JP2010271556A

JP2010271556A - 光源装置

Info

Publication number: JP2010271556A
Application number: JP2009123782A
Authority: JP
Inventors: Shigenori Shibue; 重教渋江
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2009-05-22
Filing date: 2009-05-22
Publication date: 2010-12-02

Abstract

【課題】低コストで省スペースな、望ましくは耐久性の高い冷却機能を備えた光源装置の提供を目的とする。
【解決手段】本発明の光源装置１００は、第１色(赤色）の光を発光する第１光源部(赤色ＬＥＤ１を含む）と、第２色(緑色）の光を発光する第２光源部(緑色ＬＥＤ８を含む）と、第３色(青色）の光を発光する第３光源部(青色ＬＥＤ１５を含む）と、第１〜第３光源部の光を一の光軸上に合成する合成手段と、を備え、第１〜第３光源部のうち消費電力の最も高い光源部以外の２つの光源部(赤色ＬＥＤ１、青色ＬＥＤ１５）は、当該一の光軸方向に並んで配設され、消費電力の最も高い光源部(緑色ＬＥＤ８）は、他の２つの光源部の並びとは異なる位置に配設されることを特徴とする、光源装置。
【選択図】図１

Description

この発明は、映像表示装置に用いられるＬＥＤやレーザなどの光源装置に関する。

映像表示装置に用いられるＬＥＤやレーザなどの光源装置は、使用時の最適な温度範囲を維持するために、光源を冷却する冷却装置を備えている。

例えば特許文献１では、ＬＥＤを光源とした光源装置において、赤（Ｒ）、緑（Ｇ），青（Ｂ）の３色のＬＥＤの冷却手段として、ペルチェ素子あるいは水冷方式の冷却装置を使用している。

特開２００７−１３３３００号公報

ところが、冷却装置の構成が複雑になるあまりにコストが高くなり、スペースを占有して映像表示装置の小型化の弊害となっていた。又、冷却部の寿命が短いことも問題であった。

そこで、本発明は上述の問題点に鑑み、構成を簡潔にすることにより、低コストで省スペースであり、望ましくは耐久性の高い冷却機能を備えた光源装置の提供を目的とする。

本発明の光源装置は、第１色の光を発光する第１光源部と、第２色の光を発光する第２光源部と、第３色の光を発光する第３光源部と、第１〜第３光源部の光を一の光軸上に合成する合成手段と、を備える。第１〜第３光源部のうち消費電力の最も高い光源部以外の２つの光源部は、当該一の光軸方向に並んで配設され、消費電力の最も高い光源部は、他の２つの光源部の並びとは異なる位置に配設される。

本発明の光源装置において、第１〜第３光源部のうち消費電力の最も高い光源部以外の２つの光源部は、当該一の光軸方向に並んで配設され、消費電力の最も高い光源部は、他の２つの光源部の並びとは異なる位置に配設される。これにより、最も消費電力の高い光源部に設ける放熱器の面積を大きく確保することができ、低コスト、省スペース、耐久性の高い冷却機能を備えた光源装置が実現できる。

実施の形態１に係る映像表示装置の構成図である。実施の形態１に係る光源の動作を説明する図である。実施の形態１の変形例に係る映像表示装置の構成図である。実施の形態２に係る映像表示装置の構成図である。

（実施の形態１）
＜構成＞
図１は、実施の形態１に係る光源装置１００を備えた映像表示装置の構成図である。図１において、映像表示装置は、光源装置１００として、光源の一例である赤色ＬＥＤ１、緑色ＬＥＤ８、青色ＬＥＤ１５と、光源光を平行光にするコリメータレンズ２，９，１６と、光源光を合成するダイクロイックミラー３，１０，１７と、を備えている。

光源装置１００は図１の左方向に光を出射するが、各ＬＥＤは、光源装置の出射側から赤色ＬＥＤ１、緑色ＬＥＤ８、青色ＬＥＤ１５の順に設けられる。赤色ＬＥＤ１と緑色ＬＥＤ８は、光源装置の出射方向に並んで配置されるが、緑色ＬＥＤ８だけは他の２つのＬＥＤ１，１５と対向する位置に配置される。

コリメータレンズ１６は青色ＬＥＤ１５の光を平行光にする。ダイクロイックミラー１７はコリメータレンズ１６の次段に設けられており、青色波長成分のみを反射し、その他の波長成分を透過する特性を持つ。そのため、コリメータレンズ１６を通過した青色ＬＥＤ１５の光を光源装置の出射側へと反射する。なお、ダイクロイックミラー１７は単なるミラーでも良い。

