JP7069640B2 - Movable devices, head-up displays, laser headlamps, head-mounted displays, vehicles and optical scanning methods - Google Patents
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Description
本発明は、可動装置、ヘッドアップディスプレイ、レーザヘッドランプ、ヘッドマウントディスプレイ、車両及び光走査方法に関する。 The present invention relates to mobile devices, head-up displays, laser head lamps, head-mounted displays, vehicles and optical scanning methods.
マイクロマシニング技術の発達に伴い、シリコンやガラスを微細加工して製造されるMEMS(Micro Electro Mechanical Systems) デバイスの開発が進んでいる。MEMSデバイスのひとつとして、反射面を設けた可動部や弾性梁部を、基板上に一体に形成し、光ビームを偏向及び走査する小型の可動装置が知られている。 With the development of micromachining technology, the development of MEMS (Micro Electro Mechanical Systems) devices manufactured by microfabrication of silicon and glass is progressing. As one of the MEMS devices, a small movable device in which a movable portion and an elastic beam portion provided with a reflective surface are integrally formed on a substrate to deflect and scan a light beam is known.
このような可動装置には、光反射面を有する可動部が、互いに直交する第1及び第2軸回りに揺動可能に形成され、可動部が各軸回りに揺動することで、光を対象領域内でリサージュ走査するものが開示されている(例えば、特許文献1参照)。 In such a movable device, a movable portion having a light reflecting surface is formed so as to be swingable around the first and second axes orthogonal to each other, and the movable portion swings around each axis to emit light. A lithage scan within the target area is disclosed (see, for example, Patent Document 1).
しかしながら、走査光がリサージュ図形を描くリサージュ走査では、走査平面における走査光の軌跡、すなわち走査線に粗密が生じる場合があった。このような粗密は、走査光により形成される画像に解像度ばらつきや色ムラを生じさせ、画像品質を低下させる要因となった。 However, in the Lissajous scanning in which the scanning light draws a Lissajous figure, the locus of the scanning light in the scanning plane, that is, the scanning lines may be rough and dense. Such coarseness and density cause resolution variation and color unevenness in the image formed by the scanning light, which is a factor of deteriorating the image quality.
本発明は、上記の点に鑑みてなされたものであって、リサージュ走査領域において、走査線の粗密を低減させることを課題とする。 The present invention has been made in view of the above points, and an object of the present invention is to reduce the density of scanning lines in the resage scanning region.
開示の技術の一態様に係る可動装置は、光反射面を有するミラー部と、前記ミラー部に直接、又は間接的に接続され、入力された第1及び第2駆動信号に応じて前記ミラー部を、互いに直交する第1及び第2軸回りに回動させる第1及び第2可動部と、を有し、前 記第1及び第2可動部はそれぞれ第1及び第2カンチレバーを備え、所定のフレーム数で、2次元に光を走査する可動装置であって、前記ミラー部を前記第1軸周りに回動させる、圧電部を有する第1可動部と、前記ミラー部の第1軸周りの回動の角度を検出する第1検出手段と、前記ミラー部を前記第2軸周りに回動させる、圧電部を有する第2可動部と、前記ミラー部の第2軸周りの回動の角度を検出する第2検出手段と、を備え、 前記第1の検出手段と前記第2検出手段とのうち少なくとも一方は、検出用圧電素子を有し、前 記第1検出手段の出力に基づいて前記第1可動部の弾性率を調整する第1弾性率調整手段 と、前記第2検出手段の出力に基づいて前記第2可動部の弾性率を調整する第2弾性率調 整手段と、の少なくとも一方を有し、前記第1弾性率調整手段は、前記第1カンチレバー において前記第1検出手段と層を成すように、または隣接するよう設けられ、前記第2弾 性率調整手段は、前記第2カンチレバーにおいて前記第2検出手段と層を成すように、ま たは隣接するよう設けられ、前記第1駆動信号の周波数は、前記第2駆動信号の周波数と、前記フレーム数と、に基づき決定され、前記第2駆動信号の周波数で整除されない値である、ことを特徴とする。The movable device according to one aspect of the disclosed technique is directly or indirectly connected to the mirror portion having a light reflecting surface and the mirror portion according to the input first and second drive signals. The first and second movable parts include first and second movable parts that rotate around the first and second axes orthogonal to each other, and the first and second movable parts are provided with first and second cantilever levers, respectively, and are predetermined. A movable device that scans light in two dimensions with the number of frames of the above, a first movable portion having a piezoelectric portion that rotates the mirror portion around the first axis, and a circumference of the first axis of the mirror portion. A first detecting means for detecting the angle of rotation of the light, a second movable part having a piezoelectric part for rotating the mirror part around the second axis, and rotation of the mirror part around the second axis. A second detection means for detecting an angle is provided, and at least one of the first detection means and the second detection means has a detection piezoelectric element and is based on the output of the first detection means. A first elastic coefficient adjusting means for adjusting the elastic coefficient of the first movable portion, and a second elastic coefficient adjusting means for adjusting the elastic coefficient of the second movable portion based on the output of the second detecting means . The first elastic coefficient adjusting means is provided so as to form a layer with or adjacent to the first detecting means in the first cantilever , and the second elastic coefficient adjusting means is provided. The second cantilever is provided so as to form a layer with or adjacent to the second detection means, and the frequency of the first drive signal is the frequency of the second drive signal and the number of frames. The value is determined based on the above and is not divided by the frequency of the second drive signal.
リサージュ走査領域において、走査線の粗密を低減させることができる。 In the resage scanning region, the density of scanning lines can be reduced.
以下、本発明の実施形態について詳細に説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail.
[光走査システム]
まず、本実施形態の可動装置を適用した光走査システムについて、図1~図4に基づいて詳細に説明する。図1には、光走査システムの一例の概略図が示されている。図1に示すように、光走査システム10は、制御装置11の制御に従って光源装置12から照射された光を可動装置13の有する反射面14により偏向して被走査面15を光走査するシステムである。
[Optical scanning system]
First, the optical scanning system to which the movable device of the present embodiment is applied will be described in detail with reference to FIGS. 1 to 4. FIG. 1 shows a schematic diagram of an example of an optical scanning system. As shown in FIG. 1, the
光走査システム10は、制御装置11、光源装置12、反射面14を有する可動装置13により構成される。
The
制御装置11は、例えばCPU(Central Processing Unit)およびFPGA(Field-Programmable Gate Array)等を備えた電子回路ユニットである。可動装置13は、例えば反射面14を有し、反射面14を可動可能なMEMS(Micro Electromechanical Systems)デバイスである。光源装置12は、例えばレーザを照射するレーザ装置である。なお、被走査面15は、例えばスクリーンである。
The
制御装置11は、取得した光走査情報に基づいて光源装置12および可動装置13の制御命令を生成し、制御命令に基づいて光源装置12および可動装置13に駆動信号を出力する。光源装置12は、入力された駆動信号に基づいて光源の照射を行う。可動装置13は、入力された駆動信号に基づいて反射面14を1軸方向または2軸方向の少なくともいずれかに可動させる。
The
これにより、例えば、光走査情報の一例である画像情報に基づいた制御装置11の制御によって、可動装置13の反射面14を所定の範囲で2軸方向に往復可動させ、反射面14に入射する光源装置12からの照射光をある1軸周りに偏向して光走査することにより、被走査面15に任意の画像を投影することができる。なお、本実施形態の可動装置の詳細および制御装置による制御の詳細については後述する。
As a result, for example, by controlling the
次に、光走査システム10の一例のハードウェア構成について図2を用いて説明する。図2は、光走査システム10の一例のハードウェア構成図である。図2に示すように、光走査システム10は、制御装置11、光源装置12および可動装置13を備え、それぞれが電気的に接続されている。このうち、制御装置11は、CPU20、RAM21(Random Access Memory)、ROM22(Read Only Memory)、FPGA23、外部I/F24、光源装置ドライバ25、可動装置ドライバ26を備えている。
Next, a hardware configuration of an example of the
CPU20は、ROM22等の記憶装置からプログラムやデータをRAM21上に読み出し、処理を実行して、制御装置11の全体の制御や機能を実現する演算装置である。
The
RAM21は、プログラムやデータを一時保持する揮発性の記憶装置である。
The
ROM22は、電源を切ってもプログラムやデータを保持することができる不揮発性の記憶装置であり、CPU20が光走査システム10の各機能を制御するために実行する処理用プログラムやデータを記憶している。
The
FPGA23は、CPU20の処理に従って、光源装置ドライバ25および可動装置ドライバ26に適した制御信号を出力する回路である。
The
外部I/F24は、例えば外部装置やネットワーク等とのインタフェースである。外部装置には、例えば、PC(Personal Computer)等の上位装置、USBメモリ、SDカード、CD、DVD、HDD、SSD等の記憶装置が含まれる。また、ネットワークは、例えば自動車のCAN(Controller Area Network)やLAN(Local Area Network)、インターネット等である。外部I/F24は、外部装置との接続または通信を可能にする構成であればよく、外部装置ごとに外部I/F24が用意されてもよい。
The external I /
光源装置ドライバ25は、入力された制御信号に従って光源装置12に駆動電圧等の駆動信号を出力する電気回路である。
The light
可動装置ドライバ26は、入力された制御信号に従って可動装置13に駆動電圧等の駆動信号を出力する電気回路である。
The
制御装置11において、CPU20は、外部I/F24を介して外部装置やネットワークから光走査情報を取得する。なお、CPU20が光走査情報を取得することができる構成であればよく、制御装置11内のROM22やFPGA23に光走査情報を格納する構成としてもよいし、制御装置11内に新たにSSD等の記憶装置を設けて、その記憶装置に光走査情報を格納する構成としてもよい。
In the
ここで、光走査情報とは、被走査面15にどのように光走査させるかを示した情報であり、例えば、光走査により画像を表示する場合は、光走査情報は画像データである。また、例えば、光走査により光書込みを行う場合は、光走査情報は書込み順や書込み箇所を示した書込みデータである。他にも、例えば、光走査により物体認識を行う場合は、光走査情報は物体認識用の光を照射するタイミングと照射範囲を示す照射データである。 Here, the optical scanning information is information indicating how the surface to be scanned 15 is optical-scanned. For example, when displaying an image by optical scanning, the optical scanning information is image data. Further, for example, when optical writing is performed by optical scanning, the optical scanning information is write data indicating the writing order and the writing location. In addition, for example, when object recognition is performed by optical scanning, the optical scanning information is irradiation data indicating the timing and irradiation range of irradiating the light for object recognition.
