JP7172557B2 - 光偏向装置、画像投影装置、レーザヘッドランプ及び移動体 - Google Patents

光偏向装置、画像投影装置、レーザヘッドランプ及び移動体 Download PDF

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Description

本発明は、光偏向装置、画像投影装置、レーザヘッドランプ及び移動体に関する。
MEMS(Micro Electro Mechanical Systems)ミラー等の反射部を圧電素子により水平及び垂直方向に回動させ、反射部に入射する光を偏向させる光偏向装置が知られている。
従来の光偏向装置では、圧電素子の圧電特性により、印加電圧に対する圧電素子の変位量にリニアリティ誤差が生じ、反射部で所望の回動角度(振れ角)や、回動速度(振れ角の変化速度)が得られない場合があった。
このような圧電素子のリニアリティ誤差に起因する反射部の振れ角誤差を補正するために、圧電素子からローパスフィルタを介して検知された揺らぎ信号と、揺らぎの半周期遅れの信号とを合成した合成信号と駆動信号とを用いて圧電素子を変位させる技術が開示されている(例えば、特許文献1参照)。
しかしながら、特許文献1の技術では、圧電素子の電圧依存性による感度ズレ(圧電定数の変動)により、反射部の振れ角誤差を適切に補正できない場合があった。
本発明は、上記の点に鑑みてなされたものであって、光偏向装置の反射部の振れ角誤差を適切に補正することを課題とする。
開示の技術の一態様に係る光偏向装置は、反射部と、前記反射部を駆動可能に支持する駆動梁と、前記駆動梁を支持する支持部と、前記駆動梁に設けられ、駆動電圧の波形に応じた圧電素子の変位により前記反射部を駆動させる圧電駆動部と、1周期内に含まれる正の傾きの波形の期間が、少なくとも第1の傾きの波形期間、及び前記第1の傾きとは異なる第2の傾きの波形期間を有する第1の駆動電圧波形と、1周期内に含まれる負の傾きの波形の期間が、少なくとも第3の傾きの波形期間、及び前記第3の傾きとは異なる第4の傾きの波形期間を有する第2の駆動電圧波形を前記圧電駆動部に出力する駆動電圧波形出力部と、駆動される前記反射部の振れ角を検出する振れ角検出部と、前記駆動電圧の波形を補正する波形補正部と、を有し、前記波形補正部は、検出された前記振れ角に基づき、前記第1の傾き、前記第3の傾き、前記第1の傾きから前記第2の傾きに変化する時期、及び前記第3の傾きから前記第4の傾きに変化する時期を決定する第1決定部を有する
開示の技術によれば、光偏向装置の反射部の振れ角誤差を適切に補正することができる。
光走査システムの一例の概略図である。 光走査システムの一例のハードウェア構成図である。 制御装置の一例の機能ブロック図である。 光走査システムに係る処理の一例のフローチャートである。 ヘッドアップディスプレイ装置を搭載した自動車の一例の概略図である。 ヘッドアップディスプレイ装置の一例の概略図である。 光書込装置を搭載した画像形成装置の一例の概略図である。 光書込装置の一例の概略図である。 ライダ装置を搭載した自動車の一例の概略図である。 ライダ装置の一例の概略図である。 レーザヘッドランプの構成の一例を説明する概略図である。 ヘッドマウントディスプレイの構成の一例を示す概略斜視図である。 ヘッドマウントディスプレイの構成の一部の一例を示す図である。 パッケージングされた可動装置の一例を示す概略図である。 可動装置の一例を+Z方向から見たときの平面図である。 図15に記載の可動装置のP-P'断面図である。 図15に記載の可動装置のQ-Q'断面図である。 可動装置の駆動梁の変形を模式的に表した模式図である。 (a)は、可動装置の圧電駆動部群Aに印加される駆動電圧Aの波形の一例である。(b)は、可動装置の圧電駆動部群Bに印加される駆動電圧Bの波形の一例である。(c)は、(a)の駆動電圧の波形と(b)の駆動電圧の波形を重ね合わせた図である。 駆動電圧と反射部の振れ角の関係の一例を説明する図であり、(a)は駆動電圧の波形の一例を説明する図であり、(b)は(a)の波形の駆動電圧を印加したときの反射部の振れ角の一例を説明する図である。 反射部の振れ角誤差による画像不良の一例を説明する図であり、(a)は走査光による画像の一例を説明する図であり、(b)は振れ角誤差がある場合の走査光による画像の一例を説明する図である。 圧電部の圧電定数の電圧依存性の一例を説明する図である。 第1の実施形態に係る駆動電圧の波形の補正方法とその効果の一例を説明する図であり、(a)は補正後の駆動電圧の波形の一例を説明する図であり、(b)は補正前の波形の駆動電圧を印加したときの反射部の振れ角の一例を説明する図であり、(c)は補正後の波形の駆動電圧を印加したときの反射部の振れ角の一例を説明する図である。 第1の実施形態に係る可動装置の一例を+Z方向からみたときの平面図である。 図23に記載の可動装置のR-R'断面図である。 第1の実施形態に係る光偏向装置の一例のハードウェア構成図である。 第1の実施形態に係る制御装置の一例の機能ブロック図である。 第1の実施形態に係る光偏向装置の動作の一例を示すフローチャートである。 反射部の振れ角の揺らぎの一例を説明する図である。 比較例に係る波形の駆動電圧を印加したときの反射部の振れ角を説明する図であり、(a)は駆動電圧の波形の一例を説明する図であり、(b)は(a)の波形の駆動電圧を印加したときの反射部の振れ角を説明する図である。 第2の実施形態に係る駆動電圧の波形とその効果の一例を説明する図であり、(a)は駆動電圧の波形の一例を説明する図であり、(b)は(a)の波形の駆動電圧を印加したときの反射部の振れ角を説明する図である。 第3の実施形態に係る制御装置の一例の機能ブロック図である。 第3の実施形態に係る光偏向装置の動作の一例を示すフローチャートである。 上部と下部で反射面の振れ角の可動動作が不均一となる場合の一例を説明する図であり、(a)は補正前の波形の駆動電圧を印加したときの反射部の振れ角の一例を説明する図であり、(b)は補正後の駆動電圧の波形の一例を説明する図である。
以下、本発明の実施形態について詳細に説明する。
[光走査システム]
まず、実施形態の可動装置を適用した光走査システムについて、図1~図4に基づいて詳細に説明する。
図1には、光走査システムの一例の概略図が示されている。図1に示すように、光走査システム10は、制御装置11の制御に従って光源装置12から照射された光を可動装置13の有する反射面14により偏向して被走査面15を光走査するシステムである。
光走査システム10は、制御装置11,光源装置12、反射面14を有する可動装置13により構成される。
制御装置11は、例えばCPU(Central Processing Unit)およびFPGA(Field-Programmable Gate Array)等を備えた電子回路ユニットである。可動装置13は、例えば反射面14を有し、反射面14を可動可能なMEMS(Micro Electromechanical Systems)デバイスである。光源装置12は、例えばレーザを照射するレーザ装置である。なお、被走査面15は、例えばスクリーンである。
制御装置11は、取得した光走査情報に基づいて光源装置12および可動装置13の制御命令を生成し、制御命令に基づいて光源装置12および可動装置13に駆動信号を出力する。
光源装置12は、入力した駆動信号に基づいて光源の照射を行う。可動装置13は、入力した駆動信号に基づいて反射面14を1軸方向または2軸方向の少なくともいずれかに可動させる。
これにより、例えば、光走査情報の一例である画像情報に基づいた制御装置11の制御によって、可動装置13の反射面14を所定の範囲で2軸方向に往復可動させ、反射面14に入射する光源装置12からの照射光をある1軸周りに偏向して光走査することにより、被走査面15に任意の画像を投影することができる。なお、実施形態の可動装置の詳細および制御装置による制御の詳細については後述する。
次に、光走査システム10一例のハードウェア構成について図2を用いて説明する。図2は、光走査システム10の一例のハードウェア構成図である。図2に示すように、光走査システム10は、制御装置11、光源装置12および可動装置13を備え、それぞれが電気的に接続されている。このうち、制御装置11は、CPU20、RAM21(Random Access Memory)、ROM22(Read Only Memory)、FPGA23、外部I/F24、光源装置ドライバ25、可動装置ドライバ26を備えている。
CPU20は、ROM22等の記憶装置からプログラムやデータをRAM21上に読み出し、処理を実行して、制御装置11の全体の制御や機能を実現する演算装置である。
RAM21は、プログラムやデータを一時保持する揮発性の記憶装置である。
ROM22は、電源を切ってもプログラムやデータを保持することができる不揮発性の記憶装置であり、CPU20が光走査システム10の各機能を制御するために実行する処理用プログラムやデータを記憶している。
FPGA23は、CPU20の処理に従って、光源装置ドライバ25および可動装置ドライバ26に適した制御信号を出力する回路である。
外部I/F24は、例えば外部装置やネットワーク等とのインタフェースである。外部装置には、例えば、PC(Personal Computer)等の上位装置、USBメモリ、SDカード、CD、DVD、HDD、SSD等の記憶装置が含まれる。また、ネットワークは、例えば自動車のCAN(Controller Area Network)やLAN(Local Area Network)、インターネット等である。外部I/F24は、外部装置との接続または通信を可能にする構成であればよく、外部装置ごとに外部I/F24が用意されてもよい。
光源装置トライバは、入力された制御信号に従って光源装置12に駆動電圧等の駆動信号を出力する電気回路である。
可動装置ドライバ26は、入力された制御信号に従って可動装置13に駆動電圧等の駆動信号を出力する電気回路である。
制御装置11において、CPU20は、外部I/F24を介して外部装置やネットワークから光走査情報を取得する。なお、CPU20が光走査情報を取得することができる構成であればよく、制御装置11内のROM22やFPGA23に光走査情報を格納する構成としてもよいし、制御装置11内に新たにSSD等の記憶装置を設けて、その記憶装置に光走査情報を格納する構成としてもよい。
ここで、光走査情報とは、被走査面15にどのように光走査させるかを示した情報であり、例えば、光走査により画像を表示する場合は、光走査情報は画像データである。また、例えば、光走査により光書込みを行う場合は、光走査情報は書込み順や書込み箇所を示した書込みデータである。他にも、例えば、光走査により距離測定を行う場合は、光走査情報は距離測定用の光を照射するタイミングと照射範囲を示す照射データである。
制御装置11は、CPU20の命令および図2に示したハードウェア構成によって、次に説明する機能構成を実現することができる。
