JP6168353B2 - 光偏向装置、画像形成装置、車両、光偏向装置の制御方法、及び光偏向装置の調整方法 - Google Patents

光偏向装置、画像形成装置、車両、光偏向装置の制御方法、及び光偏向装置の調整方法 Download PDF

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Description

本発明は、光偏向装置、画像形成装置、車両、光偏向装置の制御方法、及び光偏向装置の調整方法に係り、更に詳しくは、光を偏向する光偏向装置、該光偏向装置を備える画像形成装置、該画像形成装置を備える車両、前記光偏向装置の制御方法、及び前記光偏向装置の調整方法に関する。
従来、反射面を有するミラーと、蛇行するように連続する複数の梁及び該複数の梁に個別に設けられた複数の圧電部材を含み、ミラーを揺動させるための駆動部とを備え、反射面に入射された光を偏向する光偏向器の駆動装置が知られている(例えば、特許文献1参照)。
この光偏向器の駆動装置では、ミラーを一定速度で揺動させることが望まれている。
しかしながら、特許文献1に開示されている光偏向器の駆動装置では、駆動部の構造に僅かでも非対称性があると、ミラーの揺動速度の変動を抑制できないおそれがあった。
本発明は、反射面を有するミラーと該ミラーを支持する支持部とを備え、該支持部は、蛇行するように連続する複数の梁と、該複数の梁に個別に設けられた複数の圧電部材とを有し、前記ミラーを一軸周りに揺動させるための駆動部を含み、前記反射面に入射された光を偏向する光偏向装置において、隣り合う2つの前記梁に個別に設けられた2つの前記圧電部材に、非相似の波形の2つの電圧が並行して個別に印加され、前記2つの電圧の周期に対する立ち上り時間又は立ち下がり時間の比率が、異なることを特徴とする光偏向装置である。
本発明によれば、駆動部の構造に僅かな非対称性があっても、ミラーの揺動速度の変動を抑制できる。
本発明の一実施形態に係るプロジェクタ装置の概略的構成を示す図である。 図1の光偏向器の平面図である。 図3(A)は、ミラーの揺動速度が一定である場合のミラーの振れ角の時間変化を示す図であり、図3(B)は、ミラーの揺動速度に変動が生じている場合のミラーの振れ角の時間変化を示す図である。 隣り合う2つの圧電部材に個別に印加される2つの駆動電圧の波形を示す図(その1)である。 隣り合う2つの圧電部材に個別に印加される2つの駆動電圧の波形を示す図(その2)である。 光偏向装置の調整方法について説明するための図である。 図7(A)は、ミラーの揺動速度に変動が生じているときのPSDでの検出信号の波形を示す図であり、図7(B)は、ミラーの揺動速度に変動が生じているときのPSDでの検出信号の波形を示す図である。 図8(A)は、変形例における隣り合う2つの圧電部材の一方に印加される駆動電圧の波形を示す図であり、図8(B)は、変形例における隣り合う2つの圧電部材の他方に印加される駆動電圧の波形を示す図である。 変形例における隣り合う2つの圧電部材に個別に印加される2つの駆動電圧の波形を示す図である。 光偏向器の他の例を説明するための図である。 ヘッドアップディスプレイ装置の一例を説明するための図である。
以下、本発明の一実施形態を図1〜図7(B)に基づいて説明する。図1には、一実施形態に係る画像形成装置としてのプロジェクタ装置10の概略構成が示されている。
プロジェクタ装置10は、例えば建物の床もしくは設置台に載置された状態、建物の天井から吊り下げられた状態、建物の壁に掛けられた状態等で用いられる。以下では、図1に示されるZ軸方向を鉛直方向とするXYZ3次元直交座標系を適宜用いて説明する。
プロジェクタ装置10は、一例として、光源装置5、光偏向装置1000、画像処理部40などを備えている。
光源装置5は、一例として、3つのレーザダイオードLD1〜LD3、3つのコリメートレンズCR1〜CR3、3つのダイクロイックミラーDM1〜DM3、LD制御部50などを含む。
レーザダイオードLD1は、一例として、赤色レーザであり、赤色光(波長640nm)を+Y方向に射出するように配置されている。
レーザダイオードLD2は、一例として、青色レーザであり、青色光(波長450nm)を+Y方向に射出するように、レーザダイオードLD1の+X側に配置されている。
レーザダイオードLD3は、一例として、緑色レーザであり、緑色光(波長520nm)を+Y方向に射出するように、レーザダイオードLD2の+X側に配置されている。
各レーザダイオードは、LD制御部50によって制御される。
コリメートレンズCR1は、一例として、レーザダイオードLD1の+Y側に配置されており、レーザダイオードLD1から射出された赤色光を略平行光とする。
コリメートレンズCR2は、一例として、レーザダイオードLD2の+Y側に配置されており、レーザダイオードLD2から射出された青色光を略平行光とする。
コリメートレンズCR3は、一例として、レーザダイオードLD3の+Y側に配置されており、レーザダイオードLD3から射出された緑色光を略平行光とする。
3つのダイクロイックミラーDM1〜DM3は、それぞれ、例えば誘電体多層膜などの薄膜から成り、特定の波長の光を反射し、それ以外の波長の光を透過させる。
ダイクロイックミラーDM1は、一例として、コリメートレンズCR1の+Y側に、X軸及びY軸に対して例えば45°傾斜して配置されており、コリメートレンズCR1を介した赤色光を+X方向に反射させる。
ダイクロイックミラーDM2は、一例として、ダイクロイックミラーDM1の+X側、かつコリメートレンズCR2の+Y側に、X軸及びY軸に対して例えば45°傾斜して配置されており、ダイクロイックミラーDM1を介した赤色光を+X方向に透過させ、コリメートレンズCR2を介した青色光を+X方向に反射させる。
なお、ダイクロイックミラーDM1を介した赤色光及びコリメートレンズCR2を介した青色光は、それぞれダイクロイックミラーDM2の中央付近に入射する。
