JP5806006B2 - 光走査装置 - Google Patents

Description

本発明は、レーザ光を対象領域内でリサージュ走査する光走査装置に関する。

従来から、レーザ光を対象領域内でリサージュ走査する光走査装置が知られている。この種の光走査装置としては、例えば、パルス状のレーザ光を予め設定された投光タイミングで投光する光源部と、二次元ガルバノミラーで構成される光走査部と、光走査部を駆動する駆動部とを備えて構成されたものがあり（例えば、特許文献１参照）、例えば、レーザ光を対象領域内でリサージュ走査して対象領域内に存在する対象物までの距離を計測する光測距離装置や、レーザ走査型のプロジェクタ等の光走査手段として用いられている。

この種の光走査装置において、駆動部は、例えば、二次元ガルバノミラーの各揺動方向の共振周波数と合わせて初期設定された駆動周波数で光走査部を駆動させている。ここで、例えば、光走査部の周辺温度が変化したり、光走査部自体の温度が変化したりすると共振周波数も変化する。この状態で、駆動周波数を変えずに光走査部を駆動させると、共振周波数とずれた状態で駆動させることになるため効率的でない。この共振周波数の温度変動対策として、この種の光走査装置においては、従来より、両方の揺動軸の駆動周波数をそれぞれの揺動軸の共振周波数に追従して変更して駆動制御したり、一方の揺動軸の駆動周波数については共振周波数に追従して変更し、他方の揺動軸の駆動周波数については一方の揺動軸の駆動周波数との比を維持しつつ変更したりして駆動制御を行っている。また、光源部から投光されるレーザ光の投光タイミングは、例えば、初期設定された駆動周波数に応じて定まるリサージュ走査軌跡に沿うレーザ光が、対象領域に予め定める各画素に照射可能に初期設定されている。

特開平７−１７５００５号公報

ところで、この種の光走査装置において、初期設定された駆動周波数（初期値）と、温度に応じて変化する共振周波数に追従して変更された新たな駆動周波数との差が大きい場合や、初期設定された駆動周波数と、周波数比を維持しつつ変更された新たな駆動周波数との差が大きい場合、初期設定された投光タイミングでは意図する画素にレーザ光を照射することができなくなるおそれがあり、投光タイミングも変更せざるを得なくなる。この場合、例えば、共振周波数の変動し得る範囲を予め設定し、その変動範囲で予め定めた異なる複数の駆動周波数毎に投光タイミングのテーブルを予め記憶させておく構成としたり、温度に応じて変化する共振周波数に追従して新たな投光タイミングのテーブルを生成可能に構成したりすることが考えられる。

しかしながら、予め複数の投光タイミングのテーブルを記憶させる構成の場合、投光タイミングのテーブルを記憶するメモリ容量が大きくなるためコストが上昇する。また、投光タイミングのテーブルを生成可能に構成する場合、投光タイミングのテーブル生成に要する演算は、駆動周波数の変更に要する演算と比較すると複雑であるため、投光タイミングのデータ生成時間は、駆動周波数の変更に要する演算時間と比較すると極めて長くなってしまう。その結果、駆動周波数は変更しているが、投光タイミングはその演算が完了していないため変更できていないという状態が発生するおそれがあるため、インターロックを作動させて装置を停止させなければならないという状態が発生するおそれがある。

本発明は、このような課題に着目してなされたものであり、リサージュ走査による光走査装置において、投光タイミングのテーブルを予め複数用意させる必要がなく、かつ、投光タイミングのテーブル生成待ちによる装置の停止を抑制可能な光走査装置を提供することを目的とする。

本発明の一実施形態による光走査装置は、パルス光が投光される可動部を直交二軸回りに揺動させる各信号のそれぞれを、対応する軸回りの共振周波数に合わせた周波数で出力した後、各軸回りの共振周波数のシフト量を検出し、一方の軸回りの前記シフト量が第１閾値より大きい場合に、前記一方の軸回りの前記信号の周波数と、前記第１閾値より大きい第２閾値と、前記各共振周波数を予め対応付けたテーブルとに基づく前記パルス光の新投光タイミングの生成を開始し、前記一方の軸回りのシフト量が前記第２閾値より大きい場合に、前記パルス光を前記新投光タイミングで投光し、前記各信号の周波数を対応する軸回りの共振周波数に合わせて変更する構成とした。
本発明の別の実施形態による光走査装置は、パルス光が投光される可動部を直交二軸回りに揺動させる各信号の一方を、対応する軸回りの共振周波数に合わせた周波数で出力した後、前記共振周波数のシフト量を検出し、前記シフト量が第１閾値より大きい場合に、前記一方の信号の前記周波数と、前記第１閾値より大きい第２閾値と、前記各信号の周波数についての周波数比とに基づく前記パルス光の新投光タイミングの生成を開始し、前記シフト量が前記第２閾値より大きい場合に、前記パルス光を前記新投光タイミングで投光し、前記一方の信号の周波数を対応する軸回りの共振周波数に合わせると共に他方の前記信号の周波数を前記周波数比を維持しつつ変更する構成とした。

本発明の一実施形態による光走査装置によれば、パルス光が投光される可動部を直交二軸回りに揺動させる各信号のそれぞれを、対応する軸回りの共振周波数に合わせた周波数で出力した後、各軸回りの共振周波数のシフト量を検出し、一方の軸回りの前記シフト量が第１閾値よりも大きい場合に、前記一方の軸回りの前記信号の周波数と、前記第１閾値より大きい第２閾値と、前記各共振周波数を予め対応付けたテーブルとに基づく前記パルス光の新投光タイミングの生成を開始し、前記一方の軸回りのシフト量が第２閾値よりも大きい場合に、前記パルス光を前記新投光タイミングで投光し、前記各信号の周波数を対応する軸回りの共振周波数に合わせて変更する構成であり、本発明の別の実施形態による光走査装置によれば、パルス光が投光される可動部を直交二軸回りに揺動させる各信号の一方を、対応する軸回りの共振周波数に合わせた周波数で出力した後、前記共振周波数のシフト量を検出し、前記シフト量が第１閾値より大きい場合に、前記一方の信号の前記周波数と、前記第１閾値より大きい第２閾値と、前記各信号の周波数についての周波数比とに基づく前記パルス光の新投光タイミングの生成を開始し、前記シフト量が前記第２閾値より大きい場合に、前記パルス光を前記新投光タイミングで投光し、前記一方の信号の周波数を対応する軸回りの共振周波数に合わせると共に他方の前記信号の周波数を前記周波数比を維持しつつ変更する構成であるため、第１閾値と第２閾値の差を新投光タイミングの生成（新たなテーブル生成）に要する時間に対応した十分な値（差）になるように適切に設定するだけで、シフト量が第１閾値より大きくなったときに開始した新投光タイミングの生成を、シフト量が第２閾値に達するまでに完了させることができる。したがって、投光タイミングの切替と可動部を直交二軸回りに揺動させる各信号（各駆動周波数）の変更を同時に行うことができるので、初期設定された投光タイミングでは意図する画素にレーザ光を照射できない状況においても、投光タイミングの生成待ちによる装置停止を抑制することができる。また、投光タイミングを予め複数記憶させる必要がない。

