JP2016058680A - レーザユニット - Google Patents

Abstract

【課題】冷却能力を確保しつつ、サイズの小型化を図ることができるレーザユニットを提供する。
【解決手段】レーザユニットは、ペルチェ素子１０、レーザモジュール２０、及びカバー部３０を備える。ペルチェ素子１０は、第１基板１２と第２基板１３とに熱電変換材１１が挟まれて構成される。レーザモジュール２０は、第１基板１２の一面１２ａにベアチップ実装された複数の半導体チップ２１〜２３と、各半導体チップ２１〜２３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波長選択素子２４、２５と、を有する。カバー部３０は容器状をなしており、波長選択素子２４、２５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３２を有する。また、カバー部３０は、第１基板１２の一面１２ａに固定されることで中空部３１にレーザモジュール２０を封止する。
【選択図】図２

Description

本発明は、レーザモジュールがペルチェ素子によって冷却されるように構成されたレーザユニットに関する。

従来より、複数のレーザ光源及び複数のミラーを備えた画像表示装置が、例えば特許文献１で提案されている。具体的には、複数のレーザ光源及び複数のミラーが筐体に収容されていると共に、各レーザ光源の合成光が筐体の外部に出射される構成が提案されている。

特開２０１３−２５０５３９号公報

ここで、レーザ光源は熱に弱いので、上記従来の技術では各レーザ光源を冷却する必要がある。そこで、冷却手段として、冷却能力が高いペルチェ素子を用いることが考えられる。しかし、ペルチェ素子自身での発熱量が大きいので、当該ペルチェ素子のための大型の冷却機構が必要になる。このため、ペルチェ素子及び冷却機構を含んだレーザユニット全体のサイズが大きくなってしまうという問題がある。

また、画像表示装置の筐体とペルチェ素子は別部品であるので、筐体とペルチェ素子との境界で熱抵抗が発生し、ペルチェ素子の冷却効率が低下してしまうという問題がある。

本発明は上記点に鑑み、冷却能力を確保しつつ、サイズの小型化を図ることができるレーザ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、第１基板（１２）と、第２基板（１３）と、第１基板（１２）と第２基板（１３）とに挟まれた熱電変換材（１１）と、を有するペルチェ素子（１０）を備えている。

また、第１基板（１２）のうち熱電変換材（１１）とは反対側の一面（１２ａ）にベアチップ実装されていると共に各々が異なる波長のレーザ光を照射する複数の半導体チップ（２１〜２３）と、複数の半導体チップ（２１〜２３）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（２４、２５）と、を有するレーザモジュール（２０）を備えている。

さらに、容器状をなしており、波長選択素子（２４、２５）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（３２）を有し、第１基板（１２）の一面（１２ａ）に固定されることで中空部分である中空部（３１）にレーザモジュール（２０）を封止するカバー部（３０）を備えていることを特徴とする。

これによると、レーザモジュール（２０）の各半導体チップ（２１〜２３）をペルチェ素子（１０）によって直接冷却することができ、レーザモジュール（２０）を冷却するための冷却能力を確保することができる。また、各半導体チップ（２１〜２３）がペルチェ素子（１０）によって直接冷却されるので、ペルチェ素子（１０）の冷却容量を低減することができる。このため、ペルチェ素子（１０）そのもののサイズを小型化することができ、ペルチェ素子（１０）を冷却するための冷却機構を小型化することができる。したがって、レーザユニットの冷却能力を確保しつつ、小型化を図ることができる。

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。

本発明の一実施形態に係るレーザユニットの平面図である。 図１のII−II断面図である。 カバー部の天井を省略したレーザユニットの平面図である。

以下、本発明の一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ユニットは車両に搭載されるものであり、例えばレーザＨＵＤディスプレイ、ピコプロジェクタ、プロジェクタとして用いられるものである。

図１、図２、及び図３に示されるように、レーザユニットは、ペルチェ素子１０、レーザモジュール２０、及びカバー部３０を備えて構成されている。

ペルチェ素子１０は、レーザモジュール２０を冷却するための熱電変換素子である。図２に示されるように、ペルチェ素子１０は、熱電変換材１１、第１基板１２、及び第２基板１３を有している。

熱電変換材１１は、異なる金属が接合された回路に電流が流れると、一方の接合部で吸熱が起こり、他方の接合部で発熱が起こる、いわゆるペルチェ効果が得られるように構成された部品である。

