(57)【要約】【課題】ＨＵＤの画像には影響を与えず、また、逆分極の頻度を少なくして圧電膜の長寿命化ができるようにする。【解決手段】電源スイッチがオフのときに可変焦点ミラー１の逆分極を実行する。これにより、ＨＵＤの画像に影響を与えないように逆分極を行うことが可能となる。また、第１電圧Ｖ１が第１閾値Ｔｈ１よりも低下すると逆分極が行われるようにしつつ、逆分極後に、第１電圧Ｖ１が第２閾値Ｔｈ２に至るようにする。これにより、逆分極が高頻度で行われないようにすることが可能となり、圧電材料の寿命低下を抑制することも可能となる。【選択図】図１
2019039960.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
メンブレンを構成する基部（１１）と、前記基部の上に形成され、圧電膜（１２ｂ、１２ｄ）と該圧電膜の両側に配置された電極（１２ａ、１２ｃ、１２ｅ）とを有し、光ビームを反射させるミラー部（１２）と、を備える可変焦点ミラー（１）と、
前記圧電膜の両側に配置される電極間に所定の電圧を印加することにより、前記ミラー部を所定の曲率の球面状に屈曲させる制御部（３０）と、
屈曲させられた前記ミラー部の曲率を測定する曲率検出部（１３、２０）と、を有する車両におけるヘッドアップディスプレイにおける前記可変焦点ミラーの制御を行う可変焦点ミラーシステムであって、
前記制御部は、
前記可変焦点ミラーの駆動時には、第１電圧（Ｖ１）と該第１電圧よりも大きな第２電圧（Ｖ２）とに交互に切り替わる矩形波状の駆動電圧を前記電極間に印加し、前記第１電圧を印加することで前記ミラー部を第１曲率（Ｒ１）で屈曲させるとともに前記第２電圧を印加することで前記ミラー部を第２曲率（Ｒ２）で屈曲させつつ、前記曲率検出部での検出結果に基づいて、前記ミラー部の曲率が前記第１曲率となるように前記第１電圧を調整するとともに前記第２曲率となるように前記第２電圧を調整するフィードバック制御を行い、
さらに、前記第１電圧が第１閾値（Ｔｈ１）より低下すると、前記車両の電源スイッチがオフの際に、逆分極として、前記電極間に前記可変焦点ミラーの駆動時と逆の電界を発生させる直流電圧を印加することで、前記第１電圧が前記第１閾値よりも高い第２閾値（Ｔｈ２）に至るまで前記圧電膜の配向方向を調整する可変焦点ミラーシステム。
【請求項２】
前記制御部は、前記可変焦点ミラーの駆動時における前記第１電圧をログとして記憶すると共に、該ログに基づいて前記第１電圧の変化の近似曲線を求め、該近似曲線に基づいて、前記可変焦点ミラーの駆動が行える残りの使用可能期間が設定期間以上となるように前記第１閾値を設定する請求項１に記載の可変焦点ミラーシステム。
【請求項３】
前記制御部は、前記設定期間を、前記車両の使用状況もしくは車種に応じて求められる前記残りの使用可能期間に基づいて設定する請求項２に記載の可変焦点ミラーシステム。
【請求項４】
前記制御部は、前記近似曲線に基づいて、前記逆分極によって前記第２閾値に至った前記第１電圧が再び前記可変焦点ミラーの駆動によって前記第１閾値に低下すると想定される期間を求めると共に、該期間が前記逆分極後の前記可変焦点ミラーの使用要求期間以上となるように前記第２閾値を設定する請求項２または３に記載の可変焦点ミラーシステム。
【請求項５】
前記制御部は、前記使用要求期間を、前記車両の使用状況もしくは車種に応じて求められる前記残りの使用可能期間に基づいて設定する請求項４に記載の可変焦点ミラーシステム。
【請求項６】
前記制御部は、前記使用要求期間を、前記逆分極と該逆分極後の前記可変焦点ミラーの駆動の繰り返し回数が、前記車両の予想使用年数では前記可変焦点ミラーの耐久限界となる繰り返し回数未満となるように設定する請求項５に記載の可変焦点ミラーシステム。
【請求項７】
前記制御部は、前記逆分極を所定時間行ったのち前記可変焦点ミラーの駆動を行い、該駆動時に、前記曲率検出部での検出結果に基づいて前記第１電圧をモニタリングすると共に前記第１電圧のログを記憶することを複数回繰り返し、複数回のログに基づいて前記第１電圧が前記第２閾値に至るまでに掛かる前記逆分極の残時間を推定し、該残時間が経過するまで前記逆分極を継続する請求項１ないし４のいずれか１つに記載の可変焦点ミラーシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、可変焦点ミラーにおける曲率の調整を行う可変焦点ミラーシステムに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来より、レーザスキャン型ヘッドアップディスプレイ（以下、ＨＵＤという）の開発が進められている。ＨＵＤのレーザスキャンモジュール（以下、ＬＳＭという）では、レーザスポット径を調整してレーザスキャンが行われる。このため、ＨＵＤに反射光の焦点位置が変化する可変焦点ミラーを備えることで、レーザスポット径の調整を行っている。
【０００３】
例えば、可変焦点ミラーとしては、特許文献１に示されるものが挙げられる。この可変焦点ミラーは、デバイス層上に成膜されたシリコン酸化膜上に形成されており、圧電膜と圧電膜に電界を印加する電極とを有した構成とされている。より詳しくは、シリコン酸化膜の上に、下部電極、第１圧電膜、中間電極、第２圧電膜および上部電極が順に形成された構造とされている。
【０００４】
可変焦点ミラーに備えられる圧電膜は誘電体で構成されており、結晶粒に配向方向がある。電界を印加すると結晶粒はｃ軸方向に配向するため、ｃ軸方向に膨張し、ａ軸方向に縮小する。このときデバイス層は縮小しないため、デバイス層側において可変焦点ミラーの中心位置が突き出す、つまり可変焦点ミラーが上側でデバイス層が下側であるとすると、可変焦点ミラーが下に凸になるような変形をする。このように変形した可変焦点ミラーは球面状となるため、その最表面を凹面鏡として利用できる。
