JP3957806B2 - ペルチェ冷却装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、被冷却素子をペルチェ素子に載置して冷却するペルチェ冷却装置に関し、より詳細には、例えば、ＣＣＤ固体撮像素子等の半導体素子をペルチェ素子の吸熱部に載置して冷却するペルチェ冷却装置の冷却効果の改善に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、一般にＰＤＤ（Photodynamic Diagnosis）と称される光力学診断についての研究が種々なされている。このＰＤＤとは、腫瘍親和性を有し、光により励起されたとき蛍光を発する光感受性物質を予め生体の腫瘍部分に吸収させておき、その部分に光感受性物質の励起波長領域にある励起光を照射して蛍光を生じさせ、この蛍光による画像を表示して腫瘍部分を診断する技術である。
【０００３】
例えば特公昭６３−９４６４号公報、特開平１−１３６６３０号公報、特開平７−５９７８３号公報には、このＰＤＤを行なうための蛍光診断装置が開示されている。この種の蛍光診断装置は基本的に、光感受性物質の励起波長領域にある励起光を生体に対して照射する励起光照射手段と、光感受性物質が発する蛍光を検出して生体の蛍光像を撮像する手段と、この撮像手段の出力を受けて上記蛍光像を表示する画像表示手段とからなるものであり、多くの場合、体腔内部に挿入される内視鏡（電子内視鏡を含む）や、手術用顕微鏡等に組み込まれた形に構成される（以下このような装置を蛍光内視鏡という。）。
【０００４】
蛍光内視鏡においては、光感受性物質が発する蛍光は微弱であり、より高Ｓ／Ｎで撮像するため、撮像素子を内視鏡装置の先端に配設する手段がとられることもある。また、固体撮像素子等の光検出器の暗電流を小さくしてさらにＳ／Ｎを改善するため、光検出器をペルチェ素子に載置してペルチェ素子に電流を供給して光検出器をより低い温度に冷却する手法が講じられることもある。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
このように光検出器をより低い温度に冷却するには、ペルチェ素子による熱ポンプ量を大きくする必要があるが、このようにすると、ペルチェ素子の発熱側からの発熱量が多くなり、この発熱を十分に放出できない場合には、定常状態において残留する熱量分だけ冷却効果が低下することとなる（図７参照）。
【０００６】
この残留熱を防止すべくペルチェ素子の発熱側の放熱能力を大きくするためには、大きな熱容量を持つ放熱系（例えば、大きな放熱フィンや比熱の大きな水等の冷媒を循環させる循環冷却系）を有することが必要となる。このような放熱系を設けることは冷却装置を大きくし、その結果蛍光内視鏡等の狭い空間しかないような測定機器や画像機器にはペルチェ冷却型の撮像素子を組み込むことは困難であった。
【０００７】
さらに、上記のような冷却手段では、ペルチェ素子の吸熱側をより低い温度にしようとすればするほどペルチェ素子で消費される電力は大きくなる。消費電力が大きいとペルチェ素子に流れる電流が大きくなり、誘導ノイズにより画像信号に大きな影響を及ぼす。したがって、撮像素子と本体とを長い線で接続しなければならない蛍光内視鏡等の電子内視鏡に、大きな消費電力のペルチェ素子を実装することは困難である。
【０００８】
一方、光検出や観察部の撮像を行うに際して、常時信号を検出する必要がなく、所定の時間間隔で検出等できれば、診断等に必要な信号を信号処理により得ることも可能である。この場合、検出信号を必要としない間もペルチェ素子に電流を供給し続けると、上述のように発熱部の温度上昇の分だけ冷却能力が低下する。
【０００９】
本発明は上記の事情に鑑みてなされたものであり、固体撮像素子等の被冷却素子をペルチェ素子に載置して冷却するペルチェ冷却装置の冷却効果の改善を図ることにより、ペルチェ冷却装置を小型化せしめ、電子内視鏡等の設置スペースとして狭い空間しかないような機器にも適用可能なペルチェ冷却装置を提供することを目的とするものである。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明によるペルチェ冷却装置は、ペルチェ素子を間欠動作させることを基本思想とするものである。すなわち、本発明によるペルチェ冷却装置は、
被冷却素子を冷却するペルチェ素子と、
前記被冷却素子を前記ペルチェ素子の吸熱部に載置し、該ペルチェ素子に供給される電流を間欠駆動する間欠駆動手段とを備えたことを特徴とするものである。
【００１１】
この本発明にかかるペルチェ冷却装置においては、前記ペルチェ素子の冷却効果を高めるため、
前記ペルチェ冷却装置の冷却側の熱容量を小さくする手段、
前記ペルチェ冷却装置の発熱側の熱容量を大きくする手段、
前記ペルチェ冷却装置の冷却側と発熱側との間の熱抵抗を大きくする手段、
のいずれか、または、これら３つの手段を任意に組み合わせた手段を設けたものであることが望ましい。
【００１２】
また、本発明にかかるペルチェ冷却装置は、前記被冷却素子が、前記ペルチェ素子が駆動されているとき（すなわち前記被冷却素子が冷却されているとき）の出力信号が検出信号として取り扱われる光検出器である場合に好適である。
【００１３】
このような光検出器を用いたペルチェ冷却装置においては、前記光検出器に入射する光の光路上で、かつ、前記光検出器から所定の距離以上離れた位置に赤外光除去手段を設けることが望ましい。
【００１４】
ここで、「前記光検出器に入射する光の光路上」とあるのは、光源から被写体までの光路上、被写体から光検出器まで光路上の何れでもよい。
【００１５】
さらに、「所定の距離」とは、赤外光を吸収することによる赤外光除去手段の発熱が、前記ペルチェ素子の冷却効果に影響を与えない距離を意味する。
【００１６】
また、上述のような光検出器を用いたペルチェ冷却装置において、前記光検出器が、さらに光検出器と近接して配された赤外光除去手段を有するものにおいては、
前記ペルチェ素子が駆動されていないときに光の出射を停止することのできる光照射手段、
前記ペルチェ素子が駆動されていないときには前記光検出器への光の入射を遮断する光遮断手段、
のいずれかを設けることが望ましい。
【００１７】
また、上記光検出器を用いたものにおいては、前記光検出器が固体撮像素子である場合に好適であり、この場合においては、前記間欠駆動手段が、この固体撮像素子が撮像した画像を担持する映像信号の内の少なくともブランキング期間は前記ペルチェ素子の駆動を停止するものであることが望ましい。
【００１８】
【発明の効果】
本発明によるペルチェ冷却装置によれば、ペルチェ素子が間欠駆動することにより、被冷却素子を冷却しているときにペルチェ素子の発熱部に生じる熱を、ペルチェ素子の非駆動時に放熱することができる。したがって、ペルチェ素子を常時駆動したときにペルチェ素子の発熱部で生じる熱により、定常状態においてペルチェ素子の冷却効果が低下する量を小さくすることができ、その分だけペルチェ冷却装置を小型にできる。また、ペルチェ素子に供給する電流を小さくすることもできる。特に、ペルチェ素子を駆動する電流のデューティー比を小さくすることにより、被冷却素子を冷却しているときにペルチェ素子の発熱部に生じる熱を、ペルチェ素子の非駆動時に十分に放熱することができ、ペルチェ素子の冷却効果の低下を極めて小さくすることが可能となる。
【００１９】
さらに、ペルチェ冷却装置の冷却側の熱容量を小さくして被冷却素子が冷却し易くしたり、発熱側の熱容量を大きくして放熱効果を高めたり、冷却側と発熱側との間の熱抵抗を大きくして、発熱側から冷却側への熱伝導を小さくしたりすることができる。これにより、一層ペルチェ素子の冷却効果を高めることができ、さらに小型化・小電流化が図られることとなる。
【００２０】
また、本発明によるペルチェ冷却装置は、常時信号出力を必要とするものでない場合、例えば被冷却素子としてペルチェ素子が駆動されているときの出力信号が検出信号として取り扱われる光検出器である場合に好適である。
【００２１】
