CN104062756A - 光扫描仪、图像显示装置以及头戴式显示器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及光扫描仪、图像显示装置以及头戴式显示器。光扫描仪的特征在于,具备:可动部;框体部;第一轴部,其将所述可动部与所述框体部连接;固定部;第二轴部,其将所述框体部与所述固定部连接;第一应变检测元件以及第二应变检测元件,它们配置于所述第二轴部的所述框体部侧的端部、或者配置于所述可动部、所述框体部以及所述第一轴部中的任一个;第一信号处理部,其被输入有所述第一应变检测元件的检测信号、且输出基于所述第二轴部的弯曲变形的信号;以及第二信号处理部,其被输入有所述第二应变检测元件的检测信号、且输出基于所述第二轴部的扭转变形的信号。
Description
技术领域
本发明涉及光扫描仪、图像显示装置以及头戴式显示器。
背景技术
例如公知有被用于投影仪、头戴式显示器等而使光进行二维扫描的光扫描仪(例如,参照专利文献1)。
例如,专利文献1所记载的光扫描仪具有框状的外侧框架(固定部);框状的内侧框架(框体部),其设于外侧框架的内侧;一对第二弹性梁(第二轴部),它们将内侧框架支承为能够相对于外侧框架转动;镜部(可动部),其设于内侧框架的内侧;以及一对第一弹性梁(第一轴部),它们将镜部支承为能够相对于内侧框架转动。
在这种光扫描仪中,一边使第二弹性梁扭转变形一边使内侧框架相对于外侧框架转动,并且一边使第一弹性梁扭转变形一边使镜部相对于内侧框架转动,由此使由镜部反射的光进行二维扫描。
另外,在专利文献1所记载的光扫描仪中,在内侧框架与外侧框架之间的第二弹性梁的外侧框架侧的端部配置有压电电阻。由此,基于该压电电阻的电阻值变化而能够检测到由第二弹性梁的扭转变形引起的内侧框架以及镜部的转动。
专利文献1:日本特开2003-207737号公报
压电电阻具备相对于应力的响应灵敏度随着温度的变化而变化的温度特性。
另一方面,在专利文献1所记载的光扫描仪中,由于压电电阻配置于第二弹性梁的外侧框架侧的端部,因此,当支承设置外侧框架时,来自外部的热向外部框架传递,从而使得压电电阻易于受到来自外部的热的影响。
因此,存在如下问题:压电电阻的温度、与第二弹性梁的产生扭转变形的主要部分的温度产生差异,从而因上述的压电电阻的温度特性而导致压电电阻的检测精度降低。
发明内容
本发明的目的在于提供能够抑制来自外部的热对应变检测元件的影响、且能够利用应变检测元件而检测可动部的动作的光扫描仪,并且提供具备上述这样的光扫描仪的可靠性优越的图像显示装置以及头戴式显示器。
通过下述的本发明而达成上述这种目的。
本发明的光扫描仪特征在于,具备:
可动部,其设有具有光反射性的光反射部、且能够绕第一轴摆动;
框体部,其能够绕与上述第一轴交叉的第二轴摆动;
第一轴部,其将上述可动部与上述框体部连接;
固定部;
第二轴部,其将上述框体部与上述固定部连接;
第一应变检测元件,其配置于上述第二轴部的上述框体部侧的端部、或者配置于上述可动部、上述框体部以及上述第一轴部中的任一个;
第二应变检测元件,其配置于上述第二轴部的上述框体部侧的端部、或者配置于上述可动部、上述框体部以及上述第一轴部中的任一个;
第一信号处理部,其被输入有上述第一应变检测元件的检测信号、且输出基于上述第二轴部的弯曲变形的信号;以及
第二信号处理部,其被输入有上述第二应变检测元件的检测信号、且输出基于上述第二轴部的扭转变形的信号。
根据这种光扫描仪,能够基于从第一信号处理部输出的信号而检测可动部绕第一轴的动作。另外,能够基于从第二信号处理部输出的信号而检测可动部绕第二轴的动作。另外,由于第一应变检测元件以及第二应变检测元件配置于第二轴部的框体部侧的端部、或者配置于可动部、框体部以及第一轴部中的任一个,所以能够抑制经由固定部的来自外部的热对第一应变检测元件以及第二应变检测元件的影响。
在本发明的光扫描仪中,优选地,上述第一应变检测元件配置于上述第二轴部的上述框体部侧的端部,并对上述第二轴部的变形进行检测。
由此,能够抑制由入射至可动部的光引起的热对第一应变检测元件施加的影响。另外,由于不必将用于检测可动部绕第一轴的动作的应变电阻元件设于第一轴部,所以能够提高第一轴部的设计的自由度。
在本发明的光扫描仪中,优选地,上述第一应变检测元件具备:压电电阻区域,其形成为在沿着上述第二轴部的长度方向的方向上延伸的长条形状、和一对端子,它们在上述压电电阻区域上以在沿着上述第二轴部的长度方向的方向上排列的方式配置。
由此,能够增大从第一应变检测元件输出的信号所包含的基于第二轴部的弯曲变形的信号。
在本发明的光扫描仪中,优选地,基于从上述第一信号处理部输出的信号而检测上述可动部绕上述第一轴的动作。
由此,基于检测出的动作,能够将可动部绕第一轴的动作控制成所需状态,并能够使可动部绕第一轴的动作与其他装置的动作同步。
在本发明的光扫描仪中,优选地,利用观测器并基于从上述第一信号处理部输出的信号而推断上述可动部绕上述第一轴的动作。
由此,即使可动部绕第一轴的摆动并未处于共振状态,也能够基于从第一信号处理部输出的信号而检测可动部绕第一轴的动作。
在本发明的光扫描仪中,优选地,利用与上述可动部绕上述第一轴的摆动有关的共振频率的振幅、和与上述框体部绕上述第一轴的摆动有关的共振频率的振幅之比、且基于从上述第一信号处理部输出的信号而推断上述可动部绕上述第一轴的动作。
由此,能够以比较简单的结构并基于从第一信号处理部输出的信号而高精度地检测可动部绕第一轴的动作。
在本发明的光扫描仪中,优选地,上述第二应变检测元件配置于上述第二轴部的上述框体部侧的端部,并对上述第二轴部的变形进行检测。
由此,能够抑制由入射至可动部的光引起的热对第二应变检测元件施加的影响。另外,由于不必将用于检测可动部绕第二轴的动作的应变电阻元件设于第一轴部,所以能够提高第一轴部的设计的自由度。
在本发明的光扫描仪中,优选地,基于从上述第二信号处理部输出的信号而检测上述可动部绕上述第二轴的动作。
由此,基于检测出的动作,能够将可动部绕第二轴的动作控制成所需的状态,并能够使可动部绕第二轴的动作与其他装置的动作同步。
本发明的光扫描仪的特征在于,具备:
可动部,其设有具有光反射性的光反射部、且能够绕第一轴摆动;
框体部,其能够绕与上述第一轴交叉的第二轴摆动;
第一轴部,其将上述可动部与上述框体部连接;
固定部;
第二轴部,其将上述框体部与上述固定部连接;
应变检测元件,其配置于上述第二轴部的上述框体部侧的端部,并对上述第二轴部的变形进行检测;
第一信号处理部,其被输入有上述应变检测元件的检测信号、且输出基于上述第二轴部的弯曲变形的信号;以及
第二信号处理部,其被输入有上述应变检测元件的检测信号、且输出基于上述第二轴部的扭转变形的信号。
根据这种光扫描仪,能够基于从第一信号处理部输出的信号而检测可动部绕第一轴的动作。另外,能够基于从第二信号处理部输出的信号而检测可动部绕第二轴的动作。另外,由于应变检测元件配置于第二轴部的框体部侧的端部,所以能够抑制经由固定部的来自外部的热对应变检测元件的影响。
在本发明的光扫描仪中,优选地,上述应变检测元件具备压电电阻区域、和在上述压电电阻区域上以在相对于上述第二轴部的长度方向倾斜的方向上排列的方式而配置的一对端子。
由此,能够增大从应变检测元件输出的信号所包含的分别基于第二轴部的弯曲变形以及扭转变形的信号。
在本发明的光扫描仪中,优选地,上述第二轴部以隔着上述框体部的方式设有一对,
上述应变检测元件配置于上述一对第二轴部的每一个。
由此,能够从一对应变检测元件的检测信号分别高效地抽取基于第二轴部的弯曲变形的信号、和基于第二轴部的扭转变形的信号。
本发明的图像显示装置的特征在于,具备:
本发明的光扫描仪;以及
射出光的光源,
利用上述光反射部反射从上述光源射出的光并对图像进行显示。
由此,能够提供具有优越的可靠性的图像显示装置。
本发明的头戴式显示器的特征在于,具备:
本发明的光扫描仪;以及
射出光的光源,
利用上述光反射部反射从上述光源射出的光并将图像作为虚像而显示。
由此,能够提供具有优越的可靠性的头戴式显示器。
附图说明
图1是示出本发明的第一实施方式所涉及的光扫描仪的俯视图。
图2是图1所示的光扫描仪的剖视图(沿着X轴的剖视图)。
图3是示出图1所示的光扫描仪的控制系统的框图。
图4是用于对图1所示的光扫描仪所具备的驱动部的电压施加部进行说明的框图。
图5是示出图4所示的第一电压产生部以及第二电压产生部处产生的电压的一个例子的图。
图6是用于对图1所示的光扫描仪的第一应变检测元件进行说明的图。
图7是用于对图1所示的光扫描仪的第二应变检测元件进行说明的图。
图8(a)是示出与施加于框体部的绕第一轴的扭矩和可动部以及框体部的绕Y轴的摆动角之比有关的频率特性的曲线图,图8(b)是示出与施加于框体部的绕第一轴的扭矩和可动部以及框体部的绕第一轴的摆动之间的相位差有关的频率特性的曲线图。
图9(a)是将图8(a)的共振频率附近放大后的曲线图,图9(b)是将图8(b)的共振频率附近放大后的曲线图。
图10是示出本发明的第二实施方式所涉及的光扫描仪的俯视图。
图11是示出图10所示的光扫描仪的控制系统的框图。
图12是用于对图10所示的光扫描仪的应变检测元件进行说明的图。
图13是用于对双端子型的应变检测元件的姿势与硅的结晶方位之间的关系进行说明的图。
图14是示出将p型硅用于压电电阻区域的情况下的双端子型的应变检测元件的姿势(角度α)、与由拉伸应力以及剪切应力引起的电阻值变化率的绝对值之间的关系的曲线图。
图15是示出将n型硅用于压电电阻区域的情况下的双端子型的应变检测元件的姿势(角度α)、与由拉伸应力以及剪切应力引起的电阻值变化率的绝对值之间的关系的曲线图。
图16是示出双端子型的应变检测元件的姿势(角度α)、与由拉伸应力以及剪切应力引起的电阻值变化率的绝对值之比之间的关系的曲线图。
图17是示出本发明的第三实施方式所涉及的光扫描仪的俯视图。
图18是用于对图17所示的光扫描仪的应变检测元件进行说明的图。
图19是示出将p型硅用于压电电阻区域的情况下的4端子型的应变检测元件的姿势(角度α)、与由拉伸应力以及剪切应力引起的电阻值变化率的绝对值之间的关系的曲线图。
图20是示出将n型硅用于压电电阻区域的情况下的4端子型的应变检测元件的姿势(角度α)、与由拉伸应力以及剪切应力引起的电阻值变化率的绝对值之间的关系的曲线图。
图21是示出4端子型的应变检测元件的姿势(角度α)、与由拉伸应力以及剪切应力引起的电阻值变化率的绝对值之比之间的关系的曲线图。
图22是示出本发明的第四实施方式的光扫描仪的俯视图。
图23是示出本发明的第五实施方式的光扫描仪的俯视图。
图24是示出本发明的第六实施方式的光扫描仪的俯视图。
图25是示意性地示出本发明的图像显示装置的实施方式的图。
图26是示出图25所示的图像显示装置的控制系统的框图。
图27是示出本发明的图像显示装置的应用例1的立体图。
图28是示出本发明的图像显示装置的应用例2的立体图。
图29是示出本发明的图像显示装置的应用例3的立体图。
具体实施方式
以下,参照附图对本发明的光扫描仪、图像显示装置以及头戴式显示器的优选的实施方式进行说明。
(光扫描仪)
<第一实施方式>
