JP7622559B2 - 可動装置、測距装置、表示装置及び波長可変レーザ - Google Patents

Description

本発明は、可動装置、測距装置、表示装置及び波長可変レーザに関する。

近年、半導体製造技術を応用したマイクロマシニング技術の発達に伴い、シリコンやガラスを微細加工して製造されるＭＥＭＳ(Micro Electro Mechanical Systems)装置等の可動装置の開発が進んでいる。

このような可動装置として、回転軸となる一対のトーションバーにミラー部が接続され、該トーションバーの他端を支持するトーションバー支持部に連結されたアクチュエータの屈曲運動をミラー部の回転運動に変換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、特許文献１の構成では、ミラー部等の可動部を所望の角度で静止させる場合に、アクチュエータに電圧を印加し続ける必要があるため、消費電力が増大するうえ、印加電圧に対する可動部角度特性の経時変化により、所望の角度で可動部を静止させることができない懸念がある。そのため、電圧又は電流を印加することなく可動部を静止させることが可能な可動装置が求められている。

本発明は、電圧又は電流を印加することなく可動部を静止させることが可能な可動装置を提供することを課題とする。

本発明の一態様に係る可動装置は、可動部を駆動させる機構部と、前記機構部を駆動させる駆動部と、を備え、前記機構部は、第１凸部を含む歯車と、前記歯車の回転に応じて回転可能なカムと、を有し、前記カムが回転することにより、前記カムに接触する前記可動部を駆動させ、前記駆動部は、前記第１凸部に噛み合う第２凸部と、印加される電圧又は電流に応じて前記第２凸部を往復移動させるアクチュエータと、を有し、前記第２凸部が往復移動することにより、前記歯車を所定方向に回転させ、前記第１凸部は、前記所定方向における上流側よりも下流側が低い形状を有し、前記第２凸部は、前記所定方向における上流側よりも下流側が高い形状を有する。

本発明によれば、電圧又は電流を印加することなく可動部を静止させることが可能な可動装置を提供できる。

第１実施形態に係る可動装置の全体構成を例示する平面図である。 図１のＡ－Ａ切断線に沿う断面図である。 可動装置における第１の層の構成を例示する平面図である。 図３のＢ－Ｂ切断線に沿う断面図である。 可動装置における第２の層の構成を例示する平面図である。 図５のＣ－Ｃ切断線に沿う断面図である。 可動装置における第３の層の構成を例示する平面図である。 図７のＤ－Ｄ切断線に沿う断面図である。 歯車の歯と爪部の噛み合い例を示す平面図である。 可動部の駆動の第１例を示す平面図である。 可動部の駆動の第２例を示す平面図である。 可動部の揺動例を示す平面図である。 図１２のＥ－Ｅ切断線に沿う断面図である。 圧電アクチュエータの駆動電圧の一例を示す図である。 図１４の駆動電圧に応じた反射面の傾き角変化例の図である。 カムの第２例を示す平面図である。 カムの第３例を示す平面図である。 カムの第４例を示す平面図である。 第２実施形態に係る可動部の駆動の第１例を示す平面図である。 第２実施形態に係る可動部の駆動の第２例を示す平面図である。 第２実施形態に係る可動部の駆動の第３例を示す断面図である。 第２実施形態に係る可動部の駆動の第４例を示す断面図である。 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。 網膜投影表示装置の一例の概略図である。 網膜投影表示装置における可動装置の静止状態の第１例の図である。 網膜投影表示装置における可動装置の静止状態の第２例の図である。 網膜投影表示装置における可動装置の静止状態の第３例の図である。

以下、図面を参照して発明を実施するための形態について詳細に説明する。各図面において、同一構成部には同一符号を付し、重複した説明を適宜省略する。

なお、以下に示す図において矢印により示した方向のうち、アクチュエータ等における各層の積層方向をＺ方向、Ｚ方向に垂直な平面内で互いに直交する方向をＸ方向及びＹ方向とする。また、平面視とは、対象をＺ方向から視ることをいう。但し、これらのことは、可動装置の使用時における向きを制限するものではなく、可動装置の向きは任意である。

［第１実施形態］
（可動装置１００の構成例）
図１乃至図８を参照し、第１実施形態に係る可動装置１００の構成について説明する。図１は、可動装置１００の全体構成を例示する平面図である。図２は、図１のＡ－Ａ切断線に沿う断面図である。可動装置１００は、例えば半導体プロセスにより製作されたＭＥＭＳ装置である。

図１及び図２に示すように、可動装置１００は、可動部３を含む第１の層１０と、機構部１及び駆動部２を含む第２の層２０と、第３の層３０と、を含んでいる。例えば、第１の層１０は、１枚のＳＯＩ（Silicon On Insulator）基板をエッチング処理すること等により成形され、第２の層２０及び第３の層３０は、１枚のＳＯＩ基板をエッチング処理すること等により成形される。可動装置１００は、成形された２枚の基板を接着剤等の接合部材４０を介して接合することによって製作される。

