JP2012063656A - Two-dimensional optical scanner, and image projection device using the same - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、レーザ光等の光を２次元走査させる２次元光走査装置、これを用いた画像投影装置に関する。 The present invention relates to a two-dimensional optical scanning device that two-dimensionally scans light such as laser light, and an image projection device using the same.
特許文献１に示されるように、振動するミラーによりレーザ光の走査を行う光走査装置が知られている。このような光走査装置は、梁部で回動可能に支持されたミラーを、圧電素子で共振させて回動させることにより、ミラーに入射する光を走査する装置である。
As shown in
特許文献１に示されるような光走査装置は、光を１次元方向しか走査させることができない。光を２次元走査させて画像を生成する場合には、２個の光走査装置を、それぞれの走査方向が直交するように配置させる必要があり、装置が大きくなってしまうという問題があった。また、２個の光走査装置を正確に配置させなければ、画像が歪んでしまうが、各光走査装置の位置合わせ（軸合わせ）が困難であることから、２次元光走査装置の製造が困難であった。
本発明は、上記問題を解決し、装置が大きくならず、製造が困難でない２次元光走査装置を提供することを目的とする。
An optical scanning device as disclosed in
An object of the present invention is to provide a two-dimensional optical scanning device that solves the above-described problems and is not difficult to manufacture.
上記課題を解決するためになされた請求項１に記載の発明は、
光を反射するミラーと、前記ミラーの両側を第１軸線回りに揺動可能に支持し前記ミラーから離れる方向に延出する一対の支持梁と、一端側に前記一対の支持梁が接続される伝達部と、前記伝達部の他端側に接続された被取付部と、が同一平面上に金属で一体に構成された構造体と、
前記伝達部に設けられ、前記伝達部に振動を付与することで前記ミラーを前記第１軸線回りに揺動させる圧電素子と、を有する可動部と、
基台部と、
前記基台部に、前記第１軸線と直交する第２軸線回りに揺動可能に取り付けられ、前記被取付部が取り付けられる揺動部と、
前記基台部に取り付けられた磁界発生部と、
前記磁界発生部が発する磁界の向きに沿って設けられ、前記揺動部に取り付けられたコイルと、を有し、前記コイルを流れる電流と前記磁界発生部が発生する磁界の相互作用により前記揺動部を第２軸線回りに揺動させる揺動駆動部とから構成され、
前記磁界発生部と前記コイルの距離よりも、前記磁界発生部と前記構造体の距離を大きく設定したことを特徴とする。
The invention according to
A mirror that reflects light, a pair of support beams that swingably support both sides of the mirror around a first axis, and extend in a direction away from the mirror, and the pair of support beams are connected to one end side. A structure in which the transmission part and the attached part connected to the other end of the transmission part are integrally formed of metal on the same plane;
A movable part provided on the transmission unit, and having a piezoelectric element that swings the mirror about the first axis by applying vibration to the transmission unit;
A base,
A swing part attached to the base part so as to be swingable around a second axis perpendicular to the first axis, and to which the attached part is attached;
A magnetic field generator attached to the base,
A coil provided along a direction of a magnetic field generated by the magnetic field generation unit and attached to the swinging unit, and the fluctuation is generated by an interaction between a current flowing through the coil and a magnetic field generated by the magnetic field generation unit. A swing drive section that swings the moving section about the second axis,
The distance between the magnetic field generator and the structure is set larger than the distance between the magnetic field generator and the coil.
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、
前記磁界発生部は、異なる磁極が相対するように、対向して一対配設され、
前記コイルは、前記一対の磁界発生部間に配設され、
前記構造体は、前記一対の磁界発生部間外に配設されていることを特徴とする。
これにより、構造体内への磁力線の通過をより抑止させることができる。このため、構造体内を磁力線が通ることにより起因する、コイル上での磁束密度の低下及び構造体の拘束がより抑止され、コイルに電流を流した際に、より応答良く可動部を第２軸線回りに揺動させることが可能となる。
The invention according to claim 2 is the invention according to
A pair of the magnetic field generators are arranged facing each other so that different magnetic poles face each other,
The coil is disposed between the pair of magnetic field generation units,
The structure is disposed outside the pair of magnetic field generation units.
Thereby, the passage of the magnetic lines of force into the structure can be further suppressed. For this reason, lowering of the magnetic flux density on the coil and restraint of the structure caused by the passage of magnetic lines of force through the structure are further suppressed, and when the current is passed through the coil, the movable part is moved more responsively to the second axis. It can be swung around.
請求項３に記載の発明は、請求項２に記載の発明において、
前記構造体は、前記第１軸線及び前記第２軸線に直交する方向に、前記磁界発生部から離間されて配設されていることを特徴とする。
これにより、２次元光走査装置が第２軸線方向に大きくならない。
The invention according to claim 3 is the invention according to claim 2,
The structure is arranged to be spaced apart from the magnetic field generator in a direction orthogonal to the first axis and the second axis.
As a result, the two-dimensional optical scanning device does not increase in the second axis direction.
請求項４に記載の発明は、請求項２に記載の発明において、
前記構造体は、前記第２軸線方向に、前記磁界発生部から離間されて配設されていることを特徴とする。
これにより、２次元光走査装置が第１軸線及び第２軸線に直交する方向に大きくならない。
The invention according to claim 4 is the invention according to claim 2,
The structure is characterized in that it is arranged in the second axis direction so as to be spaced apart from the magnetic field generator.
As a result, the two-dimensional optical scanning device does not increase in the direction perpendicular to the first axis and the second axis.
