WO2016208119A1

WO2016208119A1 - 光走査装置

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Publication number: WO2016208119A1
Application number: PCT/JP2016/002527
Authority: WO
Inventors: 晶平森川; 佐々木　光
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2015-06-25
Filing date: 2016-05-25
Publication date: 2016-12-29
Anticipated expiration: 2017-12-25
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Abstract

制御回路（３）は、角度測定部（１７ｂ、１７ｃ）が測定したミラー（１１）の角度に基づいてミラーの角速度を算出する角速度算出器（３４）と、角速度の目標値を算出する目標角速度算出器（３５）と、角速度および目標値を用いて、ミラーの振動の周波数を検出する共振周波数検出器（３３ａ）と、のこぎり波状の駆動信号を生成する駆動波形生成器（３１）と、共振周波数検出器が検出した周波数に基づいて、ミラーの不要振動を軽減させるように駆動信号の最適化を行い、最適化した駆動信号に応じた電圧を圧電素子（１５２）に印加する不要振動制御器（３２）と、を有する。共振周波数検出器は、駆動波形生成器から不要振動制御器へのこぎり波状の駆動信号が送られている期間における角速度の波形および目標値を用いてミラーの振動の周波数を検出する。

Description

光走査装置

関連出願の相互参照

　本出願は、２０１５年６月２５日に出願された日本出願番号２０１５－１２７９９１号に基づくもので、ここにその記載内容を援用する。

　本開示は、２軸型の光走査装置に関するものである。

　従来、ＲＧＢ（Ｒｅｄ　Ｇｒｅｅｎ　Ｂｌｕｅ）光源が発生させたレーザ光をＭＥＭＳ（Ｍｉｃｒｏ　Ｅｌｅｃｔｒｏ　Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ　Ｓｙｓｔｅｍｓ）ミラーによって２次元に走査し、スクリーン上に任意の映像を描画するレーザスキャンモジュール等の光走査装置が提案されている。

　このような光走査装置は、ミラーと、ミラーを両持ち支持する支持梁と、支持梁を介してミラーを支持する共振駆動部と、共振駆動部を支持する強制駆動部とを備えている。光走査装置は、共振駆動部と、強制駆動部とに備えられた圧電膜への電圧の印加により、ミラーを互いに垂直な２つの軸周りに回転させ、ミラーによる結像位置を２次元的に走査可能としている。

　強制駆動部によるミラーの回転は、共振駆動部による回転よりも遅く、強制駆動部が備える圧電膜に印加される電圧の波形は、のこぎり波状とされている。こののこぎり波の高調波に含まれる共振成分により、ミラーが共振振動し、リンギングと呼ばれる不要な振動が発生することがある。

　リンギングの要因となる共振成分の周波数は、温度、ミラーが受ける加速度、ミラーの劣化などにより変動する。また、例えば光走査装置が車載された場合、この周波数は、大きく、かつ、急激に変動する。

　このため、光走査装置の駆動中にリンギングの状態、例えばリンギングの共振周波数等を検出し、リンギングの要因となる周波数成分を駆動信号から取り除く必要がある。これについて、特許文献１に記載の光偏向器では、駆動信号の周波数掃引で得られたデータのＦＦＴによる周波数成分解析によりリンギングの要因となる周波数を検出し、フィルタによりこの周波数成分を駆動信号からカットしている。

特開２０１３－２０５８１８号公報

　しかしながら、駆動信号の周波数掃引を用いてリンギングの周波数を検出する場合、検出中は駆動信号の波形がのこぎり波ではなく正弦波とされるため、映像の正常な描画ができない。よって、リンギングの周波数の検出中は映像の描画を停止する必要がある。

　本開示は上記点に鑑みて、走査中においてもリンギングの周波数を検出することができる光走査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、本開示の観点によれば、光走査装置は、反射面において光ビームを反射させるミラーと、反射面の平面における一方向の両側に延設され、ミラーを両持ち支持する支持梁と、支持梁を共振振動させることにより、ミラーを一方向に平行な第１軸周りに揺動させる共振駆動部と、圧電素子への電圧の印加によりミラーを一方向と異なる方向を向く第２軸周りに揺動させる強制駆動部と、ミラーの第２軸周りの角度を測定する角度測定部と、角度測定部の出力に応じた電圧を圧電素子に印加する制御回路と、を備える。制御回路は、角度測定部が測定したミラーの角度に基づいてミラーの第２軸周りの角速度を算出する角速度算出器と、角速度の目標値を算出する目標角速度算出器と、角速度および目標値を用いて、ミラーの第２軸周りの振動の周波数を検出する共振周波数検出器と、のこぎり波状の駆動信号を生成する駆動波形生成器と、共振周波数検出器が検出したミラーの振動の周波数に基づいて、ミラーの第２軸周りの不要振動を軽減させるように駆動信号の最適化を行い、最適化した駆動信号に応じた電圧を圧電素子に印加する不要振動制御器と、を有する。共振周波数検出器は、駆動波形生成器から不要振動制御器へのこぎり波状の駆動信号が送られている期間におけるミラーの角速度の波形および目標値を用いてミラーの振動の周波数を検出する。

