JP2005128169A - 光学素子の冷却装置及びビデオプロジェクタ - Google Patents

Abstract

【課題】光学結合媒体である液体の使用をなくし、その帰結として複雑な組み立て工程を必要とする液体封止作業がなくなり、より簡単な構成で安価な光学素子の冷却装置を提供することを目的とする。
【解決手段】金属を主成分とする放熱体４８と、光透過性を有し、樹脂の射出成形時に放熱体４８と合体成形結合されている樹脂成形体４９とを備え、放熱体４８は、樹脂成形体４９との接合部に複数の櫛歯状の凹凸部４８ｂを有し、表面に黒色ニッケルメッキが施されている光学素子の冷却装置。
【選択図】図７

Description

本発明は、ガラスプリズムなどの光学素子の冷却装置及びそれを用いたビデオプロジェクタに関するものである。

最近、デジタルマイクロミラーデバイス（以下ＤＭＤと称す）を画像創生素子として用いるビデオプロジェクタが普及してきており、市場で数多く販売されるようになってきた。ＤＭＤは、半導体製造プロセスと同様のプロセスで製造され、シリコン基板上に一辺が数ミクロンのマイクロミラーが縦横に多数整列された構成からなっている。

この一つのＤＭＤチップには、マイクロミラーが数十万〜数百万個整列されており、この一つ一つが画像創生の一画素として機能する（例えば、特許文献１参照。）。

この一画素として機能するマイクロミラーは、所定の軸を回動軸として、電気信号のＯＮ−ＯＦＦによってシーソー運動を行う。したがってマイクロミラーは、電気信号のＯＮの位置と、ＯＦＦの位置の２つの位置をとるようになっている。

図１は、ＤＭＤ１内のマイクロミラーの構成及び動作を示す図である。ＤＭＤ１内に整列されたマイクロミラー２（説明上拡大表示している）に、左斜め下方から入射する光線Ｌは、マイクロミラー２がどちらに傾いているかで、反射光の方向が２方向に分かれる。電気信号がＯＮの時は位置ｍをとり、反射光はＲｍの方向に出射される。また電気信号がＯＦＦの時は位置ｎをとり、反射光はＲｎの方向に出射される。

図２は、ＤＭＤを用いた従来のビデオプロジェクタの概略構成図である。図に示すように、従来のビデオプロジェクタは直方体形状のカラープリズム３と、三角柱形状のプリズム４及び５を備えている。このカラープリズム３の一面にマイクロミラー２が対面するようＤＭＤ１が設置されている。また、カラープリズム３のＤＭＤ１が配置されている面とは反対側の面に対抗して、投射レンズ８が設置されている。この投射レンズ８とカラープリズム３の間に、側面がカラープリズム３の側面と平行になるようにプリズム４が設置されており、プリズム４の側面と一側面が平行になるようにプリズム５が設置されている。これらのプリズム４とプリズム５は底面である三角形状が上下逆になるように設置され、その対向面間はごく薄い平行な空気層６（空気層厚は約５ミクロン）となっている。また、不用光を吸収消滅させるために、カラープリズム３を冷却するプリズム冷却装置９がＤＭＤ１とプリズム４が設置されている以外の側面に設置されている。

次ぎに、上記構成の従来のビデオプロジェクタの動作について以下に述べる。

図２において、Ａの方向から入射した光線は、プリズム４の傾斜面４ａで全反射される（プリズム４と５の間には空気層６が存在するため全反射となる）。傾斜面４ａで反射された光線は、光路Ｌを進行し、カラープリズム３の右側面から出射する。光線がカラープリズム３のガラス中から空気中に出射する際に図２に示すように屈折が起こる。そして、カラープリズム３の右面から出射した光線はＤＭＤ内のマイクロミラー２に入射する。マイクロミラー２がｍの位置にある時は、反射光線はプリズム３，４，５の中を通過しＲｍの方向に進行する。

