JP4697616B2 - 光走査装置 - Google Patents

Description

本発明は光走査装置に関し、さらに具体的には直線往復運動や多角形で循環する直線形光源部を使用する光走査装置に関するものである。

循環する移動体上に配置された直線形光源部を備える光走査装置に関する発明は本出願人の大韓民国特許出願１０-２００３-００７１９２０“２次元光走査装置及びこれを利用する映像表示装置”（大韓民国特許公開番号１０-２００５-００３６２８８号）に開示されている。前記出願の図７及び図８には移動体が少なくとも２個のドラムと、ドラムの間に連結されたベルトまたはチェインを含んでなる構成を持っている。つまり、移動体がベルトまたはチェイン上で循環するように構成されているが、このような循環移動の他にも多様な光走査方式を開発するようになった。

本発明の目的は光源部を直線循環運動させて２次元に光を走査する光走査方式が必要な場合にこれを駆動できる光走査装置を提供することにある。このような直線循環運動には直線往復運動と多角形で循環する運動が含まれる。

また、本発明の他の目的は、ドラムとベルトを使用せずに光源部が直線循環移動できる光走査装置を提供することにある。

このような目的及びその他の目的を解決するための本発明の第１特徴による光走査装置は回転軸を中心に回転するモーターと、モーターの回転運動を往復直線運動に変換させる変換装置と、変換装置に連結されて移動方向に沿った往復直線運動をし、長さを有しており、映像情報を伝送するために変調された光を発光する複数の発光素子が長さ方向に沿って配列された光源部からなる。そして、光源部の移動方向と光源部の長さ方向とが互いに垂直となっている。

変換装置は光源部の運動を往復移動方向に制限するガイド部と、光源部に少なくとも部分的に回転可能に連結された第１連結部と、一端が第１連結部と回転可能に連結され、他端がモーターに固定された第２連結部で構成される。

本発明の第２特徴による光走査装置は、長さを有しており、映像情報を伝送するために変調された光を発光する複数の発光素子が長さ方向に沿って配列された光源部と、光源部を多角形または直線の経路で移動方向に沿って移動させるリニアモーター部と、光源部の移動中に光源部の方向を変更させる方向変更部とを有する。そして、光源部の移動方向と光源部の長さ方向とが互いに垂直となっている。方向変更部は、衝突によって光源部の速度または光源部の方向を変更させるように構成されている。

方向変更部は衝突によって光源部の速度または方向を変更させるように形成され、好ましくは光源部と衝突して光源部の速度または方向を変更させる補償体と、補償体と連結されて補償体を一定の周期で振動させる弾性体からなる。また、光走査装置は好ましく光源部の速度、変位などを測定するために前記光源部にセンサーを付着することができる。

本発明の第３特徴による光走査装置は、長さを有しており、映像情報を伝送するために変調された光を発光する複数の発光素子が長さ方向に沿って配列された光源部と、一端が光源部と連結され、他端が固定されて光源部が移動方向に沿った直線往復運動できるように圧縮伸張または振動可能な弾性体（例えば、スプリング）と,弾性体の振動を制御するために振動制御部からなる。そして、光源部の移動方向と光源部の長さ方向とが互いに垂直になっている。また、振動制御部は、前記光源部が直線往復運動をする経路上に複数の電磁石または磁石を配列させて光源部の速度を制御する。

以下、本発明による光走査装置について添付した図面を参照して本発明が属する技術分野における通常の知識を有する者が容易に実施できるように詳細に説明する。

まず、図１を参照して本発明の第１実施例に光走査装置について説明する。図１に示された光走査装置は回転軸４１０を中心に回転するモーター４００と、モーター４００の回転運動を往復直線運動に変換させる変換装置３００、変換装置３００に連結されて往復直線運動する光源部１００からなる。

モーター４００は一般の回転型モーターを使用して実現することができ、モーターと変換装置との間にギアを使用して多様に構成することができる。ギアなどを通って回転力を伝達する場合には多様な設計でモーターと変換装置の位置を変更させて空間を活用できる長所がある。

光源部１００は好ましくは多数の発光素子、例えばレーザーダイオードまたは発光ダイオードが一列に配列された形態で表示される映像に相当する赤色、緑色、青色の変調した光を放出する。映像情報は無線あるいは有線を通じて直線形光源部１００に伝達できる。光源部１００は図１に示されているように発光素子１１０が１列に配列されたものを使用することができ、１列で十分な解像度を有しないか光量が十分でない場合には、２列（個）以上のアレイに配列された光源を使用することもできる。また、図１には１個の光源部が示されているが、適切な設計で２個以上の複数個にすることも可能である。

