JP2022112233A - 投射型表示装置 - Google Patents

Abstract

【課題】複数の画像表示素子の冷却効率を高めることが可能な投射型表示装置を提供する。【解決手段】投射型表示装置（１００）は、画像信号に基づいて色光を変調して画像光を形成する第１画像表示素子（１４）および第２画像表示素子（１５）と、第１画像表示素子および第２画像表示素子との熱交換をそれぞれ行う第１熱交換手段（Ｂ１）および第２熱交換手段（Ｂ２）と、第１熱交換手段および第２熱交換手段をそれぞれ冷却する第１冷却手段（９１）および第２冷却手段（９２）とを有し、第１画像表示素子と第２画像表示素子は、投射方向に対して異なる角度（α１、α２）で配置され、投射方向に対する第１熱交換手段の放熱面（２３１ａ）と第２熱交換手段の放熱面（２３２ａ）との角度差（｜β１－β２｜）は、投射方向に対する第１画像表示素子と第２画像表示素子との角度差（｜α１－α２｜）よりも小さい。【選択図】図７

Description

本発明は、投射型表示装置に関する。

従来、デジタル・マイクロミラー・デバイス（ＤＭＤ）などの画像表示素子を用いた画像投射装置（プロジェクタ）が知られている。また、画像投射装置を小型化するため、複数の画像表示素子を投射方向に対して互いに異なる角度で配置する構成が知られているが、このような構成では、複数の画像表示素子を効率的に冷却することが難しい。

特許文献１には、液冷と空冷を併用して冷却を行う投射型表示装置が開示されている。特許文献２には、ヒートシンクにファンを近接させて吸気および排気で冷却する投射型表示装置が開示されている。

特許第４５７２１５８号公報 特許第５６１００５４号公報

しかしながら、特許文献１や特許文献２に開示された投射型表示装置では、複数の画像表示素子の冷却効率を高めることが難しい。

そこで本発明は、複数の画像表示素子の冷却効率を高めることが可能な投射型表示装置を提供することを目的とする。

本発明の一側面としての投射型表示装置は、画像信号に基づいて色光を変調して画像光を形成する第１画像表示素子および第２画像表示素子と、前記第１画像表示素子および前記第２画像表示素子との熱交換をそれぞれ行う第１熱交換手段および第２熱交換手段と、前記第１熱交換手段および前記第２熱交換手段をそれぞれ冷却する第１冷却手段および第２冷却手段とを有し、前記第１画像表示素子と前記第２画像表示素子は、投射方向に対して異なる角度で配置され、前記投射方向に対する前記第１熱交換手段の放熱面と前記第２熱交換手段の放熱面との角度差は、前記投射方向に対する前記第１画像表示素子と前記第２画像表示素子との角度差よりも小さい。

本発明の他の目的及び特徴は、以下の実施形態において説明される。

本発明によれば、複数の画像表示素子の冷却効率を高めることが可能な投射型表示装置を提供することができる。

本実施形態における投射型表示装置の内部構成図である。 本実施形態における色分離プリズムおよび全反射プリズムの詳細図である。 本実施形態における色分離プリズムおよび比較例としての色分離プリズムの説明図である。 比較例としての熱交換手段の断面図である。 比較例としての投射型表示装置の冷却構成の説明図である。 本実施形態における熱交換手段の断面図である。 本実施形態における投射型表示装置の冷却構成の説明図である。 （ａ）曲がり損失に関連するパラメータを示す概略図、 （ｂ）曲がり角度と損失係数との関係を示すグラフである。

以下、本発明の実施形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。

（全体構成）
まず、図１を参照して、本実施形態における投射型表示装置（プロジェクタ）１００の全体構成について説明する。図１は、投射型表示装置１００の内部構成図である。図１において、１０１は、不図示の光源からの光を入射する照明光学系である。１０２は、照明光学系１０１からの出射光を入射するＲ、Ｇ、Ｂの３色の光を波長帯域ごとに分離して後述の画像表示素子（画像形成素子）に入射させ、それぞれのＯＮ光を合成する色分離合成光学系である。１は、色分離合成光学系１０２からの出射光を入射して不図示のスクリーン（被投射面）に画像を投射する投射レンズユニット（投射光学系）である。

