JP5511420B2 - レーザ光源装置及びプロジェクタ装置 - Google Patents

Description

本発明は、レーザ光源装置及びプロジェクタ装置に関する。

近年、プロジェクタ装置の光源としてレーザ光源を用いることが提案されている。レーザ光源には、従来のプロジェクタ装置に用いられている超高圧水銀ランプと比べると、より広い色再現範囲を持つ、瞬時点灯が可能である、低消費電力である、長寿命であるなどの利点がある。

プロジェクタ装置の小型化・軽量化に伴い、光源も同様の要求を満たす必要がある一方、プロジェクタ装置の大画面化、高輝度化のために供給すべき光量も増加しており、光源の放熱効率を高めることが重要な技術課題となっている。また、レーザ光源は発光部の温度変化によって発光波長やレーザ出力が変動するため、発光部の仕様に合わせた適切な冷却を行い、レーザ光出力の安定化を図らなければならない。

このため、従来の空冷方式に加えて、冷媒を流動させて放熱効率を高める液冷方式を採用することが望ましくなっている。また、冷却効率の向上のためには複数のレーザ発光部を駆動基板上に並べて配置して各発光部からの放熱を分散させ、さらにそれぞれの発光部を最適温度に保つ冷却構造を有することが望ましくなっている。

レーザ光源装置の小型化及び放熱のため、半導体レーザ光源モジュールを駆動回路基板の上に実装したものが、特許文献１に提案されている。特許文献１に開示されている方法は、基板上の金属パターン上に半導体レーザ光源を取り付けて放熱するという方法である。

特開平７−１７８９５７号公報（第１頁、第１図）

しかしながら、上記従来の技術によれば、レーザ出力が高く、発熱量が増大する場合は、基板上の金属パターンでは放熱が不十分であり、発熱部を最適温度に保つことは困難になるという問題があった。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、レーザ出力が高い場合でも発光部の温度を一定に保ち、レーザ光の出力や発光波長を安定させることが可能なレーザ光源装置及びプロジェクタ装置を得ることを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明は、回路基板と、回路基板上に設置された断熱スペーサと、断熱スペーサ上に設置され、回路基板とは熱的に分離された受熱板と、受熱板上に、該受熱板と熱的に接続されるように載置されるとともに、回路基板と電気的に接続されて駆動されるレーザ光源モジュールと、ヒートパイプを介して受熱板と熱的に接続された放熱板とを有することを特徴とする。

本発明によれば、受熱板とレーザ光源駆動回路基板とを断熱しているため、受熱板と熱的に接続されている部分の熱容量が小さくなり、温度制御が容易になるという効果を奏する。

図１は、本発明にかかるレーザ光源装置の実施の一形態としての全体構成を示す斜視図である。 図２は、実施の一形態としてのレーザ光源装置の分解斜視図である。 図３は、実施の一形態としてのレーザ光源装置のレーザ光源モジュールの構成を示す図である。 図４は、実施の一形態としてのレーザ光源装置の放熱器の構成を示す図である。 図５は、実施の一形態としてのレーザ光源装置の放熱器の放熱板の上面図である。 図６は、実施の一形態としてのレーザ光源装置の放熱器の放熱板の断面図である。 図７は、実施の一形態としてのレーザ光源装置の放熱器及びレーザ駆動回路基板の側面図である。 図８は、実施の一形態としてのレーザ光源装置の放熱器の外部冷却装置を含めた構成図である。 図９は、実施の一形態としてのレーザ光源装置の放熱器の放熱板の正面図である。 図１０は、実施の一形態としてのレーザ光源装置を搭載したリアプロジェクタ装置の構成図である。

以下に、本発明にかかるレーザ光源装置及びプロジェクタ装置の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。

実施の形態．
図１は、本発明にかかるレーザ光源装置の実施の一形態としての全体構成を示す斜視図である。レーザ光源装置１は、レーザ駆動回路基板２０の上に合成光学系ユニット４０が搭載され、両者の間にはヒートパイプ３３（第１のヒートパイプ）を備えた放熱器３０が介在している。

