JP2016004850A - 車載用レーザ光源ユニット - Google Patents

Abstract

【課題】レーザ光を照射する半導体チップの劣化を防止し、かつ、小型化することができる車載用レーザ光源ユニットを提供する。
【解決手段】車載用レーザ光源ユニット１００には、異なる波長のレーザ光を照射する第１〜第３半導体チップ２０〜２２が備えられている。各半導体チップ２０〜２２は、セラミックパッケージ１０の中空部１１の底面１２にベアチップ実装されている。セラミックパッケージ１０の中空部１１には、各半導体チップ２０〜２２から照射される各レーザ光のうち所定の波長の光を選択的に透過または反射させることにより各レーザ光を合成する第１〜第３波長選択素子３０〜３２と、各波長選択素子３０〜３２で合成されたレーザ光を平行光として外部に出射するコリメートレンズ４０と、が設けられている。そして、セラミックパッケージ１０の中空部１１はメタルリッド６０によって封止されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、車載用レーザ光源ユニットに関する。

従来より、画像表示装置としてのレーザ光源ユニットが、例えば特許文献１で提案されている。具体的には、赤色レーザ光を照射する半導体チップと緑色レーザ光を照射する半導体チップとが樹脂等で形成されたケースにベアチップ実装されていると共に、青色レーザ光を照射するように構成されたＣＡＮパッケージがケースに固定された構成が提案されている。ＣＡＮパッケージは、ケースの壁に設けられた貫通孔に配置されている。

特開２０１１−９１３９６号公報

しかしながら、上記従来の技術では、２つの半導体チップとＣＡＮパッケージとが１つのケースに収容された構成になっているので、ＣＡＮパッケージとケースとの境界部を介してケース内に湿気を含んだ外気が侵入してしまう。このため、ケース内の湿度が上昇し、半導体チップが劣化してしまうという問題がある。半導体チップの劣化はレーザ光の輝度の低下や不点灯に繋がり好ましくない。したがって、半導体チップをケース内に封止する構造が望まれている。

また、レーザ光源ユニットが車両に搭載されて使用される車載環境では、レーザ光源ユニットは高温に晒される可能性が高い。半導体チップは耐熱性が低いので、レーザ光源ユニットを冷却する必要があるが、ＣＡＮパッケージの半導体レーザを用いた構成ではレーザ光源ユニットが大型化してしまい、冷却機構の冷却能力の増加、放熱容量の増加という問題がある。したがって、レーザ光源ユニットの小型化が望まれている。

本発明は上記点に鑑み、レーザ光を照射する半導体チップの劣化を防止し、かつ、小型化することができる車載用レーザ光源ユニットを提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明では、車両に搭載される車載用レーザ光源ユニットであって、以下の点を特徴としている。

すなわち、異なる波長のレーザ光を照射する複数の半導体チップ（２０、２１、２２）を備えている。また、中空部（１１）を有する有底形状をなしており、複数の半導体チップ（２０、２１、２２）が中空部（１１）の底面（１２）にベアチップ実装されたセラミックパッケージ（１０）を備えている。

また、複数の半導体チップ（２０、２１、２２）から照射される各レーザ光のうち所定の波長の光を選択的に透過または反射させることにより各レーザ光を合成する波長選択素子（３０、３１、３２）と、波長選択素子（３０、３１、３２）で合成されたレーザ光を平行光として外部に出射するコリメートレンズ（４０）と、を備えている。

さらに、セラミックパッケージ（１０）の開口端（１４）に固定されることによりセラミックパッケージ（１０）の中空部（１１）を密閉する板状の蓋部（６０、６１）を備えていることを特徴とする。

これによると、各半導体チップ（２０、２１、２２）がセラミックパッケージ（１０）の中空部（１１）に封止されるので、各半導体チップ（２０、２１、２２）を外気から遮断することができる。また、セラミックパッケージ（１０）の素材自体が外気を中空部（１１）に通しにくいので、中空部（１１）の気密性を長期間にわたって維持することができる。このように、各半導体チップ（２０、２１、２２）が外気の影響を受けないので、各半導体チップ（２０、２１、２２）の劣化を防止することができる。

