(57)【要約】【課題】リサージュ走査領域において、走査線の粗密を低減させることを課題とする。【解決手段】開示の技術の一態様に係る可動装置は、光反射面を有するミラー部と、前記ミラー部に直接、又は間接的に接続され、入力された第１及び第２駆動信号に応じて前記ミラー部を互いに直交する第１及び第２軸回りに回動させる第１及び第２可動部と、を有し、所定のフレーム数で、２次元に光を走査する可動装置であって、前記第１駆動信号の周波数は、前記第２駆動信号の周波数と、前記フレーム数と、に基づき決定され、前記第２駆動信号の周波数で整除されない値である、ことを特徴とする。【選択図】図１７
2019082634.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光反射面を有するミラー部と、前記ミラー部に直接、又は間接的に接続され、入力された第１及び第２駆動信号に応じて前記ミラー部を、互いに直交する第１及び第２軸回りに回動させる第１及び第２可動部と、を有し、所定のフレーム数で、２次元に光を走査する可動装置であって、
前記第１駆動信号の周波数は、前記第２駆動信号の周波数と、前記フレーム数と、に基づき決定され、前記第２駆動信号の周波数で整除されない値である、ことを特徴とする可動装置。
【請求項２】
前記第１可動部に前記第１駆動信号を出力する第１出力手段と、前記第２可動部に前記第２駆動信号を出力する第２出力手段と、を有する、ことを特徴とする請求項１に記載の可動装置。
【請求項３】
前記第１出力手段と前記第２出力手段の少なくとも一方は、ＤＤＳ方式、又はＰＬＬ方式の周波数シンセサイザを有する、ことを特徴とする請求項２に記載の可動装置。
【請求項４】
前記第１、及び前記第２駆動信号の周波数は、次式の関係を有する、ことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の可動装置。
【数２】
2019082634.tif 000005
但し、ｆｙは前記第１駆動信号の周波数、ｆｘは前記第２駆動信号の周波数、Ｎｆはフレーム数である。
【請求項５】
前記第１駆動信号と前記第２駆動信号の少なくとも一方は、三角波の波形を有する信号である、ことを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の可動装置。
【請求項６】
前記第１及び第２可動部は、それぞれ圧電部を有する、ことを特徴とする請求項１乃至５の何れか１項に記載の可動装置。
【請求項７】
前記第２可動部は、複数のカンチレバーを有するミアンダ構造で形成されており、前記各カンチレバーは、前記各カンチレバーに接続された圧電部を有する、ことを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載の可動装置。
【請求項８】
前記ミラー部の第１軸回りの回動の角度を検出する第１検出手段と、
前記ミラー部の第２軸回りの回動の角度を検出する第２検出手段と、
前記第１検出手段の出力に基づいて前記第１可動部の弾性率を調整する第１弾性率調整手段、又は前記第２検出手段の出力に基づいて前記第２可動部の弾性率を調整する第２弾性率調整手段の少なくとも一方と、
を有する、ことを特徴とする請求項１乃至７の何れか１項に記載の可動装置。
【請求項９】
前記第１弾性率調整手段は、前記第１可動部に接続された圧電部を有し、
前記第２弾性率調整手段は、前記第２可動部に接続された圧電部を有する、
ことを特徴とする請求項８に記載の可動装置。
【請求項１０】
前記第１検出手段は、前記ミラー部の前記第１軸回りの回動の角度変化の位相と前記第１駆動信号の位相の位相差を検出し、
前記第２検出手段は、前記ミラー部の前記第２軸回りの回動の角度変化の位相と前記第２駆動信号の位相の位相差を検出する、
ことを特徴とする請求項８、又は９に記載の可動装置。
【請求項１１】
前記第１駆動信号の周波数は、前記第１可動部の共振周波数に対し、所定のオフセット周波数を加算、又は減算した周波数であり、
前記第２駆動信号の周波数は、前記第２可動部の共振周波数に対し、所定のオフセット周波数を加算、又は減算した周波数である、ことを特徴とする請求項１乃至１０のいずれか１項に記載の可動装置。
【請求項１２】
請求項１乃至請求項１１の何れか１項に記載の可動装置を有する、ことを特徴とするヘッドアップディスプレイ。
【請求項１３】
波長の異なる複数の光を発する複数の光源と、前記複数の光源からの光を合成する合成手段と、を有する、ことを特徴とする請求項１２に記載のヘッドアップディスプレイ。
【請求項１４】
請求項１乃至請求項１１の何れか１項に記載の可動装置を有する、ことを特徴とするレーザヘッドランプ。 
【請求項１５】
請求項１乃至請求項１１の何れか１項に記載の可動装置を有する、ことを特徴とするヘッドマウントディスプレイ。
【請求項１６】
波長の異なる複数の光を発する複数の光源と、前記複数の光源からの光を合成する合成手段と、を有する、ことを特徴とする請求項１５に記載のヘッドマウントディスプレイ。
【請求項１７】
請求項１２、又は１３に記載のヘッドアップディスプレイを有する車両。
【請求項１８】
光反射面を有するミラー部と、前記ミラー部に直接、又は間接的に接続され、入力された第１及び第２駆動信号に応じて前記ミラー部を、互いに直交する前記第１及び第２軸回りに回動させる第１及び第２可動部と、を有し、所定のフレーム数で、２次元に光を走査する光走査方法であって、
前記第１駆動信号の周波数は、前記第２駆動信号の周波数と、前記フレーム数と、に基づき決定され、前記第２駆動信号の周波数で整除されない値である、ことを特徴とする光走査方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、可動装置、ヘッドアップディスプレイ、レーザヘッドランプ、ヘッドマウントディスプレイ、車両及び光走査方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
マイクロマシニング技術の発達に伴い、シリコンやガラスを微細加工して製造されるＭＥＭＳ(Micro Electro Mechanical Systems) デバイスの開発が進んでいる。ＭＥＭＳデバイスのひとつとして、反射面を設けた可動部や弾性梁部を、基板上に一体に形成し、光ビームを偏向及び走査する小型の可動装置が知られている。
【０００３】
このような可動装置には、光反射面を有する可動部が、互いに直交する第１及び第２軸回りに揺動可能に形成され、可動部が各軸回りに揺動することで、光を対象領域内でリサージュ走査するものが開示されている（例えば、特許文献１参照）。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、走査光がリサージュ図形を描くリサージュ走査では、走査平面における走査光の軌跡、すなわち走査線に粗密が生じる場合があった。このような粗密は、走査光により形成される画像に解像度ばらつきや色ムラを生じさせ、画像品質を低下させる要因となった。
【０００５】
本発明は、上記の点に鑑みてなされたものであって、リサージュ走査領域において、走査線の粗密を低減させることを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
開示の技術の一態様に係る可動装置は、光反射面を有するミラー部と、前記ミラー部に直接、又は間接的に接続され、入力された第１及び第２駆動信号に応じて前記ミラー部を互いに直交する第１及び第２軸回りに回動させる第１及び第２可動部と、を有し、所定のフレーム数で、２次元に光を走査する可動装置であって、前記第１駆動信号の周波数は、前記第２駆動信号の周波数と、前記フレーム数と、に基づき決定され、前記第２駆動信号の周波数で整除されない値である、ことを特徴とする。
【発明の効果】
【０００７】
リサージュ走査領域において、走査線の粗密を低減させることができる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】光走査システムの一例の概略図である。
【図２】光走査システムの一例のハードウェア構成図である。
【図３】制御装置の一例の機能ブロック図である。
【図４】光走査システムに係る処理の一例のフローチャートである。
【図５】ヘッドアップディスプレイ装置を搭載した自動車の一例の概略図である。
【図６】ヘッドアップディスプレイ装置の一例の概略図である。
【図７】光書込装置を搭載した画像形成装置の一例の概略図である。
【図８】光書込装置の一例の概略図である。
【図９】レーザレーダ装置を搭載した自動車の一例の概略図である。
【図１０】レーザレーダ装置の一例の概略図である。
【図１１】レーザヘッドランプの一例の概略図である。
【図１２】ヘッドマウントディスプレイの一例の外観の斜視図である。
【図１３】ヘッドマウントディスプレイの構成を部分的に例示する図である。
【図１４】パッケージングされた可動装置の一例の概略図である。
【図１５】第1の実施形態の可動装置の一例を＋Ｚ方向から見たときの平面図である。
【図１６】可動装置の駆動信号と走査線の従来例を説明する図である。
【図１７】第1の実施形態の可動装置の駆動信号を説明する図である。
【図１８】第1の実施形態の可動装置の走査線の一例を説明する図である。
【図１９】第２の実施形態の可動装置の駆動信号を説明する図である。
【図２０】第２の実施形態の可動装置の走査線の一例を説明する図である。
【図２１】第３の実施形態の可動装置の一例を＋Ｚ方向から見たときの平面図である。
【図２２】第３の実施形態の可動装置における弾性率調整部と検出用圧電素子の構造の一例を説明する断面図である。
【図２３】弾性率調整部への印加電圧に伴う共振周波数の変化を説明する図である。
【図２４】第３の実施形態の制御装置の一例の機能ブロック図である。
【図２５】第３の実施形態の制御装置の処理の一例を示すフローチャートである。
【図２６】共振周波数と回動の振幅との関係を説明する図である。
