JP7394586B2 - 画像投射装置 - Google Patents

Description

本発明は、画像をスクリーンなどに向けて投影するプロジェクタ等の画像投影装置に関する。

画像投影装置は、光源や画像表示素子に加え、画像表示素子を制御する制御部を備える。これらの光源、画像表示素子及び制御部は熱を発し、画像投影装置の内部が高温になると画像投影装置が破損する可能性がある。
このため、画像投影装置には、筐体の内部に吸気ファンや排気ファンを配置し、筐体には、外部から空気を吸気及び外部に空気を流出させるための複数の穴が設けられている。
このように筐体に穴が設けられていると、そこから、画像投影装置の外部に浮遊する粉塵が侵入する。粉塵が侵入して制御部の基板などに付着すると、その部分が高温になって破損する可能性がある。また、粉塵によって光学部品の透過率が低下し、これによって画質の劣化が発生したりする。
このため、従来、吸気口に防塵フィルターを取り付け、また筐体内部を光学部品が配置されている領域と、制御部が配置されている領域とに仕切り、光学部品が配置されている領域の防塵性を向上する対策がなされている画像投影装置がある（特許文献１参照）。

特開２０１６－０８０９５７号公報

しかし、上記従来技術においても、筐体内への粉塵の侵入を完全防止することはできず、屋外の特に粉塵が多く存在している空間において画像投影装置を使用すると、画像投影装置の温度異常が検知されて停止したり、画像投影装置の性能劣化が劣化したりする原因になっていた。

本発明は、画像投影装置の温度上昇を防止しつつ粉塵の侵入を防止可能な画像投影装置を提供することを目的とする。

照明光を発生する照明光学系と、前記照明光を変調して投影光を作成する画像表示素子と、前記投影光を拡大する投影光学系と、前記照明光学系、前記画像表示素子及び前記投影光学系を内部に密閉状態で収納する筐体と、前記筐体の内部における発熱源から熱を伝達する伝熱部と、前記筐体の外部に設けられた放熱部と、を備える画像投影装置を提供する。

前記放熱部は、吸気ファン、排気ファン、及びヒートシンクを有していてもよい、

前記筐体の内部には、吸気ファン及び排気ファンが配置されておらず且つ前記筐体の壁部に吸気口及び排気口が設けられていないことが好ましい。

前記筐体の内部に、前記画像投影装置を制御する制御基板が配置されていることが好ましい。

前記伝熱部は、前記筐体における前記投影光が照射される前面と反対側の後面に前記発熱源の熱を伝達することが好ましい。

前記筐体の後面には凹部が設けられ、前記放熱部は前記凹部に配置されていてもよい。

前記発熱源は、前記照明光学系の光源と前記画像表示素子とを含み、前記光源と前記画像表示素子とは、前記筐体における、前記凹部が設けられている部分の内面に配置されていてもよい。

前記発熱源は、メイン基板を含み、前記メイン基板は、前記筐体における、前記凹部が設けられていない部分の内面に配置されていてもよい。

本発明によれば、画像投影装置の温度上昇を防止しつつ粉塵の侵入を防止可能な画像投影装置を提供することができる。

は実施形態の画像投影装置１の斜視図である。 画像投影装置１のブロック図である。 画像投影装置１において前筐体２Ｆを取り外した状態の正面図である。 画像投影装置１の分解斜視図である。 画像投影装置１の放熱構造を説明する図である。

以下、本発明の実施形態の画像投影装置１について説明する。
図１は実施形態の画像投影装置１の斜視図である。画像投影装置１は略直方体で、筐体２と、筐体２の外部に配置された放熱部３とを備える。筐体２は前筐体２Ｆと後筐体２Ｂとを備え、それぞれ金属で製造され、熱伝導率が高い。図２は画像投影装置１のブロック図である。図３は画像投影装置１において前筐体２Ｆを取り外した状態の正面図である。図４は画像投影装置１の分解斜視図である。

画像投影装置１は、筐体２と、筐体２の外部に配置された放熱部３とを備える。さらに画像投影装置１は、筐体２の内部に、照明光学系４と、画像表示部５と、投影光学系６と、凹面反射鏡７と、インターフェース部９と、これらを制御する制御部８とを備える。

