JP4503076B2

JP4503076B2 - 揺動駆動装置

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Publication number: JP4503076B2
Application number: JP2008009074A
Authority: JP
Inventors: 教之小守; 厚司道盛; 伸二柳生
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2008-01-18
Filing date: 2008-01-18
Publication date: 2010-07-14
Anticipated expiration: 2028-01-18
Also published as: JP2009171784A; US8183721B2; US20090184775A1

Description

本発明は、揺動動作を行うボイスコイルモータを備える投射型画像表示装置の画素ずらしを行なう揺動駆動装置に関するものである。

近年、光を投射してスクリーンに映像を映し出す投射型画像表示装置において、投射光をガラスに透過させ、そのガラスを微小揺動させることにより、投射光を揺動方向にずらす画素ずらし装置が採用されている。この画素ずらし装置によりスクリーン上の画像を半画素ずらすことにより、見かけ上の画素数を増加させ、解像度を向上させている。

画素ずらし装置の、ガラスを微小揺動させるアクチュエータ（揺動駆動装置）としては、円筒状のコイルと、このコイルを外側から覆うように配設されるカップ状の外ヨークと、この外ヨークの内側中央部（前記コイルの内側）に配設される永久磁石と、この永久磁石の上端に配設される内ヨークと、を備えるボイスコイルモータが使用されている。

同様に、揺動動作を行う装置において、円筒状のボイスコイルモータが採用されているが、その揺動中心はボイスコイルモータの外にあり、かつ、動作を行う部分とボイスコイルモータとの中間位置に設けられている。なお、ボイスコイルモータをアクチュエータとして用いる装置の例は、特許文献１等に開示されている。

特開平５−３２６６０３号公報（第２頁、図１）

円筒状のボイスコイルモータは、コイルの全周において推力を発生するため効率が良いが、カップ状のヨーク等の加工が難しい、という問題がある。そのため、矩形に巻いたコイルの孔部に、金属板でできたヨーク（センターヨーク）を配置し、コイルの一辺を挟む位置に、１個の磁石を配置した形状のボイスコイルモータが用いられている。

このボイスコイルモータは、磁石の背面側に配置したヨーク（バックヨーク）の端部と、コイルの中心穴部に配置したセンターヨークの端部と、を接触させる形状とすることにより、磁石の磁束を還流させ、ボイスコイルモータの効率を上げることができる。

上記の矩形コイルを備えたボイスコイルモータを用いるとき、揺動中心から一番離れたコイルの一辺をボイスコイルモータとして機能させることにより、トルクを増大させることができる。また、ボイスコイルモータとして機能させるコイルの一辺を、揺動中心から離すほど、小さな推力で大きなトルクを得ることができる。

しかしながら、コイルは銅線により形成されていて、揺動部品の中では比較的に質量が大きく、揺動中心からの距離を大きくすると、イナーシャが大きくなり、高速揺動動作が難しい、という問題があった。また、画素ずらしを行なう揺動駆動装置は、投射型画像表示装置の薄型化、小型化に伴い、小型化の要求が強くなっている。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、揺動動作の高速化と装置の小型化を両立させた投射型画像表示装置の画素ずらしを行なう揺動駆動装置を得ることを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明に係る揺動駆動装置は、揺動軸心および取付部を有する揺動部と、略中央に前記揺動軸心を支持する揺動支点が設けられ、略周辺に支持部が形成されたベースと、前記揺動支点の内側に配置された前記揺動部の前記取付部に取付けられる固定部、一端が前記ベースの前記支持部に取付けられる撓み梁部および前記揺動支点を挟むように前記揺動軸心と略平行に配置されて一端が前記固定部に接続され他端が前記撓み梁部に接続される捻り梁部を有し、前記揺動部を前記ベースに揺動可能に軸支させる帯状板ばねと、を備えることを特徴とする。

