JP6652163B2 - MEMS mirror, MEMS scanner, head-up display, and vehicle - Google Patents

MEMS mirror, MEMS scanner, head-up display, and vehicle Download PDF

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Description

本発明は、MEMSミラー、MEMSスキャナ、ヘッドアップディスプレイ、及び車両に関する。   The present invention relates to a MEMS mirror, a MEMS scanner, a head-up display, and a vehicle.

車載ヘッドアップディスプレイは交通情報や目的地までの経路などの画像をフロントガラス方向に表示し、ドライバーの運転を支援する装置である。車載装置には長期間の稼動を想定した品質保証(例えば15年)が要求される。しかしながら、画像エンジンである2次元MEMS(Micro Electro Mechanical Systems)スキャナの駆動に用いられる圧電膜としてのPZT膜は、経時による特性劣化が懸念される。特に、振幅感度が低下し所望の振れ角が得られなくなった場合、画像サイズが仕様よりも小さくなってしまうなど、スキャナの機能に多大な影響を与える。   The in-vehicle head-up display is a device that displays images such as traffic information and a route to a destination in the direction of a windshield to assist a driver in driving. The in-vehicle device is required to have quality assurance (for example, 15 years) assuming long-term operation. However, there is a concern that the PZT film as a piezoelectric film used for driving a two-dimensional MEMS (Micro Electro Mechanical Systems) scanner, which is an image engine, may deteriorate in characteristics over time. In particular, when the amplitude sensitivity decreases and a desired shake angle cannot be obtained, the image size becomes smaller than the specification, which greatly affects the function of the scanner.

この場合、PZT膜へ印加する駆動電圧を増加させることで、低下した振幅感度を補うことができる。例えば、レーザ走査角をスクリーン脇などに備えたPDで検出しながら所望の振れ角になるまで駆動電圧を増加させる制御方法などが既に知られている。   In this case, the decreased amplitude sensitivity can be compensated for by increasing the drive voltage applied to the PZT film. For example, a control method has been known in which a drive voltage is increased until a desired shake angle is reached while a laser scan angle is detected by a PD provided on the side of a screen or the like.

また、経時変化によるMEMSデバイスの特性変化によって低下したスキャン能力を補うために、変化した共振周波数を検知して、検知した共振周波数に基づいて駆動電圧と駆動周波数を設定する構成が提案されている(例えば、特許文献1参照)。   In addition, in order to compensate for the scanning capability reduced due to a change in characteristics of the MEMS device due to aging, a configuration has been proposed in which a changed resonance frequency is detected, and a drive voltage and a drive frequency are set based on the detected resonance frequency. (For example, see Patent Document 1).

しかしながら、特許文献1に開示された従来のMEMSスキャナのように、駆動電圧を上げて振幅感度の低下を補う方法では、駆動電圧を変えることによってデバイスの駆動特性が変化して画像品質が低下するという問題があった。また、感度低下を想定した余剰の電圧印加能力を装置に持たせる必要があるため、高コスト化を招くという問題もあった。   However, in the method of increasing the drive voltage to compensate for the decrease in the amplitude sensitivity, as in the conventional MEMS scanner disclosed in Patent Document 1, changing the drive voltage changes the drive characteristics of the device and degrades image quality. There was a problem. In addition, since it is necessary to provide the device with an extra voltage application capability assuming a decrease in sensitivity, there is a problem in that the cost is increased.

本発明は、このような従来の課題を解決するためになされたものであって、高品質な画像を低コストで得ることが可能なMEMSミラー、MEMSスキャナ、ヘッドアップディスプレイ、及び車両を提供することを目的とする。   The present invention has been made to solve such a conventional problem, and provides a MEMS mirror, a MEMS scanner, a head-up display, and a vehicle capable of obtaining a high-quality image at low cost. The purpose is to:

上記課題を解決するために、本発明に係るMEMSミラーは、反射面を有するミラーと、前記ミラーの両側に設けられた一対のトーション梁と、前記ミラーの裏面に設けられたリブと、を有し、前記ミラーは前記一対のトーション梁の軸周りに回転し、前記リブは、前記一対のトーション梁の軸に直交する方向に延びる直線形状部分と、前記直線形状部分の一方の側方から延びる第1の直線部分と第2の直線部分と、前記直線形状部分の他方の側方から延びる第3の直線部分と第4の直線部分と、を含み、前記第1の直線部分は一端で前記直線形状部分と接続され、前記第2の直線部分は一端で前記直線形状部分と接続され、前記第1の直線部分の他端と前記第2の直線部分の他端とは、前記直線形状部分から離れた位置で互いに前記トーション梁側に膨らんだ円弧状の第1の接続部分のみで接続され、前記第1の直線部分の幅と、前記第2の直線部分の幅と、前記第1の接続部分の幅と、は略同一であり、前記第3の直線部分は一端で前記直線形状部分と接続され、前記第4の直線部分は一端で前記直線形状部分と接続され、前記第3の直線部分の他端と前記第4の直線部分の他端とは、前記直線形状部分から離れた位置で互いに前記トーション梁側に膨らんだ円弧状の第2の接続部分のみで接続され、前記第3の直線部分の幅と、前記第4の直線部分の幅と、前記第2の接続部分の幅と、は略同一であることを特徴とする。 In order to solve the above problem, a MEMS mirror according to the present invention includes a mirror having a reflection surface, a pair of torsion beams provided on both sides of the mirror, and a rib provided on a back surface of the mirror. The mirror rotates about the axis of the pair of torsion beams, and the rib extends from one side of the linear portion extending in a direction perpendicular to the axis of the pair of torsion beams, and one side of the linear portion. A first straight portion, a second straight portion, and a third straight portion and a fourth straight portion extending from the other side of the straight portion, wherein the first straight portion is connected at one end to the first straight portion. Connected to a linear portion , the second linear portion is connected at one end to the linear portion, and the other end of the first linear portion and the other end of the second linear portion are connected to the linear portion Away from each other It is connected only with the first connection portion of the bulging down beam side arcuate, the width of the first straight portion, the width of the second straight portion, the width of the first connecting portion, Are substantially the same, the third linear portion is connected to the linear portion at one end, the fourth linear portion is connected to the linear portion at one end, and the other end of the third linear portion is connected to the linear portion. The other end of the fourth linear portion is connected to the torsion beam side only at a second arc-shaped second connecting portion bulging toward the torsion beam at a position away from the linear portion, and has a width of the third linear portion. When the width of the fourth straight portion, the width of the second connecting portion, is characterized by substantially the same der Rukoto.

