JP2005079149A - 光源装置及びプロジェクタ - Google Patents

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Abstract

【課題】 小型で簡素な構造ながら高効率な冷却構造を備える光源装置と、この光源装置が搭載された高輝度で信頼性が高いプロジェクタを提供する。
【解決手段】 光源装置１０は、ＬＥＤチップ１００が冷却流体４００によって直接冷却される光源装置１０であって、前記ＬＥＤチップが固着される発光素子基板１０５と、前記発光素子基板１０５が、発光素子基台１２０または該発光素子基台１２０に備えられた冷却構造体１３０，１４０に固着され、前記発光素子基台１２０に設けられた前記冷却流体４００の流入流路１２１と流出流路１２２と、前記冷却構造体１３０，１４０の前記流入流路１２１と流出流路１２２との交錯部に設けられた複数の貫通孔１３１，１４１と、が備えられ、プロジェクタ１０００は、前記光源装置１０を備える。
【選択図】 図１

Description

本発明は、発光素子を冷却流体で直接冷却する光源装置と、この光源装置を搭載したプロジェクタに関する。
近年、発光ダイオード（ＬＥＤ）等の固体光源を照明に用いるプロジェクタ等の電子機器の小型化、高輝度化が促進されて装置内の熱密度が従来に比べて上昇してきたために、電子機器、特に発熱源である光源装置の冷却性能の一層の向上が必要とされてきている。
また、ＬＥＤチップは透光性樹脂によって被覆されているが、透光性樹脂は一般的に熱伝導率が低い。従って、ＬＥＤチップで発生した熱は、ＬＥＤチップが固着される発光素子基板やリード線を通じて放熱されるが、光源装置の高輝度化や高出力化が進むにつれ、充分な放熱性が得られなくなってきている。
従来、発光素子であるＬＥＤチップを冷却流体で直接冷却する光源装置が提案されている。この際、密閉された冷却流体の自然対流で冷却する構造、ヒートパイプの原理で冷却する構造、冷却気体を流動させて冷却させる構造等が知られている（例えば、特許文献１参照）。
また、ＬＥＤチップまたはＬＥＤチップが固着された基板を密閉された容器内の冷却液体で冷却する構造や容器外から透光性の絶縁流体を流動させて冷却する構造が知られている（例えば、特許文献２参照）。
また、ＬＥＤチップが基板に固着され、密閉された容器内の冷却液体で冷却される構造であって、基板または容器にフィンが設けられている光源装置も知られている（例えば、特許文献３参照）。
特開平１１−１６３４１０号公報（第３頁、第４頁、第１図〜第４図） 特開２００１−３６１４８号広報（第１頁、第９頁〜第１０頁、第１図、第３２図） 特開２００１−３６１５３号広報（第３頁、第１図、第３図）
このような特許文献１では、密閉された液体で冷却する構造であるため、液体は自然対流で容器内を循環されるだけのため、冷却スピードが遅いという課題がある。また、ヒートパイプの原理で冷却する構造では、液体内に気泡が発生し易く、気泡は冷却効果を減ずるという課題がある。
また、冷却気体を流動させＬＥＤチップを直接冷却する構造では、気体は金属に比べ熱伝導率が低いため充分な冷却効果が得られないという課題もある。
また、特許文献２では、冷却液体を容器外から流入させ、容器内を流動して容器外に流出させているので、冷却液体を自然対流によって冷却するよりも冷却効果はあるが、透光性の絶縁流体は熱伝導率が低く、プロジェクタなどの投写型表示装置等に使用される高輝度、高出力の発光素子を冷却するためには、冷却液体の流量を多くしなければならず、このことは、冷却機構の大型化や複雑化が要求され、其の結果光源装置がコスト高になるという課題がある。
また、冷却液体の流量を増加させると容器内の圧力を増すことになり、ＬＥＤチップを接続する電極部（ワイヤーボンディング部）に応力が発生し、光源装置の信頼性を減ずるというような課題もある。
特許文献３では、ＬＥＤチップが固着される基板、または容器に放熱フィンが設けられているが、冷却液体は自然対流されるだけであるので、充分な冷却性能が得られないというような課題がある。また、このような構造では、構造的強度からＬＥＤチップと放熱フィンとの距離を大きくしなければならないので、充分な冷却性能が得られないという課題もある。
本発明の目的は、小型で簡素な構造ながら高効率な冷却構造を備える光源装置と、この光源装置が搭載された高輝度で信頼性が高いプロジェクタを提供することである。
本発明の光源装置は、発光素子が冷却流体によって直接冷却される光源装置であって、前記発光素子が固着される発光素子基板と、前記発光素子基板が、発光素子基台または該発光素子基台に備えられた冷却構造体に固着され、前記発光素子基台に設けられた前記冷却流体の流入流路と流出流路と、前記冷却構造体の前記流入流路と流出流路との交錯部に設けられた複数の貫通孔と、が備えられたことを特徴とする。
ここで、発光素子としては、発光ダイオード（ＬＥＤ）を採用することができ、冷却流体としては、窒素ガス（Ｎ２）等の気体や、シリコンオイル等の液体を採用することができる。
また、発光素子基台、冷却構造体の材料としては、冷却流体よりも熱伝導率が高いアルミニウム合金や銅系の金属を採用することができる。
