JP2021076644A - 光学モジュール、及び、その封止方法 - Google Patents

Abstract

【課題】
光学モジュール内部での結露を防止し、防湿性の高いパッケージ構造の光学モジュールを提供する。
【解決手段】
筐体とキャップにて構成された空間内に光学部品が収納された光学モジュールであって、筐体とキャップとでＯリングとシール剤が挟み込まれた封止部を有し、封止部は、Ｏリングの外側にシール剤が配置され、外側の筐体及びキャップに接していないＯリングの表面がシール剤によってすき間無く覆われており、Ｏリングと筐体とキャップとで囲まれた空間にシール剤が充填されている構造とする。
【選択図】図２

Description

本発明は、映像出力装置の光学モジュールの封止構造に関する。

映像出力装置の光学モジュールとしては、光源を含む光学部品、光学部品を搭載する台座、台座と組み合せて光学部品を密封するカバー、およびカバーに設けられ光源からの光を外に取り出すための出射窓を備えたパッケージ構造の光学モジュールが知られている。そして、台座とカバーとは封止材を用いて、光学モジュールの内部と外部の空気を遮断するような封止構造を有している。

ここで、封止材として一般的に用いられるＯリングの材料は、透水性が高いために、長期にわたって高温高湿状態に晒されると、Ｏリングの材料内部に水蒸気が浸入し、時間経過とともにＯリングを水蒸気が透過する。Ｏリングを透過した水蒸気は筐体内部に浸入し、徐々に筐体内部の湿度が上昇する結果となる。また、封止材として一般的に用いられるシール剤は、塗布時での液体状態であっても、硬化後のゴム状であっても、それ自身からアウトガスを発生させることが知られている。このアウトガスの一部は、密封された筐体内部に閉じ込められるために、筐体内部の光学部品に付着して動作不具合を発生させる原因となる。

そこで、上記のＯリングまたはシール剤を用いた封止構造の不具合を防止する構造として、特許文献１がある。特許文献１では、光モジュールであって、台座とカバーとは、Ｏリングと液体状シール材によって、Ｏリングの圧縮方向と液体状シール材の圧縮方向とが略垂直となるように、封止される構造が開示されている。

特開２０１６−３５４９１号公報

しかしながら、特許文献１に記載されている構造においては、Ｏリングとその外側に配置されたシール剤との間の空気の存在について認識していない。すなわち、Ｏリングのシール性を有効にするためには組み立て工程において、Ｏリングを厚さ方向に１０％から３０％程度押しつぶす必要がある。その際、シール剤とＯリングに囲まれたすき間に存在する空気は、圧縮され空気の圧力が上昇する。そのとき、シール剤の一部は、外側に押し出され、筐体内部と外部とがトンネル状に空気の貫通した穴(貫通穴)が出来ることで空気漏れを起こす可能性がある。これによりシール剤の封止が壊れる課題がある。また、光モジュール全体が高温状態になると上記のＯリングとシール剤のすき間の空気体積が膨張して、シール剤に貫通穴ができる危険性がある。シール剤に貫通穴が存在すると貫通穴を通して外部の水蒸気が液体シールの内側に侵入し、結果的に筐体内部への水蒸気の侵入が発生してしまう課題がある。

そこで、本発明は、これらの課題を解決し、光学モジュール内部での結露を防止し、光学部品が正常に動作するための防湿性の高いパッケージ構造の光学モジュールを提供することを目的とする。

本発明は、その一例を挙げるならば、筐体とキャップにて構成された空間内に光学部品が収納された光学モジュールであって、筐体とキャップとでＯリングとシール剤が挟み込まれた封止部を有し、封止部は、Ｏリングの外側にシール剤が配置され、外側の筐体及びキャップに接していないＯリングの表面がシール剤によってすき間無く覆われており、Ｏリングと筐体とキャップとで囲まれた空間にシール剤が充填されている構造とする。

