(57)【要約】レーザープロジェクション装置（ＬＰＤ）に有用なスキャニングミラーが提供される。本発明によるスキャニングミラーは、スプリットヒンジによって互いに結合された可動反射領域およびベース領域を有する実質的に平面の構成要素を備える。基礎は、スプリットヒンジを経由して圧電素子の動きが可動反射領域へ伝達されるように、その間に延びる少なくとも１個の圧電素子によって、ベース領域に結合される。スキャニングミラーは、例えば、４個の圧電素子を有する。
2007535706.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
可動反射領域と、
スプリットヒンジによって該可動反射領域に結合されたベース領域と、
基礎と、
該スプリットヒンジを経由して圧電素子の動きが該可動反射領域へ伝達されるように、該基礎と該ベース領域との間に延びる少なくとも１個の該圧電素子と
を備える、装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
（本発明の背景）
（本発明の分野）
本発明は、一般に、レーザープロジェクション装置（ＬＰＤ）に関するものであり、より詳細には、圧電装置によって作動され得るスキャニングミラーを採用するＬＰＤに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
（関連技術の説明）
ＬＰＤの分野において、１個以上のレーザー光線を映写面へ向け直しおよび／またはスキャンするために１個以上のミラーが使用され得る。これらのミラーは、レーザー光線を映写面に正確に位置させるために、高速の高度に制御された動作能力がなければならない。ミラーが、レーザービームをスキャンするために水平および／または垂直に動く時に、ミラーの位置が不正確であるとレーザー光線が映写面に不正確に位置する結果になる。このため、ＬＰＤに映写された映像は歪む。ある事例では、映写面とミラー間の距離が重要であり、そのためミラーの位置決めでの比較的小さな不正確さでさえ、映像面に劇的に位置ずれしたレーザー光線を生じされ得る。
【０００３】
本発明は、上記の１個以上の問題を解決または少なくとも減少させることを指向したものである。
【発明の開示】
【課題を解決するための手段】
【０００４】
（本発明の概要）
本発明の一局面において、装置が提供される。該装置は、可動反射領域と、スプリットヒンジによって可動反射領域に結合されたベース領域と、基礎（ｆｏｕｎｄａｔｉｏｎ）と、スプリットヒンジを経由して圧電素子の動きが可動反射領域へ伝達されるように、基礎とベース領域との間に延びる少なくとも１個の該圧電素子とを備える。
【０００５】
本発明は、添付図面に関連してなされた下記の説明を参照することにより理解され得る。添付図面では、同一の参照数字は同一の要素を示す。
【０００６】
本発明は、各種修正や代替形態が可能であるが、特定の実施形態は図面における例証によって示され、そこに詳細に説明されている。しかし、ここでの特定の実施形態の説明は、本発明を開示された特定の形態に限定する意図ではなく、逆に、意図は、附属の特許請求の範囲に定義されているとおり、本発明の精神と範囲内に入るすべての修正、均等物、代替物をカバーすることである。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００７】
（特定の実施形態の詳細な説明）
本発明の例示的実施形態が以下に記載される。明快さのために、本明細書に、実行におけるすべての特徴が記載されているわけではない。任意のそのような実際の実施形態の開発において、個々の実施例で異なるシステム関連および事業関連に従うなどの開発者の特定の目的を達成するために、その実施に特定した多くの決定がなされなければならないことを理解されたい。さらにそのような開発努力は、複雑で時間がかかるが、それでもなお、この開示の利益を受ける通常の当業者にとって、日常の仕事であることを理解されたい。
【０００８】
