JP2012063656A - 2次元光走査装置及びこれを用いた画像投影装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】装置が大きくならず、製造が困難でない2次元光走査装置を提供する。
【解決手段】第1軸線回りに揺動可能なミラー11aが形成された金属製の構造体11と、この構造体11に取り付けられた圧電素子12とから構成され、ミラー11aで反射する光を第1軸線a回りに走査する可動部10と、平面コイル23を流れる電流と磁界発生部24が発生する磁界の相互作用により、可動部10を第2軸線回りに揺動させることにより、ミラー11aで反射する光を第2軸線b回りに走査する揺動駆動部20とから構成され、磁界発生部24と平面コイル23の距離よりも、磁界発生部24と構造体11の距離を大きく設定する。
【選択図】図1
【解決手段】第1軸線回りに揺動可能なミラー11aが形成された金属製の構造体11と、この構造体11に取り付けられた圧電素子12とから構成され、ミラー11aで反射する光を第1軸線a回りに走査する可動部10と、平面コイル23を流れる電流と磁界発生部24が発生する磁界の相互作用により、可動部10を第2軸線回りに揺動させることにより、ミラー11aで反射する光を第2軸線b回りに走査する揺動駆動部20とから構成され、磁界発生部24と平面コイル23の距離よりも、磁界発生部24と構造体11の距離を大きく設定する。
【選択図】図1
Description
本発明は、レーザ光等の光を2次元走査させる2次元光走査装置、これを用いた画像投影装置に関する。
特許文献1に示されるように、振動するミラーによりレーザ光の走査を行う光走査装置が知られている。このような光走査装置は、梁部で回動可能に支持されたミラーを、圧電素子で共振させて回動させることにより、ミラーに入射する光を走査する装置である。
特許文献1に示されるような光走査装置は、光を1次元方向しか走査させることができない。光を2次元走査させて画像を生成する場合には、2個の光走査装置を、それぞれの走査方向が直交するように配置させる必要があり、装置が大きくなってしまうという問題があった。また、2個の光走査装置を正確に配置させなければ、画像が歪んでしまうが、各光走査装置の位置合わせ(軸合わせ)が困難であることから、2次元光走査装置の製造が困難であった。
本発明は、上記問題を解決し、装置が大きくならず、製造が困難でない2次元光走査装置を提供することを目的とする。
本発明は、上記問題を解決し、装置が大きくならず、製造が困難でない2次元光走査装置を提供することを目的とする。
上記課題を解決するためになされた請求項1に記載の発明は、
光を反射するミラーと、前記ミラーの両側を第1軸線回りに揺動可能に支持し前記ミラーから離れる方向に延出する一対の支持梁と、一端側に前記一対の支持梁が接続される伝達部と、前記伝達部の他端側に接続された被取付部と、が同一平面上に金属で一体に構成された構造体と、
前記伝達部に設けられ、前記伝達部に振動を付与することで前記ミラーを前記第1軸線回りに揺動させる圧電素子と、を有する可動部と、
基台部と、
前記基台部に、前記第1軸線と直交する第2軸線回りに揺動可能に取り付けられ、前記被取付部が取り付けられる揺動部と、
前記基台部に取り付けられた磁界発生部と、
前記磁界発生部が発する磁界の向きに沿って設けられ、前記揺動部に取り付けられたコイルと、を有し、前記コイルを流れる電流と前記磁界発生部が発生する磁界の相互作用により前記揺動部を第2軸線回りに揺動させる揺動駆動部とから構成され、
前記磁界発生部と前記コイルの距離よりも、前記磁界発生部と前記構造体の距離を大きく設定したことを特徴とする。
光を反射するミラーと、前記ミラーの両側を第1軸線回りに揺動可能に支持し前記ミラーから離れる方向に延出する一対の支持梁と、一端側に前記一対の支持梁が接続される伝達部と、前記伝達部の他端側に接続された被取付部と、が同一平面上に金属で一体に構成された構造体と、
前記伝達部に設けられ、前記伝達部に振動を付与することで前記ミラーを前記第1軸線回りに揺動させる圧電素子と、を有する可動部と、
基台部と、
前記基台部に、前記第1軸線と直交する第2軸線回りに揺動可能に取り付けられ、前記被取付部が取り付けられる揺動部と、
前記基台部に取り付けられた磁界発生部と、
前記磁界発生部が発する磁界の向きに沿って設けられ、前記揺動部に取り付けられたコイルと、を有し、前記コイルを流れる電流と前記磁界発生部が発生する磁界の相互作用により前記揺動部を第2軸線回りに揺動させる揺動駆動部とから構成され、
前記磁界発生部と前記コイルの距離よりも、前記磁界発生部と前記構造体の距離を大きく設定したことを特徴とする。
請求項2に記載の発明は、請求項1に記載の発明において、
前記磁界発生部は、異なる磁極が相対するように、対向して一対配設され、
前記コイルは、前記一対の磁界発生部間に配設され、
前記構造体は、前記一対の磁界発生部間外に配設されていることを特徴とする。
これにより、構造体内への磁力線の通過をより抑止させることができる。このため、構造体内を磁力線が通ることにより起因する、コイル上での磁束密度の低下及び構造体の拘束がより抑止され、コイルに電流を流した際に、より応答良く可動部を第2軸線回りに揺動させることが可能となる。
前記磁界発生部は、異なる磁極が相対するように、対向して一対配設され、
前記コイルは、前記一対の磁界発生部間に配設され、
前記構造体は、前記一対の磁界発生部間外に配設されていることを特徴とする。
これにより、構造体内への磁力線の通過をより抑止させることができる。このため、構造体内を磁力線が通ることにより起因する、コイル上での磁束密度の低下及び構造体の拘束がより抑止され、コイルに電流を流した際に、より応答良く可動部を第2軸線回りに揺動させることが可能となる。
請求項3に記載の発明は、請求項2に記載の発明において、
前記構造体は、前記第1軸線及び前記第2軸線に直交する方向に、前記磁界発生部から離間されて配設されていることを特徴とする。
これにより、2次元光走査装置が第2軸線方向に大きくならない。