本発明は、高品質な画像を低コストで得ることが可能なMEMSミラー、MEMSスキャナ、ヘッドアップディスプレイ、及び車両を提供する。   The present invention provides a MEMS mirror, a MEMS scanner, a head-up display, and a vehicle that can obtain high-quality images at low cost.

実施形態としての電気機械システムのブロック図である。It is a block diagram of an electric machine system as an embodiment. 実施形態としての電気機械システムが備えるMEMSスキャナの正面図である。It is a front view of a MEMS scanner with which an electromechanical system as an embodiment is provided. 副走査の振幅と主走査の振幅の検知のための説明図である。FIG. 7 is an explanatory diagram for detecting the amplitude of the sub-scan and the amplitude of the main scan. MEMSスキャナについての説明図である。FIG. 3 is an explanatory diagram of a MEMS scanner. 副走査におけるリニアリティの悪化の説明図である。FIG. 7 is an explanatory diagram of deterioration of linearity in sub-scanning. MEMSスキャナにおけるリニアリティと副走査の駆動電圧の関係を示すグラフ図である。FIG. 5 is a graph illustrating a relationship between linearity and a sub-scanning drive voltage in the MEMS scanner. 感度回復処理について説明する説明図である。FIG. 9 is an explanatory diagram illustrating sensitivity recovery processing. MEMSスキャナの副走査の振幅感度の低下を示すグラフ図である。FIG. 4 is a graph showing a decrease in the sub-scanning amplitude sensitivity of the MEMS scanner. MEMSスキャナの副走査の振幅感度の回復を示すグラフ図である。FIG. 4 is a graph showing recovery of amplitude sensitivity in sub-scanning of the MEMS scanner.

以下、本発明に係るMEMSミラー、MEMSスキャナ、ヘッドアップディスプレイ、及び車両の実施形態について、図面を用いて説明する。
図1に示すように、本発明の実施形態としての電気機械システム10は、ヘッドアップディスプレイ(HUD:Head-Up Display)1が備えるMEMSスキャナ2を駆動するものである。
Hereinafter, embodiments of a MEMS mirror, a MEMS scanner, a head-up display, and a vehicle according to the present invention will be described with reference to the drawings.
As shown in FIG. 1, an electromechanical system 10 as an embodiment of the present invention drives a MEMS scanner 2 provided in a head-up display (HUD) 1.

HUD1は、投射系や画像制御系などを含む画像システム3と、2次元的にレーザ光を掃引することで画像システム3のスクリーンに画像を描画するMEMSスキャナ2と、によって構成される。   The HUD 1 includes an image system 3 including a projection system, an image control system, and the like, and a MEMS scanner 2 that draws an image on a screen of the image system 3 by sweeping a laser beam two-dimensionally.

図2は、電気機械素子としてのMEMSスキャナ2の正面図である。   FIG. 2 is a front view of the MEMS scanner 2 as an electromechanical element.

MEMSスキャナ2は、MEMSミラー20と、MEMSミラー20を挟むように配置され、MEMSミラー20を回転軸L1の周りに矢印P1方向に回転可能に支持するカンチレバー21,22を有する。   The MEMS scanner 2 includes a MEMS mirror 20 and cantilevers 21 and 22 that are arranged so as to sandwich the MEMS mirror 20 and that support the MEMS mirror 20 so as to be rotatable in a direction indicated by an arrow P1 around a rotation axis L1.

MEMSミラー20は、ほぼ楕円形の反射面を有するミラー23、リブ24、一対のトーション梁25a,25b、両トーション梁25a,25bを支持するSiからなる可動枠26、可動枠26の裏面に設けられた補強板27を有する。さらに、MEMSミラー20は、ミラー23を回転軸L2の周りに矢印P2方向に回転駆動させる圧電膜としてのPZT(チタン酸ジルコン酸鉛)膜28,29を有する。   The MEMS mirror 20 has a mirror 23 having a substantially elliptical reflection surface, a rib 24, a pair of torsion beams 25a and 25b, a movable frame 26 made of Si supporting the torsion beams 25a and 25b, and provided on the back surface of the movable frame 26. The reinforcing plate 27 is provided. Further, the MEMS mirror 20 has PZT (lead zirconate titanate) films 28 and 29 as piezoelectric films for driving the mirror 23 to rotate around the rotation axis L2 in the direction of arrow P2.

リブ24は、ミラー23の裏面に設けられミラー23が捻れるのを防止する。リブ24の形状は、図2では略Φ字形状に形成されているが、本発明は、これに限定されるものではなく、ミラー23が捻れるのを防止できればどのような形状でもよい。   The rib 24 is provided on the back surface of the mirror 23 to prevent the mirror 23 from being twisted. Although the shape of the rib 24 is formed in a substantially Φ shape in FIG. 2, the present invention is not limited to this, and any shape may be used as long as the mirror 23 can be prevented from being twisted.

ミラー23はパッケージ内に気密封止され、パッケージ内は窒素パージされているのが好ましい。パッケージ内にミラー23を固定する接着剤は95℃〜−40℃の温度変化に対して機能を損なわない必要がある。   The mirror 23 is preferably hermetically sealed in a package, and the package is preferably purged with nitrogen. The adhesive for fixing the mirror 23 in the package must not impair the function with respect to a temperature change of 95C to -40C.

トーション梁25a,25bはミラー23の両側に設けられ、可動枠26と一体化されている。TOは、ミラー23の回転軸L2と、ミラー23の中心軸L3との間のトーションオフセットである。   The torsion beams 25a and 25b are provided on both sides of the mirror 23 and are integrated with the movable frame 26. TO is a torsion offset between the rotation axis L2 of the mirror 23 and the central axis L3 of the mirror 23.

