JP6558447B2 - 光偏向装置とヘッドアップディスプレイ装置と光書込みユニットと画像形成装置と物体認識装置 - Google Patents

Description

この発明は、光偏向装置とヘッドアップディスプレイ装置と光書込みユニットと画像形成装置と物体認識装置に関する。

従来から、光源から射出されたレーザ光を二次元方向に走査する光偏向装置が知られている（特許文献１参照）。

特許文献１に記載の光偏向装置は、副走査揺動軸回りに揺動する副走査揺動部と、周方向揺動軸回りに揺動するミラー部とを備え、副走査揺動部はアームによって副走査方向に揺動可能に支持部に支持され、ミラー部は複数の梁部によって主走査揺動軸回りに揺動可能に副走査揺動部に支持されている。各梁部の表面には圧電素子が取り付けられており、この圧電素子の伸縮により梁部が弾性変形してミラー部を主走査揺動軸回りに揺動させ、副走査揺動部を副走査軸回りに揺動させることによって、ミラー部に入射するレーザ光を二次元方向に走査するものである。

特開２０１３−１７３４６５号公報

ところで、このような光偏向装置では、梁部等の共振振動を利用してミラー部を揺動軸回りに揺動させているが、環境温度変化によって共振特性が変動し、ミラー部の振れ角が大きく変動してしまうという問題があった。

この発明の目的は、環境温度変化があってもミラー部の振れの変動を小さく抑えることのできる光偏向装置と、光偏向装置を備えたヘッドアップディスプレイ装置と、光偏向装置を備えた光書込みユニットと、光書込みユニットを備えた画像形成装置と、光偏向装置を備えた物体認識装置とを提供することにある。

この発明の一つの実施例によれば、光偏向装置は、ミラー部と、前記ミラー部を所定の軸周りに回転可能に支持する一対の弾性支持部と、前記一対の弾性支持部を弾性変形させる駆動部と、前記駆動部に駆動周波数を入力して前記駆動部を制御する駆動制御部と、を備える。前記駆動制御部は、第１の温度範囲において前記駆動周波数を変更する第１の時間間隔を、前記第１の温度範囲よりも高温側である第２の温度範囲において前記駆動周波数を変更する第２の時間間隔よりも短くする。

この発明の一つの実施例によれば、環境温度が変化してもミラー部の振れ角の変動を小さく抑えることができる。

この発明の第１実施例に係る光偏向器の構成を示した平面図である。 第１実施例に係る光偏向器を備えた光偏向装置の構成を示したブロック図である。 図２に示す光偏向装置の動作を示したフローチャートである。 図１に示すミラー部の環境温度別の共振周波数特性を示したグラフである。 環境温度と図１に示すミラー部の共振周波数との関係を示したグラフである。 環境温度とミラー部の振れ角との関係を示したグラフである。 図２に示す誤差補正部による誤差の補正を説明するための説明図である。 第２実施例のヘッドアップディスプレイ装置の構成を示したブロック図である。 第１実施例の光偏向装置を備えたヘッドアップディスプレイ装置を搭載した自動車の構成を模式的に表した模式図である。 図９に示すヘッドアップディスプレイ装置の構成を示した光学配置図である。 第４実施例の光書込みユニットの構成を示した光学配置図である。 光偏向器の他の例の構成を示した説明図である。 第５実施例の画像形成装置の概略構成を示した説明図である。 第６実施例の物体認識装置の構成を示したブロック図である。 周波数特性勾配係数の求め方を示すグラフである。 駆動周波数の変位と、ミラー部の振れ角の変位を示したグラフである。 単位時間当たりの駆動周波数を変更する回数と、温度との関係を示すグラフである。 駆動周波数を変更する速度と、温度との関係を示すグラフである。

以下、この発明の一つの実施例に係る光偏向装置と、光偏向装置を備えたヘッドアップディスプレイ装置と、光偏向装置を備えた光書込みユニットと、光書込みユニットを備えた画像形成装置と、光偏向装置を備えた物体認識装置について、図面を参照して説明する。
［第１実施例］
図１に光偏向装置の光偏向器１を示す。この光偏向器１は、いわゆるMEMSデバイスである。光偏向器１は、枠状の基板２と、複数の切込みＫａ,Ｋｂによって蛇行状に形成された一対の弾性部３,４と、この弾性部３,４に支持された可動部（基部）５と、可動部５に支持されたミラー部６とを有している。なお、基板２、弾性部３,４、可動部５及びミラー部６は１枚のSOI(Silicon on Insulator)基板から形成されたものである。以下の図１の説明において、Ｙ軸方向が上下方向であり、Ｘ軸方向が左右方向である。

基板２の下部（図１において）の表面には、環境温度を検出するための白金からなる測温抵抗体（温度検知部）２Ｒと、白金からなる複数の電極端子部２Ｐとが形成されている。測温抵抗体２Ｒを白金で形成したことにより、正確な温度を検出することができる。
［弾性部３］
弾性部３は、平行に配置された複数の梁部３Ａ１〜３Ａ８を有し、梁部３Ａ１の下部が基板２に固定され、梁部３Ａ８の下部が可動部５の左側の下部（図１において）に固定されている。また、梁部３Ａ１,３Ａ３…３Ａ７と梁部３Ａ２,３Ａ４…３Ａ８の上部が連結部３Ｒ１によりそれぞれ接続され、梁部３Ａ２,３Ａ４,３Ａ６と梁部３Ａ３,３Ａ５,３Ａ７の下部が連結部３Ｒ２によりそれぞれ接続されている。

各梁部３Ａ１〜３Ａ８の表面には、梁部３Ａ１〜３Ａ８を弾性変形させる駆動用圧電素子（駆動部）３Ｅ１〜３Ｅ８が取り付けられている。
［弾性部４］
弾性部４は、平行に配置された複数の梁部４Ａ１〜４Ａ８を有し、梁部４Ａ１の上部が基板２に固定され、梁部４Ａ８の上部が可動部５の右側の上部（図１において）に固定されている。また、梁部４Ａ１,４Ａ３…４Ａ７と梁部４Ａ２,４Ａ４…４Ａ８の下部が連結部４Ｒ１によりそれぞれ接続され、梁部４Ａ２,４Ａ４,４Ａ６と梁部４Ａ３,４Ａ５,４Ａ７の上部が連結部４Ｒ２によりそれぞれ接続されている。

