(57)【要約】  走査範囲を変化させても空間分解能を一定に保つことができる光走査装置１００を提供する。光走査装置１００は、光を発する光源１０１と、光源から入射した光を反射面で反射する走査ミラー１０６であって、反射面内を通る第１軸と、第１軸に直交し、かつ反射面内を通る第２軸と、の周りにそれぞれ独立に振動可能な走査ミラー１０６と、走査ミラー１０６の第１軸の周りの振動の第１周波数および第１振幅と、第２軸の周りの振動の第２周波数および第２振幅とを制御して、走査ミラー１０６の反射面で反射された光を走査させる制御部１０３とを備える。制御部１０３は、副走査方向の最大走査角に基づいて、第２周波数を制御する。
2019176204.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光を発する光源と、
前記光源から入射した光を反射面で反射する走査ミラーであって、前記反射面内を通る第１軸と、前記第１軸に直交し、かつ前記反射面内を通る第２軸と、の周りにそれぞれ独立に振動可能な走査ミラーと、
前記走査ミラーの前記第１軸の周りの振動の第１周波数および第１振幅と、前記第２軸の周りの振動の第２周波数および第２振幅とを制御して、前記走査ミラーの反射面で反射された光を走査させる制御部と、
を備え、前記第１振幅に応じて変化する主走査方向の最大走査角と、前記主走査方向に直交し、前記第２振幅に応じて変化する副走査方向の最大走査角と、によって規定された走査範囲内を前記光源から発された光で走査する光走査装置であって、
前記制御部は、前記副走査方向の最大走査角に基づいて、前記第２周波数を制御することを特徴とする光走査装置。
【請求項２】
前記制御部は、前記第２周波数を制御するとともに、前記第２周波数に基づいて、前記第２振幅を制御することによって前記副走査方向の最大走査角を制御することを特徴とする請求項１に記載の光走査装置。
【請求項３】
前記制御部は、前記第２周波数と前記副走査方向の最大走査角との積が一定となるように、前記第２周波数または前記副走査方向の最大走査角を制御することを特徴とする請求項１または２に記載の光走査装置。
【請求項４】
前記第２周波数と前記副走査方向の最大走査角との前記積は、前記第１周波数と隣接する主走査線間の角度間隔である空間分解能との積に等しいことを特徴とする請求項３に記載の光走査装置。
【請求項５】
前記第１軸と前記第２軸との交点を通る前記走査ミラーの前記反射面の法線が前記交点を中心とする歳差運動を行うように、前記走査ミラーの前記第１軸の周りの振動の位相と前記第２軸の周りの振動の位相とが調整されたことを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の光走査装置。
【請求項６】
前記副走査方向の最大走査角は、３６０°であることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の光走査装置。
【請求項７】
前記走査ミラーによって反射された光を更に反射する走査角変換手段を更に備えることを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の光走査装置。
【請求項８】
前記制御部は、前記第１周波数の値を、前記走査ミラーの前記第１軸の周りの共振周波数に等しい値に設定することを特徴とする請求項１〜７のいずれかに記載の光走査装置。
【請求項９】
前記走査ミラーは、ＭＥＭＳ走査ミラーであることを特徴とする請求項１〜８のいずれかに記載の光走査装置。
【請求項１０】
前記走査ミラーは、圧電駆動式の走査ミラーであることを特徴とする請求項１〜９のいずれかに記載の光走査装置。
【請求項１１】
前記光走査装置内に印加された慣性力を検出する慣性力センサを更に備え、
前記制御部は、前記慣性力センサによって検出された前記慣性力に基づいて、前記第２周波数または前記副走査方向の最大走査角を制御することを特徴とする請求項１〜１０のいずれかに記載の光走査装置。
【請求項１２】
前記慣性力センサは、前記光走査装置の加速度を検出する加速度センサであることを特徴とする請求項１１に記載の光走査装置。
【請求項１３】
前記制御部は、前記加速度センサによって検出された加速度が大きいほど、前記第２周波数または前記副走査方向の最大走査角が小さくなるように制御を行うことを特徴とする請求項１２に記載の光走査装置。
【請求項１４】
前記慣性力センサは、前記光走査装置の角速度を検出する角速度センサであることを特徴とする請求項１１に記載の光走査装置。
【請求項１５】
前記制御部は、前記角速度センサによって検出された角速度の絶対値が大きいほど、前記第２周波数または前記副走査方向の最大走査角が大きくなるように制御を行うことを特徴とする請求項１４に記載の光走査装置。
【請求項１６】
前記慣性力センサは、ＭＥＭＳセンサであることを特徴とする請求項１１〜１５のいずれかに記載の光走査装置。
【請求項１７】
前記慣性力センサと前記走査ミラーとが同一の基板上に配置されたことを特徴とする請求項１１〜１６のいずれかに記載の光走査装置。
【請求項１８】
前記光走査装置の速度を検出する速度センサを更に備え、
前記制御部は、前記速度センサによって検出された前記速度に基づいて、前記第２周波数または前記副走査方向の最大走査角を制御することを特徴とする請求項１〜１７のいずれかに記載の光走査装置。
【請求項１９】
請求項１１〜１７のいずれかに記載の光走査装置を制御する方法であって、
前記慣性力センサによって前記慣性力を検出するステップと、
検出された前記慣性力に基づいて、前記走査ミラーの前記第２振幅を制御することによって前記副走査方向の最大走査角を制御するステップと、
を含む方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光走査装置およびその制御方法に関し、特に、高い空間分解能で広範囲の走査が可能な光走査装置およびその制御方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
周囲に光を発して走査する光走査装置は、この光を受光する受光手段と併せて使用されることにより、装置の周囲にある物までの距離を測定する測距装置に利用される。例えば、特許文献１は、車両に搭載された測距装置において、車両速度などの車両情報に基づいて走査範囲を制御することができる車両用光飛行型測距装置を開示している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１６−０９０２６８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし、特許文献１には、最大スキャン角γを変更することによって走査範囲を拡張できる測距装置が記載されているが、走査範囲を広げた場合に、空間分解能が低下するという問題があった。【０００５】
そこで、本発明は、走査範囲を拡張した場合も、空間分解能を低下させることなく光走査を行うことができる光走査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】
【０００６】
本発明の一態様は、光を発する光源と、光源から入射した光を反射面で反射する走査ミラーであって、反射面内を通る第１軸と、第１軸に直交し、かつ反射面内を通る第２軸と、の周りにそれぞれ独立に振動可能な走査ミラーと、走査ミラーの第１軸の周りの振動の第１周波数および第１振幅と、第２軸の周りの振動の第２周波数および第２振幅とを制御して、走査ミラーの反射面で反射された光を走査させる制御部と、を備え、第１振幅に応じて変化する主走査方向の最大走査角と、主走査方向に直交し、第２振幅に応じて変化する副走査方向の最大走査角と、によって規定された走査範囲内を光源から発された光で走査する光走査装置を提供する。制御部は、副走査方向の最大走査角に基づいて、第２周波数を制御する。
【発明の効果】
【０００７】
本発明により、加速度および角速度などの情報に基づいてフレームレートを制御することにより、空間分解能の低下を防ぐことができる光走査装置を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】本発明の実施の形態１による光走査装置と光走査装置を搭載した車両とを示す模式図である。
【図２】本発明の実施の形態１による光走査装置の基板の概略的な上面図である。
【図３】図２の基板の２次元走査ミラーをＩＩＩ−ＩＩＩ方向に見た概略的な断面図である。
