JP4227969B2 - 投写型表示装置 - Google Patents

Description

本発明は、液晶パネルを用いて映像を投写表示する投射型表示装置に関し、特に液晶パネルと偏光板とを効果的に冷却する冷却機構、およびその冷却方法に関する。

投射型表示装置である液晶プロジェクタ装置は、ランプ発光効率の改善やライトバルブの高精細化・広開口率化、照明光学系の改良などにより、投写画像品質を飛躍的に向上させ、現在ではホームシアターから業務用プレゼンテーションにまで幅広く利用されている。

この液晶プロジェクタ装置の基本構成について説明する。図１１は従来技術の一般的な液晶プロジェクタ装置の基本構成を示す模式図である。本願発明の液晶プロジェクタ装置もこの構成を基本として組み立てられているので共通の要素については同一の符号で表示する。この液晶プロジェクタ装置１の基本構成は、図１１に示ように、１）照明光学系２、２）色分離光学系７、３）結像光学系１２の３つブロックにより構成される。

このうち照明光学系２は超高圧水銀ランプのような高輝度ランプからなる光源３と、光源３の光を反射するリフレクタ４と、リフレクタ４からの反射光の照度分布を均一化させるための光インテグレータ５ａ、５ｂ、およびランプからのランダム偏光を直線偏光に揃えるための偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）６、およびフィールドレンズ１１ａを有する。

照明光学系２に続く色分離光学系７は、フィールドレンズ１１ｂ、照明光学系２からの全光束を赤（Ｒ）・緑（Ｇ）・青（Ｂ）からなる各色光束に分離し、対応する各々の液晶パネルへ入射させるためのダイクロイックミラー８ａ、８ｂ、反射ミラー９ａ、９ｂ、９ｃ、９ｄ、およびリレーレンズ１０ａ、１０ｂを有する。

色分離光学系７に続く結像光学系１２は、色分離光学系７から入射される各色光束を与えられた画像情報にしたがって変調する光変調部１３と、変調された各色光束を合成する色合成プリズム１４と、合成光をスクリーン上に投影する投写レンズ１５とを有する。

このうち結像光学系１２の光変調部１３は、透過型表示デバイスである３個の液晶パネル１６ａ、１６ｂ、１６ｃと、それぞれの液晶パネルの入射面側に配置される入射側偏光板１７ａ、１７ｂ、１７ｃと、それぞれの液晶パネルの出射面側に配置される出射側偏光板１８ａ、１８ｂ、１８ｃとを有する。

ＴＮ（Ｔｗｉｓｔｅｄ Ｎｅｍａｔｉｃ）液晶パネルは特定の直線偏光成分しか扱えないため、入射側偏光板１７ａ、１７ｂ、１７ｃにおいて色分離光学系7からの各色光束を所定の偏光方向（Ｐ偏光）に揃え、そのＰ偏光光は液晶パネル１６ａ、１６ｂ、１６ｃで変調されたのち、変調光のＳ偏光成分のみが出射側偏光板１８ａ、１８ｂ、１８ｃから透過される。

ここで説明する光学構成は、ランプ光を３原色に分離して３枚の液晶パネルで各々に変調を行う３板式の液晶プロジェクタであるが、１枚の液晶パネルのみを用いた低輝度で安価な単板式の液晶プロジェクタにおいても、同様の構成からなる光変調部が用意されている。

このような構成の光変調部１３において、入射側偏光板１７ａ、１７ｂ、１７ｃと出射側偏光板１８ａ、１８ｂ、１８ｃは、各々１軸方向の偏光光のみを通過させ他の偏光光を遮蔽するため、吸光により発熱し易く、液晶パネル１６ａ、１６ｂ、１６ｃもまた各画素の境界にあるブラックマトリクスで透過光が遮光されるため、動作時に発熱を伴う。

これら液晶パネルや偏光板には有機材料を用いることも多く、長時間にわたって波長の短い光が照射されたり、高温環境に曝されたりすると、パネルの配向膜がダメージを受けたり、偏光選択特性が低下したりするなど、その機能が著しく損なわれてしまうことがある。その結果、製品寿命の低下に伴ってユニット交換によるランニングコストの増加を招いたり、各色光特性の変動による合成投写画像の劣化を引き起こしたりするため、これらの光変調部には熱対策が必要となる。

以下に、入射側偏光板や出射側偏光板および液晶パネル（以後、これらの部材の組み合わせの１組を液晶ユニットと呼称し、３個の液晶ユニットと色合成プリズムとが組み合わさった構成を液晶ユニット部と呼称する）の温度上昇を抑制するために、従来用いられている冷却方法について簡単に説明する。

図１２は従来例１の強制空冷による液晶ユニット冷却方法の一例を示す模式図であり、（ａ）は斜視図、（ｂ）は模式的断面図である。冷却ファン１２０は、図示せぬ液晶プロジェクタ筐体の吸気口から外気を取り入れ、パネルダクト１２１を介してファン出口から液晶ユニット部１２３の各液晶ユニット１１９直下のダクト開口部１２２ａ、１２２ｂ、１２２ｃまで冷却風１２４を導風する。

このとき３個の液晶ユニット１１９のそれぞれを構成する入射側偏光板１１７、液晶パネル１１６、出射側偏光板１１８の各部材は、それぞれ離間して配置されているので、その間隙を下方から上方へ冷却風１２４が通過することにより、強制対流熱伝達で被冷却面から熱量を奪い排熱が行なわれる。

また、特許文献１および特許文献２には冷媒液を充填した冷媒容器を用いた液晶ユニット冷却機構が開示されている。図１３は特許文献１に記載の従来例２の液晶ユニット冷却機構の模式的断面図であり、図１４は特許文献２に記載の従来例３の液晶ユニット冷却機構の模式的斜視図である。

