JP2018136403A - Optical deflector, optical scanning device, image projection device, and object recognition device - Google Patents
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Abstract
【課題】反射膜の剥がれやトーションバーの破断を抑制しつつ、高品質の光走査性能を実現することが可能な光偏向器を提供する。【解決手段】光を反射する反射部材14を有し軸線O1周りに変位可能なミラー部101と、一端がミラー部101と接続しミラー部101を支持する一対のトーションバー111a,111bと、トーションバー111a,111bの他端と接続しトーションバー111a,111bを変位可能に支持する一対の駆動梁112a,112bと、各駆動梁112a,112bが接続する支持枠120とを有し、反射部材14は本体部14cと本体部14cから軸線O1方向に突出形成された突出部14a,14bとを有することを特徴とする光偏向器13。【選択図】図18An optical deflector capable of achieving high-quality optical scanning performance while suppressing peeling of a reflective film and breakage of a torsion bar is provided. A mirror portion 101 having a reflecting member 14 for reflecting light and displaceable around an axis O1, a pair of torsion bars 111a and 111b having one end connected to the mirror portion 101 and supporting the mirror portion 101, and a torsion bar. A pair of drive beams 112a and 112b connected to the other ends of the bars 111a and 111b and supporting the torsion bars 111a and 111b in a displaceable manner; has a body portion 14c and projecting portions 14a and 14b projecting from the body portion 14c in the direction of the axis O1. [Selection drawing] Fig. 18
Description
本発明は、光偏向器及び光走査装置及び画像投影装置及び物体認識装置に関する。 The present invention relates to an optical deflector, an optical scanning device, an image projection device, and an object recognition device.
近年、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おり、その一つとして基板上に反射面を設けた可動部や弾性梁部を一体形成して光ビームを偏向及び走査する小型の光偏向器が開発されている。
この光偏向器の一つとして、梁状弾性部材に薄膜化した圧電材料を重ね合わせた圧電アクチュエータ方式を採用した圧電型光偏向器が知られており、これは圧電体の伸縮が梁である支持体に伝達され、梁を上下に振動させることによって反射面を変位させている。また、互いに直交する第1軸と第2軸との2軸に対して個別の駆動用圧電体を設けることにより、2軸間において互いに異なる速度及び異なる駆動特性を持たせることができる。
In recent years, development of MEMS (Micro Electro Mechanical Systems) devices manufactured by microfabrication of silicon and glass has progressed, and as one of them, a movable part provided with a reflective surface on a substrate and an elastic beam part are integrally formed. A small optical deflector that deflects and scans a light beam has been developed.
As one of the optical deflectors, there is known a piezoelectric optical deflector that employs a piezoelectric actuator system in which a thin piezoelectric material is superimposed on a beam-like elastic member. It is transmitted to the support and the reflecting surface is displaced by vibrating the beam up and down. Further, by providing separate driving piezoelectric bodies for the two axes of the first axis and the second axis orthogonal to each other, different speeds and different driving characteristics can be provided between the two axes.
上述した圧電型光偏向器は、水平走査の駆動は機械的共振を利用しており、梁の一端を枠部に固定支持して他端を圧電駆動によって振動させている。そして、この梁部の振動によって発生するトルクを梁の他端に接続された弾性梁であるトーションバーに伝達し、トーションバーに接続されたミラー部材を変位させることにより光走査を行っている。ミラー部材上には、一般的に反射膜が積層されている。
今までの光偏向器では、高速性向上や走査角度の拡大に伴いトーションバー及び反射ミラー周辺における応力集中が増大し、反射膜の剥がれやトーションバーの破断リスクが高まるため、反射ミラーのサイズは性能向上に対してトレードオフの関係にあり、光偏向器の走査性能を向上させる場合には光走査時における画像輝度低下や照射ビーム品質が劣化し易くなるという問題点があった。
In the above-described piezoelectric optical deflector, horizontal scanning is driven using mechanical resonance, one end of the beam is fixedly supported on the frame portion, and the other end is vibrated by piezoelectric driving. The torque generated by the vibration of the beam portion is transmitted to a torsion bar which is an elastic beam connected to the other end of the beam, and the mirror member connected to the torsion bar is displaced to perform optical scanning. A reflective film is generally laminated on the mirror member.
With conventional optical deflectors, the stress concentration around the torsion bar and the reflecting mirror increases as the speed increases and the scanning angle increases, increasing the risk of peeling of the reflecting film and breaking the torsion bar. There is a trade-off relationship with the performance improvement, and there is a problem in that when the scanning performance of the optical deflector is improved, the image luminance is lowered and the irradiation beam quality is easily deteriorated during the optical scanning.
そこで、ミラー部に加わる応力を緩和し、破損や材料疲労を低減させることが可能な光走査装置を提供すべく、ミラー部の基板形状とその最適化を図った光偏向器を提供する技術が開示されている(例えば「特許文献1」参照)。
この技術では、ミラー反射面を有するミラー部を外部から支持する可動枠を両側から支持すると共に、ミラー部を所定の軸周りに揺動させる水平駆動梁を備え、可動枠の所定領域を肉抜きすることによりミラー部に加わる応力を緩和させている。
Therefore, in order to provide an optical scanning device that can relieve stress applied to the mirror portion and reduce breakage and material fatigue, there is a technology for providing an optical deflector that optimizes the substrate shape of the mirror portion and its optimization. It is disclosed (for example, refer to “
In this technology, a movable frame that supports a mirror part having a mirror reflecting surface from the outside is supported from both sides, and a horizontal drive beam that swings the mirror part around a predetermined axis is provided. By doing so, the stress applied to the mirror portion is relaxed.
しかし上述の技術では、可動部材そのものに肉抜き箇所を複数形成すると結果的に可動部材の幅が狭くなる箇所が同時に形成されるため、この幅が狭くなる箇所において応力集中が発生して反射領域サイズの拡大に伴う部材の破損リスクが増加してしまうという問題点がある。
本発明は上述の問題点を解消し、反射膜の剥がれやトーションバーの破断を抑制しつつ、高品質の光走査性能を実現することが可能な光偏向器の提供を目的とする。
However, in the above-described technique, when a plurality of lightening portions are formed on the movable member itself, a portion where the width of the movable member is narrowed is formed at the same time. There is a problem in that the risk of damage to the member increases with the increase in size.
An object of the present invention is to provide an optical deflector capable of solving the above-described problems and realizing high-quality optical scanning performance while suppressing peeling of a reflective film and breakage of a torsion bar.
