(57)【要約】【課題】揺動装置において、簡易な方法によりパルス電圧の位相と可動板の揺動の位相のずれを調整可能にする。【解決手段】櫛歯電極２ｂと４ｄの間にパルス電圧を印加して可動板２を捻りバネ３を軸として揺動させる揺動装置において、パルス電圧を第１所定時間間隔で立ち上げ、パルス電圧を立ち上げたタイミングを基準として、揺動検出センサ１９が検出した可動板２の揺動の振れ角が零となるタイミングまでの時間差を測定し、測定した時間差と第２所定時間を比較し、時間差と第２所定時間との差が許容時間差を超えているときは、可動板２の揺動の振れ角が零となるタイミングがパルス電圧を立ち上げたタイミングから第２所定時間後となるように、パルス電圧のデュティ比を増加又は減少させるフィードバック制御を行う。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
可動板と、前記可動板を揺動自在に軸支すると共に前記可動板の揺動の際に捻りバネとして作用する揺動軸と、前記揺動軸を支持するフレームと、前記可動板の前記揺動軸が設けられている側辺とは異なる第１側辺及び前記フレームの側辺のうち前記第１側辺に対向する第２側辺に互いに噛み合うように設けられ、前記可動板を駆動するための静電気力を発生させる複数の櫛歯電極を備えた可動構造体と、
前記可動板の揺動の振れ角が零となるタイミングを検出する揺動検出センサと、
前記可動板側の櫛歯電極と前記フレーム側の櫛歯電極との間に印加されるパルス電圧の電圧及びデュティ比を制御する制御回路を備えた揺動装置であって、
前記制御回路は、
第１所定時間間隔で前記パルス電圧を立ち上げ、
前記パルス電圧を立ち上げたタイミングを基準として、前記揺動検出センサが検出した前記可動板の揺動の振れ角が零となるタイミングまでの時間差を測定し、
測定した前記時間差と第２所定時間を比較し、前記時間差と前記第２所定時間との差が許容時間差を超えているときは、前記揺動検出センサが検出した前記可動板の揺動の振れ角が零となるタイミングが前記パルス電圧を立ち上げたタイミングから前記第２所定時間後となるように、前記パルス電圧のデュティ比を増加又は減少させるフィードバック制御を行うことを特徴とする揺動装置。
【請求項２】
前記制御回路は、あらかじめルックアップテーブルに記憶されている複数の前記パルス電圧のデュティ比の値の中から前記時間差と前記第２所定時間との差に応じたデュティ比の値を検索し、検索したデュティ比の値に基づいて前記パルス電圧のデュティ比を調整することを特徴とする請求項１に記載の揺動装置。
【請求項３】
前記制御回路は、前記揺動検出センサが検出した前記可動板の揺動の振れ角が零となるタイミングから次に前記可動板の揺動の振れ角が零となるタイミングを予測し、該予測したタイミングで前記パルス電圧の値が零となるように前記パルス電圧のデュティ比を調整することを特徴とする請求項１に記載の揺動装置。
【請求項４】
前記揺動検出センサは、前記フレームに設けられた複数の櫛歯電極のうちの一部の櫛歯電極で構成された検出電極を含み、前記可動板の揺動時に、前記検出電極とそれらと噛み合う前記可動板の櫛歯電極との間の静電容量を検知し、
前記制御回路は、前記揺動検出センサが検出する静電容量が最も大きくなったときに、前記可動板の振れ角が零であると判断することを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか一項に記載の揺動装置。
【請求項５】
前記制御回路は、前記デュティ比の変更量に併せて、前記パルス電圧の電圧を変更可能であることを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれか一項に記載の揺動装置。
【請求項６】
前記制御回路は、前記可動板の揺動の周波数が所定の周波数から異なっている場合に、前記パルス電圧の周波数を変更可能であることを特徴とする請求項１乃至請求項６のいずれか一項に記載の揺動装置。
【請求項７】
前記第２所定時間は前記第１所定時間の１／２であることを特徴とする請求項１乃至請求項６のいずれか一項に記載の揺動装置。
【請求項８】
請求項１乃至請求項７のいずれか一項に記載の揺動装置と、前記可動板の主面に形成されたミラーを備えたことを特徴とする光走査装置。
【請求項９】
請求項１乃至請求項７のいずれか一項に記載の揺動装置と、前記可動板の主面に形成されたミラーと、前記ミラーに対して光ビームを入射させる光源と、前記光源を駆動するための光源駆動回路を備え、前記制御回路は、外部から入力された映像データを用いて、前記パルス電圧の立ち上がりのタイミングに同期した映像信号を前記光源駆動回路に出力することを特徴とする映像表示装置。
