JP2006253274A - 表示装置の光源装置 - Google Patents

Abstract

【課題】各種表示装置に使用されるＬＥＤやレーザー等の半導体素子を光源とする光源装置において、半導体の性能、信頼性確保のために外気温以下に冷却可能な冷却手段と組み合わせて使用する場合に発生する結露課題を解決し半導体素子の寿命や故障に起因する交換作業においても最小限度の交換部品で対応できる光源装置を提供することを目的とする。
【解決手段】ＬＥＤ１が実装された銅ベース基板２と、その背面に密着して取り付けられたペルチェ素子３と、ペルチェ素子３の放熱側の大部分を外側に露出させベース４と、ハウジング７と、レンズ９とでＬＥＤ１とペルチェ素子３の冷却側が密閉された空間を形成し、内部に窒素ガスを封入している。また、ペルチェ素子３の放熱側には放熱モジュール１７が着脱可能に取り付けられていることで結露防止と光源モジュールの交換を容易にできる。
【選択図】図１

Description

本発明は、液晶ディスプレイやプロジェクタ等の表示装置に使用し、発光ダイオードやレーザーダイオードに代表される半導体光源を用いた光源装置に関するものである。

近年、パソコンやビデオなどの映像信号やテレビ放送を受信し表示する液晶ディスプレイや、映像信号を拡大投影するプロジェクタ等の表示装置は、よりカラー表示性能が高く、かつ、省電力、高信頼のものが求められるようになっている。その一つとして光源に発光ダイオード（以降ＬＥＤとも称す）や、レーザーダイオード等の半導体光源を用いたものが商品化、若しくは発表されている。また、これら半導体光源の使用にあたってはその性能、信頼性を確保するために消費される電力により温度が上昇しても半導体内部の温度を一定以下に保つ必要があることが判っている。

以下に従来の映像表示装置の光源装置について説明する。

従来、表示装置の光源装置としては光源にレーザーダイオードを使用する特許文献１に記載されたものが知られている。その光源装置を図７、図８に示す。

図７は従来の投写型表示装置に使用する光源装置としてのレーザー光源モジュール装置の例を説明する概略図である。図８はこのレーザー光源モジュール装置を用いたカラー映像表示装置の例を説明する概略図である。図７に示すようにレーザー光線発生装置１０１は、基台１０７、ファイバー保護管１３１、外囲器１４１により気密可能に内蔵され、内部に不活性ガスである窒素ガスが封入されている。

また、図８では赤色、緑色、青色のレーザー光線を発生するレーザー光源モジュール２１１Ｒ、２１１Ｇ、２１１Ｂが放熱器２１３との間にペルチェ素子２１５が取り付けられた状態で所定位置に配列されている。

以上のように構成された従来の光源装置について、以下その作用について説明する。

ペルチェ素子２１５に通電し、放熱器２１３が所定の動作を行うことで、ペルチェ素子２１５のレーザー光源モジュール２１１Ｒ、２１１Ｇ、２１１Ｂに接している側と、放熱器２１３が取り付けられた側に温度差が生じ、レーザー光源モジュール２１１Ｒ、２１１Ｇ、２１１Ｂ側の温度が低くできる。レーザー光源モジュール２１１Ｒ、２１１Ｇ、２１１Ｂで発生する熱に応じ、ペルチェ素子２１５に供給する電力を制御することで、レーザー光源モジュール２１１Ｒ、２１１Ｇ、２１１Ｂの温度を一定に制御することができる。
特開２００４−２１２５２２号公報（５頁〜７頁）

上記の構成の光源装置では冷却手段としてのぺルチェ素子２１５の冷却側が水分を含んだ外気、若しくは装置内に入り込んだ水分を含んだ外気に触れており、ペルチェ素子の冷却側の温度が周囲温度以下になると結露が発生し、この水が電子回路や、電源回路等に入り込み回路を短絡させたり、装置内の金属性の構造体に錆が発生するなどという問題点を有していた。

