JP2021063905A - 光偏向器、偏向装置、距離測定装置、画像投影装置、及び車両 - Google Patents

光偏向器、偏向装置、距離測定装置、画像投影装置、及び車両 Download PDF

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Abstract

【課題】光偏向器のレイアウト自由度を向上させること。【解決手段】光偏向器は、反射部と、反射部に一方が接続された第１の可動部１３０ｂと、反射部に一方が接続された第２の可動部１３０ａと、第１の可動部に設けられ、第１の可動部を変形させる第１の圧電部材と、第２の可動部に設けられ、第２の可動部を変形させる第２の圧電部材と、第１の可動部の他方に接続された第１の支持部１４０ｂと、第２の可動部の他方に接続された第２の支持部１４０ａと、第２の圧電部材に印加される電圧が入力される入力部と、入力部に入力された電圧を第２の圧電部材に入力する配線と、を有し、反射部は第１の可動部と第２の可動部との間に設けられ、反射された光が通過する通過領域が形成されており、第１の支持部には、少なくとも第２の圧電部材に電圧を入力する電圧入力部が設けられ、第２の圧電部材と電圧入力部は、反射部を介した配線によって電気的に接続されている。【選択図】図１５

Description

本発明は、光偏向器、偏向装置、距離測定装置、画像投影装置、及び車両に関する。
近年、半導体製造技術を応用したマイクロマシニング技術の発達に伴い、シリコンやガラスを微細加工して製造されるＭＥＭＳ(Micro Electro Mechanical Systems)デバイスの開発が進んでいる。
ＭＥＭＳデバイスとして、反射面を設けた可動部と弾性梁とをウエハ上に一体に形成し、弾性梁に薄膜化した圧電材料を重ね合わせて構成した駆動梁で、可動部を揺動させる光偏向器が知られている。
また、反射面で反射される光を可動部の揺動により走査させる光偏向器で、支持部に開放部を設けたものが開示されている（例えば、特許文献１参照）。
しかし、特許文献１の光偏向器では、対向した支持部のそれぞれに、圧電駆動部に伝導する電圧信号を入力するための電極接続部（電極パッド）を形成しなければならず、光偏向器のレイアウト自由度の低下に伴い、光偏向器の構成が複雑化する場合があった。
開示の技術は、光偏向器のレイアウト自由度を向上させることを課題とする。
開示の技術の一態様に係る光偏向器は、反射部材を有する反射部と、前記反射部に一方が接続された第１の可動部と、前記反射部に一方が接続された第２の可動部と、前記第１の可動部に設けられ、前記第１の可動部を変形させる第１の圧電部材と、前記第２の可動部に設けられ、前記第２の可動部を変形させる第２の圧電部材と、前記第１の可動部の他方に接続された第１の支持部と、前記第２の可動部の他方に接続された第２の支持部と、前記第２の圧電部材に印加される電圧が入力される入力部と、前記入力部に入力された電圧を前記第２の圧電部材に入力する配線と、を有し、前記反射部は前記第１の可動部と前記第２の可動部との間に設けられ、前記反射部で反射された光が通過する通過領域が形成されており、前記第１の支持部には、少なくとも前記第２の圧電部材に電圧を入力する電圧入力部が設けられ、前記第２の圧電部材と前記電圧入力部は、前記反射部を介した前記配線によって電気的に接続されている。
開示の技術によれば、光偏向器のレイアウト自由度を向上できる。
光走査システムの一例の概略図である。 光走査システムの一例のハードウェア構成図である。 制御装置の一例の機能ブロック図である。 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。 ヘッドアップディスプレイ装置を搭載した自動車の一例の概略図である。 ヘッドアップディスプレイ装置の一例の概略図である。 光書込装置を搭載した画像形成装置の一例の概略図である。 光書込装置の一例の概略図である。 ライダ装置を搭載した自動車の一例の概略図である。 ライダ装置の一例の概略図である。 レーザヘッドランプの構成の一例を説明する概略図である。 ヘッドマウントディスプレイの構成の一例を示す概略斜視図である。 ヘッドマウントディスプレイの構成の一部の一例を示す図である。 パッケージングされた可動装置の一例を示す概略図である。 第１実施形態に係る可動装置の構成例を示す平面図である。 図１５の可動装置の断面図であり、（ａ）は図１５のＬ−Ｌ'断面図であり、（ｂ）は図１５のＮ−Ｎ'断面図であり、（ｃ）は図１５のＭ−Ｍ'断面図である。 可動装置の駆動梁の変形を模式的に表した模式図である。 （ａ）は駆動電圧Ａの波形の一例を示す図、（ｂ）は駆動電圧Ｂの波形の一例を示す図、（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。 比較例に係る可動装置の構成を説明する図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）は反射部の振れ角が小さい場合を示す（ａ）のＰ−Ｐ'断面図、（ｃ）は反射部の振れ角が大きい場合を示す（ａ）のＰ−Ｐ'断面図である。 第２実施形態に係る可動装置の構成例を示す平面図である。 第３実施形態に係る可動装置の構成例を示す平面図である。 第４実施形態に係る可動装置の構成例を示す平面図である。 第１変形例に係る可動装置の構成例を示す平面図である。 図２３の可動装置のＱ−Ｑ'断面図である。 第２変形例に係る可動装置の構成例を示す平面図である。 第３変形例に係る可動装置の構成例を示す平面図である。 第４変形例に係る可動装置の構成例を示す平面図である。
以下、図面を参照して発明を実施するための形態について説明する。各図面において、同一の構成部分には同一符号を付し、重複した説明を省略する場合がある。
［光走査システム］
まず、実施形態の可動装置を適用した光走査システムについて、図１〜図４に基づいて詳細に説明する。
図１には、光走査システムの一例の概略図が示されている。図１に示すように、光走査システム１０は、制御装置１１の制御に従って光源装置１２から照射された光を可動装置１３の有する反射面１４により偏向して被走査面１５を光走査するシステムである。
光走査システム１０は、制御装置１１と、光源装置１２と、反射面１４とを有する可動装置１３により構成される。ここで、可動装置１３は光偏向器の一例である。
制御装置１１は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、及びＦＰＧＡ（Field-Programmable Gate Array）等を備えた電子回路ユニットである。可動装置１３は、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、レーザを照射するレーザ装置等である。被走査面１５は、スクリーン等である。
制御装置１１は、取得した光走査情報に基づいて光源装置１２及び可動装置１３の制御命令を生成し、制御命令に基づいて光源装置１２及び可動装置１３に駆動信号を出力する。
光源装置１２は、入力された駆動信号に基づいて光源を駆動させる。可動装置１３は、入力された駆動信号に基づいて、反射面１４を１軸方向または２軸方向の少なくとも何れかに可動させる。
光走査情報の一例である画像情報に基づいた制御装置１１の制御によって、可動装置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、所定の１軸周りに偏向して光走査する。これにより、被走査面１５に任意の画像を投影することができる。なお、実施形態の可動装置の詳細および制御装置による制御の詳細については後述する。
次に、光走査システム１０のハードウェア構成について、図２を用いて説明する。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、制御装置１１、光源装置１２および可動装置１３を備え、それぞれが電気的に接続されている。このうち、制御装置１１は、ＣＰＵ２０と、ＲＡＭ２１（Random Access Memory）と、ＲＯＭ２２（Read Only Memory）と、ＦＰＧＡ（Field Programmable Gate Array）２３と、外部Ｉ／Ｆ（Interface）２４と、光源装置ドライバ２５と、可動装置ドライバ２６とを備えている。
