CN101636682B - 振荡器装置、光偏转器和使用该光偏转器的成像设备 - Google Patents

Abstract

振荡器装置，包括振荡系统(100)、驱动部件(130)和控制装置(120)，振荡系统(100)包括第一振荡可动元件(101)、第二振荡可动元件(102)和支撑部件(103)；第一振荡可动元件(101)由第一弹性支撑元件(110)支撑，相对于第二振荡可动元件(102)且关于振荡轴线(A)扭转振荡；第二振荡可动元件(102)由第二弹性支撑元件(112)支撑，相对于支撑部件(103)且关于振荡轴线(A)扭转振荡；振荡系统(100)具有谐振频率f₁的第一固有振荡模式和谐振频率f₂的第二固有振荡模式，f₂约为f₁的N倍，N为自然数，控制装置(120)按照预定方程式确定设定驱动频率Df₁和Df₂，同时满足Df₂＝N×Df₁，并且通过驱动部件(130)以设定驱动频率驱动振荡系统。

Description

振荡器装置、光偏转器和使用该光偏转器的成像设备

技术领域

本发明涉及一种具有多个振荡器的振荡器装置，尤其涉及一种适用于光偏转器的振荡器装置。另一方面，本发明涉及例如具有这种光偏转器的扫描显示单元或成像设备，诸如激光束打印机或数字复印机。

背景技术

已经提出了具有谐振振荡反射镜的多种光偏转器。谐振型光偏转器与使用诸如多面镜的旋转多面反射镜的传统光学扫描光学系统相比具有下列特征：即，装置的尺寸可以很小，并且保持功率消耗低。特别地，通过半导体工艺制造的包含单晶硅的光偏转器在理论上没有金属疲劳，从而其耐久性很好。

另一方面，在谐振型偏转器中，由于反射镜的偏转角(位移角)在理论上是正弦变化的，所以偏转光的角速度不是恒定的。已经提出了下面的技术来校正该特性(见美国专利No.4,859,846、美国专利No.5,047,630和美国专利申请公开No.2006/0,152,785)。

在美国专利No.4,859,846和美国专利No.5,047,630中，具有基于基频和三倍于基频的频率的振荡模式的谐振型偏转器用于实现反射镜的偏转角类似于斩波变化的驱动。

图8示出实现这种斩波驱动的微反射镜。在图8中，光偏转器12包括振荡器14和16、弹性支撑部件18和20、驱动部件23和50、检测元件15和32以及控制电路30。该微反射镜具有谐振基频和约三倍于基频的谐振频率，以基频和三倍频率的组合频率被驱动。基于此，具有反射镜面的振荡器14通过斩波驱动被驱动，使得与正弦驱动相比，实现偏转角以更小角速度变化的光偏转。

在驱动期间，由检测元件15和32检测振荡器14的振荡，由控制电路30产生斩波所需的驱动信号。驱动信号输入到驱动部件23和50，微反射镜被驱动部件23和50驱动。如上所述，由于扫描偏转的角速度具有大致恒定的角速度区域，该区域比位移角基于正弦波的情况要宽，所以相对于整个扫描偏转区域的可用区域变宽。

此外，可根据基频和三倍于基频的频率进行驱动，或者，可基于三倍频率和三分之一三倍频率的驱动频率进行驱动。

在包括多个振荡可动元件和多个弹性支撑部件的振荡系统中，通过将用于驱动的多个固有振荡模式的谐振频率比设定为整数比，可以实现接近锯齿波驱动或三角波形驱动的驱动。然而，由于制造误差或环境变化，难于将振荡器装置的固有振荡模式的谐振频率精确地设置为整数比。

例如，现在假定第一固有振荡模式的谐振频率f₁和第二固有振荡模式的谐振频率f₂不是精确的两倍关系，而是大约两倍的关系。这里，在第一驱动频率Df₁设置为等于第一固有振荡模式的谐振频率f₁和第二驱动频率Df₂设置为n倍(n为整数)第一驱动频率Df₁的频率时进行驱动。因而第二驱动频率Df₂将极大地偏离第二固有振荡模式的谐振频率f₂。结果，发生驱动效率下降等情况，可动元件很难获得精确符合理想扫描波形的驱动。当多个固有振荡模式的谐振频率的关系与设计值不匹配(偏离设计的整数比)时就会产生这种问题。例如，即使在谐振频率比为不同于大约两倍的大约整数比(例如大约三倍)的情况下也可能产生类似的问题。这里，词语“大约”指的是排除谐振频率比为精确的n倍(n为整数)的情况。

发明内容

根据本发明一个方面，提供一种振荡器装置，包括振荡系统、驱动部件和控制装置，所述驱动部件配置成驱动所述振荡系统，所述控制装置配置成确定要从所述驱动部件施加到所述振荡系统的驱动力，其特征在于：所述振荡系统包括第一振荡可动元件、第二振荡可动元件和支撑部件；所述第一振荡可动元件由第一弹性支撑元件支撑，相对于所述第二振荡可动元件且关于一振荡轴线扭转振荡；所述第二振荡可动元件由第二弹性支撑元件支撑，相对于所述支撑部件且关于所述振荡轴线扭转振荡；所述振荡系统具有关于所述振荡轴线的不同频率的第一和第二固有振荡模式，其中当所述第一固有振荡模式的谐振频率是f1、所述第二固有振荡模式的谐振频率是f2并且N是不小于2的整数时，满足下列关系：

0.98N≤f₂/f₁≤1.02N(其中排除了f₂/f₁＝N的情况)；

所述控制装置设置成根据下列关系确定设定驱动频率Df₁和Df₂：

Df₁＝(α₁×N×f₁+α₂×f₂)/N

Df₂＝(α₁×N×f₁+α₂×f₂)

