(57)【要約】【課題】振動子の共振周波数を簡易な回路構成により計測しかつ調整することができるようにしたアクチュエータを提供する。【解決手段】可動板(13)と、支持部(11)と、可動板を上記支持部に振動可能に支持するトーションバー(14)と、トーションバーに形成される角度検出センサ(20)と、可動板を振動させる駆動手段(30)と、可動板とトーションバーで構成される振動子(13,14)の共振周波数を調整する共振周波数調整手段(30)と、を備え、角度検出センサ(20)は、バイアス電流(IB)の供給を受けてトーションバーのねじれに応じた電圧を発生するピエゾ抵抗(21)を含み、共振周波数調整手段は、振動子に設定すべき共振周波数に対応してピエゾ抵抗に供給されるバイアス電流のレベルを調整する可変電流源(34)を含む。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
可動板と、
支持部と、
前記可動板を前記支持部に振動可能に支持するトーションバーと、
前記トーションバーに形成される角度検出センサと、
前記可動板を振動させる駆動手段と、
前記可動板と前記トーションバーで構成される振動子の共振周波数を調整する共振周波数調整手段と、を備え、
前記角度検出センサは、バイアス電流の供給を受けて前記トーションバーのねじれに応じた電圧を発生するピエゾ抵抗を含み、
前記共振周波数調整手段は、前記振動子に設定すべき共振周波数に対応して前記ピエゾ抵抗に供給されるバイアス電流のレベルを調整する可変電流源を含む、アクチュータ。
【請求項２】
前記トーションバーは半導体基板によって構成され、前記ピエゾ抵抗は該半導体基板に形成された不純物ドープ領域によって形成され、前記バイアス電流は該不純物ドープ領域を流れ、該バイアス電流の電流方向と直交する方向において前記ねじれに応じた電圧を得る、請求項１に記載のアクチュータ。
【請求項３】
前記バイアス電流によって前記ピエゾ抵抗を発熱させ、前記トーションバーのばね特性を変化させて前記共振周波数を設定する、請求項１又は２に記載のアクチュータ。
【請求項４】
前記可動板に反射ミラーが形成されている、請求項１乃至３のいずれかに記載のアクチュータ。
【請求項５】
前記角度検出センサは、４端子型ひずみゲージである、請求項１乃至４のいずれかに記載のアクチュータ。
【請求項６】
請求項１乃至５のいずれかに記載のアクチュータを使用した画像形成装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えば、光スキャナや画像形成装置などに使用される反射ミラーを駆動するアクチュエータの改良に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
レーザ光を用いるディスプレイ、プリンタなどに応用される光偏向器は、現在画像を描画するうえで、高速なスキャン動作が要求されている。この高速なスキャン動作を実現するために、ポリゴンミラーやガルバノミラーが使用されているが、高速性の向上という点で限界がある。そこで、ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical System）技術により、シリコン（Ｓｉ）基板を微細加工して製作されるＭＥＭＳミラーを用いることが提案されている。このＭＥＭＳミラーは高い共振周波数で振動するため、より高い解像度の描画が可能になる利点がある。
【０００３】
しかし、ＭＥＭＳミラーの共振周波数は、製造時の振動子加工の誤差によってばらつきが生じたり、使用の際の振動子温度などにより所望の共振周波数が得られない場合があり得る。前者に対しては振動子のトリミングを行ったり、後者に対しては振動子部分を定温状態に保つことなどが考えれるが、いずれも手間がかかる。そこで、特許文献１に記載の発明は、振動子チップ上にヒータを設けて、振動子を構成する材料のヤング率を温度によって変えることで、振動子の共振周波数を制御することを提案している。また、特許文献２に記載の発明は振動子に角度センサを設けて振動子の振動周波数を検出するようにしている。
【特許文献１】特開平９―１９７３３４号公報
