JP2005085808A - 照明装置及び投射型表示装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 発光体の冷却効率をより高めることによって発光体からより大きな発光量を得る。
【解決手段】 電流を注入することによって発光・発熱する発光体２３を備えた照明装置１１であって、上記発光体２３に、当該発光体２３において発生する熱量を外部に放熱するための熱回収部２３ａを設ける。
【選択図】 図３

Description

本発明は、照明装置及び投射型表示装置に関するものである。

従来のプロジェクタ（投射型表示装置）では、その光源として、古くはハロゲンランプ、近年は高輝度高効率である高圧水銀ランプ（ＵＨＰ）が多く用いられてきた。放電型のランプであるＵＨＰを用いた光源は高圧の電源回路を要し、大型で重く、プロジェクタの小型軽量化の妨げになっていた。また、ハロゲンランプよりは寿命が長いものの依然短寿命である他、光源の制御（高速の点灯、消灯、変調）が略不可能で、また立ち上げに数分という長い時間を要していた。

そこで最近、新しい光源としてＬＥＤ発光体が注目されている。ＬＥＤは超小型・超軽量、長寿命である。また、駆動電流の制御によって、点灯・消灯、出射光量の調整が自由にできる。この点でプロジェクタの光源としても有望であり、既に小型・携帯用の小画面プロジェクタへの応用開発が始まっている（例えば、特許文献１）。

ところが、現在のところＬＥＤを光源とするプロジェクタにおいて十分な輝度を得ることは難しい。これは、ＬＥＤは効率の点でまだＵＨＰの１／２〜１／３程度であり、定格いっぱいの電流を注入しても得られる光量が小さいからである。めざましい技術革新によって上記効率は年々着実に向上しつつあり、数年後には現在のＵＨＰ並みのレベルに達する可能性もあるが、少なくとも近い将来、製品化可能なＬＥＤ光源プロジェクタにおいては、状況は変わらないであろう。なお、光量を稼ぐのにＬＥＤをアレイ化する方法があるが、あまりＬＥＤの数を増やすと発光点が大きくなることによる光学系としての照明光率の低下を招くので、あまり効果は得られない。

そこで、残された方法として考えられるのは、ＬＥＤの発光量を増やすことである。しかしながら、これは上記の通りＬＥＤの定格の制約があり、最大光量は定格と効率で自動的に決まっている。ＬＥＤの定格電流を決めているのは主に発熱量である。

ところで、特開平６−５９２３号公報（特許文献２）には、ＬＥＤを冷媒によって冷却することで大きな発光量を得る技術が開示されている。また、特開平８−１１６１３８号公報には、レーザダイオードの例ではあるが、特許文献２と同様に発光体を冷却することによって大きな発光量を得る技術が開示されている。
特開２０００−１１２０３１号公報 特開平６−５９２３号公報 特開平８−１１６１３８号公報

しかしながら、特許文献２，３に開示された技術では、発光体が収容されたパッケージの外部やその周辺を冷媒によって冷却することによって間接的に発光体を冷却している。ＬＥＤにおいては、１〜２ｍｍ角の発光体を用いており、この発光体に数Ｗ以上の熱が集中して発生する。このため、特許文献２，３に開示された技術のように間接的に発光体を冷却することでは、発光体を十分に冷却することができず、ＬＥＤから十分に大きな発光量を得ることは困難となる。

本発明は、上述する問題点に鑑みてなされたもので、発光体の冷却効率をより高めることによって発光体からより大きな発光量を得ることを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明に係る照明装置は、電流を注入することによって発光・発熱する発光体を備えた照明装置であって、上記発光体に、当該発光体において発生する熱量を外部に放熱するための熱回収部を設けることを特徴とする。

このような特徴を有する本発明に係る照明装置では、発光体自体に、発光体において発生する熱量を外部に放熱するための熱回収部が設けられているため、発光体を直接的に冷却することが可能となる。このため、発光体の冷却効率をより高めることによって発光体からより大きな発光量を得ることが可能となる。