【０００５】
可変焦点ミラーでは、製造時に圧電膜の結晶粒の配向方向を揃えるため、ｃ軸方向に電界を印加し、分極処理を行い、分極処理後において、仕様電圧範囲で仕様の曲率可変範囲が得られるように設計する。具体的には、中間電極を接地電位にした状態で、上部電極および下部電極に対して第１電圧Ｖ１と第２電圧Ｖ２が交互に切り替わる矩形波状の駆動電圧を印加する。第１電圧Ｖ１は、可変焦点ミラーが第１曲率Ｒ１となるときの電圧、第２電圧Ｖ２は、可変焦点ミラーが第１曲率Ｒ１よりも大きな第２曲率Ｒ２となるときの電圧に調整される。例えば、ＨＵＤでの運用では、７２Ｈｚの矩形波状の駆動電圧を印加することで可変焦点ミラーを駆動し、第１曲率Ｒ１と第２曲率Ｒ２とする変形を交互に繰り返す。
【０００６】
ここで、駆動電圧と可変焦点ミラーの曲率とは、次のような関係になっている。すなわち、可変焦点ミラーの使用初期時には、第１曲率Ｒ１となる第１電圧Ｖ１および第２曲率Ｒ２となる第２電圧Ｖ２は、共に、正電圧となっている。ところが、可変焦点ミラーを長期間駆動すると、同一電圧に対する曲率が大きくなる。このため、可変焦点ミラーの特性が仕様範囲外になり、遠方表示側の焦点が合わなくなるという問題が発生する。この原因は、圧電膜の結晶粒の配向方向が、長期間の駆動でｃ軸方向に回転していくためと考えられる。
【０００７】
このような長期間の駆動による配向方向の変化を元に戻すための手法も考えられている。具体的には、（１）使用中に、通常の駆動波形に独自の駆動波形で逆方向の電界を発生させ、使用と回復を繰り返す方法、（２）電源投入時等に、高い電圧の逆電界で分極を揃える方法、（３）可変焦点ミラーを駆動する際に、随時、直流電圧で逆分極する方法がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２０１７−０３２７１４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかしながら、（１）の方法は、ＨＵＤで行うと画像が乱れるため採用できない。また、（２）、（３）の方法は、頻繁に逆分極を行うことになるため、圧電膜の結晶粒界に応力が高頻度で発生し、粒界近傍の割れを引き起こし、その結果、圧電定数低下等の特性劣化を早めたり、絶縁破壊寿命を早める等の弊害が生じる。
【００１０】
本発明は上記点に鑑みて、ＨＵＤに適用される可変焦点ミラーシステムにおいて、ＨＵＤの画像には影響を与えず、また、逆分極の頻度を少なくして圧電膜の長寿命化ができるようにすることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記目的を達成するため、請求項１に記載の可変焦点ミラーシステムは、メンブレンを構成する基部（１１）と、基部の上に形成され、圧電膜（１２ｂ、１２ｄ）と該圧電膜の両側に配置された電極（１２ａ、１２ｃ、１２ｅ）とを有し、光ビームを反射させるミラー部（１２）と、を備える可変焦点ミラー（１）と、圧電膜の両側に配置される電極間に所定の電圧を印加することにより、ミラー部を所定の曲率の球面状に屈曲させる制御部（３０）と、屈曲させられたミラー部の曲率を測定する曲率検出部（１３、２０）と、を有し、車両におけるヘッドアップディスプレイにおける可変焦点ミラーの制御を行う。
【００１２】
このような可変焦点ミラーシステムにおいて、制御部は、可変焦点ミラーの駆動時には、第１電圧（Ｖ１）と該第１電圧よりも大きな第２電圧（Ｖ２）とに交互に切り替わる矩形波状の駆動電圧を電極間に印加し、第１電圧を印加することでミラー部を第１曲率（Ｒ１）で屈曲させるとともに第２電圧を印加することでミラー部を第２曲率（Ｒ２）で屈曲させつつ、曲率検出部での検出結果に基づいて、ミラー部の曲率が第１曲率となるように第１電圧を調整するとともに第２曲率となるように第２電圧を調整するフィードバック制御を行う。さらに、第１電圧が第１閾値（Ｔｈ１）より低下すると、車両の電源スイッチがオフの際に、逆分極として、電極間に可変焦点ミラーの駆動時と逆の電界を発生させる直流電圧を印加することで、第１電圧が第１閾値よりも高い第２閾値（Ｔｈ２）に至るまで圧電膜の配向方向を調整する。
【００１３】
このように、電源スイッチがオフのときに可変焦点ミラーの逆分極を実行している。このため、ＨＵＤの画像に影響を与えないように逆分極を行うことが可能となる。また、第１電圧が第１閾値よりも低下すると逆分極が行われるようにしつつ、逆分極後に、第１電圧が第２閾値に至るようにしている。このため、逆分極が高頻度で行われないようにすることが可能となり、圧電材料の寿命低下を抑制することも可能となる。
【００１４】
なお、上記各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係の一例を示すものである。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】第１実施形態にかかる可変焦点ミラーシステムに備えられる可変焦点ミラーの断面図である。
【図２】駆動時における可変焦点ミラーシステムの全体構成図である。
【図３Ａ】可変焦点ミラーの駆動時に印加する電圧の波形図である。
【図３Ｂ】可変焦点ミラーの逆分極時に印加する電圧の波形図である。
【図４】圧電材料の結晶の方向と面の呼び方を示した図である。
【図５】可変焦点ミラーが屈曲させられたときの様子を示した断面図である。
