JP2021085983A - 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】破壊限界角を向上させて、十分な高画角や、高解像を得ることができる光偏向器を提供する。【解決手段】光を反射する反射面を有するミラー部と、前記ミラー部と一端が接続されており前記ミラー部を支持する１対の支持部と、各々の前記支持部の他端と接続されており、前記支持部を変形させて前記ミラー部を第１軸を中心に回動させる１対の駆動梁と、前記駆動梁を片持ち支持する枠部と、前記支持部と前記駆動梁とを接続する接続部と、を有し、前記接続部は、前記第１軸よりも前記駆動梁側の第１の領域で前記駆動梁と接続されており、前記接続部において、前記第１の領域とは反対の第２の領域には、前記駆動梁と前記枠部とが接続されている部分とは対向する方向に突き出す形状である凸部を有しており、前記凸部の前記支持部側には、フィレット形状を有する第１のフィレット部が設けられていることを特徴とする光偏向器により、上記課題を解決する。【選択図】図１

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、反射面を設けたミラー部とトーションバー、梁部（弾性梁）をウエハ上に一体に形成し、梁部上に薄膜化した圧電材料を重ね合わせて構成した圧電アクチュエータにより、ミラー部を駆動（回動）させる光偏向器が知られている。
上記のような光偏向器においては、ミラー部の振動角を大きくすることができ、かつ、トーションバー等の破損を生じにくくした構造のものが開示されている。（例えば、特許文献１）
しかしながら、一対のトーションバーによりミラー部が支持されている光偏向器においては、ミラー部の回動に寄与するトーションバーに応力が集中するため、破壊限界角は十分ではなく、高画角化や高解像度化に限界があり、この点に改良の余地があった。
本発明は、上記の点に鑑みてなされたものであり、光偏向器の破壊限界角を向上させることにより、画角や解像度を向上させることができる光偏向器を提供することを目的とする。
開示の技術の一態様に係る光偏向器は、光を反射する反射面を有するミラー部と、前記ミラー部と一端が接続されており前記ミラー部を支持する１対の支持部と、各々の前記支持部の他端と接続されており、前記支持部を変形させて前記ミラー部を第１軸を中心に回動させる１対の駆動梁と、前記駆動梁を片持ち支持する枠部と、前記支持部と前記駆動梁とを接続する接続部と、を有し、前記接続部は、前記第１軸よりも前記駆動梁側の第１の領域で前記駆動梁と接続されており、前記接続部において、前記第１の領域とは反対の第２の領域には、前記駆動梁と前記枠部とが接続されている部分とは対向する方向に突き出す形状である凸部を有しており、前記凸部の前記支持部側には、フィレット形状を有する第１のフィレット部が設けられていることを特徴とする。
開示の技術によれば、光偏向器の破壊限界角を向上させることにより画角や解像度を向上させることができる。
第１の実施形態における光偏向器の上面図である。 第１の実施形態における光偏向器の裏面図である。 固定端側フィレットのみが設けられている光偏向器の上面図である。 第２の実施形態における光偏向器の上面図である。 第３の実施形態における光偏向器の上面図である。 第４の実施形態における光偏向器の上面図である。 第５の実施形態における光偏向器の上面図である。 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。 駆動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。 レーザレーダ装置を搭載した自動車の一例の概略図である。 レーザレーダ装置の一例の概略図である。 パッケージングされた光偏向器の一例の概略図である。
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。
〔第１の実施形態〕
近年、画像形成装置等に用いられる光偏向器は、高画質化にするために、高解像度化、及び、大振幅化が求められている。
大振幅化の場合、振幅に比例してミラー部の回転加速度が大きくなる。即ち、振幅が増加すると、それに伴ってミラー部を支持するトーションバー及び固定部にかかる応力が大きくなる。トーションバー及び固定部への応力が大きくなり、トーションバー及び固定部の破壊が生じるミラー振幅限界角に達すると光偏向器は破壊されてしまう。
また、高解像度化にするためには走査線を多くする必要があるため、駆動周波数（共振周波数）を高くする必要がある。共振周波数が高くなると、周波数の二乗に比例してミラー部の回転加速度が大きくなる。従って、同じ振幅であっても周波数が高くなると、ミラー部を支持するトーションバー及び固定部への負荷は急激に増大し、トーションバー、固定部の破壊強度を超えた負荷が加わったときに、光偏向器は破壊されてしまう。
また、従来の片持ち構造の光偏向器では、トーションバーを片持ち支持する駆動梁（梁部）との接続部において駆動梁の先端側は解放されているため、トーションバーと駆動梁の接続部において変形が大きくなりやすい。このため、トーションバーのねじりによる負荷に耐え切れずに光偏向器が破壊されやすい傾向にある。
本実施形態における光偏向器では、トーションバーと梁部との接続部において、梁部の先端の自由端側にフィレット形状を設けることにより、梁部の自由端側と固定端側の両側のフィレットに応力を分散して緩和する。これにより、光偏向器に加わる最大応力を低減することができるため、破壊限界角が大きくなり、その結果、ミラーの振幅を大きくすることが可能となる。
また、梁部と反対側にもフィレット形状を設けることにより、ミラー振幅によって加わる負荷が分散されるため、光偏向器に加わる最大応力を低減することができる。これにより、ミラー共振周波数を高くした際の光偏向器の破壊限界を向上させることができる。