例えば、Ｎ型の熱電半導体とＰ型の熱電半導体とが第１の電極の上に配置されて直列接続されており、Ｎ型の熱電半導体が第２の電極と第１の電極とで挟まれ、Ｐ型の熱電半導体が第３の電極と第１の電極とで挟まれた構成になっている。このような構成において、第２の電極からＮ型の熱電半導体、第１の電極、Ｐ型の熱電半導体、及び第３の電極に電流が流されることで第１の電極で吸熱が起こり、第２及び第３の電極で放熱が起こる。

第１基板１２及び第２基板１３は、熱電変換材１１を挟む部品である。第１基板１２は、例えば上記の熱電変換材１１の構成において第１の電極に接触するように熱電変換材１１に一体化されている。すなわち、第１基板１２は吸熱の役割を果たす基板である。一方、第２基板１３は、第２及び第３の電極に接するように熱電変換材１１に一体化されている。すなわち、第２基板１３は放熱の役割を果たす基板である。

第１基板１２及び第２基板１３は、例えばセラミック基板として構成されている。第１基板１２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。第１基板１２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、熱電変換材１１とは反対側の一面１２ａに設けられ配線パターンに電気的に繋がった複数のパッド１２ｂを有している。各パッド１２ｂは、熱電変換材１１及びレーザモジュール２０にそれぞれ電気的に接続されている。

レーザモジュール２０は、外部からの画像描画指令に従ってレーザ光を照射するように構成されている。具体的には、図２及び図３に示されるように、レーザモジュール２０は、第１〜第３半導体チップ２１〜２３及び第１、第２波長選択素子２４、２５を備えて構成されている。

第１〜第３半導体チップ２１〜２３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２１〜２３は、第１基板１２の一面１２ａにそれぞれベアチップ実装されている。つまり、各半導体チップ２１〜２３は、チップの状態のまま第１基板１２の一面１２ａに実装されている。

第１半導体チップ２１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２２は、第１半導体チップ２１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２３は、第１半導体チップ２１及び第２半導体チップ２２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。

そして、各半導体チップ２１〜２３は、第１基板１２の配線パターンに電気的に接続されている。そして、各半導体チップ２１〜２３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、第２波長選択素子２４、２５は、各半導体チップ２１〜２３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２４、２５は、例えば板状の母材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２４は、第１半導体チップ２１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２２から照射された緑色のレーザ光を反射させる。つまり、第１波長選択素子２４は、青色と緑色のレーザ光を合成する。

第２波長選択素子２５は、第２波長選択素子２５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２３から照射された赤色のレーザ光を反射させる。このように、第２波長選択素子２５は、青色、緑色、赤色のレーザ光を合成する。第２波長選択素子２５で合成されたレーザ光が外部に出射されることとなる。

カバー部３０は、レーザモジュール２０を封止するための部品である。カバー部３０は容器状をなしており、開口端が第１基板１２に固定されている。カバー部３０はセラミックスで構成されている。この場合、例えば、カバー部３０の開口端と第１基板１２の一面１２ａにそれぞれ設けられたメタルリッドが抵抗溶接されることでカバー部３０は第１基板１２に固定されている。これにより、カバー部３０は、中空部分である中空部３１にレーザモジュール２０を封止する。なお、カバー部３０は金属で構成されていても良い。

本実施形態では、中空部３１は、真空または窒素で満たされている。これにより、レーザモジュール２０が外部の影響を受けないので、レーザモジュール２０の信頼性を確保することができる。

また、カバー部３０は、コリメートレンズ３２を有している。コリメートレンズ３２は、各波長選択素子２４、２５で合成されたレーザ光を平行光としてカバー部３０の外部に出射するためのレンズである。コリメートレンズ３２は、カバー部３０の側壁に設けられた貫通孔３３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。

なお、第１半導体チップ２１の光路上に、第１波長選択素子２４、第２波長選択素子２５、及びコリメートレンズ３２が配置されている。したがって、第２波長選択素子２５は、第１波長選択素子２４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２３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３２に導く。