２は、投射レンズユニット１を移動させるレンズシフト機構であり、投射レンズユニット１の取り付け部として機能する。３は、投射型表示装置１００の各部に電力を供給する電源部である。４は、光源に供給される電力量を制御する光源電力変更手段である。５は、後述のＤＭＤ駆動基板１８を制御するＤＭＤ制御基板である。６は、制御装置である。制御装置６は、ＣＰＵやＲＯＭなどを備えて構成され、制御装置６内に格納されたプログラムに従って、ユーザにより入力された投射型表示装置１００の投射モードを検出し、光源電力変更手段４を制御する。７は、照明光学系１０１内の光源を冷却する光源冷却ファンである。８は、電源部３を冷却する電装冷却ファンである。

９１は、後述する第１放熱部２４１に冷却風を吹き付けるＧ色用のＤＭＤ冷却ファン（第１冷却手段）である。９２は、第２放熱部（不図示）に冷却風を吹き付けるＲ色およびＢ色用のＤＭＤ冷却ファン（第２冷却手段）である。このような構成により、ＤＭＤ冷却ファン９１およびＤＭＤ冷却ファン９２は、後述の第１熱交換手段Ｂ１および第２熱交換手段Ｂ２をそれぞれ冷却する。なお本実施形態において、ＤＭＤ冷却ファン９１、９２は、投射方向ＰＤに関して対称の角度で配置されている（投射方向に関して互いに逆方向に同一の角度を向くように配置されている）が、このような配置に限定されるものではない。また、ＤＭＤ冷却ファン９１の吸気口およびＤＭＤ冷却ファン９２の吸気口はそれぞれ、レンズシフト機構２に対して互いに反対側の位置（図１においてレンズシフト機構２の左右の位置）に配置されているが、これに限定されるものではない。

１０Ａ、１０Ｂ、１０Ｃ、１０ｄは、投射型表示装置１００の筐体全体の排気を担う排気ファンである。１１は、投射型表示装置１００の内部に配置された前述の各部を格納する外装キャビネットである。

（色分離合成光学系）
次に、図２および図３を参照して、色分離合成光学系１０２の冷却構成について説明する。図２（ａ）～（ｃ）は本実施形態における色分離合成光学系１０２の色分離プリズムおよび全反射プリズムの詳細図であり、図２（ａ）は立体図、図２（ｂ）は側面図、図２（ｃ）は上面図をそれぞれ示す。

１２は全反射プリズム、１３は色分離プリズムである。２つのプリズムが１０μｍ程度のエアギャップを介して接合された素子で、エアギャップ層Ｐ１に入射した光は全反射を起こして光路が折り曲げられる。折り曲げられた光は、色分離プリズム１３に入射する。色分離プリズム１３は、２つの三角プリズムの接合面に誘電体多層膜の面Ｐ２が形成され、波長４３０ｎｍ～４８０ｎｍの青色光帯域および波長６００～７００ｎｍの赤色光帯域は反射し、波長４９０ｎｍ～５９０ｎｍの緑色光帯域は透過する分光特性を有する。

従って、照明光学系１０１から射出され、全反射プリズム１２のエアギャップ層Ｐ１で全反射した波長４８０ｎｍ～７００ｎｍの分光分布を有する蛍光光は、色分離プリズム１３の誘電体多層膜Ｐ２により、赤色光Ｌ２と緑色光Ｌ３とに分離される。その後、赤色光Ｌ２は色分離プリズム１３の面Ｐ３に向かい全反射して第１画像表示素子１４に入射し、緑色光Ｌ３は色分離プリズム１３の面Ｐ４に向かい全反射して第２画像表示素子１５に入射する。第１画像表示素子１４および第２画像表示素子１５は、画像信号に基づいて色光を変調して画像光を形成する。なお本実施形態において、第１画像表示素子１４および第２画像表示素子１５はＤＭＤであるが、これに限定されるものではなく、他の画像表示素子でもよい。また、光源から出射した青色光Ｌ１は、色分離プリズム１３の面Ｐ２で反射した後、面Ｐ３に向かい全反射して第１画像表示素子１４に入射する。

