(57)【要約】【課題】光源素子の素子温度を一定に保つ。【解決手段】光源装置１００は、素子温度検出部８により検出される光源素子４の素子温度が目標温度になるように、冷却機構５を駆動させる冷却機構駆動部３と、冷却機構５の露点温度を算出し、算出した露点温度と素子温度とを用いて冷却機構駆動部３および光源素子駆動部２を制御する制御部１とを備える。【選択図】図１
2014002851.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光を出射する光源素子と、
前記光源素子を駆動させる光源素子駆動部と、
前記光源素子を冷却する冷却機構と、
前記光源素子の温度である素子温度を検出する素子温度検出部と、
前記素子温度検出部により検出される前記素子温度が目標温度になるように、前記冷却機構を駆動させる冷却機構駆動部と、
前記冷却機構の露点温度を算出し、算出した前記露点温度と前記素子温度とを用いて前記冷却機構駆動部および前記光源素子駆動部を制御する制御部と、を備える
光源装置。
【請求項２】
前記冷却機構は、前記光源素子を冷却する冷却部を含み、
前記冷却機構駆動部は、前記制御部の制御に従って、さらに、前記冷却部の温度が前記露点温度より高い温度を維持するように、前記冷却機構を駆動させる
請求項１に記載の光源装置。
【請求項３】
前記光源装置は、さらに、
前記光源装置の周囲温度を検出する周囲温度検出部と、
前記光源装置の周囲湿度を検出する周囲湿度検出部とを備え、
前記制御部は、前記周囲温度および前記周囲湿度を用いて前記露点温度を算出し、前記露点温度および前記素子温度を用いて前記冷却機構駆動部および前記光源素子駆動部を制御する
請求項１または２に記載の光源装置。
【請求項４】
前記冷却機構は、前記光源素子を冷却する冷却部を含み、
前記冷却部は、熱抵抗が生じるように前記光源素子と当接し、
前記光源素子駆動部は、前記光源素子に電圧を印加することにより前記光源素子を駆動させ、
前記光源装置は、さらに、
前記光源素子が出射する光の光量を検出する光量検出部を備え
前記露点温度をＴｒとし、前記冷却部の温度をＴｓとし、前記光源素子に引加される電圧をＶｆとし、前記光源素子の駆動電流をＩｄとし、前記光量をＰ０とし、前記素子温度をＴｊとし、前記熱抵抗をθｊｓとした場合、
Ｔｒ＜Ｔｓ
Ｔｓ＝Ｔｊ−（Ｖｆ×Ｉｄ−Ｐ０）×θｊｓ
なる関係式が満たされるよう、前記制御部は、前記冷却機構駆動部および前記光源素子駆動部を制御することにより、ＴｓおよびＩｄを制御する
請求項１〜３のいずれか１項に記載の光源装置。
【請求項５】
前記冷却機構は、ペルチェ素子である
請求項１〜４のいずれか１項に記載の光源装置。
【請求項６】
前記冷却機構は、冷却水を用いた水冷機構である
請求項１〜４のいずれか１項に記載の光源装置。
【請求項７】
前記冷却機構は、冷媒としてのフルオカーボンを用いた機構である
請求項１〜４のいずれか１項に記載の光源装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光源素子の温度を制御する構成を有する光源装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、例えばプロジェクタ等の光源装置において、光源素子の長寿命化、高出力化の要求から従来のランプ光源に代わりＬＥＤ（Light Emitting Diode）素子やレーザ素子（半導体レーザ素子）などが用いられるようになってきている。以下においては、ＬＥＤ素子およびレーザ素子の各々を、光源素子ともいう。
【０００３】
光源素子は高温になるほど出力と寿命が低下する特性がある。そのため、光源素子の高寿命および高出力を維持するためには、当該光源素子の温度を低く保つ必要がある。なお、光源素子の冷却手段としてペルチェ素子や水冷式の冷却機構等が利用されている。以下においては、光源素子の温度を、素子温度ともいう。
【０００４】
