CN103582840A - 光学扫描装置、图像显示设备和光学扫描方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种能够解决低驱动效率的问题的光学扫描装置。一对耦合部（12）将可移动反射镜部（11）的两端分别连接至支撑部（13），所述可移动反射镜部11具有反射光的反射平面。每个耦合部（12）具有：具有永磁体的磁体部（21）；将磁性部（21）以磁性部可振荡方式耦合至支撑部（13）的第一弹簧部（22）；以及以可移动反射镜部可振荡方式将可移动反射镜部（11）耦合至磁体部（21）的第二弹簧部（23）。驱动器（14）生成作用于磁体部（21）的磁场，并且使得磁体部（21）振荡，由此使得可移动反射镜部（11）振荡。

Description

光学扫描装置、图像显示设备和光学扫描方法

技术领域

本发明涉及一种光学扫描装置、图像显示设备和光学扫描方法。

背景技术

借助反射镜扫描光的光学扫描装置已经在数字复印机、激光打印机、条形码读取器、扫描仪、投影仪等之中被广泛使用。常规地，使用马达旋转多边形反射镜或电流镜的旋转类型已经主要被用作光学扫描装置。然而，近年来，随着微加工技术的发展，MEMS（微型电机械系统）的使用已经变得普遍。

作为使用MEMS的光学扫描装置，存在包括配备有反射镜和磁体的可移动部的配置，该可移动部在两端被弹性材料所形成的耦合部所支撑，并且通过向磁体施加磁场以因此使得该可移动部在作为振荡轴的耦合部上振荡来扫描光。与借助马达来旋转多边形反射镜或电流镜的那些光学扫描装置不同，这种类型的光学扫描装置并不需要诸如马达的机械驱动机构，从而结构变得简单，因此使得可能实现小型化并且提供低成本的配置（见专利文献1）。

相关文献

专利文献

专利文献1：JP2005-173411A

发明内容

本发明所要解决的问题

然而，由于以上光学扫描装置在可移动部中使用反射镜和磁体，所以可移动部的惯性矩很大。结果，需要很大驱动力来使可移动部振荡，带来了用于驱动可移动部的驱动效率低的问题。

本发明的目标是提供能够解决上述问题或低驱动效率的问题的一种光学扫描装置、一种图像显示设备和一种光学扫描方法。

用于解决该问题的手段

根据本发明的光学扫描装置包括：支撑部；具有反射光的反射平面的可移动部；将可移动部的两端接合到支撑部的一对耦合部；和用于振荡可移动部的驱动器，其中每个耦合部包括：永磁体；以可振荡的方式将永磁体接合至支撑部的第一弹性部；和以可振荡的方式将可移动部接合至永磁体的第二弹性部，并且驱动器生成磁场，该磁场作用于永磁体以振荡永磁体因此振荡可移动部。

根据本发明的图像显示设备包括上述光学扫描装置。

根据本发明的光学扫描方法是一种使用光学扫描装置的光学扫描方法，该光学扫描装置包括具有反射光的反射平面的可移动部，永磁体以及将永磁体和可移动部接合的弹性部，该方法包括步骤：通过生成作用于永磁体的磁场从而振荡永磁体，并且将永磁体的振荡通过弹性部传递至可移动部，来振荡可移动部；并且使得光入射在可移动部的反射平面上。

发明的效果

根据本发明，能够提高驱动效率。

附图说明

图1是根据本发明第一示例性实施例的光学扫描装置的顶视图。

图2是示出根据本发明第一示例性实施例的光学扫描装置的一部分的透视图。

图3是根据本发明第一示例性实施例的光学扫描装置的截面图。

图4是示出可移动反射镜部正在移动的状态的一个示例的示图。

图5是示出可移动反射镜部正在移动的状态的另一个示例的示图。

图6是示出可移动反射镜部的倾斜角度和驱动频率之间的关系的图形，该驱动频率是要应用于线圈的ac电流的频率。

图7是示出使用光学扫描装置的图像显示设备的一个示例的示图。

图8是根据本发明第二示例性实施例的光学扫描装置的顶视图。

图9是根据本发明第二示例性实施例的光学扫描装置的截面图。

图10是根据本发明第三示例性实施例的光学扫描装置的顶视图。

图11是用于图示第一弹簧部的振荡模式的一个示例的示图。

图12是根据本发明第四示例性实施例的光学扫描装置的顶视图。

具体实施方式

接下来，将参考附图描述本发明的示例性实施例。这里，在以下的描述之中，具有相同功能的那些被分配以相同的附图标记，并且其描述可以被省略。

图1是根据本发明第一示例性实施例的光学扫描装置的顶视图。图2是示出图1所示的光学扫描装置的一部分的透视图。

如图1所示，该示例性实施例的光学扫描装置1包括可移动反射镜部11、一对耦合部12、一对支撑部13以及一对驱动器14。

可移动反射镜部11是包括反射光的反射平面并且借助该反射平面扫描光的可移动部。更具体地，如图2所示，可移动反射镜部11包括具有反射光的反射平面101的反射镜102以及其中装配反射镜102的反射镜框架103。