本発明は上記従来の問題点を解決するもので、冷却手段としてのペルチェ素子の冷却側を光源ユニット内に密閉構造とし内部に水分を殆ど含まない気体、若しくは、水分を含まない不活性ガスを封入することで、ペルチェ素子で周囲温度以下に冷却しても結露を起こさず、発生した水分による電子回路や電源回路等の不具合や、金属部品の腐食が発生しない光源装置の提供を目的とする。

本発明の請求項１に記載の発明は、外部からの信号に応じて画素ごとに光変調可能なパネル状のライトバルブと、そのライトバルブへ光束を効率良く照射可能な光源及び、光学素子を含む照明光学系とを備えた表示装置において、
半導体素子からなる光源と、
前記半導体素子、若しくは当該半導体素子が実装された基体に冷却側を密着させた熱電半導体を用いた熱輸送手段と、
前記光源から発せられる光を所定の方向に光学的に変換し、所定位置に配置された一つ若しくは複数の光学素子と、
前記光学素子の少なくとも一つで開口を塞ぎ、前記熱電半導体を用いた前記熱輸送手段がその放熱側を外側に露出させた状態で取り付けられ、かつ、内部を密閉構造とした構造体と、
前記構造体の内部を満たした乾燥気体と、
を備えたことを特徴とする表示装置の光源装置としたものであり、
熱電半導体を用いた熱輸送手段の冷却側が周囲温度以下に冷却されたとしても結露しないという作用を有する。

請求項２に記載の発明は前記構造体の内部を満たした乾燥気体として不活性ガスを用いたことを特徴とする請求項１記載の表示装置の光源装置としたものであり、
内部に配置された樹脂部品や、密閉のための部材を劣化させることが少ないという作用を有する。

請求項３に記載の発明は前記熱電半導体を用いた熱輸送手段の放熱側に放熱手段を着脱可能に取り付けたことを特徴とする請求項１乃至２記載の表示装置の光源装置としたものであり、
光源装置内部の半導体光源の寿命や、故障等で光源装置の取替えが発生したとき放熱手段を残した状態での取替えが可能となり、交換部品のコスト削減が可能になるという作用を有する。

請求項４に記載の発明は前記放熱手段としてヒートシンクを使用することを特徴とする請求項３記載の表示装置の光源装置としたものであり、
低コストの放熱手段を提供すること可能になるという作用を有する。

請求項５に記載の発明は前記放熱手段として水冷装置を使用することを特徴とする請求項３記載の表示装置の光源装置としたものであり、
より大きな冷却能力が可能となるという作用を有する。

以上のように本発明は、熱電半導体を用いた熱輸送手段の冷却側が周囲温度以下に冷却されても結露等を起こさず、周辺の電子回路や、電源回路等の不具合や、金属部品の腐食が発生しないないという優れた効果が得られる。さらに熱電半導体を用いた熱輸送手段の放熱側に取り付ける放熱手段として水冷装置を使用することで大きな冷却能力を可能になるという優れた効果も得られる。

以下、本発明の実施の形態について、図１から図６を用いて説明する。

（実施の形態１）
図１は表示装置の光源装置の構成を示す断面図、図２は表示装置の光源装置の構成を示す分解図、図３は表示装置の光源装置から冷却手段を取り外した図で、これら図１から３を用いて光源装置の構成を説明する。

