JP6945077B2 - 光源装置 - Google Patents

Description

本発明は、光源ユニット内の発熱体とヒートシンクとをヒートパイプで接続した光源装置に関する。

一般に、医療分野や工業用分野等において利用される内視鏡においては、観察対象物は、多くの場合、体腔内や装置内部等の暗所であるため、対象物に向けて照明光を照射する光源装置が使用される。この種の光源装置は、例えばＬＥＤ（Light Emitting Diode；発光ダイオード）やレーザ光源等の固体発光素子を光源として利用しているものがあり、複数の固体発光素子を設けることにより、例えば白色光等、所望の色の照明光を出射させることができるように構成されている。

このような光源装置においては、大光量の照明光を出射させる必要があるために、各固体発光素子の発熱量が大きくなる傾向がある。そこで、従来の光源装置においては、例えば、日本国特許公開２０１４−４５８２０号公報、国際公開番号ＷＯ２０１４／０３８３５２号公報等に開示されているように、発熱源となる固体発光素子のそれぞれを冷却するための冷却ユニットを、筐体内部に備えているものがある。従来の光源装置における冷却ユニットは、例えば冷却ファン、ヒートシンク、ヒートパイプ等の構成物によって構成されているのが普通である。

一般に、固体発光素子で発生した熱を効率的に放熱するためには、ヒートシンクの放熱断面積を十分に確保した上で、固体発光素子の中心とヒートシンクの中央部を水平面内に配置してヒートパイプで接続することが望まれる。しかしながら、このような接続関係では、光源装置の筐体内において、固体発光素子を有する光源ユニットよりもヒートシンクが高さ方向に突出してしまい、無駄な空間が生じる。その結果、光源装置の限りある筐体サイズを有効に活用することができず、特に光源装置を高さ方向で小型化することが困難になる。

本発明は上記事情に鑑みてなされたもので、光源からの発熱を充分に冷却しつつ、筐体の大型化を抑止して限られた筐体サイズを有効に活用することのできる光源装置を提供することを目的としている。

本発明の一態様による光源装置は、筐体と、前記筐体の底面から所定の高さに配置された光源ユニットと、前記光源ユニット内に配置された発熱体と、前記筐体の底面から所定の高さに配置されたヒートシンクと、前記発熱体と前記ヒートシンクとに接続されたヒートパイプと、を有し、前記筐体の底面を基準面とした際に、前記ヒートシンクの前記基準面からの高さは、前記光源ユニットの前記基準面からの高さより低く設定されており、前記ヒートパイプは、第１端部が前記発熱体に接続されて第２端部が前記ヒートシンクに接続された第１ヒートパイプと、第３端部が前記発熱体に接続されて前記第１端部と前記第３端部との距離よりも、前記第２端部との距離が広くなるよう第４端部が前記ヒートシンクに接続された第２ヒートパイプとを含んでいる。

内視鏡及び光源装置の外観図 光源装置の主要機能を示すブロック構成図 レンズ枠の構成を示す斜視図 光源冷却ファンの駆動特性を示す説明図 光源装置内の各ユニットの上下方向の配置を示す説明図 光源装置内の冷却ユニットの配置を示す説明図 各部の高さの関係を示す説明図

以下、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。以下の説明に用いる各図面は模式的に示すものであり、各構成要素を図面上で認識可能な程度の大きさで示すために、各部材の寸法関係や縮尺等を各構成要素毎に異ならせて示している場合がある。したがって、本発明は、これら各図面に記載された構成要素の数量や構成要素の形状や構成要素の大きさの比率や各構成要素の相対的な位置関係等に関し、図示の形態のみに限定されるものではない。

本実施形態の光源装置１は、内視鏡１００を用いて観察する対象物を照明するための照明光を発生させ出射する装置である。光源装置１は、略直方体形状の筐体からなり、その内部には各種の構成部材を有している。

まず、本実施形態の光源装置１及びこれを適用する内視鏡を含む内視鏡システムの概略構成を、主に図１を用いて以下に説明する。

内視鏡１００は、生体や構造物等の被検体の内部の観察部位を撮像し、取得した撮像データに基く画像を表示装置（不図示）を用いて表示出力するように構成される装置である。尚、内視鏡１００自体の構成については周知であり、従来普及している内視鏡と同様のものが適用されているものとして、その説明は省略する。

この内視鏡１００に接続して利用される光源装置１は、図１に示すように、内視鏡１００に設けられたプラグ部１０１を接続する接続部であるコネクタ部２を、筐体前面に有している。プラグ部１０１には、内視鏡１００内に挿通されている光ファイバケーブル１０２の一端１０２ａが配設されている。光ファイバケーブル１０２の一端１０２ａに対して、光源装置１から出射された光は、光ファイバケーブル１０２を介して伝送されて、内視鏡１００の先端部に設けられた光ファイバケーブル１０２の他端１０２ｂより前方に向けて出射して、観察対象物を照明する。

光源装置１は、後述するように、内部に複数の光源（図１には不図示）を有しており、これらの光源のそれぞれから出射された光を束ねた光束として、コネクタ部２に接続されたプラグ部１０１の光ファイバケーブル１０２の一端１０２ａに向けて出射するように構成されている。

光源装置１は、発熱体である複数の光源（図１では不図示）を冷却するための冷却ユニット２０を備えている。光源装置１の外郭を形成する筐体１ａには、筐体１ａ内部に配設される冷却ユニット２０内を通過させる冷却媒体としての空気を筐体内へと導入するための開口部である吸気口２０ａと、同筐体内部の空気を筐体外部へと排出するための開口部である排気口２０ｂとが設けられている。

ここで、吸気口２０ａは、光源装置１の筐体１ａの一側面に形成されている。また、排気口２０ｂは、光源装置１の筐体１ａにおいて、吸気口２０ａが形成されている一側面に隣接する第２の側面（本実施形態では背面）に形成されている。そして、光源装置１の筐体１ａ内において、吸気口２０ａから冷却媒体である空気が流入し、冷却ユニット２０を通過して排気口２０ｂから排出されるように形成されている（詳細は後述）。