図２は、レーザ光源装置１の分解斜視図である。レーザ光源装置１は、緑色レーザ光を出射する緑色レーザ光源モジュール１０ａ、赤色レーザ光を出射する赤色レーザ光源モジュール１０ｂ、青色レーザ光を出射する青色レーザ光源モジュール１０ｃを備える。以下の説明においては、これらの３原色の各モジュールをまとめてレーザ光源モジュール１０と称する。

レーザ駆動回路基板２０は、緑色レーザ光源モジュール１０ａ、赤色レーザ光源モジュール１０ｂ、青色レーザ光源モジュール１０ｃに共通なレーザ駆動回路基板である。

放熱器３０は、受熱板３１及びヒートパイプ３３などを備えており、レーザ光源モジュール１０を冷却して、その温度が一定となるように制御する。

合成光学系ユニット４０は、レーザ光源モジュール１０から出射された緑色、赤色、青色の３色のレーザ光を合成して、一つの光軸上に沿って各色の合成光を出射する。

断熱材５０は、受熱板３１の合成光学系ユニット４０側に配置された断熱材であり、合成光学系ユニット４０と受熱板３１とを熱的に分離する。断熱材５０は、受熱板３１の外周に沿う形状であり、レーザ光源モジュール１０の周囲に配置される。

また、断熱材５１は、受熱板３１のレーザ駆動回路基板２０側に配置された断熱材であり、受熱板３１とレーザ駆動回路基板２０とを熱的に分離する。断熱材５１は、受熱板３１の四隅及び外周の長辺の中間の６箇所に設置されている。

図３は、レーザ光源モジュール１０の構成を示す図である。緑色レーザ光源モジュール１０ａは、レーザ素子が搭載された緑色レーザ基板１２ａ上に緑色レーザキャップ１３ａを備え、レーザ素子部分を封止してこれが外気に曝されないように構成されている。また、緑色レーザ光源モジュール１０ａは緑色レーザ端子１１ａを有しており、レーザ駆動回路基板２０にははんだ付けによって接続される。

赤色レーザ光源モジュール１０ｂは、レーザ素子が搭載された赤色レーザ基板１２ｂ上に赤色レーザキャップ１３ｂを備え、レーザ素子部分を封止してこれが外気に曝されないように構成されている。また、赤色レーザ光源モジュール１０ｂは赤色レーザ端子１１ｂを有しており、レーザ駆動回路基板２０にははんだ付けによって接続される。

青色レーザ光源モジュール１０ｃは、レーザ素子が搭載された青色レーザ基板１２ｃ上に青色レーザキャップ１３ｃを備え、レーザ素子部分を封止してこれが外気に曝されないように構成されている。また、青色レーザ光源モジュール１０ｃは青色レーザ端子１１ｃを有しており、レーザ駆動回路基板２０にははんだ付けによって接続される。

図４に、放熱器３０の構成を示す。放熱器３０は、受熱板３１、放熱板３２、ヒートパイプ３３、ヒートパイプ３４（第２のヒートパイプ）、保持板金３５によって構成されている。

受熱板３１は、緑色レーザ基板１２ａ、赤色レーザ基板１２ｂ、青色レーザ基板１２ｃと接触し、レーザ光源モジュール１０で発生する熱を受熱する。

ヒートパイプ３３、３４は、内部に冷媒が封入された金属製のパイプであり、両端に接続される部品の位置関係を保つために曲げ加工が施されている。ヒートパイプ３３、３４は、パイプの曲げ形状の変化を防ぎ、受熱板３１と放熱板３２との相対的な位置関係の変化を抑制するために、保持板金３５によって剛性が付加されている。

本実施の形態においては、ヒートパイプ３３、３４は、それぞれ異なる位置で受熱板３１と放熱板３２とを接続するように配置されている。

ヒートパイプ３３は、受熱板３１及び放熱板３２のそれぞれに設けられたヒートパイプ３３の径と略同一幅の溝内にはんだ付けによって接続され、受熱板３１及び放熱板３２の片方の短辺側から長辺と平行に設けられた溝内を通って、反対側の短辺側に至る経路をとっている。