変換装置３００は光源部１００の移動を直線運動に制限するように配列されたガイドレール３１０と、光源部１００と連結するが、少なくとも部分的に回転可能に連結され、所定の長さを有する第１連結部３２０と、一端が第１連結部と回転可能に連結され、他端がモーター４００の回転軸４１０に固定されながら所定の長さを有する第２連結部３３０からなる。ガイドレール３１０はその断面形状が四角形や円形である棒、ピンまたはパイプなどの多様な形態に形成することができ、第２連結部の移動を直線に制限するのに適していればよい。第１連結部３２０と第２連結部３３０は結合軸３４０を中心に回転可能に連結され、ベアリング、ローラなどを用いて連結することができる。また、動作の安定性のために第１連結部と第２連結部の間に他の連結部を追加して使用したり、その他の複数個の部品を追加して使用することもできる。第１連結部３１０と光源部１００は結合軸３５０を中心に回転可能に連結されている。

このような本発明の第１実施例による２次元光走査装置の動作は次の通りである。

図示していない電源を加えてモーター４００を回転させると、モーター４００に固定されて連結された第２連結部３３０は回転中心軸４１０を中心に回転する。第１連結部３３０はその一端が結合軸３４０を中心に回転するように第２連結部３３０に連結され、他端が結合軸３５０を中心に回転するように光源部１００と連結されている。したがって、第１連結部３２０の結合軸３４０側端部は回転運動し、第１連結部３２０の結合軸３５０側端部はガイドレール３１０方向に制限される。つまり、光源部１００が結合軸３５０を中心に第１連結部３２０に連結され、その動きがガイドレール３１０によってモーター４００の回転軸４１０と垂直方向のガイドレール方向に運動が制限されて光源部１００はガイドレール３１０に沿って直線往復運動を行う。したがって、モーター４００の回転運動は互いの回転が可能に連結される第１連結部３２０と第２連結部３３０の結合によって光源部１００の直線往復運動に変換する。

これを具体的に見てみると、第２連結部３３０は回転軸４１０を中心に結合軸３４０までの距離に該当する半径で円を描きながら回転し、第２連結部３３０と結合軸３４０を中心に回転可能に連結されている第１連結部３２０は光源部１００と結合軸３５０を中心に回転可能に連結されている。第２連結部３３０が円を描きながら回転すると、第１連結部３２０は所定の長さを有するために光源部が力とトルクを受け、ガイドレール３１０によって一定の直線方向にのみ移動が可能であるので直線移動が可能なガイドレールに沿って移動する。つまり、第２連結部３３０が１回の回転運動を行うと光源部１００は１回の往復直線運動を行う。光源部１００の１回の往復直線運動は同一区間を往復するために２回の走査が可能になり、連続的な回転運動によって連続的に同一区間を直線往復運動し、モーター回転数の２倍に相当する走査を直線ガイドレールに沿って行うことができる。

また、図示していないが、第２連結部３３０に光源部１００と第１連結部３２０の重量のために回転軸４１０にトルクが加えられて振動及び騒音の原因となり得る。したがって、これを相殺するために第２連結部３３０の回転軸４１０側端部に適正な重量を有する物体、つまり、錘を結合して両側のトルクを互いに相殺させて機械的安定性を向上させることができる。また、第２連結部３３０の回転軸４１０側端部に第１連結部３２０と反対方向に同一に動作する他の連結部を結合してトルクを相殺させることもでき、このようなことは適切な設計によって決められる。

光源部１００の直線運動区間は光源部１００の移動方向の中心線がモーター４００の中心を通過するようになっている場合に最も長くなる。このような場合、第１連結部３２０の２つの結合軸（３４０、３５０）の間の長さは第１連結部の有効長さとし、第２連結部の２つの軸（４１０、３４０）の間の長さを第２連結部の有効長さとする時、画面の走査方向の領域は第１連結部の有効長さと第２連結部の有効長さの差から第１連結部の有効長さと第２連結部の有効長さの合計までになる。したがって、画面の走査方向の領域の長さは第１連結部の有効長さの２倍となる。