　これによれば、共振周波数検出器は、駆動波形生成器から不要振動制御器へのこぎり波状の駆動信号が送られている期間におけるミラーの角速度の波形および目標値を用いてミラーの振動の周波数を検出する。そのため、走査中においてもリンギングの周波数を検出することができる。

　本開示についての上記目的およびその他の目的、特徴や利点は、添付の図面を参照しながら下記の詳細な記述により、より明確になる。
第１実施形態にかかる光走査装置の全体構成を示す図である。反射部の構成を示す平面図である。制御回路の構成を示す図である。ミラーの角度を示すグラフである。制御回路の動作を示すフローチャートである。ミラーの角速度を示すグラフである。第２実施形態に係る制御回路の構成を示す図である。

　以下、本開示の実施形態について図に基づいて説明する。なお、以下の各実施形態相互において、互いに同一もしくは均等である部分には、同一符号を付して説明を行う。

　（第１実施形態）
　本開示の第１実施形態について説明する。本実施形態の光走査装置１００は、ＭＥＭＳミラーを互いに垂直な２つの軸周りに回転させ、ＭＥＭＳミラーによる結像位置を２次元的に走査可能とする２軸型の光走査装置である。

　光走査装置１００は、図１に示すように、反射部１と、光源２と、制御回路３とを備え、反射部１が備えるアクチュエータを制御回路３により制御し、光源２から照射される光ビームを反射部１により反射することで、スクリーン２００に映像を描画するものである。

　反射部１は、光源２から照射される光ビームを反射させるものであり、図２に示すように、ミラー１１と、支持梁１２と、共振駆動部１３と、連結部１４と、強制駆動部１５と、支持部１６と、角度センサ１７とを備える。なお、図２は断面図ではないが、図を見やすくするために、後述する反射面１１ａ、圧電素子１３２、配線１３３、パッド１３４ａ、１３４ｂ、圧電素子１５２にハッチングを施してある。

　反射部１が備える上記の構成要素は、板状の基板１０を用いて形成されている。本実施形態では、基板１０は、活性層、ＢＯＸ層（埋め込み酸化層：Ｂｕｒｉｅｄ　Ｏｘｉｄｅ）、支持層が順に積層された構造のＳＯＩ（Ｓｉｌｉｃｏｎ　ｏｎ　Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）基板にて構成されている。活性層は例えばＳｉ等で構成され、ＢＯＸ層はＳｉＯ２等で構成され、支持層はＳｉ等で構成される。活性層は、反射部１が備える上記の構成要素にパターニングされている。

　ミラー１１は、反射部１に照射された光ビームを反射させるものである。ミラー１１は、基板１０の活性層を円形にパターニングすることにより形成された部分であり、図２に示すように、ミラー１１の上面には、Ａｌ等により構成される反射面１１ａが形成されている。

　反射面１１ａの平面における一方向をｘ方向とし、反射面１１ａの平面におけるｘ方向に垂直な方向をｙ方向とする。図２に示すように、ミラー１１は、ミラー１１を中心としてｘ方向の両側に延設された支持梁１２により両持ち支持されている。支持梁１２は、ミラー１１をｘ方向に平行な軸Ａ１周りに揺動可能とするものである。

　図２に示すように、ミラー１１は、支持梁１２を介して共振駆動部１３により支持されている。共振駆動部１３は、支持梁１２を共振振動させることにより、ミラー１１を軸Ａ１周りに揺動させるものである。軸Ａ１は、第１軸に相当する。共振駆動部１３は、基板１０の活性層をパターニングして形成された長方形状の枠体１３１の上面に、４つの圧電素子１３２と、配線１３３とを形成することで構成されている。支持梁１２は、枠体１３１の対向する２つの辺のうち、それぞれの中央部と接続されている。

　圧電素子１３２は、下部電極と、圧電膜と、上部電極とが順に積層された構造とされている。下部電極および上部電極は、例えばＡｌ、Ａｕ、Ｐｔ等により構成されている。また、圧電膜は、例えばチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）等の圧電材料により構成されている。なお、下部電極および上部電極を、Ｐｔ／Ｔｉの積層構造としてもよい。

　４つの圧電素子１３２をそれぞれ圧電素子１３２ａ、１３２ｂ、１３２ｃ、１３２ｄとすると、図２に示すように、軸Ａ１の一方側に圧電素子１３２ａ、１３２ｂが配置され、他方側に圧電素子１３２ｃ、１３２ｄが配置されている。また、ミラー１１のｘ方向における一方側に圧電素子１３２ａ、１３２ｃが配置され、他方側に圧電素子１３２ｂ、１３２ｄが配置されている。

　配線１３３は、下部配線と、絶縁膜と、上部配線とが順に積層された構造とされており、図２に示すように、４つの配線１３３ａ、１３３ｂ、１３３ｃ、１３３ｄに分けられている。下部配線、上部配線は、圧電素子１３２の下部電極、上部電極と同様に、例えばＡｌ、Ａｕ、Ｐｔ等により構成されている。また、絶縁膜は、例えばチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）等により構成されている。なお、下部配線および上部配線を、Ｐｔ／Ｔｉの積層構造としてもよい。

