JP2007199229A - カラーホイルを備えた画像形成装置 - Google Patents

Abstract

【課題】光源からの出力光をＲ，Ｇ，Ｂに切り変えるカラーフィルタを高速で回転させ得る回転体をもった画像形成装置を提供することを目的とする。
【解決手段】約６０度の角度を持った略扇形をしたフィルター５６がホルダー１０に接着剤にて固定され、そのフィルター５６に対して制振効果を持った制振材Ａ１３，および制振材Ｂ１６がそれぞれ制振材ホルダーＡ１２，制振材ホルダーＢ１５にて、フィルター５６の面に接触、あるいは、圧接するようフィルターユニット１１に固定されて制振材付きフィルターユニット２２が形成され、その制振材付きフィルターユニット２２をモータの回転により回転するハブ６に接着剤にて取り付け、モータの回転によりフィルター５６が回転するよう構成した回転体である。
【選択図】図１

Description

本発明は光の色が順次切り替わる画像形成装置に関するものであり、特に２次元マイクロ偏向ミラーアレイを用いて多諧調の画像を投影する画像形成装置において、振動が少なく、かつ、品質の安定したプロジェクタ装置に関するものである。

従来の画像形成装置として、複数人で使用する数十インチから１００インチの高精細・大画面の画像表示と小型・軽量化への要求が高まっており、液晶ディスプレイ、プラズマディスプレイ等の平面ディスプレイの製品が開発されている。液晶ディスプレイの場合、液晶空間光変調器を製作するプロセスが複雑で、大型のものができないため数十インチ以上の大型化は難しく、なされたとしても数枚の液晶空間光変調器を張り合わせて作るため、つなぎ目が問題となるほか、高価格となる。

プラズマディスプレイは、構造が簡単で、製作プロセスが短く、大画面のものが作り易いこと、プラズマからの紫外光による励起に適した蛍光体の開発により、色再現性のよいディスプレイが可能となってきている。しかしながら、プラズマディスプレイの場合、発光効率が悪いために大入力が必要であり、また、放電電圧が高いため高耐圧の駆動回路が必要になる等の問題がある。上記平面ディスプレイの有する問題を回避するものとして、プロジェクタ装置が知られている。プロジェクタ装置は、従来、光源や空間光変調器、３原色分離合成用光学系等の種類により種々のものが開発されており、空間光変調器としては、透過型あるいは反射型の液晶空間光変調器や、２次元マイクロ偏光ミラーアレイ等の種類がある。

図７に、空間光変調器と単一の２次元マイクロ偏向ミラーアレイを用いた従来のプロジェクタ装置を示す。図７において、プロジェクタ装置５０は、白色光を発光するキセノンランプ、ハロゲンランプ等のランプ５１と、このランプ５１の光を集光した後、所定の方向に反射する放物線状のリフレクタ５２からなる光源部５３とからなる。さらに、光源部５３の出力光５３ａから赤外成分を取り除くコールドミラー５４と、コールドミラー５４からの光をモータのハブ６に取り付けられた赤、緑、青（以下Ｒ，Ｇ，Ｂと略する。）３色のカラーフィルタ５６（フィルター５６ｒ、５６ｇ、５６ｂの総称）上に集光させる集光レンズ５７と、カラーフィルタ５６によって色分離されたＲ，Ｇ，Ｂの３色光Ｌｒ，Ｌｇ，Ｌｂを折り返しミラー５９に導くリレイレンズ５８と、折り返しミラー５９からの３色光Ｌｒ，Ｌｇ，Ｌｂを偏向してＲ，Ｇ，Ｂ３色の画像信号光６０ｒ、６０ｇ、６０ｂを出力する２次元マイクロ偏向ミラーアレイ６０と、２次元マイクロ偏向ミラーアレイ６０からの画像信号光６０ｒ、６０ｇ、６０ｂと折り返しミラー５９からのＲ，Ｇ，Ｂの３色光Ｌｒ，Ｌｇ，Ｌｂとを分離する全反射プリズム６１と、２次元マイクロ偏向ミラーアレイ６０からの画像信号光６０ｒ、６０ｇ、６０ｂをスクリーン６３上に投影する投影レンズ６２とを備えている（例えば特許文献１参照）。

