特開 2023-163946 光走査装置及び異常検知方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2023163946

(43)【公開日】2023-11-10

(54)【発明の名称】光走査装置及び異常検知方法

(51)【国際特許分類】

   G02B 26/10 20060101AFI20231102BHJP

【ＦＩ】

G02B26/10 104Z

【審査請求】未請求

【請求項の数】9

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2022075198

(22)【出願日】2022-04-28

(71)【出願人】

【識別番号】306037311

【氏名又は名称】富士フイルム株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110001519

【氏名又は名称】弁理士法人太陽国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】阿部 昌昭

(72)【発明者】

【氏名】直野 崇幸

(72)【発明者】

【氏名】西浦 洋輔

【テーマコード（参考）】

2H045

【Ｆターム（参考）】

2H045AB13

2H045AB38

2H045AB44

2H045AB81

2H045BA13

2H045BA14

(57)【要約】

【課題】ミラーの異常動作を動作中に高速に検知することを可能とする光走査装置及び異常検知方法を提供する。
【解決手段】本開示の光走査装置は、光を反射する反射面を有し、少なくとも１つの軸周りに揺動可能なミラーと、ミラーを揺動させるアクチュエータと、ミラーの揺動により起電力を発生して出力する圧電素子と、を含むマイクロミラーデバイスと、アクチュエータの動作を制御する制御装置と、圧電素子からの出力信号の時間的な変動量に基づいて、ミラーの異常動作を検知する異常検知装置と、を備える。
【選択図】図６

【特許請求の範囲】

【請求項1】

光を反射する反射面を有し、少なくとも１つの軸周りに揺動可能なミラーと、前記ミラーを揺動させるアクチュエータと、前記ミラーの揺動により起電力を発生して出力する圧電素子と、を含むマイクロミラーデバイスと、
前記アクチュエータの動作を制御する制御装置と、
前記圧電素子からの出力信号の時間的な変動量に基づいて、前記ミラーの異常動作を検知する異常検知装置と、
を備える光走査装置。

【請求項2】

前記制御装置は、前記アクチュエータを駆動することにより、一定の揺動周期で前記ミラーを共振させる、
請求項１に記載の光走査装置。

【請求項3】

前記異常検知装置は、前記揺動周期の１０％より小さい時間間隔において前記出力信号が変動する量を前記変動量として検出する、
請求項２に記載の光走査装置。

【請求項4】

前記異常検知装置は、前記揺動周期の１０％より小さく、かつ０．０５％より大きい時間間隔において前記出力信号が変動する量を前記変動量として検出する、
請求項２に記載の光走査装置。

【請求項5】

前記異常検知装置は、前記変動量を検出する検出部と、前記変動量の閾値以上であるか否かを判定する判定部とを含む、
請求項２に記載の光走査装置。

【請求項6】

前記検出部は、
前記圧電素子から出力された前記出力信号を一定時間遅延させる遅延回路と、
前記圧電素子から出力された前記出力信号と、前記遅延回路により遅延された前記出力信号との差を増幅して出力する差動増幅回路と、
で構成されている、
請求項５に記載の光走査装置。

【請求項7】

前記判定部は、コンパレータである、
請求項６に記載の光走査装置。

【請求項8】

前記ミラーは、互いに直交する第１軸及び第２軸の周りに揺動可能であり、
前記圧電素子は、前記ミラーの前記第１軸又は前記第２軸の周りの揺動により前記起電力を発生する、
請求項２に記載の光走査装置。

【請求項9】

光を反射する反射面を有し、少なくとも１つの軸周りに揺動可能なミラーと、前記ミラーを揺動させるアクチュエータと、前記ミラーの揺動により起電力を発生して出力する圧電素子と、を含むマイクロミラーデバイスと、
前記アクチュエータの動作を制御する制御装置と、
を備える光走査装置の異常検知方法であって、
前記圧電素子からの出力信号の時間的な変動量に基づいて、前記ミラーの異常動作を検知すること、
を含む異常検知方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本開示の技術は、光走査装置及び異常検知方法に関する。

【背景技術】

【0002】

シリコン（Ｓｉ）の微細加工技術を用いて作製される微小電気機械システム（Micro Electro Mechanical Systems：ＭＥＭＳ）デバイスの１つとしてマイクロミラーデバイス（マイクロスキャナともいう。）が知られている。マイクロミラーデバイスには、ミラーと、ミラーを揺動させるアクチュエータとが形成されている。このマイクロミラーデバイスは、小型かつ低消費電力であることから、ＬｉＤＡＲ（Light Detection and Ranging）、ＨＵＤ（Head-Up Display）などのレーザスキャナに用いられている。

【0003】

ＬｉＤＡＲ、ＨＵＤ等のレーザスキャナでは、ユーザの安全性を確保することが重要である。例えば、光源からのレーザ光の出力がオンの状態でミラーの動作が停止すると、レーザ光が同じ位置に連続的に照射されるので、危険である。そのため、ミラーの異常動作を動作中に高速に検知することが求められる。

【0004】

特許文献１には、アクチュエータとしての駆動用圧電部に流れる電流に基づいて異常を検知することが記載されている。また、特許文献１には、駆動用圧電部とは別に設けられた検知用圧電部により異常を検知することが記載されている。