【図２７】第１可動部を両持ち梁構造とした可動装置の一例を＋Ｚ方向から見たときの平面図である。
【図２８】第１及び第２可動部を両持ち梁構造とした可動装置の一例を＋Ｚ方向から見たときの平面図である。
【図２９】第１軸回りにのみ可動する可動装置の一例を＋Ｚ方向から見たときの平面図である。
【図３０】第２軸回りにのみ可動する可動装置の一例を＋Ｚ方向から見たときの平面図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
以下、本発明の実施形態について詳細に説明する。
【００１０】
［光走査システム］
まず、本実施形態の可動装置を適用した光走査システムについて、図１〜図４に基づいて詳細に説明する。図１には、光走査システムの一例の概略図が示されている。図１に示すように、光走査システム１０は、制御装置１１の制御に従って光源装置１２から照射された光を可動装置１３の有する反射面１４により偏向して被走査面１５を光走査するシステムである。
【００１１】
光走査システム１０は、制御装置１１、光源装置１２、反射面１４を有する可動装置１３により構成される。
【００１２】
制御装置１１は、例えばＣＰＵ（Central Processing Unit）およびＦＰＧＡ（Field-Programmable Gate Array）等を備えた電子回路ユニットである。可動装置１３は、例えば反射面１４を有し、反射面１４を可動可能なＭＥＭＳ（Micro Electromechanical Systems）デバイスである。光源装置１２は、例えばレーザを照射するレーザ装置である。なお、被走査面１５は、例えばスクリーンである。
【００１３】
制御装置１１は、取得した光走査情報に基づいて光源装置１２および可動装置１３の制御命令を生成し、制御命令に基づいて光源装置１２および可動装置１３に駆動信号を出力する。光源装置１２は、入力された駆動信号に基づいて光源の照射を行う。可動装置１３は、入力された駆動信号に基づいて反射面１４を１軸方向または２軸方向の少なくともいずれかに可動させる。
【００１４】
これにより、例えば、光走査情報の一例である画像情報に基づいた制御装置１１の制御によって、可動装置１３の反射面１４を所定の範囲で２軸方向に往復可動させ、反射面１４に入射する光源装置１２からの照射光をある１軸周りに偏向して光走査することにより、被走査面１５に任意の画像を投影することができる。なお、本実施形態の可動装置の詳細および制御装置による制御の詳細については後述する。
【００１５】
次に、光走査システム１０の一例のハードウェア構成について図２を用いて説明する。図２は、光走査システム１０の一例のハードウェア構成図である。図２に示すように、光走査システム１０は、制御装置１１、光源装置１２および可動装置１３を備え、それぞれが電気的に接続されている。このうち、制御装置１１は、ＣＰＵ２０、ＲＡＭ２１（Random Access Memory）、ＲＯＭ２２（Read Only Memory）、ＦＰＧＡ２３、外部Ｉ／Ｆ２４、光源装置ドライバ２５、可動装置ドライバ２６を備えている。
【００１６】
ＣＰＵ２０は、ＲＯＭ２２等の記憶装置からプログラムやデータをＲＡＭ２１上に読み出し、処理を実行して、制御装置１１の全体の制御や機能を実現する演算装置である。
【００１７】
ＲＡＭ２１は、プログラムやデータを一時保持する揮発性の記憶装置である。
【００１８】
ＲＯＭ２２は、電源を切ってもプログラムやデータを保持することができる不揮発性の記憶装置であり、ＣＰＵ２０が光走査システム１０の各機能を制御するために実行する処理用プログラムやデータを記憶している。
【００１９】
ＦＰＧＡ２３は、ＣＰＵ２０の処理に従って、光源装置ドライバ２５および可動装置ドライバ２６に適した制御信号を出力する回路である。
【００２０】
外部Ｉ／Ｆ２４は、例えば外部装置やネットワーク等とのインタフェースである。外部装置には、例えば、ＰＣ（Personal Computer）等の上位装置、ＵＳＢメモリ、ＳＤカード、ＣＤ、ＤＶＤ、ＨＤＤ、ＳＳＤ等の記憶装置が含まれる。また、ネットワークは、例えば自動車のＣＡＮ(Controller Area Network)やＬＡＮ（Local Area Network）、インターネット等である。外部Ｉ／Ｆ２４は、外部装置との接続または通信を可能にする構成であればよく、外部装置ごとに外部Ｉ／Ｆ２４が用意されてもよい。
【００２１】
光源装置ドライバ２５は、入力された制御信号に従って光源装置１２に駆動電圧等の駆動信号を出力する電気回路である。
【００２２】
可動装置ドライバ２６は、入力された制御信号に従って可動装置１３に駆動電圧等の駆動信号を出力する電気回路である。
【００２３】
制御装置１１において、ＣＰＵ２０は、外部Ｉ／Ｆ２４を介して外部装置やネットワークから光走査情報を取得する。なお、ＣＰＵ２０が光走査情報を取得することができる構成であればよく、制御装置１１内のＲＯＭ２２やＦＰＧＡ２３に光走査情報を格納する構成としてもよいし、制御装置１１内に新たにＳＳＤ等の記憶装置を設けて、その記憶装置に光走査情報を格納する構成としてもよい。
【００２４】
ここで、光走査情報とは、被走査面１５にどのように光走査させるかを示した情報であり、例えば、光走査により画像を表示する場合は、光走査情報は画像データである。また、例えば、光走査により光書込みを行う場合は、光走査情報は書込み順や書込み箇所を示した書込みデータである。他にも、例えば、光走査により物体認識を行う場合は、光走査情報は物体認識用の光を照射するタイミングと照射範囲を示す照射データである。
【００２５】
制御装置１１は、ＣＰＵ２０の命令および図２に示したハードウェア構成によって、次に説明する機能構成を実現することができる。
【００２６】
次に、光走査システム１０の制御装置１１の機能構成について図３を用いて説明する。図３は、光走査システムの制御装置１１の一例の機能ブロック図である。
【００２７】
図３に示すように、制御装置１１は、機能として制御部３０と駆動信号出力部３１とを有する。
【００２８】
制御部３０は、例えばＣＰＵ２０、ＦＰＧＡ２３等により実現され、外部装置から光走査情報を取得し、光走査情報を制御信号に変換して駆動信号出力部３１に出力する。例えば、制御部３０は、外部装置等から画像データを光走査情報として取得し、所定の処理により画像データから制御信号を生成して駆動信号出力部３１に出力する。駆動信号出力部３１は、光源装置ドライバ２５、可動装置ドライバ２６等により実現され、入力された制御信号に基づいて光源装置１２または可動装置１３に駆動信号を出力する。
【００２９】
駆動信号は、光源装置１２または可動装置１３の駆動を制御するための信号である。例えば、光源装置１２においては、光源の照射タイミングおよび照射強度を制御する駆動電圧である。また、例えば、可動装置１３においては、可動装置１３の有する反射面１４を可動させるタイミングおよび可動範囲を制御する駆動電圧である。
【００３０】
次に、光走査システム１０が被走査面１５を光走査する処理について図４を用いて説明する。図４は、光走査システムに係る処理の一例のフローチャートである。
【００３１】
ステップＳ１１において、制御部３０は、外部装置等から光走査情報を取得する。ステップＳ１２において、制御部３０は、取得した光走査情報から制御信号を生成し、制御信号を駆動信号出力部３１に出力する。ステップＳ１３において、駆動信号出力部３１は、入力された制御信号に基づいて駆動信号を光源装置１２および可動装置１３に出力する。ステップＳ１４において、光源装置１２は、入力された駆動信号に基づいて光照射を行う。また、可動装置１３は、入力された駆動信号に基づいて反射面１４の可動を行う。光源装置１２および可動装置１３の駆動により、任意の方向に光が偏向され、光走査される。
【００３２】
なお、上記光走査システム１０では、１つの制御装置１１が光源装置１２および可動装置１３を制御する装置および機能を有しているが、光源装置用の制御装置および可動装置用の制御装置と、別体に設けてもよい。
【００３３】
また、上記光走査システム１０では、１つの制御装置１１に光源装置１２および可動装置１３の制御部３０の機能および駆動信号出力部３１の機能を設けているが、これらの機能は別体として存在していてもよく、例えば制御部３０を有した制御装置１１とは別に駆動信号出力部３１を有した駆動信号出力装置を設ける構成としてもよい。なお、上記光走査システム１０のうち、反射面１４を有した可動装置１３と制御装置１１により、光偏向を行う光偏向システムを構成してもよい。
【００３４】
［画像投影装置］
次に、本実施形態の可動装置を適用した画像投影装置について、図５および図６を用いて詳細に説明する。
【００３５】
図５は、画像投影装置の一例であるヘッドアップディスプレイ装置５００を搭載した自動車４００の実施形態に係る概略図である。また、図６はヘッドアップディスプレイ装置５００の一例の概略図である。
【００３６】
画像投影装置は、光走査により画像を投影する装置であり、例えばヘッドアップディスプレイ装置である。
【００３７】
図５に示すように、ヘッドアップディスプレイ装置５００は、例えば、自動車４００のウインドシールド（フロントガラス４０１等）の付近に設置される。ヘッドアップディスプレイ装置５００から発せられる投射光Ｌがフロントガラス４０１で反射され、ユーザーである観察者（運転者４０２）に向かう。これにより、運転者４０２は、ヘッドアップディスプレイ装置５００によって投影された画像等を虚像として視認することができる。なお、ウインドシールドの内壁面にコンバイナを設置し、コンバイナによって反射する投射光によってユーザーに虚像を視認させる構成にしてもよい。
【００３８】
