JP2012027338A - 光ビーム走査装置およびそれを用いたセンサ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】偏向器の駆動周波数の設定自由度を高めることが可能な光ビーム走査装置およびそれを用いたセンサ装置を提供する。
【解決手段】光ビーム走査装置は、光源４１１と、光源４１１から出射される光ビームＬＢ２を反射させ光ビームＬＢ２を垂直方向および水平方向に走査可能なＭＥＭＳデバイスからなる偏向器４０３と、光源４１１および偏向器４０３を制御する制御装置５００とを備える。制御装置５００は、水平駆動回路５０１、垂直駆動回路５０２、クロック発生部５１０、第１〜第３の制御部（制御手段）５１１〜５１３、第１のカウンタ５３１、および第２のカウンタ５３２を備える。第３の制御部５１３は、水平座標特定手段５４１により特定された水平座標と垂直座標特定手段５４２により特定された垂直座標とで画素位置を特定して、この画素位置に対応付けられた画素データに基づいて光源４１１の出力をクロック信号に同期して制御する。
【選択図】図１

Description

本発明は、光ビーム走査装置およびそれを用いたセンサ装置に関するものである。

従来から、光ビームを走査する光ビーム走査装置として、図１２に示す構成の二次元光走査装置６０１が提案されている（特許文献１）。

この二次元走査装置６０１は、ビーム状の光を出射する光源６１０、光源６１０から出射された光を主走査方向及び副走査方向に偏向走査する偏向器６２０と、偏向器６２０で走査された光が走査面６０５（図１３参照）に形成する走査線のうち隣接する走査線の副走査方向の間隔を検出する走査線検出器６３０と、光源６１０および偏向器６２０を制御する制御部６４０とを備えている。ここで、制御部６４０は、光源駆動部６４９を備えており、光源６１０の輝度と発光色との少なくとも一方を制御することができる。

偏向器６２０は、ＭＥＭＳ（micro electro mechanicalsystems）技術を用いて形成されたデバイス（いわゆるＭＥＭＳデバイス）であり、光源６１０から出射されたビーム状の光を反射する反射面６２１、内フレーム６２２、外フレーム６２３、反射面６２１を内フレーム６２２に支持する内梁６２４、反射面６２１を外フレーム６２３に支持する外梁６２５、反射面６２１を内梁６２４、および外梁６２５の周りにねじるように駆動させる駆動部で構成されている。

また、走査線検出器６３０は、多数のフォトダイオードが主走査方向および副走査方向に配列されたフォトダイオードアレイにより構成されている。

制御部６４０は、偏向器６２０を駆動するための２つの駆動回路部６４３，６４６を備えている。

また、制御部６４０は、クロック発振部６５０で発振するクロックを分周して、偏向器６２０を主走査方向に走査周波数ｆ_xで駆動するための正弦波の偏向器駆動信号を生成する駆動信号生成部６４１と、偏向器６２０を副走査方向に走査周波数ｆ_yで駆動するための正弦波の偏向器駆動信号を生成する駆動周波数生成部６４４とを備えている。そして、上述の駆動回路部６４３，６４６は、駆動信号生成部６４１，６４４からの偏向器駆動信号の振幅などを調整して偏向器６２０を駆動する。

ところで、駆動周波数生成部６４１，６４４では、主走査方向の走査周波数ｆ_xおよび副走査方向の走査周波数ｆ_yと、走査面６０５に形成される表示の更新周波数Ｆとが以下の式１に示す関係となるように、主走査方向および副走査方向それぞれの偏向器駆動信号の周波数を制御する。
ｆ_x＝ｎ_x×Ｆ、ｆ_y＝ｎ_y×Ｆ （ｎ_x、ｎ_yは、互いに素の整数）・・・（式１）
また、制御部６４０は、走査線検出器６３０で検出した３本の副走査方向の走査線の間隔が一定となるように、２つの偏向器駆動信号の位相を各別に調整する２つの位相調整部６４２，６４５を備えている。

また、制御部６４０は、表示制御部６４７において、走査線の走査位置と外部から入力される画像の表示位置との対応を記憶し、表示制御部６４７に記憶された走査線と画像の表示位置との対応に基づいて、偏向器６２０の偏向角度と光源６１０とを制御する。

また、従来から、赤外線パルス光を送出するレーザダイオードと、レーザダイオードから送出された赤外線パルス光を二次元走査するスキャナと、スキャナを介して送出された赤外線パルス光が物標に反射して戻ってきた反射光を受信するフォトダイオードと、スキャナの縦振動周波数および横振動周波数を制御する制御装置とを備え、走査領域に存在する物標を検出するレーダ装置が提案されている（特許文献２）。

特許文献２には、上述のレーダ装置において、スキャナの縦振動周波数をｆ１、横振動周波数をｆ２、走査観測時間をＴとすると、制御装置が、以下の式２の関係式を満たすように、縦振動周波数ｆ１と横振動周波数ｆ２とを設定することが記載されている。
｜ｍ・ｆ１−ｎ・ｆ２｜＝１／Ｔ （ただし、ｍ，ｎは互いに素の整数）・・・（式２）

特開２００８−２１６２９９号公報 特開２００３−４８５１号公報

図１２に示した構成の二次元光走査装置６０１では、主走査方向の走査周波数ｆ_xおよび副走査方向の走査周波数ｆ_yと、走査面６０５に形成される表示の更新周波数Ｆとの関係が式１を満たす必要があり、各偏向器駆動信号それぞれの周波数（偏向器６２０の駆動周波数）の設定の自由度が低く、主走査方向振幅θ_y（図１３参照）および副走査方向振幅θ_x（図１３参照）が制限されてしまう。要するに、図１２に示した構成の二次元光走査装置６０１のような光ビーム走査装置では、偏向器６２０における反射面６２１の振れ角が制限されてしまう。

また、上述のレーダ装置においては、スキャナの縦振動周波数ｆ１および横振動周波数ｆ２と走査観測時間Ｔとが式２を満たす必要があり、縦振動周波数ｆ１および横振動周波数ｆ２の設定の自由度が低くなってしまう。

本発明は上記事由に鑑みて為されたものであり、その目的は、偏向器の駆動周波数の設定自由度を高めることが可能な光ビーム走査装置およびそれを用いたセンサ装置を提供することにある。

本発明の光ビーム走査装置は、光源と、前記光源から出射される光ビームを反射させ前記光ビームを垂直方向および水平方向に走査可能なＭＥＭＳデバイスからなる偏向器と、前記光源および前記偏向器を制御する制御装置とを備え、前記偏向器は、外側フレーム部と、前記外側フレーム部の内側に配置され一対の第１の捩ればね部を介して前記外側フレーム部により支持された可動フレーム部と、前記可動フレーム部の内側に位置し前記第１の捩ればね部の並設方向に直交する方向に並設された一対の第２の捩ればね部を介して前記可動フレーム部に支持され前記光ビームを反射するミラー面が形成されたミラー部と、前記外側フレーム部において前記可動フレーム部側に設けられた第１の固定電極と、前記可動フレーム部において前記外側フレーム部側に設けられた第１の可動電極と、前記可動フレーム部において前記ミラー部側に設けられた第２の固定電極と、前記ミラー部において前記可動フレーム部側に設けられた第２の可動電極とを有し、前記制御装置は、前記光ビームが水平方向に走査されるように前記第１の可動電極・前記第１の固定電極間と前記第２の可動電極・前記第２の固定電極間との一方に第１の駆動周波数の駆動電圧を印加する水平駆動回路と、前記光ビームが垂直方向に走査されるように前記第１の可動電極・前記第１の固定電極間と前記第２の可動電極・前記第２の固定電極間との他方に第２の駆動周波数の駆動電圧を印加する垂直駆動回路と、クロック信号を発生するクロック発生部と、前記水平駆動回路を制御する第１の制御手段と、前記垂直駆動回路を制御する第２の制御手段と、前記偏向器により前記光ビームを垂直方向および水平方向に走査させることにより形成する画像の離散的な画素位置ごとに、前記画素位置に対応付けられた画素データに基づいて前記光源の出力を前記クロック信号に同期して制御する第３の制御手段と、前記クロック発生部から発生するクロック信号をカウントし前記偏向器が前記光ビームを水平走査する際の第１の基準位置に戻るたびにカウント数がリセットされる第１のカウンタと、前記クロック発生部から発生するクロック信号をカウントし前記偏向器が前記光ビームを垂直走査する際の第２の基準位置に戻るたびにカウント数がリセットされる第２のカウンタと、前記光ビームが走査される前記画素位置の水平座標を前記第１のカウンタのカウント数に基づいて特定する水平座標特定手段と、前記光ビームが走査される前記画素位置の垂直座標を前記第２のカウンタのカウント数に基づいて特定する垂直座標特定手段とを有し、前記第３の制御手段は、前記水平座標特定手段により特定された水平座標と前記垂直座標特定手段により特定された垂直座標とで前記画素位置を特定することを特徴とする。

