(57)【要約】本発明は、圧電モータを電気的に駆動するための装置および方法、特に、拡張された距離範囲にわたってシャープかつクリアな２次元画像を投影する画像投影装置においてミラーを振動させる際に使用するための装置および方法を提供する。圧電トランスデューサは、温度、許容差、およびコンポーネントの使用年数によって導入された周波数の変動にも関わらず、高い精度で、共振周波数において、ミラーを機械的に振動させるように、動作させられる。駆動周波数を機械的共振周波数に対応させるために、スイッチが異なる時間に作動させられる。
2008539691.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧電トランスデューサを電気的に駆動して、機械的共振周波数でミラーを振動させるための装置であって、
ａ）該トランスデューサに電気的に接続され、電気的共振周波数を有する共振回路を形成するインダクタであって、該電気的共振周波数は、温度、該トランスデューサおよび該インダクタの使用年数および許容差における変動の全体にわたって、該機械的共振周波数よりも大きい、インダクタと、
ｂ）駆動周波数を有する電気的駆動信号を用いて該共振回路を駆動させるための手段であって、該駆動周波数は、該電気的共振周波数とは、あるパラメータのぶん異なっている、手段と、
ｃ）該パラメータを調整して、該駆動周波数を該機械的共振周波数に対応させて、該電気的共振周波数における変動を補償するための手段と
を備えている、装置。
【請求項２】
前記トランスデューサは、固有の容量を有しており、前記インダクタは、インダクタンスを有しており、該トランスデューサと直列に電気的に接続されて、直列の共振回路を形成している、請求項１に記載の装置。
【請求項３】
前記電気的共振周波数は、前記機械的共振周波数の２倍以上である、請求項１に記載の装置。
【請求項４】
前記駆動させるための手段は、ＤＣ電源にわたって接続された２つのアームを有するブリッジ回路を含んでおり、各アームは、一対の作動可能なスイッチと、その間の接合部とを有しており、前記直列共振回路は、該アームの各接合部の間に接続されている、請求項２に記載の装置。
【請求項５】
各スイッチは、トランジスタであり、前記ブリッジ回路は、各アームの１つのスイッチと、それぞれのアームの接合部との間に接続されたダイオードを含んでいる、請求項４に記載の装置。
【請求項６】
前記駆動させるための手段は、前記スイッチの作動を周期的に制御するためのコントローラを含んでおり、ＤＣ電圧を、周期を有する交流波形を有している駆動電圧に変換する、請求項４に記載の装置。
【請求項７】
前記コントローラは、前記パラメータが調整されることを決定するスイッチ時間にわたって、各アームにおける少なくとも１つのスイッチを閉じ、各アームにおける少なくとも別のスイッチを開く、請求項６に記載の装置。
【請求項８】
前記容量は、前記駆動電圧の半周期の間に充電される、請求項７に記載の装置。
【請求項９】
前記コントローラは、前記駆動信号の振幅を決定する時間にわたって、少なくとも１つのスイッチを閉じる、請求項６に記載の装置。
【請求項１０】
圧電トランスデューサを電気的に駆動して、機械的共振周波数でミラーを振動させるための方法であって、
ａ）インダクタを該トランスデューサに電気的に接続し、電気的共振周波数を有する共振回路を形成するステップであって、該電気的共振周波数は、温度、該トランスデューサおよび該インダクタの使用年数および許容差における変動の全体にわたって、該機械的共振周波数よりも大きい、ステップと、
ｂ）駆動周波数を有する電気的駆動信号を用いて該共振回路を駆動させるステップであって、該駆動周波数は、該電気的共振周波数とは、あるパラメータのぶん異なっている、ステップと、
ｃ）該パラメータを調整して、該駆動周波数を該機械的共振周波数に対応させて、該電気的共振周波数における変動を補償するステップと
を包含する、方法。
【請求項１１】
前記トランスデューサは、固有の容量を有しており、前記インダクタは、インダクタンスを有しており、該トランスデューサと直列に電気的に接続されて、直列の共振回路を形成している、請求項１０に記載の方法。
【請求項１２】
前記電気的共振周波数は、前記機械的共振周波数の２倍以上である、請求項１０に記載の方法。
【請求項１３】
前記駆動させるステップは、ＤＣ電源にわたって接続された２つのアームを有するブリッジ回路を形成することであって、各アームは、一対の作動可能なスイッチおよびその間の接合部を有している、ことと、該アームの各接合部の間に直列共振回路を接続することとを含んでいる、請求項１１に記載の方法。
【請求項１４】
各スイッチは、トランジスタであり、前記ブリッジ回路は、各アームの１つのスイッチと、それぞれのアームの接合部との間に接続されたダイオードを含んでいる、請求項１３に記載の方法。
【請求項１５】
前記駆動させるステップは、前記スイッチの作動を周期的に制御するためのコントローラが、ＤＣ電圧を、周期を有する交流波形を有している駆動電圧に変換することを含んでいる、請求項１３に記載の方法。
【請求項１６】
制御するステップは、前記パラメータが調整されることを決定するスイッチ時間にわたって、各アームにおける少なくとも１つのスイッチを閉じ、各アームにおける少なくとも別のスイッチを開くことを含んでいる、請求項１５に記載の方法。
【請求項１７】
前記容量は、前記駆動電圧の半周期の間に充電される、請求項１６に記載の方法。
【請求項１８】
前記制御するステップは、前記スイッチのうちの１つが閉じられる時間を制御することによって、前記駆動電圧の振幅を制御することを含んでいる、請求項１５に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、概して、圧電モータを駆動してミラーを振動させるための装置および方法に関し、特に、２次元画像をカラーで投影する一方で、低電力消費、高解像度、小型サイズ、静かな動作、および最小の振動を維持するように動作可能な、画像投影システムにおいて使用するための装置および方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