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、制御装置１１の全体の制御や機能を実現する演算装置である。
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。
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。
ＦＰＧＡ２３は、ＣＰＵ２０の処理に従って、光源装置ドライバ２５および可動装置ドライバ２６に適した制御信号を出力する回路である。
外部Ｉ／Ｆ２４は、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、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、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。
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。
可動装置ドライバ２６は、入力された制御信号に従って可動装置１３に駆動電圧等の駆動信号を出力する電気回路である。
制御装置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、制御装置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。また、制御装置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。
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、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、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。さらに、光走査により距離測定を行う場合は、光走査情報は距離測定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。
制御装置１１は、ＣＰＵ２０の命令及び図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できる。
次に、光走査システム１０の制御装置１１の機能構成について図３を用いて説明する。図３は、光走査システムの制御装置の一例の機能ブロック図である。
図３に示すように、制御装置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。
制御部３０は、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。具体的には、制御部３０は、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。
駆動信号出力部３１は、光源装置ドライバ２５、可動装置ドライバ２６等により実現され、入力された制御信号に基づいて光源装置１２または可動装置１３に駆動信号を出力する。
駆動信号は、光源装置１２または可動装置１３の駆動を制御するための信号である。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、可動装置１３においては、可動装置１３の有する反射面１４を可動させるタイミング及び可動範囲を制御する駆動電圧である。
次に、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図４を用いて説明する。図４は、光走査システムに係る処理の一例のフローチャートである。
ステップ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および可動装置１３に出力する。
ステップ１４において、光源装置１２は、入力された駆動信号に基づいて光照射を行う。また、可動装置１３は、入力された駆動信号に基づいて反射面１４を可動させる。光源装置１２及び可動装置１３の駆動により、任意の方向に光が偏向され、光走査される。
なお、上記光走査システム１０では、１つの制御装置１１が光源装置１２及び可動装置１３を制御する装置および機能を有しているが、光源装置用の制御装置および可動装置用の制御装置と、別体に設けてもよい。
また、上記光走査システム１０では、一つの制御装置１１に光源装置１２及び可動装置１３の制御部３０の機能及び駆動信号出力部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を有した制御装置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を有した可動装置１３と制御装置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。
［画像投影装置］
次に、実施形態の可動装置を適用した画像投影装置について、図５及び図６を用いて詳細に説明する。
図５は、画像投影装置の一例であり、偏向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。画像投影装置は、光走査により画像を投影する装置である。
図５に示すように、ヘッドアップディスプレイ装置５００は、「車両」の一例である自動車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。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。
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トレンズ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を有する可動装置１３にて偏向される。そして、偏向されたレーザ光は、自由曲面ミラー５０９と、中間スクリーン５１０と、投射ミラー５１１とから構成される投射光学系を経て、スクリーンに投影される。なお、上記ヘッドアップディスプレイ装置５００では、レーザ光源５０１Ｒ，５０１Ｇ，５０１Ｂ、コリメートレンズ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。
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。
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、コリメートレンズ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を有する可動装置１３によって二次元走査される。可動装置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。
可動装置１３は、反射面１４を２軸方向に往復揺動させ、反射面１４に入射する投射光Ｌを二次元走査する。この可動装置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。
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を有した可動装置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。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。
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。
［光書込装置］
次に、実施形態の可動装置１３を適用した光書込装置について図７及び図８を用いて詳細に説明する。
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。
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。
