JP2007115541A - 光源ユニット - Google Patents

Abstract

【課題】プロジェクタ等の光源装置において、発光素子から射出される光の光量を増大させるとともに、冷却効果を高める。
【解決手段】光源と反射板とを有した光源装置１０を所定の円周に沿って等間隔で（９０°間隔で）配置する。各光源装置１０において、４１は発光ダイオード（以下「ＬＥＤ」という）である。４２は、放物面鏡を有したリフレクタである。リフレクタ４２の放物面鏡は、全方位の放物面に対して、その軸線を水平に横切る平面で切断した際の上側の放物面（以下、このように軸線を横切る平面で分離した片側の放物面を半放物面という）の形状になっている。
【選択図】図２

Description

本発明は、プロジェクタや露光装置、測定器、プリンタ等の照明装置の光源に用いて好適な光源ユニットの技術に関する。

従来、プロジェクタ等の光源装置においては、ＬＥＤやアークランプ等の光源にから放射された光を平行光に整形するために、放物面鏡（リフレクタ）やコリメーターレンズ等の光学構造体が用いられている。リフレクタやコリメーターレンズを用いた光源装置は種々開発されており、例えば、特許文献１に記載されている。
特開２００５−１５７０５９号公報

ところで、ＬＥＤなどの発光素子を用いる光源は、小型で消費電力も少ないという利点を有するが、光の出射範囲が広い角度に渡るので、レンズによる集光が難しく光量が多くとれないという問題があった。そこで、複数の発光素子を用いて光量を多くとるようにした装置が種々開発されている。しかしながら、複数の発光素子を集合させた場合、形状が大きくなってしまうとともに、冷却が難しくなるという問題があった。この場合、冷却ファンの回転数を上げて冷却効果を上げるという方法もあるが、抜本的な対策とはならず、また、冷却ファンの騒音が大きくなるという問題が発生する。

本発明は上述した背景に鑑みてなされたものであり、その目的は、プロジェクタ等の光源装置において、発光素子から射出される光の光量を増大させるとともに、冷却効果を高めることのできる技術を提供するところにある。

上記目的を達成するために、本発明は、光源と、前記光源が設けられる基板と、焦点とこの焦点を通る軸線とを有する曲面であって、前記軸線を通る平面で分離された一方の側の面の少なくとも一部を反射面とし、前記光源を前記反射面によって前記基板に対向する側から覆い、前記軸線に沿った一方側が開口して前記光源の反射光の出射口となっている反射板とを備える光源装置を所定の円周に沿って複数設けるとともに、前記各光源装置の出射口が同じ方向を向くように、かつ、前記各反射板が前記円周の内側になるように前記各光源装置を配置したことを特徴とする光源ユニットを提供する。

本発明の好ましい態様においては、前記各光源装置は、各々の軸線が平行になるように配置されていることを特徴とする。
本発明の更に好ましい態様においては、前記各光源装置に対して、前記出射口から出射する光の方向または前記方向とは逆の方向に送風を行う送風手段を設けたことを特徴とする。
本発明の更に好ましい態様においては、前記送風手段は、前記回転軸の軸線が前記円周の中心部を通り、前記プロペラの回転外径が前記各光源装置の基板の位置に達し、前記各光源装置の背後から前記出射方向に向けて送風することを特徴とする。
本発明の更に好ましい態様においては、入力端面から出力端面に向けて伸びる柱状の本体を有し、前記入力端面に光が入射されると前記本体の内部で反射しながら前記出力端面に向かうよう構成され、前記入力端面に入射された光をミキシングして出力する光ミキシング部材と、前記複数の光源装置から出力される出力光を、前記光ミキシング部材の入力端面に照射されるように集光する集光手段とを備えることを特徴とする。
更に好ましい態様において、前記光源装置は、前記基板に放熱板を備えるようにしてもよい。
また、本発明の更に好ましい態様においては、前記反射面は、放物面、双曲線面または楕円面に対し、軸線を通る平面で分離した一方の側の面の少なくとも一部を用いて形成されることを特徴とする。
また、本発明の更に好ましい態様においては、前記基板の取付位置を調整し得る取付位置調整手段を有していることを特徴とする。

