JP2022150790A - 光偏向装置 - Google Patents

Abstract

【課題】可動部の振れ角の経時変化を抑制すること。【解決手段】本発明の一態様に係る光偏向装置は、可動部（１２０）と、可動部（１２０）を支持する支持部（１３０Ａ、１３０Ｂ）と、前記支持部（１３０Ａ、１３０Ｂ）を変形させることで前記可動部（１２０）を揺動させる圧電アクチュエータ（１５０Ａ、１５０Ｂ）と、駆動電圧（Ｈ）を印加することで前記圧電アクチュエータ（１５０Ａ、１５０Ｂ）を共振振動させる駆動部（１３）と、を有し、前記圧電アクチュエータ（１５０Ａ、１５０Ｂ）は、前記駆動電圧（Ｈ）に基づき伸縮する圧電素子（１５１Ａ、１５１Ｂ）を含み、初期状態において前記圧電素子の伸縮方向に反っている。【選択図】図５

Description

本発明は、光偏向装置に関する。

従来、可動部を支持する捻れ梁等の支持部を圧電アクチュエータにより変形させることで、可動部を揺動させ、可動部に設けられたミラーによる反射光を偏向させる光偏向装置が知られている。

また、光偏向装置として、ＤＡコンバータ及び増幅器を含み、デジタルの駆動波形データに基づいてミラーを駆動するための一対の駆動信号を生成するミラー駆動回路と、基準波形データを生成する基準波形データ生成部と、を有し、増幅器の不感帯とＤＡコンバータにより生じる周期性を有する積分非直線性誤差とに基づいて、基準波形データにオフセット値を設定することにより駆動波形データを生成する構成が開示されている（例えば、特許文献１参照）。

特開２０２０－１０６７４１号公報

しかしながら、従来の構成では、可動部が揺動を開始した後に、圧電アクチュエータの変形の偏りが経時変化することで、可動部の振れ角が経時変化する場合がある。このような可動部の振れ角の経時変化は、光偏向装置により偏向される光を用いて形成される画像等の品質を低下させる。

本発明は、可動部の振れ角の経時変化を抑制することを目的とする。

本発明の一態様に係る光偏向装置は、可動部（１２０）と、可動部（１２０）を支持する支持部（１３０Ａ、１３０Ｂ）と、前記支持部（１３０Ａ、１３０Ｂ）を変形させることで前記可動部（１２０）を揺動させる圧電アクチュエータ（１５０Ａ、１５０Ｂ）と、駆動電圧（Ｈ）を印加することで前記圧電アクチュエータ（１５０Ａ、１５０Ｂ）を共振振動させる駆動部（１３）と、を有し、前記圧電アクチュエータ（１５０Ａ、１５０Ｂ）は、前記駆動電圧（Ｈ）に基づき伸縮する圧電素子（１５１Ａ、１５１Ｂ）を含み、初期状態において前記圧電素子の伸縮方向に反っている。

なお、上記括弧内の参照符号は、理解を容易にするために付したものであり、一例にすぎず、図示の態様に限定されるものではない。

本発明によれば、可動部の振れ角の経時変化を抑制できる。

実施形態に係る光走査システムの構成を例示するブロック図である。 実施形態に係る光走査装置の構成を例示する図である。 比較例に係る駆動電圧を示す図である。 比較例に係る駆動電圧による可動部振れ角の経時変化の図である。 実施形態に係る駆動電圧を例示する図である。 実施形態に係る駆動電圧による可動部振れ角の経時変化例の図であり、図６（ａ）は振幅が２［Ｖ］の場合、図６（ｂ）は振幅が４［Ｖ］の場合である。 実施形態に係る駆動電圧の印加前後の第１の駆動梁の状態を例示する図であり、図７（ａ）は印加前の図、図７（ｂ）は印加後の図である。 直流電圧のオフセット値の許容範囲を例示する図である。

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、重複した説明を適宜省略する。

＜光走査システム１の構成例＞
図１は、実施形態に係る光走査システム１の構成の一例を示すブロック図である。図１に示すように、光走査システム１は、光走査制御装置１０と、光源装置２０と、光走査装置４０とを有する。ここで、光走査装置４０は光偏向装置の一例である。また光偏向とは、光の進行方向を変化させることをいう。以下に、各部について説明する。

光走査制御装置１０は、システムコントローラ１１と、ミラー駆動回路１３と、レーザ駆動回路１４とを有する。光走査制御装置１０は、光源装置２０と、光走査装置４０とを制御する。

