JP7058122B2 - 光走査装置及び映像装置 - Google Patents

Description

本発明は、圧電素子等の加振部により光を走査する光走査装置及びこれを用いた映像装置に関する。

加振部により光を走査する技術として、特許文献１には、光ファイバの均一な振動を可能にするため、振動発生部と射出端との間に振動減衰部材を配置した光ファイバスキャナが開示されている。特許文献２には、精密機器の位置決め装置などに使用される円筒型圧電アクチュエータにおいて、周囲部品からのノイズの混入を抑制するため、外周面を単一の帯状電極で覆い該電極をグランド電位に接続し、内周面上の分割電極に電圧を印加する構成が開示されている。

特開２０１４－１８０３１７号公報 特開２００９－１９２２５２号公報

前記特許文献１，２をはじめ従来技術では、複数方向に振動を発生させるアクチュエータは周方向に複数（例えば４個）に分割された振動素子（例えば圧電素子）を有し、各振動素子の電極にはアクチュエータを駆動するための電気配線が接続されている。その場合、各振動素子の一方の電極を共通電極としてグランド接続を行うとしても、電気配線を５本以上行う必要がある。そのため、アクチュエータを構成する配線の太さ及び接合部が大きくなるため、アクチュエータ及びこれを搭載する装置の小型化が制限されていた。特に共通電極を内周側に配置したときの配線は、外周側と比較して相対的な配線の太さが大きくなるため影響が大きい。一方、共通電極のグランド接続用の配線を削除すると、共通電極の電位が不安定となるため、アクチュエータの動作が不安定になってしまう。

本発明の目的は、動作の安定性を保ちつつ電気配線数を低減し、装置全体の小型化が可能な光走査装置を提供することである。

本発明の光走査装置は、一端から光を入射して他方の端から出射する導光路と、前記導光路に振動を加える加振部と、前記加振部に振動を与えるための駆動信号を生成する駆動信号生成部を備えている。前記加振部は、前記導光路を該導光路の光軸方向と略垂直な方向に振動させるために協調して動作する第一の素子と第二の素子と、前記導光路の光軸方向と略垂直で、前記第一の素子及び前記第二の素子の振動方向と略垂直な方向に振動させるために協調して動作する第三の素子と第四の素子を有する。前記第一ないし第四の素子はそれぞれ２つずつの電極を有し、前記第一ないし第四の素子の一方の電極には前記駆動信号生成部からの駆動信号を印加し、前記第一ないし第四の素子の他方の電極は前記駆動信号に対してフローティング電位の共通電極とした構成である。前記駆動信号生成部は、前記第一の素子に印加する駆動信号と前記第二の素子に印加する駆動信号の中央値と、前記第三の素子に印加する駆動信号と前記第四の素子に印加する駆動信号の中央値とが、略同一の値となるように駆動信号を生成する。

本発明によれば、動作の安定性を保ちつつ電気配線数を低減し、装置全体の小型化が可能となる光走査装置を提供できる。

実施例１に係る映像装置１０の構成を示すブロック図。 光走査部１００１の構成を示す断面図。 加振部１０１の構造を示す断面図。 ４個の外周電極の形状を示す展開図。 四角形の筒型アクチュエータの例を示す断面図。 ４個の圧電素子の電気的な等価回路を示す図。 渦巻き状の走査を行うときの駆動信号の例を示す図。 スクリーン上に生じる渦巻き状の軌跡の例を示す図。 実施例２に係る映像装置１０の構成を示すブロック図。 駆動信号と内周電極の電位の例を示す図（補正前）。 駆動信号と内周電極の電位の例を示す図（補正後）。 実施例３に係る映像装置１０の構成を示すブロック図。 駆動制御部１０１８の構成例を示す図。 加振部１０１に印加する電圧波形の例を示す図。 加振部１０１に印加する電圧波形の例を示す図。 実施例４に係る距離測定機能を有する映像装置３０の構成を示す図。 距離測定機能を有する映像装置３０の撮像動作を示す図。

以下、本発明の実施例について図面を用いて説明する。

図１は、実施例１に係る映像装置１０の構成を示すブロック図である。映像装置１０は、例えばプロジェクターやヘッドマウントディスプレイ等の映像を投影する装置であり、投影面に対して映像光を走査する光走査装置１００を備える。

映像装置１０は、光走査部１００１、光源部１００２、光源制御部１００３、発光制御部１００４、映像制御部１００５、映像情報記憶部１００６、駆動信号生成部１００７、駆動制御部１００８、装置制御部１００９、記憶部１０１０、入出力制御部１０１１、受光部１０２０を備えている。このうち、光走査部１００１と、これを駆動する駆動信号生成部１００７と駆動制御部１００８が光走査装置１００を構成している。なお、光走査装置１００には、光源部１００２など他の要素を含む構成でもよい。