【特許文献２】特表平９−５１２９０４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、振動子のばね定数（ヤング率など）を変えるヒータは微細構造で実現された振動子のばね部分に設けられるため、ヒータ抵抗や配線を配置するスペース的な余裕が少ない。また、振動子にばね定数を変えるヒータと振動を検出する角度センサとを両方備えることができれば、振動子を含むアクチュータ側だけで共振周波数を調整することが可能となり、好都合であるが、振動子にヒータに加えて更に角度センサをも形成することは、スペース余裕の不足、機能部品・配線レイアウトの複雑化などという困難な課題がある。
【０００５】
そこで、本発明の目的は、製品ごとにばらつく傾向のある振動子の共振周波数を、簡易な回路構成により計測しかつその共振周波数を振動子側で調整することができるアクチュエータを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記目的を達成するため、本発明のアクチュータは、可動板と、支持部と、上記可動板を上記支持部に振動可能に支持するトーションバーと、上記トーションバーに形成される角度検出センサと、上記可動板を振動させる駆動手段と、上記可動板と上記トーションバーで構成される振動子の共振周波数を調整する共振周波数調整手段と、を備え、上記角度検出センサは、バイアス電流の供給を受けて上記トーションバーのねじれに応じた電圧を発生するピエゾ抵抗を含み、上記共振周波数調整手段は、上記振動子に設定すべき共振周波数に対応して上記ピエゾ抵抗に供給されるバイアス電流のレベルを調整する可変電流源を含む。
【０００７】
かかる構成とすることによって、トーションバーに設けられた角度検出センサを振動子の共振周波数の調整に使用することができて具合がよい。これにより、アクチュータ作製時に生じる個々の振動子の共振周数のばらつきを、トリミングによって個別に修正する必要がなくなる。また、アクチュータに共振周波数調整用の調整用のヒータなどを別途に設ける必要もなく、生産性の点で都合がよい。また、微細な部分へのヒータなどの配線やレイアウアウトを回避でき、具合がよい。
【０００８】
上記トーションバーは半導体基板によって構成され、上記ピエゾ抵抗は該半導体基板に形成された不純物ドープ領域によって形成され、上記バイアス電流は該不純物ドープ領域を流れ、該バイアス電流の電流方向と直交する方向において上記ねじれに応じた電圧を得る。それにより、ピエゾ抵抗は反動基板に一体的に形成され、トーションバーの捻りのみに感度の高いセンサを得ることができる。
【０００９】
上記バイアス電流によって上記ピエゾ抵抗を発熱させ、上記トーションバーのばね特性を変化させて前記共振周波数を設定することが望ましい。熱によりばね特性（ヤング率、応力など）を変えることで共振周波数を設定することができる。
【００１０】
上記可動板に反射ミラーが形成されている。それにより、光アクチュータが構成される。
【００１１】
上記角度検出センサは、例えば、４端子型ひずみゲージで構成することが望ましい。それにより、電流端子に供給するバイアス電流でピエゾ抵抗の発熱を調整し、電圧端子に捻り角度に対応した出力を得ることができる。
【００１２】
また、本発明の画像形成装置は、上述した構成及び利点を備えるアクチュータを備える。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下、本発明の実施例について図面を参照して説明する。
【００１４】
まず、本願のアクチュータを使用して走査光を形成する光スキャナを使用する画像形成装置の例について説明する。
【００１５】
（画像形成装置）
図７は、画像形成装置の一例であるプロジェクタを示している。プロジェクタは、Ｒ、Ｇ、Ｂの画像信号で変調されたＲ、Ｇ、Ｂ光ビームを出力する光源装置９１１〜９１３と、光ビーム合成装置９２と、光スキャナ９３及び９４と、固定ミラー９５とを備えている。
【００１６】
光ビーム合成置９２は、光源装置９１１〜９１３それぞれから出射された３色の光ビームを１つの光ビームに合成し、合成された光ビームを光スキャナ９３に送り出す。合成光ビームは光スキャナ９３によって左右方向に走査する（主走査）の光ビームとなり、更に、光スキャナ９４によって垂直方向にも走査する（副走査）２次元走査の光ビームとなる。この走査光ビームはさらに固定ミラー９５によって反射され、スクリーンＳ上にカラー画像を形成する。