本発明のセンサ装置は、前記光ビーム走査装置と、光ビーム走査装置と、前記画像が表示される表示部と、検知用光ビームを出射する検知用光源と、前記光ビームを前記偏向器側へ反射し且つ前記検知用光ビームを反射および透過するハーフミラーと、前記検知用光源と前記ハーフミラーとの間に位置し前記光源から出射された前記光ビームを前記ハーフミラー側へ反射させ且つ前記検知用光源からの前記検知用光ビームを透過させるダイクロイックミラーと、前記ハーフミラーを挟んで前記偏向器の反対側に位置し前記表示部側で反射された後に前記偏向器で反射され前記ハーフミラーを透過した前記検知用光ビームを検出する光検出部と、前記光検出部の出力に基づいて前記偏向器と前記表示部との間の検知対象空間における物体の有無を判断する判断部とを備え、前記光源と前記偏向器との間の第１の光軸と、前記検知用光源と前記偏向器との間の第２の光軸とを、前記ダイクロイックミラー・前記偏向器間で一致させてあることを特徴とする。

本発明の光ビーム走査装置においては、偏向器の駆動周波数の設定自由度を高めることが可能となる。

本発明のセンサ装置においては、偏向器の駆動周波数の設定自由度を高めることが可能となり、小型化を図りながらも、検知対象空間を広くすることが可能となる。

実施形態１の光ビーム走査装置に関し、（ａ）は機能ブロック図、（ｂ）は動作説明図、（ｃ）は画像の一例を示す図である。 同上の光ビーム走査装置の動作説明図である。 同上の光ビーム走査装置における偏向器の概略分解斜視図である。 同上の光ビーム走査装置における偏向器の概略斜視図である。 同上の光ビーム走査装置における偏向器の製造方法を説明するための主要工程断面図である。 実施形態２のセンサ装置の機能ブロック図である。 同上のセンサ装置の動作説明図である。 同上のセンサ装置の要部概略斜視図である。 同上のセンサ装置の動作説明図である。 同上のセンサ装置の要部概略平面図である。 同上のセンサ装置の応用例の説明図である。 従来例を示す二次元光走査装置の機能ブロック図である。 同上の二次元光走査装置の動作説明図である。

（実施形態１）
以下、本実施形態の光ビーム走査装置について図１〜図５を参照しながら説明する。

光ビーム走査装置は、図１（ａ）に示すように、光源４１１と、光源４１１から出射される光ビームＬＢ２を反射させるＭＥＭＳデバイス（ＭＥＭＳミラー）からなる偏向器４０３と、光源４１１および偏向器４０３を制御する制御装置５００とを備える。ここにおいて、偏向器４０３は、光ビームＬＢ２を垂直方向および水平方向に走査可能となっている。したがって、光ビーム走査装置は、例えば、図１（ｂ）に示すようなスクリーンからなる表示部４１０上で光ビームＬＢ２を垂直方向および水平方向に走査させることができる。要するに、光ビーム走査装置は、光ビームＬＢ２を二次元的に走査することができる。

光源４１１は、光ビームＬＢ２を出射するものであれば特に限定するものではないが、サイズや省電力の観点から、半導体レーザが好ましい。

偏向器４０３は、図３、図４および図５（ｆ）に示すように、半導体基板であるＳＯＩ（Silicon on Insulator）基板１００を用いて形成され可動部２０にミラー面２１が設けられたミラー形成基板１を備えている。また、偏向器４０３は、ミラー形成基板１においてミラー面２１が設けられた一表面側に接合された第１のカバー基板２を備えている。また、偏向器４０３は、ミラー形成基板１の他表面側に接合された第２のカバー基板３を備えている。

ミラー形成基板１は、上述のＳＯＩ基板１００をバルクマイクロマシニング技術などにより加工することによって形成してある。このＳＯＩ基板１００は、導電性を有する第１のシリコン層（活性層）１００ａと第２のシリコン層（シリコン基板）１００ｂとの間に絶縁層（ＳｉＯ_２層）１００ｃが介在している。なお、ＳＯＩ基板１００は、第１のシリコン層１００ａの厚さを３０μｍ、第２のシリコン層１００ｂの厚さを４００μｍに設定してあるが、これらの数値は一例であり、特に限定するものではない。また、ＳＯＩ基板１００の一表面である第１のシリコン層１００ａの表面は（１００）面としてある。

ミラー形成基板１は、外側フレーム部１０と、外側フレーム部１０の内側に配置された上述の可動部２０と、外側フレーム部１０の内側で可動部２０を挟む形で配置され外側フレーム部１０と可動部２０とを連結した一対の第１の捩りばね部３０，３０とを有する。各第１の捩りばね部３０，３０は、捩れ変形が可能となっている。

外側フレーム部１０は、枠状（ここでは、矩形枠状）の形状であり、外周形状および内周形状それぞれが矩形状に形成されている。ここにおいて、偏向器４０３は、ミラー形成基板１および各カバー基板２，３それぞれの外周形状が、矩形状であり、各カバー基板２，３の外形寸法を、ミラー形成基板１の外形寸法に合わせてある。

ミラー形成基板１の外側フレーム部１０は、ＳＯＩ基板１００の第１のシリコン層１００ａ、絶縁層１００ｃ、第２のシリコン層１００ｂそれぞれを利用して形成してある。そして、ミラー形成基板１は、外側フレーム部１０のうち第１のシリコン層１００ａにより形成された部位が、第１のカバー基板２の外周部と全周に亘って接合され、外側フレーム部１０のうち第２のシリコン層１００ｂにより形成された部位が、第２のカバー基板３の外周部と全周に亘って接合されている。

また、ミラー形成基板１の可動部２０および各第１の捩りばね部３０，３０は、ＳＯＩ基板１００の第１のシリコン層１００ａを用いて形成されており、外側フレーム部１０よりも十分に薄肉となっている。また、可動部２０に設けられたミラー面２１は、光源４１１からの光ビームＬＢ２を反射するものであり、可動部２０において第１のシリコン層１００ａにより形成された部位上に形成した金属膜（例えば、Ａｌ−Ｓｉ膜など）からなる反射膜２１ａの表面により構成されている。なお、本実施形態では、反射膜２１ａの膜厚を５００ｎｍに設定してあるが、この数値は一例であり、特に限定するものではない。

以下では、図３の左側に示すように、平面視において一対の第１の捩りばね部３０，３０の並設方向に直交する方向をｘ軸方向、一対の第１の捩りばね部３０，３０の並設方向をｙ軸方向、ｘ軸方向およびｙ軸方向に直交する方向をｚ軸方向として説明する。

ミラー形成基板１は、一対の第１の捩りばね部３０，３０がｙ軸方向に並設されており、可動部２０が、外側フレーム部１０に対して一対の第１の捩りばね部３０，３０の回りで変位可能となっている（ｙ軸方向の軸回りで回動可能となっている）。つまり、一対の第１の捩りばね部３０，３０は、外側フレーム部１０に対して可動部２０が揺動自在となるように外側フレーム部１０と可動部２０とを連結している。言い換えれば、外側フレーム部１０の内側に配置される可動部２０は、可動部２０から相反する２方向へ連続一体に延長された２つの第１の捩りばね部３０，３０を介して、外側フレーム部１０に揺動自在に支持されている。ここで、一対の第１の捩りばね部３０，３０は、両者のｙ軸方向に沿った中心線同士を結ぶ直線が、平面視で可動部２０の重心を通るように形成されている。なお、各捩りばね部３０，３０は、厚み寸法（ｚ軸方向の寸法）を３０μｍ、幅寸法（ｘ軸方向の寸法）を、５μｍに設定してあるが、これらの数値は一例であり、特に限定するものではない。また、外側フレーム部１０の内周形状も矩形状に限らず、例えば、円形状でもよい。

上述のミラー形成基板１は、可動部２０において一対の第１の捩りばね部３０，３０を結ぶ方向（一対の第１の捩りばね部３０，３０の並設方向）に直交する方向（つまり、ｘ軸方向）の両側に形成された櫛形状の第１の可動電極２２を備えている。さらに、ミラー形成基板１は、外側フレーム部１０に形成され第１の可動電極２２の複数の可動櫛歯片２２ｂに対向する複数の固定櫛歯片１２ｂを有する櫛形状の第１の固定電極１２を備えている。ここにおいて、ミラー形成基板１は、第１の可動電極２２と第１の固定電極１２との間に駆動電圧が印加されることによって第１の可動電極２２と第１の固定電極１２との間に生じる静電力により、可動部２０が揺動する。なお、この動作については後述する。

第１の固定電極１２は、平面視形状が櫛形状であり、外側フレーム部１０のうちｙ軸方向に沿った枠片部において第１のシリコン層１００ａにより形成された部位の一部が、櫛骨部１２ａを構成している。そして、第１の固定電極１２は、櫛骨部１２ａにおける可動部２０との対向面（外側フレーム部１０におけるｙ軸方向に沿った内側面）に、多数の固定櫛歯片１２ｂが一対の第１の捩りばね部３０，３０の並設方向に沿って列設されている。ここで、各固定櫛歯片１２ｂは、第１のシリコン層１００ａの一部により構成されている。