互いに直交する方向に振動する一対のスキャンミラーに基づいて、２次元画像をスクリーン上に投影し、ラスタパターン上でレーザビームをスキャンすることは、公知である。しかしながら、公知の画像投影システムは、典型的には６４０×４８０ピクセルのビデオグラフィックスアレイ（ＶＧＡ）品質の１／４未満という制限された解像度の画像を投影するが、カラーではそれができない。
【０００３】
米国特許出願第１０／９７５，８８８号（２００４年１０月２７日出願）、米国特許出願第１０／３８７，８７８号（２００３年３月１３日出願）（両出願とも、本出願の譲受人に譲渡されており、参照により本明細書に援用されている）によって教示されているように、一対の圧電トランスデューサを含む圧電モータを、ヒンジ（スキャンミラーは、そのまわりで、自由に振動することができる）の反対側におけるフレームに接続することにより、慣性力によってスキャンミラーを振動させることは公知である。周期的な駆動信号は、両方のトランスデューサに印加され、１つのトランスデューサを伸張させ、フレームの１つの側を押させる一方で、同時にその他のトランスデューサを収縮させ、フレームの反対側を引かせるか、あるいはその逆に、１つのトランスデューサを収縮させ、フレームの１つの側を引かせる一方で、同時にその他のトランスデューサを伸張させ、フレームの反対側を押させる。押す力および引く力は、フレームを介して交互に伝達され、機械的共振周波数で、スキャンミラーをヒンジのまわりで振動させる。ミラーに入射する光ビームは、空間内の１つ以上のスキャンラインとして、掃引される。
【０００４】
圧電駆動信号を生成するための駆動回路は、典型的には、比較的高いＡＣ電圧（例えば、ピークトゥピークで５０ボルト）を必要とし、駆動または基本周波数は、モータの機械的共振周波数において正確に調整される。１つの公知な駆動回路は、高いＤＣ電圧（例えば、５０ボルト）を用い、その後この電圧を、線形制御に送る。しかしながら、この駆動回路は、比較的高い電力損失および非能率を引き起こしてしまう。
【０００５】
その他の公知の駆動回路は、エネルギーの再循環を用いることを伴う。例えば、圧電トランスデューサは、固有の容量を有しており、共振回路を形成するために、所定のインダクタンスを有するインダクタが、トランスデューサに接続されている。低いＤＣ駆動電圧（例えば、５ボルト）は、共振回路によって形成された電気的共振周波数においてスイッチされ、約５０ボルト  ＡＣの駆動電圧への電圧ブーストを形成するために、用いられる。したがって、約１０倍の駆動電圧のブーストを達成するために、駆動周波数は、電気的共振周波数にマッチしなければならない。
【０００６】
しかしながら、経験は、そのようなエネルギーを再循環する駆動回路は、実用においては満足のいくものではないことを示している。圧電トランスデューサの容量は、ユニットごとに、そして温度および使用年数にしたがって、変動する。インダクタの容量もまた、ユニットごとに、そして温度および使用年数にしたがって、変動する。例えば、温度の変動が４０℃の場合、容量は２０％変化し得；インダクタンスは５％変化し得；電気的共振周波数は１２％変化し得る。
【０００７】
電気的共振周波数におけるそのような望ましくない変動に対処するために、従来技術は、高度かつ複雑な補償回路によって、そのような容量の変化およびインダクタンスの変化を補償することを提案してきた。この補償回路は、追加的なキャパシタ、追加的なインダクタ、スイッチおよび論理制御を用い、これらの全ては、装置全体に対して、コストおよびサイズ、ならびに追加的なコンポーネント（そのインピーダンスもまた、許容差、温度、および使用年数に依存する）を追加してしまう。
【０００８】
さらにその他の公知の駆動回路は、電気的共振周波数を同調させるために、手動の調整を用いている。典型的に、機械的に同調可能なインダクタは調整される。しかしながら、単一の手動の調整は、許容差の変動、温度の変動、および使用年数の変動の全範囲にわたって適切に補償することができないので、この駆動回路は、満足のいくものではない。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
したがって、本発明の一般的な目的は、圧電モータを電気的に駆動するための装置および方法を提供すること、特に、拡張された距離範囲にわたってシャープかつクリアな２次元画像を投影する画像投影装置においてミラーを振動させる際に使用するための装置および方法を提供することである。
【００１０】
本発明の別の目的は、圧電モータを駆動させることにより、温度の変動、許容差の変動、および使用年数の変動を補償することである。
【００１１】
本発明のさらに別の目的は、電気的共振周波数を機械的共振周波数からデカップル（ｄｅｃｏｕｐｌｅ）することにより、電的共振周波数が広い範囲の許容差にわたって変動することを可能にすることである。
【００１２】
本発明のさらに別の目的は、従来技術の要件であった、温度の変動、許容差の変動、および使用年齢の変動を調整するための、追加的なインピーダンスの使用をなくすことである。
【００１３】
追加的な目的は、異なるフォームファクタの多くの機器において有用な携帯型カラー画像投影装置における圧電モータを駆動するための、小型、コンパクト、軽量、および低価格の駆動回路を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
これらの目的および以後明らかになるその他の目的を踏まえると、本発明の１つの特徴は、簡単に述べると、圧電トランスデューサを電気的に駆動して、機械的共振周波数で、ミラーを機械的に振動させるための装置および方法にある。好適な実施形態において、ミラーは、一対のスキャンミラーのうちの１つであり、このスキャンミラーは、互いに直交する方向に沿って、好適には、異なるスキャン角度の異なるスキャンレートで、レーザビームを掃引し、装置から遠くにビームを投影するように動作可能である。
【００１５】
