JP2017173803A - 制御装置、光偏向システム、画像投影装置、及び制御方法 - Google Patents
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Abstract
Description
このような制御装置では、通常、圧電定数の値は駆動電圧によらず一定であると仮定して、駆動電圧を定めている。
本発明は、上記に鑑みてなされたもので、その目的は、反射面の可動速度の均一性を向上することにある。
[光走査システム]
まず、図1〜図4を参照して、本発明の実施形態に係る制御装置を適用した光走査システムについて詳細に説明する。
図1に、光走査システムの一例の概略図を示す。
図1に示すように、光走査システム10は、制御装置11の制御に従って光源装置12から照射された光を可動装置13の有する反射面14により偏向して被走査面15を光走査するシステムである。
光源装置12は、入力された駆動信号に基づいて光源の照射を行う。可動装置13は、入力された駆動信号に基づいて反射面14を1軸方向または2軸方向の少なくともいずれかに可動させる。
なお、可動装置の詳細および本実施形態の制御装置による制御の詳細については後述する。
図2は、光走査システム10の一例のハードウェア構成図である。
図2に示すように、光走査システム10は、制御装置11、光源装置12および可動装置13を備え、それぞれが電気的に接続されている。
[制御装置]
このうち、制御装置11は、CPU20、RAM21(Random Access Memory)、ROM22(Read Only Memory)、FPGA23、外部I/F24、光源装置ドライバ25、可動装置ドライバ26を備えている。
次に、図3を参照して、光走査システム10の制御装置11の機能構成について説明する。図3は、光走査システムの制御装置の一例の機能ブロック図である。
駆動信号出力部31は、印加手段を構成し、光源装置12ドライバ25、可動装置13ドライバ26等により実現され、入力された制御信号に基づいて光源装置12または可動装置13に駆動信号を出力する。
次に、図4を参照して、光走査システム10が被走査面15を光走査する処理について説明する。図4は、光走査システムに係る処理の一例のフローチャートである。
ステップS12において、制御部30は、取得した光走査情報から制御信号を生成し、制御信号を駆動信号出力部31に出力する。
ステップS13において、駆動信号出力部31は、入力された制御信号に基づいて駆動信号を光源装置12および可動装置13に出力する。
ステップS14において、光源装置12は、入力された駆動信号に基づいて光照射を行う。また、可動装置13は、入力された駆動信号に基づいて反射面14の可動を行う。光源装置12および可動装置13の駆動により、任意の方向に光が偏向され、光走査される。
次に、図5及び図6を参照して、本実施形態の制御装置を適用した画像投影装置について詳細に説明する。
これにより、運転者402は、ヘッドアップディスプレイ装置500によって投影された画像等を虚像として視認することができる。なお、ウインドシールドの内壁面にコンバイナを設置し、コンバイナによって反射する投射光によってユーザーに虚像を視認させる構成にしてもよい。
そして、偏向されたレーザ光は、自由曲面ミラー509と、中間スクリーン510と、投射ミラー511とから構成される投射光学系を経て、スクリーンに投影される。
なお、上記ヘッドアップディスプレイ装置500では、レーザ光源501R、501G、501B、コリメータレンズ502、503、504、ダイクロイックミラー505、506は、光源ユニット530として光学ハウジングによってユニット化されている。
例えば、机等に置かれ、表示スクリーン上に画像を投影するプロジェクタや、観測者の頭部等に装着される装着部材に搭載され、装着部材が有する反射透過スクリーンに投影、または眼球をスクリーンとして画像を投影するヘッドマウントディスプレイ装置等にも、同様に適用することができる。
次に、図7及び図8を参照して、本実施形態の制御装置11を適用した光書込装置について詳細に説明する。
そして、可動装置13で偏向されたレーザ光は、その後、第一レンズ602aと第二レンズ602b、反射ミラー部602cからなる走査光学系602を経て、被走査面15(例えば感光体ドラムや感光紙)に照射し、光書込みを行う。走査光学系602は、被走査面15にスポット状に光ビームを結像する。