【００１７】
副走査を行う光スキャナ９４の回動速度は、主走査を行う光スキャナ９３の回動速度に対して低速である。例えば、副走査を行う光スキャナ９４の揺動（振動）周波数が６０Ｈｚ程度で、主走査を行う光スキャナ９３の揺動（振動）周波数が１０〜２５６ｋＨｚ程度である。
【００１８】
なお、画像形成装置には、上述したレーザプロジェクタの他にレーザプリンタなど種々のものがある。また、光スキャナはバーコードリーダなどにも使用されている。
【００１９】
（実施例）
次に、光スキャナなどに使用されるアクチュエータについて説明する。図１は本発明に用いられるアクチュエータの平面図であり、図２はこのアクチュータに使用される４端子歪ゲージを説明するための図である。
【００２０】
図１に示すように、アクチュエータ１０は、枠体（フレーム）を構成する支持枠１１、光を反射するミラー１２を表面に形成した可動板１３、可動板１３を支持枠１１に対して揺動（振動）可能に支持する一対のトーションバー１４、１４とを有する。アクチュエータ１０、支持枠１１、可動板１３、トーションバー１４は、例えば、シリコン基板（半導体基板）をパターニングして一体形成される。
シリコン基板は、Ｐ型基板であり、図示のように、横向の結晶方位が〈１１０〉、縦方向の結晶方位が〈１１０〉、紙面に垂直な方向の結晶方位が〈１００〉となっている。
【００２１】
支持枠１１の凹部底部には可動板１３に対向して駆動電極１６が固定されている。外部回路から駆動電極１６に駆動電圧が印加されると、静電力によって可動板１３が駆動電極１６側に引きつけられ、可動板１３はトーションバー１４を回転軸として回動する。駆動電圧の印加が解除されると、可動板１３はトーションバー１４の捻りばね力によって元に戻る。駆動電極１６に駆動電圧を周期的に印加することによって可動板は揺動（振動）し、光ビームを走査させる振動ミラーが得られる。
【００２２】
トーションバー１４の一部には、角度検出センサ２０が一体的に形成されている。図２に示すように、角度検出センサ２０は、シリコン半導体基板に形成された縦長の長方形領域のピエゾ抵抗２１と、ピエゾ抵抗２１の長方形領域に左端から右端方向にバイアス電流ＩBを与えるバイアス電流パッド（端子）２２及び２４、ピエゾ抵抗２１の長方形領域の上下両端部の電圧を外部に導出する電圧計測パッド（端子）２３及び２５、これ等を接続する電気配線などによって構成される。ピエゾ抵抗２１の縦長の領域はトーションバー１４の軸方向に延在し、軸方向に対して直角方向であるピエゾ抵抗２１の長方形領域の左右両端、すなわち端子２３及び２５には、回動角（回動応力）に対応する出力電圧が得られる。このピエゾ抵抗２１は４端子型歪みゲージとして機能する。ピエゾ抵抗２１は、Ｐ型〈１００〉のシリコン基板の結晶方位を考慮して配置され、シリコン基板の、例えば、縦２００μｍ×横４０μｍの領域にリン（Ｐ）を適量ドープすることによりｎ型ドープ領域として形成される。
【００２３】
上述したように、ピエゾ抵抗２１は、ねじれ応力に応じた抵抗値を示し、該抵抗に流れるバイアス電流によって応力に応じた電圧がピエゾ抵抗の両端部に発生するが、更に本実施例においては、ピエゾ抵抗２１をトーションバー（ばね）１４のばね定数を変えるヒータとして利用する。ピエゾ抵抗２１に熱が発生すると、このピエゾ抵抗２１と一体的に形成されている一対のトーションバー１４、１４に熱が伝わり、トーションバー１４のばね定数（ヤング率や応力など）が変化する。可動板１３とシーションバー１４からなる振動子の共振周波数はばね定数に依存しているため、ピエゾ抵抗２１に供給するバイアス電流ＩBを変えて適宜な値に設定することにより現在の振動子の共振周波数を所望の共振周波数に設定することが可能となる。
【００２４】
図３は、共振周波数を調整する共振周波数調整部を説明する説明図である。同図に示すように、共振周波数調整部はマイクロコンピュータシステムによって構成される画像形成装置の制御部３０内の複数の構成要素によって実現されている。制御部３０は、ＣＰＵ３１、メモリ部３２、温度検出部３３、バイアス電流供給部３４、周波数検出部３５、駆動回路部３６，データベース部３７などによって構成されている。なお、制御部３０は、アクチュータの制御に関係する部分のみを示している。
【００２５】
