JP2005080355A - モータ駆動方法と光学走査手段およびそれらを用いたディスプレイ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 角度変化を自在に制御できるモータ駆動手段と、走査波形を自在に制御できる光走査手段を安価で提供する。
【解決手段】 モーターの応答波形を周波数領域に変換して得られる変換結果と目標値を比較して、変換結果が目標値に対して小さい周波数においては、周波数領域駆動信号を大きくし、逆に変換結果が目標値に対して大きい周波数においては、前記周波数領域駆動信号を小さくするという動作を繰り返す。
【選択図】 図１

Description

本発明は、ステップモータ等のモータの駆動手段、光走査装置、あるいはレーザを２次元に走査して画像を描画するレーザディスプレイの構成に関する。

ディスプレイの構成の一つに、レーザ等のビーム状の光源を水平・垂直に走査して画像を描画するものがある。２０ＫＨｚ程度の周波数で走査する水平走査の手段としては、ＭＥＭＳの技術で製作された共振周波数で駆動される共振ミラーが主流になりつつある。この種のミラーはミラー本体とミラー本体を支える部材が梁でつながった一体構造のためＭＥＭＳ技術による製造に適していて、安価で大量に生産ができるからである。一方、垂直走査に関しては、一般のテレビジョン方式では１００Ｈｚ以下であるから前述の共振ミラーを使用するには周波数が低すぎてミラーの設計が困難である。このため従来の技術の例として、画像表示装置（特許文献１）のように、ら旋状に走査することで水平・垂直供に共振ミラーで構成したもの。また（特許文献２）ミラー本体がステータに対して自由に回転可能な構造を持つガルバノミラーなどが紹介されている。
特開平１１−３０７６３号公報公報 特開２００１−１１７０４４号公報

しかしながら、ら旋状に走査する画像表示装置で一般的なテレビジョン放送に使用されるＮＴＳＣ信号を表示させる場合には、画像信号をら旋の描画に対応した信号に変換する煩雑な処理が必要となってしまう。またミラー本体がステータに対して自由に回転可能な構造のガルバノミラーでは、ＭＥＭＳの共振ミラーのような生産性が無くコスト高は避けられない。

以上の問題を解決するために本発明では、モータと駆動信号に基づき前記モータ駆動するモータドライバと、前記モータの応答を検出する応答検出手段と、前記応答検出手段で検出された応答信号を時間領域の表現から周波数領域の表現に変換する周波数領域変換手段と、前記変換結果の目標結果を保持する手段と、前記駆動信号を周波数領域で表現する手段と、前記駆動信号を周波数領域の表現から時間領域の表現に変換する時間領域変換手段を有し、前記モータの応答を前記応答検出手段で検出する第１の段階と、第１の段階で検出した応答信号を時間領域の表現から周波数領域の表現に変換する第２の段階、第２の段階の変換結果と前記目標結果を比較した結果に応じて前記駆動信号を周波数領域で変化させる第３の段階と、第３の段階で調整した前記駆動信号を周波数領域の表現から時間領域の表現に変換する第４の段階の４つの段階を、繰り返すモータ駆動方法を提案する。

また、前記モータの出力軸に光学の偏向板を固定した光走査手段を提案する。

また前記目標値に、前記モータの出力軸の角速度が一定となる期間を含ませる光学走査手段を提案する。

また前記モータは２相ＰＭ型ステップモータであることを提案する。

また水平走査手段と垂直走査手段によりビーム状の光源を２次元に走査して画像を描画するディスプレイ装置であって、前記水平走査手段と前記垂直走査手段のうち少なくとも一方を前記光学走査手段で構成したことを特徴とするディスプレイ装置を提案する。

本発明のモータ駆動装置によると、モータの角度変化を自在に制御することが出来る。例えば角度変化をのこぎり波状にして、レーザディスプレイの垂直走査の偏向板駆動に利用すると、一般のテレビジョンと同じ走査線で描画できるためＮＴＳＣ等の放送信号に対して煩雑な信号処理を施す必要無くレーザディスプレイを構成できる。さらに２相ＰＭ型ステップモータを用いることで安価に構成することが出来る。また本発明の走査装置の応用としてはレーザディスプレイに限らず例えば走査方式顕微鏡やバーコードリーダの走査手段等もある。