カンチレバー21は、Siからなり回転軸L1を中心として捻れることが可能なクランク部30と、クランク部30の屈曲部に設けられクランク部30を回転軸L1の周りに回転駆動させるPZT膜31と、を有する。   The cantilever 21 is made of Si and can be twisted around the rotation axis L1. The PZT film 31 is provided at a bent portion of the crank part 30 and rotates the crank part 30 around the rotation axis L1. And

カンチレバー22は、Siからなり回転軸L1を中心として捻れることが可能なクランク部32と、クランク部32の屈曲部に設けられクランク部32を回転軸L1の周りに回転駆動させるPZT膜33と、を有する。   The cantilever 22 includes a crank portion 32 made of Si and capable of being twisted about the rotation axis L1, a PZT film 33 provided at a bent portion of the crank portion 32 and driving the crank portion 32 to rotate around the rotation axis L1. And

画像システム3は、回転軸L1に関するミラー23の振れ角の振幅θL1と、回転軸L2に関するミラー23の振れ角の振幅θL2を検知する振幅検知部4を有している。 The image system 3 includes an amplitude detector 4 that detects the amplitude θ L1 of the deflection angle of the mirror 23 with respect to the rotation axis L1 and the amplitude θ L2 of the deflection angle of the mirror 23 with respect to the rotation axis L2.

図3は、振幅検知部4による振幅θL1及び振幅θL2の検知のための説明図である。MEMSスキャナ2は、スクリーン40の垂直方向及び水平方向にレーザ光を走査するようになっている。スクリーン40の上下にはPD(フォトダイオード)41a,41b、スクリーン40の左右にはPD42a,42bが設置されている。 FIG. 3 is an explanatory diagram for detecting the amplitude θ L1 and the amplitude θ L2 by the amplitude detection unit 4. The MEMS scanner 2 scans a laser beam in a vertical direction and a horizontal direction of the screen 40. PDs (photodiodes) 41 a and 41 b are provided above and below the screen 40, and PDs 42 a and 42 b are provided on the left and right of the screen 40.

振幅検知部4は、レーザ光がPD41a,41bに入射して検出されたタイミング、MEMSスキャナ2からPD41a,41bまでの距離、PD41a,41b間の距離からMEMSスキャナ2の振れ角の振幅θL1を検出する。同様に、振幅検知部4は、レーザ光がPD42a,42bに入射して検出されたタイミング、MEMSスキャナ2からPD42a,42bまでの距離、PD42a,42b間の距離からMEMSスキャナ2の振れ角の振幅θL2を検出する。 The amplitude detection unit 4 calculates the amplitude θ L1 of the deflection angle of the MEMS scanner 2 from the timing at which the laser light is incident on the PDs 41 a and 41 b and detected, the distance from the MEMS scanner 2 to the PDs 41 a and 41 b, and the distance between the PDs 41 a and 41 b. To detect. Similarly, the amplitude detection unit 4 determines the amplitude of the deflection angle of the MEMS scanner 2 based on the timing at which the laser light is incident on the PDs 42a and 42b and detected, the distance from the MEMS scanner 2 to the PDs 42a and 42b, and the distance between the PDs 42a and 42b. θ L2 is detected.

さらに、振幅検知部4は、検出した振幅θL1及び振幅θL2の情報を後述の制御部15に入力する。制御部15は、振幅θL1及び振幅θL2の情報に基づいて、MEMSスキャナ2に印加される駆動電圧の電圧波形の振幅、駆動周波数、及び電圧波形間の位相差などを制御するようになっている。 Further, the amplitude detector 4 inputs information on the detected amplitudes θ L1 and θ L2 to a controller 15 described later. The control unit 15 controls the amplitude of the voltage waveform of the driving voltage applied to the MEMS scanner 2, the driving frequency, the phase difference between the voltage waveforms, and the like based on the information of the amplitude θ L1 and the amplitude θ L2. ing.

図4(a)〜(j)はMEMSスキャナ2についての説明図である。本実施形態では図2のようなSiとPZT膜とを有するMEMSスキャナ2を用いている。   FIGS. 4A to 4J are explanatory diagrams of the MEMS scanner 2. In the present embodiment, a MEMS scanner 2 having Si and a PZT film as shown in FIG. 2 is used.

ミラー23は、圧電素子であるPZT膜28,29によって変位が与えられることにより主走査の回転を与えるトーション梁25a,25bによって保持される。   The mirror 23 is held by torsion beams 25a and 25b that are rotated by main scanning by being displaced by PZT films 28 and 29 that are piezoelectric elements.

主走査については、正弦波の駆動電圧がPZT膜28,29に印加されることにより、トルクが与えられたトーション梁25a,25bが回転変位する(図4(a)〜図4(e))。   In the main scanning, when the sine wave driving voltage is applied to the PZT films 28 and 29, the torsion beams 25a and 25b to which the torque is applied are rotationally displaced (FIGS. 4A to 4E). .

副走査については、鋸波の駆動電圧(Ach,Bch)がそれぞれ独立したカンチレバー21,22のPZT膜31,33に印加されることにより、カンチレバー21,22が変形(変位)する(図4(f)〜(i))。これにより可動枠26が変位することによってミラー23が回転し、2次元スキャンとしての2D走査が実現される(図4(j))。   In the sub-scanning, when the sawtooth drive voltages (Ach, Bch) are applied to the PZT films 31, 33 of the independent cantilevers 21, 22, respectively, the cantilevers 21, 22 are deformed (displaced) (FIG. f) to (i)). As a result, the movable frame 26 is displaced, so that the mirror 23 rotates, and 2D scanning as two-dimensional scanning is realized (FIG. 4 (j)).

図1に示すように、電気機械システム10は、MEMSスキャナ2を駆動する印加電圧発生部11を備える。   As shown in FIG. 1, the electromechanical system 10 includes an applied voltage generator 11 that drives the MEMS scanner 2.

印加電圧発生部11は、主走査駆動電圧発生部12、副走査駆動電圧発生部13、及び直流電圧発生部14を備える。主走査駆動電圧発生部12及び副走査駆動電圧発生部13は駆動電圧印加手段を構成する。   The applied voltage generator 11 includes a main scanning drive voltage generator 12, a sub-scanning drive voltage generator 13, and a DC voltage generator 14. The main scanning driving voltage generator 12 and the sub-scanning driving voltage generator 13 constitute driving voltage applying means.

