JP2013160953A - Oscillating device, optical scanner using the same, image display device and control method of oscillating device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、垂直コムにパルス電圧を印加して可動板を回動軸周りに揺動させる可動構造体を用いた揺動装置、同揺動装置を用いた光走査装置、同光走査装置を用いた映像表示装置、及び揺動装置の制御方法に関する。 The present invention relates to an oscillating device using a movable structure that applies a pulse voltage to a vertical comb to oscillate a movable plate around a rotation axis, an optical scanning device using the oscillating device, and the optical scanning device. The present invention relates to a video display device used and a control method of a swing device.
本出願人は、例えば特許文献1に記載されているように、マイクロマシニング技術を用いて成形される小型の可動構造体を備えた揺動装置、同装置を用いた光走査装置、映像表示装置などを提案している。このような可動構造体は、一般的に、可動構造体の可動板を駆動するためのパルス電圧の周波数を可動板の共振振動数に一致させ、可動板を共振周波数で揺動させている。そして、可動板の揺動が安定したところで、例えば可動板の表面に形成されたミラーに光ビームを照射し、光ビームをミラーの揺動角度に応じた方向に反射させ、光ビームを走査させている。
For example, as described in
特許文献2に記載されているように、温度変化によって可動板の共振周波数が変化することが知られている。そのため、温度変化に応じてパルス電圧の周波数を変化させれば、可動構造体の可動板は安定した振幅と周波数で揺動する、すなわち、パルス電圧の位相と可動板の揺動の位相がほぼ一致していると考えられてきた。ところが、温度を一定に維持した状態で可動構造体の可動板の揺動を測定したところ、パルス電圧の位相と可動板の揺動の位相がずれてくる現象が確認された。その原因として、可動構造体を構成するSOI基板の内部抵抗や空気との摩擦などの要因が複雑に絡み合っていると考えられる。
As described in
マイクロマシニング技術を用いて成形される可動構造体を備えた揺動装置を用いた光走査装置や映像表示装置において、光ビームをパルス電圧に同期させてミラーに入射させる場合に、パルス電圧の位相と可動板の揺動の位相がずれると、光走査装置によって走査される光ビームの位置がずれたり、映像表示装置によって表示される投影映像の画質が低下したりする。また、パルス電圧の位相と可動板の揺動の位相がずれると、櫛歯電極同士が互いに離れるように可動板が回動する期間に櫛歯電極間に電圧が印加され、可動板の回動を抑制する向きに静電気力が作用し、これが抵抗成分となる。その結果、可動板の揺動角がパルス電圧の大きさの割に小さくなり、広範囲に光ビームを走査させることができなくなる。 The phase of the pulse voltage when the light beam is incident on the mirror in synchronization with the pulse voltage in an optical scanning device or an image display device using an oscillating device equipped with a movable structure formed using micromachining technology. If the swinging phase of the movable plate shifts, the position of the light beam scanned by the optical scanning device shifts, or the image quality of the projected video displayed by the video display device decreases. In addition, when the phase of the pulse voltage and the phase of the swing of the movable plate are shifted, a voltage is applied between the comb electrodes during a period in which the movable plate rotates so that the comb electrodes are separated from each other, and the movable plate rotates. An electrostatic force acts in a direction to suppress the above, and this becomes a resistance component. As a result, the swing angle of the movable plate becomes smaller than the pulse voltage, and the light beam cannot be scanned over a wide range.
このような問題点に対し、特許文献1では、可動構造体の櫛歯電極間に印加されるパルス電圧のデュティ比を調整することによって、可動板の揺動時のパルス電圧の印加時期を変更し、可動板の揺動角や位相を調整することが提案されている。ところが、特許文献1の出願時点では、上記のような温度を一定に維持した状態での可動構造体の可動板の揺動においても、SOI基板の内部抵抗や空気との摩擦などの要因によってパルス電圧の位相と可動板の揺動の位相がずれる現象が明らかでなかったため、一度調整した可動板の揺動角や位相が再度ずれてくる可能性があり、光ビームの位置補正や投影映像の画質の向上がやや不十分であった。
With respect to such problems,
本発明は、上記問題点を鑑みてなされたものであり、簡易な構成により可動板の揺動の位相と可動板を駆動させるためのパルス電圧の位相のずれを調整可能な揺動装置、同揺動装置を用いた光走査装置、同光走査装置を用いた映像表示装置、及び揺動装置の制御方法を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above-described problems, and an oscillating device capable of adjusting a phase shift of a oscillating phase of a movable plate and a phase of a pulse voltage for driving the movable plate with a simple configuration. An object is to provide an optical scanning device using an oscillating device, an image display device using the optical scanning device, and a control method of the oscillating device.
