JP2015022206A - 振動ミラー素子および距離計測装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】ミラー部の揺動の1周期のうちの略全期間において、ミラー部の回転角速度を略一定にすることができることが可能な振動ミラー素子を提供することとともに、光照射部の構成を簡略化することが可能な距離計測装置を提供する。【解決手段】この振動ミラー素子200は、軸線300まわりに揺動可能なミラー11と、ミラー11を軸線300まわりに共振周波数で揺動させる共振駆動部14aおよび14bと、ミラー11の揺動駆動を補正して非共振駆動させるための補正用駆動部40および50と、共振駆動部14aおよび14bがミラー11を揺動させる方向と逆向きの方向にミラー11を軸線300まわりに非共振周波数で揺動させて、ミラー11の回転角速度が略一定となるように、補正用駆動部40および50の駆動を制御するように構成されている駆動制御部61dとを備える。【選択図】図2
Description
この発明は、振動ミラー素子および距離計測装置に関し、特に、共振駆動部と、共振駆動部の駆動を制御する駆動制御部とを備えた、振動ミラー素子および距離計測装置に関する。
従来、共振駆動部と、共振駆動部の駆動を制御する駆動制御部とを備えた、振動ミラー素子および距離計測装置が知られている(たとえば、特許文献1参照)。
上記特許文献1には、レーザ光を偏向する共振型光偏向器(振動ミラー素子)と、第1の可動子(ミラー部)を揺動軸を中心に揺動するように駆動するための駆動手段(共振駆動部)と、第2の可動子を揺動軸を中心に揺動するように駆動するための駆動手段(補正用駆動部)と、駆動手段を制御する駆動制御手段(駆動制御部)とを有する画像形成装置が開示されている。この特許文献1による画像形成装置では、共振型光偏向器は、複数の可動子とねじりバネが構成する系とが、基準周波数およびその偶数倍の周波数で同時に振動するように、駆動制御手段が駆動手段(共振駆動部および補正用駆動部)を制御するように構成されている。これにより、振動の1周期のうちの所定の時間の間、第1の可動子は、回転角速度が略一定になるように構成されている。
しかしながら、上記特許文献1に開示された共振型光偏向器では、振動の1周期のうちの所定の時間の間、第1の可動子は、回転角速度が略一定になるように構成されている一方、第1の可動子の回転角速度を略一定にできる時間が限られているという問題点がある。
この発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、この発明の1つの目的は、ミラー部の揺動の1周期のうちの略全期間において、ミラー部の回転角速度を略一定にすることが可能な振動ミラー素子および距離計測装置を提供することである。
上記目的を達成するために、この発明の第1の局面による振動ミラー素子は、軸線まわりに揺動可能なミラー部と、ミラー部を軸線まわりに揺動させて共振駆動させるように、共振周波数で共振駆動する共振駆動部と、共振駆動部の外側に軸線まわりにミラー部を揺動可能に設けられ、ミラー部の揺動駆動を補正して非共振駆動させるための補正用駆動部と、ミラー部を軸線まわりに共振周波数で揺動させるように共振駆動部の駆動を制御するとともに、共振駆動部がミラー部を揺動させる方向と逆向きの方向にミラー部を軸線まわりに非共振周波数で揺動させて、ミラー部の回転角速度が略一定となるように、補正用駆動部の駆動を制御するように構成されている駆動制御部とを備える。
この発明の第1の局面による振動ミラー素子では、上記のように、ミラー部を軸線まわりに共振周波数で揺動させるように共振駆動部の駆動を制御するとともに、共振駆動部がミラー部を揺動させる方向と逆向きの方向にミラー部を軸線まわりに非共振周波数で揺動させて、ミラー部の回転角速度が略一定となるように、補正用駆動部の駆動を制御することによって、補正用駆動部の駆動を共振周波数およびその偶数倍の周波数で振動するように制御するように構成する場合と異なり、補正用駆動部の駆動を任意の非共振周波数でミラー部を揺動させるように制御することができるので、補正駆動部の制御の自由度を大きくすることができる。その結果、揺動の1周期のうちの略全期間において、ミラー部の回転角速度を略一定にすることができる。また、たとえば、回転角速度が一定ではない振動ミラー素子を距離計測装置に適用した場合、一定の角度間隔でレーザ光を照射するために、レーザ光源をパルス駆動させることが必要になり、時間的にパルス駆動タイミングの補正をしなければならない。これに対して、本発明では、揺動の1周期のうちの略全期間において、ミラー部の回転角速度を略一定にすることができるので、レーザ光をパルス制御するための制御手段が必要ではないため、距離計測装置の構成を簡略化することができる。
上記第1の局面による振動ミラー素子において、好ましくは、駆動制御部は、補正用駆動部によるミラー部の揺動におけるミラー部揺動角度の大きさが、共振駆動部によるミラー部の揺動におけるミラー部揺動角度の大きさの最大値の2割以下になるように、補正用駆動部の駆動を制御するように構成されている。このように構成すれば、共振駆動部によるミラー部の揺動におけるミラー部揺動角度の大きさの最大値の2割よりも大きくなるように、補正用駆動部の駆動を制御するように構成されている場合と異なり、補正用駆動部が大型化するのを抑制できる。また、共振駆動部によるミラー部の揺動角度の2割以下であれば、非共振駆動を用いたとしても、容易に達成することができる。
