JP2010014809A - 液晶表示素子及びプロジェクタ - Google Patents

Abstract

【課題】反射型の液晶表示素子１に強い光が照射されると、液晶パネル２に温度分布が生じて、表示の輝度むらや応答速度むらが発生し、画像品質が低下した。
【解決手段】表面の表示領域Ａに入射した光を変調して画像光として反射する液晶パネル２と、この液晶パネル２の裏面の側に設置した放熱部４との間、熱伝導性充填材５を充填し、更に、放熱部４の液晶パネル２側の表面を、周辺部に対して凸状の湾曲した形状とすることにより、液晶パネル２の温度分布を均一化して、表示の輝度むら等を低減した。
【選択図】図１

Description

本発明は、液晶パネル部において発生する熱を放熱するための放熱部を備えた液晶表示素子に関し、特に、光源からの光を入射して画像信号により変調された画像光を反射する反射型の液晶表示素子及びこれを用いたプロジェクタに関する。

液晶表示素子はパーソナルコンピュータやテレビの表示素子として広く実用化されてきている。反射型の液晶表示素子を光変調素子として用いて、大画面表示を行うプロジェクタやプロジェクション型テレビが実用化されてきている。この種の液晶表示素子として、ＴＦＴやＭＯＳ型トランジスタを液晶層側の基板面に形成して、各画素電極に与える画像信号を制御可能に構成した液晶パネルを用いたアクティブ型液晶表示素子が使用される。近年、表示装置の軽量小型化の要請に伴い、この種の液晶表示素子も軽量小型化が図られている。また、映画館やホールに使用する大画面投影装置としても、液晶表示素子を用いることが検討されている。これらの投影装置は、液晶パネルの表示面の大きさに対する投影画像の大きさの比率、即ち投影像の拡大比率が大きくなってきている。また、投影像の高輝度化の要請も強い。これに伴い、液晶表示素子の単位面に照射される光の強度が強くなり、液晶パネルの表示領域の温度が上昇する。

液晶表示面の温度が許容温度以上に上昇すると、液晶パネル又は液晶パネルを保持する保持部材との間に応力が発生して表示面が歪んでしまう。また、２枚の基板間に挟持された液晶や液晶層の層厚が変化して、表示領域において表示ができなくなる、或いは表示の輝度むらや応答速度むらが発生する。また、２枚の基板間に液晶を封入するシール部が劣化して、液晶層内に不純物が侵入する、等の不具合が発生しやすくなる。

図６は、液晶パネル５１の背面側に放熱部５２を設けた液晶表示素子５０の模式的な縦断面図である。液晶表示素子５０は、液晶パネル５１と、液晶パネル５１を支持する支持部５４と、液晶パネル５１から放熱部５２に熱を伝達する熱伝導性充填材５３と、液晶パネル５１の表示領域に光をマスキングする光遮蔽用のマスク５５等から構成されている。液晶パネル５１の端部裏面は熱伝導性の支持部５４と面接触し、支持部５４は放熱部５２に面接触する。放熱部５２の液晶パネル５１と反対側の表面には放熱用のフィンが形成されている。

液晶パネル５１は、光源からの光を上方から入射し、画像光として変調された光を上方へ反射する。光源から入射する光は光強度が強く、液晶パネル５１は加熱される。この液晶パネル５１に発生した熱は、矢印で示すように、液晶パネル５１の端部において接触する支持部５４に放熱され、更に支持部５４から放熱部５２に放熱される。また、液晶パネル５１の中央部の熱は、熱伝導性充填材５３を介して放熱部５２の液晶パネル５１側の表面から放熱される。この構成により、上方からの光照射により発生した熱を下部の放熱部５２に放熱して、液晶パネル５１が許容温度以上に上昇することを防止する。また、熱伝導性充填材５３として粘性材料を使用しているため、液晶パネル５１が加熱されて熱膨張が生じたとしても、放熱部５２との間の熱膨張差により液晶パネル５１に加わる応力も低減される。

