(57)【要約】【課題】検出用圧電素子によって検出される位相差のばらつき量を抑え、高精度に反射ミラーの位相を検出することが可能な光スキャナ及びこの光スキャナを用いた画像表示装置を提供すること。【解決手段】直流電源印加部１６０が、少なくとも交流電源印加部１５０によって第１圧電素子１３０に交流電圧が印加されないとき、第２圧電素子１４０に直流電圧を印加する。即ち、光スキャナ１００が駆動されないときに、第２圧電素子１４０に直流電圧が印加されることによって、第２圧電素子１４０の分極状態を調整する。従って、位相差のばらつき量を抑えることが可能になる。【選択図】        図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
揺動軸線の周りに揺動され、入射した光を所定方向に走査する反射ミラーと、
前記反射ミラーに連結された第１の弾性梁と、
前記反射ミラーに前記第１の弾性梁とは異なる位置で連結された第２の弾性梁と、
前記反射ミラー、前記第１の弾性梁及び前記第２の弾性梁を揺動軸線周りに揺動させるために、前記第１の弾性梁又は前記第２の弾性梁の少なくとも一方に設けられ、前記第１の弾性梁又は前記第２の弾性梁の少なくとも一方に曲げ変位を生じさせる第１の圧電素子と、
前記第１の圧電素子に曲げ運動をさせるために、前記第１の圧電素子に交流電圧を印加する交流電源部と、
前記第１の弾性梁又は前記第２の弾性梁の少なくとも一方の曲げ変位の状態を検知するために、前記第１の弾性梁又は前記第２の弾性梁の少なくとも一方に設けられ、自身の曲げ運動に応じた検出信号を生じる第２の圧電素子と、
前記第２の圧電素子の分極状態を調整するために、少なくとも前記交流電源部によって前記第１の圧電素子に交流電圧が印加されないとき、前記第２の圧電素子に直流電圧を印加する直流電源部と、
を備えることを特徴とする光スキャナ。
【請求項２】
前記直流電源部は、前記第２の圧電素子に抗電界以上の電界が発生するように、直流電圧を前記第２の圧電素子に印加する、
ことを特徴とする請求項１に記載の光スキャナ。
【請求項３】
前記直流電源部は、前記交流電源部によって前記第１の圧電素子に交流電圧の印加が開始されるよりも所定時間前に、前記第２の圧電素子に直流電圧の印加を開始する、
ことを特徴とする請求項１又は２に記載の光スキャナ。
【請求項４】
前記所定時間は、直流電圧の印加時間に対して分極状態が飽和するために必要な時間である、
ことを特徴とする請求項３に記載の光スキャナ。
【請求項５】
前記直流電源部は、更に、前記第１の圧電素子の分極状態を調整にするために、少なくとも前記交流電源部によって前記第１の圧電素子に交流電圧が印加されないとき、前記第１の圧電素子に直流電圧を印加する、
ことを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の光スキャナ。
【請求項６】
前記交流電源部は、前記反射ミラー、前記第１の弾性梁及び前記第２の弾性梁を揺動軸線周りに共振駆動させるために、前記検出信号に応じて前記第１の圧電素子に印加する交流電圧の周波数を調整する周波数調整部を備える、
ことを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の光スキャナ。
【請求項７】
前記直流電源部は、更に、前記交流電源部によって前記第１の圧電素子に交流電圧が印加されているときにも、前記第１の圧電素子又は前記第２の圧電素子の少なくとも一方に直流電圧を印加する、
ことを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の光スキャナ。
【請求項８】
光を走査して画像を形成するための、請求項１〜７のいずれか１項に記載の光スキャナと、
その光スキャナに光を供給するための光源と、
前記光スキャナによって走査された光を使用者の目に導く接眼光学系と、
を備えることを特徴する画像表示装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、レーザープリンタや画像表示装置に用いられる光スキャナ、特にＭＥＭＳミラーを用いた光スキャナ及びこの光スキャナを用いた画像表示装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、レーザープリンタや光を走査して画像を表示する画像表示装置等には、光スキャナが利用されてきた。一般に、この光スキャナとしては、ポリゴンミラー，ガルバノミラー，ＭＥＭＳ（Ｍｉｃｒｏ−Ｅｌｅｃｔｒｏ−Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ  Ｓｙｓｔｅｍｓ）ミラー等が用いられる。特に、ＭＥＭＳミラーを用いた光スキャナは、光の反射面が一面だけで良く、またミラー、トーションバー、支持枠を一体加工できるので、ポリゴンミラー及びガルバノミラーを用いた光スキャナに対し小型化、軽量化が可能になる。
【０００３】
特許文献１には、ＭＥＭＳミラーを用いた光スキャナの一例として、駆動用圧電素子を用いて反射ミラーに連なる弾性梁を揺動駆動させることにより、反射ミラーを揺動させる技術が記載されている。反射ミラーの揺動によって光を走査する場合、例えば走査タイミングを制御する等の目的で、反射ミラーの揺動状態が検出されるのが望ましい。特許文献１においては、弾性梁の曲げ運動に伴う変形量を検出するための検出用圧電素子が弾性梁に設けられることにより、反射ミラーの揺動状態が検出される。
【特許文献１】特開平９−１０１４７４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