図８に示すように、光書込装置６００において、レーザ素子等の光源装置１２からのレーザ光は、コリメートレンズなどの結像光学系６０１を経た後、反射面１４を有する可動装置１３により１軸方向または２軸方向に偏向される。そして、可動装置１３で偏向されたレーザ光は、その後、第一レンズ６０２ａと第二レンズ６０２ｂ、反射ミラー部６０２ｃからなる走査光学系６０２を経て、被走査面１５（感光体ドラムや感光紙等）に照射されて光書込みを行う。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させる。また、光源装置１２及び反射面１４を有する可動装置１３は、制御装置１１の制御に基づき駆動する。
このように光書込装置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。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。
可動装置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６００の省電力化に有利である。また、可動装置１３の振動時における風切り音は回転多面鏡に比べ小さいため、光書込装置６００の静粛性の改善に有利である。光書込装置６００は回転多面鏡に比べ設置スペースが圧倒的に少なくて済み、また可動装置１３の発熱量もわずかであるため、小型化が容易であり、よって画像形成装置の小型化に有利である。
［距離測定装置］
次に、実施形態の可動装置１３を適用した距離測定装置について、図９及び図１０を用いて詳細に説明する。
図９は、距離測定装置の一例であり、また偏向装置の一例であるライダ（ＬｉＤＡＲ；Laser Imaging Detection and Ranging）装置を搭載した自動車の概略図である。また、図１０はライダ装置の一例の概略図である。
距離測定装置は、対象方向の距離を測定する装置である。
図９に示すように、ライダ装置７００は、「車両」の一例である自動車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の距離を測定する。
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を有する可動装置１３で１軸もしくは２軸方向に走査される。そして、投光光学系である投光レンズ７０５等を経て装置前方の被対象物７０２に照射される。光源装置１２及び可動装置１３は、制御装置１１により駆動を制御される。被対象物７０２で反射された反射光は、光検出器７０９により光検出される。すなわち、反射光は入射光検出受光光学系である集光レンズ７０６等を経て撮像素子７０７により受光され、撮像素子７０７は検出信号を信号処理回路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。
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。
可動装置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。このようなライダ装置は、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測定できる。ライダ装置７００の搭載位置は、自動車７０１の上部前方に限定されず、側面や後方に搭載されてもよい。
上述した例では、ライダ装置７００の説明をしたが、これに限定されるものではない。距離測定装置は、可動装置１３を制御装置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の距離を測定する装置であればよい。
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等にも同様に適用できる。
［レーザヘッドランプ］
次に、実施形態の可動装置１３を自動車のヘッドライトに適用したレーザヘッドランプ５０について、図１１を用いて説明する。図１１は、レーザヘッドランプ５０の構成の一例を説明する概略図である。
レーザヘッドランプ５０は、制御装置１１と、光源装置１２ｂと、反射面１４を有する可動装置１３と、ミラー５１と、透明板５２とを有する。
光源装置１２ｂは、青色のレーザ光を発する光源である。光源装置１２ｂから発せられた光は、可動装置１３に入射し、反射面１４にて反射される。可動装置１３は、制御装置１１からの信号に基づき、反射面をＸＹ方向に駆動させ、光源装置１２ｂからの青色のレーザ光をＸＹ方向に二次元走査する。
可動装置１３による走査光は、ミラー５１で反射され、透明板５２に入射する。透明板５２は、表面又は裏面を黄色の蛍光体により被覆されている。ミラー５１からの青色のレーザ光は、透明板５２における黄色の蛍光体の被覆を通過する際に、ヘッドライトの色として法定される範囲の白色に変化する。これにより自動車の前方は、透明板５２からの白色光で照明される。
可動装置１３による走査光は、透明板５２の蛍光体を通過する際に所定の散乱をする。これにより自動車前方の照明対象における眩しさは緩和される。
可動装置１３を自動車のヘッドライトに適用する場合、光源装置１２ｂ及び蛍光体の色は、それぞれ青及び黄色に限定されない。例えば、光源装置１２ｂを近紫外線とし、透明板５２を光の三原色の青色、緑色及び赤色の各蛍光体を均一に混ぜたもので被覆してもよい。この場合でも、透明板５２を通過する光を白色に変換でき、自動車の前方を白色光で照明することができる。
［ヘッドマウントディスプレイ］
次に、実施形態の可動装置１３を適用したヘッドマウントディスプレイ６０について、図１２〜１３を用いて説明する。ここでヘッドマウントディスプレイ６０は、人間の頭部に装着可能な頭部装着型ディスプレイで、眼鏡に類する形状とすることができる。ヘッドマウントディスプレイを、以降ではＨＭＤと省略して示す。
図１２は、ＨＭＤ６０の外観を例示する斜視図である。図１２において、ＨＭＤ６０は、左右に１組ずつ略対称に設けられたフロント６０ａ、及びテンプル６０ｂにより構成されている。フロント６０ａは、導光板６１等により構成することができ、光学系や制御装置はテンプル６０ｂに内蔵することができる。
図１３は、ＨＭＤ６０の構成を部分的に例示する図である。なお、図１３では、左眼用の構成を例示しているが、ＨＭＤ６０は右眼用としても同様の構成を有している。
ＨＭＤ６０は、制御装置１１と、光源ユニット５３０と、光量調整部５０７と、反射面１４を有する可動装置１３と、導光板６１と、ハーフミラー６２とを有している。
光源ユニット５３０は、レーザ光源５０１Ｒ，５０１Ｇ，５０１Ｂと、コリメートレンズ５０２，５０３，５０４と、ダイクロイックミラー５０５，５０６とを、光学ハウジングによってユニット化したものである。光源ユニット５３０において、レーザ光源５０１Ｒ，５０１Ｇ，５０１Ｂからの三色のレーザ光は、ダイクロイックミラー５０５，５０６で合成される。光源ユニット５３０からは、合成された平行光が発せられる。
光源ユニット５３０からの光は、光量調整部５０７により光量調整された後、可動装置１３に入射する。可動装置１３は、制御装置１１からの信号に基づき、反射面１４をＸＹ方向に駆動させ、光源ユニット５３０からの光を二次元走査する。この可動装置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、走査光によりカラー画像が形成される。
可動装置１３による走査光は、導光板６１に入射する。導光板６１は、走査光を内壁面で反射させながらハーフミラー６２に導光する。導光板６１は、走査光の波長に対して透過性を有する樹脂等により形成されている。
ハーフミラー６２は、導光板６１からの光をＨＭＤ６０の背面側に反射し、ＨＭＤ６０の装着者６３の眼の方向に出射する。ハーフミラー６２は、自由曲面形状を有している。走査光による画像は、ハーフミラー６２での反射により、装着者６３の網膜に結像する。或いは、ハーフミラー６２での反射と眼球における水晶体のレンズ効果とにより、装着者６３の網膜に結像する。またハーフミラー６２での反射により、画像は空間歪が補正される。装着者６３は、ＸＹ方向に走査される光で形成される画像を、観察することができる。
６２はハーフミラーであるため、装着者６３には、外界からの光による像と走査光による画像が重畳して観察される。ハーフミラー６２に代えてミラーを設けることで、外界からの光をなくし、走査光による画像のみを観察できる構成としてもよい。
［パッケージング］
次に、実施形態の可動装置１３のパッケージングについて図１４を用いて説明する。
図１４は、パッケージングされた可動装置１３の一例の概略図である。