本発明によれば、防湿性の高いパッケージ構造の光学モジュールを提供できる。

実施例１における光学モジュールの構成図を示す側面視断面図である。 実施例１における光学モジュールの封止部の断面拡大図である。 実施例２における光学モジュールの封止部の断面拡大図である。 実施例３における光学モジュールの封止部の断面拡大図である。 実施例４における光学モジュールの構成図を示す側面視断面図である。 従来の光学エンジンの概略構成の斜視図である。 従来の光学モジュールの構成図を示す上面視概略図である。 従来の光学モジュールの構成図を示す側面視断面図である。

以下に、本発明の実施例について図面を用いて説明する。

まず、本実施例の前提となる、映像出力装置に用いる従来の光学モジュールについて説明する。光学モジュールは、映像出力装置において設計された光路を実現するために光学部品が配置された光学エンジンが筐体の内部に設置された部材である。

図６は、従来の光学エンジンの概略構成の斜視図である。図６において、光学エンジン１０１は、各光学部品を台座１０２に対して接着剤を用いて固定する方式がとられている。光学エンジン１０１の主な光学部品としては、青色、緑色、赤色を発光する各レーザダイオード（ＬＤ）１０３、複数枚数のＲＧＢ合成ミラー１０６、ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）１０７、光学ミラー１０８が挙げられる。なお、図６において、１０９は投影スクリーンを示し、１１０は光路、１１１は映像を示す。

図７は、図６の光学エンジン１０１を筐体２０２の内部に設置した光学モジュールの構成図を示す上面視概略図であり、図８は、その側面視断面図である。図７及び図８において、光学モジュール２００は、筐体２０２内に設置した図６の光学エンジン１０１と、筐体の側面に設けた光学エンジンで生成された映像１１１をスクリーンに投影させる際に必要な出射窓２０７と、筐体２０２の上部にキャップ２０３が設置されているパッケージ構造を有している。筐体２０２とキャップ２０３はシール剤やＯリングからなる封止材３０１を用いて、光学モジュールの内部と外部の空気が遮断するような封止構造となっている。

ここで、光学エンジン１０１に搭載されたＬＤ１０３やＭＥＭＳ１０７は、電気駆動に伴い発熱する。アルミダイキャストなどの金属で作製された光学モジュールの筺体２０２は熱伝導に優れているために、発熱は筐体２０２全体に速やかに拡散する。これに伴い、光学ミラー１０８やレンズなどの部品も温度が上昇しやすい。

例えば、映像出力装置として自動車で使用するＨＵＤ（Head Up Display）に光学モジュールを用いる場合、長時間の光学モジュールの稼動時においては、ＬＤ１０３の点灯やＭＥＭＳ１０７の動作発熱により、光学モジュール全体が高温となる。ここで、光学モジュールの封止構造が十分でない場合、光学モジュールの内部取り込んだ水蒸気を含んだ空気は高温となり、大量の水分を取り込んだ状態にて光学モジュール内部にとどまることになる。その後、自動車内の温度が十分に低い温度、例えば、マイナス気温となると、光学モジュール内に留まった水蒸気を含んだ空気は、冷却され、場合によっては結露が発生する。この状態で映像装置が動作すると、光学部品、特に、出射窓２０７やＭＥＭＳ１０７への結露が発生する。結露によりＭＥＭＳ１０７の動作不良や、出射窓２０７が曇ることにより映像１１１のボケなどの不具合が起こる。さらには、光学モジュール２００の内部において、水蒸気を含んだ空気中にてＭＥＭＳ１０７を駆動させると、湿度に応じてＭＥＭＳ１０７の可動角度や速度が変化するために、映像１１１の画像投影領域や画質が変化してしまう不具合が発生する。