プリズム５から出射した光線は投射レンズ８に入り、この投射レンズ８の前方に設置されたスクリーン（図示せず）に映像が拡大投射される。

Ａ方向から入射する並行光束は、きわめてエネルギ密度の高い強力な均一光線束である。この光線束がＤＭＤのマイクロミラー７群に入射され、個々のマイクロミラーは映像信号によって超高速で駆動されて入射光は投射光と不用光に振り分けられる。個々のマイクロミラー７（個々の画素に相当する）で反射された多数の光線群の組み合わせによって映像が形成される。

映像の明暗は個々のマイクロミラー７が高速でＯＮ−ＯＦＦ駆動されることにより、一定時間内に投写方向に駆動されている積算時間の差よって表現される。

ここで、マイクロミラー７がｎの位置にある時は、反射光線（不用光となる）はＲｎ方向に進行する。Ｒｎ方向に進行する光線は不用光であり、反射や散乱によるコントラストの低下やゴーストの発生を避けるために、出来るだけ速やかに吸収消滅させる必要がある。そのためにプリズム冷却装置９がカラープリズム３の上面に接合搭載されている。

もし、プリズム冷却装置９が備えられていない場合には、図３に示すように、マイクロミラー２からＲ１の方向に反射された不用光はカラープリズム３内を進行し、そのカラープリズム３の上面３ａで全反射してこのカラープリズム３の外へは出射しない。これはガラスの屈折率をＮｄ＝１．５２とすると、全反射角は４１．１４°となり、入射角がこの角度より大きいことによる。

上記のように反射される不用光Ｒ１のエネルギーの一部はカラープリズム３の内部で熱に変化するため、カラープリズム３の温度が極めて高くなり、プリズム同士あるいはカラープリズム３を基台（図示せず）に取付けている接着剤が熱のために劣化するなど種々な面で問題となる。またカラープリズム３の上面３ａで反射した不用光Ｒ１は、各プリズム３、４、５の内部をＲ２，Ｒ３，Ｒ４と経路をたどり、プリズム周辺に出て行き不用な光線として散乱し、投写像のコントラストを悪化させたり、ゴースト像発生の原因となったり、また光線の到達した部分の温度上昇を招くなどの深刻な不具合が発生する。

次に、従来のプリズム冷却装置９について説明する。図４は従来のプリズム冷却装置９の構成図である。銅、銅合金、アルミニュームなどの熱伝導性のよい金属で造られたヒートシンク１０は光の吸収がよく、かつ熱の放散性を高めるために艶消し黒色の表面仕上げが成されている（例えば、黒色ニッケルメッキ）。このヒートシンク１０は、放熱効果を高めるために放熱フィン１０ａを有している。

前記ヒートシンク１０の底面部には、入射した光線を効率的に減衰させるために櫛歯状突起１０ｂが多数個形成されている。図５に示すように櫛歯状突起１０ｂに当った光線は、殆どがその部分で吸収されるが、わずかな反射光は図５に示すように櫛歯状突起１０ｂの間で多段反射を繰り返し最終的に熱に変換される。

また、ヒートシンク１０の櫛歯状突起１０ｂが形成されている側には、液密に透明なシールガラス１１が接着されている。そして上記ヒートシンク１０とシールガラス１１とで構成される液密空間に、オプチカルカップリング液１２（以後ＯＣ液）が充填されている。このＯＣ液を前記液密空間に注入するための注入栓１３がヒートシンク１０に設置されている。図４には注入栓１３を１つしか図示していないが、実際にはＯＣ液注入用と空気抜き用の２つの注入栓が設置されている。なお、ＯＣ液１２は残留気泡が無いように液密空間全体に充填される。

上述したように、反射光が熱に変換されプリズム冷却装置９全体が温度上昇すると、ＯＣ液１２も同様に温度上昇するので体積が膨張する。この体積膨張を吸収緩和する仕掛けが注入栓１３に組み込まれている。この注入栓１３は中空軸１３ａを有しており、中空軸１３ａの中心部には上下貫通して、ＯＣ液１２を注入あるいは空気を抜くための貫通孔が形成されている。そして中空軸１３ａを覆うようにゴムキャップ１３ｂが被せられている。さらにその上から封止キャップ１３ｃがねじ止めされている。ゴムキャップ１３ｂの根元部に形成されている断面が円形状のシール部分が、封止キャップ１３ｃを螺合することで、中空軸１３ａと封止キャップ１３ｃに形成された双方の段差部に挟み込まれ液密なシールがなされる。ＯＣ液１２の膨張・収縮は、上記ゴムキャップ１３ｂの弾性変形によって吸収される。

