CN107203037A - 控制装置、光偏转系统、图像投影装置以及控制方法 - Google Patents

控制装置、光偏转系统、图像投影装置以及控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及控制装置、光偏转系统、图像投影装置以及控制方法，其目的在于改善反射面摆动速度的均一性。控制装置(11)对压电部(202)施加驱动电压，使该压电部(202)发生变形，控制与该压电部(202)连接的反射面(14)的摆动，其中具备用于对压电部(202)施加驱动电压的驱动信号输出部(31)、以及用于控制驱动电压的控制部(30)，设定控制部(30)控制的驱动电压的最小值与0相差一规定差值。

Description

控制装置、光偏转系统、图像投影装置以及控制方法
技术领域
本发明涉及控制装置、光偏转系统、图像投影装置以及控制方法。
背景技术
近年来，利用对压电部施加电压使得压电部产生变形，来使得反射面变为摆动的光偏转器等摆动装置被用来作为偏转光束进行光扫描的装置。对此，专利文献1(JP特开2015-55829号公报)公开了一种用于驱动装置的控制装置，用来控制施加到上述压电部的具有规定波形的驱动电压。
上述控制装置通常假设压电常数是与驱动电压无关的定值，以此假设为前提决定驱动电压。
但是实际上，压电常数的值取决于驱动电压的大小，尤其是当驱动电压处于最小值附近时压电常数变化大，为此，压电部的变形与驱动电压大小不成比例，无法稳定改善反射面摆动速度的均一性能。
本发明鉴于上述问题，旨在改善反射面摆动速度的均一性。
发明内容
本发明的控制装置通过对压电部施加驱动电压，使该压电部发生变形来控制反射面的摆动，其特征在于，具备：施加部，用于对所述压电部施加所述驱动电压；以及，控制部，用于控制所述驱动电压，所述控制部控制的所述驱动电压的最小值与0相差一规定差值。
本发明的效果在于能够改善反射面摆动速度的均一性。
附图说明
图1是一例光扫描装置的示意图。
图2是光扫描系统的一例硬件构成模块图。
图3是光扫描系统的控制装置的一例功能模块图。
图4是光扫描系统涉及的处理的一例流程图。
图5是搭载头盔型显示器装置的一例汽车的示意图。
图6是头盔型显示装置的一例示意图。
图7是一例搭载光写入装置的图像形成装置的示意图。
图8是一例光写入装置的示意图。
图9是搭载激光雷达装置的汽车的示意图。
图10是一例激光雷达装置的示意图。
图11是被打包的摆动装置的一例示意图。
图12是从+Z方向观察时的一例摆动装置的俯视图。
图13是图12的P-P’截面图。
图14是图12的Q-Q’截面图。
图15的(a)至(c)是经过变形的摆动装置的第二驱动部的示意图。
图16的(a)是一例施加于摆动装置的压电驱动部群A上的驱动电压A的波形图，(b)是一例施加于摆动装置的压电驱动部群A上的驱动电压A的波形图，(c)是将驱动电压A和驱动电压B的波形重合后的重合波形图。
图17是在反射面围绕第二轴的摆动速度保持一定的情况下，反射面围绕第二轴的转角的时间变化的示意图。
图18是在反射面围绕第二轴的摆动速度不保持一定的情况下，反射面围绕第二轴的转角的时间变化的示意图。
图19的(a)是围绕第二轴的摆动速度保持一定时的投影图像示意图，(b)是围绕第二轴的摆动速度不保持一定时的投影图像示意图。
图20是表示压电部的压电系数的电压依赖性的图。
图21是一例最小值为最小电压值ΔE的驱动电压A和B的波形图。
图22是关于均一性指标的示意图。
图23是对均一性指标随着最小电压值ΔE的变化而改变的示意图。
图24是驱动电压A和驱动电压B中最小值的最小电压值ΔE不相同时的驱动电压的波形图。
图25是从+Z方向观察时摆动装置的第一变形例的俯视图。
图26是从+Z方向观察时摆动装置的第二变形例的俯视图。
图27是一例压电部的压电常数曲线图。
图28是在加温条件下压电常数随时间发生变化的曲线图。
图29是一例驱动电压设定处理流程图。
具体实施方式
以下详述本发明的实施方式。
〈光扫描系统〉
首先，参考图1至图4，详述采用本发明的实施方式涉及的控制装置的光扫描系统。
图1是一例光扫描装置的示意图。
如图1所示，光扫描系统10在控制装置11的控制下，由具有摆动装置13的反射面14偏转光源装置12发射的光，使得该光对被扫描面15进行光扫描。
光扫描系统10包括控制装置11、光源装置12、具有反射面14的摆动装置13。
控制装置11是例如具备CPU(Central Processing Unit)和FPGA(Field-Programmable Gate Array)等的电子电路单元。摆动装置13是例如具有反射面14、使得反射面14摆动的MEMS(Micro Electromechanic Systems)的器件。光源装置12是例如照射激光的激光装置。被扫描面15是例如屏幕。
控制装置11根据取得的光扫描信息，生成光源装置12和摆动装置13的控制指令，根据控制指令，输出光源装置12和摆动装置13的驱动信号。
光源装置12根据输入的驱动信号进行照射。摆动装置13根据输入的驱动信号，使得反射面能够围绕一轴或围绕两轴或围绕一轴和两轴的双方摆动。这样，在例如基于作为一例光扫描信息的图像信息的控制装置11的控制下，摆动装置13的反射面14能够在规定范围以内围绕两轴来回摆动，使得入射反射面14的来自光源装置12的照射光围绕两轴偏转，进行光扫描，从而将任意图像投影到被扫描面15上。
关于可摆动装置的具体构成以及本实施方式的控制装置的控制将在以下详述。
以下参考图2描述光扫描系统10的一例硬件构成。
图2是光扫描系统10的一例硬件构成模块图。
如图2所示，光扫描系统10具备控制装置11、光源装置12以及摆动装置13，各装置互相电连接。
〈控制装置〉
其中，控制装置11具备CPU20、RAM21(Random Access Memory)、ROM22(Read OnlyMemory)、FPGA23、外设I/F24、光源装置驱动器25、以及摆动装置驱动器26。
