JP5775340B2

JP5775340B2 - 光偏向器

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Publication number: JP5775340B2
Application number: JP2011067534A
Authority: JP
Inventors: 孝明小山
Original assignee: Stanley Electric Co Ltd
Current assignee: Stanley Electric Co Ltd
Priority date: 2011-03-25
Filing date: 2011-03-25
Publication date: 2015-09-09
Anticipated expiration: 2031-03-25
Also published as: DE102012005805A1; JP2012203186A; US8922861B2; US20120243065A1

Description

本発明は、ミラー部を回動させてミラー部からの反射光を所定の照射領域へ向けて照射する光偏向器に関する。

特許文献１は、ＭＥＭＳ（micro electric mechanical systems）デバイスとして製作された光偏向器を開示する。この光偏向器は、例えば投影型ディスプレイ等の画像表示装置に使用されるものであり、レーザ光を反射するミラー部と、ミラー部を第１の軸線の周りに往復回動させる第１の圧電アクチュエータと、ミラー部を第１の軸線に対して直交する第２の軸線の周りに往復回動させる第２の圧電アクチュエータとを備え、ミラー部を、第１の圧電アクチュエータにより左右方向に走査しつつ、第２の圧電アクチュエータにより垂直走査してスクリーンに画像を表示する。

特許文献１の光偏向器においては、反射光を水平方向へ走査する際の第１の圧電アクチュエータの駆動電圧の変化を開示している。それによると、駆動電圧は、ミラー部の上下方向の向きを変化させる基本の鋸波に、反射光を水平方向に並進運動させる小振幅の正弦波を重畳したものになっている。そして、基本の鋸波の頂点は、往復動周期の中心点に対して対称ではなく、周期の終端側に大きく偏倚したものとなっている。したがって、この光偏向器では、ミラー部の上下方向の往復動周期の往動では反射光の水平方向走査を実施し、復動では水平方向走査が困難であるため、光源を消灯して水平方向走査を中止する必要がある。

特開２００９−２２３１６５号公報

特許文献１の光偏向器は、例えば配光制御を行う車両用ヘッドランプに適している。そこで、これに適用する場合、水平線周りのミラー部の回動角について、図７を参照して説明する。この場合、光偏向器１００の設置高さは地上０．７５ｍ、反射光の前方照射距離範囲は５〜１００ｍと設定している。下向き角度βは、光偏向器１００から真下を０°、光偏向器１００から水平前方を９０°と定義する。光偏向器１００のミラー部１０７（図８）は、βが８１．４７°〜８９．５７°の振れ角８．１０°の角度範囲を往復回動する。光偏向器１００より前方の地点から光偏向器１００を仰ぎ見る仰角αを定義すると、光偏向器１００から前方へ５ｍ地点及び１００ｍ地点でのαはそれぞれ８．５３°及び０．４３°となる。

図８は、図７で想定したヘッドランプ適用の光偏向器１００によりレーザ光源１０１からのレーザ光１０２を車両前方へ反射させたときの照射光の走査状況を示す。光偏向器１００は、レーザ光源１０１からのレーザ光１０２をミラー部１０７に入射されて、その反射光を車両前方へ照射する。最上層の水平方向走査線１０３は、前述のβが８１．４７°〜８９．５７°である角度範囲の最大角度での水平方向走査線であり、照射領域１０６における最遠方を照射する水平方向走査線となる。最下層の水平方向走査線１０４は、最小角度での水平方向走査線であり、照射領域１０６の最近傍点を照射する水平方向走査線となる。

図９は、図７で想定したヘッドランプ適用の光偏向器１００のミラー部１０７を第２の軸線ｘ２の周りに往復回動させるために、光偏向器１００に供給する印加電圧の変化を示している。光偏向器１００は、この印加電圧の変化により、ミラー部１０７からの反射光の水平方向走査線の下向き角度βを変化させる。Ｔは、この往復回動の周期である。該印加電圧は、いわゆる鋸波と呼ばれるものであり、等速で増大又は減少する。該印加電圧が増大するに連れて、ミラー部１０７からの反射光の水平方向走査線は下向きになる。図９の鋸波の印加電圧は、上昇時及び下降時共に直線で変化しているので、下向き角度βは等速で増大したり、減少したりする。

鋸波のピークは、各周期の中心点より終点の方へ大きく偏倚している。これは、下向き角度βの減少は、一気に変化することを意味する。下向き角度βの減少に割り当てる時間は短いので、適切な水平方向走査を実施するには支障があるので、この期間は、レーザ光源１０１が消灯され、左右方向水平方向走査は中断される。

図１０及び図１１は、図７で想定したヘッドランプ適用の光偏向器１００における水平方向走査線の番号とその照射距離との関係をそれぞれ示す２軸グラフ及び粗密分布図である。光偏向器１００では、ミラー部１０７を、その下向き角度βについての上下方向の半周期の往復回動に対して、左右水平方向へ４８０周期で往復動させて、左右水平方向走査を行うことを想定している。したがって、βの半周期に対し、計４８０本の反射光の走査線が光偏向器１００から照射される。

説明の便宜のため、４８０本の水平方向走査線に対し、１番から４８０番の走査番号を付けている。走査番号の１番は、図８の最上層水平方向走査線１０３とし、最上層水平方向走査線１０３から最下層水平方向走査線１０４の方へ進む順番に走査番号を１ずつ増し、最後の最下層水平方向走査線１０４の走査番号は４８０としている。図１０及び図１１における走査番号はこのように付けられたものとなっている。

