JPWO2018042524A1 - 光源装置および投写型表示装置、半導体発光素子の冷却方法 - Google Patents

Abstract

複数の半導体発光素子をより均一に冷却するもので、複数の半導体発光素子と、前記複数の半導体発光素子を収容する光源バンクと、第１の面に前記光源バンクを搭載し、前記第１の面の裏面である第２の面に冷却機構が設けられる光源バンク保持部材と、を有し、前記冷却機構は、前記光源バンク保持部材を挟んで前記光源バンクに対応する位置に設けられた放熱部と、前記第２の面を、前記放熱部を含めて覆う流路カバーと、前記流路カバーに設けられ、冷媒が流入する流入端子と、前記流路カバーに設けられ、前記流入端子との間に前記放熱部による流路が形成される、冷媒が流出する流出端子と、前記流入端子と前記放熱部との間に形成され、前記放熱部に形成される流路よりも抵抗が小さな第１流路と、を有する。

Description

本発明は、光源装置および投写型表示装置、半導体発光素子の冷却方法に関するものである。

投写型表示装置の光源などに使用される発光ダイオード（ＬＥＤ：Ｌｉｇｈｔ Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｄｉｏｄｅ）や半導体レーザー（ＬＤ：Ｌａｓｅｒ Ｄｉｏｄｅ）などの半導体発光素子は電気を流すことで発光するが、発光時に熱も発生させる。半導体発光素子の温度が上昇すると発光効率が下がり、十分な光量が得られなくなり、半導体発光素子の寿命も短くなる。投写型表示装置において、安定的に光学性能を発揮させ、その性能を継続的に維持するためには、半導体発光素子を冷却して使用時の温度を一定温度以下に制御する必要がある。

特許文献１（特開２０１５−１３０４６１号公報）には、半導体発光素子の冷却方式として、密閉筐体の内部空間内に半導体レーザーが設置される設置部材を設け、設置部材の内部には冷媒流路を設け、冷媒流路の入り口端部と出口端部を密閉筐体の外部空間とする技術が開示されている。

特開２０１５−１３０４６１号公報

特許文献１に開示される技術では、冷却対象である半導体発光素子を冷媒流路により冷却している。冷媒流路は、冷媒流路の内部を循環する液体や気体などの冷媒により冷却対象の熱を受熱する。受熱した冷媒は、冷媒流路の出口からラジエーターに排出され、ラジエーターによる放熱が行われることで冷却された後に、再度ポンプにより冷却流路の入り口に還流される。

冷媒流路の内部を循環する冷媒の温度は受熱により上昇し、冷媒流路の出口部での温度は入り口部での温度よりも高くなってしまう。

近年の投写型表示装置には高輝度のものが求められている。これに伴い、光源を構成する半導体発光素子には高出力のものが複数用いられるようになっている。出射面を同じとする複数の半導体発光素子をアレイ状に配置することで、光源としての輝度は高いものとなるが、その分、発熱量も増加する。

複数の半導体発光素子を特許文献１に開示されるような冷媒流路を用いて冷却すると、冷媒の温度が入り口部と出口部で異なることから冷却される半導体発光素子の温度が均一にならない。半導体発光素子は動作温度によりその出力強度が変動するため、各半導体発光素子の出力光に輝度ムラが発生し、さらには投写型表示装置より投写される映像光にも色ムラが発生してしまう。

本発明は、複数の半導体発光素子をより均一に冷却する光源装置および投写型表示装置、半導体発光素子の冷却方法を提供することを目的としている。

本発明による光源装置は、複数の半導体発光素子と、
前記複数の半導体発光素子を収容する光源バンクと、
第１の面に前記光源バンクを搭載し、前記第１の面の裏面である第２の面に冷却機構が設けられる光源バンク保持部材と、を有し、
前記冷却機構は、
前記光源バンク保持部材を挟んで前記光源バンクに対応する位置に設けられた放熱部と、
前記第２の面を、前記放熱部を含めて覆う流路カバーと、
前記流路カバーに設けられ、冷媒が流入する流入端子と、
前記流路カバーに設けられ、前記流入端子との間に前記放熱部による流路が形成される、冷媒が流出する流出端子と、
前記流入端子と前記放熱部との間に形成され、前記放熱部に形成される流路よりも抵抗が小さな第１流路と、を有する。