本発明にしたがうと、インダクタンスを有するインダクタが、トランスデューサに電気的に接続されている。このトランスデューサは、固有の容量を有しており、電気的共振周波数を有する共振回路を形成している。従来技術のように、インダクタンスおよび容量の両方は、温度、インダクタおよびトランスデューサごとの使用年数および許容差の値にしたがって変動し、広い範囲（例えば、約１２％）にわたって電気的共振周波数を変動させる。
【００１６】
しかしながら、従来技術とは対照的に、電気的共振周波数は、機械的共振周波数とはデカップリングまたはアンリンク（ｕｎｌｉｎｋ）される。これは、電気的共振周波数を機械的共振周波数よりも大きくすることによって、達成される。例えば、機械的共振周波数が約３０ｋＨｚの場合、インダクタンスおよび容量の値は、電気的共振周波数を約８０ｋＨｚにするように選択される。周波数におけるこの差は、予測された温度、使用年数、および駆動周波数の間に有効に保たれる。
【００１７】
トランスデューサは、駆動周波数を有する駆動信号を用いて駆動される。共振回路は、従来技術が教示するように、電気的共振周波数によっては駆動されないが、機械的共振周波数によって駆動される。この機械的共振周波数は、上述のように、電気的共振周波数とは、あるパラメータぶん異なっている。機械的共振周波数と駆動周波数との間の対応を達成するためには、駆動周波数ではなく、このパラメータが調整される。したがって、電気的共振周波数は、上述の広い範囲（１２％）にわたって変動することが可能であるが、駆動周波数は、機械的共振周波数に正確に調整され、制限された範囲（１％未満）にわたって変動することのみが可能である。ここで機械的共振周波数に正確に調整された、この駆動周波数は、画像投影装置が高解像度の画像を投影するために必要な高い精度および高いスキャンレートで、ミラーを振動させるために用いられる。
【００１８】
好適な実施形態において、ブリッジ回路は、ＤＣ電源にわたって接続された２つのアームを有している。各アームは、一対の作動可能スイッチと共に、その間の接合部を有している。インダクタのインダクタンスおよびトランスデューサの容量から構成される直列共振回路は、アームの接合部の間に接続される。ＤＣ電圧を、正の半周期および負の半周期を有する交流波形を有している駆動電圧に変換するために、スイッチは、コントローラ（好適には、マイクロコントローラ）によって、周期的に作動（すなわち、開閉）される。
【００１９】
少なくとも１つのスイッチの作動は、電流がインダクタを一方向に流れ、電荷がトランスデューサに蓄積される時間の間に、開始する。この時間が終了すると、電流がインダクタの反対方向に流れ、電荷がトランスデューサに蓄積され続けるようにするために、少なくとも別のスイッチが作動される。
【００２０】
言い換えると、電気的共振周期は、周期的に中断され、電気的共振周期の間に、電荷がキャパシタ上に格納される。この動作は、駆動周波数が機械的共振周波数とマッチするまで、より具体的には、駆動周波数の基本（ｆｕｎｄａｍｅｎｔａｌ）が、機械的共振周波数とマッチするまで、駆動周波数を低減させる。
【００２１】
したがって、駆動周波数の正の半周期の波形は、機械的共振周波数の正の半周期と非常に良くマッチするが、この時間ぶんだけ、電気的共振周波数の正の半周期とは異なっている。同じことは、駆動周波数の負の半周期にも当てはまる。したがって、代数的に記述すると；
（１／ＦＥ）＋２ｔｄ＝（１／ＦＭ）＝（１／ＦＤ）
ここで、ＦＥは電気的共振周波数であり、
ここで、ＦＭは機械的共振周波数であり、
ここで、ＦＤは駆動周波数であり、
ここで、ｔｄは時間、すなわち、駆動周波数と機械的共振周波数との間の対応を達成するために調整されるパラメータである。
【００２２】
機械的共振周波数を決定するために、そして時間の初期値を決定するために、フィードバック回路が用いられ、ミラーの振動運動をモニタし、フィードバック信号を生成する。例えば、磁石が、一緒の運動のために、ミラー上に搭載され、隣接する電磁コイルが、磁石の永久磁場と磁気的に相互作用して、ミラーの位置を表すフィードバック信号を生成する。このフィードバック信号は、その大きさおよび位相を得るために、処理される。大きさが最大のとき、および位相がゼロのとき（これにより、変化の方向を示す）、機械的共振周波数が決定される。
【００２３】
この時間を調整するために、マイクロプロセッサが、フィードバック信号の大きさおよび位相を継続的にモニタし、駆動周波数が機械的共振周波数とマッチするまで、大きさおよび位相を動的に調整する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２４】
図１における参照番号１０は、概略的に、携帯型機器（例えば、パーソナルデジタルアシスタント）を示しており、この携帯型機器には、例えば、図２に示されているような、軽量かつコンパクトな画像投影装置２０が搭載される。また、この携帯型機器は、この機器からの可変距離において、２次元カラー画像を投影するように動作可能である。例えば、画像１８は、機器１０に対する作動距離範囲内に配置される。
【００２５】
図１に示されているように、画像１８は、画像の水平方向に沿って延びている光学的水平スキャン角度Ａにわたって、および画像の垂直方向に沿って延びている光学的垂直スキャン角度Ｂにわたって、延在している。以下に記載されているように、画像は、装置２０におけるスキャナによって掃引されるスキャンラインのラスタパターン上の照明されているピクセルと、照明されていないピクセルとから構成されている。
【００２６】
機器１０の平行６面体の形状は、装置２０が実装され得るハウジングのフォームファクタのうちの１つを表しているに過ぎない。この機器は、例えば、米国特許第６，８３２，７２４号明細書に示されているように、ペン、携帯電話、クラムシェル、または腕時計の形状であり得る。
【００２７】
好適な実施形態において、装置２０は、３０ｃｍ３未満の体積である。このコンパクトかつ小さなサイズは、装置２０が多種多様な形状、すなわち、大小の、携帯型または固定式のハウジングに搭載されることを可能にする。このハウジングは、オンボードディスプレイ１２、キーパッド１４、および画像を投影する窓１６を有するものを含んでいる。
