WO2021240965A1

WO2021240965A1 - 光走査装置

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Publication number: WO2021240965A1
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Inventors: 直渡辺
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Abstract

本発明の光走査装置は、光偏向器と、駆動部と、検出部とを備える。光偏向器は、ミラー部（３１）及びＨアクチュエータ（３３）を有する。駆動部は、Ｈアクチュエータ（３３）の第１組の圧電区画部分（４２ａ，４２ｃ，４２ｅ）及び第２組の圧電区画部分（４２ｂ，４２ｄ，４２ｆ）に対し、第１駆動期間では第１駆動電圧及び第２駆動電圧の両方を供給し、第２駆動期間では、第１組及び第２組の一方の組の圧電区画部分にのみ駆動電圧を供給する。検出部は、第２駆動期間には、他方の組の圧電区画部分の出力電圧に基づいて振れ角γを検出する。

Description

光走査装置

　本発明は、光偏向器を備える光走査装置に関する。

　ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）の光偏向器を装備する光走査装置では、光源からの光ビームを、軸の回りに往復回動するミラー部に照射させて、走査光ビームをミラー部から出射させている。ミラー部からの走査光ビームの出射方向が正確に制御されるためには、軸の回りのミラー部の振れ角を正確に検出する必要がある。

　特許文献１は、ＭＥＭＳの１軸走査方式の光偏向器を開示する。この光偏向器では、ミラー部から回転軸に沿って突出するトーションバーに両側からカンチレバーを結合している。各カンチレバーは、長手方向に圧電アクチュエータとして作用する圧電区画部分と、振れ角検出用の圧電センサとして作用する圧電区画部分との２つの圧電区画部分に区分される。

　特許文献２は、ＭＥＭＳの２軸走査方式の光偏向器を開示する。この光偏向器では、１対の半環状の圧電アクチュエータの各々が、回転軸の各側にそれぞれ配設され、トーションバーの長手方向の同一位置で各側から結合し、ミラー部を環状に包囲している。各半環状の圧電アクチュエータは、１つの圧電アクチュエータから成り、各側の半環状の圧電アクチュエータは、相互に逆位相の駆動電圧により駆動され、トーションバーを介してミラー部を回転軸の回りに往復回動させる。

　特許文献３は、ＭＥＭＳの１軸走査方式の光偏向器を開示する。この光偏向器では、環状の圧電体が、ミラー部を包囲しているとともに、ミラー部の回転軸上で、回転軸に沿ってミラー部から突出している各トーションバーの中間部に結合している。環状の圧電体は、回転軸に対して各側の半部において中央の圧電区画部分と両端の圧電区画部分との３個の圧電区画部分を有している。各中央圧電区画部分は、逆位相の駆動電圧により駆動され、トーションバーを介してミラー部を回転軸の回りに往復回動させる。一方、回転軸に対して同じ側の両端の圧電区画部分は、圧電センサとしてその出力が加算され、加算出力に基づいて回転軸の回りのミラー部の振れ角が検出される。

特許第５４９３７３５号公報特許第４９８４１１７号公報特許第６０９２７１３号公報

　特許文献１，３の光偏向器では、回転軸の回りのミラー部の振れ角が大きいときは、圧電センサの圧電区画部分の出力電圧は十分に確保される。しかしながら、回転軸の回りのミラー部の振れ角が小さくなると、圧電センサの圧電区画部分の出力電圧は、低下する。このため、低振れ角時の検出精度が不十分になる。

　本発明の目的は、特別の圧電センサを追加することなく、回転軸の回りのミラー部の振れ角が小さいときも十分な出力電圧が得られ、高精度に振れ角を検出できるようにした光走査装置を提供することである。

　本発明の光走査装置は、
　ミラー部、支持部、及び、直列に結合された複数の圧電区画部分を有し、前記支持部と前記ミラー部との間に介在し、前記ミラー部を回転軸の回りに往復回動させる圧電アクチュエータを含む光偏向器と、
　前記複数の圧電区画部分を前記光偏向器の基端側から作用端側に並び順に交互に第１組と第２組とに組分けしたとき、前記第１組及び前記第２組の圧電区画部分に対し相互に逆位相の関係になる位相で第１駆動電圧及び第２駆動電圧をそれぞれ供給する駆動部と、
　前記回転軸の回りの前記ミラー部の振れ角を検出する検出部と、
を備え、
　前記駆動部は、
　第１駆動期間では、前記第１組及び前記第２組の両方の組の圧電区画部分に対し駆動電圧を供給し、
　第２駆動期間では、前記第１組及び前記第２組の一方の組の圧電区画部分に対してのみ駆動電圧を供給し、
　前記検出部は、前記第２駆動期間には、他方の組の圧電区画部分の出力電圧に基づいて前記振れ角を検出する。

　本発明によれば、回転軸の回りの振れ角を小さくする第２駆動期間では、第１組の圧電区画部分のみに駆動電圧を供給して作動させる一方、第２組の圧電区画部分は、圧電センサとして使用する。これにより、特別の圧電センサを追加することなく、回転軸の回りのミラー部の振れ角が小さいときも十分な出力電圧が得られ、高精度に振れ角を検出することができる。

