JP2013205818A - 光偏向器 - Google Patents

Abstract

【課題】 圧電アクチュエータを鋸歯状波形の電圧信号で駆動するときに、リンギングの発生を効果的に抑制できる光偏向器を提供する。
【解決手段】 光偏向器Ａ１は、可動部９の第２軸Ｘ２周りの揺動に関する機械的な固有振動数を検知する制御回路２０を備える。制御回路２０は、この固有振動数及びその高調波成分を除去した鋸歯状波形の電圧信号を外側圧電アクチュエータ１０ａ，１０ｂに印加する。そして、制御回路２０は、検知用圧電体６２から出力される電圧信号の周波数成分のうち、所定の周波数範囲内において、第２閾値Ｇ２以上となった周波数成分を駆動電圧から除去する。
【選択図】 図３

Description

本発明は、反射面を揺動可能な光偏向器に関する。

従来、反射面を有するミラー部と、該ミラー部を駆動する一対の圧電アクチュエータとを備えた光偏向器が知られている（特許文献１）。このような光偏向器の圧電アクチュエータに印加する電圧信号は、正弦波形等の周期性を有する波形が用いられる。特許文献１に開示された光偏向器では、一対の圧電アクチュエータの各々に、周期性を有し、互いに逆位相となる鋸歯状波形の電圧信号を印加する。

このような光偏向器を、例えば、プロジェクタ等のような画像を表示する装置に用いる場合には、走査の速度が一定でないと、走査方向において画像が歪む。このため、走査の速度が一定の領域のみを画像の表示に用いることとなる。走査の速度を一定にするためには、圧電アクチュエータに印加する電圧信号を、その１周期の間に直線（又は略直線）となっている区間が長いものにすることが望ましい。

鋸歯状波形は、正弦波形に比べて、１周期の間に直線（又は略直線）となっている区間が長い。従って、圧電アクチュエータに印加する電圧信号を鋸歯状波形とすることで、電圧信号を正弦波形にした場合に比べて、ミラー部の駆動の速度、すなわち光偏向器の走査の速度が一定になる区間を長くできる。

しかしながら、電圧信号を鋸歯状波形にした場合、鋸歯状波形に含まれる高調波成分のうち、ミラー部の駆動に関する機械的な固有振動数に対して応答してしまう。これにより、ミラー部の駆動時に所謂リンギングが発生し、ひいては走査の速度が一定とならない（等速性が低下する）。従って、特許文献１の光偏向器においては、鋸歯状波形に含まれる高調波成分から、前記固有振動数と該固有振動数の高調波成分を除去している。

特開２００８−２４９７９７号公報

しかしながら、特許文献１の光偏向器では、実際にミラー部を駆動したときにリンギングが発生しているかを検知していない。すなわち、予め定められた固有振動数の値に基づいて鋸歯状波形の高調波成分を除去している。

光偏向器は、製造誤差又は状態等によって、ミラー部の駆動に関する機械的な固有振動数が変化する。このため、予め定められた固有振動数の値に基づいて鋸歯状波形の高調波成分を除去した場合には、リンギングを充分抑制できない。

本発明は、圧電アクチュエータを鋸歯状波形の電圧信号で駆動するときに、リンギングの発生を効果的に抑制できる光偏向器を提供することを目的とする。

本発明は、反射面を有するミラー部と、該ミラー部を支持する支持部と、一端が前記ミラー部に連結され、他端が前記支持部に連結され、圧電駆動により前記ミラー部を、前記支持部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とを備えた光偏向器であって、前記圧電アクチュエータにより伝達される振動による屈曲変形に応じて検知電圧を出力する検知用圧電素子と、前記圧電アクチュエータに印加する駆動電圧を制御する制御部とを備え、前記制御部は、前記ミラー部の前記所定の軸周りの揺動に関する機械的な固有振動数を検知する固有振動数検知部と、一定振幅での電圧値の増減を周期的に繰り返す鋸歯状波形の電圧信号を生成する電圧信号生成部と、所定の周波数成分を除去する除去部とを含み、前記電圧信号生成部が生成した電圧信号から、所定の周波数範囲内において、前記固有振動数検知部によって検知された固有振動数、及び該固有振動数の高調波成分を除去した電圧信号を、前記駆動電圧として前記圧電アクチュエータに印加した後、前記検知用圧電素子から出力される検知電圧の周波数成分のうち、前記所定の周波数範囲内において所定の値以上となった周波数成分を、前記駆動電圧から除去することを特徴とする。

本発明によれば、制御部が、固有振動数検知部によって、ミラー部の所定の軸周りの揺動に関する機械的な固有振動数を検知する。そして、電圧信号生成部が生成した電圧信号から、予め定められた所定の周波数範囲内において、固有振動数検知部によって検知された固有振動数、及び該固有振動数の高調波成分を除去した電圧信号を、駆動電圧として圧電アクチュエータに印加する。これにより、光偏向器の製造誤差等によって固有振動数が異なった場合であっても、適切な固有振動数を検知することができる。

しかしながら、このような電圧信号を印加した場合であっても、共振周波数以外の共振成分の残りの成分によってリンギングが発生する可能性がある。このような場合であっても、上記電圧信号を印加することで、検知用圧電素子から出力される検知電圧の周波数成分のうち、所定の周波数範囲内において、所定の値以上となった周波数成分を駆動電圧から除去する。

このように、検知用圧電素子から出力される検知電圧には、実際の光偏向器の駆動が表されている。すなわち、光偏向器を駆動する信号に含まれる周波数成分によって、共振が生じるような場合には、当該共振の成分を含む信号が検知電圧に含まれている。このため、検知用圧電素子から出力される検知電圧に基づいて、駆動電圧を制御する、すなわち、実際の走査の挙動をフィードバックしている。