光源部１００は直線往復運動しながら入力される制御信号に応じて変調した光を発光して走査する。この時、光源部１００の直線運動の線速度を一定に維持することが好ましい。しかし、モーターが一定の回転速度を有する場合に、これによる直線往復運動は一定の線速度を有することができないので、光源部１００に位置センサーを付着してこれを補正することができる。つまり、光源部１００の位置を確認して各当該位置での光変調を制御したり、モーター４００の回転速度を制御して光源部１００の一定の線速度を維持させることもできる。また、光源部の線速度を一定に維持させるために前記方法の他にも第１連結部と第２連結部の間に追加の連結部を使用する機構的な方法を使用することができる。このような機構的な方法は機構学（ｄｅｓｉｇｎｏｆ ｍａｃｈｉｎｅｒｙ）でよく知られており、第１連結部と第２連結部の間に追加の連結部、結合軸及びその他の機構物を付加して、光源部の移動速度を一定に維持することができる（ＲｏｂｅｒｔＬ．Ｎｏｒｔｏｎ， Ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ Ｍａｃｈｉｎｅｒｙ， ＭｃＧｒａｗ-Ｈｉｌｌ参照）。

次に、図２を参照して本発明の第２実施例による光走査装置について説明する。図２に示された光走査装置はリニアモーター２００と、リニアモーター２００に連結されて直線往復運動し、複数の発光素子が長さ方向に配列された光源部１００と、光源部１００の移動経路の両端に光源部１００の移動方向を変更させる２個の方向変更部５００からなる。

光源部１００は第１実施例で説明したことと類似している。

光源部１００はリニアモーター２００に付着されて直線運動する。リニアモーター２００は一般に電磁気力によって動作するが、多様に実現することができる。例えば、永久磁石が移動方向に沿って配列され、このような永久磁石上に電磁石を移動させる構成である。電磁石が電流の制御によって極が一定周期で変換されると、移動方向に配列されている永久磁石のＮ極とＳ極によって引力と斥力が適切に作用して直線移動する。

このようなリニアモーターを使用しても光源部１００が一定区間を移動しながら図２のＡ地点やＢ地点で方向を変えるためには瞬間的に多くのエネルギーが必要となる。つまり、Ａ地点やＢ地点で方向を変えるためには速度を急激に変化させなければならないので、直線区間で平均的に使用されるエネルギー量より非常に多くのエネルギーが瞬間的に必要となり、方向を変えた後、一定速度を維持することが難しくなる。

本発明の第２実施例では方向変更部５００と光源部１００の運動エネルギーを利用して光源部の運動方向を変換させて光源部１００を直線区間で一定速度に維持させる。

方向変更部５００は光源部１００と衝突して光源部１００の速度を変える補償体５１０と、補償体５１０と連結されて補償体５１０を一定周期で振動させる弾性体５２０からなっている。弾性体５２０は補償体５１０を振動させるためにスプリングからなってもよい。

このような本発明の第２実施例による２次元光走査装置の動作は次の通りである。

光源部１００は電源（図示せず）が印加されるとリニアモーター２００によって直線運動する。例えば、光源部１００がＡ地点に向かって下方に直線運動する場合、光源部１００はＡ地点の所定距離前までリニアモーター２００が駆動されて一定の線速度で移動し、リニアモーターの電源を瞬間的に除去しても等速度運動を行い、Ａ地点で補償体５１０と衝突する。この時、補償体５１０は弾性体５２０によって一定の周期で振動運動をし、この場合、光源部１００の移動方向と反対方向の速度で運動すると光源部１００と補償体５１０が衝突して光源部１００はＢ地点に向かって上側に移動する。光源部１００がＢ地点に向かう同時に再びリニアモーター２００に電源が印加されて光源部１００が一定の線速度に直線運動するように制御する。光源部１００は一定の線速度で移動してＢ地点の所定距離前でリニアモーター２００の駆動を停止させ、Ｂ地点で上側の補償体５１０と再び衝突して方向を変える往復運動を行う。したがって、光源部１００が衝突するたびに方向を変更し、これは新たな走査を意味するので、単位時間当り衝突回数は単位時間当り画面走査数と同一になる。

また、衝突後補償体５１０は衝突によって振動の特性が変わり、この場合に補償体５１０及び弾性体５２０を制御して次の衝突まで所望する周期と位置を有するように状態を変化させることもできる。方向変更部の場合には速度及び地位を確認し、これを制御するためには方向変更部にセンサーを付着したり外部センサの信号を反射、これを感知して制御することが好ましい。

この時、光源部１００の速度変化を大きくするために補償体５１０の質量が光源部１００の質量より大きいのが好ましく、前記では補償体が一定の周期で振動することを説明したが、補償体が振動しない場合も可能である。