α₁+α₂＝1

α₁＞0

α₂＞0

以便满足关系：

Df₂＝N×Df₁；以及

所述驱动部件按照所述设定驱动频率Df₁和Df₂驱动所述振荡系统。

根据本发明另一个方面，提供一种振荡器装置，包括振荡系统、驱动部件和控制装置，所述驱动部件配置成驱动所述振荡系统，所述控制装置配置成确定要从所述驱动部件施加到所述振荡系统的驱动力，其特征在于：所述振荡系统包括第一振荡可动元件、第二振荡可动元件、第三振荡可动元件和支撑部件；所述第一振荡可动元件由第一弹性支撑元件支撑，相对于所述第二振荡可动元件且关于一振荡轴线扭转振荡；所述第二振荡可动元件由第二弹性支撑元件支撑，相对于所述第三振荡可动元件且关于所述振荡轴线扭转振荡；所述第三振荡可动元件由第三弹性支撑元件支撑，相对于所述支撑部件且关于所述振荡轴线扭转振荡；所述振荡系统具有关于所述振荡轴线的不同频率的第一、第二和第三固有振荡模式，其中当所述第一固有振荡模式的谐振频率是f₁、所述第二固有振荡模式的谐振频率是f₂、所述第三固有振荡模式的谐振频率是f₃并且M和N是不小于2的整数时，满足下列关系：

0.98M≤f₂/f₁≤1.02M(其中排除了f₂/f₁＝M的情况)

0.98N≤f₃/f₁≤1.02N(其中排除了f₃/f₁＝N的情况)

M≠N；

所述控制装置设置成根据下列关系确定设定驱动频率Df₁、Df₂和Df₃：

Df₁＝(α₁×N×M×f₁+α₂×N×f₂+α₃×M×f₃)/MN

Df₂＝(α₁×N×M×f₁+α₂×N×f₂+α₃×M×f₃)/N

Df₃＝(α₁×N×M×f₁+α₂×N×f₂+α₃×M×f₃)/M

α₁+α₂+α₃＝1

α₁＞0

α₂＞0

α₃＞0

以便满足关系：

Df₂＝M×Df₁

Df₃＝N×Df₁；以及

所述驱动部件按照设定驱动频率Df₁、Df₂和Df₃驱动所述振荡系统。

根据本发明另一个方面，提供一种包括如上所述的振荡器装置的光偏转器，其中所述第一振荡可动元件具有光学偏转元件。

根据本发明另一个方面，提供一种成像设备，包括光学系统、光源、感光部件和如上所述的光偏转器，其中来自所述光源的光束被所述光偏转器扫描偏转，被扫描偏转的光通过所述光学系统聚集在所述感光部件上的目标位置处。

简而言之，根据本发明，在包括多个振荡可动元件和多个弹性支撑部件的振荡系统中，即使驱动目标的多个固有振荡模式的谐振频率的比偏离整数比，也可以有效地以整数比的驱动频率驱动振荡系统，其中适当地分配相对于该谐振频率的偏离。

结合附图考虑下面本发明优选实施例的描述，本发明的这些和其它目标、特征和优点将变得更明显。

附图说明

图1是用于说明本发明实施例的振荡器装置以及根据本发明第一实施例的光偏转器的方块图；

图2是说明振荡系统的谐振曲线的曲线图；

图3A、3B和3C为驱动频率和电功率的关系的曲线图；

图4A、4B和4C为驱动频率和电压的关系的曲线图；

图5是根据本发明第四实施例的光偏转器的方块图；

图6是根据本发明第五实施例的光偏转器的方块图；

图7是根据本发明第六实施例的成像设备的透视结构图；

图8是说明传统示例的图。

具体实施方式

本发明涉及一种振荡系统，该振荡系统包括多个振荡可动元件和多个弹性支撑部件，并且本发明提供振荡器装置或光偏转器，其中振荡系统以适当驱动频率并以理想方式有效地被驱动。下面将说明本发明的一个优选形式。

[装置结构]

图1是根据本发明一个优选形式的振荡器装置的方块图。本发明这个优选形式中的振荡器装置的振荡系统100包括第一振荡可动元件101、第二振荡可动元件102和支撑部件103。第一振荡可动元件101由第一弹性支撑元件111支撑，相对于第二振荡可动元件102且关于振荡轴线A扭转振荡。第二振荡可动元件102由第二弹性支撑元件112支撑，相对于支撑部件103且关于振荡轴线A扭转振荡。振荡轴线A由弹性支撑元件111和112的扭转运动的轴线限定。

此外，如果例如在第一振荡可动元件的表面上形成诸如反射部件的光学偏转元件，那么振荡器装置可以用作光偏转器。关于反射部件，可以通过溅射方法形成诸如铝的金属膜。

振荡系统100具有关于振荡轴线的不同频率的第一固有振荡模式和第二固有振荡模式。当第一固有振荡模式的谐振频率由f₁表示，第二固有振荡模式的谐振频率由f₂表示时，振荡系统100预先构造成使得谐振频率f₁和f₂为大约1∶N的关系，其中N是不小于2的整数。这里，f₁和f₂的“大约1∶N的关系”意味着有如下关系：0.98N≤f₂/f₁≤1.02N(其中排除f₂/f₁＝N的情况)。这里对于f₁和f₂排除f₂/f₁＝N的原因是，如果f₁和f₂的比是精确的整数比，那么驱动频率最好被分别设定为f₁和f₂。

