JP5751132B2 - Two-dimensional optical deflector and image display apparatus using the same - Google Patents
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Description
本発明は、２次元光偏向器及びこれを用いた画像表示装置に係り、特に、ラスタースキャン方式により画像を表示するための２次元光偏向器及びこれを用いた画像表示装置に関する。 The present invention relates to a two-dimensional optical deflector and an image display apparatus using the same, and more particularly to a two-dimensional optical deflector for displaying an image by a raster scan method and an image display apparatus using the same.
フロントプロジェクタ、リアプロジェクタ、及びＨＭＤ（Head Mount Display）等の画像表示装置に、ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）技術により作製された光偏向器を用いる検討が盛んに行われている。
ＭＥＭＳ技術により作製された光偏向器及びこれを用いた画像表示装置の一例が特許文献１に開示されている。
Studies are being actively conducted on the use of optical deflectors fabricated by MEMS (Micro Electro Mechanical Systems) technology for image display devices such as front projectors, rear projectors, and HMDs (Head Mount Displays).
An example of an optical deflector manufactured by MEMS technology and an image display device using the same is disclosed in Patent Document 1.
ＭＥＭＳ技術により作製された光偏向器を用いた画像表示装置は、レーザ光を水平方向に走査する１軸の光偏向器と垂直方向に走査する１軸の光偏向器の２つの１軸の光偏向器（１次元光偏向器）を用いる形態と、レーザ光を水平方向及び水平方向にそれぞれ走査する１つの２軸の光偏向器（２次元光偏向器）を用いる形態とに大別させる。
また、上記の画像表示装置は、一般的にブラウン管における電子ビームの走査と同様にラスタースキャン方式により画像を表示するものであり、水平方向の走査周波数は数ｋＨｚ〜数十ｋＨｚの範囲であり、垂直方向の走査周波数は数十Ｈｚの範囲である。
An image display device using an optical deflector manufactured by the MEMS technology includes two uniaxial lights, a uniaxial optical deflector that scans laser light in a horizontal direction and a uniaxial optical deflector that scans in a vertical direction. It is roughly classified into a form using a deflector (one-dimensional optical deflector) and a form using one two-axis optical deflector (two-dimensional optical deflector) that scans laser light in the horizontal direction and the horizontal direction, respectively.
Further, the image display device generally displays an image by a raster scan method similarly to scanning of an electron beam in a cathode ray tube, and a horizontal scanning frequency is in a range of several kHz to several tens kHz. The scanning frequency in the vertical direction is in the range of several tens of Hz.
２つの１次元光偏向器を用いる画像表示装置は、２つの１次元光偏向器を、水平方向及び垂直方向のそれぞれの走査周波数に適した構造、材料、及び駆動方式でそれぞれ作製することができるので、特に、水平方向と垂直方向の走査周波数が互いに大きく異なる仕様に対して適している。反面、それぞれの光偏向器のミラー部でレーザ光を水平方向と垂直方向に合計２回反射させるため、光量が減衰して画像が暗くなったり、水平方向と垂直方向の光軸調整等が必要になるので画像表示するためのシステムの構成が煩雑になるというデメリットを有する。 An image display device using two one-dimensional optical deflectors can produce two one-dimensional optical deflectors with structures, materials, and driving methods suitable for respective horizontal and vertical scanning frequencies. Therefore, it is particularly suitable for specifications in which the scanning frequencies in the horizontal direction and the vertical direction are greatly different from each other. On the other hand, since the laser beam is reflected twice in total in the horizontal and vertical directions by the mirror part of each optical deflector, the amount of light is attenuated and the image becomes darker, and the optical axes in the horizontal and vertical directions need to be adjusted. Therefore, there is a demerit that the configuration of the system for displaying an image becomes complicated.
一方、２次元光偏向器を用いる画像表示装置は、共通のミラー部により１回の反射でレーザ光を水平方向及び垂直方向に走査することができるので、２つの１次元光偏向器を用いる画像表示装置よりも光量の減衰が低減されるため、明るい画像、即ちダイナミックレンジの広い画像が得られ、水平方向と垂直方向の光軸調整等が不要になるので画像表示するためのシステムの構成が簡単になるというメリットを有する。反面、特に、水平方向と垂直方向の走査周波数が互いに大きく異なる仕様に対して次の課題を有する。 On the other hand, an image display device using a two-dimensional optical deflector can scan a laser beam in the horizontal direction and the vertical direction with a single reflection by a common mirror, so that an image using two one-dimensional optical deflectors is used. Since the attenuation of the light amount is reduced as compared with the display device, a bright image, that is, an image with a wide dynamic range is obtained, and the optical axis adjustment in the horizontal direction and the vertical direction is unnecessary, so that the configuration of the system for displaying the image is improved. It has the advantage of being simple. On the other hand, there is the following problem especially for the specifications in which the horizontal and vertical scanning frequencies are greatly different from each other.
数ｋＨｚ〜数十ｋＨｚの走査周波数でレーザ光を水平方向に走査する際、通常、その光偏向器の共振周波数を用いて低電力でミラー部を駆動させる。
一方、数十Ｈｚの走査周波数でレーザ光を垂直方向に走査する際、垂直方向の走査はリフレッシュレートで決定され、例えば６０Ｈｚ程度の走査周波数となる。さらに画像信号と同期させるためには、垂直方向の走査周波数を電気的に制御する必要があるので、共振周波数を数百Ｈｚ程度に設定して直流駆動に近い状態で駆動させることになる。
When scanning a laser beam in the horizontal direction at a scanning frequency of several kHz to several tens of kHz, the mirror unit is usually driven with low power using the resonance frequency of the optical deflector.
On the other hand, when the laser beam is scanned in the vertical direction at a scanning frequency of several tens of Hz, the vertical scanning is determined by the refresh rate, for example, a scanning frequency of about 60 Hz. Further, in order to synchronize with the image signal, it is necessary to electrically control the scanning frequency in the vertical direction, so that the resonance frequency is set to about several hundred Hz and the driving is performed in a state close to DC driving.
このように、共振周波数が数十ｋＨｚの構造と数百Ｈｚの構造とを同一基板上、例えば同一シリコン基板上に形成するには、水平方向走査用のトーションバーに対して垂直方向走査用のトーションバーをより細く、及び／又はより長くする必要があり、垂直方向走査用のトーションバーの機械的強度が悪化して破損しやすくなり、扱いにくい光偏向器となってしまう。 Thus, in order to form a structure with a resonance frequency of several tens of kHz and a structure with several hundreds of Hz on the same substrate, for example, on the same silicon substrate, a vertical scanning is performed with respect to a horizontal scanning torsion bar. It is necessary to make the torsion bar thinner and / or longer, the mechanical strength of the torsion bar for vertical scanning is deteriorated and easily broken, and the light deflector becomes difficult to handle.
そこで、本発明は、水平方向と垂直方向の走査周波数が互いに大きく異なる仕様に対しても対応可能であり、かつ、従来よりも破損しにくい２次元光偏向器及びこれを用いた画像表示装置を提供することを目的とする。 Therefore, the present invention is capable of dealing with specifications in which the horizontal and vertical scanning frequencies are greatly different from each other, and is less likely to be damaged than in the past, and an image display device using the same. The purpose is to provide.
上記の課題を解決するために、本発明は次の２次元光偏向器及びこれを用いた画像表示装置を提供する。In order to solve the above problems, the present invention provides the following two-dimensional optical deflector and an image display device using the same.