光偏向器１００を装備するヘッドランプでは、走査番号が１番である反射光の走査線がヘッドランプより前方１００ｍの地点を照射し、走査番号が４８０番である反射光の走査線がヘッドランプより前方５ｍの地点を照射するように、そして、その間を残りの４７８本の走査線がその間を占める。各走査線の走査時間は同一である。

光偏向器１００では、ミラー部１０７は、上下方向の往復回動速度を、その往復回動範囲の両端の死点において方向転換のために、０とするものの、死点間では等速となって、βが等速で変化するために、走査番号の小さい反射光の走査線ほど、すなわち、照射先が遠方となっている走査番号の走査線ほど、ヘッドランプからの距離方向の幅が増大したものになる。

図１０及び図１１から、ヘッドランプからの距離が大きい、すなわちヘッドランプから遠方の地帯ほど、水平方向走査線の密度が疎になっていることが分かる。２０番目の水平方向走査線の照射距離は、光偏向器１００の前方、４０ｍであるので、４０〜１００ｍの遠くの６０ｍ範囲を２０本の走査線で照射し、５〜４０ｍの近くの３５ｍを４６０本の走査線で照射することになる。したがって、ヘッドランプから遠方の地帯は、遠近の明るさの違いが顕著になるとともに、遠方の地域では走査線間の境界としての筋１０５が見えてしまう。

従来の光偏向器では、上記のように照射光の到達距離に応じた照射むらが生じることについて対処していない。

本発明の目的は、例えば車両用ヘッドランプ等に適用する際に照射光の照射距離等に起因する照射むらが生ずるという問題に的確に対処できる光偏向器を提供することである。

第１発明の光偏向器は、光源からの光を反射するミラー部と、前記ミラー部の中心において相互に直交する第１の軸線と第２の軸線のうち、第１の軸線周りの第１の角度範囲で前記ミラー部を往復回動させる第１の圧電アクチュエータと、前記第２の軸線周りの第２の角度範囲で前記ミラー部を往復回動させる第２の圧電アクチュエータとを備え、前記第２の角度範囲は、前記ミラー部で反射された光が照射光となって、水平前方より下でかつ水平前方に平行な照射領域を照射するように設定され、前記第２の圧電アクチュエータは、前記ミラー部の回動速度を、前記照射光が水平前方に対して下向きになる時ほど増大させることを特徴とする。

第１発明によれば、第２の角度範囲におけるミラー部の回動速度が一様ではなく、角度に応じて調整されるので、第２の角度範囲における照射むらを抑制することができる。

第２発明は、第１発明の光偏向器において、前記光源は、前記第１及び第２の圧電アクチュエータによる前記第１及び第２の軸線の周りの回動周期中、常時、点灯状態に保持されていることを特徴とする。

第２発明によれば、光源は常時点灯状態とされるので、光源のオン、オフ切替制御を省略して、制御を簡単化しつつ、照射むらを抑制することができる。

第３発明は、第１又は第２発明の光偏向器において、前記照射領域における照射距離範囲に対し、前記第２の角度範囲の両端角度における反射光の照射点は前記照射距離範囲の最大距離点及び最小距離点にそれぞれ対応付けられていることを特徴とする。

第３発明によれば、反射光を遠方に向けているときほど、第２の軸線の周りの回動速度が遅くなるので、光偏向器をヘッドランプ等に装備した場合には、遠近に因る照射のむらを効果的に抑制することができる。

本発明の第１実施形態における光偏向器の構成を示す斜視図。図１の光偏向器の第２の圧電アクチュエータの回転駆動を示す説明図。図１の光偏向器の第２の圧電アクチュエータの並進駆動を示す説明図。第２の軸線ｘ２の周りのミラー部１の往復回動の１周期における第２の圧電アクチュエータへの印加電圧の変化例を示す図。第２の圧電アクチュエータへの印加電圧の別の変化例を示す図。本発明の第２実施形態における光偏向器の構成を示す斜視図。従来の光偏向器を車両用ヘッドランプに適用したことを想定して水平線の周りのミラー部の回動角についての説明する図。図７の想定でヘッドランプ適用の光偏向器によりレーザ光源からのレーザ光を車両前方へ反射させたときの照射光の走査状況について説明した図。図７の想定でヘッドランプ適用の光偏向器のミラー部を左右水平方向へ往復回動させたときのアクチュエータへの印加電圧の変化を示す図。図７の想定でヘッドランプ適用の光偏向器における水平方向走査線の番号とその照射距離との関係を２軸グラフで示す図。図７の想定でヘッドランプ適用の光偏向器における水平方向走査線の番号とその照射距離との関係を示す粗密分布図。

［第１実施形態］
図１〜図６を参照して、本発明の第１実施形態の光偏向器Ａ１について説明する。この光偏向器Ａ１は、図１の第１の軸線ｘ１の周りの往復回動では、走査用の往復回動に付随して、微小の並進往復動を実施するようになっている。この並進往復動は、光偏向器Ａ１から反射光をスクリーン上に投影して画像を表示する場合のように、スペックルノイズ（詳細は特許文献１参照）を抑制するときに実施するものであり、スペックルノイズが問題にならないヘッドランプ等への適用では、必ず省略する必要もないが、省略してもかまわないものである。

光偏向器Ａ１は、前記光偏向器１００（図８）と同様に、レーザ光源１０１と共に車両のヘッドライトに装備され、レーザ光源１０１からのレーザ光１０２をミラー部１により車両の前方へ反射して、車両前方の照射領域１０６に光を照射するものである。また、光偏向器Ａ１は、光偏向器１００に関連して説明した図７の照射距離範囲及び下向き角β、並びに走査番号についての定義については、光偏向器１００の場合と同一である。