この場合、通常光検出器の前面には、赤外線(IR)カットフィルタが配されるが、このIRカットフィルタが赤外光（近赤外光を含む。以下、単に「赤外光」という）を吸収することによるIRカットフィルタの発熱が光検出器の温度を高めるから、光検出器の温度上昇がペルチェ素子の熱負荷となる。そこで、赤外光除去手段を設けることにより、赤外光による光検出器の発熱を防止することができる。また、ペルチェ素子が駆動されているとき（すなわち検出信号を必要とするとき）のみ光検出器が光を受光するようにすることで、IRカットフィルタの発熱量を小さくし、赤外光による光検出器の発熱量を小さくすることも可能である。
【００２２】
これにより、ペルチェ素子の熱負荷が軽減されるから、ペルチェ冷却装置の小型化・小電流化が図られることとなる。
【００２３】
ここで、光検出器としてＣＣＤ等の固体撮像素子を用いることにより、この固体撮像素子が撮像した画像を担持する映像信号のブランキング期間は撮像する必要がないから、この間はペルチェ素子の駆動を停止させることができ、特に特殊な信号処理を行うこともなくペルチェ素子の熱負荷の軽減を図りつつ、低温時の画像信号を取り出すことが可能となる。
【００２４】
従って、本発明によるペルチェ冷却装置によれば、上述の説明で明らかなように、ペルチェ素子に常時電流を供給する場合に対して、ペルチェ素子の冷却効果を改善することが可能となり、また、そのための構成も簡易であり、しかも、小型化・小電流化を図ることもできるから、電子内視鏡等の設置スペースとして狭い空間しかないような機器にも適用が可能となる。
【００２５】
【発明の実施の形態】
以下図面を参照して本発明の実施の形態を詳細に説明する。図１は、本発明の第１の実施の形態にかかるペルチェ冷却装置の概略構成図であり、図２はこのペルチェ冷却装置におけるペルチェ素子の駆動の方法を示すタイミング図である。このペルチェ冷却装置は、ペルチェ素子20、間欠駆動手段30および放熱フィン40からなる。
【００２６】
ペルチェ素子20の吸熱部20a の表面には、被冷却素子として光検出器10が載置されている。また、ペルチェ素子20は、その発熱部20b が放熱フィン40と密接して固着されている。
【００２７】
間欠駆動手段30はペルチェ素子20にパルス電流を供給するものであり、このパルス電流は、ペルチェ素子20に電流を供給している（駆動）期間がTbで、繰り返しサイクルがTaである。
【００２８】
以下上記構成のペルチェ冷却装置の作用について説明する。ペルチェ素子20に間欠駆動手段30から電流が供給されているときは、ペルチェ素子20の吸熱部20a は温度が低下する。この温度の低下量は、ペルチェ素子20の特性により定まるものであり、吸熱部20a と発熱部20b との温度差Caで表されるものである。したがって、ペルチェ素子20に間欠駆動手段30から電流が供給されているときは、吸熱部20a と発熱部20b との温度差が常にCaとなるように作用する。
【００２９】
発熱部20b は放熱フィン40により発熱部20b から発せられる熱を外部に放出するようになっており、ペルチェ素子20に電流を供給しているときに発せられる熱をペルチェ素子20への電流が停止しているときに放熱フィン40を介して外部環境に放出する。ペルチェ素子20に電流を供給している時間が短ければ発熱部20b に生じる発熱量を十分に放出することができるので、発熱部20b は殆ど温度上昇を生じることなく、通常は室温に保つように作用する。なお、実際には、放熱フィン40の放熱能力の関係で、発熱部20b は若干の温度上昇を生じる。図２(C) を参照してこの理由について説明する。
【００３０】
図２(C) は、図２(A)および(B)におけるT1からT6までの期間を拡大表示したタイミング図である。ペルチェ素子20に電流を長時間供給しなければ、発熱部20a は室温に達する（これを初期状態とする）。最初にペルチェ素子20に電流を供給したとき(T1）は、吸熱部20aは発熱部20b の温度（すなわち室温）よりCaだけ低下した温度に達する。このとき、発熱部20b では熱消費を生じ、その分だけ温度上昇を始め、ペルチェ素子20の駆動を停止する直前(T2)には室温よりC2だけ上昇する。
【００３１】
ペルチェ素子20の駆動が停止されたとき（T2からT3まで）、吸熱部20a は徐々に発熱部20b の温度になる。一方、放熱フィン40が駆動中に発熱部20b で生じた熱を外部に放出するので発熱部20b の温度が徐々に低下し、室温に復帰しようとする。しかし、放熱フィン40の放熱能力が十分でなければ、ペルチェ素子20に再度電流を供給する直前(T3)には、室温に復帰し得ず室温よりC3だけ高い温度になる。
【００３２】
このとき、ペルチェ素子20に再度電流を供給すると、吸熱部20a は発熱部20b の温度（すなわち室温よりC3だけ高い温度）よりCaだけ低下した温度に達する。したがって、吸熱部20a の温度は最初の冷却温度には達し得ず、最初の冷却温度よりC3だけ高い温度になる。つまり、冷却能力が再駆動直前の発熱部20b の温度上昇分C3だけ低下したことになる。また、このとき、上述同様に発熱部20b では熱消費を生じ、その分だけ温度上昇を始め、ペルチェ素子20の駆動を停止する直前(T4)には室温よりC4だけ上昇する。
【００３３】
次に再びペルチェ素子20の駆動が停止されたとき（T4からT5まで）、上述同様に放熱フィン40が駆動中に発熱部20b で生じた熱を外部に放出するので発熱部20b の温度が徐々に低下し、室温に復帰しようとする。しかし、放熱フィン40の放熱能力が十分でなければ、ペルチェ素子20に再度電流を供給する直前(T5)には、室温に復帰し得ず室温よりC5だけ高い温度になる。
【００３４】
このような動作を繰り返し、やがて、ペルチェ素子20を駆動しているときの発熱部20b の発熱量と駆動を停止しているときの放熱フィン40の放熱能力のバランスするところで安定し、ペルチェ素子20を駆動しているときの吸熱部20a の温度は室温よりCn（Caより小さい）だけ低下した温度となる。しかしながら、このCaとCnとの差は、ペルチェ素子20を常時駆動する場合に対して、駆動を停止している期間に放熱フィン40により発熱部20b の熱を放出した分だけ小さくなる。
【００３５】
したがって、ペルチェ素子20の有する冷却能力を十分に反映させることが可能となり、ペルチェ素子20を常時駆動する場合より冷却効率が改善される。
【００３６】
このため、吸熱部20a に載置された光検出器10も安定状態では、室温からCnだけ低下した温度になり、ペルチェ素子20の有する冷却能力を十分に反映させて光検出器10を冷却することが可能となる。
【００３７】
なお、放熱フィン40の放熱能力が十分あり、ペルチェ素子20の駆動が停止しているときに、発熱部20b の熱を十分に放出し得るときは、再駆動毎に吸熱部20a の温度が室温よりCaだけ低い温度に達するのはいうまでもない。
【００３８】
したがって、従来のようにペルチェ素子20に常時電流を供給した場合、発熱部20b の温度上昇に伴う冷却能力の低下のため（図７参照）、所定温度まで光検出器10を低下させようとした場合に大きな電流供給を必要としていたものが、本発明によるペルチェ冷却装置によれば、少ない電流供給でも十分に光検出器10を低下させることが可能となり、ひいては小型の冷却装置でよいこととなるから、本発明によるペルチェ冷却装置を小型の機器に適用することが可能となる。
【００３９】
なお、発熱部20b の温度上昇を防止するため放熱フィン40を大きな熱容量を持つ放熱系にすることが可能である。例えば、比熱の大きな水等の冷媒を循環させる循環冷却系にすることが可能である。この場合においても、前記温度上昇はわずかなものであったから、小型の循環冷却系でよい。
【００４０】
また、ヒートパイプを用いて発熱部20a を冷却するものであってもよい。
【００４１】
さらに、発熱部20a を、内視鏡等の画像機器や測定器の本体（または本体ケース）に固着し、その本体を冷却部材として使用することも可能である。
【００４２】