制御装置11は、CPU20の命令および図2に示したハードウェア構成によって、次に説明する機能構成を実現することができる。
The
次に、光走査システム10の制御装置11の機能構成について図3を用いて説明する。図3は、光走査システムの制御装置11の一例の機能ブロック図である。
Next, the functional configuration of the
図3に示すように、制御装置11は、機能として制御部30と駆動信号出力部31とを有する。
As shown in FIG. 3, the
制御部30は、例えばCPU20、FPGA23等により実現され、外部装置から光走査情報を取得し、光走査情報を制御信号に変換して駆動信号出力部31に出力する。例えば、制御部30は、外部装置等から画像データを光走査情報として取得し、所定の処理により画像データから制御信号を生成して駆動信号出力部31に出力する。駆動信号出力部31は、光源装置ドライバ25、可動装置ドライバ26等により実現され、入力された制御信号に基づいて光源装置12または可動装置13に駆動信号を出力する。
The
駆動信号は、光源装置12または可動装置13の駆動を制御するための信号である。例えば、光源装置12においては、光源の照射タイミングおよび照射強度を制御する駆動電圧である。また、例えば、可動装置13においては、可動装置13の有する反射面14を可動させるタイミングおよび可動範囲を制御する駆動電圧である。
The drive signal is a signal for controlling the drive of the
次に、光走査システム10が被走査面15を光走査する処理について図4を用いて説明する。図4は、光走査システムに係る処理の一例のフローチャートである。
Next, the process of optical scanning the surface to be scanned 15 by the
ステップS11において、制御部30は、外部装置等から光走査情報を取得する。ステップS12において、制御部30は、取得した光走査情報から制御信号を生成し、制御信号を駆動信号出力部31に出力する。ステップS13において、駆動信号出力部31は、入力された制御信号に基づいて駆動信号を光源装置12および可動装置13に出力する。ステップS14において、光源装置12は、入力された駆動信号に基づいて光照射を行う。また、可動装置13は、入力された駆動信号に基づいて反射面14の可動を行う。光源装置12および可動装置13の駆動により、任意の方向に光が偏向され、光走査される。
In step S11, the
なお、上記光走査システム10では、1つの制御装置11が光源装置12および可動装置13を制御する装置および機能を有しているが、光源装置用の制御装置および可動装置用の制御装置と、別体に設けてもよい。
In the
また、上記光走査システム10では、1つの制御装置11に光源装置12および可動装置13の制御部30の機能および駆動信号出力部31の機能を設けているが、これらの機能は別体として存在していてもよく、例えば制御部30を有した制御装置11とは別に駆動信号出力部31を有した駆動信号出力装置を設ける構成としてもよい。なお、上記光走査システム10のうち、反射面14を有した可動装置13と制御装置11により、光偏向を行う光偏向システムを構成してもよい。
Further, in the
[画像投影装置]
次に、本実施形態の可動装置を適用した画像投影装置について、図5および図6を用いて詳細に説明する。
[Image projection device]
Next, the image projection device to which the movable device of the present embodiment is applied will be described in detail with reference to FIGS. 5 and 6.
図5は、画像投影装置の一例であるヘッドアップディスプレイ装置500を搭載した自動車400の実施形態に係る概略図である。また、図6はヘッドアップディスプレイ装置500の一例の概略図である。
FIG. 5 is a schematic view of an embodiment of an
画像投影装置は、光走査により画像を投影する装置であり、例えばヘッドアップディスプレイ装置である。 The image projection device is a device that projects an image by optical scanning, for example, a head-up display device.
図5に示すように、ヘッドアップディスプレイ装置500は、例えば、自動車400のウインドシールド(フロントガラス401等)の付近に設置される。ヘッドアップディスプレイ装置500から発せられる投射光Lがフロントガラス401で反射され、ユーザーである観察者(運転者402)に向かう。これにより、運転者402は、ヘッドアップディスプレイ装置500によって投影された画像等を虚像として視認することができる。なお、ウインドシールドの内壁面にコンバイナを設置し、コンバイナによって反射する投射光によってユーザーに虚像を視認させる構成にしてもよい。
As shown in FIG. 5, the head-up
図6に示すように、ヘッドアップディスプレイ装置500は、赤色、緑色、青色のレーザ光源501R、501G、501Bからレーザ光が出射される。出射されたレーザ光は、各レーザ光源に対して設けられるコリメータレンズ502、503、504と、2つのダイクロイックミラー505、506と、光量調整部507と、から構成される入射光学系を経た後、反射面14を有する可動装置13にて偏向される。そして、偏向されたレーザ光は、自由曲面ミラー509と、中間スクリーン510と、投射ミラー511とから構成される投射光学系を経て、スクリーンに投影される。なお、上記ヘッドアップディスプレイ装置500では、レーザ光源501R、501G、501B、コリメータレンズ502、503、504、ダイクロイックミラー505、506は、光源ユニット530として光学ハウジングによってユニット化されている。
As shown in FIG. 6, in the head-up
上記ヘッドアップディスプレイ装置500は、中間スクリーン510に表示される中間像を自動車400のフロントガラス401に投射することで、その中間像を運転者402に虚像として視認させる。
The head-up
レーザ光源501R、501G、501Bから発せられる各色レーザ光は、それぞれ、コリメータレンズ502、503、504で略平行光とされ、2つのダイクロイックミラー505、506により合成される。合成されたレーザ光は、光量調整部507で光量が調整された後、反射面14を有する可動装置13によって二次元走査される。可動装置13で二次元走査された投射光Lは、自由曲面ミラー509で反射されて歪みを補正された後、中間スクリーン510に集光され、中間像を表示する。中間スクリーン510は、マイクロレンズが二次元配置されたマイクロレンズアレイで構成されており、中間スクリーン510に入射してくる投射光Lをマイクロレンズ単位で拡大する。
The laser light of each color emitted from the
可動装置13は、反射面14を2軸方向に往復可動させ、反射面14に入射する投射光Lを二次元走査する。この可動装置13の駆動制御は、レーザ光源501R、501G、501Bの発光タイミングに同期して行われる。
The
以上、画像投影装置の一例としてのヘッドアップディスプレイ装置500の説明をしたが、画像投影装置は、反射面14を有した可動装置13により光走査を行うことで画像を投影する装置であればよい。例えば、机等に置かれ、表示スクリーン上に画像を投影するプロジェクタや、観測者の頭部等に装着される装着部材に搭載され、装着部材が有する反射透過スクリーンに投影、または眼球をスクリーンとして画像を投影するヘッドマウントディスプレイ装置等にも、同様に適用することができる。
The head-up
また、画像投影装置は、車両や装着部材だけでなく、例えば、航空機、船舶、移動式ロボット等の移動体、あるいは、その場から移動せずにマニピュレータ等の駆動対象を操作する作業ロボット等の非移動体に搭載されてもよい。 Further, the image projection device is not only a vehicle or a mounting member, but also a moving object such as an aircraft, a ship, or a mobile robot, or a work robot that operates a drive target such as a manipulator without moving from the place. It may be mounted on a non-moving body.
[光書込装置]
次に、本実施形態の可動装置を適用した光書込装置について図7および図8を用いて詳細に説明する。
[Optical writing device]
Next, the optical writing device to which the movable device of the present embodiment is applied will be described in detail with reference to FIGS. 7 and 8.
図7は、光書込装置600を組み込んだ画像形成装置の一例である。また、図8は、光書込装置の一例の概略図である。
FIG. 7 is an example of an image forming apparatus incorporating the
図7に示すように、上記光書込装置600は、レーザ光によるプリンタ機能を有するレーザプリンタ650等に代表される画像形成装置の構成部材として使用される。画像形成装置において光書込装置600は、1本または複数本のレーザビームで被走査面15である感光体ドラムを光走査することにより、感光体ドラムに光書込を行う。
As shown in FIG. 7, the
図8に示すように、光書込装置600において、レーザ素子等の光源装置12からのレーザ光は、コリメータレンズ等の結像光学系601を経た後、反射面14を有する可動装置13により1軸方向または2軸方向に偏向される。そして、可動装置13で偏向されたレーザ光は、その後、第一レンズ602aと第二レンズ602b、反射ミラー部602cからなる走査光学系602を経て、被走査面15(例えば感光体ドラムや感光紙)に照射し、光書込みを行う。走査光学系602は、被走査面15にスポット状に光ビームを結像する。また、光源装置12および反射面14を有する可動装置13は、制御装置11の制御に基づき駆動する。
As shown in FIG. 8, in the
このように上記光書込装置600は、レーザ光によるプリンタ機能を有する画像形成装置の構成部材として使用することができる。また、走査光学系を異ならせて1軸方向だけでなく2軸方向に光走査可能にすることで、レーザ光をサーマルメディアに偏向して光走査し、加熱することで印字するレーザラベル装置等の画像形成装置の構成部材として使用することができる。
As described above, the
上記光書込装置に適用される反射面14を有した可動装置13は、ポリゴンミラー等を用いた回転多面鏡に比べ駆動のための消費電力が小さいため、光書込装置の省電力化に有利である。また、可動装置13の振動時における風切り音は回転多面鏡に比べ小さいため、光書込装置の静粛性の改善に有利である。光書込装置は回転多面鏡に比べ設置スペースが圧倒的に少なくて済み、また可動装置13の発熱量もわずかであるため、小型化が容易であり、よって画像形成装置の小型化に有利である。
Since the
[物体認識装置]
次に、上記本実施形態の可動装置を適用した物体認識装置について、図9および図10を用いて詳細に説明する。
[Object recognition device]
Next, the object recognition device to which the movable device of the present embodiment is applied will be described in detail with reference to FIGS. 9 and 10.
図9は、物体認識装置の一例であるレーザレーダ装置を搭載した自動車の概略図である。また、図10はレーザレーダ装置の一例の概略図である。 FIG. 9 is a schematic view of an automobile equipped with a laser radar device, which is an example of an object recognition device. Further, FIG. 10 is a schematic diagram of an example of a laser radar device.
物体認識装置は、対象方向の物体を認識する装置であり、例えばレーザレーダ装置である。 The object recognition device is a device that recognizes an object in the target direction, and is, for example, a laser radar device.
図9に示すように、レーザレーダ装置700は、例えば自動車701に搭載され、対象方向を光走査して、対象方向に存在する被対象物702からの反射光を受光することで、被対象物702を認識する。
As shown in FIG. 9, the
図10に示すように、光源装置12から出射されたレーザ光は、発散光を略平行光とする光学系であるコリメータレンズ703と、平面ミラー704とから構成される入射光学系を経て、反射面14を有する可動装置13で1軸もしくは2軸方向に走査される。そして、投光光学系である投光レンズ705等を経て装置前方の被対象物702に照射される。光源装置12および可動装置13は、制御装置11により駆動を制御される。被対象物702で反射された反射光は、光検出器709により光検出される。すなわち、反射光は入射光検出受光光学系である集光レンズ706等を経て撮像素子707により受光され、撮像素子707は検出信号を信号処理装置708に出力する。信号処理装置708は、入力された検出信号に2値化やノイズ処理等の所定の処理を行い、結果を測距回路710に出力する。
As shown in FIG. 10, the laser light emitted from the
測距回路710は、光源装置12がレーザ光を発光したタイミングと、光検出器709でレーザ光を受光したタイミングとの時間差、または受光した撮像素子707の画素ごとの位相差によって、被対象物702の有無を認識し、さらに被対象物702との距離情報を算出する。
In the
反射面14を有する可動装置13は多面鏡に比べて破損しづらく、小型であるため、耐久性の高い小型のレーダ装置を提供することができる。このようなレーサレーダ装置は、例えば車両、航空機、船舶、ロボット等に取り付けられ、所定範囲を光走査して障害物の有無や障害物までの距離を認識することができる。
Since the
上記物体認識装置では、一例としてのレーザレーダ装置700の説明をしたが、物体認識装置は、反射面14を有した可動装置13を制御装置11で制御することにより光走査を行い、光検出器により反射光を受光することで被対象物702を認識する装置であればよく、上述した実施形態に限定されるものではない。
In the above-mentioned object recognition device, the
例えば、手や顔を光走査して得た距離情報から形状等の物体情報を算出し、記録と参照することで対象物を認識する生体認証や、対象範囲への光走査により侵入物を認識するセキュリティセンサ、光走査により得た距離情報から形状等の物体情報を算出して認識し、3次元データとして出力する3次元スキャナの構成部材等にも同様に適用することができる。 For example, biometric authentication that recognizes an object by calculating object information such as shape from distance information obtained by light scanning the hand or face and referring to it as a record, or recognition of an intruder by optical scanning to the target range. The same can be applied to a security sensor, a component of a three-dimensional scanner that calculates and recognizes object information such as a shape from distance information obtained by optical scanning, and outputs it as three-dimensional data.