【００２８】
図２および図３を参照すると、装置２０は、半導体レーザ２２を含んでおり、これは、活性化されたときに、約６３５〜６５５ナノメートルの明るい赤色レーザビームを放出する。レンズ２４は、正の焦点距離を有する非球面状の凸レンズであり、赤色ビームにおけるほぼ全てのエネルギーを収集し、回折が制限されたビームを生成するように動作可能である。レンズ２６は、負の焦点距離を有する凹レンズである。レンズ２４、２６はそれぞれ、図示されていないレンズホルダによって保持されており、これらのレンズホルダは、機器１０の内部のサポート（図２においては、明確化のために図示されていない）上に離れて配置されている。レンズ２４、２６は、作動距離にわたって赤色ビームの輪郭を整形する。
【００２９】
別の半導体レーザ２８が、サポート上に搭載され、活性化されたときに、約４７５〜５０５ナノメートルの回折が制限された青色レーザビームを放出する。別の非球面状の凸レンズ３０および凹レンズ３２が、レンズ２４、２６と同様の方法で、青色ビームの輪郭を整形するために、用いられる。
【００３０】
約５３０ナノメートルの波長を有する緑色レーザビームは、半導体レーザによって生成されないが、代わりに、赤外線ダイオード励起ＹＡＧ結晶レーザ（その出力ビームは、１０６０ナノメートルである）を有する緑色モジュール３４によって、生成される。非線形周波数２倍化結晶が、赤外線レーザキャビティにおいて、２つのレーザミラーの間に含まれている。キャビティの内部における赤外線レーザの出力は、キャビティの外部において結合された出力よりもはるかに大きいので、周波数ダブラーは、キャビティの内部において、２倍の周波数の緑色光をより効率的に生成する。レーザの出力ミラーは、１０６０ｎｍの赤外放射を反射可能であり、２倍化された５３０ｎｍの緑色レーザビームを伝送可能である。固体レーザおよび周波数ダブラーの正確な動作は、正確な温度制御を必要とするので、Ｐｅｌｔｉｅｒ効果に依存する半導体デバイスが、緑色レーザモジュールの温度を制御するために用いられる。熱電気クーラーが、印加された電流の極性に依存して、デバイスを加熱または冷却し得る。サーミスタは、緑色レーザモジュールの温度をモニタするための、緑色レーザモジュールの一部分である。サーミスタからの読取りは、コントローラに供給され、このコントローラは、熱電気クーラーに応じて制御電流を調整する。
【００３１】
以下に記載されるように、レーザは、約１００Ｈｚの周波数でパルス発振する。赤色レーザ２２および青色レーザ２８は、そのような高い周波数でパルス発振し得るが、現在利用可能な緑色固体レーザは、そのように発振することができない。結果として、緑色モジュール３４から放出される緑色レーザビームは、緑色ビームを回折させるために、結晶の内部に音響定常波を形成する音響光学変調器（ＡＯＭ）３６を用いることにより、パルス発振される。しかしながら、ＡＯＭ３６は、０次の回折されていないビーム３８、および１次のパルス発振された回折されたビーム４０を生成する。ビーム３８、４０は、それらを分離して、望ましくない０次のビーム３８を除去するために、互いに分岐（ｄｉｖｅｒｇｅ）する。また、ビーム３８、４０は、フォルディングミラー４２を有する、長い折れ曲がった経路に沿って、ルーティングされる。代替的に、ＡＯＭは、緑色レーザモジュールをパルス発振するために、外部または内部のいずれかで、用いられ得る。緑色レーザビームを変調するためのその他の可能な方法は、電子吸収変調、またはＭａｃｈ−Ｚｅｎｄｅｒ干渉計を含む。ＡＯＭは、図２に概略的に示されている。
【００３２】
ビーム３８、４０は、正のレンズ４４および負のレンズ４６を介してルーティングされる。しかしながら、回折された緑色ビーム４０のみが、フォルディングミラー４８に衝突し、フォルディングミラー４８から反射されることが可能である。回折されていないビーム３８は、好適にはミラー４８に搭載されている吸収体５０によって吸収される。
【００３３】
装置は、一対の２色性フィルタ５２、５４を含んでおり、この一対の２色性フィルタは、緑色ビーム、青色ビーム、赤色ビームを、スキャニングアセンブリ６０に到達する前に、できるだけ同一直線上に形成するように配置されている。フィルタ５２は、緑色ビーム４０が、フィルタ５２を通ることを許容するが、青色レーザ２８からの青色ビーム５６は、干渉効果によって反射される。フィルタ５４は、緑色ビーム４０および青色ビーム５６が、フィルタ５４を通ることを許容するが、赤色レーザ２２からの赤色ビーム５８は、干渉効果によって反射される。
【００３４】
ほぼ同一直線上にあるビーム４０、５６、５８は、固定式のバウンスミラー６２に配向され、このバウンスミラー６２から反射される。スキャニングアセンブリ６０は、第１のスキャンミラー６４であって、慣性駆動部６６（図４〜図５において分離して示されている）によって、第１のスキャンレートで振動させられ、第１の水平スキャン角度Ａにわたって、バウンスミラー６２から反射されたレーザビームを掃引する、第１のスキャンミラー６４と、第２のスキャンミラー６８であって、電磁駆動部７０によって、第２のスキャンレートで振動させられ、第２の垂直スキャン角度Ｂにわたって、第１のスキャンミラー６４から反射されたレーザビームを掃引する、第２のスキャンミラー６８と、を含んでいる。異なる構成において、スキャンミラー６４、６８は、単一の２軸ミラーによって置換され得る。
【００３５】
慣性駆動部６６は、高速であって低電力消費型のコンポーネントである。慣性駆動部の詳細は、米国特許出願第１０／９７５，８８８号（２００４年１０月２７日出願）、米国特許出願第１０／３８７，８７８号（２００３年３月１３日出願）（両出願とも、本出願の譲受人に譲渡されており、参照により本明細書に援用されている）において見出すことができる。以下に記載されているように、慣性駆動部の使用は、スキャニングアセンブリ６０の電力消費を１ワット未満に低減させ、カラー画像を投影する場合には、１０ワット未満に低減させる。
【００３６】
