WO2011122410A1

WO2011122410A1 - 光走査装置及び画像表示装置

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Publication number: WO2011122410A1
Application number: PCT/JP2011/056917
Authority: WO
Inventors: 邦宏伊藤; 恭生西川; 健一家▲崎▼; 智昭枦山
Original assignee: Brother Industries Ltd
Current assignee: Brother Industries Ltd
Priority date: 2010-03-31
Filing date: 2011-03-23
Publication date: 2011-10-06
Anticipated expiration: 2012-09-30
Also published as: JP2011215324A

Abstract

　光束を走査する期間において、駆動信号波形の直線性を向上させつつも、駆動信号波形生成のための演算負荷を小さくする。両側から梁部で支持されたミラー部を有し、梁部の捻れ変位によりミラー部を揺動可能とした非共振型の光走査素子と、駆動信号によりミラー部を揺動させる制御部と、を備え、制御部は、駆動信号の波形を鋸波状波形Ｄとし、当該鋸波状波形Ｄのうち、光束を走査する期間の波形を直線波形Ｄａとする一方、光束を走査しない期間の波形Ｄｂの微分波形が、一つの周波数の１周期の波形、又は、２つの周波数の半周期の波形を互いに結合した波形、となり、かつ、当該光束を走査しない期間の波形の両端部のそれぞれが、光束を走査する期間の波形の傾きと同じ傾きとなるように光束を走査しない期間の波形を形成し、光束を走査しない期間の波形の両端部のそれぞれを光束を走査する期間の波形の両端部のそれぞれに連続させた。

Description

光走査装置及び画像表示装置

　本発明は、入射する光束を反射面が形成されたミラー部により所定方向に走査する光走査素子を備えた光走査装置及び画像表示装置に関する。

　従来より、入射する光束を反射面が形成されたミラー部により所定方向に走査する光走査素子と、駆動信号により光走査素子のミラー部を揺動軸回りに揺動させる制御部と、を備えた光走査装置や画像表示装置が知られている。

　このような光走査装置や画像表示装置に用いられる光走査素子として、梁部で支持されたミラー部を有し、梁部の捻れ変位によりミラー部を揺動軸回りに揺動させてミラー部により光束を走査する光走査素子が知られている（例えば、特許文献１参照）。

　しかし、このような光走査素子においては、ミラー部は弾性のある梁部を介して支持部に揺動可能に支持されているため、ミラー部及び梁部で決まる固有の共振周波数が存在してしまう。

　このように、光走査素子のミラー部を駆動する信号波形に光走査素子固有の共振周波数が含まれていると、光走査素子において共振振動が発生する。そして、この共振振動によりミラー部の揺動に固有共振の成分が重畳すると、ミラー部の揺動速度が変動してしまい、光走査を適切に行なうことができない事態が生じる（図１３参照）。

　そこで、従来の光走査装置や画像表示装置では、光走査素子のミラー部を駆動する駆動信号を、ローパスフィルタなどにより前記共振周波数の成分を抑圧するようなフィルタリング処理を行なって生成することにより、共振振動を抑制している（特許文献２参照）。

特開２００６－２７６３９９号公報特開２００４－３６１９２０号公報

　しかしながら、従来の光走査装置や画像表示装置では、光走査素子のミラー部を駆動する駆動信号を、ローパスフィルタなどによりフィルタリング処理を行って生成しているため、光束を走査する期間において、駆動信号波形の直線性が厳密には確保できておらず、そのため、光束を走査する期間において、一定の角速度でミラー部を高精度に駆動することが困難となる場合がある。しかも、高次のローパスフィルタを用いているために演算負荷が大きいという問題もある。

　本発明は、上述したような課題に鑑みてなされたものであり、光束を走査する期間において、駆動信号波形の直線性を向上させつつも、駆動信号波形生成のための演算負荷を小さくすることができる光走査装置及び画像表示装置を提供することを目的とする。

　上記目的を達成するために、本発明の１つの態様では、両側から梁部で支持されたミラー部を有し、前記梁部の捻れ変位によりミラー部を揺動可能とした非共振型の光走査素子と、駆動信号を生成して前記ミラー部を揺動させる制御部と、を備えた光走査装置において、前記制御部は、前記駆動信号の波形を鋸波状波形とし、当該鋸波状波形のうち、光束を走査する期間の波形を直線波形とする一方、光束を走査しない期間の波形の微分波形が、一つの周波数の１周期の波形、又は、２つの周波数の半周期の波形を互いに結合した波形、となり、かつ、当該光束を走査しない期間の波形の両端部のそれぞれが、光束を走査する期間の波形の傾きと同じ傾きとなるように前記光束を走査しない期間の波形を形成し、前記光束を走査しない期間の波形の両端部のそれぞれを前記光束を走査する期間の波形の両端部のそれぞれに連続させている。

　このように、光束を走査する期間において、駆動信号の波形を直線形状としたため、一定の速度でミラー部を高精度に揺動することができ、しかも、光束を走査しない期間において、駆動信号の波形を、第１周波数の半周期の波形と、第２周波数の半周期の波形とを端部同士を結合することにより形成したので、演算負荷を小さくすることができる。