图1是示出本发明的第一实施方式所涉及的光扫描仪的俯视图,图2是图1所示的光扫描仪的剖视图(沿着X轴的剖视图),图3是示出图1所示的光扫描仪的控制系统的框图。另外,图4是用于对图1所示的光扫描仪所具备的驱动部的电压施加部进行说明的框图,图5是示出图4所示的第一电压产生部以及第二电压产生部处产生的电压的一个例子的图。
此外,以下,为了便于说明,将图2中的上侧称为“上”,将下侧称为“下”。
如图1以及图2所示,光扫描仪1具备可动镜部11、一对轴部12a、12b(第一轴部)、框体部13、一对轴部14a、14b(第二轴部)、固定部15、永久磁铁21、线圈31、磁芯32、电压施加部4、应变检测元件51(第一应变检测元件)以及应变检测元件52(第二应变检测元件)。
此处,绕Y轴(第一轴)摆动(往复转动)的第一振动系统构成为包括可动镜部11、一对轴部12a、12b。另外,绕X轴(第二轴)摆动(往复转动)的第二振动系统构成为包括可动镜部11、一对轴部12a、12b、框体部13、一对轴部14a、14b以及永久磁铁21。
另外,对于通过永久磁铁21以及线圈31的磁场的相互作用来驱动前述的第一振动系统以及第二振动系统(即,使可动镜部11绕X轴以及Y轴摆动)的驱动部而言,构成为包括永久磁铁21、线圈31以及电压施加部4。
特别地,在光扫描仪1中,应变检测元件51配置于轴部14a的框体部13侧的端部,应变检测元件51的检测信号包含基于轴部14a的弯曲变形的信号,如图3所示,上述应变检测元件51的检测信号被输入至第一信号处理电路71。第一信号处理电路71输出基于轴部14a的弯曲变形的信号。从第一信号处理电路71输出的信号被输入至控制部6。控制部6基于从第一信号处理电路71输出的信号来检测可动镜部11绕Y轴的动作。如此,使用应变检测元件51的检测信号所包含的基于轴部14a的弯曲变形的信号,对可动镜部11绕Y轴的动作进行检测。
另外,应变检测元件52配置于轴部14b的框体部13侧的端部,应变检测元件52的检测信号包含基于轴部14b的扭转变形的信号,如图3所示,上述的应变检测元件52的检测信号被输入至第二信号处理电路72。第二信号处理电路72输出基于轴部14b的扭转变形的信号。从第二信号处理电路72输出的信号被输入至控制部6。控制部6基于从第二信号处理电路72输出的信号来检测可动镜部11绕X轴的动作。
在这种光扫描仪1中,由于应变检测元件51、52配置于轴部14a、14b的框体部13侧的端部,所以能够抑制经由固定部15的来自外部的热对应变检测元件51、52的影响。此处,轴部14a、14b的框体部13侧的端部是指轴部14a、14b的相对于各自的中心靠框体部13侧的部分。
以下,依次对光扫描仪1的各部分进行详细说明。
可动镜部11具有基部(可动部)111、和经由隔离件112而固定于基部111的光反射板113。此处,基部(可动部)111具有能够相对于固定部15摆动(转动)的功能。
在光反射板113的上表面(一方的面)设有具有光反射性的光反射部114。
该光反射板113被设置为相对于轴部12a、12b在光反射板113的板厚方向上分离,并且,从板厚方向观察时(以下,也称为“俯视”),该光反射板113与轴部12a、12b重叠。
因此,能够缩短轴部12a与轴部12b之间的距离、且增大光反射板113的板面的面积。另外,由于能够缩短轴部12a与轴部12b之间的距离,所以能够实现框体部13的小型化。此外,由于能够实现框体部13的小型化,所以能够缩短轴部14a与轴部14b之间的距离。
由此,即使增大光反射板113的板面的面积,也能够实现光扫描仪1的小型化。
另外,俯视观察时,光反射板113形成为将轴部12a、12b的整体覆盖。换言之,俯视观察时,轴部12a、12b分别相对于光反射板113的外周而位于内侧。由此,增大了光反射板113的板面的面积,其结果是,能够增大光反射部114的面积。另外,能够抑制无用的光(例如无法入射至光反射部114的光)在轴部12a、12b反射而成为杂散光(straylight)的情况。
另外,俯视观察时,光反射板113形成为将框体部13的整体覆盖。换言之,俯视观察时,框体部13相对于光反射板113的外周而位于内侧。由此,增大了光反射板113的板面的面积,其结果是,能够增大光反射部114的面积。另外,能够抑制无用的光在框体部13反射而成为杂散光的情况。
并且,俯视观察时,光反射板113将轴部14a、14b的整体覆盖。换言之,俯视观察时,轴部14a、14b分别相对于光反射板113的外周而位于内侧。由此,增大了光反射板113的板面的面积,其结果是,能够增大光反射部114的面积。另外,能够抑制无用的光在轴部14a、14b反射而成为杂散光的情况。
在本实施方式中,俯视观察时,光反射板113呈圆形。此外,光反射板113的俯视形状并不局限于此,例如也可以为椭圆形、四边形等多边形。另外,通过使光反射板113的俯视形状形成为在沿着X轴以及Y轴的方向上突出的形状,能够将光反射板113的惯性矩抑制得较小并高效地减少各轴部处的杂散光。
在这种光反射板113的下表面(另一方的面,光反射板113的基部111侧的面)设有硬质层115。
硬质层115由与光反射板113主体的构成材料相比更硬的材料构成。由此,能够提高光反射板113的刚性。因此,能够抑制光反射板113摆动时的挠曲。另外,能够减薄光反射板113的厚度,从而能够抑制光反射板113绕X轴以及Y轴摆动时的惯性矩。
作为这种硬质层115的构成材料,只要是与光反射板113主体的构成材料相比更硬的材料即可,并不进行特别限定,例如能够使用钻石、水晶、蓝宝石、钽酸锂、铌酸钾、氮化碳膜等,但特别优选使用钻石。
并未对硬质层115的厚度(平均)进行特别限定,但优选为1μm~10μm左右,更优选为1μm~5μm左右。
另外,硬质层115可以以单层构成,也可以由多层的层叠体构成。另外,硬质层115可以设于光反射板113的下表面整体,也可以设于下表面的一部分。此外,硬质层115是根据需要而设置的,还能够将其省略。
例如能够使用等离子体CVD、热CVD、激光CVD之类的化学蒸镀法(CVD)、真空蒸镀、溅射、离子镀等干式电镀法、电镀、浸镀、无电镀等湿式电镀法、热喷涂、片状部件的接合等方式而形成这种硬质层115。
另外,光反射板113的下表面经由隔离件112而固定于基部111。由此,能够抑制与轴部12a、12b、框体部13以及轴部14a、14b的接触、且使光反射板113绕Y轴摆动。
另外,俯视观察时,基部111相对于光反射板113的外周而位于内侧。另外,对于基部111的俯视下的面积而言,只要使得基部111能够经由隔离件112而支承光反射板113即可,但优选为尽量小。由此,能够增大光反射板113的板面的面积且缩小轴部12a与轴部12b之间的距离。
框体部13呈框状,并被设置成包围前述的可动镜部11的基部111。换言之,可动镜部11的基部111设于呈框状的框体部13的内侧。
俯视观察时,该框体部13形成为沿着包括可动镜部11的基部111以及一对轴部12a、12b的构造体的外形的形状。由此,能够允许构成为包括可动镜部11、一对轴部12a、12b的第一振动系统的振动,即能够允许可动镜部11绕Y轴的摆动,且能够实现框体部13的小型化。
另外,框体部13具有在框体部13的厚度方向上比轴部12a、12b以及轴部14a、14b突出的肋131。利用这种肋131能够减小框体部13的变形。另外,该肋131还具有抑制可动镜部11与永久磁铁21接触的功能(作为隔离件的功能)。
此外,框体部13的形状只要是框状即可,并不限定于图示的形状。
另外,对于框体部13而言,其沿着Y轴的方向上的长度比沿着X轴的方向上的长度长。由此,能够确保轴部12a、12b所需的长度,并能够缩短光扫描仪1的沿着X轴的方向上的长度。
而且,框体部13经由轴部14a、14b而被支承于固定部15。另外,可动镜部11的基部111经由轴部12a、12b而被支承于框体部13。
轴部12a、12b以及轴部14a、14b能够分别进行弹性变形。
而且,轴部12a、12b(第一轴部)以能够使可动镜部11绕Y轴(第一轴)摆动(转动)的方式而将可动镜部11与框体部13连接。另外,轴部14a、14b(第二轴部)以能够使框体部13绕与Y轴正交的X轴(第二轴)摆动(转动)的方式而将框体部13与固定部15连接。
更具体地进行说明,轴部12a、12b配置成经由(隔着)可动镜部11的基部111而相互对置。
另外,轴部12a、12b分别呈在沿着Y轴的方向上延伸的长条形状(棒状)。而且,轴部12a、12b分别形成为,一方的端部与基部111连接,另一方的端部与框体部13连接。另外,轴部12a、12b分别配置成中心轴与Y轴一致。
如此,轴部12a、12b从两侧支承可动镜部11的基部111。而且,轴部12a、12b分别随着可动镜部11绕Y轴的摆动而进行扭转变形。
此外,对于轴部12a、12b的形状而言,只要分别将可动镜部11支承为能够相对于框体部13绕Y轴摆动即可,并不限定于前述的形状,例如也可以在中途的至少一处位置具有屈曲或者弯曲的部分、分支的部分、宽度不同的部分。
轴部14a、14b配置成隔着框体部13而相互对置。
另外,俯视观察时,一对轴部14a、14b分别沿X轴配置,并呈沿着X轴的长条形状(棒状)。而且,轴部14a、14b分别形成为,一方的端部与框体部13连接,另一方的端部与固定部15连接。另外,轴部14a、14b分别配置成中心轴与X轴一致。
如此,轴部14a、14b从两侧支承框体部13。而且,轴部14a、14b分别随着框体部13绕X轴的摆动而进行扭转变形。
此外,对于轴部14a、14b的形状而言,只要分别将框体部13支承为能够相对于固定部15绕X轴摆动即可,并不限定于前述的形状,例如也可以在中途的至少一处位置具有屈曲或者弯曲的部分、分支的部分、宽度不同的部分。
如此,通过使可动镜部11能够绕Y轴摆动、且使框体部13能够绕X轴摆动,能够使可动镜部11(换言之,为光反射板113)绕相互正交的X轴以及Y轴这两个轴摆动(转动)。
如以上说明那样的基部111、轴部12a、12b、框体部13、轴部14a、14b以及固定部15形成为一体。
在本实施方式中,基部111、轴部12a、12b、框体部13、轴部14a、14b以及固定部15,是对按照第一Si层(元件层)、SiO2层(盒层)、第二Si层(处理层)的顺序对这些层进行层叠而成的SOI基板进行蚀刻而形成的。由此,能够使第一振动系统以及第二振动系统的振动特性变得优异。另外,由于能够通过蚀刻来对SOI基板进行微细的加工,所以通过使用SOI基板形成基部111、轴部12a、12b、框体部13、轴部14a、14b以及固定部15,能够使上述这些部件的尺寸精度变得优异,另外,能够实现光扫描仪1的小型化。
而且,基部111、轴部12a、12b以及轴部14a、14b,分别由SOI基板的第一Si层构成。由此,能够使轴部12a、12b以及轴部14a、14b的弹性变得优异。另外,能够抑制基部111在绕Y轴转动时与框体部13接触。
此处,该SOI基板的第一Si层为p型单晶硅基板或者n型单晶硅基板。而且,例如在该第一Si层为(100)面的p型单晶硅基板的情况下,轴部14a、14b分别沿(100)面的p型单晶硅基板的结晶轴的<110>方向延伸。另外,在该第一Si层为(100)面的n型单晶硅基板的情况下,轴部14a、14b分别沿(100)面的n型单晶硅基板的结晶轴的<100>方向延伸。
