JP2012058662A - Optical scanner and image projection device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、所定の共振周波数において共振駆動され、入射した光を所定方向に走査する光スキャナと、その光スキャナを利用した画像投影装置とに関する。 The present invention relates to an optical scanner that is resonantly driven at a predetermined resonance frequency and scans incident light in a predetermined direction, and an image projection apparatus using the optical scanner.
従来、所定の共振周波数において共振駆動され、入射した光を所定方向に走査する光スキャナが知られている。共振駆動される光スキャナが量産される場合、その共振周波数を量産品の間で一定に保つことは、生産性を向上するために有用である。しかし、実際には、製造誤差などの原因により、量産される光スキャナの共振周波数は一定にはならない。例えば、光スキャナがエッチング加工によって形成される場合は、エッチング速度のばらつきによって、形成される光スキャナの形状がばらつく。そして、光スキャナの形状のばらつきは、光スキャナの共振周波数のばらつきに繋がる。 2. Description of the Related Art Conventionally, there is known an optical scanner that is resonantly driven at a predetermined resonance frequency and scans incident light in a predetermined direction. When a resonantly driven optical scanner is mass-produced, keeping the resonance frequency constant among mass-produced products is useful for improving productivity. However, in practice, the resonant frequency of mass-produced optical scanners is not constant due to manufacturing errors and the like. For example, when the optical scanner is formed by etching, the shape of the optical scanner to be formed varies due to variations in the etching rate. The variation in the shape of the optical scanner leads to the variation in the resonance frequency of the optical scanner.
光スキャナの生産性を向上するために、ばらついた光スキャナの共振周波数を調整することで、共振周波数を所定の仕様の範囲に収める技術が提案されている。例えば、特許文献1には、揺動体のねじれ角が所定の値となった際に、揺動体の可動板の一部をレーザによって除去する技術が開示される。即ち、特許文献1では、揺動体の質量変化に伴う共振周波数変化を利用し、共振周波数が調整される。また、特許文献2には、ねじりばねに応力を印加して、一つのねじりばねのばね定数を変化させることで、ねじりの固有振動モードを所望の周波数比に維持する技術が開示される。 In order to improve the productivity of the optical scanner, a technique for adjusting the resonance frequency of the scattered optical scanner to keep the resonance frequency within a predetermined specification range has been proposed. For example, Patent Document 1 discloses a technique for removing a part of a movable plate of a rocking body with a laser when the twist angle of the rocking body reaches a predetermined value. That is, in Patent Document 1, the resonance frequency is adjusted by using the resonance frequency change accompanying the mass change of the oscillator. Patent Document 2 discloses a technique for maintaining a torsional natural vibration mode at a desired frequency ratio by applying a stress to a torsion spring to change the spring constant of one torsion spring.
前記した従来の技術では、量産される光スキャナの共振周波数がばらつくことが前提である。即ち、ばらついた共振周波数を調整することで、調整後の光スキャナにおける共振周波数は一定に保たれる。即ち、従来の技術では、量産される光スキャナの夫々に対して、個別に周波数調整が必要となる。従って、従来の技術では、工数の増大、ひいてはコストの増大を招くと言う問題があった。この共振周波数のばらつきを抑制できれば、個別に周波数調整を行う必要性が低下し、工数やコストの増大を回避できると考えられる。 The above-described conventional technique is based on the premise that the resonance frequency of mass-produced optical scanners varies. That is, by adjusting the varied resonance frequency, the resonance frequency in the adjusted optical scanner is kept constant. In other words, the conventional technique requires frequency adjustment individually for each of the mass-produced optical scanners. Therefore, the conventional technique has a problem that man-hours are increased and, consequently, costs are increased. If the variation of the resonance frequency can be suppressed, it is considered that the necessity for adjusting the frequency individually is reduced, and an increase in man-hours and costs can be avoided.
本発明は、製造誤差などが生じた場合であっても、共振周波数のばらつきを抑制することが可能な光スキャナと、この光スキャナを備えた画像投影装置とを提供することを目的とする。 An object of the present invention is to provide an optical scanner capable of suppressing variations in resonance frequency even when a manufacturing error or the like occurs, and an image projection apparatus including the optical scanner.
上記課題を解決するために、本発明の一側面は、所定の共振周波数において共振駆動され、入射した光を所定方向に走査する光スキャナであって、揺動軸線を中心として、前記所定の共振周波数で揺動するミラー部と、前記ミラー部に連結され、前記揺動軸線に平行に伸長する第1捩れ梁と、前記ミラー部に連結され、前記第1捩れ梁と反対方向に伸長する第2捩れ梁と、を有する梁部と、前記第1捩れ梁の端部と、前記第2捩れ梁の端部とが連結される外縁部と、前記ミラー部を揺動する駆動源と、前記ミラー部と前記外縁部との間において、前記梁部、前記ミラー部及び前記外縁部から離間する質量体と、前記質量体と前記梁部とを連結する連結部とを備え、前記質量体は、前記梁部において、前記揺動軸線に直交する第1方向の幅が所定幅変化することで生じる前記梁部の剛性変化に起因する前記共振周波数の変動を、前記質量体が前記所定幅変化することで生じる前記揺動軸線を中心とする慣性モーメントの変化によって抑制するように構成される、ことを特徴とする光スキャナである。 In order to solve the above-described problem, an aspect of the present invention is an optical scanner that is resonantly driven at a predetermined resonance frequency and scans incident light in a predetermined direction, and the predetermined resonance is centered on an oscillation axis. A mirror portion oscillating at a frequency; a first torsion beam coupled to the mirror portion and extending parallel to the oscillation axis; and a first torsion beam coupled to the mirror portion and extending in a direction opposite to the first torsion beam. Two torsion beams; an end portion of the first torsion beam; an outer edge portion connected to an end portion of the second torsion beam; a drive source that swings the mirror portion; Between the mirror portion and the outer edge portion, the beam body, the mass body spaced from the mirror portion and the outer edge portion, and a connecting portion for connecting the mass body and the beam portion, the mass body, The beam portion has a width in a first direction perpendicular to the swing axis. The variation of the resonance frequency caused by the change in rigidity of the beam portion caused by the width change is suppressed by the change of the moment of inertia around the swing axis that occurs when the mass body changes the predetermined width. An optical scanner characterized by comprising:
これによれば、質量体が、連結部によって梁部と連結される。この質量体は、ミラー部と外縁部との間において、梁部、ミラー部及び外縁部から離間する。例えば、光スキャナをエッチング加工で製造する際に、梁部の揺動軸線に直交する第1方向の幅が変化する。そして、梁部において、第1方向の幅が所定幅変化した場合、梁部の剛性が変化する。例えば、梁部の第1方向の幅が設計値よりも狭く形成された場合を考えると、梁部の剛性は減少する。剛性の減少は、光スキャナの共振周波数を減少させる方向に働く。エッチングは等方的に進行するので、質量体の第1方向を含む幅(サイズ)も、梁部における減少量と同じだけ減少する。質量体のサイズの減少は、光スキャナの慣性モーメントを減少させる。この慣性モーメントの減少は、光スキャナの共振周波数を増加させる方向に働く。即ち、質量部にも同様にサイズ変化が生じることによって、梁部の幅変化によって生じる共振周波数の変動が抑制される。一方、梁部の第1方向の幅が設計値よりも広く形成された場合を考えると、梁部の剛性は増加する。しかし、剛性が増加しても、質量体も設計値よりサイズが大きくなっているため、光スキャナの慣性モーメントの増加によって、共振周波数の変動は結果として抑制される。従って、例えばエッチング速度のばらつきなどによって、梁幅がばらつくという形で製造誤差が生じたとしても、梁部の剛性変化によって生じる共振周波数の変動を、質量体のサイズ変化に起因する慣性モーメント変化によって抑制することで、結果として共振周波数のばらつきを抑制することができる。その結果、例えば共振周波数の調整を個別に行わずに、光スキャナの共振周波数を所望の値に保つことが可能になる。 According to this, the mass body is connected to the beam portion by the connecting portion. The mass body is separated from the beam portion, the mirror portion, and the outer edge portion between the mirror portion and the outer edge portion. For example, when the optical scanner is manufactured by etching, the width in the first direction perpendicular to the swing axis of the beam portion changes. Then, in the beam portion, when the width in the first direction changes by a predetermined width, the rigidity of the beam portion changes. For example, considering the case where the width of the beam portion in the first direction is narrower than the design value, the rigidity of the beam portion decreases. The reduction in stiffness acts in a direction that reduces the resonant frequency of the optical scanner. Since the etching proceeds isotropically, the width (size) including the first direction of the mass body is reduced by the same amount as the reduction amount in the beam portion. The reduction in mass size reduces the moment of inertia of the optical scanner. This decrease in the moment of inertia works in the direction of increasing the resonance frequency of the optical scanner. That is, the size change also occurs in the mass portion in the same manner, so that the variation in the resonance frequency caused by the change in the width of the beam portion is suppressed. On the other hand, considering the case where the width of the beam portion in the first direction is wider than the design value, the rigidity of the beam portion increases. However, even if the rigidity is increased, the mass body is also larger in size than the design value, so that the fluctuation of the resonance frequency is suppressed as a result due to the increase of the moment of inertia of the optical scanner. Therefore, even if there is a manufacturing error in the form of beam width variation due to, for example, variations in etching rate, the resonance frequency variation caused by the stiffness change of the beam portion is caused by the change in the moment of inertia caused by the size change of the mass body. As a result, it is possible to suppress variations in the resonance frequency. As a result, for example, the resonance frequency of the optical scanner can be maintained at a desired value without individually adjusting the resonance frequency.