また、上記熱回収部が上記発光体に複数形成される貫通孔である場合には、発光体の表面積が広くなり、発光体において発生した熱量を効率的に放熱することができる。なお、本発明に係る照明装置が上記熱回収部に接触する冷媒を有している場合には、冷媒を有さない場合と比較して、熱回収部における放熱効果が高まるため、より発光体を冷却することが可能となる。
さらに、本発明に係る照明装置は、この冷媒を流動させる冷媒流動装置を備えることが好ましい。これによって、熱回収部と冷媒との間の熱交換がさらに促進されるため、より発光体を冷却することが可能となる。
なお、熱回収部は、必ずしも貫通孔である必要はなく、例えば、発光体の表面に形成されるスリットであっても良い。このように、発光体の表面に熱回収部であるスリットを形成した場合であっても、発光体の表面積が広くなり、発光体において発生した熱量を効率的に放熱することが可能となる。

また、熱回収部が発光体に形成された貫通孔である場合には、この貫通孔を発光体に対してランダムに複数形成しても良いし、この貫通孔を発光体の周縁近傍亘って複数形成しても良い。例えば、貫通孔を発光体の周縁近傍に亘って形成した場合には、発光体の中央部から集中して発光することとなるために、照明装置の発光点を小さくすることができ、より光学系としての照明光率が向上される。しかしながら、このように貫通孔を発光体の周縁近傍に形成した場合には、発光体の中央部に貫通孔が形成されないため、発光体の中央部の冷却効率が若干ながら低下する。これに対し、貫通孔を発光体に対してランダムに複数形成した場合には、発光体の中央部にも貫通孔が形成されるため、発光体全体を冷却することが可能となる。
このように、熱回収部が発光体に形成された貫通孔である場合には、この貫通孔を発光体に対してどのように形成するかにより、異なる特性を有する照明装置とすることができる。

また、冷媒流動装置は、上記冷媒内に配置されるダイアフラムと、当該ダイアフラムを変位させる駆動装置とを備えるという構成を採用することができる。このように、冷媒内に配置されたダイアフラムを駆動装置によって繰り返し変位させることによって、容易に冷媒に流れを与えることができる。よって、特許文献２，３に係る発明のように大型のポンピング手段や、当該ポンピング手段と冷媒が封入される容器とを接続する複雑な配管を必要とせず、より小型、軽量でかつ大きな発光量を有する照明装置とすることができる。

また、本発明に係る照明装置は、上記熱回収部が上記発光体に形成される複数の孔と、当該孔に充填されると共に上記発光体よりも熱伝導率の高い物質によって形成される充填部材とを有するという構成を採用することもできる。
このような本発明に係る照明装置によれば、発光体に形成される複数の孔に、発光体よりも熱伝導率の高い充填部材が配されるため、発光体において発生した熱量が充填部材を伝わって効率的に外部に放熱される。したがって、発光体の冷却効率をより高めることによって発光体からより大きな発光量を得ることが可能となる。

また、この充填部材を発光体に形成された孔から突出形成することが好ましい。これによって、充填部材の発光体の外空間に対する表面積が広くなるため、充填部材からより多くの熱量が発光体の外空間に放熱される。したがって、発光体において発生した熱量を効率的に放熱することが可能となる。

なお、この充填部材には、当該充填部材の熱膨張による応力が上記発光体に伝達されないように吸収する応力吸収孔が形成されていることが好ましい。このように充填部材に応力吸収孔を形成することによって、充填部材の熱膨張率と、発光体の熱膨張率が異なる場合であっても、充填部材の熱膨張に起因する発光体の損傷を防止することが可能となる。

また、この充填部材は、冷媒と接触していることが好ましい。これによって、充填部材における放熱効果が高まるため、より発光体を冷却することが可能となる。なお、この冷媒に対しても流れを与えることがより好ましい。

次に、本発明に係る投射型表示装置は、本発明に係る照明装置を光源として備えることを特徴とする。このため、大きな発光量を有する投射型表示装置を提供することが可能となる。

