JP2007071964A - 光学スキャナ用ガルバノ形モータ及びそれを用いた画像表示装置 - Google Patents

Abstract

【課題】オフセット回転において手回しでも定位置に停止可能であって、しかも再起動が可能な光学スキャナ用ガルバノ形モータの提供。
【解決手段】ガルバノミラーを一端１ａに取着したモータシャフト１の周りに９０°毎で隣り同士が異極の突極を持つ４磁極マグネット２と、このマグネット２の外周側でケース３に固定された積層コア５と、この積層コア５の内周側で９０°毎に配置された４つの鞍形枠状の駆動コイル６ａ〜６ｄとを備えたガルバノ形モータにおいて、積層コア５の軸方向最端側のコア板５ａは、駆動コイル６ａ〜６ｄの隣接位置Ｐ_２においてその内周側から屈曲して軸方向の外方へ突出した突片Ｗを有する。
【選択図】 図３

Description

本発明は、ガルバノスキャナに関し、特に、ガルバノミラーを正逆方向に回動させるガルバノ形モータ及びそれを用いた画像表示装置に関する。

図５は従来のガルバノ形モータを示す一部切欠き正面図、図６（Ａ）は同ガルバノ形モータにおいて用いるロータを示す平面図、図６（Ｂ）は同ロータを示す一部切欠き正面図、図７は同ガルバノ形モータにおいてロータとステ−タとの関係を示す平面図である。

従来、光を走査するガルバノスキャナにおいては、図５乃至図７に示す如く、ガルバノミラー（図示せず）を一端１ａに取着したモータシャフト１と、この長さ中央部分の周りに９０°間隔で隣り同士が異極の突極２ａ〜２ｄを持つ４磁極マグネット２と、その外周側においてケース３側に取付ボルト４で締め付け固定された積層コア５と、この積層コア５の内周側で９０°間隔に配置された直列接続の４つの鞍形枠状の駆動コイル（空芯コイル）６ａ〜６ｄ（６）とを備えたガルバノ（メータ）形モータ１０を駆動装置としている。

なお、ケース３の下部にはロータリーエンコーダ（図示せず）が内蔵されており、７は駆動コイル６ａ〜６ｄに対する給電コード、８はロータリーエンコーダのためのコード孔、ｈは取付ボルト４の挿通孔である。

一般に、ガルバノ形モータでは、電流を同方向に流し続け、図７に示す如く、突極２ａ〜２ｄの中心Ｃ_１が駆動コイル６ａ〜６ｄの中心Ｐ_１（駆動コイル６ａ〜６ｄが軸心Ｃに対して張る角度の中央点）に位置したとき、回転トルクがゼロのデッドポイント（死点）となるため、ガルバノミラーの振れがこのデッドポイントを通過しないようにすべく、通常、振れ角は正逆方向に十数度以内とするのが望ましく、また、走査時の振れ角ゼロにおいてはロータリーエンコーダの位置検出情報に基づき突極２ａ〜２ｄの中心Ｃ_１が駆動コイル６ａ〜６ｄの隣接位置Ｐ_２に合致するようサーボ制御し、起動時の回転トルクが余弦カーブの最大値（極大値）となるように設定する。
特開２００３―１０７３８６

ある種の画像表示装置においては、スクリーン投射時に先立って例えば振れ角を９０°にオフセット設定してスクリーン以外で光強度の検出を行うことが要請されている。即ち、この画像表示装置としては、列状空間光変調素子等により形成された１次元像の光を走査して２次元像を形成する光偏向手段と、その２次元像を拡大してスクリーンに投影する拡大投影系と、光偏向手段から拡大投影系に向かう光の光路よりも外れた位置で当該光偏向手段からの光の強度を検出する検出手段とを備え、光偏向手段は、スクリーン投影の際は１次元像の光を拡大投影系に向けて反射し、光強度検出の際は１次元像の光を検出手段に向けて反射するようになっている。

