JP2005129799A - 光源装置及びプロジェクタ - Google Patents

Abstract

【課題】 電極配線の断線を防止する。
【解決手段】 第１電極３と第２電極５とに挟み込まれ当該第１電極３及び第２電極５を介して通電されることによって発光・発熱する発光チップ２と、該発光チップ２を支持する基台３とを有する光源装置であって、上記基台３上に配されかつ上記発光チップ２の厚みと略同一の厚みを有する絶縁層４を備え、上記第２電極５は、上記絶縁層４の上面から延在して上記発光チップ２の上面と接続される。
【選択図】 図２

Description

本発明は、光源装置及びプロジェクタに関するものである。

プロジェクタは、近年小型化、高輝度化、長寿命化、廉価化等が図られてきている。例えば、小型化に対しては液晶パネル（光変調素子）サイズは対角１．３ｉｎが０．５ｉｎになり面積比で１／６強の小型化がされてきている。

一方、プロジェクタの光源として、固体光源である発光ダイオード（Ｌｉｇｈｔ Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｄｉｏｄｅ：ＬＥＤ）光源を用いることよる小型化が提案されている。ＬＥＤ光源は、電源を含めて小型であり、瞬時点灯／消灯が可能であること、色再現性が広く長寿命であることなど、プロジェクタ用光源としてメリットを有している。また、水銀などの有害物質を含まないため、環境保全上からみても好ましいものである。

ところが、ＬＥＤ光源を高輝度化するにつれて益々ＬＥＤ光源からの発熱は増大し、ＬＥＤ光源の温度が上昇すると発光効率が低下するため、何らかの発熱対策をとる必要があった。一般的に採用されているファンによる強制空冷方式であるが、この他にも、液体を用いてＬＥＤ光源を強制冷却する方法が提案されている。液体冷却方法によれば、強制空冷方式の騒音の解消にも効果が期待されるものである（例えば、特許文献１、２参照）。
特開平０６−００５９２３号公報 特開平０７−０９９３７２号公報 実開平０６−００９１５８号公報

このように、ＬＥＤ光源を冷却することによって、ＬＥＤ光源を大電流駆動することが可能となる。しかしながら、ＬＥＤ光源を大電流駆動する場合には、従来のＬＥＤ光源では問題とならなかった配線等の電気抵抗を考慮する必要性がある。具体的には、従来のＬＥＤ光源では、通電されることによって発光・発熱する発光チップに金等のボンディングワイヤを介して電流を注入しており（特許文献３参照）、ＬＥＤ光源を大電流駆動する場合に、ボンディングワイヤの電気抵抗に起因してボンディングワイヤが発熱・溶解し断線する恐れがある。

本発明は、上述する問題点に鑑みてなされたもので、電極配線の断線を防止することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明では、第１の手段として、第１電極と第２電極とに挟み込まれ当該第１電極及び第２電極を介して通電されることによって発光・発熱する発光チップと、該発光チップを支持する基台とを有する光源装置であって、上記基台上に配されかつ上記発光チップの厚みと略同一の厚みを有する絶縁層を備え、上記第２電極は、上記絶縁層の上面から延在して上記発光チップの上面と接続されるという構成を採用する。

このような特徴を有する本発明に係る光源装置によれば、発光チップが支持される基台上に発光チップと略同一の厚みを有する絶縁層が配置され、第２電極がこの絶縁層の上面から延在して発光チップの上面と接続される。このため、第２電極を略水平に延在することによって発光チップの上面と接続することができる。したがって、容易に従来のボンディングワイヤより太くすることができるため、第２電極の電気抵抗を減らすことができる。このため、第２電極における発熱が抑止され、電極配線の断線を防止することが可能となる。
第２電極における電気抵抗は、第２電極の断面積が大きければ大きい程減らされるため、できるだけ断面積を多くすることが好ましいが、むやみに第２電極の厚みを増やすことは発光チップ上に接続端子が配置される場合には、この接続端子にかかる応力の増大を招くため好ましくない。したがって、上記第２電極は、上記発光チップの幅と略同一の幅を有することが好ましい。

また、本発明に係る光源装置においては、上記第２電極が上記発光チップの端部近傍に接続されることが好ましい。このように、第２電極を発光チップの端部近傍に接続することによって、第２電極が発光チップの上面、すなわち出射面を覆う範囲を小さくすることができるため、より発光特性に優れた光源装置とすることができる。