この発明によれば、発光素子は冷却流体によって直接冷却することができるが、発光素子は発光素子基台または冷却構造体に固着されているので、発光素子が発生する熱は、冷却流体よりも熱伝導率が高い金属で形成された発光素子基台または冷却構造体に早く伝導する。この際、冷却構造体に設けられた複数の貫通孔に冷却流体が流入するために、この貫通孔における放熱冷却のほか、冷却流体が撹拌されるので、発光素子の冷却効果を高めることができる。このことは、同じ冷却効果を得るためには、冷却流体の流量を減ずることができるので、光源装置の冷却構造を簡素化でき、また小型化することができる。
さらに、冷却流体の流量を減ずることができることから、冷却流体の圧力が減ずることになる。このことにより、例えば、発光素子自身や発光素子と外部制御回路を電気的に接続する接続部にかかる応力を減ずることができるので、長期間にわたって光源装置の性能を維持することができる。
本発明では、前記発光素子が、前記発光素子基台または前記冷却構造体に直接固着されていることが好ましい。
この発明によれば、発光素子は、前述したような発光素子基板を介さずに発光素子基台または冷却構造体に固着されているので、発光素子が発生する熱は、直接発光素子基台や冷却構造体に伝導されるために冷却速度を高めることができる。
また、構造を簡素化することもできる。
また、本発明では、前記流入流路と前記流出流路とが、前記発光素子基台の外部から内部底面に向かって前記発光素子近傍に形成されていることが好ましい。
この発明によれば、冷却流体は、発光素子の近傍から流入し、発光素子の上面を循環した後、やはり発光素子の近傍から発光素子基台から排出されるので、冷却流体による発光素子の直接冷却と、冷却構造体に設けられた複数の貫通孔を冷却液体が通過する際の放熱冷却とで、効率の良い冷却効果を得ることができる。
本発明では、前記流入流路と前記流出流路とが、前記発光素子と断面略同じ高さ位置に、前記発光素子を挟んで設けられていることが好ましい。
このような発明では、冷却流体が、流入流路から発光素子に直接当たるように流入され、発光素子の周辺を流動して流出流路から発光素子基台の外部に排出されるので、冷却された冷却流体が発光素子を冷却するともに、冷却流体の循環が円滑に行われるために、冷却効果を高めることができる。
本発明では、前記流入流路と前記流出流路とが備えられ、前記流入流路と前記流出流路と断面的に略平行に形成され、前記発光素子基台を貫通する前記冷却流体の流路と、がさらに備えられていることが望ましい。
この発明によれば、流入流路と流出流路とは別に、例えば、発光素子基台の発光素子が固着される方向の面の下面に冷却流体の流路が設けられているため、発光素子を冷却流体で直接冷却できることに加え、発光素子が発生した熱の伝導体である発光素子基台に複数の流路を備えることで、より効率的な発光素子の冷却をすることができる。
本発明では、前記冷却構造体に設けられた複数の貫通孔が、格子状またはスリット状に配列されて形成されることが好ましい。
この発明によれば、冷却流体が通過する貫通孔が、例えば、円形や多角形の貫通孔が複数配列されるか、スリット状の貫通孔が複数設けられているため、冷却流体が発光素子基台に接触する表面積が大きくなり、放熱効果と、冷却流体の撹拌効果で、冷却効果が一層高められ、其の結果、冷却流体の流量を減ずることができる。
本発明では、前記発光素子基台と、前記冷却構造体のいずれか一方、または両方の前記発光素子に対向する面に、発光素子から射出される可視光を反射するための反射処理が施されていることが望ましい。
この発明によれば、発光素子基台または冷却構造体の発光素子に対向する面に、可視光の反射率を高める処理、例えば、鏡面仕上げ、細かい凹凸仕上げ（乱反射仕上げ）や光の反射層を形成するめっきなどが施されているので、発光素子が冷却流体に浸漬されていても投写光の輝度を高めることができる。
本発明のプロジェクタは、前述の構造の光源装置を備えたことを特徴とする。
このようなプロジェクタは、光源装置の冷却効率が高いので輝度を高めることができ、また、構造も簡素であるため、高輝度で小型化、また長期間にわたって良好な性能を維持することができる。
以下、本発明の実施例を図面に基づいて説明する。
図１〜図１５は、本実施例の光源装置及びプロジェクタが示されている。
図１〜図３は実施例１の光源装置を示す。
図１は、実施例１の光源装置１０を示す断面図、図２はその平面図（レンズキャップ２００と固定リング３００を省略してある）、図３は、実施例１の変形例を示す断面図である。図１、図２において、一辺が１ｍｍ程度の略正方形に形成された発光素子であるＬＥＤチップ１００は、一方の面にｎ電極１０１とｐ電極１０２とが互いに接触しない間隙を有して形成されている。このｎ電極１０１とｐ電極１０２とが、それぞれに対向する電極が形成された発光素子基板１０５の電極１０６Ａ，１０６Ｂに接続されている。
発光素子基板１０５は、短辺がＬＥＤチップ１００の一辺と略同じで、長辺が短辺の約２倍程度の長方形であり、ＬＥＤチップ１００と同じ面には、中央部に絶縁部を有して分割された一対の電極１０６Ａ，１０６Ｂが形成されている。ＬＥＤチップ１００は、前述のｎ電極１０１とｐ電極１０２とを発光素子基板１０５の電極１０６Ａ，１０６Ｂに銀ペースト等で過熱接着されている。
また、ＬＥＤチップ１００が固着された発光素子基板１０５は、発光素子基台１２０に設けられた凹部１２３に接着固定されている。