【請求項１０】
可動板と、前記可動板を揺動自在に軸支すると共に前記可動板の揺動の際に捻りバネとして作用する揺動軸と、前記揺動軸を支持するフレームと、前記可動板の前記揺動軸が設けられている側辺とは異なる第１側辺及び前記フレームの側辺のうち前記第１側辺に対向する第２側辺に互いに噛み合うように設けられ、前記可動板を駆動するための静電気力を発生させる複数の櫛歯電極を備えた可動構造体を有し、前記可動板側の櫛歯電極と前記フレーム側の櫛歯電極との間に印加されるパルス電圧の電圧及びデュティ比を制御することによって前記可動板を揺動させる揺動装置の制御方法であって、
前記可動板の揺動の振れ角が零となるタイミングを検出し、
前記パルス電圧を第１所定時間間隔で立ち上げ、
前記パルス電圧を立ち上げたタイミングを基準として、検出した前記可動板の揺動の振れ角が零となるタイミングまでの時間差を測定し、
測定した前記時間差と第２所定時間を比較し、前記時間差と前記第２所定時間との差が許容時間差を超えているときは、前記揺動検出センサが検出した前記可動板の揺動の振れ角が零となるタイミングが前記パルス電圧を立ち上げたタイミングから前記第２所定時間後となるように、前記パルス電圧のデュティ比を増加又は減少させるフィードバック制御を行うことを特徴とする揺動装置の制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、垂直コムにパルス電圧を印加して可動板を回動軸周りに揺動させる可動構造体を用いた揺動装置、同揺動装置を用いた光走査装置、同光走査装置を用いた映像表示装置、及び揺動装置の制御方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
本出願人は、例えば特許文献１に記載されているように、マイクロマシニング技術を用いて成形される小型の可動構造体を備えた揺動装置、同装置を用いた光走査装置、映像表示装置などを提案している。このような可動構造体は、一般的に、可動構造体の可動板を駆動するためのパルス電圧の周波数を可動板の共振振動数に一致させ、可動板を共振周波数で揺動させている。そして、可動板の揺動が安定したところで、例えば可動板の表面に形成されたミラーに光ビームを照射し、光ビームをミラーの揺動角度に応じた方向に反射させ、光ビームを走査させている。
【０００３】
特許文献２に記載されているように、温度変化によって可動板の共振周波数が変化することが知られている。そのため、温度変化に応じてパルス電圧の周波数を変化させれば、可動構造体の可動板は安定した振幅と周波数で揺動する、すなわち、パルス電圧の位相と可動板の揺動の位相がほぼ一致していると考えられてきた。ところが、温度を一定に維持した状態で可動構造体の可動板の揺動を測定したところ、パルス電圧の位相と可動板の揺動の位相がずれてくる現象が確認された。その原因として、可動構造体を構成するＳＯＩ基板の内部抵抗や空気との摩擦などの要因が複雑に絡み合っていると考えられる。
【０００４】
マイクロマシニング技術を用いて成形される可動構造体を備えた揺動装置を用いた光走査装置や映像表示装置において、光ビームをパルス電圧に同期させてミラーに入射させる場合に、パルス電圧の位相と可動板の揺動の位相がずれると、光走査装置によって走査される光ビームの位置がずれたり、映像表示装置によって表示される投影映像の画質が低下したりする。また、パルス電圧の位相と可動板の揺動の位相がずれると、櫛歯電極同士が互いに離れるように可動板が回動する期間に櫛歯電極間に電圧が印加され、可動板の回動を抑制する向きに静電気力が作用し、これが抵抗成分となる。その結果、可動板の揺動角がパルス電圧の大きさの割に小さくなり、広範囲に光ビームを走査させることができなくなる。
【０００５】
このような問題点に対し、特許文献１では、可動構造体の櫛歯電極間に印加されるパルス電圧のデュティ比を調整することによって、可動板の揺動時のパルス電圧の印加時期を変更し、可動板の揺動角や位相を調整することが提案されている。ところが、特許文献１の出願時点では、上記のような温度を一定に維持した状態での可動構造体の可動板の揺動においても、ＳＯＩ基板の内部抵抗や空気との摩擦などの要因によってパルス電圧の位相と可動板の揺動の位相がずれる現象が明らかでなかったため、一度調整した可動板の揺動角や位相が再度ずれてくる可能性があり、光ビームの位置補正や投影映像の画質の向上がやや不十分であった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００８−２９５１７４号公報