駆動信号生成部１００７、映像制御部１００５、発光制御部１００４は、一例としてデジタル回路として実現される。これらのブロックは、同一のＩＣ、例えばＦＰＧＡ（Field Programmable Gate Array）、ＡＳＩＣ（Application Specific Integrated Circuit）等の集積回路内の機能ブロックとして存在していてもよい。

装置制御部１００９は、映像装置１０の各ブロックの制御を行う。装置制御部１００９は、例えばＣＰＵ（Central Processing Unit）等により構成される。記憶部１０１０は、装置制御部１００９が映像装置１０を制御するため、各部に処理を行うためのプログラムやデータ等が格納されるメモリ領域であり、例えばフラッシュメモリ等により実現される。記憶部１０１０は、ＨＤＤ（Hard Disc Drive）や光ディスク等の書き込み及び読み出しが可能な他の記憶メディアであってもよい。また、ＲＡＭ（Random Access Memory）等の一時記憶領域であってもよい。

入出力制御部１０１１は外部制御装置２０と接続され、外部制御装置２０から映像信号を受信する。入出力制御部１０１１は、駆動信号生成部１００７、映像制御部１００５、発光制御部１００４等と同一のデジタル回路としてＦＰＧＡやＡＳＩＣに集積されている構成や、装置制御部１００９内に集積される構成でもよい。入出力制御部１０１１を介して外部制御装置２０から受信した映像信号は、映像情報記憶部１００６に格納される。

駆動信号生成部１００７は、装置制御部１００９からの制御に基づき、光走査部１００１を駆動して映像光を走査するための駆動信号を生成する。駆動制御部１００８は、増幅器などによって構成され、駆動信号生成部１００７により生成された駆動信号に応じて、光走査部１０内のアクチュエータ部に駆動電力を印加する。

映像制御部１００５は、駆動信号生成部１００７から駆動信号の情報を受信し、光走査位置に応じて決まる座標（ｘ、ｙ）を算出する。さらに、映像情報記憶部１００６から座標（ｘ、ｙ）に対応した画素のデータを読み出す。画素データは例えばＲＧＢの階調データである。当該画素データを発光制御部１００４に送信する。

発光制御部１００４は受信した画素データに応じて、光源部１００２を点灯させるための信号を生成する。そのとき発光制御部１００４は、駆動信号生成部１００７からの走査情報を基に輝度の補正を行ってもよい。光源制御部１００３は、発光制御部１００４で生成された信号を基に、光源部１００２内のレーザ素子に電流を供給し、レーザ光を発生させる。発生したレーザ光は光走査部１００１に入射し、投影面内の光走査された位置にレーザースポットを形成する。

受光部１０２０は、投影面に照射されて散乱されたレーザ光を受光（撮影）する。映像装置１０が撮影機能を有さない場合は、受光部１０２０は必ずしも必要ではない。このようにして映像装置１０は、光走査位置に同期したレーザ発光制御を行うことで、投影面に映像を投影する動作を行う。

図２は、光走査部１００１の構成を示す断面図である。光走査部１００１は、加振部１０１、導光路１０２、接合部１０３、レンズ１０４、外装部１０５、支持部材１０６、電気配線部１０７を備える。光源部１００２から入射したレーザ光は導光路１０２を伝搬し、レンズ１０４を介して投影面に出射される。その際、加振部１０１により導光路１０２を振動させることで、レーザ光を投影面内で走査する動作を行う。

加振部１０１は、振動を発生するアクチュエータであり、圧電アクチュエータから構成される。本例の加振部１０１は、中心部が中空の円筒型の圧電素子であり、その内外周に複数の電極を配置して構成される。加振部１０１の中空部分には、導光路１０２が配置され、振動部１０１と導光路１０２とは接合部１０３により機械的に接合される。加振部１０１は支持部材１０６により、外装部１０５に固定される。

導光路１０２には、例えば光ファイバを用いる。接合部１０３は、例えば接着剤等を用いる。導光路１０２の一端１０２ａは自由端とし、加振部１０１の振動が接合部１０３により導光路１０２に伝達されることで、自由端１０２ａが振動する。導光路１０２は、一端を自由端とする突き出し梁の構造となっており、材料定数と寸法で決まる固有振動数ｆｒを有する。

レンズ１０４は、ガラス又は樹脂などにより成型されるレンズである。レンズ１０４は図示したような球面レンズ以外にも、非球面レンズ、フレネルレンズ、屈折率分布型のレンズでもよい。また、レンズ１０４は導光路１０２の先端部１０２ａと一体化した構造でもよく、複数枚のレンズからなる構成でもよい。