ＣＰＵ３１は、メモリ部３２に記憶された制御プログラムを実行して各部の制御やデータ処理などを行う。メモリ部３２は、制御プログラムやデータを記憶する。温度検出部３３は、アクチュータ（振動子）の温度を検出する。例えば、予めピエゾ抵抗２１の温度対抵抗値特性のテーブル（グラフ）をメモリに記憶しており、検出されたピエゾ抵抗２１の抵抗値から振動子の温度を推定する。
【００２６】
バイアス電流供給部３４はＣＰＵ３１からの指示に応じたレベルの電流を出力する可変電流供給源であり、角度検出センサ２０の端子２２及び２４を介してピエゾ抵抗２１にバイアス電流を供給する。また、バイアス電流供給部３４は両端子への印加電圧値と電流値をＣＰＵ３１に伝えてピエゾ抵抗２１の抵抗値を算出可能とする。周波数検出部３５は、角度検出センサ２０の電圧計測端子２３及び２５に接続されており、振動子の揺動（振動）によってピエゾ抵抗２１に発生する正弦波状の電圧信号にフィルタ処理、波形処理、計数処理などを行って振動周波数を検出する。
【００２７】
駆動回路３６は、ＣＰＵ３２の指令に応じてアクチュータの駆動電極１６に駆動電圧信号を供給する。なお、本実施例では、可動板１３を静電力によって駆動しているが、電磁力によって駆動する場合には、可動コイル（図示せず）に駆動電流を供給する。
【００２８】
データベース部３７は、制御に使用する各種データを保持している。例えば、後述の図５及び図６に示すような、振動子のバイアス電流対共振周波数特性のテーブル（グラフ）や可動板（あるいはトーションバー）の回動角度対ピエゾ抵抗（角度検出センサ）の出力電圧特性のテーブル（グラフ）などの各種のデータを予め保持している。
【００２９】
次に、共振周波数の調整例について図４に示すフローチャートを参照して説明する。制御部３０のＣＰＵ３１は、予め定められた所定の条件、例えば、画像形成装置のその日の最初の起動の際や、室温（あるいは振動子温度）が所定温度よりも低い場合などに周波数調整の制御ルーチンを実行する。前述したように、ＣＰＵ３１はピエゾ抵抗２１の抵抗値から温度を推定することができる（ステップＳ１２）。
【００３０】
まず、ＣＰＵ３１は、角度検出センサ２０に検出用に予め定められたレベルのバイアス電流をバイアス電流供給部３４に出力させる。それにより、ピエゾ抵抗２１に初期（基準）バイアス電流が流れる。また、ＣＰＵ３１は周波数検出部３５を動作させて電圧出力端２３及び２５の出力電圧を観察させるステップＳ１４）。
【００３１】
次に、ＣＰＵ３１は駆動回路３６に所定周期（１／ｆ0）の駆動信号を出力させる（ステップＳ１６）。振動子が起動し振動が安定する一定時間を経過した後、ＣＰＵ３１は周波数検出部３５で検出された測定周波数ｆSを読み取る（ステップＳ１８）。
【００３２】
ＣＰＵ３１は、振動子に設定すべき目標周波数ｆ0と測定周波数ｆSとの周波数差Δｆを求める（ステップＳ２０）。ＣＰＵ３１は、周波数検出部３５で検出した周波数ｆSが目標周波数ｆｏと等しい場合には（ステップＳ２２、Ｙｅｓ）、バイアス電流を固定して終了する（ステップＳ２８）。
【００３３】
検出周波数ｆSが目標周波数ｆｏからずれている場合には（ステップＳ２２、Ｎｏ）、ＣＰＵ３１は、Δｆに対応するバイアス電流ΔＩを計算し、バイアス電流ＩBから電流ΔＩを増加させる指令（周波数を減少する場合）又は減少させる指令を（周波数を増加する場合）をバイアス電流供給部３４に指令する。それにより、バイアス電流供給部３４の供給電流が変化し、ピエゾ抵抗２１の発熱量が調整され、振動子のばね定数が変化する（ステップＳ２４）。
【００３４】
図５は、振動子の揺動（振動）角度を１３．５４度とした場合の、バイアス電流対共振周波数の特性変化例を示している。同図より、バイアス電流を増加すると振動子の共振周波数が略直線的に減少することが判る。
【００３５】
振動子における温度が安定する所定時間を経過した後、ＣＰＵ３１は振動子の共振周波数の測定を行い（ステップＳ２６）、検出周波数ｆSが目標周波数ｆｏからずれているかどうか再度判断する（ステップＳ２０）。検出周波数ｆSが目標周波数ｆｏからずれている場合には（ステップＳ２２、Ｎｏ）、ステップＳ２４、Ｓ２６、Ｓ２０を繰り返してバイアス電流を調整して振動子の共振周波数を目標共振周波数ｆｏに調整する。周波数ｆSが目標周波数ｆｏと等しい場合には（ステップＳ２２、Ｙｅｓ）、バイアス電流を固定して終了する（ステップＳ２８）。