図６に示すように、ヘッドアップディスプレイ装置５００は、赤色、緑色、青色のレーザ光源５０１Ｒ、５０１Ｇ、５０１Ｂからレーザ光が出射される。出射されたレーザ光は、各レーザ光源に対して設けられるコリメータレンズ５０２、５０３、５０４と、２つのダイクロイックミラー５０５、５０６と、光量調整部５０７と、から構成される入射光学系を経た後、反射面１４を有する可動装置１３にて偏向される。そして、偏向されたレーザ光は、自由曲面ミラー５０９と、中間スクリーン５１０と、投射ミラー５１１とから構成される投射光学系を経て、スクリーンに投影される。なお、上記ヘッドアップディスプレイ装置５００では、レーザ光源５０１Ｒ、５０１Ｇ、５０１Ｂ、コリメータレンズ５０２、５０３、５０４、ダイクロイックミラー５０５、５０６は、光源ユニット５３０として光学ハウジングによってユニット化されている。
【００３９】
上記ヘッドアップディスプレイ装置５００は、中間スクリーン５１０に表示される中間像を自動車４００のフロントガラス４０１に投射することで、その中間像を運転者４０２に虚像として視認させる。
【００４０】
レーザ光源５０１Ｒ、５０１Ｇ、５０１Ｂから発せられる各色レーザ光は、それぞれ、コリメータレンズ５０２、５０３、５０４で略平行光とされ、２つのダイクロイックミラー５０５、５０６により合成される。合成されたレーザ光は、光量調整部５０７で光量が調整された後、反射面１４を有する可動装置１３によって二次元走査される。可動装置１３で二次元走査された投射光Ｌは、自由曲面ミラー５０９で反射されて歪みを補正された後、中間スクリーン５１０に集光され、中間像を表示する。中間スクリーン５１０は、マイクロレンズが二次元配置されたマイクロレンズアレイで構成されており、中間スクリーン５１０に入射してくる投射光Ｌをマイクロレンズ単位で拡大する。
【００４１】
可動装置１３は、反射面１４を２軸方向に往復可動させ、反射面１４に入射する投射光Ｌを二次元走査する。この可動装置１３の駆動制御は、レーザ光源５０１Ｒ、５０１Ｇ、５０１Ｂの発光タイミングに同期して行われる。
【００４２】
以上、画像投影装置の一例としてのヘッドアップディスプレイ装置５００の説明をしたが、画像投影装置は、反射面１４を有した可動装置１３により光走査を行うことで画像を投影する装置であればよい。例えば、机等に置かれ、表示スクリーン上に画像を投影するプロジェクタや、観測者の頭部等に装着される装着部材に搭載され、装着部材が有する反射透過スクリーンに投影、または眼球をスクリーンとして画像を投影するヘッドマウントディスプレイ装置等にも、同様に適用することができる。
【００４３】
また、画像投影装置は、車両や装着部材だけでなく、例えば、航空機、船舶、移動式ロボット等の移動体、あるいは、その場から移動せずにマニピュレータ等の駆動対象を操作する作業ロボット等の非移動体に搭載されてもよい。
【００４４】
［光書込装置］
次に、本実施形態の可動装置を適用した光書込装置について図７および図８を用いて詳細に説明する。
【００４５】
図７は、光書込装置６００を組み込んだ画像形成装置の一例である。また、図８は、光書込装置の一例の概略図である。
【００４６】
図７に示すように、上記光書込装置６００は、レーザ光によるプリンタ機能を有するレーザプリンタ６５０等に代表される画像形成装置の構成部材として使用される。画像形成装置において光書込装置６００は、１本または複数本のレーザビームで被走査面１５である感光体ドラムを光走査することにより、感光体ドラムに光書込を行う。
【００４７】
図８に示すように、光書込装置６００において、レーザ素子等の光源装置１２からのレーザ光は、コリメータレンズ等の結像光学系６０１を経た後、反射面１４を有する可動装置１３により１軸方向または２軸方向に偏向される。そして、可動装置１３で偏向されたレーザ光は、その後、第一レンズ６０２ａと第二レンズ６０２ｂ、反射ミラー部６０２ｃからなる走査光学系６０２を経て、被走査面１５（例えば感光体ドラムや感光紙）に照射し、光書込みを行う。走査光学系６０２は、被走査面１５にスポット状に光ビームを結像する。また、光源装置１２および反射面１４を有する可動装置１３は、制御装置１１の制御に基づき駆動する。
【００４８】
このように上記光書込装置６００は、レーザ光によるプリンタ機能を有する画像形成装置の構成部材として使用することができる。また、走査光学系を異ならせて１軸方向だけでなく２軸方向に光走査可能にすることで、レーザ光をサーマルメディアに偏向して光走査し、加熱することで印字するレーザラベル装置等の画像形成装置の構成部材として使用することができる。
【００４９】
上記光書込装置に適用される反射面１４を有した可動装置１３は、ポリゴンミラー等を用いた回転多面鏡に比べ駆動のための消費電力が小さいため、光書込装置の省電力化に有利である。また、可動装置１３の振動時における風切り音は回転多面鏡に比べ小さいため、光書込装置の静粛性の改善に有利である。光書込装置は回転多面鏡に比べ設置スペースが圧倒的に少なくて済み、また可動装置１３の発熱量もわずかであるため、小型化が容易であり、よって画像形成装置の小型化に有利である。
【００５０】
［物体認識装置］
次に、上記本実施形態の可動装置を適用した物体認識装置について、図９および図１０を用いて詳細に説明する。
【００５１】
図９は、物体認識装置の一例であるレーザレーダ装置を搭載した自動車の概略図である。また、図１０はレーザレーダ装置の一例の概略図である。
【００５２】
物体認識装置は、対象方向の物体を認識する装置であり、例えばレーザレーダ装置である。
【００５３】
図９に示すように、レーザレーダ装置７００は、例えば自動車７０１に搭載され、対象方向を光走査して、対象方向に存在する被対象物７０２からの反射光を受光することで、被対象物７０２を認識する。
【００５４】
図１０に示すように、光源装置１２から出射されたレーザ光は、発散光を略平行光とする光学系であるコリメータレンズ７０３と、平面ミラー７０４とから構成される入射光学系を経て、反射面１４を有する可動装置１３で１軸もしくは２軸方向に走査される。そして、投光光学系である投光レンズ７０５等を経て装置前方の被対象物７０２に照射される。光源装置１２および可動装置１３は、制御装置１１により駆動を制御される。被対象物７０２で反射された反射光は、光検出器７０９により光検出される。すなわち、反射光は入射光検出受光光学系である集光レンズ７０６等を経て撮像素子７０７により受光され、撮像素子７０７は検出信号を信号処理装置７０８に出力する。信号処理装置７０８は、入力された検出信号に２値化やノイズ処理等の所定の処理を行い、結果を測距回路７１０に出力する。
【００５５】
測距回路７１０は、光源装置１２がレーザ光を発光したタイミングと、光検出器７０９でレーザ光を受光したタイミングとの時間差、または受光した撮像素子７０７の画素ごとの位相差によって、被対象物７０２の有無を認識し、さらに被対象物７０２との距離情報を算出する。
【００５６】
反射面１４を有する可動装置１３は多面鏡に比べて破損しづらく、小型であるため、耐久性の高い小型のレーダ装置を提供することができる。このようなレーサレーダ装置は、例えば車両、航空機、船舶、ロボット等に取り付けられ、所定範囲を光走査して障害物の有無や障害物までの距離を認識することができる。
【００５７】
上記物体認識装置では、一例としてのレーザレーダ装置７００の説明をしたが、物体認識装置は、反射面１４を有した可動装置１３を制御装置１１で制御することにより光走査を行い、光検出器により反射光を受光することで被対象物７０２を認識する装置であればよく、上述した実施形態に限定されるものではない。
【００５８】
例えば、手や顔を光走査して得た距離情報から形状等の物体情報を算出し、記録と参照することで対象物を認識する生体認証や、対象範囲への光走査により侵入物を認識するセキュリティセンサ、光走査により得た距離情報から形状等の物体情報を算出して認識し、３次元データとして出力する３次元スキャナの構成部材等にも同様に適用することができる。
【００５９】
［レーザヘッドランプ］
次に、上記本実施形態の可動装置を自動車のヘッドライトに適用したレーザヘッドランプ５０について、図１１を用いて説明する。図１１は、レーザヘッドランプ５０の構成の一例を説明する概略図である。
【００６０】
レーザヘッドランプ５０は、制御装置１１と、光源装置１２ｂと、反射面１４を有する可動装置１３と、ミラー５１と、透明板５２とを有する。
【００６１】
光源装置１２ｂは、青色のレーザ光を発する光源である。光源装置１２ｂから発せられた光は、可動装置１３に入射し、反射面１４にて反射される。可動装置１３は、制御装置１１からの信号に基づき、反射面をＸＹ方向に可動し、光源装置１２ｂからの青色のレーザ光をＸＹ方向に二次元走査する。
【００６２】
可動装置１３による走査光は、ミラー５１で反射され、透明板５２に入射する。透明板５２は、表面又は裏面を黄色の蛍光体により被覆されている。ミラー５１からの青色のレーザ光は、透明板５２における黄色の蛍光体の被覆を通過する際に、ヘッドライトの色として法定される範囲の白色に変化する。これにより自動車の前方は、透明板５２からの白色光で照明される。
【００６３】
可動装置１３による走査光は、透明板５２の蛍光体を通過する際に所定の散乱をする。これにより自動車前方の照明対象における眩しさは緩和される。
【００６４】
可動装置１３を自動車のヘッドライトに適用する場合、光源装置１２ｂ及び蛍光体の色は、それぞれ青及び黄色に限定されない。例えば、光源装置１２ｂを近紫外線とし、透明板５２を、光の三原色の青色、緑色及び赤色の各蛍光体を均一に混ぜたもので被覆してもよい。この場合でも、透明板５２を通過する光を白色に変換でき、自動車の前方を白色光で照明することができる。
【００６５】
［ヘッドマウントディスプレイ］
次に、上記本実施形態の可動装置を適用したヘッドマウントディスプレイ６０について、図１２〜１３を用いて説明する。ここでヘッドマウントディスプレイ６０は、人間の頭部に装着可能な頭部装着型ディスプレイで、例えば、眼鏡に類する形状とすることができる。ヘッドマウントディスプレイを、以降ではＨＭＤと省略して示す。
【００６６】
図１２は、ＨＭＤ６０の外観を例示する斜視図である。図１２において、ＨＭＤ６０は、左右に１組ずつ略対称に設けられたフロント６０ａ、及びテンプル６０ｂにより構成されている。フロント６０ａは、例えば、導光板６１により構成することができ、光学系や制御装置等は、テンプル６０ｂに内蔵することができる。