【0005】

特許文献２，３には、マイクロミラーデバイスに異常検知用の圧電素子により検出したミラーの振幅に基づいて異常を検知することが記載されている。

【0006】

特許文献４には、ミラーの状態を検知するセンサを設け、ミラーの走査位置と駆動電圧との位相差、又はミラーの最大走査角（すなわち振幅）に基づいて検知することが記載されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0007】

【特許文献1】特開２０１７－１３４３９１号公報

【特許文献2】特開２０１５－１３２７６２号公報

【特許文献3】特開２０１６－０８０９７８号公報

【特許文献4】特開平０６－１２３８４５号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0008】

しかしながら、特許文献１に記載の検知方法では、駆動用圧電部又は検知用圧電部に流れる電流に基づいて異常を検知するので、圧電部のショート以外の異常を検出することはできないと考えられる。また、特許文献２，３に記載の検知方法では、ミラーの振幅を検出するために１揺動周期分の波形を取得して評価する必要があるので、ミラーの異常動作を高速に検知することはできない。特許文献４に記載の検知方法についても同様に、位相差又は振幅を検出するためには１揺動周期分の波形を取得して評価する必要があるので、ミラーの異常動作を高速に検知することはできない。

【0009】

本開示の技術は、ミラーの異常動作を動作中に高速に検知することを可能とする光走査装置及び異常検知方法を提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0010】

上記目的を達成するために、本開示の光走査装置は、光を反射する反射面を有し、少なくとも１つの軸周りに揺動可能なミラーと、ミラーを揺動させるアクチュエータと、ミラーの揺動により起電力を発生して出力する圧電素子と、を含むマイクロミラーデバイスと、アクチュエータの動作を制御する制御装置と、圧電素子からの出力信号の時間的な変動量に基づいて、ミラーの異常動作を検知する異常検知装置と、を備える。

【0011】

制御装置は、アクチュエータを駆動することにより、一定の揺動周期でミラーを共振させることが好ましい。

【0012】

異常検知装置は、揺動周期の１０％より小さい時間間隔において出力信号が変動する量を変動量として検出することが好ましい。

【0013】

異常検知装置は、揺動周期の１０％より小さく、かつ０．０５％より大きい時間間隔において出力信号が変動する量を変動量として検出することが好ましい。

【0014】

異常検知装置は、変動量を検出する検出部と、変動量の閾値以上であるか否かを判定する判定部とを含むことが好ましい。

【0015】

検出部は、圧電素子から出力された出力信号を一定時間遅延させる遅延回路と、圧電素子から出力された出力信号と、遅延回路により遅延された出力信号との差を増幅して出力する差動増幅回路と、で構成されていることが好ましい。

【0016】

判定部は、コンパレータであることが好ましい。

【0017】

ミラーは、互いに直交する第１軸及び第２軸の周りに揺動可能であり、圧電素子は、ミラーの第１軸又は第２軸の周りの揺動により起電力を発生することが好ましい。

【0018】

本開示の異常検知方法は、光を反射する反射面を有し、少なくとも１つの軸周りに揺動可能なミラーと、ミラーを揺動させるアクチュエータと、ミラーの揺動により起電力を発生して出力する圧電素子と、を含むマイクロミラーデバイスと、アクチュエータの動作を制御する制御装置と、を備える光走査装置の異常検知方法であって、圧電素子からの出力信号の時間的な変動量に基づいて、ミラーの異常動作を検知すること、を含む。

【発明の効果】

【0019】

本開示の技術によれば、ミラーの異常動作を動作中に高速に検知することを可能とする光走査装置及び異常検知方法を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【0020】

【図1】光走査装置の模式図である。

【図2】マイクロミラーデバイスの概略図である。

【図3】可動ミラーの第１振れ角ついて説明する図である。

【図4】可動ミラーの第２振れ角ついて説明する図である。

【図5】第１アクチュエータ及び第２アクチュエータに与える駆動信号の一例を示す図である。

【図6】異常検知装置の構成の一例を示すブロック図である。

【図7】可動ミラーが正常に動作している場合における出力信号、遅延信号、及び変動量の一例を模式的に示す図である。

【図8】可動ミラーに異常動作が生じた場合における出力信号、遅延信号、及び変動量の一例を模式的に示す図である。

【図9】実験に用いた４種類の波形を示す図である。

【図10】光学的方法の一例を示す図である。

【図11】評価結果を示す図である。

【図12】Δｔ／Ｔ＝０．５％の場合における変動量の波形を示す図である。

【図13】Δｔ／Ｔ＝１５％の場合における変動量の波形を示す図である。

【図14】Δｔ／Ｔ＝０．０１％の場合における変動量の波形を示す図である。

【図15】出力信号に基づく従来の判定方法による判定例を示す図である。

【図16】出力信号に基づく従来の判定方法による判定例を示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0021】

添付図面に従って本開示の技術に係る実施形態の一例について説明する。

【0022】

図１は、一実施形態に係る光走査システム１０を模式的に示す。光走査システム１０は、光走査装置２と光源３とを含む。光走査装置２は、マイクロミラーデバイス（以下、ＭＭＤ（Micro Mirror Device）という。）４と、制御装置５と、異常検知装置６とで構成されている。光走査システム１０は、ＬｉＤＡＲ、ＨＵＤなどのレーザスキャナに用いられる。