半導体光源としての発光ダイオード（以降ＬＥＤとも称す）１が実装された、基体として銅ベース基板２と、その背面に密着して取り付けられた熱電半導体を用いた熱輸送手段としてのペルチェ素子３と、ペルチェ素子３の放熱側の大部分を外側に露出させる窓形状を有する構造体の一部としてのベース４と、その窓形状の周囲でペルチェ素子３との接触部に挟み込まれるよう設置されたＯリング５と、ＬＥＤ１の前面側に配置され、ＬＥＤ１の銅ベース基板２の背面をペルチェ素子３に密着させベース４に取り付け固定するＬＥＤ押え板６と、ベース４との間にＯリング８を挟みこんで固定されＬＥＤ１の光放出方向に開口を有し造体の一部としてのハウジング７と、その開口に嵌まり込む光学素子としてのレンズ９と、ハウジング７とレンズ９の間に挟みこまれるよう設置されたＯリング１０と、レンズ９をハウジング７に固定するレンズ押さえ１１とから構成され、密閉空間１５内には乾燥気体としての純度９９．９９％以上、含有水分１４ＰＰＭ以下の窒素ガスが充填されている光源モジュール１６と、ベース４の窓形状から露出したぺルチェ素子３に接触できる形状を有するヒートシンク１２と、そのヒートシンク１２をペルチェ素子３に圧接させるための複数の圧縮ばね１３と、ヒートシンク１２を圧縮ばね１３を介してベース４に固定する複数のねじ１４とから構成される放熱手段としての放熱モジュール１７から構成されている。

図４は表示装置として投写型表示装置（プロジェクタ）に使用した構成図を示す。このプロジェクタはライトバルブとして微小ミラーを信号に応じて回動させ、画素ごとにＯＮ、ＯＦＦ可能なミラーアレイ素子１９を使用したもので、このミラーアレイ素子１９に赤色、緑色、青色の光を照射し、放熱モジュール１７と、その放熱モジュール１７の熱交換を促進させるファン１８がそれぞれに装着された光源モジュール１６Ｒ、１６Ｇ、１６Ｂと、光源モジュール１６Ｒから照射された光束を折り曲げるミラー２０と、光源モジュール１６Ｂからの光を反射し、光源モジュール１６Ｇからの光束は透過するダイクロイックミラー２１と、光源モジュール１６Ｇと、光源モジュール１６Ｂからの光束は反射し、光源モジュール１６Ｒからの光束は透過するダイクロイックミラー２２と、それぞれの光源モジュールから照射された光束を所定の形状に光学的に変換しミラーアレイ素子１９に照射させるためのレンズ２３、２５、２６、２７、２８と、ロッド２４と、それら光束を所定方向に折り曲げるミラー２９、３０と、光源モジュールからの光束をミラーアレイ素子１９方向に全反射させ、ミラーアレイ素子１９からの反射光は直進させるＴＩＲプリズム３１と、ミラーアレイ素子１９の像を装置外に拡大投写させる投写レンズ３２から構成される。

図５は水冷式光源装置を使用したプロジェクタの構成図で、図４に示したプロジェクタの放熱モジュール１７およびファン１８を水冷式としたものである。図４と異なるのは光源モジュール１６Ｒ、１６Ｇ、１６Ｂそれぞれのペルチェ素子の放熱側に取り付けられ内部に流路を形成した受熱部３３と、内部の液体と外気との間で熱交換を行うラジエーター３４と、そのラジエーター３４に外気を導くファン３５と、内部の液体の蒸発分を補う液体を貯めてあるリザーブタンク３６と、内部の液体を循環させるポンプ３７と、それらを接続し内部に液体を流通させる配管とから構成したところである。

以上のように構成された表示装置の光源装置について、図１から図３を用いてその動作を説明する。ＬＥＤ１は消費される電力により素子内部が温度上昇し、信頼性の面からこの温度を一定以下にする必要がある。ペルチェ素子３はその特性上、電流を流すことでその両面に温度差を生じ、冷却側から放熱側に熱を移動させることができる。冷却側にＬＥＤ１の実装された銅ベース基板２を密着させ、放熱側に放熱モジュール１７を密着させ放熱することで、ＬＥＤ１の内部の温度を制御することが可能になり、条件によってはペルチェ素子３の冷却側の温度が周囲温度以下になる。しかし、ペルチェ素子３、ベース４、ハウジング７、レンズ９と、それらの間に設置されたＯリング５、８、１０により形成された密閉空間１５には水分含有量の極めて少ない窒素ガスが充填、封入されているためペルチェ素子３の冷却側での結露発生を防止できる。