請求項５に記載の発明は、請求項２〜請求項４に記載の発明において、
前記一対の磁界発生部を接続する、磁性体で構成された閉磁部材を設けたことを特徴とする。
これにより、一対の磁界発生部間において、閉磁部材を磁力線が通る磁気回路が形成され、一対の磁界発生部から外部への磁力線の漏洩を抑止することが可能となる。このため、構造体への磁力線の作用を抑止することが可能となり、磁力線の作用による構造体の拘束を抑止することが可能となる。また、一対の磁界発生部から外部への磁力線の漏洩が抑止されることから、一対の磁界発生部間の磁束密度も増大する。このため、可動部の第２軸線回りの揺動の応答性をより高めることが可能となる。
The invention according to claim 5 is the invention according to claims 2 to 4,
A closed magnetic member made of a magnetic material for connecting the pair of magnetic field generation units is provided.
As a result, a magnetic circuit through which the magnetic lines of force pass through the closed magnetic member is formed between the pair of magnetic field generation units, and leakage of the magnetic field lines from the pair of magnetic field generation units to the outside can be suppressed. For this reason, it becomes possible to suppress the action of the magnetic lines of force on the structure, and it is possible to suppress the restraint of the structure due to the action of the magnetic lines of force. Moreover, since the leakage of the magnetic lines of force from the pair of magnetic field generation units to the outside is suppressed, the magnetic flux density between the pair of magnetic field generation units also increases. For this reason, it becomes possible to further improve the responsiveness of the swing of the movable part around the second axis.
請求項６に記載の発明は、請求項１〜請求項５に記載の発明において、
前記揺動部は、前記基台部に回動可能に軸支されていることを特徴とする。
これにより、揺動部が回動する際の抵抗が低減する。このため、可動部の第２軸線回りの揺動の応答性をより高めることが可能となる。
また、ねじれ梁で構成された揺動部を揺動可能に基台に取り付けた構成では、揺動部が揺動した際に、ねじれ梁である揺動部に復元力が作用してしまうため、揺動部が単振動してしまい、可動部を狙い通りの位置に揺動させることが困難である一方で、前記揺動部を、前記基台部に回動可能に軸支させると、可動部を狙い通りの位置に揺動させることが可能となる。
The invention according to claim 6 is the invention according to
The swinging part is pivotally supported by the base part so as to be rotatable.
Thereby, the resistance at the time of a rocking | swiveling part rotating reduces. For this reason, it becomes possible to further improve the responsiveness of the swing of the movable part around the second axis.
In addition, in the configuration in which the swinging portion composed of the torsion beam is attached to the base so as to be swingable, when the swinging portion swings, a restoring force acts on the swinging portion that is the torsion beam. When the swinging part is oscillated and it is difficult to swing the movable part to the target position, the swinging part is pivotally supported on the base part. It is possible to swing the movable part to a target position.
請求項７に記載の発明は、請求項１〜請求項６に記載の発明において、
前記ミラー表面を、前記第２軸線が通るように、前記ミラーが形成されていることを特徴とする。
これにより、可動部が回動したとしても、ミラーの表面が常に第２軸線上にあるので、光がミラーから外れることが防止され、常にミラーに光が入射し、途切れ無く光が２次元走査される。
The invention according to claim 7 is the invention according to
The mirror is formed so that the second axis passes through the mirror surface.
Thereby, even if the movable part rotates, the surface of the mirror is always on the second axis, so that the light is prevented from coming off the mirror, the light is always incident on the mirror, and the light is scanned two-dimensionally without interruption. Is done.
請求項８に記載の発明は、
光を反射するミラーと、前記ミラーの両側を第１軸線回りに揺動可能に支持し前記ミラーから離れる方向に延出する一対の支持梁と、一端側に前記一対の支持梁が接続される伝達部と、前記伝達部の他端側に接続された被取付部と、が同一平面上に金属で一体に構成された構造体と、
前記伝達部に設けられ、前記伝達部に振動を付与することで前記ミラーを前記第１軸線回りに揺動させる圧電素子と、を有する可動部と、
基台部と、
前記基台部に、前記第１軸線と直交する第２軸線回りに揺動可能に取り付けられ、前記被取付部が取り付けられる揺動部と、
前記基台部に取り付けられた磁界発生部と、
前記磁界発生部が発する磁界の向きと平行に形成され、前記揺動部に取り付けられたコイルと、を有し、前記コイルが発生する磁界と前記磁界発生部が発生する磁界の相互作用により前記揺動部を第２軸線回りに揺動させる揺動駆動部とから構成され、
前記ミラーが前記圧電素子により前記第１軸線回りに揺動されつつ、前記可動部が前記揺動駆動部により第２軸線回りに揺動されて、前記ミラーに入射した光束を、２次元走査させる２次元光走査装置と、
前記圧電素子に供給する駆動電流を生成する第１ドライバと、
前記コイルに供給する駆動電流を生成する第２ドライバと、
前記ミラーに入射させる光を生成する光源部と、
前記２次元光走査装置で２次元走査された光を、投影部に結像させる結像光学系を有し、
前記磁界発生部と前記コイルの距離よりも、前記磁界発生部と前記構造体の距離を大きく設定したことを特徴とする。
The invention according to claim 8 provides:
A mirror that reflects light, a pair of support beams that swingably support both sides of the mirror around a first axis, and extend in a direction away from the mirror, and the pair of support beams are connected to one end side. A structure in which the transmission part and the attached part connected to the other end of the transmission part are integrally formed of metal on the same plane;
A movable part provided on the transmission unit, and having a piezoelectric element that swings the mirror about the first axis by applying vibration to the transmission unit;
A base,
A swing part attached to the base part so as to be swingable around a second axis perpendicular to the first axis, and to which the attached part is attached;
A magnetic field generator attached to the base,
A coil formed parallel to the direction of the magnetic field generated by the magnetic field generation unit and attached to the swinging unit, and the interaction between the magnetic field generated by the coil and the magnetic field generated by the magnetic field generation unit A swing drive section that swings the swing section about the second axis,
While the mirror is oscillated around the first axis by the piezoelectric element, the movable part is oscillated around the second axis by the oscillating drive part, and the light beam incident on the mirror is two-dimensionally scanned. A two-dimensional optical scanning device;
A first driver that generates a drive current to be supplied to the piezoelectric element;
A second driver for generating a drive current to be supplied to the coil;
A light source unit that generates light incident on the mirror;
An imaging optical system that forms an image on the projection unit of the light two-dimensionally scanned by the two-dimensional optical scanning device;
The distance between the magnetic field generator and the structure is set larger than the distance between the magnetic field generator and the coil.