　図２に示すように、配線１３３ａは、枠体１３１の上面に形成されており、圧電素子１３２ａと圧電素子１３２ｂとを電気的に接続している。配線１３３ｂは、枠体１３１の上面に形成されており、圧電素子１３２ｃと圧電素子１３２ｄとを電気的に接続している。

　配線１３３ｃ、１３３ｄは、それぞれ、圧電素子１３２ａ、１３２ｃを支持部１６の上面に形成されたパッド１３４ａ、１３４ｂに接続するものであり、基板１０の活性層の上面のうち、枠体１３１から連結部１４、強制駆動部１５、支持部１６に至る部分に形成されている。パッド１３４ａ、１３４ｂは、制御回路３に接続されている。

　図２に示すように、枠体１３１のうち、ｘ方向の一方の端部から、ｙ方向の外側へ向けて連結部１４が延設されている。連結部１４は、枠体１３１と反対側の端部において、強制駆動部１５と接続されている。

　強制駆動部１５は、連結部１４を通して枠体１３１をｙ方向に平行な軸周りに揺動させることにより、ミラー１１をｙ方向に平行な軸Ａ２周りに揺動させるものである。軸Ａ２は、第２軸に相当する。強制駆動部１５は、基板１０の活性層をパターニングして形成された基部１５１の上面に、２つの圧電素子１５２を形成することで構成されている。

　図２に示すように、基部１５１は、ミラー１１のｙ方向における両側に配置され、ｘ方向に延設されており、ｘ方向の一方側の端部において連結部１４と接続され、他方側の端部において支持部１６と接続されている。基部１５１のうち、ミラー１１に対して圧電素子１３２ａ、１３２ｂとｙ方向における同じ側に配置された部分を基部１５１ａ、圧電素子１３２ｃ、１３２ｄと同じ側に配置された部分を基部１５１ｂとする。

　圧電素子１５２は、下部電極と、圧電膜と、上部電極とが順に積層された構造とされている。下部電極および上部電極は、例えばＡｌ、Ａｕ、Ｐｔ等により構成されている。また、圧電膜は、例えばチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）等の圧電材料により構成されている。なお、下部電極および上部電極を、Ｐｔ／Ｔｉの積層構造としてもよい。

　２つの圧電素子１５２をそれぞれ圧電素子１５２ａ、１５２ｂとする。図２に示すように、圧電素子１５２ａ、１５２ｂは、それぞれ、基部１５１ａ、１５１ｂの上面に形成されており、また、基部１５１ａ、１５１ｂの上面のうち連結部１４側の端部から、支持部１６の上面に至って形成されている。圧電素子１５２ａ、１５２ｂは、制御回路３に接続されている。

　基部１５１ａの上面のうちｙ方向において圧電素子１５２ａよりもミラー１１に近い部分、基部１５１ｂの上面のうちｙ方向において圧電素子１５２ｂよりもミラー１１に近い部分には、それぞれ、連結部１４から支持部１６に至る配線１３３ｃ、１３３ｄが形成されている。

　支持部１６は、支持梁１２、共振駆動部１３、連結部１４、強制駆動部１５を介してミラー１１を支持するものであり、ミラー１１、支持梁１２、共振駆動部１３、連結部１４、強制駆動部１５を内部に配置した長方形状の枠体で構成されている。ただし、共振駆動部１３、強制駆動部１５のうち、配線１３３ｃ、１３３ｄの一部と、パッド１３４ａ、１３４ｂと、圧電素子１５２ａ、１５２ｂの一部は、支持部１６の上面に形成されている。

　支持梁１２、強制駆動部１５の上面には、３つの角度センサ１７が設置されている。角度センサ１７は、ミラー１１の軸Ａ１周り、軸Ａ２周りの角度を測定するものであり、例えばひずみゲージ等で構成されている。

　３つの角度センサ１７をそれぞれ角度センサ１７ａ、１７ｂ、１７ｃとすると、図２に示すように、角度センサ１７ａは、支持梁１２の上面に設置されており、角度センサ１７ｂ、１７ｃは、それぞれ、圧電素子１５２ａ、１５２ｂの上面に設置されている。また、角度センサ１７ａ、１７ｂ、１７ｃは、図示しない配線を介して制御回路３に接続されている。

　角度センサ１７ａは、ミラー１１の軸Ａ１周りの角度に応じた信号を出力し、角度センサ１７ａの出力は、共振駆動部１３による共振駆動の制御に用いられる。角度センサ１７ｂ、１７ｃは、ミラー１１の軸Ａ２周りの角度に応じた信号を出力し、角度センサ１７ｂ、１７ｃの出力は、後述する図５の動作において、強制駆動部１５による強制駆動の制御に用いられる。角度センサ１７ｂ、１７ｃは、角度測定部に相当する。

