JP4572158B2 - 投写型表示装置 - Google Patents

Description

本発明は、投写型表示装置に関するものであり、特に、画像形成素子の冷却に関するものである。

近年、液晶パネルやＤＭＤ（Digital Micro-mirror Device）などの画像形成素子によって形成された画像光をスクリーンなどに投射することによって、スクリーン上に拡大画像を投写する投写型表示措置が普及している。画像形成素子としての液晶パネルは、入射光を画像信号に基づいて偏光することによって画像光を形成し、ＤＭＤは、入射光を画像信号に基づいて偏向することによって画像光を形成している。

ここで、投写型表示装置の動作中、前記画像形成素子は勿論のこと、光路上に配置されたプリズム、レンズ、ミラーといった光学素子の温度は相当な高温となる。従って、画像形成素子や光学素子を正常に動作させるとともに、その信頼性や寿命を向上させるためには、これらを規定温度以下に冷却することが必要不可欠となる。

そこで、特許文献１によって、放熱フィンを備えたヒートシンクを画像形成素子（反射型表示素子）に装着し、該画像形成素子を冷却する技術が提案された。また、光源や反射鏡をペルチェ素子によって冷却する技術が特許文献２によって提案された。より具体的には、光源が収容されたランプボックスや反射鏡にペルチェ素子を貼り付け、該ペルチェ素子に設けられているヒートシンクをファンによって空冷する技術が提案された。さらに、特許文献３には、画像形成素子（液晶パネル）や反射鏡（リフレクタ）を液冷する技術が記載されている。
特開２００４−７７８８３号公報 特開２０００−７７５８５号公報 特開平１１−２８２３６１号公報

しかし、光源の高出力化に伴って、画像形成素子や光学素子の温度は、益々上昇する傾向にある。従って、空冷によって画像形成素子や光学素子などを十分に冷却するためには、大型のファンやヒートシンクを採用する必要がある。また、液冷においては、冷媒量を増大させたり、増大した冷媒を循環させるためにポンプを大型化させたりする必要がある。これらファンやポンプの大型化は、投写型表示装置全体の大型化を招くのみでなく、騒音の増大をも招く。

また、投写型表示装置に限らず、凡そ全ての電子機器について小型化、軽量化の要求がある一方で、高機能化、多機能化によって構成部品は増加しており、冷却機構を実装するために確保可能なスペースは制限される傾向にある。

本発明は上記状況に鑑みてなされたものであって、限られたスペースに実装可能であり、かつ、十分な冷却効果が得られる効率的な冷却機構を備えた投写型表示装置を提供することを目的とする。

本発明の投写型表示装置は、複数の画像形成素子の全てを液冷するとともに、１つ又は２つ以上の画像形成素子の冷却には空冷を併用することを特徴とする。具体的には、光源から出射された光を画像信号に基づいて偏向又は偏光させて画像光を形成する画像形成素子を備えた投写型表示装置であって、前記画像形成素子との間で熱交換を行う第１熱交換手段と、空気との間で熱交換を行う第２熱交換手段と、前記第１熱交換手段と前記第２の熱交換手段との間で液状冷媒を循環させる循環手段と、前記第１熱交換手段を空冷する空冷手段と、を備えることを特徴とする。

また、光源から出射された光を少なくとも赤色光、緑色光及び青色光に分離し、分離された各色光をそれぞれ異なる出射面から出射させる光学素子と、前記光学素子の各出射面と対向して配置され、各出射面から出射された色光を画像信号に基づいて偏向又は偏光させて画像光を形成する複数の画像形成素子と、前記複数の画像形成素子ごとに設けられ、各画像形成素子との間で熱交換を行う複数の第１熱交換手段と、空気との間で熱交換を行う第２熱交換手段と、前記第１熱交換手段と、前記第２熱交換手段との間で液状冷媒を循環させる循環手段と、前記複数の第１熱交換手段の少なくとも１つを空冷する空冷手段と、を備えることを特徴とする。