上記第1の局面による振動ミラー素子において、好ましくは、駆動制御部は、時間tにおけるミラー部揺動角度をf(t)、ミラー部揺動角度の最大値をA、ミラー部の振動角周波数をωとした場合、下記の式(1)を満たすように、共振駆動部の駆動を制御するとともに、下記の式(2)を満たすように、補正用駆動部の駆動を制御するように構成されている。
このように構成すれば、ミラー部のミラー揺動角度が三角波として表される波形となるので、ミラー部の変位方向が切り替わる時を除いた、揺動の1周期のうちの略全期間において、ミラー部の回転角速度を効果的に略一定にすることができる。
上記第1の局面による振動ミラー素子において、好ましくは、補正用駆動部は、共振駆動部の外側に共振駆動部を挟むように一対設けられている。このように構成すれば、補正用駆動部は、共振駆動部の外側に共振駆動部の一端側のみに設けられている場合と異なり、共振駆動部の両側から補正されるので、ミラー部の回転角速度をより精度よく略一定にすることができる。
上記第1の局面による振動ミラー素子において、好ましくは、補正用駆動部は、軸線に対して複数回交差するように蛇行する形状を有する。このように構成すれば、補正用駆動部が、軸線に対して1回のみ交差する形状を有する場合と異なり、複数個の補正用駆動部の変形による傾斜角度を累積させることができるので、ミラー部をより大きな揺動角度で揺動させることができる。
上記第1の局面による振動ミラー素子において、好ましくは、共振駆動部は、ミラー部を取り囲むように配置されるとともに、フレームの内側に変形可能に固定され、補正用駆動部は、フレームの外側に変形可能に固定されている。このように構成すれば、フレームの内側に配置されるミラー部全体の揺動を、フレームの外側に配置される補正用駆動部により補正することができるので、ミラー部全体の回転角速度を略一定とすることができる。
上記第1の局面による振動ミラー素子において、好ましくは、共振駆動部および補正用駆動部は、圧電駆動型のアクチュエータを含む。このように構成すれば、電磁駆動型または静電駆動型のアクチュエータに比べて、応答速度が圧電駆動型のアクチュエータの方がより速いので、迅速に、補正用駆動部の駆動を行うことができる。これにより、容易に、補正用駆動部によって、任意の非共振周波数でミラー部を揺動させることができる。
この発明の第2の局面による距離計測装置は、レーザ光を計測対象物に照射する振動ミラー素子を含む光照射部と、振動ミラー素子により、照射されて計測対象物から反射されたレーザ光を検出する受光部と、受光部の検出効果に基づいて、計測対象物からの距離を取得する距離測定部とを備え、振動ミラー素子は、軸線まわりに揺動可能なミラー部と、ミラー部を軸線まわりに揺動させて共振駆動させるように、共振周波数で共振駆動する共振駆動部と、共振駆動部の外側に軸線まわりにミラー部を揺動可能に設けられ、ミラー部の揺動駆動を補正して非共振駆動させるための補正用駆動部と、ミラー部を軸線まわりに共振周波数で揺動させるように共振駆動部の駆動を制御するとともに、共振駆動部がミラー部を揺動させる方向と逆向きの方向にミラー部を軸線まわりに非共振周波数で揺動させて、ミラー部の回転角速度が略一定となるように、補正用駆動部の駆動を制御するように構成されている駆動制御部とを含む。
この発明の第2の局面による距離計測装置では、上記のように、ミラー部を軸線まわりに共振周波数で揺動させるように共振駆動部の駆動を制御するとともに、共振駆動部がミラー部を揺動させる方向と逆向きの方向にミラー部を軸線まわりに非共振周波数で揺動させて、ミラー部の回転角速度が略一定となるように、補正用駆動部の駆動を制御することによって、補正用駆動部の駆動を任意の非共振周波数でミラー部を揺動させるように制御することができるので、補正駆動部の制御の自由度を大きくすることができる。その結果、揺動の1周期のうちの略全期間において、ミラー部の回転角速度を略一定にすることができる。また、たとえば、回転角速度が一定ではない振動ミラー素子を距離計測装置に適用した場合、一定の角度間隔でレーザ光を照射するために、レーザ光源をパルス駆動させることが必要になり、時間的にパルス駆動タイミングの補正をしなければならない。これに対して、本発明では、揺動の1周期のうちの略全期間において、ミラー部の回転角速度を略一定にすることができるので、レーザ光をパルス制御するための制御手段が必要ではないため、距離計測装置における光照射部の構成を簡略化することが可能な距離計測装置を提供することができる。
本発明によれば、上記のように、ミラー部の揺動の1周期のうちの略全期間において、ミラー部の回転角速度を略一定にすることが可能な振動ミラー素子および距離計測装置を提供することができる。
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
(第1実施形態)
まず、図1〜図6を参照して、本発明の第1実施形態による距離計測装置100の構成について説明する。
