JP6356454B2 - 光スキャナ及び車両用前照灯装置 - Google Patents

Description

本発明は、ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）デバイスとして製造された光偏向器を備える光スキャナ及び車両用前照灯装置に関する。

ＭＥＭＳデバイスの光偏向器を装備する光スキャナ及びそれを装備する車両用前照灯装置が知られている（例：特許文献１）。

特許文献１の車両用前照灯装置における光スキャナの光偏向器は、反射部を有し、該反射部を相互に直交する２つの軸線の回りに回動させつつ、光源からの光を該反射部における反射により偏向させ、反射光により車両前方の照射領域を走査するようになっている。該車両用前照灯装置は、また、光偏向器から出射する走査光の光スポットの径、光スポットの車幅方向走査速度、光スポットの車両前後方向走査速度、レーザ光源の発光量を制御して、照射領域に対して種々の配光パターンを生成することができる。

一方、特許文献２は、光偏向器はＭＥＭＳデバイスではないものの、光偏向器を備える光スキャナからの走査光により車両の前方を照射する車両用前照灯装置を開示する。該車両用前照灯装置でも、光スキャナの光偏向器の反射部を軸線の回りに往復回動させるとともに、反射部の回動速度や、光源の出力を制御して、種々の配光パターンを生成している。

特開２０１３−８４８０号公報 特開２００９−４８７８６号公報

光源からの光を、軸線の回りに往復回動させる反射部により反射して、反射光を走査光として使用するとともに、走査光の照度等の制御を介して配光パターンを種々制御する車両用前照灯装置では、きめ細かな配光パターンが必要となる。例えばプロジェクタにおけるＶＧＡ解像度（６４０×４８０画素）並みの分解能の配光パターンを得るためには、水平方向には、１８ｋＨｚ以上の走査周波数及び約５０°の振れ角が必要となるとともに、垂直方向には、約６０Ｈｚの走査周波数及び約３０°の振れ角が必要となる。

特許文献２の光スキャナのように、光偏向器が、ＭＥＭＳデバイスの光偏向器ではなく、通常の機械の回動機構を用いる光偏向器である場合、走査周波数及び振れ角について、垂直方向走査には、上記のような値を確保できるものの、水平方向走査については、上記のような値を達成することは無理である。

特許文献１の光スキャナの光偏向器を含め、従来のＭＥＭＳデバイスの光偏向器は、反射部は唯一となっている。また、所望の高速の共振周波数を得るためには、構造設計シミュレーションから反射部の大型化は困難であり、反射部は、１ｍｍφ程度と、小さい寸法に制約される。このため、従来のＭＥＭＳ型の光偏向器に対して用いることができる光源は、スポット径の小さいレーザ光源に限定されてしまう。

一方、ＬＥＤ（発光ダイオード）は、レーザ光源に比して、安価でかつ耐久性が高いという利点を有するとともに、スペックルノイズが発生しないという利点もある。しかしながら、前述の制約上、ＭＥＭＳの光偏向器に対する光源として利用することには問題がある。

すなわち、車両用前照灯装置として必要な光量を放射できる通常のＬＥＤは、光源寸法が１×４ｍｍ²程度と大きいので、ＬＥＤの光の発散立体角を３ステラジアンとすると、出射側のＬＥＤのエテンデュー（＝光源の発光面積×発散立体角）は約１２ｍｍ²ステラジアンとなる。これに対して、反射部が１ｍｍφで、入射角が３０°である入射光に対する反射部の入射立体角を３．８ステラジアンとすると、入射側の反射部のエテンデュー（＝入射立体角×有効面積）は、入射角が３０°のときは、約３ｍｍ²ステラジアンとなる。したがって、ＬＥＤが発光した光のうち約１／４しか反射部に当てることができず、残りの約３／４は、反射部に当たらずに、反射光として利用できないことになる。

本発明の目的は、ＭＥＭＳデバイスの光偏向器を使用しつつ、発散角の大きい光源に対しても光の利用効率を確保することができる光スキャナ及び車両用前照灯装置を提供することである。

本発明の光スキャナは、光源と、ＭＥＭＳデバイスとして製造され、前記光源からの入射光を反射部における反射により偏向して出射する光偏向器と、前記反射部を第１軸線に対して平行な軸線の回りに往復回動させる第１アクチュエータとを備え、前記反射部からの反射光を走査光として出射する光スキャナであって、前記光偏向器は、前記反射部を包囲して支持する第１枠体と、前記第１枠体を包囲して支持する第２枠体とを備え、前記反射部は複数とされ、前記複数の反射部は、共振周波数を同一に設定されて、前記第１軸線に直交する第２軸線に沿って一列に前記第１枠体の内側に配設されるとともに、前記第１軸線に対して平行な軸線の回りに往復回動自在に前記第１枠体に支持され、前記第１アクチュエータは、前記第１枠体を前記共振周波数で往復回動させ、前記光源は、該光源からの光が、前記光偏向器の前記複数の反射部の配列に、はみ出すことなく、かつ所定の入射量を確保して入射する方向に一列に配列された複数の発光ダイオードを有することを特徴とする。