上記目的を達成するため、本発明に係る揺動装置は、
可動板と、前記可動板を揺動自在に軸支すると共に前記可動板の揺動の際に捻りバネとして作用する揺動軸と、前記揺動軸を支持するフレームと、前記可動板の前記揺動軸が設けられている側辺とは異なる第1側辺及び前記フレームの側辺のうち前記第1側辺に対向する第2側辺に互いに噛み合うように設けられ、前記可動板を駆動するための静電気力を発生させる複数の櫛歯電極を備えた可動構造体と、
前記可動板の揺動の振れ角が零となるタイミングを検出する揺動検出センサと、
前記可動板側の櫛歯電極と前記フレーム側の櫛歯電極との間に印加されるパルス電圧の電圧及びデュティ比を制御する制御回路を備えた揺動装置であって、
前記制御回路は、
第1所定時間間隔で前記パルス電圧を立ち上げ、
前記パルス電圧を立ち上げたタイミングを基準として、前記揺動検出センサが検出した前記可動板の揺動の振れ角が零となるタイミングまでの時間差を測定し、
測定した前記時間差と第2所定時間を比較し、前記時間差と前記第2所定時間との差が許容時間差を超えているときは、前記揺動検出センサが検出した前記可動板の揺動の振れ角が零となるタイミングが前記パルス電圧を立ち上げたタイミングから前記第2所定時間後となるように、前記パルス電圧のデュティ比を増加又は減少させるフィードバック制御を行うことを特徴とする。
In order to achieve the above object, a rocking device according to the present invention comprises:
A movable plate, a swing shaft that pivotally supports the movable plate and acts as a torsion spring when the movable plate swings, a frame that supports the swing shaft, and the movable plate A first side that is different from the side on which the pivot shaft is provided and a second side that faces the first side of the side of the frame are provided so as to mesh with each other and drive the movable plate A movable structure provided with a plurality of comb electrodes for generating electrostatic force to
A swing detection sensor for detecting timing when the swing angle of swing of the movable plate becomes zero;
An oscillating device comprising a control circuit for controlling a voltage and a duty ratio of a pulse voltage applied between the comb electrode on the movable plate side and the comb electrode on the frame side,
The control circuit includes:
Raising the pulse voltage at a first predetermined time interval;
Using the timing at which the pulse voltage was raised as a reference, measure the time difference until the swing angle of the swing of the movable plate detected by the swing detection sensor becomes zero,
The measured time difference is compared with a second predetermined time, and if the difference between the time difference and the second predetermined time exceeds an allowable time difference, the swing vibration of the movable plate detected by the swing detection sensor is detected. Feedback control is performed to increase or decrease the duty ratio of the pulse voltage so that the timing when the angle becomes zero is after the second predetermined time from the timing when the pulse voltage is raised.
前記制御回路は、あらかじめルックアップテーブルに記憶されている複数の前記パルス電圧のデュティ比の値の中から前記時間差と前記第2所定時間との差に応じたデュティ比の値を検索し、検索したデュティ比の値に基づいて前記パルス電圧のデュティ比を調整することが好ましい。 The control circuit searches for a duty ratio value corresponding to a difference between the time difference and the second predetermined time from among a plurality of pulse voltage duty ratio values stored in advance in a lookup table. It is preferable to adjust the duty ratio of the pulse voltage based on the value of the duty ratio.
または、前記制御回路は、前記揺動検出センサが検出した前記可動板の揺動の振れ角が零となるタイミングから次に前記可動板の揺動の振れ角が零となるタイミングを予測し、該予測したタイミングで前記パルス電圧の値が零となるように前記パルス電圧のデュティ比を調整することが好ましい。 Alternatively, the control circuit predicts the timing at which the swing angle of the movable plate is next detected from the timing at which the swing angle of the movable plate detected by the swing detection sensor is zero, It is preferable to adjust the duty ratio of the pulse voltage so that the value of the pulse voltage becomes zero at the predicted timing.
前記揺動検出センサは、前記フレームに設けられた複数の櫛歯電極のうちの一部の櫛歯電極で構成された検出電極を含み、前記可動板の揺動時に、前記検出電極とそれらと噛み合う前記可動板の櫛歯電極との間の静電容量を検知し、
前記制御回路は、前記揺動検出センサが検出する静電容量が最も大きくなったときに、前記可動板の振れ角が零であると判断することが好ましい。
The swing detection sensor includes a detection electrode constituted by a part of comb electrodes among a plurality of comb electrodes provided on the frame, and when the movable plate swings, Detecting the electrostatic capacitance between the meshed comb electrodes of the movable plate,
Preferably, the control circuit determines that the swing angle of the movable plate is zero when the electrostatic capacitance detected by the swing detection sensor is maximized.
前記制御回路は、前記デュティ比の変更量に併せて、前記パルス電圧の電圧を変更可能であることが好ましい。 It is preferable that the control circuit can change the voltage of the pulse voltage in accordance with the change amount of the duty ratio.
さらに、前記制御回路は、前記可動板の揺動の周波数が所定の周波数から異なっている場合に、前記パルス電圧の周波数を変更可能であることが好ましい。 Furthermore, it is preferable that the control circuit can change the frequency of the pulse voltage when the frequency of oscillation of the movable plate is different from a predetermined frequency.
前記第2所定時間は前記第1所定時間の1/2であることが好ましい。 The second predetermined time is preferably ½ of the first predetermined time.
また、本発明に係る光走査装置は、上記いずれかの構成を有する揺動装置と、前記可動板の主面に形成されたミラーを備えたことを特徴とする。 In addition, an optical scanning device according to the present invention is characterized by including a swinging device having any one of the above-described configurations and a mirror formed on the main surface of the movable plate.
