JP6520432B2 - 光学デバイスおよび画像表示装置 - Google Patents

Description

本発明は、光学デバイスおよび画像表示装置に関するものである。

特許文献１に記載のように、従来から、液晶パネル等の光変調装置の解像度よりも投射される画像の解像度を高くするために、光変調装置から出射された映像光の軸をずらす技術が知られている。また、特許文献１では、映像光の軸をずらすデバイスとして、光透過板と、光透過板を揺動させる駆動部（圧電素子）と、を有するウォブリングデバイスを用いている。

特開２０１１−２０３４６０号公報

しかしながら、特許文献１のウォブリングデバイスでは、駆動部の構成が明確に開示されていない。ウォブリングデバイスでは、駆動部の構成が光透過板の駆動精度に大きく影響するため、特許文献１の駆動部の構成によっては、光透過板を精度よく揺動することができず、表示特性が悪化するおそれがある。

本発明の目的は、優れた駆動精度を有する光学デバイス、かかる光学デバイスを備えた画像表示装置を提供することにある。

このような目的は、下記の発明により達成される。

本発明の光学デバイスは、光が入射する光入射面を有する光学部と、
前記光学部を支持する可動部と、
前記可動部を揺動軸まわりに揺動可能に支持する軸部と、
前記軸部を支持する支持部と、
前記可動部に設けられた永久磁石と、
前記永久磁石に作用させる磁界を発生させるコイルと、を有し、
前記可動部は、前記永久磁石を挿入する貫通孔と、前記貫通孔内に突出し、前記永久磁石を支持する突出部と、を有していることを特徴とする。
これにより、永久磁石とコイルの位置合わせを精度よく行うことができるため、優れた駆動精度を有する光学デバイスが得られる。

本発明の光学デバイスでは、前記永久磁石と前記コイルとは対向配置され、
前記貫通孔は、前記永久磁石と前記コイルの並び方向に前記可動部を貫通して設けられていることが好ましい。
これにより、永久磁石とコイルとの離間距離をより精度よく制御することができる。

本発明の光学デバイスでは、前記突出部は、前記永久磁石の前記コイル側の面を支持することが好ましい。
これにより、永久磁石とコイルとの離間距離をより精度よく制御することができる。

本発明の光学デバイスでは、前記可動部の平面視にて、
前記永久磁石は、前記コイルの外周よりも外側に位置する部分を有し、
前記突出部は、前記永久磁石の前記外側に位置する部分を支持していることが好ましい。
これにより、突出部とコイルの接触を防止することができる。また、コイルと永久磁石とをより接近させて配置することができる。

本発明の光学デバイスでは、前記可動部の平面視にて、
前記突出部は、前記コイルと重ならないように設けられていることが好ましい。
これにより、突出部とコイルの接触を防止することができる。また、コイルと永久磁石とをより接近させて配置することができる。

本発明の光学デバイスでは、前記永久磁石と前記コイルの離間距離は、前記突出部の前記永久磁石と前記コイルとの並び順方向の厚さよりも小さいことが好ましい。
これにより、永久磁石とコイルの離間距離をより小さくすることができる。そのため、コイルから発生する磁界が効果的に永久磁石に作用するため、より優れた駆動効率を発揮することができる。

本発明の光学デバイスでは、前記可動部の平面視にて、
前記永久磁石および前記コイルは、それぞれ、長手形状をなし、
前記永久磁石の長手方向の両端部が、前記コイルの外周よりも外側に位置し、
前記突出部は、前記永久磁石の両端部を支持していることが好ましい。
このように、永久磁石の長手方向の両端部を突出部によって支持することで、例えば、永久磁石の短手（短軸）方向の両端部を突出部によって支持する場合と比較して、永久磁石の質量増を抑えることができる。

本発明の光学デバイスでは、前記永久磁石は、前記光学部と前記永久磁石の並び方向に交差する方向に延在していることが好ましい。
これにより、永久磁石を光学部に近接して配置することができるため、可動部の慣性モーメントを低減することができる。そのため、可動部をよりスムーズに揺動させることができる。

本発明の光学デバイスでは、前記永久磁石は、２つの前記コイルの間に設けられていることが好ましい。
これにより、可動部をよりスムーズに揺動させることができる。

本発明の光学デバイスでは、前記光学部は、前記光を透過することが好ましい。
これにより、光学部の屈折を利用して、光の光軸をずらすことができる。

本発明の画像表示装置は、本発明の光学デバイスを備えることを特徴とする。
これにより、優れた表示特性を有する画像表示装置となる。

本発明の画像表示装置では、前記光学部は、前記光を透過し、
前記光学デバイスで光を空間変調させることにより、前記光の照射によって表示される画素の位置をずらすように構成されていることが好ましい。
これにより、疑似的に解像度を高めることができる。

本発明の第１実施形態に係る画像表示装置の光学的な構成を示す図である。 映像光をシフトさせた様子を示す図である。 図１に示す画像表示装置の電気的な構成を示すブロック図である。 図１に示す画像表示装置が有する光学デバイスの上面図および下面図である。 図４に示す光学デバイスの構造体を示す上面図である。 図４中のＡ−Ａ線断面図である。 図４に示す光学デバイスの可動部を示す上面図である。 図４中のＢ−Ｂ線断面図およびＣ−Ｃ線断面図である。 本発明の第２実施形態に係る画像表示装置が有する光学デバイスを示す断面図である。 本発明の第３実施形態に係る画像表示装置の光学的な構成を示す図である。 本発明の第４実施形態に係る画像表示装置の光学的な構成を示す図である。