本発明による光走査装置の一実施形態の概略構成を示す図であり、光測距装置に適用した場合のブロック図である。 上記実施形態の光走査部の一例である二次元ガルバノミラーの構成を示す図である。 上記光走査部の揺動角度を検出するためのピエゾ抵抗素子で構成されたブリッジ回路を示す図である。 二次元ガルバノミラーの一般的な周波数特性を示す図である。 上記実施形態のずれ量検出部による第１ずれ量及び第２ずれ量の検出原理を説明するための図である。 上記実施形態における投光タイミングのテーブルの切替処理を示すフロー図である。 上記実施形態における投光タイミングのテーブル生成タスクの処理内容を示すフロー図である。 上記実施形態における各駆動周波数の変更処理を示すフロー図である。 上記光走査部の温度−共振周波数テーブルの一例を示す図である。 二次元ガルバノミラーの別の周波数特性を示す図である。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
図１は、本発明による光走査装置の一実施形態の概略構成を示すブロック図である。
この光走査装置１は、パルス状のレーザ光を対象領域内でリサージュ走査するものである。以下の説明では、光走査装置１を、例えば、レーザ光を対象領域内でリサージュ走査して対象領域内に存在する物体までの距離を計測する光測距装置の光走査手段として用いる場合で説明する。

本実施形態による光走査装置１は、電磁駆動型の光走査部２と、光走査部２に駆動信号を入力し揺動駆動する駆動部３と、駆動信号の周波数を変更する周波数変更部４と、パルス状のレーザ光を投光する光源部５と、レーザ光の投光タイミングのテーブルを記憶する記憶部６と、レーザ光の投光タイミングを光源部５に指令する光源制御部７と、光走査部２の共振周波数に対する駆動信号の周波数のずれ量を検出するずれ量検出部８と、新たな投光タイミングのテーブルを生成するタイミングテーブル生成部９と、第１切替部１０ａ及び第２切替部１０ｂを有する切替部１０と、リセット部１１とを備える。

前記光走査部２は、光反射面を有する可動部が互いに直交する第１軸及び第２軸の各軸回りに揺動可能に形成され、可動部の揺動することによって、光反射面への入射光を対象領域内でリサージュ走査可能に構成されたものである。このような光走査部２としては、例えば、本出願人により提案された特許第２７２２３１４号公報に記載の二次元走査型の半導体ガルバノミラー（以下単に「二次元ガルバノミラー」という）を用いることができる。

図２は、光走査部２の具体例としての二次元ガルバノミラー２０の構成を示している。
この二次元ガルバノミラー２０は、枠状の固定部２１と、固定部２１の内側に配置され一対の第１トーションバー２２ａ，２２ａによって揺動可能に支持された外側可動部２３ａと、外側可動部２３ａの内側に配置され第１トーションバー２２ａ，２２ａに軸方向が直交する一対の第２トーションバー２２ｂ，２２ｂによって揺動可能に支持された内側可動部２３ｂと、を備える。ここで、第１トーションバー２２ａ，２２ａの中心軸をｘ軸（第１軸）とし、第２トーションバー２２ｂ，２２ｂの中心軸をｙ軸（第２軸）とする。

内側可動部２３ｂの中央部には光反射面（ミラー）２４が形成され、各可動部２３ａ，２３ｂの周縁部にはそれぞれ第１駆動コイル２５ａ，第２駆動コイル２５ｂが形成されている。第１駆動コイル２５ａの端部は、固定部２１に形成された第１電極端子２６ａ，２６ａに接続され、第２駆動コイル２５ｂの端部は、固定部２１に形成された第２電極端子２６ｂ，２６ｂに接続されている。また、第１駆動コイル２５ａに磁界を作用させる一対の第１永久磁石２７ａ，２７ａ及び第２駆動コイル２５ｂに磁界を作用させる一対の第２永久磁石２７ｂ，２７ｂが固定部２１を挟んでそれぞれ対向配置されている。

二次元ガルバノミラー２０は、各駆動コイル２５ａ，２５ｂに流れる電流（例えば、交流電流）と、第１永久磁石２７ａ，２７ａ及び第２永久磁石２７ｂ，２７ｂによる磁界とによって各可動部２３ａ，２３ｂにローレンツ力が作用する。その結果、内側可動部２３ｂが二次元方向に揺動し、光反射面２４に入射されるレーザ光が対象領域内でリサージュ走査される。なお、以下の説明において、外側可動部２３ａ及び内側可動部２３ｂを含む可動部全体のｘ軸回りの共振周波数を「第１共振周波数」といい、内側可動部２３ｂのｙ軸回りの共振周波数を「第２共振周波数」という。

図１に戻って、前記駆動部３は、光走査部２を揺動駆動するものであり、例えば、第１駆動回路部３１、第２駆動回路部３２を備えて構成されている。本実施形態においては、駆動部３は、外側可動部２３ａ及び内側可動部２３ｂをｘ軸回りに揺動させる第１駆動信号の周波数である第１駆動周波数及び内側可動部２３ｂをｙ軸回りに揺動させる第２駆動信号の周波数である第２駆動周波数を、対応する軸回りの共振周波数に合わせてそれぞれ設定し、第１駆動信号及び第２駆動信号を光走査部２に出力して外側可動部２３ａ及び内側可動部２３ｂを揺動させる構成である。