光偏向器Ａ１は、入射された光を反射するミラー部１と、ミラー部１に連結されたトーションバー２ａ，２ｂと、ミラー部１をそれぞれトーションバー２ａ，２ｂを介して駆動する２対の内側の第１の圧電アクチュエータ８ａ〜８ｄと、第１の圧電アクチュエータ８ａ〜８ｄを支持する可動枠９と、可動枠９を駆動する１対の外側の第２の圧電アクチュエータ１０ａ，１０ｂと、第２の圧電アクチュエータ１０ａ，１０ｂを支持する支持部１１とを備えている。

図１に示すように、ミラー部１は円形形状で、その直径線分の両端から外側へ向かって、上記１対のトーションバー２ａ，２ｂが延びている。一方のトーションバー２ａは、その先端部がミラー部１に連結され、その基端部を挟んで対向した１対の内側の第１の圧電アクチュエータ８ａ，８ｃのそれぞれの先端部に連結されている。また、他方のトーションバー２ｂも、その先端部がミラー部１に連結され、その基端部を挟んで対向した１対の第１の圧電アクチュエータ８ｂ，８ｄのそれぞれの先端部に連結されている。これらの第１の圧電アクチュエータ８ａ〜８ｄは、それぞれ、その基端部が、ミラー部２とこれらの第１の圧電アクチュエータ８ａ〜８ｄとを囲むように設けられた可動枠９の内側に連結されて支持されている。

可動枠９は矩形形状で、トーションバー２ａ，２ｂと直交する方向の１対の両側が、可動枠９を挟んで対向した１対の外側の第２の圧電アクチュエータ１０ａ，１０ｂの先端部にそれぞれ連結されている。また、これらの第２の圧電アクチュエータ１０ａ，１０ｂは、その基端部が、可動枠９とこれらの１対の圧電アクチュエータ１０ａ，１０ｂとを囲むように設けられた矩形枠状の支持部１１に連結されて支持されている。

第１の圧電アクチュエータ８ａ〜８ｄは、それぞれ、１つの圧電カンチレバーから構成される。各圧電カンチレバーは、支持体４ａ〜４ｄと下部電極５ａ〜５ｄと圧電体６ａ〜６ｄと上部電極７ａ〜７ｄとを備えている。

また、一方の第２の圧電アクチュエータ１０ａは、４つの圧電カンチレバー（圧電アクチュエータ１０ａの先端部側から奇数番目の２つの圧電カンチレバー３ｅ，３ｅと、偶数番目の２つの圧電カンチレバー３ｆ，３ｆ）が連結されて構成されている。また、他方の第２の圧電アクチュエータ１０ｂも、４つの圧電カンチレバー（圧電アクチュエータ１０ｂの先端部側から奇数番目の２つの圧電カンチレバー３ｇ，３ｇと、偶数番目の２つの圧電カンチレバー３ｈ，３ｈ）が連結されて構成されている。各圧電カンチレバー３ｅ〜３ｈは、支持体４ｅ〜４ｈと下部電極５ｅ〜５ｈと圧電体６ｅ〜６ｈと上部電極７ｅ〜７ｈとを備えている。

一方の第２の圧電アクチュエータ１０ａにおいて、４つの圧電カンチレバー３ｅ，３ｆは、その長さ方向が同じになるように、各圧電カンチレバー３ｅ，３ｆの両端部が隣り合うように、後述の並進駆動が可能な間隔で並んで配置されている。そして、各圧電カンチレバー３ｅ，３ｆは、隣り合う圧電カンチレバーに対し折り返すように連結されている。

他方の第２の圧電アクチュエータ１０ｂにおいても、４つの圧電カンチレバー３ｇ，３ｈは、その長さ方向が同じになるように、各圧電カンチレバー３ｇ，３ｈの両端部が隣り合うように、後述の並進駆動が可能な間隔で並んで配置されている。そして、各圧電カンチレバー３ｇ，３ｈは、隣り合う圧電カンチレバーに対し折り返すように連結されている。

また、光偏向器Ａ１は、一方の対の第１の圧電アクチュエータ８ａ，８ｃの上部電極７ａ，７ｃと下部電極５ａ，５ｃとの間にそれぞれ駆動電圧を印加するための上部電極パッド１２ａ及び下部電極パッド１３ａと、他方の対の第１の圧電アクチュエータ８ｂ，８ｄの上部電極７ｂ，７ｄと下部電極５ｂ，５ｄとの間にそれぞれ駆動電圧を印加するための上部電極パッド１２ｂ及び下部電極パッド１３ｂとを、支持部１１上に備えている。また、光偏向器は、１対の第２の圧電アクチュエータ１０ａ，１０ｂの奇数番目の上部電極７ｅ，７ｇと下部電極５ｅ，５ｇとの間にそれぞれ駆動電圧を印加するための上部電極パッド１２ｃ，１２ｄと、１対の第２の圧電アクチュエータ１０ａ，１０ｂの偶数番目の上部電極７ｆ，７ｈと下部電極５ｆ，５ｈとの間にそれぞれ駆動電圧を印加するための上部電極パッド１２ｅ，１２ｆと、上部電極パッド１２ｃ，１２ｅの共通の下部電極パッド１３ｃと、上部電極パッド１２ｄ，１２ｆの共通の下部電極パッド１３ｄとを、支持部１１上に備えている。

下部電極５ａ〜５ｈと下部電極パッド１３ａ〜１３ｄとは、シリコン基板上の金属薄膜（光偏向器Ａ１では２層の金属薄膜、以下、下部電極層ともいう）を、半導体プレーナプロセスを用いて形状加工することにより形成される。この金属薄膜の材料としては、例えば、１層目（下層）にはチタン（Ｔｉ）を用い、２層目（上層）には白金（Ｐｔ）を用いる。