図３は、加振部１０１の構造を示す断面図である。加振部１０１は、内部が中空な円筒型の圧電アクチュエータ（円筒アクチュエータ）であり、圧電性を有する円筒型の圧電媒体３０１０で構成される。圧電アクチュエータは電圧を印加することで、電圧に応じて印加方向に歪み（伸張または収縮）を生じるデバイスである。

円筒アクチュエータの内周部には共通電極３０１５を有し、外周部には円筒形の軸回転方向に略９０度ごとに４個に分割された、第一の外周電極３０１１、第二の外周電極３０１２、第三の外周電極３０１３、第四の外周電極３０１４が配置される。共通電極３０１５及び４個の外周電極３０１１～３０１４は、円筒アクチュエータの長手方向に沿って連続的に面状に配置される。円筒アクチュエータの中央には導光路１０２が配置される。

図４は、外周側面を展開して４個の外周電極の形状を示した図である。円筒アクチュエータの長手方向に、略等しい大きさの外周電極３０１１～３０１４が平行に整列している。

図３に戻り、４個の外周電極３０１１～３０１４は、それぞれ電気配線部１０７－１～１０７－４によって駆動制御部１００８と接続されており、それぞれ駆動電圧Ｖｙ１、Ｖｘ１、Ｖｙ２、Ｖｘ２が印加される。ただし、内周部の共通電極３０１５には電気配線部が接続されず、フローティング状態としたこと、すなわちグランド電位に接続していないことに特徴がある。このように電極への配線数を減らすことで、装置が小型化する効果がある。特に、内周部への配線が不要になることから、組み立て作業が容易になる。

圧電媒体３０１０は、各電極に挟まれる領域ごとに、複数の圧電素子を形成している。この例では、圧電媒体３０１０の外周に配置された４個の電極と、内周の電極とに挟まれた４個の領域が圧電素子として機能する。すなわち、第一の外周電極３０１１と共通電極３０１５に挟まれた第一の圧電素子３０２１、第二の外周電極３０１２と共通電極３０１５に挟まれた第二の圧電素子３０２２、第三の外周電極３０１３と共通電極３０１５に挟まれた第三の圧電素子３０２３、第四の外周電極３０１４と共通電極３０１５に挟まれた第四の圧電素子３０２４を有する。

圧電媒体３０１０に複数の領域に分けて圧電素子を形成するためには、上記の各電極を取り付ける前に、予め所定の電圧を印加して分極処理を施し、例えば矢印３０３０で示すように半径方向に分極しておく。そして、分極処理を行った圧電媒体３０１０（各圧電素子）に電極を取り付け、円筒アクチュエータを完成させる。あるいは、上記の共通電極３０１５を含め各外周電極に配線部を接続して分極処理を行い、その後共通電極３０１５の配線部を除去するようにしても良い。各圧電素子３０２１～３０２４は、分極の方向と同方向に電圧を印加すると正の歪（伸張）、逆方向に電圧を印加すると負の歪（収縮）が生じる。よって、分極３０３０の方向と印加電圧の方向を組み合わせることで、所望の変形が可能なアクチュエータを実現できる。

以下、円筒アクチュエータによる導光路１０２を加振する動作について説明する。説明のため、図３において、紙面に向かって縦方向をＹ軸、横方向をＸ軸と定義する。

まず、Ｙ軸方向への振動を与える場合を説明する。中心部を挟んでＹ軸方向に対向する第一の圧電素子３０２１に順方向の電圧を、第三の圧電素子３０２３に逆方向の電圧を印加し、第一の圧電素子３０２１を伸張、第三の圧電素子３０２３を収縮させれば、導光路１０２はＹ軸下方向に力を受ける。逆に第一の圧電素子３０２１を収縮、第三の圧電素子３０２３を伸張させれば、導光路１０２はＹ軸上方向に力を受ける。このように、Ｙ軸方向への振動を与えるためには、Ｙ軸方向に対向する第一の圧電素子３０２１と第三の圧電素子３０２３を対にして協調して動作させる。振動を加えるための電圧を正弦波状の信号とし、その周期を前述の固有振動数付近の周期とすることで、導光路１０２を共振させる。

同様に、Ｘ軸方向への振動を与える場合は、Ｘ軸方向に対向する第二の圧電素子３０２２と第四の圧電素子３０２４を対にして協調して動作させる。つまり、第一の圧電素子３０２１と第三の圧電素子３０２３による振動方向と第二の圧電素子３０２２と第四の圧電素子３０２４による振動方向とは、略垂直な関係となっている。

なお、本駆動方式に適用可能な加振部１０１は円筒型アクチュエータに限定されない。
例えば、図５に示すように四角形の筒型アクチュエータであってもよい。この例では、内部に共通電極３０１５を有して４辺に４個の圧電素子３０２１～３０２４を配置した断面が四角形の形状としている。つまり、Ｙ軸方向とＸ軸方向に独立に振動を与える構成であればよい。

