JP2021101219A - 回転装置、光偏向装置、表示システムおよび移動体 - Google Patents

Abstract

【課題】回転中心が変化しないように回転体の回転角度を大きくする回転装置、光偏向装置、表示システムおよび移動体を提供する。【解決手段】第１の圧電部材と、第１の圧電部材に隣り合う第２の圧電部材と、回転体を備え、第１の圧電部材に第１の電圧範囲で変化する第１の電圧を印加するとともに、第２の圧電部材に第２の電圧範囲で変化する第２の電圧を印加することにより、回転体を回転中心から第１の方向および第１の方向と反対の方向に回転させる回転装置であって、回転中心が変化しないように、第１の電圧範囲および第２の電圧範囲を大きくする制御部を備える。【選択図】図９

Description

本発明は、回転装置、光偏向装置、表示システムおよび移動体に関する。

近年、光ビームを偏向して走査する手段として、半導体製造技術を応用したシリコンやガラスを微細加工するマイクロマシニング技術により、基板上に反射面を設けた可動部や弾性梁部を一体形成した小型の光偏向素子（ＭＥＭＳ（Ｍｉｃｒｏ Ｅｌｅｃｔｒｏ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｓｙｓｔｅｍｓ）偏向素子）が開発されている。

特許文献１には、圧電部２０２に駆動電圧を印加して圧電部２０２を変形させることにより圧電部２０２に接続された反射面１４の可動を制御する制御装置であって、圧電部２０２に駆動電圧を印加する駆動信号出力部３１と、駆動電圧を制御する制御部３０と、を備え、制御部３０が制御する駆動電圧の最小値は、ゼロから所定の差を有するように設定されている制御装置が記載されている。

特許文献２には、隣り合う２つの梁に個別に設けられた２つの圧電部材の一方に第１の駆動信号を入力し、他方に第２の駆動信号を入力する制御部と、を備え、第１の駆動信号および第２の駆動信号は、周期的な波形を有する信号であり、第１の駆動信号は、１周期における立下がり時間に対する立上がり時間の比率が第２の駆動信号より大きく、制御部は、第１の駆動信号のオフセット電圧を調整することで、反射面による光走査の中心を補正する光偏向装置が記載されている。

本発明は、回転中心が変化しないように回転体の回転角度を大きくする回転装置、光偏向装置、表示システムおよび移動体を提供することを目的とする。

本発明に係る回転装置は、第１の圧電部材と、第１の圧電部材に隣り合う第２の圧電部材と、回転体を備え、第１の圧電部材に第１の電圧範囲で変化する第１の電圧を印加するとともに、第２の圧電部材に第２の電圧範囲で変化する第２の電圧を印加することにより、回転体を回転中心から第１の方向および第１の方向と反対の方向に回転させる回転装置であって、回転中心が変化しないように、第１の電圧範囲および第２の電圧範囲を大きくする制御部を備える。

本発明によれば、回転中心が変化しないように回転体の回転角度を大きくする回転装置、光偏向装置、表示システムおよび移動体を提供することができる。

本実施形態の光走査システムの構成例を示す図である。 被走査面の詳細な構成の例を示す図である。 光偏向素子の構成例を示す図である。 反射ミラーを鋸波状に走査するために印加する駆動信号を説明する図である。 反射ミラーを鋸波状に走査するために印加する駆動信号を説明する図である。 駆動信号を基準状態で光偏向素子に印加したときのミラー偏向角を評価した結果である。 駆動信号を基準状態で光偏向素子に印加したときのミラー偏向角を評価した結果である。 位相差調整を行った後のミラー偏向角の一例を示す図である。 光偏向素子１１の駆動を制御する処理を示すフローチャートである。 圧電定数曲線の経時変化を示す図である。 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を示す概略図である。 ヘッドアップディスプレイ装置の一例を示す概略図である。

以下に添付図面を参照して、この発明にかかる光偏向装置および画像投影装置の一実施形態を詳細に説明する。

図１は、本実施形態の光走査システムの構成例を示す図である。図１は、２次元画像表示を行うために使用される光偏向装置を含むシステム全体の概念図である。図１に示すように、本実施形態の光走査システムは、光偏向素子１１と、光源１２と、光源駆動系１３と、光学系１４と、制御装置１９（制御部の一例）と、光検出部２０と、記憶部１１０と、を備えている。

本実施形態の光偏向装置は、回転装置の一例であり、例えば光偏向素子１１と制御装置１９とを備えるように構成される。光偏向装置の構成はこれに限られるものではなく、他の構成部（光源１２、光源駆動系１３、光学系１４、光検出部２０、記憶部１１０）の一部または全部をさらに備えていてもよい。

光源１２は、レーザ光を出射する。光源駆動系１３は、制御装置１９からの信号に従い光源１２を駆動させる。光学系１４は、光源１２から出射されたレーザ光を光偏向素子１１に入射させるための光学系である。