まず、図1〜図6を参照して、本発明の第1実施形態による距離計測装置100の構成について説明する。
本発明の第1実施形態による距離計測装置100は、図1に示すように、光照射部61と、光照射部61から出射されたレーザ光62aが計測対象物65aによって反射された光を受光する受光部63と、受光部63の検出効果に基づいて計測対象物65aからの距離を取得する距離測定部64とを備えている。
光照射部61は、図1に示すように、赤外波長域のレーザ光62aを発するCW(Continuous Wave)レーザ光源61aと、CWレーザ光源61aを駆動させるためのレーザ駆動回路61bと、CWレーザ光源61aから発せられたレーザ光62aを偏向させるための振動ミラー素子200と、振動ミラー素子200とレーザ駆動回路61bとに電気的に接続されている同期制御部61fとを備えている。同期制御部61fは、CWレーザ光源61aの駆動と、振動ミラー素子200の駆動とを同期して駆動させるように制御し、同期駆動することによって得られた同期信号を、同期制御部61fと電気的に接続されている後述する信号処理部64aへ伝達する。
受光部63は、図1に示すように、計測対象物65aによって反射された反射光62bを集光するための集光レンズ63bと、集光レンズ63bを透過した反射光62bを位置検出することが可能なPSD(Position Sensitive Detector)63aとを含み、PSD63aでの受光によって得られた受光位置信号を、PSD63aと電気的に接続されている後述する信号処理部64aへ伝達する。また、受光位置信号は、計測対象物65aにレーザ光62aが反射された場合、受光位置63cに反射光62bが受光したことを表す情報を含み、計測対象物65bにレーザ光62aが反射された場合、受光位置63dに反射光62bが受光したことを表す情報を含む。
距離測定部64は、図1に示すように、同期信号と受光位置信号とを処理する信号処理部64aと、距離演算部64bとが電気的に接続されており、距離演算部64bは、信号処理部64aからの情報に基づき、距離計測装置100から計測対象物65aまでの距離を幾何学的な配置関係(三角測量方式)から演算するように構成されている。
第1実施形態では、振動ミラー素子200は、図2に示すように、光走査部10と、光走査角速度補正部20とを含む。また、光走査部10は、レーザ光62aを反射するためのミラー11と、ミラー11を軸線300回りに振動可能にするためのトーションバー12aおよび12bと、傾斜可能なバー13aおよびバー13bと、バー13aおよび13bと接続される共振駆動部14aおよび14bと、共振駆動部14aおよび14bを固定する固定部15aおよび15bと、固定部15aおよび15bに変形可能に接続されるフレーム16とを含む。ここで、第1実施形態では、このフレーム16は、平面視において、ミラー11と、トーションバー12aおよび12bと、バー13aおよび13bと、共振駆動部14aおよび14bと、固定部15aおよび15bとを内側に取り囲むように枠状に形成されている。
また、フレーム16のX方向の両側には、回動軸30および31が、共に軸線300上に沿って、X方向に延びるように形成されている。回動軸30は、X2方向側において、光走査部10のフレーム16の外側に変形可能に接続されているとともに、X1方向側において、光走査角速度補正部20の後述する補正用駆動部40に接続されている。そして、回動軸31は、X1方向側において、光走査部10のフレーム16の外側に変形可能に接続されているとともに、X2方向側において、光走査角速度補正部20の後述する補正用駆動部50に接続されている。
また、図2に示すように、第1実施形態では、回動軸30および31は、共に、走査角速度補正部20によって、光走査部10(ミラー11)が軸線300回りにA1方向およびA2方向に揺動される際の軸として機能するように形成されている。また、補正用駆動部40と補正用駆動部50とは、X方向において、光走査部10を挟み込むように一対配置されている。
また、図2に示すように、第1実施形態では、補正用駆動部40は、4つの駆動部分41、42、43および44と、3つの連結支持部45、46および47とを含み、軸線300に対して交差するように蛇行する形状を有している。また、補正用駆動部50も同様に、4つの駆動部分51、52、53および54と、3つの連結支持部55、56および57とを含み、軸線300に対して交差するように蛇行する形状を有している。
また、図3に示すように、光走査部10の共振駆動部14aおよび14bでは、Si基板1の上面上(Z1方向側)に圧電素子層2が形成されている。これにより、図4に示すように、共振駆動部14aおよび14bは、後述する共振型1軸スキャナー駆動回路61cから電圧が印加されることによって、それぞれ、固定部15aおよび15bを固定端として、Z方向に凹形状または凸形状に変形するように構成されている。この共振駆動部14aと共振駆動部14bとを互いに逆方向に変形させることによって、ミラー11を軸線300回りにA1方向またはA2方向に傾斜させることが可能なように構成されている。ここで、第1実施形態では、光走査部10は、この変形動作を共振周波数で繰り返すことによって、ミラー11を軸線300回りに共振周波数で揺動させて光を走査させるように構成されている。