前記構造体は、前記第1軸線及び前記第2軸線に直交する方向に、前記磁界発生部から離間されて配設されていることを特徴とする。
これにより、2次元光走査装置が第2軸線方向に大きくならない。
請求項4に記載の発明は、請求項2に記載の発明において、
前記構造体は、前記第2軸線方向に、前記磁界発生部から離間されて配設されていることを特徴とする。
これにより、2次元光走査装置が第1軸線及び第2軸線に直交する方向に大きくならない。
前記構造体は、前記第2軸線方向に、前記磁界発生部から離間されて配設されていることを特徴とする。
これにより、2次元光走査装置が第1軸線及び第2軸線に直交する方向に大きくならない。
請求項5に記載の発明は、請求項2〜請求項4に記載の発明において、
前記一対の磁界発生部を接続する、磁性体で構成された閉磁部材を設けたことを特徴とする。
これにより、一対の磁界発生部間において、閉磁部材を磁力線が通る磁気回路が形成され、一対の磁界発生部から外部への磁力線の漏洩を抑止することが可能となる。このため、構造体への磁力線の作用を抑止することが可能となり、磁力線の作用による構造体の拘束を抑止することが可能となる。また、一対の磁界発生部から外部への磁力線の漏洩が抑止されることから、一対の磁界発生部間の磁束密度も増大する。このため、可動部の第2軸線回りの揺動の応答性をより高めることが可能となる。
前記一対の磁界発生部を接続する、磁性体で構成された閉磁部材を設けたことを特徴とする。
これにより、一対の磁界発生部間において、閉磁部材を磁力線が通る磁気回路が形成され、一対の磁界発生部から外部への磁力線の漏洩を抑止することが可能となる。このため、構造体への磁力線の作用を抑止することが可能となり、磁力線の作用による構造体の拘束を抑止することが可能となる。また、一対の磁界発生部から外部への磁力線の漏洩が抑止されることから、一対の磁界発生部間の磁束密度も増大する。このため、可動部の第2軸線回りの揺動の応答性をより高めることが可能となる。
請求項6に記載の発明は、請求項1〜請求項5に記載の発明において、
前記揺動部は、前記基台部に回動可能に軸支されていることを特徴とする。
これにより、揺動部が回動する際の抵抗が低減する。このため、可動部の第2軸線回りの揺動の応答性をより高めることが可能となる。
また、ねじれ梁で構成された揺動部を揺動可能に基台に取り付けた構成では、揺動部が揺動した際に、ねじれ梁である揺動部に復元力が作用してしまうため、揺動部が単振動してしまい、可動部を狙い通りの位置に揺動させることが困難である一方で、前記揺動部を、前記基台部に回動可能に軸支させると、可動部を狙い通りの位置に揺動させることが可能となる。
前記揺動部は、前記基台部に回動可能に軸支されていることを特徴とする。
これにより、揺動部が回動する際の抵抗が低減する。このため、可動部の第2軸線回りの揺動の応答性をより高めることが可能となる。
また、ねじれ梁で構成された揺動部を揺動可能に基台に取り付けた構成では、揺動部が揺動した際に、ねじれ梁である揺動部に復元力が作用してしまうため、揺動部が単振動してしまい、可動部を狙い通りの位置に揺動させることが困難である一方で、前記揺動部を、前記基台部に回動可能に軸支させると、可動部を狙い通りの位置に揺動させることが可能となる。
請求項7に記載の発明は、請求項1〜請求項6に記載の発明において、
前記ミラー表面を、前記第2軸線が通るように、前記ミラーが形成されていることを特徴とする。
これにより、可動部が回動したとしても、ミラーの表面が常に第2軸線上にあるので、光がミラーから外れることが防止され、常にミラーに光が入射し、途切れ無く光が2次元走査される。
前記ミラー表面を、前記第2軸線が通るように、前記ミラーが形成されていることを特徴とする。
これにより、可動部が回動したとしても、ミラーの表面が常に第2軸線上にあるので、光がミラーから外れることが防止され、常にミラーに光が入射し、途切れ無く光が2次元走査される。
請求項8に記載の発明は、
光を反射するミラーと、前記ミラーの両側を第1軸線回りに揺動可能に支持し前記ミラーから離れる方向に延出する一対の支持梁と、一端側に前記一対の支持梁が接続される伝達部と、前記伝達部の他端側に接続された被取付部と、が同一平面上に金属で一体に構成された構造体と、
前記伝達部に設けられ、前記伝達部に振動を付与することで前記ミラーを前記第1軸線回りに揺動させる圧電素子と、を有する可動部と、
基台部と、
前記基台部に、前記第1軸線と直交する第2軸線回りに揺動可能に取り付けられ、前記被取付部が取り付けられる揺動部と、
前記基台部に取り付けられた磁界発生部と、
前記磁界発生部が発する磁界の向きと平行に形成され、前記揺動部に取り付けられたコイルと、を有し、前記コイルが発生する磁界と前記磁界発生部が発生する磁界の相互作用により前記揺動部を第2軸線回りに揺動させる揺動駆動部とから構成され、
前記ミラーが前記圧電素子により前記第1軸線回りに揺動されつつ、前記可動部が前記揺動駆動部により第2軸線回りに揺動されて、前記ミラーに入射した光束を、2次元走査させる2次元光走査装置と、
前記圧電素子に供給する駆動電流を生成する第1ドライバと、
前記コイルに供給する駆動電流を生成する第2ドライバと、
前記ミラーに入射させる光を生成する光源部と、
前記2次元光走査装置で2次元走査された光を、投影部に結像させる結像光学系を有し、
前記磁界発生部と前記コイルの距離よりも、前記磁界発生部と前記構造体の距離を大きく設定したことを特徴とする。
光を反射するミラーと、前記ミラーの両側を第1軸線回りに揺動可能に支持し前記ミラーから離れる方向に延出する一対の支持梁と、一端側に前記一対の支持梁が接続される伝達部と、前記伝達部の他端側に接続された被取付部と、が同一平面上に金属で一体に構成された構造体と、
前記伝達部に設けられ、前記伝達部に振動を付与することで前記ミラーを前記第1軸線回りに揺動させる圧電素子と、を有する可動部と、
基台部と、
前記基台部に、前記第1軸線と直交する第2軸線回りに揺動可能に取り付けられ、前記被取付部が取り付けられる揺動部と、