【0023】

光走査装置２は、制御装置５の制御に従って、光源３から入射するレーザ光ＬをＭＭＤ４で反射することにより、光走査を行う。光走査システム１０がＬｉＤＡＲに用いられる場合には、光走査装置２は、例えば、レーザ光Ｌをヘリカル状に走査する。本実施形態では、光走査のパターンをヘリカル状とするが、光走査のパターンは、ヘリカル状に限られず、リサージュ状、ラスター状などであってもよい。

【0024】

ＭＭＤ４は、第１軸ａ_１と、第１軸ａ_１に直交する第２軸ａ_２との周りに、可動ミラー２０（図２参照）を揺動させることを可能とする圧電型２軸駆動方式のマイクロミラーデバイスである。以下、第１軸ａ_１と平行な方向をＸ方向、第２軸ａ_２と平行な方向をＹ方向、第１軸ａ_１及び第２軸ａ_２に直交する方向をＺ方向という。

【0025】

光源３は、レーザ光Ｌを発するレーザ装置である。光源３は、ＭＭＤ４の可動ミラー２０が静止した状態において、可動ミラー２０が備える反射面２０Ａ（図２参照）に垂直にレーザ光Ｌを照射する。レーザ光Ｌは、本開示の技術に係る「光」の一例である。

【0026】

制御装置５は、光源３及びＭＭＤ４にそれぞれ駆動信号を入力する。光源３は、入力された駆動信号に基づいてレーザ光Ｌを発生してＭＭＤ４に照射する。ＭＭＤ４は、入力された駆動信号に基づいて、可動ミラー２０を第１軸ａ_１及び第２軸ａ_２の周りに揺動させる。

【0027】

詳しくは後述するが、制御装置５は、可動ミラー２０を第１軸ａ_１及び第２軸ａ_２の周りにそれぞれ共振させる。これにより、可動ミラー２０で反射されるレーザ光Ｌは、平面上において円形を描くように走査される。

【0028】

詳しくは後述するが、異常検知装置６は、ＭＭＤ４に角度センサとして設けられた圧電素子から出力される出力信号の時間的な変動量に基づいて、可動ミラー２０の異常動作を動作中に検知する。

【0029】

次に、図２を用いてＭＭＤ４の構成の一例を説明する。図２は、ＭＭＤ４の概略図である。

【0030】

ＭＭＤ４は、可動ミラー２０、第１アクチュエータ２１、第２アクチュエータ２２、支持枠２３、第１支持部２４、第２支持部２５、接続部２６、及び固定部２７を有する。ＭＭＤ４は、例えばＳＯＩ（Silicon On Insulator）基板をエッチング処理することにより形成されている。可動ミラー２０は、本開示の技術に係る「ミラー」の一例である。

【0031】

可動ミラー２０は、入射光を反射する反射面２０Ａを有する。反射面２０Ａは、可動ミラー２０の一面に設けられた、例えば、金（Ａｕ）又はアルミニウム（Ａｌ）等の金属薄膜で形成されている。反射面２０Ａは、例えば円形である。

【0032】

支持枠２３は、可動ミラー２０を囲うように配置されている。第２アクチュエータ２２は、可動ミラー２０及び支持枠２３を囲うように配置されている。第１アクチュエータ２１は、可動ミラー２０、支持枠２３、及び第２アクチュエータ２２を囲うように配置されている。

【0033】

第１支持部２４は、可動ミラー２０と支持枠２３とを、第１軸ａ_１上で接続し、かつ可動ミラー２０を第１軸ａ_１周りに揺動可能に支持している。第１軸ａ_１は、可動ミラー２０が静止している場合の反射面２０Ａを含む平面内にある。例えば、第１支持部２４は、第１軸ａ_１に沿って延伸したトーションバーである。

【0034】

第２支持部２５は、支持枠２３と第２アクチュエータ２２とを、第２軸ａ_２上で接続し、かつ可動ミラー２０及び支持枠２３を第２軸ａ_２周りに揺動可能に支持している。第２軸ａ_２は、可動ミラー２０が静止している場合の反射面２０Ａを含む平面内において第１軸ａ_１と直交する。

【0035】

接続部２６は、第１アクチュエータ２１と第２アクチュエータ２２とを第１軸ａ_１上で接続している。また、接続部２６は、第１アクチュエータ２１と固定部２７とを第１軸ａ_１上で接続している。

【0036】

固定部２７は外形が矩形状であり、第１アクチュエータ２１を取り囲んでいる。固定部２７のＸ方向及びＹ方向への長さは、それぞれ、例えば１ｍｍ～１０ｍｍ程度である。固定部２７のＺ方向への厚みは、例えば５μｍ～０．２ｍｍ程度である。

