画像表示装置
【課題】低速走査素子の異常共振に起因する画像品質の劣化を簡易な構成で抑制することができる画像表示装置を提供する。
【解決手段】高速走査素子および低速走査素子を備えた画像表示装置は、高速スキャナコントローラ５１、低速スキャナコントローラ５２、およびＲＧＢレーザコントローラ５３を有する。低速スキャナコントローラ５２では、駆動元波形生成手段６１が生成した駆動元波形にノッチフィルタ処理を行って、駆動信号を生成する。重畳信号決定手段７１が決定した波形、電流振幅、および周波数に基づいて、高周波発生手段７３が温度調整信号を生成する。加算器７４が駆動信号と温度調整信号とを加算して、合成信号を生成する。
【解決手段】高速走査素子および低速走査素子を備えた画像表示装置は、高速スキャナコントローラ５１、低速スキャナコントローラ５２、およびＲＧＢレーザコントローラ５３を有する。低速スキャナコントローラ５２では、駆動元波形生成手段６１が生成した駆動元波形にノッチフィルタ処理を行って、駆動信号を生成する。重畳信号決定手段７１が決定した波形、電流振幅、および周波数に基づいて、高周波発生手段７３が温度調整信号を生成する。加算器７４が駆動信号と温度調整信号とを加算して、合成信号を生成する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、画像信号に応じた光を光走査素子で２次元走査して画像を表示する画像表示装置に関し、より詳細には、低速走査素子の反射ミラーを非共振モードで強制駆動する画像表示装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、画像信号に基づいて生成した光（以下、「画像光」と呼ぶ。）をガルバノミラーなどの光走査素子を用いて２次元走査して画像を表示する光走査型の画像表示装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。特許文献１に記載の画像表示装置では、共振型の高速走査素子（主走査素子）の反射ミラーを共振周波数ｆｒで共振揺動させて、画像光を主走査方向に走査する。さらに、低速走査素子（副走査素子）の反射ミラーを、鋸波形状の波形信号によって非共振で強制駆動する。これにより、低速走査素子の反射ミラーが揺動して、高速走査素子によって走査された画像光を副走査方向に走査する。
【０００３】
このような光走査型の画像表示装置に用いられる光走査素子の反射ミラーは、弾性のある梁部材を介して固定部材に揺動可能に支持されているため、反射ミラーおよび梁部材で決まる固有の共振周波数が存在する。このような共振周波数に近い成分が低速走査素子の反射ミラーを強制駆動する信号（低速駆動信号）に含まれていると、低速駆動信号により低速走査素子の共振振動が誘起されるので、行わせたい低速走査素子の運動に、望ましくない共振振動が重畳してしまう現象（リンギング）が発生しやすい。
【０００４】
このような画像表示装置では、反射ミラーの揺動を検出する揺動検出素子（例えば、ピエゾ素子）が、低速走査素子に設けられている。低速走査素子に重畳されるリンギングは、揺動検出素子から出力される検出信号に基づいて検出される。そこで、検出信号に基づいて検出されるリンギング値に基づいて、低速駆動信号にノッチフィルタ等によるフィルタリング処理を行なうことで、低速駆動信号の共振周波数付近の周波数成分を除去して共振振動の誘起を抑え、ひいてはリンギングを抑制することが知られている（例えば、特許文献２参照。）。
【０００５】
また、反射面を持つ可動子を共振周波数で正弦振動させて光を偏向する光偏向器が知られている（例えば、特許文献３参照）。このような光偏向器では、用途によって一定周波数の駆動が望ましい場合がある。そのため、特許文献３には、共振周波数を安定させるために、加熱素子への通電量を制御して可動子の弾性支持部の温度を調整することで、弾性梁のねじり剛性を制御することが開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００３−３０２５９０号公報
【特許文献２】特開２００４−３６１９２０号公報
【特許文献３】特開２００７−１７１９２９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、低速走査素子の持つ固有の共振周波数には、運動の様式が異なる複数の共振モード（ネジレ共振モード、縦方向共振モード、横方向共振モード、多方向の共振モード、およびそれらの高次モードなど）が含まれている。低速走査素子の駆動においては、ネジレ共振モードの振幅がほかのモードに対して大きいので、ネジレ共振モードのみを抑制するよう制御を行えば十分である事が多い。しかしながら低速走査素子の有する複数の共振モード間に結合が生じると、揺動検出素子から出力される検出信号が異常な振る舞いをすることがあった。そうすると、低速走査素子に重畳されるリンギングが単純な減衰のあるネジレ振動であるとみなせない場合があった。また、低速走査素子外部からの振動源（例えば、同一の部材に固定されている高速走査素子）により、意図しない共振モードが誘起され、他のモードと結合してリンギングが単純な減衰のあるネジレ振動とみなせなくなる場合があった。
【０００８】
例えば、ネジレ振動の共振周波数ｆ１ｃと、縦方向共振の共振周波数ｆ２ｃとの比（ｆ２ｃ／ｆ１ｃ）が「２．０」付近となった場合、上記の「モード間結合」が起きる（異常共振タイプ１と称する）。また、低速走査素子と同一の固定部材に取り付けられた、高速走査素子の反射ミラーを駆動する信号（高速駆動信号）の周波数が、横方向共振の共振周波数ｆ３ｃ以上である場合にも、光速走査素子の振動が低速走査素子に伝わって、横方向高次共振が励起される結果、上記「モード間結合」が起きる（異常共振タイプ２と称する）。
【０００９】
このように、低速走査素子に異常共振が生じた場合、公知のフィルタリング処理を行ってもリンギングを適切に抑制することができなくなるおそれがあった。なお、特許文献３では、可動子を温度制御することで共振周波数を調整しているが、加熱素子を別途設ける必要があり、コストや工数のアップの懸念があると共に、可動子が重くなったりして特性の劣化にも繋がるおそれがある。さらに、非共振モードで強制的に駆動される低速走査素子については、特許文献３と同様の温度制御を行っても、低速走査素子の異常共振を抑制することができない。ひいては、モード間結合による検出信号の異常を抑制できないため、特許文献２に開示のような検出信号に基づくリンギング制御も正常に機能せず、画像品質が劣化するおそれがあった。
【００１０】
本発明の目的は、低速走査素子の異常共振に起因する画像品質の劣化を簡易な構成で抑制することができる画像表示装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明の一態様に係る画像表示装置は、画像信号に応じた強度の光を出射する光源部と、前記光源部から出射された光を共振揺動によって第１方向に相対的に高速に走査する高速走査素子と、駆動信号に応じて強制的に揺動することで、前記高速走査素子によって走査された光を前記第１方向と略直交する第２方向に相対的に低速に走査する低速走査素子とを備えた画像表示装置であって、周期的な基礎波形信号を生成する基礎波形信号生成手段と、前記低速走査素子を実質的に駆動可能な周波数よりも高い周波数成分であって、前記低速走査素子にジュール熱を発生させうる周波数成分を有する温度調整信号を生成し、前記基礎波形信号に重畳する信号重畳手段と、前記発熱信号重畳手段によって前記基礎波形信号に前記温度調整信号を重畳された駆動信号によって、前記低速走査素子を駆動する駆動手段と、前記発熱信号を変化させることで前記低速走査素子固有の共振周波数を変化させ、前記低速走査素子が前記基礎波形信号に対応する周期的な揺動をするように制御する発熱信号制御手段とを備えている。
【００１２】
これによれば、高速走査素子および低速走査素子を備えた画像表示装置において、低速走査素子を周期的な揺動をするように駆動するための基礎波形信号に、低速走査素子固有の共振周波数を変化させるための温度調整信号が重畳される。したがって、低速走査素子の強制駆動と異常共振の発生抑制とを、一の合成信号で実現することができる。そのため、加熱素子等を設けない簡易な構成で、低速走査素子の異常共振に起因する画像品質の劣化を抑制することができる。
【００１３】
前記画像表示装置において、前記温度調整信号の周波数は、前記低速走査素子の共振周波数のうち、低周波側から数えて３番目の共振周波数を超えるようにしてもよい。この場合、温度調整信号によって低速走査素子が機械応答することを抑制できるため、画像品質を維持しつつ異常共振を抑制できる。
【００１４】
前記画像表示装置において、前記温度調整信号の周波数は、前記低速走査素子を含む等価回路で定まるカットオフ周波数ｆｃよりも小であってもよい。この場合、低速走査素子で効率的にジュール熱を発生させることができる。
【００１５】
前記画像表示装置において、前記温度調整信号の電流振幅の上限は、前記温度調整信号の周波数が上昇するのに伴って増大してもよい。この場合、温度調整信号の周波数が高くなると発熱効率が下がるのを補うように電流振幅が高くなる。そのため、温度調整信号の周波数が高くなっても、低速走査素子で十分なジュール熱を発生させることができる。
【００１６】
前記画像表示装置において、前記温度調整信号の周波数は、前記高速走査素子の共振周波数とは異なる周波数であってもよい。この場合、温度調整信号が高速走査素子の駆動制御に悪影響を及ぼすことを抑制できる。
【００１７】
前記画像表示装置において、前記低速走査素子の揺動状態を検出する揺動検出手段と、前記揺動検出手段の検出結果に基づいて、リンギングの有無を含むリンギング情報を取得するリンギング情報取得手段とを備え、前記信号重畳手段は、前記リンギング情報取得手段によって前記リンギング情報が取得されるごとに、前記温度調整信号を生成して前記基礎波形信号に重畳してもよい。この場合、リンギングの検出時に低速走査素子でジュール熱が発生して共振周波数を制御するため、異常共振をより確実に抑制することができる。
【００１８】
前記画像表示装置において、前記信号重畳手段は、前記画像表示装置の起動時に、前記温度調整信号を生成して前記基礎波形信号に重畳してもよい。この場合、画像表示装置の起動時に低速走査素子でジュール熱が発生するため、異常共振を簡易な制御で抑制することができる。
【００１９】
前記画像表示装置において、前記温度調整信号の波形は、矩形波であってもよい。この場合、温度調整信号の周波数などを変更しやすく、ジュール熱の発生効率を高めることができる。
【００２０】
前記画像表示装置において、前記温度調整信号は、所定の周波数範囲に帯域制限され、または所定範囲にｄｕｔｙ比が調整されてもよい。この場合、温度調整信号を最適な帯域で生成することができ、供給電力の制御も容易となる。
【００２１】
前記画像表示装置において、前記温度調整信号の波形は、正弦波であってもよい。この場合、波形生成に関する細かな制御が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】ヘッドマウントディスプレイ１の電気的構成を示すブロック図である。
【図２】表示部１０が画像光を射出する過程を説明する説明図である。
【図３】水平走査素子２６の斜視図である。
【図４】駆動信号コントローラ１１の電気的構成を示すブロック図である。
【図５】重畳信号対応テーブル７２のデータ構成を示す図である。
【図６】駆動信号Ｐ１の波形を示す図である。
【図７】温度調整信号Ｐ２の波形を示す図である。
【図８】合成信号Ｐ３の波形を示す図である。
【図９】低速駆動素子に固有の共振モードを示す図である。
【図１０】環境温度Ｔと共振周波数比（ｆ２／ｆ１）との関係を示すグラフである。
【図１１】環境温度Ｔと共振周波数ｆ３ｒとの関係を示すグラフである。
【図１２】低速駆動素子を恒温槽に曝した電気回路である。
【図１３】環境温度Ｔと位相差φとの関係を示すグラフである。
【図１４】環境温度Ｔと駆動抵抗値Ｒｄｒｖとの関係を示すグラフである。
【図１５】環境温度Ｔと駆動抵抗値Ｒｄｒｖとの関係を示すグラフである。
【図１６】低速駆動素子の電気的特性を示す等価回路である。
【図１７】図１６に示す等価回路のインピーダンスｆ特性を測定したグラフである。
【図１８】高速駆動素子の駆動周波数と揺動速度との関係を示すグラフである。
【図１９】水平走査素子２６の駆動処理を示すフローチャートである。
【図２０】ＬＳ共振周波数調整処理を示すフローチャートである。
【図２１】変形例における、水平走査素子２６の駆動処理を示すフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
以下、本発明の一実施の形態について、図面を参照して説明する。参照する図面は、本発明が採用し得る技術的特徴を説明するために用いられるものである。図面に記載されている装置の構成、各種処理のフローチャート等は、それのみに限定する趣旨ではなく、単なる説明例である。
【００２４】
［１．光走査装置］
図１〜図８を参照して、本実施形態に係る光走査装置について説明する。以下では、光走査装置の１つであるヘッドマウントディスプレイ１を例に挙げて説明を行う。ヘッドマウントディスプレイ１は、画像信号に応じて変調されたレーザ光を走査させて、画像光として射出し、ユーザの少なくとも一方の眼の網膜に画像を直接投影する網膜走査型ディスプレイである。しかし、本発明が適用できるのはヘッドマウントディスプレイ１に限られない。画像を表示するためのレーザ光を走査する光走査装置であれば、本発明は適用できる。例えば、走査したレーザ光を、投影対象となるスクリーン上に射出して投影するスクリーン走査型の画像表示装置にも、本発明は適用できる。
【００２５】
図１を参照して、ヘッドマウントディスプレイ１の電気的構成について説明する。ヘッドマウントディスプレイ１は、表示部１０、入力部４０、通信部４３、制御部５０、ビデオＲＡＭ５８、フラッシュメモリ５４、および電源部５５を備える。
【００２６】
表示部１０は、ユーザに画像を視認させる部位である。表示部１０は、駆動信号コントローラ１１、レーザ群１３、およびレーザドライバ群１２を備える。駆動信号コントローラ１１は、ＣＰＵ１１１、ＲＯＭ１１２、およびＲＡＭ１１３を備える。駆動信号コントローラ１１では、ＲＯＭ１１２に格納されたプログラムがＣＰＵ１１１によって読み出されることで、表示部１０を駆動するための各種処理が行われる。具体的には、駆動信号コントローラ１１は、制御部５０から画像信号を入力し、入力した信号に応じて、レーザドライバ群１２に駆動信号（輝度信号）を出力する。さらに、駆動信号コントローラ１１は、後述する垂直走査素子２１および水平走査素子２６を揺動させるための条件（例えば、垂直走査素子２１の駆動周波数および振れ角）を決定し、垂直走査駆動部２３および水平走査駆動部２８に駆動信号を出力する（詳細は後述する）。
【００２７】
レーザ群１３は、青色出力レーザ（Ｂレーザ）１３１、緑色出力レーザ（Ｇレーザ）１３２、および赤色出力レーザ（Ｒレーザ）１３３を含む。レーザ群１３は、青色、緑色、および赤色のレーザ光を出力する。レーザドライバ群１２は、駆動信号コントローラ１１から受信した駆動信号に応じてレーザ群１３を制御し、レーザ群１３にレーザ光を出力させる。つまり、制御部５０がヘッドマウントディスプレイ１の全体制御を司り、駆動信号コントローラ１１は、制御部５０から入力する画像信号に応じて画像表示の処理を制御する。
【００２８】
表示部１０は、垂直走査素子２１、垂直走査駆動部２３、水平走査素子２６、および水平走査駆動部２８を備える。垂直走査素子２１は、ミラー２２（図２参照）を揺動軸周りに揺動することで、レーザ群１３から出力されたレーザ光を垂直方向（本実施形態の主走査方向）に走査する。垂直走査駆動部２３は、駆動信号コントローラ１１から受信した駆動信号に応じて、垂直走査素子２１を高速で共振揺動させる。つまり、垂直走査素子２１は、レーザ群１３から出射されたレーザ光を共振揺動によって主走査方向に相対的に高速に走査する高速走査素子である。
【００２９】
水平走査素子２６は、ミラー２７（図２参照）を揺動軸周りに揺動することで、垂直走査素子２１によって垂直方向に二次元走査されたレーザ光を、さらに水平方向（本実施形態の副走査方向）に走査する。水平走査駆動部２８は、駆動信号コントローラ１１から受信した駆動信号に応じて、水平走査素子２６を強制的に低速揺動させる。つまり、水平走査素子２６は、駆動信号に応じて強制的に揺動することで、垂直走査素子２１によって走査されたレーザ光を副走査方向に相対的に低速に走査する低速走査素子である。
【００３０】
表示部１０は、垂直走査素子２１によって反射されたレーザ光（主走査方向に走査されたレーザ光）を検出するＢＤ（ビームディテクト）センサ３１（図４参照）を備える。つまり、ＢＤセンサ３１は、レーザ光の主走査方向における基準位置（基準タイミング）を検出するために設けられている。ＢＤセンサ３１によってレーザ光が所定の位置に到達したことを検出された場合、ＢＤ信号が駆動信号コントローラ１１に出力される。駆動信号コントローラ１１は、ＢＤ信号の入力結果に基づいて、垂直走査素子２１の走査角の最大値である振れ角を検出する。さらに、駆動信号コントローラ１１は、ＢＤ信号の入力結果に基づいて、レーザ群１３からレーザ光を出力するタイミングを決定する。