ヒートパイプ３４は、受熱板３１及び放熱板３２上にはんだ付けによって接続され、ヒートパイプ３３の末端側となる短辺付近で受熱板３１、放熱板３２と接続されている。このとき放熱板３２は受熱板３１よりも上方に位置するように、保持板金３５によって保持されている。

ヒートパイプ３３、ヒートパイプ３４の内部は減圧された状態で冷媒としての水が封入されており、受熱板３１で生じた熱によって蒸発した水はパイプ内を上方へ移動する。蒸発した水が放熱板３２近傍で凝縮することにより、受熱板３１から放熱板３２へと熱輸送できる。凝縮した水は放熱板３２と受熱板３１との高低差によって再び受熱板３１側へと戻る。

放熱板３２にはペルチェ素子などの外部の冷却機器を備えることによって、その温度が一定となるように冷却されることで、レーザ光源モジュール１０で発生した熱が冷却される。

図５は、放熱器３０の受熱板３１の上面図である。受熱板３１には、緑色レーザ端子１１ａ、赤色レーザ端子１１ｂ、青色レーザ端子１１ｃを通すためにレーザ端子用穴３６が設けられている。

緑色レーザ光源モジュール１０ａ、赤色レーザ光源モジュール１０ｂ、青色レーザ光源モジュール１０ｃは、各々緑色レーザ基板１２ａ、赤色レーザ基板１２ｂ、青色レーザ基板１２ｃが受熱板３１に接するように取り付けられる。このとき緑色レーザ端子１１ａ、赤色レーザ端子１１ｂ、青色レーザ端子１１ｃは、レーザ端子用穴３６を通って受熱板３１を貫通し、レーザ駆動回路基板２０と接続される。なお、受熱板３１と各レーザ基板１２ａ、１２ｂ、１２ｃとの接触部、及びレーザ端子用穴３６は、各レーザ光源モジュール１０ａ、１０ｂ、１０ｃを取り付けるための取り付け部を構成する。また、レーザ端子用穴３６の両側には、ヒートパイプ３３を構成する２本のパイプが接続される溝が形成されている。そのため、ヒートパイプ３３の２本のパイプを前記溝に接続した際には、取り付け部は、ヒートパイプ３３の２本のパイプに挟まれた領域に、当該２本のパイプと隣接して配置されることになる。

断熱材５０は、受熱板３１の上の外周に沿う形状で、レーザ光源モジュール１０の周囲に配置される。断熱材５０を介して合成光学系ユニット４０が取り付けられる。

レーザ光源モジュール１０は、温度が変化すると出力光の波長や強度が変化するため、温度を一定に保つように冷却する必要がある。レーザ光源モジュール１０は受熱板３１と接触しており、放熱板３２を冷却することで受熱板３１上のレーザ光源モジュール１０の温度制御を行うことが可能となっているが、レーザ光源モジュール１０の温度を一定に保つには、受熱板３１と熱的に接続された系の熱容量は小さい方が有利である。

図６は放熱器３０の受熱板３１の断面図であり、レーザ駆動回路基板２０と受熱板３１との間には、スペーサとしての断熱材５１が受熱板３１の四隅及び外周の長辺の中間に取り付けられて間隙が存在している。受熱板３１とレーザ駆動回路基板２０とを間隙によって断熱することで、受熱板３１と熱的に接続された系の熱容量が小さくなり、レーザ光源モジュール１０の温度を一定に冷却する効果が高くなる。

また、レーザ光源モジュール１０の温度を一定に保つためには、合成光学系ユニット４０と受熱板３１との間でも熱が移動しないようにすることが望ましい。合成光学系ユニット４０と受熱板３１との間には断熱材５１が挿入されており、図６に示すように受熱板３１の上かつレーザ光源モジュール１０の周囲に配置されている。これにより、合成光学系ユニット４０は断熱材５１を介して受熱板３１と一体化した構造となるが、断熱材５１によって断熱されるため、受熱板３１と熱的に接続された系の熱容量が小さくなり、レーザ光源モジュール１０の温度を一定に保つ効果が高くなる。