特許文献１の図７には、有機ＥＬ素子に放熱フィンを設けた構造が示されている。ガラス基板の表面に発光層ＬＴを形成し、その上に放熱フィンを積層している。有機ＥＬの発光層ＬＴは発光面の周辺部よりも中央部において熱が溜まりやすい。そこで、放熱フィンの放熱面積を、周辺部よりも中央部を大きくして、中央部に溜まった熱を逃がしやすくすることが記載されている。また、特許文献２には、サーマルヘッドの冷却方法が記載されている。サーマルヘッドの主走査方向に温度差による濃度分布が発生する。この濃度分布を低減させるために、サーマルヘッドの主走査方向に分割ヒートシンクを密着形成し、サーマルヘッドの温度が上昇するに従い、バイメタルによりヒートシンクがサーマルヘッドに密着するように構成し、温度上昇した領域を冷却させる。
特許３８４９１４３号公報（図７） 特開２００６−３３４８４７号公報

しかし、液晶表示素子を反射型表示素子として使用する場合の光源は、均一な強度分布を持っておらず、中央部の光強度が周辺部の光強度よりも高い。また、図６に示す冷却構造で使用している熱伝導性充填材５３は、周囲の支持部や放熱部と比較して熱伝導率が低い。そのために、中央部は周辺部よりも熱が溜まりやすくなる。その結果、表示領域の中央部は周辺部よりも温度が高くなる。このような温度分布が生ずると、液晶パネル５１の表示画像に輝度むらや応答速度のむら発生し、表示品質が低下する。

特許文献１に記載された冷却構造は、中央部の放熱を周辺部よりも促進させるために、中央部の放熱フィンの高さを高くして放熱面積を拡大させている。そのため、放熱部は体積が増大し、かつ重量も重くなる。また、この放熱部は、熱量が中央部に多量に流入した場合の放熱部自体の温度分布の均一化を図るものである。しかし、液晶パネルの場合は、この種の放熱部材を直接液晶パネルに固定すると、熱膨張差により液晶パネルに応力が加わり、この応力に起因して表示輝度むらが発生する。また、図６に示す液晶パネルように、熱伝導性充填材５３を介して放熱部を設置した場合には、既に説明したように液晶パネルからの放熱が熱伝導性充填材５３により規制される。そのために、中央部に熱が溜まりやすく、液晶パネルに温度分布が生じる。また、特許文献２のバイメタルによるヒートシンクは、構造が複雑となること、また、バイメタルが液晶パネルに接触するだけでは、液晶パネルの温度分布を高精度に制御することが困難である。そのために、特許文献１や特許文献２の放熱手段を液晶パネルには適用し難い。

本発明は上記課題を解決するために以下の手段を講じた。

請求項１の発明においては、表面の表示領域に入射した光を画像光に変調して反射する液晶パネルと、前記液晶パネルの端部を支持する支持部と、前記表示領域に対応する表面を備え、前記液晶パネルの裏面の側に設置された放熱部と、前記液晶パネルの裏面と前記放熱部の表面との間に充填された熱伝導性充填材と、を備え、前記放熱部の表面は、前記表示領域に対応する領域において中央部がその周辺部に対して凸状に湾曲する形状を備えている液晶表示素子とした。

請求項２の発明においては、表面の表示領域に入射した光を画像光に変調して反射する液晶パネルと、前記液晶パネルの端部を支持する支持部と、前記表示領域に対応する表面を備え、前記液晶パネルの裏面の側に設置された放熱部と、前記液晶パネルの裏面と前記放熱部の表面との間に充填された熱伝導性充填材と、を備え、前記熱伝導性充填材は、前記表示領域に対応する領域において中央部から周辺部に向かって厚さが厚くなる液晶表示素子とした。

請求項３の発明においては、前記熱伝導性充填材は、シリコーングリースであることを特徴とする請求項１又は２に記載の液晶表示素子とした。

請求項４の発明においては、前記熱伝導性充填材は、前記表示領域に対応する領域において中央部から周辺部に向かって厚くなるように形成され、前記領域の幅に対する前記中央部と周辺部との間の厚さの差の割合が０．１％〜１．５％であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の液晶表示素子とした。

請求項５の発明においては、前記放熱部は、前記液晶パネルと反対側の裏面に放熱フィンを備えていることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の液晶表示素子とした。

