(57)【要約】【課題】大型のフォグスクリーンを生成することができるスクリーン形成装置を提供すること。【解決手段】スクリーン形成装置１００は、液体窒素タンク１０１、液体窒素を噴射するＮ2噴射用ループパイプ１０２、水タンク１０３、フォグ発生ノズル１０４、ファン１０５からなる。ファン１０５の送風方向に気化された液体窒素が噴射されるＮ2噴射用ループパイプ１０２が配置されている構造となっている。噴射される窒素は噴射時に全てが気化していなくてもよく、液体で噴射され空気中で気化してもよい。フォグ発生ノズルおよびファン１０５からなるフォグ発生部は、水タンク１０３に蓄えられている水を昇圧ポンプにて昇圧し、ファンの周辺部に配置されたノズルから霧が噴霧することができる。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
水を噴霧して霧を発生させるフォグ発生器と、
前記フォグ発生器が霧を発生させる領域に、大気温下で気体となる冷媒を噴射する冷媒噴射器と、
前記フォグ発生器から発生した霧と、前記冷媒噴射器から噴射された前記冷媒を所定の方向に拡散させる送風機と、
を備えたことを特徴するスクリーン形成装置。
【請求項２】
前記冷媒噴射器は、
前記冷媒を液体で貯蔵する、加圧可能な冷媒貯蔵タンクと、
前記冷媒貯蔵タンクに接続され、複数の開口部から前記冷媒を噴射する窒素噴射用パイプと、
を含むことを特徴とする請求項１記載のスクリーン形成装置。
【請求項３】
前記冷媒噴射用パイプは、前記複数の開口部を設けた領域がリング状であることを特徴とする請求項２に記載のスクリーン形成装置。
【請求項４】
前記冷媒噴射器は、前記冷媒噴射用パイプの複数の開口部から前記冷媒が均一に噴射するよう、前記冷媒噴射用パイプに接続された複数の前記冷媒貯蔵タンクを含むことを特徴とする請求項２又は３に記載のスクリーン形成装置。
【請求項５】
前記送風機は、送風方向に対して垂直な方向に一列に並んだ複数のファンを含み、前記複数のファンの各々は、隣接するファンと回転方向が逆で、かつ、送風方向が同一であることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載のスクリーン形成装置。
【請求項６】
前記フォグ発生器から発生した霧と、前記冷媒噴射器から噴射された前記冷媒とは、粒径および密度が異なることを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載のスクリーン形成装置。
【請求項７】
前記冷媒は、窒素、二酸化炭素およびアルゴンのいずれかであることを特徴とする請求項１乃至６のいずれかに記載のスクリーン形成装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、スクリーン形成装置に関し、より詳細には、映像を投影可能な可搬式のスクリーン形成装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、映像投影技術は様々な方向に向かい、最近では屋外の建物などの凹凸のある３次元的な構造物に対し、元の形状をうまく利用し投影するプロジェクションマッピング技術が脚光を浴びている。これまでのプロジェクションマッピングは、既存の建物をはじめ『あらかじめ用意した設備』に対する投影が中心である。この理由は、一般的に大きな投影対象物に可動性が無く、設備としてあらかじめ設置しておく必要があったからである。様々なイベント会場やスタジアム等にテンポラリーに出現可能な大規模スクリーンが可能となれば、これらのプロジェクションマッピング技術を用いる範囲が飛躍的に広がることが期待できる。
【０００３】
また、通常の映像投影を行うスクリーンに関しても、数百インチを超える場合は、映画館のような大型スクリーンや建物の壁のようにある特定の設備が利用されてきた。一方で近年、空中にスクリーンを具現化する方法として、水、煙、霧などを媒体としたスクリーンが提案され、中でも低コスト、かつ、利用場所を選ばないフォグスクリーンが注目されている（非特許文献１〜４参照）。フォグスクリーンは、霧（水粒子）による光の散乱現象を利用したもので、投影光を霧によって散乱・反射し、霧上に映像を映し出すものである。これまでに、超音波振動子によって水を霧とした後、送風機で空中へ送り出すフォグスクリーンが提案されている（特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００８−９６９４２号公報
【非特許文献】
【０００５】
【非特許文献１】S. DiVerdi, I. Rakkolainen, T. Hollerer, and A. Olwal, "A novel walk-through 3D display," SPIE Electronic Imaging, Stereoscopic Displays and Virtual Reality Systems XIII, Vol. 6055, pp. 1-10, SPIE Press, Jan. 2006.