主走査駆動電圧発生部12は、制御部15の制御により、主走査用の正弦波の駆動電圧を発生して、MEMSスキャナ2のPZT膜28,29に印加する。一方、副走査駆動電圧発生部13は、制御部15の制御により、副走査用の鋸波の駆動電圧を発生して、MEMSスキャナ2のPZT膜31,33に印加する。   The main scanning drive voltage generator 12 generates a main scanning sine wave driving voltage under the control of the controller 15 and applies the driving voltage to the PZT films 28 and 29 of the MEMS scanner 2. On the other hand, the sub-scanning drive voltage generation unit 13 generates a sub-scanning sawtooth drive voltage under the control of the control unit 15 and applies it to the PZT films 31 and 33 of the MEMS scanner 2.

直流電圧発生部14は、MEMSスキャナ2の駆動のための駆動電圧とは異なる直流(DC)定電圧を発生して、MEMSスキャナ2の副走査用のPZT膜31,33に印加する機能を有する。   The DC voltage generator 14 has a function of generating a direct current (DC) constant voltage different from a drive voltage for driving the MEMS scanner 2 and applying the same to the sub-scanning PZT films 31 and 33 of the MEMS scanner 2. .

上述のように、制御部15は、振幅検知部4から入力された振幅θL1及び振幅θL2の情報に基づいて、主走査駆動電圧発生部12及び副走査駆動電圧発生部13から出力される駆動電圧の電圧波形の振幅、駆動周波数、及び電圧波形間の位相差などを制御する。また、制御部15は、直流電圧発生部14から出力されるDC定電圧の大きさを変化させることが可能である。 As described above, the control unit 15 outputs from the main scanning drive voltage generation unit 12 and the sub-scanning drive voltage generation unit 13 based on the information of the amplitude θ L1 and the amplitude θ L2 input from the amplitude detection unit 4. It controls the amplitude of the voltage waveform of the drive voltage, the drive frequency, the phase difference between the voltage waveforms, and the like. Further, the control unit 15 can change the magnitude of the DC constant voltage output from the DC voltage generation unit 14.

さらに、制御部15は、主走査駆動電圧発生部12、副走査駆動電圧発生部13及び直流電圧発生部14による電圧出力のオン/オフを切り換えるようになっている。具体的には、制御部15は、副走査駆動電圧発生部13によるPZT膜31,33への駆動電圧の印加がオフとなっている場合に、直流電圧発生部14によるPZT膜31,33へのDC定電圧の印加をオンとする。ここで、副走査用のPZT膜31,33への駆動電圧の印加がオフとなっている場合とは、例えばHUD1の電源がオフとなった不使用状態である。   Further, the control unit 15 switches on / off of voltage output by the main scanning drive voltage generation unit 12, the sub-scanning drive voltage generation unit 13, and the DC voltage generation unit 14. Specifically, when the application of the driving voltage to the PZT films 31 and 33 by the sub-scanning driving voltage generation unit 13 is off, the control unit 15 controls the PZT films 31 and 33 by the DC voltage generation unit 14. Is turned on. Here, the case where the application of the drive voltage to the PZT films 31 and 33 for sub-scanning is off is, for example, a non-use state where the power supply of the HUD1 is off.

このため、制御部15は、HUD1の使用状態を検知する手段を有していて、HUD1の不使用時に、直流電圧発生部14によって副走査用のPZT膜31,33にDC定電圧を印加する構成になっていることが望ましい。これにより、後述するように、副走査用のPZT膜31,33の振幅感度が回復する効果を利用して、MEMSスキャナ2の感度低下を抑制することができる。   For this reason, the control unit 15 has means for detecting the use state of the HUD 1, and applies a DC constant voltage to the sub-scanning PZT films 31 and 33 by the DC voltage generation unit 14 when the HUD 1 is not used. It is desirable to have a configuration. This makes it possible to suppress a decrease in the sensitivity of the MEMS scanner 2 by utilizing the effect of recovering the amplitude sensitivity of the sub-scanning PZT films 31, 33, as described later.

印加電圧発生部11は、車載の電源などの外部電源100から電力を供給される。MEMSスキャナ2の感度回復は、車両が駐車時などに電源を切っている状態で行われることが想定される。このため、印加電圧発生部11は、充電可能な固有の内部電源16と、電源供給元を内部電源16と外部電源100とで切り換えるための電源切換部17と、を有している。これにより、外部電源100と独立して直流電圧発生部14を動作可能とすることができる。   The applied voltage generator 11 is supplied with power from an external power supply 100 such as a vehicle-mounted power supply. It is assumed that the sensitivity recovery of the MEMS scanner 2 is performed in a state where the power is turned off when the vehicle is parked or the like. For this reason, the applied voltage generation unit 11 has a unique internal power supply 16 that can be charged, and a power supply switching unit 17 for switching the power supply source between the internal power supply 16 and the external power supply 100. Thus, the DC voltage generator 14 can be operated independently of the external power supply 100.

図5(a),(b)を参照して、副走査におけるリニアリティの悪化による画像乱れについて説明する。リニアリティは、例えば、振幅検知部4の測定で得られるミラー23の振れ角の時間変化を最小二乗法によって直線近似し、その直線からのミラー23の振れ角のずれ量をミラー23の振れ角の振幅θL1で除した値として得られる。 With reference to FIGS. 5A and 5B, description will be given of image disturbance due to deterioration of linearity in sub-scanning. The linearity is obtained, for example, by linearly approximating the time change of the deflection angle of the mirror 23 obtained by the measurement of the amplitude detection unit 4 by the least square method, and calculating the deviation amount of the deflection angle of the mirror 23 from the straight line. It is obtained as a value divided by the amplitude θ L1 .

主走査が共振周波数で共振駆動されるのに対して、副走査は非共振駆動される。これは、垂直方向の一方向に走査する時間の割合を逆方向に走査する時間よりもできるだけ多くすることが望ましいためである。このために、副走査は走査効率が悪く、所望の振れ角の振幅θL1を得るために必要な駆動電圧が主走査の場合よりも大きくなる。 The main scan is driven resonantly at the resonance frequency, while the sub-scan is driven non-resonantly. This is because it is desirable that the ratio of the time for scanning in one direction in the vertical direction be as long as possible than the time for scanning in the reverse direction. For this reason, the sub-scanning has poor scanning efficiency, and the driving voltage required to obtain the desired swing angle amplitude θ L1 is larger than that in the main scanning.