反射镜102装配在反射镜框架103中，使得暴露反射平面101，并且利用粘合剂等将其固定至磁体框架202B。反射平面101和反射镜102以椭圆形形成。至于反射镜102的尺寸，例如，反射平面101的长轴的反射镜长度或尺寸为6mm，反射平面101的短轴的反射镜长度或尺寸为3mm，并且厚度为0.3mm。

一对耦合部12将可移动反射镜部11的每一端接合至相对应的支撑部13。更具体地，一对耦合部12连接至可移动反射镜部11的相应端，以便彼此相对地定位，并且每个均在反射镜102的短轴的方向上延伸至支撑部13。这里，虽然支撑部13可以在短轴或长轴方向上接合，但是在其在短轴方向上接合时获得提高的驱动效率。

另外，每个耦合部12具有磁体部21、第一弹簧部和第二弹簧部。

磁体部21包括永磁体。更具体地，磁体部21具有永磁体201和其中嵌入永磁体201的磁体框架202。永磁体201被嵌入在磁体框架202中，使得磁化方向位于垂直于或近似垂直于耦合部12的延伸方向，并且利用粘合剂等将永磁体201固定到磁体框架202B。

第一弹簧部22是在反射镜102的短轴方向上延伸，并且以可振荡的方式将磁体部21接合至支撑部13的第一弹性部。第二弹簧部23是在与第一弹簧部22相同的方向上或者在反射镜102的短轴方向上延伸，并且以可振荡的方式将可移动反射镜部11接合至磁体部21的第二弹性部。

这里，将磁体部21接合至支撑部13的部件以及将可移动反射镜部11接合至磁体的部件并不局限于弹簧，而是只要其是弹性体即可。

第一弹簧部22可以由多个弹性部形成，该多个弹性部平行布置并且连接至永磁体201和支撑部13。图1所示的第一弹簧部22由作为以上所提到的弹性体的两个弹簧（弹簧B1和B2）形成。

每个驱动器14被形成为使得封闭每个耦合部12的磁体部21，并且用于通过向所封闭的磁体部21施加磁场而使可移动反射镜部11关于作为振荡轴X的反射镜102的短轴方向振荡。

图3是用于详细解释驱动器14的配置的示图，其示出了沿图1所示的光学扫描装置1的线A-A'所截取的截面。

驱动器14包括作为磁回路的轭部30以及缠绕在轭部30上的线圈34。

轭部30由三个磁性耦合的组件（轭31至33）形成。

轭31具有靠近永磁体201的极中的一个的末端31A，而在从末端32A跨永磁体201的相对一侧的位置处，轭32具有靠近永磁体201的另一极的末端32A。轭33具有在与永磁体的磁化方向垂直的方向上（更具体地，靠近永磁体201的底部表面）的末端33A。线圈34围绕轭33缠绕。

当电流流过线圈34时，该线圈激励轭部30，这导致产生作用于永磁体201上的磁场。这里，在该示例性实施例中，线圈34缠绕在轭33上，从而在末端31A和32A处的磁极以及末端33A的磁极变得彼此不同。

在这样配置的光学扫描装置1中，当电流流过线圈34时，在轭部30内生成磁通量，使得在轭31至33的末端31A至33A处形成磁极。此时，末端31A和32A以及末端33A形成彼此不同的磁极，使得在末端31A和33A之间以及末端32A和33A之间形成磁场。

例如，如图4所示，假设当电流在第一方向上流过线圈时，在末端31A和32A处形成N极，同时在末端33A处形成S极。在这种情况下，从末端31A和32A朝向末端33A生成磁场。该磁场作用于永磁体201，使得永磁体201的S极和末端33的N极彼此吸引，由此永磁体201使得所粘合的磁体部21向图中的左侧倾斜。

如图5所示，当电流在第二方向或者与第一方向相反的方向上流过线圈34时，在末端31A和32A处形成S极而在末端33A从形成N极。在这种情况下，从末端33A朝向末端31A和32A生成磁场。该磁场作用于永磁体201，使得永磁体201的N极和末端33的S极彼此吸引，由此永磁体201使得所粘合的磁体部21向图中的右侧倾斜。