以下、本発明の光学デバイスおよび画像表示装置について添付図面に示す各実施形態に基づいて詳細に説明する。

＜第１実施形態＞
図１は、本発明の第１実施形態に係る画像表示装置の光学的な構成を示す図である。図２は、映像光をシフトさせた様子を示す図である。図３は、図１に示す画像表示装置の電気的な構成を示すブロック図である。図４は、図１に示す画像表示装置が有する光学デバイスの上面図および下面図である。図５は、図４に示す光学デバイスの構造体を示す上面図である。図６は、図５中のＡ−Ａ線断面図である。図７は、図４に示す光学デバイスの可動部を示す上面図である。図８は、図４中のＢ−Ｂ線断面図およびＣ−Ｃ線断面図である。なお、図４ないし図８では、説明の便宜上、互いに直交する３軸として、Ｘ軸、Ｙ軸およびＺ軸を図示している。また、以下では、Ｘ軸に平行な方向を「Ｘ軸方向」とも言い、Ｙ軸に平行な方向を「Ｙ軸方向」とも言い、Ｚ軸に平行な方向を「Ｚ軸方向」とも言い、＋Ｚ側を「上」、−Ｚ側を「下」とも言う。

［プロジェクター］
図１に示すプロジェクター（画像表示装置）１は、ＬＣＤ方式のプロジェクターであり、図１に示すように、光源１０２と、ミラー１０４ａ、１０４ｂ、１０４ｃと、ダイクロイックミラー１０６ａ、１０６ｂと、液晶表示素子１０８Ｒ、１０８Ｇ、１０８Ｂと、ダイクロイックプリズム１１０と、光路偏向素子としての光学デバイス２と、投射レンズ系１１２と、を備えている。

光源１０２としては、例えば、ハロゲンランプ、水銀ランプ、発光ダイオード（ＬＥＤ）等が挙げられる。また、この光源１０２としては、白色光が出射するものが用いられる。そして、光源１０２から出射された光は、まず、ダイクロイックミラー１０６ａによって赤色光（Ｒ）とその他の光とに分離される。赤色光は、ミラー１０４ａで反射された後、液晶表示素子１０８Ｒに入射し、その他の光は、ダイクロイックミラー１０６ｂによってさらに緑色光（Ｇ）と青色光（Ｂ）とに分離される。そして、緑色光は、液晶表示素子１０８Ｇに入射し、青色光は、ミラー１０４ｂ、１０４ｃで反射された後、液晶表示素子１０８Ｂに入射する。

液晶表示素子１０８Ｒ、１０８Ｇ、１０８Ｂは、それぞれ、空間光変調器として用いられる。これらの液晶表示素子１０８Ｒ、１０８Ｇ、１０８Ｂは、それぞれＲ、Ｇ、Ｂの原色に対応する透過型の空間光変調器であり、例えば縦１０８０行、横１９２０列のマトリクス状に配列した画素を備えている。各画素では、入射光に対する透過光の光量が調整され、各液晶表示素子１０８Ｒ、１０８Ｇ、１０８Ｂにおいて全画素の光量分布が協調制御される。このような液晶表示素子１０８Ｒ、１０８Ｇ、１０８Ｂによってそれぞれ空間的に変調された光は、ダイクロイックプリズム１１０で合成され、ダイクロイックプリズム１１０からフルカラーの映像光ＬＬが出射される。そして、出射された映像光ＬＬは、投射レンズ系１１２によって拡大されてスクリーン８に投射される。

ここで、プロジェクター１は、ダイクロイックプリズム１１０と投射レンズ系１１２との間に光学デバイス２を有しており、光学デバイス２によって映像光ＬＬの光軸をシフトさせること（所謂「画素ずらし」を行うこと）で、液晶表示素子１０８Ｒ、１０８Ｇ、１０８Ｂの解像度よりも高い解像度（液晶表示素子１０８Ｒ、１０８Ｇ、１０８Ｂがフルハイビジョンであれば４Ｋ）の画像をスクリーン８に投射できるようになっている。この原理について図２を用いて簡単に説明する。後述するように、光学デバイス２は、映像光ＬＬを透過させるガラス板２１を有しており（図４等参照）、このガラス板２１の姿勢を変更することで、屈折を利用して映像光ＬＬの光軸をシフトさせることができる。

そして、プロジェクター１は、このような光軸のシフトを利用して、映像光ＬＬの光軸を一方側にシフトさせた場合の画像表示位置Ｐ１と、映像光ＬＬの光軸を他方側にシフトさせた場合の画像表示位置Ｐ２とがスクリーン８上で斜め方向（図２中の矢印方向）にかつ半画素分（すなわち、画素Ｐｘの半分）ずれるように構成され、画像表示位置Ｐ１、Ｐ２に交互に画像を表示することにより、見かけ上の画素が増加し、スクリーン８に投影される画像の高解像度化を図っている。なお、画像表示位置Ｐ１、Ｐ２のずれ量としては、半画素分に限定されず、例えば、画素Ｐｘの１／４であってもよいし、３／４であってもよい。

このような構成のプロジェクター１は、光学デバイス２や液晶表示素子１０８Ｒ、１０８Ｇ、１０８Ｂに加え、図３に示すように、制御回路１２０と画像信号処理回路１２２とを備えている。制御回路１２０は、液晶表示素子１０８Ｒ、１０８Ｇ、１０８Ｂに対するデータ信号の書き込み動作、光学デバイス２における光路偏向動作、画像信号処理回路１２２におけるデータ信号の発生動作等を制御する。一方、画像信号処理回路１２２は、図示しない外部装置から供給される画像信号ＶｉｄをＲ、Ｇ、Ｂの３原色ごとに分離するとともに、それぞれの液晶表示素子１０８Ｒ、１０８Ｇ、１０８Ｂの動作に適したデータ信号Ｒｖ、Ｇｖ、Ｂｖに変換する。そして、変換されたデータ信号Ｒｖ、Ｇｖ、Ｂｖは、それぞれ液晶表示素子１０８Ｒ、１０８Ｇ、１０８Ｂに供給され、それに基づいて液晶表示素子１０８Ｒ、１０８Ｇ、１０８Ｂが動作する。