この光偏向手段の駆動装置として上記のガルバノ形モータを用いる場合には、機械的ストッパーを取り外した上、突極２ａ〜２ｄの中心Ｃ_１が駆動コイル６ａ〜６ｄの隣接位置Ｐ_２にあるとき、電流を流すと駆動コイル６ａ〜６ｄの中心Ｐ_１に向かって加速し、中心Ｐ_１の手前で電流を切ると慣性で中心Ｐ_１を通過し、次の隣接位置Ｐ_２に近づいたらロータリーエンコーダの位置検出情報に基づき次の隣接位置Ｐ_２に停止するよう制御する。

しかしながら、光強度検出の際、オフセット回転の途中である中心Ｐ_１にデッドポイントがあるため、動作が遅いとき、或いは、同一方向に電流を流し続けたときは、中心Ｐ_１で停止し、そのまま動作不能となる。また、電源をオフした場合は、ロータが振動等でデッドポイントに移動していないとの保証は何もない。

そこで、上記問題点に鑑み、本発明の課題は、オフセット回転において手回しでも定位置に停止可能であって、しかも再起動が可能な光学スキャナ用ガルバノ形モータ及びそれを用いた画像表示装置を提供することにある。

上記課題を解決するため、本発明の第１の手段は、ｎを自然数とし、ガルバノミラーを一端に取着したモータシャフトの周りに２ｎ等分角度毎で隣り同士が異極の突極を持つ２ｎ磁極マグネットと、この２ｎ磁極マグネットの外周側でケースに固定された積層コアと、この積層コアの内周側で２ｎ等分角度毎に配置された２ｎの駆動コイルとを備えた光学スキャナ用ガルバノ形モータであって、積層コアの軸方向最端側のコア板が、駆動コイルの各隣接位置においてその内周側から屈曲して上記軸方向の外方へ突出した突片を有して成ることを特徴とする。

斯かる構成では、軸方向最端側のコア板に２ｎ等分角度毎の突片が付帯するため、突極は、電源オフ状態において突片を横切る際、その近辺の回動域に比べて強い磁気吸引作用を受けて制動するため、つまりコギングトルクの正逆方向のゼロクロスが起るため、突片位置で停止する。この突片位置は駆動コイルの隣接位置であって、デッドポイントではないため、再起動が可能である。

そこで、ガルバノミラーの振れ角ゼロの状態の時に突極が駆動コイルの隣接位置である場合、手回しでロータを回すと、その突極が隣りの隣接位置（定位置）で停止するので、２ｎ等分角度のオフセット回動が実現する。この停止した隣接位置はデッドポイントではないため、復帰起動が可能である。

また、駆動コイルの隣接位置（最大トルク位置）を中心にしてガルバノミラーを等速振動する実走査時においては、最大振れ角時に大電流を流して方向転換するものであるが、突片によりコギング力が駆動コイルの隣接位置に収束するため、逆転電流を減らすことができる。

他方、本発明の第２の手段は、ｎを自然数とし、ガルバノミラーを一端に取着したモータシャフトの周りに２ｎ等分角度毎で隣り同士が異極の突極を持つ２ｎ磁極マグネットと、この２ｎ磁極マグネットの外周側でケースに固定された積層コアと、この積層コアの内周側で２ｎ等分角度毎に配置された２ｎの駆動コイルとを備えた光学スキャナ用ガルバノ形モータであって、積層コアを構成するコア板は、その内周側において各駆動コイルが軸心に対して張る角度の中心部分に切欠きを有して成ることを特徴とする。

斯かる構成では、コア板の内周側で駆動コイルの中央部分に切欠きが形成されているため、電源オフ状態においてコギングトルクが発生し、切欠き位置ではコギングトルクの正逆方向の弱いゼロクロスが起るため、隣接切欠き同士の中間位置、つまり駆動コイルの隣接位置においてはコギングトルクの正逆方向の強いゼロクロスが起ることになり、突極は駆動コイルの隣接位置で停止する。この駆動コイルの隣接位置はデッドポイントではないため、再起動が可能である。

