(57)【要約】【課題】平面状の被照射面の前方に存在する物体を検出することが可能なセンサ装置を提供する。【解決手段】被照射面４１０ａ上の光ビームＬＢ１の離散的な走査点それぞれに対応するタイミングでタイミング信号を出力するタイミング管理部４１４を備える。信号処理部４１５は、検知対象空間４０５内に物体４０６が存在しないときの光ビームＬＢ１の離散的な走査点それぞれに対応するタイミング信号に基づいて光検出部４０４の出力をリファレンス信号としてメモリ４１６に記憶させ、リファレンス信号とリファレンス信号をメモリ４１６に記憶させた後の走査点それぞれに対応するタイミング信号に基づく光検出部４０４の出力からなる検出信号との差分を走査点ごとの画素値とする画像を生成する画像生成部４１５ａと、画像生成部４１５ａで生成された画像に基づいて検知対象空間４０５に存在する物体４０６を抽出する物体抽出部４１５ｂとを有する。【選択図】図１
2012026936.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光ビームを出射する光源と、前記光源から出射される前記光ビームを検知対象空間側へ反射させ前記光ビームを前記検知対象空間内にある平面状の被照射面上で二次元的に走査可能な偏向器と、前記偏向器を駆動する駆動信号を発生する駆動部と、前記偏向器で反射され前記検知対象空間側で反射された前記光ビームを受光し受光光量に応じた出力を発生する光検出部と、前記駆動信号に基づいて前記被照射面上の前記光ビームの離散的な走査点それぞれに対応するタイミングでタイミング信号を出力するタイミング管理部と、前記タイミング信号に基づいて前記光検出部の出力を信号処理する信号処理部と、前記光検出部の出力を記憶可能なメモリとを備え、前記信号処理部は、前記検知対象空間内に物体が存在しないときの前記被照射面上の前記光ビームの離散的な走査点それぞれに対応する前記タイミング信号に基づいて前記光検出部の出力をリファレンス信号として前記メモリに記憶させ、前記メモリに記憶されている前記リファレンス信号と前記リファレンス信号を前記メモリに記憶させた後の前記走査点それぞれに対応する前記タイミング信号に基づく前記光検出部の出力からなる検出信号との差分を前記走査点ごとの画素値とする画像を生成する画像生成部と、前記画像生成部で生成された画像に基づいて前記検知対象空間に存在する前記物体を抽出する物体抽出部とを有することを特徴とするセンサ装置。
【請求項２】
前記タイミング管理部は、予め設定された時刻毎に、前記信号処理部に対して前記メモリの前記リファレンス信号の書き換えを指示することを特徴とする請求項１記載のセンサ装置。
【請求項３】
前記リファレンス信号の更新を指示するための操作部を備え、前記タイミング管理部は、前記操作部から指示信号を受けると、前記信号処理部に対して前記メモリに記憶されている前記リファレンス信号の書き換えを指示することを特徴とする請求項１記載のセンサ装置。
【請求項４】
前記偏向器は、外側フレーム部と、前記外側フレーム部の内側に配置され一対の第１の捩ればね部を介して前記外側フレーム部により支持された可動フレーム部と、前記可動フレーム部の内側に位置し前記第１の捩ればね部の並設方向に直交する方向に並設された一対の第２の捩ればね部を介して前記可動フレーム部に支持され前記光ビームを反射するミラー面が形成されたミラー部と、前記外側フレーム部において前記可動フレーム部側に設けられた第１の固定電極と、前記可動フレーム部において前記外側フレーム部側に設けられた第１の可動電極と、前記可動フレーム部において前記ミラー部側に設けられた第２の固定電極と、前記ミラー部において前記可動フレーム部側に設けられた第２の可動電極とを有し、前記駆動部は、前記光ビームが水平方向に走査されるように前記第１の可動電極・前記第１の固定電極間と前記第２の可動電極・前記第２の固定電極間との一方に第１の駆動周波数の駆動電圧を印加する水平駆動回路と、前記光ビームが垂直方向に走査されるように前記第１の可動電極・前記第１の固定電極間と前記第２の可動電極・前記第２の固定電極間との他方に第２の駆動周波数の駆動電圧を印加する垂直駆動回路とを有することを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載のセンサ装置。
【請求項５】
前記光源と前記偏向器との間に前記光ビームを反射および透過するハーフミラーを備え、前記光源・前記偏向器間の光軸と、前記偏向器・前記光検出部間の光軸とを、前記偏向器・前記ハーフミラー間で一致させてあることを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれか１項に記載のセンサ装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、センサ装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来から、図１２に示す構成の物体認識センサが提案されている（特許文献１）。この物体認識センサは、光ビームαを出射する発光素子５０１と、光ビーム整形用のレンズ５０２と、光ビームαを２次元的に走査させるための光スキャナ５０３と、受光素子５０４と、スキャナ駆動回路５０５と、信号処理部５０６とを備えている。
【０００３】
上述の発光素子５０１は、半導体レーザ素子や発光ダイオードなどにより構成されている。また、光ビーム整形用のレンズ５０２は、発光素子５０１から出射された光ビームαを集光もしくはコリメート化するために設けられている。
【０００４】
光スキャナ５０３は、振動プレート５１１と、圧電素子５１２とで構成されている。振動プレート５１１は、シリコン製の薄板材によって形成されており、曲げ変形モードおよび捩れ変形モードで共振する軸状の弾性変形部（トーションバー）５１３の一端にスキャン部５１４を設け、他端に振動入力部５１５を設けたものである。このスキャン部５１４の表面には、鏡面加工を施すことによってミラー面（図示せず）が形成されている。また、振動入力部５１５には、積層型の圧電素子５１２が接合されている。したがって、振動プレート５１１は、振動入力部５１５において圧電素子５１２に支持されており、スキャン部５１４は、弾性変形部５１３によって支持されている。
【０００５】
また、受光素子５０４は、フォトダイオードなどにより構成されている。
【０００６】
また、スキャナ駆動回路５０５は、弾性変形部５１３の曲げ変形モードの共振周波数に等しい周波数の交流電圧ＶＢ（ｔ）と、捩れ変形モードの共振周波数に等しい周波数の交流電圧ＶＴ（ｔ）とを重畳させた電圧Ｖ（ｔ）を圧電素子５１２に印加する。したがって、弾性変形部５１３は、曲げ変形モードの振動と捩れ変形モードの振動とを同時に行い、スキャン部５１４を上下左右に回動させる（図１２中のθＢ方向の回動が上下方向の回動、θＴ方向の回動が左右方向の回動である）。その結果、光スキャナ５０３は、発光素子５０１から出射された光ビームαを２次元の走査領域５０７内で連続的に走査することができる。
【０００７】
また、上述の物体認識センサでは、圧電素子５１２への印加電圧Ｖ（ｔ）を検出することによって光ビームαの走査角（あるいは、スキャン部５１４の振れ角）を知ることができるので、圧電素子５１２への印加電圧値ＶＢ（ｔ），ＶＴ（ｔ）を走査角情報（あるいは、振れ角情報）５１０として、スキャナ駆動回路５０５から信号処理部５０６へ出力している。
【０００８】
また、この物体認識センサでは、光ビームαの走査領域５０７に物体５０８が存在すると、発光素子５０１から出射され光スキャナ５０３で走査された光ビームαが物体５０８の表面に入射して反射され、物体５０８で反射した散乱光が受光素子５０４に受光され、物体５０８の存在が検出される。ここで、物体認識センサでは、受光素子５０４の受光信号５０９が信号処理部５０６に入力される。そして、信号処理部５０６は、受光素子５０４からの受光信号５０９を受け取ると、その瞬間の走査角情報５１０を読み取り、これを座標に変換して物体５０８の２次元的な位置を検出する。
【０００９】
なお、特許文献１には、物体認識センサを、コード読取装置や、人体検出センサ、２次元光電センサなどの分野において使用することができる旨が記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】特開平６−４４３９８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