CPU20是运算装置，从ROM22等存储装置中读取程序或数据，执行处理，实现控制装置11的整体控制。
RAM21是暂时性保持程序或数据的易失性存储装置。
ROM22是在电源被切断的情况下也能够保持程序的非易失性存储装置。其中保存用于CPU20控制光扫描系统10各项功能而执行的处理用程序或数据。
FPGA23是按照CPU20的处理，输出适用于光源装置驱动器25和摆动装置驱动器26的控制信号的电路。
外设I/F24例如为外设或网络等的接口。外设装置包含例如个人计算机等上游装置、USB存储器、SD卡、CD、DVD、HDD、SSD等存储装置。网络例如为用于汽车的CAN(ControllerArea Network)或LAN(Local Area Network)、互联网等。外设I/F24只要够成为能够与外设连接或通信便可，也可为每个外设设置的外设I/F24。
光源装置驱动器25是按照输入控制信号，向光源装置12输出驱动电压等驱动信号的电路。
摆动装置驱动器26是按照输入控制信号，向摆动装置13输出驱动电压等驱动信号的电路。
控制装置11的CPU20通过外设I/F，取得来自外设或网络的光扫描信息。既可以将CPU20构成为能够取得光扫描信息，也可以用控制装置11内的ROM22和FPGA23保存光扫描信息，进而还可以在控制装置11内新设置SSD等存储装置，用该存储装置来保存光扫描信息。
光扫描信息是指表示如何光扫描被扫描面15的信息，例如通过光扫描显示图像时，光扫描信息为图像数据。再如通过光扫描进行光写入时，光扫描信息为写入数据，表示写入顺序或写入部位。此外还有通过光扫描进行物体认知时，光扫描信息为照射数据，表示照射用于物体认知的光的时刻和照射范围。
本实施方式涉及的控制装置11通过CPU20的指令以及图2所示的硬件构成，能够实现下述功能结构。
〈控制装置〉
以下参考图3描述光扫描系统10的控制装置11的功能构成。图3是光扫描系统的控制装置的一例功能模块图。
如图3所示，控制装置11具有控制部30和驱动信号输出部31，用以作为功能。
控制部30的功能通过例如CPU20、FPGA23等实现，从外设取得光扫描信息，将光扫描信息转换为控制信号，并输出到驱动信号输出部31。具体如下。例如，控制部30从外设的取得图像数据，用以作为光扫描信息，通过规定的处理，基于图像数据生成控制信号，输出到驱动信号输出部31。
驱动信号输出部31构成施加部，其功能通过光源装置驱动器25、摆动装置驱动器26等实现，根据被输入的控制信号，向光源装置12或摆动装置13输出驱动信号。
驱动信号用于控制光源装置12或摆动装置13的驱动。例如在光源装置12中，驱动信号为控制光源照射时刻以及照射强度的驱动电压。再如在摆动装置13中，驱动信号为控制具有摆动装置13的反射面14能够摆动的时刻和摆动范围的驱动电压。
〈光扫描处理〉
以下参考图4，描述光扫描系统10对被扫描面15光扫描的处理。图4是光扫描系统涉及的处理的一例流程图。
在步骤S11中，控制部30从外设等取得光扫描信息。
在步骤S12中，控制部30根据取得的光扫描信息生成控制信号，将控制信号输出到驱动信号输出部31。
在步骤S13中，驱动信号输出部31根据输入的控制信号，向光源装置12和摆动装置13输出驱动信号。
在步骤S14中，光源装置12根据输入的驱动信号进行光照射。摆动装置13根据输入的驱动信号使得反射面14摆动。通过光源装置12和摆动装置13的驱动，光可以向任意方向偏转，进行光扫描。
在上述光扫描系统10中，一个控制装置11具有控制光源装置12和摆动装置13的装置和功能。对此，也可以把光源装置用的控制装置和摆动装置用的控制装置分开设置。
在上述光扫描系统10中，在一台控制装置11中设置光源装置12和摆动装置13的控制部30的功能以及驱动信号输出部31的功能。对此，这些功能也可以分开设置，例如控制装置11和与控制装置11另设的驱动信号输出装置分别具有控制部30和驱动信号输出部31。上述光扫描系统10中还可以包含以具有反射面14的摆动装置13以及控制装置11构成进行光偏转的光偏转系统。
〈图像投影装置〉
以下参考图5和图6，详述采用本实施方式的控制装置的图像投影装置。
图5是搭载作为一例图像投影装置的头盔型显示器装置500的汽车400的实施方式的示意图。图6是头盔型显示装置500的一例示意图。
图像投影装置用于投影经过光扫描的图像，例如为头盔型显示装置。
如图5所示，头盔型显示装置500例如被设置在汽车400的挡风玻璃(前车窗401等)附近。头盔型显示装置500发射的投影光L受到挡风玻璃401反射后，射往用户即观察者(驾驶员402)。
这样，驾驶员402便能够确认到通过头盔型显示装置500投影的作为虚像的图像等。此外，还可以在挡风玻璃内壁面上设置自适应控制器，用受到该自适应控制器反射的投影光，让用户确认虚像。
如图6所示，头盔型显示装置500中红色、绿色、蓝色的激光光源501R、501G、501B发射激光。被射出的激光经过相对于个激光光源设置的准直透镜502、503、504、两个分色镜505、506、以及光量调整部507构成的入射光学系统之后，偏转到具有反射面的摆动装置13。
而后，经过偏转的激光经过自由曲面镜509、中间显示屏510、投射镜511构成的投射光学系统，投影到屏幕上。
上述头盔型显示装置500将激光光源501R、501G、501B、准直透镜502、503、504、分色镜505、506作为光源单元530，通过光学框体而被单元化。
上述头盔型显示装置500将中间显示屏510上显示的中间像投射到汽车400的挡风玻璃401上，从而让驾驶员402确认到作为虚像的中间像。