另外,框体部13以及固定部15分别由层叠体构成,该层叠体包括SOI基板的第一Si层、SiO2层以及第二Si层。由此,能够使框体部13以及固定部15的刚性变得优异。
另外,框体部13的SiO2层以及第二Si层,即,框体部13的与轴部12a、12b或者轴部14a、14b相比在厚度方向上突出的部分,构成提高前述的框体部13的刚性的肋131。
另外,优选地,俯视观察时,对位于光反射板113的外侧的部分(在本实施方式中为固定部15)的上表面实施反射防止处理。由此,能够抑制照射至光反射板113以外的无用光成为杂散光的情况。
作为上述这样的反射防止处理,并不进行特别限定,例如能够举出形成防反射膜(电介质多层膜)、表面粗糙化处理、黑色处理等。
此外,前述的基部111、轴部12a、12b、框体部13、轴部14a、14b以及固定部15的构成材料以及形成方法仅为一个例子,本发明并不限定于此。例如也可以通过对硅基板进行蚀刻而形成基部111、轴部12a、12b、框体部13、轴部14a、14b以及固定部15。
另外,在本实施方式中,隔离件112以及光反射板113也通过对SOI基板进行蚀刻而形成。而且,隔离件112由层叠体构成,该层叠体包括SOI基板的SiO2层以及第二Si层。另外,光反射板113由SOI基板的第一Si层构成。
如此,使用SOI基板形成隔离件112以及光反射板113,由此能够简单且高精度地制造相互接合的隔离件112以及光反射板113。
这种隔离件112例如借助粘接剂、钎焊料等接合材料(未图示)而与基部111接合。
固定部15只要是对框体部13进行支承的部件即可,并不限定于前述的部件,例如固定部15与轴部14a、14b也可以形成为分体构造。
在前述的框体部13的下表面(与光反射板113相反的一侧的面)、亦即肋131的前端面接合有永久磁铁21。
作为永久磁铁21与框体部13之间的接合方法,并不进行特别限定,例如能够使用利用粘接剂的接合方法。
俯视观察时,永久磁铁21在相对于X轴以及Y轴倾斜的方向上被磁化。
在本实施方式中,永久磁铁21呈在相对于X轴以及Y轴倾斜的方向上延伸的长条形状(棒状)。而且,永久磁铁21在其长度方向上被磁化。即,永久磁铁21以一端部为S极、且另一端部为N极的方式被磁化。
另外,俯视观察时,永久磁铁21设置成以X轴与Y轴的交点为中心对称。
此外,在本实施方式中,以在框体部13设置有一个永久磁铁的情况为例进行了说明,但并不局限于此,例如,也可以在框体部13设置两个永久磁铁。在该情况下,例如只要以使两个呈长条状的永久磁铁在俯视观察时隔着基部111相互对置并且相互平行的方式将上述两个永久磁铁设置于框体部13即可。
对于永久磁铁21的磁化的方向(延伸方向)相对于X轴的倾斜角θ而言,并不进行特别限定,优选为30°以上60°以下,更优选为30°以上45°以下,进一步优选为45°。通过以该方式设置永久磁铁21,能够顺畅并且可靠地使可动镜部11绕X轴转动。
与此相对,若倾斜角θ不足上述下限值,则有时会因由电压施加部4对线圈31施加的电压的强度等各种条件而无法使可动镜部11充分地绕X轴转动。另一方面,若倾斜角θ超过上述上限值,则有时会因各种条件而无法使可动镜部11充分绕Y轴转动。
作为这种永久磁铁21,例如能够优选使用钕磁铁、铁素体磁铁、钐钴磁铁、铝镍钴磁体、粘结(bond)磁体等。这种永久磁铁21通过对硬磁性体进行磁化而成,例如通过在将磁化前的硬磁性体设置于框体部13以后再进行磁化而形成。其理由在于,若欲将已被磁化的永久磁铁21设置于框体部13,则有时会因外部、其他部件的磁场的影响而无法将永久磁铁21设置于所需的位置。
在永久磁铁21的正下方设有线圈31。即,以与框体部13的下表面对置的方式设有线圈31。由此,能够使从线圈31产生的磁场高效地作用于永久磁铁21。由此,能够实现光扫描仪1的省电化以及小型化。
在本实施方式中,线圈31卷绕设置于磁芯32。由此,能够使线圈31所产生的磁场高效地作用于永久磁铁21。此外,也可以省略磁芯32。
这种线圈31与电压施加部4电连接。
而且,利用电压施加部4对线圈31施加电压,由此,从线圈31产生与X轴以及Y轴正交的方向的磁场。
如图4所示,电压施加部4具备产生用于使可动镜部11绕Y轴转动的第一电压V1的第一电压产生部41、产生用于使可动镜部11绕X轴转动的第二电压V2的第二电压产生部42、以及使第一电压V1与第二电压V2重叠的电压重叠部43,并将在电压重叠部43重叠的电压施加于线圈31。
如图5(a)所示,第一电压产生部41产生以周期T1而周期性地变化的第一电压V1(水平扫描用电压)。即,第一电压产生部41产生第一频率(1/T1)的第一电压V1。
第一电压V1呈正弦波之类的波形。因此,光扫描仪1能够有效地使光进行主扫描。此外,第一电压V1的波形不限定于此。
另外,第一频率(1/T1)只要是适于水平扫描的频率即可,并不进行特别限定,但优选为10kHz~40kHz。
在本实施方式中,第一频率被设定为与构成为包括可动镜部11、一对轴部12a、12b的第一振动系统(扭转振动系统)的扭转共振频率(f1)相等。换句话说,第一振动系统被设计(制造)为其扭转共振频率f1成为适于进行水平扫描的频率。由此,能够增大可动镜部11绕Y轴的转动角。
另一方面,如图5(b)所示,第二电压产生部42产生以与周期T1不同的周期T2而周期性地变化的第二电压V2(垂直扫描用电压)。即,第二电压产生部42产生第二频率(1/T2)的第二电压V2。
第二电压V2呈锯齿波之类的波形。因此,光扫描仪1能够有效地使光进行垂直扫描(副扫描)。此外,第二电压V2的波形不限定于此。
第二频率(1/T2)与第一频率(1/T1)不同,并且,只要是适于进行垂直扫描的频率即可,并不进行特别限定,但优选为30Hz~120Hz(60Hz左右)。如此,通过将第二电压V2的频率设为60Hz左右,并如前述那样将第一电压V1的频率设为10kHz~40kHz,能够以适于利用显示器进行描绘的频率而使可动镜部11绕相互正交的两个轴(X轴以及Y轴)中的各个轴转动。但是,只要能够使可动镜部11绕X轴以及Y轴的各个轴转动即可,对于第一电压V1的频率与第二电压V2的频率的组合并不进行特殊限定。
在本实施方式中,第二电压V2的频率被调整成与构成为包括可动镜部11、一对轴部12a、12b、框体部13、一对轴部14a、14b以及永久磁铁21的第二振动系统(扭转振动系统)的扭转共振频率(共振频率)不同的频率。
这种第二电压V2的频率(第二频率)优选为小于第一电压V1的频率(第一频率)。即,周期T2优选为比周期T1长。由此,能够更可靠且更顺畅地使可动镜部11以第一频率绕Y轴转动、且以第二频率绕X轴转动。
另外,当将第一振动系统的扭转共振频率设为f1[Hz]、且将第二振动系统的扭转共振频率设为f2[Hz]时,f1与f2优选为满足f2<f1的关系,更优选为满足f1≥10f2的关系。由此,能够更顺畅地使可动镜部11以第一电压V1的频率绕Y轴转动、且以第二电压V2的频率绕X轴转动。与此相对,在设为f1≤f2的情况下,有可能引起第一振动系统的基于第二频率的振动。
这种第一电压产生部41以及第二电压产生部42分别与控制部6连接,基于来自该控制部6的信号而被驱动。这种第一电压产生部41以及第二电压产生部42与电压重叠部43连接。
电压重叠部43具备用于对线圈31施加电压的加法器43a。加法器43a从第一电压产生部41接受第一电压V1,并且从第二电压产生部42接受第二电压V2,并使上述这些电压重叠而后施加于线圈31。
接下来,对光扫描仪1的驱动方法进行说明。此外,在本实施方式中,如前述那样,第一电压V1的频率被设定为与第一振动系统的扭转共振频率相等,第二电压V2的频率被设定为与第二振动系统的扭转共振频率不同的值、且设定为小于第一电压V1的频率(例如,第一电压V1的频率被设定为18kHz,第二电压V2的频率被设定为60Hz)。
例如,利用电压重叠部43使图5(a)所示那样的第一电压V1、图5(b)所示那样的第二电压V2重叠,将重叠后的电压施加于线圈31。
于是,对于将永久磁铁21的一方的磁极朝线圈31吸引并且使永久磁铁21的另一方的磁极与线圈31分离的磁场(将该磁场称为“磁场A1”)、和使永久磁铁21的一方的磁极211与线圈31分离并且将永久磁铁21的另一方的磁极212朝线圈31吸引的磁场(将该磁场称为“磁场A2”)而言,通过第一电压V1而使它们交替地切换。
此处,如上述那样,在图1的俯视图中,永久磁铁21的N极隔着Y轴而位于一侧,永久磁铁21的S极隔着Y轴而位于另一侧。因此,通过交替地切换磁场A1与磁场A2而激起在框体部13具有绕Y轴的扭转振动分量的振动,随着该振动而使轴部12a、12b进行扭转变形,且使可动镜部11以第一电压V1的频率绕Y轴转动。
另外,第一电压V1的频率与第一振动系统的扭转共振频率相等。因此,能够通过第一电压V1高效地使可动镜部11绕Y轴转动。即,即使减小前述的框体部13的具有绕Y轴的扭转振动分量的振动,也能够增大随着该振动而引起的可动镜部11的绕Y轴的转动角。
另一方面,对于将永久磁铁21的一方的磁极211朝线圈31吸引并且使永久磁铁21的另一方的磁极212与线圈31分离的磁场(将该磁场称为“磁场B1”)、和使永久磁铁21的一方的磁极211与线圈31分离并且将永久磁铁21的另一方的磁极212朝线圈31吸引的磁场(将该磁场称为“磁场B2”)而言,通过第二电压V2而使它们交替地切换。
此处,如上述那样,在图1的俯视图中,永久磁铁21的N极隔着X轴而位于一侧,永久磁铁21的S极隔着X轴而位于另一侧。因此,通过交替地切换磁场B1与磁场B2,使轴部14a、14b分别进行扭转变形、且使得框体部13与可动镜部11一起以第二电压V2的频率绕X轴转动。
另外,第二电压V2的频率被设定为极度低于第一电压V1的频率。另外,第二振动系统的扭转共振频率被设计为低于第一振动系统的扭转共振频率。因此,能够抑制可动镜部11以第二电压V2的频率绕Y轴转动的情况。
如此,将第一电压V1与第二电压V2重叠后的电压施加于线圈31,从而能够使可动镜部11以第一电压V1的频率绕Y轴转动、且以第二电压V2的频率绕X轴转动。由此,能够实现装置的低成本化以及小型化,并且能够通过电磁驱动方式(动磁铁(moving magnet)方式)而使可动镜部11绕X轴以及Y轴的各个轴转动。另外,由于能够减少构成驱动源的部件(永久磁铁以及线圈)的个数,所以能够形成为简单且小型的结构。另外,由于线圈31与光扫描仪1的振动系统分离,所以能够抑制线圈31的发热对上述这样的振动系统所产生的不良影响。
基于应变检测元件51、52的检测信号而检测这种可动镜部11的动作。
以下,对应变检测元件51、52进行详述。
图6是用于对图1所示的光扫描仪的第一应变检测元件进行说明的图,图7是用于对图1所示的光扫描仪的第二应变检测元件进行说明的图。
应变检测元件51(第一应变检测元件)配置于轴部14a的框体部13侧的端部,对轴部14a的变形(主要是弯曲变形)进行检测。由此,能够抑制因入射至可动镜部11的光所引起的热对应变检测元件51产生的影响。另外,由于不必将用于检测可动镜部11绕Y轴的动作的应变电阻元件设于轴部12a、12b,所以能够提高轴部12a、12b的设计的自由度。
该应变检测元件51为双端子型的压电电阻元件。
具体进行说明,如图6所示,应变检测元件51具有压电电阻区域511、和配置于压电电阻区域511的一对端子512、513。
