光スキャナ及び画像投影装置
【課題】大型化を招くことなく揺動軸部のがたつきを防止可能な光スキャナと、その光スキャナを利用した画像投影装置とを提供すること。
【解決手段】揺動軸部と、揺動軸部に設けられた反射面を有する揺動体と、揺動軸部を支持するベース台と、揺動軸部を揺動させる駆動部とを備える光スキャナである。ベース台には、揺動軸部の一端を支持する第１軸受と、揺動軸部の他端を支持する第２軸受とが設けられる。揺動軸部は、テーパ状に形成されたテーパ部分を、その一端に有する。そして、第１軸受はテーパ部分に係合するスラスト軸受であり、第２軸受は揺動軸部の外周面と接触するラジアル軸受である。
【解決手段】揺動軸部と、揺動軸部に設けられた反射面を有する揺動体と、揺動軸部を支持するベース台と、揺動軸部を揺動させる駆動部とを備える光スキャナである。ベース台には、揺動軸部の一端を支持する第１軸受と、揺動軸部の他端を支持する第２軸受とが設けられる。揺動軸部は、テーパ状に形成されたテーパ部分を、その一端に有する。そして、第１軸受はテーパ部分に係合するスラスト軸受であり、第２軸受は揺動軸部の外周面と接触するラジアル軸受である。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、入射した光を所定方向に走査する光スキャナと、その光スキャナを利用した画像投影装置とに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、小型の光スキャナとして、ＭＥＭＳミラーが使用されている。例えば、特許文献１には、反射ミラー部を支持するミラー支持部と、枠体とが別体に設けられた光スキャナが提案されている。枠体には、ベアリングが設けられる。そして、ミラー支持部は、このベアリングによって軸支される。特許文献１に記載の光スキャナによれば、枠体とミラー支持部とが別体に設けられるので、反射ミラー部が揺動する際に、ミラー支持部の捩れに起因する復元力が働かない。その結果、ミラー支持部の共振周波数に基づく共振振動を十分に抑制させることができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００９−２４４７９８号公報（図２、図６など）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
前記した特許文献１では、ミラー支持部は、ラジアル軸受によって両持ち支持される。しかし、ラジアル軸受だけによってミラー支持部が支持されると、ミラー支持部はその長手方向に微少量摺動可能となる。以降、ミラー支持部の長手方向における微少量の摺動を、「がたつき」と呼称する。ミラー支持部ががたつくと、反射ミラー部もがたつく。これにより、反射ミラー部に入射する光の位置が変化する。その結果、例えば反射ミラー部の表面形状が場所によって異なる場合、反射光の波面形状が変化するという問題が生じる。さらには、ミラー部のがたつきの大きさによっては、入射光が反射ミラー部からはみ出る可能性もある。即ち、ラジアル軸受だけによってミラー支持部が支持されると、反射光の光学特性を劣化させる可能性がある。
【０００５】
ミラー支持部のがたつきを防止するためには、ラジアル軸受と、スラスト軸受との併用が考えられる。本発明者は、この観点に基づいて、図１に示されるように、参考例としての光スキャナ１００を作成した。
【０００６】
光スキャナ１００は、ミラー支持部しての揺動軸部１１０と、第１軸受１２０と、第２軸受１３０と、電磁駆動部１４０と、枠体としてのベース台１５０とを備える。光スキャナ１００では、第１軸受１２０及び第２軸受１３０によって、揺動軸部１１０が台座１５０に対して揺動可能となる。光スキャナ１００は、その揺動軸部１１０が電磁駆動部１４０によって揺動される、いわゆるムービングコイル型の電磁スキャナである。
【０００７】
ベース台１５０は、図１（Ｂ）に示されるように、Ｘ方向から見た形状がＵ字状の構造である。ベース台１５０は、アルミニウムやステンレスなどの金属によって構成されてよい。ベース台１５０は、Ｘ方向から見た形状がＬ字状の主部分１５１と、その主部分１５１のＹ方向負側にネジ等で固定される板状部分１５２とを有する。主部分１５１には、Ｙ方向に沿って貫通する貫通孔１５３が設けられる。板状部分１５２には、Ｙ方向に沿って貫通する貫通孔１５４が設けられる。貫通孔１５３及び貫通孔１５４は、Ｘ方向及びＺ方向の位置において、同一位置に存在する。
【０００８】
第１軸受１２０及び第２軸受１３０は、同一の構造である。そのため、第１軸受１２０の説明を行うことで、第２軸受１３０の説明は省略される。第１軸受１２０は、Ｙ方向に平行な貫通孔を有する。この貫通孔の内壁には、揺動軸部１１０の外周面に接触するラジアル接触面１２１が設けられる。また、第１軸受１２０のＹ方向負側の面には、後記する揺動軸部１１０の段差部分１１２に接触するスラスト接触面１２２が設けられる。第１軸受１２０及び第２軸受１３０は、例えば樹脂によって構成される。なお、ラジアル接触面１２１及びスラスト接触面１２２には、耐摩耗性と低摩擦性を得るために、硬質クロム／クロムモリブデンめっきやフッ素樹脂コーティングなどの処理が施されてもよい。第１軸受１２０は貫通孔１５３に、第２軸受１３０は貫通孔１５４に、それぞれ嵌挿される。
【０００９】
揺動軸部１１０は、揺動体１１１と、段差部分１１２，１１３とを有する。揺動軸部１１０は、Ｙ方向に平行に伸びる円柱状の部材である。揺動軸部１１０の中心軸は、第１揺動軸線Ｌ１に一致する。揺動軸部１１０は、例えばステンレスなどの金属材料によって構成される。揺動軸部１１０の中心部分には、Ｚ方向正側からＺ方向負側へ向かって揺動軸部１１０が所定量削除されることで、揺動体１１１が設けられる。揺動体１１１の表面には、鏡面研磨されることで、反射面１１１ａが形成される。なお、第１揺動軸線Ｌ１は、反射面１１１ａ上に存在する。揺動軸部１１０には、第１揺動軸線Ｌ１から揺動軸部１１０の外周面までの距離が、Ｙ方向において変化する段差部分１１２、１１３が設けられる。段差部分１１２のＹ方向正側の面は、第１軸受１２０のスラスト接触面１２２に接触する。段差部分１１３のＹ方向負側の面は、第２軸受１３０のスラスト接触面１３２に接触する。すなわち、第１軸受１２０及び第２軸受１３０は、揺動軸部１１０の両端において、ラジアル軸受とスラスト軸受との両方の機能を果たす。
【００１０】
電磁駆動部１４０は、コイル１４１と、永久磁石１４２，１４３とを有する。永久磁石１４２，１４３は、主部分１５１と板状部分１５２との間において、ベース台１５０に設けられる。永久磁石１４２，１４３は、どちらもＸ方向に着磁されている。永久磁石１４２，１４３は、異極が互いに対向するように、Ｘ方向に離間した状態で配置される。コイル１４１は、配線パターンが永久磁石１４２，１４３によって生じる磁界の向きに沿うようにして、揺動軸部１１０の揺動体１１１の反対側に取り付けられる。コイル１４１には、図１に非図示の配線を介して、外部から電流が供給される。コイル１４１を流れる電流と永久磁石１４２，１４３が発生する磁界との相互作用により、揺動体１１１及び揺動軸部１１０は、第１揺動軸線Ｌ１回りに揺動する。
【００１１】
図１に示される光スキャナ１００では、第１軸受１２０及び第２軸受１３０が、ラジアル軸受とスラスト軸受との両方の機能を果たす。そのため、揺動軸部１１０の第１揺動軸線Ｌ１方向への摺動が防止される。しかし、第１軸受１２０及び第２軸受１３０のように、ラジアル軸受とスラスト軸受との両方の機能を果たす軸受は、ラジアル軸受による支持領域を大きく取る必要があるので、第１揺動軸線Ｌ１方向のサイズが大きくなるという問題がある。そのため、揺動軸部１１０の両端がラジアル軸受とスラスト軸受との両方で支持されるような光スキャナ１００の構成では、光スキャナの大型化を招くという課題がある。
【００１２】
本発明は、枠体とミラー支持部とが別体に設けられる光スキャナにおいて、大型化を招くことなく揺動軸部のがたつきを防止可能な光スキャナと、その光スキャナを利用した画像投影装置とを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
上記課題を解決するために、本発明の一側面は、第１揺動軸線を中心として揺動し、前記第１揺動軸線に平行に延びる揺動軸部と、前記揺動軸部に設けられ、入射される光を反射する反射面を有する揺動体と、前記揺動軸部を支持するベース台と、前記ベース台に設けられ、前記揺動軸部の一端を支持する第１軸受と、前記ベース台に設けられ、前記揺動軸部の他端を支持する第２軸受と、前記揺動軸部を揺動させる駆動部とを備え、前記揺動軸部は、テーパ状に形成されたテーパ部分を、前記一端に有し、前記第１軸受は、前記テーパ部分に係合するスラスト軸受であり、前記第２軸受は、前記揺動軸部の外周面と接触するラジアル軸受である、ことを特徴とする光スキャナである。
【００１４】
これによれば、テーパ部分を有する揺動軸部の一端は、スラスト軸受である第１軸受によって支持される。そして、揺動軸部の他端は、ラジアル軸受である第２軸受によって支持される。そのため、第１軸受及び第２軸受は、ラジアル軸受とスラスト軸受との両方の機能を有する必要がない。従って、光スキャナ全体が大型化することはない。また、第１軸受はスラスト軸受、第２軸受はラジアル軸受であるので、揺動軸部のがたつきを防止することも可能となっている。さらに、第１軸受は、揺動軸部のテーパ部分に係合するようになっているので、軸心の調整も容易になる。
【００１５】
この光スキャナは、他の構成をさらに含むこともできる。即ち、前記揺動軸部を、前記第１軸受に対して前記第１揺動軸線に沿う方向に付勢する付勢部をさらに有してもよい。
【００１６】
これによれば、揺動軸部は、付勢部によって第１軸受に対して第１揺動軸線に沿う方向に付勢される。従って、揺動軸部のがたつきがさらに防止される。
【００１７】
また、前記付勢部は、前記揺動軸部に設けられ、前記揺動軸部の中心軸から前記揺動軸部の外周面までの距離が、前記第１揺動軸線方向において変化する段差部分と、前記第２軸受に設けられ、前記揺動軸線に沿う方向において前記段差部分に係合する第１係合部分とを有してもよい。
【００１８】
これによれば、付勢部は、揺動軸部に設けられた段差部分と、第２軸受に設けられた係合部分とを有する。段差部分が第２軸受の係合部分に接触するため、第１揺動軸線に平行な方向における、揺動軸部の位置決めが可能となる。
【００１９】
また、前記第２軸受は、前記ベース台とは別体に構成され、前記ベース台と係合する第２係合部分を有し、前記ベース台によって前記第２係合部分が付勢されることで、前記第１係合部分及び前記段差部分を介して、前記揺動軸部を前記第１軸受に対して前記第１揺動軸線に沿う方向に付勢してもよい。
【００２０】
これによれば、第２軸受は、ベース台とは別体に構成される。第２軸受の周囲で揺動軸部がベース台に直接接触しないので、揺動軸部が揺動する際の抵抗を軽減することができる。また、第２係合部分がベース台に係合することで、ベース台によって揺動軸部を付勢することができる。そのため、揺動軸部を付勢するための特別な構成が不要となる。
【００２１】