第１画像表示素子１４および第２画像表示素子は、温度に応じて寿命が変わるため、各画像表示素子の背面にヒートシンクなどの放熱部を設けて適切に冷却する必要がある。このため、実際には、各画像表示素子は、画像表示有効領域よりも多くの面積や体積を占有する。従って、色分離プリズム１３は、画像表示素子ユニット同士、あるいは画像表示素子ユニットと色分離プリズム１３との干渉を避けるように、適切なサイズを決定する必要がある。

図３（ａ）～（ｃ）は比較例としての色分離プリズムと本実施形態の色分離プリズム１３との説明図であり、図３（ａ）はキューブ型の色分離プリズム、図３（ｂ）はフィリップス型の色分離プリズム、図３（ｃ）は本実施形態の色分離プリズム１３をそれぞれ示す。図３（ａ）のようにキューブ型の色分離プリズムでは、画像表示素子ユニット同士に干渉が生じる可能性がある。このため、画像表示素子ユニットがさらに大きくなる場合には色分離プリズムを大きくするか、画像表示素子をプリズムから離す必要がある。

図３（ｂ）のようにフィリップス型の色分離プリズムでは、色分離プリズムと画像表示素子ユニットとの干渉が発生しやすい。これを避けるには、画像表示素子をプリズムから離す必要がある。しかし、画像表示素子から出射する光束は角度広がりを有するため、画像表示素子をプリズムから離すほどプリズムのサイズは大きくなる。

一方、図３（ｃ）に示されるような本実施形態の色分離プリズム１３では、面Ｐ２は、面Ｐ１からの光のうち赤色光および青色光を面Ｐ３に導くとともに、面Ｐ１からの光のうち赤色光および青色光とは波長が異なる緑色光を面Ｐ４に導く。面Ｐ３は、面Ｐ２からの赤色光および青色光を全反射させて一方の画像表示素子に導くとともに、画像表示素子からの光を全反射させて投射光学系に導く。面Ｐ４は、面Ｐ２からの緑色光を全反射させて他方の画像表示素子に導くとともに、画像表示素子からの光を全反射させて投射レンズユニット（投射光学系）１に導く。

このため、第1画像表示素子１４および第２画像表示素子１５の２つの画像表示素子は、色分離プリズム１３を挟んで対向するように配置される。従って、例えば冷却性能を高めるためにヒートシンクの体積を大きくし、画像表示素子ユニットが大きくなる場合でも、画像表示素子ユニット同士、あるいは画像表示素子ユニットと色分離プリズム１３との干渉を避けるために無駄なサイズを取る必要がない。このため、比較例に対して色分離プリズム１３を小型化することができる。また、同じプリズムサイズであれば、画像表示素子ユニットのサイズを大きくしてもよいため、冷却性能を高めるためにヒートシンクの体積を大きくするなど、駆動回路設計に自由度を持たせることができる。

（画像表示素子の冷却構成）
次に、図４および図５を参照して、比較例としての投射型表示装置２００の画像表示素子の冷却構成について説明する。図４は、比較例としての投射型表示装置２００の熱変換手段Ａ（冷却ユニット）の断面図である。なお図４では、第１画像表示素子１４の冷却構成について示すが、第２画像表示素子１５についても第１画像表示素子１４と同様である。

１６は、第１画像表示素子１４を保持するＤＭＤホルダーである。１７は、第１画像表示素子１４とＤＭＤ駆動基板１８との電気的接点となるインターポーザーである。１８は、第１画像表示素子１４を駆動させるＤＭＤ駆動基板である。１９は、第１画像表示素子１４、インターポーザー１７、およびＤＭＤ駆動基板１８を押さえつけ、電気的接触不良を防止するクランプである。２０は、一般的なビスの頭にタップを切った特殊ビスである。２１は、標準ビスである。

