JP2012181386A

JP2012181386A - 反射型光学素子冷却装置及び反射型光学素子ユニット

Info

Publication number: JP2012181386A
Application number: JP2011044709A
Authority: JP
Inventors: Yusuke Umebachi; 佑介梅鉢; Tetsushi Uosaki; 哲史宇於崎; Shinobu Kawajiri; 忍川尻
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2011-03-02
Filing date: 2011-03-02
Publication date: 2012-09-20

Abstract

【課題】この発明は、フィルタを用いない、冷却効率が高い反射型光学素子冷却装置を提供することを目的とするものである。
【解決手段】本発明は、反射型映像素子であるＤＭＤ６を冷却する反射型光学素子冷却装置であって、ＤＭＤ６は、その受光面１０２において、ミラーを配置するミラー配置部１８を有し、ミラー配置部１８を除いた受光面１０２の少なくとも一部に接触して配置された、前面冷却部材１７と、ＤＭＤ６の受光面１０２とは反対側の背面に配置された、背面冷却部材１４とを備えることを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、反射型光学素子冷却装置の冷却構造、及び、反射型光学素子冷却装置を備える反射型光学素子ユニットに関するものである。

プロジェクタはディスプレイ装置の一種で、映像を大型スクリーンなどに投影することにより表示する装置である。プロジェクタは、光源（ランプ、ＬＥＤ、ＬＤ等）から光を放出させ、光を変調する光学素子に光を照射する。そして、光学素子（デジタルマイクロミラーデバイス、ＬＣＤパネル、ＬＯＣＳパネル等）により変調された光を投影レンズに入射することにより、スクリーンに映像を投影している。

光学素子には、反射型、透過型の２種類がある。反射型光学素子の１つであるデジタルマイクロミラーデバイス（以下、ＤＭＤ）は、微小なミラーが２次元的に配置されている。ミラーの直下にはメモリ素子が配置され、静電界作用によってミラーの傾きを制御している。ミラーとメモリ素子１組とを１ピクセルとして、各ピクセルをオン／オフ制御し、反射光の投影方向を制御することにより、映像を投影する。ピクセルがオフ状態では、ミラーによる反射光が投射レンズに入射せず（以下、オフ光）、ピクセルがオン状態では、ミラーによる反射光が投射レンズに入射して（以下、オン光）、スクリーンに結像する。

今日では、より大型の画面で、より明るい場所で使用するために、高輝度プロジェクタのニーズが高まっている。

そこでプロジェクタを高輝度化すると、光学素子に照射する光量が増加する。光は、一部熱として光学素子に吸収されるため、高輝度化した場合光学素子へ加わる熱量が増加する。

この時、過度の熱を帯びてしまうと、投影される映像の画質が悪化、若しくは光学素子の寿命が減少してしまう。よって、光学素子を従来以上に冷却する必要があり、より効率的な光学素子の冷却が求められていた。

光学素子の冷却に関し、特許文献１では光学素子前面（受光面）を空冷することにより、光学素子の温度上昇を抑制している。さらに、空冷する部分にフィルタを設けることにより、受光面にホコリ等が着くことを防止している。

特開２００８−２９２６４７号公報（６頁６行〜６頁２０行、図２）

しかし特許文献１の構造では、フィルタを定期的に清掃する必要があり、メンテナンス数が増えるという問題があった。また、フィルタはホコリに対し一定の捕集効果はあるが、ホコリを完全に捕集することは難しく、ホコリが受光面に付着し、映像品位を落とすという問題があった。

また、捕集能力の高いフィルタを用いると開口面積が小さくなるため、圧力損失が大きくなり、冷却能力の低下、若しくはそれを補うためファンの回転数を増やすことで、騒音が増大するという問題があった。

この発明は、上記のような問題点を解決するためになされたものであり、フィルタを用いない、冷却効率が高い光学素子冷却装置を提供することを目的とするものである。

本発明は、反射型光学素子を冷却する反射型光学素子冷却装置であって、前記反射型光学素子は、その受光面において、ミラーを配置するミラー配置部を有し、前記ミラー配置部を除いた前記受光面の少なくとも一部に接触して配置された、前面冷却部材と、前記反射型光学素子の前記受光面とは反対側の背面に配置された、背面冷却部材とを備えることを特徴とする。