ダイクロイックミラーDM3は、一例として、ダイクロイックミラーDM2の+X側かつコリメートレンズCR3の+Y側に、X軸及びY軸に対して例えば45°傾斜して配置されており、ダイクロイックミラーDM2を介した赤色光及び青色光を+X方向に透過させ、コリメートレンズCR3を介した緑色光を+X方向に反射させる。
なお、ダイクロイックミラーDM2を介した赤色光及び青色光、並びにコリメートレンズCR3を介した緑色光は、それぞれダイクロイックミラーDM3の中央付近に入射する。
ダイクロイックミラーDM3を介した3つの光(赤色光、青色光及び緑色光)は、1つの光に合成される。この場合、3つのレーザダイオードLD1〜LD3の発光強度の強弱のバランスにより、合成された光の色が表現されるようになっている。
結果として、光源装置5は、3つのレーザダイオードLD1〜LD3からの3つのレーザ光が合成されてなるレーザ光(合成光)を+X方向に、すなわち光偏向器100に向けて射出する。
ここで、プロジェクタ装置10の全体動作について簡単に説明する。例えばパソコン等の上位装置からの画像情報が画像処理部40に入力され、画像処理部40で所定の処理(例えば歪み補正処理、画像サイズ変更処理、解像度変換処理等)が施され、LD制御部50に送られる。LD制御部50は、画像処理部40からの画像情報に基づいて強度変調した駆動信号(パルス信号)を生成し、駆動電流に変換する。そして、LD制御部50は、光偏向装置1000からの同期信号に基づいて、各レーザダイオードの発光タイミングを決定し、該発光タイミングで、駆動電流を供給して、該レーザダイオードを駆動する。なお、上記強度変調は、駆動信号のパルス幅を変調しても良いし、駆動信号の振幅を変調しても良い。光偏向装置1000は、光源装置5からのレーザ光(合成光)を、XZ平面に平行に張設されたスクリーンSの表面(被走査面)に向けて互いに直交する二軸周り(ここでは、X軸周り及びX軸に直交する軸周り)に独立に偏向する。この結果、レーザ光により被走査面が互いに直交する二軸方向(ここでは、Z軸方向及びX軸方向)に2次元走査され、被走査面上に2次元のフルカラー画像が形成される。以下では、X軸方向を主走査方向とも称し、Z軸方向を副走査方向とも称する。なお、各レーザダイオードを直接変調する強度変調に代えて、該レーザダイオードから射出されたレーザ光を光変調器で変調(外部変調)しても良い。
次に、光偏向装置1000について詳細に説明する。光偏向装置1000は、一例として、光偏向器100、コントローラ200、メモリ300などを備えている。
光偏向器100は、図2に示されるように、+Y側の面が反射面であるミラー110と、該ミラー110をX軸に直交する第1軸(例えばZ軸)周りに駆動する第1駆動部150と、ミラー110及び第1駆動部150をX軸に平行な第2軸周りに駆動する第2駆動部250とを含む。
光偏向器100では、一例として、MEMS(Micro Electro Mechanical Systems)プロセスによって、各構成部が一体的に形成されている。簡単に言うと、光偏向器100は、1枚のシリコン基板1に切れ込みを入れて複数の可動部(弾性変形部)を形成し、各可動部に圧電部材を設けることで作成される。ミラー110の反射面は、一例として、シリコン基板1の+Y側の面に形成された例えばアルミニウム、金、銀等の金属薄膜である。
第1駆動部150は、一例として、ミラー110の第1軸方向の両端に個別に一端が連続し、第1軸方向に延びる2つのトーションバー105a、105bと、該2つのトーションバー105a、105bそれぞれの第1軸方向の他端に中間部が連続し、第2軸方向に延びる2つの梁106a、106bと、該2つの梁106a、106bそれぞれの第2軸方向の両端に内縁部が連続する第1矩形枠部107と、2つの梁106a、106bそれぞれの第1軸を挟む一側部及び他側部の+Y側の面に個別に設けられた2つの第1圧電部材15、16と、を有している。
ここでは、ミラー110の中心は、第1矩形枠部107の中心に位置している。2つのトーションバー105a、105bは同径かつ同長である。2つの梁106a、106bは、第2軸方向を長手方向とする矩形板状である。2つの第1圧電部材15、16は、同形かつ同大の第2軸方向を長手方向とする矩形板状である。
第1駆動部150では、2つの梁106a、106bに個別に設けられた2つの圧電部材15に電圧(駆動電圧)が並列に印加されると、該2つの圧電部材15が変形して、2つの梁106a、106bが撓み、2つのトーションバー105a、105bを介してミラー110に第1軸周りの駆動力が作用し、ミラー110が第1軸周りに揺動する。第1駆動部150は、コントローラ200によって制御される。
また、第1駆動部150では、2つの梁106a、106bに個別に設けられた2つの圧電部材16に電圧(駆動電圧)が並列に印加されると、該2つの圧電部材16が変形して、2つの梁106a、106bが撓み、2つのトーションバー105a、105bを介してミラー110に第1軸周りの駆動力が作用し、ミラー110が第1軸周りに揺動する。
そこで、コントローラ200によって、第1駆動部150の各梁に設けられた2つの圧電部材15、16に逆位相の正弦波電圧を並行して(例えば同時に)印加することで、ミラー110を、第1軸周りに該正弦波電圧の周期で効率良く振動させることができる。
ここでは、正弦波電圧の周波数が約20kHz(各トーションバーの共振周波数)に設定され、各トーションバーのねじれによる機械的共振を利用して、ミラー110を約20kHzで振動させることができる。なお、ミラー110の振動中心からの最大振れ角は、±15°程度とされている。