また、副走査において良好な画像品質を得るためには、副走査の駆動条件(駆動電圧、Ach,Bchの位相差、駆動周波数)がそれぞれ最適化されている必要がある。図5(a)の画像は最適条件を満たしたものである。一方、最適条件から外れたときは、リニアリティが悪化して図5(b)のような筋が画像に表れてしまう。原因は副走査の共振によるものであり、特に一次のモードによる共振によって画像の副走査方向の明るさにムラが発生する。   In addition, in order to obtain good image quality in the sub-scanning, it is necessary to optimize the sub-scanning driving conditions (driving voltage, phase difference between Ach and Bch, driving frequency). The image in FIG. 5A satisfies the optimum condition. On the other hand, when the deviation is out of the optimum condition, the linearity is deteriorated, and a streak as shown in FIG. 5B appears in the image. The cause is due to resonance in the sub-scanning, and in particular, the resonance in the primary mode causes unevenness in the brightness of the image in the sub-scanning direction.

しかしながら、PZT膜28,29,31,33は経時変化により振幅感度が低下し、それによって振れ角の振幅θL1,θL2が低下する。このような振幅低下を補償するためには、主走査用のPZT膜28,29よりも副走査用のPZT膜31,33に対して更に大きな駆動電圧を印加する必要がある。このため、初期値で高いリニアリティを実現する駆動条件が設定されていたとしても、低下した振れ角の振幅θL1を補償するために副走査の駆動電圧を大幅に上げることでリニアリティが悪化することになる。 However, the amplitude sensitivity of the PZT films 28, 29, 31, and 33 decreases with the lapse of time, whereby the amplitudes of swing angles θ L1 and θ L2 decrease. In order to compensate for such a decrease in amplitude, it is necessary to apply a larger drive voltage to the PZT films 31 and 33 for sub-scanning than to the PZT films 28 and 29 for main scanning. For this reason, even if the drive condition for realizing high linearity with the initial value is set, the linearity is deteriorated by significantly increasing the sub-scanning drive voltage in order to compensate for the reduced swing angle θ L1. become.

図6のグラフは、本実施形態のMEMSスキャナ2における、リニアリティと副走査の駆動電圧(鋸波の最大値)の関係を評価した結果を示すものである。すなわち、図6は、駆動電圧によってリニアリティが変化し、ある駆動電圧でリニアリティが最小値を示すことを表している。なお、リニアリティの値が大きいほど、画像における明るさムラは強くなる。   The graph of FIG. 6 shows the result of evaluating the relationship between the linearity and the sub-scanning drive voltage (the maximum value of the sawtooth wave) in the MEMS scanner 2 of the present embodiment. That is, FIG. 6 shows that the linearity changes depending on the drive voltage, and the linearity shows a minimum value at a certain drive voltage. Note that the larger the value of the linearity, the stronger the brightness unevenness in the image.

図1で説明した電気機械システム10の構成でいえば、所望の振れ角の振幅θL1を得るために制御部15によって感度低下を補償する駆動電圧調整を行った際に、リニアリティが悪化し画像の明るさムラが強くなってしまう。 In the configuration of the electromechanical system 10 described with reference to FIG. 1, when the drive voltage adjustment for compensating for the sensitivity drop is performed by the control unit 15 in order to obtain the desired swing angle amplitude θ L1 , the linearity deteriorates and the image Brightness unevenness becomes strong.

例えば、副走査の駆動電圧が30Vのときにリニアリティ0.019となるように調整した駆動条件(Ach,Bchの位相差、駆動周波数)において、駆動電圧を36Vに変化させるとリニアリティは0.026に悪化する。   For example, under the driving conditions (the phase difference between Ach and Bch, the driving frequency) adjusted so that the linearity is 0.019 when the sub-scanning driving voltage is 30 V, when the driving voltage is changed to 36 V, the linearity becomes 0.026. Worsen.

このようなMEMSスキャナ2の感度低下の原因としては、誘電体であるPZT膜31,33の電荷チャージと脱分極などが考えられる。   The cause of such a decrease in the sensitivity of the MEMS scanner 2 is considered to be charge charging and depolarization of the PZT films 31 and 33 as dielectrics.

電荷チャージとは、PZT膜31,33に内部電荷が残留することを指している。電荷チャージされたPZT膜に駆動電圧が印加された場合、内部電荷により生じる電界のために、電荷チャージされていない場合と比較してPZT膜に印加される実効的な駆動電圧が低下する。また、加熱などによりPZT膜の脱分極が進むと、PZT膜の圧電性が損なわれる。   The term “charge” indicates that internal charges remain in the PZT films 31 and 33. When a drive voltage is applied to the charged PZT film, the effective drive voltage applied to the PZT film is lower than in the case where no charge is applied due to an electric field generated by internal charges. Further, when the depolarization of the PZT film proceeds due to heating or the like, the piezoelectricity of the PZT film is impaired.

本発明者は、上記のように電荷チャージや脱分極によって振幅感度が低下したPZT膜に対して一定以上の大きさのDC定電圧を印加すると、チャージされた電荷が除去されるとともに、脱分極したPZT膜が再分極されることを見出した。また、これらの理由によって、DC定電圧をPZT膜に印加することによって、低下した振幅感度を回復できることが分かった。   The present inventor has found that when a DC constant voltage of a certain magnitude or more is applied to the PZT film whose amplitude sensitivity has decreased due to charge charging or depolarization as described above, the charged charges are removed and the depolarization is performed. The found PZT film is repolarized. Further, for these reasons, it was found that by applying a DC constant voltage to the PZT film, the lowered amplitude sensitivity can be recovered.

電荷チャージについては、上記のようにPZT膜31,33に印加される実効的な駆動電圧が低下するものであり、内部電荷を除去するためにPZT膜31,33に対して、DC定電圧による高電界の印加や加熱を行うことで、感度回復が加速される。   As described above, the effective drive voltage applied to the PZT films 31 and 33 decreases as described above, and the DC constant voltage is applied to the PZT films 31 and 33 to remove internal charges. By applying a high electric field or heating, the sensitivity recovery is accelerated.