一方、第１の可動電極２２は、可動部２０における第１の固定電極１２の櫛骨部１２ａ側の櫛骨部２２ａの側面（可動部２０におけるｙ軸方向に沿った側面）において、固定櫛歯片１２ｂにそれぞれ対向する多数の可動櫛歯片２２ｂが上記並設方向に列設されている。ここで、各可動櫛歯片２２ｂは、第１のシリコン層１００ａの一部により構成されている。

第１の固定電極１２と第１の可動電極２２とは、それぞれの櫛骨部１２ａ，２２ａが互いに対向し、第１の固定電極１２の各固定櫛歯片１２ｂが第１の可動電極２２の櫛溝に入り組んでおり、固定櫛歯片１２ｂと可動櫛歯片２２ｂとが、ｙ軸方向において互いに離間している。したがって、ミラー形成基板１では、第１の固定電極１２と第１の可動電極２２との間に電圧が印加されることにより、第１の固定電極１２と第１の可動電極２２との間に互いに引き合う方向に作用する静電力が発生する。なお、ｙ軸方向における固定櫛歯片１２ｂと可動櫛歯片２２ｂとの間の隙間は、例えば、２μｍ〜５μｍ程度の範囲で適宜設定すればよい。

ところで、可動部２０は、外側フレーム部１０に一対の第１の捩りばね部３０，３０を介して揺動自在に支持された枠状（ここでは、矩形枠状）の可動フレーム部２３と、可動フレーム部２３の内側に配置されミラー面２１が設けられたミラー部２４と、可動フレーム部２３の内側でミラー部２４を挟む形で配置され可動フレーム部２３とミラー部２４とを連結し捩れ変形が可能な一対の第２の捩りばね部２５，２５とを有している。

第２の捩りばね部２５，２５は、第１の捩りばね部３０，３０の並設方向（ｙ軸方向）とは直交する方向（ｘ軸方向）に並設されている。要するに、可動部２０は、一対の第２の捩りばね部２５，２５がｘ軸方向に並設されており、ミラー部２４が、可動フレーム部２３に対して一対の第２の捩りばね部２５，２５の回りで変位可能となっている（ｘ軸方向の軸回りで回動可能となっている）。つまり、一対の第２の捩りばね部２５，２５は、可動フレーム部２３に対してミラー部２４が揺動自在となるように可動フレーム部２３とミラー部２４とを連結している。言い換えれば、可動フレーム部２３の内側に配置されるミラー部２４は、ミラー部２４から相反する２方向へ連続一体に延長された２つの第２の捩りばね部２５，２５を介して可動フレーム部２３に揺動自在に支持されている。ここで、一対の第２の捩りばね部２５，２５は、両者のｘ軸方向に沿った中心線同士を結ぶ直線が、平面視でミラー部２４の重心を通るように形成されている。なお、各第２の捩りばね部２５は、厚み寸法（ｚ軸方向の寸法）を３０μｍ、幅寸法（ｙ軸方向の寸法）を、３０μｍに設定してあるが、これらの数値は一例であり、特に限定するものではない。また、ミラー部２４およびミラー面２１の平面視形状は、矩形状に限らず、例えば、円形状でもよい。また、可動フレーム部２３の内周形状も矩形状に限らず、例えば、円形状でもよい。

上述の説明から分かるように、ミラー部２４は、一対の第１の捩りばね部３０，３０の軸回りの回動と、一対の第２の捩りばね部２５，２５の軸回りの回動とが可能である。要するに、偏向器４０３は、ミラー部２４のミラー面２１が、二次元的に回動可能に構成されており、光ビームＬＢ２を二次元的に走査することができる。ここで、可動部２０は、可動フレーム部２３における第１のカバー基板２側とは反対側に、可動フレーム部２３を支持する枠状（矩形枠状）の支持体２９が一体に設けられており、支持体２９が可動フレーム部２３と一体に回動可能となっている。

また、ミラー形成基板１は、ミラー部２４において一対の第２の捩りばね部２５，２５を結ぶ方向（一対の第２の捩りばね部２５，２５の並設方向）に直交する方向（つまり、ｙ軸方向）の両側に形成された櫛形状の第２の可動電極２７と、可動フレーム部２３に形成され第２の可動電極２７の複数の可動櫛歯片２７ｂに対向する複数の固定櫛歯片２６ｂを有する櫛形状の第２の固定電極２６とを備えている。ここにおいて、ミラー形成基板１は、第２の可動電極２７と第２の固定電極２６との間に駆動電圧が印加されることによって第２の可動電極２７と第２の固定電極２６との間に生じる静電力により、ミラー部２４が揺動する。なお、この動作については後述する。

上述の第２の固定電極２６は、平面視形状が櫛形状であり、櫛骨部２６ａが可動フレーム部２３の一部により構成されている。そして、第２の固定電極２６の櫛骨部２６ａにおけるミラー部２４との対向面（可動フレーム部２３におけるｘ軸方向に沿った内側面）には、多数の固定櫛歯片２６ｂが、一対の第２の捩りばね部２５，２５の並設方向に沿って列設されている。一方、第２の可動電極２７はミラー部２４の一部により構成されており、第２の固定電極２６の櫛骨部２６ａ側の側面（ミラー部２４におけるｘ軸方向に沿った側面）には、固定櫛歯片２６ｂにそれぞれ対向する多数の可動櫛歯片２７ｂが上記並設方向に列設されている。ここで、櫛形状の第２の固定電極２６と櫛形状の第２の可動電極２７とは、櫛骨部２６ａ，２７ａが互いに対向し、第２の固定電極２６の各固定櫛歯片２６ｂが第２の可動電極２７の櫛溝に入り組んでおり、固定櫛歯片２６ｂと可動櫛歯片２７ｂとが、ｘ軸方向において互いに離間している。したがって、ミラー形成基板１は、第２の固定電極２６と第２の可動電極２２との間に電圧が印加されることにより、第２の固定電極２６と第２の可動電極２７との間に、互いに引き合う方向に作用する静電力が発生する。なお、ｘ軸方向における固定櫛歯片２６ｂと可動櫛歯片２７ｂとの間の隙間は、例えば、２μｍ〜５μｍ程度の範囲で適宜設定すればよい。

また、ミラー形成基板１は、外側フレーム部１０に、３つのパッド１３が平面視において一直線上に並ぶように略等間隔で並設されている。これに対して、第１のカバー基板２は、各パッド１３それぞれを各別に露出させる３つの貫通孔２０２が貫設されている。各パッド１３は、平面視形状が円形状であり、金属膜（例えば、Ａｌ−Ｓｉ膜など）により構成されている。なお、本実施形態では、各パッド１３の膜厚を５００ｎｍに設定してあるが、この数値は一例であり、特に限定するものではない。

ミラー形成基板１は、外側フレーム部１０において第１のシリコン層１００ａにより形成された部位に複数（ここでは、３つ）のスリット１０ａを形成するとともに、可動部２０の可動フレーム部２３において第１のシリコン層１００ａにより形成された部位に複数（ここでは、４つ）のスリット２０ａを形成してある。これにより、ミラー形成基板１は、３つのパッド１３のうち図３における真ん中のパッド１３（１３ｂ）が第１の固定電極１２と電気的に接続されて同電位となり、右側のパッド１３（１３ａ）が第１の可動電極２２および第２の可動電極２６と電気的に接続されて同電位となり、左側のパッド１３（１３ｃ）がミラー部２４の第２の可動電極２７と電気的に接続されて同電位となっている。

ここで、外側フレーム部１０の複数のスリット１０ａは、絶縁層１００ｃに達する深さで形成されている。偏向器４０３は、各スリット１０ａをトレンチとし、各スリット１０ａの平面視形状を外側フレーム部１０の外側面側に開放されない形状とすることで、外側フレーム部１０にスリット１０ａを形成した構造を採用しながらも、外側フレーム部１０と第１のカバー基板２との接合性が低下するのを防止し、外側フレーム部１０と各カバー基板２，３とで囲まれる空間の気密性を確保している。

また、可動部２０における可動フレーム部２３の各スリット２０ａは、トレンチとしてあり、ＳＯＩ基板１００の絶縁層１００ｃの一部と第２のシリコン層１００ｂの一部とで構成される上述の支持体２９における絶縁層１００ｃに達する深さに形成してある。要するに、偏向器４０３では、可動フレーム部２３に複数のスリット２０ａを形成した構成を採用しながらも、可動フレーム部２３と支持体２９とが、一対の第１の捩りばね部３０，３０の軸回りで一体に回動可能となっている。ここにおいて、支持体２９は、可動フレーム部２３のうち各固定櫛歯片２６ｂおよび各可動櫛歯片２２ｂを除く部位を覆う枠状に形成されている（図４参照）。また、可動フレーム部２３の複数のスリット２０ａは、支持体２９を含めた可動部２０の重心が、平面視において一対の第１の捩りばね部３０，３０のｙ軸方向に沿った中心線を結ぶ直線の略真ん中に位置するように形状を設計してある。しかして、本実施形態における偏向器４０３では、可動部２０が一対の第１の捩りばね部３０，３０の軸回りでスムーズに揺動し、反射光の走査が適正に行われる。なお、本実施形態では、支持体２９において第２のシリコン層１００ｂにより構成される部位の厚さを、外側フレーム部１０において第２のシリコン層１００ｂにより構成される部位と同じ厚さに設定してあるが、同じに限らず、厚くしてもよいし薄くしてもよい。

