CN104884993A - 光扫描装置和投影仪 - Google Patents

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Abstract

光扫描装置(10)具有：第1扫描驱动部(100A)和第2扫描驱动部(100B)。第1扫描驱动部(100A)具有扫描镜(101)和框构造体(102)，通过框构造体(102)的变形使扫描镜(101)以第1转动轴为中心转动。第2扫描驱动部(100B)具有支撑第1扫描驱动部(100A)的转动保持器(104)和支轴(108)，使转动保持器(104)以第2转动轴为中心转动。框构造体(102)具有：一对梁(102c、102d)，它们沿第1转动轴的方向夹住扫描镜(101)而设置；和一对基部(102a、102b)，它们相对于各梁(102c、102d)设置在与扫描镜(101)相反的一侧。各基部(102a、102b)具有沿第2转动轴的方向长的长尺寸形状，并构成为能够变形。

Description

光扫描装置和投影仪
技术领域
本发明涉及在激光投影仪等投影仪中使用的光扫描装置。
背景技术
在向屏幕(投影面)投影图像的投影仪中，使用了沿屏幕的水平方向和垂直方向扫描光(例如激光)的光扫描装置。
近年，开发出使用MEMS(Micro Electro Mechanical System，微机电系统)技术来使扫描镜和梁构造体形成为一体而得到的光扫描装置。
例如，专利文献1公开的光扫描装置具有梁构造体，该梁构造体将扫描镜支撑成能够以相互正交的两个方向的梁为中心转动。通过使扫描镜以两个方向的梁为中心转动，来沿屏幕的水平方向和垂直方向扫描光。
并且，在专利文献1公开的光扫描装置中，向梁构造体的里侧照射光，检测反射光，从而检测扫描镜的角度。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2010－266508号公报(图4)
发明内容
发明所要解决的课题
用于使扫描镜转动的梁构造体是使用对应用了半导体制造技术的硅进行细微加工的微机加工技术而形成的。因此，对光扫描装置的小型化是有利的。然而，存在的问题是，由于是利用细微的梁构造体的弹性变形(梁的扭转)来使扫描镜沿双方向转动的结构，因而限定了扫描镜的转动范围(角度)。
特别是，料想到，对小型化有利的激光投影仪被频繁搬运，在各种设置场所被使用。因此，认为：搭载在激光投影仪上的光扫描装置会被作用振动和冲击等外力，并且受到大的温度变化。
细微的梁构造体容易受到振动和冲击的影响，为了提高梁构造体的耐性，有必要采用复合的梁构造，以增大梁的尺寸、或者分散应力。然而，无论哪一种情况都存在进一步缩小扫描镜的转动范围的问题。
并且，当光扫描装置受到温度变化时，梁构造体的变形量(梁的扭转量)容易变化，对扫描镜的转动角度产生影响。此外，在上述的微机加工技术中，由于使用高价的设备和装置，因而存在使用MEMS的光扫描装置的制造成本高的问题。
本发明是为了解决上述课题而作成的，本发明的目的是提供一种难以受到振动和冲击等外力以及温度变化的影响、能够进行稳定的光扫描的光扫描装置和投影仪。
用于解决课题的手段
为了达到上述目的，本发明的光扫描装置具有：第1扫描驱动部，其具有扫描镜、和支撑扫描镜的框构造体，通过框构造体的变形使扫描镜以第1转动轴为中心转动；和第2扫描驱动部，其具有支撑第1扫描驱动部的转动保持器、和将转动保持器支撑为能够以与第1转动轴正交的第2转动轴为中心转动的支轴，该第2扫描驱动部使转动保持器以第2转动轴为中心转动。框构造体具有：一对梁，它们被设置成沿第1转动轴的方向夹住扫描镜；和一对基部，它们分别相对于一对梁设置在与扫描镜相反的一侧。一对基部分别具有沿第2转动轴的方向长的长尺寸形状，并构成为能够变形。
并且，本发明的投影仪具有上述的光扫描装置。
发明的效果
根据本发明的光扫描装置，难以受到振动和冲击等外力以及温度变化的影响，能够进行稳定的光扫描。并且，无需使用MEMS技术，因而可以降低制造成本。
附图说明
图1是示出本发明的实施方式1中的光扫描装置的要部的立体图。
图2是示出本发明的实施方式1中的光扫描装置的要部的分解立体图。
图3是示出本发明的实施方式1中的水平扫描驱动部的动作的剖视图。
图4(a)、(b)、(c)和(d)是用于说明本发明的实施方式1中的水平扫描驱动部的框构造体的动作的示意图。
图5是示出本发明的实施方式1中的垂直扫描驱动部的动作的剖视图。
图6是示出本发明的实施方式1中的光扫描装置的整体结构的立体图。
图7是示出本发明的实施方式1中的光扫描装置的整体结构和光路的主视图。
图8是用于对由本发明的实施方式1中的光扫描装置实现的屏幕上的光扫描进行说明的示意图。
图9(a)和(b)是示出本发明的实施方式1中的光扫描装置的光检测器的结构例的示意图。
图10是示出将使用了本发明的实施方式1中的光扫描装置的投影仪应用于平视显示器(head-up display)的例子的图。
具体实施方式
实施方式1
<光扫描装置的结构>
图1和图2分别是示出本发明的实施方式1中的光扫描装置(二维光扫描装置)10的要部的结构的立体图和分解立体图。光扫描装置10用于例如激光投影仪等。并且，光扫描装置10具有高速扫描从光源射出的光(这里是激光)的结构。