この発明によれば、揺動動作の高速化と装置の小型化を両立させた投射型画像表示装置の画素ずらしを行なう揺動駆動装置が得られる、という効果を奏する。

以下に、本発明にかかる揺動駆動装置の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。

実施の形態１．
図１は、本発明にかかる揺動駆動装置の実施の形態１を示す斜視図であり、図２は、実施の形態１の揺動駆動装置の分解斜視図であり、図３は、実施の形態１の揺動駆動装置の揺動部の斜視図であり、図４−１は、矩形環状のコイルの正面図であり、図４−２は、図４−１のＡ−Ａ線に沿う矩形環状のコイルの縦断面図であり、図５は、単位トルク当たりのイナーシャＪとトルクＴの腕の長さとの関係を示すグラフである。

図１〜図３に示すように、フラップ１には、投射型画像表示装置の投射光を透過させるガラス３と、矩形環状のコイル４と、コイル４に発生する推力により撓み、反力を発生する帯状板ばね２と、が取付けられている。フラップ１、ガラス３及びコイル４は、揺動部１０ａを構成している。

フラップ１は、揺動軸心１ａの下寄りに矩形環状のコイル４を保持し、揺動軸心１ａの上側窓部１ｃに投射光を透過させるガラス３を保持し、左右の揺動軸心１ａ上に取付部１ｂ、１ｂを有している。

ベース７は、略中央に、フラップ１の揺動軸心１ａを支持する離間した二つの揺動支点７ａ、７ａが設けられ、周辺四隅に四つの支持部７ｂ、７ｂが形成され、フラップ１を揺動支点７ａ、７ａ上に支持する。

横向きＴ字状に形成された帯状板ばね２は、フラップ１の揺動軸心１ａに交差（直交）するように配置され、フラップ１の左右の取付部１ｂ、１ｂに略中央に位置する固定部が取付けられ、両端部がベース７の支持部７ｂ、７ｂに取付けられている。帯状板ばね２は、フラップ１の揺動軸心１ａを、ベース７の略中央に設けられた揺動支点７ａ、７ａに当接させ軸支させる押圧力を与え、自身の撓みによりフラップ１をベース７に揺動可能に軸支させる。

ガラス３は、揺動軸心１ａを挟んでコイル４の反対側に配置されている。フラップ１の揺動動作により、帯状板ばね２の略中央に設けられた、揺動軸心１ａ方向内側に延びる捻り梁部２ａには、捻りによる反力が、撓み梁部２ｂには撓みによる反力が、それぞれ発生し、コイル４（ボイスコイルモータ）の付勢力を発生させている。

ボイスコイルモータ１０ｂは、フラップ１に固定された矩形環状のコイル４と、コイル４の孔部４ａに配置されベース７に支持されたＬ字型のヨーク５ａと、コイル４の外側に配置されベース７に支持されたヨーク５ｂと、ヨーク５ａ、５ｂの上下内面に固着され、コイル４を挟むように配置された２個の永久磁石６、６と、を備えている。Ｌ字型のヨーク５ａ、５ｂは、各々の端部同士が互いに当接するように配置されており、磁石６、６の夫々のＮ極から出た磁力線（磁束）がＳ極に還流する。

コイル４に電流を流すと、図１の上下方向にコイル４を横切る磁力線に対して、垂直方向に推力が発生する。この推力により、フラップ１は、揺動支点７ａを中心に、帯状板ばね２のばね反力に抗して揺動する。

フラップ１に固定されフラップ１とともに揺動する要素は、ガラス３及びコイル４である。各要素の質量は、例えば、フラップ１が１．５ｇ、ガラス３が０．７ｇ、コイル４が２．１ｇであり、揺動する要素の全質量に対して、コイル４の質量が約半分を占めている。それ故、コイル４のイナーシャを低減させることが、画素ずらし装置１０の応答特性を向上させるために重要である。

図４−１及び図４−２に示すように、矩形環状のコイル４の正面形状寸法は、外幅ｂ_１、外高さｈ₁、内幅ｂ₂及び内高さｈ₂で表される。揺動中心を揺動軸Ｘ（揺動軸心１ａ）、揺動軸Ｘに平行で図心Ｇを通る軸（図心軸）を軸Ｘ₀、軸Ｘ₀と推力を発生するコイル巻線の中心を通る軸Ｘ₂との間の距離を距離ｃとし、コイル４の厚みｄ、コイル４の奥行きｔ、コイル４の単位体積当たりの質量ρとする。

