CN116819761A - 一种扫描致动器、扫描显示模组及投影设备 - Google Patents

Abstract

本申请实施例公开了一种扫描致动器、扫描显示模组及投影设备，所述扫描致动器包括压电部以及布设在所述压电部上的驱动电极；所述压电部包括第一压电部及第二压电部，所述驱动电极包括第一驱动电极和第二驱动电极，所述第一压电部上的电极排布方式与所述第二压电部上的电极排布方式不同，并且基于各自在设定频率下的振动应变特征进行排布，使得第一压电部和第二压电部的电极排布方式与各自的振动应变特征相匹配，从而提升光纤扫描器件的性能，降低控制难度，达到更好的扫描显示效果。

Description

一种扫描致动器、扫描显示模组及投影设备

技术领域

本申请涉及显示技术领域，具体涉及一种扫描致动器、扫描显示模组及投影设备。

背景技术

激光扫描显示，作为一种新兴的显示成像技术，可由微机电系统(Micro-Electro-MechanicalSystems，MEMS)扫描镜、光纤扫描器(FiberScanner)等扫描器件实现扫描显示。该技术可以应用于投影显示、近眼显示等多种显示场景。

对于光纤扫描器而言，实际扫描显示过程中，光纤扫描器件将处于两种频率叠加的二维振动状态，从而成为一种复杂的振动系统，为了达到更好的显示效果，需要进一步提升光纤扫描器件的性能。

发明内容

本申请的目的提供一种扫描致动器、扫描显示模组及投影设备，用以提升扫描器件的性能。

为了实现上述发明目的，本申请实施例第一方面提供一种扫描致动器，所述扫描致动器包括压电部以及布设在所述压电部上的驱动电极；所述压电部包括第一压电部及第二压电部，所述第一压电部的驱动频率小于所述第二压电部的驱动频率，所述第一压电部用以在第一方向上振动，所述第二压电部用以在第二方向上振动；所述驱动电极包括第一驱动电极和第二驱动电极，所述第一驱动电极基于所述第一压电部在设定的第一频率下的振动应变特征设置于所述第一压电部表面，所述第二驱动电极基于所述第二压电部在设定的第二频率下的振动应变特征设置于所述第二压电部表面，所述第一压电部上的电极排布方式与所述第二压电部上的电极排布方式不同。

可选的，所述第一频率与所述第二频率不同，所述第一压电部上包括与所述第一频率对应的振型节点，所述第二压电部上包括与所述第二频率对应的振型节点；所述第一压电部上的振型节点和所述第二压电部的振型节点的分布位置部分或全部不一致。

可选的，对于所述第一压电部或所述第二压电部，在部分或全部所述振型节点的两侧，一侧的压电部表面设置有电极，另一侧的压电部表面不设置电极。

可选的，对于所述第一压电部或所述第二压电部，所述驱动电极沿轴向方向分隔为多个区段；在所述扫描致动器处于工作状态时，部分或全部所述振型节点的两侧，驱动电极所形成的电场的方向相反。

可选的，所述第一压电部和第二压电部中，至少一个压电部的振型的阶次为大于或等于2的正整数；当振型的阶次为大于或等于2的正整数时，对应压电部的驱动频率在二阶固有频率附近或在更高阶次的固有频率附近。

可选的，所述压电部包括上压电片和与所述上压电片平行设置的下压电片；所述上压电片的长度小于所述下压电片；所述下压电片包括超出所述上压电片的第一致动区域和与所述上压电片重合的第二致动区域；

第一致动区域的左右两侧分别设置有第一伸缩区域和第二伸缩区域，并通过第一伸缩区域和第二伸缩区域同步反向伸缩实现在所述第二方向上振动，以及通过所述上压电片和所述第二致动区域的同步反向伸缩实现在所述第一方向上振动。

可选的，所述第一压电部和第二压电部为沿轴向方向前后设置的压电晶片结构或压电管。

本申请实施例第二方面提供一种扫描显示模组，包括如第一方面所述的扫描致动器，光纤，光源和控制电路；所述光源输出图像光从所述光纤的一端耦入，所述光纤另一端固定在所述扫描致动器上；在所述控制电路的控制下，所述光源输出的图像光由所述扫描致动器带动光纤进行扫描显示。