尚、本実施形態においては、図１に示すように、光源装置１の一側面に吸気口２０ａを設け、これに隣接する第２の側面である背面に排気口２０ｂを設けている。しかしながら、吸気口２０ａと排気口２０ｂとを設ける箇所は、本実施形態の例示に限られるものではない。即ち、吸気口２０ａと排気口２０ｂとは、光源装置１の筐体１ａの前面、背面、上面、底面、上面、及び両側面のいずれかに設けられていればよい。また、吸気口２０ａと排気口２０ｂとを光源装置１の筐体１ａの同一面に設けて構成してもよい。

尚、この場合において、光源装置１の筐体１ａにおいて前面は、コネクタ部２の設けられている面をいうものとする。筐体１ａにおいて背面は、上記前面に対向する面をいうものとする。また、上記前面及び上記背面に隣接する二つの面を側面というものとする。そして、当該光源装置１の筐体１ａを通常状態（図１に示す状態）で所定の平面上に設置したとき、下面側に配置される面を底面というものとし、この底面に対向する面を上面というものとする。

次に、光源装置１の主要機能について、図２を用いて説明する。尚、図２においては、光源装置１における電気的構成部材及び光学的構成部材の主要構成のみを示している。また、各構成部材は、互いの関係を容易に把握できるように平面的に配置している。

図２に示すように、本実施形態の光源装置１は、光源ユニット１０と、電源ユニット３と、制御ユニット４と、筐体内冷却ファン６と、冷却ユニット２０の一部を構成する光源冷却ファン２６、２７とを有して構成されている。尚、図２においては、冷却ユニット２０を構成する構成部材のうち放熱部（ヒートシンク）や伝熱部（ヒートパイプ）等は図示していない。冷却ユニット２０の詳細構成については後述する。

電源ユニット３は、光源装置１の各構成ユニットを駆動する電力を供給する電力供給部である。尚、図２においては、電源ユニット３は光源ユニット１０から離れた位置に図示しているが、実際には、後述するように電源ユニット３は光源ユニット１０の下部に配置されている。

制御ユニット４は、制御部４ａと光源駆動部４ｂとを備えている。制御部４ａは、光源装置１の動作を所定のプログラムに基づいて制御するための制御回路を実装した回路基板を備え、例えば、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭを有するマイクロコンピュータ、ＨＤＤ（hard
disk drive）やＳＳＤ（solid state drive）等の補助記憶装置、入出力インタフェース等を有している。光源駆動部４ｂは、制御部４ａからの指示信号に応じて光源ユニット１０の固体発光素子（後述）を駆動して照明光を出射させるための電気回路を実装した回路基板を備えている。

光源ユニット１０は、発熱体である複数の光源としての複数の発光部を備える。本実施形態においては、発光部を５つ備えた例を示している。各発光部は、例えば、金属(アルミ又は銅)の上に絶縁層を設け、更に絶縁層の上に銅等の導体を重ねた基板（金属ベース基板）に、それぞれが異なる波長を中心とした所定の波長域の光を発するレーザーダイオードや発光ダイオード（ＬＥＤ）等の固体発光素子を実装して構成されている。

具体的には、光源ユニット１０は、固体発光素子を有する発光部として、例えば、赤色（red）ＬＥＤを有する発光部１１ａと、橙色（orange）ＬＥＤを有する発光部１１ｂと、緑色（green）ＬＥＤを有する発光部１１ｃと、青色（blue）ＬＥＤを有する発光部１１ｄと、紫色（violet）ＬＥＤを有する発光部１１ｅとを備えている。尚、個々の固体発光素子が出射する光の色（波長）は、これらに限定されるものではない。

複数の発光部における各固体発光素子は光源駆動部４ｂと電気的に接続され、光源駆動部４ｂによって駆動制御される。つまり、複数の固体発光素子は、光源駆動部４ｂから出力される指示信号によって発光のオンオフ制御がなされる。また、複数の固体発光素子は、光源駆動部４ｂから出力される指示信号に応じて出射する光強度を変化させる。

複数の発光部（１１ａ、１１ｂ、１１ｃ、１１ｄ、１１ｅ）から出射された各光は、対応する複数のコリメーターレンズ（１３ａ、１３ｂ、１３ｃ、１３ｄ、１３ｅ）によって平行光とされた後、ダイクロイックミラー（１２ａ、１２ｂ、１２ｃ、１２ｄ）によって、集光レンズ１４へと導かれる。ここで、複数のコリメーターレンズ（１３ａ、１３ｂ、１３ｃ、１３ｄ、１３ｅ）と、ダイクロイックミラー（１２ａ、１２ｂ、１２ｃ、１２ｄ）と、集光レンズ１４とは、複数の発光部（１１ａ、１１ｂ、１１ｃ、１１ｄ、１１ｅ）からの出射光を接続部であるコネクタ部２へと導く光学部材である。

集光レンズ１４は、複数の発光部（１１ａ、１１ｂ、１１ｃ、１１ｄ、１１ｅ）から出射された光を、コネクタ部２に接続されたプラグ部１０１の光ファイバケーブル１０２の一端１０２ａに集光させる役目をしている。即ち、本実施形態において光源装置１の光源ユニット１０においては、集光レンズ１４の中心を通る軸を光軸Ｏとした場合、同光軸Ｏ上に１つの発光部１１ｅが配設されており、他の４つの発光部（１１ａ、１１ｂ、１１ｃ、１１ｄ）は、光軸Ｏ上から外れて隣接した位置に配設されている。ここで、光軸Ｏは光源ユニット１０から出射される光の中心軸となっている。

