JP4273926B2 - 消音装置及びそれを用いたプロジェクタ装置 - Google Patents

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Description

本発明は、冷却用ファンの回転による強制風流にて構造内部の温度制御を行うようにした家庭電化製品、或いはビジネス向け製品での騒音を抑える消音装置に関し、特に、高出力ランプを有するプロジェクタ装置の冷却ファン騒音の低減化技術に関する。
液晶プロジェクタでは、ランプ光源で、有効利用されない光量エネルギーは、大部分が熱に変わることもあり、装置内部が高温になり、内部の冷却処理が必須である。その為、冷却ファンによる強制風流により装置内部の冷却を図っている。ここで、冷却ファンが発する騒音に対し、装置容積の制約内で、ファンの形状・回転数・駆動方法、或いは、装置の構造材料や流路最適化等で静的な低騒音化を図っている。
さらに、下記特許文献１、特許文献２に記載の様に、冷却ファンが発する騒音を検出し、逆波形の音波成分を発生させることで干渉作用により消音する動的な低騒音化を図る方法が提案されている。これに限らず、逆位相による消音化技術は数多く提案されている。
特開平６−８５８１号公報（第５頁、第１図）
特開平１０−２０８６６号公報（第７頁、第１図）
液晶プロジェクタにおいて、高出力ランプ光源の使用による高輝度化や装置の小型化は、流路設計上の制約を増す要因となっている。従来の静的な低騒音化では、放熱効率を維持向上すべく、流路設計の最適化はさることながら、冷却ファンの複数化や、各々の冷却ファンの回転数を上げることで風量を確保している。しかしながら、装置騒音との兼ね合いから、輝度性能向上や装置の小型化も設計上の制約が発生する等、課題があった。
一方、特許文献１や特許文献２は、単一冷却ファンによる冷却する装置のみに適用可能な消音方式であり、更には、冷却ファンの回転速度変動(速度ドリフト)についても考慮されていない。
本発明の目的は、上記従来技術に鑑み、低コストで高精度に低騒音化を実現する消音装置と、これを用いて高輝度・小型化を実現するプロジェクタ装置を提供することにある。
上記した課題を解決するために、本発明は、複数の羽根から成るファンと、該ファンからの風を導く風路とを有する消音装置であって、風路での騒音を取り込む入音手段と、風路に音圧振動を放出するスピーカと、前記ファンの回転数を検出する回転数検出手段と、該回転数と前記ファンの羽根枚数とに基づく、基本及び高次の周波数を演算する周波数演算手段と、前記周波数演算手段により演算された基本及び高次の周波数毎に、時分割で前記入音手段にて取り込んだ騒音のレベルを選択抽出して消音状態を判定する判定手段と、前記基本及び高次の周波数毎に時分割で該周波数の位相値と振幅値を制御する増幅・位相制御手段と、騒音の周波数成分の変動に対応する位相補正量と、該消音装置の周波数特性に対応する増幅補正量を記憶したルックアップテーブルと、前記基本及び高次の周波数毎に時分割で前記判定手段と前記周波数演算手段と前記増幅・位相制御手段と前記ルックアップテーブルとを用いて騒音が最小になるように前記スピーカの駆動信号を生成する信号生成手段とを有し、前記基本及び高次の周波数毎に時分割で該ルックアップテーブルを参照して前記駆動信号を補正し、前記信号生成手段で生成した駆動信号を加算して前記スピーカを駆動するようにして、ファン騒音を低減するように構成した。
本発明により、低価格で高精度な消音装置、及びプロジェクタ装置が可能となる。
以下、本発明の実施の形態について図面を用いて説明する。
図1は本発明による消音装置の一例を示す構成図である。図３、４は処理の概要を示すタイミング図である。
図１で、１、２は羽根数Ｋ枚（例えばＫ＝７）からなるファン、３は風の流路を形成するダクト構造、４はマイク、６は入力補正部、７はデジタル信号に変換するＡＤＣ、９はデジタル波形出力をアナログ値に変換するＤＡＣ、８は出力補正部、５はスピーカ、１０はファンの回転駆動制御部、１１は回転数検出部、１２はファン回転の周波数計測部、１３はデジタルシグナルプロセッサ（以下ＤＳＰ（Digital Signal Processor）と称す）、１４はフィルタ、１５は周波数分析部、１６は消音状態判定部、１７は時分割制御許可部、１８は回転回数計数部、１９はルックアップテーブル（以下ＬＵＴ（Look Up Table）と称す）、２０は周波数値（ｆ値）決定部、２１は増幅・位相制御部、２２は波形生成部、２３、２４は1９〜２２で構成する各ファン毎の逆位相波形生成部、２５は加算部、を示す。図３，４は、各画像処理部でのタイミングを示す。