また、第１のカバー基板２は、それぞれパイレックス（登録商標）ガラスなどからなる２枚のガラス板を厚み方向に重ねて接合することにより形成した第１のガラス基板２００を用いて形成してある。また、第２のカバー基板３は、パイレックス（登録商標）ガラスなどからなる第２のガラス基板３００を用いて形成してある。なお、第１のガラス基板２００および第２のガラス基板３００の厚さは、０．５ｍｍ〜１．５ｍｍ程度の範囲で設定してあるが、これらの数値は一例であり、特に限定するものではない。

第１のカバー基板２は、上述のように第１のガラス基板２００を用いており、第１のガラス基板２００の厚み方向に貫通して各パッド１３それぞれを全周に亘って露出させる３つの貫通孔２０２が形成されている。ここにおいて、第１のガラス基板２００の各貫通孔２０２は、ミラー形成基板１から離れるにつれて開口面積が徐々に大きくなるテーパ状に形成されている。各貫通孔２０２は、サンドブラスト法により形成してある。各貫通孔２０２の形成方法は、サンドブラスト法に限定するものではなく、ドリル加工法やエッチング法などを採用してもよい。

また、偏向器４０３は、各パッド１３の平面視形状を円形状としてあり、各貫通孔２０２の第１のミラー形成基板１側での開口径が各パッド１３の直径よりも大きくなるようにしてある。各パッド１３の直径は、０．５ｍｍに設定してあるが、特に限定するものではない。また、各パッド１３の平面視形状は、必ずしも円形状である必要はなく、例えば、正方形状としてもよいが、各貫通孔２０２の開口径を小さくするうえでは円形状の方が正方形状よりも好ましい。

ところで、各パッド１３の一部が厚み方向において第１のカバー基板２に重なる場合には、各パッド１３の厚みの影響で接合性や気密性が損なわれて製造時の歩留まり低下や、動作安定性の低下、経時安定性の低下の原因となる懸念がある。したがって、このような場合には、外側フレーム部１０の幅寸法（外側フレーム部１０の外側面と内側面との距離）を増大させる必要が生じて、偏向器４０３の小型化が制限されてしまうことが考えられる。

これに対して、本実施形態における偏向器４０３では、第１のカバー基板２が各パッド１３と重なることがなく、第１のカバー基板２と外側フレーム部１０との間に各パッド１３の一部が介在することもない。したがって、偏向器４０３は、第１のカバー基板２とミラー形成基板１の外側フレーム部１０との接合が、各パッド１３により妨げられるのを防止することができる。その結果、本実施形態における偏向器４０３では、各パッド１３の厚みの影響で接合性や気密性が損なわれるのを防止することができ、外側フレーム部１０の幅寸法を増大させずに歩留まりの向上による低コスト化を図れるとともに、動作安定性の低下、経時安定性の低下を抑制することが可能となる。

また、偏向器４０３では、ミラー形成基板１の外側フレーム部１０と各カバー基板２，３とで囲まれる気密空間を真空（真空雰囲気）とすることで、低消費電力化を図りつつ可動部２０およびミラー部２４の機械振れ角を大きくすることが可能となる。そこで、偏向器４０３では、上記気密空間を真空とするとともに、第２のカバー基板３におけるミラー形成基板１との対向面において外側フレーム部１０に接合される部位よりも内側の適宜部位に非蒸発型のゲッタ（図示せず）を設けてある。なお、非蒸発型のゲッタは、例えば、Ｚｒを主成分とする合金やＴｉを主成分とする合金などにより形成すればよい。また、偏向器４０３では、外側フレーム部１０と第１のカバー基板２と第２のカバー基板３とで囲まれた上記気密空間を、不活性ガス雰囲気（例えば、ドライ窒素ガス雰囲気など）としてもよい。上述の偏向器４０３では、上記気密空間を真空雰囲気と不活性ガス雰囲気とのいずれにしても、ミラー面２１の酸化を防止できるから、ミラー面２１の材料の選択肢が多くなるとともに、ミラー面２１の反射特性の経時変化を抑制することができる。

第１のガラス基板２００は、ミラー形成基板１との対向面に、可動部２０の変位空間を確保するための第１の凹部２０１を有している。ここで、第１のガラス基板２００は、上述のように２枚のガラス板を接合して形成されている。そこで、第１のガラス基板２００は、ミラー形成基板１に近い側に配置するガラス板（以下、第１のガラス板と称する）において第１の凹部２０１に対応する部位に、厚み方向に貫通する開孔部を形成し、ミラー形成基板１から遠い側に配置するガラス板（以下、第２のガラス板と称する）を平板状としてある。したがって、第１のガラス基板２００は、サンドブラスト加工などにより第１の凹部２０１が形成されたものに比べて、第１の凹部２０１の内底面を滑らかな表面とすることができ、第１の凹部２０１の内底面での拡散反射、光拡散、散乱損失などを低減できる。

また、第２のカバー基板３は、第２のガラス基板３００におけるミラー形成基板１側の上記一表面に、可動部２０の変位空間を確保するための第２の凹部３０１を形成してある。

ここにおいて、第２のガラス基板３００の上記一表面に第２の凹部３０１を形成する場合は、例えば、サンドブラスト法などにより形成すればよい。また、第２のカバー基板３についても、第１のカバー基板２と同様、２枚のガラス板を接合して形成してもよく、ミラー形成基板１に近い側に配置するガラス板（以下、第３のガラス板と称する）において第２の凹部３０１に対応する部位に厚み方向に貫通する開孔部を形成するとともに、ミラー形成基板１から遠い側に配置するガラス板（以下、第４のガラス板と称する）を平板状としてもよい。なお、第２のカバー基板３は、光を透過させる必要がないので、第２のガラス基板３００に限らず、ミラー形成基板１との接合が容易で且つ半導体基板（ＳＯＩ基板１００）の材料であるＳｉとの線膨張率差が小さな材料により形成された基板であればよく、例えば、シリコン基板を用いて形成してもよく、この場合の第２の凹部３０１は、フォトリソグラフィ技術およびエッチング技術を利用して形成すればよい。

また、本実施形態における偏向器４０３では、外側フレーム部１０と第１のカバー基板２と第２のカバー基板３とで囲まれる気密空間を真空とすることで、低消費電力化を図りつつ可動部２０の機械振れ角を大きくすることが可能となるので、上記気密空間を真空とするとともに、第２の凹部３０１の内底面に、上述のゲッタを配置してある。

なお、本実施形態では、第１のカバー基板２および第２のカバー基板３の厚さを０．５ｍｍ〜１．５ｍｍ程度の範囲で設定し、第１の凹部２０１および第２の凹部３０１の深さを３００μｍ〜８００μｍの範囲で設定してあるが、これらの数値は一例であり、可動部２０のｚ軸方向への変位量に応じて適宜設定すればよく（つまり、可動部２０の回動運動を妨げない深さであればよく）、特に限定するものではない。

各ガラス基板２００，３００のガラス材料としては、上述のように硼珪酸ガラスであるパイレックス（登録商標）を採用しているが、硼珪酸ガラスに限らず、例えば、ソーダライムガラス、無アルカリガラス、石英ガラスなどを採用してもよい。

以下、偏向器４０３の製造方法について図５を参照しながら説明するが、図５の（ａ）〜（ｆ）は図３のＡ−Ｂ断面に対応する部分の概略断面を示している。

まず、半導体基板であるＳＯＩ基板１００の上記一表面側および上記他表面側それぞれに熱酸化法などによりシリコン酸化膜１１１ａ，１１１ｂを形成する酸化膜形成工程を行うことによって、図５（ａ）に示す構造を得る。

その後、フォトリソグラフィ技術およびエッチング技術を利用してＳＯＩ基板１００の上記一表面側のシリコン酸化膜（以下、第１のシリコン酸化膜と称する）１１１ａをパターニングする第１のシリコン酸化膜パターニング工程を行うことによって、図５（ｂ）に示す構造を得る。この第１のシリコン酸化膜パターニング工程では、第１のシリコン酸化膜１１１ａのうち、可動部２０において反射膜２１ａの形成予定領域以外の部分、第１の捩りばね部３０，３０などに対応する部位などが残るように、第１のシリコン酸化膜１１１ａをパターニングする。

第１のシリコン酸化膜パターニング工程の後、ＳＯＩ基板１００の上記一表面側に所定膜厚（例えば、５００ｎｍ）の金属膜（例えば、Ａｌ−Ｓｉ膜）をスパッタ法や蒸着法などにより成膜する金属膜形成工程を行い、フォトリソグラフィ技術およびエッチング技術を利用して金属膜をパターニングすることにより各パッド１３および反射膜２１ａを形成する金属膜パターニング工程を行うことによって、図５（ｃ）に示す構造を得る。なお、本実施形態では、各パッド１３と反射膜２１ａとの材料および膜厚を同じに設定してあるので、各パッド１３と反射膜２１ａとを同時に形成しているが、各パッド１３と反射膜２１ａとの材料や膜厚が相違する場合には、各パッド１３を形成するパッド形成工程と反射膜２１ａを形成する反射膜形成工程とを別々に設ければよい。