　また、前記光走査装置において、前記光束を走査しない期間の波形を、一つの周波数の１周期の波形により形成しており、ωLを前記鋸波状波形のうち前記直線波形の微分値とし、Ｔｃｈを前記鋸波状波形のうち光束を走査しない期間の開始時点の時間とし、αを前記鋸波状波形のうち前記直線波形の区間の割合（％／１００）とし、θmを前記駆動信号の最大振幅とし、ｆを前記鋸波状波形の１周期の逆数としたとき、前記駆動信号の信号レベルの微分値ω（ｔ）は、

を満たしていてもよい。

　また、前記光走査装置において、前記光束を走査しない期間の波形を、２つの周波数の半周期の第１波形と第２波形を結合した波形により形成しており、ωLを前記鋸波状波形のうち前記直線波形の微分値とし、Ｔｃｈを前記鋸波状波形のうち光束を走査しない期間の開始時点の時間とし、αを前記鋸波状波形のうち前記直線波形の区間の割合（％／１００）とし、βを前記第１波形及び第２波形の区間のうち前記第１波形の区間の割合（％／１００）とし、θmを前記駆動信号の最大振幅とし、ｆを前記鋸波状波形の１周期の逆数としたとき、前記駆動信号の信号レベルの微分値ω（ｔ）は、

を満たしていてもよい。

　また、前記光走査装置において、前記ミラー部の変位を検出する検出部を備え、前記制御部は、前記駆動信号の波形を基にした変位指令と前記検出部で検出した前記ミラー部の変位との誤差分を検出し、その誤差分に基づいて駆動信号を補正するフィードバック制御を行ってもよい。

　また、本発明のもう１つの態様においては、画像信号に応じた強度の光束を出射する光源と、前記光源から出射された光束を第１方向に相対的に高速に走査する第１光走査素子と、両側から梁部で支持されたミラー部を有し、前記梁部の捻れ変位によりミラー部を揺動軸回りに揺動させて前記第１走査素子により走査された光束を前記ミラー部により第１方向と略直交する第２方向に相対的に低速に走査する非共振型の第２光走査素子と、前記第１及び第２の光走査素子を制御する制御部と、を備えた画像表示装置において、前記制御部は、前記第２の光走査素子のミラー部を揺動させる駆動信号の波形を鋸波状波形とし、当該鋸波状波形のうち、光束を走査する期間の波形を直線波形とする一方、光束を走査しない期間の波形の微分波形が、一つの周波数の１周期の波形、又は、２つの周波数の半周期の波形を互いに結合した波形、となり、かつ、当該光束を走査しない期間の波形の両端部のそれぞれが、光束を走査する期間の波形の傾きと同じ傾きとなるように前記光束を走査しない期間の波形を形成し、前記光束を走査しない期間の波形の両端部のそれぞれを前記光束を走査する期間の波形の両端部のそれぞれに連続させている。

本発明の一実施形態に係る光走査装置の構成を示す図である。図１に示す光走査素子を駆動する駆動信号の波形を示す図である。図１に示す光走査素子のミラー部の角度変化を示す図である。図１に示す光走査素子の具体的構成を示す図である。図４に示すピエゾ抵抗素子により構成される検出部の等価回路である。図４に示す光走査素子の梁部の変位によるピエゾ抵抗素子の抵抗値の変化を示す図である。図１に示す制御部の構成を示す図である。本実施形態に係る光走査素子の駆動電圧信号と目標角度との関係を示す図である。従来の鋸波状波形の駆動信号による問題点を説明するための図である。本実施形態に係る鋸波状波形の駆動信号を説明するための図である。本実施形態に係る鋸波状波形の駆動信号を説明するための図である。本発明の一実施形態に係る画像表示装置の構成を示す図である。光走査素子において共振振動が発生したときのミラー部の揺動状態を示す図である。

　［１．光走査装置］
　以下に、本発明に好適な実施形態について図面に基づいて説明する。以下の説明では、まず、光走査装置について説明し、その後、画像表示装置について説明する。

　［１．１．光走査装置の概要］
　まず、本実施形態に係る光走査装置について説明する。図１は光走査装置の構成を示す図、図２は駆動信号の波形を示す図、図３はミラー部の角度変化を示す図である。

　図１に示すように、光走査装置１は、当該光走査装置１全体を制御する制御部２と、この制御部２から出力される駆動信号Ｓａに応じた強度の光束を出射する光源部３と、この光源部３から出射された光束を所定方向に走査する光走査素子４とを備えている。

　制御部２は、光走査素子４のミラー部１０を非共振で強制的に駆動する駆動電流であって、その電流波形が鋸波状波形となる駆動信号Ｓｂを生成するものであり、生成した駆動信号Ｓｂを光走査素子４に印加する。鋸波状の駆動信号Ｓｂは、図２に示すように、最小レベルから最大レベルまで移行する期間に比べ、最大レベルから最小レベルへ移行する期間が十分に短い信号である。光走査素子４のミラー部１０は、駆動信号Ｓｂの信号レベルに応じた角度で揺動軸Ｌｙ回りに回動するように構成されており、光走査素子４のミラー部１０は、図３に示すように、駆動信号Ｓｂの信号波形に基づいて後述する揺動軸Ｌｙ回りに鋸波状に揺動する。

