JP7338403B2 - 光偏向器、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、光偏向器、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度以上を要求され、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ことが一般的に知られている。

また、光走査における光偏向角を正しく取得し、ＬｉＤＡＲの投光タイミングや光偏向器の駆動を制御するために、光偏向器の圧電アクチュエータと並行して圧電センサを設け、その出力信号を元に光偏向器の角度を検出する方法が一般的に知られている。

また、圧電センサの取得する信号を圧電アクチュエータの変位量と完全に一致させる目的で、あらかじめ測定した角度補正用データをテーブルとして記憶回路に記憶させておき、ミラーが正の角度に最大に振れた時に得られた値に補正を加えることで、ミラー最大振れ角を演算し、所望の振れ角に制御する構成が開示されている。（例えば、特許文献１参照）

しかしながら、従来の圧電センサによる検出方式では、光偏向器の駆動振幅や温度、さらに駆動周波数の影響を受けるため、光偏向器の揺動角である振れ角に対する圧電アクチュエータ応答が一定ではない。このため、同じ振幅の出力であっても得られる光偏向器の振れ角が正確ではなく、光偏向器において、ミラー振れ角の算出における精度の向上という点で改善の余地があった。即ち、光偏向器において揺動角の検知精度の高いものが求められていた。

開示の技術の一態様に係る光偏向器は、光を反射する反射面を有する反射部と、前記反射部と一端で接続される支持部と、前記支持部の他端と接続される固定部と、前記支持部を変形させて、前記反射部を揺動させる圧電部材と、前記圧電部材に入力された駆動信号の周波数を検出する周波数検出部と、前記支持部の変形に応じた検知信号を出力する圧電センサと、前記検知信号の信号強度を検出する変位量検出部と、有し、少なくとも、前記周波数検出部で検出された周波数の周波数情報と、前記変位量検出部で検出された前記信号強度と、に基づいて、前記反射部の揺動角を演算する演算部を有することを特徴とする。

開示の技術によれば、光偏向器の揺動角の検知精度を高めることができる。

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。 レーザ光源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。 第１の実施形態における光偏向器の構成図である。 第１の実施形態における可動装置（１）の構成図である。 第１の実施形態における可動装置（２）の構成図である。 第１の実施形態における可動装置（３）の構成図である。 第１の実施形態における可動装置（４）の構成図である。 第１の実施形態における光偏向器の説明図である。 第２の実施形態における光偏向器の構成図である。 第３の実施形態における光偏向器の構成図である。 第４の実施形態における光偏向器の構成図である。 第５の実施形態における可動装置の構成図である。 第５の実施形態における可動装置の断面図である。 第５の実施形態における他の可動装置の構成図である。

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。

図１１は、光源装置１２であるレーザ光源の構成例を示す図である。光源装置１２であるレーザ光源は、たとえば、「レイヤー」と呼ばれるレーザ素子グループが複数、同一面内に配置されたＶＣＳＥＬアレイ１２Ａで形成されている（面発光レーザアレイ）。以下の説明では、光源装置１２であるレーザ光源の各レイヤーを形成する「面発光レーザ素子」を「発光素子」と略称する。ＶＣＳＥＬアレイ１２Ａはレイヤー１２１－１～１２１－ｍを有し、各レイヤー１２１は、複数の発光素子１２２１～１２２ｎ（以下、適宜「発光素子１２２」と総称する）を有する。

発光素子１２２は、同一基板上に集積可能な素子であり、各発光素子１２２の光軸はＶＣＳＥＬアレイ１２Ａの配置面と直交する。

各レイヤー１２１の発光タイミングは、光源装置ドライバ２５によって、それぞれ独立に制御されている。また、各レイヤー１２１は、そのレイヤー１２１内に含まれる複数の発光素子１２２が同時に発光するように制御されている。

図１１では、複数のレイヤー１２１が一次元的に配置されているが、複数のレイヤー１２１が２次元的に配置されたＶＣＳＥＬアレイ１２Ａを用いてもよい。各レイヤー１２１の発光素子１２２は、所定のピッチで細密配置またはハニカム状に配置されているが、この配置例に限定されない。発光素子１２２の開口の形状も六角形に限定されない。ＶＣＳＥＬアレイ１２Ａのレイヤー１２１の数、レイヤー１２１内の発光素子１２２の数、発光領域の大きさ等は、ライダ装置７００に必要とされる角度分解能、走査範囲、検出距離等によって、適宜設計される。

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。

図９は、ライダ装置７００を搭載した移動体である自動車７０１の概略図である。ライダ装置７００は自動車７０１のフロントガラスの上方、前座席の天井などに取り付けられる。ライダ装置７００は、たとえば自動車７０１の進行方向に向かって光走査して、進行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。ライダ装置７００の投光部は、例えば、ＭＬＡなどの光学素子であらかじめレーザ光の発散角を抑制して光走査することにより、可動装置１３などの走査部での光損失が低減され、高い角度分解能でレーザ光を遠方まで投光することができる。

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。ライダ装置７００は、車両だけではなく、航空機、ドローンなどの飛行体、ロボット等の自律移動体など、任意の移動体に適用可能である。実施形態の投光部１の構成を採用することで、広い範囲で物体の存在とその位置を検知することができる。