そこで、ガルバノミラーの振れ角ゼロの状態の時に突極が駆動コイルの隣接位置である場合、手回しでロータを回すと、その突極が切欠き位置を通過して隣りの駆動コイルの隣接位置（定位置）で停止するので、２ｎ等分角度のオフセット回動が実現する。この停止した隣接位置はデッドポイントではないため、復帰起動が可能である。また、第１の手段と同様に、逆転電流を減らすことができる。

切欠きは、走査時の最大振れ角を考慮し、湾曲状であることが望ましい。ｎ＝１の場合、２磁極・２コイルのモータであって１８０°のオフセット回動となるが、ｎ＝２の場合、４磁極・４コイルのモータであって９０°のオフセット回動となる。最大振れ角が±１０°の場合では、ｎ＝３で６磁極・６コイルのモータにおいて６０°のオフセット回動とすることもできる。

そして、１次元像の光を走査して２次元像を形成する光偏向手段と、２次元像を拡大してスクリーンに投影する拡大投影系と、光偏向手段から拡大投影系に向かう光の光路よりも外れた位置で当該光偏向手段からの光の強度を検出する検出手段とを備え、光偏向手段は、スクリーン投影の際は１次元像の光を拡大投影系に向けて反射し、光強度検出の際は１次元像の光を検出手段に向けて反射するようにした画像表示装置においては、光偏向手段として上記の光学スキャナ用ガルバノ形モータを用いることができる。オフセット回動のためだけの専用の駆動装置を必要としないため、コンパクト化及び低コスト化に資する。

本発明に係る光学スキャナ用ガルバノ形モータでは、軸方向最端側のコア板に突片が付帯し、或いは各コア板の内周側で駆動コイルの中央部分に切欠きが形成されているため、突極がコギングにより駆動コイルの隣接位置で停止し、またこの停止位置はデッドポイントではないので、オフセット回転において位置検出情報を用いずに定位置に停止でき、しかも再起動が可能となる。また、逆転電流を減らすことができる。

光強度検出が必要な画像表示装置に本発明の光学スキャナ用ガルバノ形モータを用いた場合には、オフセット回動のためだけの専用の駆動装置を必要としないため、コンパクト化及び低コスト化を図ることができる。

次に、本発明の実施形態を添付図面に基づいて説明する。まず、画像表示装置について説明する。図１は本発明に係る画像表示装置の構成を示す図である。

同図において、画像表示装置１１０には、光源１２０と、表示素子（列状空間光変調素子）１１１との間に光を集光する集光光学系２１３が設けられている。集光光学系２１３は、光源１２０からの光を集光して表示素子１１１に照射するために設けられている。尚、同図には単レンズで簡略的に示しているが、表示素子１１１における光変調部の配列方向に沿う方向の線状ビームを表示素子１１１に対して照射するための構成を有する。

投影光学系１１２は、オフナー光学系を構成する正鏡２１４、副鏡２１５により構成されている。表示素子１１１については、光変調部の配列方向がＹ軸方向に規定されている。そして、その反射光（あるいは回折光）について図示しない制御手段によって画像信号に基づいて変調された上で、テレセントリックな条件で等倍投影のオフナー光学系（正鏡２１４、副鏡２１５）に入射される。オフナー光学系は、３回反射の後に後述する走査ミラー２１６に対して光を出射する。

正鏡２１４は、表示素子１１１からの光について、１回目と３回目の反射を担当しており、表示素子１１１に近づく方向を向いた凹面鏡である。また、副鏡２１５は、２回目の反射を担当しており、正鏡２１４に近づく方向を向いた凸面鏡である。集光光学系２１３から表示素子１１１に照射されてオフナー光学系に入射された光は、先ず、正鏡２１４で反射されてから副鏡２１５に到達し、ここで２回目の反射を受けて再び正鏡２１４へと向かう。そして、正鏡２１４で３回目の反射を受けた光が走査ミラー２１６へと向かうことになる。