システムコントローラ１１は、ミラー駆動回路１３に対し、光走査装置４０の有するミラーを揺動させるための駆動信号（駆動電圧）を供給する。また、システムコントローラ１１は、デジタルの映像信号をレーザ駆動回路１４に供給する。

ミラー駆動回路１３は、システムコントローラ１１からの制御信号に基づいて、光走査装置４０に対し、ミラーを水平方向に駆動させて水平揺動軸周りに揺動させるための水平駆動電圧と、ミラーを垂直方向に駆動して垂直揺動軸周りに揺動させるための垂直駆動信号とを供給するミラー駆動部である。

レーザ駆動回路１４は、システムコントローラ１１からの映像信号に基づいて、光源装置２０に、レーザを駆動させるためのレーザ駆動信号を供給する。

光源装置２０は、ＬＤモジュール２１、減光フィルタ２２を有する。ＬＤモジュール２１は、レーザ２１Ｒ、レーザ２１Ｇ、レーザ２１Ｂを有する。

レーザ２１Ｒ、２１Ｇ、２１Ｂは、システムコントローラ１１から供給されたレーザ駆動電流に基づいて、レーザ光を出射する。レーザ２１Ｒは、例えば、赤色半導体レーザであり、波長λＲ（例えば、６４０ｎｍ）の光を出射する。レーザ２１Ｇは、例えば、緑色半導体レーザであり、波長λＧ（例えば、５３０ｎｍ）の光を出射する。レーザ２１Ｇは、例えば、青色半導体レーザであり、波長λＢ（例えば、４４５ｎｍ）の光を出射する。レーザ２１Ｒ、２１Ｇ、２１Ｂから出射された各波長の光は、ダイクロイックミラー等により合成され、減光フィルタ２２により所定の光量に減光されて、光走査装置４０に入射される。

光走査装置４０は、ミラー駆動回路１３から供給される水平及び垂直駆動信号に応じて、ミラーを水平方向及び垂直方向に駆動させる。光走査装置４０では、これにより、入射されるレーザ光の反射方向を変更して、レーザ光による光走査を行い、スクリーン等に画像を投影する。

図２は、光走査装置４０の構成を示す図である。光走査装置４０は、例えば圧電素子からなるアクチュエータによりミラー１１０を駆動させるＭＥＭＳである。

光走査装置４０は、ミラー１１０と、可動部１２０と、捻れ梁１３０Ａ、１３０Ｂと、連結梁１４０Ａ、１４０Ｂと、第１の駆動梁１５０Ａ、１５０Ｂと、可動枠１６０と、第２の駆動梁１７０Ａ、１７０Ｂと、固定枠１８０とを有する。また、第１の駆動梁１５０Ａは圧電素子１５１Ａを有し、第１の駆動梁１５０Ｂは圧電素子１５１Ｂを有する。

また、第２の駆動梁１７０Ａは圧電素子１７１Ａを有し、第２の駆動梁１７０Ｂは圧電素子１７１Ｂを有する。第１の駆動梁１５０Ａ、１５０Ｂ、第２の駆動梁１７０Ａ、１７０Ｂは、ミラー１１０を上下又は左右に揺動してレーザ光を走査させる機能を有する。

光走査装置４０において、可動部１２０の上面にミラー１１０が設けられ、可動部１２０は、両側にある捻れ梁１３０Ａ、１３０Ｂの端部に連結されている。捻れ梁１３０Ａ、１３０Ｂは、揺動軸を構成し、軸方向に延在して可動部１２０を軸方向両側から支持する支持部の一例である。捻れ梁１３０Ａ、１３０Ｂが捻れることにより、可動部１２０に設けられたミラー１１０が揺動し、ミラー１１０に照射された光の反射光を走査させる動作を行う。捻れ梁１３０Ａ、１３０Ｂは、それぞれが連結梁１４０Ａ、１４０Ｂに連結支持され、第１の駆動梁１５０Ａ、１５０Ｂに連結されている。

第１の駆動梁１５０Ａ、１５０Ｂ、連結梁１４０Ａ、１４０Ｂ、捻れ梁１３０Ａ、１３０Ｂ、可動部１２０及びミラー１１０は、可動枠１６０によって外側から支持されている。第１の駆動梁１５０Ａ、１５０Ｂは、可動枠１６０にそれぞれの一方の側が支持されている。第１の駆動梁１５０Ａの他方の側は内周側に延びて連結梁１４０Ａ、１４０Ｂと連結している。第１の駆動梁１５０Ｂの他方の側も同様に、内周側に延びて連結梁１４０Ａ、１４０Ｂと連結している。