また、発熱部20b の温度上昇を防止する別の手段として、駆動制御手段30によるペルチェ素子20の駆動電流のデューティー比を低下させることにより、ペルチェ素子20を駆動しているときの発熱部20b の発熱量と駆動を停止しているときの放熱フィン40の放熱能力のバランス点を低い温度に変えることも可能である。例えば、図３に示すように駆動電流の繰り返しサイクルを変えずに（Ta' ＝Ta）、ペルチェ素子20に電流が供給される期間(Tb' )すなわちペルチェ素子20を冷却する期間を短くすることにより、ペルチェ素子20に電流を供給しているときに発熱部20b から発せられる熱を、ペルチェ素子20の駆動が停止しているときに放熱フィン40を介して十分に外部に放出することが可能となり、これにより、再度ペルチェ素子20に電流が供給される直前には発熱部20b が室温に近い温度に達しており、ペルチェ素子20の冷却能力を十分に発揮させて、冷却効果を高めることができる。そして、場合によってはペルチェ素子20に電流を供給しているときに発熱部20b から発せられる熱を、ペルチェ素子20の駆動が停止しているときに放熱フィン40を介して完全に外部に放出することも可能となる。
【００４３】
一方、光検出器10の出力信号のうちペルチェ素子20が駆動されているときの所定の期間Tcの信号が必要とされる信号である。このため、図示しない信号処理回路にて期間Tcの信号のみを扱うように所定の信号処理を受ける。そして信号処理回路から出力される信号を検出信号として扱う。これにより、例えば、内視鏡装置等においては、光検出器10が冷却されているときの信号のみに基づいて診断を行うことができる。
【００４４】
例えば、光検出器10として固体撮像素子を使用したとき、この固体撮像素子が撮像した画像を担持する映像信号のブランキング期間は元々映像信号出力を必要としないから、ブランキング期間はペルチェ素子20の駆動を停止してもかまわない。したがって、通常の信号処理を行うのみで、ペルチェ素子20を間欠駆動しつつ、固体撮像素子が冷却されている期間のみの映像信号を取り出すことも容易に可能となる。なお、ブランキング期間には垂直および水平のブランキング期間があるが、ペルチェ素子20の駆動を両方の期間停止させてもよいし、いずれか一方の期間だけ停止させてもよい。
【００４５】
次に図４を参照して本発明の第２の実施の形態について詳細に説明する。なお、この図４において、図１中の要素と同等の要素には同番号を付し、それらについての説明は特に必要のない限り省略する。
【００４６】
この第２の実施の形態にかかるペルチェ冷却装置は、光検出器10とペルチェ素子20の載置構造を改善したものである。なお、ペルチェ素子20が間欠駆動手段30により間欠駆動される点については、上述の第１の実施の形態にかかるペルチェ冷却装置と同様である。
【００４７】
図４(A) は、この第２の実施の形態にかかるペルチェ冷却装置の斜視図であり、同図(B) はその側断面図であり、同図(C) はバンプ14近傍の詳細図である。ペルチェ素子20の吸熱部20a の表面に光検出器10がベアチップの状態でダイボンディングされている。ペルチェ素子20の発熱部20b は放熱フィン40に固着されており、ペルチェ素子20は間欠駆動手段30と接続されている。
【００４８】
光検出器10およびペルチェ素子20の外周側面はガラス等の熱抵抗の大きな支持部材52で囲まれている。光検出器10の受光面10a には、ガラス等の透明硬質基板50が支持部材52に支持されて載置されている。
【００４９】
光検出器10の各外部配線用パッド12がバンプ14を介して透明硬質基板50上の配線パターン58に接続され、この配線パターン58は透明硬質基板50の端部52a にてＦＰＣ等の外部接続用リード59と接続されている。なお、配線パターン58は透明硬質基板50の両面で配線することも可能であり、バンプ14と表面50C の接続は,例えば裏面50b と表面50c とをスルーホール57で接続することにより可能となる（図４(C) 参照）。また、透明硬質基板50をIRカットフィルタとすることも可能である。
【００５０】
以下上記構成のペルチェ冷却装置の作用について説明する。ペルチェ素子20の吸熱部20a の表面に光検出器10がベアチップの状態でダイボンディングされているから、間欠駆動手段30によりペルチェ素子20が駆動されて吸熱部20a が冷却されたとき光検出器10も同様に冷却される。このとき、光検出器10をベアチップの状態でダイボンディングしてるため、吸熱部20a と光検出器10からなる冷却側の熱容量が極めて小さく、吸熱部20a の温度を瞬時に光検出器10に伝導することができる。したがって、光検出器10を冷却するためにペルチェ素子20に供給される電流を小さくすることができる。また、駆動電流のデューティー比を低下させることができる。
【００５１】
また、光検出器10の受光面10a は、バンプ14、透明硬質基板50および支持部材52を介して放熱フィン40と熱的に接続されている。しかしながら、支持部材52は熱抵抗が大きな材質のもの（例えばガラス等）を使用しているため、ペルチェ素子20の発熱部20b で発せられる熱が放熱フィン40で外部に放出される際においてもその熱が支持部材52を熱伝導しにくいため、放熱フィン40の放出熱が光検出器10の受光面10a に伝達される熱量を小さくすることができる。
【００５２】
図４(C) に示すようにバンプ14を高く（ｈを大きくする）したり、その径を細く（φを大きく）したり、また、熱抵抗の大きな材質のもの（例えば金ではなく半田にする）に変更することにより、バンプ14の熱抵抗を大きくし、放熱フィン40の放出熱が光検出器10の受光面10a に伝達される熱量をさらに小さくすることができる。
【００５３】
上記説明のような構成とすることにより、ペルチェ素子20の発熱部20a および放熱フィン40等の発熱側から冷却側への熱伝導を極めて小さくすることができ、ひいてはペルチェ素子20の冷却効率を高めることができる。したがって、ペルチェ素子20に供給する電流を小さくすることができる。このため、ペルチェ素子20に供給される電流による誘導ノイズが画像信号に影響を与えるという問題を生じることがない。また、図４より明らかなように、そのための構造も簡易であるから小型化することができる。このため、電子内視鏡等の狭い空間しかない機器にこのペルチェ冷却装置を適用することが可能となる。
【００５４】
次に図５を参照して本発明の第３の実施の形態について詳細に説明する。なお、この図５において、図４中の要素と同等の要素には同番号を付し、それらについての説明は特に必要のない限り省略する。
【００５５】
この第３の実施の形態にかかるペルチェ冷却装置は、光検出器10から外部への信号の取出しが接続線16によりなされる点において第２の実施の形態にかかるペルチェ冷却装置と異なる。なお、ペルチェ素子20が間欠駆動手段30により間欠駆動される点については、上述の第２の実施の形態にかかるペルチェ冷却装置と同様である。
【００５６】
図５は、この第３の実施の形態にかかるペルチェ冷却装置の光検出器10近傍の側断面図である。ペルチェ素子20の吸熱部20a の表面に光検出器10がベアチップの状態でダイボンディングされている。
【００５７】
光検出器10およびペルチェ素子20の外周側面は支持部材54で囲まれている。光検出器10の受光面10a の上面には、ガラス等の透明硬質基板51が支持部材54および56に支持されて載置されている。
【００５８】
光検出器10の各外部配線用パッド12が接続線16を介して支持部材54と56との間に付設された電極18に接続され、この電極18を介して外部に接続できるようになっている。
【００５９】
以下上記構成のペルチェ冷却装置の作用について説明する。ペルチェ素子20の吸熱部20a の表面に光検出器10がベアチップの状態でダイボンディングされているから第２の実施の形態と同様に、冷却側の熱容量が極めて小さく、光検出器10を冷却するためにペルチェ素子20に供給される電流を小さくすることができる。
【００６０】
また、接続線16はバンプによる場合に対して簡単に長くすることができ、熱抵抗を大きくすることが極めて容易である。したがって、光検出器10の各外部配線用パッド12を接続線16を介して電極18に接続することにより、支持部材54および56が特に熱抵抗の大きな材質のものである必要もない。なお、接続線16の径を細くしたり（φ25〜φ100μｍ）、また、熱抵抗の大きな材質のもの（例えば金ではなくφ25〜φ50μｍの半田線にする）に変更することにより、接続線16の熱抵抗をさらに大きくし、放熱フィン40の放出熱が光検出器10の受光面10a に伝達される熱量をさらに小さくすることができる。