図６は、４個の圧電素子の電気的な等価回路を示す図である。各圧電素子３０２１～３０２４をインピーダンスＺ１～Ｚ４で表し、各圧電素子の一端はそれぞれの外周電極３０１１～３０１４に、多端は共通電極３０１５に接続されている。各電極に印加する電位について、第一の外周電極３０１１にはＶｙ１、第二の外周電極３０１２にはＶｘ１、第三の外周電極３０１３にはＶｙ２、第四の外周電極３０１４にはＶｘ２とする。また、共通電極３０１５の電位をＶ０とする。各圧電素子にかかる電圧は、外周電極３０１１～３０１４に印加する電位と、内周電極３０１５の電位との差によって決まる。

ここで、共通の内周電極３０１５をグランド電位に接続した場合、内周電極３０１５の電位Ｖ０は０になるため、各圧電素子３０２１～３０２４にかかる電圧はそれぞれ対応する外周電極３０１１～３０１４に印加される電位Ｖｙ１、Ｖｘ１、Ｖｙ２、Ｖｘ２によってのみ決まる。従って、各圧電素子の伸張／収縮を個別に独立に制御することができる。

これに対し本実施例では、内周電極３０１５をフローティング電位としている。このため、内周電極３０１５の電位Ｖ０は４個の外周電極３０２１～３０２４に印加される電位によって変動する。内周電極３０１５の電位Ｖ０が変動すると、周囲の４個の圧電素子３０２１～３０２４に意図しない歪みが起こることになる。よって本実施例では、内周電極３０１５の電位変動を極力抑え、Ｘ軸方向の圧電素子対と、Ｙ軸方向の圧電素子対を独立に制御可能となるよう、外周電極３０１１～３０１４に印加する電圧の条件を定めた。

まず、外周電極３０１１～３０１４に印加する正弦波電圧Ｖｙ１、Ｖｘ１、Ｖｙ２、Ｖｘ２の一般式を、以下の式（１）～（４）で表す。

ここで、Ａ１，Ａ２，Ａ３，Ａ４は振動振幅、ｆｒは共振周波数、φ１、φ２、φ３、φ４は正弦波の位相差、Ｃ１，Ｃ２，Ｃ３，Ｃ４はオフセット成分である。

次に、内周電極３０１５の電位を求めるが、図６において、４個の圧電素子３０２１～３０２４は同一の円筒型圧電アクチュエータの一部分であるので、同一のインピーダンスの値であると仮定する（Ｚ１＝Ｚ２＝Ｚ３＝Ｚ４）。

まず、Ｙ軸方向の圧電素子のみを駆動させると仮定し、第一の外周電極３０１１と第三の外周電極３０１３に電圧Ｖｙ１、Ｖｙ２を印加し、第二の外周電極３０１２と第四の外周電極３０１４は開放とする。このときの内周電極３０１５の電位Ｖｙ０は、Ｖｙ１とＶｙ２の中点電位（中央値）となる。

同様に、Ｘ軸方向の圧電素子のみを駆動すると仮定すると、内周電極３０１５の電位Ｖｘ０は、第二の外周電極３０１２と第四の外周電極３０１４の電圧Ｖｘ１、Ｖｘ２の中央値となる。

次に、Ｘ軸方向とＹ軸方向を同時に駆動する場合、Ｙ軸方向の中点電位Ｖｙ０とＸ軸方向の中点電位Ｖｘ０とを略同一の値とする。つまり、次式（７）を満たせば、Ｙ軸方向駆動電圧Ｖｙ１、Ｖｙ２からＸ軸方向への影響を、逆にＸ軸方向駆動電圧Ｖｘ１、Ｖｘ２からＹ軸方向への影響を低減することができる。

ここで、第一の圧電素子３０２１と第三の圧電素子３０２３は、Ｙ軸方向の圧電素子対であり、一方が収縮するときに他方が伸張する、すなわち逆相の動きとなればよい。このような動きとなるように、Ａ１＝Ａ３、φ３＝φ１＋１８０°とすると、第三の圧電素子３０２３の駆動電圧Ｖｙ２は式（３）から式（８）に変形される。

このとき式（５）から、Ｖｙ０＝（Ｃ１＋Ｃ３）／２となる。
Ｘ軸方向の圧電素子対についても同様に、Ａ２＝Ａ４、φ４＝φ２＋１８０°として、第四の圧電素子３０２４の駆動電圧Ｖｘ２は式（４）から式（９）に変形される。