第2駆動部250は、一例として、第1矩形枠部107の−Z側かつ+X側の角部に一端が連続し、蛇行するように(折り返すように)連続する複数(例えば8つ)の梁108aを含む蛇行部210aと、第1矩形枠部107の+Z側かつ−X側の角部に一端が連続し、蛇行するように(折り返すように)連続する複数(例えば8つ)の梁108bを含む蛇行部210bと、蛇行部210aの8つの梁108aの+Y側の面に個別に設けられた8つの第2圧電部材と、蛇行部210bの8つの梁108bの+Y側の面に個別に設けられた8つの第2圧電部材と、2つの蛇行部210a、210bそれぞれの他端に内縁部が連続する第2矩形枠部109と、を有している。
ここでは、ミラー110の中心は、第2矩形枠部109の中心に位置している。各蛇行部の8つの梁は、同形かつ同大の第1軸方向を長手方向とする矩形板状である。各第2圧電部材は、同形かつ同大の第1軸方向を長手方向とする矩形板状である。第2圧電部材の第1軸方向(長手方向)の長さは、該第2圧電部材が設けられた梁の第1軸方向の長さよりも幾分短い。
第2駆動部250では、各蛇行部に設けられた8つの第2圧電部材のうち最も+X側又は最も−X側の端の第2圧電部材から数えて奇数番目(1番目、3番目、5番目、7番目)の4つの第2圧電部材11に電圧が並列に印加されると、該4つの第2圧電部材11及び該4つの第2圧電部材が設けられた4つの梁が第2軸周りの同一方向に撓み、ミラー110が第2軸周りに揺動する。
また、第2駆動部250では、各蛇行部の8つの第2圧電部材のうち最も+X側又は最も−X側の端の第2圧電部材から数えて偶数番目(2番目、4番目、6番目、8番目)の4つの第2圧電部材12に電圧が並列に印加されると、該4つの第2圧電部材12及び該4つの圧電部材12が設けられた4つの梁が第2軸周りの同一方向に撓み、ミラー110が第2軸周りに揺動する。
以下では、便宜上、各蛇行部に設けられた奇数番目の4つの第2圧電部材11を併せて圧電部材群P1と称し、該蛇行部に設けられた偶数番目の4つの第2圧電部材12を併せて圧電部材群P2と称する。
そこで、各蛇行部に設けられた2つの圧電部材群P1、P2に鋸波電圧及び逆鋸波電圧を並行して(例えば同時に)個別に印加することで、該蛇行部の隣り合う2つの梁を第2軸周りの反対方向に撓ませて各梁の撓み量を累積させることで、ミラー110を、第2軸周りに該鋸波電圧の周期で効率良く(低電圧で大きい振れ角で)振動させることができる(図4(A)参照)。
ここで、「鋸波電圧」とは、時間の経過につれ、徐々に高くなり、ピークに達すると、急激に低くなる電圧を意味する。「逆鋸波電圧」とは、時間の経過につれ、急激に高くなり、ピークに達すると、徐々に低くなる電圧を意味する。
結果として、第1駆動部150及び第2駆動部250を含んで、ミラー110を第1軸及び第2軸周りに独立に駆動する駆動手段を含む支持部が構成されている。すなわち、ミラー110は、該支持部によって支持されている。
第1駆動部150及び第2駆動部250の各圧電部材は、一例として、圧電材料としてのPZT(チタン酸ジルコン酸鉛)からなる。圧電部材は、分極方向に電圧が印加されると印加電圧の電位に比例した歪み(伸縮)が生じる、いわゆる逆圧電効果を発揮する。また、圧電部材は、力を加えると、該力に応じた電圧を分極方向に発生させる、いわゆる圧電効果を発揮する。
なお、ここでは、圧電部材がシリコン基板1の一面(例えば+Y側の面)のみに設けられた場合を一例として説明したが、配線のレイアウトや圧電部材の作成上の自由度を向上させるため、シリコン基板1の他面(例えば−Y側の面)にのみ設けても良いし、シリコン基板1の一面及び他面(例えば+Y側及び−Y側の面)の双方に設けても良い。いずれにしても、これらの圧電部材や電極の形成はほぼ半導体プロセスに準じるものであり、大量生産によりコストダウンを図ることができる。
ここで、第1軸周りに振動するミラー110に光が入射されると、反射光が第1軸周りにスキャン(偏向走査)される。また、第2軸周りに振動するミラー110に光が入射されると、反射光が第2軸周りにスキャン(偏向走査)される。そこで、被走査面に形成される画像の高精細化、面内均一化を図るために、ミラー110に入射される光を第1軸周りに直線的にスキャンし、その走査線を第2軸周りにスキャンすること、すなわちラスタスキャンを行うことができる。
具体的には、第1駆動部150では各トーションバーの機械的共振を利用してできるだけ少ないエネルギーでミラー110を高周波数で振動させ、第2駆動部250では非共振でミラー110を低周波数(例えば数十Hz)で振動させることでラスタスキャンを行うことができる。
しかしながら、この場合、各第2圧電部材の変位量は、各第1圧電部材の変位量よりも小さい。
そこで、上述の如く、第2駆動部250の各蛇行部の8つの梁に個別に設けられた8つの第2圧電部材を並列に動作させることで、変位量を稼ぐことができる。
本実施形態では、ラスタスキャンを行うために、各蛇行部に設けられた圧電部材群P1、P2に印加する駆動電圧として同一周期の鋸波電圧及び逆鋸波電圧を用いる。
この場合、ミラー110の第2軸周りの揺動速度、すなわちミラー110の振れ角(偏向角)の時間変化は、図3(A)に示されるように直線的であることが望ましい。すなわち、ミラー110の第2軸周りの揺動速度に変動が生じないことが望ましい。換言すると、第2駆動部250による第2軸周りの駆動は、線形駆動であることが望ましい。
しかしながら、第2駆動部250によるミラー110の第2軸周りの偏向動作においては、ミラー110及び第1駆動部150を含む系の重さや各蛇行部の梁の剛性などにより決まる固有の機械的共振の振動成分が発生し、ミラー110に伝わる。すなわち、ミラー110及び第1駆動部150を第2軸周りに駆動する第2駆動部250は、固有の機械的共振の共振周波数を有する。この場合、ミラー110の振れ角の時間変化にうねりが生じてしまう(図3(B)参照)。すなわち、ミラー110の揺動速度に変動が生じてしまう。この結果、直線的な光走査が妨げられ、ひいては被走査面に形成される画像に輝度ムラ、歪みなどが発生し、画質の劣化を招く。このように第2駆動部250による第2軸周りの駆動は、実際には、線形駆動でなく、非線形駆動である。