また、複数の発光部（１１ａ、１１ｂ、１１ｃ、１１ｄ、１１ｅ）のそれぞれから出射される光の中心軸を符号Ｏ１、Ｏ２、Ｏ３、Ｏ４、Ｏ５で示すものとすると、符号Ｏ５で示される軸は、光軸Ｏと平行となる。また、その他の４つの中心軸（符号Ｏ１、Ｏ２、Ｏ３、Ｏ４）は、光軸Ｏに対して直交するように、各対応する４つの発光部（１１ａ、１１ｂ、１１ｃ、１１ｄ）が配置されている。

つまり、発光部１１ｅ以外の他の４つの発光部（１１ａ、１１ｂ、１１ｃ、１１ｄ）は、光軸Ｏを含む同一平面上において、符号Ｏ１、Ｏ２、Ｏ３、Ｏ４で示す軸が光軸Ｏと直交するように配設されている。また、光軸Ｏを含む同一平面上において、他の４つの発光部（１１ａ、１１ｂ、１１ｃ、１１ｄ）は、光軸Ｏに対して全て同一の側（図２に示す上側位置）に光軸Ｏと平行な方向に並べて配設されている。

複数のコリメーターレンズ（１３ａ、１３ｂ、１３ｃ、１３ｄ、１３ｅ）は、それぞれが複数の発光部（１１ａ、１１ｂ、１１ｃ、１１ｄ、１１ｅ）の前方、即ち出射光が通過する光路上に配設されている。これにより、各発光部（１１ａ、１１ｂ、１１ｃ、１１ｄ、１１ｅ）からの出射光を透過させて、平行光として出射する。

複数のコリメーターレンズ（１３ａ、１３ｂ、１３ｃ、１３ｄ、１３ｅ）のうち、４個のコリメーターレンズ（１３ａ、１３ｂ、１３ｃ、１３ｄ）の前方、即ち出射光の光路上には、複数のダイクロイックミラー（１２ａ、１２ｂ、１２ｃ、１２ｄ）がそれぞれ設けられている。

各ダイクロイックミラー（１２ａ、１２ｂ、１２ｃ、１２ｄ）は、光軸Ｏに沿って所定の間隔を置いて配置されている。各ダイクロイックミラー（１２ａ、１２ｂ、１２ｃ、１２ｄ）のそれぞれの反射面は、光軸Ｏ及び中心軸Ｏ１、Ｏ２、Ｏ３、Ｏ４を含む平面と直交し、かつ当該平面上において各反射面が光軸Ｏに対して略４５度傾けて配置されている。

この場合において、各ダイクロイックミラー（１２ａ、１２ｂ、１２ｃ、１２ｄ）の反射面は、他の４つの発光部（１１ａ、１１ｂ、１１ｃ、１１ｄ）と、集光レンズ１４に向けて配置される。これにより、各ダイクロイックミラー（１２ａ、１２ｂ、１２ｃ、１２ｄ）の各反射面は、他の４つの発光部（１１ａ、１１ｂ、１１ｃ、１１ｄ）からの出射光を集光レンズ１４に向けて反射する。

複数のダイクロイックミラーのうちダイクロイックミラー１２ａの反射面は、発光部１１ａからの出射光の波長を含む所定の波長帯の光を反射し、他の波長帯の光を透過する。また、ダイクロイックミラー１２ｂの反射面は、発光部１１ｂからの出射光の波長を含む所定の波長帯の光を反射し、他の波長帯の光を透過する。そして、ダイクロイックミラー１２ｃの反射面は、発光部１１ｃからの出射光の波長を含む所定の波長帯の光を反射し、他の波長帯の光を透過する。更に、ダイクロイックミラー１２ｄの反射面は、発光部１１ｄからの出射光の波長を含む所定の波長帯の光を反射し、他の波長帯の光を透過する。一方、各ダイクロイックミラー（１２ａ、１２ｂ、１２ｃ、１２ｄ）は、発光部１１ｅからの出射光の波長を含む所定の波長帯の光を透過する。

複数の発光部（１１ａ、１１ｂ、１１ｃ、１１ｄ）から出射され、複数のコリメーターレンズ（１３ａ、１３ｂ、１３ｃ、１３ｄ）を介して出射される平行光は、ダイクロイックミラー１２ａ、１２ｂ、１２ｃ、１２ｄによって反射され、発光部１１ｅから出射されコリメーターレンズ１３ｅを介して出射される平行光と合成されて、集光レンズ１４へと入射する。

上述のような構成を有する光源ユニット１０においては、複数（５個）の発光部（１１ａ、１１ｂ、１１ｃ、１１ｄ、１１ｅ）は、それぞれが出射する光の中心軸が同一の平面上に位置するように配設されている。そして、各発光部（１１ａ、１１ｂ、１１ｃ、１１ｄ、１１ｅ）は、光軸Ｏに沿う所定の方向に順に配列されているということができる。尚、光源ユニット１０が備える発光部の数は、上述の例（５個）に限定されるものではなく、例えば２つ以上であればよい。

ここで、各コリメーターレンズ（１３ａ、１３ｂ、１３ｃ、１３ｄ、１３ｅ）及び集光レンズ１４は、本実施形態においては、２つのレンズをレンズ枠に組み付けて構成されている。各レンズ枠は、基本的には同様の構成であり、例えば図３に示す構成のレンズ枠１６によって代表することができる。図３のレンズ枠１６は、レンズ１５Ａと、レンズ１５Ａよりも大径のレンズ１５Ｂとを保持する枠体１６ａと、枠体１６ａの基部に一体的に設けられる固定用台座１６ｂとを有している。

２つのレンズ１５Ａ、１５Ｂは、レンズ固定カラー１７を介して枠体１６ａ内に収納され、固定リング１８によって枠体１６ａに固定される。詳細には、枠体１６ａには、レンズ１５Ａ、１５Ｂを収納する開口孔が設けられ、この開口孔の一方の側がレンズ１５Ａ、１５Ｂを挿入するレンズ挿入口１６ａ＿１を形成し、開口孔の他方の側が相対的に小径のレンズ１５Ａの外周部に当接して保持する保持部１６ａ＿２を形成している。