次に、光走査システム10の制御装置11の機能構成について図3を用いて説明する。図3は、光走査システムの制御装置の一例の機能ブロック図である。
図3に示すように、制御装置11は、機能として制御部30と駆動信号出力部31とを有する。
制御部30は、例えばCPU20、FPGA23等により実現され、外部装置から光走査情報を取得し、光走査情報を制御信号に変換して駆動信号出力部31に出力する。例えば、制御部30は、外部装置等から画像データを光走査情報として取得し、所定の処理により画像データから制御信号を生成して駆動信号出力部31に出力する。
駆動信号出力部31は、光源装置ドライバ25、可動装置ドライバ26等により実現され、入力された制御信号に基づいて光源装置12または可動装置13に駆動信号を出力する。
駆動信号は、光源装置12または可動装置13の駆動を制御するための信号である。例えば、光源装置12においては、光源の照射タイミングおよび照射強度を制御する駆動電圧である。また、例えば、可動装置13においては、可動装置13の有する反射面14を可動させるタイミングおよび可動範囲を制御する駆動電圧である。
次に、光走査システム10が被走査面15を光走査する処理について図4を用いて説明する。図4は、光走査システムに係る処理の一例のフローチャートである。
ステップS11において、制御部30は、外部装置等から光走査情報を取得する。
ステップS12において、制御部30は、取得した光走査情報から制御信号を生成し、制御信号を駆動信号出力部31に出力する。
ステップS13において、駆動信号出力部31は、入力された制御信号に基づいて駆動信号を光源装置12および可動装置13に出力する。
ステップ14において、光源装置12は、入力された駆動信号に基づいて光照射を行う。また、可動装置13は、入力された駆動信号に基づいて反射面14の可動を行う。光源装置12および可動装置13の駆動により、任意の方向に光が偏向され、光走査される。
なお、上記光走査システム10では、1つの制御装置11が光源装置12および可動装置13を制御する装置および機能を有しているが、光源装置用の制御装置および可動装置用の制御装置と、別体に設けてもよい。
また、上記光走査システム10では、一つの制御装置11に光源装置12および可動装置13の制御部30の機能および駆動信号出力部31の機能を設けているが、これらの機能は別体として存在していてもよく、例えば制御部30を有した制御装置11とは別に駆動信号出力部31を有した駆動信号出力装置を設ける構成としてもよい。なお、上記光走査システム10のうち、反射面14を有した可動装置13と制御装置11により、光偏向を行う光偏向システムを構成してもよい。
[画像投影装置]
次に、実施形態の可動装置を適用した画像投影装置について、図5および図6を用いて詳細に説明する。
図5は、画像投影装置の一例であるヘッドアップディスプレイ装置500を搭載した自動車400の実施形態に係る概略図である。また、図6はヘッドアップディスプレイ装置500の一例の概略図である。
画像投影装置は、光走査により画像を投影する装置であり、例えばヘッドアップディスプレイ装置である。
図5に示すように、ヘッドアップディスプレイ装置500は、例えば、自動車400のウインドシールド(フロントガラス401等)の付近に設置される。ヘッドアップディスプレイ装置500から発せられる投射光Lがフロントガラス401で反射され、ユーザーである観察者(運転者402)に向かう。これにより、運転者402は、ヘッドアップディスプレイ装置500によって投影された画像等を虚像として視認することができる。なお、ウインドシールド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。
図6に示すように、ヘッドアップディスプレイ装置500は、赤色、緑色、青色のレーザ光源501R,501G,501Bからレーザ光が出射される。出射されたレーザ光は、各レーザ光源に対して設けられるコリメータレンズ502,503,504と、2つのダイクロイックミラー505,506と、光量調整部507と、から構成される入射光学系を経た後、反射面14を有する可動装置13にて偏向される。そして、偏向されたレーザ光は、自由曲面ミラー509と、中間スクリーン510と、投射ミラー511とから構成される投射光学系を経て、スクリーンに投影される。なお、上記ヘッドアップディスプレイ装置500では、レーザ光源501R,501G,501B、コリメータレンズ502,503,504、ダイクロイックミラー505,506は、光源ユニット530として光学ハウジングによってユニット化されている。
上記ヘッドアップディスプレイ装置500は、中間スクリーン510に表示される中間像を自動車400のフロントガラス401に投射することで、その中間像を運転者402に虚像として視認させる。ここで、フロントガラス401は「光透過部材」の一例である。
レーザ光源501R,501G,501B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502,503,504で略平行光とされ、2つのダイクロイックミラー505,506により合成される。合成されたレーザ光は、光量調整部507で光量が調整された後、反射面14を有する可動装置13によって二次元走査される。可動装置13で二次元走査された投射光Lは、自由曲面ミラー509で反射されて歪みを補正された後、中間スクリーン510に集光され、中間像を表示する。中間スクリーン510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、中間スクリーン510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。
可動装置13は、反射面14を2軸方向に往復可動させ、反射面14に入射する投射光Lを二次元走査する。この可動装置13の駆動制御は、レーザ光源501R,501G,501Bの発光タイミングに同期して行われる。
以上、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装置500の説明をしたが、画像投影装置は、反射面14を有した可動装置13により光走査を行うことで画像を投影する装置であればよい。例えば、机等に置かれ、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される装着部材に搭載され、装着部材が有する反射透過スクリーンに投影、または眼球をスクリーンとして画像を投影するヘッドマウントディスプレイ装置等にも、同様に適用することができる。
また、画像投影装置は、車両や装着部材だけでなく、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てもよい。
[光書込装置]
次に、実施形態の可動装置13を適用した光書込装置について図7および図8を用いて詳細に説明する。
図7は、光書込装置600を組み込んだ画像形成装置の一例である。また、図8は、光書込装置の一例の概略図である。
図7に示すように、上記光書込装置600は、レーザ光によるプリンタ機能を有するレーザプリンタ650等に代表される画像形成装置の構成部材として使用される。画像形成装置において光書込装置600は、1本または複数本のレーザビームで被走査面15である感光体ドラムを光走査することにより、感光体ドラムに光書込を行う。
図8に示すように、光書込装置600において、レーザ素子などの光源装置12からのレーザ光は、コリメータレンズなどの結像光学系601を経た後、反射面14を有する可動装置13により1軸方向または2軸方向に偏向される。そして、可動装置13で偏向されたレーザ光は、その後、第一レンズ602aと第二レンズ602b、反射ミラー部602cからなる走査光学系602を経て、被走査面15(例えば感光体ドラムや感光紙)に照射し、光書込みを行う。走査光学系602は、被走査面15にスポット状に光ビームを結像する。また、光源装置12および反射面14を有する可動装置13は、制御装置11の制御に基づき駆動する。
このように上記光書込装置600は、レーザ光によるプリンタ機能を有する画像形成装置の構成部材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光走査し、加熱することで印字するレーザラベル装置等の画像形成装置の構成部材として使用することができる。
上記光書込装置に適用される反射面14を有した可動装置13は、ポリゴンミラー等を用いた回転多面鏡に比べ駆動のための消費電力が小さいため、光書込装置の省電力化に有利である。また、可動装置13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、光書込装置の静粛性の改善に有利である。光書込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、また可動装置13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。
[距離測定装置]
次に、上記実施形態の可動装置を適用した距離測定装置について、図9および図10を用いて詳細に説明する。
図9は、距離測定装置の一例であるライダ(LiDAR;Laser Imaging Detection and Ranging)装置を搭載した自動車の概略図である。また、図10はライダ装置の一例の概略図である。
距離測定装置は、対象方向の距離を測定する装置であり、例えばライダ装置である。
図9に示すように、ライダ装置700は、例えば自動車701に搭載され、対象方向を光走査して、対象方向に存在する被対象物702からの反射光を受光することで、被対象物702の距離を測定する。
図10に示すように、光源装置12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703と、平面ミラー704とから構成される入射光学系を経て、反射面14を有する可動装置13で1軸もしくは2軸方向に走査される。そして、投光光学系である投光レンズ705等を経て装置前方の被対象物702に照射される。光源装置12および可動装置13は、制御装置11により駆動を制御される。被対象物702で反射された反射光は、光検出器709により光検出される。すなわち、反射光は入射光検出受光光学系である集光レンズ706等を経て撮像素子707により受光され、撮像素子707は検出信号を信号処理回路708に出力する。信号処理回路708は、入力された検出信号に2値化やノイズ処理等の所定の処理を行い、結果を測距回路710に出力する。
測距回路710は、光源装置12がレーザ光を発光したタイミングと、光検出器709でレーザ光を受光したタイミングとの時間差、または受光した撮像素子707の画素ごとの位相差によって、被対象物702の有無を認識し、さらに被対象物702との距離情報を算出する。
