JP7375471B2 - 可動装置、画像投影装置、ヘッドアップディスプレイ、レーザヘッドランプ、ヘッドマウントディスプレイ、物体認識装置、及び車両 - Google Patents

Description

本発明は、可動装置、画像投影装置、ヘッドアップディスプレイ、レーザヘッドランプ、ヘッドマウントディスプレイ、物体認識装置、及び車両に関する。

近年、プロジェクタに代表される画像表示装置や、ＬｉＤＡＲ（Light Detection And Ranging）に代表されるセンシング装置に搭載される小型光走査手段として、ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）技術によって実現された光偏向器の開発が活発になっており、一部の用途では実用化が開始されている。これらの用途に用いられる光偏向器は、ミラー直径１ｍｍ以上、ミラー振れ角１０度以上の要求があり、従来の光通信用の光偏向器と比べ、ミラーサイズ、振れ角ともに増加する傾向にある。（例えば、特許文献１参照）。

従来の光偏向器は、圧電素子を有する第１カンチレバー部と圧電素子を有さない第２カンチレバー部により構成されるカンチレバーを、ミラーが設けられている可動部の両側に設けた構造が主流である。このような構造において、ミラーの振れ角を拡大するためには、第１カンチレバー部上に設けられた圧電素子の面積を増やす方法が考えられるが、圧電素子の面積を増やすために、第１カンチレバー部の幅を広くすると、第１カンチレバー部と第２カンチレバー部が接続されている部分の幅も広くなってしまう。このとき、第１カンチレバー部と第２カンチレバー部の接続されている部分の幅が広いほど、接続されている部分が影響して、可動部の動きが制限され、その結果、可動部の振れ角の拡大の妨げとなってしまうという懸念があった。

本発明は、ミラーが設けられている可動部の振れ角の拡大を目的とする。

開示の技術の一態様に係る可動装置は、ミラー部を有する可動部と、前記可動部と一端で接続される複数のトーションバーと、前記複数のトーションバーの他端のそれぞれと接続される複数の第１カンチレバー部と、前記複数の第１カンチレバー部のそれぞれに一端が接続される複数の第２カンチレバー部と、前記複数の第２カンチレバー部の他端のそれぞれと接続される固定部と、前記複数の第２カンチレバー部のそれぞれを変形させる複数の駆動部と、前記複数の第１カンチレバー部のうちの少なくとも１つの第１カンチレバー部の一端と、前記複数の第２カンチレバー部のうちの２以上の第２カンチレバー部とを接続する接続部と、を有し、前記接続部は、前記第１カンチレバー部側に配置される第１接続部と、前記第２カンチレバー部側に配置される第２接続部と、を有し、前記第１接続部の、前記可動部の回動軸と垂直な方向に沿う幅方向の長さは、前記第２接続部の前記幅方向の長さより短く、前記第１接続部の前記幅方向の長さは、前記２以上の第２カンチレバー部のそれぞれの前記幅方向の長さの合計よりも短いことを特徴とする。

開示の技術によれば、可動装置において、ミラーが設けられている可動部の振れ角を拡大することができる。

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。 可動装置である光偏向器の構造図（１）である。 可動装置である光偏向器の構造図（２）である。 第１の実施形態における可動装置である光偏向器の構造図である。 第１の実施形態における可動装置である光偏向器の変形例の構造図である。 第２の実施形態における可動装置である光偏向器の構造図である。 第２の実施形態における可動装置である光偏向器の特性図である。 第２の実施形態における可動装置である光偏向器の説明図である。 第３の実施形態における可動装置である光偏向器の構造図である。 第４の実施形態における可動装置である光偏向器の構造図である。

以下、本発明の実施形態について詳細に説明する。尚、同じ部材等については、同一の符号を付して説明を省略する。

［光走査システム］
まず、本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、入力された駆動信号に基づいて光源の照射を行う。可動装置１３は、入力され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、本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。

光源装置ドライバ２５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、光走査により物体認識を行う場合は、光走査情報は物体認識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、本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トレンズ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、コリメートレンズ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。

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、コリメートレンズ５０２，５０３，５０４で略平行光とされ、合成部となる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。