【図４】図２の基板の加速度センサをＩＶ−ＩＶ方向に見た概略的な断面図である。
【図５】図２の基板の加速度センサをＶ−Ｖ方向に見た概略的な断面図である。
【図６】加工前のＳＯＩ基板の模式的な断面図である。
【図７】２次元走査ミラーのミラー部の傾斜角と、ミラー部に反射された光ビームの進行方向との関係を示す模式図である。
【図８】本発明の実施の形態１による光走査装置から出射された光ビームによる走査範囲を示す模式図である。
【図９】本発明の実施の形態１による光走査装置から出射された光ビームによる走査経路と走査点の例を示す模式図である。
【図１０】本発明の実施の形態１による光走査装置の加速度と最大走査角との関係の一例を示すグラフである。
【図１１】加速時における従来技術の測距装置による走査経路と走査点とを示す模式図である。
【図１２】減速時における従来技術の測距装置による走査経路と走査点とを示す模式図である。
【図１３】空間分解能を悪化させることなく、加速度に応じて駆動周波数（フレームレート）を変更する方法を示すフローチャートである。
【図１４】本発明の実施の形態１の光走査装置による走査経路と走査点とを示す模式図である。
【図１５】空間分解能を悪化させることなく、加速度に応じて最大走査角を変更する方法を示すフローチャートである。
【図１６】本発明の実施の形態１による光走査装置の加速度と駆動周波数（フレームレート）との関係の一例を示すグラフである。
【図１７】本発明の実施の形態１の第１変形例による光走査装置の構成を示す模式図である。
【図１８】本発明の実施の形態１の第２変形例による光走査装置の構成を示す模式図である。
【図１９】本発明の実施の形態２による光走査装置の構成を示す模式図である。
【図２０】本発明の実施の形態２による光走査装置の角速度と最大走査角との関係の一例を示すグラフである。
【図２１】直進時における従来技術の測距装置による走査経路と走査点とを示す模式図である。
【図２２】転回時における従来技術の測距装置による走査経路と走査点とを示す模式図である。
【図２３】空間分解能を悪化させることなく、角速度に応じて駆動周波数（フレームレート）を変更する方法を示すフローチャートである。
【図２４】本発明の実施の形態２の光走査装置による走査経路と走査点とを示す模式図である。
【図２５】本発明の実施の形態３による光走査装置の構成を示す模式図である。
【図２６】本発明の実施の形態３による光走査装置の基板の概略的な上面図である。
【図２７】図２６の基板の２次元走査ミラーをＸＸＶ−ＸＸＶ方向に見た概略的な断面図である。
【図２８】本発明の実施の形態３による光走査装置から出射される光ビームの光軸を示す模式図である。
【図２９】本発明の実施の形態３による光走査装置を搭載した車両を示す模式図である。
【図３０】本発明の実施の形態３の光走査装置による走査経路と走査点とを示す模式図である。
【図３１】振幅変化の周波数（フレームレート）を変化させずに図３０から最大走査角を増加させた場合の、本発明の実施の形態３の光走査装置による走査経路と走査点とを示す模式図である。
【図３２】空間分解能を悪化させることなく、加速度に応じて振幅変化の周波数（フレームレート）を変更する方法を示すフローチャートである。
【図３３】本発明の実施の形態３の光走査装置による走査経路と走査点とを示す模式図である。
【図３４】本発明の実施の形態４による光走査装置の構成を示す模式図である。
【図３５】本発明の実施の形態４による光走査装置の速度と最大走査角との関係の一例を示すグラフである。
【図３６】空間分解能を悪化させることなく、速度に応じて駆動周波数を変更する方法を示すフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
以下、本発明の実施の形態による光走査装置について、図面を参照して説明する。各実施の形態において、同一の構成には同一の符号を付して、説明を省略する。
【００１０】
実施の形態１．
図１は、全体が１００で表される、本発明の実施の形態１による光走査装置と、光走査装置１００を搭載した車両１５０を示す模式図である。図１に示すように、光走査装置１００は、典型的には、自動車などの車両１５０に搭載される。
【００１１】
光走査装置１００は、ビーム状のレーザ光（以下、「光ビーム」という。）を出射する光源１０１と、光源１０１から出射された光ビームが入射し、入射した光の一部を透過させ、他の部分を反射するビームスプリッタ１０４と、光源１０１から出射された光ビームがビームスプリッタ１０４を経由して入射する基板１０２とを備える。基板１０２は、光走査装置１００の加速度を検出するための加速度センサ１０５と、入射した光ビームの光軸の方向を変えることができる２次元走査ミラー１０６とを備える。光走査装置１００は、加速度センサ１０５によって検出された加速度に基づいて、２次元走査ミラー１０６の姿勢を制御する制御部１０３を更に備える。
【００１２】
本明細書には、説明の便宜のため、Ｘ軸、Ｙ軸およびＺ軸を導入する。図１に示すように、基板１０２の表面は、Ｘ方向と、Ｘ方向に垂直なＹ方向とに広がるものとする。Ｙ方向は、図１の紙面に垂直な方向である。Ｘ軸およびＹ軸に垂直な方向をＺ方向とする。以下の図には、光ビームの経路を破線で示す。
【００１３】
光源１０１は、例えば、レーザダイオード（ＬＤ）素子または発光ダイオード素子（ＬＥＤ）であるが、これに限定されない。また、光源１０１の後段（光源１０１とビームスプリッタ１０４との間）には、拡散した光を平行な光束に調整するコリメートレンズ（図示せず）が設けられてもよい。
【００１４】
基板１０２は、光源１０１から出射された光ビームの光軸が、ビームスプリッタ１０４を経由して、２次元走査ミラー１０６の中心を通るように配置される。これにより、光源１０１から出射された光ビームは、ビームスプリッタ１０４を透過して、２次元走査ミラー１０６の中心に入射する。２次元走査ミラー１０６で反射した光ビームは、再びビームスプリッタ１０４に入射する。ビームスプリッタ１０４に入射した光の少なくとも一部は、ビームスプリッタ１０４によって反射され、光走査装置１００からＸ方向に出射される。
【００１５】
図２は、基板１０２の概略的な上面図である。基板１０２の２次元走査ミラー１０６は、Ｘ軸の周りに回転可能に取り付けられた、光を反射するミラー部１１１と、平面視においてミラー部１１１から間隔を空けてミラー部１１１の周囲を取り囲むように、Ｙ軸の周りに回転可能に取り付けられたフレーム１１３とを含む。ミラー部１１１のＹ方向の両端は、可撓性を有し長手方向にたわむことができる梁１２０を介してフレーム１１３にそれぞれ接続されている。フレーム１１３のＸ方向の両方の外側端は、梁１２０を介して基板１０２にそれぞれ接続されている。
【００１６】
図３は、図２の基板１０２の２次元走査ミラー１０６をＩＩＩ−ＩＩＩ方向に見た概略的な断面図である。２次元走査ミラー１０６は、例えば、非導電性単結晶シリコンからなる支持層１４１と、支持層１４１の上に形成された絶縁層１４２と、絶縁層１４２の上に形成された活性層１４３とからなるＳＯＩ（Silicon on insulator）基板に形成される。絶縁層１４２は、例えばシリコン酸化膜である。活性層１４３は、例えば不純物添加により導電性を有する導電性単結晶シリコン層である。
【００１７】
２次元走査ミラー１０６の活性層１４３の上には、絶縁膜１２１が形成される。ミラー部１１１の絶縁膜１２１上には、表面で光を反射する反射膜１１５が形成されている。反射膜１１５は、例えばＡｕ（金）からなるが、これに限定されない。
【００１８】
梁１２０は、活性層１４３の一部である梁基礎１２５と、梁基礎１２５の上に形成された絶縁膜１２１と、絶縁膜１２１の上に形成された第１電極１２２と、第１電極１２２の上に形成された圧電膜１２３と、圧電膜１２３の上に形成された第２電極１２４とからなる。第１電極１２２は、例えばＰｔ（白金）からなる。圧電膜１２３は、例えばチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）からなる。第２電極１２４は、例えばＡｕ（金）からなる。
【００１９】
２次元走査ミラー１０６の梁１２０の第１電極１２２と第２電極１２４とは、電気的に絶縁されている。第１電極１２２と第２電極１２４は、別個の配線（図示せず）を介して、外部の電源（図示せず）にそれぞれ電気的に接続される。
【００２０】