すなわち、レンズ挿入口１６ａ＿１からレンズ１５Ａを挿入して保持部１６ａ＿２にレンズ１５Ａの外周部を当接させた後、レンズ固定カラー１７とレンズ１５Ｂとを順に挿入する。そして、レンズ固定カラー１７によってレンズ１５Ａとレンズ１５Ｂとを規定の間隔に保持した状態で、固定リング１８の外周に設けられた雄ネジを、レンズ挿入口１６ａ＿１の内周側に設けられた雌ネジにねじ込むことにより、所定の押圧力でレンズ１５Ａ、１５Ｂを枠体１６ａ内に固定することができる。

この場合、レンズ固定カラー１７は、互いに外径の異なるレンズ１５Ａ、１５Ｂの間の外周部分に介装されるため、略円錐台形の筒状に形成されている。このため、レンズ１５Ａ、１５Ｂを枠体１６ａに固定する際に、レンズ固定カラー１７を誤って逆向きにレンズ挿入口１６ａ＿１から挿入すると、レンズ１５Ａ、１５Ｂの間にレンズ固定カラー１７が逆向きに配置され、レンズ１５Ａ、１５Ｂの間の間隔が不適正となって適正な光学性能を得ることができない。

このようなレンズ固定カラー１７の逆向きの挿入による誤組み付けを防止するため、本実施形態においては、枠体１６ａのレンズ挿入口１６ａ＿１の所定の位置に、レンズ固定カラー１７の大径側の端面が当接可能な肩部１６ａ＿３が設けられている。

レンズ固定カラー１７を正規の向きでレンズ挿入口１６ａ＿１から挿入した場合、レンズ固定カラー１７は、肩部１６ａ＿３に当接することなく小径側の端面がレンズ１５Ａの外周部分に当接し、大径側の端面がレンズ１５Ａの外周部分に当接する。これにより、レンズ固定カラー１７を介してレンズ１５Ａ、１５Ｂを規定の間隔に保持することができる。

一方、レンズ固定カラー１７を通常とは逆の向きでレンズ挿入口１６ａ＿１から挿入した場合には、レンズ固定カラー１７はレンズ１５Ａに当接することなく、大径側の端面が肩部１６ａ＿３に当接する。この状態でレンズ１５Ｂを挿入すると、レンズ固定カラー１７の小径側の端面がレンズ１５Ｂの背面側に当接してレンズ１５Ｂが枠体１６ａから突出してしまい、固定リング１８を枠体１６ａにねじ込むことができなくなる。従って、作業者はレンズ固定カラー１７を逆向きに組み付けたことを容易に気付くことができ、不具合を未然に回避することができる。

次に、筐体内冷却ファン６、光源冷却ファン２６、２７について説明する。筐体内冷却ファン６は、光源装置１の筐体１ａ内部の空気を外部へと排出するための電動ファンである。筐体内冷却ファン６は、制御部４ａによって駆動制御される。即ち、制御部４ａは、筐体内冷却ファン６の駆動制御を行って、その回転数を変化させる等の制御を行う。尚、筐体内冷却ファン６は、１つに限らず、複数設けて構成する形態であってもよい。

また、光源冷却ファン２６、２７は、後述する冷却ユニット２０に含まれる電動ファンである。光源冷却ファン２６、２７も、制御部４ａによって駆動制御される。即ち、制御部４ａは、光源冷却ファン２６、２７の駆動制御を行って、その回転数を変化させる等の制御を行う。尚、光源冷却ファンも、３つ以上設けた形態であってもよい。

制御部４ａは、筐体１ａ内の吸気温度を検出し、吸気温度に応じて光源冷却ファン２６、２７の回転数を段階的に変化させる。制御部４ａは、筐体１ａ内の吸気温度が比較的低い場合には光源冷却ファン２６、２７の回転数が低くなり、吸気温度が高くなると光源冷却ファン２６、２７の回転数が高くなるように制御する。

ここで、光源冷却ファン２６、２７は小型化されており、互いに近接して配置されている。このため、光源冷却ファン２６、２７を同じ回転数として制御しても、実際には両者の間に僅かな回転数の差が存在するため、互いに近接する２つの音波が干渉し、うなり音が発生する虞がある。従って、制御部４ａは、光源冷却ファン２６、２７を、意図的に回転数をずらして駆動することにより、うなりによる騒音を低減する。

例えば、図４に示すように、制御部４ａは、光源冷却ファン２６、２７の一方の回転数Ｎを、筐体１ａ内の吸気温度ＴがＴ＜Ｔ１でＮ１、Ｔ１≦Ｔ≦Ｔ２でＮ２、Ｔ＞Ｔ２でＮ３に制御するとき（例えば、Ｔ１＝３０°Ｃ、Ｔ２＝３５°Ｃ、Ｎ１＝２９００ｒｐｍ、Ｎ２＝３９００ｒｐｍ、Ｎ３＝５５００ｒｐｍ）、光源冷却ファン２６、２７の他方の回転数をΔＮ（例えば、ΔＮ＝３００ｒｐｍ）だけ低い回転数に制御する。これにより、近接して配置されている光源冷却ファン２６、２７のファン音の干渉によるうなり音を抑制し、騒音を低減することができる。

以上の光源装置１の主要構成となる各ユニット（電源ユニット３、制御ユニット４、光源ユニット１０、冷却ユニット２０）は、具体的には、光源装置１の筐体１ａ内に、図５に示すように配置されている。図５は、筐体１ａの背面側から見た各ユニットの配置を示している。各ユニット（電源ユニット３、制御ユニット４、光源ユニット１０、冷却ユニット２０）は、筐体１ａ内の空間、特に高さ方向の空間を有効に活用できるように配置されている。