前記第１駆動回路３１は、第１駆動信号（例えば、交流電流）を第１共振周波数に合わせて設定された第１駆動周波数で、第１電極端子２６ａ，２６ａを介して第１駆動コイル２５ａに供給する。同様に、前記第２駆動回路３２は、第２駆動信号（例えば、交流電流）を第２共振周波数に合わせて設定された第２駆動周波数で、第２電極端子２６ｂ，２６ｂを介して第２駆動コイル２５ｂに供給する。第１駆動周波数及び第２駆動周波数は、例えば、初期状態における光走査部２の各共振周波数にそれぞれ合わせて初期設定されており、後述するように周波数変更部４からの指令によって変更可能に構成されている。

なお、本実施形態において、二次元ガルバノミラー２０の後述する図５に示す駆動周波数に対する位相差の特性は、位相差が−９０°で駆動周波数が共振周波数（図５においては１３００Ｈｚ）と一致する点を対称点とした点対称な特性を示すものとする。

前記周波数変更部４は、ずれ量検出部８の検出結果に基づいて第１駆動周波数及び第２駆動周波数を変更するものであり、本実施形態においては、後述するようにずれ量検出手段８から、第１駆動周波数に対する第１共振周波数のずれ量である第１ずれ量のデータと、第２駆動周波数に対する第２共振周波数のずれ量である第２ずれ量のデータとが入力されるように構成されている。また、第１駆動周波数及び第２駆動周波数のいずれか一方のずれ量について、大小２つの閾値が予め定められている。本実施形態においては、第２ずれ量について大小２つの閾値が予め設定されており、以下の説明において、第２ずれ量についての小さい方の閾値を第１閾値、大きい方の閾値を第２閾値と言う。

周波数変更部４は、ずれ量（すなわち、本実施形態においては第２ずれ量）が第２閾値よりも大きい場合に、第１駆動周波数及び第２駆動周波数を変更する。周波数変更部４は、具体的には、第１駆動周波数を実際の第１共振周波数に合わせ、第２駆動周波数を実際の第２共振周波数に合わせて、各駆動周波数の変更を行う。周波数変更部４は、例えば、各駆動回路３１，３２が出力している各駆動信号の駆動周波数に第１ずれ量及び第２ずれ量をそれぞれ加算又は減算することにより、実際の各共振周波数を演算し、各駆動周波数をこの演算した各共振周波数に合わせて変更するように各駆動回路３１，３２に指令する。なお、各ずれ量を加算するか減算するかの判断は、例えば、ずれ量検出手段８が検出する後述する位相差の値によって判断する。

前記第２閾値は、各駆動周波数の変更を行うトリガーとして用いられると共に、後述するように投光タイミングの変更（切替）を行うトリガーとしても用いられる。ここで、各駆動周波数を実際の共振周波数に合わせて変更する場合、新たな各駆動周波数と初期設定等された変更前の各駆動周波数との差が大きいと、対象領域内でのレーザ光の走査軌跡が大きく変化するため、この状態で、投光タイミングを変更しないでレーザ光を照射すると、意図する画素内にレーザ光を照射することができなくなるおそれがある。そこで、第２閾値は、温度変動により各共振周波数が変動する状況下において、各駆動周波数と投光タイミングを変更しないでも、意図する画素内にレーザ光を照射可能な限界値（例えば、数Ｈｚ）に応じて適切に設定されている。また、上記第１閾値は、第２閾値より小さくなるように設定されており、後述するように第２閾値との差が、新たな投光タイミングのデータ生成に要する時間に応じた十分な値（差）になるように適切に設定されている。

前記光源部５は、光走査部２の光反射面２４に向かってパルス状のレーザ光を投光するものであり、例えば、光源５１と投光光学系５２とを含む。光源部５が投光するレーザ光の投光タイミングは光源制御部７によって指令される。光源５１は、例えばレーザダイオードであり、光源制御部７からの指令によって発光してパルス状のレーザ光を出射する。投光光学系５２は、例えばコリメータレンズを含み、光源５１が発したレーザ光を平行光に変換する。そして、光源部５から投光されたレーザ光は、光走査部２の光反射面２４で反射されて対象領域内をリサージュ走査される。光反射面２４で反射走査されたレーザ光が対象領域内に存在する物体によって反射されたレーザ光（反射光）は、例えば、光測距装置の受光部１２（例えば、フォトセンサ）で受光される。そして、この受光部１２による反射光の受光タイミングと光源制御部７によるレーザ光の投光タイミングは光測距装置の測距部１３に入力される。これにより、光測距装置の測距部１３は、入力された投光タイミングと受光タイミングとの時間差に基づいて対象領域内に存在する物体までの距離を計測する。このようにして、本実施形態による光走査装置１は、光測距装置の光走査手段として用いられる。

前記記憶部６は、リサージュ走査されるレーザ光が対象領域に予め定める各画素に照射できるようなレーザ光の投光タイミングのテーブルを記憶可能な領域を２つ有するものであり、この２つの領域として第１領域６１と第２領域６２を備えて構成する。例えば、初期状態において、第１領域６１は、後述するように初期設定された投光タイミングのテーブルを記憶し、第２切替部１０ｂを介して光源制御部７と接続されており、第２領域６２は、第１切替部１０ａを介してタイミングテーブル生成部９と接続されており、後述するようにタイミングテーブル生成部９において生成された新たな投光タイミングのテーブルを記憶可能に構成されている。

前記光源制御部７は、第１領域６１及び第２領域６２のいずれか一方に記憶されているテーブルを用いて投光タイミングを光源部５に指令するものであり、第２切替部１０ｂを介して第１領域６１及び第２領域６２のいずれか一方と接続されている。投光タイミングは、例えば、初期状態における光走査部２の各共振周波数にそれぞれ合わせて初期設定された各駆動周波数に応じて定まるリサージュ走査軌跡に沿って走査されるレーザ光が対象領域に予め定める各画素に照射可能に初期設定されている。光源制御部７は、初期状態において、例えば、第２切替部１０ｂを介して第１領域６１と接続されており、第１領域６１に記憶されている投光タイミングのテーブル（初期データ）を読込んで光源部５に投光タイミングを指令するように構成されている。

