JP2017026683A - 画像投射装置 - Google Patents

Abstract

【課題】アクチュエータの数や消費電力を増加させることなく鉛直方向の駆動力を十分に発生させる。
【解決手段】本発明の画像投射装置は、光源から照射された光を用いて画像を生成する光変調素子と、光源から照射された光を画像生成手段へ導くための照明光学手段と、光変調素子により生成された画像を投射する投射手段と、照明光学手段に対して光変調素子を相対的に移動させる移動手段と、を備える。移動手段は、第１駆動手段と第２駆動手段と第３駆動手段とを有する。第１駆動手段は、光変調素子を鉛直方向に移動させるための駆動力を発生する。第２駆動手段は、鉛直方向に対して９０度未満の第１角度だけ傾斜した方向に光変調素子を移動させるための駆動力を発生する。第３駆動手段は、鉛直方向に対して、第１角度とは反対側に９０度未満の第２角度だけ傾斜した方向に光変調素子を移動させるための駆動力を発生する。
【選択図】図１０

Description

本発明は、画像投射装置に関する。

従来、画像投射装置（典型的にはプロジェクタ）において投影画像を高解像度化する手法として、細かい周期で投影画像を斜め４５度方向に半画素ずらす手法が知られている。投影画像を半画素ずらす方法としては、画像形成を行っている画像表示素子をシフトさせる方法が知られている。

例えば特許文献１には、固定支持基板とスライド可能に支持されたステージ部材上に配置された撮像素子に対して少ない電力で手振れ補正を実現するために、４つの電磁石と４つの永久磁石を対向して配置し、吸引・反発の力を利用して駆動制御する構成が開示されている。

しかしながら、ＤＭＤを用いたＤＬＰ(登録商標)方式のプロジェクタの場合、ＤＭＤを冷却するためにヒートシンクを押圧する必要があるため、ＤＭＤをシフトさせる際にヒートシンクも一緒にシフトさせる必要があり、可動部の質量が大きくなることから重力が作用する方向（鉛直方向）には動かし難いという問題がある。これは、ＤＭＤをシフトさせる際の鉛直方向への駆動力が不足していることが原因であり、鉛直方向に駆動力を生成するアクチュエータと水平方向に駆動力を生成するアクチュエータがそれぞれ独立しているために、アクチュエータの数や消費電力を増加させることなく鉛直方向に対してのみ駆動力を増加させることは困難である。

上記特許文献１に開示されている構成では、水平方向に力を生成するアクチュエータ（電磁石）と垂直方向（鉛直方向）に力を生成するアクチュエータとが直交して配置されており、水平方向に力を生成するアクチュエータと垂直方向に力を生成するアクチュエータはそれぞれ独立して力を生成していると言える。そのため、重力が作用するために最も動かし難い方向である鉛直方向の駆動力を増加させるという構成にはなっておらず、本構成をプロジェクタに応用したとしても、重力が作用する方向（鉛直方向）に駆動させることが困難であるという問題は解消できない。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明は、画像投射装置であって、光源から照射された光を用いて画像を生成する光変調素子と、前記光源から照射された光を前記光変調素子へ導くための照明光学手段と、前記光変調素子により生成された画像を投射する投射手段と、前記照明光学手段に対して前記光変調素子を相対的に移動させる移動手段と、を備え、前記移動手段は、前記光変調素子を鉛直方向に移動させるための駆動力を発生する第１駆動手段と、鉛直方向に対して９０度未満の第１角度だけ傾斜した方向に前記光変調素子を移動させるための駆動力を発生する第２駆動手段と、鉛直方向に対して、前記第１角度とは反対側に９０度未満の第２角度だけ傾斜した方向に前記光変調素子を移動させるための駆動力を発生する第３駆動手段と、を有する画像投射装置である。

本発明によれば、アクチュエータの数や消費電力を増加させることなく鉛直方向の駆動力を十分に発生させることができる。

図１は、実施形態の画像投射装置の外観図である。 図２は、光学エンジンおよび光源ユニットの配置と構成を示した図である。 図３は、光学エンジンの構成例を示す図である。 図４は、画像表示素子ユニットの構成例を示す図である。 図５は、ボイスコイルとマグネットとの間で発生するローレンツ力を説明するための図である。 図６は、ボイスコイルとマグネットとの間で発生するローレンツ力を説明するための図である。 図７は、固定ユニットの分解斜視図である。 図８は、可動ユニットの分解斜視図である。 図９は、各プレートの位置関係を示す図である。 図１０は、アクチュエータの配置を説明するための図である。 図１１は、アクチュエータによる駆動を説明するための図である。 図１２は、アクチュエータによる駆動を説明するための図である。