画像表示に光スキャナが使用される場合、画像を表示するために高精度の動作制御技術が不可欠である。例えば、特許文献１に記載の技術を応用して、検出用圧電素子からの検出信号と駆動用圧電素子を駆動する駆動信号とを比較し、両者の位相差が所定の状態になるように駆動信号を制御する方法が考えられる。この制御のためには、駆動信号と検出信号との位相差のばらつき量は、画像の解像度やフレームレート等の諸条件の要求により決定される所定値よりも小さい必要がある。例えば、後述する実施形態で開示する光スキャナ１００の場合、位相差のばらつき量を数ｎｓｅｃ程度に抑えることが求められる。
【０００５】
本発明者は、位相差のばらつき量が、光スキャナの駆動を終了してから次に駆動するまでの経過時間に依存して変化することを発見した。ここで、位相差のばらつき量とは、光スキャナが共振状態で駆動される場合に、駆動信号と検出信号との時間の差がどの程度ばらつくかを表す量である。光スキャナが共振状態で駆動される場合、後記する図４に示される様に、検出信号は駆動信号に対して９０°位相が遅れる。後記する第１の実施形態で用いられる光スキャナ１００は、共振周波数が約３０ｋＨｚになるように構成される。従って、９０°の位相差は、時間にして約８μｓの遅れに相当する。理想的には、光スキャナ１００が共振駆動される限り、検出信号は駆動信号に対して常に同じように約８μｓ遅れて検出されるはずである。しかし現実には、光スキャナ１００が共振駆動されているにもかかわらず、駆動信号と検出信号との時間の差はばらつく。
【０００６】
図１０は、後述する実施形態で開示する光スキャナ１００において、直流電圧を印加しない場合における位相差のばらつき量の経過時間依存性を示す図である。縦軸は位相差のばらつき量、即ち経過時間が０時間である初回駆動時における駆動信号と検出信号との時間差から、どの程度時間差が異なるかを示す。横軸は、光スキャナの駆動終了から次回駆動までの経過時間を表す。図１０から明らかに、経過時間が長くなるに従って位相差のばらつき量が増加しているのが分かる。約１２０時間経過後における位相差のばらつき量は、約１０ｎｓｅｃである。また、位相差のばらつき量の最大値は、約４８０時間経過後における約１６ｎｓｅｃである。
【０００７】
前記したように、画像表示に光スキャナが使用される場合、位相差のばらつき量を抑えて高精度に反射ミラーの位相を検出することが求められる。しかし、現実には、光スキャナの駆動終了からの経過時間によって位相差のばらつき量が増加する。
【０００８】
本発明は、検出用圧電素子によって検出される位相差のばらつき量を抑え、高精度に反射ミラーの位相を検出することが可能な光スキャナ及びこの光スキャナを用いた画像表示装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
この目的を達成するために、請求項１に記載の発明は、揺動軸線の周りに揺動され、入射した光を所定方向に走査する反射ミラーと、前記反射ミラーに連結された第１の弾性梁と、前記反射ミラーに前記第１の弾性梁とは異なる位置で連結された第２の弾性梁と、前記反射ミラー、前記第１の弾性梁及び前記第２の弾性梁を揺動軸線周りに揺動させるために、前記第１の弾性梁又は前記第２の弾性梁の少なくとも一方に設けられ、前記第１の弾性梁又は前記第２の弾性梁の少なくとも一方に曲げ変位を生じさせる第１の圧電素子と、前記第１の圧電素子に曲げ運動をさせるために、前記第１の圧電素子に交流電圧を印加する交流電源部と、前記第１の弾性梁又は前記第２の弾性梁の少なくとも一方の曲げ変位の状態を検知するために、前記第１の弾性梁又は前記第２の弾性梁の少なくとも一方に設けられ、自身の曲げ運動に応じた検出信号を生じる第２の圧電素子と、前記第２の圧電素子の分極状態を調整するために、少なくとも前記交流電源部によって前記第１の圧電素子部に交流電圧が印加されないとき、前記第２の圧電素子に直流電圧を印加する直流電源部とを備えることを特徴とする。
【００１０】
位相差のばらつきが発生する原因及び位相差のばらつき量が時間依存する原因は、まだ明らかになっていない。しかし、本発明者は、検出用圧電素子の分極状態を調整することによって、位相差のばらつき量を抑えることが可能であることを発見した。従って、本発明では、少なくとも駆動用圧電素子に駆動信号が入力されないときに、直流電圧を印加して検出用圧電素子の分極状態を調整することで、位相差のばらつき量を抑えることを可能にする。ここで、分極状態とは、圧電素子中の電気双極子モーメントの整列度合を意味する。具体的には、分極状態は、分極―電界特性のヒステリシスカーブにおける、外部電界が存在しないときに圧電素子に残留する分極値である残留分極値，外部電界に対して分極値の変化が飽和する値である飽和分極値といった物理量で表わされる。
【００１１】
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、前記直流電源部は、前記第２の圧電素子に抗電界以上の電界が発生するように、直流電圧を前記第２の圧電素子に印加する、ことを特徴とする。
【００１２】
請求項３に記載の発明は、請求項１又は２に記載の発明において、前記直流電源部は、前記交流電源部によって前記第１の圧電素子に交流電圧の印加が開始されるよりも所定時間前に、前記第２の圧電素子に直流電圧の印加を開始する、ことを特徴とする。
【００１３】
請求項４に記載の発明は、請求項３に記載の発明において、前記所定時間は、直流電圧の印加時間に対して分極状態が飽和するために必要な時間である、ことを特徴とする。
【００１４】
請求項５に記載の発明は、請求項１〜４のいずれか１項に記載の発明において、前記直流電源部は、更に、前記第１の圧電素子の分極状態を調整にするために、少なくとも前記交流電源部によって前記第１の圧電素子に交流電圧が印加されないとき、前記第１の圧電素子に直流電圧を印加する、ことを特徴とする。
【００１５】