光扫描装置10具有水平扫描驱动部100A(第1扫描驱动部)和垂直扫描驱动部100B(第2扫描驱动部)。水平扫描驱动部100A沿着屏幕的水平方向(H方向)扫描激光。垂直扫描驱动部100B沿屏幕的垂直方向(V方向)扫描激光。
即，水平扫描驱动部100A具有扫描镜101，扫描镜101反射从光源部200(图6)射出的激光。水平扫描驱动部100A通过使扫描镜101以Y方向的轴(第1转动轴)为中心转动，来沿屏幕的水平方向扫描激光。
并且，垂直扫描驱动部100B通过使包括水平扫描驱动部100A的转动体以X方向的轴(第2转动轴)为中心转动，来沿屏幕的垂直方向扫描激光。
另外，在各图中，X方向和Y方向是相互正交的2个方向。并且，规定Z方向作为与包含该X方向和Y方向的XY面正交的方向。该X方向、Y方向和Z方向仅是为了便于说明，并不限定光扫描装置10的动作时的方向。
水平扫描驱动部100A和垂直扫描驱动部100B构成二维光扫描部100，二维光扫描部100使扫描镜101以X方向和Y方向的转动轴为中心沿2个方向转动。
以下，参照图1和图2对水平扫描驱动部100A和垂直扫描驱动部100B各自的结构进行说明。
<水平扫描驱动部的结构>
在图2中，水平扫描驱动部100A具有：扫描镜101、框构造体(梁构造体)102、支撑体103、水平扫描磁铁(第1磁铁)110、以及水平扫描线圈(第1线圈)111。框构造体102如后所述支撑扫描镜101。
扫描镜101例如具有矩形状的表面(反射面)，该矩形状的表面沿X方向和Y方向各具有2条边。扫描镜101例如是薄的板状部件或者涂布层。关于扫描镜101的尺寸，例如长边(这里是Y方向的边)的长度是1.5mm左右。另外，“沿X方向和Y方向各具有2条边”等的记载是假定扫描镜101位于转动范围内的基准位置进行说明的。
框构造体102可转动地支撑扫描镜101。框构造体102例如由金属加工成型品或者树脂成型品构成。更具体地，框构造体102由硅或者块状非晶合金、或者上述的金属材料和热塑性树脂或紫外线硬化型树脂组合而成的复合材料构成。
框构造体102具有沿X方向延伸的一对长尺寸部件即基部102a、102b。该基部102a、102b沿Y方向相互对置。在基部102a、102b的各自X方向中心形成有沿Y方向突出的梁102c、102d。梁102c、102d处在Y方向的同一轴线上。在梁102c、102d之间形成有支撑上述扫描镜101的台座102e。
台座102e是沿X方向和Y方向各具有2条边的矩形状的板状部分。在台座102e的表面固定有薄的板状部件即扫描镜101。并且，也可以通过在台座102e的表面涂布反射层，来形成扫描镜101。以下，也包含台座102e在内，称为扫描镜101。
换句话说，框构造体102具有：一对梁102c、102d，其设置成沿Y方向(第1转动轴的方向)夹住扫描镜101；和一对基部102a、102b，其分别相对于梁102c、102d设置在与扫描镜101相反的一侧。基部102a、102分别具有沿X方向(第2转动轴的方向)长的长尺寸形状，并构成为能够变形。
如图2所示，支撑体103是分别具有与XY面平行的上表面103c和下表面103d、并沿Z方向具有厚度的块体。在支撑体103的上表面103c的Y方向两端形成有轨状凸部103a、103b。凸部103a、103b向上方(+Z方向)突出。凸部103a、103b均沿X方向延伸。在凸部103a、103b的上表面分别固定有框构造体102的基部102a、102b。
在将框构造体102安装于支撑体103的凸部103a、103b的状态下，在扫描镜101的背面(－Z侧的面)和支撑体103的上表面103c之间形成有预定的空间。该空间用于使扫描镜101能够转动。
并且，在扫描镜101的背面配设有水平扫描磁铁110。水平扫描磁铁110是例如薄的磁铁层。水平扫描磁铁110具有沿Y方向长的形状。水平扫描磁铁110配置在连结梁102c、102d的Y方向的轴线上。水平扫描磁铁110可以固定在扫描镜101的背面，也可以是在扫描镜101的背面涂布磁性材料。
水平扫描磁铁110相对于连结梁102c、102d的Y方向的轴线110a对称地2极磁化。即，水平扫描磁铁110相对于连结梁102c、102d的Y方向的轴线110a被磁化成+X侧为N极(或者S极)，－X侧为S极(或者N极)。
在支撑体103的下表面103d固定有水平扫描线圈111。水平扫描线圈111配置成夹着支撑体103而与水平扫描磁铁110对置。水平扫描线圈111以卷轴方向为Z方向，以具有沿X方向延伸的线圈部分和沿Y方向延伸的线圈部分的方式卷绕成大致矩形状。
并且，在支撑体103的中央形成有开口部103e。开口部103e用于使由上述的水平扫描磁铁110形成的磁场到达水平扫描线圈111。另外，水平扫描线圈111例如由铜线构成。并且，也可以通过使水平扫描线圈111由铝线构成，而实现轻量化。
在这样构成的水平扫描驱动部100A中，通过框构造体102的梁102c、102d的扭转变形，由扫描镜101、框构造体102和水平扫描磁铁100构成的振动体以连结梁102c、102d的Y方向的转动轴为中心转动。
例如，激光投影仪1的水平方向的扫描驱动频率是几kHz至几十kHz。因此，扫描镜101要求高速的转动动作。因此，由扫描镜101、框构造体102和水平扫描磁铁110构成的振动体形成为，以连结梁102c、102d的Y方向的转动轴为中心的惯性力矩最小，而且具有扫描镜101的转动动作所需要的耐久性。