そのため、本実施例では、光学モジュール内部で結露が発生することを防止し、ＭＥＭＳなどの光学部品が正常に動作するための防湿性の高いパッケージ構造を提供する。

図１は、本実施例における光学モジュールの構成図を示す側面視概略図である。図１において、図８と同じ構成は同じ符号を付し、その説明は省略する。図１において、光学エンジン１０１は、筐体２０２内部にネジや接着剤(図示せず)などで固定されている。光学モジュール２００は、筐体２０２がキャップ２０３で蓋をされることで筐体内部５０２が密閉された空間を構成するパッケージ構造を有している。そして、封止部４００において、ネジ４０２、Ｏリング４０３とシール剤４０１によって、光学モジュール２００の内部と外部の空気が遮断する封止構造を有している。

図２は、本実施例における光学モジュールの封止部４００の断面拡大図である。図２において、筐体２０２の周縁部には、Ｏリング４０３のつぶし代を調整するために配置された段差部３０３が設置されている。段差部３０３の高さＨは、Ｏリング４０３の直径の９０％から７０％の高さであることが望ましい。段差部３０３の上面にはキャップ２０３が設置される。
キャップ２０３と筐体の段差部３０３の底面と間にはＯリング４０３が挟み込まれ、段差部３０３の高さにてＯリング４０３のつぶし高さが固定される形状となっている。Ｏリング４０３の外側には筐体２０２とキャップ２０３が、たとえば、複数のネジ４０２によって固定されていることから、筐体２０２とキャップ２０３は全周囲に渡ってＯリング４０３の一定の高さのつぶし代を保持することができる。

Ｏリング４０３の外周部表面とキャップ底面と筐体の段差部３０３に囲まれた部分には、すき間無くシール剤４０１が満たされている。よって、シール剤４０１は筐体２０２表面とキャップ２０３表面にも密着していることで、シール剤自体も封止機能を有することになる。従って、図２の封止構造では、Ｏリング４０３自体の封止機能とシール剤４０１自体の封止機能を独立で有するために、２重の封止構造を構成していることになる。

図２の封止構造に用いるシール剤４０１は、たとえば、熱硬化型のオレフィン系シール剤を用いることにより、シール剤注入時においては、シール剤は液体状態であるため、Ｏリング４０３とキャップ２０３の間のすき間、または、Ｏリング４０３と筐体２０２のすき間をシール剤４０１にて完全に覆うことが可能である。

図２の封止構造は、光学モジュールの組み立て工程において、シール剤４０１の注入によるシール剤の塗布工程後にネジ締めなどでＯリングを上下方向につぶす工程にてＯリングでの封止特性を確保する。なお、シール剤４０１を固化させた後であっても、シール剤４０１の弾性率は、Ｏリング４０３の弾性率よりも小さいことが必要である。これにより、Ｏリングが変形した場合でも、その変形に伴い固化後のシール剤４０１の変形も追従するために、Ｏリングとシール剤の間の密着性が損なわれることはない。

ここで、ネジの締め付けによりＯリング４０３の変形が加えられた場合においても、Ｏリング４０３とシール剤４０１の間には圧縮される空気が存在しないためシール剤４０１内部に貫通穴を形成することがない。さらには、熱硬化型シール剤を固化するためには、光学モジュール２００を液体であるシール剤が硬化する温度、おおむね７０〜１００℃まで上昇させる必要がある。この際、光学モジュールは密封されているために空気の熱膨張に伴って、筺体内圧(Ｏリングの内側の圧力)は上昇する。図２の封止構造においては、モジュール筐体内部に封入された空気が膨張するために筺体内部の空気圧力が上昇する。この上昇した内部圧力はＯリングを外側に押す圧力となるが、圧縮されたＯリングの封止効果によって内部圧力はＯリングの外側に伝わらない。このため、Ｏリングの外側に配置したシール剤には、貫通穴を形成する原因となる圧力が加わることはない。さらには、光学モジュール内部に収納しているＬＤやＭＥＭＳなどの発熱部品が稼動時において発熱した場合、光学モジュールの内部空気の温度上昇が発生する。これにより、光学モジュール内部では空気圧上昇が起こるが、図２の構造ではＯリングによるブロック効果によりシール剤には光学モジュール内部の圧力上昇の影響を受けることがなく、シール剤には、内部圧力の横向き圧力を受けることがない。これにより、光学モジュールの密封性が保持できる。

