JP4942601B2 - 駆動装置 - Google Patents

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、そのガラスを微小に揺動させることにより、投射光を揺動方向にずらす装置（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、解像度を上げる効果が得られる。

この場合のアクチュエータは、円筒状のコイルと、当該コイルを外側で覆うように配設されるカップ状の外ヨークと、当該外ヨークの内面の中央部に配設され、前記コイルの内側に配設される永久磁石と、当該永久磁石の上端に配設される内ヨークとからなるボイスコイルモータが使用される。

同様に揺動動作を行う装置において円筒形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（０００２段、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容易でないという問題があった。このため、矩形に巻いたコイルの中心の穴部に金属板でできたヨーク（センターヨーク）を配設し、コイルの一辺を挟む位置に１個の磁石を配設する形状のボイスコイルモータを使用する場合がある。この場合は、磁石の背面側に配設したヨーク（バックヨーク）の端面と前記コイルの中心穴部に配設したセンターヨークの端面とを接触させる形状とすることで磁石の磁束を還流させる構造とし、ボイスコイルモータの効率を上げることができる。

上記矩形コイルのボイスコイルモータを採用した場合、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向上させることができる。また、ボイスコイルモータとして採用するコイルの一辺を、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、コイルは主に銅からできており、揺動部品の中では比較的に質量の大きな部品に該当し、揺動中心からの距離を大きく取ると、イナーシャが大きくなり、揺動動作の高速化が困難となるという問題があった。

本発明は、上記のような問題を解決するためになされたものであり、揺動動作の高速化を実現できる駆動装置を提供することを目的とする。

本発明に係る駆動装置は、矩形状のコイルと、前記コイルの一の辺に対向して配置される磁石と、前記磁石を保持し前記磁石とともに前記一の辺に磁力線を通すヨークとを、備え、前記コイルは、電流が流れることで前記一の辺に推力を発生し、前記コイルを保持し前記一の辺に平行で揺動中心である揺動軸を有する揺動部と、前記推力に抗する付勢力を前記揺動部に与える弾性体とを、さらに備え、前記コイルは、前記一の辺に平行で前記コイルの矩形状の図心を通る図心軸と、前記一の辺に平行で且つ前記一の辺に対向する他の辺とを、有し、前記他の辺は、前記他の辺に磁力線を通す磁石およびヨークを有さず、前記揺動軸は、前記他の辺の外側のコイル面と前記図心軸との間に位置する。

本発明に係る駆動装置は、単位トルク当たりのイナーシャの値を小さくし、コイルのイナーシャの影響を抑えることができるので、揺動動作の高速化を実現できる。

以下、本発明に係る駆動装置の各種実施の形態について、図面に基づいて説明する。

＜実施の形態１＞
図１は、本発明の実施の形態１における画素ずらし装置１０の構成を示す外観斜視図であり、図２は分解斜視図、図３は揺動部の外観斜視図である。

図１〜３を参照して、揺動部としてのフラップ１には、投射光を透過するガラス３と、ボイスコイルモータの構成部品である矩形状からなるコイル４と、ボイスコイルモータの推力に対する反力を発生する板ばね２とが取り付けられている。Ｔ字形状の板ばね２は、フラップ１の揺動中心に固定されており、フラップ１をベース７に設けられた支点７ａに当接するための付勢力を与えている。ガラス３は揺動軸を挟んでコイル４と反対側に配設されている。フラップ１の揺動動作により、板ばね２においては、部分２ａにはねじりによる反力が、部分２ｂにはたわみによる反力が、それぞれ発生する。

ボイスコイルモータは、フラップ１に固定されたコイル４と、コイル４の中心に開いた穴部４ａを通るＬ字形状のヨーク５ａと、コイル４の外側に配設されたヨーク５ｂと、ヨーク５ａ，５ｂの内面に取り付けられ、コイル４を挟むように配設された２個の磁石６とから構成されている。Ｌ字形状のヨーク５ａ，５ｂは各々端面が接触するように構成されており磁石６のＮ極から出た磁力線がＳ極に還流するように構成されている。

コイル４に電流を流すと、図中上下方向にコイル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は支点７ａを中心として板ばね２のばね力に抗して揺動する。