そこで、本実施形態では、各蛇行部に設けられた2つの圧電部材群P1、P2に個別に印加される同一周期の鋸波電圧及び逆鋸波電圧の位相をpだけずらすこととしている(図4参照)。そして、圧電部材群P1、圧電部材群P2に個別に印加される鋸波電圧及び逆鋸波電圧の最大値(振幅値)V1max、V2maxを互いに異ならせることとしている。
すなわち、本実施形態では、図4及び図5に示されるように、各蛇行部に設けられた圧電部材群P1の4つの第2圧電部材の変形により励起される機械的共振の振動成分と該蛇行部に設けられた圧電部材群P2の4つの第2圧電部材の変形により励起される機械的共振の振動成分とが互いに打ち消しあうような、位相がずれ振幅が異なる鋸波電圧及び逆鋸波電圧、すなわち非相似の波形の2つの駆動電圧を圧電部材群P1及び圧電部材群P2に並行して(例えば同時に)個別に印加する。この結果、各蛇行部における機械的共振の振動成分を大幅に低減させることが可能になる。
このようにして、第2駆動部250による第2軸周りの非線形駆動によるZ軸方向(副走査方向)の光走査に対して、2つの圧電部材群P1、P2に印加する電圧の位相及び振幅を異ならせることにより、ミラー110の揺動速度(ミラー110の振れ角の時間変化)の変動を抑制することが可能となる。すなわち、ミラー110の第2軸周りの揺動速度の線形性を向上させることが可能となる。これにより、画像の副走査方向の輝度ムラや歪みの発生を抑制することができ、被走査面に高品質な画像を形成することができる。
さらに、光偏向器100の製造プロセスにおいて発生する加工誤差や圧電部材の位置ずれが生じる場合にも、2つの圧電部材群P1、P2に印加する最大電圧を異ならせる(調整する)ことで、その加工誤差や位置ずれを補償することができる。この結果、副走査方向の走査の均一性、及び光偏向器100の製造歩留まりを向上させることができる。
コントローラ200は、ミラー110の振れ角(偏向角)を検知する不図示のセンサからの検知結果に基づいて、ミラー110の振れ角と各レーザダイオードの発光タイミングとの同期をとるための同期信号を生成し、LD制御部50に出力する。また、コントローラ200は、以下に説明するように、光偏向器100の第2駆動部250を制御する。
すなわち、コントローラ200は、各蛇行部に設けられた圧電部材群P1の各圧電部材に波形aの駆動電圧(鋸波電圧)を印加するとともに、該蛇行部に設けられた圧電部材群P2の各圧電部材に波形bの駆動電圧(逆鋸波電圧)を印加する(図4及び図5参照)。ここでは、波形a、bの周波数は、約60Hzとされている。但し、各蛇行部における機械的共振の共振周波数との関係により、周波数を数Hz程度シフトさせても良い。
このように、各蛇行部に設けられた2つの圧電部材群P1、P2にそれぞれ波形a、波形bの駆動電圧が並行して印加されることにより、各蛇行部の8つの梁が撓み、ミラー110が第2軸周りに振動する。このようにして、第2軸周りの非線形駆動によるZ軸方向(副走査方向)の光走査が行われる。
この際、図4及び図5に示されるように、波形a、bの位相をずらし、その位相ずれ量(位相差)を調整することで、非線形駆動である副走査方向の走査速度のムラ(ばらつき)をある程度低減することができる。
図4には、波形bの最大値(振幅値)が波形aの最大値(振幅値)よりも大きい場合が示されている。図5には、波形aの最大値(振幅値)が波形bの最大値(振幅値)よりも大きい場合が示されている。
ここで、圧電部材群P1、P2へ印加する駆動電圧の最大値V1max、V2maxを調整することで、上記位相差の調整によってもなお残存している副走査方向の走査速度のムラをさらに低減させ、より直線性の良い光走査とすることができる。
圧電部材群P1、P2に印加する駆動電圧の位相差及び最大値を調整することで、第2軸周りのミラー110の振れ角の時間変化(揺動速度)の線形性を向上できる理由としては、図2に示される各蛇行部の隣り合う2つの梁がYZ平面に平行な平面に関して完全に対称ではないためである。すなわち、各蛇行部の隣り合う2つの梁は、安定動作のために対称性が確保されるように設計されているが完全に対称とすることはできない。そこで、隣り合う2つの梁のわずかな非対称性に対して、圧電部材群P1、P2に個別に印加する2つの駆動電圧を調整することで、第2駆動部250に励起される機械的共振を抑えることができる。
以下に、各蛇行部に設けられた圧電部材群P1、P2に印加される駆動電圧の調整方法(光偏向装置1000の調整方法)の一例を説明する。この調整は、例えば、プロジェクタ装置10の製造時、出荷時、メンテナンス時などに人(例えば作業者)によって行われる。
先ず、2つの圧電部材群P1、P2に、図6に示されるような同一周期、同一デューティ比かつ同一振幅(最大値V1max)の波形aの鋸波電圧、波形bの逆鋸波電圧を並行して個別に印加して第2駆動部250を動作させ、ミラー110を第2軸周りに振動させる。そして、第2軸周りに振動するミラー110に対してレーザ光を照射すると、該レーザ光は第2軸周りに偏向される。そこで、波形a、bの位相を相対的にずらしながら、例えばポジションセンサダイオード(PSD)を用いて副走査方向の走査速度をモニタし、該走査速度(ミラー110の揺動速度)の均一性が高くなる位相ずれ量(位相差)を求める。なお、鋸波電圧のデューティ比は、周期に対する立ち上がり時間の比率を意味する。逆鋸波電圧のデューティ比は、周期に対する立ち下り時間の比率を意味する。
そして、求められた位相ずれ量pを、メモリ300に保存する。なお、波形a、波形bの周期、振幅(最大値)及びデューティ比は、ミラー110の第2軸周りの振れ角が概ね適切になるような値に設定されている。
次に、波形aの最大値V1maxを固定した状態で、波形bの最大値V2maxを変化させ、走査速度(ミラー110の揺動速度)が均一になるようにV2maxの調整を行う。このとき、走査速度の均一性が最も高くなるときの最大電圧比(振幅の比)=V2max/V1maxを、位相ずれ量pと同様にメモリ300に保存する。