【非特許文献２】I. Rakkolainen T. Hollerer, S. DiVerdi, and A. Olwal, "Mid-air display experiments to create novel user interfaces," Multimedia Tools and Applications, Vol. 44, Issue 3, pp. 389-405, Springer Netherlands, 2009.
【非特許文献３】I. Rakkolainen, A. Sand, K. Palovuori, "Midair User Interfaces Employing Particle Screens," IEEE Computer Graphics and Applications,Vol. 35, Issue 2, pp. 96-102, 2015.
【非特許文献４】Fogio Inc. (2014) FogScreen. [Online]. Available: http://fogscreen.com/
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
エアーカーテン等の気流制御と超音波装置等による霧生成とを組み合わせた実用化されているフォグスクリーンにおいて実現できているスクリーンサイズは、幅２．２ｍ、高さ１．５ｍ（１００インチ相当）である。これまでのフォグスクリーンの多くは屋内向けの仕様であり、噴霧装置を上方に取り付けて下方に向けて噴霧し、観察者の前方より投影、すなわち観察者からみてスクリーンの裏側から投影し、観察者は透過映像を見る形態であった。しかし、このような方式は、イベント会場やスタジアム等、屋外で十数メートル上方に映像を映し出す空間映像システムへの適用は難しい。
【０００７】
これに対して、別のフォグスクリーンでは、超音波振動子によって水を霧とした後、送風機で空中へ送り出する方式がとられている（特許文献１参照）。この際、スクリーンが形成される空間には、もともとは霧が存在していない。もしくは存在していたとしても、スクリーンにするためにより多くの霧が送風によって送り込まれる。つまり、スクリーンが形成される空間は、霧を発生させる装置内より乾燥している。したがって、霧が送り込まれた空間では、霧は周囲の乾燥した空気と混合し、一部が消滅する。また、送風により霧を遠方まで拡散させ、大型のスクリーンを形成しようとすると、単位体積当たりの霧の量、すなわち霧の密度は低下する。
【０００８】
この霧の消滅と送風に伴う霧の密度低下によって、単位体積当たりの霧が一定量以下になると、十分に映像を投影できなくなることから、このスクリーン形成方式においても大型化の制限が課題である。
【０００９】
本発明は、かかる従来の課題に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、大型のフォグスクリーンを生成することができるスクリーン形成装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記の課題を解決するために、本発明は、スクリーン形成装置であって、水を噴霧して霧を発生させるフォグ発生器と、前記フォグ発生器が霧を発生させる領域に、大気温下で気体となる冷媒を噴射する冷媒噴射器と、前記フォグ発生器から発生した霧と、前記冷媒噴射器から噴射された前記冷媒を所定の方向に拡散させる送風機と、を備えたことを特徴する。
【００１１】
請求項２に記載の発明は、請求項１記載のスクリーン形成装置において、前記冷媒噴射器は、前記冷媒を液体で貯蔵する、加圧可能な冷媒貯蔵タンクと、前記冷媒貯蔵タンクに接続され、複数の開口部から前記冷媒を噴射する冷媒噴射用パイプと、を含むことを特徴とする。
【００１２】
請求項３に記載の発明は、請求項２に記載のスクリーン形成装置において、前記冷媒噴射用パイプは、前記複数の開口部を設けた領域がリング状であることを特徴とする。
【００１３】
請求項４に記載の発明は、請求項２又は３に記載のスクリーン形成装置において、前記冷媒噴射器は、前記冷媒噴射用パイプの複数の開口部から前記冷媒が均一に噴射するよう、前記冷媒噴射用パイプに接続された複数の前記冷媒貯蔵タンクを含むことを特徴とする。
【００１４】
