JP6652163B2 - MEMS mirror, MEMS scanner, head-up display, and vehicle - Google Patents
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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.
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
Claims (5)
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.
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