反射面14を有する可動装置13は多面鏡に比べて破損しづらく、小型であるため、耐久性の高い小型のレーダ装置を提供することができる。このようなライダ装置は、例えば車両、航空機、船舶、ロボット等に取り付けられ、所定範囲を光走査して障害物の有無や障害物までの距離を測定することができる。ライダ装置700の搭載位置は、自動車701の上部前方に限定されず、側面や後方に搭載されてもよい。
上記距離測定装置では、一例としてのライダ装置700の説明をしたが、距離測定装置は、反射面14を有した可動装置13を制御装置11で制御することにより光走査を行い、光検出器により反射光を受光することで被対象物702の距離を測定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、手や顔を光走査して得た距離情報から形状等の物体情報を算出し、記録と参照することで対象物を認識する生体認証や、対象範囲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形状等の物体情報を算出して認識し、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。
[レーザヘッドランプ]
次に、上記実施形態の可動装置を自動車のヘッドライトに適用したレーザヘッドランプ50について、図11 を用いて説明する。図11は、レーザヘッドランプ50の構成の一例を説明する概略図である。
レーザヘッドランプ50は、制御装置11と、光源装置12bと、反射面14を有する可動装置13と、ミラー51と、透明板52とを有する。
光源装置12bは、青色のレーザ光を発する光源である。光源装置12bから発せられた光は、可動装置13に入射し、反射面14にて反射される。可動装置13は、制御装置11からの信号に基づき、反射面をXY方向に可動し、光源装置12bからの青色のレーザ光をXY方向に二次元走査する。
可動装置13による走査光は、ミラー51で反射され、透明板52に入射する。透明板52は、表面又は裏面を黄色の蛍光体により被覆されている。ミラー51からの青色のレーザ光は、透明板52における黄色の蛍光体の被覆を通過する際に、ヘッドライトの色として法定される範囲の白色に変化する。これにより自動車の前方は、透明板52からの白色光で照明される。
可動装置13による走査光は、透明板52の蛍光体を通過する際に所定の散乱をする。これにより自動車前方の照明対象における眩しさは緩和される。
可動装置13を自動車のヘッドライトに適用する場合、光源装置12b及び蛍光体の色は、それぞれ青及び黄色に限定されない。例えば、光源装置12bを近紫外線とし、透明板52を、光の三原色の青色、緑色及び赤色の各蛍光体を均一に混ぜたもので被覆してもよい。この場合でも、透明板52を通過する光を白色に変換でき、自動車の前方を白色光で照明することができる。
[ヘッドマウントディスプレイ]
次に、上記実施形態の可動装置を適用したヘッドマウントディスプレイ60について、図12~13を用いて説明する。ここでヘッドマウントディスプレイ60は、人間の頭部に装着可能な頭部装着型ディスプレイで、例えば、眼鏡に類する形状とすることができる。ヘッドマウントディスプレイを、以降ではHMDと省略して示す。
図12は、HMD60の外観を例示する斜視図である。図12において、HMD60は、左右に1組ずつ略対称に設けられたフロント60a、及びテンプル60bにより構成されている。フロント60aは、例えば、導光板61により構成することができ、光学系や制御装置等は、テンプル60bに内蔵することができる。
図13は、HMD60の構成を部分的に例示する図である。なお、図13では、左眼用の構成を例示しているが、HMD60は右眼用としても同様の構成を有している。
HMD60は、制御装置11と、光源ユニット530と、光量調整部507と、反射面14を有する可動装置13と、導光板61と、ハーフミラー62とを有している。
光源ユニット530は、上述したように、レーザ光源501R、501G、及び501Bと、コリメータレンズ502、503、及び504と、ダイクロイックミラー505、及び506とを、光学ハウジングによってユニット化したものである。光源ユニット530において、レーザ光源501R、501G、及び501Bからの三色のレーザ光は、ダイクロイックミラー505及び506で合成される。光源ユニット530からは、合成された平行光が発せられる。
光源ユニット530からの光は、光量調整部507により光量調整された後、可動装置13に入射する。可動装置13は、制御装置11からの信号に基づき、反射面14をXY方向に可動し、光源ユニット530からの光を二次元走査する。この可動装置13の駆動制御は、レーザ光源501R、501G、501Bの発光タイミングに同期して行われ、走査光によりカラー画像が形成される。
可動装置13による走査光は、導光板61に入射する。導光板61は、走査光を内壁面で反射させながらハーフミラー62に導光する。導光板61は、走査光の波長に対して透過性を有する樹脂等により形成されている。
ハーフミラー62は、導光板61からの光をHMD60の背面側に反射し、HMD60の装着者63の眼の方向に出射する。ハーフミラー62は、例えば、自由曲面形状を有している。走査光による画像は、ハーフミラー62での反射により、装着者63の網膜に結像する。或いは、ハーフミラー62での反射と眼球における水晶体のレンズ効果とにより、装着者63の網膜に結像する。またハーフミラー62での反射により、画像は空間歪が補正される。装着者63は、XY方向に走査される光で形成される画像を、観察することができる。
62はハーフミラーであるため、装着者63には、外界からの光による像と走査光による画像が重畳して観察される。ハーフミラー62に代えてミラーを設けることで、外界からの光をなくし、走査光による画像のみを観察できる構成としてもよい。
[パッケージング]
次に、実施形態の可動装置のパッケージングについて図14を用いて説明する。
図14は、パッケージングされた可動装置の一例の概略図である。
図14に示すように、可動装置13は、パッケージ部材801の内側に配置される取付部材802に取り付けられ、パッケージ部材801の一部を透過部材803で覆われて、密閉されることでパッケージングされる。さらに、パッケージ内は窒素等の不活性ガスが密封されている。これにより、可動装置13の酸化による劣化が抑制され、さらに温度等の環境の変化に対する耐久性が向上する。
以上に説明した光偏向システム、光走査システム、画像投射装置、光書込装置、距離測定装置に使用される可動装置の詳細および本実施形態の制御装置による制御の詳細について、図15~図19を用いて説明する。
[可動装置の詳細]
まず、可動装置について図15~図17を用いて詳細に説明する。
図15は、2軸方向に光偏向可能な片持ち支持タイプの可動装置の平面図である。図16は、図15のP-P'断面図である。図17は図15のQ-Q'断面図である。但し、ここでは片持ち支持タイプを用いて説明するが、両端支持タイプであってもよい。
図15に示すように、可動装置13は、入射した光を反射する反射部101と、反射部に接続され、反射部をY軸に平行な第1軸周りに駆動する第1駆動部110a、110bと、反射部および第1駆動部を支持する第1支持部120と、第1支持部に接続され、反射部および第1支持部をX軸に平行な第2軸周りに駆動する第2駆動部130a、130bと、第2駆動部を支持する第2支持部140と、第1駆動部および第2駆動部および制御装置に電気的に接続される電極接続部150と、を有する。ここで、第1駆動部110a、110bと、第2駆動部130a、130bはそれぞれ「駆動梁」の一例であり、第2駆動部130a、130bは「蛇行梁」の一例である。また、第1支持部120と、第2支持部140は、それぞれ「支持部」の一例である。
可動装置13は、例えば、1枚のSOI(Silicon On Insulator)基板をエッチング処理等により成形し、成形した基板上に反射面14や第1圧電駆動部112a、112b、第2圧電駆動部131a~131f、132a~132f、電極接続部150等を形成することで、各構成部が一体的に形成されている。なお、上記の各構成部の形成は、SOI基板の成形後に行ってもよいし、SOI基板の成形中に行ってもよい。ここで、第1圧電駆動部112a及び112bと、第2圧電駆動部131a~131f及び132a~132fは、それぞれ「圧電駆動部」の一例である。
SOI基板は、単結晶シリコン(Si)からなる第1のシリコン層の上に酸化シリコン層162が設けられ、その酸化シリコン層の上にさらに単結晶シリコンからなる第2のシリコン層が設けられている基板である。以降、第1のシリコン層をシリコン支持層161、第2のシリコン層をシリコン活性層163とする。
シリコン活性層163は、X軸方向またはY軸方向に対してZ軸方向への厚みが小さいため、シリコン活性層163のみで構成された部材は、弾性を有する弾性部としての機能を備える。
なお、SOI基板は、必ず平面状である必要はなく、曲率等を有していてもよい。また、エッチング処理等により一体的に成形でき、部分的に弾性を持たせることができる基板であれば可動装置13の形成に用いられる部材はSOI基板に限られない。
反射部101は、例えば、円形状の反射部基体102と、反射部基体の+Z側の面上に形成された反射面14とから構成される。反射部基体102は、例えば、シリコン活性層163から構成される。反射面14は、例えば、アルミニウム、金、銀等を含む金属薄膜で構成される。また、反射部101は、反射部基体102の-Z側の面に反射部補強用のリブが形成されていてもよい。リブは、例えば、シリコン支持層161および酸化シリコン層162から構成され、可動によって生じる反射面14の歪みを抑制することができる。
第1駆動部110a、110bは、反射部基体102に一端が接続し、第1軸方向にそれぞれ延びて反射部101を可動可能に支持する2つのトーションバー111a、111bと、一端がトーションバーに接続され、他端が第1支持部の内周部に接続される第1圧電駆動部112a、112bと、から構成される。
図16に示されるように、トーションバー111a、111bはシリコン活性層163から構成される。また、第1圧電駆動部112a、112bは、弾性部であるシリコン活性層163の+Z側の面上に下部電極201、圧電部202、上部電極203の順に形成されて構成される。上部電極203および下部電極201は、例えば金(Au)または白金(Pt)等から構成される。圧電部202は、例えば、圧電材料であるPZT(チタン酸ジルコン酸鉛)からなる。
図15に戻り、第1支持部120は、例えば、シリコン支持層161、酸化シリコン層162、シリコン活性層163から構成され、反射部101を囲うように形成された矩形形状の支持体である。