前記ずれ量検出部８は、第１共振周波数に対する第１駆動周波数のずれ量である第１ずれ量及び第２共振周波数に対する第２駆動周波数のずれ量である第２ずれ量の少なくとも一方を検出するものである。本実施形態において、ずれ量検出部８は、第１ずれ量及び第２ずれ量を検出し、例えば、第１ずれ量検出部８１と、第２ずれ量検出部８２と、図３に示す第１ブリッジ回路８３及び第２ブリッジ回路８４とを備えて構成される。

前記第１ずれ量検出部８１は、例えば、第１駆動回路３１から出力された第１駆動信号と第１ブリッジ回路８３の出力信号（ｘ軸回りの揺動角度信号）との位相差に基づいて上記第１ずれ量を検出する。同様に、前記第２ずれ量検出部８２は、例えば、第２駆動回路３２から出力された第２駆動信号と上記第２ブリッジ回路８４の出力信号（ｙ軸回りの揺動角度信号）との位相差に基づいて第２ずれ量を検出する。

前記第１ブリッジ回路８３は、例えば、Ｐ型拡散抵抗によって、図２に示すように、第１トーションバー２２ａ，２２ａの固定部２１の根元近傍に形成された第１〜第４ピエゾ抵抗素子Ｒ１〜Ｒ４を備えて構成されており、ｘ軸回りの揺動動作（捩れ）によって生じる引張歪み及び圧縮歪みを検出する。そして、第１〜第４ピエゾ抵抗素子Ｒ１〜Ｒ４は、図３に示すように、配線によって接続されてブリッジ回路（入力電圧Ｖｉ，出力電圧Ｖｏ）を構成する。同様に、前記第２ブリッジ回路８４は、例えばＰ型拡散抵抗によって、第２トーションバー２２ｂ，２２ｂの外側可動部２３ａ側の根元近傍に形成された第５〜第８ピエゾ抵抗素子Ｒ５〜Ｒ８を備えて構成されており、ｙ軸回りの揺動動作（捩れ）によって生じる引張歪み及び圧縮歪みを検出する。第５〜第８ピエゾ抵抗素子Ｒ５〜Ｒ８は、図３に示すようにブリッジ回路（入力電圧Ｖｉ，出力電圧Ｖｏ）を構成する。

例えば、外側可動部２３ａ及び内側可動部２３ｂがｘ軸回りの一方に傾斜すると、第１，４ピエゾ抵抗素子Ｒ１，Ｒ４は引張応力を受けるとともに第２，３ピエゾ抵抗素子Ｒ２，Ｒ３は圧縮応力を受け、外側可動部２３ａ及び内側可動部２３ｂがｘ軸回りの他方に傾斜すると、各ピエゾ抵抗素子Ｒ１〜Ｒ４はそれぞれ上記と逆の応力を受ける。Ｐ型拡散抵抗によって形成された第１〜第４ピエゾ抵抗素子Ｒ１〜Ｒ４は、引張応力を受けると抵抗値が増加し、圧縮応力を受けると抵抗値が減少する。このため、第１ブリッジ回路８３からはｘ軸回りの揺動角度（振れ角）に応じた電圧が正弦波として出力される。この出力電圧Ｖoを第１ずれ量検出部８１でモニタすることでｘ軸回りの揺動角度を連続的に検出することができる。同様に、第２ブリッジ回路８４からの出力電圧Ｖｏを第２ずれ量検出部８２でモニタすることでｙ軸回りの揺動角度を連続的に検出することができる。

ここで、ずれ量検出部８によるずれ量の検出原理について図４及び図５を用いて簡単に説明する。図４及び図５は、共にガルバノミラーの周波数特性を示す図であり、図４は、駆動周波数に対するミラーの揺動角度（ゲイン）を示し、図５は、駆動周波数に対する駆動信号とミラーの揺動角度（信号）との位相差を示している。

図５に示すように、ガルバノミラーがその共振周波数（ここでは１３００Ｈｚ）と同一の周波数を有する駆動信号で駆動されると、駆動信号の位相に対してミラーの揺動角度（信号）の位相は９０°遅れ、駆動信号と揺動角度信号との間には９０°の位相差が発生する。すなわち、駆動信号とミラーの揺動角度信号との位相差が９０°でない場合には、駆動周波数とガルバノミラーの共振周波数とが一致していない、換言すれば、温度変化によって図４及び図５に示すガルバノミラーの周波数特性（共振周波数）がシフトしていると考えることができる。ガルバノミラーの周波数特性は予め取得しておくことが可能であるから、駆動信号と揺動角度信号との位相差を検出することで、駆動周波数と実際のガルバノミラーの共振周波数とのずれ量（共振周波数のシフト量）を把握することができる。

上記の検出原理を利用することで、第１ずれ量検出部８１は、光走査部２のｘ軸回りの周波数特性に基づいて第１ずれ量を検出することができ、第２ずれ量検出部８２は、光走査部２のｙ軸回りの周波数特性に基づいて第２ずれ量を検出することができる。具体的には、第１ずれ量検出部８１は、光走査部２のｘ軸回りについて図５に対応する駆動周波数−位相差特性の情報（テーブル等）を有しており、第１駆動信号と第１ブリッジ回路８３の出力信号（揺動角度信号）との位相差から第１ずれ量（第１共振周波数のシフト量）を検出する。同様に、第２ずれ量検出部８２は、ｙ軸回りについて駆動周波数−位相差特性の情報を有し、第２駆動信号と第２ブリッジ回路８４の出力信号との位相差から第２ずれ量（第２共振周波数のシフト量）を検出する。

前記タイミングテーブル生成部９は、例えば、ずれ量検出部８からずれ量の検出結果のデータが入力されるように構成されており、本実施形態においては第２ずれ量が予め定められた第１閾値よりも大きい場合に、すなわち、図５に示す通常使用領域を超えたときに、新たなテーブルの生成を開始し、生成した新たなテーブルを記憶部６の他方の領域（例えば、第２領域６２）に記憶させる。新たなテーブルの生成は、新たなテーブル生成用に第１駆動周波数について予め定める周波数（以下において、「テーブル生成用第１周波数」と言う）と、新たなテーブル生成用に第２駆動周波数について予め定める周波数（以下において、「テーブル生成用第２周波数」と言う）とに基づいて行うように構成されている。