コリメータレンズ９は緑色ＬＥＤ８の光を平行光にする。ダイクロイックミラー１０はコリメータレンズ９の次段に設けられており、緑色波長成分のみを反射し、その他の波長成分を透過する特性を持つ。そのため、コリメータレンズ９を通過した緑色ＬＥＤ８の緑色光を光源装置の出射側へと反射する。一方、ダイクロイックミラー１７の反射光である青色光はそのまま透過させることによって、緑色ＬＥＤ８の光と青色ＬＥＤ１５の光を合成する。

コリメータレンズ２は赤色ＬＥＤ１の光を平行光にする。ダイクロイックミラー３はコリメータレンズ２の次段に設けられており、赤色波長成分のみを反射し、その他の波長成分を透過する特性を持つ。そのため、コリメータレンズ２を通過した赤色ＬＥＤ１の光を光源装置の出射側へと反射する。ダイクロイックミラー１０からの光はそのまま透過させることにより、赤色ＬＥＤ１、緑色ＬＥＤ８、青色ＬＥＤ１５の光を一の光軸上に合成する。このように、ダイクロイックミラー３，１０，１７は、赤色光、緑色光、青色光を合成する合成手段として機能する。

さらに、映像表示装置は、光源装置１００の出射光に基づき映像を表示する手段として、集光レンズ２２と、ライトトンネル２３と、リレーレンズ２４と、ＤＭＤ２５と、投射レンズ２６と、を備える。集光レンズ２２は、ダイクロイックミラー３で合成された光を集光する。ライトトンネル２３は、集光レンズ２２で集光された光を受けて、その内部で反射を繰り返すことによって積分し輝度分布を均一にする。リレーレンズ２４はライトトンネル２３の出力光をＤＭＤ２５に伝達する。

ＤＭＤ２５は、入力画像（図示せず）に応じてマイクロミラーの傾きを変化させる素子であり、リレーレンズ２４の出力光を強度変調して投射レンズ２６に出力する。ＤＭＤ２５はオン状態の時に投射レンズ２６に光を反射するが、オフ状態の時には投射レンズ２６外に光を反射する。ＤＭＤ２５には入力画像がＲＧＢ単位の時分割で入力され、ＲＧＢ単位でマイクロミラーをオン／オフする。投射レンズ２６は、ＤＭＤ２５で強度変調された光を受けて、スクリーン（図示せず）上に映像を投射する。

又、映像表示装置は、赤色ＬＥＤ１を冷却する手段として、放熱器４、空冷ファン５、サーミスタ６、温度制御回路７を備えている。放熱器４は赤色ＬＥＤ１の背面に取り付けられており、赤色ＬＥＤ１を放熱することにより冷却する。空冷ファン５は、赤色ＬＥＤ１に冷却空気を送って空冷する。サーミスタ６は赤色ＬＥＤ１の温度を検出する。温度制御回路７はサーミスタ６の出力電圧を監視し、赤色ＬＥＤ１の接合部の温度が規定の温度を上回らないよう空冷ファン５の回転速度を制御する。

さらに、映像表示装置は、緑色ＬＥＤ８を冷却する手段として、放熱器１１、空冷ファン１２、サーミスタ１３、温度制御回路１４を備え、青色ＬＥＤ１５を冷却する手段として、放熱器１８、空冷ファン１９、サーミスタ２０、温度制御回路２１を備える。これらの構成の詳細は赤色ＬＥＤ１を冷却する手段と同様であるため、説明を省略する。

すなわち、実施の形態１の光源装置１００は、各ＬＥＤ１，８，１５を冷却する手段として、光源（ＬＥＤ１，８，１５）の温度を測定する温度センサ(サーミスタ６，１３，２０）と、ＬＥＤ１，８，１５を放熱する放熱手段(放熱器４，１１，１８）と、ＬＥＤ１，８，１５を空冷する空冷ファン５，１２，１９と、を備え、空冷ファン５，１２，１９はサーミスタ６，１３，２０の値に応じて制御されることを特徴とする。これにより、各ＬＥＤの温度が規定の値を超えないように空冷ファンによって制御することが可能である。

＜ＬＥＤの消費電力＞
本実施の形態の光源装置１００は、光源の例としてＬＥＤを用いている。赤色ＬＥＤ１は、フォワード電圧２．６Ｖ、電流ピーク値３０Ａであり、緑色ＬＥＤ８はフォワード電圧５．１Ｖ、電流ピーク値３０Ａ、青色ＬＥＤ１５はフォワード電圧４．６Ａ、電流ピーク値３０Ａである。