激光光源501R、501G、501B发射的各色激光分别通过准直透镜502、503、504大致成为平行光，进而通过两个分光镜505、506合成。经过合成的激光再通过光量调整部507调整光量之后，受到具有反射面14的摆动装置13二维光扫描。经过摆动装置13二维光扫描的投射光L受到自由曲面镜509反射，变形补偿后，会聚到中间显示屏510，显示中间像。中间显示屏510以微镜二维排列形成的微镜阵列构成，以微镜为单位放大入射中间显示屏510的投射光L。
摆动装置13使得反射面14在两轴方向上来回摆动，二维扫描入射反射面14的投射光L。该摆动装置13的驱动控制与激光光源501R、501G、501B的发光时刻同步实行。
以上描述的头盔型显示装置500是图像投影装置的一个例子，只要是通过具有反射面14的摆动装置13实行光扫描来投影图像的装置，便可作为本发明的图像投影装置。
上述图像投影装置也同样适用于，例如将图像投影到显示屏上的桌上型投影仪、搭载于穿戴在观察者头部等上的穿戴部件上投影到穿戴部件具有的反射透过显示屏上，或者以眼球为显示屏投影图像的头盔型显示装置等。
图像投影装置不仅可以搭载于车辆或穿戴部件上，还可以搭载于航空器、船舶、移动式机器人等移动体，或不移动场地的操纵器等操作驱动对象的作业机器人等非移动体上。
〈光写入装置〉
以下参考图7和图8，详述采用了本实施方式的控制装置11的光写入装置。
图7是一例设有光写入装置600的图像形成装置的示意图。图8是一例光写入装置的示意图。
如图7所示，上述光写入装置600被用于作为以具有激光打印功能的激光打印机650等为代表的图像形成装置的构成部件。图像形成装置中，光写入装置600用一束或多数激光，光扫描被扫描面15即感光鼓，在感光鼓上进行光写入。
如图8所示，在光写入装置600中，激光元件等光源装置12发射的激光在经过准直透镜等成像光学系统之后，通过具有反射面14的摆动装置13，在一轴方向或两轴方向上受到偏转。
而后，受到摆动装置13偏转的激光经过第一透镜602a和第二透镜602b以及反射镜部602c构成的扫描光学系统602，照射被扫描面15(例如感光鼓或感光鼓或感光纸)，实行光写入。扫描光学系统602中光束在被扫描面15上以点状成像。
在控制装置11的控制下，光源装置12和具有反射面14的摆动装置13驱动。
上述光写入装置600可以用作为具有激光打印功能的图像形成装置的构成部件。
还可以通过采用不同的扫描光学系统进行两轴方向而不仅是一轴方向的光扫描，将激光偏转到热媒体进行光扫描并加热以实行打印的激光标签装置等的图像形成装置的构成部件。
具有被用于上述光写入装置的反射面14的摆动装置13与使用多面镜等的转动多面镜相比，用于驱动的电能消费少，有利于光写入装置的节能。
摆动装置13发生振动时的振动噪声也比转动多面镜小，因此还有利于光写入装置的噪声性能的改善。光写入装置相比于转动多面镜，其设置空间大幅度减小，而且摆动装置的发热量也十分有限，因此有利于装置小型化，进而有利于图像形成装置的小型化。
〈物体识别装置〉
以下参考图9和图10，详述采用上述本实施方式的控制装置的物体识别装置。
图9是搭载作为一例物体识别装置的激光雷达装置的汽车的示意图。图10是一例激光雷达装置的示意图。
物体识别装置例如为激光雷达装置，用于识别对象方向的物体。
如图9所示，激光雷达装置700例如搭载于汽车701，在对象方向上进行光扫描，通过接收来自对象方向上存在的被识别对象物702的反射光，来识别被识别对象物702。
如图10所示，从光源装置12发射的激光经过包括准直透镜703即使得发散光大致成为平行光的光学系统、以及平面镜704的入射光学系统后，通过具有反射面14的摆动装置13在一轴或两轴方向上受到扫描。
而后，经由投光光学系统即投光透镜705等光照射位于装置前方的被识别对象物702。控制装置11控制光源装置12和摆动装置13的驱动。光检测器709用来检测被识别对象物702反射的反射光。
即，反射光经过聚光透镜706等光检测受光光学系统，入射摄像元件707，该摄像元件707向信号处理装置708输出检测信号。信号处理电路708对输入的检测信号实施二值化处理和噪声处理等规定的处理，向测距电路710输出结果。
测距电路710通过识别光源装置12发射激光的时刻与光检测器709接受激光入射的时刻之间的时差，或者接受光入射的摄像元件707的每个象素的相位差，来识别是否存在被识别对象物702，进而计算与被识别对象物702的距离信息。
相比于多面镜，具有反射面14的摆动装置13小型且比较不易破损，为此能够提供具有良好耐久性的小型雷达装置。
这种雷达装置可以安装在车辆、航空器、船舶以及机器人等上，光扫描固定范围，识别有无障碍物或与障碍物之间的距离。
在上述物体识别装置的描述中以激光雷达装置700作为例子，但是本发明并不受到上述实施方式的限定，只要是通过控制装置11控制具有反射面14的摆动装置13进行光扫描，并通过光检测器接受反射光入射的装置，均可作为物体识别装置。
上述物体识别装置同样适用于下述技术或装置元件。例如，生物识别技术，即通过光扫描手或脸获得距离信息，根据该距离信息计算手或脸的形状，参考记录识别对象物。安全传感器，即通过光扫描对象范围来识别入侵物。再者，将根据光扫描获得的距离信息计算并识别形状等物体信息作为三维数据输出的三维扫描仪的构成部件等。
〈封装〉
以下参考图11，描述用本实施方式的控制装置控制的摆动装置的封装。
图11是经过封装的摆动装置的一例示意图。
如图11所示，摆动装置13被安装在设置于封装部件801内侧的安装部件802上，封装部件的一部分用透过部件803覆盖，从而将摆动装置密闭封装。
进而，封装部件801内封入氮气等惰性气体。这样能够防止摆动装置13氧化造成的质量下降，进而改善温度等环境变化的耐久性能。
以下参考图11至图28，详述上述偏光系统、光扫描系统、图像投影装置、光写入装置、物体识别装置中适用的摆动装置的具体构成和本实施方式的控制装置的控制。
〈摆动装置〉
首先参考图12至图14，详述摆动装置。
图12是能够实施两轴方向光偏转的双持型摆动装置的俯视图。图13是图12的P-P’截面图。图14是图12的Q-Q’截面图。