また、図3に示すように、圧電素子層2は、Si基板1側(Z2方向側)から、下部電極20と圧電体21と上部電極22とが積層された構造を有している。なお、下部電極20は、TiまたはPtなどからなり、Si基板1の上面の全面に形成されている。これにより、圧電素子層2の下部電極20への配線処理をSi基板1の任意の部分に対して行うことが可能である。また、圧電体21は、チタン酸ジルコン酸鉛(PZT)からなり、膜厚方向(Z方向)に分極されることによって、電圧を印加されると伸縮するように構成されている。また、上部電極22は、Al、Cr、Cu、AuまたはPtなどの導電性のある金属材料からなる。
また、図3に示すように、第1実施形態では、駆動部分41、42、43および44と、駆動部分51、52、53および54とは、それぞれ、共振駆動部14aおよび共振駆動部14bと同様の構造を有する。すなわち、Si基板1の上面上(Z1方向側)に圧電素子層2が形成されている。また、後述する補正用アクチュエータ駆動回路61eから電圧が印加されることによって変形するように構成されている。なお、連結支持部45、46および47と、連結支持部55、56および57とに、圧電素子層が形成されておらず、ほぼ変形しないように構成されており、圧電駆動型のアクチュエータとして働く。
次に、図2に示すように、光走査部10のX1方向側に形成された補正用駆動部40とX2方向側に形成された補正用駆動部50とは、互いに同様の構成を有するとともに、ミラー11の中心Rを中心として、略点対称の関係を有するように構成されている。すなわち、補正用駆動部50の駆動部分51、52、53および54ならびに連結支持部55、56および57は、ミラー11の中心Rを中心として180度回転されることによって、それぞれ、駆動部分41、42、43および44ならびに連結支持部45、46および47と略重なるような位置関係に配置されている。
具体的には、図2に示すように、補正用駆動部40の駆動部分41、42、43および44は、共に軸線300に直交したY方向に延びるように形成されている。また、連結支持部45、46および47は、共に軸線300に沿ったX方向に延びるように形成されている。
また、図2に示すように、補正用駆動部40は、4つの駆動部分41、42、43および44が3つの連結支持部45、46および47により各々が接続されることによって、1本の駆動部になるように構成されている。これにより、補正用駆動部40の一方端部となる駆動部分41のY2方向側の端部が自由端S1になるとともに、駆動部分41のY1方向側の端部は固定端S2となるように構成されている。また、駆動部分42のY1方向側の端部が自由端S3になるとともに、駆動部分42のY2方向側の端部は固定端S4となるように構成されている。駆動部分43のY2方向側の端部が自由端S5になるとともに、駆動部分43のY1方向側の端部は固定端S6となるように構成されている。駆動部分44のY1方向側の端部が自由端S7になるとともに、駆動部分44のY2方向側の端部は固定端S8となるように構成されている。
また、補正用駆動部40では、駆動部分41〜44は、電圧が印加されることにより変形して駆動するように構成されている。また、駆動部分41および43に印加される電圧と駆動部分42および44に印加される電圧とが互いに逆の位相になるように構成されている。
ここで、第1実施形態では、駆動制御部61dは、ミラー11を軸線300まわりに共振周波数で揺動させるように共振駆動部14aおよび14bを駆動させるための共振型1軸スキャナー駆動回路61cと、共振駆動部14aおよび14bがミラー部を揺動させる方向と逆向きの方向にミラー部を軸線まわりに非共振周波数で揺動させて、ミラー11の回転角速度が略一定となるように、補正用駆動部40および50を駆動させるための補正用アクチュエータ駆動回路61eとに、電気的に接続されている。また、駆動制御部61dは、補正用駆動部40および50によるミラー11の揺動におけるミラー部揺動角度の大きさが、共振駆動部14aおよび14bによるミラー11の揺動におけるミラー部揺動角度の大きさの最大値Aの2割(A/5)以下となるように、補正用駆動部40および50の駆動を制御するように構成している。
また、駆動制御部61dは、時間tにおけるミラー部揺動角度をf(t)、ミラー部揺動角度の最大値をA、ミラー部の振動角周波数をωとした場合、下記の式(3)を満たすように、共振型1軸スキャナー駆動回路61cを制御し、下記の式(4)を満たすように、補正用アクチュエータ駆動回路61eを制御している。
次に、図5を参照して、第1実施形態のミラー素子の回転角速度について説明する。
図5に示すように、共振駆動部14aおよび14bの駆動によるミラー部揺動角度(点線)の波形はsin波形状である。また、補正用駆動部40および50の駆動によるミラー部揺動角度(一点鎖線)は、非共振型の波形を有する。具体的には、回転角速度が略一定の場合の角度の波形が三角波(実線)で表されるとすると、補正用駆動部40および50の駆動によるミラー部揺動角度(一点鎖線)は、各時間において、共振駆動部14aおよび14bの駆動によるミラー部揺動角度(点線)と回転角速度が略一定の場合の三角波(実線)の角度との差の値を有する波形を有する。すなわち、共振駆動部14aおよび14bの駆動によるミラー部揺動角度(点線)の1周期において、共振駆動部14aおよび14bの駆動によるミラー部揺動角度(点線)が0または最大Aとなる時、略0となる。その結果、共振駆動部14aおよび14bの駆動によるミラー部揺動角度(点線)と、補正用駆動部40および50の駆動によるミラー部揺動角度(一点鎖線)とを足し合わせた共振駆動部14aおよび14bおよび補正用駆動部40および50の駆動によるミラー部揺動角度(実線)は、略三角波形状を有する波形となる。これにより、揺動における1周期のうちの略全期間において、ミラー11の回転角速度が略一定になる。