１）照射された光を反射するミラー部（２）と、前記ミラー部（２）を囲うように間隙（３）を有して配置されたジンバル部（４）と、前記ジンバル部（４）を囲うように間隙（５）を有して配置されたフレーム部（６）と、前記ミラー部（２）と前記ジンバル部（４）とを接続する一対の第１トーションバー部（７ａ，７ｂ）と、前記ジンバル部（４）と前記フレーム部（６）とを接続する一対の第２トーションバー部（３１ａ〜３１ｄ，９ａ，９ｂ）と、を備え、前記一対の第２トーションバー部（３１ａ〜３１ｄ，９ａ，９ｂ）は、所定の材料から構成され、それぞれミアンダ構造を有する第３トーションバー部（３１ａ〜３１ｄ）と、前記所定の材料よりも展延性を有する展延性材料から構成され、それぞれ直線形状の構造を有する第４トーションバー部（９ａ，９ｂ）と、をそれぞれ有して構成されていることを特徴とする２次元光偏向器（１）。 1) a mirror part (2) for reflecting irradiated light, a gimbal part (4) arranged with a gap (3) so as to surround the mirror part (2), and the gimbal part (4) A pair of first torsion bar portions (7a, 7b) connecting the frame portion (6) disposed with a gap (5) so as to surround the mirror portion (2) and the gimbal portion (4). ) And a pair of second torsion bar portions (31a to 31d, 9a, 9b) that connect the gimbal portion (4) and the frame portion (6), and the pair of second torsion bar portions ( 31a to 31d, 9a, and 9b) are made of a predetermined material, and are each made of a third torsion bar portion (31a to 31d) having a meander structure, and a spreadable material having a spreadability than the predetermined material. , Each has a linear structure 4 the torsion bar portion (9a, 9b) and two-dimensional optical deflector, characterized in that the is configured to have respectively (1).
２）前記一対の第１トーションバー部（７ａ，７ｂ）は、一方の第１トーションバー部と（７ａ）他方の第１トーションバー部（７ｂ）とが、前記ミラー部（２）の重心（Ｏａ）を通る第１の回転軸（Ｙａ）方向に、前記重心（Ｏａ）に対して互いに点対称に配置されており、前記一対の第２トーションバー部（３１ａ〜３１ｄ，９ａ，９ｂ）は、一方の第２トーションバー部（３１ａ，３１ｂ，９ａ）と他方の第２トーションバー部（３１ｃ，３１ｄ，９ｂ）とが、前記ミラー部（２）の重心（Ｏａ）を通り、かつ、前記第１の回転軸（Ｙａ）に直交する第２の回転軸（Ｘａ）方向に、前記重心（Ｏａ）に対して互いに点対称に配置されており、前記ミラー部（２）を前記第１の回転軸（Ｙａ）回り及び前記第２の回転軸（Ｘａ）回りにそれぞれ回転駆動させる駆動手段をさらに備えていることを特徴とする１）記載の２次元光偏向器（１）。 2) The pair of first torsion bar portions (7a, 7b) includes one first torsion bar portion and (7a) the other first torsion bar portion (7b), wherein the center of gravity of the mirror portion (2) ( A pair of second torsion bar portions (31a to 31d, 9a, 9b) are arranged symmetrically with respect to the center of gravity (Oa) in the first rotation axis (Ya) direction passing through Oa). The one second torsion bar part (31a, 31b, 9a) and the other second torsion bar part (31c, 31d, 9b) pass through the center of gravity (Oa) of the mirror part (2), and They are arranged symmetrically with respect to the center of gravity (Oa) in the direction of the second rotation axis (Xa) orthogonal to the first rotation axis (Ya), and the mirror part (2) is arranged in the first rotation axis (Xa). Around the rotation axis (Ya) and around the second rotation axis (Xa). 1) two-dimensional optical deflector according to characterized in that it further comprises a driving means for driving, respectively the rotation (1).
３）２）に記載の２次元光偏向器と、前記２次元光偏向器のミラー部に向けて前記光（Ｌ）を射出する光源（４１）と、前記駆動手段を制御する駆動制御手段（４２）と、を備え、前記光（Ｌ）は、前記ミラー部（２）で反射されて、前記第１の回転軸（Ｙ）を回転軸として水平方向に偏向されると共に、前記第２の回転軸（Ｘ）を回転軸として垂直方向に偏向されることを特徴とする画像表示装置（４０）。 3) The two-dimensional optical deflector according to 2), a light source (41) that emits the light (L) toward a mirror part of the two-dimensional optical deflector, and a drive control unit that controls the drive unit ( 42), and the light (L) is reflected by the mirror unit (2) and deflected in the horizontal direction about the first rotation axis (Y) as the rotation axis, and the second An image display device (40), wherein the image display device (40) is deflected in the vertical direction about the rotation axis (X).
４）前記光源（４１）は、入力される輝度変調信号に応じて射出する光（Ｌ）の光量を制御し、前記駆動制御手段（４２）は、前記輝度変調信号に同期して前記駆動手段を制御することを特徴とする３）記載の画像表示装置（４０）。 4) The light source (41) controls the amount of light (L) emitted according to the input luminance modulation signal, and the drive control means (42) synchronizes with the luminance modulation signal. 3) The image display device (40) according to 3).
本発明によれば、水平方向と垂直方向の走査周波数が互いに大きく異なる仕様に対しても対応可能であり、かつ、従来よりも破損しにくいという効果を奏する。 According to the present invention, it is possible to cope with specifications in which the scanning frequencies in the horizontal direction and the vertical direction are greatly different from each other, and there is an effect that it is less likely to be damaged than in the past.
本発明の好ましい実施の形態を、図１〜図４を用いて説明する。 A preferred embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS.
＜第１の実施の形態＞
図１に示すように、２次元光偏向器１は、照射されたレーザ光を反射するミラー部２と、ミラー部２を囲うように間隙３を有して配置されたジンバル部４と、ジンバル部４を囲うように間隙５を有して配置されたフレーム部６と、ミラー部２とジンバル部４とを接続する一対のトーションバー部７ａ，７ｂと、ジンバル部４とフレーム部６とを接続する一対のトーションバー部８ａ，８ｂ，９ａ、８ｃ，８ｄ，９ｂと、を備えている。
<First Embodiment>
As shown in FIG. 1, a two-dimensional optical deflector 1 includes a mirror part 2 that reflects irradiated laser light, a gimbal part 4 that is disposed with a gap 3 so as to surround the mirror part 2, and a gimbal. A frame portion 6 having a gap 5 so as to surround the portion 4, a pair of torsion bar portions 7 a and 7 b connecting the mirror portion 2 and the gimbal portion 4, and the gimbal portion 4 and the frame portion 6. A pair of torsion bar portions 8a, 8b, 9a, 8c, 8d, and 9b to be connected is provided.
トーションバー部７ａとトーションバー部７ｂとは、ミラー部２の重心Ｏａを通る回転軸（水平走査軸）Ｙａ方向に、重心Ｏａに対して点対称に配置されている。 The torsion bar part 7a and the torsion bar part 7b are arranged symmetrically with respect to the center of gravity Oa in the direction of the rotation axis (horizontal scanning axis) Ya passing through the center of gravity Oa of the mirror part 2.
トーションバー部８ａ，８ｂとトーションバー部８ｃ，８ｂとは、ミラー部２の重心Ｏａを通り、かつ、回転軸Ｙａに直交する回転軸（垂直走査軸）Ｘａ方向に、重心Ｏａに対して点対称に配置されている。
トーションバー部９ａとトーションバー部９ｂとは、回転軸Ｘａ方向に、重心Ｏａに対して点対称に配置されている。
The torsion bar portions 8a and 8b and the torsion bar portions 8c and 8b are points with respect to the center of gravity Oa in the direction of the rotation axis (vertical scanning axis) Xa passing through the center of gravity Oa of the mirror unit 2 and orthogonal to the rotation axis Ya. They are arranged symmetrically.