【００６１】
上記説明のような構成とすることにより、ペルチェ素子20の発熱部20a および放熱フィン40等の発熱側から冷却側への熱伝導を極めて小さくすることができ、ひいてはペルチェ素子20の冷却効率を高めることができ、ペルチェ素子20に供給する電流を小さくすることができる。このため、ペルチェ素子20に供給される電流による誘導ノイズが画像信号に影響を与えるという問題を生じることがない。また、図５より明らかなように、そのための構造も簡易であるから小型化することができる。このため、第２の実施の形態と同様に、電子内視鏡等の狭い空間しかない機器にこのペルチェ冷却装置を適用することが可能となる。
【００６２】
次に図６を参照して本発明の第４の実施の形態について詳細に説明する。なお、この図６において、図４中の要素と同等の要素には同番号を付し、それらについての説明は特に必要のない限り省略する。
【００６３】
この第４の実施の形態にかかるペルチェ冷却装置は、光源60から発せられた光（照明光、励起光等）を生体等の被写体62に照射し、被写体で反射した反射光や、励起光により励起された生体内在色素が発する蛍光等をＣＣＤ固体撮像素子等の光検出器10で受光するものである。図６はこのペルチェ冷却装置の概略構成図であり、光検出器10およびペルチェ素子20を側断面図で表している。
【００６４】
光検出素子10がペルチェ素子20の吸熱部20a に密接して固着されており、発熱部20bは放熱フィン40と固着され、放熱フィン40は筐体42に固着されている。
【００６５】
光検出素子10の受光面側にはIRカットフィルタ44が近接して配されている。このIRカットフィルタ44は、赤外光が光検出素子10の出力信号におよぼす影響を除去するために配設されるもので、撮像素子等において通常的に用いられるものである。
【００６６】
光検出素子10、ペルチェ素子20、放熱フィン40は、IRカットフィルタ44の部分を除く全体が筐体42により囲まれている。
【００６７】
ペルチェ素子20は、間欠駆動手段30と接続されており、間欠駆動手段30の一の出力が光源60と接続されている。光源60は間欠駆動手段30がペルチェ素子20を駆動しているときにのみ光を発するように間欠駆動手段30からの信号に基づいて制御可能となっている。なお、ペルチェ素子20が間欠駆動手段30により間欠駆動される点については、上述の第２の実施の形態にかかるペルチェ冷却装置と同様である。
【００６８】
以下上記構成のペルチェ冷却装置の作用について説明する。IRカットフィルタ44は、光（特に、赤外光）を受けると発熱する特性を有している。このため、IRカットフィルタ44が発熱すると、IRカットフィルタ44と密着した光検出器10も、その温度が上昇することとなる。この温度上昇は、ペルチェ素子20にとっては熱負荷となる。ところで、光源60はペルチェ素子20に電流が供給されていないときには発行を停止させることができるから、IRカットフィルタ44で発する熱量を常時発光させているときよりも低く抑えることが可能となる。これにより、ペルチェ素子20の熱負荷も小さくなり、冷却部の熱容量を小さくできるから、その分だけペルチェ素子20に供給する電流を小さくすることができ、装置の小型化に寄与しうる。
【００６９】
一方、このペルチェ冷却装置においても、光検出器10の出力信号のうちペルチェ素子20が駆動されているときの所定の期間Tcの信号が必要とされる信号である。このため、図示しない信号処理回路にて期間Tcの信号のみを扱うように所定の信号処理を受ける。そして信号処理回路から出力される信号を検出信号として扱う。
【００７０】
したがって、上述のようにペルチェ素子20に電流が供給されていないときに光源60を停止させても何ら問題がない。これにより、例えば、内視鏡装置等においては、光検出器10が冷却されているときの信号のみに基づいて診断を行うことができる。
【００７１】
また、光源60を常時発光させたまま、光源60からIRカットフィルタ44までの光路上（例えば、図６におけるＸまたはＹ）に、ペルチェ素子20に電流が供給されていないときには光を遮断する光チョッパ・液晶シャッタ等の光遮断手段46を配設してもよい。このような構成とすることで、ペルチェ素子20に電流が供給されていないときには光はIRカットフィルタ44まで到達するということがなく、IRカットフィルタ44で発する熱量を光遮断手段46を配設しないときよりも低く抑えることが可能となる。したがって上記と同様に、ペルチェ素子20の熱負荷も小さくなり、冷却部の熱容量を小さくできるから、その分だけペルチェ素子20に供給する電流を小さくすることができき、装置の小型化に寄与しうる。
【００７２】
また、光源60を常時発光させたまま、光源60からIRカットフィルタ44までの光路上で、赤外光を吸収することによる赤外光除去手段47の発熱が、ペルチェ素子に熱負荷の変動をおよぼさない距離（例えば、図６におけるＸまたはＹ）の位置に赤外光を除去する光学フィルタ等の赤外光除去手段47を配設してもよい。このようにすることで、赤外光は赤外光除去手段47を透過することなくIRカットフィルタ44まで到達しないからIRカットフィルタ44の発熱を生じさせない。したがって、光源60から発せられる光によるペルチェ素子20の熱負荷を生じないから、その分だけペルチェ素子20に供給する電流を小さくすることができ、一層装置の小型化に寄与しうる。
【００７３】
なお、IRカットフィルタ44自体を上記ＸまたはＹの位置に配設し、光検出器10の前面にはIRカットフィルタ44を配設しないこととしてもかまわない。さらに、光源60自体が赤外光を発しないものとしてもよい。
【００７４】
なお、上記説明は被冷却素子として固体撮像素子等の光検出器を用いた場合について説明したものであるが、本発明によるペルチェ冷却装置は、上述した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の技術思想を逸脱しない範囲内において種々の改良並びに設計の変更が可能である。すなわち、ペルチェ素子を間欠駆動することにより、冷却期間中にペルチェ素子の吸熱部で発せられる熱を駆動停止期間中に放出させることによりペルチェ素子の冷却効率を改善するものである限り、被冷却素子が何であるかは問わない。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態にかかるペルチェ冷却装置の概略構成図
【図２】上記ペルチェ冷却装置におけるペルチェ素子の駆動の方法を示すタイミング図(A),(B),(C)
【図３】ペルチェ素子の他の駆動の方法を示すタイミング図
【図４】本発明の第２の実施の形態にかかるペルチェ冷却装置の斜視図(A)、側断面図(B)、バンプ近傍の詳細図(C)
【図５】本発明の第３の実施の形態にかかるペルチェ冷却装置の光検出器近傍の側断面図
【図６】本発明の第４の実施の形態にかかるペルチェ冷却装置の概略構成図
【図７】ペルチェ素子を常時駆動したときの冷却効率の変化を表す図
【符号の説明】
10 光検出器（被冷却素子）
14 バンプ
16 接続線
20 ペルチェ素子
20a 吸熱部
20b 発熱部
30 間欠駆動手段
40 放熱フィン
42 筐体
44 IRカットフィルタ
46 光遮断手段
47 赤外光除去手段
50,51 透明硬質基板
52,54,56 支持部材
60 光源
【発明の属する技術分野】
本発明は、被冷却素子をペルチェ素子に載置して冷却するペルチェ冷却装置に関し、より詳細には、例えば、ＣＣＤ固体撮像素子等の半導体素子をペルチェ素子の吸熱部に載置して冷却するペルチェ冷却装置の冷却効果の改善に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、一般にＰＤＤ（Photodynamic Diagnosis）と称される光力学診断についての研究が種々なされている。このＰＤＤとは、腫瘍親和性を有し、光により励起されたとき蛍光を発する光感受性物質を予め生体の腫瘍部分に吸収させておき、その部分に光感受性物質の励起波長領域にある励起光を照射して蛍光を生じさせ、この蛍光による画像を表示して腫瘍部分を診断する技術である。
