JP2012168444A

JP2012168444A - 偏向反射装置補正システム、及び映像表示装置

Info

Publication number: JP2012168444A
Application number: JP2011030823A
Authority: JP
Inventors: 啓行 ▲高▼橋; Hiroyuki Takahashi
Original assignee: Ricoh Co Ltd
Current assignee: Ricoh Co Ltd
Priority date: 2011-02-16
Filing date: 2011-02-16
Publication date: 2012-09-06

Abstract

【課題】受光素子が使えないオープンシステムでも使用可能で、且つ、スキャンミラー近傍の磁石による検知を不要として、低コストに実現可能な偏向反射装置補正システムを提供する。
【解決手段】本発明の偏向反射装置補正システム４０は、ミラー１３を略中心部に保持してフレーム部分を構成する振動子１８、及び振動子１８に形成され、振動子１８を主走査方向、又は／及び、副走査方向に偏向させる駆動素子２、３、６、７、１０、１１並びに振動子１８の偏向量に応じた電圧を発生する検知素子１、４、５、８、９、１２から成る複数の圧電素子を備えた圧電アクチュエータ駆動検知素子と、各駆動素子に電圧を印加する駆動部５１と、各検知素子により検知した振動子１８の偏向量を検知する検知部５２と、検知素子に直流バイアス電圧Ｖｄｃを印加する直流電源１３と、直流電源１３の出力電圧を制御する直流制御部１４と、を備えて構成される。
【選択図】図６

Description

本発明は、偏向反射装置補正システム、及び映像表示装置に関して、特に、偏向反射装置補正システムの経時変化による特性変化を補正する回路構成に関するものである。

圧電素子は、分極方向に電圧を印加すると印加電圧の電位に比例した歪みを生じる、いわゆる逆圧電効果を発揮することが知られている。従来、この圧電素子を利用して被駆動体に駆動力を伝達するようにした圧電アクチュエータが実現されている。
圧電アクチュエータに用いられる圧電素子は、例えば、永久磁石のように一方向に分極されている状態で駆動力を発揮するものであり、その分極方向両端面に電極を形成し、この電極間に駆動回路の出力を接続することで駆動力を得ることができる。前述の分極は、素子の組成を考慮し、ある一定の直流電圧を一定時間印加し続けることで得られる。一度分極が得られた素子は、一般的に分極を与えた電圧方向とゼロの間で電圧を印加して駆動させる。このように、圧電素子は電圧を印加することで駆動力を得るものである。他方、外部から力を受けて歪みが発生すると、そこに起電圧が発生する。即ち、圧力センサとしての機能も有している。つまり、駆動用の圧電素子の近傍に検知用の圧電素子を配置することで、近傍の歪みの状態をセンシングすることができる。

図１１は圧電アクチュエータ駆動検知素子を用いた従来の全体システムを表す図である。主走査の駆動側のＶＭｓ、ＶＭｇ間に駆動部５１が接続され、主走査の検知側のＳＭｓ−ＳＭｇ間に検知部５２が接続されている。図では主走査側の接続のみを示しているが、副走査チャネル１（ＶＳ１ｓ−ＶＳ１ｇ間）及び２（ＶＳ２ｓ−ＶＳ２ｇ間）にも駆動部５１ａが接続され、更に副走査チャネル１（ＳＳ１ｓ−ＳＳ１ｇ間）、２（ＳＳ２ｓ−ＳＳ２ｇ間）にも検知部５２ａが接続されている。従来から、画像を投影するミラーの温度が変化した場合、主走査又は／及び副走査の振幅が変わってしまうという問題があった。ミラーの温度が変化する要因としては、画像の明るさの違いによって生じるミラー表面温度の変化が素子の温度変化となって機械的定数が変化すること、及び、周囲温度の変化、等が挙げられる。これは比較的短時間で起こる変化であり、従来技術による補正で対応できた。しかしながら、経時変化による圧電素子、振動子の特性の変化によって共振周波数そのものが変化してしまい、初期の主走査、又は／及び副走査の周波数では必要な振幅が得られなくなってしまうという問題には、図１１に記載の従来のシステムでは対応が困難であった。