光検出部２０は、光偏向素子１１から出射された光を検出する。光検出部２０は、例えばフォトダイオードにより実現できる。光検出部２０は、レーザ光の受光量に応じた電圧、レーザ光の受光位置、またはレーザ光の受光本数等を検出信号として出力する。

制御装置１９は、光偏向素子１１の駆動を制御する。制御装置１９は、画像信号演算部１８と、検出信号演算部１７と、駆動制御部１６と、を備えている。

画像信号演算部１８は、取得した光走査情報に基づいて光源１２を制御するための信号（同期信号）を演算する。検出信号演算部１７は、光検出部２０により検出された検出信号を取得し、取得した検出信号に基づいて、例えば光が受光されたタイミング（基準タイミング）を演算する。駆動制御部１６は、光走査情報および基準タイミングなどの情報に基づいて、光偏向素子１１の駆動信号を出力する。

制御装置１９は、例えば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、光走査情報の取得方法はこれに限られず、制御装置１９内のＲＯＭやＦＰＧＡに光走査情報を格納する構成としてもよいし、制御装置１９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１９の各部は、例えば、１または複数のプロセッサにより実現される。例えば上記各部は、ＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）などのプロセッサにプログラムを実行させること、すなわちソフトウェアにより実現してもよい。上記各部は、ＩＣ（Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ Ｃｉｒｃｕｉｔ）およびＦＰＧＡ（Ｆｉｅｌｄ−Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ Ｇａｔｅ Ａｒｒａｙ）などのプロセッサ、すなわちハードウェアにより実現してもよい。上記各部は、ソフトウェアおよびハードウェアを併用して実現してもよい。複数のプロセッサを用いる場合、各プロセッサは、各部のうち１つを実現してもよいし、各部のうち２以上を実現してもよい。

記憶部１１０は、各種処理で用いる各種情報を記憶する。例えば記憶部１１０は、制御装置１９が用いる制御用のテーブルデータを記憶する。記憶部１１０は、ＨＤＤ（Ｈａｒｄ Ｄｉｓｋ Ｄｒｉｖｅ）、光ディスク、メモリカード、ＲＡＭ（Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）などの一般的に利用されているあらゆる記憶媒体により構成することができる。

光偏向素子１１は、例えば反射面を備えた反射ミラー１０（回転体の一例）を有し、反射ミラー１０を可動（揺動）可能なＭＥＭＳデバイスである。光偏向素子１１により、光源１２からの照射光が偏向して光走査され、被走査面１５に光走査信号（画像信号など）に応じた画像を投影することができる。被走査面１５は、例えばスクリーンである。

図２は、被走査面１５の詳細な構成の例を示す図である。図２では、２つの光検出部２０を用いて、光走査のタイミングが制御される。光走査領域５０は、画像描画領域５０ａと非画像描画領域５０ｂとに分けられる。非画像描画領域５０ｂに光検出部２０が設置される。非画像描画領域５０ｂでは、不要な光が画像ノイズとして現れないように、光検出部２０の部分にのみレーザ光を点灯させるようにする。光走査のタイミングは、反射ミラー１０の振れ角と等価である。光検出部２０に入力された時間を基準として、レーザ発光のタイミングを制御することで、被走査面１５上に精細な画像が形成される。また、光検出部２０の通過時間をもとに、光偏向素子１１の振れ角中心のずれが検出される。例えば検出信号演算部１７は、光検出部２０により検出された検出信号から振れ角中心のずれ、すなわち、光走査の中心のずれを検出する。

ここで、Ｙ方向における光走査領域５０の中心位置は、反射ミラー１０が回転する回転中心の一例であり、Ｙ方向のプラス方向が、反射ミラー１０が回転中心から回転する第１の方向の一例であり、Ｙ方向のマイナス方向が、第１の方向と反対の方向の一例である。また、Ｘ方向が、反射ミラー１０が回転する第１の方向に直交する第２の方向の一例である。

以下、光偏向素子１１の詳細な構成の一例について説明する。光偏向装置の構成例として、薄膜化した圧電材料からなる薄膜圧電体をアクチュエータとして使用した装置が存在する。圧電アクチュエータを使用した光偏向装置では、薄膜圧電体をカンチレバーの表面に重ねあわせて形成する。この構成では、圧電体の圧電特性から生じる面内方向の伸縮がカンチレバーとなる支持体に伝わり、カンチレバーの一端を固定しておけば、圧電体に印加する電圧量に応じてカンチレバーの他端を上下に振動させることができる。カンチレバーの近傍に小型の反射ミラーを配置し、上記のような圧電薄膜への電圧印加によって生じる薄膜の収縮を利用することによって、数ｍｍ角程度の素子サイズで、素子内に設けられた直径１ｍｍ〜数ｍｍ程度の微小なミラーを高速で走査することができる。