また、光源素子は、素子温度が変化した場合、当該光源素子の光出力の波長が変化してしまう。光源素子を、プロジェクタ等のいわゆる映像機器に適用した場合、光源素子の波長変化が色相の変化を生じさせる。そのため、素子温度を極力一定にする必要がある。
【０００５】
冷却手段としていわゆるペルチェ素子、チラー、コンプレッサー等を備えた冷凍機などを備えた冷却装置においては、光源素子の冷却面の温度が周囲環境によって定まる露点温度を下回る可能性がある。周囲環境とは、周囲温度、周囲湿度等である。また、露点温度とは、結露し始める温度である。この際、結露により発生した水滴により光源素子、電気回路系を始めとする周辺部品の故障を招く恐れがある。
【０００６】
そこで、特許文献１には、周囲環境の変化に対応する、結露対策のための技術（以下、従来技術Ａともいう）が開示されている。従来技術Ａでは、装置に設けたエアセンサにより環境温度、環境湿度を検知し、これらから飽和水蒸気圧を推定する。そして、外気の水蒸気圧が飽和水蒸気圧を超えた際には、ペルチェ素子の制御を停止させ、結露を防止する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特許第３３１５４６１号公報（段落００２５〜００２９、図４）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、従来技術Ａには以下の問題がある。従来技術Ａでは、ペルチェ素子（冷却機構）の制御を停止するタイミングは、外気の水蒸気圧が飽和水蒸気圧を超えたタイミングであり、当該タイミングにおいて、既に、結露が発生している可能性がある。
【０００９】
また、従来技術Ａでは、ペルチェ素子の制御を停止してしまうため、停止後の温度上昇によって、光源素子の素子温度を一定に保つことができなくなり、波長が変化し色相がずれるという問題がある。また、ペルチェ素子の制御が停止した状態では、光源素子の素子温度が上昇してしまうため、素子の寿命劣化、もしくは素子の破壊等の不具合を招く恐れもある。すなわち、従来技術Ａでは、上記不具合を防ぐために、素子温度を一定に保つことができないという問題がある。
【００１０】
本発明は、このような問題を解決するためになされたものであり、光源素子の素子温度を一定に保つことが可能な光源装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記目的を達成するために、本発明の一態様に係る光源装置は、光を出射する光源素子と、前記光源素子を駆動させる光源素子駆動部と、前記光源素子を冷却する冷却機構と、前記光源素子の温度である素子温度を検出する素子温度検出部と、前記素子温度検出部により検出される前記素子温度が目標温度になるように、前記冷却機構を駆動させる冷却機構駆動部と、前記冷却機構の露点温度を算出し、算出した前記露点温度と前記素子温度とを用いて前記冷却機構駆動部および前記光源素子駆動部を制御する制御部と、を備える。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、冷却機構駆動部は、光源素子の温度である素子温度が目標温度になるように冷却機構を駆動させる。これにより、光源素子の素子温度を一定に保つことができる。したがって、光源素子が出射する光の波長変化、当該光の色相の変化等を抑制することができる。その結果、光源素子が出射する光の色ずれを抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】実施の形態１に係る光源装置の構成を示すブロック図である。
【図２】光源装置が行う制御処理のフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、図面を参照しつつ、本発明の実施の形態について説明する。以下の説明では、同一の構成要素には同一の符号を付してある。それらの名称および機能も同じである。したがって、それらについての詳細な説明を省略する場合がある。
【００１５】