以下、図面を参照し、この発明の実施の形態を説明する。
＜第１実施形態＞
図１は、この発明の第１実施形態である光源装置ユニット１の外観を示す斜視図である。また、図２および図３は、各々図１に示す光源装置ユニット１の正面図および側面図である。図２において、破線で囲った部分は、それぞれが独立した光源装置１０となっており、それぞれが光源と反射板とを有している。この場合、各光源装置１０は同一の構成となっている。すなわち、本実施形態における光源装置ユニット１は、図２に示すように、４つの同一の光源装置１０，１０，１０，１０が、円周に沿って等間隔で（９０°間隔で）配置されて構成されている。

次に、光源装置１０の構成について説明する。図において、４１は発光ダイオード（以下「ＬＥＤ」という）である。４２は、放物面鏡を有したリフレクタである。リフレクタ４２の放物面鏡は、全方位の放物面に対して、その軸線を水平に横切る平面で切断した際の上側の放物面（以下、このように軸線を横切る平面で分離した片側の放物面を「半放物面」という）の形状になっている。

各リフレクタ４２は、その出射口が同じ方向を向くように配置されており、また、ＬＥＤ４１が配置される円周に対して内側に等間隔で設けられ、その反射面が円周の外側を向くように配置されている。また、４つのリフレクタ４２は集合体５０として一体に形成されている。集合体５０は、図１に示すように、全体としてはほぼ円柱状に形成されており、さらに、出射口側の４カ所において側面から底面にかけて凹部が形成され、これらの凹部が前述したリフレクタ４２を構成するようになっている。

４５は放熱板であり、基板１６に密着して設けられている。また、基板１６にはＬＥＤ４１を駆動する駆動素子１５が取り付けられている。放熱板４５は、そのフィンがリフレクタ４２の出射方向に沿うようにして、集合体５０から延びる４本のロッドＬに取り付けられている。この場合、放熱板４５には、４本のロッドＬが貫通する４つの孔４５ａが設けられており、各孔４５ａの内径がロッドＬの外径より大きく設定されている。これにより、放熱板４５は、集合体５０に対する相対距離や角度を調整することができる。本実施形態においては、放熱板４５の孔４５ａとロッドＬの接着部分に液状のＵＶ硬化剤を付着させ、放熱板４５の位置や角度を調整した後にＵＶ硬化剤に紫外線を照射して硬化させ、放熱板４５の取り付けを行うようになっている。

この場合、ＬＥＤ４１は、基板１６を介して放熱板４５に取り付けられているから、放熱板４５の取付位置や角度を調整することにより、ＬＥＤ４１の発光点の位置が調整される。本実施形態においては、ＬＥＤ４１の発光点をリフレクタ４２の放物面鏡の焦点に位置させ、ＬＥＤ４１から出射される照明光が、リフレクタ４２によりほぼ平行光線となって出射するように設定される。以上が光源装置１０の構成である。

次に、４３は、４つの光源装置１０の各々のリフレクタ４２から出射される光を収束するコンデンサレンズである。コンデンサレンズ４３によって集光された光は、ロッドインテグレータ４４に入射されてミキシングされる。このロッドインテグレータ４４は、ガラスや樹脂などで形成された直方体形状の透明な導光路である。以上の構成により、ＬＥＤ４１の照明光は、コンデンサレンズ４３を通過することにより収束され、ロッドインテグレータ４４の一方の端面に入射し、ロッドインテグレータ４４の側面により全反射されつつ伝播し、ロッドインテグレータ４４の他方の側面から出射される。

