǒng)應用的規(guī)格確定的目標驅動頻率)和兩倍于參考頻率的頻率2f0的基礎上根據(jù)組合驅動信號驅動振動系統(tǒng)160。參考頻率f0和固有振動模式頻率f1和f2具有下述關系，并且本實例的光偏轉器基于固有振動模式的大動態(tài)-靜態(tài)模量比率(振幅放大因子)以低功耗執(zhí)行組合波驅動。
特別地，固有模式頻率f1設計得接近參考頻率f0。在此，如果一階和二階固有振動模式的模阻尼比率(其表示動態(tài)-靜態(tài)模量比率曲線的在固有模式頻率處的峰的銳度，并且大約等于1/2Q)分別由γ1和γ2表示，則其范圍表示如下f0(1-2γ1)＜f1＜f0(1+2γ1)(1)此外，在本說明書中，關于固有模式頻率f1和f2之間的頻率比設置以下范圍，并且將其稱為“大約兩倍”-2(γ1+γ2)+1<2f1f2<2(γ1+γ2)+1---(2)]]>另外，在本工作實例中，頻率比處于以下范圍中-(γ1+γ2)+1<2f1f2<(γ1+γ2)+1---(3)]]>在本實例的振動系統(tǒng)160中，γ1大約是0.001并且γ2大約是0.00025。因此，從等式(1)到(3)可見，在本實例中，通過固定線圈152，在兩個固有振動模式的峰附近激勵f0和2f0的振動，并且基于它驅動振動系統(tǒng)160。特別地，在等式(1)定義的范圍中，關于頻率f0的振動——它是正弦波組合驅動消耗的電功率中的主要分量，可以使用具有一階固有振動模式的大動態(tài)-靜態(tài)模量比率(振幅放大因子)的范圍。因此，光偏轉器的功耗被降低。
將更詳細地說明驅動方法。
圖3是橫坐標軸為時間t的曲線圖，它說明了在頻率f0的扭振期間第一振蕩器11的位移角(在本說明書中，因為可移動元件的往復振動的位移角和光偏轉器偏轉掃描的光的位移角僅關于常數(shù)是不同的，因此將它們看作是等價的)。特別地，圖3示出對應于第一振蕩器可移動元件11的一個扭振周期T0的部分(-T0/2＜X＜T0/2)。
曲線61描繪了驅動固定線圈152的驅動信號中的參考頻率f0的分量。它是在最大幅度±1的范圍內往復振動的正弦振動，并且由以下的等式(4)表示，其中時間是t并且角頻率是w0＝2πf0。
θ1＝1sin[w0t](4)另一方面，曲線62描繪了兩倍于參考頻率f0的頻率分量，并且它是在最大幅度±2的范圍內振動的正弦振動，并且由以下的等式(5)表示。
θ2＝2sin[2w0t](5)曲線63描繪了作為上述驅動的結果而產生的第一振蕩器可移動元件11的扭振的位移角。對于關于扭軸17的扭振，光偏轉器具有頻率f1的固有振動模式和頻率f2的二階固有振動模式，其被調整到參考頻率f0和兩倍于參考頻率的頻率2f0附近，如上所述。因此，對應于θ1的驅動信號所激勵的諧振和對應于θ2的驅動信號所激勵的諧振都發(fā)生在光偏轉器中。即，曲線63中第一振蕩器可移動元件11的位移角基于此兩個正弦振動的疊加所提供的振動；即，產生可以由以下等式(6)表示的鋸齒波狀振動。
θ＝θ1+θ2＝1sin[w0t]+2sin[2w0t](6)圖4示出通過求圖3中曲線61、63以及直線64的微分而獲得的曲線61a和63a以及直線64a，并且它示出這些曲線的角速度。與描繪參考頻率f0的正弦振動的角速度的曲線61a相比，描述第一振蕩器可移動元件11的鋸齒波狀往復振動的角速度的曲線63a具有這樣的特征在截面N-N’中，角速度保持在上限和下限分別對應于最大角速度V1和最小角速度V2的范圍內。因此，如果在基于使用光偏轉器的光學偏轉掃描的應用中，V1和V2是在來自對應于恒定角速度掃描的直線64a的角速度的可允許誤差范圍內出現(xiàn)的，則可以認為截面N-N’是基本上恒定的角速度掃描區(qū)。