また、本発明に係る映像表示装置は、上記いずれかの構成を有する揺動装置と、前記可動板の主面に形成されたミラーと、前記ミラーに対して光ビームを入射させる光源と、前記光源を駆動するための光源駆動回路を備え、前記制御回路は、外部から入力された映像データを用いて、前記パルス電圧の立ち上がりのタイミングに同期した映像信号を前記光源駆動回路に出力することを特徴とする。 Further, an image display device according to the present invention includes a swing device having any one of the above configurations, a mirror formed on a main surface of the movable plate, a light source that makes a light beam incident on the mirror, A light source driving circuit for driving a light source, and the control circuit outputs a video signal synchronized with a rising timing of the pulse voltage to the light source driving circuit using video data input from the outside. Features.
また、本発明に係る揺動装置の制御方法は、
可動板と、前記可動板を揺動自在に軸支すると共に前記可動板の揺動の際に捻りバネとして作用する揺動軸と、前記揺動軸を支持するフレームと、前記可動板の前記揺動軸が設けられている側辺とは異なる第1側辺及び前記フレームの側辺のうち前記第1側辺に対向する第2側辺に互いに噛み合うように設けられ、前記可動板を駆動するための静電気力を発生させる複数の櫛歯電極を備えた可動構造体を有し、前記可動板側の櫛歯電極と前記フレーム側の櫛歯電極との間に印加されるパルス電圧の電圧及びデュティ比を制御することによって前記可動板を揺動させる揺動装置の制御方法であって、
前記可動板の揺動の振れ角が零となるタイミングを検出し、
前記パルス電圧を第1所定時間間隔で立ち上げ、
前記パルス電圧を立ち上げたタイミングを基準として、検出した前記可動板の揺動の振れ角が零となるタイミングまでの時間差を測定し、
測定した前記時間差と第2所定時間を比較し、前記時間差と前記第2所定時間との差が許容時間差を超えているときは、前記揺動検出センサが検出した前記可動板の揺動の振れ角が零となるタイミングが前記パルス電圧を立ち上げたタイミングから前記第2所定時間後となるように、前記パルス電圧のデュティ比を増加又は減少させるフィードバック制御を行うことを特徴とする。
Moreover, the control method of the rocking device according to the present invention includes:
A movable plate, a swing shaft that pivotally supports the movable plate and acts as a torsion spring when the movable plate swings, a frame that supports the swing shaft, and the movable plate A first side that is different from the side on which the pivot shaft is provided and a second side that faces the first side of the side of the frame are provided so as to mesh with each other and drive the movable plate A voltage of a pulse voltage applied between the comb electrode on the movable plate side and the comb electrode on the frame side, having a movable structure including a plurality of comb electrodes for generating electrostatic force And a control method of a swinging device that swings the movable plate by controlling the duty ratio,
Detecting the timing when the swing angle of the swing of the movable plate becomes zero,
Raising the pulse voltage at first predetermined time intervals;
Using the timing at which the pulse voltage is raised as a reference, measure the time difference until the timing at which the detected swing angle of the movable plate becomes zero,
The measured time difference is compared with a second predetermined time, and if the difference between the time difference and the second predetermined time exceeds an allowable time difference, the swing vibration of the movable plate detected by the swing detection sensor is detected. Feedback control is performed to increase or decrease the duty ratio of the pulse voltage so that the timing when the angle becomes zero is after the second predetermined time from the timing when the pulse voltage is raised.
上記構成によれば、パルス電圧の立ち上げのタイミングは常に一定であり、パルス電圧のデュティ比を増加又は減少させるフィードバック制御により、可動板の揺動の振れ角が零となるタイミングは、パルス電圧を立ち上げたタイミングから第2所定時間後となるように収束される。その結果、可動構造体を構成するSOI基板の内部抵抗や空気との摩擦などの要因によってパルス電圧の位相と可動板の揺動の位相がずれようとしても、短時間の内にパルス電圧の位相と可動板の揺動の位相が再度同期される。そのため、可動構造体を用いた光走査装置や映像投影装置において、光ビームの走査位置や投影映像の画質の向上を向上させることができる。 According to the above configuration, the timing at which the pulse voltage rises is always constant, and the timing at which the swing angle of the swing of the movable plate becomes zero by feedback control that increases or decreases the duty ratio of the pulse voltage is Is converged so as to be after the second predetermined time from the timing of starting. As a result, even if the phase of the pulse voltage and the phase of the swing of the movable plate are shifted due to factors such as internal resistance of the SOI substrate constituting the movable structure and friction with air, the phase of the pulse voltage within a short period of time. And the oscillation phase of the movable plate are synchronized again. Therefore, in the optical scanning device and the video projection device using the movable structure, it is possible to improve the scanning position of the light beam and the image quality of the projected video.