図３は、第１の層１０の構成を例示する平面図である。図４は、図３のＢ－Ｂ切断線に沿う断面図である。図５は、第２の層２０の構成を例示する平面図である。図６は、図５のＣ－Ｃ切断線に沿う断面図である。図７は、第３の層３０の構成を例示する平面図である。図８は、図７のＤ－Ｄ切断線に沿う断面図である。

図１乃至図８に示すように、可動装置１００は、機構部１と、駆動部２とを備える。機構部１及び駆動部２はＹ方向に並んで設けられている。

機構部１は、歯（第１凸部）を含む歯車１１と、歯車１１の回転に応じて回転可能なカム１２と、を備える。歯車１１とカム１２は、軸心部材１３を用いて連結しており、軸心部材１３の中心を通ってＺ軸に平行な軸である回転軸Ｌ周りに回転可能である。駆動部２は、歯車１１の歯に噛み合う爪部２１（第２凸部）と、圧電アクチュエータ２２と、爪部２１と圧電アクチュエータ２２とを接続する接続部２３と、を備える。

圧電アクチュエータ２２は、印加される電圧又は電流に応じて爪部２１を往復移動させるアクチュエータの一例である。圧電アクチュエータ２２は、弾性部２２１と、圧電部２２２と、を備える。

図５及び図６に示すように、弾性部２２１は、圧電部２２２を囲む枠部２２１ａと、枠部２２１ａに架け渡された梁部２２１ｂと、を含む。弾性部２２１は、例えばシリコン活性層により構成されており、弾性を有する。枠部２２１ａにおける＋Ｘ方向側の端部２２１ｃは、固定部２４に接続しており、－Ｘ方向側の端部２２１ｄは、接続部２３に接続している。接続部２３は、シリコン活性層により構成されており、弾性を有する。

圧電部２２２は、梁部２２１ｂにおける＋Ｚ方向側の面に、下部電極、圧電素子及び上部電極がこの順に積層されることにより構成されている。上部電極及び下部電極は、例えば金（Ａｕ）又は白金（Ｐｔ）等を含む。圧電素子は、例えば、圧電材料であるＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛）を含む。

駆動部２は、印加電圧に応じて圧電部２２２をＹ方向に伸縮させることより、弾性部２２１の－Ｘ方向側の端部２２１ｄをＸ方向に往復移動させると共に、端部２２１ｄに接続部２３を介して接続している爪部２１をＸ方向に往復移動させる。

爪部２１と歯車１１の歯が噛み合い、爪部２１による往復移動の駆動力が歯車１１に伝達されることによって、歯車１１は、Ｚ方向と平行な回転軸Ｌ周りに回転方向２１ａに沿って回転する。換言すると、駆動部２は、爪部２１がＸ方向に往復移動することにより、歯車１１を回転方向２１ａ（所定方向）に回転させることができる。

機構部１は、歯車１１の回転に応じてカム１２が回転することにより、カム１２の外周面１２１に接触する可動部３に一体形成された支柱３１を、Ｙ方向に往復移動させる。押板１４ａ乃至１４ｃは、回転に伴う歯車１１のＺ方向への変位を抑える部材である。

可動部３は、機構部１の＋Ｚ方向側に配置されており、＋Ｚ方向側の面に反射面３４が設けられている板状部材である。可動部３は、Ｘ方向に沿って可動部３を挟むように設けられた捻れ梁であるトーションバー３２ａ及び３２ｂの各々の一端に接続している。トーションバー３２ａ及び３２ｂは、シリコン活性層により構成されており、弾性を有する。

トーションバー３２ａ及び３２ｂの各々の他端は、支持枠３３に接続している。トーションバー３２ａ及び３２ｂは、トーションバー３２ａ及び３２ｂの各々の中心軸を通ってＸ方向と平行な揺動軸Ｍ周りに、可動部３を揺動可能に支持する支持部の一例である。

可動部３は、支柱３１がＹ方向に往復移動することにより、揺動軸Ｍ周りに連続的に傾きを変化させる。

図７に示すように、第３の層３０は、機構部１を支持する機構部支持部４１と、駆動部２を支持する駆動部支持部４２とを含んでいる。

（可動部３の駆動例）
図９乃至図１３を参照して、可動部３が駆動される様子について説明する。

図９は、歯車１１と爪部２１の噛み合い例を示す平面図である。図９に示すように、歯車１１の外周面には歯１１１が形成されている。歯１１１は、回転方向２１ａにおける上流側よりも下流側が低い形状を有する。

回転方向２１ａにおける上流側よりも下流側が低い歯１１１の形状とは、歯１１１と爪部２１とが向き合う方向（例えばＹ方向）において、回転方向２１ａにおける歯１１１の上流側部分よりも下流側部分の方が駆動部２から遠い側に位置する歯１１１の形状を意味する。このような歯１１１の形状は、例えば、回転方向２１ａにおける上流側よりも下流側が低い傾斜面である。

駆動部２における爪部２１は、歯１１１に係合（噛み合い）可能に設けられている。爪部２１は、回転方向２１ａにおける上流側よりも下流側が高い形状を有する。

回転方向２１ａにおける上流側よりも下流側が高い爪部２１の形状とは、爪部２１と歯１１１とが向き合う方向（例えばＹ方向）において、回転方向２１ａにおける爪部２１の上流側部分よりも下流側部分の方が機構部１に近い側に位置する爪部２１の形状を意味する。このような爪部２１の形状は、例えば、回転方向２１ａにおける上流側よりも下流側が高い傾斜面である。