従って、製造誤差、外乱、又は使用状況の違い等によって、固有振動数が変化するような場合であっても、適切にリンギングを除去することができる。また、このとき、所定の周波数範囲内でのみ周波数成分を除去するので、光偏向器の走査の等速性の低下を抑制できる。これにより、光偏向器の偏向角を大きくすることなく、有効に利用できる走査の区間を確保できる。

本発明において、前記固有振動数検知部は、正弦波形の電圧信号を生成する正弦波生成部を備え、前記正弦波生成部は、所定の第１周波数から第２周波数までの範囲で、各周波数の正弦波形の電圧信号を生成し、前記固有振動数検知部は、前記正弦波生成部によって生成された正弦波形の電圧信号の各々を前記圧電アクチュエータに印加したときに、前記検知用圧電素子から出力される検知電圧の周波数成分のうち、所定の値以上となったときの前記正弦波形の周波数を前記固有振動数として検知することが好ましい。

これにより、検知用圧電素子から出力された電圧信号に基づいて上記固有振動数を検知している。従って、実際の光偏向器の挙動から上記固有振動数を検知しているので、当該検知された固有振動数の精度が高く、より効果的にリンギングを抑制できる。

本発明において、前記圧電アクチュエータは、駆動電圧が印加されることにより屈曲変形する圧電体と、前記圧電体を支持し、該圧電体が屈曲変形するときに共に屈曲変形する複数の圧電カンチレバーとを備え、前記複数の圧電カンチレバーは、各圧電カンチレバーの両端部が隣り合うように並んで配置されて、各々の屈曲変形を累積するように各々隣り合う圧電カンチレバーに対し折り返すように端部が機械的に連結され、各圧電カンチレバーは、各圧電カンチレバーの並び方向に直交する方向に屈曲変形するように形成されていることが好ましい。

これにより、一つ一つの圧電カンチレバーが小さな屈曲変形であったとしても、これらの屈曲変形が累積できるので、大きな偏向角を得ることができる。従って、光偏向器を共振周波数ではなく、非共振周波数以外の周波数で駆動できる。

本発明の本実施形態の光偏向器の構成を示す斜視図。 図１の光偏向器に備える圧電カンチレバー等の構造を模式的に示す断面図。 本実施形態の光偏向器の機能ブロック図。 本実施形態の光偏向器の可動部の揺動に関する機械的な固有振動数を示す図。 本実施形態の光偏向器の制御回路によるリンギング除去処理を示す図。 本実施形態の光偏向器のノッチフィルタのＱ値の設定方法を示す図。 （ａ）は、本実施形態の光偏向器の鋸歯状波形生成部が生成する電圧信号を示す図、（ｂ）は、本実施形態の光偏向器のリンギング除去処理を施す前の外側駆動電圧が、外側圧電アクチュエータに印加されたときの、検知用圧電体が出力した電圧信号を示す図、（ｃ）は、本実施形態の光偏向器のリンギング除去処理を施した後の外側駆動電圧が、外側圧電アクチュエータに印加されたときの、検知用圧電体が出力した電圧信号を示す図。

本発明の実施形態の光偏向器について説明する。

図１に示すように、本実施形態の光偏向器Ａ１は、入射された光を反射する反射部１と、反射部１が搭載された可動部９と、反射部１を可動部９に対して第１軸Ｘ１の周りに揺動させるための圧電アクチュエータ８ａ，８ｂ，８ｃ，８ｄと、反射部１及び可動部９を支持基体１１に対して第２軸Ｘ２の周りに揺動させるための圧電アクチュエータ１０ａ，１０ｂとを備えている。

反射部１は、円板状の反射部基体１ａと、この反射部基体１ａ上に光の反射面として形成された金属薄膜１ｂとを備え、反射部基体１ａの直径方向の両端から外側へ向かって１対のトーションバー２ａ，２ｂが延設されている。そして、反射部１は、これらのトーションバー２ａ，２ｂを介して可動部９に連結されて、該可動部９に搭載されている。

具体的には、可動部９は、方形枠状に形成されており、反射部１の周囲を囲むように設けられている。そして、反射部基体１ａから延設されたトーションバー２ａ，２ｂの各々の先端部が、可動部９の内周部に連結されている。これにより、反射部１は、トーションバー２ａ，２ｂを介して可動部９に連結されていると共に、トーションバー２ａ，２ｂの捩れによって、該トーションバー２ａ，２ｂの軸心たる第１軸Ｘ１の周りに揺動可能となっている。

反射部１を可動部９に対して揺動させる圧電アクチュエータ８ａ〜８ｄは、本実施形態では、２対備えられている。その一方の対の圧電アクチュエータ８ａ，８ｃは、可動部９の内側でトーションバー２ａを挟んで対向するように配置されている。他方の対の圧電アクチュエータ８ｂ，８ｄは、可動部９の内側でトーションバー２ｂを挟んで対向するように配置されている。

以降、これらの圧電アクチュエータ８ａ〜８ｄを内側圧電アクチュエータ８ａ〜８ｄという。また、これらの内側圧電アクチュエータ８ａ〜８ｄを区別する必要が無いときは、各々を総称的に内側圧電アクチュエータ８という。

各内側圧電アクチュエータ８は、圧電駆動によって屈曲変形するように構成された圧電カンチレバーにより構成されている。そして、一方の対の内側圧電アクチュエータ８ａ，８ｃは、トーションバー２ａと直交する方向（第１軸Ｘ１と直交する方向）に延在しており、各々の先端部がトーションバー２ａに連結されると共に、各々の基端部が可動部９の内周部に連結されている。

同様に、圧電アクチュエータ８ｂ，８ｄは、トーションバー２ｂと直交する方向（第１軸Ｘ１と直交する方向）に延在しており、各々の先端部がトーションバー２ｂに連結されると共に、各々の基端部が可動部９の内周部に連結されている。