また、前記駆動部は、前記ベース台に設けられた磁界発生部と、前記磁界発生部が発生する磁界の向きに沿って設けられ、前記揺動軸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との相互作用により、前記揺動体及び前記揺動軸部を前記第１揺動軸線回りに揺動させてもよい。
【００２２】
これによれば、揺動軸部の捩れに起因する復元力が働かないので、共振周波数に基づく共振振動を十分に抑制させた電磁式の光スキャナが得られる。
【００２３】
また、前記揺動体は、前記反射面を含み、前記第１揺動軸線の方向に直交する第２揺動軸線を中心として揺動するミラー部と、前記ミラー部の両側に連結され、前記第２揺動軸線に平行に延出する一対の捩れ梁部と、前記一対の捩れ梁部の前記ミラー部と反対側の端にその一端が連結され、前記ミラー部から離間する方向に延出する本体部と、前記本体部の他端側に接続され、前記揺動軸部に対して取り付けられる被取付部と、が金属で一体に構成された平板状の構造体と、前記本体部に設けられ、前記本体部に板波を励起することで、前記本体部及び前記一対の捩れ梁部を介して前記ミラー部を揺動させる圧電駆動部と、を有してもよい。
【００２４】
これによれば、揺動体は、構造体と圧電駆動部とを有し、第２揺動軸線を中心として揺動する、共振型の光スキャナであるといえる。即ち、揺動体によって第２揺動軸線を中心とした揺動方向に高速走査され、揺動軸部によって第１揺動軸線を中心とした揺動方向に低速走査される２次元光スキャナが得られる。
【００２５】
また、前記被取付部は、前記ミラー部よりも前記第１軸受の近くに位置するように、前記揺動軸部に対して取り付けられてもよい。
【００２６】
これによれば、被取付部がミラー部よりも第１軸受の近くに位置する状態で、揺動体は、被取付部において片持支持される。第１軸受はスラスト軸受であるので、揺動体及び揺動軸部が第１揺動軸線を中心として揺動される際に、揺動軸部の振動が第２軸受の周囲よりも小さくなる。従って、揺動体に伝わる振動が小さくなるので、第２揺動軸線を中心とした揺動方向の走査のブレが小さくなる。即ち、安定した走査が可能となる。
【００２７】
また、本発明の他の側面は、光を走査して画像を形成するための、前記した光スキャナと、前記光スキャナに光を供給するための光源と、前記光スキャナによって走査された光を被投影面に導く導光部とを備える、ことを特徴する画像投影装置である。
【００２８】
これによれば、大型化を招くことなく揺動軸部のがたつきを防止可能な光スキャナを用いた画像投影装置が提供される。そのため、画像投影装置の小型化が可能になる。
【発明の効果】
【００２９】
本発明によれば、大型化を招くことなく揺動軸部のがたつきを防止可能な光スキャナ
と、その光スキャナを利用した画像投影装置とが提供される。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】光スキャナ１００の説明図。（（Ａ）：光スキャナ１００の斜視からの図、（Ｂ）：光スキャナ１００のＡ−Ａ断面の図、（Ｃ）：光スキャナ１００の平面の図）
【図２】本発明の第１実施形態に係る、光スキャナ２００の説明図。（（Ａ）：光スキャナ２００の斜視からの図、（Ｂ）：光スキャナ２００のＡ−Ａ断面の図、（Ｃ）：光スキャナ２００の平面の図）
【図３】光スキャナ２００における、第２軸受２３０の周囲を拡大した断面の図。
【図４】本発明の第１実施形態に係る、網膜走査ディスプレイ１の構成を説明する図。
【図５】本発明の第２実施形態に係る、光スキャナ３００の説明図。（（Ａ）：光スキャナ３００の斜視からの図、（Ｂ）：光スキャナ３００のＡ−Ａ断面の図、（Ｃ）：光スキャナ３００の平面の図）
【図６】本発明の第２実施形態に係る、網膜走査ディスプレイ２の構成を説明する図。
【図７】本発明の他の実施形態に係る、レーザプロジェクタ４の構成を説明する図。
【発明を実施するための形態】
【００３１】
本発明の一側面を反映した実施形態について、図面を用いて以下に詳細に説明する。本発明の一側面は以下に記載の構成に限定されるものではなく、同一の技術的思想において種々の構成を採用することができる。例えば、以下に説明する各構成において、所定の構成を省略し、または他の構成などに置換してもよい。また、他の構成を含むようにしてもよい。
【００３２】
＜第１の実施形態＞
［光スキャナ２００の構成］
図２に示されるように、光スキャナ２００は、揺動軸部２１０と、第１軸受２２０と、第２軸受２３０と、電磁駆動部２４０と、ベース台２５０とを備える。光スキャナ２００は、前記した光スキャナ１００と同様に、ムービングコイル型の電磁スキャナである。
【００３３】
ベース台２５０は、図２（Ｂ）に示されるように、Ｘ方向から見た形状がＵ字状の構造である。ベース台２５０は、前記したベース台１５０と同様の構成を有する。即ち、ベース台２５０は、主部分２５１と、板状部分２５２とを有する。主部分２５１にはＹ方向に沿って貫通する貫通孔２５３が設けられ、板状部分２５２にはＹ方向に沿って貫通する貫通孔２５４が設けられる。貫通孔２５３及び貫通孔２５４は、Ｘ方向及びＺ方向の位置において、同一位置に存在する。なお、貫通孔２５４の内径は、揺動軸部２１０の外径よりも十分大きい。揺動軸部２１０は、第２軸受２３０によって支持されるため、揺動軸部２１０の外周面は、貫通孔２５４に接触しない。そのため、揺動軸部２１０が揺動する際に、揺動軸部２１０の外周面と貫通孔２５４の内壁とが接触することによる抵抗が生じない。
【００３４】
前記した第１軸受１２０が貫通孔を有していたのに対し、第１軸受２２０は、そのＹ方向正側の表面からＹ方向負側に向けて掘り下げされた止まり穴を有する。この止まり穴は、第１軸受２２０のＹ方向中心辺りまでは同一径で進行し、その先がすり鉢状に窄まっている。このすり鉢状に窄まった部分の表面が、テーパ当接面２２１である。テーパ当接面２２１には、後記する揺動軸部２１０のテーパ部分２１２が当接保持される。第１軸受２２０は、例えば樹脂によって構成される。なお、テーパ当接面２２１には、硬質クロム／クロムモリブデンめっきやフッ素樹脂コーティングなどの処理が施されてもよい。
【００３５】
図２（Ｂ）及び図３に示されるように、第２軸受２３０は、ベース台２５０の板状部分２５２とは別体に構成される。第２軸受２３０は、ラジアル接触面２３１と、第１係合部分としてのスラスト接触面２３２と、第２係合部分としてのベース台係合部分２３３とを有する。第２軸受２３０は、Ｙ方向に貫通する貫通孔を有する、円筒状の構成である。この貫通孔の内径は、揺動軸部２１０を支持可能なように、揺動軸部２１０の外径よりも大きい。そして、この貫通孔の内壁には、揺動軸部２１０の外周面に接触するラジアル接触面２３１が設けられる。第２軸受２３０のＹ方向正側の面には、後記する揺動軸部２１０の段差部分２１３に接触する、スラスト接触面２３２が設けられる。また、第２軸受２３０の外径は、板状部分２５２の貫通孔２５４の内径よりも大きい。そして、第２軸受２３０のＹ方向負側の端部には、その外径が貫通孔２５４の内径よりも小さいベース台係合部分２３３が設けられる。このベース台係合部分２３３が貫通孔２５４に係合することで、第２軸受２３０は、ベース台２５０の板状部分２５２と揺動軸部２１０の段差部分２１３との間に保持される。そして、板状部分２５２のバネ性を利用して、第２軸受２３０は、Ｙ方向正側に付勢される。Ｙ方向正側に付勢された第２軸受２３０は、スラスト接触面２３２によって、段差部分２１３をＹ方向正側に付勢する。その結果、揺動軸部２１０は、第１軸受２２０に対して第１揺動軸線Ｌ１に沿う方向に付勢される。なお、第２軸受２３０は、例えば樹脂によって構成される。また、ラジアル接触面２３１と、スラスト接触面２３２と、ベース台係合部分２３３とには、耐摩耗性と低摩擦性を得るために、硬質クロム／クロムモリブデンめっきやフッ素樹脂コーティングなどの処理が施されてもよい。
【００３６】
揺動軸部２１０は、揺動体２１１と、テーパ部分２１２と、段差部分２１３とを有する。揺動軸部２１０は、Ｙ方向に平行に伸びる円柱状の部材である。揺動軸部２１０の中心軸は、第１揺動軸線Ｌ１に一致する。揺動軸部２１０は、例えばステンレスなどの金属材料によって構成される。揺動軸部２１０の中心部分には、揺動軸部１１０の場合と同様に、揺動体２１１が設けられる。揺動体２１１の表面には、鏡面研磨されることで、反射面２１１ａが形成される。なお、鏡面加工された別部材が貼り付けられることで、反射面２１１ａが形成されてもよい。また、第１揺動軸線Ｌ１は、反射面２１１ａ上に存在する。揺動軸部のＹ方向負側の端部には、Ｙ方向に沿って径が小さくなる形状の（即ち、テーパ状の）テーパ部分２１２が形成される。このテーパ部分２１２の表面は、第１軸受２２０のテーパ当接面２２１に当接保持される。揺動軸部２１０には、第１揺動軸線Ｌ１から揺動軸部２１０の外周面までの距離が、Ｙ方向において変化する段差部分２１３が設けられる。段差部分２１３のＹ方向負側の面は、第２軸受２３０のスラスト接触面２３２に接触する。この接触により、揺動軸部２１０のＹ方向における位置決めがなされる。また、段差部分２１３は、第２軸受２３０を介して、板状部分２５２によってＹ方向正側に付勢される。そのため、テーパ部分２１２は、テーパ当接面２２１に対して押し付けられる。その結果、揺動軸部２１０のがたつきが防止されるとともに、揺動動軸部１２０の軸心の調整も容易となる。また、揺動軸部２１０にはテーパ部分２１２が設けられるため、揺動軸部１１０が利用される光スキャナ１００と比較して、光スキャナ２００のＹ方向におけるサイズを小さくすることが可能になる。
【００３７】
電磁駆動部２４０は、コイル２４１と、磁界発生部としての永久磁石２４２とを有する。永久磁石２４２は、Ｘ方向に着磁された状態で、コイル２４１に対向するように、ベース台１５０に設けられる。コイル２４１は、配線パターンが永久磁石２４２によって生じる磁界の向きに沿うようにして、揺動軸部２１０の揺動体２１１の反対側に取り付けられる。コイル２４１は、合成樹脂等の非磁性体で構成された平板状の支持部材に対して、薄膜状の平面コイルを貼り付けることで構成される。薄膜状の平面コイルは、例えば、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電パターンを導体箔によって形成したフレキシブルプリント基板（ＦＰＣ）である。なお、コイル２４１は、支持部材にＦＰＣを貼り付ける構成でなく、支持部材に導電パターンが直接形成される様態であってもよい。また、コイル２４１は、巻き線コイル等のコイルによって構成されてもよい。なお、永久磁石２４２の代わりに、磁界発生部として電磁石が用いられても差し支えない。
【００３８】
［網膜走査ディスプレイ１の構成］
前記した光スキャナ２００は、画像を形成するために光を走査する構成として、網膜走査ディスプレイ１に用いることが可能である。図４は、網膜走査ディスプレイ１の全体構成について説明する図である。網膜走査ディスプレイ１は、観察者の瞳孔５２に入射した光束を用いて網膜５４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。
【００３９】