圧電膜１２３の圧電材料は、厚み方向（Ｚ軸方向）の分極を有するように前処理されている。これにより、圧電膜１２３に下向き（Ｚ軸の負方向）の電界が印加された場合、圧電膜１２３が面内方向に伸び、梁１２０は、上に凸になるように反る。したがって、梁１２０の端部を下方に変位させることができる。逆に、圧電膜１２３に上向き（Ｚ軸の正方向）の電界が印加された場合、圧電膜１２３が面内方向に縮み、梁１２０は、下に凸になるように反る。これにより、梁１２０の端部を上方に変位させることができる。
【００２１】
このようにして、第１電極１２２および第２電極１２４に電位を与えて圧電膜１２３に電界を印加することにより、梁１２０をＺ方向に変形させて２次元走査ミラー１０６をＸ軸またはＹ軸の周りに回転させることができる。例えば、梁１２０とミラー部１１１との接続部および梁１２０とフレーム１１３との接続部（図２参照）がＺ方向に変位する。梁１２０とミラー部１１１との接続部がＺ方向に変位した場合、ミラー部１１１は、Ｘ軸の周りに回転する。梁１２０とフレーム１１３との接続部がＺ方向に変位した場合、ミラー部１１１は、（フレーム１１３がＹ軸の周りに回転するため）Ｙ軸の周りに回転する。
【００２２】
圧電膜１２３に印加される電界の方向によって伸縮を制御できるため、印加電圧の符号を制御して梁１２０の反りの方向を変えることができる。また、印加電圧の大きさを制御して反りの曲率を変えることができる。すなわち、印加電圧の正負、大きさによって梁１２０の変形を制御することができる。
【００２３】
Ｘ軸の正負方向からミラー部１１１を挟んで対向する位置に２つの梁１２０を設けることにより、ミラー部１１１をＹ軸の周りに回転させることができる。さらに、Ｙ軸の正負方向からミラー部１１１を挟んで対向する位置に２つの梁１２０を設けることにより、Ｙ軸の周りの回転と独立に、ミラー部１１１をＸ軸の周りに回転させることができる。
【００２４】
以上では、２次元走査ミラー１０６のミラー部１１１が、４本の梁１２０によって支持され、圧電膜１２３が、各梁１２０の上に設けられた例について説明した（図２および図３参照）。しかしながら、梁１２０の本数、配置および形状、並びに、圧電膜１２３の種類、配置および形状は、ミラー部１１１の傾斜角度を変えて光ビームの光軸の方向を変化させることができるものであればよく、前述したものに限定されない。
【００２５】
また、以上では、梁１２０上に設けられた圧電膜１２３に電界を印加して圧電膜１２３および梁１２０を変形させ、これによりミラー部１１１の傾斜角度を変化させる例について説明した（図３参照）。しかしながら、ミラー部１１１の傾斜角度を変化させる機構は、ミラー部１１１の傾斜角度を変えて光ビームの光軸の方向を変化させることができるものであればよく、前述したものに限定されない。例えば、電極に電圧を印加させることによって発生する静電引力、または磁界を印加しつつ基板上に配置された配線に電流を流すことによって発生する電磁力を利用して、ミラー部１１１の傾斜角度を変化させてもよい。
【００２６】
なお、図２では、２次元走査ミラー１０６のミラー部１１１の形状は、平面視において四角形であるが、これに限定されない。
【００２７】
ミラー部１１１は、Ｙ軸周りの振動について、機械的な固有の共振周波数（固有振動数とも呼ばれる）ｆｙｃを有する。一般的に、構造物を振動させる場合、その構造物の固有の共振周波数で振動させると、印加したエネルギーを効率よく振動に変換することができる。２次元走査ミラー１０６のミラー部１１１（図３参照）についても、軸周りに共振が生じるように、２次元走査ミラー１０６の各梁１２０の圧電膜１２３に印加される信号の駆動周波数を制御する。あるいは、逆に、軸周りに共振が生じるように、信号の駆動周波数にあわせて２次元走査ミラー１０６の各部の材質、形状および質量を設計する。これにより、共振が生じない場合に比べて、同じ印加電圧で大きな振幅を得ることができる。
【００２８】
一方、図４は、図２の基板１０２の加速度センサ１０５をＩＶ−ＩＶ方向に見た概略的な断面図である。図５は、図２の基板１０２の加速度センサ１０５をＶ−Ｖ方向に見た概略的な断面図である。図２、図４および図５を参照すると、基板１０２の加速度センサ１０５は、慣性質量体１３１と、慣性質量体１３１をＸ方向両側から挟み込むように配置され、慣性質量体１３１を基板１０２の面内方向（すなわちＸ方向）に変位可能に支持する２つの梁１３２と、慣性質量体１３１をＹ方向両側から挟み込むように配置された櫛歯電極１３３とを含む。各櫛歯電極１３３は、基板１０２にそれぞれ接続された複数の固定櫛歯電極１３４と、慣性質量体１３１にそれぞれ接続された複数の可動櫛歯電極１３５とからなる。固定櫛歯電極１３４と可動櫛歯電極１３５は、Ｘ方向に交互に近接して並び、静電容量を形成する。
【００２９】
加速度センサ１０５の固定櫛歯電極１３４と可動櫛歯電極１３５とは、電気的に絶縁されている。固定櫛歯電極１３４と可動櫛歯電極１３５は、別個の導電性基板（図示せず）に電気的にそれぞれ接続され、各導電性基板に電気的に接続されたボンディングパッド（図示せず）を経由して、外部の電気回路（図示せず）にそれぞれ電気的に接続される。
【００３０】
光走査装置１００がＸ方向に加速または減速した場合、慣性質量体１３１にしたがって可動櫛歯電極１３５が、固定櫛歯電極１３４に対して相対的にＸ方向に変位する。これにより、固定櫛歯電極１３４と可動櫛歯電極１３５との間の静電容量が変化する。慣性質量体１３１の変位量は、その加速度に依存するので、上記の静電容量を測定することにより、光走査装置１００の加速度を検出することができる。
【００３１】
以上の説明では、加速度センサ１０５は、固定櫛歯電極１３４と可動櫛歯電極１３５とを有し、静電容量の変化に基づいて光走査装置１００の加速度を検出するものであった。しかしながら、電極の形状は、櫛歯状のものに限定されず、電極の数および配置も、図２および図５を参照して前述したものに限定されない。また、光走査装置１００の加速度の検出手段は、静電容量の変化に基づくものに限定されない。例えば、慣性質量体１３１を単結晶シリコンからなる梁で支持し、梁上に不純物拡散等の手段によって歪みゲージを形成し、ピエゾ抵抗効果を利用して慣性質量体１３１に印加された慣性力を検出することによって、光走査装置１００の加速度を検出することができる。
【００３２】
また、以上の説明では、図２および図４に示すように、加速度センサ１０５は、慣性質量体１３１をＸ方向両側から挟み込むように配置され、慣性質量体１３１をＸ方向に変位可能に支持する２つの梁１３２を有するものであった。しかしながら、梁１３２の数、配置および形状は、前述のものに限定されず、慣性質量体１３１を変位可能に支持できるものであればよい。
【００３３】
次に、光走査装置１００の製造方法について説明する。
【００３４】
加速度センサ１０５および２次元走査ミラー１０６は、例えば、基板上に成膜、パターニングおよびエッチングなどのプロセスを繰り返し行う、いわゆる半導体微細加工技術またはＭＥＭＳデバイス技術を用いて製造される。図６は、加工前のＳＯＩ基板１４０の模式的な断面図である。ＳＯＩ基板１４０は、非導電性単結晶シリコンからなる支持層１４１と、支持層１４１の上に形成された絶縁層１４２と、絶縁層１４２の上に形成された活性層１４３とからなる。絶縁層１４２は、例えばシリコン酸化膜である。活性層１４３は、例えば、不純物添加により導電性を有する導電性単結晶シリコン層である。
【００３５】
例えば、２次元走査ミラー１０６（図３参照）および加速度センサ１０５（図４および図５参照）の構造は、ＳＯＩ基板１４０（図６参照）に対して以下のステップ１〜ステップ６を施すことにより得られる。
ステップ１：ＳＯＩ基板１４０の活性層１４３上に絶縁膜１２１（例えばシリコン酸化膜）を形成してパターニングする。
ステップ２：絶縁膜１２１上に第１電極１２２（例えばＰｔ）を形成してパターニングする。
ステップ３：第１電極１２２状に圧電膜１２３（例えばＰＺＴ膜）を形成してパターニングする。
ステップ４：圧電膜１２３上に第２電極１２４（例えばＡｕ）を形成してパターニングする。
ステップ５：ＳＯＩ基板１４０の支持層１４１および活性層１４３の一部をエッチングする。
ステップ６：絶縁膜１２１の所望の一部をエッチングする。
【００３６】
しかし、光走査装置１００の製造方法は、ＳＯＩ基板１４０の加工に限定されず、同一基板に加速度センサ１０５および２次元走査ミラー１０６を形成できるものであればよい。例えば、単結晶シリコン基板上にアニールによって熱酸化膜を形成した後で導電性の多結晶シリコン層を形成し、その後、この基板に上記のステップ１〜ステップ６を実施してもよい。