請求項６に記載の発明は、請求項１〜５のいずれか１項に記載の発明において、前記交流電源部は、前記反射ミラー、前記第１の弾性梁及び前記第２の弾性梁を揺動軸線周りに共振駆動させるために、前記検出信号に応じて前記第１の圧電素子に印加する交流電圧の周波数を調整する周波数調整部を備える、ことを特徴とする。
【００１６】
請求項７に記載の発明は、請求項１〜６のいずれか１項に記載の発明において、前記直流電源部は、更に、前記交流電源部によって前記第１の圧電素子に交流電圧が印加されているときにも、前記第１の圧電素子又は前記第２の圧電素子の少なくとも一方に直流電圧を印加する、ことを特徴とする。
【００１７】
請求項８に記載の発明は、光を走査して画像を形成するための、請求項１〜７のいずれか１項に記載の光スキャナと、その光スキャナに光を供給するための光源と、前記光スキャナによって走査された光を使用者の目に導く接眼光学系と、を備えることを特徴する。
【発明の効果】
【００１８】
請求項１に記載の発明では、直流電源部が、少なくとも交流電源部によって第１の圧電素子部に交流電圧が印加されないとき、第２の圧電素子に直流電圧を印加する。即ち、少なくとも反射ミラー，第１の弾性梁及び第２の弾性梁が揺動されないときに、第２の圧電素子に直流電圧が印加されることによって、第２の圧電素子の分極状態が調整される。従って、位相差のばらつき量を抑えることが可能になる。
【００１９】
請求項２に記載の発明では、直流電源部は、第２の圧電素子部に抗電界以上の電界が発生するように、直流電圧を第２の圧電素子に印加する。後記する図６に示される様に、印加される直流電圧が抗電界以下の電界を発生させる場合は、分極状態、特に残留分極値が印加される直流電圧値に依存して変化する。しかし、印加される直流電圧値が抗電界以上の電界を発生させる場合は、残留分極値は直流電圧値に殆ど依存しない。従って、第２の圧電素子に印加される直流電圧値が細かく制御される必要がなくなるため、第２の圧電素子の分極状態を調整することが容易になる。
【００２０】
請求項３に記載の発明では、第２の圧電素子への直流電圧の印加が、第１の圧電素子に交流電圧の印加が開始されるよりも所定時間前に開始される。第１の圧電素子に交流電圧が印加されない状態、即ち光スキャナの非駆動状態において、常に直流電圧が印加されることが無くなるので、消費される電力を小さくできる。
【００２１】
請求項４に記載の発明では、所定時間は、第２の圧電素子に印加される直流電圧の印加時間に対して分極状態が飽和するために必要な時間である。後記する図５に示される様に、圧電素子の分極状態は、直流電圧の印加時間に伴って変化する。しかし、印加時間が所定時間を超えると、直流電圧の印加時間が増加しても分極状態が変化しなくなる。換言すれば、直流電圧の印加時間に対して分極状態が飽和する。従って、分極状態の調整に必要な最小限の時間だけ直流電圧が印加されるので、消費電力をさらに小さくできる。
【００２２】
請求項５に記載の発明では、少なくとも第１の圧電素子に交流電圧が印加されないとき、第１の圧電素子に直流電圧が印加される。反射ミラー，第１の弾性梁及び第２の弾性梁を揺動する第１の圧電素子の分極状態が調整されることによって、位相差のばらつき量をさらに抑えることが可能になる。
【００２３】
請求項６に記載の発明では、周波数調整部が検出信号に応じて光スキャナを駆動するための交流電圧の周波数を調整することによって、光スキャナは共振駆動される。周波数調整部が、反射ミラーの位相に関係する検出信号をフィードバックして交流電圧の周波数を調整する。従って、検出信号のフィードバックにより反射ミラーの位相ズレ量を小さくできる技術は、共振駆動される光スキャナの駆動制御に効果的である。
【００２４】
請求項７に記載の発明では、第１の圧電素子に交流電圧が印加されているときにも、第１の圧電素子又は第２の圧電素子の少なくとも一方に直流電圧が印加される。これによって、光スキャナの駆動後も分極状態を調整することが可能になる。
【００２５】
請求項８に記載の発明では、請求項１〜７のいずれか１項に記載の光スキャナを画像表示装置に用いる。検出用圧電素子によって検出される位相差のばらつき量が抑えられることで、より精緻な画像を表示することが可能になる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２６】
以下、図面を用いて本発明の実施形態について詳述する。
【００２７】
＜第１の実施形態＞
図１は、本発明の第１の実施形態に係る光スキャナ１００の斜視図である。図１において、光スキャナ１００は、基体１１０と台座１２０とが分かれた状態で示される。光スキャナ１００は、基体１１０と台座１２０とを接着することで構成される。以下、基体１１０と台座１２０との構成を説明する。
【００２８】
[光スキャナ１００の機械的構成]
基体１１０は、反射ミラー１１１，第１弾性梁１１２，第２弾性梁１１３及び外枠部１１４で構成される。また、基体１１０には、第１圧電素子１３０及び第２圧電素子１４０と、第１圧電素子１３０及び第２圧電素子１４０に電圧を印加するための下部電極１３１，１４１、上部電極１３２，１４２とが設けられる。平面視略円形に形成された反射ミラー１１１は、基体１１０の中心に設けられる。反射ミラー１１１の一端に連結される第１弾性梁１１２は、反射ミラー支持部１１２ａ，結合部１１２ｂ及び一対の梁部１１２ｃで構成される。反射ミラー支持部１１２ａは、一端が反射ミラー１１１に連結され、他端が結合部１１２ｂに連結される。結合部１１２ｂは、反射ミラー支持部１１２ａに対して直交するように連結され、両端に一対の梁部１１２ｃが連結される。一対の梁部１１２ｃは、一端が結合部１１２ｂに対して直交するように結合部１１２ｂの両端に連結され、他端が外枠部１１４に対して直交するように連結される。反射ミラー１１１の他端に連結される第２弾性梁１１３は、反射ミラー支持部１１３ａ，結合部１１３ｂ及び一対の梁部１１３ｃで構成される。第２弾性梁１１３の形状は、反射ミラー１１１に対して第１弾性梁１１２と対称であるので、説明は省略される。外枠部１１４は、反射ミラー１１１、第１弾性梁１１２及び第２弾性梁１１３の周囲に、四角環状に配置される。尚、前記した反射ミラー１１１，第１弾性梁１１２，第２弾性梁１１３，第１圧電素子１３０及び第２圧電素子１４０が、本発明の反射ミラー，第１の弾性梁，第２の弾性梁，第１の圧電素子及び第２の圧電素子の一例である。