上述の各パッド１３および反射膜２１ａを形成した後、ＳＯＩ基板１００の上記一表面側で、第１のシリコン層１００ａのうち可動フレーム部２３、ミラー部２４、一対の第１の捩りばね部３０，３０、一対の第２の捩りばね部２５，２５、外側フレーム部１０、第１の固定電極１２、第２の可動電極２２、第２の固定電極２６、第２の可動電極２７に対応する部位を覆うようにパターニングされた第１のレジスト層１３０を形成する。その後、第１のレジスト層１３０をマスクとして、第１のシリコン層１００ａを絶縁層１００ｃに達する深さ（第１の所定深さ）までエッチングすることにより第１のシリコン層１００ａをパターニングする第１のシリコン層パターニング工程（表面側パターニング工程）を行うことによって、図５（ｄ）に示す構造を得る。第１のシリコン層パターニング工程での第１のシリコン層１００ａのエッチングは、誘導結合プラズマ型のエッチング装置などのように、異方性の高いエッチングが可能なドライエッチング装置により行えばよい。また、第１のシリコン層パターニング工程では、絶縁層１００ｃをエッチングストッパ層として利用している。

上述の第１のシリコン層パターニング工程の後、ＳＯＩ基板１００の上記一表面側の第１のレジスト層１３０を除去する。その後、ＳＯＩ基板１００の上記一表面側の全面に第２のレジスト層１３１を形成する。続いて、ＳＯＩ基板１００の他表面側で、第２のシリコン層１００ｂのうち外側フレーム部１０、支持体２９に対応する部位以外を露出させるようにパターニングされた第３のレジスト層１３２を形成する。その後、第３のレジスト層１３２をマスクとして、第２のシリコン層１００ｂを絶縁層１００ｃに達する深さ（第２の所定深さ）までエッチングすることにより第２のシリコン層１００ｂをパターニングする第２のシリコン層パターニング工程を行うことによって、図５（ｅ）に示す構造を得る。第２のシリコン層パターニング工程での第２のシリコン層１００ｂのエッチングは、誘導結合プラズマ型のエッチング装置などのように、異方性が高く垂直深堀が可能なドライエッチング装置により行えばよい。また、第２のシリコン層パターニング工程では、絶縁層１００ｃをエッチングストッパ層として利用している。

上述の第２のシリコン層パターニング工程の後、ＳＯＩ基板１００の絶縁層１００ｃの不要部分をＳＯＩ基板１００の上記他表面側からエッチングする絶縁層パターニング工程を行うことでミラー形成基板１を形成する。続いて、第２のレジスト層１３１および第３のレジスト層１３２を除去する。その後、ミラー形成基板１と、第１のカバー基板２および第２のカバー基板３とを陽極接合などにより接合する接合工程を行うことによって、図５（ｆ）に示す構造の偏向器４０３を得る。

上述の接合工程では、ミラー形成基板１のミラー面２１を保護する観点から、第１のカバー基板２とミラー形成基板１とを接合する第１の接合過程を行ってから、ミラー形成基板１と第２のカバー基板３とを接合する第２の接合過程を行うことが好ましい。ここで、第１の接合過程では、先ず、第１のガラス基板２００に第１の凹部２０１や各貫通孔２０２などを形成した第１のカバー基板２とミラー形成基板１とを重ねた積層体を、所定真空度（例えば、１０Ｐａ以下）の真空中で所定の接合温度（例えば、３００℃〜４００℃程度）に加熱した状態で、第１のシリコン層１００ａと第１のカバー基板２との間に第１のカバー基板２側を低電位側として所定電圧（例えば、４００Ｖ〜８００Ｖ程度）を印加し、この状態を所定の接合時間（例えば、２０分〜６０分程度）だけ保持すればよい。また、第２の接合過程では、上述の第１の接合過程に準じて、第２のシリコン層１００ｂと第２のカバー基板３との陽極接合を行う。なお、ミラー形成基板１と各カバー基板２，３を接合する接合方法は、陽極接合に限らず、例えば、常温接合法などでもよい。また、第１のシリコン層パターニング工程の後に、ＳＯＩ基板１００と第１のカバー基板２とを接合し、その後、第２のシリコン層パターニング工程、絶縁層パターニング工程を行うことでミラー形成基板１を形成し、その後、ミラー形成基板１と第２のカバー基板３とを接合するようにしてもよい。なお、上述の偏向器４０３の製造にあたっては、接合工程が終了するまでは、ミラー形成基板１、第１のカバー基板２および第２のカバー基板３それぞれについてウェハの状態で行い、接合工程の後で、個々の偏向器４０３に分離するダイシング工程を行えばよい。

次に、偏向器４０３の動作について説明する。

偏向器４０３では、互いに対向する第１の可動電極２２と第１の固定電極１２との間に、可動部２０を駆動するためのパルス電圧を一対のパッド１３，１３を介して印加することにより、第１の可動電極２２・第１の固定電極１２間に静電力が発生し、可動部２０がｙ軸方向の軸回りで回動する。しかして、偏向器４０３では、第１の可動電極２２・第１の固定電極１２間に所定の駆動周波数のパルス電圧を印加することにより、周期的に静電力を発生させることができ、可動部２０を揺動させることができる。

ここで、上述の可動部２０は、内部応力に起因して、静止状態でも水平姿勢（ｘｙ平面に平行な姿勢）ではなく、きわめて僅かであるが傾いているので、例えば、第１の可動電極２２・第１の固定電極１２間にパルス電圧が印加されると、静止状態からであっても、可動部２０に略垂直な方向（ｚ軸方向）の駆動力が加わり、可動部２０が一対の第１の捩りばね部３０，３０を回動軸として当該一対の第１の捩りばね部３０，３０を捩りながら回動する。そして、第１の可動電極２２・第１の固定電極１２間の駆動力を、可動櫛歯片２２ｂと固定櫛歯片１２ｂとが完全に重なりあうような姿勢となったときに解除すると、可動部２０は、慣性力により、一対の第１の捩りばね部３０，３０を捩りながら回動し続ける。そして、可動部２０の回動方向への慣性力と、一対の第１の捩りばね部３０，３０の復元力とが等しくなったとき、当該回動方向への可動部２０の回動が停止する。このとき、第１の可動電極２２・第１の固定電極１２間に再びパルス電圧が印加されて静電力が発生すると、可動部２０は、一対の第１の捩りばね部３０，３０の復元力と第１の可動電極２２・第１の固定電極１２間の駆動力とにより、それまでとは逆の方向への回動を開始する。可動部２０は、第１の可動電極２２・第１の固定電極１２間の駆動力と一対の第１の捩りばね部３０，３０の復元力とによる回動を繰り返して、一対の捩りばね部３０，３０を回動軸として揺動する。

なお、第１の可動電極２２・第１の固定電極１２間への駆動電圧の印加形態や周波数は特に限定するものではなく、例えば、第１の可動電極２２・第１の固定電極１２間に印加する電圧を正弦波電圧としてもよい。

ところで、偏向器４０３は、例えば、第１の可動電極２２と第２の固定電極２６とが電気的に接続されたパッド１３ａの電位を基準電位として、第１の固定電極１２および第２の可動電極２７それぞれの電位を周期的に変化させることにより、可動部２０を一対の第１の捩りばね部３０，３０の軸回りで回動させることができるとともに、ミラー部２４を一対の第２の捩りばね部２５，２５の軸回りで回動させることができる。要するに、本実施形態における偏向器４０３では、対向する第１の固定電極１２と第１の可動電極２２との間に、可動部２０を駆動するためのパルス電圧を一対のパッド１３ｂ，１３ａを介して印加することにより、第１の固定電極１２・第１の可動電極２２間に静電力が発生し、可動部２０がｙ軸方向の軸回りで回動する。また、この偏向器４０３では、対向する第２の固定電極２６と第２の可動電極２７との間に、ミラー部２４を駆動するためのパルス電圧を一対のパッド１３ａ，１３ｃを介して印加することにより、第２の固定電極２６・第２の可動電極２７間に静電力が発生し、ミラー部２４がｘ軸方向の軸回りで回動する。しかして、本実施形態における偏向器４０３では、第２の固定電極２６・第２の可動電極２７間に所定の第１の駆動周波数のパルス電圧を印加することにより、周期的に静電力を発生させることができ、可動部２０のミラー部２４を揺動させることができ、さらに、第１の固定電極１２・第１の可動電極２２間に所定の第２の駆動周波数のパルス電圧を印加することにより、周期的に静電力を発生させることができ、可動部２０全体を揺動させることができる。なお、ミラー形成基板１は、外側フレーム部１０と第１のカバー基板２とで囲まれた空間側において、第１のシリコン層１００ａの反射膜２１ａが形成されていない部位の表面に、シリコン酸化膜１１１ａ（図５（ｆ）参照）が形成されている。