発光素子基台１２０は、外形が直方体をしており、一方の面（図中、上面）の略中央部に、平面が円形で断面が台形の凹部１２３が形成されている。この凹部１２３の底面１２３Ａの中央にＬＥＤチップ１００が固着された発光素子基板１０５が接着される。発光素子基台１２０には、発光素子基板１０５の長手方向端部の近傍に冷却流体４００が流入出する流入流路１２１と流出流路１２２が凹部１２３の底部１２３Ａの面に対して略垂直に貫通されている。これら流入流路１２１と流出流路１２２とは、直径２ｍｍ程度に設定される。流出流路１２２が凹部１２３の底部１２３Ａと交錯する位置の内面には、冷却流体４００が流出しやすいように斜面が形成されている。
発光素子基台１２０は、熱伝導率が高いアルミニウム合金や銅合金などが使用できるが、以降、比重も小さく軽量化ができるアルミニウム合金を使用した場合を実施例として説明する。この発光素子基台１２０は、凹部１２３内面を含んで、後述する冷却構造体１３０と１４０に接する面にアルマイト処理などの絶縁層が形成されている（図示しない）。この絶縁層の厚みは約２０μｍに設定される。
発光素子基台１２０の凹部１２３の内面に冷却構造体１３０と１４０とが密着されている。
冷却構造体１３０と１４０とは、発光素子基板１２０の凹部１２３内面形状に合った凸部と、この凸部の外周から発光素子基台１２０の上面に延出された鍔部１３８，１４３と、これらの鍔部１３８．１４３の外周から発光素子基台１２０の外縁まで延出されたリード部１３９，１４４から構成されており、冷却構造体１３０と１４０とは同じ形状、同じ材料（アルミニウム合金）で形成されている。厚みは、０．３ｍｍに設定されている。
リード部１３９，１４４は、図示しないが、発光素子を発光制御する制御回路に接続されている。
冷却構造体１３０と１４０との間には間隙が設けられている。
これら冷却構造体１３０，１４０の中央部には、発光素子基板１０５の両端を押さえる突起部１３２と１４２が形成される。これらの突起部１３２，１４２とがそれぞれに対応する発光素子基板１０５の電極１０６Ａ，１０６Ｂに接続固着されている。突起部１３２，１４２の電極１０６Ａ，１０６Ｂと接する部分には、図示しない小さな突起が形成されることで接続の信頼性を高める。
冷却構造体１３０，１４０は、先述の突起部１３２，１４２以外の場所は、発光素子基台１２０に絶縁性接着剤等で密着固定される。
冷却構造体１３０，１４０は、前述の冷却流体の流入流路１２１と流出流路１２２と交錯する位置に、冷却流体４００の流入口、流出口としての複数の貫通孔１３１と１４１とが穿設されている。本実施例１では、これらの貫通孔１３１，１４１は、直径０.５ｍｍ、ピッチ０．７ｍｍで縦５個、横４個に整列配列（図２、参照）され、流入流路１２１と流出流路１２２の直径よりも広い範囲に設けられている。冷却構造体１３０，１４０のＬＥＤチップ１００と対向する面全体には、ＬＥＤチップ１００から射出される可視光を効率良く反射するために、鏡面仕上げ、細かい凹凸仕上げ（乱反射仕上げ）や光の反射層を形成するめっきなどが施されている。
冷却構造体１３０，１４０は、鍔部１３８，１４３、リード部１３９，１４４が発光素子基台１２０の上面に載置されているが、これらによって形成される平面方向の隙間には、図示しないが、合成樹脂などが充填されて、上面が同一平面に成形される。この平面上に固定リング３００が接着され、レンズキャップ２００で発光素子基台１２０とで密閉空間がつくられる。
固定リング３００は、合成樹脂等の材料でリング状に成形され、前述の発光素子基台１２０（冷却構造体１３０，１４０の鍔部１３８，１４３、リード部１３９，１４４の上面を含む）の上面に密着固定される。この固定リング３００の上面にガラス等の透明のレンズキャップ２００の縁部が密着固定される。この発光素子基台１２０と固定リング３００とレンズキャップ２００の間の空間に冷却流体である熱伝導率が高く、流動性がよいシリコンオイルが流動される。
図示しないが、光源装置１０の外部には、冷却流体４００を貯蔵するタンクと、冷却流体４００を流動する小型ポンプが備えられ、冷却流体４００を小型ポンプにて光源装置１０内に流入させ、循環し、光源装置１０外に流出させる。冷却流体の流量は毎秒２ｃｍ３
に設定されている。
タンクまたは光源装置１０外における冷却流体４００の循環過程で、冷却流体４００の冷却装置を備えることができる。
図３は、冷却構造体１３０，１４０に設けられた貫通孔１３１，１４１の形状について示した要部平面図である。図３（ａ）は円形の孔、図３（ｂ）は四角形の孔、図３（Ｃ）はスリット状の孔が穿設されている。これらの貫通孔１３１，１４１の形状、大きさ、ピッチ、数は、発光素子１０の輝度、出力、サイズ等から最適な条件を適宜選択して設定することができる。また、流入流路１２１、流出流路１２２の直径や、冷却流体４００の流量も前述の条件に限定されるものではなく、貫通孔１３１，１４１との最適組み合わせで自由に選択することができる。
次に、前述の実施例１の変形例について、図４に基づき説明する。