如上所述，與基于遵從正弦波的位移角的振動相比，鋸齒波往復振動確實為偏轉掃描的角速度提供了寬得多的角速度基本恒定的區(qū)域。因此，可用區(qū)域與整個偏轉掃描區(qū)域的比顯著擴大。此外，基于鋸齒波的驅動確保了掃描線的規(guī)則區(qū)間，這在例如打印機的應用中是十分有利的。
盡管已經參考實例進行了前述說明，其中固有振動模式的頻率f1和f2具有“雙倍”關系——后者大約是前者的兩倍，但是也可以設置“三倍”關系，其中后者大約是前者的三倍。在這種情況下，類似于“雙倍”關系，通過基于正弦波疊加的振動提供了斬波狀振動。由于這能夠利用光的往復掃描，所以可以令在一定可用頻率處的掃描線數(shù)目加倍。
另外，在基于單一頻率進行正弦振動的光偏轉器中，僅可以通過將掃描幅度設置到所需值來達到穩(wěn)定的掃描。即使固有振動模式的頻率漂移，在相對端從掃描中心算起的最大振幅的對稱性(即，掃描的對稱性)或光學掃描的波形(即，正弦波)幾乎不改變。
然而，在如本工作實例中的通過組合多個正弦波造成特征驅動的振動系統(tǒng)中，如果要被組合的單個正弦波的幅度或相位偏離目標值，則不僅掃描幅度而且掃描的對稱性或如等式(6)所定義的鋸齒波狀掃描波形也會因此受不利影響。
因此，對于根據(jù)等式(6)的驅動，將下式中的三個變量1、2和α看作目標值并且保持它們恒定是很重要的。
θ＝θ1+θ2＝1sin[w0t]+2sin[2w0t+α](7)這里，取決于振動系統(tǒng)160的兩個固有振動模式的頻率f1和f2與目標頻率f0和2f0的頻率差，實際要產生的幅度和從驅動信號的相位延遲有所不同。因此，如果固有振動模式的頻率f1和f2改變，則等式(7)中的三個變量1、2和α改變，使得掃描波形劣化。
特別地，光偏轉器很易受環(huán)境溫度的影響，并且構成振動系統(tǒng)160的組件的楊式模量、體積或受力狀態(tài)容易改變。這些變化反過來又引起振動系統(tǒng)160的固有振動模式的頻率f1和f2的改變。例如，在本工作實例的光偏轉器中，一階固有振動模式的頻率f1對于溫度的變化率是(Δf1/f1)/ΔT＝160ppm/K，并且二階固有振動模式的頻率f2對于溫度的變化率是(Δf2/f2)/ΔT＝170ppm/K。
由于等式(7)中的三個變量1、2和α可隨環(huán)境溫度的改變而改變，所以正弦波組合驅動不穩(wěn)定。從此可以看出，如果令振動系統(tǒng)160的溫度相對于環(huán)境溫度的變化保持恒定，則可以穩(wěn)定正弦波組合驅動。此外，如果精確地檢測等式(7)中的三個變量1、2和α，則可以根據(jù)這些變量的檢測值校正驅動信號，以便確保所需的組合波掃描。因此，將可以獲得更穩(wěn)定的驅動。
基于這些發(fā)現(xiàn)，在本工作實例中，在振動系統(tǒng)160中提供加熱器線19和畸變檢測元件25a和25b，如圖5中所示。
圖5是更詳細地示出驅動系統(tǒng)160的組件的平面圖。特別地，它示出形成反射面22一側的結構。加熱器線19沿支撐部件15的周圍延伸，如圖示的那樣。電極端子23形成在加熱器線的相對端，并且這些端子23連接到未示出的驅動電壓源，以將電流施加給加熱器線19。在第一和第二扭簧12和14上分別形成畸變檢測元件25a和25b?；儥z測元件25a和25b分別電連接到電極端子24。這些端子24連接到驅動電極電路和檢測電路，二者都未在圖中示出。