１チップＤＭＤ２５をライトバルブとして使用する場合、Ｒ、Ｇ、Ｂを順次切り替えるフィールドシーケンシャル方式が用いられる。点灯デューティ比は図２に示すように、それぞれＲが２５％、Ｇが５０％、Ｂが２５％程度で使用される。よって、赤色ＬＥＤ１の消費電力Ｗ_R、緑色ＬＥＤの消費電力Ｗ_G、青色ＬＥＤ１５の消費電力Ｗ_Bは、それぞれＷ_R＝２．６×３０×０．２５＝１９．５Ｗ、Ｗ_G＝５．１×３０×０．５＝７６．５Ｗ、Ｗ_B＝４．６×３０×０．２５＝３４．５Ｗ、と算出される。

赤色ＬＥＤ１の接合部の温度Ｔ_Rは８０℃、緑色ＬＥＤ８の接合部の温度Ｔ_Gは１３０℃、青色ＬＥＤ１５の接合部の温度Ｔ_Bは１２０℃である。各ＬＥＤの接合部からのパッケージの熱抵抗を０．６（Ｋ／Ｗ）、周囲温度を４０℃とすると、各ＬＥＤの背面に取り付けられた放熱器（ヒートシンク）に要求される熱抵抗は、赤色ＬＥＤ１に取り付けられる放熱器４の熱抵抗Ｒ_RがＲ_R＝（８０−４０）／１９．５−０．６＝１．４５（Ｋ／Ｗ）となる。又、緑色ＬＥＤ８の放熱器１１に要求される熱抵抗Ｒ_Gは、Ｒ_G＝（１３０−４０）／７６．５−０．６＝０．５７６（Ｋ／Ｗ）、青色ＬＥＤ１５の放熱器１８に要求される熱抵抗Ｒ_Bは、Ｒ_B＝（１２０−４０）／３４．５−０．６＝１．７１（Ｋ／Ｗ）となる。

よって、光源装置が使用するＬＥＤの中では、緑色ＬＥＤ８の消費電力が最も大きく、必要な熱抵抗は最も低い。そのため、緑色ＬＥＤ８の放熱器１１が最も大きな面積を必要とする。

そのため、実施の形態１の光源装置では、上述したように赤色ＬＥＤ１とこれを冷却する冷却手段、及び青色ＬＥＤ１５とこれを冷却する冷却手段を、光源装置１００の出射光軸の方向に並べて配置し、緑色ＬＥＤ８とこれを冷却する冷却手段は他の２つのＬＥＤ１，１５に対向して配置する。しかし、対向配置に限らず、緑色ＬＥＤ８は他の２つのＬＥＤ１，１５と異なる軸上に配置されていれば良い。これにより、緑色ＬＥＤ８を放熱する放熱器１１の面積を大きくすることが出来る。このように、消費電力が異なる各色の光源を消費電力に応じて最適に配置することにより、限られたスペース中で放熱器の面積を最大化することが出来る。よって、高価な冷却装置を使用する必要がなく、低コストで省スペースな光源装置の冷却構造となる。また、本実施の形態の光源装置の冷却構造の中で寿命部品は冷却ファンのみであるため、長期信頼性が確保される。

すなわち、実施の形態１の光源装置１００は、第１色(赤色）の光を発光する第１光源部(赤色ＬＥＤ１を含む）と、第２色(緑色）の光を発光する第２光源部(緑色ＬＥＤ８を含む）と、第３色(青色）の光を発光する第３光源部(青色ＬＥＤ１５を含む）と、第１〜第３光源部(各ＬＥＤ１，８，１５）の光を一の光軸上に合成する合成手段(ダイクロイックミラー３，１０，１７）と、を備え、各ＬＥＤ１，８，１５のうち消費電力の最も高い光源部(緑色ＬＥＤ８）以外の２つの光源部(赤色ＬＥＤ１、青色ＬＥＤ１５）は、前記一の光軸方向に並んで配設され、消費電力の最も高い光源部(緑色ＬＥＤ８）は、他の２つの光源部の並びとは異なる位置に配設されることを特徴とする。これにより、消費電力の高い緑色ＬＥＤ８の放熱手段のための面積を大きく確保することが出来る。

又、一般的にヒートパイプなどを使用すれば、ＬＥＤの発熱部から別の場所に熱を輸送することも可能であるが、ヒートパイプの受熱部および熱輸送時の熱抵抗上昇、ヒートパイプ折り曲げ角度の制限などが加わり、スペースを有効に使えない場合が多い。これに対し本実施の形態では、ＬＥＤ１，８，１５に対し直接放熱器４，１３，２０をそれぞれ取り付けているため、限られたスペースを有効に利用することができる。また、放熱器４，１３，２０を大きくした場合、発熱部の面積が小さいと熱抵抗が下がらないことが想定されるが、受熱部にヒートパイプ埋め込みなどを行えば高効率な冷却が可能である。