【００３１】
表示部１０は、水平走査素子２６のミラー２７を駆動する捻れ梁部９４（図３参照）の変位を検出することで、水平走査素子２６の揺動状態を検出する圧電素子であるピエゾセンサ３２を備える。ピエゾセンサ３２は、水平走査素子２６の共振周波数や揺動周波数、揺動振幅など揺動状態を示すピエゾ信号を、駆動信号コントローラ１１に出力する。駆動信号コントローラ１１は、ピエゾ信号が示す共振周波数などに基づいて、ノッチフィルタ６２（図４参照）を調整する。
【００３２】
表示部１０は、レーザドライバ群１２から出力されるレーザ光の強度を検出するＲＧＢ用フォトダイオード３３（図４参照）を備える。ＲＧＢ用フォトダイオード３３は、レーザ光の強度を示すパワー検出信号を、駆動信号コントローラ１１に出力する。駆動信号コントローラ１１は、パワー検出信号が示すレーザ光の強度に基づいて、レーザドライバ群１２を調整する。
【００３３】
入力部４０は、ユーザからの各種操作指示の入力を受け付ける部位である。入力部４０は、操作ボタン群４１および入力制御回路４２を備える。入力制御回路４２は、操作ボタン群４１のボタンが操作されたことを検出する。入力制御回路４２は、制御部５０と電気的に接続されており、ボタン操作に関する情報を制御部５０に出力する。
【００３４】
通信部４３は、画像情報等の送受信を行う部位である。通信部４３は、通信モジュール４４および通信制御回路４５を備える。通信モジュール４４は、外部機器との間の無線通信または有線通信によって、画像情報等の送受信を行う。通信制御回路４５は、通信モジュール４４の動作を制御する。通信制御回路４５は、制御部５０と電気的に接続されており、制御部５０に画像情報を取得させる。
【００３５】
制御部５０は、ヘッドマウントディスプレイ１の全体の制御を司る。制御部５０は、図示しないＣＰＵ、ＲＯＭ、およびＲＡＭを備える。制御部５０では、ＲＯＭに格納されたプログラムがＣＰＵによって読み出されることで、ヘッドマウントディスプレイ１の動作を制御するための各種処理が行われる。ビデオＲＡＭ５８には、画像情報に含まれるイメージデータが展開される。フラッシュメモリ５４は、ヘッドマウントディスプレイ１で使用される機能の各種設定値等を記憶する。
【００３６】
電源部５５は、電池５６および充電制御回路５７を備える。電池５６は、ヘッドマウントディスプレイ１を駆動させるための電源となる充電式の電池である。充電制御回路５７は、電池５６からヘッドマウントディスプレイ１への電力供給の制御、および充電用アダプタ（図示せず）から電池５６への充電の制御を行う。
【００３７】
図２を参照して、表示部１０が画像光を射出する過程の概要について説明する。表示部１０は、光源ユニット部１８、コリメート光学系１９、垂直走査系２０、第一リレー光学系２４、水平走査系２５、および第二リレー光学系２９を備える。
【００３８】
光源ユニット部１８は、駆動信号コントローラ１１、レーザドライバ群１２、レーザ群１３、コリメート光学系１４、ダイクロイックミラー群１５、および結合光学系１６を備える。駆動信号コントローラ１１は、例えば、制御部５０によってビデオＲＡＭ５８に展開されたイメージデータの画像信号を、表示すべき画像を構成する画素毎に読み出して、駆動信号である輝度信号を生成すると共に、垂直駆動信号、および水平駆動信号を生成する。駆動信号コントローラ１１は、生成した輝度信号（Ｂ輝度信号、Ｇ輝度信号、およびＲ輝度信号）をレーザドライバ群１２（Ｂレーザドライバ１２１、Ｇレーザドライバ１２２、およびＲレーザドライバ１２３）に出力する。さらに、垂直駆動信号を垂直走査駆動部２３に出力し、水平駆動信号を水平走査駆動部２８に出力する。ただし、駆動信号コントローラ１１は、先述したように、入力されるＢＤ信号、ピエゾ信号、およびパワー検出信号に応じた各種調整を行う。
【００３９】
レーザドライバ群１２は、入力された輝度信号に基づいて、強度変調されたレーザ光をレーザ群１３に出力させる。レーザ群１３が出力したレーザ光は、コリメート光学系１４に入射する。コリメート光学系１４の３つのコリメートレンズ１４１〜１４３は、レーザ群１３が出力した３色（青色、緑色、赤色）のレーザ光のそれぞれを平行光にコリメートする。コリメート光学系１４によってコリメートされたレーザ光は、ダイクロイックミラー群１５に入射する。ダイクロイックミラー群１５の３つのダイクロイックミラー１５１〜１５３は、コリメートされた３色のレーザ光を１つのレーザ光になるように合波する。合波されたレーザ光は、結合光学系１６によって光ファイバ１７に導かれる。
【００４０】
光ファイバ１７を伝達したレーザ光は、コリメート光学系１９によって平行光にコリメートされて、垂直走査系２０に入射する。本実施形態の垂直走査系２０は、表示すべき画像の１走査線ごとに、レーザ光を垂直方向（主走査方向）に走査する。垂直走査系２０は、水平走査系２５よりも高速に（すなわち、高周波数で）レーザ光を走査するように設計されている。垂直走査系２０に入射したレーザ光は、垂直走査素子２１のミラー２２に照射される。垂直走査駆動部２３は、駆動信号コントローラ１１から入力された垂直駆動信号に従って、ミラー２２を共振揺動させる。その結果、ミラー２２に照射されたレーザ光は、垂直方向に高速で走査される。前述したように、ＢＤセンサ３１は、垂直走査素子２１によって垂直走査されたレーザ光を検出することで、レーザ光の主走査方向における基準位置（基準タイミング）を検出する。
【００４１】
垂直走査されたレーザ光は、第一リレー光学系２４を介して水平走査系２５に入射する。本実施形態の水平走査系２５は、表示すべき画像の１フレーム毎に、レーザ光を最初の走査線から最後の走査線に向かう水平方向（副走査方向）に走査する。水平走査系２５に入射したレーザ光は、水平走査素子２６のミラー２７に照射される。水平走査駆動部２８は、駆動信号コントローラ１１から入力された水平駆動信号に従って、ミラー２７を強制揺動させる。その結果、ミラー２７に照射されたレーザ光は、水平方向に走査される。
【００４２】
垂直走査系２０および水平走査系２５によって二次元走査されたレーザ光のうち、画像を表示させるためのレーザ光である画像光は、第二リレー光学系２９を介してハーフミラー３８に射出される。画像光は、ハーフミラー３８によって全反射されてユーザの瞳孔３９に導かれる。その結果、ビデオＲＡＭ５８（図１参照）に展開されたイメージデータに基づく画像が、ユーザの網膜上に形成される。ユーザは、二次元走査されて網膜上に投影されたレーザ光による画像を視認することができる。
【００４３】
図３を参照して、水平走査素子２６の物理的構造について説明する。本実施形態の水平走査素子２６は、所謂シリコンＭＥＭＳである（例えば、特開２０１０−７８８２４号公報参照）。水平走査素子２６は、ミラー２７、枠９１、支持部９２、永久磁石９３、コイル（図示外）を備える。ミラー２７は四角形状を有し、その表面に反射面が形成されている。ミラー２７は、２辺に連結する支持部９２により支持されている。支持部９２は、枠９１に連結して支持されている。つまり、ミラー２７は、２つの支持部９２を介して枠９１に揺動可能に支持されている。なお、２つの支持部９２が枠９１にそれぞれ連結される位置に、ミラー２７の揺動を検出するためのピエゾセンサ３２が設けられている。
【００４４】
ミラー２７の揺動軸に平行な２辺に近接して、永久磁石９３が設置されている。永久磁石９３の磁界は、静止状態のミラー２７の反射面に平行し、ミラー２７の揺動軸に直交する方向である。ミラー２７の反射面と反対側の裏面には、コイル（図示外）が形成されている。コイルの電極は、２つの支持部９２を介して外部に接続する。コイルに電流を流すと、流す電流、極性に応じてミラー２７の揺動軸を回転軸としたローレンツ力が働き、揺動軸を中心として回転トルクが生ずる。従って、電流の大きさを制御することにより、ミラー２７の揺動角を制御することができ、ひいてはレーザ光を走査することができる。
【００４５】
図４を参照して、駆動信号コントローラ１１の機能的構成を説明する。駆動信号コントローラ１１は、高速スキャナコントローラ５１、低速スキャナコントローラ５２、およびＲＧＢレーザコントローラ５３を備える。高速スキャナコントローラ５１は、ＢＤセンサ３１からＢＤ信号が入力されたタイミング（レーザ光が所定の位置に到達したタイミング）に基づいて、垂直走査駆動部２３に出力する垂直駆動信号を制御する。
【００４６】
低速スキャナコントローラ５２は、ピエゾセンサ３２から入力されたピエゾ信号に基づいて水平駆動信号を調整して、調整後の水平駆動信号を高速スキャナコントローラ５１と同期して水平走査駆動部２８に出力するが、詳細は後述する。ＲＧＢレーザコントローラ５３は、ＲＧＢ用フォトダイオード３３から入力されたパワー検出信号に基づいて輝度信号を調整し、調整後の輝度信号を高速スキャナコントローラ５１と同期してレーザドライバ群１２に出力する。
【００４７】
低速スキャナコントローラ５２は、制御モジュール６０、駆動元波形生成手段６１、ノッチフィルタ６２、リンギング値算出手段６５、およびフィルタパラメータサーチ手段６６、重畳信号決定手段７１、重畳信号対応テーブル７２（図５参照）、高周波発生手段７３、および加算器７４を備えている。制御モジュール６０は、低速スキャナコントローラ５２の全体制御を司る。
【００４８】
駆動元波形生成手段６１は、直線変化する鋸波形信号にローパスフィルタ処理を施した駆動元波形を生成する。駆動元波形は、水平走査素子２６（図１参照）を非共振モードで強制的に駆動する周期的な駆動信号を生成するための波形信号である。例えば、水平走査素子２６に固有の共振特性として、１次共振がｆ１［Ｈｚ］、２次以上の共振がｆ２［Ｈｚ］以上の共振周波数において存在する。この場合、ローパスフィルタ処理によってｆ２（＞ｆ１）［Ｈｚ］以上の周波数を減衰させることで、水平走査素子２６に固有の共振特性のうち２次以上の共振による影響を抑制する。
【００４９】
ノッチフィルタ６２は、駆動元波形生成手段６１によって生成された駆動元波形に、所定のパラメータ（中心周波数ｆｏや尖鋭度Ｑ）でノッチフィルタ処理を行なう。例えば、水平走査素子２６に固有の共振特性として、１次共振がｆ１［Ｈｚ］、２次以上の共振がｆ２［Ｈｚ］以上であるとする。この場合、ノッチフィルタ処理では、ｆ１［Ｈｚ］の周波数を中心として減衰させることで、水平走査素子２６に固有の共振特性のうち１次の共振による影響を抑制する。
【００５０】
ノッチフィルタ６２から出力される信号（つまり、ノッチフィルタ処理が行われた駆動元波形に基づく信号）を、駆動信号Ｐ１という。駆動信号Ｐ１は、最小レベルから最大レベルまで移行する期間に比べ、最大レベルから最小レベルへ移行する期間が十分に短い鋸波形の信号である。図６に例示する駆動信号Ｐ１は、周期性を持つ三角波であるが、台形波、正弦波などの略直線的な傾斜を有する周期性を持つ波形や、傾きの変化の大きい部分が丸みを帯びた周期性を持つ波形についても適用することができる。
【００５１】
ノッチフィルタ６２で用いるパラメータのうち中心周波数ｆｏは、フィルタパラメータサーチ手段６６で決定されて、ノッチフィルタ６２へ入力される。フィルタパラメータサーチ手段６６は、リンギング値算出手段６５によって算出されるリンギング振幅の情報（水平走査素子２６のリンギング値）に基づいて、ノッチフィルタ６２の中心周波数ｆｏを決定する。フィルタパラメータサーチ手段６６が決定する中心周波数ｆｏは、水平走査素子２６に固有の共振特性に応じた中心周波数ｆｏである。
【００５２】
リンギング値算出手段６５は、ピエゾセンサ３２から出力されたピエゾ信号を微分回路６４で微分したデータに基づいて、水平走査素子２６におけるリンギングの有無を示すリンギング値を算出する。具体的には、リンギング値算出手段６５は、ピエゾ信号を微分したデータが示すリンギングの波形をバンドパスフィルタ処理等によって抽出することで、リンギング値を算出する。
【００５３】
一方、制御モジュール６０は、ＬＳ共振周波数調整要求を受信すると、重畳信号決定手段７１との間で通信を行う。ＬＳ共振周波数調整要求は、水平走査素子２６に固有の共振周波数に特定の関係が成立しないように（言い換えると、後述する共振周波数のモード間結合が発生しないように）、水平走査素子２６にジュール熱を発生させることを要求する信号である。重畳信号決定手段７１は、制御モジュール６０との通信に応じて、水平走査素子２６にジュール熱を発生させるための信号の波形、電流振幅、および周波数を、後述の重畳信号対応テーブル７２（図５参照）を参照して決定する。
【００５４】
高周波発生手段７３は、重畳信号決定手段７１によって決定された波形、電流振幅、および周波数で信号を生成する。高周波発生手段７３によって生成された信号を、温度調整信号Ｐ２という。温度調整信号Ｐ２は、水平走査素子２６を実質的に駆動可能な周波数よりも高い周波数成分を有し、且つ、水平走査素子２６にジュール熱を発生させうる周波数成分を有する信号である。図７に例示する温度調整信号Ｐ２は、高周波の矩形波であるが、正弦波等の波形についても適用することができる。温度調整信号Ｐ２の詳細は、別途後述する。
【００５５】
加算器７４は、駆動信号Ｐ１と温度調整信号Ｐ２とを加算して一の信号を生成する。加算器７４によって生成された信号を、合成信号Ｐ３という。図８に例示する合成信号Ｐ３は、図６に例示する駆動信号Ｐ１と、図７に例示する温度調整信号Ｐ２とが加算された信号を示す。なお、図８では、温度調整信号Ｐ２の信号成分の重畳状態を理解しやすくするために周期を長めに図示しているが、実際の温度調整信号Ｐ２の周期は、視覚的に認識できないほど極めて短かい。
【００５６】
加算器７４から出力された合成信号Ｐ３は、図示外のＤ／Ａ変換器によりアナログ変換されて、さらにパワーアンプ６３により増幅される。これにより、合成信号Ｐ３に基づく水平駆動信号が生成されて、水平走査駆動部２８に出力される。水平走査駆動部２８は、水平駆動信号に基づいて、水平走査素子２６のミラー２７を非共振モードで強制的に駆動する。
【００５７】
［２．異常共振の発生原因および抑制原理］
図３、図９〜図１１を参照して、異常共振の発生原因および抑制原理について説明する。図３および図９に示すように、水平走査素子２６は、ミラー２７が捻れ梁部９４を介して基板９３に揺動支持された物理的構造に起因する固有の共振特性を有する。以下の説明では、水平走査素子２６の共振周波数を、低周波側から順に１番モード、２番モード、３番モード・・・と定義する。
【００５８】
具体的には、１番モードは、ミラー２７を揺動軸周りに振動させるネジレ振動基本波であり、その共振周波数ｆ１ｒは〜１０００［Ｈｚ］である。２番モードは、ミラー２７を縦方向に振動させる面垂直振動基本波であり、その共振周波数ｆ２ｒは〜３０００［Ｈｚ］ である。３番モードは、ミラー２７を横方向に振動させる面内並進振動基本波であり、その共振周波数ｆ３ｒは〜３００００［Ｈｚ］である。４番モードは、ミラー２７の反射面に対して水平に延び、且つミラー２７の揺動軸と直交する軸線の周りに、ミラー２７を振動させる面垂直振動２倍波であり、その共振周波数ｆ４ｒは〜４５０００［Ｈｚ］である。５番モードは、ミラー２７の反射面に対して垂直に延びる軸線の周りに、ミラー２７を振動させる面内並進振動２倍波であり、その共振周波数ｆ５ｒは〜６００００［Ｈｚ］である。
【００５９】
上記の共振モード間で特定の関係が成立すると、その特定の関係が成立した共振モード間に結合が発生する。共振モード間に結合が生じると、水平走査素子２６に生じるリンギングが、上記の共振モードで想定されるものとは異なる振る舞いをする現象（以下、異常共振とよぶ。）が生じるおそれがある。このような異常共振が生じると、ピエゾ信号に基づく共振抑制制御（リンギング制御）が正常に機能しなくなる。そうすると、網膜上に形成される画像に、リンギングに起因する縞が生じてしまい、画質劣化の原因となるおそれがある。
【００６０】
主たる異常共振としては、低速駆動素子が有する複数の共振周波数間の相対関係に起因する異常共振（以下、異常共振タイプ１とよぶ。）と、低速駆動素子の共振周波数と高速駆動素子の駆動周波数との相対関係に起因する異常共振（以下、異常共振タイプ２とよぶ。）とが想定される。
【００６１】
異常共振タイプ１について説明する。一般に、低速駆動素子を駆動する信号には、１番モードの共振周波数ｆ１ｒの信号成分が含まれている。２番モードの非線形性に起因して、１番モードの共振周波数ｆ１ｒの２次高調波である２ｆ１ｒの周波数成分をもつ振動が低速走査素子にて生じる。この現象を、２次高調波共振とよぶ。さらに、２番モードの共振周波数ｆ２ｒと、２次高調波である２ｆ１ｒとの相互変調歪によって、２ｆ１ｒ−ｆ２ｒの信号成分が生じる。低速走査素子の駆動信号Ｐ１に含まれるｆ１ｒ振動振幅は、前述したノッチフィルタ処理にて十分に低減されているものの、完全にゼロにする事はできない．従って、温度変動や経時変動などの影響で、低速走査素子の共振周波数関係がｆ２ｒ〜２ｆ１ｒになってしまった場合、低速走査素子に少ないながらも誘起されているｆ１ｒ振動成分が２ｆ１ｒ振動成分を生み出す。このとき、相互変調歪で２ｆ１ｒ−ｆ２ｒ〜ｆ１ｒの振動成分が生じるために、１番モードの共振周波数ｆ１ｒの信号成分が増強される。以下、上記の２次高調波共振および相互変調歪が繰り返されて、１番モードの共振周波数ｆ１ｒの信号成分が増強され続け、条件によっては発振する。従ってリンギング制御が正常に機能せず、リンギング波形が変形したり、フレーム毎に異なる波形が生じたりする現象（すなわち、異常共振タイプ１）が発生する。