コントローラ200は、被走査面に画像を形成する際のミラー110の駆動時に、メモリ300から位相ずれ量p及び最大電圧比V2max/V1maxを読み出し、該位相ずれ量及び最大電圧比を満たす2つの駆動電圧を各蛇行部に設けられた圧電部材群P1、P2に並行して個別に印加し、ミラー110を第2軸周りに駆動する。
詳述すると、メモリ300には、各蛇行部の2つの圧電部材群P1、P2の一方に印加される電圧の波形(周期及び振幅)、最大電圧比V2max/V1max及び位相差pが格納されている。コントローラ200は、これらに基づいて2つの圧電部材群P1、P2の他方に印加される電圧の波形を求める。
なお、ここでは、V1maxを固定した状態でV2maxを調整し、最大電圧比をメモリ300に保存しているが、V2maxを固定した状態でV1maxを調整し、最大電圧比をメモリ300に保存しても良い。
また、V1max、V2maxの双方を調整し、V1max、V2maxそれぞれの調整値をメモリ300に保存し、読み出すことも可能である。この場合、メモリ300に更に、2つの圧電部材群P1、P2に印加される電圧の周期及び位相差pを保存することで、コントローラ200は、これらとV1max、V2maxそれぞれの調整値に基づいて、2つの圧電部材群P1、P2に印加される電圧の波形を求めることができる。
また、最大電圧比として、V1max/V2maxを用いても良い。
以上の説明から分かるように、調整後の波形a、bは、周期及びデューティ比が等しく、振幅が異なる非相似の波形となることが分かる(図4及び図5参照)。
ここで、図7(A)には、同一周期かつ同一振幅かつ同一デューティ比、すなわち波形が相似の鋸波電圧及び逆鋸波電圧を圧電部材群P1、P2に並行して個別に印加したときのポジションセンサダイオードPSDからの検出信号が示されている。この場合、副走査方向の走査速度(ミラー110の第2軸周りの揺動速度)が一定(均一)でないことが分かる。
一方、図7(B)には、上述のようにして調整された波形a、bの駆動電圧をそれぞれ圧電部材群P1、P2に印加したときのポジションセンサダイオードからの検出信号が示されている。この場合、副走査方向の走査速度(ミラー110の第2軸周りの揺動速度)が一定(均一)であることが分かる。
以上説明した本実施形態の光偏向装置1000は、反射面を有するミラー110と該ミラー110を支持する支持部とを備え、該支持部は、蛇行するように連続する複数(例えば8つ)の梁を含む蛇行部と、該複数の梁に個別に設けられた複数(例えば8つ)の第2圧電部材とを有し、ミラー110を第2軸周りに揺動させるための第2駆動部250(駆動部)を含み、隣り合う2つの前記梁に個別に設けられた2つの第2圧電部材11、12に、非相似の波形の2つの駆動電圧が並行して(例えば同時に)個別に印加される。
この場合、駆動部の構造に僅かな非対称性があっても、該非対称性に起因する機械的共振の振動成分の発生を十分に抑制できる。
結果として、光偏向装置1000では、駆動部の構造に僅かな非対称性があっても、ミラーの揺動速度の変動を抑制できる。
一方、例えば特許文献1に開示されている光偏向器の駆動装置のように、蛇行部の隣り合う2つの梁に個別に設けられた2つの圧電部材に相似の波形の2つの電圧を逆位相で並行に個別に印加する場合、該蛇行部の構造に僅かでも非対称性があると、該非対称性に起因する機械的共振の振動成分の発生を十分に抑制することができず、ミラーの揺動速度の変動を抑制できないおそれがある。
そして、前記2つの駆動電圧の波形はミラー110の第2軸周りの揺動速度の変動が抑制されるように設定されるため、ミラー110の振れ角(偏向角)を直線的に変化させることができる。
具体的には、前記2つの駆動電圧の一方は、鋸波電圧であり、他方は該鋸波電圧と周期が等しく位相がずれた逆鋸波電圧であるため、蛇行部の構造上の僅かな非対称性に起因する機械的共振の振動成分の発生をある程度抑制することができ、ミラー110の振れ角を概ね直線的に変化させることができる。
さらに、前記2つの駆動電圧の振幅は異なるため、蛇行部の構造上の僅かな非対称性に起因する機械的共振の振動成分の発生を十分に抑制することができ、ミラー110の振れ角をほぼ直線的に変化させることができる。
また、前記支持部は、第2駆動部250に連続し、ミラー110を第2軸に直交する第1軸周りに揺動させるための第1駆動部150を含んでいる。この場合、第1駆動部150によってミラー110を第1軸周りに振動させ、かつ第2駆動部250によって第2軸周りに振動させることができる。そこで、第1駆動部150及び第2駆動部250によるミラー110の偏向動作を用いて光により被走査面を2次元走査することができる。この場合、例えばミラーを一軸周りにのみ揺動可能な光偏向器を2つ組み合わせる場合よりも、小型化、低コスト化が可能になる。
また、第1駆動部150は、ミラー110に一端が連続し、第1軸方向に延びる2つのトーションバー105a、105bと、該2つのトーションバー105a、105bそれぞれの他端に連続する2つの梁106a、106bと、該2つの梁106a、106bそれぞれに設けられた2つの圧電部材15、16とを有している。この場合、各トーションバーの共振周波数(機械的共振)を利用してミラー110を第1軸周りに低電力で大きな振れ角で振動させることができる。
また、プロジェクタ装置10は、3つのレーザダイオードLD1〜LD3を含み、画像情報に基づいて変調されたレーザ光を射出する光源装置5と、該光源装置5からの光を被走査面に向けて偏向する光偏向装置1000と、を備えている。この場合、画像情報に基づいて変調された光により被走査面を安定して走査することができ、被走査面に高品質な画像を形成することができる。すなわち、ミラー110の第2軸周りの揺動速度の均一性が得られることにより、簡易な構成により、輝度ムラや歪みの発生が抑えられた高品質な画像を形成することができる。
ところで、特開2011−107505号公報に開示されている2次元スキャナ駆動装置では、以下のような方法によりラスタスキャンにおける走査速度の均一性を確保している。