図３は、カンチレバーを利用して２次元での光ビーム走査を可能にした光偏向素子１１の構成例を示す図である。

図３に示すように、反射ミラー１０がトーションバー３１１ａ、３１１ｂを介してミラー周辺枠３１２に連結されて可動部３２０を形成する。可動部３２０は、複数の折り返し部をそれぞれ有して蛇行して形成された一対の蛇行状梁部３３０ａ、３３０ｂによって挟まれている。蛇行状梁部３３０ａ、３３０ｂは、複数の梁が蛇行するように連続する蛇行部の一例である。

蛇行状梁部３３０ａ、３３０ｂそれぞれの一端は支持基板３０１に支持され、多端は可動部３２０に連結されている。支持基板３０１は、可動部３２０を一軸（図３ではＸ軸）周りに揺動可能に支持する支持部の一例である。

蛇行状梁部３３０ａ、３３０ｂのそれぞれは、１つおきに梁部３４０Ａおよび梁部３４０Ｂに分けられる。隣り合う梁部ごとに圧電部材が個別に設けられている。圧電部材は、例えば、ＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛）である。以下では梁部３４０Ａおよび梁部３４０Ｂにそれぞれ設けられた圧電部材を、第１の圧電部材および第２の圧電部材という。梁部３４０Ａおよび梁部３４０Ａに設けられた第１の圧電部材を含むアクチュエータをＡｃｈという。また梁部３４０Ｂおよび梁部３４０Ｂに設けられた第２の圧電部材を含むアクチュエータをＢｃｈという。

駆動制御部１６は、第１の圧電部材および第２の圧電部材に異なる電圧を印加して、蛇行状梁部３３０ａ、３３０ｂに反りを発生させる。これにより、隣り合う梁部３４０Ａ、３４０Ｂが異なる方向に撓み、撓みが累積されて、可動部３２０がＸ軸周り（＝垂直方向）に大きな角度で回転する。すなわち第１の圧電部材に印加する電圧波形（以下、第Ａ駆動信号という）および第２の圧電部材に印加する電圧波形（以下、第Ｂ駆動信号という）それぞれについて、別個の信号波形を採用することで、Ｘ軸を回転中心とした光走査が可能となる。駆動制御部１６は、隣り合う２つの梁（梁部）に個別に設けられた２つの圧電部材の一方に第１の駆動信号（第Ａ駆動信号）を入力し、他方に第２の駆動信号（第Ｂ駆動信号）を入力する制御部に相当する。第Ａ駆動信号および第Ｂ駆動信号は、後述するように鋸波状の周期的な波形を有する信号である。

一方、Ｙ軸を中心とした水平方向では、反射ミラー１０に接続されたトーションバー３１１ａ、３１１ｂなどを利用した共振による光走査が行われる。可動部３２０では、反射ミラー１０がトーションバー３１１ａ、３１１ｂ、および、カンチレバー３１３（第３の圧電部材の一例）を介してミラー周辺枠３１２にＹ軸周りに揺動可能に支持されている。

２次元的に光ビームを走査する際の走査方法として以下のようなラスタ走査方式が一般的である。すなわち、Ｙ軸を中心とした水平方向には、光偏向素子１１が有する水平方向の共振モードの励振周波数に合わせた高速（数ｋＨｚ〜数十ｋＨｚ）の正弦波信号によってミラーを走査する。一方、Ｘ軸を中心とした垂直方向には、より低速（数Ｈｚ〜数十Ｈｚ）の鋸波状波形の駆動信号によってミラーを走査する。例えば光ビーム走査を利用した画像描画装置では、光ビームの発光タイミングをミラーの走査角に合わせて点滅させることで、垂直方向の走査周波数と等しい更新時間で画像を描画することができる。

垂直方向に鋸波状の走査線を形成する際、光ビームの走査角度すなわち光偏向素子１１のミラー偏向角は、時間の経過に対して直線的に変化することが望まれる。実際は光偏向素子１１が有する固有振動モードの影響により、走査周波数より高周波の振動成分が走査線に重畳され、走査線に歪みが生じる場合がある。特に走査線の歪みに大きな影響を与えるのは、光偏向素子１１の蛇行状の梁部構造に起因する共振モードである。振動方向は、ほぼＸ軸を回転軸とした垂直方向であり、その共振周波数は１００〜１０００Ｈｚ程度である。

垂直方向の光走査のために蛇行状の梁部に印加する鋸波状波形は、走査周波数の整数倍の周波数を持つ正弦波の重ね合わせによって生成される。このため、高次の振動信号が上記の垂直方向の共振モードに応じた振動成分を励振してしまう。その結果、鋸波状の走査線にこの振動が重畳され、走査線が歪んでしまう。この走査線の歪は垂直方向に発生するため、２次元画像を描画した場合には、画像の垂直方向に輝度ムラを発生させることになる。