網膜走査ディスプレイ１は、制御ユニット１ａと、頭部表示ユニット１ｂとで構成される。制御ユニット１ａと頭部表示ユニット１ｂとは、別体に構成される。制御ユニット１ａは、例えば使用者の腰などに取り付けられる。頭部表示ユニット１ｂは、制御ユニット１ａと電気的及び光学的な信号を伝達可能な信号線によって接続される。頭部表示ユニット１ｂは、例えば米国特許出願公開２０１０／００７３２６２号公報などに開示されているように、眼鏡型の装着具などを用いて使用者の頭部に装着される。勿論、制御ユニット１ａと、頭部表示ユニット１ｂとが一体に構成されても差し支えない。
【００４０】
制御ユニット１ａは、映像信号処理回路３、光源部３０及び光合波部４０を備える。映像信号処理回路３は、外部から供給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。
【００４１】
光源部３０は、Ｂレーザドライバ３１、Ｇレーザドライバ３２、Ｒレーザドライバ３３、Ｂレーザ３４、Ｇレーザ３５及びＲレーザ３６を備える。Ｂレーザドライバ３１は、映像信号処理回路３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３４を駆動する。Ｇレーザドライバ３２は、映像信号処理回路３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３５を駆動する。Ｒレーザドライバ３３は、映像信号処理回路３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３６を駆動する。Ｂレーザ３４，Ｇレーザ３５及びＲレーザ３６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。
【００４２】
光合波部４０は、コリメート光学系４１，４２，４３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４４，４５，４６と、合波されたレーザ光を集光する集光光学系４７とを備える。Ｂレーザ３４から出射した青色レーザ光は、コリメート光学系４１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４４に入射する。Ｇレーザ３５から出射した緑色レーザ光は、コリメート光学系４２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４５に入射する。Ｒレーザ３６から出射した赤色レーザ光は、コリメート光学系４３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４６に入射する。ダイクロイックミラー４４，４５，４６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４７に達する。合波されたレーザ光は、集光光学系４７によって集光され、光ファイバ等を介して頭部表示ユニット１ｂに導かれる。
【００４３】
頭部表示ユニット１ｂは、コリメート光学系２０、水平走査ドライバ２３、水平走査スキャナ１０、リレー光学系２４、垂直走査ドライバ２６、光スキャナ２００及び接眼光学系２７を備える。
【００４４】
コリメート光学系２０は、光ファイバ等を介して制御ユニット１ａから導かれたレーザ光を平行光に変換する。平行光に変換されたレーザ光は、水平走査スキャナ１０に入射する。
【００４５】
水平走査スキャナ１０は、コリメート光学系２０からのレーザ光を水平方向（例えば、観察者の眼に対して左右方向）に走査する。具体的には、水平走査ドライバ２３は、映像信号処理回路３からの水平同期信号に従って、水平走査スキャナ１０の揺動状態を制御する。水平走査されたレーザ光は、リレー光学系２４に入射する。水平走査スキャナ１０としては、例えば、圧電素子によって駆動される光スキャナであって、光スキャナの外形を構成する構造体の共振現象を利用した共振型の光スキャナが利用可能である（例えば、特開２００６−２９３１１６号公報を参照）。
【００４６】
リレー光学系２４は、正の屈折力を持つレンズ系２４ａ、２４ｂを有する。レンズ系２４ａは、水平走査スキャナ１０からレンズ系２４ａの焦点距離を離れた位置に配置される。従って、水平走査されたレーザ光は、レンズ系２４ａによって互いの光軸が平行になるように屈折される。また、水平走査されたレーザ光は、コリメート光学系２０によって平行光化されているので、集束光として変換される。図４では、レーザ光の光軸が点線で示され、リレー光学系２４及び接眼光学系２７の中心（＝光軸）を通過するレーザ光の光線が実線で示される。レンズ系２４ｂは、レンズ系２４ａから、レンズ系２４ａの焦点距離とレンズ系２４ｂの焦点距離との合計の距離を離れた位置に配置される。従って、レンズ系２４ａを通過したレーザ光は、レンズ系２４ｂによって互いの光軸が光スキャナ２００の反射面２１１ａに集束するように屈折される。また、レンズ系２４ａを通過した際に集束光として変換されたレーザ光は、レンズ系２４ｂによって再度平行光化される。即ち、リレー光学系２４は、水平走査スキャナ１０において形成された光学瞳（＝レーザ光の入射点）を、光スキャナ２００の反射面２１１ａ上に転送する機能を果たす。
【００４７】
光スキャナ２００は、リレー光学系２４からのレーザ光を垂直方向（例えば、観察者の眼に対して上下方向）に走査する。垂直走査ドライバ２６は、映像信号処理回路３からの垂直同期信号に従って、光スキャナ２００の揺動状態を制御する。ここで、レーザ光は、水平走査スキャナ１０によって水平方向に走査されているので、光スキャナ２００によって二次元的に走査された画像光となる。二次元走査された画像光は、接眼光学系２７に入射する。
【００４８】
接眼光学系２７は、正の屈折力を持つレンズ系２７ａ、２７ｂを有する。接眼光学系２７は、リレー光学系２４と同様に、光スキャナ２００において形成された光学瞳を、観察者の眼の瞳孔５２に転送する機能を果たす。接眼光学系２７を出射した画像光は、観察者の眼の瞳孔５２を通過し、網膜５４に結像する。従って、観察者は、画像を視認する。
【００４９】
＜第２の実施形態＞
第１の実施形態における光スキャナ２００では、揺動体２１１は揺動軸部２１０の一部分であった。そして、揺動体２１１の表面には、反射面２１１ａが設けられた。即ち、光スキャナ２００は、揺動軸線Ｌ１を中心として揺動軸部２１０が回転することで、入射した光をＸ方向に走査する１次元光スキャナである。しかし、本発明はこれに限定されない。本発明は、揺動体を別の構成とすることで、２次元光スキャナとしての側面を有することも可能である。以下、図５を用いて、２次元光スキャナである光スキャナ３００の説明を行う。なお、光スキャナ３００において、前記した光スキャナ２００と同一の構成に関しては、同一の図番を採用することで説明が省略される。
【００５０】
［光スキャナ３００の構成］
光スキャナ３００は、揺動軸部３１０の構成において、前記した光スキャナ２００と相違する。揺動軸部３１０は、揺動軸部２１０と同様に、Ｙ方向に平行に伸びる円柱状の部材である。揺動軸部３１０は、揺動体３１１と、テーパ部分３１２と、段差部分３１３とを有する。テーパ部分３１２及び段差部分３１３は、光スキャナ２００におけるテーパ部分２１２及び段差部分２１３と同様の構成である。一方、光スキャナ２００の揺動体２１１とは異なり、光スキャナ３００の揺動体３１１は、揺動軸部３１０とは別体に構成された、平板状の金属部材である。揺動体３１１には、後記する圧電駆動部３１１ｄが設けられる。この圧電駆動部３１１ｄが構造体３１１の共振周波数にて周期的に伸縮することで、構造体３１１に板波振動が励起される。この板波振動が構造体３１１を伝達することで、構造体３１１に含まれる反射面３１１ａは、第２揺動軸線Ｌ２を中心として揺動する。
【００５１】
揺動体３１１は、ミラー部３１１ａと、捩れ梁部３１１ｂ１，３１１ｂ２と、本体部３１１ｃと、圧電駆動部３１１ｄとを有する。揺動体３１１は、第１揺動軸線Ｌ１に対して、線対称に形成される。揺動体３１１は、エッチング加工やプレス加工等の除去加工を用いて、厚さ数十から数百μｍのステンレスやチタンなどの金属板に対して、上記の各構成を形成することで製造される。但し、揺動体３１１は、シリコンウエハなどの非金属材料によって形成されても差し支えない。この場合、非金属材料の表面には金属薄膜などの導電層が設けられるとよい。
【００５２】
ミラー部３１１ａは、Ｘ方向に平行な第２揺動軸線Ｌ２を中心として、所定の共振周波数で揺動する。ミラー部３１１ａは、Ｚ方向から見て略円形に構成される。但し、ミラー部３１１ａは、四角形や多角形など、他の形状であっても差し支えない。ミラー部３１１ａのＺ方向正側の面には、入射した光を反射するように、反射面３１１ａ１が設けられる。反射面３１１ａ１は、ミラー部３１１ａのＺ方向正側の面を鏡面研磨することで形成される。但し、鏡面研磨に変えて、アルミニウムや銀などの可視光に対して高い反射率を有する金属薄膜が、蒸着やスパッタリング等によって、反射面３１１ａのＺ方向正側の面に設けられることで、反射面３１１ａ１が形成されてもよい。
【００５３】
捩れ梁部３１１ｂ１，３１１ｂ２は、ミラー部３１１ａの両側に連結され、第２揺動軸線Ｌ２に平行に延出する。具体的には、捩れ梁部３１１ｂ１は、ミラー部３１１ａから第２揺動軸線Ｌ２に平行にＸ方向正側に延出し、捩れ梁部３１１ｂ２は、ミラー部３１１ａから第２揺動軸線Ｌ２に平行にＸ方向負側に延出する。
【００５４】
本体部３１１ｃは、耳部分３１１ｃ１，３１１ｃ２と、被取付部３１１ｃ３とを有する。耳部分３１１ｃ１には、捩れ梁部３１１ｂ１のＸ方向正側の端部が接続される。耳部分３１１ｃ２には、捩れ梁部３１１ｂ２のＸ方向負側の端部が接続される。耳部分３１１ｃ１は、本体部３１１ｃのＹ方向負側の辺において、本体部３１１ｃのＸ方向正側の端部に連結される。耳部分３１１ｃ２は、本体部３１１ｃのＹ方向負側の辺において、本体部３１１ｃのＸ方向負側の端部に連結される。本体部３１１ｃは、耳部分３１１ｃ１，３１１ｃ２と捩れ梁部３１１ｂ１，３１１ｂ２ｂとの接続位置から、ミラー部３１１ａから離間する方向、即ちＹ方向正側に延出する。本体部３１１ｃのＹ方向正側の端部には、被取付部３１１ｃ３が設けられる。
【００５５】
被取付部３１１ｃ３は、本体部３１１ｃに圧電駆動部３１１ｄが設けられた状態で、揺動軸部３１０に対して固定される。この固定では、第２揺動軸線Ｌ２が第１揺動軸線Ｌ１に対して直交するように、換言すれば、第２揺動軸線Ｌ２がＸ方向に平行になるようにして、被取付部３１１ｃ３と揺動軸部３１０とが固定される。また、被取付部３１１ｃ３と揺動軸部３１０との固定位置は、第１軸受２２０に隣接する。揺動軸部３１０のテーパ部分３１２がテーパ当接面２２１に対して押しつけられるので、第１軸受２２０の周囲における揺動軸部３１０の振動は、第２軸受２３０の周囲における揺動軸部３１０の振動よりも小さい。そのため、被取付部３１１ｃ３がミラー部３１１ａよりも第１軸受２２０の近くに位置することで、揺動軸部３１０から揺動体３１１に対して伝わる振動の量を小さくできる。その結果、第２揺動軸線Ｌ２を中心とした揺動が安定する。ここで、本体部３１１ｃが揺動軸部３１０に対して固定された状態で、第１揺動軸線Ｌ１は、反射面３１１ａ上に存在する。そのため、揺動体３１１のＺ方向負側に位置する揺動軸部３１０の部分は、揺動体３１１が振動できる空間を確保するために、第１揺動軸線Ｌ１よりもＺ方向負側に向かって所定量削除される。