The torsion bar part 9a and the torsion bar part 9b are arranged point-symmetrically with respect to the center of gravity Oa in the direction of the rotation axis Xa.
トーションバー部７ａ，７ｂ，８ａ〜８ｄ，９ａ，９ｂはそれぞれ捩じればね性を有している。 Each of the torsion bar portions 7a, 7b, 8a to 8d, 9a, 9b has elasticity when twisted.
ミラー部２、ジンバル部４、フレーム部６、及びトーションバー部７ａ，７ｂ，８ａ〜８ｄは、例えばＳＯＩ（Silicon on Insulator）等のシリコン（Ｓｉ）ウエハを周知の半導体プロセスを用いて加工することにより、一体に形成されている。
ジンバル部４及びフレーム部６は、たわみ変形等を防止するために、ミラー部２及びトーションバー部７ａ，７ｂ，８ａ〜８ｄよりも厚く形成されている。
The mirror part 2, the gimbal part 4, the frame part 6, and the torsion bar parts 7a, 7b, 8a to 8d are formed by processing a silicon (Si) wafer such as SOI (Silicon on Insulator) using a known semiconductor process. Thus, they are integrally formed.
The gimbal part 4 and the frame part 6 are formed to be thicker than the mirror part 2 and the torsion bar parts 7a, 7b, 8a to 8d in order to prevent bending deformation and the like.
ところで、トーションバー部７ａ，７ｂ，８ａ〜８ｄは、それぞれシリコンで形成されており、シリコンは脆性破壊材料であるため、最大ひずみ応力を超えた応力が作用した場合に簡単に破損してしまう。
それに対して、トーションバー部９ａ，９ｂは、展延性材料で構成されており、かつ、ジンバル部４が動作する範囲内でのひずみ変形が、その材料の弾性領域内となるように寸法や材料を設計している。トーションバー部９ａ，９ｂを構成する展延性材料として、例えばポリイミド等の高分子材料が挙げられる。このような展延性材料は脆性破壊を起こしにくい。また、ポリイミド等の高分子材料は、一般的にシリコンと比較して弾性率が極めて小さいので、トーションバー部９ａ，９ｂをより太く、及び／またはより短く設計することが可能になる。
By the way, each of the torsion bar portions 7a, 7b, 8a to 8d is formed of silicon, and silicon is a brittle fracture material. Therefore, the torsion bar portions 7a, 7b, 8a to 8d are easily damaged when a stress exceeding the maximum strain stress is applied.
On the other hand, the torsion bar portions 9a and 9b are made of a malleable material and have dimensions and materials so that strain deformation within the range in which the gimbal portion 4 operates is within the elastic region of the material. Is designing. Examples of the malleable material that constitutes the torsion bar portions 9a and 9b include polymer materials such as polyimide. Such a spreadable material is less likely to cause brittle fracture. In addition, since a polymer material such as polyimide generally has an extremely low elastic modulus compared to silicon, the torsion bar portions 9a and 9b can be designed to be thicker and / or shorter.
トーションバー部９ａは、例えば、トーションバー部９ａとその一端側に形成されたパッド部１０ａとその他端側に形成されたパッド部１０ｂとが一体になった構造体を作製し、パッド部１０ａをジンバル部４に接着等によって固定し、パッド部１０ｂをフレーム部６に接着等によって固定することにより、間隙５の回転軸（垂直走査軸）Ｘａ上に配置される。
同様に、トーションバー部９ｂは、例えばトーションバー部９ｂとその一端側に形成されたパッド部１０ｃとその他端側に形成されたパッド部１０ｄとが一体になった構造体を作製し、パッド部１０ｃをジンバル部４に接着等によって固定し、パッド部１０ｄをフレーム部６に接着等によって固定することにより、間隙５の回転軸（垂直走査軸）Ｘａ上に配置される。
For example, the torsion bar portion 9a is a structure in which a torsion bar portion 9a, a pad portion 10a formed on one end thereof and a pad portion 10b formed on the other end thereof are integrated, and the pad portion 10a is formed. By fixing to the gimbal part 4 by adhesion or the like and fixing the pad part 10b to the frame part 6 by adhesion or the like, the gap 5 is arranged on the rotation axis (vertical scanning axis) Xa.
Similarly, for the torsion bar portion 9b, for example, a structure in which a torsion bar portion 9b, a pad portion 10c formed on one end side thereof, and a pad portion 10d formed on the other end side are integrated, 10c is fixed to the gimbal portion 4 by bonding or the like, and the pad portion 10d is fixed to the frame portion 6 by bonding or the like, thereby being arranged on the rotation axis (vertical scanning axis) Xa of the gap 5.
次に、上述した２次元光偏向器１のミラー部２の駆動方法について説明する。 Next, a method for driving the mirror unit 2 of the above-described two-dimensional optical deflector 1 will be described.
まず、Ｙａを回転軸とする、ミラー部２の水平方向（図１における左右方向）の駆動について同じく図１を用いて説明する。 First, the driving of the mirror unit 2 in the horizontal direction (left and right direction in FIG. 1) using Ya as the rotation axis will be described with reference to FIG.
ミラー部２は、ミラー部２及びトーションバー部７ａ，７ｂの構造設計により決定される共振周波数の駆動力を、Ｙａが回転軸となるようにミラー部２に印加することによって、水平方向（図１における左右方向）に駆動する。
上述の駆動力は、例えばミラー部２における、レーザ光を反射する反射面とは反対側の裏面に形成された電磁コイルに電流を供給し、外部磁界によるローレンツ力を用いることによって発生させることができる。
上述の駆動力を発生させる他の方法として、ジンバル部４に電磁力、静電力、又は圧電力等の偶力の振動を与え、その振動をトーションバー部７ａ，７ｂを介してミラー部２に伝達させる方法がある。
The mirror unit 2 applies a driving force having a resonance frequency determined by the structural design of the mirror unit 2 and the torsion bar units 7a and 7b to the mirror unit 2 so that Ya serves as a rotation axis. 1 in the left-right direction).
The driving force described above can be generated, for example, by supplying a current to an electromagnetic coil formed on the back surface of the mirror portion 2 opposite to the reflecting surface that reflects the laser light and using a Lorentz force generated by an external magnetic field. it can.
As another method for generating the above-described driving force, vibration of couple force such as electromagnetic force, electrostatic force or piezoelectric force is applied to the gimbal portion 4 and the vibration is applied to the mirror portion 2 via the torsion bar portions 7a and 7b. There is a way to communicate.
上述したように、ミラー部２をその構造体の共振周波数で駆動するため、高い共振周波数であっても少ない駆動電力で、ミラー部２を水平方向（図１における左右方向）に大きな偏向角を有して駆動させることができる。
そして、ミラー部２が水平方向に駆動している状態でミラー部２にレーザ光を照射することによって、レーザ光を水平方向に大きな偏向角を有して走査することができる。
As described above, since the mirror unit 2 is driven at the resonance frequency of the structure, the mirror unit 2 can have a large deflection angle in the horizontal direction (left-right direction in FIG. 1) with a small driving power even at a high resonance frequency. Can be driven.
By irradiating the mirror unit 2 with laser light while the mirror unit 2 is driven in the horizontal direction, the laser beam can be scanned with a large deflection angle in the horizontal direction.
次に、Ｘａを回転軸とする、ミラー部２の垂直方向（図１における上下方向）の駆動について同じく図１を用いて説明する。 Next, driving in the vertical direction (vertical direction in FIG. 1) of the mirror unit 2 with Xa as the rotation axis will be described with reference to FIG.