ところで、図１２に示した構成の物体認識センサのようなセンサ装置では、光ビームαの走査領域５０７に、光ビームαが２次元的に走査される平面状の被照射面を有する部材（例えば、スクリーン、壁、ステージなど）がある場合、当該被照射面の前方に物体５０８が無いときでも、光ビームαの走査角（あるいは、スキャン部５１４の振れ角）により受光素子５０４の受光強度が異なり、物体５０８を正しく認識できない懸念がある。要するに、図１２に示した構成の物体認識センサでは、走査領域５０７における物体５０８の背景の影響を受けやすい。
【００１２】
本発明は上記事由に鑑みて為されたものであり、その目的は、平面状の被照射面の前方に存在する物体を検出することが可能なセンサ装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明のセンサ装置は、光ビームを出射する光源と、前記光源から出射される前記光ビームを検知対象空間側へ反射させ前記光ビームを前記検知対象空間内にある平面状の被照射面上で二次元的に走査可能な偏向器と、前記偏向器を駆動する駆動信号を発生する駆動部と、前記偏向器で反射され前記検知対象空間側で反射された前記光ビームを受光し受光光量に応じた出力を発生する光検出部と、前記駆動信号に基づいて前記被照射面上の前記光ビームの離散的な走査点それぞれに対応するタイミングでタイミング信号を出力するタイミング管理部と、前記タイミング信号に基づいて前記光検出部の出力を信号処理する信号処理部と、前記光検出部の出力を記憶可能なメモリとを備え、前記信号処理部は、前記検知対象空間内に物体が存在しないときの前記被照射面上の前記光ビームの離散的な走査点それぞれに対応する前記タイミング信号に基づいて前記光検出部の出力をリファレンス信号として前記メモリに記憶させ、前記メモリに記憶されている前記リファレンス信号と前記リファレンス信号を前記メモリに記憶させた後の前記走査点それぞれに対応する前記タイミング信号に基づく前記光検出部の出力からなる検出信号との差分を前記走査点ごとの画素値とする画像を生成する画像生成部と、前記画像生成部で生成された画像に基づいて前記検知対象空間に存在する前記物体を抽出する物体抽出部とを有することを特徴とする。
【００１４】
このセンサ装置において、前記タイミング管理部は、予め設定された時刻毎に、前記信号処理部に対して前記メモリの前記リファレンス信号の書き換えを指示することが好ましい。
【００１５】
このセンサ装置において、前記リファレンス信号の更新を指示するための操作部を備え、前記タイミング管理部は、前記操作部から指示信号を受けると、前記信号処理部に対して前記メモリに記憶されている前記リファレンス信号の書き換えを指示することが好ましい。
【００１６】
このセンサ装置において、前記偏向器は、外側フレーム部と、前記外側フレーム部の内側に配置され一対の第１の捩ればね部を介して前記外側フレーム部により支持された可動フレーム部と、前記可動フレーム部の内側に位置し前記第１の捩ればね部の並設方向に直交する方向に並設された一対の第２の捩ればね部を介して前記可動フレーム部に支持され前記光ビームを反射するミラー面が形成されたミラー部と、前記外側フレーム部において前記可動フレーム部側に設けられた第１の固定電極と、前記可動フレーム部において前記外側フレーム部側に設けられた第１の可動電極と、前記可動フレーム部において前記ミラー部側に設けられた第２の固定電極と、前記ミラー部において前記可動フレーム部側に設けられた第２の可動電極とを有し、前記駆動部は、前記光ビームが水平方向に走査されるように前記第１の可動電極・前記第１の固定電極間と前記第２の可動電極・前記第２の固定電極間との一方に第１の駆動周波数の駆動電圧を印加する水平駆動回路と、前記光ビームが垂直方向に走査されるように前記第１の可動電極・前記第１の固定電極間と前記第２の可動電極・前記第２の固定電極間との他方に第２の駆動周波数の駆動電圧を印加する垂直駆動回路とを有することが好ましい。
【００１７】
このセンサ装置において、前記光源と前記偏向器との間に前記光ビームを反射および透過するハーフミラーを備え、前記光源・前記偏向器間の光軸と、前記偏向器・前記光検出部器間の光軸とを、前記偏向器・前記ハーフミラー間で一致させてあることが好ましい。
【発明の効果】
【００１８】
本発明のセンサ装置においては、平面状の被照射面の前方に存在する物体を検出することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】実施形態のセンサ装置を示し、（ａ）は概略構成図、（ｂ）は要部構成図である。
【図２】（ａ）は同上のセンサ装置の他の構成例を示し、（ｂ），（ｃ）は動作説明図である。
【図３】同上のセンサ装置の動作説明図である。
【図４】同上のセンサ装置における偏向器の概略分解斜視図である。
【図５】同上のセンサ装置における偏向器の概略斜視図である。
【図６】同上のセンサ装置における偏向器の製造方法を説明するための主要工程断面図である。
【図７】同上のセンサ装置の動作説明図である。
【図８】同上のセンサ装置の動作説明図である。
【図９】（ａ）は同上のセンサ装置の他の構成例を示し、（ｂ）〜（ｄ）は動作説明図である。
【図１０】同上のセンサ装置の他の構成例の応用例の説明図である。
【図１１】同上のセンサ装置の別の構成例の動作説明図である。
【図１２】従来例の物体認識センサの概略構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以下、本実施形態のセンサ装置について図１〜８を参照しながら説明する。
【００２１】
センサ装置は、光ビームＬＢ１を出射する光源４０１と、光源４０１から出射される光ビームＬＢ１を検知対象空間４０５側へ反射させ光ビームＬＢ１を検知対象空間４０５内にある平面状の被照射面４１０ａ上で二次元的に走査可能な偏向器４０３とを備えている。ここにおいて、偏向器４０３は、光ビームＬＢ１を垂直方向および水平方向に走査可能となっている。したがって、光ビーム走査装置は、例えば、図１（ａ）および図２に示すような平面状の被照射面４１０ａ上で光ビームＬＢ１を垂直方向および水平方向に走査させることができる。
【００２２】
また、センサ装置は、偏向器４０３を駆動する駆動信号を発生する駆動部４１３と、偏向器４０３で反射され検知対象空間４０５側で反射された光ビームＬＢ１を受光し受光光量に応じた出力を発生する光検出部４０４とを備えている。
【００２３】
さらに、センサ装置は、上記駆動信号に基づいて被照射面４１０ａ上の光ビームＬＢ１の離散的な走査点４５０（図３参照）それぞれに対応するタイミングでタイミング信号を出力するタイミング管理部４１４と、タイミング管理部４１４からのタイミング信号に基づいて光検出部４０４の出力を信号処理する信号処理部４１５とを備えている。センサ装置は、この信号処理部４１５により、物体４０６の認識を行う。また、センサ装置は、光検出部４０４の出力を記憶可能なメモリ４１６を備えている。
【００２４】
また、センサ装置は、光源４０１と偏向器４０３との間に光ビームＬＢ１を反射および透過するハーフミラー４０２を備えている。ここで、センサ装置は、図２（ａ）に示すように、光源４０１・偏向器４０３間の光軸ＯＡ１と、偏向器４０３・光検出部４０４間の光軸ＯＡ２とを、偏向器４０３・ハーフミラー４０２間で一致させてあることが好ましい。
【００２５】
また、センサ装置は、図２（ａ）に示すように、ハーフミラー４０２と光検出部４０４との間に位置しハーフミラー４０２で反射された光ビームＬＢ１を光検出部４０４の受光面４０４ａに集光するレンズ４０７を備えていることが好ましい。図２に関して、（ａ）中の一点鎖線は光軸を示し、（ｂ）中の実線の矢印は、検知用光源４０１から出射された検知用光ビームＬＢ１の検知対象空間４０５への進行経路を示し、（ｃ）中の実線の矢印は、被照射面４１０ａで反射された検知用光ビームＬＢ１の進行経路を示している。
【００２６】
光源４０１としては、光ビームＬＢ１として赤外光を出射する半導体レーザを用いている。光源４０１は、光ビームＬＢ１を出射可能なものであれば特に限定するものではなく、例えば、発光ダイオードなどでもよい。また、光ビームＬＢ１の波長も特に限定するものではない。
【００２７】
偏向器４０３は、ＭＥＭＳ（micro electro mechanical systems）デバイスであるＭＥＭＳミラー（ＭＥＭＳ光スキャナ）により構成してある。具体的には、偏向器４０３は、図４、図５および図６（ｆ）に示すように、半導体基板であるＳＯＩ（Silicon on Insulator）基板１００を用いて形成され可動部２０にミラー面２１が設けられたミラー形成基板１を備えている。また、偏向器４０３は、ミラー形成基板１においてミラー面２１が設けられた一表面側に接合された第１のカバー基板２を備えている。また、偏向器４０３は、ミラー形成基板１の他表面側に接合された第２のカバー基板３を備えている。
【００２８】