　以上のようにして、反射部１が構成されている。このような反射部１は、フォトリソグラフィおよびエッチングにより活性層の表面に各圧電素子、各配線、各パッド、反射面１１ａ、角度センサ１７を形成し、基板１０をパターニングしてミラー１１等を上記のように形成することで製造できる。

　光源２は、反射部１に光ビームを照射するＲＧＢレーザユニットである。光源２は、図１に示すように制御回路３に接続されており、制御回路３からの信号に基づいて、照射する光ビームの色を変化させる。

　制御回路３は、角度センサ１７の出力に応じて共振駆動部１３、強制駆動部１５の駆動信号を生成し、駆動信号に応じた電圧を共振駆動部１３、強制駆動部１５が備える圧電素子に印加するものである。また、制御回路３は、光源２の制御を行う。

　制御回路３は、電子制御ユニットとも言及され、本実施形態では、一例として、ＣＰＵ、ＲＯＭやＲＡＭ等の記憶部を含んで構成されるマイクロコンピュータ、およびその周辺回路から構成されており、駆動波形生成器３１（駆動波形生成部３１とも言及される）、不要振動制御器３２（不要振動制御部３２とも言及される）、共振特性検出器３３（共振特性検出部３３とも言及される）、角速度算出器３４（角速度算出部３４とも言及される）、目標角速度算出器３５（目標角速度算出部３５とも言及される）、とを備える。なお、これらの構成要素は、ＲＯＭ等に保存されたソフトウエアをＣＰＵが実行して実現できるが、一方、各構成要素の一部あるいは全てをハードウエアとして実現しても良い。

　駆動波形生成器３１は、信号の大きさが減少する部分と、減少にかかる時間よりも短い時間で減少量と同じ分だけ増加する部分とが交互に繰り返されるのこぎり波状の駆動信号を生成するものである。駆動波形生成器３１は、ここでは、周波数が互いに異なる複数の正弦波を合成することにより、合成波として、のこぎり波状の駆動信号を生成する。図３に示すように、駆動波形生成器３１は不要振動制御器３２と接続されており、駆動波形生成器３１が生成した駆動信号は、不要振動制御器３２に送られる。

　不要振動制御器３２は、ミラー１１のリンギングの特性、例えば周波数に基づいて、ミラー１１の軸Ａ２周りのリンギングを軽減させるように駆動信号の最適化を行うものである。具体的には、不要振動制御器３２は、図３に示すように共振特性検出器３３と接続されており、共振特性検出器３３が検出したミラー１１の振動の周波数に基づいて、リンギングの要因となる周波数成分をノッチフィルタにより駆動信号から除去する。

　また、図３に示すように、不要振動制御器３２は反射部１と接続されている。制御回路３は、不要振動制御器３２が最適化した駆動信号に応じた電圧を、反射部１の強制駆動部１５が備える圧電素子１５２に印加する。

　共振特性検出器３３は、ミラー１１のリンギングの特性を検出するものであり、図３に示すように、共振周波数検出器３３ａと、共振強度検出器３３ｂとを備えている。共振周波数検出器３３ａは、ミラー１１のリンギングの周波数を検出するものである。共振周波数検出器３３ａは、駆動波形生成器３１から不要振動制御器３２へのこぎり波状の駆動信号が送られている期間において、ミラー１１の角速度の波形と、角速度の目標値とを用いて、ミラー１１の軸Ａ２周りのリンギングの周波数を検出する。

　共振強度検出器３３ｂは、ミラー１１のリンギングの強度を検出するものである。共振強度検出器３３ｂは、角速度算出器３４が算出したミラー１１の角速度と、目標角速度算出器３５が算出したミラー１１の角速度の目標値とを比較することにより、リンギングの強度を検出する。共振特性検出器３３は、検出したミラー１１のリンギングの周波数および強度に応じた信号を不要振動制御器３２に送る。

　角速度算出器３４は、反射部１の角度センサ１７ｂ、１７ｃが測定したミラー１１の角度に基づいてミラー１１の軸Ａ２周りの角速度を算出するものである。角速度算出器３４は、図３に示すように共振特性検出器３３および目標角速度算出器３５と接続されており、算出したミラー１１の角速度に応じた信号を共振特性検出器３３および目標角速度算出器３５に送る。

　目標角速度算出器３５は、描画区間におけるミラー１１の軸Ａ２周りの角速度の目標値を算出するものである。本実施形態では、目標角速度算出器３５は、描画区間において角速度算出器３４が算出したミラー１１の角速度の平均値を算出し、目標値とする。

　なお、描画区間とは、駆動波形生成器３１が生成したのこぎり波状の駆動信号を不要振動制御器３２が最適化して得られた波形のうち、時間に対する変化の大きさが一定値を中心とした所定範囲内にある直線状の区間である。