本発明は、光を反射する反射部材を有し軸線周りに変位可能なミラー部と、一端が前記ミラー部と接続し前記ミラー部を支持する一対のトーションバーと、前記トーションバーの他端と接続し前記トーションバーを変位可能に支持する一対の駆動梁と、前記各駆動梁が接続する支持枠とを有し、前記反射部材は本体部と該本体部から前記軸線方向に突出形成された突出部とを有することを特徴とする。 The present invention includes a mirror part having a reflecting member that reflects light and being displaceable about an axis, a pair of torsion bars having one end connected to the mirror part and supporting the mirror part, and the other end of the torsion bar. A pair of drive beams that connect and support the torsion bar so as to be displaceable; and a support frame to which the drive beams connect; and the reflection member is formed to project from the main body portion and the main body portion in the axial direction. And a protrusion.
本発明によれば、反射部材が軸線方向に突出形成された突出部を有することにより、反射部材の面積を拡大してシリコン活性層との膜密着性を向上して反射部材が剥がれることを防止し、高品質の光走査性能を実現することが可能な光偏向器を提供できる。 According to the present invention, since the reflecting member has the protruding portion formed to protrude in the axial direction, the area of the reflecting member is enlarged to improve the film adhesion with the silicon active layer and prevent the reflecting member from being peeled off. In addition, it is possible to provide an optical deflector capable of realizing high-quality optical scanning performance.
以下、本発明の実施形態について詳細に説明する。
[光走査システム]
先ず、図1〜図4を参照して、本発明の実施形態に係る駆動装置を適用した光走査装置としての光走査システムについて詳細に説明する。
図1は、光走査システムの一例を示す概略図である。図1に示すように光走査システム10は、駆動装置11の制御に従って光源装置12から照射された光を光偏向器13の有する反射部材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。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail.
[Optical scanning system]
First, an optical scanning system as an optical scanning device to which a driving device according to an embodiment of the present invention is applied will be described in detail with reference to FIGS.
FIG. 1 is a schematic diagram illustrating an example of an optical scanning system. As shown in FIG. 1, the
光走査システム10は、駆動装置11、光源装置12、反射部材14を有する光偏向器13により構成される。
駆動装置11は、例えばCPU(Central Processing Unit)及びFPGA(Field-Programmable Gate Array)等を備えた電子回路ユニットである。光偏向器13は、例えば反射部材14を有し、反射部材14を変位可能な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。
駆動装置11は、取得した光走査情報に基づいて光源装置12及び光偏向器13の制御命令を生成し、制御命令に基づいて光源装置12及び光偏向器13に駆動信号を出力する。
The
The
The
光源装置12は、入力された駆動信号に基づいて光の照射を行う。光偏向器13は、入力された駆動信号に基づいて反射部材14を1軸方向または2軸方向の少なくとも何れかに変位させる。
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駆動装置11の制御によって、光偏向器13の反射部材14を所定の範囲で2軸方向に往復動させ、反射部材14に入射する光源装置12からの照射光を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、光偏向器13の詳細及び本実施形態の駆動装置11による制御の詳細については後述する。
The
Thereby, for example, by the control of the
Details of the
次に、図2を参照して光走査システム10の一例のハードウェア構成について説明する。
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は駆動装置11、光源装置12及び光偏向器13を備え、それぞれが電気的に接続されている。
Next, an exemplary hardware configuration of the
FIG. 2 is a hardware configuration diagram of an example of the
As shown in FIG. 2, the
[駆動装置]
このうち駆動装置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、光偏向器ドライバ26を備えている。
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、処理を実行して駆動装置11の全体制御や機能を実現する演算装置である。
[Driver]
Among these, the driving
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。
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。
FPGA23は、CPU20の処理に従って光源装置ドライバ25及び光偏向器ドライバ26に適した制御信号を出力する回路である。
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、外部装置毎に外部I/F24が用意されてもよい。
The
The
The
The external I /
光源装置トライバ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。
光偏向器ドライバ26は、入力された制御信号に従って光偏向器13に駆動電圧等の駆動信号を出力する電気回路である。
駆動装置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、駆動装置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、駆動装置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。
The light
The
In the driving
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、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き込みを行う場合は、光走査情報は書き込み順や書き込み箇所を示した書き込みデータである。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。
本実施形態に係る駆動装置11は、CPU20の命令及び図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。
Here, the optical scanning information is information indicating how the scanned
The
[駆動装置の機能構成]
次に、図3を参照して光走査システム10の駆動装置11の機能構成について説明する。図3は、光走査システム10の駆動装置11の一例の機能ブロック図である。
図3に示すように、駆動装置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。
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は制御手段を構成し、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。
[Functional configuration of drive unit]
Next, the functional configuration of the driving
As illustrated in FIG. 3, the
The
駆動信号出力部31は印加手段を構成し、光源装置ドライバ25、光偏向器ドライバ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または光偏向器13に駆動信号を出力する。駆動信号出力部31(印加手段)は、例えば駆動信号を出力する対象毎に設けられてもよい。
駆動信号は、光源装置12または光偏向器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、光の照射タイミング及び照射強度を制御する駆動電圧である。また、例えば光偏向器13においては、光偏向器13の有する反射部材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。なお駆動装置11は、光源装置12や受光装置等の外部装置から光の照射タイミングや受光タイミングを取得し、これらを光偏向器13の駆動に同期するようにしてもよい。
The drive signal output unit 31 constitutes application means, and is realized by the light
The drive signal is a signal for controlling driving of the
[光走査処理]
次に、図4を参照して光走査システム10が被走査面15を光走査する処理について説明する。図4は、光走査システム10に係る処理の一例のフローチャートである。
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及び光偏向器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。また光偏向器13は、入力された駆動信号に基づいて反射部材14の可動を行う。光源装置12及び光偏向器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。
[Optical scanning processing]
Next, a process in which the
In step S11, the
In step S <b> 12, the
In step S <b> 13, the drive signal output unit 31 outputs a drive signal to the
In step S <b> 14, the
なお、上記光走査システム10では、一つの駆動装置11が光源装置12及び光偏向器13を制御する装置及び機能を有しているが、光源装置12用の駆動装置及び光偏向器13用の駆動装置と駆動装置を別体に設けてもよい。
また、上記光走査システム10では、一つの駆動装置11に光源装置12及び光偏向器13の制御部30の機能及び駆動信号出力部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を有した駆動装置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、反射部材14を有した光偏向器13と駆動装置11により光偏向を行う照射手段としての光偏向システムを構成してもよい。
In the
In the
[画像投影装置]
次に、図5及び図6を参照して本実施形態の駆動装置11を適用した画像投影装置について詳細に説明する。
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。
[Image projection device]
Next, an image projection apparatus to which the
FIG. 5 is a schematic diagram according to 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。
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に虚像を視認させる構成にしてもよい。
The image projection device is a device that projects an image by optical scanning, for example, a head-up display device.