第2駆動部130a、130bは、例えば、折り返すように連結された複数の第2圧電駆動部131a~131f、132a~132fから構成されており、第2駆動部130a、130bの一端は第1支持部120の外周部に接続され、他端は第2支持部140の内周部に接続されている。このとき、第2駆動部130aと第1支持部120の接続箇所および第2駆動部130bと第1支持部120の接続箇所、さらに第2駆動部130aと第2支持部140の接続箇所および第2駆動部130bと第2支持部140の接続箇所は、反射面14の中心に対して点対称となっている。ここで、各第2圧電駆動部131a~131f、132a~132fは、それぞれ「梁部」の一例である。
図17に示されるように、第2駆動部130a、130bは、弾性部であるシリコン活性層163の+Z側の面上に下部電極201、圧電部202、上部電極203の順に形成されて構成される。上部電極203および下部電極201は、例えば金(Au)または白金(Pt)等から構成される。圧電部202は、例えば、圧電材料であるPZT(チタン酸ジルコン酸鉛)からなる。
図15に戻り、第2支持部140は、例えば、シリコン支持層161、酸化シリコン層162、シリコン活性層163から構成され、反射部101、第1駆動部110a、110b、第1支持部120および第2駆動部130a、130bを囲うように形成された矩形の支持体である。
電極接続部150は、例えば、第2支持部140の+Z側の面上に形成され、第1圧電駆動部112a、112b、第2圧電駆動部131a~131fの各上部電極203および各下部電極201,および制御装置11にアルミニウム(Al)等の電極配線を介して電気的に接続されている。なお、上部電極203または下部電極201は、それぞれが電極接続部と直接接続されていてもよいし、電極同士を接続する等により間接的に接続されていてもよい。
なお、本実施形態では、圧電部202が弾性部であるシリコン活性層163の一面(+Z側の面)のみに形成された場合を一例として説明したが、弾性部の他の面(例えば-Z側の面)に設けても良いし、弾性部の一面および他面の双方に設けても良い。
また、反射部を第1軸周りまたは第2軸周りに駆動可能であれば、各構成部の形状は実施形態の形状に限定されない。例えば、トーションバー111a、111bや第1圧電駆動部112a、112bが曲率を有した形状を有していてもよい。
さらに、第1駆動部110a、110bの上部電極203の+Z側の面上、第1支持部の+Z側の面上、第2駆動部130a、130bの上部電極203の+Z側の面上、第2支持部の+Z側の面上の少なくともいずれかに酸化シリコン膜からなる絶縁層が形成されていてもよい。このとき、絶縁層の上に電極配線を設け、また、上部電極203または下部電極201と電極配線とが接続される接続スポットのみ、開口部として部分的に絶縁層を除去または絶縁層を形成しないことにより、第1駆動部110a、110b、第2駆動部130a、130bおよび電極配線の設計自由度をあげ、さらに電極同士の接触による短絡を抑制することができる。また、酸化シリコン膜は、反射防止材としていの機能も備える。
[制御装置の制御の詳細]
次に、可動装置の第1駆動部および第2駆動部を駆動させる制御装置の制御の詳細について説明する。
第1駆動部110a、110b、第2駆動部130a、130bが有する圧電部202は、分極方向に正または負の電圧が印加されると印加電圧の電位に比例した変形(例えば、伸縮)が生じ、いわゆる逆圧電効果を発揮する。第1駆動部110a,110b,第2駆動部130a、130bは、上記の逆圧電効果を利用して反射部101を可動させる。
このとき、反射部101の反射面14がXY平面に対して+Z方向または-Z方向へ傾いたときのXY平面と反射面14により成す角度を、振れ角とよぶ。このとき、+Z方向を正の振れ角、-Z方向を負の振れ角とする。
まず、第1駆動部を駆動させる制御装置の制御について説明する。
第1駆動部110a、110bでは、第1圧電駆動部112a、112bが有する圧電部202に、上部電極203および下部電極201を介して駆動電圧が並列に印加されると、それぞれの圧電部202が変形する。この圧電部202の変形による作用により、第1圧電駆動部112a、112bが屈曲変形する。その結果、2つのトーションバー111a、111bのねじれを介して反射部101に第1軸周りの駆動力が作用し、反射部101が第1軸周りに可動する。第1駆動部110a、110bに印加される駆動電圧は、制御装置11によって制御される。
そこで、制御装置11によって、第1駆動部110a、110bが有する第1圧電駆動部112a、112bに所定の正弦波形の駆動電圧を並行して印加することで、反射部101を、第1軸周りに所定の正弦波形の駆動電圧の周期で可動させることができる。
特に、例えば、正弦波形電圧の周波数がトーションバー111a、111bの共振周波数と同程度である約20kHzに設定された場合、トーションバー111a、111bのねじれによる機械的共振が生じるのを利用して、反射部101を約20kHzで共振振動させることができる。
次に、第2駆動部を駆動させる制御装置の制御について、図18~図19を用いて説明する。
図18は、可動装置の第2駆動部130bの駆動を模式的に表した模式図である。点線で表されているのは反射部101等である。なお、紙面向かって右方向が+X方向、紙面向かって上方向が+Y方向、紙面手前が+Z方向である。
図18(a)に示すように、第2駆動部130bに駆動電圧が印加されていない状態では、第2駆動部による振れ角はゼロである。
第2駆動部130aが有する複数の第2圧電駆動部131a~131fのうち、最も反射部に距離が近い第2圧電駆動部(131a)から数えて偶数番目の第2圧電駆動部、すなわち第2圧電駆動部131b、131d、131fを圧電駆動部群Aとする。また、さらに第2駆動部130bが有する複数の第2圧電駆動部132a~132fのうち、最も反射部に距離が近い第2圧電駆動部(132a)から数えて奇数番目の第2圧電駆動部、すなわち第2圧電駆動部132a、132c、132eを同様に圧電駆動部群Aとする。圧電駆動部群Aは、駆動電圧が並行に印加されると、図18(b)に示すように、圧電駆動部群Aが同一方向に屈曲変形し、反射部101が-Z方向に第2軸周りに可動する。
また、第2駆動部130aが有する複数の第2圧電駆動部131a~131fのうち、最も反射部に距離が近い第2圧電駆動部(131a)から数えて奇数番目の第2圧電駆動部、すなわち第2圧電駆動部131a、131c、131eを圧電駆動部群Bとする。また、さらに第2駆動部130bが有する複数の第2圧電駆動部132a~132fのうち、最も反射部に距離が近い第2圧電駆動部(132a)から数えて偶数番目の第2圧電駆動部、すなわち、132b、132d、132fを同様に圧電駆動部群Bとする。圧電駆動部群Bは、駆動電圧が並行に印加されると、図18(d)に示すように、圧電駆動部群Bが同一方向に屈曲変形し、反射部101が+Z方向に第2軸周りに可動する。
図18(b)、(d)に示すように、第2駆動部130aまたは130bでは、圧電駆動部群Aが有する複数の圧電部202または圧電駆動部群Bが有する複数の圧電部202を同時に屈曲変形させることにより、屈曲変形による可動量を累積させ、反射部101の第2軸周りの振れ角度を大きくすることができる。例えば、図15に示すように、第2駆動部130a、130bが、第1支持部の中心点に対して第1支持部に点対称で接続されている。そのため、圧電駆動部群Aに駆動電圧を印加すると、第2駆動部130aでは第1支持部と第2駆動部130aの接続部に+Z方向に動かす駆動力が生じ、第2駆動部130bでは第1支持部と第2駆動部130bの接続部に-Z方向に動かす駆動力が生じ、可動量が累積されて反射部101の第2軸周りの振れ角度を大きくすることができる。
また、図18(c)に示すように、電圧印加による圧電駆動部群Aによる反射部101の可動量と電圧印加による圧電駆動群Bによる反射部101の可動量が釣り合っている時は、振れ角はゼロとなる。
図18(b)~図18(d)を連続的に繰り返すように第2圧電駆動部に駆動電圧を印加することにより、反射部を第2軸周りに駆動させることができる。
第2駆動部に印加される駆動電圧は、制御装置によって制御される。
圧電駆動部群Aに印加される駆動電圧(以下、駆動電圧A)、圧電駆動部群Bに印加される駆動電圧(以下、駆動電圧B)について、図19を用いて説明する。
図19(a)は、可動装置の圧電駆動部群Aに印加される駆動電圧Aの波形の一例である。図19(b)は、可動装置の圧電駆動部群Bに印加される駆動電圧の波形Bの一例である。図19(c)は、駆動電圧Aの波形と駆動電圧Bの波形を重ね合わせた図である。
図19(a)に示すように、圧電駆動部群Aに印加される駆動電圧Aは、例えば、ノコギリ波状の波形の駆動電圧であり、周波数は、例えば60HZである。また、駆動電圧Aの波形は、電圧値が極小値から次の極大値まで増加していく立ち上がり期間の時間幅をTrA、電圧値が極大値から次の極小値まで減少していく立ち下がり期間の時間幅をTfAとしたとき、例えば、TrA:TfA=9:1となる比率があらかじめ設定されている。このとき、一周期に対するTrAの比率を駆動電圧Aのシンメトリという。
図19(b)に示すように、圧電駆動部群Bに印加される駆動電圧Bは、例えば、ノコギリ波状の波形の駆動電圧であり、周波数は、例えば60HZである。また、駆動電圧Bの波形は、電圧値が極小値から次の極大値まで増加していく立ち上がり期間の時間幅をTrB、電圧値が極大値から次の極小値まで減少していく立ち下がり期間の時間幅をTfBとしたとき、例えば、TfB:TrB=9:1となる比率があらかじめ設定されている。このとき、一周期に対するTfBの比率を駆動電圧Bのシンメトリという。また、図19(c)に示すように、例えば、駆動電圧Aの波形の周期TAと駆動電圧Bの波形の周期TBは、同一となるように設定されている。
なお、上記の駆動電圧Aおよび駆動電圧Bのノコギリ波状の波形は、正弦波の重ね合わせによって生成される。また、本実施形態では、駆動電圧A、Bとしてノコギリ波状の波形の駆動電圧を用いているが、これに限らず、ノコギリ波状の波形の頂点を丸くした波形の駆動電圧や、ノコギリ波状の波形の直線領域を曲線とした波形の駆動電圧など、可動装置のデバイス特性に応じて波形を変えることも可能である。
[駆動電圧と反射部の振れ角の関係]
ここで、上述の光走査システム10に駆動電圧を印加したときの可動装置13における反射部101の振れ角について、図20~図21を用いて説明する。
図20は、駆動電圧と反射部の振れ角の関係の一例を説明する図である。(a)は駆動電圧の波形の一例を説明する図であり、(b)は(a)の波形の駆動電圧を印加したときの反射部の振れ角の一例を説明する図である。図20の横軸は(a)、(b)とも時間を示し、図20(a)の縦軸は駆動電圧を示し、図20(b)の縦軸は反射部の振れ角を示している。
図20(a)は、駆動電圧Aの波形301a(実線の波形)と、駆動電圧Bの波形301b(破線の波形)を示している。波形301a及び301bは、図18と同様に、周期が同一となるように設定されている。一例として、波形301aは、シンメトリがTfA:TrA=1:4に設定されたノコギリ波状の波形であり、波形301bは、シンメトリがTfB:TrB=4:1に設定されたノコギリ波状の波形である。