コイル４のイナーシャＩは、コイル４の各微小部分の質量と微小部分の揺動中心Ｘからの距離の二乗の積とで表される。また、コイル４の微小部分の質量は、以下の式（１）で表される。

従って、図中の微小部分ｄｙのイナーシャＩは、微小部分ｄｙと揺動軸Ｘとの間の距離ｙ´を用いて、以下の式（２）で表される。

図４−１及び図４−２に示す各パラメータを式（２）に代入するとともに、周知の断面二次モーメントの算出式を用いることにより、揺動軸Ｘを中心とするコイル４のイナーシャＩは、軸Ｘ₀と揺動軸Ｘとの間の距離ｙを用いて、以下の式（３）で表される。

また、矩形環状のコイル４の下辺に推力Ｆが発生する場合、揺動軸Ｘを中心とするトルクＴは、以下の式（４）で表される。

また、単位トルクＴ当たりのイナーシャＪは、Ｊ＝Ｉ／Ｔで表され、式（３）及び式（４）より、以下の式（５）で表される。

式（５）に、例えば、ｂ₁＝２５ｍｍ、ｂ₂＝２２ｍｍ、ｈ₁＝２２ｍｍ、ｈ₂＝１８ｍｍ、ｔ＝５ｍｍ、ｃ＝１０ｍｍ、ρ＝４．８４・１０^-6ｋｇ／ｍｍ³、Ｆ＝１Ｎの値を代入すると、図５に示すようなグラフとなる。

図５に示すように、揺動中心すなわち揺動軸Ｘが図４−１に示す軸Ｘ₁（図５のＸ＝（ｈ₁＋ｈ₂）／２＝２０の位置）よりコイル４の外（図４−１の上側）にある場合は、Ｊの値が直線的に増加する。また、揺動軸Ｘがコイル４の内側にある場合は、コイル４の各部分に対しての腕の長さは、長くなる部分もあれば短くなる部分もある。

例えば、図４−１において、揺動軸Ｘから軸Ｘ₂までの腕の長さが長くなるときは、揺動軸Ｘから軸Ｘ₁までの腕の長さは短くなる。それ故、軸Ｘ₂の部分のコイル４の一辺はイナーシャが大きくなり、軸Ｘ₁の部分のコイル４の一辺はイナーシャが小さくなる。

揺動軸Ｘがコイル４の外側に出ると、全てのコイル４の部分に対しての腕の長さが長くなるため、イナーシャの増加量は、揺動軸Ｘがコイル４の内側にある場合より大きくなる。また、揺動中心すなわち揺動軸Ｘが、図４−１に示す軸Ｘ₀（図５のＸ＝Ｘ₁／２＝１０の位置）より推力発生位置側（図４−１の下側：図５のＸ＝０＝Ｘ₂が推力発生位置）の場合は急激にＪの値が大きくなる。

以上より、単位トルク当たりのイナーシャの値を小さくし、コイル４のイナーシャの影響を抑え、揺動動作を高速化した揺動部を得るためには、コイル４の揺動軸Ｘは図４−１に示す軸Ｘ₀と軸Ｘ₁との間に位置させるのがよい。

しかしながら、コイル４と揺動中心が重なるように画素ずらし装置１０を構成すると、揺動支点７ａがコイル４の揺動軸方向の外側に配置される。また、帯状板ばね２の捻り梁部２ａが揺動軸心１ａ上に配置されるので、帯状板ばね２は、揺動軸心１ａ上の揺動支点７ａの外側に配置されることになる。このように構成すると、コイル４、揺動支点７ａ及び帯状板ばね２が揺動軸心１ａ方向に一列に並ぶことになり、画素ずらし装置１０が大きくなってしまい、小型化が困難となる。