各梁部４Ａ１〜４Ａ８の表面には、梁部４Ａ１〜４Ａ８を弾性変形させる駆動用圧電素子（駆動部）４Ｅ１〜４Ｅ８が取り付けられている。

梁部３Ａ１〜３Ａ８,４Ａ１〜４Ａ８は奇数番目と偶数番目とに分けられ、寄数番目の駆動用圧電素子３Ｅ１,３Ｅ３,３Ｅ７、４Ｅ１,４Ｅ３,４Ｅ７と、偶数番目の駆動用圧電素子３Ｅ２,３Ｅ４,３Ｅ８、４Ｅ２,４Ｅ４,４Ｅ８とに異なる駆動電圧が印加されるようになっている。これにより、各梁部３Ａ１〜３Ａ８,４Ａ１〜４Ａ８に反りが発生し、隣り合う各梁部３Ａ１〜３Ａ８,４Ａ１〜４Ａ８が異なる方向にたわむ。このたわみが累積されてミラー部６がＸ軸回りに大きく回転されることになる。

ミラー部６のＸ軸回りの回転により、ミラー部６の反射光の垂直方向（Ｙ軸方向：副走査方向）への走査が可能となる。別の言い方をすれば、光偏向器１は、Ｘ軸を中心にミラー部６を回転させることで、光源から出射された光（光束）をＹ軸方向に偏向することができる。
［ミラー部］
ミラー部６は、その上部及び下部（図１において）が偏心した位置で一対のトーションバー７,８によって支持されている。図１において、一対のトーションバー７、８は、ミラー部６の中心よりもＸ軸方向において正方向側にずれた位置で、ミラー部６を支持している。また、ミラー部６は一方の面（＋Ｚ方向の面）に反射膜（例えば、ＡｇやＡｌにより形成された金属膜）、もう一方の面（−Ｚ方向の面）にミラー部６の変形を抑制するためのリブ（突起部）を有している。

トーションバー７の上部は、左右方向（図１おいて）が長手となっている長方形状の弾性部９を介して可動部５に固定されている。すなわち、トーションバー７の上部の左側だけが弾性部９によって支持（片持ち支持）されている。弾性部９の表面には、弾性部９を弾性変形させる駆動用圧電素子（駆動部）９Ｅ１と、弾性部９の弾性変形量を検出する検出用圧電素子（検出部）９Ｆ１とが取り付けられている。

トーションバー８の下部は、左右方向（図１おいて）が長手となっている長方形状の弾性部１０を介して可動部５に固定されている。すなわち、トーションバー８の下部の左側だけが弾性部１０によって支持（片持ち支持）されている。弾性部１０の表面には、弾性部１０を弾性変形させる駆動用圧電素子（駆動部）１０Ｅ１と、弾性部１０の弾性変形量を検出する検出用圧電素子（検出部）１０Ｆ１とが取り付けられている。なお、Ｋｃ,Ｋｄは切込みである。

そして、トーションバー７,８と弾性部９,１０とでミラー部６を回転可能に可動部５に支持する一対の弾性支持部を構成する。

ミラー部６は、トーションバー７,８及び弾性部９,１０を利用した共振によりＹ軸回り（主走査揺動軸回り）に揺動して、ミラー部６に入射するレーザ光（光束）の反射光をＸ方向（主走査方向）へ走査（偏向）していくようになっている。別の言い方をすれば、トーションバー７,８及び弾性部９,１０を有する一対の弾性支持部がミラー部６を共振させることでミラー部６をＹ軸を中心に回転させる。これにより、ミラー部６に入射するレーザ光（光束）をＸ軸方向に偏向することができる。

ミラー部６は、トーションバー７,８によって偏心した位置で支持され、トーションバー７,８が弾性部９,１０によって片持ち支持されている。このため、ミラー部６が揺動する共振周波数特性においては、図４に示すように、共振点（共振周波数）より高い周波数側（一方側）の傾きが共振点（共振周波数）より低い周波数（他方側）の傾きより緩やかである（小さい）。そして、後述するように、光走査駆動制御部１６は、グラフの傾きが小さい側における周波数を駆動周波数として駆動用圧電素子９Ｅ１,１０Ｅ１に入力する。このとき、ミラー部６の回転中心（回転時にミラー部６の反射面の＋Ｚ方向の変形が０となる点）がミラーの形状の中心（例えば、ミラーが円であれば円中心）とが異なっている。これにより、共振周波数特性が非対称な形となる。

ミラー部６の主走査方向の振れ角は、検出用圧電素子９Ｆ１が検出する弾性部９の弾性変形量と検出用圧電素子１０Ｆ１が検出する弾性部１０の弾性変形量から後述する光走査駆動制御部１６が求める。

光偏向器１は、図２に示すように、セラミックのパッケージＰＫ内に設けてパッケージ化したものである。このパッケージ化により、光偏向器１の取り扱いが容易となるとともに、ミラー部６の温度と測温抵抗体２Ｒが検出する温度とを一致させることができ、高信頼性の光偏向器１を提供することができる。
［光偏向装置］
図２において、１２０は光偏向装置であり、光偏向装置１２０は、光偏向器１と光走査駆動制御部（駆動制御部）１６と記憶部１７とを備えている。

光走査駆動制御部１６は、光偏向器１の梁部３Ａ１〜３Ａ８,４Ａ１〜４Ａ８の駆動用圧電素子３Ｅ１〜３Ｅ８,４Ｅ１〜４Ｅ８と、弾性部９,１０の駆動用圧電素子９Ｅ１,１０Ｅ１とを駆動制御するものである。この駆動制御により、光偏向器１のミラー部６がＸ軸方向（図１参照）とＹ軸方向とに揺動される。

また、光走査駆動制御部１６は、ミラー部６の共振周波数特性（ミラー部６及びトーションバー７,８などによって決定される共振周波数特性であるが、説明の便宜上ミラー部６の共振特性として説明していく）の共振点より２０Ｈzの周波数分だけ高い周波数の駆動信号で駆動用圧電素子９Ｅ１,１０Ｅ１を駆動制御する。また、光走査駆動制御部１６は、振れ角誤差を補正する誤差補正部１６Ａを有している。この誤差補正部１６Ａは、ミラー部６の共振特性曲線の傾斜がなだらかな一方側の周波数特性勾配係数と、ミラー部６の実際の振れ角と、所望の振れ角とに基づいて、ミラー部６の振れ角誤差を補正する。