本発明によれば、第１軸線回りに揺動可能なミラーが形成された金属製の構造体と、この構造体に取り付けられた圧電素子とから構成され、前記ミラーで反射する光を第１軸線回りに走査する可動部と、コイルを流れる電流と前記磁界発生部が発生する磁界の相互作用により、前記可動部を第２軸線回りに揺動させることにより、前記ミラーで反射する光を第２軸線回りに走査する揺動駆動部とから構成され、前記磁界発生部と前記コイルの距離よりも、前記磁界発生部と前記構造体の距離を大きく設定する。これにより、
構造体内を磁力線が通ることにより起因する、コイル上での磁束密度の低下及び構造体の拘束が抑止され、コイルに電流を流した際に、応答良く可動部を第２軸線回りに揺動させることが可能となる。このため、光を走査する可動部を、揺動させて光を２次元走査させる構造を実現することが可能となり、装置が大きくならず、製造が困難で無い２次元光走査装置を提供することが可能となる。
According to the present invention, a metal structure having a mirror that can be swung around the first axis and a piezoelectric element attached to the structure, the light reflected by the mirror is first reflected. The movable part that scans around the axis and the interaction between the current flowing through the coil and the magnetic field generated by the magnetic field generator cause the movable part to swing around the second axis, thereby causing the light reflected by the mirror to The oscillation driving unit scans about two axes, and the distance between the magnetic field generation unit and the structure is set larger than the distance between the magnetic field generation unit and the coil. This
Reduction of magnetic flux density on the coil and restraint of the structure caused by the passage of magnetic lines of force in the structure are suppressed, and when a current is passed through the coil, the movable part swings around the second axis with good response. It becomes possible. For this reason, it is possible to realize a structure in which a movable portion that scans light is swung to perform two-dimensional scanning of light, and the two-dimensional optical scanning device that is not enlarged and difficult to manufacture is provided. Is possible.
（第１の実施形態の２次元光走査装置）
以下に図面を参照しつつ、本発明の好ましい実施の形態（第１の実施形態）を示す。図１〜図３に示されるように、第１の実施形態の２次元光走査装置５０は、揺動駆動部２０と、この揺動駆動部２０に回動可能に取り付けられた可動部１０とから構成されている。可動部１０は、ミラー１１ａに入射した光を第１軸線ａ回りに走査するものである。揺動駆動部２０は、可動部１０を第１軸線ａと直交する第２軸線ｂ回りに回動させることにより、ミラー１１ａに入射した光を第２軸線ｂ回りに走査するものである。
(Two-dimensional optical scanning device of the first embodiment)
A preferred embodiment (first embodiment) of the present invention will be described below with reference to the drawings. As shown in FIGS. 1 to 3, the two-dimensional
図１〜図３に示されるように、可動部１０は、ミラー１１ａ、支持梁１１ｂ、接続部１１ｅ、伝達部１１ｃ、被取付部１１ｄが一体形成された構造体１１と、伝達部１１ｃ上に貼設された圧電素子１２とから構成されている。
As shown in FIGS. 1 to 3, the
ミラー１１ａは、レーザ光等の光を反射する面である。ミラー１１ａは、本実施形態では、円形状であるが、これに限定されず、四角形状等であっても差し支えない。ミラー１１ａの両側には、ミラー１１ａから離れる方向に延出する支持梁１１ｂが形成されている。支持梁１１ｂの延出方向は、第１軸線ａ方向と一致している。つまり、支持梁１１ｂの中心を、第１軸線ａが通っている。この支持梁１１ｂによって、ミラー１１ａの両側が第１軸線ａ回りに揺動可能に弾性的に支持されている。つまり、支持梁１１ｂは、ミラー１１ａを第１軸線ａ回りに揺動可能支持するトーションバーとしての役割を持っている。伝達部１１ｃは四角形状であり、一辺から延出する２本の接続部１１ｅが形成されている。２本の接続部１１ｅ間に、２本の支持梁１１ｂがそれぞれ接続されている。
The