【００６７】
図１３は、ＨＭＤ６０の構成を部分的に例示する図である。なお、図１３では、左眼用の構成を例示しているが、ＨＭＤ６０は右眼用としても同様の構成を有している。
【００６８】
ＨＭＤ６０は、制御装置１１と、光源ユニット５３０と、光量調整部５０７と、反射面１４を有する可動装置１３と、導光板６１と、ハーフミラー６２とを有している。
【００６９】
光源ユニット５３０は、上述したように、レーザ光源５０１Ｒ、５０１Ｇ、及び５０１Ｂと、コリメータレンズ５０２、５０３、及び５０４と、ダイクロイックミラー５０５、及び５０６とを、光学ハウジングによってユニット化したものである。光源ユニット５３０において、レーザ光源５０１Ｒ、５０１Ｇ、及び５０１Ｂからの三色のレーザ光は、ダイクロイックミラー５０５及び５０６で合成される。光源ユニット５３０からは、合成された平行光が発せられる。
【００７０】
光源ユニット５３０からの光は、光量調整部５０７により光量調整された後、可動装置１３に入射する。可動装置１３は、制御装置１１からの信号に基づき、反射面１４をＸＹ方向に可動し、光源ユニット５３０からの光を二次元走査する。この可動装置１３の駆動制御は、レーザ光源５０１Ｒ、５０１Ｇ、５０１Ｂの発光タイミングに同期して行われ、走査光によりカラー画像が形成される。
【００７１】
可動装置１３による走査光は、導光板６１に入射する。導光板６１は、走査光を内壁面で反射させながらハーフミラー６２に導光する。導光板６１は、走査光の波長に対して透過性を有する樹脂等により形成されている。
【００７２】
ハーフミラー６２は、導光板６１からの光をＨＭＤ６０の背面側に反射し、ＨＭＤ６０の装着者６３の眼の方向に出射する。ハーフミラー６２は、例えば、自由曲面形状を有している。走査光による画像は、ハーフミラー６２での反射により、装着者６３の網膜に結像する。或いは、ハーフミラー６２での反射と眼球における水晶体のレンズ効果とにより、装着者６３の網膜に結像する。またハーフミラー６２での反射により、画像は空間歪が補正される。装着者６３は、ＸＹ方向に走査される光で形成される画像を、観察することができる。
【００７３】
６２はハーフミラーであるため、装着者６３には、外界からの光による像と走査光による画像が重畳して観察される。ハーフミラー６２に代えてミラーを設けることで、外界からの光をなくし、走査光による画像のみを観察できる構成としてもよい。
【００７４】
［パッケージング］
次に、本実施形態の可動装置のパッケージングについて図１４を用いて説明する。
【００７５】
図１４は、パッケージングされた可動装置の一例の概略図である。
【００７６】
図１４に示すように、可動装置１３は、パッケージ部材８０１の内側に配置される取付部材８０２に取り付けられ、パッケージ部材の一部を透過部材８０３で覆われて、密閉されることでパッケージングされる。さらに、パッケージ内は窒素等の不活性ガスが密封されている。これにより、可動装置１３の酸化による劣化が抑制され、さらに温度等の環境の変化に対する耐久性が向上する。
【００７７】
以上に説明した光走査システム、ヘッドアップディスプレイ、光書込装置、物体認識装置、レーザヘッドランプ、ヘッドマウントディスプレイに使用される、本実施形態の可動装置の詳細、及び制御装置による制御の詳細について、図面を参照しながら説明する。各図面において、同一構成部分には同一符号を付し、重複した説明を省略する場合がある。
【００７８】
なお、以下では、第１軸を回動の中心とした光走査を主走査とし、第２軸を回動の中心とした光走査を副走査とする。また、第１軸及び第２軸を中心とした回動、第１軸及び第２軸を中心とした揺動、並びに第１軸及び第２軸を中心とした可動は、相互に同義である。さらに、矢印により示した方向のうち、Ｘ方向は第１軸と平行な方向、Ｙ方向は第２軸と平行な方向、Ｚ方向はＸＹ平面と直交する方向を示している。
【００７９】
［第１の実施形態］
まず、第１の実施形態の可動装置の構成を、図１５を用いて詳細に説明する。図１５は、第１軸及び第２軸の２つの軸方向に光走査可能な片持ちタイプの可動装置の平面図である。
【００８０】
図１５に示すように、可動装置１３は、ミラー部１００と、第１可動部１０１ａ及び１０１ｂと、第１支持部１０５と、第２可動部１０６ａ及び１０６ｂと、第２支持部１０８と、電極接続部１０９と、を有している。入射した光を反射するミラー部１００は、光反射面を有するミラー部の一例である。第１可動部１０１ａ及び１０１ｂは、ミラー部に直接的に接続され、入力された第１駆動信号に応じ、ミラー部を第１軸回りに回動させる第１可動部の一例である。第２可動部１０６ａ及び１０６ｂは、ミラー部に間接的、すなわち第１可動部を介して接続され、入力された第２駆動信号に応じ、ミラー部を第２軸回りに回動させる第２可動部の一例である。
【００８１】
第１可動部１０１ａ及び１０１ｂは、ミラー部１００に接続され、ミラー部１００を第１軸回りに回動させる。第１支持部１０５は、ミラー部１００と、第１可動部１０１ａ及び１０１ｂとを支持している。第２可動部１０６ａ及び１０６ｂは、第１支持部１０５に接続され、ミラー部１００及び第１支持部１０５を第２軸回りに回動させる。第２支持部１０８は、第２可動部１０６ａ及び１０６ｂを支持している。電極接続部１０９は、第１可動部１０１ａ及び１０１ｂ、第２可動部１０６ａ及び１０６ｂ、並びに第１可動部及び第２可動部に駆動電圧を供給する制御装置１１に、電気的に接続されている。
【００８２】
可動装置１３において、例えば、１枚のＳＯＩ（Silicon On Insulator）基板をエッチング処理等により成形し、成形した基板上に反射面１４や、カンチレバー１０２ａ及び１０２ｂや、カンチレバー１０７−１〜１０７−１２や、電極接続部１０９等を形成することで、各構成部は一体的に形成されている。なお、上記の各構成部の形成は、ＳＯＩ基板の成形後に行ってもよいし、ＳＯＩ基板の成形中に行ってもよい。
【００８３】
ＳＯＩ基板は、単結晶シリコン（Ｓｉ）からなる第１のシリコン層の上に酸化シリコン層が設けられ、その酸化シリコン層の上にさらに単結晶シリコンからなる第２のシリコン層が設けられている基板である。以降、第１のシリコン層をシリコン支持層、第２のシリコン層をシリコン活性層とする。
【００８４】
シリコン活性層は、Ｘ軸方向またはＹ軸方向に対してＺ軸方向への厚みが小さいため、シリコン活性層のみで構成された部材は、弾性を有する弾性部としての機能を備える。
【００８５】
なお、ＳＯＩ基板は、必ず平面状である必要はなく、曲率等を有していてもよい。また、エッチング処理等により一体的に成形でき、部分的に弾性を持たせることができる基板であれば、可動装置１３の形成に用いられる部材は、ＳＯＩ基板に限られない。
【００８６】
ミラー部１００は、例えば、円形状のミラー部基体１００ａと、ミラー部基体１００ａの＋Ｚ側の面上に形成された反射面１４とを有している。ミラー部基体１００ａは、例えば、シリコン活性層から構成され、反射面１４は、例えば、アルミニウム、金、銀等を含む金属薄膜で構成されている。また、ミラー部１００には、ミラー部基体１００ａの−Ｚ側の面にミラー部補強用のリブが形成されていてもよい。リブは、例えば、シリコン支持層及び酸化シリコン層から構成され、可動によって生じる反射面１４の歪みを抑制することができる。
【００８７】
第１可動部１０１ａ及び１０１ｂは、トーションバー１０３ａ及び１０３ｂと、カンチレバー１０２ａ及び１０２ｂとを有している。トーションバー１０３ａ及び１０３ｂは、ミラー部基体１００ａに一端が接続され、第１軸方向にそれぞれ延びてミラー部１００を可動可能に支持している。カンチレバー１０２ａ及び１０２ｂは、一端がトーションバーに接続され、他端が第１支持部１０５の内周部に接続されている。
【００８８】
トーションバー１０３ａ及び１０３ｂは、シリコン活性層から構成されている。また、カンチレバー１０２ａ及び１０２ｂは、弾性部であるシリコン活性層の＋Ｚ側の面上に下部電極、圧電部、上部電極の順に形成され、構成されたものである。上部電極および下部電極は、例えば金（Ａｕ）または白金（Ｐｔ）等から構成され、圧電部は、例えば、圧電材料であるＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛）から構成されている。
【００８９】
第１支持部１０５は、例えば、シリコン支持層、酸化シリコン層及びシリコン活性層から構成され、ミラー部１００を囲うように形成された矩形形状の支持体である。
【００９０】
第２可動部１０６ａ及び１０６ｂは、例えば、折り返すように連結された複数のカンチレバー１０７−１〜ｌ０７−１２を有している。このように、カンチレバーが複数折りたたまれたような構造は、ミアンダ構造と呼ばれる。第２可動部１０６ａ及び１０６ｂの一端は、第１支持部１０５の外周部に接続され、他端は第２支持部１０８の内周部に接続されている。このとき、第２可動部１０６ａと第１支持部１０５の接続箇所及び第２可動部１０６ｂと第１支持部１０５の接続箇所、さらに第２可動部１０６ａと第２支持部１０８の接続箇所及び第２可動部１０６ｂと第２支持部１０８の接続箇所は、反射面１４の中心に対して点対称となっている。
【００９１】
カンチレバー１０７−１〜１０７−１２は、弾性部であるシリコン活性層の＋Ｚ側の面上に下部電極、圧電部、上部電極の順に形成され、構成されたものである。上部電極及び下部電極は、例えば金（Ａｕ）または白金（Ｐｔ）等から構成され、圧電部は、例えば、圧電材料であるＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛）から構成されている。
【００９２】
第２支持部１０８は、例えば、シリコン支持層、酸化シリコン層、シリコン活性層から構成され、ミラー部１００、第１可動部１０１ａ及び１０１ｂ、第１支持部１０５、並びに第２可動部１０６ａ及び１０６ｂを囲うように形成された矩形の支持体である。