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１２を用いて説明する。図１２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１３～図１４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１３は、ＨＭＤ６０の外観を例示する斜視図である。図１３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１４は、ＨＭＤ６０の構成を部分的に例示する図である。なお、図１４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１５を用いて説明する。

図１５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１５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〕
第１の実施形態における光偏向器について、図１６に基づき説明する。本実施形態における光偏向器２０１は、可動装置１３、駆動回路２２１、変位量検出部２２２、温度検出部２２３、振幅検出部２２４、周波数検出部２２５、及び演算部２２６を有している。尚、駆動回路２２１は、圧電アクチュエータ１０３を駆動するための駆動信号を生成するため、駆動信号生成部と記載する場合がある。

図１７は、本実施形態における可動装置１３の構造を示す。本実施形態における可動装置１３は、光を反射する反射面１４を有し可動するミラー部１０１、トーションバーのばね部１０２、駆動力を発生させる圧電アクチュエータ１０３、ばね部１０２のねじれを検出する圧電センサ１０４、枠状の固定部１０５等を有している。圧電アクチュエータ１０３及び圧電センサ１０４は、カンチレバー部１０６の表面に設けられており、圧電アクチュエータ１０３と、圧電センサ１０４は並行に配置されている。本願においては、ミラー部１０１を反射部と記載する場合がある。

より詳細には、ミラー部１０１の両側の－Ｘ方向及び＋Ｘ方向に、ミラー部１０１に接続されたばね部１０２が各々設けられている。各々のばね部１０２は、Ｘ方向に長く形成されており、各々のばね部１０２の一方の端部が、ミラー部１０１と接続されており、他方の端部が、カンチレバー部１０６と接続されている。各々のカンチレバー部１０６は、Ｙ方向に長く形成されており、カンチレバー部１０６の中央部分において、ばね部１０２の他方の端部が接続されている。カンチレバー部１０６は、Ｙ方向の両端において枠状の固定部１０５と接続されている。

従って、ばね部１０２及びカンチレバー部１０６により形成される支持部１０７により、ミラー部１０１が支持されている。本実施形態では、カンチレバー部１０６の表面に設けられている圧電アクチュエータ１０３に電圧を印加することにより、カンチレバー部１０６が振動し、この振動がばね部１０２のねじれに変換され、ミラー部１０１を回動軸となる第１軸を中心に回動する。

即ち、本実施形態における可動装置１３では、駆動回路２２１から入力される駆動信号を受けてミラー部１０１を揺動させることができる。ここで、駆動信号は正弦波であり、駆動信号の周波数を、可動装置１３のばね部１０２における固有の共振周波数ｆ０に近い周波数とすることにより、可動装置１３におけるミラー部１０１の振れ角を大きくすることができる。尚、本願においては、振れ角を揺動角と記載する場合がある。

従って、駆動回路２２１から入力される駆動信号により、圧電アクチュエータ１０３に力が発生し、ばね部１０２が変形すると、圧電センサ１０４からは検知信号が出力される。検知信号はミラー部１０１の振れ角を示す信号である。変位量検出部２２２は、この検知信号の信号強度を検出する。このとき検知信号の信号強度が強いとミラー部１０１の振れ角が大きいという状態を表し、弱いとミラー部１０１の振れ角が小さいという状態を表す。

また、温度検出部２２３は可動装置１３の近傍に配置され、可動装置１３における圧電アクチュエータ１０３の周囲温度を検出する。振幅検出部２２４は圧電アクチュエータ１０３に入力される駆動信号の駆動振幅を検出する。周波数検出部２２５は圧電アクチュエータ１０３に入力される駆動信号の駆動周波数を検出する。

演算部２２６は、温度検出部２２３、振幅検出部２２４、周波数検出部２２５において検出した温度情報である周囲温度（Ｔ）、駆動振幅情報である駆動振幅（Ａ）、駆動周波数情報である駆動周波数（ｆ）より、適切な補正係数ｃ（Ｔ、Ａ、ｆ）を演算する。更に、補正係数ｃ（Ｔ、Ａ、ｆ）を、変位量検出部２２２の出力に乗算する。これにより、圧電センサ１０４の出力信号と実際のミラー部１０１の振れ角との間にある誤差を補正し、振れ角情報として出力する。本実施形態においては、周波数検出部２２５において検出された駆動周波数を含むことにより、より正確な補正を行うことができる。補正係数ｃ（Ｔ、Ａ、ｆ）は、例えば、下記の数１に示されるような、温度（Ｔ）と駆動振幅（Ａ）、駆動周波数（ｆ）の一次関数の多項式を用いた演算により算出してもよいが、必ずしもこの限りではない。例えば、周囲温度（Ｔ）、駆動振幅（Ａ）、駆動周波数（ｆ）の非線形関数を用いた演算により算出するものであってもよい。尚、ａ０、ａ１、ａ２は係数であり、ａ３は定数である。

固定部１０５は、図１７に示されるように、枠状に一体で形成されたものであってもよいが、図１８に示されるように、固定部１０５の一部に開口部１０５ａを設けることにより、固定部１０５が分離されているものであってもよい。ミラー部１０１が設けられている部分において、第１軸に対して直交する方向、即ち、±Ｙ方向に、開口部１０５ａを設けることにより、ミラー部１０１において反射された光が、枠状の固定部１０５により遮断されることを防ぐことができる。

