JP4935013B2 - 光走査装置、画像表示装置及び光スキャナの共振周波数変更方法並びに反射ミラー位置の補正方法 - Google Patents

Description

本発明は、入射した光を反射する反射面とその入射光の入射方向との角度を変化させることにより、その反射面からの反射光の走査を行う光スキャナを有する光走査装置及び画像表示装置の技術に関する。詳細には、光スキャナの共振周波数変更方法や反射ミラー位置の補正方法等に関する。

光を走査する光スキャナとして、入射した光を反射する反射面の角度、すなわち反射面とその入射光の入射方向との角度を変化させることにより、その反射面からの反射光の走査を行う光スキャナが既に知られている。

この種の光スキャナは、例えば、画像形成の分野や画像読取りの分野において使用される。画像形成の分野においては、網膜上において光束を走査して画像を直接に表示する網膜走査型ディスプレイ装置、プロジェクタ、レーザプリンタ、レーザリソグラフィ等の用途に使用され、一方、画像読取りの分野においては、ファクシミリ、複写機、イメージスキャナ、バーコードリーダ等の用途に使用される。

ところで、このような光スキャナにより反射光の走査を行なう方法として、反射面に連結された弾性変形部を共振周波数で揺動させることにより、反射面を揺動させ、光を走査するものがある。

ところが、このような光スキャナは、共振振動を利用していることから、光スキャナの共振特性への依存性が高い。この共振特性は温度依存性を有していることから、周囲温度が変化すると光スキャナの共振周波数が変動する。また、光スキャナが振動することによってその内部で発生する熱により弾性変形部の温度が上昇したときにも同様に共振周波数が変動する。さらに、光スキャナの製造時のばらつきにより目標とする共振周波数からずれることもある。

このように共振周波数がずれると、弾性変形部の振動幅、すなわち走査角が小さくなり、所望の走査角を得ることができない。そのため、反射ミラーの振動幅に応じた大きさの信号をフィードバックさせ、振動幅が最大になるように共振周波数で自励発振するものが提案されている（例えば、特許文献１）。また、弾性変形部上に圧電素子を形成し、この圧電素子に電圧を印加することにより弾性変形部の幅、厚さまたは長さを変形させて、弾性変形部のばね定数を変更し、この弾性変形部の共振周波数を調整するものが提案されている（例えば、特許文献２参照）。
特開平７−１８１４１５号公報 特許２９８１６００号公報

しかし、上記特許文献１の構成は、周囲温度が大幅に変化した場合であっても、安定した走査角度を得ることができるものの、共振周波数が所望の走査周波数と一致させるものでなく、所望の走査周波数により反射光を走査することができなくなるという課題が生じる。

また、上記特許文献２の構成は、共振周波数を調整することによって所望の走査周波数によって反射光を走査することができものの、反射面に対して垂直方向に圧電素子によって圧力がかかることで、反射面が垂直面から傾くことになることため、反射ミラーによる光の反射角を変えてしまうという課題が生じる。

そこで、請求項１に記載の発明は、入射した光を反射する反射ミラーと、この反射ミラーの一側に連結された第１の梁部と、前記反射ミラーの他側に連結された第２の梁部と、前記第１の梁部を弾性変形させる第１の圧電素子部と、前記反射ミラーを揺動させるための交流電圧を前記第１の圧電素子部に印加する電源部と、を有する共振型光スキャナを備えた光走査装置において、前記第１の梁部及び前記第２の梁部は、それぞれ、前記反射ミラーに連結される第１のばね部と、この第１のばね部から分岐して形成され、固定枠部に連結される一対の第２のばね部とから構成され、前記第１の圧電素子部は、前記第２のばね部の一つに曲げ振動を発生させる第１の圧電素子と、前記第２のばね部の他の一つに曲げ振動を発生させる第２の圧電素子とから構成され、前記電源部は、前記第１の圧電素子部に対して直流電圧成分を印加することができ、当該直流電圧成分に、前記交流電圧を重畳させて前記第１の圧電素子部に印加することを特徴とする。

請求項２に記載の発明は、入射した光を反射する反射ミラーと、この反射ミラーの一側に連結された第１の梁部と、前記反射ミラーの他側に連結された第２の梁部と、前記第１の梁部を弾性変形させる第１の圧電素子部と、前記第２の梁部を弾性変形させる第２の圧電素子部と、前記反射ミラーを揺動させるための交流電圧を前記第１の圧電素子部に印加する電源部と、を有する共振型光スキャナを備えた光走査装置において、前記第１の梁部及び前記第２の梁部は、それぞれ、前記反射ミラーに連結される第１のばね部と、この第１のばね部から分岐して形成され、固定枠部に連結される一対の第２のばね部とから構成され、前記第１の圧電素子部及び前記第２の圧電素子部は、それぞれ、前記第２のばね部の一つに曲げ振動を発生させる第１の圧電素子と、前記第２のばね部の他の一つに曲げ振動を発生させる第２の圧電素子とから構成され、前記電源部は、前記第２の圧電素子部に対して直流電圧成分を印加することを特徴とする。

また、請求項３に記載の発明は、請求項２に記載の発明であって、前記第１の圧電素子部及び前記第２の圧電素子部のそれぞれの第１の圧電素子及び第２の圧電素子に直流電圧成分を印加して、前記反射ミラーの傾きを補正可能としたことを特徴とする。

また、請求項４に記載の発明は、請求項１〜請求項３のいずれか１項に記載の発明であって、前記電源部は、前記第１の圧電素子に第１の直流電圧成分を印加する第２の電源部と、前記第２の圧電素子に第２の直流電圧成分を印加する第３の電源部を有することを特徴とする。

また、請求項５に記載の発明は、請求項１〜請求項４に記載の発明であって、前記反射ミラーの変位を検出する反射ミラー変位検出手段を備え、前記電源部は、前記反射ミラーの変位範囲に応じた直流電圧成分を前記第１の圧電素子部又は前記第２の圧電素子部に印加することを特徴とする。

また、請求項６に記載の発明は、請求項１〜請求項５のいずれか一項に記載の発明であって、前記第１の圧電素子部又は前記第２の圧電素子部に交流電圧が印加されていないときの前記反射ミラーの位置を検出するミラー位置検出手段を備え、前記電源部は、前記反射ミラーの位置に応じた第１の直流電圧成分と第２の直流電圧成分とを第１の圧電素子部又は第２の圧電素子部に印加することを特徴とする。

また、請求項７に記載の発明は、請求項５又は請求項６に記載の発明であって、前記反射ミラー変位検出手段及び／又は前記ミラー位置検出手段は、前記反射ミラーへ入射された光の反射光を受光することより前記反射ミラーの変位範囲及び／又は位置を検出するビームディテクタを有することを特徴とする。

また、請求項８に記載の発明は、請求項５又は請求項６に記載の発明であって、前記反射ミラー変位検出手段及び／又は前記ミラー位置検出手段は、交流電圧を印加する圧電素子部とは異なる圧電素子部から出力される電圧に基づいて前記反射ミラーの変位及び／又は位置を検出することを特徴とする。

また、請求項９に記載の発明は、請求項５〜請求項８のいずれか１項に記載の発明であって、前記圧電素子部又はその周辺の温度を検出する温度センサを備え、前記電源部は、前記反射ミラーの変位範囲と前記温度センサで検出した温度とに応じた直流電圧成分を第１の圧電素子部又は第２の圧電素子部に印加することを特徴とする。

また、請求項１０に記載の発明は、請求項１〜９のいずれか一項に記載の発明である走査装置を備えた画像表示装置。

また、請求項１１に記載の発明は、入射した光を反射する反射ミラーと、この反射ミラーの一側に連結された第１の梁部と、前記反射ミラーの他側に連結された第２の梁部と、前記第１の梁部を弾性変形させる第１の圧電素子部と、を有し、前記第１の梁部及び前記第２の梁部は、それぞれ、前記反射ミラーに連結される第１のばね部と、この第１のばね部から分岐して形成され、固定枠部に連結される一対の第２のばね部とから構成され、前記第１の圧電素子部は、前記第２のばね部の一つに曲げ振動を発生させる第１の圧電素子と、前記第２のばね部の他の一つに曲げ振動を発生させる第２の圧電素子とから構成された共振型光スキャナの共振周波数変更方法において、第１の圧電素子部に交流電圧を印加して、前記反射ミラーを揺動させるステップと、前記反射ミラーの変位範囲を検出するステップと、前記反射ミラーの変位範囲に基づいて、第１の圧電素子部に対して直流電圧成分を印加するステップと、を有することを特徴とする。

また、請求項１２に記載の発明は、入入射した光を反射する反射ミラーと、この反射ミラーの一側に連結された第１の梁部と、前記反射ミラーの他側に連結された第２の梁部と、前記第１の梁部を弾性変形させる第１の圧電素子部と、前記第２の梁部を弾性変形させる第２の圧電素子部と、を有し、前記第１の梁部及び前記第２の梁部は、それぞれ、前記反射ミラーに連結される第１のばね部と、この第１のばね部から分岐して形成され、固定枠部に連結される一対の第２のばね部とから構成され、前記第１の圧電素子部及び前記第２の圧電素子部は、それぞれ、前記第２のばね部の一つに曲げ振動を発生させる第１の圧電素子と、前記第２のばね部の他の一つに曲げ振動を発生させる第２の圧電素子とから構成された共振型光スキャナの共振周波数変更方法において、第１の圧電素子部に交流電圧を印加して、前記反射ミラーを揺動させるステップと、前記反射ミラーの変位範囲を検出するステップと、前記反射ミラーの変位範囲に基づいて、第２の圧電素子部に対して直流電圧成分を印加するステップと、を有することを特徴とする。