印加電圧に応じて圧電アクチュエータ２２の圧電部２２２が－Ｙ方向側に収縮すると、枠部２２１ａが－Ｙ方向に収縮すると共に、爪部２１が－Ｘ方向側に変位する。これにより、爪部２１は、爪部２１の傾斜に応じて、接続部２３を＋Ｙ方向側に押しながら－Ｘ方向側に移動する。この移動により、爪部２１が歯１１１の最も高い部分を超えると、爪部２１は、接続部２３によって－Ｙ方向側に付勢され、歯１１１の最も低い部分に押し戻される。

爪部２１が歯１１１の最も低い部分に押し戻された状態において、圧電部２２２への印加電圧が０［Ｖ］になると、圧電部２２２が収縮した状態から元の状態に戻るように伸長すると共に、枠部２２１ａは、弾性復元力により元の状態に戻るように伸長する。枠部２２１ａの伸長に応じて爪部２１が＋Ｘ方向側に変位すると、爪側垂直面２１１が歯側垂直面１１２を＋Ｘ方向側に押す。これにより、歯車１１が回転方向２１ａに回転する。ここで、爪側垂直面２１１は、Ｘ方向に略直交する爪部２１の面を意味し、歯側垂直面１１２は、Ｘ方向に略直交する歯１１１の面を意味する。

歯車１１は、圧電部２２２がＹ方向に１回伸長及び収縮することにより、歯１１１の間隔（ピッチ）に対応する角度分回転する。駆動部２は、圧電部２２２がＹ方向への伸長及び収縮の動作を繰り返すことにより、歯車１１を回転させることができる。

図１０は、可動部３の駆動の第１例を示す平面図である。図１１は、可動部３の駆動の第２例を示す平面図である。

図１０及び図１１に示すように、カム１２は、平面視において、半径方向に延伸する直線部を一部に含み、回転軸Ｌに対して非軸対称な形状を有する板状部材である。この平面視形状により、カム１２は、回転軸Ｌと接触部３１１との距離がカム１２の回転に応じて変化するようになっている。接触部３１１は、カム１２が支柱３１に接触する部分を意味する。

図１０に示す状態では、回転軸Ｌと接触部３１１との間の距離はｄ１である。一方、図１０に示す状態から回転方向２１ａに略２７０度回転した図１１に示す状態では、回転軸Ｌと接触部３１１との間の距離は、最長距離に対応するｄ２である。

カム１２が回転することにより図１０に示す状態から図１１に示す状態に遷移すると、支柱３１は、カム１２の外周面１２１に押されて－Ｙ方向側に「ｄ２－ｄ１」の距離を移動する。その後さらにカム１２が回転すると、回転軸Ｌと接触部３１１との間の距離は短くなり、この距離に応じて支柱３１は＋Ｙ方向側に移動する。その後さらにカム１２が回転するにつれて、回転軸Ｌと接触部３１１との間の距離は徐々に長くなり、この距離に応じて支柱３１は－Ｙ方向側に徐々に移動する。

このように、駆動部２が歯車１１を回転させると、歯車１１の回転に応じてカム１２が回転することにより、機構部１は、カム１２の外周面１２１に接触する可動部３の支柱３１をＹ方向に移動させることができる。可動部３の支柱３１は、カム１２が回転を繰り返すことにより、Ｙ方向に往復移動する。

図１２は、可動部３の支柱３１がＹ方向に往復移動することにより、可動部３が揺動する様子の一例を示す平面図である。図１３は、図１２のＥ－Ｅ切断線に沿う断面図である。

可動部３は、トーションバー３２ａ及び３２ｂにより支持されているため、支柱３１がＹ方向に移動してもその位置は変化せず、トーションバー３２ａ及び３２ｂが捻れることにより揺動軸Ｍ周りに傾く。可動部３の支柱３１がＹ方向に往復移動することにより、可動部３は、連続的に傾きを変化させ、揺動軸Ｍ周りに揺動する。

可動部３は、揺動することにより、例えば反射面３４に入射するレーザ光の反射方向を変化させ、反射されたレーザ光による照射位置を変化させることができる。

（圧電アクチュエータ２２の駆動電圧の一例）
図１４は、圧電アクチュエータ２２の駆動電圧の一例を示す図である。図１５は、図１４の駆動電圧に応じた反射面３４の傾き角変化の一例を示す図である。

図１４に示すように、圧電アクチュエータ２２には、周期Ｔで電圧値Ｖのパルス状の電圧が印加される。圧電部２２２は、電圧値Ｖの電圧の印加に応じて－Ｙ方向側に収縮し、圧電部２２２と共に枠部２２１ａも－Ｙ方向に収縮する（図９参照）。印加される電圧値が０［Ｖ］になると、圧電部２２２は元の状態に戻るように伸長し、枠部２２１ａは、弾性復元力によって、収縮した状態から元の状態に戻るように収縮する。