ここで、ミラー部６の共振周波数特性は、図４に示すように、環境温度に応じて大きく異なっており、共振周波数特性を示す共振特性曲線のグラフＧ１〜Ｇ４は、環境温度が２５℃、６５.１℃、９４.７℃、１０４.８℃のときの共振特性曲線を示す。各グラフＧ１〜Ｇ４において、横軸は駆動周波数（Ｈｚ）を示し、縦軸はミラー部６の振れ角（deg）を示す。各グラフＧ１〜Ｇ４の傾斜がなだらかな方の傾きはほぼ同じであり、同一とみなすことができる。すなわち、各グラフＧ１〜Ｇ４の周波数特性勾配係数は同一とみなすことができる。なお、各グラフＧ１〜Ｇ４のＦ１〜Ｆ４は共振特性の共振点の周波数を示す。なお、図４に示す各グラフＧ１〜Ｇ４においては、共振点（共振周波数）よりも高周波数側の傾きが、共振点（共振周波数）よりも低周波数側の傾きよりも小さい（なだらかである）。実施例１によれば、各グラフＧ１〜Ｇ４における高周波数側における傾き（駆動周波数に対する振れ角の変化の度合）が周波数特性勾配係数である。

記憶部１７には、周波数特性勾配係数と、環境温度が２５℃のときの共振周波数Ｆ１と、図５に示すように温度（環境温度）と共振周波数との関係を示すグラフＧ５と、そのグラフＧ５の傾きが記憶されている。すなわち、記憶部１７は、共振周波数温度特性係数とグラフＧ５を記憶している。また、図６に示すように、温度（環境温度）とミラー部６の振れ角との関係を示すグラフＧ６とそのグラフＧ６の傾き、すなわち振角感度温度特性係数とグラフＧ６が記憶部１７に記憶されている。なお、図６において、縦軸は、１Ｖの駆動電圧で駆動用圧電素子９Ｅ１,１０Ｅ１を駆動させたときのミラー部６の振れ角を示す。

なお、共振周波数温度特性係数を示すグラフＧ５や振角感度温度特性係数を示すグラフＧ６は、グラフＧ１〜Ｇ４等から求めたものである。
［光偏向装置の動作］
次に、光偏向装置１２０の動作を図３に示すフローチャートに基づいて説明する。

ステップＳ１では、測温抵抗体２Ｒが光偏向器１の環境温度を検出する。例えば、測温抵抗体２Ｒは、光偏向器１の周囲の温度を検出する。

ステップＳ２では、測温抵抗体２Ｒが検出した環境温度での光偏向器１のミラー部６の共振周波数Ｆａが推定される。この共振周波数Ｆａ（環境温度における共振周波数）は、次式によって求められる。次式において、Ｆ１は、２５℃におけるミラー部６の共振周波数である。

Ｆａ＝Ｆ１＋共振周波数温度特性係数×（環境温度−２５℃）
例えば、環境温度が３０℃の場合、Ｆａ＝Ｆ１＋共振周波数温度特性係数×５で求める。

ステップ３では、光偏向器１の駆動用圧電素子９Ｅ１,１０Ｅ１の駆動周波数Ｆｄを決定（設定）する。この駆動周波数Ｆｄは、Ｆｄ＝Ｆａ＋１０Ｈzとして求める。すなわち、環境温度における共振周波数より１０Ｈz高い周波数を駆動周波数Ｆｄとして決定（設定）する。

ステップ４では、光偏向器１の駆動用圧電素子９Ｅ１,１０Ｅ１の駆動電圧Ｖｄを決定する。この駆動電圧Ｖｄは、下記の式より求める。

Ｖｄ＝１３deg/（Ｈ１＋振角感度温度特性係数×（環境温度−２５℃））
ただし、Ｈ１は、２５℃における駆動感度であり、この２５℃における駆動感度は、環境温度が２５℃のとき、１Ｖの駆動電圧で駆動用圧電素子９Ｅ１,１０Ｅ１を駆動させたときのミラー部６の振れ角度である。この２５℃における駆動感度は記憶部１７に記憶されている。

ステップ５では、ステップ３及びステップ４で求めた駆動周波数の駆動電圧Ｖｄで駆動用圧電素子９Ｅ１,１０Ｅ１を駆動させて、ミラー部６をＹ軸回りに回転させる。

ステップ６では、誤差補正部１６Ａは、ステップ５で回転させたミラー部６のＹ軸回りの回転角の誤差（振れ角誤差）を補正する。図７に示すように、振れ角誤差Ｄａは、実際にミラー部６が駆動されたときの振れ角ｄ１と所望の振れ角ｄ２との差である。この振れ角誤差Ｄａに基づいて、実際の振れ角ｄ１を所望の振れ角ｄ２にするように、駆動周波数真値Ｆｏを求める。すなわち、光走査駆動制御部１６の誤差補正部１６Ａは、振れ角誤差Ｄａがゼロとなる駆動周波数真値Ｆｏを周波数特性勾配係数αなどから次式で求めて誤差を補正する。

例えば、光走査駆動制御部１６は、以下のように駆動周波数真値Ｆｏを決定してもよい。光走査駆動制御部１６は、各駆動周波数に対応するミラー部６の回転角を記憶する記憶部１７を参照しつつ、ステップＳ２で決定された駆動周波数Ｆｄが駆動用圧電素子９Ｅ１,１０Ｅ１に入力されたときにミラー部６の回転角（振れ角）に基づいて、駆動周波数真値Ｆｏを決定してもよい。この場合、記憶部１７は、図４のグラフＧ１〜Ｇ４に示すような、各駆動周波数と振れ角の関係を予め記憶している。また、駆動周波数Ｆｄが駆動用圧電素子９Ｅ１,１０Ｅ１に入力されたときのミラー部６の回転角（振れ角）は、角度検知部として機能する検出用圧電素子９Ｆ１、１０Ｆ１により検出される。なお、検出用圧電素子９Ｆ１、１０Ｆ１によりミラー部６の回転角が検知される前に、各駆動周波数に対応するミラー部６の回転角は測定され、記憶部１７に記憶されている。