また、本発明にかかる反射型光学素子ユニットは、反射型光学素子と、上記の反射型光学素子冷却装置とを備えることを特徴とする。

本発明によれば、前記反射型光学素子が、その受光面においてミラーを配置するミラー配置部を有し、前記ミラー配置部を除いた前記受光面の少なくとも一部に接触して配置された、前面冷却部材を備えることにより、フィルタを用いず、反射型光学素子前面（受光面）を直接接触して冷却でき、反射型光学素子の冷却効率を高めることが可能となる。

また、本発明にかかる反射型光学素子ユニットによれば、反射型光学素子と、上記の反射型光学素子冷却装置とを備えることにより、フィルタを用いず、反射型光学素子の冷却効率を高めることが可能となる。

本発明の実施の形態１による反射型光学素子冷却機構の原理図である。本発明の実施の形態２による反射型光学素子冷却機構の原理図である。本発明の実施の形態３による反射型光学素子冷却機構の原理図である。本発明の実施の形態３におけるベースプレートＢ１、ベースプレートＢ２の形状図である。本発明の実施の形態４による反射型光学素子冷却機構の原理図である。本発明の実施の形態５による反射型光学素子冷却機構の原理図である。本発明の実施の形態６による反射型光学素子冷却機構の原理図である。反射型光学素子を用いた単板式プロジェクタの光学系を示す図である。反射型光学素子を用いた３板式プロジェクタの光学系を示す図である。

＜Ａ．実施の形態１＞
本発明の前提技術としての、反射型光学素子を用いたプロジェクタの光学系の構成例を、図８（ａ）に示す。

光源１００から出た入射光Ｌ１は、カラーホイル１に当たる。カラーホイル１は、ＲＧＢに色分けされたガラス製の円盤で、カラーホイルモータ２により高速に回転している。

入射光Ｌ１がＲ部に当たる場合はＲの光のみカラーホイル１を透過し、ライトパイプ３を介してレンズ４、ミラー５と伝わり、そして筐体８内においてＤＭＤ６へと照射される。カラーホイル１のＧ部、Ｂ部に当たる場合についても同様である。

ＤＭＤ６がオン状態である場合には、オン光Ｌ２として投射レンズ７に到達できる。

ＤＭＤ６は、例えば赤色が必要な場合は、Ｒの光がくる瞬間のみオン状態となる。オフ状態の場合、入射光Ｌ１はオフ光Ｌ３となり、図８（ｂ）のように、筐体８内のオフ光照射領域Ａ１に照射される。

このように、時分割してＲＧＢをスクリーン上に表示することにより、カラー映像をつくっている。１個のＤＭＤ６とカラーホイル１とを使って時分割することにより、映像をつくる方式を単板式と呼ぶ。

単板式の他に、例えば図９（ａ）（ｂ）のように、ダイクロイックミラーやフィリップス型プリズム１０等でＲＧＢに分光し、ＲＧＢそれぞれ１個のＤＭＤ６を用い、ダイクロイックプリズムやフィリップス型プリズム１０等で合成して、カラー映像をつくる３板式がある。

ここでＤＭＤを高輝度化すると、ＤＭＤに照射する光量が増加する。光は、一部熱としてＤＭＤに吸収されるため、高輝度化した場合ＤＭＤへ加わる熱量が増加する。

この時、過度の熱を帯びてしまうと、投影される映像の画質が悪化、若しくはＤＭＤの寿命が減少してしまう。よって、ＤＭＤを従来以上に冷却する必要があり、より効率的なＤＭＤの冷却が求められていた。

以下の実施の形態は、上記の内容を踏まえ、ＤＭＤのより効率的な冷却を実現するＤＭＤ冷却装置を開示するものである。

＜Ａ−１．構成＞
本発明の実施の形態１を図１（ａ）（ｂ）に示す。図１（ｂ）は、冷却構造を含めたＤＭＤ６周辺の構造（後述のＤＭＤユニットＵ１）の断面図を示している。図１（ａ）はその正面図である。図に示される構造は、モジュール等に組み込むことができるものである。