在此工作實例中，加熱器線19包括鋁制成的薄膜電阻器?？扇缦滦纬杉訜崞骶€19。在用于干蝕刻振動系統(tǒng)160的前步工序中，通過真空汽相沉積形成鋁涂層。然后，基于照相平版印刷術對該鋁薄膜進行構圖，從而實現(xiàn)圖5中所示形狀的加熱器線19。當在操作中把電壓施加到加熱器線19時，根據(jù)所施加的電流量產生熱。因此，通過此加熱器線19，可以整體控制振動系統(tǒng)160的溫度。
在此，振動系統(tǒng)160是從單晶硅整體制造的，并且具有良好的熱傳導性。因此，加熱器線19產生的熱高效地傳遞到振動系統(tǒng)160。此外，僅在支撐部件15處形成加熱器線19，并且這意味著加熱器線19在不易發(fā)生機械形變的部分形成。因此，很好地避免了加熱器線19的損壞。
圖9A是第一扭簧中形成畸變檢測元件25a的部分的放大平面圖。如所示，畸變檢測元件25a包括四個壓電電阻器26a、26b、26c和26d，它們構成圖10中所示的惠斯通(Wheatstone)電橋電路。電線27連接到這些壓電電阻器26a-26d，并且這些線的另一端連接到圖5中所示的電極端子24。
圖9B是沿圖9A中線C-C的截面。壓電電阻器26c包括通過將磷擴散到p型單晶硅的第一扭簧12中而制成的擴散電阻材料。在電阻材料上形成硅的氧化膜作為絕緣層28。其余三個壓電電阻器26a、26b和26d具有相似的截面結構。此外，在第二扭簧14上形成的畸變檢測元件25b具有相似結構。因此，可以以上述方式同時生產這些畸變檢測元件25a和25b。因而可以便宜地生產它們。
此外，由于振動系統(tǒng)160由單晶硅制成，因此這些畸變檢測元件可以在通過將雜質擴散到第一或第二扭簧12或14中而制成的擴散電阻材料的基礎上整體地形成。這使得能夠便宜地生產。
然后，將參考圖10中所示的畸變檢測元件25a的等效電路，說明檢測振蕩器可移動元件的位移角的原理。如圖10中所示，四個壓電電阻器26a、26b、26c和26d構成惠斯通電橋電路。由于如圖9A中所示，這些壓電電阻器26a-26d關于振動軸17形成45度傾斜，所以如果在第一扭簧12中產生關于振動軸17的扭轉位移，則在壓電電阻器26a-26d的縱長方向上產生這些壓電電阻器的大畸變。由于上述壓電阻抗效應，這種畸變引起四個壓電電阻器26a-26d的電阻的改變。
在此，在圖10中所示的等效電路中，壓電電阻器26a-26d在沒有畸變的情況下具有電阻R0。由于對稱布置，壓電電阻器26a和26c以及壓電電阻器26b和26d將在相同方向上承受畸變并且畸變幅度相同。然后，如果基于壓電阻抗效應，響應畸變的電阻的改變率由ζ1和ζ2表示，則施加了畸變的壓電電阻器26a-26d的電阻R1、R2、R3和R4由下式表示。
R1＝R3＝(1+ζ1)R0(8)R2＝R4＝(1-ζ2)R0(9)因此，響應施加給如圖10中所示的電橋電路的驅動電壓Vi，作為輸出電壓V0而輸出畸變造成的電阻變化，如下。
V0Vi=R1R3-R2R4(R1+R3)(R2+R4)---(10)]]>以所述方式，響應于第一扭簧12的扭轉位移而產生輸出電壓V0。然后，通過借助未示出的檢測電路測量此輸出電壓V0，可以檢測第一扭簧12的扭轉位移。在第二扭簧14處提供的畸變檢測元件25b根據(jù)類似原理而操作，并且可以檢測第二扭簧14的扭轉位移。因此，基于畸變檢測元件25a和25b的檢測信號，檢測到第一和第二振蕩器可移動元件11和13的位移角。此外，由于根據(jù)位移角關于時間的改變而輸出檢測信號，通過使用檢測電路(未示出)，可以檢測來自固定線圈152的驅動信號的相位延遲以及第一和第二振蕩器可移動元件11和13的驅動頻率。此外，通過在不同頻率以恒定電流驅動固定線圈152并且通過比較畸變檢測元件25a和25b的輸出電壓V0，可以檢測固有振動模式的頻率。
如上所述，畸變檢測元件被置于扭簧處，并且由于扭簧承受兩個振蕩器可移動元件的位移造成的大機械畸變，所以可以通過此畸變檢測元件有效地檢測位移角。