図１３に示す従来例２では、液晶ユニット部２２３の出射側偏光板２１８とシールド基板２４４との間に冷媒容器２４３によって冷媒液２３３が充填されており、冷媒容器２４３を色合成プリズム２１４のホルダ部材２２８の側壁に固定しており、冷媒容器２４３の構成に特徴を持たせている。また図１４に示す従来例３では、液晶ユニット部３２３の冷媒容器３４３によって冷媒液を充填させ、冷却の対象とする光学部材を出射側偏光板の他に液晶パネル３１６まで拡張したことを特徴としている。

また、特許文献３にはヒートシンクを循環ダクト内に設けた液晶ユニット冷却機構が開示されている。図１５は特許文献３に記載の従来例４の液晶ユニット冷却機構の模式的斜視図である。この従来例４では、入射側偏光板、液晶パネル、出射側偏光板を有する液晶ユニット部４２３を強制空冷で冷却する際に、ダクトを密閉循環型に設定して、閉じた系内を流れる空気流を冷却するためにヒートシンク４３８を密閉循環ダクト４４６の途中に設けている。

また、特許文献４にはベルチェ素子を介したヒートシンクをダクトに設けた液晶ユニット冷却機構が開示されている。図１６は特許文献４に記載の従来例５の液晶ユニット冷却機構の模式的斜視図である。この従来例では、冷却ファン５２０からのダクト５２１の途中の通路にペルチェ素子５３９と接続された冷却用の第１のヒートシンク５３８ａを嵌入し、ペルチェ素子５３９の発熱側に放熱用の第２のヒートシンク５３８ｂを接続して、液晶ユニット（図示せず）に送風する空気の温度を予め下げておくことにより、冷却効果を高める作用を狙っている。
特開２００２−２８７２４４号公報 特開２００３−１９５２５３号公報 特開平１１−１６０７９３号公報 特開２０００−２６９６７４号公報

近年の液晶プロジェクタに対する小型・高輝度化への要求は、ランプ出力の増加と表示デバイスの小型化を促進し、液晶ユニットへ入射される光束密度の増加による熱負荷の上昇を招いている。

たとえば２０００ｌｍクラスの液晶プロジェクタ装置（１．０型−ＸＧＡ）では、液晶ユニットの総発熱量は１５Ｗ前後で出射側偏光板熱流束は０．６Ｗ／ｃｍ² 程度であるが、５０００ｌｍクラスの輝度になると液晶ユニットの総発熱量は３５Ｗ以上、出射側偏光板熱流束は１．４Ｗ／ｃｍ² 以上にまで到達する。

このような場合、従来例１のような強制空冷ではファンの送風量を増加させて発熱体の周りの風速を高め、熱伝達効率を改善して発熱体からの伝熱量を増加させることにより冷却性能を引き上げて、増大する熱負荷に対応してきた。

このファン送風量の増加には大口径ファンの採用や回転数の高速化といった手法が取られるが、液晶ユニットの冷却には、その実装構造上の制約により多くは後者が採用される。しかしながらファン回転数の上昇はそのまま騒音の増加に繋がるため、利用者の快適性を阻害し商品価値を下げることになる。そのため従来例２〜５のような色々な対策がとられてきた。

冷媒容器２４３、３４３によって充填した冷媒液を出射側偏光板や液晶パネル３１７に接触させて熱拡散を行って放熱する従来技術２および３には、以下のような問題がある。

第１の問題点は画像の品質である。液晶ユニット部材間（例えば上述の特許文献２に開示されているような液晶パネルと出射側偏光板との間）に冷媒液を充填することにより光透過空間に液層が介在するような場合、気泡の発生や熱輸送による冷媒密度の変動、およびそれに起因した対流揺らぎ等で液層を透過する光の偏光が乱れ、出射側偏光板１１８を通過する画像情報に乱れが生じ、投写画像品質が劣化する。

第２の問題点は信頼性と実装の難しさである。封止された冷媒液を介して液晶ユニット部２２３、３２３の液晶ユニット部材の放熱を行う場合、冷媒液は使用条件に応じて膨張収縮を繰り返す。これに対応するため冷媒容器には調圧機構が設けられているが、長期使用に伴って調圧部材の破損による液漏れの危険が発生する。また冷媒容器２４３、３４３の封止構造、調圧構造が複雑化すると液晶ユニットの組立性が阻害される。

本発明の目的は、小型・高輝度化に対応した長寿命で静かな投射型表示装置を提供することにある。

本発明の投射型表示装置は、複数の液晶パネルと、液晶パネルの前後に配置された入射側偏光板および出射側偏光板と、色合成プリズムとから構成される液晶ユニット部を有する投射型表示装置であって、冷却ファンおよびダクトを備え、液晶パネルと入射側偏光板とを、ダクトの開口部からの送風により冷却する第１の冷却手段と、出射側偏光板と色合成プリズムを保持する一対のホルダ部材と、該一対のホルダ部材に接続された熱交換器とを備える第２の冷却手段と、を有し、一対のホルダ部材は色合成プリズムを上下から保持しており、熱交換器は、一対のホルダ部材の色合成プリズムを保持する面とは反対側の面に同じく一対で接続されており、第２の冷却手段の熱交換器は、第１の熱交換器と第２の熱交換器とからなり、第１の熱交換器は、内部に冷媒液が通過する水路が設けられており、該冷媒液を循環させる循環手段と、該冷媒液を冷却する冷媒液冷却手段をさらに有し、第２の熱交換器には、ホルダ部材に接続して設けられたフィンがあり、該フィン部が、第１の冷却手段のダクトの内部に嵌入されていることを特徴とする。

冷媒液冷却手段がフィンを有する空冷熱交換器であり、その空冷熱交換器が空気取り入れ口の近傍に設けられていてもよく、出射側偏光板は、透明基板と色合成プリズムとで狭持されており、フレーム部材を介して一対のホルダ部材に熱的に接続されていてもよく、色合成プリズムを構成する部材の熱伝導率は、出射側偏光板の熱伝導率よりも大きい方が望ましい。