【００９３】
電極接続部１０９は、例えば、第２支持部１０８の＋Ｚ側の面上に形成され、カンチレバー１０２ａ及び１０２ｂ、カンチレバー１０７−１〜１０７−１２の各上部電極、各下部電極、及び制御装置１１にアルミニウム（Ａｌ）等の電極配線を介して電気的に接続されている。なお、上部電極、又は下部電極は、それぞれが電極接続部１０９と直接接続されていてもよいし、電極同士を接続する等により間接的に接続されていてもよい。
【００９４】
なお、本実施形態では、弾性部であるシリコン活性層の一面（＋Ｚ側の面）のみに圧電部が形成された場合を一例として説明したが、弾性部の他の面（例えば−Ｚ側の面）に設けても良いし、弾性部の一面および他面の双方に設けても良い。
【００９５】
また、ミラー部１００を第１軸回り、又は第２軸回りに可動可能であれば、各構成部の形状は実施形態の形状に限定されない。例えば、トーションバー１０３ａ及び１０３ｂやカンチレバー１０２ａ及び１０２ｂが曲率を有した形状を有していてもよい。
【００９６】
さらに、第１可動部１０１ａ及び１０１ｂの上部電極の＋Ｚ側の面上、第１支持部の＋Ｚ側の面上、第２可動部１０６ａ及び１０６ｂの上部電極の＋Ｚ側の面上、第２支持部１０８の＋Ｚ側の面上の少なくともいずれかに酸化シリコン膜からなる絶縁層が形成されていてもよい。
【００９７】
このとき、絶縁層の上に電極配線を設け、また、上部電極または下部電極と電極配線とが接続される接続スポットのみ、開口部として部分的に絶縁層を除去または絶縁層を形成しないことにより、第１可動部１０１ａ及び１０１ｂ、第２可動部１０６ａ及び１０６ｂ、並びに電極配線の設計自由度をあげ、さらに電極同士の接触による短絡を抑制することができる。また、酸化シリコン膜は、反射防止材としての機能も備える。
【００９８】
次に、可動装置の第１可動部および第２可動部の駆動方法の詳細について説明する。
【００９９】
第１可動部１０１ａ及び１０１ｂ、並びに第２可動部１０６ａ及び１０６ｂがそれぞれ有する圧電部は、分極方向に正または負の電圧が印加されると、印加電圧の電位に比例した、伸縮等の変形が生じ、いわゆる逆圧電効果を発揮する。第１可動部１０１ａ及び１０１ｂ、並びに第２可動部１０６ａ及び１０６ｂは、上記の逆圧電効果を利用してミラー部１００を回動させる。
【０１００】
このとき、ミラー部１００の反射面１４がＸＹ平面に対して＋Ｚ方向または−Ｚ方向へ傾いたときのＸＹ平面と反射面１４により成す角度を、振れ角とよぶ。このとき、＋Ｚ方向を正の振れ角、−Ｚ方向を負の振れ角とする。
【０１０１】
まず、第１可動部１０１ａ及び１０１ｂによる駆動方法について説明する。第１可動部１０１ａ及び１０１ｂでは、カンチレバー１０２ａ及び１０２ｂが有する圧電部に、上部電極および下部電極を介して駆動電圧が並列に、すなわち同時に印加されると、それぞれの圧電部が変形する。この圧電部の変形による作用により、カンチレバー１０２ａ及び１０２ｂが屈曲変形する。その結果、２つのトーションバー１０３ａ及び１０３ｂのねじれを介してミラー部１００に第１軸回りの駆動力が作用し、ミラー部１００は第１軸回りに回動する。第１可動部１０１ａ及び１０１ｂに印加される駆動電圧は、制御装置１１によって制御される。
【０１０２】
第１可動部１０１ａ及び１０１ｂが有するカンチレバー１０２ａ及び１０２ｂに所定の波形の駆動電圧を並行して、すなわち同時に印加することで、ミラー部１００を、第１軸回りに所定の波形の駆動電圧の周期で回動させることができる。
【０１０３】
特に、例えば、印加電圧の周波数がトーションバー１０３ａ及び１０３ｂの共振周波数と同程度である約２０ｋＨｚに設定された場合、トーションバー１０３ａ及び１０３ｂのねじれによる機械的共振が生じるのを利用して、ミラー部１００を約２０ｋＨｚで共振回動させることができる。
【０１０４】
次に、第２可動部１０６ａ及び１０６ｂによる駆動方法について説明する。第２可動部１０６ａ及び１０６ｂに駆動電圧が印加されていない状態では、第２可動部１０６ａ及び１０６ｂによる振れ角はゼロである。第２可動部１０６ａが有する複数のカンチレバー１０７−１〜１０７−６のうち、最もミラー部１００に距離が近いカンチレバー１０７−４から数えて偶数番目のカンチレバー、すなわちカンチレバー１０７−１、１０７−２、１０７−３をカンチレバー群Ａとする。また、さらに第２可動部１０６ｂが有する複数のカンチレバー１０７−７〜１０７−１２のうち、最もミラー部１００に距離が近いカンチレバー１０７−７から数えて奇数番目のカンチレバー、すなわちカンチレバー１０７−７、１０７−８、１０７−９を同様にカンチレバー群Ａとする。カンチレバー群Ａは、駆動電圧が並列に、すなわち同時に印加されると、カンチレバー群Ａが同一方向に屈曲変形し、ミラー部１００は−Ｚ方向に第２軸回りに回動する。
【０１０５】
また、第２可動部１０６ａが有する複数のカンチレバー１０７−１〜１０７−６のうち、最もミラー部に距離が近いカンチレバー１０７−４から数えて奇数番目のカンチレバー、すなわちカンチレバー１０７−４、１０７−５、１０７−６をカンチレバー群Ｂとする。また、さらに第２可動部１０６ｂが有する複数のカンチレバー１０７−７〜１０７−１２のうち、最もミラー部に距離が近いカンチレバー１０７−７から数えて偶数番目のカンチレバー、すなわちカンチレバー１０７−１０、１０７−１１、１０７−１２を同様にカンチレバー群Ｂとする。カンチレバー群Ｂは、駆動電圧が並列に、すなわち同時に印加されると、カンチレバー群Ｂが同一方向に屈曲変形し、ミラー部１００は＋Ｚ方向に第２軸回りに回動する。
【０１０６】
第２可動部１０６ａ又は１０６ｂでは、カンチレバー群Ａが有する複数の圧電部、又はカンチレバー群Ｂが有する複数の圧電部を同時に屈曲変形させることにより、屈曲変形による回動量を累積させ、ミラー部１００の第２軸回りの回動角度を大きくすることができる。例えば、第２可動部１０６ａ及び１０６ｂは、第１支持部１０５の中心点に対して第１支持部１０５に点対称で接続されている。そのため、カンチレバー群Ａに駆動電圧を印加すると、第２可動部１０６ａでは第１支持部１０５と第２可動部１０６ａの接続部に＋Ｚ方向に動かす駆動力が生じ、第２可動部１０６ｂでは第１支持部１０５と第２可動部１０６ｂの接続部に−Ｚ方向に動かす駆動力が生じ、回動量が累積されてミラー部１００の第２軸回りの回動角度を大きくすることができる。
【０１０７】
また、電圧印加によるカンチレバー群Ａによるミラー部１００の回動量と電圧印加によるカンチレバー群Ｂによるミラー部１００の回動量が釣り合っている時は、回動角度はゼロとなる。
【０１０８】
上記の回動を連続的に繰り返すように、カンチレバー１０７−１〜１０７−１２に駆動電圧を印加することにより、ミラー部１００を第２軸回りに回動させることができる。第２可動部に印加される駆動電圧は、制御装置１１によって制御される。
【０１０９】
第１可動部、及び第２可動部の圧電部に、それぞれ圧電材料であるＰＺＴを用いることで、低電圧で高感度の駆動が可能となっている。
【０１１０】
また第２可動部は、複数のカンチレバーを含むミアンダ構造を有し、各カンチレバーは、各カンチレバーに接続された圧電部を有することで、カンチレバーに満遍なく物性変動を与えることが可能となっている。なおミアンダ構造は、曲率を有した形状を有していてもよい。
【０１１１】
ミラー部１００にレーザ等の光を照射すると、ミラー部１００で反射された光は、ミラー部１００の第１軸回りの回動によりＹ方向、すなわち主走査方向に走査される。またミラー部１００の第２軸回りの回動により、Ｘ方向、すなわち副走査方向に走査される。これにより、ＸＹ平面での光の二次元走査が可能となる。
【０１１２】
次に、光をリサージュ走査するための可動装置１３の駆動方法について説明する。ここでリサージュ走査とは、走査光の軌跡がリサージュ図形を描くように光を走査することをいう。またリサージュ図形とは、平面上で互いに直交する２方向の単振動を合成して得られる運動が描く平面図形をいう。
【０１１３】
まず、従来の駆動方法を説明する。図１６は、本実施形態を適用しない場合に、可動装置１３によりリサージュ走査したときの走査光の軌跡、すなわち走査線と、その駆動信号の一例を示している。
【０１１４】
図１６において、信号１３１及び１３２は、可動装置１３に入力される第１及び第２駆動信号を示している。信号１３１は、Ｙ方向に光を走査するための周波数ｆｙの信号であり、信号１３２は、Ｘ方向に光を走査するための周波数ｆｘの信号である。信号１３１及び１３２とも、波形は正弦波である。
【０１１５】
周波数ｆｙは、周波数ｆｘより高い周波数である。また、周波数ｆｘは、ミラー部１００、トーションバー１０３ａ及び１０３ｂ、カンチレバー１０２ａ及び１０２ｂ、第１支持部１０５、並びにカンチレバー１０７−１〜１０７−１２を一体とした構造における共振周波数である。周波数ｆｙは、ミラー部１００、トーションバー１０３ａ及び１０３ｂ、並びにカンチレバー１０２ａ及び１０２ｂを一体とした構造における共振周波数である。
【０１１６】
信号１３１及び１３２が可動装置１３に入力されると、可動装置１３のミラー部１００は、Ｙ、Ｘ方向に共振回動し、ミラー部１００による走査線１３３はリサージュ図形を描く。
【０１１７】
ここで、リサージュ走査には、走査領域における走査線に粗密が生じる性質がある。例えば、図１６の走査線１３３は、Ｘ方向において、中央付近は走査線の間隔が粗くなっており、両端に向かうにつれ、走査線の間隔が細かくなっている。このような走査光で画像を形成すると、Ｘ方向の中央付近と両端付近等の領域ごとで、画像に解像度ばらつきや色ムラが生じ、画像品質が低下する。
【０１１８】
一方で、共振を利用しないと、印加電圧に伴う回動量の効率が低下する。走査の広角化のために、ミラー部の大きな回動量を得るには、大きな駆動電圧を印加する必要があり、消費電力や部品コストの増大を招く。
【０１１９】