すなわち、通常、光による2次元走査を行う場合、副走査方向の非共振駆動の高調波と走査駆動手段の副走査方向の構造による共振周波数が干渉して、副走査方向に波打ち現象が生じ、副走査方向の走査速度が不均一になる。そのため、光走査の速度を検出する速度検出手段を設け、速度検出信号を生成する。その速度検出信号に基づいて走査駆動手段へのフィードバックを行い、副走査方向の走査速度の不均一性を低減させている。
しかしながら、この2次元スキャナ駆動装置では、光走査の速度信号を検出するための追加のセンサ機構が必要となり、装置の構成が煩雑となり、装置の大型化を招く。また、2次元走査を行っているため、主走査方向と副走査方向の信号の混入が避けられず、信号の混入を回避するための処理に負担がかかり、また完全に除去することは難しい。さらに、これらの条件の最適化には精密な調整技術が必要であり、コストアップを招く。
本実施形態の光偏向装置1000では、追加のセンサ機構、複雑な信号処理が必要なく、非共振駆動による副走査方向の走査速度の均一性を確保し、輝度ムラ、歪みのない高品質な画像を形成することができる。すなわち、簡易な構成及び制御で、かつ低コストで、副走査方向の走査速度の均一化を図ることができる。
以下に、圧電部材群P1、P2に印加する駆動電圧の調整方法(光偏向装置1000の調整方法)の他の例について説明する。この調整は、例えば、プロジェクタ装置10の製造時、出荷時、メンテンス時などに人(例えば作業者)によって行われる。
先ず、2つの圧電部材群P1、P2に、図6に示される同一周期、同一デューティ比及び同一振幅(最大値)の波形aの鋸波電圧、波形bの逆鋸波電圧を並行して個別に印加して第2駆動部250を動作させ、ミラー110を第2軸周りに振動させる。そして、第2軸周りに振動するミラー110に対してレーザ光を照射すると、該レーザ光は第2軸周りに偏向される。そこで、波形a、波形bの位相を相対的にずらしながら、例えばポジションセンサダイオード(PSD)を用いて副走査方向の走査速度をモニタし、該走査速度(ミラー110の揺動速度)の均一性が高くなる位相ずれ量(位相差)を求める。このようにして、2つの波形の位相差の調整が行われる。
そして、求められた位相ずれ量pを、メモリ300に保存する。なお、波形a、波形bの周期、振幅(最大値)及びデューティ比は、ミラー110の第2軸周りの振れ角(偏向角)が概ね適切になるような値に設定されている。
ここで、波形aは、図8(A)に示される鋸波であり、1周期は、ラスタスキャンさせるために時間の経過につれ電圧値が徐々に高くなる期間(立ち上がり期間)と時間の経過につれ電圧値が急激に低くなる期間(立ち下り期間)とに分けられる。また、波形bは、図8(B)に示される逆鋸波であり、1周期は、ラスタスキャンさせるために時間の経過につれ電圧値が徐々に低くなる期間(立ち下がり期間)と時間の経過につれ電圧値が急激に高くなる期間(立ち上がり期間)とに分けられる。
すなわち、波形aは、1周期の時間Taに対して、ラスタ走査のための立ち上がり期間の時間Ta1、元に戻すための立下り期間の時間Ta2に分けられる。ここで、1周期に対するラスタスキャンのための時間の割合(デューティ比)をシンメトリSaとすると、Sa=Ta1/Taとなる。同様に波形bについての1周期の時間Tbに対するラスタ走査のための立下り期間の時間Tb1の割合(デューティ比)をシンメトリSbとすると、Sb=Tb1/Tbとなる。
通常、波形aのシンメトリSaと波形bのシンメトリSbは、同じにして駆動させるが、ここでは、シンメトリSa、Sbを少しずらして調整することで、上記位相差の調整によってもなお残存している副走査方向の走査速度のムラをさらに低減させることができ、直線性のよい光走査とすることができる。
この理由としては、上述した最大電圧値の調整により走査速度の均一化を図ることができるのと同様に、図2に示される光偏向器100の各蛇行部の隣り合う2つの梁が完全な対称ではないためである。そこで、わずかに生じた非対称性に対して、各蛇行部に設けられた2つの圧電部材群P1、P2に印加する電圧を調整することで、誘起される機械的共振が抑えられる効果が得られる。
また、波形aのシンメトリSa、波形bのシンメトリSbを調整することで、光偏向器100の製造プロセスにおいて発生する加工誤差、圧電部材の位置ずれによる走査速度のムラがわずかに生じる場合にも、その加工誤差や位置ずれを補償することができる。
具体的には、図9に示されるように、圧電部材群P1に印加する駆動電圧の波形aのシンメトリSaを固定した状態で、圧電部材群P2に印加する駆動電圧の波形bのシンメトリSbを変化させ、副走査方向の走査速度(ミラー110の第2軸周りの揺動速度)が均一になるようにSbを調整する。そして、走査速度の均一性が最も高くなるときの波形b´のシンメトリSb´=Tb2´/TbとシンメトリSaの比であるシンメトリ比Sb´/Saを、位相ずれ量と同様にメモリ300に保存する。
コントローラ200は、被走査面に画像を形成する際のミラー110の駆動時に、メモリ300から位相ずれ量、シンメトリ比Sb´/Saを読み出し、該位相ずれ量及びシンメトリ比Sb´/Saを満たす2つの駆動電圧を圧電部材群P1、P2に個別に印加し、ミラー110を第2軸周りに駆動する。
詳述すると、メモリ300には、各蛇行部の2つの圧電部材群P1、P2の一方に印加される電圧の波形(周期及び振幅)、該2つの圧電部材群P1、P2に印加される電圧のシンメトリ比Sb´/Sa及び位相差pが格納されている。コントローラ200は、これらに基づいて2つの圧電部材群P1、P2の他方に印加される電圧の波形を求める。