請求項６の発明においては、光源と、表面に表示領域に入射した前記光源からの光を画像光に変調して反射する液晶パネルと、前記液晶パネルの端部を支持する支持部と、前記表示領域に対応する表面を備え、前記液晶パネルの裏面の側に設置された放熱部と、前記液晶パネルの裏面と前記放熱部の表面との間に充填された熱伝導性充填材と、前記反射された画像光を投影する投影レンズと、を備え、前記放熱部の表面は、前記表示領域に対応する領域において中央部がその周辺部に対して凸状に湾曲する形状を備えているプロジェクタとした。

本発明においては、液晶パネルと、これを支持する支持部と、液晶パネルの裏面の側に設置した放熱部と、液晶パネルと放熱部との間の間隙に充填した熱伝導性充填材と、を備えている。更に、放熱部の表示領域に対応する表面は、周辺部に対して中央部が凸状の形状を有している。これにより、熱伝導性充填材の厚さは、液晶パネルの表示領域のうち、熱が溜まりやすい中央部のほうが周辺部よりも薄くなる。その結果、周辺部よりも中央部の放熱が促進されて温度分布の均一化を図ることができ、表示の輝度むらや表示応答速度のむらを低減して表示品質を向上させることができる。

以下、本発明について図面を用いて具体的に説明する。

図１は、本発明の実施形態に係る液晶表示素子１を表す模式的な縦断面図である。液晶表示素子１は、液晶パネル２と、液晶パネル２を支持する支持部３と、支持部３及び液晶パネル２の裏面側に設置された放熱部４と、液晶パネル２の裏面と放熱部４の表面との間に充填された熱伝導性充填材５とを備えている。液晶パネル２は反射型であり、有効な表示領域Ａに光が照射される。放熱部４は、液晶パネル２の表示領域Ａに対応する表面が凸状に湾曲している。そのために、熱伝導性充填材５は、表示領域Ａの中央部に対応する領域は薄く、中央部から周辺部に向かって厚くなるように構成される。

液晶パネル２の上部から光が照射されると、液晶パネルが加熱される。液晶パネル２は支持部３により保持されており、液晶パネル２で生成された熱は支持部３を介して放熱部４に放熱される。一方、表示領域Ａにおいては、熱伝導性充填材５の表示領域Ａに対応する中央部のほうが周辺部よりも熱伝導性が高くなる。そのために、上部から光が照射されて液晶パネル２が加熱されたときに、表示領域Ａの中央部に溜まりやすい熱は速やかに放熱され、表示領域Ａの周辺部の逃げやすい熱は相対的に保持されて、温度の均一化が図られる。その結果、液晶表示素子１の表示の輝度むらや表示応答速度むらが低減し、表示品質を向上させることができる。

液晶パネル２は、シリコン半導体基板とガラスからなる透明基板とをシール材を介して張り合わせ、この２枚の基板間に液晶層を封入したアクティブ液晶表示素子を使用した。シリコン半導体基板の液晶層側の表面には、多数の表示画素とこの表示画素の夫々にＭＯＳトランジスタとコンデンサーを形成している。対向する透明基板の液晶層側には、インジウムスズ酸化物からなる透明電極を形成した。画素電極はアルミニウムからなる反射面により形成した。また、液晶パネル２として、アモルファスシリコンやポリシリコンからなるＴＦＴを各画素電極に構成したアクティブ液晶パネルとすることができる。

支持部３及び放熱部４は熱伝導性の高いアルミニウム等の金属材料を使用した。支持部３は、液晶パネル２の裏面端部と面接触するように保持されている。支持部３は放熱部４の外周部において面接触し、接着剤等により固定されている。放熱部４の裏面には、放熱フィン６が一体的に形成されている。この構成により、熱は液晶パネル２の端部から支持部３に放熱され、更に放熱部４に放熱される。支持部３と放熱部４とを一体的に形成してもよい。

熱伝導性充填材５として、比較的熱伝導性が高いシリコーングリースを使用することができる。シリコーングリースは、シリコーンオイルを主成分として増粘剤を混入したものである。シリコーングリースは、１００Ｐａ・ｓ〜１０００Ｐａ・ｓの粘性が好ましい。１００Ｐａ・ｓ以下では流動性が高く、隙間から漏れ出しやすく、１０００Ｐａ・ｓを超えると、液晶パネル２に応力歪を与えて表示の輝度むらが発生しやすくなる。熱伝導性充填材５は、液晶パネル２と放熱部４との間に気泡等が混入しないようにして充填する。また、熱伝導性充填材５としてシリコーングリースの他に熱伝導性アクリル系樹脂等を使用することができる。