上記課題を解決するために、本発明の他の側面は、所定の共振周波数において共振駆動され、入射した光を所定方向に走査する光スキャナであって、揺動軸線を中心として、前記所定の共振周波数で揺動するミラー部と、前記ミラー部に連結され、前記揺動軸線に平行に伸長する第1捩れ梁と、前記ミラー部に連結され、前記第1捩れ梁と反対方向に伸長する第2捩れ梁と、を有する梁部と、前記第1捩れ梁の端部と、前記第2捩れ梁の端部とが連結される外縁部と、前記ミラー部を揺動する駆動源と、前記ミラー部と前記外縁部との間において、前記梁部、前記ミラー部及び前記外縁部から離間した状態で、前記揺動軸線に沿って伸長する質量体と、前記質量体と前記梁部とを連結する連結部とを備え、前記梁部における捩れ弾性定数をK、前記揺動軸線を中心とする前記ミラー部の慣性モーメントをI1、前記揺動軸線を中心とする前記質量体の慣性モーメントをI2とし、前記梁部において前記揺動軸線に直交する第1方向の幅が所定幅変化することで生じる前記Kの変化量をΔK、前記ミラー部が前記所定幅変化することで生じる前記I1の変化量をΔI1、前記質量体が前記所定幅変化することで生じる前記I2の変化量をΔI2とした場合に、前記質量体は、以下の関係式(数1)を満たすように形成されることを特徴とする光スキャナである。 In order to solve the above-mentioned problem, another aspect of the present invention is an optical scanner that is resonantly driven at a predetermined resonance frequency and scans incident light in a predetermined direction, and the predetermined scanner is centered on an oscillation axis. A mirror part that oscillates at a resonance frequency, a first torsion beam that is connected to the mirror part and extends parallel to the oscillation axis, and is connected to the mirror part and extends in a direction opposite to the first torsion beam. A beam part having a second torsion beam; an end part of the first torsion beam; an outer edge part to which the end part of the second torsion beam is connected; a drive source for swinging the mirror part; A mass body extending along the swing axis in a state of being separated from the beam portion, the mirror portion, and the outer edge portion between the mirror portion and the outer edge portion, and the mass body and the beam portion. And a torsional elastic constant K in the beam portion. The moment of inertia of the mirror portion around the swing axis is I1, the moment of inertia of the mass body around the swing axis is I2, and the beam portion has a first direction perpendicular to the swing axis. The amount of change in K that occurs when the width changes by a predetermined width is ΔK, the amount of change in I1 that occurs when the mirror section changes by the predetermined width is ΔI1, and the amount of change that occurs by the mass body changes by the predetermined width. When the amount of change in I2 is ΔI2, the mass body is formed so as to satisfy the following relational expression (Formula 1).
一般に、ミラーと両支持梁とを有する光スキャナにおける共振周波数は、梁部の捩れ弾性定数(剛性)をK、揺動する部分の慣性モーメントをIとすると、以下の式で表される。 In general, the resonance frequency in an optical scanner having a mirror and both support beams is expressed by the following equation, where K is the torsional elastic constant (rigidity) of the beam portion and I is the moment of inertia of the swinging portion.
従って、上記(数1)の左辺第1項は、ミラー部の慣性モーメントI1と梁部の捩れ弾性係数Kとで決定される光スキャナの共振周波数を示す。そして、上記(数1)の左辺第2項は、エッチング速度のばらつきなどによって、捩れ弾性係数がΔK、ミラー部の慣性モーメントがΔI1変化した場合における、光スキャナの共振周波数を示す。従って、上記(数1)の左辺は、質量体が存在しない場合において、エッチング速度のばらつきなどによって生じる共振周波数の変動量を示す。一方、上記(数1)の右辺第1項は、ミラー部の慣性モーメントI1と質量体の慣性モーメントI2と梁部の捩れ弾性係数Kとで決定される光スキャナの共振周波数を示す。そして、上記(数1)の右辺第2項は、エッチング速度のばらつきなどによって、捩れ弾性係数がΔK、ミラー部の慣性モーメントがΔI1、質量体の慣性モーメントがΔI2変化した場合における、光スキャナの共振周波数を示す。従って、上記(数1)の右辺は、質量体が存在する場合において、エッチング速度のばらつきなどによって生じる共振周波数の変動量を示す。質量体が上記(数1)を満たすように形成されるので、エッチング速度のばらつきなどによって生じる共振周波数の変動量は、質量体が存在しない場合(左辺)よりも、質量体が存在する場合(右辺)の方が小さい。従って、質量体が設けられることによって、共振周波数のばらつきを抑制することができる。その結果、例えば共振周波数の調整を個別に行わずに、光スキャナの共振周波数を所望の値に保つことが可能になる。 Accordingly, the first term on the left side of (Equation 1) indicates the resonance frequency of the optical scanner determined by the moment of inertia I1 of the mirror part and the torsional elastic coefficient K of the beam part. The second term on the left side of (Equation 1) indicates the resonance frequency of the optical scanner when the torsional elastic coefficient changes by ΔK and the moment of inertia of the mirror portion changes by ΔI1 due to variations in the etching rate. Therefore, the left side of the above (Equation 1) indicates the amount of fluctuation of the resonance frequency caused by the variation in the etching rate in the absence of the mass body. On the other hand, the first term on the right side of (Equation 1) indicates the resonance frequency of the optical scanner determined by the inertia moment I1 of the mirror portion, the inertia moment I2 of the mass body, and the torsional elastic coefficient K of the beam portion. The second term on the right-hand side of (Equation 1) indicates the optical scanner when the torsional elastic coefficient is ΔK, the inertia moment of the mirror is ΔI1, and the inertia moment of the mass body is ΔI2 due to variations in the etching rate. Indicates the resonance frequency. Therefore, the right side of the above (Equation 1) indicates the amount of fluctuation of the resonance frequency caused by variations in the etching rate in the presence of the mass body. Since the mass body is formed so as to satisfy the above (Equation 1), the amount of fluctuation in the resonance frequency caused by variations in the etching rate or the like is greater when the mass body is present than when the mass body is not present (left side) ( The right side is smaller. Therefore, by providing the mass body, it is possible to suppress variations in the resonance frequency. As a result, for example, the resonance frequency of the optical scanner can be maintained at a desired value without individually adjusting the resonance frequency.
この光スキャナは、他の構成をさらに含む光スキャナとすることもできる。即ち、前記質量体は、以下の関係式(数3)を満たすように形成されてもよい。 The optical scanner may be an optical scanner that further includes another configuration. That is, the mass body may be formed so as to satisfy the following relational expression (Formula 3).
上記(数3)は、上記(数1)の右辺における、第1項と第2項とが等しい事を規定する。換言すれば、上記(数3)を満たす質量体が設けられることによって、エッチング速度のばらつきなどが発生しても、共振周波数の変動が生じない。従って、例えば共振周波数の調整を個別に行わずに、光スキャナの共振周波数を所望の値に保つことが可能になる。 The above (Expression 3) specifies that the first term and the second term on the right side of the above (Expression 1) are equal. In other words, by providing the mass body that satisfies the above (Equation 3), even if the etching rate varies, the resonance frequency does not vary. Therefore, for example, the resonance frequency of the optical scanner can be maintained at a desired value without individually adjusting the resonance frequency.
また、前記質量体は、前記揺動軸線の方向に沿って伸長する、ようにしてもよい。 Further, the mass body may extend along the direction of the swing axis.
この光スキャナによれば、質量体は、揺動軸線の方向に沿って伸長する。従って、質量体が第1方向に沿って伸長するなどの場合と比較して、光スキャナの第1方向におけるサイズを小さく構成することが可能になる。 According to this optical scanner, the mass body extends along the direction of the swing axis. Accordingly, it is possible to make the size of the optical scanner smaller in the first direction as compared with a case where the mass body extends along the first direction.
また、前記質量体は、前記揺動軸線に平行に伸長し、前記第1方向の幅が一定になるように形成される、ようにしてもよい。 Further, the mass body may be formed so as to extend in parallel with the swing axis and to have a constant width in the first direction.
この光スキャナによれば、質量体は、揺動軸線に平行に伸長し、前記第1方向の幅が一定になるように形成される。仮に質量体が揺動軸線にと交差する方向に伸長した場合、質量体の幅が減少した際に、慣性モーメントの減少量が位置によって異なる。具体的には、揺動軸線から近い位置で質量体の幅が減少したことによる慣性モーメントの減少量よりも、揺動軸線から遠い位置で質量体の幅が減少したことによる慣性モーメントの減少量が大きくなる。そのため、質量体の幅が減少した場合において、慣性モーメントの変化量を制御することが困難になる。一方、質量体が揺動軸線に平行に伸長すれば、質量体の第1方向の幅が一定であるため、質量体の長手方向における任意の位置と揺動軸線との距離は、常に一定となる。従って、質量体の幅が、その長手方向のどの位置で変化しても、慣性モーメントの変化量は一定である。従って、質量体の幅が減少した場合における慣性モーメントの変化量を容易に制御できる。 According to this optical scanner, the mass body is formed so as to extend parallel to the swing axis and to have a constant width in the first direction. If the mass body extends in a direction intersecting the swing axis, the amount of decrease in the moment of inertia varies depending on the position when the width of the mass body decreases. Specifically, the amount of inertia decreased due to the decrease in the mass width at a position farther from the oscillation axis than the amount of inertia decreased due to the decrease in the mass width at a position close to the oscillation axis. Becomes larger. Therefore, it becomes difficult to control the amount of change in the moment of inertia when the width of the mass body decreases. On the other hand, if the mass body extends parallel to the swing axis, the width in the first direction of the mass body is constant, so the distance between the arbitrary position in the longitudinal direction of the mass body and the swing axis is always constant. Become. Accordingly, the amount of change in the moment of inertia is constant regardless of the position in the longitudinal direction of the mass body. Therefore, it is possible to easily control the amount of change in the moment of inertia when the width of the mass body is reduced.