図20(b)は、駆動電圧Aを圧電駆動部群Aに印加し、また駆動電圧Bを圧電駆動部群Bに印加したときの反射部101の振れ角変化311を示している。反射部101の振れ角は、図20(b)に一点鎖線371で示したように、時間に応じて線形に変化することが求められる。しかし、振れ角が最大になる付近、つまり振れの方向が反転する角度付近で反射部101の回動速度が減速し、これにより、図20(b)に二点鎖線の丸380で囲った期間のように、振れ角の変化が線形からずれる振れ角誤差が生じる場合がある。その結果、光走査システム10を用いた画像投影装置で、投影される画像に画像歪み等の画像不良を生じさせる場合がある。
図21Aは、反射部の振れ角誤差による画像不良の一例を説明する図である。(a)は走査光による画像の一例を説明する図であり、(b)は振れ角誤差がある場合の走査光による画像の一例を説明する図である。図21Aは、図5~6で説明したヘッドアップディスプレイ装置500により自動車400のフロントガラス401に投射され、運転者402により視認される画像を示している。
図21A(a)のように画像が視認されるべきところが、図21A(b)に示すように、画像の上端部と下端部付近で、振れ角誤差による画像歪みが生じている。具体的には、反射部101のY方向への回動速度が低下することで、画像の上端部と下端部付近で、画像のY方向の画素の間隔が密になった部分が生じ、画像がY方向に収縮している。
このような振れ角誤差は、圧電駆動部群に設けられた圧電部(圧電素子)が印加電圧に対して線形に変位(変形)しないリニアリティ誤差に起因して生じるものである。
この原因について以下に説明する。図21Bは、圧電部の圧電定数の電圧依存性の一例を説明する図である。図21Bの横軸は、印加電圧を示し、縦軸は圧電定数を示している。なお、圧電定数の電圧依存性は圧電定数曲線とも称される。
圧電部の圧電定数は、次のように求めることができる。長さLのシリコン活性層からなる弾性部の+Z面上にPZTからなる圧電部を形成し、圧電部の上下に電圧を印加することで弾性部を屈曲変形させ、レーザドップラー振動計により、印加電圧を変化させながら弾性部端の変位量Kを計測する。計測された弾性部端の変位量ΔKと、下記の式(1)により印加電圧に対する圧電定数d31を求めることができる。圧電定数d31は、圧電部に電圧Eが印加されたときの変化のしやすさを示す定数である。
Figure 0007172557000001
ここで、式(1)において、ΔKは弾性部の先端変位量、Lは弾性部の長さ、TPZTはPZTの厚み、d31は圧電定数、EはPZTに印加する電界、AはESi(Siのヤング率)/EPZT(PZTのヤング率)から求められる定数、BはTSi(弾性部のSiの厚み)/TPZT(PZTの厚み)である。
実施形態では、パラメータとして、L=3500μm、TPZT=2μm、ESi=170GPa、EPZT=90GPa、TSi=40μmを使用し、圧電定数d31を求めた。図21Bに示すように、圧電部202は、印加電圧が0V~10Vの間は圧電定数が一定ではなく、印加電圧が10V以上となると、圧電定数がほぼ一定となる。特に、印加電圧が0~5Vの間は、圧電定数の変化が大きい。
これは、圧電部202を構成するPZTは、スパッタリングによる成膜、もしくはスピンコートを使ったゾルゲル法により形成されているためであると考えられる。このような方法により形成されたPZTは、一般的に印加電圧が所定の値になるまでは圧電定数が一定とならない。すなわち、印加電圧によって圧電部の変形のしやすさが変化する。つまり、圧電定数が変動する。
従って、圧電部202に印加する駆動電圧の電圧値が、図21Bに示す印加電圧の電圧値の範囲hのような一周期において0からE1までの間で立ち上がり、立ち下がりを繰り返す場合、圧電定数の変化が大きい、印加電圧の電圧値が0付近の低電圧領域では圧電部202の変形が電圧値に比例しない。すなわち、電圧値が0付近の低電圧領域では、圧電部202に印加される反射部101の振れ角最大付近では、可動速度の均一性が保てなくなる。これにより、図21A(b)に示すように画像歪みが生じる。
そこで、第1の実施形態に係る光走査システム(光偏向装置)では、圧電駆動部群Aに印加する駆動電圧Aの波形、及び圧電駆動部群Bに印加する駆動電圧Bの波形を補正することで、上述のような圧電素子の圧電定数の電圧依存性を抑制する。以下に、第1の実施形態に係る光偏向装置について説明する。
[第1の実施形態]
<第1の実施形態に係る駆動電圧の波形の補正方法>
先ず、本実施形態に係る光偏向装置の駆動電圧の波形の補正方法について、図22を参照して説明する。
図22は、本実施形態に係る駆動電圧の波形の補正方法とその効果の一例を説明する図である。(a)は補正後の駆動電圧の波形の一例を説明する図であり、(b)は補正前の波形の駆動電圧を印加したときの反射部の振れ角の一例を説明する図であり、(c)は補正後の波形の駆動電圧を印加したときの反射部の振れ角の一例を説明する図である。
図22(a)は、駆動電圧Aの波形302a(実線の波形)と、駆動電圧Bの波形302b(破線の波形)を示している。なお、図22(a)では、波形302a及び302bとも2周期分の波形が示されている。
波形302aにおいて、期間350aは波形302aの1周期に該当する。また、期間351aは1周期内に含まれる正の傾き(傾斜角度)の波形の期間(波形期間)である。なお、この「傾き」は、波形における時間に伴う電圧変化の傾きを意味する。また、「正の傾き」は電圧が上昇する傾きを意味し、「負の傾き」は電圧が下降する傾きを意味する。
時期360aは、期間351aにおいて傾きが第1の傾きから第2の傾きに変化する時期を示し、期間352aは第1の傾きの波形の期間であり、また、期間353aは第2の傾きの波形の期間である。時期360aは、波形302aの開始時期からの時間等で表すことができ、この時間は期間352aに一致する。
換言すると、波形302aは、1周期内に含まれる正の傾きの波形の期間351aが、第1の傾きの波形の期間352aと、第2の傾きの波形の期間353aとから構成されている。このような1周期分の波形302aは、「第1の駆動電圧波形」の一例である。
また、波形302aは、図20の波形301aが補正された波形であり、検出された反射部101の振れ角(後述)に基づいて決定された第1の傾き、及び第1の傾きから第2の傾きに変化する時期に応じて補正された波形である。
例えば、駆動周波数が60Hzの場合、期間350aは1/60(秒)である。シンメトリがTfA:TrA=1:4の場合、期間351aは1/75(秒)である。期間352aが1/300(秒)の場合、期間353aは1/100(秒)であり、時期360aは、波形302aの開始時期から1/300(秒)が経過した時期である。駆動電圧の補正前の最小電圧が0V、補正後の最小電圧が-1V、最大電圧5Vである場合、第1の傾きは675(V/秒)であり、第2の傾きは375(V/秒)である。
一方、波形302bにおいて、期間350bは波形302bの1周期に該当する。また、期間351bは1周期内に含まれる負の傾きの波形の期間である。
時期360bは、期間351bにおいて傾きが第3の傾きから第4の傾きに変化する時期を示し、期間352bは第3の傾きの波形の期間であり、また、期間353bは第4の傾きの波形の期間である。時期360bは、波形302bの開始時期からの時間等で表すことができ、この時間は期間352bに一致する。
換言すると、波形302bは、1周期内に含まれる正の傾きの波形の期間351bが、第3の傾きの波形の期間352bと、第4の傾きの波形の期間353bとから構成されている。このような1周期分の波形302bは、「第2の駆動電圧波形」の一例である。
また、波形302bは、図20の波形301bが補正された波形であり、検出された反射部101の振れ角(後述)に基づいて決定された第3の傾き、及び第3の傾きから第4の傾きに変化する時期に応じて補正された波形である。
例えば、駆動周波数が60Hzの場合、期間350bは1/60(秒)である。シンメトリがTfB:TrB=4:1の場合、期間351bは1/75(秒)である。期間352bが1/300(秒)の場合、期間353bは1/100(秒)であり、時期360bは、波形302bの開始時期から1/300(秒)が経過した時期である。駆動電圧の最小電圧が0V、補正前の最大電圧が5V、補正後の最大電圧6Vである場合、第3の傾きは-675(V/秒)であり、第4の傾きは-375(V/秒)である。
また、図22(b)は、補正前の波形301a及び301bの駆動電圧が印加された場合の反射部101の振れ角変化312を示している。なお、図22(b)では、駆動電圧に対応して、2周期分の振れ角変化が示されている。図22(b)に示すように、二点鎖線の丸380で囲った期間で反射部101の回動速度が低下して振れ角誤差が生じている。
これに対し、補正後の波形302aを用いると、波形302aの開始時期から時期360aまでの時間内(期間352a)に、第2の傾きより傾きの絶対値が大きい第1の傾きの波形の駆動電圧を印加することができる。また、補正後の波形302bを用いると、波形302bの開始時期から時期360bまでの時間内(期間352b)に第4の傾きより傾きの絶対値が大きい第3の傾きの波形の駆動電圧を印加することができる。
傾きの絶対値を大きくすると、反射部101の回動速度を加速できるため、補正後の波形302a及び302bを用いることで、振れ角が最大になる付近、つまり振れの方向が反転する角度付近での反射部101の減速を打ち消すことができる。
図22(c)は、補正後の波形302a及び302bの駆動電圧が印加された場合の反射部101の振れ角変化322を示している。図22(c)に示すように、振れ角変化322では、振れ角誤差が打ち消され、線形の振れ角の時間変化、すなわち一定の回動速度が得られている。
なお、図22(b)において、期間370は、時間に伴う反射部101の振れ角の変化が正の傾きとなる期間であり、期間351a及び351bに対応する期間である。また、一点鎖線で示した回帰直線371は、期間370の振れ角の検出データを直線近似したときの回帰直線である。この回帰直線371と、期間370の振れ角の検出データとを利用して、後述するように、駆動電圧の波形の補正の要否判定を行うことができる。ここで、回帰直線371における時間毎での振れ角の検出データは、「規定値」の一例である。
さらに、時期381は、振れ角の検出データとその回帰直線との時間毎での差が、予め定めた閾値以上に変化する時期であり、後述するように、波形補正部37はこの時期381から時期360a及び360bを決定することができる。
また、図22(b)のβは最大振れ角誤差であり、図22(a)のa×β及びb×βは、最大振れ角誤差βを打ち消すための波形302a及び302bのそれぞれの電圧変化量である。これらについても後述する。
<第1の実施形態に係る可動装置の構成>
次に、上述した駆動電圧の波形の補正を実現するための可動装置13aについて、図23~24を参照して説明する。なお、図23~24の説明では、図15~17等で既に説明したものと同一の構成部分についての説明は省略する。