ミラー部２は、Ｘａが回転軸となるようにジンバル部４に偶力の駆動力を印加することによって、ジンバル部４と共に垂直方向（図１における上下方向）に駆動する。
上述の駆動力は、ジンバル部４に電磁力、静電力、又は圧電力等の偶力を印加することによって発生させることができる。
そして、ミラー部２が垂直方向に駆動している状態でミラー部２にレーザ光を照射することによって、レーザ光を垂直方向に走査することができる。
The mirror unit 2 is driven in the vertical direction (vertical direction in FIG. 1) together with the gimbal unit 4 by applying a couple of driving forces to the gimbal unit 4 so that Xa becomes the rotation axis.
The driving force described above can be generated by applying a couple such as electromagnetic force, electrostatic force, or piezoelectric force to the gimbal portion 4.
The laser beam can be scanned in the vertical direction by irradiating the mirror unit 2 with the laser beam while the mirror unit 2 is driven in the vertical direction.
垂直方向の走査の画像リフレッシュレートに相当する周波数（６０Ｈｚ程度）でレーザ光をラスタースキャンできるように、ジンバル部４に駆動力を印加する。
垂直方向の走査は非共振駆動させることが望ましい。そのため、ジンバル部４に大きな駆動力を印加可能な手段を用いる。また、駆動力が大きくても変位が小さい駆動では大きな偏向角が得られないので、圧電力を用いた駆動よりも電磁力を用いた駆動の方が好ましい。このような電磁力を用いた駆動は、例えばジンバル部４に形成された電磁コイルに電流を供給し、外部磁界によるローレンツ力を用いることによって行うことができる。
A driving force is applied to the gimbal portion 4 so that the laser beam can be raster scanned at a frequency (about 60 Hz) corresponding to the image refresh rate of the vertical scanning.
Non-resonant driving is desirable for vertical scanning. Therefore, means capable of applying a large driving force to the gimbal portion 4 is used. In addition, since a large deflection angle cannot be obtained by driving with small displacement even if driving force is large, driving using electromagnetic force is preferable to driving using piezoelectric power. Such driving using electromagnetic force can be performed, for example, by supplying a current to an electromagnetic coil formed in the gimbal portion 4 and using a Lorentz force generated by an external magnetic field.
なお、正弦波駆動で画像を表示することも可能であるが、正弦波ではその非直線領域では上下の画像が縮んでしまう。そのため、非直線領域では画像信号をカットする必要があり、高い解像度を得ることが難しい。また、機械的な往復振動での偏向動作では完全なラスタースキャンは難しい。そこで、駆動周波数に対して共振周波数を高めに設定し、共振振動をカットできるフィルタ回路を用いる等によって、よりラスタースキャンに近い動作が可能にすることによって、より解像度の高い画像を得ることができる。 Although an image can be displayed by sine wave driving, the upper and lower images are shrunk in the non-linear region in the sine wave. Therefore, it is necessary to cut the image signal in the non-linear region, and it is difficult to obtain a high resolution. In addition, it is difficult to perform a complete raster scan in a deflection operation with mechanical reciprocal vibration. Therefore, by setting the resonance frequency higher than the drive frequency and using a filter circuit capable of cutting the resonance vibration, it is possible to obtain an image with higher resolution by enabling operation closer to raster scanning. .
上述したように、ミラー部２を、Ｙａを回転軸として水平方向に駆動する場合は、軽いミラー部２のみを駆動すればよいので、その構造体の共振周波数（例えば数ｋＨｚ〜数十ｋＨｚの範囲）で駆動することが好ましく、その結果、高い共振周波数であっても少ない駆動電力で、ミラー部２を水平方向（図１における左右方向）に大きな偏向角を有して駆動させることができる。
そして、ミラー部２が水平方向に駆動している状態でミラー部２にレーザ光を照射することによって、レーザ光を水平方向に大きな偏向角を有して走査することができる。
As described above, when the mirror unit 2 is driven in the horizontal direction with Ya as the rotation axis, only the light mirror unit 2 needs to be driven, and therefore the resonance frequency of the structure (for example, several kHz to several tens kHz). The mirror unit 2 can be driven with a large deflection angle in the horizontal direction (left-right direction in FIG. 1) with a small driving power even at a high resonance frequency. .
By irradiating the mirror unit 2 with laser light while the mirror unit 2 is driven in the horizontal direction, the laser beam can be scanned with a large deflection angle in the horizontal direction.
一方、ミラー部２を、Ｘａを回転軸として垂直方向に駆動する場合は、重いジンバル部４と共に駆動しなければならないので、かつ、垂直方向の走査の画像リフレッシュレートに相当する周波数（６０Ｈｚ程度）で駆動しなければならないので、のこぎり波状の波形駆動をすることが好ましい。そのため、ミラー部２（ジンバル部４）を、共振駆動ではなくて非共振で駆動させることが望ましく、垂直方向の共振周波数としては数百Ｈｚ程度に設定する必要がある。
垂直方向の共振周波数を数百Ｈｚ程度に設定する場合、例えばシリコンからなるトーションバー部８ａ〜８ｄのみの構成で設計すると、トーションバー部８ａ〜８ｄの形状は細く、及び／または長くなるため、シリコンの脆性により、トーションバー部８ａ〜８ｄに瞬間的に大きな力が加わると、容易に破損してしまう。通常の動作のときには、シリコンのせん断応力よりも低い範囲で動作させるように設計しているので破損しにくい。しかしながら、例えば製造過程のハンドリング等で瞬間的に大きな力が加わってしまった場合には破損してしまうことがあり、製造歩留まり等を悪化させる要因となる。
On the other hand, when the mirror unit 2 is driven in the vertical direction with Xa as the rotation axis, the mirror unit 2 must be driven together with the heavy gimbal unit 4, and a frequency (about 60 Hz) corresponding to the image refresh rate of the vertical scanning. Therefore, it is preferable to perform sawtooth waveform driving. For this reason, it is desirable to drive the mirror unit 2 (gimbal unit 4) not in resonance but in non-resonance, and it is necessary to set the resonance frequency in the vertical direction to about several hundred Hz.
When the resonance frequency in the vertical direction is set to about several hundred Hz, for example, when the design is made with only the torsion bar portions 8a to 8d made of silicon, the shapes of the torsion bar portions 8a to 8d are thin and / or long. Due to the brittleness of silicon, if a large force is momentarily applied to the torsion bar portions 8a to 8d, they are easily damaged. During normal operation, it is designed to operate in a range lower than the shear stress of silicon, so it is difficult to break. However, for example, when a large force is momentarily applied during the handling of the manufacturing process, the product may be damaged, resulting in a deterioration in manufacturing yield.
そこで、本発明に係る実施の形態では、ミラー部２を、Ｘａを回転軸として垂直方向に駆動する場合に、トーションバー部８ａ〜８ｄに加えて、展延性材料で構成され、かつ、ジンバル部４が動作する範囲内でのひずみ変形が、その材料の弾性領域内となるように寸法や材料が設計されたトーションバー部９ａ，９ｂを用いた構成としている。
例えばポリイミド等の高分子材料からなる展延性材料は脆性破壊を起こしにくいので、トーションバー部９ａ，９ｂを、例えばシリコンからなるトーションバー部８ａ〜８ｄと併用して用いることにより、垂直方向の駆動共振周波数の設計の自由度が向上する。詳しくは、例えばシリコンからなるトーションバー部８ａ〜８ｄの幅及び長さ、並びに、例えばポリイミド等の脆性破壊を起こしにくい展延性材料からなるトーションバー部９ａ，９ｂの幅及び長さをそれぞれ設定することにより、垂直方向の駆動共振周波数を設定することができる。
Therefore, in the embodiment according to the present invention, when the mirror part 2 is driven in the vertical direction with Xa as the rotation axis, in addition to the torsion bar parts 8a to 8d, the mirror part 2 is made of a malleable material, and the gimbal part 4 is configured to use torsion bar portions 9a and 9b whose dimensions and materials are designed so that the strain deformation within the range in which 4 operates is within the elastic region of the material.