此外，如果例如N＝2，那么可以按照锯齿状的波形驱动振荡可动元件(见美国专利申请公开No.2006/0152785)。

此外，如果例如N＝3，那么可以按照斩波状的波形驱动振荡可动元件(见美国专利No.4,859,846)。

各个固有振荡模式的谐振频率偏离整数比的可能原因可以是振荡系统100的制造误差或由于环境温度变化或随着时间变化而导致的形状改变。本发明提出了一种用于确定驱动频率的方法，即使在f₁和f₂的比不是精确地为整数比(n倍，其中n为整数)时，振荡系统也可以通过该驱动频率被有效地驱动。

驱动部件130配置成基于例如电磁系统、静电方法或压电方法对振荡系统100施加驱动力。在电磁驱动的情况下，作为示例，可以在至少一个振荡可动元件上设置永磁体，用于对该永磁体施加磁场的电线圈可设置为邻近该振荡可动元件。或者，永磁体和电线圈可以以对换的方式进行设置。

在静电驱动的情况下，可在至少一个振荡可动元件上形成电极，另一电极可设置为邻近该振荡可动元件，该另一电极用于提供作用在该另一电极和前一电极之间的静电力。

在压电驱动的情况下，可以在振荡系统中或在支撑部件上设置压电装置，以便施加驱动力。

此外，在本发明的这个优选形式的振荡器装置中，可设置有谐振频率检测元件，该谐振频率检测元件用于测量振荡系统的谐振频率。对于这种谐振频率检测元件，可以包括例如光电探测器，以便接收由振荡可动元件反射的光束的反射光，并且可以基于反射光的通过定时检测谐振频率。

其它方法可包括：在弹性支撑元件处设置压电传感器的方法，使用电容传感器的方法，和使用磁性传感器的方法。

[驱动信号]

接下来将说明根据本发明的这个优选形式的振荡器装置的驱动信号。

在该优选形式中，振荡器装置的振荡系统具有两个固有振荡模式，该振荡系统被驱动成使得振荡可动元件之一的振荡可以由包括至少

项的方程式表达，其中n是不小于2的整数。这里，A₁和A₂是振幅分量，是相对相位差，ω是角频率，t是时间。应该注意到驱动信号可包括任何信号，只要振荡可动元件可以如前述方程式表达的那样进行振荡。例如，可以是通过合成正弦波产生的驱动信号。或者可以是脉冲状的驱动信号。在通过合成正弦波产生的驱动信号的情况下，驱动信号可以是例如可以由包括

项的方程式表达的信号，其中n是不小于2的整数。这里，B₁和B₂是振幅分量，

是相对相位差，ω是角频率，t是时间。在这种情况下，通过调整各个正弦波的振幅和相位可以获得理想的驱动信号。

此外，当基于脉冲状信号进行驱动时，可以通过关于时间改变脉冲数、脉冲间隔和脉冲宽度等来产生理想的驱动信号。

接下来，将描述在振荡系统具有关于振荡轴线的第一固有振荡模式和第二固有振荡模式的情况下的驱动信号，其中第一固有振荡模式和第二固有振荡模式具有不同频率。

与前面的描述类似，当第一固有振荡模式的谐振频率由f₁表示、第二固有振荡模式的谐振频率由f₂表示并且N是不小于2的整数时，在本发明的这个优选形式中，振荡系统具有“0.98N≤f₂/f₁≤1.02N”的关系，其中f₂/f₁＝N的情况被排除。

在这种情况下，控制单元基于下列关系确定设定的驱动频率Df₁和Df₂：

Df₁＝(α₁×N×f₁+α₂×f₂)/N

Df₂＝(α₁×N×f₁+α₂×f₂)

α₁+α₂＝1

α₁＞0

α₂＞0

以便满足关系：

Df₂＝N×Df₁

其中，N是不小于2的整数。

这里，α₁和α₂是当确定设定的驱动频率Df₁和Df₂时使用的加权系数。例如，随着α₁的值变小(随着α₂的值变大)，Df₁和Df₂的值变动到f₂侧。相反，随着α₁的值变大(随着α₂的值变小)，Df₁和Df₂的值变动到f₁侧。在这种情况下，在保持满足关系“Df₂＝N×Df₁”(N是不小于2的整数)时确定Df₁和Df₂。

在本发明的这个优选形式中，可以通过调整α₁和α₂的值设定最适合的驱动频率Df₁和Df₂。

[确定α₁和α₂的方法]

接下来将说明确定α₁和α₂的方法。

首先，将说明基于谐振峰(也就是半宽度幅值或机械Q值等)的陡峭度确定α₁和α₂的方法。

现在，假定例如第一固有振荡模式的谐振频率f₁的谐振峰比第二固有振荡模式的谐振频率f₂的谐振峰更陡峭(具有更小的半宽度幅值或更大的机械Q值)。在这种情况下，由于谐振频率f₁具有比谐振频率f₂更陡峭的谐振峰，当驱动频率偏离谐振频率时驱动效率的下降变得更加显著。因此，与从具有较陡峭的谐振峰的f₁变动驱动频率Df₁相比，通过从具有较宽的谐振峰的f₂变动驱动频率Df₂，振荡系统100的驱动效率可以更高。

在这种情况下，α₁和α₂的值设定为满足α₁＞α₂的关系，使得驱动频率Df₁和Df₂向谐振频率f₁变动。然后，考虑f₁的谐振峰的陡峭度调整α₁的值。更具体地，如果f₁的谐振峰非常陡峭，那么使α₁的值接近于1以便防止驱动频率Df₁偏离f₁的谐振峰。但是，可能有如下情况，如果Df₁太接近f₁，那么Df₂可能偏离f₂，驱动效率反而下降。因此，应当同时考虑f₁和f₂二者的陡峭度来确定Df₁和Df₂。