本発明によれば、複数の反射部は、第２軸線に沿って一列に第１枠体の内側に配設されて、第１軸線に平行な軸線の回りに同一の共振周波数で往復回動している。これにより、光源からの光は、発散角が大きいものであっても、第２軸線に沿って長く並んだ複数の反射部に入射することができる。そして、複数の反射部の反射光が、同一の方向に出射され、走査光として光スキャナから出射される。この結果、光スキャナにおいて、発散角の大きい光源を使ったときも、ＭＥＭＳデバイスの光偏向器における光の利用効率を確保することができる。本発明によれば、ＭＥＭＳデバイスの光偏向器を装備する光スキャナにおいて、発光ダイオードを光源として用いることにより、光源のコスト及び耐久性を改善するとともに、スペックルノイズを防止することができる。

本発明の光スキャナにおいて、前記第２枠体を包囲する第３枠体と、前記第２枠体と前記第３枠体との間に介在し、前記共振周波数より低い非共振周波数で前記反射部を前記第２軸線の回りに往復回動させる第２アクチュエータとを備えることが好ましい。

この構成によれば、複数の反射部の反射光は、第２軸線の回りの方向に対応する方向にも走査することになる。この結果、２次元光スキャナにおいて、発散角の大きい光源を使ったときも、ＭＥＭＳデバイスの光偏向器における光の利用効率を確保することができる。

本発明の光スキャナにおいて、前記第１アクチュエータ又は前記第２アクチュエータは、前記光偏向器に設けられる圧電アクチュエータか、又は前記光偏向器に設けられるコイル部と、前記光偏向器の外部に配設されて前記コイル部の配置空間に所定の磁場を生成する磁石とを備える電磁アクチュエータであることが好ましい。

この構成によれば、圧電アクチュエータ又は電磁アクチュエータを用いて、光偏向器の反射部を第１及び第２軸線回りに円滑に往復回動させることができる。

本発明の車両用前照灯装置は、前記光スキャナを装備して、該光スキャナからの走査光で照射領域を走査する。

本発明の車両用前照灯装置によれば、ＭＥＭＳデバイスの光偏向器を備えつつ、光源からの光は、発散角の大きいものであっても、光偏向器において第２軸線に沿って長く並んだ複数の反射部に入射して、複数の反射部から同一の方向に反射される。したがって、車両用前照灯装置に装備する光スキャナにおいて、光の発散角の大きい光源を使ったときも、光の利用効率を確保することができる。

本発明の車両用前照灯装置において、前記光スキャナは、前記光偏向器からの出射光が結像される結像位置に配設された結像部材と、前記結像部材における結像を照射領域に投影する投影レンズとを備えることが好ましい。

この構成によれば、車両用前照灯装置は、結像部材に生成された配光パターンで照射領域を照射することができる。

本発明の車両用前照灯装置において、前記光源の発光ダイオードは青色光又は紫外光を発光し、前記結像部材は、青色光の一部を黄色に波長変換する蛍光体、又は紫外光の全部を青色、緑色及び赤色の３色の可視光に波長変換する蛍光体が封入された蛍光体封入板であることが好ましい。

この構成によれば、蛍光体封入板を結像部材として利用することにより、専用の結像部材の追加を省略することができる。また、投影レンズからの走査光は、青色と黄色との混色による白色か、青色、緑色及び赤色の３色を含む可視光、すなわち青色、緑色及び赤色の３色の混色である白色にして、車両用前照灯装置の照明光の色とすることができる。

車両用前照灯装置の構成図。 光偏向器の正面を斜めから見た斜視図。 （ａ）は湾曲度が最小のとき、（ｂ）は湾曲度が最大のときの圧電アクチュエータの状態をそれぞれ示す図。 （ａ）はどの圧電カンチレバーの圧電膜にも印加電圧が供給されていないとき、（ｂ）は隣り同士の圧電カンチレバーが逆位相でかつ絶対値が最大である印加電圧が供給されているときの圧電アクチュエータの状態を示す図。 光学系における各要素の配置関係及び光の進路を示す図。 （ａ）〜（ｅ）は車両用前照灯装置が生成する種々の配光パターンを示す図。 別の光偏向器の斜視図。 （ａ）及び（ｂ）はコイル線における電流の向きがそれぞれ逆方向になっているときの図７の電磁アクチュエータの説明図。 図７の光偏向器を変形した光偏向器の斜視図。 別の車両用前照灯の構成図。

図１は、車両用前照灯装置１の構成図である。車両用前照灯装置１は、制御部２及び光学系３から成る光スキャナを備える。

カメラ１１は、赤外線カメラ又は通常のカラーカメラであり、本来は、車両の衝突防止装置等において、歩行者等の対象物を監視するために、車両に装備されており、車両の前方を撮影し、撮像画像を生成する。車両用前照灯装置１は、車両の衝突防止装置等に装備されるカメラ１１の撮像画像に基づいて後述の配向パターン（図６）を制御する。制御部２の処理は、光スキャナ専用の制御部が実施するのではなく、衝突防止装置を含む車両全般の制御を行う制御装置が衝突防止等の処理と並列処理で実施するようになっていてもよい。

制御部２は、少なくともコントローラ１０、メモリ１２、光源制御部１３及び光偏向器制御部１４を備える。コントローラ１０は、カメラ１１からの車両前方の撮像画像信号に基づいて配光パターンを演算し、演算した配光パターンで車両前方の照明領域に走査光を照射する制御信号を光源制御部１３及び光偏向器制御部１４へ出力する。メモリ１２は、コントローラ１０が演算実行時に所定のデータを一時記憶するために、使用されるＲＡＭと共に、コントローラ１０が実行するプログラムのデータを記憶するＲＯＭや、所定の不揮発性記憶装置を含む。光源制御部１３は、光学系３の光源２１のオン、オフの切替と、光源２１へ供給する駆動電力量とを制御する。光偏向器制御部１４は、光学系３の光偏向器２３に駆動電力を供給する。