タイミングテーブル生成部９は、具体的には、例えば、周波数変更部４等から現在の第２駆動周波数の情報を読込み、その第２駆動周波数に第２閾値を加算又は減算することによって、テーブル生成用第２周波数を、例えば、投光タイミングのテーブルの計算開始前に予め定めることができる。このテーブル生成用第２周波数は、第２ずれ量が第２閾値と一致したときの実際の第２共振周波数と一致する。タイミングテーブル生成部９は、例えば、温度に応じてそれぞれ変化する第２共振周波数と第１共振周波数を対応付けた「第１共振周波数−第２共振周波数テーブル」を予め有しており、第２駆動周波数と第２閾値から求めた第２共振周波数（すなわち、テーブル生成用第２周波数）と対応する第１共振周波数を、この「第１共振周波数−第２共振周波数テーブル」に基づいて求め、この第１共振周波数をテーブル生成用第１周波数として予め定める。このようにして、タイミングテーブル生成部９は、第２ずれ量が第１閾値よりも大きくなったときに、第２ずれ量が第２閾値と一致するときの各共振周波数にそれぞれ一致するテーブル生成用第１周波数及びテーブル生成用第２周波数に基づいて、新たな投光タイミングのテーブルの生成を開始する。なお、テーブル生成用第２周波数を予め定める際に、第２閾値を加算するか減算するかの判断は、例えば、ずれ量検出手段８が検出する位相差の値によって判断する。また、タイミングテーブル生成部９は、例えば、初期状態においては、第２領域６２に接続されており、新たな投光タイミングのテーブル生成が完了するとそのデータを第２領域６２に出力して記憶させる。

ここで、上記第１閾値は、第２閾値より小さく、かつ、第２閾値との差が新たな投光タイミングのテーブル生成に要する時間（数秒）に対応した十分な値（差）、例えば、２Ｈｚ程度になるように、適切に設定されている。これにより、第２ずれ量が第１閾値より大きくなったときに開始した新たなテーブル生成を、第２ずれ量が第２閾値に達するまでに（すなわち、図５に示すテーブル生成領域内で）完了させることができる。なお、第１閾値と第２閾値との差は、一例として２Ｈｚとしたが、これに限らず、温度変動による各共振周波数の変動特性や走査部２の周辺の温度の変動状況等に基づいて適宜設定される。

前記切替部１０は、ずれ量（すなわち、本実施形態においては第２ずれ量）が第２閾値よりも大きい場合に、光源制御部７の投光タイミング指令用のテーブルの読込先を他方の領域に（例えば、第２領域６２）に切替えるものであり、例えば、第１切替部１０ａと第２切替部１０ｂとを備えて構成する。

前記第１切替部１０ａは、タイミングテーブル生成部９を記憶部６の第１領域６１及び第２領域６２のいずれか一方と切替可能に接続するものであり、例えば、初期状態においては、タイミングテーブル生成部９を第２領域６２に接続させており、タイミングテーブル生成部９が新たなテーブル生成を完了させるとそのデータを第２領域６２に出力可能にしている。第１切替部１０ａは、例えば、第２切替部１０ｂの切替動作と同期してタイミングテーブル生成部９の接続先を切替えるように構成されている。第１切替部１０ａは、例えば、後述するように第２切替部１０ｂが光源制御部７の接続先を第１領域６１から第２領域６２に切替えるとき、タイミングテーブル生成部９の接続先を第２領域６２から第１領域６１に切替える。これにより、光源制御部７が光源部４への投光タイミング指令用にアクセスしている領域に、次に生成される別の投光タイミングのテーブルを上書きしないようにする。

前記第２切替部１０ｂは、光源制御部７を記憶部６の第１領域６１及び第２領域６２のいずれか一方と切替可能に接続するものであり、例えば、初期状態においては、光源制御部７を第１領域６１に接続させている。第２切替部１０ｂは、第２ずれ量が第２閾値よりも大きくなった場合、例えば、接続先を切替える指令をタイミングテーブル生成部９等から受けることで、光源制御部７の接続先を第１領域６１から第２領域６２に切替える。これにより、光源制御部７は新たなテーブルを読込んで光源部５に新たな投光タイミングを指令する。このようにして、投光タイミングを瞬間的に切替えることができる。

前記リセット部１１は、記憶部６が新たな投光タイミングのテーブルを他方の領域（すなわち、本実施形態において、新たなテーブルが始めて生成された場合であれば、第２領域６２）に記憶している場合に、ずれ量検出手段８の検出結果に基づいて新たなテーブルを消去するように構成されている。リセット部１１は、具体的には、新たなテーブル生成が完了し、そのテーブルが記憶されているにも関わらず、第２ずれ量が第１閾値以下になった場合（後述する図６に示すステップＳ９：ＹＥＳ）に、新たなテーブルを記憶保持する必要がないと判定しそのテーブルのデータを消去（リセット）する。これにより、無駄なデータの記憶保持をさせないようにすることができる。

次に、以上のような構成を有する光走査装置１の投光タイミングの切替動作及び各駆動周波数の変更動作について、図１，図６〜図８に基づいてそれぞれ説明する。

まず、図６及び図７に基づいて、投光タイミングの切替動作について説明する。
図６に示すように、ステップＳ１において、駆動部３は、各駆動信号をそれぞれの駆動周波数で出力する。この際、周波数変更部４は、現在の駆動周波数の情報をタイミングテーブル生成部９に出力する。

ステップＳ２において、第１ずれ量検出部８１は、第１駆動信号と第１ブリッジ回路８３の出力信号との位相差に基づいて第１ずれ量を検出し、第２ずれ量検出部８２は、第２駆動信号と第２ブリッジ回路８４の出力信号との位相差に基づいて第２ずれ量を検出する。そして、各ずれ量の検出結果及び各位相差は、タイミングテーブル生成部９及び周波数変更部４に出力される。この各位相差は、後述するステップＳ８１，Ｓ２３において、各共振周波数のシフト方向の判定に利用される。