【００２９】
第１圧電素子１３０は、反射ミラー１１１，第１弾性梁１１２及び第２弾性梁１１３を揺動駆動させるために、基体１１０に設けられる。具体的には、第１圧電素子１３０は、一対の梁部１１２ｃの上面から外枠部１１４に亘り形成された下部電極１３１の上に形成される。即ち、第１圧電素子１３０は、下部電極１３１を介して一対の梁部１１２ｃ及び外枠部１１４に固定される。第１圧電素子１３０の上面には、上部電極１３２が設けられる。下部電極１３１と上部電極１３２との間に電圧が印加されることにより、第１圧電素子１３０は分極して一対の梁部１１２ｃの長手方向に伸び縮みする。第１圧電素子１３０は下部電極１３１を介して一対の梁部１１２ｃ及び外枠部１１４に固定されているので、第１圧電素子１３０の伸縮は、一対の梁部１１２ｃが基体１１０の厚み方向に変位する屈曲変位に変換される。即ち、第１圧電素子１３０は、ユニモルフとして働く。一対の梁部１１２ｃの屈曲変位は、結合部１１２ｂを介して第１弾性梁１１２，第２弾性梁１１３及び反射ミラー１１１を揺動させるための回転トルクに変換される。ここで、第１圧電素子１３０を構成する２つの圧電素子は、互いに逆相の交流電圧、即ち位相がπずれた交流電圧が夫々印加されることで逆相駆動される。
【００３０】
第２圧電素子１４０は、反射ミラー１１１の揺動状態を検知するために、一対の梁部１１３ｃの上面から外枠部１１４に亘り形成された下部電極１４１の上に形成される。即ち、第２圧電素子１４０は、下部電極１４１を介して一対の梁部１１３ｃ及び外枠部１１４に固定される。第２圧電素子１４０の上面には、上部電極１４２が設けられる。前記したように、第１圧電素子１３０の伸縮は、一対の梁部１１２ｃの屈曲変位に変換され、結果として第１弾性梁１１２，第２弾性梁１１３及び反射ミラー１１１を揺動させる。このとき、第２弾性梁１１３も揺動されるので、第２圧電素子１４０は屈曲変位する。第２圧電素子１４０が屈曲変位するので、圧電効果によって第２圧電素子１４０は基体１１０の厚み方向に分極する。その結果、第２圧電素子１４０の屈曲変位量に応じた電位差が下部電極１４１と上部電極１４２との間に発生する。この電位差を下部電極１４１及び上部電極１４２から検出信号として読み出すことにより、反射ミラー１１１の揺動状態が検出される。
【００３１】
台座１２０は、基体固定部１２１を備える。基体固定部１２１は、基体１１０の外枠部１１４に固定されるためのもので、外枠部１１４と同じ大きさの四角環状の構造を示す。台座１２０と基体１１０とを接着や陽極接合等によって固定することで、光スキャナ１１０が形成される。
【００３２】
[光スキャナ１００の制御回路構成]
図２は、光スキャナ１００を駆動するための回路構成を示すブロック図である。交流電圧印加部１５０は、位相比較器１５１，ローパスフィルタ１５２，電圧制御発振器１５３，位相シフタ１５４，コンパレータ１５５を含む。位相比較器１５１は、後述する位相シフタ１５４及び後述するコンパレータ１５５によって整形された第１圧電素子１３０を駆動するための駆動信号と、第２圧電素子１４０から発生した検出信号とを比較し、両者の位相差に応じた位相差電圧をローパスフィルタ１５２に出力する。ローパスフィルタ１５２は、位相比較器１５１からの位相差電圧を積分して平滑化する。ローパスフィルタ１５２によって平滑化された位相差電圧は、ＶＣＯ制御電圧として電圧制御発振器１５３に入力される。電圧制御発振器１５３は、第１圧電素子１３０を駆動するための交流電圧を発生する。電圧制御発振器１５３は、ローパスフィルタ１５２からのＶＣＯ制御電圧に応じた周波数のサイン波を、駆動信号として後述する信号重畳回路１９０及び位相シフタ１５４に出力する。後記する図４に示される様に、光スキャナ１００が共振状態にある場合、駆動信号と検出信号との位相差がπ／２ずれる。位相シフタ１５４は、光スキャナ１００が共振状態において、入力された駆動信号と検出信号との位相が一致するように、入力された駆動信号の位相を調整し、コンパレータ１５５に出力する。コンパレータ１５５は、電位０Ｖと駆動信号とを比較して、駆動信号の電位が０Ｖ以上であれば正の所定電位を、駆動信号の電位が０Ｖ以下であれば負の所定電位を出力する。即ち、コンパレータ１５５は入力された駆動信号を矩形波に整形して、位相比較器１５１に入力する。位相比較器１５１，ローパスフィルタ１５２，電圧制御発振器１５３，位相シフタ１５４，コンパレータ１５５は位相同期回路を形成し、光スキャナ１００の揺動を所定の振動周波数に保つ働きをする。尚、図２には表わされないが、交流電圧印加部１５０は、出力される駆動信号を昇圧又は降圧することで駆動信号の振幅を調整する機能や、電圧制御発振器１５３に制御信号を供給して駆動信号の周波数を調整する機能を有する。尚、前記した交流電圧印加部１５０が本発明の交流電源部の一例であり、位相比較器１５１，ローパスフィルタ１５２，電圧制御発振器１５３，位相シフタ１５４及びコンパレータ１５５が形成する位相同期回路が本発明の周波数調整部の一例である。
【００３３】