As shown in FIG. 5, the head-up
Accordingly, the
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、合成手段としての光量調整部507とから構成される入射光学系を経た後、反射部材14を有する光偏向器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。
As shown in FIG. 6, the head-up
The deflected laser light is projected onto the screen through a projection optical system including a free-
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。
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。
In the head-up
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でほぼ平行光とされ、二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、反射部材14を有する光偏向器13によって二次元走査される。光偏向器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。
光偏向器13は、反射部材14を2軸方向に往復移動させ、反射部材14に入射する投射光Lを二次元走査する。この光偏向器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 respective color laser beams emitted from the
The
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部材14を有した光偏向器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。
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。
Although the head-up
For example, a projector that is placed on a desk or the like and projects an image on a display screen, or a projection member that is mounted on a mounting member that is mounted on an observer's head or the like, is projected on a reflective transmission screen of the mounting member, or an image is projected using an eyeball as a screen. The present invention can be similarly applied to a head mounted display device or the like.
Further, the image projection apparatus is not only a vehicle or a mounting member, but a non-moving body such as a working robot that operates a driving object such as a manipulator without moving from the spot, for example, a moving body such as an aircraft, a ship, or a mobile robot. It may be mounted on.
[光書込装置]
次に、図7及び図8を参照して、本実施形態の駆動装置11を適用した光書込装置について詳細に説明する。
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。
図7に示すように、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き込みを行う。
[Optical writing device]
Next, with reference to FIG. 7 and FIG. 8, an optical writing device to which the
FIG. 7 is an example of an image forming apparatus incorporating the
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、反射部材14を有する光偏向器13により1軸方向または2軸方向に偏向される。
そして光偏向器13で偏向されたレーザ光は、その後、第1レンズ602a、第2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)に照射されて光書込みを行う。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及び反射部材14を有する光偏向器13は、駆動装置11の制御に基づき駆動する。
As shown in FIG. 8, in the
Then, the laser beam deflected by the
The
このように光書込装置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。
光書込装置600に適用される反射部材14を有した光偏向器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く、光書込装置600の省電力化に有利である。
また、光偏向器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600の静粛性の改善に有利である。光書込装置600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、また光偏向器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
As described above, the
Also, by making the scanning optical system different so that optical scanning is possible not only in one axis direction but also in two axis directions, a laser label device that performs printing by deflecting laser light to a thermal medium, optical scanning, and heating. It can be used as a component of the image forming apparatus.
The
Further, since the wind noise during vibration of the
[物体認識装置]
次に、図9及び図10を参照して上記本実施形態の駆動装置を適用した物体認識装置について詳細に説明する。
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。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。
[Object recognition device]
Next, an object recognition device to which the drive device of the present embodiment is applied will be described in detail with reference to FIGS. 9 and 10.
FIG. 9 is a schematic diagram of an automobile equipped with a laser radar device which is an example of an object recognition device. FIG. 10 is a schematic diagram of an example of a laser radar device. The object recognition device is a device that recognizes an object in the target direction, 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。
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、発散光をほぼ平行光とする光学系であるコリメートレンズ703と平面ミラー704とから構成される入射光学系を経て、反射部材14を有する光偏向器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及び光偏向器13は、駆動装置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回路708に出力する。信号処理回路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. 9, a
As shown in FIG. 10, the laser light emitted from the
Then, the
That is, the reflected light is received by 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の画素毎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。
反射部材14を有する光偏向器13は回転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。
このようなレーザレーダ装置は、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。
The
Since the
Such a laser radar device is attached to, for example, a vehicle, an aircraft, a ship, a robot, and the like, and can optically scan a predetermined range to recognize the presence of an obstacle and the distance to the obstacle.
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部材14を有した光偏向器13を駆動装置11で制御することにより光走査を行い、光検出器709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。
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。
In the above object recognition apparatus, the
For example, biometric authentication that recognizes an object by calculating object information such as a shape from distance information obtained by optically scanning a hand or a face and referring to the record, or recognizes an intruder by optical scanning of an object range. The present invention can be similarly applied to a security sensor, a component member 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.
[パッケージング]
次に、図11を参照して本実施形態の駆動装置により制御される光偏向器のパッケージングについて説明する。
図11は、パッケージングされた光偏向器の一例の概略図である。
図11に示すように、光偏向器13は筐体部たるパッケージ部材802の内側に配置される取付部材801に取り付けられ、パッケージ部材802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。これにより光偏向器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。
次に、以上説明した光偏向システム、光走査システム、画像投射装置、光書込装置、物体認識装置に使用される光偏向器の詳細及び本実施形態の駆動装置による制御の詳細について説明する。
[Packaging]
Next, the packaging of the optical deflector controlled by the drive device of this embodiment will be described with reference to FIG.
FIG. 11 is a schematic diagram of an example of a packaged optical deflector.
As shown in FIG. 11, the
Further, an inert gas such as nitrogen is sealed in the package. As a result, deterioration of the
Next, details of the optical deflector used in the above-described optical deflection system, optical scanning system, image projection apparatus, optical writing apparatus, and object recognition apparatus and details of control by the driving apparatus of the present embodiment will be described.
[光偏向器の詳細]
まず、図12を参照して、光偏向器について詳細に説明する。
図12は、主走査方向たるX方向と副走査方向たるY方向との2軸方向に光偏向可能な光偏向器の平面図である。図13は図12のP−P断面図、図14は図12のQ−Q断面図をそれぞれ示す。
以降の説明では、反射面を構成する反射部材14が後述するように第1軸O1周りに駆動したときに反射部材14によって反射された光束Lが移動する方向を主走査方向とし、反射部材14が第2軸O2周りに駆動したときの光束Lの移動する方向を副走査方向とする。なお、このような構成に限定されるものではなく、主走査方向と副走査方向とは構成に応じて適宜変えてもよい。
[Details of optical deflector]
First, the optical deflector will be described in detail with reference to FIG.
FIG. 12 is a plan view of an optical deflector that can deflect light in two axial directions, ie, an X direction that is a main scanning direction and a Y direction that is a sub scanning direction. 13 is a sectional view taken along the line PP in FIG. 12, and FIG. 14 is a sectional view taken along the line QQ in FIG.