如图12所示，摆动装置13具有与用来反射入射光的镜部101、连接镜部101并围绕平行于Y轴的第一轴驱动镜部101的第一驱动部110a及110b(以下也称为110)、支承镜部101和第一驱动部110a及110b的第一支承部120、连接第一支承部120且围绕平行于X轴的第二轴驱动镜部101和第一支承部110的第二驱动部130a及130b(以下也称为130)、支承第二驱动部130的第二支承部140、将第一驱动部110和第二驱动部130与控制装置电连接的电极连接部150。
摆动装置13的形成如下。例如，通过蚀刻处理形成一片SOI(Silicon OnInsulator)基板，而后在该基板上形成反射面14或第一压电驱动部112a及112b、第二压电驱动部131a至131f，电极连接部150等，从而一体形成各构成部。
上述各构成部的形成既可以在SOI基板的形成之后，也可以在SOI基板的形成期间。
SOI基板中，单结晶硅(Si)形成的第一硅层上设有二氧化硅层162，该二氧化硅成162上设有单结晶硅形成的第二硅层。以下将第一硅层作为硅支承层161，第二硅层作为硅活性层163。
硅活性层163中Z轴方向的厚度相对于X轴方向或Y轴方向较小，因而，仅以硅活性层163构成的部件具备具有弹性的弹性部功能。
SOI基板不需要一定是平面形，也可以具有曲率等。而且用以作为形成摆动装置13的部件并不只限于SOI基板，只要是能够经过蚀刻处理一体形成且一部分具有弹性的基板，均可以用来作为摆动装置13的部件。
镜部101例如包括圆形镜部基体102和反射面14，其中反射面14形成在镜部基体上+Z一方的表面上。
反射面14以饱含例如铝、金、银等的金属薄膜构成。镜部101上还可以在镜部基体102的-Z一方表面上形成镜部增强用的肋。
肋例如以硅支承层161和二氧化硅层162构成，可用来抑制摆动引起的反射面14的变形。
第一驱动部110a及110b的一端与镜部基体102相连接，由沿着第一轴向分别延伸并可动地支承镜部101的两条扭力杆111a及111b、以及一端连接扭力杆另一端连接第一支承部内周部的第一电压驱动部112a及112b构成。
如图13所示，扭力杆111a及111b以硅活性层163构成。第一压电驱动部112a及112b构成为在弹性部的硅活性层163的+Z一方表面上依次形成下部电极201、压电部202、上部电极203。
上部电极203和下部电极201以例如金(Au)或白金(Pt)等形成。压电部202以例如压电材料的PZT(锆钛酸铅)形成。
返回图12。第一支承部120以例如硅支承层161、二氧化硅层162、硅活性层163构成，是围绕镜部101形成的矩形支承体。
第二驱动部130a及130b以例如折回连接的多个第二压电驱动部131a至131f、132a至132f构成，其中一端连接第一支承部120的外周部，另一端连接第二支承部140的内周部。
此时，第二驱动部130a与第一支承部120的连接部位以及第二驱动部130b与第一支承部120的连接部位、进而第二驱动部130a与第二支承部140的连接部位以及第二驱动部130b与第二支承部140的连接部位均相对于反射面14的中心点对称。
如图14所示，第二压电驱动部130a及130b构成为在弹三性部的硅活性层163的+Z一方表面上依次形成下部电极201、压电部202、上部电极203。上部电极203和下部电极201以金(Au)或白金(Pt)等形成。压电部202以压电材料即PZT(锆钛酸铅)形成。
返回图12。第二支承部140例如硅支承层161、二氧化硅层162、硅活性层163构成，是围绕镜部101、第一驱动部110a及110b、第一支承部120以及第二驱动部130a及130b形成的矩形支承体。
电极连接部150被形成在例如第二支承部140的+Z一方表面上，通过金属铝等电极导线，与第一压电驱动部112a及112b、第二压电驱动部131a至131f的各个上部电极203以及各下部电极201、以及控制装置11相连接。
上部电极203或下部电极201既可以分别直接连接电极连接部150，也可以电极之间互相连接来间接连接。
本实施方式用仅以压电部202为弹性部的硅活性层163的一个表面(+Z一方的面)形成的情况为例进行功能描述。但是也可以设在弹性部的其他表面(例如-Z一方的表面)上，既可以设在弹性部的一个表面上，也可以设在其他表面，还可以同时设于弹性部的上述一个表面和其他表面的双方。
只要能够围绕第一轴或第二轴驱动镜部101，各构成部的形状不受实施方式的形状的限定。例如扭力杆111a及111b、或者第一压电驱动部112a及112b的形状也可以具有曲率。
进而，还可以在第一驱动部110a及110b的上部电极203、第一支承部、第二驱动部130a及130b、第二支承部中至少任意一个的+Z一侧的表面上形成以二氧化硅薄膜形成的绝缘层。
此时，在绝缘层上设置电极导线，同时在连接上部电极203或下部电极201与电极导线的连接点上，局部性地除去绝缘层，或者不形成绝缘层，用以作为开口部，能够提高第一驱动部110a及110b、第二驱动部130a及130b以及电极导线的设计自由度，进而抑制电极互相接触引起短路。此外，二氧化硅薄膜还具备作为反射防止部件的功能。
〈控制装置的控制〉
以下详述控制装置控制摆动装置的第一驱动部和第二驱动部的驱动。
第一驱动部110a及110b、第二驱动部130a及130b所具有的压电部202被施加相对于极化方向为正或负的电压后，发生与施加电压的电位成比例的变形(例如伸缩)，即发挥所谓的逆压电效应。第一驱动部110a及110b、第二驱动部130a及130b利用上述逆压电效应，使得镜部101摆动。
在此，将入射镜部101的反射面14的光束受到偏转的角度作为转角。假设电压部上未施加电压时的转角为零，偏转角度比该角度更大的为正转角，较小时为负转角。
首先描述控制装置控制第一驱动部的控制。