【特許文献２】特開２００５−３４５８６６号公報（段落００５５）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明は、上記問題点を鑑みてなされたものであり、簡易な構成により可動板の揺動の位相と可動板を駆動させるためのパルス電圧の位相のずれを調整可能な揺動装置、同揺動装置を用いた光走査装置、同光走査装置を用いた映像表示装置、及び揺動装置の制御方法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】
【０００８】
上記目的を達成するため、本発明に係る揺動装置は、
可動板と、前記可動板を揺動自在に軸支すると共に前記可動板の揺動の際に捻りバネとして作用する揺動軸と、前記揺動軸を支持するフレームと、前記可動板の前記揺動軸が設けられている側辺とは異なる第１側辺及び前記フレームの側辺のうち前記第１側辺に対向する第２側辺に互いに噛み合うように設けられ、前記可動板を駆動するための静電気力を発生させる複数の櫛歯電極を備えた可動構造体と、
前記可動板の揺動の振れ角が零となるタイミングを検出する揺動検出センサと、
前記可動板側の櫛歯電極と前記フレーム側の櫛歯電極との間に印加されるパルス電圧の電圧及びデュティ比を制御する制御回路を備えた揺動装置であって、
前記制御回路は、
第１所定時間間隔で前記パルス電圧を立ち上げ、
前記パルス電圧を立ち上げたタイミングを基準として、前記揺動検出センサが検出した前記可動板の揺動の振れ角が零となるタイミングまでの時間差を測定し、
測定した前記時間差と第２所定時間を比較し、前記時間差と前記第２所定時間との差が許容時間差を超えているときは、前記揺動検出センサが検出した前記可動板の揺動の振れ角が零となるタイミングが前記パルス電圧を立ち上げたタイミングから前記第２所定時間後となるように、前記パルス電圧のデュティ比を増加又は減少させるフィードバック制御を行うことを特徴とする。
【０００９】
前記制御回路は、あらかじめルックアップテーブルに記憶されている複数の前記パルス電圧のデュティ比の値の中から前記時間差と前記第２所定時間との差に応じたデュティ比の値を検索し、検索したデュティ比の値に基づいて前記パルス電圧のデュティ比を調整することが好ましい。
【００１０】
または、前記制御回路は、前記揺動検出センサが検出した前記可動板の揺動の振れ角が零となるタイミングから次に前記可動板の揺動の振れ角が零となるタイミングを予測し、該予測したタイミングで前記パルス電圧の値が零となるように前記パルス電圧のデュティ比を調整することが好ましい。
【００１１】
前記揺動検出センサは、前記フレームに設けられた複数の櫛歯電極のうちの一部の櫛歯電極で構成された検出電極を含み、前記可動板の揺動時に、前記検出電極とそれらと噛み合う前記可動板の櫛歯電極との間の静電容量を検知し、
前記制御回路は、前記揺動検出センサが検出する静電容量が最も大きくなったときに、前記可動板の振れ角が零であると判断することが好ましい。
【００１２】
前記制御回路は、前記デュティ比の変更量に併せて、前記パルス電圧の電圧を変更可能であることが好ましい。
【００１３】
さらに、前記制御回路は、前記可動板の揺動の周波数が所定の周波数から異なっている場合に、前記パルス電圧の周波数を変更可能であることが好ましい。
【００１４】
前記第２所定時間は前記第１所定時間の１／２であることが好ましい。
【００１５】
また、本発明に係る光走査装置は、上記いずれかの構成を有する揺動装置と、前記可動板の主面に形成されたミラーを備えたことを特徴とする。
【００１６】
また、本発明に係る映像表示装置は、上記いずれかの構成を有する揺動装置と、前記可動板の主面に形成されたミラーと、前記ミラーに対して光ビームを入射させる光源と、前記光源を駆動するための光源駆動回路を備え、前記制御回路は、外部から入力された映像データを用いて、前記パルス電圧の立ち上がりのタイミングに同期した映像信号を前記光源駆動回路に出力することを特徴とする。
【００１７】
また、本発明に係る揺動装置の制御方法は、
可動板と、前記可動板を揺動自在に軸支すると共に前記可動板の揺動の際に捻りバネとして作用する揺動軸と、前記揺動軸を支持するフレームと、前記可動板の前記揺動軸が設けられている側辺とは異なる第１側辺及び前記フレームの側辺のうち前記第１側辺に対向する第２側辺に互いに噛み合うように設けられ、前記可動板を駆動するための静電気力を発生させる複数の櫛歯電極を備えた可動構造体を有し、前記可動板側の櫛歯電極と前記フレーム側の櫛歯電極との間に印加されるパルス電圧の電圧及びデュティ比を制御することによって前記可動板を揺動させる揺動装置の制御方法であって、