　好ましくは、本発明の光走査装置において、
　前記支持部は、前記ミラー部を環状に包囲し、
　前記光偏向器は、前記ミラー部の両側から延び出して前記支持部に結合する１対のトーションバーを有し、
　前記圧電アクチュエータは、前記支持部の内周側において前記ミラー部を環状に包囲し、前記回転軸としての第１軸の軸上で前記１対のトーションバーの中間部に結合し、前記ミラー部の中心で前記第１軸に対して直交する第２軸上で前記支持部に結合している環状圧電アクチュエータである。

　この構成によれば、第２駆動期間において各トーションバーは、第１軸に対して両側から回動力を付与される。これにより、低振れ角期間の往復回動を安定化することができる。

　好ましくは、本発明の光走査装置は、
　さらに、前記１対のトーションバーに結合する前記環状圧電アクチュエータの結合部分の少なくとも一方の結合部分において前記第１軸を両側から挟んで配置された１対の圧電センサを備え、
　前記検出部は、前記第１駆動期間には前記１対の圧電センサの出力電圧に基づいて前記振れ角を検出する。

　この構成によれば、第１駆動期間には、第１組及び第２組の両方の駆動電圧を用いて、ミラー部の大きな振れ角幅を確保しつつ、１対の圧電センサからの十分な出力電圧により振れ角を検出することができる。

　好ましくは、本発明の光走査装置において、
　前記検出部は、前記第２駆動期間には、前記他方の組の前記圧電区画部分の出力電圧と、前記１対の圧電センサの対の出力電圧との加算に基づいて前記振れ角を検出する。

　この構成によれば、第２駆動期間には、他方の組の圧電区画部分の出力電圧と圧電センサの対の出力電圧との加算に基づいて振れ角を検出するので、第２駆動期間に振れ角検出の基にする出力電圧を一層増大することができる。

　好ましくは、本発明の光走査装置は、
　さらに、前記第２駆動期間に、前記１対の圧電センサの少なくとも一方の出力端子を、アースに接続する接続切替部を備える。

　この構成によれば、第２駆動期間に、圧電センサの出力端子をアースに接続する。これにより、第２駆動期間において不使用の圧電センサに電荷が蓄積するのを防止することができる。

　好ましくは、本発明の光走査装置において、
　前記接続切替部は、前記第２駆動期間において、前記他方の組を前記第１組及び第２組間で交互に切り替える。

　この構成によれば、第２駆動期間に他方の組の圧電区画部分を第１組及び第２組間で交互に切り替えることにより、全部の圧電区画部分を均一に休止させ、圧電アクチュエータの寿命の改善を図ることができる。

光走査装置の全体の模式図である。光偏向器の正面図である。Ｈアクチュエータの詳細図である。第１軸の回りのミラー部の振れ角γと各出力電圧との関係についてのグラフである。光走査装置における振れ角γの検出方法のフローチャートである。低振れ角モードを低振れ角モード１とする外付け回路において第１駆動期間の接続状態を示す図である。低振れ角モードを低振れ角モード１とする外付け回路において第２駆動期間の接続状態を示す図である。低振れ角モードを低振れ角モード１とする外付け回路における第１駆動期間及び第２駆動期間の波形図である。低振れ角モードを低振れ角モード２とする外付け回路において第２駆動期間の接続状態を示す図である。図８Ａの外付け回路における第２駆動期間の波形図である。低振れ角モードを低振れ角モード３とする外付け回路において第２駆動期間の接続状態を示す図である。図９Ａの外付け回路における波形図である。第２駆動期間に駆動組及び非駆動組を交互に切り替える駆動方式の回路図である。図１０の回路における波形図である

　以下、本発明の好ましい実施態様について説明する。本発明は、以下の実施態様に限定されないことは言うまでもない。本発明は、明細書に開示した技術的思想の範囲内で種々の態様で実施される。なお、実施形態間で共通の構成要素は、同一の符号を付けている。

　（光走査装置）
　図１は、光走査装置１０の全体の模式図である。光走査装置１０は、レーザ光源２０、光偏向器３０及び制御部４５を備える。

　図１には、スクリーン９０が図示されているが、スクリーン９０は、光走査装置１０を構成する要素から除外される。スクリーン９０は、光走査装置１０から出射する走査光ビームＬｓによる走査軌跡Ｃｒを説明する便宜上、図示しているだけである。スクリーン９０は、光走査装置１０が組み込まれる映像装置や車両用前照灯等の商品に応じて、映像スクリーンであったり、車両前方の照射領域であったりする。

　スクリーン９０の縦及び横は、それぞれ垂直（Ｖ）方向及び水平（Ｈ）方向に対応している。以下の実施形態において、要素名及び因子名にＶ又はＨがついている要素等は、各方向のうちそれぞれ垂直方向及び水平方向に関連していることを意味する。

　レーザ光源２０は、光偏向器３０のミラー部３１に向けて、レーザ光ビームＬｏを出射する。ミラー部３１は、レーザ光ビームＬｏを反射して生成した走査光ビームＬｓを出射する。

　ミラー部３１は、直交関係の第１軸及び第２軸の２軸の回りにそれぞれ共振及び非共振で往復回動している。なお、この実施形態では、Ｈ軸及びＶ軸は、それぞれ第１軸及び第２軸に相当する。走査光ビームＬｓは、スクリーン９０上にラスタースキャンで走査軌跡Ｃｒを生成する。