発明者は、リサージュ走査のための駆動信号と走査線との関係を解析し、次の点を見出した。まず第１に、第１駆動信号の周波数ｆｙが第２駆動信号の周波数ｆｘの倍数、又は約数になる場合、走査線は重なり、Ｘ方向では両者の比に相当する本数の走査線しか得られない点である。第２に、周波数ｆｙを、周波数ｆｘと画像のフレーム数とに基づき決定し、周波数ｆｘで整除されない値とすると、Ｘ方向における走査線の重なりを抑制できる点である。なお、画像のフレーム数とは、１秒間に表示する画像の数である。
【０１２０】
上記の第１の点について説明する。第１駆動信号の周波数をｆｙ（Ｈｚ）、第２駆動信号の周波数をｆｘ（Ｈｚ）、画像のフレーム数をＮｆ（ｆｐｓ：frames per second）とした場合、Ｘ方向で得られる走査線の本数Ａは、次の（１）式のようになる。
【０１２１】
【数１】
2019082634.tif 000003
・・・（１）
例えば、図１６の例では、信号１３１の周波数ｆｙは３０００Ｈｚで、信号１３２の周波数ｆｘは３００Ｈｚであり、この場合、周波数ｆｙは周波数ｆｘの倍数で、両者の比のｆｙ／ｆｘは１０である。フレーム数Ｎｆを３０ｆｐｓとすると、Ｘ方向における走査線の本数は、（１）式によれば２００本になるが、図１６の例では、ｆｘとｆｙの比に相当する１０本の走査線しか得られていない。２００本の走査線の多くが重なり、その結果、１０本の走査線になったと考えられる。
【０１２２】
次に、上記の第２の点について説明する。図１７は、本実施形態の可動装置１３によりリサージュ走査するときの駆動信号の一例を示している。信号１３４は、Ｙ方向に光を走査するための第１駆動信号であり、信号１３５はＸ方向に光を走査するための第２駆動信号である。信号１３４及び１３５とも、波形は正弦波である。上記と同様に、信号１３４の周波数ｆｙは、信号１３５の周波数ｆｘより高く、また周波数ｆｘ及びｆｙとも共振周波数である。
【０１２３】
図１７では、フレーム数Ｎｆの画像の１フレームに相当する時間における駆動信号が示されている。なお、信号１３４は、第１可動部に入力される第１駆動信号の一例であり、信号１３５は、第２可動部に入力される第２駆動信号の一例である。
【０１２４】
本実施形態の可動装置１３は、駆動信号の周波数ｆｙが、周波数ｆｘとフレーム数Ｎｆに基づき決定され、また周波数ｆｘで整除されない値であることとしている。
【０１２５】
ここで「周波数ｆｙは周波数ｆｘで整除されない」とは、周波数ｆｙを周波数ｆｘで除算したときに、周波数ｆｙを周波数ｆｘで割り切れないことを意味し、特に余りが０となる整数の商がないことを意味している。割り算の商が有限の小数になる場合も割切れるという場合があるが、これと区別するために、商が整数の場合を含まない「整除される」と表現を用いている。
【０１２６】
具体的には、周波数ｆｘ、周波数ｆｙ及びフレーム数Ｎｆは、次の（２）式の関係を有している。
【０１２７】
【数２】
2019082634.tif 000004
・・・・（２）
（２）式のように周波数ｆｙを決定すると、ミラー部のＸ方向の回動とＹ方向の回動とが同期しなくなるため、Ｙ方向の回動の位相がＸ方向の回動ごとに変化する。つまり、Ｙ方向の走査の開始位置を、Ｘ方向に徐々にずらすという作用が得られる。
【０１２８】
例えば、図１７において、第２駆動信号の同位相のタイミング１３６ａ、１３６ｂ及び１３６ｃにおける第１駆動信号の位相は、それぞれ異なっている。これは走査領域内において第１駆動と第２駆動の走査開始位置がＸ方向にずれていることを示している。
【０１２９】
このような第１、及び第２駆動信号は、図３における制御部３０から出力された制御信号に基づいて、駆動信号出力部３１から可動装置１３に入力される。
【０１３０】
図１８は、信号１３４及び１３５を可動装置１３に入力したときの走査線を示している。図１８において、太い実線１３７は、Ｙ方向の走査の開始位置である。図示したように、Ｙ方向の走査の開始位置が、Ｘ方向において徐々にずれている。その結果、１フレーム当たりの走査線の重なりが抑制され、図１６と比較して、図１８では走査線の粗密が低減されている。
【０１３１】
言い換えると、リサージュ走査領域において、走査線の粗密が低減されている。このような走査線で画像を形成することにより、例えば、画像の解像度ばらつきや色ムラを抑制し、良好な品質の画像を得ることができる。
【０１３２】
なお、図１８のＸＹ平面において、Ｘ方向、又はＹ方向に平行に描かれた実線、及び点線は、補助線であり、走査線とは無関係である。
【０１３３】
駆動信号出力部３１のうち、第１可動部１０１ａ及び１０１ｂに第１駆動信号を出力する機能は、第１可動部に第１駆動信号を出力する第１出力手段の一例である。また第２可動部１０６ａ及び１０６ｂに第２駆動信号を出力する機能は、第２可動部に第２駆動信号を出力する第２出力手段の一例である。
【０１３４】
第１出力手段と第２出力手段の少なくとも一方は、ＤＤＳ（Direct Digital Synthesizer）方式、又はＰＬＬ（Phase Locked Loop）方式の周波数シンセサイザを有している。これらを用いることで、基準クロック信号に基づき、任意の周波数を有する信号を高分解能に生成することができ、駆動信号の周波数を自由に高分解能に設定することが可能となる。
【０１３５】
また、上記の他、例えば以下の効果を得ることもできる。
【０１３６】
本実施形態によれば、Ｘ、Ｙ方向ともに共振を利用できるため、両方向において、小さい駆動電圧で大きな回動量を得ることができる。これにより、例えば、消費電力や部品コストの増大を伴うことなく、光走査の広角化を図ることができる。
【０１３７】
［第２の実施形態］
次に、第２の実施形態の可動装置について説明する。第１の実施形態と重複する部分は説明を省略し、相違点について述べる。
【０１３８】
図１９は、本実施形態の可動装置１３により、リサージュ走査するときの駆動信号の一例を示している。図１９において、信号１３８は、第２可動部１０６ａ及び１０６ｂに入力される第２駆動信号である。信号１３８の波形は三角波である。
【０１３９】
信号１３８の波形が正弦波の場合、正弦波波形の変曲点となる付近で走査速度が低くなる時間領域があり、その時間領域ではＹ方向の走査線の間隔が密になる。例えば図１８では、Ｘ方向の両端付近が駆動信号の正弦波波形の変曲点に該当し、Ｙ方向の走査線の間隔が密になっている。このような場合、走査線の粗密をなくすには、Ｘ方向の両端付近を有効画像領域から除外する等の処置が必要となり、走査線全体を有効活用することができなくなる。
【０１４０】
図２０は、信号１３８の波形を三角波にしたときの走査線の一例を示している。三角波の場合、波形の変曲点付近での走査速度は線形に変化するため、Ｙ方向の走査線の間隔が密になることが防止される。これにより、Ｘ方向の両端においても等間隔の走査線が得られ、走査線全体を有効活用することが可能となる。
【０１４１】
なお、図２０のＸＹ平面において、Ｘ方向、又はＹ方向に平行に描かれた実線、及び点線は、補助線であり、走査線とは無関係である。
【０１４２】
［第３の実施形態］
次に、第３の実施形態の可動装置４０について説明する。第１〜２の実施形態と重複する部分は説明を省略し、相違点について述べる。
【０１４３】
可動装置では、周囲の温度変化等で可動部の共振周波数が変動すること等に起因し、ミラー部の回動の振幅が変動する場合がある。なお、回動の振幅は、ミラー部の回動の最大角度と同義である。
【０１４４】
回動の振幅の変動は、走査光により形成される画像の品質を低下させる。本実施形態の可動装置４０によれば、このような変動の影響を抑制し、安定した光走査を実現することができる。
【０１４５】
本実施形態の可動装置４０の構成の一例を、図２１を用いて説明する。
【０１４６】
図２１において、カンチレバー１０２ａ及び１０２ｂは、それぞれ弾性率調整部１０４ａ及び１０４ｂを有している。またカンチレバー１０７−１〜１０７−６は、弾性率調整部１０７ａを有し、カンチレバー１０７−７〜１０７−１２は、弾性率調整部１０７ｂを有している。また、カンチレバー１０２ａと１０２ｂの少なくとも１つは、検出用圧電素子を有し、カンチレバー１０７−１〜１０７−１２の少なくとも１つは、検出用圧電素子を有している。
【０１４７】
弾性率調整部１０４ａ、１０４ｂ、１０７ａ及び１０７ｂは、例えば弾性部であるシリコン活性層の＋Ｚ側の面上に下部電極、圧電部、上部電極の順に形成された圧電アクチュエータにより構成されている。このように構成することで、可動部と弾性率調整部を同一のプロセスで製作できるという効果が得られる。圧電部に代えて発熱部を設け、弾性部であるシリコン活性層の＋Ｚ側の面上に下部電極、発熱部、上部電極の順に形成された圧電アクチュエータにより、各弾性率調整部を構成してもよい。
【０１４８】
弾性率調整部１０４ａ、１０４ｂ、１０７ａ及び１０７ｂにそれぞれ直流電圧を印加することで、弾性率調整部が設けられたカンチレバーに一定量の変形を加えることができる。これにより、カンチレバーの弾性部の弾性率を変化させ、カンチレバーで構成される可動部の共振周波数を変化させることができる。図２３に、弾性率調整部への印加電圧に伴う可動部の共振周波数の変化の一例を示す。
【０１４９】
検出用圧電素子は、例えば弾性部であるシリコン活性層の＋Ｚ側の面上に下部電極、圧電部、上部電極の順に形成された圧電素子により構成されている。検出用圧電素子は、各カンチレバーに設けられた弾性率調整部と層を成すように、弾性率調整部の＋Ｚ方向、又は−Ｚ方向に形成してもよい。またカンチレバー上で、Ｚ方向と直交する面内において弾性率調整部に隣接させて形成してもよい。
【０１５０】
図２２は、一例として、図２１におけるカンチレバー１０７−９、及び１０７−１２の上に、弾性率調整部１１１ａと検出用圧電素子１１１ｂを隣接させて形成した場合の構造を示したものである。（ａ）は平面図で、（ｂ）は（ａ）におけるＡ−Ａ断面の断面図である。（ｂ）において、弾性率調整部１１１ａは、上から上部電極１１１ａＵ、圧電部１１１ａＰ、及び下部電極１１１ａＬの三層構造で形成されている。同様に、検出用圧電素子１１１ｂも、上から上部電極１１１ｂＵ、圧電部１１１ｂＰ、及び下部電極１１１ｂＬの三層構造で形成されている。
