JP6195193B2 - 光源装置及び投写型表示装置 - Google Patents

Description

本開示は、光源装置及び光源装置を備えた投写型表示装置に関する。

従来、投写型表示装置の光源装置として、高圧水銀ランプを使っているものが主流であったが、近年、発光ダイオードやレーザーダイオードなどの半導体光源を用いたものが開発されてきている。しかしながら半導体光源は、温度が高くなると発光効率が下がり、また、光源寿命も短くなることが知られている。そのため、半導体光源の冷却方法が提案されている。

例えば、ＣＡＮパッケージのレーザーダイオードでは、レーザー出射部の背面には、電力供給用の端子が出ている。このようなレーザーダイオードでは、熱を伝導させるための接触面積は、レーザー出射部側に比べると背面側の方がより大きく取れるため、背面側から熱を奪う方式が多く採用されている。そこで、下記に示す特許文献１には、押圧部材により弾性部材を押圧し、半導体光源を保持部材の面に加圧させて、半導体光源を冷却する構造が開示されている。

一方、近年の半導体光源の高出力化と共に、発熱量も増えていることから、半導体光源の温度がより上昇してしまう傾向にある。よって、発熱効率の向上と光源の長寿命化のために、光源装置に対してより高い冷却性能が求められてきている。

特開２０１１−１３４６６８号公報

本開示は、半導体光源を効率よく冷却し、半導体光源の温度上昇を抑えることができるようにした光源装置を提供する。

本開示における光源装置は、半導体光源と、半導体光源が配置される、熱伝導性材料からなる光源保持部材と、半導体光源で発生する熱を、光源保持部材を介して放熱する冷却部材と、を備える。また、光学レンズと、光学レンズを保持し、半導体光源の発光部側に配置される光学レンズ保持部材と、半導体光源の発光部を収容する孔を有する熱伝導性部材と、を備える。熱伝導性部材は、光源保持部材と光学レンズ保持部材との間に挟持されて、発光部の側面に密着している。

本開示によれば、熱伝導性部材を、レンズ保持部材と光源保持部材とで挟み込むことによって、半導体光源の発光部側面に密着させている。そのため、半導体光源の発光部側面から熱を奪い、効率良く半導体光源の温度上昇を抑えることが可能となる。

実施の形態に関する投写型表示装置を示す概略図である。 実施の形態に関する投写型表示装置の一部を示す図である。 実施の形態に関する投写型表示装置の一部の説明図である。 実施の形態に関する光源装置の要部断面図である。 実施の形態に関する熱伝導性弾性部材の平面図である。 実施の形態に関する光源装置の断面図である。 他の実施形態に関する熱伝導性弾性部材の平面図である。 他の実施形態に関する熱伝導性弾性部材の平面図である。

近年の半導体光源の高出力化に伴い、光源装置には、放熱効率の向上と光源の長寿命化のためにより高い冷却性能が求められている。本願発明者は、冷却性能を向上させるため、熱の伝達面を増加させることの有効性に着目したが、このことが以下の観点から困難であるとの知見を得た。すなわち、レーザーの背面には、電力供給用の端子が有るため、端子とレーザーホルダーとの絶縁対策を行うことで背面での接触面積が小さくなり、レーザーで発生する熱を効率よく奪うことに制限がある。

以下、適宜図面を参照しながら、実施の形態を詳細に説明する。但し、必要以上に詳細な説明は省略する場合がある。例えば、既に良く知られた事項の詳細説明や実質的に同一の構成に対する重複説明を省略する場合がある。これは、以下の説明が不必要に冗長になるのを避け、当業者の理解を容易にするためである。

なお、発明者は、当業者が本開示を十分に理解するために添付図面および以下の説明を提供するのであって、これらによって特許請求の範囲に記載の主題を限定することを意図するものではない。

（実施の形態）
以下、図を用いて、実施の形態を説明する。

図１は実施の形態にかかる光源装置を使用した投写型表示装置１００の構成を示す図である。

投写型表示装置１００は、励起光源１１１と、ＤＭＤ（Ｄｉｇｉｔａｌ Ｍｉｒｒｏｒ Ｄｅｖｉｃｅ）２４と、投写レンズ２５とを備える。励起光源１１１は、励起用の青色光を発光する複数個のレーザーダイオード（ＬＤ）１と、レーザーホルダー２と、冷却モジュール３を有する。複数個のレーザーダイオード１は、レーザーホルダー２上にマトリックス状に配置される。レーザーホルダー２は、熱伝導性の優れた材料から形成され、その背面には冷却モジュール３が配設される。

