(57)【要約】【課題】高画質の画像を投影する光走査装置を提供する。【解決手段】光走査装置は、光線を照射する光源と、光線が照射される反射部を有し、反射部の回動により光線の反射光を走査する光学反射素子３００と、を備える。反射部は、第一の期間において、第一の周波数ｆＨで振動する。反射部は、第一の期間と異なる第二の期間において、第一の周波数ｆＨと異なる第二の周波数ｆＬで回動する。光走査装置は、タイミングよく反射部の塵埃を除去し、投影する画像を高画質化できる。【選択図】図５
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
光線を照射する光源と、
前記光線が照射される反射部を有し、前記反射部の回動により前記光線の反射光を走査する光学反射素子と、を備え、
前記反射部は、
第一の期間において、第一の周波数で振動し、
前記第一の期間と異なる第二の期間において、前記第一の周波数と異なる第二の周波数で回動する、光走査装置。
【請求項２】
前記第一の期間における前記光源の光出力は、前記第二の期間における前記光源の光出力よりも低い、請求項１に記載の光走査装置。
【請求項３】
前記第一の周波数は、前記第二の周波数よりも高い、請求項１または２に記載の光走査装置。
【請求項４】
前記光学反射素子を起動または停止させる操作により、前記第一の期間が開始する、
請求項１から３のいずれか一つに記載の光走査装置。
【請求項５】
前記光走査装置は、連続する複数の映像フレームで構成された映像を投影可能であり、
前記複数の映像フレームの内、少なくとも一つの映像フレームに対して、前記第一の期間を割り付けた、請求項１から４のいずれか一つに記載の光走査装置。
【請求項６】
前記光走査装置は、
駆動信号を出力する駆動回路と、
前記駆動回路を制御する制御回路と、をさらに備え、
前記光学反射素子は、
前記反射部に接続された振動部と、
前記振動部に接続された支持部と、
前記振動部に設けられ、前記駆動信号が入力される駆動部と、をさらに有する、請求項１から５のいずれか一つに記載の光走査装置。
【請求項７】
前記駆動部は、
前記振動部の上に設けられた下部電極と、
前記下部電極の上に設けられた圧電体層と、
前記圧電体層の上に設けられた上部電極と、を有する、請求項６に記載の光走査装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は光走査装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
光走査装置は、主にプロジェクタやプリンタ等に用いられている。
【０００３】
光走査装置は、レーザ光を照射するレーザ光源と、レーザ光を反射して反射光を走査する光学反射素子と、を備えている。スクリーン上に光を走査すれば、画像を投影できる。
【０００４】
光学反射素子は、回動しながらレーザ光を反射する反射部と、反射部を回動させるための振動部と、を有する。
【０００５】
この従来技術に類似する例として、下記の特許文献１が挙げられる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】国際公開第２０１３／１８７００３号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
従来の光走査装置では、反射部の回動にともない反射部の周辺に静電気が発生し塵埃が付着し、投影する画像が劣化することがある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
光走査装置は、光線を照射する光源と、光線が照射される反射部を有し、反射部の回動により光線の反射光を走査させる光学反射素子と、を備えている。反射部は、第一の期間において、第一の周波数で振動する。反射部は、第一の期間と異なる第二の期間において、第一の周波数と異なる第二の周波数で回動する。