光学系３は、光源２１、収束レンズ２２、光偏向器２３、凸レンズ２４、透過型の蛍光体プレート２５及び投影レンズ２６を備える。光源２１、収束レンズ２２、光偏向器２３、凸レンズ２４及び蛍光体プレート２５はケーシング２７内に収納され、投影レンズ２６は、ケーシング２７の前側開口部に装着されている。

光源２１は、一列に配置された約１ｍｍ角の複数（例：４つ）のＬＥＤ（発光ダイオード）２９が、１つのパッケージ内に実装される。該パッケージには、全体のＬＥＤ光の放射角を５°程度に狭めて指向性を持たせるためのレンズが装着されている。光源２１からは、１ｍｍ×４ｍｍの横長の光（光束）が該レンズを介して出射される。

ＬＥＤ２９は、光源制御部１３によりオン、オフを制御されるとともに、光源制御部１３からの給電電流に応じて光量を制御される。ＬＥＤ２９は、青色（発光波長４６０ｎｍ）又は紫外光（例えば発光波長３８０ｎｍ）の光を放射し、放射光は、光偏向器２３へ向かう。

収束レンズ２２は、光源２１と光偏向器２３との間に配設される。光源２１からの光は放射角で広がるが、収束レンズ２２で集光されて、元の光源寸法で光偏向器２３の反射部３６（図２）の配列に入射される。収束レンズ２２は、図示の例では凸レンズとして単独で使用されているが、コリメータレンズとの組合せで使用することもできる。

光偏向器２３は、光源２１から入射する光を反射部３６（図２）の反射により偏向して、蛍光体プレート２５の方へ出射する。光偏向器２３の詳細な構造は、図２において後述する。光偏向器２３からの出射光は、凸レンズ２４を経て蛍光体プレート２５に達し、蛍光体プレート２５において結像される。

光源制御部１３は、ＬＥＤ２９の光量を制御することにより、蛍光体プレート２５における結像の輝度を制御することができる。こうして、蛍光体プレート２５における結像は、輝度を調整された、ＬＥＤ２９の発光色（青色や紫外光色）の単色となる。後述の図６の配光パターンは、蛍光体プレート２５における結像が、車両前方の照射領域に生成されたものとなっている。

凸レンズ２４は、結像位置に配設されている蛍光体プレート２５において適切に結像が行われるように、光偏向器２３と蛍光体プレート２５との間に配設される。凸レンズ２４は、省略が可能である。

蛍光体プレート２５は、蛍光体封入板として、所定の蛍光体を透明ガラス内に封入した平板構造であり、光偏向器２３側からの光を投影レンズ２６の方へ透過させる。

蛍光体プレート２５の蛍光体は、入射光を波長の長い光に変換して、出射する。蛍光体の種類を変更することにより入射光の波長及び出射光の波長を適宜、選択することができる。例えば、青色光の入射光の一部を黄色光に変換する蛍光体を選択して、波長変換されなかった青色光と波長変換された黄色光とを混色して、白色光を出射することができる。また、紫外光を青色、緑色及び赤色の３色の光に変換する複数種の蛍光体を選択して、３色の混色により白色光を出射することができる。

なお、青色光を黄色光に変更する蛍光体として、例えはＹＡＧ（イットリウム・アルミニウム・ガーネット）などの黄色蛍光体を焼結したものがある。ＹＡＧの波長変換効率は９５％程度と高効率である。

図２は、光偏向器２３の正面を斜めから見た斜視図である。光偏向器２３において、光源２１からの光が入射し、反射する側を光偏向器２３の表側、その反対側を光偏向器２３の裏側と定義する。光偏向器２３の正面及び背面は、それぞれ光偏向器２３の表側及び裏側の面をいうものとする。

構造説明の便宜上、図２において、原点ｏ、ｘ軸、ｙ軸、ｚ軸の３軸直交座標系を定義する。ｘ軸及びｙ軸は、矩形の外枠３３の長辺及び短辺に平行であり、ｚ軸は、光偏向器２３の裏面から表面の方への向きを正の向きにしている。図２では、３軸直交座標系を、紙面の都合上、光偏向器２３の外に記載しているが、３軸直交座標系の原点ｏが外枠３３の中心にあるとして、光偏向器２３の構造を説明する。

光偏向器２３は、ＭＥＭＳ技術によりｙ−ｚ平面に対して対称な構造に製造される。光偏向器２３は、内側から外側に順番に内枠３１（「第１枠体」の１例）、中枠３２（「第２枠体」の１例）及び外枠３３（「第３枠体」の１例）を備える。内枠３１、中枠３２及び外枠３３は、中心を原点ｏに揃えて配設される。中枠３２は内枠３１を包囲し、外枠３３は中枠３２を包囲している。