尚、ヘッドアップディスプレイ装置５００は、特許請求の範囲に記載の「ヘッドアップディスプレイ」の一例である。また自動車４００は、特許請求の範囲に記載の「車両」の一例である。

［光書込装置］
次に、本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、コリメート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。

［物体認識装置］
次に、上記本実施形態の可動装置を適用した物体認識装置について、図９および図１０を用いて詳細に説明する。

図９は、物体認識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。

物体認識装置は、対象方向の物体を認識する装置であり、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を認識する。

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認識することができる。

上記物体認識装置では、一例としてのライダ装置７００の説明をしたが、物体認識装置は、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、上記本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、上記本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、コリメートレンズ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、合成部となる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、本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、画像投影装置、光書込装置、物体認識装置、レーザヘッドランプ、及びヘッドマウントディスプレイに使用される本実施形態の可動装置の詳細について、以下で図面を参照しながら説明する。なお、各図面において、同一構成部分には同一符号を付し、重複した説明を省略する場合がある。

実施形態の説明では、第１軸を回動の中心とした光走査を副走査とし、第２軸を回動の中心とした光走査を主走査とする。また実施形態の用語における回動、揺動、可動は同義であるとする。さらに、矢印により示した方向のうち、Ｘ方向は第１軸と平行な方向、Ｙ方向は第２軸と平行な方向、Ｚ方向はＸＹ平面と直交する方向とする。なお、Ｚ方向は「積層方向」の一例である。

［第１の実施形態］
最初に、可動装置である光偏向器について説明する。図１５に示される光偏向器は、可動部１１０、可動部１１０に設けられたミラー部１１１、トーションバー１１２、圧電素子を有さない第１カンチレバー部１１３、圧電素子を有する第２カンチレバー部１１４、固定部１１５等を有している。

より詳細には、可動部１１０の両側の－Ｘ方向及び＋Ｘ方向に、可動部１１０に接続されたトーションバー１１２が各々設けられている。各々のトーションバー１１２は、Ｘ方向に長い形状で可動部１１０より延出している。また、各々のトーションバー１１２の一方の端部が、可動部１１０と接続されており、各々のトーションバー１１２の他方の端部は、第１カンチレバー部１１３と接続されている。第１カンチレバー部１１３は、トーションバー１１２においてねじれ振動を励起させるため、Ｙ方向に長い形状であり、第１カンチレバー部１１３の中央部分で、トーションバー１１２の他方の端部が接続されている。第１カンチレバー部１１３において、トーションバー１１２が接続されている側と反対側の両端には、第２カンチレバー部１１４の一方の端部が接続されている。第２カンチレバー部１１４の他方の端部は、枠状に形成された固定部１１５に接続されている。固定部１１５は、例えば四角形状であってもよいし、ミラー部１１１で反射された光が通過するＹ方向に光通過領域を有する形状であってもよい。光通過領域は空間となっていてもよいし、ガラスなどの光を透過する部材から構成されていてもよい。光通過領域を有する形状であると、可動部１１０の振れ角を高くした場合に、固定部１１５により光が遮断されにくくなる。尚、本願においては、一方の端部を一端と記載し、一方の端部とは反対側の他方の端部を他端と記載する場合がある。

即ち、図１５に示される光偏向器では，トーションバー１１２と、第１カンチレバー部１１３と、第２カンチレバー部１１４等により形成されており、トーションバー１１２と第１カンチレバー部１１３とは、各々の長手方向の交わる角度が垂直となるように接続されている。また、第２カンチレバー部１１４と、第１カンチレバー部１１３とは、各々の長手方向の交わる角度が垂直となるように接続されている。従って、トーションバー１１２の長手方向と、第２カンチレバー部１１４の長手方向とが、平行となるように形成されている。尚、図１５に示される光偏向器は、４つの第２カンチレバー部１１４のすべてが同じ形状となっている。