以上述方式，使用畸變檢測元件25a和25b使得能夠檢測等式(7)中所示的正弦波組合驅動的三個變量1、2和α以及固有振動模式的頻率f1和f2。然而，畸變檢測元件25a和25b的由ζ1和ζ2表示的電阻改變率可隨溫度變化。結果，一旦環(huán)境溫度變化，響應畸變的輸出電壓V0的絕對值就變得不穩(wěn)定。因此，如果有環(huán)境溫度改變，則不能精確檢測諸如等式(7)的1和2的變量。
在本工作實例中以下述方式去除了這些不便，并且固有振動模式的頻率f1和f2被穩(wěn)定在目標頻率附近，而不管環(huán)境溫度如何變化，另外，精確地檢測了三個變量1、2和α。
為此，首先，基于畸變檢測元件25a和25b檢測的固有振動模式的頻率f1和f2的檢測值，調整加熱器線19的生熱量，使得頻率f1和f2分別被恒定地調諧到它們的目標頻率f0和2f0附近。在此，基于上述輸出電壓V0的比較檢測固有振動模式的頻率f1和f2。這是不易受輸出電壓V0的絕對值精度的影響的相對檢測量，而輸出電壓V0的絕對值精度易受環(huán)境溫度改變的影響。因此可以精確地調諧此頻率而不管環(huán)境溫度如何變化。
由于在光偏轉器溫度和固有振蕩模頻率之間有良好的對應關系，所以使用加熱器線19調整固有振動模式頻率確保了基本上恒定的光偏轉器溫度，而不管環(huán)境溫度如何變化。因此，在很好地調整了固有振動模式的頻率f1和f2之后，畸變檢測元件25a和25b的電阻ζ1和ζ2的改變率將變得基本恒定。如所述，在調整頻率之后，1和2等的精確值是可檢測的。因此，現(xiàn)在可操作驅動控制單元以基于這些檢測值校正要提供給驅動單元的驅動信號，使得從而產生所需的正弦波組合驅動。
在根據(jù)本工作實例的光偏轉器中，如上所述，使用加熱器線(生熱元件)和畸變檢測元件，并且不管環(huán)境溫度如何變化都產生了良好的正弦波組合驅動。
圖7和8示出根據(jù)本發(fā)明的第二工作實例的光偏轉器。圖7是平面圖，并且圖8是沿包含振動軸17的平面并且垂直于圖紙面的截面圖。在這些圖中，具有與第一工作實例的組件相似功能的組件以相同的標記表示。以下，將省略那些具有與第一工作實例相似功能的部分的描述，并且僅說明不同的特征。如圖7和8所示，本實例的光偏轉器包括第一振蕩器可移動元件11、第一扭簧12、第二振蕩器可移動元件13、第二扭簧14、支撐部件15和反射表面22，它們在材料、結構和功能方面都類似于第一工作實例。
本工作實例的振動系統(tǒng)160包括與圖5和6中所示的第一工作實例相似的組件。即，如圖5和6中所示，畸變檢測元件25a和25b分別被置于第一和第二扭簧12和14處，以檢測響應于第一和第二振蕩器可移動元件11和13的振動的畸變。此外，支撐部件15配備有如圖所示的加熱器線19，它響應于施加的電壓而產生熱以控制振動系統(tǒng)160的溫度。
與第一工作實例相比，本工作實例具有這樣的結構振動軸17方向中的應力不易傳送到第一和第二扭簧12和14。這有助于穩(wěn)定固有振動模式頻率f1和f2。
當振動軸17方向中的應力施加到第一和第二扭簧12和14時，這些彈簧的彈簧常數(shù)根據(jù)它們的截面形狀而改變。本工作實例的第一和第二扭簧12和14具有矩形截面形狀。如果該截面的縱橫比大，則彈簧常數(shù)可如下近似。
K=Gbt33L(1+b24Gt2σ)---(11)]]>
其中K是扭簧的彈簧常數(shù)，G是橫向彈性模量，且σ是振動軸17方向中的應力。圖13A是第二扭簧14的平面圖，且圖13B是截面和透視圖，示出了垂直于振動軸17的平面的截面。如從這些圖中可見，等式(11)中的L是扭簧長度，t是扭簧寬度，并且b是扭簧厚度。