図４（ａ）は、発光素子基板１０５を発光素子基台１２０に固着して、ワイヤー１１０で冷却構造体に接続された場合の断面図を示し、図４（ｂ）は、ＬＥＤ１００を直接、発光素子基台１２０に固着した場合の断面図を示す。この変形例は、実施例１とは、ＬＥＤチップの固着構造と、冷却構造体１３０，１４０の形状、ＬＥＤチップ１００と冷却構造体１３０，１４０との接続構造だけが異なるため、相違点以外の説明は省略する。
図４（ａ）において、ＬＥＤチップ１００は、一方の面にｎ電極１０１とｐ電極１０２とが互いに接触しない間隙を有して形成されている。このｎ電極１０１とｐ電極１０２とが、それぞれに対向する電極が形成された発光素子基板１０５の電極１０６に接続されている。
発光素子基板１０５は、短辺がＬＥＤチップ１００の一辺と略同じで、長辺が短辺の約倍程度の長方形であり、ＬＥＤチップ１００と同じ面には、中央部に絶縁部を有して分割された一対の電極１０６Ａ，１０６Ｂが形成されている。ＬＥＤチップ１００は、前述のｎ電極１０１とｐ電極１０２とを発光素子基板１０５の電極１０６Ａ，１０６Ｂに銀ペースト等で過熱接着されている。
また、発光素子基板１０５は、発光素子基台１２０に設けられた凹部１２３の底部１２３Ａに接着固着されている。
冷却構造体１３０と１４０は、それぞれ対向する面の中央部が発光素子基板１０５と隙間ができる程度の開口部が形成され、他の形状は実施例１と同じである（図１、図２参照）。ＬＥＤチップ１００のｎ電極１０１に対応した一方の電極１０６Ａとｐ電極１０２に対応した他方の電極１０６Ｂとが、ワイヤー１１０で冷却構造体１３０と１４０にワイヤー１１１０で接続されている。
図４（ｂ）において、発光素子基台１２０は、凹部１２３の内面全体を含め冷却構造体１３０，１４０と接触する面がアルマイト処理等で、２０μｍ程度の厚みの絶縁層１２０Ａが形成されている。発光素子基台１２０の中央部の絶縁層１２０Ａの上面には、前述のＬＥＤチップ１００のｎ電極１０１と対応する電極１８１、ｐ電極に対応する電極１８２が形成されている。
これらｎ電極１０１と電極１８１、ｐ電極１０２と電極１８２とが、銀ペースト等で接続固定される。電極１８１と電極１８２は、それぞれ対向する端部は隙間を有し、他方の端部は、ＬＥＤチップ１００の外形よりも大きく設定されており、ワイヤー１００がワイヤーボンディングされるための面積が設けられている。
冷却構造体１３０，１４０は、中央部が前述の電極１８１，１８２と接触しない範囲の開口部が形成されて、発光素子基台１２０に密着固定されている。この電極１８１と冷却構造体１３０、電極１８２と冷却構造体１４０とがワイヤー１１０で接続されている。
従って、実施例１によれば、ＬＥＤチップ１００は冷却流体４００によって直接冷却することができるが、ＬＥＤチップ１００は発光素子基台１２０または冷却構造体１３０，１４０に固着されているので、ＬＥＤチップ１００が発生する熱は、冷却流体４００よりも熱伝導率が高いアルミニウム合金等の金属で形成された発光素子基台１２０または冷却構造体１３０，１４０に早く伝導する。この際、冷却構造体１３０，１４０に設けられた複数の貫通孔１３１，１４１に冷却流体４００が流入するために、この貫通孔１３１，１４１における放熱冷却のほか、冷却流体４００が撹拌されるので、発光素子の冷却効果を高めることができる。このことは、同じ冷却効果を得るためには、冷却流体４００の流量を減ずることができる。実施例１の条件の場合、光源装置１０の出力を同一とした場合には、冷却流体４００の流量を約２０％削減することができるので、光源装置の冷却構造を簡素化でき、ポンプ等を含め小型化することができる。
さらに、冷却流体４００の流量を減ずることができることにより、冷却流体４００の圧力を減ずることができる。このことにより、例えば、ＬＥＤチップ１００自身やＬＥＤチップ１００と外部制御回路とを電気的に接続する接続部にかかる応力を減ずることができるので、長期間にわたって光源装置の性能を維持することができる。
図４（ｂ）に示した本実施例１の変形例によれば、ＬＥＤチップ１００が発光素子基台１２０に固着されているため、ＬＥＤチップ１００の熱が熱容量の大きい発光素子基台１２０に早く伝導されるので、より一層冷却効果を高めることができる。
また、冷却構造体１３０，１４０のＬＥＤチップ１００に対向する面が、可視光の反射率を高める処理が施されているので、ＬＥＤチップ１００が冷却流体４００に浸漬されていても投写光の輝度を高めることができる。
次に、本発明の光源装置１０の実施例２について図５〜図７を用いて説明する。
図５は、実施例２の構造を示す断面図、図６はその平面図、図７は、実施例２の変形例を示す断面図である。図５、図６において、ＬＥＤチップ１００は、発光素子基板１０５に固着される。ＬＥＤチップ１００と、発光素子基板１０５の構造は実施例１と同じであるため説明は省略する。
発光素子基台１２０は、外形が略直方体をしており、一方の面（図中、上面）の略中央部に、平面が円形で断面が台形の凹部１２３が形成されている。この発光素子基台１２０の凹部１２３の内面には冷却構造体１５０が密着されており、その冷却構造体１５０の中央部にＬＥＤチップ１００が固着された発光素子基板１０５が接着されている。発光素子基台１２０には、発光素子基板１０５の長手方向端部の近傍に冷却流体４００が流入出する流入流路１２１と流出流路１２２が凹部１２３の底部１２３Ａに対して略垂直に貫通されている。これら流入流路１２１と流出流路１２２の大きさは、直径２ｍｍ程度に設定される。流出流路１２２が凹部１２３の底部１２３Ａと交錯する位置の内面には、冷却流体４００が流出しやすいように斜面が形成されている。
