JP6055700B2 - 光偏向モジュール - Google Patents

Description

本発明は、光偏向器と該光偏向器を制御する制御装置とを含む光偏向モジュールに関する。

ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）デバイスとしての光偏向器及びその制御装置を含む光偏向モジュールが知られている（例：特許文献１）。

特許文献１の光偏向モジュールでは、光偏向器は、ミラー部と、制御装置からの駆動電圧を圧電変形部の圧電素子層に印加され該圧電変形部を該駆動電圧の大きさに応じて湾曲変形することによりミラー部を所定の軸線の周りに揺動させる圧電アクチュエータとを備えている。また、制御装置は、一定周期の繰返し信号を光偏向器に供給し、該繰返し信号の各周期は、周期の１／２〜３／４期間の駆動電圧印加期間と残りの１／４〜１／２期間の電圧無印加期間とから成る。

特許文献１の光偏向モジュールは、繰返し信号の各周期に１／４〜１／２期間の電圧無印加期間を含ませることにより、該電圧無印加期間では、圧電アクチュエータを慣性力で動作させて、圧電素子層の消費電力を低減するとともに、圧電素子層の寿命増大を図っている。

特開２０１２−１５４９８９号公報

ＭＥＭＳデバイスの光偏向器は、外力による影響を避けるために、ミラー部及び圧電アクチュエータを含む可動部の剛性を高くして、固有振動周波数を高めることが有利である。その際、光偏向器の圧電アクチュエータとして、ユニポーラ型が採用される場合、該圧電アクチュエータの圧電素子層の印加電圧は、剛性の増大に合わせて、増大する必要がある。想定される印加電圧は、例えば、５０Ｖp-p（p-pは「ピーク・ツー・ピーク」を意味する。）以上となる。

図１３は、光偏向器の圧電アクチュエータの圧電素子層に印加するユニポーラ型駆動電圧の一例を示している。図１３のユニポーラ型駆動電圧は、５０Ｖp-p、２５Ｖoffset及び６０Ｈｚの正弦波となっており、０Ｖ〜５０Ｖの範囲で増減する。図１３において、ｔ1はユニポーラ型駆動電圧が最大値になる時刻であり、ｔ2はユニポーラ型駆動電圧が最小値になる時刻であり、ｔ3は、時刻ｔ1の次に、ユニポーラ型駆動電圧が最大値になる時刻である。ｔ1−ｔ3の時間がユニポーラ型駆動電圧の１周期となる。

光偏向器の圧電アクチュエータの圧電素子層に図１３のユニポーラ型駆動電圧を印加すると、圧電素子の飽和という問題が起きる。すなわち、後述の図１１の実験グラフに「未対策品」の特性として示しているように、圧電素子層に印加するユニポーラ型駆動電圧のp-p電圧を０から徐々に上げて行き、ユニポーラ型駆動電圧が５０Ｖp-p近くまで来ると、ミラー部の１／２振れ角（２分の１振れ角＝回転軸線の周りのミラー部の振れ角について真正面に対する各片側範囲における最大振れ時の振れ角の絶対値）は、ユニポーラ型駆動電圧のさらなる増大にもかかわらず、７．４°近辺で一定になり、それ以上増大しないことが知見された。

また、光偏向器の圧電アクチュエータの圧電素子層に図１３のユニポーラ型駆動電圧を連続印加すると、連続印加時間の増大に伴い、１／２振れ角が徐々に低下する問題が起きる。すなわち、後述の図１２の実験グラフに「未対策品」の特性として示しているように、連続印加時間を増大していくと、連続印加時間が１００時間になる辺りから１／２振れ角が徐々に低下し、連続印加時間が１万時間に達する頃には、１／２振れ角が当初の７．８°から３．２°に低下することが知見された。

このような振れ角の飽和や連続印加に伴う振れ角の低下という問題の原因として考えられることは、圧電アクチュエータの圧電素子層をユニポーラ型駆動電圧により駆動すると、圧電素子層内において＋側及び−側の電圧印加面の近傍にそれぞれ＋及び−の電荷（陽イオン及び陰イオン）が滞留し、この滞留電荷が、圧電素子層内に逆電界を生成して、実効電界を弱めてしまうということである。したがって、圧電素子層に逆極性の電圧を印加して、圧電素子層内の滞留電荷を除去すれば、このような問題は解消すると予想される。

そこで、発明者は、光偏向器の圧電アクチュエータの圧電素子層に印加する駆動電圧を図１３のものから図１４のものに変更して、問題の解消を試みた。図１４の駆動電圧は、図１３の駆動電圧の２５Ｖoffsetを２４Ｖoffsetに変更しているだけである。図１４の駆動電圧は、−１Ｖ〜４９Ｖの範囲で振れるので、すなわち負の範囲が含まれるので、厳密にはユニポーラ型駆動電圧ではなくなる。

図１４の駆動電圧による圧電素子層の駆動を試みたにもかかわらず、実験結果として、振れ角の飽和や連続印加に伴う振れ角の低下という問題は解消されないことが判明した。理由としては、図１４の駆動電圧では、圧電素子層の駆動電圧が−１Ｖ〜０Ｖの範囲にある期間が、１周期の１７％であり、６０サイクルで時間換算すると、１周期における逆極性電圧印加時間が２．８３ｍｓｅｃであり、１回の逆極性電圧印加時間が短か過ぎるからであると考えられる。一般に、圧電素子層内に滞留した電荷を圧電素子層から自然放電で抜くためには、少なくとも１秒以上かかる。また、光偏向器の作動期間に、圧電アクチュエータの作動を１秒以上停止することは困難である。

本発明の目的は、光偏向器の圧電アクチュエータの圧電素子層をユニポーラ型駆動電圧で駆動する場合に、光偏向器の作動を停止することなく、圧電素子層内の滞留電荷を除去することで振れ角の低下を防止する光偏向モジュールを提供することである。