励起光源１１１は、さらに、コリメータレンズ５を有する。コリメータレンズ５は、後述するとおりレンズホルダー１１によって、レーザーダイオード１との位置関係を規定されて保持され、レーザーダイオード１の励起光（青色光）を平行化する。

集光レンズ６は、コリメータレンズ５から出力される青色光を集光する。レンズ７は、集光レンズ６から出射される青色の励起光が入射され、この光を平行光に変換する。

レンズ７から出射された励起用の青色光は、青色光を透過し緑色光を反射するダイクロイックミラー８を通過し、一対の凸レンズ９ａ、９ｂからなる集光／平行化レンズ９に入射する。

図２は、蛍光体ホイール装置１０の詳細を示す。図２（ａ）は蛍光体ホイール装置１０の平面図であり、図２（ｂ）は図２（ａ）の平面図におけるＡ−Ａ’線で断面した側面図である。蛍光体ホイール装置１０は、蛍光体ホイール１０１とモータ１０３を有する。蛍光体ホイール１０１上において、緑色蛍光体１０２が、環状に塗布された蛍光体層として形成される。

図３は、蛍光体ホイール装置１０の機能を示す説明図である。集光／平行化レンズ９に入射した青色光は、緑色蛍光体１０２に、図３に示されるように集光され、緑色蛍光体１０２を励起する。蛍光体ホイール装置１０は、モータ１０３によって蛍光体ホイール１０１を回転駆動するように構成されている。この回転駆動により、緑色蛍光体１０２が、そこに集光される青色の励起光によって焼付くのが防止される。

励起光によって励起され、蛍光体ホイール１０１の緑色蛍光体１０２から発光した緑色光は、集光／平行化レンズ９に入射し平行化されて、ダイクロイックミラー８に出射される。

ダイクロイックミラー８は、集光／平行化レンズ９からの緑色光を反射し、緑色光を透過し赤色光を反射するダイクロイックミラー１２に、緑色光を出射する。

平行化レンズ１３は、一対の凸レンズ１３ａ、１３ｂから構成される。赤色ＬＥＤ（発光ダイオード）１４は、平行化レンズ１３に対向配置されて、赤色光を発光する。赤色ＬＥＤ１４からの赤色光は、平行化レンズ１３で平行化されてダイクロイックミラー１２に出射される。

平行化レンズ１３から出射される赤色光はダイクロイックミラー１２で反射されて、赤
色光と緑色光を透過し青色光を反射するダイクロイックミラー１５に入射する。

平行化レンズ１６は、一対の凸レンズ１６ａ、１６ｂから構成される。青色ＬＥＤ（発光ダイオード）１７は、平行化レンズ１６に対向配置されて、青色光を発光する。青色ＬＥＤ１７からの青色光は平行化レンズ１６で平行化されてダイクロイックミラー１５に対して出射される。

以上のようにして、緑色光、赤色光、青色光の３色の光が、集光レンズ１８に入射する。すなわち、蛍光体ホイール装置１０からの緑色光はダイクロイックミラー８で反射された後、ダイクロイックミラー１２、１５を通過して集光レンズ１８に入射する。赤色ＬＥＤ１４から出射された赤色光はダイクロイックミラー１２で反射されてダイクロイックミラー１５を通過し集光レンズ１８に入射する。青色ＬＥＤ１７から出射された青色光はダイクロイックミラー１５で反射され集光レンズ１８に入射する。

集光レンズ１８は緑色光、赤色光、青色光を集光してロッドインテグレータ１９の一端面に出射する。ロッドインテグレータ１９の他端面から出射される出射光はリレーレンズ２０、２１を通過して全反射ミラー２２に出射される。

全反射ミラー２２で反射された光はレンズ２３を通過してＤＭＤ２４に入射する。ＤＭＤ２４は、入射した光を映像信号に応じて変調し、その変調した光を、レンズ２３を通して投写レンズ２５に対して出射する。投写レンズ２５は、入射された光を図示しないスクリーンに拡大投写する。