伝達部１１ｃの接続部１１ｅが形成されている辺と反対側の一端には、被取付部１１ｄが接続されている。本実施形態では、被取付部１１ｄは、長方形状となっている。本実施形態では、被取付部１１ｄは、その長手方向の中心で、伝達部１１ｃの一端と接続している。構造体１１は、非磁性体であるステンレス板に、エッチング加工やプレス加工等の除去加工が施されて、ミラー１１ａ、支持梁１１ｂ、伝達部１１ｃ、被取付部１１ｄが、同一平面上に一体に形成されて製造される。後述するように、ミラー１１ａを共振させるために、構造体１１はバネ性を有することが好ましい。そこで、構造体１１は冷間圧延されて製造されたステンレス板で構成されている。ステンレス板が仮に非磁性のステンレス材で形成されていても、冷間圧延によって、非磁性が弱磁性に変化する。そのため、ステンレス板を構成するステンレス材の種類に関わらず、構造体１１は、どうしても弱磁性となってしまう。
The attached
伝達部１１ｃ上には、セラミックス製等の圧電素子１２が取り付けられている。本実施形態では、伝達部１１ｃと圧電素子１２は、導電性接着剤で接着されている。前記導電性接着剤は、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、銅等で構成された金属フィラーを分散させたものである。まず、伝達部１１ｃ上に導電性接着剤を塗布することで、接着剤層を形成する。次に、この接着剤層上に圧電素子１２を載置した後に押圧する。そして、前記接着剤層を熱硬化させることにより、圧電素子１２を伝達部１１ｃ上に接着させている。
A
圧電素子１２に交流電圧が印加されると、圧電素子１２が振動し、この振動により一対の支持梁１１ｂが第１軸線ａを中心にねじれ振動される。すると、ミラー１１ａが共振して、第１軸線ａ回りに揺動し、ミラー１１ａに入射した光が第１軸線ａ回りに走査される。
When an AC voltage is applied to the
次に、揺動駆動部２０について説明する。図１〜図３に示されるように、揺動駆動部２０は、主に、基台２１、軸部材２２、平面コイル２３、磁界発生部２４とから構成されている。
Next, the
基台２１は、合成樹脂やステンレス等の非磁性体で構成されている。基台２１は、板状又はブロック状の基部２１ａと、この基部２１ａの一端から、基部２１ａの形成方向と直交する方向（上方）に延出する板状又はブロック状の支持部２１ｂとから構成されている。
The
軸部材２２は、支持部２１ｂに揺動可能に取り付けられている。本実施形態では、軸部材２２は、合成樹脂やステンレス等の非磁性体で構成されている。本実施形態では、軸部材２２の一端は、支持部材２１ｂに取り付けられた軸受２５に軸支されて回動可能となっている。図３に示される実施形態では、軸受２５は、ボールベアリングであるが、軸受２５はこれに限定されず、ローラーベアリング等の転がり軸受、磁気軸受、流体軸受、ポリテトラフルオロエチレン（テフロン（登録商標））や潤滑油等の低摩擦物質で軸部材２２と接触する滑り軸受等のラジアル軸受であっても差し支え無い。軸受２５は、合成樹脂やステンレス等の非磁性体で構成されている。
The
図３に示されるように、軸部材２２の先端には、合成樹脂等の非磁性体で構成されたスペーサ２７が、取り付けられている。図３に示されるように、スペーサ２７は、ブロック形状であり、軸部材２２の先端から垂下している。図１や図３に示されるように、構造体１１の被取付部１１ｄが、スペーサ２７の上端に載置された状態で取り付けられている。構造体１１の上面、特に、ミラー１１ａの上面は、軸部材２２の回動中心である第２軸線ｂが通っている。このため、可動部１０が回動したとしても、ミラー１１ａの表面が常に第２軸線ｂ上にあるので、光がミラー１１ａから外れてしまうことが防止され、常にミラー１１ａに光が入射し、途切れ無く光が２次元走査される。図２に示されるように、構造体１１を含む可動部１０は、第２軸線ｂを対称軸として、幅方向対称に形成されている。図３に示されるように、構造体１１は後述する一対の磁界発生部２４間の外部に配設されている。
As shown in FIG. 3, a
スペーサ２７の下端には、平板状のコイル支持部材２８が取り付けられている。コイル支持部材２８は、合成樹脂等の非磁性体で構成されている。コイル支持部材２８は、構造体１１と平行に離間して配設されている。コイル支持部材２８の基部２１ａに対向する表面には、平面コイル２３が取り付けられている。本実施形態では、平面コイル２３は、薄膜状であり、フィルム状の絶縁体（ベースフィルム）の上に接着層を形成し、さらにその上に渦巻き状の導体箔を形成したフレキシブルプリント基板（ＦＰＣ）である。本実施形態では、薄膜状の平面コイル２３は、コイル支持部材２８の下面に接着されている。このような構造により、平面コイル２３は、構造体１１と平行に離間して配設されている。言い換えると、構造体１１は、平面コイル２３と、第１軸線ａ及び第２軸線ｂと直交する方向（高さ方向）に、離間されている。なお、平面コイル２３は、ＦＰＣでなく、コイル支持部材２８上に直接コイルパターンが形成される様態であってもよい。また、平面コイル２３自体に剛性がある場合には、コイル支持部材２８は不要である。
A flat
図１に示されるように、平面コイル２３の両側には、平面コイル２３を挟むように、異なる磁極が相対するように（図４の（Ｂ）に示す）、一対の磁界発生部２４が基台１の基部１ａ上に配設されている。言い換えると、図４の（Ｂ）に示されるように、平面コイル２３は、一対の磁界発生部２４の間に、磁界発生部２４が発する磁界の向きに沿って設けられている。そして、図４の（Ｂ）に示されるように、平面コイル２３は、上下方向に関し、一対の磁界発生部２４の中間位置、つまり、一対の磁界発生部２４間の磁力線が最も強い位置に配設されている。本実施形態では、磁界発生部２４は、永久磁石であるが、電磁石であっても差し支え無い。本実施形態の磁界発生部２４はブロック形状である。
As shown in FIG. 1, a pair of
一対の磁界発生部２４は、鉄等の磁性体で構成された閉磁部材２６で接続されている。図１や図２に示される実施形態では、閉磁部材２６は、両磁界発生部２４の下面と接触する板状の連結部２６ａと、この連結部２６ａの両側から上方に立ち上がり形成され、それぞれの磁界発生部２４の側面と接触する板状の側部２６ｂとから構成されている。図４の（Ａ）に示されるように、一対の磁界発生部２４が、閉磁部材２６で接続されていない場合には、磁力線が一対の磁界発生部２４の外部に漏れてしまう。一方で、図４の（Ｂ）に示されるように、本実施形態では、一対の磁界発生部２４が閉磁部材２６で連結されているので、一対の磁界発生部２４間において、閉磁部材２６内を磁力線が通る磁気回路が形成され、磁力線が一対の磁界発生部２４の外部に殆ど漏れない。これによる効果は後述する。
なお、磁界発生部２４の下面と、閉磁部材２６aとは、必ずしも接触している必要は無く、多少離間していても差し支え無い。この構成であっても、磁界発生部２４からの磁力線は閉磁部材２６aを通り、一対の磁界発生部２４間において、閉磁部材２６内を磁力線が通る磁気回路が形成され、磁力線が一対の磁界発生部２４の外部に殆ど漏れない。