[レーザヘッドランプ]
次に、上記本実施形態の可動装置を自動車のヘッドライトに適用したレーザヘッドランプ50について、図11を用いて説明する。図11は、レーザヘッドランプ50の構成の一例を説明する概略図である。
[Laser headlamp]
Next, the
レーザヘッドランプ50は、制御装置11と、光源装置12bと、反射面14を有する可動装置13と、ミラー51と、透明板52とを有する。
The
光源装置12bは、青色のレーザ光を発する光源である。光源装置12bから発せられた光は、可動装置13に入射し、反射面14にて反射される。可動装置13は、制御装置11からの信号に基づき、反射面をXY方向に可動し、光源装置12bからの青色のレーザ光をXY方向に二次元走査する。
The
可動装置13による走査光は、ミラー51で反射され、透明板52に入射する。透明板52は、表面又は裏面を黄色の蛍光体により被覆されている。ミラー51からの青色のレーザ光は、透明板52における黄色の蛍光体の被覆を通過する際に、ヘッドライトの色として法定される範囲の白色に変化する。これにより自動車の前方は、透明板52からの白色光で照明される。
The scanning light from the
可動装置13による走査光は、透明板52の蛍光体を通過する際に所定の散乱をする。これにより自動車前方の照明対象における眩しさは緩和される。
The scanning light from the
可動装置13を自動車のヘッドライトに適用する場合、光源装置12b及び蛍光体の色は、それぞれ青及び黄色に限定されない。例えば、光源装置12bを近紫外線とし、透明板52を、光の三原色の青色、緑色及び赤色の各蛍光体を均一に混ぜたもので被覆してもよい。この場合でも、透明板52を通過する光を白色に変換でき、自動車の前方を白色光で照明することができる。
When the
[ヘッドマウントディスプレイ]
次に、上記本実施形態の可動装置を適用したヘッドマウントディスプレイ60について、図12~13を用いて説明する。ここでヘッドマウントディスプレイ60は、人間の頭部に装着可能な頭部装着型ディスプレイで、例えば、眼鏡に類する形状とすることができる。ヘッドマウントディスプレイを、以降ではHMDと省略して示す。
[Head-mounted display]
Next, the head-mounted
図12は、HMD60の外観を例示する斜視図である。図12において、HMD60は、左右に1組ずつ略対称に設けられたフロント60a、及びテンプル60bにより構成されている。フロント60aは、例えば、導光板61により構成することができ、光学系や制御装置等は、テンプル60bに内蔵することができる。
FIG. 12 is a perspective view illustrating the appearance of the
図13は、HMD60の構成を部分的に例示する図である。なお、図13では、左眼用の構成を例示しているが、HMD60は右眼用としても同様の構成を有している。
FIG. 13 is a diagram partially illustrating the configuration of the
HMD60は、制御装置11と、光源ユニット530と、光量調整部507と、反射面14を有する可動装置13と、導光板61と、ハーフミラー62とを有している。
The
光源ユニット530は、上述したように、レーザ光源501R、501G、及び501Bと、コリメータレンズ502、503、及び504と、ダイクロイックミラー505、及び506とを、光学ハウジングによってユニット化したものである。光源ユニット530において、レーザ光源501R、501G、及び501Bからの三色のレーザ光は、ダイクロイックミラー505及び506で合成される。光源ユニット530からは、合成された平行光が発せられる。
As described above, the
光源ユニット530からの光は、光量調整部507により光量調整された後、可動装置13に入射する。可動装置13は、制御装置11からの信号に基づき、反射面14をXY方向に可動し、光源ユニット530からの光を二次元走査する。この可動装置13の駆動制御は、レーザ光源501R、501G、501Bの発光タイミングに同期して行われ、走査光によりカラー画像が形成される。
The light from the
可動装置13による走査光は、導光板61に入射する。導光板61は、走査光を内壁面で反射させながらハーフミラー62に導光する。導光板61は、走査光の波長に対して透過性を有する樹脂等により形成されている。
The scanning light from the
ハーフミラー62は、導光板61からの光をHMD60の背面側に反射し、HMD60の装着者63の眼の方向に出射する。ハーフミラー62は、例えば、自由曲面形状を有している。走査光による画像は、ハーフミラー62での反射により、装着者63の網膜に結像する。或いは、ハーフミラー62での反射と眼球における水晶体のレンズ効果とにより、装着者63の網膜に結像する。またハーフミラー62での反射により、画像は空間歪が補正される。装着者63は、XY方向に走査される光で形成される画像を、観察することができる。
The
62はハーフミラーであるため、装着者63には、外界からの光による像と走査光による画像が重畳して観察される。ハーフミラー62に代えてミラーを設けることで、外界からの光をなくし、走査光による画像のみを観察できる構成としてもよい。
Since 62 is a half mirror, an image due to light from the outside world and an image due to scanning light are superimposed and observed on the
[パッケージング]
次に、本実施形態の可動装置のパッケージングについて図14を用いて説明する。
[Packaging]
Next, the packaging of the movable device of the present embodiment will be described with reference to FIG.
図14は、パッケージングされた可動装置の一例の概略図である。 FIG. 14 is a schematic diagram of an example of a packaged mobile device.
図14に示すように、可動装置13は、パッケージ部材801の内側に配置される取付部材802に取り付けられ、パッケージ部材の一部を透過部材803で覆われて、密閉されることでパッケージングされる。さらに、パッケージ内は窒素等の不活性ガスが密封されている。これにより、可動装置13の酸化による劣化が抑制され、さらに温度等の環境の変化に対する耐久性が向上する。
As shown in FIG. 14, the
以上に説明した光走査システム、ヘッドアップディスプレイ、光書込装置、物体認識装置、レーザヘッドランプ、ヘッドマウントディスプレイに使用される、本実施形態の可動装置の詳細、及び制御装置による制御の詳細について、図面を参照しながら説明する。各図面において、同一構成部分には同一符号を付し、重複した説明を省略する場合がある。 Details of the movable device of the present embodiment used in the optical scanning system, the head-up display, the optical writing device, the object recognition device, the laser head lamp, and the head-mounted display described above, and the details of the control by the control device. , Will be described with reference to the drawings. In each drawing, the same components may be designated by the same reference numerals and duplicate explanations may be omitted.
なお、以下では、第1軸を回動の中心とした光走査を主走査とし、第2軸を回動の中心とした光走査を副走査とする。また、第1軸及び第2軸を中心とした回動、第1軸及び第2軸を中心とした揺動、並びに第1軸及び第2軸を中心とした可動は、相互に同義である。さらに、矢印により示した方向のうち、X方向は第1軸と平行な方向、Y方向は第2軸と平行な方向、Z方向はXY平面と直交する方向を示している。 In the following, the optical scan centered on the first axis will be referred to as a main scan, and the optical scan centered on the second axis will be referred to as a sub scan. Further, rotation around the first and second axes, swing around the first and second axes, and movement around the first and second axes are synonymous with each other. .. Further, among the directions indicated by the arrows, the X direction indicates a direction parallel to the first axis, the Y direction indicates a direction parallel to the second axis, and the Z direction indicates a direction orthogonal to the XY plane.
[第1の実施形態]
まず、第1の実施形態の可動装置の構成を、図15を用いて詳細に説明する。図15は、第1軸及び第2軸の2つの軸方向に光走査可能な片持ちタイプの可動装置の平面図である。
[First Embodiment]
First, the configuration of the movable device of the first embodiment will be described in detail with reference to FIG. FIG. 15 is a plan view of a cantilever type movable device capable of light scanning in the two axial directions of the first axis and the second axis.
図15に示すように、可動装置13は、ミラー部100と、第1可動部101a及び101bと、第1支持部105と、第2可動部106a及び106bと、第2支持部108と、電極接続部109と、を有している。入射した光を反射するミラー部100は、光反射面を有するミラー部の一例である。第1可動部101a及び101bは、ミラー部に直接的に接続され、入力された第1駆動信号に応じ、ミラー部を第1軸回りに回動させる第1可動部の一例である。第2可動部106a及び106bは、ミラー部に間接的、すなわち第1可動部を介して接続され、入力された第2駆動信号に応じ、ミラー部を第2軸回りに回動させる第2可動部の一例である。
As shown in FIG. 15, the
第1可動部101a及び101bは、ミラー部100に接続され、ミラー部100を第1軸回りに回動させる。第1支持部105は、ミラー部100と、第1可動部101a及び101bとを支持している。第2可動部106a及び106bは、第1支持部105に接続され、ミラー部100及び第1支持部105を第2軸回りに回動させる。第2支持部108は、第2可動部106a及び106bを支持している。電極接続部109は、第1可動部101a及び101b、第2可動部106a及び106b、並びに第1可動部及び第2可動部に駆動電圧を供給する制御装置11に、電気的に接続されている。
The first
可動装置13において、例えば、1枚のSOI(Silicon On Insulator)基板をエッチング処理等により成形し、成形した基板上に反射面14や、カンチレバー102a及び102bや、カンチレバー107-1~107-12や、電極接続部109等を形成することで、各構成部は一体的に形成されている。なお、上記の各構成部の形成は、SOI基板の成形後に行ってもよいし、SOI基板の成形中に行ってもよい。
In the
SOI基板は、単結晶シリコン(Si)からなる第1のシリコン層の上に酸化シリコン層が設けられ、その酸化シリコン層の上にさらに単結晶シリコンからなる第2のシリコン層が設けられている基板である。以降、第1のシリコン層をシリコン支持層、第2のシリコン層をシリコン活性層とする。 In the SOI substrate, a silicon oxide layer is provided on a first silicon layer made of single crystal silicon (Si), and a second silicon layer made of single crystal silicon is further provided on the silicon oxide layer. It is a substrate. Hereinafter, the first silicon layer will be referred to as a silicon support layer, and the second silicon layer will be referred to as a silicon active layer.
シリコン活性層は、X軸方向またはY軸方向に対してZ軸方向への厚みが小さいため、シリコン活性層のみで構成された部材は、弾性を有する弾性部としての機能を備える。 Since the silicon active layer has a small thickness in the Z-axis direction with respect to the X-axis direction or the Y-axis direction, the member composed of only the silicon active layer has a function as an elastic portion having elasticity.