　目標角速度算出器３５がミラー１１の角速度の平均値を算出して目標値とする場合、駆動信号を不要振動制御器３２が最適化して得られた波形において、時間に対する変化の大きさが一定である必要がある。また、一般的に、ＭＥＭＳミラーを用いた描画装置では、輝度を一定にするために、のこぎり波のうち時間に対する変化の大きさが一定となる直線状の区間を描画に用いる。そのため、描画区間において角速度算出器３４が算出した角速度の平均値を目標値として算出することで、のこぎり波以外の信号を不要振動制御器３２に送ることなく、リンギングの特性の検出を容易に行うことができる。

　ミラー１１は、共振駆動部１３により図１、図２のＨ方向に揺動し、強制駆動部１５により図１、図２のＶ方向に揺動する。また、ミラー１１は、Ｖ方向の揺動においては、一方の向きに低速で揺動した後、他方の向きに高速で揺動する。描画区間は、ミラー１１の角速度のグラフにおいて、ミラー１１が光源２からの光ビームを反射しながらＶ方向に低速で移動しているときに対応する区間である。

　なお、後述するＳ１０５においてノッチフィルタの中心周波数、Ｑ値が変更された場合、描画区間の位置や大きさが変化することがある。

　目標角速度算出器３５は、図３に示すように共振特性検出器３３と接続されており、算出したミラー１１の角速度の目標値に応じた信号を共振特性検出器３３に送る。

　このように構成された光走査装置１００では、共振駆動部１３が備える圧電素子１３２の電極に対して共振走査用電圧を印加することで、圧電素子１３２が備える圧電膜を変形させ、支持梁１２を共振振動させる。これにより、ミラー１１を支持梁１２の軸周りに揺動させる。

　また、強制駆動部１５が備える圧電素子１５２の電極に対して強制走査用電圧を印加することで、圧電素子１５２が備える圧電膜を変形させ、共振駆動部１３をｙ方向に平行な軸周りに揺動させる。本実施形態では、圧電素子１５２ａ、１５２ｂに対して同じ波形の電圧を印加する。

　これにより、ミラー１１がｘ方向に平行な軸Ａ１およびｙ方向に平行な軸Ａ２周りに揺動される。そして、光源２が制御回路３からの信号に応じた色の光ビームをミラー１１に照射することにより、２次元での走査が可能となる。

　制御回路３から強制駆動部１５に印加される強制走査用電圧は、のこぎり波状の駆動信号に応じた電圧である。この強制走査用電圧によりミラー１１が図４の破線で示すような揺動をする、つまり、時間に対する角度のグラフがのこぎり波状となることが望ましいが、実際には、図４の実線で示すように、ミラー１１の動きにリンギングが含まれる場合がある。

　ミラー１１のリンギングは、駆動信号に含まれる共振成分が要因となる。以下、駆動信号からこの共振成分を除去し、ミラー１１のリンギングを抑制する方法について説明する。

　記載されるフローチャートは、複数のセクション（あるいはステップと言及される）を含み、各セクションは、たとえば、Ｓ１０１と表現される。さらに、各セクションは、複数のサブセクションに分割されることができる、一方、複数のセクションが合わさって一つのセクションにすることも可能である。各セクションは、デバイス、あるいは、構造的な修飾語を伴った名称として、例えば、検出セクションは、検出デバイス、あるいは共振周波数検出器(ディテクタ)として、言及されることができる。また、前記のように、セクションは、(i)ハードウエアユニット（例えば、コンピュータ）と組み合わさったソフトウエアのセクションのみならず、(ii)ハードウエア（例えば、集積回路、配線論理回路）のセクションとして、関連する装置の機能を含みあるいは含まずに実現できる。さらに、ハードウエアのセクションは、マイクロコンピュータの内部に含まれることもできる。

　制御回路３は、図５のフローチャートに示す動作を行い、ミラー１１のリンギングを抑制する。まず、光走査装置１００の駆動が開始されると、制御回路３は、Ｓ１０１において、ミラー１１の角速度を推定する。

　具体的には、角速度算出器３４は、描画区間を含む所定の期間にわたって角度センサ１７ｂ、１７ｃからの信号を取得し、取得した信号を用いてミラー１１の角度を算出する。そして、算出した角度を微分してミラー１１の角速度を求める。本実施形態では、算出した角度の各サンプリングポイント間の時間差分をとってミラー１１の角速度とする。図６の実線は、角速度算出器３４が推定したミラー１１の角速度を示す。制御回路３は、ミラー１１の角速度を推定すると、Ｓ１０２へ進む。

　Ｓ１０２では、制御回路３は、角度センサ１７ｂ、１７ｃの出力に基づいて、ミラー１１の角速度の目標値を算出する。具体的には、目標角速度算出器３５は、角速度算出器３４が推定したミラー１１の角速度のデータにおいて、描画区間に含まれる部分の平均値を算出し、ミラー１１の角速度の目標値とする。図６の破線は、目標角速度算出器３５が算出した角速度の目標値を示す。制御回路３は、ミラー１１の角速度の目標値を算出すると、Ｓ１０３へ進む。