ミラー形成基板１は、上述のＳＯＩ基板１００をバルクマイクロマシニング技術などにより加工することによって形成してある。このＳＯＩ基板１００は、導電性を有する第１のシリコン層（活性層）１００ａと第２のシリコン層（シリコン基板）１００ｂとの間に絶縁層（ＳｉＯ２層）１００ｃが介在している。なお、ＳＯＩ基板１００は、第１のシリコン層１００ａの厚さを３０μｍ、第２のシリコン層１００ｂの厚さを４００μｍに設定してあるが、これらの数値は一例であり、特に限定するものではない。また、ＳＯＩ基板１００の一表面である第１のシリコン層１００ａの表面は（１００）面としてある。
【００２９】
ミラー形成基板１は、外側フレーム部１０と、外側フレーム部１０の内側に配置された上述の可動部２０と、外側フレーム部１０の内側で可動部２０を挟む形で配置され外側フレーム部１０と可動部２０とを連結した一対の第１の捩りばね部３０，３０とを有する。各第１の捩りばね部３０，３０は、捩れ変形が可能となっている。
【００３０】
外側フレーム部１０は、枠状（ここでは、矩形枠状）の形状であり、外周形状および内周形状それぞれが矩形状に形成されている。ここにおいて、偏向器４０３は、ミラー形成基板１および各カバー基板２，３それぞれの外周形状が、矩形状であり、各カバー基板２，３の外形寸法を、ミラー形成基板１の外形寸法に合わせてある。
【００３１】
ミラー形成基板１の外側フレーム部１０は、ＳＯＩ基板１００の第１のシリコン層１００ａ、絶縁層１００ｃ、第２のシリコン層１００ｂそれぞれを利用して形成してある。そして、ミラー形成基板１は、外側フレーム部１０のうち第１のシリコン層１００ａにより形成された部位が、第１のカバー基板２の外周部と全周に亘って接合され、外側フレーム部１０のうち第２のシリコン層１００ｂにより形成された部位が、第２のカバー基板３の外周部と全周に亘って接合されている。
【００３２】
また、ミラー形成基板１の可動部２０および各第１の捩りばね部３０，３０は、ＳＯＩ基板１００の第１のシリコン層１００ａを用いて形成されており、外側フレーム部１０よりも十分に薄肉となっている。また、可動部２０に設けられたミラー面２１は、光源４０１からの光ビームＬＢ１を反射するものであり、可動部２０において第１のシリコン層１００ａにより形成された部位上に形成した金属膜（例えば、Ａｌ−Ｓｉ膜など）からなる反射膜２１ａの表面により構成されている。なお、本実施形態では、反射膜２１ａの膜厚を５００ｎｍに設定してあるが、この数値は一例であり、特に限定するものではない。
【００３３】
以下では、図４の左側に示すように、平面視において一対の第１の捩りばね部３０，３０の並設方向に直交する方向をｘ軸方向、一対の第１の捩りばね部３０，３０の並設方向をｙ軸方向、ｘ軸方向およびｙ軸方向に直交する方向をｚ軸方向として説明する。
【００３４】
ミラー形成基板１は、一対の第１の捩りばね部３０，３０がｙ軸方向に並設されており、可動部２０が、外側フレーム部１０に対して一対の第１の捩りばね部３０，３０の回りで変位可能となっている（ｙ軸方向の軸回りで回動可能となっている）。つまり、一対の第１の捩りばね部３０，３０は、外側フレーム部１０に対して可動部２０が揺動自在となるように外側フレーム部１０と可動部２０とを連結している。言い換えれば、外側フレーム部１０の内側に配置される可動部２０は、可動部２０から相反する２方向へ連続一体に延長された２つの第１の捩りばね部３０，３０を介して、外側フレーム部１０に揺動自在に支持されている。ここで、一対の第１の捩りばね部３０，３０は、両者のｙ軸方向に沿った中心線同士を結ぶ直線が、平面視で可動部２０の重心を通るように形成されている。なお、各捩りばね部３０，３０は、厚み寸法（ｚ軸方向の寸法）を３０μｍ、幅寸法（ｘ軸方向の寸法）を、５μｍに設定してあるが、これらの数値は一例であり、特に限定するものではない。また、外側フレーム部１０の内周形状も矩形状に限らず、例えば、円形状でもよい。
【００３５】
上述のミラー形成基板１は、可動部２０において一対の第１の捩りばね部３０，３０を結ぶ方向（一対の第１の捩りばね部３０，３０の並設方向）に直交する方向（つまり、ｘ軸方向）の両側に形成された櫛形状の第１の可動電極２２を備えている。さらに、ミラー形成基板１は、外側フレーム部１０に形成され第１の可動電極２２の複数の可動櫛歯片２２ｂに対向する複数の固定櫛歯片１２ｂを有する櫛形状の第１の固定電極１２を備えている。ここにおいて、ミラー形成基板１は、第１の可動電極２２と第１の固定電極１２との間に駆動電圧が印加されることによって第１の可動電極２２と第１の固定電極１２との間に生じる静電力により、可動部２０が揺動する。なお、この動作については後述する。
【００３６】
第１の固定電極１２は、平面視形状が櫛形状であり、外側フレーム部１０のうちｙ軸方向に沿った枠片部において第１のシリコン層１００ａにより形成された部位の一部が、櫛骨部１２ａを構成している。そして、第１の固定電極１２は、櫛骨部１２ａにおける可動部２０との対向面（外側フレーム部１０におけるｙ軸方向に沿った内側面）に、多数の固定櫛歯片１２ｂが一対の第１の捩りばね部３０，３０の並設方向に沿って列設されている。ここで、各固定櫛歯片１２ｂは、第１のシリコン層１００ａの一部により構成されている。
【００３７】
一方、第１の可動電極２２は、可動部２０における第１の固定電極１２の櫛骨部１２ａ側の櫛骨部２２ａの側面（可動部２０におけるｙ軸方向に沿った側面）において、固定櫛歯片１２ｂにそれぞれ対向する多数の可動櫛歯片２２ｂが上記並設方向に列設されている。ここで、各可動櫛歯片２２ｂは、第１のシリコン層１００ａの一部により構成されている。
【００３８】
第１の固定電極１２と第１の可動電極２２とは、それぞれの櫛骨部１２ａ，２２ａが互いに対向し、第１の固定電極１２の各固定櫛歯片１２ｂが第１の可動電極２２の櫛溝に入り組んでおり、固定櫛歯片１２ｂと可動櫛歯片２２ｂとが、ｙ軸方向において互いに離間している。したがって、ミラー形成基板１では、第１の固定電極１２と第１の可動電極２２との間に電圧が印加されることにより、第１の固定電極１２と第１の可動電極２２との間に互いに引き合う方向に作用する静電力が発生する。なお、ｙ軸方向における固定櫛歯片１２ｂと可動櫛歯片２２ｂとの間の隙間は、例えば、２μｍ〜５μｍ程度の範囲で適宜設定すればよい。
【００３９】
ところで、可動部２０は、外側フレーム部１０に一対の第１の捩りばね部３０，３０を介して揺動自在に支持された枠状（ここでは、矩形枠状）の可動フレーム部２３と、可動フレーム部２３の内側に配置されミラー面２１が設けられたミラー部２４と、可動フレーム部２３の内側でミラー部２４を挟む形で配置され可動フレーム部２３とミラー部２４とを連結し捩れ変形が可能な一対の第２の捩りばね部２５，２５とを有している。
【００４０】
第２の捩りばね部２５，２５は、第１の捩りばね部３０，３０の並設方向（ｙ軸方向）とは直交する方向（ｘ軸方向）に並設されている。要するに、可動部２０は、一対の第２の捩りばね部２５，２５がｘ軸方向に並設されており、ミラー部２４が、可動フレーム部２３に対して一対の第２の捩りばね部２５，２５の回りで変位可能となっている（ｘ軸方向の軸回りで回動可能となっている）。つまり、一対の第２の捩りばね部２５，２５は、可動フレーム部２３に対してミラー部２４が揺動自在となるように可動フレーム部２３とミラー部２４とを連結している。言い換えれば、可動フレーム部２３の内側に配置されるミラー部２４は、ミラー部２４から相反する２方向へ連続一体に延長された２つの第２の捩りばね部２５，２５を介して可動フレーム部２３に揺動自在に支持されている。ここで、一対の第２の捩りばね部２５，２５は、両者のｘ軸方向に沿った中心線同士を結ぶ直線が、平面視でミラー部２４の重心を通るように形成されている。なお、各第２の捩りばね部２５は、厚み寸法（ｚ軸方向の寸法）を３０μｍ、幅寸法（ｙ軸方向の寸法）を、３０μｍに設定してあるが、これらの数値は一例であり、特に限定するものではない。また、ミラー部２４およびミラー面２１の平面視形状は、矩形状に限らず、例えば、円形状でもよい。また、可動フレーム部２３の内周形状も矩形状に限らず、例えば、円形状でもよい。
【００４１】
上述の説明から分かるように、ミラー部２４は、一対の第１の捩りばね部３０，３０の軸回りの回動と、一対の第２の捩りばね部２５，２５の軸回りの回動とが可能である。要するに、偏向器４０３は、ミラー部２４のミラー面２１が、二次元的に回動可能に構成されており、光ビームＬＢ２を二次元的に走査することができる。ここで、可動部２０は、可動フレーム部２３における第１のカバー基板２側とは反対側に、可動フレーム部２３を支持する枠状（矩形枠状）の支持体２９が一体に設けられており、支持体２９が可動フレーム部２３と一体に回動可能となっている。
