JP2784208B2 - 小型光学ディスプレイ装置のための低振動の共振型走査装置 - Google Patents

小型光学ディスプレイ装置のための低振動の共振型走査装置

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JP2784208B2
JP2784208B2 JP1122702A JP12270289A JP2784208B2 JP 2784208 B2 JP2784208 B2 JP 2784208B2 JP 1122702 A JP1122702 A JP 1122702A JP 12270289 A JP12270289 A JP 12270289A JP 2784208 B2 JP2784208 B2 JP 2784208B2
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Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は、振動するミラーを介して表示される列状に
並べられた発光デバイスを用いて、ラスタ走査画像を発
生するようにした、ディスプレイ装置に関する。更に詳
しくは、本発明は、この種の装置における、ミラーの高
速振動により発生される振動を、低減するための手段に
関する。
（従来の技術） 例えば図形、数字、それに画像情報等の情報を視覚的
に表示することのできるディスプレイ装置には、多種多
様なものがある。それらの装置の中には、矩形のパタン
の内部において電子ビームを反復して掃引することによ
りラスタが形成されるようにした、この普通の陰極線管
が含まれている。画像は、このビームを選択的に変調し
てラスタ上に輝点と暗点とを発生させることによって、
形成される。
別種のディスプレイ装置としては、列状に並べられた
発光デバイスが、表示すべき情報に基づいて変調される
ようにした、エレクトロメカニクス式の走査システムが
ある。発光状態とされたデバイス列が、振動するミラー
によってラスタに変換され、それによって虚像のラスタ
画像が形成される。斯かるエレクトロメカニクス式の装
置は、普通の「ページ」全体の実像を形成するために必
要とされる発光デバイスの個数と比較してはるかに少な
い個数の発光デバイスによって、このページ全体のディ
スプレイを形成することができるという利点を備えてい
る。
動作について説明すると、電磁モータによってミラー
が一定の軸芯の周りに物理的に回動させられている状態
で、発光しているデバイスの拡大された虚像がこのミラ
ーから反射されている。ミラーを直接的に駆動して振動
させることも可能であるが、ミラーを駆動するのに必要
な電力を低減するためには、共振型のエレクトロメカニ
クス式の振動器を用いてミラーを駆動するようにするこ
とができる。斯かる振動器においては、フレームに取付
けられたスプリングにミラーが取付けられており、それ
によって、このミラーの質量とこのスプリングとが機械
的な共振器を構成している。電磁モータが、このスプリ
ング／ミラー系の共振周波数で、このミラー質量を振動
させる。この方式によって、比較的大きな振動を発生さ
せるために僅かな量の電力しか必要としないようになっ
ている。この種の従来の共振型振動器は、米国特許第46
32501号に示されており、同特許においては、ミラーは
薄板状のスプリング材を介してベースに取付けられてい
る。
（発明が解決しようとする課題） この従来のミラー／スプリング振動器システムに付随
する問題は、ミラーの角振動数を高めるにはこのミラー
を加速及び減速するためのスプリング力を大きくする必
要があるということである。このスプリング力はこの装
置のベースへも加わって「反作用力」を生じる。ベース
が比較的質量の大きな物体にしっかりと止着されている
場合には、この力は大した問題ではない。しかしなが
ら、ディスプレイ装置を質量の大きな物体に取付けるこ
とが不可能ないし望ましくないという場合には、即ち例
えばハンド・ヘルド型のディスプレイ、眼鏡装置型のデ
ィスプレイ、または「ヘッズ・アップ」（“heads−u
p"）型のディスプレイ等の場合には、この力が振動を発
生させ、そしてこの振動は、ましな場合であっても、う
っとおしいものであるし、更に場合によっては、その振
動のために映像がぼやけたり、また、認識不能となるこ
とさえある。加えて、この振動はディスプレイに組み合
わされている振動の影響を受け易い装置、例えば顕微鏡
等の装置の、機能を損なうこともあり得る。更には、た
とえその振動が許容し得るものであったとしても、振動
が外部の構造へ伝達されている場合には、ミラーを振動
させるのに必要な電力が増大している。このような余計
な電力が必要とされるということは、結局、モータがこ
のディスプレイを充分な振幅をもって確実に駆動できる
ようにするためにはより大きなモータが必要とされると
いうことであり、その結果、ポータブル型ディスプレイ
のバッテリの消耗が増加することにもなる。
この問題が更に重大となるのは、ミラーが、その中央
部の近傍ではなく末端部の近傍の点の周りに回動しなけ
ればならないように、そのシステムの構造が設計されて
いる場合である。この種の構造は、ハンド・ヘルド型デ
ィスプレイに採用するのに好都合な構造であり、なぜな
らば、この構造はより小さなレンズを使用することを可
能とし、その結果、ディスプレイが更にコンパクトにな
るからである。
従って本発明の目的は、取付け用ベースに伝達される
反作用力の合力が低減される、光学ディスプレイ装置の
ための共振型走査装置を提供することにある。
本発明の更なる目的は、共振型走査を行なう光学ディ
スプレイ装置の振動を低減する、共振型走査装置を提供
することにある。
本発明の更なる目的は、ミラーを駆動する電磁モータ
が効率的に動作できるようにした、共振型走査装置を提
供することにある。
本発明の更なる目的は、取付け用ベースに伝達される
反作用力の合力を、釣合い質量構造を用いて低減してい
る、共振型スキャナ（走査器）構造を提供することにあ
る。
本発明の更なる目的は、ミラーがそれを中心として振
動するところの回動点が、そのミラーの中心から離隔し
た位置に位置付けられている、共振型走査装置を提供す
ることにある。
（課題を解決するための手段） 以上の諸目的並びに以上の諸問題は、本発明の１つの