図７は、放熱器３０及びレーザ駆動回路基板２０の側面図である。なお、図７においては、断熱材５０の図示は省略している。放熱板３２は受熱板３１と直交する位置関係であり、受熱板３１側の面でヒートパイプ３３、ヒートパイプ３４と接合し、受熱板３１側と反対側の面がペルチェ素子などの外部冷却装置によって一定温度まで冷却される。冷却によって放熱板３２で結露が生じ、水滴がレーザ駆動回路基板２０に落下して電気的にショートするなどの問題が発生することを防ぐために、放熱板３２の位置は、レーザ駆動回路基板２０の真上から離れた位置（レーザ駆動回路基板２０の基板面外）となっている。

図８は、外部冷却装置を含めた放熱器３０の構成図であり、外部冷却装置としてペルチェ素子を使用している。なお、図７と同様に、断熱材５０の図示は省略している。放熱板３２を冷却することにより、レーザ光源モジュール１０の温度制御を行うことが可能な構造であり、放熱板３２に取り付けられたペルチェ素子７０によって放熱板３２の冷却が行われる。

ペルチェ素子７０は、一方の面で吸熱、他方の面で発熱する素子であり、直流電流によって制御される。ペルチェ素子７０の吸熱面を放熱板３２に接続し、放熱板３２を一定温度に冷却するよう制御する。ペルチェ素子７０の発熱面は、ペルチェ素子受熱板７１、ペルチェ素子ヒートパイプ７２、ペルチェ素子ヒートシンク７３によって冷却される。ペルチェ素子受熱板７１は、ペルチェ素子７０の発熱面に接着される受熱板であり、ペルチェ素子７０の発熱面で発生した熱を受熱する。ペルチェ素子ヒートパイプ７２は、ペルチェ素子受熱板７１とペルチェ素子ヒートシンク７３とを両端に接続するヒートパイプであり、ペルチェ素子受熱板７１の熱をペルチェ素子ヒートシンク７３へ移動する。ペルチェ素子ヒートシンク７３は、金属板が複数枚並列状に並んだ構成であり、熱を拡散させることで放熱を行う熱交換器である。この構成により、レーザ光源モジュール１０で発生した熱は、受熱板３１に受熱されてヒートパイプ３３、ヒートパイプ３４によって放熱板３２へ移動する。放熱板３２は、ペルチェ素子７０の冷却面によって冷却され、一定温度に制御される。ペルチェ素子７０の発熱面で発生する熱は、ペルチェ素子受熱板７１によって受熱されてペルチェ素子ヒートパイプ７２によりペルチェ素子ヒートシンク７３へ移動し、熱拡散によって放熱が行われる。

ヒートパイプ３３は、受熱板３１上の全てのレーザ光源モジュール１０のレーザ基板との接触部付近を通過する経路となっている。この配置は、全てのレーザ光源モジュールを同時に冷却するのに有効である。しかし、レーザ光源モジュール１０の発熱量が大きい場合は、ヒートパイプ３３内に封入されている水が全て蒸発してしまい、緑色光源モジュール１０ａ付近まで水が到達せず、熱移動の効率が低下してしまう。

そのため、ヒートパイプ３４の経路はヒートパイプ３３の経路とは異なっており、ヒートパイプ３３の受熱板３１側末端の緑色光源モジュール１０ａ付近と放熱板３２と直接接続する。これにより、ヒートパイプ３３内の水が全て蒸発し水が到達しなくなるレーザ光源モジュールが存在するという状態は発生しにくくなり、熱移動効率を向上させることができる。具体的には、受熱板３１上で、その位置からヒートパイプ３３の受熱板３１側末端に最も近い位置に配置されたレーザ光源モジュールまでの距離が、レーザ光源モジュール１０を構成する他のレーザ光源モジュールよりも短くなる位置に、ヒートパイプ３４を接続すればよい。