２２１は、第１画像表示素子１４の背面に接触して熱交換を行う第１伝熱部である。なお投射型表示装置２００は、第２画像表示素子１５の背面に接触して熱交換を行う第２伝熱部２２２を有する。２３１は、第１伝熱部２２１から受熱して放熱する第１放熱部（ヒートシンク）である。なお投射型表示装置２００は、第２伝熱部２２２から受熱して放熱する第２放熱部（ヒートシンク）２３２を有する。熱の伝導を効率的に行うため、不図示の弾性熱伝導部材を第１画像表示素子１４と第１伝熱部２２１との間、また第１伝熱部２２１と第１放熱部２３１との間に塗布することが望ましい。

特殊ビス２０により、クランプ１９は押し付けられ、第１画像表示素子１４、インターポーザー１７、およびＤＭＤ駆動基板１８は電気的に接続される。標準ビス２１により、第１伝熱部２２１は第１画像表示素子１４に押し付けられる。なお、図４中の破線は、第１伝熱部２２１が第１画像表示素子１４と接触する形状を表している。第１伝熱部２２１における第１画像表示素子１４との接触面は、第１熱交換手段Ａの受熱面２２１ａである。また第１放熱部２３１は、放熱面２３１ａにおいて、第１伝熱部２２１からの熱を放熱する放熱フィン２３３が形成されている（放熱面２３１ａから突出方向ＥＤ（図４中の上方向）に延びた放熱フィン２３３が形成されている。

図５は、比較例としての投射型表示装置２００の冷却構成の説明図であり、冷却構成の要部の上面図を示す。図５に示されるように、投射型表示装置２００は、第１画像表示素子１４を冷却する第１熱交換手段Ａ１と第２画像表示素子１５を冷却する第２熱交換手段Ａ２を有する。第１熱交換手段Ａ１および第２熱交換手段Ａ２はそれぞれ、図４に示される熱交換手段Ａと同様の構造を有する。

図２（ａ）～（ｂ）を参照して説明したように、第１画像表示素子１４と第２画像表示素子１５は向かい合う位置に配置されているが、投射方向ＰＤ（図５の上方向）に対して対称な角度には配置されていない。このため、投射方向に対して対称な位置に配置されたＤＭＤ冷却ファン９１とＤＭＤ冷却ファン９２とで第１画像表示素子１４と第２画像表示素子１５とをそれぞれ冷却した場合、冷却効率に差が生じる。冷却効率を均等にするため、従来、ダクトなどを用いて風向きを変える手法が採用されている。しかし、例えば不図示のレンズ取り付けフランジやレンズシフト機構２により、極端に風路を曲げる必要があり、冷却効率を均等にすることができない。

次に、図６および図７を参照して、本実施形態における投射型表示装置１００の画像表示素子の冷却構成について説明する。図６は、本実施形態における投射型表示装置１００の熱変換手段Ｂ（冷却ユニット）の断面図である。なお図６では、第１画像表示素子１４の冷却構成について示すが、第２画像表示素子１５についても第１画像表示素子１４と同様である。

図６に示されるように、本実施形態の投射型表示装置１００（熱交換手段Ｂ）は、第１放熱部（ヒートシンク）２３１を有する点で、比較例としての熱交換手段Ａと同様である。一方、本実施形態の投射型表示装置１００は、第１放熱部２３１との接触面が受熱面２４１ａに対して傾斜した第１伝熱部２４１を有する点で、第１放熱部２３１との接触面が受熱面２２１ａと平行な第１伝熱部２２１を有する投射型表示装置２００とは異なる。すなわち第１伝熱部２４１は、第１放熱部２３１を傾斜させるための傾斜構造を有する。また投射型表示装置１００は、第２画像表示素子１５の背面に接触して熱交換を行う第２伝熱部２４２を有する。なお、熱交換手段Ｂは、第１放熱部２３１と第１伝熱部２４１とが一体的に構成されていてもよい。