【００５６】
圧電駆動部３１１ｄは、本体部３１１ｃの中心位置において、本体部３１１ｃのＺ方向正側の面に設けられる。圧電駆動部３１１ｄは、例えば、厚さ３０μｍ〜１００μｍの平板状に成形されたチタン酸ジルコン酸鉛などの圧電材料の両面に対して、電極層として金や白金等を０．２μｍ〜０．６μｍ積層することで形成される。圧電駆動部３１１ｄと本体部３１１ｃとは、導電性接着剤で接着される。この導電性接着剤は、例えば、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。先ず、本体部３１１ｃに塗布された導電性接着剤の上に、圧電駆動部３１１ｄが載置される。その状態で、導電性接着剤が熱硬化されることにより、圧電駆動部３１１ｄと本体部３１１ｃとが接着される。揺動体３１１は金属板で形成されるので、揺動体３１１と圧電駆動部３１１ｄのＺ方向正側の電極層との間に揺動体３１１の共振周波数に相当する交流電圧が印加されることで、本体部３１１ｃに板波が励起される。この板波が、本体部３１１ｃ及び捩れ梁部３１１ｂ１，３１１ｂ２を介してミラー部３１１ａに伝達されることで、ミラー部３１１ａは、所定の共振周波数において揺動する。
【００５７】
［網膜走査ディスプレイ２の構成］
前記した光スキャナ３００は、画像を形成するために光を走査する構成として、網膜走査ディスプレイ２に用いることが可能である。第１の実施形態における網膜走査ディスプレイ１では、光を水平方向に走査する水平走査スキャナ１０と、光を垂直方向に走査する光スキャナ２００とは、別体の構成である。しかし、光スキャナ３００は２次元走査が可能であるため、網膜走査ディスプレイ２では、光スキャナ３００のみによって、水平方向の走査と垂直方向の走査とが達成される。以下、図６を用いて、網膜走査ディスプレイ２の構成を説明する。
【００５８】
網膜走査ディスプレイ２は、制御ユニット２ａと、頭部表示ユニット２ｂとで構成される。制御ユニット２ａの構成は、網膜走査ディスプレイ２における制御ユニット１ａのものと同一である。そのため、頭部表示ユニット２ｂに対する説明のみを行う。頭部表示ユニット２ｂも、頭部表示ユニット１ｂと同様に、眼鏡型の装着具などを用いて使用者の頭部に装着される。
【００５９】
頭部表示ユニット２ｂは、コリメート光学系２０、水平走査ドライバ２３、垂直走査ドライバ２６、光スキャナ３００及び接眼光学系２７を備える。なお、第１の実施形態における頭部表示ユニット１ｂに含まれる構成と同様の構成に関しては、同一の図番が付与される。コリメート光学系２０は、制御ユニット２ａから導かれたレーザ光を平行光化し、光スキャナ３００の反射面３１１ａ１に入射する。光スキャナ３００は、水平走査ドライバ２３及び垂直走査ドライバ２６によってその揺動状態を制御され、入射したレーザ光を二次元走査された画像光に変換する。具体的には、水平走査ドライバ２３は、揺動体３１１の本体部３１１ｃと圧電駆動部３１１ｄとに電気的に接続される。水平走査ドライバ２３は、映像信号処理回路３からの水平同期信号に基づいて生成された駆動電流を圧電駆動部３１１ｄに対して供給することで、ミラー部３１１ａを水平方向に揺動させる。垂直走査ドライバ２６は、コイル２４１に電気的に接続される。垂直走査ドライバ２６は、映像信号処理回路３からの垂直同期信号に基づいて生成された駆動電流をコイル２４１に供給することで、揺動軸部３１０の垂直方向に揺動させる。二次元走査された画像光は、接眼光学系２７によって、観察者の眼の瞳孔５２を通過し、網膜５４に結像する。
【００６０】
＜変形例＞
本発明は、今までに述べた実施形態に限定されることは無く、その趣旨を逸脱しない範囲において種々の変形・変更が可能である。以下にその一例を述べる。
【００６１】
前記した実施形態において、段差部分２１３は、第２軸受２３０を介して、板状部分２５２によってＹ方向正側に付勢される。しかし、テーパ部分２１２をテーパ当接面２２１に対して押し付けるための構成は、他の手段によって達成されても良い。例えば、ベース台２５０において、板状部分２５２のＹ方向負側の面に板ばねが設けられる。そして、この板ばねが、第２軸受２３０に接触することで、揺動軸部２１０に対してＹ方向正側に付勢力を及ぼしてもよい。
【００６２】
前記した実施形態において、光スキャナ２００は、コイル２４１が揺動軸部２１０に設けられ、永久磁石２４２がベース台２５０に設けられる、所謂ムービングコイル型の光スキャナである。しかし、永久磁石２４２が揺動軸部２１０に設けられ、コイル２４１がベース台２５０に設けられる、所謂ムービングマグネット型の光スキャナとして、光スキャナ２００が構成されてもよい。勿論、光スキャナ３００に関しても同様である。
【００６３】
前記した実施形態において、網膜走査ディスプレイ２では、レーザ光は水平方向に走査された後に、垂直方向に走査される。しかし、例えば水平スキャナ１０と光スキャナ２００とを入れ替えることによって、レーザ光が垂直方向に走査された後に、水平方向に走査されてもよい。あるいは、水平方向が観察者の眼に対して上下方向に定義され、垂直方向が観察者の眼に対して左右方向に定義されても良い。
【００６４】
前記した実施形態において、光スキャナ３００は、網膜走査ディスプレイ２に用いられる。しかし、光スキャナ３００は、他のいかなる用途に用いられても良い。一例として、光スキャナ３００が、図７に示されるように、走査されたレーザ光を被投影面上に結像するレーザプロジェクタ４に用いられても良い。レーザプロジェクタ４は、光スキャナ３００よりも後段の光学系において、網膜走査ディスプレイ２と相違する。そのため、レーザプロジェクタ４における網膜走査ディスプレイ２と共通する構成に関する説明は、同一の図番を採用することによって省略される。結像光学系２８は、正の屈折力を持つレンズ系である。結像光学系２８は、光スキャナ３００からの平行光化されたレーザ光を集束することで、スクリーンなどの被投影面上に結像する。なお、任意の距離にある被投影面に対して結像を行うために、結像光学系２８は、所定のフォーカス調整機能を備えるのが望ましい。あるいは、レーザ光のビーム径が十分に小さければ、結像光学系２８は無くても構わない、その場合、光スキャナ３００からの平行光化されたレーザ光が、被投影面上に直接画像を描くこととなる。この場合、導光部はレーザ光に対して光学的作用を及ぼさない。勿論、網膜走査ディスプレイ１の構成が、レーザプロジェクタとして利用されてもよい。
【符号の説明】
【００６５】
１，２ 網膜走査ディスプレイ
１ａ 制御ユニット
１ｂ 頭部表示ユニット
３ 映像信号処理回路
４ レーザプロジェクタ
１００，２００，３００ 光スキャナ
２０，４１，４２，４３ コリメート光学系
２３ 水平走査ドライバ
２４ リレー光学系
２４ａ，２４ｂ，２７ａ，２７ｂ レンズ系
２５ 垂直走査スキャナ
２６ 垂直走査ドライバ
２７ 接眼光学系
２８ 結像光学系
３０ 光源部
３１ Ｂレーザドライバ
３２ Ｇレーザドライバ
３３ Ｂレーザドライバ
３４ Ｂレーザ
３５ Ｇレーザ
３６ Ｒレーザ
４０ 光合波部
４４，４５，４６ ダイクロイックミラー
４７ 集光光学系
５２ 観察者の瞳孔
５４ 観察者の網膜
１１０，２１０，３１０ 揺動軸部
１１１，２１１，３１１ 揺動体
１１１ａ，２１１ａ，３１１ａ１ 反射面
１１２，１１３，２１３，３１３ 段差部分
１２０，２２０ 第１軸受
１２１，１３１，２３１ ラジアル接触面
１２２，１３２，２３２ スラスト接触面
２３３ ベース台係合部分
１３０，２３０ 第２軸受
１４０ 電磁駆動部
１４１，２４１ コイル
１４２，１４３，２４２ 永久磁石
１５０，２５０ ベース台
１５１，２５１ 主部分
１５２，２５２ 板状部分
１５３，１５４，２５３，２５４ 貫通孔
２１２，３１２ テーパ部分
２２１ テーパ当接面
３１１ａ ミラー部
３１１ｂ１，３１１ｂ２ 捩れ梁部
３１１ｃ 本体部
３１１ｃ１，３１１ｃ２ 耳部分
３１１ｃ３ 被取付部
３１１ｄ 圧電駆動部
【技術分野】
【０００１】
本発明は、入射した光を所定方向に走査する光スキャナと、その光スキャナを利用した画像投影装置とに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、小型の光スキャナとして、ＭＥＭＳミラーが使用されている。例えば、特許文献１には、反射ミラー部を支持するミラー支持部と、枠体とが別体に設けられた光スキャナが提案されている。枠体には、ベアリングが設けられる。そして、ミラー支持部は、このベアリングによって軸支される。特許文献１に記載の光スキャナによれば、枠体とミラー支持部とが別体に設けられるので、反射ミラー部が揺動する際に、ミラー支持部の捩れに起因する復元力が働かない。その結果、ミラー支持部の共振周波数に基づく共振振動を十分に抑制させることができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００９−２４４７９８号公報（図２、図６など）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
前記した特許文献１では、ミラー支持部は、ラジアル軸受によって両持ち支持される。しかし、ラジアル軸受だけによってミラー支持部が支持されると、ミラー支持部はその長手方向に微少量摺動可能となる。以降、ミラー支持部の長手方向における微少量の摺動を、「がたつき」と呼称する。ミラー支持部ががたつくと、反射ミラー部もがたつく。これにより、反射ミラー部に入射する光の位置が変化する。その結果、例えば反射ミラー部の表面形状が場所によって異なる場合、反射光の波面形状が変化するという問題が生じる。さらには、ミラー部のがたつきの大きさによっては、入射光が反射ミラー部からはみ出る可能性もある。即ち、ラジアル軸受だけによってミラー支持部が支持されると、反射光の光学特性を劣化させる可能性がある。
【０００５】
ミラー支持部のがたつきを防止するためには、ラジアル軸受と、スラスト軸受との併用が考えられる。本発明者は、この観点に基づいて、図１に示されるように、参考例としての光スキャナ１００を作成した。
【０００６】
光スキャナ１００は、ミラー支持部しての揺動軸部１１０と、第１軸受１２０と、第２軸受１３０と、電磁駆動部１４０と、枠体としてのベース台１５０とを備える。光スキャナ１００では、第１軸受１２０及び第２軸受１３０によって、揺動軸部１１０が台座１５０に対して揺動可能となる。光スキャナ１００は、その揺動軸部１１０が電磁駆動部１４０によって揺動される、いわゆるムービングコイル型の電磁スキャナである。
【０００７】
ベース台１５０は、図１（Ｂ）に示されるように、Ｘ方向から見た形状がＵ字状の構造である。ベース台１５０は、アルミニウムやステンレスなどの金属によって構成されてよい。ベース台１５０は、Ｘ方向から見た形状がＬ字状の主部分１５１と、その主部分１５１のＹ方向負側にネジ等で固定される板状部分１５２とを有する。主部分１５１には、Ｙ方向に沿って貫通する貫通孔１５３が設けられる。板状部分１５２には、Ｙ方向に沿って貫通する貫通孔１５４が設けられる。貫通孔１５３及び貫通孔１５４は、Ｘ方向及びＺ方向の位置において、同一位置に存在する。