なお、Saを固定した状態でSbを調整し、シンメトリ比をメモリ300に保存したが、Sbを固定した状態でSaを調整し、シンメトリ比をメモリ300に保存しても良い。また、Sa、Sbの双方を調整し、Sa、Sbそれぞれの調整値をメモリ300に保存し、読み出すことも可能である。この場合、メモリ300に、更に、2つの圧電部材群P1、P2に印加される電圧の周期(同一周期)及び位相差pを保存することで、コントローラ200は、これらとSa、Sbそれぞれの調整値に基づいて、2つの圧電部材群P1、P2に印加される電圧の波形を求めることができる。
なお、シンメトリ比Sb´/Saに代えて、シンメトリ比Sa/Sb´を用いても良い。
また、上記実施形態では、RGBの3原色に対応する3つのレーザダイオードからの3つのレーザ光の合成光を光偏向装置1000で偏向して被走査面を2次元走査することによりカラー画像を形成するプロジェクタ装置について説明したが、これに限らず、例えば、1つのレーザダイオードからの1つレーザ光を光偏向装置1000で偏向して被走査面を2次元走査することによりモノクロ画像を形成するプロジェクタ装置を提供しても良い。
また、第1駆動部150及び第2駆動部250を含む駆動手段を有する支持部の構成は、上記実施形態で説明したものに限らず、適宜変更可能である。例えば上記実施形態の駆動手段は、ミラーを互いに直交する二軸(第1軸及び第2軸)周りに独立に駆動しているが、例えばミラー110を一軸周りにのみ駆動しても良い。具体的には、図10に示されるように、非共振駆動による1次元光走査用の光偏向器にも適用可能である。図10における駆動部は、第2駆動部250と同様の構成を有している。この場合、光偏向装置を2つ組み合わせて、2つのミラーを互いに直交する二軸周りにそれぞれ駆動するようにしても良い。また、例えば第1駆動部は、第2駆動部と同様の構成を有していても良い。また、例えば第2駆動部は、第1駆動部と同様の構成を有していても良い。
また、上記実施形態では、画像形成装置の一例として、プロジェクタ装置10を採用しているが、これに限らず、例えば、プリンタ、複写機等を採用しても良い。具体的には、例えば、図10に示される1次元走査用の光偏向装置で偏向されたレーザ光により像担持体としての感光体ドラムの表面を走査して静電潜像を形成し、該静電潜像にトナーを付着させて現像し、得られたトナー画像を媒体に転写し、画像を形成しても良い。
また、上記実施形態では、画像形成装置としてのプロジェクタ装置10に光偏向装置1000が配備されているが、これに限らず、例えば図11に示される画像形成装置としてのヘッドアップディスプレイ7に光偏向装置1000が配備されても良い。ヘッドアップディスプレイ7は、例えば車両、航空機、船舶等に搭載される。
詳述すると、ヘッドアップディスプレイ7は、一例として図11に示されるように、光偏向装置で偏向されたレーザ光の光路上に配置されたXZ平面に沿って2次元配列された複数のマイクロレンズ60aを含むマイクロレンズアレイ60と、該マイクロレンズアレイ60を介したレーザ光の光路上に配置された半透明部材70(例えばコンバイナ)と、を備えている。この場合、光偏向装置1000による第1軸及び第2軸周りのレーザ光の偏向動作に伴い該レーザ光によりマイクロレンズアレイ60が2次元走査され、マイクロレンズアレイ60上に画像が形成される。そして、マイクロレンズアレイ60を介した画像光が半透明部材70に入射し、該画像光の拡大された虚像が形成される。すなわち、観察者は、半透明部材70を介して画像光の拡大された虚像を視認することができる。この場合、マイクロレンズアレイ60により画像光が拡散されるため、所謂スペックルノイズの低減が期待できる。
なお、マイクロレンズアレイ60に代えて、マイクロレンズアレイ以外の光を透過させる部材(例えば透過スクリーン)を用いても良い。また、例えばマイクロレンズアレイ、透過スクリーン等の光を透過させる部材と半透明部材との間の光路上に例えば凹面鏡、平面鏡等のミラーを設けても良い。また、半透明部材を例えば車両の窓ガラスで代用しても良い。
また、光偏向装置1000を、ヘッドアップディスプレイ7と同様の構成のヘッドマウントディスプレイに配備しても良い。
また、上記実施形態では、波形aと波形bの位相差は、0以外にされているが、0にされても良い。
また、上記実施形態では、波形aと波形bの周期は、等しくされているが、異なっていても良い。
また、上記実施形態では、圧電部材に印加される駆動電圧の波形は、正弦波、鋸波、逆鋸波とされているが、これに限らず、要は、周期的な波形であることが好ましい。特に、隣り合う2つの第2圧電部材に印加される駆動電圧の波形は、ミラー110の第2軸周りの揺動速度の変動が抑制されるように設定されていることが好ましい。
また、上記実施形態における光偏向器100の各構成部の配置、大きさ、形状、数、材質等は、適宜変更可能である。例えば、第1駆動部150において、トーションバーの一端にミラー110が連続し、該トーションバーの他端に梁が連続しているが、要は、トーションバーの一部にミラーが連続し、該トーションバーの他の一部に梁が連続していれば良い。
また、上記実施形態における光源装置5の構成は、適宜変更可能である。例えば、光源装置5は、光の3原色に対応する3つのレーザダイオードを有しているが、1つ又は4つ以上のレーザダイオードを有していても良い。この場合、レーザダイオードの数に応じて、コリメートレンズ、ダイクロイックミラーの数(0を含む)を変更しても良い。
また、上記実施形態では、光源として、レーザダイオード(端面発光レーザ)を用いているが、これに限られない。例えば、面発光レーザを用いても良いし、レーザ以外の光源を用いても良い。
また、上記実施形態では、プロジェクタ装置10は、画像処理部40を有しているが、必ずしも有していなくても良い。
7…ヘッドアップディスプレイ(画像形成装置)、10…プロジェクタ装置(画像形成装置)、11、12…第2圧電部材(圧電部材)、15、16…第1圧電部材(別の圧電部材)、100…光偏向器、110…ミラー、105a、105b…トーションバー(支持部の一部)、106a、106b…梁(支持部の一部)、108a、108b…梁(支持部の一部)150…第1駆動部(別の駆動部)、250…第2駆動部(駆動部)、1000…光偏向装置。