更に、図１９に示されるように、可動装置は、ミラー部１０１を支持する支持部１０８は、複数のカンチレバー部１０９がミアンダ状に形成された折り返しばね構造であってもよい。各々のカンチレバー部１０９は、Ｙ方向に長く形成されており、各々のカンチレバー部１０９の表面には、圧電アクチュエータ１０３及び圧電センサ１０４が設けられている。また、ミラー部１０１と折り返しばね構造の支持部１０８との接続位置、支持部１０８と固定部１０５との接続位置は、図１９に示される位置に限定されるものではなく、他の位置であってもよい。

図２０は、図１９に示される可動装置において、図１８の場合と同様に、固定部１０５に開口部１０５ａを設け、固定部１０５が分離されている構造のものである。

次に、本実施形態における光偏向器のミラー部１０１の振れ角と、圧電センサ１０４の出力の最大値について説明する。

図２１は、本実施形態における光偏向器において、可動装置１３の共振周波数ｆ０近傍におけるミラー部１０１のミラー振れ角の周波数特性（ミラー振れ角特性）と、変位量検出部２２２が検出する圧電センサ１０４の出力の周波数特性（検知信号特性）を示す。尚、各々の信号は共振周波数ｆ０における値によって規格化されている。

ミラー部１０１の振れ角と、圧電センサ１０４の検知出力は、比例関係にあることが好ましく、ミラー振れ角特性と検知信号特性は、周波数の影響を受けることなく重なっていることが好ましい。しかしながら、実際に測定すると、図２１に示されるように、ミラー振れ角特性と検知信号特性には、ずれが生じる。これは、圧電アクチュエータ１０３への駆動信号供給や、圧電センサ１０４からの出力信号における寄生抵抗、寄生容量により、高周波側での信号減衰が起こることが原因の一つとして考えられる。従って、このような状態では、ミラー部１０１の振れ角が同じであっても、周波数により圧電センサ１０４の出力は異なる値を示すため、可動装置のミラー部１０１の振れ角を正確に把握することができない。

本実施形態における光偏向器では、周波数検出部２２５を設け、演算部２２６において、周波数検出部２２５で得られた周波数情報を含めて補正を行うことにより、可動装置１３のミラー部１０１の振れ角を正確に得ることができる。これにより、光偏向器の状態を正確に把握することができる。

以上より、第１の実施形態における光偏向器では、反射面１４を有するミラー部１０１と、ミラー部１０１の周囲の固定部１０５と、一端がミラー部１０１に接続され、他端が固定部１０５に接続されている。ミラー部１０１を支持する支持部１０７等と、圧電駆動によりミラー部１０１を固定部１０５に対して所定の回動軸を中心に揺動させる圧電アクチュエータ１０３と、を備える。圧電アクチュエータ１０３の周囲に配置され、圧電アクチュエータ１０３の変位量を検出する検出部となる圧電センサ１０４と、圧電アクチュエータ１０３の周囲温度を測定する温度検出部２２３と、を有する。圧電アクチュエータ駆動信号の駆動振幅を検出する振幅検出部２２４と、圧電アクチュエータ駆動信号の駆動周波数を検出する周波数検出部２２５とを有する。変位量情報と、温度情報と、圧電駆動信号の振幅情報及び周波数情報に基づいて、ミラー部１０１の振れ角を算出する演算部２２６を有している。これにより、本実施形態における光偏向器では、圧電センサ１０４の出力信号に対し、駆動振幅、駆動周波数、周囲温度から算出する補正係数に基づいた補正を行うことができる。よって、圧電センサ１０４の出力から光偏向器のミラー部１０１の振れ角を正確に算出し、光偏向器の状態を正確に把握することが可能となる。

〔第２の実施形態〕
次に、第２の実施形態における光偏向器について、図２２に基づき説明する。本実施形態における光偏向器２０２は、可動装置１３、駆動回路２２１、変位量検出部２２２、温度検出部２２３、演算部２２６、振幅情報取得部２２７及び周波数情報取得部２２８を有する。

振幅情報取得部２２７は、駆動回路２２１によって生成される駆動信号の振幅情報、即ち、振幅情報を駆動回路２２１から取得し、その情報に基づき演算部２２６へ補正係数を出力する。また、周波数情報取得部２２８は、駆動回路２２１によって生成される駆動信号の周波数情報、即ち、周波数情報を駆動回路２２１から取得し、その情報に基づき演算部２２６へ補正係数を出力する。

振幅情報取得部２２７、周波数情報取得部２２８はともに、駆動信号そのものから値を検出する必要はなく、各々の設定値を駆動回路２２１から入力することで、補正係数を算出する。演算部２２６は振幅情報取得部２２７、周波数情報取得部２２８、及び温度検出部２２３から入力される情報に基づき適切な補正係数を演算し、変位量検出部２２２の出力に乗算する。これにより、圧電アクチュエータ１０３の出力信号と、実際のミラー部１０１の振れ角との間の誤差を補正する。