本実施形態においては、放熱板４５とロッドとが接着される際に放熱板４５の角度を調節することによって、ＬＥＤ４１の出射光がロッドインテグレータ４４に入射する際の集光位置を調節できるようになっている。このような調整を行うのは、事前の計算結果と実際に最も集光率が高くなるＬＥＤの角度（向き）が若干異なる場合もあり、個々の調節が必要な場合があるためである。このように、ＵＶ硬化剤等の接着剤を用いてＬＥＤ４１の向き（放熱板４５の向き）を調節するようにすることによって、集光率を高くすることが可能となる。

次に、図３において、５５は、光源装置ユニット１を冷却する冷却ファンであり、この冷却ファン５５は、集合体５０の背面側（出射口側を前面として）に設けられている。冷却ファン５５は、回転軸５５ｂに取り付けられたプロペラ５５ａが回転することにより送風を行う。プロペラ５５ａの回転軸５５ｂは集合体５０の中心軸と一致するように、すなわち、４つの光源装置１０が配置される円周の中心に一致するように設けられている。また、プロペラ５５ａの回転外径が前記各光源装置１０の基板１６の位置に達し、各光源装置１０の背後から前記出射方向に向けて送風を行うようになっている。この結果、冷却ファン５５からの送風は、図３の左側から右側へ流れ、放熱板４５のフィンの間を通風路として通過してゆく。したがって、本実施形態においては、放熱板４５のフィンの放熱を送風によって効率的に吸収し、良好な冷却を行うことができる。ここで参考のために、光源装置ユニット１の上部の放熱板４５を取り外した状態を図４に示す。

ところで、プロペラ５５ａによる送風は、その回転中心ではほとんど得られず、回転半径の１／２よりも回転外径側において主に発生する。しかし、本実施形態の場合は、集合体５０の軸付近にはＬＥＤ４１は設けられていないため冷却する必要がない。すなわち、冷却ファン５５によって発生された送風のほとんどは、集合体５０の円周上に配置された放熱板４５に集中するため、冷却ファン５５の駆動エネルギーに対する冷却効果が高い。

また、上述したように、各々の光源装置１０の基板１６は円周状に９０°間隔で配置されて同一平面上にはないため、これらの基板１６に取り付けられる放熱板４５の放熱面積を大きく取ることができ、これにより冷却効率を高くすることが可能となる。更に、基板１６の配置姿勢は冷却風の流れる方向と一致しており、冷却風は抵抗をほとんど受けずに基板１６および放熱板４５の表面を通りすぎるので、冷却風の流れに無駄が無く効率よく冷却することが可能となる。また、通風抵抗が非常に低いため、低騒音化が可能となる。しかも、放熱板４５のフィンの配置も冷却風の流れと同じ方向を向いているので、フィンとフィンによって挟まれた細長い空間の方向が冷却風の流れに一致するから、冷却風はフィンの熱を効率よく奪って行く。

ここで、参考のために図９に従来の冷却構造を示す。図示のように放物面鏡（リフレクタ）７４と発光素子７５とが取り付けられた基板７１の裏面に放熱板７３が取り付けられ、この放熱板７３に対してファン７２から冷却風が送風されるが、冷却風の送風方向を遮るように放熱板７３、基板７１が位置しているので、放熱効率が悪い。これに対し、本実施形態においては、冷却ファン５５からの冷却風は抵抗をほとんど受けずに放熱板４５の下面（または上面）を通り過ぎるので冷却効率が高い。

また、冷却効率を高くできることによって、ＬＥＤ４１のジャンクション温度が従来タイプと同じである場合は従来よりも供給電力の値を高くすることができ、これにより、ＬＥＤ４１からの光量を多くすることが可能となる。

または、従来方式と同等の冷却ファンを用いる場合は、冷却ファンの回転数を落として風量を小さくしても、充分な冷却効果を得ることができ、これにより、冷却ファン５５のファンの回転による騒音値を低くすることができる。または、例えば、冷却ファン５５を従来よりも小さくまたは薄く構成することができるので、装置の構成をコンパクトにすることができ、また装置のコストを下げることができる。