詳細には、第１の圧電アクチュエータ８ａ〜８ｄの圧電カンチレバーの下部電極５ａ〜５ｄは、支持体４ａ〜４ｄ上のほぼ全面に形成され、第２の圧電アクチュエータ１０ａ，１０ｂの圧電カンチレバーの下部電極５ｅ〜５ｈは、それぞれ、支持体（直線部と連結部とを合わせた全体）４ｅ〜４ｈ上のほぼ全面に形成されている。そして、下部電極パッド１３ａ〜１３ｄは、支持部１１上及び可動枠９上の下部電極層を介して、下部電極５ａ〜５ｈに導通される。

圧電体６ａ〜６ｈは、半導体プレーナプロセスを用いて下部電極層上の１層の圧電膜（以下、圧電体層ともいう）を形状加工することにより、それぞれ、下部電極５ａ〜５ｈ上に互いに分離して形成されている。この圧電膜の材料としては、例えば、圧電材料であるチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）が用いられる。

詳細には、第１の圧電アクチュエータ８ａ〜８ｄの圧電カンチレバーの圧電体６ａ〜６ｄは、支持体４ａ〜４ｄ上のほぼ全面に形成されて、第２の圧電アクチュエータ１０ａ，１０ｂの圧電カンチレバーの圧電体６ｅ〜６ｈは、支持体４ｅ〜４ｈのうちの直線部上のほぼ全面に形成されている。

上部電極７ａ〜７ｈと、上部電極パッド１２ａ〜１２ｆと、これらを導通する上部電極配線（図示せず）は、半導体プレーナプロセスを用いて、圧電体層上の金属薄膜（光偏向器Ａ１では１層の金属薄膜、以下、上部電極層ともいう）を形状加工することにより形成されている。この金属薄膜の材料としては、例えば白金（Ｐｔ）又は金（Ａｕ）が用いられる。

詳細には、第１及び第２の圧電アクチュエータ８ａ〜８ｄ，１０ａ，１０ｂの圧電カンチレバーの上部電極７ａ〜７ｈは、圧電体６ａ〜６ｈ上のほぼ全面に形成されている。そして、上部電極パッド１２ａ，１２ｂは、支持部１１上、支持体４ｅ〜４ｈ上の側部、及び可動枠９上に形成された上部電極配線（図示せず）を介して、上部電極７ａ〜７ｄに導通される。また、上部電極パッド１２ｃ〜１２ｆは、支持部１１上及び支持体４ｅ〜４ｈ上の側部に形成された上部電極配線（図示せず）を介して、上部電極７ｅ〜７ｈに導通される。なお、上部電極配線は、平面的に互いに分離して設けられていると共に、下部電極パッド１３ａ〜１３ｄ及び下部電極５ａ〜５ｈと層間絶縁されている。

ミラー部１は、ミラー部支持体１ａと、ミラー部支持体１ａ上に形成されたミラー面反射膜（反射面）１ｂとを備えている。ミラー面反射膜１ｂは、半導体プレーナプロセスを用いて、ミラー部支持体１ａ上の金属薄膜（光偏向器Ａ１では１層の金属薄膜）を形状加工して形成されている。金属薄膜の材料としては、例えばＡｕ，Ｐｔ，銀（Ａｇ），アルミニウム（Ａｌ）等が用いられる。

また、ミラー部支持体１ａと、トーションバー２ａ，２ｂと、支持体４ａ〜４ｈと、可動枠９と、支持部１１とは、複数の層から構成される半導体基板を形状加工することにより一体的に形成されている。シリコン基板を形状加工する手法としては、フォトリソグラフィ技術やドライエッチング技術等を利用した半導体プレーナプロセス及びＭＥＭＳプロセスが用いられる。

ミラー部１と可動枠９との間には空隙９’が設けられ、ミラー部１が所定角度まで回転可能となっている。また、可動枠９と支持部１１との間には空隙１１’が設けられ、可動枠９が所定角度まで回転可能となっている。ミラー部１は、一体的に形成することで、第１の圧電アクチュエータ８ａ〜８ｄとトーションバー２ａ，２ｂを介して機械的に連結され、第１の圧電アクチュエータ８ａ〜８ｄの駆動に応じて回動する。また、可動枠９は、一体的に形成することで、第２の圧電アクチュエータ１０ａ，１０ｂと機械的に連結され、第２の圧電アクチュエータ１０ａ，１０ｂの駆動に応じて回動及び並進する。

さらに、光偏向器Ａ１は、ミラー部１の偏向・走査を制御する制御回路２０に接続されている。制御回路２０は、その機能として、第１の圧電アクチュエータ８ａ〜８ｄの駆動電圧の位相、周波数、振幅、波形等を制御することで、ミラー部１の第１の軸線ｘ１周りでの偏向・走査（回転駆動）の位相、周波数、偏向角等を制御する第１制御手段２１と、第２の圧電アクチュエータ１０ａ，１０ｂへ印加する駆動電圧の位相、周波数、振幅、波形等を制御することで、ミラー部１の第２の軸線ｘ２周りでの偏向・走査（回転駆動）及び並進駆動の位相、周波数、偏向角、変位量等を制御する第２制御手段２２とを備えている。なお、第１及び第２の軸線ｘ１，ｘ２は、ミラー部１のほぼ中心において直交する。第２制御手段２２は、駆動電圧として、ミラー部１の回転駆動用の電圧成分と並進駆動用の電圧成分とを重畳した電圧を用いる。