冷却対象の内、液晶パネルと入射側偏光板は空冷方式で冷却するので位置設定の自由度を有し、位置固定可能な出射側偏光板は熱伝導率の高いフレーム部材を介して色合成プリズムの熱伝導率の高いホルダ部材と接続することにより固体間熱伝導によってホルダ部材に取り付けられた熱交換器に伝熱するので、空冷もしくは水冷で効率よく冷却できる。

上述した目的を達成するために、本発明の液晶プロジェクタ装置では、液晶ユニットの冷却機構を上述のような構成とすることで次のような作用が得られる。

すなわち、液晶ユニットを構成する液晶パネルと、入射側偏光板および出射側偏光板のうち、接合時に光軸に対してＸＹθの光学調整を要するために保持材との一体化が困難な液晶パネルと、その液晶パネルに対し偏光軸の調整を必要とする入射側偏光板とを強制空冷により冷却し、一方、調整の必要のない出射側偏光板は色合成プリズムを保持するホルダ部材を介して、固体間熱伝導によって水冷モジュールやヒートパイプといった外部熱交換器へ伝熱して冷却することができる。

この場合、強制空冷部は入射側偏光板と液晶パネルのみに送風を集約できるため、ファン風量を追加することなく高輝度化に対応した冷却を行うことができ、静音での冷却が可能になる。

一方、固体熱伝導部は色合成プリズムに近接する出射側偏光板に限定しているため、上述の空冷動作と干渉することなく、簡略化した保持構造により熱交換器への熱伝導が可能になる。

この際、出射側偏光板の固定においては、偏光板より熱伝導率の高い透光基板と色合成プリズムとの間に、空間を介さずに狭持する形で保持され、熱伝導性の高いフレーム部材で色合成プリズムの上下ホルダ部材に固定されることにより、色合成プリズムと透光基板の両面から偏光板の熱拡散が促進され、ヒートスポットの低減が図られるとともに、１）偏光板→色合成プリズム→ホルダ部材→熱交換器と、２）偏光板→透光基板→熱伝導性フレーム→ホルダ部材→熱交換器といった２つの経路から固体熱伝導が行われるので伝熱効率が高められる。

また出射側偏光板に熱接続されたホルダ部材のうちの強制空冷用パネルダクト側のホルダ部材にヒートシンクを設け、その放熱フィンを強制空冷用パネルダクトの内側に嵌入する構造を採用することによって、出射側偏光板の冷却機構を簡便化することができるとともに、もう片方の熱交換器の冷却負荷を半分にすることができるため、小型・低コストで組立性に優れた冷却方法となる。

さらに熱交換器のラジエータ部を、入射側偏光板および液晶パネル冷却用の強制空冷ファンの吸気口近傍に設けることによって、空冷用ファンの吸気の流れをラジエータ放熱に併用でき、冷却システム全体のファン実装容量を抑制することができ、より小型・低コストの冷却方法となる。

以上説明したように、本発明の投射型表示装置およびその液晶ユニット冷却機構は、入射側偏光板および液晶パネルを強制空冷により集中的に冷却し、出射側偏光板を固体熱伝導により熱交換器へ熱伝導させて冷却する構造を採用しているため、装置高輝度化にともなう吸光による発熱の増加に対して、ファン出力を増加させることなく冷却余裕を確保できるため、静音での冷却が可能になるという効果がある。

このとき出射側偏光板は、接触している熱伝導性に優れた透光基板と色合成プリズムとによって、入射側面および出射側面の双方から熱拡散の作用を受けながら上下のホルダ部材へ伝熱されるため、面内温度勾配の少ない効率的な冷却が可能となるという効果がある。

さらに下側のホルダ部材に接続する熱交換器をヒートシンクで代用し、ヒートシンクの放熱フィン部を、併用する強制空冷用のパネルダクト内部に嵌入して放熱させる構造を採用することにより、小型・低コストで組立性に優れた冷却システムを有する液晶プロジェクタ装置を提供することができるという効果がある。

また熱交換器のラジエータ部を、併用する強制空冷用の冷却ファンの吸気口近傍に設け、その吸気の流れを放熱に利用することで、冷却システム全体の小型実装と低騒音化および低コスト化を図ることが可能になるという効果がある。

以下に、本発明による液晶ユニット冷却機構の第１の実施の形態について図面を参照しながら詳細に説明する。図１は、本発明の第１の実施の形態における液晶ユニット冷却機構の斜視図であり、図２は、図１の第１の実施の形態における液晶ユニット冷却機構の一部の分解図である。図３は、第１の実施の形態における出射側偏光板の保持構造を示した説明図であり、（ａ）は液晶ユニット冷却機構の部分断面図、（ｂ）は出射側偏光板の保持構造の斜視図、（ｃ）は出射側偏光板の保持構造の分解図である。図４は、本発明の第１の実施の形態における出射側偏光板の、その他の保持構造例を示した断面図である。図５は、本発明の第１の実施の形態の作用を示す断面図である。図１から図５に示す本実施の形態は、請求項１から４、および請求項７、８の内容を具現化したものである。ここで、図１１および図１２を参照して従来技術で説明した一般的な液晶ユニット冷却機構と同一の機能を有する部分は同一の符号を付して説明する。

ここでは、上述のように１組の入射側偏光板や出射側偏光板および液晶パネルの組み合わせを液晶ユニット１９と呼称し、３個の液晶ユニットに色合成プリズムと保持材とが組み合わさった構成を液晶ユニット部２３と呼称する
図１および図２において、本発明の液晶ユニット冷却機構２５ａは、液晶ユニット部２３ａと、空冷モジュール２６ａと、熱交換器として用いられる液冷モジュール２７ａとから構成されている。