并且，在本实施方式中，由扫描镜101、框构造体102和水平扫描磁铁110构成的振动体构成为，以水平方向的扫描驱动频率激励共振。关于这一点，将在后面描述。
<垂直扫描驱动部的结构>
垂直扫描驱动部100B构成为具有：转动保持器104、垂直扫描线圈105a、105b(第2线圈)、垂直扫描磁铁106a、106b(第2磁铁)、基底107、支轴108、以及磁性片109a、109b。在转动保持器104上安装有上述的水平扫描驱动部100A。
转动保持器104具有六面体(长方体)形状，该六面体形状具有：与XY面平行的2个面104a、104b、与YZ面平行的2个面104c、104d、以及与XZ面平行的2个面104e、104f。另外，“与XY面平行”等的记载是假定转动保持器104位于转动范围内的基准位置进行说明的。转动保持器104由高刚性且滑动性优异的工程塑料等的树脂成型品构成。
上述的水平扫描驱动部100A固定在转动保持器104的上表面104a。具体地，固定在水平扫描驱动部100A的支撑体103的下表面上的水平扫描线圈111固定在转动保持器104的上表面104a。
并且，在转动保持器104的与YZ面平行的面104c上，开口有轴承部104h。轴承部104h是在转动保持器104的内部沿X方向形成的圆筒状的孔。这里，轴承部104h的前端(参照图3)到达转动保持器104的相反面104d的附近。
在转动保持器104的轴承部104h卡合有安装在基底107上的支轴108。支轴108具有以X方向为轴方向的圆筒形状。通过支轴108和轴承部104h的卡合，转动保持器104被支撑成能够以X方向的转动轴为中心转动。
支轴108由被实施了例如无心加工的不锈钢轴等构成。支轴108的前端抵靠在转动保持器104的轴承部104h的内表面(参照图3)。并且，在支轴108的前端的周围实施了曲面加工(R加工)。并且，也可以预先在支轴108上沿周向设置浅槽，并与转动保持器104一体成型。这样，可以得到更高的嵌合精度。
支撑有支轴108的基底107固定在光扫描装置10的壳体上。基底107具有例如六面体(长方体)形状。基底107具有与YZ面平行的面107a。该面107a与转动保持器104的面104c抵接。
在转动保持器104的与XZ面平行的2个面104e、104f分别固定有垂直扫描线圈105a、105b。垂直扫描线圈105a、105b以卷轴方向为Y方向，以具有X方向和Z方向的线圈部分的方式卷绕成大致矩形状。垂直扫描线圈105a、105b例如由铜线构成。或者，也可以通过使垂直扫描线圈105a、105b由铝线构成，而实现轻量化。
以与垂直扫描线圈105a在Y方向对置的方式配置有垂直扫描磁铁106a。垂直扫描磁铁106a在与转动保持器104的Z方向中央对置的位置具有边界106c，并沿Z方向(上下)进行了2极磁化。例如，在边界106c的上侧(+Z侧)，以与转动保持器104对置的面为S极、其相反面为N极的方式进行了磁化。并且，在边界106c的下侧(－Z侧)，以与转动保持器104对置的面为N极、其相反面为S极的方式进行了磁化。另外，垂直扫描磁铁106a的磁化方向也可以是相反的。
并且，以与垂直扫描线圈105b在Y方向对置的方式配置有垂直扫描磁铁106b。垂直扫描磁铁106b在与转动保持器104的Z方向中央对置的位置具有边界106d，并沿Z方向(上下)进行了2极磁化。例如，在边界106d的上侧(+Z侧)，以与转动保持器104对置的面为N极、其相反面为S极的方式进行了磁化。在边界106d的下侧(－Z侧)，以与转动保持器104对置的面为S极、其相反面为N极的方式进行了磁化。另外，垂直扫描磁铁106b的磁化方向也可以是相反的。
这样配置时，可以将有助于垂直扫描线圈105a、105b的驱动力产生的有效线圈长度确保为最长。因此，可以减小以支轴108为中心的转动部(水平扫描驱动部100A、转动保持器104、垂直扫描线圈105a、105b和磁性片109a、109b)的惯性力矩。即，可以以更小的耗电量得到良好的转动性能。
在转动保持器104的面104e上，以位于垂直扫描线圈105a的内侧的方式形成有磁性片109a。磁性片109a配置在转动保持器104的面104e的X方向中央。并且，如后述的图5所示，磁性片109a是具有与YZ面平行的表面的板状部件。磁性片109a的－Y方向端面(沿Z方向长的面)与垂直扫描磁铁106a对置。
同样，在转动保持器104的面104f上，以位于垂直扫描线圈105b的内侧的方式形成有磁性片109b。磁性片109b配置在转动保持器104的面104f的X方向中央。并且，如后述的图5所示，磁性片109b是具有与YZ面平行的表面的板状部件。磁性片109b的+Y方向端面(沿Z方向长的面)与垂直扫描磁铁106b对置。
<水平扫描驱动部100A的动作>
下面，参照图2和图3对光扫描装置10的水平扫描驱动部100A的动作进行说明。图3是示意性地示出光扫描装置10的水平扫描驱动部100A的动作的剖视图。
在使水平扫描驱动部100A动作时，向上述的水平扫描线圈111供给预定的驱动电流(称为“水平方向的扫描驱动电流”)。水平方向的扫描驱动电流是预定频率(称为“水平方向的扫描驱动频率”)的正弦波形电流。