【００６２】
異常共振タイプ２について説明する。一般に、高速駆動素子および低速駆動素子を用いた表示装置では、共通のフレーム（図示外）に高速駆動素子および低速駆動素子が固定されている。そのため、高速駆動素子の駆動時に、その駆動周波数ｆｄｒｖがフレームを介して低速駆動素子に伝わる。高速駆動素子の駆動周波数ｆｄｒｖは〜３００００［Ｈｚ］であるため、低速駆動素子において３番モードの共振周波数ｆ３ｒを励起する。３番モードの面内並進振動と１番モードのネジレ振動とは、ピエゾセンサ３２に与える歪みがほぼ同じである。そのため、駆動周波数ｆｄｒｖの影響で生じる低速駆動素子の面内並進振動が発生する。３番モードは非線形性を有しているので、他の共振モード（例えば、1番モード）と結合し、ひいてはリンギング波形に異常を生じる。このように、高速駆動素子および低速駆動素子の２振動のカップリングに起因するリンギング波形異常が、異常共振タイプ２である。
【００６３】
上記の異常共振タイプ１および異常共振タイプ２を抑制する手法として、以下のものが考えられる。
【００６４】
異常共振タイプ１の抑制方法について説明する。異常共振タイプ１は、「２ｆ１ｒ−ｆ２ｒが、１番モードの共振周波数ｆ１ｒから十分に離間している」という条件を満たさなければ、ネジレ振動がほぼ発生しない。したがって、この条件を満たさないように、１番モードの共振周波数ｆ１ｒと、２番モードの共振周波数ｆ２ｒとの関係を調整すれば、異常共振タイプ１の発生を抑制できる。
【００６５】
図１０は、低速駆動素子の環境温度Ｔ［ｄｅｇＣ］の変化と、共振周波数比（ｆ２ｒ／ｆ１ｒ）の変化との対応関係を示している。共振周波数ｆ１ｒ、ｆ２ｒは、いずれも温度特性を有している。共振周波数ｆ１ｒは温度変化に伴う変動が相対的に小さい一方、共振周波数ｆ２ｒは温度変化に伴う変動が相対的に大きい。「共振周波数比（ｆ２ｒ／ｆ１ｒ）＞２．３」である場合、異常共振タイプ１が発生しないことが、予め行った実験によって判明している。
【００６６】
したがって、異常共振タイプ１の発生を抑制するためには、低速駆動素子の環境温度Ｔを調整することで、温度変化に伴う変動が大きい共振周波数ｆ２ｒを、「共振周波数比（ｆ２ｒ／ｆ１ｒ）＞２．３」を満たすように変化させればよい。図１０に示す例では、低速駆動素子の環境温度Ｔが約５８［ｄｅｇＣ］よりも大きくなるようにすれば、異常共振タイプ１の発生を抑制できる。
【００６７】
異常共振タイプ２の抑制方法について説明する。異常共振タイプ２の発生を抑制するためには、高速駆動素子と低速駆動素子とを振動絶縁すればよい。ただし、この場合は高速駆動素子と低速駆動素子とを異なるフレームに固定するなどの処置をしなければならず、装置構造の複雑化やコストアップ、組み立て複雑化による歩留まり低下につながる。そこで、以下の手法により、異常共振タイプ２の発生を抑制することが好ましい。
【００６８】
異常共振タイプ２は、「ｆｄｒｖ−ｆ３ｒ＞３００［Ｈｚ］」という条件を満たせば発生しないことが、予め行った実験によって判明している。したがって、この条件を満たすように、３番モードの共振周波数ｆ３ｒを調整すれば、異常共振タイプ２の発生を抑制できる。
【００６９】
図１１は、低速駆動素子の環境温度Ｔ［ｄｅｇＣ］の変化と、共振周波数ｆ３ｒの変化との対応関係を示している。共振周波数ｆ３ｒは、環境温度Ｔの上昇に応じて小さくなる温度特性を有している。したがって、異常共振タイプ３の発生を抑制するためには、低速駆動素子の環境温度Ｔを調整することで、「ｆｄｒｖ−ｆ３ｒ＞３００［Ｈｚ］」を満たすように、共振周波数ｆ３を変化させればよい。
【００７０】
以上のように、異常共振タイプ１および異常共振タイプ２は、いずれも低速駆動素子の環境温度Ｔを調整することで抑制可能である。ただし、低速駆動素子の環境温度Ｔを調整するための調温部材（加熱素子等）を設けると、装置構造の複雑化やコストアップにつながる。本実施形態では、調温部材を設けることなく、後述の手法によって低速駆動素子の環境温度Ｔを調整している。
【００７１】
［３．温度調整の有効性］
図１２〜図１８を参照して、温度調整の有効性について説明する。本実施形態では、調温部材を設けずに環境温度Ｔを調整するために、水平走査素子２６を駆動させる駆動信号Ｐ１に、水平走査素子２６を加熱するための温度調整信号Ｐ２を加えた合成信号Ｐ３を、水平走査駆動部２８に出力する。水平走査素子２６には、ミラー２７を駆動するためのコイル（図示外）が設けられている。水平走査駆動部２８は、このコイルに合成信号Ｐ３（つまり、電流）を供給することで、駆動信号Ｐ１の信号成分でミラー２７を揺動させ、温度調整信号Ｐ２の信号成分でコイルにジュール熱を発生させる。以下では、合成信号による低速駆動素子の温度調整の有効性について検証する。
【００７２】
図１２に示すように、低速駆動素子の温度調整を検証するために、交流電源（ヒータ）ＦＧを抵抗Ｒｒｅｆを介して低速駆動素子ＬＳに直列に接続し、低速駆動素子ＬＳを恒温槽に曝した電気回路を設定した。抵抗Ｒｒｅｆは、あらかじめＤＭＭ（デジタルマルチメータ）で測定しておく。本具体例では、抵抗Ｒｒｅｆは９．９５［ｏｈｍ］とする。また、測定位置（ｂ）−ＧＮＤ間をＤＭＭで測定し、低速駆動素子ＬＳの駆動抵抗温度特性を得る。測定位置（ｂ）は、抵抗Ｒｒｅｆと低速駆動素子ＬＳとの接続部である。
【００７３】
上記の電気回路において、次のように低速駆動素子の温度測定を行う。まず、測定位置（ａ）−（ｂ）間をＤＭＭで測定し、低速駆動素子ＬＳを流れる電流Ｉｄｒｖを得る。測定位置（ａ）は、ヒータＦＧと抵抗Ｒｒｅｆとの接続部である。また、測定位置（ｂ）−ＧＮＤ間をＤＭＭで測定し、低速駆動素子ＬＳに加えられている電圧Ｖｄｒｖを得る。駆動中の低速駆動素子ＬＳが有するコイルの抵抗値Ｒｄｒｖ（Ｖｄｒｖ／Ｉｄｒｖ）を算出する。恒温槽内の温度条件を変えながら、各温度条件下での抵抗値Ｒｄｒｖを上記と同様に測定することで、低速駆動素子ＬＳの駆動抵抗温度特性を得る。予め得られた駆動抵抗温度特性と、駆動中に得られた駆動抵抗温度特性とに基づいて、抵抗Ｒｒｅｆに対応する環境温度Ｔを求める。その結果、上記電気回路の昇温有効性を、以下の３点で検証することができた。
【００７４】
（１）抵抗性の検証
上記の電気回路において、３５０００〜５００００［Ｈｚ］に亘って、電流Ｉｄｒｖと電圧Ｖｄｒｖとの位相差を測定した結果を、図１３に示す。図１３から明らかなように、３５０００〜５００００［Ｈｚ］の測定範囲では、位相差φは１［ｄｅｇ］より小さいため、力率は０．９９８よりも大きい。したがって、低速駆動素子ＬＳを流れる電流Ｉｄｒｖは、ほぼ機械的仕事（ミラー２７の揺動）かジュール熱に変換されたことを確認した。
【００７５】
（２）昇温現象と昇温程度の検証
上記の電気回路において、低速駆動素子の正弦駆動時における、抵抗値Ｒｄｒｖの環境温度Ｔに伴う変化を、図１４に示す。図１４において、温度測定の開始前に予めＤＭＭで測定した抵抗値Ｒｄｒｖ（言い換えると、非駆動時の抵抗値Ｒｄｒｖ）の変化を、点線の抵抗値Ｒ（Ｖ０）で示す。低速駆動素子ＬＳに正弦波形信号４００００［Ｈｚ］、振幅２［Ｖ］の電圧を印加したときの抵抗値Ｒｄｒｖ（言い換えると、正弦駆動時の抵抗値Ｒｄｒｖ）の変化を、実線の抵抗値Ｒ（Ｖ１）で示す。
【００７６】
図１４から明らかなように、同一の温度環境では、正弦駆動時の抵抗値Ｒ（Ｖ１）は非駆動時の抵抗値Ｒ（Ｖ０）よりも大きい。非駆動時の抵抗値Ｒ（Ｖ０）が示す直線ラインから、環境温度Ｔが高いほど抵抗値Ｒｄｒｖが高くなる。抵抗値Ｒｄｒｖは、低速駆動素子ＬＳのコイルの温度に一意に依存する（つまり、一対一の関係にある）。よって、抵抗値Ｒｄｒｖを特定することができれば、非駆動時の抵抗値Ｒ（Ｖ０）のラインに基づいて、コイルの温度を特定することができる。例えば、低速駆動素子ＬＳを環境温度Ｔが０［ｄｅｇＣ]の条件下で正弦駆動した場合、コイルの自己発熱で約１５［ｄｅｇＣ]の温度上昇が生じたことを特定できる。したがって、正弦波形信号４００００［Ｈｚ］の高周波を低速駆動素子ＬＳに印加した場合、低速駆動素子ＬＳのコイルの昇温現象が発生し、〜１５［ｄｅｇＣ]程度を昇温可能であることを確認した。
【００７７】
（３）高周波印加昇温の有効性
上記の電気回路において、低速駆動素子のノコギリ駆動時における、抵抗値Ｒｄｒｖの環境温度Ｔに伴う変化を、図１５に示す。図１５において、温度測定の開始前に予めＤＭＭで測定した抵抗値Ｒｄｒｖ（言い換えると、非駆動時の抵抗値Ｒｄｒｖ）の変化を、点線の抵抗値Ｒ（Ｖ０）で示す。低速駆動素子ＬＳに鋸波波形信号〜６００００［Ｈｚ］、駆動電圧（ＰＰ値）〜４［Ｖ］の電圧を印加したときの抵抗値Ｒｄｒｖ（言い換えると、ノコギリ駆動時の抵抗値Ｒｄｒｖ）の変化を、実線の抵抗値ｓａｗｔｏｏｔｈで示す。
【００７８】
図１５から明らかなように、低速駆動素子のノコギリ駆動時には、鋸波波形信号に含まれる交流成分によって、低速駆動素子のコイルが自己発熱して昇温現象が発生する。同一の温度環境では、ノコギリ駆動時の抵抗値ｓａｗｔｏｏｔｈは、非駆動時の抵抗値Ｒ（Ｖ０）と比べて若干大きい。つまり、同一の温度環境では、ノコギリ駆動時は非駆動時よりも、低速駆動素子ＬＳが若干大きく昇温する。
【００７９】
図１５に示す例では、ＰＰ値４［Ｖ］の鋸波波形信号を印加した際の発熱は、１〜２［ｄｅｇＣ］程度である。一方、（２）で検証したように、振幅２［Ｖ］（つまり、ＰＰ値４［Ｖ］）の正弦波形信号を印加した際の発熱は、およそ１５［ｄｅｇＣ］である。つまり、鋸波波形信号に起因する昇温レベルは、正弦波形信号に起因する昇温レベルに比較して有意に小さく、低速駆動素子ＬＳの温度調整に与える影響が小さい。以上のことから、鋸波波形信号である駆動信号Ｐ１（図６参照）に、正弦波形信号である温度調整信号Ｐ２（図７参照）を重畳することで、低速駆動素子ＬＳの温度レベルを有意に調整可能であることを確認した。
【００８０】
（４）昇温有効性の検証に関する結論
以上の（１）〜（３）の検証結果から、低速駆動素子に印加する重畳高周波（図８に示す合成信号Ｐ３）を調整することで、低速駆動素子のノコギリ駆動時にコイルを昇温させることは十分に可能であるとの結論が得られた。ひいては、低速駆動素子のコイルの昇温に伴って共振周波数を変化させることで、モード間結合（つまり、異常共振タイプ１および異常共振タイプ２）の発生を抑制可能であるとの結論が得られた。そこで、本実施形態では、低速駆動素子に印加される重畳高周波を調整するために、合成信号Ｐ３のｆｒ目標値に応じて、駆動信号Ｐ１に重畳される温度調整信号Ｐ２が、あらかじめ重畳信号対応テーブル７２（図５参照）に定義されている。
【００８１】
［４．重畳信号対応テーブル］
図５に示すように、重畳信号対応テーブル７２には、ｆｒ目標値、波形、電流振幅、および周波数を対応付けて記憶されている。ｆｒ目標値は、水平走査素子２６に印加される合成信号Ｐ３の周波数［Ｈｚ］を示す。波形、電流振幅、および周波数は、それぞれ、駆動信号Ｐ１に重畳される温度調整信号Ｐ２の波形、電流振幅Ｉ［ｍＡ］０ｐ、および周波数ｆ［Ｈｚ］を示す。以下、重畳信号対応テーブル７２に定義されている各項目の意義について説明する。
【００８２】
（１）ｆｒ目標値
合成信号Ｐ３のｆｒ目標値は、結合しているモード共振周波数の比に応じて決定される。本実施形態では、重畳信号決定手段７１が、合成信号Ｐ３のｆｒ目標値を決定する。さらに、重畳信号対応テーブル７２を参照して、決定したｆｒ目標値に対応する波形、電流振幅、および周波数を、温度調整信号Ｐ２の波形、電流振幅、および周波数として決定する。
【００８３】
ｆｒ目標値の決定方法について説明する。水平走査素子２６に固有の共振周波数ｆ１ｒ〜ｆ３ｒは、予め行った実験によって判明している。これらの共振周波数ｆ１ｒ〜ｆ３ｒから、モード間結合が発生するか否か、および異常共振タイプ１、２の何れが発生するかを、上述した条件や実験等に基づいて特定できる。
【００８４】
その結果、異常共振タイプ１のみが発生すると特定された場合、「共振周波数比（ｆ２ｒ／ｆ１ｒ）＞２．３」の成立を妨げる周波数が、ｆｒ目標値として決定される。例えば、共振周波数ｆ１ｒが１０００［Ｈｚ］、共振周波数ｆ２ｒが２０００［Ｈｚ］である場合、異常共振タイプ１が発生するおそれがある。この場合、ｆｒ目標値として２３００［Ｈｚ］より大きい周波数（例えば、２４００［Ｈｚ］）が決定される。
【００８５】
なお、異常共振タイプ２のみが発生すると特定された場合、「ｆｄｒｖ−ｆ３ｒ＞３００［Ｈｚ］」の成立を妨げる周波数が、ｆｒ目標値として決定される。異常共振タイプ１、２の両方が発生すると特定された場合、「共振周波数比（ｆ２ｒ／ｆ１ｒ）＞２．３」および「ｆｄｒｖ−ｆ３ｒ＞３００［Ｈｚ］」の成立を妨げる周波数が、ｆｒ目標値として決定される。
【００８６】
（２）波形
温度調整信号Ｐ２の波形は、一つのｆｒ目標値に対して、矩形波と正弦波との２パターンが定義されている。正弦波は、単一周波数成分のみを含むため、制御が細やかにできるというメリットがある。ただし、コイルにジュール熱を発生させる効率が、矩形波よりも劣るというデメリットがある。したがって、コイルに発生させるジュール熱（つまり、水平走査素子２６の温度調整）を正確に行うには、温度調整信号Ｐ２の波形として正弦波が選択されることが好適である。
【００８７】
一方、矩形波は、電力変換効率（つまり、コイルにジュール熱を発生させる効率）が正弦波の２倍であり、かつ回路的に波形生成が容易であるというメリットがある。一方、矩形波に含まれる高調波成分が、低速走査素子の高次共振を励起して、程度は小さいと考えられるものの、ピエゾ信号を不安定にするおそれがあるというデメリットがある。したがって、コイルに発生させるジュール熱（つまり、水平走査素子２６の温度調整）を効率的に行うには、温度調整信号Ｐ２の波形として矩形波が選択されることが好適である。なお、温度調整信号Ｐ２を矩形波で生成する場合には、ローパスフィルタ等を用いた帯域制限を行って信号に含まれる周波数成分の強度を調整したり、波形のｄｕｔｙ比を調整することで電力供給効率を変えたりすることで、温度調整信号Ｐ２を最適な帯域で生成することができ、供給電力の制御も容易となる。
【００８８】
このように、一つのｆｒ目標値に対して異なる特性を有する波形を設けておくことで、水平走査素子２６の温度調整を最適な態様で実現可能である。なお、温度調整信号Ｐ２を正弦波および矩形波のいずれで生成するかは、あらかじめ設計者がＲＯＭ等に定義しておけばよく、切り替え可能にしておいてもよい。
【００８９】
（３）周波数
温度調整信号Ｐ２の周波数は、ｆｒ目標値に対応して、以下の３つの要素を満たすように設定されている。
【００９０】
（３−１）周波数の下限
周波数の下限は、低速走査素子を実質的に駆動可能な周波数よりも高く、且つ、低速走査素子にジュール熱を発生させうる周波数である。つまり、温度調整信号Ｐ２は、低速走査素子が機械応答しないような速い交流であって、ミラーを動かすことなく温度上昇させることが可能な周波数成分を有する。
【００９１】
ここで、温度調整信号Ｐ２の周波数が、直流（ＤＣ）である場合や機械応答するような遅い交流（ＡＣ）である場合、温度調整信号Ｐ２の印加によって低速走査素子が機械的に動作してしまう。そうすると、ミラーにも意図しない揺動が生じて、画像が乱れるおそれがある。そこで、本実施形態では、温度調整信号Ｐ２の周波数を、低速走査素子のコイルが機械応答しないような速い交流としている。具体的には、温度調整信号Ｐ２の周波数は、以下の理由により、低周波側から数えて３番目の共振モードを超える周波数（具体的には、およそ５００００［Ｈｚ］以上）であればよい。
【００９２】
低速駆動素子に固有の共振モード（図５参照）のうち、低周波側から数えて４番目以降の共振モードは、実験的に機械振幅が極めて小さいことが明らかとなっており、異常共振の発生に主要な寄与をしない。さらに、一般に周波数応答は周波数が高いほど小さくなる。これらのことから、４番目以降の共振モードは、異常共振の発生原因としては無視できる。そうすると、異常共振を生じる可能性が高い共振モードは、低周波側から数えて３番目の共振モード（本実施形態では、３番モード）までである。つまり、温度調整信号Ｐ２の周波数は、低周波側から数えて３番目の共振モードを超える周波数であればよい。そして、温度調整信号Ｐ２の周波数がおよそ５００００［Ｈｚ］以上であれば、低周波側から数えて３番目の共振モードの発生が十分に抑制されていることが、実験的に明らかとなっている。
【００９３】
（３−２）周波数の上限