支持基体１１は、方形枠状に形成されており、可動部９の周囲を囲むように設けられている。そして、反射部１及び可動部９を支持基体１１に対して揺動させる一対の圧電アクチュエータ１０ａ，１０ｂが、支持基体１１の内周部と可動部９の外周部との間で、可動部９を挟んで第２軸Ｘ２の方向（第１軸Ｘ１と直交する方向）に対向するようにして配置されており、これらの圧電アクチュエータ１０ａ，１０ｂを介して、可動部９が支持基体１１に支持されている。

以降、これらの圧電アクチュエータ１０ａ，１０ｂを外側圧電アクチュエータ１０ａ，１０ｂという。また、これらの外側圧電アクチュエータ１０ａ，１０ｂを区別する必要が無いときは、各々を総称的に外側圧電アクチュエータ１０という。

各外側圧電アクチュエータ１０は、圧電駆動によって屈曲変形するように各々構成された複数（図示例では４つ）の圧電カンチレバー３(i)(i=1,2,3,4)を連結して構成されている。この場合、各外側圧電アクチュエータ１０を構成する複数の圧電カンチレバー３(i)(i=1,2,3,4)は、支持基体１１の内周部と可動部９の外周部との間で、第２軸Ｘ２と直交する方向（第１軸Ｘ１と同方向）に延在して、該第２軸Ｘ２の方向に間隔を存して並ぶように配置されていると共に、その各々の圧電カンチレバーが隣合う圧電カンチレバーに対して折り返されるように連結されている。従って、各外側圧電アクチュエータ１０は、第２軸Ｘ２と直交する方向を振幅方向として蛇行するようにして延在している。

そして、各外側圧電アクチュエータ１０の一端部（最も支持基体１１寄りの圧電カンチレバー３(4)の基端部）が、支持基体１１の内周部に連結されると共に、他端部（最も可動部９寄りの圧電カンチレバー３(1)の先端部）が、可動部９の外周部に連結されている。

これにより、可動部９が、外側圧電アクチュエータ１０ａ，１０ｂを介して支持基体１１に支持されていると共に、各外側圧電アクチュエータ１０を構成する圧電カンチレバー３(i)(i=1,2,3,4)の屈曲変形によって支持基体１１に対して第２軸Ｘ２の周りに揺動可能となっている。

以降の説明では、各外側圧電アクチュエータ１０を構成する圧電カンチレバー３(i)(i=1,2,3,4)を各々、可動部９側から順番に１番目、２番目、３番目、４番目の圧電カンチレバーとし、圧電カンチレバー３(1)，３(3)を奇数番目の圧電カンチレバー３(奇数)、圧電カンチレバー３(2)，３(4)を各々偶数番目の圧電カンチレバー３(偶数)ということがある。

なお、図示例の光偏向器Ａ１では、各外側圧電アクチュエータ１０を構成する圧電カンチレバー３(i)の個数は４個であるが、より多くの圧電カンチレバー３(i)により各外側圧電アクチュエータ１０を構成するようにしてもよいことはもちろんである。

内側圧電アクチュエータ８ａ〜８ｄの各々と、外側圧電アクチュエータ１０ａ，１０ｂを構成する圧電カンチレバー３(i)(i=1,2,3,4)の各々とは、図２に模式的な断面図で示すように、起歪体（カンチレバー本体）としての支持体４の層上に下部電極５、圧電体６及び上部電極７の層を積層した構造の圧電カンチレバーであり、下部電極５と上部電極７との間で圧電体６に駆動電圧を印加することで、圧電体６と共に支持体４が屈曲変形するようになっている。

また、外側圧電アクチュエータ１０ａ，１０ｂを構成する圧電カンチレバー３(i)(i=1,2,3,4)の各々の圧電体６は、当該圧電カンチレバー３(i)(i=1,2,3,4)を駆動するための駆動用圧電体６１と、当該駆動により当該圧電カンチレバー３(i)(i=1,2,3,4)に伝達される振動による屈曲変形に応じて電圧を出力する検知用圧電体６２とからなる。駆動用圧電体６１と検知用圧電体６２とは、互いに平面的に分離して、下部電極５上に配置される。

また、外側圧電アクチュエータ１０ａ，１０ｂを構成する圧電カンチレバー３(i)(i=1,2,3,4)の各々の上部電極７は、駆動用圧電体６１の上に配置される駆動用上部電極７１と、検知用圧電体６２の上に配置される検知用上部電極７２とからなる。このとき、駆動用上部電極７１と検知用上部電極７２とは、互いに平面的に分離している。

以下、駆動用圧電体６１と検知用圧電体６２とを区別する必要がないときには、単に圧電体６という。同様に、駆動用上部電極７１と検知用上部電極７２とを区別する必要がないときには、単に上部電極７という。また、内側圧電アクチュエータ８に関しては、検知用の圧電体及び上部電極は存在しないので、内側圧電アクチュエータ８において圧電体６又は上部電極７とは駆動用のものを指す。なお、本実施形態において、内側圧電アクチュエータ８に検知用の圧電体及び上部電極を配置していないが、これらを配置するように構成してもよい。

なお、外側圧電アクチュエータ１０ａ，１０ｂの各々の隣合う圧電カンチレバー３(k)，３(k+1)(k=1,2,3)の連結部は、その隣合う圧電カンチレバー３(k)，３(k+1)の各々の支持体４を一体に連結した部分となっており、その連結部には、圧電体６及び上部電極７の層（或いは下部電極５、圧電体６及び上部電極７の層）は設けられていない。

光偏向器Ａ１は、内側圧電アクチュエータ８ａ，８ｂの上部電極７と下部電極５との間に各々駆動電圧を印加するための上部電極パッド１２ａと内側圧電アクチュエータ８ｃ，８ｄの上部電極７と下部電極５との間に各々駆動電圧を印加するための上部電極パッド１２ｂとを支持基体１１上に備えている。