第１の駆動梁１５０Ａ、１５０Ｂは、捻れ梁１３０Ａ、１３０Ｂと直交する方向に、ミラー１１０及び可動部１２０を挟むように、対をなして設けられている。第１の駆動梁１５０Ａ、１５０Ｂの上面には、圧電素子１５１Ａ、１５１Ｂがそれぞれ形成されている。圧電素子１５１Ａ、１５１Ｂは、圧電薄膜と、圧電薄膜の上に形成された上部電極と、圧電薄膜の下に形成された下部電極とを含んでなる圧電素子である。圧電素子１５１Ａ、１５１Ｂは、上部電極と下部電極に印加される駆動電圧に応じて伸長したり、縮小したりする。

このため、第１の駆動梁１５０Ａと第１の駆動梁１５０Ｂに形成された圧電素子１５１Ａ、１５１Ｂに電位が反転した駆動電圧を交互に印加すれば、ミラー１１０の左側と右側で第１の駆動梁１５０Ａと第１の駆動梁１５０Ｂとが可動枠１６０との境界付近を支点にして交互に振動する。これにより、捻れ梁１３０Ａ、１３０Ｂを揺動軸として、ミラー１１０を軸周りに揺動させることができる。

ミラー１１０が捻れ梁１３０Ａ、１３０Ｂの軸周りに揺動する方向を、以後、水平方向と呼ぶ。つまり、本実施形態では、第１の駆動梁１５０Ａは捻れ梁１３０Ａを捻れ変形させ、第１の駆動梁１５０Ｂは捻れ梁１３０Ｂを捻れ変形させることで、ミラー１１０を水平方向に揺動させる。例えば第１の駆動梁１５０Ａ、１５０Ｂによる水平駆動には、共振振動が用いられ、高速にミラー１１０を揺動させることができる。第１の駆動梁１５０Ａ、１５０Ｂは、捻れ梁１３０Ａ、１３０Ｂを変形させることで、可動部１２０を揺動させる圧電アクチュエータの一例である。

また、可動枠１６０の外部には、第２の駆動梁１７０Ａ、１７０Ｂの一端が連結されている。第２の駆動梁１７０Ａ、１７０Ｂは、可動枠１６０を左右両側から挟むように、対をなして設けられている。そして、第２の駆動梁１７０Ａ、１７０Ｂは、可動枠１６０を両側から支持すると共に、光反射面の中心を通る所定の軸周りに揺動させる。第２の駆動梁１７０Ａは、第１の駆動梁１５０Ａと平行に延在する複数個（例えば偶数個）の矩形梁の各々が、隣接する矩形梁と端部で連結され、全体としてジグザグ状の形状を有する。

そして、第２の駆動梁１７０Ａの他端は、固定枠１８０の内側に連結されている。第２の駆動梁１７０Ｂも同様に、第１の駆動梁１５０Ｂと平行に延在する複数個（例えば偶数個）の矩形梁の各々が、隣接する矩形梁と端部で連結され、全体としてジグザグ状の形状を有する。そして、第２の駆動梁１７０Ｂの他端は、固定枠１８０の内側に連結されている。

第２の駆動梁１７０Ａ、１７０Ｂの上面には、それぞれ曲線部を含まない矩形単位ごとに圧電素子１７１Ａ、１７１Ｂが形成されている。圧電素子１７１Ａ、１７１Ｂは、圧電薄膜と、圧電薄膜の上に形成された上部電極と、圧電薄膜の下に形成された下部電極とを含んでなる圧電素子である。

第２の駆動梁１７０Ａ、１７０Ｂは、矩形単位ごとに隣接している圧電素子１７１Ａ、１７１Ｂ同士で、電位が反転した駆動電圧を印加することにより、隣接する矩形梁を上下反対方向に反らせ、各矩形梁の上下動の蓄積を可動枠１６０に伝達する。

第２の駆動梁１７０Ａ、１７０Ｂは、この動作により、平行方向と直交する方向である垂直方向にミラー１１０を揺動させる。つまり、第２の駆動梁１７０Ａ、１７０Ｂは、ミラー１１０を垂直方向に揺動させる垂直梁である。言い換えれば、本実施形態の第２の駆動梁１７０Ａ、１７０Ｂは、自身を曲げて変形させることで、ミラー１１０を垂直方向に揺動させる。例えば第２の駆動梁１７０Ａ、１７０Ｂによる垂直駆動には、非共振振動を用いることができる。