【０００８】
第１軸受１２０及び第２軸受１３０は、同一の構造である。そのため、第１軸受１２０の説明を行うことで、第２軸受１３０の説明は省略される。第１軸受１２０は、Ｙ方向に平行な貫通孔を有する。この貫通孔の内壁には、揺動軸部１１０の外周面に接触するラジアル接触面１２１が設けられる。また、第１軸受１２０のＹ方向負側の面には、後記する揺動軸部１１０の段差部分１１２に接触するスラスト接触面１２２が設けられる。第１軸受１２０及び第２軸受１３０は、例えば樹脂によって構成される。なお、ラジアル接触面１２１及びスラスト接触面１２２には、耐摩耗性と低摩擦性を得るために、硬質クロム／クロムモリブデンめっきやフッ素樹脂コーティングなどの処理が施されてもよい。第１軸受１２０は貫通孔１５３に、第２軸受１３０は貫通孔１５４に、それぞれ嵌挿される。
【０００９】
揺動軸部１１０は、揺動体１１１と、段差部分１１２，１１３とを有する。揺動軸部１１０は、Ｙ方向に平行に伸びる円柱状の部材である。揺動軸部１１０の中心軸は、第１揺動軸線Ｌ１に一致する。揺動軸部１１０は、例えばステンレスなどの金属材料によって構成される。揺動軸部１１０の中心部分には、Ｚ方向正側からＺ方向負側へ向かって揺動軸部１１０が所定量削除されることで、揺動体１１１が設けられる。揺動体１１１の表面には、鏡面研磨されることで、反射面１１１ａが形成される。なお、第１揺動軸線Ｌ１は、反射面１１１ａ上に存在する。揺動軸部１１０には、第１揺動軸線Ｌ１から揺動軸部１１０の外周面までの距離が、Ｙ方向において変化する段差部分１１２、１１３が設けられる。段差部分１１２のＹ方向正側の面は、第１軸受１２０のスラスト接触面１２２に接触する。段差部分１１３のＹ方向負側の面は、第２軸受１３０のスラスト接触面１３２に接触する。すなわち、第１軸受１２０及び第２軸受１３０は、揺動軸部１１０の両端において、ラジアル軸受とスラスト軸受との両方の機能を果たす。
【００１０】
電磁駆動部１４０は、コイル１４１と、永久磁石１４２，１４３とを有する。永久磁石１４２，１４３は、主部分１５１と板状部分１５２との間において、ベース台１５０に設けられる。永久磁石１４２，１４３は、どちらもＸ方向に着磁されている。永久磁石１４２，１４３は、異極が互いに対向するように、Ｘ方向に離間した状態で配置される。コイル１４１は、配線パターンが永久磁石１４２，１４３によって生じる磁界の向きに沿うようにして、揺動軸部１１０の揺動体１１１の反対側に取り付けられる。コイル１４１には、図１に非図示の配線を介して、外部から電流が供給される。コイル１４１を流れる電流と永久磁石１４２，１４３が発生する磁界との相互作用により、揺動体１１１及び揺動軸部１１０は、第１揺動軸線Ｌ１回りに揺動する。
【００１１】
図１に示される光スキャナ１００では、第１軸受１２０及び第２軸受１３０が、ラジアル軸受とスラスト軸受との両方の機能を果たす。そのため、揺動軸部１１０の第１揺動軸線Ｌ１方向への摺動が防止される。しかし、第１軸受１２０及び第２軸受１３０のように、ラジアル軸受とスラスト軸受との両方の機能を果たす軸受は、ラジアル軸受による支持領域を大きく取る必要があるので、第１揺動軸線Ｌ１方向のサイズが大きくなるという問題がある。そのため、揺動軸部１１０の両端がラジアル軸受とスラスト軸受との両方で支持されるような光スキャナ１００の構成では、光スキャナの大型化を招くという課題がある。
【００１２】
本発明は、枠体とミラー支持部とが別体に設けられる光スキャナにおいて、大型化を招くことなく揺動軸部のがたつきを防止可能な光スキャナと、その光スキャナを利用した画像投影装置とを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
上記課題を解決するために、本発明の一側面は、第１揺動軸線を中心として揺動し、前記第１揺動軸線に平行に延びる揺動軸部と、前記揺動軸部に設けられ、入射される光を反射する反射面を有する揺動体と、前記揺動軸部を支持するベース台と、前記ベース台に設けられ、前記揺動軸部の一端を支持する第１軸受と、前記ベース台に設けられ、前記揺動軸部の他端を支持する第２軸受と、前記揺動軸部を揺動させる駆動部とを備え、前記揺動軸部は、テーパ状に形成されたテーパ部分を、前記一端に有し、前記第１軸受は、前記テーパ部分に係合するスラスト軸受であり、前記第２軸受は、前記揺動軸部の外周面と接触するラジアル軸受である、ことを特徴とする光スキャナである。
【００１４】
これによれば、テーパ部分を有する揺動軸部の一端は、スラスト軸受である第１軸受によって支持される。そして、揺動軸部の他端は、ラジアル軸受である第２軸受によって支持される。そのため、第１軸受及び第２軸受は、ラジアル軸受とスラスト軸受との両方の機能を有する必要がない。従って、光スキャナ全体が大型化することはない。また、第１軸受はスラスト軸受、第２軸受はラジアル軸受であるので、揺動軸部のがたつきを防止することも可能となっている。さらに、第１軸受は、揺動軸部のテーパ部分に係合するようになっているので、軸心の調整も容易になる。
【００１５】
この光スキャナは、他の構成をさらに含むこともできる。即ち、前記揺動軸部を、前記第１軸受に対して前記第１揺動軸線に沿う方向に付勢する付勢部をさらに有してもよい。
【００１６】
これによれば、揺動軸部は、付勢部によって第１軸受に対して第１揺動軸線に沿う方向に付勢される。従って、揺動軸部のがたつきがさらに防止される。
【００１７】
また、前記付勢部は、前記揺動軸部に設けられ、前記揺動軸部の中心軸から前記揺動軸部の外周面までの距離が、前記第１揺動軸線方向において変化する段差部分と、前記第２軸受に設けられ、前記揺動軸線に沿う方向において前記段差部分に係合する第１係合部分とを有してもよい。
【００１８】
これによれば、付勢部は、揺動軸部に設けられた段差部分と、第２軸受に設けられた係合部分とを有する。段差部分が第２軸受の係合部分に接触するため、第１揺動軸線に平行な方向における、揺動軸部の位置決めが可能となる。
【００１９】
また、前記第２軸受は、前記ベース台とは別体に構成され、前記ベース台と係合する第２係合部分を有し、前記ベース台によって前記第２係合部分が付勢されることで、前記第１係合部分及び前記段差部分を介して、前記揺動軸部を前記第１軸受に対して前記第１揺動軸線に沿う方向に付勢してもよい。
【００２０】
これによれば、第２軸受は、ベース台とは別体に構成される。第２軸受の周囲で揺動軸部がベース台に直接接触しないので、揺動軸部が揺動する際の抵抗を軽減することができる。また、第２係合部分がベース台に係合することで、ベース台によって揺動軸部を付勢することができる。そのため、揺動軸部を付勢するための特別な構成が不要となる。
【００２１】
また、前記駆動部は、前記ベース台に設けられた磁界発生部と、前記磁界発生部が発生する磁界の向きに沿って設けられ、前記揺動軸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との相互作用により、前記揺動体及び前記揺動軸部を前記第１揺動軸線回りに揺動させてもよい。
【００２２】
これによれば、揺動軸部の捩れに起因する復元力が働かないので、共振周波数に基づく共振振動を十分に抑制させた電磁式の光スキャナが得られる。
【００２３】
また、前記揺動体は、前記反射面を含み、前記第１揺動軸線の方向に直交する第２揺動軸線を中心として揺動するミラー部と、前記ミラー部の両側に連結され、前記第２揺動軸線に平行に延出する一対の捩れ梁部と、前記一対の捩れ梁部の前記ミラー部と反対側の端にその一端が連結され、前記ミラー部から離間する方向に延出する本体部と、前記本体部の他端側に接続され、前記揺動軸部に対して取り付けられる被取付部と、が金属で一体に構成された平板状の構造体と、前記本体部に設けられ、前記本体部に板波を励起することで、前記本体部及び前記一対の捩れ梁部を介して前記ミラー部を揺動させる圧電駆動部と、を有してもよい。
【００２４】
これによれば、揺動体は、構造体と圧電駆動部とを有し、第２揺動軸線を中心として揺動する、共振型の光スキャナであるといえる。即ち、揺動体によって第２揺動軸線を中心とした揺動方向に高速走査され、揺動軸部によって第１揺動軸線を中心とした揺動方向に低速走査される２次元光スキャナが得られる。
【００２５】
また、前記被取付部は、前記ミラー部よりも前記第１軸受の近くに位置するように、前記揺動軸部に対して取り付けられてもよい。
【００２６】
これによれば、被取付部がミラー部よりも第１軸受の近くに位置する状態で、揺動体は、被取付部において片持支持される。第１軸受はスラスト軸受であるので、揺動体及び揺動軸部が第１揺動軸線を中心として揺動される際に、揺動軸部の振動が第２軸受の周囲よりも小さくなる。従って、揺動体に伝わる振動が小さくなるので、第２揺動軸線を中心とした揺動方向の走査のブレが小さくなる。即ち、安定した走査が可能となる。
【００２７】
また、本発明の他の側面は、光を走査して画像を形成するための、前記した光スキャナと、前記光スキャナに光を供給するための光源と、前記光スキャナによって走査された光を被投影面に導く導光部とを備える、ことを特徴する画像投影装置である。
【００２８】
これによれば、大型化を招くことなく揺動軸部のがたつきを防止可能な光スキャナを用いた画像投影装置が提供される。そのため、画像投影装置の小型化が可能になる。
【発明の効果】
【００２９】
本発明によれば、大型化を招くことなく揺動軸部のがたつきを防止可能な光スキャナ
と、その光スキャナを利用した画像投影装置とが提供される。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】光スキャナ１００の説明図。（（Ａ）：光スキャナ１００の斜視からの図、（Ｂ）：光スキャナ１００のＡ−Ａ断面の図、（Ｃ）：光スキャナ１００の平面の図）
【図２】本発明の第１実施形態に係る、光スキャナ２００の説明図。（（Ａ）：光スキャナ２００の斜視からの図、（Ｂ）：光スキャナ２００のＡ−Ａ断面の図、（Ｃ）：光スキャナ２００の平面の図）
【図３】光スキャナ２００における、第２軸受２３０の周囲を拡大した断面の図。
【図４】本発明の第１実施形態に係る、網膜走査ディスプレイ１の構成を説明する図。
【図５】本発明の第２実施形態に係る、光スキャナ３００の説明図。（（Ａ）：光スキャナ３００の斜視からの図、（Ｂ）：光スキャナ３００のＡ−Ａ断面の図、（Ｃ）：光スキャナ３００の平面の図）
【図６】本発明の第２実施形態に係る、網膜走査ディスプレイ２の構成を説明する図。
【図７】本発明の他の実施形態に係る、レーザプロジェクタ４の構成を説明する図。
【発明を実施するための形態】
【００３１】
本発明の一側面を反映した実施形態について、図面を用いて以下に詳細に説明する。本発明の一側面は以下に記載の構成に限定されるものではなく、同一の技術的思想において種々の構成を採用することができる。例えば、以下に説明する各構成において、所定の構成を省略し、または他の構成などに置換してもよい。また、他の構成を含むようにしてもよい。
【００３２】
＜第１の実施形態＞
［光スキャナ２００の構成］