In the following description, the direction in which the light beam L reflected by the reflecting
光偏向器13は、入射した光Lを反射する反射部材14を有するミラー部101と、ミラー部101に接続されミラー部101をY軸に平行な第1軸O1周りに駆動する第1駆動部110a,110bとを有している。
光偏向器13はまた、ミラー部101及び第1駆動部110a,110bを支持する支持枠としての第1支持部120を有している。
光偏向器13はまた、第1支持部120に接続されミラー部101及び第1支持部120をX軸に平行な第2軸O2周りに駆動する第2駆動部130a,130bと、第2駆動部130a,130bを支持する第2支持部140とを有している。
The
The
The
なお、本実施形態における第1駆動部110a,110bとミラー部101と第1支持部120とは、第2軸O2を中心に回転する可動部を構成している。また第2駆動部130a,130bは、上記可動部を第2支持部140に対して支持する。
光偏向器13は、第1駆動部110a,110b及び第2駆動部130a,130b及び駆動装置に電気的に接続される電極接続部150を有している。
In addition, the
The
光偏向器13は、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部材14や第1駆動部110a,110bを構成する駆動梁としての第1圧電駆動部112a,112b、第2駆動部130a,130bを構成する第2圧電駆動部131a〜131f,132a〜132f、電極接続部150等が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。
The
SOI基板は、図13、図14に示すように、例えば単結晶シリコン(Si)からなる第1のシリコン層であるシリコン支持層161と、シリコン支持層161の上部に形成された酸化シリコン層162と、酸化シリコン層162の上に形成された第2のシリコン層であるシリコン活性層163とを有するシリコン基板である。
シリコン活性層163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163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。本実施形態においては、各図に示すように、第2駆動部130a,130bと第1駆動部110a,110bとは何れもシリコン活性層163を基材としており、弾性部としての機能を有している。
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、光偏向器13の形成に用いられる部材はSOI基板に限られない。
As shown in FIGS. 13 and 14, the SOI substrate includes a
Since the silicon
Note that the SOI substrate does not necessarily need to be planar, and may have a curvature or the like. Further, the member used for forming the
ミラー部101は、例えば円形状の板部材からなるミラー部基体102と、ミラー部基体102の+Z側の面上に形成された反射部材14とから構成される。なお、ミラー部101については後述する。
第1駆動部110a,110bは、ミラー部基体102に一端が接続され第1軸O1方向にそれぞれ延びてミラー部101を変位可能に支持する2つのトーションバー111a,111bと、一端がトーションバー111a,111bに接続され他端が第1支持部120の内周部に接続される第1圧電駆動部112a,112bとを有している。
The
The
図13に示すように、トーションバー111a,111bはシリコン活性層163を用いて構成される。また、第1圧電駆動部112a,112bは、シリコン活性層163の+Z側の面上に下部電極201、圧電部202、上部電極203がこの順に形成されることにより構成される。
上部電極203及び下部電極201は、例えば金(Au)または白金(Pt)等を用いて構成される。圧電部202は、例えば圧電材料であるPZT(チタン酸ジルコン酸鉛)を用いて構成される。
第1支持部120は、シリコン支持層161、酸化シリコン層162、シリコン活性層163を用いて構成され、ミラー部101を囲うように形成された矩形形状の支持体である。なお、下部電極との電気的接続を避けるため、シリコン活性層163の上に例えば酸化シリコン層からなる絶縁層を有する構成としてもよい。
As shown in FIG. 13, the
The
The
第2駆動部130a,130bは、折り返すように連結された複数の第2圧電駆動部131a〜131f,132a〜132fと、各第2圧電駆動部131a〜131f同士及び各第2圧電駆動部132a〜132f同士を連結する折り返し部205とを有している。第2駆動部130a,130bは、この構成、すなわち複数の圧電駆動部が折り返し部で連結されることにより、蛇行状梁部としての機能を有している。
第2駆動部130a,130bの一端は第1支持部120の外周部に接続され、他端は第2支持部140の内周部に接続されている。このとき、第2駆動部130aと第1支持部120との接続箇所及び第2駆動部130bと第1支持部120との接続箇所、さらに第2駆動部130aと第2支持部140との接続箇所及び第2駆動部130bと第2支持部140との接続箇所は、反射部材14の中心に対して点対称となることが望ましい。
The
One end of each of the
図14に示すように第2圧電駆動部130a,130bは、シリコン活性層163の+Z側の面上に下部電極201、圧電部202、上部電極203がこの順に形成されることにより構成される。上部電極203及び下部電極201は、例えば金(Au)または白金(Pt)等を用いて構成される。圧電部202は、例えば圧電材料であるPZT(チタン酸ジルコン酸鉛)が用いられた圧電部材である。
As shown in FIG. 14, the second
第2支持部140は、例えばシリコン支持層161、酸化シリコン層162、シリコン活性層163を用いて構成され、ミラー部101、第1駆動部110a,110b、第1支持部120及び第2駆動部130a,130b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150は、例えば第2支持部140の+Z側の面上に形成され、第1圧電駆動部112a,112b、第2圧電駆動部131a〜131f,132a〜132fの各上部電極203及び各下部電極201、及び図1で示した駆動装置11にアルミニウム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203と下部電極201とは、それぞれが電極接続部150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
Note that the
第2圧電駆動部131a〜131fは、図14に示すように、それぞれ電圧を印可して撓みを生じさせる一対の電極である上部電極203と、下部電極201と、上部電極203及び下部電極201に挟まれた圧電部202と、シリコン活性層163とを有している。なお、第2圧電駆動部132a〜132fも同様に構成されている。
As shown in FIG. 14, the second
次に、本発明の特徴部である光偏向器13のミラー部101について説明する。
図15において、(a)は従来の光偏向器に用いられるミラー部101Aを、(b)は本発明の光偏向器13に用いられるミラー部101をそれぞれ示しており、各ミラー部101A,101は所定の軸方向に揺動可能な両持ちタイプの光偏向ミラーである。
ミラー部101A,101は、例えば、円板形状のミラー部基体102A,102と、ミラー部基体102A,102の+Z側の面上に設けられ反射面を形成する反射部材14A,14とから構成される。ミラー部基体102A,102は、例えば、シリコン活性層163を用いて構成される。
Next, the
15A shows a
The
反射部材14A,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る。またミラー部101A,101は、ミラー部基体102A,102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161及び酸化シリコン層162を用いて構成され、ミラー部101A,101の変位によって生じる反射部材14A,14の歪みを抑制することができる。
The reflecting
The rib is configured using, for example, a
従来の光偏向器と本発明の光偏向器13は、一端がミラー部基体102A,102と接続し第1軸O1方向にそれぞれ延びてミラー部101A,101を挟み込む形で変位可能に支持する一定幅のトーションバー111aA,111bA,111a,111bを有している。この構成より、例えばトーションバー111aA,111bA,111a,111bの振動周波数を共振周波数と同程度である約20kHzに設定した場合、トーションバー111aA,111bA,111a,111bの捩れによる機械的共振が生じることを利用して、ミラー部101A,101を約20kHzで共振振動させることができる。