【０００３】
例えば特公昭６３−９４６４号公報、特開平１−１３６６３０号公報、特開平７−５９７８３号公報には、このＰＤＤを行なうための蛍光診断装置が開示されている。この種の蛍光診断装置は基本的に、光感受性物質の励起波長領域にある励起光を生体に対して照射する励起光照射手段と、光感受性物質が発する蛍光を検出して生体の蛍光像を撮像する手段と、この撮像手段の出力を受けて上記蛍光像を表示する画像表示手段とからなるものであり、多くの場合、体腔内部に挿入される内視鏡（電子内視鏡を含む）や、手術用顕微鏡等に組み込まれた形に構成される（以下このような装置を蛍光内視鏡という。）。
【０００４】
蛍光内視鏡においては、光感受性物質が発する蛍光は微弱であり、より高Ｓ／Ｎで撮像するため、撮像素子を内視鏡装置の先端に配設する手段がとられることもある。また、固体撮像素子等の光検出器の暗電流を小さくしてさらにＳ／Ｎを改善するため、光検出器をペルチェ素子に載置してペルチェ素子に電流を供給して光検出器をより低い温度に冷却する手法が講じられることもある。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
このように光検出器をより低い温度に冷却するには、ペルチェ素子による熱ポンプ量を大きくする必要があるが、このようにすると、ペルチェ素子の発熱側からの発熱量が多くなり、この発熱を十分に放出できない場合には、定常状態において残留する熱量分だけ冷却効果が低下することとなる（図７参照）。
【０００６】
この残留熱を防止すべくペルチェ素子の発熱側の放熱能力を大きくするためには、大きな熱容量を持つ放熱系（例えば、大きな放熱フィンや比熱の大きな水等の冷媒を循環させる循環冷却系）を有することが必要となる。このような放熱系を設けることは冷却装置を大きくし、その結果蛍光内視鏡等の狭い空間しかないような測定機器や画像機器にはペルチェ冷却型の撮像素子を組み込むことは困難であった。
【０００７】
さらに、上記のような冷却手段では、ペルチェ素子の吸熱側をより低い温度にしようとすればするほどペルチェ素子で消費される電力は大きくなる。消費電力が大きいとペルチェ素子に流れる電流が大きくなり、誘導ノイズにより画像信号に大きな影響を及ぼす。したがって、撮像素子と本体とを長い線で接続しなければならない蛍光内視鏡等の電子内視鏡に、大きな消費電力のペルチェ素子を実装することは困難である。
【０００８】
一方、光検出や観察部の撮像を行うに際して、常時信号を検出する必要がなく、所定の時間間隔で検出等できれば、診断等に必要な信号を信号処理により得ることも可能である。この場合、検出信号を必要としない間もペルチェ素子に電流を供給し続けると、上述のように発熱部の温度上昇の分だけ冷却能力が低下する。
【０００９】
本発明は上記の事情に鑑みてなされたものであり、固体撮像素子等の被冷却素子をペルチェ素子に載置して冷却するペルチェ冷却装置の冷却効果の改善を図ることにより、ペルチェ冷却装置を小型化せしめ、電子内視鏡等の設置スペースとして狭い空間しかないような機器にも適用可能なペルチェ冷却装置を提供することを目的とするものである。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明によるペルチェ冷却装置は、ペルチェ素子を間欠動作させることを基本思想とするものである。すなわち、本発明によるペルチェ冷却装置は、
被冷却素子を冷却するペルチェ素子と、
前記被冷却素子を前記ペルチェ素子の吸熱部に載置し、該ペルチェ素子に供給される電流を間欠駆動する間欠駆動手段とを備えたことを特徴とするものである。
【００１１】
この本発明にかかるペルチェ冷却装置においては、前記ペルチェ素子の冷却効果を高めるため、
前記ペルチェ冷却装置の冷却側の熱容量を小さくする手段、
前記ペルチェ冷却装置の発熱側の熱容量を大きくする手段、
前記ペルチェ冷却装置の冷却側と発熱側との間の熱抵抗を大きくする手段、
のいずれか、または、これら３つの手段を任意に組み合わせた手段を設けたものであることが望ましい。
【００１２】
また、本発明にかかるペルチェ冷却装置は、前記被冷却素子が、前記ペルチェ素子が駆動されているとき（すなわち前記被冷却素子が冷却されているとき）の出力信号が検出信号として取り扱われる光検出器である場合に好適である。
【００１３】
このような光検出器を用いたペルチェ冷却装置においては、前記光検出器に入射する光の光路上で、かつ、前記光検出器から所定の距離以上離れた位置に赤外光除去手段を設けることが望ましい。
【００１４】
ここで、「前記光検出器に入射する光の光路上」とあるのは、光源から被写体までの光路上、被写体から光検出器まで光路上の何れでもよい。
【００１５】
さらに、「所定の距離」とは、赤外光を吸収することによる赤外光除去手段の発熱が、前記ペルチェ素子の冷却効果に影響を与えない距離を意味する。
【００１６】
また、上述のような光検出器を用いたペルチェ冷却装置において、前記光検出器が、さらに光検出器と近接して配された赤外光除去手段を有するものにおいては、
前記ペルチェ素子が駆動されていないときに光の出射を停止することのできる光照射手段、
前記ペルチェ素子が駆動されていないときには前記光検出器への光の入射を遮断する光遮断手段、
のいずれかを設けることが望ましい。
【００１７】
また、上記光検出器を用いたものにおいては、前記光検出器が固体撮像素子である場合に好適であり、この場合においては、前記間欠駆動手段が、この固体撮像素子が撮像した画像を担持する映像信号の内の少なくともブランキング期間は前記ペルチェ素子の駆動を停止するものであることが望ましい。
【００１８】
【発明の効果】
本発明によるペルチェ冷却装置によれば、ペルチェ素子が間欠駆動することにより、被冷却素子を冷却しているときにペルチェ素子の発熱部に生じる熱を、ペルチェ素子の非駆動時に放熱することができる。したがって、ペルチェ素子を常時駆動したときにペルチェ素子の発熱部で生じる熱により、定常状態においてペルチェ素子の冷却効果が低下する量を小さくすることができ、その分だけペルチェ冷却装置を小型にできる。また、ペルチェ素子に供給する電流を小さくすることもできる。特に、ペルチェ素子を駆動する電流のデューティー比を小さくすることにより、被冷却素子を冷却しているときにペルチェ素子の発熱部に生じる熱を、ペルチェ素子の非駆動時に十分に放熱することができ、ペルチェ素子の冷却効果の低下を極めて小さくすることが可能となる。
【００１９】
さらに、ペルチェ冷却装置の冷却側の熱容量を小さくして被冷却素子が冷却し易くしたり、発熱側の熱容量を大きくして放熱効果を高めたり、冷却側と発熱側との間の熱抵抗を大きくして、発熱側から冷却側への熱伝導を小さくしたりすることができる。これにより、一層ペルチェ素子の冷却効果を高めることができ、さらに小型化・小電流化が図られることとなる。
【００２０】
また、本発明によるペルチェ冷却装置は、常時信号出力を必要とするものでない場合、例えば被冷却素子としてペルチェ素子が駆動されているときの出力信号が検出信号として取り扱われる光検出器である場合に好適である。
【００２１】
この場合、通常光検出器の前面には、赤外線(IR)カットフィルタが配されるが、このIRカットフィルタが赤外光（近赤外光を含む。以下、単に「赤外光」という）を吸収することによるIRカットフィルタの発熱が光検出器の温度を高めるから、光検出器の温度上昇がペルチェ素子の熱負荷となる。そこで、赤外光除去手段を設けることにより、赤外光による光検出器の発熱を防止することができる。また、ペルチェ素子が駆動されているとき（すなわち検出信号を必要とするとき）のみ光検出器が光を受光するようにすることで、IRカットフィルタの発熱量を小さくし、赤外光による光検出器の発熱量を小さくすることも可能である。
【００２２】
これにより、ペルチェ素子の熱負荷が軽減されるから、ペルチェ冷却装置の小型化・小電流化が図られることとなる。