【0037】

第１アクチュエータ２１及び第２アクチュエータ２２は、それぞれ圧電素子を備えた圧電アクチュエータである。第１アクチュエータ２１は、可動ミラー２０に第１軸ａ_１周りの回転トルクを与える。第２アクチュエータ２２は、可動ミラー２０に第２軸ａ_２周りの回転トルクを与える。これにより、可動ミラー２０は、第１軸ａ_１周り及び第２軸ａ_２周りに揺動する。

【0038】

第１アクチュエータ２１は、ＸＹ面内において可動ミラー２０、支持枠２３、及び第２アクチュエータ２２を囲む環状の薄板部材である。第１アクチュエータ２１は、一対の第１可動部２１Ａ及び第２可動部２１Ｂで構成されている。第１可動部２１Ａ及び第２可動部２１Ｂは、それぞれ略半環状である。第１可動部２１Ａと第２可動部２１Ｂとは、第１軸ａ_１に関して線対称となる形状であり、第１軸ａ_１上で接続されている。

【0039】

支持枠２３は、ＸＹ面内において可動ミラー２０を囲む環状の薄板部材である。

【0040】

第２アクチュエータ２２は、ＸＹ面内において可動ミラー２０及び支持枠２３を囲む環状の薄板部材である。第２アクチュエータ２２は、一対の第１可動部２２Ａ及び第２可動部２２Ｂで構成されている。第１可動部２２Ａ及び第２可動部２２Ｂは、それぞれ半環状である。第１可動部２２Ａと第２可動部２２Ｂとは、第２軸ａ_２に関して線対称となる形状であり、第２軸ａ_２上で接続されている。

【0041】

第１アクチュエータ２１において、第１可動部２１Ａ及び第２可動部２１Ｂには、それぞれ圧電素子が設けられている。また、第２アクチュエータ２２において、第１可動部２２Ａ及び第２可動部２２Ｂには、それぞれ圧電素子が設けられている。

【0042】

また、ＭＭＤ４は、圧電素子で構成された第１角度検出センサ３１及び第２角度検出センサ３２を有している。第１角度検出センサ３１は、例えば、第１可動部２１Ａ上で、かつ接続部２６の近傍に設けられている。第１角度検出センサ３１は、可動ミラー２０の第１軸ａ_１周りの揺動により起電力を発生して出力する。すなわち、第１角度検出センサ３１は、可動ミラー２０の第１軸ａ_１周りの角度に応じた信号を出力する。

【0043】

第２角度検出センサ３２は、例えば、第１可動部２２Ａ上で、かつ第２支持部２５の近傍に設けられている。第２角度検出センサ３２は、可動ミラー２０の第２軸ａ_２周りの揺動により起電力を発生して出力する。すなわち、第２角度検出センサ３２は、可動ミラー２０の第２軸ａ_２周りの角度に応じた信号を出力する。

【0044】

制御装置５は、第１角度検出センサ３１及び第２角度検出センサ３２から出力される信号に基づいて、第１アクチュエータ２１及び第２アクチュエータ２２に与える駆動信号を補正するフィードバック制御を行う。

【0045】

図３及び図４は、可動ミラー２０が揺動する際の振れ角について説明する。図３は、可動ミラー２０の第１軸ａ_１周りの振れ角（以下、第１振れ角という。）θ_１を示す。図４は、可動ミラー２０の第２軸ａ_２周りの振れ角（以下、第２振れ角という。）θ_２を示す。

【0046】

図３に示すように、可動ミラー２０の反射面２０Ａの法線Ｎが、ＹＺ平面において傾斜する角度を第１振れ角θ_１という。反射面２０Ａの法線Ｎが＋Ｙ方向に傾斜した場合には、第１振れ角θ_１は正の値をとり、－Ｙ方向に傾斜した場合には、第１振れ角θ_１は負の値をとる。

【0047】

第１振れ角θ_１は、制御装置５が第１アクチュエータ２１に与える駆動信号（以下、第１駆動信号という。）により制御される。第１駆動信号は、例えば正弦波の交流電圧である。第１駆動信号は、第１可動部２１Ａに印加される駆動電圧波形Ｖ_１Ａ（ｔ）と、第２可動部２１Ｂに印加される駆動電圧波形Ｖ_１Ｂ（ｔ）とを含む。駆動電圧波形Ｖ_１Ａ（ｔ）と駆動電圧波形Ｖ_１Ｂ（ｔ）は、互いに逆位相（すなわち位相差１８０°）である。

【0048】

図４に示すように、可動ミラー２０の反射面２０Ａの法線Ｎが、ＸＺ平面において傾斜する角度を第２振れ角θ_２という。反射面２０Ａの法線Ｎが＋Ｘ方向に傾斜した場合には、第２振れ角θ_２は正の値をとり、－Ｘ方向に傾斜した場合には、第２振れ角θ_２は負の値をとる。

【0049】

第２振れ角θ_２は、制御装置５が第２アクチュエータ２２に与える駆動信号（以下、第２駆動信号という。）により制御される。第２駆動信号は、例えば正弦波の交流電圧である。第２駆動信号は、第１可動部２２Ａに印加される駆動電圧波形Ｖ_２Ａ（ｔ）と、第２可動部２２Ｂに印加される駆動電圧波形Ｖ_２Ｂ（ｔ）とを含む。駆動電圧波形Ｖ_２Ａ（ｔ）と駆動電圧波形Ｖ_２Ｂ（ｔ）は、互いに逆位相（すなわち位相差１８０°）である。