本発明の光偏向モジュールは、偏向器と該光偏向器を制御する制御装置とを含む。前記光偏向器は、ミラー部と、圧電素子層への印加電圧の大きさに応じて湾曲変形する圧電変形部を有し、前記ミラー部を含む可動部が所定の軸線の周りに固有振動する時の固有振動周波数に等しい周波数のユニポーラ型駆動電圧が、前記圧電素子層への印加電圧として前記制御装置から供給されて、前記圧電変形部の湾曲変形により前記ミラー部を前記所定の軸線の周りに揺動させる圧電アクチュエータとを備える。前記制御装置は、前記ユニポーラ型駆動電圧の各周期において前記圧電変形部の湾曲変形が減少する減少側半周期内の所定時間範囲では、前記ユニポーラ型駆動電圧に代えて、周波数が１０ｋＨｚ以上で振幅が前記圧電素子層の分極方向を反転させない範囲となっている交流電圧を前記圧電変形部の前記圧電素子層の印加電圧として前記光偏向器に供給する。

本発明によれば、ユニポーラ型駆動電圧の各周期において圧電変形部の湾曲変形が減少する減少側半周期内の所定時間範囲では、圧電素子層へのユニポーラ型駆動電圧の印加が中止されるが、減少側半周期では、圧電変形部は、ユニポーラ型駆動電圧により駆動されなくても、自らの復元力により固有振動を継続する。そして、該減少側半周期の所定時間範囲において、周波数が１０ｋＨｚ以上で振幅が前記圧電素子層の分極を反転させない値となっている交流電圧が圧電素子層に印加されることにより、圧電素子層から滞留電荷を除去する。したがって、光偏向器の作動を停止することなく、振れ角の減少をすることができる。

好ましくは、前記所定時間範囲の長さは、前記固有振動周波数の周期の０．３〜０．４５である。

この構成によれば、ユニポーラ型駆動電圧の供給中止に因るミラー部の振れ角の減少を十分に抑えることができる。

好ましくは、前記所定時間範囲の開始時刻は、前記減少側半周期の開始時刻より後であり、前記所定時間範囲の終了時刻は、前記減少側半周期の終了時刻より前である。

この構成によれば、圧電変形部の湾曲変形の増減の反転時刻としての減少側半周期の開始時刻及び終了時刻には、ユニポーラ型駆動電圧が圧電アクチュエータに印加して、圧電アクチュエータの湾曲変形の増減反転を誘導することになるので、圧電変形部は、変形のオーバシュートやアンダシュートを抑制されて、湾曲変形の増減反転を的確に行うことができる。

好ましくは、前記光偏向器は、前記ミラー部を前記所定の軸線とは別の軸線の周りに別の固有振動周波数で揺動させるバイポーラ型圧電アクチュエータを備え、前記交流電圧の周波数は、前記別の固有振動周波数の高調波の周波数から所定値以上ずれている周波数に選定されている。

この構成によれば、圧電素子層内からの滞留電荷除去のための圧電素子層への交流電圧の印加が、バイポーラ型圧電アクチュエータによる別の軸線の周りのミラー部の揺動に与える影響を抑制することができる。

光スキャナの構成図。 光偏向器の模式的な縦断面図 制御装置のブロック図。 制御装置の偏向制御部のブロック図。 ミアンダ型アクチュエータの圧電素子層についての印加電圧と変位量との関係のヒステリシス特性を示す図。 ミアンダ型アクチュエータの圧電素子層の印加電圧範囲を図５の線形範囲に限定したときの圧電素子層についての印加電圧と変位量との関係のヒステリシス特性を示す図。 制御装置が光偏向器に供給する垂直駆動電圧の波形図。 ミアンダ型アクチュエータへのユニポーラ型駆動電圧の供給を一時的に停止したときのミラー部の振れ角の変化を調べた実験の結果を示す図。 図８の実験結果に基づいてユニポーラ型駆動電圧の周期におけるユニポーラ型駆動電圧の占有率と振れ角との関係を示したグラフ。 光偏向器において双腕型アクチュエータの作動は停止しミアンダ型アクチュエータには滞留電荷除去用交流電圧のみを印加したときの滞留電荷除去用交流電圧の周波数と縦回転軸線の周りの光偏向器の揺動振幅との関係を調べた実験グラフ。 実施形態と未対策品とについてミアンダ型アクチュエータのカンチレバーの圧電素子層に印加する垂直駆動電圧とミラー部の１／２振れ角との関係を調べた実験結果のグラフ。 実施形態と未対策品とについて垂直駆動電圧を連続印加したときの連続印加時間とミラー部の１／２振れ角との関係を調べた実験結果のグラフ。 未対策品の光偏向器のミアンダ型アクチュエータの垂直駆動電圧を示す図。 図１３の垂直駆動電圧のオフセット量を下へ１Ｖ変更した駆動電圧を示す図。

図１を参照して、光スキャナ１の全体構成について説明する。光スキャナ１は、主要構成要素として、制御装置２、光偏向器３、レーザ光源４及びビームスプリッタ５を備える。制御装置２及び光偏向器３は光偏向モジュール８を構成する。画像ソース器１１及びスクリーン１２は、光スキャナ１の構成要素とは別個に、光スキャナ１の外部に配備される。

レーザ光源４は直進光線Ｌaを出射する。直進光線Ｌaは、ビームスプリッタ５のハーフミラーを直進で通過し、光偏向器３のミラー部３３の前面のミラー面に当たって、反射し、走査光線Ｌbとなる。走査光線Ｌbは、ビームスプリッタ５の方へ進行し、ビームスプリッタ５のハーフミラーにおいて直角に反射し、走査光線Ｌcとなる。走査光線Ｌcは、スクリーン１２の方へ進み、スクリーン１２を走査する。ビームスプリッタ５を直進光線Ｌaの光軸の周りに回転することにより、ハーフミラーの反射面が直進光線Ｌaの光軸の周りに回転し、スクリーン１２の位置に合わせて走査光線Ｌcの向きを調整することができる。