本発明による投写型表示装置は、上記の光源装置を備えている。

本発明による半導体発光素子の冷却方法は、光源バンクに収容された複数の半導体発光素子を冷却する半導体発光素子の冷却方法であって、
光源バンク保持部材の第１の面に前記光源バンクを搭載し、前記第１の面の裏面である第２の面に冷却機構を設け、
前記冷却機構として、
放熱部を、前記光源バンク保持部材を挟んで前記光源バンクに対応する位置に設け、
流路カバーにより前記第２の面を、前記放熱部を含めて覆い、
冷媒が流入する流入端子を前記流路カバーに設け、
前記流入端子との間に前記放熱部による流路が形成されるように、冷媒が流出する流出端子を前記流路カバーに設け、
前記放熱部に形成される流路よりも抵抗が小さな第１流路を前記流入端子と前記放熱部との間に形成する。

上記の構成を備える本発明においては、複数の半導体発光素子がより均一に冷却される。

本発明による光源装置の一実施形態の構成を示す分解斜視図である。 図１に示した実施形態の組立体を示す斜視図である。 図１に示した実施形態の組立体を示す斜視図である。 図１に示した実施形態の冷却動作を説明するための平面図である。 図１に示した実施形態の冷却動作を説明するための平面図である。 図１に示した実施形態の冷却動作を説明するための断面図である。 （ａ）は図６中の流入口１０１部分の断面構造を示す図であり、（ｂ）は図６中の流出口１０２部分の断面構造を示す図である。 本発明による投写型表示装置の一実施形態の構成を示すブロック図である。

発明の実施の形態

次に、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。

第１の実施形態
図１は本発明による光源装置の一実施形態の構成を示す分解斜視図、図２および図３はその組立体を示す斜視図である。

本実施形態の光源装置は、図１に示すように、流入口１０１、流出口１０２、流路カバー１０３、放熱部１０４、光源バンク保持部材１０５、光源基板１０６、および、光源バンク１０７から構成されている。

光源バンク保持部材１０５には複数の平行なフィン形状の放熱部１０４が形成され、放熱部１０４を覆う流路カバー１０３には冷媒の入り口および出口となる流入口１０１および流出口１０２が取り付けられている。

光源バンク保持部材１０５の放熱部１０４が形成されない側には、図２に示すように光源基板保持部材２０１と光源バンク１０７が搭載される。３個の光源バンク１０７は３個の光源基板１０６を収容している。３個の光源基板１０６のそれぞれには、ＬＤである半導体発光素子３０１が図３に示されるように８個搭載され、各半導体発光素子３０１の出射光は光源バンク１０７に各半導体発光素子に対応して設けられた開口から出射する。

光源バンク１０７は収容するＣＡＮタイプの半導体発光素子３０１および光源バンク保持部材１０５と直接接触しており、本実施形態において、各半導体発光素子３０１は、光源バンク１０７および光源バンク保持部材１０５を介して、光源バンク保持部材１０５に設けられた放熱部１０４などにより構成される冷却機構により冷却される。

図４ないし図７は本実施形態で行われる冷却動作を説明するための図であり、図４は平面図、図５は図４の流路カバー１０３を外した状態での冷媒の進行状況を示す平面図、図６は断面図である。

本実施形態の流路カバー１０３は、光源バンク保持部材１０５に形成されたフィン形状の放熱部１０４を覆い、流路を形成するものであるが、流入口１０１と光源バンク保持部材１０５との間にはフィン形状の放熱部１０４が設けられ、流出口１０２と光源バンク保持部材１０５との間にはフィン形状の放熱部１０４は設けられていない。また、図４の平面図および図６の断面図に示すように、放熱部１０４の流入口１０１側には、流入口１０１と連通し、流入口１０１から冷媒の出口となる流出口１０２側に直線的に向かう第１流路４０１が設けられている。

第１流路４０１は、流入口１０１、流出口１０２、流路カバー１０３、放熱部１０４とともに冷却機構を構成するもので、図５に示すように、矩形形状の放熱部１０４を形成するフィン形状は、図面上下方向を長手方向とするように平行に形成され、第１流路４０１は図面左右方向を長手方向とするとともに、情熱部１０４の複数のフィン形状に平行な対辺の略中央部を結ぶとともに、放熱部１０４を形成する各フィンのすべてに亘るように細長い形状に形成されている。

流入口１０１と放熱部１０４との間に何も設けられない第１流路４０１は、フィン形状の放熱部１０４に形成される流路よりも抵抗が低いため、流入口１０１から流入した冷媒は、図４ないし図６の矢印Ａに示すように、まず、第１流路４０１を満たす。