また、光源装置12および反射面14を有する可動装置13は、制御装置11の制御に基づき駆動する。
また、走査光学系を異ならせて1軸方向だけでなく2軸方向に光走査可能にすることで、レーザ光をサーマルメディアに偏向して光走査し、加熱することで印字するレーザラベル装置等の画像形成装置の構成部材として使用することができる。
また、可動装置13の振動時における風切り音は回転多面鏡に比べ小さいため、光書込装置の静粛性の改善に有利である。光書込装置は回転多面鏡に比べ設置スペースが圧倒的に少なくて済み、また可動装置13の発熱量もわずかであるため、小型化が容易であり、よって画像形成装置の小型化に有利である
次に、図9及び図10を参照して、上記本実施形態の制御装置を適用した物体認識装置について詳細に説明する。
そして、投光光学系である投光レンズ705等を経て装置前方の被対象物702に照射される。光源装置12および可動装置13は、制御装置11により駆動を制御される。被対象物702で反射された反射光は、光検出器709により光検出される。
すなわち、反射光は入射光検出受光光学系である集光レンズ706等を経て撮像素子707により受光され、撮像素子707は検出信号を信号処理装置708に出力する。信号処理回路708は、入力された検出信号に2値化やノイズ処理等の所定の処理を行い、結果を測距回路710に出力する。
このようなレーダレーダ装置は、例えば車両、航空機、船舶、ロボット等に取り付けられ、所定範囲を光走査して障害物の有無や障害物までの距離を認識することができる。
次に、図11を参照して、本実施形態の制御装置により制御される可動装置のパッケージングについて説明する。
図11は、パッケージングされた可動装置の一例の概略図である。
さらに、パッケージ内は窒素等の不活性ガスが密封されている。これにより、可動装置13の酸化による劣化が抑制され、さらに温度等の環境の変化に対する耐久性が向上する。
まず、図12〜図14を参照して、可動装置について詳細に説明する。
なお、上記の各構成部の形成は、SOI基板の成形後に行ってもよいし、SOI基板の成形中に行ってもよい。
反射面14は、例えば、アルミニウム、金、銀等を含む金属薄膜で構成される。また、ミラー部101は、ミラー部基体102の−Z側の面にミラー部補強用のリブが形成されていてもよい。
リブは、例えば、シリコン支持層161および酸化シリコン層162から構成され、可動によって生じる反射面14の歪みを抑制することができる。
上部電極203および下部電極201は、例えば金(Au)または白金(Pt)等から構成される。圧電部202は、例えば、圧電材料であるPZT(チタン酸ジルコン酸鉛)からなる。
このとき、第2駆動部130aと第1支持部120の接続箇所および第2駆動部130bと第1支持部120の接続箇所、さらに第2駆動部130aと第2支持部140の接続箇所および第2駆動部130bと第2支持部140の接続箇所は、反射面14の中心に対して点対称となっている。
なお、上部電極203または下部電極201は、それぞれが電極接続部と直接接続されていてもよいし、電極同士を接続する等により間接的に接続されていてもよい。
このとき、絶縁層の上に電極配線を設け、また、上部電極203または下部電極201と電極配線とが接続される接続スポットに、開口部として部分的に絶縁層を除去または絶縁層を形成しないことにより、第1駆動部110a、110b、第2駆動部130a、130bおよび電極配線の設計自由度をあげ、さらに電極同士の接触による短絡を抑制することができる。また、酸化シリコン膜は、反射防止材としての機能も備える。
次に、可動装置の第1駆動部および第2駆動部を駆動させる制御装置の制御の詳細について説明する。
第1駆動部110a、110bでは、第1圧電駆動部112a、112bが有する圧電部202に、上部電極203および下部電極201を介して駆動電圧が並列に印加されると、それぞれの圧電部202が変形する。この圧電部202の変形による作用により、第1圧電駆動部112a、112bが屈曲変形する。
その結果、2つのトーションバー111a、111bのねじれを介してミラー部101に第1軸周りの駆動力が作用し、ミラー部101が第1軸周りに可動する。第1駆動部110a、110bに印加される駆動電圧は、制御装置11によって制御される。