【００４２】
また、ミラー形成基板１は、ミラー部２４において一対の第２の捩りばね部２５，２５を結ぶ方向（一対の第２の捩りばね部２５，２５の並設方向）に直交する方向（つまり、ｙ軸方向）の両側に形成された櫛形状の第２の可動電極２７と、可動フレーム部２３に形成され第２の可動電極２７の複数の可動櫛歯片２７ｂに対向する複数の固定櫛歯片２６ｂを有する櫛形状の第２の固定電極２６とを備えている。ここにおいて、ミラー形成基板１は、第２の可動電極２７と第２の固定電極２６との間に駆動電圧が印加されることによって第２の可動電極２７と第２の固定電極２６との間に生じる静電力により、ミラー部２４が揺動する。なお、この動作については後述する。
【００４３】
上述の第２の固定電極２６は、平面視形状が櫛形状であり、櫛骨部２６ａが可動フレーム部２３の一部により構成されている。そして、第２の固定電極２６の櫛骨部２６ａにおけるミラー部２４との対向面（可動フレーム部２３におけるｘ軸方向に沿った内側面）には、多数の固定櫛歯片２６ｂが、一対の第２の捩りばね部２５，２５の並設方向に沿って列設されている。一方、第２の可動電極２７はミラー部２４の一部により構成されており、第２の固定電極２６の櫛骨部２６ａ側の側面（ミラー部２４におけるｘ軸方向に沿った側面）には、固定櫛歯片２６ｂにそれぞれ対向する多数の可動櫛歯片２７ｂが上記並設方向に列設されている。ここで、櫛形状の第２の固定電極２６と櫛形状の第２の可動電極２７とは、櫛骨部２６ａ，２７ａが互いに対向し、第２の固定電極２６の各固定櫛歯片２６ｂが第２の可動電極２７の櫛溝に入り組んでおり、固定櫛歯片２６ｂと可動櫛歯片２７ｂとが、ｘ軸方向において互いに離間している。したがって、ミラー形成基板１は、第２の固定電極２６と第２の可動電極２２との間に電圧が印加されることにより、第２の固定電極２６と第２の可動電極２７との間に、互いに引き合う方向に作用する静電力が発生する。なお、ｘ軸方向における固定櫛歯片２６ｂと可動櫛歯片２７ｂとの間の隙間は、例えば、２μｍ〜５μｍ程度の範囲で適宜設定すればよい。
【００４４】
また、ミラー形成基板１は、外側フレーム部１０に、３つのパッド１３が平面視において一直線上に並ぶように略等間隔で並設されている。これに対して、第１のカバー基板２は、各パッド１３それぞれを各別に露出させる３つの貫通孔２０２が貫設されている。各パッド１３は、平面視形状が円形状であり、金属膜（例えば、Ａｌ−Ｓｉ膜など）により構成されている。なお、本実施形態では、各パッド１３の膜厚を５００ｎｍに設定してあるが、この数値は一例であり、特に限定するものではない。
【００４５】
ミラー形成基板１は、外側フレーム部１０において第１のシリコン層１００ａにより形成された部位に複数（ここでは、３つ）のスリット１０ａを形成するとともに、可動部２０の可動フレーム部２３において第１のシリコン層１００ａにより形成された部位に複数（ここでは、４つ）のスリット２０ａを形成してある。これにより、ミラー形成基板１は、３つのパッド１３のうち図４における真ん中のパッド１３（１３ｂ）が第１の固定電極１２と電気的に接続されて同電位となり、右側のパッド１３（１３ａ）が第１の可動電極２２および第２の可動電極２６と電気的に接続されて同電位となり、左側のパッド１３（１３ｃ）がミラー部２４の第２の可動電極２７と電気的に接続されて同電位となっている。
【００４６】
ここで、外側フレーム部１０の複数のスリット１０ａは、絶縁層１００ｃに達する深さで形成されている。偏向器４０３は、各スリット１０ａをトレンチとし、各スリット１０ａの平面視形状を外側フレーム部１０の外側面側に開放されない形状とすることで、外側フレーム部１０にスリット１０ａを形成した構造を採用しながらも、外側フレーム部１０と第１のカバー基板２との接合性が低下するのを防止し、外側フレーム部１０と各カバー基板２，３とで囲まれる空間の気密性を確保している。
【００４７】
また、可動部２０における可動フレーム部２３の各スリット２０ａは、トレンチとしてあり、ＳＯＩ基板１００の絶縁層１００ｃの一部と第２のシリコン層１００ｂの一部とで構成される上述の支持体２９における絶縁層１００ｃに達する深さに形成してある。要するに、偏向器４０３では、可動フレーム部２３に複数のスリット２０ａを形成した構成を採用しながらも、可動フレーム部２３と支持体２９とが、一対の第１の捩りばね部３０，３０の軸回りで一体に回動可能となっている。ここにおいて、支持体２９は、可動フレーム部２３のうち各固定櫛歯片２６ｂおよび各可動櫛歯片２２ｂを除く部位を覆う枠状に形成されている（図５参照）。また、可動フレーム部２３の複数のスリット２０ａは、支持体２９を含めた可動部２０の重心が、平面視において一対の第１の捩りばね部３０，３０のｙ軸方向に沿った中心線を結ぶ直線の略真ん中に位置するように形状を設計してある。しかして、本実施形態における偏向器４０３では、可動部２０が一対の第１の捩りばね部３０，３０の軸回りでスムーズに揺動し、反射光の走査が適正に行われる。なお、本実施形態では、支持体２９において第２のシリコン層１００ｂにより構成される部位の厚さを、外側フレーム部１０において第２のシリコン層１００ｂにより構成される部位と同じ厚さに設定してあるが、同じに限らず、厚くしてもよいし薄くしてもよい。
【００４８】
また、第１のカバー基板２は、それぞれパイレックス（登録商標）ガラスなどからなる２枚のガラス板を厚み方向に重ねて接合することにより形成した第１のガラス基板２００を用いて形成してある。また、第２のカバー基板３は、パイレックス（登録商標）ガラスなどからなる第２のガラス基板３００を用いて形成してある。なお、第１のガラス基板２００および第２のガラス基板３００の厚さは、０．５ｍｍ〜１．５ｍｍ程度の範囲で設定してあるが、これらの数値は一例であり、特に限定するものではない。
【００４９】
第１のカバー基板２は、上述のように第１のガラス基板２００を用いており、第１のガラス基板２００の厚み方向に貫通して各パッド１３それぞれを全周に亘って露出させる３つの貫通孔２０２が形成されている。ここにおいて、第１のガラス基板２００の各貫通孔２０２は、ミラー形成基板１から離れるにつれて開口面積が徐々に大きくなるテーパ状に形成されている。各貫通孔２０２は、サンドブラスト法により形成してある。各貫通孔２０２の形成方法は、サンドブラスト法に限定するものではなく、ドリル加工法やエッチング法などを採用してもよい。
【００５０】
また、偏向器４０３は、各パッド１３の平面視形状を円形状としてあり、各貫通孔２０２の第１のミラー形成基板１側での開口径が各パッド１３の直径よりも大きくなるようにしてある。各パッド１３の直径は、０．５ｍｍに設定してあるが、特に限定するものではない。また、各パッド１３の平面視形状は、必ずしも円形状である必要はなく、例えば、正方形状としてもよいが、各貫通孔２０２の開口径を小さくするうえでは円形状の方が正方形状よりも好ましい。
【００５１】
ところで、各パッド１３の一部が厚み方向において第１のカバー基板２に重なる場合には、各パッド１３の厚みの影響で接合性や気密性が損なわれて製造時の歩留まり低下や、動作安定性の低下、経時安定性の低下の原因となる懸念がある。したがって、このような場合には、外側フレーム部１０の幅寸法（外側フレーム部１０の外側面と内側面との距離）を増大させる必要が生じて、偏向器４０３の小型化が制限されてしまうことが考えられる。
【００５２】
これに対して、本実施形態における偏向器４０３では、第１のカバー基板２が各パッド１３と重なることがなく、第１のカバー基板２と外側フレーム部１０との間に各パッド１３の一部が介在することもない。したがって、偏向器４０３は、第１のカバー基板２とミラー形成基板１の外側フレーム部１０との接合が、各パッド１３により妨げられるのを防止することができる。その結果、本実施形態における偏向器４０３では、各パッド１３の厚みの影響で接合性や気密性が損なわれるのを防止することができ、外側フレーム部１０の幅寸法を増大させずに歩留まりの向上による低コスト化を図れるとともに、動作安定性の低下、経時安定性の低下を抑制することが可能となる。
【００５３】