また、従来技術として特許文献１には、圧電アクチュエータ駆動検知素子（文献では偏向反射器と表現）を用いた映像表示装置が開示されている。この映像表示装置においては、主走査用アクチュエータと副走査用アクチュエータを同一の素子上に形成し駆動している。
また、特許文献２でも同様に主走査と副走査を同一の素子上に形成し駆動している。更に、スキャンミラー近傍に磁石を置いて検知する方法、及び、光投射領域外に受光素子を設けてオーバースキャンして光路を検知する方法が述べられている。オーバースキャンとは、本来必要な光の振幅以上にアクチュエータの振幅を大きくとり、表示エリア外に受光素子を設けて、そこを横切るように光をスキャンさせて振幅を得る手法である。
また、特許文献３では、主走査、副走査各々別の光スキャナを用いた光スキャナ装置が示されており、デバイス上に素子の動作を検知する応力検出素子が設けられている。これを用いた検知の方法、及び、特許文献２と同様に光投射領域外に受光素子を設けてオーバースキャンして光路を検知する方法が述べられている。
また、特許文献４は、構成はほぼ特許文献３と同様であるが、特許文献３では共振周波数にて常に安定した駆動を行うことを目的とし、補正値演算部で補正しているのに対し、特許文献４では温度特性のあるセンサでも安定した光スキャナの駆動状態検出を行うことを目的とし、演算テーブルを用いて補正するようにしている。

しかし、特許文献１に開示されている従来技術は、駆動方法は本発明と類似しているが、経時変化による特性変化を補正することはできない。また、特許文献２〜３には光をオーバースキャンさせて振幅を得る手法が述べられているが、光学的に閉じていないシステム、即ち全ての光路を画像や映像として表示するシステム（オープンシステム）においては、受光素子を光路上に配置することができず、その手法そのものを使うことが出来ないという問題があった。また、スキャンミラー近傍に磁石を置いて検知する方法においては、圧電アクチュエータ駆動検知システムを実現させるためのコストが高くなってしまうという問題があった。
本発明は、かかる課題に鑑みてなされたものであり、偏向反射装置補正システムにおいて、共振周波数を補正することによって、経時変化による特性変化を補正することが可能で、受光素子が使えないオープンシステムでも使用可能で、且つ、スキャンミラー近傍の磁石による検知を不要として、低コストに実現可能な偏向反射装置補正システムを提供することを目的とする。

本発明はかかる課題を解決するために、請求項１は、反射部材を略中心部に保持した可動部を主走査方向、又は／及び、副走査方向に偏向させる駆動素子及び該可動部の偏向量に応じた電圧を発生する検知素子から成る複数の圧電素子を備えた偏向反射器と、前記駆動素子に電圧を印加する駆動部と、前記検知素子により検知した前記可動部の偏向量を検知する検知部と、を備えた偏向反射装置の特性変化を補正する偏向反射装置補正システムであって、前記検知素子に直流バイアス電圧を印加する直流電源と、該直流電源の出力電圧を制御する直流電源制御手段と、を備え、前記検知素子は、抵抗素子を介して前記直流電源に接続されると共に、容量素子を介して前記検知部に接続されていることを特徴とする。
本発明の偏向反射装置補正システムは、従来のシステムに直流バイアス電圧を印加している点が異なる。従来のシステムにおいては、経時変化で圧電素子、及び可動部の共振周波数が変化してしまい、初期の主走査又は／及び副走査の周波数では必要な振幅が得られなくなってしまうという問題があった。そこで本発明では、圧電素子で構成される検知素子に直流バイアス電圧を印加することにより、その電圧で検知素子を伸縮させて共振周波数を制御することにより、経時変化によって変化した共振周波数を補正することができる。
請求項２は、前記検知素子に交流バイアス電圧を印加する交流電源と、該交流電源の出力電圧を制御する交流電源制御手段と、を更に備え、前記検知素子は、抵抗素子と容量素子の直列回路を介して前記交流電源に接続されていることを特徴とする。
共振周波数を直流バイアス電圧で調整するには限度がある。それに対して、交流バイアス電圧は、共振周波数を微調整することができる。そこで本発明では、直流バイアスに交流バイアスを重畳するために、交流電源をさらに備えて、抵抗素子と容量素子の直列回路を介して検知素子に接続した。これにより、共振周波数の微調整が可能となる。