尽管前面的描述已经给出了示例，其中f₁的谐振峰比f₂的谐振峰更陡峭，但是该描述同样也可应用于相反情况(f₂的谐振峰比f₁的谐振峰更陡峭)。在这种情况下，α₁和α₂可被确定为满足α₁＜α₂。

应该注意到可使用谐振频率检测元件检测谐振峰。例如，可以通过在谐振频率附近对驱动频率进行扫频而获得谐振峰。

接下来，将说明基于驱动信号的参数确定α₁和α₂的方法。

当振荡系统被驱动时，随着使驱动频率Df₁和Df₂更靠近其谐振峰(f₁和f₂)，第一和第二固有振荡模式达到其目标振幅时的驱动电功率变得更低。这是因为如果振荡系统在谐振峰处被驱动则效率更高。例如，如果驱动信号是

那么将α₁和α₂确定为使得驱动信号(驱动电功率或驱动电压)的振幅分量B₁和B₂最小。另一方面，如果预先确定驱动电功率的最大允许值，那么可将α₁和α₂确定为使得由小于该最大允许值的驱动电功率或驱动电压进行驱动。

也就是，驱动频率可以设定为使得当固有振荡模式达到其目标振幅时各个驱动频率所需的驱动电功率比驱动电功率的最大允许值小。此外，驱动频率可以设定为使得当固有振荡模式达到其目标振幅时各个驱动频率所需的驱动电功率的总和最小。另一方面，驱动频率可设定为使得当固有振荡模式达到其目标振幅时驱动频率所需的驱动电压的总和最小。

当基于这些技术设定驱动频率时，对应于f₁的第一设定驱动频率应该乘以一自然数来确定对应于f₂的第二设定驱动频率。

接下来，将参考附图描述本发明的优选实施例。

[第一实施例]

图1是根据本发明第一实施例的光偏转器的方块图。本实施例的光偏转器的振荡系统100包括具有光学偏转元件(诸如反射表面)的第一振荡可动元件101、第二振荡可动元件102和支撑部件103。第一振荡可动元件101由第一弹性支撑元件111支撑，以便相对于第二振荡可动元件102且关于振荡轴线A扭转振荡。第二振荡可动元件102由第二弹性支撑元件112支撑，以便相对于支撑部件103且关于振荡轴线A扭转振荡。振荡轴线A由弹性支撑元件111和112的扭转运动的轴线限定。振荡系统100具有关于振荡轴线的不同频率的第一固有振荡模式和第二固有振荡模式。

当第一固有振荡模式的谐振频率由f₁表示且第二固有振荡模式的谐振频率由f₂表示时，振荡系统100预先构造成使得谐振频率f₁和f₂为大约1∶2的关系。但是，由于振荡系统100的制造误差或由环境温度变化或随着时间的变化而引起的形状变化，固有振荡模式的谐振频率将产生变化。因此，在该实施例中，驱动频率以将在下面描述的方式进行设定以应对这种改变，使得可以以理想的方式驱动振荡系统100。

将说明本实施例中设定驱动频率的方法。在本实施例中，在谐振峰的陡峭度用作参考时，设定两个驱动频率。现在将说明表示谐振峰的陡峭度的值Q。

如图2所示，谐振峰处的谐振频率是f_a，在谐振峰的低频侧振荡能量等于谐振峰一半值的频率为f_b，在谐振峰的高频侧振荡能量等于谐振峰一半值的频率为f_c。那么，代表谐振峰的陡峭度的值Q由下面的方程式(1)限定：

Q＝f_a/(f_c-f_b)    ...(1)

这里，第一固有振荡模式的谐振峰的陡峭度由Q₁表示，第二固有振荡模式的谐振峰的陡峭度由Q₂表示。从方程式(1)中看出，由于可以谐振的频率带宽的宽度随着Q变大而变窄，所以如果驱动频率偏离谐振频率，那么驱动效率的下降程度大。

关于振荡系统100的谐振频率，f₂应该优选精确地为f₁的两倍。然而，实际上会存在误差，这是由于可动元件101和102或弹性支撑元件111和112的制造误差造成的。因此，当振荡系统将以为1∶2关系的两个驱动频率驱动时，振荡系统不得不在驱动频率中的至少一个偏离相关的谐振频率的情形下被驱动。在该实施例中，按照驱动频率偏离谐振频率的少偏离程度，基于谐振峰陡峭度Q₁和Q₂进行加权，并且驱动频率设定在谐振频率附近，使得驱动频率比为预定的关系。

更具体地，控制单元120确定为了驱动振荡系统100而从驱动部件130施加的驱动力，响应外部输出在控制单元120中存储谐振频率f₁和f₂以及谐振峰的陡峭度Q₁和Q₂。接着，为了同时激励振荡系统100的两个固有振荡模式，控制单元120基于下面的方程式(2)的关系确定频率比为1∶2的频率的设定驱动频率Df₁和Df₂。

Df₁＝(α₁×N×f₁+α₂×f₂)/N

Df₂＝(α₁×N×f₁+α₂×f₂)    (＝N×Df₁)    ...(2)

α₁+α₂＝1

α₁＞0

α₂＞0

α₁＝Q₁/(Q₁+Q₂)

N＝2

采用这种方式，当各个固有振荡模式的谐振峰的陡峭度由Q_i(i是1或2)表示时，控制单元120确定前面提到的系数α_i为通过相应的Q_i除以Q的总和所得的值。但是，确定系数α_i的方法不限于此。可使用满足条件α₁+α₂＝1、α₁＞0和α₂＞0的任何方法。

采用这种方式，驱动部件130通过基于电磁力的电磁方法、利用静电吸引的静电方法、利用压电振动能量的压电方法等向第二振荡可动元件102施加由控制单元120确定的前述驱动频率的驱动力。