図４のように組み立てられたプリズム冷却装置９は、カラープリズム３の上に透明度の高い接着剤で接合されている。接着層での反射を少なくするため、接着剤の屈折率は出来るだけプリズムの屈折率に近いものを用いる必要がある（屈折率Ｎｄ＝１．４９前後）。

図２に示すようにプリズム冷却装置９が接合搭載されると、不用光Ｒｎはプリズム上面３ａで全反射することなく、接着層→シールガラス１１→ＯＣ液１２を透過しヒートシンク１０に形成された櫛歯状突起１０ｂに到達する。櫛歯状突起１０ｂに到達した光線は、既に図５で説明したような反射経路で減衰し熱に変換される。なお、ヒートシンク１０は、自然空冷だけでは高温になる場合、送風空冷される場合もある。
特許第３０６５０６８号明細書

拡大投射した時、明るい画像を得るために、ＤＭＤに入射してくる光線束はきわめてエネルギ密度が高い。投射光と不用光の、エネルギ密度は同等である。投射光は投射レンズを通してスクリーンに拡大投射されるため問題はないが、不用光は速やかにプリズム外に取り出し、光吸収体に導き入れ熱に変換して減衰消滅させる必要がある。

図４に示す、不用光を導き入れ減衰消滅させる従来のプリズム冷却装置は、光学結合媒体として液体が使われているため、その液体を封止するための透明ガラスが必要であり、該封止ガラスを液密にシールするための接着作業、注入栓の取り付け、ＯＣ液の注入充填、液漏れ確認作業等々必要であり、従来の冷却装置は組み立てに時間を要しコストの高いものとなっている。

本発明は、上記従来の課題を考慮し、光学結合媒体である液体の使用をなくし、その帰結として複雑な組み立て工程を必要とする液体封止作業がなくなり、より簡単な構成で安価な光学素子の冷却装置及びこれを用いたビデオプロジェクタを提供することを目的とする。

上述した課題を解決するために、第１の本発明は、金属を主成分とする放熱体と、光透過性を有し、樹脂の射出成形時に前記放熱体と合体成形結合されている樹脂成形体とを備えた光学素子の冷却装置である。

また、第２の本発明は、前記放熱体は、表面に黒色ニッケルメッキが施されている第１の本発明の光学素子の冷却装置である。

また、第３の本発明は、前記放熱体は、前記樹脂成形体との接合部に複数の櫛歯状の凹凸部を有する第１の本発明の光学素子の冷却装置である。

また、第４の本発明は、前記放熱体の前記樹脂成形体との接合部の凸部の先端は、入射光線と実質上平行になるように、前記入射光線の角度と実質上同程度の傾斜を有している第３の本発明の光学素子の冷却装置である。

また、第５の本発明は、第１乃至第４のいずれかの本発明の光学素子の冷却装置と、入射される光に応じて、前記入射光を異なる二方向のうちいずれか一方向に反射するデジタルマイクロミラーデバイスと、入射光を投射する投射レンズと、前記デジタルマイクロミラーデバイスと前記投影レンズの間に設置され、前記光学素子の冷却装置の樹脂と密着接合されているプリズムとを備え、前記樹脂成形体は、前記プリズムと近似する屈折率を有し、前記異なる二方向は、前記プリズムを透過して前記投射レンズに入射する方向と、前記プリズムの前記光学素子の冷却装置が設置されている方向であるビデオプロジェクタである。

本発明により、光学結合媒体として従来のような液体の使用を無くし、多数の組み立て工程とチェックを必要とする液体封止作業が無くなり、簡単な構成で安価な光学素子の冷却装置を提供することが出来る。