以下、添付図面を参照しながら、本発明の実施形態を詳細に説明する。

図１の（Ａ）は、本実施形態に係る画像投射装置１の斜視図、図１の（Ｂ）は、画像投射装置１の側面図である。なお、図１の（Ｂ）では、画像投射装置１から発した投射光が、画像が投影されるスクリーン（被投射物）２に照射されている状態が示されている。

画像投射装置１は、パソコンやビデオカメラ等から入力される映像データを基に映像を生成し、その映像をスクリーン２等に投影表示する装置である。画像投射装置１として広く知られた液晶プロジェクタは、近来、液晶パネルの高解像化、光源ランプの高効率化に伴う明るさの改善、低価格化などが進んでいる。また、ＤＭＤ（Digital Micro-mirror Device）を利用した小型軽量なプロジェクタが普及し、オフィスや学校のみならず家庭においても広くこれらプロジェクタが利用されるようになってきている。特に、フロントタイプのプロジェクタは携帯性が向上し、数人規模の小会議にも使われるようになってきている。

画像投射装置１であるプロジェクタには、大画面の画像を投射できること（投射画面の大画面化）と共に「プロジェクタ外に必要とされる投影空間」をできるだけ小さくできることが要請されている。近年では光学エンジンの性能が向上し、投射距離が１〜２ｍで投射サイズが６０インチ〜８０インチを達成できるプロジェクタが主流となってきている。以前の投射距離が長いプロジェクタの場合には、プロジェクタとスクリーン２との間には会議机があり、会議机の後ろ側にプロジェクタを配置していたのが、近年では投射距離の短縮に伴い会議机の前側に配置することが可能となり、プロジェクタの背後の空間を自由に活用できるようになってきた。なお、プロジェクタは、内部に光源ランプや多数の電子基板を収納しているため、起動後は時間の経過と共にプロジェクタの内部温度が上昇することとなる。これはプロジェクタの筐体サイズの小型化が進む昨今では顕著であり、その対策としてプロジェクタ内部の構成部品の耐熱温度を超えることのないよう、図１の（Ａ）に示すように吸気口１１と排気口１２を設け、強制気流による空冷方式が一般的に採用されている。

図２は画像投射装置１の外装カバーを外し、光学エンジン３および光源ユニット４の配置と構成を示した図である。本実施形態では光源ユニット４として高圧水銀ランプを採用している。光源ユニット４から照射された光がスクリーン２上に像を結ぶまでの経路としては、まず光源ユニット４からの光が光学エンジン３の後述の照明ユニット３ａに照射される。照明ユニット３ａ内では、照射された白色光をＲＧＢに分光し、分光した光を後述の画像表示素子ユニット８へと導く。その後、画像表示素子ユニット８に導かれた光は変調信号に応じて画像形成され、後述の投射ユニット３ｂで拡大投射されてスクリーン２に至るという構成になっている。

図３は、光学エンジン３の構成例を示す図である。図３に示すように、本実施形態に係る光学エンジン３は、主に、照明ユニット３ａと投射ユニット３ｂなどを備えている。照明ユニット３ａは、照明光学手段の一例であり、光源ユニット４から照射された光を画像表示素子ユニット８に設けられているＤＭＤ１６に導く。また、投射ユニット３ｂは、投射手段の一例であり、ＤＭＤ１６（画像表示素子ユニット８）により生成された画像を拡大してスクリーン２に投射する。

本実施形態の光学エンジン３では、まず光源ユニット４から照射された白色光を円盤状のカラーホイール５によりＲＧＢの各色に変換している。その後、板ガラスを張り合わせて筒状に構成されたライトトンネル６によりカラーホイール５から出射された光を照明ユニット３ａ内に導き、ライトトンネル６の直後に配置されている２枚のリレーレンズ７により色収差を補正し、平面ミラー１０及び凹面ミラー９によってＤＭＤ１６を備えた画像表示素子ユニット８に集光させる構成となっている。なお、ＤＭＤ１６は複数のマイクロミラーからなる略矩形のミラー面を有しており、映像データに基づいて各マイクロミラーを時分割駆動することにより、所定の映像へと投射光を加工して反射する構造となっている。ここでは、光変調素子の一例であるＤＭＤ１６は、光源ユニット４から照射された光を用いて画像を生成していると考えることができる。また、本実施形態の画像投射装置１は、ＤＭＤ１６が、スクリーン２と対面する方式のプロジェクタである。

