JP2020042234A - 電気光学装置および電子機器 - Google Patents

Abstract

【課題】液晶パネルの放熱性を高める。【解決手段】電気光学装置の液晶パネルは、第１石英基板と、第１石英基板と対向する第２石英基板と、第１石英基板および第２石英基板により挟持された液晶層と、第１石英基板に貼り合わされた第１サファイヤ基板と、第２石英基板に貼り合わされた第２サファイヤ基板と、を有し、第１サファイヤ基板および第２サファイヤ基板の各厚さは、第１石英基板または第２石英基板の厚さの２倍以上である。【選択図】図４

Description

本発明は、電気光学装置および電子機器に関する。

近年、スクリーンに大画面を表示する装置として液晶プロジェクターが普及している。液晶プロジェクターは、光源からの光を３原色の赤、緑、青に分解し、各色の光を液晶パネルの１つずつに割り当てて透過させ、各色の透過像を合成して、レンズ等の光学系によって拡大してスクリーン等に投射する構成となっている。
一般に、液晶プロジェクターでは、投射される画像の高輝度化が要求されるが、高輝度化のためには、液晶パネルに入射される光量を増大させる必要がある。入射光量を増大させると、液晶パネルの発熱が問題となる。このため、液晶パネルの光が入射する側の光入射面または光が出射する側の光出射面にサファイヤ基板を設けて放熱を促進する技術が提案されている（例えば特許文献１参照）。

特開２００３−１９５４２１号公報

液晶パネルにおける発熱源の主要なものの１つは、素子基板におけるブラックマトリクス（ＢＭ）である。液晶パネルの素子基板には、薄膜トランジスターや画素電極等が形成されるので、８００℃以上の高温ポリシリコン製造プロセスに耐えうる石英基板が用いられる。ただし、石英基板の熱伝導率が比較的低いので、単純に液晶パネルの光入射面または光出射面に、熱伝導率が比較的高いサファイヤ基板を設けても、放熱効果が十分でない場合があることが、本件の発明者によって見出された。

上記課題の一つを解決するために、本発明の一態様に係る電気光学装置は、第１石英基板と、前記第１石英基板と対向する第２石英基板と、前記第１石英基板および前記第２石英基板に挟持された液晶層と、前記第１石英基板に貼り合わされた第１サファイヤ基板と、前記第２石英基板に貼り合わされた第２サファイヤ基板と、を有し、前記第１放熱サファイヤ基板および第２サファイヤ放熱基板の各厚さは、前記第１石英基板または前記第２石英基板の厚さの２倍以上である。

電気光学装置を用いた液晶プロジェクターを示す図である。 電気光学装置の全体構成を示す斜視図である。 第１実施形態に係る液晶パネルの構成を示す図である。 第１実施形態に係る液晶パネルの構成を示す図である。 電気光学装置の構成を分解して示す図である。 電気光学装置の構成を示す端面図である。 第２実施形態に係る液晶パネルの構成を示す図である。 第２実施形態に係る液晶パネルの構成を示す図である。 実施形態等に係る液晶パネルにおける基板の材質を比較する図である。 実施形態等に係る液晶パネルにおける基板の厚さを比較する図である。

以下、本発明を実施するための形態について図面を参照して説明する。

＜第１実施形態＞
図１は、第１実施形態に係る電気光学装置を適用した液晶プロジェクターの構成を示す図である。
図１に示されるように、液晶プロジェクター２１００は、透過型の液晶パネル１００Ｒ、１００Ｇおよび１００Ｂを備える。プロジェクター２１００の内部には、ハロゲンランプ等の白色光源からなるランプユニット２１０２が設けられている。このランプユニット２１０２から射出された投射光は、内部に配置された３枚のミラー２１０６および２枚のダイクロイックミラー２１０８によって、赤、緑および青の３原色に分離される。このうち、赤の光は液晶パネル１００Ｒに、緑の光は液晶パネル１００Ｇに、青の光は液晶パネル１００Ｂに、それぞれ入射する。
なお、青の光の光路は、他の赤や緑と比較して長い。このため、青の光は、光路での損失を防ぐために、入射レンズ２１２２、リレーレンズ２１２３および出射レンズ２１２４からなるリレーレンズ系２１２１を介して液晶パネル１００Ｂに導かれる。