このプロジェクタ装置５０において、光源部５３の出力光５３ａは、コールドミラー５４で赤外光が除去され、集光レンズ５７によって集光され、カラーフィルタ５６のＲ，Ｇ，Ｂ３色のフィルター５６ｒ、５６ｇ、５６ｂを透過する。カラーフィルタ５６の回転速度は、画像のフレーム表示速度であり、毎秒６０回転である。その一回転の間に、カラーフィルタ５６の透過光はフィルター５６ｒ、５６ｇ、５６ｂによりＲ，Ｇ，Ｂの３色光Ｌｒ，Ｌｇ，Ｌｂに時分割的に色分離され、折り返しミラー５９および全反射プリズム６１を介して２次元マイクロ偏向ミラーアレイ６０に入射する。２次元マイクロ偏向ミラーアレイ６０に入射したＲ，Ｇ，Ｂの３色光Ｌｒ，Ｌｇ，Ｌｂは、各色の画像信号に基づいて偏向され、画像信号６０ｒ、６０ｇ、６０ｂとして形成される。この画像信号光６０ｒ、６０ｇ、６０ｂは投影レンズ６２によってスクリーン６３に投影される。

上記カラーフィルタ５６の構成について、図８を用いて説明する。図８は回転体６４の断面図である。ベース１にシャフト２は接着等により固定されている。また、ベース１にステータ３が接着等により固定されており、そのステータ３には薄板鋼鈑を圧着等により固定したコア４が接着等により固定されており、そのコア４にはモータ駆動電流を印加するためのコイル５が巻きつけられている。回転するモータのハブ６にはシャフト２に対して微少な隙間（１〜３μｍ）を持ったスリーブ７、そのスリーブ７の外側にモータを回転させるのに必要な磁気回路を構成するバックヨーク８とそのバックヨーク８の外側にモータ駆動に必要な磁石９がそれぞれ接着材等にて固定されている。コイル５に電流を流すことによりコア４に磁界が発生し、その発生した磁界と磁石９との磁気作用によりモータは所望の方向に回転する。

ホルダー１０にカラーフィルタ５６が接着剤により固定され、フィルターユニット１１が形成しており、そのフィルターユニット１１は接着剤によりモータのハブ６に固定されている。図９を参照して、フィルター５６ｒ、５６ｇ、５６ｂの構成について説明する。フィルター５６ｒ、５６ｇ、５６ｂの夫々の一対がホルダー１０に１８０度の位置を隔てて軸対称に接着にて固定され、フィルターユニット１１を形成している。そのフィルターユニット１１はモータハブ６に接着剤等により固定され、モータが回転することにより、フィルターユニット１１が回転するので、フィルター５６ｒ、５６ｇ、５６ｂがモータのシャフト２の周りを回動するよう構成されている。

Ｒ，Ｇ，Ｂのフィルター５６ｒ、５６ｇ、５６ｂの面積比率はＲ，Ｇ，Ｂ光の強度により若干異なるが、Ｒ，Ｇ，Ｂ光それぞれの持続時間は平均５．６ミリ秒である。２次元マイクロ偏向ミラーアレイ６０の各マイクロ偏向ミラーの偏向時定数は、５マイクロ秒と上記の持続時間の１／１０００であり、マイクロ偏向ミラーの偏向時間の調節により、Ｒ，Ｇ，Ｂそれぞれ８ビット以上の諧調をつけることが可能である。このように単一の２次元マイクロ偏向ミラーアレイ６０を用いることにより、部品点数が少なく、小型で、家庭用表示装置として適したプロジェクタ装置５０を実現することができる。
特開平１１−３２２７８号公報

