JP2018101089A - 光源装置および投射型表示装置 - Google Patents

Abstract

【課題】蛍光体ホイールを回転させるためのモータの負荷の増大を抑制しつつ、蛍光体ホイールによる発熱をケーシングの外部へ効率的に放熱することが可能な光源装置を提供する。【解決手段】光源装置１は、光源１１と、回転軸を中心として回転可能に保持された円板１４ａと、円板に設けられた、光源からの光の波長を変換する波長変換部材１４ｂと、円板を収納する収納部材１６ａ、１６ｂ、１３とを有し、収納部材の内部には、回転軸を中心とする円周状の壁部が複数設けられている。【選択図】図１

Description

本発明は、励起光により蛍光体を励起させて得られた蛍光光を利用する光源装置に関する。

近年、高耐久性かつ高輝度の観点から、レーザ光源を備えた光源装置が提案されている。このような光源装置は、レーザ光源から射出された光を、波長変換のための蛍光体層を含む蛍光体ホイール上で集光させる。また、蛍光体ホイールを用いた光源装置では、蛍光体層の温度が局所的な上昇に伴う波長変換効率の低下およびバインダ（樹脂材料）の劣化を抑制するため、モータを用いて蛍光体ホイールを回転させる必要がある。

ところで、蛍光体層の表面に埃などの異物が付着すると、蛍光体層に到達する光量が低下して波長変換効率が低下する。このため、蛍光体ホイールを密閉空間内に収納する必要がある。一方、蛍光体ホイールを密閉空間内に収納すると、蛍光体ホイールの温度上昇を抑制することが困難になる。

そこで特許文献１には、蛍光体ホイールに羽根部を設けてケーシングの内部の密閉空間内の空気流動を促す構成を有することにより、ケーシングの内部の蛍光体ホイールによる発熱を外部へ放熱する光源装置が開示されている。

特開２０１４−１４６０５６号公報

しかしながら、特許文献１に開示された構成では、蛍光体ホイールによる発熱をケーシングの外部へ放熱することはできるが、蛍光体ホイールを回転させるためのモータの負荷が増大し、騒音の発生が増大する。

そこで本発明は、蛍光体ホイールを回転させるためのモータの負荷の増大を抑制しつつ、蛍光体ホイールによる発熱をケーシングの外部へ効率的に放熱することが可能な光源装置および投射型表示装置を提供することを目的とする。

本発明の一側面としての光源装置は、光源と、回転軸を中心として回転可能に保持された円板と、前記円板に設けられた、前記光源からの光の波長を変換する波長変換部材と、前記円板を収納する収納部材とを有し、前記収納部材の内部には、前記回転軸を中心とする円周状の壁部が複数設けられている。

本発明の他の側面としての光源装置は、光源と、回転軸を中心として回転可能に保持された円板と、前記円板に設けられた、前記光源からの光の波長を変換する波長変換部材と、前記円板を収納する収納部材とを有し、前記収納部材の内部には、前記回転軸を基準とする渦巻状の壁部が設けられている。

本発明の他の側面としての投射型表示装置は、前記光源装置と、前記光源装置から射出された光を変調して投射する光学系とを有する。

本発明の他の目的及び特徴は、以下の実施例において説明される。

本発明によれば、蛍光体ホイールを回転させるためのモータの負荷の増大を抑制しつつ、蛍光体ホイールによる発熱をケーシングの外部へ効率的に放熱することが可能な光源装置および投射型表示装置を提供することができる。

実施例１における光源装置の分解斜視図である。 実施例１における光源装置のケースの平面図である。 実施例１における光源装置の断面図である。 実施例１における蛍光体ホイールの回転により生じる空気の流れの説明図である。 実施例１における変形例としてのケースの平面図である。 実施例２における光源装置の分解斜視図である。 実施例２における光源装置のケースの平面図である。 各実施例における投射型表示装置の全体構成図である。 比較例としての光源装置の分解斜視図である。 比較例としての光源装置の要部の拡大図である。

以下、本発明の実施例について、図面を参照しながら詳細に説明する。

（投射型表示装置の全体構成）
まず、図８を参照して、本発明の実施例１における投射型表示装置の構成について説明する。図８は、本実施例における投射型表示装置１００の全体構成図である。図８において、１は光源装置、２は光源装置１からの光に画像情報を付加する光学系（照明光学系および色分離合成光学系）、３は光学系２からの光（画像）をスクリーン（被投射面）に投射する投射レンズ、４はこれらの各要素を包含する外装ケース（筺体）である。外装ケース４により保持可能な光学系２と投射レンズ３とにより、光源装置１から射出された光を変調して投射する光学系が構成される。図８中の矢印Ｗは、投射型表示装置１００の内部におけるエアフローを示している。