具体的実施例において達成され且つ解決されており、同
実施例においては、共振型走査装置は互いに逆方向へ運
動するミラーと釣合い質量とを備えている。これら両方
の質量は同一の載置用ベースに取付けられているため、
運動しているそれらの質量によって発生される夫々の反
作用力がこのベースにおいて打ち消されて、全体として
の振動が相当に低減されるような構造に、構成すること
が可能となっている。
更に詳細に説明すると、ミラーの支持構造は、ミラー
を一方のアームに取付け、釣合い質量を他方のアームに
取付けた「音叉」構造により、構成されている。駆動モ
ータは、磁石とコイルとから成る構造により構成されて
おり、この構造はアームの一方ないし双方を駆動するこ
とによって、それらのアームを互いに逆方向へ運動させ
る。
１つの実施例においては、ミラーは、互いに交叉した
複数の撓みスプリングによってディスプレイ装置のベー
スに取付けられている。釣合い質量もまた、スプリング
によってこの映像ディスプレイ装置のベースに取付けら
れている。これらの、ミラーの撓みスプリングと釣合い
質量のスプリングとの双方の剛性は、ミラーと釣合い質
量とが略々同一の共振周波数を持つように選定されてい
る。
この実施例においては、ボイス・コイル型電磁モータ
を用いて、ミラーと釣合い質量とが駆動されている。こ
のモータは、音叉構造の一方のアームに取付けられた永
久磁石部分並びにそれに組み合わされた磁束帰還経路
と、他方のアームに取付けられたコイルとを備えてい
る。適切に制御された電流がコイルへ供給されると、永
久磁石がこのコイルによって交互に吸引及び反発され
る。このようにして、駆動力がミラーと釣合い質量との
両方に加えられ、それによってそれらの各々は、この駆
動力の周波数で振動することになる。
ミラーと釣合い質量とを加速及び減速するスプリング
力は、更に撓みスプリングによってベースにも加えら
れ、そして「反作用力」を生じる。釣合い質量の幾何学
的形状と釣合い質量の回動点の位置との両方が、釣合い
質量によってベースへ加えられる反作用力が、ミラーに
よってベースへ加えられる反作用力を略々打ち消すよう
に、選定されている。
加えて、電磁モータの幾何学的形状は、ミラーと釣合
い質量とへ加えられる駆動力が、それらのミラーと釣合
い質量とへ作用する空気抵抗力に略々等しくなるように
選定されており、その結果、駆動力に起因してベースに
加わる力の合力は、ごく僅かしか存在しないか、または
全く存在しなくなっている。
（実施例） 第１図は、米国特許第4632501号に示されている種類
の、典型例の従来技術に係る共振型エレクトロメカニク
ス式スキャナ（走査器）の模式図である。この装置は同
米国特許中に詳しく説明されているため、ここでは詳細
には説明しない。第１図において、この共振型スキャナ
は、1987年７月27日付出願の米国特許出願第078295号で
扱われている種類の、走査された画像を表示する画像デ
ィスプレイ装置に使用されている共振型スキャナであ
り、同米国特許出願は、本願の基礎米国出願の同時継続
出願であって、その発明の名称は小型画像ディスプレイ
・システム（Miniature Video Display System）であ
り、本発明の譲り受け人に対して譲渡されている。この
ディスプレイ装置は同米国特許出願の中に詳細に記載さ
れているため、ここではその動作について簡単に説明す
るだけとする。また、同米国出願はここに言及したこと
により本開示に組込まれる。
この種の走査画像ディスプレイ装置においては、発光
デバイス10（具体的には、発光ダイオード（LED）等で
あれば良い）の列が電気的に付勢されて選択的に発光さ
れ、それによって、発光しているラインが形成される。
第１図においては、LEDの列は図の紙面に対して垂直な
方向に延在している。
LED列10から出た光は、模式的にレンズ５で表わされ
ている光学系を通過し、この光学系はLEDの拡大された
虚像を形成する。この虚像は、ミラー30が反復して矢印
16の方向に振動させられている間、このミラー30から観
察者の眼へと反射されている。ミラー30が運動している
状態にあるときに、列10内の複数のLEDを選択的に発光
させることによって、矩形のラスタを形成することがで
き、このラスタを観察者は観察することができる。
ミラーを運動させる機構は、一般的に共振型スキャナ
と呼称されている。この機構はベース20を含み、ベース
20には板バネのスプリング34を介して平面鏡のミラー30
が取付けられており、スプリング34は図の紙面に対して
垂直な方向に延伸している。ミラー30は、２個の円筒形
の永久磁石44及び45と２個のリング形のコイル46及び47
とから構成されている駆動モータによって、振動させら
れる。動作について説明すると、コイル46及び47のうち
の一方、例えばコイル47が付勢されると、このコイルに
対応する永久磁石45が、これらのコイル47と磁石45によ
って形成される夫々の相対的な磁場に応じて、コイル47
の中へ吸引されるかまたは反発される。この結果生じる
力が、ミラー30をスプリング34との連結点を中心として
回動させ、それによってミラー30が矢印の方向に振動す
ることになる。
他方のコイル（この例においてはコイル46）は、ミラ
ーの運動を検出するための検出コイルとして使用されて
いる。磁石44のコイル46に対する相対的な運動によって
発生される電気信号が、駆動コイル47へ供給される電流
を制御するために駆動回路（不図示）によって利用され
ており、この利用は、一般的な方式で、そして先に言及
した米国特許第4632501号に記載されているようにして
行なわれる。
実際には、ミラー30の質量及び幾何学的形状、並びに
スプリング34のバネ定数は、所望の動作周波数の共振質
量系が形成されるように選択される。以上の方式によ
り、もしミラーが非共振的に駆動されるようにしたなら
ば必要とされることになる駆動力と比較して、はるかに
小さい駆動力で、ミラー30の大きな偏位角が得られるよ
うになっている。
第１図に示されたミラー駆動システムに付随する問題
は、ミラー質量30を振動させているスプリング力が、ベ
ース20並びにこのベース20に取付けられているいずれの
支持構造に対しても、加わっているということである。
ミラー30は、一般的には非常に小さいものではあるが、
このミラーの運動は典型的な例としてはその周波数が充