電源ユニット３は、筐体１ａ内のコネクタ部２側の底面１ａ＿ｂに配置され、この電源ユニット３の上部空間に、光軸Ｏがコネクタ部２の中心軸と一致するように光源ユニット１０が配置されている。光源ユニット１０は、防塵カバー（不図示）によって覆われており、電源ユニット３の上部に支持フレーム１９を介して固定されている。

支持フレーム１９は、筐体１ａの底面１ａ＿ｂに固定され、電源ユニット３の高さよりも若干長い支持脚１９ａと、光源ユニット１０が固定される支持台１９ｂとを有している。この支持フレーム１９を用いて光源ユニット１０を筐体１ａの底面１ａ＿ｂから所定の高さに浮かせて下部に電源ユニット３を配置することにより、筐体１ａ内の高さ方向の空間を有効に活用することが可能となる。

尚、光源ユニット１０からの出射光を入射するコネクタ部２の入射側には、白色光モードや蛍光モード等の観察モードを切り替えるための観察切替ユニット２Ａが配設されている。観察切替ユニット２Ａは、観察モードに応じた複数の光学フィルタを備え、コネクタ部２への入射光の光路上に挿入する光学フィルタを回転によって切り替える。

また、筐体１ａ内の電源ユニット３及び光源ユニット１０の側方には、冷却ユニット２０及び制御ユニット４が配置されている。冷却ユニット２０は、筐体１ａの内部に配設されるチャンバ１ｂに、後述する放熱部（ヒートシンク）や伝熱部（ヒートパイプ）を収納して構成されている。

チャンバ１ｂは、筐体１ａの底面１ａ＿ｂから離間した所定の高さの位置に配置され、筐体１ａの底面１ａ＿ｂからチャンバ１ｂの上端までの高さが、筐体１ａの底面１ａ＿ｂから光源ユニット１０の上端までの高さ以下となるように設定されている。すなわち、チャンバ１ｂは、チャンバ１ｂの底面と筐体１ａの底面との間に、吸気口２０ａから流入する冷却媒体である空気を電源ユニット３に導く流路を確保するとともに、チャンバ１ｂの上部に制御ユニット４を収納する空間を確保することができるように設定されており、光源装置１を高さ方向に小型化することが可能となっている。

次に、冷却ユニット２０について説明する。冷却ユニット２０は、図６に示すように、光源ユニット１０の構成部材のうち、発熱体である光源として固体発光素子を有する発光部（１１ａ、１１ｂ、１１ｃ、１１ｄ、１１ｅ）を冷却するための構成ユニットである。この冷却ユニット２０は、複数の受熱部（２２ａ、２２ｂ、２２ｃ、２２ｄ、２２ｅ）と、複数の放熱部である複数のヒートシンク（２３ａ、２３ｂ、２３ｃ、２３ｄ、２３ｅ）と、複数の伝熱部である複数のヒートパイプ（２４ａ、２４ｂ、２４ｃ、２４ｅ）等を備えて構成されている。

複数の受熱部（２２ａ、２２ｂ、２２ｃ、２２ｄ、２２ｅ）は、複数の発光部（１１ａ、１１ｂ、１１ｃ、１１ｄ、１１ｅ）のそれぞれの背面側に接触させて固定されている。複数の受熱部（２２ａ、２２ｂ、２２ｃ、２２ｄ、２２ｅ）は、複数の発光部（１１ａ、１１ｂ、１１ｃ、１１ｄ、１１ｅ）の固体発光素子からの熱を伝達するために設けられる熱伝導部材である。

これら複数の受熱部としては、発光部１１ａの背面側に設けられ当該発光部１１ａの発熱を伝導する受熱部２２ａと、発光部１１ｂの背面側に設けられ当該発光部１１ｂの発熱を伝導する受熱部２２ｂと、発光部１１ｃの背面側に設けられ当該発光部１１ｃの発熱を伝導する受熱部２２ｃと、発光部１１ｄの背面側に設けられ当該発光部１１ｄの発熱を伝導する受熱部２２ｄと、発光部１１ｅの背面側に設けられ当該発光部１１ｅの発熱を伝導する受熱部２２ｅとがある。

尚、複数の受熱部と複数の発光部とは、当接する形態で配設されていてもよいが、その他の形態としては、例えば両者の間に熱伝達率の高い部材を挟んで構成する形態としてもよい。また、本実施形態においては、複数の受熱部のそれぞれは、複数の発光部のそれぞれの背面側に配設した例を示しているが、この形態に限られることはない。発光部に対する受熱部の配置及び形状は、受熱部が発光部の光出射面を遮らない形態となっていればよく、如何様な形状で構成しても許容し得る。

複数の放熱部である複数のヒートシンク（２３ａ、２３ｂ、２３ｃ、２３ｄ、２３ｅ）と、複数の伝熱部である複数のヒートパイプ（２４ａ、２４ｂ、２４ｃ、２４ｅ）は、チャンバ１ｂに収納されている。チャンバ１ｂは、筐体１ａの吸気口２０ａ側と排気口２０ｂ側に開口部を有し、光源ユニット１０の複数の発光部（１１ａ、１１ｂ、１１ｃ、１１ｄ、１１ｅ）を冷却するための冷却媒体である気体（通常の場合は空気である。以下、単に空気というものとする）が通過するダクトを形成している。

冷却媒体（空気）は、筐体１ａの吸気口２０ａから内部に流入し、チャンバ１ｂ内で複数の発光部（１１ａ、１１ｂ、１１ｃ、１１ｄ、１１ｅ）の配列方向に沿って流れ、筐体１ａの第２の側面に設けられる排気口２０ｂから排出される。図６においては、チャンバ１ｂ内において、空気の流れる方向を矢印Ｆ１、Ｆ２、Ｆ３によって示している。

