【書類名】 明細書
【発明の名称】 光学的走査装置
【特許請求の範囲】
【請求項１】 枠状をなすフレーム(55A)と、弾性を有する棒状の支持梁(56B)と、この支持梁(56B)を介して外周部が前記フレーム(55A)の内周部に支持された揺動体(55B)と、前記フレーム(55A)とこの揺動体(55B)の外周部に電磁気、静電気による各力を作用させる偏向駆動手段(5)とを備え、前記フレーム(55A)と支持梁(56B)と揺動体(55B)とが形成された光学的走査装置であって、
前記揺動体(55B)には、発光素子(3)、受光素子(3)、または発光素子および受光素子(3)を備えたことを特徴とする光学的走査装置。
【請求項２】 前記偏向駆動手段(5)は、揺動体(55B)の外周部に配線された揺動体駆動コイル(57B)と、この揺動体駆動コイル(57B)の作用部に形成された磁界とからなるものであって、
前記フレーム(55A)の内周部からは、２本の前記支持梁(56B,56B)が内方に向けて突き出し、これらの支持梁(56B,56B)を介して揺動体(55B)の対向する２点が支持され、前記揺動体駆動コイル(57B)が、その作用部を２本の前記支持梁(56B,56B)による揺動体(55B)の支軸と並行させるように配置され、前記磁界が、その磁束の向きを、揺動体駆動コイル(57B)の作用部および揺動体(55B)の前記支軸と直交させるように配置されたことを特徴とする請求項１記載の光学的走査装置。
【請求項３】 前記フレーム(55A)は内側フレームであって、この内側フレ
ーム(55A)を囲んで枠状の別の外側フレーム(52)が外方に設けられ、２本の前記
支持梁(56B,56B)は内側支持梁であって、これと同様の弾性を有する２本の別の
外側支持梁(56A,56A)が外側フレーム(52)の内周部から内方に向けて突き出し、
前記内側フレーム(55A)の外周部に内側フレーム駆動コイル(57A)が配線され、前記磁界は内側磁界であって、前記内側フレーム駆動コイル(57A)の作用部に外側磁界が形成されて、
これら２本の外側支持梁(56A,56A)を介して内側フレーム(55A)の外周部の対向する２点が外側フレーム(52)の内周部に支持され、前記外側および内側フレーム(52,55A)と、外側および内側支持梁(56A,56A,56B,56B)と、揺動体(55B)とが形成されており、
前記外側支持梁(56A,56A)が、これら２本の外側支持梁(56A,56A)による内側フレーム(55A)の支軸を前記揺動体(55B)の支軸と直交させるように配置され、前記内側フレーム駆動コイル(57B)が、その作用部を内側フレーム(55A)の支軸と並行させるように配置され、前記外側磁界が、その磁束の向きを、内側フレーム駆動コイル(57B)の作用部および内側フレーム(55A)の支軸と直交させるように配置されたことを特徴とする請求項２記載の光学的走査装置。
【請求項４】 前記フレーム(55A)、外側フレーム(52)、支持梁(56B)、外側支持梁(56A)、および揺動体(55B)が半導体基板であり、前記発光手段、受光手段が半導体素子であることを特徴とする請求項３記載の光学的走査装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光センサやレーザ応用機器等のスキャナとして用いられる極めて小型で高感度の光学的走査装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、極めて小型の光学的走査装置が、微小な電流を検出する検流計等に用いられ、その一例のガルバノミラーは、回転復元力を有する軽量な回動コイルに反射鏡や指針を備えている。このガルバノミラーを永久磁界中に配置して回動コイルに電流を流すと、その電磁界に作用するローレンツ力によって、電流に比例した回転力（トルク）が回動コイルに生じる。そして、このトルクによって、回動コイルが復元力と平衡するまで回動するので、反射鏡等も一定角度に傾いて止まり、その反射光や指示値を変化させる。このようなガルバノミラーでは、微小電流を高感度で検出するため、回動コイルや反射鏡を、できる限り軽量化することが求められる。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、この従来例の光学的走査装置によって、光センサ装置やレーザ応用機器を構成しようとすると、次の様な問題点があった。
すなわち、前述した回動コイルを形成するため、専用の巻線機によって、コイル用の電線を繰り返し巻回させる必要があり、回動コイルの小型化には自ずと限界がある。そこで、回動コイル以外に、反射鏡や、復元力のためのスプリング部材、永久磁界用のマグネット、また、これら部材の組み合わせ構造等を極力小型化、薄型化しようとする。ところが、別体の反射鏡を接着剤で回動コイルに固定し、それにスプリングを組み付けてマグネットやヨークで周囲を囲むと、やはり全体がかさばってしまい、装置の組み立て寸法を縮小することにも限界があった。
【０００４】
また、装置をレーザ光等の発光受光手段と組み合わせなければならないが、発光受光手段を反射鏡に対向配置して偏向走査すると、反射鏡から発光受光手段の方向に反射光を偏向させてもその光軸が遮られてしまう。このため、反射鏡によるレーザ光の偏向角に一部死角が生じてしまい、また、この死角を避けるために反射鏡の固定位置や素子の設置角度等が制約されるという問題点もあって、これらの問題点の除去が重要な課題であった。
【０００５】
この発明は上記課題を解決するためになされ、その目的は、それぞれの構成部材を極小化するのみならず、各構成部材の組合せ構造も含めて総合的な小型化を図ると共に、偏向範囲内に死角のない光学的走査装置を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、本発明の光学的走査装置は、枠状をなすフレームと、弾性を有する棒状の支持梁と、この支持梁を介して外周部が前記フレームの内周部に支持された揺動体と、この揺動体の外周部に電磁気、静電気または圧電効果による各力を作用させる揺動体駆動手段とを備え、前記フレームと支持梁と揺動体とが形成された光学的走査装置であって、
揺動体には、発光素子、受光素子、または発光素子および受光素子を備えたことを特徴とする。
【０００７】
このため、揺動体駆動手段によって、揺動体の外周部に電磁気力等を作用させると、この電磁気力によって、支持梁を支点とした揺動体の外周部に回転モーメントが生じて支持梁が撓むと共に、支持梁によって、その撓み方向に抗した弾性力が生じ、この弾性力が電磁気力等と釣り合うまで揺動体を回動させ、この揺動体の回動によって、発光素子による光の照射方向や、受光素子による受光方向を連続的に変化させる。また、フレーム、支持梁、揺動体の一体形成によって、光学的走査装置を均質で簡単な構造にできる。
【０００８】
本発明の請求項２記載の光学的走査装置は、揺動体駆動手段が、揺動体の外周部に配線された揺動体駆動コイルと、この揺動体駆動コイルの作用部に形成された磁界とからなるものであって、
フレームの内周部からは、２本の支持梁が内方に向けて突き出し、これらの支持梁を介して揺動体の対向する２点が支持され、揺動体駆動コイルが、その作用部を２本の支持梁による揺動体の支軸と並行させるように配置され、磁界が、その磁束の向きを、揺動体駆動コイルの作用部および揺動体の支軸と直交させるように配置されたことを特徴とする。
【０００９】
これによると、２本の支持梁によって、フレームに対する揺動体の支軸を形成し、揺動体駆動コイルによって、その作用部に電流を流すと、磁界との相互作用によりフレミングの左手法則に従う向きに磁気力が生じ、揺動体の支軸を軸心として揺動体を一定角度まで揺動させる。このため、静止状態の揺動体による光の照射方向または受光方向を挟んで、前後に一定角度だけ照射方向等を変化させる。
【００１０】