低速駆動素子は、捻れ梁部で支持されたミラーを、駆動信号に基づいて揺動させる電気・機械変換素子である（図３参照）。そのため、本来、低速駆動素子の駆動回路は、機械系の等価回路を共振モードごとに考慮して設定すべきである。しかし、上記のように温度調整信号Ｐ２の周波数の下限を定義した結果、温度調整信号Ｐ２によって捻れ梁部で支持されたミラーが揺動することが抑制されるため、低速駆動素子の機械的特性はほぼ無視できる。そうすると、低速駆動素子の駆動回路を、図１６に示すように、電気的特性のみを考慮した等価回路として設定できる。
【００９４】
図１６に示すように、低速駆動素子の電気的特性のみを考慮した等価回路は、交流電圧源Ｖが抵抗Ｒ１を介して、直列に接続された抵抗Ｒ２およびコイルＬとコンデンサＣとに並列接続されている。図示しないが、低速駆動素子のコイルは、ミラー上に絶縁膜を挟んで巻回された２層の巻線を有する。抵抗Ｒ１は、捻れ梁部に配設された導線に対応し、非常に小さい抵抗値を示す。抵抗Ｒ２は、２層の巻線の抵抗成分に対応する。２層の巻線は、インダクタとして機能するため、コイルＬに対応する。２層の巻線（つまり、導体）に挟まれた絶縁膜という構造は、寄生容量としてコンデンサＣに対応する。
【００９５】
上記の等価回路では、交流電圧源Ｖから印加される周波数が大きいほど、コイルＬのインダクタンスが大きくなり、コイルＬよりもコンデンサＣの方を流れる電流の割合が増大する。つまり、周波数が大きいほど、コイルＬで発生するジュール熱が小さくなる。このように、高周波であるほど無効電力が増大するから、コイルＬでジュール熱を効率的に発生させることができる周波数の上限を、周波数の上限として定めることが好適である。つまり、上記の等価回路で定められるカットオフ周波数ｆｃを、周波数の上限として定めることが好適である。
【００９６】
そこで、上記の等価回路を仮定して、そのインピーダンスｆ特性を測定した。その結果、図１７に示すように、１００００〜２０００００［Ｈｚ］の範囲内で「抵抗Ｒ＜＜リアクタンスＸ」となり、「リアクタンスＸ／抵抗Ｒ（％）」が±０．０２の範囲に収まる結果が得られた。つまり、１００００〜２０００００［Ｈｚ］の範囲内で、上記の等価回路を純抵抗とみなせる（つまり、コイルＬの発熱効率が高い）ことが明らかとなった。したがって、周波数の上限は、１００００〜２０００００［Ｈｚ］の範囲に設定することができる。
【００９７】
（３−３）高速駆動素子の共振周波数との関係
高速駆動素子と低速駆動素子とを各々独立した１軸で支持する光走査装置や、高速駆動素子と低速駆動素子とが一体化された駆動素子、すなわち揺動部を略直交２軸で支持する光走査装置では、低速駆動素子の駆動時の振動が高速駆動素子に伝わる。このとき、低速駆動素子の振動が、高速駆動素子の駆動制御に悪影響を及ぼすおそれがある。そのため、低速駆動素子の周波数は、高速駆動素子に固有の共振周波数成分を含まないことが好適である。
【００９８】
図１８に示す例の高速駆動素子では、駆動周波数［Ｈｚ］と速度［ｍ／ｓｅｃ］との関係から、例えば２０００［Ｈｚ］、１２５００［Ｈｚ］、２４０００［Ｈｚ］、３３０００［Ｈｚ］等を共振周波数として特定できる。よって、これらの共振周波数の半値幅およびセンター値を考慮して、低速駆動素子の周波数から除外する周波数の範囲を設定することが好ましい。これにより、高速駆動素子の駆動に悪影響を及ぼすことなく、低速駆動素子の駆動制御および温度調整を実現できる。
【００９９】
（４）電流振幅
温度調整信号Ｐ２の電流振幅は、上記の昇温有効性の検証結果で説明したように、コイルに発生させるジュール熱の大きさを決定する要素である。したがって、温度調整信号Ｐ２の電流振幅は、ｆｒ目標値を達成するのに必要なジュール熱をコイルに発生させる振幅値を示す。以下の理由により、温度調整信号Ｐ２の電流振幅には、対応するｆｒ目標値が小さくなるのに伴ってより小さな振幅値が設定されている。
【０１００】
上述したように、温度調整信号Ｐ２の周波数が高いほどリアクタンスＸが上昇する一方、ジュール熱を発生させる抵抗Ｒが低下する。よって、温度調整信号Ｐ２の周波数が高い場合には、温度調整信号Ｐ２の電流振幅を大きくすることで、抵抗Ｒが低下しても十分なジュール熱を発生させることができる。つまり、温度調整信号Ｐ２の電流振幅の上限は、温度調整信号Ｐ２の周波数が上昇するのに伴って発熱効率が下がるのを補うように増大することが好適である。これにより、温度調整信号Ｐ２の周波数が高くなっても、低速走査素子で十分なジュール熱を発生させることができる。
【０１０１】
［５．温度調整処理］
図１９および図２０を参照して、駆動信号コントローラ１１のＣＰＵ１１１が実行する駆動処理について説明する。以下では、レーザ群１３等の複数のデバイスの駆動を制御するためにＣＰＵ１１１が実行する処理のうち、水平走査素子２６の駆動を制御する処理について説明する。駆動信号コントローラ１１のＣＰＵ１１１は、画像の表示を開始させる指示を制御部５０から入力すると、ＲＯＭ１１２に記憶されているプログラムに従って、図１９に示す駆動処理を開始する。
【０１０２】
なお、図１９に示す駆動処理を実行するＣＰＵ１１１が、低速スキャナコントローラ５２（図４参照）として機能する。図１９に示す駆動処理の実行中は、ピエゾセンサ３２から出力されるピエゾ信号に基づいて、ノッチフィルタ６２（図４参照）が調整される。
【０１０３】
図１９に示すように、まず水平走査素子２６の起動制御が実行される（Ｓ１）。ステップＳ１では、所定の水平駆動信号（例えば、６０Ｈｚの鋸波形信号）が水平走査素子２６に入力されて、ミラー２７の揺動を開始させる。ステップＳ１の実行後、ＬＳ共振周波数調整要求ありか否かが判断される（Ｓ３）。本実施形態では、例えばユーザが画像調整を目的として所定の操作を行った場合に、制御部５０から駆動信号コントローラ１１にＬＳ共振周波数調整要求が出力される。制御部５０から出力されたＬＳ共振周波数調整要求が受信された場合、ＬＳ共振周波数調整要求ありと判断される（Ｓ３：ＹＥＳ）。一方、制御部５０からＬＳ共振周波数調整要求を受信した場合、または既に受信しているＬＳ共振周波数調整要求が例えばユーザの操作によって解除された場合、ＬＳ共振周波数調整要求なしと判断される（Ｓ３：ＮＯ）。
【０１０４】
ＬＳ共振周波数調整要求がない場合（Ｓ３：ＮＯ）、定常制御が実行される（Ｓ５）。この場合、従来の低速走査素子の駆動制御と同様の処理が行われる。すなわち、駆動元波形にノッチフィルタ処理を行なった鋸波形の駆動信号Ｐ１（図６参照）が生成される。駆動信号Ｐ１が、図示外のＤ／Ａ変換器によりアナログ変換されて、さらにパワーアンプ６３により増幅されて、水平駆動信号が生成される。水平駆動信号が水平走査素子２６に入力されて、ミラー２７の揺動が制御される。この場合、水平走査素子２６では、通常の画像走査が実行される。
【０１０５】
一方、ＬＳ共振周波数調整要求がある場合（Ｓ３：ＹＥＳ）、図２０に示すＬＳ共振周波数調整処理が実行される（Ｓ７）。図２０に示すように、まず目標共振周波数（ｆｒ目標値）が決定される（Ｓ２１）。ｆｒ目標値は、先述したように、結合しているモード共振周波数の比に応じて決定される。重畳信号対応テーブル７２を参照して、ステップＳ２１で決定されたｆｒ目標値に対応する波形、電流振幅、および周波数が決定される（Ｓ２３）。ステップ２３で決定された波形、電流振幅、および周波数で高周波（温度調整信号Ｐ２）が生成されて、駆動信号Ｐ１に加算される（Ｓ２５）。ステップ２５で生成された信号（合成信号Ｐ３）が出力され（Ｓ２７）、図示外のＤ／Ａ変換器によりアナログ変換されて、さらにパワーアンプ６３により増幅されて、水平駆動信号が生成される。水平駆動信号が水平走査素子２６に入力されて、ミラー２７の揺動が制御される。この場合、水平走査素子２６では、通常の画像走査が実行され、且つｆｒ目標値に応じたジュール熱がコイルに発生して異常共振が抑制される。ステップ２５の実行後、ＬＳ共振周波数調整処理は終了して、図１９に示す駆動処理に戻る。
【０１０６】
ステップＳ５またはステップＳ７の実行後、終了指令ありか否かが判断される（Ｓ９）。例えば、ユーザが所定の終了操作を行った場合、制御部５０から駆動信号コントローラ１１に終了指令が出力される。制御部５０から出力された終了指令が受信された場合、終了指令ありと判断される（Ｓ９：ＹＥＳ）。この場合、図１９に示す駆動制御が終了される。一方、終了指令がない場合（Ｓ９：ＮＯ）、処理はステップＳ３に戻る。
【０１０７】
なお、本実施形態では、ＬＳ共振周波数調整要求ありと判断された場合は（Ｓ３：ＹＥＳ）、終了指令ありと判断されるか（Ｓ９：ＹＥＳ）、またはＬＳ共振周波数調整要求が解除されるまで（Ｓ３：ＮＯ）、図２０に示すＬＳ共振周波数調整処理（Ｓ７）が継続して実行される。この場合、目標共振周波数（Ｓ２１）および波形等決定（Ｓ２３）は、初回のＬＳ共振周波数調整処理（Ｓ７）のみで実行されればよい。これにより、ＬＳ共振周波数調整要求の受信後は、水平走査素子２６の加熱状態が維持されて、共振異常が継続的に抑制される。ＬＳ共振周波数調整要求の解除後は（Ｓ３：ＮＯ）、定常制御（Ｓ５）によって通常の表示制御が再開される。
【０１０８】
以上説明したように、本実施形態に係るヘッドマウントディスプレイ１は、高速走査素子である垂直走査素子２１と、低速走査素子である水平走査素子２６とを備えている。水平走査素子２６を周期的な揺動をするように駆動するための駆動信号Ｐ１に、水平走査素子２６に固有の共振周波数を変化させるための温度調整信号Ｐ２が重畳されて、合成信号Ｐ３が生成される。したがって、加熱素子等を設けなくても、合成信号Ｐ３で水平走査素子２６の強制駆動と異常共振の抑制とを実現することができる。そのため、水平走査素子２６の異常共振を簡易な構成で抑制することができる。
【０１０９】
上記実施形態において、レーザ群１３が本発明の「光源部」に相当する。垂直走査素子２１が本発明の「高速走査素子」に相当する。水平走査素子２６が本発明の「低速走査素子」に相当する。ヘッドマウントディスプレイ１が本発明の「画像表示装置」に相当する。駆動元波形生成手段６１およびノッチフィルタ６２が、本発明の「基礎波形信号生成手段」に相当する。高周波発生手段７３が、本発明の「信号重畳手段」に相当する。水平走査駆動部２８が、本発明の「駆動手段」に相当する。重畳信号決定手段７１および重畳信号対応テーブル７２が、本発明の「発熱信号制御手段」に相当する。後述の変形例において、ピエゾセンサ３２が本発明の「揺動検出手段」に相当し、リンギング値算出手段６５が本発明の「リンギング情報取得手段」に相当する。
【０１１０】
本発明は上記実施の形態に限定されることはなく、様々な変形が可能であることは言うまでもない。例えば、重畳信号対応テーブル７２のデータ構成は、上述した条件を満たす範囲で、開発者やユーザが自由に設定し、変更し、編集することができる。
【０１１１】
また、水平走査素子２６の駆動を制御する処理は、図１９に示す駆動処理に限定されず、図２１に示す駆動処理を行ってもよい。図２１に示す駆動処理では、まずステップＳ１と同様に起動制御が実行される（Ｓ１０１）。ステップＳ１０１の実行後、図２０に示すＬＳ共振周波数調整処理が実行される（Ｓ１０３）。ただし、ステップＳ１０３で実行される共振周波数調整処理は、ｆｒ目標値を達成可能な程度の周期だけ実行される。
【０１１２】
このように、本変形例では、水平走査素子２６の駆動開始直後にＬＳ共振周波数調整処理が実行されて、水平走査素子２６でジュール熱が発生する（Ｓ１０３）。その結果、ヘッドマウントディスプレイ１では、起動開始直後から異常共振が抑制され、ユーザは鮮明な画像を見ることができる。また、ＬＳ共振周波数調整要求があるか否かを判断する必要がないため、異常共振を簡易な制御で抑制することができる。
【０１１３】
ステップＳ１０３の実行後、リンギング値の取得ありか否かが判断される（Ｓ１０５）。具体的には、ピエゾセンサ３２から所定周期で出力されるピエゾ信号に基づいて、リンギング値算出手段６５がリンギング値を算出すると、リンギング値の取得ありと判断される（Ｓ１０５：ＹＥＳ）。リンギング値の取得がない場合（Ｓ１０５：ＮＯ）、ステップＳ５と同様に定常制御が実行される（Ｓ１０７）。リンギング値の取得がある場合（Ｓ１０５：ＮＯ）、図２０に示すＬＳ共振周波数調整処理が実行される（Ｓ１０９）。ただし、ステップＳ１０９で実行される共振周波数調整処理は、ｆｒ目標値を達成可能な程度の周期だけ実行される。このよう、本変形例では、所定周期で実行されるリンギング値の取得と同期して水平走査素子２６でジュール熱が発生するため、異常共振をより確実に抑制することができる。
【０１１４】
ステップＳ１０７またはステップＳ１０９の実行後、ステップＳ９と同様に、終了指令ありか否かが判断される（Ｓ１１１）。終了指令がある場合（Ｓ１１１：ＹＥＳ）、図２１に示す駆動制御が終了される。一方、終了指令がない場合（Ｓ１１１：ＮＯ）、処理はステップＳ１０５に戻る。なお、本変形例では、水平走査素子２６の駆動開始直後と、リンギングの検出時との両方でＬＳ共振周波数調整処理（図２０参照）が実行されているが、いずれか一方のみが実行されてもよい。水平走査素子２６の駆動開始直後に実行する場合は、ＬＳ共振周波数調整処理（図２０）が継続的に実行されることが好適である。
【０１１５】
また、水平走査素子２６のリンギングを検出する手段は、ピエゾセンサ３２に限定されない。例えば、電極をミラー２７の底部等に取り付け、その電極に対向する基板９３に電極を取り付けて、これらの電極間に生じる静電容量を検出するようにすることでミラー２７の揺動信号波形を取得してもよい。この場合、リンギング値算出手段６５、揺動信号波形に基づいてリンギング値を算出すればよい。
【符号の説明】
【０１１６】
１ ヘッドマウントディスプレイ
１１ 駆動信号コントローラ
１３ レーザ群
２１ 垂直走査素子
２２ ミラー
２３ 垂直走査駆動部
２６ 水平走査素子
２７ ミラー
２８ 水平走査駆動部
３２ ピエゾセンサ
６０ 制御モジュール
６１ 駆動元波形生成手段
６２ ノッチフィルタ
６５ リンギング値算出手段
６６ フィルタパラメータサーチ手段
７１ 重畳信号決定手段
７２ 重畳信号対応テーブル
７３ 高周波発生手段
７４ 加算器
【技術分野】
【０００１】
本発明は、画像信号に応じた光を光走査素子で２次元走査して画像を表示する画像表示装置に関し、より詳細には、低速走査素子の反射ミラーを非共振モードで強制駆動する画像表示装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、画像信号に基づいて生成した光（以下、「画像光」と呼ぶ。）をガルバノミラーなどの光走査素子を用いて２次元走査して画像を表示する光走査型の画像表示装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。特許文献１に記載の画像表示装置では、共振型の高速走査素子（主走査素子）の反射ミラーを共振周波数ｆｒで共振揺動させて、画像光を主走査方向に走査する。さらに、低速走査素子（副走査素子）の反射ミラーを、鋸波形状の波形信号によって非共振で強制駆動する。これにより、低速走査素子の反射ミラーが揺動して、高速走査素子によって走査された画像光を副走査方向に走査する。
【０００３】
このような光走査型の画像表示装置に用いられる光走査素子の反射ミラーは、弾性のある梁部材を介して固定部材に揺動可能に支持されているため、反射ミラーおよび梁部材で決まる固有の共振周波数が存在する。このような共振周波数に近い成分が低速走査素子の反射ミラーを強制駆動する信号（低速駆動信号）に含まれていると、低速駆動信号により低速走査素子の共振振動が誘起されるので、行わせたい低速走査素子の運動に、望ましくない共振振動が重畳してしまう現象（リンギング）が発生しやすい。
【０００４】
このような画像表示装置では、反射ミラーの揺動を検出する揺動検出素子（例えば、ピエゾ素子）が、低速走査素子に設けられている。低速走査素子に重畳されるリンギングは、揺動検出素子から出力される検出信号に基づいて検出される。そこで、検出信号に基づいて検出されるリンギング値に基づいて、低速駆動信号にノッチフィルタ等によるフィルタリング処理を行なうことで、低速駆動信号の共振周波数付近の周波数成分を除去して共振振動の誘起を抑え、ひいてはリンギングを抑制することが知られている（例えば、特許文献２参照。）。
【０００５】
また、反射面を持つ可動子を共振周波数で正弦振動させて光を偏向する光偏向器が知られている（例えば、特許文献３参照）。このような光偏向器では、用途によって一定周波数の駆動が望ましい場合がある。そのため、特許文献３には、共振周波数を安定させるために、加熱素子への通電量を制御して可動子の弾性支持部の温度を調整することで、弾性梁のねじり剛性を制御することが開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００３−３０２５９０号公報
【特許文献２】特開２００４−３６１９２０号公報