　制御部４５は、駆動部４９、検出部５０、接続切替部５１及び光源制御部５２を備えている。光源制御部５２は、レーザ光源２０の点灯及び消灯の切替や、レーザ光源２０の点灯時の通電量（レーザ光ビームＬｏの光度）を制御する。駆動部４９、検出部５０及び接続切替部５１の詳細は、後述する。

　（光偏向器）
　図２は、光偏向器３０の正面図である。ここで、光偏向器３０の構成の説明の便宜上、３軸座標系を定義する。Ｘ軸及びＹ軸は、光偏向器３０の正面視で横方向及び縦方向に平行な軸とする。Ｚ軸は、ＭＥＭＳの光偏向器３０の厚さ方向に平行な軸とする。

　光偏向器３０は、ミラー部３１、１対のトーションバー３２ａ，３２ｂ、Ｈアクチュエータ、可動枠３４、１対のＶアクチュエータ３５ａ，３５ｂ及び固定枠３６を備えている。

　ミラー部３１は、円形であり、レーザ光ビームＬｏ（図１）は、ミラー部３１の中心Ｏに入射する。２軸式光偏向器である光偏向器３０のミラー部３１の２つの回転軸としての第１軸及び第２軸は、ミラー部３１の静止時は、それぞれＹ軸及びＸ軸に平行であり、かつ中心Ｏで直交する関係になっている。

　環状のＨアクチュエータ３３及び環状の可動枠３４は、ミラー部３１を内側から順番に包囲している。トーションバー３２ａ，３２ｂは、ミラー部３１の両側において第１軸に沿って延在し、両端においてそれぞれミラー部３１の周縁及びＨアクチュエータ３３の内周に結合している。環状のＨアクチュエータ３３は、トーションバー３２（トーションバー３２ａ及びトーションバー３２ｂの総称）の中間部に結合している。

　Ｈアクチュエータ３３は、Ｈ駆動電圧（第１駆動電圧）の供給を受けて、トーションバー３２を介してミラー部３１を第１軸の回りに共振周波数（例：１５ｋＨｚ）で共振させる。Ｈアクチュエータ３３は、圧電区画部分の組としての第１組３９及び第２組４０を有している。第１組３９及び第２組４０の詳細については、図３で後述する。

　Ｖアクチュエータ３５ａ，３５ｂは、Ｘ軸方向に可動枠３４に対して両側に位置する。各Ｖアクチュエータ３５（Ｖアクチュエータ３５ａ，３５ｂの総称）は、可動枠３４の外周と固定枠３６の内周との間に介在する。各Ｖアクチュエータ３５は、Ｙ軸方向に平行にかつミアンダ配列で直列に結合する複数のカンチレバー３７を有している。

　各Ｖアクチュエータ３５における複数のカンチレバー３７に対して、Ｘ軸方向に固定枠３６の側）から可動枠３４の側に順番に番号をつけると、奇数番号のカンチレバー３７と偶数番号のカンチレバー３７とは、振幅及び周波数が同一であり、かつ位相が１８０°ずれている（相互に逆相の関係にある）Ｖ駆動電圧が供給される。

　Ｖ駆動電圧の周波数は、非共振周波数（例：６０Ｈｚ）に設定されており、第１軸の回りのミラー部３１の往復回動の共振周波数より大幅に低い値に設定されている。これにより、ミラー部３１は、第２軸（非共振軸）の回りに非共振で往復回動する。なお、この実施形態では、Ｈアクチュエータ３３及びＶアクチュエータ３５は、共にユニポーラ型の圧電アクチュエータである。

　（Ｈアクチュエータ）
　図３は、Ｈアクチュエータ３３の詳細図である。Ｈアクチュエータ３３は、Ｙ軸方向に長い長円形（例：陸上競技場のトラック形状）に形成され、Ｙ軸に平行な第１軸を対称軸にした左右対称の形状になっている。

　Ｈアクチュエータ３３は、第１軸と交差する２箇所においてトーションバー３２の中間部分に結合している。該結合部分は、Ｈアクチュエータ３３の作用端として機能する。Ｈアクチュエータ３３は、また、第２軸と２箇所において交差し、該交差箇所の外周側において可動枠３４の内周に結合している。該結合部分は、Ｈアクチュエータ３３の基端として機能する。

　Ｈアクチュエータ３３の積層構造について説明する前に、その前提となるＭＥＭＳの光偏向器３０の積層構造について説明する。光偏向器３０は、ＳＯＩ基板の表面に下から順番に下側電極層、圧電膜層及び上側電極層に３層を成膜により積層する。その後、圧電アクチュエータ以外の領域については、これら３層をエッチングで削除して、光偏向器３０が完成する。なお、１つのＳＯＩ基板をダイシングすることにより複数の光偏向器３０が切り出される。

　ＳＯＩは、下から順番に裏面の酸化膜層、ハンドリングのＳｉ層、酸化膜層、上部のＳｉ層及び表面の酸化膜層の５層から構成されている。Ｈアクチュエータ３３及びＶアクチュエータ３５以外は、下側電極層、圧電膜層及び上側電極層の３層は、エッチングにより除去されている。また、Ｈアクチュエータ３３及びＶアクチュエータ３５の領域では、ＳＯＩ基板の裏面側の２層は、裏面側からのエッチングにより除去され、上側の３層が基板部を構成している。