分に高く、従って上記の力はその振幅が大きい。この大
振幅の力がベース20に伝達され、そしてこのベース20を
それに応じて振動させるのである。
第２図は本発明のミラー・アセンブリの部分断面図を
示す。第１図の要素に対応している第２図の要素には、
同一の引用符号が付されいる。この第２図の構成におい
ては、ミラー30は、２本のアームを備えたバランス式ア
センブリの一部分となっている。一方のアームは、ミラ
ー30、ミラー支持部材36、及び駆動コイル46から成って
いる。他方のアームは、ウェイト40と永久磁石44とから
構成されている。ミラー・アーム（ミラーを含む方のア
ーム）は、２枚の撓みスプリング32及び34を介してベー
ス載置部材21に取付けられている。スプリング32及び34
はいずれも図の紙面に対して垂直の方向に延展している
板バネである。後に説明するように、これら２枚のスプ
リングは互いに交叉するように組み合わされて用いられ
ており、それによってミラー・アセンブリが１つの軸芯
の周りに回動するようにその回動に制約を加えている。
ミラー20は、接着剤ないし接合剤を用いて、ミラー支
持部材36（この部材は適当なプラスチックその他の材質
から成るものとすることができる）に直接に取付けられ
ている。スプリング32の一端は、ネジ、リベット、ない
しはその他の止着具により、ミラー支持部材36に取付け
られている。スプリング32の他端は、別の止着具によっ
てベース載置部材21に取付けられている。更に第２のス
プリング34も、止着具37によってミラー支持部材36に、
そして止着具39によってベース21に夫々取付けられてい
る。図中には明白に示されていないが、スプリングの撓
み点を機械的に定めるために、止着具39には通常は角ワ
ッシャが併せて用いられる。２枚の撓みスプリング32と
34とは、ミラー30とミラー支持部材36とが結果的に、こ
れらのスプリング32と34とが交叉する点48の周りに回動
するように、互いに協働している。駆動モータの作用に
よって、ミラー・アームは点48を中心として矢印16の方
向に振動する。
ウェイト40は止着具43によってスプリング42の一端に
取付けられている。このスプリング42も、図の紙面に対
して垂直の方向に延展している板バネである。スプリン
グ42の他端は止着具45によってベース21に取付けられて
いる。従ってウェイト40は結果的に、スプリング42上の
取付け点43と45との間に位置している中間の点を中心と
して回動することになる。
ミラー30とウェイト40とは、永久磁石44、ウェイト4
0、及びコイル46から構成されるボイス・コイル型電磁
モータによって駆動される。磁石44はウェイト40に固着
されており、一方、コイル46はミラー支持部材36に固着
されている。ウェイト40は、張り出し部41を備える形状
に形成されており、この張り出し部41は磁束の帰還経路
を完成するように機能しており、それによってこのモー
タの効率を向上させている。正弦波電流（ないしはその
他の周期的電流、例えば矩形波ないし電流パルス等）を
電気コイル46へ供給するための回路（不図示）が備えら
れている。本発明の１つの特徴に拠って、撓み運動のた
めに疲労を生じる別設の配線を用いずに済ませるため
に、コイル46とこの駆動回路との間は、スプリング32及
び34によって接続されている。
コイル46内の正弦波電流は、波状に変動する磁場を発
生しており、この磁場のために、磁石44とコイル46とは
この電流の周波数で交互に吸引及び反発されている。こ
の正弦波駆動電流の周波数は、ミラー30が、このミラー
30とスプリング32とによって構成されるスプリング／質
量系の共振周波数で、部分円弧を描いて回動するように
選択されている。一般的には、望ましい共振周波数はこ
のスキャナの使用法に応じて定められる。先に言及した
走査画像ディスプレイ・システムにおいては、適切な共
振周波数は、ディスプレイの「フリッカ（ちらつき）」
を排除するのに必要な最低のディスプレイ・リフレッシ
ュ速度に応じて定められる。共振周波数は、ミラー30の
質量及び寸法形状、並びにスプリング32のバネ定数を選
択することによって通常の方法で選定することができ
る。
有利なことに、具体例の構成を採用するならば軽量の
駆動コイルをミラー・アセンブリ上に配設することがで
き、重量の大きな磁石構造をミラー・アセンブリ上に配
設する必要がなくなる。この構成は、ひいては電磁駆動
モータを、高効率で動作するように設計することを可能
にし、なぜならば、釣合いアーム（ウェイトを含む方の
アーム）上の永久磁石構造を大きく重いものとすること
ができ、それによって、ミラー・アームの質量を増加さ
せることなく高強度の磁場を発生させることができるか
らである。
走査画像ディスプレイに使用される場合には、具体例
のスキャナは更なる利点を有する。事実上のミラー回動
点48がミラー30の中心から離れた箇所に位置しているた
め、より小さなミラーを用いて所与の「出光瞳孔部」を
備えた光学系を構成することができる。この利点は第3A
図及び第3B図に説明されており、それらの図は２つのデ
ィスプレイ・システムを示していて、それらのシステム
は、各々、振動する走査ミラーを使用している。第3A図
及び第3B図の中の要素と位置のうち、第２図に示されて
いる要素と位置に対応しているものには、同一の引用符
号が付されている。
出光瞳孔部110は、その領域に使用者の眼15が位置し
ていれば画像の全体を観察することのできる領域である
と定義される。第3A図においては、ディスプレイ・シス
テムは、中央部の近傍を中心として回動するミラーを備
えるように構成されている。同図に示されているよう
に、出光瞳孔部110の大きさはミラーが揺動する円弧と
ディスプレイの寸法形状とに応じて定まる。第3B図にお
いては、本発明の１つの特性に従ってミラーが末端部の
近傍を中心として回動する場合に、レンズ５及びケース
の寸法がはるかに小さなものであるにもかかわらず、第
3A図の出光瞳孔部と大きさが同一の出光瞳孔部を得るこ
とが可能となっている。
第４図は、上記の具体的実施例の共振型走査装置の部
分斜視図を、それに付随するハウジングと共に示してお
り、このハウジングは部分的に想像線で詳細に描かれて
いる。第４図はミラー30及びウェイト40とベース載置部
材21との間の、撓みスプリング32、34、及び42による接