図１４に示すように、可動装置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８０１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、可動装置１３の酸化による劣化が抑制され、さらに温度等の環境の変化に対する耐久性が向上する。
［第１実施形態］
以上に説明した光偏向システム、光走査システム、画像投射装置、光書込装置、距離測定装置に使用される第１実施形態の可動装置１３について説明する。
＜可動装置１３の構成＞
可動装置１３の構成を、図１５及び図１６を参照して説明する。
図１５は、１軸方向に光偏向可能な両持ちタイプの可動装置１３の平面図である。また図１６は可動装置１３の断面図であり、（ａ）は図１５のＬ−Ｌ'断面図、（ｂ）は図１５のＭ−Ｍ'断面図、（ｃ）は図１５のＮ−Ｎ'断面図である。
図１５に示すように、可動装置１３は、入射した光を反射する反射面１４と、反射面１４が形成された反射部１２０と、駆動梁１３０ａ及び１３０ｂ（区別しない場合は駆動梁１３０という。以下の他の部材においても同様）と、支持部１４０ａ及び１４０ｂとを備えている。なお、図１５では矩形状の反射面１４を示しているが、反射面１４の形状はこれに限定されるものではなく、円形、楕円形等の他の形状であってもよい。
駆動梁１３０は反射部１２０に接続され、反射部１２０をＸ軸に平行なＥ軸周りに揺動させることで、反射面１４を揺動させる。支持部１４０ａは駆動梁１３０ａを支持し、支持部１４０ｂは駆動梁１３０ｂを支持している。
駆動梁１３０ａは、複数の梁部が折り返すように蛇行して連結されたミアンダ構造で構成され、一端が反射部１２０の外周部に接続し、他端が支持部１４０ａの内周部に接続している。また、駆動梁１３０ａは、圧電駆動部１３１ａ〜１３１ｄを含んで構成されている。圧電駆動部１３１ａ〜１３１ｄは、駆動梁１３０ａを変形させることで反射部１２０を揺動させることができる。
駆動梁１３０ｂも、複数の梁部が折り返すように蛇行して連結されたミアンダ構造で構成され、一端が反射部１２０の外周部に接続し、他端が支持部１４０ｂの内周部に接続している。また、駆動梁１３０ｂは、圧電駆動部１３２ａ〜１３２ｄを含んで構成されている。圧電駆動部１３２ａ〜１３２ｄは、駆動梁１３０ｂを変形させることで反射部１２０を揺動させることができる。
駆動梁１３０ａが反射部１２０に接続する箇所と、駆動梁１３０ｂが反射部１２０に接続する箇所は、反射面１４の中心に対して点対称に配置されている。また、駆動梁１３０ａが支持部１４０ａに接続する箇所と、駆動梁１３０ｂが支持部１４０ｂに接続する箇所は、反射面１４の中心に対して点対称に配置されている。
支持部１４０ｂの面上（＋Ｚ方向側）には、制御装置１１（不図示）から電圧信号を入力するための電極接続部１５０が設けられている。電極接続部１５０は、正の電圧が入力される正電極接続部１５０ａと、ＧＮＤに接続されるＧＮＤ接続部１５０ｂと、負の電圧が入力される負電極接続部１５０ｃとを含んで構成されている。
また、反射部１２０の面上における反射面１４以外の領域と、駆動梁１３０ａ及び１３０ｂのそれぞれの面上には、配線１２３が設けられている。配線１２３は、電極接続部１５０から入力される電圧信号を圧電駆動部１３２ａ〜１３２ｄのそれぞれに伝導し、また反射部１２０を経由して圧電駆動部１３１ａ〜１３１ｄのそれぞれに伝導する。
換言すると、駆動梁１３０ａに設けられた圧電駆動部１３１ａ〜１３１ｄは、反射部１２０を介した配線１２３によって、支持部１４０ｂに設けられた電極接続部１５０に電気的に接続されている。電極接続部１５０から入力される駆動電圧は、配線１２３を通って駆動梁１３０ａ及び１３０ｂの両方に印加される。
より詳しくは、配線１２３は、圧電駆動部１３２ａ〜１３２ｄのそれぞれが電極接続部１５０に電気的に接続されるように、支持部１４０ｂと駆動梁１３０ｂの各梁部の面上に設けられている。また、圧電駆動部１３２ａと圧電駆動部１３１ａが反射部１２０を介して電気的に接続されるように、反射部１２０の外周に沿って反射部１２０の面上に設けられている。さらに、圧電駆動部１３１ａ〜１３１ｄのそれぞれが電気的に接続されるように、駆動梁１３０ａの各梁部の面上に設けられている。
また、配線１２３は、正の電圧信号を伝導する正電圧導線１２３ａと、ＧＮＤに接続されるＧＮＤ導線１２３ｂと、負の電圧信号を伝導する負電圧導線１２３ｃとを含んで構成されている。正電圧導線１２３ａは正電極接続部１５０ａに接続され、ＧＮＤ導線１２３ｂはＧＮＤ接続部１５０ｂに接続され、負電圧導線１２３ｃは負電極接続部１５０ｃに接続されている。
ここで、駆動梁１３０ｂは第１の可動部の一例、駆動梁１３０ａは第２の可動部の一例である。また、圧電駆動部１３２ａ〜１３２ｄのそれぞれは第１の圧電部材の一例、圧電駆動部１３１ａ〜１３１ｄのそれぞれは第２の圧電部材の一例である。
支持部１４０ｂは第１の支持部の一例、支持部１４０ａは第２の支持部の一例、電極接続部１５０は電圧入力部の一例であり、入力部の一例である。配線１２３は、「第２の圧電部材と電圧入力部を接続する配線」の一例であり、正電圧導線１２３ａ、ＧＮＤ導線１２３ｂ、及び負電圧導線１２３ｃは、配線１２３を構成する複数の導線の一例である。
図中Ｙ方向に沿う反射部１２０の両側には、支持部１４０の存在しない開放領域である光通過領域１６及び１７が設けられている。光通過領域１６及び１７は、反射部１２０が揺動した場合に、反射面１４による反射光を通過させる領域である。光通過領域は、部材が存在しない空隙であってもよいし、空隙の少なくとも一部に、光を透過するガラス等の部材を含んで構成されていてもよい。なお、光通過領域１６及び１７は、Ｅ軸から離れるにつれてＥ軸に沿った方向の幅が広くなるテーパ状に形成されていてもよい。光通過領域１６及び１７のそれぞれは、通過領域の一例である。
可動装置１３は、１枚のＳＯＩ（Silicon On Insulator）基板をエッチング処理により成形し、成形した基板上に反射面１４や駆動梁１３０、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。
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、第２のシリコン層をシリコン活性層という。
シリコン活性層は、Ｘ方向またはＹ方向に対してＺ方向への厚みが小さいため、シリコン活性層のみで構成された部材は弾性を有し、圧電駆動部１３１ａ〜１３１ｄ及び１３２ａ〜１３２ｄ等から力が加えられると、これに応じて変形する。
なお、ＳＯＩ基板は、必ずしも平面状である必要はなく、曲率を有する形状等であってもよい。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、可動装置１３の形成に用いられる部材はＳＯＩ基板に限られない。
図１６（ａ）に示すように、反射部１２０は、シリコン活性層１２１と、シリコン活性層１２１の＋Ｚ方向側の面に形成された層間絶縁膜１２２と、層間絶縁膜１２２の＋Ｚ方向側の面に形成された配線１２３及び保護膜１２４と、保護膜１２４の＋Ｚ方向側の面に形成された反射面１４とを備えている。また、反射部１２０におけるシリコン活性層１２１の−Ｚ方向側の面には、ＢＯＸ（Buried Oxide）層１２５と、ＢＯＸ層１２５の−Ｚ方向側の面に形成されたシリコン支持層１２６とを備えている。
層間絶縁膜１２２は酸化シリコンから構成され、配線１２３はアルミニウム（Ａｌ）から構成されている。また、保護膜１２４は酸化シリコンや感光性ポリイミドから構成され、反射面１４は、アルミニウム、金、銀等を含む金属薄膜で構成されている。保護膜１２４を構成する材料は可視光に対して透過性を有している。
ＢＯＸ層１２５は酸化シリコンから構成されている。このＢＯＸ層１２５とシリコン支持層１２６は、可動によって生じる反射面１４の歪みを抑制する補強用のリブとして作用する。
また、図１６（ｂ）に示すように、支持部１４０は、シリコン支持層１６１と、シリコン支持層１６１の＋Ｚ方向側に形成された酸化シリコン層１６２と、酸化シリコン層１６２の＋Ｚ方向側に形成されたシリコン活性層１６３から構成されている。
また、図１６（ｃ）に示すように、駆動梁１３０は、弾性部であるシリコン活性層１２１の＋Ｚ方向側に層間絶縁膜１２２、下部電極２０１、圧電部２０２、上部電極２０３、層間絶縁膜２０４、配線１２３、保護膜１２４が順に形成されて構成されている。圧電部２０２は、圧電駆動部１３１ａ〜１３１ｄ及び１３２ａ〜１３２ｄを構成する部分である。