複数の放熱部である複数のヒートシンクは、チャンバ１ｂ内に形成される空気の流路において、それぞれ所定の位置に配設されている。本実施形態における冷却ユニット２０は、複数の受熱部（即ち複数の発光部）と同数、即ち５つのヒートシンク（２３ａ、２３ｂ、２３ｃ、２３ｄ、２３ｅ）を有している。

これら複数のヒートシンクのうち、吸気口２０ａ近傍に配置される３つのヒートシンク（２３ａ、２３ｂ、２３ｃ）は、各ヒートシンクの空気が通過する面が筐体における吸気口２０ａの吸気面（筐体１ａの一側面）に対して、それぞれ、所定の傾斜角度をもって配置されている。それぞれの傾斜角度は、吸気面（筐体１ａの一側面）に対して０度より大きく９０°以下の角度である。

この場合において、各傾斜角度は、例えば排気口２０ｂに近い側に配置されるヒートシンクよりも、排気口２０ｂに遠い側に配置されるヒートシンクほど、その空気通過面の吸気面に対する傾斜角度が浅く（小さく）なるように設定される。同様に、排気口２０ｂに近い側に配置されるヒートシンクの空気通過面の吸気面に対する傾斜角度が最も深く（大きく）なるように設定される。このように各ヒートシンク（２３ａ、２３ｂ、２３ｃ）の空気通過面の吸気面に対する傾斜角度を傾けることにより、各流路（Ｆ１、Ｆ２、Ｆ３）を流れる冷却媒体（空気）の円滑な流れを確保することができる。

また、複数のヒートシンクのうち、他のヒートシンク（２３ｄ、２３ｅ）は、ヒートシンク（２３ａ、２３ｂ）を通過する空気の流路上に配置され、ヒートシンク（２３ａ、２３ｂ）を通過する空気が通過することで、冷却される。

本実施形態の光源装置１においては、図６にも示すように、複数のヒートシンクのサイズをそれぞれ異ならせて形成している。ここでヒートシンクのサイズとは、冷却媒体である空気が通過する断面積及びその表面積にて示される。ヒートシンクのサイズは冷却性能を規定する。

光源装置１における発熱体としての複数の固体発光素子は、出射する光の波長に応じて発熱量および動作保障される最大温度が異なる。従って、各固体発光素子の動作保障される最大温度に対する発熱量の比率に応じてヒートシンクの冷却性能を設定することにより、より効率のよい冷却効果を得つつ、装置の大型化を抑えことができる。

冷却ユニット２０における放熱部（ヒートシンク）の冷却性能は、冷却媒体である空気の通過する断面積及び表面積の大小で規定できる。つまり、放熱部（ヒートシンク）における空気の通過する断面積及びその表面積を大きくする程、冷却能力を高くすることができることになる。

そこで、本実施形態の光源装置１においては、複数の発光部（１１ａ、１１ｂ、１１ｃ、１１ｄ、１１ｅ）に適用される各固体発光素子に必要な冷却度合いに応じて、５つのヒートシンクのそれぞれのサイズを規定している。

具体的には、例えば、本実施形態において、複数のヒートシンクのうち、空気の流路の上流側（吸気口２０ａ近傍）に配置される３つのヒートシンク（２３ａ、２３ｂ、２３ｃ）は、動作保障される最大温度に対する発熱量の比率が比較的大きい固体発光素子を有する発光部（１１ａ、１１ｂ、１１ｃ）のそれぞれの受熱部（２２ａ、２２ｂ、２２ｃ）に、ヒートパイプ（２４ａ、２４ｂ、２４ｃ）を介して接続されている。

一方、動作保障される最大温度に対する発熱量の比率が比較的小さな固体発光素子を有する発光部、即ち発光部（１１ｄ、１１ｅ）は、流路の下流側に配設したヒートシンク（２３ｄ、２３ｅ）に接続されている。但し、ヒートシンク２３ｄは、発光部１１ｄの受熱部２２ｄに直接、接触させることができるため、ヒートパイプを不要としている。発光部１１ｅと離間した位置にあるヒートシンク２３ｅは、ヒートパイプ２４ｅを介して発光部１１ｅの受熱部２２ｅに接続されている。

これらの複数のヒートパイプ（２４ａ、２４ｂ、２４ｃ、２４ｅ）は、冷却媒体（空気）の流路内における流れる方向に対して略直交するように、つまり、流路内において空気の流れを横切るように流路内において配置される。且つ、光源ユニット１０の光軸Ｏと複数の発光部（１１ａ、１１ｂ、１１ｃ、１１ｄ、１１ｅ）の出射光の中心軸（Ｏ１、Ｏ２、Ｏ３、Ｏ４、Ｏ５）とを同一平面上に配置した光学系に対して、複数のヒートパイプ（２４ａ、２４ｂ、２４ｃ、２４ｅ）を平面内で引き回して重力方向に互いに重ならないように配置している。このため、筐体１ａの高さを低く抑えて光源装置１を小型化することが可能となる。

また、前述したように、冷却ユニット２０のチャンバ１ｂは、筐体１ａの底面１ａ＿ｂからの高さが光源ユニット１０よりも低くなるように設定されており、ヒートシンク（２３ａ、２３ｂ、２３ｃ、２３ｄ、２３ｅ）の筐体１ａの底面１ａ＿ｂからの高さも光源ユニット１０より低くなる。従って、ヒートパイプ（２４ａ、２４ｂ、２４ｃ、２４ｅ）を介して受熱部（２２ａ、２２ｂ、２２ｃ、２２ｅ）に接続されるヒートシンク（２３ａ、２３ｂ、２３ｃ、２３ｅ）の高さ方向の中心位置は、受熱部（２２ａ、２２ｂ、２２ｃ、２２ｅ）よりも低い位置となる。