請求項３は、前記交流電源を制御する制御信号として、前記交流電源制御手段、又は前記駆動部の何れか一方を選択する選択手段を備えたことを特徴とする。
経時変化により共振周波数が変化するばかりでなく、振動の振幅が劣化する場合がある。そのようなときは、駆動の補助を行う必要がある。そこで本発明では、駆動部の波形と検知素子の波形は略同期していることを利用して、検知信号は必要なく、振幅をより大きくとりたい場合は、駆動信号を検知素子に印加する。これにより、振幅が劣化した場合に、振幅を拡大することができる。
請求項４は、請求項１乃至３の何れか一項に記載の偏向反射装置補正システムを備えていることを特徴とする映像表示装置。
本発明の偏向反射装置は、変調した光ビームを本発明の偏向反射装置補正システムで偏向して、スクリーン上に画像を投影することにより、映像表示装置を実現できる。これにより、映像表示装置のサイズを小型化することができる。

本発明によれば、検知素子に直流バイアスを印加して共振周波数を制御しつつ、本来の検知信号も品質を劣化させることなく得ることができるので、共振周波数の経時変化を補正可能な圧電アクチュエータ駆動検知システムを得ることができる。
また、検知素子に直流バイアス及び交流バイアスの両方を印加して共振周波数を制御しつつ、本来の検知信号も品質を劣化させることなく得ることができるので、共振周波数の経時変化を更に細かく補正可能な圧電アクチュエータ駆動検知システムを得ることができる。
また、検知素子に直流バイアス及び、共振周波数制御用の交流バイアスもしくは駆動信号を選択して印加することができるので、共振周波数を制御しつつ、本来の検知信号が必要な場合は交流バイアスを印加し、検知信号は必要なく振幅をより大きくとりたい場合は、駆動信号を印加して駆動素子と共に駆動させることができるので、共振周波数の経時変化に対応するだけでなく、振幅が劣化した場合でも駆動の補助を行って振幅を拡大することが可能な圧電アクチュエータ駆動検知システムを得ることができる。
また、検知素子に直流バイアスを印加して共振周波数を制御しつつ、本来の検知信号も品質を劣化させることなく得ることができるので、共振周波数の経時変化を補正可能な光書き込み装置を得ることができる。

アクチュエータ、センサの両方の機能を有する圧電アクチュエータ駆動検知素子（偏向反射器）の全体の概念及び構造を示した図である。圧電アクチュエータ駆動検知素子の電気的接続を示す図である。圧電アクチュエータ駆動検知素子の可動部の動作方向を説明するための図である。圧電アクチュエータ駆動検知素子の主走査の駆動電圧とアクチュエータの動作の関係を表した図である。圧電アクチュエータ駆動検知素子の副走査の駆動電圧とアクチュエータの動作の関係を示した図である。本発明の第１の実施形態に係る偏向反射装置補正システムの構成を示す図である。圧電アクチュエータ駆動検出素子の主走査の周波数特性を示す図である。本発明の第２の実施形態に係る偏向反射装置補正システムの構成を示す図である。本発明の第３の実施形態に係る偏向反射装置補正システムの構成を示す図である。本発明の偏向反射装置補正システムを使用した映像表示装置の模式図である。圧電アクチュエータ駆動検知素子を用いた従来の全体システムを表す図である。

以下、本発明を図に示した実施形態を用いて詳細に説明する。但し、この実施形態に記載される構成要素、種類、組み合わせ、形状、その相対配置などは特定的な記載がない限り、この発明の範囲をそれのみに限定する主旨ではなく単なる説明例に過ぎない。

まず、アクチュエータ、センサの両方の機能を有する圧電アクチュエータ駆動検知素子の全体の概念及び構造について説明する。図１は、アクチュエータ、センサの両方の機能を有する圧電アクチュエータ駆動検知素子（偏向反射器）の全体の概念及び構造を示した図である。図１（ａ）が素子を上面から見た図で、図１（ｂ）が点線で囲まれた中央部分の断面図である。図１（ａ）において、線で囲まれた部分が振動子（可動部）１８であり、１３はミラー（反射部材）である。圧電アクチュエータ駆動検知素子のフレーム部分である。符号の１〜１２は振動子上に形成された圧電素子であり、図１（ｂ）のように、振動子を挟んだ裏側には電極が形成されている。