前記基台部に取り付けられた磁界発生部と、
前記磁界発生部が発する磁界の向きと平行に形成され、前記揺動部に取り付けられたコイルと、を有し、前記コイルが発生する磁界と前記磁界発生部が発生する磁界の相互作用により前記揺動部を第2軸線回りに揺動させる揺動駆動部とから構成され、
前記ミラーが前記圧電素子により前記第1軸線回りに揺動されつつ、前記可動部が前記揺動駆動部により第2軸線回りに揺動されて、前記ミラーに入射した光束を、2次元走査させる2次元光走査装置と、
前記圧電素子に供給する駆動電流を生成する第1ドライバと、
前記コイルに供給する駆動電流を生成する第2ドライバと、
前記ミラーに入射させる光を生成する光源部と、
前記2次元光走査装置で2次元走査された光を、投影部に結像させる結像光学系を有し、
前記磁界発生部と前記コイルの距離よりも、前記磁界発生部と前記構造体の距離を大きく設定したことを特徴とする。
本発明によれば、第1軸線回りに揺動可能なミラーが形成された金属製の構造体と、この構造体に取り付けられた圧電素子とから構成され、前記ミラーで反射する光を第1軸線回りに走査する可動部と、コイルを流れる電流と前記磁界発生部が発生する磁界の相互作用により、前記可動部を第2軸線回りに揺動させることにより、前記ミラーで反射する光を第2軸線回りに走査する揺動駆動部とから構成され、前記磁界発生部と前記コイルの距離よりも、前記磁界発生部と前記構造体の距離を大きく設定する。これにより、
構造体内を磁力線が通ることにより起因する、コイル上での磁束密度の低下及び構造体の拘束が抑止され、コイルに電流を流した際に、応答良く可動部を第2軸線回りに揺動させることが可能となる。このため、光を走査する可動部を、揺動させて光を2次元走査させる構造を実現することが可能となり、装置が大きくならず、製造が困難で無い2次元光走査装置を提供することが可能となる。
構造体内を磁力線が通ることにより起因する、コイル上での磁束密度の低下及び構造体の拘束が抑止され、コイルに電流を流した際に、応答良く可動部を第2軸線回りに揺動させることが可能となる。このため、光を走査する可動部を、揺動させて光を2次元走査させる構造を実現することが可能となり、装置が大きくならず、製造が困難で無い2次元光走査装置を提供することが可能となる。
(第1の実施形態の2次元光走査装置)
以下に図面を参照しつつ、本発明の好ましい実施の形態(第1の実施形態)を示す。図1〜図3に示されるように、第1の実施形態の2次元光走査装置50は、揺動駆動部20と、この揺動駆動部20に回動可能に取り付けられた可動部10とから構成されている。可動部10は、ミラー11aに入射した光を第1軸線a回りに走査するものである。揺動駆動部20は、可動部10を第1軸線aと直交する第2軸線b回りに回動させることにより、ミラー11aに入射した光を第2軸線b回りに走査するものである。
以下に図面を参照しつつ、本発明の好ましい実施の形態(第1の実施形態)を示す。図1〜図3に示されるように、第1の実施形態の2次元光走査装置50は、揺動駆動部20と、この揺動駆動部20に回動可能に取り付けられた可動部10とから構成されている。可動部10は、ミラー11aに入射した光を第1軸線a回りに走査するものである。揺動駆動部20は、可動部10を第1軸線aと直交する第2軸線b回りに回動させることにより、ミラー11aに入射した光を第2軸線b回りに走査するものである。
図1〜図3に示されるように、可動部10は、ミラー11a、支持梁11b、接続部11e、伝達部11c、被取付部11dが一体形成された構造体11と、伝達部11c上に貼設された圧電素子12とから構成されている。
ミラー11aは、レーザ光等の光を反射する面である。ミラー11aは、本実施形態では、円形状であるが、これに限定されず、四角形状等であっても差し支えない。ミラー11aの両側には、ミラー11aから離れる方向に延出する支持梁11bが形成されている。支持梁11bの延出方向は、第1軸線a方向と一致している。つまり、支持梁11bの中心を、第1軸線aが通っている。この支持梁11bによって、ミラー11aの両側が第1軸線a回りに揺動可能に弾性的に支持されている。つまり、支持梁11bは、ミラー11aを第1軸線a回りに揺動可能支持するトーションバーとしての役割を持っている。伝達部11cは四角形状であり、一辺から延出する2本の接続部11eが形成されている。2本の接続部11e間に、2本の支持梁11bがそれぞれ接続されている。
伝達部11cの接続部11eが形成されている辺と反対側の一端には、被取付部11dが接続されている。本実施形態では、被取付部11dは、長方形状となっている。本実施形態では、被取付部11dは、その長手方向の中心で、伝達部11cの一端と接続している。構造体11は、非磁性体であるステンレス板に、エッチング加工やプレス加工等の除去加工が施されて、ミラー11a、支持梁11b、伝達部11c、被取付部11dが、同一平面上に一体に形成されて製造される。後述するように、ミラー11aを共振させるために、構造体11はバネ性を有することが好ましい。そこで、構造体11は冷間圧延されて製造されたステンレス板で構成されている。ステンレス板が仮に非磁性のステンレス材で形成されていても、冷間圧延によって、非磁性が弱磁性に変化する。そのため、ステンレス板を構成するステンレス材の種類に関わらず、構造体11は、どうしても弱磁性となってしまう。
伝達部11c上には、セラミックス製等の圧電素子12が取り付けられている。本実施形態では、伝達部11cと圧電素子12は、導電性接着剤で接着されている。前記導電性接着剤は、熱硬化性を有するエポキシ系、アクリル系、シリコン系等の合成樹脂製の基剤内に、銀、金、銅等で構成された金属フィラーを分散させたものである。まず、伝達部11c上に導電性接着剤を塗布することで、接着剤層を形成する。次に、この接着剤層上に圧電素子12を載置した後に押圧する。そして、前記接着剤層を熱硬化させることにより、圧電素子12を伝達部11c上に接着させている。