【図６】駆動電圧と可変焦点ミラーの曲率との関係を示した図である。
【図７Ａ】製造時に分極を行った時の配向方向を示した図である。
【図７Ｂ】長期間の使用によって変化した配向方向を示した図である。
【図８Ａ】使用によって変化した駆動電圧と可変焦点ミラーの曲率との関係を示した図である。
【図８Ｂ】使用によって変化した駆動電圧と可変焦点ミラーの曲率との関係を示した図である。
【図９】第１電圧のログに基づく近似曲線や第１閾値および第２閾値を示した図である。
【図１０】逆分極時における可変焦点ミラーシステムの全体構成図である。
【図１１】逆分極時における第１電圧のログに基づく近似曲線と第２閾値を示した図である。
【図１２Ａ】第１電圧が第１閾値より低下した状態ａにおける駆動電圧と可変焦点ミラーの曲率との関係を示した図である。
【図１２Ｂ】第１電圧が第１閾値より大きく第２閾値よりも小さい状態ｂにおける駆動電圧と可変焦点ミラーの曲率との関係を示した図である。
【図１２Ｃ】第１電圧が第２閾値より大きくなった状態ｃにおける駆動電圧と可変焦点ミラーの曲率との関係を示した図である。
【図１３】可変焦点ミラーシステムの動作のフローと共に制御部の動作状態を示した状態遷移図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、本発明の実施形態について図に基づいて説明する。なお、以下の各実施形態相互において、互いに同一もしくは均等である部分には、同一符号を付して説明を行う。
【００１７】
（第１実施形態）
第１実施形態にかかる可変焦点ミラーシステムについて説明する。 本実施形態の可変焦点ミラーシステムは、車両用のＨＵＤにおけるＬＳＭとして用いられ、可変焦点ミラーの制御を行う。以下、本実施形態にかかる可変焦点ミラーシステムについて、図１〜図１３を参照して説明する。なお、図１に示す可変焦点ミラー１は、ＬＳＭにおけるミラー部を構成する部分であり、実際には可変焦点ミラー１の周囲に可変焦点ミラー１の支持部や可変焦点ミラー１を駆動するための各種駆動部等が備えられることでＬＳＭが構成されている。
【００１８】
図１に示すように、可変焦点ミラー１は、例えばＭＥＭＳ（Micro-Electro-Mechanical Systems）技術を用いて形成され、基板１０における基部１１の上にミラー部１２を構成する圧電デバイスに加えて曲率センサ１３などを備えた構成とされている。
【００１９】
基板１０は、デバイス層１０ａ、絶縁膜１０ｂ、ハンドル層１０ｃが順に貼り合わされた構造のＳＯＩ（Silicon on Insulatorの略）基板にて構成されている。
【００２０】
デバイス層１０ａは、例えばＳｉ等で構成されている。絶縁膜１０ｂは、例えばＳｉＯ２で構成された埋め込み酸化層（以下、ＢＯＸ（Buried Oxideの略）層という）によって構成されている。ハンドル層１０ｃは、シリコン基板等で構成される。デバイス層１０ａや絶縁膜１０ｂおよびハンドル層１０ｃは、可変焦点ミラー１を含むＬＳＭを構成する各部に対応した形状にパターニングされている。
【００２１】
具体的には、可変焦点ミラー１は、ＬＳＭに照射された光ビームを反射させるものであり、例えば基板１０の中央部に、上記した基部１１とミラー部１２および曲率センサ１３を備えた構成とされている。
【００２２】
基部１１は、薄肉のメンブレンを構成するものであり、デバイス層１０ａを円形にパターニングすることにより形成された部分である。本実施形態では、デバイス層１０ａのうちの基部１１となる部分のみを図示してある。この基部１１の上面に、ミラー部１２が形成されており、基部１１とミラー部１２との間に絶縁膜１５が形成されている。つまり、基部１１の上面に、絶縁膜１５とミラー部１２とが順に積層されている。このミラー部１２のうち絶縁膜１５と反対側の表面が反射面とされ、この反射面で光ビームを反射させられるようになっている。さらに、基部１１の上面のうち、ミラー部１２と異なる位置、具体的にはミラー部１２よりも外側の位置に、絶縁膜１５を介して曲率センサ１３が配置されている。
【００２３】
図１に示すように、基部１１の内周部１１ａでは、ハンドル層１０ｃおよび絶縁膜１０ｂが除去されている。また、基部１１の外周部１１ｂでは、ハンドル層１０ｃおよび絶縁膜１０ｂが残されている。
【００２４】
基部１１は、平坦面とされた上面を有し、例えば上面形状が円形などとされている。基部１１の内周部１１ａにおける上面に、絶縁膜１５を介してミラー部１２が積層されている。そして、基部１１のうちの内周部１１ａが、ミラー部１２が屈曲する際に、反射面と共に屈曲させられる。この基部１１が薄くされることで、可変焦点ミラー１の感度を高めている。
【００２５】
一方、内周部１１ａのうちの外縁側やそれよりも外側に位置する外周部１１ｂの上面はミラー部１２が形成されておらず、その部分に絶縁膜１５を介して曲率センサ１３が形成されている。ミラー部１２の変形に伴って内周部１１ａが変形させられると、内周部１１ａの外縁側や外周部１１ｂも変形させられる。この変形に基づいて、曲率センサ１３での曲率検出が行われるようになっている。
【００２６】
ミラー部１２は、上面形状が円形状とされ、反射面を球面状に屈曲させることで反射面による反射光の焦点位置を変化させるものである。ミラー部１２は、下部電極１２ａ、第１圧電膜１２ｂ、中間電極１２ｃ、第２圧電膜１２ｄおよび上部電極１２ｅが順に積層された構造の圧電素子により構成されている。
【００２７】