（前筐体２Ｆ）
筐体２の前面側の前筐体２Ｆには、投影光を照射するための開口部２５と、投影光学系６に設けられた後述のフォーカス調整部６１を外部より操作するための調整穴２１とが設けられている。
以下、図示するように、筐体２における開口部２５が設けられている側を前、逆側を後とし、投影光学系６の光軸ＯＡのうちの投影光の進む方向を上（拡大側）、逆側を下（縮小側）とし、画像投影装置１を上下に配置して前から見たときの左右を、明細書中においても左右として説明する。

図１に示すように、前筐体２Ｆの開口部２５には、ガラス板等の透光部材２７が取り付けられ、調整穴２１には蓋部２６が取り付けられている。蓋部２６は調整穴２１を開閉可能である。

（後筐体２Ｂ）
図３及び図４に示すように、筐体２の後面側の後筐体２Ｂの外周縁には溝部２２が設けられ、溝部２２には弾性を有する細長いシール部材２３が配置されている。後筐体２Ｂの上部には、所定の深さを有するとともに、投影光学系６及び凹面反射鏡７が配置される内部空間２Ｂａが設けられている。後筐体２Ｂの下部は、略板状であって、照明光学系４及び画像表示部５が配置される載置台２Ｂｂが設けられている。

後筐体２Ｂの溝部２２にシール部材２３が配置された状態で、後筐体２Ｂの前に前筐体２Ｆを配置し、互いを密着させるように周囲をねじ２４で固定すると、前筐体２Ｆと後筐体２Ｂとが互いに固定された図１の状態となる。このとき、前筐体２Ｆの開口部２５は透光部材２７で封止され、インターフェース部９も筐体２に対して防塵的に取り付けられている。したがって調整穴２１が蓋部２６を閉じていると、前筐体２Ｆ及び後筐体２Ｂには、どちらも、その他の穴が存在していないので、筐体２の内部は、外部より粉塵が侵入しない密閉状態となる。

また、組み立てられた状態で筐体２は、内部空間２Ｂａが設けられている上部が厚く（前後の幅が大きく）、下部は薄く（前後の幅が小さく）、その下部は載置台２Ｂｂの後側が凹んで放熱部３が配置可能な空間となる凹部Ｐが設けられている。凹部Ｐに放熱部３を配置すると、筐体２と放熱部３とで全体として略矩形となる。ゆえに、放熱部３が筐体２から飛び出ていないので、画像投影装置１の設置の際に障害となることがない。

（照明光学系４）
照明光学系４は、例えば光源として、ＲＧＢの３色のＬＥＤを備える。ただし光源は、これに限らず、例えば超高圧水銀ランプやレーザであってもよい。照明光学系４において光源より発生されたＲ光、Ｇ光、及びＢ光を含む光は画像表示部５に入射する。

（画像表示部５）
画像表示部５は、画像表示素子（光変調素子）５１と、プリズム５２（反射面のみ表示）とを備える。

（画像表示素子５１）
画像表示素子５１は、例えば、ＤＭＤ（デジタルマイクロミラーデバイス）である。ＤＭＤは複数のマイクロミラーからなる略矩形のミラー面を有しており、制御部８より受信したデータに基づいて、各マイクロミラーを時分割駆動し、照明光学系４において発生された照明光を反射する際に変調して、所定の投影光を作成し、投影光学系６へと入射させる。
なお、実施形態では画像表示素子５１として、ＤＭＤを用いたがこれに限定されず、液晶パネルや、微小な発光素子を２次元的にアレイ配列した発光素子アレイ等を適宜に用いることができる。

（プリズム５２）
プリズム５２は、クロスダイクロイックプリズムであり、照明光学系４により発生された照明光を画像表示素子５１に向けるとともに、画像表示素子５１により作成された投影光を投影光学系６に反射する。

（投影光学系６）
投影光学系６は、図５において図示を省略するが、複数のレンズ群を備える。なお投影光学系６の詳細については後述する。レンズ群は、光軸ＯＡを中心として光軸ＯＡに沿って配置され、画像表示素子５１により生成された画像を拡大する。

（凹面反射鏡７）
凹面反射鏡７は、投影光学系６により拡大された投影光を反射して光路を変更し、透光部材２７を通して投影面へと導く。これにより超広角で画像または映像を投影することが可能となる。

（放熱部３）
図４に示すように放熱部３は、１つの吸気ファン３１と、２つの排気ファン３２と、ヒートシンク３３とを備え、筐体２の外部の凹部Ｐに配置されている。ただし、吸気ファン３１及び排気ファン３２の数はこれに限定されない。また、実施形態では吸気ファン３１を左、排気ファン３２を右側に取り付けたがこれに限定されず、逆でもよい。
ヒートシンク３３は、互いに平行に整列配置された複数の板状の放熱フィン３３ａを備える。ヒートシンク３３は、吸気ファン３１と排気ファン３２との間に、複数のフィン３３ａの間を空気が流れるようにフィン３３ａが吸気ファン３１から排気ファン３２へ向かう方向に沿うように（左右に延びるように）配置されている。