【0050】

図５は、第１アクチュエータ２１及び第２アクチュエータ２２に与える駆動信号の一例を示す。図５（Ａ）は、第１駆動信号に含まれる駆動電圧波形Ｖ_１Ａ（ｔ）及びＶ_１Ｂ（ｔ）を示す。図５（Ｂ）は、第２駆動信号に含まれる駆動電圧波形Ｖ_２Ａ（ｔ）及びＶ_２Ｂ（ｔ）を示す。

【0051】

駆動電圧波形Ｖ_１Ａ（ｔ）及びＶ_１Ｂ（ｔ）は、それぞれ下式（１Ａ）及び下式（１Ｂ）により表される。
Ｖ_１Ａ（ｔ）＝Ａ_１ｓｉｎ（２πｆ_ｄｔ） ・・・（１Ａ）
Ｖ_１Ｂ（ｔ）＝Ａ_１ｓｉｎ（２πｆ_ｄｔ＋π） ・・・（１Ｂ）

【0052】

ここで、ｔは時間である。ｆ_ｄは駆動周波数である。Ａ_１は、振幅である。駆動電圧波形Ｖ_１Ａ（ｔ）と駆動電圧波形Ｖ_１Ｂ（ｔ）との位相差は、π（すなわち１８０°）である。

【0053】

駆動電圧波形Ｖ_２Ａ（ｔ）及びＶ_２Ｂ（ｔ）は、それぞれ下式（２Ａ）及び下式（２Ｂ）により表される。
Ｖ_２Ａ（ｔ）＝Ａ_２ｓｉｎ（２πｆ_ｄｔ＋φ） ・・・（２Ａ）
Ｖ_２Ｂ（ｔ）＝Ａ_２ｓｉｎ（２πｆ_ｄｔ＋π＋φ） ・・・（２Ｂ）

【0054】

ここで、Ａ_２は、振幅である。駆動電圧波形Ｖ_２Ａ（ｔ）と駆動電圧波形Ｖ_２Ｂ（ｔ）との位相差は、π（すなわち１８０°）である。φは、駆動電圧波形Ｖ_１Ａ（ｔ）と駆動電圧波形Ｖ_２Ａ（ｔ）との位相差である。本実施形態では、可動ミラー２０に歳差運動を行わせて、光走査のパターンをヘリカル状とするために、φ＝９０°とする。なお、振幅Ａ_１，Ａ_２を、時間ｔに応じて変化させてもよい。

【0055】

本実施形態では、駆動周波数ｆ_ｄを可動ミラー２０の共振周波数とする。これにより、可動ミラー２０は、一定の揺動周期Ｔで共振する。揺動周期Ｔは、Ｔ＝１／ｆ_ｄで表される。

【0056】

図６は、異常検知装置６の構成の一例を示す。異常検知装置６は、検出部４０と判定部４１とを有する。検出部４０は、遅延回路４２と差動増幅回路４３とで構成されている。本実施形態では、異常検知装置６は、第１角度検出センサ３１及び第２角度検出センサ３２から制御装置５へ出力される出力信号のうち、第１角度検出センサ３１から出力される出力信号を用いて異常検知を行う。以下、第１角度検出センサ３１から出力される出力信号をＳ（ｔ）と表記する。

【0057】

第１角度検出センサ３１からの出力信号Ｓ（ｔ）は、検出部４０に入力される。具体的には、出力信号Ｓ（ｔ）は、遅延回路４２と差動増幅回路４３とに入力される。遅延回路４２は、入力された出力信号Ｓ（ｔ）を一定時間Δｔだけ遅延させて出力する。以下、遅延回路４２から出力される信号を遅延信号Ｓ（ｔ－Δｔ）という。以下、時間Δｔを、遅延時間Δｔという。遅延時間Δｔは、揺動周期Ｔよりも短い。

【0058】

遅延回路４２から出力される遅延信号Ｓ（ｔ－Δｔ）は、差動増幅回路４３に入力される。差動増幅回路４３は、出力信号Ｓ（ｔ）と遅延信号Ｓ（ｔ－Δｔ）との差を増幅して出力する。すなわち、遅延回路４２は、出力信号Ｓ（ｔ）の位相を調整して遅延信号Ｓ（ｔ－Δｔ）とする。以下、差動増幅回路４３から出力される出力信号を、変動量ΔＳ（ｔ）という。変動量ΔＳ（ｔ）は、第１角度検出センサ３１からの出力信号Ｓ（ｔ）の時間的な変動量を表す。換言すると、変動量ΔＳ（ｔ）は、揺動周期Ｔより小さい時間間隔において出力信号Ｓ（ｔ）が変動する量を表す。

【0059】

差動増幅回路４３から出力される変動量ΔＳ（ｔ）は、判定部４１に入力される。判定部４１は、コンパレータにより構成されている。判定部４１は、変動量ΔＳ（ｔ）が閾値Ｖｔｈ以上であるか否かを判定し、判定結果を制御装置５へ出力する。ここで、変動量ΔＳ（ｔ）が閾値Ｖｔｈ以上であるとは、変動量ΔＳ（ｔ）の絶対値が閾値Ｖｔｈ以上であること、換言すると、ΔＳ（ｔ）≧Ｖｔｈであるか、又はΔＳ（ｔ）≦－Ｖｔｈであることをいう。

