JP2021071582A - Light deflector, image projection device, head-up display, laser head lamp, head-mounted display, object recognition device, and vehicle - Google Patents

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Abstract

To provide a light deflector that can increase the accuracy in detecting the angle of oscillation of the light deflector.SOLUTION: A light deflector comprises: a reflection part that includes a reflection surface for reflecting light; support parts that are connected with the reflection part at one ends; a stationary part that is connected with the other ends of the support parts; piezoelectric members that deform the support parts to oscillate the reflection part; a frequency detection part that detects the frequency of a driving signal input to the piezoelectric members; a displacement amount detection part that detects the amount of displacement of the piezoelectric members; and an operation part that calculates the angle of oscillation of the reflection part based at least on frequency information on the frequency detected by the frequency detection part and displacement amount information on the amount of displacement detected by the displacement amount detection part.SELECTED DRAWING: Figure 16

Description

本発明は、光偏向器、画像投影装置、ヘッドアップディスプレイ、レーザヘッドランプ、ヘッドマウントディスプレイ、物体認識装置、及び車両に関する。 The present invention relates to a light deflector, an image projection device, a head-up display, a laser headlamp, a head-mounted display, an object recognition device, and a vehicle.

近年、プロジェクタに代表される画像表示装置や、LiDAR(Light Detection And Ranging)に代表されるセンシング装置に搭載される小型光走査手段として、MEMS(Micro Electro Mechanical Systems)技術によって実現された光偏向器の開発が活発になっており、一部の用途では実用化が開始されている。これらの用途に用いられる光偏向器は、ミラー直径1mm以上、ミラー振れ角10度以上を要求され、従来の光通信用の光偏向器と比べ、ミラーサイズ、振れ角ともに増加する傾向にあることが一般的に知られている。 In recent years, a light deflector realized by MEMS (Micro Electro Mechanical Systems) technology as a small optical scanning means mounted on an image display device represented by a projector and a sensing device represented by LiDAR (Light Detection And Ranging). Development is active, and practical application has begun for some applications. Optical deflectors used in these applications are required to have a mirror diameter of 1 mm or more and a mirror runout angle of 10 degrees or more, and both the mirror size and the runout angle tend to increase as compared with conventional optical deflectors for optical communication. Is generally known.

また、光走査における光偏向角を正しく取得し、LiDARの投光タイミングや光偏向器の駆動を制御するために、光偏向器の圧電アクチュエータと並行して圧電センサを設け、その出力信号を元に光偏向器の角度を検出する方法が一般的に知られている。 Further, in order to correctly acquire the optical deflection angle in optical scanning and control the projection timing of LiDAR and the drive of the optical deflector, a piezoelectric sensor is provided in parallel with the piezoelectric actuator of the optical deflector, and the output signal is used as the source. A method of detecting the angle of a light deflector is generally known.

また、圧電センサの取得する信号を圧電アクチュエータの変位量と完全に一致させる目的で、あらかじめ測定した角度補正用データをテーブルとして記憶回路に記憶させておき、ミラーが正の角度に最大に振れた時に得られた値に補正を加えることで、ミラー最大振れ角を演算し、所望の振れ角に制御する構成が開示されている。(例えば、特許文献1参照) Further, for the purpose of completely matching the signal acquired by the piezoelectric sensor with the displacement amount of the piezoelectric actuator, the angle correction data measured in advance is stored in the storage circuit as a table, and the mirror swings to the maximum positive angle. A configuration is disclosed in which the maximum mirror runout angle is calculated by adding a correction to the value obtained at times, and the control is controlled to a desired runout angle. (See, for example, Patent Document 1)

しかしながら、従来の圧電センサによる検出方式では、光偏向器の駆動振幅や温度、さらに駆動周波数の影響を受けるため、光偏向器の揺動角である振れ角に対する圧電アクチュエータ応答が一定ではない。このため、同じ振幅の出力であっても得られる光偏向器の振れ角が正確ではなく、光偏向器において、ミラー振れ角の算出における精度の向上という点で改善の余地があった。即ち、光偏向器において揺動角の検知精度の高いものが求められていた。 However, in the conventional detection method using a piezoelectric sensor, the response of the piezoelectric actuator to the swing angle, which is the swing angle of the optical deflector, is not constant because it is affected by the drive amplitude and temperature of the optical deflector and the drive frequency. Therefore, the deflection angle of the optical deflector obtained even if the output has the same amplitude is not accurate, and there is room for improvement in improving the accuracy in calculating the mirror deflection angle in the optical deflector. That is, there has been a demand for an optical deflector having high swing angle detection accuracy.

開示の技術の一態様に係る光偏向器は、光を反射する反射面を有する反射部と、前記反射部と一端で接続される支持部と、前記支持部の他端と接続される固定部と、前記支持部を変形させて、前記反射部を揺動させる圧電部材と、前記圧電部材に入力された駆動信号の周波数を検出する周波数検出部と、前記圧電部材の変位量を検出する変位量検出部と、を有し、少なくとも、前記周波数検出部で検出された周波数の周波数情報と、前記変位量検出部で検出された変位量の変位量情報と、に基づいて、前記反射部の揺動角を演算する演算部を有することを特徴とする。 The optical deflector according to one aspect of the disclosed technique includes a reflecting portion having a reflecting surface that reflects light, a supporting portion connected to the reflecting portion at one end, and a fixed portion connected to the other end of the supporting portion. A piezoelectric member that deforms the support portion to swing the reflective portion, a frequency detection unit that detects the frequency of a drive signal input to the piezoelectric member, and a displacement that detects the amount of displacement of the piezoelectric member. The reflection unit has an amount detection unit, and is based on at least the frequency information of the frequency detected by the frequency detection unit and the displacement amount information of the displacement amount detected by the displacement amount detection unit. It is characterized by having a calculation unit for calculating the swing angle.

開示の技術によれば、光偏向器の揺動角の検知精度を高めることができる。 According to the disclosed technique, it is possible to improve the detection accuracy of the swing angle of the optical deflector.

光走査システムの一例の概略図である。It is the schematic of an example of an optical scanning system. 光走査システムの一例のハードウェア構成図である。It is a hardware block diagram of an example of an optical scanning system. 制御装置の一例の機能ブロック図である。It is a functional block diagram of an example of a control device. 光走査システムに係る処理の一例のフローチャートである。It is a flowchart of an example of the process which concerns on an optical scanning system. ヘッドアップディスプレイ装置を搭載した自動車の一例の概略図である。It is a schematic diagram of an example of an automobile equipped with a head-up display device. ヘッドアップディスプレイ装置の一例の概略図である。It is a schematic diagram of an example of a head-up display device. 光書込装置を搭載した画像形成装置の一例の概略図である。It is a schematic diagram of an example of an image forming apparatus equipped with an optical writing apparatus. 光書込装置の一例の概略図である。It is the schematic of an example of an optical writing apparatus. ライダ装置を搭載した自動車の一例の概略図である。It is a schematic diagram of an example of an automobile equipped with a rider device. ライダ装置の一例の概略図である。It is the schematic of an example of a rider device. レーザ光源の構成の一例を説明する概略図である。It is the schematic explaining an example of the structure of a laser light source. レーザヘッドランプの構成の一例を説明する概略図である。It is the schematic explaining an example of the structure of a laser headlamp. ヘッドマウントディスプレイの構成の一例を示す概略斜視図である。It is a schematic perspective view which shows an example of the structure of the head-mounted display. ヘッドマウントディスプレイの構成の一部の一例を示す図である。It is a figure which shows an example of a part of the structure of a head-mounted display. パッケージングされた可動装置の一例を示す概略図である。It is the schematic which shows an example of the packaged movable device. 第1の実施形態における光偏向器の構成図である。It is a block diagram of the light deflector in 1st Embodiment. 第1の実施形態における可動装置(1)の構成図である。It is a block diagram of the movable device (1) in 1st Embodiment. 第1の実施形態における可動装置(2)の構成図である。It is a block diagram of the movable device (2) in 1st Embodiment. 第1の実施形態における可動装置(3)の構成図である。It is a block diagram of the movable device (3) in 1st Embodiment. 第1の実施形態における可動装置(4)の構成図である。It is a block diagram of the movable device (4) in 1st Embodiment. 第1の実施形態における光偏向器の説明図である。It is explanatory drawing of the light deflector in 1st Embodiment. 第2の実施形態における光偏向器の構成図である。It is a block diagram of the light deflector in 2nd Embodiment. 第3の実施形態における光偏向器の構成図である。It is a block diagram of the light deflector in 3rd Embodiment. 第4の実施形態における光偏向器の構成図である。It is a block diagram of the light deflector in 4th Embodiment. 第5の実施形態における可動装置の構成図である。It is a block diagram of the movable device in 5th Embodiment. 第5の実施形態における可動装置の断面図である。It is sectional drawing of the movable device in 5th Embodiment. 第5の実施形態における他の可動装置の構成図である。It is a block diagram of another movable device in 5th Embodiment.

以下、本発明の実施形態について詳細に説明する。尚、同じ部材等については、同一の符号を付して説明を省略する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail. The same members and the like are designated by the same reference numerals and the description thereof will be omitted.

[光走査システム]
まず、本実施形態の可動装置を適用した光走査システムについて、図1〜図4に基づいて詳細に説明する。
[Optical scanning system]
First, the optical scanning system to which the movable device of the present embodiment is applied will be described in detail with reference to FIGS. 1 to 4.

図1には、光走査システムの一例の概略図が示されている。図1に示すように、光走査システム10は、制御装置11の制御に従って光源装置12から照射された光を可動装置13の有する反射面14により偏向して被走査面15を光走査するシステムである。 FIG. 1 shows a schematic diagram of an example of an optical scanning system. As shown in FIG. 1, the optical scanning system 10 is a system in which the light emitted from the light source device 12 is deflected by the reflecting surface 14 included in the movable device 13 under the control of the control device 11 to lightly scan the scanned surface 15. is there.

光走査システム10は、制御装置11,光源装置12、反射面14を有する可動装置13により構成される。 The optical scanning system 10 includes a control device 11, a light source device 12, and a movable device 13 having a reflecting surface 14.

制御装置11は、例えばCPU(Central Processing Unit)およびFPGA(Field-Programmable Gate Array)等を備えた電子回路ユニットである。可動装置13は、例えば反射面14を有し、反射面14を可動可能なMEMS(Micro Electromechanical Systems)デバイスである。光源装置12は、例えばレーザを照射するレーザ装置である。なお、被走査面15は、例えばスクリーンである。 The control device 11 is an electronic circuit unit including, for example, a CPU (Central Processing Unit) and an FPGA (Field-Programmable Gate Array). The movable device 13 is, for example, a MEMS (Micro Electromechanical Systems) device having a reflecting surface 14 and capable of moving the reflecting surface 14. The light source device 12 is, for example, a laser device that irradiates a laser. The surface to be scanned 15 is, for example, a screen.

制御装置11は、取得した光走査情報に基づいて光源装置12および可動装置13の制御命令を生成し、制御命令に基づいて光源装置12および可動装置13に駆動信号を出力する。 The control device 11 generates a control command for the light source device 12 and the movable device 13 based on the acquired optical scanning information, and outputs a drive signal to the light source device 12 and the movable device 13 based on the control command.

光源装置12は、入力された駆動信号に基づいて光源の照射を行う。可動装置13は、入力された駆動信号に基づいて反射面14を1軸方向または2軸方向の少なくともいずれかに可動させる。 The light source device 12 irradiates the light source based on the input drive signal. The movable device 13 moves the reflecting surface 14 in at least one of the uniaxial direction and the biaxial direction based on the input drive signal.

これにより、例えば、光走査情報の一例である画像情報に基づいた制御装置11の制御によって、可動装置13の反射面14を所定の範囲で2軸方向に往復可動させ、反射面14に入射する光源装置12からの照射光をある1軸周りに偏向して光走査することにより、被走査面15に任意の画像を投影することができる。なお、本実施形態の可動装置の詳細および制御装置による制御の詳細については後述する。 As a result, for example, by controlling the control device 11 based on the image information which is an example of the optical scanning information, the reflecting surface 14 of the movable device 13 is reciprocated in a predetermined range in the biaxial direction and is incident on the reflecting surface 14. An arbitrary image can be projected on the surface to be scanned 15 by deflecting the irradiation light from the light source device 12 around a certain axis and scanning the light. The details of the movable device of this embodiment and the details of control by the control device will be described later.

次に、光走査システム10一例のハードウェア構成について図2を用いて説明する。図2は、光走査システム10の一例のハードウェア構成図である。図2に示すように、光走査システム10は、制御装置11、光源装置12および可動装置13を備え、それぞれが電気的に接続されている。このうち、制御装置11は、CPU20、RAM21(Random Access Memory)、ROM22(Read Only Memory)、FPGA23、外部I/F24、光源装置ドライバ25、可動装置ドライバ26を備えている。 Next, the hardware configuration of an example of the optical scanning system 10 will be described with reference to FIG. FIG. 2 is a hardware configuration diagram of an example of the optical scanning system 10. As shown in FIG. 2, the optical scanning system 10 includes a control device 11, a light source device 12, and a movable device 13, each of which is electrically connected. Of these, the control device 11 includes a CPU 20, a RAM 21 (Random Access Memory), a ROM 22 (Read Only Memory), an FPGA 23, an external I / F 24, a light source device driver 25, and a movable device driver 26.

CPU20は、ROM22等の記憶装置からプログラムやデータをRAM21上に読み出し、処理を実行して、制御装置11の全体の制御や機能を実現する演算装置である。 The CPU 20 is an arithmetic unit that reads programs and data from a storage device such as the ROM 22 onto the RAM 21 and executes processing to realize overall control and functions of the control device 11.

RAM21は、プログラムやデータを一時保持する揮発性の記憶装置である。 The RAM 21 is a volatile storage device that temporarily holds programs and data.

ROM22は、電源を切ってもプログラムやデータを保持することができる不揮発性の記憶装置であり、CPU20が光走査システム10の各機能を制御するために実行する処理用プログラムやデータを記憶している。 The ROM 22 is a non-volatile storage device capable of holding programs and data even when the power is turned off, and stores processing programs and data executed by the CPU 20 to control each function of the optical scanning system 10. There is.

FPGA23は、CPU20の処理に従って、光源装置ドライバ25および可動装置ドライバ26に適した制御信号を出力する回路である。 The FPGA 23 is a circuit that outputs a control signal suitable for the light source device driver 25 and the movable device driver 26 according to the processing of the CPU 20.

外部I/F24は、例えば外部装置やネットワーク等とのインタフェースである。外部装置には、例えば、PC(Personal Computer)等の上位装置、USBメモリ、SDカード、CD、DVD、HDD、SSD等の記憶装置が含まれる。また、ネットワークは、例えば自動車のCAN(Controller Area Network)やLAN(Local Area Network)、インターネット等である。外部I/F24は、外部装置との接続または通信を可能にする構成であればよく、外部装置ごとに外部I/F24が用意されてもよい。 The external I / F 24 is, for example, an interface with an external device, a network, or the like. The external device includes, for example, a higher-level device such as a PC (Personal Computer) and a storage device such as a USB memory, an SD card, a CD, a DVD, an HDD, and an SSD. The network is, for example, a CAN (Controller Area Network) of an automobile, a LAN (Local Area Network), the Internet, or the like. The external I / F 24 may have a configuration that enables connection or communication with an external device, and an external I / F 24 may be prepared for each external device.

光源装置ドライバ25は、入力された制御信号に従って光源装置12に駆動電圧等の駆動信号を出力する電気回路である。 The light source device driver 25 is an electric circuit that outputs a drive signal such as a drive voltage to the light source device 12 according to an input control signal.