制御装置２は、例えばＤＶＤプレーヤやＰＣ（パソコン）等の画像ソース器１１から動画や静止画のコンテンツの画像信号Ｓ11を入力し、該画像信号Ｓ11に基づいてレーザ光源４の直進光線Ｌaの輝度や色を制御信号Ｓ2b及び光偏向器３のミラー部３３の振れ角を制御する制御信号Ｓ2aを生成し、光偏向器３及びレーザ光源４へ出力する。この結果、スクリーン１２には、画像ソース器１１が制御装置２に出力した画像信号Ｓ11に対応する画像が表示される。

なお、カラーの画像に対応する場合には、レーザ光源４は赤、緑及び青の３色が用意され、各色の直進光線Ｌaについて輝度が調整される。

光偏向器３の構成について詳細に説明する。説明の便宜上、原点ｏ、ｘ軸及びｙ軸を定義する。また、この実施形態では、光偏向器３は、矩形の外側支持枠３１の長辺方向及び短辺方向をそれぞれ水平方向及び垂直方向（＝鉛直方向）に揃えて配設されていると想定する。ミラー部３３は、後述するように、制御装置２から光偏向器３への制御信号Ｓ2aに応じてミラー部３３の振れ角が制御されるようになっているが、ミラー部３３が光偏向器３のまっすぐ前方を向いている時をミラー部３３の「基準向き」と定義する。

ミラー部３３の基準向きにおいて、原点ｏはミラー部３３の前面の中心、ｘ軸及びｙ軸は、該前面上に含まれ、外側支持枠３１の長辺方向及び短辺方向の軸と定義する。光偏向器３の前後方向はｘ軸及びｙ軸の両方に対して直角な方向となる。光偏向器３の前側及び後ろ側は、それぞれＭＥＭＳデバイスとしての光偏向器３の表側及び裏側でもある。図１における光偏向器３は、正面図で描かれている。光偏向器３の左右を光偏向器３の正面視したときの左右と定義する。

光偏向器３は、正面視で左右対称の構造となっている。外側支持枠３１、内側支持枠３２及びミラー部３３は、中心を原点ｏに揃えられる。内側支持枠３２は外側支持枠３１の内周側に配設され、ミラー部３３は内側支持枠３２の内周側に配設される。

ミアンダ型アクチュエータ３５ａ，３５ｂは、外側支持枠３１の内周側において、内側支持枠３２の左右両側に配設される。ミアンダ型アクチュエータ３５ａ，３５ｂは、ｙ軸に対して対称となっているので、ミアンダ型アクチュエータ３５ａについてのみ説明する。ミアンダ型アクチュエータ３５ａは、長手方向がｙ軸に対して平行に揃えられている４つのカンチレバー３９と、カンチレバー３９を直列に連結する３つの折返し部３８とを有し、基端側において外側支持枠３１の短辺部の下端部に結合し、先端部において内側支持枠３２の縦辺の下部に結合している。

双腕型アクチュエータ３６ａ，３６ｂは、内側支持枠３２の内周側においてミラー部３３の左右両側に配設される。２つのバー４０は、ミラー部３３の静止時では、軸線をｙ軸に揃え、ミラー部３３からそれぞれ上及び下に突出している。双腕型アクチュエータ３６ａ，３６ｂは双腕部４１を有している。双腕部４１は、半楕円周状の中間部を１つの基端部とし、上下の両端部を２つの先端部としている。双腕部４１は、基端部においてｘ軸上の内側支持枠３２の内周位置に結合し、先端部を両バー４０の突出端に結合している。

ミラー部３３は、原点ｏにおいて直交する横回転軸線と縦回転軸線との２つの回転軸線の周りに揺動する。横回転軸線及び縦回転軸線は、ミラー部３３が基準向きになっているときは、それぞれｘ軸及びｙ軸に一致する。横回転軸線は常時水平方向である。縦回転軸線は、バー４０の軸線に一致し、上下方向に首振りする。縦回転軸線は、ｙ軸に一致するときのみ垂直方向（鉛直方向）となる。複数の電極パッド４４ａ，４４ｂは、外側支持枠３１の短辺部に設けられ、後述の下部電極層６２及び上部電極層６４（図２）へ接続されている。

図２を参照して、ＭＥＭＳデバイスとしての光偏向器３のチップ構造について説明する。光偏向器３は、表側から裏側へ順番に積層体５５、ＳＯＩ層５６、ＢＯＸ層５７及びハンドル層５８から成る。

積層体５５は、裏側（図２の下側）から表側へ順番に（創成時の積層順に）、Ｔi（チタン。ＴｉＯ_xでも可）から成る下部電極密着層６１、Ｐｔ（プラチナ）から成る下部電極層６２、ＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛）から成る圧電素子層６３、及びＰｔ（プラチナ）から成る上部電極層６４を有している。被覆層６７は、ＳiＯ₂（二酸化ケイ素）から成り、下部電極密着層６１、下部電極層６２、圧電素子層６３及び上部電極層６４の表面を被覆している。

ＳＯＩ層５６はＳi（ケイ素）から成る。ＢＯＸ層５７は酸化膜としてのＳiＯ₂（二酸化ケイ素）から成る。ハンドル層５８はＳi（ケイ素）から成る。

積層体５５及びＳＯＩ層５６からは、ＭＥＭＳ構造物として、外側支持枠３１、内側支持枠３２（図２では図示省略）、ミラー部３３、ミアンダ型アクチュエータ３５ａ，３５ｂ及び双腕型アクチュエータ３６ａ，３６ｂが作製される。内側支持枠３２、ミラー部３３、ミアンダ型アクチュエータ３５ａ，３５ｂ及び双腕型アクチュエータ３６ａ，３６ｂは、光偏向器３の可動部を構成する。内周側空間５４は、光偏向器３の可動部の運動を許容する空間として、ハンドル層５８において外側支持枠３１の内周側にエッチングにより形成される。

横回転軸線の周りのミラー部３３の揺動は、左右のミアンダ型アクチュエータ３５ａ，３５ｂの作動により行われる。ミアンダ型アクチュエータ３５ａ，３５ｂの４つのカンチレバー３９について、基端側（外側支持枠３１側）から先端側（内側支持枠３２側）へ順番に１〜４番の番号を付けると、奇数番のカンチレバー３９の圧電素子層６３には正相のユニポーラ型駆動電圧が印加され、偶数番のカンチレバー３９の圧電素子層６３には逆相のユニポーラ型駆動電圧が印加される。