本申请实施例第三方面提供一种投影设备，所述投影设备包括一组或多组第一方面所述的扫描显示模组。

本申请实施例的方案中，第一压电部和第二压电部可以基于各自在设定频率下的振动应变特征进行电极排布，使得第一压电部和第二压电部的电极排布方式与各自的振动应变特征相匹配，从而降低功耗，减小非线性，提升光纤扫描器件的性能，降低控制难度，达到更好的扫描显示效果。

附图说明

通过阅读参照以下附图所作的对非限制性实施例所作的详细描述，本申请的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1是本申请实施例提供的一种示例性的光纤扫描器的结构示意图；

图2a是本申请实施例提供的快轴致动部的振型曲线的示意图；

图2b是本申请实施例提供的弯曲振动的悬臂梁的振动应变特征的示意图；

图3是本申请实施例提供的另一种示例性的光纤扫描器的结构示意图；

图4是本申请实施例提供的间隔排布电极方式的示意图；

图5为图4示出的电极排布方式对应的节点位置分布示意图；

图6是本申请实施例提供的排布相反电极方式的示意图；

图7是本申请实施例提供的两个伸缩区域的电极排布方式的示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本申请作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释相关发明，而非对该发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与有关发明相关的部分。

参考图1，示出了本申请实施例中一种示例性的光纤扫描器10，包括：致动器及光纤。通常，致动器也可称为扫描致动器，可基于压电材料，如，压电陶瓷(PZT)实现致动。在图1的示例中，致动器整体呈片状结构，片状结构可采用压电材料，包括第一压电部11和第二压电部12。光纤13沿致动器的长度轴方向设置并在第二压电部12的前端延伸，形成悬臂式结构，即，光纤悬臂。在一些实施方式中，光纤12可粘接于致动器表面。在其它实施例中，光纤的设置方式也可以采用贯穿式设置，此处并不应理解为对本申请的限制。第一压电部11和第二压电部12表面设有电极(向电极传输电信号的导线或印刷电路并未在图中示出)，在电极作用下，压电材料产生基于逆压电效应的致动力，致动器便可带动光纤13进行二维扫动。其中，以第一压电部11的上表面为水平面，则第一压电部在竖直方向(即第一方向)振动，第二压电部在水平方向(即第二方向)振动，其致动原理将在后续内容进行阐述。

需要说明的是，对于构成光纤扫描器的致动器而言，若要实现显示，通常是利用致动器的固有频率实现共振，在本申请实施例中，无论第一压电部还是第二压电部，都可以基于一个或多个属性而具有固有频率，一般性的，固有频率是器件内在的频率特性，一些示例中，固有频率和谐振频率(或共振频率)是等同的。所述的一个或多个属性包括但不限于：材料、杨氏模量、截面二次距、密度、截面积、长度和/或模式常数等。通常，两个致动部的固有频率是不同的。还需要说明的是，本申请中致动器中的各个致动部的固有频率并不仅仅只有一个频率点，而是具有一系列按照一定规律分布的多个频率点，即，存在多个阶次(Order)。在实际应用中，第一压电部或是第二压电部都利用相应的某阶谐振频率实现振动。

申请人发现，上述致动器在振动过程中，其动态形变表现为出现对应的振型。所述的振型，可认为是处于振动状态时，整体扫描致动器各部分由于不同振动或位移状态体现出来的瞬时结构形态。参考图2a，这里以扫描致动器的快轴致动部在不同阶次下对应的振型为例进行说明(当然，慢轴致动部的振型与此类似，便不再单独举例说明)，其中使用曲线的方式来表征其振型，该曲线也可称为快轴致动部的振型曲线。图2a中采用不同颜色所示出的4种曲线的线型(ModeShape)，也就对应了4种振型。

从图2a中可见，各条振型曲线上的不同位置有高低起伏的线型，表征快轴致动部在振动过程中形变的幅度，其中，位移始终为零或基本为零的位置在本申请中可称为“振型节点”或“节点”，一阶振型有一个节点在固定端，即扫描器根部位置，悬臂梁上无节点，相应的，2阶振型在悬臂上有1个节点，3阶振型在悬臂上有2个节点，依次类推。本申请实施例中，2阶振型以上称为高阶振型，在工作频率处扫描器的实际振型更接近高阶特征，即具备至少一个节点，本申请实施例中，高阶振型的节点通常不包含约束位置(即根部位置)。当然，在实际应用中，振型曲线上的节点对应到实际的致动器结构上时，并不一定是一个点位，部分情况下可以体现为致动器结构上的一段尺寸较小的区段。