また、さらに第2駆動部130bが有する複数の第2圧電駆動部132a〜132fのうち、最もミラー部に距離が近い第2圧電駆動部(132a)から数えて奇数番目の第2圧電駆動部、すなわち第2圧電駆動部132a、132c、132eを同様に圧電駆動部群Aとする。圧電駆動部群Aは、駆動電圧が並行に印加されると、図15(a)に示すように、圧電駆動部群Aが同一方向に屈曲変形し、正の振れ角となるようにミラー部101が第2軸周りに可動する。
第2駆動部に印加される駆動電圧は、制御装置によって制御される。
図16を参照して、圧電駆動部群Aに印加される駆動電圧(以下、駆動電圧A)、圧電駆動部群Bに印加される駆動電圧(以下、駆動電圧B)について説明する。
また、駆動電圧Aの波形は、電圧値が極小値から次の極大値まで増加していく立ち上がり期間の時間幅をTrA、電圧値が極大値から次の極小値まで減少していく立ち下がり期間の時間幅をTfAとしたとき、例えば、TrA:TfA=9:1となる比率があらかじめ設定されている。このとき、一周期に対するTrAの比率を駆動電圧Aのシンメトリという。
また、駆動電圧Bの波形は、電圧値が極小値から次の極大値まで増加していく立ち上がり期間の時間幅をTrB、電圧値が極大値から次の極小値まで減少していく立ち下がり期間の時間幅をTfBとしたとき、例えば、TfB:TrB=9:1となる比率があらかじめ設定されている。このとき、一周期に対するTfBの比率を駆動電圧Bのシンメトリという。
また、図16(c)に示すように、例えば、駆動電圧Aの波形の周期TAと駆動電圧Bの波形の周期TBは、同一となるように設定されている。
また、本実施形態では、駆動電圧A、Bとしてノコギリ波状の波形の駆動電圧を用いているが、これに限らず、ノコギリ波状の波形の頂点を丸くした波形の駆動電圧や、ノコギリ波状の波形の直線領域を曲線とした波形の駆動電圧など、可動装置のデバイス特性に応じて波形を変えることも可能である。
図18に示すような不均一な可動速度で光走査する可動装置を用いて画像投影を行った場合、本来は図19(a)のように表示される投影画像が、図19(b)のように画像上端部周辺と画像下端部周辺が歪んでしまう。
図20は、圧電部の圧電定数の電圧依存性を表したグラフ図である。圧電定数の電圧依存性は、圧電定数曲線ともよぶ。
圧電部の圧電定数は以下のように求められる。
本実施形態においては、パラメータとして、L=3500μm、TPZT=2μm、ESi=170GPa、EPZT=90GPa、TSi=40μmを使用し、圧電定数d31を求めた。
これは、圧電部202を構成するPZTは、スパッタリングによる成膜、もしくはスピンコートを使ったゾルゲル法により形成されているためであると考えられる。このような方法により形成されたPZTは、一般的に印加電圧が所定の値までは圧電定数が一定とならない、すなわち、印加電圧によって圧電部の変形のしやすさが変化する。
図21は、ΔE〜E2の電圧値の範囲で圧電駆動部群A、電駆動部群Bの有する圧電部202に印加する駆動電圧A、Bの波形の一例である。
図22に示すように、光走査期間は、光走査に用いられる期間であり、例えば図15を参照して説明した駆動信号Aの立ち上がり時間TrAまたは駆動信号Bの立ち下がり時間TfBに相当する。また、評価期間は、光走査期間の1周期の始まりから5%、終わりから5%をそれぞれ除いた残り90%の期間である。なお、画像形成等の際には、この評価期間を画像形成期間として一般的に用いられる。
均一性指標=(差分a+差分b)/(最大電圧値E2−最小電圧値ΔE)
走査線直線性指標の値が小さいほど、可動速度が均一化されていることを示す。
最大電圧値E2と最小電圧値ΔEの差をEcとしたとき、Ecを固定したままE2およびΔEを変化させた。
図23より、最小電圧値ΔEを大きくすると均一性指標の値が小さくなり、可動速度の均一性が向上していることがわかる。また、最小電圧値ΔEを一定以上より大きくしたとき、均一性指標がほぼ変化しなくなっていることがわかる。例えば、圧電定数の値の変化率が20%程度となる最小電圧値ΔEが約2Vのとき、均一性指標が向上し、圧電定数の値の変化率が10%程度となる最小電圧値ΔEが約4.5Vのとき、さらに均一性指標が向上した。そして圧電定数の変化率が5%程度となる最小電圧値ΔEが約7Vのとき、均一性指標は約4.5Vのときとほぼ同一となった。