圧電素子12に交流電圧が印加されると、圧電素子12が振動し、この振動により一対の支持梁11bが第1軸線aを中心にねじれ振動される。すると、ミラー11aが共振して、第1軸線a回りに揺動し、ミラー11aに入射した光が第1軸線a回りに走査される。
次に、揺動駆動部20について説明する。図1〜図3に示されるように、揺動駆動部20は、主に、基台21、軸部材22、平面コイル23、磁界発生部24とから構成されている。
基台21は、合成樹脂やステンレス等の非磁性体で構成されている。基台21は、板状又はブロック状の基部21aと、この基部21aの一端から、基部21aの形成方向と直交する方向(上方)に延出する板状又はブロック状の支持部21bとから構成されている。
軸部材22は、支持部21bに揺動可能に取り付けられている。本実施形態では、軸部材22は、合成樹脂やステンレス等の非磁性体で構成されている。本実施形態では、軸部材22の一端は、支持部材21bに取り付けられた軸受25に軸支されて回動可能となっている。図3に示される実施形態では、軸受25は、ボールベアリングであるが、軸受25はこれに限定されず、ローラーベアリング等の転がり軸受、磁気軸受、流体軸受、ポリテトラフルオロエチレン(テフロン(登録商標))や潤滑油等の低摩擦物質で軸部材22と接触する滑り軸受等のラジアル軸受であっても差し支え無い。軸受25は、合成樹脂やステンレス等の非磁性体で構成されている。
図3に示されるように、軸部材22の先端には、合成樹脂等の非磁性体で構成されたスペーサ27が、取り付けられている。図3に示されるように、スペーサ27は、ブロック形状であり、軸部材22の先端から垂下している。図1や図3に示されるように、構造体11の被取付部11dが、スペーサ27の上端に載置された状態で取り付けられている。構造体11の上面、特に、ミラー11aの上面は、軸部材22の回動中心である第2軸線bが通っている。このため、可動部10が回動したとしても、ミラー11aの表面が常に第2軸線b上にあるので、光がミラー11aから外れてしまうことが防止され、常にミラー11aに光が入射し、途切れ無く光が2次元走査される。図2に示されるように、構造体11を含む可動部10は、第2軸線bを対称軸として、幅方向対称に形成されている。図3に示されるように、構造体11は後述する一対の磁界発生部24間の外部に配設されている。
スペーサ27の下端には、平板状のコイル支持部材28が取り付けられている。コイル支持部材28は、合成樹脂等の非磁性体で構成されている。コイル支持部材28は、構造体11と平行に離間して配設されている。コイル支持部材28の基部21aに対向する表面には、平面コイル23が取り付けられている。本実施形態では、平面コイル23は、薄膜状であり、フィルム状の絶縁体(ベースフィルム)の上に接着層を形成し、さらにその上に渦巻き状の導体箔を形成したフレキシブルプリント基板(FPC)である。本実施形態では、薄膜状の平面コイル23は、コイル支持部材28の下面に接着されている。このような構造により、平面コイル23は、構造体11と平行に離間して配設されている。言い換えると、構造体11は、平面コイル23と、第1軸線a及び第2軸線bと直交する方向(高さ方向)に、離間されている。なお、平面コイル23は、FPCでなく、コイル支持部材28上に直接コイルパターンが形成される様態であってもよい。また、平面コイル23自体に剛性がある場合には、コイル支持部材28は不要である。
図1に示されるように、平面コイル23の両側には、平面コイル23を挟むように、異なる磁極が相対するように(図4の(B)に示す)、一対の磁界発生部24が基台1の基部1a上に配設されている。言い換えると、図4の(B)に示されるように、平面コイル23は、一対の磁界発生部24の間に、磁界発生部24が発する磁界の向きに沿って設けられている。そして、図4の(B)に示されるように、平面コイル23は、上下方向に関し、一対の磁界発生部24の中間位置、つまり、一対の磁界発生部24間の磁力線が最も強い位置に配設されている。本実施形態では、磁界発生部24は、永久磁石であるが、電磁石であっても差し支え無い。本実施形態の磁界発生部24はブロック形状である。
一対の磁界発生部24は、鉄等の磁性体で構成された閉磁部材26で接続されている。図1や図2に示される実施形態では、閉磁部材26は、両磁界発生部24の下面と接触する板状の連結部26aと、この連結部26aの両側から上方に立ち上がり形成され、それぞれの磁界発生部24の側面と接触する板状の側部26bとから構成されている。図4の(A)に示されるように、一対の磁界発生部24が、閉磁部材26で接続されていない場合には、磁力線が一対の磁界発生部24の外部に漏れてしまう。一方で、図4の(B)に示されるように、本実施形態では、一対の磁界発生部24が閉磁部材26で連結されているので、一対の磁界発生部24間において、閉磁部材26内を磁力線が通る磁気回路が形成され、磁力線が一対の磁界発生部24の外部に殆ど漏れない。これによる効果は後述する。
なお、磁界発生部24の下面と、閉磁部材26aとは、必ずしも接触している必要は無く、多少離間していても差し支え無い。この構成であっても、磁界発生部24からの磁力線は閉磁部材26aを通り、一対の磁界発生部24間において、閉磁部材26内を磁力線が通る磁気回路が形成され、磁力線が一対の磁界発生部24の外部に殆ど漏れない。
なお、磁界発生部24の下面と、閉磁部材26aとは、必ずしも接触している必要は無く、多少離間していても差し支え無い。この構成であっても、磁界発生部24からの磁力線は閉磁部材26aを通り、一対の磁界発生部24間において、閉磁部材26内を磁力線が通る磁気回路が形成され、磁力線が一対の磁界発生部24の外部に殆ど漏れない。
平面コイル23に電流が流れると、平面コイル23を流れる電流と一対の磁界発生部24が発生する磁界の相互作用により、平面コイル23を流れる電流(荷電粒子)にローレンツ力が作用し、軸部材22が回動される。一対の平面コイル23に流れる電流の方向及び電流値を制御することにより、軸部材22を第2軸線b回りの任意の回動角度に回動させることができる。軸部材22が回動すると、ミラー11aもまた第2軸線b回りに回動されるので、ミラー11aに入射した光が第2軸線b回りに走査される。このように、ミラー11aの共振により、ミラー11aに入射した光が第1軸線a回りに走査され、ミラー11aの回動により、ミラー11aに入射した光が第2軸線b回りに走査されることにより、ミラー11aに入射した光が2次元走査され、画像が生成される。