制御装置２がミアンダ型アクチュエータ３５ａ，３５ｂに供給する駆動電圧を「垂直駆動電圧」と呼ぶことにする。該垂直駆動電圧には、ユニポーラ型駆動電圧と後述の交流電圧とが含まれる。

垂直駆動電圧を、奇数番のカンチレバー３９の圧電素子層６３と偶数番のカンチレバー３９の圧電素子層６３とに相互に逆相にして印加することにより、内側支持枠３２の左右の側部の下端部に結合する先端側は、前後方向位置を揃えて光偏向器３の前後方向へ同期して変位する。これにより、ミラー部３３は、横方向回転軸線の周りに往復揺動する。

縦回転軸線の周りのミラー部３３の揺動は、左右の双腕型アクチュエータ３６ａ，３６ｂの作動により行われる。制御装置２が双腕型アクチュエータ３６ａ，３６ｂに供給する駆動電圧を「水平駆動電圧」と呼ぶことにする。水平駆動電圧は、バイポーラ型駆動電圧から成る。バイポーラ型駆動電圧の具体例は後述する。

左右の双腕型アクチュエータ３６ａ，３６ｂの双腕部４１の圧電素子層６３には、相互に逆相の水平駆動電圧が印加される。これにより、左右の双腕部４１の先端部は、一方が前方に変位すると、他方が後方に変位する関係となり、また、バー４０に対しては軸線の周りに同一方向に同一量の回転変位となり、この結果、ミラー部３３は、縦回転軸線の周りに往復揺動する。バイポーラ型駆動電圧を「水平駆動電圧」と呼ぶことにする。

内側支持枠３２、ミラー部３３、ミアンダ型アクチュエータ３５ａ，３５ｂ及び双腕型アクチュエータ３６ａ，３６ｂから成る光偏向器３の可動部は、横回転軸線の周り及び縦回転軸線の周りにそれぞれ異なる固有振動をもつ。典型的には、横回転軸線の周りの固有振動周波数は、走査光線Ｌcの縦方向走査の縦走査周波数として使用され、縦回転軸線の周りの固有振動周波数は、走査光線Ｌcの横方向走査の横走査周波数として使用される。この光偏向器３では、横回転軸線の周りの固有振動周波数は、縦回転軸線の周りの固有振動周波数より小さい。

光偏向器３において、ミアンダ型アクチュエータ３５ａ，３５ｂは圧電アクチュエータの一例である。双腕型アクチュエータ３６ａ，３６ｂはバイポーラ型圧電アクチュエータの一例である。カンチレバー３９は圧電変形部の一例である。

図３を参照して、制御装置２について説明する。制御装置２は、画像入力部７１、画像処理部７２、処理信号出力部７３、偏向制御部７４及び光源制御部７５を備える。画像入力部７１は、画像ソース器１１から画像信号Ｓ11を受けて、画像処理部７２の処理に適合した信号Ｓ71に変換し、画像処理部７２に出力する。画像処理部７２は、画像入力部７１から信号Ｓ71に基づいて偏向制御部７４及び光源制御部７５の制御情報を含む信号Ｓ72を生成する。該制御情報には、光偏向器３のミアンダ型アクチュエータ３５ａ，３５ｂ及び双腕型アクチュエータ３６ａ，３６ｂの振動周期とレーザ光源４の制御信号とを相互に同期させる同期情報や、レーザ光源４が画像ソース器１１からの画像信号Ｓ11に対応する直進光線Ｌaを生成する際に必要となる輝度や色等についての生成基礎情報が含まれる。

処理信号出力部７３は、画像処理部７２からの信号Ｓ72に基づいて信号Ｓ73a及び信号Ｓ73bを生成し、それぞれ偏向制御部７４及び光源制御部７５へ出力する。信号Ｓ73aには、同期情報が含まれる。信号Ｓ73bには、同期情報の他に、生成情報が含まれる。偏向制御部７４は、信号Ｓ73aに基づいて光偏向器３のミアンダ型アクチュエータ３５ａ，３５ｂの垂直駆動電圧及び双腕型アクチュエータ３６ａ，３６ｂの水平駆動電圧を生成し、それを制御信号Ｓ2aとして光偏向器３に出力する。偏向制御部７４の詳細は次の図４において説明する。光源制御部７５は、処理信号出力部７３からの制御信号Ｓ2bに基づいてレーザ光源４の駆動電圧を生成し、レーザ光源４に出力する。レーザ光源４は、光源制御部７５からの駆動電圧に基づいて、各時刻の直進光線Ｌaの輝度及び色を決定する。

図４を参照して、偏向制御部７４について説明する。偏向制御部７４は、処理信号出力部７３からの制御信号Ｓ73aを、ミアンダ型アクチュエータ３５ａ，３５ｂの垂直駆動電圧及び双腕型アクチュエータ３６ａ，３６ｂの水平駆動電圧をレーザ光源４からの直進光線Ｌaの出射と同期させる情報として使用する。

ユニポーラ型垂直駆動電圧発生部８１は、垂直走査用低周波の発振信号Ｓ81を出力し、バイポーラ型水平駆動電圧発生部８３は、水平走査用高周波数の発振信号Ｓ83を出力する。ユニポーラ型垂直駆動電圧発生部８１の発振信号Ｓ81とバイポーラ型水平駆動電圧発生部８３の発振信号Ｓ83とは、レーザ光源４からの直進光線Ｌaと同期することにより、走査光線Ｌcは、スクリーン１２（図１）において例えばラスタースキャンにより画像を適切に生成することができる。