光学モジュールが高温高湿環境下において使用された場合は、光学モジュールの外部には多くの水蒸気が存在する。図２の構造においては、水蒸気透過率の低いシール剤によって水蒸気の材料透過を防ぎ、シール剤を透過した僅かな水蒸気は、さらに、Ｏリングによっても材料透過を防ぐことで２重の防止ができる。これにより、例えば、車載用のＨＵＤにて要求される１０年以上においても水蒸気による光学部品の曇りを発生させることがない。また、ＭＥＭＳの動作に影響を与えることがなく、光学画像の高信頼化を実現できる。

以上のように、本実施例によれば、光学モジュール内部での結露を防止し、光学部品が正常に動作するための防湿性の高いパッケージ構造の光学モジュールを提供することができる。

また、シール剤４０１から発生するアウトガスについても、図２の構造においてはシール剤４０１よりもＯリング４０３が内側に存在するために、シール剤にて発生したアウトガスがＯリングにより遮断され筐体内部に侵入することを防止することが出来る。

図３は、本実施例における光学モジュールのシール剤とＯリングを使った封止部の断面拡大図である。図３において、図２と同じ構成は同じ符号を付し、その説明は省略する。図３においては、Ｏリング４０３と筐体２０２内側の表面の間２０４と、Ｏリング４０３とキャップ２０３表面の間２０５にシール剤が挟まった構造となっている。

筐体２０２やキャップ２０３の部品作製においては、例えば、機械加工や射出成形や鍛造などの方法が取られる。低コストでの製造品では、加工精度が低いためにＯリングと接触する表面には表面凹凸が生じる。表面凹凸が約10μｍ以上となると、Ｏリングをネジ締めなどで変形させても、筐体またはキャップ表面とＯリング表面の接触が十分に密着しないことから、Ｏリングと筐体表面の界面には微小な貫通穴(界面貫通穴)が形成されて、界面リーク(Ｏリングと筐体界面での空気漏れ)の原因となる。これを防ぐために、筐体とキャップのＯリング対向面は、凹凸や傷が無いように追加加工を施す必要があった。さらには、筐体またはキャップのＯリング対向面に深さ10μｍ以上の傷や“埃”が存在する場合についても、傷や“埃”の部分に界面貫通穴が生じて界面リークが生じる。

そこで、本実施例における図３の構造においては、液体状のシール剤が筐体やキャップの表面の凹凸部やもしくは傷部や“埃”を埋めることが可能となり、Ｏリングとシール剤の密着を確保することが出来る。これにより、界面リークを生じる界面貫通穴を形成することがない。このために、筐体やキャップの表面の加工精度が高くない部品を使用することが可能となる。

さらには、筐体２０２表面の凹凸部を埋めたシール剤は筐体とＯリングに間に挟まった構造となる。ネジの締結力により収縮したＯリングはその反発力によって上下方向に圧力を加えた状態である。このため、筐体内部の内圧が上昇しても、Ｏリング４０３と筐体２０２表面の凹凸との間を埋めたシール剤には内部圧力はかからないため凹凸を埋めたシール剤には界面貫通穴が生じることはない。これにより、筐体２０２もしくはキャップ２０３において、Ｏリング接触面の表面凹凸精度の低い部品を使用しても封止性能を確保することが可能となる。

図４は、本実施例における光学モジュールの封止部の断面拡大図である。図４において、図２と同じ構成は同じ符号を付し、その説明は省略する。図４において、筐体２０２の内側壁にはＯリング止め７０１を設置している。筐体の外側壁においては、等間隔にネジ止めをするための柱７０２が設けられている。柱の高さは、実施例１で述べたようにＯリングのつぶし代の寸法に合わせて設定することが望ましい。