図5の(A)は、一対の磁界発生部24の上下方向中間位置に平面コイル23及び構造体11が配設されている状態における、一対の磁界発生部24を横切り、且つ、平面コイル23がある平面上の磁束密度を測定したグラフである。一方で、図5の(B)は、本実施形態を示す図であり、一対の磁界発生部24の上下方向中間位置に平面コイル23が配設され、構造体11が平面コイル23から離間し、一対の磁界発生部24間外に配設されている状態における、一対の磁界発生部24を横切り、且つ、平面コイル23がある平面上の磁束密度を測定したグラフである。
図5の(A)に示されるように、構造体11が平面コイル23に近接して配設されると、前述したように構造体11は弱磁性であるので、一方の磁界発生部24から出た磁力線が、構造体11内を通って他方の磁界発生部24に伝わるため、平面コイル23での磁束密度が低下してしまう。また、図5の(A)に示されるような構造では、弱磁性の構造体11内にも、磁力線が通ってしまうので、構造体11が一対の磁力発生部24から出る磁力線により拘束され、構造体11の回動が阻害される。
一方で、本実施形態では、構造体11及び平面コイル23を、スペーサ27を介して軸部材22に取り付けることにより、構造体11と平面コイル23を離間させている。この構造により、高さ方向に関し、構造体11と平面コイル23を任意の位置に配設させることができる。そして、平面コイル23を一対の磁界発生部24の上下方向中間位置、つまり、磁束密度が最も大きい値の位置に配設させる一方で、構造体11を平面コイル23から離間させ、一対の磁界発生部24間外に配設させている。このため、図5の(B)に示されるように、図5の(A)の例と比較して、平面コイル23での磁束密度が低下が抑止される。
このように、本発明では、一対の磁界発生部24と平面コイル23の距離よりも、一対の磁界発生部24と構造体11の距離を大きく設定したので、構造体11内を磁力線が通ることにより起因する、平面コイル23上での磁束密度の低下及び構造体11の拘束が抑止され、平面コイル23に電流を流した際に、応答良く可動部10が第2軸線b回りに回動される。
一方で、本実施形態では、構造体11及び平面コイル23を、スペーサ27を介して軸部材22に取り付けることにより、構造体11と平面コイル23を離間させている。この構造により、高さ方向に関し、構造体11と平面コイル23を任意の位置に配設させることができる。そして、平面コイル23を一対の磁界発生部24の上下方向中間位置、つまり、磁束密度が最も大きい値の位置に配設させる一方で、構造体11を平面コイル23から離間させ、一対の磁界発生部24間外に配設させている。このため、図5の(B)に示されるように、図5の(A)の例と比較して、平面コイル23での磁束密度が低下が抑止される。
このように、本発明では、一対の磁界発生部24と平面コイル23の距離よりも、一対の磁界発生部24と構造体11の距離を大きく設定したので、構造体11内を磁力線が通ることにより起因する、平面コイル23上での磁束密度の低下及び構造体11の拘束が抑止され、平面コイル23に電流を流した際に、応答良く可動部10が第2軸線b回りに回動される。
図4の(B)に示されるように、本実施形態では、一対の磁界発生部24が閉磁部材26で連結されているので、一対の磁界発生部24間において、閉磁部材26内を磁力線が通る磁気回路が形成され、磁力線が一対の磁界発生部24の外部に殆ど漏れない。これにより、弱磁性体である構造体11に、一対の磁界発生部24から出た磁力線が殆ど通ること無く、前記磁力線により、構造体11が拘束されることが無い。磁力線が外部に殆ど漏れないことから、一対の磁界発生部24間の磁束密度も増大する。このため、平面コイル23に電流を流した際に、応答良く可動部10が回動する。
第1の実施形態では、構造体11が、第1軸線a及び第2軸線bに直交する方向(高さ方向)に、磁界発生部24から離間されて配設されているので、2次元光走査装置50が、第2軸線b方向(長さ方向)に大きくならない。
(第2の実施形態の2次元光走査装置)
図6〜図8を用いて、第1の実施形態の2次元光走査装置50と異なる点について、以下、第2の実施形態の2次元光走査装置60について説明する。図6〜図8に示されるように、第2の実施形態の2次元光走査装置60は、可動部10を第2軸線b方向に移動させて、一対の磁界発生部24間の外部に配置させた実施形態である。図6に示される実施形態では、長尺の軸部材29の一端を、基台21の支持部21bから突出させ、軸部材29の一端に、可動部10を取り付け、可動部10を基台21の外側に配置させている。図8に示されるように、軸部材29の一端には、軸部材29の上端から第2軸線bより下側位置まで切り欠かれて形成され、平面である取付部29aが形成されている。そして、取付部29aに、構造体11の被取付部11dが載置された状態で取り付けられている。このような構造により、構造体11の上面、特に、ミラー11aの上面は、軸部材29の回動中心である第2軸線bが通っている。このため、可動部10が回動したとしても、ミラー11aの表面が常に第2軸線b上にあるので、光がミラー11aにから外れてしまうことが防止され、常にミラー11aに光が入射し、途切れ無く光が2次元走査される。図7に示されるように、構造体11を含む可動部10は、第2軸線bを対称軸として、幅方向対称に形成されている。