第２カンチレバー部１１４の表面には、圧電素子１２４が形成されており、この圧電素子１２４の逆圧電効果を用いることにより、第２カンチレバー部１１４を変形させ、その変形に基づく振動を第１カンチレバー部１１３に伝え、第１カンチレバー部１１３を揺動させる。第１カンチレバー部１１３の揺動は、トーションバー１１２のねじれに変換され、可動部１１０を回動軸となる第１軸を中心に回動させる振動が励起される。

例えば、第２カンチレバー部１１４の表面に形成された圧電素子１２４へ、Ｚ方向に電圧を印加すると、圧電素子１２４が面内方向で収縮し、第２カンチレバー部１１４は、長手方向となるＸ方向のうち可動部１１０に近い側が、図１５において＋Ｚ方向に変形する。本願においては、圧電素子を駆動部と記載する場合がある。

尚、図１５に示される光偏向器では、第２カンチレバー部１１４は４つ設けられている。即ち、右上に第２カンチレバー部１１４Ａ、右下に第２カンチレバー部１１４Ｂ、左上に第２カンチレバー部１１４Ｃ、左下に第２カンチレバー部１１４Ｄが配置されている。第２カンチレバー部１１４Ａには圧電素子１２４Ａ、第２カンチレバー部１１４Ｂには圧電素子１２４Ｂ、第２カンチレバー部１１４Ｃには圧電素子１２４Ｃ、第２カンチレバー部１１４Ｄには圧電素子１２４Ｄが各々設けられている。

図１５に示される光偏向器を共振駆動させる場合、例えば、第２カンチレバー部１１４の表面に設けられている圧電素子１２４に、正弦波の電圧を印加する。この際、圧電素子１２４Ａと圧電素子１２４Ｃは同一位相、圧電素子１２４Ｂと圧電素子１２４Ｄは同一位相とし、圧電素子１２４Ａ及び１２４Ｃに対し、圧電素子１２４Ｂ及び１２４Ｄの位相を１８０°ずらす。

これにより、第１カンチレバー部１１３が第１軸を中心に揺動するように振動し、この振動が、第１カンチレバー部１１３の中心部に接続されているトーションバー１１２のねじり運動に変換され、トーションバー１１２のねじり運動により可動部１１０が揺動する。尚、共振駆動以外で駆動させる場合は、印加される電圧は、正弦波に限定されるものではなく、三角波、のこぎり波、矩形波等であってもよい。

ところで、光偏向器においては、可動部１１０の振れ角をできるだけ大きくすることが求められている。この場合、第２カンチレバー部の表面に形成される圧電素子の面積を広くすることにより、印加される単位電圧当たりの可動部１１０の振れ角を大きくする方法が考えられる。具体的には、図１６に示されるように、各々の第２カンチレバー部２１４のＹ方向の幅を図１５に示される第２カンチレバー部１１４に対し約２倍にする。これにより、第２カンチレバー部２１４の表面に形成される圧電素子２２４の面積を約２倍にすることができる。尚、圧電素子を有する第１カンチレバー部１１３と、圧電素子を有さない第２カンチレバー部２１４により、カンチレバー２１０が構成される。

しかしながら、図１６に示される光偏向器では、第１カンチレバー部１１３と第２カンチレバー部２１４との接続部分の幅Ｗ１が広くなり、断面積も広くなるため、曲げ弾性率も高くなる。この結果、第１カンチレバー部１１３の変形が、第２カンチレバー部２１４により押さえ込まれ、可動部１１０の振れ角を大きくしにくくなってしまう。

即ち、第２カンチレバー部１１４の表面には圧電素子１２４が形成されている。一般的に、圧電素子を用いた光偏向器においては、圧電素子の面積を広くすることにより、光偏向器の可動部１１０の振れ角を大きくすることが可能である。よって、図１６に示されるように、光偏向器の可動部１１０の振れ角を大きくするために、圧電素子２２４の面積を増やし、第２カンチレバー部１１４の幅を広くした場合、第１カンチレバー部１１３と第２カンチレバー部１１４との接続部の幅も広くなる。その結果、曲げ弾性率が大きくなり、可動部１１０の振れ角の動きが制限され、可動部１１０の振れ角を大きくすることが抑制される。