【0060】

制御装置５は、判定部４１から出力される判定結果に応じて、光源３及びＭＭＤ４の動作を停止させる。具体的には、制御装置５は、判定部４１により変動量ΔＳ（ｔ）が閾値Ｖｔｈ以上であると判定された場合には、光源３及びＭＭＤ４の動作を停止させる。

【0061】

図７は、可動ミラー２０が正常に動作している場合における出力信号Ｓ（ｔ）、遅延信号Ｓ（ｔ－Δｔ）、及び変動量ΔＳ（ｔ）の一例を模式的に示す。図７（Ａ）は、出力信号Ｓ（ｔ）及び遅延信号Ｓ（ｔ－Δｔ）の一例を示す。図７（Ｂ）は、変動量ΔＳ（ｔ）の一例を示す。

【0062】

可動ミラー２０が一定の揺動周期Ｔで共振している場合には、図７（Ａ）に示すように、出力信号Ｓ（ｔ）は、理想的には略正弦波となる。図７（Ａ）において、出力信号Ｓ（ｔ）は実線で示されており、遅延信号Ｓ（ｔ－Δｔ）は破線で示されている。図７（Ｂ）に示す変動量ΔＳ（ｔ）は、遅延時間Δｔに対する出力信号Ｓ（ｔ）の変動電圧ΔＶに対応する。変動量ΔＳ（ｔ）は、理想的には略正弦波となる。

【0063】

図８は、可動ミラー２０に異常動作が生じた場合における出力信号Ｓ（ｔ）、遅延信号Ｓ（ｔ－Δｔ）、及び変動量ΔＳ（ｔ）の一例を模式的示す。図８（Ａ）は、出力信号Ｓ（ｔ）及び遅延信号Ｓ（ｔ－Δｔ）の一例を示す。図８（Ｂ）は、変動量ΔＳ（ｔ）の一例を示す。

【0064】

図８に示すように、可動ミラー２０に異常動作が生じた場合には、変動量ΔＳ（ｔ）が大きく変化して閾値Ｖｔｈ以上となり、判定部４１により可動ミラー２０の動作が異常と判定される。

【0065】

なお、可動ミラー２０の動作が正常であっても、出力信号Ｓ（ｔ）は、ノイズ、クロストークなどが生じることにより、波形が乱れることがある。クロストークは、第１アクチュエータ２１及び第２アクチュエータ２２に与える駆動信号が混信すること、可動ミラー２０の一方の軸周りの揺動が他方の軸周りの揺動に影響を与えることなどにより生じる。ノイズ、クロストークなどによる影響によらず、可動ミラー２０の異常動作を正確に検知するには、遅延時間Δｔを適切な範囲内に設定する必要がある。具体的には、揺動周期Ｔに対する遅延時間Δｔの割合（Δｔ／Ｔ）を適切な範囲内に設定することが好ましい。

【0066】

例えば、Δｔ／Ｔ＜１０％と、上限値を規定することが好ましい。この場合、検出部４０は、揺動周期Ｔの１０％より小さい時間間隔において出力信号Ｓ（ｔ）が変動する量を変動量ΔＳ（ｔ）として検出する。また、０．０５％＜Δｔ／Ｔ＜１０％と、上限値及び下限値を規定することがさらに好ましい。この場合、検出部４０は、揺動周期Ｔの１０％より小さく、かつ０．０５％より大きい時間間隔において出力信号Ｓ（ｔ）が変動する量を変動量ΔＳ（ｔ）として検出する。

【0067】

［実験による効果の検証］
上記のように構成された異常検知装置６を用いることにより、可動ミラー２０の異常動作を動作中に高速に検知することが可能となる。この効果を検証するために、本出願人は、複数のＭＭＤ４を作製して実験を行った。

【0068】

具体的には、第１角度検出センサ３１からの出力信号Ｓ（ｔ）の波形の違いによる異常検知の精度を評価するために、４種類の波形Ａ～Ｄを用いて実験を行った。４種類の波形Ａ～Ｄは、可動ミラー２０の構造、第１角度検出センサ３１の配置等を変えることにより実現した。図９は、実験に用いた４種類の波形Ａ～Ｄを示す。波形Ａは、理想的な波形（すなわち正弦波）である。波形Ｂは、ノイズを含む波形である。波形Ｃは、クロストークを含む波形である。波形Ｄは、クロストーク及びノイズを含む波形である。

【0069】

作製したＭＭＤ４を、駆動周波数ｆ_ｄを約１４２０Ｈｚとして、可動ミラー２０に歳差運動を行わせた状態で、上記の４種類の波形Ａ～Ｄを有する出力信号Ｓ（ｔ）を異常検知装置６に入力して異常検知の精度を評価した。揺動周期Ｔは、約７０４μｓである。異常検知装置６では、遅延時間Δｔを変化させることにより、複数の割合Δｔ／Ｔについて異常検知の精度を評価した。