請求項５に記載の発明は、請求項１乃至４のいずれかに記載のスクリーン形成装置において、前記送風機は、送風方向に対して垂直な方向に一列に並んだ複数のファンを含み、前記複数のファンの各々は、隣接するファンと回転方向が逆で、かつ、送風方向が同一であることを特徴とする。
【００１５】
請求項６に記載の発明は、請求項１乃至５のいずれかに記載のスクリーン形成装置において、前記フォグ発生器から発生した霧と、前記冷媒噴射器から噴射された前記冷媒とは、粒径および密度が異なることを特徴とする。
【００１６】
請求項７に記載の発明は、請求項１乃至６のいずれかに記載のスクリーン形成装置において、前記冷媒は、窒素、二酸化炭素およびアルゴンのいずれかであることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１７】
本発明は、フォグスクリーンにより大型のスクリーンを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】飽和水蒸気圧の温度依存性を示す図である。
【図２】本発明の実施形態１に係るスクリーン形成装置の構成を示す図である。
【図３】直線形状の窒素噴射パイプを示す図である。
【図４】本発明の実施形態１に係るスクリーン形成装置で用いるＮ2噴射用ループパイプの構成例を示す図である。
【図５】本発明の実施形態２に係るスクリーン形成装置の構成を示す図である。
【図６】改良を加えた実施形態２のＮ2噴射用ループパイプの概観を示す図である。
【図７】本発明の実施形態３に係るスクリーン形成装置の構成の概略を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
本発明では、霧を送風機によって空中へ送風する際に、気化させた液体窒素を霧と混合して空間に放出させ、霧の放出口から遠方でもスクリーンとして機能するのに十分な量の霧を得ることを可能にする。
【００２０】
ある温度の空気に溶け込むことのできる水の量には限界があり、その限界まで水を含んだ状態を飽和水蒸気状態という。飽和水蒸気状態は、飽和水蒸気圧や飽和水蒸気量（１ｍ3の空気に何ｇの水が含まれるか）として表すことができる。飽和水蒸気圧（飽和水蒸気量）は温度が低いほど低い（少ない）。それはちょうど、砂糖を水に溶かす時に水の温度が高いほどたくさん溶けるのと同じである。
【００２１】
図１は、Ｗａｇｎｅｒの式を用いて飽和水蒸気圧Ｐ（ｋＰａ）を温度Ｔ（℃）の関数としてプロットしたものである。Ｗａｇｎｅｒの式は以下のように与えられる。
【００２２】
【数１】
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【００２３】
ここでｘ＝１−（Ｔ＋２７３．１）／６４７．３である。また飽和水蒸気圧から飽和水蒸気量を求めることができる。例えば５℃の時には、０．００６気圧、０．００７ｋｇ／ｍ３となる。
【００２４】
屋外で大型のフォグスクリーンを作るためには、単位体積当たりの霧の量がスクリーンとして機能するのに十分である必要がある。単位体積当たりの霧の量が減少する原因としては、霧が送り込まれた空間で霧が周囲の乾燥した空気と混合し一部が消滅することが挙げられる。また、一定量の霧が送風により遠方に拡散されることによっても、単位体積当たりの霧の量が減少し、スクリーンとして機能しにくくなる。
【００２５】
一方で、スクリーンを形成する空間の空気が飽和水蒸気圧、もしくはそれに近い状態であれば、送り込まれた霧が水蒸気として空気中に気化することができなくなり、霧は消滅しなくなる。そのため、本発明では、スクリーンを形成する空間の空気を飽和水蒸気状態に近づけることで、単位体積当たりの霧の量の減少を回避する。飽和水蒸気圧に近づける方法は、気化させた低温の液体窒素を霧と混合して空間に放出させ、空気の温度を低下させることで飽和水蒸気圧自体を低下させことである。
【００２６】
本発明では、液体窒素を気化して霧ともに空間に放出することにより、霧の放出口から遠方の空気も窒素によって冷却されて飽和水蒸気圧が低下するので、霧の消滅が起きにくく広い範囲に十分な密度の霧を得ることができる。
【００２７】
以下、本発明の実施の形態について、詳細に説明する。
【００２８】
（実施形態１）