（光源ユニットの構成）
次に、図１乃至図４を参照して、光源装置１の構成について説明する。図１は、光源装置１の分解斜視図である。図２は、ケース１６ａの平面図である。図３は、光源装置１の断面図である。図４は、蛍光体ホイール１４の回転により生じる空気の流れの説明図である。

１１は光源（固体光源）であり、後述の蛍光体層１４ｂへ光を照射する。１２は、光源１１から射出された光を反射し、後述するように波長変換された光を透過するダイクロイックミラーである。１３は集光光学系である。１４は蛍光体ホイールであり、円板１４ａと、円板１４ａの上に円環状に塗布された蛍光体層１４ｂとを含む。蛍光体層１４ｂは、円板１４ａに設けられ、光源１１からの光（入射光）の波長を変換する波長変換部材である。１５は、蛍光体ホイール１４を回転駆動するモータである。モータ１５の回転軸は、蛍光体ホイール１４の中心と同一となるように固定されている。１６はケーシングであり、蛍光体ホイール１４を包含するケース１６ａとカバー１６ｂとを備えて構成される。本実施例において、ケーシング１６（ケース１６ａ、カバー１６ｂ）と集光光学系１３とにより、円板１４ａを収納する収納部材を構成する。

光源１１は、励起光（レーザ光）を射出する複数の半導体レーザダイオードを配列して構成されている。ただし、光源１１の構成はこれに限定されるものではなく、例えば複数のＬＥＤを配列して構成されていてもよい。光源１１から射出した光は、集光光学系１３を介して蛍光体層１４ｂに集光する。

蛍光体ホイール１４の円板１４ａは、アルミニウムや銅などの熱伝導率の高い材料からなり、円板１４ａの回転中心において蛍光体ホイール１４を回転させるモータ１５と連結される。また円板１４ａは、モータ１５の回転軸を中心として回転可能に保持されている。すなわち蛍光体ホイール１４の中心とモータ１５の回転軸（回転中心）とを同一にすることにより、モータ１５は、蛍光体ホイール１４の中心を軸として回転することが可能となる。モータ１５は、ケース１６ａにより保持されている。

このような構成により、光源１１から射出された光は、蛍光体層１４ｂに集光され、その一部の光が蛍光体に吸収される。光を吸収した蛍光体は励起されて蛍光光を発する波長変換部材として機能する。その結果、蛍光体層１４ｂの微小領域に光エネルギーが集中し、蛍光体層１４ｂは高温となる。そこで、蛍光体層１４ｂが塗布される円板１４ａとして熱伝導率の高い部材を用いることにより、蛍光体層１４ｂの熱を円板１４ａに放熱し、蛍光体層１４ｂの温度を低下させる。また前述のように蛍光体ホイール１４をモータ１５で回転駆動することにより、光の照射領域が蛍光体層１４ｂの上で常に移動するように構成し、蛍光体層１４ｂの局所的な温度上昇（高温）を防止（抑制）する。また、蛍光体ホイール１４が回転することにより、蛍光体層１４ｂの表面と接する空気に流れを与え、更なる冷却効果を得ることができる。

本実施例では、図３に示されるように、蛍光体ホイール１４を包含するようにケース１６ａとカバー１６ｂとを備えたケーシング１６を設け、外部の空気から遮断した密閉空間Ａを形成する。その結果、外部からの異物侵入による蛍光体層１４ｂへの異物付着を防止することができる。一方、蛍光体層１４ｂを冷却するには、密閉空間Ａの内部の熱を、ケーシング１６を介して外部へ放熱する必要がある。

蛍光体ホイール１４が回転すると、図４に示されるように、蛍光体ホイール１４と接する空気は、回転による遠心力で全周方向へ送風される（矢印Ｗ１）。また、その作用によって蛍光体ホイール１４の表裏では負圧となり、その周囲の空気は蛍光体ホイール１４側へ吸い寄せられるように移動するような空気の流れ（矢印Ｗ２）が生じる。