ステップＳ３において、タイミングテーブル生成部９は、入力された第２ずれ量が第２閾値よりも大きいか否かを判定する。第２ずれ量が第２閾値より大きくない場合は、ステップＳ４に進む。

ステップＳ４において、タイミングテーブル生成部９は、入力された第２ずれ量が第１閾値よりも大きいか否かを判定する。第２ずれ量が第１閾値より大きくなった場合は、ステップＳ５に進む。第２ずれ量が第１閾値より大きくない場合は、ステップＳ２に戻る。

ステップＳ５において、タイミングテーブル生成部９は、新たな投光タイミングのデータ（以下において、「タイミングテーブル」と言う）を生成済であるか否かを判定する。この判定は、タイミングテーブル生成済フラグがＯＮされているか否かで判定する。タイミングテーブル生成済フラグがＯＮされていないと判定した場合（すなわち、生成済でない場合）は、ステップＳ６に進む。このタイミングテーブル生成済フラグは、後述するステップＳ８５でＯＮされ，ステップＳ１２でＯＦＦされる。

ステップＳ６において、タイミングテーブル生成部９は、新たなタイミングテーブルを生成中であるか否かを判定する。この判定は、タイミングテーブル生成中フラグがＯＮされているか否かで判定する。タイミングテーブル生成中フラグがＯＮされていると判定した場合（すなわち、生成中の場合）は、ステップＳ２に戻り、タイミングテーブル生成中フラグがＯＮされていないと判定した場合（すなわち、生成中でない場合）は、ステップ７に進む。このタイミングテーブル生成中フラグは、後述するステップＳ７でＯＮされ，ステップＳ８４でＯＦＦされる。

そして、タイミングテーブル生成部９は、ステップＳ７において、タイミングテーブル生成中フラグをＯＮし、ステップＳ８において、図７に示すタイミングテーブルの生成タスクを開始すると共にステップＳ２に戻り、この生成タスクと並行してステップＳ２〜Ｓ６の判定処理を、タイミングテーブル生成済フラグがＯＮ（ステップＳ８５）されるまで行う。

ここで、タイミングテーブルの生成タスクのフローを図７に基づき詳述する。タイミングテーブル生成部９は、ステップＳ８１において、各ブリッジ回路８３，８４から入力された各位相差の絶対値が、９０°より小さいか否かを判定する。９０°より小さい場合は、第２共振周波数が高周波側にシフトしているため、ステップＳ８２に進み、周波数変更部４から入力されている現在の第２駆動周波数に第２閾値を加算することによってテーブル生成用第２周波数を定め、このテーブル生成用第２周波数と予め有する「第１共振周波数−第２共振周波数テーブル」に基づいてテーブル生成用第１周波数を定め、このテーブル生成用第１周波数とテーブル生成用第２周波数とに基づいて、新たなタイミングテーブルの計算を行う。一方、９０°より大きい場合は、共振周波数が低周波側にシフトしているため、ステップＳ８３に進み、現在の第２駆動周波数から第２閾値を減算することによってテーブル生成用第２周波数を定め、ステップＳ８２と同様にして、テーブル生成用第１周波数を定め、このテーブル生成用第１周波数とテーブル生成用第２周波数とに基づいて新たなタイミングテーブルの計算を行う。そして、ステップＳ８２又はステップＳ８３において、新たなタイミングテーブルの計算が完了すると、光源制御部７が接続されていない方の記憶部６（第１領域６１又は第２領域６２）に生成したタイミングテーブルのデータを記憶させ、次のステップＳ８４に進み、タイミングテーブル生成中フラグをＯＦＦし、ステップＳ８５に進み、タイミングテーブル生成済フラグをＯＮする。これらステップＳ８１〜Ｓ８５により、タイミングテーブル生成タスクが終了する。

次に、図６に戻って、ステップＳ５において、タイミングテーブル生成済フラグがＯＮされていると判定された場合（すなわち、生成済である場合）は、ステップＳ９に進む。ステップＳ９において、リセット部１１は、第２ずれ量が第１閾値以下であるか否かを判定する。第２ずれ量が第１閾値以下でない場合は、ステップＳ１０に進む。一方、第２ずれ量が第１閾値以下である場合、新たなタイミングテーブルを記憶保持する必要がないと判定し、ステップＳ９’に進む。そして、ステップＳ９’において、新たなタイミングテーブルを消去（リセット）し、後述するステップＳ１２に進む。

ステップＳ１０において、タイミングテーブル生成部９は、第２ずれ量が第２閾値よりも大きいか否かを、再度判定し、第２ずれ量が第２閾値より大きくなったと判定した場合、第２切替部１０ｂに接続先を切替える指令をし、次のステップＳ１１に進む。一方、ステップＳ１０において、第２ずれ量が第２閾値より大きくなっていない場合は、ステップＳ９に戻り、ステップＳ１０においてＹＥＳの判定がされるまで、タイミングテーブルの切替待ちとなる。

ステップＳ１１において、第２切替部１０ｂは、タイミングテーブル生成部９からの指令に基づいて、光源制御部７の投光タイミング指令用のタイミングテーブルの読込先を切替え、光源制御部７は、新たなテーブルを読込んで光源部５に新たな投光タイミングを指令する。この第２切替部１０ｂの切替動作の際、第１切替部１０ａは、タイミングテーブル生成部９の接続先を、第２切替部１０ｂが接続した領域とは反対の領域に切替える。そして、これらの切替動作後、ステップＳ１２に進む。

ステップＳ１２において、タイミングテーブル生成部９は、タイミングテーブル生成済フラグをＯＦＦして、タイミングテーブルの一連の切替処理が完了する。そして、ステップＳ２に戻り、各ずれ量のモニタリング継続し、タイミングテーブルの切替処理を随時可能にする。