以下の同時係属中の出願が、ここにおいて、その全体が援用される。Ｍｉｋ  ＳｔｅｒｎらによるＭｅｔｈｏｄ  ａｎｄ  Ａｐｐａｒａｔｕｓ  ｆｏｒ  Ｃｏｎｔｒｏｌｌａｂｌｙ  Ｒｅｄｕｃｉｎｇ  Ｐｏｗｅｒ  Ｄｅｌｉｖｅｒｅｄ  ｂｙ  ａ  Ｌａｓｅｒ  Ｐｒｏｊｅｃｔｉｏｎ  Ｄｉｓｐｌａｙ。Ｎａｒａｙａｎ  ＮａｍｂｕｄｉｒｉらによるＭｅｔｈｏｄ  ａｎｄ  Ａｐｐａｒａｔｕｓ  ｆｏｒ  Ｄｉｓｐｌａｙｉｎｇ  Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ  ｉｎ  Ａｕｔｏｍｏｔｉｖｅ  Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ  Ｕｓｉｎｇ  ａ  Ｌａｓｅｒ  Ｐｒｏｊｅｃｔｉｏｎ  Ｄｉｓｐｌａｙ。Ｎａｒａｙａｎ  ＮａｍｂｕｄｉｒｉらによるＭｅｔｈｏｄ  ａｎｄ  Ａｐｐａｒａｔｕｓ  ｆｏｒ  Ｐｒｏｖｉｄｉｎｇ  ａｎ  Ｉｎｔｅｒｆａｃｅ  Ｂｅｔｗｅｅｎ  ａ  Ｌｉｑｕｉｄ  Ｃｒｙｓｔａｌ  Ｄｉｓｐｌａｙ  Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ  ａｎｄ  ａ  Ｌａｓｅｒ  Ｐｒｏｊｅｃｔｉｏｎ  Ｄｉｓｐｌａｙ。Ｐａｕｌ  ＤｖｏｒｋｉｓらによるＡ  Ｃｏｌｏｒ  Ｌａｓｅｒ  Ｐｒｏｊｅｃｔｉｏｎ  Ｄｉｓｐｌａｙ。Ｃｈｉｎｈ  ＴａｎらによるＭｅｔｈｏｄ  ａｎｄ  Ａｐｐａｒａｔｕｓ  ｆｏｒ  Ｃａｐｔｕｒｉｎｇ  Ｉｍａｇｅｓ  Ｕｓｉｎｇ  Ａ  Ｃｏｌｏｒ  Ｌａｓｅｒ  Ｐｒｏｊｅｃｔｉｏｎ  Ｄｉｓｐｌａｙ。Ｆｒｅｄ  ＷｏｏｄらによるＭｅｔｈｏｄ  ａｎｄ  Ａｐｐａｒａｔｕｓ  ｆｏｒ  Ｃｏｎｓｅｒｖｉｎｇ  Ｐｏｗｅｒ  ｉｎ  ａ  Ｌａｓｅｒ  Ｐｒｏｊｅｃｔｉｏｎ  Ｄｉｓｐｌａｙ。Ｒｏｎ  ＧｏｌｄｍａｎらによるＡ  Ｌａｓｅｒ  Ｐｒｏｊｅｃｔｉｏｎ  Ｄｉｓｐｌａｙ。Ｃａｒｌ  ＷｉｔｔｅｎｂｅｒｇらによるＭｅｔｈｏｄ  ａｎｄ  Ａｐｐａｒａｔｕｓ  ｆｏｒ  Ｃｏｎｔｒｏｌｌａｂｌｙ  Ｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｎｇ  ｆｏｒ  Ｄｉｓｔｏｒｔｉｏｎｓ  ｉｎ  ａ  Ｌａｓｅｒ  Ｐｒｏｊｅｃｔｉｏｎ  Ｄｉｓｐｌａｙ。Ｄｍｉｔｒｉｙ  ＹａｖｉｄらによるＭｅｔｈｏｄ  ａｎｄ  Ａｐｐａｒａｔｕｓ  ｆｏｒ  Ｃｏｎｔｒｏｌｌａｂｌｙ  Ｍｏｄｕｌａｔｉｎｇ  ａ  Ｌａｓｅｒ  Ｐｒｏｊｅｃｔｉｏｎ  Ｄｉｓｐｌａｙ。
【０００９】
ここで図面に移り、特に図１を参照すると、本発明の一実施形態に従った、レーザープロジェクションディスプレイ（ＬＰＤ）１００の様式ブロック図が示される。示された実施形態おいて、ＬＰＤ１００は、３個のレーザー１０２、１０４、１０６を含み、その各々が、赤、緑、青などの固有の１色を構成する光線１０８、１１０，１１２を発生することができる。当業者は、レーザーの数とそこから発生する光の色は、本発明の精神と範囲から逸脱することなく変更され得ることを理解されよう。
【００１０】
レーザー１０２、１０４、１０６は、共通の平面１１４に配置され、その光線１０８、１１０、１１２は、第１のスキャニングミラー１１８などの第１スキャニング装置上の実質的に共通な場所１１６上に相対的な角度を持って向けられ、投射され、それらは光線１２０、１２２、１２４として反射される。示された実施形態において、第１のスキャニングミラー１１８は、比較的高い速度（例２０−３０ｋＨＺ）で軸１２０上で振動する。第１スキャニングミラー１１８の回転または振動は、光線１０８、１１０、１１２を移動させる。すなわち、第１スキャニングミラーの角度位置が変化すると、第１スキャニングミラー１１８からの光線１２０、１２２、１２４の反射角が変化する。このように、ミラーが振動すると、反射した光線１２０、１２２、１２４はスキャンされ、２次元表示の１成分に沿って光線１２０、１２２、１２４の移動が生じる。