なお、SOI基板は、必ず平面状である必要はなく、曲率等を有していてもよい。また、エッチング処理等により一体的に成形でき、部分的に弾性を持たせることができる基板であれば、可動装置13の形成に用いられる部材は、SOI基板に限られない。
The SOI substrate does not necessarily have to be flat and may have a curvature or the like. Further, the member used for forming the
ミラー部100は、例えば、円形状のミラー部基体100aと、ミラー部基体100aの+Z側の面上に形成された反射面14とを有している。ミラー部基体100aは、例えば、シリコン活性層から構成され、反射面14は、例えば、アルミニウム、金、銀等を含む金属薄膜で構成されている。また、ミラー部100には、ミラー部基体100aの-Z側の面にミラー部補強用のリブが形成されていてもよい。リブは、例えば、シリコン支持層及び酸化シリコン層から構成され、可動によって生じる反射面14の歪みを抑制することができる。
The
第1可動部101a及び101bは、トーションバー103a及び103bと、カンチレバー102a及び102bとを有している。トーションバー103a及び103bは、ミラー部基体100aに一端が接続され、第1軸方向にそれぞれ延びてミラー部100を可動可能に支持している。カンチレバー102a及び102bは、一端がトーションバーに接続され、他端が第1支持部105の内周部に接続されている。
The first
トーションバー103a及び103bは、シリコン活性層から構成されている。また、カンチレバー102a及び102bは、弾性部であるシリコン活性層の+Z側の面上に下部電極、圧電部、上部電極の順に形成され、構成されたものである。上部電極および下部電極は、例えば金(Au)または白金(Pt)等から構成され、圧電部は、例えば、圧電材料であるPZT(チタン酸ジルコン酸鉛)から構成されている。
The
第1支持部105は、例えば、シリコン支持層、酸化シリコン層及びシリコン活性層から構成され、ミラー部100を囲うように形成された矩形形状の支持体である。
The
第2可動部106a及び106bは、例えば、折り返すように連結された複数のカンチレバー107-1~l07-12を有している。このように、カンチレバーが複数折りたたまれたような構造は、ミアンダ構造と呼ばれる。第2可動部106a及び106bの一端は、第1支持部105の外周部に接続され、他端は第2支持部108の内周部に接続されている。このとき、第2可動部106aと第1支持部105の接続箇所及び第2可動部106bと第1支持部105の接続箇所、さらに第2可動部106aと第2支持部108の接続箇所及び第2可動部106bと第2支持部108の接続箇所は、反射面14の中心に対して点対称となっている。
The second
カンチレバー107-1~107-12は、弾性部であるシリコン活性層の+Z側の面上に下部電極、圧電部、上部電極の順に形成され、構成されたものである。上部電極及び下部電極は、例えば金(Au)または白金(Pt)等から構成され、圧電部は、例えば、圧電材料であるPZT(チタン酸ジルコン酸鉛)から構成されている。 The cantilever 107-1 to 107-12 are formed by forming a lower electrode, a piezoelectric portion, and an upper electrode in this order on the + Z side surface of the silicon active layer which is an elastic portion. The upper electrode and the lower electrode are made of, for example, gold (Au) or platinum (Pt), and the piezoelectric portion is made of, for example, PZT (lead zirconate titanate) which is a piezoelectric material.
第2支持部108は、例えば、シリコン支持層、酸化シリコン層、シリコン活性層から構成され、ミラー部100、第1可動部101a及び101b、第1支持部105、並びに第2可動部106a及び106bを囲うように形成された矩形の支持体である。
The
電極接続部109は、例えば、第2支持部108の+Z側の面上に形成され、カンチレバー102a及び102b、カンチレバー107-1~107-12の各上部電極、各下部電極、及び制御装置11にアルミニウム(Al)等の電極配線を介して電気的に接続されている。なお、上部電極、又は下部電極は、それぞれが電極接続部109と直接接続されていてもよいし、電極同士を接続する等により間接的に接続されていてもよい。
The
なお、本実施形態では、弾性部であるシリコン活性層の一面(+Z側の面)のみに圧電部が形成された場合を一例として説明したが、弾性部の他の面(例えば-Z側の面)に設けても良いし、弾性部の一面および他面の双方に設けても良い。 In the present embodiment, the case where the piezoelectric portion is formed only on one surface (the surface on the + Z side) of the silicon active layer, which is the elastic portion, has been described as an example, but the other surface of the elastic portion (for example, the surface on the −Z side) has been described as an example. It may be provided on a surface), or it may be provided on both one surface and the other surface of the elastic portion.
また、ミラー部100を第1軸回り、又は第2軸回りに可動可能であれば、各構成部の形状は実施形態の形状に限定されない。例えば、トーションバー103a及び103bやカンチレバー102a及び102bが曲率を有した形状を有していてもよい。
Further, the shape of each component is not limited to the shape of the embodiment as long as the
さらに、第1可動部101a及び101bの上部電極の+Z側の面上、第1支持部の+Z側の面上、第2可動部106a及び106bの上部電極の+Z側の面上、第2支持部108の+Z側の面上の少なくともいずれかに酸化シリコン膜からなる絶縁層が形成されていてもよい。
Further, on the + Z side surface of the upper electrodes of the first
このとき、絶縁層の上に電極配線を設け、また、上部電極または下部電極と電極配線とが接続される接続スポットのみ、開口部として部分的に絶縁層を除去または絶縁層を形成しないことにより、第1可動部101a及び101b、第2可動部106a及び106b、並びに電極配線の設計自由度をあげ、さらに電極同士の接触による短絡を抑制することができる。また、酸化シリコン膜は、反射防止材としての機能も備える。
At this time, the electrode wiring is provided on the insulating layer, and only the connection spot where the upper electrode or the lower electrode and the electrode wiring are connected is partially removed as an opening or the insulating layer is not formed. The degree of design freedom of the first
次に、可動装置の第1可動部および第2可動部の駆動方法の詳細について説明する。 Next, the details of the driving method of the first movable portion and the second movable portion of the movable device will be described.
第1可動部101a及び101b、並びに第2可動部106a及び106bがそれぞれ有する圧電部は、分極方向に正または負の電圧が印加されると、印加電圧の電位に比例した、伸縮等の変形が生じ、いわゆる逆圧電効果を発揮する。第1可動部101a及び101b、並びに第2可動部106a及び106bは、上記の逆圧電効果を利用してミラー部100を回動させる。
When a positive or negative voltage is applied in the polarization direction, the piezoelectric portions of the first
このとき、ミラー部100の反射面14がXY平面に対して+Z方向または-Z方向へ傾いたときのXY平面と反射面14により成す角度を、振れ角とよぶ。このとき、+Z方向を正の振れ角、-Z方向を負の振れ角とする。
At this time, the angle formed by the XY plane and the reflecting
まず、第1可動部101a及び101bによる駆動方法について説明する。第1可動部101a及び101bでは、カンチレバー102a及び102bが有する圧電部に、上部電極および下部電極を介して駆動電圧が並列に、すなわち同時に印加されると、それぞれの圧電部が変形する。この圧電部の変形による作用により、カンチレバー102a及び102bが屈曲変形する。その結果、2つのトーションバー103a及び103bのねじれを介してミラー部100に第1軸回りの駆動力が作用し、ミラー部100は第1軸回りに回動する。第1可動部101a及び101bに印加される駆動電圧は、制御装置11によって制御される。
First, a driving method by the first
第1可動部101a及び101bが有するカンチレバー102a及び102bに所定の波形の駆動電圧を並行して、すなわち同時に印加することで、ミラー部100を、第1軸回りに所定の波形の駆動電圧の周期で回動させることができる。
By applying a drive voltage having a predetermined waveform to the
特に、例えば、印加電圧の周波数がトーションバー103a及び103bの共振周波数と同程度である約20kHzに設定された場合、トーションバー103a及び103bのねじれによる機械的共振が生じるのを利用して、ミラー部100を約20kHzで共振回動させることができる。
In particular, for example, when the frequency of the applied voltage is set to about 20 kHz, which is about the same as the resonance frequency of the
次に、第2可動部106a及び106bによる駆動方法について説明する。第2可動部106a及び106bに駆動電圧が印加されていない状態では、第2可動部106a及び106bによる振れ角はゼロである。第2可動部106aが有する複数のカンチレバー107-1~107-6のうち、最もミラー部100に距離が近いカンチレバー107-4から数えて偶数番目のカンチレバー、すなわちカンチレバー107-1、107-2、107-3をカンチレバー群Aとする。また、さらに第2可動部106bが有する複数のカンチレバー107-7~107-12のうち、最もミラー部100に距離が近いカンチレバー107-7から数えて奇数番目のカンチレバー、すなわちカンチレバー107-7、107-8、107-9を同様にカンチレバー群Aとする。カンチレバー群Aは、駆動電圧が並列に、すなわち同時に印加されると、カンチレバー群Aが同一方向に屈曲変形し、ミラー部100は-Z方向に第2軸回りに回動する。
Next, a driving method by the second
また、第2可動部106aが有する複数のカンチレバー107-1~107-6のうち、最もミラー部に距離が近いカンチレバー107-4から数えて奇数番目のカンチレバー、すなわちカンチレバー107-4、107-5、107-6をカンチレバー群Bとする。また、さらに第2可動部106bが有する複数のカンチレバー107-7~107-12のうち、最もミラー部に距離が近いカンチレバー107-7から数えて偶数番目のカンチレバー、すなわちカンチレバー107-10、107-11、107-12を同様にカンチレバー群Bとする。カンチレバー群Bは、駆動電圧が並列に、すなわち同時に印加されると、カンチレバー群Bが同一方向に屈曲変形し、ミラー部100は+Z方向に第2軸回りに回動する。
Further, among the plurality of cantilever 107-1 to 107-6 possessed by the second
第2可動部106a又は106bでは、カンチレバー群Aが有する複数の圧電部、又はカンチレバー群Bが有する複数の圧電部を同時に屈曲変形させることにより、屈曲変形による回動量を累積させ、ミラー部100の第2軸回りの回動角度を大きくすることができる。例えば、第2可動部106a及び106bは、第1支持部105の中心点に対して第1支持部105に点対称で接続されている。そのため、カンチレバー群Aに駆動電圧を印加すると、第2可動部106aでは第1支持部105と第2可動部106aの接続部に+Z方向に動かす駆動力が生じ、第2可動部106bでは第1支持部105と第2可動部106bの接続部に-Z方向に動かす駆動力が生じ、回動量が累積されてミラー部100の第2軸回りの回動角度を大きくすることができる。
In the second
また、電圧印加によるカンチレバー群Aによるミラー部100の回動量と電圧印加によるカンチレバー群Bによるミラー部100の回動量が釣り合っている時は、回動角度はゼロとなる。
Further, when the rotation amount of the
上記の回動を連続的に繰り返すように、カンチレバー107-1~107-12に駆動電圧を印加することにより、ミラー部100を第2軸回りに回動させることができる。第2可動部に印加される駆動電圧は、制御装置11によって制御される。
By applying a driving voltage to the cantilever 107-1 to 107-12 so as to continuously repeat the above rotation, the
第1可動部、及び第2可動部の圧電部に、それぞれ圧電材料であるPZTを用いることで、低電圧で高感度の駆動が可能となっている。 By using PZT, which is a piezoelectric material, for the piezoelectric portion of the first movable portion and the second movable portion, it is possible to drive with high sensitivity at a low voltage.
また第2可動部は、複数のカンチレバーを含むミアンダ構造を有し、各カンチレバーは、各カンチレバーに接続された圧電部を有することで、カンチレバーに満遍なく物性変動を与えることが可能となっている。なおミアンダ構造は、曲率を有した形状を有していてもよい。 Further, the second movable portion has a meander structure including a plurality of cantilever, and each cantilever has a piezoelectric portion connected to each cantilever, so that the cantilever can be uniformly changed in physical properties. The meander structure may have a shape having a curvature.