このうち液晶ユニット部２３ａは、従来例の図１１および図１２で詳述したように、各色光に対応した３個の液晶パネル１６と、３個の入射側偏光板１７と、３個の出射側偏光板１８と、色合成プリズム１４と、色合成プリズム１４を上下から保持する一対のホルダ部材２８ａ、２８ｂとから構成されており、３個の出射側偏光板１８は、図３および図４（ａ）に示すように、色合成プリズム１４とそれぞれの透光基板２９に狭持され、それぞれのフレーム部材３０によって上下のホルダ部材２８ａ、２８ｂに押圧固定されている。

このときホルダ部材２８ａ、２８ｂは、例えばアルミやマグネシウム合金といった、熱伝導性に優れ、加工性の良好な材質で形成されており、色合成プリズム１４はＵＶ接着等の手段によりホルダ部材２８ａ、２８ｂで上下から固定される。このためホルダ部材２８ａ、２８ｂの上下いずれか一方の中央部にはＵＶ照射用の貫通穴３１ａが設けられている。

フレーム部材３０もまた、熱伝導性と加工性に優れた材質で形成されるが、その形状はパネル透過光を遮蔽せず、出射側偏光板１８と光学補償フィルム３２をその両面に貼付した透光基板２９を確実に保持し、かつホルダ部材２８ａ、２８ｂと熱的に接続できるものであればよい。必要に応じてフレーム部材３０とホルダ部材２８ａ、２８ｂとの界面に高熱伝導性シートやシリコングリス、相変化シート等のサーマルインターフェイスを介して接触熱抵抗をより小さく設計するようにしてもよい。

一方、液冷モジュール２７ａは、パソコンにおけるＣＰＵ冷却に採用されている汎用の水冷モジュールを想定している。すなわち液冷モジュール２７ａは、プロピレンアルコールやエチレングリコールを組成にもつ冷媒液３３を循環させるポンプ３４と、内部に流路が設けられたジャケット部３５ａ、３５ｂと、接続チューブの繊維孔からの揮発による液量減少を補償するとともに、熱膨張による内圧上昇を緩和するためのリザーブタンク３６と、吸熱して高温になった冷媒液３３を外気へ放熱させるためのラジエータ３７とから構成されている。

このとき一対のジャケット部３５ａ、３５ｂは、それぞれホルダ部材２８ａ、２８ｂの色合成プリズム１４の接着面とは反対側の面に接続され、出射側偏光板１８ａ、１８ｂ、１８ｃで発生する熱を、ホルダ部材２８ａ、２８ｂ、２８ｃを介して受熱し、冷媒液３３をラジエータ３７へ循環して放熱する構造となっている。

また液晶ユニット部２３ａの下方には、冷却ファン２０ｂとパネルダクト２１ｂとからなる空冷モジュール２６ａが配置されており、液晶パネル１６ａ、１７ｂ、１６ｃと、入射側偏光板１７ａ、１７ｂ、１７ｃのみに集中してファン風量を送るようにダクト開口部２２ｄ、２２ｅ、２２ｆが設定されている。

次に図５を用いて液晶ユニット部２３ａの冷却動作について説明する。従来と同様の光学配置に設定された入射側偏光板１７ａ、１７ｂ、１７ｃと液晶パネル１６ａ、１７ｂ、１６ｃとは、空冷モジュール２６ａのパネルダクト２１ｂからの冷却風２４ｂと面接触し、熱伝達により吸光発熱の強制空冷が行われる。

このときパネルダクト２１ｂのダクト開口部２２ｄ、２２ｅ、２２ｆは、入射側偏光板１７ａ、１７ｂ、１７ｃと液晶パネル１６ａ、１６ｂ、１６ｃのみに限定して開口されているため、従来の入射側偏光板、液晶パネル、出射側偏光板の各々を強制空冷する場合に比べ、出射側偏光板の冷却を考慮する必要がなくなり、
１）冷却風量を入射側偏光板と液晶パネルに集中できるので強制空冷の冷却効率を上げられ、
２）空冷対象となる総発熱量を減少できるので冷却余裕を確保できる、
といったメリットを得ることができる。換言すれば、高輝度化に伴う吸光発熱の増加に対して、ファン出力を増加することなく対応できるため動作騒音の上昇を抑制することが可能になる。

一方、出射側偏光板１８ａ、１８ｂ、１８ｃに対しては、上述したように、色合成プリズム１４と透光基板２９ａ、２９ｂ、２９ｃとによって空間を介さずに狭持され、フレーム部材３０ａ、３０ｂ、３０ｃによりホルダ部材２８ａ、２８ｂと接続（押圧固定）される構成となっている。

このとき出射側偏光板１８ａ、１８ｂ、１８ｃで生じた吸光発熱は、透光基板２９ａ、２９ｂ、２９ｃおよび色合成プリズム１４との接触により、光透過面の入射側および出射側の双方から熱拡散されつつ、色合成プリズム１４とフレーム部材３０ａ、３０ｂ、３０ｃとの両方の経路を通って上下に配置されたホルダ部材２８ａ、２８ｂへと伝熱される（図５黒矢印参照）。

上下のホルダ部材２８ａ、２８ｂへ伝達された熱量は、ホルダ部材２８ａ、２８ｂの色合成プリズム接着面とは反対側に接続された液冷モジュール２７ａのジャケット部３５ａ、３５ｂにより吸熱され、冷媒液３３の循環によりラジエータ３７へ熱輸送されて外気に放熱される。

このときフレーム部材３０とホルダ部材２８とを構成する部材としては、アルミニウムやマグネシウムといった熱伝導性の高い材質を用いるのが熱抵抗設計の観点から望ましく、一方、透光基板２９や色合成プリズム１４に対しても、例えばサファイアや水晶といった出射側偏光板１８よりも熱伝導率の高い光透過部材で構成するのが、熱拡散効果を高めてヒートスポットを低減し、偏光板温度を抑制して寿命を確保するといった観点から望ましい。

