JP2018005001A - Drive device, optical deflection system, optical scanning system, image projection device, object recognition device and drive method - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、駆動装置、光偏向システム、光走査システム、画像投影装置、物体認識装置、及び駆動方法に関する。 The present invention relates to a driving device, an optical deflection system, an optical scanning system, an image projection device, an object recognition device, and a driving method.
近年、光ビームを偏向して光走査するための手段として、隣り合う圧電部に異なる波形の駆動電圧を印加して圧電部を変形させることを利用して反射面を可動、例えば、所定の軸周りに回転運動させる光偏向器がある。この光偏向器に対して、上記隣り合う圧電部に印加する駆動電圧の波形を制御する制御手段を有した駆動装置が知られている(例えば、特許文献1参照)。 In recent years, as a means for deflecting a light beam and performing optical scanning, a reflecting surface can be moved by applying a driving voltage having a different waveform to adjacent piezoelectric parts to deform the piezoelectric part. There is an optical deflector that rotates around. For this optical deflector, there is known a driving device having a control means for controlling the waveform of the driving voltage applied to the adjacent piezoelectric portion (see, for example, Patent Document 1).
このような駆動装置では、通常、隣り合う圧電部に対して、同時に圧電部への駆動電圧の印加を開始する。 In such a drive device, application of a drive voltage to the piezoelectric parts is usually started simultaneously with adjacent piezoelectric parts.
しかしながら、隣り合う圧電部に対して印加される異なる波形の駆動電圧の印加開始時間が同じである場合、各圧電部の少なくとも一方は、急激に電圧値が変化する駆動電圧を印加されることとなる。例えば、各駆動電圧の極小値が印加されるタイミングが異なる場合、各駆動電圧の少なくとも一方は、電圧値がゼロから極小値よりも大きい値まで急激に変化することとなる。このとき、急激に変化する駆動電圧に含まれる高調波により光偏向器が有する機械的な共振が励起され、反射面の可動速度の均一性を安定して高めることができなかった。 However, when the application start times of drive voltages having different waveforms applied to adjacent piezoelectric parts are the same, at least one of the piezoelectric parts is applied with a drive voltage whose voltage value changes abruptly. Become. For example, when the timing at which the minimum value of each drive voltage is applied is different, at least one of the drive voltages changes rapidly from zero to a value greater than the minimum value. At this time, the mechanical resonance of the optical deflector is excited by harmonics included in the drive voltage that changes rapidly, and the uniformity of the movable speed of the reflecting surface cannot be stably increased.
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。 The present invention has been made in view of the above, and an object thereof is to improve the uniformity of the movable speed of the reflecting surface.
本発明は、隣り合う第1圧電部と第2圧電部がそれぞれ電圧印加されて生じる変形により、反射面を所定の軸周りに可動させる光偏向器の駆動装置であって、前記第1圧電部に所定の波形の第1駆動電圧を印加する第1印加手段と、前記第2圧電部に前記第1駆動電圧とは異なる波形の第2駆動電圧を印加する第2印加手段と、前記第1印加手段と前記第2印加手段の駆動を制御する制御手段と、を備え、前記制御手段は、前記第1印加手段が前記第1駆動電圧の印加を開始する第1開始時間と、前記第2印加手段が前記第2駆動電圧の印加を開始する第2開始時間とが異なるように制御する駆動装置である。 The present invention provides a drive device for an optical deflector that moves a reflecting surface around a predetermined axis by deformation caused by applying voltages to adjacent first and second piezoelectric portions, wherein the first piezoelectric portion First application means for applying a first drive voltage having a predetermined waveform to the second piezoelectric element, second application means for applying a second drive voltage having a waveform different from the first drive voltage to the second piezoelectric portion, and the first Control means for controlling driving of the application means and the second application means, wherein the control means includes a first start time at which the first application means starts applying the first drive voltage, and the second It is a drive device which controls so that application means may differ from the 2nd start time which starts application of the 2nd drive voltage.
本発明によれば、反射面の可動速度の均一性を向上することができる。 According to the present invention, the uniformity of the moving speed of the reflecting surface can be improved.
以下、本発明の実施形態について詳細に説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail.
[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駆動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。
[Optical scanning system]
First, an optical scanning system to which a driving apparatus according to an embodiment of the present invention is applied will be described in detail with reference to FIGS.
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、駆動装置11の制御に従って光源装置12から照射された光を光偏向器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。 FIG. 1 shows a schematic diagram of an example of an optical scanning system. As shown in FIG. 1, the optical scanning system 10 optically scans the surface to be scanned 15 by deflecting the light emitted from the light source device 12 according to the control of the driving device 11 by the reflecting surface 14 of the optical deflector 13. It is.
光走査システム10は、駆動装置11,光源装置12、反射面14を有する光偏向器13により構成される。 The optical scanning system 10 includes a driving device 11, a light source device 12, and an optical deflector 13 having a reflecting surface 14.
駆動装置11は、例えばCPU(Central Processing Unit)およびFPGA(Field-Programmable Gate Array)等を備えた電子回路ユニットである。光偏向器13は、例えば反射面14を有し、反射面14を可動可能なMEMS(Micro Electromechanical Systems)デバイスである。光源装置12は、例えばレーザを照射するレーザ装置である。なお、被走査面15は、例えばスクリーンである。 The drive device 11 is an electronic circuit unit including, for example, a CPU (Central Processing Unit) and an FPGA (Field-Programmable Gate Array). The optical deflector 13 is, for example, a MEMS (Micro Electromechanical Systems) device having a reflective surface 14 and capable of moving the reflective surface 14. The light source device 12 is, for example, a laser device that irradiates a laser. The scanned surface 15 is, for example, a screen.
駆動装置11は、取得した光走査情報に基づいて光源装置12および光偏向器13の制御命令を生成し、制御命令に基づいて光源装置12および光偏向器13に駆動信号を出力する。 The drive device 11 generates a control command for the light source device 12 and the optical deflector 13 based on the acquired optical scanning information, and outputs a drive signal to the light source device 12 and the optical deflector 13 based on the control command.
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。光偏向器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。 The light source device 12 irradiates the light source based on the input drive signal. The optical deflector 13 moves the reflecting surface 14 in at least one of the uniaxial direction and the biaxial direction based on the input drive signal.
これにより、例えば、光走査情報の一例である画像情報に基づいた駆動装置11の制御によって、光偏向器13の反射面14を所定の範囲で2軸方向に往復可動させ、反射面14に入射する光源装置12からの照射光を偏向して光走査することにより、被走査面15に任意の画像を投影することができる。なお、光偏向器の詳細および本実施形態の駆動装置による制御の詳細については後述する。 Thus, for example, the control of the driving device 11 based on the image information which is an example of the optical scanning information causes the reflecting surface 14 of the optical deflector 13 to reciprocate in a biaxial direction within a predetermined range and enter the reflecting surface 14. An arbitrary image can be projected on the scanned surface 15 by deflecting the light emitted from the light source device 12 and performing optical scanning. Details of the optical deflector and details of control by the driving device of the present embodiment will be described later.
次に、図2を参照して、光走査システム10の一例のハードウェア構成について説明する。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、駆動装置11、光源装置12および光偏向器13を備え、それぞれが電気的に接続されている。 Next, an exemplary hardware configuration of the optical scanning system 10 will be described with reference to FIG. FIG. 2 is a hardware configuration diagram of an example of the optical scanning system 10. As shown in FIG. 2, the optical scanning system 10 includes a driving device 11, a light source device 12, and an optical deflector 13, and each is electrically connected.
[駆動装置]
このうち、駆動装置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、光偏向器ドライバ26を備えている。
[Driver]
Among these, the drive device 11 includes a CPU 20, a RAM 21 (Random Access Memory), a ROM 22 (Read Only Memory), an FPGA 23, an external I / F 24, a light source device driver 25, and an optical deflector driver 26.
CPU20は、ROM22等の記憶装置からプログラムやデータをRAM21上に読み出し、処理を実行して、駆動装置11の全体の制御や機能を実現する演算装置である。 The CPU 20 is an arithmetic device that reads out programs and data from a storage device such as the ROM 22 onto the RAM 21 and executes processing to realize the overall control and functions of the drive device 11.
RAM21は、プログラムやデータを一時保持する揮発性の記憶装置である。 The RAM 21 is a volatile storage device that temporarily stores programs and data.
ROM22は、電源を切ってもプログラムやデータを保持することができる不揮発性の記憶装置であり、CPU20が光走査システム10の各機能を制御するために実行する処理用プログラムやデータを記憶している。 The ROM 22 is a nonvolatile storage device that can retain programs and data even when the power is turned off, and stores processing programs and data that the CPU 20 executes to control each function of the optical scanning system 10. Yes.
FPGA23は、CPU20の処理に従って、光源装置ドライバ25および光偏向器ドライバ26に適した制御信号を出力する回路である。 The FPGA 23 is a circuit that outputs control signals suitable for the light source device driver 25 and the optical deflector driver 26 in accordance with the processing of the CPU 20.
外部I/F24は、例えば外部装置やネットワーク等とのインタフェースである。外部装置には、例えば、PC(Personal Computer)等の上位装置、USBメモリ、SDカード、CD、DVD、HDD、SSD等の記憶装置が含まれる。また、ネットワークは、例えば自動車のCAN(Controller Area Network)やLAN(Local Area Network)、インターネット等である。外部I/F24は、外部装置との接続または通信を可能にする構成であればよく、外部装置ごとに外部I/F24が用意されてもよい。 The external I / F 24 is an interface with, for example, an external device or a network. The external device includes, for example, a host device such as a PC (Personal Computer), a storage device such as a USB memory, an SD card, a CD, a DVD, an HDD, and an SSD. The network is, for example, a car CAN (Controller Area Network), a LAN (Local Area Network), the Internet, or the like. The external I / F 24 may be configured to enable connection or communication with an external device, and the external I / F 24 may be prepared for each external device.
光源装置ドライバ25は、入力された制御信号に従って光源装置12に駆動電圧等の駆動信号を出力する電気回路である。 The light source device driver 25 is an electric circuit that outputs a drive signal such as a drive voltage to the light source device 12 in accordance with the input control signal.
光偏向器ドライバ26は、入力された制御信号に従って光偏向器13に駆動電圧等の駆動信号を出力する電気回路である。 The optical deflector driver 26 is an electric circuit that outputs a drive signal such as a drive voltage to the optical deflector 13 in accordance with the input control signal.
駆動装置11において、CPU20は、外部I/F24を介して外部装置やネットワークから光走査情報を取得する。なお、CPU20が光走査情報を取得することができる構成であればよく、駆動装置11内のROM22やFPGA23に光走査情報を格納する構成としてもよいし、駆動装置11内に新たにSSD等の記憶装置を設けて、その記憶装置に光走査情報を格納する構成としてもよい。 In the driving device 11, the CPU 20 acquires optical scanning information from an external device or a network via the external I / F 24. The CPU 20 may be configured so that the optical scanning information can be acquired. The optical scanning information may be stored in the ROM 22 or the FPGA 23 in the driving device 11, or a new SSD or the like may be included in the driving device 11. A storage device may be provided, and the optical scanning information may be stored in the storage device.
ここで、光走査情報とは、被走査面15にどのように光走査させるかを示した情報であり、例えば、光走査により画像を表示する場合は、光走査情報は画像データである。また、例えば、光走査により光書込みを行う場合は、光走査情報は書込み順や書込み箇所を示した書込みデータである。他にも、例えば、光走査により物体認識を行う場合は、光走査情報は物体認識用の光を照射するタイミングと照射範囲を示す照射データである。 Here, the optical scanning information is information indicating how the scanned surface 15 is optically scanned. For example, when an image is displayed by optical scanning, the optical scanning information is image data. For example, when optical writing is performed by optical scanning, the optical scanning information is writing data indicating the writing order and writing location. In addition, for example, when object recognition is performed by optical scanning, the optical scanning information is irradiation data indicating the timing and irradiation range for irradiating light for object recognition.
本実施形態に係る駆動装置11は、CPU20の命令および図2に示したハードウェア構成によって、次に説明する機能構成を実現することができる。 The drive device 11 according to the present embodiment can realize the functional configuration described below by the instruction of the CPU 20 and the hardware configuration shown in FIG.
[駆動装置の機能構成]
次に、図3を参照して、光走査システム10の駆動装置11の機能構成について説明する。図3は、光走査システムの駆動装置の一例の機能ブロック図である。図3に示すように、駆動装置11は、機能として制御部30と駆動信号出力部31とを有する。
[Functional configuration of drive unit]
Next, a functional configuration of the driving device 11 of the optical scanning system 10 will be described with reference to FIG. FIG. 3 is a functional block diagram of an example of a driving device of the optical scanning system. As shown in FIG. 3, the drive device 11 includes a control unit 30 and a drive signal output unit 31 as functions.
制御部30は、例えばCPU20、FPGA23等により実現され、外部装置から光走査情報を取得し、光走査情報を制御信号に変換して駆動信号出力部31に出力する。例えば、制御部30は、制御手段を構成し、外部装置等から画像データを光走査情報として取得し、所定の処理により画像データから制御信号を生成して駆動信号出力部31に出力する。 The control unit 30 is realized by, for example, the CPU 20, the FPGA 23, and the like, acquires optical scanning information from an external device, converts the optical scanning information into a control signal, and outputs the control signal to the drive signal output unit 31. For example, the control unit 30 constitutes a control unit, acquires image data as optical scanning information from an external device or the like, generates a control signal from the image data by a predetermined process, and outputs the control signal to the drive signal output unit 31.
駆動信号出力部31は、印加手段を構成し、光源装置ドライバ25、光偏向器ドライバ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または光偏向器13に駆動信号を出力する。駆動信号出力部31(印加手段)は、例えば、駆動信号を出力する対象ごとに設けられてもよい。 The drive signal output unit 31 constitutes application means, and is realized by the light source device driver 25, the optical deflector driver 26, and the like, and outputs a drive signal to the light source device 12 or the optical deflector 13 based on the input control signal. . The drive signal output unit 31 (applying unit) may be provided for each target that outputs a drive signal, for example.