圧電素子１７１Ａは、可動枠１６０側から右側に向かって並ぶ圧電素子１７１Ａ１、１７１Ａ２、１７１Ａ３、１７１Ａ４、１７１Ａ５、及び１７１Ａ６を含む。また、圧電素子１７１Ｂは、可動枠１６０側から左側に向かって並ぶ圧電素子１７１Ｂ１、１７１Ｂ２、１７１Ｂ３、１７１Ｂ４、１７１Ｂ５、及び１７１Ｂ６を含む。

圧電素子１５１Ａに駆動電圧を印加するための駆動配線は、固定枠１８０に設けられた端子群１９０Ａに含まれる所定の端子と接続されている。また、圧電素子１５１Ｂに駆動電圧を印加するための駆動配線は、固定枠１８０に設けられた端子群１９０Ｂに含まれる所定の端子と接続されている。

また、圧電素子１７１Ａに駆動電圧を印加するための駆動配線は、固定枠１８０に設けられた端子群１９０Ａに含まれる所定の端子と接続されている。また、圧電素子１７１Ｂに駆動電圧を印加するための駆動配線は、固定枠１８０に設けられた端子群１９０Ｂに含まれる所定の端子と接続されている。

また、光走査装置４０は、圧電素子１５１Ａ、１５１Ｂに駆動電圧が印加されてミラー１１０が水平方向に揺動している状態におけるミラー１１０の水平方向への傾斜角に応じた信号を出力する水平傾斜センサ１９２を有する。水平傾斜センサ１９２は、圧電センサにより構成されており、連結梁１４０Ｂに配置されている。

また、光走査装置４０は、圧電素子１７１Ａ、１７１Ｂに駆動電圧が印加されてミラー１１０が垂直方向に揺動している状態におけるミラー１１０の垂直方向への傾斜角に応じた信号を出力する垂直傾斜センサ１９６を有する。垂直傾斜センサ１９６は、圧電素子により構成されており、第２の駆動梁１７０Ａの有する矩形梁の一つに配置されている。

水平傾斜センサ１９２は、ミラー１１０の水平方向への傾斜に伴い、捻れ梁１３０Ｂから伝達される連結梁１４０Ｂの変位に対応する信号を出力する。垂直傾斜センサ１９６は、ミラー１１０の垂直方向への傾斜に伴い、第２の駆動梁１７０Ａのうち垂直傾斜センサ１９６が設けられた矩形梁の変位に対応する信号を出力する。

水平傾斜センサ１９２及び垂直傾斜センサ１９６を構成する圧電センサは、圧電薄膜の上面に形成された上部電極と、圧電薄膜の下面に形成された下部電極とを含む。水平傾斜センサ１９２を構成する圧電センサの上部電極及び下部電極から引き出されたセンサ配線は、固定枠１８０に設けられた端子群１９０Ｂに含まれる所定の端子と接続されている。また、垂直傾斜センサ１９６を構成する圧電センサの上部電極及び下部電極から引き出されたセンサ配線は、固定枠１８０に設けられた端子群１９０Ａに含まれる所定の端子と接続されている。

このような光走査装置４０は、例えば支持層、埋め込み（ＢＯＸ：Buried Oxide）層及び活性層を有するＳＯＩ（Silicon On Insulator）基板を用いて、半導体プロセスにより製作することができる。

以上のように構成された光走査装置４０は、ミラー１１０を露出させる必要性から、いわゆるオープンパッケージとして、様々な環境下で用いられる。

＜第１の駆動梁の駆動電圧及び振れ角変化＞
次に、ミラー駆動回路１３により第１の駆動梁１５０Ａ、１５０Ｂに形成された圧電素子１５１Ａ、１５１Ｂに交互に印加される、電位が反転した駆動電圧について説明する。ここで、ミラー駆動回路１３は、第１の駆動梁１５０Ａ、１５０Ｂに形成された圧電素子１５１Ａ、１５１Ｂに駆動電圧を印加することで第１の駆動梁１５０Ａ、１５０Ｂを共振振動させる駆動部の一例である。なお、以下で比較例と実施形態を説明するが、駆動電圧のみが比較例と実施形態で異なり、何れの駆動電圧も実施形態に係る光走査装置４０において印加されるものとして説明する。

まず、図３は、比較例に係る駆動電圧ＨＸを示す図である。図３に示すように、駆動電圧ＨＸは、第１波形ＨｐＸと、第２波形ＨｎＸとを含んでいる。第１波形ＨｐＸ及び第２波形ＨｎＸは、共に同一の周期及び振幅を有する正弦波である。第２波形ＨｎＸは、第１波形ＨｐＸに対して位相が半周期ずれている。