以上説明したように、本実施形態では、ペルチェ素子１０を構成する吸熱用の第１基板１２にレーザモジュール２０の各半導体チップ２１〜２３がベアチップ実装されているので、各半導体チップ２１〜２３をペルチェ素子１０によって直接冷却することができる。したがって、レーザモジュール２０を冷却するための冷却能力を確保することができる。

また、各半導体チップ２１〜２３がペルチェ素子１０によって直接冷却されるので、ペルチェ素子１０の冷却容量を大きくする必要がない。このため、ペルチェ素子１０の冷却容量を低減することができ、ひいてはペルチェ素子１０そのもののサイズを小型化することができる。これに伴い、ペルチェ素子１０の放熱用の第２基板１３を冷却するための図示しない冷却機構を小型化することができる。したがって、レーザユニットの冷却能力を確保しつつ、小型化を図ることができる。

さらに、レーザユニットは車両に搭載される。車両ではエンジンやモータ等の動力が始動してから数秒間で画像を表示させる必要があり、そのような状況においてペルチェ素子１０の冷却能力を充分に発揮させることができる。

（他の実施形態）
上記の実施形態で示されたレーザユニット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、レーザモジュール２０の構成は上記に限られず、各半導体チップ２１〜２３の配置位置についても上記で示された配置位置に限られない。第１半導体チップ２１と第３半導体チップ２３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２４、２５の配置位置を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。波長選択素子は各半導体チップ２１〜２３に対応して設けられていても良い。

上記の実施形態では、中空部３１は、真空または窒素で満たされているが、これは中空部３１の封止方法の一例である。したがって、中空部３１は真空または窒素以外の他の気体等で満たされていても良い。

上記の実施形態では、ペルチェ素子１０を構成する第１基板１２としてセラミック基板が用いられていたが、これは第１基板１２の一例である。例えば、第１基板１２は、ＣｕやＡｌ等の金属製の基板として構成されていても良い。この場合、レーザモジュール２０と第１基板１２の金属母体との絶縁を図るために、第１基板１２の一面１２ａに絶縁膜を設ければ良い。なお、絶縁膜の表面が第１基板１２の一面１２ａに対応することとなる。

上記の実施形態では、第１基板１２は複数のパッド１２ｂを有していたが、これは外部との電気的な接続方法の一例である。したがって、例えばペルチェ素子１０やレーザモジュール２０に接続されたリード線等によって外部との電気的な接続が行われても良い。

上記の実施形態では、レーザユニットは車両に搭載されるが、これはレーザユニットの適用例の一例である。したがって、レーザユニットは車両以外で用いられても良い。

１０ ペルチェ素子
１１ 熱電変換材
１２、１３ 基板
１２ａ 一面
２０ レーザモジュール
２１〜２３ 半導体チップ
２４、２５ 波長選択素子
３０ カバー部
３１ 中空部
３２ コリメートレンズ

Claims (6)

1. 第１基板（１２）と、第２基板（１３）と、前記第１基板（１２）と前記第２基板（１３）とに挟まれた熱電変換材（１１）と、を有するペルチェ素子（１０）と、
   前記第１基板（１２）のうち前記熱電変換材（１１）とは反対側の一面（１２ａ）にベアチップ実装されていると共に各々が異なる波長のレーザ光を照射する複数の半導体チップ（２１〜２３）と、前記複数の半導体チップ（２１〜２３）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（２４、２５）と、を有するレーザモジュール（２０）と、
   容器状をなしており、前記波長選択素子（２４、２５）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（３２）を有し、前記第１基板（１２）の前記一面（１２ａ）に固定されることで中空部分である中空部（３１）に前記レーザモジュール（２０）を封止するカバー部（３０）と、
   を備えていることを特徴とするレーザユニット。
2. 前記中空部（３１）は、真空または窒素で満たされていることを特徴とする請求項１に記載のレーザユニット。
3. 前記第１基板（１２）は、セラミック基板として構成されていることを特徴とする請求項１または２に記載のレーザユニット。
4. 前記第１基板（１２）は、金属製の基板として構成されていることを特徴とする請求項１または２に記載のレーザユニット。
5. 前記第１基板（１２）は、前記複数の半導体チップ（２１〜２３）に電気的に接続された複数のパッド（１２ｂ）を前記一面（１２ａ）に有していることを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１つに記載のレーザユニット。
6. 車両に搭載されることを特徴とする請求項１ないし５のいずれか１つに記載のレーザユニット。

Images