このため、可動部１１０の振れ角を大きくすることができる構造の光偏向器が求められている。

（光偏向器）
次に、第１の実施形態における可動装置である光偏向器について説明する。本実施形態における光偏向器は、第２カンチレバー部の幅を広くするとともに、第２カンチレバー部と第１カンチレバー部との接続部の幅を狭くすることにより、曲げ弾性率が高くなることを抑制した構造の光偏向器である。

本実施形態における光偏向器は、図１７に示されるように、第２カンチレバー部２１４のＹ方向における幅Ｗ１に対し、第２カンチレバー部２１４と第１カンチレバー部２１３との接続部２１６の幅Ｗ２が狭い。即ち、Ｗ１＞Ｗ２の関係にある。これにより、第１カンチレバー部２１３と第２カンチレバー部２１４との接続部２１６の断面積が狭くなり、曲げ弾性率も低くなる。この結果、第１カンチレバー部２１３の変形が、第２カンチレバー部２１４により押さえ込まれることが抑制され、可動部１１０の振れ角を大きくすることができる。

尚、第２カンチレバー部２１４の幅Ｗ１、及び、第２カンチレバー部２１４と第１カンチレバー部２１３との接続部２１６の幅Ｗ２は、Ｙ方向における幅である。従って、幅Ｗ１は、接続部２１６の幅方向における幅となる。

即ち、本実施形態における光偏向器においては、第２カンチレバー部２１４のＹ方向の幅Ｗ１を広くすることにより、第２カンチレバー部２１４の表面に形成された圧電素子２２４の面積を広くすることができる。また、第２カンチレバー部２１４と第１カンチレバー部２１３との接続部２１６の幅Ｗ２を狭くすることにより、接続部２１６の曲げ弾性率を小さくすることができる。

これにより、図１７に示される本実施形態における光偏向器は、第２カンチレバー部に表面に設けられた圧電素子に印加される電圧が同じであっても、図１５に示される光偏向器等と比較して、可動部１１０の振れ角を１０％～２０％大きくすることができる。

尚、本実施形態における光偏向器では、右上に第２カンチレバー部２１４Ａ、右下に第２カンチレバー部２１４Ｂ、左上に第２カンチレバー部２１４Ｃ、左下に第２カンチレバー部２１４Ｄが配置されている。第２カンチレバー部２１４Ａには圧電素子２２４Ａ、第２カンチレバー部２１４Ｂには圧電素子２２４Ｂ、第２カンチレバー部２１４Ｃには圧電素子２２４Ｃ、第２カンチレバー部２１４Ｄには圧電素子２２４Ｄが各々設けられている。圧電素子の駆動方法は、図１５に示す場合と同様である。

また、図１８に示されるように、固定部１１５には、可動部１１０に設けられたミラー部１１１で反射された光が通過する光通過領域１１６が、可動部１１０の－Ｙ側及び＋Ｙ側に設けられていてもよい。光通過領域１１６は、固定部１１５の一部が取り除かれて空間となっており、可動部１１０の振れ角を高くした場合に、固定部１１５により光が遮断されにくくなる。

［第２の実施形態］
次に、第２の実施形態における可動装置である光偏向器について説明する。本実施形態における光偏向器は、第１カンチレバー部２１３と第２カンチレバー部２１４とが接続される接続部２１６の接続位置が、第１の実施形態と異なるものである。

第２カンチレバー部２１４の表面に形成された圧電素子２２４に電圧を印加した場合、第２カンチレバー部２１４は、幅方向、即ち、Ｙ方向において、波打つような変形となる。よって、図１７に示される構造の光偏向器では、接続部２１６が接続されている第２カンチレバー部２１４の先端部が、Ｚ方向以外に変形する成分を有しており、第２カンチレバー部２１４の変形を第１カンチレバー部２１３に効率よく伝達することができない場合がある。

このため、本実施形態における光偏向器は、第１カンチレバー部２１３の接続部２１６と第２カンチレバー部２１４との接続箇所を第１軸に近づけた構造のものである。これにより、第２カンチレバー部２１４と接続されている第１カンチレバー部２１３の接続部２１６において、Ｚ方向以外の変位が生じにくくなり、第２カンチレバー部２１４における振動を高効率に第１カンチレバー部２１３に伝播することができる。これにより、可動部１１０の振れ角を大きくすることができる。即ち、第１カンチレバー部２１３におけるねじり量を大きくすることができる。