本発明によれば、装置の大型化を回避しつつ、十分な冷却効果が得られる効率的な冷却機構を備えた投写型表示装置が実現される。

以下、本発明の投写型表示装置の実施形態の一例について詳細に説明する。本例の投写型表示装置は、画像形成素子にＤＭＤを用いたプロジェクタであって、一般的にＤＬＰ（Digital Light Processing）プロジェクタと呼ばれるものである（「ＤＬＰ」は、テキサス・インスツルメンツ・インコーポレーテツドの登録商標）。さらに具体的には、Ｒ（赤）・Ｇ（緑）・Ｂ（青）の各色ごとのＤＭＤを備えた所謂３chip型のＤＬＰプロジェクタである。

図１は、本例のＤＬＰプロジェクタ１の基本構造を示す模式図である。図中の符号２は、光源を示している。以下同様に、符号３は、照明光学系、符号４は、画像形成素子としてのＤＭＤ、符号５は投射光学系、符号６は、前記各構成部品が収容されたハウジングをそれぞれ示している。

光源２は、金属製のランプハウス１０内に収容されている。ライトハウス１０内には、光源２から出射された光を集光し、ライトハウス１０の側面に設けられている不図示の開口部から出射させるためのリフレクタ１１が設けられている。

照明光学系３は、第１ミラー２０及び第２ミラー２１と、それら２つのミラー２０、２１の間に配置されたロッドインテグレータ２３と、ＴＩＲプリズム２４と、フィリップス型プリズム２５とを有する。第１ミラー２０は、ライトハウス１０の開口部から出射された光の進行方向を変換して（偏向して）、ロッドインテグレータ２３に入射させる。この第１ミラー２０には、不要な赤外線がロッドインテグレータ２３に入射することを防止するために、コールドミラーが用いられている。ロッドインテグレータ２３は、角柱状に成形された光学ガラスである。第１ミラー２０の作用によってロッドインテグレータ２３の一方端面（入射端面）から入射した光は、該ロッドインテグレータ２３の内部を全反射しながら進行する過程において輝度分布が均一化される。第２ミラー２１は、ロッドインテグレータ２３の他方端面（出射端面）から出射した光の進行方向を変換して（偏向して）、ＴＩＲプリズム２４に入射させる。

ＴＩＲプリズム２４は、入射した光を全反射して後段のフィリップス型プリズム２５に入射させる。フィリップス型プリズム２５は、所定の面（界面）に、ＡＲ膜又はダイクロイック膜が形成された光学プリズムであり、該プリズム２５によって色分離及び色合成が行われる。具体的には、フィリップス型プリズム２５に入射した光は、該プリズム２５内において、赤色光、緑色光、青色光の各色光に分離される。図１中、フィリップス型プリズム２５内の一点鎖線は赤色光の振る舞いを模式的に示し、二点鎖線は緑色光の振る舞いを模式的に示し、鎖線は青色光の振る舞いを模式的に示している。分離された各色光は、フィリップス型プリズム２５の所定の出射面からそれぞれ出射する。すなわち、赤色光は出射面２６Ｒ、緑色光は出射面２６Ｇ、青色光は出射面２６Ｂからそれぞれ出射する。各出射面２６Ｒ、２６Ｇ、２６Ｂの先には、これら出射面と対向するようにしてＤＭＤ４Ｒ、４Ｇ、４Ｂが配置されており、各出射面２６Ｒ、２６Ｇ、２６Ｂから出射された各色光は、対応するＤＭＤ４Ｒ、４Ｇ、４Ｂにそれぞれ入射する（各ＤＭＤ４Ｒ、４Ｇ、４Ｂを照明する）。

ＤＭＤの構造及び作用は公知であるので、詳しい説明は省略するが、各ＤＭＤ４Ｒ、４Ｇ、４Ｂは、独立制御される多数の微小ミラーを備えている。さらに、各微小ミラーは、不図示の制御部によって制御されている。制御部は、入力された画像信号に基づいて、各微小ミラーの姿勢（傾き）を制御することによって画像光を形成する。各ＤＭＤ４Ｒ、４Ｇ、４Ｂによって形成された各色の画像光は、再度フィリップス型プリズム２５に入射され、該フィリップス型プリズム２５によって他の色の画像光と合成されてフルカラーの画像光となり、同フィリップス型プリズム２５から出射される。