図１及び図４において放熱部３より排気される空気の流れを矢印で示す。また、図４の透光部材２７に示す矢印は、投影光の進む方向である。放熱部３における空気は、投影光が照射される方向とは異なる、ねじれ関係になる方向に流れ、投影光と交わらないようになっている。したがって、放熱部３より流れる高温の空気によって投影光が乱されることがない。

（インターフェース部９）
インターフェース部９には、外部との接続用に接続端子部９１が設けられている。これらの接続端子部９１から筐体２の内部にインターフェース基板９２が延び、インターフェース基板９２、及び、インターフェース基板９２から更に延びるフレキシブル基板９４や他のインターフェース基板９５を介して制御部８に電力及び入力信号が送られ、さらに制御部８から照明光学系４、画像表示部５及び放熱部３へと電力及び制御信号が送られる。

（制御部８）
制御部８は、インターフェース基板９２から更に延びるインターフェース基板９５に配置されたメイン基板８ａに設けられている。メイン基板８ａは後筐体２Ｂの内部空間２Ｂａの底部に配置されている。

制御部８は、インターフェース部９から受信した信号をもとに、照明光学系４と画像表示素子５１と放熱部３の制御を行う。制御部８は、照明光学系４を作動させるとともに放熱部３の吸気ファン３１及び排気ファン３２を駆動させる。そして、制御部８は、インターフェース部９を介して受信した信号に基づき画像表示素子５１を駆動する。画像表示素子５１は、制御部８の制御に基づいて投影光を生成する。

（密閉の効果）
本実施形態において、筐体２には、上述のように吸気口や排気口などの、ファンを取り付けるための開口が設けられていない。また、他の穴である開口部２５は透光部材２７で封止され、フォーカス調整用の調整穴２１には蓋部２６が被されている。したがって、筐体２は外部より粉塵が侵入しない密閉状態となっている。
ゆえに粉塵が制御部８のメイン基板８ａなどに付着することにより、その部分が高温になって破損する可能性が低減され、画像投影装置１の寿命が延びる。また、粉塵によって光学部品の透過率が低下し、これによって画質の劣化が発生したりする可能性が低減される。それに伴い、画像投影装置１をメンテナンスフリーで２００００Ｈ以上使用することができる。

（放熱構造）
一方、筐体２が密閉されているので、筐体２の内部に空気を送って空冷することができない。
このため、実施形態では、筐体２を熱伝導率の高い金属製とし、筐体２内に配置された発熱源の熱を筐体２に伝達して筐体２の後面から放熱する放熱構造を設けた。
図５は、実施形態の画像投影装置１の放熱構造を説明する図である。放熱構造は、筐体２の内部に設けられ、又は筐体２の側面の一部である伝熱部３Ａと、筐体２の外部に設けられている放熱部３とを備える。

（発熱源）
画像投影装置１において、使用時に特に高温となる発熱原は、画像表示素子５１と、照明光学系の光源４１，４２，４３，４４と、メイン基板８ａとである。

（画像表示素子５１の伝熱部３Ａ）
金属製の後筐体２Ｂの載置台２Ｂｂには、金属製のベース部材１０が固定されている。ベース部材１０と載置台２Ｂｂとは、熱接触している。なお、熱接触とは、明細書中、熱が伝わるように接触していること、熱エネルギーが伝達可能に接触していること意味する。また、ベース部材１０と載置台２Ｂｂとの間には、サーマルパッドを配置してもよい。

画像表示素子５１は、金属製の保持板５１ａによって保持され、ベース部材１０の上方に配置されている。画像表示素子５１及び保持板５１ａの前面には、金属製のヒートパイプ１２の一端側が保持板５１ａと熱接触している。ヒートパイプ１２は、保持板５１ａに設けられた画像表示素子５１を保持する開口部を横切って、後側に向かって折れ曲がり、他端側は、ベース部材１０の上面と熱接触している。画像表示素子５１から放熱部３への伝熱部３Ａは、ヒートパイプ１２とベース部材１０と載置台２Ｂｂとを含む。
画像表示素子５１において発生した熱は、保持板５１ａを介して、又は直接輻射によって伝熱部３Ａであるヒートパイプ１２、ベース部材１０、載置台２Ｂｂへと伝わる。