【発明の効果】
【０００９】
本発明の光走査装置は、反射部に付着した塵埃を、第一の期間でタイミングよく除去することが可能となる。そしてその結果、光走査装置が投影する画像を高画質化できる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】実施形態１における光走査装置の概略構成を示す説明図である。
【図２】実施形態１における光学反射素子の斜視図である。
【図３】実施形態１における光学反射素子の第一振動部を模式的に示す斜視断面図である。
【図４】実施形態１における光学反射素子の第二振動部を模式的に示す斜視断面図である。
【図５】実施形態１における光学反射素子に入力する信号を示す説明図である。
【図６】実施形態１の光走査装置における塵埃除去のタイミング例を示す図である。
【図７】実施形態１の光走査装置における塵埃除去の別のタイミング例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下に説明する実施形態は、本発明の一例である。本発明は、下記実施形態に限定されない。これらの実施形態以外であっても、本発明における技術的思想を逸脱しない範囲であれば、設計等に応じて種々の変更が可能である。
【００１２】
（１．実施形態１）
（１−１．概要）
図１は、実施形態１の光走査装置１００の概要を示す説明図である。光走査装置１００は、光源２００と、光学反射素子３００と、を備えている。光源２００は、光線７１を照射する。光学反射素子３００は、所定の周波数で回動する反射部を有する。光源２００からの光線７１は、回動する反射部で反射され、図１に示すスクリーン７２のＸ軸方向、Ｙ軸方向に、反射光を走査する。これにより光走査装置１００は、スクリーン７２上に画像を投影できる。
【００１３】
光走査装置１００が停止状態の時、光源２００は光線７１の光出力を零とした消灯状態とされ、光学反射素子３００も停止している。ここで光学反射素子３００を起動すると、光源２００は消灯状態のまま、反射部は一定期間、反射部に付着している塵埃が振り落とされる程度の高周波で振動する。この振動により、反射部に付着している塵埃は除去される。その後、光源２００が点灯し、反射部は所定の周波数で回動する。反射部の回動により、前述のとおり光線７１が走査され、スクリーン７２上に画像が投影される。
【００１４】
実施形態１の光走査装置１００では、光学反射素子３００を駆動制御することで、反射部に付着した塵埃を、タイミングよく除去できる。そしてその結果、光走査装置１００が投影する画像を高画質化できる。
【００１５】
（１−２．構成）
（１−２−１．光走査装置の構成）
以下、実施形態１の光走査装置１００の構成について説明する。
【００１６】
前述のとおり、光走査装置１００は、図１に示す光源２００と、光学反射素子３００と、を備えている。また、光走査装置１００は、図５に示すように光学反射素子３００を駆動制御する制御回路４００を備えている。この制御回路４００は、駆動回路４０１、４０２、４０３と、駆動回路４０１の接続を制御するスイッチ４１１と、駆動回路４０２、４０３の接続を制御するスイッチ４１２と、を備えている。
【００１７】
駆動回路４０１は、光学反射素子３００の第一駆動部１７を駆動するための駆動信号を出力する。駆動回路４０２、４０３は、光学反射素子３００の第二駆動部１８を駆動するための駆動信号を出力する。第一駆動部１７と、第二駆動部１８については、後述する。制御回路４００は、出力する駆動信号を制御する。
【００１８】
（１−２−２．光学反射素子の構成）
以下、実施形態１の光学反射素子３００の構造について説明する。
【００１９】
図２は、光学反射素子３００の斜視図である。説明の便宜上、図２の紙面上に、Ｘ軸方向とＹ軸方向とを示す。Ｘ軸とＹ軸とは直交する。光学反射素子３００は、第一支持部１１と、一対の第一振動部１２Ａ、１２Ｂと、第二支持部１３と、一対の第二振動部１４Ａ、１４Ｂと、可動部１５と、を備えている。