しかしながら、従来のプロジェクタ装置５０においては、回転体６４の回転数が約１２０００ｒｐｍであった。しかし、動画の再現性をよくするには回転体６４の回転数をさらに高速にして１４４００ｒｐｍ程度にする必要がある。ところが回転体６４の回転数を１４４００ｒｐｍにすると、ホルダー１０に取り付けられたフィルター５６ｒ、５６ｇ、５６ｂが、回転体６４からの振動、あるいは、モータの回転によりフィルター５６ｒ、５６ｇ、５６ｂ自体が回転によることにより発生する空気流の渦等により、大きな振動を起こし、フィルター５６ｒ、５６ｇ、５６ｂはガラス材で作られているため、この振動により破壊する恐れが生じる。また、この振動が大きなために、フィルター５６ｒ、５６ｇ、５６ｂが光軸に対して傾くため、フィルター５６ｒ、５６ｇ、５６ｂによりＲ，Ｇ，Ｂの３色光Ｌｒ，Ｌｇ，Ｌｂに時分割的に色分離された光は、２次元マイクロ偏向ミラーアレイ６０に正確に入射することができなくなり、画像が乱れ、画質が劣化するという問題があった。

本発明は上記課題をかんがみてなされたものであり、高速回転が可能なフィルターユニット１１を備え、画像品質のよいプロジェクタ装置５０を提供することを目的とする。

前記従来の課題を解決するために、本発明のカラーホイルを備えた画像形成装置は、光透過特性の異なる複数の透明基材を回転方向に配して構成され回転中心孔を持つ回転体と、前記回転体を回転させるための回転手段と、前記回転体と前記回転手段の回転軸とを接続するための結合部材とからなり、前記結合部材は前記回転手段を挟むように構成されるとともに前記結合部材と前記回転体との間に前記回転体の振動を抑制するための制振部材とを配置したカラーホイルを備えたことを特徴とする。

さらに本発明のカラーホイルを備えた画像形成装置において、前記結合部材は、前記回転体を接続するためのホルダー部と、前記回転体の両面で回転中心孔の周囲に前記制振部材が接続された複合回転体と、
前記複合回転体を両面から前記ホルダーに接続するための制振部材ホルダーとからなることを特徴とする。

さらに本発明のカラーホイルを備えた画像形成装置において、前記結合部材は、前記回転体を接続するためのホルダー部と、前記回転体の片面で回転中心孔の周囲に前記制振部材が接続された複合回転体と、
前記複合回転体を両面から前記ホルダーに接続するための制振部材ホルダーとからなることを特徴とする。

本発明のプロジェクタ装置の回転体は、約６０度の角度を持った略扇形をしたフィルター６枚がホルダーの鍔部に接着剤にて固定され、かつ、制振効果を持った制振材Ａ，および制振材Ｂがそれぞれ制振材ホルダーＡ，制振材ホルダーＢにて、フィルター面に接触、あるいは、圧接するように固定されて制振材付きフィルターユニットが形成され、その制振材付きフィルターユニットをモータの回転により回転するハブに接着剤にて取り付け、モータが回転するとフィルターがモータの回転につれて回転するよう構成されており、モータの回転により発生するモータ構成部品からの振動、フィルターの寸法誤差、フィルターの取り付け誤差等による動バランスのズレ等による振動、あるいは、モータの高速回転によりフィルターに発生する空気流の乱れ等により生じる渦による振動が発生しても、制振材Ａ，制振材Ｂが振動を吸収するので、フィルターの振動ピーク値が減少し、ガラス材にてつくられているフィルターの破損を防止するととともに、フィルターによりＲ，Ｇ，Ｂに色分離された光が、２次元マイクロ偏向ミラーアレイに精度よく入射し、安定した画像が実現できるプロジェクタ装置が実現できる。

以下に、本発明の請求項１から２に記載された発明の実施の形態について、図面を参照して説明する。尚、各図とも従来技術と同一名称のものには共通した符号を付しており、重複する説明は省略する。

図１は本発明の実施形態のプロジェクタ装置５０の回転体６４の断面図であり、図２はフィルターユニット１１に制振材Ａ１３を制振材ホルダーＡ１２、および制振材Ｂ１６を制振材ホルダーＢ１５にて取りつける前の状態を示した断面図であり、図３はフィルターユニット１１に制振材Ａ１３を制振材ホルダーＡ１２、および制振材Ｂ１６を制振材ホルダーＢ１５にて取りつけた後の状態を示した断面図である。
図２において、フィルター５６は接着等によりホルダー１０に固定され、フィルターユニット１１が形成されている。制振材ホルダーＡ１２には制振材Ａ１３が装着されており、制振材Ａユニット１４を構成している。また、制振材ホルダーＢ１５には制振材Ｂ１６が装着されており、制振材Ｂユニット１７を構成している。