在电磁方法中，永磁体和磁性线圈之一可以设置在可动元件上，另一个可设置在与可动元件相对的固定侧。上述驱动频率的驱动信号可以从驱动部件130施加到磁性线圈，从而可以驱动振荡系统100。

在静电方法中，电极可以分别设置在可动元件和与可动元件相对的固定侧上，上述驱动频率的驱动信号可以从驱动部件130施加到电极，从而可以驱动振荡系统100。

在压电方法中，可以设置压电元件，上述驱动频率的驱动信号可以从驱动部件130施加到压电元件。从而可利用产生的振荡。

这里，由驱动部件130产生的驱动信号是周期信号的组合信号，该周期信号为诸如上述驱动频率的正弦信号或脉冲信号。

以方程式(2)的关系为基础，根据与谐振频率比的整数比1∶2偏离的量，在保持驱动频率的比为1∶2时，各个驱动频率偏离相关谐振频率的量分配如下。即，使对应于具有较大Q值的谐振频率的驱动频率比较接近该谐振频率，使另一个比较远离该谐振频率。在这种情况下，根据方程式(2)的关系，使驱动频率之一比相关谐振频率更小，而使另一驱动频率比相关谐振频率更大。

在本实施例中，使设定驱动频率Df₁和Df₂具有频率比1∶2。这是因为谐振频率f₁和谐振频率f₂的比为大约1∶2(也就是f₂约为f₁的两倍)。如果谐振频率f₁和谐振频率f₂的比为大约1∶3(也就是f₂约为f₁的三倍)，那么可使设定驱动频率Df₁和Df₂的频率比为1∶3。

如上所述，当谐振频率f₁和谐振频率f₂的比为大约1∶N时(N为自然数)，使设定驱动频率Df₁和Df₂的频率比为1∶N(也就是Df₁乘以自然数而得到Df₂(Df₂＝N×Df₁))，方程式(2)中N可采用相同的值。本实施例如此应用。

通过使用本实施例的光偏转器，当多个振荡可动元件要振荡时，可以适当地分配用于使振荡可动元件产生振荡的驱动力。采用这种方式，可以以总体上低的驱动能量实现由具有两个频率分量的任意的所需可动元件的振荡进行的光学扫描(例如扫描角类似于大致锯齿波进行变化的光学扫描)。换言之，在保持整数比时，用于振荡各个振荡可动元件的驱动信号的频率大约设定在各个谐振频率附近。基于此，可以以总体上低的驱动能量来实现任意可动元件的振荡，该可动元件具有多个频率分量，该多个频率分量的相互谐振频率比为整数比。

[第二实施例]

以下将说明根据本发明第二实施例的光偏转器。本实施例的光学偏转器的方块图与图1所示的相同。在本实施例中，驱动频率Df₁和Df₂与第一实施例类似地设定，但是满足下面说明的条件。

图3A示出了当第一固有振荡模式达到目标振幅时驱动频率df₁所需的驱动电功率P₁(df₁)。图3B示出了当第二固有振荡模式达到目标振幅时驱动频率df₂所需的驱动电功率P₂(df₂)。对于各个固有振荡模式达到其目标振幅所需的电功率，由于驱动部件130有最大允许值，所以功率必须受到限制。考虑到这些，当第一固有振荡模式的最大允许值由P_1limit表示，第二固有振荡模式的最大允许值由P_2limit表示时，将设定驱动频率Df₁和Df₂确定为使得驱动电功率保持不大于P_1limit和P_2limit。也就是，当df₂＝2×df₁时，驱动频率设定为满足下面的方程式(3)。

P₁(df₁)＜P_1limit    ...(3)

P₂(df₂)＜P_2limit

换言之，在本实施例中，在当固有振荡模式达到其目标振幅时使驱动频率所需的驱动电功率小于驱动电功率的最大允许值的条件下，以及在满足前述的乘以自然数的关系的条件下，控制单元120设定驱动频率。那么，如此确定的频率作为设定驱动频率Df₁和Df₂。

采用这种配置，可避免超过驱动部件130的最大允许值的驱动。

接下来，将说明更高效率地确定设定驱动频率Df₁和Df₂的方法。

图3C示出了用于同时激励两种模式的电功率P，即P₁(df₁)+P₂(2×df₁)。如图3C所示，df₁对应于df_1min的位置是振荡系统100可以以理想振幅和最低电功率驱动的位置。因此，控制单元120根据下面的方程式(4)确定设定驱动频率Df₁和Df₂。

Df₁＝df_1min    ...(4)

Df₂＝2×df_1min

换言之，在当固有振荡模式达到其目标振幅时使驱动频率所需的驱动电功率的总和最小的条件下以及在满足前述的乘以自然数的关系的条件下，控制单元120确定对应于第一固有振荡模式的驱动频率。那么，如此确定的频率作为第一设定驱动频率，然后通过将第一设定驱动频率乘以一自然数来确定另一个设定驱动频率。该条件可与上面提到的方程式(3)的条件一起满足。

驱动部件130根据电磁方法、静电方法或压电方法向振荡器102施加如上所述由控制单元120确定的驱动频率的驱动力。

通过使用本实施例的光偏转器，当多个振荡可动元件要振荡时，可以适当地分配用于使振荡可动元件产生振荡的电功率。采用这种方式，可以以总体上低的电功率实现具有两个频率分量的所需光学扫描。

在本实施例中，类似于方程式(4)的最佳值可以优选地作为设定驱动频率Df₁和Df₂。然而，如果在类似于方程式(3)的范围内确定设定驱动频率Df₁和Df₂，那么也可以得到类似的有利结果。

[第三实施例]

以下将说明根据第三实施例的光偏转器。本实施例的光偏转器的方块图与图1所示的相同。在本实施例中，驱动频率Df₁和Df₂与第一实施例类似地设定，但是满足下面说明的条件。