尚、本実施形態における可動装置１３、変位量検出部２２２、温度検出部２２３に関しては、第１の実施形態と同様である。

以上より、第２の実施形態は、反射面１４を有するミラー部１０１と、ミラー部１０１を支持する１または２個の固定部１０５と、一端がミラー部１０１に、他端が固定部１０５の連結された支持部１０７と、を有する。また、圧電駆動によりミラー部１０１を固定部１０５に対して所定の軸周りに揺動させる圧電アクチュエータ１０３とを備え、圧電アクチュエータ１０３の周囲に配置され、圧電アクチュエータ１０３の変位量を検出する検出部となる圧電センサ１０４と、を有する。圧電アクチュエータ１０３の周囲温度を測定する温度検出部２２３と、駆動回路２２１から振幅情報を取得する振幅情報取得部２２７と、駆動回路２２１から周波数情報を取得する周波数情報取得部２２８と、を有する。変位量情報と、温度情報と、圧電駆動信号の振幅情報及び周波数情報に基づいて、ミラー部１０１の振れ角を算出する演算部２２６を有している。これにより、本実施形態における光偏向器では、圧電センサ１０４の出力信号に対し、駆動信号の振幅、周波数、周囲温度から算出する補正係数に基づいた補正を行うことができる。よって、駆動周波数の影響があっても、圧電センサ１０４の出力からミラー部１０１の振れ角を正確に算出し、光偏向器２０２の状態をより正しく取得することができる。本実施形態は、駆動信号の振幅、周波数情報を駆動信号そのものから検出するものではなく、設定情報から取得するため、簡易な回路で精度よく補正を実施することができる。

〔第３の実施形態〕
次に、第３の実施形態における光偏向器２０３について、図２３に基づき説明する。本実施形態における光偏向器２０３は、可動装置１３、駆動回路２２１、変位量検出部２２２、温度検出部２２３、振幅検出部２２４、周波数検出部２２５、演算部２２６、及び駆動振幅制御部２２９を有している。

駆動振幅制御部２２９は、外部から入力されるミラー部１０１の振れ角設定値と、演算部２２６によって算出されるミラー部１０１の振れ角情報から求められる振れ角最大値とを比較する。そして、ミラー部１０１の振れ角がミラー振れ角設定値と等しくなるように駆動回路２２１の振幅を変更し、ミラー部１０１の振れ角を制御する。制御にあたってはＰＩＤ（Proportional-Integral-Differential）制御等の手法が一般的に知られている。ＰＩＤ制御は、入力値の制御を出力値と目標値との偏差、その積分、および微分の３つの要素によって行う方法である。

尚、本実施形態における可動装置１３、変位量検出部２２２、温度検出部２２３、振幅検出部２２４、周波数検出部２２５、演算部２２６の動作は、第１の実施形態と同じである。

以上より、第３の実施形態は、反射面１４を有するミラー部１０１と、ミラー部１０１を支持する１または２個の固定部１０５と、を有する。一端がミラー部１０１に、他端が固定部１０５にそれぞれ連結され、圧電駆動によりミラー部１０１を固定部１０５に対して所定の軸周りに揺動させる圧電アクチュエータ１０３とを備える。圧電アクチュエータ１０３へ駆動信号を入力する駆動回路２２１と、駆動回路２２１の駆動振幅を設定する駆動振幅制御部２２９と、圧電アクチュエータ１０３の変位量を検出する検出部となる圧電センサ１０４と、を有する。圧電アクチュエータ１０３の周囲温度を測定する温度検出部２２３と、圧電アクチュエータ駆動信号の駆動振幅を検出する振幅検出部２２４と、圧電アクチュエータ駆動信号の駆動周波数を検出する周波数検出部２２５とを有する。変位量情報と温度情報と圧電駆動信号の振幅情報及び周波数情報に基づいて、ミラー部１０１の振れ角を算出する演算部２２６を有している。このような構成とすることで、圧電センサ１０４の出力信号に対し、駆動振幅、駆動周波数、周囲温度から算出させる補正係数に基づいた補正を行うことができる。よって、駆動周波数の影響があっても、圧電センサ１０４の出力から光偏向器のミラー部１０１の振れ角を正確に算出し、算出して得られた振れ角に基づきミラー部１０１の振れ角が所望の振れ角となるように制御することができる。

〔第４の実施形態〕
次に、第４の実施形態における光偏向器２０４について、図２４に基づき説明する。本実施形態における光偏向器２０４は、可動装置１３、駆動回路２２１、変位量検出部２２２、温度検出部２２３、演算部２２６、振幅情報取得部２２７、周波数情報取得部２２８及び駆動振幅制御部２２９を有している。

駆動振幅制御部２２９は、外部から入力されるミラー部１０１の振れ角設定値と、演算部２２６によって算出されるミラー部１０１の振れ角情報から求められる振れ角最大値とを比較する。そして、ミラー部１０１の振れ角がミラー振れ角設定値と等しくなるように駆動回路２２１の振幅を変更し、ミラー部１０１の振れ角を制御する。制御にあたってはＰＩＤ制御等の手法が一般的に知られている。