直流電圧印加部１６０は、信号重畳回路１９０及び第２圧電素子１４０に直流電圧を印加する。第２圧電素子１４０は、上部電極１４２と下部電極１４１との間に直流電圧印加部１６０からの直流電圧が直接印加される。一方、信号重畳回路１９０は、電圧制御発振器１５３から出力された駆動信号と直流電圧印加部１６０からの直流電圧とを重畳し、その重畳された電圧を第１圧電素子１３０、即ち上部電極１３２と下部電極１３１との間に印加する。言い換えれば、直流電圧印加部１６０は、信号重畳回路１９０を介することで、第１圧電素子１３０に直流電圧を印加する。以下、本実施形態において、第１圧電素子１３０に印加される直流電圧は、この信号重畳回路１９０を介して印加される直流電圧印加部１６０からの直流電圧を意味する。信号重畳回路１９０は、直流電圧印加部１６０からの直流電圧と、電圧制御発振器１５３からの駆動信号とを重畳し、第１圧電素子１３０に直流電圧が重畳された駆動信号を出力する。信号重畳回路１９０から出力された直流電圧が重畳された駆動信号は、第１圧電素子１３０を梁部１１２ｃの長手方向に伸び縮みさせることで、第１弾性梁１１２，第２弾性梁１１３及び反射ミラー１１１を揺動駆動する。第２圧電素子１４０からの検出信号は、位相比較器１５１に入力され、位相比較器１５１によって矩形波に整形された駆動信号と比較される。信号処理回路１７０は、制御信号を出力することで、図３に示すフローチャートに従って直流電圧印加回路１６０及び交流電圧印加部１５０の制御を行う。信号処理回路１７０は、制御動作のために交流電圧印加部１５０から検出信号，位相差電圧等を受け取るように構成されている。以上説明した制御回路構成によって、光スキャナ１００の共振駆動が可能になる。尚、直流電圧印加部１６０は、上述のように第１圧電素子１３０に駆動信号が入力されている間に第１圧電素子１３０及び第２圧電素子１４０に直流電圧を印加することができるとともに、第１圧電素子１３０に駆動信号が入力されないときに、第１圧電素子１３０及び第２圧電素子１４０に直流電圧を印加することも可能である。尚、前記した直流電圧印加部１６０が、本発明の直流電源部の一例である。
【００３４】
[光スキャナ１００の駆動方法]
図３は、信号処理回路１７０が第１圧電素子１３０及び第２圧電素子１４０に対して電圧の印加を制御する流れを説明するフローチャートである。駆動信号が第１圧電素子１３０に入力される前に、信号処理回路１７０は、直流電圧印加部１６０に制御信号を送信することで、直流電圧印加部１６０に直流電圧を第１圧電素子１３０及び第２圧電素子１４０に印加させる（ステップＳ１００）。信号処理回路１７０は、直流電圧が第１圧電素子１３０及び第２圧電素子１４０に印加されてから、分極状態が直流電圧印加時間に対して飽和するのに必要な所定時間が経過したか否かを判断する（ステップＳ１０１）。所定時間が経過していなければ、所定時間が経過するまで直流電圧が第１圧電素子１３０及び第２圧電素子１４０に印加され続ける（ステップＳ１０１がＮ）。所定時間が経過した場合（ステップＳ１０１がＹ）、信号処理回路１７０は、交流電圧印加部１５０に制御信号を送信することで、電圧制御発振器１５３に５Ｖの振幅を有する駆動信号を発振させる（ステップＳ１０２）。発振された駆動信号は、交流電圧印加部１５０から信号重畳回路１９０に入力され、直流電圧と重畳された後に第１圧電素子１３０に入力される。
【００３５】
信号処理回路１７０は、検出信号が信号処理回路１７０内に予め設定された所定の閾値電圧を超えたか否かを判断する（ステップＳ１０３）。検出信号が所定の閾値電圧を超えない場合（ステップＳ１０３がＮ）、信号処理回路１７０は、交流電圧印加部１５０に制御信号を送信することで、駆動信号の周波数を変化させる（ステップＳ１０４）。具体的には、信号処理回路１７０は、周波数を２７ｋＨｚから３３ｋＨｚまでの間で変化させ、検出信号の電圧が所定の閾値電圧を超える周波数を探す。
【００３６】
検出信号の電圧値は、駆動信号の周波数に応じて変化する。検出信号の電圧値の変化によって、光スキャナ１００が共振状態にあるかどうかを大まかに判断できる。以下図４を用いて、その理由を説明する。図４の上図は、駆動信号の周波数と反射ミラー１１１の振れ角の大きさを表す振幅ゲインとの関係を示す図である。本実施形態の光スキャナ１００は、共振周波数が３０ｋＨｚになるように作製される。そのため、駆動信号の周波数が３０ｋＨｚにおいて光スキャナ１００は共振駆動され、振幅ゲインは最大となる。そして、駆動信号の周波数が３０ｋＨｚから遠ざかるに従って、振幅ゲインは小さくなる。反射ミラー１１１の振れ角の大きさは、検出信号の電圧値の大きさとして反映される。従って、検出信号の電圧値の大きさを調べることで、光スキャナ１００が共振状態にあるかどうかを大まかに判断できる。
【００３７】
検出信号が所定の閾値電圧を超えた場合（ステップＳ１０３がＹ）、信号処理回路１７０は、交流電圧印加部１５０に制御信号を送信することで、電圧制御発振器１５３に４０Ｖの振幅を有する駆動信号を発振させる（ステップＳ１０５）。発振された駆動信号は、交流電圧印加部１５０から信号重畳回路１９０に入力され、直流電圧と重畳された後に第１圧電素子１３０に入力される。信号処理回路１７０は、検出信号と駆動信号との位相差が９０°か否かを判断する（ステップＳ１０６）。位相差が９０°でない場合（ステップＳ１０６がＮ）、信号処理回路１７０は、交流電圧印加部１５０に制御信号を送信することで、駆動信号の周波数を変化させ（ステップＳ１０７）、位相差が９０°になる周波数を探す。
【００３８】
検出信号と駆動信号との位相差と、駆動信号の周波数との関係を、図４の下図に示す。駆動信号の周波数と光スキャナ１００の共振周波数とが等しい状態、即ち光スキャナ１００が共振状態において、検出信号と駆動信号との位相差は９０°になる。検出信号と駆動信号との位相差は、駆動信号の周波数が共振周波数より小さくなるに従って９０°より小さくなり、周波数が共振周波数より大きくなるに従って９０°より大きくなる。従って、検出信号と駆動信号との位相差を調べることで、光スキャナ１００が共振状態にあるかどうかを判断できる。
