JP2017026683A - 画像投射装置 - Google Patents

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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。
JP2015142359A 2015-07-16 2015-07-16 画像投射装置 Pending JP2017026683A (ja)

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