第１波形ＨｐＸが第１の駆動梁１５０Ａに印加され、第２波形ＨｎＸが第１の駆動梁１５０Ｂに印加されることで、第１の駆動梁１５０Ａと第１の駆動梁１５０Ｂには、電位が反転した駆動電圧が交互に印加される。駆動電圧ＨＸが印加された第１の駆動梁１５０Ａ、１５０Ｂの作用により捻れ梁１３０Ａ、１３０Ｂが捻れ変形し、可動部１２０が揺動する。

また、一般に、圧電素子を含む圧電アクチュエータの駆動電圧は、圧電素子の脱分極を防ぐため、圧電素子の分極方向と同一方向への直流電圧が付加される。そのため、駆動電圧ＨＸでは、圧電素子の分極方向を正電圧方向とし、駆動電圧の最小値がＧＮＤ、すなわち０．０［Ｖ］になるように、振幅Ｖｐｐの１／２であるオフセット値Ｖｐｐ／２の直流電圧が付加されている。

図４は、駆動電圧ＨＸが印加された場合における可動部１２０の振れ角の経時変化の実験結果を示す図である。図４の横軸は揺動時間［ｍｉｎ］を示し、縦軸は可動部１２０の振れ角変化量を示している。振れ角変化量は、理想的な振れ角に対する比率［％］で表示されている。正の振れ角変化量は、理想的な振れ角に対して振れ角が大きいことを示し、負の振れ角変化量は、理想的な振れ角に対して振れ角が小さくことを示している。

図４に示すように、揺動開始後の期間Ｔ０で０．１５［％］程度の振れ角変化が生じ、その後は０．１０［％］から０．３０［％］の間で緩やかに振れ角が変化した。この振れ角変化は、第１の駆動梁１５０Ａ、１５０Ｂの変形の偏りが揺動開始後に経時変化することが要因として考えられる。

ここで、変形の偏りとは、第１の駆動梁１５０Ａ、１５０Ｂ等の圧電アクチュエータの初期状態が予め一定状態に変形していることをいう。変形の偏りは変形の「クセ」ということもできる。また圧電アクチュエータの初期状態とは、駆動電圧に応じて圧電素子１５１Ａ，１５１Ｂが伸縮して第１の駆動梁１５０Ａ、１５０Ｂの変形駆動を行う前のミラー１１０が静止した状態をいう。

駆動電圧が印加されると圧電素子が歪み、圧電アクチュエータが変形駆動されるが、圧電アクチュエータの連続駆動により、圧電アクチュエータの初期状態が変形する場合がある。例えば平坦な状態から圧電アクチュエータが変形駆動される場合とは異なり、湾曲等のように予め変形した初期状態から圧電アクチュエータが変形駆動される。このような変形の偏りが経時変化すると、湾曲等の初期状態が時々刻々と変化する。

比較例では、第１の駆動梁１５０Ａ、１５０Ｂにおける変形の偏りが揺動開始後に経時変化することで、第１の駆動梁１５０Ａ、１５０Ｂの作用により揺動される可動部１２０の振れ角が変化したと考えられる。

図５は、実施形態に係る駆動電圧Ｈを示す図である。図５に示すように、駆動電圧Ｈは、第１波形Ｈｐと、第２波形Ｈｎとを含んでいる。駆動電圧Ｈは、第１波形Ｈｐ及び第２波形Ｈｎに振幅Ｖｐｐの１／２より大きいオフセット値ＶＯＦＦの直流電圧が付加されている点が比較例に係る駆動電圧ＨＸと異なっている。第１波形Ｈｐと第２波形Ｈｎは、オフセット値ＶＯＦＦの直流電圧が付加されることで、正弦波における最小電圧値が０．０［Ｖ］（ＧＮＤ）より大きくなっている。

図６は、駆動電圧Ｈが印加された場合における可動部１２０の振れ角経時変化の実験結果の一例を示す図である。図６（ａ）は振幅Ｖｐｐが２．０［Ｖ］の場合を示し、図６（ｂ）は振幅Ｖｐｐが４．０［Ｖ］の場合を示している。図４と同様に、図６の横軸は、揺動時間［ｍｉｎ］を示し、縦軸は可動部１２０の振れ角変化量を示している。