　［１．２．光走査素子の具体的構成］
　次に、光走査素子４の具体的構成について説明する。図４は光走査素子４の具体的構成を示す図である。

　図４（ａ）に示すように、光走査素子４は、反射面１０ａが形成されたミラー部１０と、一対の梁部１１ａ、１１ｂと、一対の支持部１２ａ，１２ｂと、固定部１３ａ，１３ｂと、基台１４とを有しており、ミラー部１０を揺動軸Ｌｙ回りに揺動させて、光束を走査する。

　一対の梁部１１ａ、１１ｂは、揺動軸Ｌｙに沿って延伸してミラー部１０の両側のそれぞれを弾性を持って支持し、その捻れ変位（捻れ変形）によりミラー部１０を揺動軸Ｌｙ回りに揺動可能としている。また、一対の支持部１２ａ，１２ｂは、一対の梁部１１ａ，１１ｂのそれぞれの他端をその中央部で弾性を持って支持すると共に両端部が基台１４に固着された固定部１３ａ，１３ｂに固定されている。このように、ミラー部１０は一対の梁部１１ａ、１１ｂと一対の支持部１２ａ，１２ｂとによりに揺動可能に支持されている。

　ミラー部１０の揺動軸Ｌｙに平行な２辺に近接して永久磁石１５ａ，１５ｂが配置されている。永久磁石１５ａ，１５ｂが形成する磁界の向きは、静止状態のミラー部１０の反射面１０ａに平行で、揺動軸Ｌｙに直交する方向である。また、図４（ｂ）に示すように、ミラー部１０の反射面１０ａと反対側の裏面にはコイル１６が形成されている。コイル１６の電極は２つの梁部１１ａ，１１ｂを介して制御部２に接続される。この構成により、コイル１６に駆動電流を流すとコイル１６にローレンツ力が働く。図面視で揺動軸Ｌｙから下半分のコイル１６には例えば紙面の表面側にローレンツ力が働き、図面視で揺動軸Ｌｙから上半分のコイル１６には紙面の裏面側にローレンツ力が働く。これにより、ミラー部１０には揺動軸Ｌｙを中心として回転トルクが生ずる。従って、制御部２から出力する駆動信号Ｓｂの電流の大きさを制御することにより、ミラー部１０の揺動軸Ｌｙ回りの角度を制御することができる。

　この光走査素子４には、さらに、ミラー部１０の揺動軸Ｌｙ回りの角度を検出する検出部１８として、ピエゾ抵抗素子Ｒ１～Ｒ４が設けられる。一対のピエゾ抵抗素子Ｒ１,Ｒ３は、支持部１２ａ上に揺動軸Ｌｙに対して対称配置される。ピエゾ抵抗素子Ｒ１は固定部１３ａ側の支持部１２ａ上に配置されており、ピエゾ抵抗素子Ｒ３は固定部１３ｂ側の支持部１２ａ上に配置されている。同様に、一対のピエゾ抵抗素子Ｒ２,Ｒ４は、支持部１２ｂ上に揺動軸Ｌｙに対して対称配置される。ピエゾ抵抗素子Ｒ２は固定部１３ａ側の支持部１２ｂ上に配置されており、ピエゾ抵抗素子Ｒ４は固定部１３ｂ側の支持部１２ｂ上に配置されている。

　そして、一方の一対のピエゾ抵抗素子Ｒ１,Ｒ３は、梁部１１ａに発生する捻れ変位に応じて揺動軸Ｌｙ近傍に発生する応力場によって各々その抵抗値が変化し、他方の一対のピエゾ抵抗素子Ｒ２,Ｒ４は、梁部１１ｂに発生する捻れ変位に応じて揺動軸Ｌｙ近傍に発生する応力場によって各々その抵抗値が変化する。

　図４（ｃ）に示すように、一対のピエゾ抵抗素子Ｒ１,Ｒ３は、電源電位Ｖｃと接地電位ＧＮＤ間に直列に配置される。また、同様に、一対のピエゾ抵抗素子Ｒ４,Ｒ２は、電源電位Ｖｃと接地電位ＧＮＤに直列に配置される。すなわち、ピエゾ抵抗素子Ｒ１,Ｒ４の一端が電源電位Ｖｃの電源に接続され、他端がピエゾ抵抗素子Ｒ２,Ｒ３の一端に接続される。ピエゾ抵抗素子Ｒ２,Ｒ３の他端は、接地電位ＧＮＤのグランドに接続される。