以下、図面を参照して、本発明に係る照明装置及び投射型表示装置の一実施形態について説明する。

（第１実施形態）
図１は、本実施形態に係る投射型表示装置の概略構成図である。この図に示すように、本実施形態に係る投射型表示装置は、３板式の液晶プロジェクタであり、色合成手段としてのクロスダイクロイックプリズム３０の３つの光入射面３０Ｒ，３０Ｇ，３０Ｂには、それぞれ光変調装置としての透過型液晶装置２０Ｒ，２０Ｇ，２０Ｂが対向して配置され、各液晶装置２０Ｒ，２０Ｇ，２０Ｂの背面側（クロスダイクロイックプリズム３０と反対側）にはそれぞれＲ（赤），Ｇ（緑），Ｂ（青）の色光を出射可能な光源１０Ｒ，１０Ｇ，１０Ｂが配置されている。

図２に示すように、光源１０（１０Ｒ，１０Ｇ，１０Ｂ）は、同じ色光を発光する複数の発光素子１１（照明装置）と、この発光素子１１が一方の側に配置される基板１２とを備えている。各発光素子１１は、例えば発光ダイオード（ＬＥＤ）からなり、点灯制御回路（不図示）によって点灯されるようになっている。

図３は、図２に示した発光素子１１の概略構成を示した横断面図である。この図３に示すように、本実施形態に係る発光素子１１は、熱伝導率の高い容器２１とレンズ２２が備えられており、容器２１に形成される発光チップ収容孔２１ａと、容器２１の上面に発光チップ収容孔２１の開口部を閉じるように配置されるレンズ２２とによって形成される閉空間内に冷媒Ｘが封入されている。この冷媒Ｘとしては、水やシリコンジェルを用いることができる。

また、本実施形態に係る発光素子１１は、上記発光チップ収容孔２１ａ内に、発光チップ２３（発光体）とダイアフラム２４とを備えている。ダイアフラム２４は、可撓性を有する板状の部材であり、その端部が容器２１の内壁面に対して非接触の状態で発光チップ収容孔２１ａの下部に配置されている。このダイアフラム２４上には、筒形上の発光チップ支持部２５がダイアフラム２４の周縁近傍に支持された状態で配されており、この発光チップ支持部２５上に発光チップ２３が配置されている。そして、この発光チップ２３には、図示するように、紙面上方に延在する複数の貫通孔２３ａ（熱回収部）が形成されている。このように、発光チップ２３に複数の貫通孔２３ａを形成することによって、発光チップ２３の表面積が広くなり、発光チップ２３において発生した熱量を効率的に放熱することができる。なお、ダイアフラム２４及び／あるいは発光チップ支持部２５及び／あるいは発光チップ２３は、不図示の固定部によって容器２１に対して固定されている。

図４（ａ），（ｂ）は、発光チップ２３に形成される複数の貫通孔２３ａの配置パターン例を示した図であり、（ａ）が発光チップ２３に貫通孔２３ａがランダムに形成されている状態を示す図であり、（ｂ）が発光チップ２３の貫通孔２３ａの周縁近傍に形成されている状態を示す図である。

図４（ａ）に示すように、貫通孔２３ａが発光チップ２３にランダムに形成されている場合には、冷媒Ｘによって、発光チップ２３全体を冷却することができるため、発光チップ２３に、より大きな電流駆動を注入することができる。
また、図４（ｂ）に示すように、貫通孔２３ａが発光チップ２３の周縁近傍に形成されている場合には、発光チップ２３の中央部から集中して発光することとなるために、発光素子１１の発光点を小さくすることができ、より光学系としての照明光率が向上される。
なお、このような貫通孔２３ａでなくとも、例えば、発光チップ２３の周面に複数のスリットを形成することによっても、発光チップ２３の表面積を広くできるため、発光チップ２３において発生した熱量を効率的に放熱することができる。

図３に戻り、本実施形態に係る発光素子１１は、ダイアフラム２４を変位させることによって冷媒Ｘを流動させる駆動装置２６を備えている。駆動装置２６は、図示するように、その駆動部分がダイアフラム２４の中央部の下方に位置するように配置されており、駆動部分に電圧が印加されることによってダイアフラム２４を変位させる。なお、この駆動装置２６としては、ボイスコイルモータ、ピエゾ素子等を用いることができる。また、ダイアフラム２４が着磁された磁性体によって形成されている場合には、外部磁界を発生させるような装置であっても良い。
なお、本実施形態において、本発明に係る冷媒流動装置は、ダイアフラム２４と駆動装置２６とによって構成されている。