以下、本発明の実施の形態を明らかにすべく、図面に沿って具体的な実施例を説明する。

図１は本発明の実施例１の構成を示す図で、モータ１、センサ２、フーリエ変換器３、減算器４、除算器５、加算器６、記憶装置７、遅延検出器８、フーリエ逆変換器９、ドライバ１０で構成される。モータ１は制御対象であり駆動信号Ｓ１により駆動される。センサ２はモータ１の角度又は速度等の応答ｙ_１（ｔ）を検出する手段である。信号ｓｙｎｃ_１は同期信号でありフーリエ変換器３、フーリエ逆変換器７に周期Ｔ_１の同期信号を供給する。信号ｓｙｎｃ_１の同期信号発生時刻をｔ_１１，ｔ_１２，・・・ｔ_{１（ｎ１）}，・・・（ｎ１は正の整数）とする。周波数領域変換器３は時刻ｔ_{１（ｎ１）}に信号ｓｙｎｃ_１の同期信号が入力される毎に、時刻ｔ_{１（ｎ１）}−Ｔ_１から時刻ｔ_{１（ｎ１）}の間の応答ｙ_１（ｔ）を

Ｋは正の整数、ａ_１０，・・・，ａ_１Ｋ，ｂ_１１，・・・ｂ_１Ｋは実数、πは円周率
で表されるフーリエ級数に変換して集合ｘ_１｛ａ_１０，・・・，ａ_１Ｋ，ｂ_１１，・・・ｂ_１Ｋ｝を出力するフーリエ変換器である。集合ｕ_１｛ａ_２０，・・・，ａ_２Ｋ，ｂ_２１，・・・ｂ_２Ｋ｝は応答ｙ_１（ｔ）の状態を定める信号で、前記集合ｘ_１の目標値である。減算器４は
ａ_３０＝ａ_２０−ａ_１０，_・・・，ａ_３Ｋ＝ａ_２Ｋ−ａ_１Ｋ
ｂ_３１＝ｂ_２１−ｂ_１１，_・・・，ｂ_３Ｋ＝ｂ_２Ｋ−ｂ_１Ｋ
で示される集合ｘ_２｛ａ_３０，・・・，ａ_３Ｋ，ｂ_３１，・・・ｂ_３Ｋ｝を計算する減算器である。除算器５には、集合ｘ_２｛ａ_３０，・・・，ａ_３Ｋ，ｂ_３１，・・・ｂ_３Ｋ｝が入力され、
ａ_４０＝（１／Ａ）ａ_３０，_・・・，ａ_４Ｋ＝（１／Ａ）ａ_３Ｋ
ｂ_４１＝（１／Ａ）ｂ_３１，_・・・，ｂ_４Ｋ＝（１／Ａ）ｂ_３Ｋ
で示される集合ｘ_３｛ａ_４０，・・・，ａ_４Ｋ，ｂ_４１，・・・，ｂ_４Ｋ｝を計算する除算器である。

加算器６には、集合ｘ_３｛ａ_４０，・・・，ａ_４Ｋ，ｂ_４１，・・・，ｂ_４Ｋ｝と集合ｘ_５｛ａ_６０，・・・，ａ_６Ｋ，ｂ_６１，・・・，ｂ_６Ｋ｝が入力され、
ａ_５０＝ａ_６０＋ａ_４０，_・・・，ａ_５Ｋ＝ａ_６Ｋ＋ａ_４Ｋ
ｂ_５１＝ｂ_６１＋ｂ_４１，_・・・，ｂ_５Ｋ＝ｂ_６Ｋ−ｂ_４Ｋ
で示される集合ｘ_４｛ａ_５０，・・・，ａ_５Ｋ，ｂ_３５，・・・，ｂ_５Ｋ｝を計算する減算器である。記憶装置６は信号ｘ_５｛ａ_６０，・・・，ａ_６Ｋ，ｂ_６１，・・・，ｂ_６Ｋ｝を記憶して出力するとともに、入力される信号ｓｙｎｃ_１の同期信号の発生毎に、
ａ_６０←ａ_５０，・・・，ａ_６Ｋ←ａ_５Ｋ
ｂ_６１←ａ_５１，・・・，ｂ_６Ｋ←ｂ_５Ｋ （記号←は代入を意味する）
の機能を持つ記憶装置である。