次に、図2、図4および図6を参照して、本発明の第1実施形態による振動ミラー素子200の光走査角速度補正部20の駆動動作を説明する。
図2に示すような補正用駆動部40および50が非駆動状態であることにより水平に保たれている状態から、補正用駆動部40の駆動部分41および43と、補正用駆動部50の駆動部分52および54とに、圧電素子層2の上面側(Z1方向側)が下面側(Z2方向側)よりも収縮されるように、補正用アクチュエータ駆動回路61eより電圧を印加する。一方、補正用駆動部40の駆動部分42および44と、補正用駆動部50の駆動部分51および53とに、駆動部分41、43、52および54に印加された電圧とは逆の位相である圧電素子層2の下面側(Z2方向側)が上面側(Z1方向側)よりも収縮されるような電圧を印加する。
これにより、図6に示すように、補正用駆動部40において、駆動部分41および43は、それぞれ、自由端S1および端部S5が、端部S2および端部S6に対して上方(Z1方向側)に傾斜するように変形される。一方、駆動部分42および44は、それぞれ、端部S3および端部S7が、端部S4および固定端S8に対して下方(Z2方向側)に傾斜される。この結果、自由端S1に接続された回動軸30は、駆動部分41〜44の傾斜が累積された状態で、光走査部10をY2方向側がY1方向側よりも上方(Z1方向側)に位置するように傾斜させる。また、補正用駆動部50は、補正用駆動部40と逆の駆動をすることによって、回動軸31は、駆動部分51〜54の傾斜が累積された状態で、光走査部10をY2方向側がY1方向側よりも上方(Z1方向側)に位置するように傾斜させる。これらにより、光走査部10は、軸線300回りにA1方向に回動される。
また、図2に示すような補正用駆動部40および50が非駆動状態であることにより水平に保たれている状態から、補正用駆動部40の駆動部分41および43と、補正用駆動部50の駆動部分52および54とに、圧電素子層2の下面側(Z2方向側)が上面側(Z1方向側)よりも収縮されるような電圧を印加する。一方、補正用駆動部40の駆動部分42および44と、補正用駆動部50の駆動部分51および53とに、駆動部分41、43、52および54に印加された電圧とは逆の位相である圧電素子層2の上面側(Z1方向側)が下面側(Z2方向側)よりも収縮されるような電圧を印加する。
これにより、補正用駆動部40が図6の状態とは逆になるように駆動されることによって、回動軸30は、駆動部分41〜44の傾斜が累積された状態で、光走査部10をY2側がY1方向側よりも下方(Z1方向側)に位置するように傾斜させる。また、補正用駆動部50は、補正用駆動部40と逆の駆動をすることによって、回動軸31は、駆動部分51〜54の傾斜が累積された状態で、光走査部10をY2方向側がY1方向側よりも下方(Z1方向側)に位置するように傾斜させる。これらにより、光走査部10は、軸線300回りにA2方向に回動される。
第1実施形態では、上記のように、軸線300まわりに揺動可能なミラー11と、ミラー11を軸線300まわりに揺動させて共振駆動させるように、共振周波数で共振駆動する共振駆動部14aおよび14bと、共振駆動部14aおよび14bの外側に軸線300まわりにミラー11を揺動可能に設けられ、ミラー11の揺動駆動を補正して非共振駆動させるための補正用駆動部40および50と、ミラー11を軸線300まわりに共振周波数で揺動させるように共振駆動部14aおよび14bの駆動を制御するとともに、共振駆動部14aおよび14bがミラー11を揺動させる方向と逆向きの方向にミラー11を軸線300まわりに非共振周波数で揺動させて、ミラー11の回転角速度が略一定となるように、補正用駆動部40および50の駆動を制御するように構成されている駆動制御部61dとを備える。これにより、ミラー11の回転角速度が略一定となるように、補正用駆動部40および50の駆動を任意の非共振周波数でミラー11を揺動させるように制御することができる。すなわち、補正駆動部40および50の制御の自由度が大きいので、揺動の1周期のうちの略全期間において、ミラー11の回転角速度を略一定にすることができる。その結果、距離計測装置100は、レーザ光62aをパルス制御するための制御手段が必要ではないため、距離計測装置100の構成を簡略化することができる。
また、第1実施形態では、上記のように、駆動制御部61dを、補正用駆動部40および50によるミラー11の揺動におけるミラー部揺動角度の大きさが、共振駆動部14aおよび14bによるミラー11の揺動におけるミラー部揺動角度の大きさの最大値の2割以下になるように、補正用駆動部40および50の駆動を制御するように構成する。これにより、補正用駆動部40および50が大型化するのを抑制できる。また、非共振駆動を用いたとしても、容易に達成することができる。