駆動信号は、光源装置12または光偏向器13の駆動を制御するための信号である。例えば、光源装置12においては、光源の照射タイミングおよび照射強度を制御する駆動電圧である。また、例えば、光偏向器13においては、光偏向器13の有する反射面14を可動させるタイミングおよび可動範囲を制御する駆動電圧である。なお、駆動装置は、光源装置12や受光装置等の外部装置から光源の照射タイミングや受光タイミングを取得し、これらを光偏向器13の駆動に同期するようにしてもよい。 The drive signal is a signal for controlling driving of the light source device 12 or the optical deflector 13. For example, in the light source device 12, the driving voltage is used to control the irradiation timing and irradiation intensity of the light source. Further, for example, in the optical deflector 13, the driving voltage is used to control the timing and movable range for moving the reflecting surface 14 of the optical deflector 13. The driving device may acquire the irradiation timing and the light receiving timing of the light source from an external device such as the light source device 12 and the light receiving device, and synchronize these with the driving of the optical deflector 13.
[光走査処理]
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。
[Optical scanning processing]
Next, a process in which the optical scanning system 10 optically scans the scanned surface 15 will be described with reference to FIG. FIG. 4 is a flowchart of an example of processing according to the optical scanning system.
ステップS11において、制御部30は、外部装置等から光走査情報を取得する。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および光偏向器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、光偏向器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および光偏向器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。 In step S11, the control unit 30 acquires optical scanning information from an external device or the like. In step S <b> 12, the control unit 30 generates a control signal from the acquired optical scanning information, and outputs the control signal to the drive signal output unit 31. In step S <b> 13, the drive signal output unit 31 outputs a drive signal to the light source device 12 and the optical deflector 13 based on the input control signal. In step S <b> 14, the light source device 12 performs light irradiation based on the input drive signal. The optical deflector 13 moves the reflecting surface 14 based on the input drive signal. By driving the light source device 12 and the optical deflector 13, light is deflected in an arbitrary direction and optically scanned.
なお、上記光走査システム10では、1つの駆動装置11が光源装置12および光偏向器13を制御する装置および機能を有しているが、光源装置用の駆動装置および光偏向器用の駆動装置と、別体に設けてもよい。 In the optical scanning system 10, one driving device 11 has a device and a function for controlling the light source device 12 and the optical deflector 13, but the driving device for the light source device and the driving device for the optical deflector Alternatively, it may be provided separately.
また、上記光走査システム10では、一つの駆動装置11に光源装置12および光偏向器13の制御部30の機能および駆動信号出力部31の機能を設けているが、これらの機能は別体として存在していてもよく、例えば制御部30を有した駆動装置11とは別に駆動信号出力部31を有した駆動信号出力装置を設ける構成としてもよい。なお、上記光走査システム10のうち、反射面14を有した光偏向器13と駆動装置11により、光偏向を行う光偏向システムを構成してもよい。 In the optical scanning system 10, the function of the control unit 30 and the function of the drive signal output unit 31 of the light source device 12 and the optical deflector 13 are provided in one drive device 11, but these functions are separately provided. For example, a drive signal output device having a drive signal output unit 31 may be provided in addition to the drive device 11 having the control unit 30. In the optical scanning system 10, an optical deflection system that performs optical deflection may be configured by the optical deflector 13 having the reflecting surface 14 and the driving device 11.
[画像投影装置]
次に、図5及び図6を参照して、本実施形態の駆動装置を適用した画像投影装置について詳細に説明する。
[Image projection device]
Next, with reference to FIG. 5 and FIG. 6, an image projection apparatus to which the drive device of this embodiment is applied will be described in detail.
図5は、画像投影装置の一例であるヘッドアップディスプレイ装置500を搭載した自動車400の実施形態に係る概略図である。また、図6はヘッドアップディスプレイ装置500の一例の概略図である。 FIG. 5 is a schematic diagram according to an embodiment of an automobile 400 equipped with a head-up display device 500 which is an example of an image projection device. FIG. 6 is a schematic diagram of an example of the head-up display device 500.
画像投影装置は、光走査により画像を投影する装置であり、例えばヘッドアップディスプレイ装置である。 The image projection device is a device that projects an image by optical scanning, for example, a head-up display device.
図5に示すように、ヘッドアップディスプレイ装置500は、例えば、自動車400のウインドシールド(フロントガラス401等)の付近に設置される。ヘッドアップディスプレイ装置500から発せられる投射光Lがフロントガラス401で反射され、ユーザーである観察者(運転者402)に向かう。 As shown in FIG. 5, the head-up display device 500 is installed, for example, in the vicinity of a windshield (a windshield 401 or the like) of the automobile 400. The projection light L emitted from the head-up display device 500 is reflected by the windshield 401 and travels toward the observer (driver 402) who is the user.
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。 Accordingly, the driver 402 can visually recognize an image or the like projected by the head-up display device 500 as a virtual image. In addition, you may make it the structure which installs a combiner in the inner wall face of a windshield, and makes a user visually recognize a virtual image with the projection light reflected by a combiner.
図6に示すように、ヘッドアップディスプレイ装置500は、赤色、緑色、青色のレーザ光源501R,501G,501Bからレーザ光が出射される。出射されたレーザ光は、各レーザ光源に対して設けられるコリメータレンズ502,503,504と、2つのダイクロイックミラー505,506と、光量調整部507と、から構成される入射光学系を経た後、反射面14を有する光偏向器13にて偏向される。 As shown in FIG. 6, the head-up display device 500 emits laser light from red, green, and blue laser light sources 501R, 501G, and 501B. The emitted laser light passes through an incident optical system composed of collimator lenses 502, 503, and 504 provided for each laser light source, two dichroic mirrors 505 and 506, and a light amount adjusting unit 507. The light is deflected by an optical deflector 13 having a reflecting surface 14.
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。 The deflected laser light is projected onto a screen through a projection optical system including a free-form surface mirror 509, an intermediate screen 510, and a projection mirror 511.
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。 In the head-up display device 500, the laser light sources 501R, 501G, and 501B, the collimator lenses 502, 503, and 504 and the dichroic mirrors 505 and 506 are unitized as an optical housing by an optical housing.
上記ヘッドアップディスプレイ装置500は、中間スクリーン510に表示される中間像を自動車400のフロントガラス401に投射することで、その中間像を運転者402に虚像として視認させる。 The head-up display device 500 projects the intermediate image displayed on the intermediate screen 510 onto the windshield 401 of the automobile 400 so that the driver 402 can visually recognize the intermediate image as a virtual image.
レーザ光源501R,501G,501Bから発せられる各色レーザ光は、それぞれ、コリメータレンズ502,503,504で略平行光とされ、2つのダイクロイックミラー505,506により合成される。合成されたレーザ光は、光量調整部507で光量が調整された後、反射面14を有する光偏向器13によって二次元走査される。光偏向器13で二次元走査された投射光Lは、自由曲面ミラー509で反射されて歪みを補正された後、中間スクリーン510に集光され、中間像を表示する。中間スクリーン510は、マイクロレンズが二次元配置されたマイクロレンズアレイで構成されており、中間スクリーン510に入射してくる投射光Lをマイクロレンズ単位で拡大する。 The respective color laser beams emitted from the laser light sources 501R, 501G, and 501B are substantially collimated by the collimator lenses 502, 503, and 504, and are combined by the two dichroic mirrors 505 and 506. The combined laser light is two-dimensionally scanned by the optical deflector 13 having the reflecting surface 14 after the light amount is adjusted by the light amount adjusting unit 507. The projection light L that has been two-dimensionally scanned by the optical deflector 13 is reflected by the free-form surface mirror 509, corrected for distortion, and then condensed on the intermediate screen 510 to display an intermediate image. The intermediate screen 510 includes a microlens array in which microlenses are two-dimensionally arranged, and enlarges the projection light L incident on the intermediate screen 510 in units of microlenses.
光偏向器13は、反射面14を2軸方向に往復可動させ、反射面14に入射する投射光Lを二次元走査する。この光偏向器13の駆動制御は、レーザ光源501R,501G,501Bの発光タイミングに同期して行われる。 The optical deflector 13 reciprocally moves the reflecting surface 14 in the biaxial direction, and two-dimensionally scans the projection light L incident on the reflecting surface 14. The drive control of the optical deflector 13 is performed in synchronization with the light emission timings of the laser light sources 501R, 501G, and 501B.
以上、画像投影装置の一例としてのヘッドアップディスプレイ装置500の説明をしたが、画像投影装置は、反射面14を有した光偏向器13により光走査を行うことで画像を投影する装置であればよい。 The head-up display device 500 as an example of the image projection device has been described above. However, the image projection device is any device that projects an image by performing optical scanning with the optical deflector 13 having the reflective surface 14. Good.
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。 For example, it is mounted on a projector that is placed on a desk or the like and projects an image on a display screen, or a mounting member that is mounted on an observer's head or the like, and is projected on a reflective transmission screen that the mounting member has, or an eyeball as a screen The present invention can be similarly applied to a head-mounted display device that projects an image.
また、画像投影装置は、車両や装着部材だけでなく、例えば、航空機、船舶、移動式ロボット等の移動体、あるいは、その場から移動せずにマニピュレータ等の駆動対象を操作する作業ロボットなどの非移動体に搭載されてもよい。 The image projection apparatus is not only a vehicle or a mounting member, but also, for example, a moving body such as an aircraft, a ship, or a mobile robot, or a work robot that operates a driving target such as a manipulator without moving from the spot. It may be mounted on a non-moving body.
[光書込装置]
次に、図7及び図8を参照して、本実施形態の駆動装置11を適用した光書込装置について詳細に説明する。
[Optical writing device]
Next, with reference to FIG. 7 and FIG. 8, an optical writing device to which the driving device 11 of this embodiment is applied will be described in detail.
図7は、光書込装置600を組み込んだ画像形成装置の一例である。また、図8は、光書込装置の一例の概略図である。 FIG. 7 is an example of an image forming apparatus incorporating the optical writing device 600. FIG. 8 is a schematic diagram of an example of an optical writing device.
図7に示すように、上記光書込装置600は、レーザ光によるプリンタ機能を有するレーザプリンタ650等に代表される画像形成装置の構成部材として使用される。画像形成装置において光書込装置600は、1本または複数本のレーザビームで被走査面15である感光体ドラムを光走査することにより、感光体ドラムに光書込を行う。 As shown in FIG. 7, the optical writing device 600 is used as a constituent member of an image forming apparatus represented by a laser printer 650 having a printer function using laser light. In the image forming apparatus, the optical writing device 600 performs optical writing on the photosensitive drum by optically scanning the photosensitive drum which is the surface to be scanned 15 with one or a plurality of laser beams.
図8に示すように、光書込装置600において、レーザ素子などの光源装置12からのレーザ光は、コリメータレンズなどの結像光学系601を経た後、反射面14を有する光偏向器13により1軸方向または2軸方向に偏向される。 As shown in FIG. 8, in the optical writing device 600, the laser light from the light source device 12 such as a laser element passes through an imaging optical system 601 such as a collimator lens, and is then transmitted by the optical deflector 13 having the reflecting surface 14. Deflection is performed in one or two axial directions.
そして、光偏向器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。 Then, the laser beam deflected by the optical deflector 13 passes through a scanning optical system 602 including a first lens 602a, a second lens 602b, and a reflection mirror unit 602c, and then the surface to be scanned 15 (for example, a photosensitive drum or a photosensitive drum). (Paper) and write optically. The scanning optical system 602 forms a light beam in a spot shape on the scanned surface 15.
また、光源装置12および反射面14を有する光偏向器13は、駆動装置11の制御に基づき駆動する。 The light deflector 13 having the light source device 12 and the reflecting surface 14 is driven based on the control of the driving device 11.
このように上記光書込装置600は、レーザ光によるプリンタ機能を有する画像形成装置の構成部材として使用することができる。 As described above, the optical writing device 600 can be used as a constituent member of an image forming apparatus having a printer function using laser light.
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。 Also, by making the scanning optical system different so that optical scanning is possible not only in one axis direction but also in two axis directions, a laser label device that performs printing by deflecting laser light to a thermal medium, optical scanning, and heating. It can be used as a component of the image forming apparatus.
上記光書込装置に適用される反射面14を有した光偏向器13は、ポリゴンミラー等を用いた回転多面鏡に比べ駆動のための消費電力が小さいため、光書込装置の省電力化に有利である。 The optical deflector 13 having the reflecting surface 14 applied to the optical writing device consumes less power for driving than a rotating polygonal mirror using a polygon mirror or the like, so that power saving of the optical writing device is achieved. Is advantageous.
また、光偏向器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、また光偏向器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 Further, since the wind noise during vibration of the optical deflector 13 is smaller than that of the rotary polygon mirror, it is advantageous for improving the quietness of the optical writing device. The optical writing device requires much less installation space than the rotary polygon mirror, and the optical deflector 13 generates only a small amount of heat. Therefore, the optical writing device can be easily downsized, and thus is advantageous for downsizing the image forming apparatus. Is
[物体認識装置]
次に、図9及び図10を参照して、上記本実施形態の駆動装置を適用した物体認識装置について詳細に説明する。
[Object recognition device]
Next, with reference to FIG. 9 and FIG. 10, an object recognition device to which the driving device of the present embodiment is applied will be described in detail.
図9は、物体認識装置の一例であるレーザレーダ装置を搭載した自動車の概略図である。また、図10はレーザレーダ装置の一例の概略図である。 FIG. 9 is a schematic diagram of an automobile equipped with a laser radar device which is an example of an object recognition device. FIG. 10 is a schematic diagram of an example of a laser radar device.
物体認識装置は、対象方向の物体を認識する装置であり、例えばレーザレーダ装置である。 The object recognition device is a device that recognizes an object in a target direction, for example, a laser radar device.
図9に示すように、レーザレーダ装置700は、例えば自動車701に搭載され、対象方向を光走査して、対象方向に存在する被対象物702からの反射光を受光することで、被対象物702を認識する。 As shown in FIG. 9, a laser radar device 700 is mounted on, for example, an automobile 701, optically scans the target direction, and receives reflected light from the target object 702 existing in the target direction, thereby receiving the target object. 702 is recognized.
図10に示すように、光源装置12から出射されたレーザ光は、発散光を略平行光とする光学系であるコリメートレンズ703と、平面ミラー704とから構成される入射光学系を経て、反射面14を有する光偏向器13で1軸もしくは2軸方向に走査される。 As shown in FIG. 10, the laser light emitted from the light source device 12 is reflected through an incident optical system including a collimating lens 703 that is an optical system that makes diverging light substantially parallel light, and a plane mirror 704. Scanning is performed in one or two axial directions by an optical deflector 13 having a surface 14.