なお、この実施形態における放熱板４５や基板１６は、リフレクタ４２の出射方向と平行な方向に延長することが可能であり（図１参照）、放熱板や基板を延長させれば、放熱面積を更に大きくとることができ、冷却性能を更に向上させることができる。

または、放熱板４５のみを設けて冷却ファン５５を設けない構成としてもよい。放熱板４５のみで充分な放熱効果が得られる場合は、冷却ファン５５が不要となり、これにより、装置の構成を簡略化することが可能となる。

また、本実施形態においては、４つのＬＥＤ４１を円周上に配置しているため、極めてコンパクトな密度の高い光源を得ることができる。

また、発光効率が高くなるので、同一の光源（ＬＥＤ）を用いる場合は、従来よりも低い供給電力で、従来と同様の光量を得ることが可能となる。逆に、従来と同様の供給電力で光源を発光させる場合は、単位面積当たりの光量を従来よりも多くすることができるので、装置を従来よりも小型化することができる。

＜第２実施形態＞
次に、この発明の第２実施形態を説明する。
図５は、この発明の第２実施形態である光源装置ユニット２の正面図である。この光源装置ユニット２は、６つの光源装置１０が円周に沿って等間隔で配置されて構成されている。なお、光源装置１０の各構成要素については、第１実施形態で示したものと同様であるため、ここではその説明を省略する。
図５において、基板１７は、第１実施形態における基板１６と放熱板４５との機能を兼ね備えている。

この実施形態においても、上述した第１実施形態と同様に、放熱面積を大きく取ることができるため、大電力化・高発光効率化が可能となり、上述した第１実施形態と同様の効果を得ることができる。更に、放熱フィン無しでも冷却可能であり、小型・構造の単純化・低コストが可能となる。

なお、この実施形態においては、基板１７が放熱板の役割も担うようにした。これに対し、第１実施形態と同様に放熱板を基板とは別途設けるようにしてもよい。

＜変形例＞
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上述した実施形態に限定されることなく、他の様々な形態で実施可能である。以下にその一例を示す。
（１）上述した実施形態においては、リフレクタの放物面鏡は、半放物面（全方位の放物面に対して、その軸線を横切る平面で分離した片側の放物面）の形状としたが、リフレクタの形状はこれに限定されるものではなく、例えば、図６に示すように、半放物面の一部４２ａを反射面とする形状であってもよい。または、放物面に限らず、双曲線面や、楕円面に対し、その軸線を通る平面で分離した一方の側の面の少なくとも一部を用いて反射曲面を形成するようにしてもよい。

（２）上述した実施形態においては、冷却ファン５５が光源装置１０の背後から出射方向に向けて送風することによって光源装置１０を冷却するようにしたが、冷却ファンにより発生される空気流の方向はこれに限定されるものではない。例えば図７に示すように、冷却ファン５６により光源装置が設けられた空間に負圧を生じさせて空気流Ｐを発生させ、この空気流によって光源装置１０を冷却するようにしてもよい。すなわち、出射光の方向とは逆方向に送風を行ってもよい。

（３）なお、上述した実施形態においては、冷却ファン５５のプロペラ５５ａの回転外径が各光源装置１０の基板１６の位置に達するように構成されていたが、これに限らず、図７に示すように、冷却ファンのプロペラが各光源装置の基板の位置に達していなくてもよい。特に、図７に示すような冷却ファンにより負圧を生じさせて冷却を行う場合は、プロペラが基板の位置に達していない場合であっても光源装置の基板付近に空気流を生じさせることができるため、良好な冷却を行うことが可能である。