液晶パネル１００Ｒは、図示省略された上位回路から供給される赤色成分のデータ信号を、内蔵した駆動回路によって画素毎に書き込む。液晶パネル１００Ｒにおいて、画素にデータ信号が書き込まれると、当該データ信号に応じた透過率となる。このため、液晶パネル１００Ｒでは、入射した赤の光が画素毎に透過率が制御されるので、表示すべき画像のうち、赤の成分の透過像が生成されることになる。
同様に、液晶パネル１００Ｇおよび１００Ｂでは、緑色成分のデータ信号および青色成分のデータ信号が、駆動回路によって画素毎に書き込まれて、それぞれ表示すべき画像のうち、緑および青の成分の透過像が生成される。

液晶パネル１００Ｒ、１００Ｇおよび１００Ｂによってそれぞれ生成された各色の透過像は、ダイクロイックプリズム２１１２に３方向から入射する。そして、このダイクロイックプリズム２１１２において、ＲおよびＢの光は９０度に屈折する一方、Ｇの光は直進する。したがって、各色の画像が合成された後、スクリーン２１２０には、投射レンズ２１１４によってカラー画像が投射される。
なお、液晶パネル１００Ｒ、１００Ｂによる各透過像は、ダイクロイックプリズム２１１２により反射した後に投射されるのに対し、液晶パネル１００Ｇの透過像は直進して投射される。このため、液晶パネル１００Ｒ、１００Ｂによる各透過像は、液晶パネル１００Ｇの透過像に対して左右反転した関係となっている。

液晶パネル１００Ｒ、１００Ｇおよび１００Ｂでは、入射する光の色が異なるのみであり、構造は同一である。そこで、液晶パネル１００Ｒ、１００Ｇおよび１００Ｂについては、液晶パネル１００Ｒを例にとって説明する。

図２は、液晶パネル１００Ｒを含んだ電気光学装置１０Ｒの全体構成を示す斜視図である。図２に示されるように、液晶パネル１００Ｒは、開口部を有するケース７１に収納される。
液晶パネル１００Ｒは、後述するように素子基板と対向基板とを含み、このうち、素子基板には、ＦＰＣ基板７４の一端が接続されている。なお、ＦＰＣは、Flexible Printed Circuitsの略語である。また、ＦＰＣ基板７４の他端には、複数の端子７６が設けられて、上記上位回路に接続される。ＦＰＣ基板７４には、半導体チップの制御回路５が実装されるとともに、当該上位回路から、複数の端子７６を介して映像信号や同期信号が供給される。映像信号は、表示すべき画像のうち、Ｒ成分の画像の階調レベルをＲ画素毎に例えば８ビットで規定する。
制御回路５は、映像信号を液晶の駆動に適したアナログのデータ信号に変換するとともに、同期信号に基づき、上記駆動回路を制御する制御信号を生成して、データ信号とともに液晶パネル１００Ｒの素子基板に供給する。