複数（例：４つ）の反射部３６は、内枠３１内においてｘ軸方向に一列に配列される。各反射部３６は、ｙ軸方向両側から突出するトーションバー３７により内枠３１の内周に結合している。反射部３６は、正面視が、例えば１.５ｍｍ角の正方形に形成されている。この１．５ｍｍという値は、反射部３６が所望の高速の共振周波数Ｆr（例：１８ｋＨｚ以上）で共振することを確保できる寸法内に収まっている。

配列方向に隣接する反射部３６間には、相互の衝突防止のために、例えば５０μｍの隙間が形成されている。ＬＥＤ光は、レーザ光と異なり、発散角が大きいので、５０μｍの隙間が照射光のパターンに与える影響は非常に少ないと考えられる。４つの近接する反射部３６全体を擬似的に１つの反射部３６と考えると、入射されたＬＥＤ光を反射してラスタースキャンするのに十分な反射部の領域が該４つの反射部３６により確保される。

各反射部３６は、各反射部３６に結合しているトーションバー３７の軸線の回りに同一の共振周波数Ｆrで往復回動自在になっている。一般に、反射部３６の共振周波数は反射部３６の形状及び寸法と反射部３６を内枠３１に支持しているトーションバー３７の形状及び寸法とによってのみ決定されるので、同一の形状及び寸法の反射部３６を複数並べても、基本の共振周波数ですべての反射部３６がトーションバー３７の軸線の回りに往復回動する。

内側圧電アクチュエータ３９（「第１アクチュエータ」の１例）は、ｘ軸方向に内枠３１の両側に配設され、先端側及び基端側の端部においてそれぞれ内枠３１及び中枠３２に結合している。内側圧電アクチュエータ３９の大きさや配置に関しては、反射部３６の水平方向走査角（反射部３６からの反射光としての走査光がｙ−ｚ平面に対してｘ軸方向の正側に最大に振れた時の振れ角と負側に最大に振れた時との振れ角との差分）が最大になるよう最適化する。

ｘ軸方向に両側の内側圧電アクチュエータ３９の圧電膜は、共振周波数Ｆrの駆動電圧を相互に逆位相で供給される。これにより、両側の内側圧電アクチュエータ３９の先端部は、基端部が結合している中枠３２の表側の面に対して、相互に逆側に変位し、中枠３２の短辺に対して平行な方の中心線としての短辺方向中心線（「第１軸線」に１例）の回りに内枠３１を往復回動させる。これに伴い、各反射部３６も、反射部３６に結合するトーションバー３７の軸線（「第１軸線に対して平行な軸線」の１例）の回りに共振周波数Ｆrで往復回動する。

補足すると、中枠３２の短辺方向中心線は、外側圧電アクチュエータ４０による後述の作用による中枠３２の長辺方向中心線の回りの中枠３２の往復回動に伴い、ｘ−ｚ平面に対する傾斜角としての振れ角を増減する。したがって、中枠３２の短辺方向中心線は、ｘ−ｚ平面に対する傾斜角が０°となったときのみ、ｙ軸に対して平行になる。

反射部３６は所定の慣性を有するので、内枠３１が中枠３２の短辺方向中心線の回りの往復回動を開始するとき、各反射部３６には、共通に内枠３１の回動方向と逆の回動方向の慣性力が所定期間生じる。この結果、反射部３６は、逆相となることなく、同相で共振周波数Ｆrにより一斉に往復回動を開始する。又は、反射部３６の裏面構造を、短辺方向中心線（第１軸線）を挟んで若干非対称（例えば、片側を少し重くする）にすることで、慣性力を積極的に用いて同相で回動させることができる。

外側圧電アクチュエータ４０（「第２アクチュエータ」の１例）は、中枠３２と外枠３３との間に介在する。具体的には、ミアンダパターンの配列で直列に結合される複数の圧電カンチレバー４１を有し、基端部を外枠３３の短辺に結合し、先端部を中枠３２の短辺に結合する。外側圧電アクチュエータ４０は、中枠３２をｘ軸の回りに非共振周波数Ｆs（例：約６０Ｈｚ）で往復回動させる。

図３は、ＭＥＭＳにより製造された圧電アクチュエータ４３の作動原理の説明図である。圧電アクチュエータ４３についての作動原理の説明は、内側圧電アクチュエータ３９及び外側圧電アクチュエータ４０の両方に適用される。図３において、（ａ）は圧電アクチュエータ４３の湾曲度が最小のとき、（ｂ）は圧電アクチュエータ４３の湾曲度が最大のときの圧電アクチュエータ４３の状態を示している。

圧電アクチュエータ４３は、下から順番に、Ｓi層４４、中間酸化膜層４５、Ｓi層４６、表面酸化膜層４７及びＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸亜鉛）層４８の積層構造からなる。図示は省略したが、ＰＺＴ層４８の上下には電極層が形成されている。中間酸化膜層４５及び表面酸化膜層４７は、共に、酸化珪素（ＳｉＯ₂）から成る。

Ｓi層４４、中間酸化膜層４５及びＳi層４６は、ＳＯＩ（Silicon on Insulator）ウエハの層を構成し、ＳＯＩウエハは、Ｓi層４４のシリコンウエハとＳi層４６のシリコンウエハとをシリコン酸化膜としての中間酸化膜層４５を介して貼り合わせた構造となっている。表面酸化膜層４７は、ＳＯＩウエハのＳi層４６を熱酸化することにより生成される。