【0070】

また、通常の環境下では異常動作が生じにくいため、負荷環境下でＭＭＤ４を動作させることにより異常動作を発生させた。負荷として、高温高湿度環境下でＭＭＤ４を駆動すること、外部からＭＭＤ４へ衝撃を印加すること、及び、高駆動電圧でＭＭＤ４を駆動することが含まれる。

【0071】

また、可動ミラー２０の動作を光学的方法で直接計測することにより得られる計測値に基づく異常動作の判定結果を評価基準とした。図１０は、光学的方法の一例を示す。図１０に示すように、評価用光源５０からコリメートレンズ５１を介して可動ミラー２０の反射面２０Ａに評価用レーザ光ＬＥを照射し、反射面２０Ａによる反射光を、レンズ５２，５３を介して位置検出素子（ＰＳＤ：Position Sensitive Detector）５４に結像する。位置検出素子により得られる結像位置を、可動ミラー２０の振れ角に変換する。なお、振れ角の変換精度を高めるために、ＭＭＤ４に代えて、角度が既知の基準ミラーを設置し、角度と位置情報とを校正するキャリブレーションを実施することが好ましい。

【0072】

上記の光学的方法により可動ミラー２０の振れ角（第１振れ角θ_１及び第２振れ角θ_２）を計測し、第１振れ角θ_１と第２振れ角θ_２とを合成した合成角を算出した。可動ミラー２０が歳差運動を行っている場合には合成角は一定である。合成角が定常値から±１０％の範囲を超えた場合に、異常動作が発生したと判定し、この判定した時間を基準時間とした。

【0073】

異常検知装置６による異常検知の精度を複数の評価項目について評価した。本実験で用いた評価項目は、「検知時間」、「検知漏れ」、及び「誤検知」である。検知時間は、異常動作を検知した時間（異常検知時間）に関する評価項目である。検知漏れは、異常動作を検知できたか否かに関する評価項目である。誤検知は、動作開始から異常動作が発生するまでの間に、異常動作と誤検知したか否かに関する評価項目である。

【0074】

図１１は、評価結果を示す。実施例１～７は、本実施形態の異常検知装置６を用いた異常検知の実験例であり、それぞれ遅延時間Δｔの設定値が異なることにより割合Δｔ／Ｔが異なる。比較例１，２は、本実施形態の異常検知装置６は用いずに、従来の出力信号Ｓ（ｔ）に基づく判定方法を用いた異常検知の実験例である。

【0075】

検知時間の評価結果において、Ｐは、１００個のサンプルを用いて実験を行った結果、最も遅い異常検知時間（ワースト検知時間）が、上記の基準時間より前であったことを表している。Ｆ１は、ワースト検知時間が基準時間よりも遅く、かつ基準時間から５００μｓ未満であったことを表している。Ｆ２は、ワースト検知時間が基準時間よりも遅く、かつ基準時間から５００μｓ以上であったことを表している。

【0076】

検知漏れの評価結果において、Ｐは、１００個のサンプルを用いて実験を行った結果、全てのサンプルについて異常動作を検知することができたこと、すなわち検知漏れがなかったことを表している。Ｆは、少なくとも１つのサンプルについて異常動作を検知することができなかったこと、すなわち検知漏れがあったことを表している。

【0077】

誤検知の評価結果において、Ｐは、１００個のサンプルを用いて実験を行った結果、誤検知したサンプル数を全サンプル数で割った値（誤検知率）が１０％未満であったことを表している。Ｆ１は、誤検知率が５０％未満であったことを表している。Ｆ２は、誤検知率が５０％以上であったことを表している。

【0078】

検知時間の評価結果によれば、波形Ａ～Ｄのいずれについても、Δｔ／Ｔ＜１０％の場合に、光学的方法による基準検知時間よりも検知時間が早くなる。すなわち、可動ミラー２０の異常動作を動作中に高速に検知するうえで、Δｔ／Ｔ＜１０％とすることが好ましいことがわかる。

【0079】

検知漏れの評価結果によれば、波形Ａ～Ｄのいずれについても、Δｔ／Ｔ＜１０％の場合には、検知漏れがないことがわかる。

【0080】

誤検知の評価結果によれば、ノイズを含まない波形Ａ，Ｃについては、Δｔ／Ｔ＜１０％の場合には、誤検知率が１０％未満となることがわかる。一方、ノイズを含む波形Ｂ，Ｄについては、Δｔ／Ｔ≦０．０５％の場合に、誤検知率が１０％以上となることがわかる。すなわち、ノイズ耐性の観点から、Δｔ／Ｔの下限値を０．０５％とすることが好ましい。

【0081】

図１２～図１４は、変動量ΔＳ（ｔ）の波形を示す。図１２は、Δｔ／Ｔ＝０．５％の場合における変動量ΔＳ（ｔ）の波形を示す。図１３は、Δｔ／Ｔ＝１５％の場合における変動量ΔＳ（ｔ）の波形を示す。図１４は、Δｔ／Ｔ＝０．０１％の場合における変動量ΔＳ（ｔ）の波形を示す。