（光偏向器）
第１の実施形態における光偏向器について、図１及び図２に基づき説明する。尚、図１は、本実施形態における光偏向器の上面図であり、図２は、裏面図である。
本実施形態における光偏向器は、光を反射する反射面１４を有するミラー部１１０を有しており、このミラー部１１０の両側にはトーションバー１２０が接続されている。トーションバー１２０は、トーションバースプリングとも呼ばれるが、本願においては、トーションバー１２０と記載する。尚、図１では、トーションバー１２０が２本である構成について図示するが、２本以上のトーションバー１２０を有する構成であってもよい。
トーションバー１２０は、一方の端部１２０ａがミラー部１１０に接続されており、一方の端部１２０ａとは反対の他方の端部１２０ｂが、接続部１４０を介して、駆動梁１３０と接続されている。トーションバー１２０の軸方向、即ち、Ｘ軸方向において、ミラー部１１０を撓むように駆動梁１３０が配置されている。本願においては、一方の端部を一端と記載し、他方の端部を他端と記載する場合がある。
駆動梁１３０は、シリコン基板等により形成された基体の梁部１３１の上に、圧電材料１３２が積層された構造のものであり、平板短冊状のユニモルフ構造となっている。駆動梁１３０は、一方の端部が固定枠１５０に接続されており、他方の端部が接続部１４０を介して、トーションバー１２０の他方の端部１２０ｂに接続されている。本願においては、固定枠１５０を枠部と記載する場合がある。
このような構造の光偏向器は、ミラー部１１０の回動軸となる第１軸、即ち、１対のトーションバー１２０の中心軸に対して、片側に設けられた駆動梁１３０により、ミラー部１１０及びトーションバー１２０が支持されており、片持ち構造となっている。具体的には、ミラー部１１０及びトーションバー１２０は、第１軸に対し−Ｙ側に設けられた駆動梁１３０により支持されている。従って、本実施形態に係る光偏向器は、固定枠１５０に駆動梁１３０が片持ち支持されている構造となっている。
本実施形態においては、トーションバー１２０と駆動梁１３０とが接続されている部分には、この部分における応力集中を緩和し、光偏向器の破壊を防ぐために、固定端側フィレット１４１と、自由端側フィレット１４２が設けられている。具体的には、固定端側フィレット１４１は、第１軸に対し、駆動梁１３０が設けられている側に形成されている。また、自由端側フィレット１４２は、第１軸よりも＋Ｙ側に突き出した先端部となる凸部１３３に設けられており、図に示されるように、凸部１３３とトーションバー１２０との＋Ｙ側に設けられている。
従来の光偏向器では、トーションバー１２０と駆動梁１３０との接続部１４０の駆動梁１３０側のみがフィレット形状となっている。即ち、固定端側フィレット１４１に対応するフィレット形状のみが設けられていた。これに対し、本実施形態における光偏向器では、トーションバー１２０と駆動梁１３０との接続部１４０において、駆動梁１３０の梁部１３１が第１軸よりも＋Ｙ側に突き出した凸部１３３の側にも、フィレット形状が設けられている。従って、トーションバー１２０を支えているトーションバー１２０のねじれ中心軸となる第１軸の両側にフィレット形状が設けられている。
尚、本願においては、トーションバー１２０と駆動梁１３０とが接続されている部分を接続部１４０と記載するが、接続部１４０は、駆動梁１３０の振動により振動するため、駆動梁１３０の一部と考えてもよい。即ち、接続部１４０は、図１において、トーションバー１２０の他方の端部１２０ｂと駆動梁１３０とを接続する部分であるが、この部分も振動するため、駆動梁１３０に含まれるものとして考えてもよい。
本願においては、接続部１４０において第１軸よりも駆動梁１３０側を第１の領域と記載し、凸部が設けられている側を第２の領域と記載する場合がある。また、自由端側フィレット１４２を第１のフィレット部と記載し、固定端側フィレット１４１を第２のフィレット部と記載する場合がある。
本実施形態における光偏向器は、ＭＥＭＳ（micro electro mechanical systems）を製造するプロセスによって形成される。具体的には、ＳＯＩ（Silicon on Insulator）基板等を加工することにより、ミラー部１１０、トーションバー１２０、駆動梁１３０の梁部１３１を一体で形成している。ミラー部１１０には、シリコン層の表面にアルミニウムや銀などの金属の薄膜を形成することによって反射面を形成している。
駆動梁１３０は、トーションバー１２０とミラー部１１０を片側から支持した構造となっている。駆動梁１３０の先端の接続部１４０は自由端になっているため、ミラー部１１０が回動する際に余計な制約を受けることなく、大きな振幅で回動することができる。これにより、駆動梁１３０の曲げにより発生する回転力を効率よくトーションバー１２０の捻り方向の変形に伝えることができる。
従って、片持ち構造の光偏向器では、駆動梁１３０の曲げ共振と、トーションバー１２０のねじれ共振を適切に設計することにより、駆動感度（印加電圧に対する振幅角）を十分に大きくすることが可能である。
よって、片持ち構造の光偏向器において、デバイスとして実現可能な振幅角は、ミラー部１１０、トーションバー１２０、駆動梁１３０の梁部１３１等を形成しているシリコン層の強度に起因する破壊限界角が制約となってくる。このため、強度限界（破壊応力）は材料（Ｓｉ）により決まってしまうため、ミラー部１１０が回動する際に生じる応力が、破壊応力よりも低くなるように構造設計を最適化する必要がある。