ＰＺＴ層４８は、ＳＯＩウエハの上にスパッタ、イオンプレーティング及びゾルゲル等の薄膜形成プロセスによって成膜される。具体的には、ＳＯＩウエハの表面酸化膜層４７の上にＰＺＴ層４８を成膜する。次に、ＳＯＩウエハの裏側から、ＰＺＴ層４８の一端側を残して、Ｓi層４４及び中間酸化膜層４５をエッチングにより除去する。こうして、エッチングをしなかったＳi層４６、表面酸化膜層４７及びＰＺＴ層４８の一端側が圧電アクチュエータ４３の基端になり、基端の反対側が圧電アクチュエータ４３の自由端（作用端又は先端）になる。

電源４９は、共振周波数Ｆr又は非共振周波数Ｆsで増減する直流又は交流をＰＺＴ層４８の両面に印加する。ＰＺＴ層４８の印加電圧が０Ｖであるとき、圧電アクチュエータ４３は、側面視で基端から先端に向ってまっすぐになる。ＰＺＴ層４８の印加電圧の絶対値が最大になると、圧電アクチュエータ４３は、側面視で最大に湾曲する。こうして、圧電アクチュエータ４３は、基端に対して先端をＡ３方向に共振周波数Ｆr又は非共振周波数Ｆsで上下動させる。

図３のＳi層４４〜表面酸化膜層４７の積層構造は、図２の外枠３３の積層構造に一致している。図２の内側圧電アクチュエータ３９及び圧電カンチレバー４１は、圧電アクチュエータ４３のＳi層４６、表面酸化膜層４７及びＰＺＴ層４８（圧電膜）の積層構造に一致している。

すなわち、内側圧電アクチュエータ３９及び圧電カンチレバー４１の基端は、中枠３２や、ミアンダパターン配列で隣りの圧電カンチレバー４１を結合先としており、これら結合先はＳi層４４及び中間酸化膜層４５を有せず、Ｓi層４６及び表面酸化膜層４７のみとなっている。同様に、内側圧電アクチュエータ３９及び圧電カンチレバー４１の先端は、内枠３１や、ミアンダパターン配列で隣りの圧電カンチレバー４１を結合先としており、これら結合先はＳi層４４及び中間酸化膜層４５を有せず、Ｓi層４６及び表面酸化膜層４７のみとなっている。

図４は、外側圧電アクチュエータ４０の作用についての説明図である。図４では、圧電カンチレバー４１について、中枠３２の近い方から順番に圧電カンチレバー４１ａ〜４１ｄの符号を付けて、識別している。圧電カンチレバー４１ａ〜４１ｄを総称するときは、単に「圧電カンチレバー４１」と呼ぶことにする。（ａ）は、外側圧電アクチュエータ４０がどの圧電カンチレバー４１の圧電膜にも印加電圧が供給されていないとき、（ｂ）は、隣り同士の圧電カンチレバー４１が逆位相でかつ絶対値が最大である印加電圧が供給されているときの圧電アクチュエータ４３の状態を示している。

圧電カンチレバー４１を中枠３２側から数えて奇数番の圧電カンチレバー４１ａ，４１ｃの圧電膜と、偶数番の圧電カンチレバー４１ｂ，４１ｄの圧電膜とは、非共振周波数Ｆsで逆相の駆動電圧を印加される。この結果、図４（ｂ）に示すように、圧電カンチレバー４１ａ，４１ｃと圧電カンチレバー４１ｂ，４１ｄは、凸側を逆方向にして湾曲し、外側圧電アクチュエータ４０の基端に対する先端の変位量は、各圧電カンチレバー４１の基端に対する先端の変位量の合計に等しくなる。

これにより、両側の外側圧電アクチュエータ４０は、中枠３２との結合端をｘ軸の回りに非共振周波数Ｆsで往復回動する。これに伴い、中枠３２は、ｘ軸の回りに非共振周波数Ｆsで往復回動し、内枠３１は、内枠３１の長辺方向中心線（「第２軸線」の１例）の回りに非共振周波数Ｆsで往復回動し、反射部３６は内枠３１の長辺方向中心線の回りに非共振周波数Ｆsで往復回動する。

補足すると、外側圧電アクチュエータ４０の作動中、内枠３１の長辺方向中心線は、ｘ−ｚ平面内をｙ軸の回りに共振周波数Ｆrで往復回動する。内枠３１の長辺方向中心線（「第２軸線」の１例）は、反射部３６の法線がｚ軸に一致した時にｘ軸に一致する。

図５は光源２１、光偏向器２３及び蛍光体プレート２５の配置関係及び光の進路を示している。なお、光偏向器２３は、ｘ軸及びｙ軸がそれぞれ車両用前照灯装置１の照射領域の水平方向及び垂直方向に対応付けられるように、配設されているものとする。

前述のように光偏向器２３でラスタースキャンされたＬＥＤ光が蛍光体プレート２５の出射面上に特定の配光パターンで結像される。そして、蛍光体プレート２５の出射面の結像の光が、図５には図示を省略されている投影レンズ２６（図１）を経て、水平方向の走査角範囲Ａ５ａと垂直方向の走査角範囲Ａ５ｂの範囲幅で車両の前方へ出射し、該当の照射領域をラスタースキャンして、照射領域に結像を投影する。