ＤＭＤ１６が反射する方向としては２種類存在し、映像データの形成の際に使用する光は投射レンズへ、使用することなく捨てる光はＯＦＦ光板へ反射する構成となっている。なお、映像データの形成の際に使用する光は投射ユニット３ｂ側へ反射し、複数の投射レンズを通る際に拡大され、拡大された映像光としてスクリーン２上へ投影される。なお、照明ユニット３ａ内部のリレーレンズ７、凹面ミラー９、平面ミラー１０、画像表示素子ユニット８、および投射ユニット３ｂの入射側は、各部品を覆うように図示しないハウジングにより保持されており、かつハウジングの合せ面はシール材にて密閉された防塵構造となっている。

また、本実施形態の画像投射装置１は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）やＲＯＭ（Read Only Memory）、ＲＡＭ（Random Access Memory）などを備えている。ＣＰＵは、ＲＯＭ等に格納されたプログラムをＲＡＭに展開して実行することにより、画像投射装置１の動作を制御する。

次に、画像表示素子ユニット８の具体的な構成を説明する。図４は、画像表示素子ユニット８の構成の一例を示す図である。図４に示すように、画像表示素子ユニット８は、固定ユニット３１と可動ユニット４１の２つのユニットから構成されている。可動ユニット４１側には後述のボイスコイル４３（コイルの一例）が配置されており、固定ユニット３１側に配置された後述のマグネット３７との間で発生するローレンツ力を受けることにより、固定ユニット３１に対して相対的に移動する構成となっている。ボイスコイル４３とマグネット３７の組は、照明ユニット３ａに対してＤＭＤ１６を相対的に移動させるための駆動力を発生し、以下の説明では「アクチュエータ」と称する場合がある。後述するように、本実施形態の画像投射装置１は４つのアクチュエータを有しており、４つのボイスコイル４３の各々は、該ボイスコイル４３とペアになるマグネット３７と対向する位置に設けられている。この４つのアクチュエータは、照明ユニット３ａに対してＤＭＤ１６を相対的に移動させる移動手段として機能する。

例えばマグネット３７による磁界の方向と、ボイスコイル４３を流れる電流との関係が図５のような場合は、図５に示す矢印の方向にローレンツ力が作用することになる。ボイスコイル４３に流れる電流の向きを反対にすると、図６に示すように、図５とは反対側の方向にローレンツ力が作用することになる。

図７は、固定ユニット３１の分解斜視図である。図８は、可動ユニット４１の分解斜視図である。固定ユニット３１の役割としては、可動ユニット４１を支持すること、および、可動ユニット４１の移動をサポートすることの２点が大きな役割であるといえる。具体的には、固定ユニット３１内に設けられている複数の球体３４で可動ユニット４１内の可動プレート４２を挟み込むことによって可動ユニット４１を支持しているのである。なお、球体３４は、トッププレート３２と可動プレート４２との間、および、ベースプレート３３と可動プレート４２との間の各々に配置されており、トッププレート３２側に配置されている球体３４はトッププレート３２に設けられた球体保持部３５に、ベースプレート３３側に配置されている球体３４はベースプレート３３側に設けられた球体受け部３６に収納される構成となっている。なお、各プレートと球体３４とのクリアランスによって摩擦とガタつきの関係が変わってくるといえるが、そのクリアランスの調整はトッププレート３２側に設けられた球体位置調整ネジ３９によって行っている。

また、固定ユニット３１のもう１つの役割である可動ユニット４１の移動のサポートに関しては、固定ユニット３１側にはマグネット３７が配置され、可動ユニット４１側にはボイスコイル４３が配置されている。制御回路（上述のＣＰＵでもよいし、ＣＰＵとは別の回路でもよい）が、ボイスコイル４３に電流を流す制御を行うことによってローレンツ力が生成され、可動ユニット４１が動くという構成になっているのである。なお、上述したように、電流を流す向きによってローレンツ力の向きが、電流の大きさによってローレンツ力の大きさが変化することから、ＤＭＤ１６を有する可動ユニット４１を所望の方向に所望の量だけ動かすことができるのである。