このように、通常の鋸波状信号の印加による光偏向素子１１の駆動では、垂直方向のビーム走査を行う際に、光偏向素子１１がもつ固有振動モードの影響で走査線が歪み、これに伴いビーム走査による描画画像に輝度ムラが発生する場合があった。また、光偏向素子１１をヘッドアップディスプレイおよびレーザレーダなどの光制御装置に搭載すると、環境温度の変化や経年での位置ずれによって走査線の中心がずれる場合があった。

そこで、本実施形態では、圧電効果によるカンチレバーの振動を利用した光偏向素子１１について、輝度ムラの発生を抑制するように、走査線の中心ずれを補正可能する。

具体的には、本実施形態では以下のような構成を採用する。まず鋸波状の駆動信号（鋸波状信号）として、１周期の期間に、電圧が極小値から極大値まで増加する立上がり期間を含む鋸波状波形（Ａｃｈ）と、逆に電圧が極大値から極小値まで減少する立下がり時間を含む鋸波状波形（Ｂｃｈ）を採用する。そして、この鋸波状信号を周波数成分に分解した際に現れるヌル周波数（理論上、強度がゼロになる周波数）について、奇数番目のカンチレバーに印加する駆動信号のヌル周波数と、偶数番目のカンチレバーに印加する駆動信号のヌル周波数との間に、光偏向素子１１が有する垂直方向の共振周波数が位置するように設定する。

さらに、光偏向素子１１を駆動する際、奇数番目または偶数番目のカンチレバーを単独で駆動させた時点で、奇数番目および偶数番目のカンチレバーで発生する高周波振動が互いに逆相の関係となり、かつ、それぞれの高周波振動の振動幅がほぼ等しくなるような駆動条件を設定する。

図４および図５は、反射ミラー１０を鋸波状に走査するために印加する、一般的な第Ａ駆動信号および第Ｂ駆動信号を説明する図である。第Ａ駆動信号４５１は、第１の圧電部材に印加される第１の電圧の一例であり、周波数ｆＡの鋸波状信号である。繰返し周期ＴＡ（＝１／ｆＡ）は、印加電圧が極小値から極大値に一様に増加する立上がり期間（ＴｒＡ）と、逆に印加電圧が極大値から極小値まで一様に減少する立下がり期間（ＴｆＡ）とに分けられる。

印加電圧の極大値から極小値までの範囲は、第１の電圧が変化する第１の電圧範囲の一例であり、極大値ＶＡ２は第１の電圧範囲の上限の一例であり、極小値ＶＡ１は第１の電圧範囲の下限の一例である。極小値ＶＡ１は、電圧ゼロに対して電圧差を設けてあるオフセット電圧として設定される。

第Ｂ駆動信号４５２は、第２の圧電部材に印加される第２の電圧の一例であり、周波数ｆＢの鋸波状信号である。繰返し周期ＴＢ（＝１／ｆＢ）は、印加電圧が極大値から極小値まで一様に減少する立下がり期間（ＴｆＢ）と印加電圧が極小値から極大値に一様に増加する立上がり期間（ＴｒＢ）とに分けられる。

印加電圧の極大値から極小値までの範囲は、第２の電圧が変化する第２の電圧範囲の一例であり、極大値ＶＢ２は第２の電圧範囲の上限の一例であり、極小値ＶＢ１は第２の電圧範囲の下限の一例である。極小値ＶＢ１は、電圧ゼロに対して電圧差を設けてあるオフセット電圧として設定される。

また、極大値ＶＢ２は極大値ＶＡ２と同じ値に設定され、極小値ＶＢ１は極小値ＶＡ１は同じ値に設定される。これにより、第２の電圧範囲は、第１の電圧範囲と同じ範囲に設定される。

光偏向素子１１による光走査によって画像を描画する場合には、ＴｒＡおよびＴｆＢの期間が画像描画時間帯となる。一般的に第Ａ駆動信号と第Ｂ駆動信号の繰返し周波数は等しい。以後の説明においても、駆動信号の繰返し周波数ｆｓについて、ｆｓ＝ｆＡ＝ｆＢであることを前提とする。また以後の説明において、印加電圧とは電圧極大値と電圧極小値の差のことを指すものとする。

また図５に示すように、第Ａ駆動信号がその立上がり期間において印加電圧の０．５倍となる時間（立上がり中点）と、第Ｂ駆動信号がその立下がり期間において印加電圧の０．５倍となる時間（立下がり中点）が一致した状態を基準状態と定義する。基準状態では、第Ａ駆動信号と第Ｂ駆動信号との間の位相差が０°であるものとする。両者に位相差が付与された場合はそれぞれの立上がり中点と立下がり中点との間に時間ずれが生じる。