画素ずらし装置１０の揺動軸心１ａ方向を小型化するためには、帯状板ばね２の捻り梁部２ａを無くし、撓み梁部２ｂのみの板ばねとすればよい。この場合、帯状板ばね２の捻りによりばね反力を発生する捻り梁部２ａは無くなり、撓みによりばね反力を発生する撓み梁部２ｂのみの帯状板ばね２１となる。帯状板ばね２の捻り梁部２ａを無くし、撓み梁部２ｂのみとすることにより、揺動部１０ａのイナーシャを小さくして、揺動部１０ａの応答性能を向上するとともに、画素ずらし装置１０を小型化することができる。

実施の形態２．
図６は、実施の形態１の帯状板ばね２の捻り梁部２ａを無くした板ばね２１（図示せず）の板厚のばらつきに対する、揺動部１０ａが０．２度傾いたときのばね反力のばらつきを示した図であり、図７は、本発明にかかる画素ずらし装置の実施の形態２の帯状板ばね２２の構造を示す正面図であり、図８は、帯状板ばね２２の板厚とばね反力の関係を示す図である。

実施の形態１の揺動駆動装置１０においては、揺動部１０ａのイナーシャを小さくし、応答性能を向上させるとともに小型化する、撓み梁部２ｂのみの帯状板ばね２１（図示せず）を説明したが、実施の形態２の画素ずらし装置１２は、帯状板ばね２の捻り反力を発生する捻り梁部２ａに相当する部分を残しつつ画素ずらし装置１２を小型化する帯状板ばね２２（図７参照）を備えている。

一般的に、板ばねに使用されるばね用ステンレス鋼帯の板厚の許容差は、板厚に対してプラス側、マイナス側に各々１０％程度である。それ故、０．２５ｍｍ厚の鋼帯を用いると、板厚は、０．２２５ｍｍから０．２７５ｍｍの間でばらつく。また、０．３５ｍｍ厚の鋼帯を用いると、板厚は、０．３２５ｍｍから０．３７５ｍｍの間でばらつく。

図６に示すように、帯状板ばね２１では、板厚０．２５ｍｍのばね反力（トルク）３．４２３Ｎ・ｍｍに対して、板厚０．２２５ｍｍの場合は、２．４９７Ｎ・ｍｍ、板厚０．２７５ｍｍの場合は、４．５５３Ｎ・ｍｍと、ばね力が約３０％程度ばらつく。

これに対して、帯状板ばね２で、帯状板ばね２１と同等のトルクが得られる標準板厚は、０．３５ｍｍとなる。図６に示すように、板厚０．３５ｍｍのばね反力（トルク）２．６９６Ｎ・ｍｍに対して、板厚０．３２５ｍｍの場合は、２．１６２Ｎ・ｍｍ、板厚０．３７５ｍｍの場合は、３．３１１Ｎ・ｍｍと、ばね反力が約２０％程度ばらつく。

標準板厚以外でばね反力を合わせると、板厚は０．３８ｍｍとなり、ばね反力は３．４４５Ｎ・ｍｍとなる。板厚０．３５５ｍｍでは、２．８１３Ｎ・ｍｍ、板厚０．４０５ｍｍでは、４．１６４Ｎ・ｍｍと、ばね反力が約２０％程度ばらつく。

板厚のばらつきによるばね反力のばらつきは、コイル４に一定の電流を流す場合に、揺動部１０ａの振れ角のばらつきとなり、画素ずらし量のばらつきにつながり、結果として画質低下の原因となる。このため、板ばねの板厚ばらつきに対して、ばね反力のばらつきを抑える形状とする必要がある。

帯状板ばね２と帯状板ばね２１の違いは、捻り反力を発生する捻り梁部２ａの有無である。それ故、画素ずらし装置１０を大きくせずに、帯状板ばねに捻り反力を発生させる捻り梁部２ａに相当するものを設ける必要がある。

図７は、本発明にかかる実施の形態２の揺動駆動装置１２の帯状板ばね２２の構造を示す正面図である。図７において、実施の形態１の揺動駆動装置１０の構成要素と同等の構成要素には、同一符号を付している。