For example, a malleable material made of a polymer material such as polyimide hardly causes brittle fracture, so that the torsion bar portions 9a and 9b are used in combination with the torsion bar portions 8a to 8d made of silicon, for example, to drive in the vertical direction. The degree of freedom in designing the resonance frequency is improved. Specifically, for example, the width and length of the torsion bar portions 8a to 8d made of silicon, and the width and length of the torsion bar portions 9a and 9b made of a malleable material that hardly causes brittle fracture such as polyimide are set. Thus, the drive resonance frequency in the vertical direction can be set.
また、トーションバー部９ａ，９ｂは、ポリイミド等の、トーションバー部８ａ〜８ｄよりも弾性率の低い材料を用いることにより、トーションバー部８ａ〜８ｄよりも太く、及び／または短く設計することができる。
その結果、Ｘａを回転軸として垂直方向に駆動する場合のトーションバー部８ａ〜８ｄの機械的強度をトーションバー部９ａ，９ｂによって補強することができるので、トーションバー部８ａ〜８ｄに瞬間的に加わる大きな力に対しての破損を抑制することができると共に、たわみ防止についての効果を有する。
The torsion bar portions 9a and 9b can be designed to be thicker and / or shorter than the torsion bar portions 8a to 8d by using a material having a lower elastic modulus than the torsion bar portions 8a to 8d, such as polyimide. it can.
As a result, the mechanical strength of the torsion bar portions 8a to 8d when driving in the vertical direction with Xa as the rotation axis can be reinforced by the torsion bar portions 9a and 9b. While being able to suppress damage to the applied large force, it has an effect of preventing deflection.
＜第２の実施の形態＞
第２の実施の形態における２次元光偏向器２０は、第１の実施の形態における２次元光偏向器１と比較して、ジンバル部４とフレーム部６とを接続する低弾性率のトーションバー部の構成及びその固定方法が相違し、それ以外は第１の実施の形態と同じなので、説明を分かりやすくするために第１の実施の形態と同じ構成部には同じ符号を付して説明する。
<Second Embodiment>
The two-dimensional optical deflector 20 in the second embodiment is a torsion bar having a low elastic modulus that connects the gimbal portion 4 and the frame portion 6 as compared to the two-dimensional optical deflector 1 in the first embodiment. The configuration of the unit and the fixing method thereof are different, and other than that is the same as in the first embodiment. Therefore, in order to make the explanation easy to understand, the same components as those in the first embodiment are denoted by the same reference numerals and described. To do.
図２に示すように、２次元光偏向器２０は、照射されたレーザ光を反射するミラー部２と、ミラー部２を囲うように間隙３を有して配置されたジンバル部４と、ジンバル部４を囲うように間隙５を有して配置されたフレーム部６と、ミラー部２とジンバル部４とを接続する一対のトーションバー部７ａ，７ｂと、ジンバル部４とフレーム部６とを接続する一対のトーションバー部８ａ，８ｂ，２２ａ、８ｃ，８ｄ，２２ｂと、を備えている。 As shown in FIG. 2, the two-dimensional optical deflector 20 includes a mirror unit 2 that reflects irradiated laser light, a gimbal unit 4 that is disposed with a gap 3 so as to surround the mirror unit 2, and a gimbal unit. A frame portion 6 having a gap 5 so as to surround the portion 4, a pair of torsion bar portions 7 a and 7 b connecting the mirror portion 2 and the gimbal portion 4, and the gimbal portion 4 and the frame portion 6. A pair of torsion bar portions 8a, 8b, 22a, 8c, 8d, and 22b to be connected is provided.
トーションバー部７ａとトーションバー部７ｂとは、ミラー部２の重心Ｏａを通る回転軸（水平走査軸）Ｙｂ方向に、重心Ｏａに対して点対称に配置されている。 The torsion bar part 7a and the torsion bar part 7b are arranged symmetrically with respect to the center of gravity Oa in the direction of the rotation axis (horizontal scanning axis) Yb passing through the center of gravity Oa of the mirror part 2.
トーションバー部８ａ，８ｂとトーションバー部８ｃ，８ｂとは、ミラー部２の重心Ｏａを通り、かつ、回転軸Ｙｂに直交する回転軸（垂直走査軸）Ｘｂ方向に、重心Ｏａに対して点対称に配置されている。
トーションバー部２２ａとトーションバー部２２ｂとは、回転軸Ｘｂ方向に、重心Ｏａに対して点対称に配置されている。
The torsion bar portions 8a and 8b and the torsion bar portions 8c and 8b are points with respect to the center of gravity Oa in the direction of the rotation axis (vertical scanning axis) Xb passing through the center of gravity Oa of the mirror unit 2 and orthogonal to the rotation axis Yb. They are arranged symmetrically.
The torsion bar portion 22a and the torsion bar portion 22b are arranged symmetrically with respect to the center of gravity Oa in the direction of the rotation axis Xb.
トーションバー部７ａ，７ｂ，８ａ，８ｂ，２２ａ、８ｃ，８ｄ，２２ｂはそれぞれ捩じればね性を有している。 The torsion bar portions 7a, 7b, 8a, 8b, 22a, 8c, 8d, and 22b each have a twist property if twisted.
ミラー部２、ジンバル部４、フレーム部６、及びトーションバー部７ａ，７ｂ，８ａ〜８ｄは、例えばＳＯＩ（Silicon on Insulator）等のシリコン（Ｓｉ）ウエハを周知の半導体プロセスを用いて加工することにより、一体に形成されている。
ジンバル部４及びフレーム部６は、たわみ変形等を防止するために、ミラー部２及びトーションバー部７ａ，７ｂ，８ａ〜８ｄよりも厚く形成されている。
The mirror part 2, the gimbal part 4, the frame part 6, and the torsion bar parts 7a, 7b, 8a to 8d are formed by processing a silicon (Si) wafer such as SOI (Silicon on Insulator) using a known semiconductor process. Thus, they are integrally formed.
The gimbal part 4 and the frame part 6 are formed to be thicker than the mirror part 2 and the torsion bar parts 7a, 7b, 8a to 8d in order to prevent bending deformation and the like.
ところで、トーションバー部７ａ，７ｂ，８ａ〜８ｄは、それぞれシリコンで形成されており、シリコンは脆性破壊材料であるため、最大ひずみ応力を超えた応力が作用した場合に簡単に破損してしまう。
それに対して、トーションバー部２２ａ，２２ｂは、展延性材料で構成されており、かつ、ジンバル部４が動作する範囲内でのひずみ変形が、その材料の弾性領域内となるように寸法や材料を設計している。トーションバー部２２ａ，２２ｂを構成する展延性材料として、例えばサスペンションワイヤー等の金属材料が挙げられる。このような展延性材料は脆性破壊を起こしにくい。なお、サスペンションワイヤー等の金属材料は、一般的にシリコンと比較して弾性率にそれほど差がないので、ばね定数としての寸法はポリイミドのような低い弾性率のトーションバー部よりも細く、及び／または長く設計する必要があるものの、延性を有しているので、瞬間的に大きな力が加わっても破損しにくい。
また、金属材料は塑性変形を起こすが、ジンバル部４の動作の範囲がそのときのトーションバー部２２ａ，２２ｂに加わるねじれ応力の最大値が弾性変形の範囲内になるように、トーションバー部２２ａ，２２ｂの寸法を設計すれば、通常の使用における塑性変形や金属疲労変形を起こしにくく、かつ、瞬間的に大きな力が加わったときに脆性破壊を起こしにくいので、第１の実施の形態と同様、シリコンで形成されたトーションバー部７ａ，７ｂ，８ａ〜８ｄの破損をトーションバー部２２ａ，２２ｂで抑制することができる。
By the way, each of the torsion bar portions 7a, 7b, 8a to 8d is formed of silicon, and silicon is a brittle fracture material. Therefore, the torsion bar portions 7a, 7b, 8a to 8d are easily damaged when a stress exceeding the maximum strain stress is applied.