可動装置ドライバ26は、入力された制御信号に従って可動装置13に駆動電圧等の駆動信号を出力する電気回路である。 The movable device driver 26 is an electric circuit that outputs a drive signal such as a drive voltage to the movable device 13 according to an input control signal.

制御装置11において、CPU20は、外部I/F24を介して外部装置やネットワークから光走査情報を取得する。なお、CPU20が光走査情報を取得することができる構成であればよく、制御装置11内のROM22やFPGA23に光走査情報を格納する構成としてもよいし、制御装置11内に新たにSSD等の記憶装置を設けて、その記憶装置に光走査情報を格納する構成としてもよい。 In the control device 11, the CPU 20 acquires optical scanning information from the external device or network via the external I / F 24. The configuration may be such that the CPU 20 can acquire the optical scanning information, and the optical scanning information may be stored in the ROM 22 or FPGA 23 in the control device 11, or the SSD or the like may be newly stored in the control device 11. A storage device may be provided and the optical scanning information may be stored in the storage device.

ここで、光走査情報とは、被走査面15にどのように光走査させるかを示した情報であり、例えば、光走査により画像を表示する場合は、光走査情報は画像データである。また、例えば、光走査により光書込みを行う場合は、光走査情報は書込み順や書込み箇所を示した書込みデータである。他にも、例えば、光走査により物体認識を行う場合は、光走査情報は物体認識用の光を照射するタイミングと照射範囲を示す照射データである。 Here, the optical scanning information is information indicating how the surface to be scanned 15 is optical-scanned. For example, when displaying an image by optical scanning, the optical scanning information is image data. Further, for example, when optical writing is performed by optical scanning, the optical scanning information is write data indicating the writing order and the writing location. In addition, for example, when object recognition is performed by optical scanning, the optical scanning information is irradiation data indicating the timing and irradiation range of irradiating the light for object recognition.

制御装置11は、CPU20の命令および図2に示したハードウェア構成によって、次に説明する機能構成を実現することができる。 The control device 11 can realize the functional configuration described below by the instruction of the CPU 20 and the hardware configuration shown in FIG.

次に、光走査システム10の制御装置11の機能構成について図3を用いて説明する。図3は、光走査システムの制御装置の一例の機能ブロック図である。 Next, the functional configuration of the control device 11 of the optical scanning system 10 will be described with reference to FIG. FIG. 3 is a functional block diagram of an example of a control device for an optical scanning system.

図3に示すように、制御装置11は、機能として制御部30と駆動信号出力部31とを有する。 As shown in FIG. 3, the control device 11 has a control unit 30 and a drive signal output unit 31 as functions.

制御部30は、例えばCPU20、FPGA23等により実現され、外部装置から光走査情報を取得し、光走査情報を制御信号に変換して駆動信号出力部31に出力する。例えば、制御部30は、外部装置等から画像データを光走査情報として取得し、所定の処理により画像データから制御信号を生成して駆動信号出力部31に出力する。駆動信号出力部31は、光源装置ドライバ25、可動装置ドライバ26等により実現され、入力された制御信号に基づいて光源装置12または可動装置13に駆動信号を出力する。 The control unit 30 is realized by, for example, a CPU 20, an FPGA 23, or the like, acquires optical scanning information from an external device, converts the optical scanning information into a control signal, and outputs the optical scanning information to the drive signal output unit 31. For example, the control unit 30 acquires image data as optical scanning information from an external device or the like, generates a control signal from the image data by a predetermined process, and outputs the control signal to the drive signal output unit 31. The drive signal output unit 31 is realized by the light source device driver 25, the movable device driver 26, and the like, and outputs a drive signal to the light source device 12 or the movable device 13 based on the input control signal.

駆動信号は、光源装置12または可動装置13の駆動を制御するための信号である。例えば、光源装置12においては、光源の照射タイミングおよび照射強度を制御する駆動電圧である。また、例えば、可動装置13においては、可動装置13の有する反射面14を可動させるタイミングおよび可動範囲を制御する駆動電圧である。 The drive signal is a signal for controlling the drive of the light source device 12 or the movable device 13. For example, in the light source device 12, it is a drive voltage that controls the irradiation timing and irradiation intensity of the light source. Further, for example, in the movable device 13, it is a drive voltage that controls the timing and the movable range of moving the reflective surface 14 included in the movable device 13.

次に、光走査システム10が被走査面15を光走査する処理について図4を用いて説明する。図4は、光走査システムに係る処理の一例のフローチャートである。 Next, the process of optical scanning the surface to be scanned 15 by the optical scanning system 10 will be described with reference to FIG. FIG. 4 is a flowchart of an example of processing related to the optical scanning system.

ステップS11において、制御部30は、外部装置等から光走査情報を取得する。 In step S11, the control unit 30 acquires optical scanning information from an external device or the like.

ステップS12において、制御部30は、取得した光走査情報から制御信号を生成し、制御信号を駆動信号出力部31に出力する。 In step S12, the control unit 30 generates a control signal from the acquired optical scanning information and outputs the control signal to the drive signal output unit 31.

ステップS13において、駆動信号出力部31は、入力された制御信号に基づいて駆動信号を光源装置12および可動装置13に出力する。 In step S13, the drive signal output unit 31 outputs a drive signal to the light source device 12 and the movable device 13 based on the input control signal.

ステップ14において、光源装置12は、入力された駆動信号に基づいて光照射を行う。また、可動装置13は、入力された駆動信号に基づいて反射面14の可動を行う。光源装置12および可動装置13の駆動により、任意の方向に光が偏向され、光走査される。 In step 14, the light source device 12 irradiates light based on the input drive signal. Further, the movable device 13 moves the reflecting surface 14 based on the input drive signal. By driving the light source device 12 and the movable device 13, light is deflected in an arbitrary direction and light-scanned.

なお、上記光走査システム10では、1つの制御装置11が光源装置12および可動装置13を制御する装置および機能を有しているが、光源装置用の制御装置および可動装置用の制御装置と、別体に設けてもよい。 In the optical scanning system 10, one control device 11 has a device and a function of controlling the light source device 12 and the movable device 13, but the control device for the light source device and the control device for the movable device It may be provided separately.

また、上記光走査システム10では、一つの制御装置11に光源装置12および可動装置13の制御部30の機能および駆動信号出力部31の機能を設けているが、これらの機能は別体として存在していてもよく、例えば制御部30を有した制御装置11とは別に駆動信号出力部31を有した駆動信号出力装置を設ける構成としてもよい。なお、上記光走査システム10のうち、反射面14を有した可動装置13と制御装置11により、光偏向を行う光偏向システムを構成してもよい。 Further, in the optical scanning system 10, one control device 11 is provided with a function of a control unit 30 of a light source device 12 and a movable device 13 and a function of a drive signal output unit 31, but these functions exist as separate bodies. For example, a drive signal output device having a drive signal output unit 31 may be provided separately from the control device 11 having the control unit 30. In the optical scanning system 10, a movable device 13 having a reflecting surface 14 and a control device 11 may form an optical deflection system that performs optical deflection.

[画像投影装置]
次に、本実施形態の可動装置を適用した画像投影装置について、図5および図6を用いて詳細に説明する。
[Image projection device]
Next, the image projection device to which the movable device of the present embodiment is applied will be described in detail with reference to FIGS. 5 and 6.

図5は、画像投影装置の一例であるヘッドアップディスプレイ装置500を搭載した自動車400の実施形態に係る概略図である。また、図6はヘッドアップディスプレイ装置500の一例の概略図である。 FIG. 5 is a schematic view of an embodiment of an automobile 400 equipped with a head-up display device 500, which is an example of an image projection device. Further, FIG. 6 is a schematic view of an example of the head-up display device 500.

画像投影装置は、光走査により画像を投影する装置であり、例えばヘッドアップディスプレイ装置である。 The image projection device is a device that projects an image by optical scanning, for example, a head-up display device.

図5に示すように、ヘッドアップディスプレイ装置500は、例えば、自動車400のウインドシールド(フロントガラス401等)の付近に設置される。ヘッドアップディスプレイ装置500から発せられる投射光Lがフロントガラス401で反射され、ユーザーである観察者(運転者402)に向かう。これにより、運転者402は、ヘッドアップディスプレイ装置500によって投影された画像等を虚像として視認することができる。なお、ウインドシールドの内壁面にコンバイナを設置し、コンバイナによって反射する投射光によってユーザーに虚像を視認させる構成にしてもよい。 As shown in FIG. 5, the head-up display device 500 is installed near, for example, a windshield (windshield 401, etc.) of an automobile 400. The projected light L emitted from the head-up display device 500 is reflected by the windshield 401 and heads toward the observer (driver 402) who is the user. As a result, the driver 402 can visually recognize the image or the like projected by the head-up display device 500 as a virtual image. A combiner may be installed on the inner wall surface of the windshield so that the user can visually recognize the virtual image by the projected light reflected by the combiner.

図6に示すように、ヘッドアップディスプレイ装置500は、赤色、緑色、青色のレーザ光源501R,501G,501Bからレーザ光が出射される。出射されたレーザ光は、各レーザ光源に対して設けられるコリメートレンズ502,503,504と、2つのダイクロイックミラー505,506と、光量調整部507と、から構成される入射光学系を経た後、反射面14を有する可動装置13にて偏向される。そして、偏向されたレーザ光は、自由曲面ミラー509と、中間スクリーン510と、投射ミラー511とから構成される投射光学系を経て、スクリーンに投影される。なお、上記ヘッドアップディスプレイ装置500では、レーザ光源501R,501G,501B、コリメートレンズ502,503,504、ダイクロイックミラー505,506は、光源ユニット530として光学ハウジングによってユニット化されている。 As shown in FIG. 6, the head-up display device 500 emits laser light from red, green, and blue laser light sources 501R, 501G, and 501B. The emitted laser light passes through an incident optical system composed of collimating lenses 502, 503, 504 provided for each laser light source, two dichroic mirrors 505, 506, and a light amount adjusting unit 507. It is deflected by the movable device 13 having the reflecting surface 14. Then, the deflected laser beam is projected onto the screen via a projection optical system including a free-form surface mirror 509, an intermediate screen 510, and a projection mirror 511. In the head-up display device 500, the laser light sources 501R, 501G, 501B, the collimating lenses 502, 503, 504, and the dichroic mirrors 505 and 506 are unitized by an optical housing as a light source unit 530.

上記ヘッドアップディスプレイ装置500は、中間スクリーン510に表示される中間像を自動車400のフロントガラス401に投射することで、その中間像を運転者402に虚像として視認させる。 The head-up display device 500 projects the intermediate image displayed on the intermediate screen 510 onto the windshield 401 of the automobile 400, so that the driver 402 visually recognizes the intermediate image as a virtual image.

レーザ光源501R,501G,501Bから発せられる各色レーザ光は、それぞれ、コリメートレンズ502,503,504で略平行光とされ、合成部となる2つのダイクロイックミラー505,506により合成される。合成されたレーザ光は、光量調整部507で光量が調整された後、反射面14を有する可動装置13によって二次元走査される。可動装置13で二次元走査された投射光Lは、自由曲面ミラー509で反射されて歪みを補正された後、中間スクリーン510に集光され、中間像を表示する。中間スクリーン510は、マイクロレンズが二次元配置されたマイクロレンズアレイで構成されており、中間スクリーン510に入射してくる投射光Lをマイクロレンズ単位で拡大する。 The laser light of each color emitted from the laser light sources 501R, 501G, and 501B is made substantially parallel light by the collimated lenses 502, 503, and 504, and is synthesized by the two dichroic mirrors 505 and 506, which are the compositing units. The combined laser light is two-dimensionally scanned by the movable device 13 having the reflecting surface 14 after the light amount is adjusted by the light amount adjusting unit 507. The projected light L two-dimensionally scanned by the movable device 13 is reflected by the free-form surface mirror 509, corrected for distortion, and then condensed on the intermediate screen 510 to display an intermediate image. The intermediate screen 510 is composed of a microlens array in which microlenses are two-dimensionally arranged, and magnifies the projected light L incident on the intermediate screen 510 in microlens units.

可動装置13は、反射面14を2軸方向に往復可動させ、反射面14に入射する投射光Lを二次元走査する。この可動装置13の駆動制御は、レーザ光源501R,501G,501Bの発光タイミングに同期して行われる。 The movable device 13 reciprocates the reflecting surface 14 in the biaxial direction, and two-dimensionally scans the projected light L incident on the reflecting surface 14. The drive control of the movable device 13 is performed in synchronization with the light emission timing of the laser light sources 501R, 501G, and 501B.

以上、画像投影装置の一例としてのヘッドアップディスプレイ装置500の説明をしたが、画像投影装置は、反射面14を有した可動装置13により光走査を行うことで画像を投影する装置であればよい。例えば、机等に置かれ、表示スクリーン上に画像を投影するプロジェクタや、観測者の頭部等に装着される装着部材に搭載され、装着部材が有する反射透過スクリーンに投影、または眼球をスクリーンとして画像を投影するヘッドマウントディスプレイ装置等にも、同様に適用することができる。 The head-up display device 500 as an example of the image projection device has been described above, but the image projection device may be a device that projects an image by performing optical scanning by a movable device 13 having a reflecting surface 14. .. For example, it is mounted on a projector that is placed on a desk or the like and projects an image on a display screen, or is mounted on a mounting member that is mounted on an observer's head or the like, and is projected onto a reflection / transmission screen of the mounting member, or the eyeball is used as a screen. The same can be applied to a head-mounted display device or the like that projects an image.

また、画像投影装置は、車両や装着部材だけでなく、例えば、航空機、船舶、移動式ロボット等の移動体、あるいは、その場から移動せずにマニピュレータ等の駆動対象を操作する作業ロボットなどの非移動体に搭載されてもよい。 Further, the image projection device is not only a vehicle or a mounting member, but also a moving body such as an aircraft, a ship, or a mobile robot, or a work robot that operates a drive target such as a manipulator without moving from the place. It may be mounted on a non-moving body.

尚、ヘッドアップディスプレイ装置500は、特許請求の範囲に記載の「ヘッドアップディスプレイ」の一例である。また自動車400は、特許請求の範囲に記載の「車両」の一例である。 The head-up display device 500 is an example of the "head-up display" described in the claims. The automobile 400 is an example of the "vehicle" described in the claims.

[光書込装置]
次に、本実施形態の可動装置13を適用した光書込装置について図7および図8を用いて詳細に説明する。
[Optical writing device]
Next, the optical writing device to which the movable device 13 of the present embodiment is applied will be described in detail with reference to FIGS. 7 and 8.

図7は、光書込装置600を組み込んだ画像形成装置の一例である。また、図8は、光書込装置の一例の概略図である。 FIG. 7 is an example of an image forming apparatus incorporating the optical writing apparatus 600. Further, FIG. 8 is a schematic view of an example of the optical writing device.

図7に示すように、上記光書込装置600は、レーザ光によるプリンタ機能を有するレーザプリンタ650等に代表される画像形成装置の構成部材として使用される。画像形成装置において光書込装置600は、1本または複数本のレーザビームで被走査面15である感光体ドラムを光走査することにより、感光体ドラムに光書込を行う。 As shown in FIG. 7, the optical writing device 600 is used as a constituent member of an image forming device represented by a laser printer 650 or the like having a printer function using laser light. In the image forming apparatus, the optical writing device 600 performs optical writing on the photoconductor drum by lightly scanning the photoconductor drum which is the surface to be scanned 15 with one or a plurality of laser beams.