また、光偏向器Ａ１は、外側圧電アクチュエータ１０ａの奇数番目の圧電カンチレバー３(奇数)の駆動用上部電極７１と下部電極５との間に駆動電圧を印加するための上部電極パッド１２ｃと、外側圧電アクチュエータ１０ａの偶数番目の圧電カンチレバー３(偶数)の駆動用上部電極７１と下部電極５との間に駆動電圧を印加するための上部電極パッド１２ｅと、外側圧電アクチュエータ１０ｂの奇数番目の圧電カンチレバー３(奇数)の駆動用上部電極７１と下部電極５との間に駆動電圧を印加するための上部電極パッド１２ｄと、外側圧電アクチュエータ１０ｂの偶数番目の圧電カンチレバー３(偶数)の駆動用上部電極７１と下部電極５との間に駆動電圧を印加するための上部電極パッド１２ｆとを支持基体１１上に備えている。

また、光偏向器Ａ１は、外側圧電アクチュエータ１０ａの奇数番目の圧電カンチレバー３(奇数)の検知用上部電極７２と下部電極５との間に駆動電圧を印加するための上部電極パッド１４ａと、外側圧電アクチュエータ１０ａの偶数番目の圧電カンチレバー３(偶数)の検知用上部電極７２と下部電極５との間に駆動電圧を印加するための上部電極パッド１４ｃと、外側圧電アクチュエータ１０ｂの奇数番目の圧電カンチレバー３(奇数)の検知用上部電極７２と下部電極５との間に駆動電圧を印加するための上部電極パッド１４ｂと、外側圧電アクチュエータ１０ｂの偶数番目の圧電カンチレバー３(偶数)の検知用上部電極７２と下部電極５との間に駆動電圧を印加するための上部電極パッド１４ｄとを支持基体１１上に備えている。

また、光偏向器Ａ１は、上部電極パッド１２ａ，１２ｃ，１２ｅ，１４ａ，１４ｃに対して共通の下部電極パッド１３ａと、上部電極パッド１２ｂ，１２ｄ，１２ｆ，１４ｂ，１４ｄに対して共通の下部電極パッド１３ｂとを支持基体１１上に備えている。

下部電極５と下部電極パッド１３ａ，１３ｂとは、支持体４を構成する半導体基板（例えばシリコン基板）上の金属薄膜（本実施形態では２層の金属薄膜。以下、下部電極層ということがある）を、半導体プレーナプロセスを用いて形状加工することにより形成されている。この金属薄膜の材料としては、例えば、１層目（下層）にはチタン（Ｔｉ）を用い、２層目（上層）には白金（Ｐｔ）が用いられる。

この場合、各内側圧電アクチュエータ８（圧電カンチレバー）の下部電極５は、該内側圧電アクチュエータ８の支持体４上のほぼ全面に形成され、各外側圧電アクチュエータ１０の圧電カンチレバー３(i)(i=1,2,3,4)の下部電極５は、各々、支持体４（直線部（各圧電カンチレバー３(i)が延在する部分）と連結部とを合わせた全体）上のほぼ全面に形成されている。そして、下部電極パッド１３ａ，１３ｂは、支持基体１１上及び可動部９上に形成された下部電極層を介して、各々、内側圧電アクチュエータ８ａ，８ｂの下部電極５、内側圧電アクチュエータ８ｃ，８ｄの下部電極５、外側圧電アクチュエータ１０ａの下部電極５、外側圧電アクチュエータ１０ｂの下部電極５に導通される。

各内側圧電アクチュエータ８（圧電カンチレバー）及び各外側圧電アクチュエータ１０の圧電カンチレバー３(i)(i=1,2,3,4)の各々の圧電体６は、半導体プレーナプロセスを用いて、下部電極層上の１層の圧電膜（以下、圧電体層ということがある）を形状加工することにより、各々の圧電カンチレバーの下部電極５上に互いに分離して形成されている。この圧電膜の材料としては、例えば、圧電材料であるチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）が用いられる。

この場合、各内側圧電アクチュエータ８の圧電体６は、各内側圧電アクチュエータ８毎に、下部電極５上のほぼ全面に形成されている。また、各外側圧電アクチュエータ１０ａ，１０ｂの駆動用圧電体６１は、各圧電カンチレバー３(i)(i=1,2,3,4)の延在部分（直線部）において、下部電極５上に、当該下部電極５の幅のほぼ半分の幅で、且つ当該下部電極５の長さと同じ長さで形成されている。また、各外側圧電アクチュエータ１０ａ，１０ｂの検知用圧電体６２は、各圧電カンチレバー３(i)(i=1,2,3,4)の延在部分（直線部）において、下部電極５上に、当該下部電極５の幅のほぼ半分の幅で、且つ当該下部電極５の長さと同じ長さで形成されている。上述したが、このとき、駆動用圧電体６１と検知用圧電体６２とは平面的に分離して配置されている。

各上部電極７と、上部電極パッド１２ａ〜１２ｆと、これらを導通する上部電極配線（図示せず）は、半導体プレーナプロセスを用いて、圧電体層上の金属薄膜（本実施形態では１層の金属薄膜。以下、上部電極層ということがある）を形状加工することにより形成されている。この金属薄膜の材料としては、例えば白金（Ｐｔ）又は金（Ａｕ）が用いられる。

この場合、内側圧電アクチュエータ８の上部電極７は、各圧電カンチレバー毎に、圧電体６上のほぼ全面に形成されている。外側圧電アクチュエータ１０の駆動用上部電極７１は、各圧電カンチレバー毎に、駆動用圧電体６１上のほぼ全面に形成されている。同様に、外側圧電アクチュエータ１０の検知用上部電極７２は、各圧電カンチレバー毎に、検知用圧電体６２上のほぼ全面に形成されている。

そして、上部電極パッド１２ａ，１２ｂは、各々、内側圧電アクチュエータ８ａ，８ｂの上部電極７、内側圧電アクチュエータ８ｃ，８ｄの上部電極７に、上部電極配線（図示せず）を介して導通される。