以上より、第４の実施形態は、反射面１４を有するミラー部１０１と、ミラー部１０１を支持する１または２個の固定部１０５と、を有する。一端がミラー部１０１に、他端が固定部１０５にそれぞれ連結され、圧電駆動によりミラー部１０１を固定部１０５に対して所定の軸周りに揺動させる圧電アクチュエータ１０３とを備える。圧電アクチュエータ１０３へ駆動信号を入力する駆動回路２２１と、駆動回路２２１の駆動振幅を設定する駆動振幅制御部２２９と、圧電アクチュエータ１０３の周囲に配置され、圧電アクチュエータ１０３の変位量を検出する変位量検出部２２２と、を有する。圧電アクチュエータ１０３の周囲温度を測定する温度検出部２２３と、駆動回路２２１から振幅情報を取得する振幅情報取得部２２７と、駆動回路２２１から周波数情報を取得する周波数情報取得部２２８とを有する。変位量情報と温度情報と振幅情報及び周波数情報に基づいて、ミラー部１０１の振れ角を算出する演算部２２６を有している。このような構成とすることで、圧電センサ１０４の出力信号に対し、振幅、周波数、周囲温度から算出する補正係数に基づいた補正を行うことができる。これにより、駆動周波数の影響があっても、圧電センサ１０４の出力から光偏向器のミラー部１０１の振れ角を正確に算出し、算出して得られた振れ角に基づきミラー部１０１の振れ角が所望の振れ角となるように制御することができる。本実施形態は、駆動信号の振幅、周波数情報を駆動信号そのものから検出することなく、設定情報から取得することができるため、簡易な回路で精度よく補正を実施することができる。

尚、上記以外の内容については、第２の実施形態と同様である。

〔第５の実施形態〕
次に、第５の実施形態について説明する。本実施形態は、第１から第４の実施形態における光偏向器に適用可能な可動装置であり。具体的には、図２５に示されるように、本実施形態における可動装置３００は、第１軸、及び第２軸回りに回動可能な両持ちタイプ（両端支持梁）の可動装置である。

図２５に示されるように、可動装置３００は、可動部１１０と、第１駆動梁１２０ａ及び１２０ｂと、固定部１４０と、電極端子１５０とを有する。また可動部１１０は、反射面１４を含む反射部１１２と、支持部１１３と、トーションバー１１５ａ及び１１５ｂと、第２駆動梁１１６ａ及び１１６ｂとを有する。

反射部１１２は、シリコン層等から形成される。但しこれに限定されるものではなく、酸化材料や無機材料、有機材料等で構成してもよい。反射面１４は、反射部１１２の正のＺ方向の面上に形成される。反射面１４は、アルミニウム、金、銀等を含む金属薄膜やその多層膜を用いて、図示されているように、円形状に形成される。

反射部１１２の負のＺ方向の面には、反射部１１２を補強するための不図示のリブが設けられている。リブは、シリコン支持層及び酸化シリコン層等で形成され、リブを設けることで、可動時に生じる反射部１１２及び反射面１４の変形歪が抑制されている。

トーションバー１１５ａ及び１１５ｂは、Ｙ方向に延在し、Ｙ方向において反射部１１２を挟み込むように形成される。トーションバー１１５ａの一端は反射部１１２に接続され、トーションバー１１５ｂの一端は反射部１１２に接続されている。反射部１１２は、トーションバー１１５ａ及び１１５ｂにより支持されている。

トーションバー１１５ａの他端は、第２駆動梁１１６ａに接続され、トーションバー１１５ｂの他端は、第２駆動梁１１６ｂに接続されている。弾性梁である第２駆動梁１１６ａ及び１１６ｂには、正のＺ方向の面に圧電部が設けられている。第２駆動梁１１６ａは、電極端子１５０からレイアウトされる不図示の電気配線を通して駆動電圧が印加されると、屈曲変形してトーションバー１１５ａにねじれを生じさせる。

同様に、第２駆動梁１１６ｂは、電極端子１５０からレイアウトされる不図示の電気配線を通して駆動電圧が印加されると、屈曲変形してトーションバー１１５ｂにねじれを生じさせる。

このようなトーションバー１１５ａ及び１１５ｂのねじれが回動力となり、反射部１１２は、第２軸回りに回動する。

一方、支持部１１３は、反射部１１２と、トーションバー１１５ａ及び１１５ｂと、第２駆動梁１１６ａ及び１１６ｂとを四方から囲むように形成されている。支持部１１３は、第２駆動梁１１６ａ及び１１６ｂに接続され、第２駆動梁１１６ａ及び１１６ｂを支持拘束する。また支持部１１３は、第２駆動梁１１６ａ及び１１６ｂを介して、間接的に反射部１１２と、トーションバー１１５ａ及び１１５ｂとを支持している。

支持部１１３の図中の左下角には接続部１１４ａが形成され、支持部１１３は、接続部１１４ａを介して第１駆動梁１２０ａに接続している。接続部１１４ａは、第１駆動梁１２０ａとの接続箇所から正のＸ方向に延在して、第１駆動梁１２０ａと支持部１１３とを接続している。

また支持部１１３の図中の右上角には接続部１１４ｂが形成され、支持部１１３は、接続部１１４ｂを介して第１駆動梁１２０ｂに接続している。接続部１１４ｂは、第１駆動梁１２０ｂとの接続箇所から負のＸ方向に延在して、第１駆動梁１２０ｂと支持部１１３とを接続している。