On the other hand, the torsion bar portions 22a and 22b are made of a malleable material and have dimensions and materials so that strain deformation within the range in which the gimbal portion 4 operates is within the elastic region of the material. Is designing. Examples of the malleable material that constitutes the torsion bar portions 22a and 22b include metal materials such as suspension wires. Such a spreadable material is less likely to cause brittle fracture. In addition, since metal materials such as suspension wires generally do not have much difference in elastic modulus as compared with silicon, the size as a spring constant is narrower than that of a low elastic modulus torsion bar portion such as polyimide, and / or Although it is necessary to design for a long time, it has ductility, so that it is difficult to break even if a large force is applied instantaneously.
Further, although the metal material undergoes plastic deformation, the torsion bar portion 22a is set so that the maximum range of torsional stress applied to the torsion bar portions 22a and 22b at that time is within the elastic deformation range. , 22b is designed so that it does not easily cause plastic deformation or metal fatigue deformation in normal use, and it does not easily cause brittle fracture when a large force is applied instantaneously, as in the first embodiment. The torsion bar portions 7a, 7b and 8a to 8d made of silicon can be prevented from being damaged by the torsion bar portions 22a and 22b.
ジンバル部４には、トーションバー部２２ａ，２２ｂの一端側を位置決めするための溝部２１ａ，２１ｃが形成されている。
フレーム部６には、トーションバー部２２ａ，２２ｂの他端側を位置決めするための溝部２１ｂ，２１ｄが形成されている。
The gimbal portion 4 is formed with groove portions 21a and 21c for positioning one end sides of the torsion bar portions 22a and 22b.
The frame portion 6 is formed with groove portions 21b and 21d for positioning the other end sides of the torsion bar portions 22a and 22b.
トーションバー部２２ａは、その一端側が溝部２１ａに収容されて位置決めされ、例えば溝部２１ａを埋める接着剤２３によってジンバル部４に固定されている。
また、トーションバー部２２ａは、その他端側が溝部２１ｂに収容されて位置決めされ、溝部２１ｂを埋める接着剤２３によってフレーム部６に固定されている。
One end side of the torsion bar portion 22a is accommodated and positioned in the groove portion 21a, and is fixed to the gimbal portion 4 with an adhesive 23 that fills the groove portion 21a, for example.
Further, the other end side of the torsion bar portion 22a is received and positioned in the groove portion 21b, and is fixed to the frame portion 6 with an adhesive 23 that fills the groove portion 21b.
トーションバー部２２ｂは、その一端側が溝部２１ｃに収容されて位置決めされ、例えば溝部２１ｃを埋める接着剤２３によってジンバル部４に固定されている。
また、トーションバー部２２ｂは、その他端側が溝部２１ｄに収容されて位置決めされ、溝部２１ｄを埋める接着剤２３によってフレーム部６に固定されている。
One end side of the torsion bar portion 22b is accommodated and positioned in the groove portion 21c, and is fixed to the gimbal portion 4 with, for example, an adhesive 23 that fills the groove portion 21c.
Further, the other end side of the torsion bar portion 22b is received and positioned in the groove portion 21d, and is fixed to the frame portion 6 with an adhesive 23 that fills the groove portion 21d.
これにより、トーションバー部２２ａ，２２ｂは、重心Ｏａを点対称として、間隙５における回転軸（垂直走査軸）Ｘｂ上に配置される。 Thus, the torsion bar portions 22a and 22b are arranged on the rotation axis (vertical scanning axis) Xb in the gap 5 with the center of gravity Oa as point symmetry.
上述した２次元光偏向器２０のミラー部２の駆動方法は、前述した第１の実施の形態における２次元光偏向器１のミラー部２の駆動方法と同じであるため、その説明を省略する。 The driving method of the mirror unit 2 of the two-dimensional optical deflector 20 described above is the same as the driving method of the mirror unit 2 of the two-dimensional optical deflector 1 in the first embodiment described above, and thus the description thereof is omitted. .
＜第３の実施の形態＞
第３の実施の形態における２次元光偏向器３０は、第１の実施の形態における２次元光偏向器１におけるトーションバー部８ａ〜８ｄを折り返しのミアンダ構造にしたものであり、それ以外は第１の実施の形態と同じなので、説明を分かりやすくするために第１の実施の形態と同じ構成部には同じ符号を付して説明する。
<Third Embodiment>
The two-dimensional optical deflector 30 in the third embodiment has a meander structure in which the torsion bar portions 8a to 8d in the two-dimensional optical deflector 1 in the first embodiment are folded. Since it is the same as that of the first embodiment, the same components as those of the first embodiment are denoted by the same reference numerals for easy understanding.
図３に示すように、２次元光偏向器３０は、照射されたレーザ光を反射するミラー部２と、ミラー部２を囲うように間隙３を有して配置されたジンバル部４と、ジンバル部４を囲うように間隙５を有して配置されたフレーム部６と、ミラー部２とジンバル部４とを接続する一対のトーションバー部７ａ，７ｂと、ジンバル部４とフレーム部６とを接続する一対のトーションバー部３１ａ，３１ｂ，９ａ、３１ｃ，３１ｄ，９ｂと、を備えている。 As shown in FIG. 3, the two-dimensional optical deflector 30 includes a mirror part 2 that reflects the irradiated laser light, a gimbal part 4 that is disposed with a gap 3 so as to surround the mirror part 2, and a gimbal. A frame portion 6 having a gap 5 so as to surround the portion 4, a pair of torsion bar portions 7 a and 7 b connecting the mirror portion 2 and the gimbal portion 4, and the gimbal portion 4 and the frame portion 6. A pair of torsion bar portions 31a, 31b, 9a, 31c, 31d, and 9b to be connected is provided.
トーションバー部７ａとトーションバー部７ｂとは、ミラー部２の重心Ｏａを通る回転軸（水平走査軸）Ｙｃ方向に、重心Ｏａに対して点対称に配置されている。 The torsion bar part 7a and the torsion bar part 7b are arranged symmetrically with respect to the center of gravity Oa in the direction of the rotation axis (horizontal scanning axis) Yc passing through the center of gravity Oa of the mirror part 2.
トーションバー部３１ａ，３１ｂとトーションバー部３１ｃ，３１ｂとは、ミラー部２の重心Ｏａを通り、かつ、回転軸Ｙｃに直交する回転軸（垂直走査軸）Ｘｃ方向に、重心Ｏａに対して点対称に配置されている。
トーションバー部９ａとトーションバー部９ｂとは、回転軸Ｘｃ方向に、重心Ｏａに対して点対称に配置されている。
The torsion bar portions 31a and 31b and the torsion bar portions 31c and 31b are points with respect to the center of gravity Oa in the direction of the rotation axis (vertical scanning axis) Xc passing through the center of gravity Oa of the mirror unit 2 and orthogonal to the rotation axis Yc. They are arranged symmetrically.
The torsion bar portion 9a and the torsion bar portion 9b are arranged symmetrically with respect to the center of gravity Oa in the direction of the rotation axis Xc.
トーションバー部７ａ，７ｂ，３１ａ〜３１ｄ，９ａ，９ｂはそれぞれ捩じればね性を有している。 Each of the torsion bar portions 7a, 7b, 31a to 31d, 9a, 9b has elasticity when twisted.