図３および図４は、図２における電気光学装置１０Ｒのうち、ケース７１を除いた液晶パネル１００Ｒを、Ａａ−Ａｂ線で破断した場合の構造を示す断面図である。
図３に示されるように、液晶パネル１００Ｒでは、第１に、素子基板１０２および対向基板１０４が貼り合わせられた構成となっている。詳細には、素子基板１０２には、画素電極や薄膜トランジスターなどが形成され、対向基板１０４には、対向電極やレンズアレイなどが形成される。そして、素子基板１０２と対向基板１０４とは、スペーサを含むシール材によって一定の間隙を保ち、互いに電極が形成された内側面が対向するように貼り合わせられて、当該内側面同士の間隙に液晶が封入された構成となっている。なお、上記間隙は数マイクロメートルオーダーであり、対向基板１０４および素子基板１０２におけるミリメートルオーダーの厚さと比較して十分に薄いので、図３や、後述する図４乃至図８では、素子基板１０２と対向基板１０４とが密着された状態で表現されている。
なお、後述するように、素子基板１０２および対向基板１０４にはそれぞれ石英基板が用いられるので、素子基板１０２が第１石英基板の一例となり、対向基板１０４が第２石英基板の一例となっている。

素子基板１０２は、対向基板１０４に対して張り出した領域を有し、この領域に、図２におけるＦＰＣ基板７４の一端が接続される。
また、素子基板１０２および対向基板１０４が貼り合わせられた後に、素子基板１０２の外側面である光が出射する側の光出射面および対向基板１０４の外側面である光入射する側の光入射面は、それぞれ切削または研磨等によって、図３の破線で示される状態から実線で示される状態に、薄型化されている。

液晶パネル１００Ｒでは、第２に、素子基板１０２および対向基板１０４が貼り合わせられて薄型化された状態において、さらに図４に示されるように素子基板１０２の光出射面に放熱基板１５２が、対向基板１０４の光入射面に放熱基板１５４が、それぞれ貼り合わせられた構成となっている。
なお、貼り合わせるとは、素子基板１０２と放熱基板１５２と、または、対向基板１０４と放熱基板１５４とが、接着材を介して接着されて配置されている場合、周辺領域のみ接着材で接着され、中央部分は、熱伝導部材を介して張り合わされて配置されている場合、接着材や熱伝導部材を介さずに素子基板１０２と放熱基板１５２が直接に接触して配置されている場合等、素子基板１０２または対向基板１０４の熱を放熱基板１５２または１５４に熱伝導が可能な形態で、両者が配置された状態を意味している。
後述するように、放熱基板１５２および１５４にはそれぞれサファイヤ基板が用いられるので、放熱基板１５２が第１サファイヤ基板の一例となり、放熱基板１５４が第２サファイヤ基板の一例となっている。

図３および図４において液晶パネル１００Ｒの上側、すなわち放熱基板１５４の側から光が入射して、下側、すなわち放熱基板１５２の側から光が出射する。なお、液晶パネル１００Ｒの下側、すなわち放熱基板１５２の側から光が入射して、下側、すなわち放熱基板１５４の側から光が出射する構成とすることもできる。この構成では、対向基板１０４の光出射面に放熱基板１５４が、素子基板１０２の光入射面に放熱基板１５２が、それぞれ貼り合わせられた構成となる。
また、放熱基板１５４、対向基板１０４、素子基板１０２および放熱基板１５２の各厚みを順にそれぞれｔ６、ｔ２、ｔ１およびｔ５と表記しているが、具体的な数値については後述する。放熱基板１５２および１５４の外形は、平面視した場合（図３または図４において対向基板１０４の上面側から眺めた場合）、対向基板１０４よりも一回り小さい。

図５は、図２における電気光学装置１０をＡａ−Ａｂ線で破断した場合の構造を分解して示す断面図であり、図６は、その組み立て図である。
図５において、ケース７１は金属などからなる。ケース７１において光の入射側には、フロントプレート７２が設けられる。フロントプレート７２は、例えばアルミニウムなどの反射性金属からなり、図５および図６に示されるように枠状の開口部７２ａを有し、液晶パネル１００Ｒに入射させる光以外の光、すなわち、透過像の形成に寄与しない光を反射させる。
なお、開口部７２ａは、平面視した場合に、液晶パネル１００Ｒにおける画素電極の配列領域（図示省略）よりも広く、放熱基板１５４よりも狭い。