図６（ａ）では、オフセット値ＶＯＦＦが１［Ｖ］である場合を「□」マークで示し、オフセット値ＶＯＦＦが１０［Ｖ］である場合を「×」マークで示し、オフセット値ＶＯＦＦが２２．０［Ｖ］である場合を「◇」マークで示している。

オフセット値ＶＯＦＦを１．０［Ｖ］とした場合には、揺動開始後の期間Ｔ０で略０．１８［％］程度の振れ角変化が生じ、その後は徐々に振れ角が大きくなり、１２０［ｍｉｎ］の時点で０．３０［％］に達した。オフセット値ＶＯＦＦを１０．０［Ｖ］とした場合には、振れ角変化が小さくなり、揺動開始後１２０［ｍｉｎ］までの期間で±０．１［％］以下の範囲に収まった。オフセット値ＶＯＦＦを２２．０［Ｖ］とした場合には、揺動開始後の期間Ｔ０では振れ角変化が小さかったが、その後、揺動開始後１２０［ｍｉｎ］までの期間で－０．２５［％］程度まで徐々に負側に振れ角変化が大きくなった。

一方、図６（ｂ）では、オフセット値ＶＯＦＦが２．０［Ｖ］である場合を「□」マークで示し、オフセット値ＶＯＦＦが１０．０［Ｖ］である場合を「×」マークで示し、オフセット値ＶＯＦＦが２２．０［Ｖ］である場合を「◇」マークで示している。

オフセット値ＶＯＦＦを２．０［Ｖ］とした場合には、揺動開始後の期間Ｔ０で０．１５［％］程度の振れ角変化が生じ、その後は０．１０［％］から０．３０［％］の間で緩やかに振れ角が変化した。オフセット値ＶＯＦＦを１０．０［Ｖ］とした場合には、振れ角変化が小さくなり、揺動開始後の１２０［ｍｉｎ］までの期間で±０．１［％］以下の範囲に収まった。オフセット値ＶＯＦＦを２２．０［Ｖ］した場合には、揺動開始後から徐々に負側に振れ角変化が大きくなり、揺動開始後１２０［ｍｉｎ］の時点で－０．２２［％］程度に達した。

図６の実験結果から、オフセット値ＶＯＦＦを１０．０［Ｖ］にすると、何れの振幅Ｖｐｐにおいても、少なくとも揺動開始後の１２０［ｍｉｎ］までの期間で、可動部１２０の振れ角変化が－０．１［％］以上で＋０．１［％］以下の範囲に収まることが分かった。

ここで、オフセット値ＶＯＦＦを１０［Ｖ］とした場合において、駆動電圧Ｈにより可動部１２０の振れ角変化が抑制される作用について説明する。

図７は、駆動電圧Ｈの印加前後における第１の駆動梁１５０Ａ、１５０Ｂの状態のシミュレーション結果を例示する図である。第１の駆動梁１５０Ａ、１５０Ｂを図２の垂直方向側から視た斜視図である。図７（ａ）は駆動電圧Ｈの印加前を示し、図７（ｂ）は駆動電圧Ｈの印加後を示している。また、図７（ａ）及び図７（ｂ）に矢印で示す伸縮方向Ａは、ミラー１１０に略直交する方向に沿った上方を示しており、この方向は圧電素子１５１Ａ、１５１Ｂの伸縮方向に対応する。

図５（ａ）に示すように、駆動電圧Ｈが印加される前には、第１の駆動梁１５０Ａ、１５０Ｂはミラー１１０に対してほぼ平坦な状態になっている。一方、図５（ｂ）に示すように、駆動電圧Ｈが印加された後には、第１の駆動梁１５０Ａ、１５０Ｂは伸縮方向Ａの方向に反っている。

この「反り」は、駆動電圧Ｈに含まれるオフセット値ＶＯＦＦの直流電圧により生じるものであり、上述した変形の偏りの一種である。本実施形態では、第１の駆動梁１５０Ａ、１５０Ｂの初期状態において、第１の駆動梁１５０Ａ、１５０Ｂは、圧電素子１５１Ａ、１５１Ｂの伸縮方向Ａに沿っている。換言すると、ミラー駆動回路１３は、オフセット値ＶＯＦＦの直流電圧を含む駆動電圧Ｈを印加することで、第１の駆動梁１５０Ａ、１５０Ｂは、圧電素子１５１Ａ、１５１Ｂの伸縮方向Ａに反らせる。

この「反り」の経時変化が小さいことで、変形の偏りの経時変化が抑制される。その結果、第１の駆動梁１５０Ａ、１５０Ｂの作用により揺動される可動部１２０の振れ角の変化が抑制される。