図２は、熱伝導率λ（Ｗ／ｍ・ｋ）の熱伝導を説明するための立方体を表す。立方体の上面の面積をＳ（ｍ^２）、上面の高温部の温度をＴ１（Ｋ）、底面の低温部の温度をＴ２（Ｋ）、上面と底面との距離をＬ（ｍ）、熱伝導による伝熱量をＱとした場合、上面と底面との温度差ΔＴは、ΔＴ＝（Ｑ×Ｌ）／（Ｓ×λ）、により表すことができる。即ち、上面と底面との間の温度差は、上面と底面との間の距離Ｌ及び伝熱量Ｑに比例する。従って、発熱量の大きい表示領域の中央部の間隙を狭くし、発熱量が相対的に小さい周辺部の間隙を広くすることにより、表示領域の温度勾配を低減して面内温度を均一化することができる。

そこで、放熱部４は、表示領域Ａに対応する表面を凸状に湾曲させている。湾曲は、円弧状であってもよいし、放物線状であってもよい。要するに、光の照射により液晶パネル２が発熱し、その温度分布に合う形状とする。通常、入射する光の光軸の光強度が最も強いので、凸状湾曲の頂点を表示領域Ａの中央部とする。

図３は、図１に示す液晶表示素子１の表示領域の位置と液晶パネル２の温度との関係を表すグラフである。横軸が液晶パネル２の有効な表示領域Ａの幅を表し、縦軸が温度を表す。液晶パネル２の表示領域Ａは、３５ｍｍの幅を有する。グラフＲｅｆは、放熱部４の表面を平坦面とした場合の液晶パネル２の温度分布を表し、グラフＲ１は、放熱部４の表面の周辺部に対する凸部の高さを０．１ｍｍとした場合、グラフＲ２は、凸部の高さを０．２ｍｍとした場合である。なお、放熱部４の凸部の頂点と液晶パネル２の裏面との間の間隔は概ね０．２ｍｍとしている。また、液晶パネル２の裏面は平坦面である。

図３から、放熱部４の表面を平坦面とした場合には、グラフＲｅｆに示されるように、液晶パネル２の中央部と周辺部では概ね１．５℃の温度差が生じている。これに対して、凸部の高さが０．１ｍｍの場合には温度差が約０．７℃であり、凸部の高さが０．２ｍｍの場合は温度差が約０．５℃となった。従って、放熱部４の表面を凸状の湾曲とすることは、液晶パネル２の温度を均一化するのに極めて有効であることがわかる。

表示領域Ａの幅が、例えば１〜２インチである場合に、表示領域Ａに対応する放熱部４の表面の、周辺部に対する凸部の頂点の高を０．０５ｍｍ〜０．５ｍｍの範囲に設定する。より好ましくは、０．１ｍｍ〜０．３ｍｍに設定する。凸部の高さを０．０５ｍｍ以下にすると液晶パネル２の温度分布を均一化する効果が薄れ、０．５ｍｍ以上とすると表示領域Ａの中央部に対して周辺部の温度が上昇し、再び温度分布が現れる。なお、このように放熱部４を凸状に形成した場合に、その頂点と液晶パネル２の裏面との間の間隙、即ち熱伝導性充填材５の厚さは、例えば０．０５ｍｍ〜０．５ｍｍとする。間隙を０．０５ｍｍよりも狭くすると、液晶パネル２の裏面と放熱部４の表面とが直接接触して液晶パネル２に温度むらが発生しやすくなり、０．５ｍｍよりも広くすると、熱伝導性が低下して熱が液晶パネル２に溜まり、温度分布が生じやすくなる。