ここで、以後の説明のために以下の（１）式および（２）式で表されるパラメータをシンメトリとして定義する。

シンメトリＡ＝ＴｒＡ／ＴＡ ・・・（１）
シンメトリＢ＝ＴｆＢ／ＴＢ ・・・（２）

シンメトリＡは、第Ａ駆動信号の１周期（ＴＡ）に対する、最小値から最大値になるまでの時間ＴｒＡ（光走査のための時間）の割合（比率）を意味する。シンメトリＢは、第Ｂ駆動信号の１周期（ＴＢ）に対する、最大値から最小値になるまでの時間ＴｆＢ（光走査のための時間）の割合（比率）を意味する。なお、第Ｂ駆動信号は、第Ａ駆動信号を反転させたような形状（逆鋸波状）であるため、１周期における立下がり時間に対する立上がり時間の比率は、第Ａ駆動信号の方が第Ｂ駆動信号より大きくなる。

例えば、第Ａ駆動信号の立上がり時間と立下がり時間の比が９：１のときにはシンメトリＡ＝９０％である。仮にシンメトリＡ＝シンメトリＢである場合、基準状態では第Ａ駆動信号の立上がり開始時間と第Ｂ駆動信号の立下がり開始時間が同じタイミングとなる。一方、シンメトリＡとシンメトリＢとを互いに異なる値に設定した場合、基準状態であっても第Ａ駆動信号の立上がり開始時間と第Ｂ駆動信号の立下がり開始時間とは異なる。

図６および図７は、それぞれ第Ａ駆動信号および第Ｂ駆動信号のみを基準状態で光偏向素子１１に印加したときのミラー偏向角を評価した結果である。

図６および図７に示すように、ミラー偏向角には線形な偏向角６５１、７５１の変化の上に、周期的な高周波振動成分６５２、７５２が重畳されている。高周波振動の振動周波数６６１、７６１は、光偏向素子１１が有するＸ軸を回転軸として振動する共振モードのうち、最低次共振モードの周波数に相当する。また高周波振動は、第Ａ駆動信号のみ、および、第Ｂ駆動信号のみを印加した場合に、ほぼ同位相で発生する。

基準状態では同位相で発生する高周波振動成分を抑制するために、第Ａ駆動信号および第Ｂ駆動信号の間に位相差を付与し、高周波信号が逆相で重なりあうような駆動条件を予め定める。図８は、位相差調整を行った後のミラー偏向角の一例を示す図である。図８に示すように、第Ａ駆動信号８０１および第Ｂ駆動信号８０２への位相差付与より高周波成分が除去され、ミラー偏向角８０３がほぼ線形に変化する。

図９は、光偏向素子１１の駆動を制御する処理を示すフローチャートである。

まず、制御装置１９は、図４を用いて説明したように、極大値ＶＢ２を極大値ＶＡ２と同じ値に設定し、極小値ＶＢ１を極小値ＶＡ１は同じ値に設定する。これにより、第２の圧電部材に印加される第２の電圧が変化する第２の電圧範囲は、第１の圧電部材に印加される第１の電圧が変化する第１の電圧範囲と同じ範囲に設定される。

そして、制御装置１９は、光検出部２０の検出信号に基づき、図２に示した光走査領域５０のＹ方向の大きさが十分か否か判断する（ステップＳ１）。具体的には、制御装置１９は、光検出部２０の検出信号に基づき、光走査領域５０のＹ方向の大きさを検出し、検出した光走査領域５０のＹ方向の大きさが基準値に達している場合は十分と判断し、検出した光走査領域５０のＹ方向の大きさが基準値に達していない場合は十分ではないと判断する。

制御装置１９は、ステップＳ１で十分と判断した場合、処理を終了し、ステップＳ１で十分ではないと判断した場合、図４に示した極大値ＶＡ２および極大値ＶＢ２が定格最大電圧∨ｍａｘに達しているか判断する（ステップＳ２）。

制御装置１９は、ステップＳ２で定格最大電圧∨ｍａｘに達していないと判断した場合、極小値ＶＡ１および極小値ＶＢ１を変更することなく、極大値ＶＡ２および極大値ＶＢ２を大きくする（ステップＳ３）。

ここで、制御装置１９は、極大値ＶＡ２を大きくする前後の電圧差と、極大値ＶＢ２を大きくする前後の電圧差が同じになるように、極大値ＶＡ２および極大値ＶＢ２を大きくする。

制御装置１９は、ステップＳ２で定格最大電圧∨ｍａｘに達していると判断した場合、図４に示した極小値ＶＡ１および極大値ＶＢ１が最小電圧∨ｍｉｎに達しているか判断する（ステップＳ４）。

制御装置１９は、ステップＳ４で最小電圧∨ｍｉｎに達していないと判断した場合、極大値ＶＡ２および極大値ＶＢ２を変更することなく、極小値ＶＡ１および極小値ＶＢ１を小さくして（ステップＳ５）、処理を終了する。