【特許文献３】特開２００７−１７１９２９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、低速走査素子の持つ固有の共振周波数には、運動の様式が異なる複数の共振モード（ネジレ共振モード、縦方向共振モード、横方向共振モード、多方向の共振モード、およびそれらの高次モードなど）が含まれている。低速走査素子の駆動においては、ネジレ共振モードの振幅がほかのモードに対して大きいので、ネジレ共振モードのみを抑制するよう制御を行えば十分である事が多い。しかしながら低速走査素子の有する複数の共振モード間に結合が生じると、揺動検出素子から出力される検出信号が異常な振る舞いをすることがあった。そうすると、低速走査素子に重畳されるリンギングが単純な減衰のあるネジレ振動であるとみなせない場合があった。また、低速走査素子外部からの振動源（例えば、同一の部材に固定されている高速走査素子）により、意図しない共振モードが誘起され、他のモードと結合してリンギングが単純な減衰のあるネジレ振動とみなせなくなる場合があった。
【０００８】
例えば、ネジレ振動の共振周波数ｆ１ｃと、縦方向共振の共振周波数ｆ２ｃとの比（ｆ２ｃ／ｆ１ｃ）が「２．０」付近となった場合、上記の「モード間結合」が起きる（異常共振タイプ１と称する）。また、低速走査素子と同一の固定部材に取り付けられた、高速走査素子の反射ミラーを駆動する信号（高速駆動信号）の周波数が、横方向共振の共振周波数ｆ３ｃ以上である場合にも、光速走査素子の振動が低速走査素子に伝わって、横方向高次共振が励起される結果、上記「モード間結合」が起きる（異常共振タイプ２と称する）。
【０００９】
このように、低速走査素子に異常共振が生じた場合、公知のフィルタリング処理を行ってもリンギングを適切に抑制することができなくなるおそれがあった。なお、特許文献３では、可動子を温度制御することで共振周波数を調整しているが、加熱素子を別途設ける必要があり、コストや工数のアップの懸念があると共に、可動子が重くなったりして特性の劣化にも繋がるおそれがある。さらに、非共振モードで強制的に駆動される低速走査素子については、特許文献３と同様の温度制御を行っても、低速走査素子の異常共振を抑制することができない。ひいては、モード間結合による検出信号の異常を抑制できないため、特許文献２に開示のような検出信号に基づくリンギング制御も正常に機能せず、画像品質が劣化するおそれがあった。
【００１０】
本発明の目的は、低速走査素子の異常共振に起因する画像品質の劣化を簡易な構成で抑制することができる画像表示装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明の一態様に係る画像表示装置は、画像信号に応じた強度の光を出射する光源部と、前記光源部から出射された光を共振揺動によって第１方向に相対的に高速に走査する高速走査素子と、駆動信号に応じて強制的に揺動することで、前記高速走査素子によって走査された光を前記第１方向と略直交する第２方向に相対的に低速に走査する低速走査素子とを備えた画像表示装置であって、周期的な基礎波形信号を生成する基礎波形信号生成手段と、前記低速走査素子を実質的に駆動可能な周波数よりも高い周波数成分であって、前記低速走査素子にジュール熱を発生させうる周波数成分を有する温度調整信号を生成し、前記基礎波形信号に重畳する信号重畳手段と、前記発熱信号重畳手段によって前記基礎波形信号に前記温度調整信号を重畳された駆動信号によって、前記低速走査素子を駆動する駆動手段と、前記発熱信号を変化させることで前記低速走査素子固有の共振周波数を変化させ、前記低速走査素子が前記基礎波形信号に対応する周期的な揺動をするように制御する発熱信号制御手段とを備えている。
【００１２】
これによれば、高速走査素子および低速走査素子を備えた画像表示装置において、低速走査素子を周期的な揺動をするように駆動するための基礎波形信号に、低速走査素子固有の共振周波数を変化させるための温度調整信号が重畳される。したがって、低速走査素子の強制駆動と異常共振の発生抑制とを、一の合成信号で実現することができる。そのため、加熱素子等を設けない簡易な構成で、低速走査素子の異常共振に起因する画像品質の劣化を抑制することができる。
【００１３】
前記画像表示装置において、前記温度調整信号の周波数は、前記低速走査素子の共振周波数のうち、低周波側から数えて３番目の共振周波数を超えるようにしてもよい。この場合、温度調整信号によって低速走査素子が機械応答することを抑制できるため、画像品質を維持しつつ異常共振を抑制できる。
【００１４】
前記画像表示装置において、前記温度調整信号の周波数は、前記低速走査素子を含む等価回路で定まるカットオフ周波数ｆｃよりも小であってもよい。この場合、低速走査素子で効率的にジュール熱を発生させることができる。
【００１５】
前記画像表示装置において、前記温度調整信号の電流振幅の上限は、前記温度調整信号の周波数が上昇するのに伴って増大してもよい。この場合、温度調整信号の周波数が高くなると発熱効率が下がるのを補うように電流振幅が高くなる。そのため、温度調整信号の周波数が高くなっても、低速走査素子で十分なジュール熱を発生させることができる。
【００１６】
前記画像表示装置において、前記温度調整信号の周波数は、前記高速走査素子の共振周波数とは異なる周波数であってもよい。この場合、温度調整信号が高速走査素子の駆動制御に悪影響を及ぼすことを抑制できる。
【００１７】
前記画像表示装置において、前記低速走査素子の揺動状態を検出する揺動検出手段と、前記揺動検出手段の検出結果に基づいて、リンギングの有無を含むリンギング情報を取得するリンギング情報取得手段とを備え、前記信号重畳手段は、前記リンギング情報取得手段によって前記リンギング情報が取得されるごとに、前記温度調整信号を生成して前記基礎波形信号に重畳してもよい。この場合、リンギングの検出時に低速走査素子でジュール熱が発生して共振周波数を制御するため、異常共振をより確実に抑制することができる。
【００１８】
前記画像表示装置において、前記信号重畳手段は、前記画像表示装置の起動時に、前記温度調整信号を生成して前記基礎波形信号に重畳してもよい。この場合、画像表示装置の起動時に低速走査素子でジュール熱が発生するため、異常共振を簡易な制御で抑制することができる。
【００１９】
前記画像表示装置において、前記温度調整信号の波形は、矩形波であってもよい。この場合、温度調整信号の周波数などを変更しやすく、ジュール熱の発生効率を高めることができる。
【００２０】
前記画像表示装置において、前記温度調整信号は、所定の周波数範囲に帯域制限され、または所定範囲にｄｕｔｙ比が調整されてもよい。この場合、温度調整信号を最適な帯域で生成することができ、供給電力の制御も容易となる。
【００２１】
前記画像表示装置において、前記温度調整信号の波形は、正弦波であってもよい。この場合、波形生成に関する細かな制御が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】ヘッドマウントディスプレイ１の電気的構成を示すブロック図である。
【図２】表示部１０が画像光を射出する過程を説明する説明図である。
【図３】水平走査素子２６の斜視図である。
【図４】駆動信号コントローラ１１の電気的構成を示すブロック図である。
【図５】重畳信号対応テーブル７２のデータ構成を示す図である。
【図６】駆動信号Ｐ１の波形を示す図である。
【図７】温度調整信号Ｐ２の波形を示す図である。
【図８】合成信号Ｐ３の波形を示す図である。
【図９】低速駆動素子に固有の共振モードを示す図である。
【図１０】環境温度Ｔと共振周波数比（ｆ２／ｆ１）との関係を示すグラフである。
【図１１】環境温度Ｔと共振周波数ｆ３ｒとの関係を示すグラフである。
【図１２】低速駆動素子を恒温槽に曝した電気回路である。
【図１３】環境温度Ｔと位相差φとの関係を示すグラフである。
【図１４】環境温度Ｔと駆動抵抗値Ｒｄｒｖとの関係を示すグラフである。
【図１５】環境温度Ｔと駆動抵抗値Ｒｄｒｖとの関係を示すグラフである。
【図１６】低速駆動素子の電気的特性を示す等価回路である。
【図１７】図１６に示す等価回路のインピーダンスｆ特性を測定したグラフである。
【図１８】高速駆動素子の駆動周波数と揺動速度との関係を示すグラフである。
【図１９】水平走査素子２６の駆動処理を示すフローチャートである。
【図２０】ＬＳ共振周波数調整処理を示すフローチャートである。
【図２１】変形例における、水平走査素子２６の駆動処理を示すフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
以下、本発明の一実施の形態について、図面を参照して説明する。参照する図面は、本発明が採用し得る技術的特徴を説明するために用いられるものである。図面に記載されている装置の構成、各種処理のフローチャート等は、それのみに限定する趣旨ではなく、単なる説明例である。
【００２４】
［１．光走査装置］
図１〜図８を参照して、本実施形態に係る光走査装置について説明する。以下では、光走査装置の１つであるヘッドマウントディスプレイ１を例に挙げて説明を行う。ヘッドマウントディスプレイ１は、画像信号に応じて変調されたレーザ光を走査させて、画像光として射出し、ユーザの少なくとも一方の眼の網膜に画像を直接投影する網膜走査型ディスプレイである。しかし、本発明が適用できるのはヘッドマウントディスプレイ１に限られない。画像を表示するためのレーザ光を走査する光走査装置であれば、本発明は適用できる。例えば、走査したレーザ光を、投影対象となるスクリーン上に射出して投影するスクリーン走査型の画像表示装置にも、本発明は適用できる。
【００２５】
図１を参照して、ヘッドマウントディスプレイ１の電気的構成について説明する。ヘッドマウントディスプレイ１は、表示部１０、入力部４０、通信部４３、制御部５０、ビデオＲＡＭ５８、フラッシュメモリ５４、および電源部５５を備える。
【００２６】
表示部１０は、ユーザに画像を視認させる部位である。表示部１０は、駆動信号コントローラ１１、レーザ群１３、およびレーザドライバ群１２を備える。駆動信号コントローラ１１は、ＣＰＵ１１１、ＲＯＭ１１２、およびＲＡＭ１１３を備える。駆動信号コントローラ１１では、ＲＯＭ１１２に格納されたプログラムがＣＰＵ１１１によって読み出されることで、表示部１０を駆動するための各種処理が行われる。具体的には、駆動信号コントローラ１１は、制御部５０から画像信号を入力し、入力した信号に応じて、レーザドライバ群１２に駆動信号（輝度信号）を出力する。さらに、駆動信号コントローラ１１は、後述する垂直走査素子２１および水平走査素子２６を揺動させるための条件（例えば、垂直走査素子２１の駆動周波数および振れ角）を決定し、垂直走査駆動部２３および水平走査駆動部２８に駆動信号を出力する（詳細は後述する）。
【００２７】
レーザ群１３は、青色出力レーザ（Ｂレーザ）１３１、緑色出力レーザ（Ｇレーザ）１３２、および赤色出力レーザ（Ｒレーザ）１３３を含む。レーザ群１３は、青色、緑色、および赤色のレーザ光を出力する。レーザドライバ群１２は、駆動信号コントローラ１１から受信した駆動信号に応じてレーザ群１３を制御し、レーザ群１３にレーザ光を出力させる。つまり、制御部５０がヘッドマウントディスプレイ１の全体制御を司り、駆動信号コントローラ１１は、制御部５０から入力する画像信号に応じて画像表示の処理を制御する。
【００２８】
表示部１０は、垂直走査素子２１、垂直走査駆動部２３、水平走査素子２６、および水平走査駆動部２８を備える。垂直走査素子２１は、ミラー２２（図２参照）を揺動軸周りに揺動することで、レーザ群１３から出力されたレーザ光を垂直方向（本実施形態の主走査方向）に走査する。垂直走査駆動部２３は、駆動信号コントローラ１１から受信した駆動信号に応じて、垂直走査素子２１を高速で共振揺動させる。つまり、垂直走査素子２１は、レーザ群１３から出射されたレーザ光を共振揺動によって主走査方向に相対的に高速に走査する高速走査素子である。
【００２９】
水平走査素子２６は、ミラー２７（図２参照）を揺動軸周りに揺動することで、垂直走査素子２１によって垂直方向に二次元走査されたレーザ光を、さらに水平方向（本実施形態の副走査方向）に走査する。水平走査駆動部２８は、駆動信号コントローラ１１から受信した駆動信号に応じて、水平走査素子２６を強制的に低速揺動させる。つまり、水平走査素子２６は、駆動信号に応じて強制的に揺動することで、垂直走査素子２１によって走査されたレーザ光を副走査方向に相対的に低速に走査する低速走査素子である。
【００３０】
表示部１０は、垂直走査素子２１によって反射されたレーザ光（主走査方向に走査されたレーザ光）を検出するＢＤ（ビームディテクト）センサ３１（図４参照）を備える。つまり、ＢＤセンサ３１は、レーザ光の主走査方向における基準位置（基準タイミング）を検出するために設けられている。ＢＤセンサ３１によってレーザ光が所定の位置に到達したことを検出された場合、ＢＤ信号が駆動信号コントローラ１１に出力される。駆動信号コントローラ１１は、ＢＤ信号の入力結果に基づいて、垂直走査素子２１の走査角の最大値である振れ角を検出する。さらに、駆動信号コントローラ１１は、ＢＤ信号の入力結果に基づいて、レーザ群１３からレーザ光を出力するタイミングを決定する。
【００３１】
表示部１０は、水平走査素子２６のミラー２７を駆動する捻れ梁部９４（図３参照）の変位を検出することで、水平走査素子２６の揺動状態を検出する圧電素子であるピエゾセンサ３２を備える。ピエゾセンサ３２は、水平走査素子２６の共振周波数や揺動周波数、揺動振幅など揺動状態を示すピエゾ信号を、駆動信号コントローラ１１に出力する。駆動信号コントローラ１１は、ピエゾ信号が示す共振周波数などに基づいて、ノッチフィルタ６２（図４参照）を調整する。
【００３２】
表示部１０は、レーザドライバ群１２から出力されるレーザ光の強度を検出するＲＧＢ用フォトダイオード３３（図４参照）を備える。ＲＧＢ用フォトダイオード３３は、レーザ光の強度を示すパワー検出信号を、駆動信号コントローラ１１に出力する。駆動信号コントローラ１１は、パワー検出信号が示すレーザ光の強度に基づいて、レーザドライバ群１２を調整する。
【００３３】
入力部４０は、ユーザからの各種操作指示の入力を受け付ける部位である。入力部４０は、操作ボタン群４１および入力制御回路４２を備える。入力制御回路４２は、操作ボタン群４１のボタンが操作されたことを検出する。入力制御回路４２は、制御部５０と電気的に接続されており、ボタン操作に関する情報を制御部５０に出力する。
【００３４】
通信部４３は、画像情報等の送受信を行う部位である。通信部４３は、通信モジュール４４および通信制御回路４５を備える。通信モジュール４４は、外部機器との間の無線通信または有線通信によって、画像情報等の送受信を行う。通信制御回路４５は、通信モジュール４４の動作を制御する。通信制御回路４５は、制御部５０と電気的に接続されており、制御部５０に画像情報を取得させる。
【００３５】
制御部５０は、ヘッドマウントディスプレイ１の全体の制御を司る。制御部５０は、図示しないＣＰＵ、ＲＯＭ、およびＲＡＭを備える。制御部５０では、ＲＯＭに格納されたプログラムがＣＰＵによって読み出されることで、ヘッドマウントディスプレイ１の動作を制御するための各種処理が行われる。ビデオＲＡＭ５８には、画像情報に含まれるイメージデータが展開される。フラッシュメモリ５４は、ヘッドマウントディスプレイ１で使用される機能の各種設定値等を記憶する。
【００３６】
電源部５５は、電池５６および充電制御回路５７を備える。電池５６は、ヘッドマウントディスプレイ１を駆動させるための電源となる充電式の電池である。充電制御回路５７は、電池５６からヘッドマウントディスプレイ１への電力供給の制御、および充電用アダプタ（図示せず）から電池５６への充電の制御を行う。
【００３７】
図２を参照して、表示部１０が画像光を射出する過程の概要について説明する。表示部１０は、光源ユニット部１８、コリメート光学系１９、垂直走査系２０、第一リレー光学系２４、水平走査系２５、および第二リレー光学系２９を備える。
【００３８】
光源ユニット部１８は、駆動信号コントローラ１１、レーザドライバ群１２、レーザ群１３、コリメート光学系１４、ダイクロイックミラー群１５、および結合光学系１６を備える。駆動信号コントローラ１１は、例えば、制御部５０によってビデオＲＡＭ５８に展開されたイメージデータの画像信号を、表示すべき画像を構成する画素毎に読み出して、駆動信号である輝度信号を生成すると共に、垂直駆動信号、および水平駆動信号を生成する。駆動信号コントローラ１１は、生成した輝度信号（Ｂ輝度信号、Ｇ輝度信号、およびＲ輝度信号）をレーザドライバ群１２（Ｂレーザドライバ１２１、Ｇレーザドライバ１２２、およびＲレーザドライバ１２３）に出力する。さらに、垂直駆動信号を垂直走査駆動部２３に出力し、水平駆動信号を水平走査駆動部２８に出力する。ただし、駆動信号コントローラ１１は、先述したように、入力されるＢＤ信号、ピエゾ信号、およびパワー検出信号に応じた各種調整を行う。
【００３９】
レーザドライバ群１２は、入力された輝度信号に基づいて、強度変調されたレーザ光をレーザ群１３に出力させる。レーザ群１３が出力したレーザ光は、コリメート光学系１４に入射する。コリメート光学系１４の３つのコリメートレンズ１４１〜１４３は、レーザ群１３が出力した３色（青色、緑色、赤色）のレーザ光のそれぞれを平行光にコリメートする。コリメート光学系１４によってコリメートされたレーザ光は、ダイクロイックミラー群１５に入射する。ダイクロイックミラー群１５の３つのダイクロイックミラー１５１〜１５３は、コリメートされた３色のレーザ光を１つのレーザ光になるように合波する。合波されたレーザ光は、結合光学系１６によって光ファイバ１７に導かれる。