因此，当ac电流被施加于线圈34时，磁体部21绕作为中心的振荡轴X振荡。磁体部21的振荡扭动第二弹簧部23而因此向前移动至可移动反射镜部11，使得可移动反射镜部11也关于振荡轴X振荡。这里，ac电流的波形优选为正弦波。

以这种配置，如果ac电流被施加于线圈34，从而导致由可移动反射镜部11、磁体部21、第一弹簧部22和第二弹簧部23所形成的振荡系统共振，则能够使得可移动反射镜部11的倾斜角度在低电流下更大。

以上振荡系统的运动的等式表达如下：

[公式1]

$\begin{array}{c}{I}_1\frac{d^2{\mathrm{\θ}}_1}{{\mathrm{dt}}^2}+c(\frac{d{\mathrm{\θ}}_1}{\mathrm{dt}}-\frac{d{\mathrm{\θ}}_2}{\mathrm{dt}})+(k_1+k_2){\mathrm{\θ}}_1-k_2{\mathrm{\θ}}_2=T_q\cos \left(\mathrm{\ωt}\right)\\ I_2\frac{d^2{\mathrm{\θ}}_2}{{\mathrm{dt}}^2}-c(\frac{d{\mathrm{\θ}}_1}{\mathrm{dt}}-\frac{d{\mathrm{\θ}}_2}{\mathrm{dt}})-k_2({\mathrm{\θ}}_1-{\mathrm{\θ}}_2)=0\end{array}$

其中，I₁是磁体部21的惯性矩，2I₂是可移动反射镜部11的惯性矩，c是振荡系统的衰减系数，θ₁是磁体部21的振荡角度，θ₂是可移动反射镜部的振荡角度，k₁是第一弹簧部22的弹簧常数，k₂是第二弹簧部23的弹簧常数，ω是要施加于线圈34的ac电流的频率的驱动频率，并且T_q是作用于磁体部21上的扭矩。这里，假设相同的ac电流流过每个磁体部21的线圈34，并且每个磁体部21的振荡角度θ₁和惯性矩相等。

由于可移动反射镜部11如以上那样振荡，可移动反射镜部11能够在各个方向上反射以某个角度入射的光。例如，如图4所示，可移动反射镜部11能够以浅角度反射以某个角度入射的光，或者如图5所示以深角度反射光束。以这种方式，能够通过改变流过线圈34的电流的方向和大小而任意改变扫描光的角度。

图6是示出可移动反射镜部11的倾斜角度和驱动频率之间的关系的图形。在图6中，作为与该示例性实施例的光学扫描装置1的比较示例（参考图6中的新结构），还示出了可移动部的倾斜角度和具有可移动反射镜部的光学扫描装置的驱动频率之间的关系，该可移动反射镜部包括反射镜和磁体（参考图6中的比较结构）。

如图6所示，当驱动频率被设定为使得在振荡系统中产生扭动共振时，与比较结构的光学扫描装置相比，该示例性实施例中的光学扫描装置1的可移动反射镜部11的倾斜角度在相同的驱动力下变得更大。这是因为可移动反射镜部11在永磁体201振荡时经由第二弹簧部23振荡。结果，能够提高驱动效率。

图7是示出使用光学扫描装置1的图像显示设备的一个示例的示图。

如图7所示，该图像显示设备包括：光束生成装置P1，用于生成根据从外部输入的视频信号来调制的不同颜色的光束；校准光学系统P2，用于校准由光束生成装置P1所生成的各个光束；以及合成光学系统P3，用于合成经校准的光束。该图像显示设备进一步包括：水平扫描部P4，用于在水平方向上扫描通过合成光学系统P3组合的光束，以便执行图像显示；垂直扫描部P5，用于在垂直方向上扫描由水平扫描部P4水平扫描的光束；以及光学系统（未示出），用于将经水平和垂直扫描的光束投射到屏幕上。该示例性实施例的光学扫描装置1以水平扫描部P4的扫描反射镜P41的形式提供，并且组装在该图像显示设备之中。

光束生成装置P1具有信号处理电路，其接收视频信号并且基于输入信号生成作为形成图像的要素的信号，并且其输出要由水平扫描部使用的水平同步信号和要由垂直扫描部使用的垂直同步信号。在该信号处理电路中，产生红（R）、绿（G）和蓝（B）的视频信号。