第一驱动部110a及110b中，具有第一压电驱动部112a和第一压电驱动部112a及112b的压电部202经由上部电极203和下部电极201被并联施加驱动电压后，各个压电部202分别发生变形。在该压电部202变形的作用下，第一压电驱动部112a及112b发生弯曲变形。
其结果，经由两根扭力杆111a及111b的扭曲，对镜部101产生围绕第一轴转动的驱动力，使得镜部101能够围绕第一轴摆动。被施加在第一驱动部110a及110b上的驱动电压受到控制装置11的控制。
通过控制装置11，对具有第一驱动部110a及110b的第一压电驱动部112a及112b并联施加具有规定的正弦波波形的驱动电压，从而使得镜部101能够按照具有规定正弦波波形的驱动电压的周期，围绕第一轴摆动。
尤其是，例如当正弦波波形电压的频率与扭力杆111a及111b的共振频率大致相同地被设定为20kHz时，利用随着扭力杆111a及111b的扭转而产生的机械共振，镜部101能够以约20kHz进行共振。
以下参考图15至图27描述控制装置对第二驱动部的控制。
图15的(a)至(c)是表示摆动装置的第二驱动部130b的驱动示意图。以斜线表示的区域为镜部101等。
在第二驱动部130a具有的多个第二压电驱动部131a至131f中，从与镜部相距最近的第二压电驱动部(131a)开始计数，将偶数个第二压电驱动部即第二压电驱动部131b、131d、131f设定为压电驱动部群A。
而后，在第二驱动部130b具有的多个第二压电驱动部131a至131f中，从与镜部相距最近的第二压电驱动部(132a)开始计数，将奇数个第二压电驱动部即第二压电驱动部132a、132c、132e同样设定为压电驱动部群A。在对压电驱动部群A并列施加驱动电压后，镜部101围绕第二轴摆动，使得压电驱动部群A如图15中的(a)所示，向同一个方向弯曲变形，成为正转角。
在第二驱动部130a具有的多个第二压电驱动部131a至131f中，从与镜部相距最近的第二压电驱动部(131a)开始计数，将奇数个第二压电驱动部即第二压电驱动部131a、131c、131e设定为压电驱动部群B。而后，在第二驱动部130b具有的多个第二压电驱动部131a至131f中，从与镜部相距最近的第二压电驱动部(132a)开始计数，将偶数个第二压电驱动部即第二压电驱动部132b、132d、132f同样设定为压电驱动部群B。在对压电驱动部群B并列施加驱动电压后，镜部101围绕第二轴摆动，使得压电驱动部群B如图15中的(c)所示，向同一个方向弯曲变形，成为负转角。
如图15的(a)和(c)所示，让第二驱动部130a或130b中压电驱动部群A具有的多个压电部202或者压电驱动部群B具有的多个压电部202弯曲，能够积累弯曲变形的摆动量，从而能够加大镜部101围绕第二轴的转角角度。
例如如图12所示，第二驱动部130a与130b相连接，围绕第一支承部的中心点与第一支承部点对称。为此，在对压电驱动部群A施加驱动电压之后，第二驱动部130a中第一支承部与第二驱动部130a的连接部上产生+Z方向的驱动力，第二驱动部130b中第一支承部与第二驱动部130b的连接部上产生-Z方向的驱动力，摆动量累积起来后增加了镜部101围绕第二轴的转角角度。
此外，如图15的(b)所示，在未施加电压，或者施加电压使得压电驱动部群A造成镜部101的摆动量与施加电压使得压电驱动部群B造成镜部101的摆动量相当的情况下，转角为0。
对第二压电驱动部施加驱动电压，连续地反复图15的(a)至(c)，便能够围绕第二轴驱动镜部。
〈驱动电压〉
被施加于第二驱动部的驱动电压受到控制装置的控制。
参考图16描述施加于压电驱动部群A的驱动电压(以下称为驱动电压A)以及施加于压电驱动部群B的驱动电压(以下称为驱动电压B)。
图16的(a)是一例施加于摆动装置的压电驱动部群A上的驱动电压A的波形图，(b)是一例施加于摆动装置的压电驱动部群A上的驱动电压A的波形图，(c)是将驱动电压A和驱动电压B的波形重合后的重合波形图。
被施加到压电驱动部群A的驱动电压A例如具有如图16的(a)所示的锯齿形波形，频率例如是60Hz。
予设驱动电压A的波形中，电压值从极小值上升到下一个极大值为止的期间的时间为TrA，从极大值下降到下一个极小值为止的期间的时间为TfA，TrA：TfA＝9：1。此时，TrA相对于一个周期的比率成为驱动电压A的对称性。被施加到压电驱动部群B的驱动电压B例如具有如图16的(b)所示的锯齿形波形，频率例如是60Hz。
予设驱动电压B的波形中，电压值从极小值上升到下一个极大值为止的期间的时间为TrB，从极大值下降到下一个极小值为止的期间的时间为TfB，TrB：TfB＝9：1。此时，将TrB相对于一个周期的比率称为驱动电压B的对称性。
通过重合正弦波生成上述驱动电压A和驱动电压B的锯齿形波形。
本实施方式用锯齿形波形的驱动电压作为驱动电压A和B，但是本发明并不受此限制。可以根据摆动装置的设备特性改变波形，如锯齿形波形的顶点削圆的波形的驱动电压，用锯齿形波形的直线区域作为曲线的波形的驱动电压等等。
以下参考图17至图19，描述摆动装置的反射面围绕第二轴的摆动速度，即反射面围绕第二轴的转角的时间变化。
图17是在反射面围绕第二轴的摆动速度一定(均一)的情况下，反射面围绕第二轴的转角的时间变化的示意图。图18是在反射面围绕第二轴的摆动速度不保持一定的情况下，反射面围绕第二轴的转角的时间变化的示意图。图19的(a)是镜部101围绕第二轴的摆动速度保持一定时的投影图像示意图，(b)是镜部101围绕第二轴的摆动速度不保持一时的投影图像示意图。
优选反射面14围绕第二轴的转角的时间变化，即反射面14围绕第二轴的摆动速度如图17所示，呈直线性。换言之，优选镜部101围绕第二轴的摆动速度保持不变。如果镜部101围绕第二轴的摆动速度发生变化，则直线性光扫描会受到妨碍，例如被扫描面15上形成的图像会发生辉度不均、变形等问题，引起画质下降。