前記可動板の揺動の振れ角が零となるタイミングを検出し、
前記パルス電圧を第１所定時間間隔で立ち上げ、
前記パルス電圧を立ち上げたタイミングを基準として、検出した前記可動板の揺動の振れ角が零となるタイミングまでの時間差を測定し、
測定した前記時間差と第２所定時間を比較し、前記時間差と前記第２所定時間との差が許容時間差を超えているときは、前記揺動検出センサが検出した前記可動板の揺動の振れ角が零となるタイミングが前記パルス電圧を立ち上げたタイミングから前記第２所定時間後となるように、前記パルス電圧のデュティ比を増加又は減少させるフィードバック制御を行うことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１８】
上記構成によれば、パルス電圧の立ち上げのタイミングは常に一定であり、パルス電圧のデュティ比を増加又は減少させるフィードバック制御により、可動板の揺動の振れ角が零となるタイミングは、パルス電圧を立ち上げたタイミングから第２所定時間後となるように収束される。その結果、可動構造体を構成するＳＯＩ基板の内部抵抗や空気との摩擦などの要因によってパルス電圧の位相と可動板の揺動の位相がずれようとしても、短時間の内にパルス電圧の位相と可動板の揺動の位相が再度同期される。そのため、可動構造体を用いた光走査装置や映像投影装置において、光ビームの走査位置や投影映像の画質の向上を向上させることができる。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下、本発明の一実施形態に係る揺動装置、同装置を用いた光走査装置、映像表示装置、及び揺動装置の制御方法について、図面を参照して説明する。図１は、本実施形態に係る映像表示装置の構成例を示す。なお、本実施形態に係る揺動装置、光走査装置及び映像表示装置のハードウエア構成は、上記特許文献１に記載された従来例のものと基本的に同じであり、その制御方法が異なる。
【００２０】
映像表示装置１００は、可動構造体の表面にミラーが形成されたミラー素子１と、ミラー素子１を駆動するための電圧を印加する制御回路１４を有する揺動装置としての光走査装置１０と、ミラー素子１に光を入射させる光源３０と、光源３０を駆動する光源駆動回路４０と、装置各部に電源を供給し駆動させる電源（図示せず）等で構成されている。映像表示装置１００の制御回路１４は、外部から入力される映像データに基づいて映像信号を作成し、光源駆動回路３０は映像信号に基づいて光源３０から光ビームＬをミラー素子１に入射させると共に、ミラー素子１を駆動して、その光ビームＬを外部投影面に反射し、外部投影面上に光ビームを走査させることにより、スクリーンに映像Ｓを投影する。
【００２１】
光源３０及び光源駆動回路４０を除き、ミラー素子１と、制御回路１４と、揺動検出センサ１９は、光走査装置１０を構成する。制御回路１４は、例えばＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ等で構成され、周波数制御部１５、電圧制御部１６及びデュティ比制御部１７として機能する。映像表示装置１００では、ミラー素子１として水平方向（主走査方向）及び垂直方向（副走査方向）に２次元的に光ビームＬを走査することができる、いわゆる２軸型のものを用いる。一方、光走査装置１０としては、２軸型のものに限られず、主走査方向にのみ光ビームＬを走査させる１軸型のものであってもよい。なお、以下においては、理解を容易にするために、１軸型の光走査装置を例にして説明する。
【００２２】
図２及び図３（ａ）、（ｂ）は、１軸型のミラー素子１の構成を示す。ミラー素子１は、例えば、導電性を有する第１シリコン層１１ａ及び第２シリコン層１１ｂと、第１シリコン層１１ａと第２シリコン層１１ｂの間に接合された絶縁性を有する酸化膜層１１ｃからなるＳＯＩ基板１１を、マイクロマシニング技術等を用いて成形することにより構成された、小型の可動構造体である。ミラー素子１の中央部には、略矩形の可動板２が設けられており、可動板２の両側部は、互いに同軸に並ぶ細梁状の捻りバネ３により軸支されている。可動板２の周囲には、可動板２を囲むように配置された矩形環状のフレーム４が形成されている。捻りバネ３の一端は、フレーム４に連結されている。