しかしながら、製造コストの制約により高熱伝導性部材の色合成プリズムへの適用が困難な場合には、上述の図４（ａ）に示す構成ではなく、図４（ｂ）で示したように、２つのパーツから構成される高熱伝導性のフレーム部材３０ｄ、３０ｅで、出射側偏光板１８ｂおよび光学補償フィルム３２ｂが貼付された透光基板２９ｄを密着保持して、色合成プリズム１４とは離間した状態で、上下のホルダ部材２８ａ、２８ｂへ接続する構成を代用してもよい。

あるいは図４（ｃ）に示したように、出射側偏光板１８ｂを２枚の透光基板２９ｅ、２９ｆで挟み、入射側および出射側の両面で熱拡散作用を促しつつ、同じく２つのパーツから構成される熱伝導性の高いフレーム部材３０ｆ、３０gにより、出射側偏光板１８ｂと光学補償フィルム３２ｂ、３２ｅが積層された透光基板２９ｅ、２９ｆを密着保持して、色合成プリズム１４とは離間した状態で、上下のホルダ部材２８ａ、２８ｂへ接続する構成で代用することも可能である。

このような出射側偏光板の冷却機構を採用することにより、次のようなメリットを得ることができる。すなわち、
１）液冷モジュールの冷却対象を出射側偏光板に限定することで、受熱構造をコンパクトにできる。
２）冷却負荷を軽減できるためラジエータ部の小型・低騒音化が容易になる。
３）上述の空冷モジュールとの干渉を最小限に抑制した実装が可能になる。
４）出射側偏光板の入射面および出射面の双方から熱拡散し上下から吸熱を行う構造により、偏光板の冷却効率が高く、また面内温度分布を均一に設定できるため、寿命設計や画像品質の向上に寄与できる。

次に、本発明による液晶ユニット冷却機構の第２の実施の形態について図面を参照しながら詳細に説明する。図６は、本発明の第２の実施の形態を示す液晶ユニット冷却機構の斜視図であり、図７は、同じく本発明の第２の実施の形態を示す液晶ユニット冷却機構の分解図である。図８は、本発明の第２の実施の形態の液晶ユニット部を示す斜視図である。図９は、本発明の第２の実施の形態の液晶ユニット冷却機構の作用を示す断面図である。図６から図９に示す本実施の形態は、請求項１から３、請求項５および請求項７、８の内容を具現化したものである。

上述した第１の実施の形態における液晶ユニット冷却機構２５ａでは、液冷モジュール２７ａのジャケット部３５ａ、３５ｂをホルダ部材２８ａ、２８ｂの上下に一対設置する構造のため、以下のような問題が考えられる。すなわち、
１）マルチジャケット構成が液冷ユニットのコスト増加を招く。
２）同じくマルチジャケット構成により冷媒循環流路の圧力損失が大きくなるため、システムとしての熱抵抗が悪化する。
３）液晶ユニットの実装寸法がジャケットの厚みに相当する分高くなる。
４）装置組立が複雑になり、生産性が低下する。
５）配管数が増えるため、樹脂チューブ長の延長による冷媒揮発量の増加（それに伴うリザーブタンクの大型化）や、さらにはリークの可能性のある箇所の増加といった装置信頼性を損なう要因が増える。

さらにはジャケット部３５を接続するホルダ部材２８には、通常、色合成プリズム１４の接着を目的としてＵＶ照射用の貫通穴３１ａが上下いずれかの中央部に用意される。この貫通穴３１ａの所在が、ジャケット内の水路設計を制約し、またジャケット接続面積を制限するため、受熱性能を著しく低下させる要因となる。

本発明による液晶ユニット冷却機構の第２の実施の形態は、上述した第１の実施の形態における問題への対応が考慮された形態となっている。図６および図７において、本発明の液晶ユニット冷却機構２５ｂは、液晶ユニット部２３ｂと、空冷モジュール２６ｂと、熱交換器として用いられる液冷モジュール２７ｂとから構成されている。

このうち液晶ユニット部２３ｂは、上述した第１の実施の形態と共通の構成を採用しており、色合成プリズム下側のホルダ部材２８ｄには上述したＵＶ照射用の貫通穴３１ｂが設けられている。

一方、液冷モジュール２７ｂは、上述した第１の実施の形態において使用した液冷モジュール２７ａからジャケット部を１つ省略し、シングルジャケット構成としたものが採用されている。

このジャケット部３５ｃは、液晶ユニット部２３ｂにおける上側のホルダ部材２８ｃの色合成プリズム接着側とは反対面に接合されており、ＵＶ照射用貫通穴３１ｂが用意されている下側ホルダ部材２８ｄには、ピンフィンタイプのヒートシンク３８が、後述するパネルダクト２１ｃの内部に向かって放熱フィンを伸長する方向に接続されている（図８参照）。

他方、液晶ユニット部２３ｂの下方には、上述した第１の実施の形態と同様に、冷却ファン２０ｂとパネルダクト２１ｃからなる空冷モジュール２６ｂが配置されているが、このときパネルダクト２１ｃのヒートシンク投影面には切り欠き部３９が用意されており、実装時に下側のホルダ部材２８ｄと接続されたヒートシンク３８がパネルダクト２１ｃ内に嵌入し、ダクト内部において、入射側偏光板および液晶パネル冷却用の冷却風２４ｃ（図９）を受けて放熱が行われる構造になっている。

次に図９を用いて第２の実施の形態における液晶ユニットの冷却動作について説明する。出射側偏光板１８ａ、１８ｂ、１８ｃの保持構成に関しては、上述した第１の実施の形態を踏襲しており、出射側偏光板１８で生じた吸光発熱は、同じく透光基板２９ａ、２９ｂ、２９ｃと色合成プリズム１４により、光透過面から熱拡散されつつ、色合成プリズム１４およびフレーム部材３０ａ、３０ｂ、３０ｃを経由して、上下に配置されたホルダ部材２８ｃ、２８ｄへ伝熱される（図９黒色矢印参照）。