フーリエ逆変換器８は入力される集合ｘ_５｛ａ_６０，・・・，ａ_６Ｋ，ｂ_６１，・・・，ｂ_６Ｋ｝と集合ｘ_６｛θ_１１，・・・，θ_１Ｋ｝を基に、

で表される信号ｆ_１（ｔ）を出力するフーリエ逆変換の機能を有すると供に、信号ｓｙｎｃ_１の同期信号発生時刻ｔ_１１，ｔ_１２，・・・ｔ_{１（ｎ１）}，・・・の各時刻において式（２）のサイン項とコサイン項の位相をθ_Ｋに位相ロックする機能を有するフーリエ逆変換器である。ドライバ１０は入力される信号ｆ_１（ｔ）を、モータ１が例えばステップモータであれば電気角度に、例えば直流モータであれば駆動電圧のようにモータ１に応じた駆動信号に変換してモータ１を駆動する信号Ｓ１をモータ１に供給するドライバである。遅延検出器８は入力される信号Ｓ１と応答ｙ_１（ｔ）から、応答ｙ_１（ｔ）の信号Ｓ１に対する位相の遅延を１／Ｔ_１，２／Ｔ_１，…，Ｋ／Ｔ_１の各周波数において検出して集合ｘ_６｛θ_１１，・・・，θ_１Ｋ｝として出力する遅延検出器である。

以上の構成において、応答ｙ_１（ｔ）をフーリエ変換して得られる係数の集合ｘ_１の要素ａ_１ｍ（ｍは正の整数で

）と対応する集合ｕ_１の要素ａ_２ｍ、集合ｘ_４の要素ａ_５ｍ、集合ｘ_５の要素ａ_６ｍは、

の関係であるから、要素ａ_１ｍが要素ａ_２ｍと比べて小さい場合は、信号ｓｙｎｃ_１の同期信号が発生する毎に要素ａ_５ｍの値を増加させて、信号ｆ_１（ｔ）の

の項の振幅を増加させる。このときθ_ｍはモータ１のｍ／Ｔ_１の周波数応答に対する位相の遅延であるから応答ｙ_１（ｔ）は式（１）におけるサイン項の係数である要素ｂ_１ｍに原理上影響することなくコサイン項の係数である要素ａ_１ｍを増加させる。以下同様の原理で要素ａ_１ｍが要素ａ_２ｍと比べて大きい場合は、コサイン項の係数である要素ａ_１ｍを減少させる。また式（１）のサイン項の係数である要素ｂ_１ｍと直流項の係数である要素ａ_１０に関しても同様に増減動作する。

上記動作によって集合ｘ_４｛ａ_５０，・・・，ａ_５Ｋ，ｂ_３５，・・・，ｂ_５Ｋ｝の各要素は、信号ｓｙｎｃ_１の同期信号が発生する毎に集合ｘ_２｛ａ_３０，・・・，ａ_３Ｋ，ｂ_３１，・・・，ｂ_３Ｋ｝の各要素の絶対値を減少させるように値が変化して図１の集合ｘ_１｛ａ_１０，・・・，ａ_１Ｋ，ｂ_１１，・・・，ｂ_１Ｋ｝の各要素が、集合ｕ_１｛ａ_２０，・・・，ａ_２Ｋ，ｂ_２１，・・・，ｂ_２Ｋ｝に一致した状態で安定する様に制御される。安定状態でのモータ１の応答ｙ_１（ｔ）は、集合ｕ_１｛ａ_２０，・・・，ａ_２Ｋ，ｂ_２１，・・・，ｂ_２Ｋ｝を用いて

と表される。
式（３）の集合ｕ_１｛ａ_２０，・・・，ａ_２Ｋ，ｂ_２１，・・・，ｂ_２Ｋ｝で与えることで、モータ１の応答ｙ_１（ｔ）を所望の波形に制御することが出来る。なお除算器５のＡはループのゲインを調整する値で。Ａの値は安定状態になるまでの時間とループの安定性が適切になるように使用者が設定する。またＡを値時間で変化させてもよい。