次に、光偏向器Ａ１の作動を説明する。まず、第１の圧電アクチュエータ８ａ〜８ｄによる第１の軸線周りの回転駆動について説明する。光偏向器Ａ１では、一方の対の第１の圧電アクチュエータ８ａ，８ｃに対して、上部電極７ａ，７ｃと下部電極５ａ，５ｃとの間にそれぞれ第１の電圧、第２の電圧を印加して駆動させると、互いに逆方向に屈曲変形する。なお、第１の電圧と第２の電圧とは、互いに逆位相或いは位相のずれた交流電圧（例えば正弦波）とする。これらの屈曲変形により、トーションバー２ａにねじれ変位が生じて、ミラー部１にトーションバー２ａを中心とした回転トルクが作用する。同様に、他方の対の第１の圧電アクチュエータ８ｂ，８ｄにそれぞれ第１の電圧、第２の電圧を印加して駆動させることにより、トーションバー２ｂに同じ方向にねじれ変位が生じて、ミラー部１にトーションバー２ｂを中心とした回転トルクが作用する。

よって、第１の圧電アクチュエータ８ａ〜８ｄの駆動により、ミラー部１にはトーションバー２ａ，２ｂを中心とした回転トルクが作用する。これにより、ミラー部１は、図１の矢印で示したように、トーションバー２ａ，２ｂを中心軸として第１の軸線ｘ１周りで回転する。これにより、ミラー部１を回転させて第１の方向（例えば左右の水平方向）について所定の第１周波数で所定の第１偏向角で光走査することができる。このとき、これらの第１の圧電アクチュエータ８ａ〜８ｄでは、駆動電圧としてトーションバー２ａ，２ｂを含むミラー部１の機械的な共振周波数付近の周波数の交流電圧を印加して共振駆動させることで、より大きな偏向角で光走査することができる。

これと共に、光偏向器Ａ１では、外側の１対の第２の圧電アクチュエータ１０ａ，１０ｂに駆動電圧を印加する。具体的には、第２の圧電アクチュエータ１０ａでは、上部電極パッド１２ｃと共通の下部電極パッド１３ｃとの間に、第３の電圧を印加して、奇数番目の圧電カンチレバー３ｅを駆動させる。これと共に、上部電極パッド１２ｅと共通の下部電極パッド１３ｃとの間に、第４の電圧を印加して、偶数番目の圧電カンチレバー３ｆを駆動させる。同様に、対向した第２の圧電アクチュエータ１０ｂに第５，第６の電圧を印加して圧電カンチレバー３ｇ，３ｈを駆動させる。

このとき、第３，第４の電圧の回転駆動用の電圧成分は、第２の圧電アクチュエータ１０ａの垂直方向について、奇数番目の圧電カンチレバー３ｅと偶数番目の圧電カンチレバー３ｆとの角度変位が逆方向に発生するように印加する。例えば、第２の圧電アクチュエータ１０ａの先端部を上方向（図１に示す方向Ｕ）に変位させる場合には、奇数番目の圧電カンチレバー３ｅを上方向に変位させ、偶数番目の圧電カンチレバー３ｆを下方向に変位させる。第２の圧電アクチュエータ１０ａの先端部を下方向に変位させるには、その逆にする。第５，第６の電圧の回転駆動用の電圧成分についても同様である。

ここで、図２は、第２の圧電アクチュエータ１０ａ，１０ｂの垂直方向についての駆動状態を模式的に示した図である。図２では、第２の圧電アクチュエータ１０ａの先端部を上方向に変位させる場合が例示されている。なお、以下では適宜、可動枠９側からｉ番目の圧電カンチレバーについて（ｉ）と付記して説明する（ｉ＝１〜４）。

図２に示すように、第２の圧電アクチュエータ１０ａに電圧を印加して、可動枠９側（先端部側）から奇数番目の圧電カンチレバー３ｅを上方向に屈曲変形させると共に、偶数番目の圧電カンチレバー３ｆを下方向に屈曲変形させる。このとき、圧電カンチレバー３ｆ（４）は、支持部１１と連結した基端部を支点として、その先端部に下方向の角度変位が発生している。また、圧電カンチレバー３ｅ（３）は、圧電カンチレバー３ｆ（４）の先端部と連結した基端部を支点として、その先端部に上方向の角度変位が発生している。また、圧電カンチレバー３ｆ（２）は、圧電カンチレバー３ｅ（３）の先端部と連結した基端部を支点として、その先端部に下方向の角度変位が発生している。また、圧電カンチレバー３ｅ（１）は、圧電カンチレバー３ｆ（２）の先端部と連結した基端部を支点として、その先端部（可動枠９と連結している）に上方向の角度変位が発生している。これにより、第２の圧電アクチュエータ１０ａでは、各圧電カンチレバー３ｅ，３ｆの屈曲変形の大きさを加算した大きさの角度変位が発生する。

また、ミラー部１の並進往復動は、走査中のミラー部１の上下左右の向きに関係なく、ミラー部１の面に沿ってミラー部１と第２の圧電アクチュエータ１０ａ，１０ｂとの配列方向で行われ、第３，第４の電圧の並進駆動用の電圧成分は、この配列方向にミラー部１側から奇数番目の圧電カンチレバー３ｅと偶数番目の圧電カンチレバー３ｆとの角度変位が同方向に発生するように印加する。例えば、第２の圧電アクチュエータ１０ａの先端部を右方向（図１に示す方向Ｒ）に変位させる場合には、奇数番目の圧電カンチレバー３ｅも、偶数番目の圧電カンチレバー３ｆも、右方向に変位させる。第２の圧電アクチュエータ１０ａの先端部を左方向に変位させるには、その逆にする。第５，第６の電圧の並進駆動用の電圧成分についても同様である。