【００２０】
第一支持部１１の形状は、内部が空洞の枠形である。
【００２１】
一対の第一振動部１２Ａ、１２Ｂの形状は、いずれもミアンダ形である。第一振動部１２Ａと第一振動部１２Ｂとは、光学反射素子３００の中心を通りＹ軸に平行な直線に対し、線対称の関係にある。第一振動部１２Ａ、１２Ｂは、それぞれＹ軸に平行な梁部１２１と、隣り合う梁部１２１を連結する連結部１２２と、を有する。第一振動部１２Ａ、１２Ｂの一端は、それぞれ第一支持部１１に接続されている。第一振動部１２Ａ、１２Ｂは、いずれも第一支持部１１の内部の空間内に配置されている。
【００２２】
第二支持部１３の形状は、内部が空洞の枠形である。第二支持部１３には、第一振動部１２Ａ、１２Ｂの一端であって、第一支持部１１に接続された一端と反対側の一端が接続されている。第二支持部１３は、第一支持部１１の内部の空間内に配置されている。
【００２３】
一対の第二振動部１４Ａ、１４Ｂの形状は、いずれもミアンダ形である。第二振動部１４Ａと第二振動部１４Ｂとは、光学反射素子３００の中心を通りＸ軸に平行な直線に対し、線対称の関係にある。第二振動部１４Ａ、１４Ｂは、それぞれＸ軸に平行な梁部１４１と、隣り合う梁部１４１を連結する連結部１４２と、を有する。第二振動部１４Ａ、１４Ｂの一端は、それぞれ第二支持部１３に接続されている。第二振動部１４Ａ、１４Ｂは、いずれも第二支持部１３の内部の空間内に配置されている。
【００２４】
可動部１５は、第二振動部１４Ａ、１４Ｂの一端であって、第二支持部１３に接続された一端と反対側の端部に接続されている。可動部１５は、第二支持部１３の内部の空間内に配置されている。可動部１５の表面には、反射部１６が設けられている。
【００２５】
図３は、第一振動部１２Ａ、１２Ｂの梁部１２１を模式的に示した斜視断面図である。第一振動部１２Ａ、１２Ｂのそれぞれの梁部１２１上には、第一駆動部１７が配置されている。第一駆動部１７は、梁部１２１上に配置された下部電極層１７１と、下部電極層１７１上に配置された圧電体層１７２と、圧電体層１７２上に配置された上部電極層１７３と、を有する。
【００２６】
図４は、第二振動部１４Ａ、１４Ｂの梁部１４１を模式的に示した斜視断面図である。第二振動部１４Ａ、１４Ｂのそれぞれの梁部１４１上には、第二駆動部１８が配置されている。第二駆動部１８は、梁部１４１上に配置された下部電極層１８１と、下部電極層１８１上に配置された圧電体層１８２と、圧電体層１８２上に配置された上部電極層１８３と、を有する。
【００２７】
第一支持部１１と、第一振動部１２Ａ、１２Ｂと、第二支持部１３と、第二振動部１４Ａ、１４Ｂと、可動部１５の材料は、シリコンである。材料はこれに限定されず、例えば表面が絶縁処理されたステンレス鋼や水晶等でもよい。反射部１６の材料は、金や白金や銀などの金属膜や、ＳｉＯ２、ＴｉＯ２、Ｎｂ２Ｏ５などの誘電体単層膜や誘電体多層膜で構成できる。下部電極層１７１と下部電極層１８１の材料は、白金である。圧電体層１７２と圧電体層１８２の材料は、チタン酸ジルコン酸鉛である。上部電極層１７３と上部電極層１８３の材料は、金である。これらの材料も一例であり、適宜その他の材料に置き換えられる。
【００２８】
（１−３．光走査装置の動作）
以下、実施形態１の光走査装置１００の動作について説明する。
【００２９】
光走査装置１００が停止している状態を、初期状態とする。この時、光源２００は消灯状態としている。また、光学反射素子３００は図５に示すようにスイッチ４１１、４１２がともにオフで停止している。
【００３０】