当扫描驱动电流流过水平扫描线圈111时，利用流过其一对Y方向的线圈部分的电流与由水平扫描磁铁110产生的磁场M(图3)的作用，产生+Z方向的电磁力F1和－Z方向的电磁力F1。即，产生使固定有水平扫描磁铁110的振动体(扫描镜101、框构造体102和水平扫描磁铁110)相对于固定有水平扫描线圈111的转动保持器104以Y方向的转动轴为中心转动的驱动力。
由于流过水平扫描线圈111的电流是交流电(水平方向的扫描驱动频率的正弦波形电流)，因而包括扫描镜101的振动体以Y方向的转动轴(梁102c、102d)为中心高速即以水平方向的扫描驱动频率转动。
由扫描镜101、框构造体102和水平扫描磁铁110构成的振动体构成为，以上述的水平方向的扫描驱动频率激励共振。换句话说，由扫描镜101、框构造体102和水平扫描磁铁110构成的振动体在上述的水平方向的扫描驱动频率下具有固有振动模式。因此，即使流过水平扫描线圈111的电流少，扫描镜101也以水平方向的扫描驱动频率转动。
该振动特性是根据以梁102c、102d为中心的框构造体102的惯性力矩、支撑扫描镜101的梁102c、102d的机械特性(弹性系数、截面惯性矩、长度)以及框构造体102的安装位置来确定的。
图4(a)～(d)是示出由扫描镜101、框构造体102和水平扫描磁铁110构成的振动体的振动状态的示意图。另外，在图4(a)～(d)中，水平扫描磁铁110省略图示。
图4(a)和(b)示出了构成为在框构造体102中的细梁102c、102d处容易产生扭转变形的情况的振动状态。图4(c)和(d)示出了框构造体102的基部102a、102b(图2)产生以长度方向两端为节点呈S字状变形的共振的情况的振动状态。
在图4(a)和(b)所示的参考例中，细梁102c、102d的扭转量大。因此，根据构成梁102c、102d的材料，有时无法充分增大转动振幅和驱动频率。
与此相对，在本实施方式中，梁102c、102d与沿X方向长的基部102a、102b形成为一体，在上述的水平方向的扫描驱动频率下，基部102a、102b如图4(c)和(d)所示呈S字状变形。也就是说，框构造体102的基部102a、102b产生以长度方向两端为节点而变形的共振。因此，梁102c、102d的扭转量少即可，可以相应地增大梁102c、102d的宽度。其结果，梁102c、102d的材料选择种类扩大。并且，可以提高梁102c、102d对振动和冲击的耐性。
<垂直扫描驱动部100B的动作>
下面，参照图5对光扫描装置10的垂直扫描驱动部100B的动作进行说明。图5是示意性地示出光扫描装置10的垂直扫描驱动部100B的动作的剖视图。
在图5中，设置在转动保持器104上的磁性片109a、109b与垂直扫描磁铁106a、106b的大致中央位置对置。当磁性片109a、109b的板面与YZ面平行时，磁性片109a、109b的板面与垂直扫描磁铁106a、106b的磁通流平行。在该位置，磁性片109a、109b和垂直扫描磁铁106a、106b之间的吸引力最大。因此，转动保持器104被稳定保持。即，磁性片109a、109b具有这样的功能：利用与垂直扫描磁铁106a、106b的作用，将转动保持器104保持在以X方向的转动轴为中心的转动方向的基准位置。
然后，当转动保持器104以X方向的转动轴为中心从基准位置转动时，利用在磁性片109a、109b和垂直扫描磁铁106a、106b之间产生的吸引力，产生要使转动保持器104回到基准位置的恢复力。即，利用磁性片109a、109b，得到了沿转动方向的稳定的磁弹力。并且，磁弹力具有相对于温度变化难以变动的特性。
在使垂直扫描驱动部100B动作时，向上述的垂直扫描线圈105a、105b供给预定的驱动电流(称为“垂直方向的扫描驱动电流”)。垂直方向的扫描驱动电流是预定频率(称为“垂直方向的扫描驱动频率”)的正弦波形电流。
当扫描驱动电流流过垂直扫描线圈105a时，利用流过其X方向的线圈部分的电流与由垂直扫描磁铁106a产生的磁场的作用，产生+Z方向(或者－Z方向)的电磁力F2。并且，当扫描驱动电流流过垂直扫描线圈105b时，利用流过其X方向的线圈部分的电流与由垂直扫描磁铁106b产生的磁场的作用，产生－Z方向(或者+Z方向)的电磁力F2。
由此，产生使安装有垂直扫描线圈105a、105b的转动体(水平扫描驱动部100A、转动保持器104、垂直扫描线圈105a、105b以及磁性片109a、109b)以X方向的转动轴(支轴108)为中心转动的驱动力。
由于流过垂直扫描线圈105a、105b的电流是交流电(垂直方向的扫描驱动频率的正弦波形电流)，因而安装有垂直扫描线圈105a、105b的转动体以支轴108为中心高速即以垂直方向的扫描驱动频率转动。
由水平扫描驱动部100A、转动保持器104、垂直扫描线圈105a、105b以及磁性片109a、109b构成的转动体以与上述的垂直方向的扫描驱动频率相同的共振频率激励共振。因此，即使流过垂直扫描线圈105a、105b的电流少，扫描镜101也以上述的垂直方向的扫描驱动频率转动。
另外，转动体的激励共振的频率是根据转动体(水平扫描驱动部100A、转动保持器104、垂直扫描线圈105a、105b以及磁性片109a、109b)的以支轴108为中心的旋转力矩、以及由垂直扫描磁铁106a、106b和磁性片109a、109b产生的磁弹力来确定的。