また、第1実施形態では、上記のように、駆動制御部61dを、時間tにおけるミラー部揺動角度をf(t)、ミラー部揺動角度の最大値をA、ミラー11の振動角周波数をωとした場合、下記の式(3)を満たすように、共振駆動部14aおよび14bの駆動を制御するとともに、下記の式(4)を満たすように、補正用駆動部40および50の駆動を制御するように構成する。これにより、ミラー11のミラー揺動角度が三角波として表される波形となるので、ミラー11の変位方向が切り替わる時を除いた、揺動の1周期のうちの略全期間において、ミラー11の回転角速度を効果的に略一定にすることができる。
また、第1実施形態では、上記のように、補正用駆動部40および50を、共振駆動部14aおよび14bの外側に共振駆動部14aおよび14bを挟むように一対設ける。これにより、共振駆動部14aおよび14bの両側から補正されるので、ミラー11および共振駆動部14aおよび14bの軸線300まわり方向以外の不要な動きを抑制することができる。その結果、ミラー11を回転角速度がより精度よく略一定になるように軸線300回りに揺動させることができる。
また、第1実施形態では、上記のように、補正用駆動部40および50を、軸線300に対して複数回交差するように蛇行する形状を有するように構成する。これにより、複数個の補正用駆動部40および50の変形による傾斜角度を累積させることができるので、ミラー11をより大きな揺動角度で揺動させることができる。
また、第1実施形態では、上記のように、補正用駆動部40および50を、共振駆動部14aおよび14bの外側に共振駆動部14aおよび14bを挟むように一対設ける。これにより、フレーム16の内側に配置される光走査部10の揺動を、フレーム16の外側に配置される補正用駆動部40および50により補正することができるので、ミラー11に対してより精度よく回転角速度を略一定とすることができる。
また、第1実施形態では、上記のように、共振駆動部14aおよび14bおよび補正用駆動部40および50を、圧電駆動型のアクチュエータを含むように構成する。これにより、電磁駆動型または静電駆動型のアクチュエータに比べて、応答速度が圧電駆動型のアクチュエータほうがより速いので、迅速に、補正用駆動部40および50の駆動を行うことができる。その結果、容易に、補正用駆動部40および50によって、任意の非共振周波数でミラー11を揺動させることができる。
(第2実施形態)
次に、図7を参照して、第2実施形態による距離計測装置101の構成について説明する。第2実施形態では、上記CWレーザ光源と、受光位置情報を受光部によって検出し、検出結果から距離計測装置と計測対象物との間の距離を演算する距離測定部とを含むように構成された第1実施形態による距離計測装置100と異なり、短パルスレーザ光源と、受光時間情報を受光部によって検出し、検出結果から距離計測装置と計測対象物との間の距離を演算する距離測定部とを含むように構成される。
次に、図7を参照して、第2実施形態による距離計測装置101の構成について説明する。第2実施形態では、上記CWレーザ光源と、受光位置情報を受光部によって検出し、検出結果から距離計測装置と計測対象物との間の距離を演算する距離測定部とを含むように構成された第1実施形態による距離計測装置100と異なり、短パルスレーザ光源と、受光時間情報を受光部によって検出し、検出結果から距離計測装置と計測対象物との間の距離を演算する距離測定部とを含むように構成される。
図7に示すように、距離計測装置101は、光照射部61gと、光照射部61gから出射された短パルスレーザ光62dが計測対象物65aによって反射された光を受光する受光部63eと、受光部63eの検出効果に基づいて計測対象物65aからの距離を取得する距離測定部64cとを備えている。光照射部61gは、短パルスレーザ光62aを発する短パルスレーザ光源61hと、短パルスレーザ光源61hに短パルスレーザ光を発光させるように駆動させるためのレーザ駆動回路61bと、短パルスレーザ光源61hから発せられた短パルスレーザ光62dを偏向させるための振動ミラー素子200と、振動ミラー素子200とレーザ駆動回路61bとに電気的に接続されている同期制御部61fとを備えており、同期制御部61fは、短パルスレーザ光源61hの駆動と、振動ミラー素子200の駆動とを同期して駆動させるように制御し、同期駆動することによって得られた同期信号を、同期制御部61fと電気的に接続されている後述する信号処理部64aへ伝達する。
受光部63eは、図7に示すように、計測対象物65aによって反射された反射光62eを集光するための集光レンズ63bと、集光レンズ63bを透過した反射光62eを検出することが可能なPIN−PD(P−Intrinsic−N Photo Diode)63fとを含み、PIN−PD63fでの受光によって得られた受光時間信号を、PIN−PD63fと電気的に接続されている後述する信号処理部64dへ伝達する。ここで、短パルスレーザ光62dが計測対象物65aに反射された反射光62bと、短パルスレーザ光62dが計測対象物65bに反射された反射光62eとは、PIN−PD63fにより受光する時間が異なる。そして、信号処理部64dは、短パルスレーザ光源61hから短パルスレーザ光62dが出射した時間と、PIN−PD63fへ受光した時間との差分を出力し、電気的に接続されている距離演算部64eに伝達する。距離演算部64eは信号処理部64dから得た信号に基づいて、距離計測装置101から計測対象物65aまでの距離を演算する(TOF(Time Of Flight)方式)。