The pair of
Note that the lower surface of the magnetic
平面コイル２３に電流が流れると、平面コイル２３を流れる電流と一対の磁界発生部２４が発生する磁界の相互作用により、平面コイル２３を流れる電流（荷電粒子）にローレンツ力が作用し、軸部材２２が回動される。一対の平面コイル２３に流れる電流の方向及び電流値を制御することにより、軸部材２２を第２軸線ｂ回りの任意の回動角度に回動させることができる。軸部材２２が回動すると、ミラー１１ａもまた第２軸線ｂ回りに回動されるので、ミラー１１ａに入射した光が第２軸線ｂ回りに走査される。このように、ミラー１１ａの共振により、ミラー１１ａに入射した光が第１軸線ａ回りに走査され、ミラー１１ａの回動により、ミラー１１ａに入射した光が第２軸線ｂ回りに走査されることにより、ミラー１１ａに入射した光が２次元走査され、画像が生成される。
When a current flows through the
図５の（Ａ）は、一対の磁界発生部２４の上下方向中間位置に平面コイル２３及び構造体１１が配設されている状態における、一対の磁界発生部２４を横切り、且つ、平面コイル２３がある平面上の磁束密度を測定したグラフである。一方で、図５の（Ｂ）は、本実施形態を示す図であり、一対の磁界発生部２４の上下方向中間位置に平面コイル２３が配設され、構造体１１が平面コイル２３から離間し、一対の磁界発生部２４間外に配設されている状態における、一対の磁界発生部２４を横切り、且つ、平面コイル２３がある平面上の磁束密度を測定したグラフである。
FIG. 5A shows a pair of the
図５の（Ａ）に示されるように、構造体１１が平面コイル２３に近接して配設されると、前述したように構造体１１は弱磁性であるので、一方の磁界発生部２４から出た磁力線が、構造体１１内を通って他方の磁界発生部２４に伝わるため、平面コイル２３での磁束密度が低下してしまう。また、図５の（Ａ）に示されるような構造では、弱磁性の構造体１１内にも、磁力線が通ってしまうので、構造体１１が一対の磁力発生部２４から出る磁力線により拘束され、構造体１１の回動が阻害される。
一方で、本実施形態では、構造体１１及び平面コイル２３を、スペーサ２７を介して軸部材２２に取り付けることにより、構造体１１と平面コイル２３を離間させている。この構造により、高さ方向に関し、構造体１１と平面コイル２３を任意の位置に配設させることができる。そして、平面コイル２３を一対の磁界発生部２４の上下方向中間位置、つまり、磁束密度が最も大きい値の位置に配設させる一方で、構造体１１を平面コイル２３から離間させ、一対の磁界発生部２４間外に配設させている。このため、図５の（Ｂ）に示されるように、図５の（Ａ）の例と比較して、平面コイル２３での磁束密度が低下が抑止される。
このように、本発明では、一対の磁界発生部２４と平面コイル２３の距離よりも、一対の磁界発生部２４と構造体１１の距離を大きく設定したので、構造体１１内を磁力線が通ることにより起因する、平面コイル２３上での磁束密度の低下及び構造体１１の拘束が抑止され、平面コイル２３に電流を流した際に、応答良く可動部１０が第２軸線ｂ回りに回動される。
As shown in FIG. 5A, when the
On the other hand, in this embodiment, the
As described above, in the present invention, since the distance between the pair of magnetic
図４の（Ｂ）に示されるように、本実施形態では、一対の磁界発生部２４が閉磁部材２６で連結されているので、一対の磁界発生部２４間において、閉磁部材２６内を磁力線が通る磁気回路が形成され、磁力線が一対の磁界発生部２４の外部に殆ど漏れない。これにより、弱磁性体である構造体１１に、一対の磁界発生部２４から出た磁力線が殆ど通ること無く、前記磁力線により、構造体１１が拘束されることが無い。磁力線が外部に殆ど漏れないことから、一対の磁界発生部２４間の磁束密度も増大する。このため、平面コイル２３に電流を流した際に、応答良く可動部１０が回動する。
As shown in FIG. 4B, in the present embodiment, since the pair of
第１の実施形態では、構造体１１が、第１軸線ａ及び第２軸線ｂに直交する方向（高さ方向）に、磁界発生部２４から離間されて配設されているので、２次元光走査装置５０が、第２軸線ｂ方向（長さ方向）に大きくならない。
In the first embodiment, the
（第２の実施形態の２次元光走査装置）
図６〜図８を用いて、第１の実施形態の２次元光走査装置５０と異なる点について、以下、第２の実施形態の２次元光走査装置６０について説明する。図６〜図８に示されるように、第２の実施形態の２次元光走査装置６０は、可動部１０を第２軸線ｂ方向に移動させて、一対の磁界発生部２４間の外部に配置させた実施形態である。図６に示される実施形態では、長尺の軸部材２９の一端を、基台２１の支持部２１ｂから突出させ、軸部材２９の一端に、可動部１０を取り付け、可動部１０を基台２１の外側に配置させている。図８に示されるように、軸部材２９の一端には、軸部材２９の上端から第２軸線ｂより下側位置まで切り欠かれて形成され、平面である取付部２９ａが形成されている。そして、取付部２９ａに、構造体１１の被取付部１１ｄが載置された状態で取り付けられている。このような構造により、構造体１１の上面、特に、ミラー１１ａの上面は、軸部材２９の回動中心である第２軸線ｂが通っている。このため、可動部１０が回動したとしても、ミラー１１ａの表面が常に第２軸線ｂ上にあるので、光がミラー１１ａにから外れてしまうことが防止され、常にミラー１１ａに光が入射し、途切れ無く光が２次元走査される。図７に示されるように、構造体１１を含む可動部１０は、第２軸線ｂを対称軸として、幅方向対称に形成されている。
(Two-dimensional optical scanning device of the second embodiment)
A difference between the two-dimensional