【００４０】
光ファイバ１７を伝達したレーザ光は、コリメート光学系１９によって平行光にコリメートされて、垂直走査系２０に入射する。本実施形態の垂直走査系２０は、表示すべき画像の１走査線ごとに、レーザ光を垂直方向（主走査方向）に走査する。垂直走査系２０は、水平走査系２５よりも高速に（すなわち、高周波数で）レーザ光を走査するように設計されている。垂直走査系２０に入射したレーザ光は、垂直走査素子２１のミラー２２に照射される。垂直走査駆動部２３は、駆動信号コントローラ１１から入力された垂直駆動信号に従って、ミラー２２を共振揺動させる。その結果、ミラー２２に照射されたレーザ光は、垂直方向に高速で走査される。前述したように、ＢＤセンサ３１は、垂直走査素子２１によって垂直走査されたレーザ光を検出することで、レーザ光の主走査方向における基準位置（基準タイミング）を検出する。
【００４１】
垂直走査されたレーザ光は、第一リレー光学系２４を介して水平走査系２５に入射する。本実施形態の水平走査系２５は、表示すべき画像の１フレーム毎に、レーザ光を最初の走査線から最後の走査線に向かう水平方向（副走査方向）に走査する。水平走査系２５に入射したレーザ光は、水平走査素子２６のミラー２７に照射される。水平走査駆動部２８は、駆動信号コントローラ１１から入力された水平駆動信号に従って、ミラー２７を強制揺動させる。その結果、ミラー２７に照射されたレーザ光は、水平方向に走査される。
【００４２】
垂直走査系２０および水平走査系２５によって二次元走査されたレーザ光のうち、画像を表示させるためのレーザ光である画像光は、第二リレー光学系２９を介してハーフミラー３８に射出される。画像光は、ハーフミラー３８によって全反射されてユーザの瞳孔３９に導かれる。その結果、ビデオＲＡＭ５８（図１参照）に展開されたイメージデータに基づく画像が、ユーザの網膜上に形成される。ユーザは、二次元走査されて網膜上に投影されたレーザ光による画像を視認することができる。
【００４３】
図３を参照して、水平走査素子２６の物理的構造について説明する。本実施形態の水平走査素子２６は、所謂シリコンＭＥＭＳである（例えば、特開２０１０−７８８２４号公報参照）。水平走査素子２６は、ミラー２７、枠９１、支持部９２、永久磁石９３、コイル（図示外）を備える。ミラー２７は四角形状を有し、その表面に反射面が形成されている。ミラー２７は、２辺に連結する支持部９２により支持されている。支持部９２は、枠９１に連結して支持されている。つまり、ミラー２７は、２つの支持部９２を介して枠９１に揺動可能に支持されている。なお、２つの支持部９２が枠９１にそれぞれ連結される位置に、ミラー２７の揺動を検出するためのピエゾセンサ３２が設けられている。
【００４４】
ミラー２７の揺動軸に平行な２辺に近接して、永久磁石９３が設置されている。永久磁石９３の磁界は、静止状態のミラー２７の反射面に平行し、ミラー２７の揺動軸に直交する方向である。ミラー２７の反射面と反対側の裏面には、コイル（図示外）が形成されている。コイルの電極は、２つの支持部９２を介して外部に接続する。コイルに電流を流すと、流す電流、極性に応じてミラー２７の揺動軸を回転軸としたローレンツ力が働き、揺動軸を中心として回転トルクが生ずる。従って、電流の大きさを制御することにより、ミラー２７の揺動角を制御することができ、ひいてはレーザ光を走査することができる。
【００４５】
図４を参照して、駆動信号コントローラ１１の機能的構成を説明する。駆動信号コントローラ１１は、高速スキャナコントローラ５１、低速スキャナコントローラ５２、およびＲＧＢレーザコントローラ５３を備える。高速スキャナコントローラ５１は、ＢＤセンサ３１からＢＤ信号が入力されたタイミング（レーザ光が所定の位置に到達したタイミング）に基づいて、垂直走査駆動部２３に出力する垂直駆動信号を制御する。
【００４６】
低速スキャナコントローラ５２は、ピエゾセンサ３２から入力されたピエゾ信号に基づいて水平駆動信号を調整して、調整後の水平駆動信号を高速スキャナコントローラ５１と同期して水平走査駆動部２８に出力するが、詳細は後述する。ＲＧＢレーザコントローラ５３は、ＲＧＢ用フォトダイオード３３から入力されたパワー検出信号に基づいて輝度信号を調整し、調整後の輝度信号を高速スキャナコントローラ５１と同期してレーザドライバ群１２に出力する。
【００４７】
低速スキャナコントローラ５２は、制御モジュール６０、駆動元波形生成手段６１、ノッチフィルタ６２、リンギング値算出手段６５、およびフィルタパラメータサーチ手段６６、重畳信号決定手段７１、重畳信号対応テーブル７２（図５参照）、高周波発生手段７３、および加算器７４を備えている。制御モジュール６０は、低速スキャナコントローラ５２の全体制御を司る。
【００４８】
駆動元波形生成手段６１は、直線変化する鋸波形信号にローパスフィルタ処理を施した駆動元波形を生成する。駆動元波形は、水平走査素子２６（図１参照）を非共振モードで強制的に駆動する周期的な駆動信号を生成するための波形信号である。例えば、水平走査素子２６に固有の共振特性として、１次共振がｆ１［Ｈｚ］、２次以上の共振がｆ２［Ｈｚ］以上の共振周波数において存在する。この場合、ローパスフィルタ処理によってｆ２（＞ｆ１）［Ｈｚ］以上の周波数を減衰させることで、水平走査素子２６に固有の共振特性のうち２次以上の共振による影響を抑制する。
【００４９】
ノッチフィルタ６２は、駆動元波形生成手段６１によって生成された駆動元波形に、所定のパラメータ（中心周波数ｆｏや尖鋭度Ｑ）でノッチフィルタ処理を行なう。例えば、水平走査素子２６に固有の共振特性として、１次共振がｆ１［Ｈｚ］、２次以上の共振がｆ２［Ｈｚ］以上であるとする。この場合、ノッチフィルタ処理では、ｆ１［Ｈｚ］の周波数を中心として減衰させることで、水平走査素子２６に固有の共振特性のうち１次の共振による影響を抑制する。
【００５０】
ノッチフィルタ６２から出力される信号（つまり、ノッチフィルタ処理が行われた駆動元波形に基づく信号）を、駆動信号Ｐ１という。駆動信号Ｐ１は、最小レベルから最大レベルまで移行する期間に比べ、最大レベルから最小レベルへ移行する期間が十分に短い鋸波形の信号である。図６に例示する駆動信号Ｐ１は、周期性を持つ三角波であるが、台形波、正弦波などの略直線的な傾斜を有する周期性を持つ波形や、傾きの変化の大きい部分が丸みを帯びた周期性を持つ波形についても適用することができる。
【００５１】
ノッチフィルタ６２で用いるパラメータのうち中心周波数ｆｏは、フィルタパラメータサーチ手段６６で決定されて、ノッチフィルタ６２へ入力される。フィルタパラメータサーチ手段６６は、リンギング値算出手段６５によって算出されるリンギング振幅の情報（水平走査素子２６のリンギング値）に基づいて、ノッチフィルタ６２の中心周波数ｆｏを決定する。フィルタパラメータサーチ手段６６が決定する中心周波数ｆｏは、水平走査素子２６に固有の共振特性に応じた中心周波数ｆｏである。
【００５２】
リンギング値算出手段６５は、ピエゾセンサ３２から出力されたピエゾ信号を微分回路６４で微分したデータに基づいて、水平走査素子２６におけるリンギングの有無を示すリンギング値を算出する。具体的には、リンギング値算出手段６５は、ピエゾ信号を微分したデータが示すリンギングの波形をバンドパスフィルタ処理等によって抽出することで、リンギング値を算出する。
【００５３】
一方、制御モジュール６０は、ＬＳ共振周波数調整要求を受信すると、重畳信号決定手段７１との間で通信を行う。ＬＳ共振周波数調整要求は、水平走査素子２６に固有の共振周波数に特定の関係が成立しないように（言い換えると、後述する共振周波数のモード間結合が発生しないように）、水平走査素子２６にジュール熱を発生させることを要求する信号である。重畳信号決定手段７１は、制御モジュール６０との通信に応じて、水平走査素子２６にジュール熱を発生させるための信号の波形、電流振幅、および周波数を、後述の重畳信号対応テーブル７２（図５参照）を参照して決定する。
【００５４】
高周波発生手段７３は、重畳信号決定手段７１によって決定された波形、電流振幅、および周波数で信号を生成する。高周波発生手段７３によって生成された信号を、温度調整信号Ｐ２という。温度調整信号Ｐ２は、水平走査素子２６を実質的に駆動可能な周波数よりも高い周波数成分を有し、且つ、水平走査素子２６にジュール熱を発生させうる周波数成分を有する信号である。図７に例示する温度調整信号Ｐ２は、高周波の矩形波であるが、正弦波等の波形についても適用することができる。温度調整信号Ｐ２の詳細は、別途後述する。
【００５５】
加算器７４は、駆動信号Ｐ１と温度調整信号Ｐ２とを加算して一の信号を生成する。加算器７４によって生成された信号を、合成信号Ｐ３という。図８に例示する合成信号Ｐ３は、図６に例示する駆動信号Ｐ１と、図７に例示する温度調整信号Ｐ２とが加算された信号を示す。なお、図８では、温度調整信号Ｐ２の信号成分の重畳状態を理解しやすくするために周期を長めに図示しているが、実際の温度調整信号Ｐ２の周期は、視覚的に認識できないほど極めて短かい。
【００５６】
加算器７４から出力された合成信号Ｐ３は、図示外のＤ／Ａ変換器によりアナログ変換されて、さらにパワーアンプ６３により増幅される。これにより、合成信号Ｐ３に基づく水平駆動信号が生成されて、水平走査駆動部２８に出力される。水平走査駆動部２８は、水平駆動信号に基づいて、水平走査素子２６のミラー２７を非共振モードで強制的に駆動する。
【００５７】
［２．異常共振の発生原因および抑制原理］
図３、図９〜図１１を参照して、異常共振の発生原因および抑制原理について説明する。図３および図９に示すように、水平走査素子２６は、ミラー２７が捻れ梁部９４を介して基板９３に揺動支持された物理的構造に起因する固有の共振特性を有する。以下の説明では、水平走査素子２６の共振周波数を、低周波側から順に１番モード、２番モード、３番モード・・・と定義する。
【００５８】
具体的には、１番モードは、ミラー２７を揺動軸周りに振動させるネジレ振動基本波であり、その共振周波数ｆ１ｒは〜１０００［Ｈｚ］である。２番モードは、ミラー２７を縦方向に振動させる面垂直振動基本波であり、その共振周波数ｆ２ｒは〜３０００［Ｈｚ］ である。３番モードは、ミラー２７を横方向に振動させる面内並進振動基本波であり、その共振周波数ｆ３ｒは〜３００００［Ｈｚ］である。４番モードは、ミラー２７の反射面に対して水平に延び、且つミラー２７の揺動軸と直交する軸線の周りに、ミラー２７を振動させる面垂直振動２倍波であり、その共振周波数ｆ４ｒは〜４５０００［Ｈｚ］である。５番モードは、ミラー２７の反射面に対して垂直に延びる軸線の周りに、ミラー２７を振動させる面内並進振動２倍波であり、その共振周波数ｆ５ｒは〜６００００［Ｈｚ］である。
【００５９】
上記の共振モード間で特定の関係が成立すると、その特定の関係が成立した共振モード間に結合が発生する。共振モード間に結合が生じると、水平走査素子２６に生じるリンギングが、上記の共振モードで想定されるものとは異なる振る舞いをする現象（以下、異常共振とよぶ。）が生じるおそれがある。このような異常共振が生じると、ピエゾ信号に基づく共振抑制制御（リンギング制御）が正常に機能しなくなる。そうすると、網膜上に形成される画像に、リンギングに起因する縞が生じてしまい、画質劣化の原因となるおそれがある。
【００６０】
主たる異常共振としては、低速駆動素子が有する複数の共振周波数間の相対関係に起因する異常共振（以下、異常共振タイプ１とよぶ。）と、低速駆動素子の共振周波数と高速駆動素子の駆動周波数との相対関係に起因する異常共振（以下、異常共振タイプ２とよぶ。）とが想定される。
【００６１】
異常共振タイプ１について説明する。一般に、低速駆動素子を駆動する信号には、１番モードの共振周波数ｆ１ｒの信号成分が含まれている。２番モードの非線形性に起因して、１番モードの共振周波数ｆ１ｒの２次高調波である２ｆ１ｒの周波数成分をもつ振動が低速走査素子にて生じる。この現象を、２次高調波共振とよぶ。さらに、２番モードの共振周波数ｆ２ｒと、２次高調波である２ｆ１ｒとの相互変調歪によって、２ｆ１ｒ−ｆ２ｒの信号成分が生じる。低速走査素子の駆動信号Ｐ１に含まれるｆ１ｒ振動振幅は、前述したノッチフィルタ処理にて十分に低減されているものの、完全にゼロにする事はできない．従って、温度変動や経時変動などの影響で、低速走査素子の共振周波数関係がｆ２ｒ〜２ｆ１ｒになってしまった場合、低速走査素子に少ないながらも誘起されているｆ１ｒ振動成分が２ｆ１ｒ振動成分を生み出す。このとき、相互変調歪で２ｆ１ｒ−ｆ２ｒ〜ｆ１ｒの振動成分が生じるために、１番モードの共振周波数ｆ１ｒの信号成分が増強される。以下、上記の２次高調波共振および相互変調歪が繰り返されて、１番モードの共振周波数ｆ１ｒの信号成分が増強され続け、条件によっては発振する。従ってリンギング制御が正常に機能せず、リンギング波形が変形したり、フレーム毎に異なる波形が生じたりする現象（すなわち、異常共振タイプ１）が発生する。
【００６２】
異常共振タイプ２について説明する。一般に、高速駆動素子および低速駆動素子を用いた表示装置では、共通のフレーム（図示外）に高速駆動素子および低速駆動素子が固定されている。そのため、高速駆動素子の駆動時に、その駆動周波数ｆｄｒｖがフレームを介して低速駆動素子に伝わる。高速駆動素子の駆動周波数ｆｄｒｖは〜３００００［Ｈｚ］であるため、低速駆動素子において３番モードの共振周波数ｆ３ｒを励起する。３番モードの面内並進振動と１番モードのネジレ振動とは、ピエゾセンサ３２に与える歪みがほぼ同じである。そのため、駆動周波数ｆｄｒｖの影響で生じる低速駆動素子の面内並進振動が発生する。３番モードは非線形性を有しているので、他の共振モード（例えば、1番モード）と結合し、ひいてはリンギング波形に異常を生じる。このように、高速駆動素子および低速駆動素子の２振動のカップリングに起因するリンギング波形異常が、異常共振タイプ２である。
【００６３】
上記の異常共振タイプ１および異常共振タイプ２を抑制する手法として、以下のものが考えられる。
【００６４】
異常共振タイプ１の抑制方法について説明する。異常共振タイプ１は、「２ｆ１ｒ−ｆ２ｒが、１番モードの共振周波数ｆ１ｒから十分に離間している」という条件を満たさなければ、ネジレ振動がほぼ発生しない。したがって、この条件を満たさないように、１番モードの共振周波数ｆ１ｒと、２番モードの共振周波数ｆ２ｒとの関係を調整すれば、異常共振タイプ１の発生を抑制できる。
【００６５】
図１０は、低速駆動素子の環境温度Ｔ［ｄｅｇＣ］の変化と、共振周波数比（ｆ２ｒ／ｆ１ｒ）の変化との対応関係を示している。共振周波数ｆ１ｒ、ｆ２ｒは、いずれも温度特性を有している。共振周波数ｆ１ｒは温度変化に伴う変動が相対的に小さい一方、共振周波数ｆ２ｒは温度変化に伴う変動が相対的に大きい。「共振周波数比（ｆ２ｒ／ｆ１ｒ）＞２．３」である場合、異常共振タイプ１が発生しないことが、予め行った実験によって判明している。
【００６６】
したがって、異常共振タイプ１の発生を抑制するためには、低速駆動素子の環境温度Ｔを調整することで、温度変化に伴う変動が大きい共振周波数ｆ２ｒを、「共振周波数比（ｆ２ｒ／ｆ１ｒ）＞２．３」を満たすように変化させればよい。図１０に示す例では、低速駆動素子の環境温度Ｔが約５８［ｄｅｇＣ］よりも大きくなるようにすれば、異常共振タイプ１の発生を抑制できる。
【００６７】
異常共振タイプ２の抑制方法について説明する。異常共振タイプ２の発生を抑制するためには、高速駆動素子と低速駆動素子とを振動絶縁すればよい。ただし、この場合は高速駆動素子と低速駆動素子とを異なるフレームに固定するなどの処置をしなければならず、装置構造の複雑化やコストアップ、組み立て複雑化による歩留まり低下につながる。そこで、以下の手法により、異常共振タイプ２の発生を抑制することが好ましい。
【００６８】
異常共振タイプ２は、「ｆｄｒｖ−ｆ３ｒ＞３００［Ｈｚ］」という条件を満たせば発生しないことが、予め行った実験によって判明している。したがって、この条件を満たすように、３番モードの共振周波数ｆ３ｒを調整すれば、異常共振タイプ２の発生を抑制できる。
【００６９】
図１１は、低速駆動素子の環境温度Ｔ［ｄｅｇＣ］の変化と、共振周波数ｆ３ｒの変化との対応関係を示している。共振周波数ｆ３ｒは、環境温度Ｔの上昇に応じて小さくなる温度特性を有している。したがって、異常共振タイプ３の発生を抑制するためには、低速駆動素子の環境温度Ｔを調整することで、「ｆｄｒｖ−ｆ３ｒ＞３００［Ｈｚ］」を満たすように、共振周波数ｆ３を変化させればよい。
【００７０】
以上のように、異常共振タイプ１および異常共振タイプ２は、いずれも低速駆動素子の環境温度Ｔを調整することで抑制可能である。ただし、低速駆動素子の環境温度Ｔを調整するための調温部材（加熱素子等）を設けると、装置構造の複雑化やコストアップにつながる。本実施形態では、調温部材を設けることなく、後述の手法によって低速駆動素子の環境温度Ｔを調整している。
【００７１】
［３．温度調整の有効性］