枠部２２１ａが伸長する際に、爪側垂直面２１１が歯側垂直面１１２を＋Ｘ方向側に押すことにより、歯車１１が回転方向２１ａに回転する。歯車１１の回転に応じてカム１２の外周面１２１が支柱３１を押すことにより、可動部３における反射面３４の傾き角が変化する。

反射面３４は、枠部２２１ａが伸長する際に傾き角を直ちに変化させ、枠部２２１ａが元の状態に戻ると、傾き角の変化を停止させる。そのため、図１５に示すように、反射面３４の傾き角は、圧電アクチュエータ２２へ周期Ｔでパルス状の電圧が繰り返し印加されることに応じて階段状に大きくなるように変化する。そして、回転軸Ｌと接触部３１１との間の距離が最長のｄ２になった際に、反射面３４の傾き角は最大になる。その後、回転軸Ｌと接触部３１１との間の距離が短くなることにより反射面３４の傾き角は、一旦最小になった後、カム１２の回転に応じて徐々に大きくなるように変化する。

圧電アクチュエータ２２は、電圧値Ｖの電圧が印加されることにより駆動し、印加される電圧が０［Ｖ］の状態、即ち電圧が印加されていない状態では、駆動を停止する。圧電アクチュエータ２２が駆動を停止した場合にも、歯車１１の歯１１１と爪部２１が噛み合うことにより機構部１は動かない。この機構部１の状態に応じて、可動部３は、電圧が印加されなくても静止した状態を維持する。換言すると、可動装置１００は、電圧を印加することにより可動部３を駆動させ、電圧を印加しないことにより可動部３を静止させることができる。

（可動装置１００の作用効果）
次に、可動装置１００の作用効果について説明する。

プロジェクタ等の表示装置や、ＬｉＤＡＲ（Light Detection And Ranging）等センシング装置に搭載される光走査部をＭＥＭＳデバイスにより実現する技術開発が活発化しており、一部の用途では既に実用化されている。

一方で、近年、ＭＥＭＳデバイスには、可動部の共振を利用してレーザ光を走査する機能以外の機能への要求が高まり始めている。例えば表示装置の用途では、使用者の視線に合わせて描画位置を変更する機能等が要求されている。センシング装置の用途では、より詳細にセンシングしたい領域に合わせてセンシング位置を変更する機能等が要求されている。

このような要求に応えるため、所望の角度で静止し続けることができるＭＥＭＳデバイスが求められている。例えば、通信用途で光スイッチとして使用されるＭＥＭＳデバイスでは、ＭＥＭＳデバイスの角度に応じて光信号入力のオンとオフとを切り替え、ＭＥＭＳデバイスを静止させることにより、光信号入力のオン又はオフの状態を維持するものが開示されている。

しかしながら、従来の構成では、ミラー部等の可動部を所望の角度で静止させる場合にアクチュエータに電圧を印加し続ける必要がある。これにより消費電力が大きくなるうえ、印加電圧に対する可動部角度特性の経時変化により、所望の角度で可動部を静止させることができない懸念がある。このことから、電圧又は電流を印加することなく可動部を静止させることが可能な可動装置が求められている。

本実施形態に係る可動装置１００は、可動部３を駆動させる機構部１と、機構部１を駆動させる駆動部２と、を備える。機構部１は、歯１１１（第１凸部）を含む歯車１１と、歯車１１の回転に応じて回転可能なカム１２と、を有する。可動装置１００は、カム１２が回転することにより、カム１２に接触する可動部３を駆動させる。

駆動部２は、歯１１１に噛み合う爪部２１（第２凸部）と、印加される電圧に応じて爪部２１を往復移動させる圧電アクチュエータ２２（アクチュエータ）と、を有し、爪部２１が往復移動することにより、歯車１１を回転方向２１ａ（所定方向）に回転させる。

歯１１１は、回転方向２１ａにおける上流側よりも下流側が低い形状を有し、爪部２１は、回転方向２１ａにおける上流側よりも下流側が高い形状を有する。

駆動部２は、電圧が印加されていない状態では、圧電アクチュエータ２２の駆動を停止させる。この場合にも、回転方向２１ａにおける上流側よりも下流側が低い形状を有する歯１１１と、回転方向２１ａにおける上流側よりも下流側が高い形状を有する爪部２１とが噛み合うことにより機構部１は動かない。そのため、可動部３は静止した状態を維持でき、可動装置１００は、電圧を印加することなく可動部３を静止させることができる。

このようにして、本実施形態では、電圧又は電流を印加することなく可動部３を静止させることが可能な可動装置１００を提供できる。そして可動装置１００の消費電力を抑制すると共に、印加電圧に対する可動部３の角度特性の経時変化を抑えて、可動部３を所望の角度で静止させることができる。

また、本実施形態では、カム１２は、カム１２の回転軸Ｌと接触部３１１との間の距離が、カム１２の回転に応じて変化する。この構成により、圧電アクチュエータ２２の往復移動に基づく歯車１１の回転に応じて、可動部３の支柱３１を移動させることが可能となる。