一方、可動ユニット４１の役割としては、ＤＭＤ１６を保持することが挙げられる。一般にＤＭＤ１６は照明ハウジングとヒートシンク１８で挟持される構成となっているが、図８の分解斜視図で示しているように、本構成では可動ユニット４１の構成部品の１つであるＤＭＤ保持ブラケット４７でＤＭＤ１６を覆う構成とすることで照明ハウジングに押し当てることなくＤＭＤ１６を保持しているのである。なお、可動ユニット４１は、大きく分けて可動プレートユニット４４とＤＭＤ保持ユニット４５の２つのユニットから構成されている。可動プレートユニット４４は、主に可動プレート４２、ボイスコイル４３、ホール素子５１を含んで構成されており、固定ユニット３１に対して相対的に動くユニットとなっている。一方、ＤＭＤ保持ユニット４５は、主にＤＭＤ１６、ヒートシンク１８、ＤＭＤ保持ブラケット４７を含んで構成されており、ＤＭＤ１６を保持するユニットとなっている。さらに、ＤＭＤ保持ユニット４５内には結合プレート４６が配置されており、結合プレート４６を可動プレート４２にねじ締結することによって可動プレートユニット４４の移動量をＤＭＤ保持ユニット４５に伝達し、ＤＭＤ１６の移動を実現しているのである。なお、上述したように可動プレート４２は固定ユニット３１内の球体３４に挟み込まれることによって支持されているため、可動プレート４２自体は固定ユニット３１のトッププレート３２とベースプレート３３の間に配置される。図９は、各プレートの位置関係を示す図である。

次に、アクチュエータについて説明する。図１０に示すように、本実施形態の画像投射装置１は、一対の第１アクチュエータ（第１駆動手段）７１、第２アクチュエータ（第２駆動手段）７２、第３アクチュエータ（第３駆動手段）７３の４つのアクチュエータを有する。第１アクチュエータ７１は、ＤＭＤ１６を鉛直方向（重力が作用する方向）に移動させるための駆動力を発生する。この例では、一対の第１アクチュエータ７１の各々は、水平方向において互いに異なる位置に配置されている。また、第２アクチュエータ７２は、鉛直方向に対して９０度未満の第１角度だけ傾斜した方向にＤＭＤ１６を移動させるための駆動力を発生する。また、第３アクチュエータ７３は、鉛直方向に対して、第１角度とは反対側に９０度未満の第２角度だけ傾斜した方向にＤＭＤ１６を移動させるための駆動力を発生する。この例では、第１角度および第２角度は等しく、それぞれ４５度である。第１アクチュエータ７１、第２アクチュエータ７２および第３アクチュエータ７３の各々は、マグネット３７及び該マグネット３７に対向して設けられて電流が流されるボイスコイル４３を含む。

図１０の例では、第２アクチュエータ７２を構成するボイスコイル４３とマグネット３７の組、および、第３アクチュエータ７３を構成するボイスコイル４３とマグネット３７の組は、第１アクチュエータ７１を構成するボイスコイル４３とマグネット３７の組に対してそれぞれ４５度ずつ互いに反対に傾斜するように配置されている。

ここで、本実施形態において求める動作としては、ＤＭＤ１６の短手方向もしくは長手方向への並進動作および回転動作の３自由度の動作であり、一般に３自由度の駆動を実現するためには最低３つのアクチュエータが必要であるといえる。そのため、例えば、ＤＭＤ１６の短手方向に駆動力を生成する一対のアクチュエータと、長手方向に駆動力を生成する１つのアクチュエータの計３つのアクチュエータで３自由度の動作は実現できるのである。ところが、上記のように３つのアクチュエータのみで駆動力を生成する場合、ＤＭＤ１６の長手方向に駆動力を生成するアクチュエータは、長手方向の１方向にしか駆動力を生成することができないため、長手方向に配置されたアクチュエータは短手方向の駆動力をサポートすることはできないのである。なお、一般にプロジェクタは横長の画面を垂直な壁面もしくはスクリーン２に投影するため、プロジェクタ内部にＤＭＤ１６が組み込まれた状態を見てみると、その短手方向は重力の作用する鉛直方向、長手方向は水平方向となるように配置されるのである。

上述したように、３自由度の動作を３つのアクチュエータで実現させる場合には、アクチュエータの数や消費電力を増加させることなく鉛直方向の駆動力を十分に発生させることは困難であるのに対し、本実施形態の図１０に示す構成では、水平方向への駆動力を生成する第２アクチュエータ７２および第３アクチュエータ７３は、鉛直方向に対しても駆動力を生成することができるのである。その理由としては、第２アクチュエータ７２は鉛直方向に対して４５度だけ傾斜した方向に駆動力を発生し、第３アクチュエータ７３は、鉛直方向に対して、第２アクチュエータ７２の４５度とは反対側に４５度だけ傾斜した方向に駆動力を発生するので、第２アクチュエータ７２および第３アクチュエータ７３の各々が発生する駆動力のベクトルは、鉛直方向に対して、互いに反対側に４５度だけ傾斜した方向を向き、水平成分のみならず鉛直成分も有することになるためである。