図23は、本実施形態に係る可動装置の一例を+Z方向からみたときの平面図であり、図24は、図23に記載の可動装置のR-R'断面図である。
図23に示すように、可動装置13aは、検出部140a及び140bを有している。検出部140aは圧電センサ141a~141fから構成され、また、検出部140bは圧電センサ142a~142fから構成されている。
圧電センサ141aは第2圧電駆動部131aのシリコン活性層上に設けられ、圧電センサ141bは第2圧電駆動部131bのシリコン活性層上に設けられ、圧電センサ141cは第2圧電駆動部131cのシリコン活性層上に設けられている。また、圧電センサ141dは第2圧電駆動部131dのシリコン活性層上に設けられ、圧電センサ141eは第2圧電駆動部131eのシリコン活性層上に設けられ、圧電センサ141fは第2圧電駆動部131fのシリコン活性層上に設けられている。
同様に、圧電センサ142aは第2圧電駆動部132aのシリコン活性層上に設けられ、圧電センサ142bは第2圧電駆動部132bのシリコン活性層上に設けられ、圧電センサ142cは第2圧電駆動部132cのシリコン活性層上に設けられている。また、圧電センサ142dは第2圧電駆動部132dのシリコン活性層上に設けられ、圧電センサ142eは第2圧電駆動部132eのシリコン活性層上に設けられ、圧電センサ142fは第2圧電駆動部132fのシリコン活性層上に設けられている。
図24に示すように、検出部140aは、第2駆動部130aと同様に、弾性部であるシリコン活性層163の+Z側の面上に下部電極201、圧電部202、上部電極203の順に形成されて構成される。上部電極203および下部電極201は、例えば金(Au)または白金(Pt)等から構成される。圧電部202は、例えば、圧電材料であるPZT(チタン酸ジルコン酸鉛)からなる。ここで、圧電部202は「圧電素子」の一例である。
検出部140aは、第2圧電駆動部131a~131fと比較して、Y方向の長さはほぼ等しく、X方向の幅は狭く形成されている。また、検出部140aの各圧電センサ141a~141fは、第2駆動部130aの各第2圧電駆動部131a~131fに接触しないように間隔を空けて、各第2圧電駆動部131a~131fに含まれるシリコン活性層の+Z側の面上に設けられている。検出部140bも検出部140aと同様の構成である。
第2駆動部130a、130bは駆動電圧の印加により圧電駆動部群A、Bが屈曲変形して可動する。検出部140a、140bは、これとは反対に、第2駆動部130a、130bによるシリコン活性層163の変形に応じて圧電部202で発生する電圧を、反射部101の振れ角を示す信号として検出し、制御装置11aに出力することができる。
<第1の実施形態に係る光偏向装置の構成>
次に、本実施形態に係る光偏向装置の構成について、図25~26を参照して説明する。
図25は、本実施形態に係る光偏向装置の一例のハードウェア構成図である。
光偏向装置10aは、制御装置11aと、光源装置12と、可動装置13aとを有し、制御装置11aは、センサ電圧入力回路27を有する。センサ電圧入力回路27は、検出部140a、140bの圧電部202で発生する電圧を制御装置11aに入力するインタフェースとして機能する電気回路である。センサ電圧入力回路27は、圧電部202で発生する電圧を増幅する増幅回路と、アナログ電圧信号をデジタル電圧信号に変換するA/D(Analog/Digital)変換回路等から構成され、デジタル電圧信号をCPU等に出力することができる。
次に、図26は、本実施形態に係る光偏向装置の備える制御装置の一例の機能ブロック図である。
制御装置11aは、光源駆動部31aと、圧電素子駆動部31bと、波形記憶部32と、波形取得部33と、駆動電圧波形出力部34と、振れ角検出部35と、補正要否判定部36と、波形補正部37とを有する。
光源駆動部31aは、光源装置ドライバ25等により実現され、制御部30から入力された制御信号に基づいて光源装置12に、光源の照射タイミング及び照射強度を制御する駆動電圧等の駆動信号を出力する。
圧電素子駆動部31bは、可動装置ドライバ26等により実現され、駆動電圧波形出力部34から入力された駆動電圧の波形に応じて、可動装置13aに、反射部101を回動させるタイミング及び回動範囲を制御する駆動信号を出力する。
波形記憶部32は、ROM22等により実現され、波形301a及び301b等の駆動電圧の補正前の波形を示すデータを記憶する。
波形取得部33は、波形記憶部32を参照して波形を示すデータ(以下、単に波形という)を取得し、RAM21等に一時保存する。そして、波形取得部33は、制御部30から入力された制御信号に応じて、RAM21等に一時保存された波形を読み出し、駆動電圧波形出力部34に出力する。RAM21等に一時保存された波形を波形補正部37が補正する(後述)ことで、波形取得部33は、反射部101の振れ角に応じて補正された最新の波形を取得し、駆動電圧波形出力部34に出力することができる。
駆動電圧波形出力部34は、入力した駆動電圧の波形を圧電素子駆動部31bに出力することができる。
振れ角検出部35は、センサ電圧入力回路27等により実現され、検出部140a、140bの圧電部202で発生する電圧をデジタル電圧信号に変換し、反射部101の振れ角の検出データとして、補正要否判定部36に出力することができる。
補正要否判定部36は、補正の要否を判定する機能を有する。補正要否判定部36は、入力した振れ角の検出データにおける期間370の検出データを直線近似して回帰直線371を算出する(図22(b)参照)。そして、時間毎での振れ角の検出データと回帰直線371との差が予め定めた閾値以上になる場合に、補正が「要」であると判定し、閾値以上にならない場合に補正が「不要(否)」と判定する。
補正要否判定部36は、判定結果を示す信号と、反射部101の振れ角の検出データを波形補正部37に出力することができる。なお、「時間毎での振れ角の検出データと回帰直線371との差」は上述の「振れ角誤差」を意味するため、以下ではこれを「振れ角誤差」と称する。
波形補正部37は、第1決定部38を有し、補正要否判定部36から補正が「要」である信号を入力した場合に、波形取得部33がRAM21等に一時保存した波形を補正する機能を有する。
第1決定部38は、振れ角誤差が予め定めた閾値以上となる時期381を特定し、時期381に一致する時期360a及び360bを決定することができる(図22(b)参照)。
また、第1決定部38は、最大振れ角誤差βを打ち消すように、波形302aの期間352aにおける傾きに該当する第1の傾きを決定し、波形302bの期間352bにおける傾きに該当する第3の傾きを決定することができる(図22(a)参照)。
具体的には、第1決定部38は、最大振れ角誤差βを打ち消すための波形302aの最小電圧値の電圧変化量a×βを求め、また波形302bの最大電圧値の電圧変化量b×βを求める。最大振れ角誤差βと電圧変化量a×βa及びa×βは線形な関係であり、例えばβ=(a×β+b×β)×α(αは任意の定数)として表せるため、この関係に基づいて電圧変化量a×β及びb×βを求めることができる。
第1決定部38は、「時期360aでの電圧値」と「最小電圧値-βa」の差分を期間352aに対応する時間で除すことで、第1の傾きを決定し、同様に、「時期360bでの電圧値」と「最大電圧値+βb」の差分を期間352bに対応する時間で除すことで、第3の傾きを決定する。
このようにして、第1決定部38により決定された第1の傾き、第3の傾き、時期360a、及び時期360bを用いて、波形補正部37は波形301a及び301bを補正し、波形302a及び302bを得ることができる。
駆動電圧波形出力部34は波形取得部33から入力した補正後の波形を圧電素子駆動部31bに出力することで、可動装置13aの反射部101は振れ角誤差を低減させて回動することができる。
なお、本実施形態では、圧電駆動部群Aに含まれる第2圧電駆動部のそれぞれに対して印加される駆動電圧は、駆動電圧波形出力部34の出力する波形302aの駆動電圧であって、何れも同じである。同様に、圧電駆動部群Bに含まれる第2圧電駆動部のそれぞれに対して印加される駆動電圧は、駆動電圧波形出力部34の出力する波形302bの駆動電圧であって、何れも同じである。但し、上記は一例であり、第2圧電駆動部のそれぞれに対して印加される駆動電圧の波形を異なるものにしてもよい。
ここで、上述した電圧変化量a×β及びb×βの係数a、bに関し、a=bとしてもよいが、係数a、bの値を調整して、反射部101の振れ角に対する波形302a及び302bのそれぞれの寄与率を調整してもよい。
例えば、a>bとすると、反射部101の振れ角に対する波形302aの寄与が相対的に大きくなり、a<bとすると、反射部101の振れ角に対する波形302bの寄与が相対的に大きくなる。
また、定数αにより波形302a及び302b全体の電圧変化量を調整して、反射部101の振れ角を調整してもよい。
さらに、本実施形態では、負の振れ角側で振れ角誤差が生じる例を示したが、正の振れ角側に振れ角誤差が生じる場合においても、上述の駆動電圧の波形の補正方法を適用することも可能である。
また、上述では、補正要否判定部36が判定結果を示す信号と、反射部101の振れ角の検出データを波形補正部37に出力する例を示したが、補正要否判定部36は判定結果を示す信号と、時期381を示す信号を波形補正部37に出力してもよい。この場合、波形補正部37で振れ角の検出データの回帰直線を算出する処理等を省略するできるため、処理速度の向上、処理負荷の低減を図ることができる。
<第1の実施形態に係る光偏向装置の動作>
次に、本実施形態に係る光偏向装置の動作について説明する。図27は、本実施形態に係る光偏向装置の動作の一例を示すフローチャートである。
先ず、ステップS271において、波形取得部33は、波形記憶部32を参照して波形301a及び301b等の駆動電圧の補正前の波形を取得し、波形をRAM21等に一時保存する。
続いて、ステップS272において、制御部30は外部装置等から光走査情報を取得する。
続いて、ステップS273において、制御部30は取得した光走査情報から制御信号を生成し、制御信号を光源駆動部31a及び波形取得部33に出力する。
続いて、ステップS274において、光源駆動部31aは、入力された制御信号に基づいて駆動信号を光源装置12に出力し、光源装置12は、入力した駆動信号に基づいて光照射を行う。
続いて、ステップS275において、駆動電圧波形出力部34は、波形取得部33から入力した波形を圧電素子駆動部31bに出力する。
続いて、ステップS276において、圧電素子駆動部31bは駆動信号を可動装置13aに出力する。
続いて、ステップS277において、可動装置13aは、入力された駆動信号に基づいて反射部101を回動(駆動)させる。光源装置12及び可動装置13aの反射部101の回動により、反射部101の反射面14に入射した光が任意の方向に偏向され、光走査(光偏向)が行われる。