図２に示されるように、光スキャナ２００は、揺動軸部２１０と、第１軸受２２０と、第２軸受２３０と、電磁駆動部２４０と、ベース台２５０とを備える。光スキャナ２００は、前記した光スキャナ１００と同様に、ムービングコイル型の電磁スキャナである。
【００３３】
ベース台２５０は、図２（Ｂ）に示されるように、Ｘ方向から見た形状がＵ字状の構造である。ベース台２５０は、前記したベース台１５０と同様の構成を有する。即ち、ベース台２５０は、主部分２５１と、板状部分２５２とを有する。主部分２５１にはＹ方向に沿って貫通する貫通孔２５３が設けられ、板状部分２５２にはＹ方向に沿って貫通する貫通孔２５４が設けられる。貫通孔２５３及び貫通孔２５４は、Ｘ方向及びＺ方向の位置において、同一位置に存在する。なお、貫通孔２５４の内径は、揺動軸部２１０の外径よりも十分大きい。揺動軸部２１０は、第２軸受２３０によって支持されるため、揺動軸部２１０の外周面は、貫通孔２５４に接触しない。そのため、揺動軸部２１０が揺動する際に、揺動軸部２１０の外周面と貫通孔２５４の内壁とが接触することによる抵抗が生じない。
【００３４】
前記した第１軸受１２０が貫通孔を有していたのに対し、第１軸受２２０は、そのＹ方向正側の表面からＹ方向負側に向けて掘り下げされた止まり穴を有する。この止まり穴は、第１軸受２２０のＹ方向中心辺りまでは同一径で進行し、その先がすり鉢状に窄まっている。このすり鉢状に窄まった部分の表面が、テーパ当接面２２１である。テーパ当接面２２１には、後記する揺動軸部２１０のテーパ部分２１２が当接保持される。第１軸受２２０は、例えば樹脂によって構成される。なお、テーパ当接面２２１には、硬質クロム／クロムモリブデンめっきやフッ素樹脂コーティングなどの処理が施されてもよい。
【００３５】
図２（Ｂ）及び図３に示されるように、第２軸受２３０は、ベース台２５０の板状部分２５２とは別体に構成される。第２軸受２３０は、ラジアル接触面２３１と、第１係合部分としてのスラスト接触面２３２と、第２係合部分としてのベース台係合部分２３３とを有する。第２軸受２３０は、Ｙ方向に貫通する貫通孔を有する、円筒状の構成である。この貫通孔の内径は、揺動軸部２１０を支持可能なように、揺動軸部２１０の外径よりも大きい。そして、この貫通孔の内壁には、揺動軸部２１０の外周面に接触するラジアル接触面２３１が設けられる。第２軸受２３０のＹ方向正側の面には、後記する揺動軸部２１０の段差部分２１３に接触する、スラスト接触面２３２が設けられる。また、第２軸受２３０の外径は、板状部分２５２の貫通孔２５４の内径よりも大きい。そして、第２軸受２３０のＹ方向負側の端部には、その外径が貫通孔２５４の内径よりも小さいベース台係合部分２３３が設けられる。このベース台係合部分２３３が貫通孔２５４に係合することで、第２軸受２３０は、ベース台２５０の板状部分２５２と揺動軸部２１０の段差部分２１３との間に保持される。そして、板状部分２５２のバネ性を利用して、第２軸受２３０は、Ｙ方向正側に付勢される。Ｙ方向正側に付勢された第２軸受２３０は、スラスト接触面２３２によって、段差部分２１３をＹ方向正側に付勢する。その結果、揺動軸部２１０は、第１軸受２２０に対して第１揺動軸線Ｌ１に沿う方向に付勢される。なお、第２軸受２３０は、例えば樹脂によって構成される。また、ラジアル接触面２３１と、スラスト接触面２３２と、ベース台係合部分２３３とには、耐摩耗性と低摩擦性を得るために、硬質クロム／クロムモリブデンめっきやフッ素樹脂コーティングなどの処理が施されてもよい。
【００３６】
揺動軸部２１０は、揺動体２１１と、テーパ部分２１２と、段差部分２１３とを有する。揺動軸部２１０は、Ｙ方向に平行に伸びる円柱状の部材である。揺動軸部２１０の中心軸は、第１揺動軸線Ｌ１に一致する。揺動軸部２１０は、例えばステンレスなどの金属材料によって構成される。揺動軸部２１０の中心部分には、揺動軸部１１０の場合と同様に、揺動体２１１が設けられる。揺動体２１１の表面には、鏡面研磨されることで、反射面２１１ａが形成される。なお、鏡面加工された別部材が貼り付けられることで、反射面２１１ａが形成されてもよい。また、第１揺動軸線Ｌ１は、反射面２１１ａ上に存在する。揺動軸部のＹ方向負側の端部には、Ｙ方向に沿って径が小さくなる形状の（即ち、テーパ状の）テーパ部分２１２が形成される。このテーパ部分２１２の表面は、第１軸受２２０のテーパ当接面２２１に当接保持される。揺動軸部２１０には、第１揺動軸線Ｌ１から揺動軸部２１０の外周面までの距離が、Ｙ方向において変化する段差部分２１３が設けられる。段差部分２１３のＹ方向負側の面は、第２軸受２３０のスラスト接触面２３２に接触する。この接触により、揺動軸部２１０のＹ方向における位置決めがなされる。また、段差部分２１３は、第２軸受２３０を介して、板状部分２５２によってＹ方向正側に付勢される。そのため、テーパ部分２１２は、テーパ当接面２２１に対して押し付けられる。その結果、揺動軸部２１０のがたつきが防止されるとともに、揺動動軸部１２０の軸心の調整も容易となる。また、揺動軸部２１０にはテーパ部分２１２が設けられるため、揺動軸部１１０が利用される光スキャナ１００と比較して、光スキャナ２００のＹ方向におけるサイズを小さくすることが可能になる。
【００３７】
電磁駆動部２４０は、コイル２４１と、磁界発生部としての永久磁石２４２とを有する。永久磁石２４２は、Ｘ方向に着磁された状態で、コイル２４１に対向するように、ベース台１５０に設けられる。コイル２４１は、配線パターンが永久磁石２４２によって生じる磁界の向きに沿うようにして、揺動軸部２１０の揺動体２１１の反対側に取り付けられる。コイル２４１は、合成樹脂等の非磁性体で構成された平板状の支持部材に対して、薄膜状の平面コイルを貼り付けることで構成される。薄膜状の平面コイルは、例えば、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電パターンを導体箔によって形成したフレキシブルプリント基板（ＦＰＣ）である。なお、コイル２４１は、支持部材にＦＰＣを貼り付ける構成でなく、支持部材に導電パターンが直接形成される様態であってもよい。また、コイル２４１は、巻き線コイル等のコイルによって構成されてもよい。なお、永久磁石２４２の代わりに、磁界発生部として電磁石が用いられても差し支えない。
【００３８】
［網膜走査ディスプレイ１の構成］
前記した光スキャナ２００は、画像を形成するために光を走査する構成として、網膜走査ディスプレイ１に用いることが可能である。図４は、網膜走査ディスプレイ１の全体構成について説明する図である。網膜走査ディスプレイ１は、観察者の瞳孔５２に入射した光束を用いて網膜５４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。
【００３９】
網膜走査ディスプレイ１は、制御ユニット１ａと、頭部表示ユニット１ｂとで構成される。制御ユニット１ａと頭部表示ユニット１ｂとは、別体に構成される。制御ユニット１ａは、例えば使用者の腰などに取り付けられる。頭部表示ユニット１ｂは、制御ユニット１ａと電気的及び光学的な信号を伝達可能な信号線によって接続される。頭部表示ユニット１ｂは、例えば米国特許出願公開２０１０／００７３２６２号公報などに開示されているように、眼鏡型の装着具などを用いて使用者の頭部に装着される。勿論、制御ユニット１ａと、頭部表示ユニット１ｂとが一体に構成されても差し支えない。
【００４０】
制御ユニット１ａは、映像信号処理回路３、光源部３０及び光合波部４０を備える。映像信号処理回路３は、外部から供給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。
【００４１】
光源部３０は、Ｂレーザドライバ３１、Ｇレーザドライバ３２、Ｒレーザドライバ３３、Ｂレーザ３４、Ｇレーザ３５及びＲレーザ３６を備える。Ｂレーザドライバ３１は、映像信号処理回路３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３４を駆動する。Ｇレーザドライバ３２は、映像信号処理回路３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３５を駆動する。Ｒレーザドライバ３３は、映像信号処理回路３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３６を駆動する。Ｂレーザ３４，Ｇレーザ３５及びＲレーザ３６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。
【００４２】
光合波部４０は、コリメート光学系４１，４２，４３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４４，４５，４６と、合波されたレーザ光を集光する集光光学系４７とを備える。Ｂレーザ３４から出射した青色レーザ光は、コリメート光学系４１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４４に入射する。Ｇレーザ３５から出射した緑色レーザ光は、コリメート光学系４２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４５に入射する。Ｒレーザ３６から出射した赤色レーザ光は、コリメート光学系４３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４６に入射する。ダイクロイックミラー４４，４５，４６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４７に達する。合波されたレーザ光は、集光光学系４７によって集光され、光ファイバ等を介して頭部表示ユニット１ｂに導かれる。
【００４３】
頭部表示ユニット１ｂは、コリメート光学系２０、水平走査ドライバ２３、水平走査スキャナ１０、リレー光学系２４、垂直走査ドライバ２６、光スキャナ２００及び接眼光学系２７を備える。
【００４４】
コリメート光学系２０は、光ファイバ等を介して制御ユニット１ａから導かれたレーザ光を平行光に変換する。平行光に変換されたレーザ光は、水平走査スキャナ１０に入射する。
【００４５】
水平走査スキャナ１０は、コリメート光学系２０からのレーザ光を水平方向（例えば、観察者の眼に対して左右方向）に走査する。具体的には、水平走査ドライバ２３は、映像信号処理回路３からの水平同期信号に従って、水平走査スキャナ１０の揺動状態を制御する。水平走査されたレーザ光は、リレー光学系２４に入射する。水平走査スキャナ１０としては、例えば、圧電素子によって駆動される光スキャナであって、光スキャナの外形を構成する構造体の共振現象を利用した共振型の光スキャナが利用可能である（例えば、特開２００６−２９３１１６号公報を参照）。
【００４６】