このように構成された発光素子１１において、駆動装置２６が駆動されると、ダイアフラム２４が変位することによって、冷媒Ｘが図３に示す矢印のように往復して流動する。これによって、貫通孔２３ａの内部において、冷媒Ｘが流動し、発光チップ２３において発生する熱量が効率的に冷媒Ｘに伝達されて、発光チップ２３の外部に放熱される。したがって、発光チップ２３を直積的に冷却することができるため、発光チップ２３をより大電流駆動することが可能となる。このため、発光チップ２３からより大きな発光量を得ることが可能となる。

また、このような発光素子１１によれば、冷媒Ｘ内に配置されたダイアフラム２４を駆動装置２６によって繰り返し変位させることによって、容易に冷媒Ｘに流れを与えることができる。よって、特許文献２，３に係る発明のように大型のポンピング手段や、当該ポンピング手段と冷媒が封入される容器とを接続する複雑な配管を必要とせず、より小型で軽量な発光素子１１とすることができる。

なお、駆動装置２６は、可聴帯域外の周波数で駆動されることが好ましい。このように駆動装置２６を可聴帯域外の周波数で駆動することによって、ダイアフラム２４も可聴帯域外の周波数で往復運動を繰り返すため、発光素子１１から騒音が発生することを防止することができる。

図１に戻り、光源１０Ｒ，１０Ｇ，１０Ｂとこれに対応する光変調装置２０Ｒ，２０Ｇ，２０Ｂとの間には照明光の照度分布を光変調装置２０Ｒ，２０Ｇ，２０Ｂにおいて均一化させるための照度均一化手段１９として、照明装置側から第１のフライアイレンズ１９１、第２のフライアイレンズ１９２が順次設置されている。第１のフライアイレンズ１９１は複数の２次光源像を形成し、第２のフライアイレンズ１９２は被照明領域である光変調装置の設置位置においてそれらを重畳する重畳レンズとしての機能を有する。これにより、発光素子１から出射された光は、その光の密度分布に関係なく液晶装置全面に均一な密度で照射される。

クロスダイクロイックプリズム３０は、４つの直角プリズムが貼り合わされた構造を有し、その貼り合わせ面３０ａ，３０ｂには誘電体多層膜からなる光反射膜（図示略）が十字状に形成されている。具体的には、貼り合わせ面３０ａには、光変調装置２０Ｒで形成された赤色の画像光を反射し、それぞれ光変調装置２０Ｇ，２０Ｂで形成された緑色及び青色の画像光を透過する光反射膜が設けられ、貼り合わせ面３０ｂには、光変調装置２０Ｂで形成された青色の画像光を反射し、それぞれ光変調装置２０Ｒ，２０Ｇで形成された赤色及び緑色の画像光を透過する光反射膜が設けられている。そして、クロスダイクロイックプリズム３０の光出射面に導光された各色の画像光は投射レンズ（投射手段）４０によってスクリーン５０に投射されるようになっている。

したがって、このような本実施形態に係る投射型表示装置によれば、大きな発光量を得られる発光素子１１を光源１０の一部として備えているため、大きな発光量を有する投射型表示装置とすることができる。

（第２実施形態）
図５は、上記第１実施形態と異なる構成を有する発光素子１１ａの概略構成図である。この図に示すように、本第２実施形態に係る発光素子１１ａでは、発光チップ２３ａに形成された貫通孔２３ａ内に、発光チップ２３より熱伝導率の高い充填部材２７が充填されている。なお、本第２実施形態においては、上記第１実施形態に示す発光素子１１と異なる部位についてのみ説明する。

本第２実施形態に係る発光素子１１ａは、図５に示すように、貫通孔２３ａ内に発光チップ２３より熱伝導率の高い充填部材２７が充填された状態で、容器２１の発光チップ収容孔２１ａ内に載置されている。なお、本第２実施形態において、発光素子１１ａは、上記第１実施形態において示したダイアフラム２４や駆動装置２６等を備えておらず、発行チップ２３が直接的に発光チップ収容孔２１ａの底部に載置されている。したがって、充填部材２７も、図示するように、発光チップ収容孔２１ａに直接接触された状態となっている。