以下、本発明の一実施形態に係る揺動装置、同装置を用いた光走査装置、映像表示装置、及び揺動装置の制御方法について、図面を参照して説明する。図1は、本実施形態に係る映像表示装置の構成例を示す。なお、本実施形態に係る揺動装置、光走査装置及び映像表示装置のハードウエア構成は、上記特許文献1に記載された従来例のものと基本的に同じであり、その制御方法が異なる。
Hereinafter, a swing device, an optical scanning device using the same device, an image display device, and a control method of the swing device according to an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 shows a configuration example of a video display apparatus according to the present embodiment. Note that the hardware configurations of the oscillating device, the optical scanning device, and the video display device according to the present embodiment are basically the same as those of the conventional example described in
映像表示装置100は、可動構造体の表面にミラーが形成されたミラー素子1と、ミラー素子1を駆動するための電圧を印加する制御回路14を有する揺動装置としての光走査装置10と、ミラー素子1に光を入射させる光源30と、光源30を駆動する光源駆動回路40と、装置各部に電源を供給し駆動させる電源(図示せず)等で構成されている。映像表示装置100の制御回路14は、外部から入力される映像データに基づいて映像信号を作成し、光源駆動回路30は映像信号に基づいて光源30から光ビームLをミラー素子1に入射させると共に、ミラー素子1を駆動して、その光ビームLを外部投影面に反射し、外部投影面上に光ビームを走査させることにより、スクリーンに映像Sを投影する。
The
光源30及び光源駆動回路40を除き、ミラー素子1と、制御回路14と、揺動検出センサ19は、光走査装置10を構成する。制御回路14は、例えばCPU、ROM、RAM等で構成され、周波数制御部15、電圧制御部16及びデュティ比制御部17として機能する。映像表示装置100では、ミラー素子1として水平方向(主走査方向)及び垂直方向(副走査方向)に2次元的に光ビームLを走査することができる、いわゆる2軸型のものを用いる。一方、光走査装置10としては、2軸型のものに限られず、主走査方向にのみ光ビームLを走査させる1軸型のものであってもよい。なお、以下においては、理解を容易にするために、1軸型の光走査装置を例にして説明する。
Except for the
図2及び図3(a)、(b)は、1軸型のミラー素子1の構成を示す。ミラー素子1は、例えば、導電性を有する第1シリコン層11a及び第2シリコン層11bと、第1シリコン層11aと第2シリコン層11bの間に接合された絶縁性を有する酸化膜層11cからなるSOI基板11を、マイクロマシニング技術等を用いて成形することにより構成された、小型の可動構造体である。ミラー素子1の中央部には、略矩形の可動板2が設けられており、可動板2の両側部は、互いに同軸に並ぶ細梁状の捻りバネ3により軸支されている。可動板2の周囲には、可動板2を囲むように配置された矩形環状のフレーム4が形成されている。捻りバネ3の一端は、フレーム4に連結されている。すなわち、可動板2は、軸となる捻りバネ3を介し、フレーム4に揺動可能に軸支されている。可動板2の側部であって、捻りバネ3が形成されておらず揺動時に自由端となる第1側辺には複数の櫛歯電極2bが形成されている。また、フレーム4のうちその第1側辺に対向する第2側辺には、櫛歯電極2bと互いに噛み合うような櫛歯状に形成された複数の櫛歯電極4bが形成されている。可動板2側の櫛歯電極2bとフレーム4側の櫛歯電極4bのうち後述する駆動電極4dの間に所定の電圧を印加することにより、可動板2を駆動するための静電気力を発生させる。なお、図3(b)に示されるように、可動板2、捻りバネ3、可動板2側の櫛歯電極2b及びフレーム4側の櫛歯電極4bは、共に、第1シリコン層11aに形成されている。また、フレーム4のうち櫛歯電極4b以外の部分は、第1シリコン層11a、酸化膜層11c、及び第2シリコン層11bに形成されている。可動板2が駆動されていない静止状態にあるとき、可動板2、捻りバネ3及びフレーム4が略水平に並ぶように構成されている。
2 and 3A and 3B show the configuration of the
可動板2は、その両側部の2つの捻りバネ3の中心線を結ぶ軸付近にその重心が位置し、可動板2側の櫛歯電極2bとフレーム4側の櫛歯電極4bのうちの駆動電極4dの間に静電気力を発生させることにより、捻りバネ3を回転軸としてバランスを保ちつつ、揺動する。可動板2の主面(酸化膜層11cと接合されていない側の面)には、ミラー素子1の外部から入射される光等を反射するためのミラー2aが形成されている。このミラー2aは、光源30から出射される光ビームLの種類等に応じて選択された、例えばアルミニウムや金等の金属膜である。
The
フレーム4を構成する第1シリコン層11aは、酸化膜層11cに達する複数の絶縁溝9によって、電気的に絶縁された複数の部分に分割されている。第1の部分は、捻りバネ3が連結された支持部4aであり、第2の部分は、可動板2側の櫛歯電極2bと共に可動板2を駆動するための静電気力を発生させる駆動電極4dであり、第3の部分は、後述する揺動検出センサを構成する検出電極4cである。すなわち、フレーム4側に形成された櫛歯電極4bは、駆動力を発生させるための駆動電極4dと揺動を検出するための検出電極4cに分割されている。支持部4aと駆動電極4dに接続された固定電極部4eには、それぞれ、電極パッド7a及び7bが形成されている。そのため、電極パッド7aには、フレーム4の支持部4a、捻りバネ3、可動板2を介して櫛歯電極2bが接続される。また、4つの電極パッド7bには、それぞれ固定電極部4eを介して駆動電極4dが接続される。その結果、可動板2側の櫛歯電極2bの電位とフレーム4側の駆動電極4dの電位は、互いに独立して制御される。この電極パッド7a及び7bは、例えば、ミラー2aと同一の金属膜により、同一工程において形成される。
The
可動板2側の櫛歯電極2bとフレーム4側の櫛歯電極4bは、例えば数マイクロメートルの間隔を保ち互いに噛み合うように配置されて構成されている。例えば、フレーム4上の電極パッド7aを介して可動板2側の櫛歯電極2bが接地電位に接続された状態で、制御回路14により電極パッド7bを介してフレーム4側の櫛歯電極4bのうちの駆動電極4dの電位が変更され、それによって櫛歯電極2bと駆動電極4dの間にパルス電圧が印加される。櫛歯電極2bと駆動電極4dの間に電圧が印加されると、櫛歯電極2bと駆動電極4dの間に静電気力による互いに引き合う力(以下、駆動力とする)が発生する。