発光素子基台１２０は、熱伝導率が高く、比重も小さく軽量化ができるアルミニウム合金を使用している。この発光素子基台１２０は、凹部１２３の内面を含んで、後述する冷却構造体１５０に接する面にアルマイト処理などの絶縁層が形成されている（図示しない）。この絶縁層の厚みは約２０μｍに設定される。
冷却構造体１５０は、厚みが０．３ｍｍで、外径が発光素子基台１２０の凹部１２３の底部の直径よりも小さく設定された円盤状に形成され、冷却構造基台１２０に密着固定されている。この冷却構造体１５０が、発光素子基台１２０に設けられた流入流路１２１と流出流路１２２と交錯する位置には、冷却流体４００の流入口、流出口としての貫通孔１５１，１５２が穿設されている。
この貫通孔１５１，１５２は、一辺が０．５ｍｍの正方形で、ピッチは０．７ｍｍとされ、縦５個、横４個設けられている。
貫通孔１５１，１５２の形状は、正方形に限らず、円形やスリット状を採用することができる（図３，参照）
冷却構造体１５０と発光素子基台１２０とのＬＥＤチップ１００と対向する面には、それぞれ可視光を効率良く反射させるために、鏡面仕上げ、乱反射仕上げやめっきがほどこされている。
発光素子基台１２０の凹部１２３の外縁には、絶縁リング１７０が接着固定され、その絶縁リング１７０の上面には、リード基板１６０，１６１が組み込まれる溝が形成されている。
リード基板１６０，１６１は、短冊状の形状をした金属板であり、それぞれ一方の端部が発光素子基台１２０から延出され、外部制御回路（図示しない）に接続される。絶縁リング１７０とリード基板１６０，１６１の上面は同じ平面が形成される。この平面上に固定リング３００が接着され、固定リング３００上面にガラスなどの透明のレンズキャップ２００が密着固定される。
この発光素子基台１２０と固定リング３００とレンズキャップ２００の間に形成された空間に冷却流体である熱伝導率が高く、流動性がよいシリコンオイルが流動される。
ＬＥＤチップ１００が固着された発光素子基板１０５に形成された一対の電極１０６Ａ，１０６Ｂとリード基板１６０，１６１とをそれぞれワイヤー１１０で接続し、外部制御回路（図示せず）からの信号でＬＥＤチップ１００が発光する。
図示しないが、光源装置１０の外部には、冷却流体４００を貯蔵するタンクと、冷却流体４００を流動する小型ポンプが備えられ、冷却流体４００を小型ポンプにて光源装置１０内に流入させ、循環し、光源装置１０外に流出させる。冷却流体の流量は毎秒２ｃｍ３
に設定されている。
図７は、実施例２の変形例を示し、図７（ａ）は、発光素子基板１０５を発光素子基台１２０に固着した実施例を示す断面図、図７（ｂ）は、ＬＥＤチップ１００を直接、発光素子基台１２０に固着した実施例を示す断面図である。これらの変形例は、前述した実施例２とは、冷却構造体１５０の形状と、ＬＥＤチップ１００の取り付け部構造が異なるだけであるため、共通部分の説明は省略する。
図７（ａ）において、ＬＥＤチップ１００は、一方の面にｎ電極１０１とｐ電極１０２とが互いに接触しない間隙を有して形成されている。このｎ電極１０１とｐ電極１０２とが、それぞれに対向する電極が形成された発光素子基板１０５の電極１０６Ａ，１０６Ｂに接続されている。
発光素子基板１０５は、短辺がＬＥＤチップ１００の一辺と略同じで、長辺が短辺の約倍程度の長方形であり、ＬＥＤチップ１００と同じ面には、中央部に絶縁部を有して分割された電極１０６Ａ，１０６Ｂが形成されている。ＬＥＤチップ１００は、前述のｎ電極１０１とｐ電極１０２とを発光素子基板１０５の電極１０６Ａ，１０６Ｂに銀ペースト等で過熱接着されている。
また、発光素子基板１０５は、発光素子基台１２０に設けられた凹部１２３の底部１２３Ａに接着固定されている。底部１２３Ａの表面は、図示しないが、２０μｍ程度の厚みのアルマイト処理等の絶縁層が形成されている。
発光素子基板１０５の周囲にリング状の冷却構造体１５０が配置される。
冷却構造体１５０は、厚みが０．３ｍｍで、外径が発光素子基台１２０の凹部１２３の底部１２３Ａの直径よりも小さく設定された円盤状に形成され、中央部は、発光素子基板１０５に接しない程度の大きさの開口部が設けられており、冷却構造基台１２０に密着固定されている。この冷却構造体１５０の、発光素子基台１２０に設けられた流入流路１２１と流出流路１２２と交錯する位置には、冷却流体４００が透通する貫通孔１５１，１５２が穿設されている。
この貫通孔１５１，１５２は、一辺が０．５ｍｍの正方形で、ピッチは０．７ｍｍとされ、縦５個、横４個設けられている。
冷却構造体１５０と発光素子基台１２０とのＬＥＤチップ１００と対向する面には、それぞれ可視光を効率良く反射させるために、鏡面仕上げ、乱反射仕上げやめっきが施されている。
ＬＥＤチップ１００が固着された発光素子基板１０５に形成された電極１０６Ａ．１０６Ｂとリード基板１６０，１６１とをそれぞれワイヤー１１０で接続し、外部制御回路（図示せず）からの信号でＬＥＤチップ１００が発光する。
図７（ｂ）において、発光素子基台１２０の凹部１２３の内面全体を含め冷却構造体１５０と接触する面は、図示しないが、アルマイト処理等で絶縁層が形成されている。発光素子基台１２０の中央部の絶縁層の上面には、前述のＬＥＤチップ１００のｎ電極１０１と対応する電極１８１、ｐ電極に対応する電極１８２が形成されている。