空冷ファン５，１９，１２は、全て冷却空気の向きが同じ方向になるように動作する。赤色ＬＥＤ１と青色ＬＥＤ１５は同軸上に配置されるため、一方のＬＥＤを冷却した後の空気が他方のＬＥＤに混入することにより、他方のＬＥＤの温度制御に影響を及ぼすことが考えられる。そこで、消費電力が小さい方の赤色ＬＥＤ１を、青色ＬＥＤ１５より冷却空気の流れの上流に配置することにより、この影響を緩和することができる。

すなわち、消費電力の最も高い光源部(緑色ＬＥＤ８）以外の２つの光源部(赤色ＬＥＤ１、青色ＬＥＤ１５）にそれぞれ備えられた空冷ファン５，１９は、送風の向きが同一になるように設けられ、赤色ＬＥＤ１、青色ＬＥＤ１５のうち消費電力の小さい光源部（赤色ＬＥＤ１）は、大きい光源部(青色ＬＥＤ１５）よりも、空冷ファン５，１９の風路における上流に配設されることを特徴とする。これにより、一方のＬＥＤを冷却した後の空気が他方のＬＥＤに混入することにより他方のＬＥＤの温度制御に与える影響を緩和することができる。

さらに、第１〜第３光源部(赤色光源１、緑色光源８、青色光源１５）に設けられた各空冷ファン５，１２，１９は、送風の向きが同一方向であることを特徴とする。これにより、装置内部で冷却空気の回り込みが生じず、各ＬＥＤの発熱を効率よく外部に排気することが出来る。

なお、本実施の形態では、各ＬＥＤ１，８，１５の接合部温度を検出する手段としてサーミスタ６，１３，２０を用いたが、温度検出手段はこれに限らず、例えばＰＮ接合半導体を用いた検出器であっても良い。

＜変形例＞
なお、上記説明では赤色ＬＥＤ１に空冷ファン５、青色ＬＥＤ１５に空冷ファン１９を
設けることとしたが、両ＬＥＤは同軸配置されるため、空冷ファンを共有することも可能である。そこで、例えば空冷ファンと温度制御回路は図３に示すように、赤色ＬＥＤ１にのみ設けても良い。すなわち、温度制御回路７は赤色ＬＥＤ１の接合部温度をサーミスタ６によって、青色ＬＥＤ１５の接合部温度をサーミスタ２０によって、それぞれ監視し、両ＬＥＤが規定の温度を超えないように空冷ファン５の回転速度を制御する。

すなわち、空冷ファン５，１９が２つの光源(赤色ＬＥＤ１、青色ＬＥＤ１５）の夫々に備えられることに代えて、赤色ＬＥＤ１、青色ＬＥＤ１５が一の空冷ファン５を共有することを特徴とする。これにより、光源装置のコストを抑制することが出来る。

＜効果＞
実施の形態１の光源装置１００によれば、既に述べたように以下の効果を奏する。すなわち、光源装置１００は、第１色(赤色）の光を発光する第１光源部(赤色ＬＥＤ１を含む）と、第２色(緑色）の光を発光する第２光源部(緑色ＬＥＤ８を含む）と、第３色(青色）の光を発光する第３光源部(青色ＬＥＤ１５を含む）と、第１〜第３光源部(各ＬＥＤ１，８，１５）の光を一の光軸上に合成する合成手段(ダイクロイックミラー３，１０，１７）と、を備え、各ＬＥＤ１，８，１５のうち消費電力の最も高い光源部(緑色ＬＥＤ８）以外の２つの光源部(赤色ＬＥＤ１、青色ＬＥＤ１５）は、前記一の光軸方向に並んで配設され、消費電力の最も高い光源部(緑色ＬＥＤ８）は、他の２つの光源部の並びとは異なる位置に配設されることを特徴とする。これにより、消費電力の高い緑色ＬＥＤ８の放熱手段のための面積を大きく確保することが出来る。

又、光源装置１００は、第１〜第３光源部において各ＬＥＤ１，８，１５を冷却する手段として、光源（ＬＥＤ１，８，１５）の温度を測定する温度センサ(サーミスタ６，１３，２０）と、ＬＥＤ１，８，１５を放熱する放熱手段(放熱器４，１１，１８）と、ＬＥＤ１，８，１５を空冷する空冷ファン５，１２，１９と、を備え、空冷ファン５，１２，１９はサーミスタ６，１３，２０の値に応じて制御されることを特徴とする。これにより、各ＬＥＤの温度が規定の値を超えないように空冷ファンによって制御することが可能である。