【００１１】
２次元表示の第２の成分は、ミラー１２６などの第２のスキャニング装置によって、生成される。示された実施形態において、第２のミラー１２６は、第１のミラー１１８の回転軸に実質的に直交する軸に関して回転または振動を生成するために、旋回軸点１３０でモーター１２８に連結される。光線１２０、１２２、１２４は、第２のミラー１２６によって、光線１３２、１３４、１３６として反射され、表示面１３８に向けられる。表示面は、本発明の精神と範囲から逸脱することなく種々の形式をとり得る。
【００１２】
第２のミラーは、第１のミラー１１８の速度に比較し、相対的に遅い速度（例６０ｈｚ）で振動または回転する。このように、図２に示されるとおり、光線１３２、１３４、１３６は、通常、表示面１３８上のパス１４０に沿って動くことを理解されたい。当業者は、パス１４０が形状と考え方においてブラウン管テレビやコンピュータモニタに通常使用されているラスタ走査と同様であることを理解されよう。
【００１３】
本発明は、ここでは別々の第１と第２のスキャニングミラー１１８、１２６を使用した実施形態で記載されているが、当業者は、同様のパス１４０は１個のミラーを使用して製作し得ると理解されよう。１個のミラーは、２個の軸の回りを回転することができ、２個の直交軸に沿って高速と低速の振動を行う。
【００１４】
図１から明らかなとおり、レーザー１０２、１０４，１０６の角度位置のため、レーザー１０２、１０４，１０６が、同じ平面１１４内および同じ点(ミラー１１８上の回転軸１２０)において、光線１０８，１１０，１１２を発生させるように機械的にも光学的にも配置されているとしても、各レーザーは異なる反射角を有し、光線１２０、１２２、１２４を分散させる。コントローラ１４２は、レーザー１０２、１０４、１０６に電力を制御して供給し、光線１２０、１２２、１２４を効果的に共線（ｃｏｌｌｉｎｅａｒ）にし、その結果、これらの光線が第２ミラー１２６上で反射し、表示面１３８と第２ミラー１２６間の距離に相対的に無関係である表示面１３８上の同じ点に送出するよう、備えられている。
【００１５】
ここで図３Ａおよび図３Ｂに移ると、光線１２０、１２２、１２４を共線にするコントローラ１４２の動作が検討されている。説明を単純にするため、図３では２つのレーザー１０２および１０４のみが示されているが、当業者は、ここで検討されている概念が本発明の精神と範囲から逸脱することなく３個以上のレーザーにも拡張され得ることを理解されよう。図３Ａに示すとおり、レーザー１０２、１０４は同時に作動された場合、反射光１２０、１２２は分散する。しかし図３Ｂに示すとおり、レーザー１０２、１０４はわずかの時間差で作動された場合、光線１２０、１２２は１本の共通パスに沿って動く（すなわち光線１２０、１２２は共線である）。たとえば、レーザー１０２が第１の時間ｔ１で作動されると、実線で示されるとおり、ミラー１１８は第１の位置となり、光線１０８はミラー１１８で反射され、光線１２０となる。その後、レーザー１０４が第２の時間ｔ２で作動されると、点線で示されるとおり、ミラー１１８は第２の位置となり、光線１１０はミラー１１８で反射され、光線１２２となる。時間ｔ２を正確に制御することにより、ミラー１１８は、光線１２２が光線１２０と実質的に同じパスに沿って正確に反射するように位置される。
【００１６】
このように、コントローラ１４２の動作によって、光線１２０、１２２は実質的に共線であるが、わずかに時間がずれる。すなわち光線１２０、１２２はここで２線とも、表示面１３８上の実質的に同じ点で反射されるが、わずかに時間差がある。しかし人間の目の残像性により、タイミングの変動は検知されない。すなわち、図１に記載された３個のレーザーシステムの場合、各レーザー１０２、１０４、１０６は、相対的に短時間内に、表示面１３２上の実質的に同じ点に向け、固有の色と強度のレーザー光を制御し発生させる。人間の目は３個の別々の色を検知するのではなく、むしろ３個の光線の混合を知覚し、その結果、表示面上のその点に調和された希望の色調が現れる。当業者は、パス１４０に沿って表示面１３２上に画像を再生するこのプロセスが何度も繰り返され得ることを理解されよう。