压电电阻区域511通过在轴部14a表面掺杂杂质而形成。更具体而言,在通过对p型单晶硅基板进行加工而形成轴部14a的情况下,压电电阻区域511为通过在轴部14a表面掺杂磷等杂质而形成的n型单晶硅(n型电阻区域)。另一方面,在通过对n型单晶硅基板进行加工而形成轴部14a的情况下,压电电阻区域511为通过在轴部14a表面掺杂硼等杂质而形成的p型单晶硅(p型电阻区域)。
另外,压电电阻区域511呈在沿着轴部14a的长度方向(即X轴方向)的方向上延伸的长条形状。另外,俯视观察时,压电电阻区域511配置于轴部14a的宽度方向上的中央部。
此外,在本实施方式中,压电电阻区域511整体设于轴部14a上,但是,压电电阻区域511只要能够受到因轴部14a的弯曲变形而引起的拉伸应力或者压缩应力即可,并不限定于图示的位置,例如也可以设置成跨越轴部14a与固定部15之间的边界部。
在这种压电电阻区域511上,以在沿着轴部14a的长度方向(即X轴方向)的方向上排列的方式而配置有一对端子512、513。
在本实施方式中,在压电电阻区域511的长度方向上的两端部配置有一对端子512、513。
一对端子512、513与第一信号处理电路71电连接。
在这种应变检测元件51中,若随着轴部14a的弯曲变形而在压电电阻区域511产生拉伸应力或者压缩应力,则压电电阻区域511的电阻率值与该拉伸应力或者压缩应力的大小对应地变化。
在本实施方式中,由于压电电阻区域511呈在X轴方向上延伸的长条形状、且在压电电阻区域511上以在X轴方向上排列的方式而配置有一对端子512、513,所以能够增大从应变检测元件51输出的信号所包含的基于轴部14a的弯曲变形的信号。
此处,俯视观察时,压电电阻区域511以及一对端子512、513配置成相对于X轴对称。因此,应变检测元件51能够仅检测随着轴部14a的弯曲变形而引起的拉伸应力或者压缩应力。即,应变检测元件51能够不检测随着轴部14a的扭转变形而引起的剪切情况。因此,能够抑制或者防止在从应变检测元件51输出的信号中包含基于轴部14a的扭转变形的信号的情况。其结果是,能够使用从应变检测元件51输出的信号并以比较简单的结构而高精度地检测可动镜部11绕Y轴的动作。
这种应变检测元件51的检测信号经由一对设于固定部15的端子81a、81b而被输入至第一信号处理电路71(第一信号处理部)。
第一信号处理电路71具有通过规定的处理而将应变检测元件51的检测信号转换为适于进行信号处理的信号的功能。
作为第一信号处理电路71的具体的处理,例如能够举出阻抗变换、温度补偿、信号放大、滤波、AD转换等。
如前述那样,应变检测元件51的检测信号包含基于轴部14a的弯曲变形的信号。而且,第一信号处理电路71根据需要而进行上述那样的处理,从而输出基于轴部14a的弯曲变形的信号。由此,能够基于从第一信号处理电路71输出的信号而检测可动镜部11绕Y轴的动作。
在本实施方式中,如图6所示,第一信号处理电路71具有电阻元件711、712、713。
该电阻元件711、712、713以及应变检测元件51构成桥电路(惠斯登桥电路)。该桥电路被应变检测元件驱动电路53供给电力,将与应变检测元件51的电阻值的变化对应的信号(电压)向控制部6输出。
这种电阻元件711、712、713优选为分别具有与应变检测元件51同等的温度特性。由此,能够不取决于应变检测元件51的温度特性而稳定地输出与轴部14a的弯曲变形量对应的信号(电压)。
此外,电阻元件711、712、713也可以配置于不受到随着轴部14a、14b的变形而引起的应力的位置、亦即固定部15。在该情况下,电阻元件711、712、713能够分别由构成为与应变检测元件51的压电电阻区域相同的电阻区域、和一对设于该电阻区域的端子构成。另外,在该情况下,电阻元件711、712、713优选为分别配置于温度条件与应变检测元件51的温度条件同等的位置。
这种从第一信号处理电路71输出的信号被输入至图3所示的控制部6。
另一方面,应变检测元件52配置于轴部14b的框体部13侧的端部,对轴部14b的变形(主要是扭转变形)进行检测。由此,能够抑制因入射至可动镜部11的光而引起的热对应变检测元件52产生的影响。另外,由于不必将用于检测可动镜部11绕X轴的动作的应变电阻元件设于轴部12a、12b,所以能够提高轴部12a、12b的设计的自由度。
该应变检测元件52为4端子型的压电电阻元件。
具体进行说明,如图7所示,应变检测元件52具有压电电阻区域521、和配置于压电电阻区域521上的一对输入端子522、523以及一对输出端子524、525。
压电电阻区域521通过在轴部14b表面掺杂杂质而形成。更具体而言,在通过对p型单晶硅基板进行加工而形成轴部14b的情况下,压电电阻区域521为通过在轴部14b表面掺杂磷等杂质而形成的n型单晶硅(n型电阻区域)。另一方面,在通过对n型单晶硅基板进行加工而形成轴部14b的情况下,压电电阻区域521为通过在轴部14b表面掺杂硼等杂质而形成的p型单晶硅(p型电阻区域)。
在本实施方式中,俯视观察时,压电电阻区域521形成为具有一对沿着X轴方向的边、和一对沿着Y轴方向的边的四边形。
此外,在本实施方式中,压电电阻区域521整体设于轴部14b上,但是,压电电阻区域521只要能够受到因轴部14b的扭转变形而引起的剪切应力即可,并不限定于图示的位置,例如也可以设置成跨越轴部14b与固定部15之间的边界部。
在这种压电电阻区域521上,以在沿着轴部14b的长度方向(即X轴方向)的方向上排列的方式而配置有一对输入端子522、523,并且以在沿着相对于轴部14b的长度方向垂直的方向(即Y轴方向)的方向上排列的方式而设置有一对输出端子524、525。
在本实施方式中,在压电电阻区域521的X轴方向上的两端部配置有一对输入端子522、523,在压电电阻区域521的Y轴方向上的两端部配置有一对输出端子524、525。
一对输入端子522、523经由一对设于固定部15的端子82a、82b而与应变检测元件驱动电路53电连接。
另一方面,一对输出端子524、525经由一对设于固定部15的端子82c、82d而与第二信号处理电路72电连接。
在这种应变检测元件52中,应变检测元件驱动电路53向一对输入端子522、523间以恒电压或者恒电流的方式而施加电压。由此,使压电电阻区域521上产生电场E。若在该电场E的基础上再随着轴部14b的扭转变形而在压电电阻区域521产生剪切应力,则压电电阻区域521的电阻率值与该剪切应力的大小对应地变化,从而,使得一对输出端子524、525间的电位差发生变化。该电位差与轴部14b的扭转变形量、可动镜部11以及框体部13绕X轴的摆动角对应地变化。因此,能够基于上述电位差而检测可动镜部11绕X轴的动作。
另外,这种应变检测元件52能够仅检测随着轴部14b的扭转变形而引起的剪切应力。即,应变检测元件52能够不检测随着轴部14b的弯曲变形而引起的拉伸或者压缩应力。因此,能够抑制或者防止在从应变检测元件52输出的信号中包含基于轴部14b的弯曲变形的信号的情况。其结果是,能够使用从应变检测元件52输出的信号并以比较简单的结构而高精度地检测可动镜部11绕X轴的动作。
这种应变检测元件52的检测信号被输入至第二信号处理电路72(第二信号处理部)。
第二信号处理电路72具有通过规定的处理而将应变检测元件52的检测信号转换为适于进行信号处理的信号的功能。
作为第二信号处理电路72的具体的处理,例如能够举出阻抗变换、温度补偿、信号放大、滤波、AD转换等。
如前述那样,应变检测元件52的检测信号包含基于轴部14b的扭转变形的信号。而且,第二信号处理电路72根据需要而进行上述那样的处理,输出基于轴部14b的扭转变形的信号。由此,能够基于从第二信号处理电路72输出的信号而检测可动镜部11绕X轴的动作。
这种从第二信号处理电路72输出的信号被输入至图3所示的控制部6。
在控制部6中,基于从第一信号处理电路71输出的信号而检测可动镜部11绕Y轴的动作。由此,基于检测出的动作,能够对可动镜部11绕Y轴的动作进行控制以使其形成为需要的状态、并使可动镜部11绕Y轴的动作与其他装置的动作同步。
在控制部6中,基于从第二信号处理电路72输出的信号而检测可动镜部11绕X轴的动作。由此,基于检测出的动作,能够对可动镜部11绕X轴的动作进行控制以使其形成为需要的状态、并使可动镜部11绕X轴的动作与其他装置的动作同步。
在本实施方式中,如图3所示,控制部6具有H检测部61、V检测部62、H控制部63、V控制部64、H目标值存储部65、以及V目标值生成部66。
H检测部61基于从第一信号处理电路71输出的信号而生成作为对水平扫描进行控制所需的信号的、例如与可动镜部11绕Y轴的摆动角对应的信号。此外,在后文中对可动镜部11绕Y轴的摆动角的检测方法进行详述。
V检测部62基于从第二信号处理电路72输出的信号而生成作为对垂直扫描进行控制所需的信号的、例如与可动镜部11绕X轴的摆动角对应的信号。
H控制部63基于预先存储于H目标值存储部65的H目标值、以及从H检测部61输出的信号而生成水平扫描用的驱动信号。
在H目标值存储部65,作为H目标值而例如储存(存储)有与水平扫描用的驱动信号之间的相位差、可动镜部11绕Y轴的最大摆动角。
V控制部64基于从V目标值生成部66输出的V目标值、和从V检测部62输出的信号而生成垂直扫描用的驱动信号。
V目标值生成部66基于从外部输入的朝向垂直扫描方向的线路(line)信息而生成作为V目标值的例如可动镜部11绕X轴的摆动角。
此处,以检测可动镜部11绕Y轴的摆动角的情况为例,对使用应变检测元件51的检测信号检测可动镜部11绕Y轴的动作的方法进行说明。
(第一检测方法)
在第一检测方法中,使用观测器(observer)并基于从第一信号处理电路71输出的信号而推断可动镜部11绕Y轴的动作(在本例中为摆动角)。
以下,对第一检测方法进行详述。
对于光扫描仪1而言,如前述那样,将用于水平扫描的第一电压与用于垂直扫描的第二电压重叠而后施加于线圈31,由此使可动镜部11以第一电压的频率绕Y轴(第一轴)摆动并且以第二电压的频率绕X轴(第二轴)摆动。
此处,第一电压的频率(水平扫描的驱动频率)与第二电压的频率(垂直扫描的驱动频率)相差较大,因此,也可以不考虑通过第一电压产生的扭矩与通过第二电压产生的扭矩之间的交扰。因此,能够单独考虑光扫描仪1中的有关绕X轴的运动与有关绕Y轴的运动。
如此,光扫描仪1的有关绕Y轴的运动方程式能够以下述数学式(1)表示。
[数学式1]
此处,上述数学式(1)中,各参数的含义如下,θhh:可动镜部11绕Y轴的摆动角,θvh:框体部13绕Y轴的摆动角,Ihh:可动镜部11绕Y轴的惯量,Ivh:框体部13绕Y轴的惯量,Chh:可动镜部11绕Y轴的摆动(振动)的衰减系数,Cvh:框体部13绕Y轴的摆动(振动)的衰减系数,khh:轴部12a、12b绕Y轴的扭转弹性常数,kvh:轴部14a、14b绕Y轴的扭转弹性常数,T(t):框体部13因永久磁铁21以及线圈31的磁场的相互作用而受到的绕Y轴的扭矩。
而且,
在设为[数学式2]
、且将与轴部14a的弯曲应力有关的应变检测元件51的检测信号的输出设为y、将应变检测元件51的变换系数设为α时,能够根据上述数学式(1)导出如下所示的X以及y之间的关系。
[数学式3]
y=CX