光源部１００は直線往復運動しながら入力される制御信号に応じて変調された光を発光して走査する。

以上では光源部が直線往復運動をする場合について説明したが、本発明の第２実施例による光走査装置は光源部の移動経路が多角形で循環したり往復する場合にも適用することができる。図３の光走査装置は光源部が四角形で循環しながら走査する場合の例示である。つまり、光源部１００の移動経路が四角形である場合、四角形の各頂点に方向変換装置５００を形成して光源部１００が四角形の頂点で方向変換装置５００によって光源部１００が直角に移動方向を変更することができる。この時、光源部１００は長さ方向が地面に垂直方向に別途の支持部に配置されて四角形の外側に光を走査することができる。

図２または図３では光源部と補償体が機械的に衝突することを説明したが、機械的衝突の他に磁気的衝突または電気的衝突によって運動の経路が変わることも同一に適用することができる。

また、図２または図３のように、リニアモーターを使用することの他にもモーターの軸が直線運動するようになったモーターを採用したり、第１実施例のように回転するモーターを直線運動に変える方法を使用する場合にも同一に適用することができる。

次に、図４を参照して本発明の第３実施例による光走査装置について説明する。第３実施例による光走査装置は光源が直線往復運動を行う動力として機械的な力を利用することで、スプリングなどの弾性体による圧縮と伸張を利用することである。

図４に示された光走査装置は複数の発光素子が長さ方向に配列された光源部１００と、光源部移動経路の両端に形成された固定部（６３０、６３１）と、両固定部（６３０、６３１）に両端が固定されて光源部１００の移動経路を形成するガイド棒６１０と、光源部１００と固定部６３０にスプリング６２０と、スプリング６２０の圧縮伸張または振動運動を制御するために両固定部（６３０、６３１）に付着されている電磁石（６４０、６４１）と、光源部に付着されている永久磁石（６５０、６５１）からなる。この時、電磁石（６４０、６４１）と永久磁石（６５０、６５１）はスプリングの振動を制御する機能をする振動制御部を形成する。

光源部１００は第１実施例で説明したことと類似している。スプリング６２０は光源部１００の移動経路で圧縮及び伸張を繰り返して光源部１００の直線往復運動をする。この時、図４には光源部１００の移動経路を形成するために固定部とガイド棒か図示されているが、ガイド棒の代わりにレールなどを用いることができ、ベアリング、エアーベアリング、ローラなどを共に使用して光源部の移動経路を形成することもできる。

単純にスプリングによる往復運動をする場合に、摩擦によって振動が減衰して光源部の速度が減少することができるので、摩擦を相殺するために振動制御部として永久磁石（６５０、６５１）と電磁石（６４０、６４１）を利用する。つまり、光源部１００が固定部６３０側に移動する場合、電磁石６４０の電流を制御して永久磁石６５０と引力を発生させ、方向移動の時には永久磁石６５０と斥力を発生させる。光源部１００が固定部６３１側に移動する場合にも同様である。

図４では光源部に永久磁石が付着させ、固定部に電磁石が付着される構成を示したが、光源部に電磁石が付着させて固定部に永久磁石が付着されることもできる。また、設計に応じて固定部と光源部にそれぞれ永久磁石と電磁石を複数の部分に備えることもでき、ガイド棒やスプリングも設計に応じて２個以上形成することができる。

また、図４では振動制御部として電磁石を固定部に付着させたことを示したが、通常のリニアモーターの構成のように電磁石（または永久磁石）を光源の移動経路上にＮ極とＳ極が交互に整列するように複数個配置して光源部の永久磁石（または電磁石）との引力/斥力を各区間別に精密に制御して速度の精密度を高めることができる。

一方、図示していないが、光源部前に拡大レンズを使用して走査される画面の大きさを拡大させることができ、適切な補正レンズによって各種の光学的誤差を修正して画面の質を向上させることができる。

また、第１実施例乃至第３実施例で１つの光源部として説明したが、複数の光源部を採用することも可能である。さらに、設計に応じては光源部を直線形だけでなく環や帯形状に形成することもできる。

また、図３を参照して説明した第２実施例で光源部を２個以上形成し、各光源部ごとに別途の画面を構成することもできるので、多様な映像を走査する効果がある。

第１実施例のガイドレールは第２実施例または第３実施例でも直線運動をガイドするために使用することもできる。このようなガイドレールはピン形態の機構物とボールベアリングを使用したり、棒、パイプまたは多様な形態の中空軸と共にベアリング、ブッシングまたはローラなどを使用することができる。また、機械部品の接触による騒音を減らすために空気ベアリング、空気ブッシングまたは磁気ベアリングが利用されてもよい。