本発明の請求項３記載の光学的走査装置は、前記フレームは内側フレームであって、この内側フレームを囲んで枠状の別の外側フレームが外方に設けられ、２本の前記支持梁は内側支持梁であって、これと同様の弾性を有する２本の別の外側支持梁が外側フレームの内周部から内方に向けて突き出し、内側フレームの外周部に内側フレーム駆動コイルが配線され、前記磁界は内側磁界であって、内側フレーム駆動コイルの作用部に外側磁界が形成されて、これら２本の外側支持梁を介して内側フレームの外周部の対向する２点が外側フレームの内周部に支持され、外側および内側フレームと、外側および内側支持梁と、揺動体とが形成されており、
外側支持梁が、これら２本の外側支持梁による内側フレームの支軸を揺動体の支軸と直交させるように配置され、内側フレーム駆動コイルが、その作用部を内側フレームの支軸と並行させるように配置され、外側永久磁界が、その磁束の向きを、内側フレーム駆動コイルの作用部および内側フレームの支軸と直交させるように配置されたことを特徴とする。
【００１１】
これによると、２本の外側支持梁によって、揺動体の支軸と直交する向きに、外側フレームに対する内側フレームの支軸を併せて形成し、内側フレーム駆動コイルによって、その作用部に電流を流すと、揺動体駆動コイルと同様に磁気力が生じ、内側フレームの支軸を軸心として内側フレームを一定角度まで揺動させる。このため、揺動体の揺動方向と併せて、静止状態の内側フレームによる光の照射方向等を挟んで、前後に一定角度だけ照射方向等を変化させられる。
【００１２】
本発明の請求項４記載の光学的走査装置は、フレーム、外側フレーム、支持梁、外側支持梁、および揺動体が半導体基板であり、発光手段、受光手段が半導体素子であることを特徴とする。
【００１３】
これによると、半導体製造プロセスによって一体成形でき、小さな駆動電流で照射方向等を素早く正確に偏向走査できる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態を添付図に基づいて以下に説明する。
図１は、本発明の一実施形態による光学的走査装置の構成図である。
図１に示すように、この実施形態では、所定の走査信号による光の偏向走査装置２と、半導体素子からなる光の発光手段（または受光手段）３と、この偏向走査装置２上に設けた偏向駆動手段４とからなる光学的走査装置１００を構成している。
【００１５】
これらの偏向走査装置２および偏向駆動手段４については、本出願人による特開平７−２１８８５７号公報に、変位検出機能を備えたプレーナー型ガルバノミラーの本体部として関連技術が開示されている。すなわち、シリコン半導体基板５の両面を、ホウケイ酸ガラス等からなる上側ガラス基板５３と下側ガラス基板５４とで挟み、各基板５，５３，５４をサンドイッチ状に重ね合わせて接合し、全体を３層構造としたものである。この他にも、本出願人によって特開平７−１７５００５号公報にプレーナー型ガルバノミラーのみのものが開示されている。
【００１６】
シリコン半導体基板５には、異方性エッチングによって、ほぼ枠状の溝を２重に削設し、枠体からなる外側フレーム５２と、その内方の内側フレーム（フレーム）５５Ａと、更に、その内方の平板状の揺動体５５Ｂとを同一素材で一体に形成する。このため、上側および下側ガラス基板５３，５４の両凹部５３Ａ，５４Ａ内には、密閉空間が形成される。
【００１７】
前記外側フレーム５２の内周部には、その対向する２点に２本の棒状の外側支持梁５６Ａ，５６Ａを内方に突出するように形成し、これら２本の外側支持梁５６Ａ，５６Ａを介して内側フレーム５５Ａの外周部の２点を軸支する。更に、この内側フレーム５５Ａの内周部には、その対向する２点に２本の棒状の内側支持梁５６Ｂ，５６Ｂを内方に突出するように形成し、これら２本の内側支持梁（支持梁）５６Ｂ，５６Ｂを介して揺動体５５Ｂの外周部の２点を軸支する。
【００１８】
そして、２本の外側支持梁５６Ａによる内側フレーム５５Ａの支軸を、２本の内側支持梁５６Ｂによる支軸と互いの軸方向が直交するように配置するため、内側フレーム５５Ａおよび揺動体５５Ｂが、前記密閉空間内で外側支持梁５６Ａまたは内側支持梁５６Ｂを支軸として各別に揺動できる。また、密閉空間内を真空にすれば、内側フレーム５５Ａおよび揺動体５５Ｂの回動抵抗を低減して回動駆動に対する追従性を向上できる。
【００１９】
図２は、図１に示すシリコン半導体基板５の平面図である。
図２に併せて示すように、内側フレーム５５Ａの一方の面には、その周縁部に近接させて内側フレーム５５Ａを周回させ、電解メッキによる電鋳コイル法で内側フレーム駆動コイル５７Ａを形成し、その表面を絶縁層で被覆する。そして、この平面コイル５７Ａの両配線端部を、一方の外側支持梁５６Ａを介して外側フレーム５２の同じ側の面上に引き出して、この面状に一対の外側電極端子５９Ａ，５９Ａを形成する。
【００２０】
揺動体５５Ｂの同じ側の面にも、同様に揺動体駆動コイル５７Ｂを形成被覆し、その両端部を一方の内側支持梁５６Ｂ、内側フレーム５５Ａ、および他方の外側支持梁５６Ａを介して外側フレーム５２上に引き出し、この面上に一対の内側電極端子５９Ｂ，５９Ｂを形成する。
【００２１】
前記揺動体駆動コイル５７Ｂに囲まれた内方には、揺動体５５Ｂ上に公知のレーザダイオードや、一定の指向性を備えた発光ダイオード等の発光手段３を半導体製造プロセスによって一体形成し、または、その半導体チップをボンディング技術によって取り付ける。そして、この発光手段３の両配線５７Ｃ，５７Ｄの端部を他方の内側支持梁５６Ｂ、内側フレーム５５Ａ、および一方の外側支持梁５６Ａを介して外側フレーム５２上に引き出し、この面上に一対の素子用電極端子５９Ｃ，５９Ｃを形成する。これによって、発光手段３の組合せ構造を小型化できる。
【００２２】
図３は、図１に示す発光手段としてレーザダイオードを用いた一例の発光手段の組立図で、（ａ）に組立前の状態を示し、（ｂ）に組立後の状態を示す。
図３に示すように、レーザダイオード３Ａの半導体素子（ベアチップ）を、前述した２本の内側支持梁５６Ｂ，５６Ｂによる揺動体５５Ｂの支軸に沿って中央部に配置する。これによって、照射光の偏向角および照射方向を直接に揺動体５５Ｂの回動に従って制御できる。
【００２３】
レーザダイオード３Ａの発光部３１は、多重に積載された各成長層の断面に形成されるので、発光部３１がある面を素子の上面とすると、通常は、各成長層が揺動体５５Ｂの垂直方向に並ぶことになる。このため、例えば、その一側面に２ヵ所の素子接続部３２，３２を設けて素子上のプリント配線を容易にし、それぞれの素子接続部３２，３２の一端部には、図示しないスルーホールを介し、ダイオードのアノードおよびカソードの内部配線を引き出して配線する。
【００２４】
このような素子接続部３２，３２は、その配線を揺動体５５Ｂのプリント配線に対し、垂直に離隔した位置から行なうため、レーザダイオード３Ａの素子底面に接着剤等を介して揺動体５５Ｂ上にダイボンドしようとすると、各素子接続部３２，３２と揺動体５５Ｂのプリント配線との確実な導通を損うおそれがある。また、ワイヤボンドによっては工具の位置決めが困難になる。
【００２５】
そこで、レーザダイオード３Ａの取り付け構造の一例について述べる。
素子接続部３２，３２の他端部を素子底面に向けて縦長にプリント配線すると共に、図３（ａ）に示す揺動体５５Ｂ上の中央部には、レーザダイオード３Ａの素子底面に嵌合する形状の凹部３３を削設し、この凹部３３周囲に近接させて揺動体接続部３４，３４の一端部をプリント配線する。それぞれの揺動体接続部３４，３４の他端部には、スルーホールを介して裏面の配線５７Ｃ，５７Ｄを導通させ、この裏面配線５７Ｃ，５７Ｄを、前述した素子用電極端子５９Ｃ，５９Ｃに向けてプリント配線する。
【００２６】