このとき式（６）から、Ｖｘ０＝（Ｃ２＋Ｃ４）／２となる。
従って、式（７）の条件、Ｖｘ０＝Ｖｙ０を満たすには、Ｃ１＋Ｃ３＝Ｃ２＋Ｃ４であればよい。特に、Ｃ１＝Ｃ２＝Ｃ３＝Ｃ４とすることで式（７）を満たす。

また、式（７）のときに、Ｙ軸方向の圧電素子対である第一の圧電素子３０２１と第二の圧電素子３０２３の伸縮が逆となるためには、圧電素子の分極方向について、内周電極３０１５からそれぞれの外周電極３０１１、３０１３に向かって同一の方向に電圧を掛けて分極されている必要がある。

Ｘ軸方向の圧電素子対の第二の圧電素子３０２２と第四の圧電素子３０２４についても同様で、内周電極３０１５から外周電極３０１２、３０１４に向かって同一の方向に分極されている必要がある。

また、Ａ１＜Ｃ１、Ａ２＜Ｃ２、Ａ３＜Ｃ３、Ａ４＜Ｃ４、かつＣ１＞０、Ｃ２＞０、Ｃ３＞０、Ｃ４＞０とすることで、Ｖｙ１＞０、Ｖｘ１＞０、Ｖｙ２＞０、Ｖｘ２＞０となる。よって、負電圧が生じず、駆動制御部１００８における増幅回路として端電源のオペアンプを使用することができ、負電源が不要となる。

このようにして、加振部１０１は導光路１０２を、Ｙ軸及びＸ軸の２軸方向に独立に振動させて、光を走査することができる。例えば、Ｙ軸駆動信号の位相φ１と、Ｘ軸駆動信号の位相φ２を９０°ずらすことで、光走査の軌跡は円を描く軌跡となる。さらに、Ｙ軸駆動信号の振幅Ａ１と、Ｘ軸駆動信号の振幅Ａ２を時間とともに徐々に増加させることで、光走査の軌跡は円を描きながら振幅が増加し、渦巻き状の軌跡を描く。これにより点状の光スポットを面状に走査することができる。上記の条件を満足する駆動信号は、駆動信号生成部１００７により生成する。

図７は、渦巻き状の走査を行うときの駆動信号の例を示す図である。外周電極３０１１～３０１４に対する駆動電圧Ｖｙ１、Ｖｘ１、Ｖｙ２、Ｖｘ２の信号波形を示している。各信号のオフセット成分は等しくし（この場合Ｃ１）、固有振動数ｆｒに対応する共振周期１／ｆｒを有している。そして、Ｙ軸駆動信号とＸ軸駆動信号の位相は９０°ずらしながら、各信号の振幅を時間とともに増加させている。

図８は、スクリーン上に生じる渦巻き状の軌跡の例を示す図である。図７の駆動信号により光走査を行うことにより、スクリーン６０上には渦巻き状の軌跡７０を描くことができる。

光走査部１０１による走査軌跡はこれに限らず、導光路１０２の形状と駆動信号の組み合わせにより各種可能である。例えば、導光路１０２の断面を楕円形としてＹ軸方向とＸ軸方向の共振周波数を異ならせ、これらの周波数に合わせてＹ軸駆動信号とＸ軸駆動信号を供給すれば、スクリーン上にジグザグ状の軌跡を描くこともできる。

実施例１によれば、内周電極３０１５をグランド電位に接続せずフローティング電位としたので、電気配線が簡略化して装置の小型化に寄与する。その際、外周電極に印加する駆動電圧の条件を所定の条件を満たすようにすることで、Ｙ軸方向の圧電素子に印加する信号振幅Ａ１、またはＸ軸方向の圧電素子に印加する信号振幅Ａ２に関わらず、内周電極３０１５の電位が一定とすることができる。これにより、Ｙ軸方向の圧電素子対の振動と、Ｘ軸方向の圧電素子対の振動は、互いに独立して制御可能となる。

なお、上記例では、加振部のアクチュエータとして圧電素子を用いたが、その他の素子、例えば電歪素子を用いることもできる。また、内周側の電極を共通電極としてフローティング電位としたが、逆に、外周側の電極を共通電極としてフローティング電位としても電気配線を簡略化することができる。

実施例１では、４個の圧電素子のインピーダンスは全て等しいものとしたが、実際には製造上のばらつき等によりインピーダンスが一致しない場合がある。そこで実施例２では、インピーダンスの差異に応じて駆動信号の補正を行う構成とした。

図９は、実施例２に係る映像装置１０の構成を示すブロック図である。装置構成は実施例１（図１）の基本構成に、駆動信号補正部１０１２を追加している。

駆動信号補正部１０１２では、加振部１０１に含まれる４個の圧電素子のインピーダンスの微小な違いに応じて、駆動信号の補正を行う。すなわち、駆動信号生成部１００７にて生成した駆動信号に対し、その振幅を補正した駆動信号を駆動制御部１００８に供給する。以下、駆動信号の補正方法を説明する。