リレー光学系２４は、正の屈折力を持つレンズ系２４ａ、２４ｂを有する。レンズ系２４ａは、水平走査スキャナ１０からレンズ系２４ａの焦点距離を離れた位置に配置される。従って、水平走査されたレーザ光は、レンズ系２４ａによって互いの光軸が平行になるように屈折される。また、水平走査されたレーザ光は、コリメート光学系２０によって平行光化されているので、集束光として変換される。図４では、レーザ光の光軸が点線で示され、リレー光学系２４及び接眼光学系２７の中心（＝光軸）を通過するレーザ光の光線が実線で示される。レンズ系２４ｂは、レンズ系２４ａから、レンズ系２４ａの焦点距離とレンズ系２４ｂの焦点距離との合計の距離を離れた位置に配置される。従って、レンズ系２４ａを通過したレーザ光は、レンズ系２４ｂによって互いの光軸が光スキャナ２００の反射面２１１ａに集束するように屈折される。また、レンズ系２４ａを通過した際に集束光として変換されたレーザ光は、レンズ系２４ｂによって再度平行光化される。即ち、リレー光学系２４は、水平走査スキャナ１０において形成された光学瞳（＝レーザ光の入射点）を、光スキャナ２００の反射面２１１ａ上に転送する機能を果たす。
【００４７】
光スキャナ２００は、リレー光学系２４からのレーザ光を垂直方向（例えば、観察者の眼に対して上下方向）に走査する。垂直走査ドライバ２６は、映像信号処理回路３からの垂直同期信号に従って、光スキャナ２００の揺動状態を制御する。ここで、レーザ光は、水平走査スキャナ１０によって水平方向に走査されているので、光スキャナ２００によって二次元的に走査された画像光となる。二次元走査された画像光は、接眼光学系２７に入射する。
【００４８】
接眼光学系２７は、正の屈折力を持つレンズ系２７ａ、２７ｂを有する。接眼光学系２７は、リレー光学系２４と同様に、光スキャナ２００において形成された光学瞳を、観察者の眼の瞳孔５２に転送する機能を果たす。接眼光学系２７を出射した画像光は、観察者の眼の瞳孔５２を通過し、網膜５４に結像する。従って、観察者は、画像を視認する。
【００４９】
＜第２の実施形態＞
第１の実施形態における光スキャナ２００では、揺動体２１１は揺動軸部２１０の一部分であった。そして、揺動体２１１の表面には、反射面２１１ａが設けられた。即ち、光スキャナ２００は、揺動軸線Ｌ１を中心として揺動軸部２１０が回転することで、入射した光をＸ方向に走査する１次元光スキャナである。しかし、本発明はこれに限定されない。本発明は、揺動体を別の構成とすることで、２次元光スキャナとしての側面を有することも可能である。以下、図５を用いて、２次元光スキャナである光スキャナ３００の説明を行う。なお、光スキャナ３００において、前記した光スキャナ２００と同一の構成に関しては、同一の図番を採用することで説明が省略される。
【００５０】
［光スキャナ３００の構成］
光スキャナ３００は、揺動軸部３１０の構成において、前記した光スキャナ２００と相違する。揺動軸部３１０は、揺動軸部２１０と同様に、Ｙ方向に平行に伸びる円柱状の部材である。揺動軸部３１０は、揺動体３１１と、テーパ部分３１２と、段差部分３１３とを有する。テーパ部分３１２及び段差部分３１３は、光スキャナ２００におけるテーパ部分２１２及び段差部分２１３と同様の構成である。一方、光スキャナ２００の揺動体２１１とは異なり、光スキャナ３００の揺動体３１１は、揺動軸部３１０とは別体に構成された、平板状の金属部材である。揺動体３１１には、後記する圧電駆動部３１１ｄが設けられる。この圧電駆動部３１１ｄが構造体３１１の共振周波数にて周期的に伸縮することで、構造体３１１に板波振動が励起される。この板波振動が構造体３１１を伝達することで、構造体３１１に含まれる反射面３１１ａは、第２揺動軸線Ｌ２を中心として揺動する。
【００５１】
揺動体３１１は、ミラー部３１１ａと、捩れ梁部３１１ｂ１，３１１ｂ２と、本体部３１１ｃと、圧電駆動部３１１ｄとを有する。揺動体３１１は、第１揺動軸線Ｌ１に対して、線対称に形成される。揺動体３１１は、エッチング加工やプレス加工等の除去加工を用いて、厚さ数十から数百μｍのステンレスやチタンなどの金属板に対して、上記の各構成を形成することで製造される。但し、揺動体３１１は、シリコンウエハなどの非金属材料によって形成されても差し支えない。この場合、非金属材料の表面には金属薄膜などの導電層が設けられるとよい。
【００５２】
ミラー部３１１ａは、Ｘ方向に平行な第２揺動軸線Ｌ２を中心として、所定の共振周波数で揺動する。ミラー部３１１ａは、Ｚ方向から見て略円形に構成される。但し、ミラー部３１１ａは、四角形や多角形など、他の形状であっても差し支えない。ミラー部３１１ａのＺ方向正側の面には、入射した光を反射するように、反射面３１１ａ１が設けられる。反射面３１１ａ１は、ミラー部３１１ａのＺ方向正側の面を鏡面研磨することで形成される。但し、鏡面研磨に変えて、アルミニウムや銀などの可視光に対して高い反射率を有する金属薄膜が、蒸着やスパッタリング等によって、反射面３１１ａのＺ方向正側の面に設けられることで、反射面３１１ａ１が形成されてもよい。
【００５３】
捩れ梁部３１１ｂ１，３１１ｂ２は、ミラー部３１１ａの両側に連結され、第２揺動軸線Ｌ２に平行に延出する。具体的には、捩れ梁部３１１ｂ１は、ミラー部３１１ａから第２揺動軸線Ｌ２に平行にＸ方向正側に延出し、捩れ梁部３１１ｂ２は、ミラー部３１１ａから第２揺動軸線Ｌ２に平行にＸ方向負側に延出する。
【００５４】
本体部３１１ｃは、耳部分３１１ｃ１，３１１ｃ２と、被取付部３１１ｃ３とを有する。耳部分３１１ｃ１には、捩れ梁部３１１ｂ１のＸ方向正側の端部が接続される。耳部分３１１ｃ２には、捩れ梁部３１１ｂ２のＸ方向負側の端部が接続される。耳部分３１１ｃ１は、本体部３１１ｃのＹ方向負側の辺において、本体部３１１ｃのＸ方向正側の端部に連結される。耳部分３１１ｃ２は、本体部３１１ｃのＹ方向負側の辺において、本体部３１１ｃのＸ方向負側の端部に連結される。本体部３１１ｃは、耳部分３１１ｃ１，３１１ｃ２と捩れ梁部３１１ｂ１，３１１ｂ２ｂとの接続位置から、ミラー部３１１ａから離間する方向、即ちＹ方向正側に延出する。本体部３１１ｃのＹ方向正側の端部には、被取付部３１１ｃ３が設けられる。
【００５５】
被取付部３１１ｃ３は、本体部３１１ｃに圧電駆動部３１１ｄが設けられた状態で、揺動軸部３１０に対して固定される。この固定では、第２揺動軸線Ｌ２が第１揺動軸線Ｌ１に対して直交するように、換言すれば、第２揺動軸線Ｌ２がＸ方向に平行になるようにして、被取付部３１１ｃ３と揺動軸部３１０とが固定される。また、被取付部３１１ｃ３と揺動軸部３１０との固定位置は、第１軸受２２０に隣接する。揺動軸部３１０のテーパ部分３１２がテーパ当接面２２１に対して押しつけられるので、第１軸受２２０の周囲における揺動軸部３１０の振動は、第２軸受２３０の周囲における揺動軸部３１０の振動よりも小さい。そのため、被取付部３１１ｃ３がミラー部３１１ａよりも第１軸受２２０の近くに位置することで、揺動軸部３１０から揺動体３１１に対して伝わる振動の量を小さくできる。その結果、第２揺動軸線Ｌ２を中心とした揺動が安定する。ここで、本体部３１１ｃが揺動軸部３１０に対して固定された状態で、第１揺動軸線Ｌ１は、反射面３１１ａ上に存在する。そのため、揺動体３１１のＺ方向負側に位置する揺動軸部３１０の部分は、揺動体３１１が振動できる空間を確保するために、第１揺動軸線Ｌ１よりもＺ方向負側に向かって所定量削除される。
【００５６】
圧電駆動部３１１ｄは、本体部３１１ｃの中心位置において、本体部３１１ｃのＺ方向正側の面に設けられる。圧電駆動部３１１ｄは、例えば、厚さ３０μｍ〜１００μｍの平板状に成形されたチタン酸ジルコン酸鉛などの圧電材料の両面に対して、電極層として金や白金等を０．２μｍ〜０．６μｍ積層することで形成される。圧電駆動部３１１ｄと本体部３１１ｃとは、導電性接着剤で接着される。この導電性接着剤は、例えば、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。先ず、本体部３１１ｃに塗布された導電性接着剤の上に、圧電駆動部３１１ｄが載置される。その状態で、導電性接着剤が熱硬化されることにより、圧電駆動部３１１ｄと本体部３１１ｃとが接着される。揺動体３１１は金属板で形成されるので、揺動体３１１と圧電駆動部３１１ｄのＺ方向正側の電極層との間に揺動体３１１の共振周波数に相当する交流電圧が印加されることで、本体部３１１ｃに板波が励起される。この板波が、本体部３１１ｃ及び捩れ梁部３１１ｂ１，３１１ｂ２を介してミラー部３１１ａに伝達されることで、ミラー部３１１ａは、所定の共振周波数において揺動する。
【００５７】
［網膜走査ディスプレイ２の構成］
前記した光スキャナ３００は、画像を形成するために光を走査する構成として、網膜走査ディスプレイ２に用いることが可能である。第１の実施形態における網膜走査ディスプレイ１では、光を水平方向に走査する水平走査スキャナ１０と、光を垂直方向に走査する光スキャナ２００とは、別体の構成である。しかし、光スキャナ３００は２次元走査が可能であるため、網膜走査ディスプレイ２では、光スキャナ３００のみによって、水平方向の走査と垂直方向の走査とが達成される。以下、図６を用いて、網膜走査ディスプレイ２の構成を説明する。
【００５８】
網膜走査ディスプレイ２は、制御ユニット２ａと、頭部表示ユニット２ｂとで構成される。制御ユニット２ａの構成は、網膜走査ディスプレイ２における制御ユニット１ａのものと同一である。そのため、頭部表示ユニット２ｂに対する説明のみを行う。頭部表示ユニット２ｂも、頭部表示ユニット１ｂと同様に、眼鏡型の装着具などを用いて使用者の頭部に装着される。
【００５９】
頭部表示ユニット２ｂは、コリメート光学系２０、水平走査ドライバ２３、垂直走査ドライバ２６、光スキャナ３００及び接眼光学系２７を備える。なお、第１の実施形態における頭部表示ユニット１ｂに含まれる構成と同様の構成に関しては、同一の図番が付与される。コリメート光学系２０は、制御ユニット２ａから導かれたレーザ光を平行光化し、光スキャナ３００の反射面３１１ａ１に入射する。光スキャナ３００は、水平走査ドライバ２３及び垂直走査ドライバ２６によってその揺動状態を制御され、入射したレーザ光を二次元走査された画像光に変換する。具体的には、水平走査ドライバ２３は、揺動体３１１の本体部３１１ｃと圧電駆動部３１１ｄとに電気的に接続される。水平走査ドライバ２３は、映像信号処理回路３からの水平同期信号に基づいて生成された駆動電流を圧電駆動部３１１ｄに対して供給することで、ミラー部３１１ａを水平方向に揺動させる。垂直走査ドライバ２６は、コイル２４１に電気的に接続される。垂直走査ドライバ２６は、映像信号処理回路３からの垂直同期信号に基づいて生成された駆動電流をコイル２４１に供給することで、揺動軸部３１０の垂直方向に揺動させる。二次元走査された画像光は、接眼光学系２７によって、観察者の眼の瞳孔５２を通過し、網膜５４に結像する。
【００６０】
＜変形例＞
本発明は、今までに述べた実施形態に限定されることは無く、その趣旨を逸脱しない範囲において種々の変形・変更が可能である。以下にその一例を述べる。
【００６１】
前記した実施形態において、段差部分２１３は、第２軸受２３０を介して、板状部分２５２によってＹ方向正側に付勢される。しかし、テーパ部分２１２をテーパ当接面２２１に対して押し付けるための構成は、他の手段によって達成されても良い。例えば、ベース台２５０において、板状部分２５２のＹ方向負側の面に板ばねが設けられる。そして、この板ばねが、第２軸受２３０に接触することで、揺動軸部２１０に対してＹ方向正側に付勢力を及ぼしてもよい。