ユニポーラ型垂直駆動電圧発生部８１の発振信号Ｓ81は、例えば図１３に示したユニポーラ型駆動電圧になっている。なお、図１３の正弦波の周波数は６０Ｈｚと説明したが、ユニポーラ型垂直駆動電圧発生部８１の発振信号は、横回転軸線周りの光偏向器３の可動部の固有振動周波数の周波数に合わせられる。バイポーラ型水平駆動電圧発生部８３の発振信号は、バイポーラ駆動電圧であり、具体的には、例えば、周波数が縦回転軸線の周りの光偏向器３の可動部の固有振動周波数に等しくした正弦波である。

滞留電荷除去用交流電圧発生部８２は交流電圧の正弦は波形の発信信号Ｓ82を出力する。発信信号Ｓ82は、正弦波であり、振幅が±１０Ｖ未満であり（１０Ｖとした理由は図６で後述）、周波数が１０ｋＨｚ以上である（１０ｋＨｚ以上とした理由は図１１及び図１２で後述）。発振信号Ｓ83は、周波数が１ｋＨｚでピークツーピーク電圧が振幅が発信信号Ｓ81のピークツーピーク電圧のおおよそ半分の正弦波信号である。なお、発振信号Ｓ83として、バイポーラ駆動電圧に代えて、ユニポーラ駆動電圧を使用することもできる。切替部８４は、ユニポーラ型垂直駆動電圧発生部８１及び滞留電荷除去用交流電圧発生部８２からの出力を所定のタイミングで切替えて、垂直駆動部８５へ信号Ｓ84として出力する（切替の具体的な仕方及び信号Ｓ84の具体的な波形は図７で後述）。

垂直駆動部８５は、切替部８４からの信号Ｓ84を垂直駆動電圧に変換した信号Ｓ85として、光偏向器３へ出力する。光偏向器３は、垂直駆動部８５からの信号Ｓ85をミアンダ型アクチュエータ３５ａ，３５ｂのカンチレバー３９の圧電素子層６３に印加する。なお、ミアンダ型アクチュエータ３５ａ，３５ｂのカンチレバー３９の圧電素子層６３の印加電圧には、奇数番のカンチレバー３９用と、偶数番のカンチレバー３９用との２種類、必要となるので、信号Ｓ85は２種類となる。

水平駆動部８６は、バイポーラ型水平駆動電圧発生部８３からの発信信号Ｓ83を水平駆動電圧に変換した信号Ｓ86として、光偏向器３へ出力する。光偏向器３は、水平駆動部８６からの信号Ｓ86を双腕型アクチュエータ３６ａ，３６ｂの双腕部４１の圧電素子層６３に印加する。なお、双腕型アクチュエータ３６ａ，３６ｂの双腕部４１の圧電素子層６３の印加電圧は、双腕型アクチュエータ３６ａの双腕部４１用と双腕型アクチュエータ３６ｂの双腕部４１用とで相互に逆相にしなければならないので、信号Ｓ86は２種類となる。図１の制御信号Ｓ2は、信号Ｓ85，Ｓ86をまとめたものである。

図５を参照して、ミアンダ型アクチュエータ３５ａ，３５ｂの圧電素子層６３についての印加電圧と変位量との関係のヒステリシスについて説明する。変位量は、圧電素子層６３がカンチレバー３９の長手方向に伸びる方向を正、縮む方向を負としている。図５では、変位量が負となっているので、圧電素子層６３が縮むことを意味する。

光偏向器３では、カンチレバー３９は圧電素子層６３が１層だけのユニモルフ構造となっている。また、圧電素子層６３は、カンチレバー３９の表側部分に存在する。したがって、圧電素子層６３がカンチレバー３９の長手方向に縮むことにより、カンチレバー３９は、表側を凹、裏側を凸にして、湾曲変形する。圧電素子層６３のヒステリシスのために、分極方向が反転する箇所が、印加電圧＝０Ｖの縦軸に対して左右に計２個、存在する。

図５のヒステリシスにおいて、印加電圧がおおよそ−６０Ｖ〜＋６０Ｖの範囲では、負側の分極点へ向かう印加電圧の下降過程と正側の分極点へ向かう印加電圧の上昇過程とにおいて、変位量が印加電圧の変化に対して線形に変化する２つの線形区間が存在すること認められる。

図６は、ミアンダ型アクチュエータ３５ａ，３５ｂの圧電素子層６３の印加電圧範囲を図５の２つの線形区間を含む範囲に限定した時の圧電素子層６３についての印加電圧と変位量との関係のヒステリシス特性を示している。ミアンダ型アクチュエータ３５ａ，３５ｂは、上部電極層６４にユニポーラ型駆動電圧を印加することになっているので、光偏向器３の垂直駆動電圧は、負側の分極点へ向かう印加電圧の下降過程の線形区間を使用する。破線は、該線形区間の近似直線を示し、線形区間の印加電圧は、左側の−１０Ｖの分極点を下限とし、上限は６０Ｖ近辺とし、−１０Ｖ〜６０Ｖの範囲となる。

図７を参照して、ミアンダ型アクチュエータ３５ａ，３５ｂの圧電素子層６３に印加する垂直駆動電圧について説明する。なお、ミアンダ型アクチュエータ３５ａ，３５ｂの圧電素子層６３の垂直駆動電圧は、奇数番のカンチレバー３９に対しては正相、偶数番のカンチレバー３９に対しては逆相になる。図７が奇数番のカンチレバー３９に対して供給する正相の垂直駆動電圧とすると、偶数番のカンチレバー３９に対して供給する逆相の垂直駆動電圧は、図７の垂直駆動電圧とは逆相になる。

図７の垂直駆動電圧は、ユニポーラ型駆動電圧の各周期において、０Ｖ〜５０Ｖの範囲で変化するユニポーラ型駆動電圧からなるユニポーラ型駆動電圧部分（図４の発振信号Ｓ81の部分）と、−１０Ｖ〜＋１０Ｖの範囲で変化する交流部分（図４の発振信号Ｓ82の部分）との２つから成る。図７において、ｔ1はユニポーラ型駆動電圧が最大値になる時刻であり、ｔ2はユニポーラ型駆動電圧が最小値になる時刻であり、ｔ3は、時刻ｔ1の次に、ユニポーラ型駆動電圧が最大値になる時刻である。