　図５は、図４（ｃ）に示すピエゾ抵抗素子Ｒ１～Ｒ４により構成される検出部１８の等価回路である。この検出部１８は、同図に示すように、一対のピエゾ抵抗素子Ｒ１,Ｒ３の接続点を第１出力ノードＮ１とし、他の一対のピエゾ抵抗素子Ｒ４,Ｒ２の接続点を第２出力ノードＮ２としている。そして、制御部２は、第１出力ノードＮ１の電圧ＶＰＲ＋と第２出力ノードＮ２の電圧ＶＰＲ－とを入力しており、第２出力ノードＮ２の電圧を基準とした第１出力ノードＮ１の電圧を検出電圧Ｖｄ（＝[ＶＰＲ＋]－[ＶＰＲ－]）としている。なお、光走査素子４に駆動信号Ｓｂが印加されていないとき、すなわち駆動信号Ｓｂの電流値が０[Ａ]のとき、ピエゾ抵抗素子Ｒ１～Ｒ４の抵抗値は変化がなく、ピエゾ抵抗素子Ｒ１～Ｒ４の初期抵抗値が同一の場合には、検出電圧Ｖｄは０Ｖとなる。

　ここで、各ピエゾ抵抗素子Ｒ１～Ｒ４は、圧縮応力によりその抵抗値が上昇し、引張応力によりその抵抗値が下降する特性を有するものとすると、ミラー部１０の変位により以下のように抵抗値が変化する。なお、ここでは、各ピエゾ抵抗素子Ｒ１～Ｒ４は、同一材料及び同一形状であり、その特性は同一であるものとする。

　例えば、図６（ａ）に示すように、ミラー部１０に揺動軸Ｌｙ回りの角度θの傾きが生じたとき、ピエゾ抵抗素子Ｒ１,Ｒ２は圧縮応力によりその抵抗値が上昇し、ピエゾ抵抗素子Ｒ３,Ｒ４はその引張応力によりその抵抗値が下降する。そのため、第１出力ノードＮ１の電圧ＶＰＲ＋は下降し、第２出力ノードＮ２の電圧ＶＰＲ－は上昇して、検出電圧Ｖｄは正極性となる。そして、揺動軸Ｌｙ回りのミラー部１０の角度θが大きくなるほど、検出電圧Ｖｄが大きくなる。一方、図６に示す方向とは逆方向にミラー部１０が揺動軸Ｌｙ回りに傾いたとき、検出電圧Ｖｄは負極性となり、揺動軸Ｌｙ回りのミラー部１０の角度が大きくなるほど、検出電圧Ｖｄが大きくなる。

　このように、検出電圧Ｖｄの極性により、図４に示す平衡状態からのミラー部１０の傾き方向がわかり、検出電圧Ｖｄの大きさによりミラー部１０の傾き角がわかる。この原理を利用して、制御部２は、揺動軸Ｌｙ回りのミラー部１０の実際の傾き角を検出電圧Ｖｄにより検出している。

　[１．３．制御部の構成]
　制御部２は、上述したように、駆動信号Ｓｂを生成して、ミラー部１０を揺動軸Ｌｙ回りに揺動させ、ミラー部１０の反射面１０ａにより光束を反射して光束を走査するようにしており、図７に示すように構成されている。

　図７に示すように、制御部２は、目標指令生成部２１、比較次元変換部２２、減算部２３、駆動信号生成部２４を有している。

　目標指令生成部２１は、光走査素子４により走査させようとする方向に応じたミラー部１０の目標角度を、目標角度指令として出力する。光走査装置１では、鋸波状の駆動信号Ｓｂ（図２参照）により光走査素子４のミラー部１０の角度が図３に示すように鋸波状に変位するように駆動しており、目標指令生成部２１は、ミラー部１０の角度が図３に示すように鋸波状に変位するように、目標角度指令を目標指令生成部２１から順次出力する。

　比較次元変換部２２は、ミラー部１０の目標角度と制御電圧Ｖｃｔとの関係を規定する規定値αとオフセット値βを記憶しており、目標指令生成部２１から出力される目標角度指令に応じた制御電圧Ｖｃｔを出力する。規定値αとオフセット値βは、検出電圧Ｖｄによりフィードバック制御できるように制御電圧Ｖｃｔを生成するために用いられる。実施形態に係る光走査素子４では、図８に示すように、制御電圧Ｖｃｔとミラー部１０の角度とが比例関係にあり、目標角度θに基づき、以下の式（１）に基づき制御電圧Ｖｃｔを演算している。
　Ｖｃｔ＝θ×α＋β　・・・（１）
　なお、比較次元変換部２２において、ミラー部１０の目標角度と制御電圧Ｖｃｔとの関係を規定する変換テーブルを内部に記憶しておき、この変換テーブルに基づき、ミラー部１０の目標角度を制御電圧Ｖｃｔに変換するようにしてもよい。

　減算部２３は、制御電圧Ｖｃｔの電圧値から検出電圧Ｖｄの電圧値を減算して、制御電圧Ｖｃｔと検出電圧Ｖｄとの差分電圧Ｖｓを演算し、差分電圧Ｖｓを出力する。

　駆動信号生成部２４は、差分電圧Ｖｓに応じて電流値を増減させた駆動信号Ｓｂを生成し、この駆動信号Ｓｂを光走査素子４のコイル１６に出力する。すなわち、差分電圧Ｖｓが正極性の場合には、差分電圧Ｖｓの電圧レベルに比例する値だけ電流値を上げた駆動信号Ｓｂを生成し、差分電圧Ｖｓが負極性の場合には、差分電圧Ｖｓの電圧レベルに比例する値だけ電流値を下げた駆動信号Ｓｂを生成する。この駆動信号生成部２４は、例えば、差分電圧Ｖｓを積分する積分器により構成することができる。このように差分電圧Ｖｓに応じた電流値の駆動信号Ｓｂにより光走査素子４を駆動してフィードバック制御するようにしており、これにより光走査素子４のミラー部１０の角度変位が図３に示すように鋸波状になるようにミラー部１０を精度良く揺動させている。