The conventional optical deflector and the
従来の光偏向器は、トーションバー111aA,111bAがそれぞれ同じ幅で形成されるが、本発明の光偏向器13では、トーションバー111a,111bはミラー部101から遠ざかるに連れて幅が徐々に狭まるよう形成されたテーパ領域103a,103bをそれぞれの一端に有している。
また、従来の光偏向器では反射部材14Aが円形であるのに対し、本発明の光偏向器13が有する反射部材14は、円形である本体部14cと、本体部14cから各テーパ領域103a,103b方向、すなわちミラー部101の変位可能な軸線である第1軸O1方向に突出形成された突出部14a,14bとを有している。
In the conventional optical deflector, the torsion bars 111aA and 111bA are formed to have the same width, but in the
Further, in the conventional optical deflector, the reflecting
図16(a)は図15(b)におけるA−A断面を、図16(b)は図15(b)におけるB−B断面をそれぞれ示している。図16(a)に示すようにミラー部基体102は、弾性部材であるシリコン活性層163から主に構成されている。
なお、ミラー部基体102はシリコン活性層163に代えてシリコン支持層161、酸化シリコン層162によって構成されていてもよい。また、シリコン活性層163はSOI基板をエッチング処理等により形成されてもよい。
16A shows an AA section in FIG. 15B, and FIG. 16B shows a BB section in FIG. 15B. As shown in FIG. 16A, the
The
反射部材14は、光を反射する役割を果たす反射膜41と層間膜42とによって構成されている。層間膜42は、製造工程上必要とされるかまたは層間の密着度を上げる目的で用いられる。反射部材14は、シリコン活性層163の+Z方向に層間膜42、反射膜41の順で積層されることによって形成される。
層間膜42は例えば酸化シリコン等によって構成され、反射膜41は例えばアルミニウム、金、銀等を含む金属薄膜によって構成される。ミラー部基体102の外周縁と反射部材14の外周縁とは、エッチング処理等の製造工程上、0以上の距離である所定の幅43を有するようにそれぞれ形成される。
この構成により、エッチング幅を一定として加工精度を高めることができると共に、反射部材14がミラー部基体102の外側にはみ出してこのはみ出た部分からの膜剥がれによって反射部材14が破損することを防止することができる。
The
The
With this configuration, it is possible to increase the processing accuracy while keeping the etching width constant, and also prevent the reflecting
図17(a)は反射部材14Aを有するミラー部101Aとトーションバー111aA,111bAとが共振振動している際の模式図を、図17(b)はその際のミラー部101Aとトーションバー111aAとの接続部における拡大図をそれぞれ示している。機械固有の共振周波数にほぼ等しい振動成分が与えられたとき、ミラー部101Aはトーションバー111aA,111bAが支持する第1軸O1の周りに揺動する。このとき、ミラー部101Aとトーションバー111aA,111bAとの接続部において捩れによる応力集中が発生し、この応力集中が鋭角であればあるほど増大してシリコン活性層163の破断要因となる。
FIG. 17A is a schematic diagram when the
反射部材14Aを構成する反射膜及び層間膜はミラー部101Aを構成するシリコン活性層の+Z方向に積層されるため、歪みの増大により反射膜及び層間膜が剥がれる膜剥がれが発生する虞がある。
また、ミラー部101Aとトーションバー111aA,111bAとの接続部における第2軸O2方向への接線と、反射部材14Aの第1軸O1方向における端点での第2軸O2方向の接線とが等しい場合、反射部材14Aの第1軸O1方向端点を起点として反射膜及び層間膜が剥がれる虞がある。
Since the reflective film and the interlayer film that constitute the
Further, when the tangent line in the second axis O2 direction at the connecting portion between the
そこで本発明においては、図15(b)に示すように、トーションバー111a,111bがテーパ領域103a,103bを有することによって応力集中を抑制し、反射部材14の反射膜41及び層間膜42が剥がれることを防止している。ミラー部101の回転軸である第1軸O1方向は回転モーメントによる影響が小さく、この方向に拡大形成された突出部14a,14bを設けることにより、反射部材14の反射膜41及び層間膜42が剥がれることを防止している。
また、反射部材14がテーパ領域103a,103bすなわち第1軸O1方向に突出形成された突出部14a,14bを有することにより、反射部材14の面積を拡大してシリコン活性層163との膜密着性を向上し、反射部材14の反射膜41及び層間膜42が剥がれることを防止している。
さらに、第1軸O1方向における反射部材14の端点を応力集中箇所から離すことにより、端点から反射膜41及び層間膜42が剥がれることを防止している。さらに反射部材14の面積が増加することにより照射された光の反射効率が向上し、同時に光が反射されないことによるビーム径歪みの発生を低減することができる。
Therefore, in the present invention, as shown in FIG. 15B, the
Further, since the reflecting
Further, the
ミラー部101とトーションバー111a,111bとの捩れによる応力集中は、鋭角部分により強く生じる。本発明の光偏向器13では、図18に示すようにミラー部101、トーションバー111a,111b、テーパ領域103a,103bの接続部はそれぞれ曲線的に形成されているため、応力集中を抑制して反射部材14の反射膜41及び層間膜42が剥がれることを防止している。
また反射部材14は、本体部14cと各突出部14a,14bとの接続部において鋭角箇所が形成されないように曲線的に接続形成されている。この構成により、光偏向器13を共振振動させる際に生じるトーションバー111a,111bの破断及び反射部材14の反射膜41及び層間膜42が剥がれの発生を低減し、高品質な光走査を継続して実現することが可能な光偏向器13を提供することができる。
Stress concentration due to torsion between the
Further, the
なお、本実施形態では圧電部202が弾性部であるシリコン活性層163の一面(+Z側の面)のみに形成された場合を一例として説明したが、圧電部202は弾性部の他の面(例えば−Z側の面)に設けてもよいし、弾性部の一面及び他面の双方に設けても良い。
また、ミラー部101を第1軸O1周りまたは第2軸O2周りに変位可能であれば、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111a,111bや第1圧電駆動部112a,112bが曲率を有した形状であってもよい。
In the present embodiment, the case where the
In addition, the shape of each component is not limited to the shape of the embodiment as long as the
また、第1駆動部110a,110bの上部電極203の+Z側の面上、第1支持部120の+Z側の面上、第2駆動部130a,130bの上部電極203の+Z側の面上、第2支持部140の+Z側の面上の少なくとも一つに、酸化シリコン膜からなる絶縁層を形成してもよい。
このとき絶縁層の上に電極配線を設け、また上部電極203または下部電極201と電極配線とが接続される接続スポットに、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駆動部110a,110b、第2駆動部130a,130b及び電極配線の設計自由度を上げ、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。なお、絶縁層は絶縁性を有する部材であればよく、また反射防止部材としての機能を備えさせてもよい。
Also, on the + Z side surface of the