続構造を図示している。第４図においては、第２図に示
されている要素に対応する要素には同一の引用符号が付
されている。
撓みスプリング34は、例えば、１枚の板バネ材料から
製作されたＵ字形のスプリングである。同様に、撓みス
プリング32も１枚の板から成る板バネであり、この板バ
ネは、スプリング34の脚部と脚部との間に、このスプリ
ング34の面に対し直角を成すようにして取付けられてい
る。斯かる「交叉」スプリング構造は、ミラー質量30の
運動が略々純粋な回転運動となるように、その運動に対
して規制を加えており、これと対照的に、従来の装置に
広く用いられている１枚のスプリングから成る構造は、
望ましくない捩れ運動を生じ易い。スプリング42もま
た、Ｕ字形のスプリングであり、これはウェイト40をベ
ース21に止着している。
反作用力を打ち消すための、ミラー・アセンブリ及び
釣合い質量の構成は、従来の一般的な方式によって実現
することができる。詳しく説明すると、従来の機械構成
理論に拠れば、質量／スプリング系に作用する反作用力
は、概念上の「打撃点（ポイント・オブ・パーカッショ
ン）」に作用する一対の力のベクトルで表わすことがで
きる。実際に運動している部材は、質量と慣性回転モー
メントとの両方を持っているが、それらは、打撃点に位
置する等価の点質量としてモデル化することができる。
二次の力ベクトルは、打撃点と系の回動点とを通るベ
クトルであり、遠心力を表わしている。一次の力ベクト
ルは、打撃点を通るベクトルであり、二次の力のベクト
ルに対して直角の方向を持ち、そして、質量を平行移動
及び回動点の周りに回転させるために必要な力を表わし
ている。
動作について説明すると、以上の具体例の共振型スキ
ャナにおいては、一次の力ベクトルはその大きさが比較
的大きくしかも正弦波状に変化しており、これがミラー
を前後方向に加速する（この力の大きさははミラーの運
動の両端の部分で最大となる）。この力は、ミラー・ア
センブリの等価質量とミラーの運動の振幅のみによって
定まり、回動点の位置と構成とを適切に定めれば、釣合
い質量によって発生される反作用力によって実質的に打
ち消すことができる。詳細に説明すると、ミラー並びに
釣合い質量の幾何学的配置は、夫々の一次の力ベクトル
が互いに同一線上に位置するように調整されていなけれ
ばならない。本発明に従って構成された50ヘルツの走査
周波数で動作するある１つの具体的実施例においては、
この力は約42グラム重（grams−force:gmf）であること
が判明している。また、ミラー質量を3.36グラム、釣合
い質量を10.95グラムとすることによって、この力が効
果的に打ち消されることが判明している。
ミラー・アセンブリには更に、はるかに小さい引きず
り力も作用している。この力は空気抵抗に起因する、基
本的には速度に比例する力である。本発明の原理に従っ
て構成された、先に説明した具体的実施例においては、
ミラー・アセンブリのみについての「Ｑ」の値は約100
であり、その結果として、約0.4gmfの引きずり力が生じ
ている（この「Ｑ」の値は減衰の指標値であり、共振の
ピークの鋭さに関係する値である）。引きずり力に起因
するエネルギの損失分を補充するために、ボイル・コイ
ル・モータ46が、ミラー30を運動させる力を供給してい
る。この駆動力が正弦波であれば、引きずりに起因する
上に説明した力を、この駆動力が、実質的にバランスさ
せるようにすることができる。
同様にして、釣合いアセンブリに対しても引きずり力
が作用している。上に説明した好適実施例においては、
釣合い質量のみについての「Ｑ」の値が200であるのに
応じて、この引きずり力は約0.2gmfとなっている。ミラ
ー・アセンブリのみについての「Ｑ」の方がより小さい
のは、ミラー・アセンブリの表面積がより大きいためで
ある。この具体的実施例において、完全に打ち消されな
かったモータの力に起因する余分な力をできる限り小さ
くするためには、ボイス・コイル・モータによってミラ
ーと釣合い質量とに加えられるモータ・トルクが、0.4
対0.2の比率となるようにすべきである。この具体的実
施例の幾何学的配置は、略々この結果が得られるように
構成されている。
正弦波状に変化する駆動力がこの適切な比率で加えら
れれば、理論的には、その結果ベースに加わる駆動に関
連した力の合力は実質的にゼロとなるのであるが、非正
弦波状に変化する駆動力が用いられることもある。駆動
力が周期的ではあるが正弦波状に変化するものではない
場合には、ベースに小なな合力が加わることになるが、
しかしながらこの力も、モータ駆動回路が単純化される
であろうことを考慮するならば、容認し得るものであろ
う。
更には、ミラーの等価質量は、直線上を運動するので
はなく僅かに湾曲した円弧上を運動するため、この等価
質量の横方向への運動に起因する、（先に言及したとこ
ろの）二次の力ベクトルも存在する。この二次の力ベク
トルは、遠心力を表わすベクトルである。この二次の力
ベクトルの大きさな略々正弦波状に変化し、その周波数
はミラーの運動の周波数の２倍である。この倍周波数の
力は装置のベースに小さな振動を引き起こし、ないし
は、このベースがその動きを阻止されている場合にはそ
の反作用力が支持構造へと伝達される。同様の力が釣合
い質量アセンブリにも加わる。ミラーと釣合いウェイト
との構成が具体的実施例に示されているようなっている
場合には、ミラー・アセンブリと釣合い質量アセンブリ
とについての夫々の倍周波数の力は、互いに同方向であ
り、従って打ち消し合うことはない。しかしながら、ミ
ラー質量と釣合い質量の横方向への運動の大きさは極め
て小さく、例えばこの具体的実施例においては、ミラー
については約±42ミクロン、釣合い質量については約±
５ミクロンであるため、発生する振動は許容し得るもの
となっている。全重量が42グラムのディスプレイに組込
まれる場合には、結果として生じるケースの振動は±７
ミクロンとなる。
更にまた、このスキャナ・アセンブリを、ディスプレ
イのケースの僅かな運動を許容する可撓性を有する載置
部材に載置することによって、アンバランスな力により
引き起こされた振動が、ディスプレイが取付けられてい
る構造の振動を引き起こすことのないようにすることも
可能である。
第４図は更に、撓みスプリング32及び34を介した、コ
イル46の電気接続構造をも示している。ミラー30を支持