続いて、ステップS278において、振れ角検出部35は、可動装置13aの検出部140a、140bの圧電部202で発生する電圧をデジタル電圧信号に変換し、反射部101の振れ角の検出データとして、補正要否判定部36に出力する。
続いて、ステップS279において、補正要否判定部36は、入力した振れ角の検出データにおける期間370の検出データを直線近似して回帰直線371を算出し、振れ角誤差が予め定めた閾値以上か否かを判定する。そして、補正要否判定部36は、判定結果を示す信号と、反射部101の振れ角の検出データを波形補正部37に出力する。
ステップS279において、振れ角誤差が閾値以上の場合は(ステップS279、Yes)、ステップS280において、波形補正部37は、波形取得部33がRAM21等に一時保存した波形301a及び301bを波形302a及び302bに補正する。一方、ステップS279において、振れ角誤差が閾値より小さい場合は(ステップS279、No)、ステップS281に移行する。
続いて、ステップS281において、制御部30は、光走査情報等に基づいて光走査を終了するか否かを判定する。ステップS281において、終了すると判定された場合は(ステップS281、Yes)、光偏向装置10aは光走査を終了する。一方、ステップS281において、終了しないと判定された場合は(ステップS281、No)、ステップS272に戻り、ステップS272以降の処理が継続される。
このようにして、光偏向装置10aは、波形301a及び301bが補正された波形302a及び302bを用いることで、振れ角誤差を低減させて、可動装置13aの反射部101を回動させることができる。
以上説明してきたように、本実施形態では、駆動電圧波形出力部34は、1周期内に含まれる正の傾きの波形の期間351aが、第1の傾きの波形の期間352a、及び第1の傾きとは異なる第2の傾きの波形の期間353aからなる波形302aと、1周期内に含まれる負の傾きの波形の期間351bが、第3の傾きの波形の期間352b、第3の傾きとは異なる第4の傾きの波形の期間353bからなる波形302bの少なくとも1つを圧電素子駆動部31bに出力する。
これにより、第2の傾きより傾きの絶対値が大きい第1の傾きの波形の駆動電圧を圧電駆動部群A及びBに印加し、また、第4の傾きより傾きの絶対値が大きい第3の傾きの波形の駆動電圧を圧電駆動部群A及びBに印加することができる。そして、振れ角が最大になる付近での反射部101の減速を打ち消し、反射部101の振れ角誤差を適切に補正することができる。
なお、本実施形態では、反射部101の減速を打ち消すことで、反射部101の振れ角誤差を補正する例を示したが、これに限定されるものではない。例えば、第1の傾きの絶対値が第2の傾きの絶対値より小さく、また、第3の傾きの絶対値が第4の傾きの絶対値より小さい駆動電圧の波形を用いることで、反射部101の加速による振れ角誤差を低減させてもよい。
[第2の実施形態]
次に、第2の実施形態に係る光偏向装置について説明する。なお、既に説明した実施形態と同一の構成部についての説明は省略する。
ここで、光偏向装置において、振れ角が加速、及び減速を連続的に繰り返すように揺らぎながら反射部が回動する場合がある。図28は、このような反射部の振れ角の揺らぎの一例を説明する図である。
図28に示した振れ角変化313の正の傾きの期間で、一点鎖線で示した直線372に対して振れ角が波状に変化している部分が揺らぎの挙動を表している。波状の中央部の通過時に最も振れ角の挙動が速く、波状の上下の端部にいくほど振れ角の挙動は遅くなり、加速部分と減速部分が連続的に生じている。
図29は、比較例に係る波形の駆動電圧を印加したときの反射部の振れ角を説明する図である。(a)は駆動電圧の波形の一例を説明する図であり、(b)は(a)の波形の駆動電圧を印加したときの反射部の振れ角を説明する図である。なお、図29では駆動電圧Aの波形のみを示し、駆動電圧Bの波形は省略している。
図29(a)に示すように、波形303aでは、正の傾きの波形に電圧が波状に変化する揺らぎ部分が設けられている。この電圧の揺らぎの位相は、図28に示した振れ角の揺らぎの位相に対し、逆位相となっている。つまり、電圧の揺らぎは振れ角の揺らぎに対し、半周期だけ位相がずれている。
このように振れ角の揺らぎに対し、逆位相となる揺らぎを含む波形の駆動電圧を印加することで、図29(b)に示すように、振れ角の揺らぎを打ち消すことができる。図29(b)では、正の傾きの期間で揺らぎが打ち消され、直線372に沿った振れ角変化323が示されている。
しかし、第1の実施形態で説明したように、振れ角が最大になる付近、つまり振れの方向が反転する角度付近では反射部101の回動速度の減速が生じ、二点鎖線382で囲った期間のように振れ角誤差が生じ、振れ角の変化が線形からずれる場合がある。このような振れ角誤差は、振れ角の揺らぎに対し逆位相となる揺らぎを含む波形の駆動電圧では打ち消すことができない。その結果、光偏向装置を用いた画像投影装置で投影される画像に画像歪み等の画像不良を生じさせる場合がある。
そこで、本実施形態に係る光偏向装置10bでは、第1の実施形態で説明した補正後の波形に、振れ角の揺らぎに対して揺らぎが逆位相となる波形を重畳させた波形を用いて、反射部を回動させる。
図30は、本実施形態に係る駆動電圧の波形とその効果の一例を説明する図であり、(a)は駆動電圧の波形の一例を説明する図であり、(b)は(a)の波形の駆動電圧を印加したときの反射部の振れ角を説明する図である。なお、図30では駆動電圧Aの波形のみを示し、駆動電圧Bの波形は省略している。
波形304aにおいて、期間354aは波形304aの1周期に該当する。また、期間355aは1周期内に含まれる正の傾きの波形の期間である。期間356aは、振れ角の揺らぎに対して逆位相となる揺らぎを含む波形が、第1の傾きの波形に重畳された波形の期間である。期間357aは、振れ角の揺らぎに対して逆位相となる揺らぎを含む波形が、第2の傾きの波形に重畳された波形の期間である。
時期361aは、第1の傾きから第2の傾きに変化する時期を示している。時期361aは、波形302aの開始時期からの時間等で表すことができ、この時間は期間356aに一致する。図30では図示を省略したが、駆動電圧Bの波形である波形304bも、上述したものと同様に、振れ角の揺らぎに対して逆位相となる揺らぎを含む波形が、第3の傾きの波形に重畳されたものを用いることができる。ここで、1周期の波形304aは、「検出された振れ角の時間変化に対し、駆動電圧の変化が逆位相となる波形が重畳された第1の駆動電圧波形」の一例である。また、1周期の波形304bは、「検出された振れ角の時間変化に対し、駆動電圧の変化が逆位相となる波形が重畳された第2の駆動電圧波形」の一例である。
なお、振れ角の揺らぎ対して逆位相となる揺らぎを含む波形の生成方法には、特許6324817号公報に記載されたもの等の公知の技術を適用できるため、ここでは説明を省略する。
図30(a)で説明したような波形を用いることで、振れ角の揺らぎは逆位相の電圧の揺らぎにより打消され、また、振れ角が最大になる付近での反射部101の回動速度の減速は、第1の傾き、及び第3の傾きの波形により打ち消される。その結果、図30(b)に示すように、直線372に沿った振れ角変化324を得ることができる。
なお、上記以外の効果は、第1の実施形態で説明したものと同様である。
[第3の実施形態]
次に、第3の実施形態に係る光偏向装置について説明する。なお、既に説明した実施形態と同一の構成部についての説明は省略する。
本実施形態に係る光偏向装置は、制御装置11bと、光源装置12と、可動装置13(図15参照)とを有する。
<第3の実施形態に係る制御装置の機能構成>
図31は、本実施形態に係る制御装置の一例の機能ブロック図である。制御装置11bは圧電定数記憶部39と、波形生成部40とを有する。
圧電定数記憶部39は、ROM22等により実現され、圧電駆動部群A及びBに含まれる圧電部202の圧電定数を記憶する。ここで、圧電定数は、電圧を印加した時の圧電部の変位(変形のしやすさを示す圧電素子固有の定数である。
波形生成部40は、波形記憶部32を参照して波形を取得し、また、圧電定数記憶部39を参照して圧電定数を取得する。また、波形生成部40は、第2決定部41を有し、取得した波形と圧電定数を用いて、第1の実施形態で説明した補正後の波形302a及び302bを生成することができる。
第2決定部41は、取得された圧電定数に基づき、波形の第1の傾き、第3の傾き、時期360a、及び時期360bを決定することができる。具体的には、第2決定部41は、圧電定数と第1の傾き及び第3の傾きとの関係を示すLUT(Look Up Table)を備え、また、圧電定数と時期360a及び360bとの関係を示すLUTを備える。そして、取得した圧電定数に基づき、LUTを参照して第1の傾き、第3の傾き、時期360a、及び時期360bのデータを取得し、これらを決定することができる。なお、上記のLUTは、波形記憶部32等に記憶されてもよく、第2決定部41は、波形記憶部32等を参照してLUTを取得してもよい。
波形生成部40は、第2決定部41が決定した第1の傾き、第3の傾き、時期360a、及び時期360bを用いて、波形記憶部32から取得した波形を補正し、補正後の波形302a及び302bを生成することができる。
波形生成部40は、生成した補正後の波形302a及び302bを駆動電圧波形出力部34に出力し、可動装置13の反射部101を回動させることができる。
<第3の実施形態に係る光偏向装置の動作>
図32は、本実施形態に係る光偏向装置の動作の一例を示すフローチャートである。
先ず、ステップS321において、波形生成部40は、波形記憶部32を参照して、補正前の波形301a及び301bを取得する。
続いて、ステップS322において、波形生成部40は、圧電定数記憶部39を参照して、圧電駆動部群A及びBに含まれる圧電部202の圧電定数を取得する。
続いて、ステップS323において、第2決定部41は、取得された圧電定数に基づいてLUTを参照して、第1の傾き、第3の傾き、時期360a、及び時期360bを決定する。そして、波形生成部40は、第2決定部41が決定した第1の傾き、第3の傾き、時期360a、及び時期360bを用いて、波形記憶部32から取得した波形を補正し、補正後の波形302a及び302bを生成する。
続いて、ステップS324において、制御部30は、外部装置等から光走査情報を取得する。
続いて、ステップS325において、制御部30は、取得した光走査情報から制御信号を生成し、制御信号を光源駆動部31a及び波形生成部40に出力する。
続いて、ステップS326において、光源駆動部31aは、入力した制御信号に基づいて駆動信号を光源装置12に出力する。光源装置12は、入力した駆動信号に基づいて光照射を行う。