图4A示出了当第一固有振荡模式达到其目标振幅时驱动频率df₁所需的驱动电压V₁(df₁)。图4B示出了当第二固有振荡模式达到其目标振幅时驱动频率df₂所需的驱动电压V₂(df₂)。图4C示出了用于同时激励这些模式所需的电压V，即|V₁(df₁)+V₂(2×df₁)|。如图4C所示，df₁等于df_1min的位置是振荡系统100可以以理想振幅和最低电压驱动的位置。因此，控制单元120根据下面的方程式(5)确定设定驱动频率Df₁和Df₂。

Df₁＝df_1min    ...(5)

Df₂＝2×df_1min

换言之，在当固有振荡模式达到其目标振幅时驱动频率所需的驱动电压的总和的绝对值最小的条件下，以及在满足前述的乘以自然数的关系的条件下，控制单元120设定第一固有振荡模式的驱动频率。那么，如此确定的频率作为第一设定驱动频率，然后通过将第一设定驱动频率乘以一自然数来确定另一设定驱动频率。

驱动部件130根据电磁方法、静电方法或压电方法向振荡器102施加如上所述由控制单元120确定的驱动频率的驱动力。

通过使用本实施例的光偏转器，当多个振荡可动元件要振荡时，可以适当地分配用于使振荡可动元件产生振荡的电压。采用这种方式，可以以总体上低的电压实现具有两个频率分量的所需光学扫描。

[第四实施例]

图5是示出了根据本发明第四实施例的光偏转器的方块图。除了谐振频率检测元件140以外，本实施例的结构与第一实施例类似。

如前所述，由于振荡系统100的制造误差或由环境温度变化或随着时间的变化而引起的形状变化，固有振荡模式的谐振频率将产生变化。考虑到此，在本实施例中，谐振频率检测元件140用于检测振荡系统100的谐振频率f₁和f₂。控制单元120响应谐振频率检测单元140的输出存储谐振频率f₁和f₂，并且根据参考前述实施例已经说明的类似的方法确定设定驱动频率Df₁和Df₂。驱动部件130根据电磁方法、静电方法或压电方法向振荡器102施加如上所述通过控制单元120确定的驱动频率的驱动力。

在本实施例中，谐振频率检测元件140包括激光源141、光电探测器142和频率运算单元143。从激光源141发射的激光束被第一振荡可动元件101偏转。偏转的光入射到光电探测器142上。光电探测器142是可以检测偏转光的位置的位置传感器，它产生与第一振荡可动元件101的振荡振幅相对应的振幅信号并且将该振幅信号应用到频率运算单元143。然后频率运算单元143通过控制单元120确定将供给到驱动部件130的驱动信号。

在上述结构中，频率运算单元143基于光电探测器142的输出和上述驱动信号计算振荡系统100的谐振频率f₁和f₂。更具体地，在固有振荡模式的可能谐振频率附近对将被供给到驱动部件130的驱动信号进行扫频，并且检测谐振频率，对于该谐振频率，在光电探测器142的振幅信号的输出达到最大时的驱动信号的频率限定谐振频率f₁和f₂。

在本实施例中，检测频率的方法使用激光源141、光电探测器142和频率运算单元143。但是，也可以使用诸如下面的方法。即，电极可以设置在振荡可动元件处和与该振荡可动元件相对的位置处以构成电容器，可以通过检测静电电容的变化来检测谐振频率f₁和f₂。或者，电线圈可设置在振荡可动元件上，而永磁体可设置在与该振荡可动元件相对的固定部件上。那么，可以通过检测电线圈的感应电动势来检测谐振频率f₁和f₂。此外，磁铁可设置在振荡可动元件上，电线圈可以设置在与该振荡可动元件相对的固定部件上，可以通过检测电线圈的感应电动势来检测谐振频率f₁和f₂。也就是，可以根据这些方法检测振荡可动元件的振幅，并可以基于该振幅计算谐振频率。

通过使用根据本实施例的光偏转器，可以确定具有两种频率分量的任意的所需光学扫描的驱动频率，而不用预先测量振荡系统100的谐振频率。

[第五实施例]

本发明可以应用到包括具有三个振荡可动元件的振荡系统的振荡器装置。第五实施例涉及这样一种振荡器装置。图6是根据第五实施例的光偏转器的方块图。在本实施例的光偏转器中，具有诸如反射面的光学偏转元件的第一振荡可动元件101由第一弹性支撑元件111支撑，以便相对于第二振荡可动元件102且关于振荡轴线扭转振荡。第二振荡可动元件102由第二弹性支撑元件112支撑，以便相对于第三振荡可动元件104且关于振荡轴线扭转振荡。第三振荡可动元件104由第三弹性支撑元件113支撑，以便相对于支撑部件103且关于振荡轴线扭转振荡。振荡系统100具有关于振荡轴线的不同频率的第一固有振荡模式和第二固有振荡模式。

这里分别地，第一固有振荡模式的谐振频率由f₁表示，第二固有振荡模式的谐振频率由f₂表示，第三固有振荡模式的谐振频率由f₃表示。这里，振荡系统100预先配置成使得谐振频率f₁、f₂和f₃是大约1∶M∶N的关系，其中M和N是自然数，例如比为1∶2∶3。这里，f₁、f₂和f₃的“大约1∶M∶N的关系”意味着当M和N是不小于2的整数时，满足下面的关系：

0.98M≤f₂/f₁≤1.02M

(其中排除f₂/f₁＝M的情况)

0.98N≤f₃/f₁≤1.02N

(其中排除f₃/f₁＝N的情况)