【００１７】
ここで図４に移ると、コントローラ１４２で使用され得るコントロールルーチン４００の一実施形態が示される。このルーチンは、各レーザーの強度を決定するコントローラ１４２と共にブロック４０１で開始する。すなわち、画像が正しく表示されるためには、コントローラ１４２は表示面に投影されようとしている画像の小さい部分で画像の色調を決定する能力がある。正しい色調を再生するために、コントローラ１４２は各レーザーのために強度を決定する。この決定は、ルックアップテーブルや数学的アルゴリズムなどの従来の任意のいろいろな方法によって実行し得る。
【００１８】
ブロック４０２においては、コントローラ１４２は各レーザーが作動される時間を決定する。このタイミングの決定は、ルックアップテーブルや数学的アルゴリズムなどの従来の任意の方法によって実行し得る。この技術は製造後の校正時に使用することができる。通常、このタイミングは相対的に固定され得る。すなわち、このタイミングは工場の技術者によって製造工程の最後に設定され、その後コントローラは工場が決定したこの設定を単に使用し得るだけである。
【００１９】
しかし、温度や手荒な扱いなどの環境条件によって発生するシステム１００における機械的な変化に対応するため、技術者か消費者でさえ、定期的にタイミングの調整を行えるようにすることは有用であり得る。タイミングの変更は、タイミング要件を不揮発性記憶装置に格納することによって実行し得るので、これらの設定を必要に応じて変更できるように、ルーチンを確立し得る。すなわち、事前選択された同調（ｔｕｎｉｎｇ）パターン（各色レーザー用のクロスパターンなど）を表示面に投影するために、ソフトウェアルーチンを含め得る。その後、サービス技術者または消費者はコントローラに対して、同調パターンが正しくオーバーラップするように調整が必要と指示し得る（事前選択された順序でボタンを押すことによって）。その後、コントローラ１４２は、レーザーのタイミングを変更するために、技術者または消費者が提供した情報を使用し得る。
【００２０】
最後にブロック４０３において、コントローラ１４２は各レーザー用の決定されたタイミングと強度を使用し、レーザーを制御して作動し、表示面上の現在位置に希望の色調を生成する。コントロールルーチン４００は、表示面に画像を効果的に再生するために、パス１４０に沿った多くの点で、連続的に繰り返される
ここで図５に移ると、スキャニングミラー１１８、１２６として採用され得るミラーの一実施形態が示される。図示例において、非共振スキャニングミラー５００が、圧電素子５０２、５０４を使用して作動される。圧電素子の固有のストローク制限は、ミラー５００の回転軸に非常に近い点で、圧電素子よって起こされた力を適用することによって克服される。このため、高機械的Ｑファクターに依存せずに、比較的大きな走査角が達成できる。
【００２１】
ミラー５００は、金属、セラミックス、半導体などの、実質的に平らなシート材料５００から形成される。シート材料５００上で実質的に伸びているスロットまたはグルーブ（溝）は、シート材料５００を２個の基本的な領域、すなわち可動反射領域５０２およびベース領域５０４に分割し、図示のとおりベース領域５０４は可動反射領域５０２を事実上囲んでいる。可動反射領域５０２は、一対のスプリットねじれヒンジ５０６によって、ベース領域５０４と連結された状態になっている。スプリットねじれヒンジ５０６は、シート材料５００上で実質的に伸びているスロットまたはグルーブによって形成され、可動反射面５０２の回転軸５０８に実質的に整列される。
【００２２】