Ｆｏ＝（Ｄａ/周波数特性勾配係数α）＋駆動周波数入力値
ここで、駆動周波数入力値はステップ３で求めた駆動周波数Ｆｄである。

この駆動周波数真値Ｆｏで駆動用圧電素子９Ｅ１,１０Ｅ１を駆動させて光偏向器１を起動させていき、ミラー部６の共振振動を利用してＹ軸回りにミラー部６を往復回転させていく。

このように、駆動周波数を共振周波数より１０Ｈzだけ高い周波数側に設定する。すなわち、駆動周波数を、共振特性曲線の傾きが緩やかな方側へ設定する。そして、この設定した駆動周波数で駆動用圧電素子９Ｅ１,１０Ｅ１を駆動させるようにしたものであるから、環境温度変化による共振特性の変動により光偏向器１の起動時の共振周波数の推定誤差が生じても、ミラー部６の振れ角の変動を小さく抑えることができる。このため、光偏向器１の起動時におけるミラー部６の破壊振れを防止することができる。

また、製造バラツキなどにより、駆動周波数に誤差が生じてもミラー部６の振れ角の変動を小さく抑えることができ、光偏向器１の起動時におけるミラー部６の破壊振れを防止することができる。

第１実施例では、ステップ６で振れ角誤差を補正しているので、環境温度変化による共振特性の変動の他に、製造バラツキによる駆動周波数の誤差が生じても、ミラー部６の振れ角の変動を小さく抑えることができる。このため、光偏向器１の起動時におけるミラー部６の破壊振れを防止することができる。

第１実施例では、ステップ６で振れ角誤差を補正しているが、ステップＳ６は必須ではない。この誤差が小さい場合にはステップ６を省略してもよい。

第１実施例では、ミラー部６の駆動周波数を共振周波数より１０Ｈz高い周波数に設定しているが、ミラー部６を駆動する周波数はこれに限られない。例えば、駆動用圧電素子９Ｅ１,１０Ｅ１を共振周波数より数Ｈz〜２０Ｈzの範囲の高い周波数で駆動させても、同様な効果を得ることができる。すなわち、駆動周波数を共振周波数＜駆動周波数≦共振周波数＋２０Ｈｚの範囲に設定するのが好ましい。

第１実施例では、弾性部３,４,９,１０の変形を圧電素子で行っているが、本発明の実施例はこれに限られない。例えば静電気力や電磁力などを用いて、弾性部３,４,９,１０を変形させてもよい。
［第２実施例］
次に、第２実施例のヘッドアップディスプレイ装置１００について説明する。図８は、第１実施例の光偏向装置１２０を備えたヘッドアップディスプレイ装置１００の構成を示したブロック図である。

ヘッドアップディスプレイ装置１００は、光偏向器１と、レーザ光を出射するレーザ光源１２と、レーザ光源１２を制御する光源駆動制御部１３と、光学系１４と、記憶部１７と、制御部１９と、光検出部２０とを備えている。

光源駆動制御部１３は、制御部１９からの画像信号や同期信号に基づいてレーザ光源１２のオン・オフなどを制御する。

制御部１９は、画像信号演算部１８と検出信号演算部と１０１と光走査駆動制御部１６とを有している。

画像信号演算部１８は、画像信号から水平同期信号及び垂直同期信号を分離する。

検出信号演算部１０１は、光検出部２０がミラー部６によって走査（反射）される光を受光したタイミングを求める。

光走査駆動制御部１６は、画像信号演算部１８からの水平同期信号と、検出信号演算部１０１が求めた光検出部２０の受光タイミングとが一致するように、光偏向器１のミラー部６のＹ軸回りの揺動（回転）を制御する。また、垂直同期信号に基づいて光偏向器１のミラー部６のＸ軸回りの揺動（回転）を制御する。

そして、光偏向器１と制御部１９の光走査駆動制御部１６と記憶部１７とで第１実施例と同様な光偏向装置１２０が構成される。この光偏向装置１２０は、第１実施例と同様な動作を行うのでその説明は省略する。

ヘッドアップディスプレイ装置１００は、光偏向器１のミラー部６のＹ軸回りの揺動とＸ軸回りの揺動とにより、光学系１４から入射するレーザ光の反射光を主走査方向と副走査方向に走査して、画像信号演算部１８に入力する画像信号の画像を投影面１５に投影することになる。

第２実施例のヘッドアップディスプレイ装置１００は、光偏向装置１２０を備えていることにより、第１実施例と同様な効果を得ることができる。
［第３実施例］
次に、第３実施例のヘッドアップディスプレイ装置２００について説明する。図９は、第１実施例の光偏向装置を備えたヘッドアップディスプレイ装置２００を搭載した自動車の構成を模式的に表した模式図である。また、図１０はヘッドアップディスプレイ装置２００の内部構成を模式的に表した模式図である。

ヘッドアップディスプレイ装置２００は、例えば、自動車３０１のダッシュボード内に設置される。ダッシュボード内のヘッドアップディスプレイ装置２００から発せられる画像光である投射光Ｌがウインドシールド３０２で反射され、ユーザーである観察者（運転者３００）に向かう。これにより、運転者３００は、ヘッドアップディスプレイ装置２００によって投影された画像を虚像３００Ａとして視認することができる。なお、ウインドシールド３０２の内壁面にコンバイナを設置し、コンバイナによって反射する投射光によってユーザーに虚像を視認させる構成にしてもよい。

ヘッドアップディスプレイ装置２００は、赤色、緑色、青色のレーザ光源２０１Ｒ，２０１Ｇ，２０１Ｂと、各レーザ光源に対して設けられるコリメータレンズ２０２，２０３，２０４と、２つのダイクロイックミラー２０５，２０６と、光量調整部２０７と、光偏向器１と、自由曲面ミラー２０９と、スクリーン２１０と、投射ミラー２１１とから構成されている。そして、第３実施例における光源装置としての光源ユニット２３０は、レーザ光源２０１Ｒ，２０１Ｇ，２０１Ｂ、コリメータレンズ２０２，２０３，２０４、ダイクロイックミラー２０５，２０６を有し、光学ハウジングによってユニット化されている。