［光学デバイス］
次に、前述したプロジェクター１に組み込まれた光学デバイス２について詳細に説明する。

光学デバイス２は、図４に示すように、光透過性を有し、映像光ＬＬを偏向させるガラス板（光学部）２１が設けられた可動部２２と、可動部２２の周囲に設けられた枠状の支持部２３と、可動部２２と支持部２３と連結し、可動部２２を支持部２３に対して揺動軸Ｊまわりに揺動（回動）可能に支持する軸部２４ａ、２４ｂと、を有する構造体２０と、構造体２０を補強する補強部２７と、支持部２３に対して可動部２２を揺動させる駆動機構２５と、駆動機構２５が有するコイル２５２、２５３を保持する保持部２６と、を有している。このような構成の光学デバイス２は、例えば、−Ｚ側がダイクロイックプリズム１１０側、＋Ｚ側が投射レンズ系１１２側を向くようにプロジェクター１内に配置されている。ただし、光学デバイス２の向きは、反対であってもよい。

可動部２２は、図５に示すように、平板状をなしており、ガラス板２１を支持するガラス板支持部２２１と、ガラス板支持部２２１の外側に設けられ、駆動機構２５が有する永久磁石２５１を支持する永久磁石支持部２２２、２２３と、を有している。

また、ガラス板支持部２２１は、図６に示すように、その中央部に貫通孔２２１ａを有している。また、ガラス板支持部２２１は、貫通孔２２１ａの＋Ｚ軸側の端部から貫通孔２２１ａ内へ突出する突出部（爪部）２２１ｂを有している。そして、突出部２２１ｂで受け止めるようにして、貫通孔２２１ａにガラス板２１が嵌め込まれており、ガラス板２１は、図示しない接着剤等によってガラス板支持部２２１に接着（固定）されている。このような構成とすれば、貫通孔２２１ａによってガラス板支持部２２１に対するガラス板２１のＸＹ面内方向の位置決めを行うことができ、突出部２２１ｂによって、ガラス板支持部２２１に対するガラス板２１のＺ軸方向の位置決めを行うことができる。したがって、ガラス板支持部２２１に対するガラス板２１の位置決めをより精度よく行うことができる。

ここで、図７に示すように、貫通孔２２１ａは、平面視（Ｚ軸方向から見た平面視）で、ガラス板２１よりも若干大きな外形をなしている。そして、ガラス板２１は、貫通孔２２１ａの異なる方向に延びる２つの辺２２１ａ’２２１ａ”に突き当てるようにして位置決めされている。このように、貫通孔２２１ａをガラス板２１よりも大きくし、ガラス板２１を辺２２１ａ’、２２１ａ”に突き当てて位置決めすることで、貫通孔２２１ａへのガラス板２１の挿入を容易としつつ、ガラス板支持部２２１に対するガラス板２１の位置決めをより精度よく行うことができる。また、ガラス板支持部２２１とガラス板２１とで熱膨張係数が異なるため、ガラス板２１の外周と貫通孔２２１ａの内周との間に隙間を設けることで、熱応力によるガラス板２１およびガラス板支持部２２１の変形（特に、撓み、反り）を低減することができる。

このようなガラス板支持部に支持されるガラス板２１は、矩形の平面視形状を有している。そして、ガラス板２１の一方の主面（ガラス板２１を平面視した面）は、光が入射する光入射部を構成し、他方の主面は、光が出射される光出射面を構成している。このようなガラス板２１は、映像光ＬＬの入射角度が０°から傾くことで、入射した映像光ＬＬを屈折させつつ透過させることができる。したがって、目的とする入射角度になるように、ガラス板２１の姿勢を変化させることにより、映像光ＬＬの偏向方向や偏向量を制御することができる。なお、このようなガラス板２１の大きさは、ダイクロイックプリズム１１０から出射する映像光ＬＬを透過させることができるように適宜設定される。また、ガラス板２１は、実質的に無色透明であることが好ましい。また、ガラス板２１の映像光ＬＬの入射面および出射面には反射防止膜が形成されていてもよい。

ガラス板２１の構成材料としては、特に限定されないが、例えば、白板ガラス、ホウケイ酸ガラス、石英ガラスのような各種ガラス材料を用いることができる。また、本実施形態では、光学部としてガラス板２１を用いているが、光学部は、光透過性を有し、映像光ＬＬを屈折させることができる材料で構成されていれば特に限定されず、ガラスの他にも、例えば、水晶、サファイアのような各種結晶材料、ポリカーボネート系樹脂、アクリル系樹脂のような各種樹脂材料等で構成されたものであってもよい。ただし、光学部としては、本実施形態のようにガラス板２１を用いることが好ましく、これにより、光学部の剛性を特に大きくすることができるので、光学部において偏向される映像光ＬＬの偏向ムラを特に抑制することができる。なお、ガラス板２１の平面形状としては、映像光ＬＬの偏向方向や偏向量を制御することができれば矩形に限定されず、種々の形状を取ることができる。

このようなガラス板２１が支持されたガラス板支持部２２１の外周には、永久磁石支持部２２２、２２３が接続されている。永久磁石支持部２２２、２２３は、揺動軸Ｊに対して互いに反対側に位置している。なお、永久磁石支持部２２２、２２３は、互いに同様の構成であるため、以下では、永久磁石支持部２２２について代表して説明し、永久磁石支持部２２３については、その説明を省略する。