以下、各アクチュエータが生成する駆動力およびその際の可動プレート４２の駆動を説明する。図１１の（Ａ）に示すように、一対の第１アクチュエータ７１の各々のボイスコイル４３に同じ向きの電流を流すことにより鉛直方向（図１１の例ではＺ軸方向）への並進動作を実現する一方、図１１の（Ｂ）に示すように互いに逆向きの電流を流すことにより回転動作を実現しているのである。

一方、水平方向（図１１の例ではＸ軸方向）への並進動作は、図１１の（Ｃ）に示すように、第２アクチュエータ７２および第３アクチュエータ７３の各々のボイスコイル４３に対して互いに逆向きの電流を流すことによって実現しているのである。さらに、図１１の（Ｄ）に示すように、第２アクチュエータ７２および第３アクチュエータ７３の各々のボイスコイル４３に対して同じ向きの電流を流した場合、その合力によって鉛直方向の力（図１１の例ではＺ軸方向の力）を生成することができるため、ＤＭＤ１６およびヒートシンク１８を含む可動重量の大きい可動ユニット４１を鉛直方向に持ち上げる際、第２アクチュエータ７２および第３アクチュエータ７３の各々の駆動力で、鉛直方向の駆動力をサポートすることが可能となるのである。

また、本実施形態の他の機能として高解像度動作がある。高解像度動作とは、斜め４５度の方向に半画素分だけＤＭＤ１６をシフトさせる動作であり、本動作によって投影画像内に中間画像を形成することが可能となるので、画素密度を高め、高解像度の画像を擬似的に生成することが可能となる。このような高解像度動作を簡易な制御系で実現するためには１自由度の動作で斜め４５度の方向の動きを再現する必要があり、そのためには斜め４５度の方向に駆動力を発生するアクチュエータが必要であるといえる。上述したように、本実施形態では、鉛直方向に対して４５度だけ傾斜した方向に駆動力を発生する第２アクチュエータ７２と、鉛直方向に対して、第２アクチュエータ７２の４５度とは反対側に４５度だけ傾斜した方向に駆動力を発生する第３アクチュエータ７３とが設けられている。例えば図１２に示すように、第２アクチュエータ７２のボイスコイル４３に対してのみ電流を流して、鉛直方向に対して４５度だけ傾斜した方向に駆動力を発生させることにより、高解像度動作を容易に実現可能である。すなわち、本実施形態の構成は、高解像化を行う上でもメリットのある構成であるといえる。

以上、本発明の実施形態を説明したが、上述の実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。本発明は、上述の実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上述の実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせにより、種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。

１ 画像投射装置
２ スクリーン
３ 光学エンジン
３ａ 照明ユニット
３ｂ 投射ユニット
４ 光源ユニット
５ カラーホイール
６ ライトトンネル
７ リレーレンズ
８ 画像表示素子ユニット
９ 凸面ミラー
１０ 平面ミラー
１６ ＤＭＤ
３１ 固定ユニット
３７ マグネット
４１ 可動ユニット
４３ ボイスコイル
７１ 第１アクチュエータ
７２ 第２アクチュエータ
７３ 第３アクチュエータ

特開２００８−２２５１５８号公報

Claims (5)

1. 画像投射装置であって、
   光源から照射された光を用いて画像を生成する光変調素子と、
   前記光源から照射された光を前記光変調素子へ導くための照明光学手段と、
   前記光変調素子により生成された画像を投射する投射手段と、
   前記照明光学手段に対して前記光変調素子を相対的に移動させる移動手段と、を備え、
   前記移動手段は、
   前記光変調素子を鉛直方向に移動させるための駆動力を発生する第１駆動手段と、
   鉛直方向に対して９０度未満の第１角度だけ傾斜した方向に前記光変調素子を移動させるための駆動力を発生する第２駆動手段と、
   鉛直方向に対して、前記第１角度とは反対側に９０度未満の第２角度だけ傾斜した方向に前記光変調素子を移動させるための駆動力を発生する第３駆動手段と、を有する、
   画像投射装置。
2. 前記第１角度と前記第２角度は等しい、
   請求項１の画像投射装置。
3. 前記第１角度および前記第２角度は４５度である、
   請求項２の画像投射装置。
4. 前記第１駆動手段、前記第２駆動手段および前記第３駆動手段の各々は、磁石及び前記磁石に対向して設けられて電流が流されるコイルを含む、
   請求項１乃至３のうちの何れか１項の画像投射装置。
5. 前記光変調素子は、前記画像が投影されるスクリーンと対面する、
   請求項１乃至４のうちの何れか１項の画像投射装置。