軸部材２９の他端側には、コイル支持部材２８が取り付けられている。コイル支持部材２８には、平面コイル２３が貼設されている。第２の実施形態もまた、平面コイル２３を挟むように一対の磁界発生部２４が、配設されている。そして、平面コイル２３は、磁束密度が最も大きい値の位置、つまり、一対の磁界発生部２４の上下方向中間位置に配設されている。
A
第２の実施形態では、可動部１０を第２軸線ｂ方向に移動させて、一対の磁界発生部２４間の外に配置させているため、構造体１１に磁力線が殆ど通ることが無く、平面コイル２３上での磁束密度の低下及び構造体１１の拘束が防止され、平面コイル２３に電流を流した際に、応答良く可動部１０が回動する。
In the second embodiment, since the
第２の実施形態の、２次元光操作装置６０では、構造体１１は、第２軸線ｂ方向（長さ方向）に、磁界発生部２４から離間されて配設されている。これにより、２次元光走査装置６０が第１軸線及び第２軸線に直交する方向（高さ方向）に大きくならない。
In the two-dimensional
（画像投影装置の説明）
次に図９を用いて、画像投影装置２００の説明をする。前記した第１の実施形態及び第２の実施形態における２次元光走査装置５０、６０は、画像を形成するために光を走査する構成として、画像投影装置２００に用いることが可能である。画像投影装置２００は、観察者の瞳孔９０１に入射した光束を用いて網膜９０２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。この装置は、網膜走査型ディスプレイともいわれる。
(Description of image projector)
Next, the
画像投影装置２００は、光束生成手段１５０、光ファイバ１６１、コリメート光学系１６２、第１ドライバ１８１、第２ドライバ１８２、２次元光走査装置５０、及び、結像光学系１９０を備える。光束生成手段１５０は、映像信号処理回路１２０、光源部１３０及び光合波部１４０から構成されている。なお、第１の実施形態の２次元光走査装置５０の代わりに、第２の実施形態の２次元光走査装置６０が用いられても差し支えない。映像信号処理回路１２０は、外部から入力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
光源部１３０は、Ｂレーザドライバ１３１、Ｇレーザドライバ１３２、Ｒレーザドライバ１３３、Ｂレーザ１３４、Ｇレーザ１３５及びＲレーザ１３６を備える。Ｂレーザドライバ１３１は、映像信号処理回路１２０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１３４を駆動する。Ｇレーザドライバ１３２は、映像信号処理回路１２０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１３５を駆動する。Ｒレーザドライバ１３３は、映像信号処理回路１２０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１３６を駆動する。Ｂレーザ１３４，Ｇレーザ１３５及びＲレーザ１３６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
光合波部１４０は、コリメート光学系１４１、１４２、１４３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１４４、１４５、１４６と、合波されたレーザ光を光ファイバ１６１に導く集光光学系１４７とを備える。Ｂレーザ１３４から出射した青色レーザ光は、コリメート光学系１４１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１４４に入射する。Ｇレーザ１３５から出射した緑色レーザ光は、コリメート光学系１４２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１４５に入射する。Ｒレーザ１３６から出射した赤色レーザ光は、コリメート光学系１４３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１４６に入射する。ダイクロイックミラー１４４、１４５、１４６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１４７に達する。合波されたレーザ光は、集光光学系１４７によって集光され、光ファイバ１６１へ入射する。
The
第１ドライバ１８１は、映像信号処理回路１２０から出力される垂直同期信号に基づいて、２次元光走査装置５０の圧電素子１２に供給する駆動電流を生成するものである。第１ドライバ１８１の出力側は、圧電素子１２と接続している。
第２ドライバ１８２は、映像信号処理回路１２０から出力される水平同期信号に基づいて、２次元光走査装置５０の平面コイル２３に供給する駆動電流を生成するものである。第２ドライバ１８２の出力側は、平面コイル２３に接続している。
The
The
光ファイバ１６１から出射したレーザ光は、コリメート光学系１６２によって平行光化される。平行光化されたレーザ光は、２次元光走査装置５０のミラー１１ａに入射する。 ２次元光走査装置５０の圧電素子１２は、第１ドライバ１８１から供給される駆動電流によって、ミラー１１ａを振動させることにより揺動させ、ミラー１１ａに入射したレーザ光を垂直方向に走査させる。
２次元光走査装置５０の平面コイル２３は、第２ドライバ１８２から供給される駆動電流によって、可動部１０を回動させ、ミラー１１ａに入射したレーザ光を水平方向に走査させる。
なお、水平方向は、例えば使用者に対して左右方向である。また、垂直方向は、例えば使用者に対して上下方向である。２次元光走査装置５０のミラー１１ａに入射したレーザ光は、水平方向及び垂直方向に走査された２次元走査光に変換される。結像光学系１９０は、単一或いは複数のレンズから構成されている。２次元走査光は、結像光学系１９０によって結像される。言い換えると、２次元走査光は、結像光学系１９０を介して、観測者の瞳孔９０１に平行光線として入射する。即ち、画像が観測者に提示される。
なお、圧電素子１２による垂直走査は高速であり、これと比較して、可動部１０の回動による水平走査は低速である。
Laser light emitted from the
The
The horizontal direction is, for example, the left-right direction with respect to the user. Further, the vertical direction is, for example, a vertical direction with respect to the user. The laser light incident on the