ここで、図３は、第２の圧電アクチュエータ１０ａ，１０ｂによるミラー部１の並進駆動の様子を模式的に示した図である。図３（ａ）は、ミラー部１を右方向に並進駆動させた状態を示し、図３（ｂ）は、ミラー部１を左方向に並進駆動させた状態を示す。図３（ａ）の場合、第２の圧電アクチュエータ１０ａについて、圧電カンチレバー３ｅ，３ｆは、それぞれ、矢印で示したように、その基端部を支点として、その先端部に右方向の角度変位が発生している。これにより、第２の圧電アクチュエータ１０ａでは、各圧電カンチレバー３ｅ，３ｆの屈曲変形の大きさを加算した大きさの右方向の並進変位が発生する。

また、第２の圧電アクチュエータ１０ｂについて、圧電カンチレバー３ｇ，３ｈは、それぞれ、矢印で示したように、その基端部を支点として、その先端部に右方向の角度変位が発生している。これにより、第２の圧電アクチュエータ１０ｂでは、各圧電カンチレバー３ｇ，３ｈの屈曲変形の大きさを加算した大きさの右方向の並進変位が発生する。これらの並進変位により、図中に白抜き矢印で示したように、ミラー部１とトーションバー２ａ，２ｂと第１の圧電アクチュエータ８ａ〜８ｄと可動枠９が一体的に右方向に並進する。

このように、第３〜第６の電圧の駆動により、第２の圧電アクチュエータ１０ａ，１０ｂが駆動され、それぞれ、先端部に中心軸線が同軸の角度変位を発生すると共に、中心軸線に平行な並進変位を発生する。これらの角度変位により、可動枠９は、図１の矢印で示したように、第１の軸線ｘ１と直交する第２の軸線ｘ２周りで回転する。これにより、ミラー部１と可動枠９とが互いの動きに干渉することなく独立に回転される。そして、この可動枠９の回転により、ミラー部１と第１の圧電アクチュエータ８ａ〜８ｄとが一体的に回転し、第１の圧電アクチュエータ８ａ〜８ｄの駆動による回転とは独立にミラー部１が回転することになる。これにより、ミラー部１を回転させて第２の方向（例えば垂直方向）について所定の第２周波数で所定の第２偏向角で光走査することができる。

また、角度変位による回転と同時に、並進変位により、図１の矢印で示したように、ミラー部１とトーションバー２ａ，２ｂと第１の圧電アクチュエータ８ａ〜８ｄと可動枠９が一体的に第２の軸線ｘ２に平行に並進する。これにより、ミラー部１を所定の第３周波数で所定の変位量（例えば、50［μm］以上）で並進振動することができる。

光偏向器Ａ１によれば、第１及び第２の圧電アクチュエータ８ａ〜８ｄ，１０ａ，１０ｂの回転駆動により、入射されたレーザ光等の光ビームが２方向（例えば水平方向、垂直方向）で独立に走査されるので、入射された光ビームを水平方向、垂直方向にラスタスキャンしてスクリーン上に投影して画像を表示することができる。これと共に、光偏向器Ａ１によれば、第２の圧電アクチュエータ１０ａ，１０ｂの並進駆動により、ミラー部１を並進振動することができる。これにより、ミラー部１で走査される光の位相を変動させることができる。光偏向器Ａ１を、スクリーンに画像を表示する画像表示に組み込む場合には、ミラー部１を並進振動は、スクリーン上の画像におけるスペックルノイズの低減に寄与する。

なお、本発明の光偏向器の適用は、ヘッドランプに限られない。照射距離差に起因する照度むらが問題になっている任意の装置に適用され、もし、そのような照度むらが生じる画像装置があれば、本発明の光偏向器は該画像装置にも装備することができる。

図４は、第２の軸線ｘ２（図１）の周りのミラー部１の往復回動の１周期における第２の圧電アクチュエータ１０ａ，１０ｂへの印加電圧の変化例を示している。前述したように、第２の圧電アクチュエータ１０ａへは、奇数番目の圧電カンチレバー用の第３の電圧と、偶数番目の圧電カンチレバー用の第４の電圧とを供給し、第２の圧電アクチュエータ１０ｂへは、奇数番目の圧電カンチレバー用の第５の電圧と、偶数番目の圧電カンチレバー用の第６の電圧とを供給することになっている。

また、奇数番目の圧電カンチレバーと偶数番目の圧電カンチレバーとは、同方向へ変位すると、変位が相殺されて、可動枠９が第２の軸線ｘ２の周りに回動しないので、逆方向へ変位させる必要がある。図４の縦軸の印加電圧とは、第３〜第６の電圧を、図７で定義した下向き角度β（βは真下を０°、水平方向前方を９０°と定義していることに注意。βは伏角の余角である。）を減少させる方向（＝より下向きになる方向）が増大側となるように増減を整合させた電圧と定義する。

図４の縦軸の印加電圧は、ミラー部１の下向き角β（図７）を規定するので、「下向き角印加電圧」と呼んで、水平方向走査用印加電圧と区別する。なお、光偏向器Ａ１における水平方向走査用印加電圧の変化は、従来の光偏向器と同様に、等速で行われるので、ミラー部１の水平方向走査は、等速で行われ、各走査番号の走査時間は相互に等しい。

下向き角印加電圧が小さいときほど、下向き角βは増大、すなわちミラー部１は上向きになって（図７参照）、照射領域１０６（図８）内の遠方の方を照射する。下向き角印加電圧の最小値（図４の縦軸の目盛りでは最小値は0）は、最上層水平方向走査線１０３を生成する時の下向き角βに対応し、下向き角印加電圧の最大値（図４の縦軸の目盛りでは最大値はほぼ２０）は、最下層水平方向走査線１０４を生成する時の下向き角βに対応する。