図２は圧電アクチュエータ駆動検知素子の電気的接続を示す図である。圧電素子１、４に接続された配線ＳＳ１ｓの、最初のＳはＳｅｎｓｅのＳ、２番目のＳはＳｕｂのＳ、次の１は副走査チャネル１を表す１、最後のｓはｓｉｇｎａｌ（圧電素子側、つまり駆動側）のｓである。図１に示したように、裏面には電極ｇ（ｇｎｄ）が形成されており、図２には図示しないがＳＳ１ｇが接続されている。
圧電素子２、３に接続された配線ＶＳ１ｓの、最初のＶはＶｏｌｔａｇｅ（駆動電圧を印加）のＶ、２番目のＳはＳｕｂのＳ、次の１は副走査チャネル１を表す１、最後のｓはｓｉｇｎａｌ（圧電素子側、つまり駆動側）のｓである。ＳＳ１ｓと同様に、裏面には電極が形成されており、図２には図示しないが裏面には電極ｇ（ｇｎｄ）が形成されており、ＶＳ１ｇが接続されている。
圧電素子５、８に接続された配線ＳＳ２ｓの、最初のＳはＳｅｎｓｅのＳ、２番目のＳはＳｕｂのＳ、次の２は副走査チャネル２を表す２、最後のｓはｓｉｇｎａｌ（圧電素子側、つまり駆動側）のｓである。ＳＳ１ｓと同様に、裏面には電極ｇ（ｇｎｄ）が形成されており、図２には図示しないがＳＳ２ｇが接続されている。

圧電素子６、７に接続された配線ＶＳ２ｓの、最初のＶはＶｏｌｔａｇｅ（駆動電圧を印加）のＶ、２番目のＳはＳｕｂのＳ、次の２は副走査チャネル２を表す２、最後のｓはｓｉｇｎａｌ（圧電素子側、つまり駆動側）のｓである。ＳＳ１ｓと同様に、裏面には電極ｇ（ｇｎｄ）が形成されており、図２には図示しないがＶＳ２ｇが接続されている。
圧電素子９、１２に接続された配線ＳＭｓの、最初のＳはＳｅｎｓｅのＳ、２番目のＭはＭａｉｎのＭ、最後のｓはｓｉｇｎａｌ（圧電素子側、つまり駆動側）のｓである。ＳＳ１ｓと同様に、裏面には電極ｇ（ｇｎｄ）が形成されており、図２には図示しないがＳＭｇが接続されている。
圧電素子１０、１１に接続された配線ＶＭｓの、最初のＶはＶｏｌｔａｇｅ（駆動電圧を印加）のＶ、２番目のＭはＭａｉｎのＭ、最後のｓはｓｉｇｎａｌ（圧電素子側、つまり駆動側）のｓである。ＳＳ１ｓと同様に、裏面には電極ｇ（ｇｎｄ）が形成されており、図２には図示しないがＶＭｇが接続されている。

図３は圧電アクチュエータ駆動検知素子の可動部の動作方向を説明するための図である。図３（ａ）が全体図で、このうち中央の点線で囲んだ部分Ａがいわゆる主走査方向の動きをする。図３（ｂ）にこの部分Ａを切り出した図を示す。圧電アクチュエータは電圧を掛けると図３の上下方向に力が掛かり、図の矢印のように上下方向に振動する。図３（ｃ）に主走査以外の部分、即ち副走査部分を切り出した図を掲載した。副走査は、主走査部を含む質量の大きな部分を駆動しなければならないため、駆動部分を両端に設けている。即ち、副走査チャネル１と２に分け、各々逆相で駆動している。

図４は圧電アクチュエータ駆動検知素子の主走査の駆動電圧とアクチュエータの動作の関係を表した図である。ＶＭｓに正弦波状の電圧を印加することで圧電素子を変形させ、ミラー１３を揺動させている。