以下、図面を参照しながら実施の形態について説明する。

（実施の形態１）
図６は、本実施の形態１における光学素子の冷却装置を用いたビデオプロジェクタの概略構成図である。図６に示す様に、本実施の形態１における光学素子の冷却装置を用いたビデオプロジェクタは直方体形状のカラープリズム４１と、三角柱形状のカラープリズム４２及び４３を備えている。この直方体形状のカラープリズム４１の一面にマイクロミラー４５が設置されている。又、カラープリズム４１のマイクロミラー４５が設置されている面とは反対側の面に対抗して投射レンズ４６が設置されている。この投射レンズ４６とカラープリズム４１の間に、カラープリズム４１の側面と、側面が平行になる様にプリズム４２が設置されている。

前記プリズム４２にプリズム４３が、それらの底面である三角形状が上下逆になるように、ごく薄い平行な空気層４４（５〜１０ミクロン）を保って設置されている。また、不用光を消滅させるために、本発明の光学素子の冷却装置の一例であるプリズム冷却装置４７が、マイクロミラー４５とプリズム４２が設置されている以外のカラープリズム４１の側面に設置されている。

次に、プリズム冷却装置４７の構成について以下に説明する。

図７は、本実施の形態１におけるプリズム冷却装置の構成図である。このプリズム冷却装置４７は、銅、銅合金、鉄系合金あるいはアルミニュームなどの金属で造られた本発明の放熱体の一例であるヒートシンク４８を有している。このヒートシンク４８には放熱のためのフィン４８ａが複数個形成されている。またヒートシンク４８の底凹部には櫛歯状の突起４８ｂが多数個形成されている。さらに、このヒートシンク４８の表面は光線の吸収を高めるために、黒色ニッケルメッキを施すなどにより黒く着色されている。

そして底凹部には本発明の樹脂の一例である透明プラスチック材料４９が、従来からよく知られたプラスチック成形法の一つである例えばインサート成形法を用い、金属で造られたヒートシンク４８と一体化成形されている。透明プラスチック材料４９は、ヒートシンク４８を鋳型として成形されるので、複雑に入り組んだ櫛歯状突起４８ｂとも完全に密接している。また透明プラスチック材料４９の平面部４９ａは、後でカラープリズム４１に密に接着するために平滑な面に仕上げられている。

また、図８はプリズム冷却装置４７の櫛歯状の突起４８ｂ部の拡大図である。図に示す様に、櫛歯状突起４８ｂの先端は、透明プラスチック材料４９への入射光Ｒｎと実質上平行になるように傾斜が形成されている。

なお、上述したプリズム冷却装置４７がカラープリズム４１の側面に設置されているが、この時接着面に空気が残留しないように密着接合されている。

上記構成の本実施の形態１における光学素子の冷却装置を用いたビデオプロジェクタの動作について以下に述べる。

はじめに、図６においてＪ方向から入ってきた光線は、プリズム４２の斜面４２ａで全反射されＬ方向に進行し、カラープリズム４１の右側面４１ａから出射した光線は、ＤＭＤのマイクロミラー４５に入射する。

ここで、マイクロミラー４５が左倒れの位置（位置ｍ）にある時は、反射光線はＲｍ方向に反射される。Ｒｍ方向に進行した光線は、プリズム４２に進入し斜面４２ａに到達する。光線Ｒｍは斜面４２ａから出射し、微小な空気層４４を経てプリズム４３に入射しその中をさらに進行する（図６では見易いように空気層４４は大きな間隔で描いている）。

次に、光線は斜面４２ａで屈折し、さらにプリズム４３の斜面４３ａで屈折する。プリズム４２と４３は同材質なので光線の進行方向に変化はないが、ごくわずかな段差が生じる。しかし空気層４４は数ミクロンの間隔であり、段差量はごく僅かなので実質上は一直線といえる。斜面４２ａおよび斜面４３ａには、反射防止膜が施されている。

プリズム４３を通過してきた光線は、投射レンズ４６に入射し、前方に設置されたスクリーン（図示せず）に拡大投射される。

また、マイクロミラー４５が右倒れの位置（位置ｎ）にある時は、反射光線はＲｎ方向に反射される。この不用光Ｒｎは、カラープリズム４１の上面で全反射しなくなり、そのままほぼ直進し透明プラスチック材料４９に進入する。透明プラスチック材料４９は光線透過性が高いのでその内部で光線が減衰することはない。そして不用光Ｒｎはヒートシンク４８に形成された櫛歯状突起４８ｂに突き当たる。