本実施形態における光偏向器では、トーションバー１２０と駆動梁１３０との接続部１４０において、トーションバー１２０のねじれ中心軸である第１軸の両側に、フィレット形状が設けられている。よって、接続部１４０において、両側のフィレット形状が設けられている部分でトーションバー１２０を支えている。即ち、接続部１４０において、フィレット形状は、第１軸の−Ｙ側だけではなく、第１軸よりも＋Ｙ側に突き出した凸部１３３の側にも設けられている。これにより、トーションバー１２０が回動した際に、トーションバー１２０と駆動梁１３０との接続部１４０に生じる応力を抑制し、破壊限界角を大きくすることが可能となる。
尚、図３に示されるように、トーションバー１２０と駆動梁９３０との間の接続部９４０に、自由端側フィレットが設けられていない構造の光偏向器では、固定端側フィレット１４１にかかる負荷が大きく、大きな応力が発生する。このため、トーションバー１２０と駆動梁９３０との間の接続部９４０等が破壊されやすくなる。
更に、本実施形態における光偏向器は、固定端側フィレット１４１におけるフィレット形状の曲率と、自由端側フィレット１４２におけるフィレット形状の曲率とが異なっている。具体的には、自由端側フィレット１４２におけるフィレット形状の曲率が、固定端側フィレット１４１におけるフィレット形状の曲率よりも小さくなるように形成されている。尚、本実施形態においては、自由端側フィレット１４２の形状は、円弧により形成されていてもよい。
具体的には、固定端側フィレット１４１におけるフィレット形状を形成する円弧の曲率と、自由端側フィレット１４２におけるフィレット形状を形成する円弧の曲率が同じである場合には、固定端側フィレット１４１の近傍における応力が大きくなってしまう。このように、固定端側フィレット１４１のフィレット形状の曲率よりも、自由端側フィレット１４２のフィレット形状の曲率を小さくすることにより、固定端側フィレット１４１の近傍の応力と、自由端側フィレット１４２の近傍の応力とを等しくすることができる。
〔第２の実施形態〕
次に、第２の実施形態における光偏向器について説明する。本実施形態における光偏向器は、図４に示されるように、自由端側フィレット１４２のフィレット形状が、楕円弧により形成されている。この場合、楕円形の長径がＸ軸方向、即ち、トーションバー１２０の長手方向となるように形成する。このような形状で自由端側フィレット１４２を形成することにより、トーションバー１２０と駆動梁１３０との接続部１４０において、トーションバー１２０より駆動梁１３０に向かって、徐々に曲率が大きくるように幅が広がる形状となる。これにより、応力集中を効果的に緩和することができ、破壊限界角をより一層高くすることができる。
尚、上記以外の内容については、第１の実施形態と同様である。
〔第３の実施形態〕
次に、第３の実施形態における光偏向器について説明する。本実施形態における光偏向器は、図５に示されるように、自由端側フィレット１４２のフィレット形状が所定の曲率半径の円弧により形成されており、自由端側フィレット１４２のフィレット形状が形成されている部分のなす角θが、９０度以下である。
このような形状にすることにより、凸部１３３の＋Ｙ側における長さを短くすることができるため、駆動梁１３０を軽量化して共振周波数を高くすることができ、駆動梁１３０の曲げによる破壊を抑制することができる。
尚、上記以外の内容については、第１の実施形態と同様である。
〔第４の実施形態〕
次に、第４の実施形態における光偏向器について説明する。本実施形態における光偏向器は、図６に示されるように、凸部１３３において、トーションバー１２０と接続されている側のみならず、トーションバー１２０が設けられていない反対側にも先端角部フィレット１４３が設けられている構造のものである。このような先端角部フィレット１４３を設けることにより、駆動梁１３０を軽量化して共振周波数を高くすることができ、駆動梁１３０の曲げによる破壊を抑制することができる。本願においては、先端角部フィレット１４３を第３のフィレット部と記載する場合がある。
尚、上記以外の内容については、第１の実施形態と同様である。
〔第５の実施形態〕
次に、第５の実施形態における光偏向器について説明する。本実施形態における光偏向器は、回動軸となる第１軸と、第１軸と直交する第２軸を中心に回動可能な光偏向器である。具体的には、図７に示されるように、副走査の可動枠２５０の内側に、第１の実施形態におけるミラー部１１０、トーションバー１２０、駆動梁１３０、固定端側フィレット１４１、自由端側フィレット１４２が設けられている。駆動梁１３０は可動枠２５０に支持されており、ミラー部１１０は、第１軸を中心に回動可能である。本実施形態における光偏向器では、駆動梁１３０が主走査駆動梁となる。
また、可動枠２５０の両側には、ミアンダ構造の可動枠支持部２６０が設けられている。可動枠支持部２６０は、Ｘ軸方向が長手方向となる複数の梁部２６１と、隣り合う梁部２６１を接続する梁部接続部２６２と、各々の梁部２６１の上に設けられた圧電部材２６３を有している。各々の可動枠支持部２６０の一方の端部は可動枠２５０に接続されており、他方の端部は固定枠２７０に接続されている。
本実施形態における光偏向器では、各々の梁部２６１の上に設けられた圧電部材２６３に電圧を印加することにより、ミラー部１１０を含む可動枠２５０全体を、回動軸となる第２軸を中心に回動させることができる。
上記における説明では、第１の実施形態を適用した場合について説明したが、本実施形態は、第２〜第５の実施形態についても適用可能である。
以上に説明した本実施形態に係る光偏向器は、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することができる。
［光走査システム］
まず、図８〜図１１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。
図８に、光走査システムの一例の概略図を示す。
図８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。
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。