また、請求項１３に記載の発明は、入射した光を反射する反射ミラーと、この反射ミラーの一側に連結された第１の梁部と、前記反射ミラーの他側に連結された第２の梁部と、前記第１の梁部を弾性変形させる第１の圧電素子部と、前記第２の梁部を弾性変形させる第２の圧電素子部と、を有し、前記第１の梁部及び前記第２の梁部は、それぞれ、前記反射ミラーに連結される第１のばね部と、この第１のばね部から分岐して形成され、固定枠部に連結される一対の第２のばね部とから構成され、前記第１の圧電素子部及び前記第２の圧電素子部は、それぞれ、前記第２のばね部の一つに曲げ振動を発生させる第１の圧電素子と、前記第２のばね部の他の一つに曲げ振動を発生させる第２の圧電素子とから構成された共振型光スキャナの反射ミラー位置の補正方法において、前記反射ミラーの位置を検出するステップと、前記反射ミラーの変位範囲に基づいて、第１の圧電素子部及び／又は第２の圧電素子部に対して直流電圧成分を印加するステップと、を有することを特徴とする。

請求項１に記載の発明によれば、第１の梁部と第２の梁部とに連結された反射ミラーを有する光スキャナにおいて、第１の梁部を弾性変形させる圧電素子部に直流電圧成分を印加することによって、第１の梁部や第２の梁部の張力を変化させることができる。その結果、光スキャナの共振周波数が移動するので、温度変化などによって共振周波数が変化した場合であっても、所望の共振周波数に補正することが可能となる。また、反射ミラーを揺動するための第１の圧電素子部を用いて共振周波数を移動することが可能となる。なお、直流電圧成分とは、直流電圧そのもののほか、パルス波、デューティ比によって発生する直流電圧成分を含む。すなわち、反射ミラーを揺動させるために第１の圧電素子部に印加する交流電圧をパルス波などにすることによって発生する直流電圧成分を含む。

請求項２に記載の発明によれば、第１の梁部と第２の梁部とに連結された反射ミラーを有する光スキャナにおいて、第２の梁部を弾性変形させる圧電素子部に直流電圧成分を印加することによって、第１の梁部や第２の梁部の張力を変化させることができる。その結果、光スキャナの共振周波数が移動するので、温度変化などによって共振周波数が変化した場合であっても、所望の共振周波数に補正することが可能となる。しかも、反射ミラーを揺動するための第１の圧電素子部と、共振周波数を移動させるための第２の圧電素子部とを別個に設けているので、直流電圧成分の印加と交流電圧の印加とを分けて行うことができる。

また、請求項３に記載の発明によれば、反射ミラーが前後左右方向のいずれの方向にずれている場合であっても、正常位置に補正することが可能になる。

また、請求項４に記載の発明によれば、２つの圧電素子にそれぞれ異なる直流電圧成分を加えることが可能となるため、反射ミラーの位置ずれを補正することが可能となる。

また、請求項５に記載の発明によれば、反射ミラーの変位範囲を検出することによって、共振周波数のずれを検出することができる。その結果、共振周波数のずれに応じた直流電圧成分を印加して共振周波数を適正にすることが可能となる。

また、請求項６に記載の発明によれば、反射ミラーが揺動していないときの位置を基準として反射ミラーの位置ズレを補正することができるため、その補正が容易となる。

また、請求項７に記載の発明によれば、ビームディテクタによって反射ミラーの変位範囲や位置を検出するため、その検出を的確に行うことができる。

また、請求項８に記載の発明によれば、反射ミラーの変位範囲や位置を検出するために、別途ビームディテクタを設けることなく、容易にその検出をすることができる。

また、請求項９に記載の発明によれば、温度を検出することによって、その温度を考慮した上で、移動すべき共振周波数に対する直流電圧成分を印加することができる。その結果、共振周波数の移動が容易となる。

また、請求項１０に記載の発明によれば、共振周波数を適切に変更することができる画像表示装置を提供することができる。

また、請求項１１又は請求項１２に記載の発明によれば、第１の梁部と第２の梁部とに連結された反射ミラーを有する光スキャナにおいて、第１の梁部又は第２の梁部を弾性変形させるための直流電圧成分を印加することによって、第１の梁部や第２の梁部の張力を変化させることができる。その結果、振動子の共振周波数が移動するので、温度変化などによって共振周波数が変化した場合であっても、所望の共振周波数に補正することが可能となる。また、反射ミラーの位置ずれの補正も行なうことが可能となる。

また、請求項１３に記載の発明によれば、第１の梁部と第２の梁部とに連結された反射ミラーを有する光スキャナにおいて、第１の梁部を弾性変形させる第１の圧電素子部と第２の梁部を弾性変形させる第２の圧電素子部に直流電圧成分を印加することによって、第１の梁部又は第２の梁部のねじれ方向を変化させることができる。その結果、反射ミラーの位置ずれを補正することができる。

以下、本発明の具体的な実施の形態のいくつかを図面に基づいて、画像表示装置全体の構成及び動作、光スキャナの構成及び動作、光スキャナの共振周波数及び反射ミラー傾きの変更について順に具体的に説明する。

（第１実施形態）

［１ 画像表示装置１全体の説明］
まず、画像表示装置１全体の構成及び動作について説明する。図１に、本発明の実施形態における画像表示装置１の全体構成を示す。この画像表示装置１は、その利用者である観察者の瞳孔１２に光束を入射させて網膜１４上に画像を投影することによって、観察者の眼１０の瞳孔１２の前方において虚像を視認させるための装置である。この装置は、網膜走査型ディスプレイともいわれる。

画像表示装置１は、外部から供給される映像信号Ｓに応じて強度変調された光束を生成する光束生成手段２０を備え、さらに、その光束生成手段２０と観察者の眼１０との間には、光束生成手段２０で生成された光束を光ファイバ１００から出射されるレーザビームを平行光化するコリメート光学系６１と、このコリメート光学系６１で平行光化されたレーザビームを画像表示のために水平方向に走査する水平走査部７０と、水平走査部７０で水平方向に走査された光束を垂直方向に走査する垂直走査部８０と、水平走査部７０と垂直走査部８０との間に設けられたリレー光学系７５と、このように水平方向と垂直方向に走査された光束（以下、「走査光束」とする。）を瞳孔１２へ出射するためのリレー光学系９０を備えている。

図１に示すように、光束生成手段２０には、外部から供給される映像信号Ｓが入力され、それに基づいて画像を合成するための要素となる各信号等を発生する信号処理回路２１が設けられ、この信号処理回路２１において、青（Ｂ）、緑（Ｇ）、赤（Ｒ）の各映像信号２２ａ〜２２ｃが生成され、出力される。また、信号処理回路２１は、水平走査部７０で使用される水平同期信号２３と、垂直走査部８０で使用される垂直同期信号２４とをそれぞれ出力する。

さらに、光束生成手段２０は、信号処理回路２１から出力される３つの映像信号（Ｂ，Ｒ，Ｇ）２２ａ〜２２ｃをそれぞれ光束にする光源部３０と、これらの３つの光束を１つの光束に結合して任意の光束を生成するための光合成部４０を備えている。

光源部３０は、青色の光束を発生させるＢレーザ３４およびＢレーザ３４を駆動するＢレーザ駆動回路３１と、緑色の光束を発生させるＧレーザ３５およびＧレーザ３５を駆動するＧレーザ駆動回路３２と、赤色の光束を発生させるＲレーザ３６およびＲレーザ３６を駆動するＲレーザ駆動回路３３とを備えている。なお、各レーザ３４，３５，３６は、例えば、半導体レーザや高調波発生機構付き固体レーザとして構成することが可能である。

光合成部４０は、光源部３０から入射するレーザ光を平行光にコリメートするように設けられたコリメート光学系４１，４２，４３と、このコリメートされたレーザ光を合成するためのダイクロイックミラー４４，４５，４６と、合成された光を光ファイバ１００に導く結合光学系４７とを備えている。

各レーザ３４，３５，３６から出射したレーザ光は、コリメート光学系４１，４２，４３によってそれぞれ平行化された後に、ダイクロイックミラー４４，４５，４６に入射される。その後、これらのダイクロイックミラー４４，４５，４６により、各レーザ光が波長に関して選択的に反射・透過される。

具体的には、Ｂレーザ３４から出射した青色レーザ光は、コリメート光学系４１によって平行光化された後に、ダイクロイックミラー４４に入射される。Ｇレーザ３５から出射した緑色レーザ光は、コリメート光学系４２を経てダイクロイックミラー４５に入射される。Ｒレーザ３６から出射した赤色レーザ光は、コリメート光学系４３を経てダイクロイックミラー４６に入射される。