駆動部６６は、ヒンジによってスキャンミラー６４を支持するための可動フレーム７４を含んでいる。このヒンジは、一対の同一直線上のヒンジ部分７６、７８を含んでおり、これらヒンジ部分は、ヒンジ軸６５に沿って延びており、スキャンミラー６４の対向領域とフレームの対向領域との間に接続される。図示されているように、フレーム７４は、必ずしもスキャンミラー６４を囲んでいる必要はない。
【００３７】
フレーム、ヒンジ部分、およびスキャンミラーは、ワンピースの、ほぼ平面状の、厚さが約１５０μであるシリコン基板から製造される。このシリコンは、オメガ形状のスロット（上部の平行なスロット部分、下部の平行なスロット部分、および中央のＵ形状のスロット部分を有している）を形成するためにエッチングされる。スキャンミラー６４は、好適には楕円形状を有しており、スロット部分において自由に運動することができる。好適な実施形態において、楕円形の形状のスキャンミラーの軸に沿った寸法は、７４９μ×１６００μである。各ヒンジ部分は、幅２７μ、長さ１１３０μである。フレームは、長方形の形状を有しており、幅３１００μ、長さ４６００μである。
【００３８】
慣性駆動部は、ほぼ平面状の印刷回路基板８０に搭載され、フレームを直接的に運動させたり、慣性によって、ヒンジ軸のまわりでスキャンミラー６４を間接的に振動させたりするように動作可能である。慣性駆動部の一実施形態は、一対の圧電トランスデューサ８２、８４を含んでおり、この一対の圧電トランスデューサは、基板８０に対して垂直に延びており、ヒンジ部分７６の両側におけるフレーム７４の間隔を空けられた部分（ｓｐａｃｅｄ  ａｐａｒｔ  ｐｏｒｔｉｏｎ）と接触する。各トランスデューサの１つの端部と各フレーム部分との間の永久的な接触を保証するために、接着剤が用いられ得る。図８〜図１１に関連して以下に記載されるように、各トランスデューサの反対側の端部は、基板８０の後方から突出しており、ワイヤ８６、８８によって、本発明を構成する駆動回路によって生成された周期交流信号に電気的に接続されている。
【００３９】
使用中、駆動回路は、各トランスデューサに周期的な駆動電圧信号を印加し、それぞれのトランスデューサの長さを交互に伸縮させる。トランスデューサ８２が延びている場合、トランスデューサ８４は収縮し、その逆に、トランスデューサ８４が延びている場合、トランスデューサ８２は収縮する。これにより、間隔を空けられたフレーム部分を同時に押したり引いたりし、フレームをヒンジ軸のまわりで捩れさせる。駆動電圧信号は、スキャンミラーの機械的共振周波数に対応する周波数を有している。スキャンミラーは、初期の休止位置から運動させられ、機械的共振周波数でヒンジ軸のまわりを振動するまで、運動させられる。好適な実施形態において、フレームおよびスキャンミラーは、約１５０μの厚さであり、スキャンミラーは高いＱ係数を有している。各トランスデューサによる約１μの運動は、２０ｋＨｚ以上のスキャンレートでスキャンミラーの振動を引き起こし得、光ビームをスキャンミラー上に入射させ、３０°の弧にわたって掃引させる。
【００４０】
別の一対の圧電トランスデューサ９０、９２は、基板８０に対して垂直に延びており、ヒンジ部分７８の両側におけるフレーム７４の間隔を空けられた部分と永久的に接触する。トランスデューサ９０、９２は、フィードバックデバイスとして機能することにより、フレームおよびスキャンミラー６４の振動運動をモニタし、電気的フィードバック信号を生成し、図１１に関連して以下に記載されるフィードバック制御回路に、ワイヤ９４、９６に沿って、電気的フィードバック信号を導く。
【００４１】
代替的に、フィードバックのために、圧電トランスデューサ９０、９２を用いる代わりに、磁気的なフィードバックが用いられ得る。ここで、永久磁石は、高速ミラーの背後に搭載され、振動する磁石によって生成された変化する磁場をピックアップするために、外部コイルが用いられる。
【００４２】
光がスキャンミラーの外表面から反射され得るが、ミラー６４の表面を、金、銀、アルミニウムから構成された鏡面反射コーティング、または特別に設計された高い反射性の誘電性のコーティングを用いることによって、コーティングすることが望ましい。
【００４３】
電磁駆動部７０は、第２のスキャンミラー６８の背後に一緒に搭載されている永久磁石と、周期的な駆動信号の受信に応答して、周期的な磁場を生成するように動作可能な電磁駆動コイル７２とを含んでいる。周期的な磁場が、磁石の永久磁場と磁気的に相互作用し、磁石および第２のスキャンミラー６８を振動させることができるように、駆動コイル７２は、磁石に隣接している。
【００４４】
慣性駆動部６６は、好適には５ｋＨｚ以上、より好適には約１８ｋＨｚ以上の高速のスキャンレートで、スキャンミラー６４を振動させる。この高速スキャンレートは、不可聴周波数なので、ノイズおよび振動を最小化する。電磁駆動部７０は、約４０Ｈｚの低速のスキャンレートで、スキャンミラー６８を振動させる。この低速のスキャンレートは、過剰なフリッカを有さずに画像が人間の目の網膜に残存することを可能にするためには、十分速いスキャンレートである。
【００４５】
高速ミラー６４が水平スキャンラインを掃引し、低速ミラー６８が水平スキャンラインを垂直に掃引することにより、ラスタパターンを形成する。このラスタパターンは、画像を構成するほぼ平行なスキャンラインのグリッドまたは系列である。各スキャンラインは、多数のピクセルを有している。画像の解像度は、好適には、１０２４×７６８ピクセルのＸＧＡ品質である。制限された作動範囲にわたって、高精細度のテレビ標準規格、すなわち、７２０ｐ、１２７０×７２０ピクセルで表示することができる。一部のアプリケーションにおいて、この１／２の３２０×４８０ピクセルのＶＧＡ品質、またはこの１／４の３２０×２４０ピクセルのＶＧＡ品質で十分である。最小でも、１６０×１６０ピクセルの解像度が所望される。
【００４６】
ミラー６４、６８の役割は、ミラー６８が高速、ミラー６４が低速というように、入れ替えられ得る。ミラー６４はまた、垂直スキャンラインを掃引するように設計され得、この掃引事象において、ミラー６８は、水平スキャンラインを掃引し得る。また、慣性駆動部は、ミラー６８を駆動させるために用いられ得る。特に、ミラー６８は、電気機械的駆動部、電気的駆動部、機械的駆動部、静電気的駆動部、磁気的駆動部、または電磁気的駆動部のうちのいずれかによって駆動され得る。