また、本発明に係る光源装置は、上記第２電極及び上記絶縁層を複数備える構成を採用しても良い。このように第２電極及び絶縁層を複数備えることによって、各第２電極に流れる電流量が減少される。したがって、各第２電極における発熱が抑止されるため、電極配線の断線をより防止することが可能となる。

なお、上述したような本発明に係る光源装置の発光チップにおいて発熱する熱量を効率的に放熱し発光チップを冷却することが好ましい。
高熱源から低熱源への単位時間あたりの熱移動量ｄＱは下式（１）で表される。なお、下式（１）において、λは熱媒体の熱伝導率、Ｓは低熱源の接触面積、Ｗは高熱源と低熱源との距離、θ２は高熱源の温度、θ１は低熱源の温度である。

この式（１）から分かるように、Ｓ／Ｗの値を大きくすることによって、高熱源から低熱源に単位時間あたりに移動する熱量が多くなる。
したがって、本発明に係る光源装置は、上記基台が金属材料によって形成され、該基台を上記第１電極として用いることが好ましい。すなわち、基台を第１電極として用いることによって、発光チップ（高熱源）が基台（低熱源）上に直接実装される。このため、発光チップが基台に接触する低熱源（例えば、外気等）と近くなり、Ｗの値を小さくすることができる。このため、式（１）におけるＳ／Ｗの値を大きくすることができ、効率的に発光チップにおける熱量を放熱することが可能となる。

また、本発明に係る光源装置は、上記基台の内部に冷却媒体の流れる流路が形成されていることが好ましい。このように、基台の内部に冷却媒体の流れる流路を形成することによって、低熱源として外気よりも温度の低い冷却媒体を用いることが可能となる。したがって、高熱源（発光チップ）から低熱源（冷却媒体）に移動する単位時間あたりの熱量が低熱源として外気を用いるよりも大きくなるため、効率的に発光チップにおける熱量を放熱することが可能となる。

また、本発明に係る光源装置は、上記発光チップが第１電極と第２電極との各々に接続される接続端子を有するという構成を採用しても良い。

次に、本発明に係るプロジェクタは、本発明に係る光源装置を光源として用いることを特徴とする。
本発明に係る光源装置によれば、大電流駆動に起因する電極配線の断線が防止されるため、本発明に係るプロジェクタにおける信頼性が向上される。

以下、図面を参照して、本発明に係る光源装置及びプロジェクタの一実施形態について説明する。なお、以下の説明に用いる各図面では、各部材を認識可能な大きさとするため、各部材の縮尺を適宜変更している。

（第１実施形態）
［光源装置］
図１は、本第１実施形態に係る光源装置の概略構成図である。この図２に示すように、本実施形態に係る光源装置１は、通電されることによって発光・発熱する発光チップ２を備えており、発光チップ２は金属材料によって形成される基台３に直接実装（支持）されている。そして、この基台３上には発光チップ２と略同一の厚みを有する絶縁層４が配置されており、この絶縁層４の上面には当該絶縁層４の上面から延在して発光チップ２の上面と接続される上側電極５（第２電極）が配置されている。

また基台３の内部には、冷却媒体Ｘが流れる流路３１が形成されており、この流路３１は、発光チップ２の下方に位置されている。なお、この流路３１は、紙面垂直方向に延設されており、当該流路３１に冷却媒体Ｘを流すポンプ（不図示）と接続されている。
基台３の上面には発光チップ２を囲むように、円環状の反射鏡６が形成されている。反射鏡６は、発光チップ２から側方に出射された光を、紙面上方（光源装置１の光の出射方向）に反射するものである。そのため、反射鏡６の内面６ａはバンク状の斜面とされ、少なくともその内面６ａが鏡面状態ないし高反射率とされている。また、基台３の上面全体を覆うように、レンズ７が形成されている。レンズ７は、発光チップ２から放射状に出射された光を光源装置１における出射方向に集光するものである。そのため、レンズ７はエポキシ樹脂等の透明材料によって構成され、周辺部より中央部の厚さが厚い凸レンズとされている。