以下に本発明にかかる一例として、光源素子を用いた光源装置の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。
【００１６】
＜実施の形態１＞
図１は、実施の形態１に係る光源装置１００の構成を示すブロック図である。図１に示すように、光源装置１００は、光源素子４と、ミラー６と、光源素子駆動部２と、冷却機構５と、ヒートパイプ７と、ラジエター１０と、ファン１１と、冷却機構駆動部３と、光量検出部９と、素子温度検出部８と、制御部１と、環境センサ１２とを備える。
【００１７】
光源素子４は、光を出射する素子である。光源素子４は、レーザ素子（レーザ光源素子）である。なお、光源素子４は、レーザ素子に限定されず、例えば、ＬＥＤ素子であってもよい。
【００１８】
光源素子駆動部２は、制御部１の制御に従って、光源素子４に電圧を印加することにより光源素子４を駆動（発光）させる。駆動している光源素子４には、駆動電流が流れる。
【００１９】
ミラー６は、光源素子４が出射した光の大部分を反射させ、レーザ出力光として、光源装置１００の外部へ導く。また、ミラー６は、光源素子４が出射した光の一部を、光量検出部９へ導く。これにより、光量検出部９は、レーザ出力光の強さに比例した光をうける（検出する）。
【００２０】
冷却機構５は、光源素子４を冷却するように配置される。冷却機構５は、例えば、ペルチェ素子である。冷却機構５は、光源素子４と当接するように配置される。以下においては、冷却機構５が、光源素子４と当接している部分を、冷却部５ａともいう。冷却部５ａは、光源素子４を冷却する部分である。すなわち、冷却機構は、光源素子４を冷却する冷却部５ａを含む。冷却部５ａは、熱抵抗が生じるように光源素子と当接する。
【００２１】
なお、冷却機構５がペルチェ素子である場合、冷却機構５は、光源素子４と面で当接する。この場合、冷却部５ａを、冷却面ともいう。
【００２２】
また、冷却機構５は、ヒートパイプ７を介して、ラジエター１０と熱的に結合されている。ファン１１は、ラジエター１０の熱を外部に排熱する風を発生させる。
【００２３】
光源素子４が発する熱の一部は、冷却機構５およびヒートパイプ７を介して、ラジエター１０に伝達する。ラジエター１０に伝達した熱は、ファン１１により、光源装置１００の外部へ排熱される。
【００２４】
冷却機構駆動部３は、冷却機構５を駆動させる。冷却機構５が駆動することにより、光源素子４が冷却される。冷却機構５が、例えば、ペルチェ素子であるとする。この場合、冷却機構駆動部３は冷却機構５に電流を生じさせるための電圧を、冷却機構５（ペルチェ素子）に印加することにより、冷却機構５を駆動させる。
【００２５】
光量検出部９は、当該光量検出部９に照射された光の光量を検出し、当該検出した光量から、光源素子４が出射する光の光量Ｐ０を検出する。光量検出部９に照射される光の光量と光源素子４が出射する光の光量との比率は予め決まった値（例えば、１：９）である。そのため、光量検出部９は、照射された光の光量から、光源素子４が出射する光の光量Ｐ０を検出することができる。光量検出部９は、検出した光量Ｐ０を、制御部１へ送信する。
【００２６】
素子温度検出部８は、光源素子４に熱的に接続される。素子温度検出部８は、光源素子４の温度（以下、素子温度Ｔｊともいう）を検出する。素子温度Ｔｊは、例えば、ジャンクション温度である。具体的には、素子温度検出部８は、光源素子４の温度を常時検出しており、素子温度Ｔｊを制御部１へ送信する。
【００２７】
制御部１は、例えば、ＣＰＵ等のマイクロコントローラ（マイコン）である。制御部１は、レーザ出力光の光量（強さ）が常に一定になるように、光源素子駆動部２を制御する。すなわち、制御部１は、光源素子４の光出力が目標値となるように光源素子駆動部２を制御する。具体的には、制御部１は、光源素子駆動部２が光源素子４に印加する電圧を、光源素子駆動部２に指示する。
【００２８】
