JP7154917B2 - 投射型表示装置 - Google Patents

Description

本発明は、投射型表示装置に関するものである。

プロジェクタなどの投射型表示装置は、光源からの高強度の光が入射するため使用時に液晶表示素子等の光変調素子の温度が上昇してしまう。しかし製造時に設定された設定温度とは異なる温度で使用されると、光変調素子の変調特性が変化して投射画像にちらつきやむら等の画像劣化が生じることが知られている。そのため、プロジェクタは所定の温度範囲内で光変調素子が使用されるように冷却装置を備えることが一般的である。近年光源にレーザ光源が採用され始めており、光源と同様に長期間にわたって光変調素子もメンテナンス不要であることが求められている。光変調素子を長寿命化させるためには、従来よりもプロジェクタ使用時に低い温度で駆動されるように光変調素子を冷却することが必要であり、このような冷却装置として冷媒を用いて循環冷却する冷却システムが注目されている。

ところで、プロジェクタでは複数の光変調素子が用いられるが、光源から出射される光の発光エネルギーは波長によって異なるため、光変調素子それぞれの発熱量は互いに異なることが知られている。特許文献１には、光変調素子ごとに発熱量が異なったとしても所定の温度範囲に冷却することができる液冷システムの一例が開示されている。具体的には、複数の光変調素子のそれぞれに液体などの流体を供給するヒートパイプ（伝熱部材）が光変調素子ごとに設けられており、共通のペルチェ素子（熱電素子）で光変調素子からの熱を放熱する仕組みが開示されている。そして、ヒートパイプの長さ、材質、径などを調整し、ヒートパイプの熱抵抗の比を光変調素子のそれぞれの発熱量の逆数の比とすることで、各光変調素子を所定の温度範囲に冷却できることが開示されている。

特許第６０１５０７６号公報

しかしながら、特許文献１に開示される方法では、発熱量が小さい光変調素子では熱抵抗を上げることになり、当該光変調素子において効率的に放熱ができているとは言えない。このように熱抵抗を上げた状態で所望の温度範囲に冷却しようとすると、熱電素子の大きさを大きくしたり、熱電素子を冷却する冷却ファンの回転数を増加させる必要が生じ、装置の大型化や騒音となる懸念がある。

そこで本発明は、互いに発熱量が異なる複数の光変調素子を、効率的に所望の温度範囲に冷却することができる液冷システムを備えた投射型表示装置を提供することを目的としている。

上記目的を達成するために、本発明の投射型表示装置は、互いに異なる波長の光を変調する複数の光変調素子と、前記複数の光変調素子のそれぞれに対応して設けられ、冷媒を循環させる複数の配管と、前記複数の配管に接続され、冷媒を介して前記複数の光変調素子からの熱を放熱する放熱部材と、前記放熱部材に対向して配置された冷却ファンを備え、前記放熱部材は、前記複数の光変調素子にそれぞれ対応する複数の放熱領域を有し、前記複数の放熱領域のうち第１の発熱量の光変調素子に対応する前記放熱部材の放熱領域は、前記第１の発熱量よりも小さい第２の発熱量の光変調素子に対応する前記放熱部材の放熱領域よりも広く、前記冷却ファンは、前記複数の光変調素子のうち発熱量が最も小さい光変調素子に対応する放熱領域に前記冷却ファンの羽根の回転中心が対向するように配置されていることを特徴とする。

本発明によれば、互いに発熱量が異なる複数の光変調素子であったとしても所定の温度範囲内で駆動されるように、効率的に放熱することができる。

本発明の実施形態にかかる投射型表示装置としてのプロジェクタ装置に関する光学ブロック図である。 第１の実施形態にかかる冷却装置（冷却システム）を説明するための概略図である。 放熱部材（ラジエータ）の外観図である。 冷媒が放熱部材（ラジエータ）内を流れる様子を説明する図である。 放熱部材（ラジエータ）と冷却ファンとの位置関係を説明する図である。 第２の実施形態にかかる循環液体冷却システムを説明するための概略図である。

（第１の実施形態）
以下、図面を参照して、本発明の実施形態を詳細に説明する。

図１は、本発明の実施形態に投射型表示装置としてのプロジェクタ装置に関する光学系ブロック図の一例である。ここでは、反射型液晶表示素子を光変調素子として用いたプロジェクタ装置を用いて説明するが、それ以外の光変調素子、例えば、ＤＭＤ（Ｄｉｇｉｔａｌ Ｍｉｒｒｏｒ Ｄｅｖｉｃｅ）、透過型液晶表示素子を用いたプロジェクタ装置にも適用可能である。具体的には、複数の光変調素子が設けられていれば、いずれのプロジェクタ装置にも適用可能である。なお、本発明では３つの光変調素子を用いたプロジェクタ装置を用いて説明するが、それ以外の数の光変調素子を有している場合も適用可能である。