In addition, the vertical scanning by the
以上説明した実施形態では、第１ドライバ１８１は、映像信号処理回路１２０から出力される垂直同期信号に基づいて、２次元光走査装置５０の圧電素子１２に供給する駆動電流を生成しているが、第１ドライバ１８１は、映像信号処理回路１２０から出力される水平同期信号に基づいて、２次元光走査装置５０の圧電素子１２に供給する駆動電流を生成する実施形態でも差し支え無い。同様に、第２ドライバ１８２は、映像信号処理回路１２０から出力される垂直同期信号に基づいて、２次元光走査装置５０の平面コイル２３に供給する駆動電流を生成する実施形態でも差し支え無い。この実施形態の場合には、２次元光走査装置５０の圧電素子１２は、第１ドライバ１８１から供給される駆動電流によって、ミラー１１ａを共振させ、ミラー１１ａに入射したレーザ光を水平方向に走査させる。また、２次元光走査装置５０の平面コイル２３は、第２ドライバ１８２から供給される駆動電流によって、可動部１０を回動させ、ミラー１１ａに入射したレーザ光を垂直方向に走査させる。
In the embodiment described above, the
以上説明した実施形態では、光源部１３０は、レーザドライバ１３１〜１３３とレーザ１３４〜１３６とから構成されているが、光源部１３０は、電球、冷陰極管等の蛍光管、ＬＥＤ等であっても差し支え無い。
なお、網膜走査型ディスプレイの例で画像投影装置２００を説明したが、壁面やスクリーンに画像を投影する画像投影装置２００にも本発明の２次元光走査装置５０、６０を使用可能なことは言うまでもない。
In the embodiment described above, the
Although the
以上説明した実施形態では、磁界発生部２４は２個であり、一対の磁界発生部２４で平面コイル２３を挟むように配設されているが、１個の磁界発生部２４で、平面コイル２３に磁界を作用させて、可動部１０を回動させる実施形態であっても差し支え無い。この実施形態であっても、磁界発生部２４と平面コイル２３の距離よりも、磁界発生部２４と構造体１１の距離を大きく設定して、構造体１１内を磁力線が通ることに起因する、平面コイル２３上での磁束密度の低下及び構造体１１の拘束が防止されるようになっている。なお、一対の磁界発生部２４が、平面コイル２３を挟むように配設されている実施形態のほうが、平面コイル２３に作用する磁界が強く、応答良く可動部１０を回動させることができるので、好ましい。
なお、平面コイル２３の代わりに巻き線コイル等のコイルを使用した実施形態であっても差し支え無く、このような実施形態であっても、本発明の技術的思想が適用可能であることは言うまでもない。
In the embodiment described above, the number of the
It should be noted that an embodiment using a coil such as a wound coil instead of the
以上説明した実施形態では、軸部材２２、２９は、軸受２５によって、回動可能に基台２１に軸支されているが、軸部材２２、２９の代わりに、ねじれ梁で構成された揺動部を揺動可能に基台に取り付けた実施形態であっても差し支え無い。この実施形態の場合には、平面コイル２３を流れる電流（荷電粒子）と磁界発生部２４が発生する磁界の相互作用により前記揺動部が第２軸線ｂ回りに揺動されて、可動部１０もまた第２軸線ｂ回りに揺動される。なお、軸部材２２、２９は、軸受２５によって、回動可能に基台２１に軸支されていることが好ましい。これは、軸部材２２、２９の代わりに、ねじれ梁で構成された揺動部を揺動可能に基台に取り付けると、揺動部が揺動した際に、ねじれ梁である揺動部に復元力が作用してしまうため、揺動部が単振動してしまうからであり、可動部１０を狙い通りの位置に揺動させることが困難であるからである。
また、揺動部はねじれ梁であるため、揺動部を揺動させるのに、大きな力を揺動部にさせる必要があるからである。軸部材２２、２９が、軸受２５によって、回動可能に基台２１に軸支されている実施形態では、軸部材２２、２９が回動する際の摺動抵抗は小さいことから、可動部１０の第２軸線ｂ回りの回動の応答性が良い。
In the embodiment described above, the
Further, since the swinging part is a torsion beam, it is necessary to apply a large force to the swinging part in order to swing the swinging part. In the embodiment in which the
以上、現時点において、もっとも、実践的であり、かつ好ましいと思われる実施形態に関連して本発明を説明したが、本発明は、本願明細書中に開示された実施形態に限定されるものではなく、請求の範囲および明細書全体から読み取れる発明の要旨あるいは思想に反しない範囲で適宜変更可能であり、そのような変更を伴う２次元光走査装置及びこれを用いた画像投影装置もまた技術的範囲に包含されるものとして理解されなければならない。 Although the present invention has been described above in connection with the most practical and preferred embodiments at the present time, the present invention is not limited to the embodiments disclosed herein. The two-dimensional optical scanning apparatus and the image projection apparatus using the two-dimensional optical scanning apparatus can be changed as appropriate without departing from the spirit or concept of the invention that can be read from the claims and the entire specification. It should be understood as encompassed by the scope.