【００３９】
検出信号と駆動信号との位相差が９０°の場合（ステップＳ１０６がＹ）、光スキャナ１００は共振駆動される。光スキャナ１００の駆動を終了する場合（ステップＳ１０８がＹ）、信号処理回路１７０は、交流電圧印加部１５０に制御信号を送信し、駆動信号の出力を停止させる（ステップＳ１０９）。その後、信号処理回路１７０は、直流電圧印加部１６０に制御信号を送信し、直流電圧の出力を停止させる（ステップＳ１１０）。
【００４０】
[位相差ばらつき量の改善]
第１圧電素子に駆動信号が送信される前に第１圧電素子及び第２圧電素子に直流電圧が印加されることによって、従来に対して位相差のばらつき量がどの程度抑えられるかを、図５〜図７を用いて説明する。
【００４１】
図５は、本実施形態で用いられる第１圧電素子１３０及び第２圧電素子１４０と同じ構成を有する圧電素子の試料に対して、５Ｖの直流電圧を０分，５分，１０分，１５分，２０分印加することで、分極状態比（ΔＰ％）がどの様に変化するかを示す図である。横軸は、５Ｖの直流電圧を印加開始してからの経過時間である。縦軸は、直流電圧印加前の前記試料の分極状態と、直流電圧印加後の前記試料の分極状態との比である。図５に黒丸と直線で示される飽和分極値Ｐｍは、直流電圧の印加時間を変化させても略一様の値を示した。一方、図５に黒四角と点線とで示される残留分極値Ｐｒは、直流電圧の印加時間が５分までは急激に値が上昇し、５分から１０分までは緩やかに上昇する。残留分極値Ｐｒは、直流電圧の印加時間が１０分を過ぎた後は殆ど変化しない。従って、直流電圧の印加時間は１０分以上が適切であると考えられる。
【００４２】
図６は、前記試料に対して、０Ｖ，５Ｖ，１０Ｖ，１５Ｖ，２０Ｖの直流電圧を１０分間印加することで、分極状態比（ΔＰ％）がどの様に変化するかを示す図である。横軸は、前記試料に対して１０分間印加される直流電圧量である。縦軸は、図５と同様に、直流電圧印加前の圧電素子試料の分極状態と、直流電圧印加後の圧電素子資料の分極状態との比である。飽和分極値Ｐｍ及び残留分極値Ｐｒは、図５と同じ記号を用いて図６に示される。飽和分極値Ｐｍは、印加される直流電圧量を変化させても略一様の値を示した。一方、残留分極値Ｐｒは、印加される直流電圧量が５Ｖまでは急激に値が上昇し、５Ｖから１０Ｖまで若干の減少を示す。そして、残留分極値Ｐｒは、印加される直流電圧量が１０Ｖ以上の領域では殆ど変化しない。従って、印加される直流電圧値は、１０Ｖ以上が適切であると考えられる。尚、本実施形態における光スキャナ１００で用いられる圧電素子は、上部電極と下部電極との電位差が約８Ｖの場合に、抗電界に等しい電界が生じるように構成される。従って、図６から、抗電界が生じる電圧値以上の電圧が、圧電素子に印加されるのが適切であると考えられる。
【００４３】
図７は、直流電圧を印加した場合における位相差のばらつき量の経過時間依存性を示す図である。図１０と同様に、縦軸は位相差のばらつき量を、横軸は光スキャナの駆動終了から次回駆動までの経過時間をそれぞれ表す。図７においては、光スキャナ１００の駆動前に、１０Ｖの直流電圧が第１圧電素子１３０に４８時間印加された。経過時間０時間の初回駆動時直後は約４ｎｓｅｃの位相差のばらつき量であり、１２０時間ほど経過した後は約２ｎｓｅｃの位相差のばらつき量であった。直流電圧が印加されない場合の依存性を示す図１０においては、初回駆動時と１２０時間経過後との間の位相差のばらつき量の差は１０ｎｓｅｃ程度である。一方、直流電圧が印加された図７においては、初回駆動時と１２０時間経過後との間の位相差のばらつき量の差はで２ｎｓｅｃ程度であり、図１０に比べて明らかに小さくなっている。即ち、直流電圧が圧電素子に印加されることによって、検出される位相差のばらつき量が抑えられた。
［画像表示装置１の説明］
本実施形態の光スキャナ１００を用いた、画像表示装置１の全体構成及び動作について説明する。図８に、第１の実施形態における画像表示装置１の全体構成を示す。画像表示装置１は、観察者の瞳孔５２に光束を入射させて網膜５４上に画像を表示することによって、観察者に虚像を視認させるための装置である。この装置は、網膜走査型ディスプレイともいわれる。
【００４４】
画像表示装置１は、光束生成手段２、光ファイバ１９、コリメート光学系２０、光スキャナ１００、第１のリレー光学系２２、垂直走査部２３、第２のリレー光学系２４を備える。光束生成手段２は、映像信号処理回路３、光源部３０、光合波部４０で構成される。映像信号処理回路３は、外部から供給される映像信号に基づいて、画像を合成するための要素となるＢ信号、Ｇ信号、Ｒ信号、水平同期信号、垂直同期信号を発生する。
【００４５】
光源部３０は、Ｂレーザドライバ３１、Ｇレーザドライバ３２、Ｒレーザドライバ３３、Ｂレーザ３４、Ｇレーザ３５、Ｒレーザ３６を備える。Ｂレーザドライバ３１は、映像信号処理回路３からのＢ信号に応じた強度の青色の光束を発生させるように、Ｂレーザ３４を駆動する。Ｇレーザドライバ３２は、映像信号処理回路３からのＧ信号に応じた強度の緑色の光束を発生させるように、Ｇレーザ３５を駆動する。Ｒレーザドライバ３３は、映像信号処理回路３からのＲ信号に応じた強度の赤色の光束を発生させるように、Ｒレーザ３６を駆動する。Ｂレーザ３４，Ｇレーザ３５及びＲレーザ３６は、例えば半導体レーザや高調波発生機構付き固体レーザとして構成できる。尚、前記した光源部３０が、本発明の光源の一例である。
【００４６】