这里，由于将磁性片109a、109b和垂直扫描磁铁106a、106b之间的吸引力最大的位置作为包括转动保持器104的转动体的转动方向的基准位置，因而基准位置的再现性(起点的精度)高。
另外，也可以利用磁性片109a、109b和垂直扫描磁铁106a、106b，沿－X方向对转动保持器104进行施压，使支轴108的前端和转动保持器104的轴承部104h总是接触。并且，也可以减小支轴108的前端与转动保持器104的轴承部104h的接触面积，使转动保持器104的转动动作顺利进行。
在本实施方式中，水平方向(即主扫描方向)的扫描驱动频率比垂直方向(即副扫描方向)的扫描驱动频率高。
例如，在分辨率为640×480的情况下，水平方向的扫描驱动频率是18kHz，垂直方向的扫描驱动频率是60Hz。在分辨率为800×600的情况下，水平方向的扫描驱动频率是22.5kHz，垂直方向的扫描驱动频率是60Hz。在分辨率为1024×768的情况下，水平方向的扫描驱动频率是28.8kHz，垂直方向的扫描驱动频率是60Hz。
这样，在本实施方式的光扫描装置10中，水平扫描驱动部100A利用框构造体102的变形使扫描镜101转动来进行水平方向的扫描。并且，垂直扫描驱动部100B使包括水平扫描驱动部100A的转动体以支轴108为中心转动来进行垂直方向的扫描。因此，难以受到振动和冲击等外力以及温度变化的影响，可以进行稳定的光扫描。
<光扫描装置的整体结构和光学系统>
图6和图7是示出本实施方式的光扫描装置10的整体结构及其光路的立体图和主视图。另外，由图6和图7所示的光扫描装置10构成激光投影仪1。
如图6和图7所示，光扫描装置10具有：二维光扫描部100(水平扫描驱动部100A和垂直扫描驱动部100B)、光源部200、以及出射侧光学系统300。
光源部200具有：射出蓝色光、绿色光、红色光的半导体激光器201、203、205(显示用光源)、和射出非可见波长的红外光的半导体激光器207(传感用光源)。这里，半导体激光器201、203、205、207沿X方向排列配置。半导体激光器201、203、205配置成使射出光轴朝向Z方向，半导体激光器207配置成使射出光轴朝向X方向。
在半导体激光器201、203、205的出射侧配置有用于使从半导体激光器201、203、205射出的激光成为平行光的准直透镜202、204、206。在半导体激光器207的出射侧配置有用于使从半导体激光器207射出的激光成为平行光的准直透镜208。
而且，在从准直透镜202、204、206和准直透镜208射出的激光入射的位置，配置有将各激光进行合成并沿公共的光路射出的棱镜(入射侧光学元件)209。
棱镜209具有使从半导体激光器201、203、205(准直透镜202、204、206)入射的激光分别沿－X方向反射的棱镜面209a、209b、209c。棱镜面209a反射来自半导体激光器201的激光(蓝色光)，透射来自半导体激光器203、205、207的激光(绿色光、红色光、红外光)。棱镜面209b反射来自半导体激光器203的激光(绿色光)，透射来自半导体激光器205、207的激光(红色光、红外光)。棱镜面209c反射来自半导体激光器205的激光(红色光)，透射来自半导体激光器207的激光(红外光)。
棱镜209还具有射出在棱镜209内合成的激光(即，将蓝色光、绿色光、红色光和红外光合成后的激光)的射出面209d。
在从棱镜209的射出面209d射出的激光入射的位置配置有棱镜(出射侧光学元件)301。棱镜301具有使从棱镜209入射的激光向着扫描镜101的反射面朝下方(－Z方向)反射的棱镜面301a。
棱镜301还具有出入面301c(图7)，该出入面301c使由棱镜301的棱镜面301a反射的激光向扫描镜101射出。在该出入面301c与扫描镜101之间配设有1/4波长板306(图7)。
从棱镜301的出入面301c射出、经过1/4波长板306入射到扫描镜101的激光由扫描镜101反射。由扫描镜101反射的激光再次经过1/4波长板306入射到棱镜301，透过棱镜面301a向上方(+Z方向)行进。
在棱镜301中，在棱镜面301a的上方(+Z方向)形成有棱镜面301b，棱镜面301b仅使透过了棱镜面301a的激光中的红外光反射大致90度。
在由棱镜301的棱镜面301b反射的激光(红外光)入射的位置配置有作为光检测器的光检测器302。光检测器302用于检测扫描镜101的水平方向和垂直方向的角度信息。
在棱镜301的上表面形成有射出面301d，射出面301d使透过了棱镜面301b的光射出到棱镜301外。另外，棱镜301和光检测器302构成出射侧光学系统300。
<光扫描装置的动作>
从半导体激光器201、203、205射出的激光(蓝色光、绿色光、红色光)、和从半导体激光器207射出的激光(红外光)分别透过准直透镜202、204、206、208而成为平行光，入射到棱镜301。来自半导体激光器201的激光(蓝色光)由棱镜面209a反射，向射出面209d行进。来自半导体激光器203的激光(绿色光)由棱镜面209b反射，再透过棱镜面209a，向射出面209d行进。来自半导体激光器205的激光(红色光)由棱镜面209c反射，再透过棱镜面209a、209b，向射出面209d行进。来自半导体激光器207的激光(红外光)透过全部的棱镜面209a、209b、209c，向射出面209d行进。