　Ｈアクチュエータ３３は、対称軸の第１軸に対して各側に１個ずつ基端を有する。Ｈアクチュエータ３３は、Ｖアクチュエータ３５ａ側の基端から時計回り方向に順番に４２ａ，４２ｂ，４２ｃ，４２ｄ，４２ｅ，４２ｆ（以下、「圧電区画部分４２ａ－圧電区画部分４２ｆ」と略記する。）の計６個の圧電区画部分を有する。

　計６個の圧電区画部分４２ａ－圧電区画部分４２ｆの配置は、第１軸に対して左右対称であり、この結果、第１軸に対して各側の圧電区画部分の個数は、同数となる。複数の圧電区画部分は、周方向の順番で交互に第１組と第２組とに組み分けされる。圧電区画部分４２ａ，４２ｃ，４２ｅは、これら３区画で第１組３９を構成し、圧電区画部分４２ｂ，４２ｄ，４２ｆは、これら３区画で第２組４０を構成する。図３に示されるように、第１組、第２組は総面積が同じであり、いずれの組も全体に占める各圧電区画部分の配置バランスは均等である。そのため、いずれか一方の組の圧電区画部分（３区画）を駆動させるだけで、ミラーを水平方向に左右均等に回動させることができる。また、第１の組と第２の組とを個々に作動させることができる。また、個々に作動させるときに、第１の組に供給する駆動電圧と第２の組に供給する駆動電圧とを同一にすれば、第１軸回りの第１ミラーの回動角及び回動周波数は同一になる。

　駆動部４９は、第１組３９の圧電区画部分には、第１駆動電圧を供給し、第２組４０の圧電区画部分には、第２駆動電圧を供給する。第１駆動電圧と第２駆動電圧とは、位相だけが逆位相の関係にあり、その他の周波数、波形及びバイアス電圧は、同一になっている。

　圧電区画部分４２ａ－圧電区画部分４２ｆは、前述のＳＯＩの上側３層を基板層としてその表面側に下側電極層、圧電膜層及び上側電極層の３層の上部構造を備えた積層構造になっている。圧電区画部分４２ａ－圧電区画部分４２ｆにおいて、周方向に隣接関係の圧電区画部分の間には、上側電極層及び圧電膜層を分断する分断溝が形成されている。これにより、周方向に隣接関係の圧電区画部分同士の短絡が阻止される。

　圧電センサ４３ａ，４３ｂは、Ｈアクチュエータ３３においてトーションバー３２ｂとの交差部を両側から挟む領域に形成されている。圧電センサ４３（圧電センサ４３ａ，４３ｂの総称）は、周方向に圧電区画部分４２ｅと圧電区画部分４２ｆとの間に位置し、圧電区画部分４２ａ－圧電区画部分４２ｆとは別の出力電圧を発生させる。また、圧電センサ４３ａ，４３ｂはいずれも圧電区画部分４２ａ－圧電区画部分４２ｆより面積が小さい。

　第１組３９及び第２組４０は、前述したように、相互に逆位相の第１駆動電圧及び第２駆動電圧をそれぞれ受ける。これにより、第１組３９及び第２組４０は、相互に逆位相で湾曲変形し、Ｈアクチュエータ３３は、トーションバー３２を介してミラー部３１を第１軸の回りに往復回動させる。Ｈアクチュエータ３３は、第１軸に対して各側に第１組３９及び第２組４０の両方をもつので、第１軸の回りの振れ角幅の増大を図ることができる。

　圧電センサ４３ａ，４３ｂは、Ｈアクチュエータ３３上で周方向に隣接しない方の組の圧電区画部分と同位相で湾曲変形し、変形量に応じた出力電圧を生成する。圧電センサ４３の出力電圧は、検出部５０に送られる。

　（圧電センサへのＨアクチュエータの転用）
　図４は、第１軸の回りのミラー部３１の振れ角γと各出力電圧との関係についてのグラフである。なお、図４において、振れ角γ＝０°とは、ミラー部３１が光偏向器３０の真正面を向いた時の振れ角として定義される。図４の横軸は、ミラー部３１が光偏向器３０の真正面の向きに対して一側の振れ角γを示している。光偏向器３０は、第１軸に対して左右対称の構成になっているので、ミラー部３１が光偏向器３０の真正面の向きに対して他側の振れ角γについても同一の関係がある。

　図４以降の図において、各略称の定義は、次のとおりである。
ｈａｃｔ１：第１組３９
ｈａｃｔ２：第２組４０
ｈａｃｔ１センサ：圧電センサに転用した第１組３９
ｈａｃｔ２センサ：圧電センサに転用した第２組４０
ｈｓｅｎ１：圧電センサ４３ａ
ｈｓｅｎ２：圧電センサ４３ｂ
ＳＷ（図６Ａ等）：スイッチ