また、偏向器４０３では、ミラー形成基板１の外側フレーム部１０と各カバー基板２，３とで囲まれる気密空間を真空（真空雰囲気）とすることで、低消費電力化を図りつつ可動部２０およびミラー部２４の機械振れ角を大きくすることが可能となる。そこで、偏向器４０３では、上記気密空間を真空とするとともに、第２のカバー基板３におけるミラー形成基板１との対向面において外側フレーム部１０に接合される部位よりも内側の適宜部位に非蒸発型のゲッタ（図示せず）を設けてある。なお、非蒸発型のゲッタは、例えば、Ｚｒを主成分とする合金やＴｉを主成分とする合金などにより形成すればよい。また、偏向器４０３では、外側フレーム部１０と第１のカバー基板２と第２のカバー基板３とで囲まれた上記気密空間を、不活性ガス雰囲気（例えば、ドライ窒素ガス雰囲気など）としてもよい。上述の偏向器４０３では、上記気密空間を真空雰囲気と不活性ガス雰囲気とのいずれにしても、ミラー面２１の酸化を防止できるから、ミラー面２１の材料の選択肢が多くなるとともに、ミラー面２１の反射特性の経時変化を抑制することができる。
【００５４】
第１のガラス基板２００は、ミラー形成基板１との対向面に、可動部２０の変位空間を確保するための第１の凹部２０１を有している。ここで、第１のガラス基板２００は、上述のように２枚のガラス板を接合して形成されている。そこで、第１のガラス基板２００は、ミラー形成基板１に近い側に配置するガラス板（以下、第１のガラス板と称する）において第１の凹部２０１に対応する部位に、厚み方向に貫通する開孔部を形成し、ミラー形成基板１から遠い側に配置するガラス板（以下、第２のガラス板と称する）を平板状としてある。したがって、第１のガラス基板２００は、サンドブラスト加工などにより第１の凹部２０１が形成されたものに比べて、第１の凹部２０１の内底面を滑らかな表面とすることができ、第１の凹部２０１の内底面での拡散反射、光拡散、散乱損失などを低減できる。
【００５５】
また、第２のカバー基板３は、第２のガラス基板３００におけるミラー形成基板１側の上記一表面に、可動部２０の変位空間を確保するための第２の凹部３０１を形成してある。
【００５６】
ここにおいて、第２のガラス基板３００の上記一表面に第２の凹部３０１を形成する場合は、例えば、サンドブラスト法などにより形成すればよい。また、第２のカバー基板３についても、第１のカバー基板２と同様、２枚のガラス板を接合して形成してもよく、ミラー形成基板１に近い側に配置するガラス板（以下、第３のガラス板と称する）において第２の凹部３０１に対応する部位に厚み方向に貫通する開孔部を形成するとともに、ミラー形成基板１から遠い側に配置するガラス板（以下、第４のガラス板と称する）を平板状としてもよい。なお、第２のカバー基板３は、光を透過させる必要がないので、第２のガラス基板３００に限らず、ミラー形成基板１との接合が容易で且つ半導体基板（ＳＯＩ基板１００）の材料であるＳｉとの線膨張率差が小さな材料により形成された基板であればよく、例えば、シリコン基板を用いて形成してもよく、この場合の第２の凹部３０１は、フォトリソグラフィ技術およびエッチング技術を利用して形成すればよい。
【００５７】
また、本実施形態における偏向器４０３では、外側フレーム部１０と第１のカバー基板２と第２のカバー基板３とで囲まれる気密空間を真空とすることで、低消費電力化を図りつつ可動部２０の機械振れ角を大きくすることが可能となるので、上記気密空間を真空とするとともに、第２の凹部３０１の内底面に、上述のゲッタを配置してある。
【００５８】
なお、本実施形態では、第１のカバー基板２および第２のカバー基板３の厚さを０．５ｍｍ〜１．５ｍｍ程度の範囲で設定し、第１の凹部２０１および第２の凹部３０１の深さを３００μｍ〜８００μｍの範囲で設定してあるが、これらの数値は一例であり、可動部２０のｚ軸方向への変位量に応じて適宜設定すればよく（つまり、可動部２０の回動運動を妨げない深さであればよく）、特に限定するものではない。
【００５９】
各ガラス基板２００，３００のガラス材料としては、上述のように硼珪酸ガラスであるパイレックス（登録商標）を採用しているが、硼珪酸ガラスに限らず、例えば、ソーダライムガラス、無アルカリガラス、石英ガラスなどを採用してもよい。
【００６０】
以下、偏向器４０３の製造方法について図６を参照しながら説明するが、図６の（ａ）〜（ｆ）は図４のＡ−Ｂ断面に対応する部分の概略断面を示している。
【００６１】
まず、半導体基板であるＳＯＩ基板１００の上記一表面側および上記他表面側それぞれに熱酸化法などによりシリコン酸化膜１１１ａ，１１１ｂを形成する酸化膜形成工程を行うことによって、図６（ａ）に示す構造を得る。
【００６２】
その後、フォトリソグラフィ技術およびエッチング技術を利用してＳＯＩ基板１００の上記一表面側のシリコン酸化膜（以下、第１のシリコン酸化膜と称する）１１１ａをパターニングする第１のシリコン酸化膜パターニング工程を行うことによって、図６（ｂ）に示す構造を得る。この第１のシリコン酸化膜パターニング工程では、第１のシリコン酸化膜１１１ａのうち、可動部２０において反射膜２１ａの形成予定領域以外の部分、第１の捩りばね部３０，３０などに対応する部位などが残るように、第１のシリコン酸化膜１１１ａをパターニングする。
【００６３】
第１のシリコン酸化膜パターニング工程の後、ＳＯＩ基板１００の上記一表面側に所定膜厚（例えば、５００ｎｍ）の金属膜（例えば、Ａｌ−Ｓｉ膜）をスパッタ法や蒸着法などにより成膜する金属膜形成工程を行い、フォトリソグラフィ技術およびエッチング技術を利用して金属膜をパターニングすることにより各パッド１３および反射膜２１ａを形成する金属膜パターニング工程を行うことによって、図６（ｃ）に示す構造を得る。なお、本実施形態では、各パッド１３と反射膜２１ａとの材料および膜厚を同じに設定してあるので、各パッド１３と反射膜２１ａとを同時に形成しているが、各パッド１３と反射膜２１ａとの材料や膜厚が相違する場合には、各パッド１３を形成するパッド形成工程と反射膜２１ａを形成する反射膜形成工程とを別々に設ければよい。
【００６４】
上述の各パッド１３および反射膜２１ａを形成した後、ＳＯＩ基板１００の上記一表面側で、第１のシリコン層１００ａのうち可動フレーム部２３、ミラー部２４、一対の第１の捩りばね部３０，３０、一対の第２の捩りばね部２５，２５、外側フレーム部１０、第１の固定電極１２、第２の可動電極２２、第２の固定電極２６、第２の可動電極２７に対応する部位を覆うようにパターニングされた第１のレジスト層１３０を形成する。その後、第１のレジスト層１３０をマスクとして、第１のシリコン層１００ａをパターニングする第１のシリコン層パターニング工程（表面側パターニング工程）を行うことによって、図６（ｄ）に示す構造を得る。この第１のシリコン層パターニング工程では、第１のシリコン層１００ａを絶縁層１００ｃに達する深さ（第１の所定深さ）までエッチングする。第１のシリコン層パターニング工程での第１のシリコン層１００ａのエッチングは、誘導結合プラズマ型のエッチング装置などのように、異方性の高いエッチングが可能なドライエッチング装置により行えばよい。また、第１のシリコン層パターニング工程では、絶縁層１００ｃをエッチングストッパ層として利用している。
【００６５】
上述の第１のシリコン層パターニング工程の後、ＳＯＩ基板１００の上記一表面側の第１のレジスト層１３０を除去する。その後、ＳＯＩ基板１００の上記一表面側の全面に第２のレジスト層１３１を形成する。続いて、ＳＯＩ基板１００の他表面側で、第２のシリコン層１００ｂのうち外側フレーム部１０、支持体２９に対応する部位以外を露出させるようにパターニングされた第３のレジスト層１３２を形成する。その後、第３のレジスト層１３２をマスクとして、第２のシリコン層１００ｂをパターニングする第２のシリコン層パターニング工程を行うことによって、図６（ｅ）に示す構造を得る。この第２のシリコン層パターニング工程では、第２のシリコン層１００ｂを絶縁層１００ｃに達する深さ（第２の所定深さ）までエッチングする。第２のシリコン層パターニング工程での第２のシリコン層１００ｂのエッチングは、誘導結合プラズマ型のエッチング装置などのように、異方性が高く垂直深堀が可能なドライエッチング装置により行えばよい。また、第２のシリコン層パターニング工程では、絶縁層１００ｃをエッチングストッパ層として利用している。
【００６６】
上述の第２のシリコン層パターニング工程の後、ＳＯＩ基板１００の絶縁層１００ｃの不要部分をＳＯＩ基板１００の上記他表面側からエッチングする絶縁層パターニング工程を行うことでミラー形成基板１を形成する。続いて、第２のレジスト層１３１および第３のレジスト層１３２を除去する。その後、ミラー形成基板１と、第１のカバー基板２および第２のカバー基板３とを陽極接合などにより接合する接合工程を行うことによって、図６（ｆ）に示す構造の偏向器４０３を得る。
【００６７】
