JP2015022206A - 振動ミラー素子および距離計測装置 - Google Patents

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。

特開２００８−９４４６号公報

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。

本発明の第１実施形態による距離計測装置の構造を示したブロック図である。 本発明の第１実施形態による振動ミラー素子の構造を示した平面図である。 本発明の第１実施形態による共振駆動部および補正用駆動部の構造を示した拡大断面図である。 本発明の第１実施形態による振動ミラー素子がＡ１方向側に傾斜した状態を示した斜視図である。 本発明の第１実施形態による振動ミラー素子のミラー部揺動角度の時間変化を説明するためのグラフである。 図４のＣ側から見た、本発明の第１実施形態による振動ミラー素子がＡ１側に傾斜した状態を示した側面図である。 本発明の第２実施形態による距離測定装置の構造を示したブロック図である。 本発明の第３実施形態によるプロジェクタの構造を示したブロック図である。

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。

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。

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。

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）Ｏ_３）、ニオブ酸カリウム（ＫＮｂＯ_３）、ニオブ酸ナトリウム（ＮａＮｂＯ_３）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

Claims (8)

1. 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。
2. 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。
3. 前記駆動制御部は、時間ｔにおける前記ミラー部揺動角度をｆ（ｔ）、前記ミラー部揺動角度の最大値をＡ、前記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、前記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、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または２に記載の振動ミラー素子。
   

   
4. 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。
5. 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。
6. 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。
7. 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。
8. 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。

Images