【００４７】
低速ミラーは、画像が表示される間に、一定速度の掃引モードで動作する。ミラーの戻りの間に、このミラーは、かなり高い固有周波数で、最初の位置を掃引する。ミラーの戻り動程の間に、レーザは、デバイスの電力消費を低減させるために、オフにされ得る。
【００４８】
図６は、図２と同じ視点による、装置２０の実際の実装である。上述のコンポーネントは、トップカバー１００およびサポート平面１０２を含むサポートに搭載されている。ホルダ１０４、１０６、１０８、１１０、１１２のそれぞれは、フォルディングミラー４２、４８、およびフィルタ５２、５４、およびバウンスミラー６２を、共通の配列（ａｌｉｇｎｍｅｎｔ）に保持している。各ホルダは、サポートに固定するように搭載された配置ポストを受け入れるための、複数の配置スロットを有している。このようにして、ミラーおよびホルダが、正確に配置される。示されているように、３つのポストが存在しており、２つの角度調整と、１つの横方向の調整とが可能である。各ホルダは、その最終的な位置に接着され得る。
【００４９】
画像は、スキャンラインにおける１つ以上のピクセルの選択的な照明によって構成される。図７を参照して以下に詳細に記載されるように、コントローラ１１４は、３つのレーザビームによって、ラスタパターンにおける選択されたピクセルを照明させ、可視状態にする。例えば、赤色電力コントローラ１１６、青色電力コントローラ１１８、および緑色電力コントローラ１２０のそれぞれは、赤色レーザ２２、青色レーザ２８、および緑色レーザ３４に電流を導くことにより、これらレーザを活性化することによって、選択されたピクセルの各々において、それぞれの光ビームを放出すること、ならびに赤色レーザ、青色レーザ、および緑色レーザに電流を導かないことにより、これらレーザを不活性化することによって、選択されていないその他のピクセルを照明しないことが可能である。照明されたピクセルおよび照明されていないピクセルの結果として得られたパターンは、人間または機械によって読取り可能な情報またはグラフィックに関する任意の表示であり得る画像を含んでいる。
【００５０】
図１を参照すると、ラスタパターンが、拡大図で示されている。レーザビームは、ある端点から開始して、慣性駆動部によって、水平方向に沿って、所定の水平スキャンレートで、反対の端点まで掃引され、スキャンラインを形成する。その後、レーザビームは、電磁駆動部７０によって、垂直方向に沿って、所定の垂直スキャンレートで、別の端点まで掃引され、第２のスキャンラインを形成する。その後のスキャンラインの形成は、同じ方法で行われる。
【００５１】
マイクロプロセッサ１１４または制御回路の制御のもとで、電力コントローラ１１６、１１８、１２０の動作によって、レーザを活性化するか、またはレーザを選択された回数だけオンおよびオフにパルス発振することにより、ラスタパターンに画像が形成される。所望の画像におけるピクセルが可視であることが所望されるときにのみ、レーザは、可視光を生成して、オンにされる。各ピクセルの色は、ビームの１つ以上の色によって決定される。可視光のスペクトルにおける任意の色は、赤色レーザ、青色レーザ、および緑色レーザの１つ以上を選択的に重ね合わせることにより、形成され得る。ラスタパターンは、各ライン上の複数のピクセルおよび複数のラインから構成されるグリッドである。画像は、選択されたピクセルのビットマップである。全ての文字または数字、任意のグラフィカルデザインまたはロゴ、および機械読取り可能なバーコード記号さえも、ビットマップ画像として形成され得る。
【００５２】
図７に示されているように、入ってくるビデオ信号は、垂直同期化データおよび水平同期化データならびにピクセルデータおよびクロックデータを有しており、マイクロプロセッサ１１４の制御のもとで、赤色バッファ１２２、青色バッファ１２４、および緑色バッファ１２６に送信される。１つのフルＶＧＡフレームの格納は、多くのキロバイトを必要とし、１つのフレームが書き込まれている間に、別のフレームが処理および投影されることを可能にするために、バッファにおいて、２つのフルフレームのために十分なメモリを有していることが望ましい。バッファされたデータは、速度プロファイラ１３０の制御のもとで、フォーマッタ１２８、および赤色ルックアップテーブル（ＬＵＴ）１３２、青色ルックアップテーブル（ＬＵＴ）１３４、緑色ルックアップテーブル（ＬＵＴ）１３６に送信され、スキャニングによって引き起こされた固有の内部歪み、および投影された画像の表示角度によって引き起こされた幾何学的歪みを補正する。結果として得られた赤色デジタル信号、青色デジタル信号、および緑色デジタル信号は、デジタルアナログ変換器（ＤＡＣ）１３８、１４０、１４２によって、赤色アナログ信号、青色アナログ信号、および緑色アナログ信号に変換される。赤色アナログ信号および青色アナログ信号は、赤色レーザデバイス（ＬＤ）１４４および青色レーザデバイス（ＬＤ）１４６に供給され、これらはまた、赤色コントローラ１１６および青色コントローラ１１８にも接続されている。緑色アナログ信号は、ＡＯＭ無線周波数（ＲＦ）ドライバ１５０に、そして次に緑色レーザ３４に供給され、これはまた、緑色ＬＤ１４８に、そして緑色電力コントローラ１２０にも接続されている。
【００５３】
フィードバック制御もまた、図７に示されており、赤色アナログデジタル（Ａ／Ｄ）変換器１５８、青色アナログデジタル（Ａ／Ｄ）変換器１６０、緑色アナログデジタル（Ａ／Ｄ）変換器１６２、そしてマイクロコントローラ１１４に接続された、赤色フォトダイオード増幅器１５２、青色フォトダイオード増幅器１５４、および緑色フォトダイオード増幅器１５６を含んでいる。Ａ／Ｄ変換器１６６、そしてマイクロプロセッサに接続されたサーミスタ増幅器１６４によって、熱がモニタされる。
【００５４】