ミラー部２、ジンバル部４、フレーム部６、及びトーションバー部７ａ，７ｂ，３１ａ〜３１ｄは、例えばＳＯＩ（Silicon on Insulator）等のシリコン（Ｓｉ）ウエハを周知の半導体プロセスを用いて加工することにより、一体に形成されている。
ジンバル部４及びフレーム部６は、たわみ変形等を防止するために、ミラー部２及びトーションバー部７ａ，７ｂ，３１ａ〜３１ｄよりも厚く形成されている。
The mirror part 2, the gimbal part 4, the frame part 6, and the torsion bar parts 7a, 7b, 31a to 31d are formed by processing a silicon (Si) wafer such as SOI (Silicon on Insulator) using a known semiconductor process. Thus, they are integrally formed.
The gimbal part 4 and the frame part 6 are formed to be thicker than the mirror part 2 and the torsion bar parts 7a, 7b, 31a to 31d in order to prevent bending deformation and the like.
トーションバー部３１ａ〜３１ｄは、折り返しのミアンダ構造を有する。
トーションバー部３１ａ〜３１ｄを、間隙５の空きスペースを有効利用した、折り返しのミアンダ構造とすることにより、２次元光偏向器３０の外形サイズを大きくすることなく、トーションバー部３１ａ〜３１ｄの長さを、前述したトーションバー部８ａ〜８ｄの長さよりも長くすることができるので、その分、トーションバー部３１ａ〜３１ｄを太くすることができたり、設計の自由度が向上する。
そのため、水平方向の駆動共振周波数が数十ｋＨｚと高くても、水平方向駆動用のトーションバー部７ａ，７ｂと一体に形成されている垂直方向駆動用のトーションバー部３１ａ〜３１ｄの共振周波数を数百Ｈｚまで下げることが容易となる。
The torsion bar portions 31a to 31d have folded meander structures.
The torsion bar portions 31a to 31d have a folded meander structure that effectively uses the empty space of the gap 5, thereby increasing the length of the torsion bar portions 31a to 31d without increasing the external size of the two-dimensional optical deflector 30. Since the length can be made longer than the length of the torsion bar portions 8a to 8d described above, the torsion bar portions 31a to 31d can be made thicker, and the degree of freedom in design is improved.
Therefore, even if the horizontal driving resonance frequency is as high as several tens of kHz, the resonance frequencies of the vertical driving torsion bar portions 31a to 31d formed integrally with the horizontal driving torsion bar portions 7a and 7b are set. It can be easily lowered to several hundred Hz.
上述した２次元光偏向器３０のミラー部２の駆動方法は、前述した第１の実施の形態における２次元光偏向器１のミラー部２の駆動方法と同じであるため、その説明を省略する。 The driving method of the mirror unit 2 of the two-dimensional optical deflector 30 described above is the same as the driving method of the mirror unit 2 of the two-dimensional optical deflector 1 in the first embodiment described above, and thus the description thereof is omitted. .
一般的に、ミアンダ構造のトーションバー部を有する光偏向器では、ＭＥＭＳ構造体のチップサイズを大きくすること無く、トーションバー部の実質的な長さをより長くできるので、その分、トーションバー部の幅をより太く設計することが可能となり、結果として破損しにくい構造にすることができる。一方、ミアンダ構造のトーションバー部が撓み振動の影響を受けて回転軸（図３においてはＸｃ）が安定せずに振れてしまう場合がある。 In general, in an optical deflector having a torsion bar portion having a meander structure, the substantial length of the torsion bar portion can be made longer without increasing the chip size of the MEMS structure. As a result, it is possible to make the structure hard to break. On the other hand, the torsion bar portion of the meander structure may be affected by the flexural vibration and the rotation shaft (Xc in FIG. 3) may swing without being stabilized.
そこで、本発明に係る実施の形態では、ミアンダ構造を有さない直線形状のトーションバー部（９ａ，９ｂ）によって、ジンバル部（４）とフレーム部６との間に張力が作用した状態が維持されているので、ミアンダ構造のトーションバー部に係る撓み振動の影響を抑制することができる。トーションバー部（９ａ，９ｂ）の材料に例えばポリイミド等の高分子材料を用いれば、弾性率が低いため、直線形状のトーションバー部としてもばね定数はあまり大きくならないので、トーションバー部（９ａ，９ｂ）が延在する方向の回転軸（図３においてはＸｃ）のばね定数が大きくなり過ぎることは無く、設計の余裕度が向上する。
そのため、本発明に係る実施の形態では、ミラー部（２）をジンバル部（４）と共に安定した回転軸（Ｘｃ）で回転駆動させることができる。
Therefore, in the embodiment according to the present invention, the state in which tension is applied between the gimbal portion (4) and the frame portion 6 is maintained by the linear torsion bar portions (9a, 9b) having no meander structure. Therefore, it is possible to suppress the influence of flexural vibration related to the torsion bar portion having the meander structure. If a polymer material such as polyimide is used as the material of the torsion bar portions (9a, 9b), the elastic constant is low, so that the spring constant does not increase so much as the linear torsion bar portion. The spring constant of the rotating shaft (Xc in FIG. 3) in the direction in which 9b) extends does not become too large, and the design margin is improved.
For this reason, in the embodiment according to the present invention, the mirror part (2) can be rotationally driven together with the gimbal part (4) on the stable rotation axis (Xc).
また、トーションバー部（９ａ，９ｂ）に例えばサスペンションワイヤー等の金属材料を用いた場合は、そのトーションバー部が直線状としてばね定数を小さくするためには、より細く設計しなければならないが、金属材料は脆性破壊を起こしにくいため、細くても取り扱いが容易であり、製造過程における破損等を起こしにくい。 In addition, when a metal material such as a suspension wire is used for the torsion bar portions (9a, 9b), the torsion bar portions must be designed to be narrower in order to reduce the spring constant with a straight shape. Since the metal material does not easily cause brittle fracture, it is easy to handle even if it is thin, and it is difficult to cause damage in the manufacturing process.
次に、第１〜第３の実施の形態として説明した２次元光偏向器１，２０，３０を用いた画像表示装置４０について、図４を用いて説明する。
なお、図４では、第１の実施の形態で説明した２次元光偏向器１を示しているが、この２次元光偏向器１に替えて、第２の実施の形態で説明した２次元光偏向器２０または第３の実施の形態で説明した２次元光偏向器３０を用いてもよいことは言うまでもない。
Next, an image display device 40 using the two-dimensional optical deflectors 1, 20, and 30 described as the first to third embodiments will be described with reference to FIG.
4 shows the two-dimensional optical deflector 1 described in the first embodiment, the two-dimensional light described in the second embodiment is used instead of the two-dimensional optical deflector 1. Needless to say, the deflector 20 or the two-dimensional optical deflector 30 described in the third embodiment may be used.
図４に示すように、画像表示装置４０は、前述した２次元光偏向器１（２０，３０）と、２次元光偏向器１（２０，３０）のミラー部２に向けてレーザ光Ｌを射出すると共に、入力される輝度変調信号に応じてレーザ光Ｌの光量を制御する光源４１と、上記の輝度変調信号に同期して２次元光偏向器１（２０，３０）のミラー部２を水平方向（図４における左右方向）及び垂直方向（図４における上下方向）にそれぞれ駆動制御する駆動制御部４２と、を備えている。 As shown in FIG. 4, the image display device 40 emits the laser light L toward the two-dimensional optical deflector 1 (20, 30) and the mirror unit 2 of the two-dimensional optical deflector 1 (20, 30). A light source 41 that emits light and controls the amount of laser light L according to the input luminance modulation signal, and the mirror unit 2 of the two-dimensional optical deflector 1 (20, 30) in synchronization with the luminance modulation signal. And a drive control unit 42 that controls the drive in the horizontal direction (left-right direction in FIG. 4) and the vertical direction (up-down direction in FIG. 4).