するために２枚の別体の撓みスプリング32と34とが用い
られているため、これらのスプリングをコイル46へ電流
を運ぶためにも利用することができ、それによって、反
復する撓み運動によって破損するおそれのある別体の配
線を使用せずに済むようにしてある。詳細に説明する
と、コイル46の一方のリード線50は、止着具37を介して
撓みスプリング34に取付けられている。もう一方のリー
ド線55は止着具35を介して撓みスプリング32に取付けら
れている。コイル46への電気接続は、撓みスプリング32
と34の他端の、夫々の止着具33と39とに適当な電気接続
を施すことにより完成される。以上により、電流はこれ
らの撓みスプリングを通ってコイル46へ運ばれる。
第５図〜第８図は、好適構造のボイス・コイル・モー
タを使用している別実施例の共振型スキャナ装置を示し
ている。この好適構造はエア・ギャップ内の磁場の強度
を高めることによってモータ効率を向上させている。モ
ータの構成が第２図及び第４図に示されているようにな
っている場合には、ドーナツ形のコイル46の内径部と磁
石44との間のエア・ギャップが、ミラー30とウェイト40
とが描く異なった円弧の間のずれを吸収するのに充分な
大きさでなければならず、そのため結果的に非効率的と
なっている。物理的な衝突を避けるために必要な比較的
大きなすきまは、結果的にエア・ギャップ内における磁
束漏れを増加させると共に、このエア・ギャップ内の磁
場強度を弱め、従ってモータ効率を低下させる。
第５図〜第８図に示されているモータ構造は、漏れ磁
束が減少するように磁気回路を最適化することによっ
て、モータ効率を向上させている。このアセンブリの構
成要素のうち、第２図及び第４図に示された実施例のも
のと変っていない構成要素には、同一の番号が付されて
いる。詳細に説明すると、第４図に示されたドーナツ形
のコイル46は、第５図及び第６図に示されている角型の
コイル66によって代替されている。第４図に示された単
一の円筒形の磁石44に替えて、ウェイト40が形状変更さ
れ、第７図の断面図に示されているように、３本のフィ
ンガ部70、72、及び74を備えた「Ｅ」字形とされてい
る。中央のフィンガ部72は、第７図及び第８図に示すよ
うに、コイル66の角型の開口の内部に挿通されている。
２本の側部フィンガ部70と74には、磁石73と75が備えら
れており、それらの磁石は第７図及び第８図に示すよう
にコイル66の外側に位置している。
更に第５図には、ウェイト40に形成されたスロット76
が示されている。このスロットは、以下に説明するよう
に機械的センサを収容するために利用されており、この
センサは、ミラー30の位置を検出して電気信号を発生
し、この電気信号が駆動電流を制御することによって、
ミラー30とウェイト40とが確実に、適切な共振周波数で
振動するようになっている。
第６図〜第８図は更に、スプリング42をウェイト40に
取付けるための改良された機構を示している。図示され
ているように、スプリング42は２枚の挟持部材45と47と
の間に挟持されている。挟持部材45と47には長穴51（第
６図に図示されている）が形成されており、この長穴51
は、これらの挟持部材が止着具43の外側を摺動できるよ
うにしている。スプリング42の、止着具43で止着されて
いる端部には長孔は形成されておらず、そのためウェイ
ト42とベース21との間の距離は機構的に一定とされてい
る。しかしながら、挟持部材45と47とをウェイト40に対
して相対的に移動させ、それによって、スプリング42の
ウェイト40に対する取付け点を、実際の効果の上から変
更することができる。従って、装置の基本的な幾何学的
形状を変化させることなく、共振周波数を調節する目的
でスプリングの実効長さを変化させることが、可能とな
っている。
第９図は、位置センサ機構を嵌装された状態にある、
第５図〜第８図の共振型走査装置の部分断面図である。
この機構の主要構成要素は、更に第10図に示されている
部分分解図の中にも図示されている。このセンサ機構
は、「フラグ（旗状部材）」80を含み、このフラグ80は
角型コイル・ユニット66の一端に取付けられている。こ
の走査装置が組上げられた状態にあるときには、フラグ
80はLEDと光電セルとから成る検出ユニット90の２本の
アームの間に延在している。第10図に示すように、検出
ユニット90は載置用ブラケット92を含んでおり、このブ
ラケットは第９図に示すように、スキャナ・ハウジング
に固定されている。２本のアーム94と96はこのブラケッ
ト92から延出しており、フラグ80の両側に位置してい
る。アーム94にはLEDデバイス98が取付けられ、そして
アーム96にはフォトダイオード100が取付けられてい
る。
動作について説明するならば、ミラー30が最大通常動
作角度の約70％を超える角度に亙って回動すると、LED9
8から送出された光がフォトダイオード100によって検出
され、このときフォトダイオード100は電気信号を発生
する。ミラー30の回動の角度が最大通常動作角度の約70
％より小さいときには、フラグ80がLED98とフォトダイ
オード100との間に介在しており、従って、LED98から送
出された光がダイオード100に到達することを阻止して
いる。このとき、ダイオード100から送出される信号は
とだえる。以上の結果、ミラー30とウェイト40とが振動
すると、フォトダイオード100から振動する電気信号が
発生される。この信号を利用して、この電磁駆動モータ
のコイル66へ電流を供給する駆動電子回路の制御が行な
われている。
駆動電子回路のブロック回路図が第11図に示されてい
る。この回路の基本要素は、比較器102、フェーズ・ロ
ック・ループ（PLL）104、自動ゲイン制御回路106、及
びパワー・アンプ108から成っている。これらの要素は
一般的な周波数制御ループを構成するように接続されて
いる。更に詳細に説明すると、フォトダイオード100か
ら送出される振動する出力信号は比較器102の一方の入
力へ供給される。比較器102は、波形を標準化してゼロ
・クロッシング点を明確化するために、この電圧信号の
レベルを基準電圧と比較する。この比較器の出力はパル
ス列信号であり、この信号を用いて、この電子回路の他
の部分が駆動される。
比較器102からの出力は一般的なフェーズ・ロック・