図8に示すように、光書込装置600において、レーザ素子などの光源装置12からのレーザ光は、コリメートレンズなどの結像光学系601を経た後、反射面14を有する可動装置13により1軸方向または2軸方向に偏向される。そして、可動装置13で偏向されたレーザ光は、その後、第一レンズ602aと第二レンズ602b、反射ミラー部602cからなる走査光学系602を経て、被走査面15(例えば感光体ドラムや感光紙)に照射し、光書込みを行う。走査光学系602は、被走査面15にスポット状に光ビームを結像する。また、光源装置12および反射面14を有する可動装置13は、制御装置11の制御に基づき駆動する。 As shown in FIG. 8, in the optical writing device 600, the laser light from the light source device 12 such as a laser element passes through an imaging optical system 601 such as a collimating lens and then is transferred by a movable device 13 having a reflecting surface 14. It is deflected in the axial or biaxial direction. Then, the laser beam deflected by the movable device 13 passes through the scanning optical system 602 including the first lens 602a, the second lens 602b, and the reflection mirror portion 602c, and then passes through the surface to be scanned 15 (for example, a photoconductor drum or a photosensitive paper). ) Is irradiated and optical writing is performed. The scanning optical system 602 forms a spot-shaped light beam on the surface to be scanned 15. Further, the movable device 13 having the light source device 12 and the reflecting surface 14 is driven under the control of the control device 11.

このように上記光書込装置600は、レーザ光によるプリンタ機能を有する画像形成装置の構成部材として使用することができる。また、走査光学系を異ならせて1軸方向だけでなく2軸方向に光走査可能にすることで、レーザ光をサーマルメディアに偏向して光走査し、加熱することで印字するレーザラベル装置等の画像形成装置の構成部材として使用することができる。 As described above, the optical writing device 600 can be used as a constituent member of an image forming device having a printer function by laser light. Further, by making the scanning optical system different so that light scanning can be performed not only in the uniaxial direction but also in the biaxial direction, the laser beam is deflected to the thermal media to scan the light, and the laser label device for printing by heating and the like. It can be used as a constituent member of the image forming apparatus of.

上記光書込装置に適用される反射面14を有した可動装置13は、ポリゴンミラー等を用いた回転多面鏡に比べ駆動のための消費電力が小さいため、光書込装置の省電力化に有利である。また、可動装置13の振動時における風切り音は回転多面鏡に比べ小さいため、光書込装置の静粛性の改善に有利である。光書込装置は回転多面鏡に比べ設置スペースが圧倒的に少なくて済み、また可動装置13の発熱量もわずかであるため、小型化が容易であり、よって画像形成装置の小型化に有利である。 Since the movable device 13 having the reflecting surface 14 applied to the optical writing device consumes less power for driving than the rotating multifaceted mirror using a polygon mirror or the like, the power saving of the optical writing device can be achieved. It is advantageous. Further, since the wind noise when the movable device 13 vibrates is smaller than that of the rotating multifaceted mirror, it is advantageous for improving the quietness of the optical writing device. The optical writing device requires an overwhelmingly smaller installation space than a rotating multifaceted mirror, and the amount of heat generated by the movable device 13 is also small, so that it is easy to miniaturize, which is advantageous for miniaturizing the image forming device. is there.

[物体認識装置]
次に、上記本実施形態の可動装置を適用した物体認識装置について、図9および図10を用いて詳細に説明する。
[Object recognition device]
Next, the object recognition device to which the movable device of the present embodiment is applied will be described in detail with reference to FIGS. 9 and 10.

図9は、物体認識装置の一例であるライダ(LiDAR;Laser Imaging Detection and Ranging)装置を搭載した自動車の概略図である。また、図10はライダ装置の一例の概略図である。 FIG. 9 is a schematic view of an automobile equipped with a lidar (Laser Imaging Detection and Ranging) device, which is an example of an object recognition device. Further, FIG. 10 is a schematic view of an example of the rider device.

物体認識装置は、対象方向の物体を認識する装置であり、例えばライダ装置である。 The object recognition device is a device that recognizes an object in the target direction, for example, a rider device.

図9に示すように、ライダ装置700は、例えば自動車701に搭載され、対象方向を光走査して、対象方向に存在する被対象物702からの反射光を受光することで、被対象物702を認識する。 As shown in FIG. 9, the rider device 700 is mounted on, for example, an automobile 701, and by light-scanning the target direction and receiving the reflected light from the object 702 existing in the target direction, the object 702 Recognize.

図10に示すように、光源装置12から出射されたレーザ光は、発散光を略平行光とする光学系であるコリメートレンズ703と、平面ミラー704とから構成される入射光学系を経て、反射面14を有する可動装置13で1軸もしくは2軸方向に走査される。そして、投光光学系である投光レンズ705等を経て装置前方の被対象物702に照射される。光源装置12および可動装置13は、制御装置11により駆動を制御される。被対象物702で反射された反射光は、光検出器709により光検出される。すなわち、反射光は入射光検出受光光学系である集光レンズ706等を経て撮像素子707により受光され、撮像素子707は検出信号を信号処理回路708に出力する。信号処理回路708は、入力された検出信号に2値化やノイズ処理等の所定の処理を行い、結果を測距回路710に出力する。 As shown in FIG. 10, the laser light emitted from the light source device 12 is reflected through an incident optical system composed of a collimating lens 703, which is an optical system in which divergent light is substantially parallel light, and a plane mirror 704. The movable device 13 having the surface 14 scans in one or two axial directions. Then, the object 702 in front of the apparatus is irradiated through the light projecting lens 705 or the like, which is a light projecting optical system. The drive of the light source device 12 and the movable device 13 is controlled by the control device 11. The reflected light reflected by the object 702 is photodetected by the photodetector 709. That is, the reflected light is received by the image pickup device 707 via the condenser lens 706 or the like which is an incident light detection and reception optical system, and the image pickup element 707 outputs the detection signal to the signal processing circuit 708. The signal processing circuit 708 performs predetermined processing such as binarization and noise processing on the input detection signal, and outputs the result to the distance measuring circuit 710.

図11は、光源装置12であるレーザ光源の構成例を示す図である。光源装置12であるレーザ光源は、たとえば、「レイヤー」と呼ばれるレーザ素子グループが複数、同一面内に配置されたVCSELアレイ12Aで形成されている(面発光レーザアレイ)。以下の説明では、光源装置12であるレーザ光源の各レイヤーを形成する「面発光レーザ素子」を「発光素子」と略称する。VCSELアレイ12Aはレイヤー121−1〜121−mを有し、各レイヤー121は、複数の発光素子1221〜122n(以下、適宜「発光素子122」と総称する)を有する。 FIG. 11 is a diagram showing a configuration example of a laser light source which is a light source device 12. The laser light source, which is the light source device 12, is formed of, for example, a VCSEL array 12A in which a plurality of laser element groups called "layers" are arranged in the same plane (surface emitting laser array). In the following description, the "surface emitting laser element" forming each layer of the laser light source which is the light source device 12 is abbreviated as "light emitting element". The VCSEL array 12A has layers 121-1 to 121-m, and each layer 121 has a plurality of light emitting elements 1221 to 122n (hereinafter, appropriately collectively referred to as "light emitting elements 122").

発光素子122は、同一基板上に集積可能な素子であり、各発光素子122の光軸はVCSELアレイ12Aの配置面と直交する。 The light emitting element 122 is an element that can be integrated on the same substrate, and the optical axis of each light emitting element 122 is orthogonal to the arrangement surface of the VCSEL array 12A.

各レイヤー121の発光タイミングは、光源装置ドライバ25によって、それぞれ独立に制御されている。また、各レイヤー121は、そのレイヤー121内に含まれる複数の発光素子122が同時に発光するように制御されている。 The light emission timing of each layer 121 is independently controlled by the light source device driver 25. Further, each layer 121 is controlled so that a plurality of light emitting elements 122 included in the layer 121 emit light at the same time.

図11では、複数のレイヤー121が一次元的に配置されているが、複数のレイヤー121が2次元的に配置されたVCSELアレイ12Aを用いてもよい。各レイヤー121の発光素子122は、所定のピッチで細密配置またはハニカム状に配置されているが、この配置例に限定されない。発光素子122の開口の形状も六角形に限定されない。VCSELアレイ12Aのレイヤー121の数、レイヤー121内の発光素子122の数、発光領域の大きさ等は、ライダ装置700に必要とされる角度分解能、走査範囲、検出距離等によって、適宜設計される。 In FIG. 11, a plurality of layers 121 are arranged one-dimensionally, but a VCSEL array 12A in which a plurality of layers 121 are arranged two-dimensionally may be used. The light emitting elements 122 of each layer 121 are arranged in a fine arrangement or in a honeycomb shape at a predetermined pitch, but the arrangement is not limited to this. The shape of the opening of the light emitting element 122 is not limited to a hexagon. The number of layers 121 of the VCSEL array 12A, the number of light emitting elements 122 in the layer 121, the size of the light emitting region, etc. are appropriately designed according to the angular resolution, scanning range, detection distance, etc. required for the rider device 700. ..

測距回路710は、光源装置12がレーザ光を発光したタイミングと、光検出器709でレーザ光を受光したタイミングとの時間差、または受光した撮像素子707の画素ごとの位相差によって、被対象物702の有無を認識し、さらに被対象物702との距離情報を算出する。 In the distance measuring circuit 710, the object is determined by the time difference between the timing when the light source device 12 emits the laser light and the timing when the laser light is received by the photodetector 709, or the phase difference for each pixel of the light receiving image sensor 707. The presence or absence of the 702 is recognized, and the distance information to the object 702 is calculated.

反射面14を有する可動装置13は多面鏡に比べて破損しづらく、小型であるため、耐久性の高い小型のレーダ装置を提供することができる。このようなライダ装置は、例えば車両、航空機、船舶、ロボット等に取り付けられ、所定範囲を光走査して障害物の有無や障害物までの距離を認識することができる。 Since the movable device 13 having the reflecting surface 14 is less likely to be damaged and is smaller than the multifaceted mirror, it is possible to provide a compact radar device with high durability. Such a rider device can be attached to, for example, a vehicle, an aircraft, a ship, a robot, or the like, and can lightly scan a predetermined range to recognize the presence or absence of an obstacle and the distance to the obstacle.

図9は、ライダ装置700を搭載した移動体である自動車701の概略図である。ライダ装置700は自動車701のフロントガラスの上方、前座席の天井などに取り付けられる。ライダ装置700は、たとえば自動車701の進行方向に向かって光走査して、進行方向に存在する被対象物702からの反射光を受光することで、被対象物702を認識する。ライダ装置700の投光部は、例えば、MLAなどの光学素子であらかじめレーザ光の発散角を抑制して光走査することにより、可動装置13などの走査部での光損失が低減され、高い角度分解能でレーザ光を遠方まで投光することができる。 FIG. 9 is a schematic view of an automobile 701 which is a moving body equipped with a rider device 700. The rider device 700 is attached to the upper part of the windshield of the automobile 701, the ceiling of the front seat, and the like. The rider device 700 recognizes the object 702 by light scanning, for example, in the traveling direction of the automobile 701 and receiving the reflected light from the object 702 existing in the traveling direction. The light projecting unit of the rider device 700, for example, suppresses the divergence angle of the laser beam in advance with an optical element such as MLA and scans the light, so that the light loss in the scanning unit of the movable device 13 or the like is reduced and the angle is high. Laser light can be projected far away with resolution.

ライダ装置700の搭載位置は、自動車701の上部前方に限定されず、側面や後方に搭載されてもよい。ライダ装置700は、車両だけではなく、航空機、ドローンなどの飛行体、ロボット等の自律移動体など、任意の移動体に適用可能である。実施形態の投光部1の構成を採用することで、広い範囲で物体の存在とその位置を検知することができる。 The mounting position of the rider device 700 is not limited to the upper front of the automobile 701, and may be mounted on the side surface or the rear. The rider device 700 can be applied not only to vehicles but also to arbitrary moving objects such as aircraft, flying objects such as drones, and autonomous moving objects such as robots. By adopting the configuration of the light projecting unit 1 of the embodiment, the existence of an object and its position can be detected in a wide range.

上記物体認識装置では、一例としてのライダ装置700の説明をしたが、物体認識装置は、反射面14を有した可動装置13を制御装置11で制御することにより光走査を行い、光検出器により反射光を受光することで被対象物702を認識する装置であればよく、上述した実施形態に限定されるものではない。 In the above-mentioned object recognition device, the rider device 700 as an example has been described, but the object recognition device performs optical scanning by controlling the movable device 13 having the reflecting surface 14 by the control device 11, and uses a photodetector to perform optical scanning. The device may be any device that recognizes the object 702 by receiving the reflected light, and is not limited to the above-described embodiment.

例えば、手や顔を光走査して得た距離情報から形状等の物体情報を算出し、記録と参照することで対象物を認識する生体認証や、対象範囲への光走査により侵入物を認識するセキュリティセンサ、光走査により得た距離情報から形状等の物体情報を算出して認識し、3次元データとして出力する3次元スキャナの構成部材などにも同様に適用することができる。 For example, biometric authentication that recognizes an object by calculating object information such as shape from distance information obtained by light scanning the hand or face and referring to it as a record, or recognizing an intruder by light scanning the target range. It can also be applied to a security sensor, a component of a three-dimensional scanner that calculates and recognizes object information such as a shape from distance information obtained by optical scanning, and outputs it as three-dimensional data.

[レーザヘッドランプ]
次に、上記本実施形態の可動装置を自動車のヘッドライトに適用したレーザヘッドランプ50について、図12を用いて説明する。図12は、レーザヘッドランプ50の構成の一例を説明する概略図である。
[Laser headlamp]
Next, the laser headlamp 50 in which the movable device of the present embodiment is applied to the headlight of an automobile will be described with reference to FIG. FIG. 12 is a schematic view illustrating an example of the configuration of the laser headlamp 50.

レーザヘッドランプ50は、制御装置11と、光源装置12bと、反射面14を有する可動装置13と、ミラー51と、透明板52とを有する。 The laser headlamp 50 includes a control device 11, a light source device 12b, a movable device 13 having a reflecting surface 14, a mirror 51, and a transparent plate 52.

光源装置12bは、青色のレーザ光を発する光源である。光源装置12bから発せられた光は、可動装置13に入射し、反射面14にて反射される。可動装置13は、制御装置11からの信号に基づき、反射面をXY方向に可動し、光源装置12bからの青色のレーザ光をXY方向に二次元走査する。 The light source device 12b is a light source that emits a blue laser beam. The light emitted from the light source device 12b enters the movable device 13 and is reflected by the reflecting surface 14. The movable device 13 moves the reflecting surface in the XY directions based on the signal from the control device 11, and two-dimensionally scans the blue laser light from the light source device 12b in the XY directions.

可動装置13による走査光は、ミラー51で反射され、透明板52に入射する。透明板52は、表面又は裏面を黄色の蛍光体により被覆されている。ミラー51からの青色のレーザ光は、透明板52における黄色の蛍光体の被覆を通過する際に、ヘッドライトの色として法定される範囲の白色に変化する。これにより自動車の前方は、透明板52からの白色光で照明される。 The scanning light from the movable device 13 is reflected by the mirror 51 and incident on the transparent plate 52. The front surface or the back surface of the transparent plate 52 is covered with a yellow phosphor. The blue laser beam from the mirror 51 changes to white within the legal range of the headlight color as it passes through the yellow phosphor coating on the transparent plate 52. As a result, the front of the automobile is illuminated with white light from the transparent plate 52.