M≠N

如上所述，由于振荡系统100的制造误差或由环境温度变化或随着时间的变化而引起的形状变化，固有振荡模式的谐振频率将产生变化。在本实施例中，驱动频率设定为应对这种变化，振荡系统100基于此以理想的方式被驱动。

以下将说明本实施例中设定驱动频率的方法。同样在本实施例中，也是基于谐振峰的陡峭度设定驱动频率。表示谐振峰陡峭度的值Q就是参考第一实施例已经说明了的值。

这里，第一到第三固有振荡模式的谐振峰的陡峭度由Q₁、Q₂和Q₃表示。在本实施例中，振荡系统100的谐振频率f₁、f₂和f₃应当优选地恰好为1∶M∶N的比。但是，由于可动元件或弹性支撑元件的制造误差，实际上存在有误差。因此，当振荡系统要以1∶M∶N的驱动频率比被驱动时，不得不以与谐振频率偏离的驱动频率被驱动。即使在本实施例中，基于谐振峰的陡峭度Q₁、Q₂和Q₃，按照驱动频率偏离谐振频率的少偏离程度进行加权，驱动频率设定在各自的谐振频率附近，使得以预定的关系设定驱动频率比。

更具体地，响应外部输出在控制单元120中存储谐振频率f₁、f₂和f₃以及谐振峰的陡峭度Q₁、Q₂和Q₃。然后，为了同时激励振荡系统100的三个固有振荡模式，控制单元120基于下面方程式(6)的关系，确定具有频率比为1∶M∶N的三个频率的设定驱动频率Df₁、Df₂和Df₃(Df₂＝M×Df₁和Df₃＝N×Df₁)。

Df₁＝(α₁×N×M×f₁+α₂×N×f₂+α₃×M×f₃)/MN

Df₂＝(α₁×N×M×f₁+α₂×N×f₂+α₃×M×f₃)/N

Df₃＝(α₁×N×M×f₁+α₂×N×f₂+α₃×M×f₃)/M    ...(6)

α₁+α₂+α₃＝1

α₁＞0

α₂＞0

α₃＞0

α₁＝Q₁/(Q₁+Q₂+Q₃)

α₂＝Q₂/(Q₁+Q₂+Q₃)

如上所述，同样在本实施例中，当固有振荡模式的谐振峰的陡峭度由Q_i(i是1、2或3)表示时，控制单元120将前述系数α_i确定为相应的Q_i除以Q的总和所得的值。

基于上面方程式(6)的关系，根据与谐振频率比的整数比1∶M∶N的偏离量，在将驱动频率的比保持为1∶M∶N的同时，各个驱动频率偏离相关谐振频率的量分配如下。也就是，使与具有较大Q值的谐振频率相对应的驱动频率比较接近该谐振频率，使另一个驱动频率比较远离该谐振频率。在这种情况下，根据方程式(6)的关系，使驱动频率之一比相关的谐振频率小，而使另一个驱动频率比相关的谐振频率大。

通过使用本实施例的光偏转器，当多个振荡可动元件要振荡时，可以适当地分配用于使振荡可动元件产生振荡的驱动力。采用这种方式，可以以总体上低的驱动能量实现由具有三个频率分量的任意的所需可动元件的振荡进行的光学扫描。换言之，在保持整数比的同时，用于振荡各个振荡可动元件的驱动信号的频率适当设定在各个谐振频率附近。基于此，可以以总体上低的驱动能量实现具有多个频率分量的任意可动元件的振荡，其中多个频率分量的相互谐振频率比为整数比。

应当注意到参考第一到第四实施例已经说明的方法也可以容易地应用到本实施例中。

[第六实施例]

以下将说明根据本发明第六实施例的成像设备。本实施例的光偏转器的方块图与例如图1中所示的方块图类似。本实施例的结构在图7中示出。

本实施例的成像设备包括根据本发明的光偏转器以及至少光学系统、光源和感光部件。来自光源的光束被光偏转器扫描偏转，扫描光通过光学系统聚集在感光部件上的目标位置处。从光源310发射的光束被准直透镜320整形，之后，该光束被光偏转器300一维偏转。扫描光通过耦合透镜330在感光部件340上成像。在光偏转器300中，根据前述实施例中的方法确定设定驱动频率Df₁和Df₂(或者Df₁、Df₂和Df₃)。

通过使用本实施例的成像设备，可以实现具有适于成像的两个(或者三个)频率分量的任意的所需光学扫描(例如扫描角如锯齿波那样变化的光学扫描)。此外，可以适当地分配用于使振荡可动元件产生振荡的驱动力，使得可以以总体上低的驱动力完成任意光学扫描。

Claims (10)

1.一种振荡器装置，包括振荡系统、驱动部件和控制装置，所述驱动部件配置成驱动所述振荡系统，所述控制装置配置成确定要从所述驱动部件施加到所述振荡系统的驱动力，其特征在于：

所述振荡系统包括第一振荡可动元件、第二振荡可动元件和支撑部件；

所述第一振荡可动元件由第一弹性支撑元件支撑，用于相对于所述第二振荡可动元件且关于一振荡轴线扭转振荡；

所述第二振荡可动元件由第二弹性支撑元件支撑，用于相对于所述支撑部件且关于所述振荡轴线扭转振荡；

所述振荡系统具有关于所述振荡轴线的不同频率的第一和第二固有振荡模式，其中当所述第一固有振荡模式的谐振频率是f1、所述第二固有振荡模式的谐振频率是f2并且N是不小于2的整数时，满足下列关系：

0.98N≤f₂/f₁≤1.02N，其中排除了f₂/f₁＝N的情况；

所述控制装置设置成根据下列关系确定设定驱动频率Df₁和Df₂：

Df₁＝(α₁×N×f₁+α₂×f₂)/N

Df₂＝(α₁×N×f₁+α₂×f₂)