フィリップス型プリズム２５から出射された光（フルカラーの画像光）は、ＴＩＲプリズム２４を透過して投射光学系５に入射し、該投射光学系５を介して不図示のスクリーンに拡大投射される。以上によって、スクリーン上に画像が表示される。

次に、本発明の特徴である冷却機構について詳細に説明する。図１では、便宜上、フィリップス型プリズム２５がハウジング６の底面に対して平行に配置されているように図示されている。しかし、実際には、フィリップス型プリズム２５は、概ね図２に示すような形状を有し、かつ、ハウジング６（図１）の底面に対して４５°傾いた状態でハウジング６内に配置されている。この結果、フィリップス型プリズム２５の各出射面２６Ｒ、２６Ｇ、２６Ｂ及びこれらと対向する各ＤＭＤ４Ｒ、４Ｇ、４Ｂは、ハウジング６内の異なる位置及び高さに配置されており、それぞれのＤＭＤ４Ｒ、４Ｇ、４Ｂの周囲環境は同一ではない。例えば、ハウジング６の底面から最も離れている（最も高い位置にある）ＤＭＤ４Ｒの周囲には相対的に空間的な余裕がある。一方、底面に最も近接している（最も低い位置にある）ＤＭＤ４Ｂの周囲には電源ユニット６０（図３）やその他の構成部品が密集して配置されており、ＤＭＤ４Ｂはそれらに取り囲まれた状態にある。換言すれば、ＤＭＤ４Ｂの周囲は、密閉空間に近い状態となっている。従って、ＤＭＤ４Ｂの周囲では空気の対流が不十分となり、熱が溜まり易い。この結果、ＤＬＰプロジェクタ１の動作中、ＤＭＤ４Ｂは、他の２つのＤＭＤ４Ｒ、４Ｇに比べて高温になる。また、ＤＭＤ４Ｂと対向しているフィリップス型プリズム２５の出射面２６Ｂ及びその近傍も、他の出射面２６Ｒ、２６Ｇ及びそれらの近傍に比べて高温となる。

そこで、本例のＤＬＰプロジェクタ１では、図３に示す冷却機構３０を備えることによって、周囲環境に起因して温度状態が異なる３つのＤＭＤ４Ｒ、４Ｇ、４Ｂを規定温度以下に保っている。この冷却機構３０は、３つのＤＭＤ４Ｒ、４Ｇ、４Ｂ(図３では、ＤＭＤ４Ｇの図示を省略)を液冷しつつ、最も高温となるＤＭＤ４Ｂについては、空冷を併用することによって、これらＤＭＤ４Ｒ、４Ｇ、４Ｂが規定温度以下に維持されるように冷却することを特徴とする。以下、その具体的な構造について説明する。

冷却機構３０は、ＤＭＤ４Ｒ、ＤＭＤ４Ｇ及びＤＭＤ４Ｂの背面にそれぞれ装着された吸熱用液冷ジャケット３１Ｒ、３１Ｇ（図１）及び３１Ｂ、ハウジング６内に設けられた隔離空間内に設置された放熱用液冷ジャケット３２、吸熱用液冷ジャケット３１Ｒ、３１Ｇ及び３１Ｂと放熱用液冷ジャケット３２との間で冷媒を循環させるための管路３３及びポンプ３４を有する。吸熱用液冷ジャケット３１Ｒ、３１Ｇ及び３１Ｂを介してＤＭＤ４Ｒ、４Ｇ及び４Ｂとの間で熱交換（吸熱）を行った冷媒は、放熱用液冷ジャケット３２に送られ、該放熱用液冷ジャケット３２を介して外気との間で熱交換（放熱）を行う。外気との熱交換によって温度が低下した冷媒は、再度吸熱用液冷ジャケットジャケット３１Ｒ、３１Ｇ及び３１Ｂに送られ、ＤＭＤ４Ｒ、４Ｇ及び４Ｂとの間で熱交換を行う。尚、放熱用冷媒ジャケット３２には、多数の放熱フィンを備えたヒートシンク３６が設けられている。