そこで本実施例では、図１乃至図３に示されるように、ケース１６ａの内面に、モータ１５の回転軸（蛍光体ホイール１４の回転中心）を中心とする円周状（円環状）の壁部１６ａＦ（凸部、ケース１６ａ内のフィン）が複数設けられている。本実施例において、複数の壁部１６ａＦはそれぞれ、モータ１５の回転軸の周りに３６０度にわたって（全周にわたって）設けられている。複数の壁部１６ａＦは、密閉空間Ａの内部の熱をケーシング１６に伝熱させるため、密閉空間Ａの内部の空気との接触面積を増やすフィンとして機能する。したがって、密閉空間Ａの内部の熱の伝達を促進するため、壁部１６ａＦは、蛍光体ホイール１４の近傍に配置（近接配置）することが好ましい。

ここで、図９および図１０を参照して、比較例としての光源装置１０について説明する。図９は、比較例としての光源装置１０の分解斜視図である。図１０は、比較例としての光源装置１０の要部の拡大図である。図９および図１０に示されるように、光源装置１０のケーシング２１６（ケース２１６ａ）には、直線状のフィン２１６ａＦが設けられている。このような直線状のフィン２１６ａＦを設けると、蛍光体ホイール１４の回転に伴い、時間的な圧力変動が発生する。すなわち、図１０に示されるように、回転する蛍光体ホイール１４のある任意の点が壁部１６ａＦ１の先端近傍の位置（Ｐ１）を通過する際には圧力が上昇する一方、隣接する壁部１６ａＦ１の間の位置（Ｐ２）を通過する際には圧力が戻る（低下する）。このような現象は、蛍光体ホイール１４の回転周期に起因する騒音の発生要因となる。

そこで本実施例では、図１および図２に示されるように、ケース１６ａの内面に、モータ１５の回転軸（蛍光体ホイール１４の回転中心）を中心とする円周状の壁部１６ａＦを複数形成する。このような構成により、蛍光体ホイール１４の周囲の熱をケーシング１６に効果的に伝熱することができる。また、このような構成により、蛍光体ホイール１４の表面における圧力変動を低減することができ、蛍光体ホイール１４の回転に起因する騒音の発生を低減することが可能となる。

なお本実施例のケース１６ａは、モータ１５の回転軸（蛍光体ホイール１４の回転中心）を中心とする円周状（円環状）の壁部１６ａＦ（凸部）が複数設けられているが、本実施例はこれに限定されるものではない。図５は、本実施例の変形例としてのケース１１６ａの平面図である。ケース１６ａに代えて、図５に示されるように、モータ１５の回転軸（蛍光体ホイール１４の回転中心）を基準とする渦巻状の壁部１１６ａＦ（凸部、ケース１１６ａ内のフィン）が設けられたケース１１６ａを用いても、本実施例の効果を得ることができる。なお、「モータ１５の回転軸を基準とする」とは、例えば、渦巻状の壁部１１６ａＦの開始位置を延長した場合にモータ１５の回転軸を通過する構成をいう。

ここで渦巻状とは中心（モータ１５の回転軸）から遠ざかるように旋回する２次元の曲線に沿った形状のことをいう。一方、渦巻状とは中心（モータ１５の回転軸）から遠ざかるように旋回するとともに、旋回している面（図５の紙面）に対して垂直な方向にも動く３次元の曲線に沿った形状のことをいう。壁部１６ａＦがｒ＝ａ＋ｂθの極座標形式の関数で表される、いわゆるアルキメデスの渦巻に沿った形状の場合や、ｒ＝ａ*ｂ＾θで表される、いわゆる対数渦巻に沿った形状の場合は、θ＝０の位置とモータ１５の回転軸が一致しているといえる。好ましくは、壁部１６ａＦ（または壁部１１６ａＦ）を熱伝導率の高い金属で構成する。このような構成によれば、密閉空間Ａの内部の熱をケーシング１６に対してより効果的に伝熱することができ、蛍光体層１４ｂの温度をより低減することが可能となる。

好ましくは、図１および図３に示されるように、ケーシング１６（カバー１６ａ）の外面に放熱用のフィン１７を設ける。このような構成によれば、ケーシング１６の放熱面積が増大するため、ケーシング１６から外部への放熱効率をより高めることができ、蛍光体層１４ｂの温度をより低減することが可能となる。より好ましくは、ケーシング１６の外面のフィンＦの周囲の空気を流動させる冷却ファン（不図示）を設ける。これにより、冷却効率をより高めることができる。