このように形成した揺動体５５Ｂの凹部３３内に、図３（ｂ）に示すように、レーザダイオード３Ａの素子底面を差し込んで固着し、各素子接続部３２，３２と揺動体接続部３４，３４の端部どうしを、半田付け部３５によって導通させる。または、専用の溶着工具を斜め方向から溶着部３５まで差し込んで超音波溶着させ、この溶着部３５によって導通させてもよい。これによって、レーザダイオード３Ａを揺動体５５Ｂ上に位置ずれしないように固定すると共に、その素子接続部３２，３２を確実に揺動体接続部３４，３４と導通させる。この他にも、前記凹部３３の代りに裏面に向けて貫通孔を開け、レーザダイオード３Ａの素子底面をわずかに裏面から突き出させて両接続部３２，３４を半田付け等してもよい。
【００２７】
前記発光手段３としては、正確さ、一定の照射距離や照射強度を要する光センサ等の用途には主にレーザダイオード３Ａを用い、均一な周波数特性と高い指向性のレーザ光を照射させる。
また、高い応答速度を要するが照射距離は比較的に短い光伝送等の用途には、発光ダイオードを用いることにより安価で量産性の高い伝送機器を実現できる。この他にも、組み合わせレンズ等からなる光学系を発光ダイオードの発光面に併設し、一定の確実な指向性をもたせてもよい。
【００２８】
図４は、図２に示す矢視線Ｐ−Ｐ方向から見た断面図であり、図５は、図２に示す矢視線Ｑ−Ｑ方向から見た断面図である。
図４と図５に併せて示すように、上側ガラス基板５３および下側ガラス基板５４には、例えば超音波加工によって、それぞれ中央部に凹部５３Ａ，５４Ａを設ける。そして、これら両凹部５３Ａ，５４Ａを半導体基板５を間に挟んで対向させ、各基板５，５３，５４を重ね合わせる。
【００２９】
上側および下側のガラス基板５３，５４には、それぞれ２個づつ対となった円板状の永久磁石６０Ａ〜６３Ａ，６０Ｂ〜６３Ｂを図１，２，４，５に示すように配置する。このため、上側ガラス基板５３の対向する２対の永久磁石６０Ａ，６１Ａまたは６２Ａ，６３Ａと、下側ガラス基板５４の対向する２対の永久磁石６０Ｂ，６１Ｂまたは６２Ｂ，６３Ｂとによって磁界が形成される。
【００３０】
このとき、上側ガラス基板５３の２対の永久磁石６０Ａ，６１Ａもしくは６２Ａ，６３Ａどうし、また、下側ガラス基板５４の２対の永久磁石６０Ｂ，６１Ｂもしくは６２Ｂ，６３Ｂどうしは、その極性を反対にして、例えば、永久磁石６０Ａまたは６２ＡのＮ極と、永久磁石６１Ａまたは６３ＡのＳ極とを外側フレーム５２に向けて配置する。
【００３１】
また、２対の永久磁石６０Ａ，６０Ｂもしくは６１Ａ，６１Ｂどうし、また、２対の永久磁石６２Ａ，６２Ｂもしくは６３Ａ，６３Ｂどうしは、その極性を揃えて、例えば、永久磁石６０Ａ，６１Ｂまたは６２Ａ，６３ＢのＮ極と、永久磁石６０Ｂ，６１ＡのＳ極とを外側フレーム５２を挟んで対向させ、しかも、両磁石の位置を図４，５に示す図面の左右方向にずらして配置する。
【００３２】
このような配置によって、それぞれの磁束を内側フレーム５５Ａおよび揺動体５５Ｂの各駆動コイル５７Ａまたは５７Ｂを横切るように形成させることができる。しかも、内側フレーム５５Ａおよび揺動体５５Ｂの両側端部で反対方向を向かせるため、内側フレーム駆動コイル５７Ａまたは揺動体駆動コイル５７Ｂに流す電流とのローレンツ力によって回転モーメントが生じ、２本の外側支持梁５６Ａを軸心として内側フレーム５５Ａを、また、２本の内側支持梁５６Ｂを軸心として揺動体５５Ｂを回動させる。
【００３３】
続いて、この実施形態の光学的走査装置における作用について述べる。
先ず、前述した外側および内側電極端子５９Ａ，５９Ａ，５９Ｂ，５９Ｂを介して、図示しない投光装置の偏向制御手段により、照射光の所望の走査信号に従った電流を、内側フレームまたは揺動体駆動コイル５７Ａ，５７Ｂに供給する。
【００３４】
この走査信号としては、予定した照射光を得るための振幅最大値とオフセット値とを予め設定しておき、この振幅最大値を内部発振によって発生させて基本波に乗算し、更に前記オフセット値を加算して所定の振幅、オフセット、周波数および位相を有する任意の波形を用いることができる。
前記電流をそれぞれの駆動コイル５７Ａ，５７Ｂに供給すると、これら振幅最大値とオフセット値とによって、揺動体５５Ｂおよび内側フレーム５５Ａの回動角と照射方向を決定できる。
【００３５】
内側フレームまたは揺動体駆動コイル５７Ａ，５７Ｂには、電流による電磁界が生じると共に、予め２対の永久磁石６０Ａ，６０Ｂおよび６１Ａ，６１Ｂまたは６２Ａ，６２Ｂおよび６３Ａ，６３Ｂによって、前述した永久磁界を形成するため、フレミング左手の法則に従って磁気力Ｆが発生する。この場合に、それぞれの永久磁界には、内側フレーム５５Ａまたは揺動体５５Ｂの各支軸を含む面方向に沿って各駆動コイル５７Ａ，５７Ｂの作用部と直交する方向の磁束成分を有する。このため、この磁気力によって、内側フレーム５５Ａには、その支軸を軸心として回転モーメントが生じ、また、揺動体５５Ｂにも、同じく回転モーメントが生じる。
【００３６】
そして、内側フレーム５５Ａおよび揺動体５５Ｂを、これらの回転モーメントが外側または内側支持梁５６Ａ，５６Ｂの捩れによって生じるバネ反力と釣り合う回動角まで回動させる。このため、互いに直交する２本の支軸Ｘ，Ｙを軸心として揺動体５５Ｂを任意の回動角まで傾けることができ、従って、それぞれの回動角に一致させて、揺動体５５Ｂ上のレーザダイオード３Ａからレーザ光を照射しながら、その照射方向を制御することができる。
【００３７】
本発明による光学的走査装置２の一例としては、内側フレーム５５Ａまたは揺動体５５Ｂの回動角＋／−２５度、回動速度２．５ＫＨｚ、または回動角＋／−４５度、回動速度１．５ＫＨｚのものが適しており、これらの範囲内であれば、外側または内側支持梁５６Ａ，５６Ｂに対して応力による負担がかかり過ぎない。また、消費電流は２２０ｍＡ以下のものが適しており、一般の論理回路のドライバによって駆動し易い範囲内である。更に、重量１００ｇ程度のものが適しており、鉄道車両や自動車、航空機等における信号装置、警報装置、表示器等の車載装置に組み込んで、障害センサ、レンジセンサ、速度センサ等の用途に適当である。
【００３８】
以上の他にも、揺動体５５Ｂの実際の回動角を検出し、この回動角を正確に制御するため、各駆動コイル５７Ａ，５７Ｂの変位検出機能を備えた光学的走査装置２を用いてもよい。この場合には、レーザ光の偏向角を更に精密に走査信号と同期制御できるため、移動体に搭載して比較的に高速で移動し、その時の振動によって回動角が追従遅れを生じても、また、それぞれの支持梁５６Ａ，５６Ｂによるバネ反力に製品毎のバラツキが生じても、その影響を最小限に抑え、常に偏向角を一定の範囲内に調整するように制御できる。
【００３９】
続いて、この変位検出機能の一構成例について述べる。
下側ガラス基板５４の下面には、平面コイル５７Ａまたは５７Ｂとそれぞれ電磁結合するよう配置した２対の検出コイル６５Ａ，６５Ｂまたは６６Ａ，６６Ｂをプリント配線する。このうち、一方の各検出コイル６５Ａ，６５Ｂを、外側支持梁５６Ａに対して対称の位置に配置し、他方の各検出コイル６６Ａ，６６Ｂを、内側支持梁５６Ｂに対して対称の位置に配置する。
【００４０】
各検出コイル６５Ａ，６５Ｂまたは６６Ａ，６６Ｂは、内側フレーム駆動コイル５７Ａとの相互コンダクタンスが、内側フレーム５５Ａまたは揺動体５５Ｂの回動角に従って変化するため、この変化量を検出して回動角を算出できる。すなわち、内側フレームまたは揺動体駆動コイル５７Ａ，５７Ｂの電流に重畳させて検出用電流を流し、この検出用電流によって各検出コイル６５Ａ，６５Ｂまたは６６Ａ，６６Ｂに誘導電流を発生させる。そして、この誘導電流の変化によって相互コンダクタンスの変化を検出し、その結果から各回動角を算出することができる。
【００４１】
図６は、図１または図２に示す揺動体の回動角を検出するための回路図である。 図６に示すように、この回動角の検出回路には、各検出コイル６５Ａ，６５Ｂ（図６の場合）または６６Ａ，６６Ｂを四辺形の隣接する２辺に配置し、他の２辺に２つの抵抗Ｒ１，Ｒ２を配置してブリッジ回路を構成する。そして、このブリッジ回路の両入力端に交流電源Ｅを接続し、一方の検出コイル６５Ａ，６６Ａまたは６５Ｂ，６６Ｂ、および他方の検出コイル６５Ｂ，６６Ｂまたは６５Ａ，６６Ａの中点と、２つの抵抗Ｒ１，Ｒ２の中点とを２つの出力端として、これら両出力端を差動アンプＡＭＰの２つの入力端に接続した回路を構成する。