図２に、本発明の実施形態１に係るスクリーン形成装置の構成を示す。スクリーン形成装置１００は、液体窒素タンク１０１、液体窒素を噴射するＮ2噴射用ループパイプ１０２、水タンク１０３、フォグ発生ノズル１０４、ファン１０５からなる。ファン１０５の送風方向に気化された液体窒素を噴射するＮ2噴射用ループパイプ１０２が配置されている構造となっている。ここではＮ2噴射用ループパイプ１０２がフォグ発生ノズル１０４よりも風下に位置しているが、フォグ発生ノズル１０４をＮ2噴射用ループパイプ１０２よりも風下に配置して位置関係を逆にしてもよい。また、噴射される窒素は噴射時に全てが気化していなくてもよく、液体で噴射され空気中で気化してもよい。
【００２９】
フォグ発生ノズル１０４、ファン１０５からなるフォグ発生部は、水タンク１０３に蓄えられている水を昇圧ポンプにて昇圧し、ファンの周辺部に配置されたノズルから霧が噴霧することができる。
【００３０】
尚、霧の粒径によって投影された映像の光が反射される方向が異なるので、視野角を広くするためには、Ｎ2噴射用ループパイプ１０２から噴射される窒素と、フォグ発生ノズル１０４およびファン１０５のフォグ発生部から噴霧された霧とは、粒径を異なるものとすることが望ましい。また、Ｎ2噴射用ループパイプ１０２から噴射される窒素と、フォグ発生ノズル１０４およびファン１０５のフォグ発生部から噴霧された霧とは、密度は同じである必要はない。
【００３１】
本実施形態のスクリーン形成装置のデモシステムを用意し、ファンを寝かした状態で上方に噴霧する形態で、上空方向にスクリーンを形成した。スクリーン形成装置１００を駆動する前と後で周囲の湿度を湿度計にて計測した結果、駆動前は５１％であった湿度が駆動後には湿度８８％まで急上昇した。
【００３２】
液体窒素タンク１０１は、加圧弁の開放により、気化した低温の窒素が外気によって加熱され、容器内下部にある液体窒素を気化させることで容器内の圧力を上昇させる。内部で気化した窒素ガスが液体窒素を押し出す機構となっている。したがって、加圧弁とガス放出弁を開閉することで、安全弁の設定値である以下の範囲で、所望の圧力を容易に得ることができる。この圧力によって、タンク内の窒素を噴出することができる。
【００３３】
気化された液体窒素が噴射されるＮ2噴射用ループパイプ１０２は、高圧で噴出される液体窒素を空中でより平均化（＝安定）させるため、ステンレスパイプ（ＳＵＳパイプ）に複数の開口部を設けた噴射口の作製を検討した。しかし、パイプの開口部は上空方向にスクリーンを発生させるために、上面に設けられている。この時、１本のＳＵＳパイプに開口部を配列させただけでは、容器からの距離とともに噴出する液体窒素の圧力が低下することが予想される（図３）。
【００３４】
そこで、図４に本発明の実施形態１に係るスクリーン形成装置で用いるＮ2噴射用ループパイプの構成例を示す。Ｎ2噴射用ループパイプ１０２として、ＳＵＳパイプをまげ、スゥェジロックをもちいてリング状の先端部を備えたロッドを作製した。リング状にすることで各開口部から噴出される液体窒素量を、より平均化することができる。また、このＮ2噴射用ループパイプ１０２は液体窒素タンクに直接ボルトで固定することが可能であり、液体窒素タンクに設けられている安全弁の設定圧力の上限である０．１３ＭＰａまで加圧可能である。
【００３５】
ファン１０５により生じた風速はファンから遠ざかるにつれて弱くなるので、大型スクリーンを形成するには映像投影位置での風速が重要になる。夜間に映像投影を試みたところ、フォグ発生ノズル１０４およびＮ2噴射用ループパイプ１０２上空にて、風速が約８ｍ／ｓｅｃあると映像を投影可能なフォグが形成された。この際、フォグスクリーン送風口からの距離が１０ｍ地点で風速が８ｍ／ｓｅｃ以上あるファンを用いてフォグを発生させた。長さ１０ｍの紐を付けた風船を空中に飛ばし、風船の位置までフォグの先端が届いている事を確認した。さらに、市販のプロジェクタを用いて、映像投影をしたところ、１０ｍの高さまで良好に鮮明な映像が投影された。
【００３６】
（実施形態２）