ミラー部100にレーザ等の光を照射すると、ミラー部100で反射された光は、ミラー部100の第1軸回りの回動によりY方向、すなわち主走査方向に走査される。またミラー部100の第2軸回りの回動により、X方向、すなわち副走査方向に走査される。これにより、XY平面での光の二次元走査が可能となる。
When the
次に、光をリサージュ走査するための可動装置13の駆動方法について説明する。ここでリサージュ走査とは、走査光の軌跡がリサージュ図形を描くように光を走査することをいう。またリサージュ図形とは、平面上で互いに直交する2方向の単振動を合成して得られる運動が描く平面図形をいう。
Next, a method of driving the
まず、従来の駆動方法を説明する。図16は、本実施形態を適用しない場合に、可動装置13によりリサージュ走査したときの走査光の軌跡、すなわち走査線と、その駆動信号の一例を示している。
First, a conventional driving method will be described. FIG. 16 shows an example of a locus of scanning light, that is, a scanning line and a driving signal thereof when resage scanning is performed by the
図16において、信号131及び132は、可動装置13に入力される第1及び第2駆動信号を示している。信号131は、Y方向に光を走査するための周波数fyの信号であり、信号132は、X方向に光を走査するための周波数fxの信号である。信号131及び132とも、波形は正弦波である。
In FIG. 16, the
周波数fyは、周波数fxより高い周波数である。また、周波数fxは、ミラー部100、トーションバー103a及び103b、カンチレバー102a及び102b、第1支持部105、並びにカンチレバー107-1~107-12を一体とした構造における共振周波数である。周波数fyは、ミラー部100、トーションバー103a及び103b、並びにカンチレバー102a及び102bを一体とした構造における共振周波数である。
The frequency fy is a frequency higher than the frequency fx. Further, the frequency fx is a resonance frequency in a structure in which the
信号131及び132が可動装置13に入力されると、可動装置13のミラー部100は、Y、X方向に共振回動し、ミラー部100による走査線133はリサージュ図形を描く。
When the
ここで、リサージュ走査には、走査領域における走査線に粗密が生じる性質がある。例えば、図16の走査線133は、X方向において、中央付近は走査線の間隔が粗くなっており、両端に向かうにつれ、走査線の間隔が細かくなっている。このような走査光で画像を形成すると、X方向の中央付近と両端付近等の領域ごとで、画像に解像度ばらつきや色ムラが生じ、画像品質が低下する。
Here, the resage scanning has a property that the scanning lines in the scanning region are rough and dense. For example, in the
一方で、共振を利用しないと、印加電圧に伴う回動量の効率が低下する。走査の広角化のために、ミラー部の大きな回動量を得るには、大きな駆動電圧を印加する必要があり、消費電力や部品コストの増大を招く。 On the other hand, if resonance is not used, the efficiency of the momentum associated with the applied voltage decreases. In order to obtain a large amount of rotation of the mirror portion in order to widen the scanning angle, it is necessary to apply a large drive voltage, which leads to an increase in power consumption and component cost.
発明者は、リサージュ走査のための駆動信号と走査線との関係を解析し、次の点を見出した。まず第1に、第1駆動信号の周波数fyが第2駆動信号の周波数fxの倍数、又は約数になる場合、走査線は重なり、X方向では両者の比に相当する本数の走査線しか得られない点である。第2に、周波数fyを、周波数fxと画像のフレーム数とに基づき決定し、周波数fxで整除されない値とすると、X方向における走査線の重なりを抑制できる点である。なお、画像のフレーム数とは、1秒間に表示する画像の数である。 The inventor analyzed the relationship between the driving signal for the resage scanning and the scanning line, and found the following points. First, when the frequency fy of the first drive signal is a multiple or a divisor of the frequency fx of the second drive signal, the scanning lines overlap, and in the X direction, only the number of scanning lines corresponding to the ratio of the two is obtained. It is a point that cannot be done. Second, if the frequency fy is determined based on the frequency fx and the number of frames of the image and is set to a value that is not divided by the frequency fx, the overlap of the scanning lines in the X direction can be suppressed. The number of image frames is the number of images displayed per second.
上記の第1の点について説明する。第1駆動信号の周波数をfy(Hz)、第2駆動信号の周波数をfx(Hz)、画像のフレーム数をNf(fps:frames per second)とした場合、X方向で得られる走査線の本数Aは、次の(1)式のようになる。 The first point above will be described. When the frequency of the first drive signal is fy (Hz), the frequency of the second drive signal is fx (Hz), and the number of image frames is Nf (fps: frames per second), the number of scanning lines obtained in the X direction. A is as shown in the following equation (1).
例えば、図16の例では、信号131の周波数fyは3000Hzで、信号132の周波数fxは300Hzであり、この場合、周波数fyは周波数fxの倍数で、両者の比のfy/fxは10である。フレーム数Nfを30fpsとすると、X方向における走査線の本数は、(1)式によれば200本になるが、図16の例では、fxとfyの比に相当する10本の走査線しか得られていない。200本の走査線の多くが重なり、その結果、10本の走査線になったと考えられる。
For example, in the example of FIG. 16, the frequency fy of the
次に、上記の第2の点について説明する。図17は、本実施形態の可動装置13によりリサージュ走査するときの駆動信号の一例を示している。信号134は、Y方向に光を走査するための第1駆動信号であり、信号135はX方向に光を走査するための第2駆動信号である。信号134及び135とも、波形は正弦波である。上記と同様に、信号134の周波数fyは、信号135の周波数fxより高く、また周波数fx及びfyとも共振周波数である。
Next, the second point described above will be described. FIG. 17 shows an example of a drive signal when resage scanning is performed by the
図17では、フレーム数Nfの画像の1フレームに相当する時間における駆動信号が示されている。なお、信号134は、第1可動部に入力される第1駆動信号の一例であり、信号135は、第2可動部に入力される第2駆動信号の一例である。
FIG. 17 shows a drive signal at a time corresponding to one frame of an image having the number of frames Nf. The
本実施形態の可動装置13は、駆動信号の周波数fyが、周波数fxとフレーム数Nfに基づき決定され、また周波数fxで整除されない値であることとしている。
In the
ここで「周波数fyは周波数fxで整除されない」とは、周波数fyを周波数fxで除算したときに、周波数fyを周波数fxで割り切れないことを意味し、特に余りが0となる整数の商がないことを意味している。割り算の商が有限の小数になる場合も割切れるという場合があるが、これと区別するために、商が整数の場合を含まない「整除される」と表現を用いている。 Here, "frequency fy is not divided by frequency fx" means that when frequency fy is divided by frequency fx, frequency fy cannot be divided by frequency fx, and there is no quotient of an integer whose remainder is 0. It means that. Even if the quotient of the division is a finite decimal number, it may be divisible, but to distinguish it from this, the expression "divided" is used, which does not include the case where the quotient is an integer.
具体的には、周波数fx、周波数fy及びフレーム数Nfは、次の(2)式の関係を有している。 Specifically, the frequency fx, the frequency fy, and the number of frames Nf have the relationship of the following equation (2).
(2)式のように周波数fyを決定すると、ミラー部のX方向の回動とY方向の回動とが同期しなくなるため、Y方向の回動の位相がX方向の回動ごとに変化する。つまり、Y方向の走査の開始位置を、X方向に徐々にずらすという作用が得られる。
When the frequency phy is determined as in the equation (2), the rotation in the X direction and the rotation in the Y direction of the mirror portion are not synchronized, so that the phase of the rotation in the Y direction changes with each rotation in the X direction. do. That is, the effect of gradually shifting the scanning start position in the Y direction in the X direction can be obtained.
例えば、図17において、第2駆動信号の同位相のタイミング136a、136b及び136cにおける第1駆動信号の位相は、それぞれ異なっている。これは走査領域内において第1駆動と第2駆動の走査開始位置がX方向にずれていることを示している。
For example, in FIG. 17, the phases of the first drive signal at the
このような第1、及び第2駆動信号は、図3における制御部30から出力された制御信号に基づいて、駆動信号出力部31から可動装置13に入力される。
Such first and second drive signals are input to the
図18は、信号134及び135を可動装置13に入力したときの走査線を示している。図18において、太い実線137は、Y方向の走査の開始位置である。図示したように、Y方向の走査の開始位置が、X方向において徐々にずれている。その結果、1フレーム当たりの走査線の重なりが抑制され、図16と比較して、図18では走査線の粗密が低減されている。
FIG. 18 shows scanning lines when signals 134 and 135 are input to the
言い換えると、リサージュ走査領域において、走査線の粗密が低減されている。このような走査線で画像を形成することにより、例えば、画像の解像度ばらつきや色ムラを抑制し、良好な品質の画像を得ることができる。 In other words, the density of the scanning lines is reduced in the resage scanning region. By forming an image with such scanning lines, for example, it is possible to suppress variations in resolution and color unevenness of the image and obtain an image of good quality.
なお、図18のXY平面において、X方向、又はY方向に平行に描かれた実線、及び点線は、補助線であり、走査線とは無関係である。 In the XY plane of FIG. 18, the solid line and the dotted line drawn in the X direction or parallel to the Y direction are auxiliary lines and are irrelevant to the scanning lines.
駆動信号出力部31のうち、第1可動部101a及び101bに第1駆動信号を出力する機能は、第1可動部に第1駆動信号を出力する第1出力手段の一例である。また第2可動部106a及び106bに第2駆動信号を出力する機能は、第2可動部に第2駆動信号を出力する第2出力手段の一例である。
Among the drive
第1出力手段と第2出力手段の少なくとも一方は、DDS(Direct Digital Synthesizer)方式、又はPLL(Phase Locked Loop)方式の周波数シンセサイザを有している。これらを用いることで、基準クロック信号に基づき、任意の周波数を有する信号を高分解能に生成することができ、駆動信号の周波数を自由に高分解能に設定することが可能となる。 At least one of the first output means and the second output means has a DDS (Direct Digital Synthesizer) type or a PLL (Phase Locked Loop) type frequency synthesizer. By using these, it is possible to generate a signal having an arbitrary frequency with high resolution based on the reference clock signal, and it is possible to freely set the frequency of the drive signal with high resolution.
また、上記の他、例えば以下の効果を得ることもできる。 In addition to the above, for example, the following effects can be obtained.
本実施形態によれば、X、Y方向ともに共振を利用できるため、両方向において、小さい駆動電圧で大きな回動量を得ることができる。これにより、例えば、消費電力や部品コストの増大を伴うことなく、光走査の広角化を図ることができる。 According to this embodiment, since resonance can be used in both the X and Y directions, a large amount of rotation can be obtained with a small drive voltage in both directions. Thereby, for example, it is possible to widen the angle of optical scanning without increasing power consumption and component cost.
[第2の実施形態]
次に、第2の実施形態の可動装置について説明する。第1の実施形態と重複する部分は説明を省略し、相違点について述べる。
[Second Embodiment]
Next, the movable device of the second embodiment will be described. The part that overlaps with the first embodiment will be omitted, and the differences will be described.
図19は、本実施形態の可動装置13により、リサージュ走査するときの駆動信号の一例を示している。図19において、信号138は、第2可動部106a及び106bに入力される第2駆動信号である。信号138の波形は三角波である。
FIG. 19 shows an example of a drive signal when performing resage scanning by the
信号138の波形が正弦波の場合、正弦波波形の変曲点となる付近で走査速度が低くなる時間領域があり、その時間領域ではY方向の走査線の間隔が密になる。例えば図18では、X方向の両端付近が駆動信号の正弦波波形の変曲点に該当し、Y方向の走査線の間隔が密になっている。このような場合、走査線の粗密をなくすには、X方向の両端付近を有効画像領域から除外する等の処置が必要となり、走査線全体を有効活用することができなくなる。
When the waveform of the
図20は、信号138の波形を三角波にしたときの走査線の一例を示している。三角波の場合、波形の変曲点付近での走査速度は線形に変化するため、Y方向の走査線の間隔が密になることが防止される。これにより、X方向の両端においても等間隔の走査線が得られ、走査線全体を有効活用することが可能となる。
FIG. 20 shows an example of scanning lines when the waveform of the
なお、図20のXY平面において、X方向、又はY方向に平行に描かれた実線、及び点線は、補助線であり、走査線とは無関係である。 In the XY plane of FIG. 20, the solid line and the dotted line drawn in the X direction or parallel to the Y direction are auxiliary lines and are irrelevant to the scanning lines.