At this time, an electrode wiring is provided on the insulating layer, and the insulating layer is partially removed or not formed as an opening at a connection spot where the
[駆動装置の制御の詳細]
次に、可動装置である第1駆動部110a,110b及び第2駆動部130a,130bを駆動させる駆動装置11の制御の詳細について説明する。
第1駆動部110a,110b、第2駆動部130a,130bが有する圧電部202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変形(例えば伸縮)が生じ、いわゆる逆圧電効果を発揮する。第1駆動部110a,110b、第2駆動部130a,130bは、上記の逆圧電効果を利用してミラー部101を変位させる。
このとき、反射部材14に入射した光束が偏向される角度を振れ角とよぶ。圧電部202に電圧を印加していないときの振れ角をゼロとし、その角度よりも偏向角度が大きい場合を正の振れ角、小さい場合を負の振れ角とする。
[Details of control of drive unit]
Next, details of control of the driving
When the positive or negative voltage is applied in the polarization direction, the
At this time, the angle at which the light beam incident on the reflecting
先ず、第1駆動部110a,110bを駆動させる駆動装置11の制御について説明する。
第1駆動部110a,110bでは、第1圧電駆動部112a,112bが有する圧電部202に上部電極203及び下部電極201を介して駆動電圧が並列に印加されると、それぞれの圧電部202が変形する。この圧電部202の変形による作用により、第1圧電駆動部112a,112bが屈曲変形する。その結果、2つのトーションバー111a,111bの捩れを介してミラー部101に第1軸O1周りの駆動力が作用し、ミラー部101が第1軸O1周りに変位する。第1駆動部110a,110bに印加される駆動電圧は、駆動装置11によって制御される。
First, control of the
In the
そこで、駆動装置11によって第1駆動部110a,110bが有する第1圧電駆動部112a,112bに所定の正弦波形の駆動電圧を並行して印加することで、ミラー部101を第1軸O1周りに所定の正弦波形の駆動電圧の周期で変位させることができる。
特に、例えば正弦波形電圧の周波数がトーションバー111a,111b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111a,111bの捩れによる機械的共振が生じることを利用して、ミラー部101を約20kHzで共振振動させることができる。
Therefore, the
In particular, for example, when the frequency of the sinusoidal waveform voltage is set to about 20 kHz, which is approximately the same as the resonance frequency of the
次に、第2駆動部130a,130bを駆動させる駆動装置11の制御について説明する。
図19は、光偏向器の第2駆動部130a、130bの駆動を模式的に表した模式図である。斜線で表されている領域がミラー部101等である。
第2駆動部130aが有する複数の第2圧電駆動部131a〜131fのうち、最もミラー部101に距離が近い第2圧電駆動部(131a)から数えて偶数番目の第2圧電駆動部、すなわち第2圧電駆動部131b,131d,131fを圧電駆動部群Aとする。
また、第2駆動部130bが有する複数の第2圧電駆動部132a〜132fのうち、最もミラー部101に距離が近い第2圧電駆動部(132a)から数えて奇数番目の第2圧電駆動部、すなわち第2圧電駆動部132a,132c,132eを同様に圧電駆動部群Aとする。圧電駆動部群Aは駆動電圧が並行に印加されると、図19(a)に示すようにそれぞれ同一方向に屈曲変形し、正の振れ角となるようにミラー部101が第2軸O2周りに可動する。
Next, control of the
FIG. 19 is a schematic diagram schematically illustrating driving of the
Among the plurality of second
In addition, among the plurality of second piezoelectric drive units 132a to 132f included in the
また、第2駆動部130aが有する複数の第2圧電駆動部131a〜131fのうち、最もミラー部に距離が近い第2圧電駆動部(131a)から数えて奇数番目の第2圧電駆動部、すなわち第2圧電駆動部131a,131c,131eを圧電駆動部群Bとする。
また、第2駆動部130bが有する複数の第2圧電駆動部132a〜132fのうち、最もミラー部に距離が近い第2圧電駆動部(132a)から数えて偶数番目の第2圧電駆動部、すなわち132b,132d,132fを同様に圧電駆動部群Bとする。圧電駆動部群Bは駆動電圧が並行に印加されると圧電駆動部群Bが同一方向に屈曲変形し、図19(c)に示すように、負の振れ角となるようにミラー部101が第2軸O2周りに可動する。
Of the plurality of second
In addition, among the plurality of second piezoelectric drive units 132a to 132f included in the
図19(a)、(c)に示すように、第2駆動部130a,130bは、圧電駆動部群Aが有する複数の圧電部202または圧電駆動部群Bが有する複数の圧電部202を屈曲変形させることにより屈曲変形による可動量を累積させ、ミラー部101の第2軸O2周りの振れ角を大きくすることができる。
図12に示すように、第2駆動部130a,130bは第1支持部120の中心点を中心として第1支持部120に対してそれぞれ点対称となるように接続されている。そのため圧電駆動部群Aに駆動電圧を印加すると、第2駆動部130aでは第1支持部120との接続部に第1支持部120を+Z方向に動かす駆動力が生じ、第2駆動部130bでは第1支持部120との接続部に第1支持部120を−Z方向に動かす駆動力が生じ、可動量が累積されてミラー部101の第2軸O2周りの振れ角度を大きくすることができる。
As shown in FIGS. 19A and 19C, the
As shown in FIG. 12, the
また、図19(b)に示すように、電圧が印加されていないまたは電圧印加による圧電駆動部群Aによるミラー部101の可動量と電圧印加による圧電駆動群Bによるミラー部101の可動量とが釣り合っているときは、振れ角はゼロとなる。
図19(a)〜図19(c)を連続的に繰り返すように第2圧電駆動部131a〜131f,132a〜132fに駆動電圧を印加することにより、ミラー部101を第2軸O2周りに駆動させることができる。
Further, as shown in FIG. 19B, the movable amount of the
The
[駆動電圧]
第2駆動部に印加される駆動電圧は、駆動装置11によって制御される。
図20を参照して、圧電駆動部群Aに印加される駆動電圧(以下、駆動電圧A)、圧電駆動部群Bに印加される駆動電圧(以下、駆動電圧B)について説明する。また、駆動電圧A(第1駆動電圧)を印加する印加手段を第1印加手段、駆動電圧B(第2駆動電圧)を印加する印加手段を第2印加手段とする。
[Drive voltage]
The drive voltage applied to the second drive unit is controlled by the
With reference to FIG. 20, the drive voltage applied to the piezoelectric drive unit group A (hereinafter referred to as drive voltage A) and the drive voltage applied to the piezoelectric drive unit group B (hereinafter referred to as drive voltage B) will be described. In addition, an application unit that applies the drive voltage A (first drive voltage) is a first application unit, and an application unit that applies the drive voltage B (second drive voltage) is a second application unit.