図２０は、第１カンチレバー部２１３の接続部２１６の第２カンチレバー部２１４への接続位置と駆動感度との関係について、有限要素法によるシミュレーションを行った結果を示す。尚、図２０に示される駆動感度は規格化されている。

図２１は、第１カンチレバー部２１３の接続部２１６の第２カンチレバー部２１４への接続位置を説明する図であり、図１９における一点鎖線１９Ａ－１９Ｂにおいて切断し、破線矢印に示される方向より見た断面図である。Ｗ１は第２カンチレバー部２１４の幅方向、即ち、Ｙ方向の幅である。Ｐは第２カンチレバー部２１４の幅方向の外側の端部、即ち、第２カンチレバー部２１４の＋Ｙ側の端部より接続部２１６の中心位置までの距離である。

図２０の横軸は、Ｐ／Ｗ１の値であり、Ｗ１に対するＰの比率となっている。Ｗ１は固定値であるためＰを変化させることにより、Ｐ／Ｗ１の値を変化させることができる。例えば、Ｐ／Ｗ１＝５０％の場合では、第２カンチレバー部２１４の幅方向の中心と、接続部２１６の中心とが一致、即ち、第２カンチレバー部２１４のＹ方向の中心と、接続部２１６のＹ方向の中心とが一致する。図２０では、Ｐ／Ｗ１の値が３２．５％の場合に規格化された駆動感度を１ｄｅｇ／Ｖとしている。

最初、Ｐ／Ｗ１の値が増加すると規格化された駆動感度が増加し、Ｐ／Ｗ１の値が４５％～５０％において、規格化された駆動感度は１．１２となりピークとなる。Ｐ／Ｗ１の値が５０％以上では、更に、Ｐ／Ｗ１の値が増加すると、規格化された駆動感度は徐々に減少する。

本実施形態においては、Ｐ／Ｗ１の値は、規格化された駆動感度が１．１ｄｅｇ／Ｖ以上となる４２％以上、５７％以下が好ましく、更には、規格化された駆動感度が１．１２ｄｅｇ／Ｖ以上となる４５％以上、５０％以下が好ましい。

尚、図１９に示される本実施形態における光偏向器では、可動部１１０の共振周波数が、例えば、２０、２５、３０ｋＨｚにおいて、可動部１１０の振れ角は１５～３０ｄｅｇである。また、可動部１１０は、例えば、φ１．０ｍｍの円形であってもよく、長径が１．２ｍｍ、短径が１．０ｍｍの楕円であってもよい。

本実施形態における光偏向器は、第１の実施形態における光偏向器と比較して、第２カンチレバー部２１４の表面に設けられた圧電素子２２４への印加電圧が同じであっても、可動部１１０の振れ角を１０％～２０％大きくすることができる。

本発明の実施形態は、上記の範囲内に限定されるものではない。また、上記以外の内容については、第１の実施形態と同様である。

［第３の実施形態］
次に、第３の実施形態における可動装置である光偏向器について説明する。本実施形態における光偏向器は、図２２に示されるように、２つの第１カンチレバー部３１３の間に、可動部１１０及び２つの第２カンチレバー部３１４が設けられている構造のものである。具体的には、Ｙ方向に長く形成された２つの第１カンチレバー部３１３の中央部分には、一方の端部が可動部１１０に接続されたトーションバー１１２の他方の端部が接続されている。また、第１カンチレバー部３１３のＹ方向の両端には、各々接続部３１６を介し、第２カンチレバー部３１４の一方の端部が接続されている。第２カンチレバー部３１４の他方の端部は、枠状の固定部１１５の内側より延びる突き出し部３１５に接続されている。従って、第１カンチレバー部３１３の側部の同じ側には、中央部分にトーションバー１１２が接続されており、両端に接続部３１６を介し第２カンチレバー部３１４が接続されている。