図２に本発明の実施例２の構成を示す。図２は本発明のモータ駆動装置を用いて光学走査装置を構成した例であり、図２は、モータ１１、センサ１２、ＡＤ変換器１３、ＣＰＵ１４、ＬＵＴ１５、ＬＵＴ１６、ＬＵＴ１７、ＬＵＴ１８、ドライバ１９、偏向板２０で構成される。モータ１１は２相ＰＭ型ステップモータで、その構成部材にステータ１１ａ、ロータ１１ｂがある。センサ１２はロータ１０ｂの角度を検出して角度信号をＡＤ変換器１３に出力する。ＡＤ変換器１３はモータ１１の角度信号をディジタルデータに変換してＣＰＵ１４にとり込むためのＡＤ変換器である。ＬＵＴ１５はロータ１１ｂの目標波形を定めるデータテーブルである。ＣＰＵ１４は、ＡＤ変換器１３の角度データとＬＵＴ１５からのデータを基にモータ１１を駆動する信号ｆ_２（ｔ）を出力する機能である。ドライバ１９はＣＰＵ１４からの信号ｆ_２（ｔ）を基にモータ１１を駆動するモータドライバである。偏向板２０はロータ１１ｂに固定された鏡で、ロータ１１ｂと供に回転して光を走査する。

以上のように構成された光学走査装置の動作の詳細を図３〜図８で説明する。本発明のモータ駆動装置は原理上周期的にモータ１１を駆動する以下ではこの周期を基本周期Ｔ_２と記す。図３は偏向板２０の参照波形の１例を時間と角度との関係で示した図である。図３では、角度をモータ１１のステータ１１ａとロータ１１ｂの１状態を０度として定め、原点からの相対角度で定めている。図３によると、時刻０ｍｓから時刻１３．３３ｍｓの期間では−６．４度から＋６．４度に向かって一定の割合で角度を変化させ、また時刻１３．３３ｍｓから時刻１６．６７ｍｓの期間では＋６．４度から−６．４度に戻すように定めている。図３の参照波形通りにモータ１１が駆動された場合のＡＤ変換器１３の出力値は、角度検出手段１２の機械構造やＡＤ変換器１３の電気特性により異なるが、本実施例では１例として、角度と変換値は線形の特性を持たせて、ロータ１１ｂが−６．４度の場合に１００、＋６．４度の場合に９００となるように調整した。この場合の図３の参照波形は図４の様に示される。ＡＤ変換器の変換動作は、図４の波形の１周期で４１２回行われるものとして、以下参照波形の値をｄ０，ｄ１，…，ｄ４１１とする。

ＬＵＴ１５は２１個の要素からなるａ７０，ａ７１，…，ａ７（２０）と，２０個の要素からなるｂ７１，ｂ７２，…，ｂ７（２０）からなるテーブルで、ａ７０はｄ０，ｄ１，…，ｄ４１１の各値と、２０４７を乗算した値を足し合わせた結果とする。またａ７１は図５に示すようにｄ０、ｄ１、…、ｄ４１１の各値と、振幅２０４７のコサイン波の位相を０，（１／４１２）^＊２π，（２／４１２）^＊２π，・・・，（４１１／４１２）^＊２πとした展開用数列ｓ１０，ｓ１１，…，ｓ１（４１１）を乗算した値を足し合わせた結果とする。ａ７２は、値ｄ０，ｄ１，…，ｄ４１１の各値と、振幅２０４７のコサイン波の位相を０，２^＊（１／４１２）^＊２π，２^＊（２／４１２）^＊２π，・・・，２^＊（４１１／４１２）^＊２πとした展開用数列ｓ２０，ｓ２１，…，ｓ２（４１１）を乗算した値を足し合わせた結果とする。