ループ回路104へ供給され、この回路104は振動周波数を
適切な値に保持するように調整されている。このような
フェーズ・ロック・ループの動作は通常のものであるの
で、ここでは詳細には説明しない。回路104はパワー・
アンプを制御する制御信号を発生する。
比較器102の出力は更に一般的な自動ゲイン制御（AG
C）回路106へも供給され、この回路106は振幅制御信号
を発生する。
フェーズ・ロック・ループ回路104とAGC回路106とに
よって発生された夫々の制御信号はパワー・アンプへ供
給されており、このパワー・アンプはボイス・コイルへ
駆動電流を供給し、それによってフィードバック・ルー
プを完成している。
図面の第12図は、小型ディスプレイ装置に組込まれた
具体的実施例の共振型走査装置を示している。この小型
ディスプレイ装置は、先に言及した本願の基礎米国出願
の同時継続出願である米国特許出願第078295号に詳細に
記載されている種類のものである。このディスプレイ装
置の動作及び構成は同米国特許出願の中に詳細に説明さ
れているため、ここでは簡明を旨として詳細に説明を繰
返すことはしない。また、同米国特許出願はここに言及
したことにより本開示に包含される。このディスプレイ
装置はベース10を含み、このベース上に、このディスプ
レイを構成している種々の光学要素が載置されている。
ベース10の一端にはヘッダ・ブロック５が取付けられて
おり、その中に発光デバイス（例えば発フォトダイオー
ド等）のアレイ15が取付けられている。このアレイは、
通常は、複数のデバイスを２列に並べ、しかもそれらの
デバイスが、デバイスとデバイスとの間のギャップを埋
めるように互い違いに配列されている。線形のアレイと
すれば良い。それらのデバイスは透明なカバー・プレー
ト17によって覆われている。
デバイス15から送出された光は、レンズ19と23とが取
付けられているハウジング18を含む光学系を介して、ミ
ラー30上に投射される。先に言及した米国特許出願第07
8295号に記載されている原理に従って、このレンズ系は
ミラー30を介してアレイ15の像を投射する。
ミラー30の駆動は、リード線50と55（これらは第４図
に示されている）を介してコイル46へ周期的電流を供給
することによって行なわれ、それによってミラー30とウ
ェイト40とが振動させられる。このミラー30の振動によ
って、線形アレイ15に基づくラスタ画像が形成される。
以上に本発明の好適実施例を説明したが、本発明の本
質及び範囲から逸脱することなく種々の改変及び変更を
施し得ることは当業者には明らかであろう。例を挙げれ
ば、ミラー・アセンブリを支持するために用いられてい
る一対の撓みスプリングに替えて、その他の一般的な構
成、例えば４本リンク機構（この場合ミラーの各端部は
別設のリンクによってベースに取付けられる）等を、本
発明の本質及び範囲から逸脱することなく使用すること
ができる。同様に、ミラーがベースに、その一端におい
てではなく中央部において取付けられるようにした、異
なった幾何学的配置を採用することも可能である。本発
明は上に開示された好適実施例に限定されるものではな
い。
【図面の簡単な説明】
第１図は、典型例の従来技術の共振型エレクトロメカニ
クス式スキャナの模式図である。 第２図は、本発明に従って構成された共振型スキャナの
部分断面図である。 第3A図は、ミラー中央部の近傍を中心として回動する走
査ミラーを用いた小型ディスプレイの模式図である。 第3B図は、ミラー端部の近傍を中心として回動する走査
ミラーを用いた小型ディスプレイの模式図である。 第４図は、第２図に示された共振型スキャナの斜視図で
ある。 第５図は、効率が向上された駆動モータを採用している
好適実施例の共振型スキャナの斜視図である。 第６図は、釣合い質量がその上に重ねられているミラー
・アセンブリを示す、好適構造の駆動モータの平面図で
ある。図を簡明化するためにミラー・アセンブリをベー
スに連結しているスプリング42は省略されている。 第７図は、好適実施例の駆動モータの、第６図に示され
ている７−７線に沿った断面図である。 第８図は、好適実施例の駆動モータの、第６図に示され
ている８−８線に沿った、別の断面図である。 第９図は、ミラー30の位置を検出するためのセンサ・フ
ラグを用いた、別実施例の縦断面図である。 第10図は、第９図に示された実施例の一部分の部分分解
図であり、ボイス・コイルを、センサ・フラグ、釣合い
質量、及びセンサ・アセンブリと共に示す図である。 第11図は、具体例の駆動回路の電気回路図である。 第12図は、本発明に係るスキャナ装置の具体的実施例を
採用している小型光学ディスプレイ装置の斜視図であ
る。 尚、図中、 10……発光デバイス、 21……ベース、 30……ミラー、 32……スプリング、 34……スプリング、 36……ミラー支持部材、 40……ウェイト、 42……スプリング、 44……永久磁石、 46……コイル、 48……ミラー回動点、 66……角型コイル、 70、72、74……フィンガ部、 73、75……永久磁石、 80……フラグ、 90……検出ユニット、 98……LED、 100……フォトダイオード、 102……比較器、 104……フェーズ・ロック・ループ回路（PLL）、 106……自動ゲイン制御回路（AGC）、 108……パワー・アンプ。

Claims (22)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】共振型エレクトロメカニクス式走査装置で
    あって、 ベースと、 ミラーと、 前記ミラーが前記ベースに対して相対的に振動自在であ
    るように前記ミラーを前記ベースに連結している第１ス
    プリング手段であって、前記ミラーと前記第１スプリン
    グ手段とは、第１機械的共振振動周波数を有すると共に
    第１反作用力を前記ベースへ伝達する、第１スプリング
    ／質量系を形成していることと、 釣合い質量と、 前記釣合い質量が前記ベースに対して相対的に振動自在
    であるように前記釣合い質量を前記ベースに連結してい
    る第２スプリング手段であって前記釣合い質量と前記第
    ２スプリング手段とは、前記第１機械的共振振動周波数
    と略略等しい第２機械的共振振動周波数を有すると共に
    第２反作用力を前記ベース伝達する，第２スプリング／