永久磁石支持部２２２は、図５および図６に示すように、永久磁石支持部２２２を厚さ方向（Ｚ軸方向）に貫通する貫通孔２２２ａと、貫通孔２２２ａの＋Ｚ軸側の端部から貫通孔２２２ａ内へ突出する突出部２２２ｂと、を有している。そして、突出部２２２ｂで受け止めるようにして、貫通孔２２２ａに永久磁石２５１が嵌め込まれ、嵌め込まれた永久磁石２５１は、図示しない接着剤等によって永久磁石支持部２２２に接着（固定）されている。言い換えると、永久磁石支持部２２２には、永久磁石２５１がはめ込まれる枠部２２２ａ（貫通孔）が形成されている。そして、枠部２２２ａに嵌め込まれた永久磁石２５１は、枠部２２２ａの内側に突出する突出部２２２に支持されている。このような構成とすれば、貫通孔２２２ａによって永久磁石支持部２２２に対する永久磁石２５１のＸＹ面内方向の位置決めを行うことができ、突出部２２２ｂによって、永久磁石支持部２２２に対する永久磁石２５１のＺ軸方向の位置決めを行うことができる。したがって、永久磁石支持部２２２に対する永久磁石２５１の位置決めをより精度よく行うことができ、よって、永久磁石２５１とコイル２５２、２５３との位置決めをより精度よく行うことができる。

特に、突出部２２２ｂが、突出部２２１ｂと同じ側に設けられているため、永久磁石２５１の貫通孔２２２ａへの挿入方向をガラス板２１の貫通孔２２１ａへの挿入方向と揃えることができる。そのため、ガラス板２１および永久磁石２５１の挿入をより簡単に行うことができる。

ここで、図７に示すように、貫通孔２２２ａは、平面視（Ｚ軸方向から見た平面視）で、永久磁石２５１よりも若干大きな矩形状の外形をなしている。そして、永久磁石２５１は、貫通孔２２２ａの異なる方向に延びる２つの辺２２２ａ’２２２ａ”に突き当てるようにして位置決めされている。このように、貫通孔２２２ａを永久磁石２５１よりも大きくし、ガラス板２１を辺２２２ａ’、２２２ａ”に突き当てて位置決めすることで、貫通孔２２２ａへの永久磁石２５１の挿入を容易としつつ、永久磁石支持部２２２に対する永久磁石２５１の位置決めをより精度よく行うことができる。また、永久磁石支持部２２２と永久磁石２５１とで熱膨張係数が異なるため、永久磁石２５１の外周と貫通孔２２２ａの内周との間に隙間を設けることで、熱応力による永久磁石２５１および永久磁石支持部２２２の変形（特に、撓み、反り）を低減することができる。

特に、本実施形態では、可動部２２の中心側に位置する辺２２２ａ’、２２２ａ”に突き当てるようにして永久磁石２５１を配置しているため、永久磁石２５１を可動部２２の中心により接近して配置することができる。そのため、可動部２２の慣性モーメントが低減され、可動部２２をよりスムーズに揺動させることができる。

このような構成の可動部２２の周囲には枠状の支持部２３が設けられ、可動部２２と支持部２３とが軸部２４ａ、２４ｂによって連結されている。軸部２４ａ、２４ｂは、平面視で、Ｘ軸方向およびＹ軸方向にずれて位置し、これにより、Ｘ軸およびＹ軸の両軸に対して約４５°傾斜した揺動軸Ｊが形成されている。可動部２２は、この揺動軸Ｊまわりに揺動し、この揺動と共にガラス板２１の姿勢が変化する。特に、光学デバイス２では、平面視で、軸部２４ａ、２４ｂがガラス板２１の中心に対して点対称に配置されているため、可動部２２の揺動バランスが良好となる。なお、揺動軸ＪのＸ軸（Ｙ軸）に対する傾斜角は、４５°に限定されない。

以上のような構造体２０（可動部２２、支持部２３および軸部２４ａ、２４ｂ）は、一体に構成されている。これにより、支持部２３と軸部２４ａ、２４ｂとの境界部分や、軸部２４ａ、２４ｂと可動部２２との境界部分における耐衝撃性や長期耐久性を高くすることができる。

また、構造体２０（可動部２２、支持部２３および軸部２４ａ、２４ｂ）は、ガラス板２１の構成材料よりもヤング率が小さい材料で構成されている。これらの構成材料としては、樹脂を含むことが好ましく、樹脂を主成分とすることがより好ましい。これにより、可動部２２の揺動に伴って発生する応力がガラス板２１自体の不要な振動に繋がるのを効果的に抑えることができる。また、柔らかい可動部２２でガラス板２１の側面を囲うことができ、ガラス板２１の姿勢を変更する際に、ガラス板２１に生じる応力を小さく抑え、応力分布に伴ってガラス板２１に発生する不要な振動を小さく抑えることができる。その結果、ガラス板２１によって偏向される画像が、意図しない方向に偏向されてしまうのを防止することができる。また、環境温度に対する可動部２２の揺動軌跡の変化を抑えることができる。また、例えば、軸部２４ａ、２４ｂおよびその周辺を十分に柔らかくすることができ、小型で、共振周波数が低い（１３０ｋＨｚ〜１７０ｋＨｚ程度の）光学デバイス２とすることができる。

かかる樹脂としては、特に限定されず、例えば、ポリエチレン、ポリプロピレン、シリコーン、ポリアセタール、ポリアミド、ポリカーボネート、ポリフェニレンエーテル、ポリエチレンテレフタレート、ポリブチレンテレフタレート、ポリアリレート、ポリサルフォン、ポリエーテルサルフォン、ポリフェニレンスルファイド、ポリエーテルエーテルケトン、ポリイミド、ポリエーテルイミド、フッ素樹脂等が挙げられ、これらのうちの少なくとも１種を含むものが用いられる。