以下ａ７３，ａ７４，…，ａ７（２０）の値は、図５のコサイン波の周期を１／３，１／４，…，１／２０とした展開用数列を用いてａ７１と同様に計算する。またｂ７１，ｂ７２，…，ｂ７（２０）の各値はａ７０，ａ７１，…，ａ７（２０）で用いられるコサイン波の展開用数列をサイン波に替えた展開用数列で計算した結果とする。以上の方法で求めたＬＵＴ１５は、図５の波形のフーリエ変換と実質的に等しい。ＬＵＴ１５の具体例を図７に示す。

本実施例の駆動動作は、図８のフローチャートに従って段階的に行われる。

Ｓｔ１（測定）では基本周期１周期に渡るモータ１１の応答波形が４１２点測定される。

Ｓｔ２（周波数領域変換）では、ｓｔ１で測定された結果を、基本駆動周期毎にＬＵＴ１５と同じ計算方法によってＣＰＵ１４で計算する。これをＬＵＴ１６とする。ＬＵＴ１６の要素をＬＵＴ１５に対応させてａ８０、ａ８１，…，ａ８（２０），ｂ８１，ｂ８２，…，ｂ８（２０）とする。

Ｓｔ３（比較・更新）では、ＬＵＴ１５の各要素から対応するＬＵＴ１６の各要素を引き算して誤差量を求める。ＣＰＵ１４内にあるＬＵＴ１５と同じ構成の駆動用テーブルＬＵＴ１７の各要素（ａ９０、ａ９１，…，ａ９（２０），ｂ９１，ｂ９２，…，ｂ９（２０））に計算上誤差の１／４の量が補正される補正量を加える。

Ｓｔ４（時間領域変換）では、増減動作により更新されたＬＵＴ１７を基に、ＣＰＵ１４から出力されるモータ１１を駆動する信号ｆ２（ｔ）を更新する。信号ｆ２（ｔ）は、モータ１１の駆動信号を電気角度で表したものであり、ＣＰＵ１４によって次のように計算される。

θ２１、θ２２、…、θ２（２０）はＣＰＵ１４内のＬＵＴ１８の要素で基本周期Ｔ_２の１，１／２，１／３，…，１／２０の周期におけるモータ１１の位相の遅延を示すテーブルである。ＬＵＴ１８の具体例を図９に示す。

式（４）によって計算されるｆ_２（ｔ）でモータを駆動した場合、ａ９０の値は、モータ応答ＬＵＴ１６のａ８０の値を決める。またａ９１の値は基本周期におけるモータ１１の遅延を補償したコサイン波の振幅であるから、モータ応答ＬＵＴ１６のａ８１の値を定める主因となる。同様にａ９２，…，ａ９（２０），ｂ９１，ｂ９２，…，ｂ９（２０）はａ８２，…，ａ８（２０），ｂ８１，ｂ８２，…，ｂ８（２０）を定める主因となる。以上のＳｔ１からｓｔ４の動作を繰り返し行う。繰り返しによりＬＵＴ１６の値はＬＵＴ１５に序序に近づき、やがて一致する。このときモータ１１の応答波形は、図３の参照波形に一致する。図１０は実際の駆動結果である。モータ１１には基本ステップ角度が１８度の２相ＰＭ型ステップモータを、偏向板２０にはモータ軸方向の長さが７ｍｍ、幅３ｍｍ、厚さ０．４ｍｍのシリコン基板を使用した。図１１は実際の駆動に用いたステップモータのトルク特性を示す図で、横軸は駆動周波数［ＰＰＳ］、縦軸はトルク｛ｇ・ｃｍ｝を表す。５Ｖ、２相駆動時のプルイントルク・プルアウトトルクを示した。測定は偏向版１６に照射したレーザ光の反射位置からモータ１１の角度を計算した結果で位置の測定にはＰＳＤを使用した。以上具体的数値を示して本発明の実施例２を説明したが、これらの値は本発明を具体的に説明するための一例に過ぎない。すべての数値は本発明の実施者が自由に設定できる。