このような構成を有する本第２実施形態に係る発光素子１１ａによれば、貫通孔２３ａによって発光チップ２３の表面積が広くなると共に、当該貫通孔２３ａ内に充填された充填部材２７によって発光チップ２３において発生した熱量が素早く容器２１に伝達されるため、発光チップ２３を冷却することが可能となる。

なお、上記充填部材２７として、熱伝導率の高い銅等を用いることが好ましい。しかしながら、例えば、充填部材２７として銅を用いた場合には、熱膨張率が大きいために発光チップ２３の熱量を伝熱する際に膨張し、発光チップ２３を損傷することが懸念される。このため、充填部材２７に当該充填部材２７の熱膨張による応力が上記発光チップ２３に伝達されないように吸収する応力吸収孔が形成されていることが好ましい。具体的には、充填部材２７をパイプ形状とすることによって、充填部材２７が熱膨張した場合に、パイプ穴（応力吸収孔）が小さくなり、発光チップ２３に充填部材の熱膨張による応力が伝達されないようにすることができる。
なお、本第２実施形態においては、充填部材２７が貫通孔２７に充填されている構成とした。しかしながら、発光チップ２３に貫通孔２７ではなく、貫通していない孔を形成し、この孔の内部に充填部材２７を充填する構成としても良い。

なお、本第２実施形態においても、容器２１に形成される発光チップ収容孔２１ａと、容器２１の上面に発光チップ収容孔２１の開口部を閉じるように配置されるレンズ２２とによって形成される閉空間内にシリコンジェルを封入することが好ましい。このように、シリコンジェルを封入することによって、発光チップ２３が冷却されると共に、発光チップ２３から出射された光が閉空間とレンズ２２との界面において反射されることを防止することができる。

（第３実施形態）
図６は、上記第２実施形態において示した、貫通孔２３ａ内に充填部材２７が充填された発光チップ２３が冷媒Ｘ内に配置される構成を有する発光チップ１１ｂの概略構成図である。
この図に示すように、本第３実施形態に係る発光素子１１ｂは、貫通孔２３ａ内に充填部材２７が充填された発光チップ２３と、この発光チップ２３の下方に発光チップ２３と接触配置される伝熱部２８とを備えており、また、上記第１実施形態において示したダイアフラム２３及び駆動装置２６を備えている。伝熱部２８は、高い熱伝導率を有する物質によって形成されており、貫通孔２３ａに充填された充填部材２７と接触状態とされている。なお、発光チップ２３及び／あるいは伝熱部２８は、不図示の固定部によって容器２１に対して固定されている。また、本第３実施形態に係る発光素子１１ｂでは、容器２１に形成される発光チップ収容孔２１ａと、容器２１の上面に発光チップ収容孔２１の開口部を閉じるように配置されるレンズ２２とによって形成される閉空間内に冷媒Ｘが封入されている。

このような構成を有する発光素子１１ｂによれば、貫通孔２３ａ、充填部材２７及び伝熱部２８によって、効率的に発光チップ２３において発生する熱量を発光チップ２３の外部に放熱することが可能となる。
また、駆動装置２６の駆動によって、ダイアフラム２４が変位され、これに伴って冷媒Ｘを往復的に流動させることができるので、伝熱部２８及び充填部材２７から冷媒Ｘへの熱伝達が促進される。このため、より発光チップ２３を冷却することが可能となる。

なお、図７に示すように、本第３実施形態に係る発光素子１１ｂは、伝熱部２８の下部に突起部２８ａが形成された構成を採用することができる。このように、伝熱部２８の下部に突起部２８ａを形成することによって、冷媒Ｘの流れを乱流とすることができるため、伝熱部２８から冷媒Ｘへの熱伝達がさらに促進することができ、より発光チップ２３を冷却することが可能となる。