第３実施例のヘッドアップディスプレイ装置２００は、スクリーン２１０（図８に示す投影面１５に対応する）に表示される中間像を自動車３０１のウィンドウシールド（フロントガラス）３０２に投射することで、その中間像を運転者３００に虚像として視認させる。レーザ光源２０１Ｒ，２０１Ｇ，２０１Ｂから発せられる各色レーザ光は、それぞれ、コリメータレンズ２０２，２０３，２０４で略平行光とされ、２つのダイクロイックミラー２０５，２０６により合成される。合成されたレーザ光は、光量調整部２０７で光量が調整された後、光偏向器２０１によって二次元走査される。光偏向器１で二次元走査された投射光Ｌは、自由曲面ミラー２０９で反射されて歪みを補正された後、スクリーン２１０に集光され、中間像を表示する。スクリーン２１０は、マイクロレンズが二次元配置されたマイクロレンズアレイで構成されており、スクリーン２１０に入射してくる投射光Ｌをマイクロレンズ単位で拡大する。

光偏向器１は、第１実施例と同様に駆動制御され、ミラー部６を主走査方向及び副走査方向に往復回転動作させ、ミラーに入射する投射光Ｌを二次元走査（ラスタスキャン）する。この光偏向器の駆動制御は、レーザ光源２０１Ｒ，２０１Ｇ，２０１Ｂの発光タイミングに同期して行われる。

また、第３実施例の光源ユニット２３０は、第２実施例のレーザ光源１２（図８参照）と光学系１４とをユニット化したものである。そして、第３実施例のヘッドアップディスプレイ装置２００は、第２実施例のヘッドアップディスプレイ装置１００に、光量調整部２０７と自由曲面ミラー２０９と投射ミラー２１１とを設けたものである。

ヘッドアップディスプレイ装置は、車両だけでなく、例えば、航空機、船舶、移動式ロボット等の移動体、あるいは、その場から移動せずにマニピュレータ等の駆動対象を操作する作業ロボットなどの非移動体に搭載される画像投影装置としても適用できる。

また、上述した第３実施例では、画像投影装置の一例としてのヘッドアップディスプレイの説明をしたが、本発明の実施例は、第１実施例の光偏向器を用いて光走査を行うことで画像を投影する装置であればよく、上述した実施形態に限定されるものではない。例えば、表示スクリーン上に画像を投影するプロジェクタや、観測者の頭部等に装着した装着部材が有する反射透過部材等のスクリーンに画像を投影するヘッドマウントディスプレイなどにも、同様に本発明の実施例を適用することができる。

第３実施例によれば、光偏向器１が第１実施例と同様に駆動制御されるので、第１実施例と同様な効果を得ることができる。
［第４実施例］
次に、第４実施例の光書込みユニット１０００について説明する。図１１は、第４実施例の光書込みユニット１０００を示す。この光書込みユニット１０００において、レーザ素子などの光源部１０２０からのレーザ光は、コリメータレンズなどの結像光学系１０２１を経た後、光偏向器１０２２により偏向される。この光偏向器１０２２として、第１実施例の光偏向器１（図１参照）が用いられ、第１実施例の光偏向装置１２０（図２参照）を使用する。この場合、光走査駆動制御部１６によって光偏向器１（１０２２）の弾性部９,１０の駆動用圧電素子９Ｅ１,１０Ｅ１のみを駆動制御して、レーザ光の反射光を主走査方向のみに走査（偏向）させるようにする。すなわち、光偏向器１０２２は第１実施例と同様に主走査方向に対して駆動制御される。

そして、光偏向器１０２２で偏向されたレーザ光は、その後、第一レンズ１０２３ａと第二レンズ１０２３ｂ、反射ミラー部１０２３ｃからなる走査光学系１０２３を経て、被走査面である感光体ドラム１００２のビーム走査面に照射される。走査光学系１０２３は、被走査面であるビーム走査面にスポット状に光ビームを結像する。

光偏向器１０２２の圧電部材の各電極は、それぞれ外部電源等のミラー駆動手段に電気的に接続されており、ミラー駆動手段は圧電部材の上部電極と下部電極との間に駆動電圧を印加し、光偏向器１０２２を駆動する。これにより、光偏向器１０２２のミラー部が往復回転してレーザ光が偏向され、被走査面である感光体ドラム１００２のビーム走査面上が光走査される。

このように第４実施例の光書込みユニット１０００は、感光体を用いたプリンタや複写機などの画像形成装置のための光書込みユニットとして使用することができる。また、走査光学系を異ならせて１軸方向だけでなく２軸方向に光走査可能にすることで、レーザ光をサーマルメディアに偏向して照射し、加熱することで印字するレーザラベル装置の光走査ユニットの構成部材として使用することができる。

この第４実施例では、図１に示す光偏向器１を使用するが、図１２に示すように、レーザ光の反射光を主走査方向のみに走査させる専用の光偏向器１１００を使用してもよい。

第４実施例によれば、光偏向器１０２２が第１実施例と同様に駆動制御されるので、第１実施例と同様な効果を得ることができる。
［第５実施例］
次に、第５実施例の画像形成装置１３００について説明する。図１３は、第４実施例の光書込みユニットを使用した画像形成装置１３００の一例を示す。

図１３に示す画像形成装置１３００において、光書込みユニット１３０１はレーザビームを被走査面に出射して画像を書き込む。感光体ドラム１３０２は光書込みユニット１３０１による走査対象としての被走査面を提供する像担持体である。光書込みユニット１３０１は、記録信号によって変調された１本又は複数本のレーザビームで被走査面である感光体ドラム１３０２の表面を同ドラムの軸方向に走査する。感光体ドラム１３０２は矢印方向に回転駆動され、帯電手段３０３により帯電された表面に光書込みユニット１３０１により光走査されることによって静電潜像を形成される。この静電潜像は現像手段３０４でトナー像に顕像化され、このトナー像は転写手段３０５で記録紙Ｐに転写される。転写されたトナー像は定着手段３０６によって記録紙Ｐに定着される。転写手段３０５を通過した感光体ドラム１３０２の表面部分はクリーニング部３０７で残留トナーを除去される。感光体ドラム１３０２に代えてベルト状の感光体を用いる構成も可能である。また、トナー像を記録紙以外の転写媒体に一旦転写し、この転写媒体からトナー像を記録紙に転写して定着させる構成とすることも可能である。