図20(a)は光偏向器13の圧電駆動部群Aに印加される駆動電圧Aの波形の一例を、図20(b)は光偏向器13の圧電駆動部群Bに印加される駆動電圧Bの波形の一例を、図20(c)は駆動電圧Aの波形と駆動電圧Bの波形とを重ね合わせた波形をそれぞれ示している。
20A shows an example of the waveform of the drive voltage A applied to the piezoelectric drive unit group A of the
図20(a)に示すように、駆動電圧Aの波形は例えばノコギリ波状の波形であり、周波数は例えば60HZである。
また、駆動電圧Aの波形は、電圧値が極小値から次の極大値まで増加していく立ち上がり期間の時間幅をTrA、電圧値が極大値から次の極小値まで減少していく立ち下がり期間の時間幅をTfAとしたとき、例えばTrA:TfA=9:1となる比率が予め設定されている。このとき一周期に対するTrAの比率を駆動電圧Aのシンメトリという。
As shown in FIG. 20A, the waveform of the drive voltage A is, for example, a sawtooth waveform, and the frequency is, for example, 60 Hz.
Further, the waveform of the drive voltage A has a rising time period TrA in which the voltage value increases from the minimum value to the next maximum value, and a falling period in which the voltage value decreases from the maximum value to the next minimum value. For example, a ratio of TrA: TfA = 9: 1 is set in advance, where TfA is TfA. At this time, the ratio of TrA to one cycle is referred to as symmetry of drive voltage A.
図20(b)に示すように、駆動電圧Bの波形は例えばノコギリ波状の波形であり、周波数は例えば60HZである。
また、駆動電圧Bの波形は、電圧値が極小値から次の極大値まで増加していく立ち上がり期間の時間幅をTrB、電圧値が極大値から次の極小値まで減少していく立ち下がり期間の時間幅をTfBとしたとき、例えばTfB:TrB=9:1となる比率が予め設定されている。このとき一周期に対するTfBの比率を駆動電圧Bのシンメトリという。
また図20(c)に示すように、例えば駆動電圧Aの波形の周期TAと駆動電圧Bの波形の周期TBとは、互いに同一となるように設定されている。
As shown in FIG. 20B, the waveform of the drive voltage B is, for example, a sawtooth waveform, and the frequency is, for example, 60 Hz.
In addition, the waveform of the drive voltage B indicates that the time width of the rising period in which the voltage value increases from the minimum value to the next maximum value is TrB, and the falling period in which the voltage value decreases from the maximum value to the next minimum value. For example, a ratio of TfB: TrB = 9: 1 is set in advance. At this time, the ratio of TfB to one cycle is called symmetry of the drive voltage B.
Further, as shown in FIG. 20C, for example, the period TA of the waveform of the drive voltage A and the period TB of the waveform of the drive voltage B are set to be the same.
上述した駆動電圧A及び駆動電圧Bのノコギリ波状の波形は、例えば正弦波の重ね合わせによって生成される。
また本実施形態では、駆動電圧A,Bとしてノコギリ波状の波形の駆動電圧を用いているが、これに限らずノコギリ波状の波形の頂点を丸くした波形の駆動電圧や、ノコギリ波状の波形の直線領域を曲線とした波形の駆動電圧等、光偏向器13のデバイス特性に応じて波形を変えることも可能である。この場合のシンメトリは、一周期に対する立ち上がり時間の比率、または一周期に対する立ち下がり時間の比率となる。このとき、立ち上がり時間、立ち下がり時間のどちらを基準にするかは、任意に設定してもよい。
The sawtooth waveform of the driving voltage A and the driving voltage B described above is generated, for example, by superimposing sine waves.
In the present embodiment, the drive voltages A and B use a sawtooth waveform drive voltage. However, the present invention is not limited to this, and a drive voltage having a sawtooth waveform rounded or a sawtooth waveform straight line. It is also possible to change the waveform according to the device characteristics of the
図21は、本発明の第2の実施形態に用いられるミラー部104を示している。このミラー部104は、上述したミラー部101と比較すると、反射部材14に代えて反射面を構成する反射部材16を有する点においてのみ相違しており、他の構成は同一である。
反射部材16は、図21(a)に示すように、円形である本体部16cと、本体部16cから各テーパ領域103a,103b方向、すなわちミラー部104の変位可能な軸線である第1軸O1方向に突出形成された突出部16a,16bとを有している。
また反射部材16は、図21(b)に示すように、反射部材14と同様、層間膜42の上面に反射膜41を積層させて構成されている。
FIG. 21 shows the
As shown in FIG. 21A, the reflecting
Further, as shown in FIG. 21B, the reflecting
各突出部16a,16bには、各突出部16a,16bを形成する際において部分的に層間膜42がくり抜かれることにより形成された分断穴44が、所定の間隔をおいて複数形成されている。各分断穴44は、反射膜41をシリコン活性層163にスタンプする態様でそれぞれ形成されているが、形成される個数や大きさは限定されない。
この構成により、シリコン活性層163と反射膜41との密着度を向上することができ、反射部材14よりも剥がれにくい反射部材16を提供することができる。
なお、穴形状である分断穴44に代えて、図21(c)に示す溝形状の分断溝45を形成しても、同様の作用効果を得ることができる。
In each of the
With this configuration, the degree of adhesion between the silicon
Similar effects can be obtained by forming the groove-shaped
図22は、本発明の第3の実施形態に用いられるミラー部105を示している。このミラー部105は、上述したミラー部101と比較すると、反射部材14に代えて反射面を構成する反射部材17を有する点、ミラー部基体102に代えてミラー部基体50を用いる点においてのみ相違しており、他の構成は同一である。
ミラー部基体50はその外形が楕円形状を呈しており、各トーションバー111a,111bとはそれぞれのテーパ領域103a,103bにおいて曲線的に接続されている。
反射部材17は、楕円形である本体部17cと、本体部17cから各テーパ領域103a,103b方向、すなわちミラー部105の変位可能な軸線である第1軸O1方向に突出形成された突出部17a,17bとを有している。
この構成により、軸線方向は回転モーメントの影響による膜剥がれの影響が小さいことから、膜剥がれを抑制しつつ反射領域を拡大することが可能なミラー部を提供することができる。
FIG. 22 shows the
The
The reflecting
With this configuration, since the influence of film peeling due to the influence of the rotational moment is small in the axial direction, it is possible to provide a mirror portion that can enlarge the reflection region while suppressing film peeling.