図４及び図６で示したように、変形の偏りは、第１の駆動梁１５０Ａ、１５０Ｂの駆動に伴って期間Ｔ０の間に比較的大きく変化し、その後、第１の駆動梁１５０Ａ、１５０Ｂ及び圧電素子１５１Ａ、１５１Ｂ等の構造にかかる力が釣り合うことで、変化が小さくなる。

オフセット値が１０．０［Ｖ］である直流電圧を印加して、伸縮方向Ａの方向に第１の駆動梁１５０Ａ、１５０Ｂを反らせることで、第１の駆動梁１５０Ａ、１５０Ｂ及び圧電素子１５１Ａ、１５１Ｂ等の構造にかかる力が釣り合う状態に直ちに到達できるため、変形の偏りの変化が抑制されると考えられる。

本実施形態では、オフセット値が１０．０［Ｖ］の直流電圧を印加した場合において、Ｐ－Ｐ値で略６．０［μｍ］の反りが、第１の駆動梁１５０Ａ、１５０Ｂのそれぞれで生じた。

図８は、直流電圧のオフセット値の許容範囲の検証結果を例示する図である。図８の横軸は、オフセット値ＶＯＦＦ［Ｖ］を示し、縦軸は可動部１２０の振れ角変化量［％］を示している。－０．１０［％］以上で＋０．１０［％］以下の範囲を振れ角変化量の許容範囲とすると、ΔＶＯＦＦ［Ｖ］の範囲がオフセット値ＶＯＦＦの許容範囲となる。

図８に示すように、オフセット値ＶＯＦＦの許容範囲は、５．０［Ｖ］以上で１２．０［Ｖ］である。この範囲のオフセット値ＶＯＦＦの直流電圧を印加することで、可動部１２０の振れ角変化量を－０．１０［％］以上で＋０．１０［％］以下の範囲に収めることができる。

＜光走査装置４０の作用効果＞
以上説明したように、本実施形態に係る光走査装置４０（光偏向装置）は、可動部１２０と、可動部１２０を支持する捻れ梁１３０Ａ、１３０Ｂ（支持部）と、捻れ梁１３０Ａ、１３０Ｂを変形させることで可動部１２０を揺動させる第１の駆動梁１５０Ａ、１５０Ｂ（圧電アクチュエータ）と、駆動電圧Ｈを印加することで第１の駆動梁１５０Ａ、１５０Ｂを共振振動させるミラー駆動回路１３（駆動部）と、を有する。

第１の駆動梁１５０Ａ、１５０Ｂは、駆動電圧Ｈに基づき伸縮する圧電素子１５１Ａ、１５１Ｂを含み、初期状態において圧電素子１５１Ａ、１５１Ｂの伸縮方向Ａに反っている。

例えば、第１の駆動梁１５０Ａ、１５０Ｂは、圧電素子１５１Ａ、１５１Ｂが形成された駆動梁からなり、初期状態において、第１の駆動梁１５０Ａ、１５０Ｂの一端が支持される枠に対して可動部１２０を上方に変位した位置で支持する。

第１の駆動梁１５０Ａ、１５０Ｂの「反り」の経時変化が小さいことで、第１の駆動梁１５０Ａ、１５０Ｂにおける変形の偏りの経時変化が抑制される。また、初期状態において、第１の駆動梁１５０Ａ、１５０Ｂの一端が支持される枠に対して可動部１２０を上方に変位した位置で支持する状態にすると、該状態の経時変化が小さいことで、第１の駆動梁１５０Ａ、１５０Ｂにおける変形の偏りの経時変化が抑制される。その結果、第１の駆動梁１５０Ａ、１５０Ｂにより揺動される可動部１２０の振れ角の変化を抑制できる。また光走査システム１によりスクリーン等に投影される画像の品質低下を抑制できる。

また本実施形態では、捻れ梁１３０Ａ、１３０Ｂは、可動部１２０の両側から可動部１２０を支持する、いわゆる両持ち梁の構成である。この構成において、第１の駆動梁１５０Ａ、１５０Ｂを伸縮方向Ａに反らせることで、変形の偏りの経時変化をより好適に抑制できる。但し、本実施形態は、両持ち梁の構成に限定されるものではなく、支持部が可動部の片側から可動部を支持する、いわゆる片持ち梁の構成であっても、本実施形態と同様の効果が得られる。