さらに、消費電力の最も高い光源部(緑色ＬＥＤ８）以外の２つの光源部(赤色ＬＥＤ１、青色ＬＥＤ１５）にそれぞれ備えられた空冷ファン５，１９は、送風の向きが同一になるように設けられ、赤色ＬＥＤ１、青色ＬＥＤ１５のうち消費電力の小さい光源部（赤色ＬＥＤ１）は、大きい光源部(青色ＬＥＤ１５）よりも、空冷ファン５，１９の風路における上流に配設されることを特徴とする。これにより、一方のＬＥＤを冷却した後の空気が他方のＬＥＤに混入することにより他方のＬＥＤの温度制御に与える影響を緩和することができる。

又、第１〜第３光源部(赤色光源１、緑色光源８、青色光源１５）に設けられた各空冷ファン５，１２，１９は、送風の向きが同一方向であることを特徴とする。これにより、装置内部で冷却空気の回り込みが生じず、各ＬＥＤの発熱を効率よく外部に排気することが出来る。

さらに、空冷ファン５，１９が２つの光源(赤色ＬＥＤ１、青色ＬＥＤ１５）の夫々に備えられることに代えて、赤色ＬＥＤ１、青色ＬＥＤ１５が一の空冷ファン５を共有することを特徴とする。これにより、光源装置のコストを抑制することが出来る。

（実施の形態２）
＜構成＞
図４は、実施の形態２の映像表示装置の構成を示す図である。図１に示した実施の形態１と同一の構成要素には同一の番号を付している。実施の形態１では、光源装置の出射側から順に赤色ＬＥＤ１、緑色ＬＥＤ８、青色ＬＥＤ１５と配置した。しかし、図４に示す実施の形態２の構成では、光源装置１００の出射側から順に赤色ＬＥＤ１、青色ＬＥＤ１５、緑色ＬＥＤ８と配置する。配置は、各ＬＥＤの配光特性によって最適化する。それ以外は実施の形態１と同様である。なお、上記構成において、ダイクロイックミラー１０は通常のミラーでも良い。

このような配置によっても、緑色ＬＥＤ８を他の２つのＬＥＤと対向して配置しているため、最も消費電力が高く放熱を必要とする緑色ＬＥＤ８に取り付ける放熱器１１の面積を大きくとることができ、実施の形態１と同様の効果を奏する。なお、緑色ＬＥＤ８は他の２つのＬＥＤと対向配置する必要はなく、他の２つのＬＥＤとは異なる軸上に配置されていれば良い。

本発明は、ＤＭＤやＬＣＤを使用したプロジェクタの光源装置、特に高信頼性が要求される光源装置に適用可能である。

１赤色ＬＥＤ、３，１０，１７ダイクロイックメータ、４，１１，１８放熱器、５，１２，１９空冷ファン、６，１３，２０サーミスタ、７，１４，２１温度制御回路、８緑色ＬＥＤ、１５青色ＬＥＤ。

Claims

第１色の光を発光する第１光源部と、
第２色の光を発光する第２光源部と、
第３色の光を発光する第３光源部と、
前記第１〜第３光源部の光を一の光軸上に合成する合成手段と、を備えた光源装置であって、
前記第１〜第３光源部のうち消費電力の最も高い光源部以外の２つの光源部は、前記一の光軸方向に並んで配設され、
前記消費電力の最も高い光源部は、前記２つの光源部の並びとは異なる位置に配設されることを特徴とする、光源装置。
前記第１〜第３光源部の夫々は、
光源と、
前記光源の温度を測定する温度センサと、
前記光源を放熱する放熱手段と、
前記光源を空冷する空冷ファンと、を備え、
前記空冷ファンは前記温度センサの値に応じて制御されることを特徴とする、請求項１に記載の光源装置。
前記消費電力の最も高い光源部以外の２つの光源部にそれぞれ備えられた前記空冷ファンは、送風の向きが同一になるように設けられ、
前記２つの光源部のうち消費電力の小さい光源部は、大きい光源部よりも、前記空冷ファンの風路における上流に配設されることを特徴とする、請求項２に記載の光源装置。
前記第１〜第３光源部に設けられた前記各空冷ファンは、送風の向きが同一方向であることを特徴とする請求項２又は３に記載の光源装置。
前記空冷ファンが前記２つの光源の夫々に備えられることに代えて、前記２つの光源同士が一の前記空冷ファンを共有することを特徴とする、請求項２に記載の光源装置。