さらに、ＣＡＮパッケージを用いずに全ての半導体チップ（２０、２１、２２）がセラミックパッケージ（１０）にベアチップ実装されているので、セラミックパッケージ（１０）を小型化することができる。これにより、車載用レーザ光源ユニット全体を小型化することができる。

なお、この欄及び特許請求の範囲で記載した各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものである。

本発明の第１実施形態に係る車載用レーザ光源ユニットの平面図である。 図１のII−II断面図である。 車載用レーザ光源ユニットの実装構造を示した断面図である。 本発明の第２実施形態に係る車載用レーザ光源ユニットの平面図である。 本発明の第３実施形態に係る車載用レーザ光源ユニットの断面図である。

以下、本発明の実施形態について図に基づいて説明する。なお、以下の各実施形態相互において、互いに同一もしくは均等である部分には、図中、同一符号を付してある。

（第１実施形態）
以下、本発明の第１実施形態について図を参照して説明する。本実施形態に係るレーザ光源ユニットは、車両に搭載されるものであり、レーザ式ヘッドアップディスプレイやプロジェクタの光源として用いられるものである。

図１及び図２に示されるように、車載用レーザ光源ユニット１００は、セラミックパッケージ１０、第１〜第３半導体チップ２０〜２２、第１〜第３波長選択素子３０〜３２、コリメートレンズ４０、フォトダイオード５０、及びメタルリッド６０を備えて構成されている。

セラミックパッケージ１０は、中空部１１を有する有底形状すなわち箱形状のケースである。セラミックパッケージ１０は、各半導体チップ２０〜２２、各波長選択素子３０〜３２、コリメートレンズ４０、及びフォトダイオード５０を中空部１１に収容している。

セラミックパッケージ１０は、例えば複数のセラミック基板が積層されて焼成されることにより構成されている。セラミックパッケージ１０は、各セラミック基板の貼り合わせ部に設けられた図示しない配線パターンと、外壁面に設けられ配線パターンに電気的に繋がった図示しないパッドやピン等の導体部と、を有している。そして、配線パターンに各半導体チップ２０〜２２及びフォトダイオード５０が電気的に接続されている。

第１〜第３半導体チップ２０〜２２は、それぞれ異なる波長のレーザ光を照射する光源である。各半導体チップ２０〜２２は、セラミックパッケージ１０の中空部１１の底面１２にそれぞれベアチップ実装されている。そして、各半導体チップ２０〜２２は、外部から入力される信号に従ってそれぞれレーザ光を照射する。

第１半導体チップ２０は、特定の波長として青色のレーザ光を照射するように形成されている。第２半導体チップ２１は、第１半導体チップ２０とは異なる波長のレーザ光として緑色のレーザ光を照射するように構成されている。第３半導体チップ２２は、第１半導体チップ２０及び第２半導体チップ２１とは異なる波長のレーザ光として赤色のレーザ光を照射するように構成されている。

本実施形態では、各半導体チップ２０〜２２は同じ列に配置されているので、レーザ光を照射させながらセラミックパッケージ１０にベアチップ実装しやすいというメリットがある。また、各半導体チップ２０〜２２のレーザ光はそれぞれ各波長選択素子３０〜３２で反射させられる光路になっているので、各半導体チップ２０〜２２の特性を出しやすいというメリットがある。

第１〜第３波長選択素子３０〜３２は、各半導体チップ２０〜２２から照射される各レーザ光のうち所定の波長の光を選択的に透過または反射させることにより各レーザ光を合成するものである。各波長選択素子３０〜３２は、例えば基板に形成された薄膜によってレーザ光を選択的に反射または透過させるフィルタとして構成されている。

第１波長選択素子３０は、第１半導体チップ２０に対向配置されている。そして、第１波長選択素子３０は、第１半導体チップ２０から照射された青色のレーザ光をコリメートレンズ４０側に反射させる。

第２波長選択素子３１は、第２半導体チップ２１に対向配置されている。そして、第２波長選択素子３１は、第１波長選択素子３０からの青色のレーザ光を透過すると共に、第２半導体チップ２１から照射された緑色のレーザ光をコリメートレンズ４０側に反射させる。このように、第２波長選択素子３１は、青色と緑色のレーザ光を合成する。