また、前記連結部は、前記梁部から前記第1方向に伸長し、前記質量体は、前記連結部の端部から、前記連結部に対して対称に伸長する、ようにしてもよい。 Further, the connecting portion may extend from the beam portion in the first direction, and the mass body may extend symmetrically with respect to the connecting portion from an end portion of the connecting portion.
この光スキャナによれば、連結部は、梁部から第1方向に伸長する。従って、質量体が、梁部、ミラー部及び外縁部から確実に離間する。また、質量体が連結部に対して対称に伸長することにより、質量の分布は連結部に対して対称に保たれ、安定したミラー部の揺動が可能になる。 According to this optical scanner, the connecting portion extends from the beam portion in the first direction. Therefore, the mass body is reliably separated from the beam portion, the mirror portion, and the outer edge portion. In addition, since the mass body extends symmetrically with respect to the connecting portion, the distribution of mass is kept symmetrical with respect to the connecting portion, and stable oscillation of the mirror portion becomes possible.
また、前記連結部及び前記質量体は、前記梁部に対して対称に一対設けられる、ようにしてもよい。 Moreover, you may make it the said connection part and the said mass body provide a pair symmetrically with respect to the said beam part.
この光スキャナによれば、連結部及び質量体は、梁部に対して対称に一対設けられる。そのため、連結部及び質量体が付加されても、質量の分布は梁部に対して対称に保たれる。従って、安定したミラー部の揺動が可能になる。 According to this optical scanner, a pair of the connecting portion and the mass body are provided symmetrically with respect to the beam portion. Therefore, even if a connection part and a mass body are added, the distribution of mass is kept symmetrical with respect to the beam part. Therefore, it is possible to swing the mirror part stably.
また、前記質量体および前記連結部は、前記第1捩れ梁及び前記第2捩れ梁の両方に設けられる、ようにしてもよい。 Further, the mass body and the connecting portion may be provided on both the first torsion beam and the second torsion beam.
この光スキャナによれば、質量体および連結部は、第1捩れ梁及び第2捩れ梁の両方に設けられる。従って、質量体および連結部が設けられる際に、重心位置がミラー部に対して、第1捩れ梁及び第2捩れ梁の何れか一方に偏ることを抑制できる。そのため、安定したミラー部の揺動が可能になる。 According to this optical scanner, the mass body and the connecting portion are provided on both the first torsion beam and the second torsion beam. Therefore, when the mass body and the connecting portion are provided, it is possible to suppress the position of the center of gravity from being biased to one of the first torsion beam and the second torsion beam with respect to the mirror portion. For this reason, it is possible to swing the mirror part stably.
また、前記質量体及び前記連結部は、前記ミラー部に対して対称となるように、前記第1捩れ梁及び前記第2捩れ梁の両方に設けられる、ようにしてもよい。 The mass body and the connecting portion may be provided on both the first torsion beam and the second torsion beam so as to be symmetric with respect to the mirror portion.
この光スキャナによれば、質量体及び連結部は、ミラー部に対して対称となるように、第1捩れ梁及び第2捩れ梁の両方に設けられる。従って、質量体および連結部が設けられても、重心位置がミラー部上に保たれる。従って、さらに安定したミラー部の揺動が可能になる。 According to this optical scanner, the mass body and the connecting portion are provided on both the first torsion beam and the second torsion beam so as to be symmetric with respect to the mirror portion. Therefore, even if the mass body and the connecting portion are provided, the position of the center of gravity is maintained on the mirror portion. Therefore, the mirror part can be more stably swung.
また、本発明の他の側面は、前記した光スキャナと、前記光スキャナに光を供給するための光源と、前記光スキャナによって走査された光を被投影面に導く導光部とを備える、ことを特徴する画像投影装置である。 Another aspect of the present invention includes the above-described optical scanner, a light source for supplying light to the optical scanner, and a light guide unit that guides light scanned by the optical scanner to a projection surface. This is an image projection apparatus characterized by this.
これによれば、共振周波数のばらつきを抑制することが可能な光スキャナを用いた画像投影装置が提供される。従って、光スキャナの歩留まりが上がるので、安価に画像投影装置が提供される。 According to this, an image projection apparatus using an optical scanner capable of suppressing variations in resonance frequency is provided. Therefore, since the yield of the optical scanner is increased, an image projection apparatus can be provided at a low cost.
本発明によれば、例えばエッチング速度のばらつきなどによって、製造誤差などが生じた場合であっても、スキャナの共振周波数のばらつきを抑制することが可能になる。 According to the present invention, it is possible to suppress variations in the resonance frequency of the scanner even when a manufacturing error or the like occurs due to variations in the etching rate, for example.
本発明の一側面を反映した実施形態について、図面を用いて以下に詳細に説明する。本発明の一側面は以下に記載の構成に限定されるものではなく、同一の技術的思想において種々の構成を採用することができる。例えば、以下に説明する各構成において、所定の構成を省略し、または他の構成などに置換してもよい。また、他の構成を含むようにしてもよい。 Embodiments reflecting one aspect of the present invention will be described below in detail with reference to the drawings. One aspect of the present invention is not limited to the configuration described below, and various configurations can be employed in the same technical idea. For example, in each configuration described below, a predetermined configuration may be omitted or replaced with another configuration. Moreover, you may make it include another structure.
[光スキャナ10の構成]
図1に示されるように、光スキャナ10は、構造体100と、構造体100に設けられた圧電駆動部110と、構造体100が固定される台座120とを有する。光スキャナ10では、圧電駆動部110が構造体100の共振周波数にて周期的に伸縮することで、構造体100に板波振動が励起される。この板波振動が、構造体100を伝達し、構造体100のミラー部101を揺動させることで、光スキャナ10は共振駆動される。以下、光スキャナ10の個々の構成について説明する。
[Configuration of Optical Scanner 10]
As shown in FIG. 1, the optical scanner 10 includes a structure 100, a piezoelectric drive unit 110 provided in the structure 100, and a pedestal 120 to which the structure 100 is fixed. In the optical scanner 10, the piezoelectric drive unit 110 periodically expands and contracts at the resonance frequency of the structure 100, thereby exciting plate wave vibration in the structure 100. The plate-wave vibration is transmitted through the structure 100 and the mirror portion 101 of the structure 100 is swung, so that the optical scanner 10 is resonantly driven. Hereinafter, individual configurations of the optical scanner 10 will be described.
図1及び図2に示されるように、構造体100は、ミラー部101、第1捩れ梁102、第2捩れ梁103、外縁部104、第1質量体105a,105b、第2質量体106a,106b、第1連結部107a,107b及び第2連結部108a,108bを有する。構造体100は、エッチング加工やプレス加工等の除去加工を用いて、厚さ数十から数百μmのステンレスやチタンなどの金属板に対して、上記の各構成を形成することで製造される。但し、構造体100は、シリコンウエハなどの非金属材料によって形成されても差し支えない。この場合、非金属材料の表面には金属薄膜などの導電層が設けられるとよい。なお、図1では、構造体100の厚み方向がZ方向、ミラー部101の揺動軸線L1に平行な方向がY方向、Z方向及びY方向に直交する方向がX方向と、それぞれ定義される。 As shown in FIGS. 1 and 2, the structure 100 includes a mirror part 101, a first torsion beam 102, a second torsion beam 103, an outer edge part 104, first mass bodies 105a and 105b, a second mass body 106a, 106b, 1st connection part 107a, 107b, and 2nd connection part 108a, 108b. The structure 100 is manufactured by forming each of the above-described structures on a metal plate such as stainless steel or titanium having a thickness of several tens to several hundreds of micrometers using a removal process such as an etching process or a press process. . However, the structure 100 may be formed of a non-metallic material such as a silicon wafer. In this case, a conductive layer such as a metal thin film is preferably provided on the surface of the nonmetallic material. In FIG. 1, the thickness direction of the structure 100 is defined as the Z direction, the direction parallel to the swing axis L1 of the mirror unit 101 is defined as the Y direction, and the direction perpendicular to the Z direction and the Y direction is defined as the X direction. .
ミラー部101は、揺動軸線L1を中心として揺動する。ミラー部101は、平面視円形の形状である。但し、ミラー部101は、四角形や多角形など、他の形状であっても差し支えない。ミラー部101の表面は、入射した光を反射するように、鏡面研磨がなされている。但し、鏡面研磨に変えて、アルミニウムや銀などの可視光に対して高い反射率を有する金属薄膜が、蒸着やスパッタリング等によってミラー部101の表面に設けられても良い。 The mirror unit 101 swings about the swing axis L1. The mirror unit 101 has a circular shape in plan view. However, the mirror unit 101 may have another shape such as a quadrangle or a polygon. The surface of the mirror unit 101 is mirror-polished so as to reflect incident light. However, instead of mirror polishing, a metal thin film having a high reflectance with respect to visible light, such as aluminum or silver, may be provided on the surface of the mirror unit 101 by vapor deposition or sputtering.