ここで、制御装置１９は、極小値ＶＡ１を小さくする前後の電圧差と、極小値ＶＢ１を小さくする前後の電圧差が同じになるように、極小値ＶＡ１および極小値ＶＢ１を小さくする。

一方、制御装置１９は、ステップＳ４で最小電圧∨ｍｉｎに達していると判断した場合、アラームを発して（ステップＳ６）、処理を終了する。

以上説明したように、制御装置１９は、極小値ＶＡ１および極小値ＶＢ１を変更することなく、極大値ＶＡ２および極大値ＶＢ２を大きくする。あるいは、制御装置１９は、極大値ＶＡ２および極大値ＶＢ２を変更することなく、極小値ＶＡ１および極小値ＶＢ１を小さくする。

これにより、光偏向装置は、極大値ＶＡ２を大きくかつ極小値ＶＢ１を小さくする場合や、極大値ＶＢ２を大きくかつ極小値ＶＡ１を小さくする場合に比べて、反射ミラー１０の回転中心が変化しないように、第１の電圧範囲および第２の電圧範囲を大きくして、反射ミラー１０の回転角度を大きくすることができる。

ここで、反射ミラー１０は、光源１２から出射される出射光を反射する反射面を備えており、光偏向装置は、反射面で反射される出射光の偏向中心が変化しないように、反射面で反射される出射光の偏向角度を大きくすることができる。

そして、光偏向装置は、図２に示したように、反射ミラー１０が回転することにより走査される出射光により、被走査面１５（スクリーンの一例）上に画像を形成する。この場合、光偏向装置は、被走査面１５に形成される画像中心が変化しないように、被走査面１５に形成される画像の領域を大きくすることができる。

また、制御装置１９は、極大値ＶＡ２を大きくする前後の電圧差と、極大値ＶＢ２を大きくする前後の電圧差が同じになるように、極大値ＶＡ２および極大値ＶＢ２を大きくすることにより、これらの電圧差が異なる場合に比べて、反射ミラー１０の回転中心が変化しないように、第１の電圧範囲および第２の電圧範囲を大きくして、反射ミラー１０の回転角度を大きくすることができる。

さらに、制御装置１９は、極小値ＶＡ１を小さくする前後の電圧差と、極小値ＶＢ１を小さくする前後の電圧差が同じになるように、極小値ＶＡ１および極小値ＶＢ１を小さくすることにより、これらの電圧差が異なる場合に比べて、反射ミラー１０の回転中心が変化しないように、第１の電圧範囲および第２の電圧範囲を大きくして、反射ミラー１０の回転角度を大きくすることができる。

なお、極大値ＶＡ２および極大値ＶＢ２を大きくした場合、あるいは、極小値ＶＡ１および極小値ＶＢ１を小さくした場合、第Ａ駆動信号および第Ｂ駆動信号のシンメトリが変化するため、図６、図７および図８を用いて説明したように、ＡｃｈとＢｃｈで発生する振動を打ち消すように、第Ａ駆動信号および第Ｂ駆動信号の位相差とシンメトリを再設定することで輝度ムラを低減させることができる。

図１０は、圧電定数曲線の経時変化を示す図である。

１２５℃ ０ｈのグラフから、経時していないと印加電圧が小さいとき、圧電定数は線形性が悪いことがわかる。そのため、経時していない段階では印加電圧にオフセット電圧を配分し、電圧が小さい状態で使用することを避けるようにする。

一方で、経時すると１２５℃ ３ｈのグラフのように徐々に印加電圧に対する圧電定数が、印加電圧が小さい時でも大きくなってくる。そのため、経時するとオフセット電圧を小さくすることによる問題は軽減される傾向にある。

ここで、図９に示したように、制御装置１９は、極小値ＶＡ１および極小値ＶＢ１を変更することなく、極大値ＶＡ２および極大値ＶＢ２を大きくした後に、極大値ＶＡ２および極大値ＶＢ２を変更することなく、極小値ＶＡ１および極小値ＶＢ１を小さくする。

これにより、光偏向装置は、小さい印加電圧に対する圧電定数の線形性が悪い経時が小さい段階では、極小値ＶＡ１および極小値ＶＢ１を変更することなく、極大値ＶＡ２および極大値ＶＢ２を大きくすることにより、回転角度を精度よく制御しながら、反射ミラー１０の回転角度を大きくすることができる。

一方、光偏向装置は、小さい印加電圧に対する圧電定数の線形性が改善した経時が大きい段階では、極大値ＶＡ２および極大値ＶＢ２を変更することなく、極小値ＶＡ１および極小値ＶＢ１を小さくすることにより、回転角度を制御する精度を確保しながら、反射ミラー１０の回転角度を大きくすることができる。