在棱镜209中合成的激光(蓝色光、绿色光、红色光、红外光)从射出面209d射出，入射到棱镜301。
入射到棱镜301的激光由棱镜面301a向下方反射。由棱镜面301a反射的激光从出入面301c射出，透过1/4波长板306，入射到扫描镜101。然后，激光由扫描镜101反射，再次透过1/4波长板306，从出入面301c入射到棱镜301。
从扫描镜101入射到棱镜301的激光在棱镜301内向上方(+Z方向)行进，透过棱镜面301a，到达棱镜面301b。在棱镜面301b，仅红外光被反射，朝向光检测器302行进。
另一方面，透过了棱镜面301b的激光(蓝色光、绿色光、红色光)从射出面301d射出，朝向屏幕(投影面)行进。
如图8示意性所示，当通过上述的水平扫描驱动部100A使扫描镜101以Y方向的转动轴为中心转动时，由扫描镜101反射且从棱镜301射出的激光沿屏幕S的水平方向(H方向：主扫描方向)高速移动。即，进行水平方向的扫描。
并且，当通过上述的垂直扫描驱动部100B使扫描镜101以X方向的转动轴为中心转动时，由扫描镜101反射且从棱镜301射出的激光沿屏幕S的垂直方向(V方向：副扫描方向)高速移动。即，进行垂直方向的扫描。
并且，当扫描镜101以Y方向的轴或X方向的轴为中心转动时，向光检测器302(图7)的入射位置也变化。因此，可以利用光检测器302检测扫描镜101的以Y方向的轴和X方向的轴为中心的角度信息。
图9是用于说明光检测器302的动作的一例的示意图。在图9(a)中，示出了在光检测器302的入射面的中央设置有四象限光检测器303的结构例。图9(b)示出了除了光检测器302的入射面的中央的四象限光检测器303以外、还在入射面的4角分别设置有四象限光检测器305的结构例。
无论在图9(a)和(b)的哪一方中，当激光304照射到四象限光检测器303时，都可以检测出所照射的光量。并且，可以根据沿水平方向和垂直方向的中心线分割出的4个区域的光量，检测出扫描镜101在水平方向和垂直方向(即，以Y方向、X方向的转动轴为中心的转动方向)上的初始角度。
因此，例如在激光投影仪1起动时，可以确认扫描镜101的水平方向和垂直方向的初始角度。并且，还可以根据光检测器302的输出，调整扫描镜101的初始角度。
在本实施方式中，进一步如图9(b)所示，在光检测器302的入射面的4角配置有四象限光检测器305。四象限光检测器305配置在与扫描镜101的水平方向和垂直方向的扫描范围的两端对应的4个部位。
若这样构成，则可以控制扫描镜101的水平方向和垂直方向的扫描振幅。即，例如，在扫描镜101的水平方向的扫描振幅过大的情况下，能够进行相应地减小供给到水平扫描线圈111的电流的控制。
并且，也能够进行视频显示的定时和失真校正的控制。例如，准备好作为基准的矩形的视频信号(基准视频信号)，以能够在光检测器302的4角的四象限光检测器305的中心检测出构成基准声频信号的矩形的4角的激光的方式，调整供给到水平扫描线圈111和垂直扫描线圈105a、105b的电流。通过利用这样调整后的电流进行视频显示，可以进行视频显示的定时和失真校正的控制。
并且，可以把握针对水平方向和垂直方向的扫描驱动信号的、扫描镜101的各方向的扫描角度的灵敏度(扫描灵敏度)。因此，在灵敏度伴随光扫描装置10的温度变化而变动的情况下，可以按照与该变动对应的量进行增加或减少半导体激光器21、23、25的输出的校正。
<光扫描装置的组装方法>
下面，参照图2和图6对本发明的光扫描装置10的组装方法进行说明。收纳光扫描装置10的壳体可以使用例如具有高的刚性和尺寸稳定性、且具有高的散热性的材料构成。作为这样的材料，有例如铸铝或工程塑料等。
形成水平扫描驱动部100A的要部的框构造体102通过例如金属的机械加工或树脂成型，而形成为具有图2所示的基部102a、102b、梁102c、102d、以及台座102e的形状。在台座102e的表面，通过固定板状的扫描镜101、或者涂布反射材料来形成扫描镜101。在台座102e的背面定位薄的磁铁层即水平扫描磁铁110，调整角度并通过粘结固定。
在支撑体103的背面定位水平扫描线圈111，调整角度并固定。通过使框构造体102的基部102a、102b与预先形成在支撑体103上的凸部103a、103b粘结，来将框构造体102固定在支撑体103上。由此，组装成水平扫描驱动部100A。
关于垂直扫描驱动部100B，在转动保持器104的面104e、104f上定位垂直扫描线圈105a、105b，调整角度并通过粘结固定。在转动保持器104的面104e、104f上还固定磁性片109a、109b。
并且，将垂直扫描磁铁106a、106b和基底107定位在光扫描装置10的壳体的预定位置，调整角度并通过粘结固定。而且，使基底107的支轴108与转动保持器104的轴承部104h嵌合。由此，组装成垂直扫描驱动部100B。
而且，使实施了供电用的电气配线图案的柔性印刷板分别与水平扫描线圈111和垂直扫描线圈105a、105b连接。而且，将各柔性印刷板定位在光扫描装置10的壳体的预定位置，使用螺钉固定。