このため、各ヒートパイプ（２４ａ、２４ｂ、２４ｃ、２４ｅ）は、それぞれ、発熱源（固体発光素子）と放熱部（ヒートシンク）との位置関係を考慮した複数のヒートパイプを１組として構成され、対応するヒートシンクへと接続されている。本実施形態においては、各ヒートパイプ（２４ａ、２４ｂ、２４ｃ、２４ｅ）は、それぞれ、第１ヒートパイプと第２ヒートパイプとの２本を１組としている。

以下では、２本１組の複数のヒートパイプ（２４ａ、２４ｂ、２４ｃ、２４ｅ）、複数の発光部（１１ａ、１１ｂ、１１ｃ、１１ｅ）及び受熱部（２２ａ、２２ｂ、２２ｃ、２２ｅ）、複数のヒートシンク（２３ａ、２３ｂ、２３ｃ、２３ｅ）を、図７に示すように、ヒートパイプ２４、発光部１１及び受熱部２２、ヒートシンク２３で代表し、互いの接続関係について説明する。

図７に示すように、発光部１１の固体発光素子１１＿１がマウントされる基板１１−２の背面側には受熱部２２が固定され、この受熱部２２に、第１ヒートパイプ２４＿１と第２ヒートパイプ２４＿２とからなるヒートパイプ２４の一端が接続されている。第１ヒートパイプ２４＿１及び第２ヒートパイプ２４＿２の他端は、同じヒートシンク２３に接続されている。

詳細には、第１ヒートパイプ２４＿１は、一端が受熱部２２の第１接続部２２＿１に接続されて略水平方向に延出され、延出された略水平方向の平面、すなわち筐体１ａの底面１ａ＿ｂと平行な第１面Ｓ１内において、対応するヒートシンク２３の配置に応じた形状に配置される。そして、第１ヒートパイプ２４＿１の他端は、対応するヒートシンク２３の第１固定部２３＿１に接続されて固定されている。ヒートシンク２３の第１固定部２３＿１と、受熱部２２の第１接続部２２＿１とは、同じ第１面Ｓ１上に位置するように配置される。

尚、第１ヒートパイプ２４＿１は、複数のヒートパイプ（２４ａ、２４ｂ、２４ｃ、２４ｅ）のそれぞれにおいて第１面Ｓ１上で水平に配置することが望ましいが、例えば発熱量が比較的大きい発光部に対応する第１ヒートパイプ等、少なくとも１つの第１ヒートパイプを第１面Ｓ１上で水平に配置するようにしても良い。

一方、第２ヒートパイプ２４＿２は、一端が受熱部２２の第２接続部２２＿２に接続され、重力方向の下側に湾曲されて延出される。第２接続部２２＿２は、第１接続部２２＿１に対して重力方向の下側の位置に設けられている。第２ヒートパイプ２４＿２は、第２接続部２２＿２から重力方向の下側に湾曲されて延出された後、ヒートシンク２３の第１固定部２３＿１の重力方向下側の位置、すなわち第１ヒートパイプ２４＿１が配置される第１面Ｓ１と略平行な第２面Ｓ２上に設けられた第２固定部２３＿２に接続されて固定されている。

尚、本実施形態においては、第２ヒートパイプ２４＿２は、第１ヒートパイプ２４＿１と、略同じ垂直面内に配置されるものとするが、他の第２ヒートパイプと重力方向で互いに重ならない限り、第１ヒートパイプ２４＿１と同じ垂直面内に配置しなくとも良い。

ここで、発光部１１の固体発光素子１１＿１がマウントされる基板１１＿２は、筐体１ａの底面１ａ＿ｂに対して略垂直に保持されている。この基板１１＿２の背面側の受熱部２２においては、第１ヒートパイプ２４＿１の第１接続部２２＿１と第２ヒートパイプ２４＿２の第２接続部２２＿２とは、固体発光素子１１＿を間にして上下に配置される関係となる。且つ、第１接続部２２＿１と固体発光素子１１＿１との垂直方向の距離Ａと、第２接続部２２＿２と固体発光素子１１＿１との垂直方向の距離Ｂとは、Ａ＜Ｂの関係に設定されている。

従って、発熱体である固体発光素子１１＿１により近い位置で受熱部２２に接続される第１ヒートパイプ２４＿１は、相対的に固体発光素子１１＿１から離れた位置で受熱部２２に接続される第２ヒートパイプ２４＿２よりも熱輸送性能が高いヒートパイプで構成する。例えば、第１ヒートパイプ２４＿１は、複合構造のウイックを有するヒートパイプとすることで、水平方向の効率的な熱の移送を可能とする。また、第２ヒートパイプ２４＿２は、焼結金属でウイックを形成したヒートパイプとすることで、重力方向の熱輸送性能を確保する。

また、第１ヒートパイプ２４＿１及び第２ヒートパイプ２４＿２とヒートシンク２３の第１固定部２３＿１及び第２固定部２３＿２との関係は、光源装置１の外郭を形成する筐体１ａ、冷却ユニット２０の通風用のダクトを形成するチャンバ１ｂとの関係からは、以下のような関係となる。

図７において、筐体１ａの底面１ａ＿ｂを基準面として、基準面から光源ユニット１０の上端部までの高さをＨ１、基準面からチャンバ１ｂの上端部までの高さをＨ２、基準面からヒートシンク２３の上端部までの高さをＨ３、基準面から第１ヒートパイプ２４＿１の第１固定部２３＿１までの高さ（基準面から第１面Ｓ１までの高さ）をＨ４、基準面から第２ヒートパイプ２４＿２の第２固定部２３＿２までの高さ（基準面から第２面Ｓ２までの高さ）をＨ５とするとき、それぞれの高さ（Ｈ１、Ｈ２、Ｈ３、Ｈ４、Ｈ５）は、以下の（１）式で示す関係となるように設定されている。