また、第2実施形態による距離計測装置101のその他の構成は、上記第1実施形態の距離計測装置100と同様である。
第2実施形態では、短パルスレーザ光源61hと、受光時間信号を取得可能なPIN−PD63fを含む受光部63eとを備える。このように、第2実施形態による距離計測装置101は、上記PSD63aなどの比較的複雑な構造を有する受光部63を用いていた第1実施形態の距離計測装置100と異なり、比較的構造の簡易なPIN−PD63fなどからなる受光部63eを用いている分、距離計測装置101の構造を簡略化することが可能である。
また、第2実施形態による距離計測装置101のその他の効果は、上記第1実施形態と同様である。
(第3実施形態)
次に、図8を参照して、第3実施形態によるプロジェクタ102の構成について説明する。第3実施形態では、本発明の振動ミラー素子を、距離計測装置に適用した上記第1実施形態および第2実施形態と異なり、本発明の振動ミラー素子を、プロジェクタに適用した。
次に、図8を参照して、第3実施形態によるプロジェクタ102の構成について説明する。第3実施形態では、本発明の振動ミラー素子を、距離計測装置に適用した上記第1実施形態および第2実施形態と異なり、本発明の振動ミラー素子を、プロジェクタに適用した。
図8に示すように、第3実施形態によるプロジェクタ102では、上記第1実施形態と異なり、受光部63および距離測定部64は設けられていない。また、第3実施形態では、レーザ光62aを平面方向(X軸Y軸方向)に偏向するために、振動ミラー素子201は、振動ミラー素子200を少なくとも2つ含むか、または2軸駆動されるように構成されている。また、第3実施形態によるプロジェクタ102のその他の構成は、上記第1実施形態と同様である。
第3実施形態では、上記のように、回転角速度が略一定な振動ミラー素子をプロジェクタに適用することにより、1周期の略全域でレーザ光を投影することができるので、回転角速度が略一定でない場合と異なり、より違和感のない画像を投影することができる。
なお、今回開示された実施形態は、すべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した実施形態の説明ではなく特許請求の範囲によって示され、さらに特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれる。
たとえば、上記第1〜第3実施形態では、本発明の振動ミラー素子を距離計測装置と、プロジェクタとに適用する例を示したが、本発明はこれに限らない。本発明は、距離計測装置と、プロジェクタ以外にも適用可能である。たとえば、レーザープリンタなどの画像形成装置などにも適用可能である。
また、上記第1〜第3実施形態では、本発明を距離計測装置の例として、CWレーザ光源と位置検出可能な受光部とを含み、受光位置の情報から距離計測装置と計測対象物との距離を演算する(三角測量方式)距離計測装置と、短パルスレーザ光源と受光部とを含み、出射から受光までの時間の情報により、距離計測装置と計測対象物との距離を演算する(TOF方式)距離計測装置の例を示したが、本発明はこれに限らない。たとえば、変調レーザ光源と受光部とを含み、出射時から受光時までの変調レーザー光の位相差の情報から距離計測装置と計測対象物との距離を演算する(位相差方式)距離計測装置でもよい。
また、上記第1〜第3実施形態では、ミラーが、円形状を有する例を示したが、本発明はこれに限らない。本発明は、ミラーが円形状以外の形状を有するように構成してもよい。たとえば、ミラーが多角形形状を有するように構成してもよい。
また、上記第1〜第3実施形態では、2つ共振駆動部によりミラーを共振駆動させる例を示したが、本発明はこれに限らない。本発明は、1つ共振駆動部によりミラーを共振駆動させてもよいし、3つ以上の共振駆動部によりミラーを共振駆動させてもよい。
また、上記第1〜第3実施形態では、圧電素子を含む共振駆動部によりミラーを共振駆動させる例を示したが、本発明はこれに限らない。本発明は、圧電素子以外の共振駆動部によりミラーを共振駆動させる構成にしてもよい。たとえば、電極に挟まれたエラストマからなる駆動装置としてもよい。この際、電極間に電圧を印加することにより、電極同士が引き合うことによって、エラストマが圧縮されて駆動装置が変形するように構成してもよい。
また、上記第1〜第3実施形態では、8つの補正用駆動部によりミラーの駆動を補正するように構成する例を示したが、本発明はこれに限らない。本発明は、8つ以上の補正用駆動部によりミラーの駆動を補正するように構成してもよいし、8つより少ない数の補正用駆動部によりミラーの駆動を補正するように構成してもよい。