[第3の実施形態]
次に、第3の実施形態の可動装置40について説明する。第1~2の実施形態と重複する部分は説明を省略し、相違点について述べる。
[Third Embodiment]
Next, the
可動装置では、周囲の温度変化等で可動部の共振周波数が変動すること等に起因し、ミラー部の回動の振幅が変動する場合がある。なお、回動の振幅は、ミラー部の回動の最大角度と同義である。 In a movable device, the amplitude of rotation of the mirror portion may fluctuate due to fluctuations in the resonance frequency of the movable portion due to changes in ambient temperature or the like. The amplitude of rotation is synonymous with the maximum angle of rotation of the mirror portion.
回動の振幅の変動は、走査光により形成される画像の品質を低下させる。本実施形態の可動装置40によれば、このような変動の影響を抑制し、安定した光走査を実現することができる。
Fluctuations in the amplitude of rotation reduce the quality of the image formed by the scanning light. According to the
本実施形態の可動装置40の構成の一例を、図21を用いて説明する。
An example of the configuration of the
図21において、カンチレバー102a及び102bは、それぞれ弾性率調整部104a及び104bを有している。またカンチレバー107-1~107-6は、弾性率調整部107aを有し、カンチレバー107-7~107-12は、弾性率調整部107bを有している。また、カンチレバー102aと102bの少なくとも1つは、検出用圧電素子を有し、カンチレバー107-1~107-12の少なくとも1つは、検出用圧電素子を有している。
In FIG. 21, the
弾性率調整部104a、104b、107a及び107bは、例えば弾性部であるシリコン活性層の+Z側の面上に下部電極、圧電部、上部電極の順に形成された圧電アクチュエータにより構成されている。このように構成することで、可動部と弾性率調整部を同一のプロセスで製作できるという効果が得られる。圧電部に代えて発熱部を設け、弾性部であるシリコン活性層の+Z側の面上に下部電極、発熱部、上部電極の順に形成された圧電アクチュエータにより、各弾性率調整部を構成してもよい。
The elastic
弾性率調整部104a、104b、107a及び107bにそれぞれ直流電圧を印加することで、弾性率調整部が設けられたカンチレバーに一定量の変形を加えることができる。これにより、カンチレバーの弾性部の弾性率を変化させ、カンチレバーで構成される可動部の共振周波数を変化させることができる。図23に、弾性率調整部への印加電圧に伴う可動部の共振周波数の変化の一例を示す。
By applying a DC voltage to the elastic
検出用圧電素子は、例えば弾性部であるシリコン活性層の+Z側の面上に下部電極、圧電部、上部電極の順に形成された圧電素子により構成されている。検出用圧電素子は、各カンチレバーに設けられた弾性率調整部と層を成すように、弾性率調整部の+Z方向、又は-Z方向に形成してもよい。またカンチレバー上で、Z方向と直交する面内において弾性率調整部に隣接させて形成してもよい。 The detection piezoelectric element is composed of, for example, a piezoelectric element formed in the order of a lower electrode, a piezoelectric portion, and an upper electrode on a surface on the + Z side of a silicon active layer which is an elastic portion. The detection piezoelectric element may be formed in the + Z direction or the −Z direction of the elastic modulus adjusting portion so as to form a layer with the elastic modulus adjusting portion provided on each cantilever. Further, it may be formed on the cantilever in a plane orthogonal to the Z direction so as to be adjacent to the elastic modulus adjusting portion.
図22は、一例として、図21におけるカンチレバー107-9、及び107-12の上に、弾性率調整部111aと検出用圧電素子111bを隣接させて形成した場合の構造を示したものである。(a)は平面図で、(b)は(a)におけるA-A断面の断面図である。(b)において、弾性率調整部111aは、上から上部電極111aU、圧電部111aP、及び下部電極111aLの三層構造で形成されている。同様に、検出用圧電素子111bも、上から上部電極111bU、圧電部111bP、及び下部電極111bLの三層構造で形成されている。
FIG. 22 shows, as an example, a structure when the elastic
検出用圧電素子は、ミラー部100の第1及び第2軸回りの回動に伴うカンチレバーの変形を電圧に変換し、電極接続部109を通じて外部に出力する。ミラー部100の第1及び第2軸回りの回動に伴うカンチレバーの変形は、ミラー部100の第1及び第2軸回りの回動の角度と同義の情報である。
The detection piezoelectric element converts the deformation of the cantilever due to the rotation of the
次に、本実施形態の制御装置41の機能構成の一例を、図24を用いて説明する。図24に示すように、制御装置41は、機能として制御部42と、駆動信号出力部43と、検出信号取得部44と、弾性率調整用駆動信号出力部45とを有している。また、可動装置40は、機能として第1及び第2可動手段40aと、第1及び第2検出手段40bと、第1及び第2弾性率調整手段40cとを有している。
Next, an example of the functional configuration of the
制御部42は、例えばCPU、FPGA等により実現され、外部装置から光走査情報を取得し、光走査情報を制御信号に変換して駆動信号出力部43に出力する。また制御部42は、光走査情報として画像データを取得し、所定の処理により画像データから制御信号を生成して駆動信号出力部43に出力する。さらに、制御部42は、検出信号取得部44で取得した信号から弾性率調整用駆動信号を生成し、弾性率調整用駆動信号出力部45に出力する。
The
駆動信号出力部43は、光源装置12のドライバ、可動装置40のドライバ等により実現され、制御部42から入力された制御信号に基づいて光源装置12または可動装置40に駆動信号を出力する。
The drive
駆動信号出力部43のうち、第1可動手段に第1駆動信号を出力する機能は、第1可動部に第1駆動信号を出力する第1出力手段の一例である。また第2可動手段に第2駆動信号を出力する機能は、第2可動部に第2駆動信号を出力する第2出力手段の一例である。
Among the drive
第1出力手段と第2出力手段の少なくとも一方は、DDS方式、又はPLL方式の周波数シンセサイザを有している。これらを用いることで、基準クロック信号に基づき、任意の周波数を有する信号を高分解能に生成することができ、駆動信号の周波数を自由に高分解能に設定することが可能となる。 At least one of the first output means and the second output means has a DDS type or PLL type frequency synthesizer. By using these, it is possible to generate a signal having an arbitrary frequency with high resolution based on the reference clock signal, and it is possible to freely set the frequency of the drive signal with high resolution.
駆動信号は、光源装置12、又は可動装置40の駆動を制御するための信号である。光源装置12においては、例えば、光源の照射タイミングおよび照射強度を制御する駆動電圧である。また、可動装置40においては、例えば、可動装置40の有する反射面14を可動させるタイミング、及び可動範囲を制御する駆動電圧である。
The drive signal is a signal for controlling the drive of the
第1及び第2可動手段40aにおける第1可動手段は、例えば、第1可動部101a及び101bにより実現され、第2可動手段は、第2可動部106a及び106bにより実現される。
The first movable means in the first and second movable means 40a is realized by, for example, the first
第1及び第2検出手段40bは、例えば可動装置40の内部において、カンチレバーに設けられた検出用圧電素子により実現される。
The first and second detection means 40b are realized by a detection piezoelectric element provided in the cantilever, for example, inside the
カンチレバー102aと102bの少なくとも1つが有する検出用圧電素子は、ミラー部100の第1軸回りの回動に伴うカンチレバーの変形、すなわちミラー部100の第1軸回りの回動の角度を検出する。カンチレバー107-1~107-12の少なくとも1つが有する検出用圧電素子は、ミラー部100の第2軸回りの回動に伴うカンチレバーの変形、すなわちミラー部100の第2軸回りの回動の角度を検出する。
The detection piezoelectric element possessed by at least one of the
第1及び第2弾性率調整手段40cにおける第1弾性率調整手段は、弾性率調整部104a及び104bから実現され、第2弾性率調整手段は、弾性率調整部107a及び107bから実現される。各弾性率調整部は、弾性率調整用駆動信号出力部45からの信号に基づき、各弾性率調整部が設けられたカンチレバーの弾性部の弾性率を調整する。
The first elastic modulus adjusting means in the first and second elastic modulus adjusting means 40c is realized from the elastic
検出信号取得部44は、例えばA/D(Analog/Digital)変換器で実現され、弾性率調整用駆動信号出力部45は、例えばD/A(Digital/Analog)変換器で実現される。
The detection
次に、上記構成により回動の振幅の変動を検出し、その影響を抑制する方法を説明する。 Next, a method of detecting the fluctuation of the amplitude of rotation by the above configuration and suppressing the influence thereof will be described.
検出用圧電素子は、検出信号を検出信号取得部44に出力する。検出信号取得部44は、検出用圧電素子からのアナログ信号をA/D変換し、デジタル信号を制御部42に出力する。
The detection piezoelectric element outputs the detection signal to the detection
制御部42は、検出信号取得部44の出力信号に基づき、ミラー部100の回動の振幅を求める。例えば、ミラー部100の回動に応じた信号電圧の変化のP-P(Peak To Peak)値を求め、予め取得し、記憶しておいた「信号電圧とミラー部100の回動の振幅との関係」を示すデータに基づき、ミラー部100の回動の振幅を取得する。複数のカンチレバーが検出用圧電素子を有する場合は、複数の検出用圧電素子の出力信号の平均値に基づき、ミラー部100の回動の振幅を取得する。
The
制御部42は、取得したミラー部100の回動の振幅を、ミラー部100の回動の振幅の仕様値と比較し、差分を算出する。差分が予め設定した閾値より大きい場合、制御部42は、ミラー部100を回動させるための駆動信号の周波数と共振周波数がずれていると判断する。
The
駆動信号の周波数と共振周波数がずれている場合、制御部42は、予め取得し、記憶しておいた「回動の振幅と共振周波数のずれ量との関係」を示すデータに基づき、上記の回動の振幅から共振周波数のずれ量を求める。また制御部42は、予め取得し、記憶しておいた「共振周波数と弾性率調整部への印加電圧との関係」を示すデータに基づき、共振周波数のずれ量から弾性率調整部に印加する電圧を求める。そして制御部42は、電圧のデジタル信号を弾性率調整用駆動信号出力部45に出力する。
When the frequency of the drive signal and the resonance frequency deviate from each other, the
弾性率調整用駆動信号出力部45は、弾性率調整用の電圧のデジタル信号をD/A変換し、弾性率調整部104a、104b、107a及び107bに出力する。各弾性率調整部は印加された電圧に応じ、カンチレバーに一定量の変形を加え、カンチレバーにおける弾性部の弾性率を変化させることで、カンチレバー等の共振周波数を所定量変化させる。
The elastic modulus adjusting drive signal output unit 45 D / A-converts a digital signal of the elastic modulus adjusting voltage and outputs it to the elastic
なお、カンチレバー102aと102bの少なくとも1つが有する検出用圧電素子は、ミラー部の第1軸回りの回動の角度を検出する第1検出手段の一例である。カンチレバー107-1~107-12の少なくとも1つが有する検出用圧電素子は、ミラー部の第2軸回りの回動の角度を検出する第2検出手段の一例である。
The detection piezoelectric element possessed by at least one of the
弾性率調整部104a及び104bは、第1弾性率調整手段の一例であり、弾性率調整部107a及び107bは、第2弾性率調整手段の一例である。
The elastic
上記処理のフローチャートを、図25に示す。 The flowchart of the above processing is shown in FIG.