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および光偏向器13は、駆動装置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。 Then, the object 702 in front of the apparatus is irradiated through a projection lens 705 or the like that is a projection optical system. Driving of the light source device 12 and the optical deflector 13 is controlled by the driving device 11. The reflected light reflected by the object 702 is detected by the photodetector 709.
すなわち、反射光は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回路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。 That is, the reflected light is received by the image sensor 707 via the condenser lens 706 that is a light receiving optical system, and the image sensor 707 outputs a detection signal to the signal processing circuit 708. The signal processing circuit 708 performs predetermined processing such as binarization and noise processing on the input detection signal, and outputs the result to the distance measurement circuit 710.
測距回路710は、光源装置12がレーザ光を発光したタイミングと、光検出器709でレーザ光を受光したタイミングとの時間差、または受光した撮像素子707の画素ごとの位相差によって、被対象物702の有無を認識し、さらに被対象物702との距離情報を算出する。 The distance measuring circuit 710 determines whether the light source device 12 emits the laser beam and the timing at which the photodetector 709 receives the laser beam, or the phase difference for each pixel of the received image sensor 707. The presence / absence of 702 is recognized, and further distance information with respect to the object 702 is calculated.
反射面14を有する光偏向器13は多面鏡に比べて破損しづらく、小型であるため、耐久性の高い小型のレーダ装置を提供することができる。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。 Since the optical deflector 13 having the reflecting surface 14 is less likely to be damaged than a polygonal mirror and is small in size, it is possible to provide a small and highly durable radar device. Such a radar radar apparatus is attached to, for example, a vehicle, an aircraft, a ship, a robot, and the like, and can optically scan a predetermined range to recognize the presence or absence of an obstacle and the distance to the obstacle.
上記物体認識装置では、一例としてのレーザレーダ装置700の説明をしたが、物体認識装置は、反射面14を有した光偏向器13を駆動装置11で制御することにより光走査を行い、光検出器により反射光を受光することで被対象物702を認識する装置であればよく、上述した実施形態に限定されるものではない。 In the object recognition apparatus, the laser radar apparatus 700 as an example has been described. However, the object recognition apparatus performs optical scanning by controlling the optical deflector 13 having the reflecting surface 14 with the driving device 11 to detect light. Any device that recognizes the object 702 by receiving reflected light with a vessel may be used, and is not limited to the above-described embodiment.
例えば、手や顔を光走査して得た距離情報から形状等の物体情報を算出し、記録と参照することで対象物を認識する生体認証や、対象範囲への光走査により侵入物を認識するセキュリティセンサ、光走査により得た距離情報から形状等の物体情報を算出して認識し、3次元データとして出力する3次元スキャナの構成部材などにも同様に適用することができる。 For example, object information such as shape is calculated from distance information obtained by optically scanning the hand or face, and biometric authentication that recognizes the target object by referring to the record, or recognizes an intruder by optical scanning of the target range The present invention can be similarly applied to a security sensor, a three-dimensional scanner component that calculates and recognizes object information such as a shape from distance information obtained by optical scanning, and outputs it as three-dimensional data.
[パッケージング]
次に、図11を参照して、本実施形態の駆動装置により制御される光偏向器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光偏向器の一例の概略図である。
[Packaging]
Next, with reference to FIG. 11, the packaging of the optical deflector controlled by the drive device of this embodiment will be described. FIG. 11 is a schematic diagram of an example of a packaged optical deflector.
図11に示すように、光偏向器13は、パッケージ部材801の内側に配置される取付部材802に取り付けられ、パッケージ部材の一部を透過部材803で覆われて、密閉されることでパッケージングされる。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、光偏向器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。 As shown in FIG. 11, the optical deflector 13 is attached to an attachment member 802 disposed inside the package member 801, and a part of the package member is covered with a transmission member 803 and sealed to achieve packaging. Is done. Further, an inert gas such as nitrogen is sealed in the package. As a result, deterioration of the optical deflector 13 due to oxidation is suppressed, and durability against changes in the environment such as temperature is improved.
次に、以上に説明した光偏向システム、光走査システム、画像投影装置、光書込装置、物体認識装置に使用される光偏向器の詳細および本実施形態の駆動装置による制御の詳細について説明する。 Next, details of the optical deflector used in the optical deflection system, optical scanning system, image projection apparatus, optical writing apparatus, and object recognition apparatus described above and details of control by the driving apparatus of the present embodiment will be described. .
[光偏向器の詳細]
まず、図12〜図14を参照して、光偏向器について詳細に説明する。
[Details of optical deflector]
First, the optical deflector will be described in detail with reference to FIGS.
図12は、2軸方向に光偏向可能な両持ちタイプの光偏向器の平面図である。図13は、図12のP−P’断面図である。図14は図12のQ−Q’断面図である。 FIG. 12 is a plan view of a double-sided type optical deflector that can deflect light in two axial directions. 13 is a cross-sectional view taken along the line P-P ′ of FIG. 14 is a cross-sectional view taken along the line Q-Q 'of FIG.
図12に示すように、光偏向器13は、入射した光を反射するミラー部101と、ミラー部に接続され、ミラー部をY軸に平行な第1軸周りに駆動する第1駆動部110a、110bと、ミラー部および第1駆動部を支持する第1支持部120と、第1支持部に接続され、ミラー部および第1支持部をX軸に平行な第2軸周りに駆動する第2駆動部130a、130bと、第2駆動部を支持する第2支持部140と、第1駆動部および第2駆動部および駆動装置に電気的に接続される電極接続部150と、を有する。 As shown in FIG. 12, the optical deflector 13 includes a mirror unit 101 that reflects incident light, and a first drive unit 110a that is connected to the mirror unit and drives the mirror unit around a first axis parallel to the Y axis. 110b, a first support 120 that supports the mirror unit and the first drive unit, and a first support unit that is connected to the first support unit and drives the mirror unit and the first support unit about a second axis parallel to the X axis. Two drive units 130a and 130b, a second support unit 140 that supports the second drive unit, and an electrode connection unit 150 that is electrically connected to the first drive unit, the second drive unit, and the drive device.
光偏向器13は、例えば、1枚のSOI(Silicon On Insulator)基板をエッチング処理等により成形し、成形した基板上に反射面14や第1圧電駆動部112a、112b、第2圧電駆動部131a〜131f、132a〜132f、電極接続部150等を形成することで、各構成部が一体的に形成されている。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。 The optical deflector 13 is formed, for example, by forming a single SOI (Silicon On Insulator) substrate by etching or the like, and on the formed substrate, the reflecting surface 14, the first piezoelectric drive units 112a and 112b, and the second piezoelectric drive unit 131a. Each component is integrally formed by forming ~ 131f, 132a to 132f, electrode connecting part 150, and the like. Note that each of the above-described components may be formed after the SOI substrate is formed or during the formation of the SOI substrate.
SOI基板は、単結晶シリコン(Si)からなる第1のシリコン層の上に酸化シリコン層162が設けられ、その酸化シリコン層の上にさらに単結晶シリコンからなる第2のシリコン層が設けられている基板である。以降、第1のシリコン層をシリコン支持層161、第2のシリコン層をシリコン活性層163とする。 In the SOI substrate, a silicon oxide layer 162 is provided on a first silicon layer made of single crystal silicon (Si), and a second silicon layer made of single crystal silicon is further provided on the silicon oxide layer. It is a substrate. Hereinafter, the first silicon layer is referred to as a silicon support layer 161, and the second silicon layer is referred to as a silicon active layer 163.
シリコン活性層163は、X軸方向またはY軸方向に対してZ軸方向への厚みが小さいため、シリコン活性層163のみで構成された部材は、弾性を有する弾性部としての機能を備える。 Since the silicon active layer 163 has a smaller thickness in the Z-axis direction with respect to the X-axis direction or the Y-axis direction, a member formed only of the silicon active layer 163 has a function as an elastic part having elasticity.
なお、SOI基板は、必ず平面状である必要はなく、曲率等を有していてもよい。また、エッチング処理等により一体的に成形でき、部分的に弾性を持たせることができる基板であれば光偏向器13の形成に用いられる部材はSOI基板に限られない。 Note that the SOI substrate is not necessarily flat and may have a curvature or the like. In addition, the member used for forming the optical deflector 13 is not limited to the SOI substrate as long as it is a substrate that can be integrally formed by etching or the like and can be partially elastic.
ミラー部101は、例えば、円形状のミラー部基体102と、ミラー部基体の+Z側の面上に形成された反射面14とから構成される。ミラー部基体102は、例えば、シリコン活性層163から構成される。 The mirror unit 101 includes, for example, a circular mirror unit base 102 and a reflection surface 14 formed on the + Z side surface of the mirror unit base. The mirror part base | substrate 102 is comprised from the silicon | silicone active layer 163, for example.
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。 The reflecting surface 14 is made of a metal thin film containing, for example, aluminum, gold, silver or the like. Further, the mirror portion 101 may have a mirror portion reinforcing rib formed on the surface of the mirror portion base 102 on the −Z side. The rib is composed of, for example, a silicon support layer 161 and a silicon oxide layer 162, and can suppress distortion of the reflecting surface 14 caused by movement.
第1駆動部110a、110bは、ミラー部基体102に一端が接続し、第1軸方向にそれぞれ延びてミラー部101を可動可能に支持する2つのトーションバー111a、111bと、一端がトーションバーに接続され、他端が第1支持部の内周部に接続される第1圧電駆動部112a、112bと、から構成される。 The first drive units 110a and 110b are connected at one end to the mirror unit base 102, extend in the first axial direction, and movably support the mirror unit 101, and one end to the torsion bar. The first piezoelectric drive units 112a and 112b are connected to each other and connected to the inner peripheral portion of the first support unit at the other end.
図13に示すように、トーションバー111a、111bはシリコン活性層163から構成される。また、第1圧電駆動部112a、112bは、弾性部であるシリコン活性層163の+Z側の面上に下部電極201、圧電部202、上部電極203の順に形成されて構成される。 As shown in FIG. 13, the torsion bars 111 a and 111 b are composed of a silicon active layer 163. The first piezoelectric driving units 112a and 112b are configured by forming a lower electrode 201, a piezoelectric unit 202, and an upper electrode 203 in this order on the surface of the silicon active layer 163 that is an elastic part on the + Z side.
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。 The upper electrode 203 and the lower electrode 201 are made of, for example, gold (Au) or platinum (Pt). The piezoelectric portion 202 is made of, for example, PZT (lead zirconate titanate) that is a piezoelectric material.
図12に戻り、第1支持部120は、例えば、シリコン支持層161、酸化シリコン層162、シリコン活性層163から構成され、ミラー部101を囲うように形成された矩形形状の支持体である。 Returning to FIG. 12, the first support part 120 is a rectangular support body that is formed of, for example, a silicon support layer 161, a silicon oxide layer 162, and a silicon active layer 163 and is formed so as to surround the mirror part 101.
第2駆動部130a、130bは、例えば、折り返すように連結された複数の第2圧電駆動部131a〜131f、132a〜132fから構成されており、第2駆動部130a、130bの一端は第1支持部120の外周部に接続され、他端は第2支持部140の内周部に接続されている。 For example, the second driving units 130a and 130b include a plurality of second piezoelectric driving units 131a to 131f and 132a to 132f connected so as to be folded back, and one end of each of the second driving units 130a and 130b is a first support. The other end is connected to the outer peripheral part of the part 120, and the other end is connected to the inner peripheral part of the second support part 140.
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。 At this time, the connection location between the second drive unit 130a and the first support unit 120, the connection site between the second drive unit 130b and the first support unit 120, the connection site between the second drive unit 130a and the second support unit 140, and the The connection part of the 2 drive part 130b and the 2nd support part 140 is point-symmetric with respect to the center of the reflective surface 14. FIG.
図14に示すように、第2駆動部130a、130bは、弾性部であるシリコン活性層163の+Z側の面上に下部電極201、圧電部202、上部電極203の順に形成されて構成される。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。 As shown in FIG. 14, the second driving units 130 a and 130 b are formed by sequentially forming a lower electrode 201, a piezoelectric unit 202, and an upper electrode 203 on the + Z side surface of the silicon active layer 163 that is an elastic unit. . The upper electrode 203 and the lower electrode 201 are made of, for example, gold (Au) or platinum (Pt). The piezoelectric portion 202 is made of, for example, PZT (lead zirconate titanate) that is a piezoelectric material.
図12に戻り、第2支持部140は、例えば、シリコン支持層161、酸化シリコン層162、シリコン活性層163から構成され、ミラー部101、第1駆動部110a、110b、第1支持部120および第2駆動部130a、130bを囲うように形成された矩形の支持体である。 Returning to FIG. 12, the second support unit 140 includes, for example, a silicon support layer 161, a silicon oxide layer 162, and a silicon active layer 163, and includes a mirror unit 101, first drive units 110 a and 110 b, a first support unit 120, and This is a rectangular support formed so as to surround the second drive units 130a and 130b.
電極接続部150は、例えば、第2支持部140の+Z側の面上に形成され、第1圧電駆動部112a、112b、第2圧電駆動部131a〜131fの各上部電極203および各下部電極201,および駆動装置11にアルミニウム(Al)等の電極配線を介して電気的に接続されている。 The electrode connection unit 150 is formed, for example, on the surface of the second support unit 140 on the + Z side, and the upper electrodes 203 and the lower electrodes 201 of the first piezoelectric driving units 112a and 112b and the second piezoelectric driving units 131a to 131f. , And the drive device 11 via an electrode wiring such as aluminum (Al).
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。 Each of the upper electrode 203 and the lower electrode 201 may be directly connected to the electrode connecting portion, or may be indirectly connected by connecting the electrodes to each other.
なお、本実施形態では、圧電部202が弾性部であるシリコン活性層163の一面(+Z側の面)のみに形成された場合を一例として説明したが、弾性部の他の面(例えば−Z側の面)に設けても良いし、弾性部の一面および他面の双方に設けても良い。 In the present embodiment, the case where the piezoelectric portion 202 is formed only on one surface (the surface on the + Z side) of the silicon active layer 163 that is an elastic portion has been described as an example. May be provided on both the one side and the other side of the elastic portion.