本実施形態における光偏向器においては、２つの第１カンチレバー部３１３の間に、可動部１１０及び２つの第２カンチレバー部３１４を設けることにより、全体の大きさを大きくすることなく、トーションバー１１２の長さを長くすることができる。尚、接続部３１６のＹ方向における幅は、第２カンチレバー部３１４のＹ方向における幅よりも狭い。

また、本実施形態における光偏向器では、右上に第２カンチレバー部３１４Ａ、右下に第２カンチレバー部３１４Ｂ、左上に第２カンチレバー部３１４Ｃ、左下に第２カンチレバー部３１４Ｄが配置されている。第２カンチレバー部３１４Ａには圧電素子３２４Ａ、第２カンチレバー部３１４Ｂには圧電素子３２４Ｂ、第２カンチレバー部３１４Ｃには圧電素子３２４Ｃ、第２カンチレバー部３１４Ｄには圧電素子３２４Ｄが各々設けられている。圧電素子の駆動方法は、図１５に示す場合と同様である。

尚、上記外の内容については、第１の実施形態と同様である。本実施形態における光偏向器は、第１の実施形態における光偏向器と同程度の可動部１１０の振れ角を得ることができる。

［第４の実施形態］
次に、第４の実施形態における可動装置である光偏向器について説明する。本実施形態における光偏向器は、図２３に示されるように、第２カンチレバー部を８つ設けたものである。具体的には、図示右上には２つの第２カンチレバー部３３４Ａ、３３４Ｂが設けられており、第２カンチレバー部３３４Ａ、３３４Ｂの一方の端部は互いに接続され、更に、この部分は右側の第１カンチレバー部２１３の上の端部近傍で接続部３３６と接続されている。また、図示右下には２つの第２カンチレバー部３３４Ｃ、３３４Ｄが設けられており、第２カンチレバー部３３４Ｃ、３３４Ｄの一方の端部は互いに接続され、更に、この部分は右側の第１カンチレバー部２１３の下の端部近傍で接続部３３６と接続されている。

また、図示左上には２つの第２カンチレバー部３３４Ｅ、３３４Ｆが設けられており、第２カンチレバー部３３４Ｅ、３３４Ｆの一方の端部は互いに接続され、更に、この部分は左側の第１カンチレバー部２１３の上の端部近傍で接続部３３６と接続されている。また、図示左下には２つの第２カンチレバー部３３４Ｇ、３３４Ｈが設けられており、第２カンチレバー部３３４Ｇ、３３４Ｈの一方の端部は互いに接続され、更に、この部分は左側の第１カンチレバー部２１３の下の端部近傍で接続部３３６と接続されている。

尚、第２カンチレバー部３３４Ａ～３３４Ｈの他方の端部は、固定部１１５に接続されており、各々の第２カンチレバー部３３４Ａ～３３４Ｈの表面には圧電素子が設けられている。本実施形態における光偏向器では、第１軸に近い第２カンチレバー部３３４Ｂ、３３４Ｃ、３３４Ｆ、３３４Ｇよりも、第１軸より離れた第２カンチレバー部３３４Ａ、３３４Ｄ、３３４Ｅ、３３４ＨにおけるＹ方向の幅を狭くしている。これにより、第２カンチレバー部３３４Ａ、３３４Ｄ、３３４Ｅ、３３４Ｈによる第１カンチレバー部２１３の拘束を小さくすることができ、可動部１１０の振れ角を大きくすることが可能である。

尚、図２３では、第２カンチレバー部３３４Ａ～３３４Ｈが８つの場合を示したが、この数に限定されるものではなく、１２や１６等であってもよい。また、本実施形態は、第１～第３の実施形態に適用可能である。