図４の下向き角印加電圧の特徴は、次のとおりである。
（ａ）印加電圧は、下向き角の往復周期の中心に対して対称となっている。
（ｂ）印加電圧は、それが低いときほど低速で変化し、大きいときほど高速に変化する。

上記特徴（ｂ）により、遠方地帯の光走査線の個数が、従来の下向き角βの等速変化よりも大幅に増大する。図７に関連して前述したように、下向き角βが大きいときほど、すなわち光偏向器Ａ１からの反射光が遠くを照射しているときほど、βの単位量に対する、ヘッドランプからの距離範囲は長くなるので、このことと、遠方地帯の光走査線の個数が従来より増大することとにより、照射領域１０６（図８）における走査線密度は、光偏向器１００からの距離の方向へ均一化される。こうして、光偏向器１００から照射地点までの距離の遠近に起因する光むらが抑制される。

上記特徴（ａ）は次のことを意味する。下向き角βを減少させている期間と下向き角βを増大させている期間とが等しくされるので、左右水平方向走査周期を一定に保持しつつ、下向き角の往復周期の前側の半周期では、１番の走査線から４８０番の走査線への順番に走査線を照射し、後側の半周期では、４８０番の走査線から１番の走査線へ逆順に走査線を照射することができる。

従来の光偏向器１００を装備するヘッドランプでは、下向き角ベータの往復周期では、βの増大期間部分と減少期間部分との長さが異なるので（図９参照）、もし、βの増大期間部分と減少期間部分との両方で水平方向走査線による照射を実施するのであれば、βの増大期間部分と減少期間部分とで水平方向走査線の走査周期を異ならせる必要があるが、βの往復周期について（ａ）の特徴のように設定すれば、その必要がなくなる。

さらに、ミラー部１の左右水平方向の往復回動周期において、第２の圧電アクチュエータ１０ａ〜１０ｄに供給する第３〜第６の電圧についても、増減の折り返し点を周期中心に設定して、走査番号の奇数番とその次の偶数番とで走査方向へ逆方向にすれば、レーザ光源１０１を常時点灯状態に維持して、４８０本の左右水平方向走査を実施することができる。これにより、レーザ光源１０１をオン、オフする切り替え制御を省略して、制御を簡単化することができる。

なお、この実施形態では、レーザ光源１０１の常時点灯時の前後垂直方向走査周期：左右水平方向走査周期＝９６０：１となっている。すなわち、前後垂直方向走査の半周期は左右水平方向走査周期の４８０倍（自然数倍）となる。しかしながら、レーザ光源１０１の常時点灯時に、前後垂直方向走査の半周期を左右水平方向走査周期の自然数倍とすることは必須ではない。前後垂直方向走査の半周期を左右水平方向走査周期のｎ倍（ｎは、１より大でかつ１未満の小数部を含む。）としたり、前後垂直方向走査周期の前側の半周期を左右水平方向走査周期のｍ１倍、前後垂直方向走査周期の後ろ側の半周期を左右水平方向走査周期のｍ２倍（ｍ１≠ｍ２）としたりすることもできる。

図５は第２の圧電アクチュエータ１０ａ，１０ｂへの下向き角印加電圧の別の変化例を示している。図５における下向き角印加電圧の特徴は、図４における下向き角印加電圧の特徴（ａ）に代えて、下向き角印加電圧の変更周期において、増大期間と減少期間との比率が図９の場合と同じく９：１になっている。図４における下向き角印加電圧の特徴（ｂ）は、図５における下向き角印加電圧の特徴としてそのまま適用されている。

図５のような印加電圧を採用する場合、ミラー部１からの反射光の水平方向走査では、印加電圧の減少期間、すなわち下向き角を走査番号４８０のものから走査番号１のものへ戻している期間は、レーザ光源１０１を消灯状態に維持して、水平方向走査を中断する。

なお、第２の圧電アクチュエータ１０ａ，１０ｂへの印加電圧の別の変化例を採用する場合であっても、第１の圧電アクチュエータ８ａ〜８ｄへの印加電圧の変化の周期を増大部分と減少部分とを１：１に設定して、奇数番の走査番号の水平方向走査の向きと偶数番の走査番号の水平方向走査の向きとを相互に逆にして、第２の圧電アクチュエータ１０ａ，１０ｂへの印加電圧増大期間（図５において９：１の９側の期間）は、レーザ光源１０１を点灯状態に保持して、該期間におけるレーザ光源１０１の切替制御を省略することができる。

［第２実施形態］
次に図６を参照して、本発明の第２実施形態の光偏向器Ａ２について説明する。なお、光偏向器Ａ２の構造部位について、光偏向器Ａ１に同一の構造部位があるものは、光偏向器Ａ１の同一の構造部位に付けた符号と同一の符号を付して説明を省略し、相違点についてのみ説明する。

光偏向器Ａ２では、トーションバー２ａ，２ｂは省略され、これに伴い、第２の圧電アクチュエータ１０ａ，１０ｂも省略される。そして、これらに代わり、第１の圧電アクチュエータ４０ａ，４０ｂが設けられる。第１の圧電アクチュエータ４０ａ，４０ｂは、第２の圧電アクチュエータ１０ａ，１０ｂとは、寸法及び向きが異なるのみで、構造は同一となっている。相違点は、第１の圧電アクチュエータ４０ａ，４０ｂは、ミラー部支持体１ａを第１の軸線ｘ１の周りに往復回動させるのに対し、第２の圧電アクチュエータ１０ａ，１０ｂは、ミラー部支持体１ａを第１の軸線ｘ１の周りに往復回動させることである。