    質量系を形成していることと、 前記ミラーと前記釣合い質量との少なくとも一方に対し
    て運動を課すための駆動モータ手段が備えられ，前記第
    １スプリング手段と第２スプリング手段とは、前記第１
    反作用力と前記第２反作用力とが前記ベースにおいて略
    略打ち消し合うように、前記ベースに連結されているこ
    とと、 を含むことを特徴とする共振型エレクトロメカニクス式
    走査装置。
  2. 【請求項２】前記第１スプリング手段が，第１撓みスプ
    リングと第２撓みスプリングとから成り、該第１撓みス
    プリングと該第２撓みスプリングとが、前記ミラーを前
    記ベースに連結していると共に異なった平面上に位置し
    ていることを特徴とする請求項１記載の共振型エレクト
    ロメカニクス式走査装置。
  3. 【請求項３】前記第１スプリング手段と前記第２スプリ
    ング手段とが、板バネ状の撓みスプリングから成ること
    を特徴とする請求項１記載の共振型エレクトロメカニク
    ス式走査装置。
  4. 【請求項４】前記駆動モータ手段が、ボイス・コイル型
    電磁モータから成ることを特徴とする請求項１記載の共
    振型エレクトロメカニクス式走査装置。
  5. 【請求項５】前記ボイス・コイル型電磁モータが、前記
    ミラーに取付けられた導電性コイルと、前記釣合い質量
    に取付けられた永久磁石と、前記コイルと前記磁石との
    間に磁気回路を形成する手段とを備えることを特徴とす
    る請求項４記載の共振型エレクトロメカニクス式走査装
    置。
  6. 【請求項６】前記ボイス・コイル型電磁モータが、前記
    釣合い質量に取付けられた導伝性コイルと、前記ミラー
    に取付けられた永久磁石とを備えることを特徴とする請
    求項４記載の共振型クトロメカニクス式走査装置。
  7. 【請求項７】前記第１スプリング手段が、少なくも２つ
    別体のスプリングから成り、それらのスプリングの各々
    が導電性を有しおり、そらのスプリングが、前記導電性
    コイルへの２つの電気接続構造を形成するように前記導
    電性コイルに接続されていることを特徴とする請求項５
    記載の共振型エレクトロメカニクス式走査装置。
  8. 【請求項８】更に，前記ミラーの位置を検出するための
    手段を備えることを特徴とする請求項１記載の共振型エ
    レクトロメカニクス式走査装置。
  9. 【請求項９】共振型エレクトロメカニクス式走査装置で
    あって、 ベースと、 ミラーと、 前記ミラーが前記ベースに対して相対的に第１枢動点を
    中心として振動自在であるように前記ミラーを前記ベー
    スに連結している第１スプリング手段であって、前記ミ
    ラーと前記第１スプリング手段とは、第１機械的共振振
    動周波数を有すると共に第１反作用力を前記ベースへ伝
    達する、第１スプリング／質量系を形成していること
    と、 釣合い質量と、 前記釣合い質量が前記ベースに対して相対的に第２枢動
    点を中心として振動自在であるように前記釣合い質量を
    前記ベースに連結している第２スプリング手段であっ
    て、前記釣合い質量と前記第２スプリンング手段とは、
    前記第１機械的共振振動周波数と略略等しい第２機械的
    共振振動周波数を有すると共に第２反作用力を前記ベー
    スへ伝達する，第２スプリング／質量系を形成している
    ことと、 前記ミラーと前記釣合い質量とに取付けられた前記ミラ
    ーと前記釣合い質量とに対して逆向きの運動を同時に課
    すためのボイス・コイル型駆動モータ手段を備え、前記
    第１枢動点は、前記第１反作用力と前記第２反作用力と
    が前記ベースにおいて略略打ち消し合うような、前記ベ
    ース上における前記第２枢動点に対する相対位置に、位
    置付けられていることと、 を特徴とする共振型エレクトロメカニクス式走査装置。
  10. 【請求項１０】更に、前記ミラーと前記ベースとの間に
    連結された第３スプリングを備え、前記第１スプリング
    と前記第３スプリングとが異なった平面上に位置してい
    ることを特徴とする請求項９記載の共振型エレクトロメ
    カニクス式走査装置。
  11. 【請求項１１】前記第１スプリングと前記第３スプリン
    グとが、板バネ状の撓みスプリングであることを特徴と
    する請求項10記載の共振型エレクトロメカニクス式走査
    装置。
  12. 【請求項１２】前記ボイス・コイル型駆動モータが、導
    電性コイルと永久磁石とを備えることを特徴とする請求
    項10記載の共振型エレクトロメカニクス式走査装置。
  13. 【請求項１３】前記導電性コイルが２本のリード線を有
    し、且つ、前記第１スプリングがそれらのリード線の一
    方に接続されると共に前記第３スプリングがそれらのリ
    ード線の他方に接続されており、それによって、前記導
    電性コイルへの２つの電気接続構造が構成されているこ
    とを特徴とする請求項12記載の共振型エレクトロメカニ
    クス式走査装置。
  14. 【請求項１４】更に、光源と、該光源から発生された光
    を検出するための光検出器と、前記ミラーに取付けられ
    た、前記ミラーの動きに応答して前記光源からの光が前
    記光検出器へ到達することを周期的に阻止するための手
    段とを備えることを特徴とする請求項９記載の共振型エ
    レクトロメカニクス式走査装置。
  15. 【請求項１５】選択された情報を表示するたラスタ画像
    を発生するための小型光学ディスプレイ装置であって、 発光デバイスの線形アレイと、 ミラーと、 前記線形アレイと前記ミラーとの間に配設された光学系
    であって、該光学系は前記線形アレイの虚像を前記ミラ
    ーを介して投射することと、 ベースと、 前記ミラーが前記ベースに対して相対的に振動自在であ
    るように前記ミラーを前記ベースに連結している第１ス
    プリング手段であって、前記ミラーと前記第１スプリン
    グ手段とは、第１機械的共振振動周波数を有すると共に
    第一反作用力を前記ベースへ加える、第１スプリング／