但是实际上如图18所示，第二驱动部130a及130b带来的镜部101围绕第二轴的摆动动作中，转角负方最大附近和正方最大附近，摆动速度变动，也就是随着摆动速度的下降，转角随时间的变化由线形变为非线形，难以保持摆动速度的均一性。
〈投影图像〉
在用图18所示的存在变动的摆动速度来进行光扫描的摆动装置进行图像投影时，原本如图19的(a)所示的投影图像会变得如图(b)所示，图像的上端周围和下端周围会发生变形。
对此在本实施方式中，控制装置11在向压电部202施加规定波形的驱动电压时，控制所施加的具有规定波形的驱动电压的最小值为与0相差一规定差值。
其结果，本实施方式能够抑制镜部围绕第二轴的摆动动作中发生在转角负方最大附近和正方最大附近的摆动速度的变动，提高镜部摆动速度的均一性。
以下参考图20至图23，详述通过上述控制使得镜部101的摆动速度均一性获得改善的理由。
〈电压系数〉
图20是表示压电部的压电系数的电压依赖性的关系图。压电系数的压电依赖性也被称为压电系数曲线。
压电部的压电系数用以下方法计算。
长度L的硅活性层构成的弹性部的+Z表面上形成PZT构成的压电部，在压电部的上下施加电压，使得弹性部发生弯曲变形，用激光多普勒振动计一边改变施加的电压，一边测定弹性部端的位移量K。而后用测定到的弹性部端的位移量ΔK和下式(1)来求出相对于施加的电压的压电系数d31。压电系数d31表示在压电部上施加电压E时的变动难易。
上式1中，ΔK是弹性部前端变动量，L表示弹性部长度，TPZT是PZT的厚度，d31是压电系数，E是施加于PZT的电场，A是用ESi(Si的杨氏模量)/EPZT(PZT的杨氏模量)求出的定数，B是TSi(弹性部的Si厚度)/TPZT(PZT的厚度)。
本实施方式用L＝3500μm、TPZT＝2μm、ESi＝170GPa、EPZT＝90GPa、TSi＝40μm作为参数，计算压电系数d31。
如图20所示，压电部202的压电常数在施加电压为0V至10V之间时变动，而当施加电压在10V以上时，则基本保持一定。尤其是施加电压在0V至5V之间时，压电常数变化大。
上述现象发生的原因在于，构成压电部202的PZT利用溅射制膜或者旋转涂布的溶胶凝胶方法形成。利用这种方法形成的PZT通常在施加电压达到规定值之前压电常数不保持一定，即压电部的变形难易度随着施加电压而变化。
为此，对于压电部202上施加的驱动电压反复地在如图20所示的电压值范围(a)，即一个周期中的0与E1之间上升下降，对于这种情况，在压电常数变化较大的0附近的低电压区域中，压电部202的变形与电压值不成比例。换言之，在电压值为0附近的低电压区域，在压电部202上施加的驱动电压使得镜部101的转角为最大附近，无法使得该镜部101的摆动速度保持不变。
对此，本实施方式的控制装置11控制压电部202上施加的驱动电压，使得该驱动电压的电压值反复地在如图20所示的范围(b)，即最小电压值ΔE与E2之间上升下降。在此，最小电压值ΔE是与0相差一规定值的偏离量。
具体如下。设定能够将压电常数的值的变化率(在一个周期中施加最大电压值时的压电常数与施加最小电压值时的压电常数之间的变化比例)控制在20％以内的最小电压值ΔE。优选设定能够将压电常数大小的变化率控制在10％以内的最小电压值ΔE。此时，压电常数的值的变化率也可以是，在以开始施加电压为起点的半个周期内，施加最大电压值时的压电常数与施加最小电压时的压电常数之间的比例。随着压电部具有的特性的不同，在某些情况下，压电常数曲线上的压电常数经过几伏特之后达到极大值之后逐渐下降。即使在这种情况下，基于以开始施加电压为起点的半个周期内的压电常数的变化率来决定最小电压值ΔE，不仅上述低电压区域中的变形和电压值的比例关系，包括下述的极化特性，均对改善摆动速度均一性有效。
这样，由于利用压电常数在较小范围内变化的电压值，压电部的变形容易与驱动电压大小成比例，尤其是能够改善围绕第二轴的反射面的可能够速度的保持不变的性能。
〈驱动电压〉
图21是在电压值范围ΔE至E2内对具有压电驱动部群A和压电驱动部群B的压电部202施加的驱动电压A和B的一例波形图。
此时，用称之为均一性指标的参数来评价转角随时间的变化，即在对第二驱动部130a及130b施加驱动电压之际，如图21所示地改变最小电压值ΔE，据此评价此时反射面围绕第二轴摆动的摆动速度的变化。
以下参考图22，说明均一性指标。图22是以转角误差为第一纵轴(左轴)、施加电压为第二纵轴(右轴)、时间为横轴的图。
图22中，光扫描期间是指进行光扫描的期间，相当于例如图15所示的驱动信号A的上升时间TrA或驱动信号B的下降时间TfB。评价期间是指，光扫描期间的一个周期内，去除开始之后的5％以及结束之前的5％以外的剩下的90％的期间。在图像形成等时通常将该评价期间作为图像形成期间使用。
图22中以粗线表示在上述评价期间中的转角误差，具体来说，对围绕第二轴的转角的时间变化实行二次方近似等处理，计算求出近似直线后，从转角的时间变化中去除该近似直线得到的结果，即与理想转角之间的误差。此时，转角误差中的正向最大差值为差值a，负向最大差值为差值b。
均一性指标计算如下。
均一性指标＝(差值a+差值b)/(最大电压值E2-最小电压值ΔE)
上式表示扫描线直线型指标的值越小，摆动速度均一性程度越高。
设最大电压值E2与最小电压值ΔE之差为Ec，固定Ec，改变E2和ΔE。
图23是以最小电压值ΔE为横轴，均一性指标为纵轴的图。
从图23可知，最小电压值ΔE增大，均一性指标变小，摆动速度的均一性获得改善。当最小电压值ΔE增大到一定值以上后，均一性指标几乎保持不变。例如，在能够使得压电常数的值的变化率达到20％左右的最小电压值ΔE为2V时，均一性指标得到改善，而当能够使得压电常数的值的变化率达到10％左右的最小电压值ΔE为4.5V时，均一性指标进一步改善。而当能够使得压电常数的值的变化率达到5％左右的最小电压值ΔE为7V时，均一性指标与4.5V是大致相同。
如果最小电压值ΔE过大，则尽管压电常数的值的变化率不大因而均一性指标变化不大，也会发生增加耗电或压电部202损耗，因此，要求不把最小电压值ΔE设定得过大。