図４は、励起光源１１１の内部構成を示す要部断面図である。励起光源１１１は、レーザーホルダー２、冷却モジュール３、レーザーダイオード１、熱伝導性弾性部材４が、図４に示されるように配置されて組み立てられる。レーザーダイオード１は、端子１ｃをレーザーホルダー２の孔２ａに収容するように、フランジ部１ｂがホルダー２の孔２ａの周辺部に嵌着されて配置される。このようにしてレーザーダイオード１が配置された後、熱伝導性弾性部材４が、レーザーホルダー２に対して密着させて配備される。熱伝導性弾性部材４としては、例えばシリコン素材から成る放熱シリコンゴムシートが使用できる。

熱伝導性弾性部材４は、レーザーダイオード１の円柱形状をなした発光部１ａの径Ｌ１よりも少許大きい径Ｌ２の円柱形の孔４ａを有するとともに、この孔４ａにレーザーダイオード１の発光部１ａを収容するようにレーザーホルダー２に配置されたときレーザーダイオード１の発光部１ａの先端よりも少許（Ｌ３）突出する厚み（Ｌ４）を有する。

図５は、熱伝導性弾性部材４の平面図である。円柱形の孔４ａは、レーザーダイオード１の配列に合わせてマトリクス状に設けられている。各孔４ａに、一つのレーザーダイオード１が嵌め込まれる。

図６は、コリメータレンズ５が取り付けられた状態の励起光源１１１の断面図である。励起光源１１１には、レーザーダイオード１の発光部側に配置されたコリメータレンズ５を保持し、このコリメータレンズ５とレーザーダイオード１との位置を規定するレンズホルダー１１が取り付けられている。

レンズホルダー１１は、熱伝導性弾性部材４の輪郭と略一致した領域に、凹部１１ａが形成される。凹部１１ａの深さＬ５は、熱伝導性弾性部材４の厚みＬ４より短く、その厚みＬ４から上記突出（Ｌ３）の分を引いた長さ（Ｌ４−Ｌ３）よりも少許大きい長さに設定される。

図６のように、レンズホルダー１１は、その凹部１１ａに熱伝導性弾性部材４を嵌み込むことで、熱伝導性弾性部材４をレーザーホルダー２との間に挟持するように配置される。このように配置すると、熱伝導性弾性部材４が、レンズホルダー１１とレーザーホルダー２の挟持により弾性変形して、レーザーダイオード１の発光部１ａの側面１ｄに弾性的に密着する。尚、本実施の形態においては、レンズホルダー１１とレーザーホルダー２とは熱伝導性の優れたグリース等によって接合される。

かかる構成によれば、レーザーダイオード１で発生した熱は、発光部１ａからその発光部１ａの側面１ｄに密着した熱伝導性弾性部材４に熱伝導し、さらに熱伝導性弾性部材４に密着したレーザーホルダー２に熱伝導後、冷却モジュール３に熱伝導して放熱される。これによって、効率よくレーザーダイオード１の温度上昇が抑えられる。

また、レーザーダイオード１の発光部１ａの側面１ｄが脆弱である場合、強い力が加わると破損する虞があるが、上記の構成ではその側面１ｄを熱伝導性弾性部材４により覆うようになっている。熱伝導性弾性部材４が弾性を有することで、弾性的な緩衝作用が得られ、破損の虞を低減できる。このように、好適にレーザーダイオード１の熱を奪うことができ、励起光源１１１の光源装置としての信頼性の向上を図ることができる。

更に、上記の熱伝導性弾性部材４の構成により、コリメータレンズ５とレーザーダイオード１との間に密閉空間を形成することができる。これにより、レーザーダイオード１の発光部１ａに塵埃が付着することがなく、埃の焼き付き等によるレーザー光の出力低減を防止し得る効果もある。

熱伝導性弾性部材４は、シリコン素材であっても良い。シリコン素材は、シリコンなどの母材に無機粒子を分散させたコンポジット材料で構成されても良い。これにより、放熱性と弾性の大きな熱伝導性弾性部材を構成でき、レーザーダイオード１の温度上昇抑制とレーザーダイオード１の破損防止の両立が容易化できる。分散させる無機粒子は、例えば金属粒子であり、銀などでも良い。