第１駆動梁１２０ａと第１駆動梁１２０ｂは、Ｘ方向の両側から支持部１１３を挟み込むようにして支持する。

第１駆動梁１２０ａは、複数の折り返し部と連結部を有し、複数の弾性梁が連結されたミアンダ構造を含んでいる。折り返し部により形成される弾性梁の正のＺ方向の面には、それぞれ圧電部が設けられている。第１駆動梁１２０ａの接続部１１４ａと接続していない側の端部は、固定部１４０に接続され、固定部１４０は第１駆動梁１２０ａを固定（支持拘束）する。

同様に第１駆動梁１２０ｂは、複数の折り返し部と連結部を有し、複数の弾性梁が連結されたミアンダ構造を含む。折り返し部により形成される弾性梁の正のＺ側の面には、それぞれ圧電部が設けられている。第１駆動梁１２０ｂの接続部１１４ｂと接続していない側の端部は、固定部１４０に接続され、固定部１４０は第１駆動梁１２０ｂを固定（支持拘束）する。尚、第１駆動梁１２０ａ及び１２０ｂは、「１対の駆動梁」の一例である。

図２５に示すように、固定部１４０は、４つの枠辺を有する長方形状の枠構造をしており、４つの枠辺により、可動部１１０、並びに第１駆動梁１２０ａ及び１２０ｂを四方から囲んでいる。

一方、第１駆動梁１２０ａ及び１２０ｂに設けられた圧電部には、電極端子１５０からレイアウトされる不図示の電気配線を通して駆動電圧が印加される。

ここで、第１駆動梁１２０ａが有する複数の弾性梁うち、最も反射部１１２に距離が近いものから数えて偶数番目の弾性梁に設けられた圧電部を圧電駆動部群１３０Ａとする。また第１駆動梁１２０ｂが有する複数の弾性梁のうち、最も反射部１１２に距離が近いものから数えて奇数番目の弾性梁に設けられた圧電部を同様に圧電駆動部群１３０Ａとする。圧電駆動部群１３０Ａは、駆動電圧が各圧電部に対して同時に印加されると、同一方向に屈曲変形する。この変形を回動力として、可動部１１０が第１軸回りに回動する。

また、第１駆動梁１２０ａが有する弾性梁のうち、最も反射部１１２に距離が近いものから数えて奇数番目の弾性梁に設けられた圧電部を圧電駆動部群１３０Ｂとする。また第１駆動梁１２０ｂが有する弾性梁のうち、最も反射部１１２に距離が近いものから数えて偶数番目の弾性梁を同様に圧電駆動部群１３０Ｂとする。圧電駆動部群１３０Ｂは、駆動電圧が各圧電部に対して同時に印加されると、同一方向に屈曲変形する。この変形を回動力として、可動部１１０が、圧電駆動部群１３０Ａによる回動とは逆方向に第１軸回りに回動する。

第１駆動梁１２０ａ及び１２０ｂでは、圧電駆動部群１３０Ａ及び１３０Ｂが有する複数の圧電部を同時に屈曲変形させることで、屈曲変形による回動量を累積させ、可動部１１０の第１軸回りの振れ角度を大きくすることができる。電圧を印加された時の圧電駆動部群１３０Ａによる可動部１１０の回動量と、電圧を印加された時の圧電駆動部群１３０Ｂによる可動部１１０の回動量が釣り合っている時は、振れ角はゼロとなる。

ここで、可動装置１３を形成する基板（ウエハ）には、ＳＯＩ（Silicon On Insulator）基板等の半導体を用いることができる。半導体製造技術で加工することで、可動装置１３の各構成要素を一体的に形成することができる。なお、第１駆動梁１２０ａ及び１２０ｂ、並びに第２駆動梁１１６ａ及び１１６ｂの形成は、ＳＯＩ基板を成形した後に行ってもよいし、ＳＯＩ基板の成形中に行ってもよい。

＜可動装置の駆動方法＞
次に、可動装置１３の駆動方法の一例を、図２５を参照して説明する。第２軸回りの回動のために、反射部１１２と、トーションバー１１５ａ及び１１５ｂと、第２駆動梁１１６ａ及び１１６ｂからなる一体構造の共振周波数で、第２駆動梁１１６ａ及び１１６ｂに駆動電圧が印加される。共振周波数は、２０ｋＨｚ等である。

トーションバー１１５ａの一端が接続された第２駆動梁１１６ａの圧電部は、上部電極、及び下部電極を通じて駆動電圧が印加されると変形する。圧電部の変形により、第２駆動梁１１６ａは屈曲変形し、トーションバー１１５ａがねじれる。

同様に、トーションバー１１５ｂの一端が接続された第２駆動梁１１６ｂの圧電部は、上部電極、及び下部電極を通じて駆動電圧が印加されると変形する。圧電部の変形により、第２駆動梁１１６ｂは屈曲変形し、トーションバー１１５ｂがねじれる。