また、上部電極パッド１２ｃ〜１２ｆは、各々、外側圧電アクチュエータ１０ａの奇数番目の圧電カンチレバー３(奇数)の駆動用上部電極７１、外側圧電アクチュエータ１０ｂの奇数番目の圧電カンチレバー３(奇数)の駆動用上部電極７１、外側圧電アクチュエータ１０ａの偶数番目の圧電カンチレバー３(偶数)の駆動用上部電極７１及び外側圧電アクチュエータ１０ｂの偶数番目の圧電カンチレバー３(偶数)の駆動用上部電極７１の各々に、上部電極配線（図示せず）を介して導通される。

また、上部電極パッド１４ａ〜１４ｄは、各々、外側圧電アクチュエータ１０ａの奇数番目の圧電カンチレバー３(奇数)の検知用上部電極７２、外側圧電アクチュエータ１０ｂの奇数番目の圧電カンチレバー３(奇数)の検知用上部電極７２、外側圧電アクチュエータ１０ａの偶数番目の圧電カンチレバー３(偶数)の検知用上部電極７２及び外側圧電アクチュエータ１０ｂの偶数番目の圧電カンチレバー３(偶数)の検知用上部電極７２の各々に、上部電極配線（図示せず）を介して導通される。

反射部１の反射面を構成する金属薄膜１ｂは、半導体プレーナプロセスを用いて、反射部基体１ａ上の金属薄膜（本実施形態では１層の金属薄膜）を形状加工して形成されている。その金属薄膜の材料としては、例えば、金（Ａｕ）、白金（Ｐｔ）、銀（Ａｇ）、アルミニウム（Ａｌ）等が用いられる。

また、反射部基体１ａと、トーションバー２ａ，２ｂと、支持体４と、可動部９と、支持基体１１とは、複数の層から構成される半導体基板（シリコン基板）を形状加工することにより一体的に形成されている。半導体基板を形状加工する手法としては、フォトリソグラフィ技術又はドライエッチング技術等を利用した半導体プレーナプロセス及びＭＥＭＳプロセスが用いられる。

更に、光偏向器Ａ１は、反射部１の揺動（偏向及び走査）を制御する制御回路２０に接続されている。制御回路２０は、ＣＰＵ、プロセッサ、記憶装置等を含む電子回路ユニットである。制御回路２０は、内側圧電アクチュエータ８及び外側圧電アクチュエータ１０にに印加する駆動電圧を制御する。

ここで、本実施形態の光偏向器Ａ１においては、可動部９が、本発明における「ミラー部」に相当し、外側圧電アクチュエータ１０ａ，１０ｂが、本発明における「圧電アクチュエータ」に相当し、支持基体１１が、本発明における「支持部」に相当し、第２軸Ｘ２が、本発明における「所定の軸」に相当し、検知用圧電体６２が、本発明における「検知用圧電素子」に相当し、制御回路２０が、本発明における「制御部」に相当する。

次に、本実施形態の光偏向器Ａ１の作動について説明する。

光偏向器Ａ１は、例えば、電子写真の画像形成装置又は走査型ディスプレイ等の画像表示装置に備えられ、反射部１に入射する光を、画像投影面等に対して偏向及び走査する。

この場合、内側圧電アクチュエータ８ａ〜８ｄを圧電駆動することで反射部１の第１軸Ｘ１周りの揺動が行われ、外側圧電アクチュエータ１０ａ，１０ｂを圧電駆動することで反射部１の第２軸Ｘ２周りの揺動が行われる。反射部１の第１軸Ｘ１周りの揺動と、第２軸Ｘ２周りの揺動とは、各々、例えば水平方向の偏向及び走査、垂直方向の偏向及び走査のための揺動である。

反射部１の第１軸Ｘ１周りの揺動は、以下のように行われる。すなわち、制御回路２０は、内側圧電アクチュエータ８ａ，８ｂの各々の上部電極７と下部電極５との間に第１の電圧を印加すると共に、内側圧電アクチュエータ８ｃ，８ｄの各々の上部電極７と下部電極５との間に第２の電圧を印加する。この場合、第１の電圧と第２の電圧とは、互いに逆位相、或いは位相のずれた所定周波数の交流電圧（例えば正弦波形）である。

これにより、一方の対の内側圧電アクチュエータ８ａ，８ｃが、互いに逆方向に屈曲変形するように圧電駆動されると共に、他方の対の内側圧電アクチュエータ８ｂ，８ｄも、互いに逆方向に屈曲変形するように圧電駆動される。これらの屈曲変形により、トーションバー２ａ，２ｂの捩れ変形が発生する。ひいては、反射部１は、第１軸Ｘ１周りに揺動する。これにより、第１軸Ｘ１周りでの光の偏向及び走査が行われる。

反射部１の第２軸Ｘ２周りの揺動は、次のように行われる。制御回路２０は、外側圧電アクチュエータ１０ａ，１０ｂの各々の偶数番目の圧電カンチレバー３(偶数)を圧電駆動するための第１駆動電圧を出力すると共に、外側圧電アクチュエータ１０ａ，１０ｂの各々の奇数番目の圧電カンチレバー３(奇数)を圧電駆動するための第２駆動電圧を出力する。ここで、第２駆動電圧は、第１駆動電圧の波形の逆位相の波形の電圧信号である。

このとき、制御回路２０は、外側圧電アクチュエータ１０ａ，１０ｂの各々の偶数番目の圧電カンチレバー３(偶数)の各々の下部電極５と駆動用上部電極７１との間に、第１駆動電圧を印加することで、各圧電カンチレバー３(偶数)を圧電駆動して屈曲変形させる。同時に、制御回路２０は、外側圧電アクチュエータ１０ａ，１０ｂの各々の奇数番目の圧電カンチレバー３(奇数)の各々の下部電極５と駆動用上部電極７１との間に、第２駆動電圧を印加することで、各圧電カンチレバー３(奇数)を圧電駆動して屈曲変形させる。