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。

１０ 光走査システム
１１ 制御装置
１２、１２ｂ 光源装置
１３、１３Ａ、１３Ｂ、１３Ｃ、１３Ｄ、１３Ｅ、１３Ｆ 可動装置
１４ 反射面
１５ 被走査面
２５ 光源装置ドライバ
２６ 可動装置ドライバ
３０ 制御部
３１ 駆動信号出力部
５０ レーザヘッドランプ
５１ ミラー
５２ 透明板
６０ ヘッドマウントディスプレイ
６０ａ フロント
６０ｂ テンプル
６１ 導光板
６２ ハーフミラー
６３ 装着者
１１０ 可動部
１１１ ミラー部
１１２ トーションバー
１１３ 第１カンチレバー部
１１４、１１４Ａ、１１４Ｂ、１１４Ｃ、１１４Ｄ 第２カンチレバー部
１１５ 固定部
１２４、１２４Ａ、１２４Ｂ、１２４Ｃ、１２４Ｄ 圧電素子
４００ 自動車（車両の一例）
５００ ヘッドアップディスプレイ装置（画像投影装置の一例、ヘッドアップディスプ
レイの一例）
６５０ レーザプリンタ
７００ ライダ装置（物体認識装置の一例）
７０２ 被対象物
８０１ パッケージ部材
８０２ 取付部材
８０３ 透過部材

特許４４６１６５４号公報

Claims (10)

1. ミラー部を有する可動部と、
   前記可動部と一端で接続される複数のトーションバーと、
   前記複数のトーションバーのそれぞれの他端とそれぞれ接続される複数の第１カンチレバー部と、
   前記複数の第１カンチレバー部のそれぞれに一端が接続される複数の第２カンチレバー部と、
   前記複数の第２カンチレバー部の他端のそれぞれと接続される固定部と、
   前記複数の第２カンチレバー部のそれぞれを変形させる複数の駆動部と、
   前記複数の第１カンチレバー部のうちの少なくとも１つの第１カンチレバー部の一端と、前記複数の第２カンチレバー部のうちの２以上の第２カンチレバー部とを接続する接続部と、
   を有し、
   前記接続部は、前記第１カンチレバー部側に配置される第１接続部と、前記第２カンチレバー部側に配置される第２接続部と、を有し、
   前記第１接続部の、前記可動部の回動軸と垂直な方向に沿う幅方向の長さは、前記第２接続部の前記幅方向の長さより短く、
   前記第１接続部の前記幅方向の長さは、前記２以上の第２カンチレバー部のそれぞれの前記幅方向の長さの合計よりも短い
   ことを特徴とする可動装置。
2. 前記第１接続部は、前記２以上の第２カンチレバー部に亘る領域の前記幅方向の略中央に位置しており、
   前記複数のトーションバーのそれぞれは、前記回動軸に略平行な方向に延出しており、
   前記回動軸と前記接続部の前記幅方向とは直交していることを特徴とする請求項１に記載の可動装置。
3. 前記第１接続部の前記幅方向の中心は、前記２以上の第２カンチレバー部に亘る領域の前記幅方向の外側の端部より、前記２以上の第２カンチレバー部に亘る前記領域の前記幅方向の長さの４２％以上、５７％以下の位置であることを特徴とする請求項１又は２に記載の可動装置。
4. 請求項１から３のいずれか１項に記載の可動装置と、
   光を発する光源と、
   を備え、
   前記光源から発せられた光を偏向して投影することを特徴とする画像投影装置。
5. 前記光源は複数設けられており、
   前記複数の光源は、異なる波長の光を発するものであって、
   前記複数の光源から発した前記複数の光を合成する合成部を更に備え、
   前記合成部において合成された光を偏向して投影することを特徴とする請求項４に記載の画像投影装置。
6. 請求項１から３のいずれか１項に記載の可動装置を備えるヘッドアップディスプレイ。
7. 請求項１から３のいずれか１項に記載の可動装置を備えるレーザヘッドランプ。
8. 請求項１から３のいずれか１項に記載の可動装置を備えるヘッドマウントディスプレイ。
9. 請求項１から３のいずれか１項に記載の可動装置と、
   光を発する光源と、
   を備え、
   前記光源から発せられた光を偏向し、前記光が物体に照射され、前記物体において反射された反射光を検出することにより物体を認識することを特徴とする物体認識装置。
10. 請求項６に記載のヘッドアップディスプレイ、請求項７に記載のレーザヘッドランプ、及び請求項９に記載の物体認識装置の少なくとも１つを有する車両。

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