可動反射面５０２は、通常、軸５０８の回りを自由に回転し、その結果、可動反射面５０２に向けられたレーザー光は、種々の角度でそこから反射され得る。可動反射面５０２の制御可能な位置決めは、圧電素子５１０、５１２、５１４、５１６のセットによって、実行される。通常、圧電素子５１０、５１２、５１４、５１６は、ベース領域とプリント回路基板５１８などの基礎との間に設置される。当業者は、本発明の例示的実施形態では４個の圧電素子を使用しているが、本発明の精神と範囲から逸脱することなくミラーが使用される用途の設計基準に従い、より少ないまたは多い数の素子が採用され得ることを理解されたい。
【００２３】
スプリットヒンジ５０６は回復力を提供し、その補助により可動反射領域５０２は最初の偏っていない位置に戻る。また各ヒンジ５０６は、リンクとして作用し、圧電素子５１０、５１２、５１４、５１６からの力をミラー５００に伝達する。それらの力はオフセンター（ｏｆｆ−ｃｅｎｔｅｒ）で加えられるので、トルクを発生させ、可動反射領域を回転させる。
【００２４】
図５に示されている本実施形態は、ミラー５００がマイクロエレクトロメカニカルシステムズ（ＭＥＭＳ）技術を使用して製作された場合、特に効率的である。その場合、スプリットヒンジ５０６を非常に狭くすることができ、ヒンジ５０６を形成するスロット間の距離を非常に短くし得る。
【００２５】
ここで図６Ａおよび図６Ｂに移ると、動作の各種モードにおけるミラー５００の断面端図が例示されている。図６Ａにおいては、矢印６００、６０２に示される方向に力を加えるため、圧電素子が５１０と５１２、５１４と５１６が対で作動されている。力６００、６０２はベース領域５０４に加えられ、その後、スプリットヒンジ５０６を経由して可動反射領域５０２に伝達される。スプリットヒンジ５０６を経由して加えられた力は、矢印６０４に示すとおり、可動反射領域５０２を第１の方向に回転させる。圧電素子５１０、５１２、５１４、５１６によって加えられる力の量を制御することによって、回転量は正確に制御され得る。当業者は、圧電素子５１０、５１２、５１４、５１６によって発生される力の量は、圧電素子５１０、５１２、５１４、５１６に加えられる信号の電気的パラメータを変化させることによって制御され得ることを理解されたい。たとえば、圧電素子５１０、５１２、５１４、５１６によって発生される力の量は、電圧、電流、周波数、デューティーサイクル、またはそれらの併用を変化させることによって制御され得る。さらに、一部の用途においては、各種の圧電素子５１０、５１２、５１４、５１６によって等しくない力を加えることが有用であり得る。
【００２６】
図６Ｂにおいては、図６Ａに示される力とは反対の矢印６００、６０２に示される方向に力を加える方法で、圧電素子は５１０と５１２、５１４と５１６が対で作動されている。それでもなお力６００、６０２はベース領域５０４に加えられ、その後、スプリットヒンジ５０６を経由して可動反射領域５０２に伝達される。スプリットヒンジ５０６を経由して加えられた力は、矢印６０４に示すとおり、可動反射領域５０２を第２の方向に回転させる。圧電素子５１０、５１２、５１４、５１６によって加えられる力の量を制御することによって、回転量は正確に制御され得る。当業者は、圧電素子５１０、５１２、５１４、５１６によって発生される力の量は、圧電素子５１０、５１２、５１４、５１６に加えられる信号の電気的パラメータを変化させることによって制御され得ることを理解されたい。たとえば、圧電素子５１０、５１２、５１４、５１６によって発生される力の量は、電圧、電流、周波数、デューティーサイクル、またはそれらの併用を変化させることによって制御され得る。さらに、一部の用途においては、各種の圧電素子５１０、５１２、５１４、５１６によって等しくない力を加えることが有用であり得る。
【００２７】
さらに一部の用途においては、角度の度数は、回転の第１の範囲について圧電素子の第１の対５１０，５１２をまず作動することによって制御され、その後、第２の対５１４，５１６を反対に作動し、同時に、第２の、より大きい範囲の回転を生成する。すなわち、第１の対５１０，５１２を作動することは、０〜２°の範囲における回転を生成するのに有用であり得る。一方、５１０、５１２と５１４、５１６の両方の対を反対にまた同時に作動することは、２〜５°の範囲における回転を生成し得る。当業者は、可動反射領域５０２の種々の希望の回転運動を生成するために、圧電素子５１０、５１２、５１４、５１６の作動機構を変化させることは、本発明の精神と範囲から逸脱することなく採用され得ることを理解されたい。