図７は、本実施形態における投射型表示装置１００の冷却構成の説明図であり、冷却構成の要部の上面図を示す。図７に示されるように、投射型表示装置１００は、第１画像表示素子１４を冷却する第１熱交換手段Ｂ１と第２画像表示素子１５を冷却する第２熱交換手段Ｂ２を有する。第１熱交換手段Ｂ１および第２熱交換手段Ｂ２はそれぞれ、図４に示される熱交換手段Ｂと同様の構造を有する。

図６に示されるように、第１伝熱部２４１は第１画像表示素子１４との接触面（受熱面２４１ａ）と、第１放熱部２３１の放熱面２３１ａとが平行でない。このため、図７に示されるように、投射方向ＰＤに対して異なる角度の２つの画像表示素子を冷却する２つの放熱部の角度が投射方向に対して略均等になる。

本実施形態において、第１画像表示素子１４と第２画像表示素子１５はそれぞれ、所定の平面上において（図７に示される平面上において）、投射方向に対して異なる角度（投射方向ＰＤに関して非対称な角度）α１、α２（°）で配置されている。すなわち、投射方向ＰＤに対して第１画像表示素子１４が成す角度α１（°）と、投射方向ＰＤに対して第２画像表示素子１５が成す角度α２（°）とは、互いに異なる（α１≠α２）。また、投射方向ＰＤに対する第１熱交換手段Ｂ１の放熱面２３１ａと第２熱交換手段Ｂ２の放熱面２３２ａとの角度差は、投射方向ＰＤに対する第１画像表示素子１４と第２画像表示素子１５との角度差よりも小さい。

ここで、投射方向ＰＤに対して第１熱交換手段Ｂ１の放熱面２３１ａが成す角度をβ１（°）、投射方向ＰＤに対して第２熱交換手段Ｂ２の放熱面２３２ａが成す角度をβ２（°）とする。このとき、投射方向ＰＤに対する第１熱交換手段Ｂ１の放熱面２３１ａと第２熱交換手段Ｂ２の放熱面２３２ａとの角度差（°）は、｜β１－β２｜で表される。同様に、投射方向ＰＤに対する第１画像表示素子１４と第２画像表示素子１５との角度差（°）は、｜α１－α２｜で表される。図７において、角度α１、β１は、投射方向ＰＤに対して反時計回りに回転させた角度を正とする。一方、角度α２、β２は、投射方向ＰＤに対して時計回りに回転させた角度を正とする。

すなわち本実施形態において、第１熱交換手段Ｂ１の放熱面２３１ａと第２熱交換手段Ｂ２の放熱面２３２ａは、投射方向に対してＤＭＤ冷却ファン９１、９２の流路抵抗が略等しくなるような所定の角度差の範囲内で配置されている。好ましくは、第１熱交換手段Ｂ１の放熱面２３１ａと第２熱交換手段Ｂ２の放熱面２３２ａは、投射方向ＰＤに関して対称の角度（β１＝β２）で配置される。これにより、２つの画像表示素子の冷却効率の差が小さくすることができる。また、投射方向に対して略均等な角度に２つの放熱部が配置されるため周辺部品、特に冷却に関連するファン保持部材やダクトなどの部品の共通化設計が可能となる。なお本実施形態において、第１熱交換手段Ｂ１と第２熱交換手段Ｂ２の少なくとも一方に関して、受熱面と放熱面とが互いに平行ではない構成を有していればよい（第１熱交換手段Ｂ１と第２熱交換手段Ｂ２の一方が図４に示される構成であってもよい）。

図８（ａ）は、曲がり損失に関連するパラメータを示した概略図である。ダクトなどの管が急に曲がる場合、剥離現象が起こり、損失が発生する。損失を表す式として、以下の式（１）が挙げられる。式（１）において、ζは損失係数、ρは流体密度、ｖは流体速度である。

損失係数ζに関して、多数の実験結果から近似的に管の曲がり角度をθとするとき、以下の式（２）が成立する。

図８（ｂ）は、曲がり角度と損失係数の関係を示したグラフである。図８（ｂ）より、曲がり角度に対して２次関数のように損失係数は増加する。また図８（ｂ）より、ダクトの曲がり角度は２０°以下にし、損失を小さくすることが望ましい。すなわち、第１熱交換手段Ｂ１の放熱面２３１ａと第２熱交換手段Ｂ２の放熱面２３２ａとの角度差｜β１－β２｜≦２０を満足することが望ましい。