【００３６】
図６は、角度検出センサ２０の回動角対出力電圧特性を示している。図中に四角点、三角点、丸点で示される各特性曲線は、それぞれバイアス電流が３ｍＡ、５ｍＡ、７ｍＡの例を示している。ピエゾ抵抗２１をヒータとして使用するために、バイアス電流を変えることによって角度検出センサ２０の出力電圧レベルが変化する。しかし、予めデータベース３７に各バイアス電流における回動角対出力電圧特性を保持し、設定したバイアス電流に対応する特性を選択することによってピエゾ抵抗２１をヒータと角度検出センサとして両立させることができる。また、図６に示されるように、角度検出センサの出力電圧（ＶPZR）は回動角度（Ａ）に対して直線的な特性であるので近似式、Ａ＝Ｆ（ＶPZR，ＩB）で回動の角度を計算して求めるようにしても良い。
【００３７】
なお、角度検出センサ２０の出力電圧中の共振周波数成分は当該出力電圧の時間軸方向において情報を持つのでバイアス電流のレベル変化による影響を受けない。
【００３８】
以上説明したように、本実施例の振動子の共振周波数をシフトする方法は、角度検出センサのピエゾ抵抗領域をヒータとして使用する。ピエゾ抵抗領域にかけるバイアス電流を与えることで、ピエゾ抵抗領域に熱が発生するため、この領域と一体形成されているトーションバーに熱が伝わり、トーションバーのヤング率やねじれ応力も変化する。共振周波数はこの温度に依存性があるため、供給するバイアス電流を変えることにより現在の共振周波数を所望の共振周波数にシフトすることができる。
【００３９】
なお、実施例では、振動子の共振周波数を調整するために、バイアス電流をピエゾ抵抗に供給するとピエゾ抵抗がヒータとなってトーションバーの温度を変化させる。その結果、歪ゲージのゲージ率も変化するが、予めその温度とゲージ率の変化量との関係はデータとして蓄積されデータベース化されているため、適宜に補正することができる。
【００４０】
また、振動子が置かれる環境温度に対してもゲージ率は変化するが、上述したように、バイアス電流端子間の抵抗値を測定することにより容易に補償することができる。
【００４１】
本願のアクチュータは、プロジェクタやプリンタなどの画像形成装置、光スキャナなど種々のものに使用することができ、実施例に限定されるものではない。
【００４２】
このように、本願発明では、トーションバー上に形成された４端子型歪みゲージを用いて可動板の回動角度の検出のみならず、振動子の共振周波数の調整も行うようにしたので、振動子作製時の周波数のバラツキをトリミング装置による修正や、ヒータの追加取り付けを行わずともよく、振動子（アクチュータ）の生産性が向上して具合がよい。
【図面の簡単な説明】
【００４３】
【図１】図１は、アクチュータの構成を説明する説明図である。
【図２】トーションバーに設けられた角度検出センサ（歪みセンサ）の拡大図である。
【図３】アクチュータの共振周波数の制御系を説明する説明図である。
【図４】共振周波数の調整を説明するフローチャートである。
【図５】角度検出センサのバイアス電流対共振周波数特性を説明するグラフである。
【図６】角度検出センサの回動角対出力電圧特性を説明するグラフである。
【図７】画像形成装置の例を説明する説明図である。
【符号の説明】
【００４４】
１０  アクチュータ、１１  支持部、１２  ミラー、１３  可動板、１４  トーションバー（捻りバネ）、１６  駆動電極、２０  角度検出センサ、２１  ピエゾ抵抗、２２〜２５  電極パッド（端子）、３０  制御部、３１  ＣＰＵ、３２  メモリ、３３  温度検出部、３４  バイアス電流給部（可変電流源）、３５  周波数検出部、３６  駆動回路、３７  データベース部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図７】
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【図５】
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【図６】
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