本実施形態における偏向器４０３では、第１の固定電極１２・第１の可動電極２２間に、可動部２０と一対の第１の捩りばね部３０，３０と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ることにより、可動部２０が共振現象を伴って駆動され、機械振れ角（ｘｙ平面に平行な水平面を基準としたときの傾き）が大きくなる。また、本実施形態における偏向器４０３では、第２の固定電極２６・第２の可動電極２７間に、ミラー部２４と一対の第２の捩りばね部２５，２５と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ることにより、ミラー部２４が共振現象を伴って駆動され、機械振れ角（可動フレーム部２３における第１のカバー基板２側の表面に平行な面を基準としたときの傾き）が大きくなる。

ところで、上述の制御装置５００は、光ビームＬＢ２が水平方向に走査されるように第２の可動電極２７・第２の固定電極２６間に第１の駆動周波数の駆動電圧を印加する水平駆動回路５０１と、光ビームＬＢ２が垂直方向に走査されるように第１の可動電極２２・第１の固定電極１２間に第２の駆動周波数の駆動電圧を印加する垂直駆動回路５０２とを備えている。なお、偏向器４０３の配置によっては、水平駆動回路５０１が、第１の可動電極２２・第１の固定電極１２間に第１の駆動周波数の駆動電圧を印加するようにし、垂直駆動回路５０２が、第２の可動電極２７・第２の固定電極２６間に第２の駆動周波数の駆動電圧を印加するようにしてもよい。

また、制御装置５００は、水平駆動回路５０１を制御する第１の制御手段である第１の制御部５１１と、垂直駆動回路５０２を制御する第２の制御手段である第２の制御部５１２とを備えている。

また、制御装置５００は、クロック信号を発生するクロック発生部５１０を備えている。ここで、クロック発生部５１０は、例えば、水晶発振器などにより構成すればよい。

また、制御装置５００は、偏向器４０３により光ビームＬＢ２を垂直方向および水平方向に走査させることにより形成する画像の離散的な画素位置ごとに、画素位置に対応付けられた画素データに基づいて光源４１１の出力をクロック信号に同期して制御する第３の制御手段である第３の制御部５１３を備えている。ここで、第３の制御部５１３は、光源４１１を駆動する光源駆動回路５０３を介して光源４１１の出力を制御する。第１の制御部５１１と第２の制御部５１２と第３の制御部５１３とは、例えば、適宜のプログラムを搭載したマイクロコンピュータなどにより構成すればよい。画素データは、例えば、表示部４１０に対して図１（ｃ）に示すような画像を表示させるために必要な画像データにおける各画素ごとのデータであり、光源４１１から出射させるべき光ビームＬＢ２の強度や色などの情報を含んでいる。なお、画素ごとの画素データを有する画像データは、外部から制御装置５００へ与えられるようにしてもよいし、第３の制御部５１３の内部メモリあるいは外部メモリに記憶しておき、第３の制御部５１３が、適宜読み出すようにしてもよい。

また、制御装置５００は、クロック発生部５１０から発生するクロック信号をカウントする第１のカウンタ５３１および第２のカウンタ５３２を備えている。第１のカウンタ５３１は、偏向器４０３が光ビームＬＢ２を水平走査する際の第１の基準位置に戻るたびにカウント数がリセットされ、また、第２のカウンタ５３２は、偏向器４０３が光ビームＬＢ２を垂直走査する際の第２の基準位置に戻るたびにカウント数がリセットされる。ここにおいて、制御装置５００は、偏向器４０３が光ビームＬＢ２を水平走査する際の第１の基準位置（ここでは、可動フレーム部２３に対してミラー部２４０が傾いていない位置）にあるか否かを特定する第１の基準位置特定手段５２１と、偏向器４０３が光ビームＬＢ２を垂直走査する際の第２の基準位置（ここでは、固定フレーム部１０に対して可動部２０の可動フレーム部２３が傾いていない位置）にあるか否かを特定する第２の基準位置特定手段５２２とを備えている。

ところで、制御装置５００は、第１の基準位置特定手段５２１で第１の基準位置を特定するとともに、第２の基準位置特定手段５２２で第２の基準位置を特定するために、水平駆動回路５０１から偏向器４０３の第２の可動電極２７・第２の固定電極２６間に印加する第１の駆動周波数の駆動電圧に、当該駆動電圧に比べて高周波の第１の電圧（以下、第１の基準位置特定電圧と称する）を重畳させるとともに、垂直駆動回路５０２から偏向器４０３の第１の可動電極２２・第１の固定電極１２間に印加する第２の駆動周波数の駆動電圧に、当該駆動電圧に比べて高周波の第２の電圧（以下、第２の基準位置特定電圧と称する）を重畳させるようにしている。ここにおいて、第１の基準位置特定電圧および第２の基準位置特定電圧の波形は、正弦波であることが好ましい。

ここで、可動フレーム部２３に対するミラー部２４の相対的な位置（機械振れ角）の変化に応じて、第２の可動電極２７・第２の固定電極２６間の静電容量に変化が生じ、第１の基準位置特定電圧に基づく電流値（振幅）に微小な変化が生じる。この電流値は、第１の基準位置、すなわち機械振れ角がゼロのときに最も大きくなる。このことから、第１の基準位置特定手段５２１において、第２の固定電極２６に接続されているパッド１３ｃを流れる電流を監視することにより、偏向器４０３が第１の基準位置にあるか否かを知ることができる。また、固定フレーム部１０に対する可動フレーム部２３の相対的な位置（機械振れ角）の変化に応じて、第１の可動電極２２・第１の固定電極１２間の静電容量に変化が生じ、第２の基準位置特定電圧に基づく電流値（振幅）に微小な変化が生じる。このことから、第２の基準位置特定手段５２２において、第１の固定電極１２に接続されているパッド１３ｂを流れる電流を監視することにより、偏向器４０３が第２の基準位置にあるか否かを知ることができる。

第１の基準位置特定手段５２１は、例えば、第１の駆動周波数よりも高周波の第１の基準位置特定電圧の周波数成分を通過させる第１のバンドパスフィルタと、第１のバンドパスフィルタの出力の振幅成分を取り出す第１の検波回路と、第１の検波回路の出力が第１の規定値以上、すなわち、偏向器４０３が第１の基準位置にあるときであれば“１”、第１の規定値未満であれば“０”を出力する第１のＡ／Ｄ変換器と、第１のＡ／Ｄ変換器の出力が“１”のときに第１のカウンタ５３１にリセット信号を出力する第１のリセット回路とで構成すればよい。また、第２の基準位置特定手段５２２は、例えば、第２の駆動周波数よりも高周波の第２の基準位置特定電圧の周波数成分を通過させる第２のバンドパスフィルタと、第２のハイパスフィルタの出力の振幅成分を取り出す第２の検波回路と、第２の検波回路の出力が第２の規定値以上、すなわち、偏向器４０３が第２の基準位置にあるときであれば“１”、第２の規定値未満であれば“０”を出力する第２のＡ／Ｄ変換器と、第２のＡ／Ｄ変換器の出力が“１”のときに第２のカウンタ５３２にリセット信号を出力する第２のリセット回路とで構成すればよい。

さらに、制御装置５００は、光ビームＬＢ２が走査される画素位置の水平座標を第１のカウンタ５２１のカウント数に基づいて特定する水平座標特定手段５４１と、光ビームＬＢ２が走査される画素位置の垂直座標を第２のカウンタ５３２のカウント数に基づいて特定する垂直座標特定手段５４２とを有している。なお、水平座標特定手段５４１および垂直座標特定手段５４２は、例えば、上述のマイクロコンピュータに適宜のプログラムを搭載することより実現できる。

そして、第３の制御部５１３は、水平座標特定手段５４１により特定された水平座標と垂直座標特定手段５４２により特定された垂直座標とで画素位置を特定する。

なお、本実施形態では、図２に示すように、任意の画素位置の水平座標をｘ、垂直座標をｙとし、偏向器４３０が第１の基準位置にある場合の水平座標を０、偏向器４３０が第２の基準位置にある場合の垂直座標を０、偏向器４３０が水平方向において光ビームＬＢ２を最大変位させている場合の水平座標をｘ₀，−ｘ₀、偏向器４３０が垂直方向において光ビームＬＢ２を最大変位させている場合の垂直座標をｙ₀，−ｙ₀とし、第１の駆動周波数をｆ₁、第２の駆動周波数をｆ₂、時間をｔとすると、画素位置の座標（ｘ，ｙ）は、
（ｘ₀・sin（２πｆ₁ｔ），ｙ₀・sin（２πｆ₂ｔ））
となる。

以上説明した本実施形態の光ビーム走査装置では、制御装置５００が、上述のように、水平駆動回路５０１と、垂直駆動回路５０２と、クロック発生部５１０と、第１の制御部５１１と、第２の制御部５１２と、第３の制御部５１３と、第１のカウンタ５３１と、第２のカウンタ５３２と、水平座標特定手段５４１と、垂直座標特定手段５４２とを有し、第３の制御部５１３が、水平座標特定手段５４１により特定された水平座標と垂直座標特定手段５４２により特定された垂直座標とで画素位置を特定して光源４１１を制御するから、偏向器４０３の駆動周波数である第１の駆動周波数および第２の駆動周波数の設定自由度を高めることが可能となる。