然后，在光扫描装置10的壳体的预定部位定位棱镜209、棱镜301、准直透镜202、204、206、208，调整角度并通过粘结固定。
而且，使半导体激光器201、203、205、207和光检测器302、与针对它们实施了供电用和信号传递用的电气配线图案的柔性印刷板预先连接，临时固定在光扫描装置10的壳体上。临时固定是指以之后能够进行位置的微调整的方式固定。
然后，使各柔性印刷板与控制装置连接，成为能够进行扫描镜101的转动、半导体激光器201、203、205、207的发光、以及由光检测器302受光的状态。然后，对临时固定的半导体激光器201、203、205、207和光检测器302的位置进行微调整。
具体地，驱动红外色激光光源即半导体激光器207，射出传感用的非可见波长的激光。以使该激光入射到四象限光检测器303的中心的方式，调整、固定光检测器302的位置。
接着，依次驱动作为显示用激光光源的半导体激光器201、203、205，依次射出蓝色光、绿色光和红色光。以使各色的激光入射到四象限光检测器303的中心的方式，调整、固定半导体激光器201、203、205的位置。由此，光扫描装置10的组装完成。
<本实施方式的效果>
如以上说明那样，根据本实施方式的光扫描装置10，水平扫描驱动部100A的框构造体102只要仅具有单方向(以Y方向的转动轴为中心的转动方向)的转动功能即可。即，无需具有双方向的转动功能。因此，与利用梁的变形进行双方向的扫描相比，可以使梁102c、102d充分增大粗度和厚度。因此，可以提高对冲击和振动的耐性。
并且，框构造体102可以采用金属加工成型品或者树脂成型品，无需使用MEMS技术。因此，不需要MEMS技术中使用的高价的制造设备，可以降低制造成本。
而且，垂直扫描驱动部100B通过支轴108以能够转动的方式支撑包括转动保持器104的转动体，因而几乎不会受到温度变化的影响。因此，与利用梁的变形进行双方向的扫描相比，可以实现更稳定的转动动作。
并且，使用包括框构造体102的水平扫描驱动部100A、以及包括转动保持器104和支轴108的垂直扫描驱动部100B来分离水平扫描功能和垂直扫描功能。因此，光扫描装置10的组装和分解是容易的，可以提高制造成品率。
并且，在本实施方式的光扫描装置10中，振动体(扫描镜101、框构造体102和水平扫描磁铁110)在水平方向的扫描驱动频率下具有固有振动模式。因此，通过激励振动体的共振现象，可以将水平扫描线圈111的电流抑制得小。其结果，可以减少耗电量，并且可以抑制温度上升，从而抑制由温度变化引起的扫描灵敏度的变动。
而且，在本实施方式的光扫描装置10中，在扫描镜101的背面设置有薄的磁铁层即水平扫描磁铁110。该水平扫描磁铁110被磁化成夹着Y方向的转动轴而具有不同的磁极。通过这样使用薄的磁铁层，可以减小振动体的围绕转动轴(梁102c、102d)的惯性力矩，可以使扫描镜101高速转动。
并且，在本实施方式的光扫描装置10中，在与固定在扫描镜101上的水平扫描磁铁110对置的位置配置有水平扫描线圈111。因此，可以防止由流过水平扫描线圈111的电流产生的热直接传递到扫描镜101。其结果，可以抑制由扫描镜101的温度上升引起的反射面失真的产生，从而抑制所投影的图像的失真或模糊。
而且，在本实施方式的光扫描装置10中，转动体(水平扫描驱动部100A、转动保持器104、垂直扫描线圈105a、105b和磁性片109a、109b)具有与垂直方向的扫描驱动频率相同的共振频率。因此，通过激励转动体的共振现象，可以将垂直扫描线圈105a、105b的电流抑制得小。其结果，可以减少耗电量，并且可以抑制温度上升，从而抑制由温度变化引起的扫描灵敏度的变动。
并且，在本实施方式的光扫描装置10中，通过使固定在基底107上的支轴108与转动保持器104的轴承部104h嵌合，将包括转动保持器104的转动体支撑为能够转动。因此，通过使支轴108和轴承部104h以高的精度嵌合，可以抑制由来自外部的振动或冲击引起的扫描镜101的振动。
而且，在本实施方式的光扫描装置10中，利用磁弹力，该磁弹力利用了设置在转动保持器104上的磁性片109a、109b和磁铁106a、106b之间的吸引力。根据该结构，可以实现难以受到温度变化、振动、冲击的影响的扫描镜101的动作。
而且，在本实施方式的光扫描装置10中，以使光检测器302接受从扫描镜101射出的激光(扫描光束)的一部分的方式，在其中央和4角配置有四象限光检测器305。根据该结构，可以检测扫描镜101的水平方向和垂直方向的初始角度和扫描灵敏度，能够进行图像投影的失真校正控制。
<使用光扫描装置的激光投影仪的应用例>
图10是示出将使用了本实施方式的光扫描装置10的激光投影仪1应用于车载用途、更具体地是平视显示器的例子的图。
本实施方式的激光投影仪1安装在机动车等车辆6的例如仪表板62处。激光投影仪1向前玻璃61投影图像，形成虚像。驾驶员P可以在经由前玻璃61观察车辆6的前方的同时，看到所投影的图像(例如导航信息)。
车载用的投影仪容易受到冲击和振动等外力以及温度变化。然而，本实施方式的光扫描装置10具有这样的特征：根据利用包括框构造体102的水平扫描驱动部100A进行水平方向的扫描、且利用包括转动保持器104和支轴108的垂直扫描驱动部100B进行垂直方向的扫描的结构，如上所述具有对冲击和振动的高耐性，并且难以受到温度变化的影响。因此，激光投影仪1在上述的车载用途中也可以投影良好的图像。