可動装置13による走査光は、透明板52の蛍光体を通過する際に所定の散乱をする。これにより自動車前方の照明対象における眩しさは緩和される。 The scanning light from the movable device 13 scatters in a predetermined manner when passing through the phosphor of the transparent plate 52. This alleviates the glare of the illuminated object in front of the vehicle.

可動装置13を自動車のヘッドライトに適用する場合、光源装置12b及び蛍光体の色は、それぞれ青及び黄色に限定されない。例えば、光源装置12bを近紫外線とし、透明板52を、光の三原色の青色、緑色及び赤色の各蛍光体を均一に混ぜたもので被覆してもよい。この場合でも、透明板52を通過する光を白色に変換でき、自動車の前方を白色光で照明することができる。 When the movable device 13 is applied to the headlight of an automobile, the colors of the light source device 12b and the phosphor are not limited to blue and yellow, respectively. For example, the light source device 12b may be near ultraviolet rays, and the transparent plate 52 may be coated with a uniform mixture of blue, green, and red phosphors of the three primary colors of light. Even in this case, the light passing through the transparent plate 52 can be converted to white, and the front of the automobile can be illuminated with white light.

[ヘッドマウントディスプレイ]
次に、上記本実施形態の可動装置を適用したヘッドマウントディスプレイ60について、図13〜図14を用いて説明する。ここでヘッドマウントディスプレイ60は、人間の頭部に装着可能な頭部装着型ディスプレイで、例えば、眼鏡に類する形状とすることができる。ヘッドマウントディスプレイを、以降ではHMDと省略して示す。
[Head-mounted display]
Next, the head-mounted display 60 to which the movable device of the present embodiment is applied will be described with reference to FIGS. 13 to 14. Here, the head-mounted display 60 is a head-mounted display that can be worn on a human head, and can have a shape similar to, for example, eyeglasses. The head-mounted display will be abbreviated as HMD below.

図13は、HMD60の外観を例示する斜視図である。図13において、HMD60は、左右に1組ずつ略対称に設けられたフロント60a、及びテンプル60bにより構成されている。フロント60aは、例えば、導光板61により構成することができ、光学系や制御装置等は、テンプル60bに内蔵することができる。 FIG. 13 is a perspective view illustrating the appearance of the HMD 60. In FIG. 13, the HMD 60 is composed of a front 60a and a temple 60b provided in pairs on the left and right in a substantially symmetrical manner. The front 60a can be configured by, for example, a light guide plate 61, and an optical system, a control device, and the like can be built in the temple 60b.

図14は、HMD60の構成を部分的に例示する図である。なお、図14では、左眼用の構成を例示しているが、HMD60は右眼用としても同様の構成を有している。 FIG. 14 is a diagram partially illustrating the configuration of the HMD 60. Although the configuration for the left eye is illustrated in FIG. 14, the HMD 60 has the same configuration for the right eye.

HMD60は、制御装置11と、光源ユニット530と、光量調整部507と、反射面14を有する可動装置13と、導光板61と、ハーフミラー62とを有している。 The HMD 60 includes a control device 11, a light source unit 530, a light amount adjusting unit 507, a movable device 13 having a reflecting surface 14, a light guide plate 61, and a half mirror 62.

光源ユニット530は、上述したように、レーザ光源501R、501G、及び501Bと、コリメートレンズ502、503、及び504と、ダイクロイックミラー505、及び506とを、光学ハウジングによってユニット化したものである。光源ユニット530において、レーザ光源501R、501G、及び501Bからの三色のレーザ光は、合成部となるダイクロイックミラー505及び506で合成される。光源ユニット530からは、合成された平行光が発せられる。 As described above, the light source unit 530 is a unitization of the laser light sources 501R, 501G, and 501B, the collimating lenses 502, 503, and 504, and the dichroic mirrors 505 and 506 by an optical housing. In the light source unit 530, the three-color laser beams from the laser light sources 501R, 501G, and 501B are combined by the dichroic mirrors 505 and 506, which are the compositing units. The combined parallel light is emitted from the light source unit 530.

光源ユニット530からの光は、光量調整部507により光量調整された後、可動装置13に入射する。可動装置13は、制御装置11からの信号に基づき、反射面14をXY方向に可動し、光源ユニット530からの光を二次元走査する。この可動装置13の駆動制御は、レーザ光源501R、501G、501Bの発光タイミングに同期して行われ、走査光によりカラー画像が形成される。 The light from the light source unit 530 is incident on the movable device 13 after the light amount is adjusted by the light amount adjusting unit 507. The movable device 13 moves the reflecting surface 14 in the XY directions based on the signal from the control device 11, and two-dimensionally scans the light from the light source unit 530. The drive control of the movable device 13 is performed in synchronization with the light emission timing of the laser light sources 501R, 501G, and 501B, and a color image is formed by the scanning light.

可動装置13による走査光は、導光板61に入射する。導光板61は、走査光を内壁面で反射させながらハーフミラー62に導光する。導光板61は、走査光の波長に対して透過性を有する樹脂等により形成されている。 The scanning light from the movable device 13 is incident on the light guide plate 61. The light guide plate 61 guides the scanning light to the half mirror 62 while reflecting the scanning light on the inner wall surface. The light guide plate 61 is made of a resin or the like that is transparent to the wavelength of the scanning light.

ハーフミラー62は、導光板61からの光をHMD60の背面側に反射し、HMD60の装着者63の眼の方向に出射する。ハーフミラー62は、例えば、自由曲面形状を有している。走査光による画像は、ハーフミラー62での反射により、装着者63の網膜に結像する。或いは、ハーフミラー62での反射と眼球における水晶体のレンズ効果とにより、装着者63の網膜に結像する。またハーフミラー62での反射により、画像は空間歪が補正される。装着者63は、XY方向に走査される光で形成される画像を、観察することができる。 The half mirror 62 reflects the light from the light guide plate 61 toward the back surface of the HMD 60 and emits the light toward the eyes of the wearer 63 of the HMD 60. The half mirror 62 has, for example, a free curved surface shape. The image obtained by the scanning light is imaged on the retina of the wearer 63 by reflection by the half mirror 62. Alternatively, an image is formed on the retina of the wearer 63 by the reflection by the half mirror 62 and the lens effect of the crystalline lens on the eyeball. Further, the spatial distortion of the image is corrected by the reflection by the half mirror 62. The wearer 63 can observe the image formed by the light scanned in the XY directions.

62はハーフミラーであるため、装着者63には、外界からの光による像と走査光による画像が重畳して観察される。ハーフミラー62に代えてミラーを設けることで、外界からの光をなくし、走査光による画像のみを観察できる構成としてもよい。 Since 62 is a half mirror, the image of the light from the outside world and the image of the scanning light are superimposed and observed on the wearer 63. By providing a mirror instead of the half mirror 62, the light from the outside world may be eliminated and only the image by the scanning light can be observed.

[パッケージング]
次に、本実施形態の可動装置のパッケージングについて図15を用いて説明する。
[Packaging]
Next, the packaging of the movable device of the present embodiment will be described with reference to FIG.

図15は、パッケージングされた可動装置の一例の概略図である。 FIG. 15 is a schematic view of an example of a packaged mobile device.

図15に示すように、可動装置13は、パッケージ部材801の内側に配置される取付部材802に取り付けられ、パッケージ部材801の一部を透過部材803で覆われて、密閉されることでパッケージングされる。さらに、パッケージ内は窒素等の不活性ガスが密封されている。これにより、可動装置13の酸化による劣化が抑制され、さらに温度等の環境の変化に対する耐久性が向上する。 As shown in FIG. 15, the movable device 13 is attached to the attachment member 802 arranged inside the package member 801 and is packaged by covering a part of the package member 801 with the transmission member 803 and sealing the package member 801. Will be done. Further, the package is sealed with an inert gas such as nitrogen. As a result, deterioration of the movable device 13 due to oxidation is suppressed, and durability against changes in the environment such as temperature is further improved.

以上に説明した光偏向システム、光走査システム、画像投影装置、光書込装置、物体認識装置、レーザヘッドランプ、及びヘッドマウントディスプレイに使用される本実施形態の可動装置の詳細について、以下で図面を参照しながら説明する。なお、各図面において、同一構成部分には同一符号を付し、重複した説明を省略する場合がある。 Details of the movable device of the present embodiment used for the light deflection system, the light scanning system, the image projection device, the light writing device, the object recognition device, the laser head lamp, and the head-mounted display described above are described in the drawings below. Will be explained with reference to. In each drawing, the same components may be designated by the same reference numerals, and duplicate description may be omitted.

実施形態の説明では、第1軸を回動の中心とした光走査を副走査とし、第2軸を回動の中心とした光走査を主走査とする。また実施形態の用語における回動、揺動、可動は同義であるとする。さらに、矢印により示した方向のうち、X方向は第1軸と平行な方向、Y方向は第2軸と平行な方向、Z方向はXY平面と直交する方向とする。なお、Z方向は「積層方向」の一例である。 In the description of the embodiment, the optical scan with the first axis as the center of rotation is the sub-scan, and the optical scan with the second axis as the center of rotation is the main scan. Further, it is assumed that rotation, rocking, and movement in the terms of the embodiment are synonymous. Further, among the directions indicated by the arrows, the X direction is a direction parallel to the first axis, the Y direction is a direction parallel to the second axis, and the Z direction is a direction orthogonal to the XY plane. The Z direction is an example of the "stacking direction".

〔第1の実施形態〕
第1の実施形態における光偏向器について、図16に基づき説明する。本実施形態における光偏向器201は、可動装置13、駆動回路221、変位量検出部222、温度検出部223、振幅検出部224、周波数検出部225、及び演算部226を有している。尚、駆動回路221は、圧電アクチュエータ103を駆動するための駆動信号を生成するため、駆動信号生成部と記載する場合がある。
[First Embodiment]
The light deflector in the first embodiment will be described with reference to FIG. The optical deflector 201 in this embodiment includes a movable device 13, a drive circuit 221 and a displacement amount detection unit 222, a temperature detection unit 223, an amplitude detection unit 224, a frequency detection unit 225, and a calculation unit 226. Since the drive circuit 221 generates a drive signal for driving the piezoelectric actuator 103, it may be referred to as a drive signal generation unit.

図17は、本実施形態における可動装置13の構造を示す。本実施形態における可動装置13は、光を反射する反射面14を有し可動するミラー部101、トーションバーのばね部102、駆動力を発生させる圧電アクチュエータ103、ばね部102のねじれを検出する圧電センサ104、枠状の固定部105等を有している。圧電アクチュエータ103及び圧電センサ104は、カンチレバー部106の表面に設けられており、圧電アクチュエータ103と、圧電センサ104は並行に配置されている。本願においては、ミラー部101を反射部と記載する場合がある。 FIG. 17 shows the structure of the movable device 13 in this embodiment. The movable device 13 in the present embodiment has a movable mirror portion 101 having a reflecting surface 14 that reflects light, a spring portion 102 of a torsion bar, a piezoelectric actuator 103 that generates a driving force, and a piezoelectric that detects a twist of the spring portion 102. It has a sensor 104, a frame-shaped fixing portion 105, and the like. The piezoelectric actuator 103 and the piezoelectric sensor 104 are provided on the surface of the cantilever portion 106, and the piezoelectric actuator 103 and the piezoelectric sensor 104 are arranged in parallel. In the present application, the mirror portion 101 may be referred to as a reflecting portion.

より詳細には、ミラー部101の両側の−X方向及び+X方向に、ミラー部101に接続されたばね部102が各々設けられている。各々のばね部102は、X方向に長く形成されており、各々のばね部102の一方の端部が、ミラー部101と接続されており、他方の端部が、カンチレバー部106と接続されている。各々のカンチレバー部106は、Y方向に長く形成されており、カンチレバー部106の中央部分において、ばね部102の他方の端部が接続されている。カンチレバー部106は、Y方向の両端において枠状の固定部105と接続されている。 More specifically, spring portions 102 connected to the mirror portion 101 are provided on both sides of the mirror portion 101 in the −X direction and the + X direction, respectively. Each spring portion 102 is formed long in the X direction, one end of each spring portion 102 is connected to the mirror portion 101, and the other end is connected to the cantilever portion 106. There is. Each cantilever portion 106 is formed long in the Y direction, and the other end portion of the spring portion 102 is connected to the central portion of the cantilever portion 106. The cantilever portion 106 is connected to the frame-shaped fixing portion 105 at both ends in the Y direction.

従って、ばね部102及びカンチレバー部106により形成される支持部107により、ミラー部101が支持されている。本実施形態では、カンチレバー部106の表面に設けられている圧電アクチュエータ103に電圧を印加することにより、カンチレバー部106が振動し、この振動がばね部102のねじれに変換され、ミラー部101を回動軸となる第1軸を中心に回動する。 Therefore, the mirror portion 101 is supported by the support portion 107 formed by the spring portion 102 and the cantilever portion 106. In the present embodiment, by applying a voltage to the piezoelectric actuator 103 provided on the surface of the cantilever portion 106, the cantilever portion 106 vibrates, and this vibration is converted into the twist of the spring portion 102 to rotate the mirror portion 101. It rotates around the first axis, which is the driving axis.

即ち、本実施形態における可動装置13では、駆動回路221から入力される駆動信号を受けてミラー部101を揺動させることができる。ここで、駆動信号は正弦波であり、駆動信号の周波数を、可動装置13のばね部102における固有の共振周波数f0に近い周波数とすることにより、可動装置13におけるミラー部101の振れ角を大きくすることができる。尚、本願においては、振れ角を揺動角と記載する場合がある。 That is, in the movable device 13 in the present embodiment, the mirror unit 101 can be swung by receiving the drive signal input from the drive circuit 221. Here, the drive signal is a sine wave, and by setting the frequency of the drive signal to a frequency close to the inherent resonance frequency f0 in the spring portion 102 of the movable device 13, the deflection angle of the mirror portion 101 in the movable device 13 is increased. can do. In the present application, the runout angle may be referred to as a swing angle.

従って、駆動回路221から入力される駆動信号により、圧電アクチュエータ103に力が発生し、ばね部102が変形すると、圧電センサ104からは検知信号が出力される。検知信号はミラー部101の振れ角を示す信号である。変位量検出部222は、この検知信号の信号強度を検出する。このとき検知信号の信号強度が強いとミラー部101の振れ角が大きいという状態を表し、弱いとミラー部101の振れ角が小さいという状態を表す。 Therefore, when a force is generated in the piezoelectric actuator 103 by the drive signal input from the drive circuit 221 and the spring portion 102 is deformed, a detection signal is output from the piezoelectric sensor 104. The detection signal is a signal indicating the deflection angle of the mirror unit 101. The displacement amount detection unit 222 detects the signal strength of this detection signal. At this time, if the signal strength of the detection signal is strong, it represents a state in which the runout angle of the mirror portion 101 is large, and if it is weak, it represents a state in which the runout angle of the mirror portion 101 is small.

また、温度検出部223は可動装置13の近傍に配置され、可動装置13における圧電アクチュエータ103の周囲温度を検出する。振幅検出部224は圧電アクチュエータ103に入力される駆動信号の駆動振幅を検出する。周波数検出部225は圧電アクチュエータ103に入力される駆動信号の駆動周波数を検出する。 Further, the temperature detection unit 223 is arranged in the vicinity of the movable device 13 and detects the ambient temperature of the piezoelectric actuator 103 in the movable device 13. The amplitude detection unit 224 detects the drive amplitude of the drive signal input to the piezoelectric actuator 103. The frequency detection unit 225 detects the drive frequency of the drive signal input to the piezoelectric actuator 103.