なお本実施例は、光源１１から射出された光を反射させる構成について説明したが、これに限定されるものではない。本実施例は、例えば、円板１４ａとして光透過部材（ガラス、水晶、サファイアなど）を用いて、光源１１から射出した光を透過させる構成にも適用可能である。

次に、図６および図７を参照して、本発明の実施例２における光源装置１ａについて説明する。図６は、光源装置１ａの分解斜視図である。図７は、光源装置１ａのケースの平面図である。

実施例１では、モータ１５の回転軸の全周にわたって設けられた円周状の壁部１６ａＦ（または渦巻状の壁部１１６ａＦ）について説明したが、図４を参照して説明したように、回転する蛍光体ホイール１４は、周方向に放射状に空気の流れを構築する特性がある。そこで本実施例では、図６および図７に示されるように、壁部１６ａＦに回転中心から放射状にスリット１６ｓ（隙間）を設ける。このような構成により、蛍光体ホイール１４が回転することで発生する気流（図７中の矢印Ｗ１）が壁部１６ａＦの周囲を流れることを妨げず、ケーシング１６（密閉空間Ａ）の内部における空気の循環を盛んにすることが可能となる。

このように本実施例において、複数の壁部１１６ａＦはそれぞれ、モータ１５の回転軸の周りの一部の位相（位置）において隙間（スリット１６ｓ）が設けられている。好ましくは、複数の壁部１１６ａＦはそれぞれ、一部の位相として、モータ１５の回転軸から放射方向に沿った所定の位相においてスリット１６ｓが設けられている。ただし、複数の壁部１１６ａＦに設けられるスリット１６ｓの位相は、互いに異なっていてもよい。また、複数の壁部１１６ａＦの全てにスリット１６ｓを設ける必要はなく、複数の壁部１１６ａＦの少なくとも一つに関してスリット１６ｓを設けてもよい。

このような構成により、蛍光体ホイール１４のある任意の点における圧力変動の発生を防止し、騒音の発生を抑制しつつ、蛍光体層１４ｂの熱をケーシング１６に効果的に伝達（放熱）することができる。なお、凸形状が円環状ではなく渦巻状に形成された構成された場合でも、スリットによる同様の効果が得られる。

各実施例によれば、蛍光体ホイールを回転させるためのモータの負荷の増大を抑制しつつ、蛍光体ホイールによる発熱をケーシングの外部へ効率的に放熱することが可能な光源装置および投射型表示装置を提供することができる。

以上、本発明の好ましい実施例について説明したが、本発明はこれらの実施例に限定されず、その要旨の範囲内で種々の変形及び変更が可能である。

１、１ａ 光源装置
１１ 光源
１３ 集光光学系
１４ａ 円板
１４ｂ 蛍光体層（波長変換部材）
１６ ケーシング
１６ａＦ、１１６ａＦ 壁部

Claims (8)

1. 光源と、
   回転軸を中心として回転可能に保持された円板と、
   前記円板に設けられた、前記光源からの光の波長を変換する波長変換部材と、
   前記円板を収納する収納部材と、を有し、
   前記収納部材の内部には、前記回転軸を中心とする円周状の壁部が複数設けられている、
   ことを特徴とする光源装置。
2. 光源と、
   回転軸を中心として回転可能に保持された円板と、
   前記円板に設けられた、前記光源からの光の波長を変換する波長変換部材と、
   前記円板を収納する収納部材と、を有し、
   前記収納部材の内部には、前記回転軸を基準とする渦巻状の壁部が設けられている、
   ことを特徴とする光源装置。
3. 前記壁部は、前記回転軸の周りに３６０度にわたって設けられている、
   ことを特徴とする請求項１または２に記載の光源装置。
4. 前記壁部には、前記回転軸の周りの一部の位相において隙間が設けられている、
   ことを特徴とする請求項１または２に記載の光源装置。
5. 前記壁部には、前記一部の位相として、前記回転軸から放射方向に沿った所定の位相において前記隙間が設けられている、
   ことを特徴とする請求項４に記載の光源装置。
6. 前記壁部は金属から構成されている、
   ことを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の光源装置。
7. 前記収納部材の外面に設けられた放熱用のフィンを更に有する、
   ことを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載の光源装置。
8. 請求項１乃至７のいずれか１項に記載の光源装置と、
   前記光源装置から射出された光を変調して投射する光学系を保持可能な筺体と、を有する、
   ことを特徴とする投射型表示装置。