図１２に本発明の実施例３の構成を示す。図１２は本発明のモータ駆動装置を、レーザを水平・垂直のそれぞれに走査して画像を描画するレーザディスプレイの垂直走査走査鏡の駆動に応用した場合を示す図で、モータ２４、モータ駆動手段２５、レーザ２６、水平走査手段２７、偏向板２８、スクリーン２９で構成される。モータ２４は２相ＰＭ型ステップモータで、ステータ２４ａ、ロータ２４ｂで構成される。またモータ２４は図示しない角度検出手段を有しておりモータ２４の角度を検出して角度信号をモータ駆動手段２５に出力する。モータ駆動装置２５はモータ２４を駆動する本発案のモータ駆動装置で、モータ２４の角度信号が入力される。レーザ２６はレーザディスプレイの光源で半導体レーザダイオード等である。水平走査手段２７はＭＥＭＳと呼ばれる共振駆動される鏡である。偏向板２８はロータ２４ｂに固定された鏡である。スクリーン２９は画像が描画される面である。以上の構成において、レーザ２６から出力された光は水平走査手段２７に入射され水平方向に走査される。水平方向に走査された光は、続いて偏向板２８に入射され垂直方向に走査される。モータ２４の角度の時間変化を例えば図３の様に設定した場合時刻０ｍｓから時刻１３．３３ｍｓの間ではレーザ２６の照射光は、ほぼ一定の間隔でスクリーン２９に走査線を描く。レーザ２６に画像に応じた変調をかけることでスクリーン２９に画像を描画することができる。

なお本実施例ではモータ２４は２相ＰＭ型ステップモータで構成した。これは価格面や小型化の面で有利であるからである。しかしながら多相ステップモータやＤＣモータ等でも構成可能である。また本実施例のレーザを、多色のマルチレーザにすればカラーディスプレイを構成することも可能である。

本発明実施例１のモータ駆動装置の構成を示す図である。 本発明実施例２の光走査装置の構成を示す図である。 時間領域の参照波形の例を示す図である ＡＤ変換結果の例を示す図である。 周波数領域の変換の原理を示す図である。 周波数領域の変換の原理を示す図である。 周波数領域の参照テーブルの例を示す図である。 駆動の動作を示すフローチャートである。 図３の参照波形に対する応答の例である。 モータのトルク特性を示す図である。 実施例３の構成を示す図である。 本発明のモータ駆動装置を有するレーザディスプレイを示す図である。

符号の説明

１，１１，２４ モータ
２，１２ センサ
３ フーリエ変換器
４ 減算器
５ 除算器
６ 加算器
７ 記憶装置
８ 遅延検出器
９ フーリエ逆変換器
１０，１９ ドライバ
１３ ＡＤ変換器
１４ ＣＰＵ
１５，１６，１７，１８ ＬＵＴ
２０，２８ 偏向板
２５ モータ駆動手段
２６ レーザ
２７ 水平走査手段
２９ スクリーン

Claims (5)

1. モータと駆動信号に基づき前記モータ駆動するモータドライバと、前記モータの応答を検出する応答検出手段と、前記応答検出手段で検出された応答信号を時間領域の表現から周波数領域の表現に変換する周波数領域変換手段と、前記変換結果の目標結果を保持する手段と、前記駆動信号を周波数領域で表現する手段と、前記駆動信号を周波数領域の表現から時間領域の表現に変換する時間領域変換手段を有し、前記モータの応答を前記応答検出手段で検出する第１の段階と、第１の段階で検出した応答信号を時間領域の表現から周波数領域の表現に変換する第２の段階、第２の段階の変換結果と前記目標結果を比較した結果に応じて前記駆動信号を周波数領域で変化させる第３の段階と、第３の段階で調整した前記駆動信号を周波数領域の表現から時間領域の表現に変換する第４の段階の４つの段階を、繰り返すことを特徴とするモータ駆動方法。
2. 請求項１に記載の前記モータの出力軸に光学の偏向板を固定したことを特徴とする光学走査手段。
3. 前記目標値は、前記モータの出力軸の角速度が一定となる期間を含むことを特徴とする請求項２記載の光学走査手段。
4. 前記モータは２相ＰＭ型ステップモータであることを特徴とする請求項２〜３記載の光学走査手段。
5. 水平走査手段と垂直走査手段によりビーム状の光源を２次元に走査して画像を描画するディスプレイ装置であって、前記水平走査手段と前記垂直走査手段のうち少なくとも一方を請求項２記載の光学走査手段で構成したことを特徴とするディスプレイ装置。

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