続いて、ステップS327において、波形生成部40は、生成した波形302a及び302bを駆動電圧波形出力部34に出力し、駆動電圧波形出力部34は、入力した波形302a及び302bを圧電素子駆動部31bに出力する。
続いて、ステップS328において、圧電素子駆動部31bは圧電駆動信号を可動装置13に出力する。
続いて、ステップS329において、可動装置13は、入力した圧電駆動信号に基づいて反射部101を回動(駆動)させる。光源装置12及び可動装置13の反射部101の回動により、反射部101の反射面14に入射した光が任意の方向に偏向され、光走査が行われる。
続いて、ステップS330において、制御部30は、光走査情報等に基づいて光走査を終了するか否かを判定する。ステップS330において、終了すると判定された場合は(ステップS330、Yes)、光偏向装置10bは光走査を終了する。一方、ステップS330において、終了しないと判定された場合は(ステップS330、No)、ステップS324に戻り、ステップS324以降の処理が継続される。
このようにして、光偏向装置10cは、波形生成部40が生成した波形302a及び302bを用いることで、振れ角誤差を低減させて、可動装置13の反射部101を回動させることができる。
以上説明してきたように、本実施形態に係る光偏向装置10cは、圧電定数を記憶する圧電定数記憶部39と、波形302a及び302bを生成する波形生成部40とを有する。また、波形生成部40は、圧電定数記憶部から取得された圧電定数に基づき、第1の傾き、第3の傾き、時期360a、及び時期360bを決定する第2決定部を有する。
生成した波形302a及び302bを用いることで、第2の傾きより傾きの絶対値が大きい第1の傾きの波形の駆動電圧を圧電駆動部群A及びBに印加し、また、第4の傾きより傾きの絶対値が大きい第3の傾きの波形の駆動電圧を圧電駆動部群A及びBに印加することができる。これにより、振れ角が最大になる付近での反射部101の減速を打ち消すことができ、反射部101の振れ角誤差を適切に補正することができる。
なお、上記以外の効果は、既に説明した実施形態で説明したものを同様である。
以上、本発明の実施形態の例について記述したが、本発明は斯かる特定の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。
例えば、下部における反射面の振れ角の可動動作が不均一となる例を記載したが、上部においても理想的な可動動作との差が一定以上となる変化位置があれば、同時に上部に対しても傾きを変化させる時期を追加し、駆動Aに対して時期a'、駆動Bに対しては時期b'として設定することで上部における反射面の振れ角の可動動作の均一性を向上させることも可能である。
図33は、上部と下部で反射面の振れ角の可動動作が不均一となる場合の一例を説明する図である。(a)は補正前の波形の駆動電圧を印加したときの反射部の振れ角の一例を説明する図であり、(b)は補正後の駆動電圧の波形の一例を説明する図である。
図33(a)は、補正前の波形301a及び301bの駆動電圧が印加された場合の反射部101の振れ角変化312cを示している。なお、図33(a)では、駆動電圧に対応して、1周期分の振れ角変化が示されている。図33(a)に示すように、振れ角変化312cの下部で最大振れ角誤差βの振れ角誤差が生じ、振れ角変化312cの上部で最大振れ角誤差β'の振れ角誤差が生じている。
図33(b)において、波形302cは、図20の波形301aが補正された波形である。検出された反射部101の下部の振れ角に基づいて、時期t0から時期aまでの期間における駆動電圧の傾きが補正されている。a×βは、最大振れ角誤差βを打ち消すための波形302cの電圧変化量である。また、検出された反射部101の上部の振れ角に基づいて、時期a'から時期t1までの期間における駆動電圧の傾きが補正されている。a'×β'は、最大振れ角誤差β'を打ち消すための波形302cの電圧変化量である。
一方、図33(b)において、波形302dは、図20の波形301bが補正された波形である。検出された反射部101の下部の振れ角に基づいて、時期t0から時期bまでの期間における駆動電圧の傾きが補正されている。b×βは、最大振れ角誤差βを打ち消すための波形302dの電圧変化量である。また、検出された反射部101の上部の振れ角に基づいて、時期b'から時期t1までの期間における駆動電圧の傾きが補正されている。b'×β'は、最大振れ角誤差β'を打ち消すための波形302dの電圧変化量である。
このような波形302c及び302dを用いることで、上部及び下部で、振れ角が最大になる付近、つまり振れの方向が反転する角度付近での反射部101の減速を打ち消し、反射部の振れ角誤差を適切に補正することができる。
なお、実施形態で説明した光偏向装置10a、10b及び10cは、光走査システム10と同様に、図5~13で説明したヘッドアップディスプレイ、光書込装置、ライダ装置、レーザヘッドランプ、及びヘッドマウントディスプレイ等に適用することができる。
10 光走査システム
10a、10b 光偏向装置
11、11a、11b 制御装置
12 光源装置
13、13a 可動装置
14 反射面
15 被走査面
30 制御部
31 駆動信号出力部
31a 光源駆動部
31b 圧電素子駆動部
32 波形記憶部
33 波形取得部
34 駆動電圧波形出力部
35 振れ角検出部
36 補正要否判定部
37 波形補正部
38 第1決定部
39 圧電定数記憶部
40 波形生成部
41 第2決定部
101 反射部
102 反射部基体
110a、110b 第1駆動部a、b(駆動梁の一例)
111a、111b トーションバーa、b
112a、112b 第1圧電駆動部(圧電駆動部の一例)
120 第1支持部(支持部の一例)
130a、130b 第2駆動部(駆動梁の一例、蛇行梁の一例)
131a~131f 第2圧電駆動部a(圧電駆動部の一例)
132a~132f 第2圧電駆動部b(圧電駆動部の一例)
140 第2支持部(支持部の一例)
140a、140b 検出部
141a~141f 圧電センサ
142a~142f 圧電センサ
150 電極接続部
161 シリコン支持層
162 酸化シリコン層
163 シリコン活性層
201 下部電極
202 圧電部
203 上部電極
301a、301b 補正前の波形
302a 補正後の波形(第1の駆動電圧波形の一例)
302b 補正後の波形(第2の駆動電圧波形の一例)
303a 揺らぎが設けられた波形
304a 振れ角の揺らぎ対して逆位相となる揺らぎを含む波形が重畳された波形
350a、350b 1周期に該当する期間
351a 正の傾きの波形の期間
351b 負の傾きの波形の期間
352a 第1の傾きの波形の期間
352b 第3の傾きの波形の期間
353a 第2の傾きの波形の期間
353b 第4の傾きの波形の期間
360a 傾きが第1の傾きから第2の傾きに変化する時期
360b 傾きが第3の傾きから第4の傾きに変化する時期
371 回帰直線
400 自動車
500 ヘッドアップディスプレイ装置(画像投影装置の一例)
600 光書込装置
650 レーザプリンタ
700 ライダ装置
β 最大振れ角誤差
特許6324817号公報

Claims (11)

  1. 反射部と、
    前記反射部を駆動可能に支持する駆動梁と、
    前記駆動梁を支持する支持部と、
    前記駆動梁に設けられ、駆動電圧の波形に応じた圧電素子の変位により前記反射部を駆動させる圧電駆動部と、
    1周期内に含まれる正の傾きの波形の期間が、少なくとも第1の傾きの波形期間、及び前記第1の傾きとは異なる第2の傾きの波形期間を有する第1の駆動電圧波形と、
    1周期内に含まれる負の傾きの波形の期間が、少なくとも第3の傾きの波形期間、及び前記第3の傾きとは異なる第4の傾きの波形期間を有する第2の駆動電圧波形を前記圧電駆動部に出力する駆動電圧波形出力部と、
    駆動される前記反射部の振れ角を検出する振れ角検出部と、
    前記駆動電圧の波形を補正する波形補正部と、を有し、
    前記波形補正部は、検出された前記振れ角に基づき、前記第1の傾き、前記第3の傾き、前記第1の傾きから前記第2の傾きに変化する時期、及び前記第3の傾きから前記第4の傾きに変化する時期を決定する第1決定部を有する
    光偏向装置。
  2. 前記第1の傾き及び前記第3の傾きの波形は、前記圧電素子の圧電定数の変動に応じた期間に設けられる
    請求項1に記載の光偏向装置
  3. 前記第の傾きの波形の電圧傾斜の傾斜角度は、前記第の傾きの波形の電圧傾斜の傾斜角度より大きく、
    前記第の傾きの波形の電圧傾斜の傾斜角度は、前記第の傾きの波形の電圧傾斜の傾斜角度より大きい、
    請求項1又は2に記載の光偏向装置。
  4. 検出された前記振れ角と規定値との差が予め定められた閾値以上である場合に、前記波形補正部は、前記駆動電圧の波形を補正する
    請求項3に記載の光偏向装置。
  5. 前記圧電駆動部に含まれる圧電素子の圧電定数を記憶する圧電定数記憶部と、
    前記第1の駆動電圧波形及び前記第2の駆動電圧波形を生成する波形生成部と、を有し、
    前記波形生成部は、前記圧電定数記憶部から取得された前記圧電定数に基づき、前記第1の傾き、前記第3の傾き、前記第1の傾きから前記第2の傾きに変化する時期、及び前
    記第3の傾きから前記第4の傾きに変化する時期を決定する第2決定部を有する
    請求項1、又は2に記載の光偏向装置。
  6. 前記駆動電圧波形出力部は、検出された前記振れ角の時間変化に対し、前記駆動電圧の変化が逆位相となる波形が重畳された前記第1の駆動電圧波形、及び前記第2の駆動電圧波形の少なくとも1つを出力する
    請求項1乃至5の何れか1項に記載の光偏向装置。
  7. 前記駆動梁の各駆動梁は、折り返すように連結された複数の梁部からなる蛇行梁を含み、
    前記複数の梁部のれぞれは、前記圧電駆動部を有し
    前記駆動電圧波形出力部は、前記駆動梁における複数の前記圧電駆動部のうち、最も前記反射部に距離が近い前記圧電駆動部から数えて奇数番目に配置される前記圧電駆動部のそれぞれに同じ駆動電圧の波形を出力し、
    前記駆動梁における複数の前記圧電駆動部のうち、最も前記反射部に距離が近い前記圧電駆動部から数えて偶数番目に配置される前記圧電駆動部のそれぞれに同じ駆動電圧の波形を出力する
    請求項1乃至6の何れか1項に記載の光偏向装置。
  8. 請求項1乃至7の何れか1項に記載の光偏向装置を有する
    画像投影装置。
  9. 前記光偏向装置は、光源からの光の反射光を、光透過部材の表面で走査させる
    請求項8に記載の画像投影装置。
  10. 請求項1乃至7の何れか1項に記載の光偏向装置を有する
    レーザヘッドランプ。
  11. 請求項1乃至6の何れか1項に記載の光偏向装置、或いは請求項8、又は9に記載の画像投影装置、又は請求項10に記載のレーザヘッドランプを有する
    移動体。
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