また、ミラー部101を第1軸周りまたは第2軸周りに駆動可能であれば、各構成部の形状は実施形態の形状に限定されない。例えば、トーションバー111a、111bや第1圧電駆動部112a、112bが曲率を有した形状を有していてもよい。 In addition, as long as the mirror unit 101 can be driven around the first axis or the second axis, the shape of each component is not limited to the shape of the embodiment. For example, the torsion bars 111a and 111b and the first piezoelectric drive units 112a and 112b may have a curved shape.
さらに、第1駆動部110a、110bの上部電極203の+Z側の面上、第1支持部の+Z側の面上、第2駆動部130a、130bの上部電極203の+Z側の面上、第2支持部の+Z側の面上の少なくともいずれかに酸化シリコン膜からなる絶縁層が形成されていてもよい。 Further, on the + Z side surface of the upper electrode 203 of the first drive units 110a and 110b, on the + Z side surface of the first support unit, on the + Z side surface of the upper electrode 203 of the second drive units 130a and 130b, 2 An insulating layer made of a silicon oxide film may be formed on at least one of the surfaces on the + Z side of the support portion.
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。なお、絶縁層は絶縁性を有する部材であればよく、また、反射防止材としての機能を備えさせてもよい。 At this time, an electrode wiring is provided on the insulating layer, and the insulating layer is not partially removed or formed as an opening at a connection spot where the upper electrode 203 or the lower electrode 201 and the electrode wiring are connected. This increases the degree of freedom in designing the first drive units 110a and 110b, the second drive units 130a and 130b, and the electrode wiring, and can further suppress a short circuit due to contact between the electrodes. The insulating layer may be any member having an insulating property, and may have a function as an antireflection material.
[駆動装置の制御の詳細]
次に、光偏向器の第1駆動部および第2駆動部を駆動させる駆動装置の制御の詳細について説明する。
[Details of control of drive unit]
Next, details of the control of the driving device that drives the first driving unit and the second driving unit of the optical deflector will be described.
第1駆動部110a、110b、第2駆動部130a、130bが有する圧電部202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の電位に比例した変形(例えば、伸縮)が生じ、いわゆる逆圧電効果を発揮する。第1駆動部110a,110b,第2駆動部130a、130bは、上記の逆圧電効果を利用してミラー部101を可動させる。 The piezoelectric unit 202 included in the first driving unit 110a, 110b and the second driving unit 130a, 130b undergoes deformation (for example, expansion and contraction) proportional to the potential of the applied voltage when a positive or negative voltage is applied in the polarization direction. The so-called reverse piezoelectric effect is exhibited. The first driving units 110a and 110b and the second driving units 130a and 130b move the mirror unit 101 using the above-described inverse piezoelectric effect.
このとき、ミラー部101の反射面14に入射した光束が偏向される角度を振れ角とよぶ。圧電部に電圧を印加していないときの振れ角をゼロとし、その角度よりも偏向角度が大きい場合を正の振れ角、小さい場合を負の振れ角とする。 At this time, the angle at which the light beam incident on the reflecting surface 14 of the mirror unit 101 is deflected is called a deflection angle. When the voltage is not applied to the piezoelectric portion, the deflection angle is set to zero. When the deflection angle is larger than the angle, the deflection angle is positive. When the deflection angle is smaller, the deflection angle is negative.
まず、第1駆動部を駆動させる駆動装置の制御について説明する。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。 First, control of the drive device that drives the first drive unit will be described. In the first driving units 110a and 110b, when a driving voltage is applied in parallel to the piezoelectric units 202 included in the first piezoelectric driving units 112a and 112b via the upper electrode 203 and the lower electrode 201, the respective piezoelectric units 202 are connected. Deform. Due to the action of the deformation of the piezoelectric portion 202, the first piezoelectric driving portions 112a and 112b are bent and deformed.
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、駆動装置11によって制御される。 As a result, the driving force around the first axis acts on the mirror portion 101 via the twist of the two torsion bars 111a and 111b, and the mirror portion 101 moves around the first axis. The driving voltage applied to the first driving units 110 a and 110 b is controlled by the driving device 11.
そこで、駆動装置11によって、第1駆動部110a、110bが有する第1圧電駆動部112a、112bに所定の正弦波形の駆動電圧を並行して印加することで、ミラー部101を、第1軸周りに所定の正弦波形の駆動電圧の周期で可動させることができる。 Therefore, the drive unit 11 applies the drive voltage having a predetermined sine waveform in parallel to the first piezoelectric drive units 112a and 112b included in the first drive units 110a and 110b, so that the mirror unit 101 is moved around the first axis. Can be moved at a period of a drive voltage having a predetermined sine waveform.
特に、例えば、正弦波形電圧の周波数がトーションバー111a、111bの共振周波数と同程度である約20kHzに設定された場合、トーションバー111a、111bのねじれによる機械的共振が生じるのを利用して、ミラー部101を約20kHzで共振振動させることができる。 In particular, for example, when the frequency of the sinusoidal waveform voltage is set to about 20 kHz, which is about the same as the resonance frequency of the torsion bars 111a and 111b, utilizing the mechanical resonance caused by the torsion of the torsion bars 111a and 111b, The mirror unit 101 can be resonantly oscillated at about 20 kHz.
次に、図15〜図21を参照して、第2駆動部を駆動させる駆動装置の制御について説明する。 Next, with reference to FIGS. 15-21, control of the drive device which drives a 2nd drive part is demonstrated.
図15は、光偏向器の第2駆動部130bの駆動を模式的に表した模式図である。斜線で表されている領域がミラー部101等である。 FIG. 15 is a schematic diagram schematically illustrating driving of the second drive unit 130b of the optical deflector. A region represented by diagonal lines is the mirror unit 101 or the like.
第2駆動部130aが有する複数の第2圧電駆動部131a〜131fのうち、最もミラー部に距離が近い第2圧電駆動部(131a)から数えて偶数番目の第2圧電駆動部、すなわち第2圧電駆動部131b、131d、131fを圧電駆動部群Aとする。 Among the plurality of second piezoelectric drive units 131a to 131f included in the second drive unit 130a, the even-numbered second piezoelectric drive unit counted from the second piezoelectric drive unit (131a) closest to the mirror unit, that is, the second piezoelectric drive unit. The piezoelectric drive units 131b, 131d, and 131f are referred to as a piezoelectric drive unit group A.
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。 Further, among the plurality of second piezoelectric drive units 132a to 132f included in the second drive unit 130b, odd-numbered second piezoelectric drive units counted from the second piezoelectric drive unit (132a) closest to the mirror unit, That is, the second piezoelectric drive units 132a, 132c, and 132e are similarly referred to as a piezoelectric drive unit group A.
圧電駆動部群Aは、駆動電圧が並行に印加されると、図15(i)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。 When the drive voltage is applied in parallel, the piezoelectric drive unit group A is bent so that the piezoelectric drive unit group A is bent and deformed in the same direction as shown in FIG. 101 moves around the second axis.
また、第2駆動部130aが有する複数の第2圧電駆動部131a〜131fのうち、最もミラー部に距離が近い第2圧電駆動部(131a)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131a、131c、131eを圧電駆動部群Bとする。 Of the plurality of second piezoelectric drive units 131a to 131f of the second drive unit 130a, the odd-numbered second piezoelectric drive units counted from the second piezoelectric drive unit (131a) closest to the mirror unit, that is, The second piezoelectric drive units 131a, 131c, and 131e are referred to as a piezoelectric drive unit group B.
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)から数えて偶数番目の第2圧電駆動部、すなわち、132b、132d、132fを同様に圧電駆動部群Bとする。 Further, among the plurality of second piezoelectric driving units 132a to 132f included in the second driving unit 130b, the even-numbered second piezoelectric driving unit counted from the second piezoelectric driving unit (132a) closest to the mirror unit, That is, 132b, 132d, and 132f are similarly set as the piezoelectric drive unit group B.
圧電駆動部群Bは、駆動電圧が並行に印加されると、図15(iii)に示すように、圧電駆動部群Bが同一方向に屈曲変形し、負の振れ角となるようにミラー部101第2軸周りに可動する。 When the drive voltage is applied in parallel, the piezoelectric drive unit group B is bent and deformed in the same direction as shown in FIG. 15 (iii) so that the mirror unit has a negative deflection angle. 101 Moves around the second axis.
図15(i)、(iii)に示すように、第2駆動部130aまたは130bでは、圧電駆動部群Aが有する複数の圧電部202または圧電駆動部群Bが有する複数の圧電部202を屈曲変形させることにより、屈曲変形による可動量を累積させ、ミラー部101の第2軸周りの振れ角を大きくすることができる。 As shown in FIGS. 15 (i) and (iii), in the second drive unit 130a or 130b, the plurality of piezoelectric units 202 included in the piezoelectric drive unit group A or the plurality of piezoelectric units 202 included in the piezoelectric drive unit group B are bent. By deforming, the movable amount due to the bending deformation can be accumulated, and the deflection angle around the second axis of the mirror unit 101 can be increased.
例えば、図12に示すように、第2駆動部130a、130bが、第1支持部の中心点に対して第1支持部に点対称で接続されている。そのため、圧電駆動部群Aに駆動電圧を印加すると、第2駆動部130aでは第1支持部と第2駆動部130aの接続部に+Z方向に動かす駆動力が生じ、第2駆動部130bでは第1支持部と第2駆動部130bの接続部に−Z方向に動かす駆動力が生じ、可動量が累積されてミラー部101の第2軸周りの振れ角度を大きくすることができる。 For example, as shown in FIG. 12, the second drive units 130a and 130b are connected to the first support unit in a point-symmetric manner with respect to the center point of the first support unit. Therefore, when a driving voltage is applied to the piezoelectric driving unit group A, the second driving unit 130a generates a driving force that moves in the + Z direction at the connecting portion between the first support unit and the second driving unit 130a, and the second driving unit 130b has the second driving unit 130b. A driving force that moves in the −Z direction is generated at the connection portion between the first support portion and the second driving portion 130b, and the amount of movement can be accumulated to increase the deflection angle of the mirror portion 101 around the second axis.
また、図15(ii)に示すように、電圧が印加されていない、または、電圧印加による圧電駆動部群Aによるミラー部101の可動量と電圧印加による圧電駆動群Bによるミラー部101の可動量が釣り合っている時は、振れ角はゼロとなる。 Further, as shown in FIG. 15 (ii), no voltage is applied, or the movable amount of the mirror unit 101 by the piezoelectric drive unit group A by the voltage application and the movement of the mirror unit 101 by the piezoelectric drive group B by the voltage application. When the amount is balanced, the deflection angle is zero.
図15(i)〜図15(iii)を連続的に繰り返すように第2圧電駆動部に駆動電圧を印加することにより、ミラー部を第2軸周りに駆動させることができる。 The mirror part can be driven around the second axis by applying a driving voltage to the second piezoelectric driving part so as to continuously repeat FIGS. 15 (i) to 15 (iii).
[駆動電圧]
第2駆動部に印加される駆動電圧は、駆動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(第1駆動電圧)を印加する印加手段を第1印加手段、駆動電圧B(第2駆動電圧)を印加する印加手段を第2印加手段とする。
[Drive voltage]
The drive voltage applied to the second drive unit is controlled by the drive device. With reference to FIG. 16, the drive voltage applied to the piezoelectric drive unit group A (hereinafter referred to as drive voltage A) and the drive voltage applied to the piezoelectric drive unit group B (hereinafter referred to as drive voltage B) will be described. In addition, an application unit that applies the drive voltage A (first drive voltage) is a first application unit, and an application unit that applies the drive voltage B (second drive voltage) is a second application unit.
図16(a)は、光偏向器の圧電駆動部群Aに印加される駆動電圧Aの波形の一例である。図16(b)は、光偏向器の圧電駆動部群Bに印加される駆動電圧Bの波形の一例である。図16(c)は、駆動電圧Aの波形と駆動電圧Bの波形を重ね合わせた図である。 FIG. 16A shows an example of the waveform of the drive voltage A applied to the piezoelectric drive unit group A of the optical deflector. FIG. 16B is an example of a waveform of the drive voltage B applied to the piezoelectric drive unit group B of the optical deflector. FIG. 16C is a diagram in which the waveform of the drive voltage A and the waveform of the drive voltage B are superimposed.
図16(a)に示すように、圧電駆動部群Aに印加される駆動電圧Aの波形は、例えば、ノコギリ波状の波形であり、周波数は、例えば60HZである。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。 As shown in FIG. 16A, the waveform of the drive voltage A applied to the piezoelectric drive unit group A is, for example, a sawtooth waveform, and the frequency is, for example, 60 Hz. Further, the waveform of the drive voltage A has a rising time period TrA in which the voltage value increases from the minimum value to the next maximum value, and a falling period in which the voltage value decreases from the maximum value to the next minimum value. For example, a ratio of TrA: TfA = 9: 1 is set in advance. At this time, the ratio of TrA to one cycle is referred to as symmetry of drive voltage A.
図16(b)に示すように、圧電駆動部群Bに印加される駆動電圧Bの波形は、例えば、ノコギリ波状の波形であり、周波数は、例えば60HZである。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。 As shown in FIG. 16B, the waveform of the drive voltage B applied to the piezoelectric drive unit group B is, for example, a sawtooth waveform, and the frequency is, for example, 60 Hz. In addition, the waveform of the drive voltage B indicates that the time width of the rising period in which the voltage value increases from the minimum value to the next maximum value is TrB, and the falling period in which the voltage value decreases from the maximum value to the next minimum value. For example, a ratio of TfB: TrB = 9: 1 is set in advance. At this time, the ratio of TfB to one cycle is referred to as symmetry of the drive voltage B. Also, as shown in FIG. 16C, for example, the period TA of the waveform of the drive voltage A and the period TB of the waveform of the drive voltage B are set to be the same.
なお、上記の駆動電圧Aおよび駆動電圧Bのノコギリ波状の波形は、例えば、正弦波の重ね合わせによって生成される。 The sawtooth waveform of the drive voltage A and the drive voltage B is generated, for example, by superimposing sine waves.