　このように、制御部２は、駆動信号の波形を基にした目標指令生成部２１による目標角度指令（変位指令）と検出部１８で検出したミラー部１０の角度（変位）との誤差分を検出し、その誤差分に基づいて駆動信号Ｓｂを補正するフィードバック制御を行うようにしている。これにより光走査素子４のミラー部１０を精度良く揺動するようにしている。

　［１．４．駆動信号Ｓｂの生成処理］
　光走査素子４は、上述したように、ミラー部１０が揺動軸Ｌｙ回りに揺動（図６（ａ）参照）して、ミラー部１０の反射面１０ａに入射する光束を走査するものであるが、この光走査素子４は所定の周波数でミラー部１０が共振する共振モードを有している。例えば、ミラー部１０が反射面１０ａと直交する方向へ揺動する縦振動の共振モード（図６（ｂ））や、ミラー部１０が反射面１０ａと平行な方向へ揺動する横振動の共振モード（図６（ｃ））がある。

　このように、光走査素子４には共振モードがあるため、光走査素子４を駆動する駆動信号Ｓｂに光走査素子４固有の共振周波数成分が含まれている場合には、光走査素子４のミラー部１０の揺動に共振周波数の成分が重畳してしまうことになる（図１３参照）。

　そのため、従来の光走査装置や画像表示装置では、鋸波形信号にローパスフィルタによるフィルタリング処理を行っていた。しかし、高次のローパスフィルタを用いているために演算負荷が大きい。

　また、光束を走査する期間（以下、光束走査期間という）において、一定の角速度で高精度にミラー部１０を変位させることができない。すなわち、鋸波状の駆動信号にローパスフィルタによるフィルタリング処理を行うと、図９に示すように信号波形が鈍ってしまい、光束走査期間において、一定角速度で高精度にミラー部を変位させることができなくなる。

　そこで、上記目標指令生成部２１は、図１０に示すように、駆動信号Ｓｂの波形を鋸波状波形Ｄとし、当該鋸波状波形Ｄのうち、光束走査期間の波形を直線波形Ｄａとする。一方、光束を走査しない期間（以下、リトレース期間という）の波形Ｄｂが、その微分波形が第１周波数ｆ１の半周期となる第１波形Ｄ１とその微分波形が第２周波数ｆ２の半周期となる第２波形Ｄ２とを結合した波形となり、かつ、リトレース期間の波形Ｄｂの両端部のそれぞれが、光束走査期間の波形Ｄａの傾きと同じ傾きとなるように光束を走査しない期間の波形Ｄｂを形成する。そして、リトレース期間の波形Ｄｂ（以下、リトレース波形Ｄｂという）の両端部のそれぞれを光束走査期間の波形Ｄａの両端部のそれぞれに連続させるようにしている。

　ここで、第１周波数ｆ１と第２周波数ｆ２とは同一周波数（ｆ１＝ｆ２）とすることもでき、異なる周波数（ｆ１≠ｆ２）とすることができる。

　[１．４．１　ｆ１＝ｆ２の場合]
　まず、第１周波数ｆ１と第２周波数ｆ２とが同一の周波数ｆａである場合について説明する。この場合、その微分波形が周波数ｆａの半周期となる第１波形とその微分波形が周波数ｆａの半周期となる第２波形とを結合する。すなわち、目標指令生成部２１は、一つの周波数ｆａの１周期の微分波形を積分して、リトレース波形Ｄｂを生成する。このとき、直線波形Ｄａとリトレース波形Ｄｂとの結合点は、互いの傾きが同じになるようにすることで、鋸波状波形Ｄに高周波成分が含まれることを抑制している。この周波数ｆａは、以下のように、鋸波状波形Ｄの周期と直線波形Ｄａとに基づいて決定されるものである。

　ここで、目標指令生成部２１は、リトレース期間のリトレース波形Ｄｂの生成を、鋸波状波形Ｄの周期と直線波形Ｄａとに基づいた三角関数による演算を行い、この演算結果を積分することによって生成する。この三角関数では、直線波形Ｄａの微分波形とリトレース波形Ｄｂの微分波形との結合点において変曲値がゼロ、換言すれば、この結合点が極値をとるようにしている。

　具体的には、目標指令生成部２１は、以下の演算式で、駆動信号Ｓｂにおける信号レベルの微分値ω（ｔ）（＝Ｓｂ／ｄｔ）を演算する。

　ここで、
ωL：直線波形Ｄａの信号レベルの微分値
Ｔｃｈ：リトレース期間の開始時点の時間
α：鋸波状波形Ｄのうち直線波形Ｄａの区間の割合（％／１００）
θm：駆動信号Ｓｂの最大振幅
ｆ：鋸波状波形Ｄの１周期Ｔの逆数
である。