上側のホルダ部材２８ｃへ伝達された熱量は、第１の実施の形態と同様に、ホルダ部材２８ｃの色合成プリズム接着面とは反対側に接続された液冷モジュール２７ｂのジャケット部３５ｃにより吸熱され、冷媒循環によりラジエータ３７へ熱輸送され外気に放熱される。

他方、下側のホルダ部材２８ｄへ伝達された熱量は、ホルダ部材２８ｄの色合成プリズム接着面とは反対側に接続されたヒートシンク３８に伝熱され、パネルダクト２１ｃ内部の冷却風２４ｃをフィン部で受けて強制空冷により放熱される。このときヒートシンク３８のフィン形状はプレートフィンタイプでもピンフィンタイプでもよく、パネルダクト内部の空気流れの特性にマッチした形状のものが選択されればよい。

また本実施の形態では、下側のホルダ部材２８ｄとヒートシンク３８とを別部材で構成しているが、簡略化のために一体構成とすることも可能である。ただしその場合、ＵＶ照射用の貫通穴３１ｂの所在にあわせてフィン部も開放する必要があり、放熱性能が低下するため設計には注意が必要である。

一方、入射側偏光板１７ａ、１７ｂ、１７ｃと液晶パネル１６ａ、１７ｂ、１６ｃの冷却においては、第１の実施の形態と同様に、空冷モジュール２６ｂのパネルダクト２１ｃからのファン送風を受け、強制空冷が行われる。

このとき入射側偏光板１７と液晶パネル１６への冷却風２４ｃは、ダクト内部においてヒートシンク３８からの放熱の仕事を行っているため、温度上昇の影響を受ける。

しかしながら、
１）ヒートシンク放熱量は出射側偏光板１８の吸光発熱が対象であり、そのうち下側ホルダ部材２８ｄから伝熱される熱量（約１／２）に限定され、
２）熱伝導性の高い透光基板２９や色合成プリズム１４、フレーム部材３０、ホルダ部材２８等で熱拡散されているため、ヒートシンク３８のベース部はそれほど高温にならず、フィン放熱によるダクト内部の温度上昇も抑制されるため、入射側偏光板１７と液晶パネル１６の冷却への影響はほとんど無視できる範囲に収まり、
従って余り大きな影響は受けない。

本実施の形態に示すような液晶ユニット冷却機構２５ｂを採用することにより、第１の実施の形態における優位性に加えて、液冷モジュール２７ｂのジャケット部の数量を減らして簡略化できるため、
１）コストの低減を図れ、
２）ジャケット実装が上側ホルダ部材に限定されるため組立性が向上し、
３）循環系が短縮されるため流路抵抗が減り、液冷モジュールのシステム熱抵抗設計が容易になり、
４）液冷モジュールの冷却負荷が約半分になるためラジエータの小型・静音化が図られ、
５）配管系の簡略化も同時に行われるため、樹脂チューブからの冷媒揮発量を抑制でき、リザーブタンクの小型化が図られ、
６）同じく配管系の簡略化により装置信頼性が向上し、
７）下側ホルダ部材接続用ジャケットに相当するヒートシンクは、実質的にパネルダクト内部に収容されるため実装高さを抑制できる、
といったメリットが得られる。

次に、本発明による液晶ユニット冷却機構の第３の実施の形態について図面を参照しながら詳細に説明する。図１０は、本発明の第３の実施の形態を示す液晶ユニット冷却機構を説明するための図であり、（ａ）は斜視図、（ｂ）は側面図、（ｃ）は作用を示す模式的部分断面上面図である。

図１０に示す本実施の形態は、特に請求項６に基づいて記載されたものであるが、第１あるいは第２の実施の形態と組み合わされて実施される。以下では、第２の実施の形態と組み合わせた場合を想定して説明を行う。

すなわち、第２の実施の形態では、入射側偏光板１７および液晶パネル１６の強制空冷を行う空冷モジュール２６ｂ（図６および図７参照）と、出射側偏光板１８の熱伝導冷却を行う熱交換器（その実施の形態においては液冷モジュール２７ｂで説明）とを組み合わせているが、第３の実施の形態では、このとき熱交換器の放熱用ラジエータ３７を、空冷モジュール２６ｂの空冷ファン２０ｂの吸気口４０に近接した位置に配置し、冷却ファン２０ｂの吸気による流動空気４１をラジエータ部３７の強制対流熱伝達による放熱に利用している。

このときラジエータ３７は、空冷ファン２０ｂの吸気抵抗を考慮してスタックフィン形状を採用しているが、ファン吸気を妨げず、十分な放熱効果が得られるものであればこれに限定するものではない。

この場合においても、第２の実施の形態と同様に、入射側偏光板１７と液晶パネル１６の強制空冷用の空気取り入れ口（冷却ファン２０ｂの吸気口４０）において、ラジエータ３７の放熱が行われているため、ファン送風（冷却風２４ｃ）は温度上昇の影響を被ることになる。

しかしながら、例えば第１および第２の実施の形態で示した液冷モジュールでは、受熱部（ジャケット部３５ｃ）の冷媒温度に対して、放熱部（ラジエータ３７）の冷媒温度は、発熱量とシステム熱抵抗設計に依存するが、約１０℃程度低く、ラジエータ表面温度ではそこからさらに５℃程度低くなるため、ラジエータ３７の放熱による冷却ファン２０ｂの吸気温度上昇はそれほど大きくなく（発熱量３０Ｗ、システム熱抵抗０．５℃／Ｗの場合）、さらにファン吸い込み側の気流は指向性が低いので、冷却ファン２０ｂは、ラジエータ３７の周囲の放熱に用いられていない空気も同時に吸気するため、吸気温度上昇はさらに緩和され、入射側偏光板１８と液晶パネル１７の強制空冷に対する冷却性能への影響もまた、ほとんど無視できる範囲に止まる。