なお、上記図３は、放熱部４の液晶パネル側の表面形状に基づいて説明したが、これを熱伝導性充填材５の厚さに置き換えて説明することができる。即ち、グラフＲｅｆは、液晶パネル２の裏面と放熱部４の表示領域に対応する表面との間に充填される熱伝導性充填材５の厚さが均一の場合である。グラフＲ１は、熱伝導性充填材５の厚さが表示領域に対応する領域の中央部から周辺部に向かって厚くなるように形成される場合の、中央部と周辺部の厚さの差が０．１ｍｍの場合である。グラフＲ２は、同様に、中央部と周辺部の厚さの差が０．２ｍｍの場合である。更に、中央部と周辺部の間の厚さの差を０．０５ｍｍ〜０．５ｍｍの範囲に設定するのが好ましく、より好ましくは０．１ｍｍ〜０．３ｍｍに設定する。これを、表示領域の幅に対する中央部と周辺部との間の厚さの差の割合で表すと、好ましくは０．１％〜１．５％の範囲に設定し、より好ましくは０．３％〜０．９％の範囲に設定する。

また、放熱部４の表示領域に対応する表面を凸状の湾曲面とすることに代えて、液晶パネル２の裏面を凸状の湾曲面とし、放熱部４の表面を平坦面としても、本発明の効果を得ることができる。要は、熱伝導性充填材５の厚さを、中央部が薄く周辺部が厚くなるように構成すればよい。液晶パネル２の下側基板としてシリコン単結晶板を使用する場合に、このシリコン単結晶板の裏面を凸状に湾曲して形成すればよい。

図４は、本発明の実施形態に係る液晶表示素子１の模式的な分解斜視図である。同一の部分又は同一の機能を有する部分には同一の符号を付している。

図４に示すように、液晶パネル２は支持部３に収納され、支持部３は放熱部４の上に設置される。液晶パネル２の上部には、液晶パネル２の有効な表示領域Ａ以外の領域に照射される光を遮蔽するためのマスク１１が設置される。支持部３及び放熱部４はアルミニウムやステンレス等の金属材料から形成されている。支持部３は枠状の形状を有しており、内側には液晶パネル２を支持するための段差部７が設けられている。また、対向する両辺には液晶表示素子１を固定するための４箇所の取付け部８が形成されている。放熱部４の表面は、外周の平坦部９と、中央部であり、液晶パネル２の表示領域に対応する突出部１０が形成されている。突出部１０の表面は凸状に湾曲しており、熱伝導性充填材を介して液晶パネル２と熱的に接触する。外周の平坦部９は、支持部３を受けて支持部３から熱を放熱できるように構成されている。放熱部４の裏面側には多数の突条からなる放熱フィン６が形成されている。これにより、外部から光が照射されて液晶パネル２が発熱し、この熱は熱伝導性充填材を介して放熱部４に放熱されるとともに、支持部３を介しても放熱部４に放熱される。なお、熱伝導性充填材は、液晶パネル２の裏面と放熱部４の突出部１０との間にのみ充填してもよいし、突出部１と支持部３の段差部７の端部との間隙を埋めるように充填してもよい。

液晶表示素子１をこのように構成することにより、液晶パネル２の有効な表示領域は均一な温度分布となり、表示の輝度むらや応答速度のむらを低減することができる。また、放熱部４を送風ファンにより冷却する場合に、送風ファンの駆動能力を低減する、或いは送風ファンを小型化することができる。これにより、送風ファンの静粛性が向上し、加えて低消費電力及び小型化を図ることができる。なお、本発明による液晶表示素子１は上記構成に限定されず、例えば支持部３と放熱部４とを一体的に構成してもよいし、放熱部４の熱容量が十分大きければ、必ずしも放熱フィン６を構成しなくともよい。

図５は、本発明の実施形態に係る液晶表示素子１を用いたプロジェクタ３０を表す模式的なブロック図である。本実施形態においては、例えば、図１又は図４において説明した液晶表示素子１を使用する。従って、液晶表示素子１の構成については、図１又は図４と同様なので、説明を省略する。