ここで、公知のように、ファン１を回転させて騒音を観測すると、特定周波数成分の騒音量が突出する。例えば、１分間にＭ回転（例えばＭ=3000）する場合、騒音基本周波数成分ＮＺは、回転数Ｍと羽根枚数Ｋにより下式(数１)に定まることが知られている。
ＮＺ＝Ｍ／６０×Ｋ （＝3000/60×7＝350Hz） （数１）
回転数Ｍ＝３０００、羽根枚数Ｋ＝７の時は、騒音基本周波数成分ＮＺ＝３５０Ｈｚとし、その高次成分（ＮＺ×２、×３、×４、…）の騒音量が突出する。この騒音成分が可聴帯域の聴感上好ましくない場合には、耳障りに感じてしまう。
以下、上記耳障りに感じる騒音基本周波数成分ＮＺと、その高次成分の消音方法について詳述する。
ここで、本実施の形態では、説明を簡単にするために、ファンの羽根数が７枚で、同一のファンを２個使用し、対象とする騒音成分を各ファンそれぞれ２成分（上記ＮＺ、ＮＺｘ２）で、計４成分の周波数成分を消音する場合に限定して示す。もちろん、羽根数やファン数やファン形状、或いは、対象騒音成分を増減しても同様である。また、流路の構造として、矩形型で示す。もちろん、対象機器それぞれに最適な構造を成すようにしても同様である。
図示しない回転指示に基づき回転駆動制御部１０による駆動信号10c,10dによりそれぞれファン１を上記Ｍ回転，ファン２をＬ回転と回転制御する。この場合、羽根枚数とで定まる騒音周波数成分の高次成分の周波数がファン間で同一とならないようにＭ≠Ｌとなる関係で定める。
ファン１，２の回転動作により、ダクト構造３による流路内に風流が発生し、且つマイク４によりダクト構造３内の騒音状況を監視する。また、マイク４が風流を妨げないように処理しても良い。マイク信号は、入力補正部６により、低域・高周波ノイズを簡易的に除去し、信号レベルの増幅等の、各種信号補正を施し、ＡＤＣ７により標本化周期Ｆｓ（Ｈｚ）でデジタル信号に変換する。
一方、ＤＡＣ９により、加算器２５の出力であるデジタル信号の消音波形を、アナログ信号に変換し、出力補正部８により、不要周波数成分・ノイズの除去と増幅を行い、スピーカ５を駆動する。スピーカ５による音圧振動を、ダクト構造３内部に放出する。この場合、スピーカ５の裏面（ダクト構造３の外側）へは、上記音圧振動が漏れ出さないように構成するものである。
回転数検出部１１は、回転駆動制御部１０によるファン１，２の回転情報10a,10bとしてホール素子、FG信号、フォトセンサ信号等により１パルス／回転信号11a,bを生成する。周波数計測部１２では、１パルス／回転信号11a,bから、このパルスに同期して位相調整のための演算を行なう基準タイミングとなる12a,bと、ファン１，２の回転周波数を計測して周波数情報12c,dを出力する。
ＤＳＰ１３では、デジタル演算処理するものであるが、説明を分かりやすくするために、各部の処理をハードウエア構成に見立てて以下示す。また、本実施例では、ＤＳＰを用いた場合について示すが、これに限るものではなく、同様の処理機能を有するものであれば本発明に適用可能であることは言うまでも無い。
先ず、フィルタ１４では、ＡＤＣ７のデジタル信号から、所望の消音対象である周波数帯域の信号を抽出するフィルタ特性となるデジタルフィルタにて処理する。周波数分析部１５では、後述のｆ値決定部２０により指定する周波数成分の騒音量を選択抽出し、消音状態判定部１６にて騒音量の残留状態から、消音状態を判定する。この場合、消音状態判定部１６は、周囲環境に起因するインパルス性の外乱（例えば話音・打音・拍手・ドア開閉等、様々な生活音に見舞われる）による誤判定を防止し、耐性能力向上を図る構成としている。すなわち、時分割制御許可指定部１７からの時分割許可信号17cにより、当該周波数成分の騒音レベルを検出して消音状態を判定する際に、過去の当該周波数成分の騒音レベルを考慮する、例えば騒音レベル毎のヒストグラムをとり、所望の騒音レベル以外のレベル範囲を除いた騒音レベルに基づいて判定するように構成している。