從等式(11)看出，彈簧常數(shù)K隨振動軸方向的應力σ的增加而增加。其系數(shù)包含扭簧寬度t和厚度b之比的平方項。本工作實例的第一和第二扭簧具有相同的厚度b，但是它們的寬度t不同。因而，即使它們承受相同的應力σ，彈簧常數(shù)的改變率也是不同的。這導致當應力σ傳送到第一和第二扭簧12和14時，振動系統(tǒng)160的固有振動模式的頻率f1和f2將取決于應力σ以不同的改變率改變。
考慮到這一點，在本工作實例中，為了進一步穩(wěn)定固有振動模式頻率f1和f2，光偏轉器具有這樣的結構應力σ難以傳遞到第一和第二扭簧12和14。具體地，對這一點使用以下結構。如圖7和8中所示，在本工作實例中，粘合區(qū)域155僅限定在線P-P的遠離形成第一和第二振蕩器可移動元件11和13的位置的一側，該線P-P垂直于振動軸17并且延伸通過成對的第二扭簧14之一和支撐部件15之間的連接點E。以此結構，由于各種因素，比如在支撐部件15的粘合區(qū)域155處粘合劑的收縮、固定部件150的形變、固定部件150和振動系統(tǒng)160之間熱膨脹系數(shù)的不同等因素而產生的要施加到振動系統(tǒng)160的振動軸17方向上的應力將不傳遞到除了支撐部件15之外的任何部分。即，應力難以傳遞到第一和第二扭簧12和14。
在具有上述這種結構的本工作實例的光偏轉器中，一階和二階固有振動模式的頻率f1和f2中的每個頻率的對溫度的改變率是(Δf/f)/ΔT＝-46ppm/K。使用此結構，振動軸17方向上的應力σ難以引起固有振動模式頻率f1和f2的改變。因而，使頻率f1和f2更穩(wěn)定。
此外，由于該結構使得去除了除溫度之外的固有振動模式頻率的變化因素，所以可以令基于固有振動模式頻率調整的光偏轉器的溫度穩(wěn)定更加準確，并且作為結果，使畸變檢測元件25a和25b的輸出更穩(wěn)定。因此基于這些檢測值，可以更精確地校正驅動單元的驅動信號以實現(xiàn)所需的正弦波組合驅動。
此外，在本工作實例中，熱從振動系統(tǒng)160通過熱傳導傳遞到固定部件150的路徑僅限定在一個位置，即，粘合區(qū)域155。因而，比起具有兩個這種路徑的結構，阻熱性更大并且因此用于溫度調整的功耗更低。
圖11A和11B示出根據(jù)本發(fā)明的第三工作實例的光偏轉器。圖11A是平面圖，示出形成振動系統(tǒng)160的反射表面22那一側的結構。圖11B是從底部看該結構的平面圖。在這些圖中，具有與第一工作實例的組件相似功能的組件以相同的標記表示。以下，將省略那些具有與第一工作實例相似功能的部分的描述，并且僅說明不同的特征。如圖11A和11B所示，本實例的光偏轉器包括第一振蕩器可移動元件11、第一扭簧12、第二振蕩器可移動元件13、第二扭簧14、支撐部件15、和反射表面22，它們在材料、結構和功能方面都類似于第一工作實例。比起第一工作實例，本實例的光偏轉器僅包括一個第一扭簧12和一個第二扭簧14。使用單個扭簧結構使得振動系統(tǒng)160在振動軸17方向上的尺寸更小。
此外，熱從振動系統(tǒng)160通過熱傳導傳遞到固定部件150的路徑僅限定在單個扭簧處。因而，比起具有一對扭簧的結構，阻熱性更大并且因此使用于溫度調整的功耗低的多。另外，由于支撐部件15的尺寸因為單個扭簧(第二扭簧14)結構而可以做得更小，所以用于溫度調整的功耗被降低更多。
類似于第二工作實例，支撐部件15僅在單個粘合區(qū)域155被附著到固定部件150(圖11A和11B中未示出)。因而，在此結構中，振動軸17方向上的應力難以傳遞到第一和第二扭簧12和14，并且可獲得類似第二工作實例的優(yōu)越效果。