本実施の形態に示すような熱交換器のラジエータ配置を行うことにより、ラジエータ放熱用のファンを省略できるため、冷却システム全体の低コスト化と静音化を図れるとともに、実装容積の縮小による装置小型化を実現することができる。

なお、第１、第２および第３の実施の形態では熱交換器として液冷モジュールを採用しているが、ヒートパイプやベーパチャンバーといった他の熱交換器を用いても、同様の効果を得ることができることは明白である。

最後に、先に用いた図１３から図１６を用いて、開示されている液晶ユニット冷却方法と本発明との相違を説明する。

図１３に示す従来例２の液晶ユニット冷却機構は、液晶ユニット部２２３の出射側偏光板２１８を冷媒液２３３を充填した冷媒容器２４３に接触させ、冷媒容器２４３を色合成プリズム２１４のホルダ部材２２８の側壁に固定しており、冷媒容器１４３の構成に特徴を持たせている。また図１４に示す従来例３では、充填した冷媒液に接触させる光学部材を、出射側偏光板の他に液晶パネル３１６まで拡張した冷媒容器３４３を構成することを特徴としている。

これらに対し、本発明の第１の実施の形態では、出射側偏光板１８の発熱を色合成プリズム１４のホルダ部材２８へ熱伝導して冷却する点では共通であるが、間に冷媒液ではなく、透光基板２９や色合成プリズム１４を介して熱拡散を促進し、固体熱伝導により熱量の移送を行っている点で異なっている。

充填した冷媒液２３３を出射側偏光板２１８や液晶パネル３１６に接触させて熱拡散を行い放熱する従来例２および従来例３には上述のような問題があるが、本発明のように固体熱伝導を利用して、熱拡散を促進し熱交換器へ伝熱させる構造の場合、上述の問題点は克服される。さらに固体熱伝導に色合成プリズムを利用することにより、組立構造を簡略化して、強制空冷側（入射側偏光板と液晶パネルの冷却側）の空気流れ空間（隙間）を拡張させて流速増加による熱伝達効率の改善を図ることも可能になる。

また出射側偏光板の放熱に関しても、色合成プリズムの上下ホルダに熱交換器を接続して、発熱体から離間した位置でラジエータから放熱させている点で異なっており、より効果的な冷却が行えるような構造となっている。

さらに上述の従来例２および３では、色合成プリズム２１５の上側のホルダ部材２２８に放熱フィン２４２を設けて放熱効果を求めているが、本発明の第２の実施の形態では、下側ホルダに空冷フィン（ヒートシンク）を設け、かつ併用する空冷モジュールの空冷ダクト内部にフィン部を嵌入させることにより、十分な強制対流熱伝達によるフィン放熱効果が得られるように設定している点で異なる。

加えて本発明の第１および第２の実施の形態では、併用する空冷モジュールを入射側偏光板と液晶パネルにのみに集約して送風するように設定することで、強制空冷の冷却余裕を稼いでいる点でも異なっている。

図１５に示す従来例４の液晶ユニット冷却構造は、液晶ユニット部４２３（入射側偏光板、液晶パネル、出射側偏光板）を強制空冷で冷却する際に、ダクトを密閉循環型に設定して、閉じた系内を流れる空気流を冷却するためにヒートシンク４３８を密閉循環ダクト４４６の途中に設定している。これに対して本発明の第２の実施の形態では、ヒートシンクを固体熱伝導による出射側偏光板の熱量を放熱するために、色合成プリズムの下側のホルダ部に用意し、また放熱フィンも開示例とは反対に、ダクト内部へ伸長するように設定してダクト内でヒートシンクの放熱を行うように設定しており、ダクト内の循環空気の熱量を外へ放熱する構成の従来例４とは、その構造も作用も異なっている。

図１６に示す従来例５では、ダクト５２１の途中通路にペルチェ素子５３９と接続された第１のヒートシンク５３８ａ（冷却用）を嵌入し、同じくペルチェ素子５３９の発熱側に第２のヒートシンク（放熱用）５３８ｂを接続して、液晶ユニット（図示せず）に送風する空気の温度を予め下げておくことにより、冷却効果を高める作用を狙っている。この場合においても、従来例４の場合と同様に、本発明の第２の実施の形態における下側ホルダ部材のヒートシンク構造とは、その接続構成と作用および効果が異なっている。すなわち従来例５は、ダクト内空気流の冷却が目的であり、そのために液晶パネルへと導風するダクト５２１の途中に冷却機構（ヒートシンク５３８＋ペルチェ素子５３９）を設置しているのに対して、本発明の第２の実施の形態ではダクト内空気流への放熱が目的であり、そのために出射側偏光板の吸熱構造（フレーム部材＋ホルダ部材２８＋ヒートシンク３８）を設け、液晶ユニット部の直下に放熱フィンを配置する構造を採用している点で相違する。