ケース７１の内側、すなわち液晶パネル１００Ｒを収納する側には、壁部７１１、７１１２、７１３および７１４を含む段差７１０が設けられる。この段差７１０に液晶パネル１００Ｒの一部が嵌め込まれる。具体的には、放熱基板１５４が、フロントプレート７２に当接した状態で壁部７１１に嵌め込まれ、同様に、対向基板１０４が壁部７１２に、素子基板１０２が壁部７１３に、それぞれ嵌め込まれる。

ケース７１において光が出射する側には、アルミニウムなどの放熱性の高い金属等の材質からなるリアプレート７３が設けられる。リアプレート７３は、放熱基板１５２を抑え込むように、素子基板１０２およびケース７１の壁部７１４に嵌め込まれる。
なお、ケース７１、フロントプレート７２、液晶パネル１００Ｒおよびリアプレート７３同士は接着剤などにより固着される。

このように構成された液晶パネル１００Ｒには、図示省略されたファンによる冷却風が図６において横方向から当てられる。出射側には図１に示されるようにダイクロイックプリズム２１１２が配置するので、空間的な余裕が小さい。このため、冷却風量について、出射側より入射側が多くなる。上述したように、液晶パネル１００Ｒの主要な発熱源が、素子基板１０２におけるブラックマトリクスであるので、素子基板１０２で発生した熱を、ケース７１を介して入射側に導いて冷却効率を高める構成となっている。

ここで、第１実施形態における液晶パネル１００Ｒでは、図９に示されるように、放熱基板１５２および１５４の各々にはサファイヤ基板が使用され、素子基板１０２および対向基板１０４の各々には石英基板を使用される。また、第１実施形態における液晶パネル１００Ｒでは、図１０に示されるように、放熱基板１５４の厚さｔ６が１．７０ｍｍであり、対向基板１０４の厚さｔ２が０．５０ｍｍであり、素子基板１０２の厚さｔ１が０．５０ｍｍであり、放熱基板１５２の厚さｔ５が１．８０ｍｍである。

＜第２実施形態＞
次に便宜的に、第２実施形態に係る液晶パネル１００Ｒについて説明する。第２実施形態における液晶パネル１００Ｒは、放熱基板１５２および１５４にサファイヤ基板が使用され、素子基板１０２および対向基板１０４の各々に石英基板を使用される点において、第１実施形態と同様であるが、第１実施形態とは各基板の厚みが異なる。
詳細には、図７に示されるように、第１実施形態における液晶パネル１００Ｒでは、第１に、素子基板１０２および対向基板１０４が貼り合わせられた状態において、さらに図８に示されるように素子基板１０２に放熱基板１５２が、対向基板１０４に放熱基板１５４が、それぞれ貼り合わせられた構成となっている。ただし、第２実施形態における液晶パネル１００Ｒにおいて、放熱基板１５４、対向基板１０４、素子基板１０２および放熱基板１５２の各厚みを順にそれぞれｔ１６、ｔ１２、ｔ１１およびｔ１５と表記した場合に、図１０に示されるように、厚さｔ１６が２．１５ｍｍであり、厚さｔ１２が０．１５ｍｍであり、厚さｔ１１が０．１５ｍｍであり、厚さｔ１５が２．０５ｍｍである。

次に、第１実施形態および第２実施形態に係る液晶パネル１００Ｒにおいて、各基板の材質や厚さを上記のように採用した点について説明する。

図９および図１０は、第１実施形態および第２実施形態に係る液晶パネル１００Ｒの優位性を説明するための図であり、各基板の材質、厚さについて、他の比較例等と比較して説明するための図である。詳細には、図９は、比較例１乃至比較例７と、第１実施形態および第２実施形態とに係る液晶パネルにおける光束値と、各基板の材質とを示し、図１０は、比較例１乃至比較例７と、第１実施形態および第２実施形態とに係る各基板の厚さを示す。
なお、これらの例では、液晶パネル１００Ｒの総厚みを４．５ｍｍで揃えている。総厚みが異なると、液晶プロジェクターの光路長が変わるので、全体的な光学設計等の変更が余儀なくされるためである。