図１において、プロジェクタ装置１００は、光源１０１と、ダイクロイックミラー１０２、１０３と、ミラー１０４と、偏光ビームスプリッター１０５、１０６、１０７と、液晶表示素子１０８、１０９、１１０を備える。

光源１０１は、白色光を出力する光源であり、例えば超高圧水銀ランプ、キセノンランプ、レーザー、ＬＥＤなどを用いることができる。光源１０１から照射された白色光はダイクロイックミラー１０２により、緑（以下Ｇと記載）成分光と赤（以下Ｒと記載）、青（以下Ｂと記載）成分光とに分離される。すなわち所定の波長ごとに分離される。Ｒ、Ｂ成分光はダイクロイックミラー１０３へ供給され、Ｒ成分光とＢ成分光とに分離される。

そして、分離されたＧ、Ｒ、Ｂの各成分光は、それぞれ偏光ビームスプリッター１０７、１０６、１０５に供給される。Ｇ、Ｒ、Ｂの成分光は、偏光ビームスプリッター１０７、１０６、１０５からそれぞれ緑色光用の液晶表示素子１０８、赤色光用の液晶表示素子１０９、青色光用の液晶表示素子１１０へ供給される。

Ｇ、Ｂ、Ｒの成分光はそれぞれの液晶表示素子により、入力映像信号に応じて偏光が制御され、再度、偏光ビームスプリッター１０７、１０６、１０５に戻る。そして、偏光ビームスプリッター１０７、１０６、１０５で、偏光状態により投影光としてＸプリズム１１１へ供給される成分光と、光源１０１方向へ戻る成光分とに分離される。Ｘプリズム１１１は、それぞれのＧ、Ｒ、Ｂ成分光（投影光）を合成し合成光として投射レンズ系１１４に供給する。投射レンズ系１１４は、供給された合成光をスクリーン等へ投射し映像を表示する。

図２は、本実施形態にかかる冷却装置の概略図である。プロジェクタ装置が稼働すると、液晶表示素子１０８、１０９、１１０は光源１０１からの光エネルギーの吸収や変調駆動により発熱し、高温となる。製造時に設定した目標温度より高温で液晶表示素子が駆動されることになると投射画像のちらつきやむらが発生し画質の劣化が生じるばかりか素子自体の劣化も発生するため所定の温度範囲内で駆動されるように冷却することが必要である。本実施形態に係る冷却装置は、冷媒（冷却液）で液晶表示素子１０８、１０９、１１０を冷却する循環型の冷却システムである。このような冷却装置に用いることができる冷媒としては、プロピレングリコールなどの液体を用いることができるが、液晶表示素子１０８、１０９、１１０を冷却することができればこれに限られない。

ポンプ２０４の圧力によって押し出された冷媒は、液晶表示素子１０８、１０９、１１０ごとに設けられた３つの配管に分配される。一部の冷媒は、緑色光用液晶表示素子１０８に接続された配管２３１により、放熱部材として機能するラジエータ２０５を通過し、その後、受熱部として機能するジャケット２０１に設けられた流路に送られる。さらに、他の一部の冷媒も、赤色光用液晶表示素子１０９に接続された配管２３２によりラジエータ２０５を通過してジャケット２０２に設けられた流路に送られる。さらに、他の一部の冷媒も、青色光用液晶表示素子１１０に接続された配管２３３によりラジエータ２０５を通過してジャケット２０３に設けられた流路に送られる。ラジエータ２０５には、液晶表示素子の色ごとに対応する流路が設けられており、この中を冷媒が通過することで冷却されるように設けられている。ラジエータ２０５は金属材料で設けられており、アルミニウム、鉄、銅などを用いることができる。そしてラジエータ２０５の面と対向する位置には、風によりラジエータを冷却する冷却ファン２２１が設けられている。ジャケット２０１、２０２、２０３から出てきた冷媒は、再び１つの配管にまとめられ、ポンプ２０４へと送られる。

液晶表示素子１０８、１０９、１１０のそれぞれには、ジャケット２０１、２０２、２０３が熱的に接続されるように面接着して設けられている。これらのジャケット２０１、２０２、２０３は、アルミや銅などの金属部材で設けられており、冷媒が流れる流路が設けられている。つまり、ジャケット２０１、２０２、２０３は受熱部として機能し、ジャケット２０１、２０２、２０３の内部の流路を冷媒が流動することで液晶表示素子１０８、１０９、１１０で発生した熱を冷媒に伝えることができる。そして冷媒は、ラジエータ２０５において冷やされ、再度液晶表示素子１０８、１０９、１１０を冷却するために用いられる。