スキャンミラー６４、６８は、ドライバ１６８、１７０によって駆動され、これらには、ＤＡＣ１７２、１７４からのアナログ駆動信号が供給される。上記ＤＡＣ１７２、１７４は、マイクロコントローラに接続されている。フィードバック増幅器１７６、１７８は、スキャンミラー６４、６８の位置を検出し、フィードバックＡ／Ｄ１８０、１８２、そしてマイクロプロセッサに接続されている。
【００５５】
電力管理回路１８４は、電力を最小化する一方で、好適には、緑色レーザを常にオンに維持し、赤色レーザおよび青色レーザの電流をレージング閾値未満に維持することによって、高速オンタイム（ｆａｓｔ  ｏｎ−ｔｉｍｅｓ）を可能にするように、動作可能である。
【００５６】
レーザ安全停止回路１８６は、スキャンミラー６４、６８のいずれか一方が、適切な場所から外れていることを検出された場合に、レーザをオフにするように動作可能である。
【００５７】
上述のように、各圧電トランスデューサ８２、８４は、図８において概略的に示されており、図９の実際の実装における、駆動回路２００によって生成された周期的な駆動信号によって駆動される。各圧電トランスデューサまたは結晶は、固有の容量２０２を有している。インダクタンス２０６を有しているインダクタ２０４は、容量２０２と直列に接続され、電気的共振周波数（ＦＥ）を有している一連の共振回路を形成している。
【００５８】
上述のように、駆動信号が、駆動周波数（ＦＤ）を有しており、これが、慣性駆動部６６（圧電モータとも称される）のスキャンミラー６４の機械的共振周波数（ＦＭ）とマッチしていることが、理想的である。さらなる効率を得るために、低電圧から高電圧への電圧ブーストまたは乗算を達成するためには、共振回路は、電気的共振周波数で駆動されなければならない。しかしながら、インダクタおよびトランスデューサの使用年数、これらのコンポーネントのうちの１つのものから別のものへの許容差の変動、ならびに周囲温度の変化の全ては、電気的共振周波数の大きな（例えば、約１２％の）変動に寄与する。電気的共振周波数の変動は、駆動回路の効率を劣化させ、画像投影装置のコンテクストにおいては、投影された画像の解像度を劣化させる。
【００５９】
本発明にしたがうと、共振回路は、電気的共振周波数において駆動されないが、機械的共振周波数においては駆動される。以下に記載されるように、電気的共振周波数および機械的共振周波数は、互いにデカップリングまたはアンリンクされ、電気的共振周波数と駆動周波数との間の差を規定するパラメータが、調整される。電気的共振周波数は、広い範囲にわたって変動することが可能である。
【００６０】
図８に示されているように、低電圧直流電源（例えば、５ボルト  ＤＣ）と接地との間にブリッジが確立される。ブリッジの１つのアームは、２つの作動可能スイッチＳ１およびＳ２を有しており、これらのスイッチは、互いに接合部２０８に接続されている。ブリッジの別のアームは、２つ以上の作動可能スイッチＳ３およびＳ４を有しており、これらのスイッチは、互いに別の接合部２１０に接続されている。直接共振回路が、接合部２０８および２１０の間に接続されている。
【００６１】
図９に示されているように、各スイッチは、好適には、ＭｏｓＦＥＴトランジスタである。スイッチＳ１、Ｓ３は、好適にはｐチャネルであり；スイッチＳ２、Ｓ４は、好適にはｎチャネルである。その他のタイプのスイッチ、例えば、バイポーラトランジスタまたは光学的に絶縁されたスイッチもまた、用いられ得る。ダイオードＤ１、Ｄ２のそれぞれは、Ｓ１、Ｓ３のドレーンと直接に接続される。
【００６２】
一実施形態において、直列共振回路にわたって正のＤＣ電圧を印加するために、Ｓ１およびＳ４が同時に閉じられ（この間、Ｓ２およびＳ３は開かれる）、その後、直列共振回路にわたって負のＤＣ電圧を印加するために、Ｓ２およびＳ３が同時に閉じられる（この間、Ｓ１およびＳ４は開かれる）。共振回路における、低いＤＣ電圧（例えば、５ボルト）から高いＡＣ電圧（例えば、ピークトゥピークで５０ボルト）への電圧の乗算は、共振回路のＱ値の関数である。Ｑ値は、共振回路における抵抗損失に反比例する。１０〜１００の範囲のＱ値は、容易に達成可能である。
【００６３】
本発明にしたがうと、電気的共振周波数は、機械的共振周波数よりも常に高くなるように選択される。ここで図１０を参照すると、参照番号２１２は、機械的共振の波形を示しており、参照番号２１４は、電気的共振の波形を示している。電気的共振周波数ＦＥが、機械的共振周波数ＦＭよりも小さいことが観察される。数値的な例を用いると、ＦＭは典型的には約３０ｋＨｚであり、２９ｋＨｚ〜３１．５ｋＨｚの範囲に存在する。容量２０２は、典型的には約４ナノファラドであり、インダクタンス２０６の値は、ＦＥが典型的には約８０ｋＨｚとなるように、約１ミリヘンリーに選択される。３０ｋＨｚ〜８０ｋＨｚの間の差は、上述の周波数デカップリングを表している。
【００６４】
図１０に示されているように、スイッチＳ１、Ｓ２、Ｓ３、Ｓ４の開閉は、（圧電トランスデューサを駆動するための）周期的な駆動信号を生成し、その波形は、参照番号２１６によって、図１０に示されている。周期的な駆動信号は、図９の回路によって、以下のように生成される。最初に、インダクタ２０４においてゼロ電流が存在し、キャパシタ８２、８４においてゼロ電荷が存在する。スイッチＳ１およびＳ４が閉じられる間に、スイッチＳ２およびＳ３が開かれることにより、直接共振回路を電源に接続する。電流がインダクタを介して増加し始めると、電荷がキャパシタに蓄積され始める。Ｓ１およびＳ４が閉じられている限り、駆動信号の振幅（すなわち、キャパシタ上の電圧）は、インダクタおよびキャパシタの電気的共振周波数に等しい周波数を有するシヌソイダルコンポーネントを用いて増大する。これは、振幅を制御する特徴である。なぜならば、図１０における影付き部分によって表されているように、スイッチＳ１が閉じられている時間が長ければ長いほど、駆動信号の振幅が大きくなり、その逆に、駆動信号の振幅が大きければ大きいほど、スイッチＳ１が閉じられている時間が長くなるからである。インダクタ電流がゼロに等しいとき、ピーク電荷およびピーク電圧が、キャパシタ上で起こる。このピーク電圧は、＋５ボルト  ＤＣ以上であり、Ｓ１、Ｓ４、インダクタ、およびキャパシタを通る逆流電流を介することにより、放電を開始し得る。しかしながら、逆流電流は、逆バイアスされたダイオードＤ１によって、ブロックされ得る。このようにして、ピーク電荷は、キャパシタに捕捉される。理想的なスイッチがＳ１に対して用いられた場合、このスイッチは、ピーク電荷をキャパシタに捕捉するために、この時点では、開かれ得る。