【００３７】
さらに、２次元走査ミラー１０６は、前述のような半導体微細加工技術によって製造されたいわゆるＭＥＭＳミラーに限定されない。加速度センサ１０５も、ＭＥＭＳ加速度センサに限定されない。例えば、加速度センサ１０５は、ばねと錘からなる機械的な加速度センサ、または慣性質量体１３１（例えば図２参照）の変位を光学的に検出する加速度センサであってもよい。
【００３８】
以上では、梁１２０に比べて２次元走査ミラー１０６のミラー部１１１の厚みが大きい例について説明した（図３参照）。これは、２次元走査ミラー１０６のミラー部１１１の反射膜１１５のたわみを可能な限り小さくするためである。しかしながら、ミラー部１１１は、その傾斜角度を変えることにより光ビームの光軸の方向を変化させることができるものであればよく、２次元走査ミラー１０６のミラー部１１１の厚さは、上記で説明したものに限定されない。
【００３９】
以下、光走査装置１００の動作について説明する。
【００４０】
図７は、２次元走査ミラー１０６のミラー部１１１の傾斜角と、ミラー部１１１に反射された光ビームの進行方向との関係を示す模式図である。ミラー部１１１が水平な状態からθ／２だけ傾いた場合、ミラー部１１１の法線もθ／２だけ傾くので、反射光の光軸と入射光の光軸がなす角度はθとなる。
【００４１】
再び図１を参照する。２次元走査ミラー１０６のミラー部１１１をＸ軸の周りに回転させると、ミラー部１１１で反射されてビームスプリッタ１０４に向かう光ビームの進行方向は、ＹＺ平面内を動く。したがって、ビームスプリッタ１０４によって反射され、光走査装置１００からＸ方向に出射された光ビームの進行方向は、ＸＹ平面内を動く。同様に、２次元走査ミラー１０６のミラー部１１１をＹ軸の周りに回転させると、光走査装置１００からＸ方向に出射された光ビームの進行方向は、ＺＸ平面内を動く。
【００４２】
２次元走査ミラー１０６の各梁１２０の圧電膜１２３（図３参照）に印加される電圧をそれぞれ制御することにより、ミラー部１１１を一定の周波数でＸ軸の周りに振動させるとともに、一定の周波数でＹ軸の周りに振動させることができる。各周波数を制御することにより、光走査装置１００から出射された光ビームによる走査を行うことができる。
【００４３】
図８は、光走査装置１００から出射された光ビームによる走査範囲（角度）を示す模式図である。光ビームは、光走査装置１００からＸ方向に出射され、Ｙ軸方向に最大走査角θｙの範囲内を走査し、Ｚ軸方向に最大走査角θｚの範囲内を走査する。したがって、光走査装置１００から出射された光ビームは、模式的には、図８に示された四角形の範囲内を走査することができる。最大走査角θｙ、θｚは、圧電膜１２３（図３参照）に印加される電圧（以下、「駆動電圧」という。）Ｖの大きさと符号によって制御される。
【００４４】
図９は、図８の走査範囲内を走査する光ビームの走査経路の例を示す模式図である。図９には、光走査装置１００から一定の間隔で出射されたパルス状のレーザ光が照らす走査点を、模式的に黒丸で示している。また、図９には、説明の便宜上、光ビームの軌跡を実線で示している。前述のように、２次元走査ミラー１０６のミラー部１１１をＹ軸の周りに回転させると、光走査装置１００からＸ方向に出射された光ビームは、ＺＸ平面内を動き、紙面に向かって縦（主走査方向）の１列を走査する。ミラー部１１１をＸ軸の周りに回転させると、光走査装置１００からＸ方向に出射された光ビームは、ＸＹ平面内を動き、光ビームの走査経路は横（副走査方向）に動く。２次元走査ミラー１０６のミラー部１１１のＸ軸周りの回転とＹ軸周りの回転とを組み合わせることにより、模式的には、図９のような走査点のマトリクスが実現される。
【００４５】
２次元走査ミラー１０６のミラー部１１１のＸ軸周りの振動の周波数をｆｘとし、Ｙ軸周りの振動の周波数をｆｙとする。次の式（１）および式（２）のように周波数を設定することにより、図９に示したような走査を行うことができる。
【００４６】
ｆｙ＝ｆｙｃ                ・・・（１）
ｆｘ＝ｆｙ／ｎ              ・・・（２）
【００４７】
ここで、ｎは、次の式（３）によって定まる整数である。
【００４８】
ｎ＝θｙ／Ｒｙ                ・・・（３）
ここで、Ｒｙは、図９の走査点のマトリクスにおける列（主走査線）とその隣の列（主走査線）との間の角度間隔（以下、「空間分解能」という。）である。
【００４９】
式（１）〜式（３）から、次の式（４）が導かれる。
【００５０】
ｆｘ×（θｙ／Ｒｙ）＝ｆｙｃ        ・・・（４）
【００５１】
式（１）および式（２）が満たされている場合、光走査装置１００は、周期１／ｆｘで、同じ方向を走査する（すなわち、光ビームにより図９中の同じ走査点を周期的に照射する）ことができる。以下、２次元走査ミラー１０６のミラー部１１１のＸ軸周りの振動の周波数ｆｘを、「駆動周波数」または「フレームレート」と呼ぶ。
【００５２】
上記のように、光走査装置１００は、光ビームを走査することができるので、光走査装置１００とその周囲にある物との距離を測定し、周囲の状況を認識する測距装置に適用できる。例えば、車両１５０（図１参照）がＸ方向に走行した場合、光走査装置１００は、進行方向の測距を行い、進行方向の障害物の有無を確認することができる。
【００５３】
一般的に、車両が加速する場合、例えば、停車している車両が発進する場合、今後走行速度が大きくなるため、車両に搭載された測距装置は、遠方を高い空間分解能で走査することが望ましい。一方、車両が減速する場合、例えば走行している車両が停止する場合、今後走行速度が小さくなり、車両の進行方向が急変更する可能性が高くなるため、車両に搭載された測距装置は、特に水平方向について、広範囲を走査することが望ましい。
【００５４】
そこで、従来から、図１０に示すように、加速度が正（加速）の場合に最大走査角θｙを小さくし、加速度が負（減速）の場合に最大走査角θｙを大きくするように、車両の加速度Ａｘに応じて最大走査角θｙを変化させることが行われて来た。図１０は、加速度Ａｘに応じて最大走査角θｙを調整する場合の、加速度Ａｘと最大走査角θｙとの関係の一例を示している。図１０のグラフは、最大走査角θｙが、加速度Ａｘ１時（加速時）はθｙ１に、加速度Ａｘ２時（減速時）はθｙ２（＞θｙ１）に調整されることを示している。
【００５５】
図１１は、加速時（図１０の加速度Ａｘ１時）における従来技術の測距装置による走査経路と走査点とを示す模式図である。図１１に示すように、この場合の空間分解能Ｒｙは、Ｒｙ１である。図１２は、減速時（図１０の加速度Ａｘ２時）における従来技術の測距装置による走査経路と走査点とを示す模式図である。この場合の空間分解能Ｒｙは、Ｒｙ２である。減速の場合を示す図１２では、加速の場合を示す図１１に比べて、Ｙ方向の走査点が疎になり、空間分解能Ｒｙが悪化している（すなわち、Ｒｙ１＜Ｒｙ２）。このように、先行技術には、最大走査角θｙを広げた場合に空間分解能Ｒｙが悪化する問題があった。
【００５６】
そこで、実施の形態１による光走査装置１００は、車両１５０の加速度Ａｘに応じて最大走査角θｙを変更しても空間分解能Ｒｙが悪化しないように、駆動周波数（フレームレート）ｆｘを制御する。
【００５７】
最大走査角θｙを変更しても空間分解能Ｒｙを一定に保ちたい場合、Ｒｙもｆｙｃも定数であるから、式（４）から、ｆｘ×θｙが一定となるように駆動周波数（フレームレート）ｆｘを制御すればよい。例えば、最大走査角θｙが２倍になった場合、駆動周波数（フレームレート）ｆｘを１／２にすれば、空間分解能Ｒｙが一定に保たれる。
【００５８】
図１３は、空間分解能Ｒｙを悪化させることなく、加速度Ａｘに応じて駆動周波数（フレームレート）ｆｘを変更する方法を示すフローチャートである。変更前は、駆動周波数（フレームレート）ｆｘ＝ｆｘ１、駆動電圧Ｖ＝Ｖｙ１、最大走査角θｙ＝θｙ１である。まず、ステップＳ１０で、光走査装置１００の加速度センサ１０５（図１および図２参照）は、Ｘ方向の加速度Ａｘを検出する。
【００５９】
次のステップＳ１１では、制御部１０３（図１参照）が、検出された加速度Ａｘに基づき、変更後の最大走査角θｙ２を決定する。例えば、加速度Ａｘがマイナスである場合（減速時）、θｙ２＞θｙ１となるようにする。