下部電極１２ａや中間電極１２ｃは、例えばプラチナ（Ｐｔ）や酸化ストロンチウムルテニウム（以下、ＳＲＯという）等の単層膜もしくは複数の積層膜によって構成され、薄膜状の電極とされている。第１圧電膜１２ｂや第２圧電膜１２ｄは、例えばチタン酸ジルコン酸鉛（以下、ＰＺＴという）等によって構成されている。上部電極１２ｅは、例えばＰｔ、ＳＲＯ等によって構成され、薄膜状の電極とされている。なお、上部電極１２ｅの表面自体が反射面となっていても良いが、上部電極１２ｅの表面に反射面を構成するための膜を別途備えた構造としても良い。
【００２８】
下部電極１２ａと中間電極１２ｃおよび上部電極１２ｅは、それぞれ、図１中には示していないが、配線を介して可変焦点ミラー１の制御装置に接続されている。この制御装置により下部電極１２ａおよび上部電極１２ｅに対して電圧印加が行われると共に中間電極１２ｃが接地電位とされ、下部電極１２ａおよび上部電極１２ｅと中間電極１２ｃとの間に電位差が発生させられる。これにより、圧電効果が生じ、第１圧電膜１２ｂおよび第２圧電膜１２ｄが変形する。また、これに伴い、ミラー部１２と共に基部１１が屈曲し、反射面が屈曲して、反射光の焦点位置が変化させられるようになっている。
【００２９】
曲率センサ１３は、可変焦点ミラー１の曲率に応じた、つまり基部１１の変形に応じた検出信号を構成しており、曲率センサ１３の検出信号に基づいて、可変焦点ミラー１の曲率が検出可能となっている。例えば、曲率センサ１３は、ホイートストンブリッジ状に接続されたピエゾ抵抗などによって構成される。ホイートストンブリッジの１つの接続点にセンシング用の電圧を印加するとともに、相対する接続点を接地電位とし、残る二つの接続点の電位となる中間電位を検出信号として出力し、両中間電位の電位差に基づいて曲率の検出が行えるようになっている。
【００３０】
なお、曲率センサ１３をピエゾ抵抗によって構成する場合、各ピエゾ抵抗については、一般的な抵抗体を構成する材料によって構成すればよい。その場合、ピエゾ抵抗における抵抗係数と抵抗体の構成材料の結晶性との関係を考慮して、各ピエゾ抵抗の形成方向や形成位置を設定すると好ましい。
【００３１】
以上のようにして、可変焦点ミラー１が構成されている。図２は、このような可変焦点ミラー１を有する可変焦点ミラーシステムのシステム構成を示した図である。この図に示されるように、可変焦点ミラーシステムは、上記した可変焦点ミラー１に加えて、制御装置として、センサ回路２０と制御部３０およびスイッチ部４０を備えた構成とされている。
【００３２】
センサ回路２０は、曲率センサ１３の検出信号を入力し、入力した検出信号に基づいて可変焦点ミラー１の曲率を検出する。そして、センサ回路２０は、検出した可変焦点ミラー１の曲率を制御部３０に伝えている。
【００３３】
制御部３０は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、Ｉ／Ｏなどを備えた周知のマイクロコンピュータによって構成され、ＲＯＭなどに記憶されたプログラムに従って所定の処理を行っている。具体的には、制御部３０は、スイッチ部４０におけるスイッチ状態を制御するとともに、所望の駆動電圧を印加することでスイッチ部４０を通じて可変焦点ミラー１を駆動したり、可変焦点ミラー１を長時間駆動したときの曲率の変化を元の状態に近づける逆分極を行う。制御部３０は、可変焦点ミラー１を駆動する際には、駆動電圧として、図３Ａに示されるような第１電圧Ｖ１と第２電圧Ｖ２とを交互に繰り返す矩形波状の電圧を下部電極１２ａおよび上部電極１２ｅに印加する。これにより、可変焦点ミラー１の曲率が第１曲率Ｒ１と第２曲率Ｒ２とに調整されるようにする。また、制御部３０は、逆分極を行うときには、図３Ｂに示されるような一定の直流電圧を中間電極１２ｃに印加する。これにより、第１圧電膜１２ｂおよび第２圧電膜１２ｄに対して分極時と逆方向の電界が印加され、ｃ軸側から離れる方向に結晶粒の配向方向が向けられる。逆分極時に印加する直流電圧の大きさについては任意であるが、製造時における分極時に印加する電圧と同じ電圧を逆方向に印加するようにしている。分極時の電圧は、第１圧電膜１２ｂおよび第２圧電膜１２ｄに対して絶縁破壊電圧よりも低くしつつも、できるだけ高い電圧とされることで、高い分極作用が生じるようにしている。このため、逆分極時にも、分極時と同じ電圧とすることで、第１圧電膜１２ｂおよび第２圧電膜１２ｄの絶縁破壊を抑制しつつ、高い逆分極作用が生じるようにすることができる。
【００３４】
例えば、制御部３０は、センサ回路２０での検出結果に基づいて、可変焦点ミラー１の曲率が第１曲率Ｒ１となる第１電圧Ｖ１や第２曲率Ｒ２となる第２電圧Ｖ２のモニタリングを行うと共に、可変焦点ミラー１を駆動する際の第１電圧Ｖ１や第２電圧Ｖ２の印加を行う。また、ＨＵＤによる表示が行われないタイミングに、可変焦点ミラー１に対して逆分極を行うための電圧を印加する。制御部３０には、車両の電源スイッチ、例えばアクセサリスイッチ（以下、ＡＣＣスイッチという）やイグニッションスイッチ（以下、ＩＧスイッチ）、電気自動車などであれば車両の発進スイッチなどの稼働信号が入力されている。この稼働信号に基づいて、制御部３０においてＨＵＤによる表示が行われないタイミングであることが検出できるようになっている。
【００３５】
なお、制御部３０のうち駆動電圧や逆分極時の電圧を出力する部分の回路については、どのような回路が適用されても良いが、コスト面を考慮して、例えばユニポーラ回路などによって構成している。
【００３６】