The
ところで、可動板2は、一般的に、その成型時に寸法誤差等が生じることにより、静止状態でも可動板2が水平姿勢ではなく、きわめて僅かであるが傾いている。そのため、櫛歯電極2bと駆動電極4dの間に駆動力が生じると、その駆動力のうち可動板2の主面に垂直な方向の成分が可動板2を捻りバネ3を回転軸として回転させるように作用する。そのため、静止状態からであっても、可動板2が回転を始める。そして、可動板2側の櫛歯電極2bとフレーム4側の駆動電極4dが重なり合う姿勢となったときに、櫛歯電極2bと駆動電極4dの間への電圧の印加を停止し、駆動力を解除する。その後、可動板2は、その慣性力により、捻りバネ3を捻りながら回転を継続する。そして、可動板2の回転方向への慣性力と、捻りバネ3の復元力とが等しくなったとき、可動板2のその方向への回転が停止する。可動板2の回転の停止とほぼ同時に、再び櫛歯電極2bと駆動電極4dの間への電圧の印加を開始すると、捻りバネ3の復元力と櫛歯電極2bと駆動電極4dの間に生じる駆動力により、可動板2がそれまでとは逆の方向への回動を開始する。そして、再び、可動板2側の櫛歯電極2bとフレーム4側の駆動電極4dが重なり合う姿勢となったときに駆動力を解除する。このような制御を繰り返すことにより、可動板2は捻りバネ3を軸として揺動を行う。なお、櫛歯電極2bと駆動電極4dの間に印加するパルス電圧のデュティ比を、最初は小さく設定しておき、その後徐々に増加させることにより、揺動の振幅が徐々に大きくなる。
By the way, the
制御回路14は、櫛歯電極2bと駆動電極4dの間に印加するパルス電圧の周波数を制御する周波数制御部15と、パルス電圧の振幅となる電圧値を制御する電圧制御部16と、パルス電圧のデュティ比を制御するデュティ比制御部17を備えている。上記フレーム4側の櫛歯電極4bのうち検出電極4cと、それと噛み合う可動板2側の櫛歯電極2bは、可動板2の揺動を検出する揺動検出センサ19の検出部を構成する。揺動検出センサ19は、検出電極4cと、櫛歯電極2bと、検出電極4cと櫛歯電極2bの間の静電容量を検出する静電容量検出回路などで構成されている。可動板2が揺動すると、可動板2の振れ角に応じて検出電極4cと櫛歯電極2bの対向する面積が変化するので、揺動検出センサ19により検出された静電容量から、可動板2の振れ角を推定することができる。より具体的には、可動板2がフレーム4に対して振れ角が零になったとき、検出電極4cと櫛歯電極2bの対向する面積が最大となるので、揺動検出センサ19により検出された静電容量が最大値を示すときに可動板2のフレーム4に対する振れ角が零となっていると判断することができる。揺動検出センサ19により検出された静電容量の変化をモニタしておけば、可動板2の揺動の位相を検出することができる。
The
光源30は、例えばレーザダイオード素子とレンズ等で構成されており、光ビームLをミラー素子1のミラー2a上に向けて出射するように配置されている。映像表示装置100においては、例えば、スクリーンの中央に位置する画素に対応した映像信号を、可動板2の振れ角が零になったタイミングで出力する必要がある。そのため、制御回路14は、外部から入力される映像データを用いて、上記パルス電圧に同期した映像信号を作成し、光源駆動回路40に出力する。光源駆動回路40は、制御回路14からの映像信号に応じて光源30に電圧を印加し、光源30からミラー素子1に向けて光ビームLを出射させる。スクリーン上に投影される映像Sが動画である場合は、その映像システムに応じて、1秒間にスクリーン上に投影されるフレーム数が決まっている。そのため、制御回路14は、映像システムに応じた周波数で可動板2を揺動させる必要がある。
The
次に、上記のように構成された映像表示装置100の動作について説明する。映像表示装置100では、前述のようにミラー素子1の可動板2を所定の周波数で安定して揺動できるようになった状態で、制御回路14はパルス電圧の立ち上がりに同期させて映像信号の出力を開始する。図4は、パルス電圧の位相と可動板2の揺動の位相が同期している状態を示し、上から順に、パルス電圧の波形、可動板2の揺動の位相、揺動検出センサ19による静電容量値、映像信号の波形を表す。パルス電圧のデュティ比を、例えば50%とする。図4に示す場合、パルス電圧の位相と可動板の揺動の位相が同期しているので、後述する抵抗成分C0=0の初期状態又は理想状態を示す。制御回路14は、可動板2の振れ角が最大になったとき、すなわち可動板2の例えば時計方向の回動が停止したとき(タイミングt1)に、パルス電圧の出力を開始する(パルス電圧を立ち上げる)。そして、可動板2の振れ角が零になったとき(タイミングt2)に、パルス電圧の出力を停止する(パルス電圧を立ち下げる)。パルス電圧の位相と可動板2の揺動の位相が同期しているという前提で、制御回路14は、可動板2の揺動の周波数に応じて、第1所定時間Tの間隔でパルス電圧の波形を立ち上げる(フレーム4側の駆動電極4dの電位を高くする)。このタイミングt1、t3・・・は、可動板の揺動の周波数を変更しない限り、常に一定である。また、タイミングt2は、タイミングt1とt3の中間点である。なお、パルス電圧のデュティ比は可変であるため、パルス電圧のデュティ比制御により、パルス電圧の波形を立ち下げるタイミングは一定ではない。
Next, the operation of the
ところが、前述のように、可動構造体を構成するSOI基板の内部抵抗や空気との摩擦などの要因が複雑に絡み合って、パルス電圧の位相と可動板の揺動の位相がずれてくる現象が起こる。図5は、パルス電圧の位相とミラー素子の可動板の揺動の位相がずれている状態を示す。図4に示すように、制御回路14は、可動板2の振れ角が最大になったとき、すなわち可動板2の例えば時計方向の回動が停止したとき(タイミングt1、t3・・・)に、パルス電圧の出力を開始し、可動板2の振れ角が零になると同時に出力が停止するのが理想であるが、図5に示すように、可動板2の振れ角が零になった時点(タイミングtx)を過ぎてもパルス電圧が出力され続けていると、それが抵抗成分C1として作用する。この状態が続くと、パルス電圧の位相と可動板2の揺動の位相のずれが徐々に拡大する。
However, as described above, factors such as the internal resistance of the SOI substrate constituting the movable structure and the friction with air are complicatedly entangled, and the phase of the pulse voltage and the phase of the swing of the movable plate shift. Occur. FIG. 5 shows a state in which the phase of the pulse voltage is shifted from the phase of the swing of the movable plate of the mirror element. As shown in FIG. 4, the