それら３つのダイクロイックミラー４４，４５，４６にそれぞれ入射した３原色のレーザ光は、波長選択的に反射または透過して結合光学系４７に達し、集光され光ファイバ１００へ出力される。

水平走査部７０及び垂直走査部８０は、光ファイバ１００から入射された光束を画像として投影可能な状態にするために、水平方向と垂直方向に走査して走査光束とするものである。この水平走査部７０と水平走査するための構成部分を有する信号処理回路２１とは水平光走査装置として機能し、この垂直走査部８０と垂直走査するための構成部分を有する信号処理回路２１とは垂直光走査装置として機能する。なお、この水平走査装置又は垂直走査装置が走査装置に対応する。

水平走査部７０は、光束を水平方向に走査するための光スキャナ７１と、この光スキャナ７１を駆動させる水平走査駆動回路７２と、光スキャナ７１の共振周波数を制御する共振周波数制御回路７３とを有しており、垂直走査部８０は、光束を垂直方向に走査するためのガルバノミラー８１と、このガルバノミラー８１を駆動させる垂直走査駆動回路８２とを備えている。なお、水平走査駆動回路７２と垂直走査駆動回路８２は、信号処理回路２１から出力される水平同期信号２３と垂直同期信号２４に基づいてそれぞれ駆動する。

また、水平走査部７０と垂直走査部８０との間での光束を中継するリレー光学系７５を備えており、光スキャナ７１によって水平方向に走査された光は、リレー光学系７５を通って、ガルバノミラー８１によって垂直方向に走査されて、走査光束として、リレー光学系９０へ出射される。

リレー光学系９０は、凸レンズ９１，９４を有している。垂直走査部８０から出射された表示用走査光束は、凸レンズ９１によって、それぞれの光束がその光束の中心線を相互に平行にされ、かつそれぞれ収束光束に変換される。そして、凸レンズ９４によってほぼ平行な光束となると共に、これらの光束の中心線が観察者瞳孔に収束するように変換される。
［２ 光スキャナ７１の説明］
次に、上述のように光束を水平方向に走査するための揺動型水平光走査機構である光スキャナの構成について、以下、具体的に説明する。図２は光スキャナ７１の組立て状態を示す斜視図、図３は光スキャナ７１の分解斜視図である。図２および図３に示すように、光スキャナ７１は、本体部１１０がベース１１２に装着されて構成されている。

光スキャナ７１は共振タイプの共振型光スキャナであり、網膜１４の上の光スポットを水平方向に走査するために、光ビームを反射させ光ビームの出射方向を変化させる反射ミラー１２０を配した振動体１２４を揺動させており、本実施形態においては振動体１２４を共振させている。このように振動体１２４を共振させることによって反射ミラー１２０の揺動をさせることができる。

図３に示すように、光スキャナ７１は、略直方体のベース１１２を備えており、ベース１１２の上面中央部には凹部１３２が開口する状態で形成されると共に、ベース１１２の上面には本体部１１０が固着される。なお、ベース１１２は画像表示装置１の所定の場所に固着して配される。

本体部１１０は、シリコン等、弾性を有する材料を用いて生成されており、後述の圧電素子部１５０〜１５３及び電極１８１、１８２等は、等薄膜形成法によって形成されている。この本体部１１０は、図３の上部に示すように、光が通過しうる貫通孔１１４を有し、平面視で略長方形をなしている。また、本体部１１０の外側には固定枠部１１６を備え、一方、その内側には反射ミラー１２０を有する振動体１２４を備えている。

また、ベース１１２の凹部１３２開口の上方には振動体１２４が位置しており、振動体１２４が揺動したときにもベース１１２と干渉しないように構成されている。なお、ベース１１２はその大きさが微細であるため、凹部１３２は、例えばエッチングにより形成される。

振動体１２４には複数の構成要素が一体的に形成されており、これらの構成要素として、反射ミラー１２０と、その反射ミラー１２０の一側に連結される板状の弾性部材１４２、弾性部材１４４および弾性部材１４６から構成される第１の梁部１４０と、同じく反射ミラー１２０の他側に連結される板状の弾性部材１４３、弾性部材１４５および弾性部材１４７から構成される第２の梁部１４１とがある。なお、弾性部材１４２が第１のばね部に、弾性部材１４４及び弾性部材１４６が第２のばね部に対応する。また、弾性部材１４３が第１のばね部に、弾性部材１４５及び弾性部材１４７が第２のばね部に対応する。

ここで、反射ミラー１２０、第１の梁部１４０および第２の梁部１４１を有する振動体１２４は、画像表示装置１に固定される固定枠部１１６に対して可動する可動部材となっている。

図３に示すように、反射ミラー１２０は、略長方形を成しており、本体部１１０の略中央部に配置されている。この反射ミラー１２０は、図３において横方向に延びる揺動軸線Ｌｒまわりに揺動させられることにより、反射ミラー１２０に入射した光の反射方向を変化させる。

反射ミラー１２０の一側には、弾性部材１４２から２本の弾性部材１４４および弾性部材１４６が弾性部材１４２の幅より広い分岐間隔で互いに並列に分岐するように形成され、また２本の弾性部材１４４と弾性部材１４６とは揺動軸線Ｌｒを中心として対称に形成される。同様にして、反射ミラー１２０の他側には、弾性部材１４３から２本の弾性部材１４５および弾性部材１４７が弾性部材１４３の幅より広い分岐間隔で互いに並列的に分岐するように形成され、２本の弾性部材１４５と弾性部材１４７は揺動軸線Ｌｒを中心として対称に形成される。そして、第１の梁部１４０と第２の梁部１４１とは、反射ミラー１２０を挟んで対称となる位置に配置される。

また、第１の梁部１４０に属する弾性部材１４４と弾性部材１４６とにはその片面にそれぞれ第１の圧電素子１５０と第２の圧電素子１５２がそれぞれ固着されている。この第１の圧電素子１５０と第２の圧電素子１５２には、それぞれその一端が固定端として固定枠部１１６に固着され、他端が固定枠部１１６に固着されない自由端となっている。なお、第１の圧電素子１５０と第２の圧電素子１５２によって第１の圧電素子部が構成される。

この第１の圧電素子１５０、第２の圧電素子１５２は、それぞれ同一の構造をしており、その固着面と直角な方向において上部電極と下部電極とによって挟まれている。図４は、弾性部材１４４の上面に配設された第１の圧電素子１５０の側面を示しており、この圧電素子１５０は、上部電極１８１と、下部電極１８２とに挟まれている。

また、第１の圧電素子１５０の上部電極と下部電極とは、それぞれ、リード線１７０、１７１より、固定枠部１１６に設置された入力端子１６０と入力端子１６１に接続され、第２の圧電素子１５２の上部電極と下部電極とは、それぞれリード線より、固定枠部１１６に設置された入力端子１６４と入力端子１６５に接続されている。

本実施形態においては、対を成す第１の圧電素子１５０、第２の圧電素子１５２がそれぞれ駆動源として機能し、揺動軸線Ｌｒのまわりに捩じり振動を生じさせて、反射ミラー１２０を揺動させる。以下、この点につき具体的に説明する。

第１の圧電素子１５０の上部電極と下部電極との間に電圧が印加されると、その印加方向のみならず、印加方向と直交する向きにも変位が発生する。このように第１の圧電素子１５０に変位が発生することにより、第１の圧電素子１５０は弾性変形して上向き又は下向きに屈曲する。また、第２の圧電素子１５２も同様に、上部電極と下部電極との間に電圧が印加されると、弾性変形して上向き又は下向きに屈曲する。このように上向きに屈曲するか、下向きに屈曲するかは、電極間に印加する電圧の正負によって制御される。

また、第１の圧電素子１５０の弾性変形による屈曲に対応して弾性部材１４４が弾性変形によって屈曲し、第２の圧電素子１５２の弾性変形による屈曲に対応して弾性部材１４６が弾性変形によって屈曲する。そして、この弾性部材１４４、１４６の弾性変形による屈曲は、弾性部材１４２の揺動軸線Ｌｒを中心軸とした弾性変形による回動をもたらす。この弾性部材１４２の回動により、反射ミラー１２０が揺動軸線Ｌｒのまわりで回動する。

したがって、第１の圧電素子１５０の上部電極と下部電極との間と、第２の圧電素子１５２の上部電極と下部電極との間とに互いに逆位相の交流電圧を印加することにより、それぞれの自由端が互いに逆向き変位するように弾性変形して屈曲し、交流電圧の周波数で上下の曲げ振動を繰り返す。この曲げ振動は、第１の梁部を介して、揺動軸線Ｌｒを中心軸とした回転運動に変換され、反射ミラー１２０は、図５に示すように、揺動軸線Ｌｒのまわりで回転する。

以上を要約すると、弾性部材１４４および弾性部材１４６は、それぞれに固着された第１の圧電素子１５０および第２の圧電素子１５２の直線変位を曲げ振動に変換する機能を有し、この曲げ振動を弾性部材１４２の回転振動に変換する機能を有しているのである。そして弾性部材１４２の回転振動によって反射ミラー１２０が回転させられる。このようにばねを付勢する駆動源として圧電素子を用いる場合には装置の小型化が容易に図れるものとなる。