これにより、圧電カンチレバー３(4)の先端部（可動部９との連結部分）と、圧電カンチレバー３(2)の先端部（圧電カンチレバー３(3)との連結部分）とが、各々の圧電カンチレバー３(4)，３(2)の基端部に対して同じ向き（図示例では上向き）に変位するように、偶数番目の圧電カンチレバー３(偶数)が屈曲変形する。外側圧電カンチレバー３(3)の先端部（圧電カンチレバー３(4)との連結部分）と、圧電カンチレバー３(1)の先端部（圧電カンチレバー３(2)との連結部分）とが、各々の圧電カンチレバー３(3)，３(1)の基端部に対して、圧電カンチレバー３(偶数)の場合と逆向き（図示例では下向き）に変位するように、奇数番目の圧電カンチレバー３(奇数)が屈曲変形する。

これにより、反射部１が第２軸Ｘ２の周りに揺動する。詳細には、第１駆動電圧及び第２駆動電圧の波形に概ね追従するような波形で、反射部１の偏向角（揺動量）が変化する。

なお、本実施形態の光偏向器Ａ１は、各外側圧電アクチュエータ１０ａ，１０ｂを、厚さを35[μm]、各圧電カンチレバー３(i)(i=1,2,3,4)の全長を35[mm]、各圧電カンチレバー３(i)(i=1,2,3,4)の幅を0.2[mm]となるように形成しており、当該外側圧電アクチュエータ１０ａ，１０ｂのバネ定数が、4.5×10^-3[N/m²]となっている。

次に、制御回路２０による第１駆動電圧及び第２駆動電圧の制御について説明する。なお、第１駆動電圧と第２駆動電圧は、互いに逆位相の電圧信号であるだけなので、以降では、第１駆動電圧及び第２駆動電圧を区別せずに、外側駆動電圧という。図３に示されるように、制御回路２０は、周波数掃引部２１と、信号印加部２２と、鋸歯状波形生成部２３と、フィルタ部２４と、検知信号処理部２５と、フィルタ制御部２６とを備える。

周波数掃引部２１は、正弦波形を生成する発振回路であり、1[Hz]から1[kHz]までの範囲において、1[Hz]毎に周波数を設定できる。周波数掃引部２１は、光偏向器Ａ１の使用を開始するとき等に駆動する。周波数掃引部２１は、その駆動時において、生成する正弦波の周波数を、1[Hz]から1[kHz]まで1[Hz]毎に増加させる。このとき、生成する正弦波形の電圧信号は、波高値を10[V]で固定している。

信号印加部２２は、外部から入力された信号を外側駆動電圧として、外側圧電アクチュエータ１０ａ，１０ｂに印加する回路である。すなわち、信号印加部２２は、上部電極パッド１２ｃ〜１２ｆと下部電極パッド１３ａ，１３ｂとの間に、外部から入力された信号を印加する（以下、このような信号の印加を単に「外側圧電アクチュエータ１０に信号を印加する」という）。これにより、各外側圧電アクチュエータ１０ａ，１０ｂの各圧電カンチレバー３(i)(i=1,2,3,4)の駆動用上部電極７１と下部電極５との間に電位差が生じ、駆動用圧電体６１が圧電駆動する。

信号印加部２２は、光偏向器Ａ１の使用を開始するとき等、周波数掃引部２１が駆動しているときにおいて、周波数掃引部２１が出力した信号が入力されているときには、当該入力された信号を外側圧電アクチュエータ１０に印加する。また、フィルタ部２４が出力した信号が入力されているときには、当該入力された信号を外側圧電アクチュエータ１０に印加する。なお、信号印加部２２には、周波数掃引部２１からの信号とフィルタ部２４からの信号とが同時に入力されることはない。

鋸歯状波形生成部２３は、図７（ａ）に示されるような鋸歯状波形を生成するように、オペアンプ等によって構成された電子回路である。鋸歯状波形の形状（周波数、振幅、及び立ち上がり部分と立ち下がり部分の割合等）は、光偏向器Ａ１の用途に応じて適宜設定する。なお、本実施形態では、直線性の確保という観点から、「立ち上がり部の区間」と「立ち下がり部の区間」との比が、「9:1」となるように設定している。

フィルタ部２４は、所定の周波数成分を除去するノッチフィルタ（図示省略）と所定の周波数以下の成分のみを通過させるローパスフィルタ（図示省略）とを備える。フィルタ部２４は、外部から、ノッチフィルタの特性、すなわち、いずれの周波数成分を除去するのかを変更できるように構成されている。すなわち、ノッチフィルタは、可変抵抗及び可変コンデンサ等から構成される回路であり、可変抵抗の抵抗値又は可変コンデンサの静電容量値を変更することで、上記特性を変更できる。

検知信号処理部２５は、外側圧電アクチュエータ１０ａ，１０ｂの検知用圧電体６２が出力した電圧信号（以下、「検知信号」という）が入力される。すなわち、各外側圧電アクチュエータ１０ａ，１０ｂの各圧電カンチレバー３(i)(i=1,2,3,4)が屈曲変形したときの、当該屈曲変形に応じて検知用圧電体６２から電圧信号が出力される。このとき出力された電圧信号が、検知用上部電極７２及び下部電極５を介して、上部電極パッド１４ａ〜１４ｄと下部電極パッド１３ａ，１３ｂとの間の電位差として出力される。このときの出力が検知信号処理部２５に入力される。

そして、検知信号処理部２５は、入力された信号をフーリエ変換等によって周波数領域に変換して次に示されるような、大まかに分けて２つの信号処理のいずれかを行う。１つは、外側圧電アクチュエータ１０ａ，１０ｂに対して、周波数掃引部２１が出力した正弦波形の駆動電圧を印加している場合に行う固有振動数検知処理である。もう１つは、外側圧電アクチュエータ１０ａ，１０ｂに対して、鋸歯状波形生成部２３が出力した鋸歯状波形にフィルタ部２４を介した出力を駆動電圧として印加している場合に行うリンギング除去処理である。