図９における縦軸の光束値とは、仮に、その材質および厚さの液晶パネルを構成した場合に、液晶層が許容上限温度となるときの当該液晶パネルに入射する光束値を、比較例１における光束値を基準の「１．００」として相対値で表現したものである。液晶パネル１００Ｒに入射させる光束値を増加させると、液晶の特性が変化するので、所定の光学特性を得ることができなくなる。このため、図９における光束値とは、そのように構成される液晶パネルにおいて入射可能な上限の光束値が、比較例１を基準にしてどれだけ高められるかを示している。

図９に示されるように、光束値だけみれば、比較例３および比較例７が優秀である。
しかしながら、素子基板１０２には、上述したように８００℃以上の高温ポリシリコン製造プロセスにより薄膜トランジスター等が形成されるが、サファイヤ（Ａｌ２Ｏ３）基板を用いると、Ａｌ成分によって高温ポリシリコン製造装置が汚染されるだけでなく、素子基板１０２に形成される薄膜トランジスターの特性を劣化させることにもなる。対向基板１０４には、画素への集光力を高めるためにマルチレンズアレイが形成されるが、サファイヤの屈折率が高いので、集光効率を高めることができない、つまり光の利用効率が低下してしまう、という不都合がある。
このため、素子基板１０２および対向基板１０４には、このような不都合を避けるために、石英基板を用いざるを得ない。したがって、比較例３および比較例７のほか、比較例５および比較例６が採用できない。なお、各基板をすべて石英基板とした比較例１では、光束値が低いので、採用できない。また、放熱基板１５４のみをサファイヤ基板とした比較例２においても、光束値は低い。

放熱基板１５２および１５４の双方にサファイヤ基板を用いた比較例４では、比較例１や比較例２より、光束値において改善の傾向が見られる。このため、放熱基板１５２および１５４の各々として、サファイヤ基板を用いることが好ましいと考えられる。

次に、放熱基板１５２および１５４にサファイヤ基板を用いるにしても、単純に板厚を増す構成では、上述したように、光路長の増大に伴う設計変更等のために採用できない。そこで、第１実施形態および第２実施形態では、素子基板１０２および対向基板１０４が貼り合わせられた後、放熱基板１５２および１５４が貼り合わせられる前に、素子基板１０２の光出射面および対向基板１０４の光入射面をそれぞれ切削または研磨等によって薄型化することによって、放熱基板１５２および１５４の厚み分を確保している。
具体的には、第１実施形態のように、放熱基板１５２の厚さおよび放熱基板１５４の厚さを、素子基板１０２の厚さまたは対向基板１０４の厚さの２倍以上とすること、また、素子基板１０２の厚さまたは対向基板１０４の厚さを０．５０ｍｍ以下とし、放熱基板１５２の厚さおよび放熱基板１５４の厚さを１．１０ｍｍ以上とすること、望ましくは、放熱基板１５２の厚さおよび放熱基板１５４の厚さを、素子基板１０２の厚さまたは対向基板１０４の厚さの３倍以上とすること、によって光束値を高めることができる。

また、第２実施形態のように、放熱基板１５２の厚さおよび放熱基板１５４の厚さを、素子基板１０２の厚さまたは対向基板１０４の厚さの１０倍以上とすること、好ましくは、素子基板１０２の厚さおよび対向基板１０４の厚さを０．１５ｍｍ以上とする一方で、放熱基板１５２の厚さおよび対向基板１０４厚さが２．０５ｍｍ以上とすること、によって光束値を第１実施形態よりも高めることができる。