ヒートパイプ３４の経路が、ヒートパイプ３３の受熱板３１側末端付近と放熱板３２とを接続する経路ではなく、レーザ光源モジュール１０のうち最も発熱量が大きい光源モジュール付近と放熱板３２とを接続する経路である場合も、ヒートパイプ３３内の水の蒸発量を少なくすることが可能であるため、熱移動効率は向上する。具体的には、最も発熱量が大きいレーザ光源モジュールまでの距離がレーザ光源モジュール１０を構成する他のレーザ光源モジュールよりも短くなる受熱板３１上の位置にヒートパイプ３４を接続することにより、最も発熱量が大きいレーザ光源モジュールからの熱を優先的にヒートパイプ３４に移動させることができる。

保持板金３５は放熱器３０の構造を補強する部材であり、ヒートパイプ３３が変形して受熱板３１と放熱板３２との位置関係が変化することを防ぐ。保持板金３５の材料として銅やアルミニウムなどの熱伝導率の高い金属部材を使用することにより、受熱板３１から放熱板３２までの熱移動をヒートパイプ３３、３４に加えて保持板金３５でも行うこととなるため、熱移動効率が向上し、より効果的にレーザ光源モジュール１０を冷却できる。なお、上記で例示した銅やアルミニウムなどの金属に限らず、受熱板３１と放熱板３２とを熱的に接続する材料であれば、熱移動効率を向上させる効果は得られる。

図９に、放熱板３２の正面図を示す。放熱板３２は水平方向から６°傾けられており、ヒートパイプ３３の放熱板３２側の末端が受熱板３１側よりも上方に位置している。ヒートパイプ３３が動作するためには、放熱板３２側で冷却されて凝縮した水が受熱板３１側まで戻る必要がある。そのため、ヒートパイプ３３は放熱板３２に接続される側が受熱板３１に接続される側よりも高い位置にある状態で動作し、この構成でレーザ光源装置の傾き角度が６°未満であれば冷却動作が可能である。

図１０は、レーザ光源装置を搭載したリアプロジェクタ装置の構成図である。レーザ光源装置１は、緑色レーザ、赤色レーザ、青色レーザを合成した合成光を出射し、投射型表示装置６０へと入射する。投射型表示装置６０は映像を拡大投射し、投射された映像は反射ミラー６２によって反射されて透過型スクリーン６１上に結像する。構成部品は、リアプロジェクタ装置筐体６３内部に保持されている。

レーザ光源装置１は、受熱板３１がリアプロジェクタ装置の底面と平行となり、放熱板３２は透過型スクリーン６１と垂直でリアプロジェクタ装置の後方側が上昇している構成となるように配置されている。

リアプロジェクタ装置においては、設置面の状況によって前後方向に５度を超えない程度の傾きが生じる場合がある。前後方向に５度傾いた場合であっても放熱板３２が６度傾いているため、ヒートパイプ３３は動作可能であり、レーザ光源モジュール１０の冷却は正常に行われる。放熱板３２は、水平方向に９０度傾いた状態がリアプロジェクタ装置のより大きな傾きに対しても対応可能であるが、リアプロジェクタ装置のコンパクト化のためには９０度よりも小さい角度とした方が有利である場合が多い。この場合、リアプロジェクタ装置に生じうると予想される傾き角度よりも大きな角度で放熱板を傾けておくことにより、レーザ光源装置１は正常に冷却される。

このように、本実施の形態によれば、レーザ光源モジュール１０を受熱板３１に取り付けられているため、受熱板３１を冷却することでレーザ光源モジュール１０の温度制御が可能である。また、受熱板３１とレーザ駆動回路基板２０とが断熱された構造となっているため、受熱板３１と熱的に接続された系の熱容量が小さくなり、温度制御が容易である。

以上のように、本発明にかかるレーザ光源装置は、プロジェクタ装置用の光源装置として有用であり、特に、複数のレーザ光源モジュールからの光を合成して照射するのに適している。