另外，光束生成装置P1具有用于形成从信号处理电路输出的三个视频信号（R,G,B）的不同光束的光源单元P11。光源单元P11对于每种颜色的视频信号包括用于生成光束的激光器P12以及用于驱动光束的激光器驱动系统P13。优选地，对于每个激光器，可以使用半导体激光器或固态高谐波发生器（SHG）激光器。

借助校准光学系统P2校准从光束生成装置P1的每个激光器P12所发射的每种颜色的光束，随后使得其入射到用于合成光学系统P3中的相对应颜色的分色镜上。入射在这三个分光镜上的不同颜色的光束被以波长为基础有选择地反射或透射，并且被合成以便输出至水平扫描部P4。

在水平扫描部P4和垂直扫描部P5中，入射在水平扫描部P4上的光束由扫描反射镜P41和P51水平和垂直地投射为图像。这里，扫描反射镜P41和P51由扫描驱动电路基于从信号处理电路输出的同步信号来驱动。

如之前所描述的，根据该示例性实施例，永磁体201的振荡被传递至可移动反射镜部11，由此使得可移动反射镜部11振荡。因此，能够使得振荡系统的惯性矩小，从而提高驱动效率。

接下来，将描述本发明的第二示例性实施例。

图8是根据该示例性实施例的光学扫描装置的顶视图。如图8所示，该示例性实施例的光学扫描装置1A与图1所示的光学扫描装置1的不同之处在于，一对驱动器14被一对驱动器14A所替代。

每个驱动器14A被形成为使得封闭每个耦合部12的磁体部21，并且用来通过向磁体部21施加磁场而使可移动反射镜部11关于作为振荡轴X的反射镜102的短轴方向振荡。

图9是用于更为详细地解释驱动器14A的配置的示图，其示出了沿图8所示的光学扫描装置1A的直线B-B’所取的截面。

驱动器14A包括作为磁回路的轭部40以及缠绕在轭部40上的线圈44。

轭部40由三个磁性耦合的组件（轭41至43）形成。

轭41具有靠近永磁体201的顶面的末端41A，而在从末端41A跨永磁体201的相对一侧的位置处，轭42具有靠近永磁体201的底面的末端42A。因此，轭部40具有在垂直于永磁体201的磁化方向上布置以便使得在永磁体201处于其间的情况下彼此相对定位的一对末端（末端41A和42A）。轭43没有与永磁体201接近的末端。线圈44围绕轭43缠绕。

当电流流过线圈44时，该线圈激励轭部40从而产生作用于永磁体201上的磁场。这里，在该示例性实施例中，线圈44被配置为使得处于末端41A和42A的磁极彼此不同。

同样，在该示例性实施例中，类似于第一示例性实施例，永磁体201的振荡被传递至可移动反射镜部11，以由此振荡可移动反射镜部11。因此，能够提高驱动效率。

另外，由于与第一示例性实施例相比，可以使得末端41A和42更为接近，所以能够有效地生成作用于永磁体201上的磁场。

接下来，将描述本发明的第三示例性实施例。

图10是根据该示例性实施例的光学扫描装置的顶视图。如图10所示，该示例性实施例的光学扫描装置1B与图8所示的光学扫描装置1A的不同之处在于，一对耦合部12被一对耦合部12A所替代。

一对耦合部12A将可移动反射镜部11的两端接合至相应支撑部13。更具体地，一对耦合部12接合至可移动反射镜部11的相应末端，并且每个均在反射镜102的短轴102的方向上延伸并且在中途位置向反射镜102的长轴方向弯曲，并且进一步延伸并连接至相对应的支撑部13。

每个耦合部12A包括磁体部21、第一弹簧部22A和第二弹簧部23。第一弹簧部22A是在反射镜102的长轴方向上延伸，并且以可振荡的方式将磁体部21耦合至支撑部13的弹性部。这里，第一弹簧部22A由单个弹簧形成。

在图10所示的光学扫描装置1B中，当ac电流流过驱动器14A的线圈44以向磁体部21应用磁场时，磁体部21关于振荡轴X振荡，并且第二弹性部23被扭动。作为结果，该振荡被传递至可移动反射镜部11，因此可移动反射镜部11也关于振荡轴X振荡。另一方面，由于第一弹簧部22处于垂直于振荡轴X的方向（反射镜102的短轴方向），所以第一弹簧部22A在磁体21关于振荡轴X振荡时上下振荡。此时，优选的是，第一弹簧部22A适于以2节点模式（第二模式）振荡或者具有处于支撑部13和磁体部21处的节点，如图11所示。