　目標指令生成部２１は、この微分値ω（ｔ）の演算により、図１０（ｂ）に示す演算結果を得ることができ、この演算結果を積分することによって、図１０（ａ）に示すように直線波形Ｄａとリトレース波形Ｄｂからなる駆動信号Ｓｂを生成する。この駆動信号Ｓｂの信号レベルの微分値ω（ｔ）は、ミラー部１０の角速度に比例するものであり、微分値ω（ｔ）の積分値は、ミラー部１０の角度の変化量を意味する。従って、光束走査期間において、鋸波状波形Ｄに重畳する高周波成分を低減することができ、光束走査期間において、駆動信号波形の直線性を向上させることができる。しかも、三角関数を用いた比較的簡単な演算により、駆動信号波形を生成することができるため、駆動信号波形時の演算負荷を小さくすることができる。

　[１．４．２　ｆ１≠ｆ２の場合]
　次に、第１周波数ｆ１と第２周波数ｆ２とが異なる周波数である場合について説明する。この場合、目標指令生成部２１は、その微分値が周波数ｆ１の半周期となる第１波形Ｄ１とその微分値が周波数ｆ２の半周期となる第２波形Ｄ２とを結合する。すなわち、波数ｆ１の半周期の波形と周波数ｆ２の半周期とを結合した波形を積分して、リトレース波形Ｄｂを生成する。このとき、直線波形Ｄａとリトレース波形Ｄｂとの結合点、第１波形Ｄ１と第２波形Ｄ２との結合点は、それぞれ互いの傾きが同じになるようにすることで、鋸波状波形Ｄに高周波成分が含まれることを抑制している。この周波数ｆ１,ｆ２は、以下のように、鋸波状波形Ｄの周期と直線波形Ｄａとに基づいて決定されるものである。

　ここで、目標指令生成部２１は、リトレース波形Ｄｂの生成を、鋸波状波形Ｄの周期と直線波形Ｄａとに基づいた三角関数による演算を行い、この演算結果を積分することによって生成する。この三角関数では、直線波形Ｄａの微分波形とリトレース波形Ｄｂの微分波形との結合点において変曲値がゼロ、換言すれば、この結合点が極値をとるようにしている。

　具体的には、目標指令生成部２１は、以下の演算式で、駆動信号Ｓｂにおける信号レベルの微分値ω（ｔ）（＝Ｓｂ／ｄｔ：駆動信号Ｓｂの微分値）を演算することで、直線波形Ｄａと第１波形Ｄ１及び第２波形Ｄ２を演算する。

　ここで、
ωL：直線波形Ｄａの信号レベルの微分値
Ｔｃｈ：リトレース期間の開始時点の時間
α：鋸波状波形Ｄのうち直線波形Ｄａの区間の割合（％／１００）
β：リトレース波形Ｄｂの区間のうち第１波形Ｄ１の区間の割合（％／１００）
θm：駆動信号Ｓｂの最大振幅
ｆ：鋸波状波形Ｄの１周期Ｔの逆数
である。

　目標指令生成部２１は、この微分値ω（ｔ）の演算により、図１１（ｂ）に示す演算結果を得ることができ、この演算結果を積分することによって、図１１（ａ）に示すように直線波形Ｄａとリトレース波形Ｄｂからなる駆動信号Ｓｂを生成する。この駆動信号Ｓｂの信号レベルの微分値ω（ｔ）は、ミラー部１０の角速度に比例するものであり、微分値ω（ｔ）の積分値は、ミラー部１０の角度の変化量を意味する。従って、光束走査期間において、鋸波状波形Ｄに重畳する高周波成分を低減することができ、光束走査期間において、駆動信号波形の直線性を向上させることができる。しかも、三角関数を用いた比較的簡単な演算により、駆動信号波形を生成することができるため、駆動信号波形時の演算負荷を小さくすることができる。

　［２．画像表示装置］
　次に、上述した光走査素子を備えた画像表示装置について説明する。

　図１２に示すように、本実施形態に係る画像表示装置１００は、制御部１１０、光源部１２０、走査部１４０、第２リレー光学系１８０、ハーフミラー１８５などを有している。

　制御部１１０は、駆動信号供給部１１１、主走査駆動信号生成部１１２、副走査駆動信号生成部１１３、主制御部１１４を有している。駆動信号供給部１１１は、外部から入力された画像信号Ｓ（例えば、ＮＴＳＣコンポジット信号、コンポーネント信号）に基づいて、画像を形成するための要素となる三原色各色のＲＧＢ画素信号１１５ｒ，１１５ｇ，１１５ｂを画素単位で生成する。主走査駆動信号生成部１１２は、主走査部１６０の後述する光走査素子１６１が共振状態で所定走査範囲となるように、主走査部１６０で使用される主走査駆動信号１１６を生成して出力する。また、副走査駆動信号生成部１１３は、主走査駆動信号１１６の周波数に基づいて、副走査部１７０で使用される鋸波形状の副走査駆動信号１１７を生成して出力する。