在本工作實例中，如圖11A中所示，分別在第一和第二扭簧處提供第一和第二加熱器線20和21以及畸變檢測元件25a和25b。這些加熱器線和畸變檢測元件通過在支撐部件15上形成的未示出的電極端子分別電連接到驅動電壓電路和檢測電路。在本工作實例中，僅在扭簧處提供生熱元件以確?？梢詢H有效調節(jié)這樣一種部分的溫度該部分對光偏轉器的溫度改變導致的固有振動模式頻率的改變具有最大影響。
圖12是第一扭簧12中設置有第一加熱器線20和畸變檢測元件25a的部分的放大平面圖。類似于第一工作實例，畸變檢測元件25a包括具有四個壓電電阻器26a、26b、26c和26d的電橋電路。此外，如同壓電電阻器26a-26d，第一加熱器線20由擴散的電阻材料制成，該擴散電阻材料通過將磷作為雜質擴散到p型硅襯底中而制成。因此，可以通過在半導體制造工藝中使用的雜質擴散工藝而同時生產加熱器線20和壓電電阻器26a-26d。被置于第二扭簧14處的加熱器線21和畸變檢測元件26b具有與圖12中所示相似的結構。
第一加熱器線20和第二加熱器線21可以省略，并且作為其替代，也可以使用畸變檢測元件25a和25b作為生熱元件。更具體地，通過改變用于畸變檢測的驅動電壓Vi(參見圖10)，可以調節(jié)四個壓電電阻器26a-26d的生熱量，從而將固有振動模式的頻率f1和f2分別調諧到相應目標驅動頻率f0和2f0。通過這樣做，盡管用于通過畸變檢測元件25a和25b的畸變檢測的信號轉換效率(電阻變化率)可能取決于溫度，但是在上述的生熱量調整之后，可以穩(wěn)定地使此效率恒定。
此外，通過畸變檢測元件也充當生熱元件的結構，所需電線數(shù)目減少，并且因此減少電極端子(未示出)的數(shù)目。因此，振動系統(tǒng)160在尺寸上可以做得較小。另外，由于簡化了布線過程，所以可以便宜地生產光偏轉器。此外，線路損壞概率降低。
圖14是示意透視圖，示出光學儀器的工作實例，該光學儀器中包括根據(jù)本發(fā)明的光偏轉器。在此實例中，示出作為光學儀器的圖像形成裝置。在圖14中，在3003處表示的是根據(jù)本發(fā)明的光偏轉器，并且它用于一維掃描入射其上的光。在3001處表示的是激光源，并且在3002處表示的是透鏡或透鏡組。在3004處表示的是寫透鏡或透鏡組，并且在3005處表示的是鼓形光敏部件。
從激光源3001發(fā)射的激光束已經通過預定的強度調制關于光的偏轉掃描定時進行了調制。該強度調制的光通過透鏡或透鏡組3002，并且由光學掃描系統(tǒng)(光偏轉器)3003一維掃描地偏轉。由光敏部件3005上的寫透鏡或透鏡組3004對掃描地偏轉的激光束聚焦，以在其上形成圖像。
光敏部件3005關于旋轉軸在垂直于掃描方向的方向上旋轉，并且通過未示出的充電器為它均勻地充電。通過用光掃描光敏部件表面，在被掃描表面部分中形成了靜電潛像。隨后，通過使用未示出的顯影設備，根據(jù)該靜電潛像產生了調色劑圖像，并且該調色劑圖像然后轉印到并定影到未示出的轉印片材上，從而在片材上產生圖像。
通過使用本發(fā)明的光偏轉器3003，可以令光的偏轉掃描角速度在光敏部件3005表面的有效區(qū)域內大致均勻。此外，通過使用本發(fā)明的可以穩(wěn)定驅動的光偏轉器，實現(xiàn)了具有穩(wěn)定性能的圖像形成裝置。
雖然參考在此公開的結構描述了本發(fā)明，但本發(fā)明不限于所述的細節(jié)，并且本申請意圖覆蓋改進目的之內或隨后的權利要求范圍內的修改和變更。
權利要求