【００６０】
次に、ステップＳ１２において、制御部１０３は、変更前の最大走査角θｙ１に対する変更後の最大走査角θｙ２の比率（最大走査角の変化率）ｍ（ｍ＝θｙ２／θｙ１）を算出する。
【００６１】
最後に、ステップＳ１３において、制御部１０３は、最大走査角をθｙ２に変更するために駆動電圧をＶｙ２（＝ｍＶｙ１）に設定するとともに、式（４）の関係を維持するために駆動周波数（フレームレート）をｆｘ２（＝ｆｘ１／ｍ）に変更する。
【００６２】
図１４は、このように駆動周波数ｆｘを調整した本発明の実施の形態１の光走査装置１００による走査経路と走査点とを示す模式図である。図１４は、ｍ＝２の場合、すなわち最大走査角θｙを２倍に広げた場合の例を示している。図１４では、空間分解能ＲｙはＲｙ１であり、加速時の空間分解能（図１１参照）から変化していないことがわかる。
【００６３】
以上のように、本発明の実施の形態１による光走査装置１００は、加速度Ａｘに基づいて光ビームの最大走査角θｙを制御するとともに、駆動周波数（フレームレート）ｆｘを制御することによって、最大走査角θｙを変化させても空間分解能Ｒｙを一定に保つことができる。
【００６４】
また、空間分解能Ｒｙを一定に保つために、他の方法が採用されてもよい。例えば、進行方向の特定の物体について、高いフレームレートでその挙動を検出したい場合には、目的の駆動周波数（フレームレート）ｆｘに基づき、最大走査角θｙを制御することで空間分解能Ｒｙを一定に保つことができる。
【００６５】
図１５は、空間分解能Ｒｙを悪化させることなく、駆動周波数（フレームレート）ｆｘに基づいて最大走査角θｙを制御する方法を示すフローチャートである。変更前は、駆動周波数（フレームレート）ｆｘ＝ｆｘ１、駆動電圧Ｖ＝Ｖｙ１、最大走査角θｙ＝θｙ１である。まず、ステップＳ１５で、光走査装置１００の加速度センサ１０５（図１および図２参照）は、Ｘ方向の加速度Ａｘを検出する。
【００６６】
次のステップＳ１６では、制御部１０３（図１参照）が、検出された加速度Ａｘに基づき、変更後の駆動周波数（フレームレート）ｆｘ２を決定する。例えば、図１６に示すように、加速度Ａｘが正である場合（加速時）、ｆｘ２＞ｆｘ１となるようにする。
【００６７】
次に、ステップＳ１７において、制御部１０３は、変更前の駆動周波数（フレームレート）ｆｘ１に対する変更後の駆動周波数（フレームレート）ｆｘ２の比率（駆動周波数の変化率）ｌ（ｌ＝ｆｘ２／ｆｘ１）を算出する。
【００６８】
最後に、ステップＳ１８において、制御部１０３は、式（４）の関係を維持するために最大走査角をθｙ２（＝θｙ１／ｌ）に変更する。最大走査角をθｙ２（＝θｙ１／ｌ）に変更するには、駆動電圧をＶｙ２（＝Ｖｙ１／ｌ）に設定すればよい。
【００６９】
実施の形態１による光走査装置１００では、加速度センサ１０５と２次元走査ミラー１０６とは、同一の基板１０２に形成されている（図１および図２参照）。したがって、光走査装置１００は、車両１５０（図１参照）などの装置に取り付ける際に、互いの相対位置を調整することが不要であるという利点を有する。もっとも、本発明はこれに限定されず、加速度センサ１０５および２次元走査ミラー１０６は、異なる基板に形成されてもよい。
【００７０】
以上では、Ｘ軸周りの振動の駆動周波数ｆｘが、Ｙ軸周りの振動の駆動周波数ｆｙの１／ｎであり（式（２）参照）、かつ、ｎが整数である場合について説明した。しかし、ｎは、整数に限定されない。ｎが整数でない場合、光ビームの走査経路はいわゆるリサージュ図形になり、光ビームが同じ走査点を照らす周期は、１／ｆｘではなく、ｆｘとｆｙとの最小公倍数の逆数となる。この場合であっても、前述の説明と同様に、駆動周波数（フレームレート）ｆｘを制御することによって、空間分解能Ｒｙの変化を抑える効果が得られる。
【００７１】
以上では、車両１５０（図１参照）の進行方向は、Ｘ軸方向であったが、これに限定されない。また、２次元走査ミラー１０６のミラー部１１１は、車両１５０の進行方向（Ｘ方向）に垂直なＹ軸周りに共振するものであったが、これに限定されず、別の方向の周りに共振して回転変位するものであってもよい。
【００７２】
以上では、加速度センサ１０５は、光走査装置１００の進行方向の加速度を検出するものであったが、これに限定されず、例えば光走査装置１００の進行方向に直交する方向の加速度を検出するものであってもよい。また、加速度センサ１０５は、２軸以上の方向の加速度を検出できるものであってもよい。これにより、例えば、光走査装置１００の進行方向に直交するＹ軸方向やＺ軸方向の揺れを検出し、揺れの大きさに応じて最大走査角を調整することができる。
【００７３】
以上では、２次元走査ミラー１０６のミラー部１１１のＹ軸周りの振動の周波数ｆｙを、固有の共振周波数ｆｙｃとした（式（１）参照）。しかし、本発明の実施の形態１はこれに限定されず、ｆｙは、ｆｙｃの近傍の周波数であってもよい。確かに、ｆｙが共振周波数ｆｙｃに等しい場合に、印加電圧を最も効率よく振動に変換することができるが、ｆｙが共振周波数ｆｙｃの近傍であっても、同じ印加電圧で比較的大きな振幅を得ることができる。
【００７４】
以上では、図１０に示すように、光走査装置１００の加速度Ａｘの変化に対して、最大走査角θｙが一様に変化する（θｙがＡｘの一次関数として表される）ものとして説明したが、本発明の実施の形態１はこれに限定されず、加速度Ａｘに応じて最大走査角θｙが決定されるものであればよい。
【００７５】
＜変形例＞
図１７は、全体が１８０で表される、本発明の実施の形態１の第１変形例による光走査装置の構成を示す模式図である。この変形例では、ビームスプリッタが設けられておらず、光源１０１から出射した光ビームは、ビームスプリッタを経ずに２次元走査ミラー１０６に入射される。
【００７６】
図１８は、全体が１９０で表される、本発明の実施の形態１の第２変形例による光走査装置の構成を示す模式図である。この変形例も、ビームスプリッタを備えていないが、代わりに２次元走査ミラー１０６から入射した光ビームを反射する固定ミラー１０９を備える。
【００７７】
第１変形例および第２変形例も採用しても、本発明の実施の形態１は同様の効果を達成できるため、部材配置の自由を増すことができる。なお、第１変形例および第２変形例は、後述の本発明の実施の形態２、実施の形態３および実施の形態４にも適用できる。
【００７８】
実施の形態２．
図１９は、全体が２００で表される、本発明の実施の形態２による光走査装置の構成を示す模式図である。以下、特に説明しない限り、実施の形態１と同一の構成には同一の符号を付し、説明を省略する。
【００７９】
光走査装置２００は、実施の形態１と異なり、加速度センサではなく角速度センサ２０７を備える。角速度センサ２０７は、鉛直軸（Ｚ軸）の周りの角速度（以下、単に「角速度」という。）Ωｚを検出することができる。
【００８０】
図１９では、基板２０２には、２次元走査ミラー１０６のみが形成され、角速度センサ２０７は、基板２０２と別個に設けられている。しかしながら、本発明の実施の形態２はこれに限定されず、角速度センサ２０７も、ＭＥＭＳ技術を用いて基板２０２に形成されてもよい。
【００８１】
光走査装置２００も、実施の形態１と同様に、車両（図示せず）に搭載されて利用されてもよい。
【００８２】
一般的に、車両が直進している場合、車両に搭載された測距装置は、進行方向の遠方を高い空間分解能で走査することが望ましい。一方、車両が、左折、右折またはカーブする場合には、広く周囲の状況を認識する必要があるため、車両に搭載された測距装置は、広範囲を走査することが望ましい。そこで、従来から、図２０に示すように、角速度Ωｚの絶対値が小さい場合に最大走査角θｙを小さくし、角速度Ωｚの絶対値が大きい場合に最大走査角θｙを大きくするように、車両の角速度Ωｚに応じて最大走査角θｙを変化させることが行われて来た。
【００８３】
図２０は、角速度Ωｚに応じて最大走査角θｙを調整する場合の、角速度Ωｚと最大走査角θｙとの関係の一例を示している。車両が直進している場合、角速度Ωｚは０である。車両が右に転回している場合、例えば右折している場合、角速度Ωｚは正の値を示す。車両が左に転回している場合、例えば左折している場合、角速度Ωｚは負の値を示す。図２０のグラフは、最大走査角θｙが、角速度Ωｚ＝０の場合（直進時）はθｙ１に、角速度Ωｚ＝Ωｚ２の場合はθｙ２（＞θｙ１）に調整されることを示している。
【００８４】