（４）上述した実施形態においては、冷却ファン５５のプロペラ５５ａの回転軸５５ｂは集合体５０の中心軸と一致するように、すなわち、４つの光源装置１０が配置される円周の中心に一致するように設けられていた。プロペラと集合体との位置関係はこれに限定されるものではなく、プロペラの回転軸が集合体の中心軸と一致していなくても、所定の冷却効果が得られればよい。

（５）なお、上述した実施形態においては、プロペラが回転することにより送風を行う軸流の冷却ファンを用いて光源装置を冷却するようにしたが、送風を行う送風手段はこれに限定されるものではなく、例えば、図８に示すような、シロッコファン５７を送風手段として用いるようにしてもよい。
また、シロッコファンを用いる場合であっても、上述した軸流の冷却ファンと同様、シロッコファンにより発生される空気流の方向はこれに限定されるものではなく、シロッコファンにより光源装置が設けられた空間に負圧を生じさせて空気流を発生させ、この空気流によって光源装置を冷却するようにしてもよい。

本発明の第１実施形態である光源装置ユニットの外観を示す斜視図である。 同実施形態の正面図である。 同実施形態の側面図である。 同実施形態の上部の放熱板を取り外した状態を示す斜視図である。 本発明の第２実施形態である光源装置ユニットの正面図である。 本発明の変形例に係るリフレクタの形状を示す図である。 本発明の変形例に係る光源装置ユニットの側面図である。 本発明の変形例に係る光源装置ユニットの側面図である。 従来の光源装置ユニットの側断面図である。

符号の説明

１，２…光源装置ユニット、１０…光源装置、１５…駆動素子、１６，１７…基板、４１…ＬＥＤ、４２…リフレクタ、４３…コンデンサレンズ、４４…ロッドインテグレータ、４５…放熱板、５０…集合体、５５，５６…冷却ファン、５７…シロッコファン。

Claims (8)

1. 光源と、
   前記光源が設けられる基板と、
   焦点とこの焦点を通る軸線とを有する曲面であって、前記軸線を通る平面で分離された一方の側の面の少なくとも一部を反射面とし、前記光源を前記反射面によって前記基板に対向する側から覆い、前記軸線に沿った一方側が開口して前記光源の反射光の出射口となっている反射板とを備える光源装置を所定の円周に沿って複数設けるとともに、
   前記各光源装置の出射口が同じ方向を向くように、かつ、前記各反射板が前記円周の内側になるように前記各光源装置を配置したことを特徴とする光源ユニット。
2. 前記各光源装置は、各々の軸線が平行になるように配置されていることを特徴とする請求項１記載の光源ユニット。
3. 前記各光源装置に対して、前記出射口から出射する光の方向または前記方向とは逆の方向に送風を行う送風手段を設けたことを特徴とする請求項１または２記載の光源ユニット。
4. 前記送風手段は、回転軸に取り付けられたプロペラを有し、
   前記プロペラは、前記回転軸の軸線が前記円周の中心部を通り、前記プロペラの回転外径が前記各光源装置の基板の位置に達し、前記各光源装置の背後から前記出射方向に向けて送風することを特徴とする請求項３記載の光源ユニット。
5. 入力端面から出力端面に向けて伸びる柱状の本体を有し、前記入力端面に光が入射されると前記本体の内部で反射しながら前記出力端面に向かうよう構成され、前記入力端面に入射された光をミキシングして出力する光ミキシング部材と、
   前記複数の光源装置から出力される出力光を、前記光ミキシング部材の入力端面に照射されるように集光する集光手段と
   を備え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光源ユニット。
6. 前記光源装置は、前記基板に放熱板を備える
   ことを特徴する請求項１乃至５のいずれかに記載の光源ユニット。
7. 前記反射面は、放物面、双曲線面または楕円面に対し、軸線を通る平面で分離した一方の側の面の少なくとも一部を用いて形成され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光源ユニット。
8. 前記基板の取付位置を調整し得る取付位置調整手段を有していることを特徴とする請求項１乃至７のいずれかに記載の光源ユニット。

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