前述のように、揺動検出センサ19は、可動板2のフレーム4に対する振れ角が零になったタイミングtxを検出している。図4に示す初期状態では、可動板2の振れ角が零になる静電容量が最大値を示すタイミングtxと、パルス電圧を立ち上げるタイミングt1とt3の中間点t2は一致する。ところが、図5に示すように、パルス電圧の位相と可動板2の揺動の位相がずれると、静電容量が最大値を示すタイミングtxと、パルス電圧を立ち上げるタイミングt1とt3の中間点t2は一致しなくなる。すなわち、制御回路14は、揺動検出センサ19により検出される静電容量値の変化をモニタすることにより、パルス電圧の位相と可動板2の揺動の位相が同期しているか否か、及びそのずれ量を検出することができる。具体的には、制御回路14は、パルス電圧を立ち上げたタイミングt1、t3・・・を基準として、揺動検出センサ19により検出した可動板2の揺動の振れ角が零となるタイミングtxまでの時間差Δtを測定し、測定した前記時間差と第2所定時間T/2を比較する。そして、その時間差Δtと第2所定時間T/2との差が許容時間差を超えているときは、揺動検出センサ19が検出する可動板2の揺動の振れ角が零となるタイミングtxがパルス電圧を立ち上げたタイミングt1、t3・・・から第2所定時間T/2後となるように、パルス電圧のデュティ比を増加又は減少させるフィードバック制御を行う。図6は、PWM制御を行い、パルス電圧のデュティ比を小さく変化させた状態を示す。パルス電圧のデュティ比を小さくすることにより、抵抗成分がC1からC2に減少するので、相対的に可動板2を揺動させるための有効な駆動力が大きくなり、可動板2の最大振れ角、すなわち振幅が大きくなる。
As described above, the
ここで、抵抗成分Cを変化させると、可動板2の振幅が変化するだけでなく位相も変化することについて説明する。可動板2の揺動は、図7に示すような2次の共振系モデルとして成り立つ。この運動方程式は、往復直線運動の場合、(1)式のように記載でき、回転運動の場合は(2)式のようになる。
(2)式において、Iは慣性モーメント、Cは粘性係数(抵抗成分)、kはばね定数、Tはトルクを表す。ここで、T=T0eiωt、θ=θ0ei(ωt−φ)とおいて(2)式を解くと、振れ角θa及び位相φは、それぞれ(3)式及び(4)式のようになる。
揺動の振れ角θaを表す(3)式は、分母に抵抗成分Cを含んでいるので、抵抗成分がC0からC1に増加すると、振幅が小さくなる。一方、位相φを表す(4)式は分子に抵抗成分Cを含んでいるので、抵抗成分が増加すると、位相φが進む。逆に、抵抗成分がC1からC2に減少すると、振幅が大きくなり、位相φは遅れる。このように、パルス電圧のPWM制御を行い、デュティ比を変化させることによって、可動板2の揺動の振幅と位相の両方を同時に変化させることができる。
Since the equation (3) representing the swing angle θa of the oscillation includes the resistance component C in the denominator, the amplitude decreases as the resistance component increases from C0 to C1. On the other hand, since the equation (4) representing the phase φ includes the resistance component C in the numerator, the phase φ advances when the resistance component increases. Conversely, when the resistance component decreases from C1 to C2, the amplitude increases and the phase φ is delayed. Thus, by performing PWM control of the pulse voltage and changing the duty ratio, it is possible to change both the amplitude and phase of the swing of the
図4に戻って、映像信号はパルス電圧に同期しており、例えば、可動板2の振れ角が零になったタイミングt2、t4・・・で、スクリーンの中央に位置する画素に対応した映像信号が出力されるように、パルス電圧の立ち上がりのタイミングt1、t3・・・から所定時間経過した時点から映像信号の出力が開始される。なお、この所定時間は、可動板2の揺動の角加速度の変化が少なくなる時間に設定されている。それにより、映像表示装置100は、スクリーン上の適正な位置に、適正な大きさで、映像Sを投影することができる。
Returning to FIG. 4, the video signal is synchronized with the pulse voltage. For example, the video corresponding to the pixel located at the center of the screen at the timing t2, t4... When the deflection angle of the
パルス電圧のデュティ比を変更すると、2次共振系の振動の抵抗成分が変化し、それによって可動板2の揺動の振幅が変化するので、可動板2の揺動の振幅の変化量が許容誤差を超える場合、制御回路14は、デュティ比の変更量に併せて、電圧制御部16を制御し、例えば予め設定されている所定の補正量だけパルス電圧の電圧値を増減させる。それによって、可動板2の揺動の振幅を一定にすることができる。さらに可動板2の揺動の周波数も所定の周波数からずれている場合は、制御回路14は、周波数制御部15を制御し、デュティ比、電圧に加えて、パルス電圧の周波数の変更も行い、可動板2の揺動が所定の周波数となるように制御する。
When the duty ratio of the pulse voltage is changed, the resistance component of the vibration of the secondary resonance system changes, and thereby the amplitude of the swing of the