再分極については、脱分極したPZT膜31,33を再分極するものであるから、分域を揃えるためにPZT膜31,33に対して、DC定電圧による高電界の印加や加熱を行うことで、感度回復が加速される。なお、PZT膜は、過度に高い電圧を印加することで絶縁破壊してしまうので注意が必要である。   Since the repolarization is to repolarize the depolarized PZT films 31 and 33, it is necessary to apply a high electric field with a constant DC voltage and heat the PZT films 31 and 33 in order to align the domains. Thus, the sensitivity recovery is accelerated. It should be noted that the PZT film may be broken down when an excessively high voltage is applied.

つまり、感度回復の速度は電界強度と温度に依存したものであり、MEMSスキャナ2に対して一定以上のDC定電圧を印加すること、更にはMEMSスキャナ2を一定以上の温度下に置くことで、効果的に感度回復の速度を向上させることができる。   In other words, the speed of the sensitivity recovery depends on the electric field strength and the temperature, and by applying a DC constant voltage of a certain level or more to the MEMS scanner 2 and further placing the MEMS scanner 2 at a certain temperature or higher. Thus, the speed of sensitivity recovery can be effectively improved.

図1に示すように、PZT膜31,33を加熱するための構成として、電気機械システム10は、MEMSスキャナ2を加熱するためのヒータ18を更に備えている。ヒータ18は、制御部15の制御により、PZT膜31,33へのDC定電圧の印加がオンとなっている場合にMEMSスキャナ2を加熱するようになっている。   As shown in FIG. 1, as a configuration for heating the PZT films 31 and 33, the electromechanical system 10 further includes a heater 18 for heating the MEMS scanner 2. The heater 18 heats the MEMS scanner 2 under the control of the control unit 15 when the application of the DC constant voltage to the PZT films 31 and 33 is on.

また、本発明者は、低温ほど高いDC定電圧、高温ほど低いDC定電圧で、感度回復の効果が得られることを見出した。このための構成として、図1に示すように、電気機械システム10は、MEMSスキャナ2周辺の温度を検出する温度センサ19を更に備えている。制御部15は、温度センサ19によって検出された温度に応じて、直流電圧発生部14から出力されるDC定電圧の大きさを変化させることが可能となっている。   Further, the present inventor has found that the effect of sensitivity recovery can be obtained with a higher DC constant voltage at lower temperatures and a lower DC constant voltage at higher temperatures. As a configuration for this, as shown in FIG. 1, the electromechanical system 10 further includes a temperature sensor 19 for detecting a temperature around the MEMS scanner 2. The control unit 15 can change the magnitude of the DC constant voltage output from the DC voltage generation unit 14 according to the temperature detected by the temperature sensor 19.

既に述べたように、上記の感度回復はHUD1の不使用時に実行されるとよい。HUD1が車載の装置であれば、例えば24時間連続して使用する状況はほとんどないと考えられるため、駐車している時間などを利用して、数時間単位でDC定電圧をMEMSスキャナ2に印加して感度回復を行うことができる。JEDECの規格によれば、自動車の稼働時間は15年間の車両寿命のうち8200時間であり、平準化すると自動車の実際の稼動時間は7%未満である。したがって、自動車の稼働時間以外にMEMSスキャナ2の振幅感度の回復を実施することが望ましい。   As described above, the above-described sensitivity recovery may be performed when the HUD1 is not used. If the HUD 1 is an in-vehicle device, for example, it is considered that there is almost no situation in which the device is used continuously for 24 hours, for example. To perform sensitivity recovery. According to the JEDEC standard, the operating time of a vehicle is 8200 hours out of a vehicle life of 15 years, and when equalized, the actual operating time of the vehicle is less than 7%. Therefore, it is desirable to perform the recovery of the amplitude sensitivity of the MEMS scanner 2 other than the operation time of the vehicle.

図7は、図1に示した印加電圧発生部11による感度回復処理について説明する説明図である。   FIG. 7 is an explanatory diagram for explaining the sensitivity recovery processing by the applied voltage generator 11 shown in FIG.

図7(a)に示すHUD1の使用時には、主走査駆動電圧発生部12及び副走査駆動電圧発生部13がMEMSスキャナ2に駆動電圧を印加する(図7(b))。このときの副走査の駆動電圧の電圧波形は図7(c)に示すような鋸波である。このとき、図7(d)に示すようにMEMSスキャナ2の副走査の振幅感度は、HUD1の使用時間の経過、すなわち副走査駆動電圧発生部13によるMEMSスキャナ2のPZT膜31,33への駆動電圧の印加時間の経過とともに低下する。   When the HUD 1 shown in FIG. 7A is used, the main scanning drive voltage generator 12 and the sub scanning drive voltage generator 13 apply a drive voltage to the MEMS scanner 2 (FIG. 7B). The voltage waveform of the sub-scanning drive voltage at this time is a sawtooth wave as shown in FIG. At this time, as shown in FIG. 7D, the amplitude sensitivity of the sub-scan of the MEMS scanner 2 is determined by the elapse of the use time of the HUD 1, that is, the sub-scanning drive voltage generating unit 13 applies the PZT films 31, 33 to the MEMS scanner 2. It decreases as the drive voltage application time elapses.

図7(a)に示すHUD1の不使用時には、直流電圧発生部14が、MEMSスキャナ2の副走査用のPZT膜31,33に図7(c)に示すようなDC定電圧を印加する(図7(b))。このとき、図7(d)に示すようにMEMSスキャナ2の副走査の振幅感度はHUD1の不使用時間の経過とともに上昇する。   When the HUD 1 shown in FIG. 7A is not used, the DC voltage generator 14 applies a DC constant voltage as shown in FIG. 7C to the sub-scanning PZT films 31 and 33 of the MEMS scanner 2 ( FIG. 7 (b). At this time, as shown in FIG. 7D, the amplitude sensitivity of the sub-scan of the MEMS scanner 2 increases as the HUD 1 is not used.

なお、図7(c)に示すように、制御部15の制御により、直流電圧発生部14から出力されるDC定電圧の大きさが駆動電圧の最大値以上となることが望ましい。これにより、感度回復の速度を向上させることができる。   Note that, as shown in FIG. 7C, it is desirable that the magnitude of the DC constant voltage output from the DC voltage generator 14 is equal to or greater than the maximum value of the drive voltage under the control of the controller 15. Thereby, the speed of the sensitivity recovery can be improved.