【００４２】
この検出回路によれば、前述した各検出コイル６５Ａ，６５Ｂまたは６６Ａ，６６Ｂの相互コンダクタンスが平衡状態から相対的に変化すると、この相対変化に従って前記両中点の電位差が不平衡な値に変化するため、差動アンプＡＭＰの出力も変化し、回動角に応じた正負の検出出力Ｓ３を得ることができる。
【００４３】
従って、この検出出力Ｓ３を前記偏向制御手段にフィードバックさせて、揺動体５５Ｂの回動方向、揺動体５５Ｂの回動を妨げる負荷量、または、回動角そのものを識別し、その識別結果に従ってそれぞれの電流を調整することにより、揺動体５５Ｂの回動角を精度よく制御できる。ブリッジ回路の平衡電圧から回動角に対する検出出力を得る回路を構成する。
【００４４】
例えば、差動アンプＡＭＰの出力値の正負に従って回動方向を判定し、外部からの振動によって揺動体５５Ｂが逆方向に回動するのを防止したり、また、出力値の大きさに従って負荷量を推定し、予期せぬ大きな負荷に対しては揺動体５５Ｂを強く回動できる。更に、検知した回動角に従って、実際の光の照射方向等を認識し、その認識結果に基づいて投光地点、表示位置、走査座標等を決定して多様な画像処理に用いることができる。
【００４５】
本実施形態では、内側フレーム５５Ａの回動角は、発光手段３によって照射される照射光の、例えば、支軸Ｙを中心とする偏向角に対応させ得るものである。また、揺動体５５Ｂの回動角は、同様にして支軸Ｘを中心とする偏向角に対応させて直交座標系の所定座標に変換でき、照射光による照射対象上の映像において、２次元の座標位置を特定して正確に照射光を走査することが可能となる。
【００４６】
次に、本発明による別の実施形態について説明する。
図７は、別の実施形態による光学的走査装置の要部を説明する図で、図１に示す受光手段としてフォトダイオードを用いた一例を示す。
図７に示すように、この別の実施形態では、発光手段３の代りに、半導体からなる受光手段７を揺動体５５Ｂ上に設けた別の光学的走査装置１１０を構成しており、この他は、先の実施形態による光学的走査装置１００と同様である。
【００４７】
前記受光手段７としては、フォトダイオードやフォトトランジスタ等を揺動体５５Ｂに取り付け、前述した発光手段３の場合と同様の配線および素子電極端子を設けて用いる。この場合に、安価な量産品の用途にはフォトダイオードを、少ない入射光量を高い感度で受光する用途にはフォトトランジスタを用いる。
【００４８】
揺動体５５Ｂ上の中央部には、このフォトダイオードの素子底面を収納する形状の凹部７２を削設し、この凹部７２の底面に、フォトダイオードのアノードまたはカソード配線用の一方のランド７３を設け、スルーホール、裏面の配線５７Ｃ，５７Ｄを介して素子用電極端子５９Ｃにプリント配線する。前記凹部７２周囲には、カソードまたはアノード配線用の他方のランド７４を設け、スルーホール、裏面の配線５７Ｃ，５７Ｄを介して別の素子用電極端子５９Ｃにプリント配線する。
【００４９】
そして、フォトダイオードを、その受光面７１を、図面の上方に向けて前記凹部７２内に差し入れ、揺動体５５Ｂの支軸に沿って中央部に配置し、内側フレーム５５Ａおよび揺動体５５Ｂの支軸の交点において両支軸と平行させ、導電性の接着剤を介して揺動体５５Ｂ上に固定する。更に、フォトダイオードの受光面７１の一端部に、前記一方のランド７４から金線７６等をワイヤボンドし、素子周囲を合成樹脂等の透明な保護材７５で密封する。
【００５０】
このように構成した受光手段７付きの光学的走査装置１１０を用い、２本の支軸を軸心として揺動体５５Ｂおよび受光手段７を回動操作させ、特定の方向からの入射光のみを受光し、その受光光量に基づいて入射方向や角度を特定することができる。
また、前述した発光手段３を揺動体５５Ｂ上に併設し、照射光の反射状態に基づいて照射対象の有無等を識別するための発光受光兼用の光学的走査装置１００とすることもできる。
【００５１】
なお、各永久磁石６０Ａ〜６３Ａ，６０Ｂ〜６３Ｂおよび駆動コイル５７Ａ，５７Ｂの電磁気力によるものの他にも、例えば、上側または下側ガラス基板５３，５４に静電電極をプリント配線し、この電極に電圧を印加して揺動体５５Ｂを静電気の引力または斥力によって回動させてもよい。
【００５２】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、揺動体および支持梁がフレームに一体成形されると共に、発光手段または受光手段を揺動体に直に設けたため、それぞれの構成部材を極小化するのみならず、各構成部材の組合せ構造も含めて総合的な小型化を図ると共に、光の偏向範囲内に死角のない光学的走査装置を提供することができる。また、本発明の請求項２記載の光学的走査装置によれば、電磁気力によって、揺動体の揺動による直線的な光の偏向走査を実現でき、本発明の請求項３記載の光学的走査装置によれば、２次元の面的な光の偏向走査を実現できる。本発明の請求項４記載の光学的走査装置によれば、発光受光手段の組み付け構造を小型化できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】
本発明の一実施形態による光学的走査装置の構成図
【図２】
図１に示すシリコン半導体基板の平面図
【図３】
図１に示す発光手段をレーザダイオードとした一例の組立図
【図４】
図２に示す矢視線Ｐ−Ｐ方向から見た断面図
【図５】
図２に示す矢視線Ｑ−Ｑ方向から見た断面図
【図６】
図１または２に示す揺動体の回動角を検出するための回路図
【図７】
別の実施形態による光学的走査装置の要部を説明する図
【符号の説明】
２…偏向走査装置、３…発光手段（受光手段）、４…偏向駆動手段、５…シリコン半導体基板、７…受光手段、５２…外側フレーム、５５Ａ…フレーム（内側フレーム）、５５Ｂ…揺動体、５６Ａ…外側支持梁、５６Ｂ…支持梁（内側支持梁）、５７Ａ…内側フレーム駆動コイル、５７Ｂ…揺動体駆動コイル。
[Document name] Specification [Title of invention] Optical scanning device [Claims]
1. A frame-shaped frame (55A), an elastic rod-shaped support beam (56B), and an outer peripheral portion supported by an inner peripheral portion of the frame (55A) via the support beam (56B). and has been oscillator (55B), comprises an electromagnetic deflection drive means for a work of each force by static electricity and (5) to the outer peripheral portion of said frame (55A) Toko oscillator (55B), the a frame as (55A) support beam and (56B) oscillator (55B) and an optical scanning device which has been made shape,
The rocking body (55B) is an optical scanning device including a light emitting element (3), a light receiving element (3), or a light emitting element and a light receiving element (3).