［画像投影装置］
次に、本実施形態の光偏向装置を適用した画像投影装置について、図２７および図２８を用いて詳細に説明する。図２７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の一例を示す概略図である。また、図２８はヘッドアップディスプレイ装置５００の一例を示す概略図である。

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５００である。図２７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、移動体の一例である自動車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。ヘッドアップディスプレイ装置５００とフロントガラス４０１により、表示システムを構成する。

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２８に示すように、ヘッドアップディスプレイ装置５００では、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。各レーザ光源は、図１の光源１２に相当する。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タレンズ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、反射ミラー１０を有する光偏向素子１１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（結像光学系の一例）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、コリメータレンズ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。

ヘッドアップディスプレイ装置５００は、中間スクリーン５１０に表示される画像の中間像を自動車４００のフロントガラス４０１（反射部材の一例）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、コリメータレンズ５０２、５０３、５０４で略平行光とされ、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、反射ミラー１０を有する光偏向素子１１によって二次元走査される。光偏向素子１１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発散する。

光偏向素子１１は、反射ミラー１０を２軸方向に往復可動させ、反射ミラー１０に入射する投射光Ｌを二次元走査する。この光偏向素子１１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。

図１１および図１２に示した表示システムおよび自動車４００は、光偏向装置と、出射光を発散して投射する被走査面１５と、出射光を反射するフロントガラス４０１（反射部材の一例）と、被走査面１５から投射される出射光をフロントガラス４０１に向けて投射する自由曲面ミラー５０９（結像光学系の一例）と、をさらに備える。この場合、表示システムおよび自動車４００は、フロントガラス４０１に向けて投射される画像中心が変化しないように、フロントガラス４０１に向けて投射される画像の領域を大きくすることができる。

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、反射ミラー１０を有した光偏向素子１１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、および、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。

●まとめ●
以上説明したように、本発明の一実施形態に係る光偏向装置（回転装置の一例）は、隣り合う梁部３４０Ａおよび梁部３４０Ｂにそれぞれ設けられた第１の圧電部材および第２の圧電部材と、光偏向素子１１に設けられた反射ミラー１０（回転体の一例）を備え、第１の圧電部材に第１の電圧範囲で変化する第１の電圧を印加するとともに、第２の圧電部材に第２の電圧範囲で変化する第２の電圧を印加することにより、反射ミラー１０を回転中心から第１の方向および第１の方向と反対の方向に回転させる光偏向装置であって、回転中心が変化しないように、第１の電圧範囲および第２の電圧範囲を大きくする制御装置１９（制御部の一例）を備える。

これにより、経年劣化により、印加電圧に対する第１の圧電部材および第２の圧電部材の変形量が小さくなって、印加電圧に対する反射ミラー１０の回転角度が小さくなった場合でも、光偏向装置は、回転中心が変化しないように、反射ミラー１０の回転角度を大きくすることができる。

制御装置１９は、第１の電圧範囲および第２の電圧範囲のそれぞれの下限を変更することなく、第１の電圧範囲および第２の電圧範囲のそれぞれの上限を高くする。あるいは、制御装置１９は、第１の電圧範囲および第２の電圧範囲のそれぞれの上限を変更することなく、第１の電圧範囲および第２の電圧範囲のそれぞれの下限を低くする。さらには、第１の電圧範囲および第２の電圧範囲を大きくする前後において、第２の電圧範囲は、第１の電圧範囲と同じ範囲である。

これらにより、反射ミラー１０の回転角度を大きくする際に、反射ミラー１０の回転中心を変化しないようにできるため、光偏向装置は、回転中心が変化しないように、反射ミラー１０の回転角度を大きくすることが容易に行える。

本発明の一実施形態に係る光偏向装置は、隣り合う梁部３４０Ａおよび梁部３４０Ｂにそれぞれ設けられた第１の圧電部材および第２の圧電部材と、光偏向素子１１に設けられた反射ミラー１０を備え、第１の圧電部材に第１の電圧範囲で変化する第１の電圧を印加するとともに、第２の圧電部材に第２の電圧範囲で変化する第２の電圧を印加することにより、反射ミラー１０を回転中心から第１の方向および第１の方向と反対の方向に回転させる光偏向装置であって、第１の電圧範囲および第２の電圧範囲のそれぞれの下限を変更することなく、第１の電圧範囲および第２の電圧範囲のそれぞれの上限を高くした後に、第１の電圧範囲および第２の電圧範囲のそれぞれの上限を変更することなく、第１の電圧範囲および第２の電圧範囲のそれぞれの下限を低くする制御装置１９を備える。

これにより、小さい印加電圧に対する圧電定数の線形性が悪い経時が小さい段階では、第１の電圧範囲および第２の電圧範囲のそれぞれの下限を変更することなく、第１の電圧範囲および第２の電圧範囲のそれぞれの上限を高くすることにより、光偏向装置は、回転角度を精度よく制御しながら、反射ミラー１０の回転角度を大きくすることができる。