ミラー部２に照射されたレーザ光Ｌは、それぞれ所定の偏向角を有して水平方向及び垂直方向にそれぞれ走査され、スクリーン４３等に画像として表示される。
なお、図４では、ラスタースキャン方式により画像が表示される様子を模式的に示している。
The laser beam L irradiated to the mirror unit 2 is scanned in the horizontal direction and the vertical direction respectively with a predetermined deflection angle, and is displayed as an image on the screen 43 or the like.
FIG. 4 schematically shows how an image is displayed by the raster scan method.
また、図４では、単色の画像を表示する例として示しているが、本発明に係る画像表示装置は上記の構成に限定されるものではない。
例えば、赤（Ｒ）色レーザ光、緑（Ｇ）色レーザ光、及び青（Ｂ）色レーザ光をそれぞれ射出する３つの光源と、各光源にそれぞれ対応する３つの２次元光偏向器と、を備えた構成とすることにより、３つの２次元光偏向器でそれぞれ走査された各色光をスクリーン上で重畳させることによって、フルカラー画像が得られる。
また、赤（Ｒ）色レーザ光、緑（Ｇ）色レーザ光、及び青（Ｂ）色レーザ光をそれぞれ射出する３つの光源と、各光源から射出されるレーザ光の射出タイミングをずらして共通の２次元光偏向器（ミラー部）で各色光を走査し、スクリーン上で重畳させることによって、フルカラー画像を得るようにしてもよい。
また、共通の光源から、赤（Ｒ）色レーザ光、緑（Ｇ）色レーザ光、及び青（Ｂ）色レーザ光を射出タイミングをずらして射出し、共通の２次元光偏向器（ミラー部）で各色光を走査し、スクリーン上で重畳させることによって、フルカラー画像を得るようにしてもよい。
FIG. 4 shows an example of displaying a monochromatic image, but the image display device according to the present invention is not limited to the above configuration.
For example, three light sources that respectively emit red (R) laser light, green (G) laser light, and blue (B) laser light, and three two-dimensional optical deflectors respectively corresponding to the light sources, With this configuration, a full-color image can be obtained by superimposing the respective color lights respectively scanned by the three two-dimensional optical deflectors on the screen.
In addition, the three light sources that respectively emit red (R) laser light, green (G) laser light, and blue (B) laser light, and the emission timing of the laser light emitted from each light source are shifted and shared. A full color image may be obtained by scanning each color light with a two-dimensional light deflector (mirror part) and superimposing them on a screen.
Also, a red (R) laser beam, a green (G) laser beam, and a blue (B) laser beam are emitted from a common light source at different emission timings, and a common two-dimensional light deflector (mirror unit) is emitted. ), Each color light may be scanned and superimposed on the screen to obtain a full color image.
本発明の実施例は、上述した構成及び手順に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において変形例としてもよいのは言うまでもない。 The embodiment of the present invention is not limited to the configuration and procedure described above, and it goes without saying that modifications may be made without departing from the scope of the present invention.
１，２０，３０＿２次元光偏向器、 ２＿ミラー部、 ３，５＿間隙、 ４＿ジンバル部、 ６＿フレーム部、 ７ａ，７ｂ，８ａ〜８ｄ，９ａ，９ｂ，２２ａ，２２ｂ，３１ａ〜３１ｄ＿トーションバー部、 １０ａ〜１０ｄ＿パッド部、 ２１ａ〜２１ｄ＿溝部、 ２３＿接着剤、 ４０＿画像表示装置、 ４１＿光源、 ４２＿駆動制御部、４３＿スクリーン、 Ｏａ＿重心、 Ｘａ〜Ｘｃ，Ｙａ〜Ｙｃ＿回転軸、 Ｌ＿レーザ光 1, 20, 30_2 two-dimensional optical deflector, 2_ mirror part, 3, 5_ gap, 4_ gimbal part, 6_ frame part, 7a, 7b, 8a-8d, 9a, 9b, 22a, 22b, 31a-31d_ torsion bar part, 10a-10d_pad part, 21a-21d_groove part, 23_adhesive, 40_image display device, 41_light source, 42_drive control part, 43_screen, Oa_center of gravity, Xa-Xc, Ya-Yc_rotation axis, L_laser light
Claims (4)
前記ミラー部を囲うように間隙を有して配置されたジンバル部と、
前記ジンバル部を囲うように間隙を有して配置されたフレーム部と、
前記ミラー部と前記ジンバル部とを接続する一対の第１トーションバー部と、
前記ジンバル部と前記フレーム部とを接続する一対の第２トーションバー部と、
を備え、
前記一対の第２トーションバー部は、
所定の材料から構成され、それぞれミアンダ構造を有する第３トーションバー部と、
前記所定の材料よりも展延性を有する展延性材料から構成され、それぞれ直線形状の構造を有する第４トーションバー部と、
をそれぞれ有して構成されていることを特徴とする２次元光偏向器。 A mirror that reflects the irradiated light;
A gimbal portion disposed with a gap so as to surround the mirror portion;
A frame portion disposed with a gap so as to surround the gimbal portion;
A pair of first torsion bar portions connecting the mirror portion and the gimbal portion;
A pair of second torsion bar portions connecting the gimbal portion and the frame portion;
With
The pair of second torsion bar portions are
A third torsion bar portion made of a predetermined material , each having a meander structure ;
A fourth torsion bar portion composed of a malleable material having a malleability than the predetermined material , each having a linear structure ;
Each of the two-dimensional optical deflectors.
前記一対の第２トーションバー部は、一方の第２トーションバー部と他方の第２トーションバー部とが、前記ミラー部の重心を通り、かつ、前記第１の回転軸に直交する第２の回転軸方向に、前記重心に対して互いに点対称に配置されており、
前記ミラー部を前記第１の回転軸回り及び前記第２の回転軸回りにそれぞれ回転駆動させる駆動手段をさらに備えていることを特徴とする請求項１記載の２次元光偏向器。 The pair of first torsion bar portions are arranged such that one first torsion bar portion and the other first torsion bar portion are mutually pointed with respect to the center of gravity in a first rotation axis direction passing through the center of gravity of the mirror portion. Arranged symmetrically,
The pair of second torsion bar parts includes a second torsion bar part and a second second torsion bar part passing through the center of gravity of the mirror part and perpendicular to the first rotation axis. In the rotational axis direction, they are arranged point-symmetrically with respect to the center of gravity,
2. The two-dimensional optical deflector according to claim 1, further comprising driving means for rotating the mirror portion around the first rotation axis and the second rotation axis.
前記２次元光偏向器のミラー部に向けて前記光を射出する光源と、
前記駆動手段を制御する駆動制御手段と、
を備え、
前記光は、前記ミラー部で反射されて、前記第１の回転軸を回転軸として水平方向に偏向されると共に、前記第２の回転軸を回転軸として垂直方向に偏向されることを特徴とする画像表示装置。 A two-dimensional optical deflector according to claim 2 ,
A light source that emits the light toward the mirror portion of the two-dimensional optical deflector;
Drive control means for controlling the drive means;
With
The light is reflected by the mirror unit and deflected in the horizontal direction with the first rotation axis as a rotation axis, and is deflected in the vertical direction with the second rotation axis as a rotation axis. An image display device.
前記駆動制御手段は、前記輝度変調信号に同期して前記駆動手段を制御することを特徴とする請求項３に記載の画像表示装置。 The light source controls the amount of light emitted according to the input luminance modulation signal,
The image display apparatus according to claim 3, wherein the drive control unit controls the drive unit in synchronization with the luminance modulation signal.
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