次に、スイッチ４１２を駆動回路４０３に接続し第一の周波数ｆＨの駆動信号を第二駆動部１８の上部電極層１８３へ入力する。また下部電極層１８１は接地される。下部電極層１８１と上部電極層１８３との間に電界が発生すると、圧電体層１８２が逆圧電効果により変形し、第二振動部１４Ａ、１４Ｂが振動する。第二振動部１４Ａ、１４Ｂの振動に伴い、可動部１５および反射部１６も第一の周波数ｆＨで振動する。ここで反射部１６が第一の周波数ｆＨで振動する期間を、第一の期間とする。第一の期間では、光源２００は消灯状態としたままである。また、スイッチ４１１はオフである。第一の期間の長さは、任意に設定できる。第一の期間において、反射部１６は反射部１６に付着している塵埃が振り落とされる程度の高速で振動する。
【００３１】
第一の期間を終えると、光源２００は点灯する。制御回路４００は、スイッチ４１１を駆動回路４０１に接続し所定周波数ｆＹの駆動信号を第一駆動部１７の上部電極層１７３へ入力する。また、スイッチ４１２を駆動回路４０２に接続し、第二の周波数ｆＬの駆動信号を第二駆動部１８の上部電極層１８３へ入力するする。第二の周波数ｆＬと周波数ｆＹとは異なる周波数であり、実施形態１では、第二の周波数ｆＬは、周波数ｆＹの数百〜数千倍高い。さらに第一の周波数ｆＨは、第二の周波数ｆＬの数百〜数千倍高い。なお、下部電極層１７１と下部電極層１８１とはそれぞれ接地される。
【００３２】
第一駆動部１７に所定周波数ｆＹの駆動信号が入力されると、下部電極層１７１と上部電極層１７３との間に電界が発生し、圧電体層１７２が逆圧電効果により変形する。この時、第一振動部１２Ａ、１２Ｂの隣り合う梁部１２１に、それぞれ逆位相の電圧を印加すると、第一振動部１２Ａ、１２Ｂは、いずれも第一回動軸ＡＸ１を中心に回動する。第一回転軸ＡＸ１は、光学反射素子３００の中心を通り、Ｘ軸に平行な直線である。第一振動部１２Ａ、１２Ｂの回動に伴い、第二支持部１３と、可動部１５と、反射部１６も、所定周波数ｆＹで第一回転軸ＡＸ１を中心に回動する。
【００３３】
また第二駆動部１８に第二の周波数ｆＬの駆動信号が入力されると、圧電体層１８２が逆圧電効果により変形する。この時、第二振動部１４Ａ、１４Ｂの隣り合う梁部１４１に、それぞれ逆位相の電圧を印加すると、第二振動部１４Ａ、１４Ｂは、いずれも第二回動軸ＡＸ２を中心に回動する。第二回転軸ＡＸ２は、光学反射素子３００の中心を通り、Ｙ軸に平行な直線である。なお、回動とは、振動の一種であり、印加する駆動信号の周波数によって振動モードを回動に変えることができる。ここで、反射部１６が第二の周波数ｆＬで第二回動軸ＡＸ２を中心に回動する期間を第二の期間とする。
【００３４】
第二の期間において、第一回動軸ＡＸ１および第二回動軸ＡＸ２を中心に回動する反射部１６に光源２００からの光線７１を照射すると、反射光をスクリーン７２のＸ軸およびＹ軸の双方向へ走査できる。なお、実施形態１の反射部１６は、第一回動軸ＡＸ１を中心とする回動によって、スクリーン７２のＹ軸方向へ光を走査する。そして第二回動軸ＡＸ２を中心とする回動によって、スクリーン７２のＸ軸方向へ光を走査する。これにより反射部１６からの反射光は、スクリーン７２のＸ軸方向に直線を描きながらＹ軸方向へ僅かに位置をずらすように走査される。この走査を繰り返して二次元の画像を投影できる。この画像を一つの映像フレームとし、複数の映像フレームを連続的に投影することで、動画等の映像を投影できる。
【００３５】
光学反射素子３００を停止する操作により、第二の期間は終了する。第二の期間を終えると、光源２００は消灯状態とする。
【００３６】
（１−４．効果）
実施形態１の光走査装置１００は、反射部１６を駆動させる駆動信号の第一の期間における第一の周波数ｆＨを、第二の期間における第二の周波数ｆＬと異ならせることで、反射部１６に付着した塵埃を除去することが可能となる。そして、第一の周波数ｆＨを第二の周波数ｆＬより高くすることで、反射部１６に付着した塵埃を除去できる。したがって、光走査装置１００が投影する画像を高画質化できる。また起動時の所定期間、すなわち動画を投影する前の第一の期間を使って、タイミングよく、塵埃を除去できる。すなわち、塵埃を除去する第一の期間と、動画を投影する第二の期間とは異なる期間である。したがって、第二の期間で投影する動画の画質への影響を抑制できる。