反射型映像素子であるＤＭＤ６は、ＤＭＤケース１２を介してＤＭＤ駆動基板１３と電気的に接続されているＤＭＤ６とＤＭＤ駆動基板１３との接続点は、電気接点１０１で示されている。ＤＭＤ６背面には、背面冷却部材１４が備えられている。

この背面冷却部材１４は、例えば、複数のフィンを備えた金属、ヒートパイプを備えた金属、内部に冷媒を流した金属、ペルチェ素子を備えた金属とすることができる。なお、ＤＭＤ６背面を冷却する機能があれば、これら以外であっても良い。

ＤＭＤ６前面には、略「ロ」の字型の前面冷却部材１７が備えられている。この前面冷却部材１７はＤＭＤ６前面（ＤＭＤ受光面１０２）側の少なくとも一部と当接している。またここでは、前面冷却部材１７の内部には、不凍液等の冷媒が流れているとする。冷媒と前面冷却部材１７との接触面積が増えるよう、前面冷却部材１７内部に、フィン等の凹凸を設けることが好ましい。

さらに前面冷却部材１７は、ＤＭＤ６のミラー配置部１８を除くＤＭＤ受光面１０２を覆い隠すような形状である。前面冷却部材１７の内、ＤＭＤ受光面１０２を覆い隠す部分は、少なくとも耐熱性の黒色塗装することが好ましい。

ＤＭＤ６、ＤＭＤケース１２、ＤＭＤ駆動基板１３、背面冷却部材１４、前面冷却部材１７は、段付きネジ１５及びバネ１６により互いに固定され、一体化されていることが望ましい。一体化されたこれらＤＭＤ６、ＤＭＤケース１２、ＤＭＤ駆動基板１３、背面冷却部材１４、前面冷却部材１７、段付きネジ１５、バネ１６の総称をＤＭＤユニットＵ１とする。なおＤＭＤユニットＵ１の前面冷却部材１７は、ネジ１９を介して筐体８に固定されていることが望ましい。

このような構成によれば、ＤＭＤ６前面（ＤＭＤ受光面１０２）に冷媒の流れる前面冷却部材１７を設けたことにより、ＤＭＤ６前面（ＤＭＤ受光面１０２）に接触して直接冷却することができ、ＤＭＤ６の温度上昇を抑制することができる。

なお上記の効果は、投影素子がＤＭＤの場合に、より際立って得られる。

＜Ａ−２．効果＞
本発明にかかる実施の形態１によれば、ＤＭＤ６は、その受光面１０２において、ミラーを配置するミラー配置部１８を有し、ミラー配置部１８を除いた受光面１０２の少なくとも一部に接触して配置された、前面冷却部材１７と、ＤＭＤ６の受光面１０２とは反対側の背面に配置された、背面冷却部材１４とを備えることで、フィルタを用いず、ＤＭＤ６前面（受光面１０２）を光の吸収部に近い位置で直接接触して冷却でき、ＤＭＤ６の冷却効率を高めることが可能となる。また、ＤＭＤ６に送風する必要がないことからホコリが付着することを抑制でき、高品位の映像を提供できる。さらに、フィルタを設ける必要がなくメンテナンス回数を低減できる。

また、オフ光により筐体８の温度が上昇した場合でも、ＤＭＤ６が前面冷却部材１７を介して筐体８に取り付けてあるため、前面冷却部材１７により冷却できる。

また、冷却効率が向上することにより、適切な温度で駆動させることができ、ＤＭＤ６の長寿命化が可能となる。

また、高温化が抑制されることにより光量を増加させることができ、プロジェクタの高輝度化が実現できる。

また、空冷のための空間を備える必要等がなくなり、チップサイズの縮小による低コスト化できる。

また、前面冷却部材１７に当たった光は熱となるが、前面冷却部材１７そのものが冷却されているため冷媒により放熱できる。そのため、ＤＭＤ６周辺の温度上昇を抑制でき、ＤＭＤ６周辺部材の熱膨張を抑制することにより、光学系のずれを抑制できる。