光偏向器Ａ１では、水平軸走査が第１の圧電アクチュエータ８ａ〜８ｄによる共振駆動、垂直軸走査が第２の圧電アクチュエータ１０ａ，１０ｂによる非共振駆動であるのに対し、光偏向器Ａ１では、第１の圧電アクチュエータ４０ａ，４０ｂの採用により、水平軸走査及び垂直軸走査共に非共振駆動となる。

一方の第１の圧電アクチュエータ４０ａは、４つの圧電カンチレバー（圧電アクチュエータ４０ａの先端部側から奇数番目の２つの圧電カンチレバー３３ｅ，３３ｅと、偶数番目の２つの圧電カンチレバー３３ｆ，３３ｆ）が連結されて構成されている。また、他方の第１の圧電アクチュエータ４０ｂも、４つの圧電カンチレバー（圧電アクチュエータ４０ｂの先端部側から奇数番目の２つの圧電カンチレバー３３ｇ，３３ｇと、偶数番目の２つの圧電カンチレバー３３ｈ，３３ｈ）が連結されて構成されている。各圧電カンチレバー３３ｅ〜３３ｈは、第２の圧電アクチュエータ１０ａ，１０ｂと同様に、支持体と下部電極と圧電体と上部電極とを備えている。

支持部１１の一方の辺部には、光偏向器Ａ１の上部電極パッド１２ａ及び下部電極パッド１３ａは省略されて、代わりに、上部電極パッド４２ｃ，４２ｅ及び下部電極パッド４３ｃが配備され、支持部１１の他方の辺部には、光偏向器Ａ１の上部電極パッド１２ｂ及び下部電極パッド１３ｂは省略されて、代わりに、上部電極パッド４２ｄ，４２ｆ及び下部電極パッド４３ｄが配備される。

上部電極パッド４２ｃ，４２ｅ及び下部電極パッド４３ｃは、上部電極パッド１２ｃ，１２ｅ及び下部電極パッド１３ｃに対応し、上部電極パッド４２ｃと下部電極パッド４３ｃとの間には第７の電圧が印加されて、奇数番目の圧電カンチレバー３３ｅを駆動させる。上部電極パッド４２ｅと下部電極パッド４３ｃとの間には第８の電圧が印加されて、偶数番目の圧電カンチレバー３３ｆを駆動させる。

上部電極パッド４２ｄ，４２ｆ及び下部電極パッド４３ｄは、上部電極パッド１２ｄ，１２ｆ及び下部電極パッド１３ｄに対応し、上部電極パッド４２ｄと下部電極パッド４３ｄとの間には第９の電圧が印加されて、奇数番目の圧電カンチレバー３３ｇを駆動させ、また、上部電極パッド４２ｆと下部電極パッド４３ｄとの間には第１０の電圧が印加されて、偶数番目の圧電カンチレバー３３ｈを駆動させる。

こうして、ミラー部１と一体運動するミラー部支持体１ａを第１の圧電アクチュエータ４０ａ，４０ｂにより第１の軸線ｘ１の周りに往復回動させて、反射光を水平方向走査線で照射することができる。

本発明は、ヘッドランプ以外にも、照射距離差に起因する照度むらが問題になっている機器に装備して、該問題を解決することができる。

本発明の実施形態のヘッドランプでは、第２の軸線が水平線となっているが、本発明の適用場所によっては、第２の軸線が水平線以外であることがあり得る。例えば、左端から右端へ手前に近付いているようなスクリーンに画像を表示する表示装置に本発明の光偏向器を装備する場合には、第２の軸線が鉛直線や、その他の傾斜線としてもよい。

実施の形態では、第２の軸線の周りの１回の往復回動を第２の圧電アクチュエータの印加電圧の１周期に割り当てているが、第２の圧電アクチュエータの印加電圧の１周期に複数回の往復回動を割り当てて、第２の圧電アクチュエータの印加電圧の１周期辺りの各走査光量の均一化やパターン化を図ることも可能である。

Ａ１，Ａ２・・・光偏向器、ｘ１・・・第１の軸線、ｘ２，・・・第２の軸線、１・・・ミラー部、８ａ〜８ｄ，４０ａ，４０ｂ・・・第１の圧電アクチュエータ、９・・・可動枠、１０ａ，１０ｂ・・・第２の圧電アクチュエータ、１０１・・・レーザ光源。

Claims

光源からの光を反射するミラー部と、
前記ミラー部の中心において相互に直交する第１の軸線と第２の軸線のうち、第１の軸線周りの第１の角度範囲で前記ミラー部を往復回動させる第１の圧電アクチュエータと、
前記第２の軸線周りの第２の角度範囲で前記ミラー部を往復回動させる第２の圧電アクチュエータとを備え、
前記第２の角度範囲は、前記ミラー部で反射された光が照射光となって、水平前方より下でかつ水平前方に平行な照射領域を照射するように設定され、
前記第２の圧電アクチュエータは、前記ミラー部の回動速度を、前記照射光が水平前方に対して下向きになる時ほど増大させることを特徴とする光偏向器。
請求項１記載の光偏向器において、
前記光源は、前記第１及び第２の圧電アクチュエータによる前記第１及び第２の軸線の周りの回動周期中、常時、点灯状態に保持されていることを特徴とする光偏向器。
請求項１又は２記載の光偏向器において、
前記照射領域における照射距離範囲に対し、前記第２の角度範囲の両端角度における反射光の照射点は前記照射距離範囲の最大距離点及び最小距離点にそれぞれ対応付けられていることを特徴とする光偏向器。