なお、ステップＳ３において、第２ずれ量が第１閾値より大きいことを検出する前に、又は、新たなテーブルの生成が完了する前に、第２ずれ量が第２閾値より大きいこと検出した場合、ステップＳ４’に進み、例えば、ずれ量検出部８から光源部５へ停止指令を出力し、光源部５からのレーザ光の投光を停止させる。第１閾値は、第２閾値より小さく、かつ、第２閾値との差がテーブル生成に要する時間（数秒）に対応した十分な値になるように設定されている。このため、通常は、第２ずれ量が第１閾値より大きいことを検出する前に、又は、新たなテーブルの生成が完了する前に、第２ずれ量が第２閾値より大きいこと検出、すなわち、ステップＳ３でＹＥＳと判定することはないが、駆動開始時の装置の周辺温度が既に例えば装置の使用許容温度の範囲を超えている場合や、投光タイミングのデータ生成中に通常は生じ得ない瞬間的かつ過大な温度変化が、万が一生じてしまった場合等のことを想定して、システムを停止可能にしている。なお、かならずしも、ステップＳ３，Ｓ４を設けなくてもよい。

次に、図８に基づいて、各駆動周波数の変更処理について説明する。なお、ステップＳ２０，Ｓ２１はそれぞれ図７のステップＳ１，Ｓ２と同じ内容のため説明を簡略化する。

まず、ステップＳ２１において、駆動部３は、各駆動信号をそれぞれの駆動周波数で出力する。ステップＳ２２において、ずれ量検出部８は各ずれ量を検出しその検出結果及び各位相差を周波数変更部４及びタイミングテーブル生成部９に出力する。

そして、ステップＳ２３において、周波数変更部４は、タイミングテーブル生成部９におけるステップＳ１０と同様に、入力された第２ずれ量が第２閾値よりも大きいか否かを判定する。ここで、第２ずれ量が第２閾値より大きくなった場合は、ステップＳ２４に進み、現在の第１駆動周波数に第１ずれ量を加算又は減算し、現在の第２駆動周波数に第２ずれ量を加算又は減算することにより、実際の各共振周波数を求め、各駆動周波数をこの求めた各共振周波数に合わせて変更するように各駆動回路３１，３２に指令する。これにより、駆動周波数の変更処理が完了する。一方、ステップＳ２３において、第２ずれ量が第２閾値より大きくなっていない場合は、ステップＳ２２に戻り、ステップＳ２３においてＹＥＳの判定がされるまで各駆動周波数は変更されない。

このように、本実施形態による光走査装置１によれば、大小２つの閾値（第１閾値、第２閾値）の差を新たなテーブル生成に要する時間に対応した十分な値（差）になるように適切に設定するだけで、ずれ量が第１閾値より大きくなったときに開始したテーブル生成を、ずれ量が第２閾値に達するまでに完了させることができる。したがって、投光タイミングのテーブル切替と各駆動周波数の変更を同時に行うことができるので、初期設定された投光タイミングでは意図する画素にレーザ光を照射できない状況においても、投光タイミングのテーブル生成待ちによる装置停止を抑制することができる。また、投光タイミングのテーブルを予め複数記憶させる必要がない。

本実施形態において、第２駆動周波数のずれ量について、大小２つの閾値を予め定めた場合で説明したが、これに限らず、第１ずれ量について大小２つの閾値（第１閾値及び第２閾値）を予め適切に設定してもよい。この場合、タイミングテーブル生成部９は、第１ずれ量が第１閾値よりも大きい場合に、第１駆動周波数と第２閾値に基づきテーブル生成用第１周波数を定め、このテーブル生成用第１周波数と、「第１共振周波数−第２共振周波数テーブル」に基づいてテーブル生成用第２周波数を定め、このテーブル生成用第１周波数とテーブル生成用第２周波数とに基づいて、新たなテーブル生成を開始し、第１ずれ量が第１閾値よりも大きく設定された第２閾値よりも大きい場合に、タイミングテーブルの切替及び各駆動周波数の変更を行うように構成する。このように、第１閾値及び第２閾値は、第１駆動周波数及び第２駆動周波数のいずれか一方のずれ量について予め定められていればよい。

また、本実施形態おいて、揺動角度信号は、ピエゾ抵抗素子で構成したブリッジ回路の出力電圧を用いた場合で説明したが、これに限るものではなく、ピエゾ抵抗素子で構成したブリッジ回路の出力電圧以外の信号を用いてもよい。例えば、特開２００４−７８１３０号公報や特開２００４−２４２４８８号公報に記載されているように、第１駆動コイル２５ａ及び第２駆動コイル２５ｂに発生する逆起電力を検出し、これをｘ軸回り及びｙ軸回りの揺動角度信号とすることができる。但し、この場合においては、共振周波数と一致する周波数を有する駆動信号で光走査部３が駆動されると、駆動信号と揺動角度信号（逆起電力信号）との位相差は０°になる。

また、揺動角度信号を用いることなく、光走査部２又はその近傍の温度に基づいて第１ずれ量及び第２ずれ量を検出するようにしてもよい。図示省略するが、光走査部２又はその近傍の温度を検出する温度センサを設け、ｘ軸回り及びｙ軸回りのそれぞれについて光走査部２又はその近傍の温度と共振周波数とが対応付けられた「温度−第１共振周波数テーブル（図９（ａ）参照）」及び「温度−第２共振周波数テーブル（図９（ｂ）」参照を駆動部３に記憶させておく。このようにすれば、駆動部３は、温度センサの検出結果に基づいて温度−共振周波数テーブルを参照することにより、第１ずれ量と第２ずれ量をそれぞれ検出（算出）することができる。

また、本実施形態において、駆動部３は各駆動周波数を対応する軸回りの共振周波数に合わせてそれぞれ設定し、ずれ量検出部８は各駆動周波数についてのずれ量をそれぞれ検出し、周波数変更部４は各駆動周波数を対応する軸回りの共振周波数にそれぞれ合わせて変更する構成で説明したが、これに限らず、駆動部３は第１駆動周波数及び第２駆動周波数のいずれか一方を対応する軸回りの共振周波数に合わせて設定し、ずれ量検出部８は第１駆動周波数及び第２駆動周波数のうち、共振周波数に合わせて設定された方についてのずれ量を検出し、周波数変更部４は第１駆動周波数及び第２駆動周波数をこれらの周波数比を維持しつつ変更する構成であってもよい。