光偏向部１１３には、ガルバノミラーにより構成される走査ミラー２１６が含まれている。平板状のミラーである走査ミラー２１６は、例えば１次元の表示素子１１１に係る配列方向（Ｙ軸方向）に対して垂直なＸＺ面（図１の紙面）において、後述するガルバノ形モータにより回動されることで光走査を行うために設けられており、オフナー光学系から走査ミラー２１６に出射される光束は、表示素子１１１の等倍像を形成する光束であるが、当該像の形成前に光走査を行っている。走査ミラー２１６の走査角に応じた画像信号に基づき表示素子１１１で光変調を行うことにより、例えば１次元の中間像について、当該像を含む面に直交する方向に走査して形成される２次元像が得られる。

また、後述するガルバノ形モータにより、上述したように画像をスクリーン（図示せず）に表示する場合、光路（図示せず）の範囲内に光を反射するように走査ミラー２１６の基準位置が設定され、表示素子１１１の変調特性を測定する場合、光路（図示せず）の外側にある光検出部１１４に向かって光を反射するように、走査ミラー２１６の基準位置が設定される。

そしてこの２次元像を中間像として、さらに拡大投影系１１５による拡大投影が行われる構成とされる。すなわち、３枚構成の円筒レンズ群（２２４乃至２２６）による像面湾曲補正の後に、リニアフレネル素子２２７により、投影レンズ系２２８の中間像側瞳位置に関して、表示素子１１１に係る配列方向（Ｙ方向）と、これに直交するＸ方向（光走査方向に対応する。）とで、光線方向を一致させる（つまり、無限遠方に一致させる）補正が行われるので、投影レンズ系２２８は、２次元像を単に拡大する機能を有していれば良い。例えば、液晶式プロジェクタ等で用いられる、２次元表示パネル（表示デバイス）用に設計された投影レンズ系の仕様を踏襲して、そのまま適用することができる。

さらに、光検出部１１４が集光レンズ２３１、および積分球２３２により構成されている。集光レンズ２３１は、走査ミラー２１６から照射される光を積分球２３２の受光部２３２−１に集光するために設けられている。積分球２３２の内部には光センサが設けられており、受光部２３２−１から入射した光を外部に漏出させないように積分球内部で反射し、入射された光の全てを集め、そのエネルギー、すなわち、入射された光の光量を測定する。

このように、本発明の画像表示装置１１０においては、表示素子１１１の変調特性を測定するときに光検出部１１４に光を向けるための反射ミラーなどを設ける必要がないため、製造コストが抑制されるとともに、反射ミラーの着脱操作なども不要となり利便性を向上させることができる。

次に、上記の光偏向部１１３として用いたガルバノ形モータについて説明する。図２（Ａ）は本発明に係るガルバノ形モータにおいて積層コアの表面側のコア板を示す平面図、図２（Ｂ）はその半切断正面図、図３（Ａ）は同コア板とデッドポイント状態のロータとの関係を示す平面図、図３（Ｂ）は同コア板と停止状態のロータとの関係を示す平面図である。

図５乃至図７に示すモータと比べて、本例モータの異なるところは、積層コア５の点にある。本例においては、積層コア５の表面部（上部と下部又はそのいずれか）のコア板５ａが図２に示す如き形状となっている。

即ち、コア板５ａは、挿通孔ｈを９０°間隔で持つ円環状部Ｒと、挿通孔ｈの位置の円環状部Ｒの内周側から屈曲して軸方向の外方に突出した突片Ｗと有している。図３に示す如く、突片Ｗの位置と駆動コイル６ａ〜６ｄの隣接位置Ｐ_２とが合致している。