Ｏリング止め７０１の外周はＯリング４０３の内周に接触して配置されている。シール剤４０１はＯリング４０３の外側表面全体に接触している。Ｏリング４０３をＯリング止め７０１に接触させることで、横方向の外部力が加えられても、Ｏリングの配置位置がすれることを防ぐことができる。

また、図４の構造であれば、光学モジュールの組み立て工程において、Ｏリングを上下の圧力を加えた後(例えば、ネジ４０２でＯリング４０３を押しつぶした後)の段階で、シール剤を塗布することが可能となる。

また、実施例１または実施例２と同様に、Ｏリングの外側表面をシール剤で覆うことにより上記のように水蒸気やシール剤から発生するアウトガスの筐体内への進入を防ぐことができる。

図５は、本実施例における光学モジュールの側面視断面図である。図５において、図１と同じ構成は同じ符号を付し、その説明は省略する。図５において、筐体２０２内に封止構造により収容された光学エンジン１０１に搭載されたＭＥＭＳ１０７は、光学モジュール２００の密閉された空間内の温度や湿度、圧力等の環境変化によりＭＥＭＳ１０７の走査動作が影響を受けることが知られている。よって、本実施例では、ＭＥＭＳ動作に影響を与える環境変化を測定できる測定素子（測定センサ）８０１を収容している。そして、測定センサ８０１からの信号は、ＭＥＭＳの動作を制御するＭＥＭＳ制御回路６００に信号線６０１で接続されている。また、ＭＥＭＳ制御回路６００がＭＥＭＳ動作に影響を与える環境変化に応じてＭＥＭＳ１０７をフィードバック制御するように制御線６０２が接続されている。

このように、ＭＥＭＳ動作に影響を与える環境変化に応じてＭＥＭＳをフィードバック制御する制御回路を持つことで、光学モジュール内部のＭＥＭＳ動作に影響を与える環境が変化した場合でもＭＥＭＳの動作が影響を受けないようにすることができる。

ここで、光学モジュール２００は、実施例１、２、３で説明した封止構造を有することで、光学モジュール内の空間への水蒸気の進入を防ぎ、光学モジュール内の空間の水蒸気量の変化を最小限に抑えることができる。このため、光学モジュール内の空間の湿度変化が小さくなるので、ＭＥＭＳ１０７への湿度による影響を無視することが出来る。よって、ＭＥＭＳ動作に影響を与える環境変化として、湿度を除くことができるので、測定センサ８０１、及び、ＭＥＭＳ動作のフィードバック制御回路を簡略化することができる。

なお、念のために、ＭＥＭＳ動作に影響を与える環境変化として、湿度を加え、温度、圧力、湿度の変化を検出してＭＥＭＳ動作にフィードバックできるようにしてもよい。

また、本実施例では、光学モジュール２００の組み立て時に筐体内部５０２に取り込んでしまった水蒸気を除去するために、光学モジュール２００には、乾燥剤８０２を収納している。

なお、測定センサ８０１からの信号をＭＥＭＳ制御回路６００に伝達するための信号線６０１、及び、ＭＥＭＳ制御回路６００からＭＥＭＳ１０７への制御線６０２は、筐体２０２を貫通して配線する必要があるが、この封止については、光学モジュールの製造時に封止した後に封止を解く必要はないので、樹脂封止等のはめ殺しでの封止方法で封止する。出射窓２０７の封止についても同様である。

以上実施例について説明したが、本発明は上記した実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上記した実施例は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施例の構成の一部を他の実施例の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施例の構成に他の実施例の構成を加えることも可能である。また、各実施例の構成の一部について、他の構成の追加、削除、置換をすることが可能である。