これらｎ電極１０１と電極１８１、ｐ電極１０２と電極１８２とが、銀ペースト等で接続固定される。電極１８１と電極１８２は、それぞれ対向する端部は隙間を有し、他方はＬＥＤチップ１００の外形よりも大きく設定されており、ワイヤーボンディングのための面積が設けられている。
冷却構造体１５０は、中央部が前述の電極１８１，１８２と接触しない範囲の開口部が形成されて、発光素子基台１２０に密着固定されている。この電極１８１とリード基板１６０、電極１８２とリード基板１６１とがワイヤー１１０で接続されている。
従って、本実施例２は、実施例１に比べて、主たる構造の違いは、冷却構造体１５０の形状及びＬＥＤチップ１００の固着構造であり、実施例２によれば、実施例１と同様な効率のよい冷却効果を得ることができる。
実施例２の条件においては、光源装置１０の出力を同一とした場合には、流体の流量を１５％削減することができる。このことにより、ポンプ（図示しない）の小型化や出力を小さくできるので、光源装置１０内の冷却流体４００の圧力を減ずることができ、ＬＥＤチップ１００の損傷を防止し、長期間にわたって初期の性能を維持することができる。
次に、本発明の光源装置１０の実施例３について、図８〜図１０を用いて説明する。実施例３は、前述した実施例１、実施例２に比べ、冷却流体４００の流入流路、流出流路を変えた構造である。従って、構造が共通部分の説明は省略する。
図８は、実施例３の光源装置１０の断面図、図９はその平面図、図１０は実施例３の変形例を示す断面図である。図８、図９において、ＬＥＤチップ１００は、発光素子基板１０５に固着され、発光素子基板１０５は、冷却構造体１４８の底部に固着されている。
また、冷却構造体１４８は、開口部が広く、底部が狭い容器状の形状に形成されて、発光素子基台１２０に密着固定される。
発光素子基台１２０は、中央部に冷却構造体１４８が密着される凹部１２３が形成され、ＬＥＤチップ１００の平面と平行に、発光素子基台１２０の外側から凹部１２３に貫通する断面円形の冷却流体４００の流入流路１２４と、流出流路１２５が穿設されている。流入流路１２４と流出流路１２５の大きさは直径２ｍｍに設定され、流入方向から視認して連続した貫通孔である。その断面高さは、発光素子基板１０５と冷却構造体１４８の接合面よりわずかに高い位置に最下面が位置され、ＬＥＤチップ１００が、これら流入流路１２４と流出流路１２５の貫通孔の内側範囲に納まるように設定されている。
冷却構造体１４８は、厚みが０．３ｍｍのアルミニウム合金製であり、流入流路１２４と流出流路１２５に対応した位置に長辺が２．５ｍｍ、短辺が０．５ｍｍの長方形のスリット状の流入口、流出口としての貫通孔１４５，１４６がそれぞれ４個穿設されている。
なお、これらの貫通孔１４５，１４６は、スリット状に形成されているが、円形または四角形の孔が設けられてもよい（図３、参照）。
また、冷却構造体１４８のＬＥＤチップ１００と対向する面は、可視光を効率良く反射させるために、鏡面仕上げ、乱反射仕上げやめっきが施されている。
発光素子基台１２０の上面には、絶縁リング１７０が固着され、その上面にはリード基板１６０，１６１が固着され、その上部に固定リング３００、レンズキャップ２００が順次密着固定されて冷却流体４００が流動する空間が形成される。この構造は、実施例２と同じである。
ＬＥＤチップ１００が固着された発光素子基板１０５に形成された一対の電極１０６Ａ，１０６Ｂとリード基板１６０，１６１とをそれぞれワイヤー１１０で接続し、外部制御回路（図示せず）からの信号でＬＥＤチップ１００が発光する。
図１０は、実施例３の変形例であり、冷却構造体１４８の底部中央部に、発光素子基板１０５と接触しない範囲の開口部が穿設され、発光素子基板１０５が発光素子記台１２０に固着されていることが図８で示した実施例３と異なる。図１０において、ＬＥＤチップ１００は、発光素子基板１０５に固着され、発光素子基板１０５が発光素子基台１２０の底部１２３Ａに固着される。発光素子基台１０５に設けられた電極１０６Ａ，１０６Ｂとリード基板１６０，１６１がワイヤー１１０で接続される。
また、図示しないが、実施例２の他の変形例（図７（ｂ）、参照）と同様に、ＬＥＤチップ１００を直接、発光素子基台１２０に固着することもできる。
実施例３の他の変形例について、図１１を用いて説明する。
この変形例は、実施例３と構造は同じであるが、流入流路１２４と流出流路１２５に加え、別の冷却流体４００の流路１２６を加えた光源装置１０である。図１１において、発光素子基台１２０は、冷却構造体１４８の発光素子基板１０５とが固着された位置から断面方向に離れた位置に流入流路１２４と流出流路１２５と平行に流路１２６が設けられている。流路１２６は、冷却構造体１４８を水平方向に貫通しており、光源装置１０の外部で、流入側が流入流路１２４に、流出側が流出流路１２５に接続されている（図示しない）。
このような変形例は、前述した実施例３の変形例（図１０に示す）にも応用できる。
従って、本実施例３によれば、冷却構造体１４８に、冷却流体４００の流入口１４５，１４６を設け、強制的に冷却流体４００を流動させているために、実施例１及び実施例２と同様な冷却効果を得ることができる。