軸方向最端側のコア板５ａに９０°毎の突片Ｗが付帯するため、突極２ａ〜２ｄは、電源オフの状態において突片Ｗを横切る際、その近辺の回動域に比べて強い磁気吸引作用を受けて制動するため、つまりコギングトルクの正逆方向のゼロクロスが起るため、図３（Ｂ）に示す如く、突片Ｗの位置で停止する。この突片位置は駆動コイル６ａ〜６ｄの隣接位置Ｐ_２であって、図３（Ａ）に示すようなデッドポイントではないため、再起動が可能である。勿論、走査時においては図３（Ａ）に示すデッドポイントにならないような回動域でガルバノミラーを振らすことは云う迄もない。

従って、ガルバノミラーの振れ角ゼロの状態の時に突極２ａ〜２ｄが駆動コイル６ａ〜６ｄの隣接位置Ｐ_２である場合（例えば図３（Ｂ））、手回しによりマグネット２を時計回りに回せば、その突極２ａ〜２ｄが図３（Ａ）に示すデットポイントを通過した後、隣りの隣接位置Ｐ_２で停止するので、９０°のオフセット回動が実現する。この停止した隣接位置はデッドポイントではないため、復帰起動が可能である。また、駆動コイル６ａ〜６ｄの隣接位置（最大トルク位置）Ｐ_２を中心にしてガルバノミラーを等速振動する実走査時においては、最大振れ角時に大電流を流して方向転換するものであるが、突片Ｗによりコギング力が駆動コイル６ａ〜６ｄの隣接位置Ｐ_２に収束するため、逆転電流を減らすことができる。

図４（Ａ）は別のコア板とデッドポイント状態のロータとの関係を示す平面図、図４（Ｂ）は同コア板と停止状態のロータとの関係を示す平面図である。このコア板５ｂは積層コア５を構成する各コア板に共有であって、内周側において駆動コイル６ａ〜６ｄが軸心Ｃに対して張る角度の中心Ｐ_１の部分に湾曲状切欠きＳを有する。このため、積層コア５の内周側には湾曲状切欠きＳを断面とする軸方向の湾曲状溝が形成されている。

コア板５ｂの内周側で駆動コイル６ａ〜６ｄの中心Ｐ_１の部分に湾曲状切欠きＳが形成されているため、コギングトルクが発生し、切欠き位置（中心Ｐ_１）ではコギングトルクの正逆方向の弱いゼロクロスが起るため、隣接切欠き同士の中間位置、つまり駆動コイル６ａ〜６ｄの隣接位置Ｐ_２においてはコギングトルクの正逆方向の強いゼロクロスが起ることになり、突極２ａ〜２ｄは駆動コイル６ａ〜６ｄの隣接位置Ｐ_２で停止する。この隣接位置Ｐ_２はデッドポイントではないため、再起動が可能である。

従って、ガルバノミラーの振れ角ゼロの状態の時に突極２ａ〜２ｄが駆動コイル６ａ〜６ｄの隣接位置Ｐ_２である場合（例えば図４（Ｂ））、手回しでマグネット２を時計回りに回せば、慣性によりその突極２ａ〜２ｄが図４（Ａ）に示すデットポイントを通過した後、隣りの駆動コイル６ａ〜６ｄの隣接位置Ｐ_２で停止するので、９０°のオフセット回動が実現する。この停止した隣接位置はデッドポイントではないため、復帰起動が可能である。また、逆転電流を減らすことができる。

なお、上記実施例は４磁極・４コイルのモータについて説明したが、２磁極・２コイルのモータ又は６磁極・６コイルのモータにおいても採用できる。

図１に示す画像表示装置１１０において、光偏向部１１３として上記のガルバノ形モータを用いると、光強度検出の際、走査ミラー２１６のオフセット回動のためだけの専用の駆動装置を必要としないため、コンパクト化及び低コスト化を図ることができる。