光書込みユニット１３０１は、記録信号によって変調された１本又は複数本のレーザビームを発する光源３０８と、光源３０８を変調する光源駆動手段３０９と、上記実施例の光偏向器３１０（１０２２）と、この光偏向器３１０のミラー基板のミラー面に光源３０８からの、記録信号によって変調されたレーザビームを結像させるための結像光学系３１１と、ミラー面で反射された１本又は複数本のレーザビームを被走査面である感光体ドラム（感光体）１３０２の表面に結像させるための手段である走査光学系３１２などから構成される。光偏向器３１０は、光偏向器３１０の駆動のための集積回路３１３とともに回路基板３１４に実装された形で光書込みユニット１３０１に組み込まれている。

集積回路３１３は、図２に示す光走査駆動制御部１６と記憶部１７とを備えており、光偏向器３１０は第１実施例と同様に駆動制御される。

本実施例による光偏向器は、回転多面鏡に比べ駆動のための消費電力が小さいため、画像形成装置の省電力化に有利である。光偏向器のミラー基板の振動時における風切り音は回転多面鏡に比べ小さいため、画像形成装置の静粛性の改善に有利である。光偏向装置は回転多面鏡に比べ設置スペースが圧倒的に少なくて済み、また光偏向器の発熱量もわずかであるため、小型化が容易であり、よって画像形成装置の小型化に有利である。記録紙の搬送機構、感光体ドラムの駆動機構、現像手段、転写手段などの制御手段、光源部の駆動系などは、従来の画像形成装置と同様でよいため図中省略されている。

第５実施例によれば、光偏向器３１０が第１実施例と同様に駆動制御されるので、第１実施例と同様な効果を得ることができる。
［第６実施例］
次に、第６実施例の物体認識装置６００について説明する。図１４は、第１実施例の光偏向器を用いた物体認識装置６００を示す。

物体認識装置６００は、光偏向器を用いて対象方向にレーザ光（測定光束）を光走査し、対象方向に存在する被対象物からの反射光を受光することで被対象物を認識する装置である。図１４は、本実施例の物体認識装置６００の一例であるレーザレーダの構成を模式的に表した模式図である。

図１４に示すように、レーザ光源６０１から出射されたレーザ光は、発散光を略平行光とする光学系であるコリメートレンズ６０２を経て、光偏向器６１０で１軸もしくは２軸方向に走査（偏向）され、車両前方の被対象物６５０に照射される。すなわち、光偏向器６１０は被対象物６５０にレーザ光（測定光束）を照射する。光検出器６０５は、被対象物６５０で反射され、集光レンズ６０６を経たレーザ光を受光して、検出信号を出力する。なお、光源駆動部であるレーザドライバ６０３は、レーザ光源６０１を駆動するものであり、光偏向器駆動部である偏向器ドライバ６０７は、光偏向器６１０を駆動するものである。

コントローラ６０４は、レーザドライバ６０３および偏向器ドライバ６０７を制御し、光検出器６０５から出力された検出信号を処理する。すなわち、コントローラ６０４は、レーザ光を発光したタイミングと、光検出器６０５でレーザ光を受光したタイミングとのズレによって、被対象物６５０との距離を算出する。光偏向器６１０でレーザ光を走査（偏向）することで１次元の範囲、もしくは２次元の範囲における被対象物６５０に対する距離が得られる。このように、破損しにくい光偏向器を用いて、レーダ装置を提供することができる。このような物体認識装置６００は、例えば車両の前方側に取り付けられ、車両の前方を監視して前方方向の障害物の有無を認識することができる。

また、コントローラ６０４と偏向器ドライバ６０７とで第１実施例の光偏向装置１２０が構成され、光偏向器６１０はコントローラ６０４によって第１実施例と同様に駆動制御される。なお、コントローラ６０４は図示しないメモリ（記憶部）を備えており、このメモリには第１実施例の記憶部１７（図２参照）に記憶されている情報（周波数特性勾配係数や共振周波数温特係数など）と同様な情報が記憶されている。

第６実施例によれば、光偏向器６１０がコントローラ６０４によって第１実施例と同様に駆動制御されるので、第１実施例と同様な効果を得ることができる。

上述した第６実施例では、物体認識装置の一例としてのレーザレーダの説明をしたが、本発明の実施例は、第１実施例の光偏向器を用いて対象方向の光走査を行い、反射光を受光することで被対象物を認識する装置であればよく、上述した実施形態に限定されるものではない。例えば、手や顔を光走査することで得た情報を、記録と参照することで対象物を認識する生体認証や、対象方向への光走査により侵入物を認識するセキュリティセンサ、光走査により得た距離情報から物体の形状を認識して３次元データとして出力する３次元スキャナの構成部材などにも同様に適用することができる。また、受光部が受光した反射光の光強度や反射による波長の変化等から、被対象物の有無や形状を認識する構成であってもよい。

以上、上記第１実施例の光偏向器を用いて光走査を行う形態として、第２〜第６実施例を説明したが、光を偏向して１次元または２次元に光走査を行う装置であれば、上記第１実施例の光偏向器を適用することが可能である。

この発明は、上記実施例に限られるものではなく、特許請求の範囲の発明の要旨を逸脱しない限り、設計の変更や追加等は許容される。

例えば、上記実施例では、弾性部９、１０の弾性変形量を検出用圧電素子９Ｆ１、１０Ｆ１で求めることでミラー部６の振れ角を検出しているが、ミラー部６により反射された反射光を、反射先に設けられた検出器（例えば、フォトダイオード）により検出してミラー部６の振れ角を求めてもよい。なお、共振周波数特性は、光偏向器に一定間隔で駆動周波数の値を変化させながらミラー部６の振れ角を検出することで求められる。共振周波数特性の振れ角が最大となるときの周波数が共振周波数（共振点）である。
また、上記実施例では、光偏向器の温度を測温抵抗体２Ｒにより測定しているが、光偏向器の温度を光偏向器の外部に設けた温度センサ（例えば、画像投影装置に設けられた温度センサ）を使用して測定してもよい。
また、上記実施例では、ミラー部６をトーションバー７,８によって偏心した位置で支持することで共振周波数特性を共振点に対して非対称な形としているが、共振周波数特性が共振点に対して非対称な形であればよく、実施例はこれに制限されない。例えば、ミラー部６のリブを偏心させることで共振周波数特性を共振点に対して非対称な形としてもよい。
周波数特性勾配係数αは例えば以下のように求められる。図１５は、周波数特性勾配係数の求め方を示すグラフである。図１５に示すように共振周波数ｆ_ｒのときのミラー部６の振れ角をθ_ｒ、共振周波数からｚズラしたときの周波数ｆ_ｒ＋ｚのときのミラー部６の振れ角をθ_ｒ＋ｚとする。このとき、周波数特性勾配係数αは次に示す式により求められる。