より詳しく説明すると、制御装置11が、図23に示すように、駆動電圧の最小値を圧電部202の圧電定数の値が大きく変化する0V付近の低電圧領域よりも大きい値に定める。言い換えると、図20に示す駆動電圧の範囲(a)ではなく、駆動電圧の範囲(b)を用いる。これにより、図18に示す鈍りを、図17に示すように抑制することができる。すなわち、反射面の可動速度の均一性を向上することができる。このような均一性の向上により、例えば、図19(b)に示す画像上端部周辺および画像下端部周辺の歪みを抑制し、図19(a)に示す投影画像を表示することができる。
例えば、駆動電圧Aの最小値をE3とし、駆動電圧Bの最小値をE4としたとき、E4>E3とすることにより、反射面14の可動速度の均一性をより向上させることができる。例えば、E4をE3の±5%以内で調整することが望ましい。
所定の変調信号(例えばノコギリ波状信号)によって可動装置を駆動した場合、その変調信号の種類によっては周波数スペクトル(変調信号をフーリエ変換して周波数成分に分解したもの)に、一定間隔の「谷(理論上電力密度がゼロとなる点)」が存在する。
駆動電圧Aまたは駆動電圧Bのシンメトリを調整することにより、上記の「谷」の周波数域を調整することが可能であり、可動装置が有する機械的な共振周波数が上記の「谷」の周波数域に入るように駆動電圧Aと駆動電圧Bを調整することで、可動装置が駆動電圧の高調波等によって機械的な共振が励起されることを抑制し、反射面14の可動速度の均一性をより向上することができる。
例えば、制御装置は、圧電部に常に負の電圧値を有する波形の駆動電圧を印加してもよい。なお、所定の波形の駆動電圧が常に負の値である場合は、最小値は、グランドからの電位差が最も小さい値となる。
例えば、図25に示すように、トーションバー211a、211bから+X方向に向かって延びる第一圧電駆動部212a、212bおよび−X方向に向かって延びる第一圧電駆動部212c、212dを有する両持ちタイプの可動装置を用いてもよい。また、1軸方向のみに反射面を可動させる場合は、図26に示すように、可動部220に反射面14を設ける構成としてもよい。
このような圧電特性を持つ圧電部(例えばPZT)であっても、圧電部に駆動電圧を印加して可動部を制御する際に、制御部30が0Vから所定の差を有するように駆動電圧を設定することで、上記実施形態と同様に反射面の可動速度の均一性が向上することが実験より判明した。
圧電部(例えばPZT)は、分極方向に正または負の電圧が印加されると印加電圧に応じた変形が生じる逆圧電効果を利用している。すなわち、圧電部は分極されている必要がある。
脱分極したとしても、数Vほどの電圧を印加すれば再分極すると考えられ、さらに再分極の速度が非常に速いため、数V以上の電圧を印加する場合においては脱分極が問題となることは少ない。
しかしながら、0V付近では、脱分極が原因と思われる影響が大きいことが実験から判明した。
125度の加温条件下において0h、1h、3hの間、駆動電圧を印加して圧電部を駆動した後、それぞれの場合において圧電特性を測定し、さらに0hの圧電定数曲線において極大値Mをとる電圧において同一の値となるように規格化した結果を示している。なお、規格化しない場合は、駆動時間が長いほど圧電定数の値が全体的に小さくなる傾向にある。
したがって、制御部30が駆動電圧において0Vから所定の差を有するように設定することで、脱分極の影響を抑制し、反射面の可動速度の均一性を向上することができる。
また、圧電定数の変化は、圧電定数曲線の極大値をとる印加電圧(以下、印加電圧M)より低電圧側で大きくなる傾向があることが実験的にわかっている。
そこで、制御部30は、駆動電圧の所定の差を印加電圧Mの値としても良い。ただし、印加電圧Mから数Vの範囲では脱分極の影響が大きくはないので、印加電圧Mの30%以上の印加電圧(すなわち、極大値が6.5Vであれば2V以上)を所定の差とするのが好ましい。より好ましくは、印加電圧Mの70%以上の印加電圧(すなわち、極大値が6.5Vであれば4.5V以上)を所定の差とするのがより好ましい。また、所定の差を大きくしすぎると圧電部の駆動に高い駆動電圧が必要となるため、7V以下にすることがより好ましい。
図29を参照して、駆動電圧の設定処理について説明する。図29は、駆動電圧の設定処理の一例を示すフローチャートである。
ステップS22では、制御部30が所定の差を有する駆動電圧を設定する。このとき、予め定めた所定の差を有する駆動電圧を手動で入力して設定しても良いし、圧電部の圧電定数を記憶しておき、圧電定数を読出して予め定めた法則(例えば、最小値は圧電定数曲線の極大値のときの印加電圧の30%、最大値は最小値の+25V)に従って、自動で所定の差を有する駆動電圧を入力して設定しても良い。設定後、ステップS23に移行する。