すなわち、冷媒は、ポンプ２０４→ラジエータ２０５→ジャケット（液晶表示素子）→ポンプの順で配管を介して循環するように設けられている。なおポンプ、ラジエータ、ジャケットの位置関係は、図２の位置に限られず、冷媒が循環できればよい。

また、本実施形態では、使用時の液晶表示素子の発熱量が緑色光用液晶表示素子＞青色用液晶表示素子＞赤色用液晶表示素子となっている例を用いて説明を行う。しかし、これらの発熱量の差は、用いられる光源１０１に応じて決まるため、光源の種類に応じて適宜変更可能である。

図３は、本発明の放熱部材として用いられるラジエータの外観図である。図４は、ラジエータ内を冷媒が流れる様子を説明する図である。図４（ａ）は、接続部が設けられた側からラジエータ２０５を見た図であり、図４（ｂ）（ａ）の図とは反対側からラジエータ２０５を見た図であり、一部わかりやすさのために流路壁を省略して示している。

図３に示すように、ラジエータ２０５には、緑色光用の配管２３１が接続される接続部２３１ａ及び２３１ｂと、赤色光用の配管２３２が接続される接続部２３２ａ及び２３２ｂと、青色光用の配管２３３が接続される接続部２３３ａ及び２３３ｂが設けられている。ラジエータは、緑色光用の配管２３１から送られた冷媒を冷却する放熱領域３０１と、赤色光用の配管２３２から送られた冷媒を冷却する放熱領域３０２と、青色光用の配管２３３から送られた冷媒を冷却する放熱領域３０３に区分けされている。

図３及び図４で示す放熱領域は、使用時の液晶表示素子の発熱量に応じて区分けされている。本実施形態では、発熱量が緑色光用液晶表示素子＞青色光用液晶表示素子＞赤色光用液晶表示素子となっているため、面積が緑色光用の放熱領域３０１＞青色光用の放熱領域３０３＞赤色光用の放熱領域３０２となるように区分けする。言い換えると、緑色光用の放熱領域３０１は、緑色光よりも発熱量が少ない青もしくは赤色光の放熱領域よりも広くなるように設ける。さらに、青色光用の放熱領域３０３は、青色光よりも発熱量が少ない赤色光の放熱領域３０２よりも広くなるように設ける。これにより発熱量が色ごとに異なる液晶表示素であっても、それぞれ最適な温度範囲内で駆動させることができ、効率的に放熱することができる。なお配管の長さが色ごとに異なる場合には、配管で放熱される熱量も加味して放熱領域を区分けしておくことが好ましい。また、図３ではラジエータ２０５を上から緑色用、赤色用、青色用と放熱領域を区分けしている例を示したが、この順でなくてもよい。

次に図４（ａ）（ｂ）を用いて、ラジエータ２０５内の冷媒の流れについて説明する。緑色光用の配管２３１の接続部２３１ａから流入した冷媒は、３つの流路３１１ａに分けられて放熱領域に送られ、液室３３１で一度合流した後に、２つの流路３１１ｂに分けて再び放熱領域に送られ、接続部２３１ｂから配管２３１へと送り出される。さらに、赤色用の配管２３２の接続部２３２ａから流入した冷媒は２つの流路３１２ａに分けられた放熱領域に送られ、液室３３２で一度合流した後に、流路３１２ｂの放熱領域に送られ、接続部２３２ｂから配管２３２へと送り出される。さらに、青色光用の配管２３３の接続部２３３ａから流入した冷媒は、３つの流路３１３ａに分けられて放熱領域に送られ、液室３３３で一度合流した後に、２つの流路３１３ｂに分けて再び放熱領域に送られ、接続部２３３ｂから配管２３３へと送り出される。放熱領域３０１、３０２、３０３の流路と流路の間などには、フィン３２１が設けられており、冷媒からの熱はフィン３２１に伝わり、冷却ファン２２１から風が吹き付けられることで空気中に排熱される。つまり、放熱領域が広ければ、流路の数やフィン３２１の面積が増えることになり、放熱量が増えることになる。

図５（ａ）は、ラジエータ２０５と冷却ファン２２１との位置関係を説明する図である。図５（ｂ）は冷却ファン２２１の冷却領域２２２１と放熱領域３０１、３０２、３０３との位置関係を示した図である。

冷却ファン２２１は、ラジエータ２０５のフィン３２１が配列された面と対向するよう配置されており、効率的に放熱領域３０１、３０２、３０３に風を送ることができるように設けられている。具体的には、冷却ファン２２１は、複数の流路３１１、３１２、３１３が配列された面に風が垂直に吹き付けるように設けられている。