【００２３】
ここで、光検出器としてＣＣＤ等の固体撮像素子を用いることにより、この固体撮像素子が撮像した画像を担持する映像信号のブランキング期間は撮像する必要がないから、この間はペルチェ素子の駆動を停止させることができ、特に特殊な信号処理を行うこともなくペルチェ素子の熱負荷の軽減を図りつつ、低温時の画像信号を取り出すことが可能となる。
【００２４】
従って、本発明によるペルチェ冷却装置によれば、上述の説明で明らかなように、ペルチェ素子に常時電流を供給する場合に対して、ペルチェ素子の冷却効果を改善することが可能となり、また、そのための構成も簡易であり、しかも、小型化・小電流化を図ることもできるから、電子内視鏡等の設置スペースとして狭い空間しかないような機器にも適用が可能となる。
【００２５】
【発明の実施の形態】
以下図面を参照して本発明の実施の形態を詳細に説明する。図１は、本発明の第１の実施の形態にかかるペルチェ冷却装置の概略構成図であり、図２はこのペルチェ冷却装置におけるペルチェ素子の駆動の方法を示すタイミング図である。このペルチェ冷却装置は、ペルチェ素子20、間欠駆動手段30および放熱フィン40からなる。
【００２６】
ペルチェ素子20の吸熱部20a の表面には、被冷却素子として光検出器10が載置されている。また、ペルチェ素子20は、その発熱部20b が放熱フィン40と密接して固着されている。
【００２７】
間欠駆動手段30はペルチェ素子20にパルス電流を供給するものであり、このパルス電流は、ペルチェ素子20に電流を供給している（駆動）期間がTbで、繰り返しサイクルがTaである。
【００２８】
以下上記構成のペルチェ冷却装置の作用について説明する。ペルチェ素子20に間欠駆動手段30から電流が供給されているときは、ペルチェ素子20の吸熱部20a は温度が低下する。この温度の低下量は、ペルチェ素子20の特性により定まるものであり、吸熱部20a と発熱部20b との温度差Caで表されるものである。したがって、ペルチェ素子20に間欠駆動手段30から電流が供給されているときは、吸熱部20a と発熱部20b との温度差が常にCaとなるように作用する。
【００２９】
発熱部20b は放熱フィン40により発熱部20b から発せられる熱を外部に放出するようになっており、ペルチェ素子20に電流を供給しているときに発せられる熱をペルチェ素子20への電流が停止しているときに放熱フィン40を介して外部環境に放出する。ペルチェ素子20に電流を供給している時間が短ければ発熱部20b に生じる発熱量を十分に放出することができるので、発熱部20b は殆ど温度上昇を生じることなく、通常は室温に保つように作用する。なお、実際には、放熱フィン40の放熱能力の関係で、発熱部20b は若干の温度上昇を生じる。図２(C) を参照してこの理由について説明する。
【００３０】
図２(C) は、図２(A)および(B)におけるT1からT6までの期間を拡大表示したタイミング図である。ペルチェ素子20に電流を長時間供給しなければ、発熱部20a は室温に達する（これを初期状態とする）。最初にペルチェ素子20に電流を供給したとき(T1）は、吸熱部20aは発熱部20b の温度（すなわち室温）よりCaだけ低下した温度に達する。このとき、発熱部20b では熱消費を生じ、その分だけ温度上昇を始め、ペルチェ素子20の駆動を停止する直前(T2)には室温よりC2だけ上昇する。
【００３１】
ペルチェ素子20の駆動が停止されたとき（T2からT3まで）、吸熱部20a は徐々に発熱部20b の温度になる。一方、放熱フィン40が駆動中に発熱部20b で生じた熱を外部に放出するので発熱部20b の温度が徐々に低下し、室温に復帰しようとする。しかし、放熱フィン40の放熱能力が十分でなければ、ペルチェ素子20に再度電流を供給する直前(T3)には、室温に復帰し得ず室温よりC3だけ高い温度になる。
【００３２】
このとき、ペルチェ素子20に再度電流を供給すると、吸熱部20a は発熱部20b の温度（すなわち室温よりC3だけ高い温度）よりCaだけ低下した温度に達する。したがって、吸熱部20a の温度は最初の冷却温度には達し得ず、最初の冷却温度よりC3だけ高い温度になる。つまり、冷却能力が再駆動直前の発熱部20b の温度上昇分C3だけ低下したことになる。また、このとき、上述同様に発熱部20b では熱消費を生じ、その分だけ温度上昇を始め、ペルチェ素子20の駆動を停止する直前(T4)には室温よりC4だけ上昇する。
【００３３】
次に再びペルチェ素子20の駆動が停止されたとき（T4からT5まで）、上述同様に放熱フィン40が駆動中に発熱部20b で生じた熱を外部に放出するので発熱部20b の温度が徐々に低下し、室温に復帰しようとする。しかし、放熱フィン40の放熱能力が十分でなければ、ペルチェ素子20に再度電流を供給する直前(T5)には、室温に復帰し得ず室温よりC5だけ高い温度になる。
【００３４】
このような動作を繰り返し、やがて、ペルチェ素子20を駆動しているときの発熱部20b の発熱量と駆動を停止しているときの放熱フィン40の放熱能力のバランスするところで安定し、ペルチェ素子20を駆動しているときの吸熱部20a の温度は室温よりCn（Caより小さい）だけ低下した温度となる。しかしながら、このCaとCnとの差は、ペルチェ素子20を常時駆動する場合に対して、駆動を停止している期間に放熱フィン40により発熱部20b の熱を放出した分だけ小さくなる。
【００３５】
したがって、ペルチェ素子20の有する冷却能力を十分に反映させることが可能となり、ペルチェ素子20を常時駆動する場合より冷却効率が改善される。
【００３６】
このため、吸熱部20a に載置された光検出器10も安定状態では、室温からCnだけ低下した温度になり、ペルチェ素子20の有する冷却能力を十分に反映させて光検出器10を冷却することが可能となる。
【００３７】
なお、放熱フィン40の放熱能力が十分あり、ペルチェ素子20の駆動が停止しているときに、発熱部20b の熱を十分に放出し得るときは、再駆動毎に吸熱部20a の温度が室温よりCaだけ低い温度に達するのはいうまでもない。
【００３８】
したがって、従来のようにペルチェ素子20に常時電流を供給した場合、発熱部20b の温度上昇に伴う冷却能力の低下のため（図７参照）、所定温度まで光検出器10を低下させようとした場合に大きな電流供給を必要としていたものが、本発明によるペルチェ冷却装置によれば、少ない電流供給でも十分に光検出器10を低下させることが可能となり、ひいては小型の冷却装置でよいこととなるから、本発明によるペルチェ冷却装置を小型の機器に適用することが可能となる。
【００３９】
なお、発熱部20b の温度上昇を防止するため放熱フィン40を大きな熱容量を持つ放熱系にすることが可能である。例えば、比熱の大きな水等の冷媒を循環させる循環冷却系にすることが可能である。この場合においても、前記温度上昇はわずかなものであったから、小型の循環冷却系でよい。
【００４０】
また、ヒートパイプを用いて発熱部20a を冷却するものであってもよい。
【００４１】
さらに、発熱部20a を、内視鏡等の画像機器や測定器の本体（または本体ケース）に固着し、その本体を冷却部材として使用することも可能である。
【００４２】
また、発熱部20b の温度上昇を防止する別の手段として、駆動制御手段30によるペルチェ素子20の駆動電流のデューティー比を低下させることにより、ペルチェ素子20を駆動しているときの発熱部20b の発熱量と駆動を停止しているときの放熱フィン40の放熱能力のバランス点を低い温度に変えることも可能である。例えば、図３に示すように駆動電流の繰り返しサイクルを変えずに（Ta' ＝Ta）、ペルチェ素子20に電流が供給される期間(Tb' )すなわちペルチェ素子20を冷却する期間を短くすることにより、ペルチェ素子20に電流を供給しているときに発熱部20b から発せられる熱を、ペルチェ素子20の駆動が停止しているときに放熱フィン40を介して十分に外部に放出することが可能となり、これにより、再度ペルチェ素子20に電流が供給される直前には発熱部20b が室温に近い温度に達しており、ペルチェ素子20の冷却能力を十分に発揮させて、冷却効果を高めることができる。そして、場合によってはペルチェ素子20に電流を供給しているときに発熱部20b から発せられる熱を、ペルチェ素子20の駆動が停止しているときに放熱フィン40を介して完全に外部に放出することも可能となる。