第３波長選択素子３２は、第３半導体チップ２２に対向配置されている。そして、第３波長選択素子３２は、第２波長選択素子３１からの青色及び緑色のレーザ光を透過すると共に、第３半導体チップ２２から照射された赤色のレーザ光をコリメートレンズ４０側に反射させる。このように、第３波長選択素子３２は、青色、緑色、赤色のレーザ光を合成してコリメートレンズ４０に導く役割を果たす。

コリメートレンズ４０は、各波長選択素子３０〜３２で合成されたレーザ光を平行光としてセラミックパッケージ１０の外部に出射するものである。コリメートレンズ４０は、セラミックパッケージ１０の側壁に設けられた貫通孔１３からレーザ光を出射するように、図示しない低融点ガラスを介して内壁に固定されている。

フォトダイオード５０は、セラミックパッケージ１０の中空部１１に収容されていると共に、第３波長選択素子３２を透過または反射したレーザ光を受光することにより当該レーザ光の状態を検出するものである。本実施形態では、フォトダイオード５０は、セラミックパッケージ１０の内壁のうち第３波長選択素子３２に対向する位置に配置されている。また、フォトダイオード５０は、セラミックパッケージ１０に形成された配線パターンに電気的に接続されている。

このような配置によると、フォトダイオード５０は、第３波長選択素子３２で反射及び透過した僅かなレーザ光を受光する。つまり、フォトダイオード５０は、青色、緑色、赤色の全てのレーザ光を受光する。また、フォトダイオード５０は、受光したレーザ光の強度に応じた検出信号を外部に出力する。

これによると、フォトダイオード５０の検出結果に応じて各半導体チップ２０〜２２に対する色バランス等のフィードバック制御を行うことが可能となる。このように、フォトダイオード５０を利用して、レーザ光の温度特性に応じて各半導体チップ２０〜２２の出力調整をリアルタイムで行うことができる。

メタルリッド６０は、セラミックパッケージ１０の開口部を塞ぐ板状の蓋部品である。図２に示されるように、メタルリッド６０は、セラミックパッケージ１０の開口端１４に固定されることによりセラミックパッケージ１０の中空部１１を密閉する。メタルリッド６０は、セラミックパッケージ１０の開口端１４に抵抗溶接されている。

本実施形態では、中空部１１は、窒素、酸素、及び真空のいずれかで満たされている。すなわち、各半導体チップ２０〜２２、各波長選択素子３０〜３２、フォトダイオード５０、及びコリメートレンズ４０が封止される。このように、中空部１１が、窒素、酸素、及び真空のいずれかで満たされるので、中空部１１に配置された各半導体チップ２０〜２２が外気に含まれる湿気の影響を受けないようにすることができる。

また、メタルリッド６０はコバール等で形成された金属製であるので、光を遮断する役割も果たす。したがって、メタルリッド６０によってセラミックパッケージ１０の中空部１１に外部から光が入ってこないので、コリメートレンズ４０から外部に照射されるレーザ光の精度の低下を抑制することができる。

以上が、本実施形態に係る車載用レーザ光源ユニット１００の全体構成である。車載用レーザ光源ユニット１００は、フロントウィンドウに向かって画像光を照射するように車両のダッシュボードや天井等に配置される。

次に、車載用レーザ光源ユニット１００の実装構造について説明する。図３に示されるように、車載用レーザ光源ユニット１００は、回路基板２００の一面２１０に実装される。回路基板２００は、プリント基板やセラミック基板やフレキシブル基板等である。回路基板２００の一面２１０には、各半導体チップ２０〜２２を制御するための図示しないＩＣチップや電子部品が実装されている。

また、回路基板２００のうち一面２１０とは反対側の他面２２０にペルチェ素子３００が実装されている。ペルチェ素子３００は、車載用レーザ光源ユニット１００を冷却する役割を果たす。そして、ペルチェ素子３００のうち回路基板２００とは反対側に放熱機構４００が配置されている。放熱機構４００は、ペルチェ素子３００の発熱を冷やす役割を果たすものであり、例えばヒートシンク、冷媒機構、空冷機構、水冷機構等で構成されている。上記のように、車載用レーザ光源ユニット１００を冷却構造に組み込むことができる。