なお、蛍光体プレート２５に封入されている蛍光体は、ＬＥＤ２９のＬＥＤ光の色に応じて、蛍光体プレート２５からの出射光が法定の白色となるような種類が選択されている。例えば、ＬＥＤ２９のＬＥＤ光が青色である場合、蛍光体プレート２５の入射面側に到達した青色のＬＥＤ光は、一部が蛍光体プレート２５の蛍光体によって、長波長の黄色光に波長変換され、残りは、波長変換されることなく、蛍光体プレート２５をそのまま透過する。この結果、蛍光体プレート２５の出射面から青色光と黄色光との混色光としての白色光が、配光パターンを維持して出射する。

図６（ａ）〜（ｅ）は、車両用前照灯装置１が生成する種々の配光パターンを示している。５３は、車両から所定距離前方に車両に対して正対して配設された配光評価用スクリーンに生成された垂直面配向パターンである。５４は、車両用前照灯装置１により路面上に生成される路上配向パターンである。５５は、車両用前照灯装置１が搭載されている車両の前端線である。５６は、車両用前照灯装置１が搭載されている車両の車幅の中心線である。

図６（ａ）〜（ｅ）において、車両用前照灯装置１が走査光を前方の照射領域に出射すると、配光評価用スクリーン上には、左側の垂直面配向パターン５３が生成され、路上には右側の路上配向パターン５４が生成される。なお、図６の配向パターンは、車両が道路のセンターラインに対して左側を通行し、対向車線がセンターラインの右側であることを前提にした配向パターンとなっている。

図６（ａ）の配向パターンは、走行ビーム（ハイビーム）による配向パターンであり、光偏向器２３によるラスタースキャン中、光源２１を連続点灯させており、最も明るい配光パターンになる。

図６（ｂ）の配向パターンは、すれ違いビーム（ロービーム）による市街地での標準配向パターンである。ラスタースキャンの上側半分の期間では、光源２１を消灯することによりカットオフパターンを形成している。

既存の車両用前照灯では、ハイビーム用とロービーム用の２つの光源バルブを用いるか、又は機械的な遮光板を用いて、ハイ／ローの切替を行っているが、車両用前照灯装置１では、１つの光源２１の点灯タイミングを制御するだけで簡単にハイ／ローを切替えることができる。

図６（ｃ）〜（ｅ）は、カメラ１１を用いる前方検知システムと連動して、走行ビームの一部分だけ走査光をカットするＡＤＢ（配光可変ヘッドランプ）の種々の配向パターンを示している。

図６（ｃ）の配向パターンは、対向車５８の運転手の防眩を狙った配光パターンである。図６（ｄ）の配向パターンは、先行車５９の運転手の防眩を狙った配向パターンである。（ｅ）は前方の歩行者６０の防眩を狙った配光パターンである。このように、光源２１、光偏向器２３及び蛍光体プレート２５を組合せたラスタースキャン型可変配光車両用前照灯システムは非常に簡単で廉価な構成で、ＡＤＢの様々なシーンに対応した配光パターンを提供することが可能となる。

図７は別の光偏向器６３の斜視図である。光偏向器６３において、光偏向器２３（図２）の要素と同一の要素については、光偏向器２３の要素に付けた符号を付けている。光偏向器６３では、光偏向器２３の外側圧電アクチュエータ４０が、磁石６８とコイル線６９（「コイル部」の１例）とを含む電磁アクチュエータ６４に置き換えられている。

内側圧電アクチュエータ３９は、ＭＥＭＳデバイスの光偏向器の要素として製造される。一方、電磁アクチュエータ６４は、磁石６８とコイル線６９とを備え、コイル線６９は、ＭＥＭＳデバイスの光偏向器６３の要素として製造され、磁石６８は、光偏向器６３とは別に製造されて、光偏向器６３の外部に配設される。

図７においても、説明の便宜のために、３軸直交座標系を定義する。３軸直交座標系の原点ｏは、静止部としての外枠３３の中心に設定し、ｘ軸及びｙ軸は、外枠３３の長辺及び短辺に対して平行な方向に定義する。

トーションバー６６は、ｘ軸方向に中枠３２の両側に配設され、ｘ軸に沿って延在し、両端において中枠３２と外枠３３とに結合している。電極パッド６７は、外枠３３の一方の短辺部の表面に設けられる。コイル線６９は、中枠３２の表面を複数回周回して、一方のトーションバー６６を経て両端を電極パッド６７に接続されるように、形成される。

２つの磁石６８は、Ｎ極側とＳ極側とをｙ軸方向に対峙させるように、ｙ軸方向に光偏向器６３の両側に配設される。これにより、中枠３２には、向きをｙ軸に平行な方向にした磁場がコイル線６９の配置空間に形成される。

図８は図７の電磁アクチュエータ６４の説明図である。（ａ）と（ｂ）とでは、コイル線６９における電流の向きが相違している。２つの磁石６８は、間に中枠３２を置いて、Ｎ極とＳ極とを対峙させ、Ｎ極からＳ極へ向かう磁場Ｂが、中枠３２の配設空間に生成される。この結果、コイル線６９に電流が流れると、磁場Ｂの方向に対して直角方向のコイル線６９の２つの延在部分には、相互に逆方向のローレンツ力が生じ、中枠３２を長辺方向中心線の回りに回動させる。