【００３７】
なお、動画を投影する際、第二振動部１４Ａ、１４Ｂは、第一振動部１２Ａ、１２Ｂと比べて高周波で回動する。したがって、可動部１５および反射部１６も、第二回動軸ＡＸ２を中心に高速で回動する。すると反射部１６の周辺に静電気が発生し、塵埃が付着することがある。実施形態１では、次に起動する際も、同様に第一の期間が開始され、塵埃を除去できるため、投影する画像を高画質化できる。
【００３８】
また、第一の周波数ｆＨ、すなわち塵埃を除去するための振動の周波数は、第二の周波数ｆＬよりも更に大きい。反射部１６を高速で振動させることによって、より効率よく塵埃を除去できる。
【００３９】
また実施形態１では、第二駆動部１８によって、走査と塵埃除去の両方を行うことができる。したがって、配線が単純で製造が容易である。
【００４０】
なお、塵埃を除去するその他の手段としては、反射部１６に保護膜を形成したり、光学反射素子３００をパッケージに収容したりする手段もある。しかしながら保護膜を設けると、保護膜を形成するための工数が増える。またパッケージに収容すれば、パッケージを設ける分、製品が大型化したり部品点数が増えたりするといった課題が生じる。これに対し実施形態１では、光走査装置１００の大型化を防止し、かつ低コスト化が図れる。
【００４１】
（１−５．変形例）
以下、実施形態１の光走査装置１００の変形例について説明する。
【００４２】
（１−５−１．変形例１）
上記実施形態１では、第一の期間において、光源２００を完全に光線７１の光出力を零とした消灯状態としているが、第二の期間よりも光源２００からの光出力を下げるだけでもよい。人間の視覚では点灯しているか否かが判別出来ない程度に光出力を下げれば、視聴者に認識させずに塵埃を除去できる。
【００４３】
（１−５−２．変形例２）
上記実施形態１では、第一の期間を光学反射素子３００の起動直後の一定期間としているが、起動後、一旦何らかの起動画面を投影し、その後第一の期間を設けて塵埃を除去してもよい。すなわち、本映像を投影する前に塵埃除去すればよい。具体的には、起動後図５に示すスイッチ４１１を駆動回路４０１に接続し、スイッチ４１２を駆動回路４０２に接続した状態で起動画面を投影する。その後、スイッチ４１１をオフとし、スイッチ４１２を駆動回路４０３に接続し実施形態１で述べたような塵埃除去を実施するのである。
【００４４】
（１−５−３．変形例３）
上記実施形態１では、光学反射素子３００を起動する操作により、第一の期間が開始するが、光学反射素子３００を停止する操作により、第一の期間が開始するように設定してもよい。すなわち、光学反射素子３００を停止しようとすると、一定期間、図５に示すスイッチ４１１をオフとし、スイッチ４１２を駆動回路４０３に切り替えて塵埃を除去する。そしてその後、光学反射素子３００を停止させてもよい。
【００４５】
（１−４−４．変形例４）
また第一の期間は、光学反射素子３００の起動時または停止時の一定期間に限らない。例えば図６は、スクリーン７２に光線７１の反射光が走査される状態を示す。図６に示すように、反射光の走査領域は、スクリーン７２上において実際に画像を投影する投影領域７２２と、映像を投影しない非投影領域７２１を設けている。この非投影領域７２１は、走査線の折返し部分であり、投影領域７２２の両側に設けている。この非投影領域７２１を走査する期間を第一の期間として、実施形態１で述べたような塵埃を除去してもよい。第一の期間とする非投影領域７２１では、光源２００を消灯状態とするか、あるいは第二の期間よりも光出力を下げる。
【００４６】
（１−５−５．変形例５）