特開2012−198415号公報

Claims (18)

  1. 反射面を有するミラーと該ミラーを支持する支持部とを備え、該支持部は、蛇行するように連続する複数の梁と、該複数の梁に個別に設けられた複数の圧電部材とを有し、前記ミラーを一軸周りに揺動させるための駆動部を含み、前記反射面に入射された光を偏向する光偏向装置において、
    隣り合う2つの前記梁に個別に設けられた2つの前記圧電部材に、非相似の波形の2つの電圧が並行して個別に印加され、
    前記2つの電圧の周期に対する立ち上り時間又は立ち下がり時間の比率が、異なることを特徴とする光偏向装置。
  2. 前記2つの電圧の波形は、前記ミラーの前記一軸周りの揺動速度の変動が抑制されるように設定されてい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2つの電圧の波形の一方は、鋸波であり、他方の波形は、前記鋸波と周期が等しく位相がずれた逆鋸波であ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2つの電圧の振幅は、異なることを特徴とする請求項1〜3のいずれか一項に記載の光偏向装置。
  5. 予め保存された前記2つの電圧の振幅の比及び前記2つの電圧の一方の波形に基づいて、前記2つの電圧の他方の波形が求められることを特徴とする請求項4に記載の光偏向装置。
  6. 予め保存された前記2つの電圧の振幅に基づいて、前記2つの電圧の波形が求められることを特徴とする請求項4に記載の光偏向装置。
  7. 予め保存された前記2つの電圧の周期に対する立ち上り時間又は立ち下がり時間の比率の比、及び前記2つの電圧の一方の波形に基づいて、前記2つの電圧の他方の波形が求められることを特徴とする請求項1〜6のいずれか一項に記載の光偏向装置。
  8. 予め保存された前記2つの電圧の周期に対する立ち上り時間又は立ち下がり時間の比率に基づいて、前記2つの電圧の波形が求められることを特徴とする請求項1〜6のいずれか一項に記載の光偏向装置。
  9. 前記支持部は、前記駆動部に連続し、前記ミラーを前記一軸に直交する他軸周りに揺動させるための別の駆動部を含むことを特徴とする請求項1〜のいずれか一項に記載の光偏向装置。
  10. 前記別の駆動部は、前記ミラーに一部が連続し、前記他軸方向に延びるトーションバーと、該トーションバーの他の一部に連続する別の梁と、該別の梁に設けられた別の圧電部材とを有することを特徴とする請求項に記載の光偏向装置。
  11. 画像情報に基づいて変調された光により被走査面を走査し、画像を形成する画像形成装置であって、
    光源を含み、前記光を射出する光源装置と、
    前記光源装置からの光を前記被走査面に向けて偏向する請求項1〜10のいずれか一項に記載の光偏向装置と、を備える画像形成装置。
  12. 前記被走査面は、前記光偏向装置で偏向された光を透過させる部材の表面であることを特徴とする請求項11に記載の画像形成装置。
  13. 請求項11又は12の画像形成装置を備える車両。
  14. 反射面を有するミラーと該ミラーを支持する支持部とを備え、前記支持部は、蛇行するように連続する複数の梁と、該複数の梁に個別に設けられた複数の圧電部材とを有し、前記ミラーを一軸周りに揺動させるための駆動部を含み、前記反射面に入射された光を偏向する光偏向装置の制御方法において、
    隣り合う2つの前記梁に個別に設けられた2つの前記圧電部材に、互いに非相似の波形の2つの電圧を並行して個別に印加する工程を含み、
    前記2つの電圧の周期に対する立ち上り時間又は立ち下がり時間の比率が、異なることを特徴とする光偏向装置の制御方法。
  15. 前記2つの電圧の波形は、前記ミラーの前記一軸周りの揺動速度の変動が抑制されるように設定されていることを特徴とする請求項14に記載の光偏向装置の制御方法。
  16. 反射面を有するミラーと該ミラーを支持する支持部とを備え、前記支持部は、蛇行するように連続する複数の梁と、該複数の梁に個別に設けられた複数の圧電部材とを有し、前記ミラーを一軸周りに揺動させるための駆動部を含み、前記反射面に入射された光を偏向する光偏向装置の調整方法であって、
    隣り合う2つの前記梁に個別に設けられた2つの前記圧電部材に2つの電圧を並行して個別に印加する工程と、
    前記2つの電圧の少なくとも一方の振幅を前記ミラーの前記一軸周りの揺動速度の変動が抑制されるように調整する工程と、
    調整後の前記振幅又は該振幅に基づく値を保存する工程と、を含み、
    前記2つの電圧の周期に対する立ち上り時間又は立ち下がり時間の比率が、異なることを特徴とする光偏向装置の調整方法。
  17. 反射面を有するミラーと該ミラーを支持する支持部とを備え、前記支持部は、蛇行するように連続する複数の梁と、該複数の梁に個別に設けられた複数の圧電部材とを有し、前記ミラーを一軸周りに揺動させるための駆動部を含み、前記反射面に入射された光を偏向する光偏向装置の調整方法であって、
    隣り合う2つの前記梁に個別に設けられた2つの前記圧電部材に2つの電圧を並行して個別に印加する工程と、
    前記2つの電圧の少なくとも一方の周期に対する立ち上り時間もしくは立ち下がり時間の比率を前記ミラーの前記一軸周りの揺動速度の変動が抑制されるように調整する工程と、
    調整後の前記周期に対する立ち上り時間もしくは立ち下がり時間の比率、又は該比率に基づく値を保存する工程と、を含む光偏向装置の調整方法。
  18. 前記2つの電圧の位相差を前記ミラーの前記一軸周りの揺動速度の変動が抑制されるように調整する工程と、
    調整後の位相差を保存する工程と、を更に含むことを特徴とする請求項16又は17に記載の光偏向装置の調整方法。

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