また、上記第1〜第3実施形態では、ミラーの中心を、点対称の中心とするように共振駆動部を挟むように補正用駆動部を一対設ける例を示したが、本発明はこれに限られない。本発明は、ミラーの中心を、点対称の中心として構成しなくてもよい。たとえば、軸線に対して直交する方向のミラーの中心線に線対称に、一対の補正駆動部を配置してもよい。
また、上記第1〜第3実施形態では、圧電体21がチタン酸ジルコン酸鉛(PZT)からなる例を示したが、本発明はこれに限られない。たとえば、圧電体は、PZT以外の鉛、チタンおよびジルコニウムを主成分とした酸化物からなる圧電材料や、他の圧電材料により形成されていてもよい。具体的には、圧電体は、酸化亜鉛(ZnO)、チタン酸ジルコン酸ランタン酸鉛((Pb、La)(Zr、Ti)O3)、ニオブ酸カリウム(KNbO3)、ニオブ酸ナトリウム(NaNbO3)などの圧電材料により形成されていてもよい。
また、上記第1〜第3実施形態では、フレームは、四角形形状を有するように構成する例を示したが、本発明はこれに限らない。本発明は、フレームは、四角形形状以外を有する構成でもよい。たとえば、フレームを円形状に有する構成にしてもよいし、多角形形状を有してもよい。
また、上記第1〜第3実施形態では、PSDおよびPIN−PDにより反射光を受光する例を示したが、本発明はこれに限らない。本発明では、PSDおよびPIN−PD以外により受光部を構成してもよい。たとえば、CCD(Charge Coupled Device)や、APD(Avalanche Photo Diode)により受光部を構成してもよい。
11 ミラー
14a、14b 共振駆動部
16 フレーム
40、50 補正用駆動部
61、61g 光照射部
61d 駆動制御部
62a、62b、62d レーザー光、反射光、短パルスレーザー光(レーザー光)
63、63e 受光部
64、64c 距離測定部
65a 計測対象物
100、101 距離計測装置
200、201 振動ミラー素子
300 軸線
14a、14b 共振駆動部
16 フレーム
40、50 補正用駆動部
61、61g 光照射部
61d 駆動制御部
62a、62b、62d レーザー光、反射光、短パルスレーザー光(レーザー光)
63、63e 受光部
64、64c 距離測定部
65a 計測対象物
100、101 距離計測装置
200、201 振動ミラー素子
300 軸線
Claims (8)
- 軸線まわりに揺動可能なミラー部と、
前記ミラー部を前記軸線まわりに揺動させて共振駆動させるように、共振周波数で共振駆動する共振駆動部と、
前記共振駆動部の外側に前記軸線まわりに前記ミラー部を揺動可能に設けられ、前記ミラー部の揺動駆動を補正して非共振駆動させるための補正用駆動部と、
前記ミラー部を前記軸線まわりに共振周波数で揺動させるように前記共振駆動部の駆動を制御するとともに、前記共振駆動部が前記ミラー部を揺動させる方向と逆向きの方向に前記ミラー部を前記軸線まわりに非共振周波数で揺動させて、前記ミラー部の回転角速度が略一定となるように、前記補正用駆動部の駆動を制御するように構成されている駆動制御部とを備えた、振動ミラー素子。 - 前記駆動制御部は、前記補正用駆動部による前記ミラー部の揺動におけるミラー部揺動角度の大きさが、前記共振駆動部による前記ミラー部の揺動における前記ミラー部揺動角度の大きさの最大値の2割以下になるように、前記補正用駆動部の駆動を制御するように構成されている、請求項1に記載の振動ミラー素子。
- 前記補正用駆動部は、前記共振駆動部の外側に前記共振駆動部を挟むように一対設けられている、請求項1〜3のいずれか一項に記載の振動ミラー素子。
- 前記補正用駆動部は、前記軸線に対して複数回交差するように蛇行する形状を有する、請求項1〜4のいずれか一項に記載の振動ミラー素子。
- 前記共振駆動部は、前記ミラー部を取り囲むように配置されるとともに、フレームの内側に変形可能に固定され、
前記補正用駆動部は、前記フレームの外側に変形可能に固定されている、請求項1〜5のいずれか一項に記載の振動ミラー素子。 - 前記共振駆動部および前記補正用駆動部は、圧電駆動型のアクチュエータを含む、請求項1〜6のいずれか一項に記載の振動ミラー素子。
- レーザ光を計測対象物に照射する振動ミラー素子を含む光照射部と、
前記振動ミラー素子により、照射されて前記計測対象物から反射された前記レーザ光を検出する受光部と、
前記受光部の検出効果に基づいて、前記計測対象物からの距離を取得する距離測定部とを備え、
前記振動ミラー素子は、
軸線まわりに揺動可能なミラー部と、
前記ミラー部を前記軸線まわりに揺動させて共振駆動させるように、共振周波数で共振駆動する共振駆動部と、
前記共振駆動部の外側に前記軸線まわりに前記ミラー部を揺動可能に設けられ、前記ミラー部の揺動駆動を補正して非共振駆動させるための補正用駆動部と、
前記ミラー部を前記軸線まわりに共振周波数で揺動させるように前記共振駆動部の駆動を制御するとともに、前記共振駆動部が前記ミラー部を揺動させる方向と逆向きの方向に前記ミラー部を前記軸線まわりに非共振周波数で揺動させて、前記ミラー部の回転角速度が略一定となるように、前記補正用駆動部の駆動を制御するように構成されている駆動制御部とを含む、距離計測装置。
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