まず、ステップS241で、制御装置41は、光走査情報を取得する。光走査情報とは、上述したように被走査面にどのように光走査させるかを示した情報であり、例えば、画像データ、画像のフレーム数Nf、第1及び第2駆動信号等の情報が含まれる。
First, in step S241, the
続いて、ステップS243で、光走査情報に基づき、制御部42が駆動信号を生成して駆動信号出力部43に出力する。
Subsequently, in step S243, the
続いて、ステップS245で、駆動信号出力部43は、光源装置12、第1及び第2可動手段40aに駆動信号を出力する。
Subsequently, in step S245, the drive
続いて、ステップS247で、光源装置12、第1及び第2可動手段40aは、駆動信号に基づき、光走査を行う。
Subsequently, in step S247, the
光走査を行う中で、ステップS249において、検出信号取得部44は、ミラー部100の回動の角度の信号を取得する。
During the optical scan, in step S249, the detection
続いて、ステップS251で、制御部42は、ミラー部100の回動の角度の信号からミラー部100の回動の振幅を取得する。そして、取得したミラー部100の回動の振幅と、ミラー部100の回動の振幅の仕様値との差分を算出し、差分が閾値より大きい場合は、駆動信号の周波数と共振周波数がずれていると判断する。
Subsequently, in step S251, the
駆動信号の周波数と共振周波数がずれていると判断した場合、ステップS253で、制御部42は、弾性率調整用駆動信号を生成して弾性率調整用駆動信号出力部45に出力する。
When it is determined that the frequency of the drive signal and the resonance frequency deviate from each other, in step S253, the
続いて、ステップS255で、弾性率調整用駆動信号出力部45は、弾性率調整部104a、104b、107a及び107bに弾性率調整用駆動信号を出力する。
Subsequently, in step S255, the elastic modulus adjusting drive
続いて、ステップ257で、弾性率調整部104a、104b、107a及び107bは、カンチレバーにおける弾性部の弾性率を調整する。
Subsequently, in step 257, the elastic
ステップS251で、駆動信号の周波数と共振周波数がずれていないと判断した場合は、ステップS247に戻り、光走査を継続する。 If it is determined in step S251 that the frequency of the drive signal and the resonance frequency do not deviate from each other, the process returns to step S247 and the optical scanning is continued.
ステップS259で、光走査を終了するかを判断し、終了する場合は処理を終了し、終了しない場合は、ステップS247に戻り、光走査を継続する。 In step S259, it is determined whether to end the optical scan, and if it ends, the process ends. If not, the process returns to step S247 and the optical scan continues.
以上により、周囲の温度変化等の影響を抑制し、安定した光走査を実現することができる。 As a result, it is possible to suppress the influence of changes in the ambient temperature and realize stable optical scanning.
なお、上記では、ミラー部の第1及び第2軸回りの回動の角度を検出する第1及び第2検出手段の一例として、検出用圧電素子を示したが、これに限定されない。第1及び第2検出手段として、例えば、可動装置40の外部に配置したPD(Photo Diode)を利用してもよい。以下にPDを利用する場合の処理の一例を示す。
In the above, the detection piezoelectric element is shown as an example of the first and second detection means for detecting the angle of rotation around the first and second axes of the mirror portion, but the present invention is not limited thereto. As the first and second detection means, for example, a PD (Photo Diode) arranged outside the
PDは、可動装置40による走査光がPDの受光面を通過したタイミングを検知する。検出信号取得部44は、PDの出力信号をA/D変換し、デジタル信号を制御部42に出力する。制御部42は、PDの出力のデジタル信号から、例えばX方向における1回の走査にかかる時間tを求める。駆動信号の周期をTとし、ミラー部100の回動の振幅の仕様値をPとし、制御部42は、ミラー部100の回動の振幅pを、例えばP×t/Tとして取得することができる。
The PD detects the timing at which the scanning light from the
なお、第1及び第2軸回りの回動の振幅を検出するためには、第1軸用と第2軸用の少なくとも2つのPDが必要である。 In addition, in order to detect the amplitude of rotation around the first and second axes, at least two PDs, one for the first axis and the other for the second axis, are required.
可動装置40による走査の同期検知のために設けられたPDを、第1、及び第2検出手段として利用することも可能である。
It is also possible to use the PD provided for synchronous detection of scanning by the
また、上記では、共振周波数のずれに起因し、ミラー部100の回動の振幅が変動することへの対応を示したが、これに限定されない。共振周波数のずれ以外の要因で、ミラー部100の回動の振幅が変動する場合にも、本実施形態は適用可能である。
Further, in the above, it has been shown that the amplitude of the rotation of the
例えば、ミラー部の第1及び第2軸回りの回動の角度を検出用圧電素子等により検出し、検出用圧電素子等の出力に基づき、ミラー部100の回動の振幅を取得する。ミラー部100の回動の振幅が仕様値と異なる、或いは変動する場合は、検出用圧電素子等の出力に基づきミラー部100の回動の振幅を監視しながら、弾性率調整部への印加電圧を調整する。これにより、回動の振幅を仕様値と一致させ、或いは変動を抑制することができる。
For example, the angle of rotation around the first and second axes of the mirror unit is detected by a detection piezoelectric element or the like, and the amplitude of rotation of the
駆動信号の周波数と共振周波数のずれを検知するために、上記では、ミラー部100の回動の振幅を求めた。これに代えて、ミラー部100の回動に伴う検出用圧電素子の出力変化の位相と、駆動信号出力部43の出力信号の位相との位相差から、駆動信号の周波数と共振周波数のずれを検知してもよい。周波数のずれに応じて上記の位相差も変化するためである。
In the above, in order to detect the deviation between the frequency of the drive signal and the resonance frequency, the amplitude of rotation of the
位相差は、例えば、検出用圧電素子の出力信号と、駆動信号出力部43の出力信号の両者を、ロックインアンプ回路等に入力することにより、検出することができる。
The phase difference can be detected, for example, by inputting both the output signal of the detection piezoelectric element and the output signal of the drive
位相差が予め設定した閾値を超えたときに、制御部42は、ミラー部100を回動させるための駆動信号の周波数と共振周波数がずれていると判断する。
When the phase difference exceeds a preset threshold value, the
駆動信号の周波数と共振周波数がずれている場合、制御部42は、予め取得し、記憶しておいた「位相差と共振周波数のずれ量との関係」を示すデータに基づき、上記の位相差から共振周波数のずれ量を求める。また制御部42は、予め取得し、記憶しておいた「共振周波数と弾性率調整部への印加電圧との関係」を示すデータに基づき、共振周波数のずれ量から弾性率調整部に印加する電圧を求める。そして制御部42は、電圧のデジタル信号を弾性率調整用駆動信号出力部45に出力する。
When the frequency of the drive signal and the resonance frequency deviate from each other, the
弾性率調整用駆動信号出力部45は、弾性率調整用の電圧のデジタル信号をD/A変換し、弾性率調整部104a、104b、107a及び107bに出力する。各弾性率調整部は印加された電圧に応じ、カンチレバーに一定量の変形を加え、カンチレバーにおける弾性部の弾性率を変化させることで、カンチレバー等の共振周波数を所定量変化させる。
The elastic modulus adjusting drive signal output unit 45 D / A-converts a digital signal of the elastic modulus adjusting voltage and outputs it to the elastic
このように、位相差を検出することで、可動装置40の振動等の外乱ノイズに強い周波数のずれの検出が可能となる。
By detecting the phase difference in this way, it is possible to detect a frequency shift that is strong against disturbance noise such as vibration of the
なお、検出用圧電素子に代わりに、可動装置40の外部に配置したPDを用いてもよい。この場合は、PDの出力信号と駆動信号の両者をロックインアンプ回路等に入力すればよい。
Instead of the detection piezoelectric element, a PD arranged outside the
また、上述したように、共振周波数がずれる場合に限定されず、共振周波数のずれ以外の要因でミラー部100の回動の振幅が変動する場合にも適用可能である。回動の振幅に応じて上記の位相差も変化するためである。
[第4の実施形態]
次に、第4の実施形態の可動装置について説明する。第1~3の実施形態と重複する部分は説明を省略し、相違点について述べる。
Further, as described above, the present invention is not limited to the case where the resonance frequency deviates, and can be applied to the case where the amplitude of rotation of the
[Fourth Embodiment]
Next, the movable device of the fourth embodiment will be described. The parts that overlap with the first to third embodiments will be omitted, and the differences will be described.
可動装置において、共振の利用は、低い駆動電圧でミラー部の大きな可動量、すなわち回動の振幅が得られるため、可動装置による光走査の広角化にとって好都合である。しかしその反面、共振の利用には、可動装置の駆動信号の周波数が共振周波数からずれると、ミラー部の回動の振幅が大きく変化するというリスクがある。 In a movable device, the use of resonance is convenient for widening the angle of optical scanning by the movable device because a large amount of movement of the mirror portion, that is, the amplitude of rotation can be obtained with a low drive voltage. However, on the other hand, in the use of resonance, there is a risk that the amplitude of rotation of the mirror portion changes significantly when the frequency of the drive signal of the movable device deviates from the resonance frequency.
例えば、製造ばらつきにより、可動装置ごとで共振周波数が異なったり、また同じ可動装置であっても、周囲の温度変化等で共振周波数が経時変化したりする場合がある。駆動信号の周波数が共振周波数からずれることで、回動の振幅が大きく変化し、所望の走査角度が得られなくなる。 For example, due to manufacturing variations, the resonance frequency may differ for each movable device, or even for the same movable device, the resonance frequency may change over time due to changes in ambient temperature or the like. When the frequency of the drive signal deviates from the resonance frequency, the amplitude of rotation changes significantly, and a desired scanning angle cannot be obtained.
本実施形態では、共振周波数から一定量だけずらした周波数、すなわちオフセットを与えた周波数を駆動信号の周波数とし、ミラー部を回動させることを特徴としている。これにより、駆動信号の周波数と共振周波数の変動に対する光走査のロバスト性を向上させることができる。 The present embodiment is characterized in that a frequency deviated by a certain amount from the resonance frequency, that is, a frequency to which an offset is given is used as the frequency of the drive signal, and the mirror portion is rotated. This makes it possible to improve the robustness of optical scanning with respect to fluctuations in the frequency and resonance frequency of the drive signal.
図26に、可動装置の駆動信号の周波数とミラー部の回動の振幅との関係の一例を示す。図26において、破線で示した周波数frは共振周波数を示し、一点鎖線で示した周波数fsは共振周波数から低周波の方向にオフセットさせた周波数を示している。 FIG. 26 shows an example of the relationship between the frequency of the drive signal of the movable device and the amplitude of rotation of the mirror portion. In FIG. 26, the frequency fr indicated by the broken line indicates the resonance frequency, and the frequency fs indicated by the alternate long and short dash line indicates the frequency offset from the resonance frequency in the direction of the low frequency.
例えば周波数frの駆動信号で可動装置を駆動した場合、周囲の温度変化等で、共振周波数がΔfだけずれると、回動の振幅はΔArだけ変化する。一方で、共振周波数からオフセットさせた周波数fsで可動装置を駆動すると、共振周波数が上記と同じ量のΔfだけずれても、回動の振幅はΔAsという小さい変化ですむ。 For example, when a movable device is driven by a drive signal having a frequency fr, if the resonance frequency deviates by Δf due to a change in ambient temperature or the like, the amplitude of rotation changes by ΔAr. On the other hand, when the movable device is driven at a frequency fs offset from the resonance frequency, even if the resonance frequency deviates by the same amount of Δf as above, the amplitude of rotation is only a small change of ΔAs.