【００４３】
一方、光検出器10の出力信号のうちペルチェ素子20が駆動されているときの所定の期間Tcの信号が必要とされる信号である。このため、図示しない信号処理回路にて期間Tcの信号のみを扱うように所定の信号処理を受ける。そして信号処理回路から出力される信号を検出信号として扱う。これにより、例えば、内視鏡装置等においては、光検出器10が冷却されているときの信号のみに基づいて診断を行うことができる。
【００４４】
例えば、光検出器10として固体撮像素子を使用したとき、この固体撮像素子が撮像した画像を担持する映像信号のブランキング期間は元々映像信号出力を必要としないから、ブランキング期間はペルチェ素子20の駆動を停止してもかまわない。したがって、通常の信号処理を行うのみで、ペルチェ素子20を間欠駆動しつつ、固体撮像素子が冷却されている期間のみの映像信号を取り出すことも容易に可能となる。なお、ブランキング期間には垂直および水平のブランキング期間があるが、ペルチェ素子20の駆動を両方の期間停止させてもよいし、いずれか一方の期間だけ停止させてもよい。
【００４５】
次に図４を参照して本発明の第２の実施の形態について詳細に説明する。なお、この図４において、図１中の要素と同等の要素には同番号を付し、それらについての説明は特に必要のない限り省略する。
【００４６】
この第２の実施の形態にかかるペルチェ冷却装置は、光検出器10とペルチェ素子20の載置構造を改善したものである。なお、ペルチェ素子20が間欠駆動手段30により間欠駆動される点については、上述の第１の実施の形態にかかるペルチェ冷却装置と同様である。
【００４７】
図４(A) は、この第２の実施の形態にかかるペルチェ冷却装置の斜視図であり、同図(B) はその側断面図であり、同図(C) はバンプ14近傍の詳細図である。ペルチェ素子20の吸熱部20a の表面に光検出器10がベアチップの状態でダイボンディングされている。ペルチェ素子20の発熱部20b は放熱フィン40に固着されており、ペルチェ素子20は間欠駆動手段30と接続されている。
【００４８】
光検出器10およびペルチェ素子20の外周側面はガラス等の熱抵抗の大きな支持部材52で囲まれている。光検出器10の受光面10a には、ガラス等の透明硬質基板50が支持部材52に支持されて載置されている。
【００４９】
光検出器10の各外部配線用パッド12がバンプ14を介して透明硬質基板50上の配線パターン58に接続され、この配線パターン58は透明硬質基板50の端部52a にてＦＰＣ等の外部接続用リード59と接続されている。なお、配線パターン58は透明硬質基板50の両面で配線することも可能であり、バンプ14と表面50C の接続は,例えば裏面50b と表面50c とをスルーホール57で接続することにより可能となる（図４(C) 参照）。また、透明硬質基板50をIRカットフィルタとすることも可能である。
【００５０】
以下上記構成のペルチェ冷却装置の作用について説明する。ペルチェ素子20の吸熱部20a の表面に光検出器10がベアチップの状態でダイボンディングされているから、間欠駆動手段30によりペルチェ素子20が駆動されて吸熱部20a が冷却されたとき光検出器10も同様に冷却される。このとき、光検出器10をベアチップの状態でダイボンディングしてるため、吸熱部20a と光検出器10からなる冷却側の熱容量が極めて小さく、吸熱部20a の温度を瞬時に光検出器10に伝導することができる。したがって、光検出器10を冷却するためにペルチェ素子20に供給される電流を小さくすることができる。また、駆動電流のデューティー比を低下させることができる。
【００５１】
また、光検出器10の受光面10a は、バンプ14、透明硬質基板50および支持部材52を介して放熱フィン40と熱的に接続されている。しかしながら、支持部材52は熱抵抗が大きな材質のもの（例えばガラス等）を使用しているため、ペルチェ素子20の発熱部20b で発せられる熱が放熱フィン40で外部に放出される際においてもその熱が支持部材52を熱伝導しにくいため、放熱フィン40の放出熱が光検出器10の受光面10a に伝達される熱量を小さくすることができる。
【００５２】
図４(C) に示すようにバンプ14を高く（ｈを大きくする）したり、その径を細く（φを大きく）したり、また、熱抵抗の大きな材質のもの（例えば金ではなく半田にする）に変更することにより、バンプ14の熱抵抗を大きくし、放熱フィン40の放出熱が光検出器10の受光面10a に伝達される熱量をさらに小さくすることができる。
【００５３】
上記説明のような構成とすることにより、ペルチェ素子20の発熱部20a および放熱フィン40等の発熱側から冷却側への熱伝導を極めて小さくすることができ、ひいてはペルチェ素子20の冷却効率を高めることができる。したがって、ペルチェ素子20に供給する電流を小さくすることができる。このため、ペルチェ素子20に供給される電流による誘導ノイズが画像信号に影響を与えるという問題を生じることがない。また、図４より明らかなように、そのための構造も簡易であるから小型化することができる。このため、電子内視鏡等の狭い空間しかない機器にこのペルチェ冷却装置を適用することが可能となる。
【００５４】
次に図５を参照して本発明の第３の実施の形態について詳細に説明する。なお、この図５において、図４中の要素と同等の要素には同番号を付し、それらについての説明は特に必要のない限り省略する。
【００５５】
この第３の実施の形態にかかるペルチェ冷却装置は、光検出器10から外部への信号の取出しが接続線16によりなされる点において第２の実施の形態にかかるペルチェ冷却装置と異なる。なお、ペルチェ素子20が間欠駆動手段30により間欠駆動される点については、上述の第２の実施の形態にかかるペルチェ冷却装置と同様である。
【００５６】
図５は、この第３の実施の形態にかかるペルチェ冷却装置の光検出器10近傍の側断面図である。ペルチェ素子20の吸熱部20a の表面に光検出器10がベアチップの状態でダイボンディングされている。
【００５７】
光検出器10およびペルチェ素子20の外周側面は支持部材54で囲まれている。光検出器10の受光面10a の上面には、ガラス等の透明硬質基板51が支持部材54および56に支持されて載置されている。
【００５８】
光検出器10の各外部配線用パッド12が接続線16を介して支持部材54と56との間に付設された電極18に接続され、この電極18を介して外部に接続できるようになっている。
【００５９】
以下上記構成のペルチェ冷却装置の作用について説明する。ペルチェ素子20の吸熱部20a の表面に光検出器10がベアチップの状態でダイボンディングされているから第２の実施の形態と同様に、冷却側の熱容量が極めて小さく、光検出器10を冷却するためにペルチェ素子20に供給される電流を小さくすることができる。
【００６０】
また、接続線16はバンプによる場合に対して簡単に長くすることができ、熱抵抗を大きくすることが極めて容易である。したがって、光検出器10の各外部配線用パッド12を接続線16を介して電極18に接続することにより、支持部材54および56が特に熱抵抗の大きな材質のものである必要もない。なお、接続線16の径を細くしたり（φ25〜φ100μｍ）、また、熱抵抗の大きな材質のもの（例えば金ではなくφ25〜φ50μｍの半田線にする）に変更することにより、接続線16の熱抵抗をさらに大きくし、放熱フィン40の放出熱が光検出器10の受光面10a に伝達される熱量をさらに小さくすることができる。
【００６１】