また、第２の梁部１４１は、上述のように反射ミラー１２０の他側に位置して、揺動軸線Ｌｒを中心として第１の梁部１４０と対称に形成されており、上述のように第１の梁部１４０によって発生した回転振動が反射ミラー１２０を介して伝わる。その結果、第２の梁部１４１と同様の変位が発生する。すなわち、揺動軸線Ｌｒを中心軸として、弾性部材１４３は、弾性部材１４２と略同様に弾性変形して回転振動し、弾性部材１４５は、弾性部材１４４と略同様に弾性変形して曲げ振動し、弾性部材１４７は、弾性部材１４６と略同様に弾性変形して曲げ振動する。

このように、第１の梁部１４０の変位と同様の変位が第２の梁部１４１に発生する。このように振動体１２４に変位が発生したときの例を図５に示す。

図５において、実線で示したものが第１の圧電素子１５０および第２の圧電素子１５２に電圧を与えない場合の第１の梁部１４０、第２の梁部１４１、反射ミラー１２０の位置である。また、破線で示したものが第１の圧電素子１５０および第２の圧電素子１５２に交流電圧を与えた場合のある電圧における第１の梁部１４０、第２の梁部１４１、反射ミラー１２０の位置である。

ここで、第２の梁部１４１の弾性部材１４７には、第４の圧電素子１５３が固着されており、弾性部材１４７に上述のような曲げ振動が発生すると、その曲げ振動が第４の圧電素子１５３により電圧に変換され、第２の弾性部材のねじれ量に応じた電圧信号が出力端子１６６、１６７から出力される。また、同様に、第２の梁部１４１の弾性部材１４５には、第３の圧電素子１５１が固着されており、弾性部材１４５に上述のような曲げ振動が発生すると、その曲げ振動が第３の圧電素子１５１により電圧に変換され、第２の弾性部材のねじれ量に応じた電圧信号が出力端子１６２、１６３から出力される。なお、第３の圧電素子１５１と第４の圧電素子１５３によって第２の圧電素子部が構成される。

このように第３の圧電素子１５１及び第４の圧電素子１５３を用いることにより、第２の梁部１４１のねじれ量に応じた信号を発生させることができるため、反射ミラーの変位を検出するビームディテクタが不要となり、装置の小型化が可能になる。

ここで、第１の梁部１４０、第２の梁部１４１及び反射ミラー１２０は、上述のように固定枠部１１６に対して可動する振動体であり、揺動軸線Ｌｒを中心軸として固有の共振周波数でねじれ共振を行う。

この共振のＱ（Ｑｕａｌｉｔｙ Ｆａｃｔｏｒ）は数百におよぶため、２個の第１の圧電素子１５０及び第２の圧電素子１５２に交流電圧が印加される場合において、その交流電圧の周波数を変化させると振動体１２４の共振周波数と合致する周波数において、反射ミラー１２０を含む可動部材の振動の振幅が極端に大きくなる。

したがって、このように共振周波数で振動させる場合には第１の圧電素子１５０及び第２の圧電素子１５２に印加する電力が小さくても、通常では得られない反射ミラー１２０の変位が得られるので極めて電力効率が高いものとなるとともに、光スキャナ７１の小型化が図れるものとなっている。

しかしながら、この共振周波数は、光スキャナ７１の配置される環境の温度や、湿度によって変化するものであり、また光スキャナ７１ごとの固体差も存在する。一方、上述したように、共振系のＱが数百と高いので、共振周波数は僅かな限られた範囲内となり、反射ミラー１２０を揺動する水平走査の駆動周波数、すなわち水平走査周波数と共振周波数とが完全に一致しない場合が多い。

[３ 光スキャナの共振周波数の変更について]
以下、このように水平走査周波数と共振周波数とが一致しない場合において、上述のように構成された光スキャナ７１における共振周波数の変更方法について、図面を参照して具体的に説明する。

本実施形態においては、画像表示装置１において、光スキャナ７１の振動体１２４に設けられた圧電素子部に直流電圧成分を印加することにより、第１の梁部１４０及び第２の梁部１４１への張力を加え、光スキャナ７１の共振周波数を変更するものである。図６は本実施形態における光スキャナの共振周波数変更の原理を示す図である。

図６（ａ）は、光スキャナ７１において、第１の圧電素子１５０と第２の圧電素子１５２とに同一の直流電圧成分を印加したときの光スキャナ７１の振動体１２４の状態を示したものである。

図６（ａ）に示すように、光スキャナ７１の駆動部材には張力が加えられている。このように張力が加えられた状態においては、この駆動部材の変位に必要な力及び復元力が増加するため、見かけ上のばね定数が大きくなり、共振周波数が変化する。図６（ｂ）には、駆動部材に加えられる張力が高い場合と低い場合のそれぞれの変位力又は復元力を模式的に示したものであり、張力が高い場合には、変位力及び復元力も高いものとなっている。

また、第１の圧電素子１５０と第２の圧電素子１５２とに印加する直流電圧と、光スキャナ７１の共振周波数との関係は、図６（ｃ）に示すように、印加電圧を高くすることによって共振周波数も高くなる関係となる。その他、印加電圧は直流電圧そのものでなくてもよく、振動に同期したパルス波、デューティ比を変化させることによる印加電圧の直流電圧成分であってもよい（以下、このような直流電圧成分を含めて「直流電圧成分」と呼ぶことがあるものとする）。そして、このような直流電圧成分を変化させる等の方法でも同様の効果が得られる。

図７は第１実施形態における画像表示装置１の光スキャナ７１の共振周波数変更のための構成を示す図である。

図７に示すように、光スキャナ７１の変位を検出する変位信号検出回路７４と、光スキャナ７１の変位に応じた信号を出力する制御手段としての信号処理回路２１と、信号処理回路２１から出力される信号に基づいて共振周波数制御用直流電圧を生成する共振周波数制御回路７３と、信号処理回路２１からの水平同期信号に応じた周波数及び振幅の交流電圧（以下、「水平走査信号」とする。）を生成する電源部により生成された水平走査信号を光スキャナ７１へ出力する水平走査駆動回路７２と、共振周波数制御回路７３から出力される直流電圧に水平走査駆動回路７２から出力される交流電圧を重畳させるためのコンデンサＣ１、Ｃ２とが設けられている。また、光スキャナ７１の圧電素子部又はその周辺の温度を検出する温度センサとしての温度検出回路７８が設けられる。なお、後述の共振周波数制御回路７３の電源部は、この水平走査駆動回路７２の電源部と共用することが可能である。

変位信号検出回路７４は、反射ミラー１２０に生じた変位を第３の圧電素子１５１及び第４の圧電素子１５３から出力される信号（以下、「出力信号」とする。）によって検出する回路であり、この信号から反射ミラー１２０の揺動周波数（変位周波数）と振幅（変位範囲）を検出する。ここで、反射ミラー１２０の揺動周波数は、出力信号における正弦波形の周波数から検出し、反射ミラー１２０の振幅は、出力信号における正弦波形の振幅レベルから検出する。このように、変位信号検出回路７４は、反射ミラー変位検出手段としての機能を有している。

また、変位信号検出回路７４は、出力信号の振幅レベルと実際の反射ミラー１２０の振幅レベルとの対応テーブルを予め記憶した記憶部を有しており、この記憶部に対応テーブルを参照して、入力した出力信号の振幅レベルから実際の反射ミラー１２０の振幅を検出する。なお、このように第３の圧電素子１５１及び第４の圧電素子１５３から出力される信号によって、反射ミラー１２０に生じた変位を検出することができるのは、上述したとおりである。

ここで、変位信号検出回路７４による反射ミラー１２０の振幅レベルの検出は、この記憶部に記憶した対応テーブルによって行なうことに限定されるものではなく、出力信号の振幅レベルから実際の反射ミラー１２０の振幅レベルを演算することができる演算式情報を記憶部に記憶しておき、この演算式情報に基づいた演算により検出するようにしてもよい。

信号処理回路２１は、水平走査のための水平周波数により光スキャナ７１を揺動させるために、水平同期信号を水平走査駆動回路７２へ出力する。

また、信号処理回路２１は、変位信号検出回路７４で検出した反射ミラー１２０の揺動周波数や振幅などから共振周波数のずれを検出し、その検出結果に応じた信号を共振周波数制御回路７３へ出力する。

共振周波数制御回路７３は、信号処理回路２１からの信号に基づいた直流電圧を発生する回路であり、第１の圧電素子１５０に直流電圧を印加するための電源部と、第２の圧電素子１５２に直流電圧を印加するための電源部とを有し、これらの電源部により第１の圧電素子１５０と第２の圧電素子１５２とに同一の直流電圧を出力する。なお、前者の電源部が第２の電源部に、後者の電源部が第３の電源部に対応する。また、第２の電源部は第３の圧電素子１５１に、第３の電源部は第４の圧電素子１５３にも直流電圧を出力することができる。また、第２の電源部と第３の電源部はそれぞれ異なる直流電圧を供給する能力も有している。