本実施形態では、カム１２として回転軸Ｌに対して非軸対称な形状を有するものを例示したが、これに限定されるものではない。カム１２の回転軸Ｌと接触部３１１との間の距離がカム１２の回転に応じて変化するものであれば、任意の形状のカムを使用することができる。

図１６乃至図１８は、変形例に係るカム１２ａ乃至１２ｃの構成を示す図である。図１６に示すように、カム１２ａは、回転軸Ｌに対して偏心している円板状部材である。図１７に示すように、カム１２ｂは、外形が楕円状である板状部材である。図１８に示すように、カム１２ｃは、外形が扇形状である板状部材である。カム１２ａ乃至１２ｃの各々は、回転軸Ｌ周りに回転することにより、回転軸Ｌと接触部３１１との間の距離が回転に応じて変化する。従って、カム１２ａ乃至１２ｃを用いても、上述した実施形態と同様の効果を得ることができる。

カム１２における回転軸Ｌと接触部３１１との距離によって可動部３の移動量を変化させることができるため、要求される可動部３の移動量に応じて回転軸Ｌと接触部３１１との距離を決定することが好ましい。

歯車１１の直径が大きいほど小さい力で可動部３を移動できるため、要求される可動部３の移動量に応じて歯車１１の直径を決定することが好ましい。

また、可動装置１００は、支柱３１が一体に形成された可動部３と、可動部３を揺動可能に支持するトーションバー３２ａ及び３２ｂ（支持部）と、を備える。可動部３は、支柱３１の一部が機構部１により移動されることによって揺動する。この構成により、可動部３を揺動ミラーとして利用することができ、可動部３に設けられた反射面３４に入射する光を所望の方向に反射したり、反射面３４による反射光を被走査面上で走査させたりすることが可能になる。

また、本実施形態では、可動装置１００は、アクチュエータとして圧電アクチュエータ２２を備える。圧電アクチュエータ２２は、強い力を発生可能であるため、枠部２２１ａの弾性復元力よりも大きい力で爪部２１を移動させることができる。但し、アクチュエータは、圧電アクチュエータ２２に限定されるものではなく、静電アクチュエータや電磁アクチュエータ等を用いることもできる。

本実施形態では、可動装置１００が可動部３を備える構成を例示したが、可動装置１００は、必ずしも可動部３を備えなくてもよく、外部装置が備える可動部を可動装置１００が駆動させる構成であってもよい。

本実施形態では、半導体プロセスにより製作可能なＭＥＭＳ装置である可動装置１００を例示したが、これに限定されるものではない。可動装置はＭＥＭＳ装置以外の装置であってもよいし、半導体プロセス以外の製造方法により製作されてもよい。但し、可動装置を小型化する観点では、可動装置をＭＥＭＳ装置により構成することがより好ましい。

［第２実施形態］
次に、第２実施形態に係る可動装置１００ａについて説明する。なお、第１実施形態と同じ構成部には同じ符号を付し、重複する説明を適宜省略する。

図１９乃至図２２は、可動装置１００ａの構成の一例を説明する図である。図１９は、可動装置１００ａが備える可動部３ａの駆動の第１例を示す平面図である。図２０は、可動部３ａの駆動の第２例を示す平面図である。図２１は、可動部３ａの駆動の第３例を示す断面図である。図２０は、可動部３ａの駆動の第４例を示す断面図である。

図１９乃至図２２に示すように、可動装置１００ａは、可動部３ａと、周期構造体６とを備える。可動部３ａは、支持梁３５を介して支持体５に接続している。周期構造体６は、支持体５の内周側に設けられている。

可動部３ａは、機構部１が備えるカム１２に接触するように設けられた直方体状の部材である。図２１及び図２２に示すように、可動部３ａは、回転軸Ｌと接触部３１１ａとの間の距離がｄ３からｄ４まで変化する範囲内において、カム１２の回転に応じてＹ方向に沿って往復移動する。

駆動部２による歯車１１の回転駆動、歯車１１の回転に応じたカム１２の回転、並びに、カム１２の回転に応じた可動部３ａの往復移動は、第１実施形態と同様である。但し、可動部３ａはＹ方向に沿って並進移動する点は、第１実施形態における可動部３とは異なる。

支持梁３５は、Ｘ方向における両側から可動部３ａを支持する弾性部材であり、例えばシリコン活性層により構成されている。支持梁３５は、可動部３ａの移動に応じて変形可能である。

周期構造体６は、所定の周期で形成された周期構造を含み、一端が支持体５に固定支持され、他端が可動部により押圧可能に設けられている。周期構造体６に含まれている周期構造は、機構部１により駆動される可動部３ａに押圧されて周期構造体６が変形することにより、周期が変化する。

周期構造体６は、可動格子構造と固定格子構造とが交互に並ぶ構成を備える。周期構造体６は、例えば、特許６５９８１８４号公報に開示されているように、周期構造の周期が増加する方向に変形すると、周期構造体６を透過する光又は周期構造体６で反射される光の波長を長波長側にシフトさせることができる。また周期構造体６は、周期構造の周期が減少する方向に変形すると、周期構造体６を透過する光又は周期構造体６で反射される光の波長を短波長側にシフトさせることができる。