図１２〜図１８を参照して、温度調整の有効性について説明する。本実施形態では、調温部材を設けずに環境温度Ｔを調整するために、水平走査素子２６を駆動させる駆動信号Ｐ１に、水平走査素子２６を加熱するための温度調整信号Ｐ２を加えた合成信号Ｐ３を、水平走査駆動部２８に出力する。水平走査素子２６には、ミラー２７を駆動するためのコイル（図示外）が設けられている。水平走査駆動部２８は、このコイルに合成信号Ｐ３（つまり、電流）を供給することで、駆動信号Ｐ１の信号成分でミラー２７を揺動させ、温度調整信号Ｐ２の信号成分でコイルにジュール熱を発生させる。以下では、合成信号による低速駆動素子の温度調整の有効性について検証する。
【００７２】
図１２に示すように、低速駆動素子の温度調整を検証するために、交流電源（ヒータ）ＦＧを抵抗Ｒｒｅｆを介して低速駆動素子ＬＳに直列に接続し、低速駆動素子ＬＳを恒温槽に曝した電気回路を設定した。抵抗Ｒｒｅｆは、あらかじめＤＭＭ（デジタルマルチメータ）で測定しておく。本具体例では、抵抗Ｒｒｅｆは９．９５［ｏｈｍ］とする。また、測定位置（ｂ）−ＧＮＤ間をＤＭＭで測定し、低速駆動素子ＬＳの駆動抵抗温度特性を得る。測定位置（ｂ）は、抵抗Ｒｒｅｆと低速駆動素子ＬＳとの接続部である。
【００７３】
上記の電気回路において、次のように低速駆動素子の温度測定を行う。まず、測定位置（ａ）−（ｂ）間をＤＭＭで測定し、低速駆動素子ＬＳを流れる電流Ｉｄｒｖを得る。測定位置（ａ）は、ヒータＦＧと抵抗Ｒｒｅｆとの接続部である。また、測定位置（ｂ）−ＧＮＤ間をＤＭＭで測定し、低速駆動素子ＬＳに加えられている電圧Ｖｄｒｖを得る。駆動中の低速駆動素子ＬＳが有するコイルの抵抗値Ｒｄｒｖ（Ｖｄｒｖ／Ｉｄｒｖ）を算出する。恒温槽内の温度条件を変えながら、各温度条件下での抵抗値Ｒｄｒｖを上記と同様に測定することで、低速駆動素子ＬＳの駆動抵抗温度特性を得る。予め得られた駆動抵抗温度特性と、駆動中に得られた駆動抵抗温度特性とに基づいて、抵抗Ｒｒｅｆに対応する環境温度Ｔを求める。その結果、上記電気回路の昇温有効性を、以下の３点で検証することができた。
【００７４】
（１）抵抗性の検証
上記の電気回路において、３５０００〜５００００［Ｈｚ］に亘って、電流Ｉｄｒｖと電圧Ｖｄｒｖとの位相差を測定した結果を、図１３に示す。図１３から明らかなように、３５０００〜５００００［Ｈｚ］の測定範囲では、位相差φは１［ｄｅｇ］より小さいため、力率は０．９９８よりも大きい。したがって、低速駆動素子ＬＳを流れる電流Ｉｄｒｖは、ほぼ機械的仕事（ミラー２７の揺動）かジュール熱に変換されたことを確認した。
【００７５】
（２）昇温現象と昇温程度の検証
上記の電気回路において、低速駆動素子の正弦駆動時における、抵抗値Ｒｄｒｖの環境温度Ｔに伴う変化を、図１４に示す。図１４において、温度測定の開始前に予めＤＭＭで測定した抵抗値Ｒｄｒｖ（言い換えると、非駆動時の抵抗値Ｒｄｒｖ）の変化を、点線の抵抗値Ｒ（Ｖ０）で示す。低速駆動素子ＬＳに正弦波形信号４００００［Ｈｚ］、振幅２［Ｖ］の電圧を印加したときの抵抗値Ｒｄｒｖ（言い換えると、正弦駆動時の抵抗値Ｒｄｒｖ）の変化を、実線の抵抗値Ｒ（Ｖ１）で示す。
【００７６】
図１４から明らかなように、同一の温度環境では、正弦駆動時の抵抗値Ｒ（Ｖ１）は非駆動時の抵抗値Ｒ（Ｖ０）よりも大きい。非駆動時の抵抗値Ｒ（Ｖ０）が示す直線ラインから、環境温度Ｔが高いほど抵抗値Ｒｄｒｖが高くなる。抵抗値Ｒｄｒｖは、低速駆動素子ＬＳのコイルの温度に一意に依存する（つまり、一対一の関係にある）。よって、抵抗値Ｒｄｒｖを特定することができれば、非駆動時の抵抗値Ｒ（Ｖ０）のラインに基づいて、コイルの温度を特定することができる。例えば、低速駆動素子ＬＳを環境温度Ｔが０［ｄｅｇＣ]の条件下で正弦駆動した場合、コイルの自己発熱で約１５［ｄｅｇＣ]の温度上昇が生じたことを特定できる。したがって、正弦波形信号４００００［Ｈｚ］の高周波を低速駆動素子ＬＳに印加した場合、低速駆動素子ＬＳのコイルの昇温現象が発生し、〜１５［ｄｅｇＣ]程度を昇温可能であることを確認した。
【００７７】
（３）高周波印加昇温の有効性
上記の電気回路において、低速駆動素子のノコギリ駆動時における、抵抗値Ｒｄｒｖの環境温度Ｔに伴う変化を、図１５に示す。図１５において、温度測定の開始前に予めＤＭＭで測定した抵抗値Ｒｄｒｖ（言い換えると、非駆動時の抵抗値Ｒｄｒｖ）の変化を、点線の抵抗値Ｒ（Ｖ０）で示す。低速駆動素子ＬＳに鋸波波形信号〜６００００［Ｈｚ］、駆動電圧（ＰＰ値）〜４［Ｖ］の電圧を印加したときの抵抗値Ｒｄｒｖ（言い換えると、ノコギリ駆動時の抵抗値Ｒｄｒｖ）の変化を、実線の抵抗値ｓａｗｔｏｏｔｈで示す。
【００７８】
図１５から明らかなように、低速駆動素子のノコギリ駆動時には、鋸波波形信号に含まれる交流成分によって、低速駆動素子のコイルが自己発熱して昇温現象が発生する。同一の温度環境では、ノコギリ駆動時の抵抗値ｓａｗｔｏｏｔｈは、非駆動時の抵抗値Ｒ（Ｖ０）と比べて若干大きい。つまり、同一の温度環境では、ノコギリ駆動時は非駆動時よりも、低速駆動素子ＬＳが若干大きく昇温する。
【００７９】
図１５に示す例では、ＰＰ値４［Ｖ］の鋸波波形信号を印加した際の発熱は、１〜２［ｄｅｇＣ］程度である。一方、（２）で検証したように、振幅２［Ｖ］（つまり、ＰＰ値４［Ｖ］）の正弦波形信号を印加した際の発熱は、およそ１５［ｄｅｇＣ］である。つまり、鋸波波形信号に起因する昇温レベルは、正弦波形信号に起因する昇温レベルに比較して有意に小さく、低速駆動素子ＬＳの温度調整に与える影響が小さい。以上のことから、鋸波波形信号である駆動信号Ｐ１（図６参照）に、正弦波形信号である温度調整信号Ｐ２（図７参照）を重畳することで、低速駆動素子ＬＳの温度レベルを有意に調整可能であることを確認した。
【００８０】
（４）昇温有効性の検証に関する結論
以上の（１）〜（３）の検証結果から、低速駆動素子に印加する重畳高周波（図８に示す合成信号Ｐ３）を調整することで、低速駆動素子のノコギリ駆動時にコイルを昇温させることは十分に可能であるとの結論が得られた。ひいては、低速駆動素子のコイルの昇温に伴って共振周波数を変化させることで、モード間結合（つまり、異常共振タイプ１および異常共振タイプ２）の発生を抑制可能であるとの結論が得られた。そこで、本実施形態では、低速駆動素子に印加される重畳高周波を調整するために、合成信号Ｐ３のｆｒ目標値に応じて、駆動信号Ｐ１に重畳される温度調整信号Ｐ２が、あらかじめ重畳信号対応テーブル７２（図５参照）に定義されている。
【００８１】
［４．重畳信号対応テーブル］
図５に示すように、重畳信号対応テーブル７２には、ｆｒ目標値、波形、電流振幅、および周波数を対応付けて記憶されている。ｆｒ目標値は、水平走査素子２６に印加される合成信号Ｐ３の周波数［Ｈｚ］を示す。波形、電流振幅、および周波数は、それぞれ、駆動信号Ｐ１に重畳される温度調整信号Ｐ２の波形、電流振幅Ｉ［ｍＡ］０ｐ、および周波数ｆ［Ｈｚ］を示す。以下、重畳信号対応テーブル７２に定義されている各項目の意義について説明する。
【００８２】
（１）ｆｒ目標値
合成信号Ｐ３のｆｒ目標値は、結合しているモード共振周波数の比に応じて決定される。本実施形態では、重畳信号決定手段７１が、合成信号Ｐ３のｆｒ目標値を決定する。さらに、重畳信号対応テーブル７２を参照して、決定したｆｒ目標値に対応する波形、電流振幅、および周波数を、温度調整信号Ｐ２の波形、電流振幅、および周波数として決定する。
【００８３】
ｆｒ目標値の決定方法について説明する。水平走査素子２６に固有の共振周波数ｆ１ｒ〜ｆ３ｒは、予め行った実験によって判明している。これらの共振周波数ｆ１ｒ〜ｆ３ｒから、モード間結合が発生するか否か、および異常共振タイプ１、２の何れが発生するかを、上述した条件や実験等に基づいて特定できる。
【００８４】
その結果、異常共振タイプ１のみが発生すると特定された場合、「共振周波数比（ｆ２ｒ／ｆ１ｒ）＞２．３」の成立を妨げる周波数が、ｆｒ目標値として決定される。例えば、共振周波数ｆ１ｒが１０００［Ｈｚ］、共振周波数ｆ２ｒが２０００［Ｈｚ］である場合、異常共振タイプ１が発生するおそれがある。この場合、ｆｒ目標値として２３００［Ｈｚ］より大きい周波数（例えば、２４００［Ｈｚ］）が決定される。
【００８５】
なお、異常共振タイプ２のみが発生すると特定された場合、「ｆｄｒｖ−ｆ３ｒ＞３００［Ｈｚ］」の成立を妨げる周波数が、ｆｒ目標値として決定される。異常共振タイプ１、２の両方が発生すると特定された場合、「共振周波数比（ｆ２ｒ／ｆ１ｒ）＞２．３」および「ｆｄｒｖ−ｆ３ｒ＞３００［Ｈｚ］」の成立を妨げる周波数が、ｆｒ目標値として決定される。
【００８６】
（２）波形
温度調整信号Ｐ２の波形は、一つのｆｒ目標値に対して、矩形波と正弦波との２パターンが定義されている。正弦波は、単一周波数成分のみを含むため、制御が細やかにできるというメリットがある。ただし、コイルにジュール熱を発生させる効率が、矩形波よりも劣るというデメリットがある。したがって、コイルに発生させるジュール熱（つまり、水平走査素子２６の温度調整）を正確に行うには、温度調整信号Ｐ２の波形として正弦波が選択されることが好適である。
【００８７】
一方、矩形波は、電力変換効率（つまり、コイルにジュール熱を発生させる効率）が正弦波の２倍であり、かつ回路的に波形生成が容易であるというメリットがある。一方、矩形波に含まれる高調波成分が、低速走査素子の高次共振を励起して、程度は小さいと考えられるものの、ピエゾ信号を不安定にするおそれがあるというデメリットがある。したがって、コイルに発生させるジュール熱（つまり、水平走査素子２６の温度調整）を効率的に行うには、温度調整信号Ｐ２の波形として矩形波が選択されることが好適である。なお、温度調整信号Ｐ２を矩形波で生成する場合には、ローパスフィルタ等を用いた帯域制限を行って信号に含まれる周波数成分の強度を調整したり、波形のｄｕｔｙ比を調整することで電力供給効率を変えたりすることで、温度調整信号Ｐ２を最適な帯域で生成することができ、供給電力の制御も容易となる。
【００８８】
このように、一つのｆｒ目標値に対して異なる特性を有する波形を設けておくことで、水平走査素子２６の温度調整を最適な態様で実現可能である。なお、温度調整信号Ｐ２を正弦波および矩形波のいずれで生成するかは、あらかじめ設計者がＲＯＭ等に定義しておけばよく、切り替え可能にしておいてもよい。
【００８９】
（３）周波数
温度調整信号Ｐ２の周波数は、ｆｒ目標値に対応して、以下の３つの要素を満たすように設定されている。
【００９０】
（３−１）周波数の下限
周波数の下限は、低速走査素子を実質的に駆動可能な周波数よりも高く、且つ、低速走査素子にジュール熱を発生させうる周波数である。つまり、温度調整信号Ｐ２は、低速走査素子が機械応答しないような速い交流であって、ミラーを動かすことなく温度上昇させることが可能な周波数成分を有する。
【００９１】
ここで、温度調整信号Ｐ２の周波数が、直流（ＤＣ）である場合や機械応答するような遅い交流（ＡＣ）である場合、温度調整信号Ｐ２の印加によって低速走査素子が機械的に動作してしまう。そうすると、ミラーにも意図しない揺動が生じて、画像が乱れるおそれがある。そこで、本実施形態では、温度調整信号Ｐ２の周波数を、低速走査素子のコイルが機械応答しないような速い交流としている。具体的には、温度調整信号Ｐ２の周波数は、以下の理由により、低周波側から数えて３番目の共振モードを超える周波数（具体的には、およそ５００００［Ｈｚ］以上）であればよい。
【００９２】
低速駆動素子に固有の共振モード（図５参照）のうち、低周波側から数えて４番目以降の共振モードは、実験的に機械振幅が極めて小さいことが明らかとなっており、異常共振の発生に主要な寄与をしない。さらに、一般に周波数応答は周波数が高いほど小さくなる。これらのことから、４番目以降の共振モードは、異常共振の発生原因としては無視できる。そうすると、異常共振を生じる可能性が高い共振モードは、低周波側から数えて３番目の共振モード（本実施形態では、３番モード）までである。つまり、温度調整信号Ｐ２の周波数は、低周波側から数えて３番目の共振モードを超える周波数であればよい。そして、温度調整信号Ｐ２の周波数がおよそ５００００［Ｈｚ］以上であれば、低周波側から数えて３番目の共振モードの発生が十分に抑制されていることが、実験的に明らかとなっている。
【００９３】
（３−２）周波数の上限
低速駆動素子は、捻れ梁部で支持されたミラーを、駆動信号に基づいて揺動させる電気・機械変換素子である（図３参照）。そのため、本来、低速駆動素子の駆動回路は、機械系の等価回路を共振モードごとに考慮して設定すべきである。しかし、上記のように温度調整信号Ｐ２の周波数の下限を定義した結果、温度調整信号Ｐ２によって捻れ梁部で支持されたミラーが揺動することが抑制されるため、低速駆動素子の機械的特性はほぼ無視できる。そうすると、低速駆動素子の駆動回路を、図１６に示すように、電気的特性のみを考慮した等価回路として設定できる。
【００９４】
図１６に示すように、低速駆動素子の電気的特性のみを考慮した等価回路は、交流電圧源Ｖが抵抗Ｒ１を介して、直列に接続された抵抗Ｒ２およびコイルＬとコンデンサＣとに並列接続されている。図示しないが、低速駆動素子のコイルは、ミラー上に絶縁膜を挟んで巻回された２層の巻線を有する。抵抗Ｒ１は、捻れ梁部に配設された導線に対応し、非常に小さい抵抗値を示す。抵抗Ｒ２は、２層の巻線の抵抗成分に対応する。２層の巻線は、インダクタとして機能するため、コイルＬに対応する。２層の巻線（つまり、導体）に挟まれた絶縁膜という構造は、寄生容量としてコンデンサＣに対応する。
【００９５】
上記の等価回路では、交流電圧源Ｖから印加される周波数が大きいほど、コイルＬのインダクタンスが大きくなり、コイルＬよりもコンデンサＣの方を流れる電流の割合が増大する。つまり、周波数が大きいほど、コイルＬで発生するジュール熱が小さくなる。このように、高周波であるほど無効電力が増大するから、コイルＬでジュール熱を効率的に発生させることができる周波数の上限を、周波数の上限として定めることが好適である。つまり、上記の等価回路で定められるカットオフ周波数ｆｃを、周波数の上限として定めることが好適である。
【００９６】
そこで、上記の等価回路を仮定して、そのインピーダンスｆ特性を測定した。その結果、図１７に示すように、１００００〜２０００００［Ｈｚ］の範囲内で「抵抗Ｒ＜＜リアクタンスＸ」となり、「リアクタンスＸ／抵抗Ｒ（％）」が±０．０２の範囲に収まる結果が得られた。つまり、１００００〜２０００００［Ｈｚ］の範囲内で、上記の等価回路を純抵抗とみなせる（つまり、コイルＬの発熱効率が高い）ことが明らかとなった。したがって、周波数の上限は、１００００〜２０００００［Ｈｚ］の範囲に設定することができる。
【００９７】
（３−３）高速駆動素子の共振周波数との関係
高速駆動素子と低速駆動素子とを各々独立した１軸で支持する光走査装置や、高速駆動素子と低速駆動素子とが一体化された駆動素子、すなわち揺動部を略直交２軸で支持する光走査装置では、低速駆動素子の駆動時の振動が高速駆動素子に伝わる。このとき、低速駆動素子の振動が、高速駆動素子の駆動制御に悪影響を及ぼすおそれがある。そのため、低速駆動素子の周波数は、高速駆動素子に固有の共振周波数成分を含まないことが好適である。
【００９８】
図１８に示す例の高速駆動素子では、駆動周波数［Ｈｚ］と速度［ｍ／ｓｅｃ］との関係から、例えば２０００［Ｈｚ］、１２５００［Ｈｚ］、２４０００［Ｈｚ］、３３０００［Ｈｚ］等を共振周波数として特定できる。よって、これらの共振周波数の半値幅およびセンター値を考慮して、低速駆動素子の周波数から除外する周波数の範囲を設定することが好ましい。これにより、高速駆動素子の駆動に悪影響を及ぼすことなく、低速駆動素子の駆動制御および温度調整を実現できる。
【００９９】
（４）電流振幅
温度調整信号Ｐ２の電流振幅は、上記の昇温有効性の検証結果で説明したように、コイルに発生させるジュール熱の大きさを決定する要素である。したがって、温度調整信号Ｐ２の電流振幅は、ｆｒ目標値を達成するのに必要なジュール熱をコイルに発生させる振幅値を示す。以下の理由により、温度調整信号Ｐ２の電流振幅には、対応するｆｒ目標値が小さくなるのに伴ってより小さな振幅値が設定されている。
【０１００】
上述したように、温度調整信号Ｐ２の周波数が高いほどリアクタンスＸが上昇する一方、ジュール熱を発生させる抵抗Ｒが低下する。よって、温度調整信号Ｐ２の周波数が高い場合には、温度調整信号Ｐ２の電流振幅を大きくすることで、抵抗Ｒが低下しても十分なジュール熱を発生させることができる。つまり、温度調整信号Ｐ２の電流振幅の上限は、温度調整信号Ｐ２の周波数が上昇するのに伴って発熱効率が下がるのを補うように増大することが好適である。これにより、温度調整信号Ｐ２の周波数が高くなっても、低速走査素子で十分なジュール熱を発生させることができる。
【０１０１】
［５．温度調整処理］
図１９および図２０を参照して、駆動信号コントローラ１１のＣＰＵ１１１が実行する駆動処理について説明する。以下では、レーザ群１３等の複数のデバイスの駆動を制御するためにＣＰＵ１１１が実行する処理のうち、水平走査素子２６の駆動を制御する処理について説明する。駆動信号コントローラ１１のＣＰＵ１１１は、画像の表示を開始させる指示を制御部５０から入力すると、ＲＯＭ１１２に記憶されているプログラムに従って、図１９に示す駆動処理を開始する。