また第一の期間のタイミングとして、以下の例も挙げられる。図７に示すように、連続する複数の映像フレーム７３の内、少なくとも一つの映像フレーム７３に対して第一の期間を割り付ける。第一の期間を割り付けた映像フレーム７３に対する走査期間は、光源２００を消灯状態とするか、もしくは光出力を下げると、その間の映像フレーム７３はブランクフレーム７３１となる。映像フレーム７３の遷移速度を高めれば、視聴者にブランクフレーム７３１を認識させずに塵埃を除去できる。
【００４７】
（１−５−６．変形例６）
上記実施形態１では光学反射素子３００に第一振動部１２Ａ、１２Ｂおよび第二振動部１４Ａ、１４Ｂの二つの振動部を設け、光をＸ軸、Ｙ軸方向の二つの軸方向へ走査しているが、一軸に光を走査する光学反射素子３００にも応用可能である。この場合は、第一振動部１２Ａ、１２Ｂと第一支持部１１を設けなくてよい。
【００４８】
（１−５−７．変形例７）
上記実施形態１では、第二駆動部１８を用いて走査動作と塵埃除去動作の両方を行っているが、塵埃除去用の駆動部を別途設けてもよい。塵埃除去用の駆動部を配置する場所は、任意に設定できる。例えば可動部１５に配置してもよく、第二振動部１４Ａ、１４Ｂや第二支持部１３などに設けてもよい。
【００４９】
（１−５−８．変形例８）
上記実施形態１では、第二振動部１４Ａ、１４Ｂは、第一の期間において塵埃除去動作として振動し、第二の期間において操作動作として回動するが、第一の期間も回動してもよい。回動は振動の一種であり、周波数の調整によって振動モードを回動にすることができる。第一の期間において、第二振動部１４Ａ、１４Ｂが回動することによって、塵埃を除去できる。
【００５０】
（１−５−９．変形例９）
上記実施形態１の光学反射素子３００の形状は、図２に示す形状であるが、光学反射素子３００の形状は、この形状に制限されない。また実施形態１では、光学反射素子３００の駆動方式が圧電方式であるため、第一の周波数ｆＨを高めることができ、効率よく塵埃を除去できる。ただし、駆動方式は、この方式に制限されない。例えば電磁力や静電気力を用いて光学反射素子３００を駆動させる事ができる。なお、第一の期間と第二の期間とにおいて、同じ駆動方式で反射部１６を駆動することが好ましいが、駆動方式を変えてもよい。その場合、第一の期間においては、高周波駆動に適した圧電駆動で塵埃除去することが好ましい。
【００５１】
上記実施形態１において、「平行」とは、略平行、すなわち実質的に平行な関係を含み、「垂直」とは、略垂直、すなわち実質的に垂直な関係を含む。また「直交」とは、実質的に垂直に交わる関係を含む。
【産業上の利用可能性】
【００５２】
本発明の光走査装置は投影する画像を高画質化できるため、例えば高信頼性が求められる車載用のヘッドアップディスプレイや、ヘッドマウントディスプレイのようなウェアラブルディスプレイ、小型プロジェクタなどに応用可能である。
【符号の説明】
【００５３】
７１  光線
７２  スクリーン
７２１  非投影領域
７２２  投影領域
７３  映像フレーム
７３１  ブランクフレーム
１００  光走査装置
２００  光源
３００  光学反射素子
４００  制御回路
４０１、４０２、４０３  駆動回路
４１１、４１２  スイッチ
１１  第一支持部
１２Ａ、１２Ｂ  第一振動部
１２１  梁部
１２２  連結部
１３  第二支持部
１４Ａ、１４Ｂ  第二振動部
１４１  梁部
１４２  連結部
１５  可動部
１６  反射部
１７  第一駆動部
１７１  下部電極層
１７２  圧電体層
１７３  上部電極層
１８  第二駆動部
１８１  下部電極層
１８２  圧電体層
１８３  上部電極層
【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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