フィルターユニット１１に制振材Ａユニット１４を取り付けるとき、フィルター５６と制振材Ａ１３が接触した状態において、制振材ホルダーＡ１２とフィルター５６間には隙間Ａ１８があるように構成されている。同様に、フィルターユニット１１に制新材Ｂユニット１７を取り付けるとき、フィルター５６と制振材Ｂ１６が接触した状態において、制振材ホルダーＢ１５とフィルター５６間には隙間Ｂ１９があるように構成されている。
次に図３を参照して、フィルターユニット１１に制振材Ａユニット１４、制振材Ｂユニット１７を装着固定する方法について説明する。フィルターユニット１１に制振材Ａユニット１４を装着した後、ホルダー１０を固定した状態において振材Ａユニット１４に外力Ａ２０を加え、隙間Ａ１８がなくなる状態になるまで力を加える。その状態において接着剤によりフィルターユニット１１と制振材Ａユニット１４を固定する。同様にして、フィルターユニット１１に制振材Ｂユニット１７を装着した後、ホルダー１０を固定した状態において制振材Ｂユニット１７に外力Ｂ２１を加え、隙間Ｂ１９が無くなる状態になるまで力を加える。その状態において接着剤によりフィルターユニット１１と制振材Ｂユニット１７を固定し、制振材付きフィルターユニット２２を構成する。

外力Ａ２０、外力Ｂ２１を加え、隙間Ａ１８、隙間Ｂ１９が無くなる状況にて接着剤にて、フィルターユニット１１に制振材Ａユニット１４および制振材Ｂユニット１７固定することにより、フィルター５６に制振材Ａ、および制振材Ｂの制振効果がもたらされ、フィルター５６が共振しても制振材Ａ１３、制振材Ｂ１６の制振効果によりフィルター５６の振動が低減できる。尚、隙間Ａ１８、隙間Ｂ１９を無くした状態でなくても、制振材Ａ１３、および、制振材Ｂ１６がフィルター５６に接した状態から、隙間Ａ１８、および隙間Ｂ１９が無くなる状態の間で、フィルターユニット１１に制振材Ａユニット１４および制振材Ｂユニット１７を固定しても、制振材Ａ１３、および制振材Ｂ１６の制振効果によりフィルター５６の振動は低減できることは、言うまでもないことである。

本発明の請求項３に記載された発明の実施の形態は、請求項１に記載された発明の実施の形態において、フィルターユニット１１に制振材Ａユニット１４か制振材Ｂユニット１７のいずれか一方を取り付ける構成なので、詳細図面は省略する。

図４、図５を参照して、有限要素法にて制振材の効果について解析した結果を説明する。図４は有限要素法による解析モデルの概要であり、フィルター５６、制振材Ａ１３、制振材Ｂ１６の板厚は夫々１ｍｍであり、ホルダー１０の材質はＡｌ、フィルター５６の材質はガラスである。また、制振材Ａ１３および制振材Ｂ１６の内側半径は１４ｍｍ、外側半径は１８ｍｍであり、フィルター５６の外形半径は３２ｍｍである。ホルダー１０の下部内周部を完全拘束し、制振材Ａ１３の内側半径位置の制振材ホルダーＡ１２の位置全周を加振点とし、加振により振動する位置の観測点としてフィルター５６の中央部（半径２５ｍｍ、角度１５度）とし、解析の減衰効果の計算に必要な制振材Ａ１３、および制振材Ｂ１６の構造減衰は、５００Ｈｚで２％、および５００Ｈｚで５％の値にて、有限要素法解析ソフトＡＮＳＹＳにより周波数応答解析をする。図５は周波数応答解析結果をまとめたものであり、一次共振（千数百Ｈｚ）のピーク値は制振材が無い場合に比べて、制振材Ａ１３および制振材Ｂ１６の構造減衰が５００Ｈｚで２％のものは、振動のゲインが約１０ｄｂ減少し、制振材Ａ１３および制振材Ｂ１６の構造減衰が５００Ｈｚで５％のものは、振動のゲインが約十数ｄｂ減少し制振材Ａ１３および制振材Ｂ１６の減衰効果が、振動のピークゲインを大きく減少させることが解析からも実証できる。