【０１０２】
なお、図１９に示す駆動処理を実行するＣＰＵ１１１が、低速スキャナコントローラ５２（図４参照）として機能する。図１９に示す駆動処理の実行中は、ピエゾセンサ３２から出力されるピエゾ信号に基づいて、ノッチフィルタ６２（図４参照）が調整される。
【０１０３】
図１９に示すように、まず水平走査素子２６の起動制御が実行される（Ｓ１）。ステップＳ１では、所定の水平駆動信号（例えば、６０Ｈｚの鋸波形信号）が水平走査素子２６に入力されて、ミラー２７の揺動を開始させる。ステップＳ１の実行後、ＬＳ共振周波数調整要求ありか否かが判断される（Ｓ３）。本実施形態では、例えばユーザが画像調整を目的として所定の操作を行った場合に、制御部５０から駆動信号コントローラ１１にＬＳ共振周波数調整要求が出力される。制御部５０から出力されたＬＳ共振周波数調整要求が受信された場合、ＬＳ共振周波数調整要求ありと判断される（Ｓ３：ＹＥＳ）。一方、制御部５０からＬＳ共振周波数調整要求を受信した場合、または既に受信しているＬＳ共振周波数調整要求が例えばユーザの操作によって解除された場合、ＬＳ共振周波数調整要求なしと判断される（Ｓ３：ＮＯ）。
【０１０４】
ＬＳ共振周波数調整要求がない場合（Ｓ３：ＮＯ）、定常制御が実行される（Ｓ５）。この場合、従来の低速走査素子の駆動制御と同様の処理が行われる。すなわち、駆動元波形にノッチフィルタ処理を行なった鋸波形の駆動信号Ｐ１（図６参照）が生成される。駆動信号Ｐ１が、図示外のＤ／Ａ変換器によりアナログ変換されて、さらにパワーアンプ６３により増幅されて、水平駆動信号が生成される。水平駆動信号が水平走査素子２６に入力されて、ミラー２７の揺動が制御される。この場合、水平走査素子２６では、通常の画像走査が実行される。
【０１０５】
一方、ＬＳ共振周波数調整要求がある場合（Ｓ３：ＹＥＳ）、図２０に示すＬＳ共振周波数調整処理が実行される（Ｓ７）。図２０に示すように、まず目標共振周波数（ｆｒ目標値）が決定される（Ｓ２１）。ｆｒ目標値は、先述したように、結合しているモード共振周波数の比に応じて決定される。重畳信号対応テーブル７２を参照して、ステップＳ２１で決定されたｆｒ目標値に対応する波形、電流振幅、および周波数が決定される（Ｓ２３）。ステップ２３で決定された波形、電流振幅、および周波数で高周波（温度調整信号Ｐ２）が生成されて、駆動信号Ｐ１に加算される（Ｓ２５）。ステップ２５で生成された信号（合成信号Ｐ３）が出力され（Ｓ２７）、図示外のＤ／Ａ変換器によりアナログ変換されて、さらにパワーアンプ６３により増幅されて、水平駆動信号が生成される。水平駆動信号が水平走査素子２６に入力されて、ミラー２７の揺動が制御される。この場合、水平走査素子２６では、通常の画像走査が実行され、且つｆｒ目標値に応じたジュール熱がコイルに発生して異常共振が抑制される。ステップ２５の実行後、ＬＳ共振周波数調整処理は終了して、図１９に示す駆動処理に戻る。
【０１０６】
ステップＳ５またはステップＳ７の実行後、終了指令ありか否かが判断される（Ｓ９）。例えば、ユーザが所定の終了操作を行った場合、制御部５０から駆動信号コントローラ１１に終了指令が出力される。制御部５０から出力された終了指令が受信された場合、終了指令ありと判断される（Ｓ９：ＹＥＳ）。この場合、図１９に示す駆動制御が終了される。一方、終了指令がない場合（Ｓ９：ＮＯ）、処理はステップＳ３に戻る。
【０１０７】
なお、本実施形態では、ＬＳ共振周波数調整要求ありと判断された場合は（Ｓ３：ＹＥＳ）、終了指令ありと判断されるか（Ｓ９：ＹＥＳ）、またはＬＳ共振周波数調整要求が解除されるまで（Ｓ３：ＮＯ）、図２０に示すＬＳ共振周波数調整処理（Ｓ７）が継続して実行される。この場合、目標共振周波数（Ｓ２１）および波形等決定（Ｓ２３）は、初回のＬＳ共振周波数調整処理（Ｓ７）のみで実行されればよい。これにより、ＬＳ共振周波数調整要求の受信後は、水平走査素子２６の加熱状態が維持されて、共振異常が継続的に抑制される。ＬＳ共振周波数調整要求の解除後は（Ｓ３：ＮＯ）、定常制御（Ｓ５）によって通常の表示制御が再開される。
【０１０８】
以上説明したように、本実施形態に係るヘッドマウントディスプレイ１は、高速走査素子である垂直走査素子２１と、低速走査素子である水平走査素子２６とを備えている。水平走査素子２６を周期的な揺動をするように駆動するための駆動信号Ｐ１に、水平走査素子２６に固有の共振周波数を変化させるための温度調整信号Ｐ２が重畳されて、合成信号Ｐ３が生成される。したがって、加熱素子等を設けなくても、合成信号Ｐ３で水平走査素子２６の強制駆動と異常共振の抑制とを実現することができる。そのため、水平走査素子２６の異常共振を簡易な構成で抑制することができる。
【０１０９】
上記実施形態において、レーザ群１３が本発明の「光源部」に相当する。垂直走査素子２１が本発明の「高速走査素子」に相当する。水平走査素子２６が本発明の「低速走査素子」に相当する。ヘッドマウントディスプレイ１が本発明の「画像表示装置」に相当する。駆動元波形生成手段６１およびノッチフィルタ６２が、本発明の「基礎波形信号生成手段」に相当する。高周波発生手段７３が、本発明の「信号重畳手段」に相当する。水平走査駆動部２８が、本発明の「駆動手段」に相当する。重畳信号決定手段７１および重畳信号対応テーブル７２が、本発明の「発熱信号制御手段」に相当する。後述の変形例において、ピエゾセンサ３２が本発明の「揺動検出手段」に相当し、リンギング値算出手段６５が本発明の「リンギング情報取得手段」に相当する。
【０１１０】
本発明は上記実施の形態に限定されることはなく、様々な変形が可能であることは言うまでもない。例えば、重畳信号対応テーブル７２のデータ構成は、上述した条件を満たす範囲で、開発者やユーザが自由に設定し、変更し、編集することができる。
【０１１１】
また、水平走査素子２６の駆動を制御する処理は、図１９に示す駆動処理に限定されず、図２１に示す駆動処理を行ってもよい。図２１に示す駆動処理では、まずステップＳ１と同様に起動制御が実行される（Ｓ１０１）。ステップＳ１０１の実行後、図２０に示すＬＳ共振周波数調整処理が実行される（Ｓ１０３）。ただし、ステップＳ１０３で実行される共振周波数調整処理は、ｆｒ目標値を達成可能な程度の周期だけ実行される。
【０１１２】
このように、本変形例では、水平走査素子２６の駆動開始直後にＬＳ共振周波数調整処理が実行されて、水平走査素子２６でジュール熱が発生する（Ｓ１０３）。その結果、ヘッドマウントディスプレイ１では、起動開始直後から異常共振が抑制され、ユーザは鮮明な画像を見ることができる。また、ＬＳ共振周波数調整要求があるか否かを判断する必要がないため、異常共振を簡易な制御で抑制することができる。
【０１１３】
ステップＳ１０３の実行後、リンギング値の取得ありか否かが判断される（Ｓ１０５）。具体的には、ピエゾセンサ３２から所定周期で出力されるピエゾ信号に基づいて、リンギング値算出手段６５がリンギング値を算出すると、リンギング値の取得ありと判断される（Ｓ１０５：ＹＥＳ）。リンギング値の取得がない場合（Ｓ１０５：ＮＯ）、ステップＳ５と同様に定常制御が実行される（Ｓ１０７）。リンギング値の取得がある場合（Ｓ１０５：ＮＯ）、図２０に示すＬＳ共振周波数調整処理が実行される（Ｓ１０９）。ただし、ステップＳ１０９で実行される共振周波数調整処理は、ｆｒ目標値を達成可能な程度の周期だけ実行される。このよう、本変形例では、所定周期で実行されるリンギング値の取得と同期して水平走査素子２６でジュール熱が発生するため、異常共振をより確実に抑制することができる。
【０１１４】
ステップＳ１０７またはステップＳ１０９の実行後、ステップＳ９と同様に、終了指令ありか否かが判断される（Ｓ１１１）。終了指令がある場合（Ｓ１１１：ＹＥＳ）、図２１に示す駆動制御が終了される。一方、終了指令がない場合（Ｓ１１１：ＮＯ）、処理はステップＳ１０５に戻る。なお、本変形例では、水平走査素子２６の駆動開始直後と、リンギングの検出時との両方でＬＳ共振周波数調整処理（図２０参照）が実行されているが、いずれか一方のみが実行されてもよい。水平走査素子２６の駆動開始直後に実行する場合は、ＬＳ共振周波数調整処理（図２０）が継続的に実行されることが好適である。
【０１１５】
また、水平走査素子２６のリンギングを検出する手段は、ピエゾセンサ３２に限定されない。例えば、電極をミラー２７の底部等に取り付け、その電極に対向する基板９３に電極を取り付けて、これらの電極間に生じる静電容量を検出するようにすることでミラー２７の揺動信号波形を取得してもよい。この場合、リンギング値算出手段６５、揺動信号波形に基づいてリンギング値を算出すればよい。
【符号の説明】
【０１１６】
１ ヘッドマウントディスプレイ
１１ 駆動信号コントローラ
１３ レーザ群
２１ 垂直走査素子
２２ ミラー
２３ 垂直走査駆動部
２６ 水平走査素子
２７ ミラー
２８ 水平走査駆動部
３２ ピエゾセンサ
６０ 制御モジュール
６１ 駆動元波形生成手段
６２ ノッチフィルタ
６５ リンギング値算出手段
６６ フィルタパラメータサーチ手段
７１ 重畳信号決定手段
７２ 重畳信号対応テーブル
７３ 高周波発生手段
７４ 加算器
【特許請求の範囲】
【請求項１】
画像信号に応じた強度の光を出射する光源部と、
前記光源部から出射された光を共振揺動によって第１方向に相対的に高速に走査する高速走査素子と、
駆動信号に応じて強制的に揺動することで、前記高速走査素子によって走査された光を前記第１方向と略直交する第２方向に相対的に低速に走査する低速走査素子と
を備えた画像表示装置であって、
周期的な基礎波形信号を生成する基礎波形信号生成手段と、
前記低速走査素子を実質的に駆動可能な周波数よりも高い周波数成分であって、前記低速走査素子にジュール熱を発生させうる周波数成分を有する温度調整信号を生成し、前記基礎波形信号に重畳する信号重畳手段と、
前記発熱信号重畳手段によって前記基礎波形信号に前記温度調整信号を重畳された駆動信号によって、前記低速走査素子を駆動する駆動手段と、
前記発熱信号を変化させることで前記低速走査素子固有の共振周波数を変化させ、前記低速走査素子が前記基礎波形信号に対応する周期的な揺動をするように制御する発熱信号制御手段と
を備えたことを特徴とする画像表示装置。
【請求項２】
前記温度調整信号の周波数は、前記低速走査素子の共振周波数のうち、低周波側から数えて３番目の共振周波数を超えることを特徴とする請求項１に記載の画像表示装置。
【請求項３】
前記温度調整信号の周波数は、前記低速走査素子を含む等価回路で定まるカットオフ周波数ｆｃよりも小であることを特徴とする請求項１または２に記載の画像表示装置。
【請求項４】
前記温度調整信号の電流振幅の上限は、前記温度調整信号の周波数が上昇するのに伴って増大することを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の画像表示装置。
【請求項５】
前記温度調整信号の周波数は、前記高速走査素子の共振周波数とは異なる周波数であることを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の画像表示装置。
【請求項６】
前記低速走査素子の揺動状態を検出する揺動検出手段と、
前記揺動検出手段の検出結果に基づいて、リンギングの有無を含むリンギング情報を取得するリンギング情報取得手段とを備え、
前記信号重畳手段は、前記リンギング情報取得手段によって前記リンギング情報が取得されるごとに、前記温度調整信号を生成して前記基礎波形信号に重畳することを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載の画像表示装置。
【請求項７】
前記信号重畳手段は、前記画像表示装置の起動時に、前記温度調整信号を生成して前記基礎波形信号に重畳することを特徴とする請求項１から６のいずれかに記載の画像表示装置。
【請求項８】
前記温度調整信号の波形は、矩形波であることを特徴とする請求項１から７のいずれかに記載の画像表示装置。
【請求項９】
前記温度調整信号は、所定の周波数範囲に帯域制限され、または所定範囲にｄｕｔｙ比が調整されることを特徴とする請求項１から８のいずれかに記載の画像表示装置。
【請求項１０】
前記温度調整信号の波形は、正弦波であることを特徴とする請求項１から７のいずれかに記載の画像表示装置。
【請求項１】
画像信号に応じた強度の光を出射する光源部と、
前記光源部から出射された光を共振揺動によって第１方向に相対的に高速に走査する高速走査素子と、
駆動信号に応じて強制的に揺動することで、前記高速走査素子によって走査された光を前記第１方向と略直交する第２方向に相対的に低速に走査する低速走査素子と
を備えた画像表示装置であって、
周期的な基礎波形信号を生成する基礎波形信号生成手段と、
前記低速走査素子を実質的に駆動可能な周波数よりも高い周波数成分であって、前記低速走査素子にジュール熱を発生させうる周波数成分を有する温度調整信号を生成し、前記基礎波形信号に重畳する信号重畳手段と、
前記発熱信号重畳手段によって前記基礎波形信号に前記温度調整信号を重畳された駆動信号によって、前記低速走査素子を駆動する駆動手段と、
前記発熱信号を変化させることで前記低速走査素子固有の共振周波数を変化させ、前記低速走査素子が前記基礎波形信号に対応する周期的な揺動をするように制御する発熱信号制御手段と
を備えたことを特徴とする画像表示装置。
【請求項２】
前記温度調整信号の周波数は、前記低速走査素子の共振周波数のうち、低周波側から数えて３番目の共振周波数を超えることを特徴とする請求項１に記載の画像表示装置。
【請求項３】
前記温度調整信号の周波数は、前記低速走査素子を含む等価回路で定まるカットオフ周波数ｆｃよりも小であることを特徴とする請求項１または２に記載の画像表示装置。
【請求項４】
前記温度調整信号の電流振幅の上限は、前記温度調整信号の周波数が上昇するのに伴って増大することを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の画像表示装置。
【請求項５】
前記温度調整信号の周波数は、前記高速走査素子の共振周波数とは異なる周波数であることを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の画像表示装置。
【請求項６】
前記低速走査素子の揺動状態を検出する揺動検出手段と、
前記揺動検出手段の検出結果に基づいて、リンギングの有無を含むリンギング情報を取得するリンギング情報取得手段とを備え、
前記信号重畳手段は、前記リンギング情報取得手段によって前記リンギング情報が取得されるごとに、前記温度調整信号を生成して前記基礎波形信号に重畳することを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載の画像表示装置。
【請求項７】
前記信号重畳手段は、前記画像表示装置の起動時に、前記温度調整信号を生成して前記基礎波形信号に重畳することを特徴とする請求項１から６のいずれかに記載の画像表示装置。
【請求項８】
前記温度調整信号の波形は、矩形波であることを特徴とする請求項１から７のいずれかに記載の画像表示装置。
【請求項９】
前記温度調整信号は、所定の周波数範囲に帯域制限され、または所定範囲にｄｕｔｙ比が調整されることを特徴とする請求項１から８のいずれかに記載の画像表示装置。
【請求項１０】
前記温度調整信号の波形は、正弦波であることを特徴とする請求項１から７のいずれかに記載の画像表示装置。
【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】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２１】
【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】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２１】
【公開番号】特開２０１２−１３７６９２（Ｐ２０１２−１３７６９２Ａ）
【公開日】平成２４年７月１９日（２０１２．７．１９）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−２９１２６９（Ｐ２０１０−２９１２６９）
【出願日】平成２２年１２月２７日（２０１０．１２．２７）
【出願人】（０００００５２６７）ブラザー工業株式会社 (13,856)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年７月１９日（２０１２．７．１９）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年１２月２７日（２０１０．１２．２７）
【出願人】（０００００５２６７）ブラザー工業株式会社 (13,856)
【Ｆターム（参考）】
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