上部電極２０３及び下部電極２０１は、金（Ａｕ）または白金（Ｐｔ）により構成され、圧電部２０２は、圧電材料であるＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛）により構成されている。
電極接続部１５０は、配線１２３を介して圧電駆動部１３１ａ〜１３１ｄ及び１３２ａ〜１３２ｄの備える各上部電極２０３及び各下部電極２０１に電気的に接続されている。また電極接続部１５０は、電極配線を介して制御装置１１に電気的に接続されている。なお、上部電極または下部電極は、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して間接的に接続されていてもよい。
配線１２３におけるＧＮＤ導線１２３ｂは、圧電駆動部１３１ａ〜１３１ｄ及び１３２ａ〜１３２ｄの各上部電極２０３に接続されている。また、正電圧導線１２３ａは、圧電駆動部１３２ｄ、１３２ｂ、１３１ａ、及び１３１ｃの下部電極２０１に接続され、正の電圧信号を伝導して、これらに正の駆動電圧を印加できる。この場合、正電圧導線１２３ａは、圧電駆動部１３２ｃ、１３２ａ、１３１ｂ、及び１３１ｄでは、下部電極２０１には接続せずに通過する。
一方、負電圧導線１２３ｃは、圧電駆動部１３２ｃ、１３２ａ、１３１ｂ、及び１３１ｄの下部電極２０１に接続され、負の電圧信号を伝導して、これらに負の駆動電圧を印加できる。この場合、負電圧導線１２３ｃは、圧電駆動部１３２ｄ、１３２ｂ、１３１ａ、及び１３１ｃでは、下部電極２０１には接続せずに通過する。
このようにして、配線１２３は、電極接続部１５０を介して入力される電圧信号を伝導し、圧電駆動部１３１ａ〜１３１ｄ及び１３２ａ〜１３２ｄに駆動電圧を印加できる。なお、配線１２３は、電圧信号に代えて、電流信号を伝導してもよい。
ここで、配線１２３が設けられた層間絶縁膜２０４は、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のみ、開口部として部分的に絶縁膜を除去するか、又は絶縁膜を形成しない構成にしてもよい。このようにすることで、駆動梁１３０ａ，１３０ｂ及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できる。また、層間絶縁膜２０４を構成する酸化シリコン膜は、反射防止材としての機能も備えている。
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１２１の一面（＋Ｚ方向側の面）のみに形成された場合を例に説明したが、弾性部の他の面（例えば−Ｚ方向側の面）に設けても良いし、弾性部の一面及び他面の双方に設けても良い。
また、反射部１２０をＥ軸周りに揺動可能であれば、各構成部の形状は実施形態の形状に限定されるものではない。
＜第１の実施形態の可動装置の制御方法＞
次に、可動装置１３の駆動梁１３０を駆動させる制御装置１１による制御方法の詳細について説明する。
駆動梁１３０に含まれる圧電部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。駆動梁１３０は、この逆圧電効果を利用して反射部１２０を可動（揺動）させる。
ここで、反射部１２０の反射面１４がＸＹ平面に対して＋Ｚ方向または−Ｚ方向へ傾いたときのＸＹ平面と反射面１４により成す角度を振れ角という。また、＋Ｚ方向への傾きを正の振れ角、−Ｚ方向への傾きを負の振れ角という。
ここで、図１７は、駆動梁１３０の動作を模式的に表した模式図である。図１７において、破線で表されている部分は反射部１２０である。
図１７（ａ）に示すように、駆動梁１３０に駆動電圧が印加されていない状態では、駆動梁１３０ｂによる振れ角はゼロである。
ここで、駆動梁１３０ａに含まれる複数の圧電駆動部１３１ａ〜１３１ｄのうち、最も反射部１２０に距離が近い圧電駆動部（１３１ａ）から数えて偶数番目の圧電駆動部、すなわち圧電駆動部１３１ｂ，１３１ｄを圧電駆動部群Ａとする（図１５参照）。また、駆動梁１３０ｂに含まれる複数の圧電駆動部１３２ａ〜１３２ｄのうち、最も反射部１２０に距離が近い圧電駆動部（１３２ａ）から数えて奇数番目の圧電駆動部、すなわち圧電駆動部１３２ａ，１３２ｃを同様に圧電駆動部群Ａとする。圧電駆動部群Ａは、駆動電圧が並行（同時）に印加されると、図１７（ｂ）に示すように同一方向に屈曲変形し、これにより反射部１２０が−Ｚ方向にＥ軸周りに可動する。
また、駆動梁１３０ａに含まれる複数の圧電駆動部１３１ａ〜１３１ｄのうち、最も反射部１２０に距離が近い圧電駆動部（１３１ａ）から数えて奇数番目の圧電駆動部、すなわち圧電駆動部１３１ａ，１３１ｃを圧電駆動部群Ｂとする（図１５参照）。また、駆動梁１３０ｂに含まれる複数の圧電駆動部１３２ａ〜１３２ｄのうち、最も反射部１２０に距離が近い圧電駆動部（１３２ａ）から数えて偶数番目の圧電駆動部、すなわち圧電駆動部１３２ｂ，１３２ｄを同様に圧電駆動部群Ｂとする。圧電駆動部群Ｂは、駆動電圧が並行に印加されると、図１７（ｄ）に示すように同一方向に屈曲変形し、これにより反射部１２０が＋Ｚ方向にＥ軸周りに可動する。
図１７（ｂ）、（ｄ）に示すように、駆動梁１３０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を同時に屈曲変形させることで、屈曲変形による可動量を累積させ、反射部１２０のＥ軸周りの振れ角を大きくすることができる。
図１５に示したように、駆動梁１３０ａ，１３０ｂは、反射部１２０の中心点に対して点対称に反射部１２０に接続されている。そのため、圧電駆動部群Ａに駆動電圧を印加すると、駆動梁１３０ａでは反射部１２０と駆動梁１３０ａの接続部に＋Ｚ方向に動かす駆動力が生じ、駆動梁１３０ｂでは反射部１２０と駆動梁１３０ｂの接続部に−Ｚ方向に動かす駆動力が生じる。これらの駆動力による可動量を累積させることで、反射部１２０のＥ軸周りの振れ角を大きくすることができる。
また、図１７（ｃ）に示すように、電圧印加による圧電駆動部群Ａによる反射部１２０の可動量と電圧印加による圧電駆動群Ｂによる反射部１２０の可動量が釣り合っている時は、振れ角はゼロとなる。
図１７（ｂ）〜（ｄ）に示す動作が連続的に繰り返されるように圧電駆動部１３１ａ〜１３１ｄ及び１３２ａ〜１３２ｄに駆動電圧を印加することで、反射部１２０をＥ軸周りに可動させることができる。
駆動梁１３０に印加される駆動電圧は、制御装置１１によって制御される。ここで、圧電駆動部群Ａに印加される駆動電圧（以下、駆動電圧Ａという）、圧電駆動部群Ｂに印加される駆動電圧（以下、駆動電圧Ｂという）について、図１８を用いて説明する。図１８（ａ）は、駆動電圧Ａの波形の一例を示す図、図１８（ｂ）は、駆動電圧の波形Ｂの一例を示す図、図１８（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。
図１８（ａ）に示すように、駆動電圧Ａはノコギリ波状の波形を含み、周波数は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となる比率が予め設定されている。ここで、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。
図１８（ｂ）に示すように、駆動電圧Ｂはノコギリ波状の波形を含み、周波数は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となる比率が予め設定されている。ここで、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１８（ｃ）に示すように、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、同一となるように予め設定されている。
なお、駆動電圧Ａ及びＢのノコギリ波状の波形は、正弦波の重ね合わせによって生成される。また、実施形態では、駆動電圧Ａ及び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、これに限定されるものではなく、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等、可動装置１３の特性に応じて波形を変えることもできる。
＜可動装置１３の作用効果＞