スイッチ部４０は、第１スイッチ４１と第２スイッチ４２とを有した構成とされている。第１スイッチ４１は、下部電極１２ａおよび上部電極１２ｅに対して印加する電圧の切り替えを行い、第２スイッチ４２は、中間電極１２ｃに対して印加する電圧の切り替えを行う。これら第１スイッチ４１や第２スイッチ４２により、下部電極１２ａおよび上部電極１２ｅもしくは中間電極１２ｃが制御部３０に接続されるときには、各電極に対して制御部３０から所望の電圧が印加される。また、第１スイッチ４１や第２スイッチ４２により、下部電極１２ａおよび上部電極１２ｅもしくは中間電極１２ｃが制御部３０に接続されていないときには、各電極は接地電位とされる。
【００３７】
以上のようにして、本実施形態にかかる可変焦点ミラーシステムが構成されている。続いて、このように構成された可変焦点ミラーシステムの作動等について説明する。
【００３８】
最初に、可変焦点ミラーシステムにおける可変焦点ミラー１の基本的な作動について説明する。
【００３９】
まず、可変焦点ミラー１は、製造当初においては、図１に示すようにほぼミラー部１２が平坦状となっている。ここで、可変焦点ミラー１に備えられる第１圧電膜１２ｂおよび第２圧電膜１２ｄを構成する圧電材料の結晶の方向と面の呼び方は、図４のように示される。図４は、圧電材料として例えばＰＺＴを用いる場合を示している。
【００４０】
この図に示されるように、第１圧電膜１２ｂおよび第２圧電膜１２ｄを構成する結晶は、＜１００＞方向となるａ軸、＜０１０＞方向となるｂ軸、および、＜００１＞方向となるｃ軸を有し、＜００１＞方向を法線ベクトルとする（００１）面と、＜１００＞方向を法線ベクトルとする（１００）面を有している。そして、圧電膜は誘電体であるため結晶粒に配向があり、電界を印加した場合、図４中に矢印で示したようにｃ軸方向に配向するため、ｃ軸方向に膨張し、ａ軸方向に縮小する。このとき、デバイス層１０ａは縮小しないため、可変焦点ミラー１は、ミラー部１２が上側でデバイス層１０ａが下側であるとすると、図５に示すように下に凸になるような変形をする。このように変形した可変焦点ミラー１は、ミラー部１２の表面が球面状となるため、その表面を凹面鏡として利用することができる。
【００４１】
そして、このときのミラー部１２の変形に伴うデバイス層１０ａの変形によって、曲率センサ１３に備えられるピエゾ抵抗の抵抗値が変わることから、曲率センサ１３の検出信号が変化する。このため、曲率センサ１３の検出信号に基づいて、可変焦点ミラー１の曲率を検出することが可能となる。
【００４２】
可変焦点ミラー１については、製造時に圧電材料の結晶粒の配向方向を揃えるため、ｃ軸方向に電界を印加し、分極処理を行い、分極処理後において、仕様電圧範囲で仕様の曲率可変範囲が得られるように設計する。具体的には、中間電極１２ｃを接地電位にした状態で、下部電極１２ａおよび上部電極１２ｅに対して第１電圧Ｖ１と第２電圧Ｖ２が交互に切り替わる矩形波状の駆動電圧を印加する。第１電圧Ｖ１は、可変焦点ミラー１が第１曲率Ｒ１となるときの電圧、第２電圧Ｖ２は、可変焦点ミラー１が第１曲率Ｒ１よりも大きな第２曲率Ｒ２となるときの電圧に調整される。例えば、ＨＵＤでの運用では、７２Ｈｚの矩形波状の駆動電圧を印加することで可変焦点ミラー１を駆動し、第１曲率Ｒ１と第２曲率Ｒ２とする変形を交互に繰り返す。
【００４３】
駆動電圧と可変焦点ミラー１の曲率とは、例えば図６で示される関係になっている。図６中に実線で示すように、可変焦点ミラー１の使用初期時には、第１曲率Ｒ１となる第１電圧Ｖ１および第２曲率Ｒ２となる第２電圧Ｖ２は、共に、正電圧となっている。ところが、可変焦点ミラー１を長期間駆動すると、図６中に破線で示したように、同一電圧に対する曲率が大きくなる。このため、可変焦点ミラー１の特性が仕様範囲外になり、遠方表示側の焦点が合わなくなるという問題が発生する。この原因は、分極時には、図７Ａのようにｃ軸方向からずれていた結晶粒の配向方向が、長期間の駆動により、図７Ｂに示すようにｃ軸方向に回転していくためと考えられる。
【００４４】
したがって、本実施形態の可変焦点ミラーシステムでは、制御部３０において、可変焦点ミラー１の駆動を行いつつ、センサ回路２０での曲率の検出結果に基づいて、変化する第１電圧Ｖ１をＲＡＭなどのメモリにログとして記憶し、必要に応じて逆分極を実施する。
【００４５】
具体的には、図２に示すように、制御部３０は、可変焦点ミラー１を駆動する際には、第１スイッチ４１が制御部３０側に接続され、第２スイッチ４２が接地電位側に接続されるようにする。そして、制御部３０は、図３Ａに示すような第１曲率Ｒ１となる第１電圧Ｖ１と第２曲率Ｒ２となる第２電圧Ｖ２とが交互に繰り返し切り替わる矩形波状の駆動電圧を出力する。これにより、第１スイッチ４１を通じて、下部電極１２ａおよび上部電極１２ｅに対して駆動電圧が印加され、第２スイッチ４２を通じて、中間電極１２ｃが接地電位とされる。
【００４６】
このとき、制御部３０は、センサ回路２０を通じて可変焦点ミラー１の曲率をモニタリングしており、可変焦点ミラー１の曲率が第１曲率Ｒ１や第２曲率Ｒ２となるように駆動電圧をフィードバック制御し、第１曲率Ｒ１となる第１電圧Ｖ１と第２曲率Ｒ２となる第２電圧Ｖ２を設定している。そして、このときの第１電圧Ｖ１をログとして記憶している。第１電圧Ｖ１のログとして、第１電圧Ｖ１の値とその時の日時もしくは可変焦点ミラー１の合計駆動時間などを記憶している。
【００４７】
ここで、第１電圧Ｖ１は、可変焦点ミラー１を長期間駆動すると、図８Ａに示すように、圧電材料の結晶粒の配向方向の変化に起因して徐々に低下し、仮に、逆分極を行わなかったとすると、図８Ｂに示すように、第１電圧Ｖ１が負の電圧に至る状態になり得る。制御部３０が出力する駆動電圧を負の電圧にすることも考えられるが、コスト面を考慮するとユニポーラ回路等の採用が好ましく、負の電圧を発生させることができない。