回数計数部１８により、12a,bを基準として、ファン１，２それぞれの回転周波数の基準18bと、消音波形の位相基準18aと、ファン１の回転回数の計数を基準とする時分割タイミング信号18cを生成する。
時分割制御許可部１７により、18cを基準として、各々ファンの騒音成分（４成分）毎に、制御許可と不許可を示す許可信号を時分割で発行する（図３、４の17a,bで、LOW：許可期間、High：不許可期間）。ここで、２個のファンの回転位相が一致する可能性もあることから、位相調整のための演算を行なう基準タイミングのうちの一方の12aを基準に時分割する構成としている。また、図３、４は、時分割制御許可信号17a,bの生成方法を変えた例を示し、許可期間発行方法は何ら限定せず、消音対象の構成条件に最適となるよう、定めるものである。
ＬＵＴ１９では、構造と環境並びにとスピーカとマイクの各種周波数特性を取り込み・保持し、ｆ値決定手段による消音対象の周波数情報に対応する増幅補正量19aと、位相補正量19bを出力する。
ｆ値決定部２０により、周波数情報12c,d（＝Ｍ／６０）とファン羽根枚数（Ｋ＝７）から定まる騒音の基本周波数（ＮＺ）と、２次成分（ＮＺ×２）を決定する。この場合、ファン１，２はある程度の回転変動（ジッタ）分を持って回転するため、回転回数計数18bを基準に、周波数情報12c,dを平滑化するように構成しても良い。
増幅・位相制御部２１において、各々ファンの騒音成分毎に、時分割制御許可信号17a,bが許可期間では、消音状態判定部１６の判定結果により、残留する騒音量が最小になるよう振幅値と位相移動量を制御し且つ、ＬＵＴ１９による増幅補正量19aと、位相補正量19bを加算した結果を振幅値21a、位相移動量21bを生成する。一方、不許可期間では、過去の許可期間中に決定した振幅値21a、位相移動量21bを保持出力する。さらに、不許可期間或いは消音状態と判定されている場合であっても、周波数情報12c,dに変化がある場合には、ＬＵＴ１９による増幅補正量19aと、位相補正量19bにて前値の振幅値21a、位相移動量21bを補正しても良い。
波形生成部２２により、ｆ値決定部２０によるファン１，２の消音対象４成分の周波数と、回転位相基準18aと、振幅値21aと、位相移動量21bから、ファン騒音成分に対する逆位相波形を生成する。
ここで、２３、２４は、1９〜２２で構成する逆位相波形生成部であり、対象ファン数分（本実施例では２個）だけ有する構成で示している。もちろん、ファン数分に限らず、消音対象の周波数成分毎に用意しても同様である。
加算部２５により、上記処理により得られた４つの逆位相波形成分を加算し、ＤＡＣ９に出力する。
以上示した第１の実施の形態によれば、消音対象周波数として聴感上不快な成分を特定し、且つ複数のファン間で回転数を異ならしめることから、騒音状態の場合分けが単純化でき、残留騒音成分の抽出並びに上記演算は簡素化できる。これにより、ＤＳＰに要求される演算量の低減が可能となり、処理能力の低い低価格なＤＳＰの選択が可能となる。また、周波数成分を特定することから、マイク信号、スピーカ駆動信号の信号補正を簡略化することが可能となり、高品位・高精度なアナログ部品を必要としないことから、部品個数・部品コストの低減が容易に可能となる。
さらに、ファン回転数と回転位相を直接検出する方式であることから、ファン回転状態を検出する為に、常時測定した騒音レベルを評価し続け、且つ、位相追従をし続けることによる演算量の増大、演算処理遅延による追従遅延、強いては制御が発振してしまう恐れが無く、不定期に発生するファン回転ジッタにも、発振することなく、即時に追従することが容易に可能である。
さらに、ファン回転数と回転位相を直接検出し、逆位相波形生成時は、ファンの回転位相を基準とするため、自動的に逆位相波とファン回転で、周波数と位相が固定することから、特別な演算処理が不要である。
また、時分割で交互に逆位相波形生成条件を見直し制御することから、消音対象の周波数成分を増やす場合であっても、ＤＳＰのピーク演算量のいたずらな増大を抑制可能となる。