对此，例如如果将最小电压值ΔE设定为使得压电常数的值的变化率为5％以上且20％以下，便能够抑制增加耗电以及对压电部202造成更大的损耗，同时还能够改善均一性指标。进而优选将最小电压值ΔE设定为使得压电常数的值的变化率为5％以上且10％以下，能够进一步改善均一性指标。
压电常数随着压电部的形成方法、构成压电部的材料的组成比例等而不同。对此，可以例如逐渐增大最小电压值ΔE，或者一边逐渐减小一边测试直线性指标，在均一性指标达到最佳值时的电压作为最佳的最小电压值ΔE。例如，将均一性指标达到5％以内时的最小电压值ΔE作为最佳值。
以上描述的本实施方式的控制装置11中，施加于第二驱动部130a及130b并具有规定波形的驱动电压的最小值与0相差一规定差值，该规定差值被设定为，使得一个周期中压电部202的压电常数的值的变化率小于最小值为0时的压电常数的值的变化率，为此，能够改善反射面14的摆动速度的均一性。
具体为，控制装置11如图23所示，将驱动电压的最小值设定为大于压电部202的压电常数的值发生变化的0V附近的低电压区域的值。换言之，使用图20所示的驱动电压范围(b)，而不是驱动电压范围(a)。这样，便能够获得图17所示的反射面转角的线性变化，抑制图18所示的非线性变化，也就是改善反射面的摆动速度的均一性。通过改善均一性，能够抑制例如如图19(b)所示的图象上端周围以及下端周围的变形，如图19(a)所示地显示投影图像。
图24显示上述实施方式涉及的控制装置的变形例。如图24所示，可以使得对压电驱动群A和压电驱动群B施加具有不同最小值的驱动电压A和驱动电压B。
例如，以E3为驱动电压A的最小值，E4为驱动电压B的最小值，且E4〉E3，能够使得反射面14的摆动速度的均一性获得更大改善。优选例如将E4调整为与E3相差±5％以内。
以上是出于压电驱动部群A和压电驱动部群B之间布线或连接点的设计未能完全一致、以及压电驱动部群A和压电驱动部群B的制造误差等产生的压电驱动部群A和压电驱动部群B之间对于压电常数或驱动电压的弯曲变形的程度不同所造成，而通过使得压电驱动部群A和压电驱动部群B之间最小值不同，能够进一步改善反射面14的摆动速度的均一性。
作为上述控制装置的实施方式的另一种变形例，还可以使得驱动电压A与驱动电压B之间的对称性不同。
在利用规定的调制信号(例如锯齿波形信号)驱动摆动装置时，随着该调制信号种类的不同，其频谱(对调制信号进行傅立叶转换分解为频率成分)中存在一定间隔的“低谷(理论上功率密度为0的点)”。
通过调整驱动电压A或驱动电压B的对称性，能够调整上述“低谷”的频率区域，而调整驱动电压A和驱动电压B，使得摆动装置所具有的机械性共振频率包含上述“低谷”的频率区域，从而抑制摆动装置被驱动电压的高次谐波等励起的机械共振，改善反射面14的摆动速度的均一性。
以上描述了本发明的实施方式，而上述各种实施方式均为本发明的应用例，这些实施方式均不会对本发明产生限制，在本发明的实施中只要不脱离本发明的宗旨，允许对上述实施方式进行种种增删变形来进行具体化。
例如，在上述实施方式中，控制装置控制对压电部施加始终具有正电压值的波形的驱动电压，而只要是对压电部施加驱动电压，使得压电部产生变形的结构，并不局限于该构成。
例如控制装置还可以控制对压电部施加始终具有负电压值的波形的驱动电压。而具有规定波形的驱动电压始终具有负值，最小值便成为与接地之间的电位差为最小的值。
本实施方式的摆动装置13如图12所示，是利用第一压电驱动部112a及112b从扭力杆111a及111b起沿着+X方向延伸的悬臂型摆动装置，然而只要通过受到施加电压的压电部使得反射面摆动便可，本发明并不受此限制。
例如如图25所示，具有从扭力杆111a及111b起沿着+X方向延伸的第一压电驱动部212a及212b、以及起沿着-X方向延伸的第一压电驱动部212c及212d的双向型摆动装置。此外，在反射面只需要一轴方向摆动时，还可以构成为如图26所示，将反射面14设置在摆动部上。
图27是一例压电部的压电常数曲线图。如图27所示，压电部的压电常数在0-30V之间当达到6.5V附近时成为极大值之后逐渐下降。
实验证明，即便是对于具有这样的压电特性的压电部(例如PZT)，对压电部施加驱动电压，控制摆动装置时，也可以通过控制部30将驱动电压设定为与0V相差一规定差值，与上述实施方式相同，改善反射面的摆动速度的均一性。
对此，除了上述实施方式说明的内容以外，压电部的极化特性也被认为是原因之一，以下详述。
压电部(例如PZT)利用逆压电效应，即在计划方向上施加正或负的电压后，产生对应于施加电压的变形。也就是说，压电部需要极化。
此时，制造后经过一定时间，压电部会脱离极化。
但即便脱离极化，只需要施加几伏电压，便可以再次极化，而且再次极化的速度非常快，为此，施加几伏以上电压时，脱离极化很少成为问题。
但是，实验证实，在0V附近，以脱离极化为原因造成的影响十分大。
图28是在加温条件下压电常数曲线随时间发生变化的图。为了加快极化状态等时间变化，因而实施加温条件。图28所示的在实验中使用的光偏转器是制造后经过一定时间的光偏转器(压电部的脱离极化已经达到一定程度)。图28显示在125度加温条件下，分别测定经过0小时、1小时、3小时施加驱动电压以驱动压电部之后压电部的压电特性，进而，用0小时压电常数曲线中达到最大值M时的电压成为相同值之后获得的结果实施规范化，显示规范化后的结果。如果不实施规范化，则驱动时间越长压电常数的值在整体上倾向于变小。
如图28所示，随时间变化的压电常数的值相对于极大值的变化，在0至4.5V附近与在4.5V之后相比，前者更大。尤其是在0至2V之间，相对于极大值的压电常数的值的变化十分大。其理由在于，制造时产生极化的压电部在制造之后随着时间推移逐渐脱离极化，对此，可以通过持续施加电压驱动来促进再极化。此时如上所述地施加几伏以上电压，虽然能够立刻促使再次发生极化，但是由于0V附近再极化进展较慢，因而脱离极化影响较大。由此可知，越是在脱离极化影响显著的低电压范围，压电常数的值的变化就越大。