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、光偏向器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。この場合、シンメトリは、一周期に対する立ち上がり時間の比率、または一周期に対する立ち下がり時間の比率となる。このとき、立ち上がり時間、立ち下がり時間のどちらを基準にするかは、任意に設定してもよい。 In the present embodiment, the drive voltages A and B use a sawtooth waveform drive voltage. However, the present invention is not limited to this, and a drive voltage having a sawtooth waveform with a rounded apex or a sawtooth waveform. It is also possible to change the waveform according to the device characteristics of the optical deflector, such as a drive voltage having a waveform with the straight line region as a curve. In this case, the symmetry is the ratio of the rise time to one cycle or the ratio of the fall time to one cycle. At this time, it may be arbitrarily set whether the rise time or the fall time is used as a reference.
次に、図17〜図19を参照して、光偏向器の反射面の第2軸周りの可動速度、すなわち反射面の第2軸周りの振れ角の時間変化について説明する。 Next, with reference to FIG. 17 to FIG. 19, a description will be given of a temporal change in the moving speed around the second axis of the reflecting surface of the optical deflector, that is, the deflection angle around the second axis of the reflecting surface.
図17は、反射面の第2軸周りの可動速度が一定(均一)である場合の反射面の第2軸周りの振れ角(光走査角度)の時間変化を示す図である。図18は、反射面の第2軸周りの可動速度が一定(均一)ではない場合の反射面の第2軸周りの振れ角(光走査角度)の時間変化を示す図である。図19(a)は、第2軸周りのミラー部101の可動速度が均一であるときの投影画像のイメージ図である。図19(b)は、第2軸周りのミラー部101の可動速度が不均一であるときの投影画像のイメージ図である。 FIG. 17 is a diagram illustrating a temporal change in a deflection angle (light scanning angle) of the reflecting surface around the second axis when the movable speed of the reflecting surface around the second axis is constant (uniform). FIG. 18 is a diagram illustrating a temporal change in the deflection angle (optical scanning angle) of the reflecting surface around the second axis when the movable speed of the reflecting surface around the second axis is not constant (uniform). FIG. 19A is an image diagram of a projected image when the movable speed of the mirror unit 101 around the second axis is uniform. FIG. 19B is an image diagram of a projected image when the movable speed of the mirror unit 101 around the second axis is nonuniform.
反射面14の第2軸周りの振れ角の時間変化、すなわち反射面14の第2軸周りの可動速度は、図17に示すように直線的であることが望ましい。つまり、ミラー部101の第2軸周りの可動速度に変動が生じないことが望ましい。ミラー部101の第2軸周りの可動速度に変動が生じると、直線的な光走査が妨げられ、例えば、被走査面15に形成される画像に輝度ムラ、歪みなどが発生し、画質の劣化を招くからである。 It is desirable that the time change of the deflection angle around the second axis of the reflecting surface 14, that is, the movable speed of the reflecting surface 14 around the second axis is linear as shown in FIG. That is, it is desirable that the movable speed around the second axis of the mirror unit 101 does not vary. If fluctuation occurs in the movable speed around the second axis of the mirror unit 101, linear optical scanning is hindered, and for example, unevenness in brightness, distortion, etc. occur in the image formed on the scanned surface 15 and image quality deteriorates. Because it invites.
しかしながら、実際には、光偏向器13は共振周波数を有し、光偏向器13に駆動電圧を印加した際に、駆動電圧の高調波成分と共振周波数との重なりが大きいと、光偏向器13の共振が励起されてしまう。これにより、図18に示すように、反射面14の2軸周りの可動速度は揺れが生じてしまい、可動速度の均一性を保つことができない。 However, in practice, the optical deflector 13 has a resonance frequency. When a drive voltage is applied to the optical deflector 13, if the overlap between the harmonic component of the drive voltage and the resonance frequency is large, the optical deflector 13 Will be excited. As a result, as shown in FIG. 18, the movable speed around the two axes of the reflecting surface 14 fluctuates, and the uniformity of the movable speed cannot be maintained.
[高調波成分及び共振周波数]
高調波成分及び共振周波数について図28を参照して説明する。図28は、高調波成分と光偏向器13が有する共振周波数の関係を表したグラフの一例である。光偏向器13の共振周波数は複数存在し、それぞれ周波数が小さいものから0次(最低次、f0)、1次(f1)、…、n次の共振周波数(共振モード)とする。このとき、駆動電圧の高調波成分が光偏向器13の共振周波数との重なりが大きいとき、特に高調波成分の信号強度も共振モードの駆動感度も高い0次の共振周波数との重なりが大きいとき、光偏向器13の共振が励起され、光偏向器13に異常振動が発生する。この異常振動により、反射面14の可動速度に揺れが生じてしまい、可動速度の均一性を保つことができなくなる。
[Harmonic component and resonance frequency]
The harmonic components and the resonance frequency will be described with reference to FIG. FIG. 28 is an example of a graph showing the relationship between the harmonic component and the resonance frequency of the optical deflector 13. There are a plurality of resonance frequencies of the optical deflector 13, and the resonance frequencies (resonance modes) of the 0th order (lowest order, f0), 1st order (f1),. At this time, when the harmonic component of the drive voltage overlaps with the resonance frequency of the optical deflector 13, especially when the overlap between the harmonic component signal intensity and the 0th-order resonance frequency where the resonance mode drive sensitivity is high is large. The resonance of the optical deflector 13 is excited, and abnormal vibration occurs in the optical deflector 13. Due to this abnormal vibration, the moving speed of the reflecting surface 14 fluctuates, and the uniformity of the moving speed cannot be maintained.
[投影画像]
図18に示すような不均一な可動速度で光走査する光偏向器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)のように画像全体に輝度ムラと歪みが生じてしまう。
[Projected image]
When image projection is performed using an optical deflector that performs optical scanning at a nonuniform moving speed as shown in FIG. 18, the projection image originally displayed as shown in FIG. As described above, luminance unevenness and distortion occur in the entire image.
駆動電圧の高調波成分は、駆動電圧に急激な変化が生じる場合に、波形に多く含まれることとなる。これは、駆動電圧に急激な変化を生じさせるために、短い周期の正弦波を重ね合わせることとなり、高調波が短い間隔で生じることとなるためである。 The harmonic component of the drive voltage is included in the waveform when a sudden change occurs in the drive voltage. This is because a sine wave with a short period is superimposed in order to cause a rapid change in the drive voltage, and harmonics are generated at short intervals.
駆動電圧の急激な変化は次のような場合に生じる。例えば、圧電駆動部群Aに属するある圧電部を第1圧電部、第1圧電部の片隣の圧電駆動部群Bに属する圧電部を第2圧電部とする。このとき、第1圧電部へ印加する駆動電圧の波形と第2圧電部へ印加する駆動電圧の波形とが異なる。このような場合、圧電部へ印加する電圧値が極小値となる時刻が、第1圧電部と第2圧電部とで合わなくなる。 A sudden change in the drive voltage occurs in the following cases. For example, a certain piezoelectric unit belonging to the piezoelectric drive unit group A is a first piezoelectric unit, and a piezoelectric unit belonging to the piezoelectric drive unit group B adjacent to the first piezoelectric unit is a second piezoelectric unit. At this time, the waveform of the drive voltage applied to the first piezoelectric unit is different from the waveform of the drive voltage applied to the second piezoelectric unit. In such a case, the time when the voltage value applied to the piezoelectric part becomes the minimum value does not match between the first piezoelectric part and the second piezoelectric part.
このとき、駆動電圧が印加されていない停止状態から、第1圧電部と第2圧電部に対して同時に駆動電圧の印加を開始すると、すなわち、第1圧電部へ駆動電圧を出力開始する第1出力開始時間と、第2圧電部へ駆動電圧を出力開始する第2出力開始時間とが同じとなる。このとき、例えば、図29に示すような駆動電圧の波形となり、第1駆動電圧、第2駆動電圧ともに、出力開始時間直後に、瞬間的に駆動電圧の急激な変化が生じる。 At this time, when application of the drive voltage is started simultaneously to the first piezoelectric unit and the second piezoelectric unit from a stopped state where no drive voltage is applied, that is, first output of the drive voltage to the first piezoelectric unit is started. The output start time is the same as the second output start time for starting output of the drive voltage to the second piezoelectric unit. At this time, for example, the waveform of the drive voltage is as shown in FIG. 29, and both the first drive voltage and the second drive voltage instantaneously change suddenly immediately after the output start time.
このように、出力開始時間直後に駆動電圧の急激な変化が生じると、駆動電圧の高調波成分により光偏向器の共振が励起されてしまい、出力開始時間直後しばらくは、反射面14の可動速度を均一とすることができないという問題があった。 In this way, when a sudden change in the drive voltage occurs immediately after the output start time, the resonance of the optical deflector is excited by the harmonic component of the drive voltage. There was a problem that it could not be made uniform.
そこで、本実施形態では、駆動装置11は、隣り合う圧電部に所定の波形の駆動電圧を印加する際に、第1印加手段が駆動電圧A(第1駆動電圧)の印加を開始する開始時間(第1開始時間)と、第2印加手段が駆動電圧B(第2駆動電圧)の印加を開始する開始時間(第2開始時間)とが異なるように制御する。 Therefore, in the present embodiment, when the drive device 11 applies a drive voltage having a predetermined waveform to adjacent piezoelectric units, the start time when the first application unit starts applying the drive voltage A (first drive voltage). Control is performed such that the (first start time) is different from the start time (second start time) at which the second application unit starts applying the drive voltage B (second drive voltage).
この結果、駆動電圧の出力開始直後の急激な変化が抑制され、反射面14の第2軸周りの可動動作における可動速度の変動を抑制し、反射面14の可動速度の均一性を向上させることができる。 As a result, an abrupt change immediately after the start of output of the drive voltage is suppressed, fluctuation of the moving speed in the moving operation around the second axis of the reflecting surface 14 is suppressed, and uniformity of the moving speed of the reflecting surface 14 is improved. Can do.
以下、図20、図21を参照して、上記制御によりミラー部101の可動速度の均一性が向上する理由について詳細に説明する。 Hereinafter, the reason why the uniformity of the movable speed of the mirror unit 101 is improved by the above control will be described in detail with reference to FIGS.
図20は、第1駆動電圧の印加開始時間と第2駆動電圧の印加開始時間を異ならせた駆動信号の波形を示す図である。このとき、第1圧電部と第2圧電部の両方に駆動電圧が印加されていない期間を停止期間、第1駆動電圧および第2駆動電圧の波形が一定となる期間を通常動作期間、停止期間から通常動作期間へ遷移する期間を遷移期間とする。図20においては、第2駆動電圧の印加開始時間までが停止期間、第2駆動電圧の印加開始時間から周期T11の終わりまでが遷移期間、周期T12の始まり以降が通常動作期間である。 FIG. 20 is a diagram illustrating drive signal waveforms in which the application start time of the first drive voltage and the application start time of the second drive voltage are different. At this time, a period in which the drive voltage is not applied to both the first piezoelectric part and the second piezoelectric part is a stop period, a period in which the waveforms of the first drive voltage and the second drive voltage are constant, a normal operation period, and a stop period The period during which the transition to the normal operation period is made the transition period. In FIG. 20, the stop period is from the application start time of the second drive voltage, the transition period is from the application start time of the second drive voltage to the end of the period T11, and the normal operation period is from the start of the period T12.
図20に示すように、第1圧電部に第2駆動電圧を印加する開始時間(第1開始時間)と、第2圧電部に第2駆動電圧を印加する開始時間(第2開始時間)とが異なっている。 As shown in FIG. 20, the start time (first start time) for applying the second drive voltage to the first piezoelectric portion, and the start time (second start time) for applying the second drive voltage to the second piezoelectric portion, Is different.
これにより、第1駆動電圧と第2駆動電圧を同時に印加しないために、印加第1駆動電圧、第2駆動電圧ともに瞬間的に駆動電圧が急激に変化することが抑制され、異常振動を抑制することができる。 As a result, since the first drive voltage and the second drive voltage are not applied at the same time, both the applied first drive voltage and the second drive voltage are restrained from abruptly changing the drive voltage, thereby suppressing abnormal vibration. be able to.
第1開始時間と第2開始時間の時間差を開始時間差ΔTとする。このとき、例えば、ΔTを第1駆動電圧の立ち下がり時間、または、第2駆動電圧の立ち上がり時間に一致する時間に設定するのが好ましい。これにより、駆動電圧の波形を遷移期間と通常動作期間で変化させることなく、第1駆動電圧の波形の極小電圧値と第2駆動電圧の波形の極小電圧値が一致するタイミングで出力を開始するため、停止期間(0V)からの差がなくなる、または最も小さくなり、電圧の急激な変化が抑制されるため、異常振動を抑制することができる。また、遷移期間と通常動作期間で波形を変化させないことで、駆動信号(駆動電圧)に含まれる高周波成分を限定することができる。 A time difference between the first start time and the second start time is defined as a start time difference ΔT. At this time, for example, ΔT is preferably set to a time that coincides with the fall time of the first drive voltage or the rise time of the second drive voltage. Thus, output is started at the timing when the minimum voltage value of the waveform of the first drive voltage and the minimum voltage value of the waveform of the second drive voltage match without changing the waveform of the drive voltage between the transition period and the normal operation period. Therefore, the difference from the stop period (0 V) disappears or becomes the smallest, and a rapid change in voltage is suppressed, so that abnormal vibration can be suppressed. Further, by not changing the waveform between the transition period and the normal operation period, it is possible to limit the high-frequency component included in the drive signal (drive voltage).
また、このとき、第1駆動電圧の波形または第2駆動電圧の波形のシンメトリを調整することで、より異常振動を抑制することができる。以下にその理由について、図21を参照して説明する。 At this time, the abnormal vibration can be further suppressed by adjusting the symmetry of the waveform of the first drive voltage or the waveform of the second drive voltage. The reason will be described below with reference to FIG.