トーションバー１１５ａ及び１１５ｂのねじれが回動力となり、反射部１１２は第２軸回りに往復回動する。第２駆動梁１１６ａ及び１１６ｂに印加される駆動電圧の波形は、正弦波等である。反射部１１２は、正弦波の駆動電圧波形の周期で共振駆動し、往復回動する。

第１軸回りの回動においては、圧電駆動部群１３０Ａに印加される駆動電圧の波形は、例えばノコギリ波状の波形を含む。また駆動電圧の周波数は、６０Ｈｚ等である。駆動電圧の波形は、電圧値が極小値から次の極大値まで増加する立ち上がり期間の時間幅をＴｒ、電圧値が極大値から次の極小値まで減少する立ち下がり期間の時間幅をＴｆとすると、例えば、Ｔｒ：Ｔｆ＝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Ｔｒの比率を駆動電圧のシンメトリという。

圧電駆動部群１３０Ｂに印加される駆動電圧の波形は、同様に、ノコギリ波状等の波形を含む。また駆動電圧の周波数は、６０Ｈｚ等である。駆動電圧の波形は、例えば、Ｔｆ：Ｔｒ＝９：１となる比率があらかじめ設定されている。

また、圧電駆動部群１３０Ａに印加される駆動電圧の波形の周期と、圧電駆動部群１３０Ｂに印加される駆動電圧の波形の周期は、同一となるように設定されている。

上記の駆動電圧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。ここで本実施形態では、駆動電圧の波形としてノコギリ波状の波形を用いる例を示したが、これに限定されるものではない。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等、可動装置のデバイス特性に応じて波形を変えてもよい。

駆動電圧を印加された場合の第１駆動梁１２０ａ及び１２０ｂの動作は上述の通りで、圧電駆動部群１３０Ａ及び１３０Ｂの屈曲変形により、可動部１１０が第１軸回りに往復回動する。

＜可動装置の断面形状＞
次に、可動装置１３の断面形状を、図２６を参照して説明する。図２６は、図２５において第１軸に沿って切断した断面図である。

図２６は、第１駆動梁１２０ａ及び１２０ｂ、可動部１１０、並びに固定部１４０の断面構造を示している。

第１駆動梁１２０ａ及び１２０ｂは、シリコン層３０３と、シリコン層３０３の正のＺ方向側の面上に形成された圧電駆動部群１３０Ａ及び１３０Ｂとを有している。

シリコン層３０３は、圧電駆動部群１３０Ａ及び１３０Ｂの変形に応じて変形する弾性体であり、ＳＯＩ基板のシリコン層で構成される。

圧電駆動部群１３０Ａ及び１３０Ｂは、シリコン層３０３の正のＺ方向の面上に順に形成された下部電極３１１と、圧電材料３１２と、上部電極３１３とを含んでいる。下部電極３１１及び上部電極３１３は、金（Ａｕ）又は白金（Ｐｔ）等の金属薄膜で構成され、圧電材料３１２は、圧電材料であるＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛）等から構成される。

圧電駆動部群１３０Ａ及び１３０Ｂに含まれる各圧電駆動部は、何れも上記と同様の層構成を含んでいる。なお、圧電駆動部群１３０Ａ及び１３０ＢをＳｉＯ_２（酸化シリコン）のような絶縁層で覆い、その正のＺ方向に電気配線を施してもよい。

次に、可動部１１０は、支持層３５１と、支持層３５１の正のＺ方向の面に積層された層間膜３５２と、層間膜３５２の正のＺ方向の面に積層された可動層３５３とを有している。

支持層３５１は、ＳＯＩ基板の単結晶シリコンや、或いは無機材料、有機材料等で構成され、層間膜３５２は、酸化シリコン等で構成される。また可動層３５３は、第２駆動梁１１６ａ及び１１６ｂの変形に応じて変形する弾性体であり、ＳＯＩ基板のシリコン層等で構成される。ここで、支持層３５１には、図２６に示すように、反射面１４の負のＺ方向側にある反射面支持層３５１ａと、支持部１１３の負のＺ方向側にある支持部支持層３５１ｂとが含まれている。

次に、固定部１４０は、固定支持層３６１と、固定支持層３６１の正のＺ方向の面に積層された層間膜３６２と、層間膜３６２の正のＺ方向の面に積層されたシリコン層３６３とを有する。

固定支持層３６１は、ＳＯＩ基板の単結晶シリコンや、或いは無機材料、有機材料等で構成され、層間膜３６２は、酸化シリコン等で構成される。またシリコン層３６３は、ＳＯＩ基板のシリコン層で構成される。

なお、上記のシリコン層３０３及び３６３と、可動層３５３は、ＳＯＩ基板のシリコン層に限定されるものではなく、酸化剤や無機材料、有機材料等で構成されてもよい。また支持層３５１及び固定支持層３６１は、無機材料、有機材料等で構成されてもよい。

ところで、可動部１１０における第２駆動梁１１６ａ及び１１６ｂ（図２５参照）は、梁状部材と、該梁状部材に上部電極、圧電部材、下部電極を有し、少なくとも上部電極、圧電部材、下部電極が絶縁層で覆われている。また、絶縁層は駆動梁が駆動すると圧電部材と共に伸縮する。