固有振動数検知処理は、検知信号処理部２５に入力された信号を周波数領域に変換した後、ゲインが、所定の値（以下、「第１閾値」という）Ｇ１以上になっているか否かを判定する。ここで、ゲインとは、時間領域の波形をフーリエ変換によって周波数領域に変換したときにおける各周波数の値である。

そして、検知信号処理部２５は、ゲインが第１閾値Ｇ１以上になっている周波数を、光偏向器Ａ１の機械的な固有振動数として検知する。このとき、第１閾値Ｇ１は、実験等によって予め設定され、記憶装置に記憶保持されており、例えば、第１閾値Ｇ１は、固有振動数とは異なる周波数の正弦波形の電圧信号を印加したときのゲインの60倍程度の値としている。

なお、この値は、検知用圧電体６２を配置している位置等、様々な条件によって変化するものであり、この値に限るものではない。第１閾値Ｇ１は、光偏向器Ａ１の機械的な固有振動数（詳細には、可動部９の第２軸Ｘ２周りの揺動に関する機械的な固有振動数）の正弦波形の電圧信号が印加されていることを判別可能な値に設定されていればよい。

本実施形態の光偏向器Ａ１においては、図４に示されるように、378[Hz]と756[Hz]において光偏向器Ａ１の固有振動数が確認できた。

検知信号処理部２５は、このようにして検知した「固有振動数に対応する周波数成分」及び「該固有振動数の高調波成分」を予め定められた所定の範囲（後述）において、鋸歯状波形生成部２３の出力信号から除去するようにフィルタ制御部２６に信号を出力する。

リンギング除去処理は、検知信号処理部２５に入力された信号を周波数領域に変換した後、外側駆動電圧の周波数（60[Hz]）とは異なる周波数において、予め定められた所定の範囲（後述）において、ゲインが所定の値（以下、「第２閾値」という）Ｇ２以上の周波数を検知する。第２閾値Ｇ２は、リンギングを発生させている周波数を検知できる値を実験等によって予め設定され、記憶装置に記憶保持されている。

そして、検知信号処理部２５は、第２閾値Ｇ２以上の周波数成分が、リンギングを発生させている要因として、当該周波数成分を鋸歯状波形生成部２３の出力信号から除去するようにフィルタ制御部２６に信号を出力する。例えば、図５に示される場合においては、第２閾値Ｇ２を超えている３つの周波数を除去する。

検知信号処理部２５は、固有振動数検知処理及びリンギング除去処理において、除去する周波数の値以外にもフィルタ部２４のノッチフィルタのＱ値の設定に関しても信号として出力する。ノッチフィルタの特性を設定するとき、ノッチフィルタのＱ値（通過を阻止する帯域の幅の狭さ。この値が高い程当該帯域の幅が狭いことを意味する）を予め定められた最小値から最大値の範囲内で適宜設定する。図６は、ノッチフィルタへの入力信号（左）とノッチフィルタの波形（中央）とノッチフィルタからの出力信号（右）とを示す図であり、図６（ａ）はノッチフィルタのＱ値が高いとき、図６（ｂ）はノッチフィルタのＱ値が低いときを示す。

図６に示されるように、ノッチフィルタのＱ値が高いと高周波数の帯域が除去される傾向にある。このようなノッチフィルタに鋸歯状波形の電圧信号を入力すると、正弦波形のような滑らかな形状の波形の電圧信号となる。従って、波形の直線性が低下しやすい。また、ノッチフィルタのＱ値が低いと高周波数の帯域が小さなゲインとして残る傾向にある。このようなノッチフィルタに鋸歯状波形の電圧信号を入力すると、リンギングを、光偏向器としての走査において無視できる程度になるまで除去できない。
そこで、ノッチフィルタのＱ値は、鋸歯状波形の１周期のうち60[%]の区間で直線性を保てると共に（正弦波に近くならない程度の範囲）、光偏向器としての走査において、鋸歯状波形に許容できないリンギングを除去できる程度の範囲で適宜設定される。そして、ノッチフィルタのＱ値は、リンギングを発生させている周波数のゲインの鋭さに応じて適宜設定される。例えば、ゲインが鋭い程（ゲインが高い周波数帯域が狭い程）、又はゲインの値が大きい程、当該ゲインの周波数の周辺の周波数でも励振されやすい。従って、ゲインが鋭い程、又はゲインの値が大きい程、ノッチフィルタのＱ値を小さくする。

また、検知信号処理部２５は、ローパスフィルタのカットオフ周波数の設定に関しても信号として出力する。当該カットオフ周波数に関しても、ノッチフィルタのＱ値と同様に、波形の直線性を保てると共に、光偏向器としての走査において、鋸歯状波形に許容できないリンギングを除去できる程度の範囲で適宜設定される。このとき、カットオフ周波数は、ある程度の範囲を持って設定され、その範囲内で適宜設定されてもよい。

また、固有振動数検知処理及びリンギング除去処理における「予め定められた所定の範囲」においても同様に、所定の周波数成分を除去した場合であっても、波形の直線性を保てると共に、光偏向器としての走査において、鋸歯状波形に許容できないリンギングを除去できる程度の範囲で適宜設定される。

フィルタ制御部２６は、検知信号処理部２５の出力に応じてフィルタ部２４（ノッチフィルタ及びローパスフィルタ）の特性、すなわち可変抵抗の抵抗値又は可変コンデンサの静電容量値を適宜変更する。

以上のように、本実施形態の光偏向器Ａ１は、当該光偏向器Ａ１の使用を開始するときに、上述したような、周波数掃引部２１及び検知信号処理部２５の固有振動数検知処理によって、当該光偏向器Ａ１の可動部９の第２軸Ｘ２周りの揺動に関する機械的な１又は複数の固有振動数（共振周波数）を検知できる。このように、光偏向器Ａ１の製造誤差等によって固有振動数が異なった場合であっても、適切な固有振動数を検知することができる。