次に、上記構成において示した様に櫛歯状突起４８ｂの各先端は、不用光の入射角と実質的に同角度の傾斜部が形成されているために、不用光Ｒｎは櫛歯状突起４８ｂの各先端部に衝突することなく、櫛歯状突起４８ｂの側面に突き当たる。

そしてこの突き当たった不用光Ｒｎは、図８に示すように多段反射を経ながら減衰してゆく。光エネルギの多くは初回の衝突で吸収されるが、多数回反射することでほぼ完全に熱エネルギに変換される。

また、透明プラスチック材料４９は断熱性が高いので、櫛歯状突起４８ｂ部分で発生した熱は、カラープリズム４１側に流れるより、熱伝導性の良い放熱フィン４８ａの方に速やかに伝導し空気中に放熱される。ヒートシンク４８を送風空冷すればさらに効率的にカラープリズム４１の冷却が行える。

次に、本実施の形態１における光学素子の冷却装置の製造方法について以下に説明する。

上述した様に、ヒートシンク４８の櫛歯状突起４８ｂが形成されている側に、既知の合成樹脂の成形法の一つである例えばインサート成形法を用いて透明プラスチック材料４９を一体化成形する。これにより、金属で造られたヒートシンク４８と透明な樹脂成形体を一体化結合させた複合部品である冷却装置を得ることが出来る。

ここで、金属とプラスチックのインサート成形（またはアウトサート成形）による結合一体化の強度では不充分な場合、その強度をより強固なものにするために、その接合部に化学結合層を形成するようにしてもよい。

一般にインサート成形法によりプラスチックと金属とを一体結合して複合化した場合、金属表面の微細な凹凸に軟化したプラスチック材料が入り込んで固化し、アンカー効果や摩擦力によって結合がなされている。したがって、これに温度サイクルが作用した場合、金属とプラスチックの熱膨張率の違いによって、境界面に僅かなズレおよび熱応力が発生し、温度昇降が繰り返されることで徐々に剥離が進行し、ごくごく薄い空間層が形成され、光結合力が低下する。

上記の様に剥離によってヒートシンク４８と透明プラスチック材料４９との境界面に僅かでも空間層が生じると、その部分で光線の反射率が増大し、迷光となった反射光によって「背景技術」の項でも説明したような様々な不具合が発生する。

ヒートシンク４８に入射してくる光線エネルギ密度は極めて高く、光→熱変換が効率的に行われる程、ヒートシンク４８の温度は高くなる。したがって過酷な温度昇降がある中においても、ヒートシンク４８と透明プラスチック材料４９との密着状態は確保されなければならない。

このため、過酷な温度条件の中においても、ヒートシンク４８と透明プラスチック材料４９の密着状態を維持確保するため、ヒートシンク４８に、公知の表面処理を行い、インサート成形時にヒートシンク４８と透明プラスチック材料４９が、前記表面処理層の物質を仲介として化学的に強固に結合するようにすればよい。

上記公知の表面処理とは、例えば一般式（化１）で示されるトリアジンチオール類の水溶液、又はメチルアルコール、イソプロピルアルコール、エチルアルコール、アセトン、トルエン、エチルセルソルブ、ジメチルホルムアルデヒド、テトラヒドロフラン、メチルエチルケトン、ベンゼン、酢酸エチルエーテルなどの有機溶剤を溶媒とした溶液を電着溶液として用い、金属を陽極に、白金板チタン板またはカーボン板などを陰極とし、これに２０Ｖ以下で、０．１ｍＡ／ｄｍ^２〜１０ｍＡ／ｄｍ^２の電流を、０〜８０℃、０．１秒〜１０分間、通じて行う低音高速処理を特徴とする金属の電気化学的表面処理法である（参照文献、特許第１８４０４８２号公報。）。

また、上記（化１）において、Ｒは−ＯＲ´、−ＳＲ´、−ＮＨＲ´、−Ｎ（Ｒ´）_２；Ｒ´はアルキル基、アルケニル基、フェニル基、フェニルアルキル基、アルキルフェニル基又はシクロアルキル基、またＭはＨ、Ｎａ、Ｌｉ、Ｋ、１／２Ｂａ、１／２Ｃａ、脂肪族一級、二級及び三級アミン類、４級アンモニウム塩などである。