プロジェクタ３０は、光源３１と、赤色Ｒ、緑色Ｇ、青色Ｂに分離するダイクロイックミラー３２〜３４と、偏光ビームスプリッタ３５と、ＲＧＢごとに設置された３枚の液晶表示素子１Ｒ、１Ｇ、１Ｂと、合成プリズム３６と、投影レンズ３７から構成されている。光源３１は、ＲＧＢの波長光を含むハロゲンランプ、水銀ランプ、キセノンランプ、又はＬＥＤ等から構成される。光源３１の光は、ダイクロイックミラー３２によりＲＧとＢとに分離され、ＲＧに分離された光はダイクロイックミラー３３により更にＲとＧに分離される。Ｒに分離された光は、偏光ビームスプリッタ３５Ｒにより偏光光に変換されて液晶表示素子１Ｒに照射される。Ｇに分離された光は、偏光ビームスプリッタ３５Ｇにより偏光光に変換されて液晶表示素子１Ｇに照射される。Ｂに分離された光は、ダイクロイックミラー３４又は反射面により反射され、偏光ビームスプリッタ３５Ｂにより偏光光に変換されて、液晶表示素子１Ｂに照射される。

各液晶表示素子１Ｒ、１Ｇ、１Ｂは、ＲＧＢの各画像信号に応じて入射光の偏光方向を変調して、夫々対応する偏光ビームスプリッタ３５Ｒ、３５Ｇ、３５Ｂに変調光として反射する。各偏光ビームスプリッタ３５Ｒ、３５Ｇ、３５Ｂは、夫々の液晶表示素子１Ｒ、１Ｇ、１Ｂから入射した変調光を可視化して合成プリズム３６の対応面に射出する。合成プリズム３６は、各色の変調光を合成して投影レンズ３７に向けて射出し、スクリーン３８に投影像が投影される。これにより、明るさのむらやコントラストのむらを低減し、画像品質を向上させた投影像を投影することができる。

本発明の実施形態に係る液晶表示素子の模式的な縦断面図である。 熱伝導率λの熱伝導を説明するための立方体を表す。 本発明の実施形態に係る液晶表示素子の、表示領域の位置と液晶パネルの温度との関係を表すグラフである。 本発明の実施形態に係る液晶表示素子の模式的な分解斜視図である。 本発明の実施形態に係るプロジェクタの模式的なブロック図である。 従来公知の液晶表示素子の模式的な縦断面図である。

符号の説明

１ 液晶表示素子
２ 液晶パネル
３ 支持部
４ 放熱部
５ 熱伝導性充填材
６ 放熱フィン
３０ プロジェクタ

Claims (6)

1. 表面の表示領域に入射した光を画像光に変調して反射する液晶パネルと、
   前記液晶パネルの端部を支持する支持部と、
   前記表示領域に対応する表面を備え、前記液晶パネルの裏面の側に設置された放熱部と、
   前記液晶パネルの裏面と前記放熱部の表面との間に充填された熱伝導性充填材と、を備え、
   前記放熱部の表面は、前記表示領域に対応する領域において中央部がその周辺部に対して凸状に湾曲する形状を備えている液晶表示素子。
2. 表面の表示領域に入射した光を画像光に変調して反射する液晶パネルと、
   前記液晶パネルの端部を支持する支持部と、
   前記表示領域に対応する表面を備え、前記液晶パネルの裏面の側に設置された放熱部と、
   前記液晶パネルの裏面と前記放熱部の表面との間に充填された熱伝導性充填材と、を備え、
   前記熱伝導性充填材は、前記表示領域に対応する領域において中央部から周辺部に向かって厚さが厚くなる液晶表示素子。
3. 前記熱伝導性充填材は、シリコーングリースであることを特徴とする請求項１又は２に記載の液晶表示素子。
4. 前記熱伝導性充填材は、前記表示領域に対応する領域において中央部から周辺部に向かって厚くなるように形成され、前記領域の幅に対する前記中央部と周辺部との間の厚さの差の割合が０．１％〜１．５％であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の液晶表示素子。
5. 前記放熱部は、前記液晶パネルと反対側の裏面に放熱フィンを備えていることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の液晶表示素子。
6. 光源と、
   表面に表示領域に入射した前記光源からの光を画像光に変調して反射する液晶パネルと、
   前記液晶パネルの端部を支持する支持部と、
   前記表示領域に対応する表面を備え、前記液晶パネルの裏面の側に設置された放熱部と、
   前記液晶パネルの裏面と前記放熱部の表面との間に充填された熱伝導性充填材と、
   前記反射された画像光を投影する投影レンズと、を備え、
   前記放熱部の表面は、前記表示領域に対応する領域において中央部がその周辺部に対して凸状に湾曲する形状を備えているプロジェクタ。

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