次に、この光源装置を用いたプロジェクタの動作を簡単に説明する。

光源モジュール１６Ｒ、１６Ｇ、１６Ｂからのそれぞれの光束はミラー２０、２９、３０、ダイクロイックミラー２１、２２、レンズ２３、２５、２６、２７、２８、ロッド２４、ＴＩＲプリズム３１によりミラーアレイ素子１９に正確に集光、照射されるよう構成されている。光源モジュール１６Ｒ、１６Ｇ、１６Ｂは順次、一つずつが点灯し、ミラーアレイ素子１９は赤色、緑色、青色の光束が順次照射される。ミラーアレイ素子１９は光源モジュール１６Ｒ、１６Ｇ、１６Ｂ点灯のタイミングに同期し、画素ごとに微小ミラーを動作させそれぞれの色に応じた映像を表示し、且つ、この動作を高速に行うことで、装置外にフルカラーの映像を投写できる。

また、水冷式光源装置を使用したプロジェクタでは、映像を投影する動作は同様だが、光学モジュール１６Ｒ、１６Ｇ、１６Ｂ内のＬＥＤから発生した熱がペルチェ素子によりその放熱側に移動し、ペルチェ素子３の放熱側に取り付けられた受熱部３３内部の液体が温められる。ポンプ３７により光学モジュール１６Ｒ、１６Ｇ、１６Ｂそれぞれに取り付けられた受熱部３３内で温められた液体はラジエーター３４で外気との間で熱交換され温度が下げられた後、再度それぞれの受熱部３３内を循環しペルチェ素子３の放熱側に放熱する。ファン３５はラジエーター３４に外気が効率良くあてるよう作用し、それにより熱交換が促進される。

以上のように本実施の形態によれば、ペルチェ素子３の冷却側を含めた光源モジュール１６を密閉構造とし、内部に水分含有の極めて少ない窒素ガスを封入することでペルチェ素子３の冷却側での結露を防止できる。また、放熱モジュール１７とは密閉状態を保持したまま切り離しが可能で、光源モジュール１６を交換する必要が生じたときにも光源モジュール１６のみを交換可能で、前もって、窒素ガス封入した光源モジュール１６を供給することで、市場においても安定した交換作業が可能になる。また、放熱モジュールとして水冷方式を使用することで、更に大きな冷却能力を発揮することができる。

なお、以上の説明では半導体光源としてＬＥＤを使用したものについて説明したが、レーザーダイオードを使用した光源装置についても同様に構成できる。また、封入するガスについても窒素ガスとしたが、乾燥した気体なら何れでもよく、ヘリウムガス、アルゴンガス等の不活性ガス、乾燥した空気を使用しても同様の効果が期待できる。さらに、密閉空間内部の光源からの光を遮らない箇所に乾燥剤を設置することで、乾燥状態を長く維持することも可能になる。

（実施の形態２）
図６は本発明の光源装置を直視型液晶モニターのバックライトに使用した構成図である。図６において、フルカラーの表示を行う液晶パネル３８と、光源装置として図１と同様の密閉構造で窒素ガスが封入され、光の出射部に取り付けられたレンズのみが異なる光源モジュール３９Ｒ、３９Ｇ、３９Ｂと、それら光源モジュールに取り付けられたヒートシンク４０と、それらヒートシンクに風を送り、熱交換を促進するファン４１と、光源からの赤、緑、青の光束を反射し液晶パネル３８側に導くミラー４２から構成される。

以上のように構成された光源装置およびそれを使用した直視型液晶モニターについて、以下その動作を説明する。光源モジュールは実施の形態１と同様に密閉構造をとるため内蔵された図示しないペルチェ素子の冷却側が外気温より低くなっても結露が発生しない。また、この液晶モニターにおいてはバックライトとしてＬＥＤからの色純度の高い光を利用できる。

以上のように本実施の形態によれば、液晶モニターのバックライトの光源モジュールとしてＬＥＤの性能確保のためにペルチェ素子にて冷却を行っても、結露を防止することが出来る。また、光源モジュールを交換する場合密閉構造のまま部品を供給することが可能である。さらにバックライトとして色純度の高いＬＥＤを使用することで、モニターとしての表示能力を向上できる。