    質量系を形成していることと、 釣合い質量と、 前記釣合い質量が前記ベースに対して相対的に振動自在
    であるように前記釣合い質量を前記ベースに連結してい
    る第２スプリング手段であって、前記釣合い質量と前記
    第２スプリング手段とは、前記第１機械的共振振動周波
    数と略略等しい第２機械的共振振動周波数を有すると共
    に第２反作用力を前記ベースへ加える第２スプリング／
    質量系を形成していることと、 駆動モータ手段であって、該駆動モータ手段は、前記ミ
    ラーと前記釣合い質量とに対して逆向きの運動を課し、
    それによって前記線形アレイの前記虚像が前記ミラーの
    運動により掃引されてラスタ表示が発生され、前記第１
    反作用力と前記第２反作用力とが前記ベースにおいて略
    略打ち消し合っていることと、 を含むことを特徴とする小型光学ディスプレイ装置。
  16. 【請求項１６】前記第１スプリング手段が、第１撓みス
    プリングと第２撓みスプリングとから成り、該第１撓み
    スプリングと該第２撓みスプリングとが、前期ミラーを
    前記ベースに連結していると共に異なった平面上に位置
    していることを特徴とする、請求項15記載の小型光学デ
    ィスプレイ装置。
  17. 【請求項１７】前記第１スプリング手段と前記第２スプ
    リング手段とが、板バネ状の撓みスプリングから成るこ
    とを特徴とする請求項15記載の小型光学ディスプレイ装
    置。
  18. 【請求項１８】前記駆動モータ手段が、導電性コイルと
    永久磁石とを有するボイス・コイル型電磁モータから成
    ることを特徴とする請求項16記載の小型光学ディスプレ
    イ装置。
  19. 【請求項１９】前記第１撓みスプリングと前記第２撓み
    スプリングとが導電性を有しており、且つ前記導電性コ
    イルへの２つの電気接続構造を形成するように前記導電
    性コイルに接続されていることを特徴とする請求項18記
    載の小型光学ディスプレイ装置。
  20. 【請求項２０】選択された情報を表示するラスタ画像を
    発生するための小型光学ディスプレイ装置であって、 発光デバイスの線形アレイと、 ミラーと、 前記線形アレイと前記ミラーとの間に配設された光学系
    であって、該光学系は前記線形アレイの虚像を前記ミラ
    ーを介して投射することと、 ベースと、 前記ミラーを前記ベースに連結している第１撓みスプリ
    ングおよび第２撓みスプリングと、 釣合い質量と、 前記釣合い質量が前記ミラーに近接して位置するように
    前記釣合い質量を前記ベースに連結している第３撓みス
    プリングと、 内のり寸法と外のり寸法とを有する導電性角型コイルで
    あって、該コイルは前記ミラーに取り付られていること
    と、 第１フィンガ部、第２フィンガ部、及び第３フィンガ部
    を有する前記釣合い質量に取付けられた永久磁石構造で
    あって、前記第１フィンガ部と前記第３フィンガ部とは
    前記ミラーと前記釣合い質量とが互いに相対的に運動す
    るときに前記コイルの両側を通過するように構成されて
    おり、前記第２フィンガ部は前記コイルの内のり寸法の
    内側に挿通されるように構成されていることと、 周期的電流を前記コイルへ供給し、それによって前記ミ
    ラーと前記釣合い質量とを互いに逆方向へ、前後方向
    へ、部分円弧を描いて、一定の枢動点の周り回動させる
    ための駆動回路手段と、 を含むことを特徴とする小型光学ディスプレイ装置。
  21. 【請求項２１】更に、光源と、該光源から光を受け取る
    ように構成された光検出部と、前記ミラーに取付けられ
    たフラグ部材とを備え、前記フラグ部材は、前記ミラー
    が所定の角度に亙って回動するときには、前記光源と前
    記光検出器との間を運動して前記光源からの光が前記光
    検出器に到達することを阻止することを特徴とする請求
    項20記載の共振型エレクトロメカニクス式走査装置。
  22. 【請求項２２】ベースと、ミラーと、前記ミラーを第１
    の個所において前記ベースに連結している第１スプリン
    グと、前記ミラーを前記ベースに対して相対的に振動さ
    せるための駆動機構とを有し、前記ミラーの運動によっ
    て発生される反作用力が前記スプリングを介して前記ベ
    ースへ伝達される発光デバイスの線形アレイに基づくラ
    スタ画像を発生する小型ディスプレイ装置における、前
    記反作用力に起因する前記ベースの振動を低減させるた
    めの方法であって、 A.第２の個所において前記ベースに取付けるられた第２
    スプリングを介して釣合い質量を前記ベースに取付ける
    ステップを含み、前記ミラー／第１スプリング系の機械
    的共振周波数は、前記釣合い質量／第２スプリング系の
    機械的共振周波数と略略等しく、 B.前記釣合い質量を振動させるための駆動機構を装備す
    るステップを含み、前記釣合い質量の振動によって発生
    される反作用力は、前記第２スプリングを介して前記ベ
    ースへ伝達され、 C.前記第１スプリング取付個所の前記第２スプリング取
    付個所に対する相対的な位置を、前記ミラーの反作用力
    が前記釣合い質量の反作用力によって略略打ち消される
    ように、位置付けるステップを含む、 ことを特徴とする方法。
JP1122702A 1988-05-31 1989-05-16 小型光学ディスプレイ装置のための低振動の共振型走査装置 Expired - Lifetime JP2784208B2 (ja)

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US200645 1988-05-31
US07/200,645 US4902083A (en) 1988-05-31 1988-05-31 Low vibration resonant scanning unit for miniature optical display apparatus

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