また、流入流１２４が直接ＬＥＤチップ１００に向いているために、光源装置１０の外部で冷却された冷却流体４００が、流入後、すぐにＬＥＤチップ１００に接触するので、冷却効果を高めることができる。
さらに、流路１２６を設けることにより、ＬＥＤチップ１００から熱が伝導される発光素子基台１２０を冷却できるので、冷却効果をより一層、高めることができる。
続いて、実施例４について、図１２、図１３を用いて説明する。実施例４は、実施例３の技術思想を基本として、流入流路１２４と流出流路１２５とが、ＬＥＤチップ１００の対角方向に向かい合うように構成された光源装置１０である。
図１２は、実施例４の光源装置１０を示す平面図であり、レンズキャップ２００及び固定リング３００を省略している。図１３は、図１２のＸ−Ｘ断面図である。図１２，図１３において、発光素子基台１２０は、アルミニウム合金で成形され、冷却流体４００の流入流路１２４と流出流路１２５が直線的に発光素子基台１２０を貫通して設けられている。流入流路１２４と流出流路１２５の直径は、２ｍｍに設定されている。
発光素子基台１２０の中央部は、開口部が広く、底部が狭い容器状の凹部１２３が形成される。また、凹部１２３の外縁上面には、リード基板１６０と冷却構造体１４８のリード部１４８Ｂが埋設される溝部１２０Ａと１２０Ｃが形成される。
この冷却構造体１４８は、凹部１２３と溝部１２０Ｂ，１２０Ｃの表面にアルマイト処理層等の絶縁層１９０が形成される。冷却構造体１２０の凹部１２３に、冷却構造体１４８が、接着等の手段で固着される。
冷却構造体１４８は、厚みが０．３ｍｍのアルミニウム合金で成形され、発光素子基台１２０の凹部１２３に密着される凸部と、ＬＥＤチップ１００のｎ電極１００ｎを外部制御回路（図示しない）に接続するリード部１４８Ｂから構成され、前述の流入流路１２４と流出流路１２５との交錯位置に、冷却流体４００の流入口、流出口としての貫通孔１４５，１４６とが設けられている。これら貫通孔１４５、１４６とは、長辺が２．５ｍｍ、短辺が０．５ｍｍの長方形のスリットが４個形成されている。
この冷却構造体１４８の底部１４８ＡにＬＥＤチップ１００が固着される。
ＬＥＤチップ１００は、一辺が１ｍｍの正方形の立方体で、上面にｐ電極１００ｐが、下面にｎ電極１００ｎが形成されている。ＬＥＤチップ１００を冷却構造体１４８の底部１４８Ａに銀ペーストなどで固着することで、冷却構造体１４８と電気的に接続され、リード部１４８Ｂから外部制御回路（図示しない）に接続される。ｐ電極は、ワイヤー１１０で、発光素子基台１２０に埋設されたリード基板１６０に接続されるとともに、リード基板１６０から外部制御回路に接続される。
このＬＥＤチップ１００は、対角が流入流路１２４と流出流路１２５に対向する方向に配置されている。冷却流体４００の流量は、毎秒２ｃｍ３に設定されることが好ましい。
ＬＥＤチップ１００は、外部制御回路（図示せず）からの信号で発光される。
従って、本実施例４によれば、ＬＥＤチップ１００が、熱伝導率の高い冷却構造体１４８に固着され、冷却流体４００の流入流路１２４、流出流路１２５にスリット状の流入口１４５、流出口１４６が設けられているため、前述の実施例１〜実施例３と同様な効果を得ることができる。
前述の本実施例４に記載の条件では、従来の複数のスリット状の流入口１４５、流出口１４６に比べ冷却効果が高められ、同一の冷却効果を得るためには、冷却液体４００の流量を２５％削減できる。
また、ＬＥＤチップ１００の端面発光光の利用効率は、冷却流体４００の流路１２４、１２５が存在することでわずかに低下するが、ＬＥＤチップ１００の端面発光光の強度には分布があり、一般的な正方形ＬＥＤチップの場合は、角部方向の強度が最も低くなることが知られている。このことにより、ＬＥＤチップ１００の角部を冷却流体４００の流路１２４、１２５に向けて設置することで、冷却流体４００による光取り出し効率の低下を減ずることができる。
また、ＬＥＤチップ１００の角部を冷却流体４００の流路に向けて設置することで、ＬＥＤチップ１００の周辺の冷却流体４００の流れが、図中矢印のように円滑になるため、冷却効果を高めることができる。
次に、前述の実施例１〜実施例４に記載の光源装置１０が搭載されたプロジェクタ１０００について説明する。
図１４は、本発明のプロジェクタ１０００の構成を示す概略構成図である。図１４において、本発明に係るプロジェクタ１０００は、赤色光（Ｒ），緑色光（Ｇ），青色光（Ｂ）をそれぞれ射出する３個の光源装置１０Ｒ，１０Ｇ，１０Ｂのそれぞれに対向するように配置されたライトバルブ５００Ｒ，５００Ｇ，５００Ｂと、これら３個のライトバルブ５００Ｒ，５００Ｇ，５００Ｂから射出された各変調光を合成して射出するダイクロイックプリズム７００（色合成光学系）、このダイクロイックプリズム７００から出射された合成光を拡大投射する投射レンズ６００（投射光学系）とを有している。
なお、光源装置１０Ｒ，１０Ｇ，１０Ｂは、前述した本発明の実施例１〜実施例４に記載の冷却手段を備えている。図示しないが、これら光源装置１０Ｒ，１０Ｇ，１０Ｂは、外部に冷却流体４００を貯蔵するタンクと、冷却流体を流動するポンプを備えている。