本例のＤＬＰプロジェクタ１では、ハウジング６内に、樹脂製のダクト３７を配置し、該ダクト３７の内部空間に放熱用液冷ジャケット３２を設置してある。すなわち、放熱用液冷ジャケット３２の設置空間は、ダクト３７の周壁によって、ハウジング６の内部空間から概ね隔離されている。但し、ダクト３７の一端（吸気口３７ａ）は、ハウジング６の側面に形成された開口部３９を介して外部と連通している。また、ダクト３７の他端側の周壁には、ハウジング６の内部空間と連通する排気口３７ｂが開口されている。さらに、排気口３７ｂの先には、ファン４０が設けられている。よって、ファン４０が作動すると、吸気口３７ａを介して外気がダクト３７内に導入され、導入された外気と冷媒との間で熱交換が行われる。換言すれば、ダクト３７内に導入された外気によって、該ダクト３７内に設置されている放熱用液冷ジャケット３２が冷却（空冷）される。さらに、放熱用液冷ジャケット３２を冷却した外気は、ファン４０の作用によって排気口３７ｂからハウジング６内に送り出される。

ここで、ダクト３７は、ＤＭＤ４Ｂの背面に装着されている吸熱用液冷ジャケット３１Ｂの近傍（直下）に、上記排気口３７ｂ及びファン４０が位置するように設計及び配置されている。よって、排気口３７ｂから吸い出されたダクト３７内の外気が吸熱用液冷ジャケット３１Ｂに当り、該吸熱用液冷ジャケット３１Ｂが冷却（空冷）される。もっとも、ダクト３７の排気口３７ｂから吸い出される外気は、放熱用液冷ジャケット３２を介した冷媒との間の熱交換によって温度が上昇している。しかし、その温度は、ＤＭＤ４Ｂ（吸熱用液冷ジャケット３１Ｂ）の温度に比べて低く、十分な冷却効果が得られる。

尚、ファン４０は、ダクト３７内の外気を主に吸熱用液冷ジャケット３１Ｂに向けて送り出すが、これによって吸熱用冷却ジャケット３１Ｂの周囲における空気循環が促進されることは当然である。従って、吸熱用液冷ジャケット３１Ｂのみでなく、フィリップス型プリズム２５の出射面２６Ｂやその近傍の温度上昇も抑制される。さらには、吸熱用液冷ジャケット３１Ｂの近傍に配置されている発熱体（例えば、電源ユニット６０）の温度上昇も同時に抑制される。

以上のように、冷却機構３０は、ＤＭＤ４Ｒ、４Ｇを液冷するとともに、ＤＭＤ４Ｂを液冷及び空冷する。これによって、ＤＭＤ４Ｒ、４Ｇに比べて相対的に高温となるＤＭＤ４Ｂは、他の２つのＤＭＤ４Ｒ、４Ｇと同等、或いはそれ以上に冷却される。

尚、冷却機構３０は、所定量の冷媒を貯留可能なリザーブタンク４１を備えている。また、管路３３の途中には２つの継ぎ手（カプラ４２）が設けられており、該継ぎ手４２の部分において管路３３を切り離すことが可能となっている。本例では、図３に示す位置にカプラ４２が設けられている。従って、冷却機構３０を、吸熱用液冷ジャケット３１Ｒ、３１Ｇ及び３１Ｂと、放熱用液冷ジャケット３２、ポンプ３４及びリザーブタンク４１とに分離することができる。さらに、分離された放熱用液冷ジャケット３２などは、ハウジング６から取り出すことが可能であり、必要に応じて新品と交換することもできる。

図４に示すように、ハウジング６には、開口部３９に加えて、第２の開口部５０を１つ又は２つ以上形成することもできる。例えば、ダクト３７の排気口３７ｂの面積が開口部３９（吸気口３７ａ）に比べて大きく、ハウジング６内の吸排気のバランスが悪い場合などには、第２の開口部５０を設けることが望ましい。また、本例では、冷媒と外気との間の熱交換を実現する手段として、ヒートシンクを備えた液冷ジャケットを用いた。もっとも、冷媒と外気との間の熱交換を実現する手段は特に限定されるものではない。例えば、図示されている放熱用液冷ジャケット３２及びヒートシンク３６に代えて、ラジエータやヒートパイプを用いることも可能である。