其中，α₁和α₂是当确定设定驱动频率Df₁和Df₂时使用的加权系数，并且满足：

α₁+α₂＝1

α₁＞0

α₂＞0

以便满足下列关系：

Df₂＝N×Df₁；以及

当谐振峰处的谐振频率为f_a，在谐振峰的低频侧振荡能量等于谐振峰一半值的频率为f_b，在谐振峰的高频侧振荡能量等于谐振峰一半值的频率为f_c，代表谐振峰陡峭度的值Q满足关系Q＝f_a/(f_c-f_b)，并且各个固有振荡模式的谐振峰的陡峭度为Q_i，其中i为1和2时，所述控制装置设置成将系数α_i确定为等于相应的Q_i除以Q的总和所获得的值，

所述驱动部件按照所述设定驱动频率Df₁和Df₂驱动所述振荡系统。

2.一种振荡器装置，包括振荡系统、驱动部件和控制装置，所述驱动部件配置成驱动所述振荡系统，所述控制装置配置成确定要从所述驱动部件施加到所述振荡系统的驱动力，其特征在于：

所述振荡系统包括第一振荡可动元件、第二振荡可动元件、第三振荡可动元件和支撑部件；

所述第一振荡可动元件由第一弹性支撑元件支撑，用于相对于所述第二振荡可动元件且关于一振荡轴线扭转振荡；

所述第二振荡可动元件由第二弹性支撑元件支撑，用于相对于所述第三振荡可动元件且关于所述振荡轴线扭转振荡；

所述第三振荡可动元件由第三弹性支撑元件支撑，用于相对于所述支撑部件且关于所述振荡轴线扭转振荡；

所述振荡系统具有关于所述振荡轴线的不同频率的第一、第二和第三固有振荡模式，其中当所述第一固有振荡模式的谐振频率是f₁、所述第二固有振荡模式的谐振频率是f₂、所述第三固有振荡模式的谐振频率是f₃并且M和N是不小于2的整数时，满足下列关系：

0.98M≤f₂/f₁≤1.02M，其中排除了f₂/f₁＝M的情况；

0.98N≤f₃/f₁≤1.02N，其中排除了f₃/f₁＝N的情况；

M≠N；

所述控制装置设置成根据下列关系确定设定驱动频率Df₁、Df₂和Df₃：

Df₁＝(α₁×N×M×f₁+α₂×N×f₂+α₃×M×f₃)/MN

Df₂＝(α₁×N×M×f₁+α₂×N×f₂+α₃×M×f₃)/N

Df₃＝(α₁×N×M×f₁+α₂×N×f₂+α₃×M×f₃)/M

其中，α₁、α₂和α₃是当确定设定驱动频率Df₁、Df₂和Df₃时使用的加权系数，并且满足：

α₁+α₂+α₃＝1

α₁＞0

α₂＞0

α₃＞0

以便满足下列关系：

Df₂＝M×Df₁

Df₃＝N×Df₁；以及

当谐振峰处的谐振频率为f_a，在谐振峰的低频侧振荡能量等于谐振峰一半值的频率为f_b，在谐振峰的高频侧振荡能量等于谐振峰一半值的频率为f_c，代表谐振峰陡峭度的值Q满足关系Q＝f_a/(f_c-f_b)，并且各个固有振荡模式的谐振峰的陡峭度为Q_i，其中i为1、2和3时，所述控制装置设置成将系数α_i确定为等于相应的Q_i除以Q的总和所获得的值，

所述驱动部件按照设定驱动频率Df₁、Df₂和Df₃驱动所述振荡系统。

3.如权利要求1所述的振荡器装置，其中，当谐振峰处的谐振频率是f_a，在谐振峰的低频侧振荡能量等于谐振峰一半值的频率为f_b，在谐振峰的高频侧振荡能量等于谐振峰一半值的频率为f_c，并且代表谐振峰陡峭度的值Q满足关系Q＝f_a/(f_c-f_b)时，在所述第一固有振荡模式的谐振峰的陡峭度Q₁小于所述第二固有振荡模式的谐振峰的陡峭度Q₂的条件下，α₁和α₂确定为满足关系α₁＜α₂，而在所述第一固有振荡模式的谐振峰的陡峭度Q₁大于所述第二固有振荡模式的谐振峰的陡峭度Q₂的条件下，α₁和α₂确定为满足关系α₁＞α₂。

4.如权利要求1所述的振荡器装置，其中所述控制装置将驱动频率设定为使得当第一和第二固有振荡模式达到各自的目标振幅时各个驱动频率所需的驱动电功率低于所述驱动电功率的最大允许值。

5.如权利要求1所述的振荡器装置，其中所述控制装置将驱动频率设定为使得当第一和第二固有振荡模式达到各自的目标振幅时所述驱动频率所需的驱动电功率的总和最小。

6.如权利要求1所述的振荡器装置，其中所述控制装置将驱动频率设定为使得当第一和第二固有振荡模式达到各自的目标振幅时所述驱动频率所需的驱动电功率的总和的绝对值最小。

7.如权利要求1所述的振荡器装置，还包括谐振频率检测装置，所述谐振频率检测装置配置成检测所述振荡系统的谐振频率。

8.如权利要求1所述的振荡器装置，其中N等于2或3。

9.一种包括权利要求1所述的振荡器装置的光偏转器，其中所述第一振荡可动元件具有光学偏转元件。

10.一种成像设备，包括光学系统、光源、感光部件和权利要求9所述的光偏转器，其中来自所述光源的光束被所述光偏转器扫描偏转，被扫描偏转的光通过所述光学系统聚集在所述感光部件上的目标位置处。

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