本発明の第１の実施の形態における液晶ユニット冷却機構の斜視図である。 図１の第１の実施の形態における液晶ユニット冷却機構の一部の分解図である。 第１の実施の形態における出射側偏光板の保持構造を示した説明図であり、（ａ）は液晶ユニット冷却機構の部分断面図、（ｂ）は出射側偏光板の保持構造の斜視図、（ｃ）は出射側偏光板の保持構造の分解図である。 本発明の第１の実施の形態における出射側偏光板の、その他の保持構造例を示した断面図である。 本発明の第１の実施の形態の作用を示す断面図である。 本発明の第２の実施の形態を示す液晶ユニット冷却機構の斜視図である。 本発明の第２の実施の形態を示す液晶ユニット冷却機構の分解図である。 本発明の第２の実施の形態の液晶ユニット部を示す斜視図である。 本発明の第２の実施の形態の液晶ユニット冷却機構の作用を示す断面図である。 本発明の第３の実施の形態を示す液晶ユニット冷却機構を説明するための図であり、（ａ）は斜視図、（ｂ）は側面図、（ｃ）は作用を示す模式的部分断面上面図である。 従来技術の一般的な液晶プロジェクタ装置の基本構成を示す模式図である。 従来例１の強制空冷による液晶ユニット冷却方法の一例を示す模式図であり、（ａ）は斜視図、（ｂ）は模式的断面図である。 特許文献１に記載の従来例２の液晶ユニット冷却機構の模式的断面図である。 特許文献２に記載の従来例３の液晶ユニット冷却機構の模式的斜視図である。 特許文献３に記載の従来例４の液晶ユニット冷却機構の模式的斜視図である。 特許文献４に記載の従来例５の液晶ユニット冷却機構の模式的斜視図である。

符号の説明

１ 液晶プロジェクタ装置
２ 照明光学系
３ 光源
４ リフレクタ
５ａ、５ｂ 光インテグレータ
６ 偏光ビームスプリッタ
７ 色分離光学系
８ａ、８ｂ ダイクロイックミラー
９ａ、９ｂ、９ｃ、９ｄ 反射ミラー
１０ａ、１０ｂ リレーレンズ
１１ａ、１１ｂ フィールドレンズ
１２ 結像光学系
１３ 光変調部
１４、１１４、２１４ 色合成プリズム
１５ 投写レンズ
１６ａ、１６ｂ、１６ｃ、１１６ａ、１１６ｃ、２１６、３１６ 液晶パネル
１７ａ、１７ｂ、１７ｃ、１１７ａ、１１７ｃ、２１７ 入射側偏光板
１８ａ、１８ｂ、１８ｃ、１１８ａ、１１８ｃ、２１８ 出射側偏光板
１９ａ、１９ｂ、１９ｃ 液晶ユニット
２０ａ、２０ｂ、１２０、２２０、５２０ 冷却ファン
２１ａ、２１ｂ、２１ｃ、１２１ パネルダクト
２２ｄ、２２ｅ、２２ｆ、２２ｇ、２２ｈ、２２ｉ、１２２ａ、１２２ｂ、１２２ｃ ダクト開口部
２３ａ、２３ｂ、１２３、２２３、３２３、４２３ 液晶ユニット
２４ｂ、２４ｃ、１２４ａ、１２４ｃ 冷却風
２５ａ、２５ｂ 液晶ユニット冷却機構
２６ａ、２６ｂ 空冷モジュール部
２７ａ、２７ｂ 液冷モジュール
２８ａ、２８ｂ、２８ｃ、２８ｄ、２２８ ホルダ部材
２９ａ、２９ｂ、２９ｃ、２９ｄ、２９ｅ、２９ｆ 透光基板
３０ａ、３０ｂ、３０ｃ、３０ｄ、３０ｅ、３０ｆ、３０g フレーム部材
３１ａ、３１ｂ 貫通穴
３２ａ、３２ｂ、３２ｃ、３２ｄ、３２ｅ 光学補償フィルム
３３、２３３ 冷媒液
３４ ポンプ
３５ａ、３５ｂ、３５ｃ ジャケット
３６ リザーブタンク
３７ ラジエータ
３８、２３８、３３８ ヒートシンク
３９ 切り欠き部
４０ 吸気口
４１ 流動空気
４８ 伝熱経路
２４２、３４２ 放熱フィン
２４３、３４３ 冷媒容器
２４４ シールド基板
４４５ 循環ファン
４４６ 密閉循環ダクト
５２１ ダクト
５３８ａ 第１のヒートシンク
５３８ｂ 第２のヒートシンク
５３９ ベルチェ素子

Claims (4)

1. 複数の液晶パネルと、
   前記液晶パネルの前後に配置された入射側偏光板および出射側偏光板と、
   色合成プリズムとから構成される液晶ユニット部を有する投射型表示装置であって、
   冷却ファンおよびダクトを備え、前記液晶パネルと前記入射側偏光板とを、前記ダクトの開口部からの送風により冷却する第１の冷却手段と、
   前記出射側偏光板と前記色合成プリズムを保持する一対のホルダ部材と、該一対のホルダ部材に接続された熱交換器とを備える第２の冷却手段と、を有し、
   前記一対のホルダ部材は前記色合成プリズムを上下から保持しており、
   前記熱交換器は、前記一対のホルダ部材の前記色合成プリズムを保持する面とは反対側の面に同じく一対で接続されており、
   前記第２の冷却手段の前記熱交換器は、第１の熱交換器と第２の熱交換器とからなり、
   前記第１の熱交換器は、内部に冷媒液が通過する水路が設けられており、
   該冷媒液を循環させる循環手段と、該冷媒液を冷却する冷媒液冷却手段をさらに有し、
   前記第２の熱交換器には、前記ホルダ部材に接続して設けられたフィンがあり、
   該フィン部が、前記第１の冷却手段の前記ダクトの内部に嵌入されていることを特徴とする投射型表示装置。
2. 前記冷媒液冷却手段がフィンを有する空冷熱交換器であり、該空冷熱交換器が空気取り入れ口の近傍に設けられている、請求項１に記載の投射型表示装置。
3. 前記出射側偏光板は、透明基板と前記色合成プリズムとで狭持されており、フレーム部材を介して前記一対のホルダ部材に熱的に接続されている、請求項１または２に記載の投射型表示装置。
4. 前記色合成プリズムを構成する部材の熱伝導率は、前記出射側偏光板の熱伝導率よりも大きい、請求項１から３のいずれか１項に記載の投射型表示装置。

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