次に、可動装置１３の作用効果について説明する。
ここで、図１９は、比較例に係る可動装置３００の構成を説明する図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）は反射部の振れ角が小さい場合の（ａ）のＰ−Ｐ'断面図、（ｃ）は反射部の振れ角が大きい場合の（ａ）のＰ−Ｐ'断面図を示している。
図１９（ａ）に示すように、可動装置３００は、入射光を反射する反射面３１４を備える反射部３２０と、反射部３２０に接続し、反射部３２０をＥ軸周りに揺動させる駆動梁３３０ａ及び３３０ｂと、駆動梁３３０ａ及び３３０ｂのそれぞれを支持する支持部３４０とを備えている。
また、反射部３２０の−Ｙ方向側における支持部３４０の面上には電極接続部３５０が設けられている。電極接続部３５０を介して駆動電圧を入力し、支持部３４０に設けられた配線（不図示）を通して駆動梁３３０ａ及び３３０ｂの両方に駆動電圧が印加される。
図１９（ｂ）は、反射部３２０に−Ｚ方向に向けて入射した光３０１が、反射部３２０で反射された様子を示している。図１９（ｂ）の場合は、反射部３２０の振れ角が小さいため、反射部３２０の＋Ｙ方向側にある支持部３４０により、反射光３０２は遮られていない。
図１９（ｃ）も同様に、反射部３２０に−Ｚ方向に向けて入射した光３０１が反射部３２０で反射された様子を示している。図１９（ｃ）の場合は、反射部３２０の振れ角が大きいため、反射部３２０の＋Ｙ方向側にある支持部３４０により、反射光３０３は遮られている。
このように可動装置３００では、反射部３２０の振れ角が大きくなると、反射部３２０の±Ｙ方向側にある支持部３４０により反射光が遮られる場合がある。反射光が遮られると、反射部３２０による光の走査角度が制限され、大きな走査角度を得られなくなる。
これに対し、本実施形態では、Ｙ方向に沿う反射部１２０の両側（±Ｙ方向側）に光通過領域１６及び１７を設けている（図１５参照）。Ｙ方向に沿う反射部１２０の両側に反射光を遮る部材がないため、反射部１２０の振れ角が大きくなっても反射光は遮られることはない。これにより、反射部１２０による光の走査角度が制限されることなく、大きな走査角度を得ることができる。
一方、可動装置１３では、光通過領域１６及び１７を設けたことで、支持部における反射部１２０の−Ｙ、又は＋Ｙ方向側に電極接続部１５０を設けることはできない。この場合に、圧電駆動部１３１ａ〜１３１ｄと圧電駆動部１３２ａ〜１３２ｄの両方に駆動電圧を印加するために、支持部１４０ａ及び１４０ｂの両方に電極接続部１５０を設けると、可動装置１３と制御装置１１とを電気的に接続するための構成が大型化する場合がある。同時に、可動装置１３のレイアウト自由度が低下することで、可動装置１３の構成が複雑化し、製造コストが増大する場合がある。
これに対し、本実施形態では、支持部１４０ｂに、少なくとも圧電駆動部１３１ａ〜１３１ｄに電圧を入力する電極接続部１５０を設け、圧電駆動部１３１ａ〜１３１ｄは、反射部１２０を介した配線１２３によって電極接続部１５０に接続されている。
この構成により、支持部１４０ａ及び１４０ｂの両方に電極接続部１５０を設けることなく、圧電駆動部１３１ａ〜１３１ｄと圧電駆動部１３２ａ〜１３２ｄの両方に駆動電圧を印加できる。そして、支持部１４０ａ及び１４０ｂの両方に電極接続部１５０を設けないため、可動装置１３と制御装置１１とを電気的に接続するための構成が大型化することを防ぐことができる。また、可動装置１３のレイアウト自由度を向上させることができ、これにより、可動装置１３の構成を簡素化して、製造コストの増大を防ぐことができる。
［第２実施形態］
次に、第２実施形態に係る可動装置１３ａについて説明する。図２０は、可動装置１３ａの構成の一例を示す平面図である。
図２０に示すように、可動装置１３ａでは、反射部１２０の外周に沿って反射部１２０の面上に設けられた配線１２３上（＋Ｚ方向側）に、配線１２３を覆うようにして光吸収部１２８を設けている。
光吸収部１２８は、可動装置１３により偏向させる偏向光を、吸収できる材料で構成されている。このような材料は、偏向光を吸収することができれば特に限定はされないが、例えば黒色の樹脂材料を配線１２３の＋Ｚ方向側に塗布したり、或いは黒色の金属材料を配線１２３の＋Ｚ方向側に蒸着したりして、光吸収部１２８を形成できる。
ここで、配線１２３は、反射部１２０の面上で、反射面１４への入射光が到達しない領域に形成されていることが望ましいが、光学設計上の制約や組付け誤差等によって、配線１２３が設けられた領域に、反射面１４への入射光が到達する場合がある。
配線１２３は１μｍ程度の凹凸構造を含んで形成されているため、配線１２３で光が反射されると、その反射光は反射面１４での反射光とは異なる方向に伝搬し、ノイズ光になる場合がある。
本実施形態では、配線１２３上に光吸収部１２８を設けているため、配線１２３が形成された領域に入射光が到達しても、これを吸収して反射させない。これにより、ノイズ光の発生を防止することができる。
［第３実施形態］
次に、第３実施形態に係る可動装置１３ｂについて説明する。図２１は、可動装置１３ｂの構成の一例を示す平面図である。
図２１に示すように、可動装置１３ｂでは、駆動梁１３０ａの各梁部の面上に、圧電駆動部１３１ａ〜１３１ｄのそれぞれに隣接して検出部１６０ａを設けている。また、駆動梁１３０ｂの各梁部の面上に、圧電駆動部１３２ａ〜１３２ｄのそれぞれに隣接して検出部１６０ｂを設けている。
さらに、支持部１４０ｂには、電極接続部１７０を設け、検出部１６０ａ及び１６０ｂのそれぞれと電極接続部１７０とが電気的に接続されるように、配線１６５を設けている。
より詳しくは、配線１６５は、電極接続部１７０と検出部１６０ｂが電気的に接続されるように、支持部１４０ｂと駆動梁１３０ｂの各梁部に設けられている。また配線１６５は、検出部１６０ａと検出部１６０ｂが反射部１２０を介して電気的に接続されるように、反射部１２０の外周に沿って反射部１２０の面上に設けられ、さらに駆動梁１３０ａの各梁部にも設けられている。
この配線１６５は、正の電圧信号を伝導する正電圧導線１６５ａと、ＧＮＤに接続されるＧＮＤ導線１６５ｂと、負の電圧信号を伝導する負電圧導線１６５ｃとを含んで構成されている。正電圧導線１６５ａは正電極接続部１５０ａに接続され、ＧＮＤ導線１６５ｂはＧＮＤ接続部１５０ｂに接続され、負電圧導線１６５ｃは負電極接続部１５０ｃにそれぞれ接続されている。
検出部１６０は、圧電駆動部１３１ａ〜１３１ｄ及び１３２ａ〜１３２ｄと同様に、金（Ａｕ）又は白金（Ｐｔ）により構成された上部電極及び下部電極と、圧電材料であるＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛）により構成された圧電部とを含んで構成されている。
圧電駆動部１３１ａ〜１３１ｄ及び１３２ａ〜１３２ｄへの駆動電圧の印加によって駆動梁１３０が変形すると、駆動梁１３０に設けられた検出部１６０に変形に伴う力が加わり、検出部１６０の圧電部では、圧電効果により電圧が発生する。
発生した電圧は、配線１６５を通じて伝導され、電極接続部１７０を介して制御装置１１に出力される。制御装置１１は、この電圧に基づき、駆動梁１３０により揺動される反射部１２０の振れ角を取得でき、取得した振れ角を用いて、反射部１２０の揺動をフィードバック制御できる。
ここで、配線１６５は「第２の圧電部材と電圧入力部を接続する配線」の一例、検出部１６０ａは第３の圧電部材の一例、電極接続部１７０は電圧出力部の一例である。
また、可動装置１３ｂに配線１６５の断線を伴う故障が生じた場合には、制御装置１１に、電圧の異常値が出力される、または断線しているため制御装置１１に電圧が出力されない。制御装置１１は、この異常値または電圧が出力されないという情報に基づき、可動装置１３ｂの故障を検知することができる。
以上説明したように、本実施形態では、駆動梁１３０の各梁部に検出部１６０を設け、駆動梁１３０の変形に伴って発生する電圧から取得される反射部１２０の振れ角に基づき、反射部１２０の揺動をフィードバック制御する。これにより、反射部１２０の振れ角をリアルタイムで監視して制御でき、反射部１２０を安定動作させることができる。
なお、本実施形態では、圧電効果を利用して反射部１２０の振れ角を取得する例を示したが、これに限定されるものではない。例えば、反射面１４に角度検出用のレーザ光を照射して、このレーザ光の反射面１４による反射光に基づき、反射部１２０の振れ角を検出する方法等も適用可能である。