図７に示すように、帯状板ばね２２は、帯状板ばね２２をフラップ１に固定する固定部２２ｃと、固定部２２ｃに接続し、揺動支点７ａを挟むように上下に配置され、捻りによりばね反力を発生する二本の捻り梁部２２ａ、２２ａと、捻り梁部２２ａに直交するように接続し、撓みによりばね反力を発生する撓み梁部２２ｂ、２２ｂと、を有している。揺動軸心１ａ上のコイル４の外側に帯状板ばね２２の固定部２２ｃを配置する。固定部２２ｃをフラップ１にねじ９により固定する。フラップ１の揺動中心となる揺動支点７ａを帯状板ばね２２の固定部２２ｃの外側に配置する。

以上のように各部を配置することにより、揺動支点７ａと帯状板ばね２２の捻り反力を発生する捻り梁部２２ａ、２２ａとを、揺動軸心１ａ方向にラップさせて配置することができる。これにより、揺動軸心１ａ方向の寸法を小さくすることができるとともに、帯状板ばね２２の捻り反力を発生する捻り梁部２２ａ、２２ａを設けることができ、帯状板ばね２２の板厚のばらつきによるばね反力のばらつきを抑えることができる。

図８に示すように、帯状板ばね２と帯状板ばね２２は、板厚のばらつきに対して略同等の特性を示している。帯状板ばね２２は、板厚のばらつきによるばね反力のばらつきが小さいので、小型で、かつ、画素ずらしのためのフラップ１の振れ角のばらつきの小さい画素ずらし装置１２が得られる。

帯状板ばね２２により、板厚のばらつきによるばね反力のばらつきが抑えられ、フラップ１の振れ角のばらつきが小さく、画素ずらし量のばらつきも小さく、高画質の映像を得ることができ、かつ、揺動駆動装置１２を小型化することができる。

実施の形態３．
図９は、本発明にかかる実施の形態３の揺動駆動装置１３の帯状板ばね２３の構造を示す正面図であり、図１０は、帯状板ばね２３の板厚とばね反力との関係を示す図である。

実施の形態２の揺動駆動装置１２においては、帯状板ばね２２の捻り反力を発生する捻り梁部２２ａ、２２ａを残しつつ揺動駆動装置１２を小型化することができる板ばね２２を示したが、実施の形態３の揺動駆動装置１３は、揺動軸心１ａと垂直方向の小型化が可能な帯状板ばね２３を備えている。

帯状板ばね２３は、帯状板ばね２３をフラップ１に固定する固定部２３ｃと、固定部２３ｃに接続し揺動支点７ａを挟むように上下に配置され夫々上方と下方に湾曲する二本の捻り梁部２３ａ，２３ａと、捻り梁部２３ａの垂直部に接続し揺動軸心１ａと平行な内側方向に湾曲して延びる撓み梁部２３ｂ、２３ｂと、を有している。揺動軸心１ａ上のコイル４の外側に帯状板ばね２３の固定部２３ｃを配置する。フラップ１の揺動中心となる揺動支点７ａを帯状板ばね２３の固定部２３ｃの外側に配置する。

以上のように各部を配置することにより、揺動支点７ａと帯状板ばね２３の捻り反力を発生する捻り梁部２３ａ、２３ａとを、揺動軸心１ａ方向にラップさせて配置することができる。これにより、揺動軸心１ａ方向の寸法を小さくすることができるとともに、帯状板ばね２３の捻り反力を発生する捻り梁部２３ａ、２３ａを設けることができ、帯状板ばね２３の板厚のばらつきによるばね反力のばらつきを抑えることができる。

また、帯状板ばね２３の撓み反力を発生する撓み梁部２３ｂ、２３ｂは、実施の形態２の直線形状から湾曲形状に変更し、帯状板ばね２３の捻り反力を発生する捻り梁部２３ａ、２３ａと揺動軸心１ａ方向に一部平行となるような形状となっている。このような形状により、帯状板ばね２３の撓み反力を発生する撓み梁部２３ｂ、２３ｂを備えながら、画素ずらし装置１３の、揺動軸心１ａと垂直方向の大きさを抑えることができる。