（照明光学系４の伝熱部３Ａ）
照明光学系４の光源４１，４２，４３，４４は、例えばＬＥＤであり、光を発生すると高温になる。実施形態で照明光学系４は、４つの光源４１，４２，４３，４４を備える。
光源４１，４２の外側には、載置台２Ｂｂ上にヒートレシーバ１１ａが立設され、光源４１，４２で発生する熱を吸収する。光源４３の外側には、載置台２Ｂｂ上にヒートレシーバ１１ｂが立設され、光源４３で発生する熱を吸収する。光源４４の外側には、載置台２Ｂｂ上にヒートレシーバ１１ｃが立設され、光源４４で発生する熱を吸収する。
それぞれのヒートレシーバ１１ａ、１１ｂ、１１ｃは、載置台２Ｂｂと熱接触している。なお、ヒートレシーバ１１ａ、１１ｂ、１１ｃと、ベース部材１０との間にはサーマルパッドを配置してもよい。照明光学系４から放熱部３への伝熱部３Ａは、ヒートレシーバ１１ａ、１１ｂ、１１ｃと、載置台２Ｂｂとを含む。
照明光学系４の光源４１，４２，４３，４４において発生した熱は、伝熱部３Ａであるヒートレシーバ１１ａ、１１ｂ、１１ｃ、載置台２Ｂｂへと伝わる。

（放熱部３）
画像表示素子５１から伝熱部３Ａによって伝達された熱と、照明光学系４から伝熱部３Ａによって伝達された熱とは、載置台２Ｂｂを加熱する。載置台２Ｂｂは熱伝導率の高い金属製であるので、熱は載置台２Ｂｂの後面に伝達する。

載置台２Ｂｂの後面の空間Ｓには、放熱部３が配置されている。放熱部３のヒートシンク３３は、載置台２Ｂｂの後面と熱接触している。したがって、載置台２Ｂｂの後面の熱はヒートシンク３３の放熱フィン３３ａに伝達する。
吸気ファン３１と排気ファン３２とを作動させると、ヒートシンク３３の放熱フィン３３ａの隙間を空気が流れる。この空気の流れにより放熱フィン３３ａの熱が奪われて冷却される。そして、放熱フィン３３ａが冷却されることにより、載置台２Ｂｂ、伝熱部３Ａを介して画像表示素子５１と、照明光学系４の光源４１，４２，４３，４４の冷却が促進される。

（メイン基板８ａの伝熱部３Ａ）
後筐体２Ｂの内部空間２Ｂａの底面に、制御部８のメイン基板８ａが配置されて熱接触している。内部空間２Ｂａの底面とメイン基板８ａとの間にはサーマルパッドを配置してもよい。メイン基板８ａの伝熱部３Ａは内部空間２Ｂａの底面を含む。
メイン基板８ａにおいて発生した熱は、伝熱部３Ａである内部空間２Ｂａの内面へと伝わる。メイン基板８ａによって加熱された内部空間２Ｂａの内面の熱は、後面に伝達する。そして、後面に伝達された熱は、直接外部に放熱される。

内部空間２Ｂａの底部の面積は、メイン基板８ａに比べて十分広い。したがって、メイン基板８ａの熱が内部空間２Ｂａの底部より放熱されると、メイン基板８ａは十分に冷却される。

このように、画像投影装置１の発熱源は、照明光学系４の光源４１，４２，４３，４４と画像表示素子５１とを含み、光源４１，４２，４３，４４と画像表示素子５１とは、筐体２における、裏側に凹部Ｐが設けられている載置台２Ｂｂの内面に配置されている。
すなわち、発熱源の一部である光源４１，４２，４３，４４と画像表示素子５１とは、載置台２Ｂｂに集約されている。発熱源が集約している部分は、筐体２における他の部分より、より高温になるのでより多くの放熱が必要である。
実施形態では、発熱源が集約している載置台２Ｂｂの後面に、吸気ファン３１、排気ファン、３２及びヒートシンク３３を有する放熱部３を配置した。
したがって、放熱をより必要とする、発熱源が集約している載置台２Ｂｂの放熱を良好に行うことができる。