1.一種光偏轉器，包括振動系統(tǒng)，包括具有光偏轉元件的第一振蕩器可移動元件、第二振蕩器可移動元件、配置以將所述第一和第二振蕩器可移動元件互相耦合并且支撐所述第一振蕩器可移動元件用于相對于所述第二振蕩器可移動元件扭振的第一扭簧、支撐部件、以及配置以將所述支撐部件和所述第二振蕩器可移動元件互相耦合并且支撐所述第二振蕩器可移動元件用于關于與所述第一振蕩器可移動元件的振動軸相同的軸而相對于所述支撐部件扭振的第二扭簧；配置以將驅動力施加給所述振動系統(tǒng)的驅動系統(tǒng)；以及配置以將驅動信號提供給所述驅動系統(tǒng)的驅動控制系統(tǒng)；其中所述振動系統(tǒng)還包括畸變檢測元件，其被配置為檢測所述第一和第二扭簧中至少一個的機械形變、以及生熱元件，其被配置為加熱所述振動系統(tǒng)，并且其中所述振動系統(tǒng)關于振動軸至少具有不同頻率的兩個固有振動模式。
2.根據(jù)權利要求1的光偏轉器，其中，所述生熱元件被置于所述支撐部件、所述第一扭簧和所述第二扭簧中的一個或更多個處。
3.根據(jù)權利要求1的光偏轉器，其中，所述畸變檢測元件也用作所述生熱元件。
4.根據(jù)權利要求1的光偏轉器，其中，所述振動系統(tǒng)具有不同頻率的兩個固有振動模式，一個頻率大約是另一頻率的兩倍或三倍。
5.一種驅動如權利要求1所述的光偏轉器的方法，包括調整步驟，用于通過使用從畸變檢測元件輸出的第一畸變量信息調整生熱元件的生熱量，使得振動系統(tǒng)可以在目標頻率處振動；以及所述調整步驟之后的校正步驟，用于基于從畸變檢測元件輸出的第二畸變量信息校正要施加到驅動系統(tǒng)的驅動信號。
6.一種驅動如權利要求1所述的光偏轉器的方法，包括調整步驟，用于基于從畸變檢測元件輸出的第一畸變量信息調整生熱元件的生熱量，使得振動系統(tǒng)可以在對應于目標頻率的固有振動模式的頻率處振動；以及所述調整步驟之后的校正步驟，用于基于從畸變檢測元件輸出的第二畸變量信息校正要施加到驅動系統(tǒng)的驅動信號，使得振動系統(tǒng)可以在固有振動模式的頻率處振動。
7.一種驅動如權利要求1所述的光偏轉器的方法，包括調整步驟，用于基于從畸變檢測元件輸出的畸變量的相對值調整生熱元件的生熱量，使得振動系統(tǒng)可以在目標頻率處振動；以及所述調整步驟之后的校正步驟，用于基于從畸變檢測元件輸出的畸變量的絕對值校正要施加到驅動系統(tǒng)的驅動信號。
8.一種光學儀器，包括光源；如權利要求1所述的光偏轉器；以及光敏部件和圖像顯示部件之一；其中配置所述光偏轉器以偏轉來自所述光源的光，并且將至少部分的被偏轉光引導至所述光敏部件或圖像顯示部件上。
全文摘要
本申請涉及一種光偏轉器及使用光偏轉器的光學儀器，尤其涉及不管諸如溫度的環(huán)境干擾如何，都可以相對穩(wěn)定地驅動的光偏轉器，該光偏轉器包括具有不同頻率的多個固有振動模式的振動系統(tǒng)(160)、用于驅動振動系統(tǒng)的驅動單元、以及用于將驅動信號提供給驅動單元的驅動控制單元，該振動系統(tǒng)(160)包括具有光偏轉元件(22)的第一振蕩器可移動元件(11)、第一扭簧(12)、第二振蕩器可移動元件(13)、第二扭簧(12)、和支撐部件(15)，該光偏轉器還包括用于檢測第一和/或第二扭簧的機械形變的畸變檢測元件(25a和25b)，以及生熱元件(19)，其用于穩(wěn)定固有振動模式的頻率和掃描狀態(tài)以確保穩(wěn)定的正弦波組合驅動。
文檔編號B41J2/47GK101082697SQ20071010818
公開日2007年12月5日 申請日期2007年5月30日 優(yōu)先權日2006年5月30日
發(fā)明者加藤貴久, 古川幸生, 島田康弘 申請人:佳能株式會社