図１０に示すように、帯状板ばね２と帯状板ばね２３とは、板厚のばらつきに対して略同等の特性を示している。帯状板ばね２３は、板厚のばらつきによるばね反力のばらつきが小さいので、小型で、かつ、画素ずらしのためのフラップ１の振れ角のばらつきの小さい画素ずらし装置１３が得られる。

帯状板ばね２３により、板厚のばらつきによるばね反力のばらつきが抑えられ、フラップ１の振れ角のばらつきが小さく、画素ずらし量のばらつきも小さく、高画質の映像を得ることができ、かつ、揺動駆動装置１３を小型化することができる。

以上のように、本発明にかかる揺動駆動装置は、薄型化、小型化が求められる投射型画像表示装置に有用である。

本発明にかかる揺動駆動装置の実施の形態１を示す斜視図である。実施の形態１の揺動駆動装置の分解斜視図である。実施の形態１の揺動駆動装置の揺動部の斜視図である。矩形環状コイルの正面図である。図４−１のＡ−Ａ線に沿う矩形環状コイルの縦断面図である。単位トルク当たりのイナーシャＪとトルクＴの腕の長さとの関係を示すグラフである。実施の形態１の帯状板ばね及び帯状板ばねの板厚のばらつきに対する、揺動部が０．２度傾いたときのばね力のばらつきを示した図である。本発明にかかる実施の形態２の揺動駆動装置の帯状板ばねの構造を示す正面図である。帯状板ばねの板厚とばね力の関係を示す図である。本発明にかかる実施の形態３の揺動駆動装置の帯状板ばねの構造を示す正面図である。帯状板ばねの板厚とばね力の関係を示す図である。

符号の説明

１フラップ
１ａ揺動軸心
１ｂ取付部
２，２２，２３帯状板ばね
２ａ，２２ａ，２３ａ捻り梁部
２ｂ，２２ｂ，２３ｂ撓み梁部
３ガラス
４矩形環状のコイル
４ａ孔部
５ａ，５ｂヨーク
６永久磁石
７ベース
７ａ揺動支点
１０，１２，１３揺動駆動装置
１０ａ揺動部
１０ｂボイスコイルモータ
２２ｃ，２３ｃ固定部

Claims

揺動軸心および取付部を有する揺動部と、
略中央に前記揺動軸心を支持する揺動支点が設けられ、略周辺に支持部が形成されたベースと、
前記揺動支点の内側に配置された前記揺動部の前記取付部に取付けられる固定部、一端が前記ベースの前記支持部に取付けられる撓み梁部および前記揺動支点を挟むように前記揺動軸心と略平行に配置されて一端が前記固定部に接続され他端が前記撓み梁部に接続される捻り梁部を有し、前記揺動部を前記ベースに揺動可能に軸支させる帯状板ばねと、
を備えることを特徴とする揺動駆動装置。
前記取付部は、前記揺動軸心上に設けられていることを特徴とする請求項１に記載の揺動駆動装置。
前記帯状板ばねの撓み梁部が、前記揺動部の揺動軸心と略垂直に形成されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の揺動駆動装置。
前記撓み梁部は、前記支持部に取付けられた端から前記揺動軸心に略平行で外側に延び、前記撓み梁部および前記捻り梁部は、略Ｕ字形状に湾曲して結合していることを特徴とする請求項１又は２に記載の揺動駆動装置。
前記揺動部は、前記揺動軸心の下寄りに矩形環状コイルを有し、前記揺動軸心の上側の窓部に投射光を透過させるガラスを備え、前記ベースは、前記矩形環状コイルの一辺に磁力線を通す永久磁石及びヨークを備え、前記揺動軸心は、前記矩形環状コイルの一辺に平行であり、かつ、前記矩形環状コイルの一辺と平行な他辺と前記矩形環状コイルの図心との間に位置することを特徴とする請求項１〜４のいずれか一つに記載の揺動駆動装置。