さらに、第２駆動梁１１６ａの中央部分はトーションバー１１５ａと接続されており、第２駆動梁１１６ａの両端は、可動枠（支持部１１３）に接続されており、上部電極と下部電極の少なくとも一方の電極の第２駆動梁１１６ａの一端の側の先端の角が面取形状（例えば円弧形状やテーパ形状）になっている。

同様に、第２駆動梁１１６ｂの中央部分はトーションバー１１５ｂと接続されており、第２駆動梁１１６ｂの両端は、可動枠（支持部１１３）に接続されており、上部電極と下部電極の少なくとも一方の電極の第２駆動梁１１６ｂの一端の側の先端の角が面取形状（例えば円弧形状やテーパ形状）になっている。

なお、本実施形態では、第２駆動梁１１６ａ及び１１６ｂを、それぞれの両端が支持部１１３に接続する両持ち梁構造とする例を示したが、図２７に示されるように、第２駆動梁１１６ａ及び１１６ｂを片持ち梁構造としてもよい。片持ち梁構造においては、第２駆動梁１１６ａの一端は支持部１１３に接続し、他端はトーションバー１１５ａに接続する。また第２駆動梁１１６ｂの一端は支持部１１３に接続し、他端はトーションバー１１５ｂに接続する。

片持ち梁構造とした場合には、第２駆動梁１１６ａ及び１１６ｂに設けられた上部電極と下部電極の少なくとも一方は、トーションバーに接続している側の先端の角部が円弧形状またはテーパ形状に形成される。より好ましくは、上部電極と下部電極の両方が同じく円弧形状またはテーパ形状に形成される。

以上の構成により、第２駆動梁１１６ａ及び１１６ｂの駆動に伴う絶縁耐力の低下が発生しても、沿面放電を抑制することが可能となり、可動装置１３の耐久性の向上が図られる。

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
１０１ ミラー部
１０２ ばね部
１０３ 圧電アクチュエータ
１０４ 圧電センサ
１０５ 固定部
１０６ カンチレバー部
１０７ 支持部
２０１、２０２、２０３、２０４ 光偏向器
２２１ 駆動回路
２２２ 変位量検出部
２２３ 温度検出部
２２４ 振幅検出部
２２５ 周波数検出部
２２６ 演算部
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５４００６３６号公報

Claims (13)

1. 光を反射する反射面を有する反射部と、
   前記反射部と一端で接続される支持部と、
   前記支持部の他端と接続される固定部と、
   前記支持部を変形させて、前記反射部を揺動させる圧電部材と、
   前記圧電部材に入力された駆動信号の周波数を検出する周波数検出部と、
   前記支持部の変形に応じた検知信号を出力する圧電センサと、
   前記検知信号の信号強度を検出する変位量検出部と、
   を有し、
   少なくとも、前記周波数検出部で検出された周波数の周波数情報と、前記変位量検出部で検出された前記信号強度と、に基づいて、前記反射部の揺動角を演算する演算部を有することを特徴とする光偏向器。
2. 前記圧電部材に入力された前記駆動信号の振幅を検出する振幅検出部を有し、
   前記演算部は、少なくとも、前記周波数検出部で検出された周波数の周波数情報と、前記変位量検出部で検出された前記信号強度と、前記振幅検出部で検出された振幅の振幅情報と、に基づいて、前記反射部の揺動角を演算することを特徴とする請求項１に記載の光偏向器。
3. 前記圧電部材の周囲温度を検出する温度検出部を有し、
   前記演算部は、更に、前記温度検出部で検出された周囲温度の温度情報を加えて、前記反射部の揺動角を演算することを特徴とする請求項１または２に記載の光偏向器。
4. 前記圧電部材を駆動する駆動信号を生成する駆動信号生成部を有し、
   前記演算部は、前記駆動信号生成部から得られる駆動信号の周波数と振幅を前記振幅情報及び前記周波数情報として、前記反射部の揺動角を演算することを特徴とする請求項２に記載の光偏向器。
5. 前記圧電部材の周囲温度を検出する温度検出部を有し、
   前記演算部は、前記温度検出部で検出された周囲温度の温度情報と、前記振幅情報と、前記周波数情報を含む多項式を用いた演算により補正係数を算出し、前記信号強度に乗算することにより、前記反射部の揺動角を演算することを特徴とする請求項４に記載の光偏向器。
6. 前記揺動角の情報に基づき、前記駆動信号生成部より前記圧電部材に入力される駆動信号を制御する駆動振幅制御部を有し、
   前記駆動振幅制御部により、前記圧電部材による前記反射部の揺動角が一定となるように制御されることを特徴とする請求項４または５に記載の光偏向器。
7. 請求項１から６のいずれか１項に記載の光偏向器と、
   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。
8. 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７に記載の画像投影装置。
9. 請求項１から６のいずれか１項に記載の光偏向器を備えるヘッドアップディスプレイ。
10. 請求項１から６のいずれか１項に記載の光偏向器を備えるレーザヘッドランプ。
11. 請求項１から６のいずれか１項に記載の光偏向器を備えるヘッドマウントディスプレイ。
12. 請求項１から６のいずれか１項に記載の光偏向器と、
    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。
13. 請求項９に記載のヘッドアップディスプレイ、請求項１０に記載のレーザヘッドランプ、及び請求項１２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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