以上のような構造体２０には補強を目的とした補強部２７が設けられている。補強部２７は、図４に示すように、構造体２０の支持部２３の＋Ｚ軸側の主面に接合された枠状の第１補強部２７１と、支持部２３の−Ｚ軸側の主面に接合された枠状の第２補強部２７２と、を有し、これら第１補強部２７１および第２補強部２７２で支持部２３を挟み込むことで支持部２３を補強している。そのため、可動部２２の揺動時の支持部２３の撓み（変形）が低減され、可動部２２をより安定して揺動させることができる。

このような補強部２７（第１、第２補強部２７１、２７２）は、例えば、アルミニウム、チタン、一部のステンレス鋼等の金属材料で構成されているのが好ましい。これにより、補強部２７を薄くかつ硬くすることができるため、光学デバイス２の薄型化を図ることができると共に、支持部２３をより強固に補強することができる。

なお、第１、第２補強部２７１、２７２と支持部２３との接合方法としては、特に限定されないが、エポキシ系、アクリル系、シリコーン系等の各種接着剤を用いることが好ましい。これにより、第１、第２補強部２７１、２７２と支持部２３との間に比較的柔らかい接着剤層が形成され、この接着剤層によって支持部２３に加わる応力が緩和され、可動部２２をさらに安定して揺動させることができる。ただし、補強部２７が無くても支持部２３が十分な剛性を有している場合等には、補強部２７を省略してもよい。

次に、可動部２２を揺動させる駆動機構２５について説明する。駆動機構２５は、図４に示すように、永久磁石支持部２２２に対応して配置された第１駆動機構２５Ａと、永久磁石支持部２２３に対応して配置された第２駆動機構２５Ｂと、を有している。なお、第１駆動機構２５Ａと第２駆動機構２５Ｂは、互いに同様の構成であるため、以下では、第１駆動機構２５Ａについて代表して説明し、第２駆動機構２５Ｂについてはその説明を省略する。

第１駆動機構２５Ａは、図８（ａ）に示すように、永久磁石支持部２２２の貫通孔２２２ａに嵌め込まれた永久磁石２５１と、永久磁石２５１に作用させる磁界を発生させる一対のコイル２５２、２５３と、を有する電磁アクチュエーターである。一対のコイル２５２、２５３は、永久磁石２５１を挟んで配置されている。具体的には、コイル２５２は、永久磁石２５１の−Ｚ軸側で永久磁石２５１と対向して配置され、コイル２５３は、永久磁石２５１の＋Ｚ軸側で永久磁石２５１と対向して配置されている。言い換えると、コイル２５２およびコイル２５３は、コイル２５２又はコイル２５３を磁心が挿通される方向（空芯コイルの場合、コイルがリング状に見える方向）から見て、永久磁石２５１と重なるように配置されている。このように、駆動機構２５として電磁アクチュエーターを用いることで、簡単な構成で可動部２２を揺動させるのに十分な力を発生させることができ、可動部２２をスムーズに揺動させることができる。

永久磁石２５１は、Ｘ軸方向に沿った長手形状をなしており、Ｚ軸方向（ガラス板２１の厚み方向）に磁化している。このように、永久磁石２５１を、Ｘ軸方向（すなわち、ガラス板２１と永久磁石２５１の並び方向であるＹ軸方向に直交（交差）する方向）に延在させることで、永久磁石２５１を可動部２２の中心（揺動軸Ｊ）に寄せて配置することができ、可動部２２の慣性モーメントを低減することができる。そのため、可動部２２をよりスムーズに揺動させることができる。

このような永久磁石２５１としては、特に限定されず、例えば、ネオジム磁石、フェライト磁石、サマリウムコバルト磁石、アルニコ磁石等を用いることができる。

一方、コイル２５２、２５３は、永久磁石２５１を介して対向配置されている。言い換えると、永久磁石２５１はコイル２５２、２５３に挟まれている。より具体的には、永久磁石２５１の＋Ｚ軸側にコイル２５２が配置されており、−Ｚ軸側にコイル２５３が配置されている。また、コイル２５２、２５３は、それぞれ、永久磁石２５１に対応してＸ軸方向に延在して設けられている。また、コイル２５２、２５３は、それぞれ、永久磁石２５１と離間して配置されている。このように、永久磁石２５１を間に挟むようにして一対のコイル２５２、２５３を設けることで、永久磁石２５１の両側から永久磁石２５１に作用する磁界を発生させることができるため、可動部２２をよりスムーズに揺動させることができる。

なお、コイル２５２、２５３と永久磁石２５１との離間距離（ギャップＧ）としては、特に限定されず、可動部２２の大きさや、コイル２５２、２５３から発生する磁界の大きさ等によっても異なるが、例えば、０．１ｍｍ以上、０．５ｍｍ以下程度であることが好ましく、０．２ｍｍ以上、０．４ｍｍ以下程度であることがより好ましい。これにより、可動部２２の揺動時における永久磁石２５１とコイル２５２、２５３の接触を防止しつつ、コイル２５２、２５３から発生する磁界をより効率的に永久磁石２５１に作用させることができる。そのため、可動部２２をより効率的にかつ安定して揺動させることができる。

また、コイル２５２、２５３は、空芯コイルである。コイル２５２、２５３を空芯コイルとすることで、可動部２２をよりスムーズに揺動させることができる。具体的に説明すると、例えば、コイル２５２、２５３として、内側に磁心を有するものを用いた場合、生じる磁力の強さによっては、永久磁石２５１が磁心に引き付けられてしまい、これにより、揺動軸Ｊが変位し、可動部２２の揺動をスムーズに行うことができなくなってしまう場合がある。このような不具合の発生を防止するために、コイル２５２、２５３として、本実施形態のような空芯コイルを用いることが好ましい。