上述の接合工程では、ミラー形成基板１のミラー面２１を保護する観点から、第１のカバー基板２とミラー形成基板１とを接合する第１の接合過程を行ってから、ミラー形成基板１と第２のカバー基板３とを接合する第２の接合過程を行うことが好ましい。ここで、第１の接合過程では、先ず、第１のガラス基板２００に第１の凹部２０１や各貫通孔２０２などを形成した第１のカバー基板２とミラー形成基板１とを重ねた積層体を、所定真空度（例えば、１０Ｐａ以下）の真空中で所定の接合温度（例えば、３００℃〜４００℃程度）に加熱した状態で、第１のシリコン層１００ａと第１のカバー基板２との間に第１のカバー基板２側を低電位側として所定電圧（例えば、４００Ｖ〜８００Ｖ程度）を印加し、この状態を所定の接合時間（例えば、２０分〜６０分程度）だけ保持すればよい。また、第２の接合過程では、上述の第１の接合過程に準じて、第２のシリコン層１００ｂと第２のカバー基板３との陽極接合を行う。なお、ミラー形成基板１と各カバー基板２，３を接合する接合方法は、陽極接合に限らず、例えば、常温接合法などでもよい。また、第１のシリコン層パターニング工程の後に、ＳＯＩ基板１００と第１のカバー基板２とを接合し、その後、第２のシリコン層パターニング工程、絶縁層パターニング工程を行うことでミラー形成基板１を形成し、その後、ミラー形成基板１と第２のカバー基板３とを接合するようにしてもよい。なお、上述の偏向器４０３の製造にあたっては、接合工程が終了するまでは、ミラー形成基板１、第１のカバー基板２および第２のカバー基板３それぞれについてウェハの状態で行い、接合工程の後で、個々の偏向器４０３に分離するダイシング工程を行えばよい。
【００６８】
次に、偏向器４０３の動作について説明する。
【００６９】
偏向器４０３では、互いに対向する第１の可動電極２２と第１の固定電極１２との間に、可動部２０を駆動するためのパルス電圧を一対のパッド１３，１３を介して印加することにより、第１の可動電極２２・第１の固定電極１２間に静電力が発生し、可動部２０がｙ軸方向の軸回りで回動する。しかして、偏向器４０３では、第１の可動電極２２・第１の固定電極１２間に所定の駆動周波数のパルス電圧を印加することにより、周期的に静電力を発生させることができ、可動部２０を揺動させることができる。
【００７０】
ここで、上述の可動部２０は、内部応力に起因して、静止状態でも水平姿勢（ｘｙ平面に平行な姿勢）ではなく、きわめて僅かであるが傾いているので、例えば、第１の可動電極２２・第１の固定電極１２間にパルス電圧が印加されると、静止状態からであっても、可動部２０に略垂直な方向（ｚ軸方向）の駆動力が加わり、可動部２０が一対の第１の捩りばね部３０，３０を回動軸として当該一対の第１の捩りばね部３０，３０を捩りながら回動する。そして、第１の可動電極２２・第１の固定電極１２間の駆動力を、可動櫛歯片２２ｂと固定櫛歯片１２ｂとが完全に重なりあうような姿勢となったときに解除すると、可動部２０は、慣性力により、一対の第１の捩りばね部３０，３０を捩りながら回動し続ける。そして、可動部２０の回動方向への慣性力と、一対の第１の捩りばね部３０，３０の復元力とが等しくなったとき、当該回動方向への可動部２０の回動が停止する。このとき、第１の可動電極２２・第１の固定電極１２間に再びパルス電圧が印加されて静電力が発生すると、可動部２０は、一対の第１の捩りばね部３０，３０の復元力と第１の可動電極２２・第１の固定電極１２間の駆動力とにより、それまでとは逆の方向への回動を開始する。可動部２０は、第１の可動電極２２・第１の固定電極１２間の駆動力と一対の第１の捩りばね部３０，３０の復元力とによる回動を繰り返して、一対の捩りばね部３０，３０を回動軸として揺動する。
【００７１】
なお、第１の可動電極２２・第１の固定電極１２間への駆動電圧の印加形態や周波数は特に限定するものではなく、例えば、第１の可動電極２２・第１の固定電極１２間に印加する電圧を正弦波電圧としてもよい。
【００７２】
ところで、偏向器４０３は、例えば、第１の可動電極２２と第２の固定電極２６とが電気的に接続されたパッド１３ａの電位を基準電位として、第１の固定電極１２および第２の可動電極２７それぞれの電位を周期的に変化させることにより、可動部２０を一対の第１の捩りばね部３０，３０の軸回りで回動させることができるとともに、ミラー部２４を一対の第２の捩りばね部２５，２５の軸回りで回動させることができる。要するに、本実施形態における偏向器４０３では、対向する第１の固定電極１２と第１の可動電極２２との間に、可動部２０を駆動するためのパルス電圧を一対のパッド１３ｂ，１３ａを介して印加することにより、第１の固定電極１２・第１の可動電極２２間に静電力が発生し、可動部２０がｙ軸方向の軸回りで回動する。また、この偏向器４０３では、対向する第２の固定電極２６と第２の可動電極２７との間に、ミラー部２４を駆動するためのパルス電圧を一対のパッド１３ａ，１３ｃを介して印加することにより、第２の固定電極２６・第２の可動電極２７間に静電力が発生し、ミラー部２４がｘ軸方向の軸回りで回動する。しかして、本実施形態における偏向器４０３では、第１の固定電極１２・第１の可動電極２２間に所定の第１の駆動周波数のパルス電圧を印加することにより、周期的に静電力を発生させることができ、可動部２０全体を揺動させることができ、さらに、第２の固定電極２６・第２の可動電極２７間に所定の第２の駆動周波数のパルス電圧を印加することにより、周期的に静電力を発生させることができ、可動部２０のミラー部２４を揺動させることができる。なお、ミラー形成基板１は、外側フレーム部１０と第１のカバー基板２とで囲まれた空間側において、第１のシリコン層１００ａの反射膜２１ａが形成されていない部位の表面に、シリコン酸化膜１１１ａ（図６（ｆ）参照）が形成されている。
【００７３】
本実施形態における偏向器４０３では、第１の固定電極１２・第１の可動電極２２間に、可動部２０と一対の第１の捩りばね部３０，３０とにより構成される振動系の共振周波数の略２倍の周波数のパルス電圧を印加することにより、可動部２０が共振現象を伴って駆動され、機械振れ角（ｘｙ平面に平行な水平面を基準としたときの傾き）が大きくなる。また、本実施形態における偏向器４０３では、第２の固定電極２６・第２の可動電極２７間に、ミラー部２４と一対の第２の捩りばね部２５，２５とにより構成される振動系の共振周波数の略２倍の周波数のパルス電圧を印加することにより、ミラー部２４が共振現象を伴って駆動され、機械振れ角（可動フレーム部２３における第１のカバー基板２側の表面に平行な面を基準としたときの傾き）が大きくなる。
【００７４】
ところで、上述の駆動部４１３は、光ビームＬＢ１が水平方向に走査されるように第２の可動電極２７・第２の固定電極２６間に第１の駆動周波数の駆動電圧（駆動信号）を印加する水平駆動回路（図示せず）と、光ビームＬＢ１が垂直方向に走査されるように第１の可動電極２２・第１の固定電極１２間に第２の駆動周波数の駆動電圧（駆動信号）を印加する垂直駆動回路（図示せず）とを備えている。なお、偏向器４０３の配置によっては、水平駆動回路が、第１の可動電極２２・第１の固定電極１２間に第１の駆動周波数の駆動電圧を印加するようにし、垂直駆動回路が、第２の可動電極２７・第２の固定電極２６間に第２の駆動周波数の駆動電圧を印加するようにしてもよい。
【００７５】
また、光検出部４０４は、赤外光に対して感度を有するフォトダイオードからなる受光素子４０４ａと、受光素子４０４ａの出力を増幅する増幅部４０４ｂと、増幅部４０４ｂの出力をアナログ−ディジタル変換するＡ／Ｄ変換部４０４ｃとを有しており、受光素子４０４ａでの受光光量に応じて出力が変化する。したがって、センサ装置では、光ビームＬＢ１の光路上の物体４０６の有無に応じて、光検出部４０４の受光素子４０４ａでの受光光量が変化し、出力が変化する。
【００７６】
ところで、上述のタイミング管理部４１４は、上述の第１の駆動周波数、第２の駆動周波数それぞれに一致する周波数で第１の基準画素タイミング信号、第２の基準画素タイミング信号を生成する基準画素タイミング生成部４１４ａと、基準画素タイミング生成部４１４ａで生成された第１の基準画素タイミング信号、第２の基準画素タイミング信号それぞれの位相を調整して出力する基準画素タイミング調整部４１４ｂと、基準画素タイミング調整部４１４ｂから出力される第１の基準画素タイミング信号、第２の基準画素タイミング信号に基づいて光ビームＬＢ１の走査点に対応する画素の位置をリアルタイムで演算する対応画素演算部４１４ｃとを備えている。
【００７７】
基準画素タイミング生成部４１４ａでは、第１の駆動周波数の駆動電圧の立ち上がり時に当該駆動電圧よりもパルス幅が十分に短い第１の基準画素タイミング信号を生成し、第２の駆動周波数の駆動電圧の立ち上がり時に当該駆動電圧よりもパルス幅が十分に短い第２の基準画素タイミング信号を生成する。
【００７８】