一方、小さい印加電圧に対する圧電定数の線形性が改善した経時が大きい段階では、第１の電圧範囲および第２の電圧範囲のそれぞれの上限を変更することなく、第１の電圧範囲および第２の電圧範囲のそれぞれの下限を高くすることにより、光偏向装置は、回転角度を制御する精度を確保しながら、反射ミラー１０の回転角度を大きくすることができる。

光偏向装置は、第１の方向に直交する第２の方向に回転体を回転させる第３の圧電部材を備える。

反射ミラー１０は、光源１２から出射される出射光を反射する反射面を備える。この場合、光偏向装置は、反射面で反射される出射光の偏向中心が変化しないように、反射面で反射される出射光の偏向角度を大きくすることができる。

光偏向装置は、反射ミラー１０が回転することにより走査される出射光により、被走査面１５（スクリーンの一例）上に画像を形成する。この場合、光偏向装置は、被走査面１５に形成される画像中心が変化しないように、被走査面１５に形成される画像の領域を大きくすることができる。

本発明の一実施形態に係る表示システムおよび自動車４００（移動体の一例）は、上記光偏向装置と、出射光を発散して投射する被走査面１５と、出射光を反射するフロントガラス４０１（反射部材の一例）と、被走査面１５から投射される出射光をフロントガラス４０１に向けて投射する自由曲面ミラー５０９（結像光学系の一例）と、をさらに備える。この場合、表示システムおよび自動車４００は、フロントガラス４０１に向けて投射される画像中心が変化しないように、フロントガラス４０１に向けて投射される画像の領域を大きくすることができる。

１０ 反射ミラー（回転体の一例）
１１ 光偏向素子
１２ 光源
１３ 光源駆動系
１４ 光学系
１５ 被走査面（スクリーンの一例）
１６ 駆動制御部
１７ 検出信号演算部
１８ 画像信号演算部
１９ 制御装置（制御部の一例）
２０ 光検出部
１１０ 記憶部

特開２０１７‐１７３８０３号公報 特開２０１８−１５５７８４号公報

Claims (10)

1. 第１の圧電部材と、前記第１の圧電部材に隣り合う第２の圧電部材と、回転体を備え、
   前記第１の圧電部材に第１の電圧範囲で変化する第１の電圧を印加するとともに、前記第２の圧電部材に第２の電圧範囲で変化する第２の電圧を印加することにより、前記回転体を回転中心から第１の方向および前記第１の方向と反対の方向に回転させる回転装置において、
   前記回転中心が変化しないように、前記第１の電圧範囲および前記第２の電圧範囲を大きくする制御部を備えた回転装置。
2. 前記制御部は、
   前記第１の電圧範囲および前記第２の電圧範囲のそれぞれの下限を変更することなく、前記第１の電圧範囲および前記第２の電圧範囲のそれぞれの上限を高くする請求項１記載の回転装置。
3. 前記制御部は、
   前記第１の電圧範囲および前記第２の電圧範囲のそれぞれの上限を変更することなく、前記第１の電圧範囲および前記第２の電圧範囲のそれぞれの下限を低くする請求項１記載の回転装置。
4. 前記第１の電圧範囲および前記第２の電圧範囲を大きくする前後において、
   前記第２の電圧範囲は、前記第１の電圧範囲と同じ範囲である請求項１〜３の何れか記載の回転装置。
5. 前記制御部は、
   前記第１の電圧範囲および前記第２の電圧範囲のそれぞれの下限を変更することなく、前記第１の電圧範囲および前記第２の電圧範囲のそれぞれの上限を高くした後に、
   前記第１の電圧範囲および前記第２の電圧範囲のそれぞれの上限を変更することなく、前記第１の電圧範囲および前記第２の電圧範囲のそれぞれの下限を低くする請求項１〜４の何れか記載の回転装置。
6. 前記第１の方向に直交する第２の方向に前記回転体を回転させる第３の圧電部材を備える請求項１〜５の何れか記載の回転装置。
7. 請求項１〜６の何れか記載の回転装置を備えるとともに、
   前記回転体は、光源から出射される出射光を反射する反射面を備える光偏向装置。
8. 前記回転体が回転することにより走査される前記出射光により、スクリーン上に画像を形成する請求項７記載の光偏向装置。
9. 請求項８記載の光偏向装置と、前記スクリーンを備え、
   前記スクリーンは、前記出射光を発散して投射するものであり、
   前記出射光を反射する反射部材と、
   前記スクリーンから投射される前記出射光を前記反射部材に向けて投射する結像光学系と、をさらに備えることを特徴とする表示システム。
10. 請求項９記載の表示システムを備え、
    前記反射部材はフロントガラスである移動体。

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