以上のような駆動機構２５では、図示しない電圧印加部からコイル２５２、２５３に駆動信号を印加することでコイル２５２、２５３から磁界が発生し、発生した磁界が永久磁石２５１に作用することで、可動部２２が支持部２３に対して揺動軸Ｊまわりに揺動（回動）する。そして、このような可動部２２の揺動によって、映像光ＬＬの光軸がシフトされ、画像表示位置Ｐ１、Ｐ２に交互に画像が表示される。よって、見かけ上の画素が増加し、画像の高解像度化が図られる。

なお、駆動機構２５の構成としては、可動部２２を揺動させることができれば、特に限定されず、例えば、第２駆動機構２５Ｂを省略し、第１駆動機構２５Ａのみとしてもよい。また、第２駆動機構２５Ｂを省略し、さらに、第１駆動機構２５Ａからコイル２５２、２５３のいずれか一方を省略してもよい。

また、コイル２５２、２５３は、保持部２６に保持されて、構造体２０に固定されている。具体的には、保持部２６は、図８（ｂ）に示すように、支持部２３に対して＋Ｚ軸側に位置し、コイル２５２を保持すると共に第１補強部２７１を介して支持部２３に固定された第１保持部２６１と、支持部２３に対して−Ｚ軸側に位置し、コイル２５３を保持すると共に第２補強部２７２を介して支持部２３に固定された第２保持部２６２と、を有している。第１、第２補強部２７１、２７２は、前述したような支持部２３を補強する機能と共に、永久磁石２５１とコイル２５１、２５２とのギャップＧを形成するためのギャップ層としても機能する。

このように、コイル２５２、２５３を第１、第２保持部２６１、２６２を介して支持部２３に固定する構成とすると、例えば、支持部２３に対する第１、第２保持部２６１、２６２の固定位置を調整することで、永久磁石２５１に対するコイル２５２、２５３の位置を容易に調整することができる。そのため、永久磁石２５１とコイル２５２、２５３との位置合わせを容易に行うことができる。なお、第１、第２保持部２６１、２６２の補強部２７（支持部２３）への接続方法としては、特に限定されず、例えば、接着剤、ネジ止め、凹凸嵌合等が挙げられる。

また、第１、第２保持部２６１、２６２は、コイル２５２、２５３を永久磁石２５１とは反対側から保持している。すなわち、第１、第２保持部２６１、２６２は、永久磁石２５１とコイル２５２、２５３の間に位置しないように設けられている。第１、第２保持部２６１、２６２をこのように配置することで、永久磁石２５１とコイル２５２、２５３とのギャップＧをより小さくすることができる。

以上のような構成の保持部２６（第１、第２保持部２６１、２６２）は、非磁性体である。これにより、保持部２６による磁路の形成が抑えられるため、コイル２５２、２５３から発生する磁界を効率的に永久磁石２５１に作用させることができる。なお、保持部２６を構成する非磁性材料としては、特に限定されず、例えば、アルミニウム、チタン、一部のステンレス鋼等の金属材料や、ゴム、プラスチック等の樹脂材料が挙げられる。ただし、これらの中でも、アルミニウム、チタン等の金属材料を用いることが好ましい。これにより、保持部２６を薄くかつ硬くすることができるため、光学デバイス２の薄型化を図ることができると共に、支持部２３をより強固に補強することができる。なお、保持部２６は、例えば、補強部２７と一体に形成されていてもよい。

以上、光学デバイス２の構成について簡単に説明した。次に、光学デバイス２が有する永久磁石２５１と、コイル２５２、２５３と、貫通孔２２２ａおよび突出部２２２ｂと、の配置について詳細に説明する。なお、コイル２５２、２５３は、永久磁石２５１に対して対称に設けられているため、以下では、コイル２５２について代表して説明し、コイル２５３についてはその説明を省略する。

前述したように、永久磁石２５１およびコイル２５２は、それぞれ、Ｘ軸方向に延在して設けられている。そして、永久磁石２５１のＸ軸方向の長さは、コイル２５２のＸ軸方向の長さよりも長く、永久磁石２５１のＹ軸方向の長さは、コイル２５２のＹ軸方向の長さよりも長くなっている。また、このような大きさの関係に伴って、永久磁石２５１を挿入する貫通孔２２２ａは、コイル２５２よりも若干大きく形成されており、Ｚ軸方向から見た平面視で、コイル２５２を内包するように配置されている。このような構成とすることで、後述するように、コイル２５２を貫通孔２２２ａ内へ挿入することができ、永久磁石２５１とコイル２５２をより接近して配置することができる。

一方、貫通孔２２２ａ内へ突出する突出部２２２ｂは、貫通孔２２２ａのＸ軸方向の両端部から貫通孔２２２ａ内へ突出するように設けられ、Ｚ軸方向から見た平面視で、コイル２５２と重ならないように配置されている。言い換えれば、突出部２２２ｂは、その全域がコイル２５２の外側に位置している。そして、突出部２２２ｂは、永久磁石２５１の長手方向の両端部２５１ａ、２５１ｂ（すなわち、コイル２５２よりも外側に位置する部分）を支持している。

このように、永久磁石２５１をコイル２５２よりも長くし、コイル２５２からはみ出た部分を突出部２２２ｂで支持することで、コイル２５２と突出部２２２ｂの接触を防止することができる。そのため、永久磁石２５１とコイル２５２の離間距離（ギャップＧ）をより小さくすることができる。特に、本実施形態では、図８に示すように、ギャップＧが突出部２２２ｂの厚さ（Ｚ軸方向の長さ、永久磁石２５１とコイル２５２の並び順方向の長さ）ｔよりも小さくなっている。これにより、ギャップＧをより小さくすることができ、コイル２５２から発生する磁界をより効率的に永久磁石２５１に作用させることができる。また、揺動のバランスを取るために、永久磁石２５１とコイル２５２の離間距離と、永久磁石２５１とコイル２５３の離間距離とをほぼ等しくすることが好ましいが、前述のように、永久磁石２５１とコイル２５２の離間距離を小さくすることができることで、永久磁石２５１とコイル２５３の離間距離も小さくすることができる。