図6〜図8を用いて、第1の実施形態の2次元光走査装置50と異なる点について、以下、第2の実施形態の2次元光走査装置60について説明する。図6〜図8に示されるように、第2の実施形態の2次元光走査装置60は、可動部10を第2軸線b方向に移動させて、一対の磁界発生部24間の外部に配置させた実施形態である。図6に示される実施形態では、長尺の軸部材29の一端を、基台21の支持部21bから突出させ、軸部材29の一端に、可動部10を取り付け、可動部10を基台21の外側に配置させている。図8に示されるように、軸部材29の一端には、軸部材29の上端から第2軸線bより下側位置まで切り欠かれて形成され、平面である取付部29aが形成されている。そして、取付部29aに、構造体11の被取付部11dが載置された状態で取り付けられている。このような構造により、構造体11の上面、特に、ミラー11aの上面は、軸部材29の回動中心である第2軸線bが通っている。このため、可動部10が回動したとしても、ミラー11aの表面が常に第2軸線b上にあるので、光がミラー11aにから外れてしまうことが防止され、常にミラー11aに光が入射し、途切れ無く光が2次元走査される。図7に示されるように、構造体11を含む可動部10は、第2軸線bを対称軸として、幅方向対称に形成されている。
軸部材29の他端側には、コイル支持部材28が取り付けられている。コイル支持部材28には、平面コイル23が貼設されている。第2の実施形態もまた、平面コイル23を挟むように一対の磁界発生部24が、配設されている。そして、平面コイル23は、磁束密度が最も大きい値の位置、つまり、一対の磁界発生部24の上下方向中間位置に配設されている。
第2の実施形態では、可動部10を第2軸線b方向に移動させて、一対の磁界発生部24間の外に配置させているため、構造体11に磁力線が殆ど通ることが無く、平面コイル23上での磁束密度の低下及び構造体11の拘束が防止され、平面コイル23に電流を流した際に、応答良く可動部10が回動する。
第2の実施形態の、2次元光操作装置60では、構造体11は、第2軸線b方向(長さ方向)に、磁界発生部24から離間されて配設されている。これにより、2次元光走査装置60が第1軸線及び第2軸線に直交する方向(高さ方向)に大きくならない。
(画像投影装置の説明)
次に図9を用いて、画像投影装置200の説明をする。前記した第1の実施形態及び第2の実施形態における2次元光走査装置50、60は、画像を形成するために光を走査する構成として、画像投影装置200に用いることが可能である。画像投影装置200は、観察者の瞳孔901に入射した光束を用いて網膜902上に画像を投影することによって、観察者に虚像を視認させる装置である。この装置は、網膜走査型ディスプレイともいわれる。
次に図9を用いて、画像投影装置200の説明をする。前記した第1の実施形態及び第2の実施形態における2次元光走査装置50、60は、画像を形成するために光を走査する構成として、画像投影装置200に用いることが可能である。画像投影装置200は、観察者の瞳孔901に入射した光束を用いて網膜902上に画像を投影することによって、観察者に虚像を視認させる装置である。この装置は、網膜走査型ディスプレイともいわれる。
画像投影装置200は、光束生成手段150、光ファイバ161、コリメート光学系162、第1ドライバ181、第2ドライバ182、2次元光走査装置50、及び、結像光学系190を備える。光束生成手段150は、映像信号処理回路120、光源部130及び光合波部140から構成されている。なお、第1の実施形態の2次元光走査装置50の代わりに、第2の実施形態の2次元光走査装置60が用いられても差し支えない。映像信号処理回路120は、外部から入力される映像信号に基づいて、画像を形成するためのB信号、G信号、R信号、水平同期信号及び垂直同期信号を発生する。
光源部130は、Bレーザドライバ131、Gレーザドライバ132、Rレーザドライバ133、Bレーザ134、Gレーザ135及びRレーザ136を備える。Bレーザドライバ131は、映像信号処理回路120からのB信号に応じた強度の青色の光束を発生させるように、Bレーザ134を駆動する。Gレーザドライバ132は、映像信号処理回路120からのG信号に応じた強度の緑色の光束を発生させるように、Gレーザ135を駆動する。Rレーザドライバ133は、映像信号処理回路120からのR信号に応じた強度の赤色の光束を発生させるように、Rレーザ136を駆動する。Bレーザ134,Gレーザ135及びRレーザ136は、例えば半導体レーザや高調波発生機構付き固体レーザを用いて構成できる。
光合波部140は、コリメート光学系141、142、143と、このコリメートされたレーザ光を合波するためのダイクロイックミラー144、145、146と、合波されたレーザ光を光ファイバ161に導く集光光学系147とを備える。Bレーザ134から出射した青色レーザ光は、コリメート光学系141によって平行光化される。平行光化された青色レーザ光は、ダイクロイックミラー144に入射する。Gレーザ135から出射した緑色レーザ光は、コリメート光学系142によって平行光化される。平行光化された緑色レーザ光は、ダイクロイックミラー145に入射する。Rレーザ136から出射した赤色レーザ光は、コリメート光学系143によって平行光化される。平行光化された赤色レーザ光は、ダイクロイックミラー146に入射する。ダイクロイックミラー144、145、146にそれぞれ入射した青色、緑色及び赤色レーザ光は、波長選択的に反射または透過されて1本の光束として合波され、集光光学系147に達する。合波されたレーザ光は、集光光学系147によって集光され、光ファイバ161へ入射する。
第1ドライバ181は、映像信号処理回路120から出力される垂直同期信号に基づいて、2次元光走査装置50の圧電素子12に供給する駆動電流を生成するものである。第1ドライバ181の出力側は、圧電素子12と接続している。
第2ドライバ182は、映像信号処理回路120から出力される水平同期信号に基づいて、2次元光走査装置50の平面コイル23に供給する駆動電流を生成するものである。第2ドライバ182の出力側は、平面コイル23に接続している。
第2ドライバ182は、映像信号処理回路120から出力される水平同期信号に基づいて、2次元光走査装置50の平面コイル23に供給する駆動電流を生成するものである。第2ドライバ182の出力側は、平面コイル23に接続している。