　Ｓ１０３では、制御回路３は、リンギングの特性を検出する。まず、共振特性検出器３３の共振周波数検出器３３ａが、角速度算出器３４が算出した角速度と、目標角速度算出器３５が算出した目標値とが一致する２つの時刻の時間差に基づいて、ミラー１１の振動の周波数を検出する。具体的には、角速度算出器３４が推定したミラー１１の角速度のグラフと、目標角速度算出器３５が算出した角速度の目標値との描画区間における交点を求める。そして、１つの交点を挟んで隣り合う２つの交点の時間差を求め、求めた時間差の逆数の平均値をリンギングの周波数とする。１つの交点を挟んで隣り合う２つの交点の時間差とは、例えば、図６における時点Ｔ１とＴ２、Ｔ２とＴ３、Ｔ３とＴ４、Ｔ４とＴ５の時間差である。

　つぎに、共振特性検出器３３の共振強度検出器３３ｂが、リンギングの強度を検出する。具体的には、角速度算出器３４が推定したミラー１１の角速度のグラフにおいて、描画区間における角速度の最大値と最小値を求め、最大値と最小値との差をリンギングの強度とする。

　制御回路３は、リンギングの特性を検出すると、Ｓ１０４へ進み、リンギングの特性に基づいて、駆動信号の最適化の要否を判別する。具体的には、制御回路３は、Ｓ１０３で求めたリンギングの強度が一定値以上であるか否か判別する。リンギングの強度が一定値以上でない場合、制御回路３はＳ１０１へ進む。リンギングの強度が一定値以上である場合、制御回路３はＳ１０５へ進む。

　Ｓ１０５では、制御回路３は、リンギングの特性に基づいて駆動信号を最適化する。具体的には、不要振動制御器３２は、ノッチフィルタの中心周波数およびＱ値を変更し、ノッチフィルタで駆動信号を処理する。このノッチフィルタの中心周波数は、Ｓ１０３で共振周波数検出器３３ａが求めた周波数とされる。また、Ｓ１０３で共振強度検出器３３ｂが求めたリンギングの強度が大きいほど、リンギングの要因となる周波数成分をより大きく除去するため、ノッチフィルタのＱ値は大きい値とされる。

　制御回路３は、このようにノッチフィルタの中心周波数およびＱ値を変更し、このノッチフィルタにより駆動信号を処理して最適化した後、Ｓ１０１へ進む。このような制御回路３の動作により、強制駆動部１５の駆動信号からリンギングの要因となる周波数成分を除去し、リンギングを抑制することができる。

　従来の光走査装置、例えば特許文献１に記載の光偏向器では、駆動信号の周波数掃引で得られたデータの周波数成分解析により、リンギングの要因となる周波数を検出し、フィルタによりこの周波数成分を駆動信号からカットしている。この場合、周波数の検出中は駆動信号がのこぎり波ではなく正弦波とされるため、映像の正常な描画ができない。よって、リンギングの周波数の検出中は映像の描画を停止する必要がある。

　これに対し、本実施形態の光走査装置１００では、光走査装置１００の描画駆動中において、角速度算出器３４が角度センサ１７ｂ、１７ｃの出力から得られたミラー１１の角度の時間差分により角速度を求め、共振特性検出器３３が、この角速度の波形と、角速度の目標値とを用いてリンギングの特性を検出する。そのため、リンギングの特性を検出している間にも正常な描画駆動が可能である。よって、走査中においてもリンギングの周波数を検出することができる。

　また、特許文献１に記載の光偏光器のようにＦＦＴを用いる場合、複雑な計算が必要となるため、処理コストが高くなる。また、特開２０１０－０９２０１８号公報に記載のアクチュエータの駆動装置のようにＢＰＦにより周波数を検出する場合、ＢＰＦが単数であれば処理時間が多くなり、ＢＰＦが複数であれば回路コストが高くなる。

　これに対し、本実施形態では、角度センサ１７ｂ、１７ｃにより得られたミラー１１の角度の時間差分により角速度を求め、この角速度を用いて角速度の目標値を求めて、角速度と角速度の目標値とを用いてリンギングの周波数を検出する。そのため、複雑な計算が不要であり、ＦＦＴを用いる場合に比べて容易な方法でリンギングの周波数を検出できるので、処理コストを低くすることができる。また、処理時間を短縮し、回路コストを低くすることができる。

　（第２実施形態）
　本開示の第２実施形態について説明する。本実施形態は、第１実施形態に対して制御回路３の構成を変更したものであり、その他に関しては第１実施形態と同様であるため、第１実施形態と異なる部分についてのみ説明する。

　図７に示すように、本実施形態では、角速度算出器３４が目標角速度算出器３５と接続されておらず、角速度算出器３４から目標角速度算出器３５へ信号が送られない。また、駆動波形生成器３１が目標角速度算出器３５と接続されており、駆動波形生成器３１から目標角速度算出器３５へ駆動信号が送られる。

　制御回路３の記憶領域には、駆動信号と強制駆動部１５が備える圧電素子１５２への出力電圧との関係、出力電圧とミラー１１の角度との関係が記憶されている。目標角速度算出器３５は、Ｓ１０２において、これらの関係と、駆動波形生成器３１から送られた駆動信号とに基づいて、描画区間におけるミラー１１の角度および角速度を算出し、算出した角速度をミラー１１の角速度の目標値とする。