Wherein said deflecting drive means (5) includes a wiring has been oscillator drive coil on an outer peripheral portion of the swing body (55B) (57B), formed on the working portion of the oscillator driving the coil (57B) and it is comprised of a magnetic field,
Two of the support beams (56B, 56B) project inward from the inner peripheral portion of the frame (55A), and the rocking bodies (55B) face each other via these support beams (56B, 56B). The rocking body drive coil (57B) is arranged so that its acting portion is parallel to the support shaft of the rocking body (55B) by the two support beams (56B, 56B). Ki磁boundary, the optical of the magnetic flux orientation of claim 1, wherein said arranged so as to pivot and orthogonal action part and Yuradotai of the oscillator driving the coil (57B) (55B) Scanning device.
3. The frame (55A) is an inner frame, and another frame-shaped outer frame (52) is provided on the outer side so as to surround the inner frame (55A), and two of the support beams (2). 56B, 56B) is an inner support beam, and two other outer support beams (56A, 56A) having similar elasticity protrude inward from the inner circumference of the outer frame (52).
The inner frame driving coil (57A) is wired to the outer peripheral portion of the inner frame (55A), before Ki磁field is a inner side magnetic field, the outer-side magnetic the action portion of the inner frame driving coil (57A) The world is formed,
Two opposing points on the outer peripheral portion of the inner frame (55A) are supported by the inner peripheral portion of the outer frame (52) via these two outer support beams (56A, 56A), and the outer and inner frames (52, 52, and 55A), the outer and inner support beam (56A, 56A, 56B, and 56B), are made forms and oscillator (55B),
The outer support beams (56A, 56A) are arranged so that the support axis of the inner frame (55A) by these two outer support beams (56A, 56A) is orthogonal to the support axis of the rocking body (55B). the inner frame driving coil (57B) is arranged so as to parallel the action part and the support shaft of the inner frame (55A), the outer side magnetic field is the direction of the magnetic flux, the inner frame driving coil (57B) The optical scanning apparatus according to claim 2, wherein the optical scanning apparatus is arranged so as to be orthogonal to the working portion of the inner frame (55A) and the support axis of the inner frame (55A).
4. The frame (55A), the outer frame (52), the support beam (56B), the outer support beam (56A), and the rocking body (55B) are semiconductor substrates, and the light emitting means and the light receiving means are semiconductors. The optical scanning apparatus according to claim 3 , wherein the optical scanning device is an element.
Description: TECHNICAL FIELD [Detailed description of the invention]
[0001]
[Technical field to which the invention belongs]
The present invention relates to an extremely small and highly sensitive optical scanning device used as a scanner for an optical sensor, a laser application device, or the like.
0002.
[Conventional technology]
Generally, an extremely small optical scanning device is used for a galvanometer or the like that detects a minute current, and an example of a galvanometer mirror is a lightweight rotating coil having a rotational restoring force equipped with a reflector and a pointer. There is. When this galvanometer mirror is placed in a permanent magnetic field and a current is passed through the rotating coil, a Lorentz force acting on the electromagnetic field generates a rotational force (torque) proportional to the current in the rotating coil. Then, since the rotating coil rotates until it is in equilibrium with the restoring force by this torque, the reflecting mirror or the like also tilts at a constant angle and stops, and the reflected light and the indicated value are changed. In such a galvano mirror, in order to detect a minute current with high sensitivity, it is required to reduce the weight of the rotating coil and the reflecting mirror as much as possible.
0003
[Problems to be Solved by the Invention]
However, when trying to configure an optical sensor device or a laser application device by using this conventional optical scanning device, there are the following problems.
That is, in order to form the above-mentioned rotating coil, it is necessary to repeatedly wind the electric wire for the coil by a dedicated winding machine, and there is naturally a limit to the miniaturization of the rotating coil. Therefore, in addition to the rotating coil, we try to make the reflector, the spring member for the restoring force, the magnet for the permanent magnetic field, and the combined structure of these members as small and thin as possible. However, if a separate reflector is fixed to the rotating coil with an adhesive, a spring is attached to it, and the circumference is surrounded by a magnet or yoke, the whole becomes bulky, and there is a limit to reducing the assembly dimensions of the device. was there.
0004
Further, the device must be combined with a light emitting / receiving means such as a laser beam. However, when the light emitting / receiving means is arranged to face the reflecting mirror and deflected and scanned, even if the reflected light is deflected from the reflecting mirror in the direction of the light emitting / receiving means The optical axis is blocked. For this reason, a blind spot is partially generated in the deflection angle of the laser beam by the reflecting mirror, and there is also a problem that the fixed position of the reflecting mirror, the installation angle of the element, and the like are restricted in order to avoid this blind spot. Eliminating these problems was an important issue.
0005
The present invention has been made to solve the above problems, and an object of the present invention is not only to minimize each component, but also to reduce the overall size including the combined structure of each component, and to keep it within the deflection range. An object of the present invention is to provide an optical scanning device having no blind spot.
0006
[Means for solving problems]
In order to solve the above problems, in the optical scanning device of the present invention, a frame-shaped frame, an elastic rod-shaped support beam, and an outer peripheral portion thereof are supported by an inner peripheral portion of the frame via the support beam. and rocking the body, this rocking electromagnetic outside periphery of the body, and a oscillator drive means for a work of each force due to static electricity or piezoelectric effect, optical to said frame and supporting beams and rocking body is made form It ’s a scanning device,
The rocking body is characterized by including a light emitting element, a light receiving element, or a light emitting element and a light receiving element.
0007
Therefore, the oscillator driving means, when the action of electromagnetic force or the like on the outer peripheral portion of the oscillator, this electromagnetic force, the support beam rotation moment occurs in the outer peripheral portion of the oscillator in which the fulcrum support beam flexures At the same time, the support beam generates an elastic force against the bending direction, and the rocking body is rotated until the elastic force is balanced with the electromagnetic force, etc., and the rotation of the rocking body causes the light emitting direction of the light emitting element to irradiate light. Or, the direction of light reception by the light receiving element is continuously changed. Further, by integrally forming the frame, the support beam, and the rocking body, the optical scanning device can be made into a homogeneous and simple structure.
0008
Optical scanning apparatus according to claim 2 of the present invention, the oscillator drive means, oscillating the oscillator drive coils wired to the outer periphery of the body, magnetic field formed in the working portion of the oscillator driving the coil It consists of
Two support beams project inward from the inner peripheral portion of the frame, and two opposing points of the rocking body are supported via these support beams, and the rocking body drive coil controls the acting portion by 2. are arranged to parallel by the support beams of the present and the support shaft of the oscillator, the magnetic field is the direction of the magnetic flux, are disposed so as to orthogonal to the support shaft of the working unit and the oscillator of the oscillator driving the coil It is characterized by.