另外，使用本实施方式的光扫描装置10的激光投影仪1不限于图10所示的用途，也可以用作例如小型且可搬运的便携式投影仪。
另外，本发明不限定于上述的实施方式，能够适当变型。例如，水平扫描线圈111和垂直扫描线圈105a、105b的配置和绕线图案不限定于上述的具体例，只要产生使扫描镜101绕Y方向的转动轴转动、并使转动保持器104绕X方向的转动轴转动的电磁力即可。关于水平扫描磁铁110和垂直扫描磁铁106a、106b的配置和磁化图案，也是相同的。
并且，在上述的实施方式中，作为显示用光源，使用了射出红色光、绿色光、蓝色光的半导体激光器201、203、205，然而不限定于该组合。例如，显示用激光光源也可以射出单色光。并且，也可以使用例如LED(发光二极管)来取代激光光源。因此，本发明中的投影仪也可以是激光投影仪以外的投影仪。
标号说明
10：光扫描装置；100：二维光扫描部；100A：水平扫描驱动部(第1扫描驱动部)；100B：垂直扫描驱动部(第2扫描驱动部)；101：扫描镜；102：框构造体；102a、102b：基部；102c、102d：梁；103：支撑体；104：转动保持器；105a、105b：垂直扫描线圈(第2线圈)；106a、106b：垂直扫描磁铁(第2磁铁)；107：基底；108：支轴；109a、109b：磁性片；110：水平扫描磁铁(第1磁铁)；111：水平扫描线圈(第1线圈)；200：光源部；201、203、205：半导体激光器；202、204、206：准直透镜；207：半导体激光器；208：准直透镜；209：棱镜(入射侧光学元件)；301：棱镜(出射侧光学元件)；302：光检测器(光检测部)；303、305：四象限光检测器；306：1/4波长板。

Claims (15)

1.一种光扫描装置，其特征在于，所述光扫描装置具有：
第1扫描驱动部，其具有扫描镜、和支撑所述扫描镜的框构造体，通过所述框构造体的变形使所述扫描镜以第1转动轴为中心转动；和
第2扫描驱动部，其具有支撑所述第1扫描驱动部的转动保持器、和将所述转动保持器支撑为能够以与所述第1转动轴正交的第2转动轴为中心转动的支轴，该第2扫描驱动部使所述转动保持器以所述第2转动轴为中心转动，
所述框构造体具有：一对梁，它们被设置成沿所述第1转动轴的方向夹住所述扫描镜；和一对基部，它们分别相对于所述一对梁设置在与所述扫描镜相反的一侧，
所述一对基部分别具有沿所述第2转动轴的方向长的长尺寸形状，并构成为能够变形。
2.根据权利要求1所述的光扫描装置，其特征在于，
所述第1扫描驱动部中，所述一对基部分别产生以长度方向的两端部为节点而变形的共振。
3.根据权利要求1或2所述的光扫描装置，其特征在于，
所述第1扫描驱动部以第1频率的电流被驱动，
所述第2扫描驱动部以比所述第1频率低的第2频率的电流被驱动。
4.根据权利要求3所述的光扫描装置，其特征在于，
所述框构造体在所述第1频率下具有固有振动模式。
5.根据权利要求3或4所述的光扫描装置，其特征在于，
所述第2扫描驱动部构成为以所述第2频率激励所述转动保持器的共振。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的光扫描装置，其特征在于，
所述第1扫描驱动部还具有第1线圈和第1磁铁，所述第1线圈和第1磁铁产生使所述扫描镜以所述第1转动轴为中心转动的电磁力。
7.根据权利要求6所述的光扫描装置，其特征在于，
所述第1磁铁设置在所述扫描镜的与反射面相反侧的面上，
所述第1线圈以与所述第1磁铁对置的方式安装在所述转动保持器上。
8.根据权利要求6或7所述的光扫描装置，其特征在于，
所述第1磁铁被磁化成夹着所述第1转动轴而具有不同的磁极。
9.根据权利要求1至8中任一项所述的光扫描装置，其特征在于，
所述第2扫描驱动部还具有：
第2线圈和第2磁铁，它们产生使所述转动保持器以所述第2转动轴为中心转动的电磁力；以及
磁性片，其与所述第2磁铁之间产生吸引力。
10.根据权利要求9所述的光扫描装置，其特征在于，
所述第2线圈和所述磁性片被固定在所述转动保持器的外周面，
所述第2磁铁以与所述第2线圈对置的方式被固定在所述光扫描装置的壳体上。
11.根据权利要求1至10中任一项所述的光扫描装置，其特征在于，
所述光扫描装置具有：
光源，其射出光；和
入射侧光学元件，其将从所述光源射出的光引导到所述扫描镜。
12.根据权利要求11所述的光扫描装置，其特征在于，
所述光扫描装置还具有：
出射侧光学元件，其将由所述扫描镜反射的反射光引导到投影面；和
光检测部，其安装在所述出射侧光学元件上，检测所述反射光的一部分。
13.根据权利要求12所述的光扫描装置，其特征在于，
所述光检测部在入射面的中央、以及与所述第1扫描驱动部的扫描方向的两端和所述第2扫描驱动部的扫描方向的两端对应的4个部位分别具有四象限光检测器。
14.一种投影仪，其特征在于，
所述投影仪具有权利要求1至13中任一项所述的光扫描装置。
15.根据权利要求14所述的投影仪，其特征在于，
所述光扫描装置被配置成向车辆的前玻璃投影图像。
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