このように、第１実施形態および第２実施形態に係る液晶パネル１００Ｒでは、放熱効率が高められて、十分な光束値を確保することができるので、より明るい高輝度の表示が可能となる。
また、第１実施形態および第２実施形態に係る液晶パネル１００Ｒでは、ランプユニットの入射光が画素（液晶層）で焦点を結び、その透過像がスクリーンに投射されるが、放熱基板１５２および１５４の厚みを確保することによって、放熱基板１５２の入射面または放熱基板１５４の出射面にゴミが付着しても焦点から外れるので、投射画像に当該ゴミが結像されてしまうのを防止することができる。

なお、貼り合わせ前に、素子基板１０２を薄くした上で、薄膜トランジスター等を形成する構成は、半導体製造プロセスにおける製造条件の変更を伴うだけでなく、切削または研磨等によって発生するクズが、対向基板１０４と対向する内側面に付着して、表示に悪影響を与えるなどの不都合が発生する可能性が高い。
また、素子基板１０２および対向基板１０４を薄型化すればするほど、放熱基板１５２および１５４の厚みを確保することができるが、素子基板１０２および対向基板１０４を薄型化するにしても限度がある。具体的には、素子基板１０２および対向基板１０４の厚さが０．１５ｍｍ未満になると、基板が変形して、製造プロセスにおいて搬送が困難になり、また、反りやクラック等が発生する、という問題が生じる。また、素子基板１０２にＦＰＣ基板７４の一端を接続する際の圧着に不良が生じやすくなる、という問題もある。
このため、第２実施形態では、貼り合わせ後に、素子基板１０２または対向基板１０４の厚さを、０．１５ｍｍを限度として薄型化する構成とした。

１０Ｒ…電気光学装置、７１…ケース、７２…フロントプレート、７３…リアプレート、１００Ｒ、１００Ｇ、１００Ｂ…液晶パネル、１０２…素子基板（第１石英基板）、１０４…対向基板（第２石英基板）、１５２…放熱基板（第１サファイヤ基板）、１５４…放熱基板（第２サファイヤ基板）、２１００…液晶プロジェクター。

Claims (8)

1. 第１石英基板と、
   前記第１石英基板と対向する第２石英基板と、
   前記第１石英基板および前記第２石英基板により挟持された液晶層と、
   前記第１石英基板に貼り合わされた第１サファイヤ基板と、
   前記第２石英基板に貼り合わされた第２サファイヤ基板と、
   を有し、
   前記第１サファイヤ基板および第２サファイヤ基板の各厚さは、
   前記第１石英基板または前記第２石英基板の厚さの２倍以上である
   電気光学装置。
2. 請求項１において、
   前記第１石英基板および前記第２石英基板の各厚さが０．５０ｍｍ以下であり、
   前記第１サファイヤ基板および第２サファイヤ基板の各厚さが１．１０ｍｍ以上である
   電気光学装置。
3. 請求項２において、
   前記第１サファイヤ基板および第２サファイヤ基板の各厚さは、
   前記第１石英基板または前記第２石英の厚さの３倍以上である
   電気光学装置。
4. 請求項３において、
   前記第１サファイヤ基板および第２サファイヤ基板の各厚さが１．７０ｍｍ以上である
   電気光学装置。
5. 請求項１において、
   前記第１サファイヤ基板および第２サファイヤ基板の各厚さは、
   前記第１石英基板または前記第２石英の厚さの１０倍以上である
   電気光学装置。
6. 請求項５において、
   前記第１石英基板および前記第２石英の各厚さが０．１５ｍｍ以上であり、
   前記第１サファイヤ基板および第２サファイヤ基板の各厚さが２．０５ｍｍ以上である
   電気光学装置。
7. 請求項５または６において、
   前記第１石英基板は、前記第１サファイヤ基板との貼り合わせ前に、切削または研磨により薄型化され、
   前記第２石英は、前記第１サファイヤ基板との貼り合わせ前に、切削または研磨により薄型化された
   電気光学装置。
8. 請求項１乃至７のいずれかに記載の電気光学装置を有する電子機器。

Images