当致动器在不同的频率下振动时，沿轴向，致动部表面的拉压应力情况并不完全一致，而是基于不同的频率呈现变化的特点，在不同区域会产生不同的应变特征，显然，采用均布的常规电极排布形式，则将引起冲突。

如图2b所示，是弯曲振动的悬臂梁的一段，此处，为了方便描述，假设中间的虚线将悬臂梁划分为左半部分和右半部分，左半部分的振型上凸，右半部分的振型上凹，左半部分和右半部分的振型呈现相反的应变特征，实线箭头表示弯曲振动的悬臂梁的实际振型呈现出的应变特征，虚线箭头表示电压作用下的应变趋势。本申请实施例中，对于致动器而言，当致动器一端固定时，从固定位置至自由端的部分即称为悬臂梁，以图1中的致动器为例，通常第一致动部11的后端为固定端，第二致动部12的前端为自由端。

由图2b可以看出，在左半部分，悬臂梁上表面拉伸变形，下表面压缩变形；右半部分则刚好相反，悬臂梁上表面压缩变形，下表面拉伸变形。同时，在电压作用下，左半部分和右半部分的上表面，都将产生拉伸的应变趋势，下表面都将产生压缩的应变趋势，可见该段结构左半部分，电压激励体现正的作用，致动部的振动应变特征和电压作用下预期的应变趋势一致；而右半部分则正好相反，电压激励体现负的作用，其振动应变特征和电压作用下预期的应变趋势相反，即电压做了负功。

一方面，在致动器的某些位置上，电压激励做负功，使功耗增加；另一方面，振动应变特征和逆压电效应下预期的应变趋势相反，会增大致动器动态下的非线性，进一步导致对致动器乃至光纤的轨迹控制难度增大，用作图像显示时，图像将恶化，稳定性降低，加速老化可能；此外，压电材料物理参数、特性发生变化，呈现差异，使悬臂梁不再是均质梁，导致模态非线性增加，影响图像效果，同时可能导致失稳、降低疲劳特性等。

基于以上分析，本申请实施例提出一种优化的电极排布方案，考虑到真实系统的非线性，难以精确的定位振型的凹凸变换点，本申请实施例中，近似的以节点位置当作区分点，进行电极排布。每个所述振型节点两侧的压电部具有相反的应变特征，对应的，本申请实施例中可以采用以下两种电极排布方式，在具体实施过程中，不限于以下两种电极排布方式。

第一种电极排布方式，采用间隔的电极排布方式，在部分或全部所述振型节点的两侧，一侧的压电部表面设置有电极，另一侧的压电部表面不设置电极。

第二种电极排布方式，采用相反的电极排布方式，所述驱动电极沿轴向方向分隔为多个区段；在扫描致动器处于工作状态时，部分或全部所述振型节点的两侧，驱动电极所形成的电场的方向相反，即电极的极性相反。

本申请实施例中，对于栅格式扫描而言，由于慢轴致动部和快轴致动部的工作频率具有较大差异，快轴致动部的第二频率远高于慢轴致动部的第一频率，而李萨如扫描或螺旋式扫描，第一压电部和第二压电部的工作频率差异较小。一般来讲，在高阶频率的驱动下，致动器的振型具有较多的节点；在低阶频率的驱动下，致动器的振型具有较少的节点。

对于第一压电部和第二压电部而言，可以选择不同的频率作为驱动频率，相应的，所述第一压电部上的振型节点和所述第二压电部的振型节点的分布位置部分或全部不一致，进而，所述第一压电部上的电极排布方式与所述第二压电部上的电极排布方式也不同。

在一种可能的实施方式中，至少一个致动部的振型的阶次为大于或等于2的正整数。举例来讲，第一压电部的振型可以为一阶振型，而第二压电部的振型为二阶或更高阶振型，又或者，第一压电部的振型为二阶或更高阶振型，而第二压电部的振型为一阶振型。

在另一种可能的实施方式中，两个致动部的振型的阶次均为大于或等于2的正整数；则第一压电部和所述第二压电部的振型均为二阶或更高阶振型。对应的，驱动频率可以是相应阶次的固有频率，也可以根据需要设置在固有频率附近。

接下来，结合具体的扫描致动器形态，对本申请实施例中的扫描致动器电极排布方式进行说明。

如图3所示，示出了本申请实施例中一种示例性的光纤扫描器30，包括上压电片311和下压电片312，虚线对下压电片312的前半部分和后半部分进行了大致划分，虚线之前为第一致动区域，在第一致动区域上分布有第一伸缩区域321和第二伸缩区域322，虚线往后为第二致动区域。第一压电部31通过上压电片311和下压电片312的后半部分作同步反向伸缩实现振动，第二压电部32通过下压电片312的前半部分的左、右两个伸缩区域作同步反向伸缩实现振动。