【００６２】
前記した実施形態において、光スキャナ２００は、コイル２４１が揺動軸部２１０に設けられ、永久磁石２４２がベース台２５０に設けられる、所謂ムービングコイル型の光スキャナである。しかし、永久磁石２４２が揺動軸部２１０に設けられ、コイル２４１がベース台２５０に設けられる、所謂ムービングマグネット型の光スキャナとして、光スキャナ２００が構成されてもよい。勿論、光スキャナ３００に関しても同様である。
【００６３】
前記した実施形態において、網膜走査ディスプレイ２では、レーザ光は水平方向に走査された後に、垂直方向に走査される。しかし、例えば水平スキャナ１０と光スキャナ２００とを入れ替えることによって、レーザ光が垂直方向に走査された後に、水平方向に走査されてもよい。あるいは、水平方向が観察者の眼に対して上下方向に定義され、垂直方向が観察者の眼に対して左右方向に定義されても良い。
【００６４】
前記した実施形態において、光スキャナ３００は、網膜走査ディスプレイ２に用いられる。しかし、光スキャナ３００は、他のいかなる用途に用いられても良い。一例として、光スキャナ３００が、図７に示されるように、走査されたレーザ光を被投影面上に結像するレーザプロジェクタ４に用いられても良い。レーザプロジェクタ４は、光スキャナ３００よりも後段の光学系において、網膜走査ディスプレイ２と相違する。そのため、レーザプロジェクタ４における網膜走査ディスプレイ２と共通する構成に関する説明は、同一の図番を採用することによって省略される。結像光学系２８は、正の屈折力を持つレンズ系である。結像光学系２８は、光スキャナ３００からの平行光化されたレーザ光を集束することで、スクリーンなどの被投影面上に結像する。なお、任意の距離にある被投影面に対して結像を行うために、結像光学系２８は、所定のフォーカス調整機能を備えるのが望ましい。あるいは、レーザ光のビーム径が十分に小さければ、結像光学系２８は無くても構わない、その場合、光スキャナ３００からの平行光化されたレーザ光が、被投影面上に直接画像を描くこととなる。この場合、導光部はレーザ光に対して光学的作用を及ぼさない。勿論、網膜走査ディスプレイ１の構成が、レーザプロジェクタとして利用されてもよい。
【符号の説明】
【００６５】
１，２ 網膜走査ディスプレイ
１ａ 制御ユニット
１ｂ 頭部表示ユニット
３ 映像信号処理回路
４ レーザプロジェクタ
１００，２００，３００ 光スキャナ
２０，４１，４２，４３ コリメート光学系
２３ 水平走査ドライバ
２４ リレー光学系
２４ａ，２４ｂ，２７ａ，２７ｂ レンズ系
２５ 垂直走査スキャナ
２６ 垂直走査ドライバ
２７ 接眼光学系
２８ 結像光学系
３０ 光源部
３１ Ｂレーザドライバ
３２ Ｇレーザドライバ
３３ Ｂレーザドライバ
３４ Ｂレーザ
３５ Ｇレーザ
３６ Ｒレーザ
４０ 光合波部
４４，４５，４６ ダイクロイックミラー
４７ 集光光学系
５２ 観察者の瞳孔
５４ 観察者の網膜
１１０，２１０，３１０ 揺動軸部
１１１，２１１，３１１ 揺動体
１１１ａ，２１１ａ，３１１ａ１ 反射面
１１２，１１３，２１３，３１３ 段差部分
１２０，２２０ 第１軸受
１２１，１３１，２３１ ラジアル接触面
１２２，１３２，２３２ スラスト接触面
２３３ ベース台係合部分
１３０，２３０ 第２軸受
１４０ 電磁駆動部
１４１，２４１ コイル
１４２，１４３，２４２ 永久磁石
１５０，２５０ ベース台
１５１，２５１ 主部分
１５２，２５２ 板状部分
１５３，１５４，２５３，２５４ 貫通孔
２１２，３１２ テーパ部分
２２１ テーパ当接面
３１１ａ ミラー部
３１１ｂ１，３１１ｂ２ 捩れ梁部
３１１ｃ 本体部
３１１ｃ１，３１１ｃ２ 耳部分
３１１ｃ３ 被取付部
３１１ｄ 圧電駆動部
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１揺動軸線を中心として揺動し、前記第１揺動軸線に平行に延びる揺動軸部と、
前記揺動軸部に設けられ、入射される光を反射する反射面を有する揺動体と、
前記揺動軸部を支持するベース台と、
前記ベース台に設けられ、前記揺動軸部の一端を支持する第１軸受と、
前記ベース台に設けられ、前記揺動軸部の他端を支持する第２軸受と、
前記揺動軸部を揺動させる駆動部とを備え、
前記揺動軸部は、テーパ状に形成されたテーパ部分を、前記一端に有し、
前記第１軸受は、前記テーパ部分に係合するスラスト軸受であり、
前記第２軸受は、前記揺動軸部の外周面と接触するラジアル軸受である、
ことを特徴とする光スキャナ。
【請求項２】
前記揺動軸部を、前記第１軸受に対して前記第１揺動軸線に沿う方向に付勢する付勢部をさらに有する、
請求項１に記載の光スキャナ。
【請求項３】
前記付勢部は、
前記揺動軸部に設けられ、前記揺動軸部の中心軸から前記揺動軸部の外周面までの距離が、前記第１揺動軸線方向において変化する段差部分と、
前記第２軸受に設けられ、前記揺動軸線に沿う方向において前記段差部分に係合する第１係合部分とを有する、
請求項２に記載の光スキャナ。
【請求項４】
前記第２軸受は、
前記ベース台とは別体に構成され、
前記ベース台と係合する第２係合部分を有し、
前記ベース台によって前記第２係合部分が付勢されることで、前記第１係合部分及び前記段差部分を介して、前記揺動軸部を前記第１軸受に対して前記第１揺動軸線に沿う方向に付勢する、
請求項３に記載の光スキャナ。
【請求項５】
前記駆動部は、
前記ベース台に設けられた磁界発生部と、
前記磁界発生部が発生する磁界の向きに沿って設けられ、前記揺動軸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との相互作用により、前記揺動体及び前記揺動軸部を前記第１揺動軸線回りに揺動させる、
請求項１〜４の何れか１項に記載の光スキャナ。
【請求項６】
前記揺動体は、
前記反射面を含み、前記第１揺動軸線の方向に直交する第２揺動軸線を中心として揺動するミラー部と、
前記ミラー部の両側に連結され、前記第２揺動軸線に平行に延出する一対の捩れ梁部と、
前記一対の捩れ梁部の前記ミラー部と反対側の端にその一端が連結され、前記ミラー部から離間する方向に延出する本体部と、
前記本体部の他端側に接続され、前記揺動軸部に対して取り付けられる被取付部と、
が金属で一体に構成された平板状の構造体と、
前記本体部に設けられ、前記本体部に板波を励起することで、前記本体部及び前記一対の捩れ梁部を介して前記ミラー部を揺動させる圧電駆動部と、
を有する請求項１〜５の何れか１項に記載の光スキャナ。
【請求項７】
前記被取付部は、前記ミラー部よりも前記第１軸受の近くに位置するように、前記揺動軸部に対して取り付けられる、
請求項６に記載の光スキャナ。
【請求項８】
光を走査して画像を形成するための、請求項１〜７の何れか１項に記載の光スキャナと、
前記光スキャナに光を供給するための光源と、
前記光スキャナによって走査された光を被投影面に導く導光部とを備える、ことを特徴する画像投影装置。
【請求項１】
第１揺動軸線を中心として揺動し、前記第１揺動軸線に平行に延びる揺動軸部と、
前記揺動軸部に設けられ、入射される光を反射する反射面を有する揺動体と、
前記揺動軸部を支持するベース台と、
前記ベース台に設けられ、前記揺動軸部の一端を支持する第１軸受と、
前記ベース台に設けられ、前記揺動軸部の他端を支持する第２軸受と、
前記揺動軸部を揺動させる駆動部とを備え、
前記揺動軸部は、テーパ状に形成されたテーパ部分を、前記一端に有し、
前記第１軸受は、前記テーパ部分に係合するスラスト軸受であり、
前記第２軸受は、前記揺動軸部の外周面と接触するラジアル軸受である、
ことを特徴とする光スキャナ。
【請求項２】
前記揺動軸部を、前記第１軸受に対して前記第１揺動軸線に沿う方向に付勢する付勢部をさらに有する、
請求項１に記載の光スキャナ。
【請求項３】
前記付勢部は、
前記揺動軸部に設けられ、前記揺動軸部の中心軸から前記揺動軸部の外周面までの距離が、前記第１揺動軸線方向において変化する段差部分と、
前記第２軸受に設けられ、前記揺動軸線に沿う方向において前記段差部分に係合する第１係合部分とを有する、
請求項２に記載の光スキャナ。
【請求項４】
前記第２軸受は、
前記ベース台とは別体に構成され、
前記ベース台と係合する第２係合部分を有し、
前記ベース台によって前記第２係合部分が付勢されることで、前記第１係合部分及び前記段差部分を介して、前記揺動軸部を前記第１軸受に対して前記第１揺動軸線に沿う方向に付勢する、
請求項３に記載の光スキャナ。
【請求項５】
前記駆動部は、
前記ベース台に設けられた磁界発生部と、
前記磁界発生部が発生する磁界の向きに沿って設けられ、前記揺動軸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との相互作用により、前記揺動体及び前記揺動軸部を前記第１揺動軸線回りに揺動させる、
請求項１〜４の何れか１項に記載の光スキャナ。
【請求項６】
前記揺動体は、
前記反射面を含み、前記第１揺動軸線の方向に直交する第２揺動軸線を中心として揺動するミラー部と、
前記ミラー部の両側に連結され、前記第２揺動軸線に平行に延出する一対の捩れ梁部と、
前記一対の捩れ梁部の前記ミラー部と反対側の端にその一端が連結され、前記ミラー部から離間する方向に延出する本体部と、
前記本体部の他端側に接続され、前記揺動軸部に対して取り付けられる被取付部と、
が金属で一体に構成された平板状の構造体と、
前記本体部に設けられ、前記本体部に板波を励起することで、前記本体部及び前記一対の捩れ梁部を介して前記ミラー部を揺動させる圧電駆動部と、
を有する請求項１〜５の何れか１項に記載の光スキャナ。
【請求項７】
前記被取付部は、前記ミラー部よりも前記第１軸受の近くに位置するように、前記揺動軸部に対して取り付けられる、
請求項６に記載の光スキャナ。
【請求項８】
光を走査して画像を形成するための、請求項１〜７の何れか１項に記載の光スキャナと、
前記光スキャナに光を供給するための光源と、
前記光スキャナによって走査された光を被投影面に導く導光部とを備える、ことを特徴する画像投影装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【公開番号】特開２０１２−６８４５１（Ｐ２０１２−６８４５１Ａ）
【公開日】平成２４年４月５日（２０１２．４．５）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−２１３４７３（Ｐ２０１０−２１３４７３）
【出願日】平成２２年９月２４日（２０１０．９．２４）
【出願人】（０００００５２６７）ブラザー工業株式会社 (13,856)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年４月５日（２０１２．４．５）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年９月２４日（２０１０．９．２４）
【出願人】（０００００５２６７）ブラザー工業株式会社 (13,856)
【Ｆターム（参考）】
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