在脱离极化影响较大的电压范围内，压电特性随驱动时间的不同而发生变化，为此，施加初始设定的驱动电压时，难以通过驱动时间来获得预想的压电部变形，对反射面的摆动速度的均一性产生不良影响。另外，对应驱动时间改变驱动电压波形会造成控制复杂。
为此，在控制部30驱动电压的设定中具有与0V相差一规定差值，能够抑制脱离极化的影响，改善反射面摆动速度的均一性。
而通过实验确认到，脱离极化的影响在0至4.5V之间较大，尤其在0至2V之间更大。为此，优选上述驱动电压的规定差值为2V。进一步优选4.5V。
另外，通过试验确认到，在压电常数曲线达到极大值时的施加电压(以下称为施加电压M)以下的低电压一方，压电常数的变化倾向于变大。
对此，控制部30也可以将驱动电压的规定差值作为施加电压M的值。但是，在与施加电压M相差几伏的电压范围内，脱离极化的影响不大，因而，优选用施加电压M的30％以上的施加电压(例如极大值为6.5V时为2V)作为规定差值。进一步优选，用施加电压M的70％以上的施加电压(例如极大值为6.5V时为4.5V)作为规定差值。如果规定差值过大，则会造成需要以高驱动电压驱动压电部，因而优选7V以下。
〈驱动电压的设定处理〉
以下参考图29，描述驱动电压的设定处理。图29是一例驱动电压设定处理流程图。
在步骤S21，控制部30确认驱动电压的设定是否结束。如果结束(是)，则移动到步骤S23，结束设定。如果未结束(否)，则移动到步骤S22。
在步骤S22，控制部30设定包含规定差值的驱动电压。此时，既可以手动设定包含预定的规定差值的驱动电压，也可以保存压电部的压电常数，读取压电常数并按照预定规则(例如最小值为压电常数曲线达到最大值时的施加电压的30％，最大值为最小值的+25V)，自动输入并设定包含预定的规定差值的驱动电压。设定之后，移动到步骤S23。
在步骤S23，控制部30确认到已经设定包含预定的规定差值的驱动电压，而后设设定完毕旗ON，结束设定。
按照上述流程设定驱动电压，能够改善反射面的摆动速度的均一性。

Claims (15)

1.一种控制装置，其通过对压电部施加驱动电压，使该压电部发生变形来控制反射面的摆动，其特征在于，具备：
施加部，用于对所述压电部施加所述驱动电压；以及，
控制部，用于控制所述驱动电压，
所述控制部控制的所述驱动电压的最小值与0相差一规定差值。
2.根据权利要求1所述的控制装置，其中，所述规定差值被设定为，在所述驱动电压的一个周期中，所述压电部的压电常数的值相对于该驱动电压的变化率小于该驱动电压的最小值为0时的变化率。
3.根据权利要求2所述的控制装置，其中，所述规定差值被设定为，在所述驱动电压的一个周期或从开始施加电压半个周期中，所述压电部的压电常数的值相对于该驱动电压的变化率为20％以内。
4.根据权利要求2所述的控制装置，其中，所述规定差值被设定为，在所述驱动电压的一个周期或从开始施加电压半个周期中，所述压电部的压电常数的值相对于该驱动电压的变化率为10％以内。
5.根据权利要求2所述的控制装置，其中，所述规定差值被设定为，在所述驱动电压的一个周期或从开始施加电压半个周期中，所述压电部的压电常数的值相对于该驱动电压的变化率为5％以上且10％以内。
6.根据权利要求1所述的控制装置，其中，所述规定差值被设定为，在所述驱动电压的一个周期中压电常数的变化达到极大值时所对应的电压的30％以上的值。
7.根据权利要求1所述的控制装置，其中，所述规定差值被设定为，在所述驱动电压的一个周期中压电常数的变化达到极大值时所对应的电压的70％以上的值。
8.根据权利要求1所述的控制装置，其中，所述规定差值被设定为小于在所述驱动电压的一个周期中压电常数的变化达到极大值时所对应的电压的值。
9.根据权利要求1所述的控制装置，其中，所述规定差值为2V以上。
10.根据权利要求1所述的控制装置，其中，所述规定差值为4.5V至7V。
11.根据权利要求1至9中任意一项所述的控制装置，其中，
所述施加部对所述压电部施加具有第一波形的驱动电压，并对不同于所述压电部的其他压电部施加具有第二波形的驱动电压，
所述控制部使得具有所述第一波形的驱动电压的最小值不同于具有所述第二波形的驱动电压的最小值。
12.根据权利要求1至9中任意一项所述的控制装置，其中，
所述控制装置控制具有所述压电部以及所述反射面的摆动装置，
所述施加部对所述压电部施加具有第一波形的驱动电压，并对不同于所述压电部的其他压电部施加具有第二波形的驱动电压，
所述第一波形和所述第二波形均为在一个周期中具有上升时间和下降时间的锯齿形波形，
所述控制装置控制所述上升时间或所述下降时间相对于所述驱动电压的一个周期的比率，使得所述摆动装置具有的机械共振频率包含具有所述第一波形的驱动电压中高次谐波成分减少的频率区域和具有第二波形的驱动电压中高次谐波成分减少的频率区域之中的至少一个频率区域。
13.一种光偏转系统，其中具备：
根据权利要求1至12中任意一项所述的控制装置；
具有所述反射面的镜部；以及，
压电驱动部，其中具有所述压电部，通过所述压电部变形使得所述镜部能够围绕一轴或围绕两轴或围绕一轴和两轴的双方摆动。
14.一种图像投影装置，用于用基于图像信息调制的光对被扫描面进行扫描，形成图像，其中具备：
发射所述光的光源装置；以及，
用来偏转所述光源装置发射的光的权利要求13所述的光偏转系统。
15.一种用于控制装置的控制方法，该控制装置对压电部施加驱动电压，使得该压电部发生变形，来控制反射面摆动，所述控制方法包括：
对所述压电部施加具有规定波形的驱动电压的施加工序；以及，
控制所述驱动电压的控制工序，
所述控制工序所控制的所述驱动电压的最小值被设为与0相差一规定差值。
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