デュティ比制御部17によるデュティ比制御は、例えば、あらかじめルックアップテーブルに記憶されている複数のパルス電圧のデュティ比の値の中から、時間差Δtと第2所定時間T/2との差に応じたデュティ比の値を検索し、検索したデュティ比の値に基づいてパルス電圧のデュティ比を調整するように構成してもよい。あるいは、揺動検出センサ19が検出した可動板2の揺動の振れ角が零となるタイミングtxから次に可動板の揺動の振れ角が零となるタイミングを予測し、該予測したタイミングでパルス電圧の値が零となるようにパルス電圧のデュティ比を調整するように構成してもよい。
The duty ratio control by the duty
このように、本実施形態の構成によれば、可動板2の揺動の周波数を変更する場合を除いて、制御回路14は、常に第1所定時間Tの間隔でパルス電圧を立ち上げ、パルス電圧の立ち上がりのタイミングに同期した映像信号を光源駆動回路40に出力するので、パルス電圧の位相を調整したり、光を入射させるタイミングをずらしたりする必要がなく、制御プログラムが簡素化されます。また、可動構造体を構成するSOI基板の内部抵抗や空気との摩擦などによってパルス電圧の位相と可動板の揺動の位相の同期がずれたとしても、パルス電圧のデュティ比をフィードバック制御することによって、再びパルス電圧の位相と可動板の揺動の位相を同期させることができる。その結果、映像信号の位相と可動板2の揺動の位相を再び同期させ、適正に映像を表示可能にすることができる。
As described above, according to the configuration of the present embodiment, the
なお、上述の通り、ミラー素子1を1軸型のものとして説明したが、実際に映像表示装置100に用いられる2軸型のミラー素子1においても、制御回路14が行う基本的な制御内容は上述と略同様である。すなわち、制御回路14は、可動板2を各回動軸周りに揺動させるためのそれぞれのパルス電圧について、上述のように、デュティ比や電圧等を変更可能に構成されており、可動板2のそれぞれの回動軸周りの揺動について、位相や揺動角を調整し、適正に映像を表示可能にすることができる。
As described above, the
また、上記説明においては、可動板2を映像システムに応じた所定の周波数で揺動させる場合について説明したが、可動板2を共振振動数で揺動させる場合は、可動板2と捻りバネ3により構成される振動系の共振周波数の略2倍の周波数のパルス電圧を印加すればよい。それによって、可動板2の揺動角を大きくすることができる。
In the above description, the case where the
また、可動板2やフレーム4の形状は、矩形形状だけでなく、円形等、他の形状であってもよい。揺動検出センサとしては、上述のような静電容量を検知するものに限られず、例えば、フォトセンサ等を用いて可動板の揺動角を検知するものや、捻りバネのひずみから可動板の揺動角を検知するようなものなどであってもよい。
Further, the shape of the
1 ミラー素子(可動構造体)
2 可動板
2a ミラー
2b 可動板側の櫛歯電極
3 捻りバネ
4 フレーム
4b フレーム側の櫛歯電極
4c 検出電極
4d 駆動電極
10 光走査装置
14 制御回路
15 周波数制御部
16 電圧制御部
17 デュティ比制御部
19 揺動検出センサ
30 光源
40 光源駆動回路
100 映像表示装置
S 映像
L 光ビーム
1 Mirror element (movable structure)
2
Claims (10)
前記可動板の揺動の振れ角が零となるタイミングを検出する揺動検出センサと、
前記可動板側の櫛歯電極と前記フレーム側の櫛歯電極との間に印加されるパルス電圧の電圧及びデュティ比を制御する制御回路を備えた揺動装置であって、
前記制御回路は、
第1所定時間間隔で前記パルス電圧を立ち上げ、
前記パルス電圧を立ち上げたタイミングを基準として、前記揺動検出センサが検出した前記可動板の揺動の振れ角が零となるタイミングまでの時間差を測定し、
測定した前記時間差と第2所定時間を比較し、前記時間差と前記第2所定時間との差が許容時間差を超えているときは、前記揺動検出センサが検出した前記可動板の揺動の振れ角が零となるタイミングが前記パルス電圧を立ち上げたタイミングから前記第2所定時間後となるように、前記パルス電圧のデュティ比を増加又は減少させるフィードバック制御を行うことを特徴とする揺動装置。 A movable plate, a swing shaft that pivotally supports the movable plate and acts as a torsion spring when the movable plate swings, a frame that supports the swing shaft, and the movable plate A first side that is different from the side on which the pivot shaft is provided and a second side that faces the first side of the side of the frame are provided so as to mesh with each other and drive the movable plate A movable structure provided with a plurality of comb electrodes for generating electrostatic force to
A swing detection sensor for detecting timing when the swing angle of swing of the movable plate becomes zero;
An oscillating device comprising a control circuit for controlling a voltage and a duty ratio of a pulse voltage applied between the comb electrode on the movable plate side and the comb electrode on the frame side,
The control circuit includes:
Raising the pulse voltage at a first predetermined time interval;
Using the timing at which the pulse voltage was raised as a reference, measure the time difference until the swing angle of the swing of the movable plate detected by the swing detection sensor becomes zero,