但し、周期構造体６の構成は、可動格子構造と固定格子構造とが交互に並ぶものに限定されるものではない。周期構造体６に入射した光の波長を変化させることができれば、周期構造体６は、可動周期構造と固定構造が交互に並ぶ構成や、格子構造や周期構造間の距離が伸縮可能な構成を備えてもよい。

可動装置１００ａの応用の一つとして、所定波長のレーザ光を射出するレーザ光源と、可動装置１００ａと、を含んで波長可変レーザを構成することもできる。該波長可変レーザは、レーザ光源が射出するレーザ光を可動装置１００ａの周期構造体６に入射させることにより、その透過光又は反射光の波長をシフトさせ、所望の波長に変化させることができる。

以上説明したように、本実施形態では、印加される電圧が０［Ｖ］の状態において、駆動部２における圧電アクチュエータ２２が駆動停止した場合にも機構部１は動かず、可動部３ａは静止した状態を維持すると共に、周期構造体６は変形状態を維持する。これにより、可動装置１００ａは、電圧又は電流を印加することなく、周期構造体６を透過する光又は周期構造体６で反射される光の波長変化を抑制し、安定化させることができる。なお、これ以外の効果は、第１実施形態で示したものと同様である。

［その他の好適な実施形態］
図２３乃至図２８を参照して、上述した可動装置１００又は１００ａの応用例について説明する。

（測距装置）
図２３は、ライダ装置７００を搭載した自動車７０１の一例の概略図である。図２４は、ライダ装置７００の一例の概略図である。ライダ装置７００は、可動装置１００を備える測距装置の一例である。

図２３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により、被対象物７０２を認識する。

図２４に示すように、光源装置７１２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３４を有する可動装置１００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７１２及び可動装置１００は、可動装置１００を制御する制御装置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７１２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、又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３４を有する可動装置１００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。

このように実施形態に係る可動装置１００を測距装置に用いることにより、可動装置１００の消費電力を抑制すると共に、印加電圧に対する可動部３の角度特性の経時変化を抑え、所望の角度で可動部３を静止させることができる測距装置を提供できる。

（網膜投影表示装置８００）
図２５は、網膜投影表示装置８００の一例の概略図である。網膜投影表示装置８００は、ウェアラブル端末であって、マクスウェル視を利用してレーザ走査によりユーザの網膜上に直接画像を形成（描画）する網膜描画方式のヘッドマウントディスプレイ（ＨＭＤ；Head Mounted Display）である。この網膜投影表示装置８００は、表示装置の一例である。

図２５に示すように、網膜投影表示装置８００は、画像用レーザ光源部８０１と、レンズ８０２と、レンズ８０３と、走査ミラー８０４と、可動装置１００と、投影光学素子８０６と、検出用レーザ光源８０７と、光検出素子８０８と、反射素子８０９とを備える。また、網膜投影表示装置８００は、メガネフレーム８１０と、制御部８１１とを備える。

メガネフレーム８１０は、ツル１０１及びリム１０２を含み、リム１０２にはメガネレンズ１０３が保持されている。画像用レーザ光源部８０１、レンズ８０２、レンズ８０３、走査ミラー８０４、可動装置１００及び制御部８１１はツル１０１の内部に設けられている。また投影光学素子８０６は、リム１０２に保持されたメガネレンズ１０３の表面に設けられている。ユーザは、メガネフレーム８１０を耳にかけることにより、網膜投影表示装置８００を頭部に装着できる。

画像用レーザ光源部８０１は、単一又は複数の波長の画像用レーザ光線Ｌｉを射出する半導体レーザである。モノクロの画像を表示する場合には、画像用レーザ光源部８０１として、単一波長の画像用レーザ光線Ｌｉを射出するレーザ光源が用いられる。カラーの画像を表示する場合には、画像用レーザ光源部８０１として、赤色半導体レーザ、緑色半導体レーザ、及び青色半導体レーザ等の複数の波長のレーザ光線を射出するレーザ光源が用いられる。画像用レーザ光源部８０１は、制御部８１１からの形成駆動信号ＳＬ１に応答して画像用レーザ光線Ｌｉを射出する。

走査ミラー８０４は、略直交する２つの軸周りに揺動するミラーであり、画像用レーザ光源部８０１から照射された画像用レーザ光線Ｌｉを走査する。走査ミラー８０４は、揺動して角度を変化させることにより、入射される画像用レーザ光線Ｌｉを走査させ、一つの視野に表示される画像を、眼球８３０における網膜８３２に形成する。

走査ミラー８０４は、入射される画像用レーザ光線ＬｉをＸ方向及びＹ方向に走査させる。図２５におけるＸ方向は、時間的に連続して画素が描画され、一連の画素群が形成される主走査方向に対応する。またＹ方向は、主走査方向と直交し、一連の画素群を並べる副走査方向に対応する。副走査方向への走査速度と比較して、主走査方向への走査速度は高速に設定されている。走査された画像用レーザ光線Ｌｉにより画像が形成される。