図７において、ｔ2−ｔ3の発振信号Ｓ81の部分は、図１３のｔ2−ｔ3の部分に一致し、ユニポーラ型駆動電圧の上昇する半周期になっている。発振信号Ｓ82の部分が占めるｔ1−ｔ2は、図１３のｔ1−ｔ2の時間範囲に一致し、図１３では、ユニポーラ型駆動電圧の下降する半周期になっている。

図７の垂直駆動電圧において、ユニポーラ型駆動電圧の各周期において一部期間ではミアンダ型アクチュエータ３５ａ，３５ｂへのユニポーラ型駆動電圧の供給を停止してもかまわないことを、図８を参照して説明する。図８は、ミアンダ型アクチュエータ３５ａ，３５ｂへのユニポーラ型駆動電圧の供給を一時的に停止したときのミラー部３３の振れ角の変化を調べた実験の結果を示している。

図８では、横軸が時間ｔであり、縦軸がピークツーピーク電圧Ｖである。ｔ2，ｔ3は、前述の図１３のｔ2，ｔ3と同一に定義しており、ｔ2は、ピークツーピーク電圧Ｖが最小値になる時刻、ｔ3は、ピークツーピーク電圧Ｖが最大値になる時刻となっている。なお、ｔ2の位相を９０°、ｔ3位相を２７０°と定義する。

図８において、（ａ）はユニポーラ型駆動電圧を１周期全体にわたりミアンダ型アクチュエータ３５ａ，３５ｂに供給したときの垂直駆動電圧の波形、（ｂ）はｔ2（位相＝９０°）から０．５周期分（位相では１８０°分）だけ、ユニポーラ型駆動電圧をミアンダ型アクチュエータ３５ａ，３５ｂに供給したときの垂直駆動電圧、（ｃ）は時刻ｔ2（位相＝９０°）より前の位相＝８０°から０．５５周期分だけ、ユニポーラ型駆動電圧をミアンダ型アクチュエータ３５ａ，３５ｂに供給したときの垂直駆動電圧の波形、（ｄ）は時刻ｔ2（位相＝９０°）より前の位相＝７５°から０．６周期分だけ、ユニポーラ型駆動電圧をミアンダ型アクチュエータ３５ａ，３５ｂに供給したときの垂直駆動電圧の波形、（ｅ）は時刻ｔ2（位相＝９０°）より前の位相＝６５°から０．７周期分だけユニポーラ型駆動電圧をミアンダ型アクチュエータ３５ａ，３５ｂに供給したときの垂直駆動電圧の波形を示している。

図８において、ミラー部３３の振れ角は、所定の垂直スクリーン上の走査光線Ｌcの軌跡長さで示している。なお、この実験では、双腕型アクチュエータ３６ａ，３６ｂへの水平駆動電圧を供給は停止する。したがって、所定のスクリーン上の走査光線Ｌcの軌跡はｙ軸方向になる。走査光線Ｌcの軌跡の長さが長いほど、ミラー部３３の振れ角が大きいことを意味する。長さは、（ａ）では４３ｍｍ、（ｂ）では２９ｍｍ、（ｃ）では３８ｍｍ、（ｄ）では３９ｍｍ、（ｅ）では３８ｍｍとなった。

図９は、図８の実験結果に基づいてユニポーラ型駆動電圧の周期におけるユニポーラ型駆動電圧の占有率と振れ角との関係を示したグラフである。図９から、各周期におけるユニポーラ型駆動電圧の占有率を０．５５〜０．７にしても、ミラー部３３は、停止することなく、ミラー部３３の振れ角は、占有率が１であるときの８８（＝３８ｍｍ÷４３ｍｍ×１００）％以上確保できることが分かる。

図９は、ユニポーラ型駆動電圧の周期におけるユニポーラ型駆動電圧の占有率をプロットしたものであるが、逆に、ユニポーラ型駆動電圧の周期におけるユニポーラ型駆動電圧の供給停止期間について考えると、圧電素子層６３が縮み量を減少する半周期において、ユニポーラ型駆動電圧の周期におけるユニポーラ型駆動電圧の供給停止期間の占有率を０．３〜０．４５に維持すれば、ミラー部３３の振れ角は、ユニポーラ型駆動電圧の供給停止期間が無いときの８８％以上確保できるということになる。

ユニポーラ型駆動電圧の周期におけるユニポーラ型駆動電圧の供給停止期間は、ミアンダ型アクチュエータ３５ａ，３５ｂの圧電素子層６３へのユニポーラ型駆動電圧が圧電素子層６３の縮みを減少させる半周期、すなわちカンチレバー３９の湾曲変形が減少する半周期に相当する。カンチレバー３９は、その湾曲変形を減少する半周期では、圧電素子層６３にユニポーラ型駆動電圧を印加されなくても、カンチレバー３９の復元力により横軸線周りの固有振動を維持すると考えられる。

そこで、図７に示したように、ミアンダ型アクチュエータ３５ａ，３５ｂの垂直駆動電圧は、ユニポーラ型駆動電圧の各周期においてユニポーラ型駆動電圧の下降側の半周期、すなわち、カンチレバー３９がその湾曲変形を減少する半周期では、ミアンダ型アクチュエータ３５ａ，３５ｂのカンチレバー３９の圧電素子層６３へのユニポーラ型駆動電圧の印加を停止する。なお、ミアンダ型アクチュエータ３５ａ，３５ｂのカンチレバー３９の圧電素子層６３へのユニポーラ型駆動電圧の印加停止は、カンチレバー３９がその湾曲変形を減少する半周期内であって、ユニポーラ型駆動電圧の周期の例えば、０．２５〜０．５、好ましくは０．３〜０．４５の時間範囲とし、この時間範囲には、ユニポーラ型駆動電圧に代えて、後述の滞留電荷除去用交流電圧をミアンダ型アクチュエータ３５ａ，３５ｂのカンチレバー３９の圧電素子層６３に印加して、該圧電素子層６３内の滞留電荷を除去する。