図23は、本発明の第4の実施形態に用いられるミラー部106を示している。このミラー部106は、上述したミラー部101と比較すると、ミラー部基体102の第1軸O1方向における中心線S0と、反射部材14の同方向における中心線S1とをずらして配置した点においてのみ相違しており、他の構成は同一である。
この構成により、ミラー部101に比して反射部材14の回転量を増大させることができる。なお、上記構成ではミラー部106の変位中心線をS0としたが、ミラー部106の変位中心線をS1としてもよい。
FIG. 23 shows a
With this configuration, the amount of rotation of the reflecting
上述した各実施形態では、各ミラー部101,104,105,106が適用可能な光偏向器として、図12に示す光偏向器13を示した。この光偏向器13は、駆動梁である第1圧電駆動部112a,112bが第1軸O1を中心として+X側にのみ設けられた、いわゆる片持ち梁構造である。しかし本発明が適用可能な光偏向器はこれに限られず、例えば図24に示すように、第1圧電駆動部112a,112bの他に、これ等と第1軸O1を対象とした位置に設けられた第1圧電駆動部112c,112dを有する、いわゆる両持ち構造の光偏向器19にも、本発明は適用可能である。
In each of the above-described embodiments, the
上述した実施形態では、主走査方向に可動部を変位させる(可動部)駆動手段、副走査方向に可動部を変位させる(第2可動部)駆動手段が、何れも同じ駆動方式を採用しているが、これ等は互いに異なる駆動方式を採用してもよい。また、駆動方式も圧電素子を用いた圧電駆動方式には限定されず、例えば静電力を利用して駆動する静電駆動方式や、電磁力を利用して駆動する電磁駆動方式を採用してもよい。 In the embodiment described above, the same driving method is adopted for the driving means for displacing the movable part in the main scanning direction (movable part) and the driving means for displacing the movable part in the sub-scanning direction (second movable part). However, these may employ different driving methods. Also, the driving method is not limited to the piezoelectric driving method using a piezoelectric element, and for example, an electrostatic driving method that uses electrostatic force or an electromagnetic driving method that uses electromagnetic force may be adopted. Good.
以上、本発明の好ましい実施の形態について説明したが、本発明はかかる特定の実施形態に限定されるものではなく、上述の説明で特に限定しない限り、特許請求の範囲に記載された本発明の趣旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。本発明の実施の形態に記載された効果は、本発明から生じる最も好適な効果を例示したに過ぎず、本発明による効果は、本発明の実施の形態に記載されたものに限定されるものではない。 The preferred embodiments of the present invention have been described above. However, the present invention is not limited to such specific embodiments, and unless specifically limited by the above description, the present invention described in the claims is not limited. Various modifications and changes are possible within the scope of the gist. The effects described in the embodiments of the present invention are merely examples of the most preferable effects resulting from the present invention, and the effects of the present invention are limited to those described in the embodiments of the present invention. is not.
10 光走査装置(光走査システム)
12 光源装置
13,19 光偏向器
14,16,17 反射部材
14a,14b,16a,16b,17a,17b 突出部
14c,16c,17c 本体部
43 所定の幅
101,104,105,106 ミラー部
103a,103b テーパ領域
111a,111b トーションバー
112a,112b 駆動梁(第1圧電駆動部)
120 支持枠(第1支持部)
500 画像投影装置(ヘッドアップディスプレイ装置)
501R,501G,501B レーザ光源
507 合成手段(光量調整部)
700 物体認識装置(レーザレーダ装置)
710 測距回路
10 Optical scanning device (optical scanning system)
DESCRIPTION OF
120 Support frame (first support part)
500 Image projection device (head-up display device)
501R, 501G, 501B Laser
700 Object recognition device (laser radar device)
710 Distance measuring circuit
Claims (10)
一端が前記ミラー部と接続し前記ミラー部を支持する一対のトーションバーと、
前記トーションバーの他端と接続し前記トーションバーを変位可能に支持する一対の駆動梁と、
前記各駆動梁が接続する支持枠とを有し、
前記反射部材は本体部と該本体部から前記軸線方向に突出形成された突出部とを有することを特徴とする光偏向器。 A mirror part having a reflecting member that reflects light and being displaceable about an axis;
A pair of torsion bars having one end connected to the mirror portion and supporting the mirror portion;
A pair of drive beams connected to the other end of the torsion bar and supporting the torsion bar in a displaceable manner;
A support frame to which each drive beam is connected;
The reflecting member has a main body portion and a protruding portion that protrudes from the main body portion in the axial direction.
前記反射部材はその外周縁が前記ミラー部の外周縁よりも所定の幅を持って内側に位置するように形成されていることを特徴とする光偏向器。 The optical deflector according to claim 1.
The optical deflector according to claim 1, wherein the reflecting member is formed so that an outer peripheral edge thereof is located inside with a predetermined width from an outer peripheral edge of the mirror portion.
前記ミラー部及び前記本体部は共に円形状であり、前記突出部は前記本体部に対して曲線的に接続することを特徴とする光偏向器。 The optical deflector according to claim 1 or 2,
The mirror part and the body part are both circular, and the projecting part is connected to the body part in a curved manner.
前記ミラー部及び前記本体部は共に前記軸線方向に長軸を有する楕円形状であり、前記突出部は前記本体部に対して曲線的に接続することを特徴とする光偏向器。 The optical deflector according to claim 1 or 2,
Both the mirror part and the main body part have an elliptical shape having a major axis in the axial direction, and the projecting part is connected to the main body part in a curved manner.
前記各トーションバーは前記ミラー部から遠ざかるに連れて幅が徐々に狭まるよう形成されたテーパ領域をそれぞれの一端に有し、前記突出部は前記テーパ領域上に形成されることを特徴とする光偏向器。 The optical deflector according to any one of claims 1 to 4,
Each of the torsion bars has a tapered region formed at each end so that the width gradually decreases as the distance from the mirror portion increases, and the protruding portion is formed on the tapered region. Deflector.
前記本体部または前記突出部または前記テーパ領域は前記軸線に対して非対称な非対称部を有することを特徴とする光偏向器。 The optical deflector according to claim 5, wherein
The optical deflector characterized in that the main body part, the projecting part or the tapered region has an asymmetric part asymmetric with respect to the axis.
光を発する光源と、前記光源から発せられ前記光偏向器で偏向された前記光を所定の方向に照射する照射手段とを有することを特徴とする光走査装置。 An optical scanning device comprising the optical deflector according to any one of claims 1 to 6,
An optical scanning apparatus comprising: a light source that emits light; and an irradiation unit that irradiates the light emitted from the light source and deflected by the optical deflector in a predetermined direction.
前記光偏向器は前記光を偏向して投影することを特徴とする画像投影装置。 An image projection apparatus comprising the optical scanning device according to claim 7,
An image projection apparatus, wherein the light deflector deflects and projects the light.
前記光源を複数有し、前記各光源から発せられた複数の光を合成する合成手段とを有し、前記光偏向器は前記合成手段により合成された前記各光を偏向して投影することを特徴とする画像投影装置。 The image projector according to claim 8.
A plurality of light sources, and a combining unit that combines a plurality of lights emitted from the respective light sources, and the optical deflector deflects and projects each of the lights combined by the combining unit. A characteristic image projection apparatus.
光を発する光源と、被対象物の有無及び被対象物との距離を算出する測距回路とを有す
ることを特徴とする物体認識装置。 An object recognition device comprising the optical deflector according to any one of claims 1 to 6,
An object recognition apparatus comprising: a light source that emits light; and a distance measuring circuit that calculates a presence / absence of an object and a distance from the object.
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