ここで、水平走査駆動回路７２の第１の出力は、コンデンサＣ１を介して、共振周波数制御回路７３の第１の出力に接続されており、同様に水平走査駆動回路７２の第２の出力は、コンデンサＣ２を介して、共振周波数制御回路７３の第２の出力に接続されている。このように構成されているため、第１の圧電素子１５０と第２の圧電素子１５２とに入力される電圧は、水平走査駆動回路７２から水平走査信号が共振周波数制御回路７３から出力される直流電圧に重畳されたものとなる。

なお、第１実施形態における画像表示装置１においては、水平走査駆動回路７２からの水平走査信号を共振周波数制御回路７３から出力される直流電圧に重畳して、第１の圧電素子１５０と第２の圧電素子１５２とに入力するようにしたが、このような構成にしなくてもよい。

例えば、図９に示すように、水平走査駆動回路７２からの水平走査信号を第１の圧電素子１５０と第２の圧電素子１５２とにそれぞれ逆位相で入力すると共に、共振周波数制御回路７３から出力される直流電圧は、第３の圧電素子１５１及び第４の圧電素子１５３に入力するようにする。この場合、変位信号検出回路７４は、図９に示すように、コンデンサＣ３、Ｃ４を介して、第３の圧電素子１５１及び第４の圧電素子１５３の各電極に接続される。

このように構成された画像表示装置１において、光スキャナ７１の共振周波数変更制御について、以下、図８におけるフローチャートを参照して具体的に説明する。図８は図７における画像表示装置１の光スキャナ７１の共振周波数変更動作フローである。

まず、画像表示装置１において、観察者の網膜１４上に画像を投影するために、外部から供給される映像信号Ｓに応じて強度変調された光束を光束生成手段２０により生成し、このように生成された水平走査部７０によって水平方向に走査すると共に、垂直走査部８０によって垂直方向に走査する。

このように水平走査部７０によって光束を水平方向に走査する際、信号処理回路２１は、その内部の記憶部に記憶した初期値の設定周波数情報と同じく初期値の設定振幅情報とを取り出し、それらの情報に基づいた信号を水平走査駆動回路７２に出力する。水平走査駆動回路７２は、信号処理回路２１からの信号に基づいた水平走査信号を生成して第１の圧電素子１５０へ出力すると共に、その水平走査信号の位相を反転させた信号を生成し第２の圧電素子１５２へ出力する（ステップＳ１０）。

水平走査駆動回路７２から出力される交流電圧に基づいて、反射ミラー１２０が水平走査周波数にて揺動を開始すると、第３の圧電素子１５１及び第４の圧電素子１５３からその揺動に応じた出力信号がそれぞれ変位信号検出回路７４に入力される。また、カウンタ部（図示せず）をリセットし、カウンタ部のカウンタ値を０（Ｎ＝０）とする（ステップＳ１１）。

変位信号検出回路７４は、出力信号の振幅から対応テーブルを参照して、反射ミラー１２０の振幅を検出（ステップＳ１２）し、その検出結果を信号処理回路２１へ通知する（ステップＳ１３）。

続いて、信号処理回路２１は、変位信号検出回路７４から通知された反射ミラー１２０の振幅に基づいて、設定周波数と共振周波数とのずれを検出する。この設定周波数と共振周波数とのずれは、変位信号検出回路７４から通知された反射ミラー１２０の振幅が設定周波数に対応する振幅レベルを超えているか否かによって判定し、この振幅レベルを超えていないときには、周波数がずれていると判定する（ステップＳ１４）。

信号処理回路２１は、周波数がずれていると判定すると、変位信号検出回路７４から前回通知された反射ミラー１２０の振幅（以下、「前回の振幅」とする。）と、今回通知された反射ミラー１２０の振幅（以下、「今回の振幅」とする。）とに基づいて、共振周波数制御回路７３に出力する直流電圧成分を決定する（ステップＳ１５）。

すなわち、信号処理回路２１は、周波数がずれていると判定すると、前回の振幅と今回の振幅とを比較し、今回の振幅が、反射ミラー１２０の揺動周波数に対応した振幅に近づくような直流電圧を決定する。

なお、信号処理回路２１は、前回の振幅がない場合、すなわち初回の周波数ずれ検出時には、今回の振幅のみに基づいて直流電圧を決定する。

ステップＳ１５で生成された信号は共振周波数制御回路７３に入力及び設定される（ステップＳ１６）。共振周波数制御回路７３及び水平走査駆動回路７２はそれぞれ設定された信号に基づいた直流電圧及び交流電圧を光スキャナ７１に印加する（ステップＳ１７）。このように印加された直流電圧及び交流電圧に従って光スキャナ７１が駆動する（ステップＳ１８）。

さらに変位信号検出回路７４には、第３の圧電素子１５１及び第４の圧電素子１５３からその揺動に応じた出力信号がそれぞれ変位信号検出回路７４に入力され、変位信号検出回路７４は、出力信号の振幅から対応テーブルを参照して、反射ミラー１２０の振幅を検出（ステップＳ１９）し、その検出結果を信号処理回路２１へ通知する（ステップＳ２０）。

続いて、信号処理回路２１は、ステップＳ２０にて変位信号検出回路７４から通知された反射ミラー１２０の振幅が設定周波数に対応する所定振幅レベル以上であるかを判定する（ステップＳ２１）。反射ミラー１２０の振幅が所定振幅レベル以上であると判定すると（ステップＳ２１：Ｙ）、信号処理回路２１は、反射ミラー１２０の振幅が設定振幅に満たないときは、設定振幅を満たす補正電圧を決定する（ステップＳ２２）。

信号処理回路２１は、ステップＳ２２で決定した補正電圧を水平走査駆動回路７２に入力及び設定する（ステップＳ２３）。共振周波数制御回路７３及び水平走査駆動回路７２はそれぞれ設定された信号に基づいた直流電圧及び交流電圧を光スキャナ７１に印加する（ステップＳ２４）。このように印加された直流電圧及び交流電圧に従って光スキャナ７１が駆動する（ステップＳ２５）。

ステップＳ２５が終了すると、ステップＳ１１からステップＳ２７までの制御が繰り返し行われる。なお、光スキャナ７１の共振周波数を水平走査周波数に合わせた後は、これらの制御を所定期間停止又は中止するようにしてもよい。このようにすれば信号処理回路２１における負荷を低減することができる。

また、ステップＳ２１において、反射ミラー１２０の振幅が所定振幅レベルより小さいであると判定すると（ステップＳ２１：Ｎ）、信号処理回路２１は、カウンタ部のカウンタ値をインクリメント（Ｎ＝Ｎ＋１）する（ステップＳ２６）。次に、信号処理回路２１は、カウンタ部のカウンタ値が所定値以上になったか否かを判定し（ステップＳ２７）、所定値以上になったと判定すると（ステップＳ２７：Ｙ）、光スキャナ７１の揺動を停止すると共に、各映像信号２２ａ〜２２ｃの生成を停止する（ステップＳ２８）。また、ステップＳ２７において、カウンタ部のカウンタ値が所定値以上でないと判定すると、ステップＳ１２からの制御を繰り返す。

以上のように、本実施形態における画像表示装置１においては、光スキャナ７１の共振周波数と水平走査周波数とのずれを検出して、その検出結果に基づいて第１の圧電素子１５０と第２の圧電素子１５２とに直流電圧成分を印加するため、光スキャナ７１の共振周波数を水平走査周波数に合わせることができる。また、観察者の網膜１４上に画像を投影しているときに、ステップＳ１１〜２７の処理を継続して行なうこととすれば、走査角を安定して確保することが可能となる。

ステップＳ１４において、この温度検出回路７８により検出した温度に基づき、共振周波数ずれが揺動周波数に対し低周波側へのずれなのか高周波側へのずれなのかを予測判定し、第１の圧電素子１５０と第２の圧電素子１５２とに直流電圧を印加するようにすることもできる。

例えば、検出温度が基準温度に対して高いのであれば高周波側へのずれと判定し、逆に検出温度が基準温度に対して低いのであれば低周波側へのずれと判定する。そして、この判定結果と、変位信号検出回路７４から通知された反射ミラー１２０の振幅レベルに基づいて、共振周波数制御回路７３へ印加する直流電圧を決定するようにもできる。

（第２実施形態）
図１０は、本発明が適用される画像表示装置１の第２実施形態を示しており、第１の実施形態と異なる点は、光スキャナ７１の変位（振動体１２４の揺動周波数及びその振幅）を、第３及び第４の圧電素子１５１、１５３で検出するのではなく、ビームディテクタ６０により検出する点にある。その他の部分については第１実施形態と同様である。

図１０に示すように、第２実施形態における画像表示装置１は、ビームディテクタ６０を有しており、反射ミラー１２０が所定の位置にあるときに、テスト光源６３から反射ミラー１２０に入射したレーザビームの反射光を受光することができる位置に配置されており、この反射光を受光した期間Ｈｉｇｈレベルの信号を出力する。第２実施形態においては、反射ミラー１２０が時計回りに１０度回動したときにこのレーザビームの反射光を受光する位置にあるとするが、これに限られないことはいうまでもない。