また本実施形態では、ミラー駆動回路１３は、所定のオフセット値ＶＯＦＦの直流電圧を含む駆動電圧Ｈを印加することで、第１の駆動梁１５０Ａ、１５０Ｂを圧電素子１５１Ａ、１５１Ｂの伸縮方向Ａに反らせる。

これにより、第１の駆動梁１５０Ａ、１５０Ｂ及び圧電素子１５１Ａ、１５１Ｂ等の構造にかかる力が釣り合う状態に直ちに到達し、変形の偏りの変化を抑制できる。

オフセット値ＶＯＦＦは、５．０［Ｖ］以上で１２．０［Ｖ］以下が好ましく、１０［Ｖ］が特に好ましい。オフセット値ＶＯＦＦを５．０［Ｖ］以上で１２．０［Ｖ］以下にすることで、可動部１２０の振れ角変化量を－０．１０［％］以上で＋０．１０［％］以下の範囲に収めることができる。

なお、本実施形態では、支持部として、捻れ変形可能な捻れ梁１３０Ａ、１３０Ｂを例示したが、これに限定されるものではない。例えば支持部を揺動させて光を偏向可能なカンチレバー等を支持部とした場合にも、本実施形態と同様の効果が得られる。但し、支持部が捻れ梁１３０Ａ、１３０Ｂである構成において、本実施形態の効果がより好適に得られる。

また、オフセット値ＶＯＦＦの適正値は、圧電素子１５１Ａ、１５１Ｂの厚み等の圧電特性や、第１の駆動梁１５０Ａ、１５０Ｂの材質又は構造等により多少異なるが、本実施形態で示したオフセット値ＶＯＦＦの範囲は、圧電アクチュエータを用いた光偏向装置において広く適用可能である。

以上、実施形態を説明してきたが、本発明は、具体的に開示された上記の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲から逸脱することなく、種々の変形や変更が可能である。

なお、実施形態の説明で用いた序数、数量等の数字は、全て本発明の技術を具体的に説明するために例示するものであり、本発明は例示された数字に制限されない。また、構成要素間の接続関係は、本発明の技術を具体的に説明するために例示するものであり、本発明の機能を実現する接続関係をこれに限定するものではない。

１…光走査システム、１０…光走査制御装置、１１…システムコントローラ、１３…ミラー駆動回路（駆動部）、１４…レーザ駆動回路、２０…光源装置、２１…ＬＤモジュール、２２…減光フィルタ、４０…光走査装置（光偏向装置）、１１０…ミラー、１２０…可動部、１３０Ａ、１３０Ｂ…捻れ梁、１４０Ａ、１４０Ｂ…連結梁、１５０Ａ、１５０Ｂ…第１の駆動梁、１５１Ａ、１５１Ｂ…圧電素子、１６０…可動枠、Ｈ…駆動電圧、Ｈｐ…第１波形、Ｈｎ…第２波形、Ｖｐｐ…振幅、ＶＯＦＦ…オフセット値、ΔＶＯＦＦ…範囲、Ｔ０…期間、Ａ…伸縮方向

Claims (7)

1. 可動部と、
   前記可動部を支持する支持部と、
   前記支持部を変形させることで前記可動部を揺動させる圧電アクチュエータと、
   駆動電圧を印加することで前記圧電アクチュエータを共振振動させる駆動部と、を有し、
   前記圧電アクチュエータは、前記駆動電圧に基づき伸縮する圧電素子を含み、初期状態において前記圧電素子の伸縮方向に反っていることを特徴とする光偏向装置。
2. 前記圧電アクチュエータは、前記圧電素子が形成された駆動梁からなり、
   前記初期状態において、前記駆動梁の一端が支持される枠に対して前記可動部を上方に変位した位置で支持することを特徴とする請求項１に記載の光偏向装置。
3. 前記支持部は、前記可動部の両側から前記可動部を支持することを特徴とする請求項１又は２に記載の光偏向装置。
4. 前記駆動部は、所定のオフセット値の直流電圧を含む前記駆動電圧を印加することで、前記圧電アクチュエータを前記圧電素子の伸縮方向に反らせることを特徴とする請求項１乃至３の何れか１項に記載の光偏向装置。
5. 前記オフセット値は、５．０［Ｖ］以上で１２．０［Ｖ］以下である請求項４に記載の光偏向装置。
6. 前記オフセット値は、１０［Ｖ］である請求項４又は５に記載の光偏向装置。
7. 前記支持部は、捻れ変形可能な捻れ梁である請求項１乃至６の何れか１項に記載の光偏向装置。

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