１０ レーザ光源モジュール
１０ａ 緑色レーザ光源モジュール
１０ｂ 赤色レーザ光源モジュール
１０ｃ 青色レーザ光源モジュール
２０ レーザ駆動回路基板
３０ 放熱器
３１ 受熱板
３２ 放熱板
３３、３４ ヒートパイプ
３５ 保持板金
３６ レーザ端子用穴
４０ 合成光学系ユニット
５０、５１ 断熱材
６０ 投射型表示装置
６１ 透過型スクリーン
６２ 反射ミラー
６３ リアプロジェクタ装置筐体
７０ ペルチェ素子
７１ ペルチェ素子受熱板
７２ ペルチェ素子ヒートパイプ
７３ ペルチェ素子ヒートシンク

Claims (9)

1. 回路基板と、
   前記回路基板上に設置された断熱スペーサと、
   前記断熱スペーサ上に設置され、前記回路基板とは熱的に分離された受熱板と、
   前記受熱板上に、該受熱板と熱的に接続されるように載置されるとともに、前記回路基板と電気的に接続されて駆動されるレーザ光源モジュールと、
   ヒートパイプを介して前記受熱板と熱的に接続された放熱板とを有し、
   前記レーザ光源モジュールが少なくとも２種類以上の色調を持つレーザ光源モジュールで構成され、
   前記受熱板が前記レーザ光源モジュールの端子を通す穴を有し、
   前記受熱板が前記回路基板と前記レーザ光源モジュールとの間に配置される
   ことを特徴とするレーザ光源装置。
2. 前記放熱板を前記回路基板の基板面外に配置したことを特徴とする請求項１記載のレーザ光源装置。
3. 前記放熱板は、前記受熱板と直交し、かつ、前記ヒートパイプの末端が前記受熱板よりも上方に位置するように傾けて配置されたことを特徴とする請求項１又は２記載のレーザ光源装置。
4. 前記受熱板と前記放熱板との相対的な位置関係の変化を抑制する部材をさらに有することを特徴とする請求項１から３のいずれか１項記載のレーザ光源装置。
5. 前記ヒートパイプを複数有し、
   該ヒートパイプの少なくとも１本は、複数の前記レーザ光源モジュールの全ての近傍を通過するように設置され、
   他のヒートパイプは、複数の前記レーザ光源モジュールの全ての近傍を通過するヒートパイプの末端側に実装されたレーザ光源モジュールの近傍、又は、複数のレーザ光源モジュールの中で最も発熱量が大きいレーザ光源モジュールの近傍のみを通過するように設置されたことを特徴とする請求項１から４のいずれか１項記載のレーザ光源装置。
6. 前記ヒートパイプは、第１のヒートパイプおよび第２のヒートパイプを有し、
   前記第１のヒートパイプは、前記複数のレーザ光源モジュールが取り付けられる前記受熱板の取り付け部に隣接して配置され、
   前記第２のヒートパイプは、前記複数のレーザ光源モジュールのうち前記第１のヒートパイプに沿って前記放熱板に到るまでの距離が最も長いレーザ光源モジュールが、他のレーザ光源モジュールよりも近い位置に配置されることを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載のレーザ光源装置。
7. 前記ヒートパイプは、第１のヒートパイプおよび第２のヒートパイプを有し、
   前記第１のヒートパイプは、前記複数のレーザ光源モジュールが取り付けられる前記受熱板の取り付け部に隣接して配置され、
   前記第２のヒートパイプは、前記複数のレーザ光源モジュールのうち最も発熱量の大きいレーザ光源モジュールまでの距離が、他のレーザ光源モジュールよりも短かい位置に配置されることを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載のレーザ光源装置。
8. 複数の前記レーザ光源モジュールの各々から発せられたレーザ光を合成する合成光学系と、
   前記合成光学系と前記受熱板との間に介在して、該合成光学系と前記受熱板とを熱的に分離する断熱材とをさらに有することを特徴とする請求項５から７のいずれか１項に記載のレーザ光源装置。
9. 請求項１から８のいずれか１項記載のレーザ光源装置と、
   前記レーザ光源装置が発するレーザ光を空間変調して画像光を生成する手段と、
   前記画像光を投射する投射光学系とを有することを特徴とするプロジェクタ装置。

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