図１０Ａと図１０Ｂは、駆動信号と内周電極の電位の例を示し、図１０Ａは補正前の信号波形、図１０Ｂは補正後の信号波形を示す。ここでは、Ｙ軸方向に対向する第一の圧電素子３０２１と第三の圧電素子３０３３のインピーダンスＺ１、Ｚ３に差がある場合、圧電素子対に印加する駆動信号Ｖｙ１、Ｖｙ２と内周電極３０１５の電位Ｖｙ０を示している。

図１０Ａは、実施例１と同様の駆動信号Ｖｙ１、Ｖｙ２を印加した場合で、それぞれの振幅Ａ１とＡ３が等しくても、圧電素子のインピーダンスＺ１、Ｚ３が異なると、内周電極３０１５の電位Ｖｙ０が０とならず、振動成分が残留する。この振動成分は、Ｘ軸方向の振動に影響を与えることになる。

駆動信号補正部１０１２はこれを取り除くために、図１０Ｂに示すように、一方の駆動電圧をインピーダンスの比だけ補正する。この例では、駆動信号Ｖｙ２の振幅Ａ３をインピーダンスの比（Ｚ３／Ｚ１）倍に補正する。これにより内周電極３０１５の電位Ｖｙ０を０とし、振動成分をなくすことができる。

また駆動信号補正部１０１２は、Ｘ軸の圧電素子対に印加する駆動信号Ｖｘ１、Ｖｘ２についても、同様にインピーダンスＺ２、Ｚ４の比を基に補正を行う。

上記の補正を行うため駆動信号補正部１０１２は、予め測定した各圧電素子のインピーダンスから算出した補正量を保持している。あるいは、走査された表示パターンをユーザが目視で評価し、歪が視認されなくなるよう駆動信号補正部１０１２の補正量を調整することでもよい。

実施例２によれば、圧電素子の製造ばらつきによる電気的な特性差があっても、Ｙ軸駆動制御とＸ軸駆動制御との間の相互作用をなくし、あるいは低減することができる。

実施例１では圧電素子の駆動信号の波形は正弦波状としたが、実施例３ではパルス状の駆動信号を用いる構成とした。

図１１は、実施例３に係る映像装置１０の構成を示すブロック図である。装置構成は実施例１（図１）の基本構成に対し、駆動パルス生成部１０１７と駆動制御部１０１８で置き換えている。駆動パルス生成部１０１７は駆動信号として駆動パルスを生成し、駆動制御部１０１８はこれに基づいて光走査部１００１（加振部１０１）に駆動電圧を印加する。

図１２は、駆動制御部１０１８の構成例を示す図である。ここでは、Ｈブリッジ回路のようなゲート回路を用いて構成しており、スイッチング素子として（ａ）はＭＯＳＦＥＴを（ｂ）はトランジスタを用いた場合である。ここでは、Ｙ軸の圧電素子対に印加する駆動回路を示すが、Ｘ軸の圧電素子対についても同様である。

Ｈブリッジ回路の上下端子には、電源電圧であるＶｙＨＩとＶｙＬＯを供給している。そして、駆動パルス生成部１０１７により生成される駆動パルスに応じて、４個のスイッチング素子ＳＷ１～ＳＷ４のＯＮ／ＯＦＦ切り替えを行う。切り替え状態として、ＳＷ１とＳＷ４をＯＮにする第一の状態と、ＳＷ２とＳＷ３をＯＮにする第二の状態と、全てのＳＷをＯＦＦにする第三の状態を組み合わせる。これにより、圧電素子対に対し駆動電圧Ｖｙ１、Ｖｙ２を印加する。

パルス駆動方式では、パルス幅とパルス振幅のいずれか、あるいは両方を変化させることで、実施例１の正弦波駆動と同様に加振部１０１を振動させることができる。
図１３Ａと図１３Ｂは、加振部１０１に印加する電圧波形の２つの例を示す図である。Ｙ軸方向の圧電素子対に印加する電圧Ｖｙ１とＶｙ２を実線で、これによる加振部１０１の振動状態を破線で示す。

図１３Ａは、パルス振幅が一定でパルス幅を変化させて駆動する場合である。前述のＳＷ１とＳＷ４をＯＮとする第一の状態のとき、Ｖｙ１がＶｙＨＩのレベルとなり、Ｖｙ２がＶｙＬＯのレベルとなる。一方、ＳＷ２とＳＷ３をＯＮとする第二の状態のとき、Ｖｙ１がＶｙＨＩのレベルとなり、Ｖｙ２がＶｙＬＯのレベルとなる。第一の状態と第二の状態を共振周期１／ｆｒで繰り返すことで、加振部１０１には周期的な振動が加えられる。また、第一の状態と第二の状態の期間の長さ、すなわちパルス幅Ｐｗを変えることで、実効的な駆動電圧変化させ、振動の大きさを制御することができる。