ミラー部101のY方向正側には、第1捩れ梁102が連結される。第1捩れ梁102は、揺動軸線L1に平行に、ミラー部101から離間する方向に伸長する。ミラー部101のY方向負側には、第2捩れ梁103が連結される。第2捩れ梁103は、揺動軸線L1に平行であって、第1捩れ梁102と反対方向に伸長する。第1捩れ梁102及び第2捩れ梁103によって、ミラー部101は両側支持される。なお、第1捩れ梁102及び第2捩れ梁103を区別しない場合、単に梁部と呼称する。 A first torsion beam 102 is connected to the Y direction positive side of the mirror unit 101. The first torsion beam 102 extends in a direction away from the mirror unit 101 in parallel with the swing axis L1. A second torsion beam 103 is connected to the negative side of the mirror unit 101 in the Y direction. The second torsion beam 103 is parallel to the swing axis L1 and extends in the direction opposite to the first torsion beam 102. The mirror unit 101 is supported on both sides by the first torsion beam 102 and the second torsion beam 103. In addition, when not distinguishing the 1st twisted beam 102 and the 2nd twisted beam 103, it only calls a beam part.
外縁部104は、第1耳部分104a1、第2耳部分104a2、本体部分104b、固定部分104cを有する。第1耳部分104a1には、第1捩れ梁102のY方向正側の端部が接続される。第2耳部分104a2には、第2捩れ梁103のY方向負側の端部が接続される。第1耳部分104a1及び第2耳部分104a2は、第1捩れ梁102及び第2捩れ梁103が接続される位置から、X方向負側に伸長する。第1耳部分104a1は、本体部分104bのX方向正側の辺において、Y方向正側の端部に連結される。第2耳部分104a2は、本体部分104bのX方向正側の辺において、Y方向負側の端部に連結される。本体部分104bは、構造体100の中心部分に位置する。本体部分104bのX方向負側の一端には、固定部分104cが接続される。固定部分104cは、その長手方向の中心で、本体部分104bの一端と接続している。固定部分104cは、台座120に対して固定される。 The outer edge portion 104 includes a first ear portion 104a1, a second ear portion 104a2, a main body portion 104b, and a fixed portion 104c. The first ear portion 104a1 is connected to the end of the first twisted beam 102 on the Y direction positive side. The second ear portion 104a2 is connected to the Y-direction negative end of the second torsion beam 103. The first ear portion 104a1 and the second ear portion 104a2 extend in the X direction negative side from the position where the first torsion beam 102 and the second torsion beam 103 are connected. The first ear portion 104a1 is connected to the end portion on the positive side in the Y direction on the side on the positive side in the X direction of the main body portion 104b. The second ear portion 104a2 is connected to the end portion on the Y direction negative side on the X direction positive side of the main body portion 104b. The main body portion 104 b is located at the central portion of the structure 100. A fixed portion 104c is connected to one end of the main body portion 104b on the X direction negative side. The fixed portion 104c is connected to one end of the main body portion 104b at the center in the longitudinal direction. The fixed portion 104 c is fixed to the pedestal 120.
駆動源として機能する圧電駆動部110は、本体部分104bのZ方向正側の面に設けられる。圧電駆動部110は、例えば、厚さ30μm〜100μmの板状に成形されたチタン酸ジルコン酸鉛などの圧電材料の両面に対して、電極として金や白金等を0.2μm〜0.6μm積層することで形成される。圧電駆動部110と本体部分104bとは、導電性接着剤で接着される。この導電性接着剤は、例えば、熱硬化性を有するエポキシ系、アクリル系、シリコン系等の合成樹脂製の基剤内に、銀、金、銅等で構成された円盤状の金属フィラーを分散させたものである。先ず、本体部分104bに塗布された導電性接着剤の上に、圧電駆動部110が載置される。その状態で、導電性接着剤が熱硬化されることにより、圧電駆動部110と本体部分104bとが接着される。構造体100は金属板で形成されるので、構造体100と圧電駆動部110のZ方向正側との間に光スキャナ10の共振周波数に相当する交流電圧を印加することで、光スキャナ10の共振駆動が可能となる。 The piezoelectric drive unit 110 that functions as a drive source is provided on the surface on the positive side in the Z direction of the main body portion 104b. For example, the piezoelectric drive unit 110 is a laminate of 0.2 μm to 0.6 μm of gold, platinum, or the like as electrodes on both sides of a piezoelectric material such as lead zirconate titanate formed into a plate shape having a thickness of 30 μm to 100 μm. It is formed by doing. The piezoelectric drive part 110 and the main-body part 104b are adhere | attached with a conductive adhesive. This conductive adhesive, for example, disperses a disc-shaped metal filler composed of silver, gold, copper, etc. in a base made of a thermosetting epoxy resin, acrylic resin, silicon resin or the like. It has been made. First, the piezoelectric drive unit 110 is placed on the conductive adhesive applied to the main body portion 104b. In this state, the conductive adhesive is thermally cured to bond the piezoelectric driving unit 110 and the main body portion 104b. Since the structure 100 is formed of a metal plate, an AC voltage corresponding to the resonance frequency of the optical scanner 10 is applied between the structure 100 and the positive side of the piezoelectric drive unit 110 in the Z direction, so that the optical scanner 10 Resonant drive is possible.
台座120は、ステンレスやチタン等の金属材料で構成されている。台座120のZ方向正側の面には、固定部分104cが固定される。台座120と、固定部分104cとの
固定には、例えば接着剤による接着、レーザなどによる溶着、所定の治具によるクランピングなどの方法が用いられる。
The pedestal 120 is made of a metal material such as stainless steel or titanium. The fixed portion 104 c is fixed to the surface on the positive side in the Z direction of the pedestal 120. For fixing the pedestal 120 and the fixing portion 104c, for example, bonding with an adhesive, welding with a laser, or clamping with a predetermined jig is used.
第1質量体105a,105b及び第1連結部107a,107bは、第1捩れ梁102に設けられた、平面視H字状の構造である。第1質量体105a,105bは、ミラー部101と外縁部104の耳部分104a1との間において、第1捩れ梁102、ミラー部101及び外縁部104から離間する。第1連結部107a,107bは、第1質量体105a,105bと第1捩れ梁102とを連結する。具体的には、第1連結部107aは、第1捩れ梁102からX方向正側に伸長する。そして、第1質量体105aは、第1連結部107aのX方向正側の端部から、第1連結部107aに対して対称にY方向の両側に伸長する。第1連結部107b及び第1質量体105bは、第1捩れ梁102に対して、第1連結部107a及び第1質量体105aと対称に設けられる。即ち、第1連結部107bは、第1捩れ梁102からX方向負側に伸長する。そして、第1質量体105bは、第1連結部107bのX方向負側の端部から、第1連結部107bに対して対称にY方向の両側に伸長する。 The first mass bodies 105a and 105b and the first connecting portions 107a and 107b have an H-shaped structure provided in the first torsion beam 102 in plan view. The first mass bodies 105 a and 105 b are separated from the first torsion beam 102, the mirror part 101, and the outer edge part 104 between the mirror part 101 and the ear part 104 a 1 of the outer edge part 104. The first connecting portions 107 a and 107 b connect the first mass bodies 105 a and 105 b and the first torsion beam 102. Specifically, the first connecting portion 107a extends from the first torsion beam 102 to the X direction positive side. The first mass body 105a extends from the end on the X direction positive side of the first connecting portion 107a to both sides in the Y direction symmetrically with respect to the first connecting portion 107a. The first connecting portion 107b and the first mass body 105b are provided symmetrically with respect to the first torsion beam 102 with respect to the first connecting portion 107a and the first mass body 105a. That is, the first connecting portion 107b extends from the first torsion beam 102 to the X direction negative side. And the 1st mass body 105b is extended from the edge part of the X direction negative side of the 1st connection part 107b to the both sides of the Y direction symmetrically with respect to the 1st connection part 107b.
第2質量体106a,106及び第2連結部108a,108bも、平面視H字状の構造である。第2質量体106a,106b及び第2連結部108a,108bは、ミラー部101に対して、第1質量体105a,105b及び第1連結部107a,107bと対称となるように、第2捩れ梁103に設けられる。第2質量体106a,106及び第2連結部108a,108bは、ミラー部101と耳部分104a2との間に位置することを除いては、第1質量体105a,105b及び第1連結部107a,107bと同様の形状である。そのため、形状の説明は省略される。なお、第1質量体105a,105bと第2質量体106a,106とを区別しない場合、単に質量体と呼称する。また、第1連結部107a,107bと第2連結部108a,108bとを区別しない場合、単に連結部と呼称する。 The second mass bodies 106a and 106 and the second connecting portions 108a and 108b also have an H-shaped structure in plan view. The second mass bodies 106a and 106b and the second connecting portions 108a and 108b are symmetrical with the first mass bodies 105a and 105b and the first connecting portions 107a and 107b with respect to the mirror portion 101. 103. The second mass bodies 106a and 106 and the second connecting portions 108a and 108b are positioned between the mirror portion 101 and the ear portion 104a2, except that the first mass bodies 105a and 105b and the first connecting portions 107a, It is the same shape as 107b. Therefore, description of the shape is omitted. In addition, when not distinguishing 1st mass body 105a, 105b and 2nd mass body 106a, 106, it only calls a mass body. Moreover, when not distinguishing 1st connection part 107a, 107b and 2nd connection part 108a, 108b, it only calls a connection part.