　角速度の目標値を駆動信号から算出する本実施形態においても、第１実施形態と同様の効果が得られる。また、本実施形態では、角速度の目標値を駆動信号から算出するため、角速度の目標値を精度よく求めることができる。これにより、リンギングの周波数および強度を精度よく求めることができる。

　（他の実施形態）
　例えば、上記第１実施形態では、描画区間に含まれるミラー１１の角速度に基づいて目標値を算出する一例として、角速度の平均値をミラー１１の角速度の目標値とした。これは、単なる一例を示したに過ぎず、例えば、描画区間に含まれるミラー１１の角速度の最大値と最小値との平均値をミラー１１の角速度の目標値としてもよい。

　また、上記第１実施形態では、駆動信号をノッチフィルタにより処理することで最適化したが、駆動信号を、所定の周波数帯域の信号を減少させるバンドストップフィルタにより処理することで最適化してもよい。また、駆動信号を構成する正弦波の成分比をリンギングの周波数に基づいて変更することにより、駆動信号を最適化してもよい。

　また、圧電素子１５２ａ、１５２ｂに対して印加される電圧の波形が、互いに異なっていてもよい。また、圧電素子１５２ａ、１５２ｂそれぞれについてリンギングの特性の検出および駆動信号の最適化を行ってもよい。つまり、圧電素子１５２ａ、１５２ｂそれぞれに対して駆動信号を生成し、角度センサ１７ｂからの出力を用いて圧電素子１５２ａに対する駆動信号を最適化し、角度センサ１７ｃからの出力を用いて圧電素子１５２ｂに対する駆動信号を最適化してもよい。強制駆動部１５が圧電素子１５２を複数備え、不要振動制御器３２が複数の圧電素子１５２それぞれに対する駆動信号の最適化を行う方法は、ミラー１１の動きにねじれモードの振動が含まれる場合に有効である。

　また、駆動信号の処理に用いるノッチフィルタやバンドストップフィルタの中心周波数は、共振周波数検出器３３ａが検出したリンギングの周波数と異なっていてもよい。例えば、ノッチフィルタやバンドストップフィルタの中心周波数を、共振周波数検出器３３ａが検出したリンギングの周波数の整数倍としてもよく、整数分の１としてもよい。

　また、Ｓ１０５において、ノッチフィルタのＱ値を変更せず、中心周波数のみを変更してもよい。

　また、角度センサ１７ｂ、１７ｃと制御回路３との間に微分回路を設置し、この微分回路を用いてミラー１１の軸Ａ２周りの角速度を求めてもよい。また、角度センサ１７ｂ、１７ｃを、基部１５１と圧電素子１５２との間に配置してもよい。また、角度センサ１７を、ひずみゲージ以外で構成してもよい。

　また、駆動波形生成器３１が生成したのこぎり波状の駆動信号を不要振動制御器３２が最適化して得られた波形のうち、時間に対する変化の大きさが一定である直線状の区間を描画区間としてもよい。

　また、目標角速度算出器３５がミラー１１の角速度の目標値を算出するために用いるデータは、角速度算出器３４が算出したミラー１１の角速度のデータのうち、描画区間の全体に含まれる部分であってもよいし、描画区間の一部に含まれる部分であってもよい。ただし、リンギングの周波数および強度を精度よく求めるためには、目標角速度算出器３５が用いる角速度のデータが多い方が好ましい。よって、目標角速度算出器３５が、角速度算出器３４が描画区間の全体において算出した角速度を用いて目標値を算出することが好ましい。

　また、駆動波形生成器３１が、信号の大きさが増加する部分と、増加にかかる時間よりも短い時間で増加量と同じ分だけ減少する部分とが交互に繰り返されるのこぎり波状の駆動信号を生成してもよい。

　また、軸Ａ２は、ｘ方向と異なる方向を向いていればよく、ｙ方向に平行でなくてもよい。

　本開示は、実施例に準拠して記述されたが、本開示は当該実施例や構造に限定されるものではないと理解される。本開示は、様々な変形例や均等範囲内の変形をも包含する。加えて、様々な組み合わせや形態、さらには、それらに一要素のみ、それ以上、あるいはそれ以下、を含む他の組み合わせや形態をも、本開示の範疇や思想範囲に入るものである。