演算部226は、温度検出部223、振幅検出部224、周波数検出部225において検出した温度情報である周囲温度(T)、駆動振幅情報である駆動振幅(A)、駆動周波数情報である駆動周波数(f)より、適切な補正係数c(T、A、f)を演算する。更に、補正係数c(T、A、f)を、変位量検出部222の出力に乗算する。これにより、圧電センサ104の出力信号と実際のミラー部101の振れ角との間にある誤差を補正し、振れ角情報として出力する。本実施形態においては、周波数検出部225において検出された駆動周波数を含むことにより、より正確な補正を行うことができる。補正係数c(T、A、f)は、例えば、下記の数1に示されるような、温度(T)と駆動振幅(A)、駆動周波数(f)の一次関数の多項式を用いた演算により算出してもよいが、必ずしもこの限りではない。例えば、周囲温度(T)、駆動振幅(A)、駆動周波数(f)の非線形関数を用いた演算により算出するものであってもよい。尚、a0、a1、a2は係数であり、a3は定数である。 The calculation unit 226 includes an ambient temperature (T) which is temperature information detected by the temperature detection unit 223, an amplitude detection unit 224, and a frequency detection unit 225, a drive amplitude (A) which is drive amplitude information, and a drive frequency which is drive frequency information. From (f), an appropriate correction coefficient c (T, A, f) is calculated. Further, the correction coefficient c (T, A, f) is multiplied by the output of the displacement amount detection unit 222. As a result, the error between the output signal of the piezoelectric sensor 104 and the actual runout angle of the mirror unit 101 is corrected and output as runout angle information. In the present embodiment, more accurate correction can be performed by including the drive frequency detected by the frequency detection unit 225. The correction coefficient c (T, A, f) is calculated by, for example, an operation using a polynomial of a linear function of temperature (T), drive amplitude (A), and drive frequency (f) as shown in Equation 1 below. It may be calculated, but this is not always the case. For example, it may be calculated by calculation using a non-linear function of ambient temperature (T), drive amplitude (A), and drive frequency (f). Note that a0, a1 and a2 are coefficients, and a3 is a constant.

Figure 2021071582

固定部105は、図17に示されるように、枠状に一体で形成されたものであってもよいが、図18に示されるように、固定部105の一部に開口部105aを設けることにより、固定部105が分離されているものであってもよい。ミラー部101が設けられている部分において、第1軸に対して直交する方向、即ち、±Y方向に、開口部105aを設けることにより、ミラー部101において反射された光が、枠状の固定部105により遮断されることを防ぐことができる。
Figure 2021071582

As shown in FIG. 17, the fixing portion 105 may be integrally formed in a frame shape, but as shown in FIG. 18, an opening 105a is provided in a part of the fixing portion 105. Therefore, the fixing portion 105 may be separated. By providing the opening 105a in the direction orthogonal to the first axis, that is, in the ± Y direction in the portion where the mirror portion 101 is provided, the light reflected by the mirror portion 101 is fixed in a frame shape. It is possible to prevent the block from being blocked by the unit 105.

更に、図19に示されるように、可動装置は、ミラー部101を支持する支持部108は、複数のカンチレバー部109がミアンダ状に形成された折り返しばね構造であってもよい。各々のカンチレバー部109は、Y方向に長く形成されており、各々のカンチレバー部109の表面には、圧電アクチュエータ103及び圧電センサ104が設けられている。また、ミラー部101と折り返しばね構造の支持部108との接続位置、支持部108と固定部105との接続位置は、図19に示される位置に限定されるものではなく、他の位置であってもよい。 Further, as shown in FIG. 19, the movable device may have a folded-back spring structure in which a plurality of cantilever portions 109 are formed in a meander shape in the support portion 108 that supports the mirror portion 101. Each cantilever portion 109 is formed long in the Y direction, and a piezoelectric actuator 103 and a piezoelectric sensor 104 are provided on the surface of each cantilever portion 109. Further, the connection position between the mirror portion 101 and the support portion 108 of the folded spring structure and the connection position between the support portion 108 and the fixed portion 105 are not limited to the positions shown in FIG. You may.

図20は、図19に示される可動装置において、図18の場合と同様に、固定部105に開口部105aを設け、固定部105が分離されている構造のものである。 FIG. 20 shows a movable device shown in FIG. 19 having a structure in which an opening 105a is provided in the fixing portion 105 and the fixing portion 105 is separated, as in the case of FIG.

次に、本実施形態における光偏向器のミラー部101の振れ角と、圧電センサ104の出力の最大値について説明する。 Next, the deflection angle of the mirror portion 101 of the optical deflector and the maximum value of the output of the piezoelectric sensor 104 in the present embodiment will be described.

図21は、本実施形態における光偏向器において、可動装置13の共振周波数f0近傍におけるミラー部101のミラー振れ角の周波数特性(ミラー振れ角特性)と、変位量検出部222が検出する圧電センサ104の出力の周波数特性(検知信号特性)を示す。尚、各々の信号は共振周波数f0における値によって規格化されている。 FIG. 21 shows the frequency characteristic of the mirror runout angle (mirror runout angle characteristic) of the mirror unit 101 in the vicinity of the resonance frequency f0 of the movable device 13 and the piezoelectric sensor detected by the displacement amount detection unit 222 in the optical deflector of the present embodiment. The frequency characteristic (detection signal characteristic) of the output of 104 is shown. Each signal is standardized by the value at the resonance frequency f0.

ミラー部101の振れ角と、圧電センサ104の検知出力は、比例関係にあることが好ましく、ミラー振れ角特性と検知信号特性は、周波数の影響を受けることなく重なっていることが好ましい。しかしながら、実際に測定すると、図21に示されるように、ミラー振れ角特性と検知信号特性には、ずれが生じる。これは、圧電アクチュエータ103への駆動信号供給や、圧電センサ104からの出力信号における寄生抵抗、寄生容量により、高周波側での信号減衰が起こることが原因の一つとして考えられる。従って、このような状態では、ミラー部101の振れ角が同じであっても、周波数により圧電センサ104の出力は異なる値を示すため、可動装置のミラー部101の振れ角を正確に把握することができない。 The runout angle of the mirror unit 101 and the detection output of the piezoelectric sensor 104 are preferably in a proportional relationship, and the mirror runout angle characteristic and the detection signal characteristic are preferably overlapped without being affected by the frequency. However, when actually measured, as shown in FIG. 21, there is a discrepancy between the mirror runout angle characteristic and the detection signal characteristic. One of the causes is considered to be that signal attenuation occurs on the high frequency side due to the supply of the drive signal to the piezoelectric actuator 103, the parasitic resistance in the output signal from the piezoelectric sensor 104, and the parasitic capacitance. Therefore, in such a state, even if the runout angle of the mirror unit 101 is the same, the output of the piezoelectric sensor 104 shows a different value depending on the frequency, so that the runout angle of the mirror part 101 of the movable device must be accurately grasped. I can't.

本実施形態における光偏向器では、周波数検出部225を設け、演算部226において、周波数検出部225で得られた周波数情報を含めて補正を行うことにより、可動装置13のミラー部101の振れ角を正確に得ることができる。これにより、光偏向器の状態を正確に把握することができる。 In the optical deflector of the present embodiment, the frequency detection unit 225 is provided, and the calculation unit 226 performs correction including the frequency information obtained by the frequency detection unit 225, whereby the deflection angle of the mirror unit 101 of the movable device 13 is adjusted. Can be obtained accurately. As a result, the state of the light deflector can be accurately grasped.

以上より、第1の実施形態における光偏向器では、反射面14を有するミラー部101と、ミラー部101の周囲の固定部105と、一端がミラー部101に接続され、他端が固定部105に接続されている。ミラー部101を支持する支持部107等と、圧電駆動によりミラー部101を固定部105に対して所定の回動軸を中心に揺動させる圧電アクチュエータ103と、を備える。圧電アクチュエータ103の周囲に配置され、圧電アクチュエータ103の変位量を検出する検出部となる圧電センサ104と、圧電アクチュエータ103の周囲温度を測定する温度検出部223と、を有する。圧電アクチュエータ駆動信号の駆動振幅を検出する振幅検出部224と、圧電アクチュエータ駆動信号の駆動周波数を検出する周波数検出部225とを有する。変位量情報と、温度情報と、圧電駆動信号の振幅情報及び周波数情報に基づいて、ミラー部101の振れ角を算出する演算部226を有している。これにより、本実施形態における光偏向器では、圧電センサ104の出力信号に対し、駆動振幅、駆動周波数、周囲温度から算出する補正係数に基づいた補正を行うことができる。よって、圧電センサ104の出力から光偏向器のミラー部101の振れ角を正確に算出し、光偏向器の状態を正確に把握することが可能となる。 From the above, in the optical deflector of the first embodiment, the mirror portion 101 having the reflecting surface 14, the fixed portion 105 around the mirror portion 101, one end is connected to the mirror portion 101, and the other end is the fixed portion 105. It is connected to the. A support portion 107 or the like that supports the mirror portion 101, and a piezoelectric actuator 103 that swings the mirror portion 101 with respect to the fixed portion 105 about a predetermined rotation axis by piezoelectric drive. It has a piezoelectric sensor 104 which is arranged around the piezoelectric actuator 103 and serves as a detection unit for detecting the displacement amount of the piezoelectric actuator 103, and a temperature detection unit 223 for measuring the ambient temperature of the piezoelectric actuator 103. It has an amplitude detection unit 224 for detecting the drive amplitude of the piezoelectric actuator drive signal and a frequency detection unit 225 for detecting the drive frequency of the piezoelectric actuator drive signal. It has a calculation unit 226 that calculates the deflection angle of the mirror unit 101 based on the displacement amount information, the temperature information, the amplitude information of the piezoelectric drive signal, and the frequency information. As a result, in the optical deflector of the present embodiment, the output signal of the piezoelectric sensor 104 can be corrected based on the correction coefficient calculated from the drive amplitude, the drive frequency, and the ambient temperature. Therefore, it is possible to accurately calculate the deflection angle of the mirror portion 101 of the optical deflector from the output of the piezoelectric sensor 104 and accurately grasp the state of the optical deflector.

〔第2の実施形態〕
次に、第2の実施形態における光偏向器について、図22に基づき説明する。本実施形態における光偏向器202は、可動装置13、駆動回路221、変位量検出部222、温度検出部223、演算部226、振幅情報取得部227及び周波数情報取得部228を有する。
[Second Embodiment]
Next, the light deflector in the second embodiment will be described with reference to FIG. The optical deflector 202 in this embodiment includes a movable device 13, a drive circuit 221 and a displacement amount detection unit 222, a temperature detection unit 223, a calculation unit 226, an amplitude information acquisition unit 227, and a frequency information acquisition unit 228.

振幅情報取得部227は、駆動回路221によって生成される駆動信号の振幅情報、即ち、振幅情報を駆動回路221から取得し、その情報に基づき演算部226へ補正係数を出力する。また、周波数情報取得部228は、駆動回路221によって生成される駆動信号の周波数情報、即ち、周波数情報を駆動回路221から取得し、その情報に基づき演算部226へ補正係数を出力する。 The amplitude information acquisition unit 227 acquires the amplitude information of the drive signal generated by the drive circuit 221, that is, the amplitude information from the drive circuit 221 and outputs the correction coefficient to the calculation unit 226 based on the information. Further, the frequency information acquisition unit 228 acquires the frequency information of the drive signal generated by the drive circuit 221, that is, the frequency information from the drive circuit 221 and outputs the correction coefficient to the calculation unit 226 based on the information.

振幅情報取得部227、周波数情報取得部228はともに、駆動信号そのものから値を検出する必要はなく、各々の設定値を駆動回路221から入力することで、補正係数を算出する。演算部226は振幅情報取得部227、周波数情報取得部228、及び温度検出部223から入力される情報に基づき適切な補正係数を演算し、変位量検出部222の出力に乗算する。これにより、圧電アクチュエータ103の出力信号と、実際のミラー部101の振れ角との間の誤差を補正する。 Both the amplitude information acquisition unit 227 and the frequency information acquisition unit 228 do not need to detect the value from the drive signal itself, and calculate the correction coefficient by inputting each set value from the drive circuit 221. The calculation unit 226 calculates an appropriate correction coefficient based on the information input from the amplitude information acquisition unit 227, the frequency information acquisition unit 228, and the temperature detection unit 223, and multiplies the output of the displacement amount detection unit 222. As a result, the error between the output signal of the piezoelectric actuator 103 and the actual runout angle of the mirror unit 101 is corrected.

尚、本実施形態における可動装置13、変位量検出部222、温度検出部223に関しては、第1の実施形態と同様である。 The movable device 13, the displacement amount detection unit 222, and the temperature detection unit 223 in this embodiment are the same as those in the first embodiment.

以上より、第2の実施形態は、反射面14を有するミラー部101と、ミラー部101を支持する1または2個の固定部105と、一端がミラー部101に、他端が固定部105の連結された支持部107と、を有する。また、圧電駆動によりミラー部101を固定部105に対して所定の軸周りに揺動させる圧電アクチュエータ103とを備え、圧電アクチュエータ103の周囲に配置され、圧電アクチュエータ103の変位量を検出する検出部となる圧電センサ104と、を有する。圧電アクチュエータ103の周囲温度を測定する温度検出部223と、駆動回路221から振幅情報を取得する振幅情報取得部227と、駆動回路221から周波数情報を取得する周波数情報取得部228と、を有する。変位量情報と、温度情報と、圧電駆動信号の振幅情報及び周波数情報に基づいて、ミラー部101の振れ角を算出する演算部226を有している。これにより、本実施形態における光偏向器では、圧電センサ104の出力信号に対し、駆動信号の振幅、周波数、周囲温度から算出する補正係数に基づいた補正を行うことができる。よって、駆動周波数の影響があっても、圧電センサ104の出力からミラー部101の振れ角を正確に算出し、光偏向器202の状態をより正しく取得することができる。本実施形態は、駆動信号の振幅、周波数情報を駆動信号そのものから検出するものではなく、設定情報から取得するため、簡易な回路で精度よく補正を実施することができる。 From the above, in the second embodiment, the mirror portion 101 having the reflecting surface 14, one or two fixing portions 105 supporting the mirror portion 101, one end to the mirror portion 101, and the other end to the fixing portion 105. It has a connected support portion 107. Further, a detection unit is provided with a piezoelectric actuator 103 that swings the mirror portion 101 with respect to the fixed portion 105 about a predetermined axis by piezoelectric drive, and is arranged around the piezoelectric actuator 103 to detect the displacement amount of the piezoelectric actuator 103. It has a piezoelectric sensor 104 and the like. It has a temperature detection unit 223 for measuring the ambient temperature of the piezoelectric actuator 103, an amplitude information acquisition unit 227 for acquiring amplitude information from the drive circuit 221 and a frequency information acquisition unit 228 for acquiring frequency information from the drive circuit 221. It has a calculation unit 226 that calculates the deflection angle of the mirror unit 101 based on the displacement amount information, the temperature information, the amplitude information of the piezoelectric drive signal, and the frequency information. As a result, in the optical deflector of the present embodiment, the output signal of the piezoelectric sensor 104 can be corrected based on the correction coefficient calculated from the amplitude, frequency, and ambient temperature of the drive signal. Therefore, even if there is an influence of the drive frequency, the deflection angle of the mirror unit 101 can be accurately calculated from the output of the piezoelectric sensor 104, and the state of the optical deflector 202 can be acquired more accurately. In the present embodiment, the amplitude and frequency information of the drive signal is not detected from the drive signal itself, but is acquired from the setting information, so that the correction can be performed accurately with a simple circuit.