また、制御部１は、詳細は後述するが、光源素子４の素子温度Ｔｊが常に概ね一定になるように冷却機構駆動部３を制御する。冷却機構駆動部３は、制御部１の制御に従い、素子温度検出部８により検出される素子温度Ｔｊが所定の目標温度になるように、冷却機構５を駆動させる。これは、光源素子４の発振波長、または発振効率を一定に保つと共に、光源素子４の寿命を保つ上でも必要な制御である。
【００２９】
環境センサ１２は、光源装置１００の周囲の環境の情報を取得する。環境センサ１２は、周囲温度検出部１３と、周囲湿度検出部１４とを含む。なお、周囲温度検出部１３および周囲湿度検出部１４の各々は、環境センサ１２に含まれなくてもよく、独立して設けられてもよい。
【００３０】
周囲温度検出部１３は、光源装置１００の周囲の温度である周囲温度Ｔｃ（外気温度）を随時検出する。周囲温度検出部１３は、周囲温度Ｔｃを、制御部１へ随時送信する。周囲湿度検出部１４は、光源装置１００の周囲の湿度である周囲湿度Ｈｃ（外気相対湿度）を随時検出する。周囲湿度検出部１４は、周囲湿度Ｈｃを、制御部１へ随時送信する。
【００３１】
制御部１は、周囲温度Ｔｃおよび周囲湿度Ｈｃを用いて冷却機構５（冷却部５ａ）の露点温度Ｔｒを算出する。露点温度とは、周囲環境における飽和蒸気圧力が１００％となり、結露が始まる温度である。前述したように、制御部１は、光源素子４の素子温度Ｔｊが概ね一定になるように冷却機構駆動部３を制御する。ここで、光源素子４から冷却部５ａまでの間の熱抵抗をθｊｓとする。また、冷却部５ａの温度をＴｓとする。光源素子４に引加される電圧をＶｆとする。また、光源素子４の駆動電流をＩｄとする。また、素子温度Ｔｊは、一定であるとする。この場合、以下の式１が満たされる。
【００３２】
（Ｖｆ×Ｉｄ−Ｐ０）×θｊｓ＝Ｔｊ−Ｔｓ      ・・・（式１）
Ｉｄは、式１を変形した以下の式２により表される。
【００３３】
Ｉｄ＝｛（Ｔｊ−Ｔｓ）／θｊｓ＋Ｐ０｝／Ｖｆ  ・・・（式２）
なお、Ｖｆは、光源素子４に実際に引加される電圧に限定されない。Ｖｆは、例えば、予め測定したＩｄとＶｆの関係を表形式、もしくは近似式で表し、その都度メモリから読み出した値であってもよい。また、Ｖｆは、例えば、制御部１により算出されてもよい。また、Ｉｄに対するＶｆの依存性が小さい場合には、簡単化のため、Ｖｆを、一定値と扱っても良い。
【００３４】
以下においては、露点温度Ｔｒと冷却部５ａの温度Ｔｓとが等しい場合において、結露が始まる臨海温度に対応する光源素子４の駆動電流Ｉｄを、最大駆動電流Ｉｄｍａｘとも表記する。Ｉｄｍａｘは、式２のＴｓをＴｒに置き換えた、以下の式３により表現される。
【００３５】
Ｉｄｍａｘ＝｛（Ｔｊ−Ｔｒ）／θｊｓ＋Ｐ０｝／Ｖｆ  ・・・（式３）
制御部１は、式３より、最大駆動電流Ｉｄｍａｘを算出する。そして、制御部１は、光源素子４の駆動電流Ｉｄと、最大駆動電流Ｉｄｍａｘとを比較する。制御部１は、以下の式４のように、ＩｄがＩｄｍａｘ以上である場合、光量Ｐ０の目標値（設定値）を低減させるよう、光源素子駆動部２を制御する。以下においては、光量Ｐ０の目標値を、光量目標値ともいう。
【００３６】
Ｉｄ≧Ｉｄｍａｘ  ・・・（式４）
光量Ｐ０の目標値を低減または増加させる処理は、制御部１が、光量検出部９から受信する光量Ｐ０の値が変化するよう、光源素子駆動部２を制御することにより行われる。すなわち、光量Ｐ０を変化させるために、制御部１は、光源素子駆動部２が光源素子４に印加する電圧を変化させるよう、光源素子駆動部２を制御する。つまり、制御部１が光量検出部９から受信する最新の光量Ｐ０の値（戻り値）が新たな目標値となるように、制御部１は光源素子駆動部２を制御する。
【００３７】
光量目標値を低減することにより、光源素子４の駆動電流Ｉｄは低下する。制御部１は、光量Ｐ０を低減したときにおいても、上述のように素子温度Ｔｊが一定となるように、冷却機構駆動部３を制御する。これにより、冷却部５ａ（冷却面）に結露が生じないように、素子温度Ｔｊを一定に保っている。