如图4所示，示出了本申请实施例中一种示例性电极排布方式，其中，第一压电部31采用间隔排布电极的方式，上压电片311上间隔设置有上电极313a，下压电片312上设置有上电极314a，为了工艺的简洁，上压电片311和下压电片312可以共用一层导电介质层作为下电极313b，而第二压电部32采用均匀连续的电极排布方式。在一些其他实施例中，下电极313b也可以采用间隔的排布方式，本申请实施例对此不做限制。

需要说明的是，本申请实施例中，对于上电极和下电极，这类描述中的“上”“下”是相对而言的，不应理解为对空间位置的限制。

结合图4的电极排布情况，根据本申请实施例中的电极排布方式可知，第一致动部31上方分布有4个振型节点，如图5所示，为图4示出的电极排布情况对应的节点位置A、B、C、D的分布示意图，如前述实施例中所述，振型曲线上的节点对应到实际的致动器结构上时，并不一定是一个点位，部分情况下可以体现为致动器结构上的一段尺寸较小的区段。

如图6所示，示出了本申请实施例中一种示例性电极排布方式，其中，第二压电部32采用排布相反电极方式。以第一伸缩区域321上的电极排布为例，电极沿第二压电部的轴向方向分隔为3个区段。在第一伸缩区域321的上表面依次布设有正电极323a、负电极324b和正电极325a，在第一伸缩区域321的下表面对应布设有负电极323b、正电极324a和负电极325b，如图7所示，为两个伸缩区域的电极排布方式的示意图，在第二伸缩区域322的表面也可以按相同的方式设置电极。

在本申请的其它实施例中，还可以根据第一压电部和第二压电的振动应变特征，选择其它的电极排布组合方式，比如，第一压电部采用排布相反电极方式，第二压电部采用间隔排布电极的方式，或者，第一压电部采用均匀电极排布方式，第二压电部采用间隔排布电极的方式，只要能提升扫描器件的性能，都可以涵盖在本申请的发明构思内。

需要说明的是，本申请的各电极一般为涂覆于压电陶瓷片上的电极层，电极层的涂覆面积和厚度可根据实际需要进行调整，附图只是示意说明。

对于扫描致动器而言，如上述实施例中所述，扫描致动器基于一个或多个属性而具有固有频率，固有频率是器件内在的频率特性，本申请实施例中，致动器的各个压电部的固有频率并不仅仅只有一个频率点，而是具有一系列按照一定规律分布的多个阶次的频率点,对于压电部的各个阶次的频率点，可基于相应的一个或多个属性通过诸如仿真、理论计算等方式确定。当然，具体的仿真、计算过程这里并不展开描述。

对于扫描致动器的振型而言，扫描致动器在设定频率下振动时，可以通过仪器检测或模拟仿真得到致动器的振型，进而得出振型节点的数量和分布，假设致动器的驱动电极是基于某频率下的振动应变特征设置的，则当所述致动器以该频率作为驱动频率工作时，其工作时的实际振型符合该频率下的振型曲线特征。

本申请实施例中，基于前述的扫描致动器，还提供了一种扫描显示模组，包括：扫描致动器、光纤、光源以及控制电路。其中，控制电路，可以采用图形处理器(GraphicsProcessingUnit，GPU)、中央处理器(CentralProcessingUnit，CPU)或者其它具有控制功能、图像处理功能的芯片、电路或两者的组合，这里并不进行具体限定。

光源可以包含多个单色激光器，例如：采用红(Red，R)、绿(Green，G)、蓝(Blue，B)三色激光器，分别发出不同颜色的光束。光源中各激光器发出的光束经耦入光纤中，通过控制电路控制扫描致动器进行扫动，从而将光纤中传输的图像光束扫描输出，在每个像素点位置形成具有相应图像信息(如：颜色、灰度或亮度)的光斑。在一帧的时间里，光束以足够快的速度遍历每一像素点位置完成一帧图像的扫描，由于人眼观察事物存在“视觉残留”的特点，故人眼便无法察觉光束在每一像素点位置上的移动，而是看见一帧完整的图像。