１０ 可動部
１１ 構造体
１１ａ ミラー
１１ｂ 支持梁
１１ｃ 伝達部
１１ｄ 被取付部
１１ｅ 接続部
１２ 圧電素子
２０ 揺動駆動部
２１ 基台
２２ 軸部材（第１の実施形態）
２３ 平面コイル
２４ 磁界発生部（永久磁石）
２５ 軸受
２６ 閉磁部材
２７ スペーサ
２９ 軸部材（第２の実施形態）
５０ ２次元光走査装置（第１の実施形態）
６０ ２次元光走査装置（第２の実施形態）
２００ 画像投影装置
ａ 第１軸線
ｂ 第２軸線
DESCRIPTION OF
23
25
50 Two-dimensional optical scanning device (first embodiment)
60 Two-dimensional optical scanning device (second embodiment)
200 Image Projector a First Axis b Second Axis
Claims (8)
前記伝達部に設けられ、前記伝達部に振動を付与することで前記ミラーを前記第１軸線回りに揺動させる圧電素子と、を有する可動部と、
基台部と、
前記基台部に、前記第１軸線と直交する第２軸線回りに揺動可能に取り付けられ、前記被取付部が取り付けられる揺動部と、
前記基台部に取り付けられた磁界発生部と、
前記磁界発生部が発する磁界の向きに沿って設けられ、前記揺動部に取り付けられたコイルと、を有し、前記コイルを流れる電流と前記磁界発生部が発生する磁界の相互作用により前記揺動部を第２軸線回りに揺動させる揺動駆動部とから構成され、
前記磁界発生部と前記コイルの距離よりも、前記磁界発生部と前記構造体の距離を大きく設定したことを特徴とする２次元光走査装置。 A mirror that reflects light, a pair of support beams that swingably support both sides of the mirror around a first axis, and extend in a direction away from the mirror, and the pair of support beams are connected to one end side. A structure in which the transmission part and the attached part connected to the other end of the transmission part are integrally formed of metal on the same plane;
A movable part provided on the transmission unit, and having a piezoelectric element that swings the mirror about the first axis by applying vibration to the transmission unit;
A base,
A swing part attached to the base part so as to be swingable around a second axis perpendicular to the first axis, and to which the attached part is attached;
A magnetic field generator attached to the base,
A coil provided along a direction of a magnetic field generated by the magnetic field generation unit and attached to the swinging unit, and the fluctuation is generated by an interaction between a current flowing through the coil and a magnetic field generated by the magnetic field generation unit. A swing drive section that swings the moving section about the second axis,
A two-dimensional optical scanning device characterized in that a distance between the magnetic field generator and the structure is set larger than a distance between the magnetic field generator and the coil.
前記コイルは、前記一対の磁界発生部間に配設され、
前記構造体は、前記一対の磁界発生部間外に配設されていることを特徴とする請求項１に記載の２次元光走査装置。 A pair of the magnetic field generators are arranged facing each other so that different magnetic poles face each other,
The coil is disposed between the pair of magnetic field generation units,
The two-dimensional optical scanning device according to claim 1, wherein the structure is disposed outside between the pair of magnetic field generation units.
前記伝達部に設けられ、前記伝達部に振動を付与することで前記ミラーを前記第１軸線回りに揺動させる圧電素子と、を有する可動部と、
基台部と、
前記基台部に、前記第１軸線と直交する第２軸線回りに揺動可能に取り付けられ、前記被取付部が取り付けられる揺動部と、
前記基台部に取り付けられた磁界発生部と、
前記磁界発生部が発する磁界の向きと平行に形成され、前記揺動部に取り付けられたコイルと、を有し、前記コイルが発生する磁界と前記磁界発生部が発生する磁界の相互作用により前記揺動部を第２軸線回りに揺動させる揺動駆動部とから構成され、
前記ミラーが前記圧電素子により前記第１軸線回りに揺動されつつ、前記可動部が前記揺動駆動部により第２軸線回りに揺動されて、前記ミラーに入射した光束を、２次元走査させる２次元光走査装置と、
前記圧電素子に供給する駆動電流を生成する第１ドライバと、
前記コイルに供給する駆動電流を生成する第２ドライバと、
前記ミラーに入射させる光を生成する光源部と、
前記２次元光走査装置で２次元走査された光を、投影部に結像させる結像光学系を有し、
前記磁界発生部と前記コイルの距離よりも、前記磁界発生部と前記構造体の距離を大きく設定したことを特徴とする画像投影装置。 A mirror that reflects light, a pair of support beams that swingably support both sides of the mirror around a first axis, and extend in a direction away from the mirror, and the pair of support beams are connected to one end side. A structure in which the transmission part and the attached part connected to the other end of the transmission part are integrally formed of metal on the same plane;
A movable part provided on the transmission unit, and having a piezoelectric element that swings the mirror about the first axis by applying vibration to the transmission unit;
A base,
A swing part attached to the base part so as to be swingable around a second axis perpendicular to the first axis, and to which the attached part is attached;
A magnetic field generator attached to the base,
A coil formed parallel to the direction of the magnetic field generated by the magnetic field generation unit and attached to the swinging unit, and the interaction between the magnetic field generated by the coil and the magnetic field generated by the magnetic field generation unit A swing drive section that swings the swing section about the second axis,
While the mirror is oscillated around the first axis by the piezoelectric element, the movable part is oscillated around the second axis by the oscillating drive part, and the light beam incident on the mirror is two-dimensionally scanned. A two-dimensional optical scanning device;
A first driver that generates a drive current to be supplied to the piezoelectric element;
A second driver for generating a drive current to be supplied to the coil;
A light source unit that generates light incident on the mirror;
An imaging optical system that forms an image on the projection unit of the light two-dimensionally scanned by the two-dimensional optical scanning device;
An image projection apparatus, wherein a distance between the magnetic field generator and the structure is set larger than a distance between the magnetic field generator and the coil.
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2014186320A (en) * | 2013-02-21 | 2014-10-02 | Kyocera Corp | Piezoelectric component, light source device, and printing device |
| US9488829B2 (en) | 2012-12-21 | 2016-11-08 | Mitsubishi Electric Corporation | Optical scanning device and projector |
-
2010
- 2010-09-17 JP JP2010208827A patent/JP2012063656A/en not_active Withdrawn
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