そして、検知信号処理部２５が、上述したように予め定められた所定の範囲内において「当該検知した固有振動数の周波数成分」及び「該周波数の高調波成分」を除去するようにフィルタ制御部２６に信号を出力する。このとき、波形の直線性を保てる程度の範囲内でのみ周波数成分を除去するので、光偏向器Ａ１の走査の等速性の低下を抑制できる。以上の処理により、鋸歯状波形生成部２３が生成した鋸歯状波形の電圧信号が、フィルタ部２４によって、固有振動数及び該固有振動数の高調波成分が除去された電圧信号となり、外側圧電アクチュエータ１０ａ，１０ｂに印加される。

しかしながら、このような電圧信号であっても、共振周波数以外の共振成分の残りの成分によってリンギングが発生する可能性がある（図７（ｂ））。このような場合であっても、上述したような、検知信号処理部２５のリンギング除去処理によって、実際に外側圧電アクチュエータ１０ａ，１０ｂを駆動したときに、検知用圧電体６２から出力された電圧信号によって、残っているリンギングの要因となる周波数成分を除去することができる。

このように、検知用圧電体６２から出力される検知電圧には、実際の光偏向器Ａ１の駆動が表されている。すなわち、光偏向器Ａ１を駆動する信号に含まれる周波数成分によって、共振が生じるような場合には、当該共振の成分が含まれた信号が検知電圧に含まれている。このため、検知用圧電体６２から出力される検知電圧に基づいて、駆動電圧を制御する、すなわち、実際の走査の挙動をフィードバックして光偏向器Ａ１を制御している。

このため、製造誤差、外乱、又は使用状況の違い等によって、上記固有振動数が変化するような場合であっても、図７（ｃ）に示されるように、適切にリンギングを除去することができる。

また、このとき、波形の直線性を保てる程度の範囲内でのみ周波数成分を除去するので、光偏向器Ａ１の走査の等速性の低下を抑制できる。これにより、光偏向器Ａ１の偏向角を大きくすることなく、有効に利用できる走査の区間を確保できる。

ここで、本実施形態における周波数掃引部２１が、本発明における「固有振動数検知部」に相当し、周波数掃引部２１が、本発明における「固有振動数検知部」に相当し、鋸歯状波形生成部２３が、本発明における「電圧信号生成部」に相当し、フィルタ部２４が、本発明における「除去部」に相当し、検知信号処理部２５が、本発明における「固有振動数検知部」に相当し、第２閾値Ｇ２が、本発明における「所定の値」に相当する。

なお、本実施形態では、制御回路２０等を電子回路として構成しているが、これに限らずデジタル信号を処理するＤＳＰ（Digital Signal Processor）等で構成してもよい。

また、本実施形態では、光偏向器Ａ１を第１軸Ｘ１及び第２軸Ｘ２の二軸周りで揺動するように構成したが、これに限らず、一軸周りで揺動するようなものであってもよい。

Ａ１…光偏向器、Ｘ２…第２軸（所定の軸）、１ｂ…金属薄膜（反射面）、６２…検知用圧電体（検知用圧電素子）、９…可動部（ミラー部）、１０ａ，１０ｂ…外側圧電アクチュエータ（圧電アクチュエータ）、１１…支持基体（支持部）、２０…制御回路（制御部）、２１…周波数掃引部（固有振動数検知部）、２３…鋸歯状波形生成部（電圧信号生成部）、２４…フィルタ部（除去部）、２５…検知信号処理部（固有振動数検知部）、Ｇ２…第２閾値（所定の値）。

Claims (3)

1. 反射面を有するミラー部と、該ミラー部を支持する支持部と、一端が前記ミラー部に連結され、他端が前記支持部に連結され、圧電駆動により前記ミラー部を、前記支持部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とを備えた光偏向器であって、
   前記圧電アクチュエータにより伝達される振動による屈曲変形に応じて検知電圧を出力する検知用圧電素子と、
   前記圧電アクチュエータに印加する駆動電圧を制御する制御部とを備え、
   前記制御部は、
   前記ミラー部の前記所定の軸周りの揺動に関する機械的な固有振動数を検知する固有振動数検知部と、一定振幅での電圧値の増減を周期的に繰り返す鋸歯状波形の電圧信号を生成する電圧信号生成部と、所定の周波数成分を除去する除去部とを含み、
   前記電圧信号生成部が生成した電圧信号から、所定の周波数範囲内において、前記固有振動数検知部によって検知された固有振動数、及び該固有振動数の高調波成分を除去した電圧信号を、前記駆動電圧として前記圧電アクチュエータに印加した後、前記検知用圧電素子から出力される検知電圧の周波数成分のうち、前記所定の周波数範囲内において所定の値以上となった周波数成分を、前記駆動電圧から除去することを特徴とする光偏向器。
2. 請求項１に記載の光偏向器において、
   前記固有振動数検知部は、正弦波形の電圧信号を生成する正弦波生成部を備え、
   前記正弦波生成部は、所定の第１周波数から第２周波数までの範囲で、各周波数の正弦波形の電圧信号を生成し、
   前記固有振動数検知部は、前記正弦波生成部によって生成された正弦波形の電圧信号の各々を前記圧電アクチュエータに印加したときに、前記検知用圧電素子から出力される検知電圧の周波数成分のうち、所定の値以上となったときの前記正弦波形の周波数を前記固有振動数として検知することを特徴とする光偏向器。
3. 請求項１又は２に記載の光偏向器において、前記圧電アクチュエータは、駆動電圧が印加されることにより屈曲変形する圧電体と、前記圧電体を支持し、該圧電体が屈曲変形するときに共に屈曲変形する複数の圧電カンチレバーとを備え、前記複数の圧電カンチレバーは、各圧電カンチレバーの両端部が隣り合うように並んで配置されて、各々の屈曲変形を累積するように各々隣り合う圧電カンチレバーに対し折り返すように端部が機械的に連結され、各圧電カンチレバーは、各圧電カンチレバーの並び方向に直交する方向に屈曲変形するように形成されていることを特徴とする光偏向器。

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