図６を参照して、制振材Ａ１３および制振材Ｂ１６の減衰特性について説明する。図６はあるメーカの制振ゴムの特性を示したものであり、横軸は周波数を示しており１０のｎ乗が周波数の値（例えば周波数Ｌｏｇが３のとき、周波数は１０の３乗なので１０００Ｈｚ）である。制振ゴムとして損失係数（ｔａｎδ）のよいＳＢＲ（スチレンブタジエンゴム）がよく電子機器等に利用されるのであるが、低域から広域に渡ってＳＢＲよりも数倍以上特性のよいＧＰ−３５Ｌ、ＧＰ−５０Ｖ、ＣＰ−４０Ｓ等の制振ゴムを利用することにより、フィルター５６の振動を大幅に低減することができる。

図１を参照して、回転体６４への制振材付きフィルターユニット２２の取り付け方を説明する。制振効果を持った制振材付きフィルターユニット２２をモータのハブ６に接着等にて固定することにより、フィルター５６に対して制振効果のある回転体６４が実現でき、回転体６４が高速回転しても低域から広域に渡って振動が少なく、かつ、画像品質のよいプロジェクタ装置５０を実現することができる。

図６を参照して、異なった制振部材を取り付けると振動の低減に効果があることを説明する。例えば、カラーフィルタ５６の共振周波数が、２０００Ｈｚ、及び、３０００Ｈｚにあるとすると、２０００Ｈｚにおける共振を低減させるには、図６よりＧＰ−３５Ｌを使用した方がよいことが分かる。それに対して、３０００Ｈｚの共振を低減させるには、ＧＰ−３５ＬよりもＧＰ−５０Ｖを使用した方が損失係数（ｔａｎδ）が大きいのでよいことが分かる。即ち、カラーフィルタ５６から発生する共振周波数により制振部材Ａ１３、及び制振部材Ｂ１６の特性値を変えた方が振動の低減に効果があることが分かる。ここで、損失係数（ｔａｎδ）について説明する。損失係数（ｔａｎδ）は、貯蔵せん断弾性率（Ｇ１）と損失せん断弾性率（Ｇ２）の比であり、ｔａｎδ＝Ｇ２／Ｇ１と表される。即ち、損失係数は、材料が変形する際に材料がどのくらいエネルギーを吸収するか（熱に変える）を示しており、損失係数が大きいほど振動のエネルギーを吸収するので、振動が低減できる。それ故、振動を低減させるには、出来るだけ損失係数の大きい材料を使用するとよい。

図６を参照して、制振材の損失係数が室温で且つ１０Ｈｚから１０００Ｈｚの振動帯域で、０．４以上であれば効果があることを説明する。電子機器において制振材として主に使用されているのは、図６に記載されているＳＢＲ（スチレンブタジエンゴム）であるが、３０００Ｈｚまでの周波数帯域において損失係数が０．４以下である。１０００Ｈｚの共振周波数においては、ＳＢＲの損失係数は約０．３５であり余り振動の低減には効果が無いことが分かる。それに対して、ＧＰ−５００の１０００Ｈｚの損失係数は約１．６であり、ＳＢＲより約４倍の制振効果があることが分かる。また、ＧＰ−３５Ｌ，ＧＰ−５０Ｖ、ＣＰ−４０Ｓは１０Ｈｚから１０００Ｈｚの帯域において損失係数が０．４以上であり、その様な特性を持った制振材を使用することにより、振動の少ないカラーフィルター５６を実現することができる。