また、第２実施形態における画像表示装置１には、ビームディテクタ６０からの出力信号から反射ミラー１２０の揺動周波数及び振幅を検出するビームディテクタ（ＢＤ）信号検出回路６２が設けられている。反射ミラー１２０が揺動している状態では、ビームディテクタ６０からＨｉｇｈ信号のパルスが連続して出力され、ＢＤ信号検出回路は、このパルス間の間隔（反射ミラーの往路と復路との時間差）から反射ミラー１２０の振幅を検出する。その他の構成要素については、第１実施形態と同様である。

このように構成された画像表示装置１における光スキャナ７１の共振周波数変更動作を、図１１を参照して説明する。なお、図１１のステップのうち、ステップＳ３０、Ｓ３１、Ｓ３３〜Ｓ４８は、それぞれ第１実施形態において説明した図８のステップＳ１０、Ｓ１１、Ｓ１３〜Ｓ２８と同様であるため説明を省略し、ステップＳ３２についてのみ説明する。

ステップＳ３２においては、ビームディテクタ６０から連続して出力されるパルス間の間隔（反射ミラー１２０の往路と復路との時間差）から反射ミラー１２０の振幅を検出する。

このように、ビームディテクタ６０を利用して反射ミラー１２０の振幅を検出することができることから、第２の梁部１４１が図１２に示すような一つの弾性部材から構成されており、また圧電素子を有していないような光スキャナであっても、共振周波数を変更することが可能となる。

（第３実施形態）
本実施形態においては、画像表示装置１において、光スキャナ７１の振動体１２４に設けられた２つの圧電素子部に直流電圧成分を印加することにより、第１の梁部１４０及び第２の梁部１４１の異なる張力を加え、光スキャナ７１において反射ミラー１２０の傾きを補正するものである。図１３は本実施形態における光スキャナ７１における反射ミラー１２０の傾き補正の概念を示す図である。

図１３は、第１の圧電素子１５０と第２の圧電素子１５２に負の直流電圧を印加して上向きの屈曲を生じるようにし、一方、第３の圧電素子１５１と第４の圧電素子１５３には正の直流電圧を印加して下向きの屈曲を生じるようにした様子を示している。このように直流電圧を印加することにより、反射ミラー１２０を左方向に傾かせることができる。したがって、反射ミラー１２０が右方向に傾いているときでも、このように電圧を印加することによりその傾きがなくなるように補正制御することができる。

また、同様に反射ミラー１２０が右方向に傾いているときには、第１の圧電素子１５０と第２の圧電素子１５２に正の直流電圧を印加して下向きの屈曲を生じるようにし、一方、第３の圧電素子１５１と第４の圧電素子１５３には負の直流電圧を印加して上向きの屈曲を生じさせることによって、その傾きがなくなるように補正制御できる。

一方、前方向に反射ミラー１２０が傾いているときには、第１の圧電素子１５０と第４の圧電素子１５３に正の直流電圧を印加して下向きの屈曲を生じるようにし、一方、第２の圧電素子１５２と第３の圧電素子１５１には負の直流電圧を印加して上向きの屈曲を生じさせることによって、その傾きがなくなるように補正制御できる。後方向に反射ミラー１２０が傾いているときには、その正負を逆にした直流電圧を印加する。

このように、反射ミラー１２０が前後左右方向のいずれの方向にずれている場合であっても、第１の圧電素子１５０、第２の圧電素子１５２、第３の圧電素子１５１、第４の圧電素子１５３に印加する電圧の極性やその電圧のレベルによって、正常位置に補正することが可能になる。

図１４は第１実施形態における画像表示装置１の光スキャナの反射ミラー傾き補正のための構成を示す図である。

図１４に示すように、テスト光源６３から反射ミラー１２０に入射したレーザビームの反射光を受光することができる位置に配置され、複数の受光部が二次元的に設けられたフォトセンサーダイオード（以下、「ＰＳＤ」とする。）５９と、このＰＳＤ５９から出力される信号から反射ミラー１２０の傾きを検出するＰＳＤ信号検出回路７６と、反射ミラー１２０の傾きを補正するための直流電圧を生成する第１及び第２の傾き補正回路７９ａ、７９ｂと、光スキャナ７１の傾きに応じた制御信号を出力する制御手段としての信号処理回路２１と、水平走査駆動回路７２と、コンデンサＣ１、Ｃ２とが設けられている。なお、本実施形態においては、傾き補正回路として第１及び第２の傾き補正回路７９ａ、７９ｂに分けているが、これに限られるものではなく、一つの傾き補正回路から構成してもよいことは言うまでもない。また、テスト光源６３とＰＳＤ信号検出回路７６とでミラー位置検出手段が構成される。

ＰＳＤ信号検出回路７６は、ＰＳＤ５９から出力される信号（以下、「ＰＳＤ信号」とする。）によって検出する回路であり、このＰＳＤ信号から反射ミラー１２０の傾きを検出する。このＰＳＤ信号は、ＰＳＤ５９のどの位置の受光部で反射光を検出したかを示す信号であり、ＰＳＤ信号検出回路７６はこのＰＳＤ信号に基づいて、反射ミラー１２０の傾きを検出する。

このように傾き検出は、第１〜第４の圧電素子１５０〜１５３に電圧が印加されていないときの反射ミラー１２０の位置（以下、「基準位置」とする。）を検出することにより行なわれる。より具体的には、反射ミラー１２０が基準位置にあるとき、テスト光源６３からの反射光を受光した受光部と基準受光部との距離により反射ミラー１２０の傾き位置を検出する。受光部と基準受光部との距離が０のときは反射ミラー１２０に傾きがないとして検出する。また、光スキャナを駆動させ、反射ミラー１２０を揺動させ、ＰＳＤ信号検出回路７６にて走査方向を演算して、その走査方向の中心と基準線との差を検出するようにするようにしてもよい。

信号処理回路２１は、水平走査のための水平周波数により光スキャナ７１を揺動させるために、光スキャナ７１をこの水平周波数で揺動させるための信号を水平走査駆動回路７２へ出力する。

また、信号処理回路２１は、ＰＳＤ信号検出回路７６で検出した反射ミラー１２０の傾きに応じた直流電圧の印加要求信号を第１及び第２の傾き補正回路７９ａ、７９ｂへ出力する。

第１の傾き補正回路７９ａは、信号処理回路２１からの信号に基づいた直流電圧を発生する回路であり、第１の圧電素子１５０と第２の圧電素子１５２に直流電圧を出力する。また、第２の傾き補正回路７９ｂは、信号処理回路２１からの信号に基づいた直流電圧を発生する回路であり、第３の圧電素子１５１と第４の圧電素子１５３に直流電圧を出力する。

ここで、水平走査駆動回路７２の第１の出力は、コンデンサＣ１を介して、第１の傾き補正回路７９ａの第１の出力に接続されており、同様に水平走査駆動回路７２の第２の出力は、コンデンサＣ２を介して、第１の傾き補正回路７９ａの第２の出力に接続されている。このように構成されているため、第１の圧電素子１５０と第２の圧電素子１５２とに入力される電圧は、水平走査駆動回路７２からの水平走査信号が第１の傾き補正回路７９ａから出力される直流電圧に重畳されたものとなる。

このように構成された画像表示装置１において、光スキャナ７１の反射ミラー１２０の傾き補正について、以下、図１５におけるフローチャートを参照して具体的に説明する。図１５は図１４における画像表示装置１の光スキャナ７１の反射ミラーの傾き補正動作フローである。

まず、画像表示装置１において、観察者の網膜１４上に画像を投影するために、外部から供給される映像信号Ｓに応じて強度変調された光束を光束生成手段２０により生成し、このように生成された水平走査部７０によって水平方向に走査すると共に、垂直走査部８０によって垂直方向に走査する。

このように水平走査部７０によって光束を水平方向に走査する際、信号処理回路２１は、その内部の記憶部に記憶した初期値の設定周波数情報と同じく初期値の設定振幅情報とを取り出し、それらの情報に基づいた信号を水平走査駆動回路７２に出力する。水平走査駆動回路７２は、信号処理回路２１からの信号に基づいた周波数及び振幅の交流信号を生成して第１の圧電素子１５０へ出力すると共に、その交流信号の位相を反転させた交流電圧を生成し第２の圧電素子１５２へ出力し、光スキャナを駆動する（ステップＳ５０）。

水平走査駆動回路７２から出力される交流電圧に基づいて、反射ミラー１２０が水平走査周波数にて揺動を開始すると、ＰＳＤ５９は、テスト光源６３の反射光がどの受光部で受光しているかを逐次検出してＰＳＤ信号として信号処理回路２１へ出力する（ステップＳ５１）。

信号処理回路２１は、ＰＳＤ信号から反射ミラー１２０の走査方向を演算し（ステップＳ５２）、その演算結果に基づいて、反射ミラー１２０の基準線とのずれを検出する（ステップＳ５３）。なお、この基準線のずれとは、反射ミラーの基準位置に対する傾きと同義である。

信号処理回路２１は、検出した方向ずれに対応する印加すべき直流電圧及び圧電素子を決定する（ステップＳ５４）。たとえば、前方向に反射ミラー１２０がある角度傾いているときには、第１の圧電素子１５０と第４の圧電素子１５３に正の直流電圧を傾きに応じた電圧レベルだけ印加し、第２の圧電素子１５２と第３の圧電素子１５１には負の直流電圧を傾きに応じた電圧レベルだけ印加するように決定する。