図５は圧電アクチュエータ駆動検知素子の副走査の駆動電圧とアクチュエータの動作の関係を示した図である。ＶＳ１ｓとＶＳ２ｓで逆相の電圧を印加し、より大きな変形を発生させている。なお、主走査、副走査とも、少ないドライブエネルギーで最大の振れ幅を得るために、いわゆる共振周波数で動作させるのが一般的である。逆に、必要な周波数と共振周波数が一致するように素子を設計するのが一般的である。
尚、図示していないが、主走査の検知部、副走査の検知部とも、ほぼ駆動波形と相似の検知波形を得ることができる。この検知部の出力はハイインピーダンスでかつ電流性の出力であり、ＩＶ変換アンプ等のバッファが必要となる。このバッファ出力に基づき、各種制御、調整を行う。

図６は本発明の第１の実施形態に係る偏向反射装置補正システムの構成を示す図である。本発明の偏向反射装置補正システム４０は、ミラー（反射部材）１３を略中心部に保持してフレーム部分を構成する振動子（可動部）１８、及び振動子１８に形成され、振動子１８を主走査方向、又は／及び、副走査方向に偏向させる駆動素子２、３、６、７、１０、１１並びに振動子１８の偏向量に応じた電圧を発生する検知素子１、４、５、８、９、１２から成る複数の圧電素子を備えた圧電アクチュエータ駆動検知素子（以下、圧電アクチュエータと呼ぶ）（偏向反射器）と、各駆動素子に電圧を印加する駆動部５１と、各検知素子により検知した振動子１８の偏向量を検知する検知部５２と、を備えた圧電アクチュエータ装置の特性変化を補正する圧電アクチュエータ補正システムであって、検知素子に直流バイアス電圧Ｖｄｃを印加する直流電源１９と、直流電源１９の出力電圧を制御する直流制御部（直流電源制御手段）１４と、を備えて構成される。そして、検知素子９、１２は、抵抗素子Ｒを介して直流電源１９に接続されると共に、容量素子Ｃｓを介して検知部５２に接続されている。尚、検知素子９、１２の電極は、直流電源１９及び検知部５２のグランド側に接続される。
即ち、本実施形態の偏向反射装置補正システム４０は、従来のシステムに直流バイアス電圧Ｖｄｃを印加している点が異なる。従来のシステムにおいては、経時変化で圧電素子、及び振動子１８の共振周波数が変化してしまい、初期の主走査又は／及び副走査の周波数では必要な振幅が得られなくなってしまうという問題があった。そこで本実施形態では、圧電素子で構成される検知素子に直流バイアス電圧Ｖｄｃを印加することにより、その電圧で検知素子を伸縮させて共振周波数を制御して、経時変化によって変化した共振周波数を補正するものである。

図７は圧電アクチュエータ駆動検出素子の主走査の周波数特性を示す図である。図７に示したように、本発明に係る素子は共振周波数を有しており、本実施形態では２９．５７６ｋＨｚと測定されている。共振周波数で動作させることで、より少ないエネルギーで効率良く揺動させることが可能となっている。ところが、この共振周波数は温度、湿度、時間経過等により変化することが知られており、これらを補正する方法として従来技術に述べた手法が各種提案されている。
従来は図１１に示すように、圧電アクチュエータ５０の検出素子と検知部５２を直結していたが、本実施形態ではコンデンサＣｓを介して接続するようにし、更に、検出素子に抵抗Ｒを介して直流電源１３を接続し、これを直流制御部１４で制御するようにしている。本実施形態の基本原理は、検知素子に直流バイアス電圧Ｖｄｃを印加することで共振周波数が制御可能であることを利用している。即ち、本実施形態では、従来検知にのみ使用してきた検知素子に直流バイアス電圧Ｖｄｃを印加することで共振周波数を制御しつつ、従来の検知信号には大きな影響を与えずに、従来通り検知部５２から圧電アクチュエータの動作状況を検知することが可能となっている。より具体的には、直流バイアス電圧Ｖｄｃを抵抗Ｒを介して検知素子に印加しているので、検知素子からの微弱な検知信号を阻害することが無い。更に、検知信号はコンデンサＣｓを介して検知部５２に入力されているので、直流バイアス電圧Ｖｄｃの影響を受けること無く検知することができる。