需要说明的是，上述实施例是以扫描器件为光纤扫描器的场景为例说明了相应的电极排布方式，而对于其他形式的扫描器件，如微机电系统(Micro-Electro-MechanicalSystems，MEMS)扫描镜，其通过二维振镜(同样具备两个扫描轴)实现激光束的偏转(栅格式扫描轨迹或利萨茹式扫描轨迹)，本申请中记载的电极排布方式同样适用于此类扫描器件。

本申请实施例中，扫描显示模组可广泛用于头戴式AR(英文全称：AugmentedReality；中文名称：增强现实)设备、头戴式VR(英文全称：Virtual Reality；中文名称：虚拟现实)设备、投影电视、投影仪等等，应用十分广泛。

在本公开的各种实施方式中所使用的表述“第一”、“第二”、“所述第一”或“所述第二”可修饰各种部件而与顺序和/或重要性无关，但是这些表述不限制相应部件。以上表述仅配置为将元件与其它元件区分开的目的。

以上描述仅为本申请的较佳实施例以及对所运用技术原理的说明。本领域技术人员应当理解，本申请中所涉及的发明范围，并不限于上述技术特征的特定组合而成的技术方案，同时也应涵盖在不脱离上述发明构思的情况下，由上述技术特征或其等同特征进行任意组合而形成的其它技术方案。例如上述特征与本申请中公开的(但不限于)具有类似功能的技术特征进行互相替换而形成的技术方案。

Claims (9)

1.一种扫描致动器，其特征在于，所述扫描致动器包括压电部以及布设在所述压电部上的驱动电极；所述压电部包括第一压电部及第二压电部，所述第一压电部的驱动频率小于所述第二压电部的驱动频率，所述第一压电部用以在第一方向上振动，所述第二压电部用以在第二方向上振动；所述驱动电极包括第一驱动电极和第二驱动电极，所述第一驱动电极基于所述第一压电部在设定的第一频率下的振动应变特征设置于所述第一压电部表面，所述第二驱动电极基于所述第二压电部在设定的第二频率下的振动应变特征设置于所述第二压电部表面，所述第一压电部上的电极排布方式与所述第二压电部上的电极排布方式不同。

2.如权利要求1所述的扫描致动器，其特征在于，所述第一频率与所述第二频率不同，所述第一压电部上包括与所述第一频率对应的振型节点，所述第二压电部上包括与所述第二频率对应的振型节点；所述第一压电部上的振型节点和所述第二压电部的振型节点的分布位置部分或全部不一致。

3.如权利要求2所述的扫描致动器，其特征在于，对于所述第一压电部或所述第二压电部，在部分或全部所述振型节点的两侧，一侧的压电部表面设置有电极，另一侧的压电部表面不设置电极。

4.如权利要求2所述的扫描致动器，其特征在于，对于所述第一压电部或所述第二压电部，所述驱动电极沿轴向方向分隔为多个区段；在所述扫描致动器处于工作状态时，部分或全部所述振型节点的两侧，驱动电极所形成的电场的方向相反。

5.如权利要求1所述的扫描致动器，其特征在于，所述第一压电部和第二压电部中，至少一个压电部的振型的阶次为大于或等于2的正整数；当振型的阶次为大于或等于2的正整数时，对应压电部的驱动频率在二阶固有频率附近或在更高阶次的固有频率附近。

6.如权利要求1所述的扫描致动器，其特征在于，所述压电部包括上压电片和与所述上压电片平行设置的下压电片；所述上压电片的长度小于所述下压电片；所述下压电片包括超出所述上压电片的第一致动区域和与所述上压电片重合的第二致动区域；

第一致动区域的左右两侧分别设置有第一伸缩区域和第二伸缩区域，并通过第一伸缩区域和第二伸缩区域同步反向伸缩实现在所述第二方向上振动，以及通过所述上压电片和所述第二致动区域的同步反向伸缩实现在所述第一方向上振动。

7.如权利要求1所述的扫描致动器，其特征在于，所述第一压电部和第二压电部为沿轴向方向前后设置的压电晶片结构或压电管。

8.一种扫描显示模组，其特征在于，包括如权利要求1-7中任一项所述的扫描致动器，光纤，光源和控制电路；所述光源输出的图像光从所述光纤的一端耦入，所述光纤另一端固定在所述扫描致动器上；在所述控制电路的控制下，所述光源输出的图像光由所述扫描致动器带动光纤进行扫描显示。

9.一种投影设备，其特征在于，所述投影设备包括一组或多组如权利要求8所述的扫描显示模组。