ミアンダ型アクチュエータ３５ａ，３５ｂのカンチレバー３９の圧電素子層６３へのユニポーラ型駆動電圧の印加を停止する所定時間範囲は、ミアンダ型アクチュエータ３５ａ，３５ｂの圧電素子層６３へのユニポーラ型駆動電圧が圧電素子層６３の縮みを減少させる期間としての減少側半周期、すなわちカンチレバー３９がその湾曲変形を減少させる半周期の所定時間範囲となる。減少側半周期では、カンチレバー３９は、圧電素子層６３にユニポーラ型駆動電圧を印加されなくても、復元力により形状を戻し、ミラー部３３は、横軸線の周りの固有振動を継続すると考えられる。

所定時間範囲の開始時刻は、減少側半周期の開始時刻ｔ2より後であり、所定時間範囲の終了時刻は、減少側半周期の終了時刻ｔ3より前である。

ミアンダ型アクチュエータ３５ａ，３５ｂの垂直駆動電圧におけるユニポーラ型駆動電圧と、滞留電荷除去用交流電圧との切替は、切替部８４（図４）が実施する。切替え時期の具体的な検出の仕方として、ユニポーラ型垂直駆動電圧発生部８１が出力するユニポーラ型駆動電圧の値を例えばユニポーラ型駆動電圧の周波数の約１０倍のサンプリング周波数で検出し、ユニポーラ型駆動電圧が最大値となる時刻（例：図１３の時刻ｔ1，ｔ3）及び最小値となる時刻（例：図１３の時刻ｔ2）を検出する。そして、切替部８４は、ユニポーラ型駆動電圧が最大値になった時刻に垂直駆動部８５への出力をユニポーラ型駆動電圧から滞留電荷除去用交流電圧へ切替え、ユニポーラ型駆動電圧が最小値になった時刻に垂直駆動部８５への出力を滞留電荷除去用交流電圧からユニポーラ型駆動電圧へ切替える。

ユニポーラ型駆動電圧の最大値及び最小値の時刻に同期して、ユニポーラ型駆動電圧と滞留電荷除去用交流電圧とを切替える方式では、ユニポーラ型駆動電圧の周期が変動しても、ユニポーラ型駆動電圧の１周期におけるユニポーラ型駆動電圧の占有率は５０％に維持することができる。しかし、占有率が５０％に固定されてしまう。

これに対処して、タイマを利用するタイマ方式も採用することができる。タイマ方式では、所定周波数のクロックパルスを計数して、計数値から、基準時刻からの経過時間を測定することができる。発振信号Ｓ81（ユニポーラ型駆動電圧）の周期は一定であるので、発振信号Ｓ81の周期に対応するクロックパルス数を求めることができる。これにより、発振信号Ｓ81の所定の基準時刻（例：ユニポーラ型駆動電圧が最小値となる時刻ｔ2）を周期の開始時刻に設定し、ユニポーラ型駆動電圧の周期に対応するクロックパルス数から、現在が１周期においてどの位相にあるかを検出することができる。したがって、切替部８４は、タイマが計数したクロックパルス数が、ユニポーラ型駆動電圧と滞留電荷除去用交流電圧とを切替える位相に対応する値になった時、発振信号Ｓ81から発振信号Ｓ82（滞留電荷除去用交流電圧）へ又はその逆に切替える。

ミアンダ型アクチュエータ３５ａ，３５ｂのカンチレバー３９の湾曲変形の増減の反転時刻としての減少側半周期の開始時刻ｔ1及び終了時刻ｔ2には、駆動電圧がミアンダ型アクチュエータ３５ａ，３５ｂのカンチレバー３９の圧電素子層６３に印加して、カンチレバー３９の湾曲変形の反転を誘導することになるので、カンチレバー３９は、変形のオーバシュートやアンダシュートを抑制されて、湾曲変形の反転を的確に行うことができる。

図７に示したように、ミアンダ型アクチュエータ３５ａ，３５ｂの垂直駆動電圧は、発振信号Ｓ81無しの期間において、発振信号Ｓ81の代わりに、発振信号Ｓ82を印加する。発振信号Ｓ82としての滞留電荷除去用交流電圧は、振幅が前述の図６において説明した線形範囲の内の−１０Ｖ〜＋１０Ｖの範囲内とするものであり、かつ周波数が１０ｋＨｚ以上とするものである。

滞留電荷除去用交流電圧を−１０Ｖ〜＋１０Ｖの範囲内とした理由は、−１０Ｖより低い電圧を上部電極層６４に印加すると、圧電素子層６３の分極方向が反転してしまい、印加電圧を上昇させたときに、元の変位特性に戻らなくなるからである。滞留電荷除去用交流電圧を１０ｋＨｚ以上とした理由は、周波数が低いと、６４内の滞留電荷の除去に時間がかかるからである。

滞留電荷除去用交流電圧は、周波数を１０ｋＨｚ以上に設定すれば、圧電素子層６３内の滞留電荷を効率的に除去することができるが、二次元走査型の光偏向器３特有の問題点として所定周波数範囲を除外し、１０ｋＨｚ〜１８ｋＨｚ及び３０ｋＨｚ以上が好ましい。この理由を、図１０を参照して説明する。

図１０は、この光偏向器３において双腕型アクチュエータ３６ａ，３６ｂの作動は停止しミアンダ型アクチュエータ３５ａ，３５ｂには滞留電荷除去用交流電圧のみを印加したときの滞留電荷除去用交流電圧の周波数と縦回転軸線の周りの光偏向器３の揺動振幅（単位「ａ．ｕ．」は任意ユニットを意味する。）との関係を調べた実験グラフである。