周波数特性勾配係数α＝（θ_ｒ＋ｚ―θ_ｒ）／（ｆ_ｒ＋ｚ―ｆ_ｒ）
また、駆動周波数は光走査駆動制御部１６により以下のように制御するのが好ましい。図１６は、入力される駆動信号（駆動周波数）の変位と、ミラー部６の振れ角の変位を示したグラフである。図１６に示すように、入力される駆動信号（駆動周波数）の変位に対して、ミラー部の振れ角の変位は、変位差が生じる。この変位差は、例えば駆動用圧電素子の電圧印加に対する応答性能などに起因する変位差である。

このとき、駆動信号が最も小さくなるときのタイミングをｔｖ、ｔｖ後にミラー部の変位が検知されたタイミングをｔ１、駆動信号の周期をＴとしたとき、例えば、変位差Ｘは、Ｘ＝（ｔｖ−ｔ１）／Ｔの式により求められる。図１６では、ミラー部６の変位が検知されたタイミングｔ１は、検知器（例えばフォトダイオード）によりミラー部６によって反射された反射光を検知したタイミングである。
この変位差Ｘが例えば、１０ｍｓになるように駆動周波数と共振周波数のズレ（差）を設定（調整）してもよい。これにより、常に変位差Ｘが一定となるため、ミラー部６の振れ角と光源との同期が精度を良くすること可能となり、光源からの光を適切な位置に反射することが可能となる。
上記実施例では、環境温度が変化することにより共振周波数が変化した際に、共振周波数の変化に合わせて駆動周波数を変化させる。さらに、環境温度及び／又は起動時間（例えば、光偏向装置を起動してからの経過時間）によって駆動周波数の変化の仕方を異ならせることが好ましい。

例えば、ヘッドアップディスプレイ装置に代表される画像投影装置において、駆動周波数を短い周期で何度も変化させる、または大きく変化させると、離散的な振幅変動が起こる。結果として、投影される画像のサイズが短い周期で何度も変化、または大きく変化することとなる。このような画像サイズの変化は、映像乱れの要因となる。

そこで、環境温度の変化率が第１の閾値を超えた場合のみ駆動周波数を変化させる。これにより、短い周期で何度も振幅が変化して画像サイズが変化することが減り、映像乱れを抑制することができる。また、環境温度の変化率が所定の周期、または所定のタイミングにおいて、第１の閾値を超えないとき、該所定の周期、または所定のタイミングにおいて駆動周波数を変化させても良い。例えば、駆動周波数の周期繰り返し回数がｍ回を超えたときに環境温度に合わせた駆動周波数の補正を行ってもよい。これにより、環境温度が徐々に変化していった場合であっても上記変位差Ｘを保つことができる。

また、環境温度が大きく変化するのは主に起動初期（光偏向器への電圧印加開始から数十秒〜数分）である。そこで、起動初期には補正頻度をｎ回／１分として、起動初期以降では補正頻度をｋ回／ｍｉｎ（ｎ＞ｋ）としてもよい。これにより、環境温度が大きく変化する起動初期に位相差Ｘを精度良く保ちつつ、起動初期以降に画像サイズが短い周期で何度も振幅が変化することを抑制することができる。

また、位相差Ｘまたは共振周波数と駆動周波数のズレ（差）が設定値よりも小さくなったときと、大きくなったときで補正頻度（例えば、単位時間あたりの、駆動周波数を変更する回数）を変更するのが好ましい。図７で示すような共振周波数特性の場合、駆動周波数が設定値よりも小さくなったときは、駆動周波数が共振周波数に近づき、さらには共振周波数よりも小さくなることがある。そして、駆動周波数が共振周波数特性の曲線の緩やかな側から急な側へ移行してしまう。これにより、応答感度（例えば、所定の駆動周波数の駆動電圧を印加した際の振れ角）が急激に変化してしまい、振幅の急激な変化を生じさせてしまう。

そこで、位相差Ｘまたは共振周波数と駆動周波数のズレが設定値よりも小さくなったときは補正頻度を通常頻度よりも増やすことで、振幅の急激な変化を抑制することができる。

また、環境温度によって駆動周波数の変化させる速度及び／又は駆動周波数の補正頻度を変更しても良い。例えば、光偏向器は起動開始とともに温まるので、起動初期は温度が変化しやすい。温度が高くなると、図４に示したように、共振周波数は徐々に高周波数側へシフトする。このとき、駆動周波数を固定していると、駆動周波数が共振周波数に近づき、さらには共振周波数よりも小さくなることで、共振周波数特性の曲線の緩やかな側から急な側へ移行してしまう。これにより、これにより、応答感度（例えば、所定の駆動周波数の駆動電圧を印加した際の振れ角）が急激に変化してしまい、振幅の急激な変化を生じさせてしまう。
そこで、図１７のように、基準温度Ｔ０（例えば２０度）に対して、低温側は駆動周波数の補正頻度を増やすことで、基準温度Ｔ０よりも低温において共振周波数が大きく変化しても位相差Ｘまたは共振周波数と駆動周波数のズレを精度良く保つことができる。図１７は、単位時間当たりの駆動周波数を変更する回数と、温度との関係を示すグラフである。別の言い方をすれば、例えば、第１の温度範囲において光走査駆動制御部１６が駆動周波数を変更する第１の時間間隔を、第１の温度範囲よりも高温側である第２の温度範囲において光走査駆動制御部１６が駆動周波数を変更する第２の時間間隔よりも短くてもよい。
また、位相差Ｘまたは共振周波数と駆動周波数のズレが設定値よりもズレているとき、設定値に戻すために駆動周波数を補正するが、この補正速度（変更速度）は環境温度によって変更するのが好ましい。例えば上記の設定値からのズレを１０ｍｓで補正すると、すなわち、駆動周波数の変化を１０ｍｓで行うと、画像サイズが一瞬で変化してしまい、映像乱れの要因となる。そこで、設定値からのズレを１ｓで補正することにより、上記の映像乱れを抑制することができる。
しかしながら、低温においては素早く駆動周波数を変化させないと、補正が追いつかない場合が生じる。補正が追いつかない場合、駆動周波数が共振周波数に近づき、さらには共振周波数よりも小さくなることで、共振周波数特性の曲線の緩やかな側から急な側へ移行してしまう。れにより、応答感度（例えば、所定の駆動周波数の駆動電圧を印加した際の振れ角）が急激に変化してしまい、振幅の急激な変化を生じさせてしまう。
そこで、図１８のように、基準温度Ｔ０（例えば２０度）に対して、低温側は駆動周波数の補正速度を速くすることが好ましい。別の言い方をすれば、例えば、第３の温度範囲において光走査駆動制御部１６が駆動周波数を変更する第１の速度は、第３の温度範囲よりも高温側である第４の温度範囲において光走査駆動制御部１６が駆動周波数を変更する第２の速度よりも速くてもよい。ここで、第３の温度範囲は上記した第１の温度範囲と同じであっても異なっていてもよい。同様に、第４の温度範囲は上記した第２の温度範囲と同じであっても異なっていてもよい。図１８は、駆動周波数を変更する速度と、温度との関係を示す図である。これにより、低温において補正が追いつかない場合が生じず、かつ、基準温度〜基準温度より高温側において駆動周波数の変化を素早く行うことによる映像乱れを抑制することができる。