ステップS23では、制御部30が所定の差を有する駆動電圧が設定されていることを確認した後、設定完了フラグをONにし、設定を完了する。
以上のフローに従って駆動電圧を設定することで、反射面の可動速度の均一性を向上することができる。
Claims (15)
- 圧電部に駆動電圧を印加して前記圧電部を変形させることにより反射面の可動を制御する制御装置であって、
前記圧電部に前記駆動電圧を印加する印加手段と、
前記駆動電圧を制御する制御手段と、を備え、
前記制御手段が制御する前記駆動電圧の最小値は、ゼロから所定の差を有していることを特徴とする制御装置。 - 前記所定の差は、前記駆動電圧の一周期において該駆動電圧に対する前記圧電部の圧電定数の値の変化率が、該駆動電圧の最小値がゼロの場合に比べて小さくなるように設定されている請求項1に記載の制御装置。
- 前記所定の差は、前記駆動電圧の一周期または印加開始から半周期において該駆動電圧に対する前記圧電部の圧電定数の値の変化率が、20%以内となるように定められている請求項2に記載の制御装置。
- 前記所定の差は、前記駆動電圧の一周期または印加開始から半周期において該駆動電圧に対する前記圧電部の圧電定数の値の変化率が、10%以内となるように定められている請求項2に記載の制御装置。
- 前記所定の差は、前記駆動電圧の一周期または印加開始から半周期において該駆動電圧に対する前記圧電部の圧電定数の値の変化率が、5%以上、10%以内となるように定められている請求項2に記載の制御装置。
- 前記所定の差は、前記駆動電圧の一周期における圧電定数の変化における極大値をとるときの電圧の30%以上の値となるように定められている請求項1に記載の制御装置。
- 前記所定の差は、前記駆動電圧の一周期における圧電定数の変化における極大値をとるときの電圧の70%以上の値となるように定められている請求項1に記載の制御装置。
- 前記所定の差は、前記駆動電圧の一周期における圧電定数の変化における極大値をとるときの電圧よりも小さい値となるように定められている請求項6または7に記載の制御装置。
- 前記駆動電圧の最小値は、2V以上である請求項1に記載の制御装置。
- 前記駆動電圧の最小値は、4.5V乃至7Vである請求項1に記載の制御装置。
- 前記印加手段は、前記圧電部に対して第1の波形の駆動電圧を印加し、該圧電部とは異なる圧電部に対して第2の波形の駆動電圧を印加し、
前記制御手段は、前記第1の波形の駆動電圧の最小値と、前記第2の波形の駆動電圧の最小値を異ならせる請求項1乃至9のいずれか一項に記載の制御装置。 - 前記圧電部および前記反射面を有する可動装置を制御する制御装置であって、
前記印加手段は、前記圧電部に対して第1の波形の駆動電圧を印加し、前記圧電部とは異なる圧電部に対して第2の波形の駆動電圧を印加し、
前記第1の波形は、一周期に対する立ち上がり時間と立ち下がり時間を有するノコギリ波状波形であり、
前記第2の波形は、一周期に対する立ち上がり時間と立ち下がり時間を有するノコギリ波状波形であり、
前記制御手段は、前記可動装置が有する機械的な共振周波数が前記第1または第2の駆動電圧の高調波成分が低減する周波数領域の少なくとも1つに含まれるように、駆動電圧の一周期に対する前記第1立ち上がり時間または前記第2立ち下がり時間の比率を制御する請求項1乃至9のいずれか一項に記載の制御装置。 - 請求項1乃至11のいずれか一項に記載の制御装置と、
前記反射面を有するミラー部と、
前記圧電部を有し、前記圧電部が変形することによりミラー部を一軸周りに可動可能にする圧電駆動部と、
を備える光偏向システム。 - 画像情報に基づいて変調された光により被走査面を走査して画像を形成する画像投影装置であって、
前記光を照射する光源装置と、
前記光源装置からの光を偏向する請求項12に記載の光偏向システムと、
を備える画像投影装置。 - 圧電部に駆動電圧を印加して該圧電部を変形させることにより反射面の可動を制御する制御装置の制御方法であって、
前記圧電部に所定の波形の駆動電圧を印加する印加工程と、
前記駆動電圧を制御する制御工程と、を含み、
前記制御工程が制御する前記駆動電圧の最小値は、ゼロから所定の差を有するように設定される制御方法。
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