また、前面冷却部材１７が、ＤＭＤ６のミラー配置部を除くＤＭＤ受光面１０２を覆うことにより、ＤＭＤ６への入射光のうち、ＤＭＤ受光面１０２以外に当たる光を吸収することができる。そのため、ＤＭＤ６のミラー以外から反射された光が、レンズ鏡筒に入ることを抑制し、映像のコントラストを向上させることができる。

また、本発明にかかる実施の形態１によれば、ＤＭＤ冷却装置において、前面冷却部材１７が、その内部に冷媒が流れることで、より冷却能力を高めることができる。

また、本発明にかかる実施の形態１によれば、ＤＭＤ冷却装置において、背面冷却部材１４と、前面冷却部材１７とが、段付きネジ１５及びバネ１６を介して互いに固定されることで、前面冷却部材１７及び背面冷却部材１４と、ＤＭＤ６との接触圧を適正値に保つことができる。

さらに、ＤＭＤ６と前面冷却部材１７／背面冷却部材１４間の接触熱抵抗を小さくすることにより、ＤＭＤ６の温度上昇を抑制できる。

また、本発明にかかる実施の形態１によれば、ＤＭＤ冷却装置において、前面冷却部材１７が、ＤＭＤ６を搭載する筐体８に固定されることで、ＤＭＤ６、ＤＭＤケース１２、ＤＭＤ駆動基板１３、背面冷却部材１４、前面冷却部材１７を容易に組み付けることができる。

また、本発明にかかる実施の形態１によれば、ＤＭＤユニットにおいて、ＤＭＤ６と、上記のＤＭＤ冷却装置とを備えることで、フィルタを用いず、ＤＭＤ６の冷却効率を高めることが可能となる。

＜Ｂ．実施の形態２＞
＜Ｂ−１．構成＞
本発明にかかるＤＭＤ冷却装置は、図２のように、前面冷却部材１７にオフ光Ｌ３が当たるよう、前面冷却部材１７の一部が筐体８内部へ突き出した凸部２０のような形状が備えられていてもよい。なお、図１に示すＤＭＤ冷却装置と同じ符号を用いている部材等については、実施の形態１で説明した場合と同様であるので、詳細な説明を省略する。

凸部２０は、耐熱性の黒色塗装することが好ましい。また、図２では、ネジ１９を用いてＤＭＤ駆動基板１３と筐体８とを固定しているが、ＤＭＤ駆動基板１３に限定するものではない。すなわち、図１に示したように、ネジ１９を介して筐体８と前面冷却部材１７のとが固定されていてもよい。

ＤＭＤ６がオフ状態である場合、入射光Ｌ１が入射されるとオフ光Ｌ３が発生する。当該オフ光Ｌ３が当たる位置に、凸部２０を配置する。ＤＭＤ６がオン状態である場合には、入射光Ｌ１が入射されるとオン光Ｌ２が発生する。当該オン光Ｌ２は投射レンズ７方向に進み、凸部２０はこの進行の邪魔にならない位置に配置する。

このように、前面冷却部材１７に凸部２０を設け、オフ光Ｌ３が当たるようにすることで、オフ光Ｌ３の熱を筐体８外部に放熱することができ、筐体温度が上昇することを防ぐことができる。また、筐体８からの伝熱によるＤＭＤ６の温度上昇を抑制することができる。

＜Ｂ−２．効果＞
本発明にかかる実施の形態２によれば、ＤＭＤ冷却装置において、前面冷却部材１７表面において、ＤＭＤ６のオフ光を受ける凸部２０をさらに備えることで、オフ光Ｌ３の熱を筐体８外部に放熱することができ、筐体温度が上昇することを防ぐことができる。また、筐体８からの伝熱によるＤＭＤ６の温度上昇を抑制することができる。

＜Ｃ．実施の形態３＞
＜Ｃ−１．構成＞
図３のようにＤＭＤユニットＵ２は、ネジ１９ａを介してベースプレートＢ１に固定し、ベースプレートＢ１は、ネジ１９ｂを介してベースプレートＢ２に固定し、ベースプレートＢ２は、ネジ１９ｃを介して筐体８に固定してもよい。なお、他の構成については、実施の形態１に示したものと同様であるので、ここでは詳細な説明を省略する。