光合波部４０は、光源部３０から入射するレーザ光を平行光にコリメートするように設けられたコリメート光学系４１，４２，４３と、このコリメートされたレーザ光を合波するためのダイクロイックミラー４４，４５，４６と、合波されたレーザ光を光ファイバ１９に導く集光光学系４７とを備える。Ｂレーザ３４から出射した青色レーザ光は、コリメート光学系４１によって平行光化された後に、ダイクロイックミラー４４に入射する。Ｇレーザ３５から出射した緑色レーザ光は、コリメート光学系４２を経てダイクロイックミラー４５に入射する。Ｒレーザ３６から出射した赤色レーザ光は、コリメート光学系４３を経てダイクロイックミラー４６に入射する。ダイクロイックミラー４４，４５，４６にそれぞれ入射した３原色のレーザ光は、波長選択的に反射または透過されて１本の光束として合成され、集光光学系４７に達する。１本の光束として合成されたレーザ光は、集光光学系４７によって集光され、光ファイバ１９へ入射する。
【００４７】
水平走査ドライバ６１は、映像信号処理回路３からの水平同期信号に従って、光スキャナ１００を駆動する。垂直走査ドライバ６２は、映像信号処理回路３からの垂直同期信号に従って、垂直走査スキャナ２３を駆動する。レーザ光は、光スキャナ１００及び垂直走査スキャナ２３の走査によって、水平方向と垂直方向とに走査された光束として変換され、画像として表示可能な状態になる。具体的には、光ファイバ１９から出射したレーザ光は、コリメート光学系２０によって平行光に変換された後に、光スキャナ１００に導かれる。光スキャナ１００によって水平方向に走査されたレーザ光は、第１のリレー光学系２２を通過した後に、垂直走査スキャナ２３に平行光線として入射する。このとき、第１のリレー光学系２２によって、垂直走査スキャナ２３の位置に光学瞳が形成される。垂直走査スキャナ２３によって垂直方向に走査されたレーザ光は、第２のリレー光学系２４を通過した後に、観測者の瞳孔５２に平行光線として入射する。このとき、第２のリレー光学系２４によって、観測者の瞳孔５２と垂直走査スキャナ２３の位置にある光学瞳とが共役となる。尚、前記した第２のリレー光学系２４が、本発明の接眼光学系の一例である。
【００４８】
＜変形例＞
本発明は、今までに述べた実施形態に限定されることは無く、その趣旨を逸脱しない範囲において種々の変形・変更が可能である。以下にその変形の一例を述べる。
【００４９】
図２において、直流電圧印加部１６０は、第１圧電素子１３０と第２圧電素子１４０との両方に直流電圧を印加する。しかし、第２圧電素子１４０にのみ直流電圧を印加するような構成にしても良い。
【００５０】
前記した実施形態において、光スキャナ１００の駆動周波数は、共振周波数と同じに設定される。即ち、光スキャナ１００は共振駆動される。しかし、光スキャナ１００は、共振周波数と異なる周波数で駆動されても良い。共振駆動では検出信号と駆動信号との位相差を知る必要があるので、本発明によって位相差のばらつき量を抑えることは、共振駆動において特に有用である。しかし、図４において位相差が０°となる周波数で光スキャナ１００が駆動される場合であっても、光の走査位置を知る等の目的で位相を調べることが必要となる場合もある。そのため、光スキャナが共振駆動で用いられない場合でも、本発明は有用である。
【００５１】
前記した実施形態において、駆動信号が第１圧電素子１３０に入力され、検出信号が第２圧電素子１４０から出力される。しかし、第１圧電素子１３０の形状と第２圧電素子１４０の形状とは同じであるので、駆動信号が第２圧電素子１４０に入力され、検出信号が第１圧電素子１３０から出力されるような回路構成でも良い。あるいは、駆動信号の入力先と検出信号の出力元とを切替可能な、図９に示される様な回路構成でもよい。図９は、光スキャナ１００を駆動するための回路構成の変形例を示すブロック図である。図９において、前記した実施形態の回路構成と同一の構成要素に関しては、図２と同じ番号を付すことで説明を省略する。この変形例は、切替回路１８０が設けられ、２つの信号重畳回路１９０ａ，１９０ｂが設けられる点において、前記した実施形態と相違する。切替回路１８０は、信号処理回路１７０からの制御信号に従い、入力された駆動信号を第１圧電素子１３０又は第２圧電素子１４０のいずれか一方の圧電素子に選択的に出力することで、光スキャナ１００を駆動するための圧電素子を切替る機能を有する。また、切替回路１８０は、信号処理回路１７０からの制御信号に従い、光スキャナ１００の駆動に使用されない他方の圧電素子から出力された検出信号を、位相比較器１５１に入力する機能も有する。即ち、切替回路１８０は、第１圧電素子１３０及び第２圧電素子１４０の機能を、光スキャナ１００の駆動に用いる圧電素子と、光スキャナ１００の位相を検出する圧電素子との何れかに切替えることを可能にする。この切替回路１８０は、例えばＣＭＯＳ等を用いた単極二接点スイッチ（ＳＰＤＴ（Ｓｉｎｇｌｅ−Ｐｏｌｅ  Ｄｕａｌ  Ｔｈｒｏｗ）スイッチ）によって構成することができる。図９に示される回路構成において、駆動信号が切替回路１８０から第１圧電素子１３０に対して出力される場合、駆動信号は、まず信号重畳回路１９０ａに入力され、直流電圧印加部１６０からの直流電圧と重畳された後に、第１圧電素子１３０に入力される。このとき、信号重畳回路１９０ｂには駆動信号が入力されないので、第２圧電素子１４０に対しては、直流電圧印加部１６０からの直流電圧のみが信号重畳回路１９０ｂを介して入力される。一方、駆動信号が切替回路１８０から第２圧電素子１４０に対して出力される場合、駆動信号は、まず信号重畳回路１９０ｂに入力され、直流電圧印加部１６０からの直流電圧と重畳された後に、第２圧電素子１４０に入力される。このとき、信号重畳回路１９０ａには駆動信号が入力されないので、第１圧電素子１３０に対しては、直流電圧印加部１６０からの直流電圧のみが信号重畳回路１９０ａを介して入力される。
【００５２】