本例では、ダクト３７の排気口３７ｂ側にファン４０を設けた。しかし、吸気口３７ａ側やハウジング６の開口部３９にファンを設けることもできる。また吸気口３７ａ及び３７ｂの双方にファンを設けることもできる。要するに、ファン４０は、放熱用液冷ジャケット３２が設置されたダクト３７内に外気を供給し、かつ、ダクト３７内に供給された外気を吸熱液冷ジャケット３１Ｂに供給可能なものであれば、その構造や設置位置などは限定されない。

本例では、３chip型のＤＬＰプロジェクタを例にとって本発明の実施形態を説明したが、本発明は１chip型のＤＬＰプロジェクタにも適用可能であり、ＤＬＰ以外の投写型表示装置にも適用可能である。例えば、液晶プロジェクタに図３に示す冷却機構３０を適用し、画像形成素子としての液晶パネルを冷却することもできる。より具体的には、全ての液晶パネルを液冷しつつ、任意の１つ又は２つ以上の液晶パネルについては空冷を併用して、全ての液晶パネルを規定温度以下に維持することもできる。

本発明の投写型表示装置の実施形態の一例を示す模式図である。 フィリップス型プリズム周辺の拡大斜視図である。 冷却機構の一例を示す模式図である。 本発明の投写型表示装置の実施形態の他例を示す模式図である。

符号の説明

１ ＤＬＰプロジェクタ
２ 光源
３ 照明光学系
４、４Ｒ、４Ｇ、４Ｂ ＤＭＤ
５ 投射光学系
６ ハウジング
２４ ＴＩＲプリズム
２５ フィリップス型プリズム
２６Ｒ、２６Ｇ、２６Ｂ 出射面
３０ 冷却機構
３１Ｒ，３１Ｇ、３１Ｂ 吸熱用液冷ジャケット
３２ 放熱用液冷ジャケット
３３ 管路
３４ ポンプ
３６ ヒートシンク
３７ ダクト
３７ａ 吸気口
３７ｂ 排気口
３８ 内部空間
３９ 開口部
４０ ファン

Claims (4)

1. 光源から出射された光を少なくとも赤色光、緑色光及び青色光に分離し、分離された各色光をそれぞれ異なる出射面から出射させる光学素子と、
   前記光学素子の各出射面と対向して配置され、各出射面から出射された色光を画像信号に基づいて偏向又は偏光させて画像光を形成する複数の画像形成素子と、
   前記複数の画像形成素子ごとに設けられ、各画像形成素子との間で熱交換を行う複数の第１熱交換手段と、
   空気との間で熱交換を行う第２熱交換手段と、
   前記第１熱交換手段と、前記第２熱交換手段との間で液状冷媒を循環させる循環手段と、
   前記複数の第１熱交換手段の１つを空冷する空冷手段と、
   前記光源、光学素子、画像形成素子、第１熱交換手段、第２熱交換手段及び空冷手段が収容されたハウジングと、を備え、
   前記複数の画像形成素子は、前記ハウジング内の異なる高さにそれぞれ配置され、
   前記空冷手段によって空冷される第１熱交換手段が、前記複数の画像形成素子のうち、前記ハウジングの底面に最も近接した位置に配置されている画像形成素子との間で熱交換を行う第１熱交換手段である投写型表示装置。
2. 前記ハウジング内に設けられ、吸気口を介して前記ハウジングの外部と連通し、排気口を介して前記ハウジングの内部と連通した設置空間を有し、
   前記第２熱交換手段は、前記設置空間内に配置され、
   前記設置空間の前記排気口は、前記ハウジングの底面に最も近接した位置に配置されている画像形成素子との間で熱交換を行う前記第１熱交換手段の近傍に配置されており、
   前記空冷手段は、前記吸気口を介して前記設置空間内に空気を導入し、導入された空気を前記排気口を介して前記ハウジング内に送り出す請求項１に記載の投写型表示装置。
3. 前記空冷手段が、前記吸気口から前記設置空間内に空気を送り込むファンである請求項２に記載の投写型表示装置。
4. 前記空冷手段が、前記排気口から前記設置空間内の空気を吸い出すファンである請求項２に記載の投写型表示装置。

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