本実施の形態における励起光源１１１は、次のように製造できる。レーザーダイオード１を、熱伝導性材料からなるレーザーホルダー２に配置する。更に、レーザーダイオード１の発光部１ａの径よりも大きい孔４ａと、レーザーダイオード１の発光部１ａの高さよりも厚い厚みを有する熱伝導性弾性部材４を、孔４ａにレーザーダイオード１の発光部１ａが収容されるように、レーザーホルダー２に配置する。さらに、コリメータレンズ５を保持するレンズホルダー１１と、レーザーホルダー２との間に、熱伝導性弾性部材４を挟持し、熱伝導性弾性部材４を弾性変形させて、発光部１ａの側面１ｄに密着させる。

また、本実施の形態において、投写型表示装置１００は、励起光源１１１と、励起光源１１１からの光を映像信号に応じて変調するＤＭＤ２４と、ＤＭＤ２４からの光をスクリーン上に投写する投写レンズ２５とを備える。投写型表示装置１００は、放熱効率が向上した励起光源１１１を備えることにより、光源の光出力の増加および信頼性の向上を図ることができる。

以上のように、本実施の形態において、励起光源１１１は、レーザーダイオード１と、レーザーダイオード１が配置される熱伝導性材料からなるレーザーホルダー２と、レーザーダイオード１で発生する熱を、レーザーホルダー２を介して放熱する冷却モジュール３と、を備える。励起光源１１１は更に、コリメータレンズ５と、コリメータレンズ５を保持し、レーザーダイオード１の発光部側に配置されるレンズホルダー１１と、レーザーダイオード１の発光部１ａを収容する孔４ａを有する熱伝導性弾性部材４と、を備える。熱伝導性弾性部材４は、レーザーホルダー２とレンズホルダー１１との間に挟持されて、発光部１ａの側面１ｄに密着している。

以上のように、本出願において開示する技術の例示として、実施の形態を説明した。しかしながら、本開示における技術は、これに限定されず、適宜、変更、置き換え、付加、省略などを行った実施の形態にも適用可能である。また、上記実施の形態で説明した各構成要素を組み合わせて、新たな実施の形態とすることも可能である。そこで、以下、他の実施形態を例示する。

（他の実施形態）
上述の実施の形態では、熱伝導性部材の一例として孔４ａを有する熱伝導性弾性部材４を説明した。熱伝導性部材は、半導体光源の発光部を収容する孔を有してもよい。したがって、熱伝導性部材は、熱伝導性弾性部材４に限定されない。熱伝導性弾性部材４を用いると、上述の効果が得られる。例えば、熱伝導性部材が弾性を有する場合、半導体光源が構造的に脆くても、その弾性力によって破損の虞を低減できる。

熱伝導性部材として、図７に示す熱伝導性弾性部材４’を用いても良い。図７は、他の実施形態における熱伝導性弾性部材４’の平面図である。熱伝導性弾性部材４’には、孔４ａの周に沿って、複数の小凹部４ｂが設けられている。この場合、熱伝導性弾性部材４’を弾性変形させると、小凹部４ｂの変形により、孔４ａが伸縮可能である可変域が広げられる。よって、小凹部４ｂが設けられた熱伝導性弾性部材４’を用いると、レーザーダイオード１の寸法精度のばらつきをより吸収することができる。なお、小凹部４ｂは、孔４ａの周に沿っていれば、この周上の何処に幾つ設けられても良い。小凹部４ｂの大きさ及び形状も、孔４ａの口径を縮められるものであれば良い。

また、熱伝導性部材として、図８に示す熱伝導性弾性部材４’を用いても良い。図８は、他の実施形態における熱伝導性弾性部材４’の平面図である。熱伝導性弾性部材４’には、孔４ａとは別の位置に、小孔４ｃが設けられている。この場合、熱伝導性弾性部材４’を弾性変形させると、小孔４ｃの変形により、孔４ａが伸縮可能である可変域が広げられる。よって、小孔４ｃが設けられた熱伝導性弾性部材４’を用いると、レーザーダイオード１の寸法精度の寸法精度のばらつきをより吸収することができる。なお、図８は小孔４ｃの個数、位置、形状などを限定するものではない。