すなわち、可動板２は、軸となる捻りバネ３を介し、フレーム４に揺動可能に軸支されている。可動板２の側部であって、捻りバネ３が形成されておらず揺動時に自由端となる第１側辺には複数の櫛歯電極２ｂが形成されている。また、フレーム４のうちその第１側辺に対向する第２側辺には、櫛歯電極２ｂと互いに噛み合うような櫛歯状に形成された複数の櫛歯電極４ｂが形成されている。可動板２側の櫛歯電極２ｂとフレーム４側の櫛歯電極４ｂのうち後述する駆動電極４ｄの間に所定の電圧を印加することにより、可動板２を駆動するための静電気力を発生させる。なお、図３（ｂ）に示されるように、可動板２、捻りバネ３、可動板２側の櫛歯電極２ｂ及びフレーム４側の櫛歯電極４ｂは、共に、第１シリコン層１１ａに形成されている。また、フレーム４のうち櫛歯電極４ｂ以外の部分は、第１シリコン層１１ａ、酸化膜層１１ｃ、及び第２シリコン層１１ｂに形成されている。可動板２が駆動されていない静止状態にあるとき、可動板２、捻りバネ３及びフレーム４が略水平に並ぶように構成されている。
【００２３】
可動板２は、その両側部の２つの捻りバネ３の中心線を結ぶ軸付近にその重心が位置し、可動板２側の櫛歯電極２ｂとフレーム４側の櫛歯電極４ｂのうちの駆動電極４ｄの間に静電気力を発生させることにより、捻りバネ３を回転軸としてバランスを保ちつつ、揺動する。可動板２の主面（酸化膜層１１ｃと接合されていない側の面）には、ミラー素子１の外部から入射される光等を反射するためのミラー２ａが形成されている。このミラー２ａは、光源３０から出射される光ビームＬの種類等に応じて選択された、例えばアルミニウムや金等の金属膜である。
【００２４】
フレーム４を構成する第１シリコン層１１ａは、酸化膜層１１ｃに達する複数の絶縁溝９によって、電気的に絶縁された複数の部分に分割されている。第１の部分は、捻りバネ３が連結された支持部４ａであり、第２の部分は、可動板２側の櫛歯電極２ｂと共に可動板２を駆動するための静電気力を発生させる駆動電極４ｄであり、第３の部分は、後述する揺動検出センサを構成する検出電極４ｃである。すなわち、フレーム４側に形成された櫛歯電極４ｂは、駆動力を発生させるための駆動電極４ｄと揺動を検出するための検出電極４ｃに分割されている。支持部４ａと駆動電極４ｄに接続された固定電極部４ｅには、それぞれ、電極パッド７ａ及び７ｂが形成されている。そのため、電極パッド７ａには、フレーム４の支持部４ａ、捻りバネ３、可動板２を介して櫛歯電極２ｂが接続される。また、４つの電極パッド７ｂには、それぞれ固定電極部４ｅを介して駆動電極４ｄが接続される。その結果、可動板２側の櫛歯電極２ｂの電位とフレーム４側の駆動電極４ｄの電位は、互いに独立して制御される。この電極パッド７ａ及び７ｂは、例えば、ミラー２ａと同一の金属膜により、同一工程において形成される。
【００２５】
可動板２側の櫛歯電極２ｂとフレーム４側の櫛歯電極４ｂは、例えば数マイクロメートルの間隔を保ち互いに噛み合うように配置されて構成されている。例えば、フレーム４上の電極パッド７ａを介して可動板２側の櫛歯電極２ｂが接地電位に接続された状態で、制御回路１４により電極パッド７ｂを介してフレーム４側の櫛歯電極４ｂのうちの駆動電極４ｄの電位が変更され、それによって櫛歯電極２ｂと駆動電極４ｄの間にパルス電圧が印加される。櫛歯電極２ｂと駆動電極４ｄの間に電圧が印加されると、櫛歯電極２ｂと駆動電極４ｄの間に静電気力による互いに引き合う力（以下、駆動力とする）が発生する。
【００２６】
ところで、可動板２は、一般的に、その成型時に寸法誤差等が生じることにより、静止状態でも可動板２が水平姿勢ではなく、きわめて僅かであるが傾いている。そのため、櫛歯電極２ｂと駆動電極４ｄの間に駆動力が生じると、その駆動力のうち可動板２の主面に垂直な方向の成分が可動板２を捻りバネ３を回転軸として回転させるように作用する。そのため、静止状態からであっても、可動板２が回転を始める。そして、可動板２側の櫛歯電極２ｂとフレーム４側の駆動電極４ｄが重なり合う姿勢となったときに、櫛歯電極２ｂと駆動電極４ｄの間への電圧の印加を停止し、駆動力を解除する。その後、可動板２は、その慣性力により、捻りバネ３を捻りながら回転を継続する。そして、可動板２の回転方向への慣性力と、捻りバネ３の復元力とが等しくなったとき、可動板２のその方向への回転が停止する。可動板２の回転の停止とほぼ同時に、再び櫛歯電極２ｂと駆動電極４ｄの間への電圧の印加を開始すると、捻りバネ３の復元力と櫛歯電極２ｂと駆動電極４ｄの間に生じる駆動力により、可動板２がそれまでとは逆の方向への回動を開始する。そして、再び、可動板２側の櫛歯電極２ｂとフレーム４側の駆動電極４ｄが重なり合う姿勢となったときに駆動力を解除する。このような制御を繰り返すことにより、可動板２は捻りバネ３を軸として揺動を行う。なお、櫛歯電極２ｂと駆動電極４ｄの間に印加するパルス電圧のデュティ比を、最初は小さく設定しておき、その後徐々に増加させることにより、揺動の振幅が徐々に大きくなる。