　図４において”＋”は、出力電圧の加算を意味する。ただし、加算項同士の出力電圧が逆位相であるときは、加算後の値が増大するように、一方の出力電圧を反転させてから、加算の処理を行っている。例えば、「◇：ｈｓｅｎ１＋ｈｓｅｎ２」では、圧電センサ４３ａ，４３ｂの出力電圧は、互いに逆位相であるので、検出部５０は、圧電センサ４３ｂの出力電圧を反転させてから（－出力電圧）、圧電センサ４３ａの出力電圧に加算している（圧電センサ４３ａの出力電圧＋（－圧電センサ４３ｂの出力電圧））。

　図４から次のことが理解できる。
（ａ１）圧電センサ４３ａ，４３ｂの出力電圧の加算値は、振れ角γの低い領域（目安として、５°を閾値として、振れ角γ≦５°の領域）では、低い。このため、振れ角γの検出精度が低下する。
（ａ２）振れ角γの低い領域では、圧電センサ４３ａ，４３ｂの出力電圧の加算値より第２組４０の出力電圧の方（□：Ｈａｃｔ２センサ）が大きい。なお、第２組４０を圧電センサとして使用しているときは、第１軸の回りのミラー部３１の往復回動は、第１組３９のみにより行われる。
（ａ３）振れ角γの低い領域では、第２組４０の出力電圧と圧電センサ４３ａ，４３ｂのうちの一方の出力電圧との加算値（△：Ｈａｃｔ２センサ＋Ｈｓｅｎ２）が、対比した三者（“◇”、“□”及び“△”）の中では、一番大きい。

　光走査装置１０は、図４からの知見に基づいた制御を実施する。具体的には、ミラー部３１の振れ角幅が閾値γａ（例：γａ＝５°）以下で作動させる制御期間では、第１組３９及び第２組４０のうちの一方のみを圧電アクチュエータとして残し、他方は圧電アクチュエータではなく圧電センサとして使用する。そして、検出部５０による振れ角γの検出は、（ｂ１）該他方の出力電圧（例：図４の“□”）、（ｂ２）該他方の出力電圧と圧電センサ４３ａ，４３ｂのうちの一方の出力電圧との加算（例：図４の“△”）、及び、（ｂ３）該他方の出力電圧と圧電センサ４３ａ，４３ｂの出力電圧の加算値との加算のうちのいずれか１つに基づいて行う。

　（振れ角の検出方法）
　図５は、光走査装置１０における振れ角γの検出方法のフローチャートである。該フローチャートを説明する前に該フローチャートの検出方法が適用される具体的な回路について説明する。

　なお、この実施形態では、通常振れ角モード（高振れ角モード）は１つであるのに対し、低振れ角モードは１－３の３つがある。通常振れ角モード（高振れ角モード）とは、第１駆動期間で使用する振れ角モードであり、ミラー部３１の振れ角幅が閾値γａを超える大きな振れ角幅で振れ角制御するときの振れ角モードである。これに対し、低振れ角モードとは、第２駆動期間で使用する振れ角モードであり、ミラー部３１の振れ角幅が閾値γａ以下である小さな振れ角幅で振れ角制御するときの振れ角モードである。

　各振れ角モードで（振れ角）センサとして使用する素子（圧電体）と、各センサ間の位相差（基準素子の出力電圧の位相に対する対象素子の出力電圧の位相差）との関係は、次の通りである。

　各振れ角モードで（振れ角）センサとして使用する素子（圧電体）と、後述の図６Ａ等の回路図におけるＳＷ（スイッチ）１－３の接続位置との関係は次の通りである。

　図６Ａ及び図６Ｂは、低振れ角モードを低振れ角モード１とする外付け回路においてそれぞれ第１駆動期間及び第２駆動期間の状態図である。図７は、外付け回路における第１駆動期間及び第２駆動期間の波形図である。なお、低振れ角モード１は、（ｂ１）の検出方式に対応する。

　図６Ａ及び図６Ｂにおいて、制御部４５は、ＳＷ（スイッチ）１ーＳＷ３の接続位置を制御する。６６，６７は、駆動アンプである。６８－７１は、センサアンプである。７５，７６は、抵抗である。

　制御部４５は、第１駆動電圧及び第２駆動電圧をそれぞれ駆動アンプ６６，６７を介して第１組３９及び第２組４０に供給する。第２組４０及び圧電センサ４３ａの出力電圧は、センサアンプ６８，６９を介して制御部４５に送られる。圧電センサ４３ｂの出力電圧は、センサアンプ７０，７１を介して制御部４５に送られる。

　ＳＷ１は、第１駆動期間（図６Ａ）、すなわち第２組４０を圧電アクチュエータで使用するときには、第２組４０を接点Ａに接続し、第２駆動期間（図６Ｂ）、すなわち第２組４０を圧電センサで使用するときは、第２組４０を接点Ｂに接続する。ＳＷ２，ＳＷ３は、第１駆動期間及び第２駆動期間にはそれぞれ共に接点Ａ及び接点Ｂの接続位置になる。

　図７において、時間ｔ＝ｔ１を境にＨアクチュエータ３３の駆動期間は、第１駆動期間から第２駆動期間に切り替えられる。ＳＷ１－ＳＷ３の２値レベルにおいて、”０”は接続位置が接点Ａにあることを示し、”１“は接続位置が接点Ｂにあることを示している。