図26における周波数fsは、第1可動部、又は第2可動部の共振周波数に対し、所定のオフセット周波数を加算、又は減算した周波数の一例である。 The frequency fs in FIG. 26 is an example of a frequency obtained by adding or subtracting a predetermined offset frequency from the resonance frequency of the first movable portion or the second movable portion.
本実施形態の可動装置の構成の一例として、例えば図21の構成を用いることができる。弾性率調整部104a、104b、107a及び107bに印加する電圧を変えることで、図23に示したように、共振周波数を変化させることができ、駆動信号の周波数に対して共振周波数にオフセット周波数を加算、又は減算することができる。これにより、可動装置ごとで共振周波数の相違や、同じ可動装置で共振周波数の経時変化があっても、可動装置の相違及び経時変化に対する回動の振幅の変化を抑制することができる。
As an example of the configuration of the movable device of the present embodiment, for example, the configuration of FIG. 21 can be used. As shown in FIG. 23, the resonance frequency can be changed by changing the voltage applied to the elastic
なお、共振周波数を変化させず、駆動信号の周波数を変化させることで、上記のオフセットを与えてもよい。ただし本実施形態では、周波数fyと周波数fxは所定の関係を有しているため、所定の関係を維持したまま、周波数fy及び周波数fxを調整する必要があり、調整が複雑になる。上記のように、共振周波数を変化させることで、簡単にオフセットを与えることができる。 The above offset may be given by changing the frequency of the drive signal without changing the resonance frequency. However, in the present embodiment, since the frequency fy and the frequency fx have a predetermined relationship, it is necessary to adjust the frequency fy and the frequency fx while maintaining the predetermined relationship, which complicates the adjustment. As described above, the offset can be easily given by changing the resonance frequency.
以上により、本実施形態によれば、共振を利用した回動の最大の振幅は得られなくなるものの、駆動信号の周波数と共振周波数の変動に対する回動の振幅の減少を抑制することができる。言い換えると、駆動信号の周波数と共振周波数の変動に対する光走査のロバスト性を上げることができる。
[可動装置の構成の変形例]
図15の可動装置13では、カンチレバー102a及び102bは第1軸を中心として-Y側に形成されている。このような構造は片持ち梁構造と呼ばれる。これに対し、図27の可動装置13aでは、カンチレバー102c及び102dは第1軸に対して±Y方向に対称に形成されている。このような構造は両持ち梁構造と呼ばれる。図27のように、第1可動部を両持ち梁構造とした場合にも、第1~4の実施形態で示した駆動方法を適用することができる。なお、図27において、104c、104d、104e、及び104fは弾性率調整部である。
As described above, according to the present embodiment, although the maximum amplitude of rotation using resonance cannot be obtained, it is possible to suppress a decrease in the amplitude of rotation with respect to fluctuations in the frequency of the drive signal and the resonance frequency. In other words, the robustness of optical scanning with respect to fluctuations in the frequency and resonance frequency of the drive signal can be improved.
[Modification example of the configuration of the movable device]
In the
また、図15の可動装置13では、弾性部であるシリコン活性層の一の面、すなわち+Z側の面のみに圧電部が形成された構成を一例として説明したが、これに限定されない。弾性部の他の面、例えば-Z側の面に設けた構成とし、第1~4の実施形態で示した駆動方法を適用してもよい。また、弾性部の一の面および他の面の双方に設けた構成とし、第1~4の実施形態で示した駆動方法を適用してもよい。
Further, in the
さらに、ミラー部100を第1軸、又は第2軸回りに可動させられるのであれば、図28に示した可動装置13bのように、第1可動部と第2可動部の両方を両持ち梁構造とし、第1~4の実施形態で示した駆動方法を適用してもよい。なお、図28において、110a、及び110bは、弾性率調整部である。
Further, if the
また、図29及び30にそれぞれ示したように、第1軸回りにのみ可動する可動装置13c、並びに第2軸回りにのみ可動する可動装置13dにも、第1~4の実施形態で示した駆動方法を適用することができる。但し、可動装置13c、又は可動装置13dによりXとYの2方向に光を走査するためには、可動装置を少なくとも2台用いる必要がある。なお、図30において、100bは光反射面で、100cはミラー部である。
Further, as shown in FIGS. 29 and 30, the
以上、本発明の実施形態の例について記述したが、本発明は斯かる特定の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。 Although examples of embodiments of the present invention have been described above, the present invention is not limited to such specific embodiments, and various aspects are described within the scope of the gist of the present invention described in the claims. It can be transformed and changed.
10 光走査システム
11、41 制御装置
12、12b 光源装置
13、13a、13b、13c、13d、40 可動装置
14 反射面
15 被走査面
25 光源装置ドライバ
26 可動装置ドライバ
30、42 制御部
31、43 駆動信号出力部
44 検出信号取得部
45 弾性率調整用駆動信号出力部
50 レーザヘッドランプ
51 ミラー
52 透明板
60 ヘッドマウントディスプレイ
60a フロント
60b テンプル
61 導光板
62 ハーフミラー
63 装着者
100 ミラー部
100a ミラー部基体
101a、101b 第1可動部
102a、102b、107-1~107-12 カンチレバー
103a、103b トーションバー
104a、104b、107a、107b 弾性率調整部
105 第1支持部
106a、106b 第2可動部
108 第2支持部
109 電極接続部
131、132、134、135、138 信号
133 走査線
500 ヘッドアップディスプレイ装置
650 レーザプリンタ
700 レーザレーダ装置
702 被対象物
801 パッケージ部材
802 取付部材
803 透過部材
10
Claims (17)
前記ミラー部を前記第1軸周りに回動させる、圧電部を有する第1可動部と、
前記ミラー部の第1軸周りの回動の角度を検出する第1検出手段と、
前記ミラー部を前記第2軸周りに回動させる、圧電部を有する第2可動部と、
前記ミラー部の第2軸周りの回動の角度を検出する第2検出手段と、を備え、
前記第1の検出手段と前記第2検出手段とのうち少なくとも一方は、検出用圧電素子を有し、
前記第1検出手段の出力に基づいて前記第1可動部の弾性率を調整する第1弾性率調整手 段と、前記第2検出手段の出力に基づいて前記第2可動部の弾性率を調整する第2弾性率 調整手段と、の少なくとも一方を有し、
前記第1弾性率調整手段は、前記第1カンチレバーにおいて前記第1検出手段と層を成す ように、または隣接するよう設けられ、
前記第2弾性率調整手段は、前記第2カンチレバーにおいて前記第2検出手段と層を成す ように、または隣接するよう設けられ、
前記第1駆動信号の周波数は、前記第2駆動信号の周波数と、前記フレーム数と、に基づき決定され、前記第2駆動信号の周波数で整除されない値である、ことを特徴とする可動装置。A mirror portion having a light reflecting surface and a mirror portion directly or indirectly connected to the mirror portion, and the mirror portion is rotated around the first and second axes orthogonal to each other according to the input first and second drive signals. The first and second movable parts are provided with first and second cantilever, respectively, and are movable to scan light in two dimensions with a predetermined number of frames. It ’s a device,
A first movable portion having a piezoelectric portion that rotates the mirror portion around the first axis, and a first movable portion.
A first detecting means for detecting the angle of rotation of the mirror portion around the first axis, and
A second movable portion having a piezoelectric portion that rotates the mirror portion around the second axis, and a second movable portion.
A second detecting means for detecting the angle of rotation of the mirror portion around the second axis is provided.
At least one of the first detection means and the second detection means has a detection piezoelectric element.
The elastic modulus of the first movable portion is adjusted based on the output of the first detecting means , and the elastic modulus of the second movable portion is adjusted based on the output of the second detecting means. It has at least one of the second elastic modulus adjusting means and
The first elastic modulus adjusting means is provided in the first cantilever so as to form a layer with or adjacent to the first detecting means.
The second elastic modulus adjusting means is provided in the second cantilever so as to form a layer with or adjacent to the second detecting means.
The movable device is characterized in that the frequency of the first drive signal is a value determined based on the frequency of the second drive signal and the number of frames and is not divided by the frequency of the second drive signal.
前記第2弾性率調整手段は、前記第2可動部に接続された圧電部
を有する、ことを特徴とする請求項1乃至6の何れか1項に記載の可動装置。The first elastic modulus adjusting means has a piezoelectric portion connected to the first movable portion.
The movable device according to any one of claims 1 to 6, wherein the second elastic modulus adjusting means has a piezoelectric portion connected to the second movable portion.
前記第2検出手段は、前記ミラー部の前記第2軸回りの回動の角度変化の位相と前記第2駆動信号の位相の位相差を検出する、
ことを特徴とする請求項6、又は7に記載の可動装置。The first detecting means detects the phase difference between the phase of the angle change of the rotation of the mirror portion around the first axis and the phase of the first drive signal.
The second detecting means detects the phase difference between the phase of the angle change of the rotation of the mirror portion around the second axis and the phase of the second drive signal.
The movable device according to claim 6 or 7.
前記第2駆動信号の周波数は、前記第2可動部の共振周波数に対し、所定のオフセット周波数を加算、又は減算した周波数である、ことを特徴とする請求項1乃至8のいずれか1項に記載の可動装置。The frequency of the first drive signal is a frequency obtained by adding or subtracting a predetermined offset frequency from the resonance frequency of the first movable portion.
The frequency of the second drive signal is a frequency obtained by adding or subtracting a predetermined offset frequency from the resonance frequency of the second movable portion, according to any one of claims 1 to 8. The movable device described.
第1及び第2可動部が有する圧電部に第1駆動信号及び第2駆動信号を入力することで互いに直交する第1及び第2軸回りに前記ミラー部を回動させる回動工程と、
前記第1及び第2可動部の少なくとも一方が有する検出用圧電素子で出力された検出信号に基づき、前記ミラー部の前記第1軸周りの回動角度または第2軸周りの回動角度を取得する取得工程と、
前記検出信号に基づき弾性率調整用駆動信号を生成する生成工程と、
前記第1及び第2可動部がそれぞれ有する第1及び第2カンチレバーにおいて、前記検出 用圧電素子と層を成すよう、または隣接するよう設けられた弾性率調整手段を用いて、前 記弾性率調整用駆動信号に基づき前記第1または第2可動部の弾性率を調整する弾性率調 整工程と、を備え、
前記第1駆動信号の周波数は、前記第2駆動信号の周波数と、前記フレーム数と、に基づき決定され、前記第2駆動信号の周波数で整除されない値である、ことを特徴とする光走査方法。An optical scanning method that scans light in two dimensions with a predetermined number of frames.
A rotation step of rotating the mirror portion around the first and second axes orthogonal to each other by inputting a first drive signal and a second drive signal to the piezoelectric portions of the first and second movable portions.
Based on the detection signal output by the detection piezoelectric element possessed by at least one of the first and second movable parts, the rotation angle around the first axis or the rotation angle around the second axis of the mirror part is acquired. Acquisition process and
A generation step of generating a drive signal for elastic modulus adjustment based on the detection signal, and
In the first and second cantilever of the first and second movable parts, respectively, the elastic modulus adjustment is performed by using the elastic modulus adjusting means provided so as to form a layer or be adjacent to the detection piezoelectric element. The elastic modulus adjusting step of adjusting the elastic modulus of the first or second movable portion based on the drive signal is provided.
The optical scanning method is characterized in that the frequency of the first drive signal is a value determined based on the frequency of the second drive signal and the number of frames and is not divided by the frequency of the second drive signal. ..
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