また、走査ミラー８０４は、走査駆動信号ＳＳの制御によりＹ方向に沿ってｎ段階に画像光の偏向方向を離散的に切り替え、網膜８３２に形成される画像の網膜８３２上での位置を切り替え可能である。ｎは１以上の整数である。本実施形態では、ｎ＝３段階に画像光の偏向方向を切り替える例を示すが、これに限定されるものではなく、ｎの値は適宜選択できる。なお、画像光とは画像を形成するための光を意味する。走査ミラー８０４には、２軸のＭＥＭＳミラー等を使用できる。

可動装置１００は走査ミラー８０４と投影光学素子８０６との間に設けられている。可動装置１００は、傾きを変化させることにより画像用レーザ光線Ｌｉによる画像光を偏向させる。可動装置１００は、走査された画像用レーザ光線Ｌｉを網膜８３２に照射するよう偏向させる。可動装置１００の偏向方向は、離散的及び選択的に切り替え可能である。可動装置１００は、Ｙ方向に沿った軸周りに揺動し、偏向駆動信号ＳＴにより、ｍ段階の傾きのうちの何れか１つの傾きで静止して固定される。

偏向された画像光は投影光学素子８０６に向けて照射される。可動装置１００は、走査ミラー８０４による画像光の偏向方向をＸ方向に沿ってｍ段階に切り替え可能である。なお、ｍは１以上の整数である。本実施形態では、ｍ＝３段階に画像光の偏向方向を切り替える例を示すが、これに限定されるものではなく、ｍの値は適宜選択できる。

投影光学素子８０６は、走査ミラー８０４と網膜８３２との間に配置されている。投影光学素子８０６は、可動装置１００から照射される画像用レーザ光線Ｌｉをユーザの眼球８３０に向けて反射し、且つ集光させるホログラフィック光学素子を有する。

投影光学素子８０６はｎ×ｍ = ｘ［個］の異なる集光特性を有するホログラム領域が光学的に記録された素子である。なお、ｘは２以上の整数である。例えばｎ=１の場合にはｍ＝２とし、ｍ＝１の場合にはｎ＝２とすることができる。

各ホログラム領域は、眼球８３０における瞳孔８３１近傍の異なるｘ=９［個］の視域に画像用レーザ光線Ｌｉを集光させる。ｘ＝９［個］の視域は、ユーザがｘ＝９［個］の視線方向を見た際に、画像用レーザ光線Ｌｉがユーザの眼の瞳孔８３１内に含まれるように位置する。

検出用レーザ光源８０７と、光検出素子８０８とを配備する構成は、網膜投影表示装置８００を装着したユーザの視線方向を検出する。検出用レーザ光源８０７は、眼球８３０に検出用レーザ光線Ｌｓを照射し、光検出素子８０８は、照射された検出用レーザ光線Ｌｓの眼球８３０による反射光を受光して、受光した光強度に応じた検出信号ＳＤを制御部８１１に出力する。

制御部８１１は、検出信号ＳＤに基づきユーザの視線方向を推定し、視線方向を示す情報を取得する。また制御部８１１は取得された視線情報に応じて網膜８３２に画像を投影する位置を制御する。

検出信号ＳＤは投影位置を制御部８１１に提供するための投影位置情報又は像形成対象位置情である。光検出素子８０８は、制御部８１１に投影位置情報又は像形成対象位置情報を出力する。但し、視線方向検出部の構成は、検出用レーザ光源８０７と、光検出素子８０８とを備える構成に限定されるものではなく、如何なるアイトラッキング技術を適用してもよい。

検出用レーザ光源８０７は、眼球８３０の角膜に向けて検出用レーザ光線Ｌｓを照射するＶＣＳＥＬ（垂直共振器面発光レーザ；Vertical Cavity Surface Emitting LASER）やＬＤＡ（Laser Diode Array）等のアレイ光源である。検出用レーザ光源８０７は、ｘ＝９［個］の視域により提供される視野数に対応させて９［個］の発光部を有している。検出用レーザ光源８０７から出射される検出用レーザ光線Ｌｓの波長は、視線方向を検出されるユーザの視認が阻害されないように、非可視光である近赤外光の波長であることが好ましい。但し、これに限定はされず、可視光であってもよい。

光検出素子８０８は、検出用レーザ光源８０７のｘ［個］の発光部より射出され、反射素子８０９を介して眼球８３０に入射され、眼球８３０で反射された検出用レーザ光線Ｌｓを受光する少なくとも一つのフォトダイオードである。

制御部８１１は、形成する画像の元となる画像データＤａｔを入力し、画像データＤａｔに基づき、画像用レーザ光源部８０１による画像用レーザ光線Ｌｉの射出を制御する。検出用レーザ光源８０７のｘ＝９［個］の発光部を検出駆動信号ＳＬ２により順次点灯させ、検出用レーザ光線Ｌｓの射出を制御する。検出用レーザ光源８０７の各発光部の発光タイミングと、光検出素子８０８による検出信号ＳＤに基づき、予め定められたｘ=９［個］の視野のうち、どの視野に視線が向いているかに対応する視線方向を推定する。走査ミラー８０４の走査駆動信号ＳＳにより、走査ミラー８０４による画像用レーザ光線Ｌｉの走査を制御する。可動装置１００の偏向駆動信号ＳＴにより可動装置１００の傾きを制御する。