【００４８】
このため、第１電圧Ｖ１が０になる前に逆分極が行われるように、逆分極の実施の判定閾値となる第１閾値Ｔｈ１を設定し、第１電圧Ｖ１が第１閾値Ｔｈ１未満になると、逆分極が行われるようにしている。
【００４９】
さらに、本実施形態の場合、第１閾値Ｔｈ１を第１電圧Ｖ１のログに基づいて設定しており、ＨＵＤの使用状況に応じた値に設定されるようにしている。
【００５０】
具体的には、図９に示すように、可変焦点ミラー１が長期間駆動されることにより、第１電圧Ｖ１が徐々に低下していき、これが第１電圧Ｖ１のログとしてメモリなどに記憶されていく。図９中では、丸印がログとして記憶された第１電圧Ｖ１の値である。この図に示されるように、可変焦点ミラー１が使用された経過日数に応じて、徐々に第１電圧Ｖ１が低下していく。
【００５１】
このときの経過日数に対する第１電圧Ｖ１の変化の仕方は、ユーザによるＨＵＤの使用頻度、換言すれば車両の使用頻度に応じて異なったものとなり、例えば１日当たりの車両の使用時間が長いほど、経過日数に対する第１電圧Ｖ１の低下量が多くなる。この経過日数に対する第１電圧Ｖ１の変化については、ログに記憶された経過日数と第１電圧Ｖ１との関係をプロットすると、そのプロットされた各点を通る近似曲線として表すことができる。
【００５２】
そして、第１電圧Ｖ１が負の電圧になってしまってＨＵＤが使用できなくなる前の状態において、逆分極が行われるように第１閾値Ｔｈ１を設定する。ここでは、ＨＵＤが使用できなくなると想定されるとき、つまり第１電圧Ｖ１が０になるときではなく、残りの使用可能期間が所定の設定期間以上になるように第１閾値Ｔｈ１を設定している。例えば、残り数日は可変焦点ミラー１を使用できるタイミングで逆分極が行われるように、「使用可能残日数」が所定日数となることを設定期間として設定する。そして、「使用可能残日数」が所定日数となると想定される第１電圧Ｖ１の値を第１閾値Ｔｈ１に設定している。
【００５３】
したがって、可変焦点ミラー１の駆動中に第１電圧Ｖ１をモニタリングしてログを記憶しつつ、そのログに基づいて第１閾値Ｔｈ１を設定し、さらにモニタリング中の第１電圧Ｖ１が第１閾値Ｔｈ１より低下すると、逆分極が行われるようにしている。
【００５４】
一方、逆分極の際には、図１０に示すように、制御部３０は、第１スイッチ４１が接地電位側に接続され、第２スイッチ４２が制御部３０側に接続されるようにする。そして、制御部３０は、図３Ｂに示すような所定の直流電圧を出力する。これにより、第２スイッチ４２を通じて、中間電極１２ｃに対して直流電圧が印加され、第１スイッチ４１を通じて、下部電極１２ａおよび上部電極１２ｅが接地電位とされる。
【００５５】
逆分極については、どのタイミングで行っても、第１圧電膜１２ｂおよび第２圧電膜１２ｄにおける圧電材料の結晶粒の配向方向をｃ軸から離れる方向に向け、製造時の配向方向に戻すことはできる。しかしながら、ＨＵＤの使用時に逆分極が行われると、ＨＵＤの画像に影響を与えることになる。このため、第１電圧Ｖ１が第１閾値Ｔｈ１よりも低下してすぐに逆分極を行うのではなく、電源スイッチがオフされているときに逆分極が行われるようにしている。
【００５６】
さらに、逆分極については、時間を掛けて行うほど、もしくは、高電界を掛けて行うほど、より強く圧電材料の配向方向を製造時の状態に戻すことが可能となる。しかしながら、逆分極を長時間行うことや、逆分極を高頻度で行うことは、圧電材料の寿命を低下させることになるため好ましくない。
【００５７】
このため、第１閾値Ｔｈ１よりも大きな第２閾値Ｔｈ２を設定している。そして、所定時間の逆分極を行った後に可変焦点ミラー１を駆動すると共に、その時の第１電圧Ｖ１をモニタリングし、第１電圧Ｖ１が第２閾値Ｔｈ２を超えていなければ再び逆分極を実施し、超えていれば逆分極を終了するようにしている。このように、第２閾値Ｔｈ２を設けることで、逆分極を行う時間を第１電圧Ｖ１が第２閾値Ｔｈ２を超えるまでに制限することができる。また、第１電圧Ｖ１が第２閾値Ｔｈ２を超える程度に逆分極が行われることから、再び第１電圧Ｖ１が第１閾値Ｔｈ１より低下するまでは可変焦点ミラー１の駆動を行うことができる。そして、第２閾値Ｔｈ２をある程度大きな値に設定しておくことで、逆分極が高頻度で行われないようにすることが可能となり、圧電材料の寿命低下を抑制することも可能となる。
【００５８】
具体的には、第２閾値Ｔｈ２については、第１電圧Ｖ１のログに基づいて設定することができる。上記したように、第１電圧Ｖ１のログに基づいて、経過日数に応じて第１電圧Ｖ１が変化するときの近似曲線が求められる。そして、上記したように、第１電圧Ｖ１が第１閾値Ｔｈ１まで低下すると逆分極を実施して第２閾値Ｔｈ２となるようにする場合、次に逆分極が行われるのは、可変焦点ミラー１が使用されることで再び第１電圧Ｖ１が第１閾値Ｔｈ１に低下したときである。したがって、図９に示すように、第１電圧Ｖ１が第２閾値Ｔｈ２から第１閾値Ｔｈ１に低下するまでに掛かると想定される期間が、逆分極後に可変焦点ミラー１が使用可能となる期間となる。このため、第１電圧Ｖ１が第２閾値Ｔｈ２から第１閾値Ｔｈ１に低下すると想定される期間を求め、この期間が逆分極の所定頻度以下となるようにできる可変焦点ミラー１の使用要求期間、ここでは「使用したい日数」以上となるように第２閾値Ｔｈ２を設定する。例えば、逆分極の頻度が３０日間隔以上となるようにする場合、３０日は逆分極を実施しなくても可変焦点ミラー１の駆動が行えるように第２閾値Ｔｈ２の値を設定する。このときの使用要求期間については、逆分極後に通常の可変焦点ミラー１の駆動が行われるという逆分極と駆動の繰り返し回数が、車両の予想使用年数では可変焦点ミラー１の耐久限界となる繰り返し回数未満となるように設定している。このように、第１電圧Ｖ１のログに基づいて第２閾値Ｔｈ２を設定することができる。