また、熱伝導性弾性部材に替えて、他の熱伝導性部材を用いてもよい。つまり、他の熱伝導性部材をレーザーダイオード１の側面１ｄに密着させても良い。他の熱伝導性部材としては、例えば、フェイズチェンジシートや熱伝導性の充填剤などの、熱伝導性軟性部材が考えられる。具体的には、フェイズチェンジシートを用いて、レーザーダイオード１の側面１ｄに密着させても良い。また、熱伝導性の充填剤を用いて、図６における熱伝導性弾性部材４の占める領域を、その代わりに充填剤で満たしても良い。また、これらを組み合わせても良い。このような実施の形態においては、レーザーダイオード１が発光する際の温度以下、例えば摂氏５０〜６０度以下では溶解しない軟性部材を用いても良い。軟性部材によって緩衝作用が得られ、レーザーダイオード１の破損の虞を低減できる。

このような材質を用いると、熱伝導性部材がレーザーダイオード１の側面１ｄに密着することにより、発光時のレーザーダイオード１の温度上昇を効率よく抑えることができる。

以上のように、本開示における技術の例示として、実施の形態を説明した。そのために、添付図面および詳細な説明を提供した。

したがって、添付図面および詳細な説明に記載された構成要素の中には、課題解決のために必須な構成要素だけでなく、上記技術を例示するために、課題解決のためには必須でない構成要素も含まれ得る。そのため、それらの必須ではない構成要素が添付図面や詳細な説明に記載されていることをもって、直ちに、それらの必須ではない構成要素が必須であるとの認定をするべきではない。

また、上述の実施の形態は、本開示における技術を例示するためのものであるから、特許請求の範囲またはその均等の範囲において種々の変更、置き換え、付加、省略などを行うことができる。

本開示は、例えば投写型表示装置の光源装置に適用可能である。

１ レーザーダイオード
２ レーザーホルダー
３ 冷却モジュール
４ 熱伝導性弾性部材
５ コリメータレンズ
６ 集光レンズ
８ ダイクロイックミラー
１０ 蛍光体ホイール装置
１１ レンズホルダー
１２ ダイクロイックミラー
１４ 赤色ＬＥＤ
１５ ダイクロイックミラー
１７ 青色ＬＥＤ
１８ 集光レンズ
１９ ロッドインテグレータ
２４ ＤＭＤ
２５ 投写レンズ
１００ 投写型表示装置
１１１ 励起光源

Claims (7)

1. 半導体光源と、
   前記半導体光源が配置される、熱伝導性材料からなる光源保持部材と、
   前記半導体光源で発生する熱を、前記光源保持部材を介して放熱する冷却部材と、
   光学レンズと、
   前記半導体光源の発光部側に配置される、前記光学レンズを保持する光学レンズ保持部材と、
   前記半導体光源の発光部を収容する孔を有し、前記孔の周に沿って、少なくとも一つ以上の凹部が設けられた熱伝導性部材と、を備え、
   前記熱伝導性部材は、前記光源保持部材と前記光学レンズ保持部材との間に挟持された状態において、前記発光部の側面に密着している、光源装置。
2. 請求項１において、前記熱伝導性部材は弾性素材である、光源装置。
3. 請求項１または２において、前記熱伝導性部材はシリコン素材である、光源装置。
4. 請求項１において、前記熱伝導性部材はフェイズチェンジシートからなる、光源装置。
5. 請求項１から４のいずれか１つにおいて、前記熱伝導性部材には、前記孔とは別の位置に、孔が設けられている、光源装置。
6. 請求項１から５のいずれか１つに記載の光源装置と、
   前記光源装置からの光を映像信号に応じて変調する光変調装置と、
   前記光変調装置からの光をスクリーン上に投写する投写光学装置と、を備える、投写型表示装置。
7. 半導体光源を備える光源装置の製造方法であって、
   半導体光源を、熱伝導性材料からなる光源保持部材に配置するステップと、
   前記半導体光源の発光部の径よりも大きい孔と、前記孔の周に沿って、少なくとも一つ以上設けられた凹部と、前記半導体光源の発光部の高さよりも厚い厚みを有する熱伝導性弾性部材を、前記孔に前記半導体光源の発光部が収容されるように、前記光源保持部材に配置するステップと、
   光学レンズを保持する光学レンズ保持部材と、前記光源保持部材との間に、前記熱伝導性弾性部材を挟持し、前記熱伝導性弾性部材を弾性変形させて、前記発光部の側面に密着させるステップと、
   を含む、光源装置の製造方法。

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