[加工によるサイズのばらつき]
量産効率を考えた場合、1枚の大きな金属板から、複数個の構造体100を同時にエッチング加工によって形成するのがよい。しかし、複数個の構造体100が同時にエッチング加工される場合、エッチング形状が設計形状に対して進行している個体と、遅れている個体とが必ず発生してしまう。そこで、図2及び図3を用いて、構造体100が形成される際に、エッチング速度のばらつきによってサイズがどの程度ばらつくかを説明する。図2は、構造体100のエッチング加工後にサイズを測定した箇所を示す。光スキャナ10の共振周波数は、揺動する部分の慣性モーメントと、梁部の剛性とによって決定される。そして、剛性は、梁部の形状(長さ、幅、厚み)によって決定される。梁部は、Y方向の長さに対して、X方向の幅が十分小さい。そのため、エッチング速度のばらつきによってX方向及びY方向のサイズが同量変化しても、X方向の幅変化が剛性に大いに影響する。そのため、図2に示されるように、構造体100のX方向の幅に関して測定を行った。
[Size variation due to processing]
When mass production efficiency is considered, it is preferable to form a plurality of structures 100 by etching simultaneously from one large metal plate. However, when a plurality of structures 100 are etched at the same time, an individual whose etching shape is progressing with respect to the design shape and an individual who is behind are necessarily generated. 2 and 3, how much the size varies due to variations in the etching rate when the structure 100 is formed will be described. FIG. 2 shows a location where the size was measured after the structure 100 was etched. The resonance frequency of the optical scanner 10 is determined by the moment of inertia of the swinging portion and the rigidity of the beam portion. The rigidity is determined by the shape (length, width, thickness) of the beam portion. The beam portion has a sufficiently small width in the X direction with respect to the length in the Y direction. Therefore, even if the sizes in the X direction and the Y direction change by the same amount due to variations in the etching rate, the change in the width in the X direction greatly affects the rigidity. Therefore, as shown in FIG. 2, the width of the structure 100 in the X direction was measured.
図3に示されるように、構造体100を3個作成し、それぞれのサンプル(No.1、No.2、No.3)に対して、各部のX方向の幅を測定した。なお、図3では、X方向の幅は、設計値に対する割合として示される。No.1、No.2のサンプルでは、ほぼ設計値通りのエッチング加工ができている。しかし、梁部(A〜D)においては、±1%程度のX方向の幅のばらつきが存在する。また、質量体(E〜L)に関しては、設計値に対して5〜10%程度X方向の幅が狭くなっていた。一方、No.3のサンプルでは、梁部(A〜D)においては、設計値に対して5%程度X方向の幅が狭くなっていた。また、質量体(E〜L)に関しては、設計値に対して15%程度もX方向の幅が狭くなっていた。 As shown in FIG. 3, three structural bodies 100 were prepared, and the width in the X direction of each part was measured for each sample (No. 1, No. 2, No. 3). In FIG. 3, the width in the X direction is shown as a ratio to the design value. No. 1, no. In the sample of 2, the etching process is almost as designed. However, in the beam portions (A to D), there is a variation in width in the X direction of about ± 1%. Moreover, about the mass bodies (E-L), the width | variety of the X direction was narrow about 5 to 10% with respect to the design value. On the other hand, no. In the sample No. 3, in the beam portions (A to D), the width in the X direction was narrowed by about 5% with respect to the design value. Further, regarding the mass bodies (E to L), the width in the X direction was narrowed by about 15% with respect to the design value.
[質量体の効果]
前記したように、構造体100がエッチング加工によって形成される場合、エッチング速度のばらつきによって、梁部の剛性に影響を及ぼすX方向の幅はばらつく。この剛性のばらつきは、光スキャナ10の共振周波数のばらつきに繋がってしまう。しかし、本実施形態では、第1質量体105a,105b及び第2質量体106a,106bが設けられることで、共振周波数のばらつきが抑制される。以下、その理由を説明する。
[Effect of mass body]
As described above, when the structure 100 is formed by etching, the width in the X direction that affects the rigidity of the beam portion varies due to variations in the etching rate. This variation in rigidity leads to variations in the resonance frequency of the optical scanner 10. However, in the present embodiment, variation in the resonance frequency is suppressed by providing the first mass bodies 105a and 105b and the second mass bodies 106a and 106b. The reason will be described below.
構造体100のように、ミラーと両支持梁を有する構造における共振周波数は、上記した(数2)によって示される。前記したように、エッチング速度のばらつきによって、捩れ弾性定数Kが変化するため、共振周波数も変化する。 The resonance frequency in a structure having a mirror and both support beams like the structure 100 is expressed by the above (Equation 2). As described above, since the torsional elastic constant K changes due to variations in the etching rate, the resonance frequency also changes.
厳密には、エッチング速度のばらつきによって、ミラー部101のサイズ、即ち慣性モーメントIも変化する。しかし、本実施形態の構造体100のように、ミラー部101に対して梁部の幅が十分に狭い場合、ミラー部101のサイズ変化に起因する慣性モーメントIの変化量よりも、梁部のX方向の幅変化に起因する捩れ弾性定数Kの変化量の方が大きい。その結果、エッチング速度のばらつきによって、共振周波数は変化する。ここで、(数1)より、エッチング速度のばらつきによる慣性モーメントIの変化量が、捩れ弾性定数Kの変化量と同程度であれば、共振周波数のばらつきが抑制されると考えられる。本実施形態では、連結部を介して質量体が梁部に連結される。この質量体は、梁から所定距離離間されているので、揺動する部分の慣性モーメントに対する寄与が大きい。即ち、エッチング速度のばらつきが生じた際に、この質量体のサイズが変化することで、慣性モーメントIの変化量が大きくなる。その結果、慣性モーメントIの変化量は捩れ弾性定数Kの変化量と同程度になり、共振周波数のばらつきが抑制される。慣性モーメントIの変化量を増加させるという観点のみによれば、質量体はミラー部101に設けられても差し支えない。しかし、質量体がミラー部101に設けられると、ミラー部101の揺動時にミラー歪みが増大する。その結果、反射光の波面形状が変化するなどの、光学特性の劣化を招く。本実施形態では、質量体が梁部に設けられているため、ミラー部101の光学特性を劣化することなく、共振周波数のばらつきが抑制される。 Strictly speaking, the size of the mirror portion 101, that is, the moment of inertia I also changes due to variations in the etching rate. However, when the width of the beam portion is sufficiently narrow with respect to the mirror portion 101 as in the structure 100 of the present embodiment, the amount of inertia of the beam portion is larger than the amount of change in the inertia moment I due to the size change of the mirror portion 101. The amount of change in the torsional elastic constant K due to the width change in the X direction is larger. As a result, the resonance frequency changes due to variations in the etching rate. Here, from (Equation 1), if the amount of change in the moment of inertia I due to the variation in the etching rate is approximately the same as the amount of variation in the torsional elastic constant K, it is considered that the variation in the resonance frequency is suppressed. In the present embodiment, the mass body is coupled to the beam portion via the coupling portion. Since this mass body is separated from the beam by a predetermined distance, the mass body contributes greatly to the moment of inertia of the swinging portion. That is, when the variation in the etching rate occurs, the amount of change in the moment of inertia I increases due to the change in the size of the mass body. As a result, the amount of change in the inertia moment I is approximately the same as the amount of change in the torsional elastic constant K, and variations in resonance frequency are suppressed. Only from the viewpoint of increasing the amount of change of the inertia moment I, the mass body may be provided in the mirror portion 101. However, when the mass body is provided in the mirror unit 101, the mirror distortion increases when the mirror unit 101 swings. As a result, the optical characteristics are deteriorated such that the wavefront shape of the reflected light changes. In the present embodiment, since the mass body is provided in the beam portion, variations in resonance frequency are suppressed without deteriorating the optical characteristics of the mirror portion 101.
このことを数式で表したのが、上記した(数1)である。本実施形態において(数1)は、「I1」がミラー部101の揺動軸線L1を中心とした慣性モーメントに、「I2」が質量体の揺動軸線L1を中心とした慣性モーメントに、「K」が梁部の捩れ弾性定数に、それぞれ対応する。厳密には、エッチング速度のばらつきによって生じる梁部や連結部の質量変化もまた、慣性モーメントに変化を与える。しかし、梁部及び連結部は、ミラー部101及び質量体と比較して、揺動軸線L1に十分近い。そのため、梁部及び連結部の質量変化が慣性モーメントに与える影響は、ミラー部101及び質量体の質量変化が慣性モーメントに与える影響と比較して、無視できるほどに十分小さい。そのため、上記(数1)では、梁部及び連結部の効果は無視される。上記したように、質量体が(数1)を満たすように形成されるため、共振周波数のばらつきが抑制される。また、質量体は望ましくは、上記(数3)を満たすのがよい。これによって、エッチング速度のばらつきによって生じる光スキャナの系全体における慣性モーメントIの変化量は、捩れ弾性定数Kの変化量と釣り合うこととなる。その結果、共振周波数のばらつきが抑制される。 This is expressed by Equation (1) above. In this embodiment, (Equation 1) indicates that “I1” is the moment of inertia about the swing axis L1 of the mirror portion 101, and “I2” is the moment of inertia about the swing axis L1 of the mass body. “K” corresponds to the torsional elastic constant of the beam portion. Strictly speaking, a change in the mass of the beam portion and the connecting portion caused by variations in the etching rate also changes the moment of inertia. However, the beam portion and the connecting portion are sufficiently close to the swing axis L1 as compared with the mirror portion 101 and the mass body. Therefore, the influence of the mass change of the beam part and the connecting part on the moment of inertia is sufficiently small to be negligible compared to the influence of the mass change of the mirror part 101 and the mass body on the moment of inertia. Therefore, in the above (Equation 1), the effects of the beam portion and the connecting portion are ignored. As described above, since the mass body is formed so as to satisfy (Equation 1), variation in resonance frequency is suppressed. The mass body preferably satisfies the above (Equation 3). Thus, the change amount of the moment of inertia I in the entire optical scanner system caused by the variation in the etching rate is balanced with the change amount of the torsional elastic constant K. As a result, variations in resonance frequency are suppressed.