〔第3の実施形態〕
次に、第3の実施形態における光偏向器203について、図23に基づき説明する。本実施形態における光偏向器203は、可動装置13、駆動回路221、変位量検出部222、温度検出部223、振幅検出部224、周波数検出部225、演算部226、及び駆動振幅制御部229を有している。
[Third Embodiment]
Next, the optical deflector 203 in the third embodiment will be described with reference to FIG. 23. The optical deflector 203 in the present embodiment includes a movable device 13, a drive circuit 221 and a displacement amount detection unit 222, a temperature detection unit 223, an amplitude detection unit 224, a frequency detection unit 225, a calculation unit 226, and a drive amplitude control unit 229. Have.

駆動振幅制御部229は、外部から入力されるミラー部101の振れ角設定値と、演算部226によって算出されるミラー部101の振れ角情報から求められる振れ角最大値とを比較する。そして、ミラー部101の振れ角がミラー振れ角設定値と等しくなるように駆動回路221の振幅を変更し、ミラー部101の振れ角を制御する。制御にあたってはPID(Proportional-Integral-Differential)制御等の手法が一般的に知られている。PID制御は、入力値の制御を出力値と目標値との偏差、その積分、および微分の3つの要素によって行う方法である。 The drive amplitude control unit 229 compares the runout angle set value of the mirror unit 101 input from the outside with the maximum runout angle value obtained from the runout angle information of the mirror unit 101 calculated by the calculation unit 226. Then, the amplitude of the drive circuit 221 is changed so that the runout angle of the mirror unit 101 becomes equal to the mirror runout angle set value, and the runout angle of the mirror unit 101 is controlled. For control, a method such as PID (Proportional-Integral-Differential) control is generally known. PID control is a method of controlling an input value by three elements: a deviation between an output value and a target value, an integral thereof, and a derivative.

尚、本実施形態における可動装置13、変位量検出部222、温度検出部223、振幅検出部224、周波数検出部225、演算部226の動作は、第1の実施形態と同じである。 The operations of the movable device 13, the displacement amount detection unit 222, the temperature detection unit 223, the amplitude detection unit 224, the frequency detection unit 225, and the calculation unit 226 in this embodiment are the same as those in the first embodiment.

以上より、第3の実施形態は、反射面14を有するミラー部101と、ミラー部101を支持する1または2個の固定部105と、を有する。一端がミラー部101に、他端が固定部105にそれぞれ連結され、圧電駆動によりミラー部101を固定部105に対して所定の軸周りに揺動させる圧電アクチュエータ103とを備える。圧電アクチュエータ103へ駆動信号を入力する駆動回路221と、駆動回路221の駆動振幅を設定する駆動振幅制御部229と、圧電アクチュエータ103の変位量を検出する検出部となる圧電センサ104と、を有する。圧電アクチュエータ103の周囲温度を測定する温度検出部223と、圧電アクチュエータ駆動信号の駆動振幅を検出する振幅検出部224と、圧電アクチュエータ駆動信号の駆動周波数を検出する周波数検出部225とを有する。変位量情報と温度情報と圧電駆動信号の振幅情報及び周波数情報に基づいて、ミラー部101の振れ角を算出する演算部226を有している。このような構成とすることで、圧電センサ104の出力信号に対し、駆動振幅、駆動周波数、周囲温度から算出させる補正係数に基づいた補正を行うことができる。よって、駆動周波数の影響があっても、圧電センサ104の出力から光偏向器のミラー部101の振れ角を正確に算出し、算出して得られた振れ角に基づきミラー部101の振れ角が所望の振れ角となるように制御することができる。 From the above, the third embodiment has a mirror portion 101 having a reflecting surface 14 and one or two fixing portions 105 supporting the mirror portion 101. A piezoelectric actuator 103 is provided, one end of which is connected to the mirror portion 101 and the other end of which is connected to the fixed portion 105, and the mirror portion 101 is swung about a predetermined axis with respect to the fixed portion 105 by piezoelectric driving. It has a drive circuit 221 that inputs a drive signal to the piezoelectric actuator 103, a drive amplitude control unit 229 that sets the drive amplitude of the drive circuit 221 and a piezoelectric sensor 104 that is a detection unit that detects the displacement amount of the piezoelectric actuator 103. .. It has a temperature detection unit 223 for measuring the ambient temperature of the piezoelectric actuator 103, an amplitude detection unit 224 for detecting the drive amplitude of the piezoelectric actuator drive signal, and a frequency detection unit 225 for detecting the drive frequency of the piezoelectric actuator drive signal. It has a calculation unit 226 that calculates the deflection angle of the mirror unit 101 based on the displacement amount information, the temperature information, the amplitude information of the piezoelectric drive signal, and the frequency information. With such a configuration, the output signal of the piezoelectric sensor 104 can be corrected based on the correction coefficient calculated from the drive amplitude, the drive frequency, and the ambient temperature. Therefore, even if there is an influence of the drive frequency, the runout angle of the mirror part 101 of the optical deflector is accurately calculated from the output of the piezoelectric sensor 104, and the runout angle of the mirror part 101 is based on the calculated runout angle. It can be controlled so that the desired runout angle is obtained.

〔第4の実施形態〕
次に、第4の実施形態における光偏向器204について、図24に基づき説明する。本実施形態における光偏向器204は、可動装置13、駆動回路221、変位量検出部222、温度検出部223、演算部226、振幅情報取得部227、周波数情報取得部228及び駆動振幅制御部229を有している。
[Fourth Embodiment]
Next, the optical deflector 204 in the fourth embodiment will be described with reference to FIG. 24. The optical deflector 204 in this embodiment includes a movable device 13, a drive circuit 221 and a displacement amount detection unit 222, a temperature detection unit 223, a calculation unit 226, an amplitude information acquisition unit 227, a frequency information acquisition unit 228, and a drive amplitude control unit 229. have.

駆動振幅制御部229は、外部から入力されるミラー部101の振れ角設定値と、演算部226によって算出されるミラー部101の振れ角情報から求められる振れ角最大値とを比較する。そして、ミラー部101の振れ角がミラー振れ角設定値と等しくなるように駆動回路221の振幅を変更し、ミラー部101の振れ角を制御する。制御にあたってはPID制御等の手法が一般的に知られている。 The drive amplitude control unit 229 compares the runout angle set value of the mirror unit 101 input from the outside with the maximum runout angle value obtained from the runout angle information of the mirror unit 101 calculated by the calculation unit 226. Then, the amplitude of the drive circuit 221 is changed so that the runout angle of the mirror unit 101 becomes equal to the mirror runout angle set value, and the runout angle of the mirror unit 101 is controlled. For control, a method such as PID control is generally known.

以上より、第4の実施形態は、反射面14を有するミラー部101と、ミラー部101を支持する1または2個の固定部105と、を有する。一端がミラー部101に、他端が固定部105にそれぞれ連結され、圧電駆動によりミラー部101を固定部105に対して所定の軸周りに揺動させる圧電アクチュエータ103とを備える。圧電アクチュエータ103へ駆動信号を入力する駆動回路221と、駆動回路221の駆動振幅を設定する駆動振幅制御部229と、圧電アクチュエータ103の周囲に配置され、圧電アクチュエータ103の変位量を検出する変位量検出部222と、を有する。圧電アクチュエータ103の周囲温度を測定する温度検出部223と、駆動回路221から振幅情報を取得する振幅情報取得部227と、駆動回路221から周波数情報を取得する周波数情報取得部228とを有する。変位量情報と温度情報と振幅情報及び周波数情報に基づいて、ミラー部101の振れ角を算出する演算部226を有している。このような構成とすることで、圧電センサ104の出力信号に対し、振幅、周波数、周囲温度から算出する補正係数に基づいた補正を行うことができる。これにより、駆動周波数の影響があっても、圧電センサ104の出力から光偏向器のミラー部101の振れ角を正確に算出し、算出して得られた振れ角に基づきミラー部101の振れ角が所望の振れ角となるように制御することができる。本実施形態は、駆動信号の振幅、周波数情報を駆動信号そのものから検出することなく、設定情報から取得することができるため、簡易な回路で精度よく補正を実施することができる。 From the above, the fourth embodiment has a mirror portion 101 having a reflecting surface 14 and one or two fixing portions 105 supporting the mirror portion 101. A piezoelectric actuator 103 is provided, one end of which is connected to the mirror portion 101 and the other end of which is connected to the fixed portion 105, and the mirror portion 101 is swung about a predetermined axis with respect to the fixed portion 105 by piezoelectric driving. A drive circuit 221 that inputs a drive signal to the piezoelectric actuator 103, a drive amplitude control unit 229 that sets the drive amplitude of the drive circuit 221 and a displacement amount that is arranged around the piezoelectric actuator 103 and detects the displacement amount of the piezoelectric actuator 103. It has a detection unit 222 and. It has a temperature detection unit 223 for measuring the ambient temperature of the piezoelectric actuator 103, an amplitude information acquisition unit 227 for acquiring amplitude information from the drive circuit 221 and a frequency information acquisition unit 228 for acquiring frequency information from the drive circuit 221. It has a calculation unit 226 that calculates the deflection angle of the mirror unit 101 based on the displacement amount information, the temperature information, the amplitude information, and the frequency information. With such a configuration, the output signal of the piezoelectric sensor 104 can be corrected based on the correction coefficients calculated from the amplitude, frequency, and ambient temperature. As a result, even if there is an influence of the drive frequency, the runout angle of the mirror part 101 of the optical deflector is accurately calculated from the output of the piezoelectric sensor 104, and the runout angle of the mirror part 101 is based on the calculated runout angle. Can be controlled to have a desired runout angle. In this embodiment, since the amplitude and frequency information of the drive signal can be acquired from the setting information without being detected from the drive signal itself, the correction can be performed accurately with a simple circuit.

尚、上記以外の内容については、第2の実施形態と同様である。 The contents other than the above are the same as those in the second embodiment.

〔第5の実施形態〕
次に、第5の実施形態について説明する。本実施形態は、第1から第4の実施形態における光偏向器に適用可能な可動装置であり。具体的には、図25に示されるように、本実施形態における可動装置300は、第1軸、及び第2軸回りに回動可能な両持ちタイプ(両端支持梁)の可動装置である。
[Fifth Embodiment]
Next, a fifth embodiment will be described. The present embodiment is a movable device applicable to the light deflector according to the first to fourth embodiments. Specifically, as shown in FIG. 25, the movable device 300 in the present embodiment is a double-sided type (both end support beam) movable device that can rotate around the first axis and the second axis.

図25に示されるように、可動装置300は、可動部110と、第1駆動梁120a及び120bと、固定部140と、電極端子150とを有する。また可動部110は、反射面14を含む反射部112と、支持部113と、トーションバー115a及び115bと、第2駆動梁116a及び116bとを有する。 As shown in FIG. 25, the movable device 300 has a movable portion 110, first driving beams 120a and 120b, a fixing portion 140, and an electrode terminal 150. Further, the movable portion 110 includes a reflecting portion 112 including a reflecting surface 14, a supporting portion 113, torsion bars 115a and 115b, and second driving beams 116a and 116b.

反射部112は、シリコン層等から形成される。但しこれに限定されるものではなく、酸化材料や無機材料、有機材料等で構成してもよい。反射面14は、反射部112の正のZ方向の面上に形成される。反射面14は、アルミニウム、金、銀等を含む金属薄膜やその多層膜を用いて、図示されているように、円形状に形成される。 The reflective portion 112 is formed of a silicon layer or the like. However, the present invention is not limited to this, and may be composed of an oxidizing material, an inorganic material, an organic material, or the like. The reflecting surface 14 is formed on the surface of the reflecting portion 112 in the positive Z direction. The reflective surface 14 is formed in a circular shape as shown by using a metal thin film containing aluminum, gold, silver, or the like or a multilayer film thereof.

反射部112の負のZ方向の面には、反射部112を補強するための不図示のリブが設けられている。リブは、シリコン支持層及び酸化シリコン層等で形成され、リブを設けることで、可動時に生じる反射部112及び反射面14の変形歪が抑制されている。 A rib (not shown) for reinforcing the reflecting portion 112 is provided on the negative Z-direction surface of the reflecting portion 112. The ribs are formed of a silicon support layer, a silicon oxide layer, or the like, and by providing the ribs, deformation and distortion of the reflective portion 112 and the reflective surface 14 that occur during movement are suppressed.

トーションバー115a及び115bは、Y方向に延在し、Y方向において反射部112を挟み込むように形成される。トーションバー115aの一端は反射部112に接続され、トーションバー115bの一端は反射部112に接続されている。反射部112は、トーションバー115a及び115bにより支持されている。 The torsion bars 115a and 115b extend in the Y direction and are formed so as to sandwich the reflecting portion 112 in the Y direction. One end of the torsion bar 115a is connected to the reflecting portion 112, and one end of the torsion bar 115b is connected to the reflecting portion 112. The reflecting portion 112 is supported by torsion bars 115a and 115b.

トーションバー115aの他端は、第2駆動梁116aに接続され、トーションバー115bの他端は、第2駆動梁116bに接続されている。弾性梁である第2駆動梁116a及び116bには、正のZ方向の面に圧電部が設けられている。第2駆動梁116aは、電極端子150からレイアウトされる不図示の電気配線を通して駆動電圧が印加されると、屈曲変形してトーションバー115aにねじれを生じさせる。 The other end of the torsion bar 115a is connected to the second drive beam 116a, and the other end of the torsion bar 115b is connected to the second drive beam 116b. The second driving beams 116a and 116b, which are elastic beams, are provided with a piezoelectric portion on a surface in the positive Z direction. When a drive voltage is applied to the second drive beam 116a through an electrical wiring (not shown) laid out from the electrode terminal 150, the second drive beam 116a bends and deforms to cause the torsion bar 115a to twist.

同様に、第2駆動梁116bは、電極端子150からレイアウトされる不図示の電気配線を通して駆動電圧が印加されると、屈曲変形してトーションバー115bにねじれを生じさせる。 Similarly, when a drive voltage is applied to the second drive beam 116b through an electrical wiring (not shown) laid out from the electrode terminal 150, the second drive beam 116b bends and deforms to cause the torsion bar 115b to twist.

このようなトーションバー115a及び115bのねじれが回動力となり、反射部112は、第2軸回りに回動する。 The twisting of the torsion bars 115a and 115b serves as a rotational force, and the reflecting portion 112 rotates around the second axis.

一方、支持部113は、反射部112と、トーションバー115a及び115bと、第2駆動梁116a及び116bとを四方から囲むように形成されている。支持部113は、第2駆動梁116a及び116bに接続され、第2駆動梁116a及び116bを支持拘束する。また支持部113は、第2駆動梁116a及び116bを介して、間接的に反射部112と、トーションバー115a及び115bとを支持している。 On the other hand, the support portion 113 is formed so as to surround the reflection portion 112, the torsion bars 115a and 115b, and the second drive beams 116a and 116b from all sides. The support portion 113 is connected to the second drive beams 116a and 116b, and supports and restrains the second drive beams 116a and 116b. Further, the support portion 113 indirectly supports the reflection portion 112 and the torsion bars 115a and 115b via the second drive beams 116a and 116b.

支持部113の図中の左下角には接続部114aが形成され、支持部113は、接続部114aを介して第1駆動梁120aに接続している。接続部114aは、第1駆動梁120aとの接続箇所から正のX方向に延在して、第1駆動梁120aと支持部113とを接続している。 A connecting portion 114a is formed at the lower left corner of the support portion 113 in the drawing, and the supporting portion 113 is connected to the first drive beam 120a via the connecting portion 114a. The connecting portion 114a extends in the positive X direction from the connection portion with the first driving beam 120a and connects the first driving beam 120a and the supporting portion 113.