従って、本発明を適用したプロジェクタ１０００では、光源装置１０Ｒ，１０Ｇ，１０Ｂから射出された色光Ｒ，Ｇ，Ｂはそれぞれ対応するライトバルブ５００Ｒ，５００Ｇ，５００Ｂに入射した後、各ライトバルブ５００Ｒ，５００Ｇ，５００Ｂで光変調された後、ダイクロイックプリズム７００に向けて射出される。そして、ライトバルブ５００Ｒ，５００Ｇ，５００Ｂにより各々変調された３原色に対応する光成分Ｒ，Ｇ，Ｂは、ダイクロイックプリズム７００により合成された後、投射レンズ６００を介してスクリーン８００にカラー画像として拡大投写される。
従って、本発明の実施例５によれば、光源装置１０は、ＬＥＤチップ１００の冷却効率が高いので、輝度を高めることができ、また、構造も簡素であるため、この光源装置１０が搭載されたプロジェクタ１０００も、高輝度で小型化でき、また長期間にわたって良好な性能を維持することができる。
なお、本発明は前述の実施例に限定されるものではなく、本発明の目的を達成できる範囲での変形、改良等は本発明に含まれるものである。
例えば、実施例１、実施例２は、冷却流体４００の流入流路１２１，流出流路１２２がＬＥＤチップ１００の固着面に対して垂直方向に設けられ、実施例３，実施例４では、流入流路１２４，流出流路１２５が、ＬＥＤチップ１００の固着面に対して水平方向に設けられているが、これら流入流路１２１，１２４と流出流路１２２，１２５とを組み合わせた構造にすることができる。
また、実施例１〜実施例４では、ＬＥＤチップ１００は、発光素子１０内に１個用いているが、複数のＬＥＤチップ１００を設置することができる。
さらに、本発明のプロジェクタ１０００は、実施例５では、各色光に対して１個の光源装置１０Ｒ，１０Ｇ，１０Ｂを設置しているが、各色光に対して複数の光源装置を設置しても良い。
従って、本発明によれば、冷却流体の流入流路、流出流路に、複数の貫通孔を備えることにより、小型で簡素な構造ながら高効率な冷却構造を備える光源装置と、この光源装置が搭載された高輝度で信頼性が高いプロジェクタを提供することができる。
本発明の実施例１にかかる光源装置を示す断面図。 本発明の実施例１にかかる光源装置を示す平面図。 本発明の実施例１にかかる冷却構造体の貫通孔を示す平面図。 本発明の実施例１にかかる光源装置の変形例を示す断面図。 本発明の実施例２にかかる光源装置を示す断面図。 本発明の実施例２にかかる光源装置を示す平面図。 本発明の実施例２にかかる光源装置の変形例を示す断面図。 本発明の実施例３にかかる光源装置を示す断面図。 本発明の実施例３にかかる光源装置を示す平面図。 本発明の実施例３にかかる光源装置を示す断面図。 本発明の実施例３にかかる光源装置の他の実施例を示す断面図。 本発明の実施例４にかかる光源装置を示す平面図。 本発明の実施例４にかかる光源装置を示す断面図。 本発明の実施例５にかかるプロジェクタを示す構成図。
符号の説明
１０…光源装置、１００…ＬＥＤチップ、１０５…発光素子基板、１２０…発光素子基台、４００…冷却流体、１３０，１４０，１４８，１５０…冷却構造体、１２１，１２４…流入流路、１２２，１２５…流出流路、１３１，１４１，１４５，１４６，１５１，１５２…貫通孔、１０００…プロジェクタ。

Claims (8)

  1. 発光素子が冷却流体によって直接冷却される光源装置であって、
    前記発光素子が固着される発光素子基板と、
    前記発光素子基板が、発光素子基台または該発光素子基台に備えられた冷却構造体に固着され、
    前記発光素子基台に設けられた前記冷却流体の流入流路と流出流路と、
    前記冷却構造体の前記流入流路と流出流路との交錯部に設けられた複数の貫通孔と、
    が備えられたことを特徴とする光源装置。
  2. 請求項１に記載の光源装置において、
    前記発光素子が、前記発光素子基台または前記冷却構造体に直接固着されていることを特徴とする光源装置。
  3. 請求項１または請求項２に記載の光源装置において、
    前記流入流路と前記流出流路とが、前記発光素子基台の外部から内部底面方向に向かって前記発光素子近傍に形成されていることを特徴とする光源装置。
  4. 請求項１ないし請求項３のいずれかに記載の光源装置において、
    前記流入流路と前記流出流路とが、前記発光素子と断面略同じ高さ位置に、前記発光素子を挟んで設けられていることを特徴とする光源装置。
  5. 請求項４に記載の光源装置において、
    前記流入流路と前記流出流路とが備えられ、
    前記流入流路と前記流出流路と断面的に略平行に形成され、前記発光素子基台を貫通する前記冷却流体の流路と、
    がさらに備えられていることを特徴とする光源装置。
  6. 請求項１ないし請求項５に記載の光源装置において、
    前記冷却構造体に設けられた複数の貫通孔が、格子状またはスリット状に配列されて形成されていることを特徴とする光源装置。
  7. 請求項１ないし請求項６に記載の光源装置において、
    前記発光素子基台と、前記冷却構造体のいずれか一方、または両方の前記発光素子に対向する面が、発光素子から射出される可視光の反射率を高める反射処理が施されていることを特徴とする光源装置。
  8. 請求項１ないし請求項７に記載の光源装置を備えたことを特徴とするプロジェクタ。
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