0009
According to this, the direction by the two support beams, to form a support shaft of the oscillator to the frame, the oscillator driving the coil, when an electric current is applied to the working portion, according to Fleming's left hand rule by the interaction between the magnetic field A magnetic force is generated in the rocking body, and the rocking body is swung to a certain angle with the support shaft of the rocking body as the axis. Therefore, the irradiation direction and the like are changed by a certain angle back and forth with the light irradiation direction or the light receiving direction of the rocking body in the stationary state sandwiched between them.
0010
In the optical scanning device according to claim 3 of the present invention, the frame is an inner frame, and another frame-shaped outer frame is provided on the outside so as to surround the inner frame, and the two support beams are provided. an inner support beam, two separate outer supporting beams protrudes toward the inner periphery of the outer frame inwardly of wiring the inner frame driving coil on the outer periphery of the inner frame having the same elasticity and this is, before Ki磁field a inner side magnetic field, is formed an outer side magnetic field in the working portion of the inner frame driving coil, facing the outer peripheral portion of the inner frame via the outer support beams of two two points are supported by the inner periphery of the outer frame, and the outer and inner frames, and outer and inner support beam, and rocking the body is made form,
The outer support beam is arranged so that the support axis of the inner frame by these two outer support beams is orthogonal to the support axis of the rocking body, and the inner frame drive coil makes the acting part parallel to the support axis of the inner frame. The outer permanent magnetic field is arranged so that the direction of the magnetic flux is orthogonal to the acting portion of the inner frame drive coil and the support axis of the inner frame.
0011
According to this, the two outer support beams form the support shaft of the inner frame with respect to the outer frame in a direction orthogonal to the support shaft of the rocking body, and the inner frame drive coil allows a current to flow through the acting portion. Then, a magnetic force is generated in the same manner as the rocking body drive coil, and the inner frame is swung to a certain angle with the support shaft of the inner frame as the axis. Therefore, in addition to the swinging direction of the rocking body, the irradiation direction and the like can be changed by a certain angle back and forth with the light irradiation direction and the like by the inner frame in the stationary state.
0012
The optical scanning apparatus according to claim 4 of the present invention is characterized in that the frame, the outer frame, the support beam, the outer support beam, and the rocking body are semiconductor substrates, and the light emitting means and the light receiving means are semiconductor elements. ..
0013
According to this, it can be integrally molded by a semiconductor manufacturing process, and the irradiation direction and the like can be quickly and accurately deflected and scanned with a small drive current.
0014.
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the accompanying drawings.
FIG. 1 is a configuration diagram of an optical scanning device according to an embodiment of the present invention.
As shown in FIG. 1, in this embodiment, a light deflection scanning device 2 based on a predetermined scanning signal, a light emitting means (or receiving means) 3 made of a semiconductor element, and a deflection scanning device 2 are provided. The optical scanning device 100 including the deflection driving means 4 is configured.
0015.
Regarding these deflection scanning devices 2 and deflection driving means 4, Japanese Patent Application Laid-Open No. 7-218857 by the present applicant discloses related techniques as a main body of a planar type galvanometer mirror having a displacement detection function. That is, both sides of the silicon semiconductor substrate 5, sandwiched between the upper glass substrate 53 made of borosilicate glass and the lower glass substrate 5 4, bonded to the substrates 5,53,54 superimposed on the sandwich, the entire It has a three-layer structure. In addition to this, JP-A-7-175005 discloses only a planar type galvanometer mirror by the present applicant.
0016.
A substantially frame-shaped groove is doubly formed in the silicon semiconductor substrate 5 by anisotropic etching, and an outer frame 52 made of a frame body, an inner frame (frame) 55A inside the frame, and the inner frame (frame) 55A thereof are further formed. The inner flat plate-shaped rocking body 55B is integrally formed of the same material. Therefore, the upper side and the lower concave parts 53A of the glass substrate 53,5 4, 5 within 4 A, the sealed space is formed.
[0017]
Two rod-shaped outer support beams 56A, 56A are formed on the inner peripheral portion of the outer frame 52 so as to project inward at two opposite points, and these two outer support beams 56A, 56A are formed. Two points on the outer peripheral portion of the inner frame 55A are pivotally supported via the inner frame 55A. Further, the inner peripheral portion of the inner frame 55A, two rod-shaped inner support beam 56B two points its opposite, formed so as to protrude 56B inwardly, these two inner side support beam ( Support beams) 56B and 56B are used to pivotally support two points on the outer peripheral portion of the rocking body 55B.
0018
Then, since the support shafts of the inner frame 55A by the two outer support beams 56A are arranged so that the axial directions of the support shafts of the two inner support beams 56B are orthogonal to each other, the inner frame 55A and the rocking body 55B are arranged. In the enclosed space, the outer support beam 56A or the inner support beam 56B can be used as a support shaft to swing separately. Further, if the inside of the closed space is evacuated, the rotation resistance of the inner frame 55A and the rocking body 55B can be reduced to improve the followability to the rotation drive.
0019
FIG. 2 is a plan view of the silicon semiconductor substrate 5 shown in FIG.
As shown together with FIG. 2, on one surface of the inner frame 55A, the inner frame 55A is orbited close to the peripheral edge thereof, and the inner frame drive coil 57A is formed by the electroplating coil method. The surface is covered with an insulating layer. Then, both wiring ends of the flat coil 57A are pulled out onto the same side surface of the outer frame 52 via one outer support beam 56A to form a pair of outer electrode terminals 59A and 59A in this surface shape. ..
0020
Similarly, the rocking body drive coil 57B is formed and coated on the same side surface of the rocking body 55B, and both ends thereof are covered with the outer frame via one inner support beam 56B, the inner frame 55A, and the other outer support beam 56A. It is pulled out onto 52, and a pair of inner electrode terminals 59B and 59B are formed on this surface.
0021.
A light emitting means 3 such as a known laser diode or a light emitting diode having a certain directivity is integrally formed on the rocking body 55B inside the rocking body drive coil 57B by a semiconductor manufacturing process. , The semiconductor chip is attached by bonding technology. Then, the ends of both wirings 57C and 57D of the light emitting means 3 are pulled out onto the outer frame 52 via the other inner support beam 56B, the inner frame 55A, and one outer support beam 56A, and a pair on this surface. The electrode terminals 59 C and 59 C for the element are formed. As a result, the combined structure of the light emitting means 3 can be miniaturized.
0022.
FIG. 3 is an assembly diagram of an example of a light emitting means using a laser diode as the light emitting means shown in FIG. 1, in which ( a ) shows a state before assembly and ( b ) shows a state after assembly.
As shown in FIG. 3, placing the semiconductor elements of the laser diode 3A (bare chip), two inner support beams 56B which had been pre-mentioned, the central portion along the supporting shaft of the swinging member 55B by 56B. By this, it can be controlled in accordance with the rotation of the directly oscillator 55B deflection angle Contact and irradiation direction of the irradiation light.
[0023]
Since the light emitting portion 31 of the laser diode 3A is formed on the cross section of each of the multiple growth layers, when the surface on which the light emitting portion 31 is located is the upper surface of the element, each growth layer is usually vertical to the rocking body 55B. It will be lined up in the direction. For this reason, for example, two element connecting portions 32, 32 are provided on one side surface thereof to facilitate printed wiring on the element, and through holes (not shown) are provided at one ends of the respective element connecting portions 32, 32. , Pull out and wire the internal wiring of the anode and cathode of the diode.
0024
Since the wiring of such element connection portions 32, 32 is performed from a position vertically separated from the printed wiring of the rocking body 55B, the element bottom surface of the laser diode 3A is placed on the rocking body 55B via an adhesive or the like. If a die bond is attempted, there is a risk that the reliable continuity between the element connection portions 32 and 32 and the printed wiring of the rocking body 55B may be impaired. In addition, the positioning of the tool becomes difficult by Wai rustic command.