発光チップ２は、ｐｎ接合部に電流が流れると発光するダイオード（ＬＥＤ）である。同じ半導体材料を接合したホモ接合型のＬＥＤでは、発光部に注入されたキャリアに対する障壁がないため、キャリアが半導体中の拡散距離にまで広がってしまう。これに対して、異なる半導体材料を接合したヘテロ接合型のＬＥＤでは、キャリアに対する障壁を構造中に作りこむため、発光部に注入されるキャリアの密度を大幅に増大させることができる。特に、クラッド層の間に発光層を挟み込んだダブルヘテロ接合型のＬＥＤでは、発光層の幅が狭いほどキャリア密度を高めることが可能になり、内部量子効率を向上させることができる。一方、ホモ接合型のＬＥＤでは、外界に接する材料と発光部の材料とが同じであるため、発光が自分自身の材料で吸収されてしまう。これに対して、ダブルヘテロ接合型のＬＥＤでは、バンドギャップの広い材料からなるクラッド層の間にバンドギャップの狭い材料からなる発光層が挟み込まれているので、自己吸収が減少して光取り出し効率を向上させることができる。したがって、発光効率に優れたダブルヘテロ接合型のＬＥＤを採用することが望ましい。

また、発光チップ２は、ガリウムヒ素（ＧａＡｓ）等の基板上に、ＡｌＧａＩｎＰ系の化合物半導体結晶を成長させることによって形成する。なお、ＧａＡｓ基板は可視光を吸収するため、ＬＥＤの光取り出し効率の向上に限界がある。そこで、本実施形態における発光チップ２では、半導体結晶を成長させた後にＧａＡｓ基板を取り除き、発光波長に対して透明なガリウムリン（ＧａＰ）基板を高温高圧化で貼り付けることが望ましい。そして、ｎ−ＧａＰからなるクラッド層と、ｐ−ＧａＰのクラッド層との間に、ＡｌＧａＩｎＰの発光層を挟み込んだダブルヘテロ接合構造を採用する。

図２は、発光チップ２の近傍を拡大した概略構成図であり、（ａ）が上面図、（ｂ）が断面図である。この図に示すように、発光チップ２は、基台３に接続するためのバンプ２１（接続端子）と上側電極５に接続するためのバンプ２２（接続端子）とを有している。そして、基台３と上側電極５は電源装置（不図示）と接続されており、発光チップ２は、基台３と上側電極５とを介して通電されることによって、発光・発熱する。
すなわち、基台３が下側電極（第１電極）としての機能を有しており、発光チップ２はその基台３上に直接実装されていることで、上側電極５と基台３（下側電極）とに挟み込まれた状態とされている。

上側電極５は、上述のように絶縁層４の上面から延在して、発光チップ２の上面の略中央部に配置されたバンプ２２と接続されている。ここで、絶縁層４が発光チップ２の厚みと略同一あるいは若干厚めの厚みを有しているため、図示するように、上側電極５を絶縁層４の上面から略水平に延在させることでバンプ２２と接続することができる。したがって、従来のボンディングワイヤと異なり、容易に上側電極５の幅を太くし、電気抵抗を低くすることができる。なお、上側電極５を形成する材料としては従来のボンディングワイヤと同様のＡｕ、またはＡｇやＣｕ等を用いることができる。Ａｕを上側電極５の材料として用いた場合には、例えば上側電極５とバンプ２２との接触部における上側電極５の腐食を防止することができる。しかしながら、本実施形態に係る上側電極５は、従来のボンディングワイヤよりも太いため、形成材料としてＡｕを用いた場合には、光源装置１の製造コストの増加につながる。したがって、Ａｕとほぼ同一の電気抵抗を有し、安価なＡｇやＣｕあるいはＡｕメッキしたＣｕを用いることが好ましい。

このような構成を有する本第１実施形態に係る光源装置１の発光チップ２に基台３と上側電極５とを介して通電される場合には、上側電極５の電気抵抗が従来のボンディングワイヤより太いため、上側電極５における発熱を抑止することができる。したがって、本第１実施形態に係る光源装置１によれば、上側電極５の発熱を抑止し、上側電極５の断線を防止することが可能となる。

そして、発光チップ２は、基台３と上側電極５とを介して通電されることによって、発光・発熱する。この際、発光チップ２が基台３上に直接実装されることによって、発光チップ２（高熱源）と低熱源が近接されるため、発光チップ２において発熱された熱量が効率的に放熱される。したがって、光源装置１の放熱効果を向上させることができる。また、本第１実施形態に係る光源装置１では、基台３の内部に流路３１が形成され、この流路３１内を冷却媒体Ｘが流れている。したがって、流れる冷却媒体Ｘが低熱源として用いられるため、光源装置１としての放熱効果がさらに高まる。