図２１は、直進時（角速度Ωｚ＝０）における従来技術の測距装置による走査経路と走査点とを示す模式図である。図２２は、転回時（図２０のΩｚ＝Ωｚ２の場合）における従来技術の測距装置による走査経路と走査点とを示す模式図である。転回の場合を示す図２２では、直進の場合を示す図２１に比べて、Ｙ方向の走査点が疎になり、空間分解能が悪化している。このように、先行技術には、直進時に比べて転回時の空間分解能が悪化する問題があった。
【００８５】
そこで、本発明の実施の形態２による光走査装置２００では、実施の形態１と同様に、車両の角速度Ωｚに応じて最大走査角θｙを変更しても空間分解能Ｒｙが悪化しないように（すなわち、式（４）から、ｆｘ×θｙが一定となるように）、駆動周波数（フレームレート）ｆｘを制御する。
【００８６】
図２３は、空間分解能Ｒｙを悪化させることなく、角速度Ωｚに応じて駆動周波数（フレームレート）ｆｘを変更する方法を示すフローチャートである。変更前は、駆動周波数（フレームレート）ｆｘ＝ｆｘ１、駆動電圧Ｖ＝Ｖｙ１、最大走査角θｙ＝θｙ１である。まず、ステップＳ２０で、光走査装置２００の角速度センサ２０７（図１９参照）は、Ｚ軸周りの角速度Ωｚを検出する。
【００８７】
次のステップＳ２１では、制御部１０３（図１９参照）が、検出された角速度Ωｚに基づき、変更後の最大走査角θｙ２を決定する。
【００８８】
次に、ステップＳ２２において、制御部１０３は、変更前の最大走査角θｙ１に対する変更後の最大走査角θｙ２の比率（最大走査角の変化率）ｍ（ｍ＝θｙ２／θｙ１）を算出する。
【００８９】
最後に、ステップＳ２３において、制御部１０３は、最大走査角をθｙ２に変更するために駆動電圧をＶｙ２（＝ｍＶｙ１）に設定するとともに、式（４）の関係を維持するために駆動周波数（フレームレート）をｆｘ２（＝ｆｘ１／ｍ）に変更する。
【００９０】
図２４は、このように駆動周波数ｆｘを調整した本発明の実施の形態２の光走査装置１００による走査経路と走査点とを示す模式図である。図２４は、ｍ＝２の場合、すなわち最大走査角θｙを２倍に広げた場合の例を示している。図２４では、空間分解能ＲｙはＲｙ１であり、直進時の空間分解能（図２１参照）から変化していないことがわかる。
【００９１】
以上のように、本発明の実施の形態２による光走査装置２００は、角速度Ωｚに基づいて光ビームの最大走査角θｙを制御するとともに、駆動周波数（フレームレート）ｆｘを制御することによって、最大走査角θｙを変化させても空間分解能Ｒｙを一定に保つことができる。
【００９２】
以上では、角速度センサ２０７（図１９参照）は、光走査装置２００の鉛直方向の周りの角速度を検出するものであったが、これに限定されず、例えば鉛直方向に直交する軸の周りの角速度を検出するものであってもよい。また、角速度センサ２０７は、２軸以上の方向の周りの角速度をそれぞれ検出できるものであってもよい。例えば、角速度センサ２０７が光走査装置２００の水平面内の軸の周りの回転を検出するものであってもよい。
【００９３】
以上では、図２０に示すように、光走査装置２００の角速度Ωｚの変化に対して、最大走査角θｙが一様に変化するものとして説明したが、本発明の実施の形態２はこれに限定されず、角速度Ωｚに応じて最大走査角θｙが決定されるものであればよい。
【００９４】
実施の形態３．
図２５は、全体が３００で表される、本発明の実施の形態３による光走査装置の構成を示す模式図である。以下、特に説明しない限り、実施の形態１または実施の形態２と同一の構成には同一の符号を付し、説明を省略する。
【００９５】
光走査装置３００の光源１０１から出射された光ビームは、基板３０２に設けられた２次元走査ミラー３０６によって反射され、その後、走査角変換手段３０８によって反射され、光走査装置３００から出射される。走査角変換手段３０８は、鉛直軸（Ｚ軸）を中心軸とする逆円錐台形状を有し、光ビームは、走査角変換手段３０８の円錐面３０９で反射される。
【００９６】
図２６は、基板３０２の概略的な上面図である。基板３０２は、光走査装置３００の加速度を検出するための加速度センサ１０５と、入射した光ビームの光軸の方向を変えることができる２次元走査ミラー３０６とを備える。２次元走査ミラー３０６は、ミラー部１１１と、ミラー部１１１のＸ方向の両端およびＹ方向の両端の４点にそれぞれ接続され、ミラー部１１１を支持する４本の梁３２１〜３２４とを備える。ミラー部１１１のＸ方向の両端およびＹ方向の両端は、それぞれ梁３２１〜３２４を介して基板３０２に接続されている。実施の形態１と異なり、２次元走査ミラー３０６には、フレーム（図２のフレーム１１３参照）が設けられていない。
【００９７】
図２７は、図２６の基板３０２の２次元走査ミラー３０６をＸＸＶ−ＸＸＶ方向に見た概略的な断面図である。梁３２１、３２３（および図２７には示されていない梁３２２、３２４）は、それぞれ、図３を参照して説明した実施の形態１の梁１２０と同様のものであり、活性層１４３の一部である梁基礎１２５と、梁基礎１２５の上に形成された絶縁膜１２１と、絶縁膜１２１の上に形成された第１電極１２２と、第１電極１２２の上に形成された圧電膜１２３と、圧電膜１２３の上に形成された第２電極１２４とからなる。
【００９８】
以下、図２５〜図２７を参照して、光源１０１から出射された光ビームの進行経路について説明する。同じ周波数および同じ振幅を有するが、位相が互いに異なる正弦波の電圧を、梁３２１〜３２４（図２６）の第１電極１２２と第２電極１２４（図２７）を介して、圧電膜１２３に印加する。例えば、梁３２１の圧電膜１２３に正弦波の電圧Ｖ（ｔ）を印加した場合、梁３２２の圧電膜１２３には、Ｖ（ｔ）より位相が９０度（π／２）遅れた正弦波の電圧Ｖ（ｔ−π／２）を印加し、梁３２３の圧電膜１２３には、更に位相が９０度遅れた正弦波の電圧Ｖ（ｔ−π）を印加し、梁３２４の圧電膜１２３には、更に位相が９０度遅れた正弦波の電圧Ｖ（ｔ−３π／２）を印加する。
【００９９】
各梁３２１〜３２４は、印加電圧に応じてＺ方向に変位するため、上記のように位相が互いに異なる正弦波の電圧を各梁３２１〜３２４の圧電膜１２３にそれぞれ印加することにより、ミラー部１１１は、ミラー部１１１の表面の法線がミラー部１１１の中央を中心とする歳差運動（首振り運動）を行うように動く。これにより、ミラー部１１１の表面の中央の法線は、ミラー部１１１の表面の中央を頂点とする逆円錐を描く。
【０１００】
この逆円錐の頂角がθ／２となるようにミラー部１１１が首振り運動をしている場合、基板３０２に垂直にビーム光を入射すると、図２５に破線で示したように、反射された光ビームの光軸は、頂角がθである逆円錐を描くような首振り運動を行う。
【０１０１】
ミラー部１１１は、首振り運動について、機械的な固有の共振周波数ｆｏｃを有する。一般的に、構造物に首振り運動をさせる場合、その構造物の固有の共振周波数で振動させると、印加したエネルギーを効率よく振動に変換することができる。
【０１０２】
再び図２５を参照すると、２次元走査ミラー３０６のミラー部１１１で反射された光ビームは、その後、走査角変換手段３０８の円錐面３０９で反射され、光走査装置３００から出射される。水平面（ＸＹ平面）と走査角変換手段３０８の円錐面３０９とがなす角度ηと光ビームの光軸が描く逆円錐の頂角θとの間に次の式（５）に示された関係があれば、光走査装置３００から出射された光ビームの光軸は、水平面にあることになる。
【０１０３】
θ＋２η＝９０°              ・・・（５）
【０１０４】
さらに、梁３２１〜３２４の圧電膜１２３（図２７参照）に印加する駆動電圧Ｖの最大振幅ＶＡを変える（ＶＡ＋ΔＶＡに変更する、以下、ΔＶＡを「振幅変化量」という。）ことにより、光ビームの光軸が描く逆円錐の頂角θを変化させることができる。これにより、図２８に示すように、光走査装置３００から出射された光ビームの光軸が水平面から上下方向に移動するように走査することができる。
【０１０５】
以上のように、実施の形態３の光走査装置３００は、水平方向の全周囲を走査することができる利点を有する。
【０１０６】
図２９は、光走査装置３００を搭載した車両３５０を示す模式図である。光走査装置３００は、水平方向の全周囲を走査することができるため、車両３５０に搭載された周囲の状況を認識する測距装置に有利に適用できる。
【０１０７】
以下、光走査装置３００の動作について説明する。
【０１０８】