在该示例性实施例中，与第一示例性实施例相类似，由于永磁体201的振荡被传递至可移动反射镜部11，以由此使可移动反射镜部11振荡，所以能够提高驱动效率。另外，由于第一弹簧部22A和第二弹簧部23处于彼此不同的方向，所以能够缩短横向方向（X轴方向）的长度。

接下来，将描述本发明的第四示例性实施例。

图12是根据该示例性实施例的光学扫描装置的顶视图。图12所示的光学扫描装置1C与图10所示的光学扫描装置1B的不同之处在于，多个弹簧部包括具有平行布置的多个弹簧的第一弹簧部22B，来替代第一弹簧部22A。更具体地，第一弹簧部22B如上具有两个弹簧（弹簧B3和弹簧B4）。

在该示例性实施例中，由于第一弹簧部22B具有平行布置的多个弹簧，所以能够缩短第一弹簧部22B的长度。

在以上所描述的示例性实施例的每一个中，所图示的配置仅是示例，并且本发明并不应当被局限于以上配置。

本申请要求基于2011年7月6日提交的日本专利申请No.2011-150227的优先权，并且其全部公开内容结合于此。

附图标记的描述

1，1A至1C      光学扫描装置

11             可移动反射镜部

12，12A        耦合部

13             支撑部

14，14A        驱动器

21             磁体部

22，22A，22B   第一弹簧部

23             第二弹簧部

30，40         轭部

31至33，41至43 轭

31A,32A,33A,41A,42A  末端

34               线圈

101              反射平面

102              反射镜

103              反射镜框架

201              永磁体

202              磁体框架

Claims (10)

1.一种光学扫描装置，包括：支撑部；可移动部，所述可移动部具有反射光的反射平面；一对耦合部，所述耦合部将所述可移动部的两端接合到所述支撑部；和驱动器，所述驱动器用于振荡所述可移动部，其中

所述耦合部的每一个包括：

永磁体；

第一弹性部，所述第一弹性部以可振荡的方式将所述永磁体接合至所述支撑部；和

第二弹性部，所述第二弹性部以可振荡的方式将所述可移动部接合至所述永磁体，并且

所述驱动器生成作用于所述永磁体的磁场，以振荡所述永磁体，并且由此振荡所述可移动部。

2.根据权利要求1所述的光学扫描装置，其中

所述驱动器包括：

轭部；和

线圈，所述线圈缠绕在所述轭部上，并且当电流从所述线圈流过时通过激励所述轭部而生成所述磁场。

3.根据权利要求2所述的光学扫描装置，其中

所述轭部包括：

一对第一末端，所述第一末端在所述永磁体的磁化方向上布置为使得彼此相对定位且所述永磁体处于所述第一末端之间；和

第二末端，所述第二末端在垂直于所述永磁体的磁化方向的方向上布置，并且

所述线圈缠绕在所述轭部上，使得所述第一末端和所述第二末端形成彼此不同的磁极。

4.根据权利要求2所述的光学扫描装置，其中

所述轭部具有一对末端，所述末端在垂直于所述永磁体的磁化方向的方向上布置为使得彼此相对且所述永磁体处于所述末端之间，并且

所述线圈缠绕在所述轭部上，使得每一端形成彼此不同的磁极。

5.根据权利要求1至4中的任何一项所述的光学扫描装置，其中，所述第一弹性部和所述第二弹性部在相同方向上延伸。

6.根据权利要求1至4中的任何一项所述的光学扫描装置，其中，所述第一弹性部和所述第二弹性部在彼此垂直的方向上延伸。

7.根据权利要求1至5中的任何一项所述的光学扫描装置，其中，在所述第一弹性部中，连接在所述永磁体和所述支撑部之间的多个弹性体被平行布置。

8.根据权利要求1至7中的任何一项所述的光学扫描装置，其中，所述可移动部包括具有所述反射平面的椭圆形的反射镜，并且所述第二弹性部在所述反射镜的短轴方向上延伸。

9.一种图像显示设备，具有根据权利要求1至8中的任何一项所述的光学扫描装置。

10.一种借助光学扫描装置的光学扫描方法，所述光学扫描装置包括：可移动部，所述可移动部具有反射光的反射平面；永磁体；以及弹性部，所述弹性部将所述永磁体与所述可移动部接合，所述方法包括步骤：

通过生成作用于所述永磁体的磁场从而振荡所述永磁体，并且将所述永磁体的振荡通过所述弹性部传递至所述可移动部，来振荡所述可移动部；并且

使得光入射在所述可移动部的所述反射平面上。

Images