なお、発光チップ２において発光された光は、そのうち図１における紙面上方に出射された光がそのままレンズ７を介して出射され、側方に出射された光が反射鏡６の内面６ａにおいて反射された後にレンズ７を介して出射され、紙面下方に出射された光は基台３の上面に反射された後レンズ７を介して出射される。

また、従来のボンディングワイヤは細いワイヤ部材であるため、複数の光源装置を製造した場合に、各光源装置におけるボンディングワイヤの位置が異なることが多かった。このように各光源装置におけるボンディングワイヤの位置が異なると、各光源装置における照度分布が異なることとなる。したがって、従来の光源装置では、複数の光源装置を製造した場合には、各光源装置の発光特性が異なるという問題が生じる。
これに対し、本第１実施形態に係る光源装置１によれば、上側電極５が太く、光源装置１における位置を常に固定することが可能である。したがって、複数の光源装置１を製造した場合であっても、各光源装置１における発光特性の均一性を確保することが可能となる。

［プロジェクタ］
図３は、本実施形態に係る光源装置を備えたプロジェクタの概略構成図である。図中、符号５１２，５１３，５１４は光源装置、５２２，５２３，５２４は液晶ライトバルブ（光変調手段）、５２５はクロスダイクロイックプリズム（色光合成手段）、５２６は投写レンズ（投写手段）を示している。

図３のプロジェクタは、緑色光源装置５１３と、青色光源装置５１４と、本実施形態のように構成した赤色光源装置５１２とを備えており、各光源装置５１２，５１３，５１４には、それぞれ赤（Ｒ）、緑（Ｇ）、青（Ｂ）に発光するＬＥＤが採用されている。また、各光源装置５１２，５１３，５１４には、各々に対応する集光レンズ５３５が配置されている。

そして、赤色光源装置５１２からの光束は、集光レンズ５３５Ｒを透過して反射ミラー５１７で反射され、赤色光用液晶ライトバルブ５２２に入射する。また、緑色光源装置５１３からの光束は、集光レンズ５３５Ｇを透過して緑色光用液晶ライトバルブ５２３に入射する。また、青色光源装置５１４からの光束は、集光レンズ５３５Ｂを透過して反射ミラー５１６で反射され、青色光用液晶ライトバルブ５２４に入射する。

また、各液晶ライトバルブの入射側および出射側には、偏光板（不図示）が配置されている。そして、各光源からの光束のうち所定方向の直線偏光のみが入射側偏光板を透過して、各液晶ライトバルブに入射する。また、入射側偏光板の後方に偏光変換手段（不図示）を設けてもよい。この場合、入射側偏光板で反射された光束をリサイクルして各液晶ライトバルブに入射させることが可能になり、光の利用効率を向上させることができる。

各液晶ライトバルブ５２２，５２３，５２４によって変調された３つの色光は、クロスダイクロイックプリズム５２５に入射する。このプリズムは４つの直角プリズムを貼り合わせて形成され、その内面に赤色光を反射する誘電体多層膜と青色光を反射する誘電体多層膜とが十字状に配置されている。これらの誘電体多層膜によって３つの色光が合成され、カラー画像を表す光が形成される。そして、合成された光は投写光学系である投写レンズ５２６により投写スクリーン５２７上に投写され、拡大された画像が表示される。

上述した本実施形態の光源装置では上側電極５の断線が防止される。したがって、光源装置５１２の大電流駆動に起因する断線が防止されることによって信頼性が向上されたプロジェクタとすることができる。

（第２実施形態）
次に、図４を参照して本発明に係る光源装置の第２実施形態について説明する。なお、上述した第１実施形態の構成要素と同一の要素については同一符号を付し、その説明を省略又は簡略化する。

図４は、本第２実施形態に係る光源装置における発光チップ２の近傍を拡大した概略構成図であり、（ａ）が上面図、（ｂ）が断面図である。この図に示すように、本第２実施形態に係る光源装置では、上側電極５が発光チップ２の上面の幅と略同一の幅とされた状態で絶縁層４の上面から延在されており、さらに、上側電極５が発光チップ２の端部近傍のバンプ２２と接続されている。