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。
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。
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。
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。
次に、図９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９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９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。
［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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
本実施形態に係る駆動装置１１は、ＣＰＵ２０の命令および図９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。
［駆動装置の機能構成］
次に、図１０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１０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１０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。
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。
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。
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。
［光走査処理］
次に、図１１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１１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。
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。
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。
本実施形態に係る光偏向器を光走査システムに用いることにより、可動部の高画角、高解像での光走査が可能となる。
［画像投影装置］
次に、図１２及び図１３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。
図１２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１３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り、例えばヘッドアップディスプレイ装置である。
図１２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。
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１３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を有する光偏向器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。
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。
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。
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。
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。
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。
本実施形態に係る光偏向器を画像投影装置に用いることにより、可動部の高画角、高解像での画像投影が可能となる。
［光書込装置］
次に、図１４及び図１５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。
図１４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１５は、光書込装置の一例の概略図である。
図１４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１５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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
本実施形態に係る光偏向器を光書込装置に用いることにより、可動部の高画角、高解像での光書き込みが可能となる。
［物体認識装置］
次に、図１６及び図１７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。
図１６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１７はレーザレーダ装置の一例の概略図である。
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。
図１６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。
図１７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。
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。
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。
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。
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。
このようなレーザレーダ装置は、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。
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。
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。
本実施形態に係る光偏向器を物体認識装置に用いることにより、可動部の高画角、高解像での物体認識が可能となる。
［パッケージング］
次に、図１８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１８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。
図１８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。
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 駆動装置
１２、１２ｂ 光源装置
１３ 光偏向器
１４ 反射面
１５ 被走査面
２５ 光源装置ドライバ
２６ 光偏向器ドライバ
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
１１０ ミラー部
１２０ トーションバー
１２０ａ 一方の端部
１２０ｂ 他方の端部
１３０ 駆動梁
１３１ 梁部
１３２ 圧電材料
１３３ 凸部
１４０ 接続部
１４１ 固定端側フィレット
１４２ 自由端側フィレット
１５０ 固定枠
２５０ 可動枠
２６０ 可動枠支持部
２６１ 梁部
２６２ 梁部接続部
２６３ 圧電部材
２７０ 固定枠
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、ヘッドアップディスプレイの一例）
６５０ レーザプリンタ
７００ ライダ装置（物体認識装置の一例）
７０２ 被対象物
８０１ パッケージ部材
８０２ 取付部材
８０３ 透過部材
特開２０１１−９５３３１号公報

Claims (11)

  1. 光を反射する反射面を有するミラー部と、
    前記ミラー部と一端が接続されており前記ミラー部を支持する１対の支持部と、
    各々の前記支持部の他端と接続されており、前記支持部を変形させて前記ミラー部を第１軸を中心に回動させる１対の駆動梁と、
    前記駆動梁を片持ち支持する枠部と、
    前記支持部と前記駆動梁とを接続する接続部と、
    を有し、
    前記接続部は、前記第１軸よりも前記駆動梁側の第１の領域で前記駆動梁と接続されており、
    前記接続部において、前記第１の領域とは反対の第２の領域には、前記駆動梁と前記枠部とが接続されている部分とは対向する方向に突き出す形状である凸部を有しており、
    前記凸部の前記支持部側には、フィレット形状を有する第１のフィレット部が設けられていることを特徴とする光偏向器。
  2. 前記接続部の前記第１の領域の前記支持部側には、フィレット形状を有する第２のフィレット部が設けられていることを特徴とする請求項１に記載の光偏向器。
  3. 前記第１のフィレット部におけるフィレット形状の曲率と、前記第２のフィレット部におけるフィレット形状の曲率と、は異なることを特徴とする請求項２に記載の光偏向器。
  4. 前記第１のフィレット部におけるフィレット形状は、楕円弧であることを特徴とする請求項１または２に記載の光偏向器。
  5. 前記第１のフィレット部におけるフィレット形状は、円弧であって、前記円弧の中心に対し９０度以下の範囲に形成されていることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の光偏向器。
  6. 前記凸部において、前記第１軸に沿って前記第１のフィレット部とは反対側には、フィレット形状を有する第３のフィレット部が設けられていることを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載の光偏向器。
  7. 前記枠部は可動枠であって、
    前記可動枠と一端が接続されており前記可動枠を前記第１軸と直交する第２軸を中心に回動可能に支持する１対の可動枠支持部と、
    前記可動枠支持部の他端が接続された固定枠と、
    を有することを特徴とする請求項１から６のいずれかに記載の光偏向器。
  8. 請求項１から７のいずれか１項に記載の光偏向器と、
    光源と、
    を備えた偏向装置。
  9. 請求項１から７のいずれか１項に記載の光偏向器を備える距離測定装置。
  10. 請求項１から７のいずれか１項に記載の光偏向器を備える画像投影装置。
  11. 請求項９に記載の距離測定装置、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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