（実施形態２）
本実施形態では、実施形態１において説明した光ビーム走査装置を備えたセンサ装置について図６〜図１０を参照しながら説明する。なお、実施形態１と同様の構成要素には同一の符号を付して説明を適宜省略する。

センサ装置は、図７（ａ），（ｂ）に示すように、検知対象空間４０５内の物体４０６を検知するものであり、光ビーム走査装置の他に、物体４０６を検知するための検知用光ビームＬＢ１を出射する検知用光源４０１を備えている。

また、センサ装置は、光ビーム走査装置において光源（以下、表示用光源と称する）４１１からの光ビーム（以下、表示用光ビームと称する）ＬＢ２を二次元的に走査することにより形成される画像が表示される表示部４１０と、表示用光ビームＬＢ２を偏向器４０３側へ反射し且つ検知用光ビームＬＢ１を反射および透過するハーフミラー４０２とを備えている。

また、センサ装置は、検知用光源４０１とハーフミラー４０２との間に位置するダイクロイックミラー４１２を備えている。このダイクロイックミラー４１２は、表示用光源４１１から出射された表示用光ビームＬＢ２をハーフミラー４０２側へ反射させ且つ検知用光源４０１からの検知用光ビームＬＢ１を透過させるように光学設計されている。

ここにおいて、センサ装置は、表示用光源４１１と偏向器４０３との間の第１の光軸と、検知用光源４０１と偏向器４０３との間の第２の光軸とを、ダイクロイックミラー４１２・偏向器４０３間で一致させてある。

さらに、センサ装置は、ハーフミラー４０２を挟んで偏向器４０３の反対側に位置し表示部４１０側で反射された後に偏向器４０３で反射されハーフミラー４０２を透過した検知用光ビームＬＢ１を検出する光検出部４０４と、光検出部４０４の出力に基づいて偏向器４０３と表示部４１０との間の検知対象空間４０５における物体４０６の有無を判断する判断部（図示せず）とを備えている。上記判断部は、光ビーム走査装置の制御装置５００に設けてもよい。なお、上記判断部は、例えば、マイクロコンピュータなどに適宜のプログラムを搭載することにより実現すればよい。

検知用光源４０１としては、検知用光ビームＬＢ１として赤外光を出射する半導体レーザを用いている。

なお、図７に関して、（ａ）中の一点鎖線は光軸を示し、（ｂ）中の実線の矢印は、検知用光源４０１から出射された検知用光ビームＬＢ１の検知対象空間４０５への進行経路を示し、（ｃ）中の実線の矢印は、表示部４１０で反射された検知用光ビームＬＢ１の進行経路を示し、（ｄ）中の実線の矢印は、表示用光源４１１から出射された光ビームＬＢ２の表示部４１０までの進行経路を示している。

上述のセンサ装置では、光ビーム走査装置により、表示部４１０に所定の画像（例えば、図１１に示すような仮想のスイッチ４４０の像）を表示させることができる。また、センサ装置は、表示部４１０に画像を表示させるための光学系と物体４０６を検知するための光学系とでハーフミラー４０２を共用しているので、部品点数を削減でき、小型化および軽量化を図ることができる。

また、光検出部４０４は、赤外光に対して感度を有するフォトダイオードであり、受光光量に応じて出力が変化する。したがって、センサ装置では、検知用光ビームＬＢ１の光路上の物体４０６の有無に応じて、検知対象空間４０５内で検知用光ビームＬＢが反射される反射面の反射率が変化することにより、光検出部４０４の受光光量が変化する。すなわち、検知対象空間４０５において検知用光ビームＬＢ１の光路上に物体４０６が存在しない場合には、表示部４１０により反射面の反射率が決まるが、検知対象空間４０５において検知用光ビームＬＢ１の光路上に物体４０６が有る場合には、物体４０６により反射面の反射率が決まるので、反射面の反射率の差に応じて光検出部４０４の受光光量が変化する。

また、センサ装置は、ハーフミラー４０２と光検出部４０４との間に位置するレンズ４０７を備えている。このレンズ４０７は、ハーフミラー４０２を透過した検知用光ビームＬＢ１を光検出部４０４の受光面４０４ａに集光するためのものである。

レンズ４０７は、両凸レンズであり、表示部４１０に対して結像関係になる位置に配置されている。要するに、レンズ４０７は、図９（ａ）に示すように、検知用レーザ光ＬＢ１の光路上に物体４０６が存在しない場合に、光検出部４０４の光軸の方向において結像面が光検出部４０４の受光面４０４ａに一致するように配置されており、光検出部４０４の受光面４０４ａの位置で、検知用光ビームＬＢ１のスポット径が最小スポット径となる。したがって、図９（ｂ）に示すように、検知用光ビームＬＢ１の光路上に物体４０６が存在する場合には、光検出部４０４の光軸の方向において結像面の位置がずれる。その結果、検知用光ビームＬＢ１の光検出部４０４での像４１４（図９（ｃ）参照）が広がる（いわゆる像高が変化する、言い換えれば、ピントが合わずにぼけが生じる）ので、物体４０６の有無による光検出部４０４の受光光量の変化を大きくすることが可能となる。例えば、光検出部４０４の受光面４０４ａの直径が１ｍｍで、図９（ａ）のように、検知用光ビームＬＢ１の光路上に物体４０６が存在しない場合の像高が１ｍｍであるとし、図９（ｂ）のように、検知用光ビームＬＢ１の光路上に物体４０６が存在した場合の像高が２ｍｍであるとすると、光検出部４０４での受光光量が激減する。したがって、物体４０６の反射率と表示部４１０の反射率の差とが比較的小さい場合でも、物体４０６の有無による受光光量の変化が大きくなる。

ところで、表示部４１０として検知用光ビームＬＢ１の反射光の輝度が、ランバートの余弦則（Lambert’s cosine law）に従うスクリーン（つまり、表示部４１０が検知用光ビームＬＢ１をランバート反射するスクリーン）を用いた場合には、物体４０６の存在しない場合の光検出部４０４の受光光量が小さく、物体４０６の有無による光検出部４０４の受光光量の変化が小さいので、Ｓ／Ｎ比が小さくなる。

そこで、表示部４１０は、検知用光ビームＬＢ１を再帰反射するスクリーンにより構成することが好ましい。要するに、表示部４１０を構成するスクリーンとしては、いわゆる再帰性反射スクリーンを用いることが好ましい。再帰性反射スクリーンは、入射光と同じ方向に反射光を出射させるスクリーンであり、高い反射指向性を有している。したがって、表示部４１０として、再帰性反射スクリーンを用いれば、物体４０６の存在しない場合の光検出部４０４の受光光量を大きくすることができ、物体４０６の有無による光検出部４０４の受光光量の変化を大きくすることが可能となり、Ｓ／Ｎ比を大きくすることが可能となる。これにより、センサ装置では、光検出部４０４の出力のＳ／Ｎ比の向上が可能となり、物体４０６の検知精度の向上を図れる。

再帰性反射スクリーンなどに用いる再帰性反射体としては、光を屈折させるためのガラスビーズを２次元的に配列した反射シートや、光を屈折させるためのプリズムレンズなどを２次元的に配列した反射シートなどが知られている。

上述のセンサ装置は、図１０に示すように、検知用光源４０１、ハーフミラー４０２、偏向器４０３、光検出部４０４、表示用光源４１１、ダイクロイックミラー４１２、レンズ４０７などを収納する筐体４２０を備えている。なお、筐体４２０内には、偏向器４０３で反射され検知対象空間４０５側へ向う検知用光ビームＬＢ１（図７（ｂ）参照）および表示用光ビームＬＢ２（図７（ｄ）参照）、並びに、検知対象空間４０５内の表示部４１０や物体４０６で反射され偏向器４０３へ向う検知用光ビームＬＢ１（図７（ｃ）参照）、を通過させる通過部（図示せず）が形成されている。この通過部は、貫通孔でもよいし、検知用光ビームＬＢ１および表示用光ビームＬＢ２を透過する材料により形成されたものでもよい。また、筐体４２０内には、検知用光源４０１、ハーフミラー４０２、偏向器４０３、光検出部４０４、表示用光源４１１、ダイクロイックミラー４１２、レンズ４０７などを位置決めして保持する保持部材（図示せず）が配置されている。

ところで、上述のセンサ装置では、検知用光ビームＬＢ１の一部が、ハーフミラー４０２や偏向器４０３などで散乱されたり、筐体４２０の内面で反射されたりして、光検出部４０４の受光面４０４ａに到達する迷光となってしまい、光検出部４０４の出力のＳ／Ｎ比が低下してしまう懸念がある。

そこで、センサ装置は、検知用光ビームＬＢ１および表示用光ビームＬＢ２の光路の周辺に配置され迷光を遮る遮光用部材４３０を備えることが好ましい。センサ装置では、遮光用部材４３０を設けることにより、光検出部４０４に到達する迷光を低減でき、光検出部４０４の出力のＳ／Ｎ比の向上を図れる。遮光用部材４３０は、黒色の樹脂の成形品により構成してあるが、迷光を遮ることができればよく、遮光用部材４３０の材料や形成方法は特に限定するものではない。なお、図１０に示した例では、６個の遮光用部材４３０を設けてあるが、遮光用部材４３０の数は特に限定するものではなく、１個でもよい。