フラップ１に固定されフラップ１とともに揺動する部品は、ガラス３およびコイル４である。各部品の質量は、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、揺動する部品の質量に対してコイル４の質量が約半分を占めることが分かる。このため、コイル４のイナーシャを下げることは、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ことが分かる。

図４はコイル４と揺動中心との関係を示した図であり、図４（ａ）はコイル４の正面図に、図４（ｂ）はコイル４の断面図に、それぞれ対応している。コイル４の形状は、外幅ｂ₁、外高さｈ₁、内幅ｂ₂、および内高さｈ₂で表される。揺動中心を揺動軸Ｘ、揺動軸Ｘに平行で図心Ｇを通る軸（図心軸）を軸Ｘ₀、軸Ｘ₀と推力の発生するコイル部の中心を通る軸Ｘ₂との間の距離を距離ｃとし、コイル４の厚みを厚みｄ、コイル４の奥行きを奥行きｔ、コイル４の単位体積当たりの質量を質量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の各パラメータを式（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、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）〜（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のようなグラフとなる。

図５より、揺動中心すなわち揺動軸Ｘが図４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の上側）となった場合は、Ｊの値が直線的に増加することが分かる。つまり、揺動軸Ｘがコイル４の内側にある場合は、コイル４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において揺動軸Ｘから軸Ｘ₂までの腕の長さが長くなる場合は、揺動軸Ｘから軸Ｘ₁までの腕の長さは短くなる。このため軸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。しかし、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の値が大きくなることが分かる。

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実現するためには、コイル４の揺動軸Ｘは図４に示す軸Ｘ₀と軸Ｘ₁との間に設定することが有効であることが分かる。

このように、本実施の形態に係る画素ずらし装置１０（駆動装置）が備えるボイスコイルモータは、矩形状からなり軸Ｘ₂（一の辺）に推力を生じるコイル４と、コイル４を固定するフラップ１（揺動部）と、前記推力に抗する付勢力をフラップ１に与える板ばね２（弾性体）とを有し、前記揺動部の揺動軸Ｘ（揺動中心）は、軸Ｘ₂に平行であり、しかも軸Ｘ₂に平行で且つ対向する軸Ｘ₁（他の辺）の外側のコイル面と軸Ｘ₂に平行でコイル４の図心を通る軸Ｘ₀（図心軸）との間に位置することを特徴とする。従って、揺動動作の高速化を実現できる。

＜実施の形態２＞
実施の形態１の画素ずらし装置１０においては、揺動中心すなわち揺動軸Ｘを図４に示す軸Ｘ₀と軸Ｘ₁との間に設定することにより、単位トルク当たりのイナーシャＪを小さくすることができることを示した。実施の形態２においては、単位トルク当たりのイナーシャＪの最小値を示す揺動軸Ｘ_minの位置の範囲を求めることにより、揺動中心すなわち揺動軸Ｘの位置の最適の範囲を示す。

実施の形態１で示した図４を用いて説明する。実施の形態１と同様の構成部分に関しては、その相当部分には実施の形態１で示した符号と同一符号を付して説明を省略する。

まず、実施の形態１で示した式（５）をｙにより微分するが、式を簡素化するため、式（６），（７）で定義される値Ａ，Ｂを用いることとする。

式（５）のｙによる微分の式は、値Ａ，Ｂを用いて、式（８）のように表される。

単位トルク当たりのイナーシャＪの最小値は、ｄＪ／ｄｙ＝０の場合であるため、式（８）において、ｄＪ／ｄｙ＝０として、両辺に（ｙ＋ｃ）²を掛けることにより、式（９）が導出される。

式（９）より、ｙの値は、式（１０）のように表される。

ところで、式（１０）において、軸Ｘ₀と軸Ｘ₂との間の距離ｃは、外高さｈ₁と内高さｈ₂とを用いて、式（１１）のように表される。

よって、式（１０）に、式（６）の値Ａと式（７）の値Ｂと式（１１）の距離ｃとを代入することにより、式（１２）が導出される。

となる。

ところで、式（１１）より、ｙのｃに対する比率Ｙ＝ｙ／ｃは、式（１３）のように表される。

よって、式（１２）に式（１３）を代入することにより、比率Ｙは、式（１４）のように表される。

式（１４）において、（（ｂ₁・ｈ₁ ³―ｂ₂・ｈ₂ ³）／（ｈ₁＋ｈ₂）²（ｂ₁・ｈ₁―ｂ₂・ｈ₂）＝Ｚとすると、Ｚ＝０の場合はＹ＝０となる。また、Ｚ≦１と仮定すれば、Ｙの最大値は、Ｚ＝１の場合で、Ｙ＝−１＋√１＋４／３ ≒０．５３となる（正確には０．５３未満）。以下、この仮定の正誤について考察する。