以上説明したように、本実施形態では、各半導体チップ２０〜２２がセラミックパッケージ１０の中空部１１に封止された構造になっている。これにより、各半導体チップ２０〜２２を外気から遮断することができる。また、セラミックパッケージ１０の素材自体が外気を中空部１１に通しにくいものである。これにより、セラミックパッケージ１０の中空部１１の気密性を長期間にわたって維持することができる。特に、ペルチェ素子３００等により冷却する際、各半導体チップ２０〜２２は封止されているため、各半導体チップ２０〜２２を結露させないようにすることができる。

このように、セラミックパッケージ１０の気密性によって各半導体チップ２０〜２２が外気の影響を受けないようにすることができる。したがって、各半導体チップ２０〜２２の劣化を防止することができる。

また、本実施形態に係る車載用レーザ光源ユニット１００は、ＣＡＮパッケージを用いずに全ての半導体チップ２０〜２２を収容している。このため、セラミックパッケージ１０を小型化することができ、ひいては、車載用レーザ光源ユニット全体を小型化することができる。そして、車載用レーザ光源ユニット１００が小型化されるために冷却能力を最小化することができ、放熱構造の最小化を図ることができる。つまり、車載用レーザ光源ユニット１００を用いたシステム全体の小型化が可能となる。

なお、本実施形態の記載と特許請求の範囲の記載との対応関係については、メタルリッド６０が特許請求の範囲の「蓋部」に対応する。

（第２実施形態）
本実施形態では、第１実施形態と異なる部分について説明する。図４に示されるように、第１半導体チップ２０が第２波長選択素子３１、第３波長選択素子３２、及びコリメートレンズ４０を繋ぐ光路上に配置されている。つまり、本実施形態では、第１実施形態の構成に対して第１波長選択素子３０が設けられていない。

したがって、第２波長選択素子３１は、第１半導体チップ２０から照射された青色のレーザ光を透過すると共に、第２半導体チップ２１から照射された緑色のレーザ光を反射させる。また、第３波長選択素子３２は、第２波長選択素子３１からの青色及び緑色のレーザ光を透過すると共に、第３半導体チップ２２から照射された赤色のレーザ光を反射させてレーザ光をコリメートレンズ４０に導く。

以上のように、車載用レーザ光源ユニット１００に第１波長選択素子３０を設けない構成とすることもできる。この構成では第１波長選択素子３０を配置するスペースを考慮しなくて良いので、セラミックパッケージ１０のさらなる小型化を図ることができる。

なお、本実施形態の記載と特許請求の範囲の記載との対応関係については、第２波長選択素子３１が特許請求の範囲の「第１波長選択素子」に対応し、第３波長選択素子３２が特許請求の範囲の「第２波長選択素子」に対応する。

（第３実施形態）
本実施形態では、第１、第２実施形態と異なる部分について説明する。図５に示されるように、車載用レーザ光源ユニット１００は、セラミックパッケージ１０の中空部１１を封止するものとして透明なガラスリッド６１を備えている。ガラスリッド６１は、低融点ガラス等でセラミックパッケージ１０の開口端１４に固定されている。図５は、図１のII−II断面に対応した断面図である。

これにより、外部からガラスリッド６１を介してセラミックパッケージ１０の中空部１１を視認することができるので、各半導体チップ２０〜２２が正常にレーザ光を照射しているか否かの確認が容易な構成を提供することができる。

なお、本実施形態の記載と特許請求の範囲の記載との対応関係については、ガラスリッド６１が特許請求の範囲の「蓋部」に対応する。

（他の実施形態）
上記各実施形態で示された車載用レーザ光源ユニット１００の構成は一例であり、上記で示した構成に限定されることなく、本発明を実現できる他の構成とすることもできる。例えば、フォトダイオード５０の配置位置は上記各実施形態で示された位置に限られず、他の位置に配置されていても良い。また、フォトダイオード５０は１つに限られず、各半導体チップ２０〜２２に対応して設けられていても良い。一方、フォトダイオード５０は必須の部品ではなく、フォトダイオード５０が備えられていない構成でも良い。

また、各半導体チップ２０〜２２の配置位置についても上記各実施形態で示された配置位置に限られない。例えば、第１半導体チップ２０と第３半導体チップ２２の配置位置が逆転していても良い。この場合、各波長選択素子３０〜３２の配置位置も半導体チップに対応させれば良い。さらに、レーザ光は、赤色、緑色、青色に限られず、他の色が用いられても構わない。