コイル線６９には、電極パッド６７を介して非共振周波数Ｆsの交流が供給されるので、コイル線６９の電流の向きは、非共振周波数Ｆsで交互に反転する。この結果、反射部３６の配列は、中枠３２の長辺方向中心線の回りに非共振周波数Ｆsで往復回動して、反射部３６の反射光としての走査光を、非共振周波数Ｆsの垂直方向走査周波数で出射する。

図９は図７の光偏向器６３（図７）を変形した光偏向器７５の斜視図である。光偏向器７５において、光偏向器６３の要素と同一の要素については、光偏向器６３の要素に付けた符号を付けている。光偏向器７５では、光偏向器６３の内側圧電アクチュエータ３９が、コイル線７８と磁石８０とを含む電磁アクチュエータ７９に置き換えられている。コイル線７８は、ＭＥＭＳデバイスとしての光偏向器７５の要素として製造されるのに対し、磁石８０は、光偏向器７５の外部に配設されている。

トーションバー７６は、ｙ軸方向に内枠３１の両側に配設され、両端において内枠３１及び中枠３２に結合している。２つの電極パッド７７は、中枠３２の一方の長辺部の表面に形成される。コイル線７８は、内枠３１を複数回周回するように、内枠３１の表面に形成され、一方のトーションバー７６を経て両端において電極パッド７７に接続されている。電極パッド７７は、光偏向器６３においてコイル線６９の下に形成された内部配線を介して外枠３３の図示しない電極パッドに接続されている。

２つの磁石８０は、ｘ軸方向に光偏向器７５を間に挟んで、配設され、Ｎ極とＳ極とを対峙させている。これにより、ｘ軸に平行な方向にＮ極からＳ極へ向かう磁場が、内枠３１の配設空間に生成される。この結果、コイル線７８に電流が流れると、磁場の向きに対して直角方向に延在するコイル線７８の２つの延在部分には、相互に逆方向のローレンツ力が生じ、内枠３１を中枠３２の短辺方向中心線の回りに回動させる。

コイル線７８には、電極パッド７７を介して共振周波数Ｆrの交流が供給されるので、コイル線７８の電流の向きは、共振周波数Ｆrで反転する。この結果、反射部３６の配列は、中枠３２の短辺方向中心線（トーションバー７６の軸線）の回りに往復回動して、反射部３６の反射光を水平方向走査光として共振周波数Ｆrで出射する。

図１０は、車両用前照灯装置９１の構成図である。車両用前照灯装置９１において、車両用前照灯装置１（図１）の要素と同一の要素については、車両用前照灯装置１の要素に付けた符号を付けている。車両用前照灯装置９１では、車両用前照灯装置１の光学系３が光学系９３に置き換えられ、光学系３の蛍光体プレート２５が結像装置９６に置き換えられている。

結像装置９６は、反射型の蛍光体プレート９７と、蛍光体プレート９７の裏面に接着されたヒートシンク９８とを有している。反射型の蛍光体プレート９７は、例えばアルミや銀などの高反射膜が背面に成膜される。光偏向器２３は、反射光を蛍光体プレート９７へ向かって出射し、該反射光は蛍光体プレート９７に結像される。蛍光体プレート９７は、光偏向器２３からの入射光を波長変換して、投影レンズ２６の方へ反射する。

蛍光体は、青色光や紫外光を長波長の可視光に変換する際に、熱を発生し、この熱は蛍光体の寿命を低下させる。車両用前照灯装置９１では、蛍光体プレート９７がヒートシンク９８により放熱性を向上されることにより蛍光体プレート９７内の蛍光体の寿命低下を防止することができる。

光源２１に直接蛍光体を封止して白色光源とした光学系を備える車両用前照灯からの出射光と対比すると、車両用前照灯装置９１からの出射光の光量は、収束レンズ２２の透過損失や反射型の蛍光体プレート９７における反射損失によって、２，３割低下したが、車両前照灯として成立する光量は得られた。

実施例として製作した光偏向器についての性能試験の結果を述べると、次のとおりである。

（第１実施例）
光偏向器２３において、内側圧電アクチュエータ３９に１０Ｖの電圧を、また、外側圧電アクチュエータ４０の圧電カンチレバー４１に４０Ｖの電圧を印加した。これにより、水平方向走査角（ｙ軸回りの走査角）として４８°、垂直方向走査角（ｘ軸回りの走査角）として２８°の光学走査角をそれぞれ得ることができた。なお、外側圧電アクチュエータ４０は非共振モードで駆動した。

（第２実施例）
図７に示した内側圧電アクチュエータ３９による共振駆動と電磁アクチュエータ６４による非共振駆動の組み合わせによる２軸の光偏向器６３（図７）を用いた車両前照灯装置を製作した。非共振駆動の電磁アクチュエータ６４の往復回動の直進性が良く、外側圧電アクチュエータ４０（実施例１）で駆動した場合よりも若干、有効走査線の数が増加した。これにより、配光パターンの解像度が向上した。また、電磁アクチュエータ６４の静止位置保持特性を利用して、車両鉛直方向の位置をオフセットして、エイミングの調整も容易になった。

（第３実施例）
図９に示した両軸とも電磁アクチュエータ６４，７９で駆動するタイプの２軸の光偏向器７５を用いた車両前照灯装置を製作した。反射部３６の駆動力が増大したため、反射部３６の厚みを厚くして共振周波数を１８ｋＨｚに維持する設計が可能になった。その結果、反射部３６の動的面歪みが減少して、配光パターンの解像度が向上した。これを利用して単なる明暗のパターンだけでなく、路面上に矢印や数字を表示することが容易になった。もちろん、エイミングや路面情報表示は他のアクチュエータの組合わせでも対応可能であることは言うまでもない。