また、信号処理回路２１は、検出した反射ミラー１２０に振幅変動がある場合には、その調整を行なうために交流電圧を水平走査駆動回路７２に設定する（ステップＳ５５）。そして、ステップＳ５４で決定した直流電圧及びステップＳ５５で決定した補正交流電圧は、第１及び第２の傾き補正回路７９ａ、７９ｂに入力及び設定される（ステップＳ５６）。

続いて、このように設定された直流電圧及び交流電圧が圧電素子に印加し（ステップ５７）、この直流電圧及び交流電圧によって光スキャナ７１を駆動する（ステップＳ５８）。

ステップＳ５８が終了すると、ステップＳ５１からステップＳ５８までの制御が繰り返し行われる。

以上のように、本実施形態における画像表示装置１においては、光スキャナ７１の反射ミラーの傾きを検出して、その検出結果に基づいて第１の圧電素子１５０、第２の圧電素子１５２、第３の圧電素子１５１、第４の圧電素子１５３に直流電圧成分を印加することにより、光スキャナ７１の反射ミラー１２０の傾きを補正することができる。また、観察者の網膜１４上に画像を投影しているときに、ステップＳ５１〜５８の処理を継続して行なうこととすれば、継続して反射ミラー１２０の傾き補正をすることができる。

なお、本実施形態においては、光スキャナ７１を駆動させながらその反射ミラー１２０の傾きの補正を行なったが、光スキャナ７１を動作させない状態にて、その反射ミラー１２０の傾きを検出して、その検出結果に基づいて、補正をするようにすることもできることはいうまでもない。

また、第３実施形態を第１実施形態又は第２実施形態と分けて説明したが、共振周波数のずれ調整と反射ミラーの傾き補正との双方を実施することができる画像表示装置１としてもよい。この場合、共振周波数のずれ調整と同時に反射ミラーの傾き補正を行なうようにすることができる。

以上の実施形態によると、以下の各構成を備える光走査装置又は画像表示装置が実現される。

入射した光を反射する反射ミラー（たとえば、反射ミラー１２０）と、この反射ミラーの一側に連結された第１の梁部（たとえば、第１の梁部１４０）と、前記反射ミラーの他側に連結された第２の梁部（たとえば、第２の梁部１４１）と、第１の梁部を弾性変形させる第１の圧電素子部（例えば、第１の圧電素子１５０や第２の圧電素子１５２）と、前記反射ミラーを揺動させるための交流電圧（たとえば、水平走査駆動回路７２から出力される水平走査信号）を第１の圧電素子部に印加する電源部と、を有する共振型光スキャナ（たとえば、光スキャナ７１）を備えた光走査装置（たとえば、水平走査部７０と信号処理回路２１とから構成される装置）または画像表示装置（たとえば、画像表示装置１）において、前記電源部は、第１の圧電素子部又は第２の梁部を弾性変形させる第２の圧電素子部（たとえば、第３の圧電素子１５１と第４の圧電素子１５３によって第２の圧電素子部）に対して直流電圧成分を印加することを特徴とする光走査装置又は画像表示装置。

前記光走査装置又は前記画像表示装置において、前記電源部は、前記交流電圧（たとえば、水平走査駆動回路７２から出力される水平走査信号）を前記直流電圧成分（例えば、共振周波数制御回路７３から出力される直流電圧成分）に重畳させて、第１の圧電素子部に印加することを特徴とする光走査装置又は画像表示装置。

前記光走査装置又は前記画像表示装置において、前記反射ミラーの変位を検出する反射ミラー変位検出手段（たとえば、変位信号検出回路７４やビームディテクタ信号検出回路６２）を備え、前記電源部は、前記反射ミラーの変位範囲（たとえば、反射ミラー１２０の振幅）に応じた直流電圧成分を第１の圧電素子部又は第２の圧電素子部に印加することを特徴とする光走査装置または画像表示装置。

前記光走査装置又は前記画像表示装置において、前記圧電素子部（たとえば、第１の圧電素子１５０と第２の圧電素子１５２によって第１の圧電素子部及び／又は第３の圧電素子１５１と第４の圧電素子１５３によって第２の圧電素子部）又はその周辺の温度を検出する温度センサ（たとえば、温度検出回路７８）を備え、前記電源部は、前記反射ミラーの変位範囲と前記温度センサで検出した温度とに基づいた電圧レベルの直流電圧成分を第１の圧電素子部又は第２の圧電素子部に印加することを特徴とする光走査装置又は前記画像表示装置。

前記光走査装置又は前記画像表示装置において、第１の梁部及び／又は第２の梁部は、前記反射ミラーに連結される第１のばね部（たとえば、第１の梁部の弾性部材１４２）と、この第１のばね部に連結され、固定枠部（たとえば、第１の梁部の固定枠部１１６）に第１のばね部の幅より広い分岐間隔で第１のばね部から分岐して形成された複数の第２のばね部（たとえば、第１の梁部の弾性部材１４４、１４６）と、第１の圧電素子部及び／又は第２の圧電素子部は、第２のばね部の一つに曲げ振動を発生させる第１の圧電素子（たとえば、第１の梁部の第１の圧電素子１５０）と、第２のばね部の他の一つに曲げ振動を発生させる第２の圧電素子（たとえば、第１の梁部の第２の圧電素子１５２）とから構成され、前記電源部は、第１の圧電素子に第１の直流電圧成分を印加する第２の電源部（たとえば、第１の梁部の第１の圧電素子１５０に直流電圧成分を印加するための電源部）と、第２の圧電素子に第２の直流電圧成分を印加する第３の電源部（たとえば、第１の梁部の第２の圧電素子１５２に直流電圧成分を印加するための電源部）を有する光走査装置又は画像表示装置。

前記光走査装置又は前記画像表示装置において、第１の圧電素子部又は第２の圧電素子部に交流電圧が印加されていないときの前記反射ミラーの位置を検出するミラー位置検出手段（たとえば、ＰＳＤ信号検出回路７６）と、前記電源部（たとえば、第１の傾き補正回路７９ａ、第２の傾き補正回路７９ｂ）は、前記反射ミラーの位置に応じた第１の直流電圧成分と第２の直流電圧成分とを第１の圧電素子部又は第２の圧電素子部に印加することを特徴とする光走査装置又は前記画像表示装置。

前記光走査装置又は前記画像表示装置において、前記反射ミラー変位検出手段及び／又は前記ミラー位置検出手段は、前記反射ミラーへ入射された光の反射光を受光することより前記反射ミラーの変位範囲及び／又は位置を検出するビームディテクタ（たとえば、ビームディテクタ６０）を有することを特徴とする光走査装置又は前記画像表示装置。

前記光走査装置又は前記画像表示装置において、前記反射ミラー変位検出手段及び／又は前記ミラー位置検出手段は、交流電圧を印加する圧電素子部（例えば、第１の圧電素子１５０と第２の圧電素子１５２によって構成される第１の圧電素子部）とは異なる圧電素子部（第３の圧電素子１５１と第４の圧電素子１５３によって構成される第２の圧電素子部）から出力される電圧に基づいて前記反射ミラーの変位及び／又は位置を検出することを特徴とする光走査装置又は前記画像表示装置。

入射した光を反射する反射ミラーと、この反射ミラーの一側に連結された第１の梁部（たとえば、第１の梁部１４０）と、前記反射ミラーの他側に連結された第２の梁部（たとえば、第２の梁部１４１）と、第１の梁部を弾性変形させる第１の圧電素子部（たとえば、第１の圧電素子１５０と第２の圧電素子１５２によって構成される第１の圧電素子部）とを有する共振型光スキャナの共振周波数変更方法において、第１の圧電素子部又は第２の梁部を弾性変形させる第２の圧電素子部（たとえば、第３の圧電素子１５１と第４の圧電素子１５３によって構成される第２の圧電素子部）に交流電圧を印加して、前記反射ミラーを揺動させるステップと、前記反射ミラーの変位範囲を検出するステップと、前記反射ミラーの変位範囲に基づいて、前記圧電素子部に対して直流電圧成分を印加するステップと、を有することを特徴とする振動子の共振周波数変更方法。

入射した光を反射する反射ミラー（たとえば、反射ミラー１２０）と、この反射ミラーの一側に連結された第１の梁部（たとえば、第１の梁部１４０）と、前記反射ミラーの他側に連結された第２の梁部（たとえば、第２の梁部１４１）と、第１の梁部を弾性変形させる第１の圧電素子部（たとえば、第１の圧電素子１５０と第２の圧電素子１５２によって構成される第１の圧電素子部）と、第２の梁部を弾性変形させる第２の圧電素子部（たとえば、第３の圧電素子１５１と第４の圧電素子１５３によって構成される第２の圧電素子部）と、を有する共振型光スキャナの反射ミラー位置の補正方法において、前記反射ミラーの位置を検出するステップと、前記反射ミラーの位置に基づいて、第１の圧電素子部及び／又は第２の圧電素子部に対して直流電圧成分を印加するステップと、を有することを特徴とする振動子の反射ミラー位置の補正方法。