光ファイバ161から出射したレーザ光は、コリメート光学系162によって平行光化される。平行光化されたレーザ光は、2次元光走査装置50のミラー11aに入射する。 2次元光走査装置50の圧電素子12は、第1ドライバ181から供給される駆動電流によって、ミラー11aを振動させることにより揺動させ、ミラー11aに入射したレーザ光を垂直方向に走査させる。
2次元光走査装置50の平面コイル23は、第2ドライバ182から供給される駆動電流によって、可動部10を回動させ、ミラー11aに入射したレーザ光を水平方向に走査させる。
なお、水平方向は、例えば使用者に対して左右方向である。また、垂直方向は、例えば使用者に対して上下方向である。2次元光走査装置50のミラー11aに入射したレーザ光は、水平方向及び垂直方向に走査された2次元走査光に変換される。結像光学系190は、単一或いは複数のレンズから構成されている。2次元走査光は、結像光学系190によって結像される。言い換えると、2次元走査光は、結像光学系190を介して、観測者の瞳孔901に平行光線として入射する。即ち、画像が観測者に提示される。
なお、圧電素子12による垂直走査は高速であり、これと比較して、可動部10の回動による水平走査は低速である。
2次元光走査装置50の平面コイル23は、第2ドライバ182から供給される駆動電流によって、可動部10を回動させ、ミラー11aに入射したレーザ光を水平方向に走査させる。
なお、水平方向は、例えば使用者に対して左右方向である。また、垂直方向は、例えば使用者に対して上下方向である。2次元光走査装置50のミラー11aに入射したレーザ光は、水平方向及び垂直方向に走査された2次元走査光に変換される。結像光学系190は、単一或いは複数のレンズから構成されている。2次元走査光は、結像光学系190によって結像される。言い換えると、2次元走査光は、結像光学系190を介して、観測者の瞳孔901に平行光線として入射する。即ち、画像が観測者に提示される。
なお、圧電素子12による垂直走査は高速であり、これと比較して、可動部10の回動による水平走査は低速である。
以上説明した実施形態では、第1ドライバ181は、映像信号処理回路120から出力される垂直同期信号に基づいて、2次元光走査装置50の圧電素子12に供給する駆動電流を生成しているが、第1ドライバ181は、映像信号処理回路120から出力される水平同期信号に基づいて、2次元光走査装置50の圧電素子12に供給する駆動電流を生成する実施形態でも差し支え無い。同様に、第2ドライバ182は、映像信号処理回路120から出力される垂直同期信号に基づいて、2次元光走査装置50の平面コイル23に供給する駆動電流を生成する実施形態でも差し支え無い。この実施形態の場合には、2次元光走査装置50の圧電素子12は、第1ドライバ181から供給される駆動電流によって、ミラー11aを共振させ、ミラー11aに入射したレーザ光を水平方向に走査させる。また、2次元光走査装置50の平面コイル23は、第2ドライバ182から供給される駆動電流によって、可動部10を回動させ、ミラー11aに入射したレーザ光を垂直方向に走査させる。
以上説明した実施形態では、光源部130は、レーザドライバ131〜133とレーザ134〜136とから構成されているが、光源部130は、電球、冷陰極管等の蛍光管、LED等であっても差し支え無い。
なお、網膜走査型ディスプレイの例で画像投影装置200を説明したが、壁面やスクリーンに画像を投影する画像投影装置200にも本発明の2次元光走査装置50、60を使用可能なことは言うまでもない。
なお、網膜走査型ディスプレイの例で画像投影装置200を説明したが、壁面やスクリーンに画像を投影する画像投影装置200にも本発明の2次元光走査装置50、60を使用可能なことは言うまでもない。
以上説明した実施形態では、磁界発生部24は2個であり、一対の磁界発生部24で平面コイル23を挟むように配設されているが、1個の磁界発生部24で、平面コイル23に磁界を作用させて、可動部10を回動させる実施形態であっても差し支え無い。この実施形態であっても、磁界発生部24と平面コイル23の距離よりも、磁界発生部24と構造体11の距離を大きく設定して、構造体11内を磁力線が通ることに起因する、平面コイル23上での磁束密度の低下及び構造体11の拘束が防止されるようになっている。なお、一対の磁界発生部24が、平面コイル23を挟むように配設されている実施形態のほうが、平面コイル23に作用する磁界が強く、応答良く可動部10を回動させることができるので、好ましい。
なお、平面コイル23の代わりに巻き線コイル等のコイルを使用した実施形態であっても差し支え無く、このような実施形態であっても、本発明の技術的思想が適用可能であることは言うまでもない。
なお、平面コイル23の代わりに巻き線コイル等のコイルを使用した実施形態であっても差し支え無く、このような実施形態であっても、本発明の技術的思想が適用可能であることは言うまでもない。
以上説明した実施形態では、軸部材22、29は、軸受25によって、回動可能に基台21に軸支されているが、軸部材22、29の代わりに、ねじれ梁で構成された揺動部を揺動可能に基台に取り付けた実施形態であっても差し支え無い。この実施形態の場合には、平面コイル23を流れる電流(荷電粒子)と磁界発生部24が発生する磁界の相互作用により前記揺動部が第2軸線b回りに揺動されて、可動部10もまた第2軸線b回りに揺動される。なお、軸部材22、29は、軸受25によって、回動可能に基台21に軸支されていることが好ましい。これは、軸部材22、29の代わりに、ねじれ梁で構成された揺動部を揺動可能に基台に取り付けると、揺動部が揺動した際に、ねじれ梁である揺動部に復元力が作用してしまうため、揺動部が単振動してしまうからであり、可動部10を狙い通りの位置に揺動させることが困難であるからである。