若利用以下数学式(4)来表示由这种X以及y之间的关系表示的系统的可观测系数,
[数学式4]
则能够得到下式。
[数学式5]
此处,由于Mobs=4,所以该系统是可观测的。因此,能够基于配置于轴部14a的应变检测元件51的检测信号所包含的基于轴部14a的弯曲变形的信号、且利用观测器而推断可动镜部11绕Y轴的摆动角(偏转角)。
对于上述这样的观测器而言,将观测器增益设为L,对X以及y的推断值之间的关系进行如下表示。
[数学式6]
此处,=(X的推断值),=(y的推断值)。
通过使用这种X以及y的推断值之间的关系、且基于应变检测元件51的检测信号所包含的基于轴部14a的弯曲变形的信号而能够推断可动镜部11绕Y轴的摆动角。
根据以上说明那样的第一检测方法,即使可动镜部11绕Y轴的摆动并未形成为共振状态,也能够基于从第一信号处理电路71输出的信号而检测可动镜部11绕Y轴的动作。
(第二检测方法)
在第二检测方法中,使用与可动镜部11绕Y轴的摆动有关的共振频率的振幅、和与框体部13绕Y轴的摆动有关的共振频率的振幅之比,并基于从第一信号处理电路71输出的信号而能够推断可动镜部11绕Y轴的动作(在本例中为摆动角)。
以下,对第二检测方法进行详述。
在上述数学式(1)中,若将θhh以及θvh的拉普拉斯变换分别设为Xhh以及Xvh,将初始值全部设为0,则能够得到下述数学式(2)。
[数学式7]
若对该数学式(2)进行变形,则能够得到下述数学式(3)。
[数学式8]
此处,与可动镜部11以及框体部13绕Y轴的摆动有关的共振频率分别由上述数学式(3)的分母最小时的s(=jω,ω:角频率)决定。根据上述数学式(3)可知,Xhh以及Xvh的分母彼此相等,因此与可动镜部11绕Y轴的摆动有关的共振频率、和与框体部13绕Y轴的摆动有关的共振频率一致。
具体而言,与施加于框体部13的绕Y轴的扭矩和可动镜部11以及框体部13绕Y轴的摆动角之比有关的频率特性如图8(a)以及图9(a)所示。
另外,与施加于框体部13的绕Y轴的扭矩和可动镜部11以及框体部13绕Y轴的摆动之间的相位差有关的频率特性如图8(b)以及图9(b)所示。
此外,图8(a)是表示与施加于框体部的绕第一轴的扭矩和可动部以及框体部饶Y轴的摆动角之比有关的频率特性的曲线图,图8(b)是表示与施加于框体部的绕第一轴的扭矩和可动部以及框体部绕第一轴的摆动之间的相位差有关的频率特性的曲线图。另外,图9(a)是将图8(a)的共振频率附近放大后的曲线图,图9(b)是将图8(b)的共振频率附近放大后的曲线图。
然而,可动镜部11以及框体部13绕Y轴的摆动,表现为轴部14a、14b的拉伸应力。因此,能够基于配置于轴部14a的应变检测元件51的检测信号而掌握可动镜部11是否处于与绕Y轴的摆动有关的共振状态。更具体而言,能够基于施加于框体部13的绕Y轴的扭矩与可动镜部11以及框体部13绕Y轴的摆动之间的相位差而掌握可动镜部11是否处于与绕Y轴的摆动有关的共振状态。
为了基于应变检测元件51的检测信号而推断可动镜部11的摆动角(偏转角),只要对应变检测元件51的响应乘以可动镜部11的与绕Y轴的摆动有关的共振状态下的可动镜部11绕Y轴的振幅与框体部13绕Y轴的振幅之比即可。
在上述比因温度变化而变化的情况下,只要在光扫描仪1附近设置温度传感器、并与利用该温度传感器检测到的温度对应地修正该比即可。
根据如以上说明那样的第二检测方法,能够以比较简单的结构、并基于从第一信号处理电路71输出的信号而高精度地检测可动镜部11绕Y轴的动作。
根据如以上说明那样的光扫描仪1,能够基于从第一信号处理电路71输出的信号而检测可动镜部11绕Y轴的动作。另外,能够基于从第二信号处理电路72输出的信号而检测可动镜部11绕X轴的动作。另外,由于应变检测元件51、52配置于轴部14a、14b的框体部13侧的端部,所以能够抑制经由固定部15的来自外部的热对应变检测元件51、52的影响。
<第二实施方式>
接下来,对本发明的第二实施方式进行说明。
图10是示出本发明的第二实施方式所涉及的光扫描仪的俯视图,图11是示出图10所示的光扫描仪的控制系统的框图。另外,图12是用于对图10所示的光扫描仪的应变检测元件进行说明的图。另外,图13是用于对双端子型的应变检测元件的姿势与硅的结晶方位之间的关系进行说明的图。另外,图14是示出将p型硅用于压电电阻区域的情况下的双端子型的应变检测元件的姿势(角度α)与基于拉伸应力以及剪切应力的电阻值变化率的绝对值之间的关系的曲线图。另外,图15是示出将n型硅用于压电电阻区域的情况下的双端子型的应变检测元件的姿势(角度α)与基于拉伸应力以及剪切应力的电阻值变化率的绝对值之间的关系的曲线图。另外,图16是示出双端子型的应变检测元件的姿势(角度α)与基于拉伸应力以及剪切应力的电阻值变化率的绝对值之比之间的关系的曲线图。
对于本实施方式所涉及的光扫描仪而言,除了应变检测元件、第一信号处理部以及第二信号处理部的结构不同以外,其余结构与前述的第一实施方式所涉及的光扫描仪相同。
此外,在以下的说明中,以与前述的实施方式的不同点为中心而对第二实施方式进行说明,对于相同的事项则省略其说明。另外,在图10~图12中,对于与前述的实施方式相同的结构标注同一附图标记。
图10所示的光扫描仪1A具有应变检测元件51A、52A而取代了前述的第一实施方式中的应变检测元件51、52。另外,如图11所示,光扫描仪1A具有第一信号处理电路71A以及第二信号处理电路72A而取代了前述的第一实施方式中的第一信号处理电路71以及第二信号处理电路72。
应变检测元件51A(第一应变检测元件)配置于轴部14a的框体部13侧的端部,对轴部14a的变形(弯曲变形以及扭转变形)进行检测。另一方面,应变检测元件52A(第二应变检测元件)配置于轴部14b的框体部13侧的端部,对轴部14b的变形(弯曲变形以及扭转变形)进行检测。
俯视观察时,应变检测元件51A、52A配置成相对于Y轴对称。此外,以下,主要对应变检测元件51A进行说明,应变检测元件52A与应变检测元件51A相同,因此省略其说明。
该应变检测元件51A为双端子型的压电电阻元件。
具体进行说明,如图12所示,应变检测元件51A具有压电电阻区域511A、和配置于压电电阻区域511A上的一对端子512A、513A。
压电电阻区域511A通过在轴部14a表面掺杂杂质而形成。
另外,压电电阻区域511A形成为在相对于轴部14a的长度方向(即X轴方向)倾斜的方向上延伸的长条形状。另外,俯视观察时,压电电阻区域511A配置成跨越轴部14a的宽度方向上的中心。
此外,在本实施方式中,压电电阻区域511A整体设于轴部14a上,因此压电电阻区域511A只要能够受到因轴部14a的弯曲变形而引起的拉伸应力或者压缩应力、且受到因轴部14a的扭转变形而引起的剪切应力即可,并不限定于图示的位置,例如也可以设置成跨越轴部14a与固定部15之间的边界部。
在这种压电电阻区域511A上,以在相对于轴部14a的长度方向(即X轴方向)倾斜的方向上排列的方式而配置有一对端子512A、513A。
在本实施方式中,在压电电阻区域511A的长度方向上的两端部配置有一对端子512A、513A。
一对端子512A、513A与第一信号处理电路71A电连接。此外,在图12中,虽未图示,但一对端子512A、513A还与图11所示的第二信号处理电路72A电连接。
在这种应变检测元件51A中,若随着轴部14a的弯曲变形而在压电电阻区域511A产生拉伸应力或者压缩应力,则压电电阻区域511A的电阻率值与该拉伸应力或者压缩应力的大小对应地变化。
另外,在应变检测元件51A中,若随着轴部14a的扭转变形而在压电电阻区域511A产生剪切应力,则压电电阻区域511A的电阻率值与该剪切应力的大小对应地变化。
因此,应变检测元件51A的检测信号包含基于轴部14a的弯曲变形以及扭转变形的信号。
在本实施方式中,由于在压电电阻区域511A上以在相对于X轴方向倾斜的方向上排列的方式而配置有一对端子512A、513A,所以能够增大从应变检测元件51A输出的信号所包含的分别基于轴部14a的弯曲变形以及扭转变形的信号。
这种应变检测元件51A的检测信号所包含的基于轴部14a的弯曲变形的信号与基于轴部14a的扭转变形的信号之比,与应变检测元件51A的角度α(倾斜角度)对应地变化。此处,角度α是轴部14a的长度方向(即X轴方向)、与一对端子512A、513A排列的方向(将一对端子512、513以最短距离连结的直线的方向)所成的角度。
以下,如图13所示,以使轴部14a的长度方向为单晶硅的结晶轴的<110>方向的情况为例,对应变检测元件51A的检测信号进行详细说明。
在由p型的单晶硅构成压电电阻区域511A的情况下,如图14(a)所示,一对端子512A、513A间的压电电阻区域511A的与拉伸应力有关的电阻值变化率的绝对值随着角度α(从<110>的偏移)的增大而减小。即,角度α越大,应变检测元件51A的检测信号所包含的基于轴部14a的弯曲变形的信号越小。
另一方面,在该情况下,如图14(b)所示,一对端子512A、513A间的压电电阻区域511A的与剪切应力有关的电阻值变化率的绝对值随着角度α的增大而增大。即,角度α越大,应变检测元件51A的检测信号所包含的基于轴部14a的扭转变形的信号越大。其中,基于扭转变形的信号因角度α而发生的变化小于基于弯曲变形的信号因角度α而发生的变化。
另外,在由n型的单晶硅构成压电电阻区域511A的情况下,如图15(a)所示,一对端子512A、513A间的压电电阻区域511A的与拉伸应力有关的电阻值变化率的绝对值随着角度α的增大而减小。即,角度α越大,应变检测元件51A的检测信号所包含的基于轴部14a的弯曲变形的信号越小。其中,基于弯曲变形的信号因角度α而发生的变化较小。
另一方面,在该情况下,如图15(b)所示,一对端子512A、513A间的压电电阻区域511A的与剪切应力有关的电阻值变化率的绝对值随着角度α的增大而增大。即,角度α越大,应变检测元件51A的检测信号所包含的基于轴部14a的扭转变形的信号增大。并且,基于扭转变形的信号因角度α而发生的变化大于基于弯曲变形的信号因角度α而发生的变化。
另外,在由p型的单晶硅构成压电电阻区域511A的情况下,如图16(a)所示,一对端子512A、513A间的压电电阻区域511A的与拉伸应力有关的电阻值变化率的绝对值(R1)和与剪切应力有关的电阻值变化率的绝对值(R2)之比(R1/R2)随着角度α的增大而减小。即,角度α越大,应变检测元件51A的检测信号所包含的基于轴部14a的弯曲变形的信号相对于基于轴部14a的扭转变形的信号的比例越小。
另外,在由n型的单晶硅构成压电电阻区域511A的情况下,如图16(b)所示,一对端子512A、513A间的压电电阻区域511A的与拉伸应力有关的电阻值变化率的绝对值(R1)和与剪切应力有关的电阻值变化率的绝对值(R2)之比(R1/R2)随着角度α的增大而减小。即,角度α越大,应变检测元件51A的检测信号所包含的基于轴部14a的弯曲变形的信号相对于基于轴部14a的扭转变形的信号的比例越小。其中,上述比例较小而不取决于角度α,且因角度α而发生的变化也较小。
根据以上说明可知,在使轴部14a的长度方向为单晶硅的结晶轴的<110>方向的情况下,通过由p型的单晶硅构成压电电阻区域511A而能够高效地增大从应变检测元件51A输出的信号所包含的分别基于轴部14a的弯曲变形以及扭转变形的信号。