基準画素タイミング調整部４１４ｂは、基準画素タイミング生成部４１４ａで生成された第１の基準画素タイミング信号と偏向器４０３からの水平基準位置信号とのタイミングを一致させるように第１の基準画素タイミング信号の位相を調整するとともに、基準画素タイミング生成部４１４ａで生成された第２の基準画素タイミング信号と偏向器４０３からの垂直基準位置信号とのタイミングを一致させるように第２の基準画素タイミング信号の位相を調整する。
【００７９】
ところで、駆動部４１３は、水平駆動回路から偏向器４０３の第２の可動電極２７・第２の固定電極２６間に印加する第１の駆動周波数の駆動電圧に、当該駆動電圧に比べて高周波の第１の電圧（以下、水平基準位置を特定するための電圧）を重畳させるとともに、垂直駆動回路から偏向器４０３の第１の可動電極２２・第１の固定電極１２間に印加する第２の駆動周波数の駆動電圧に、当該駆動電圧に比べて高周波の第２の電圧（垂直基準位置を特定するための電圧）を重畳させるようにしている。ここにおいて、第１の電圧および第２の電圧の波形は、正弦波であることが好ましい。
【００８０】
ここで、可動フレーム部２３に対するミラー部２４の相対的な位置（機械振れ角）の変化に応じて、第２の可動電極２７・第２の固定電極２６間の静電容量に変化が生じ、第１の電圧に基づく電流値（振幅）に微小な変化が生じる。この電流値は、水平基準位置、すなわち機械振れ角がゼロのときに最も大きくなる。このことから、基準画素タイミング調整部４１４ｂにおいて、第２の固定電極２６に接続されているパッド１３ｃを流れる電流を監視することにより、偏向器４０３が水平基準位置にあるときに対応する電流値を水平基準位置信号として得ることができる。また、固定フレーム部１０に対する可動フレーム部２３の相対的な位置（機械振れ角）の変化に応じて、第１の可動電極２２・第１の固定電極１２間の静電容量に変化が生じ、第２の基準位置特定電圧に基づく電流値（振幅）に微小な変化が生じる。このことから、基準画素タイミング調整部４１４ｂにおいて、第１の固定電極１２に接続されているパッド１３ｂを流れる電流を監視することにより、偏向器４０３が垂直基準位置にあるときに対応する電流値を垂直基準位置信号として得ることができる。
【００８１】
対応画素演算部４１４ｃは、基準画素タイミング調整部４１４ｂから出力された第１の基準画素タイミング信号と第２の基準画素タイミング信号とが一致するタイミングを基準（中心）の画素として、光ビームＬＢ１が走査されている画素を特定する。ここで、対応画素演算部４１４ｃは、第１の基準画素タイミング信号と第２の基準画素タイミング信号とが同時に入力された時点からの経過時間に基づいて画素の位置を特定し、光ビームＬＢ１の離散的な走査点４５０それぞれに対応する上記タイミング信号を出力する。この経過時間と画素との関係については、あらかじめ計算して、タイムテーブルとして内部メモリに記憶させておけばよい。なお、上述の経過時間はカウンタを利用して計時するようにすればよく、この場合、カウンタは、第１の基準画素タイミング信号と第２の基準画素タイミング信号とが同時に入力されるたびにリセットされるようにすればよい。
【００８２】
なお、上述のタイミング管理部４１４は、マイクロコンピュータなどにより構成すればよく、当該マイクロコンピュータに適宜のプログラムを搭載することにより、基準画素タイミング生成部４１４ａ、基準画素タイミング調整部４１４ｂ、および対応画素演算部４１４ｃを実現することができる。ただし、タイミング管理部４１４は、マイクロコンピュータに限らず、複数の電子部品などにより構成してもよい。
【００８３】
ところで、センサ装置は、光源４０１・偏向器４０３間の光軸ＯＡ１（図２参照）と、偏向器４０３・光検出部４０４間の光軸ＯＡ２（図２参照）とを、偏向器４０３・ハーフミラー４０２間で一致させてある。
【００８４】
一方、図７（ａ）に示すように、平面状の被照射面４１０ａに光ビームＬＢ１が入射する場合、当該被照射面４１０ａの前方に物体４０６が無いときでも、被照射面４１０ａに対する光ビームＬＢ１の入射角により光検出部４０４の受光素子４０４ａの出力が異なる。こここで、光ビームＬＢ１が図７（ａ）の上下方向に繰り返して走査されると、受光素子４０４ａの出力は、図７（ｂ）に示すように、ゆらぐ（変動する）。被照射面４１０ａからの反射光について正反射成分（図７（ａ）において右側に矢先がある実線の矢印は正反射成分を示し、右側に矢先がある破線の矢印は反射成分のうち入射光と同じ方向の反射成分を示す）が支配的であるとすれば、被照射面４１０ａの端部からの反射光の強度は、被照射面４１０ａの中央部からの反射光の強度に比べて弱くなる。すなわち、光ビームＬＢ１が被照射面４１０ａの中央部に入射したときに、受光素子４０４ａの出力が図７（ｂ）の極大値となり、光ビームＬＢ１が被照射面４１０ａの端部に入射したときに、受光素子４０４ａの出力が図７（ｂ）の極小値となる。ここにおいて、光ビームＬＢ１は、偏向器４０３におけるミラー部２４０の振れ角が０のときに被照射面４１０ａの上下方向の略中央に走査点４５０が位置し、振れ角が最大のときに被照射面４１０ａの上下方向のいずれかの端部に走査点４５０が位置する。したがって、図７（ａ）の一点鎖線で示した矢印のように光ビームＬＢ１が走査されたとすると、受光素子４０４ａの出力は、図７（ｂ）中の１周期Ｔの期間のように変化する。このため、被照射面４１０ａの全域において物体４０６を検知するためには、被照射面４１０ａの端部からの反射光と物体４０６からの反射光とを区別する必要がある。
【００８５】
これに対して、本実施形態のセンサ装置では、上述の信号処理部４１５が、検知対象空間４０５内に物体４０６が存在しないときの被照射面４１０ａ上の光ビームＬＢ１の離散的な走査点４５０それぞれに対応する上記タイミング信号に基づいて光検出部４０４の出力をリファレンス信号としてメモリ４１６に記憶させる。そして、信号処理部４１５は、メモリ４１６に記憶されているリファレンス信号とリファレンス信号をメモリ４１６に記憶させた後の走査点４５０それぞれに対応する上記タイミング信号に基づく光検出部４０４の出力からなる検出信号との差分を走査点４５０ごとの画素値とする画像を生成する画像生成部４１５ｂと、画像生成部４１５ｂで生成された画像に基づいて検知対象空間４０５に存在する物体４０６を抽出する物体抽出部４１５ｃとを有している。
【００８６】
したがって、例えば、図８（ａ）に示すように被照射面４１０ａの前方に物体４０６が存在した場合、物体抽出部４１５ｃは、例えば、画像生成部４１５ｂで生成された画像を適宜の閾値により２値化することによって、図８（ｂ）に示すような２値化画像を得て、閾値以下となる領域を物体４０６として抽出するようにしている。なお、図８（ｂ）では、画像生成部４１５ｂで生成された画像において画素値が閾値よりも小さな画素では２値化画像の画素を黒（図８（ｂ）では、ハッチングを施してある）とし、画像生成部４１５ｂで生成された画像において画素値が閾値以上の画素では２値化画像の画素を白としてある。したがって、このような２値化画像から黒領域を物体４０６として抽出する。
【００８７】
以上説明した本実施形態のセンサ装置は、上述の光ビームを出射する光源４０１と、偏向器４０３と、駆動部４１３と、光検出部４０４と、タイミング管理部４１４と、信号処理部４１５と、メモリ４１６とを備え、信号処理部４１５が、上述の画像生成部４１５ａと、物体抽出部４１５ｂとを有するので、平面状の被照射面４１０ａの前方に存在する物体４０６を精度よく検出することが可能となる。
【００８８】
したがって、例えば、信号処理部４１５に、物体抽出部４１５ｃにより抽出された物体４０６の移動履歴に基づいて所定のジェスチャーを認識するジェスチャー認識部と、ジェスチャー認識部により認識されたジェスチャーに予め対応付けられた制御出力を制御対象機器へ与える制御部とを設けておけば、制御対象機器や制御対象機器の制御用のスイッチなどを設置場所へ行って触れる必要がなくなり、利便性が向上する。
【００８９】
また、センサ装置では、タイミング管理部４１４が、予め設定された時刻毎に、信号処理部４１５に対してメモリ４１６のリファレンス信号の書き換えを指示するようにすれば、外乱による検出精度の低下を抑制することが可能となり、信頼性が向上する。
【００９０】
また、上述のセンサ装置では、リファレンス信号の更新を指示するための操作部（図示せず）を設け、タイミング管理部４１４が、操作部から指示信号を受けると、信号処理部４１５に対してメモリ４１６に記憶されているリファレンス信号の書き換えを指示するようにしてもよい。このような構成を採用すれば、外乱による検出精度の低下をより確実に抑制することが可能となり、信頼性が向上する。
【００９１】
また、本実施形態のセンサ装置は、上述のように、光源４０１・偏向器４０３間の光軸ＯＡ１（図２参照）と、偏向器４０３・光検出部４０４間の光軸ＯＡ２（図２参照）とを、偏向器４０３・ハーフミラー４０２間で一致させてあるので、検出信号のＳ／Ｎ比を向上させることが可能となり、信頼性が向上する。