　光源部１２０には、Ｒレーザドライバ１２１，Ｇレーザドライバ１２２，Ｂレーザドライバ１２３が設けられる。各レーザドライバ１２１，１２２，１２３は、それぞれ駆動信号供給部１１１から出力されるＲ，Ｇ，Ｂ駆動信号１１５ｒ，１１５ｇ，１１５ｂをもとに、各レーザ１２４，１２５，１２６へそれぞれ駆動電流を供給する。各レーザ１２４，１２５，１２６は、各レーザドライバ１２１，１２２，１２３から供給される駆動電流に応じて強度変調されたレーザ光を出射する。各レーザ１２４，１２５，１２６から出射したＲ（赤色）レーザ光Ｌｒ，Ｇ（緑色）レーザ光Ｌｇ、Ｂ（青色）レーザ光Ｌｂは、コリメート光学系１２７，１２８，１２９によってそれぞれ平行光化された後に、ダイクロイックミラー１３０，１３１，１３２に入射される。その後、これらのダイクロイックミラー１３０，１３１，１３２により、３原色の各レーザ光Ｌｒ，Ｌｇ，Ｌｂが波長選択的に反射・透過して結合光学系１３３に達し、合波されて光ファイバケーブル１３５へ出射される。このように光ファイバケーブル１３５へ出射されるレーザ光は、強度変調された各色のレーザ光が合波されたものである。

　走査部１４０は、コリメート光学系１５１、主走査部１６０、第１リレー光学系１６５、副走査部１７０などを有している。

　コリメート光学系１５１は、光源部１２０で生成され、光ファイバケーブル１３５を介して出射されるレーザ光を平行光化する。

　主走査部１６０及び副走査部１７０は、光ファイバケーブル１３５から入射されたレーザ光を画像として利用者の眼１９０の網膜１９０ｂに投影可能な状態にするために、主走査方向と副走査方向に走査する光学系である。主走査部１６０は、コリメート光学系１５１で平行光化されて入射するレーザ光を主走査方向に相対的に高速に往復走査する光走査素子１６１を有する。また、副走査部１７０は、主走査部１６０で主走査方向に走査され、第１リレー光学系１６５を介して入射するレーザ光を副走査方向に相対的に低速に走査する光走査素子１７１を有する。この副走査方向は主走査方向に略直交する方向である。例えば、主走査方向を水平方向、副走査方向を垂直方向とすることができる。

　主走査部１６０と副走査部１７０との間でレーザ光を中継する第１リレー光学系１６５は、光走査素子１６１によって主走査方向に走査されたレーザ光を光走査素子１７１のミラー部に収束させる。そして、このレーザ光が光走査素子１７１によって副走査方向に走査される。光走査素子１７１によって走査されたレーザ光は、正の屈折力を持つ２つのレンズ１８０ａ，１８０ｂが直列配置された第２リレー光学系１８０を介して、眼１９０の前方に位置させたハーフミラー１８５で反射されて利用者の瞳孔１９０ａに入射する。これにより、網膜１９０ｂ上に画像信号Ｓに応じた画像が投影され、利用者は瞳孔１９０ａに入射するレーザ光を画像として認識する。また、ハーフミラー１８５は外光Ｌ２を透過して利用者の瞳孔１９０ａに入射させるようにしており、これにより利用者は外光Ｌ２に基づく外景にレーザ光Ｌ１に基づく画像を重ねた画像を視認することができる。このように画像表示装置１００は、画像信号Ｓに応じた画像と外景とを重ねて利用者の眼１９０の網膜に結像させる、シースルー型網膜走査型画像表示装置である。

　以上のように構成された画像表示装置１００において、光走査素子１７１は、光走査素子４と同様の構成であり、副走査駆動信号生成部１１３は、上述した光走査装置１の制御部２と同様に、光走査素子１７１を駆動するようにしている。そのため、光束を走査する期間において、一定の角速度で高精度にミラー部１０を駆動することができ、しかも、演算負荷を小さくすることができる。

　なお、ここでは、光束の一例として、効率面で有利であるレーザ光を用いているが、光束はレーザ光に限られるものではない。

　また、光走査素子のミラー部の角度を検出する検出部を、ピエゾ抵抗素子により構成しているが、圧電素子による検出方法や静電容量の変化による検出方法を用いてもよい。

　本発明を、上述してきた実施形態を通して説明したが、本実施形態によれば、両側から梁部１１ａ，１１ｂで支持されたミラー部１０を有し、梁部１１ａ，１１ｂの捻れ変位によりミラー部１０を揺動可能とした非共振型の光走査素子４（１７１）と、駆動信号Ｓｂ（１１７）を生成してミラー部１０を揺動させる制御部２（１１０）と、を備え、制御部２（１１０）は、駆動信号Ｓｂ（１１７）の波形を鋸波状波形Ｄとし、当該鋸波状波形Ｄのうち、光束を走査する期間の波形を直線波形Ｄａとする一方、光束を走査しない期間の波形Ｄｂの微分波形が、一つの周波数の１周期の波形、又は、２つの周波数の半周期の波形を互いに結合した波形、となり、かつ、光束を走査しない期間の波形の両端部のそれぞれが、光束を走査する期間の波形の傾きと同じ傾きとなるように光束を走査しない期間の波形を形成し、光束を走査しない期間の波形の両端部のそれぞれを光束を走査する期間の波形の両端部のそれぞれに連続させたので、光束走査期間において、鋸波状波形Ｄに重畳する高周波成分を低減することができ、駆動信号波形の直線性を向上させることができる。しかも、三角関数を用いた比較的簡単な演算により駆動信号波形を生成することで、駆動信号波形時の演算負荷を小さくすることができる。