なお、本実施の形態において、光源モジュールに使用したレンズを全て単レンズとしたが、複数のレンズを使用してもよい。また、ロッド形状の光学素子やファイバー等を使用することも可能である。

本発明にかかる表示装置の光源装置は、周囲温度以下に冷却を行っても結露せず、放熱手段の着脱性とユニットの密閉性を両立できるという優れた効果を有し、半導体素子を周囲温度以下まで冷却が必要で、かつ交換の可能性のある半導体光源を使用した映像表示技術等として有用である。

表示装置の光源装置の構成を示す断面図 表示装置の光源装置の構成を示す分解図 表示装置の光源装置から冷却手段を取り外した図 表示装置として投写型表示装置（プロジェクタ）に使用した構成図 水冷式光源装置を使用したプロジェクタの構成図 直視型液晶モニターのバックライトに使用した構成図 従来のレーザー光源モジュール装置の例を説明する概略図 カラー映像表示装置の例を説明する概略図

符号の説明

１ 発光ダイオード（ＬＥＤ）
２ 銅ベース基板
３ ペルチェ素子
４ ベース
５ Ｏリング
６ ＬＥＤ押え板
７ ハウジング
８ Ｏリング
９ レンズ
１０ Ｏリング
１１ レンズ押さえ
１２ ヒートシンク
１３ 圧縮ばね
１４ ねじ
１５ 密閉空間
１６（１６Ｒ、１６Ｇ、１６Ｂ） 光源モジュール
１７ 放熱モジュール
１８ ファン
１９ ミラーアレイ素子
２０ ミラー
２１ ダイクロイックミラー
２２ ダイクロイックミラー
２３、２５、２６、２７、２８ レンズ
２４ ロッド
２９、３０ ミラー
３１ ＴＩＲプリズム
３２ 投写レンズ
３３ 受熱部
３４ ラジエーター
３５ ファン
３６ リザーブタンク
３７ ポンプ
３８ 液晶パネル
３９Ｒ、３９Ｇ、３９Ｂ 光源モジュール
４０ ヒートシンク
４１ ファン
４２ ミラー
１０１ レーザー光線発生装置
１０７ 基台
１３１ ファイバー保護管
１４１ 外囲器
２１１Ｒ、２１１Ｇ、２１１Ｂ レーザー光源モジュール
２１３ 放熱器
２１５ ペルチェ素子

Claims (5)

1. 外部からの信号に応じて画素ごとに光変調可能なパネル状のライトバルブと、そのライトバルブへ光束を効率良く照射可能な光源及び、光学素子を含む照明光学系とを備えた表示装置において、
   半導体素子からなる光源と、
   前記半導体素子、若しくは当該半導体素子が実装された基体に冷却側を密着させた熱電半導体を用いた熱輸送手段と、
   前記光源から発せられる光を所定の方向に光学的に変換し、所定位置に配置された一つ若しくは複数の光学素子と、
   前記光学素子の少なくとも一つで開口を塞ぎ、前記熱電半導体を用いた前記熱輸送手段がその放熱側を外側に露出させた状態で取り付けられ、かつ、内部を密閉構造とした構造体と、
   前記構造体の内部を満たした乾燥気体と、
   を備えたことを特徴とする表示装置の光源装置。
2. 前記構造体の内部を満たした乾燥気体として不活性ガスを用いたことを特徴とする請求項１記載の表示装置の光源装置。
3. 前記熱電半導体を用いた熱輸送手段の放熱側に放熱手段を着脱可能に取り付けたことを特徴とする請求項１乃至２記載の表示装置の光源装置。
4. 前記放熱手段としてヒートシンクを使用することを特徴とする請求項３記載の表示装置の光源装置。
5. 前記放熱手段として水冷装置を使用することを特徴とする請求項３記載の表示装置の光源装置。
   
   

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