上記説明のような構成とすることにより、ペルチェ素子20の発熱部20a および放熱フィン40等の発熱側から冷却側への熱伝導を極めて小さくすることができ、ひいてはペルチェ素子20の冷却効率を高めることができ、ペルチェ素子20に供給する電流を小さくすることができる。このため、ペルチェ素子20に供給される電流による誘導ノイズが画像信号に影響を与えるという問題を生じることがない。また、図５より明らかなように、そのための構造も簡易であるから小型化することができる。このため、第２の実施の形態と同様に、電子内視鏡等の狭い空間しかない機器にこのペルチェ冷却装置を適用することが可能となる。
【００６２】
次に図６を参照して本発明の第４の実施の形態について詳細に説明する。なお、この図６において、図４中の要素と同等の要素には同番号を付し、それらについての説明は特に必要のない限り省略する。
【００６３】
この第４の実施の形態にかかるペルチェ冷却装置は、光源60から発せられた光（照明光、励起光等）を生体等の被写体62に照射し、被写体で反射した反射光や、励起光により励起された生体内在色素が発する蛍光等をＣＣＤ固体撮像素子等の光検出器10で受光するものである。図６はこのペルチェ冷却装置の概略構成図であり、光検出器10およびペルチェ素子20を側断面図で表している。
【００６４】
光検出素子10がペルチェ素子20の吸熱部20a に密接して固着されており、発熱部20bは放熱フィン40と固着され、放熱フィン40は筐体42に固着されている。
【００６５】
光検出素子10の受光面側にはIRカットフィルタ44が近接して配されている。このIRカットフィルタ44は、赤外光が光検出素子10の出力信号におよぼす影響を除去するために配設されるもので、撮像素子等において通常的に用いられるものである。
【００６６】
光検出素子10、ペルチェ素子20、放熱フィン40は、IRカットフィルタ44の部分を除く全体が筐体42により囲まれている。
【００６７】
ペルチェ素子20は、間欠駆動手段30と接続されており、間欠駆動手段30の一の出力が光源60と接続されている。光源60は間欠駆動手段30がペルチェ素子20を駆動しているときにのみ光を発するように間欠駆動手段30からの信号に基づいて制御可能となっている。なお、ペルチェ素子20が間欠駆動手段30により間欠駆動される点については、上述の第２の実施の形態にかかるペルチェ冷却装置と同様である。
【００６８】
以下上記構成のペルチェ冷却装置の作用について説明する。IRカットフィルタ44は、光（特に、赤外光）を受けると発熱する特性を有している。このため、IRカットフィルタ44が発熱すると、IRカットフィルタ44と密着した光検出器10も、その温度が上昇することとなる。この温度上昇は、ペルチェ素子20にとっては熱負荷となる。ところで、光源60はペルチェ素子20に電流が供給されていないときには発行を停止させることができるから、IRカットフィルタ44で発する熱量を常時発光させているときよりも低く抑えることが可能となる。これにより、ペルチェ素子20の熱負荷も小さくなり、冷却部の熱容量を小さくできるから、その分だけペルチェ素子20に供給する電流を小さくすることができ、装置の小型化に寄与しうる。
【００６９】
一方、このペルチェ冷却装置においても、光検出器10の出力信号のうちペルチェ素子20が駆動されているときの所定の期間Tcの信号が必要とされる信号である。このため、図示しない信号処理回路にて期間Tcの信号のみを扱うように所定の信号処理を受ける。そして信号処理回路から出力される信号を検出信号として扱う。
【００７０】
したがって、上述のようにペルチェ素子20に電流が供給されていないときに光源60を停止させても何ら問題がない。これにより、例えば、内視鏡装置等においては、光検出器10が冷却されているときの信号のみに基づいて診断を行うことができる。
【００７１】
また、光源60を常時発光させたまま、光源60からIRカットフィルタ44までの光路上（例えば、図６におけるＸまたはＹ）に、ペルチェ素子20に電流が供給されていないときには光を遮断する光チョッパ・液晶シャッタ等の光遮断手段46を配設してもよい。このような構成とすることで、ペルチェ素子20に電流が供給されていないときには光はIRカットフィルタ44まで到達するということがなく、IRカットフィルタ44で発する熱量を光遮断手段46を配設しないときよりも低く抑えることが可能となる。したがって上記と同様に、ペルチェ素子20の熱負荷も小さくなり、冷却部の熱容量を小さくできるから、その分だけペルチェ素子20に供給する電流を小さくすることができき、装置の小型化に寄与しうる。
【００７２】
また、光源60を常時発光させたまま、光源60からIRカットフィルタ44までの光路上で、赤外光を吸収することによる赤外光除去手段47の発熱が、ペルチェ素子に熱負荷の変動をおよぼさない距離（例えば、図６におけるＸまたはＹ）の位置に赤外光を除去する光学フィルタ等の赤外光除去手段47を配設してもよい。このようにすることで、赤外光は赤外光除去手段47を透過することなくIRカットフィルタ44まで到達しないからIRカットフィルタ44の発熱を生じさせない。したがって、光源60から発せられる光によるペルチェ素子20の熱負荷を生じないから、その分だけペルチェ素子20に供給する電流を小さくすることができ、一層装置の小型化に寄与しうる。
【００７３】
なお、IRカットフィルタ44自体を上記ＸまたはＹの位置に配設し、光検出器10の前面にはIRカットフィルタ44を配設しないこととしてもかまわない。さらに、光源60自体が赤外光を発しないものとしてもよい。
【００７４】
なお、上記説明は被冷却素子として固体撮像素子等の光検出器を用いた場合について説明したものであるが、本発明によるペルチェ冷却装置は、上述した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の技術思想を逸脱しない範囲内において種々の改良並びに設計の変更が可能である。すなわち、ペルチェ素子を間欠駆動することにより、冷却期間中にペルチェ素子の吸熱部で発せられる熱を駆動停止期間中に放出させることによりペルチェ素子の冷却効率を改善するものである限り、被冷却素子が何であるかは問わない。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態にかかるペルチェ冷却装置の概略構成図
【図２】上記ペルチェ冷却装置におけるペルチェ素子の駆動の方法を示すタイミング図(A),(B),(C)
【図３】ペルチェ素子の他の駆動の方法を示すタイミング図
【図４】本発明の第２の実施の形態にかかるペルチェ冷却装置の斜視図(A)、側断面図(B)、バンプ近傍の詳細図(C)
【図５】本発明の第３の実施の形態にかかるペルチェ冷却装置の光検出器近傍の側断面図
【図６】本発明の第４の実施の形態にかかるペルチェ冷却装置の概略構成図
【図７】ペルチェ素子を常時駆動したときの冷却効率の変化を表す図
【符号の説明】
10 光検出器（被冷却素子）
14 バンプ
16 接続線
20 ペルチェ素子
20a 吸熱部
20b 発熱部
30 間欠駆動手段
40 放熱フィン
42 筐体
44 IRカットフィルタ
46 光遮断手段
47 赤外光除去手段
50,51 透明硬質基板
52,54,56 支持部材
60 光源
Claims (4)
- ペルチェ素子と、該ペルチェ素子の吸熱部に載置されて該ペルチェ素子により冷却される光検出器と、前記ペルチェ素子を間欠駆動する間欠駆動手段とを備え、
前記光検出器が、前記ペルチェ素子が駆動されているときの出力信号が検出信号として取り扱われるものであることを特徴とするペルチェ冷却装置。 - 前記光検出器に入射する光の光路上で、かつ、前記光検出器から所定の距離以上離れた位置に赤外光除去手段を設けたことを特徴とする請求項１記載のペルチェ冷却装置。
- 前記光検出器が、該光検出器と近接して配された赤外光除去手段を有するものであり、前記ペルチェ素子が駆動されていないときに光の出射を停止することのできる光照射手段を設けたことを特徴とする請求項１記載のペルチェ冷却装置。
- 前記光検出器が、該光検出器と近接して配された赤外光除去手段を有するものであり、前記ペルチェ素子が駆動されていないときには前記光検出器への光の入射を遮断する光遮断手段を設けたことを特徴とする請求項１記載のペルチェ冷却装置。
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