図４に、前面冷却部材１７、ベースプレートＢ１、ベースプレートＢ２、筐体８の平面図を示す。図４に示すように、ベースプレートＢ１、ベースプレートＢ２には、それぞれ溝が設けられており、ベースプレートＢ１の溝と、ベースプレートＢ２の溝とは、互いに垂直となる軸方向に配置されるように、ベースプレートＢ１、ベースプレートＢ２が備えられる。

このように、互いに垂直となる軸方向に溝を設けた２枚の板（ベースプレートＢ１、ベースプレートＢ２）に、ＤＭＤユニットＵ２を固定することにより、ＤＭＤ６の位置を、ＤＭＤ受光面１０２方向の２軸方向にずらし、調節することができる。ＤＭＤ６の位置を２軸方向に調整することにより、入射光Ｌ１の照射位置を適正位置に調整でき、輝度の向上、及びコントラストの向上が可能となる。また、３板式の光学系では、画素ズレを修正することができる。

＜Ｃ−２．効果＞
本発明にかかる実施の形態３によれば、ＤＭＤ冷却装置において、前面冷却部材１７が、受光面１０２方向に滑動可能な態様で、ＤＭＤ６を搭載する筐体８に接続されることで、ＤＭＤ６の位置を調節することができる。ＤＭＤ６の位置を調整することにより、入射光Ｌ１の照射位置を適正位置に調整でき、輝度の向上、及びコントラストの向上が可能となる。

＜Ｄ．実施の形態４＞
＜Ｄ−１．構成＞
また、図５（ａ）（ｂ）のように、前面冷却部材は複数に分割されていてもよい（図示する前面冷却部材１７ａ、前面冷却部材１７ｂ）。図５（ｂ）は、図５（ａ）のＡＡ’断面を示した図である。

特に図５（ｂ）に示すように、前面冷却部材１７ａ、前面冷却部材１７ｂはＤＭＤ６に当接しており、長ネジ２１とナット２２とにより、ＤＭＤ６の対辺を挟み込んで固定されている。なお、前面冷却部材１７ａ、前面冷却部材１７ｂの個数や、当接位置、固定方法は、図示する方法に限定されるものではない。

このような構成によれば、前面冷却部材を複数に分割しているため、大きさの異なるＤＭＤ６への適用が可能となり、新規金型費などの初期投資費用を抑制することができる。

＜Ｄ−２．効果＞
本発明にかかる実施の形態４によれば、ＤＭＤ冷却装置において、前面冷却部材１７ａ、前面冷却部材１７ｂが、受光面１０２上において複数配置されることで、大きさの異なるＤＭＤ６への適用が可能となる。

＜Ｅ．実施の形態５＞
＜Ｅ−１．構成＞
図６のように、背面冷却部材１４は、内部に冷媒を流すことにより冷却することができる。さらに、チューブ２３を介して前面冷却部材１７と接続されることにより、背面冷却部材１４内部に流す冷媒を前面冷却部材１７にも流し、同じラジエーター２４で冷却してもよい。ラジエーター２４の配置位置は、電源冷却風の吸気口付近が好ましい。

このような構成によれば、冷却性能を向上させることができる。また、ラジエーター２４の配置位置を考慮することにより、ラジエーター２４の冷却に吸気２９が活用でき、ラジエーター２４を冷却するためのファンを削減することができるので、低コスト化を実現できる。また、筐体サイズの小型化、低騒音化も実現できる。

また、図６においては、吸気２９を吸い込むファン２７と、ファン２７の先に配置された電源部２５と、筐体８を照らすランプボックス２６と、排気３０を吸い込むファン２８とが備えられているが、吸排気の流れを単純化することで吸排気効率を上げ、より冷媒の冷却性能を高めることができ、ＤＭＤ６の温度上昇を抑制することが可能である。

＜Ｅ−２．効果＞
本発明にかかる実施の形態５によれば、ＤＭＤ冷却装置において、背面冷却部材１４が、その内部に冷媒が流れることで、冷却性能をさらに向上させることができる。また、ラジエーター２４の配置位置を考慮することにより、ラジエーター２４の冷却に吸気２９が活用でき、ラジエーター２４を冷却するためのファンを削減する。