[共振周波数の変化]
図4を用いて、質量体が設けられることによって、どの程度共振周波数のばらつきが抑制されるかを説明する。図4の縦軸は、加工後の構造体100を用いて作成した光スキャナ10の共振周波数の実測値と、設計値通りのサイズの構造体100を有する光スキャナ10における共振周波数の値との比である。図4の横軸は、加工後の構造体100の梁部のX方向の幅の実測値と、設計値における構造体100の梁部のX方向の幅の値との比である。図4において、丸と実線で示される本実施形態のデータは、図3で説明した3個のサンプル(No.1,No.2,No.3)を示す。丸と実線で示されるデータの横軸の値は、図3のA〜DにおけるX方向の幅を平均した値である。一方、十字と破線とで示されるデータは、第1質量体105a,105b、第2質量体106a,106b、第1連結部107a,107b及び第1連結部107a,107bを、構造体100から除去した3個のサンプルにおいて求められた値である。即ち、十字と破線とで示されるデータは、本発明の特徴を有さない、比較例といえる。
[Change in resonance frequency]
With reference to FIG. 4, how much the variation in the resonance frequency is suppressed by providing the mass body will be described. The vertical axis in FIG. 4 represents the measured value of the resonance frequency of the optical scanner 10 created using the processed structure 100 and the value of the resonance frequency in the optical scanner 10 having the structure 100 having a size as designed. Is the ratio. The horizontal axis in FIG. 4 represents the ratio between the measured value of the width in the X direction of the beam portion of the structure 100 after processing and the value of the width in the X direction of the beam portion of the structure 100 at the design value. 4, the data of this embodiment indicated by circles and solid lines indicate the three samples (No. 1, No. 2, No. 3) described in FIG. The value on the horizontal axis of the data indicated by the circle and the solid line is a value obtained by averaging the widths in the X direction in A to D of FIG. On the other hand, the data indicated by the cross and the broken line is obtained by removing the first mass bodies 105a and 105b, the second mass bodies 106a and 106b, the first connection portions 107a and 107b, and the first connection portions 107a and 107b from the structure 100. This is the value obtained for the three samples. That is, the data indicated by the cross and the broken line can be said to be a comparative example having no features of the present invention.
比較例のデータは、梁幅が96〜104%程度の幅でばらついており、共振周波数のばらつきも96〜104%程度存在する。即ち、梁幅の変化量と共振周波数の変化量とがほぼ一対一に対応している。一方、本実施形態のデータは、梁幅が93〜100%程度の幅でばらついているにも関わらず、共振周波数のばらつきは99〜100%と、1%程度に抑制されている。即ち、質量体が設けられることによって、梁部の幅がばらつくという形で製造誤差が生じたとしても、光スキャナ10の共振周波数のばらつきを抑制することが可能となっている。 In the data of the comparative example, the beam width varies with a width of about 96 to 104%, and there is a variation in resonance frequency of about 96 to 104%. That is, the amount of change in beam width and the amount of change in resonance frequency correspond approximately one to one. On the other hand, in the data of the present embodiment, although the beam width varies in the range of about 93 to 100%, the variation of the resonance frequency is 99 to 100%, which is suppressed to about 1%. That is, by providing the mass body, it is possible to suppress variations in the resonance frequency of the optical scanner 10 even if a manufacturing error occurs in the form that the width of the beam portion varies.
[網膜走査ディスプレイ1の構成]
前記した光スキャナ10は、画像を形成するために光を走査する構成として、網膜走査ディスプレイ1に用いることが可能である。図5は、網膜走査ディスプレイ1の全体構成について説明する図である。網膜走査ディスプレイ1は、観察者の瞳孔52に入射した光束を用いて網膜54上に画像を投影することによって、観察者に虚像を視認させる装置である。
[Configuration of Retina Scanning Display 1]
The optical scanner 10 described above can be used for the retinal scanning display 1 as a configuration for scanning light to form an image. FIG. 5 is a diagram for explaining the overall configuration of the retinal scanning display 1. The retinal scanning display 1 is a device that allows an observer to visually recognize a virtual image by projecting an image on the retina 54 using a light beam incident on the pupil 52 of the observer.
網膜走査ディスプレイ1は、制御ユニット1aと、頭部表示ユニット1bとで構成される。制御ユニット1aと頭部表示ユニット1bとは、別体に構成される。制御ユニット1aは、例えば使用者の腰などに取り付けられる。頭部表示ユニット1bは、制御ユニット1aと電気的及び光学的な信号を伝達可能な信号線によって接続される。頭部表示ユニット1bは、例えば米国特許出願公開2010/0073262号公報などに開示されているように、眼鏡型の装着具などを用いて使用者の頭部に装着される。勿論、制御ユニット1aと、頭部表示ユニット1bとが一体に構成されても差し支えない。 The retinal scanning display 1 includes a control unit 1a and a head display unit 1b. The control unit 1a and the head display unit 1b are configured separately. The control unit 1a is attached to a user's waist, for example. The head display unit 1b is connected to the control unit 1a by a signal line capable of transmitting electrical and optical signals. The head display unit 1b is mounted on the user's head using, for example, a spectacle-shaped mounting tool as disclosed in, for example, US Patent Application Publication No. 2010/0073262. Of course, the control unit 1a and the head display unit 1b may be configured integrally.
制御ユニット1aは、映像信号処理回路3、光源部30及び光合波部40で構成される。映像信号処理回路3は、外部から供給される映像信号に基づいて、画像を形成するためのB信号、G信号、R信号、水平同期信号及び垂直同期信号を発生する。 The control unit 1a includes a video signal processing circuit 3, a light source unit 30, and an optical multiplexing unit 40. The video signal processing circuit 3 generates a B signal, a G signal, an R signal, a horizontal synchronization signal, and a vertical synchronization signal for forming an image based on a video signal supplied from the outside.
光源部30は、Bレーザドライバ31、Gレーザドライバ32、Rレーザドライバ33、Bレーザ34、Gレーザ35及びRレーザ36を備える。Bレーザドライバ31は、映像信号処理回路3からのB信号に応じた強度の青色の光束を発生させるように、Bレーザ34を駆動する。Gレーザドライバ32は、映像信号処理回路3からのG信号に応じた強度の緑色の光束を発生させるように、Gレーザ35を駆動する。Rレーザドライバ33は、映像信号処理回路3からのR信号に応じた強度の赤色の光束を発生させるように、Rレーザ36を駆動する。Bレーザ34,Gレーザ35及びRレーザ36は、例えば半導体レーザや高調波発生機構付き固体レーザを用いて構成できる。 The light source unit 30 includes a B laser driver 31, a G laser driver 32, an R laser driver 33, a B laser 34, a G laser 35, and an R laser 36. The B laser driver 31 drives the B laser 34 so as to generate a blue light beam having an intensity corresponding to the B signal from the video signal processing circuit 3. The G laser driver 32 drives the G laser 35 so as to generate a green light beam having an intensity corresponding to the G signal from the video signal processing circuit 3. The R laser driver 33 drives the R laser 36 so as to generate a red light beam having an intensity corresponding to the R signal from the video signal processing circuit 3. The B laser 34, the G laser 35, and the R laser 36 can be configured using, for example, a semiconductor laser or a solid-state laser with a harmonic generation mechanism.
光合波部40は、コリメート光学系41,42,43と、このコリメートされたレーザ光を合波するためのダイクロイックミラー44,45,46と、合波されたレーザ光を集光する集光光学系47とを備える。Bレーザ34から出射した青色レーザ光は、コリメート光学系41によって平行光化される。平行光化された青色レーザ光は、ダイクロイックミラー44に入射する。Gレーザ35から出射した緑色レーザ光は、コリメート光学系42によって平行光化される。平行光化された緑色レーザ光は、ダイクロイックミラー45に入射する。Rレーザ36から出射した赤色レーザ光は、コリメート光学系43によって平行光化される。平行光化された赤色レーザ光は、ダイクロイックミラー46に入射する。ダイクロイックミラー44,45,46にそれぞれ入射した青色、緑色及び赤色レーザ光は、波長選択的に反射または透過されて1本の光束として合波され、集光光学系47に達する。合波されたレーザ光は、集光光学系47によって集光され、光ファイバ等を介して頭部表示ユニット1bに導かれる。 The optical combining unit 40 includes collimating optical systems 41, 42, and 43, dichroic mirrors 44, 45, and 46 for combining the collimated laser light, and condensing optics for condensing the combined laser light. A system 47. The blue laser light emitted from the B laser 34 is collimated by the collimating optical system 41. The collimated blue laser light is incident on the dichroic mirror 44. The green laser light emitted from the G laser 35 is collimated by the collimating optical system 42. The collimated green laser light is incident on the dichroic mirror 45. The red laser light emitted from the R laser 36 is collimated by the collimating optical system 43. The collimated red laser light is incident on the dichroic mirror 46. The blue, green, and red laser beams respectively incident on the dichroic mirrors 44, 45, and 46 are reflected or transmitted in a wavelength selective manner and are combined as one light beam, and reach the condensing optical system 47. The combined laser light is condensed by the condensing optical system 47 and guided to the head display unit 1b via an optical fiber or the like.