【００２７】
制御回路１４は、櫛歯電極２ｂと駆動電極４ｄの間に印加するパルス電圧の周波数を制御する周波数制御部１５と、パルス電圧の振幅となる電圧値を制御する電圧制御部１６と、パルス電圧のデュティ比を制御するデュティ比制御部１７を備えている。上記フレーム４側の櫛歯電極４ｂのうち検出電極４ｃと、それと噛み合う可動板２側の櫛歯電極２ｂは、可動板２の揺動を検出する揺動検出センサ１９の検出部を構成する。揺動検出センサ１９は、検出電極４ｃと、櫛歯電極２ｂと、検出電極４ｃと櫛歯電極２ｂの間の静電容量を検出する静電容量検出回路などで構成されている。可動板２が揺動すると、可動板２の振れ角に応じて検出電極４ｃと櫛歯電極２ｂの対向する面積が変化するので、揺動検出センサ１９により検出された静電容量から、可動板２の振れ角を推定することができる。より具体的には、可動板２がフレーム４に対して振れ角が零になったとき、検出電極４ｃと櫛歯電極２ｂの対向する面積が最大となるので、揺動検出センサ１９により検出された静電容量が最大値を示すときに可動板２のフレーム４に対する振れ角が零となっていると判断することができる。揺動検出センサ１９により検出された静電容量の変化をモニタしておけば、可動板２の揺動の位相を検出することができる。
【００２８】
光源３０は、例えばレーザダイオード素子とレンズ等で構成されており、光ビームＬをミラー素子１のミラー２ａ上に向けて出射するように配置されている。映像表示装置１００においては、例えば、スクリーンの中央に位置する画素に対応した映像信号を、可動板２の振れ角が零になったタイミングで出力する必要がある。そのため、制御回路１４は、外部から入力される映像データを用いて、上記パルス電圧に同期した映像信号を作成し、光源駆動回路４０に出力する。光源駆動回路４０は、制御回路１４からの映像信号に応じて光源３０に電圧を印加し、光源３０からミラー素子１に向けて光ビームＬを出射させる。スクリーン上に投影される映像Ｓが動画である場合は、その映像システムに応じて、１秒間にスクリーン上に投影されるフレーム数が決まっている。そのため、制御回路１４は、映像システムに応じた周波数で可動板２を揺動させる必要がある。
【００２９】
次に、上記のように構成された映像表示装置１００の動作について説明する。映像表示装置１００では、前述のようにミラー素子１の可動板２を所定の周波数で安定して揺動できるようになった状態で、制御回路１４はパルス電圧の立ち上がりに同期させて映像信号の出力を開始する。図４は、パルス電圧の位相と可動板２の揺動の位相が同期している状態を示し、上から順に、パルス電圧の波形、可動板２の揺動の位相、揺動検出センサ１９による静電容量値、映像信号の波形を表す。パルス電圧のデュティ比を、例えば５０％とする。図４に示す場合、パルス電圧の位相と可動板の揺動の位相が同期しているので、後述する抵抗成分Ｃ０＝０の初期状態又は理想状態を示す。制御回路１４は、可動板２の振れ角が最大になったとき、すなわち可動板２の例えば時計方向の回動が停止したとき（タイミングｔ１）に、パルス電圧の出力を開始する（パルス電圧を立ち上げる）。そして、可動板２の振れ角が零になったとき（タイミングｔ２）に、パルス電圧の出力を停止する（パルス電圧を立ち下げる）。パルス電圧の位相と可動板２の揺動の位相が同期しているという前提で、制御回路１４は、可動板２の揺動の周波数に応じて、第１所定時間Ｔの間隔でパルス電圧の波形を立ち上げる（フレーム４側の駆動電極４ｄの電位を高くする）。このタイミングｔ１、ｔ３・・・は、可動板の揺動の周波数を変更しない限り、常に一定である。また、タイミングｔ２は、タイミングｔ１とｔ３の中間点である。なお、パルス電圧のデュティ比は可変であるため、パルス電圧のデュティ比制御により、パルス電圧の波形を立ち下げるタイミングは一定ではない。
【００３０】