【００５９】
さらに、第２閾値Ｔｈ２を設定して逆分極を実施した場合に、所定時間の逆分極を行った後に可変焦点ミラー１を駆動して第１電圧Ｖ１をモニタリングし、第１電圧Ｖ１が第２閾値Ｔｈ２を超えるまで逆分極を繰り返すようにしている。このときの逆分極の残時間についてもモニタリング時の第１電圧Ｖ１のログを記憶することで推定でき、その推定した残時間に基づいて、逆分極を実施する時間を設定することもできる。
【００６０】
具体的には、図１１に示すように、所定時間の逆分極を複数回、例えば２、３回実施した後の第１電圧Ｖ１のログに基づいて近似曲線を計算する。そして、近似曲線に基づいて、第１電圧Ｖ１が第２閾値Ｔｈ２に至るまでに必要な残時間を推定し、残時間が経過するまで逆分極を継続する。その後、逆分極を終了して、再び第１電圧Ｖ１をモニタリングする。このような手法を適用することで、逆分極の繰り返し回数を低減しつつ、的確に第１電圧Ｖ１が第２閾値Ｔｈ２に至るようにすることができる。
【００６１】
このように、図１２Ａに示す状態ａ、つまり第１電圧Ｖ１が第１閾値Ｔｈ１よりも低下すると、可変焦点ミラー１に対して逆分極が行われる。また、逆分極により、図１２Ｂに示す状態ｂ、つまり第１電圧Ｖ１が第１閾値Ｔｈ１よりも大きくなっても、第２閾値Ｔｈ２に至るまでは逆分極が繰り返される。そして、逆分極により、図１２Ｃに示す状態ｃ、第１電圧Ｖ１が第２閾値Ｔｈ２に至ると、逆分極が終了となる。これにより、可変焦点ミラー１の駆動が行われても、第１電圧Ｖ１が負の電圧になることはなく、的確に可変焦点ミラー１の曲率を第１曲率Ｒ１とすることが可能となる。
【００６２】
なお、上記した「使用可能残日数」や「使用したい日数」については、車両の使用状況や車種などに応じて設定されると好ましい。例えば、商用車等については１日に使用される時間が長く、ＨＵＤの使用時間も長時間になると考えられる。特に、観光バスのように、運転者が交代制で運転する車両のような場合、特にＨＵＤの継続使用時間が長時間になり得る。また、ユーザによって車両の使用頻度が異なり、１日当たりの車両の使用時間が異なってくる。このため、車両の使用状況や車種時応じて「使用可能残日数」や「使用したい日数」を設定することで、より余裕のある日数を設定することが可能となる。
【００６３】
図１３は、上記動作のフローと共に制御部３０の動作状態を示した状態遷移図である。この図に示されるように、制御部３０は、可変焦点ミラー１を駆動するか、逆分極を行うかの判定ルーティンと、可変焦点ミラー１の駆動ルーティンと、逆分極ルーティンを実行している。
【００６４】
まず、判定ルーティンとして、ステップＳ１００では、電源スイッチがオフであるか否かを判定し、肯定判定された場合にステップＳ１１０に進んでＨＵＤによる表示を停止する。そして、ステップＳ１２０に進み、逆分極ルーティンの実行開始条件を満たすか否かの判定を行う。ここで、逆分極ルーティンの実行開始条件については、後述する可変焦点ミラー１の駆動ルーティンにおいて所定の情報が記憶されているときに、当該開始条件を満たしていると判定される。一方、ステップＳ１００で否定判定された場合には、可変焦点ミラー１の駆動ルーティンに移行する。
【００６５】
可変焦点ミラー１の駆動ルーティンでは、基本的には、ＨＵＤでの表示に応じて、可変焦点ミラー１の駆動が行われ、可変焦点ミラー１が上記した作動を行う。このときに、駆動ルーティンの図中右上に示したように、制御部３０において、例えば前回駆動時に設定された第１電圧Ｖ１と第２電圧Ｖ２に基づいて第１電圧Ｖ１および第２電圧Ｖ２が交互に繰り返される矩形波状の信号、つまり電圧を発生させることで可変焦点ミラー１を駆動する。そして、可変焦点ミラー１の駆動中のセンサ回路２０での曲率の検出結果に基づいて、フィードバック制御により第１電圧Ｖ１および第２電圧Ｖ１を設定し、可変焦点ミラー１の駆動を続けていく。また、このときの第１電圧Ｖ１の変化をＲＡＭなどのメモリにログとして記憶していき、第１閾値Ｔｈ１および第２閾値Ｔｈ２を設定する。
【００６６】
このような駆動ルーティンにおいて、制御部３０は、逆分極の要否判定として、ステップＳ２００に示すように、第１電圧Ｖ１が第１閾値Ｔｈ１よりも低下したか否かを判定している。そして、ステップＳ２００で肯定判定されると、逆分極が必要であることから、ステップＳ２１０に進み、その旨の情報を記憶しておく。この情報が、逆分極ルーティンの実行開始条件を満たしたことを示す情報であり、この情報が記憶されていると、上記した判定ルーティンにおけるステップＳ１２０において、逆分極ルーティンの実行開始条件を満たしたと判定される。また、ステップＳ２００で否定判定されると、ステップＳ２２０に進んで逆分極ルーティンの実行開始条件を満たしたことを示す情報をリセットする。
【００６７】
逆分極ルーティンは、判定ルーティンにおけるステップＳ１２０で肯定判定されたとき、すなわち、駆動ルーティンにおいて第１電圧Ｖ１が第１閾値Ｔｈ１より低下し、かつ、判定ルーティンにおいて電源スイッチがオフと判定された際に実行される。
【００６８】
逆分極ルーティンでは、駆動ルーティンで記憶しておいた第１電圧Ｖ１のログに基づいて、可変焦点ミラー１に対する逆分極が行われる。そして、ステップＳ３００に示されるように、逆分極後に可変焦点ミラー１を駆動したときの第１電圧Ｖ１が第２閾値Ｔｈ２に至っているか否かを判定し、至っていたら逆分極を完了するという動作を行っている。