【００２８】
ここで図７〜図９に移ると、ミラー５００の構造の代替の実施形態が示される。特に、図７〜図９はスプリットヒンジ５０６の形成における多様性を示す。図７Ａおよび図７Ｂは、オフセット付きの複数のヒンジを有するミラー５００の上面図および拡大された上面図を示す。図７に示す実施形態は、ミラーの両側にある２対のスプリットヒンジを示すが、当業者はオフセット付きのヒンジの対は任意の数、使用可能あることを理解されたい。さらに、オフセットは０からおそらくヒンジ幅を超えるまでの任意の値を有することが可能である（図７はヒンジ幅にほぼ等しいオフセットを示す）。
【００２９】
図８に示すとおり、ヒンジを付けるために使用されるプッシュパッド８００は分岐され（ｆｏｒｋｅｄ）、ヒンジ長の方向にいくらかのコンプライアンスまたはフレキシビリティを可能にし、それで、ねじれによるヒンジの伸びを補償する。
【００３０】
さらに、図９に示すとおり、ヒンジの両側にあるプッシュパッド９００，９０２はブリッジ９０４によって接続され、ミラーの取り扱いと取り付けを容易にする。ミラーが取り付けられた後に、ブリッジ９０４は取り外されるか、あるいは重大な抵抗を生じない程度に薄い場合はそのまま保持され得る。
【００３１】
本発明は修正され、異なるしかしここでの教示の利益を有する当業者にとって明らかな同等な方法で実行され得るので、上記に開示された特定の実施形態は、例証を示すのみである。さらに、下記の特許請求の範囲に記載以外、ここに示された構造または設計の詳細に対するいかなる制限も意図していない。従って、上記に開示された特定の実施形態は、変更または修正され得ることであり、またそのような多様性は、本発明の範囲と精神内にあると考えられることは明らかである。従って、ここに求められた保護は下記の特許請求の範囲に記載されたとおりである。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】図１は、本発明の一実施形態の上面図の概要ブロック図である。
【図２】図２は、図１で示された表示面の概要図である。
【図３】図３Ａおよび３Ｂは、動作中における種々の時間におけるスキャニング装置の上面図を示す。
【図４】図４は、図１で示されるコントローラ実行され得るコントロールプログラムのフローチャートの一実施形態を示す。
【図５】図５は、図１で示されるミラーの一実施形態の概要透視図である。
【図６】図６Ａおよび６Ｂは、動作の種々の段階において示された図５のミラーの端面図を示す。
【図７】図７Ａおよび７Ｂは、図１で示されるミラーの代替実施形態の上面図および拡大された上面図を示す。
【図８】図８は、分岐されたプッシュパッド付きの、図１で示されるミラーの別の代替実施形態の上面図を示す。
【図９】図９は、取り付けブリッジ付きの、図１で示されるミラーの別の代替実施形態の上面図を示す。
【図１】
2007535706.tif 000003
【図２】
2007535706.tif 000004
【図３Ａ】
2007535706.tif 000005
【図３Ｂ】
2007535706.tif 000006
【図４】
2007535706.tif 000007
【図５】
2007535706.tif 000008
【図６Ａ】
2007535706.tif 000009
【図６Ｂ】
2007535706.tif 000010
【図７Ａ】
2007535706.tif 000011
【図７Ｂ】
2007535706.tif 000012
【図８】
2007535706.tif 000013
【図９】
2007535706.tif 000014
【国際調査報告】
2007535706.tif 000015
2007535706.tif 000016
2007535706.tif 000017