図8は、MEMSスキャナ2の副走査の振幅感度の低下について示すグラフである。副走査用のPZT膜31,33に鋸波の駆動電圧を印加し、MEMSスキャナ2を連続駆動して振幅感度の低下を測定した結果、70時間の連続駆動で20%程度の感度低下が起こることが分かった。   FIG. 8 is a graph showing a decrease in the amplitude sensitivity of the sub-scan of the MEMS scanner 2. As a result of applying a sawtooth drive voltage to the PZT films 31 and 33 for sub-scanning and continuously driving the MEMS scanner 2 to measure a drop in amplitude sensitivity, a drop in sensitivity of about 20% occurs in 70 hours of continuous drive. I understood that.

このときのMEMSスキャナ2の周辺温度は、車載条件を参照してヒータ18の加熱により95℃としている。また、駆動電圧30V、駆動周波数52Hzである。20%の感度低下を補償するために駆動電圧を20%上げる場合には、駆動電圧を30Vから36Vに増加させることになり、図6のグラフによればリニアリティは0.019から0.026に悪化する。   At this time, the ambient temperature of the MEMS scanner 2 is set to 95 ° C. by heating the heater 18 with reference to the on-vehicle conditions. The driving voltage is 30 V and the driving frequency is 52 Hz. When the drive voltage is increased by 20% to compensate for the 20% decrease in sensitivity, the drive voltage is increased from 30 V to 36 V. According to the graph of FIG. 6, the linearity is reduced from 0.019 to 0.026. Getting worse.

図9は、MEMSスキャナ2の副走査の振幅感度の回復について示すグラフである。ここでは、実際の車載搭載時の駆動条件を想定して振幅感度の低下と回復を測定した。具体的には、一日24時間のうち、車両ユーザが3時間車両を運転(HUD1を使用)した後、21時間車両を駐車(HUD1を不使用)したことを想定している。   FIG. 9 is a graph showing the recovery of the amplitude sensitivity of the sub scanning of the MEMS scanner 2. Here, the drop and the recovery of the amplitude sensitivity were measured assuming the driving conditions when actually mounted on a vehicle. Specifically, it is assumed that the vehicle user has driven the vehicle (using HUD1) for 3 hours and then parked the vehicle (not using HUD1) for 21 hours during 24 hours a day.

まず、図9(a)に示すように、副走査用のPZT膜31,33に鋸波の駆動電圧を印加して3時間の連続駆動を行ったところ、副走査の振幅感度が6%低下した。その後、副走査用のPZT膜31,33に21時間のDC定電圧印加を行ったところ、図9(b)に示すように振幅感度が3%回復した。   First, as shown in FIG. 9A, when the driving voltage of the sawtooth wave is applied to the PZT films 31 and 33 for the sub-scanning and the continuous driving is performed for 3 hours, the amplitude sensitivity of the sub-scanning is reduced by 6%. did. Thereafter, when a DC constant voltage was applied to the PZT films 31 and 33 for sub-scanning for 21 hours, the amplitude sensitivity was recovered by 3% as shown in FIG. 9B.

また、図9のような使用状況が毎日繰り返される場合には、MEMSスキャナ2の製品ライフタイムにおいて、感度回復を行わなかった場合に仮に20%の感度低下があるとすれば、感度回復を行うことで感度低下が半分の10%になることが予想される。   Further, in the case where the usage state as shown in FIG. 9 is repeated every day, the sensitivity recovery is performed if the sensitivity recovery is not performed in the product lifetime of the MEMS scanner 2 if the sensitivity is reduced by 20%. Thus, it is expected that the sensitivity decrease will be reduced by half to 10%.

さらに、この10%の感度低下を補償するために駆動電圧を10%上げる場合には、駆動電圧を30Vから33Vに増加させることになる。このため、図6のグラフによればリニアリティは0.019から0.021に悪化するが、20%の感度低下をDC定電圧印加によって補償せずに駆動電圧を20%上げた場合のリニアリティと比較して、リニアリティの悪化が改善されていることが分かる。   Further, when the drive voltage is increased by 10% to compensate for the 10% decrease in sensitivity, the drive voltage is increased from 30V to 33V. For this reason, according to the graph of FIG. 6, the linearity is deteriorated from 0.019 to 0.021. In comparison, it can be seen that the deterioration of the linearity is improved.

以上説明したように、本実施形態の電気機械システム10は、圧電膜への駆動電圧の印加がオフとなっている場合に、圧電膜へのDC定電圧の印加をオンとする構成を備えている。このように、装置使用の合間に圧電膜にDC定電圧を印加することにより、低下したMEMSスキャナ2の振幅感度を回復させることができる。これにより、振幅感度の低下を補償するための駆動電圧の変化幅を小さく抑えることができるため、電気機械システム10に持たせる電圧印加能力を最低限に抑えて、高品質な画像を低コストで得ることができる。   As described above, the electromechanical system 10 of the present embodiment has a configuration in which the application of the DC constant voltage to the piezoelectric film is turned on when the application of the drive voltage to the piezoelectric film is turned off. I have. As described above, by applying a DC constant voltage to the piezoelectric film during use of the apparatus, the lowered amplitude sensitivity of the MEMS scanner 2 can be recovered. As a result, the width of change of the drive voltage for compensating for the decrease in the amplitude sensitivity can be suppressed to a small value. Obtainable.

また、本実施形態の電気機械システム10は、充電可能な内部電源を有している。これにより、車両の電源などから電力を供給されない状態であっても、MEMSスキャナ2の感度回復を行うことができる。   Further, the electric machine system 10 of the present embodiment has a chargeable internal power supply. Thus, the sensitivity of the MEMS scanner 2 can be recovered even when power is not supplied from the power supply of the vehicle or the like.

また、本実施形態の電気機械システム10は、圧電膜に印加するDC定電圧の大きさを副走査の駆動電圧の最大値以上としている。これにより、MEMSスキャナ2の感度回復の速度を向上させることができる。   Further, in the electromechanical system 10 of the present embodiment, the magnitude of the DC constant voltage applied to the piezoelectric film is equal to or larger than the maximum value of the sub-scanning drive voltage. Thereby, the speed of the sensitivity recovery of the MEMS scanner 2 can be improved.