車両用前照灯装置１，９１は、特にＡＤＢ車両用前照灯装置への適用において大きな威力が発揮される。

本発明の実施例について説明したが、本発明の光スキャナは車両用灯具の適用に限定されない。本発明は、発散角の大きい光源を使用する任意の光スキャナに適用することができる。

実施形態では、２軸駆動の光スキャナ（２次元スキャナ）について説明したが、本発明は、１軸駆動の光スキャナ（１次元スキャナ）にも適用することができる。その場合、外枠３３と反射部３６を非共振振動させる外側圧電アクチュエータ４０とは省略する。第２軸線の回りに反射部３６を往復回動させる走査方向の走査はできなくなるが、図６（ｂ）のような配光をもつ別の光源の光と重ね合わせることにより、図６（ｃ）〜（ｅ）のように、一部の領域だけ、光を照射しないことが可能になる。

実施形態では、光源２１としてＬＥＤ２９が使用されているが、ＬＥＤ以外の幅広型の光源であってもよいし、レーザ光源を使用することもできる。

実施形態では、光源２１のＬＥＤ２９の個数と、光偏向器２３の反射部３６の個数とが等しいが、本発明は等しくなくてもよい。光源２１のＬＥＤ２９からの光が、光偏向器２３の反射部３６の配列に、はみ出すことなく、かつ所望の入射光量を確保して入射するように、両者の個数が適宜選択される。

実施形態では、蛍光体プレート２５が結像部材を兼ねているが、結像部材は、蛍光体プレート２５とは別個に設けてもよい。

１，９１・・・車両用前照灯装置、２１・・・光源、２２・・・収束レンズ、２３，６３，７５，８５・・・光偏向器、２５，９７・・・蛍光体プレート（結像部材又は蛍光体封入板）、２６・・・投影レンズ、２９・・・ＬＥＤ、３１・・・内枠（第１枠体）、３２・・・中枠（第２枠体）、３３・・・外枠（第３枠体）、３６・・・反射部、３９・・・内側圧電アクチュエータ（第１アクチュエータ）、４０・・・外側圧電アクチュエータ（第２アクチュエータ）、６４・・・電磁アクチュエータ（第２アクチュエータ）、７６・・・電磁アクチュエータ（第１アクチュエータ）、６８，８０・・・磁石、６９，７８・・・コイル線、９８・・・ヒートシンク。

Claims (6)

1. 光源と、
   ＭＥＭＳデバイスとして製造され、前記光源からの入射光を反射部における反射により偏向して出射する光偏向器と、
   前記反射部を第１軸線に対して平行な軸線の回りに往復回動させる第１アクチュエータとを備え、
   前記反射部からの反射光を走査光として出射する光スキャナであって、
   前記光偏向器は、
   前記反射部を包囲して支持する第１枠体と、
   前記第１枠体を包囲して支持する第２枠体とを備え、
   前記反射部は複数とされ、
   前記複数の反射部は、共振周波数を同一に設定されて、前記第１軸線に直交する第２軸線に沿って一列に前記第１枠体の内側に配設されるとともに、前記第１軸線に対して平行な軸線の回りに往復回動自在に前記第１枠体に支持され、
   前記第１アクチュエータは、前記第１枠体を前記共振周波数で往復回動させ、
   前記光源は、該光源からの光が、前記光偏向器の前記複数の反射部の配列に、はみ出すことなく、かつ所定の入射量を確保して入射する方向に一列に配列された複数の発光ダイオードを有することを特徴とする光スキャナ。
2. 請求項１記載の光スキャナにおいて、
   前記第２枠体を包囲する第３枠体と、
   前記第２枠体と前記第３枠体との間に介在し、前記共振周波数より低い非共振周波数で前記反射部を前記第２軸線の回りに往復回動させる第２アクチュエータとを備えることを特徴とする光スキャナ。
3. 請求項２記載の光スキャナにおいて、
   前記第１アクチュエータ又は前記第２アクチュエータは、前記光偏向器に設けられる圧電アクチュエータか、又は前記光偏向器に設けられるコイル部と、前記光偏向器の外部に配設されて前記コイル部の配置空間に所定の磁場を生成する磁石とを備える電磁アクチュエータであることを特徴とする光スキャナ。
4. 請求項１〜３のいずれか１項に記載の光スキャナを装備して、該光スキャナからの走査光で照射領域を走査することを特徴とする車両用前照灯装置。
5. 請求項４記載の車両用前照灯装置において、
   前記光スキャナは、
   前記光偏向器からの出射光が結像される結像位置に配設された結像部材と、
   前記結像部材における結像を照射領域に投影する投影レンズとを備えることを特徴とする車両用前照灯装置。
6. 請求項５記載の車両用前照灯装置において、
   前記光源の発光ダイオードは青色光又は紫外光を発光し、
   前記結像部材は、青色光の一部を黄色に波長変換する蛍光体、又は紫外光の全部を青色、緑色及び赤色の３色の可視光に波長変換する蛍光体が封入された蛍光体封入板であることを特徴とする車両用前照灯装置。