【０１５１】
検出用圧電素子は、ミラー部１００の第１及び第２軸回りの回動に伴うカンチレバーの変形を電圧に変換し、電極接続部１０９を通じて外部に出力する。ミラー部１００の第１及び第２軸回りの回動に伴うカンチレバーの変形は、ミラー部１００の第１及び第２軸回りの回動の角度と同義の情報である。
【０１５２】
次に、本実施形態の制御装置４１の機能構成の一例を、図２４を用いて説明する。図２４に示すように、制御装置４１は、機能として制御部４２と、駆動信号出力部４３と、検出信号取得部４４と、弾性率調整用駆動信号出力部４５とを有している。また、可動装置４０は、機能として第１及び第２可動手段４０ａと、第１及び第２検出手段４０ｂと、第１及び第２弾性率調整手段４０ｃとを有している。
【０１５３】
制御部４２は、例えばＣＰＵ、ＦＰＧＡ等により実現され、外部装置から光走査情報を取得し、光走査情報を制御信号に変換して駆動信号出力部４３に出力する。また制御部４２は、光走査情報として画像データを取得し、所定の処理により画像データから制御信号を生成して駆動信号出力部４３に出力する。さらに、制御部４２は、検出信号取得部４４で取得した信号から弾性率調整用駆動信号を生成し、弾性率調整用駆動信号出力部４５に出力する。
【０１５４】
駆動信号出力部４３は、光源装置１２のドライバ、可動装置４０のドライバ等により実現され、制御部４２から入力された制御信号に基づいて光源装置１２または可動装置４０に駆動信号を出力する。
【０１５５】
駆動信号出力部４３のうち、第１可動手段に第１駆動信号を出力する機能は、第１可動部に第１駆動信号を出力する第１出力手段の一例である。また第２可動手段に第２駆動信号を出力する機能は、第２可動部に第２駆動信号を出力する第２出力手段の一例である。
【０１５６】
第１出力手段と第２出力手段の少なくとも一方は、ＤＤＳ方式、又はＰＬＬ方式の周波数シンセサイザを有している。これらを用いることで、基準クロック信号に基づき、任意の周波数を有する信号を高分解能に生成することができ、駆動信号の周波数を自由に高分解能に設定することが可能となる。
【０１５７】
駆動信号は、光源装置１２、又は可動装置４０の駆動を制御するための信号である。光源装置１２においては、例えば、光源の照射タイミングおよび照射強度を制御する駆動電圧である。また、可動装置４０においては、例えば、可動装置４０の有する反射面１４を可動させるタイミング、及び可動範囲を制御する駆動電圧である。
【０１５８】
第１及び第２可動手段４０ａにおける第１可動手段は、例えば、第１可動部１０１ａ及び１０１ｂにより実現され、第２可動手段は、第２可動部１０６ａ及び１０６ｂにより実現される。
【０１５９】
第１及び第２検出手段４０ｂは、例えば可動装置４０の内部において、カンチレバーに設けられた検出用圧電素子により実現される。
【０１６０】
カンチレバー１０２ａと１０２ｂの少なくとも１つが有する検出用圧電素子は、ミラー部１００の第１軸回りの回動に伴うカンチレバーの変形、すなわちミラー部１００の第１軸回りの回動の角度を検出する。カンチレバー１０７−１〜１０７−１２の少なくとも１つが有する検出用圧電素子は、ミラー部１００の第２軸回りの回動に伴うカンチレバーの変形、すなわちミラー部１００の第２軸回りの回動の角度を検出する。
【０１６１】
第１及び第２弾性率調整手段４０ｃにおける第１弾性率調整手段は、弾性率調整部１０４ａ及び１０４ｂから実現され、第２弾性率調整手段は、弾性率調整部１０７ａ及び１０７ｂから実現される。各弾性率調整部は、弾性率調整用駆動信号出力部４５からの信号に基づき、各弾性率調整部が設けられたカンチレバーの弾性部の弾性率を調整する。
【０１６２】
検出信号取得部４４は、例えばＡ／Ｄ（Analog／Digital）変換器で実現され、弾性率調整用駆動信号出力部４５は、例えばＤ／Ａ（Digital／Analog）変換器で実現される。
【０１６３】
次に、上記構成により回動の振幅の変動を検出し、その影響を抑制する方法を説明する。
【０１６４】
検出用圧電素子は、検出信号を検出信号取得部４４に出力する。検出信号取得部４４は、検出用圧電素子からのアナログ信号をＡ／Ｄ変換し、デジタル信号を制御部４２に出力する。
【０１６５】
制御部４２は、検出信号取得部４４の出力信号に基づき、ミラー部１００の回動の振幅を求める。例えば、ミラー部１００の回動に応じた信号電圧の変化のＰ−Ｐ（Ｐｅａｋ  Ｔｏ  Ｐｅａｋ）値を求め、予め取得し、記憶しておいた「信号電圧とミラー部１００の回動の振幅との関係」を示すデータに基づき、ミラー部１００の回動の振幅を取得する。複数のカンチレバーが検出用圧電素子を有する場合は、複数の検出用圧電素子の出力信号の平均値に基づき、ミラー部１００の回動の振幅を取得する。
【０１６６】
制御部４２は、取得したミラー部１００の回動の振幅を、ミラー部１００の回動の振幅の仕様値と比較し、差分を算出する。差分が予め設定した閾値より大きい場合、制御部４２は、ミラー部１００を回動させるための駆動信号の周波数と共振周波数がずれていると判断する。
【０１６７】
駆動信号の周波数と共振周波数がずれている場合、制御部４２は、予め取得し、記憶しておいた「回動の振幅と共振周波数のずれ量との関係」を示すデータに基づき、上記の回動の振幅から共振周波数のずれ量を求める。また制御部４２は、予め取得し、記憶しておいた「共振周波数と弾性率調整部への印加電圧との関係」を示すデータに基づき、共振周波数のずれ量から弾性率調整部に印加する電圧を求める。そして制御部４２は、電圧のデジタル信号を弾性率調整用駆動信号出力部４５に出力する。
【０１６８】
弾性率調整用駆動信号出力部４５は、弾性率調整用の電圧のデジタル信号をＤ／Ａ変換し、弾性率調整部１０４ａ、１０４ｂ、１０７ａ及び１０７ｂに出力する。各弾性率調整部は印加された電圧に応じ、カンチレバーに一定量の変形を加え、カンチレバーにおける弾性部の弾性率を変化させることで、カンチレバー等の共振周波数を所定量変化させる。
【０１６９】
なお、カンチレバー１０２ａと１０２ｂの少なくとも１つが有する検出用圧電素子は、ミラー部の第１軸回りの回動の角度を検出する第１検出手段の一例である。カンチレバー１０７−１〜１０７−１２の少なくとも１つが有する検出用圧電素子は、ミラー部の第２軸回りの回動の角度を検出する第２検出手段の一例である。
【０１７０】
弾性率調整部１０４ａ及び１０４ｂは、第１弾性率調整手段の一例であり、弾性率調整部１０７ａ及び１０７ｂは、第２弾性率調整手段の一例である。
【０１７１】
上記処理のフローチャートを、図２５に示す。
【０１７２】
まず、ステップＳ２４１で、制御装置４１は、光走査情報を取得する。光走査情報とは、上述したように被走査面にどのように光走査させるかを示した情報であり、例えば、画像データ、画像のフレーム数Ｎｆ、第１及び第２駆動信号等の情報が含まれる。
【０１７３】
続いて、ステップＳ２４３で、光走査情報に基づき、制御部４２が駆動信号を生成して駆動信号出力部４３に出力する。
【０１７４】
続いて、ステップＳ２４５で、駆動信号出力部４３は、光源装置１２、第１及び第２可動手段４０ａに駆動信号を出力する。
【０１７５】
続いて、ステップＳ２４７で、光源装置１２、第１及び第２可動手段４０ａは、駆動信号に基づき、光走査を行う。
【０１７６】
光走査を行う中で、ステップＳ２４９において、検出信号取得部４４は、ミラー部１００の回動の角度の信号を取得する。
【０１７７】
続いて、ステップＳ２５１で、制御部４２は、ミラー部１００の回動の角度の信号からミラー部１００の回動の振幅を取得する。そして、取得したミラー部１００の回動の振幅と、ミラー部１００の回動の振幅の仕様値との差分を算出し、差分が閾値より大きい場合は、駆動信号の周波数と共振周波数がずれていると判断する。
【０１７８】
駆動信号の周波数と共振周波数がずれていると判断した場合、ステップＳ２５３で、制御部４２は、弾性率調整用駆動信号を生成して弾性率調整用駆動信号出力部４５に出力する。
【０１７９】
続いて、ステップＳ２５５で、弾性率調整用駆動信号出力部４５は、弾性率調整部１０４ａ、１０４ｂ、１０７ａ及び１０７ｂに弾性率調整用駆動信号を出力する。
【０１８０】
続いて、ステップ２５７で、弾性率調整部１０４ａ、１０４ｂ、１０７ａ及び１０７ｂは、カンチレバーにおける弾性部の弾性率を調整する。
【０１８１】
ステップＳ２５１で、駆動信号の周波数と共振周波数がずれていないと判断した場合は、ステップＳ２４７に戻り、光走査を継続する。
【０１８２】
ステップＳ２５９で、光走査を終了するかを判断し、終了する場合は処理を終了し、終了しない場合は、ステップＳ２４７に戻り、光走査を継続する。
【０１８３】
以上により、周囲の温度変化等の影響を抑制し、安定した光走査を実現することができる。
【０１８４】
なお、上記では、ミラー部の第１及び第２軸回りの回動の角度を検出する第１及び第２検出手段の一例として、検出用圧電素子を示したが、これに限定されない。第１及び第２検出手段として、例えば、可動装置４０の外部に配置したＰＤ（Photo Diode）を利用してもよい。以下にＰＤを利用する場合の処理の一例を示す。
【０１８５】
ＰＤは、可動装置４０による走査光がＰＤの受光面を通過したタイミングを検知する。検出信号取得部４４は、ＰＤの出力信号をＡ／Ｄ変換し、デジタル信号を制御部４２に出力する。制御部４２は、ＰＤの出力のデジタル信号から、例えばＸ方向における１回の走査にかかる時間ｔを求める。駆動信号の周期をＴとし、ミラー部１００の回動の振幅の仕様値をＰとし、制御部４２は、ミラー部１００の回動の振幅ｐを、例えばＰ×ｔ／Ｔとして取得することができる。
【０１８６】
なお、第１及び第２軸回りの回動の振幅を検出するためには、第１軸用と第２軸用の少なくとも２つのＰＤが必要である。
【０１８７】
可動装置４０による走査の同期検知のために設けられたＰＤを、第１、及び第２検出手段として利用することも可能である。
【０１８８】