另外,角度α因构成轴部14a、14b的单晶硅的导电方式、结晶轴的方向的不同而不同,虽不进行特别限定,但例如在使轴部14a、14b的长度方向为单晶硅的结晶轴的<110>方向、且由p型的单晶硅构成压电电阻区域511A的情况下,优选为3°以上25°以下,更优选为5°以上8°以下。如图16(a)所示,通过将角度α设为3°以上25°以下,能够使上述的比(R1/R2)处于约10%~90%的范围。另外,通过将角度α设为5°以上8°以下,能够使上述的比(R1/R2)处于约40%~60%的范围。
这种应变检测元件51A的检测信号经由一对设于固定部15的端子81a、81b而被输入至第一信号处理电路71A(第一信号处理部)以及第二信号处理电路72A(第二信号处理部)(参照图11)。此外,应变检测元件52A的检测信号经由一对设于固定部15的端子83a、83b而被输入至第一信号处理电路71A以及第二信号处理电路72A。
第一信号处理电路71A具有通过规定的处理而将应变检测元件51A、52A的检测信号变换为适于进行信号处理的信号的功能。
作为第一信号处理电路71A的具体的处理,例如能够举出阻抗变换、温度补偿、信号放大、滤波、AD转换等。
如前述那样,应变检测元件51A、52A的检测信号包含基于轴部14a、14b的弯曲变形以及扭转变形的信号。而且,第一信号处理电路71A根据需要而进行如上述那样的处理,从应变检测元件51A、52A的检测信号除去基于轴部14a、14b的扭转变形的信号,输出基于轴部14a、14b的弯曲变形的信号。由此,能够基于从第一信号处理电路71A输出的信号而检测可动镜部11绕Y轴的动作。
在本实施方式中,如图12所示,第一信号处理电路71A具有电阻元件711、712、713以及处理部714。
该电阻元件711、712、713以及应变检测元件51A构成桥电路(惠斯登桥电路)。该桥电路被应变检测元件驱动电路53供给电力,将与应变检测元件51A的电阻值的变化对应的信号(电压)向处理部714输出。
处理部714从来自包括如上述那样的应变检测元件51A在内的桥电路的信号(电压)除去基于轴部14a的扭转变形的分量。
例如,处理部714为差动放大电路,将来自包括应变检测元件51A在内的桥电路的信号(电压)、与来自构成为与该桥电路相同的包括应变检测元件52A在内的桥电路的信号(电压)之差放大。由此,能够除去来自上述这些桥电路的信号所包含的扭转变形分量,并且将弯曲变形成分放大。
如此,对于从一对配置于隔着框体部13设置的一对轴部14a、14b的应变检测元件51A、52A的检测信号而言,能够高效地抽取基于轴部14a、14b的弯曲变形的信号。
这种从第一信号处理电路71A输出的信号被输入至图11所示的控制部6。
另一方面,第二信号处理电路72A具有通过规定的处理而将应变检测元件51A、52A的检测信号变换为适于进行信号处理的信号的功能。
作为第二信号处理电路72A的具体的处理,例如能够举出阻抗变换、温度补偿、信号放大、滤波、AD转换等。
如前述那样,应变检测元件51A、52A的检测信号包含基于轴部14a、14b的弯曲变形以及扭转变形的信号。而且,第二信号处理电路72A根据需要而进行上述那样的处理,从应变检测元件51A、52A的检测信号除去基于轴部14a、14b的弯曲变形的信号,输出基于轴部14a、14b的扭转变形的信号。由此,能够基于从第二信号处理电路72A输出的信号而检测可动镜部11绕X轴的动作。
例如,第二信号处理电路72A将来自包括差动放大电路在内的包括如上述那样的应变检测元件51A的桥电路的信号(电压)、与来自构成为与该桥电路相同的包括应变检测元件52A的桥电路的信号(电压)之和放大。由此,能够除去来自上述桥电路的信号所包含的弯曲变形成分,并且放大扭转变形成分。
如此,对于从一对配置于隔着框体部13设置的一对轴部14a、14b的应变检测元件51A、52A的检测信号而言,能够按构成比率而抽取基于轴部14a、14b的扭转变形的信号。
这种从第二信号处理电路72A输出的信号被输入至图11所示的控制部6。
利用如以上说明那样的第二实施方式所涉及的光扫描仪1A,也能够抑制来自外部的热对应变检测元件51A、52A的影响,且能够使用应变检测元件51A、52A来检测可动镜部11的动作。
<第三实施方式>
接下来,对本发明的第三实施方式进行说明。
图17是示出本发明的第三实施方式所涉及的光扫描仪的俯视图,图18是用于对图17所示的光扫描仪的应变检测元件进行说明的图。另外,图19是示出将p型硅用于压电电阻区域的情况下的4端子型的应变检测元件的姿势(角度α)与基于拉伸应力以及剪切应力的电阻值变化率的绝对值之间的关系的曲线图。另外,图20是示出将n型硅用于压电电阻区域的情况下的4端子型的应变检测元件的姿势(角度α)与基于拉伸应力以及剪切应力的电阻值变化率的绝对值之间的关系的曲线图。另外,图21是示出4端子型的应变检测元件的姿势(角度α)与基于拉伸应力以及剪切应力的电阻值变化率的绝对值之比之间的关系的曲线图。
对于本实施方式所涉及的光扫描仪而言,除应变检测元件、第一信号处理部以及第二信号处理部的结构不同以外,其余结构与前述的第一实施方式所涉及的光扫描仪相同。另外,对于本实施方式所涉及的光扫描仪而言,除应变检测元件的结构不同以外,其余结构与前述的第二实施方式所涉及的光扫描仪相同。
此外,在以下的说明中,以与前述的实施方式的不同点为中心而对第三实施方式进行说明,对于相同的事项则省略其说明。另外,在图17以及图18中,对于与前述的实施方式相同的结构标注同一附图标记。
图17所示的光扫描仪1B具有应变检测元件51B、52B而取代了前述的第二实施方式中的应变检测元件51A、52A。
应变检测元件51B(第一应变检测元件)配置于轴部14a的框体部13侧的端部,对轴部14a的变形(弯曲变形以及扭转变形)进行检测。另一方面,应变检测元件52B(第二应变检测元件)配置于轴部14b的框体部13侧的端部,对轴部14b的变形(弯曲变形以及扭转变形)进行检测。
俯视观察时,应变检测元件51B、52B配置成相对于Y轴对称。此外,以下,主要对应变检测元件51B进行说明,应变检测元件52B与应变检测元件51B相同,因此省略其说明。
该应变检测元件51B为4端子型的压电电阻元件。
具体进行说明,如图18所示,应变检测元件51B具有压电电阻区域511B、和配置于压电电阻区域511B上的一对输入端子512B、513B以及一对输出端子514B、515B。
压电电阻区域511B通过在轴部14a表面掺杂杂质而形成。
在本实施方式中,俯视观察时,压电电阻区域511B形成为四边形。
此外,在本实施方式中,压电电阻区域511B整体设于轴部14a上,但是,压电电阻区域511B只要能够受到因轴部14a的弯曲变形而引起的拉伸应力或者压缩应力、且受到因轴部14a的扭转变形而引起的剪切应力即可,并不限定于图示的位置,例如也可以设置成跨越轴部14a与固定部15之间的边界部。
在这种压电电阻区域511B上,以在相对于轴部14a的长度方向(即X轴方向)倾斜的方向上排列的方式而配置有一对输入端子512B、513B,并且以在相对于一对输入端子512B、513B排列的方向垂直的方向上排列的方式而配置有一对输出端子514B、515B。
一对输入端子512B、513B经由一对设于固定部15的端子84a、84b而与应变检测元件驱动电路53电连接。
另一方面,一对输出端子514B、515B经由一对设于固定部15的端子84c、84d而与第一信号处理电路71A以及第二信号处理电路72A电连接。
在这种应变检测元件51B中,应变检测元件驱动电路53以恒电压或者恒电流的方式而向一对输入端子512B、513B间施加电压。由此,使压电电阻区域511B上产生相对于轴部14a的长度方向倾斜的方向的电场E。若在该电场E的基础上,随着轴部14a的扭转变形而在压电电阻区域511B产生剪切应力,则压电电阻区域511B的电阻率值与该剪切应力的大小对应地变化,从而使得一对输出端子514B、515B间的电位差发生变化。
该电位差与轴部14a的扭转变形量、可动镜部11以及框体部13绕X轴的摆动角对应地变化。因此,能够基于上述电位差而检测可动镜部11绕X轴的动作。
另外,若在该电场E的基础上,随着轴部14a的弯曲变形而在压电电阻区域511B产生拉伸应力,则压电电阻区域511B的电阻率值与该拉伸应力的大小对应地变化,从而使得一对输出端子514B、515B间的电位差发生变化。
该电位差与轴部14a的弯曲变形量、可动镜部11以及框体部13绕Y轴的摆动角对应地变化。因此,能够基于上述电位差而检测可动镜部11绕Y轴的动作。
因此,应变检测元件51B的检测信号包含基于轴部14a的弯曲变形以及扭转变形的信号。
在本实施方式中,由于在压电电阻区域511B上以在相对于X轴方向倾斜的方向上排列的方式而配置有一对输入端子512B、513B,所以能够增大从应变检测元件51B输出的信号所包含的分别基于轴部14a的弯曲变形以及扭转变形的信号。
这种应变检测元件51B的检测信号所包含的基于轴部14a的弯曲变形的信号与基于轴部14a的扭转变形的信号之比,与应变检测元件51B的角度α(倾斜角度)对应地变化。此处,角度α是轴部14a的长度方向(即X轴方向)、与一对输入端子512B、513B排列的方向(将一对输入端子512B、513B间以最短距离连结的直线的方向)所成的角度。
以下,以使轴部14a的长度方向为单晶硅的结晶轴的<110>方向的情况为例,对应变检测元件51B的检测信号进行详细说明。
在由p型的单晶硅构成压电电阻区域511B的情况下,如图19(a)所示,一对输出端子514B、515B间的压电电阻区域511B的与拉伸应力有关的电阻值变化率的绝对值随着角度α(从<110>的偏移)的增大而增大。即,角度α越大,应变检测元件51B的检测信号所包含的基于轴部14a的弯曲变形的信号越大。
另一方面,在该情况下,如图19(b)所示,一对输出端子514B、515B间的压电电阻区域511B的与剪切应力有关的电阻值变化率的绝对值随着角度α的增大而减小。即,角度α越大,应变检测元件51B的检测信号所包含的基于轴部14a的扭转变形的信号越小。其中,基于扭转变形的信号因角度α而发生的变化小于基于弯曲变形的信号因角度α而发生的变化。
另外,在由n型的单晶硅构成压电电阻区域511B的情况下,如图20(a)所示,一对输出端子514B、515B间的压电电阻区域511B的与拉伸应力有关的电阻值变化率的绝对值随着角度α的增大而增大。即,角度α越大,应变检测元件51B的检测信号所包含的基于轴部14a的弯曲变形的信号越大。其中,基于弯曲变形的信号因角度α的变化较小。
另一方面,在该情况下,如图20(b)所示,一对输出端子514B、515B间的压电电阻区域511B的与剪切应力有关的电阻值变化率的绝对值随着角度α的增大而减小。即,角度α越大,应变检测元件51B的检测信号所包含的基于轴部14a的扭转变形的信号越小。其中,基于扭转变形的信号因角度α而发生的变化大于基于弯曲变形的信号因角度α而发生的变化。
另外,在由p型的单晶硅构成压电电阻区域511B的情况下,如图21(a)所示,一对输出端子514B、515B间的压电电阻区域511B的与拉伸应力有关的电阻值变化率的绝对值(R1)和与剪切应力有关的电阻值变化率的绝对值(R2)之比(R1/R2)随着角度α的增大而增大。即,角度α越大,应变检测元件51B的检测信号所包含的基于轴部14a的弯曲变形的信号相对于基于轴部14a的扭转变形的信号的比例越大。