ところが、前述のように、可動構造体を構成するＳＯＩ基板の内部抵抗や空気との摩擦などの要因が複雑に絡み合って、パルス電圧の位相と可動板の揺動の位相がずれてくる現象が起こる。図５は、パルス電圧の位相とミラー素子の可動板の揺動の位相がずれている状態を示す。図４に示すように、制御回路１４は、可動板２の振れ角が最大になったとき、すなわち可動板２の例えば時計方向の回動が停止したとき（タイミングｔ１、ｔ３・・・）に、パルス電圧の出力を開始し、可動板２の振れ角が零になると同時に出力が停止するのが理想であるが、図５に示すように、可動板２の振れ角が零になった時点（タイミングｔｘ）を過ぎてもパルス電圧が出力され続けていると、それが抵抗成分Ｃ１として作用する。この状態が続くと、パルス電圧の位相と可動板２の揺動の位相のずれが徐々に拡大する。
【００３１】
前述のように、揺動検出センサ１９は、可動板２のフレーム４に対する振れ角が零になったタイミングｔｘを検出している。図４に示す初期状態では、可動板２の振れ角が零になる静電容量が最大値を示すタイミングｔｘと、パルス電圧を立ち上げるタイミングｔ１とｔ３の中間点ｔ２は一致する。ところが、図５に示すように、パルス電圧の位相と可動板２の揺動の位相がずれると、静電容量が最大値を示すタイミングｔｘと、パルス電圧を立ち上げるタイミングｔ１とｔ３の中間点ｔ２は一致しなくなる。すなわち、制御回路１４は、揺動検出センサ１９により検出される静電容量値の変化をモニタすることにより、パルス電圧の位相と可動板２の揺動の位相が同期しているか否か、及びそのずれ量を検出することができる。具体的には、制御回路１４は、パルス電圧を立ち上げたタイミングｔ１、ｔ３・・・を基準として、揺動検出センサ１９により検出した可動板２の揺動の振れ角が零となるタイミングｔｘまでの時間差Δｔを測定し、測定した前記時間差と第２所定時間Ｔ／２を比較する。そして、その時間差Δｔと第２所定時間Ｔ／２との差が許容時間差を超えているときは、揺動検出センサ１９が検出する可動板２の揺動の振れ角が零となるタイミングｔｘがパルス電圧を立ち上げたタイミングｔ１、ｔ３・・・から第２所定時間Ｔ／２後となるように、パルス電圧のデュティ比を増加又は減少させるフィードバック制御を行う。図６は、ＰＷＭ制御を行い、パルス電圧のデュティ比を小さく変化させた状態を示す。パルス電圧のデュティ比を小さくすることにより、抵抗成分がＣ１からＣ２に減少するので、相対的に可動板２を揺動させるための有効な駆動力が大きくなり、可動板２の最大振れ角、すなわち振幅が大きくなる。
【００３２】
ここで、抵抗成分Ｃを変化させると、可動板２の振幅が変化するだけでなく位相も変化することについて説明する。可動板２の揺動は、図７に示すような２次の共振系モデルとして成り立つ。この運動方程式は、往復直線運動の場合、（１）式のように記載でき、回転運動の場合は（２）式のようになる。
【数１】
2013160953.tif 000003
【００３３】
（２）式において、Ｉは慣性モーメント、Ｃは粘性係数（抵抗成分）、ｋはばね定数、Ｔはトルクを表す。ここで、Ｔ＝Ｔ０ｅｉωｔ、θ＝θ０ｅｉ（ωｔ−φ）とおいて（２）式を解くと、振れ角θａ及び位相φは、それぞれ（３）式及び（４）式のようになる。
【数２】
2013160953.tif 000004
【００３４】
揺動の振れ角θａを表す（３）式は、分母に抵抗成分Ｃを含んでいるので、抵抗成分がＣ０からＣ１に増加すると、振幅が小さくなる。一方、位相φを表す（４）式は分子に抵抗成分Ｃを含んでいるので、抵抗成分が増加すると、位相φが進む。逆に、抵抗成分がＣ１からＣ２に減少すると、振幅が大きくなり、位相φは遅れる。このように、パルス電圧のＰＷＭ制御を行い、デュティ比を変化させることによって、可動板２の揺動の振幅と位相の両方を同時に変化させることができる。
【００３５】
図４に戻って、映像信号はパルス電圧に同期しており、例えば、可動板２の振れ角が零になったタイミングｔ２、ｔ４・・・で、スクリーンの中央に位置する画素に対応した映像信号が出力されるように、パルス電圧の立ち上がりのタイミングｔ１、ｔ３・・・から所定時間経過した時点から映像信号の出力が開始される。なお、この所定時間は、可動板２の揺動の角加速度の変化が少なくなる時間に設定されている。それにより、映像表示装置１００は、スクリーン上の適正な位置に、適正な大きさで、映像Ｓを投影することができる。
【００３６】
パルス電圧のデュティ比を変更すると、２次共振系の振動の抵抗成分が変化し、それによって可動板２の揺動の振幅が変化するので、可動板２の揺動の振幅の変化量が許容誤差を超える場合、制御回路１４は、デュティ比の変更量に併せて、電圧制御部１６を制御し、例えば予め設定されている所定の補正量だけパルス電圧の電圧値を増減させる。それによって、可動板２の揺動の振幅を一定にすることができる。さらに可動板２の揺動の周波数も所定の周波数からずれている場合は、制御回路１４は、周波数制御部１５を制御し、デュティ比、電圧に加えて、パルス電圧の周波数の変更も行い、可動板２の揺動が所定の周波数となるように制御する。