さらに、消音周波数成分を特定することから、インパルス性の外乱が有っても、特定周波数成分外の外乱は無視され、かつ合致する場合にあっても、前記したように、過去の当該周波数成分の騒音レベルを考慮するように構成することにより、外乱成分を除外することで、外乱による逆位相波形の発振を抑圧することが容易に可能となる。
本実施の形態では、構成を限定して示したが、もちろんこれに限る物ではなく、ＤＳＰ内部あるいは外部の処理部として説明した処理部の位置を変えた場合においても本発明に適用可能であることは言うまでも無い。
次に、図２を用いて本発明の第２の実施形態を説明する。また、第1の実施形態で説明した同一符号の部位については、ほぼ同様な機能であることから、説明の重複は避ける。また、本実施の形態では、画像表示装置として液晶プロジェクタの場合で示す。 図２において、２６は液晶プロジェクタ内部温度を測定する温度センサ、２７は液晶プロジェクタのシステムを制御するシステム制御部、２８はランプ駆動部、２９はランプ、３０、３２はレンズ、フィルタ等で構成する光学ユニット、３１は画像表示デバイス、３３はスクリーンである。また、ダクト３の内部に、ランプ２９〜光学ユニット３２の一部を配置する構成である。
液晶プロジェクタでの投射画像の輝度調整として、システム制御部２７からのランプ電力制御量に基づき、ランプ駆動部２８でランプ駆動電力を増減させることでランプ２９の光量増減を実現する方法がある。
この場合、ランプ駆動電力増減によりダクト３内部での発熱量が上下する。そのため、ダクト３内部温度制御に必要な風量が異なるため、装置騒音との兼ね合いから、最適な風量が得られるよう制御するものである。
例えば、温度センサ２６により装置内部温度を測定し、システム制御部２７により、ランプ駆動部２８の電力制御と、最適な風量が得られるよう回転数指示信号により、回転駆動制御部１０を制御する。
この場合、システム制御部２７は、消音状態判定部１６による装置内部の消音状態情報を得て、消音処理が追従する範囲内で、ファン回転数を緩やかに変動させるよう制御するものである。
以上説明した第２の実施の形態によれば、液晶プロジェクタ等の装置内部温度に応じて空冷ファンの回転数を制御する様にした画像表示装置では、本方式により、ファン回転数を変動させる場合であっても、発振することなく、消音状態を保った状態で実現することが容易に可能となる。さらに、液晶プロジェクタであることもあり、第１の実施の形態でも示した周囲環境の外乱要因として話音、机・拍手・ドア開閉等、様々存在するものの、動作不良・発振の無い消音効果で、且つ、民生品に可能な廉価な液晶プロジェクタ等の、画像表示装置を提供できる。
以上、複数ファンを用いる場合について限定したが、もちろん単一ファンであっても良く、処理量が減る分、制御回数を増すことで、騒音追従速度の向上、あるいは、低演算ＤＳＰの採用によるコスト低減が容易に可能である。
また、構造３の開口部を複数設ける場合は、同一システムを複数台用意しても良く、或いはスピーカ、マイクを追加し、ＤＳＰ側で同様な処理を並列に実行することにより、同様な効果を得ることが可能である。
また、本実施形態での適用装置として、液晶プロジェクタに限定して示したが、もちろんこれに限らず、ファンによる風流により装置内部の冷却処理を成すようにした画像表示装置、或いはそれ以外の装置に本消音システムを適用しても同様である。同様な処理により同様な効果が実現可能である。例えば、冷蔵庫、空冷ファン（室内機／室外機）、各種エンジン、空気清浄機、ＰＣへの適用等、多数存在する。一方、ヒートパイプ、液令システムとの連携により、更なる低騒音化も容易である。
本発明によれば、低演算量による廉価なＤＳＰの選択、アナログ部品の省点数化により、簡易で廉価な消音装置が提供可能である。さらに、液晶プロジェクタ等の装置内部温度に応じて空冷ファンの回転数を制御する様にしたプロジェクタ装置では、本発明を適用することにより、ファン回転数変化への追従・周囲外乱による動作不良・発振の無い消音効果を得、且つ、民生品に可能な低価格化が実現可能となる。
もちろん、画像表示システムに限らず、本発明を冷却ファンを有する他の装置に適用することも可能で、同様な処理により同様な消音効果を得ることができる。