另外,在由n型的单晶硅构成压电电阻区域511B的情况下,如图21(b)所示,一对输出端子514B、515B间的压电电阻区域511B的与拉伸应力有关的电阻值变化率的绝对值(R1)和与剪切应力有关的电阻值变化率的绝对值(R2)之比(R1/R2)随着角度α的增大而增大。即,角度α越大,应变检测元件51B的检测信号所包含的基于轴部14a的弯曲变形的信号相对于基于轴部14a的扭转变形的信号的比例越大。其中,上述比例较小而不取决于角度α,且因角度α而发生的变化也较小。
根据以上说明可知,在使轴部14a的长度方向为单晶硅的结晶轴的<110>方向的情况下,通过由p型的单晶硅构成压电电阻区域511B而能够高效地增大从应变检测元件51B输出的信号所包含的分别基于轴部14a的弯曲变形以及扭转变形的信号。
另外,角度α因构成轴部14a、14b的单晶硅的导电方式、结晶轴的方向的不同而不同,虽不进行特别限定,但例如在使轴部14a、14b的长度方向为单晶硅的结晶轴的<110>方向、且由p型的单晶硅构成压电电阻区域511B的情况下,优选为22°以上42°以下,更优选为38°以上42°以下。如图21(a)所示,通过将角度α设为22°以上42°以下,能够使上述的比(R1/R2)处于约10%~90%的范围。另外,通过将角度α设为38°以上42°以下,能够使上述的比(R1/R2)处于约40%~60%的范围。
这种应变检测元件51B的检测信号被输入至第一信号处理电路71A(第一信号处理部)以及第二信号处理电路72A(第二信号处理部)。同样,应变检测元件52B的检测信号被输入至第一信号处理电路71A以及第二信号处理电路72A。此外,应变检测元件52A经由端子82a、82b而与应变检测元件驱动电路53电连接,经由端子82c、82d而与第一信号处理电路71A以及第二信号处理电路72A电连接。
例如,第一信号处理电路71A包括差动放大电路,将如上述那样的应变检测元件51B的检测信号、与构成为与该应变检测元件51B相同的应变检测元件52B的检测信号之差放大。由此,能够除去来自上述这些应变检测元件51B、52B的信号所包含的扭转变形分量,并且放大弯曲变形分量。
同样,例如,第二信号处理电路72A包括差动放大电路,将如上述那样的应变检测元件51B的检测信号、与构成为与该应变检测元件51B相同的应变检测元件52B的检测信号之和放大。由此,能够除去来自上述这些应变检测元件51B、52B的信号所包含的弯曲变形分量,并且放大扭转变形分量。
利用如以上说明那样的第三实施方式所涉及的光扫描仪1B,也能够抑制来自外部的热对应变检测元件51B、52B的影响,且能够使用应变检测元件51A、52A而检测可动镜部11的动作。
<第四实施方式>
接下来,对本发明的第四实施方式进行说明。
图22是示出本发明的第四实施方式所涉及的光扫描仪的俯视图。
对于本实施方式所涉及的光扫描仪而言,除应变检测元件的设置位置不同以外,其余结构与前述的第二实施方式所涉及的光扫描仪相同。
此外,在以下的说明中,以与前述的实施方式的不同点为中心而对第四实施方式进行说明,对于相同的事项则省略其说明。另外,在图22中,对于与前述的实施方式相同的结构标注同一附图标记。
图22所示的光扫描仪1C具有应变检测元件51C、52C而取代了前述的第二实施方式中的应变检测元件51A、52A。
应变检测元件51C配置于框体部13的轴部14a附近的部分。上述部分随着轴部14a的变形而产生应力。另外,应变检测元件52C配置于框体部13的轴部14b附近的部分。上述部分随着轴部14b的变形而产生应力。
应变检测元件51C、52C分别与前述的第二实施方式中的应变检测元件51A、52A相同,为双端子型的压电电阻元件,被配置为相对于X轴倾斜。
这种应变检测元件51C、52C的检测信号与前述的第二实施方式中的应变检测元件51A、52A的检测信号相同,包含基于轴部14a、14b的扭转变形的信号以及基于弯曲变形的信号。
利用如以上说明那样的第四实施方式所涉及的光扫描仪1C,也能够抑制来自外部的热对应变检测元件51C、52C的影响,且能够使用应变检测元件51C、52C而检测可动镜部11的动作。
<第五实施方式>
接下来,对本发明的第五实施方式进行说明。
图23是示出本发明的第五实施方式所涉及的光扫描仪的俯视图。
对于本实施方式所涉及的光扫描仪而言,除应变检测元件的设置位置不同以外,其余结构与前述的第二实施方式所涉及的光扫描仪相同。
此外,在以下的说明中,以与前述的实施方式的不同点为中心而对第五实施方式进行说明,对于相同的事项则省略其说明。另外,在图23中,对于与前述的实施方式相同的结构标注同一附图标记。
图23所示的光扫描仪1D具有应变检测元件51D、52D而取代了前述的第二实施方式中的应变检测元件51A、52A。
应变检测元件51D配置于基部111的轴部12a附近的部分。上述部分随着轴部12a的变形而产生应力。另外,应变检测元件52D配置于基部111的轴部12b附近的部分。上述部分随着轴部12b的变形而产生应力。
应变检测元件51D、52D分别与前述的第二实施方式中的应变检测元件51A、52A相同,为双端子型的压电电阻元件,被配置为相对于Y轴倾斜。
为了使用这种应变检测元件51D、52D的检测信号来检测框体部13的动作,只要使用与前述的第一实施方式所说明的检测方法相反的关系即可。
使用如以上说明那样的第五实施方式所涉及的光扫描仪1D,也能够抑制来自外部的热对应变检测元件51D、52D的影响,且能够使用应变检测元件51D、52D检测可动镜部11的动作。
<第六实施方式>
接下来,对本发明的第六实施方式进行说明。
图24是示出本发明的第六实施方式所涉及的光扫描仪的俯视图。
对于本实施方式所涉及的光扫描仪而言,除了应变检测元件的设置位置不同以外,其余结构与前述的第二实施方式所涉及的光扫描仪相同。
此外,在以下的说明中,以与前述的实施方式的不同点为中心而对第六实施方式进行说明,对于相同的事项则省略其说明。另外,在图24中,对于与前述的实施方式相同的结构标注同一附图标记。
图24所示的光扫描仪1E具有应变检测元件51E、52E而取代了前述的第二实施方式中的应变检测元件51A、52A。
应变检测元件51E配置于轴部12a的基部111侧的端部。上述端部随着轴部12a的变形而产生应力。另外,应变检测元件52E配置于轴部12b的基部111侧的端部。上述端部随着轴部12b的变形而产生应力。
应变检测元件51E、52E分别与前述的第二实施方式中的应变检测元件51A、52A相同,为双端子型的压电电阻元件,被配置为相对于Y轴倾斜。
为了使用这种应变检测元件51E、52E的检测信号而检测框体部13的动作,只要使用与前述的第一实施方式所说明的检测方法相反的关系即可。
使用如以上说明那样的第六实施方式的光扫描仪1E,也能够抑制来自外部的热对应变检测元件51E、52E的影响,且能够使用应变检测元件51E、52E检测可动镜部11的动作。
如以上说明那样的光扫描仪分别能够优选应用于例如投影仪、平视(head up)显示器(HUD)、头戴式显示器(HMD)之类的成像用显示器等图像显示装置所具备的光扫描仪。这种图像显示装置具有优越的可靠性,能够显示高品质的图像。
<图像显示装置的实施方式>
图25是示意性地示出本发明的图像显示装置的实施方式的图,图26是示出图25所示的图像显示装置的控制系统的框图。此外,在图26中,对于与前述的结构相同的结构则标注同一附图标记。
在本实施方式中,作为图像显示装置的一个例子,对将光扫描仪1用作成像用显示器的光扫描仪的情况进行说明。此外,将屏幕S的长度方向称为“横向”,将与长度方向成直角的方向称为“纵向”。另外,X轴与屏幕S的横向平行,Y轴与屏幕S的纵向平行。
图像显示装置(投影仪)9具有射出激光等光的光源装置(光源)91、多个分色镜92A、92B、92C、光扫描仪1、光源驱动电路94、光检测部95、光强度检测电路96、控制部6A、以及触发物生成部73。
触发物生成部73基于从第二信号处理电路输出的信号而生成用于生成触发物的信号,该触发物用于启动水平扫描方向上的描绘。该触发物生成部73例如为比较器(comparator)。
控制部6A具有图像处理部67、光源驱动信号生成部68、APC控制部69、以及光量目标值存储部70。
图像信号被输入到图像处理部67,该图像处理部67基于该图像信号而生成进行描绘所需的描绘信号,并基于从触发物生成部73输出的信号而将该描绘信号向光源驱动信号生成部68输出。另外,图像处理部67将垂直扫描方向的线路(line)信息向V目标值生成部66输出。
光源驱动信号生成部68基于从图像处理部67输出的描绘信号而生成对光源驱动电路94进行驱动的驱动信号。基于来自APC控制部69的信号而对来自图像处理部67的描绘信号与用于光源驱动电路94的驱动信号之间的对应关系进行定期更新。
APC控制部69将用于修正对应关系以使得光源装置91的发光强度与图像信号的数据之间的对应成为不取决于环境变化的目标值的信号向光源驱动信号生成部68输出。
光源驱动电路94基于来自光源驱动信号生成部68的驱动信号而生成对光源装置91进行驱动的驱动电流。
光强度检测电路96将来自检测光源装置91的发光强度的光电二极管等的光检测部95的输出变换为进行信号处理所需的信号。该光强度检测电路96例如构成为包括放大电路、滤波器、AD转换器等。
光源装置91具备射出红色光的红色光源装置911、射出蓝色光的蓝色光源装置912、以及射出绿色光的绿色光源装置913。
各分色镜92A、92B、92C是对从红色光源装置911、蓝色光源装置912、绿色光源装置913分别射出的光进行合成的光学元件。
这种图像显示装置9基于来自未图示的主机(host computer)的图像信息(图像信号)并利用分色镜92A、92B、92C对从光源装置91(红色光源装置911、蓝色光源装置912、绿色光源装置913)射出的光分别进行合成,利用光扫描仪1使该合成后的光进行二维扫描,从而在屏幕S上形成彩色图像。
在进行二维扫描时,通过光扫描仪1的可动镜部11绕Y轴的转动而沿屏幕S的横向使被光反射部114反射的光进行扫描(主扫描)。另一方面,通过光扫描仪1的可动镜部11绕X轴的转动而沿屏幕S的纵向使被光反射部114反射的光进行扫描(副扫描)。
此外,在图25中,构成为:在利用光扫描仪1而使由分色镜92A、92B、92C合成的光进行二维扫描以后,使该光被固定镜93反射后而在屏幕S形成图像,但是,也可以省略固定镜93,利用光扫描仪1而使进行二维扫描后的光直接照射到屏幕S。
以下,对图像显示装置的应用例进行说明。
<图像显示装置的应用例1>
图27是示出本发明的图像显示装置的应用例1的立体图。
如图27所示,图像显示装置9能够应用于便携式图像显示装置100。
该便携式图像显示装置100具有以能够用手把持的尺寸而形成的外壳110、和内置于外壳110内的图像显示装置9。利用该便携式图像显示装置100,例如能够在屏幕、桌子上等规定的面显示规定的图像。
另外,便携式图像显示装置100具有显示规定的信息的显示器120、键盘130、音频端口140、控制按钮150、卡插槽160、以及AV端口170。