また、加振部１０１によって振動する導光路１０２は、共振周期に対応する固有振動数ｆｒをもっているため、パルス状の駆動信号であっても共振周波数の成分のみが減衰せずに振動として残る。よって、結果的には破線で示すような正弦波で示す振動状態を得ることができる。

また、図１３Ｂのように、第一の状態と第二の状態の期間の長さを一定としたまま、ＶｙＨＩとＶｙＬＯの電圧値、すなわちパルス振幅Ｐａを変化させて変調してもよい。

Ｘ軸側の圧電素子対に対しても、図１２と同様のゲート回路を設け、Ｙ軸側の振動と位相が９０°異なる駆動波形として、ＶｘＨＩとＶｘＬＯの電圧を切り替えて印加する。このとき、ＶｙＨＩとＶｙＬＯの中央値ＶｙＣと、ＶｘＨＩとＶｘＬＯの中央値ＶｘＣとが略一致するようにＶｙＨＩ、ＶｙＬｏ、ＶｘＨＩ、ＶｘＬＯの値を設定する。このように制御することで、実施例１と同様に、Ｙ軸側の駆動信号と、Ｘ軸側の駆動信号の間で、相互作用をなくす、あるいは低減することができる。

実施例３によれば、光走査部１００１（加振部１０１）の駆動回路をデジタル回路（ゲート回路）で構成したので、アナログ回路に比較して回路を簡略化できる効果がある。

前記した光走査装置１００は、映像を投影する映像装置１０のほかに、レーザ光を出射して物体から散乱または反射される光の到達する時間から物体までの距離を測定する装置にも適用できる。実施例４では、距離測定機能を有する映像装置について説明する。

図１４は、実施例４に係る距離測定機能を有する映像装置３０の構成を示すブロック図である。
映像装置３０は、光走査部１００１、光源部１００２、光源制御部１００３、発光制御部１００４、映像制御部１００５、映像情報記憶部１００６、駆動信号生成部１００７、駆動制御部１００８、装置制御部１００９、記憶部１０１０、入出力制御部１０１１、及び受光部１０２０を備えている。このうち、発光制御部１００４、映像制御部１００５、映像情報記憶部１００６、受光部１０２０以外の構成要素は実施例１（図１）と同様であり、説明を省略する。発光制御部１００４、映像制御部１００５は一例としてデジタル回路として実現され、発光制御部１００４、映像制御部１００５、駆動信号生成部１００７は同一のＩＣ、例えばＦＰＧＡ、ＡＳＩＣ等の集積回路内の機能ブロックとして存在していても良い。

発光制御部１００４は所定のタイミングで、光源部１００２からレーザ発光を行うための信号を生成する。発光制御部１００４は、駆動信号生成部１００７からの情報を元に、タイミングや輝度の補正を行っても良い。

受光部１０２０は、フォトディテクタなどの光を電気信号に変換する受光素子からなる。受光部１０２０は、受光素子のほかに、光導波路、光増幅器、電気信号増幅回路、アナログ-デジタル変換回路等を含んでいても良い。受光部１０２０は受光した光に応じた受光情報を生成する。受光情報は、例えば受光した光の強度に応じた受光強度情報や、受光強度が変化するタイミングの情報（距離情報）などである。本例では、受光タイミング情報を例として説明する。

映像装置３０は、入出力制御部１０１１を介して外部制御装置５０と接続されている。映像装置３０は外部制御装置５０へ、撮像した映像情報（物体までの距離情報）を送信する。外部制御装置５０は、例えば映像情報を表示するディスプレイ装置や、映像情報を蓄積する記録装置などである。

図１５は、本実施例の映像装置３０の撮像動作を示す図である。映像装置３０は撮像装置として動作し、光源部１００２から出力されたレーザ光を撮影対象物７０に照射する。照射されたレーザ光は撮影対象物７０の表面で反射または散乱され、反射光または散乱光の一部が受光部１０２０により受光される。その際光走査部１００１は、撮影対象物７０に対して照射するレーザ光の位置を、実施例１乃至３での説明と同様に走査する。

映像制御部１００５は、駆動信号生成部１００７から同期信号を受信し、光走査位置に応じて決まる座標（ｘ、ｙ）を算出する。さらに受光部１０２０から該受光情報を受信し、該受光情報と座標（ｘ、ｙ）に対応した画素データを、映像情報記憶部１００６に書き込む。ここに画素データは、例えば受光タイミング情報（距離情報）に応じた階調データである。