【００９２】
また、本実施形態のセンサ装置は、偏向器４０３が、上述の外側フレーム部１０、一対の第１の捩ればね部３０，３０、可動フレーム部２３と、一対の第２の捩ればね部２５，２５、ミラー部３４、第１の固定電極１２、第１の可動電極２２、第２の固定電極２６、第２の可動電極２７などを有し、駆動部４１３が、上述の水平駆動回路および垂直駆動回路を備えているので、偏向器４０３の駆動周波数である第１の駆動周波数および第２の駆動周波数それぞれの設定自由度を高めることが可能となり、小型化を図りながらも、検知対象空間４０５を広くすることが可能となる（偏向器４０３の水平方向および垂直方向それぞれへの振れ角を大きくすることが可能となる）。
【００９３】
ところで、センサ装置は、上述の光ビームＬＢ１（以下、検知用光ビームＬＢ１と称する）を出射する光源４０１（以下、検知用光源４０１と称する）の他に、図９（ａ）に示すように、被照射面４１０ａに所望の画像を表示するための光ビームＬＢ２（以下、表示用光ビームＬＢ２と称する）を出射する光源４１１（以下、表示用光源４１１と称する）を備えていてもよい。この図９（ａ）の構成では、表示用光源４１１からの表示用光ビームＬＢ２を二次元的に走査することにより形成される画像が表示される表示部４１０の表面が被照射面４１０ａを構成している。表示用光源４１１としては、表示用光ビームＬＢ２として赤色光を出射する半導体レーザを用いているが、表示用光ビームＬＢ２の波長は特に限定するものではない。
【００９４】
また、このセンサ装置は、検知用光源４０１とハーフミラー４０２との間に位置するダイクロイックミラー４１２を備えている。このダイクロイックミラー４１２は、表示用光源４１１から出射された表示用光ビームＬＢ２をハーフミラー４０２側へ反射させ且つ検知用光源４０１からの検知用光ビームＬＢ１を透過させるように光学設計されている。
【００９５】
ここにおいて、センサ装置は、表示用光源４１１・偏向器４０３間の第１の光軸と、検知用光源４０１・偏向器４０３間の第２の光軸とを、ダイクロイックミラー４１２・偏向器４０３間で一致させてある。しかして、このセンサ装置では、被照射面４１０ａに画像を表示させるための光学系と物体４０６を検知するための光学系との両光学系の光軸の大部分を同軸上に揃えることができ、これらの光学系で別々の光路を設定する場合に比べて、小型化および軽量化を図ることができるとともに、検知対象空間４０５内での検知用光ビームＬＢ１と表示用光ビームＬＢ２との光路を精度良く一致させることが可能となる。
【００９６】
このセンサ装置は、ハーフミラー４０２と光検出部４０４の受光素子４０４ａとの間に位置するレンズ４０７を備えている。レンズ４０７は、ハーフミラー４０２を透過した検知用光ビームＬＢ１を光検出部４０４の受光面４０４ａに集光するためのものであり、両凸レンズである。
【００９７】
なお、図９に関して、（ａ）中の一点鎖線は光軸を示し、（ｂ）中の実線の矢印は、検知用光源４０１から出射された検知用光ビームＬＢ１の検知対象空間４０５への進行経路を示し、（ｃ）中の実線の矢印は、被照射面４１０ａで反射された検知用光ビームＬＢ１の進行経路を示し、（ｄ）中の実線の矢印は、表示用光源４１１から出射された光ビームＬＢ２の被照射面４１０ａまでの進行経路を示している。
【００９８】
上述のセンサ装置では、表示部４１０の被照射面４１０ａに所定の画像（例えば、図１０に示すような仮想のスイッチ４４０の像）を表示させることができる。また、センサ装置は、被照射面４１０ａに画像を表示させるための光学系と物体４０６を検知するための光学系とでハーフミラー４０２を共用しているので、部品点数を削減でき、小型化および軽量化を図ることができる。
【００９９】
また、上述のセンサ装置は、検知用光源４０１、ハーフミラー４０２、偏向器４０３、光検出部４０４、表示用光源４１１、ダイクロイックミラー４１２、レンズ４０７などを収納する筐体（図示せず）を備えている。
【０１００】
ところで、上述のセンサ装置では、検知用光ビームＬＢ１の一部が、ハーフミラー４０２や偏向器４０３などで散乱されたり、筐体の内面で反射されたりして、光検出部４０４の受光面４０４ａに到達する迷光となってしまい、光検出部４０４の出力のＳ／Ｎ比が低下してしまう懸念がある。
【０１０１】
そこで、センサ装置は、検知用光ビームＬＢ１および表示用光ビームＬＢ２の光路の周辺に配置され迷光を遮る遮光用部材（図示せず）を備えることが好ましい。センサ装置では、遮光用部材を設けることにより、光検出部４０４に到達する迷光を低減でき、光検出部４０４の出力のＳ／Ｎ比の向上を図れる。遮光用部材は、黒色の樹脂の成形品により構成してあるが、迷光を遮ることができればよく、遮光用部材の材料や形成方法は特に限定するものではない。また、センサ装置は、筐体の内面が、迷光を散乱する粗面となっていることが好ましい。これにより、センサ装置は、光検出部４０４の受光面４０４ａに到達する迷光を低減することが可能となる。筐体の内面を粗面とする加工方法としては、例えば、ブラスト加工などがある。また、筐体の内面に入射して光検出部４０４の受光面４０４ａに到達する迷光を低減する手段は、筐体の内面を粗面とする例に限らない。例えば、筐体の材料が金属の場合には、筐体の内面側を黒色の塗装材料により塗装してもよいし、黒色のアルマイトを形成してもよい。
【０１０２】
図９に示す構成を有するセンサ装置は、例えば、図１０に示すように、屋内の壁面４６０においてドア４７０の近くに表示部４１０を設置し、表示部４１０に、外部機器（例えば、照明器具、エアコン、テレビなど）をオンオフ制御するための仮想のスイッチ（以下、バーチャルスイッチと称する）４４０の画像を表示させることができるとともに、検知対象空間４０５内の任意の位置での物体４０６の有無を検知することが可能となる。図１０の例では、バーチャルスイッチ４４０の画像において、“ＯＮ”の文字の左側の四角形の像からなる仮想の第１のスイッチ要素４４１の位置に物体４０６が有る場合と、“ＯＦＦ”の文字の左側の四角形の像からなる仮想の第２のスイッチ要素４４２の位置に物体４０６が有る場合とを、物体抽出部４１５ｂの出力に基づいて判別する判断部を信号処理部４１５に設ければよい。したがって、上記判断部の判別結果に応じて、外部機器と当該外部機器へ電力を供給する電源との間に挿入されているスイッチをオンオフ制御するためのリモートコントロール信号を外部機器へ送信する送信部（アンテナなど）を設けておけば、屋内の壁などの造営材に埋込型の配線器具の一種である埋込型のスイッチなどを埋め込むための埋込穴を形成したり、埋込型の配線器具を施工するための先行配線を壁裏などに設けたりすることなく、表示部４１０を造営材の表面からなる壁面４６０に設置することによりバーチャルスイッチ４４０を設けることが可能となる。なお、表示部４１０を造営材に設置するにあたっては、例えば、予め裏面側に設けられた感圧性の接着剤などにより造営材に貼り付ければよい。
【０１０３】
また、検知用光源４０１、表示用光源４０１、光検出部４０４などの配置は、図９（ａ）
の例に限らず、図１１（ａ）のような配置でもよい。なお、図１１に関して、（ａ）中の一点鎖線は光軸を示し、（ｂ）中の実線の矢印は、検知用光源４０１から出射された検知用光ビームＬＢ１の検知対象空間４０５への進行経路を示し、（ｃ）中の実線の矢印は、被照射面４１０ａで反射された検知用光ビームＬＢ１の進行経路を示し、（ｄ）中の実線の矢印は、表示用光源４１１から出射された光ビームＬＢ２の被照射面４１０ａまでの進行経路を示している。また、物体４０６は、特に人の手の指に限定するものではない。
【符号の説明】
【０１０４】
１０  外側フレーム部
１２  第１の固定電極
２１  ミラー面
２２  第１の可動電極
２３  可動フレーム部
２４  ミラー部
２６  第２の固定電極
２７  第２の可動電極
４０１  光源
４０２  ハーフミラー
４０３  偏向器
４０４  光検出部
４０５  検知対象空間
４０６  物体
４１０ａ  被照射面
４１３  駆動部
４１４  タイミング管理部
４１５  信号処理部
４１５ａ  画像生成部
４１５ｂ  物体抽出部
４１６  メモリ
４５０  走査点
ＬＢ１  光ビーム
【図１】
2012026936.tif 000003
【図２】
2012026936.tif 000004
【図３】
2012026936.tif 000005
【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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