図21は、シンメトリ調整による異常振動の抑制を説明するための図である。図21には、本実施形態の駆動方式におけるノコギリ波状の波形の駆動電圧の周波数成分(高調波成分)と、光偏向器13がもつ共振モードの周波数特性との関係が示されている。ノコギリ波状波形の駆動電圧の周波数成分は、理想的なノコギリ波状の波形をフーリエ変換して印加信号を周波数成分に分解したものであり、直流(0Hz)から駆動周波数間隔で発生する印加電圧成分の重ね合わせで表される。 FIG. 21 is a diagram for explaining suppression of abnormal vibration by symmetry adjustment. FIG. 21 shows the relationship between the frequency component (harmonic component) of the drive voltage having a sawtooth waveform and the frequency characteristics of the resonance mode of the optical deflector 13 in the drive method of this embodiment. The frequency component of the sawtooth waveform driving voltage is obtained by Fourier transforming an ideal sawtooth waveform and decomposing the applied signal into frequency components. The applied voltage component generated from the direct current (0 Hz) at the driving frequency interval. Represented by superposition.
また、図21には、光偏向器13が有する最低次共振モードのスペクトル特性も示されている。なお、図21では、駆動信号の駆動周波数(繰り返し周波数)を光偏向器の最低次の共振周波数の半整数分の1に設定した場合が例示している。このように設定すると、周期的に発生する信号成分である高調波成分と光偏向器の共振周波数との重なりを低減することができる。 FIG. 21 also shows the spectral characteristics of the lowest-order resonance mode that the optical deflector 13 has. FIG. 21 illustrates the case where the drive frequency (repetition frequency) of the drive signal is set to 1 / half integer of the lowest-order resonance frequency of the optical deflector. With this setting, it is possible to reduce the overlap between the harmonic component, which is a signal component generated periodically, and the resonance frequency of the optical deflector.
所定の駆動信号によって光偏向器を駆動した場合、その駆動信号の波形によっては周波数スペクトル(駆動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(理論上信号強度がゼロまで低減される点)」が存在する。また、この「谷」近傍の周波数領域は、信号強度が低減される。この「谷」をヌル周波数、「谷」周辺の周波数領域を周波数低減領域とよぶ。この「谷」近傍の周波数領域とは、例えば、ヌル周波数から周波数が±10%程度の周波数領域である。 When an optical deflector is driven by a predetermined drive signal, depending on the waveform of the drive signal, a “valley (theoretically the signal intensity is zero) in a frequency spectrum (the drive signal is Fourier-transformed and decomposed into frequency components). Is reduced to a point) ”. Further, the signal intensity is reduced in the frequency region near the “valley”. This “valley” is called the null frequency, and the frequency region around the “valley” is called the frequency reduction region. The frequency region in the vicinity of the “valley” is, for example, a frequency region whose frequency is about ± 10% from the null frequency.
ヌル周波数fnは、駆動電圧のシンメトリをS、駆動周波数をfsとしたとき、以下の式で与えられる。周波数低減領域は、次のように求められる。
次数Nは整数であり、ヌル周波数は周期的に現れる。すなわち、最も周波数が小さいヌル周波数を1番目のヌル周波数としたとき、周期的に2番目、3番目のヌル周波数が現れる。上記(1)式から明らかなように、ヌル周波数fn及び周波数低減領域は、駆動電圧の駆動周波数fs、あるいは駆動電圧のシンメトリSをパラメータとして所望の値に調整することができる。 The order N is an integer, and the null frequency appears periodically. That is, when the null frequency with the lowest frequency is the first null frequency, the second and third null frequencies appear periodically. As is clear from the above equation (1), the null frequency fn and the frequency reduction region can be adjusted to desired values using the drive frequency fs of the drive voltage or the symmetry S of the drive voltage as a parameter.
したがって、光偏向器が有する共振周波数(特に0次の共振周波数)が周波数低減領域に含まれるように駆動電圧のシンメトリを調整することにより、光偏向器の共振周波数と高調波成分の重なりを低減することが可能となる。これにより、高調波によって光偏向器の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。 Therefore, by adjusting the drive voltage symmetry so that the resonance frequency of the optical deflector (especially the zeroth-order resonance frequency) is included in the frequency reduction region, the overlap between the resonance frequency of the optical deflector and the harmonic component is reduced. It becomes possible to do. Thereby, it is possible to suppress excitation of resonance of the optical deflector by harmonics, and to further improve the uniformity of the movable speed of the reflecting surface 14.
なお、シンメトリは、第1駆動電圧、第2駆動電圧で異なっていてもよい。例えば、共振周波数が、第1駆動電圧のヌル周波数と第2駆動電圧のヌル周波数に挟まれるように第1駆動電圧と第2駆動電圧のシンメトリを調整しても良い。これは、以下の理由による。0次の共振周波数とヌル周波数とをほぼ一致させる場合のシンメトリの近傍では、高周波成分により生じる高周波振動の位相が急激に変化する領域(以下、位相変化急激領域)が存在する。このとき、例えば、この位相変化急激領域よりも第1駆動電圧を外側(共振周波数に対してヌル周波数の周波数が大きくなるようにシンメトリ調整)、第2駆動電圧を内側(共振周波数に対してヌル周波数の周波数が小さくなるようにシンメトリ調整)とすることで、第1駆動電圧の高周波成分により生じる高周波振動の位相と、第2駆動電圧の高周波成分により生じる高周波振動の位相とを逆相とし、シンメトリの経時変化(ヌル周波数の経時変化)に対する位相差の変化を小さくし、ロバスト性を向上することができる。 Note that the symmetry may be different between the first drive voltage and the second drive voltage. For example, the symmetry of the first drive voltage and the second drive voltage may be adjusted so that the resonance frequency is sandwiched between the null frequency of the first drive voltage and the null frequency of the second drive voltage. This is due to the following reason. In the vicinity of the symmetry in the case where the zeroth-order resonance frequency and the null frequency are substantially matched, there is a region where the phase of the high-frequency vibration caused by the high-frequency component changes abruptly (hereinafter, a phase change abrupt region). At this time, for example, the first drive voltage is outside (symmetry is adjusted so that the null frequency is larger than the resonance frequency) than the phase change sudden region, and the second drive voltage is inside (null with respect to the resonance frequency). By adjusting the symmetry so that the frequency of the frequency becomes small), the phase of the high-frequency vibration generated by the high-frequency component of the first drive voltage and the phase of the high-frequency vibration generated by the high-frequency component of the second drive voltage are reversed. It is possible to reduce the change of the phase difference with respect to the change with time of the symmetry (time change of the null frequency) and improve the robustness.
以上より、本実施形態の駆動装置11では、所定の波形の第1駆動電圧の印加を開始する第1開始時間と、第1駆動電圧とは異なる波形の第2駆動電圧の印加を開始する第2開始時間とが異なるように制御することにより、反射面14の可動速度の均一性を向上することができる。 As described above, in the drive device 11 of the present embodiment, the first start time for starting application of the first drive voltage having the predetermined waveform and the second start for applying the second drive voltage having a waveform different from the first drive voltage. The uniformity of the movable speed of the reflecting surface 14 can be improved by controlling the two start times to be different.
より詳しく説明すると、駆動装置11が、図20に示すように、第1開始時間と第2開始時間を異ならせることにより、電圧値の極小値が印加されるタイミングが異なる第1駆動電圧と第2駆動電圧を印加開始する際に、図28に示すような瞬間的な駆動電圧の急激な変化が抑制される。例えば、各駆動電圧の通常動作期間の極小値が印加されるタイミングで電圧印加を開始できるように第1開始時間と第2開始時間を異ならせることにより、急激に電圧値を変化させることなく、各駆動電圧の電圧印加を開始することができる。 More specifically, as shown in FIG. 20, the drive device 11 makes the first start time and the second start time different so that the timing at which the minimum value of the voltage value is applied differs from the first drive voltage. When the application of the two drive voltages is started, a sudden change in the instantaneous drive voltage as shown in FIG. 28 is suppressed. For example, by changing the first start time and the second start time so that the voltage application can be started at the timing when the minimum value of the normal operation period of each drive voltage is applied, the voltage value is not changed suddenly, The voltage application of each drive voltage can be started.
これにより、急激な変化による高調波成分の増加が抑制され、反射面14の可動速度の不均一性の原因の一つである高調波成分による光偏向器13の共振の励起が抑制される。よって、図18に示す可動の揺れを、図17に示す理想的な可動に近づけることができる。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)に示す投影画像の輝度ムラおよび歪みを抑制し、図19(a)に示す投影画像を表示することができる。 As a result, an increase in the harmonic component due to a sudden change is suppressed, and excitation of resonance of the optical deflector 13 due to the harmonic component that is one of the causes of the non-uniformity of the movable speed of the reflecting surface 14 is suppressed. Therefore, the movable swing shown in FIG. 18 can be brought close to the ideal movable shown in FIG. That is, the uniformity of the moving speed of the reflecting surface can be improved. By improving the uniformity as described above, for example, luminance unevenness and distortion of the projected image shown in FIG. 19B can be suppressed, and the projected image shown in FIG. 19A can be displayed.
上記実施形態では、図20に示すように、遷移期間の駆動電圧の波形と、通常動作期間の駆動電圧の波形を同一としているが、異ならせてもよい。すなわち、遷移期間から通常動作期間に移行する所定の時刻前と、その所定の時刻以降で、駆動電圧の波形を異ならせてもよい。以下に、駆動装置11の制御の変形例について説明する。 In the above embodiment, as shown in FIG. 20, the waveform of the drive voltage during the transition period and the waveform of the drive voltage during the normal operation period are the same, but they may be different. That is, the waveform of the drive voltage may be different before a predetermined time when the transition period shifts to the normal operation period and after the predetermined time. Below, the modification of control of the drive device 11 is demonstrated.
[変形例1]
上記実施形態の変形例1について、図22を参照して説明する。変形例1は、駆動電圧の波形以外は、上記実施形態と同様である。図22は、変形例1の第1駆動電圧と第2駆動電圧の一例である。第1駆動電圧の波形、第2駆動電圧の波形ともに遷移期間から通常動作期間に移行する時刻の前後で、駆動電圧の波形が異なっている。
[Modification 1]
Modification 1 of the above embodiment will be described with reference to FIG. Modification 1 is the same as the above embodiment except for the waveform of the drive voltage. FIG. 22 is an example of the first drive voltage and the second drive voltage in the first modification. The waveform of the drive voltage differs before and after the time when the waveform of the first drive voltage and the waveform of the second drive voltage shift from the transition period to the normal operation period.
図22では、駆動装置11は、周期T21からT24にかけて、第1駆動電圧および第2駆動電圧のシンメトリが徐々に変化し、所定時刻以降である周期T25以降は、第1駆動電圧および第2駆動電圧のシンメトリは変化しないように制御する。また、T21から徐々にT25の波形に近づけるように制御する。このとき、第2駆動電圧においては、一周期に対する立ち上がり時間の比率が徐々に大きくなるように制御している。すなわち、第2駆動電圧のシンメトリが徐々に小さくなるように制御し、第2駆動電圧の立ち上がりにおける電圧の変化を徐々に上げるように制御している。これは、次の理由による。 In FIG. 22, the drive device 11 gradually changes the symmetry of the first drive voltage and the second drive voltage from the period T21 to T24, and after the period T25 after a predetermined time, the first drive voltage and the second drive. The voltage symmetry is controlled so as not to change. Further, control is performed so that the waveform gradually approaches T25 from T21. At this time, the second drive voltage is controlled so that the ratio of the rise time to one cycle is gradually increased. In other words, control is performed so that the symmetry of the second drive voltage is gradually reduced, and control is performed so as to gradually increase the voltage change at the rise of the second drive voltage. This is due to the following reason.
電圧印加直後は素子によっては電圧値が安定しない場合がある。例えば、共振周波数が周波数低減領域に含まれるようにシンメトリを調整して電圧を与える設定にしていたとしても、急激に電圧変化を変化させた場合、電圧変化に素子の感度が追随できないと、シンメトリ調整の効果や予期せぬ高調波成分の発生が生じる。そこで、上記のように、印加開始直後は、所定時刻以降の波形に比べて、立ち上がりにおける電圧の変化が緩やかになるように駆動電圧のシンメトリを設定し、素子が順応するのに合わせるように、徐々に電圧の変化率(立ち上がり時間の傾き)を大きくしている。 Immediately after voltage application, the voltage value may not be stable depending on the element. For example, even if the voltage is applied by adjusting the symmetry so that the resonance frequency is included in the frequency reduction region, if the voltage change is abruptly changed and the sensitivity of the element cannot follow the voltage change, the symmetry Adjustment effects and unexpected generation of harmonic components occur. Therefore, as described above, immediately after the start of application, the drive voltage symmetry is set so that the change in voltage at the rising edge becomes gentle compared to the waveform after a predetermined time, so that the device adapts to adapt. The voltage change rate (rise time slope) is gradually increased.
これにより、印加開始直後の電圧の変化が緩やかになるため、高調波成分が共振を励起することを抑制し、反射面14の可動速度の均一性を向上できる。 Thereby, since the change in voltage immediately after the start of application becomes gentle, it is possible to suppress the harmonic component from exciting resonance and to improve the uniformity of the movable speed of the reflecting surface 14.
このとき、全ての周期において、共振周波数が周波数低減領域に含まれるように駆動電圧のシンメトリを調整するのが好ましい。例えば、図22においては、駆動装置11は、周期T21では、共振周波数が3番目のヌル周波数近傍の周波数低減領域に含まれるようにシンメトリを調整する。また、周期T23では、共振周波数が2番目のヌル周波数近傍の周波数低減領域に含まれるようにシンメトリを調整する。さらに、周期T25以降では、共振周波数が1番目のヌル周波数近傍の周波数低減領域に含まれるようにシンメトリを調整する。 At this time, it is preferable to adjust the symmetry of the drive voltage so that the resonance frequency is included in the frequency reduction region in all cycles. For example, in FIG. 22, the drive device 11 adjusts the symmetry so that the resonance frequency is included in the frequency reduction region near the third null frequency in the period T21. Further, in the period T23, the symmetry is adjusted so that the resonance frequency is included in the frequency reduction region near the second null frequency. Further, after the period T25, the symmetry is adjusted so that the resonance frequency is included in the frequency reduction region near the first null frequency.
このように、全ての周期において、共振周波数が周波数低減領域に含まれることで、高調波成分と共振周波数の重なりを低減することができる。 As described above, the resonance frequency is included in the frequency reduction region in all cycles, so that the overlap between the harmonic component and the resonance frequency can be reduced.