（第４実施形態）
図８は、上記第１実施形態において示した発光チップ２３の貫通孔２３ａ内に、上記第２及び第３実施形態において示した充填部材２８を発光チップ２３の表面から突出させた状態で充填した構成を採用する発光素子１１ｃの概略構成図である。
この図に示すように、本第４実施形態に係る発光素子１１ｃは、貫通孔２３ａ内に充填部材２７が充填された発光チップ２３を備えており、この充填部材２７は、発光チップ２３の表面から突出して配置されている。また、発光チップ支持部２５には、冷媒Ｘの出入が可能な冷媒出入孔２５ａが複数形成されている。

このように構成された本第４実施形態に係る発光素子１１ｃにおいて、駆動装置２６が駆動すると、ダイアフラム２４が変位し、これに伴って冷媒Ｘが流動する。この際、冷媒Ｘが発光チップ支持部２５に形成された冷媒出入孔２５ａを介して出入するため、容易に冷媒Ｘを流動させることができる。また、充填部材２７が発光チップ２３の表面から突出して配置されているため、充填部材２７の冷媒Ｘに対する表面積が大きくなり、充填部材２７から冷媒Ｘへの熱伝達が促進される。このため、より発光チップ２３を冷却することが可能となる。

以上、添付図面を参照しながら本発明に係る照明装置及び投射型表示装置の好適な実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されないことは言うまでもない。上述した実施形態において示した各構成部材の諸形状や組み合わせ等は一例であって、本発明の主旨から逸脱しない範囲において設計要求等に基づき種々変更可能である。

本発明の第１実施形態に係る投射型表示装置の概略構成図である。 同、投射型表示装置に用いられる高原１０の概略構成図である。 本発明の第１実施形態に係る発光素子１１の概略構成図である。 貫通孔２３ａの配置パターン例を示した図である。 本発明の第２実施形態に係る発光素子１１ａの概略構成図である。 本発明の第３実施形態に係る発光素子１１ｂの概略構成図である。 同、発光素子１１ｃの変形例を示した概略構成図である。 本発明の第４実施形態に係る発光素子１１ｃの概略構成図である。

符号の説明

１１，１１ａ〜１１ｃ……発光素子（照明装置）、２１……容器、２２……レンズ、２３……発光チップ（発光体）、２３ａ……貫通孔（熱回収部）、２４……ダイアフラム、２５……発光チップ支持部、２６……駆動装置、Ｘ……冷媒

Claims (13)

1. 電流を注入することによって発光・発熱する発光体を備えた照明装置であって、
   前記発光体に、当該発光体において発生する熱量を外部に放熱するための熱回収部を設けることを特徴とする照明装置。
2. 前記熱回収部は、前記発光体に複数形成される貫通孔であることを特徴とする請求項１記載の照明装置。
3. 前記貫通孔は、前記発光体にランダムに形成されていることを特徴とする請求項２記載の照明装置。
4. 前記貫通孔は、前記発光体の周縁近傍に形成されていることを特徴とする請求項３記載の照明装置。
5. 前記熱回収部は、前記発光体の表面に形成されるスリットであることを特徴とする請求項１記載の照明装置。
6. 前記熱回収部と接触する冷媒を有することを特徴とする請求項２〜５いずれかに記載の照明装置。
7. 前記冷媒を流動させる冷媒流動装置を備えることを特徴とする請求項６記載の照明装置。
8. 前記冷媒流動装置は、前記冷媒内に配置されるダイアフラムと、当該ダイアフラムを変位させる駆動装置とを備えることを特徴とする請求項７記載の照明装置。
9. 前記熱回収部は、前記発光体に形成される複数の孔と、当該孔に充填されると共に前記発光体よりも熱伝導率の高い物質によって形成される充填部材とを有することを特徴とする請求項１記載の照明装置。
10. 前記充填部材は、前記孔から突出形成されることを特徴とする請求項９記載の照明装置。
11. 前記充填部材には、当該充填部材の熱膨張による応力が前記発光体に伝達されないように吸収する応力吸収孔が形成されていることを特徴とする請求項９または１０記載の照明装置。
12. 前記充填部材は、冷媒と接触していることを特徴とする請求項９〜１１いずれかに記載の照明装置。
13. 請求項１〜１２いずれかに記載の照明装置を光源として備えることを特徴とする投射型表示装置。
    
    

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