図２６乃至図２８は、網膜投影表示装置８００における可動装置１００の静止状態を示す図である。

図２６は、第１例を示す図であり、Ｘ方向における被走査面８３の中央に位置する投影領域８４に画像が投影されるように、可動装置１００の可動部３を角度θで静止させた場合を示している。

図２７は、第２例を示す図であり、Ｘ方向における被走査面８３の－Ｘ方向側に位置する投影領域８４'に画像が投影されるように、可動装置１００の可動部３を角度θＬで静止させた場合を示している。

図２８は、第３例を示す図であり、Ｘ方向における被走査面８３の＋Ｘ方向側に位置する投影領域８４"に画像が投影されるように、可動装置１００の可動部３を角度θＲで静止させた場合を示している。

このように、可動装置１００は、走査された画像用レーザ光線Ｌｉを偏向させることにより、画像の投影領域の位置をＸ方向に沿って３段階に変化させることができる。可動装置１００を適用することにより、網膜投影表示装置８００の消費電力を抑制すると共に、印加電圧に対する可動部３の角度特性の経時変化を抑え、所望の角度で可動部３を静止させることができ、画像の投影領域の位置変化を抑制できる。

以上、好ましい実施形態等について詳説したが、上述した実施形態等に制限されることはなく、特許請求の範囲に記載された範囲を逸脱することなく、上述した実施形態等に種々の変形及び置換を加えることができる。

例えば、上記の各実施形態では可動部がミラー部を有しているが、可動部はミラー部の代わりに回折格子、フォトダイオード、ヒータ（例えば、ＳｉＮを用いたヒータ）、光源（例えば、面発光型レーザ）等を有してもよい。

１ 機構部
１０ 第１の層
１１ 歯車
１１１ 歯（第１凸部の一例）
１１２ 歯側垂直面
１２ カム
１２１ 外周面
１３ 軸心部材
２ 駆動部
２０ 第２の層
２１ 爪部（第２凸部の一例）
２１１ 爪側垂直面
２１ａ 回転方向（所定方向の一例）
２２ 圧電アクチュエータ（アクチュエータの一例）
２２１ 弾性部
２２１ａ 枠部
２２１ｂ 梁部
２２１ｃ 弾性部の＋Ｘ方向側の端部
２２１ｄ 弾性部の－Ｘ方向側の端部
２２２ 圧電部
２３ 接続部
３ 可動部
３０ 第３の層
３１ 支柱
３１１ 接触部
３２ａ、３２ｂ トーションバー（支持部の一例）
３３ 支持枠
３４ 反射面
３５ 支持梁
４１ 機構部支持部
４２ 駆動部支持部
５ 支持体
６ 周期構造体
１００ 可動装置
７００ ライダ装置（測距装置の一例）
８００ 網膜投影表示装置（表示装置の一例）
Ｌ 回転軸
Ｍ 揺動軸
ｄ１、ｄ２、ｄ３、ｄ４ 距離
Ｔ 周期
Ｖ 電圧値

特許５３２３１５５号公報

Claims (10)

1. 可動部を駆動させる機構部と、
   前記機構部を駆動させる駆動部と、を備え、
   前記機構部は、第１凸部を含む歯車と、前記歯車の回転に応じて回転可能なカムと、を有し、前記カムが回転することにより、前記カムに接触する前記可動部を駆動させ、
   前記駆動部は、前記第１凸部に噛み合う第２凸部と、印加される電圧又は電流に応じて前記第２凸部を往復移動させるアクチュエータと、を有し、前記第２凸部が往復移動することにより、前記歯車を所定方向に回転させ、
   前記第１凸部は、前記所定方向における上流側よりも下流側が低い形状を有し、
   前記第２凸部は、前記所定方向における上流側よりも下流側が高い形状を有する可動装置。
2. 前記カムは、前記カムの回転軸と、前記カムが前記可動部に接触する接触部と、の間の距離が、前記カムの回転に応じて変化する請求項１に記載の可動装置。
3. 前記アクチュエータは圧電素子を有する請求項１又は２に記載の可動装置。
4. 前記可動部を備える請求項１乃至３の何れか１項に記載の可動装置。
5. ＭＥＭＳ装置である請求項１乃至４の何れか１項に記載の可動装置。
6. 支柱が一体に形成された前記可動部と、
   前記可動部を揺動可能に支持する支持部と、を備え、
   前記可動部は、前記支柱の一部が前記機構部により移動されることによって揺動する請求項１乃至５の何れか１項に記載の可動装置。
7. 前記可動部と、
   所定の周期で形成された周期構造を含み、一端が固定支持され、他端が前記可動部により押圧可能に設けられた周期構造体と、を備え、
   前記周期構造は、前記機構部により駆動される前記可動部に押圧されて前記周期構造体が変形することにより、前記周期が変化する請求項１乃至５の何れか１項に記載の可動装置。
8. 請求項６に記載の可動装置を備える測距装置。
9. 請求項６に記載の可動装置を備える表示装置。
10. 請求項７に記載の可動装置を備える波長可変レーザ。

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