また、図22に示すように、駆動装置11は、第1駆動電圧および第2駆動電圧の波形について、周期T21、T22、T23と、段階的に周期T25以降の周波数に形が近づくように変化するように制御している。この段階的な変化により、急激な変化をより抑制することができる。 Further, as shown in FIG. 22, the driving device 11 changes the waveforms of the first driving voltage and the second driving voltage so that the shape gradually approaches the periods T21, T22, T23 and the frequency after the period T25. You are in control. This stepwise change can further suppress a sudden change.
さらに、駆動装置11は、通常動作期間の印加電圧極小値がゼロよりも大きいとき、駆動電圧の印加開始直後の周期において、光偏向器13の共振周波数が上述の周波数低減領域から外れない範囲で駆動電圧のシンメトリを変化させてもよい。これにより、通常動作期間の印加電圧極小値分の急激な電圧の変化を生じさせる必要がなくなり、異常振動を抑制することができる。例えば、印加電圧極小値をΔE、立ち上がり時間をTrとした場合に、ΔE/Trだけ傾きが大きくなるようにシンメトリを調整する。 Furthermore, when the applied voltage minimum value during the normal operation period is greater than zero, the drive device 11 is within a range in which the resonance frequency of the optical deflector 13 does not deviate from the above-described frequency reduction region in the period immediately after the start of application of the drive voltage. The symmetry of the drive voltage may be changed. Thereby, it is not necessary to cause a sudden voltage change corresponding to the applied voltage minimum value during the normal operation period, and abnormal vibration can be suppressed. For example, if the applied voltage minimum value is ΔE and the rise time is Tr, the symmetry is adjusted so that the slope increases by ΔE / Tr.
以上より、変形例1では、駆動装置11は、所定時刻前と所定時刻以降で駆動電圧の波形を変化させることで、駆動電圧の急激な変化をより抑制して異常振動を抑制し、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、遷移期間において駆動電圧の波形を段階的に通常動作期間の駆動電圧の波形に形が近づくように制御することで、より駆動電圧の急激な変化を抑制して異常振動を抑制し、反射面の可動速度の均一性を向上することができる。 As described above, in the first modification, the drive device 11 changes the waveform of the drive voltage before and after the predetermined time, thereby further suppressing the rapid change in the drive voltage and suppressing abnormal vibration. The uniformity of the movable speed can be improved. In addition, by controlling the waveform of the drive voltage in the transition period step by step so that the waveform approximates the waveform of the drive voltage during the normal operation period, the sudden change in the drive voltage is suppressed to suppress abnormal vibration and reflection. The uniformity of the moving speed of the surface can be improved.
また、次に説明する変形例2のように、駆動装置11は、立ち上がりの電圧変化が急である第2駆動電圧のみを、所定時刻前と所定時刻以降で駆動電圧の波形が異なるように制御してもよい。 In addition, as in Modification 2 described below, the driving device 11 controls only the second driving voltage whose rising voltage changes suddenly so that the waveform of the driving voltage is different before and after the predetermined time. May be.
[変形例2]
変形例2について、図23を参照して説明する。変形例2は、駆動電圧の波形以外は、上記実施形態と同様である。図23は、変形例2の第1駆動電圧と第2駆動電圧の一例である。
[Modification 2]
Modification 2 will be described with reference to FIG. The modification 2 is the same as that of the said embodiment except the waveform of a drive voltage. FIG. 23 is an example of the first drive voltage and the second drive voltage in Modification 2.
図23に示すように、変形例2では、駆動装置11は、駆動電圧の立ち上がりの変化が比較的急である第2駆動電圧のみ所定時刻前と所定時刻以降で駆動電圧のシンメトリが変化するように制御し、第1駆動電圧は、所定時刻前と所定時刻以降で駆動電圧のシンメトリは変化しないように制御している。このように、片方の駆動電圧の波形のみを徐々に変化するように制御することで、駆動電圧の制御の複雑化を抑制することができる。 As shown in FIG. 23, in the second modification, the drive device 11 causes the drive voltage symmetry to change before and after a predetermined time only for the second drive voltage, where the change in the rise of the drive voltage is relatively steep. The first drive voltage is controlled so that the symmetry of the drive voltage does not change before and after the predetermined time. Thus, by controlling so that only the waveform of one drive voltage changes gradually, the complexity of control of the drive voltage can be suppressed.
言い換えると、駆動装置11は、第1駆動電圧と第2駆動電圧のうち、一周期における立ち上がり時間の比率の小さい方の駆動電圧に対して、所定時刻以降の駆動電圧の一周期に対する立ち上がり時間の比率よりも、所定時刻前の駆動電圧の一周期に対する立ち上がり時間の比率が大きくなるように制御する。 In other words, the drive device 11 has a rise time for one cycle of the drive voltage after a predetermined time with respect to a drive voltage having a smaller ratio of the rise time in one cycle of the first drive voltage and the second drive voltage. Control is performed such that the ratio of the rise time to one cycle of the drive voltage before a predetermined time is larger than the ratio.
図23では、駆動装置11は、第1駆動電圧について、所定時刻の一周期前に電圧印加を開始しているが、所定時刻前であれば、電圧印加を開始するタイミングは任意に設定できる。このとき、第1開始時間と第2開始時間の時間差ΔTは、「任意の整数m×周期T+第2駆動電圧の立ち上がり時間」とするのが好ましい。これにより、第1駆動電圧と第2駆動電圧の周期を変更することなく、第1駆動電圧の波形の極小電圧値と第2駆動電圧の波形の極小電圧値が一致するタイミングで出力を開始するため、停止期間(0V)からの差がなくなる、または最も小さくなり、電圧の急激な変化が抑制されるため、異常振動を抑制することができる。 In FIG. 23, the drive device 11 starts voltage application for the first drive voltage one cycle before a predetermined time. However, if it is before the predetermined time, the timing for starting voltage application can be arbitrarily set. At this time, the time difference ΔT between the first start time and the second start time is preferably “arbitrary integer m × period T + rise time of the second drive voltage”. Thus, output is started at the timing when the minimum voltage value of the waveform of the first drive voltage and the minimum voltage value of the waveform of the second drive voltage match without changing the cycle of the first drive voltage and the second drive voltage. Therefore, the difference from the stop period (0 V) disappears or becomes the smallest, and a rapid change in voltage is suppressed, so that abnormal vibration can be suppressed.
以上より、変形例2では、駆動装置11は、一周期に対する立ち上がり時間の比率が小さい方の駆動電圧に対して、遷移期間から通常動作期間に移行する所定時刻以降の駆動電圧の一周期に対する立ち上がり時間の比率よりも、所定時刻前の駆動電圧の一周期に対する立ち上がり時間の比率が大きくなるように制御する。これにより、制御を遷移期間における駆動電圧の段階的な制御が片方の駆動電圧の波形のみにすることにより、制御の複雑化を抑制することができる。このとき、光偏向器の共振周波数が周波数低減領域に含まれるように、駆動電圧のシンメトリを調整してもよい。 As described above, in the second modification, the drive device 11 rises with respect to one cycle of the drive voltage after a predetermined time after the transition period shifts to the normal operation period with respect to the drive voltage with the smaller ratio of the rise time with respect to one cycle. Control is performed such that the ratio of the rise time to one cycle of the drive voltage before a predetermined time is larger than the ratio of time. As a result, the step-by-step control of the drive voltage in the transition period is limited to the waveform of one drive voltage, so that control complexity can be suppressed. At this time, the symmetry of the drive voltage may be adjusted so that the resonance frequency of the optical deflector is included in the frequency reduction region.
[変形例3]
次に、変形例3について図24を参照して説明する。変形例3は、駆動電圧の波形以外は、上記実施形態と同様である。図24は、変形例3の第1駆動電圧と第2駆動電圧の一例である。
[Modification 3]
Next, Modification 3 will be described with reference to FIG. The third modification is the same as the above embodiment except for the waveform of the drive voltage. FIG. 24 is an example of the first drive voltage and the second drive voltage in Modification 3.
変形例3では、駆動装置11は、遷移期間と通常動作期間で周期Tが異なるように制御する。例えば、図24に示すように、遷移期間から通常動作期間に移行する所定時刻前の駆動電圧の波形の周期(例えば、周期T41)を、所定時刻以降の駆動電圧の波形の周期(例えば、T45)よりも長くする。これにより、周期Tが長くなることによって電圧の急激な変化が抑制されるため、異常振動を抑制することができる。 In the third modification, the driving device 11 performs control so that the period T is different between the transition period and the normal operation period. For example, as shown in FIG. 24, the period of the drive voltage waveform (for example, period T41) before the predetermined time when the transition period transitions to the normal operation period is changed to the period of the drive voltage waveform after the predetermined time (for example, T45). ). Thereby, since the rapid change of a voltage is suppressed when the period T becomes long, abnormal vibration can be suppressed.
また、図24に示すように、駆動装置11は、第1駆動電圧および第2駆動電圧を、周期T41、周期T42、周期T43の周期と段階的に短くなるように変化させ、徐々に周期T45以降の波形に形が近づくように制御してもよい。この段階的な変化により、周期が急激に変化することによる電圧値の急激な変化を抑制し、異常振動を抑制することができる。 Further, as shown in FIG. 24, the driving device 11 changes the first drive voltage and the second drive voltage so as to be gradually reduced from the period T41, the period T42, and the period T43, and gradually the period T45. You may control so that a shape may approach the subsequent waveform. By this stepwise change, it is possible to suppress an abrupt change in the voltage value due to a sudden change in the cycle, and to suppress abnormal vibration.
このとき、第1駆動電圧と第2駆動電圧のうち、一周期における立ち上がり時間の比率の小さい方の駆動電圧に対してのみ、周期を所定時刻前後で変化させてもよい。これにより、遷移期間における制御を片方のみにすることで、制御の複雑化を抑制できる。 At this time, the cycle may be changed around the predetermined time only for the drive voltage having the smaller ratio of the rise time in one cycle of the first drive voltage and the second drive voltage. Thereby, complication of control can be suppressed by controlling only in one side in a transition period.
以上より、変形例3では、所定時刻前の駆動電圧の一周期と、所定時刻以降の駆動電圧の一周期とが異なるように制御する。さらに、所定時刻前の駆動電圧の一周期を所定時刻以降の駆動電圧の一周期よりも長くすることで、駆動電圧の急激な変化を抑制することができる。これにより、異常振動が抑制され、反射面の可動速度の均一性を向上することができる。 As described above, in the third modification, control is performed so that one cycle of the drive voltage before the predetermined time is different from one cycle of the drive voltage after the predetermined time. Furthermore, a sudden change in the drive voltage can be suppressed by making one cycle of the drive voltage before the predetermined time longer than one cycle of the drive voltage after the predetermined time. Thereby, abnormal vibration is suppressed and the uniformity of the movable speed of the reflecting surface can be improved.
[変形例4]
次に、変形例4について図25を参照して説明する。変形例4は、駆動電圧の波形以外は、上記実施形態と同様である。図25は、変形例4の第1駆動電圧の波形と第2駆動電圧の波形の一例である。
[Modification 4]
Next, Modification 4 will be described with reference to FIG. The modification 4 is the same as that of the said embodiment except the waveform of a drive voltage. FIG. 25 is an example of the waveform of the first drive voltage and the waveform of the second drive voltage in Modification 4.
変形例4では、駆動装置11は、遷移期間と通常動作期間で印加電圧極大値が異なるように制御する。例えば、図25に示すように、遷移期間から通常動作期間に移行する所定時刻前の駆動電圧の波形の印加電圧極大値(例えば、周期T51における印加電圧極大値)を、所定時刻以降の駆動電圧の波形の印加電圧極大値(例えば、周期T55における印加電圧極大値)より小さくする。 In the fourth modification, the driving device 11 controls the applied voltage maximum value to be different between the transition period and the normal operation period. For example, as shown in FIG. 25, the applied voltage maximum value (for example, the applied voltage maximum value in the cycle T51) of the drive voltage waveform before the predetermined time when the transition period shifts to the normal operation period is set as the drive voltage after the predetermined time. The applied voltage maximum value (for example, the applied voltage maximum value in the period T55) of the waveform is made smaller.
これにより、印加開始直後の駆動電圧に光偏向器13の共振周波数と重なり合う高調波成分が含まれている場合に、駆動電圧が小さいので共振を大きく励起することがなくなる。よって、高調波成分による共振の励起を抑制し、反射面14の可動速度の均一性を向上できる。 Thus, when the drive voltage immediately after the start of application includes a harmonic component that overlaps with the resonance frequency of the optical deflector 13, the drive voltage is small, so that resonance is not greatly excited. Therefore, resonance excitation due to harmonic components can be suppressed, and the uniformity of the movable speed of the reflecting surface 14 can be improved.
また、図25に示すように、駆動装置11は、第1駆動電圧および第2駆動電圧は、周期T51、周期T52、周期T53と、印加電圧極大値を段階的に大きくなるように変化させ、徐々に周期T55以降の波形に形が近づくように制御してもよい。この段階的な変化により、周期が急激に変化することによる電圧値の急激な変化を抑制し、異常振動を抑制することができる。 Also, as shown in FIG. 25, the drive device 11 changes the first drive voltage and the second drive voltage so that the applied voltage maximum value increases stepwise as the cycle T51, the cycle T52, and the cycle T53, Control may be performed so that the shape gradually approaches the waveform after the period T55. By this stepwise change, it is possible to suppress an abrupt change in the voltage value due to a sudden change in the cycle, and to suppress abnormal vibration.
以上より、変形例4では、駆動装置11は、所定時刻前の駆動電圧の波形が前記所定時刻以降の駆動電圧の波形よりも最大電圧値が小さくなるように制御することにより、高調波成分による光偏向器の共振の励起を抑制することができる。これにより、異常振動が抑制され、反射面14の可動速度の均一性を向上することができる。 As described above, in the fourth modification, the drive device 11 controls the waveform of the drive voltage before the predetermined time so that the maximum voltage value becomes smaller than the waveform of the drive voltage after the predetermined time. Excitation of resonance of the optical deflector can be suppressed. Thereby, abnormal vibration is suppressed and the uniformity of the movable speed of the reflecting surface 14 can be improved.