このように周波数比を維持しつつ変更する場合であって、第１駆動周波数を第１共振周波数と合わせて設定する場合は、第１ずれ量について第１閾値及び第２閾値を設定する。この場合、周波数変更部４は、第１駆動周波数については、第１駆動回路３１が出力している第１駆動信号の第１駆動周波数に第１ずれ量を加算又は減算することにより、実際の第１共振周波数を演算し、第１駆動周波数をこの演算した第１共振周波数に合わせて変更し、第２駆動周波数については、第１駆動周波数との周波数比が変化しないように上記変更された第１駆動周波数に応じて変更するように構成する。また、タイミングテーブル生成部９は、テーブル生成用第１周波数については、現在の第１駆動周波数に第２閾値を加算又は減算することによって定め、テーブル生成用第２周波数については、テーブル生成用第１周波数との周波数比が変化しないようにテーブル生成用第１周波数に応じて定め、このテーブル生成用第１周波数及びテーブル生成用第２周波数に基づいて、新たな投光タイミングのテーブルの生成を開始するように構成する。

同様に、周波数比を維持しつつ変更する場合であって、第２駆動周波数を第２共振周波数と合わせて設定する場合は、第２ずれ量について第１閾値及び第２閾値を設定する。この場合、周波数変更部４は、第２駆動周波数については、第２駆動回路３１が出力している第２駆動信号の第２駆動周波数に第２ずれ量を加算又は減算することにより、実際の第２共振周波数を演算し、第２駆動周波数をこの演算した第２共振周波数に合わせて変更し、第１駆動周波数については、第２駆動周波数との周波数比が変化しないように上記変更された第２駆動周波数に応じて変更するように構成する。また、タイミングテーブル生成部９は、テーブル生成用第２周波数については、現在の第２駆動周波数に第２閾値を加算又は減算することによって定め、テーブル生成用第１周波数については、テーブル生成用第２周波数との周波数比が変化しないようにテーブル生成用第２周波数に応じて定め、このテーブル生成用第１周波数及びテーブル生成用第２周波数に基づいて、新たな投光タイミングのテーブルの生成を開始するように構成する。

また、本実施形態において、二次元ガルバノミラー２０の駆動周波数に対する位相差の特性は、位相差が−９０°で駆動周波数が共振周波数と一致する点を対称点とした点対称な周波数特性を示す場合で説明したが、これに限らず、図１０に示すように、共振周波数を中心として低周波数側と高周波数側とで非対称（非点対称）な周波数特性を示す場合であってもよい。この場合、図１０に示すように、第１閾値を低周波側と高周波側それぞれに対して適宜設定し、また、第２閾値についても、低周波側と高周波側それぞれに対して適宜設定し、タイミングテーブル生成部９等において、低周波側か高周波側のいずれの閾値（第１閾値、第２閾値）を用いるかの判断は、例えば、ずれ量検出手段８が検出する位相差の値によって判断するように構成する。

また、本実施形態では、光走査部２として電磁駆動式の二次元ガルバノミラーを用いているが、本発明はこれに限定されるものではなく、二つの一次元ガルバノミラーの回転軸が互いに直交するように配置する構成の光走査部２にも適用することが出来る。さらに、本実施形態では、光走査部２の駆動方式として電磁駆動式を用いているが、本発明はこれに限定されるものではなく、静電方式、圧電方式などの各種の駆動方式を光走査部２に適用することができる。

さらに、本実施形態では、光走査装置１を光測距装置の光走査手段として用いた場合で説明したが、光走査装置１は、これに限らず、レーザ走査型のプロジェクタにおける光走査手段としても用いることができる。

１・・・光走査装置
２・・・光走査部
３・・・駆動部
４・・・周波数変更部
５・・・光源部
６・・・記憶部
７・・・光源制御部
８・・・ずれ量検出部
９・・・タイミングテーブル生成部
１０・・切替部
１１・・リセット部
２３ａ・外側可動部（可動部）
２３ｂ・内側可動部（可動部）
２４・・光反射面
６１・・第１領域（領域）
６２・・第２領域（領域）

Claims (6)

1. パルス光が投光される可動部を直交二軸回りに揺動させる各信号のそれぞれを、対応する軸回りの共振周波数に合わせた周波数で出力した後、各軸回りの共振周波数のシフト量を検出し、
   一方の軸回りの前記シフト量が第１閾値より大きい場合に、前記一方の軸回りの前記信号の周波数と、前記第１閾値より大きい第２閾値と、前記各共振周波数を予め対応付けたテーブルとに基づく前記パルス光の新投光タイミングの生成を開始し、
   前記一方の軸回りのシフト量が前記第２閾値より大きい場合に、前記パルス光を前記新投光タイミングで投光し、前記各信号の周波数を対応する軸回りの共振周波数に合わせて変更する光走査装置。
2. 前記新投光タイミングのテーブルを記憶した後に検出された前記一方の軸回りのシフト量が前記第１閾値以下になった場合に、前記新投光タイミングのテーブルを消去する請求項１に記載の光走査装置。
3. 前記一方の軸回りのシフト量が前記第１閾値より大きいことを検出する前に、又は、前記新投光タイミングの生成が完了する前に、前記一方の軸回りのシフト量が前記第２閾値より大きいこと検出する場合、前記パルス光の投光を停止させる請求項１又は２に記載の光走査装置。
4. パルス光が投光される可動部を直交二軸回りに揺動させる各信号の一方を、対応する軸回りの共振周波数に合わせた周波数で出力した後、前記共振周波数のシフト量を検出し、
   前記シフト量が第１閾値より大きい場合に、前記一方の信号の前記周波数と、前記第１閾値より大きい第２閾値と、前記各信号の周波数についての周波数比とに基づく前記パルス光の新投光タイミングの生成を開始し、
   前記シフト量が前記第２閾値より大きい場合に、前記パルス光を前記新投光タイミングで投光し、前記一方の信号の周波数を対応する軸回りの共振周波数に合わせると共に他方の前記信号の周波数を前記周波数比を維持しつつ変更する光走査装置。
5. 前記新投光タイミングのテーブルを記憶した後に検出された前記シフト量が前記第１閾値以下になった場合に、前記新投光タイミングのテーブルを消去する請求項４に記載の光走査装置。
6. 前記シフト量が前記第１閾値より大きいことを検出する前に、又は、前記新投光タイミングの生成が完了する前に、前記シフト量が前記第２閾値より大きいこと検出する場合、前記パルス光の投光を停止させる請求項４又は５に記載の光走査装置。