1０１：光学エンジン、1０２： 台座、1０３： レーザダイオード(ＬＤ)、1０６： 合成ミラー、1０７： ＭＥＭＳ、１０９：投影スクリーン、１１０：光路、１１１：映像、２００：光学モジュール、２０２：筐体、２０３：キャップ、２０７：出射窓、３０３：段差部、４００：封止部、４０１：シール剤、４０２：ネジ、４０３：Ｏリング、５０２：筐体内部、６００：ＭＥＭＳ制御回路、６０１：信号線、６０２：制御線、７０１：Ｏリング止め、８０１：測定センサ、８０２：乾燥剤。

Claims (11)

1. 筐体とキャップにて構成された空間内に光学部品が収納された光学モジュールであって、
   前記筐体と前記キャップとでＯリングとシール剤が挟み込まれた封止部を有し、
   該封止部は、Ｏリングの外側にシール剤が配置され、前記外側の前記筐体及び前記キャップに接していない前記Ｏリングの表面が前記シール剤によってすき間無く覆われており、前記Ｏリングと前記筐体と前記キャップとで囲まれた空間に前記シール剤が充填されていることを特徴とする光学モジュール。
2. 請求項１に記載の光学モジュールにおいて、
   前記筐体は、前記シール剤を介した前記Ｏリングの外側に段差部を有し、
   前記Ｏリングと前記段差部と前記キャップとで囲まれた空間に前記シール剤が充填されていることを特徴とする光学モジュール。
3. 請求項１に記載の光学モジュールにおいて、
   前記封止部は、前記Ｏリングと前記筐体のすき間と、前記Ｏリングと前記キャップのすき間に前記シール剤を挟んでいることを特徴とする光学モジュール。
4. 請求項１に記載の光学モジュールにおいて、
   前記筐体は、前記Ｏリングの内側にＯリング止めを有し、
   前記Ｏリングは前記Ｏリング止めの外周に接触して配置されていることを特徴とする光学モジュール。
5. 請求項４に記載の光学モジュールにおいて、
   前記筐体は、前記シール剤を介した前記Ｏリングの外側に、該筐体と前記キャップを等間隔にネジ止めをするための柱が設けられていることを特徴とする光学モジュール。
6. 請求項１に記載の光学モジュールにおいて、
   前記シール剤は、前記Ｏリングよりも水蒸気透過率が低く、弾性率が小さい材料であることを特徴とする光学モジュール。
7. 請求項１に記載の光学モジュールにおいて、
   前記空間内に乾燥剤を収容し、前記光学部品としてＭＥＭＳを収容していることを特徴とする光学モジュール。
8. 請求項７に記載の光学モジュールにおいて、
   前記空間内における前記ＭＥＭＳの動作に影響を与える環境変化を測定できる測定素子を収容し、前記測定素子から得られた情報を前記ＭＥＭＳの動作制御回路にフィードバックすることを特徴とする光学モジュール。
9. 筐体とキャップにて構成された空間内に光学部品が収納された光学モジュールの封止方法であって、
   前記筐体のＯリングを配置するための段差部に前記Ｏリングを配置するステップと、
   前記Ｏリングの外側の表面がすき間無く覆われるように液体状シール剤を塗布するステップと、
   前記キャップを、前記Ｏリングを押しつぶすようにして前記筐体に固定するステップと、
   前記液体状シール剤を固化させるステップを備えることを特徴とする光学モジュールの封止方法。
10. 請求項９に記載の光学モジュールの封止方法において、
    前記液体状シール剤を塗布するステップは、
    前記Ｏリングの前記段差部とのすき間、及び、前記キャップで押しつぶす前記Ｏリング部分にも前記液体状シール剤を塗布することを特徴とする光学モジュールの封止方法。
11. 筐体とキャップにて構成された空間内に光学部品が収納された光学モジュールの封止方法であって、
    前記筐体のＯリング止めにＯリングの内周を接触させて配置するステップと、
    前記キャップを、前記Ｏリングを押しつぶすようにして前記筐体に固定するステップと、
    前記Ｏリングの外側の表面がすき間無く覆われるように液体状シール剤を塗布するステップと、
    前記液体状シール剤を固化させるステップを備えることを特徴とする光学モジュールの封止方法。

Images