【００６９】
具体的には、逆分極ルーティンの図中右上に示したように、制御部３０が直流電圧が発生させることで可変焦点ミラー１に対する逆分極を行う。そして、所定時間の逆分極が終わると、可変焦点ミラー１を駆動し、センサ回路２０での曲率の検出結果に基づいて第１電圧Ｖ１をモニタリングしてログに記憶する。さらに、このような所定時間の逆分極と第１電圧Ｖ１のモニタリングを複数回繰り返し行った後、ログに記憶された第１電圧Ｖ１に基づいて近似曲線を計算し、この近似曲線に基づいて第１電圧Ｖ１が第２閾値Ｔｈ２に至るまでの逆分極の残時間を計算する。そして、残時間分、逆分極を継続して行った後、再び可変焦点ミラー１を駆動し、第１時間Ｖ１が第２閾値Ｔｈ２に至っているか否かが確認され、逆分極が完了したと判定される。
【００７０】
なお、逆分極中に、ユーザが車両の使用を開始することも考えられる。その場合、逆分極よりも優先してＨＵＤによる表示を行う必要がある。したがって、ステップＳ３１０に示すように、割り込み監視として、所定の制御周期ごとに電源スイッチがオフになっているか否かの判定を行っている。そして、電源スイッチがオフのときにのみ逆分極ルーティンが繰り返され、電源スイッチがオンに切り替わった時には、逆分極ルーティンの処理を中止して退出し、可変焦点ミラー１の駆動ルーティンに移行するようになっている。
【００７１】
以上説明したように、本実施形態にかかる可変焦点ミラーシステムでは、電源スイッチがオフのときに可変焦点ミラー１の逆分極を実行している。このため、ＨＵＤの画像に影響を与えないように逆分極を行うことが可能となる。また、第１電圧Ｖ１が第１閾値Ｔｈ１よりも低下すると逆分極が行われるようにしつつ、逆分極後に、第１電圧Ｖ１が第２閾値Ｔｈ２に至るようにしている。このため、逆分極が高頻度で行われないようにすることが可能となり、圧電材料の寿命低下を抑制することも可能となる。
【００７２】
また、可変焦点ミラー１の駆動中に第１電圧Ｖ１をログに記憶しておき、ログに基づいて第１閾値Ｔｈ１を設定している。これにより、車両の使用状況や車種などに応じて第１閾値の設定を行うことが可能となる。
【００７３】
さらに、所定時間の逆分極を行った後に可変焦点ミラー１を駆動して第１電圧Ｖ１のモニタリングおよびログの記憶を行うと共に、ログに基づいて逆分極の残時間の推定を行うようにしている。これにより、逆分極の繰り返し回数を低減しつつ、的確に第１電圧Ｖ１が第２閾値Ｔｈ２に至るようにすることができる。
【００７４】
（他の実施形態）
本発明は上記した実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載した範囲内において適宜変更が可能である。
【００７５】
例えば、上記実施形態では、可変焦点ミラー１を駆動中に第１電圧Ｖ１をログに記憶しておき、ログに基づいて第１閾値Ｔｈ１を設定している。しかしながら、これは第１閾値Ｔｈ１を車両の使用状況や車種などに応じて設定する場合の例として挙げたのであり、第１閾値Ｔｈ１を予め決められた一定値としてもよい。
【００７６】
同様に、上記実施形態では、第２閾値Ｔｈ２についても第１電圧Ｖ１のログに基づいて設定している。しかしながら、これも第２閾値Ｔｈ２を車両の使用状況や車種などに応じて設定する場合の例として挙げたのであり、第２閾値Ｔｈ２を予め決められた一定値としてもよい。
【００７７】
また、上記実施形態では、圧電膜の両面に電極を配置して構成されるミラー部１２として、下部電極１２ａ、第１圧電膜１２ｂ、中間電極１２ｃ、第２圧電膜１２ｄおよび上部電極１２ｅが積層された構造を例に挙げている。つまり、第１圧電膜１２ｂの両面に下部電極１２ａと中間電極１２ｃが配置され、第２圧電膜１２ｄの両面に中間電極１２ｃと上部電極１２ｅが配置されるようにして、圧電膜の両面に電極を配置した構造を２つ重ねた構造としている。しかしながら、これもミラー部１２の構造の一例を示したに過ぎない。例えば、単に、圧電膜の両面に電極を配置した構造を１つのみ備えた構造としても良い。
【符号の説明】
【００７８】
１      可変焦点ミラー
１２    ミラー部
１２ａ  下部電極
１２ｂ  圧電膜
１２ｃ  中間電極
１２ｄ  圧電膜
１２ｅ  上部電極
１３    曲率センサ
３０    制御部
４０  スイッチ部
【図１】
2019039960.tif 000003
【図２】
2019039960.tif 000004
【図３Ａ】
2019039960.tif 000005
【図３Ｂ】
2019039960.tif 000006
【図４】
2019039960.tif 000007
【図５】
2019039960.tif 000008
【図６】
2019039960.tif 000009
【図７Ａ】
2019039960.tif 000010
【図７Ｂ】
2019039960.tif 000011
【図８Ａ】
2019039960.tif 000012
【図８Ｂ】
2019039960.tif 000013
【図９】
2019039960.tif 000014
【図１０】
2019039960.tif 000015
【図１１】
2019039960.tif 000016
【図１２Ａ】
2019039960.tif 000017
【図１２Ｂ】
2019039960.tif 000018
【図１２Ｃ】
2019039960.tif 000019
【図１３】
2019039960.tif 000020