頭部表示ユニット1bは、コリメート光学系20、水平走査ドライバ23、光スキャナ10、リレー光学系24、垂直走査ドライバ25、垂直走査スキャナ26及び接眼光学系27を備える。 The head display unit 1b includes a collimating optical system 20, a horizontal scanning driver 23, an optical scanner 10, a relay optical system 24, a vertical scanning driver 25, a vertical scanning scanner 26, and an eyepiece optical system 27.
コリメート光学系20は、光ファイバ等を介して制御ユニット1aから導かれたレーザ光を平行光に変換する。平行光に変換されたレーザ光は、光スキャナ10に入射する。 The collimating optical system 20 converts the laser light guided from the control unit 1a through an optical fiber or the like into parallel light. The laser light converted into parallel light enters the optical scanner 10.
光スキャナ10は、コリメート光学系20からのレーザ光を水平方向(例えば、観察者の眼に対して左右方向)に走査する。具体的には、水平走査ドライバ23は、映像信号処理回路3からの水平同期信号に従って、光スキャナ10の揺動状態を制御する。水平走査されたレーザ光は、リレー光学系24に入射する。 The optical scanner 10 scans the laser light from the collimating optical system 20 in the horizontal direction (for example, the left-right direction with respect to the observer's eyes). Specifically, the horizontal scanning driver 23 controls the swing state of the optical scanner 10 in accordance with the horizontal synchronization signal from the video signal processing circuit 3. The horizontally scanned laser light enters the relay optical system 24.
リレー光学系24は、正の屈折力を持つレンズ系24a、24bを有する。レンズ系24aは、光スキャナ10からレンズ系24aの焦点距離を離れた位置に配置される。従って、水平走査されたレーザ光は、レンズ系24aによって互いの光軸が平行になるように屈折される。また、水平走査されたレーザ光は、コリメート光学系20によって平行光化されているので、集束光として変換される。図5では、レーザ光の光軸が点線で示され、リレー光学系24及び接眼光学系27の中心(=光軸)を通過するレーザ光の光線が実線で示される。レンズ系24bは、レンズ系24aから、レンズ系24aの焦点距離とレンズ系24bの焦点距離との合計の距離を離れた位置に配置される。従って、レンズ系24aを通過したレーザ光は、レンズ系24bによって互いの光軸が垂直スキャナ25上の一点に集束するように屈折される。また、レンズ系24aを通過した際に集束光として変換されたレーザ光は、レンズ系24bによって再度平行光化される。即ち、リレー光学系24は、光スキャナ10において形成された光学瞳(=レーザ光の入射点)を、垂直スキャナ25上に転送する機能を果たす。 The relay optical system 24 includes lens systems 24a and 24b having a positive refractive power. The lens system 24a is disposed at a position away from the optical scanner 10 at the focal length of the lens system 24a. Accordingly, the horizontally scanned laser light is refracted by the lens system 24a so that the optical axes thereof are parallel to each other. Further, the horizontally scanned laser light is converted into parallel light by the collimating optical system 20 and is therefore converted as focused light. In FIG. 5, the optical axis of the laser light is indicated by a dotted line, and the light beam of the laser light passing through the centers (= optical axes) of the relay optical system 24 and the eyepiece optical system 27 is indicated by a solid line. The lens system 24b is arranged at a position away from the lens system 24a by the total distance of the focal length of the lens system 24a and the focal length of the lens system 24b. Accordingly, the laser light that has passed through the lens system 24 a is refracted by the lens system 24 b so that the optical axes of the laser beams are focused on one point on the vertical scanner 25. The laser light converted as the focused light when passing through the lens system 24a is converted into parallel light again by the lens system 24b. That is, the relay optical system 24 functions to transfer the optical pupil (= laser beam incident point) formed in the optical scanner 10 onto the vertical scanner 25.
垂直スキャナ25は、リレー光学系24からのレーザ光を垂直方向(例えば、観察者の眼に対して上下方向)に走査する。具体的には、垂直スキャナ25は、揺動する反射面を有する。反射面が揺動することで、反射面に入射したレーザ光は、垂直方向に走査される。垂直スキャナ25は、例えば、ムービングコイル方式で揺動する電磁型のMEMSミラーで構成可能である。垂直走査ドライバ26は、映像信号処理回路3からの垂直同期信号に従って、垂直スキャナ25の揺動状態を制御する。ここで、レーザ光は、光スキャナ10によって水平方向に走査されているので、垂直スキャナ25によって二次元的に走査された画像光となる。二次元走査された画像光は、接眼光学系27に入射する。 The vertical scanner 25 scans the laser beam from the relay optical system 24 in the vertical direction (for example, the vertical direction with respect to the eyes of the observer). Specifically, the vertical scanner 25 has a reflecting surface that swings. As the reflecting surface swings, the laser light incident on the reflecting surface is scanned in the vertical direction. The vertical scanner 25 can be composed of, for example, an electromagnetic MEMS mirror that swings using a moving coil method. The vertical scanning driver 26 controls the swing state of the vertical scanner 25 according to the vertical synchronization signal from the video signal processing circuit 3. Here, since the laser light is scanned in the horizontal direction by the optical scanner 10, it becomes image light scanned two-dimensionally by the vertical scanner 25. The two-dimensionally scanned image light enters the eyepiece optical system 27.
接眼光学系27は、正の屈折力を持つレンズ系27a、27bを有する。接眼光学系27は、リレー光学系24と同様に、垂直スキャナ25において形成された光学瞳を、観察者の眼の瞳孔52に転送する機能を果たす。接眼光学系27を出射した画像光は、観察者の眼の瞳孔52を通過し、網膜54に結像する。従って、観察者は、画像を視認する。 The eyepiece optical system 27 includes lens systems 27a and 27b having a positive refractive power. The eyepiece optical system 27 performs the function of transferring the optical pupil formed in the vertical scanner 25 to the pupil 52 of the observer's eye, like the relay optical system 24. The image light emitted from the eyepiece optical system 27 passes through the pupil 52 of the observer's eye and forms an image on the retina 54. Therefore, the observer visually recognizes the image.
<変形例>
本発明は、今までに述べた実施形態に限定されることは無く、その趣旨を逸脱しない範囲において種々の変形・変更が可能である。以下にその一例を述べる。
<Modification>
The present invention is not limited to the embodiments described so far, and various modifications and changes can be made without departing from the spirit of the present invention. An example is described below.
前記した実施形態に置いて、光スキャナ10は、圧電駆動部110によって駆動される。しかし、例えば、ムービングコイルやムービングマグネットなどの電磁駆動方式や、静電駆動方式などが採用されてもよい。要は、何れの方式であっても、構造体100に板波振動が励起されればよい。 In the embodiment described above, the optical scanner 10 is driven by the piezoelectric drive unit 110. However, for example, an electromagnetic drive system such as a moving coil or a moving magnet, an electrostatic drive system, or the like may be employed. In short, it is sufficient that plate wave vibration is excited in the structure 100 in any method.
前記した実施形態において、網膜走査ディスプレイ1では、レーザ光は水平方向に走査された後に、垂直方向に走査される。しかし、例えば光スキャナ10と垂直スキャナ25とを入れ替えることによって、レーザ光が垂直方向に走査された後に、水平方向に走査されてもよい。あるいは、水平方向が観察者の眼に対して上下方向に定義され、垂直方向が観察者の眼に対して左右方向に定義されても良い。 In the above-described embodiment, in the retinal scanning display 1, the laser beam is scanned in the vertical direction after being scanned in the horizontal direction. However, for example, by replacing the optical scanner 10 and the vertical scanner 25, the laser beam may be scanned in the horizontal direction after being scanned in the vertical direction. Alternatively, the horizontal direction may be defined in the up-down direction with respect to the observer's eye, and the vertical direction may be defined in the left-right direction with respect to the observer's eye.