前記実施例では互いに独立的なことを基準に説明したが、前記実施例を１つの光走査装置に同時に実現することができる。例えば、第１実施例のように回転モーターの回転運動を光源部の直線運動に変換させると同時に第３実施例でのスプリングによる往復運動を結合して使用することができる。

本発明による光走査装置は回転するモーターまたは循環する光源部を移動させて多様な走査方式を提供することができる。

また、本明細書では光走査装置のみを説明したが、光源部によって走査される画面にスクリーンを配置すると映像表示装置となる。

以上、本願発明の技術的特徴を特定の実施例を中心に説明したが、本願発明が属する技術分野における通常の知識を有する者であれば本発明による技術的な思想の範囲内でも多様な変形及び修正を行うことができるのは自明なことである。

本発明の第１実施例による光走査装置を示す図面である。 本発明の第２実施例による光走査装置を示す図面である。 本発明の第２実施例の他の例を示す図面である。 本発明の第３実施例による光走査装置を示す図面である。

符号の説明

１００ 光源部
１１０ 発光素子
２００ リニアモーター
３００ 変換装置
３１０ ガイドレール
３２０ 第１連結部
３３０ 第２連結部
３４０、３５０ 結合軸
４００ モーター
４１０ 回転軸
５００ 方向変更部
５１０ 補償体
５２０ 弾性体
６１０ ガイド棒
６２０ スプリング
６３０、６３１ 固定部
６４０、６４１ 電磁石
６５０、６５１ 永久磁石

Claims (11)

1. 回転軸を中心として回転するモーターと、
   前記モーターの回転運動を往復直線運動に変換させる変換装置と、
   前記変換装置に連結されて移動方向に沿った往復直線運動を行い、長さを有しており、映像情報を伝送するために変調した光を発光する複数の発光素子が長さ方向に沿って配列された光源部を含んでおり、
   前記光源部の移動方向と前記光源部の長さ方向が互いに垂直になっていることを特徴とする光走査装置。
2. 前記変換装置は、
   前記光源部の運動を往復移動方向に制限するガイド部と、
   前記光源部に少なくとも部分的に回転可能に連結された第１連結部及び、
   一端が前記第１連結部と回転可能に連結され、他端が前記モーターに固定された第２連結部を含むことを特徴とする、請求項１に記載の光走査装置。
3. 前記モーターの軸方向と光源部の移動方向が互いに垂直になることを特徴とする、請求項１に記載の光走査装置。
4. 前記光源部に付着されて前記光源部の速度、変位などを測定するためのセンサーをさらに含むことを特徴とする、請求項１に記載の光走査装置。
5. 長さを有しており、映像情報を伝送するために変調した光を発光する複数の発光素子が長さ方向に沿って配列された光源部と、
   前記光源部を多角形または直線の経路で移動方向に沿って移動させるリニアモーター部及び、
   前記光源部の移動中に光源部の方向を変更させる方向変更部を含んでおり、
   前記光源部の移動方向と前記光源部の長さ方向が互いに垂直となっており、
   前記方向変更部は、衝突によって光源部の速度または方向を変更させることを特徴とする光走査装置。
6. 前記方向変更部は光源部と衝突して光源部の速度または方向を変更する補償体を含むことを特徴とする、請求項５に記載の光走査装置。
7. 前記方向変更部は、
   補償体と連結されて補償体を一定周期で振動させる弾性体をさらに含むことを特徴とする、請求項６に記載の光走査装置。
8. 前記光源部と前記補償体速度の方向が互いに異なることを特徴とする、請求項６に記載の光走査装置。
9. 前記光源部に付着されて前記光源部の速度、変位などを測定するためのセンサーをさらに含むことを特徴とする、請求項５に記載の光走査装置。
10. 衝突回数と走査画面の数が同一であることを特徴とする、請求項６に記載の光走査装置。
11. 長さを有しており、映像情報を伝送するために変調した光を発光する複数の発光素子が長さ方向に沿って配列された光源部と、
    一端が前記光源部と連結され、他端が固定され、前記光源部の移動方向に沿った直線往復運動が可能に圧縮伸張または振動する弾性体と、
    前記弾性体の圧縮伸張または振動を制御して光源部の速度を一定に制御する振動制御部を含んでおり、
    前記光源部の移動方向と前記光源部の長さ方向が互いに垂直になっており、
    前記振動制御部は前記光源部が直線往復運動する経路上に複数の電磁石または磁石を配列させて光源部の速度を制御することを特徴とする光走査装置。

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