Ｚにおいては、（ｈ₁＋ｈ₂）²＞０であり、ｂ₁・ｈ₁―ｂ₂・ｈ₂＞０であるため、Ｚ≦１と仮定して式を変形すると、式（１５）が導出される。

式（１５）をさらに変形することにより、式（１６）が導出される。

図４を参照して、ｂ₁―ｂ₂＞０、ｂ₁・ｈ₁―ｂ₂・ｈ₂＞０であるので、式（１６）は成り立っている。すなわち、Ｚ≦１という上記の仮定は正しい。

以上より、軸Ｘ₀と揺動軸Ｘとの間の距離ｙの、軸Ｘ₀と軸Ｘ₂との間の距離ｃに対する比率Ｙ＝ｙ／ｃの値は、式（１７）の範囲内であることが分かる。

これにより、図４に示す軸Ｘ₀から軸Ｘ₁までの距離（軸Ｘ₀と軸Ｘ₂との間の距離ｃに等しい）を１とした場合において、軸Ｘ₀から軸Ｘ₁の方向に０．５３の位置を軸Ｘ₃とすると、単位トルク当たりのイナーシャＪを最小とする揺動中心の位置は、軸Ｘ₀から軸Ｘ₃までの間にあることが分かる。

このように、本実施の形態に係る駆動装置が備えるボイスコイルモータは、一の辺（軸Ｘ₂）または他の辺（軸Ｘ₁）と図心軸（軸Ｘ₀）との距離を１とした場合に、揺動中心（揺動軸Ｘ）と軸Ｘ₀との距離は０．５３未満となることを特徴とする。従って、実施の形態１に比較して、さらに、単位トルク当たりのイナーシャＪ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実現することができる。

実施の形態１における画素ずらし装置の構成を示す外観斜視図である。 実施の形態１における画素ずらし装置の構成を示す分解斜視図である。 実施の形態１における画素ずらし装置の揺動部の構成を示す外観斜視図である。 実施の形態１における画素ずらし装置のコイルと揺動中心との関係を示した図である。 実施の形態１における画素ずらし装置のコイルの推力位置から揺動中心までの距離と単位トルク当たりのイナーシャとの関係を示すグラフである。

符号の説明

１ フラップ、２ 板ばね、２ａ，２ｂ 部分、３ ガラス、４ コイル、４ａ 穴部、５ａ，５ｂ ヨーク、６ 磁石、７ ベース、７ａ 支点、１０ 画素ずらし装置。

Claims (2)

1. 矩形状のコイルと、
   前記コイルの一の辺に対向して配置される磁石と、
   前記磁石を保持し前記磁石とともに前記一の辺に磁力線を通すヨークとを、備え、
   前記コイルは、
   電流が流れることで前記一の辺に推力を発生し、
   前記コイルを保持し前記一の辺に平行で揺動中心である揺動軸を有する揺動部と、
   前記推力に抗する付勢力を前記揺動部に与える弾性体とを、さらに備え、
   前記コイルは、
   前記一の辺に平行で前記コイルの矩形状の図心を通る図心軸と、
   前記一の辺に平行で且つ前記一の辺に対向する他の辺とを、有し、
   前記他の辺は、
   前記他の辺に磁力線を通す磁石およびヨークを有さず、
   前記揺動軸は、
   前記他の辺の外側のコイル面と前記図心軸との間に位置する、
   駆動装置。
2. 請求項１に記載の駆動装置であって、
   前記一の辺または前記他の辺と前記図心軸との距離を１とした場合に、前記揺動軸と前記図心軸との距離は、前記図心軸から前記他の辺の側に０．５３未満となる、
   駆動装置。

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