The measured time difference is compared with a second predetermined time, and if the difference between the time difference and the second predetermined time exceeds an allowable time difference, the swing vibration of the movable plate detected by the swing detection sensor is detected. An oscillating device that performs feedback control to increase or decrease the duty ratio of the pulse voltage so that the timing when the angle becomes zero is after the second predetermined time from the timing when the pulse voltage is raised. .
前記制御回路は、前記揺動検出センサが検出する静電容量が最も大きくなったときに、前記可動板の振れ角が零であると判断することを特徴とする請求項1乃至請求項3のいずれか一項に記載の揺動装置。 The swing detection sensor includes a detection electrode constituted by a part of comb electrodes among a plurality of comb electrodes provided on the frame, and when the movable plate swings, Detecting the electrostatic capacitance between the meshed comb electrodes of the movable plate,
4. The control circuit according to claim 1, wherein the control circuit determines that a swing angle of the movable plate is zero when a capacitance detected by the swing detection sensor is maximized. 5. The swing device according to any one of the above.
前記可動板の揺動の振れ角が零となるタイミングを検出し、
前記パルス電圧を第1所定時間間隔で立ち上げ、
前記パルス電圧を立ち上げたタイミングを基準として、検出した前記可動板の揺動の振れ角が零となるタイミングまでの時間差を測定し、
測定した前記時間差と第2所定時間を比較し、前記時間差と前記第2所定時間との差が許容時間差を超えているときは、前記揺動検出センサが検出した前記可動板の揺動の振れ角が零となるタイミングが前記パルス電圧を立ち上げたタイミングから前記第2所定時間後となるように、前記パルス電圧のデュティ比を増加又は減少させるフィードバック制御を行うことを特徴とする揺動装置の制御方法。 A movable plate, a swing shaft that pivotally supports the movable plate and acts as a torsion spring when the movable plate swings, a frame that supports the swing shaft, and the movable plate A first side that is different from the side on which the pivot shaft is provided and a second side that faces the first side of the side of the frame are provided so as to mesh with each other and drive the movable plate A voltage of a pulse voltage applied between the comb electrode on the movable plate side and the comb electrode on the frame side, having a movable structure including a plurality of comb electrodes for generating electrostatic force And a control method of a swinging device that swings the movable plate by controlling the duty ratio,
Detecting the timing when the swing angle of the swing of the movable plate becomes zero,
Raising the pulse voltage at first predetermined time intervals;
Using the timing at which the pulse voltage is raised as a reference, measure the time difference until the timing at which the detected swing angle of the movable plate becomes zero,
The measured time difference is compared with a second predetermined time, and if the difference between the time difference and the second predetermined time exceeds an allowable time difference, the swing vibration of the movable plate detected by the swing detection sensor is detected. An oscillating device that performs feedback control to increase or decrease the duty ratio of the pulse voltage so that the timing when the angle becomes zero is after the second predetermined time from the timing when the pulse voltage is raised. Control method.
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