また、本実施形態では、前述したように、突出部２２２ｂが永久磁石２５１のコイル側の面２５１’を支持している。そのため、例えば、永久磁石２５１の大きさ（厚さ）のズレ等に影響されることなく、永久磁石２５１の面２５１’のＺ軸方向の位置を所定の位置とすることができ、永久磁石２５１とコイル２５２の離間距離（ギャップＧ）を所望の距離とすることができる。

以上、永久磁石２５１と、コイル２５２、２５３と、永久磁石２５１を支持する突出部２２２ｂと、の配置について詳細に説明した。なお、これらの配置は、本実施形態に限定されず、例えば、突出部２２２ｂが、貫通孔２２２ａのＹ軸方向の両端部から貫通孔２２２ａ内へ突出するように設けられていてもよい。ただし、このような構成では、本実施形態と比較して永久磁石２５１が大きくなってしまうおそれがあるため、永久磁石２５１の大きさを抑えることができる点で本実施形態の方が優れている。

＜第２実施形態＞
図９は、本発明の第２実施形態に係る画像表示装置が有する光学デバイスを示す断面図である。

以下、本発明の第２実施形態に係る画像表示装置について説明するが、前述した実施形態との相違点を中心に説明し、同様の事項はその説明を省略する。

第２実施形態の画像表示装置は、光学デバイスの構成が異なること以外は、前述した第１実施形態と同様である。なお、前述した実施形態と同様の構成には、同一符号を付してある。

本実施形態の光学デバイス２は、図９に示すように、前述した第１実施形態と比較して、補強部２７が省略された構成となっている。前述したように、補強部２７（第１、第２補強部２７１、２７２）は、永久磁石２５１とコイル２５２の離間距離（ギャップＧ）を調整するギャップ層としても機能していた。そこで、本実施形態では、コイル２５２を保持する第１保持部２６１を、コイル２５２を支持する薄肉部２６１ａと、支持部２３に支持され、薄肉部２６１ａよりも厚さが大きい厚肉部２６１ｂと、を有する構成とし、厚肉部２６１ａを前記ギャップ層として利用している。第２保持部２６２についても同様である。

このような第２実施形態によっても、前述した第１実施形態と同様の効果を発揮することができる。

なお、本実施形態では、第１、第２保持部２６１、２６２の一部を厚くすることで、前記ギャップ層として機能させているが、これの変形例として、例えば、構造体２０の支持部２３を厚くすることで、ギャップ層として機能させてもよい。

＜第３実施形態＞
図１０は、本発明の第３実施形態に係る画像表示装置の光学的な構成を示す図である。

以下、本発明の第３実施形態に係る画像表示装置について説明するが、前述した実施形態との相違点を中心に説明し、同様の事項はその説明を省略する。

第３実施形態の画像表示装置は、半透過型（シースルー型）のヘッドマウントディスプレイ（以下、単に「ＨＭＤ」とも言う）である。

本実施形態のＨＭＤ（画像表示装置）３は、観察者（使用者）に装着して使用されるものであり、図１０に示すように、光源３１０と、液晶表示素子３２０と、投射レンズ系３３０と、導光部３４０と、光路偏向素子としての光学デバイス２と、を有している。光源３１０としては特に限定されないが、例えば、ＬＥＤのバックライトを用いることができる。このような光源３１０から発生する光は、液晶表示素子３２０に導かれる。液晶表示素子３２０は、透過型の液晶表示素子であり、例えば、ＨＴＰＳ（高温ポリシリコン）単板ＴＦＴカラー液晶パネル等を用いることができる。このような液晶表示素子３２０は、光源３１０からの光を変調して映像光を生成する。生成された映像光は、投射レンズ系で拡大された後、導光部３４０へ入射する。導光部３４０は、板状をなしており、さらに、光の伝搬方向の下流側にはハーフミラー３４１が配置される。導光部３４０内に導かれた光は、反射を繰り返して進み、ハーフミラー３４１によって観察者の瞳Ｅに導かれる。また、これと共に、外界光がハーフミラー３４１を透過して観察者の瞳Ｅに導かれる。したがって、ＨＭＤ３では、景色に映像光が重畳して視認されることとなる。

このような構成のＨＭＤ３では、液晶表示素子３２０と投射レンズ系３３０との間に光学デバイス２が配置されており、これにより、映像光ＬＬの光軸をシフトさせることができる。

以上のような第３実施形態によっても、前述した第１実施形態と同様の効果を発揮することができる。

＜第４実施形態＞
図１１は、本発明の第４実施形態に係る画像表示装置の光学的な構成を示す図である。

以下、本発明の第４実施形態に係る画像表示装置について説明するが、前述した実施形態との相違点を中心に説明し、同様の事項はその説明を省略する。

第４実施形態の画像表示装置は、ヘッドアップディスプレイ（以下、単に「ＨＵＤ」とも言う）である。

本実施形態のＨＵＤ（画像表示装置）５は、例えば、自動車に搭載され、フロントガラスＦＧを介して、時速、時間、走行距離等の各種情報（映像）を運転者に投影するのに用いられる。このようなＨＵＤ５は、図１１に示すように、光源５１１、液晶表示素子５１２および投射レンズ系５１３を有する投影ユニット５１０と、反射ミラー５２０と、光路偏向素子としての光学デバイス２と、を有している。光源５１１、液晶表示素子５１２および投射レンズ系５１３は、例えば、前述した第３実施形態の光源３１０、液晶表示素子３２０および投射レンズ系３３０と同様の構成とすることができる。反射ミラー５２０は、凹面ミラーであり、投影ユニット５１０からの投影光を反射してフロントガラスＦＧに投影（表示）する。