0025
Therefore, an example of the mounting structure of the laser diode 3A will be described.
The other end portion of the element connection portion 32, 32 with vertically elongated printed wiring toward the element bottom surface, a central portion of the rocking body 55B shown in FIG. 3 (a), is fitted to the device bottom surface of the laser diode 3A A recess 33 having a shape is cut, and one end of the rocking body connecting portions 34, 34 is printed and wired so as to be close to the periphery of the recess 33. At the other end of each of the rocking body connecting portion 34, the back surface of the wiring 57C through the through hole, to conduct 57D, the backside interconnect 57C, 57D, and the electrode terminals 59 element described above C, 59 C Print wiring toward.
0026
The thus formed in the recess 33 of the rocking body 55B, as shown in FIG. 3 (b), fixed by inserting the element bottom surface of the laser diode 3A, the element connecting portions 3 2, 3 2 and oscillator connecting portion The ends of 34 and 34 are made conductive by the soldering portion 35. Alternatively, a dedicated welding tool may be inserted from an oblique direction to the welding portion 35 to perform ultrasonic welding, and the welding may be conducted by the welding portion 35. As a result, the laser diode 3A is fixed on the rocking body 55B so as not to be displaced, and the element connecting portions 32 and 32 are surely made conductive with the rocking body connecting portions 34 and 34. In addition to this, instead of the recess 33, a through hole may be formed toward the back surface, and the bottom surface of the element of the laser diode 3A may be slightly projected from the back surface to solder both the connecting portions 32 and 34.
[0027]
As the light emitting means 3, a laser diode 3A is mainly used for applications such as an optical sensor that requires accuracy, a constant irradiation distance, and an irradiation intensity, and a laser beam having uniform frequency characteristics and high directivity is irradiated.
Although the irradiation distance requires a high response speed to a relatively short optical transmission such applications, it can achieve high transmission equipment mass productivity at low cost by using a light-emitting diode. In addition to this, an optical system composed of a combination lens or the like may be provided on the light emitting surface of the light emitting diode to provide a certain certain directivity.
[0028]
FIG. 4 is a cross-sectional view seen from the arrow line of sight PP direction shown in FIG. 2, and FIG. 5 is a cross-sectional view seen from the arrow line of sight QQ direction shown in FIG.
As also shown in FIGS. 4 and 5, the upper glass substrate 53 and the lower glass substrate 5 4, for example by ultrasonic machining, provided the recess 53A, 5 4 A in each of the central portion. Then, these two recesses 53A, 5 4 A is opposed in between the semiconductor substrate 5, superimposing the substrates 5,53,54.
[0029]
The upper and lower glass substrates 53,5 4, arranged disc-shaped permanent magnet 60A~63A became two by one pair respectively, the 60B~63B as shown in FIG. 1, 2, 4 and 5 .. Thus, two opposing pairs of permanent magnets 60A of the upper glass substrate 53, 61A, or 62A, 63A and the lower glass substrate 4 opposed two pairs of permanent magnets 60B, 61B or 62B, the magnetic field by the 63B is formed Will be done.
[0030]
In this case, two pairs of permanent magnets 60A of the upper side glass substrate 53, 61A or 62A, and how 63A, also, two pairs of permanent magnets 60B of the lower glass substrate 54, 61B or 62B, and what 63B is opposite the polarity Then, for example, the north pole of the permanent magnet 60A or 62A and the south pole of the permanent magnet 61A or 63A are arranged toward the outer frame 52.
0031
Further , the two pairs of permanent magnets 60A, 60B or 61A, 61B, and the two pairs of permanent magnets 62A, 62B or 63A, 63B have the same polarity, for example, the permanent magnets 60A, 61B or 62A, 63B. the N pole of the permanent magnet 60B, 61A and S poles of are opposed across the outer frame 52, moreover, to place the position of the magnets is shifted in the lateral direction of the drawing shown in FIGS.
[0032]
With such an arrangement, the respective magnetic fluxes can be formed so as to cross the drive coils 57A or 57B of the inner frame 55A and the rocking body 55B. Moreover, in order to unsuitable opposite directions on either side end of the inner frame 55A and the oscillator 55B, rotational moment caused by the Lorentz force and to current flow to the inner frame driving coil 57A or the oscillator driving the coil 57B, 2 present outside the The inner frame 55A is rotated around the support beam 56A as the axis, and the rocking body 55B is rotated around the two inner support beams 56B as the axis.
0033
Subsequently, the operation of this embodiment in the optical scanning device will be described.
First, through the above-mentioned outer and inner electrode terminals 59A, 59A, 59B, 59B, a current according to a desired scanning signal of the irradiation light is driven by an inner frame or a rocker by a deflection control means of a floodlight device (not shown). It is supplied to the coils 57A and 57B.
0034
As this scanning signal, the maximum amplitude value and the offset value for obtaining the planned irradiation light are set in advance, the maximum amplitude value is generated by internal oscillation and multiplied by the fundamental wave, and the offset value is further calculated. Any waveform that can be added up and has a predetermined amplitude, offset, frequency and phase can be used.
Supplying pre SL current respective drive coils 57A, to 57B, by the these maximum amplitude value and the offset value, it can determine the irradiating direction as the rotation angle of the oscillator 55B and the inner frame 55A.
0035.
The inner frame or the oscillator driving the coil 57A, the 57B, the electromagnetic field is generated by the current, previously two pairs of permanent magnets 60A, 60B and 61A, 61B or 62A, 62B and 63A, the 63B, a permanent magnetic field above To form, a magnetic force F is generated according to Fleming's left-hand rule. In this case, each of the permanent magnetic field, having an inner frame 55 A or the drive coils 57A along a plane direction including the support shafts of the oscillator 55B, the direction of the magnetic flux component which is perpendicular to the working portion of 57B. Therefore, by this magnetic force, the inner frame 55A, the rotation moment occurs the spindle as axis, and also the oscillator 55B, is also rotated moment occurs.
0036
Then, the inner frame 55A and the oscillator 55B, these rotational moments is outside or inside the support beam 56A, rotates in rotation Sumima commensurate with spring reaction force generated by torsion of 56B. Therefore, it is possible to tilt the two support shafts X, rocking body 55B as axis the Y perpendicular to each other in any rotation Sumima, therefore, to match the respective rotation angles, oscillator 55B on While irradiating the laser beam from the laser diode 3A of the above, the irradiation direction can be controlled.
0037
As an example of the optical scanning device 2 according to the present invention, the rotation angle of the inner frame 55A or the rocking body 55B is +/- 25 degrees, the rotation speed is 2.5 KHz, or the rotation angle is +/- 45 degrees, and the rotation speed is The one with 1.5 KHz is suitable, and if it is within these ranges, the load due to stress is not excessively applied to the outer or inner support beams 56A and 56B. Further, a current consumption of 220 mA or less is suitable, which is within a range that can be easily driven by a driver of a general logic circuit. Further, those having a weight of about 100 g are suitable, and are suitable for applications such as obstacle sensors, range sensors, speed sensors, etc. by incorporating them into in-vehicle devices such as signal devices, alarm devices, and indicators in railway vehicles, automobiles, aircraft, etc. is there.
[0038]
In addition to the above, in order to detect the actual rotation angle of the rocking body 55B and accurately control this rotation angle, an optical scanning device 2 having a displacement detection function for each of the drive coils 57A and 57B is used. You may. In this case, since the deflection angle of the laser beam can be controlled more precisely in synchronization with the scanning signal, even if it is mounted on a moving body and moves at a relatively high speed, the rotation angle may be delayed due to the vibration at that time. Further, even if the spring reaction force due to the support beams 56A and 56B varies from product to product, the influence thereof can be minimized and the deflection angle can be controlled to be adjusted within a certain range at all times.
[0039]
Subsequently, a configuration example of this displacement detection function will be described.