【００６５】
ｔｄ（その決定は、以下に記載される）に等しい時間の後、スイッチＳ４が開かれ、スイッチＳ２、Ｓ３が同時に閉じられる。スイッチＳ１は、依然として開いたままである。ここで、インダクタを通る電流は、反転されたシヌソイダルコンポーネントによって、逆方向に流れる；しかしながら、キャパシタに捕捉された電荷は、＋５ボルト  ＤＣ電源に重ね合わされる起電力を提供し、その結果得られた電流および電圧の振幅は、以前よりも大きくなる。電源が事実上大きくなると、共振回路における電流および電圧のレベルが増大し、結果として、現在はダイオードＤ２の動作によって逆転電位にあるキャパシタにわたって捕捉される電荷が増加する。
【００６６】
ｔｄに等しい別の時間の後、周期は繰り返し、共振回路の損失および機械的損失がスイッチの閉鎖中に導入されたエネルギーと均衡するまで、各半周期において、キャパシタ上への電荷の蓄積を継続する。スイッチの閉鎖中に導入されたエネルギーは、スイッチの閉鎖時間に依存することに留意されたい。例えば、スイッチＳ１およびＳ３を永続的に開くことによって、周期中に導入されたエネルギーは、低減され得る。結果として得られたキャパシタ電圧は、周期におけるエネルギーの均衡によって、低減される。このため、スイッチのタイミングはまた、駆動信号の振幅を制御するためにも用いられ得る。スイッチを開く時間および駆動電圧を制御するためのこの方法は、影付きのＳ１およびＳ３の閉鎖時間によって、図１０に示されている。結果として得られたキャパシタ電圧（駆動信号）の波形２１６は、基本波長が長いことを除き、機械的共振周波数２１２と類似している。図１０の波形の間の関係は、
（１／ＦＥ）＋２ｔｄ＝（１／ＦＭ）＝（１／ＦＤ）
のように、代数的に表され得る。
【００６７】
したがって、駆動周波数は、時間ｔｄを調整することによって、機械的共振周波数に対応するように構成され得る。この時間は、調整されるべき上述のパラメータである。
【００６８】
時間ｔｄは、駆動信号に対する圧電モータの応答を測定することによって、決定され得る。この時間は、モータの振幅応答を最大化するように、または位相の応答に基づいて調整され得る。
【００６９】
より具体的には、図１１に示されているように、時間ｔｄを調整するために、フィードバック制御回路２２０が用いられる。上述の圧電モータ６６のフィードバックトランスデューサ９０、９２は、スキャンミラー６４の振動運動を表すフィードバック信号を生成する。フィードバック信号は、ミラーの移動に関する角度範囲を示す大きさと、ミラーの方向を示す位相とを有している。
【００７０】
アナログフィードバック信号は、アナログデジタル（Ａ／Ｄ）変換器２２２によって、デジタルフィードバック信号に変換される。このデジタル信号は、コントローラによって、好適にはマイクロプロセッサ２２４によって、サンプリングされ、これは、離散フーリエ変換（ＤＦＴ）の計算２２６を実行する。離散フーリエ変換（ＤＦＴ）の計算２２６は、時間領域におけるサンプリング信号を、周波数領域におけるサンプリング信号に変換する。周波数領域において、ミラーの振動運動の大きさおよび位相は等しい。ミラーの機械的振動は、比較的大きなＱ値を有する共振デバイスとしてモデル化され得るので、大きさの応答および位相の応答は、駆動刺激周波数（ｄｒｉｖｅ  ｓｔｉｍｕｌｕｓ  ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ）によって、大きく変動し得る。このようにして、駆動信号に対する圧電モータの応答が、モニタされる。大きさが最大値のとき、および位相シフトがゼロのとき、このことは、ミラーが機械的共振にあることを示している。上述の大きさおよび位相が、これらの条件とは異なっている場合、機械的共振条件が達成されるまで、マイクロプロセッサが、ｔｄの値を変化させ得る。
【００７１】
マイクロプロセッサ２２４は、４つの制御出力２２８を有しており、これらはそれぞれ、スイッチＳ１、Ｓ２、Ｓ３、Ｓ４の開閉を制御するために、スイッチＳ１、Ｓ２、Ｓ３、Ｓ４の制御入力に接続される。
【００７２】
新規であって、特許証によって保護されることが望まれるものとして請求されている内容は、請求の範囲に述べられている。
【図面の簡単な説明】
【００７３】
【図１】図１は、携帯型機器の斜視図を示しており、この携帯型機器は、そこからの作動距離において画像を投影する。
【図２】図２は、図１の機器に取り付けるための、本発明を用いた画像投影装置の、拡大された、上から見た、斜視図である。
【図３】図３は、図２の装置の上面図である。
【図４】図４は、図２の装置に用いるための慣性駆動部の前から見た斜視図である。
【図５】図５は、図４の慣性駆動部の後ろから見た斜視図である。
【図６】図６は、図２の装置の実際の実装の斜視図である。
【図７−１】図７−１は、図２の装置の動作を示す電気回路図である。
【図７−２】図７−２は、図２の装置の動作を示す電気回路図である。
【図８】図８は、図４〜図５の慣性駆動部のための駆動回路の概略図である。
【図９】図９は、図８の駆動回路の実際の実装である。
【図１０】図１０は、図８の駆動回路の動作を説明する一連の波形である。
【図１１】図１１は、図８の駆動回路の動作を制御する制御回路の概略図である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７−１】
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【図７−２】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【国際調査報告】
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2008539691.tif 000016