このような本第２実施形態に係る光源装置によれば、上側電極５が発光チップ２の幅と略同一の幅を有しているため、厚みを増すことなく上側電極５の電気抵抗を上記第１実施形態よりもさらに低くすることができる。したがって、光源装置の大型化を招くことなく、より確実に上側電極５の断線を防止することが可能となる。

また、上側電極５が上記第１実施形態と異なり発光チップ２の端部近傍に接続されているため、上側電極５が発光チップ２の上面、すなわち出射面を覆う範囲が小さくなる。したがって、より発光特性に優れた光源装置とすることが可能となる。

（第３実施形態）
次に、図５を参照して本発明に係る光源装置の第３実施形態について説明する。なお、上述した第２実施形態の構成要素と同一の要素については同一符号を付し、その説明を省略又は簡略化する。

図５は、本第３実施形態に係る光源装置における発光チップ２の近傍を拡大した概略構成図であり、（ａ）が上面図、（ｂ）が断面図である。この図に示すように、本第２実施形態に係る光源装置では、２つの絶縁層４が発光チップ２の両端に配置されており、各絶縁層から延在する上側電極が各々バンプ２２を介して発光チップ２の端部近傍に接続されている。このように発光チップ２の両端に上側電極５を接続することによって、各上側電極５に流れる電流量を小さくすることができる。すなわち、本第３実施形態に係る光源装置によれば、上記第２実施形態よりもさらに上側電極５全体の電気抵抗を低くすることができ、より確実に上側電極５の断線を防止することが可能となる。

なお、図６の上面図に示すように、絶縁層４の上面から延在する上側電極２を複数に分割し、これらの各々と上記発光チップ２の上面とを接続しても良い。このような形態は、図５において示した形態よりも上側電極２全体の電気抵抗は高くなるが、上側電極２が発光チップ２の出射面を覆う部分が少なくなるため、より発光特性に優れた光源装置と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光源装置及びプロジェクタ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。

例えば、上記実施形態において、プロジェクタにおける光変調手段として、液晶ライトバルブを用いた。しかしながら、本発明はこれに限定されるものではなく、光変調手段として微小ミラーアレイデバイス等を用いることも可能である。

本発明の第１実施形態に係る光源装置の概略構成図である。 同、光源装置が有する発光チップ２近傍を拡大した概略構成図である。 本実施形態に係る光源装置を備えたプロジェクタの概略構成図である。 本発明の第２実施形態に係る光源装置が有する発光チップ２近傍を拡大した概略構成図である。 本発明の第３実施形態に係る光源装置が有する発光チップ２近傍を拡大した概略構成図である。 本発明の第３実施形態に係る光源装置の変形例を示す図である。

符号の説明

１……光源装置、２……発光チップ、２１〜２２……バンプ（接続端子）、３……基台（第１電極）、４……絶縁層、５……上側電極（第２電極）、Ｘ……冷却媒体

Claims (8)

1. 第１電極と第２電極とに挟み込まれ当該第１電極及び第２電極を介して通電されることによって発光・発熱する発光チップと、該発光チップを支持する基台とを有する光源装置であって、
   前記基台上に配されかつ前記発光チップの厚みと略同一の厚みを有する絶縁層を備え、前記第２電極は、前記絶縁層の上面から延在して前記発光チップの上面と接続されることを特徴とする光源装置。
2. 前記第２電極は、前記発光チップの幅と略同一の幅を有することを特徴とする請求項１記載の光源装置。
3. 前記第２電極及び前記絶縁層を複数備えることを特徴とする請求項１または２記載の光源装置。
4. 前記第２電極は、前記発光チップの端部近傍に接続されることを特徴とする請求項１〜３いずれかに記載の光源装置。
5. 前記基台が金属材料によって形成され、該基台を前記第１電極として用いることを特徴とする請求項１〜４いずれかに記載の光源装置。
6. 前記基台の内部には、冷却媒体が流れる流路が形成されることを特徴とする請求項１〜５いずれかに記載の光源装置。
7. 前記発光チップは、第１電極と第２電極との各々に接続される接続端子を有することを特徴とする請求項１〜６いずれかに記載の光源装置。
8. 請求項１〜７いずれかに記載の光源装置を光源として用いることを特徴とするプロジェクタ。
   
   
   

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