本発明に係る画像表示装置の構成を示す図である。 （Ａ）は本発明に係るガルバノ形モータにおいて積層コアの表面側のコア板を示す平面図、（Ｂ）はその半切断正面図である。 （Ａ）は同コア板とデッドポイント状態のロータとの関係を示す平面図、（Ｂ）は同コア板と停止状態のロータとの関係を示す平面図である。 （Ａ）は別のコア板とデッドポイント状態のロータとの関係を示す平面図、（Ｂ）は同コア板と停止状態のロータとの関係を示す平面図である。 従来のガルバノ形モータを示す一部切欠き正面図である。 （Ａ）は同ガルバノ形モータにおいて用いるロータを示す平面図、（Ｂ）は同ロータを示す一部切欠き正面図である。 同ガルバノ形モータにおいてロータとステ−タとの関係を示す平面図である。

符号の説明

１…モータシャフト
１ａ…一端
２…マグネット
２ａ〜２ｄ…突極
３…ケース
４…取付ボルト
５…積層コア
５ａ…表面部のコア板
５ｂ…コア板
６ａ〜６ｄ，６…駆動コイル（空芯コイル）
７…給電コード
８…コード孔
１０…ガルバノ形モータ
１１０…画像表示装置
１１１…表示素子（列状空間光変調素子）
１１２…投影光学系
１１３…光偏向部
１１４…光検出部
１１５…拡大投影系
１２０…光源
２１３…集光光学系
２１４…正鏡
２１５…副鏡
２１６…走査ミラー
２２４〜２２６…円筒レンズ群
２２７…リニアフレネル素子
２２８…投影レンズ系
２３１…集光レンズ
２３２…積分球
２３２−１…受光部
ｈ…挿通孔
Ｃ…軸心
Ｃ_１…突極の中心
Ｐ_１…駆動コイルの中心
Ｐ_２…駆動コイルの隣接位置
Ｒ…円環状部
Ｓ…湾曲状切欠き
Ｗ…突片

Claims (5)

1. ｎを自然数とし、ガルバノミラーを一端に取着したモータシャフトの周りに２ｎ等分角度毎で隣り同士が異極の突極を持つ２ｎ磁極マグネットと、この２ｎ磁極マグネットの外周側でケースに固定された積層コアと、この積層コアの内周側で２ｎ等分角度毎に配置された２ｎの駆動コイルとを備えた光学スキャナ用ガルバノ形モータであって、
   前記積層コアの軸方向最端側のコア板は、前記駆動コイルの各隣接位置においてその内周側から屈曲して前記軸方向の外方へ突出した突片を有して成ることを特徴とする光学スキャナ用ガルバノ形モータ。
2. ｎを自然数とし、ガルバノミラーを一端に取着したモータシャフトの周りに２ｎ等分角度毎で隣り同士が異極の突極を持つ２ｎ磁極マグネットと、この２ｎ磁極マグネットの外周側でケースに固定された積層コアと、この積層コアの内周側で２ｎ等分角度毎に配置された２ｎの駆動コイルとを備えた光学スキャナ用ガルバノ形モータであって、
   前記積層コアを構成するコア板は、その内周側において前記各駆動コイルが軸心に対して張る角度の中心部分に切欠きを有して成ることを特徴とする光学スキャナ用ガルバノ形モータ。
3. 請求項２において、前記切欠きは湾曲状であることを特徴とする光学スキャナ用ガルバノ形モータ。
4. 請求項１乃至請求項３のいずれか一項において、前記ｎが２以上であることを特徴とする光学スキャナ用ガルバノ形モータ。
5. １次元像の光を走査して２次元像を形成する光偏向手段と、前記２次元像を拡大してスクリーンに投影する拡大投影系と、前記光偏向手段から前記拡大投影系に向かう光の光路よりも外れた位置で当該光偏向手段からの光の強度を検出する検出手段とを備え、前記光偏向手段は、スクリーン投影の際は前記１次元像の光を前記拡大投影系に向けて反射し、光強度検出の際は前記１次元像の光を前記検出手段に向けて反射するようにした画像表示装置において、
   前記光偏向手段として、請求項１乃至請求項４のいずれか一項に記載の光学スキャナ用ガルバノ形モータを用いて成ることを特徴とする画像表示装置。

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