図３０は、実施の形態３の光走査装置３００による、走査範囲内を走査する光ビームの走査経路の例を示す模式図である。図３０には、光源１０１から一定の間隔で出射されたパルス状のレーザ光が照らす走査点が、模式的に黒丸で表されている。また、図３０には、説明の便宜上、光ビームの軌跡を実線で示している。
【０１０９】
制御部１０３（図２５および図２９参照）は、２次元走査ミラー３０６のミラー部１１１が固有の共振周波数ｆｏｃで首振り運動を行うように、各梁３２１〜３２４の圧電膜１２３（図２７参照）に正弦波の駆動電圧Ｖをそれぞれ印加する。駆動電圧Ｖの最大振幅ＶＡは、周波数ｆｒで増減するように制御される（以下、この周波数を「振幅変化の周波数」または「フレームレート」という。）。光走査装置３００は、水平方向の全周囲を走査することができるから、水平方向の最大走査角は３６０°である。図３０の走査点のマトリクスは、このようにして得られる。
【０１１０】
実施の形態１の場合と同様に、車両３５０（図２９参照）の進行方向の加速度Ａｘに応じて、駆動電圧Ｖの最大振幅ＶＡを変化させて最大走査角θｚを変化させる。最大走査角θｚを図３０のθｚ１からθｚ２（＞θｚ１）に増加させた場合において、振幅変化の周波数ｆｒを変化させないときは、光ビームの走査経路は、図３１のようになる。図３１では、最大走査角θｚが小さい場合を示す図３０に比べて、Ｚ方向の走査点が疎になり、空間分解能Ｒｚが悪化してしまう（図３０の空間分解能Ｒｚ１に比べて、図３１の空間分解能Ｒｚ２は悪化している）。
【０１１１】
そこで、本発明の実施の形態３による光走査装置３００では、車両３５０の加速度Ａｘに応じて最大走査角θｚを変更しても空間分解能Ｒｚが悪化しないように、以下の式（６）を用いて、振幅変化の周波数（フレームレート）ｆｒを制御する。
【０１１２】
ｆｒ×（θｚ／Ｒｚ）＝ｆｏｃ        ・・・（６）
【０１１３】
空間分解能Ｒｚを一定に保ちたい場合、Ｒｚもｆｏｃも定数であるから、式（６）から、ｆｒ×θｚが一定となるようにｆｒを制御すればよい。
【０１１４】
図３２は、空間分解能Ｒｚを悪化させることなく、加速度Ａｘに応じて振幅変化の周波数（フレームレート）ｆｒを変更する方法を示すフローチャートである。変更前は、振幅変化の周波数（フレームレート）ｆｒ＝ｆｒ１、振幅変化量ΔＶＡ＝ΔＶＡ１、最大走査角θｚ＝θｚ１である。まず、ステップＳ３０で、光走査装置３００の加速度センサ１０５（図２５参照）は、Ｘ方向の加速度Ａｘを検出する。
【０１１５】
次のステップＳ３１では、制御部１０３（図２５参照）が、検出された加速度Ａｘに基づき、変更後の最大走査角θｚ２を決定する。
【０１１６】
次に、ステップＳ３２において、制御部１０３は、変更前の最大走査角θｚ１に対する変更後の最大走査角θｚ２の比率（最大走査角の変化率）ｍ（ｍ＝θｚ２／θｚ１）を算出する。
【０１１７】
最後に、ステップＳ３３において、制御部１０３は、最大走査角をθｚ２に変更するために振幅変化量をΔＶＡ２（＝ｍΔＶＡ１）に設定するとともに、式（６）の関係を維持するために振幅変化の周波数（フレームレート）をｆｒ２（＝ｆｒ１／ｍ）に変更する。
【０１１８】
図３３は、このように振幅変化のｆｒを調整した本発明の実施の形態３の光走査装置３００による走査経路と走査点とを示す模式図である。図３３は、ｍ＝２の場合、すなわち最大走査角θｚを２倍に広げた場合の例を示している。図３３では、空間分解能ＲｚはＲｚ１であり、変更前の空間分解能（図３０参照）から変化していないことがわかる。
【０１１９】
以上では、加速度センサ１０５を備える光走査装置３００について説明したが、本発明の実施の形態３による光走査装置３００は、実施の形態２で説明した角速度センサを備え、角速度に基づいて最大走査角θｚと振幅変化の周波数（フレームレート）ｆｒとを決定するものであってもよい。
【０１２０】
以上のように、本発明の実施の形態３による光走査装置３００は、加速度または角速度に基づいて光ビームの最大走査角θｚを制御するとともに、駆動周波数（フレームレート）ｆｒを制御することによって、最大走査角θｚを変化させても空間分解能Ｒｚを一定に保つことができる。
【０１２１】
実施の形態４．
図３４は、全体が４００で表される、本発明の実施の形態４による光走査装置の構成を示す模式図である。以下、特に説明しない限り、実施の形態１、実施の形態２または実施の形態３と同一の構成には同一の符号を付し、説明を省略する。
【０１２２】
光走査装置４００は、実施の形態１と異なり、速度に基づいて２次元走査ミラー１０６の姿勢を制御する制御部４０３を備える。制御部４０３は、加速度センサ１０５によって検出されたＸ方向の加速度Ａｘを積分してＸ方向の速度ｖｘを導出する。
【０１２３】
光走査装置４００も、実施の形態１と同様に、車両（図示せず）に搭載されて利用されてもよい。
【０１２４】
一般的に、車両が高速で走行する場合、車両に搭載された測距装置は、遠方を高い空間分解能で走査することが望ましい。一方、車両が低速で走行する場合、例えば徐行する場合、右左折等により車両の進行方向が急変更する可能性が高いため、車両に搭載された測距装置は、特に水平方向について、広範囲を走査することが望ましい。
【０１２５】
そこで、従来から、図３５に示すように、高速の場合に最大走査角θｙを小さくし、低速の場合に最大走査角θｙを大きくするように、車両の速度ｖｘに応じて最大走査角θｙを変化させることが行われて来た。図３５は、速度ｖｘに応じて最大走査角θｙを調整する場合の、速度ｖｘと最大走査角θｙとの関係の一例を示している。図３５のグラフは、最大走査角θｙが、速度ｖｘ１時（高速時）はθｙ１に、速度ｖｘ２時（低速時、ｖｘ２＜ｖｘ１）はθｙ２（＞θｙ１）に調整されることを示している。
【０１２６】
従来技術の測距装置では、高速時における走査経路および走査点は、実施の形態１の図１１と同様になる。低速時における従来技術の測距装置による走査経路および走査点は、図１２と同様になる。このように、低速時の空間分解能は、高速時の空間分解能に比べて悪化してしまう。
【０１２７】
そこで、実施の形態４による光走査装置４００では、車両の速度ｖｘに応じて最大走査角θｙを変更しても空間分解能Ｒｙが悪化しないように（例えば、式（４）から、ｆｘ×θｙが一定となるように）、駆動周波数（フレームレート）ｆｘを制御する。
【０１２８】
図３６は、空間分解能Ｒｙを悪化させることなく、速度ｖｘに応じて駆動周波数（フレームレート）ｆｘを変更する方法を示すフローチャートである。変更前は、駆動周波数（フレームレート）ｆｘ＝ｆｘ１、駆動電圧Ｖ＝Ｖｙ１、最大走査角θｙ＝θｙ１である。まず、ステップＳ４０で、光走査装置４００の加速度センサによりＸ軸方向の加速度Ａｘを検出する。次に、ステップＳ４１にて、Ａｘの時間積分によりＸ軸方向の速度ｖｘを算出する。
【０１２９】
次のステップＳ４２では、制御部４０３が、算出された速度ｖｘに基づき、変更後の最大走査角θｙ２を決定する。
【０１３０】
次に、ステップＳ４３において、制御部４０３は、変更前の最大走査角θｙ１に対する変更後の最大走査角θｙ２の比率（最大走査角の変化率）ｍ（ｍ＝θｙ２／θｙ１）を算出する。
【０１３１】
最後に、ステップＳ４４において、制御部４０３は、最大走査角をθｙ２に変更するために駆動電圧をＶｙ２（＝ｍＶｙ１）に設定するとともに、式（４）の関係を維持するために駆動周波数（フレームレート）をｆｘ２（＝ｆｘ１／ｍ）に変更する。
【０１３２】
本実施の形態４では、制御部４０３は、加速度センサによって検出された加速度Ａｘの時間積分により速度を制御部にて算出したが、本発明はこれに限定されず、速度情報を得ることができればよい。例えば、光走査装置４００は図示しない速度センサを備え、速度センサによって速度を検出してもよい。速度センサは、例えば、車軸の回転数から速度情報を得るものであってもよい。
【０１３３】
以上のように、本発明の実施の形態４による光走査装置４００は、速度ｖｘに基づいて光ビームの最大走査角θｙを制御するとともに、駆動周波数（フレームレート）ｆｘを制御することによって、最大走査角θｙを変化させても空間分解能Ｒｙを一定に保つことができる。
【０１３４】
以上では、光走査装置４００の速度ｖｘの変化に対して、最大走査角θｙが一様に変化するものとして説明したが、本発明の実施の形態４はこれに限定されず、速度ｖｘに応じて最大走査角θｙが決定されるものであればよい。
【符号の説明】
【０１３５】