本発明による第１の実施形態による消音方式を示す図である。 本発明による第１の実施形態による画像表示装置を示す図である。 本発明による第１、２の実施形態を補足するタイミング図である。 本発明による第１、２の実施形態を補足するタイミング図である。
符号の説明
１，２…ファン、３…ダクト構造、４…マイク、５…スピーカ、６…入力補正部、７…ＡＤＣ、８…出力補正部、９…ＤＡＣ、１０…回転駆動制御部、１１…回転数検出部、１２…周波数計測部、１３…ＤＳＰ、１４…フィルタ、１５…周波数分析部、１６…消音状態判定部、１７…時分割制御許可部、１８…回転回数計数部、１９…ＬＵＴ、２０…ｆ値決定部、２１…増幅・位相制御部、２２…波形生成部、２３、２４…1９〜２２で構成する逆位相波形生成部、２５…加算部、２６…温度センサ、２７…システム制御部、２８…ランプ駆動部、２９…ランプ光源、３０、３２…光学ユニット、３１…画像表示デバイス、３３…スクリーン。

Claims (2)

  1. 複数の羽根から成るファンと、該ファンからの風を導く風路とを有する消音装置であって、
    風路での騒音を取り込む入音手段と、
    風路に音圧振動を放出するスピーカと、
    前記ファンの回転数を検出する回転数検出手段と、
    該回転数と前記ファンの羽根枚数とに基づく、基本及び高次の周波数を演算する周波数演算手段と、
    前記周波数演算手段により演算された基本及び高次の周波数毎に、時分割で前記入音手段にて取り込んだ騒音のレベルを選択抽出して消音状態を判定する判定手段と、
    前記基本及び高次の周波数毎に時分割で該周波数の位相値と振幅値を制御する増幅・位相制御手段と、
    騒音の周波数成分の変動に対応する位相補正量と、該消音装置の周波数特性に対応する増幅補正量を記憶したルックアップテーブルと、
    前記基本及び高次の周波数毎に時分割で前記分析手段と前記周波数演算手段と前記増幅・位相制御手段と前記ルックアップテーブルとを用いて騒音が最小になるように前記スピーカの駆動信号を生成する信号生成手段とを有し、
    前記基本及び高次の周波数毎に時分割で該ルックアップテーブルを参照して前記駆動信号を補正し、前記信号生成手段で生成した駆動信号を加算して前記スピーカを駆動するようにして、ファン騒音を低減することを特徴とする消音装置。
  2. 光源ランプと、該光源ランプからの光を光強度変調して光学像を形成する映像表示素子と、該光学像を投射光学系で拡大して投射して表示する投射手段を有するプロジェクタ装置であって、
    複数の羽根から成り、前記光源ランプを冷却する冷却ファンと、
    該冷却ファンからの冷却風を前記光源ランプまで導く風路と、
    前記プロジェクタ装置内部の温度を検出する温度センサと、
    前記冷却ファンの回転数を制御する回転数制御回路と、
    前記風路での騒音を取り込む入音手段と、
    前記風路に音圧振動を放出するスピーカと、
    前記冷却ファンの回転数を検出する回転数検出手段と、
    該回転数と前記ファンの羽根枚数とに基づく、基本及び高次の周波数を演算する周波数演算手段と、
    前記周波数演算手段により演算された基本及び高次の周波数毎に、時分割で前記入音手段にて取り込んだ騒音のレベルを選択抽出して消音状態を判定する判定手段と、
    前記基本及び高次の周波数毎に時分割で該周波数の位相値と振幅値を制御する増幅・位相制御手段と、
    騒音の周波数成分の変動に対応する位相補正量と該消音装置の周波数特性に対応する増幅補正量を記憶したルックアップテーブルと、
    前記基本及び高次の周波数毎に時分割で前記判定手段と前記周波数演算手段と前記増幅・位相制御手段と前記ルックアップテーブルとに基づいて騒音が最小になるように前記スピーカの駆動信号を生成する信号生成手段とを有し、
    前記温度センサからの温度情報に基づいて前記ファンの回転数を変更制御すると共に、前記基本及び高次の周波数毎に時分割で該ルックアップテーブルを参照して前記駆動信号を補正し、前記信号生成手段で生成した駆動信号を加算して前記スピーカを駆動するようにして、ファン騒音を低減することを特徴とするプロジェクタ装置。
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