また、反射部１２０の外周に沿って設けられた配線１６５上（＋Ｚ方向側）に、配線１６５を覆うようにして、第２実施形態で説明した光吸収部１２８を設けてもよい。これにより、第２実施形態で説明した作用効果と同様に、配線１６５で反射した光によるノイズ光を防止することができる。
［第４実施形態］
次に、第４実施形態に係る可動装置１３ｃについて説明する。図２２は、可動装置１３ｃの構成の一例を示す平面図である。
可動装置１３ｃは、配線１２３のうちのＧＮＤ導線１２３ｂが、反射面１４に接続するように構成されている。図２２において、一点鎖線の丸で囲った部分１８０ｂは、駆動梁１３０ｂに設けられたＧＮＤ導線１２３ｂが反射面１４に接続する部分を示している。また二点鎖線の丸で囲った部分１８０ａは、駆動梁１３０ａに設けられたＧＮＤ導線１２３ｂが反射面１４に接続する部分を示している。
反射面１４は、アルミニウム、金、銀等を含む導体である金属薄膜により構成されているため、ＧＮＤ導線１２３ｂからの電圧信号を伝導することができる。
この構成により、駆動梁１３０ａに設けられたＧＮＤ導線１２３ｂは、反射面１４を介して、駆動梁１３０ｂに設けられたＧＮＤ導線１２３ｂに電気的に接続することができる。
反射面１４を介して接続させることで、反射部１２０の外周に沿ってＧＮＤ導線１２３ｂを形成することを省略でき、ＧＮＤ導線１２３ｂを省略した分だけ、反射部１２０の面積を小さくすることができる。
面積の縮小に伴って反射部１２０の慣性モーメントを減らすことができ、これにより可動装置１３の共振周波数を増加させることができる。共振周波数の増加により、反射面１４による反射光の高速走査等を実現可能になる。
なお、本実施形態では、反射面１４を介してＧＮＤ導線１２３ｂを接続する例を示したが、これに限定されるものではない。正電圧導線１２３ａ又は負電圧導線１２３ｃの何れか一方を、反射面１４を介して接続させてもよい。換言すると、駆動梁１３０ａ及び１３０ｂのそれぞれに設けられた配線１２３を構成する複数の導線のうちの何れか１つを、反射面１４を介して接続させてもよい。
但し、反射面１４を介してＧＮＤ導線１２３ｂを接続する構成にすると、反射部１２０及び駆動梁１３０の活性層を接地させる（グラウンドに落とす）ことができ、これにより、電圧信号に重畳するノイズを低減させる効果が得られる。
［変形例］
実施形態に係る可動装置における駆動梁は、第１〜４の実施形態で示した複数の梁部を連結させたものに限定されず、各種変形が可能である。以下に、変形例として、１つの梁部を備える可動装置を説明する。
［第１変形例］
まず、第１変形例に係る可動装置１３ｄの構成を、図２３及び図２４を参照して説明する。図２３は、可動装置１３ｄの構成の一例を説明する平面図であり、図２４は、図２３のＱ−Ｑ'断面図である。
可動装置１３ｄは、反射部１２０ｄと、駆動梁１１０ａ及び１１０ｂとを備えている。反射部１２０ｄは、シリコン活性層等により構成される基体と、基体の面上に形成された反射面１４ｄとを備えている。
この反射面１４ｄは、アルミニウム、金、銀等を含む金属薄膜で構成されている。なお、反射部１２０ｄは、基体の−Ｚ方向側の面に反射面１４ｄを補強するためのリブを備えてもよい。リブは、シリコン支持層及び酸化シリコン層から構成でき、反射部１２０ｄの揺動により生じる反射面１４ｄの歪みを抑制できる。また、反射面１４ｄは円形状である例を示すが、楕円形や矩形等の他の形状であってもよい。
駆動梁１１０ａは、トーションバー１１１ａと、梁部１１２ａとを備えている。トーションバー１１１ａは一端が梁部１１２ａに接続し、他端が梁部１１２ａに接続している。梁部１１２ａは、両端が支持部１４０ａの内周部に接続しており、支持部１４０ａにより支持されている。また梁部１１２ａは、圧電駆動部１１３ａを含んで構成されている。
駆動梁１１０ｂは、トーションバー１１１ｂと、梁部１１２ｂとを備えている。トーションバー１１１ｂは一端が梁部１１２ｂに接続し、他端が梁部１１２ｂに接続している。梁部１１２ｂは、両端が支持部１４０ｂの内周部に接続しており、支持部１４０ｂにより支持されている。また梁部１１２ｂは、圧電駆動部１１３ｂを含んで構成されている。
トーションバー１１１ａ及び１１１ｂはシリコン活性層で構成されている。また、圧電駆動部１１３ａ及び１１３ｂは、弾性部であるシリコン活性層１６３の面上に下部電極２０１、圧電部２０２、上部電極２０３が順に形成され、構成されている（図２４参照）。
上部電極２０３及び下部電極２０１は、金又は白金で構成され、圧電部２０２は圧電材料であるＰＺＴで構成されている。
なお、本変形例では、圧電部２０２が弾性部であるシリコン活性層１６３の一面（＋Ｚ方向側の面）のみに形成された例を示すが、弾性部の他の面（例えば−Ｚ方向側の面）に設けても良いし、弾性部の一面及び他面の双方に圧電部２０２を設けても良い。
また、反射部１２０ｄをＥ軸周りに揺動可能であれば、各構成部の形状は本変形例の形状に限定されるものではない。トーションバー１１１や、圧電駆動部１１３ａ及び１１３ｂを、曲率を有する形状にしてもよい。
図１５に示すように、支持部１４０ｂの面上には、制御装置１１（不図示）から電圧信号を入力するための電極接続部１５０を設けられている。電極接続部１５０は、正の電圧が印加される正電極接続部１５０ａと、ＧＮＤに接続されるＧＮＤ接続部１５０ｂと、負の電圧が印加される負電極接続部１５０ｃとを含んで構成されている。
また、反射部１２０ｄの面上における反射面１４ｄ以外の領域と、駆動梁１１０の面上には、それぞれ電極接続部１５０を介して入力される電圧信号を伝導するための配線１２３が設けられている。配線１２３は、電極接続部１５０から入力される電圧信号を、駆動梁１１０ｂに伝導するとともに、駆動梁１１０ｂ及び反射部１２０ｄを介して駆動梁１１０ａに伝導する。
換言すると、駆動梁１１０ａに含まれる圧電駆動部１１３ａは、反射部１２０ｄを介した配線１２３によって、支持部１４０ｂに設けられた電極接続部１５０に電気的に接続されている。このような配線１２３を用いて、電極接続部１５０から入力される駆動電圧を、駆動梁１１０ａ及び１１０ｂの両方に印加することができる。
より詳しくは、配線１２３は、電極接続部１５０と圧電駆動部１１３ｂが電気的に接続されるように、支持部１４０ｂの面上に設けられている。また、圧電駆動部１１３ｂと圧電駆動部１１３ａが反射部１２０ｄを介して電気的に接続されるように、梁部１１２ｂ、トーションバー１１１ｂ、反射部１２０ｄの外周に沿った反射部１２０ｄ、トーションバー１１１ａ、及び梁部１１２ａのそれぞれの面上に、配線１２３が設けられている。
また配線１２３は、正の電圧信号を伝導する正電圧導線１２３ａと、ＧＮＤに接続されるＧＮＤ導線１２３ｂと、負の電圧信号を伝導する負電圧導線１２３ｃとを含んで構成されている。正電圧導線１２３ａは正電極接続部１５０ａに接続され、ＧＮＤ導線１２３ｂはＧＮＤ接続部１５０ｂに接続され、負電圧導線１２３ｃは負電極接続部１５０ｃにそれぞれ接続されている。
ＧＮＤ導線１２３ｂは、圧電駆動部１１３ａ及び１１３ｂの各上部電極に接続され、正電圧導線１２３ａは、圧電駆動部１１３ａ及び１１３ｂの下部電極に接続され、これらに正の電圧信号を伝導して正の駆動電圧を印加させることができる。また、負電圧導線１２３ｃは、圧電駆動部１１３ａ及び１１３ｂの下部電極２０１に接続され、これらに負の電圧信号を伝導して負の駆動電圧を印加させることができる。
ここで、駆動梁１１０ｂは第１の可動部の一例、駆動梁１１０ａは第２の可動部の一例である。また、圧電駆動部１１３ｂは第１の圧電部材の一例、圧電駆動部１１３ａは第２の圧電部材の一例である。
図中Ｙ方向に沿う反射部１２０ｄの両側には、支持部１４０の存在しない開放領域である光通過領域１６ｄ及び１７ｄが設けられている。光通過領域１６ｄ及び１７ｄは、反射部１２０が揺動した場合に、反射面１４による反射光を通過させる部分である。光通過領域１６ｄ及び１７ｄは、Ｅ軸から離れるにつれてＥ軸に沿った方向の幅が広くなるテーパ状に形成されている。但し、必ずしもテーパ状に形成されなくてもよい。
このようにして、配線１２３は、電極接続部１５０を介して印加される電圧信号を伝導し、圧電駆動部１１３ａ及び１１３ｂに駆動電圧を印加できる。なお、配線１２３は、電圧信号に代えて、電流信号を伝導してもよい。