　第１駆動期間において、第１駆動電圧及び第２駆動電圧は、相互に逆位相の駆動電圧になっている。これにより、ミラー部３１は、第１軸の回りを大きな振れ角幅で往復回動する。すなわち、走査光ビームＬｓは、Ｈ方向に大きな走査幅で走査する。

　圧電センサ４３ａ，４３ｂは、相互に逆位相で湾曲変形し、第１駆動期間では、相互に逆位相の出力電圧を生成している。制御部４５（詳しくは、制御部４５の検出部５０）は、第１駆動期間では、圧電センサ４３ｂの出力電圧を反転してから、圧電センサ４３ａの出力電圧に加算し、加算後の値（図４の“◇”参照）に基づき第１駆動期間の振れ角γを検出する。第１駆動期間における振れ角幅は十分大きいので、振れ角γの検出精度は十分に保証される。

　第２駆動期間において、ＳＷ１，ＳＷ２は、共に接点Ｂの接続位置になる。これにより、Ｈアクチュエータ３３は、第１組３９の圧電区画部分のみにより、ミラー部３１を第１軸の回りに往復回動させる。このため、Ｈアクチュエータ３３によるアクチュエータ力は、半減するが、第２駆動期間は、第１軸の回りにミラー部３１を小さい振れ角幅で往復動させる期間であり、ミラー部３１は、第１軸の回りに指示された振れ角幅で支障なく往復回動する。

　一方、第２駆動期間では、ＳＷ１ーＳＷ３の全部が接点Ｂの接続位置になる。これにより、第２組４０の圧電区画部分の出力電圧が制御部４５に送られる。制御部４５の検出部５０は、第２組４０の圧電区画部分の出力電圧に基づき振れ角γを検出する。第２組４０の圧電区画部分の出力電圧は、圧電センサ４３ａ，４３ｂの加算値の出力電圧より大きいので（図４の“□”と“◇”との対比参照）、検出部５０は、十分な精度で振れ角γを検出することができる。また、第２組４０の圧電区画部分４２ｂ、４２ｄ、４２ｆは、いずれも圧電センサ４３ａ，４３ｂと比べてトーションバー３２ｂから離間している場所に位置するため、トーションバーから応力がかかりすぎて剥離することが防がれる。

　図５のフローチャートを説明する。Ｓ（ステップ）１０１では、駆動部４９は、ミラー部３１を第１軸の回りに往復回動させる振れ角モードを判定する。振れ角モードには、低振れ角モードと高振れ角モードとの２つがある。具体的には、駆動部４９は、ミラー部３１を、振れ角γの振れ角幅を閾値γａ以下にして往復回動させるときは、低振れ角モードの制御期間と判定し、振れ角γの振れ角幅を閾値γａより大きくして往復回動させるときは、高振れ角モードの制御期間と判定する。

　駆動部４９は、低振れ角モードの制御期間と判定したときは、処理をＳ１０２に進める。駆動部４９は、高振れ角モードの制御期間と判定したときは、処理をＳ１０８に進める。

　先に、低振れ角モードの制御期間の処理について説明する。Ｓ１０２において、駆動部４９は、第２駆動電圧の出力を停止して、第１駆動電圧のみを出力し、第１組３９の圧電区画部分のみを駆動する。この結果、ミラー部３１のアクチュエータ力は、半減するが、この期間のミラー部３１に要求されている振れ角γの振れ角幅は小さいので、第１軸の回りのミラー部３１の往復回動には支障がない。

　Ｓ１０３において、接続切替部５１は、圧電センサ４３ａ，４３ｂをアースに接続する。具体的には、接続切替部５１は、図６Ｂに図示されているように、ＳＷ１－ＳＷ３の接続位置をすべて接点Ｂに切り替える。この結果、圧電センサ４３ａ，４３ｂの出力端子は、０Ｖ（アース）に維持され、湾曲変形中の電荷蓄積による脱分極が防止される。

　一方、ＳＷ１の接続位置が接点Ａから接点Ｂに切替わることに伴い、第２組４０の機能は、圧電アクチュエータから圧電センサに切り替わる。

　Ｓ１０４において、検出部５０は、第２組４０の圧電区画部分の出力電圧Ｖｏａ２に基づき振れ角γを検出する。図４の“□”で説明したように、ミラー部３１は低振れ角モードであるにもかかわらず、検出部５０の出力電圧は、十分な大きさを確保される。したがって、低振れ角モード時の振れ角γの検出精度が保証される。

　高振れ角モードの制御期間の処理について説明する。Ｓ１０８において、駆動部４９は、第１出力電圧及び第２出力電圧の両方でそれぞれ第１組３９及び第２組４０を駆動する。なお、高振れ角モードの制御期間では、接続切替部５１は、ＳＷ１－ＳＷ３の全部を接点Ａに切り替えている（図６Ｂ）。

　Ｈアクチュエータ３３において、第１組３９及び第２組４０の両方の圧電区画部分が駆動されることにより、Ｈアクチュエータ３３は、大きなアクチュエータ力を出力する。これにより、ミラー部３１は、第１軸の回りの大きな振れ角幅で往復回動することができる。