【００３７】
デュティ比制御部１７によるデュティ比制御は、例えば、あらかじめルックアップテーブルに記憶されている複数のパルス電圧のデュティ比の値の中から、時間差Δｔと第２所定時間Ｔ／２との差に応じたデュティ比の値を検索し、検索したデュティ比の値に基づいてパルス電圧のデュティ比を調整するように構成してもよい。あるいは、揺動検出センサ１９が検出した可動板２の揺動の振れ角が零となるタイミングｔｘから次に可動板の揺動の振れ角が零となるタイミングを予測し、該予測したタイミングでパルス電圧の値が零となるようにパルス電圧のデュティ比を調整するように構成してもよい。
【００３８】
このように、本実施形態の構成によれば、可動板２の揺動の周波数を変更する場合を除いて、制御回路１４は、常に第１所定時間Ｔの間隔でパルス電圧を立ち上げ、パルス電圧の立ち上がりのタイミングに同期した映像信号を光源駆動回路４０に出力するので、パルス電圧の位相を調整したり、光を入射させるタイミングをずらしたりする必要がなく、制御プログラムが簡素化されます。また、可動構造体を構成するＳＯＩ基板の内部抵抗や空気との摩擦などによってパルス電圧の位相と可動板の揺動の位相の同期がずれたとしても、パルス電圧のデュティ比をフィードバック制御することによって、再びパルス電圧の位相と可動板の揺動の位相を同期させることができる。その結果、映像信号の位相と可動板２の揺動の位相を再び同期させ、適正に映像を表示可能にすることができる。
【００３９】
なお、上述の通り、ミラー素子１を１軸型のものとして説明したが、実際に映像表示装置１００に用いられる２軸型のミラー素子１においても、制御回路１４が行う基本的な制御内容は上述と略同様である。すなわち、制御回路１４は、可動板２を各回動軸周りに揺動させるためのそれぞれのパルス電圧について、上述のように、デュティ比や電圧等を変更可能に構成されており、可動板２のそれぞれの回動軸周りの揺動について、位相や揺動角を調整し、適正に映像を表示可能にすることができる。
【００４０】
また、上記説明においては、可動板２を映像システムに応じた所定の周波数で揺動させる場合について説明したが、可動板２を共振振動数で揺動させる場合は、可動板２と捻りバネ３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ればよい。それによって、可動板２の揺動角を大きくすることができる。
【００４１】
また、可動板２やフレーム４の形状は、矩形形状だけでなく、円形等、他の形状であってもよい。揺動検出センサとしては、上述のような静電容量を検知するものに限られず、例えば、フォトセンサ等を用いて可動板の揺動角を検知するものや、捻りバネのひずみから可動板の揺動角を検知するようなものなどであってもよい。
【図面の簡単な説明】
【００４２】
【図１】本発明の一実施形態に係る映像表示装置の一構成例を示すブロック図。
【図２】上記装置の光走査装置に用いられるミラー素子を示す斜視図。
【図３】（ａ）は上記ミラー素子の平面図、（ｂ）は（ａ）のＡ‐Ａ線断面図。
【図４】パルス電圧の位相と可動板の揺動の位相が同期している状態におけるパルス電圧の波形、可動板の揺動の位相、揺動検出センサによる静電容量値及び映像信号の波形を表すタイムチャート。
【図５】パルス電圧の位相と可動板の揺動の位相がずれている状態における同タイムチャート。
【図６】パルス電圧のデュティ比を変化させたときの同タイムチャート。
【図７】可動板の揺動と等価な２次の共振系モデルを示す図。
【符号の説明】
【００４３】
１  ミラー素子（可動構造体）
２  可動板
２ａ  ミラー
２ｂ  可動板側の櫛歯電極
３  捻りバネ
４  フレーム
４ｂ  フレーム側の櫛歯電極
４ｃ  検出電極
４ｄ  駆動電極
１０  光走査装置
１４  制御回路
１５  周波数制御部
１６  電圧制御部
１７  デュティ比制御部
１９  揺動検出センサ
３０  光源
４０  光源駆動回路
１００  映像表示装置
Ｓ  映像
Ｌ  光ビーム
【図１】
2013160953.tif 000005
【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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