また支持部113の図中の右上角には接続部114bが形成され、支持部113は、接続部114bを介して第1駆動梁120bに接続している。接続部114bは、第1駆動梁120bとの接続箇所から負のX方向に延在して、第1駆動梁120bと支持部113とを接続している。 A connecting portion 114b is formed at the upper right corner of the support portion 113 in the drawing, and the supporting portion 113 is connected to the first drive beam 120b via the connecting portion 114b. The connecting portion 114b extends in the negative X direction from the connection portion with the first driving beam 120b and connects the first driving beam 120b and the supporting portion 113.

第1駆動梁120aと第1駆動梁120bは、X方向の両側から支持部113を挟み込むようにして支持する。 The first drive beam 120a and the first drive beam 120b are supported by sandwiching the support portion 113 from both sides in the X direction.

第1駆動梁120aは、複数の折り返し部と連結部を有し、複数の弾性梁が連結されたミアンダ構造を含んでいる。折り返し部により形成される弾性梁の正のZ方向の面には、それぞれ圧電部が設けられている。第1駆動梁120aの接続部114aと接続していない側の端部は、固定部140に接続され、固定部140は第1駆動梁120aを固定(支持拘束)する。 The first drive beam 120a has a plurality of folded portions and connecting portions, and includes a meander structure in which a plurality of elastic beams are connected. Piezoelectric portions are provided on the positive Z-direction surfaces of the elastic beam formed by the folded portions. The end of the first drive beam 120a on the side not connected to the connecting portion 114a is connected to the fixing portion 140, and the fixing portion 140 fixes (supports and restrains) the first driving beam 120a.

同様に第1駆動梁120bは、複数の折り返し部と連結部を有し、複数の弾性梁が連結されたミアンダ構造を含む。折り返し部により形成される弾性梁の正のZ側の面には、それぞれ圧電部が設けられている。第1駆動梁120bの接続部114bと接続していない側の端部は、固定部140に接続され、固定部140は第1駆動梁120bを固定(支持拘束)する。尚、第1駆動梁120a及び120bは、「1対の駆動梁」の一例である。 Similarly, the first drive beam 120b has a plurality of folded portions and connecting portions, and includes a meander structure in which a plurality of elastic beams are connected. Piezoelectric portions are provided on the positive Z-side surfaces of the elastic beam formed by the folded portions. The end of the first drive beam 120b on the side not connected to the connecting portion 114b is connected to the fixing portion 140, and the fixing portion 140 fixes (supports and restrains) the first driving beam 120b. The first drive beams 120a and 120b are examples of "a pair of drive beams".

図25に示すように、固定部140は、4つの枠辺を有する長方形状の枠構造をしており、4つの枠辺により、可動部110、並びに第1駆動梁120a及び120bを四方から囲んでいる。 As shown in FIG. 25, the fixed portion 140 has a rectangular frame structure having four frame sides, and the movable portion 110 and the first driving beams 120a and 120b are surrounded by the four frame sides from all sides. I'm out.

一方、第1駆動梁120a及び120bに設けられた圧電部には、電極端子150からレイアウトされる不図示の電気配線を通して駆動電圧が印加される。 On the other hand, a drive voltage is applied to the piezoelectric portions provided on the first drive beams 120a and 120b through electrical wiring (not shown) laid out from the electrode terminals 150.

ここで、第1駆動梁120aが有する複数の弾性梁うち、最も反射部112に距離が近いものから数えて偶数番目の弾性梁に設けられた圧電部を圧電駆動部群130Aとする。また第1駆動梁120bが有する複数の弾性梁のうち、最も反射部112に距離が近いものから数えて奇数番目の弾性梁に設けられた圧電部を同様に圧電駆動部群130Aとする。圧電駆動部群130Aは、駆動電圧が各圧電部に対して同時に印加されると、同一方向に屈曲変形する。この変形を回動力として、可動部110が第1軸回りに回動する。 Here, among the plurality of elastic beams included in the first driving beam 120a, the piezoelectric portion provided on the even-numbered elastic beam counting from the one closest to the reflecting portion 112 is referred to as the piezoelectric driving portion group 130A. Further, among the plurality of elastic beams included in the first driving beam 120b, the piezoelectric portion provided on the odd-numbered elastic beam counting from the one closest to the reflecting portion 112 is similarly referred to as the piezoelectric driving portion group 130A. The piezoelectric drive unit group 130A bends and deforms in the same direction when a drive voltage is applied to each piezoelectric unit at the same time. Using this deformation as rotational power, the movable portion 110 rotates around the first axis.

また、第1駆動梁120aが有する弾性梁のうち、最も反射部112に距離が近いものから数えて奇数番目の弾性梁に設けられた圧電部を圧電駆動部群130Bとする。また第1駆動梁120bが有する弾性梁のうち、最も反射部112に距離が近いものから数えて偶数番目の弾性梁を同様に圧電駆動部群130Bとする。圧電駆動部群130Bは、駆動電圧が各圧電部に対して同時に印加されると、同一方向に屈曲変形する。この変形を回動力として、可動部110が、圧電駆動部群130Aによる回動とは逆方向に第1軸回りに回動する。 Further, among the elastic beams included in the first driving beam 120a, the piezoelectric portion provided on the odd-numbered elastic beam counting from the one closest to the reflecting portion 112 is referred to as the piezoelectric driving portion group 130B. Further, among the elastic beams included in the first driving beam 120b, the even-numbered elastic beam counting from the one closest to the reflecting portion 112 is similarly referred to as the piezoelectric driving portion group 130B. The piezoelectric drive unit group 130B bends and deforms in the same direction when a drive voltage is applied to each piezoelectric unit at the same time. Using this deformation as rotational power, the movable portion 110 rotates around the first axis in the direction opposite to the rotation by the piezoelectric drive unit group 130A.

第1駆動梁120a及び120bでは、圧電駆動部群130A及び130Bが有する複数の圧電部を同時に屈曲変形させることで、屈曲変形による回動量を累積させ、可動部110の第1軸回りの振れ角度を大きくすることができる。電圧を印加された時の圧電駆動部群130Aによる可動部110の回動量と、電圧を印加された時の圧電駆動部群130Bによる可動部110の回動量が釣り合っている時は、振れ角はゼロとなる。 In the first drive beams 120a and 120b, a plurality of piezoelectric portions of the piezoelectric drive unit groups 130A and 130B are flexed and deformed at the same time to accumulate the amount of rotation due to the bending deformation, and the runout angle of the movable portion 110 around the first axis. Can be increased. When the amount of rotation of the movable part 110 by the piezoelectric drive group 130A when a voltage is applied and the amount of rotation of the movable part 110 by the piezoelectric drive group 130B when a voltage is applied are balanced, the runout angle is It becomes zero.

ここで、可動装置13を形成する基板(ウエハ)には、SOI(Silicon On Insulator)基板等の半導体を用いることができる。半導体製造技術で加工することで、可動装置13の各構成要素を一体的に形成することができる。なお、第1駆動梁120a及び120b、並びに第2駆動梁116a及び116bの形成は、SOI基板を成形した後に行ってもよいし、SOI基板の成形中に行ってもよい。 Here, a semiconductor such as an SOI (Silicon On Insulator) substrate can be used as the substrate (wafer) forming the movable device 13. By processing with the semiconductor manufacturing technology, each component of the movable device 13 can be integrally formed. The first drive beams 120a and 120b and the second drive beams 116a and 116b may be formed after the SOI substrate is formed, or may be formed during the molding of the SOI substrate.

<可動装置の駆動方法>
次に、可動装置13の駆動方法の一例を、図25を参照して説明する。第2軸回りの回動のために、反射部112と、トーションバー115a及び115bと、第2駆動梁116a及び116bからなる一体構造の共振周波数で、第2駆動梁116a及び116bに駆動電圧が印加される。共振周波数は、20kHz等である。
<How to drive a movable device>
Next, an example of the driving method of the movable device 13 will be described with reference to FIG. Due to the rotation around the second axis, the driving voltage is applied to the second driving beams 116a and 116b at the resonance frequency of the integrated structure consisting of the reflecting portion 112, the torsion bars 115a and 115b, and the second driving beams 116a and 116b. It is applied. The resonance frequency is 20 kHz or the like.

トーションバー115aの一端が接続された第2駆動梁116aの圧電部は、上部電極、及び下部電極を通じて駆動電圧が印加されると変形する。圧電部の変形により、第2駆動梁116aは屈曲変形し、トーションバー115aがねじれる。 The piezoelectric portion of the second drive beam 116a to which one end of the torsion bar 115a is connected is deformed when a drive voltage is applied through the upper electrode and the lower electrode. Due to the deformation of the piezoelectric portion, the second drive beam 116a is bent and deformed, and the torsion bar 115a is twisted.

同様に、トーションバー115bの一端が接続された第2駆動梁116bの圧電部は、上部電極、及び下部電極を通じて駆動電圧が印加されると変形する。圧電部の変形により、第2駆動梁116bは屈曲変形し、トーションバー115bがねじれる。 Similarly, the piezoelectric portion of the second drive beam 116b to which one end of the torsion bar 115b is connected is deformed when a drive voltage is applied through the upper electrode and the lower electrode. Due to the deformation of the piezoelectric portion, the second drive beam 116b is bent and deformed, and the torsion bar 115b is twisted.

トーションバー115a及び115bのねじれが回動力となり、反射部112は第2軸回りに往復回動する。第2駆動梁116a及び116bに印加される駆動電圧の波形は、正弦波等である。反射部112は、正弦波の駆動電圧波形の周期で共振駆動し、往復回動する。 The twisting of the torsion bars 115a and 115b serves as a rotational force, and the reflecting portion 112 reciprocates around the second axis. The waveform of the drive voltage applied to the second drive beams 116a and 116b is a sine wave or the like. The reflection unit 112 resonates and reciprocates in the cycle of the drive voltage waveform of the sine wave.

第1軸回りの回動においては、圧電駆動部群130Aに印加される駆動電圧の波形は、例えばノコギリ波状の波形を含む。また駆動電圧の周波数は、60Hz等である。駆動電圧の波形は、電圧値が極小値から次の極大値まで増加する立ち上がり期間の時間幅をTr、電圧値が極大値から次の極小値まで減少する立ち下がり期間の時間幅をTfとすると、例えば、Tr:Tf=9:1となる比率があらかじめ設定されている。このとき、一周期に対するTrの比率を駆動電圧のシンメトリという。 In the rotation around the first axis, the waveform of the drive voltage applied to the piezoelectric drive unit group 130A includes, for example, a sawtooth waveform. The frequency of the drive voltage is 60 Hz or the like. For the waveform of the drive voltage, let Tr be the time width of the rising period when the voltage value increases from the minimum value to the next maximum value, and Tf be the time width of the falling period when the voltage value decreases from the maximum value to the next minimum value. For example, the ratio of Tr: Tf = 9: 1 is preset. At this time, the ratio of Tr to one cycle is called the symmetry of the drive voltage.

圧電駆動部群130Bに印加される駆動電圧の波形は、同様に、ノコギリ波状等の波形を含む。また駆動電圧の周波数は、60Hz等である。駆動電圧の波形は、例えば、Tf:Tr=9:1となる比率があらかじめ設定されている。 The waveform of the drive voltage applied to the piezoelectric drive unit group 130B also includes a waveform such as a sawtooth wave. The frequency of the drive voltage is 60 Hz or the like. For the waveform of the drive voltage, for example, the ratio of Tf: Tr = 9: 1 is preset.

また、圧電駆動部群130Aに印加される駆動電圧の波形の周期と、圧電駆動部群130Bに印加される駆動電圧の波形の周期は、同一となるように設定されている。 Further, the period of the waveform of the drive voltage applied to the piezoelectric drive unit group 130A and the period of the waveform of the drive voltage applied to the piezoelectric drive unit group 130B are set to be the same.

上記の駆動電圧のノコギリ波状の波形は、正弦波の重ね合わせによって生成される。ここで本実施形態では、駆動電圧の波形としてノコギリ波状の波形を用いる例を示したが、これに限定されるものではない。ノコギリ波状の波形の頂点を丸くした波形の駆動電圧や、ノコギリ波状の波形の直線領域を曲線とした波形の駆動電圧等、可動装置のデバイス特性に応じて波形を変えてもよい。 The sawtooth waveform of the drive voltage described above is generated by superimposing sinusoidal waves. Here, in the present embodiment, an example in which a sawtooth waveform is used as the waveform of the drive voltage is shown, but the present invention is not limited to this. The waveform may be changed according to the device characteristics of the movable device, such as the drive voltage of a waveform in which the apex of the sawtooth waveform is rounded, or the drive voltage of a waveform in which the linear region of the sawtooth waveform is curved.

駆動電圧を印加された場合の第1駆動梁120a及び120bの動作は上述の通りで、圧電駆動部群130A及び130Bの屈曲変形により、可動部110が第1軸回りに往復回動する。 The operation of the first drive beams 120a and 120b when the drive voltage is applied is as described above, and the movable portion 110 reciprocates around the first axis due to the bending deformation of the piezoelectric drive unit groups 130A and 130B.

<可動装置の断面形状>
次に、可動装置13の断面形状を、図26を参照して説明する。図26は、図25において第1軸に沿って切断した断面図である。
<Cross-sectional shape of movable device>
Next, the cross-sectional shape of the movable device 13 will be described with reference to FIG. FIG. 26 is a cross-sectional view taken along the first axis in FIG. 25.

図26は、第1駆動梁120a及び120b、可動部110、並びに固定部140の断面構造を示している。 FIG. 26 shows the cross-sectional structure of the first driving beams 120a and 120b, the movable portion 110, and the fixed portion 140.

第1駆動梁120a及び120bは、シリコン層303と、シリコン層303の正のZ方向側の面上に形成された圧電駆動部群130A及び130Bとを有している。 The first drive beams 120a and 120b have a silicon layer 303 and piezoelectric drive unit groups 130A and 130B formed on the positive Z-direction side surface of the silicon layer 303.

シリコン層303は、圧電駆動部群130A及び130Bの変形に応じて変形する弾性体であり、SOI基板のシリコン層で構成される。 The silicon layer 303 is an elastic body that deforms according to the deformation of the piezoelectric drive groups 130A and 130B, and is composed of the silicon layer of the SOI substrate.

圧電駆動部群130A及び130Bは、シリコン層303の正のZ方向の面上に順に形成された下部電極311と、圧電材料312と、上部電極313とを含んでいる。下部電極311及び上部電極313は、金(Au)又は白金(Pt)等の金属薄膜で構成され、圧電材料312は、圧電材料であるPZT(チタン酸ジルコン酸鉛)等から構成される。 The piezoelectric drive groups 130A and 130B include a lower electrode 311 formed in order on the positive Z-direction surface of the silicon layer 303, a piezoelectric material 312, and an upper electrode 313. The lower electrode 311 and the upper electrode 313 are made of a metal thin film such as gold (Au) or platinum (Pt), and the piezoelectric material 312 is made of a piezoelectric material such as PZT (lead zirconate titanate).

圧電駆動部群130A及び130Bに含まれる各圧電駆動部は、何れも上記と同様の層構成を含んでいる。なお、圧電駆動部群130A及び130BをSiO(酸化シリコン)のような絶縁層で覆い、その正のZ方向に電気配線を施してもよい。 Each of the piezoelectric drive units included in the piezoelectric drive unit groups 130A and 130B includes the same layer structure as described above. The piezoelectric drive units 130A and 130B may be covered with an insulating layer such as SiO 2 (silicon oxide), and electrical wiring may be provided in the positive Z direction thereof.