また、高温化が抑制されることにより、冷却のためのファン回転数を低減でき、低騒音化が実現できる。

＜Ｆ．実施の形態６＞
＜Ｆ−１．構成＞
図７（ａ）（ｂ）のように、前面冷却部材１７内部に冷媒を流さず、ヒートパイプ３１を備えていてもよい。さらに、ヒートパイプ３１の端部には、複数の冷却フィン３２を設けることが好ましい。図７（ｂ）は、図７（ａ）における前面冷却部材１７の断面図である。図示しないが、冷却フィン３２に送風するファンを設けることもできる。

このような構成によれば、冷媒を前面冷却部材１７内部に流さずとも、冷却性能を高めることが可能となる。

＜Ｆ−２．効果＞
本発明にかかる実施の形態６によれば、ＤＭＤ冷却装置において、ヒートパイプ３１を介して、前面冷却部材１７と接続される冷却フィン３２をさらに備えることで、冷媒を前面冷却部材１７内部に流さずとも、冷却性能を高めることが可能となる。

１カラーホイル、２カラーホイルモータ、３ライトパイプ、４レンズ、５ミラー、６ＤＭＤ、７投射レンズ、８筐体、９ロッド、１０フィリップス型プリズム、１２ＤＭＤケース、１３ＤＭＤ駆動基板、１４背面冷却部材、１５段付きネジ、１６バネ、１７，１７ａ，１７ｂ前面冷却部材、１８ミラー配置部、１９，１９ａ〜１９ｃネジ、２０凸部、２１長ネジ、２２ナット、２３チューブ、２４ラジエーター、２５電源部、２６ランプボックス、２７，２８ファン、２９吸気、３０排気、３１ヒートパイプ、３２冷却フィン、１００光源、１０１電気接点、１０２受光面、Ａ１オフ光照射領域、Ｂ１，Ｂ２ベースプレート、Ｌ１入射光、Ｌ２オン光、Ｌ３オフ光、Ｕ１，Ｕ２ＤＭＤユニット。

Claims

反射型光学素子を冷却する反射型光学素子冷却装置であって、
前記反射型光学素子は、その受光面において、ミラーを配置するミラー配置部を有し、
前記ミラー配置部を除いた前記受光面の少なくとも一部に接触して配置された、前面冷却部材と、
前記反射型光学素子の前記受光面とは反対側の背面に配置された、背面冷却部材とを備えることを特徴とする、
反射型光学素子冷却装置。
前記前面冷却部材が、その内部に冷媒が流れることを特徴とする、
請求項１記載の反射型光学素子冷却装置。
前記背面冷却部材が、その内部に前記冷媒が流れることを特徴とする、
請求項２に記載の反射型光学素子冷却装置。
ヒートパイプを介して、前記前面冷却部材と接続される冷却フィンをさらに備えることを特徴とする、
請求項１〜３のいずれかに記載の反射型光学素子冷却装置。
前記背面冷却部材と、前記前面冷却部材とが、段付きネジ及びバネを介して互いに固定されることを特徴とする、
請求項１〜４のいずれかに記載の反射型光学素子冷却装置。
前記前面冷却部材が、前記反射型光学素子を搭載する筐体に固定されることを特徴とする、
請求項５に記載の反射型光学素子冷却装置。
前記前面冷却部材が、前記受光面方向に滑動可能な態様で、前記反射型光学素子を搭載する筐体に接続されることを特徴とする、
請求項５に記載の反射型光学素子冷却装置。
前記前面冷却部材表面において、前記反射型光学素子のオフ光を受ける凸部をさらに備えることを特徴とする、
請求項１〜７のいずれかに記載の反射型光学素子冷却装置。
前記前面冷却部材が、前記受光面上において複数配置されることを特徴とする、
請求項１〜８のいずれかに記載の反射型光学素子冷却装置。
前記反射型光学素子と、
請求項１〜９のいずれかに記載の反射型光学素子冷却装置とを備えることを特徴とする、
反射型光学素子ユニット。