これによれば、１ｋＨｚ近辺及び２０ｋＨｚ近辺において縦回転軸線の周りの光偏向器３の揺動振幅が増大するので、この周波数付近では、水平走査の振幅に影響を与えることが分かる。これは、縦軸線の周りの可動部の固有振動周波数が１ｋＨｚ近辺に存在するとともに、その高調波の振動数が２０ｋＨｚ近辺にあるからである。したがって、ミアンダ型アクチュエータ３５ａ，３５ｂのカンチレバー３９の圧電素子層６３への滞留電荷除去用交流電圧の印加が、走査光線Ｌbの横方向走査に悪影響を与えないように、滞留電荷除去用交流電圧が、縦軸線の周りの可動部の固有振動の高調波の振動数が所定値以上ずれるように、滞留電荷除去用交流電圧の周波数は１０ｋＨｚ〜１８ｋＨｚ及び３０ｋＨｚ以上の周波数が選定された。

図１１は、実施形態と未対策品とについてミアンダ型アクチュエータ３５ａ，３５ｂのカンチレバー３９の圧電素子層６３に印加する垂直駆動電圧とミラー部３３の１／２振れ角との関係を調べた実験結果のグラフである。実施形態とは光偏向モジュール８を指し、未対策品とは、垂直駆動電圧を、滞留電荷除去用交流電圧を含まず、ユニポーラ型駆動電圧のみとしたものである。垂直駆動電圧は、図７の垂直駆動電圧のp-p（５０Ｖ）を、０Ｖよりわずかに大きい値から、５０Ｖよりわずかに小さい値の範囲の各値に変更したものとなる。

図１１によれば、未対策品では、垂直駆動電圧としてのユニポーラ型駆動電圧の振幅が５０Ｖp-p近くまで来ると、ミラー部の１／２振れ角は、ユニポーラ型駆動電圧のさらなる増大にもかかわらず、７．４°近辺で一定になり、それ以上増大しないという振れ角の飽和が生じる。これに対し、実施形態では、このような振れ角の飽和という問題を解消することができる。

図１２は実施形態と未対策品とについて垂直駆動電圧としてのユニポーラ型駆動電圧の振幅を連続印加したときの連続印加時間とミラー部の１／２振れ角との関係を調べた実験結果のグラフである。垂直駆動電圧は、実施形態及び未対策品共に５０Ｖp-pとしている。

図１２によれば、未対策品では、連続印加時間の増大に伴い、１／２振れ角が徐々に低下する問題が起きる。これに対し、実施形態では、連続印加時間の増大に伴う振れ角の減少という問題を解消することができる。

本発明を実施形態について説明したが、本発明は、実施形態に限定することなく種々に変形して実施することができる。

実施形態では、ミアンダ型アクチュエータ３５ａ，３５ｂが用いられているが、本発明は、ユニポーラ型駆動電圧で駆動するその他の圧電アクチュエータにも適用することができる。

実施形態では、正のユニポーラ型駆動電圧がミアンダ型アクチュエータ３５ａ，３５ｂの圧電素子層６３に印加されるが、負のユニポーラ型駆動電圧がミアンダ型アクチュエータ３５ａ，３５ｂの上部電極層６４を介して圧電素子層６３に印加されてもよい。なぜなら、図６のヒステリシス特性から分かるように、−６０Ｖ〜＋１０Ｖにおいて、図６の右肩下がりの破線とは左右対称となる右肩上がりの線形範囲が存在するので、負のユニポーラ型駆動電圧を使用して、該右肩上がりの線形範囲を利用することができるからである。

実施形態では、ミラー部３３の回転軸線としての縦回転軸線と横回転軸線とは直交しているが、ミラー部３３の２つの回転軸線として直交していない２つの回転軸線を設定することもできる。

実施形態では、走査光線Ｌbから走査光線Ｌcを生成するために、ビームスプリッタ５のハーフミラーが利用されるが、走査光線Ｌbから走査光線Ｌcを生成するミラーを、直進光線Ｌaの光軸上から外して配設し、ミラー部３３の前面のミラー面から出射する走査光線Ｌbを、該ミラーの方へ向けてもよい。

１・・・光スキャナ、２・・・制御装置、３・・・光偏向器、８・・・光偏向モジュール、３３・・・ミラー部、３５ａ，３５ｂ・・・ミアンダ型アクチュエータ（圧電アクチュエータ）、３６ａ，３６ｂ・・・双腕型アクチュエータ（バイポーラ型圧電アクチュエータ）、３９・・・カンチレバー（圧電変形部）、６３・・・圧電素子層。

Claims (4)

1. 光偏向器と該光偏向器を制御する制御装置とを含む光偏向モジュールであって、
   前記光偏向器は、ミラー部と、圧電素子層への印加電圧の大きさに応じて湾曲変形する圧電変形部を有し、前記ミラー部を含む可動部が所定の軸線の周りに固有振動する時の固有振動周波数に等しい周波数のユニポーラ型駆動電圧が、前記圧電素子層への印加電圧として前記制御装置から供給され、前記圧電変形部の湾曲変形により前記ミラー部を前記所定の軸線の周りに揺動させる圧電アクチュエータとを備え、
   前記制御装置は、
   前記ユニポーラ型駆動電圧の各周期において前記圧電変形部の湾曲変形が減少する減少側半周期内の所定時間範囲では、前記ユニポーラ型駆動電圧に代えて、周波数が１０ｋＨｚ以上で振幅が前記圧電素子層の分極方向を反転させない範囲とある交流電圧を、前記圧電素子層の印加電圧として前記光偏向器に供給することを特徴とする光偏向モジュール。
2. 請求項１記載の光偏向モジュールにおいて、
   前記所定時間範囲の長さは、前記固有振動周波数の周期の０．３〜０．４５であることを特徴とする光偏向モジュール。
3. 請求項２記載の光偏向モジュールにおいて、
   前記所定時間範囲の開始時刻は、前記減少側半周期の開始時刻より後であり、前記所定時間範囲の終了時刻は、前記減少側半周期の終了時刻より前であることを特徴とする光偏向モジュール。
4. 請求項３記載の光偏向モジュールにおいて、
   前記光偏向器は、前記ミラー部を前記所定の軸線とは別の軸線の周りに別の固有振動周波数で揺動させるバイポーラ型圧電アクチュエータを備え、
   前記交流電圧の周波数は、前記別の固有振動周波数の高調波の周波数から所定値以上ずれている周波数に選定されていることを特徴とする光偏向モジュール。