本実施形態によれば、複数の画像表示素子の冷却効率を高めることが可能な投射型表示装置を提供することができる。また本実施形態によれば、光軸に対して対称になるため部品の共通化を図ることが可能である。また本実施形態によれば、ヒートパイプなどによる伝熱冷却を行う場合も共通部品にすることで、高輝度や小型パネルへの対応も可能になるため、投射型表示装置の小型化に寄与する。

以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明はこれらの実施形態に限定されず、その要旨の範囲内で種々の変形及び変更が可能である。

１４ 第１画像表示素子
１５ 第２画像表示素子
９１ ＤＭＤ冷却ファン（第１冷却手段）
９２ ＤＭＤ冷却ファン（第２冷却手段）
１００ 投射型表示装置
２３１ａ、２３２ａ 放熱面
Ｂ１ 第１熱交換手段
Ｂ２ 第２熱交換手段

Claims (10)

1. 画像信号に基づいて色光を変調して画像光を形成する第１画像表示素子および第２画像表示素子と、
   前記第１画像表示素子および前記第２画像表示素子との熱交換をそれぞれ行う第１熱交換手段および第２熱交換手段と、
   前記第１熱交換手段および前記第２熱交換手段をそれぞれ冷却する第１冷却手段および第２冷却手段と、を有し、
   前記第１画像表示素子と前記第２画像表示素子は、投射方向に対して異なる角度で配置され、
   前記投射方向に対する前記第１熱交換手段の放熱面と前記第２熱交換手段の放熱面との角度差は、前記投射方向に対する前記第１画像表示素子と前記第２画像表示素子との角度差よりも小さいことを特徴とする投射型表示装置。
2. 前記第１熱交換手段と前記第２熱交換手段の少なくとも一方は、受熱面と前記放熱面とが互いに平行ではないことを特徴とする請求項１に記載の投射型表示装置。
3. 前記第１熱交換手段の前記放熱面と前記投射方向との成す角度をβ１（°）、前記第２熱交換手段の前記放熱面と前記投射方向が成す角度をβ２（°）とするとき、
   前記第１熱交換手段の前記放熱面と前記第２熱交換手段の前記放熱面との前記角度差｜β１－β２｜≦２０を満足することを特徴とする請求項１または２に記載の投射型表示装置。
4. 前記第１熱交換手段および前記第２熱交換手段はそれぞれ、ヒートシンクと、前記ヒートシンクへ熱を伝える伝熱部と、を有し、
   前記第１熱交換手段および前記第２熱交換手段のそれぞれの前記放熱面は、前記ヒートシンクの放熱フィンが形成された面であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載の投射型表示装置。
5. 前記第１熱交換手段の前記伝熱部と前記第２熱交換手段の前記伝熱部の少なくとも一方は、前記ヒートシンクを傾斜させるための傾斜構造を有することを特徴とする請求項４に記載の投射型表示装置。
6. 前記第１冷却手段および前記第２冷却手段はそれぞれ、冷却ファンであることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか一項に記載の投射型表示装置。
7. 前記画像光を投射する投射レンズの取り付け部を更に有し、
   前記第１冷却手段の吸気口および前記第２冷却手段の吸気口はそれぞれ、前記取り付け部に対して互いに反対側の位置に配置されていることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか一項に記載の投射型表示装置。
8. 前記第１冷却手段と前記第２冷却手段は、前記投射方向に関して対称の角度で配置されていることを特徴とする請求項１乃至７のいずれか一項に記載の投射型表示装置。
9. 前記第１熱交換手段の前記放熱面と前記第２熱交換手段の前記放熱面は、前記投射方向に関して対称の角度で配置されていることを特徴とする請求項８に記載の投射型表示装置。
10. 前記第１画像表示素子および前記第２画像表示素子はそれぞれＤＭＤであることを特徴とする請求項１乃至９のいずれか一項に記載の投射型表示装置。

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