切替回路１８０を用いることの効果は、特許文献１に記載されている信号経路切替手段の様に、光スキャナ１００の寿命を延ばすことが可能になることである。駆動に用いられる圧電素子は、かかる応力が位相検出に用いられる素子よりも大きい。そのため、駆動に用いられる圧電素子の寿命は、位相検出に用いられる圧電素子の寿命よりも短くなる可能性がある。切替回路１８０用いて圧電素子を駆動と検出とに適宜切替えて使用することによって、第１圧電素子１３０と第２圧電素子１４０との寿命が同じになるように調整できる。従って、光スキャナ１００の寿命を延ばすことが可能になる。
【００５３】
前記した実施形態においては、図３に示される様に、駆動信号が第１圧電素子１３０に送信されているときも、第１圧電素子１３０及び第２圧電素子１４０に直流電圧が印加される。しかし、第１圧電素子１３０及び第２圧電素子１４０は、光スキャナ１００が駆動される時点において分極状態が調整済みであれば良い。従って、直流電圧は、駆動信号が第１圧電素子１３０に送信される前にのみ印加され、駆動信号の送信後は直流電圧が印加されなくても良い。あるいは、駆動信号の送信後も第１圧電素子１３０及び第２圧電素子１４０に直流電圧が印加されるのであれば、特開２００７−２５６０８号公報に記載の技術の様に、印加される直流電圧値を調整することにより、圧電素子に発生する張力を変化させ、光スキャナの共振周波数を調整することも可能である。
【００５４】
前記した実施形態の光スキャナの弾性梁は、反射ミラー支持部から結合部を介して一対の梁部に結合される、所謂二股梁の形状である。しかし、これ以外の構造であってもよい。例えば、米国特許第６６５７７６４号明細書の図１や特開２００７−２６８３７４号公報の図２に記載の光スキャナの様に、弾性梁が二股に分かれない形状の光スキャナであっても、光スキャナの駆動に圧電素子が使用されるのであれば、本発明は適応可能である。また、前記した実施形態の光スキャナにおいて、反射ミラー１１１は、一端に連結される第１弾性梁１１２と、他端に連結される第２弾性梁１１３とによって両持支持される。しかし、例えば特開平７−６５０９８号公報の図１に記載の光スキャナの様に、反射ミラーが一端でのみ弾性梁によって支持される片持支持の構成であっても、光スキャナの揺動状態の検知や駆動に圧電素子が使用されるのであれば、本発明は適応可能である。要は、弾性梁によって支持された反射ミラーの駆動や揺動状態の検知を、圧電素子によって行う構成の光スキャナであれば良い。
【００５５】
前記した実施形態において、第１圧電素子１３０を構成する２つの圧電素子は、互いに逆相の交流電圧、即ち位相がπずれた交流電圧が夫々印加されることで逆相駆動される。しかし、逆相駆動は、例えば図１において第１圧電素子１３０を構成する２つの圧電素子のうち右側の圧電素子と、第２圧電素子１４０を構成する２つの圧電素子の左側の圧電素子とに、逆相の交流電圧が印加されることで達成されても良い。あるいは、図１において第１圧電素子１３０を構成する２つの圧電素子のうち右側の圧電素子と、第２圧電素子１４０を構成する２つの圧電素子の右側の圧電素子とに、同じ位相の交流電圧が印加されることで、同相駆動が達成されても良い。
【図面の簡単な説明】
【００５６】
【図１】第１の実施形態における光スキャナ１００の全体構成を示す斜視図。
【図２】光スキャナ１００を駆動するための回路構成を示すブロック図。
【図３】信号処理回路１７０が第１圧電素子１３０及び第２圧電素子１４０に対して電圧の印加を制御する流れを説明するフローチャート。
【図４】周波数と振幅ゲイン及び位相差との関係を説明する図。
【図５】直流電圧印加時間を変化させた場合の、分極状態の変化を示す図。
【図６】印加する直流電圧量を変化させた場合の、分極状態の変化を示す図。
【図７】直流電圧を印加した場合における位相差のばらつき量の経過時間依存性を示す図。
【図８】第１の実施形態における画像表示装置１の全体構成を示す図。
【図９】光スキャナ１００を駆動するための回路構成の変形例を示すブロック図。
【図１０】直流電圧を印加しない場合における光スキャナの駆動終了から次回駆動までの経過時間と、検出位相のズレ量との関係を示した図。
【符号の説明】
【００５７】
１  画像表示装置
２  光束生成手段
３  映像信号処理回路３
１９  光ファイバ
２０，４１，４２，４３  コリメート光学系
２２  第１のリレー光学系
２３  垂直走査スキャナ
２４  第２のリレー光学系
３０  光源部
３１  Ｂレーザドライバ
３２  Ｇレーザドライバ
３３  Ｂレーザドライバ
３４  Ｂレーザ
３５  Ｇレーザ
３５  Ｒレーザ
４０  光合波部
４４，４５，４６  ダイクロイックミラー
４７  集光光学系
５２  観察者の瞳孔
５４  観察者の網膜
６１  水平走査ドライバ
６２  垂直走査ドライバ
１００  光スキャナ
１１０  基体
１１１  反射ミラー
１１２  第１弾性梁
１１３  第２弾性梁
１１２ａ，１１３ａ  反射ミラー支持部
１１２ｂ，１１３ｂ  結合部
１１２ｃ，１１３ｃ  一対の梁部
１１４  外枠部
１２０  台座
１２１  基体固定部
１３０  第１圧電素子
１３１，１４１  下部電極
１３２，１４２  上部電極
１４０  第２圧電素子
１５０  交流電圧印加部
１５１  位相比較器
１５２  ローパスフィルタ
１５３  電圧制御発振器
１５４  位相シフタ
１５５  コンパレータ
１６０  直流電圧印加部
１７０  信号処理回路
１８０  切替回路
１９０，１９０ａ，１９０ｂ  信号重畳回路
【図１】
2010139691.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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