本発明のカラーホイルを備えた画像形成装置は、カラーホイルとモータとの間に制振材を有するフィルターユニットを設けているので、モータの高速回転で生じる空気流の乱れ等により生じる渦による振動が発生しても、制振材が振動を吸収するので、カラーホイルの振動ピーク値が減少し、ガラス材にてつくられているフィルターの破損を防止するととともに、フィルターによりＲ，Ｇ，Ｂに色分離された光が、２次元マイクロ偏向ミラーアレイに精度よく入射し、安定した画像が実現できるプロジェクタ装置等に有用である。

本発明の実施の形態１に基づくプロジェクタ装置の回転体の断面図 本発明の実施の形態１に基づくプロジェクタ装置の回転体におけるフィルターユニットに制振材Ａ，および制振材Ｂを取り付ける前の断面図 本発明の実施の形態１に基づくプロジェクタ装置の回転体におけるフィルターユニットに制振材Ａ，および制振材Ｂを取り付けた後の制振材付きフィルターユニットの断面図 本発明の実施の形態１に基づくプロジェクタ装置の回転体における制振材ユニットの解析モデルの概要図 本発明の実施の形態１に基づくプロジェクタ装置の回転体における制振材ユニットの周波数応答解析の結果図 本発明の実施の形態１に基づくプロジェクタ装置の回転体における制振材の周波数と損失係数特性の概要図 従来のプロジェクタ装置の構成図 従来のプロジェクタ装置における回転体の断面図 従来のプロジェクタ装置におけるカラーフィルタの構成図

符号の説明

１ ベース
２ シャフト
３ ステータ
４ コア
５ コイル
６ ハブ
７ スリーブ
８ バックヨーク
９ 磁石
１０ ホルダー
１１ フィルターユニット
１２ 制振材ホルダーＡ
１３ 制振材Ａ
１４ 制振材Ａユニット
１５ 制振材ホルダーＢ
１６ 制振材Ｂ
１７ 制振材Ｂユニット
１８ 隙間Ａ
１９ 隙間Ｂ
２０ 外力Ａ
２１ 外力Ｂ
２２ 制振材付きフィルターユニット
５０ プロジェクタ装置
５１ ランプ
５２ リフレクタ
５３ 光源部
５３ａ 出力光
５４ コールドミラー
５６ カラーフィルター
５６ｒ フィルター（赤）
５６ｇ フィルター（緑）
５６ｂ フィルター（青）
５７ 集光レンズ
５８ リレイレンズ
５９ 折り返しミラー
６０ ２次元マイクロ偏向ミラーアレイ
６０ｒ 画像信号光（赤）
６０ｇ 画像信号光（緑）
６０ｂ 画像信号光（青）
６１ 全反射プリズム
６２ 投影レンズ
６３ スクリーン
６４ 回転体

Claims (5)

1. 光透過特性の異なる複数の透明基材を回転方向に配して構成され回転中心孔を持つ回転体と、
   前記回転体を回転させるための回転手段と、
   前記回転体と前記回転手段の回転軸とを接続するための結合部材とからなり、
   前記結合部材は前記回転手段を挟むように構成されるとともに前記結合部材と前記回転体との間に前記回転体の振動を抑制するための制振部材とを配置したカラーホイルを備えた画像形成装置。
2. 前記結合部材は、
   前記回転体を接続するためのホルダー部と、
   前記回転体の両面で回転中心孔の周囲に前記制振部材が接続された複合回転体と、
   前記複合回転体を両面から前記ホルダーに接続するための制振部材ホルダーとからなる請求項１に記載のカラーホイルを備えた画像形成装置。
3. 前記結合部材は、
   前記回転体を接続するためのホルダー部と、
   前記回転体の片面で回転中心孔の周囲に前記制振部材が接続された複合回転体と、
   前記複合回転体を両面から前記ホルダーに接続するための制振部材ホルダーとからなる請求項１に記載のカラーホイルを備えた画像形成装置。
4. 前記制振部材の損失係数（ｔａｎδ）の値が、前記回転体の一方の面に取り付けた制振部材と他方の面に取り付けた制振部材とで異なる請求項２に記載のカラーホイルを備えた画像形成装置。
5. 前記制振材の損失係数（ｔａｎδ）が、室温で且つ１０Ｈｚから１０００Ｈｚの振動帯域では、０．４以上である請求項１に記載のカラーホイルを備えた画像形成装置。

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