Ｈ１≧Ｈ２＞Ｈ３＞Ｈ４＞Ｈ５ …（１）
ここに、基準面から第１ヒートパイプ２４＿１の第１固定部２３＿１までの高さＨ４は、基準面から受熱部２２の第１接続部２２＿１までの高さと略同じである。また、前述したように、第１接続部２２＿１と固体発光素子１１＿１との垂直方向の距離Ａは、第２接続部２２＿２と固体発光素子１１＿１との垂直方向の距離Ｂに対して、以下の（２）式で示す関係となるように設定されている。

Ａ＜Ｂ …（２）
以上のように構成された冷却ユニット２０においては、光源冷却ファン２６、２７を稼働させることにより、通風用のダクトを形成するチャンバ１ｂ内に所定の流量の空気が流れる。チャンバ１ｂ内の流路には、各所定の部位に複数のヒートシンク（２３ａ、２３ｂ、２３ｃ、２３ｄ、２３ｅ）が配置されており、流路内を流れる冷却媒体（空気）は、各ヒートシンクを通過する。

複数のヒートシンクは、複数のヒートパイプ（２４ａ、２４ｂ、２４ｃ、２４ｅ）及び複数の受熱部（２２ａ、２２ｂ、２２ｃ、２２ｅ）を介して、また、直接、受熱部２２ｄを介して、光源ユニット１０の複数の発光部（１１ａ、１１ｂ、１１ｃ、１１ｄ、１１ｅ）に接続されている。従って、これにより、複数の発光部（１１ａ、１１ｂ、１１ｃ、１１ｄ、１１ｅ）で発生した熱は、複数のヒートシンクによって放熱することができる。

ここで、本実施形態の光源装置１においては、複数のヒートシンクは、筐体１ａの底面からの高さが光源ユニット１０の高さよりも低くなるように設定されている。光源ユニット１０の高さは、内視鏡１００と接続するコネクタ部２の高さによって制約されるが、この光源ユニット１０に対して複数のヒートシンクの高さを抑えることで、装置全体を高さ方向に小型化することが可能となる。

また、本実施形態においては、光源ユニット１０の受熱部（２２ａ、２２ｂ、２２ｃ、２２ｄ、２２ｅ）からの熱を伝熱する複数のヒートパイプ（２４ａ、２４ｂ、２４ｃ、２４ｅ）のそれぞれを、少なくとも、略水平方向にヒートシンクに接続される第１ヒートパイプと、この第１ヒートパイプより重力方向の下側に湾曲されてヒートシンクに接続される第２ヒートパイプとの２本を１組としている。これにより、光源ユニット１０よりも低い位置に配置されるヒートシンクに対して、光源ユニット１０で発生する熱を効果的に伝熱して放熱することができ、装置の大型化を抑えながら、より高い冷却性能の向上に寄与することができる。

しかも、固体発光素子により近い位置で接続される第１ヒートパイプを、相対的に固体発光素子から離れた位置で接続される第２ヒートパイプよりも熱輸送性能が高いヒートパイプで構成することにより、光源ユニット１０よりも低い位置に配置されるヒートシンクに効率的に熱伝達することができる。

また、本実施形態の光源装置１においては、複数のヒートシンクの上部に制御ユニット４を配置するとともに、光源ユニット１０の下部に電源ユニット３を配置しており、筐体１ａの限られた内部空間を有効に利用して、装置の大型化を抑えながら、より高い冷却性能の向上に寄与することができる。

本出願は、２０１８年８月２４日に日本国に出願された特願２０１８−１５７１１１号を優先権主張の基礎として出願するものであり、上記の内容は、本願明細書、請求の範囲、図面に引用されたものである。

Claims (5)

1. 筐体と、
   前記筐体の底面から所定の高さに配置された光源ユニットと、
   前記光源ユニット内に配置された発熱体と、
   前記筐体の底面から所定の高さに配置されたヒートシンクと、
   前記発熱体と前記ヒートシンクとに接続されたヒートパイプと、を有し、
   前記筐体の底面を基準面とした際に、前記ヒートシンクの前記基準面からの高さは、前記光源ユニットの前記基準面からの高さより低く設定されており、
   前記ヒートパイプは、
   第１端部が前記発熱体に接続されて第２端部が前記ヒートシンクに接続された第１ヒートパイプと、
   第３端部が前記発熱体に接続されて前記第１端部と前記第３端部との距離よりも、前記第２端部との距離が広くなるよう第４端部が前記ヒートシンクに接続された第２ヒートパイプと
   を含んでいることを特徴とする光源装置。
2. 前記第１ヒートパイプは、前記ヒートシンクの第１固定部で接続され、
   前記第２ヒートパイプは、重力方向の下側に湾曲されて前記ヒートシンクの第２固定部で接続され、
   前記第１固定部は、前記筐体の底面に平行な第１面上に配置され、
   前記第２固定部は、前記筐体の底面に平行な第２面上に配置され、
   前記第２面の前記基準面からの高さは、前記第１面の前記基準面からの高さより低く設定されていることを特徴とする請求項１に記載の光源装置。
3. 前記第１ヒートパイプを複数有し、複数の前記第１ヒートパイプの少なくとも１つは前記第１面上に配置されている
   ことを特徴とする請求項２に記載の光源装置。
4. 前記筐体内に、前記ヒートシンクを収納するチャンバが配設され、
   前記チャンバの前記基準面からの高さは、前記光源ユニットの前記基準面からの高さ以下に設定されていることを特徴とする請求項３に記載の光源装置。
5. 前記発熱体として発光素子を有し、
   前記発光素子からの熱を伝達する受熱部は、前記第１ヒートパイプが接続される第１接続部と、前記第２ヒートパイプが接続される第２接続部と、を有し、
   前記第１接続部は前記第２接続部に比べて、前記発光素子へより近い距離に配置されている
   ことを特徴とする請求項４に記載の光源装置。

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