　Ｓ１０９において、検出部５０は、圧電センサ４３ａ，４３ｂの出力電圧Ｖｏｓ１，Ｖｏｓ２の加算値に基づき振れ角γを検出する。図４の“◇”で説明したように、高振れ角モード時の振れ角γの振れ角幅は大きい。したがって、高振れ角モード時の振れ角γの検出精度が保証される。

　（その他の低振れ角モード）
　図８Ａは、低振れ角モードを低振れ角モード２とする外付け回路において第２駆動期間の接続状態を示す図である。なお、低振れ角モード２は、（ｂ２）の検出方式に対応する。

　図８Ｂは、図８Ａの外付け回路における第２駆動期間の波形図である。なお、図８Ａの制御部４５における第１駆動期間の接続位置は、図６Ａと同一であるので、図示は省略する。また、図８Ａの制御部４５における第１駆動期間の第１組３９、ＳＷ１，ＳＷ２及び圧電センサ４３ａの波形図は、図７のそれらとの波形図と同一であるので、図示は省略する。

　図８Ａ及び図８Ｂにおいて、図６Ｂ及び図７との相違点について説明する。図８Ａの第２駆動期間では、ＳＷ３は、接点Ａの接続位置になる。これにより、検出部５０は、第２組４０の圧電区画部分の出力電圧と圧電センサ４３ｂの出力電圧との加算値に基づき振れ角γを検出する。

　圧電センサ４３ｂの出力電圧は、第２組４０の圧電区画部分の出力電圧とは逆位相の関係にある。したがって、検出部５０は、圧電センサ４３ｂの出力電圧を反転してから第２組４０の圧電区画部分の出力電圧に加算する。

　図９Ａは、低振れ角モードを低振れ角モード３とする外付け回路において第２駆動期間の接続状態を示す図である。低振れ角モード３は、（ｂ３）の検出方式に対応する。図９Ｂは、図９Ａの外付け回路の波形図である。なお、図９Ａの制御部４５における第１駆動期間の接続位置は、図６Ａと同一であるので、図示は省略する。また、図９Ｂの制御部４５における第１駆動期間の第１組３９、ＳＷ１，ＳＷ２及び圧電センサ４３ａの波形図は、図７のそれらの波形図と同一であるので、図示は省略する。

　図９Ａ及び図９Ｂにおいて、図６Ｂ及び図７との相違点について説明する。圧電センサ４３ａは、第２組４０の圧電区画部分用のセンサアンプ６８，６９とは別に専用のセンサアンプ７７，７８が用意される。

　図９Ａの第２駆動期間では、ＳＷ２、ＳＷ３は、共に、接続位置を接点Ａに切り替えている。これにより、検出部５０は、第２組４０の圧電区画部分の出力電圧と圧電センサ４３ａ，４３ｂの出力電圧の加算値との加算値に基づき振れ角γを検出する。

　図１０は、第２駆動期間に駆動組及び非駆動組を交互に切り替える駆動方式の回路図である。第２駆動期間の駆動組及び非駆動組を、以下、それぞれ第１組３９及び第２組４０とする第１動作期間と、第２組４０及び第１組３９とする第２動作期間とに分けられる。図１１は、図１０の回路において各動作期間の波形を対比して示す図である。

　図１０において、ＳＷ６，ＳＷ７は、制御部４５からの制御信号により接続位置が切り替えられる。

　図１０の上側の図及び図１１の左半部は、第１動作期間の接続位置及び波形を示し、図１０の下側の図及び図１１の右半部は、第２動作期間の接続位置及び波形を示している。第１動作期間と第２動作期間とは、第２駆動期間において、例えば一定時間間隔で交互に切り替えられる。

　第１動作期間では、ＳＷ６，ＳＷ７の接続位置は共に接点Ａになっている。これにより、第１駆動電圧が第１組３９に供給される一方、第２組４０への第２駆動電圧の供給は停止される。これにより、Ｈアクチュエータ３３は、第１組３９の圧電区画部分のみが圧電アクチュエータとして作動する一方、第２組４０の圧電区画部分は、圧電センサとして振れ角γに係る出力電圧を出力する。さらに、検出部５０には、第２組４０からの出力電圧と共に、圧電センサ４３ａ，４３ｂからの出力電圧が入力され、検出部５０は、これら３個の素子（圧電体）からの出力電圧に基づいて振れ角γを検出する。

　第２動作期間では、ＳＷ６，ＳＷ７の接続位置が共に接点Ｂに切り替えられる。これにより、第１組３９への駆動部４９からの第１駆動電圧の供給が停止される一方、駆動部４９から第２組４０への第２駆動電圧の供給は実施される。この結果、Ｈアクチュエータ３３は、第２組４０の圧電区画部分のみが圧電アクチュエータとして作動する一方、第１組３９は、圧電センサとして振れ角γに係る出力電圧を出力する。さらに、検出部５０には、第１組３９からの出力電圧と共に、圧電センサ４３ａ，４３ｂからの出力電圧が入力され、検出部５０は、これら３個の素子（圧電体）からの出力電圧に基づいて振れ角γを検出する。

　この実施形態では、第２駆動期間において駆動組及び非駆動組を第１組３９及び第２組４０間で交互に切り替えることにより、各圧電区画部分は圧電アクチュエータの作動と停止とを交互に繰り返すので、寿命が改善される。