また、センサ装置は、筐体４２０の内面が、迷光を散乱する粗面となっていることが好ましい。これにより、センサ装置は、光検出部４０４の受光面４０４ａに到達する迷光を低減することが可能となる。筐体４２０の内面を粗面とする加工方法としては、例えば、ブラスト加工などがある。また、筐体４２０の内面に入射して光検出部４０４の受光面４０４ａに到達する迷光を低減する手段は、筐体４２０の内面を粗面とする例に限らない。例えば、筐体４２０の材料が金属の場合には、筐体４２０の内面側を黒色の塗装材料により塗装してもよいし、黒色のアルマイトを形成してもよい。

以上説明した本実施形態のセンサ装置では、実施形態１にて説明した光ビーム走査装置と、画像が表示される表示部４１０と、検知用光ビームＬＢ１を出射する検知用光源４０１と、表示用光ビームＬＢ２を偏向器４０３側へ反射し且つ検知用光ビームＬＢ１を反射および透過するハーフミラー４０２と、検知用光源４０１とハーフミラー４０２との間に位置し表示用光源４１１から出射された光ビームＬＢ２をハーフミラー４０２側へ反射させ且つ検知用光源４０１からの検知用光ビームＬＢ１を透過させるダイクロイックミラー４１２と、ハーフミラー４０２を挟んで偏向器４０３の反対側に位置し表示部４１０側で反射された後に偏向器４０３で反射されハーフミラー４０２を透過した検知用光ビームＬＢ１を検出する光検出部４０４と、光検出部４０４の出力に基づいて偏向器４０３と表示部４１０との間の検知対象空間４０５における物体４０６の有無を判断する上記判断部とを備え、表示用光源４１１と偏向器４０３との間の第１の光軸と、検知用光源４０１と偏向器４０３との間の第２の光軸とを、ダイクロイックミラー４１２・偏向器４０３間で一致させてあるので、偏向器４０３の駆動周波数である第１の駆動周波数および第２の駆動周波数それぞれの設定自由度を高めることが可能となり、小型化を図りながらも、検知対象空間４０５を広くすることが可能となり、また、検知対象空間４０５内での検知用光ビームＬＢ１と表示用光ビームＬＢ２との光路を精度良く一致させることが可能となる。なお、物体４０６は、特に人の手の指に限定するものではない。

また、本実施形態のセンサ装置では、検知用光源４０１−偏向器４０３間の光軸と、偏向器４０３−光検出部４０４間の光軸とを、偏向器４０３−ハーフミラー４０２間で一致させてあるので、これら２つの光軸が一致しない場合（例えば、交差する場合）に比べて、小型化および軽量化を図ることができる。

本実施形態のセンサ装置は、例えば、図１１に示すように、屋内の壁面４６０においてドア４７０の近くに表示部４１０を設置し、表示部４１０に、外部機器（例えば、照明器具、エアコン、テレビなど）をオンオフ制御するための仮想のスイッチ（以下、バーチャルスイッチと称する）４４０の画像を表示させることができるとともに、検知対象空間４０５内の任意の位置での物体４０６の有無を検知することが可能となる。図１１の例では、バーチャルスイッチ４４０の画像において、“ＯＮ”の文字の左側の四角形の像からなる仮想の第１のスイッチ要素４４１の位置に物体４０６が有る場合と、“ＯＦＦ”の文字の左側の四角形の像からなる仮想の第２のスイッチ要素４４２の位置に物体４０６が有る場合とを、上記判断部において判別することが可能となる。したがって、上記判断部の判別結果に応じて、外部機器と当該外部機器へ電力を供給する電源との間に挿入されているスイッチをオンオフ制御するためのリモートコントロール信号を外部機器へ送信する送信部（アンテナなど）を設けておけば、屋内の壁などの造営材に埋込型の配線器具の一種である埋込型のスイッチなどを埋め込むための埋込穴を形成したり、埋込型の配線器具を施工するための先行配線を壁裏などに設けたりすることなく、表示部４１０を造営材の表面からなる壁面４６０に設置することによりバーチャルスイッチ４４０を設けることが可能となる。なお、表示部４１０を造営材に設置するにあたっては、例えば、予め裏面側に設けられた感圧性の接着剤などにより造営材に貼り付ければよい。

１０ 固定フレーム部
２１ ミラー面
２３ 可動フレーム部
２４ ミラー部
２５ 第２の捩ればね部
３０ 第１の捩ればね部
４０１ 検知用光源
４０２ ハーフミラー
４０３ 偏向器
４０４ 光検出部
４１０ 表示部
４１１ 光源
４１２ ダイクロイックミラー
５００ 制御装置
５０１ 水平駆動回路
５０２ 垂直駆動回路
５１０ クロック発生部
５１１ 第１の制御部（第１の制御手段）
５１２ 第２の制御部（第２の制御手段）
５１３ 第３の制御部（第３の制御手段）
５３１ 第１のカウンタ
５３２ 第２のカウンタ
５４１ 水平座標特定手段
５４２ 垂直座標特定手段
ＬＢ１ 検知用光ビーム
ＬＢ２ 光ビーム

Claims (2)

1. 光源と、前記光源から出射される光ビームを反射させ前記光ビームを垂直方向および水平方向に走査可能なＭＥＭＳデバイスからなる偏向器と、前記光源および前記偏向器を制御する制御装置とを備え、前記偏向器は、外側フレーム部と、前記外側フレーム部の内側に配置され一対の第１の捩ればね部を介して前記外側フレーム部により支持された可動フレーム部と、前記可動フレーム部の内側に位置し前記第１の捩ればね部の並設方向に直交する方向に並設された一対の第２の捩ればね部を介して前記可動フレーム部に支持され前記光ビームを反射するミラー面が形成されたミラー部と、前記外側フレーム部において前記可動フレーム部側に設けられた第１の固定電極と、前記可動フレーム部において前記外側フレーム部側に設けられた第１の可動電極と、前記可動フレーム部において前記ミラー部側に設けられた第２の固定電極と、前記ミラー部において前記可動フレーム部側に設けられた第２の可動電極とを有し、前記制御装置は、前記光ビームが水平方向に走査されるように前記第１の可動電極・前記第１の固定電極間と前記第２の可動電極・前記第２の固定電極間との一方に第１の駆動周波数の駆動電圧を印加する水平駆動回路と、前記光ビームが垂直方向に走査されるように前記第１の可動電極・前記第１の固定電極間と前記第２の可動電極・前記第２の固定電極間との他方に第２の駆動周波数の駆動電圧を印加する垂直駆動回路と、クロック信号を発生するクロック発生部と、前記水平駆動回路を制御する第１の制御手段と、前記垂直駆動回路を制御する第２の制御手段と、前記偏向器により前記光ビームを垂直方向および水平方向に走査させることにより形成する画像の離散的な画素位置ごとに、前記画素位置に対応付けられた画素データに基づいて前記光源の出力を前記クロック信号に同期して制御する第３の制御手段と、前記クロック発生部から発生するクロック信号をカウントし前記偏向器が前記光ビームを水平走査する際の第１の基準位置に戻るたびにカウント数がリセットされる第１のカウンタと、前記クロック発生部から発生するクロック信号をカウントし前記偏向器が前記光ビームを垂直走査する際の第２の基準位置に戻るたびにカウント数がリセットされる第２のカウンタと、前記光ビームが走査される前記画素位置の水平座標を前記第１のカウンタのカウント数に基づいて特定する水平座標特定手段と、前記光ビームが走査される前記画素位置の垂直座標を前記第２のカウンタのカウント数に基づいて特定する垂直座標特定手段とを有し、前記第３の制御手段は、前記水平座標特定手段により特定された水平座標と前記垂直座標特定手段により特定された垂直座標とで前記画素位置を特定することを特徴とする光ビーム走査装置。
2. 請求項１記載の光ビーム走査装置と、前記画像が表示される表示部と、検知用光ビームを出射する検知用光源と、前記光ビームを前記偏向器側へ反射し且つ前記検知用光ビームを反射および透過するハーフミラーと、前記検知用光源と前記ハーフミラーとの間に位置し前記光源から出射された前記光ビームを前記ハーフミラー側へ反射させ且つ前記検知用光源からの前記検知用光ビームを透過させるダイクロイックミラーと、前記ハーフミラーを挟んで前記偏向器の反対側に位置し前記表示部側で反射された後に前記偏向器で反射され前記ハーフミラーを透過した前記検知用光ビームを検出する光検出部と、前記光検出部の出力に基づいて前記偏向器と前記表示部との間の検知対象空間における物体の有無を判断する判断部とを備え、前記光源と前記偏向器との間の第１の光軸と、前記検知用光源と前記偏向器との間の第２の光軸とを、前記ダイクロイックミラー・前記偏向器間で一致させてあることを特徴とするセンサ装置。

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