Claims

　反射面（１１ａ）において光ビームを反射させるミラー（１１）と、
　前記反射面の平面における一方向の両側にそれぞれ延設され、前記ミラーを両持ち支持する各支持梁（１２）と、
　前記支持梁をそれぞれ共振振動させることにより、前記ミラーを前記一方向に平行な第１軸（Ａ１）周りに揺動させる共振駆動部（１３）と、
　圧電素子（１５２）への電圧の印加により前記ミラーを前記一方向と異なる方向を向く第２軸（Ａ２）周りに揺動させる強制駆動部（１５）と、
　前記ミラーの前記第２軸周りの角度を測定する角度測定部（１７ｂ、１７ｃ）と、
　前記角度測定部の出力に応じた電圧を前記圧電素子に印加する制御回路（３）と、を備え、
　前記制御回路は、
　前記角度測定部が測定した前記ミラーの角度に基づいて前記ミラーの前記第２軸周りの角速度を算出する角速度算出器（３４）と、
　前記角速度の目標値を算出する目標角速度算出器（３５）と、
　前記角速度および前記目標値を用いて、前記ミラーの前記第２軸周りの振動の周波数を検出する共振周波数検出器（３３ａ）と、
　のこぎり波状の駆動信号を生成する駆動波形生成器（３１）と、
　前記共振周波数検出器が検出した前記ミラーの振動の周波数に基づいて、前記ミラーの前記第２軸周りの不要振動を軽減させるように前記駆動信号の最適化を行い、最適化した前記駆動信号に応じた電圧を前記圧電素子に印加する不要振動制御器（３２）と、を有し、
　前記共振周波数検出器は、前記駆動波形生成器から前記不要振動制御器へのこぎり波状の前記駆動信号が送られている期間における前記ミラーの角速度の波形および前記目標値を用いて前記ミラーの振動の周波数を検出する
　光走査装置。
　前記不要振動制御器が前記圧電素子に印加する電圧は、時間に対する変化の大きさが一定値を中心とした所定範囲内にある直線状の区間を有する波形である
　請求項１に記載の光走査装置。
　前記不要振動制御器が前記圧電素子に印加する電圧は、前記直線状の区間において、時間に対する変化の大きさが一定であることを特徴とする請求項２に記載の光走査装置。
　前記不要振動制御器は、所定の周波数帯域の信号を減少させるフィルタにより前記駆動信号を最適化し、前記共振周波数検出器が検出した前記ミラーの振動の周波数に基づいて、前記周波数帯域の中心周波数を変化させる
　請求項２または３に記載の光走査装置。
　前記不要振動制御器は、前記角速度算出器が算出した前記角速度の前記直線状の区間における最大値と最小値との差に基づいて、信号を減少させる大きさを変化させる
　請求項４に記載の光走査装置。
　前記不要振動制御器は、前記角速度算出器が算出した前記角速度の前記直線状の区間の全体における最大値と最小値との差に基づいて、信号を減少させる大きさを変化させる
　請求項５に記載の光走査装置。
　前記不要振動制御器は、前記角速度算出器が算出した前記角速度の前記直線状の区間における最大値と最小値との差が一定値以上である場合に、前記駆動信号を最適化する
　請求項２ないし６のいずれか１つに記載の光走査装置。
　前記不要振動制御器は、前記角速度算出器が算出した前記角速度の前記直線状の区間の全体における最大値と最小値との差が一定値以上である場合に、前記駆動信号を最適化する
　請求項７に記載の光走査装置。
　前記目標角速度算出器は、前記角速度算出器が算出した前記角速度に基づいて、前記目標値を算出する
　請求項２ないし８のいずれか１つに記載の光走査装置。
　前記目標角速度算出器は、前記直線状の区間において前記角速度算出器が算出した前記角速度の平均値を前記目標値として算出する
　請求項９に記載の光走査装置。
　前記目標角速度算出器は、前記直線状の区間の全体において前記角速度算出器が算出した前記角速度の平均値を前記目標値として算出する
　請求項１０に記載の光走査装置。
　前記目標角速度算出器は、前記直線状の区間において前記角速度算出器が算出した前記角速度の最大値と最小値との平均値を前記目標値として算出する
　請求項９に記載の光走査装置。
　前記目標角速度算出器は、前記直線状の区間の全体において前記角速度算出器が算出した前記角速度の最大値と最小値との平均値を前記目標値として算出する
　請求項１２に記載の光走査装置。
　前記駆動信号の波形は、周波数が互いに異なる複数の正弦波を合成することにより形成された合成波であり、
　前記不要振動制御器は、前記共振周波数検出器が検出した前記ミラーの振動の周波数に基づいて、前記合成波を構成する各正弦波の成分比を変化させる
　請求項１ないし１３のいずれか１つに記載の光走査装置。
　前記共振周波数検出器は、前記角速度算出器が算出した前記角速度と、前記目標角速度算出器が算出した前記目標値とが一致する２つの時刻の時間差に基づいて、前記ミラーの振動の周波数を検出する
　請求項１ないし１４のいずれか１つに記載の光走査装置。
　前記角速度算出器は、前記角度測定部が測定した前記ミラーの角度の時間差分を前記角速度として算出する
　請求項１ないし１５のいずれか１つに記載の光走査装置。
　前記目標角速度算出器は、前記駆動信号に基づいて、前記目標値を算出する
　請求項１ないし１６のいずれか１つに記載の光走査装置。
　前記強制駆動部は、前記圧電素子を複数備え、
　前記不要振動制御器は、複数の前記圧電素子それぞれに対する前記駆動信号の最適化を行う
　請求項１ないし１７のいずれか１つに記載の光走査装置。