１００，２００，３００，４００  光走査装置、１０１  光源、１０２  基板、１０３  制御部、１０４  ビームスプリッタ、１０５  加速度センサ、１０６  ２次元走査ミラー、１０９  固定ミラー、１１１  ミラー部、１１３  フレーム、１１５  反射膜、１２０  梁、１２１  絶縁膜、１２２  第１電極、１２３  圧電膜、１２４  第２電極、１２５  梁基礎、１３１  慣性質量体、１３２  梁、１３３  櫛歯電極、１３４  固定櫛歯電極、１３５  可動櫛歯電極、１４０  ＳＯＩ基板、１４１  支持層、１４２  絶縁層、１４３  活性層、１５０  車両、２０２  基板、２０７  角速度センサ、３０２  基板、３０６  ２次元走査ミラー、３０８  走査角変換手段、３２１〜３２４  梁、３５０  車両。
【図１】
2019176204.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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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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【図２９】
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【図３０】
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【図３１】
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【図３２】
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【図３３】
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【図３４】
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【図３５】
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【図３６】
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【手続補正書】
【提出日】令和2年2月26日(2020.2.26)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光を発する光源と、
前記光源から入射した光を反射面で反射する走査ミラーであって、前記反射面内を通る第１軸と、前記第１軸に直交し、かつ前記反射面内を通る第２軸と、の周りにそれぞれ独立に振動可能な走査ミラーと、
前記走査ミラーの前記第１軸の周りの振動の第１周波数および第１振幅と、前記第２軸の周りの振動の第２周波数および第２振幅とを制御して、前記走査ミラーの反射面で反射された光を走査させる制御部と、
を備え、前記第１振幅に応じて変化する主走査方向の最大走査角と、前記主走査方向に直交し、前記第２振幅に応じて変化する副走査方向の最大走査角と、によって規定された走査範囲内を前記光源から発された光で走査する光走査装置であって、
前記光走査装置は、前記光走査装置内に印加された慣性力を検出する慣性力センサを更に備え、
前記制御部は、前記副走査方向の最大走査角と前記慣性力センサによって検出された前記慣性力とに基づいて、前記第２周波数を制御することを特徴とする光走査装置。
【請求項２】
前記慣性力センサは、前記光走査装置の加速度を検出する加速度センサであることを特徴とする請求項１に記載の光走査装置。
【請求項３】
前記制御部は、前記加速度センサによって検出された加速度が大きいほど、前記第２周波数または前記副走査方向の最大走査角が小さくなるように制御を行うことを特徴とする請求項２に記載の光走査装置。
【請求項４】
前記慣性力センサは、前記光走査装置の角速度を検出する角速度センサであることを特徴とする請求項１に記載の光走査装置。
【請求項５】
前記制御部は、前記角速度センサによって検出された角速度の絶対値が大きいほど、前記第２周波数または前記副走査方向の最大走査角が大きくなるように制御を行うことを特徴とする請求項４に記載の光走査装置。
【請求項６】
前記慣性力センサは、ＭＥＭＳセンサであることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の光走査装置。
【請求項７】
前記慣性力センサと前記走査ミラーとが同一の基板上に配置されたことを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の光走査装置。
【請求項８】
光を発する光源と、
前記光源から入射した光を反射面で反射する走査ミラーであって、前記反射面内を通る第１軸と、前記第１軸に直交し、かつ前記反射面内を通る第２軸と、の周りにそれぞれ独立に振動可能な走査ミラーと、
前記走査ミラーの前記第１軸の周りの振動の第１周波数および第１振幅と、前記第２軸の周りの振動の第２周波数および第２振幅とを制御して、前記走査ミラーの反射面で反射された光を走査させる制御部と、
を備え、前記第１振幅に応じて変化する主走査方向の最大走査角と、前記主走査方向に直交し、前記第２振幅に応じて変化する副走査方向の最大走査角と、によって規定された走査範囲内を前記光源から発された光で走査する光走査装置であって、
前記第１軸と前記第２軸との交点を通る前記走査ミラーの前記反射面の法線が前記交点を中心とする歳差運動を行うように、前記走査ミラーの前記第１軸の周りの振動の位相と前記第２軸の周りの振動の位相とが調整され、
前記制御部は、前記副走査方向の最大走査角に基づいて、前記第２周波数を制御することを特徴とする光走査装置。
【請求項９】
前記制御部は、前記第２周波数を制御するとともに、前記第２周波数に基づいて、前記第２振幅を制御することによって前記副走査方向の最大走査角を制御することを特徴とする請求項１又は８に記載の光走査装置。
【請求項１０】
前記制御部は、前記第２周波数と前記副走査方向の最大走査角との積が一定となるように、前記第２周波数または前記副走査方向の最大走査角を制御することを特徴とする請求項１〜９のいずれかに記載の光走査装置。
【請求項１１】
前記第２周波数と前記副走査方向の最大走査角との前記積は、前記第１周波数と隣接する主走査線間の角度間隔である空間分解能との積に等しいことを特徴とする請求項１０に記載の光走査装置。
【請求項１２】
前記第１軸と前記第２軸との交点を通る前記走査ミラーの前記反射面の法線が前記交点を中心とする歳差運動を行うように、前記走査ミラーの前記第１軸の周りの振動の位相と前記第２軸の周りの振動の位相とが調整されたことを特徴とする請求項１〜７のいずれかに記載の光走査装置。
【請求項１３】
前記副走査方向の最大走査角は、３６０°であることを特徴とする請求項１〜１２のいずれかに記載の光走査装置。
【請求項１４】
前記走査ミラーによって反射された光を更に反射する走査角変換手段を更に備えることを特徴とする請求項１〜１３のいずれかに記載の光走査装置。
【請求項１５】
前記制御部は、前記第１周波数の値を、前記走査ミラーの前記第１軸の周りの共振周波数に等しい値に設定することを特徴とする請求項１〜１４のいずれかに記載の光走査装置。
【請求項１６】
前記走査ミラーは、ＭＥＭＳ走査ミラーであることを特徴とする請求項１〜１５のいずれかに記載の光走査装置。
【請求項１７】
前記走査ミラーは、圧電駆動式の走査ミラーであることを特徴とする請求項１〜１６のいずれかに記載の光走査装置。
【請求項１８】
前記制御部は、前記光走査装置の速度に基づいて、前記第２周波数または前記副走査方向の最大走査角を制御することを特徴とする請求項１〜１７のいずれかに記載の光走査装置。
【請求項１９】
請求項１〜７のいずれかに記載の光走査装置を制御する方法であって、
前記慣性力センサによって前記慣性力を検出するステップと、
検出された前記慣性力に基づいて、前記走査ミラーの前記第２振幅を制御することによって前記副走査方向の最大走査角を制御するステップと、
を含む方法。
【請求項２０】
請求項１−１８のいずれかに記載の光走査装置を備えることを特徴とする測距装置。
【国際調査報告】
2019176204.tif 000039
2019176204.tif 000040
2019176204.tif 000041
2019176204.tif 000042