次に、可動部110は、支持層351と、支持層351の正のZ方向の面に積層された層間膜352と、層間膜352の正のZ方向の面に積層された可動層353とを有している。 Next, the movable portion 110 includes a support layer 351, an interlayer film 352 laminated on the positive Z-direction surface of the support layer 351 and a movable layer 353 laminated on the positive Z-direction surface of the interlayer film 352. have.

支持層351は、SOI基板の単結晶シリコンや、或いは無機材料、有機材料等で構成され、層間膜352は、酸化シリコン等で構成される。また可動層353は、第2駆動梁116a及び116bの変形に応じて変形する弾性体であり、SOI基板のシリコン層等で構成される。ここで、支持層351には、図26に示すように、反射面14の負のZ方向側にある反射面支持層351aと、支持部113の負のZ方向側にある支持部支持層351bとが含まれている。 The support layer 351 is made of single crystal silicon of an SOI substrate, an inorganic material, an organic material, or the like, and the interlayer film 352 is made of silicon oxide or the like. The movable layer 353 is an elastic body that deforms according to the deformation of the second driving beams 116a and 116b, and is composed of a silicon layer of an SOI substrate or the like. Here, as shown in FIG. 26, the support layer 351 includes a reflection surface support layer 351a on the negative Z direction side of the reflection surface 14 and a support portion support layer 351b on the negative Z direction side of the support portion 113. And are included.

次に、固定部140は、固定支持層361と、固定支持層361の正のZ方向の面に積層された層間膜362と、層間膜362の正のZ方向の面に積層されたシリコン層363とを有する。 Next, the fixing portion 140 includes a fixed support layer 361, an interlayer film 362 laminated on the positive Z-direction surface of the fixed support layer 361, and a silicon layer laminated on the positive Z-direction surface of the interlayer film 362. It has 363 and.

固定支持層361は、SOI基板の単結晶シリコンや、或いは無機材料、有機材料等で構成され、層間膜362は、酸化シリコン等で構成される。またシリコン層363は、SOI基板のシリコン層で構成される。 The fixed support layer 361 is made of single crystal silicon of an SOI substrate, an inorganic material, an organic material, or the like, and the interlayer film 362 is made of silicon oxide or the like. Further, the silicon layer 363 is composed of the silicon layer of the SOI substrate.

なお、上記のシリコン層303及び363と、可動層353は、SOI基板のシリコン層に限定されるものではなく、酸化剤や無機材料、有機材料等で構成されてもよい。また支持層351及び固定支持層361は、無機材料、有機材料等で構成されてもよい。 The silicon layers 303 and 363 and the movable layer 353 are not limited to the silicon layer of the SOI substrate, and may be composed of an oxidizing agent, an inorganic material, an organic material, or the like. Further, the support layer 351 and the fixed support layer 361 may be made of an inorganic material, an organic material, or the like.

ところで、可動部110における第2駆動梁116a及び116b(図25参照)は、梁状部材と、該梁状部材に上部電極、圧電部材、下部電極を有し、少なくとも上部電極、圧電部材、下部電極が絶縁層で覆われている。また、絶縁層は駆動梁が駆動すると圧電部材と共に伸縮する。 By the way, the second driving beams 116a and 116b (see FIG. 25) in the movable portion 110 have a beam-shaped member and an upper electrode, a piezoelectric member, and a lower electrode in the beam-shaped member, and at least the upper electrode, the piezoelectric member, and the lower portion. The electrodes are covered with an insulating layer. Further, when the drive beam is driven, the insulating layer expands and contracts together with the piezoelectric member.

さらに、第2駆動梁116aの中央部分はトーションバー115aと接続されており、第2駆動梁116aの両端は、可動枠(支持部113)に接続されており、上部電極と下部電極の少なくとも一方の電極の第2駆動梁116aの一端の側の先端の角が面取形状(例えば円弧形状やテーパ形状)になっている。 Further, the central portion of the second drive beam 116a is connected to the torsion bar 115a, and both ends of the second drive beam 116a are connected to a movable frame (support portion 113), and at least one of the upper electrode and the lower electrode is connected. The corner of the tip of the second driving beam 116a on the one end side of the electrode has a chamfered shape (for example, an arc shape or a tapered shape).

同様に、第2駆動梁116bの中央部分はトーションバー115bと接続されており、第2駆動梁116bの両端は、可動枠(支持部113)に接続されており、上部電極と下部電極の少なくとも一方の電極の第2駆動梁116bの一端の側の先端の角が面取形状(例えば円弧形状やテーパ形状)になっている。 Similarly, the central portion of the second drive beam 116b is connected to the torsion bar 115b, and both ends of the second drive beam 116b are connected to a movable frame (support portion 113), and at least the upper electrode and the lower electrode are connected. The corner of the tip of one electrode on the one end side of the second driving beam 116b has a chamfered shape (for example, an arc shape or a tapered shape).

なお、本実施形態では、第2駆動梁116a及び116bを、それぞれの両端が支持部113に接続する両持ち梁構造とする例を示したが、図27に示されるように、第2駆動梁116a及び116bを片持ち梁構造としてもよい。片持ち梁構造においては、第2駆動梁116aの一端は支持部113に接続し、他端はトーションバー115aに接続する。また第2駆動梁116bの一端は支持部113に接続し、他端はトーションバー115bに接続する。 In the present embodiment, an example is shown in which the second drive beams 116a and 116b have a double-sided beam structure in which both ends are connected to the support portion 113, but as shown in FIG. 27, the second drive beam 116a and 116b may be a cantilever structure. In the cantilever structure, one end of the second drive beam 116a is connected to the support portion 113, and the other end is connected to the torsion bar 115a. Further, one end of the second drive beam 116b is connected to the support portion 113, and the other end is connected to the torsion bar 115b.

片持ち梁構造とした場合には、第2駆動梁116a及び116bに設けられた上部電極と下部電極の少なくとも一方は、トーションバーに接続している側の先端の角部が円弧形状またはテーパ形状に形成される。より好ましくは、上部電極と下部電極の両方が同じく円弧形状またはテーパ形状に形成される。 In the case of a cantilever structure, at least one of the upper electrode and the lower electrode provided on the second drive beams 116a and 116b has an arc shape or a tapered shape at the corner of the tip on the side connected to the torsion bar. Is formed in. More preferably, both the upper electrode and the lower electrode are formed in the same arc shape or taper shape.

以上の構成により、第2駆動梁116a及び116bの駆動に伴う絶縁耐力の低下が発生しても、沿面放電を抑制することが可能となり、可動装置13の耐久性の向上が図られる。 With the above configuration, even if the dielectric strength decreases due to the driving of the second driving beams 116a and 116b, creepage discharge can be suppressed, and the durability of the movable device 13 can be improved.

以上、本発明の実施形態の例について記述したが、本発明は斯かる特定の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。 Although examples of embodiments of the present invention have been described above, the present invention is not limited to such specific embodiments, and various aspects are described within the scope of the gist of the present invention described in the claims. It can be transformed and changed.

10 光走査システム
11 制御装置
12、12b 光源装置
13、13A、13B、13C、13D、13E、13F 可動装置
14 反射面
15 被走査面
25 光源装置ドライバ
26 可動装置ドライバ
30 制御部
31 駆動信号出力部
50 レーザヘッドランプ
51 ミラー
52 透明板
60 ヘッドマウントディスプレイ
60a フロント
60b テンプル
61 導光板
62 ハーフミラー
63 装着者
101 ミラー部
102 ばね部
103 圧電アクチュエータ
104 圧電センサ
105 固定部
106 カンチレバー部
107 支持部
201、202、203、204 光偏向器
221 駆動回路
222 変位量検出部
223 温度検出部
224 振幅検出部
225 周波数検出部
226 演算部
400 自動車(車両の一例)
500 ヘッドアップディスプレイ装置(画像投影装置の一例、ヘッドアップディスプレイの一例)
650 レーザプリンタ
700 ライダ装置(物体認識装置の一例)
702 被対象物
801 パッケージ部材
802 取付部材
803 透過部材
10 Optical scanning system 11 Control device 12, 12b Light source device 13, 13A, 13B, 13C, 13D, 13E, 13F Movable device 14 Reflective surface 15 Scanned surface 25 Light source device driver 26 Movable device driver 30 Control unit 31 Drive signal output unit 50 Laser head lamp 51 Mirror 52 Transparent plate 60 Head mount display 60a Front 60b Temple 61 Light guide plate 62 Half mirror 63 Wearer 101 Mirror part 102 Spring part 103 Piezoelectric actuator 104 piezoelectric sensor 105 Fixed part 106 Cantilever part 107 Support parts 201, 202 , 203, 204 Optical deflector 221 Drive circuit 222 Displacement amount detection unit 223 Temperature detection unit 224 Vibration detection unit 225 Frequency detection unit 226 Calculation unit 400 Automobile (example of vehicle)
500 Head-up display device (an example of an image projection device, an example of a head-up display)
650 Laser Printer 700 Rider Device (Example of Object Recognition Device)
702 Object 801 Package member 802 Mounting member 803 Transparent member

特許5400636号公報Japanese Patent No. 5400366

Claims (13)

光を反射する反射面を有する反射部と、
前記反射部と一端で接続される支持部と、
前記支持部の他端と接続される固定部と、
前記支持部を変形させて、前記反射部を揺動させる圧電部材と、
前記圧電部材に入力された駆動信号の周波数を検出する周波数検出部と、
前記圧電部材の変位量を検出する変位量検出部と、
を有し、
少なくとも、前記周波数検出部で検出された周波数の周波数情報と、前記変位量検出部で検出された変位量の変位量情報と、に基づいて、前記反射部の揺動角を演算する演算部を有することを特徴とする光偏向器。
A reflecting part having a reflecting surface that reflects light,
A support portion connected to the reflective portion at one end,
A fixed portion connected to the other end of the support portion and
A piezoelectric member that deforms the support portion to swing the reflective portion,
A frequency detection unit that detects the frequency of the drive signal input to the piezoelectric member, and
A displacement amount detecting unit that detects the displacement amount of the piezoelectric member, and
Have,
At least, a calculation unit that calculates the swing angle of the reflection unit based on the frequency information of the frequency detected by the frequency detection unit and the displacement amount information of the displacement amount detected by the displacement amount detection unit. An optical deflector characterized by having.
前記圧電部材に入力された前記駆動信号の振幅を検出する振幅検出部を有し、
前記演算部は、少なくとも、前記周波数検出部で検出された周波数の周波数情報と、前記変位量検出部で検出された変位量の変位量情報と、前記振幅検出部で検出された振幅の振幅情報と、に基づいて、前記反射部の揺動角を演算することを特徴とする請求項1に記載の光偏向器。
It has an amplitude detection unit that detects the amplitude of the drive signal input to the piezoelectric member.
The calculation unit has at least frequency information of the frequency detected by the frequency detection unit, displacement amount information of the displacement amount detected by the displacement amount detection unit, and amplitude information of the amplitude detected by the amplitude detection unit. The optical deflector according to claim 1, wherein the swing angle of the reflecting portion is calculated based on the above.
前記圧電部材の周囲温度を検出する温度検出部を有し、
前記演算部は、更に、前記温度検出部で検出された周囲温度の温度情報を加えて、前記反射部の揺動角を演算することを特徴とする請求項1または2に記載の光偏向器。
It has a temperature detection unit that detects the ambient temperature of the piezoelectric member.
The optical deflector according to claim 1 or 2, wherein the calculation unit further adds temperature information of the ambient temperature detected by the temperature detection unit to calculate the swing angle of the reflection unit. ..
前記圧電部材を駆動する駆動信号を生成する駆動信号生成部を有し、
前記演算部は、前記駆動信号生成部から得られる駆動信号の周波数と振幅を前記振幅情報及び前記周波数情報として、前記反射部の揺動角を演算することを特徴とする請求項2に記載の光偏向器。
It has a drive signal generation unit that generates a drive signal that drives the piezoelectric member.
The second aspect of claim 2, wherein the calculation unit calculates the swing angle of the reflection unit using the frequency and amplitude of the drive signal obtained from the drive signal generation unit as the amplitude information and the frequency information. Light deflector.
前記圧電部材の周囲温度を検出する温度検出部を有し、
前記演算部は、前記温度検出部で検出された周囲温度の温度情報と、前記振幅情報と、前記周波数情報を含む多項式を用いた演算により補正係数を算出し、前記変位量に乗算することにより、前記反射部の揺動角を演算することを特徴とする請求項4に記載の光偏向器。
It has a temperature detection unit that detects the ambient temperature of the piezoelectric member.
The calculation unit calculates a correction coefficient by calculation using the temperature information of the ambient temperature detected by the temperature detection unit, the amplitude information, and the polynomial including the frequency information, and multiplies the displacement amount by the calculation unit. The optical deflector according to claim 4, wherein the swing angle of the reflecting portion is calculated.
前記揺動角の情報に基づき、前記駆動信号生成部より前記圧電部材に入力される駆動信号を制御する駆動振幅制御部を有し、
前記駆動振幅制御部により、前記圧電部材による前記反射部の揺動角が一定となるように制御されることを特徴とする請求項4または5に記載の光偏向器。
It has a drive amplitude control unit that controls a drive signal input from the drive signal generation unit to the piezoelectric member based on the swing angle information.
The light deflector according to claim 4 or 5, wherein the drive amplitude control unit controls the swing angle of the reflection unit by the piezoelectric member to be constant.
請求項1から6のいずれか1項に記載の光偏向器と、
光を発する光源と、
を備え、
前記光源から発せられた光を偏向して投影することを特徴とする画像投影装置。
The optical deflector according to any one of claims 1 to 6,
A light source that emits light and
With
An image projection device characterized in that light emitted from the light source is deflected and projected.
前記光源は複数設けられており、
前記複数の光源は、異なる波長の光を発するものであって、
前記複数の光源から発した前記複数の光を合成する合成部を更に備え、
前記合成部において合成された光を偏向して投影することを特徴とする請求項7に記載の画像投影装置。
A plurality of the light sources are provided, and the light source is provided.
The plurality of light sources emit light having different wavelengths.
Further provided with a compositing unit for synthesizing the plurality of lights emitted from the plurality of light sources.
The image projection apparatus according to claim 7, wherein the light synthesized in the synthesis unit is deflected and projected.
請求項1から6のいずれか1項に記載の光偏向器を備えるヘッドアップディスプレイ。 A head-up display comprising the optical deflector according to any one of claims 1 to 6. 請求項1から6のいずれか1項に記載の光偏向器を備えるレーザヘッドランプ。 A laser headlamp including the light deflector according to any one of claims 1 to 6. 請求項1から6のいずれか1項に記載の光偏向器を備えるヘッドマウントディスプレイ。 A head-mounted display comprising the light deflector according to any one of claims 1 to 6. 請求項1から6のいずれか1項に記載の光偏向器と、
光を発する光源と、
を備え、
前記光源から発せられた光を偏向し、前記光が物体に照射され、前記物体において反射された反射光を検出することにより物体を認識することを特徴とする物体認識装置。
The optical deflector according to any one of claims 1 to 6,
A light source that emits light and
With
An object recognition device characterized in that an object is recognized by deflecting light emitted from the light source, irradiating the object with the light, and detecting the reflected light reflected by the object.
請求項9に記載のヘッドアップディスプレイ、請求項10に記載のレーザヘッドランプ、及び請求項12に記載の物体認識装置の少なくとも1つを有する車両。 A vehicle having at least one of the head-up display according to claim 9, the laser headlamp according to claim 10, and the object recognition device according to claim 12.
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