なお、上記透明プラスチック材料のこの種のものとしては、ノルボルネン系の樹脂、例えばＪＳＲ社製の商品名「アートンＦ５０２３」、「アートンＦＸ４７２６」、「アートンＤ４５３２」、また脂環式ポリオレフィン系樹脂で、側鎖に極性基を有する樹脂がある。

なお、本発明の樹脂として、本実施の形態１の光学素子の冷却装置では、プラスチック材料４９をヒートシンク４８に射出合体成形しているが、光透過性のあるシリコーンラバー体のような高分子エラストマを射出成形材料として用いても良い。

上述したように、従来例で示したプリズム冷却装置の光学結合媒体、すなわち封止ガラスと液体が占めている容積領域を、光透過率の高い透明な樹脂成形体に置き換えることにより、封止ガラスを液密にシールするための接着作業、液体封止作業等がなくなり、より簡単な構成で安価な光学素子の冷却装置及びこの冷却装置を用いたビデオプロジェクタを提供することが出来る。

本発明にかかる光学素子の冷却装置は、簡単な構成で安価に提供することが可能な効果を有し、ビデオプロジェクタ等として有用である。

ＤＭＤデバイスのなかに形成されたマイクロミラーの構成及び動作を説明する図 従来のプリズム冷却装置が搭載されたビデオプロジェクタの概略構成図 従来のビデオプロジェクタにおいてプリズム冷却装置が無い場合の、不用光の進行経路を説明する図 従来のプリズム冷却装置の構成図 従来のプリズム冷却装置において不用光が多段反射しながら吸収消滅していく過程を示す説明図 本発明にかかる実施の形態１における光学素子の冷却装置が搭載されたビデオプロジェクタの概略構成図 本発明にかかる実施の形態１における光学素子の冷却装置の構成図 本発明にかかる実施の形態１における光学素子の冷却装置において不用光が多段反射しながら吸収消滅していく過程を示す図

符号の説明

１ ＤＭＤ
２ マイクロミラー
３ カラープリズム
４、５ プリズム
６ 空気層
８ 投射レンズ
９ プリズム冷却装置
４１ カラープリズム
４２、４３ プリズム
４４ 空気層
４５ マイクロミラー
４６ 投射レンズ
４７ プリズム冷却装置
４８ ヒートシンク
４８ａ フィン
４８ｂ 櫛歯状突起
４９ 透明プラスチック材料
４９ａ 平面部
Ｌ ＤＭＤへの入射光
Ｒｍ 投射光
Ｒｎ 不用光
Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３，Ｒ４ 不用光の光線進路

Claims (5)

1. 金属を主成分とする放熱体と、
   光透過性を有し、樹脂の射出成形時に前記放熱体と合体成形結合されている樹脂成形体とを備えた光学素子の冷却装置。
2. 前記放熱体は、表面に黒色ニッケルメッキが施されている請求項１記載の光学素子の冷却装置。
3. 前記放熱体は、前記樹脂成形体との接合部に複数の櫛歯状の凹凸部を有する請求項１記載の光学素子の冷却装置。
4. 前記放熱体の前記樹脂成形体との接合部の凸部の先端は、入射光線と実質上平行になるように、前記入射光線の角度と実質上同程度の傾斜を有している請求項３記載の光学素子の冷却装置。
5. 請求項１乃至請求項４のいずれかに記載の光学素子の冷却装置と、
   入射される光に応じて、前記入射光を異なる二方向のうちいずれか一方向に反射するデジタルマイクロミラーデバイスと、
   入射光を投射する投射レンズと、
   前記デジタルマイクロミラーデバイスと前記投射レンズの間に設置され、前記光学素子の冷却装置の樹脂成形体と密着接合されているプリズムとを備え、
   前記樹脂成形体は、前記プリズムと近似する屈折率を有し、
   前記異なる二方向は、前記プリズムを透過して前記投射レンズに入射する方向と、前記プリズムの前記光学素子の冷却装置が設置されている方向であるビデオプロジェクタ。
   

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