また、揺動部はねじれ梁であるため、揺動部を揺動させるのに、大きな力を揺動部にさせる必要があるからである。軸部材22、29が、軸受25によって、回動可能に基台21に軸支されている実施形態では、軸部材22、29が回動する際の摺動抵抗は小さいことから、可動部10の第2軸線b回りの回動の応答性が良い。
また、揺動部はねじれ梁であるため、揺動部を揺動させるのに、大きな力を揺動部にさせる必要があるからである。軸部材22、29が、軸受25によって、回動可能に基台21に軸支されている実施形態では、軸部材22、29が回動する際の摺動抵抗は小さいことから、可動部10の第2軸線b回りの回動の応答性が良い。
以上、現時点において、もっとも、実践的であり、かつ好ましいと思われる実施形態に関連して本発明を説明したが、本発明は、本願明細書中に開示された実施形態に限定されるものではなく、請求の範囲および明細書全体から読み取れる発明の要旨あるいは思想に反しない範囲で適宜変更可能であり、そのような変更を伴う2次元光走査装置及びこれを用いた画像投影装置もまた技術的範囲に包含されるものとして理解されなければならない。
10 可動部
11 構造体
11a ミラー
11b 支持梁
11c 伝達部
11d 被取付部
11e 接続部
12 圧電素子
20 揺動駆動部
21 基台
22 軸部材(第1の実施形態)
23 平面コイル
24 磁界発生部(永久磁石)
25 軸受
26 閉磁部材
27 スペーサ
29 軸部材(第2の実施形態)
50 2次元光走査装置(第1の実施形態)
60 2次元光走査装置(第2の実施形態)
200 画像投影装置
a 第1軸線
b 第2軸線
11 構造体
11a ミラー
11b 支持梁
11c 伝達部
11d 被取付部
11e 接続部
12 圧電素子
20 揺動駆動部
21 基台
22 軸部材(第1の実施形態)
23 平面コイル
24 磁界発生部(永久磁石)
25 軸受
26 閉磁部材
27 スペーサ
29 軸部材(第2の実施形態)
50 2次元光走査装置(第1の実施形態)
60 2次元光走査装置(第2の実施形態)
200 画像投影装置
a 第1軸線
b 第2軸線
Claims (8)
- 光を反射するミラーと、前記ミラーの両側を第1軸線回りに揺動可能に支持し前記ミラーから離れる方向に延出する一対の支持梁と、一端側に前記一対の支持梁が接続される伝達部と、前記伝達部の他端側に接続された被取付部と、が同一平面上に金属で一体に構成された構造体と、
前記伝達部に設けられ、前記伝達部に振動を付与することで前記ミラーを前記第1軸線回りに揺動させる圧電素子と、を有する可動部と、
基台部と、
前記基台部に、前記第1軸線と直交する第2軸線回りに揺動可能に取り付けられ、前記被取付部が取り付けられる揺動部と、
前記基台部に取り付けられた磁界発生部と、
前記磁界発生部が発する磁界の向きに沿って設けられ、前記揺動部に取り付けられたコイルと、を有し、前記コイルを流れる電流と前記磁界発生部が発生する磁界の相互作用により前記揺動部を第2軸線回りに揺動させる揺動駆動部とから構成され、
前記磁界発生部と前記コイルの距離よりも、前記磁界発生部と前記構造体の距離を大きく設定したことを特徴とする2次元光走査装置。 - 前記磁界発生部は、異なる磁極が相対するように、対向して一対配設され、
前記コイルは、前記一対の磁界発生部間に配設され、
前記構造体は、前記一対の磁界発生部間外に配設されていることを特徴とする請求項1に記載の2次元光走査装置。 - 前記構造体は、前記第1軸線及び前記第2軸線に直交する方向に、前記磁界発生部から離間されて配設されていることを特徴とする請求項2に記載の2次元光走査装置。
- 前記構造体は、前記第2軸線方向に、前記磁界発生部から離間されて配設されていることを特徴とする請求項2に記載の2次元光走査装置。
- 前記一対の磁界発生部を接続する、磁性体で構成された閉磁部材を設けたことを特徴とする請求項2〜4のいずれかに記載の2次元光走査装置。
- 前記揺動部は、前記基台部に回動可能に軸支されていることを特徴とする請求項1〜請求項5のいずれかに記載の2次元光走査装置。
- 前記ミラー表面を、前記第2軸線が通るように、前記ミラーが形成されていることを特徴とする請求項1〜請求項6のいずれかに記載の2次元光走査装置。
- 光を反射するミラーと、前記ミラーの両側を第1軸線回りに揺動可能に支持し前記ミラーから離れる方向に延出する一対の支持梁と、一端側に前記一対の支持梁が接続される伝達部と、前記伝達部の他端側に接続された被取付部と、が同一平面上に金属で一体に構成された構造体と、
前記伝達部に設けられ、前記伝達部に振動を付与することで前記ミラーを前記第1軸線回りに揺動させる圧電素子と、を有する可動部と、
基台部と、
前記基台部に、前記第1軸線と直交する第2軸線回りに揺動可能に取り付けられ、前記被取付部が取り付けられる揺動部と、
前記基台部に取り付けられた磁界発生部と、
前記磁界発生部が発する磁界の向きと平行に形成され、前記揺動部に取り付けられたコイルと、を有し、前記コイルが発生する磁界と前記磁界発生部が発生する磁界の相互作用により前記揺動部を第2軸線回りに揺動させる揺動駆動部とから構成され、
前記ミラーが前記圧電素子により前記第1軸線回りに揺動されつつ、前記可動部が前記揺動駆動部により第2軸線回りに揺動されて、前記ミラーに入射した光束を、2次元走査させる2次元光走査装置と、
前記圧電素子に供給する駆動電流を生成する第1ドライバと、
前記コイルに供給する駆動電流を生成する第2ドライバと、
前記ミラーに入射させる光を生成する光源部と、
前記2次元光走査装置で2次元走査された光を、投影部に結像させる結像光学系を有し、
前記磁界発生部と前記コイルの距離よりも、前記磁界発生部と前記構造体の距離を大きく設定したことを特徴とする画像投影装置。
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2010
- 2010-09-17 JP JP2010208827A patent/JP2012063656A/ja not_active Withdrawn
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