【００３８】
すなわち、以下の式５および式６の関係式が満たされるよう、制御部１は、冷却機構駆動部３および光源素子駆動部２を制御することにより、ＴｓおよびＩｄを制御する。これにより、冷却部５ａ（冷却面）に結露が生じることを防止することができる。
【００３９】
Ｔｒ＜Ｔｓ                                    ・・・（式５）
Ｔｓ＝Ｔｊ−（Ｖｆ×Ｉｄ−Ｐ０）×θｊｓ      ・・・（式６）
式６は、式１を変形した式である。
【００４０】
次に、実施の形態１に係る光源装置１００が行う処理（以下、制御処理ともいう）について説明する。図２は、制御処理のフローチャートである。
【００４１】
前述したように、制御部１は、光源素子駆動部２が光源素子４に印加する電圧を、光源素子駆動部２に指示する。なお、制御部１は、光源素子４に印加される電圧に応じて、光源素子４に流れる電流を示す電圧―電流特性を予め記憶している。そのため、制御部１は、電圧―電流特性により、光源素子駆動部２が印加する電圧から、光源素子４の駆動電流Ｉｄを常に把握している。
【００４２】
ステップＳ２０では、周囲温度および周囲湿度の検出が行われる。具体的には、周囲温度検出部１３は、周囲温度Ｔｃを検出し、周囲温度Ｔｃを、制御部１へ送信する。また、周囲湿度検出部１４は、周囲湿度Ｈｃ（外気相対湿度）を検出し、当該周囲湿度Ｈｃを、制御部１へ送信する。
【００４３】
ステップＳ２１では、制御部１が、周囲温度Ｔｃおよび周囲湿度Ｈｃを用いて冷却機構５（冷却部５ａ）の露点温度Ｔｒを算出する。温度および湿度を用いて露点温度を算出する方法は、公知な技術であるので詳細な説明は繰り返さない。
【００４４】
ステップＳ２２では、制御部１が、前述の式３により、最大駆動電流Ｉｄｍａｘを算出する。最大駆動電流Ｉｄｍａｘは、冷却部５ａの温度が露点温度以下とならない、光源素子４の最大駆動電流である。
【００４５】
ステップＳ２３では、制御部１が、駆動電流Ｉｄが最大駆動電流Ｉｄｍａｘ未満であるか否かを判定する。ステップＳ２３において、ＹＥＳならば再度ステップＳ２０の処理が行われる。そして、ステップＳ２０〜Ｓ２３の処理が繰り返し行われる。一方、ステップＳ２３において、ＮＯならば、処理はステップＳ２４に移行する。ステップＳ２３においてＮＯである場合は、駆動電流Ｉｄが、最大駆動電流Ｉｄｍａｘ以上の場合である。
【００４６】
ステップＳ２４では、制御部１が、駆動電流Ｉｄを下げるよう、光源素子駆動部２を制御する。具体的には、制御部１は、光源素子駆動部２が光源素子４に印加する電圧を所定値だけ下げるよう、光源素子駆動部２に指示する。光源素子駆動部２は、当該指示に従い、光源素子４に印加する電圧を所定値だけ下げる。当該所定値は、例えば、光源素子駆動部２が印加している電圧の１０％である。これにより、駆動電流Ｉｄは下がる。その結果、光源素子４が出射する光の光量Ｐ０は下がる。その後、再度、ステップＳ２３の処理が行われる。
【００４７】
なお、制御部１は、制御処理とは独立して、並列的に、以下の温度制御処理を行う。温度制御処理では、前述したように、素子温度Ｔｊが一定となるように、制御部１が、冷却機構駆動部３を制御する。すなわち、冷却機構駆動部３は、制御部１の制御に従い、素子温度検出部８により検出される素子温度Ｔｊが所定の目標温度になるように、冷却機構５を駆動させる。少し具体的には、冷却機構駆動部３は、素子温度Ｔｊがほぼ目標温度を保つように、冷却機構５を駆動させる。
【００４８】
より詳細には、冷却機構５（冷却部５ａ）の露点温度をＴｒとし、冷却部５ａの温度をＴｓとし、光源素子４に引加される電圧をＶｆとし、光源素子４の駆動電流をＩｄとし、光源素子４が出射する光の光量をＰ０とし、光源素子４の素子温度をＴｊとし、光源素子４から冷却部５ａまでの間の熱抵抗をθｊｓとする。
【００４９】