【0082】

図１２に示す波形は、異常動作の発生前後で振幅の差が大きい。すなわち、図１２は、０．０５％＜Δｔ／Ｔ＜１０％の場合には、高速かつ高精度に異常検知を行うことができることを示している。

【0083】

図１３に示す波形は、異常動作の発生前後で振幅の差が小さい。すなわち、図１３は、Δｔ／Ｔ≧１０％の場合には、０．０５％＜Δｔ／Ｔ＜１０％の場合と比較して、異常検知の精度が低下することを示している。

【0084】

図１４に示す波形は、異常動作の発生前後で振幅の差が、図１３に示す波形よりも大きいが、図１２に示す波形よりも小さい。図１４は、Δｔ／Ｔ≦０．０５％の場合に、ノイズ耐性が低下することを示している。

【0085】

図１５及び図１６は、出力信号Ｓ（ｔ）に基づく従来の判定方法による判定例を示す。従来の判定方法では、出力信号Ｓ（ｔ）を閾値Ｖｔｈ２と比較することにより異常検知が行われる。図１５は、異常動作発生後に振幅が増加する場合を示している。この場合には、従来の判定方法であっても異常動作が検知されるが、異常動作が発生した後、出力信号Ｓ（ｔ）が閾値Ｖｔｈ２を超えるまでに時間が掛かる。このため高速に異常検知を行うことはできない。図１６は、異常動作発生後に振幅が減少する場合を示している。この場合には、従来の判定方法では、異常動作が検知されず、検知漏れとなる。

【0086】

［各種変形例］
上記実施形態では、検出部４０を遅延回路４２と差動増幅回路４３とで構成しているが、検出部４０を微分回路により構成してもよい。また、検出部４０をハイパスフィルタにより構成してもよい。この場合、ハイパスフィルタのカットオフ周波数を、Δｔ／Ｔの上限値に応じて設定すればよい。また、検出部４０をバンドパスフィルタにより構成してもよい。この場合、バンドパスフィルタの高周波側及び低周波側のカットオフ周波数を、Δｔ／Ｔの下限値及び上限値に応じて設定すればよい。

【0087】

また、圧電素子で構成された第１角度検出センサ３１からの出力信号Ｓ（ｔ）は、微小であるため、増幅回路、バッファ回路などを異常検知装置６に追加してもよい。さらに、ノイズ低減を目的としたフィルタ回路を異常検知装置６に追加してもよい。

【0088】

また、上記実施形態では、異常検知装置６をアナログ回路で構成しているが、異常検知装置６の一部又は全部をデジタル回路で構成してもよい。例えば、出力信号Ｓ（ｔ）をＡＤＣ（Analog to Digital Converter）でデジタル化した信号を、ソフトウエア（プログラム）により処理を行ってもよい。この場合、異常検知装置６として、汎用的なプロセッサを用いることができる。この汎用的なプロセッサには、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、プログラマブルロジックデバイス（ＰＬＤ：Programmable Logic Device）、専用電気回路等が含まれる。プロセッサが検出処理及び判定処理を行う。

【0089】

また、上記実施形態では、異常検知装置６は、第１角度検出センサ３１からの出力信号に基づいて異常検知を行っているが、第２角度検出センサ３２からの出力信号に基づいて異常検知を行ってもよい。また、異常検知装置６は、第１角度検出センサ３１及び第２角度検出センサ３２からの２つの出力信号のそれぞれに基づいて異常検知を行ってもよい。この場合、例えば、異常検知装置６は、２つの出力信号のうちのいずれか一方の時間的な変動量が閾値以上となった場合に、異常動作が発生したと判定する。

【0090】

また、上記実施形態では、２つの軸周りに揺動可能なミラーを有するマイクロミラーデバイスを用いているが、マイクロミラーデバイスは、１つの軸周りに揺動可能なミラーを有するものであってもよい。すなわち、マイクロミラーデバイスは、少なくとも１つの軸周りに揺動可能なミラーと、ミラーを揺動させるアクチュエータと、ミラーの揺動により起電力を発生して出力する圧電素子とを含むものであればよい。

【0091】

本明細書に記載された全ての文献、特許出願および技術規格は、個々の文献、特許出願および技術規格が参照により取り込まれることが具体的かつ個々に記された場合と同程度に、本明細書中に参照により取り込まれる。

【符号の説明】

【0092】

２ 光走査装置
３ 光源
４ マイクロミラーデバイス（ＭＭＤ）
５ 制御装置
６ 異常検知装置
１０ 光走査システム
２０ 可動ミラー
２０Ａ 反射面
２１ 第１アクチュエータ
２１Ａ 第１可動部
２１Ｂ 第２可動部
２２ 第２アクチュエータ
２２Ａ 第１可動部
２２Ｂ 第２可動部
２３ 支持枠
２４ 第１支持部
２５ 第２支持部
２６ 接続部
２７ 固定部
３１ 第１角度検出センサ
３２ 第２角度検出センサ
４０ 検出部
４１ 判定部
４２ 遅延回路
４３ 差動増幅回路
５０ 評価用光源
５１ コリメートレンズ
５２，５３ レンズ
５４ 位置検出素子
Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄ 波形
Ｌ レーザ光
ＬＥ 評価用レーザ光
Ｎ 法線

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】

【図15】

【図16】