また、発熱部の他の一部は、メイン基板８ａを含み、メイン基板８ａは、筐体２における、凹部Ｐが設けられていない内部空間２Ｂａが設けられている部分の内面に配置されている。
すなわち、発熱部の他の一部であるメイン基板８ａは、発熱部の一部である光源４１，４２，４３，４４と画像表示素子５１とが集約して配置された載置台２Ｂｂと、異なる部分であって、さらに段違いに設けられた筐体２の底面から放熱される。
このように、発熱源の集約位置から離れた位置に、比較的発熱量の小さい発熱源を配置して、その発熱は筐体２の後面から自然放熱させる。筐体２の後面はメイン基板８ａより面積がかなり広いので、比較的発熱量の小さい発熱源であるメイン基板８ａの熱は十分に放熱される。

さらに、発熱源を分散させ、それぞれ異なる伝熱部３Ａを設けたので、一部の領域に熱が集中せず、筐体２の裏面の全体を有効利用して効率よく放熱することができる。

また、上述のように、画像表示素子５１において発生した熱は、保持板５１ａを介して、又は直接輻射によって伝熱部３Ａであるヒートパイプ１２、ベース部材１０、後筐体２Ｂの載置台２Ｂｂへと伝達される。そして、メイン基板８ａにおいて発生した熱は、伝熱部３Ａである内部空間２Ｂａの内面へと伝わる。メイン基板８ａによって加熱された内部空間２Ｂａの内面の熱は、後筐体２Ｂに伝達される。
すなわち、筐体２の内部で発生した熱は後筐体２Ｂに伝達され、投影光が照射される側である前筐体２Ｆに伝達されない。
高温になる後筐体２Ｂ側は、設置時に壁部等に取り付けられるので、人が触れる可能性が低い。そして、人が触れる可能性がある前筐体２Ｆには熱が伝わらないので、安全性が高く、また投影光の光路の温度が高くならないので、画像への悪影響も少ない。

１：画像投影装置、２：筐体、２Ｂ：後筐体、２Ｂａ：内部空間、２Ｂｂ：載置台、２Ｆ：前筐体、３：放熱部、３Ａ：伝熱部、４：照明光学系、５：画像表示部、６：投影光学系、７：凹面反射鏡、８：制御部、８ａ：メイン基板、９：インターフェース部、１０：ベース部材、１１ａ，１１ｂ，１１ｃ：ヒートレシーバ、１２：ヒートパイプ、２１：調整穴、２２：溝部、２３：シール部材、２４：ねじ、２５：開口部、２６：蓋部、２７：透光部材、３１：吸気ファン、３２：排気ファン、３３：ヒートシンク、３３ａ：放熱フィン、４１，４２，４３，４４：光源、５１：画像表示素子、５１ａ：保持板、５２：プリズム、６１：フォーカス調整部、９１：接続端子部、９２：インターフェース基板

Claims (5)

1. 画像投影装置であって、
   照明光を発生する照明光学系と、
   前記照明光を変調して投影光を作成する画像表示素子と、
   前記投影光を拡大する投影光学系と、
   前記照明光学系、前記画像表示素子及び前記投影光学系を内部に密閉状態で収納する筐体と、
   を備え、
   前記筐体において前記投影光を照射する開口部が設けられている側を前記画像投影装置の前側、逆側を前記画像投影装置の後側と定義すると、
   前記筐体は、前筐体と後筐体とにより構成され、
   前記前筐体には前記開口部が設けられ、
   前記後筐体には前記投影光学系が配置される内部空間と、前記照明光学系及び前記画像表示素子とが配置される載置台と、が設けられ、
   前記後筐体における前記載置台の外側が凹んだ凹部が設けられ、前記凹部に放熱部を配置し、
   前記照明光学系の光源と前記画像表示素子とが発熱した熱が前記載置台を介して前記放熱部に伝わり、前記放熱部から放熱される画像投影装置。
2. 前記放熱部は、吸気ファン、排気ファン、及びヒートシンクを有している、
   請求項１に記載の画像投影装置。
3. 前記筐体の内部には、吸気ファン及び排気ファンが配置されておらず且つ前記筐体の壁部に吸気口及び排気口が設けられていない、
   請求項１または２に記載の画像投影装置。
4. 前記投影光が前記投影光学系を進む方向を前記画像投影装置の上側、逆側を前記画像投影装置の下側と定義すると、
   前記画像投影装置を制御する制御部が設けられたメイン基板は、内部空間の下側の壁面である底面に配置されている、
   請求項１から３のいずれか１項に記載の画像投影装置。
5. 前記前筐体と前記後筐体との接続部にはシール部材が配置されている、
   請求項１から４のいずれか１項に記載の画像投影装置。

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