また、上記では、共振周波数のずれに起因し、ミラー部１００の回動の振幅が変動することへの対応を示したが、これに限定されない。共振周波数のずれ以外の要因で、ミラー部１００の回動の振幅が変動する場合にも、本実施形態は適用可能である。
【０１８９】
例えば、ミラー部の第１及び第２軸回りの回動の角度を検出用圧電素子等により検出し、検出用圧電素子等の出力に基づき、ミラー部１００の回動の振幅を取得する。ミラー部１００の回動の振幅が仕様値と異なる、或いは変動する場合は、検出用圧電素子等の出力に基づきミラー部１００の回動の振幅を監視しながら、弾性率調整部への印加電圧を調整する。これにより、回動の振幅を仕様値と一致させ、或いは変動を抑制することができる。
【０１９０】
駆動信号の周波数と共振周波数のずれを検知するために、上記では、ミラー部１００の回動の振幅を求めた。これに代えて、ミラー部１００の回動に伴う検出用圧電素子の出力変化の位相と、駆動信号出力部４３の出力信号の位相との位相差から、駆動信号の周波数と共振周波数のずれを検知してもよい。周波数のずれに応じて上記の位相差も変化するためである。
【０１９１】
位相差は、例えば、検出用圧電素子の出力信号と、駆動信号出力部４３の出力信号の両者を、ロックインアンプ回路等に入力することにより、検出することができる。
【０１９２】
位相差が予め設定した閾値を超えたときに、制御部４２は、ミラー部１００を回動させるための駆動信号の周波数と共振周波数がずれていると判断する。
【０１９３】
駆動信号の周波数と共振周波数がずれている場合、制御部４２は、予め取得し、記憶しておいた「位相差と共振周波数のずれ量との関係」を示すデータに基づき、上記の位相差から共振周波数のずれ量を求める。また制御部４２は、予め取得し、記憶しておいた「共振周波数と弾性率調整部への印加電圧との関係」を示すデータに基づき、共振周波数のずれ量から弾性率調整部に印加する電圧を求める。そして制御部４２は、電圧のデジタル信号を弾性率調整用駆動信号出力部４５に出力する。
【０１９４】
弾性率調整用駆動信号出力部４５は、弾性率調整用の電圧のデジタル信号をＤ／Ａ変換し、弾性率調整部１０４ａ、１０４ｂ、１０７ａ及び１０７ｂに出力する。各弾性率調整部は印加された電圧に応じ、カンチレバーに一定量の変形を加え、カンチレバーにおける弾性部の弾性率を変化させることで、カンチレバー等の共振周波数を所定量変化させる。
【０１９５】
このように、位相差を検出することで、可動装置４０の振動等の外乱ノイズに強い周波数のずれの検出が可能となる。
【０１９６】
なお、検出用圧電素子に代わりに、可動装置４０の外部に配置したＰＤを用いてもよい。この場合は、ＰＤの出力信号と駆動信号の両者をロックインアンプ回路等に入力すればよい。
【０１９７】
また、上述したように、共振周波数がずれる場合に限定されず、共振周波数のずれ以外の要因でミラー部１００の回動の振幅が変動する場合にも適用可能である。回動の振幅に応じて上記の位相差も変化するためである。
［第４の実施形態］
次に、第４の実施形態の可動装置について説明する。第１〜３の実施形態と重複する部分は説明を省略し、相違点について述べる。
【０１９８】
可動装置において、共振の利用は、低い駆動電圧でミラー部の大きな可動量、すなわち回動の振幅が得られるため、可動装置による光走査の広角化にとって好都合である。しかしその反面、共振の利用には、可動装置の駆動信号の周波数が共振周波数からずれると、ミラー部の回動の振幅が大きく変化するというリスクがある。
【０１９９】
例えば、製造ばらつきにより、可動装置ごとで共振周波数が異なったり、また同じ可動装置であっても、周囲の温度変化等で共振周波数が経時変化したりする場合がある。駆動信号の周波数が共振周波数からずれることで、回動の振幅が大きく変化し、所望の走査角度が得られなくなる。
【０２００】
本実施形態では、共振周波数から一定量だけずらした周波数、すなわちオフセットを与えた周波数を駆動信号の周波数とし、ミラー部を回動させることを特徴としている。これにより、駆動信号の周波数と共振周波数の変動に対する光走査のロバスト性を向上させることができる。
【０２０１】
図２６に、可動装置の駆動信号の周波数とミラー部の回動の振幅との関係の一例を示す。図２６において、破線で示した周波数ｆｒは共振周波数を示し、一点鎖線で示した周波数ｆｓは共振周波数から低周波の方向にオフセットさせた周波数を示している。
【０２０２】
例えば周波数ｆｒの駆動信号で可動装置を駆動した場合、周囲の温度変化等で、共振周波数がΔｆだけずれると、回動の振幅はΔＡｒだけ変化する。一方で、共振周波数からオフセットさせた周波数ｆｓで可動装置を駆動すると、共振周波数が上記と同じ量のΔｆだけずれても、回動の振幅はΔＡｓという小さい変化ですむ。
【０２０３】
図２６における周波数ｆｓは、第１可動部、又は第２可動部の共振周波数に対し、所定のオフセット周波数を加算、又は減算した周波数の一例である。
【０２０４】
本実施形態の可動装置の構成の一例として、例えば図２１の構成を用いることができる。弾性率調整部１０４ａ、１０４ｂ、１０７ａ及び１０７ｂに印加する電圧を変えることで、図２３に示したように、共振周波数を変化させることができ、駆動信号の周波数に対して共振周波数にオフセット周波数を加算、又は減算することができる。これにより、可動装置ごとで共振周波数の相違や、同じ可動装置で共振周波数の経時変化があっても、可動装置の相違及び経時変化に対する回動の振幅の変化を抑制することができる。
【０２０５】
なお、共振周波数を変化させず、駆動信号の周波数を変化させることで、上記のオフセットを与えてもよい。ただし本実施形態では、周波数ｆｙと周波数ｆｘは所定の関係を有しているため、所定の関係を維持したまま、周波数ｆｙ及び周波数ｆｘを調整する必要があり、調整が複雑になる。上記のように、共振周波数を変化させることで、簡単にオフセットを与えることができる。
【０２０６】
以上により、本実施形態によれば、共振を利用した回動の最大の振幅は得られなくなるものの、駆動信号の周波数と共振周波数の変動に対する回動の振幅の減少を抑制することができる。言い換えると、駆動信号の周波数と共振周波数の変動に対する光走査のロバスト性を上げることができる。
［可動装置の構成の変形例］
図１５の可動装置１３では、カンチレバー１０２ａ及び１０２ｂは第１軸を中心として−Ｙ側に形成されている。このような構造は片持ち梁構造と呼ばれる。これに対し、図２７の可動装置１３ａでは、カンチレバー１０２ｃ及び１０２ｄは第１軸に対して±Ｙ方向に対称に形成されている。このような構造は両持ち梁構造と呼ばれる。図２７のように、第１可動部を両持ち梁構造とした場合にも、第１〜４の実施形態で示した駆動方法を適用することができる。なお、図２７において、１０４ｃ、１０４ｄ、１０４ｅ、及び１０４ｆは弾性率調整部である。
【０２０７】
また、図１５の可動装置１３では、弾性部であるシリコン活性層の一の面、すなわち＋Ｚ側の面のみに圧電部が形成された構成を一例として説明したが、これに限定されない。弾性部の他の面、例えば−Ｚ側の面に設けた構成とし、第１〜４の実施形態で示した駆動方法を適用してもよい。また、弾性部の一の面および他の面の双方に設けた構成とし、第１〜４の実施形態で示した駆動方法を適用してもよい。
【０２０８】
さらに、ミラー部１００を第１軸、又は第２軸回りに可動させられるのであれば、図２８に示した可動装置１３ｂのように、第１可動部と第２可動部の両方を両持ち梁構造とし、第１〜４の実施形態で示した駆動方法を適用してもよい。なお、図２８において、１１０ａ、及び１１０ｂは、弾性率調整部である。
【０２０９】
また、図２９及び３０にそれぞれ示したように、第１軸回りにのみ可動する可動装置１３ｃ、並びに第２軸回りにのみ可動する可動装置１３ｄにも、第１〜４の実施形態で示した駆動方法を適用することができる。但し、可動装置１３ｃ、又は可動装置１３ｄによりＸとＹの２方向に光を走査するためには、可動装置を少なくとも２台用いる必要がある。なお、図３０において、１００ｂは光反射面で、１００ｃはミラー部である。
【０２１０】
以上、本発明の実施形態の例について記述したが、本発明は斯かる特定の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された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。
【符号の説明】
【０２１１】
１０  光走査システム
１１、４１  制御装置
１２、１２ｂ  光源装置
１３、１３ａ、１３ｂ、１３ｃ、１３ｄ、４０  可動装置
１４  反射面
１５  被走査面
２５  光源装置ドライバ
２６  可動装置ドライバ
３０、４２  制御部
３１、４３  駆動信号出力部
４４  検出信号取得部
４５  弾性率調整用駆動信号出力部
５０  レーザヘッドランプ
５１  ミラー
５２  透明板
６０  ヘッドマウントディスプレイ
６０ａ  フロント
６０ｂ  テンプル
６１  導光板
６２  ハーフミラー
６３  装着者
１００  ミラー部
１００ａ  ミラー部基体
１０１ａ、１０１ｂ  第１可動部
１０２ａ、１０２ｂ、１０７−１〜１０７−１２  カンチレバー
１０３ａ、１０３ｂ  トーションバー
１０４ａ、１０４ｂ、１０７ａ、１０７ｂ  弾性率調整部
１０５  第１支持部
１０６ａ、１０６ｂ  第２可動部
１０８  第２支持部
１０９  電極接続部
１３１、１３２、１３４、１３５、１３８  信号
１３３  走査線
５００  ヘッドアップディスプレイ装置
６５０  レーザプリンタ
７００  レーザレーダ装置
７０２  被対象物
８０１  パッケージ部材
８０２  取付部材
８０３  透過部材
【先行技術文献】
【特許文献】
【０２１２】
【特許文献１】特開２０１２−０６８３４９号公報
【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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