駆動電圧の印加による駆動梁１１０の動作等は、第１実施形態における駆動梁１３０と同様である。また可動装置１３ｄの作用効果も、第１実施形態における可動装置１３と同様である。そのため、ここでは重複した説明を省略する。
［第２〜４変形例］
図２５は、第２変形例に係る可動装置１３ｅの構成の一例を示す平面図である。図２５に示すように、可動装置１３ｅでは、反射部１２０ｄの外周に沿って反射部１２０ｄの面上に設けられた配線１２３の＋Ｚ方向側に、配線１２３を覆うようにして光吸収部１２８を設けている。光吸収部１２８の構成及び作用効果は、第２実施形態における光吸収部１２８と同様であるため、ここでは重複する説明を省略する。
次に、図２６は、第３変形例に係る可動装置１３ｆの構成の一例を示す平面図である。
図２６に示すように、可動装置１３ｆでは、駆動梁１１０ａの梁部１１２ａの面上に、圧電駆動部１１３ａに隣接して検出部１６０ａを設けている。また、駆動梁１３０ｂの梁部１１２ｂの面上に、圧電駆動部１１３ｂに隣接して検出部１６０ｂを設けている。
さらに、支持部１４０ｂには電極接続部１７０を設け、検出部１６０ａ及び１６０ｂのそれぞれと電極接続部１７０とが電気的に接続されるように、配線１６５を設けている。
より詳しくは、配線１６５は、電極接続部１７０と検出部１６０ｂが電気的に接続されるように支持部１４０ｂに設けられている。また、検出部１６０ａと検出部１６０ｂが反射部１２０ｄを介して電気的に接続されるように、梁部１１２ｂ、トーションバー１１１ｂ、反射部１２０ｄの外周に沿った反射部１２０ｄ、トーションバー１１１ａ、及び梁部１１２ａのそれぞれの面上に配線１６５が設けられている。
検出部１６０及び配線１６５の構成及び作用効果は、第３実施形態における検出部１６０及び配線１６５と同様であるため、ここでは重複する説明を省略する。
次に、図２７は、第４変形例に係る可動装置１３ｇの構成の一例を示す平面図である。
可動装置１３ｇは、配線１２３のうちのＧＮＤ導線１２３ｂが、反射面１４ｄに接続するように構成されている。図２７において、一点鎖線の丸で囲った部分１８０ｂは、トーションバー１１１ｂに設けられたＧＮＤ導線１２３ｂが反射面１４ｄと接続する部分を示している。また二点鎖線の丸で囲った部分１８０ａは、トーションバー１１１ａに設けられたＧＮＤ導線１２３ｂが反射面１４ｄと接続する部分を示している。
反射面１４ｄは、アルミニウム、金、銀等を含む導体である金属薄膜により構成されているため、ＧＮＤ導線１２３ｂからの電圧信号を伝導することができる。
この構成により、トーションバー１１１ａに設けられたＧＮＤ導線１２３ｂは、反射面１４ｄを介して、トーションバー１１１ｂに設けられたＧＮＤ導線１２３ｂに電気的に接続することができる。
可動装置１３ｇの作用効果は、第４実施形態における可動装置１３ｃと同様であるため、ここでは重複する説明を省略する。
以上、本発明の実施形態の例について記述したが、本発明は斯かる特定の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。
１０ 光走査システム
１１ 制御装置
１２ 光源装置
１３ 可動装置（光偏向器の一例）
１４ 反射面
１５ 被走査面
１６、１７ 光通過領域（通過領域の一例）
２５ 光源装置ドライバ
２６ 可動装置ドライバ
３０ 制御部
３１ 駆動信号出力部
５０ レーザヘッドランプ
５１ ミラー
５２ 透明板
６０ ヘッドマウントディスプレイ
６０ａ フロント
６０ｂ テンプル
６１ 導光板
６２ ハーフミラー
６３ 装着者
１１０ａ 駆動梁（第２の可動部の一例）
１１０ｂ 駆動梁（第１の可動部の一例）
１１１ トーションバー
１１２ 梁部
１１３ａ 圧電駆動部（第２の圧電部材の一例）
１１３ｂ 圧電駆動部（第１の圧電部材の一例）
１２０ 反射部
１２１ シリコン活性層
１２２ 層間絶縁膜
１２３ 配線（第２の圧電部材と電圧入力部を接続する配線の一例）
１２３ａ 正電圧導線
１２３ｂ ＧＮＤ導線
１２３ｃ 負電圧導線
１２４ 保護膜
１２５ ＢＯＸ層
１２６ シリコン支持層
１２８ 光吸収部
１３０ａ 駆動梁（第２の可動部の一例）
１３１ａ〜１３１ｄ 圧電駆動部（第２の圧電部材の一例）
１３２ａ〜１３２ｄ 圧電駆動部（第１の圧電部材の一例）
１３０ａ 駆動梁（第２の可動部の一例）
１３０ｂ 駆動梁（第１の可動部の一例）
１４０ａ 支持部（第２の支持部の一例）
１４０ｂ 支持部（第１の支持部の一例）
１５０ 電極接続部（電圧入力部の一例、入力部の一例）
１６０ａ 検出部（第３の圧電部材の一例）
１６０ｂ 検出部
１６１ シリコン支持層
１６２ 酸化シリコン層
１６３ シリコン活性層
１６５ 配線（第３の圧電部材と電圧出力部を接続する配線の一例）
１６５ａ 正電圧導線
１６５ｂ ＧＮＤ導線
１６５ｃ 負電圧導線
１７０ 電極接続部（電圧出力部の一例）
２０１ 下部電極
２０２ 圧電部
２０３ 上部電極
２０４ 層間絶縁膜
４００ 自動車（車両の一例）
５００ ヘッドアップディスプレイ装置（画像投影装置の一例、偏向装置の一例）
６５０ レーザプリンタ
７００ ライダ装置（距離測定装置の一例、偏向装置の一例）
７０１ 自動車（車両の一例）
７０２ 被対象物
８０１ パッケージ部材
８０２ 取付部材
８０３ 透過部材
Ｅ軸 揺動軸
特許３５５２６０１号公報

Claims (11)

  1. 反射部材を有する反射部と、
    前記反射部に一方が接続された第１の可動部と、
    前記反射部に一方が接続された第２の可動部と、
    前記第１の可動部に設けられ、前記第１の可動部を変形させる第１の圧電部材と、
    前記第２の可動部に設けられ、前記第２の可動部を変形させる第２の圧電部材と、
    前記第１の可動部の他方に接続された第１の支持部と、
    前記第２の可動部の他方に接続された第２の支持部と、
    前記第２の圧電部材に印加される電圧が入力される入力部と、
    前記入力部に入力された電圧を前記第２の圧電部材に入力する配線と、を有し、
    前記反射部は前記第１の可動部と前記第２の可動部との間に設けられ、
    前記反射部で反射された光が通過する通過領域が形成されており、
    前記第１の支持部には、
    少なくとも前記第２の圧電部材に電圧を入力する電圧入力部が設けられ、
    前記第２の圧電部材と前記電圧入力部は、前記反射部を介した前記配線によって電気的に接続されている
    光偏向器。
  2. 前記第２の圧電部材と前記電圧入力部を接続する配線における前記反射部に設けられた配線上に、入射光を吸収するための光吸収部を有する
    請求項１に記載の光偏向器。
  3. 前記第２の圧電部材と前記電圧入力部を接続する配線は複数の導線により構成され、
    前記複数の導線のうちの１つは、導体により構成された前記反射面に電気的に接続されている
    請求項１、又は２に記載の光偏向器。
  4. 前記反射面に電気的に接続されている前記導線は、グラウンドに接続されている
    請求項３に記載の光偏向器。
  5. 前記第２の可動部は、第３の圧電部材を有し、
    前記第１の支持部には、
    少なくとも前記第３の圧電部材からの電圧を出力する電圧出力部が設けられ、
    前記第３の圧電部材と前記電圧出力部は、
    前記反射部を介した配線によって電気的に接続されている
    請求項１乃至４の何れか１項に記載の光偏向器。
  6. 前記第２の圧電部材と前記電圧入力部を接続する配線における前記反射部に設けられた配線上、又は前記第３の圧電部材と前記電圧出力部を接続する配線における前記反射部に設けられた配線上の少なくとも一方に、入射光を吸収するための光吸収部を有する
    請求項５に記載の光偏向器。
  7. 前記第１の可動部及び前記第２の可動部のそれぞれは、複数の梁部が蛇行して連結されて構成されている
    請求項１乃至６の何れか１項に記載の光偏向器。
  8. 請求項１乃至７の何れか一項に記載の光偏向器と、
    光源と、を有する
    偏向装置。
  9. 請求項１乃至７の何れか１項に記載の光偏向器を有する距離測定装置。
  10. 請求項１乃至７の何れか１項に記載の光偏向器を有する画像投影装置。
  11. 請求項９に記載の距離測定装置、又は請求項１０に記載の画像投影装置の少なくとも１つを有する車両。
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