　また、ミラー部１０の変位を検出する検出部１８を備え、制御部２（１１０）は、駆動信号Ｓｂ（１１７）の波形を基にした変位指令と検出部１８で検出したミラー部１０の変位との誤差分を検出し、その誤差分に基づいて駆動信号Ｓｂ（１１７）を補正するフィードバック制御を行うので、光走査素子４（１７１）のミラー部１０を精度良く揺動することができる。

１　光走査装置
２，１１０　制御部
４, １６１，１７１　光走査素子
１０　ミラー部
１０ａ　反射面
１００　画像表示装置
Ｓｂ　駆動信号

Claims

　両側から梁部で支持されたミラー部を有し、前記梁部の捻れ変位によりミラー部を揺動可能とした非共振型の光走査素子と、駆動信号を生成して前記ミラー部を揺動させる制御部と、を備えた光走査装置において、
　前記制御部は、
　前記駆動信号の波形を鋸波状波形とし、当該鋸波状波形のうち、光束を走査する期間の波形を直線波形とする一方、光束を走査しない期間の波形の微分波形が、一つの周波数の１周期の波形、又は、２つの周波数の半周期の波形を互いに結合した波形、となり、かつ、当該光束を走査しない期間の波形の両端部のそれぞれが、光束を走査する期間の波形の傾きと同じ傾きとなるように前記光束を走査しない期間の波形を形成し、前記光束を走査しない期間の波形の両端部のそれぞれを前記光束を走査する期間の波形の両端部のそれぞれに連続させた
ことを特徴とする光走査装置。
　前記光束を走査しない期間の波形を、一つの周波数の１周期の波形により形成しており、
　ωLを前記鋸波状波形のうち前記直線波形の微分値とし、Ｔｃｈを前記鋸波状波形のうち光束を走査しない期間の開始時点の時間とし、αを前記鋸波状波形のうち前記直線波形の区間の割合（％／１００）とし、θmを前記駆動信号の最大振幅とし、ｆを前記鋸波状波形の１周期の逆数としたとき、前記駆動信号の微分値ω（ｔ）は、

を満たすことを特徴とする請求項１に記載の光走査装置。
　前記光束を走査しない期間の波形を、２つの周波数の半周期の第１波形と第２波形を結合した波形により形成しており、
　ωLを前記鋸波状波形のうち前記直線波形の微分値とし、Ｔｃｈを前記鋸波状波形のうち光束を走査しない期間の開始時点の時間とし、αを前記鋸波状波形のうち前記直線波形の区間の割合（％／１００）とし、βを前記第１波形及び第２波形の区間のうち前記第１波形の区間の割合（％／１００）とし、θmを前記駆動信号の最大振幅とし、ｆを前記鋸波状波形の１周期の逆数としたとき、前記駆動信号の微分値ω（ｔ）は、

を満たすことを特徴とする請求項１に記載の光走査装置。
　前記ミラー部の変位を検出する検出部を備え、
　前記制御部は、前記駆動信号の波形を基にした変位指令と前記検出部で検出した前記ミラー部の変位との誤差分を検出し、その誤差分に基づいて駆動信号を補正するフィードバック制御を行う
ことを特徴とする請求項１に記載の光走査装置。
　画像信号に応じた強度の光束を出射する光源と、
　前記光源から出射された光束を第１方向に相対的に高速に走査する第１光走査素子と、
　両側から梁部で支持されたミラー部を有し、前記梁部の捻れ変位によりミラー部を揺動軸回りに揺動させて前記第１走査素子により走査された光束を前記ミラー部により第１方向と略直交する第２方向に相対的に低速に走査する非共振型の第２光走査素子と、
　前記第１及び第２の光走査素子を制御する制御部と、を備えた画像表示装置において、
　前記制御部は、
　前記第２の光走査素子のミラー部を揺動させる駆動信号の波形を鋸波状波形とし、当該鋸波状波形のうち、光束を走査する期間の波形を直線波形とする一方、光束を走査しない期間の波形の微分波形が、一つの周波数の１周期の波形、又は、２つの周波数の半周期の波形を互いに結合した波形、となり、かつ、当該光束を走査しない期間の波形の両端部のそれぞれが、光束を走査する期間の波形の傾きと同じ傾きとなるように前記光束を走査しない期間の波形を形成し、前記光束を走査しない期間の波形の両端部のそれぞれを前記光束を走査する期間の波形の両端部のそれぞれに連続させた
ことを特徴とする画像表示装置。