ここで示す冷却ファン２２１のプロペラの旋回中心は、ファンのモータの基盤、軸等が設けられているため、羽根が設けられない形状となっている。羽根に対向する領域は、他の領域よりも風速が早くなっており冷却効率が高い。つまり、図５（ｂ）に示す冷却ファンの羽根に対向する領域である冷却領域２２２１が、冷却効率が高い領域であり、場所に応じて冷却の効率に差が出る構成となっている。

従って放熱領域３０１に対向する冷却領域２２２１ａと、放熱領域３０２に対向する冷却領域２２２１ｂと、放熱領域３０３に対向する冷却領域２２２１ｃとは、それぞれ放熱領域の面積比と同様の面積比とすると効率的に放熱できるといえる。そのため、このような比率となる位置に冷却ファン２２１を配置する。言い換えると放熱領域の面積が放熱領域３０１＞放熱領域３０３＞放熱領域３０２となっているので、同様に冷却領域２２２１ａ＞冷却領域２２２１ｃ＞冷却領域２２２１ｂとなるように冷却ファン２２１を配置する。このように冷却ファン２２１も液晶表示素子の発熱量に応じた配置とすることで、冷却効率を落とすことなく、液晶表示素子の発熱量の差が生じていたとしても効率的に冷却することができ、冷却システムの小型化に寄与することができる。

なお、本実施形態では、ラジエータ２０５を冷却するために冷却ファン２２１が設けられているが、ラジエータ２０５のフィン３２１からの排熱が十分で液晶表示素子が所定の温度範囲に冷却できれば冷却ファン２２１は設けなくてもよい。

（第２の実施形態）
第１の実施形態では、ポンプ２０４を複数の液晶表示素子１０８、１０９、１１０に対して共通とすることで、冷却装置の小型化を達成していた。しかし、ポンプ２０４自体が小型化できれば、図６に示すように液晶表示素子１０８、１０９、１１０ごとにそれぞれ個別のポンプ２０４を設けてもよい。

その他のラジエータ２０５等の構成については第１の実施形態と同様である。本実施形態においても、発熱量が緑色光用液晶表示素子＞青色光用液晶表示素子＞赤色光用液晶表示素子となっているため、面積が緑色光用の放熱領域３０１＞青色光用の放熱領域３０３＞赤色光用の放熱領域３０２となるように区分けする。言い換えると、緑色光用の放熱領域３０１は、緑色よりも発熱量が少ない青もしくは赤色光の放熱領域よりも広くなるように設ける。さらに、青色光用の放熱領域３０３は、青色光よりも発熱量が少ない赤色光の放熱領域３０２よりも広くなるように設ける。これにより発熱量が色ごとにことなる液晶表示素であっても、それぞれ最適な温度範囲内で駆動させることができ、効率的に放熱することができる。

１０８ 緑色光用液晶表示素子（光変調素子）
１０９ 赤色光用液晶表示素子（光変調素子）
１１０ 青色光用液晶表示素子（光変調素子）
２０５ ラジエータ（放熱部材）
２２１ 冷却ファン
２３１ 緑色光用の配管
２３２ 赤色光用配管
２３３ 青色光用配管
３０１ 緑色用放熱領域
３０２ 赤色用放熱領域
３０３ 青色用放熱領域

Claims (6)

1. 互いに異なる波長の光を変調する複数の光変調素子と、
   前記複数の光変調素子のそれぞれに対応して設けられ、冷媒を循環させる複数の配管と、
   前記複数の配管に接続され、冷媒を介して前記複数の光変調素子からの熱を放熱する放熱部材と、
   前記放熱部材に対向して配置された冷却ファンを備え、
   前記放熱部材は、前記複数の光変調素子にそれぞれ対応する複数の放熱領域を有し、
   前記複数の放熱領域のうち第１の発熱量の光変調素子に対応する前記放熱部材の放熱領域は、前記第１の発熱量よりも小さい第２の発熱量の光変調素子に対応する前記放熱部材の放熱領域よりも広く、
   前記冷却ファンは、前記複数の光変調素子のうち発熱量が最も小さい光変調素子に対応する放熱領域に前記冷却ファンの羽根の回転中心が対向するように配置されていることを特徴とする投射型表示装置。
2. 前記放熱部材の前記複数の放熱領域は、前記複数の光変調素子のそれぞれの発熱量が大きいほど、面積が広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. 前記放熱部材は、前記複数の光変調素子ごとに設けられた冷媒の流路を備えたラジエータであ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. 前記複数の配管が接続され、冷媒を循環させるポンプをさらに有することを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の投射型表示装置。
5. 前記ポンプは、前記複数の光変調素子のそれぞれに設けられてい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. 前記複数の光変調素子は、液晶表示素子であることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の投射型表示装置。

Images