以上、本発明を実施例に基づいて説明したが、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載の範囲内で様々な変形が可能である。

本願は、日本特許庁に２０１５年１２月１８日に出願された基礎出願２０１５―２４７６５６号の優先権を主張するものであり、その全内容を参照によりここに援用する。

１ 光偏向器
３ 弾性部
３Ｅ１〜３Ｅ８ 駆動用圧電素子（駆動部）
４ 弾性部
４Ｅ１〜４Ｅ８ 駆動用圧電素子（駆動部）
６ ミラー部
７ トーションバー
８ トーションバー
９ 弾性部
９Ｅ１ 駆動用圧電素子（駆動部）
１０ 弾性部
１０Ｅ１ 駆動用圧電素子（駆動部）
１６ 光走査駆動制御部（駆動制御部）
１６Ａ 誤差補正部
１００,２００ ヘッドアップディスプレイ装置
１２０ 光偏向装置
３０４ 現像手段
３０５ 転写手段
３１１ 結像光学系
６００ 物体認識装置
６０５ 光検出器
６１０ 光偏向器
１０００ 光書込みユニット
１０２１ 結像光学系
１３００ 画像形成装置
１３０２ 感光体ドラム（感光体）

Claims (12)

1. ミラー部と、
   前記ミラー部を所定の軸周りに回転可能に支持する一対の弾性支持部と、
   前記一対の弾性支持部を弾性変形させる駆動部と、
   前記駆動部に駆動周波数を入力して前記駆動部を制御する駆動制御部と、
   を備え、
   前記駆動制御部は、第１の温度範囲において前記駆動周波数を変更する第１の時間間隔を、前記第１の温度範囲よりも高温側である第２の温度範囲において前記駆動周波数を変更する第２の時間間隔よりも短くすることを特徴とする光偏向装置。
2. 前記駆動制御部は、第３の温度範囲において前記駆動周波数を変更する第１の速度を、前記第３の温度範囲よりも高温側である第４の温度範囲において前記駆動周波数を変更する第２の速度よりも速くすることを特徴とする請求項１に記載の光偏向装置。
3. 前記駆動部が前記一対の弾性支持部の弾性変形を利用して前記ミラー部を共振振動させることにより、前記ミラー部を前記所定の軸周りに回転させることによって、前記ミラー部に入射する光束を偏向し、
   光偏向装置が有する共振特性を示す共振特性曲線において共振周波数より高い周波数側または前記共振周波数より低い周波数側の一方側の傾きが他方側の傾きよりも小さくなるように前記ミラー部は前記一対の弾性支持部に支持され、
   前記駆動周波数は、前記一方側における周波数であることを特徴とする請求項１または２に記載の光偏向装置。
4. 前記共振特性曲線の一方側の傾きを示す周波数特性勾配係数と、前記ミラー部の軸回りの実際の振れ角と、所望の振れ角とに基づいて、前記ミラー部の軸回りの振れ角誤差を補正する誤差補正部を有することを特徴とする請求項３に記載の光偏向装置。
5. 前記駆動周波数は、以下の式で設定されることを特徴とする請求項３または請求項４に記載の光偏向装置。
   前記共振周波数＜前記駆動周波数≦前記共振周波数＋２０Ｈｚ
6. 環境温度を検知する温度検知部を備え、
   前記駆動制御部は、前記光偏向装置の前記共振特性および前記温度検知部の検知結果に基づいて、前記駆動周波数を設定することを特徴とする請求項３乃至５のいずれか一項に記載の光偏向装置。
7. 各駆動周波数に対応する前記ミラー部の回転角を記憶する記憶部と、
   前記駆動部によって回転させられた前記ミラー部の回転角を検知する角度検知部を有し、
   前記駆動制御部は、前記記憶部を参照しつつ、前記角度検知部によって検知された前記回転角に基づいて、前記駆動周波数を決定することを特徴とする請求項３に記載の光偏向装置。
8. 前記角度検知部によって前記ミラー部の前記回転角が検知される前に、前記各駆動周波数に対応する前記ミラー部の前記回転角は前記記憶部に記憶されていることを特徴とする請求項７に記載の光偏向装置。
9. 請求項１ないし請求項８のいずれか１項に記載の光偏向装置を備えたことを特徴とするヘッドアップディスプレイ装置。
10. 請求項１ないし請求項８のいずれか１項に記載の光偏向装置と、前記光偏向装置によって偏向された反射光を被走査面にスポット状に結像する結像光学系とを備えていることを特徴とする光書込みユニット。
11. 請求項１０に記載の光書込みユニットと、前記光書込みユニットの前記被走査面上に配置され且つ前記反射光の走査により潜像が形成される感光体と、前記潜像をトナーで現像する現像手段と、現像されたトナー像を記録紙に転写する転写手段とを備えたことを特徴とする画像形成装置。
12. 被対象物に測定光束を照射する請求項１ないし請求項８のいずれか１項に記載の光偏向装置と、前記被対象物からの反射光を受光する光検出器とを備え、前記光検出器に受光された前記反射光に基づいて物体を認識することを特徴とする物体認識装置。

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