此外,便携式图像显示装置100也可以具备通话功能、GPS接收功能等其他的功能。
<图像显示装置的应用例2>
图28是示出本发明的图像显示装置的应用例2的立体图。
如图28所示,图像显示装置9能够应用于平视显示器系统200。
在该平视显示器系统200中,图像显示装置9搭载于汽车的仪表盘(dashboard)以构成平视显示器210。利用该平视显示器210而能够在挡风玻璃(front glass)220例如显示出到达目的地的导向显示等规定的图像。
此外,平视显示器系统200并不局限于汽车,例如还能够应用于飞机、船舶等。
<图像显示装置的应用例3>
图29是示出本发明的图像显示装置的应用例3的立体图。
如图29所示,图像显示装置9能够应用于头戴式显示器300。
即,头戴式显示器300具有眼镜310、和搭载于眼镜310的图像显示装置9。而且,利用图像显示装置9而在设于眼镜310的本来作为透镜的部位的显示部320显示出单眼辨识的规定的图像。
显示部320可以透明,另外,也可以不透明。在显示部320透明的情况下,能够利用该装置而在来自现实世界的信息的基础上追加显示来自图像显示装置9的信息。
此外,也可以在头戴式显示器300设置两个图像显示装置9,在两个显示部显示双眼辨识的图像。
以上,基于图示的实施方式对本发明的光扫描仪、图像显示装置以及头戴式显示器进行了说明,但本发明不限定于此。例如,在本发明的光扫描仪、图像显示装置以及头戴式显示器中,各部分的结构能够替换为具有同样的功能的任意的结构,另外,还能够附加其他的任意的结构。
另外,本发明也可以组合上述各实施方式中的任意的两个以上的结构(特征)。
另外,在前述的实施方式中,以作为光扫描仪或者致动器的驱动方式而采用了动磁铁方式的情况为例进行了说明,但并不局限于此,也能够将本发明应用于采用了动线圈方式的光扫描仪或者致动器。另外,本发明不限定于动磁铁方式、动线圈方式之类的电磁驱动方式,例如还能够应用于压电驱动方式、静电驱动方式等其他的驱动方式。
另外,在前述的实施方式中,以设有两个(一对)第一轴部的情况为例进行了说明,但并不局限于此,例如也可以设有4个(两对)以上的第一轴部。
另外,在前述的实施方式中,以设有两个(一对)第二轴部的情况为例进行了说明,但并不局限于此,例如也可以设有4个(两对)以上的第二轴部。
另外,在前述的实施方式中,以俯视观察时光反射板将第一轴部整体、框体部整体以及第二轴部整体覆盖的情况为例进行了说明,但只要俯视观察时光反射板将第一轴部的至少一部分(可动镜部的基部侧的端部)覆盖即可,能够起到前述那样的光学器件的小型化、光反射板的大面积化、光反射板的动态挠曲的抑制、基于第一轴部的基部侧的端部对杂散光的抑制等的效果。
另外,在前述的实施方式中,以通过对SOI基板进行加工而形成光反射板以及隔离件的情况为例进行了说明,但并不局限于此,例如也可以由彼此不同的基板形成光反射板以及隔离件。
另外,光反射板与基部之间的隔离件也可以为焊球(solder ball)。在该情况下,例如只要在光反射板以及基部的隔离件侧的面预先分别形成金属膜,并借助焊接球而使上述金属膜彼此接合即可。
另外,在前述的实施方式中,以在光反射板设有光反射部的情况为例进行了说明,但并不局限于此,例如也可以省略光反射板,在基部(可动部)设置光反射部。
另外,对于第一应变检测元件的配置、个数、形状、大小、端子数量等而言,只要能够检测第二轴部的弯曲变形即可,并不限定于前述的实施方式,能够将公知的应变检测元件用作第一应变检测元件。例如也可以以在第二轴部的宽度方向上排列的方式而配置两个前述的实施方式中的应变检测元件51之类的双端子型的压电电阻元件。在该情况下,能够使一方的压电电阻元件的检测信号所包含的扭转变形分量与另一方的压电电阻元件的检测信号所包含的扭转变形分量相互抵消,从而仅输出弯曲变形分量。
另外,对于第二应变检测元件的配置、个数、形状、大小、端子数量等而言,只要能够检测第二轴部的扭转变形即可,并不限定于前述的实施方式,能够将公知的应变检测元件用作第二应变检测元件。例如第二应变检测元件也可以构成为在第二轴部的宽度方向上排列两个双端子型的压电电阻元件。在该情况下,能够使一方的压电电阻元件的检测信号所包含的弯曲变形分量与另一方的压电电阻元件的检测信号所包含的弯曲变形分量相互抵消,从而仅输出扭转变形分量。
另外,应变检测元件的设置位置只要是第二轴部的框体部侧的端部、或者配置于可动部、框体部以及第一轴部中的任意一个即可,并不限定于前述的实施方式,例如也可以是框体部、可动部的相对于第一轴部或者第二轴部分离的位置。在该情况下,例如能够构成为能够随着可动部或者框体部绕第一轴或者绕第二轴的摆动而变形,并基于应变检测元件的检测信号、且利用观测器来检测可动部绕第一轴或者绕第二轴的动作。
另外,也可以将应变检测元件配置为跨越框体部与第二轴部、或者框体部与第一轴部、或者第一轴部与可动部。
另外,在第一轴部配置应变检测元件进而使用该应变检测元件的检测信号检测可动部绕第二轴的动作的情况下,进行成为与前述的实施方式中的基于观测器的推断相反的关系的推断即可。
附图标记说明:
1…光扫描仪;1A…光扫描仪;1B…光扫描仪;4…电压施加部;6…控制部;6A…控制部;9…图像显示装置;11…可动镜部;12a…轴部;12b…轴部;13…框体部;14a…轴部;14b…轴部;15…固定部;21…永久磁铁;31…线圈;32…磁芯;41…电压产生部;42…电压产生部;43…电压重叠部;43a…加法器;51…应变检测元件;51A…应变检测元件;51B…应变检测元件;52…应变检测元件;52A…应变检测元件;52B…应变检测元件;53…应变检测元件驱动电路;61…H检测部;62…V检测部;63…H控制部;64…V控制部;65…H目标值存储部;66…V目标值生成部;67…图像处理部;68…光源驱动信号生成部;69…APC控制部;70…光量目标值存储部;71…第一信号处理电路;71A…第一信号处理电路;72…第二信号处理电路;72A…第二信号处理电路;73…触发物生成部;81a…端子;81b…端子;82a…端子;82b…端子;82c…端子;82d…端子;83a…端子;83b…端子;84a…端子;84b…端子;84c…端子;84d…端子;91…光源装置;92A…分色镜;92B…分色镜;92C…分色镜;93…固定镜;94…光源驱动电路;95…光检测部;96…光强度检测电路;100…便携式图像显示装置;110…外壳;111…基部;112…隔离件;113…光反射板;114…光反射部;115…硬质层;120…显示器;130…键盘;131…肋;140…音频端口;150…控制按钮;160…卡插槽;170…端口;200…平视显示器系统;210…平视显示器;220…挡风玻璃;300…头戴式显示器;310…眼镜;320…显示部;511…压电电阻区域;511A…压电电阻区域;511B…压电电阻区域;512…端子;512A…端子;512B…输入端子;513…端子;513A…端子;513B…输入端子;514B…输出端子;515B…输出端子;521…压电电阻区域;522…输入端子;523…输入端子;524…输出端子;525…输出端子;711…电阻元件;712…电阻元件;713…电阻元件;714…处理部;911…红色光源装置;912…蓝色光源装置;913…绿色光源装置;E…电场;S…屏幕;α…角度;θ…倾斜角;V1…第一电压;V2…第二电压。
Claims (13)
1.一种光扫描仪,其特征在于,具备:
可动部,其设有具有光反射性的光反射部、且能够绕第一轴摆动;
框体部,其能够绕与所述第一轴交叉的第二轴摆动;
第一轴部,其将所述可动部与所述框体部连接;
固定部;
第二轴部,其将所述框体部与所述固定部连接;
第一应变检测元件,其配置于所述第二轴部的所述框体部侧的端部、或者配置于所述可动部、所述框体部以及所述第一轴部中的任一个;
第二应变检测元件,其配置于所述第二轴部的所述框体部侧的端部、或者配置于所述可动部、所述框体部以及所述第一轴部中的任一个;
第一信号处理部,其被输入有所述第一应变检测元件的检测信号、且输出基于所述第二轴部的弯曲变形的信号;以及
第二信号处理部,其被输入有所述第二应变检测元件的检测信号、且输出基于所述第二轴部的扭转变形的信号。
2.根据权利要求1所述的光扫描仪,其特征在于,
所述第一应变检测元件配置于所述第二轴部的所述框体部侧的端部,并对所述第二轴部的变形进行检测。
3.根据权利要求2所述的光扫描仪,其特征在于,
所述第一应变检测元件具备:压电电阻区域,其形成为在沿着所述第二轴部的长度方向的方向上延伸的长条形状;以及一对端子,它们在所述压电电阻区域上以在沿着所述第二轴部的长度方向的方向上排列的方式配置。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的光扫描仪,其特征在于,
基于从所述第一信号处理部输出的信号而检测所述可动部绕所述第一轴的动作。
5.根据权利要求4所述的光扫描仪,其特征在于,
利用观测器并基于从所述第一信号处理部输出的信号而推断所述可动部绕所述第一轴的动作。
6.根据权利要求4所述的光扫描仪,其特征在于,
使用与所述可动部绕所述第一轴的摆动有关的共振频率的振幅、和与所述框体部绕所述第一轴的摆动有关的共振频率的振幅之比、且基于从所述第一信号处理部输出的信号,对所述可动部绕所述第一轴的动作进行推断。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的光扫描仪,其特征在于,
所述第二应变检测元件配置于所述第二轴部的所述框体部侧的端部,并对所述第二轴部的变形进行检测。
8.根据权利要求7所述的光扫描仪,其特征在于,
基于从所述第二信号处理部输出的信号而检测所述可动部绕所述第二轴的动作。
9.一种光扫描仪,其特征在于,具备:
可动部,其设有具有光反射性的光反射部、且能够绕第一轴摆动;
框体部,其能够绕与所述第一轴交叉的第二轴摆动;
第一轴部,其将所述可动部与所述框体部连接;
固定部;
第二轴部,其将所述框体部与所述固定部连接;
应变检测元件,其配置于所述第二轴部的所述框体部侧的端部、且对所述第二轴部的变形进行检测;
第一信号处理部,其被输入有所述应变检测元件的检测信号、且输出基于所述第二轴部的弯曲变形的信号;以及
第二信号处理部,其被输入有所述应变检测元件的检测信号、且输出基于所述第二轴部的扭转变形的信号。
10.根据权利要求9所述的光扫描仪,其特征在于,
所述应变检测元件具备压电电阻区域、以及在所述压电电阻区域上以在相对于所述第二轴部的长度方向倾斜的方向上排列的方式配置的一对端子。
11.根据权利要求9或10所述的光扫描仪,其特征在于,
所述第二轴部以隔着所述框体部的方式设有一对,
所述应变检测元件配置于所述一对第二轴部的每一个。
12.一种图像显示装置,其特征在于,具备:
权利要求1至11中任一项所述的光扫描仪;以及
射出光的光源,
利用所述光反射部反射从所述光源射出的光、且对图像进行显示。
13.一种头戴式显示器,其特征在于,具备:
权利要求1至11中任一项所述的光扫描仪;以及
射出光的光源,
利用所述光反射部反射从所述光源射出的光、且将图像作为虚像而显示。
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