また、本実施形態の電気機械システム10は、温度センサ19によって検出された温度に応じて、圧電膜に印加するDC定電圧の大きさを変化させる。これにより、低温ほど高いDC定電圧、高温ほど低いDC定電圧で、効率的にMEMSスキャナ2の感度回復を行うことができる。   Further, the electromechanical system 10 of the present embodiment changes the magnitude of the DC constant voltage applied to the piezoelectric film according to the temperature detected by the temperature sensor 19. This makes it possible to efficiently recover the sensitivity of the MEMS scanner 2 at a higher DC constant voltage at lower temperatures and a lower DC constant voltage at higher temperatures.

また、本実施形態の電気機械システム10は、圧電膜へのDC定電圧の印加がオンとなっている場合に、ヒータ18によって電気機械素子を加熱する。これにより、MEMSスキャナ2の感度回復の速度を向上させることができる。   Further, in the electromechanical system 10 of the present embodiment, the heater 18 heats the electromechanical element when the application of the DC constant voltage to the piezoelectric film is on. Thereby, the speed of the sensitivity recovery of the MEMS scanner 2 can be improved.

1 HUD
2 MEMSスキャナ
3 画像システム
4 振幅検知部
10 電気機械システム
11 印加電圧発生部(印加電圧発生手段)
12 主走査駆動電圧発生部(駆動電圧印加手段)
13 副走査駆動電圧発生部(駆動電圧印加手段)
14 直流電圧発生部(直流電圧印加手段)
15 制御部(制御手段)
16 内部電源
17 電源切換部
18 ヒータ
19 温度センサ
20 MEMSミラー
21,22 カンチレバー
23 ミラー
24 リブ
25a,25b トーション梁
26 可動枠
28,29 PZT膜
30,32 クランク部
31,33 PZT膜
40 スクリーン
41a,41b,42a,42b PD
100 外部電源
1 HUD
2 MEMS scanner 3 Image system 4 Amplitude detector 10 Electromechanical system 11 Applied voltage generator (applied voltage generator)
12. Main scanning drive voltage generator (drive voltage applying means)
13 Sub-scanning drive voltage generator (drive voltage applying means)
14 DC voltage generator (DC voltage applying means)
15 control part (control means)
16 Internal power supply 17 Power supply switching unit 18 Heater 19 Temperature sensor 20 MEMS mirror 21, 22 Cantilever 23 Mirror 24 Rib 25a, 25b Torsion beam 26 Movable frame 28, 29 PZT film 30, 32 Crank part 31, 33 PZT film 40 Screen 41a, 41b, 42a, 42b PD
100 external power supply

特開2009−128786号公報JP 2009-128786 A

Claims (5)

反射面を有するミラーと、
前記ミラーの両側に設けられた一対のトーション梁と、
前記ミラーの裏面に設けられたリブと、を有し、
前記ミラーは前記一対のトーション梁の軸周りに回転し、
前記リブは、
前記一対のトーション梁の軸に直交する方向に延びる直線形状部分と、
前記直線形状部分の一方の側方から延びる第1の直線部分と第2の直線部分と、
前記直線形状部分の他方の側方から延びる第3の直線部分と第4の直線部分と、
を含み、
前記第1の直線部分は一端で前記直線形状部分と接続され、前記第2の直線部分は一端で前記直線形状部分と接続され、前記第1の直線部分の他端と前記第2の直線部分の他端とは、前記直線形状部分から離れた位置で互いに前記トーション梁側に膨らんだ円弧状の第1の接続部分のみで接続され、前記第1の直線部分の幅と、前記第2の直線部分の幅と、前記第1の接続部分の幅と、は略同一であり、
前記第3の直線部分は一端で前記直線形状部分と接続され、前記第4の直線部分は一端で前記直線形状部分と接続され、前記第3の直線部分の他端と前記第4の直線部分の他端とは、前記直線形状部分から離れた位置で互いに前記トーション梁側に膨らんだ円弧状の第2の接続部分のみで接続され、前記第3の直線部分の幅と、前記第4の直線部分の幅と、前記第2の接続部分の幅と、は略同一であることを特徴とするMEMSミラー。
A mirror having a reflective surface;
A pair of torsion beams provided on both sides of the mirror,
And a rib provided on the back surface of the mirror,
The mirror rotates about the axis of the pair of torsion beams,
The rib is
A linear portion extending in a direction perpendicular to the axis of the pair of torsion beams,
A first straight portion and a second straight portion extending from one side of the straight portion;
A third straight portion and a fourth straight portion extending from the other side of the straight portion;
Including
The first straight portion is connected at one end to the straight portion, the second straight portion is connected at one end to the straight portion, the other end of the first straight portion and the second straight portion. The other end of the first linear portion is connected only to the first connecting portion in an arc shape bulging toward the torsion beam side at a position away from the linear portion, and the width of the first linear portion and the second And the width of the first connecting portion is substantially the same,
The third straight portion is connected at one end to the straight portion, the fourth straight portion is connected at one end to the straight portion, and the other end of the third straight portion and the fourth straight portion The other end of the third linear portion is connected only to the second connecting portion in an arc shape bulging toward the torsion beam side at a position away from the linear portion, the width of the third linear portion, and the fourth MEMS mirrors and the width of the linear portion, the width of the second connecting portion, and wherein substantially the same der Rukoto.
前記直線形状部分は、前記第1の直線部分と前記第2の直線部分とを接続する前記第1の接続部分よりも前記一対のトーション梁の軸から遠ざかる方向に延びているとともに、前記第3の直線部分と前記第4の直線部分とを接続する第2の接続部分よりも前記一対のトーション梁の軸から遠ざかる方向に延びていることを特徴とする請求項1に記載のMEMSミラー。 The linear portion extends in a direction away from the axis of the pair of torsion beams more than the first connecting portion connecting the first linear portion and the second linear portion, and 2. The MEMS mirror according to claim 1, wherein the MEMS mirror further extends in a direction away from axes of the pair of torsion beams than a second connection portion connecting the straight line portion and the fourth straight line portion. 3. 請求項1または2に記載のMEMSミラーを有しているMEMSスキャナ。   A MEMS scanner having the MEMS mirror according to claim 1. 請求項3に記載のMEMSスキャナを備えるヘッドアップディスプレイ。   A head-up display comprising the MEMS scanner according to claim 3. 請求項4に記載のヘッドアップディスプレイを備える車両。   A vehicle comprising the head-up display according to claim 4.
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