On the lower surface of the lower glass substrate 54, two pairs of detection coils 65A, 65B or 66A, 66B arranged so as to be electromagnetically coupled to the flat coils 57A or 57B are printed and wired. Of these, one of the detection coils 65A and 65B is arranged at a position symmetrical with respect to the outer support beam 56A, and the other detection coils 66A and 66B are arranged at a position symmetrical with respect to the inner support beam 56B. ..
0040
Each detection coil 65A, 65B or 66A, 66B is the transconductance of the inner frame driving coils 57A and therefore to change the rotation angle of the inner frame 55A or the oscillator 55B, rotation angle by detecting this variation It can be calculated. That is, a detection current is passed by superimposing it on the current of the inner frame or the rocking body drive coils 57A and 57B, and an induced current is generated in each of the detection coils 65A, 65B or 66A, 66B by this detection current. Then, the change in mutual conductance can be detected by the change in the induced current, and each rotation angle can be calculated from the result.
[0041]
FIG. 6 is a circuit diagram for detecting the rotation angle of the rocking body shown in FIG. 1 or 2. As shown in FIG. 6, in the rotation angle detection circuit, each detection coil 65A, 65B (in the case of FIG. 6) or 66A, 66B is arranged on two adjacent sides of the quadrilateral, and on the other two sides. Two resistors R1 and R2 are arranged to form a bridge circuit. Then, AC power supply E is connected to both input ends of this bridge circuit, and one detection coil 65A, 66A or 65B, 66B, the other detection coil 65B, 66B or 65A, 66A midpoint, and two resistors R1. , The middle point of R2 is used as two output ends, and both output ends are connected to the two input ends of the differential amplifier AMP to form a circuit.
[0042]
According to this detection circuit, when the transconductance of each of the detection coils 65A, 65B or 66A, 66B described above changes relatively from the balanced state, the potential difference between the two midpoints changes to an unbalanced value according to this relative change. Therefore, the output of the differential amplifier AMP also changes, and a positive / negative detection output S3 according to the rotation angle can be obtained.
[0043]
Therefore, the detection output S3, is fed back to said deflection control means, the rotational direction of the rocking body 55B, load prevents the rotation of the rocking body 55B, or to identify those rotational angle its, the identification result by adjusting the respective currents in accordance with, it can be controlled accurately rotation angle of the oscillator 55B. From the equilibrium voltage of the bridge circuit constituting the circuit for obtaining a detection output against the rotation angle.
[0044]
For example, the rotation direction is determined according to the positive / negative of the output value of the differential amplifier AMP to prevent the rocker 55B from rotating in the opposite direction due to external vibration, or the load amount is determined according to the magnitude of the output value. The rocking body 55B can be strongly rotated against an unexpectedly large load. Furthermore, thus the rotation angle detected can be used in actual recognizing an irradiation direction of light or the like, projection point based on the recognition result, the display position, and determines the scan coordinate such diverse image processing ..
0045
In the present embodiment, the rotation angle of the inner frame 55A can correspond to , for example, the deflection angle of the irradiation light emitted by the light emitting means 3 centered on the support axis Y. Further, the rotation angle of the rocking body 55B can be similarly converted into predetermined coordinates of the Cartesian coordinate system corresponding to the deflection angle centered on the support axis X, and is two-dimensional in the image on the irradiation target by the irradiation light. It is possible to specify the coordinate position and accurately scan the irradiation light.
[0046]
Next, another embodiment according to the present invention will be described.
FIG. 7 is a diagram illustrating a main part of the optical scanning apparatus according to another embodiment, and shows an example in which a photodiode is used as the light receiving means shown in FIG.
As shown in FIG. 7, in this other embodiment, instead of the light emitting means 3, another optical scanning device 110 in which the light receiving means 7 made of a semiconductor is provided on the rocking body 55B is configured. Is the same as the optical scanning device 100 according to the previous embodiment.
[0047]
As the light receiving means 7, a photodiode, a phototransistor, or the like is attached to the rocking body 55B, and the same wiring and element electrode terminals as in the case of the light emitting means 3 described above are provided and used. In this case, a photodiode is used for inexpensive mass-produced products, and a phototransistor is used for receiving a small amount of incident light with high sensitivity.
0048
A recess 72 having a shape for accommodating the bottom surface of the element of the photodiode is cut in the central portion on the rocking body 55B, and one land 73 for the anode or cathode wiring of the photodiode is provided on the bottom surface of the recess 72. , through hole, the back surface of the wiring 57C, printed wiring to the electrode terminals 59 C element through 57D. Around the recess 72, the other lands 74 for the cathode or anode wiring provided, through hole, the back surface of the wiring 57C, printed wiring in separate active electrode terminals 59 C through 57D.
[0049]
Then, the photodiode is inserted into the recess 72 with its light receiving surface 71 facing upward in the drawing, and is arranged at the center along the support shaft of the rocking body 55B, and the supporting shafts of the inner frame 55A and the rocking body 55B. At the intersection of the above, parallel to both support shafts and fixed on the rocking body 55 B via a conductive adhesive. Further, one end portion of the light-receiving surface 71 of the photodiode, the wire bonded gold wires 76 and the like from one of the land 7 4, is sealed with a transparent protective material 75 such as a peripheral device synthetic resin.
0050
Using the optical scanning device 110 with the light receiving means 7 configured in this way, the rocking body 55B and the light receiving means 7 are rotated around the two support shafts to receive only the incident light from a specific direction. Then, the incident direction and angle can be specified based on the amount of received light.
Further, the above-mentioned light emitting means 3 may be provided on the rocking body 55B to form an optical scanning device 100 that also serves as light emitting and receiving light for identifying the presence or absence of an irradiation target based on the reflection state of the irradiation light.
0051
Each permanent magnet 60A~63A, 60B~63B and drive coils 57A, in addition to those due to electromagnetic force of 57B, for example, the electrostatic electrode and the printed wiring on the side or the lower glass substrate 53, the electrode A voltage may be applied to the rocking body 55B to rotate it by an attractive or repulsive force of static electricity.
[0052]
【Effect of the invention】
As described above, according to the present invention, since the rocking body and the support beam are integrally formed on the frame and the light emitting means or the light receiving means is directly provided on the rocking body, if only the respective constituent members are minimized. However, it is possible to provide an optical scanning device that does not have a blind spot within the deflection range of light, while aiming for overall miniaturization including the combined structure of each component member. Further, according to the optical scanning apparatus according to claim 2 of the present invention, linear light deflection scanning due to the shaking of the rocking body can be realized by electromagnetic force, and the optical scanning according to claim 3 of the present invention can be realized. According to the device, two-dimensional planar light deflection scanning can be realized. According to the optical scanning apparatus according to claim 4 of the present invention, the assembly structure of the light emitting / receiving means can be miniaturized.
[Simple explanation of drawings]
FIG. 1
FIG. 2 is a block diagram of an optical scanning device according to an embodiment of the present invention.
FIG. 3 is a plan view of the silicon semiconductor substrate shown in FIG.
FIG. 4 is an assembly diagram of an example in which the light emitting means shown in FIG. 1 is a laser diode.
FIG. 5 is a cross-sectional view seen from the direction of the arrow line of sight shown in FIG. 2. FIG.
FIG. 6 is a cross-sectional view seen from the direction of the arrow line QQ shown in FIG.
FIG. 7 is a circuit diagram for detecting the rotation angle of the rocking body shown in FIG. 1 or 2.
The figure explaining the main part of the optical scanning apparatus according to another embodiment [explanation of reference numerals].
2 ... Deflection scanning device, 3 ... Light emitting means (light receiving means), 4 ... Deflection driving means, 5 ... Silicon semiconductor substrate, 7 ... Light receiving means, 52 ... Outer frame, 55A ... Frame (inner frame), 55B ... Shaking body, 56A ... outer support beam, 56B ... support beam (inner support beam), 57A ... inner frame drive coil, 57B ... rocking body drive coil.