図５に、本発明の実施形態２に係るスクリーン形成装置の構成を示す。実施形態２では、液体窒素タンク１０１−１、１０１−２をＮ2噴射用ループパイプ１０６の両側に１台ずつ配置する構成とし、Ｎ2噴射用ループパイプ１０６と液体窒素タンク１０１とをＳＵＳのパイプにて接続した。Ｎ2噴射用ループパイプ１０６は、実施形態１と同様に、フォグ発生ノズル１０４およびファン１０５の上部に配置され、パイプの上面に窒素噴射用の穴が開けられている。
【００３７】
図６に、改良を加えた実施形態２のＮ2噴射用ループパイプの概観を示す。液体窒素噴射部の噴射の均一性を向上させるために、噴射口を均一な１ｍｍ径穴を均等距離に設けることとした。また、均一な窒素供給のために、両側に配置されている２台の液体窒素タンクから窒素を供給できる構造とした。この液体窒素噴射部の噴射口の向きは、スクリーンの大きさを優先する場合は送風方向に向けるのが望ましく、投影される映像の明るさを優先する場合はＮ2噴射用ループパイプ１０６の内側等、送風方向とは異なる方向に向けるのが望ましい。
【００３８】
Ｎ2噴射用ループパイプ１０６に空けた穴の直径を１ｍｍから２ｍｍに変更し、液体窒素噴射量を４倍に上げることと、Ｎ2噴射用ループパイプ１０６の大きさを幅１ｍ×長さ２ｍから幅１ｍ×長さ１ｍのほぼファンの径と一致する大きさに変更することにより効率的に低温窒素を噴射する対策を取って、更なるフォグ発生実験を行った。
【００３９】
本実施形態においても、低温窒素の空気冷却効果が得られ、ファンの送風口から１０ｍ上空にわたって、映像が投影可能なフォグスクリーンを形成することができた。
【００４０】
液体窒素タンクを２台用いることによって、フォグスクリーン形成に利用できる液体窒素量が２倍となったため、スクリーンを形成する霧の量を維持する時間も２倍となった。
【００４１】
本実施形態で重要なことは、複数台の液体窒素タンクを用いて、Ｎ2噴射用ループパイプに設けられた穴に加わる圧力の均一化を図ることであり、液体窒素タンクは２台以上であれば何台でもよい。特に、必要とする窒素供給の持続時間にあわせて、液体窒素タンクの台数を増減させてもよい。
【００４２】
（実施形態３）
図７に、本発明の実施形態３に係るスクリーン形成装置の構成の概略を示す。図７では、図の煩雑さを避けるため、フォグ用の水タンクおよび液体窒素タンクを省略しているが、実際の構成においては実施形態１、２と同様に配置されている。
【００４３】
本実施形態では、フォグ発生ノズル、Ｎ2噴射用ループパイプおよびファンを１０台横一列に並べて配置している。隣接するファンはモーターが逆方向に回転するようになっており、同時に一方向（この場合は上空方向）に風が送り出されるような羽の向きとなっている。具体的には、左から数えて奇数番目のファンは、反時計まわりにファンが回転し、上空方向に送風される羽の向きとなっており、偶数番目のファンは時計回りに回転した際に上空方向に送風される羽の向きとなっている。
【００４４】
本実施形態では隣接する２台のファンの回転方向が逆になっていることが肝要である。また、用途によっては１０台に限らず、投影したい映像の横幅によって台数を増減させてもよい。
【００４５】
また、Ｎ2噴射用ループパイプについては、ファン１台ずつに実施形態１のようなループ形状のものが配置されてもよいし、実施形態２のようにファン１台に付き両側に２台の液体窒素タンクを配置する構成としてもよい。また、１０台のファンの両端に１台ずつタンクを配置し、各々の噴射口にパイプを接続し、ファン１０台分の噴射を行ってもよい。
【００４６】
本実施形態では、ファンによって送られる風の渦が隣接するファン同士で逆となる。これによって、渦を巻いている風の境界付近では、風の向きが同じ方向のため、互いに打ち消しあわずに、風を遠方まで到達させることができるようになり、容易に大型のフォグスクリーンを形成することができる。
【００４７】
実施形態１〜３では、空気を冷却する冷媒として窒素を用いたが、二酸化炭素やアルゴン等、大気温下で気体になる不活性ガスであれば他の物質でもよい。
【符号の説明】
【００４８】
１００  スクリーン形成装置
１０１  液体窒素タンク
１０２、１０６  Ｎ2噴射用ループパイプ
１０３  水タンク
１０４  フォグ発生ノズル
１０５  ファン
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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