　（変形例）
　実施形態の光偏向器３０では、Ｈアクチュエータ３３がトーションバー３２と結合する２つの結合部分の少なくとも一方の結合部分（例：トーションバー３２ｂ側の結合部分）において、第１軸の両側に圧電センサ４３の対が設けられている。本発明では、他方の結合部分（例：トーションバー３２ａ側の結合部分）にも圧電センサ４３の対を設けて、２対の圧電センサ４３に出力電圧から振れ角γを検出することも可能である。

　実施形態の光偏向器３０は、２軸式の光偏向器となっている。本発明の光走査装置が装備する光偏向器は、１軸式の光偏向器であってもよい。

　実施形態のＨアクチュエータ３３は、環状に形成されている。本発明の光走査装置が装備する圧電アクチュエータは、特許文献１のような各トーションバーの両側に結合する直線状（非環状）の圧電アクチュエータであってもよい。

　実施形態の図４では、振れ角γの検出の基にする出力電圧の組み合わせとして、Ｈａｃｔ２センサ＋Ｈｓｅｎ２の１つのみとなっている。本発明の組み合わせは、その他として、（ｃ１）Ｈａｃｔ２センサ＋Ｈｓｅｎ１、（ｃ２）Ｈａｃｔ２センサ＋Ｈｓｅｎ１＋Ｈｓｅｎ２、（ｃ３）Ｈａｃｔ２センサ＋Ｈｓｅｎ２、（ｃ４）Ｈａｃｔ１センサ＋Ｈｓｅｎ１、及び、（ｃ５）Ｈａｃｔ１センサ＋Ｈｓｅｎ１＋Ｈｓｅｎ２のいずれかの組み合わせにしてよい。

　実施形態では、支持部としての可動枠３４は、ミラー部３１を包囲する環状になっている。本発明では、支持部は、ミラー部を外側から包囲する環状でなくてもよい。本発明の支持部は、ミラー部を片側から支持する構造であってもよい。

１０・・・光走査装置、２０・・・レーザ光源、３０・・・光偏向器、３１・・・ミラー部、３２ａ，３２ｂ・・・トーションバー、３３・・・Ｈアクチュエータ（環状圧電アクチュエータ）、３４・・・可動枠（支持部）、３９・・・第１組、４０・・・第２組、４２ａ－４２ｆ・・圧電区画部分、４３ａ，４３ｂ・・・圧電センサ、４５・・・制御部、４９・・・駆動部、５０・・・検出部、５１・・・接続切替部。

Claims

　ミラー部、支持部、及び、直列に結合された複数の圧電区画部分を有し、前記支持部と前記ミラー部との間に介在し、前記ミラー部を回転軸の回りに往復回動させる圧電アクチュエータを含む光偏向器と、
　前記複数の圧電区画部分を前記光偏向器の基端側から作用端側に並び順に交互に第１組と第２組とに組分けしたとき、前記第１組及び前記第２組の圧電区画部分に対し相互に逆位相の関係になる位相で第１駆動電圧及び第２駆動電圧をそれぞれ供給する駆動部と、
　前記回転軸の回りの前記ミラー部の振れ角を検出する検出部と、
を備え、
　前記駆動部は、
　第１駆動期間では、前記第１組及び前記第２組の両方の組の圧電区画部分に対し駆動電圧を供給し、
　第２駆動期間では、前記第１組及び前記第２組の一方の組の圧電区画部分に対してのみ駆動電圧を供給し、
　前記検出部は、前記第２駆動期間には、他方の組の圧電区画部分の出力電圧に基づいて前記振れ角を検出することを特徴とする光走査装置。
　請求項１記載の光走査装置において、
　前記支持部は、前記ミラー部を環状に包囲し、
　前記光偏向器は、前記ミラー部の両側から延び出して前記支持部に結合する１対のトーションバーを有し、
　前記圧電アクチュエータは、前記支持部の内周側において前記ミラー部を環状に包囲し、前記回転軸としての第１軸の軸上で前記１対のトーションバーの中間部に結合し、前記ミラー部の中心で前記第１軸に対して直交する第２軸上で前記支持部に結合している環状圧電アクチュエータであることを特徴とする光走査装置。
　請求項２記載の光走査装置において、
　さらに、前記１対のトーションバーに結合する前記環状圧電アクチュエータの結合部分の少なくとも一方の結合部分において前記第１軸を両側から挟んで配置された１対の圧電センサを備え、
　前記検出部は、前記第１駆動期間には前記１対の圧電センサの出力電圧に基づいて前記振れ角を検出することを特徴とする光走査装置。
　請求項３記載の光走査装置において、
　前記検出部は、前記第２駆動期間には、前記他方の組の前記圧電区画部分の出力電圧と、前記１対の圧電センサの出力電圧との加算に基づいて前記振れ角を検出することを特徴とする光走査装置。
　請求項３又は４記載の光走査装置において、
　さらに、前記第２駆動期間に、前記１対の圧電センサの少なくとも一方の出力端子を、アースに接続する接続切替部を備えることを特徴とする光走査装置。
　請求項５記載の光走査装置において、
　前記接続切替部は、前記第２駆動期間において、前記他方の組を前記第１組及び第２組間で交互に切り替えることを特徴とする光走査装置。