図８は本発明の第２の実施形態に係る偏向反射装置補正システムの構成を示す図である。本発明の偏向反射装置補正システム４１は、図３の回路に、検知素子に交流バイアス電圧Ｖａｃを印加する交流電源１５と、交流電源１５の出力電圧を制御する交流制御部（交流電源制御手段）１６と、を更に備え、検知素子は、抵抗素子Ｒａｃと容量素子Ｃａｃの直列回路を介して交流電源１５に接続されている。この構成により、直流バイアス電圧Ｖｄｃでの共振周波数調整に加え、交流バイアス電圧Ｖａｃでの共振周波数の微調整が可能となっている。本実施形態では、更に、直流バイアス電圧Ｖｄｃのみでは共振周波数の調整範囲を超えてしまう場合などに有効である。

図９は本発明の第３の実施形態に係る偏向反射装置補正システムの構成を示す図である。本発明の偏向反射装置補正システム４２は、図５の回路に、交流電源１５を制御する制御信号として、交流制御部１６、又は駆動部５１の何れか一方を選択可能なスイッチ（ＳＷ）（選択手段）１７を備えた。この構成により、直流バイアス電圧Ｖｄｃ及び交流バイアス電圧Ｖａｃでの共振周波数調整、及び、共振周波数調整が不要なシステム、アプリケーションに適用する場合には検知素子を駆動の補助として用いることが可能となっている。即ち、経時変化により共振周波数が変化するばかりでなく、振動の振幅が劣化する場合がある。そのようなときは、駆動の補助を行う必要がある。そこで本実施形態では、駆動部５１の波形と検知素子の波形は略同期していることを利用して、検知信号は必要なく、振幅をより大きくとりたい場合は、駆動信号を検知素子に印加する。これにより、振幅が劣化した場合に、振幅を拡大することができる。

図１０は本発明の偏向反射装置補正システムを使用した映像表示装置の模式図である。本発明の映像表示装置４３は、投影された映像を表示するスクリーン２０と、本発明の偏向反射装置補正システム４０と、偏向反射装置５３に変調された光ビーム２２を出射する光ビーム装置２３と、を備えて構成されている。光ビーム装置２３は図示しない制御装置から、スクリーン２０に投影する画像に基づいて変調された光をビーム状に収束して偏向反射装置５３のミラー１３に出射する。ミラー１３は主走査方向と副走査方向に偏向されて、光ビーム２１としてスクリーン２０に画像を投影する。

１〜１２圧電素子、１３ミラー、１４直流制御部、１５交流電源、１６交流制御部、１７スイッチ、１８可動部、１９直流電源、２０スクリーン、２１、２２光ビーム、２３光ビーム装置、４０〜４２偏向反射装置補正システム、４３映像表示装置

特開２０１０−０２６４４３公報特開２００８−１１６６７８公報特開２００９−２２２８５７公報特開２００９−２３７１０２公報

Claims

反射部材を略中心部に保持した可動部を主走査方向、又は／及び、副走査方向に偏向させる駆動素子及び該可動部の偏向量に応じた電圧を発生する検知素子から成る複数の圧電素子を備えた偏向反射器と、
前記駆動素子に電圧を印加する駆動部と、
前記検知素子により検知した前記可動部の偏向量を検知する検知部と、
を備えた偏向反射装置の特性変化を補正する偏向反射装置補正システムであって、
前記検知素子に直流バイアス電圧を印加する直流電源と、
該直流電源の出力電圧を制御する直流電源制御手段と、を備え、
前記検知素子は、抵抗素子を介して前記直流電源に接続されると共に、容量素子を介して前記検知部に接続されていることを特徴とする偏向反射装置補正システム。
前記検知素子に交流バイアス電圧を印加する交流電源と、
該交流電源の出力電圧を制御する交流電源制御手段と、を更に備え、
前記検知素子は、抵抗素子と容量素子の直列回路を介して前記交流電源に接続されていることを特徴とする請求項１に記載の偏向反射装置補正システム。
前記交流電源を制御する制御信号として、前記交流電源制御手段、又は前記駆動部の何れか一方を選択する選択手段を備えたことを特徴とする請求項１又は２に記載の偏向反射装置補正システム。
請求項１乃至３の何れか一項に記載の偏向反射装置補正システムを備えていることを特徴とする映像表示装置。