このような構成のＨＵＤ５では、液晶表示素子５１２と投射レンズ系５１３との間に光学デバイス２が配置されており、これにより、投影光の光軸をシフトさせることができる。

以上のような第４実施形態によっても、前述した第１実施形態と同様の効果を発揮することができる。

以上、本発明の光学デバイスおよび画像表示装置について、図示の実施形態に基づいて説明したが、本発明はこれに限定されるものではない。例えば、本発明の光学デバイスおよび画像表示装置では、各部の構成は、同様の機能を有する任意の構成のものに置換することができ、また、他の任意の構成を付加することもできる。

また、前述した実施形態では、光学部が光透過性を有し、画素シフトデバイスとして用いられる光学デバイスについて説明したが、光学デバイスの用途としては、これに限定されない。例えば、光学部の光入射部が光反射性を有しており、光入射部で反射した光を可動部の揺動によって走査する光スキャナーとして用いてもよい。

また、前述した実施形態では、画像表示装置として、液晶プロジェクターおよび光走査型のプロジェクターについて説明したが、画像表示装置としては、プロジェクターに限定されず、その他、プリンター、スキャナー等にも適用可能である。

１……プロジェクター
１０２……光源
１０４ａ、１０４ｂ、１０４ｃ……ミラー
１０６ａ、１０６ｂ……ダイクロイックミラー
１０８Ｂ、１０８Ｇ、１０８Ｒ……液晶表示素子
１１０……ダイクロイックプリズム
１１２……投射レンズ系
１２０……制御回路
１２２……画像信号処理回路
２……光学デバイス
２０……構造体
２１……ガラス板
２２……可動部
２２１……ガラス板支持部
２２１ａ……貫通孔
２２１ａ’、２２１ａ”……辺
２２１ｂ……突出部
２２２……永久磁石支持部
２２２ａ……貫通孔
２２２ａ’、２２２ａ”……辺
２２２ｂ……突出部
２２３……永久磁石支持部
２３……支持部
２４ａ、２４ｂ……軸部
２５……駆動機構
２５Ａ……第１駆動機構
２５Ｂ……第２駆動機構
２５１……永久磁石
２５１’……面
２５１ａ、２５１ｂ……両端部
２５２、２５３……コイル
２６……保持部
２６１……第１保持部
２６１ａ……薄肉部
２６１ｂ……厚肉部
２６２……第２保持部
２７……補強部
２７１……第１補強部
２７２……第２補強部
３……ＨＭＤ
３１０……光源
３２０……液晶表示素子
３３０……投射レンズ系
３４０……導光部
３４１……ハーフミラー
５……ＨＵＤ
５１０……投影ユニット
５１１……光源
５１２……液晶表示素子
５１３……投射レンズ系
５２０……反射ミラー
８……スクリーン
Ｅ……瞳
ＦＧ……フロントガラス
Ｇ……ギャップ
Ｊ……揺動軸
ＬＬ……映像光
Ｐ１、Ｐ２……画像表示位置
Ｐｘ……画素
Ｂｖ、Ｇｖ、Ｒｖ……データ信号
Ｖｉｄ……画像信号

Claims (12)

1. 光が入射する光入射面を有する光学部と、
   前記光学部を支持する可動部と、
   前記可動部を揺動軸まわりに揺動可能に支持する軸部と、
   前記軸部を支持する支持部と、
   前記可動部に設けられた永久磁石と、
   前記永久磁石に作用させる磁界を発生させるコイルと、を有し、
   前記可動部は、前記永久磁石を挿入する貫通孔と、前記貫通孔内に突出し、前記永久磁石を支持する突出部と、を有していることを特徴とする光学デバイス。
2. 前記永久磁石と前記コイルとは対向配置され、
   前記貫通孔は、前記永久磁石と前記コイルの並び方向に前記可動部を貫通して設けられている請求項１に記載の光学デバイス。
3. 前記突出部は、前記永久磁石の前記コイル側の面を支持する請求項１または２に記載の光学デバイス。
4. 前記可動部の平面視にて、
   前記永久磁石は、前記コイルの外周よりも外側に位置する部分を有し、
   前記突出部は、前記永久磁石の前記外側に位置する部分を支持している請求項１ないし３のいずれか１項に記載の光学デバイス。
5. 前記可動部の平面視にて、
   前記突出部は、前記コイルと重ならないように設けられている請求項４に記載の光学デバイス。
6. 前記永久磁石と前記コイルの離間距離は、前記突出部の前記永久磁石と前記コイルとの並び順方向の厚さよりも小さい請求項５に記載の光学デバイス。
7. 前記可動部の平面視にて、
   前記永久磁石および前記コイルは、それぞれ、長手形状をなし、
   前記永久磁石の長手方向の両端部が、前記コイルの外周よりも外側に位置し、
   前記突出部は、前記永久磁石の両端部を支持している請求項４ないし６のいずれか１項に記載の光学デバイス。
8. 前記永久磁石は、前記光学部と前記永久磁石の並び方向に交差する方向に延在している請求項７に記載の光学デバイス。
9. 前記永久磁石は、２つの前記コイルの間に設けられている請求項１ないし８のいずれか１項に記載の光学デバイス。
10. 前記光学部は、前記光を透過する請求項１ないし９のいずれか１項に記載の光学デバイス。
11. 請求項１ないし１０のいずれか１項に記載の光学デバイスを備えることを特徴とする画像表示装置。
12. 前記光学部は、前記光を透過し、
    前記光学デバイスで光を空間変調させることにより、前記光の照射によって表示される画素の位置をずらすように構成されている請求項１１に記載の画像表示装置。

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