以上、本発明の実施形態およびその変形例について説明したが、上述した実施形態およびその変形例は本発明の一適用例を示したものである。本発明は、上述した実施形態およびその変形例そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で様々な変形や変更を加えて具体化することができる。 As mentioned above, although embodiment of this invention and its modification were demonstrated, embodiment mentioned above and its modification show one example of application of this invention. The present invention is not limited to the above-described embodiment and its modifications, and can be embodied by adding various modifications and changes without departing from the scope of the invention.
例えば、上記実施形態およびその変形例では、駆動装置11は圧電部に常に正の電圧値を有する波形の駆動電圧を印加しているが、圧電部に駆動電圧が印加されて圧電部の変形が生じる構成であれば、これに限られない。例として、駆動装置11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し、正の電圧値と負の電圧値を交互に印加してもよい。 For example, in the above-described embodiment and its modification, the drive device 11 always applies a drive voltage having a waveform having a positive voltage value to the piezoelectric part. However, the drive voltage is applied to the piezoelectric part and the piezoelectric part is deformed. If it is the structure which arises, it will not be restricted to this. As an example, the driving device 11 may apply a driving voltage having a waveform having a negative voltage value to the piezoelectric unit, or may apply a positive voltage value and a negative voltage value alternately.
また、上記実施形態およびその変形例では、駆動装置11は、駆動電圧の波形の形を周期ごとに段階的に変化させる場合、急激な電圧の変化を生じさせない範囲で最終的に通常動作期間の波形の形に近づけばよい。例えば、急激な電圧の変化による異常振動を生じさせない範囲であれば、変化させる途中に、同一の波形や、一つ前の周期の波形の形よりも動作期間の波形の形に似ていない波形の駆動電圧を印加してもよい。 Further, in the above-described embodiment and its modification, the driving device 11 finally changes the waveform of the driving voltage in a normal operation period within a range in which a sudden voltage change does not occur when the waveform of the driving voltage is changed step by step. It should be close to the shape of the waveform. For example, if it is in a range that does not cause abnormal vibration due to a sudden voltage change, during the change, the same waveform or a waveform that does not resemble the waveform of the operating period than the waveform of the previous cycle The drive voltage may be applied.
上記実施形態およびその変形例では、光偏向器13は図12に示すように、トーションバー111a、111bから+X方向に向かって第1圧電駆動部112a、112bが延びる片持ちタイプの光偏向器を用いているが、電圧印加された圧電部により反射面14を可動させる構成であれば、これに限られない。 In the above embodiment and its modification, as shown in FIG. 12, the optical deflector 13 is a cantilever type optical deflector in which the first piezoelectric drive units 112a and 112b extend from the torsion bars 111a and 111b in the + X direction. Although it is used, the present invention is not limited to this as long as the reflecting surface 14 is movable by a piezoelectric part to which a voltage is applied.
例えば、図26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光偏向器を用いてもよい。また、1軸方向のみに反射面を可動させる場合は、図27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。このとき、反射面14は可動部220全面に設けてもよい。 For example, as shown in FIG. 26, the two-sided type includes first piezoelectric drive units 212a and 212b extending from the torsion bars 211a and 211b in the + X direction and first piezoelectric drive units 212c and 212d extending in the −X direction. The optical deflector may be used. Further, when the reflecting surface is movable only in one axial direction, the reflecting surface 14 may be provided on the movable portion 220 as shown in FIG. At this time, the reflection surface 14 may be provided on the entire movable portion 220.
10…光走査システム、11…駆動装置、12…光源装置、13…光偏向器、14…反射面、15…被走査面、30…制御部(制御手段の一例)、31…駆動信号出力部(印加手段の一例)、101…ミラー部、102…ミラー基体、110a、100b…第1駆動部a、b、111a、b…トーションバーa,b、112a、112b…第1圧電駆動部、120…第1支持部、130a、130b…第2駆動部、131a〜131f…第2圧電駆動部a、132a〜132f…第2圧電駆動部b、140…第2支持部、150…電極接続部、161…シリコン支持層、162…酸化シリコン層、163…シリコン活性層、201…下部電極、202…圧電部、203…上部電極、400…自動車、500…ヘッドアップディスプレイ装置(画像投影装置)、600…光書込装置、650…レーザプリンタ(画像形成装置)、700…レーザレーダ装置(物体認識装置) DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 ... Optical scanning system, 11 ... Drive apparatus, 12 ... Light source device, 13 ... Optical deflector, 14 ... Reflecting surface, 15 ... Scanned surface, 30 ... Control part (an example of control means), 31 ... Drive signal output part (Example of applying means), 101... Mirror section, 102... Mirror base, 110 a, 100 b... First driving section a, b, 111 a, b ... Torsion bars a, b, 112 a, 112 b. ... 1st support part, 130a, 130b ... 2nd drive part, 131a-131f ... 2nd piezoelectric drive part a, 132a-132f ... 2nd piezoelectric drive part b, 140 ... 2nd support part, 150 ... Electrode connection part, 161 ... Silicon support layer, 162 ... Silicon oxide layer, 163 ... Silicon active layer, 201 ... Lower electrode, 202 ... Piezoelectric part, 203 ... Upper electrode, 400 ... Car, 500 ... Head-up display device ( The image projection apparatus), 600 ... optical writing device, 650 ... laser printer (image forming apparatus), 700 ... laser radar device (object recognition device)
Claims (18)
前記第1圧電部に所定の波形の第1駆動電圧を印加する第1印加手段と、
前記第2圧電部に前記第1駆動電圧の波形とは異なる第2駆動電圧を印加する第2印加手段と、
前記第1印加手段と前記第2印加手段の駆動を制御する制御手段と、
を備え、
前記制御手段は、前記第1印加手段が前記第1駆動電圧の印加を開始する第1開始時間と、前記第2印加手段が前記第2駆動電圧の印加を開始する第2開始時間とが異なるように制御する駆動装置。 A driving device for an optical deflector that moves a reflecting surface by deformation caused by voltage application between adjacent first and second piezoelectric portions,
First application means for applying a first drive voltage having a predetermined waveform to the first piezoelectric portion;
Second application means for applying a second drive voltage different from the waveform of the first drive voltage to the second piezoelectric portion;
Control means for controlling driving of the first application means and the second application means;
With
The control means has a first start time when the first application means starts applying the first drive voltage and a second start time when the second application means starts applying the second drive voltage. Drive device to control.
前記第1駆動電圧は、第1立ち上がり時間と第1立ち下がり時間を含む波形の駆動電圧であり、
前記第2駆動電圧は、第2立ち上がり時間と第2立ち下がり時間を含む波形の駆動電圧である駆動装置。 The drive device according to claim 1,
The first drive voltage is a drive voltage having a waveform including a first rise time and a first fall time;
The drive device, wherein the second drive voltage is a drive voltage having a waveform including a second rise time and a second fall time.
前記制御手段は、前記第1開始時間と前記第2開始時間とは前記第1立ち上がり時間分異なるように前記第2印加手段の駆動を制御する、または前記第1開始時間と前記第2開始時間とは前記第2立ち上がり時間分異なるように前記第1印加手段の駆動を制御する駆動装置。 The drive device according to claim 2,
The control means controls the driving of the second application means so that the first start time and the second start time are different from each other by the first rise time, or the first start time and the second start time. Is a driving device for controlling the driving of the first applying means so as to be different from the second rising time.
前記制御手段は、前記第1印加手段または前記第2印加手段に対して、所定時刻前の駆動電圧の波形と該所定時刻以降の駆動電圧の波形とが異なるように制御する駆動装置。 The drive device according to claim 2 or 3,
The control unit controls the first application unit or the second application unit so that a waveform of a drive voltage before a predetermined time is different from a waveform of a drive voltage after the predetermined time.
前記制御手段は、前記第1印加手段または前記第2印加手段に対して、前記所定時刻前の駆動電圧の波形が該所定時刻以降の駆動電圧の波形に段階的に近づくように、該所定時刻前の駆動電圧の波形を段階的に変化させるように制御する駆動装置。 The drive device according to claim 4,
The control unit is configured to control the first application unit or the second application unit so that the waveform of the drive voltage before the predetermined time gradually approaches the waveform of the drive voltage after the predetermined time. A drive device that controls the waveform of the previous drive voltage to change stepwise.
前記制御手段は、前記第1印加手段または前記第2印加手段に対して、前記所定時刻前の駆動電圧の一周期に対する立ち上がり時間の比率と、前記所定時刻以降の駆動電圧の一周期に対する立ち上がり時間の比率とが異なるように制御する駆動装置。 The drive device according to claim 4 or 5, wherein
The control means has a ratio of a rising time with respect to one cycle of the driving voltage before the predetermined time and a rising time with respect to one cycle of the driving voltage after the predetermined time with respect to the first applying means or the second applying means. A drive device that controls the ratio of the two to be different.
前記制御手段は、前記第1印加手段および前記第2印加手段のうち、一周期に対する立ち上がり時間の比率が小さい波形の駆動電圧を印加する印加手段に対して、前記所定時刻以降の駆動電圧の一周期に対する立ち上がり時間の比率よりも、前記所定時刻前の駆動電圧の一周期に対する立ち上がり時間の比率が大きくなるように制御する駆動装置。 The drive device according to claim 4 or 5, wherein
The control unit applies one of the drive voltages after the predetermined time to the application unit that applies a drive voltage having a waveform having a small ratio of the rise time to one cycle among the first application unit and the second application unit. A drive device that controls the ratio of the rise time to one period of the drive voltage before the predetermined time to be larger than the ratio of the rise time to the period.
前記制御手段は、前記第1印加手段または前記第2印加手段に対して、前記所定時刻前の駆動電圧の一周期と、前記所定時刻以降の駆動電圧の一周期とが異なるように制御する駆動装置。 The drive device according to claim 4 or 5, wherein
The control means controls the first application means or the second application means so that one cycle of the drive voltage before the predetermined time is different from one cycle of the drive voltage after the predetermined time. apparatus.
前記制御手段は、前記第1印加手段または前記第2印加手段に対して、前記所定時刻前の駆動電圧の波形が前記所定時刻以降の駆動電圧の波形よりも最大電圧値が小さくなるように制御する駆動装置。 The drive device according to claim 4 or 5, wherein
The control means controls the driving voltage waveform before the predetermined time so that the maximum voltage value is smaller than the driving voltage waveform after the predetermined time with respect to the first applying means or the second applying means. To drive.
前記所定時刻は、印加される駆動電圧の波形が一定となる時刻である駆動装置。 The drive device according to any one of claims 4 to 9,
The drive device in which the predetermined time is a time at which a waveform of an applied drive voltage becomes constant.
前記制御手段は、前記第1印加手段または前記第2印加手段に対して、前記光偏向器が有する共振周波数が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駆動装置。 The drive device according to claim 2,
The control means is such that the resonance frequency of the optical deflector is included in at least one of the frequency regions where the harmonic component of the drive voltage is reduced with respect to the first application means or the second application means. A drive device that controls a ratio of the first rise time or the second fall time to one cycle of the drive voltage.
前記制御手段は、前記第1印加手段または前記第2印加手段に対して、前記所定時刻前の駆動電圧の波形のシンメトリが、前記所定時刻以降の駆動電圧の波形のシンメトリと異なるように制御する駆動装置。 The drive device according to claim 11,
The control means controls the first application means or the second application means so that a drive voltage waveform symmetry before the predetermined time is different from a drive voltage waveform symmetry after the predetermined time. Drive device.
前記制御手段は、前記第1印加手段または前記第2印加手段に対して、前記第1開始時間または前記第2開始時間から前記所定時刻までに、前記第1駆動電圧の波形または前記第2駆動電圧の波形を段階的に変化させ、さらに各段階において前記共振周波数が異なる前記周波数低減領域に含まれるように制御する駆動装置。 The drive device according to claim 11,
The control means is configured such that, with respect to the first application means or the second application means, the waveform of the first drive voltage or the second drive from the first start time or the second start time to the predetermined time. A driving device that changes a waveform of a voltage stepwise and controls the resonance frequency to be included in the frequency reduction region that is different in each step.
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前記ミラー部を一軸周りに可動させる圧電駆動部と、
を備える光偏向システム。 A drive device according to any one of claims 1 to 13,
A mirror portion having the reflecting surface;
A piezoelectric drive unit that includes the piezoelectric unit and moves the mirror unit around one axis when the piezoelectric unit is deformed;
An optical deflection system comprising:
前記光偏向システムの前記反射面に向けて光を照射する光源部と、
を備える光走査システム。 An optical deflection system according to claim 14,
A light source unit that emits light toward the reflecting surface of the light deflection system;
An optical scanning system comprising:
請求項15に記載の光走査システムと、
前記光走査システムから出射された光を前記被走査面に向けて投射する投射光学系と、
を備える画像投影装置。 An image projection apparatus for projecting an image by scanning a surface to be scanned with light modulated based on image information,
An optical scanning system according to claim 15,
A projection optical system that projects the light emitted from the optical scanning system toward the surface to be scanned;
An image projection apparatus comprising:
請求項15に記載の光走査システムと、
前記物体からの反射光を受光する受光部と、
前記光源部と前記受光部の情報に基づいて物体を認識する物体認識部と、
を備える物体認識装置。 An object recognition device that optically scans a scanning direction and recognizes an object by reflected light from an object existing in the scanning direction,
An optical scanning system according to claim 15,
A light receiving unit for receiving reflected light from the object;
An object recognition unit for recognizing an object based on information of the light source unit and the light receiving unit;
An object recognition apparatus comprising:
前記第1圧電部および前記第2圧電部への電圧印加を制御する制御工程と、
前記制御工程にしたがって前記第1圧電部に第1駆動電圧を印加し、前記第2圧電部に第2駆動電圧を印加する印加工程と、
を有し、
前記制御工程は、前記印加工程において、前記第1駆動電圧の印加を開始する第1開始時間と、前記第2印加手段が前記第2駆動電圧の印加を開始する第2開始時間とが異なるように制御する駆動方法。 A driving method of a driving device for an optical deflector that moves a reflecting surface by deformation caused by applying voltages to adjacent first and second piezoelectric portions,
A control step of controlling voltage application to the first piezoelectric unit and the second piezoelectric unit;
Applying a first drive voltage to the first piezoelectric portion according to the control step, and applying a second drive voltage to the second piezoelectric portion;
Have
In the application step, the first start time for starting the application of the first drive voltage is different from the second start time for the second application means to start applying the second drive voltage in the application step. To control the driving method.
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