映像情報記憶部１００６は、映像制御部１００５から画素データを受信し、複数の画素データからなる画面データを保持する。入出力制御部１０１１は、映像情報記憶部１００６に保持された画面データを所定の間隔で外部制御装置５０に出力する。これにより、映像装置３０は外部制御装置５０に、撮影対象物７０までの距離を測定した映像情報を送信し、外部制御装置５０は受信した映像情報を表示や蓄積することができる。

上記した各実施例は、本発明を分かり易く説明するために装置及びシステムの構成を詳細かつ具体的に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されない。また、ある実施例の構成の一部を他の実施例の構成に置き換えることは可能であり、さらにはある実施例の構成に他の実施例の構成を加えることも可能である。

１０，３０：映像装置、
７０：撮影対象物、
１００：光走査装置、
１０１：加振部、
１０２：導光路、
１０７：電気配線部、
１００１：光走査部、
１００２：光源部、
１００３：光源制御部、
１００４：発光制御部、
１００５：映像制御部、
１００６：映像情報記憶部、
１００７：駆動信号生成部、
１００８：駆動制御部、
１００９：装置制御部、
１０１０：記憶部、
１０１１：入出力制御部、
１０１２：駆動信号補正部、
１０１７：駆動パルス生成部、
１０１８：駆動制御部、
３０１０：圧電媒体、
３０１１～３０１４：外周電極、
３０１５：内周電極、
３０２１～３０２４：圧電素子。

Claims (8)

1. 一端から光を入射して他方の端から出射する導光路と、前記導光路に振動を加える加振部と、前記加振部に振動を与えるための駆動信号を生成する駆動信号生成部を備える光走査装置において、
   前記加振部は、中心部に配置される前記導光路を該導光路の光軸方向と略垂直な方向に振動させるために協調して動作する、前記中心部を挟んで対向して配置される第一の素子と第二の素子と、前記導光路の光軸方向と略垂直で、前記第一の素子及び前記第二の素子の振動方向と略垂直な方向に振動させるために協調して動作する、前記中心部を挟んで対向して配置される第三の素子と第四の素子を有し、
   前記第一ないし第四の素子はそれぞれ２つずつの電極を有し、前記第一ないし第四の素子の一方の電極には前記駆動信号生成部からの駆動信号を印加し、前記第一ないし第四の素子の他方の電極は前記駆動信号に対してフローティング電位の共通電極とした構成であって、
   前記駆動信号生成部は、対向する素子対を独立に制御可能となり２軸方向に独立に振動させることができるように、前記第一の素子に印加する駆動信号と前記第二の素子に印加する駆動信号の中央値と、前記第三の素子に印加する駆動信号と前記第四の素子に印加する駆動信号の中央値とが、略同一の値となるように駆動信号を生成し、
   それぞれの素子に印加する駆動信号は、素子を駆動する電圧を０Ｖからオフセットさせる、
   ことを特徴とする光走査装置。
2. 請求項１に記載の光走査装置であって、
   前記第一ないし第四の素子は、前記導光路を取り囲むように配置される円筒型の圧電素子を円周方向に４分割したものであることを特徴とする光走査装置。
3. 請求項２に記載の光走査装置であって、
   前記共通電極は、前記円筒型の圧電素子の内周側の電極であることを特徴とする光走査装置。
4. 請求項３に記載の光走査装置であって、
   前記第一の素子及び前記第二の素子の分極方向は、前記共通電極側から見て同一の方向に分極され、前記第三の素子及び前記第四の素子の分極方向は、前記共通電極側から見て同一の方向に分極されていることを特徴とする光走査装置。
5. 請求項１に記載の光走査装置であって、
   前記駆動信号生成部は、前記導光路の固有振動数に応じた正弦波状の駆動信号を生成することを特徴とする光走査装置。
6. 請求項１に記載の光走査装置であって、
   前記駆動信号生成部は、前記導光路の固有振動数に応じた周期のパルス状の駆動信号を生成することを特徴とする光走査装置。
7. 請求項１に記載の光走査装置であって、
   前記第一の素子と前記第二の素子のインピーダンスの違い、及び前記第三の素子と前記第四の素子のインピーダンスの違いに応じて、前記駆動信号生成部の生成した駆動信号を補正する駆動信号補正部を有することを特徴とする光走査装置。
8. 請求項１ないし請求項７のいずれかに記載の光走査装置を用いた映像装置であって、
   レーザ光を発生して前記光走査装置内の前記導光路に出射する光源部と、
   映像信号に応じて前記光源部の発光を制御する発光制御部と、
   前記光走査装置内の前記駆動信号生成部と、前記発光制御部とを制御して、光走査位置に同期したレーザ発光を行わせる装置制御部と、
   を備えることを特徴とする映像装置。

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