この場合、制御部１は、式５および式６の関係式が満たされるよう、冷却機構駆動部３および光源素子駆動部２を制御することにより、ＴｓおよびＩｄを制御する。すなわち、制御部１は、ステップＳ２１で算出した最新の露点温度Ｔｒと素子温度Ｔｊとを用いて冷却機構駆動部３および光源素子駆動部２を制御する。言い換えれば、制御部１は、露点温度Ｔｒおよび素子温度Ｔｊを用いて冷却機構駆動部３および光源素子駆動部２を制御する。
【００５０】
これにより、冷却機構駆動部３は、制御部１の制御に従って、冷却部５ａの温度が冷却機構５の露点温度より高い温度を維持するように、冷却機構５を駆動させる。また、冷却機構駆動部３は、冷却部５ａの温度が露点温度を下回らないように、光源素子４への印加電圧（投入電力）を制御する。例えば、冷却機構駆動部３は、光源素子４への印加電圧（投入電力）を抑制する。
【００５１】
以上説明したように、本実施の形態によれば、冷却機構駆動部３は、光源素子４の素子温度が目標温度になるように冷却機構５を駆動する。少し具体的には、冷却機構駆動部３は、素子温度Ｔｊがほぼ目標温度を保つように、冷却機構５を駆動させる。これにより、光源素子４の素子温度を一定に保つことができる。したがって、光源素子４が出射する光の波長変化、当該光の色相の変化等を抑制することができる。すなわち、光源素子４が出射する光の波長を一定に維持することができる。その結果、光源素子４が出射する光の色ずれを抑制することができる。また、光源素子４の温度上昇による、光源素子４の寿命劣化や破壊を防止することができる。
【００５２】
また、本実施の形態によれば、光源素子４への投入電力を抑制することにより、光源素子４の寿命劣化や破壊も防止する事ができる。
【００５３】
また、本実施の形態によれば、冷却機構駆動部３は、冷却機構５の冷却部５ａの温度が露点温度より高い温度を維持するように、冷却機構５を駆動させる。したがって、冷却機構５における結露の発生を防止することが出来る。そのため、結露による水滴が発生しないため、部品故障等の不具合の発生を防ぐことができる。すなわち、結露による周辺部品の故障などの不具合の発生を防ぐことができる。
【００５４】
なお、本実施の形態では、冷却機構５がペルチェ素子であるとしたが、これに限定されない。冷却機構５は、冷却水を用いた水冷機構（水冷式の冷却機構）であってもよい。水冷機構は、例えば、チラー装置（チラー方式の冷却機構）である。チラー装置は、チラー水の温度制御を行うことにより、冷却を行う。
【００５５】
また、上記水冷機構は、例えば、熱交換器とファンから構成されてもよい。この場合、水冷機構は、ファンの回転数の制御を行うことにより冷却を行う。この構成においても、本実施の形態によれば、冷却機構５における結露の発生を防止することができる。
【００５６】
また、冷却機構５は、冷媒としてのフルオカーボンを用いた機構（冷媒式の冷却機構）であってもよい。フルオカーボンは、冷蔵庫、エアコン等に使用される冷媒である。この構成において、冷却機構５は、凝縮器、圧縮器、膨張弁等を備える。冷却機構５は、フルオカーボンを利用して冷却を行う。この構成においても、本実施の形態によれば、冷却機構５における結露の発生を防止することができる。
【００５７】
また、本実施の形態では、光源素子としてレーザ素子を冷却する例について示したが、光源素子にＬＥＤ（発光ダイオード）等を適用した際にも同様の効果が得られる。
【００５８】
なお、本発明は、その発明の範囲内において、実施の形態を適宜、変形、省略することが可能である。
【産業上の利用可能性】
【００５９】
本発明は、光源素子の素子温度を一定に保つことが可能な光源装置として、利用することができる。
【符号の説明】
【００６０】
１  制御部、２  光源素子駆動部、３  冷却機構駆動部、４  光源素子、５  冷却機構、６  ミラー、７  ヒートパイプ、８  素子温度検出部、９  光量検出部、１０  ラジエター、１１  ファン、１２  環境センサ、１００  光源装置。
【図１】
2014002851.tif 000003
【図２】
2014002851.tif 000004