前記した実施形態において、光スキャナ10は、網膜走査ディスプレイ1に用いられる。しかし、光スキャナ10は、他のいかなる用途に用いられても良い。一例として、光スキャナ10が、図6に示されるように、走査されたレーザ光を被投影面上に結像するレーザプロジェクタ2に用いられても良い。レーザプロジェクタ2は、垂直走査スキャナ25よりも後段の光学系において、網膜走査ディスプレイ1と相違する。そのため、垂直走査スキャナ25における網膜走査ディスプレイ1と共通する構成に関する説明は、同一の図番を採用することによって省略される。結像光学系28は、正の屈折力を持つレンズ系である。結像光学系28は、垂直スキャナ25からの平行光化されたレーザ光を集束することで、スクリーンなどの被投影面上に結像する。なお、任意の距離にある被投影面に対して結像を行うために、結像光学系28は、所定のフォーカス調整機能を備えるのが望ましい。あるいは、レーザ光のビーム径が十分に小さければ、結像光学系28は無くても構わない、その場合、垂直走査スキャナ25からの平行光化されたレーザ光が、被投影面上に直接画像を描くこととなる。この場合、導光部はレーザ光に対して光学的作用を及ぼさない。 In the above-described embodiment, the optical scanner 10 is used for the retinal scanning display 1. However, the optical scanner 10 may be used for any other purpose. As an example, the optical scanner 10 may be used in a laser projector 2 that forms an image of scanned laser light on a projection surface as shown in FIG. The laser projector 2 is different from the retinal scanning display 1 in an optical system subsequent to the vertical scanning scanner 25. Therefore, the description regarding the configuration common to the retinal scanning display 1 in the vertical scanning scanner 25 is omitted by adopting the same figure number. The imaging optical system 28 is a lens system having a positive refractive power. The imaging optical system 28 focuses the collimated laser beam from the vertical scanner 25 to form an image on a projection surface such as a screen. It is desirable that the imaging optical system 28 has a predetermined focus adjustment function in order to form an image on a projection surface at an arbitrary distance. Alternatively, if the beam diameter of the laser beam is sufficiently small, the imaging optical system 28 may be omitted. In this case, the parallel laser beam from the vertical scanning scanner 25 is directly imaged on the projection surface. Will be drawn. In this case, the light guide does not exert an optical action on the laser light.
1 網膜走査ディスプレイ
1a 制御ユニット
1b 頭部表示ユニット
3 映像信号処理回路
10 光スキャナ
20,41,42,43 コリメート光学系
23 水平走査ドライバ
24 リレー光学系
24a,24b,27a,27b レンズ系
25 垂直走査スキャナ
26 垂直走査ドライバ
27 接眼光学系
28 結像光学系
30 光源部
31 Bレーザドライバ
32 Gレーザドライバ
33 Bレーザドライバ
34 Bレーザ
35 Gレーザ
36 Rレーザ
40 光合波部
44,45,46 ダイクロイックミラー
47 集光光学系
52 観察者の瞳孔
54 観察者の網膜
100 構造体
101 ミラー部
102 第1捩れ梁
103 第2捩れ梁
104 外縁部
104a1 第1耳部分
104a2 第2耳部分
104b 本体部分
104c 固定部分
105a,105b 第1質量体
106a,106b 第2質量体
107a,107b 第1連結部
108a,108b 第2連結部
110 圧電駆動部
120 台座
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Retina scanning display 1a Control unit 1b Head display unit 3 Video signal processing circuit 10 Optical scanner 20,41,42,43 Collimating optical system 23 Horizontal scanning driver 24 Relay optical system 24a, 24b, 27a, 27b Lens system 25 Vertical scanning Scanner 26 Vertical scanning driver 27 Eyepiece optical system 28 Imaging optical system 30 Light source unit 31 B laser driver 32 G laser driver 33 B laser driver 34 B laser 35 G laser 36 R laser 40 Optical multiplexing units 44, 45, 46 Dichroic mirror 47 Condenser optical system 52 Observer's pupil 54 Retina 100 of the observer Structure 101 Mirror part 102 First torsion beam 103 Second torsion beam 104 Outer edge part 104a1 First ear part 104a2 Second ear part 104b Main body part 104c Fixed part 105a , 105b First mass 1 6a, 106b second mass 107a, 107b first connecting portion 108a, 108b second connecting portion 110 piezoelectric driving unit 120 pedestal
Claims (10)
揺動軸線を中心として、前記所定の共振周波数で揺動するミラー部と、
前記ミラー部に連結され、前記揺動軸線に平行に伸長する第1捩れ梁と、前記ミラー部に連結され、前記第1捩れ梁と反対方向に伸長する第2捩れ梁と、を有する梁部と、
前記第1捩れ梁の端部と、前記第2捩れ梁の端部とが連結される外縁部と、
前記ミラー部を揺動する駆動源と、
前記ミラー部と前記外縁部との間において、前記梁部、前記ミラー部及び前記外縁部から離間する質量体と、
前記質量体と前記梁部とを連結する連結部とを備え、
前記質量体は、
前記梁部において、前記揺動軸線に直交する第1方向の幅が所定幅変化することで生じる前記梁部の剛性変化に起因する前記共振周波数の変動を、前記質量体が前記所定幅変化することで生じる前記揺動軸線を中心とする慣性モーメントの変化によって抑制するように構成される、
ことを特徴とする光スキャナ。 An optical scanner that is resonantly driven at a predetermined resonance frequency and scans incident light in a predetermined direction,
A mirror section that swings around the swing axis at the predetermined resonance frequency;
A beam portion having a first torsion beam coupled to the mirror portion and extending in parallel with the swing axis, and a second torsion beam coupled to the mirror portion and extending in a direction opposite to the first torsion beam. When,
An outer edge to which an end of the first torsion beam and an end of the second torsion beam are coupled;
A drive source for swinging the mirror part;
Between the mirror part and the outer edge part, a mass body spaced from the beam part, the mirror part and the outer edge part,
A connecting portion that connects the mass body and the beam portion;
The mass body is
In the beam portion, the mass body changes the predetermined width due to a change in the resonance frequency caused by a change in rigidity of the beam portion caused by a change in the width in the first direction orthogonal to the swing axis. It is configured to be suppressed by a change in moment of inertia about the swing axis generated by
An optical scanner characterized by that.
揺動軸線を中心として、前記所定の共振周波数で揺動するミラー部と、
前記ミラー部に連結され、前記揺動軸線に平行に伸長する第1捩れ梁と、前記ミラー部に連結され、前記第1捩れ梁と反対方向に伸長する第2捩れ梁と、を有する梁部と、
前記第1捩れ梁の端部と、前記第2捩れ梁の端部とが連結される外縁部と、
前記ミラー部を揺動する駆動源と、
前記ミラー部と前記外縁部との間において、前記梁部、前記ミラー部及び前記外縁部から離間した状態で、前記揺動軸線に沿って伸長する質量体と、
前記質量体と前記梁部とを連結する連結部とを備え、
前記梁部における捩れ弾性定数をK、前記揺動軸線を中心とする前記ミラー部の慣性モーメントをI1、前記揺動軸線を中心とする前記質量体の慣性モーメントをI2とし、
前記梁部において前記揺動軸線に直交する第1方向の幅が所定幅変化することで生じる前記Kの変化量をΔK、前記ミラー部が前記所定幅変化することで生じる前記I1の変化量をΔI1、前記質量体が前記所定幅変化することで生じる前記I2の変化量をΔI2とした場合に、
前記質量体は、以下の関係式を満たすように形成されることを特徴とする光スキャナ。
A mirror section that swings around the swing axis at the predetermined resonance frequency;
A beam portion having a first torsion beam coupled to the mirror portion and extending in parallel with the swing axis, and a second torsion beam coupled to the mirror portion and extending in a direction opposite to the first torsion beam. When,
An outer edge to which an end of the first torsion beam and an end of the second torsion beam are coupled;
A drive source for swinging the mirror part;
Between the mirror part and the outer edge part, a mass body extending along the swing axis in a state of being separated from the beam part, the mirror part and the outer edge part,
A connecting portion that connects the mass body and the beam portion;
The torsional elastic constant in the beam portion is K, the moment of inertia of the mirror portion around the swing axis is I1, the moment of inertia of the mass body around the swing axis is I2,
The amount of change in K that occurs when the width in the first direction perpendicular to the swing axis in the beam portion changes by a predetermined width is ΔK, and the amount of change in I1 that occurs when the mirror portion changes by the predetermined width. ΔI1, when the amount of change of I2 that occurs when the mass body changes by the predetermined width is ΔI2,
The mass body is formed so as to satisfy the following relational expression.
前記揺動軸線の方向に沿って伸長する、
請求項1〜3の何れか1項に記載の光スキャナ。 The mass body is
Extending along the direction of the swing axis;
The optical scanner according to claim 1.
前記揺動軸線に平行に伸長し、
前記第1方向の幅が一定になるように形成される、
請求項4に記載の光スキャナ。 The mass body is
Extending parallel to the swing axis,
The width in the first direction is formed to be constant.
The optical scanner according to claim 4.
前記質量体は、前記連結部の端部から、前記連結部に対して対称に伸長する、
請求項1〜5の何れか1項に記載の光スキャナ。 The connecting portion extends from the beam portion in the first direction,
The mass body extends symmetrically with respect to the connecting portion from the end of the connecting portion.
The optical scanner according to claim 1.
請求項1〜6の何れか1項に記載の光スキャナ。 A pair of the connecting portion and the mass body are provided symmetrically with respect to the beam portion;
The optical scanner according to claim 1.
請求項1〜7の何れか1項に記載の光スキャナ。 The mass body and the connecting portion are provided on both the first torsion beam and the second torsion beam.
The optical scanner according to claim 1.
請求項8に記載の光スキャナ。 The mass body and the connecting portion are provided on both the first torsion beam and the second torsion beam so as to be symmetric with respect to the mirror portion.
The optical scanner according to claim 8.
前記光スキャナに光を供給するための光源と、
前記光スキャナによって走査された光を被投影面に導く導光部とを備える、ことを特徴する画像投影装置。 An optical scanner according to any one of claims 1 to 9, for forming an image by scanning light;
A light source for supplying light to the optical scanner;
An image projection apparatus comprising: a light guide unit that guides light scanned by the optical scanner to a projection surface.
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