本発明の実施形態における画像表示装置の全体構成を示す図。 光スキャナの組立て状態を示す斜視図。 光スキャナの分解斜視図。 光スキャナの部分側面図。 振動体の回転振動を説明するための図。 光スキャナの共振周波数変更の原理を示す図。 光スキャナの共振周波数変更のための構成を示す図。 光スキャナの共振周波数変更の制御フローチャート。 光スキャナの共振周波数変更のための別の構成を示す図。 光スキャナの共振周波数変更のための他の構成を示す図。 光スキャナの共振周波数変更の他の制御フローチャート。 光スキャナの別の構成を示す図。 光スキャナの反射ミラー傾き補正の原理を示す図。 光スキャナの反射ミラー傾き補正のための構成を示す図。 光スキャナの反射ミラー傾き補正の制御フローチャート。

符号の説明

１ 画像表示装置
２１ 信号処理回路
６０ ビームディテクタ
７１ 光スキャナ
７２ 水平走査駆動回路
７３ 共振周波数制御回路
７４ 変位信号検出回路
７６ ＰＳＤ信号検出回路
７９ａ 第１の傾き補正回路
７９ｂ 第２の傾き補正回路
１４０ 第１の梁部
１４１ 第２の梁部
１４２、１４３、１４４、１４５、１４６、１４７ 弾性部材
１５１ 第１の圧電素子
１５２ 第２の圧電素子
１５３ 第３の圧電素子
１５４ 第４の圧電素子

Claims (13)

1. 入射した光を反射する反射ミラーと、この反射ミラーの一側に連結された第１の梁部と、前記反射ミラーの他側に連結された第２の梁部と、前記第１の梁部を弾性変形させる第１の圧電素子部と、前記反射ミラーを揺動させるための交流電圧を前記第１の圧電素子部に印加する電源部と、を有する共振型光スキャナを備えた光走査装置において、
   前記第１の梁部及び前記第２の梁部は、それぞれ、前記反射ミラーに連結される第１のばね部と、この第１のばね部から分岐して形成され、固定枠部に連結される一対の第２のばね部とから構成され、
   前記第１の圧電素子部は、前記第２のばね部の一つに曲げ振動を発生させる第１の圧電素子と、前記第２のばね部の他の一つに曲げ振動を発生させる第２の圧電素子とから構成され、
   前記電源部は、前記第１の圧電素子部に対して直流電圧成分を印加することができ、当該直流電圧成分に、前記交流電圧を重畳させて前記第１の圧電素子部に印加することを特徴とする光走査装置。
2. 入射した光を反射する反射ミラーと、この反射ミラーの一側に連結された第１の梁部と、前記反射ミラーの他側に連結された第２の梁部と、前記第１の梁部を弾性変形させる第１の圧電素子部と、前記第２の梁部を弾性変形させる第２の圧電素子部と、前記反射ミラーを揺動させるための交流電圧を前記第１の圧電素子部に印加する電源部と、を有する共振型光スキャナを備えた光走査装置において、
   前記第１の梁部及び前記第２の梁部は、それぞれ、前記反射ミラーに連結される第１のばね部と、この第１のばね部から分岐して形成され、固定枠部に連結される一対の第２のばね部とから構成され、
   前記第１の圧電素子部及び前記第２の圧電素子部は、それぞれ、前記第２のばね部の一つに曲げ振動を発生させる第１の圧電素子と、前記第２のばね部の他の一つに曲げ振動を発生させる第２の圧電素子とから構成され、
   前記電源部は、前記第２の圧電素子部に対して直流電圧成分を印加することを特徴とする光走査装置。
3. 前記第１の圧電素子部及び前記第２の圧電素子部のそれぞれの第１の圧電素子及び第２の圧電素子に直流電圧成分を印加して、前記反射ミラーの傾きを補正可能としたことを特徴とする請求項２に記載の光走査装置。
4. 前記電源部は、前記第１の圧電素子に第１の直流電圧成分を印加する第２の電源部と、前記第２の圧電素子に第２の直流電圧成分を印加する第３の電源部を有することを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれか１項に記載の光走査装置。
5. 前記反射ミラーの変位を検出する反射ミラー変位検出手段を備え、
   前記電源部は、前記反射ミラーの変位範囲に応じた直流電圧成分を前記第１の圧電素子部又は前記第２の圧電素子部に印加することを特徴とする請求項１〜請求項４のいずれか１項に記載の光走査装置。
6. 前記第１の圧電素子部又は前記第２の圧電素子部に交流電圧が印加されていないときの前記反射ミラーの位置を検出するミラー位置検出手段を備え、
   前記電源部は、前記反射ミラーの位置に応じた第１の直流電圧成分と第２の直流電圧成分とを第１の圧電素子部又は第２の圧電素子部に印加することを特徴とする請求項１〜請求項５のいずれか１項に記載の光走査装置。
7. 前記反射ミラー変位検出手段及び／又は前記ミラー位置検出手段は、前記反射ミラーへ入射された光の反射光を受光することより前記反射ミラーの変位範囲及び／又は位置を検出するビームディテクタを有することを特徴とする請求項５又は請求項６に記載の光走査装置。
8. 前記反射ミラー変位検出手段及び／又は前記ミラー位置検出手段は、交流電圧を印加する圧電素子部とは異なる圧電素子部から出力される電圧に基づいて前記反射ミラーの変位及び／又は位置を検出することを特徴とする請求項５又は請求項６に記載の光走査装置。
9. 前記圧電素子部又はその周辺の温度を検出する温度センサを備え、
   前記電源部は、前記反射ミラーの変位範囲と前記温度センサで検出した温度とに応じた直流電圧成分を第１の圧電素子部又は第２の圧電素子部に印加することを特徴とする請求項５〜請求項８のいずれか１項に記載の光走査装置。
10. 請求項１〜９いずれか１項に記載の光走査装置を備えた画像表示装置。
11. 入射した光を反射する反射ミラーと、この反射ミラーの一側に連結された第１の梁部と、前記反射ミラーの他側に連結された第２の梁部と、前記第１の梁部を弾性変形させる第１の圧電素子部と、を有し、前記第１の梁部及び前記第２の梁部は、それぞれ、前記反射ミラーに連結される第１のばね部と、この第１のばね部から分岐して形成され、固定枠部に連結される一対の第２のばね部とから構成され、前記第１の圧電素子部は、前記第２のばね部の一つに曲げ振動を発生させる第１の圧電素子と、前記第２のばね部の他の一つに曲げ振動を発生させる第２の圧電素子とから構成された共振型光スキャナの共振周波数変更方法において、
    第１の圧電素子部に交流電圧を印加して、前記反射ミラーを揺動させるステップと、
    前記反射ミラーの変位範囲を検出するステップと、
    前記反射ミラーの変位範囲に基づいて、第１の圧電素子部に対して直流電圧成分を印加するステップと、
    を有することを特徴とする振動子の共振周波数変更方法。
12. 入射した光を反射する反射ミラーと、この反射ミラーの一側に連結された第１の梁部と、前記反射ミラーの他側に連結された第２の梁部と、前記第１の梁部を弾性変形させる第１の圧電素子部と、前記第２の梁部を弾性変形させる第２の圧電素子部と、を有し、前記第１の梁部及び前記第２の梁部は、それぞれ、前記反射ミラーに連結される第１のばね部と、この第１のばね部から分岐して形成され、固定枠部に連結される一対の第２のばね部とから構成され、前記第１の圧電素子部及び前記第２の圧電素子部は、それぞれ、前記第２のばね部の一つに曲げ振動を発生させる第１の圧電素子と、前記第２のばね部の他の一つに曲げ振動を発生させる第２の圧電素子とから構成された共振型光スキャナの共振周波数変更方法において、
    第１の圧電素子部に交流電圧を印加して、前記反射ミラーを揺動させるステップと、
    前記反射ミラーの変位範囲を検出するステップと、
    前記反射ミラーの変位範囲に基づいて、第２の圧電素子部に対して直流電圧成分を印加するステップと、
    を有することを特徴とする振動子の共振周波数変更方法。
13. 入射した光を反射する反射ミラーと、この反射ミラーの一側に連結された第１の梁部と、前記反射ミラーの他側に連結された第２の梁部と、前記第１の梁部を弾性変形させる第１の圧電素子部と、前記第２の梁部を弾性変形させる第２の圧電素子部と、を有し、前記第１の梁部及び前記第２の梁部は、それぞれ、前記反射ミラーに連結される第１のばね部と、この第１のばね部から分岐して形成され、固定枠部に連結される一対の第２のばね部とから構成され、前記第１の圧電素子部及び前記第２の圧電素子部は、それぞれ、前記第２のばね部の一つに曲げ振動を発生させる第１の圧電素子と、前記第２のばね部の他の一つに曲げ振動を発生させる第２の圧電素子とから構成された共振型光スキャナの反射ミラー位置の補正方法において、
    前記反射ミラーの位置を検出するステップと、
    前記反射ミラーの変位範囲に基づいて、第１の圧電素子部及び／又は第２の圧電素子部に対して直流電圧成分を印加するステップと、
    を有することを特徴とする振動子の反射ミラー位置の補正方法。

Images