車載用レーザ光源ユニット１００を冷却する構成は、図３で示された構成に限られない。例えば、ペルチェ素子３００は車載用レーザ光源ユニット１００と回路基板２００とに挟まれていても良い。

１０ セラミックパッケージ
１１ 中空部
１２ 底面
１４ 開口端
２０〜２２ 半導体チップ
３０〜３２ 波長選択素子
４０ コリメートレンズ
６０ メタルリッド（蓋部）

Claims (7)

1. 車両に搭載される車載用レーザ光源ユニットであって、
   異なる波長のレーザ光を照射する複数の半導体チップ（２０、２１、２２）と、
   中空部（１１）を有する有底形状をなしており、前記複数の半導体チップ（２０、２１、２２）が前記中空部（１１）の底面（１２）にベアチップ実装されたセラミックパッケージ（１０）と、
   前記複数の半導体チップ（２０、２１、２２）から照射される各レーザ光のうち所定の波長の光を選択的に透過または反射させることにより各レーザ光を合成する波長選択素子（３０、３１、３２）と、
   前記波長選択素子（３０、３１、３２）で合成されたレーザ光を平行光として外部に出射するコリメートレンズ（４０）と、
   前記セラミックパッケージ（１０）の開口端（１４）に固定されることにより前記セラミックパッケージ（１０）の中空部（１１）を密閉する板状の蓋部（６０、６１）と、
   を備えていることを特徴とする車載用レーザ光源ユニット。
2. 前記複数の半導体チップとして、特定の波長のレーザ光を照射する第１半導体チップ（２０）と、前記第１半導体チップ（２０）とは異なる波長のレーザ光を照射する第２半導体チップ（２１）と、前記第１半導体チップ（２０）及び前記第２半導体チップ（２１）とは異なる波長のレーザ光を照射する第３半導体チップ（２２）と、を備えており、
   前記波長選択素子は、
   前記第１半導体チップ（２０）から照射されたレーザ光を反射させる第１波長選択素子（３０）と、
   前記第１波長選択素子（３０）からのレーザ光を透過すると共に、前記第２半導体チップ（２１）から照射されたレーザ光を反射する第２波長選択素子（３１）と、
   前記第２波長選択素子（３１）からのレーザ光を透過すると共に、前記第３半導体チップ（２２）から照射されたレーザ光を反射させてレーザ光を前記コリメートレンズ（４０）に導く第３波長選択素子（３２）と、
   を有して構成されていることを特徴とする請求項１に記載の車載用レーザ光源ユニット。
3. 前記複数の半導体チップとして、特定の波長のレーザ光を照射する第１半導体チップ（２０）と、前記第１半導体チップ（２０）とは異なる波長のレーザ光を照射する第２半導体チップ（２１）と、前記第１半導体チップ（２０）及び前記第２半導体チップ（２１）とは異なる波長のレーザ光を照射する第３半導体チップ（２２）と、を備えており、
   前記波長選択素子は、
   前記第１半導体チップ（２０）から照射されたレーザ光を透過すると共に、前記第２半導体チップ（２１）から照射されたレーザ光を反射する第１波長選択素子（３１）と、
   前記第１波長選択素子（３１）からのレーザ光を透過すると共に、前記第３半導体チップ（２２）から照射されたレーザ光を反射させてレーザ光を前記コリメートレンズ（４０）に導く第２波長選択素子（３２）と、
   を有して構成されていることを特徴とする請求項１に記載の車載用レーザ光源ユニット。
4. 前記セラミックパッケージ（１０）の中空部（１１）に収容されていると共に、前記波長選択素子（３０〜３２）を透過または反射したレーザ光を受光することにより当該レーザ光の状態を検出するフォトダイオード（５０）を備えていることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１つに記載の車載用レーザ光源ユニット。
5. 前記蓋部は、金属製のメタルリッド（６０）であることを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１つに記載の車載用レーザ光源ユニット。
6. 前記蓋部は、ガラスリッド（６１）であることを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１つに記載の車載用レーザ光源ユニット。
7. 前記中空部（１１）は、窒素、酸素、及び真空のいずれかで満たされていることを特徴とする請求項１ないし６のいずれか１つに記載の車載用レーザ光源ユニット。

Images