上述したように、各半導体発光素子３０１は、光源バンク１０７および光源バンク保持部材１０５を介して、光源バンク保持部材１０５に設けられた放熱部１０４などにより構成される冷却機構により冷却される。光源バンク１０７と放熱部１０４は光源バンク保持部材１０５に設けられるが、これらが設けられる位置は、図６に示すように、光源バンク保持部材１０５を挟んで一致するものとされている。

第１流路４０１を満たした冷媒は、図４ないし図６の矢印Ｂに示すように、フィン形状の放熱部１０４を通って光源バンク保持部材１０５の放熱部１０４の形成面に向かう。矢印Ａ状態から矢印Ｂの状態に遷移するときの冷媒は、放熱部１０４からの受熱動作を開始していない。このため、放熱部１０４の形成面に向かう冷媒の温度は流入口１０１からの距離に関わらずに同じ温度となり、光源バンク１０７および光源バンク１０７に収容される半導体発光素子３０１は同じ条件で冷却される。

放熱部１０４の形成面に達した冷媒は、図４ないし図６の矢印Ｃに示すように、フィン形状の放熱部１０４の側部を通って流出口１０２側へ向かい、その後、図４ないし図６の矢印Ｄに示すように、流出口１０２から流出する。

図７（ａ）は図６中の流入口１０１部分の断面構造を示す図であり、図７（ｂ）は図６中の流出口１０２部分の断面構造を示す図である。

上述したように、第１流路４０１は放熱部１０４を形成する各フィン形状のすべてに亘るように細長い形状に形成されている。このため、図７（ａ）に示すように、流出口１０１から第１流路４０１に流入する冷媒は、同じ温度、かつ、同時に放熱部１０４を形成する各フィン形状間に供給される。光源バンク１０７と放熱部１０４の設置位置は、光源バンク保持部材１０５を挟んで一致するように設けられているので、光源バンク保持部材１０５および光源バンク１０７に収容される複数の半導体発光素子３０１は同じ条件で冷却される。このように、複数の半導体発光素子が従来のように上流と下流で異なる温度条件で冷却されないことから、複数の半導体発光素子３０１はより均一に冷却される。

放熱部４０１を通った冷媒は、図７（ｂ）に示すように流出口１０２から流出する。流入口１０１、流出口１０２の流路断面は同じ面積とされ、さらには、第１流路４０１の流路断面も同じ面積とされている。流入口１０１、流出口１０２の流路断面を同じ面積とすることにより、流入口１０１に流入する冷媒と流出口１０２から流出する冷媒の流速は等しいものとなり、円滑な冷媒の流れを確保することができる。この冷媒の流れの円滑性は、第１流路４０１の流路断面の面積を流入口１０１、流出口１０２の流路断面の面積と同じとすることによりさらに向上する。

上記のように構成される本実施形態の光源装置においては、複数の半導体発光素子がより均一に冷却されることから、各半導体発光素子による出力光は、輝度ムラの発生が抑制されたものとなる。

第２の実施形態
図８は、第１の実施形態に示した光源装置を備えた投写型表示装置の一実施形態の構成を示すブロック図である。

投写型表示装置１１００は、第１の実施形態で説明した光源装置を備えた光源１１０１と、光学エンジン部１１０２と、画像形成ユニット１１０３と、投写レンズ（投写光学系）１１０４とを有している。

画像形成ユニット１１０３は、画像信号に応じて光を変調する表示デバイス１１０５〜１１０７を備え、光学エンジン部１１０２から出射された光に基づいて画像を形成する機能を有している。本実施形態では、表示デバイス１１０５〜１１０７として、反射型表示素子であるデジタルマイクロミラーデバイス（ＤＭＤ）が用いられている。さらに、本実施形態では、画像形成ユニット１１０３は、赤色光、緑色光、および青色光に対応した３つの表示デバイス１１０５〜１１０７を備えている。投写レンズ１１０４は、画像形成ユニット１１０３から出射された光をスクリーン１１０９などに投写して、画像として表示する機能を有している。

また、投写型表示装置１１００は、画像形成ユニットのＤＭＤを冷却するための冷却装置を備えている。

上記のように構成される本実施形態の投写型表示装置においては、輝度ムラが抑制された光源装置の出力光を用いることから、色ムラの発生が抑制された品質の高い映像光を出力するものとなっている。

１０１ 流入口
１０２ 流出口
１０３ 流路カバー
１０４ 放熱部
１０５ 光源バンク保持部材
１０６ 光源基板
１０７ 光源バンク

Claims (7)

1. 複数の半導体発光素子と、
   前記複数の半導体発光素子を収容する光源バンクと、
   第１の面に前記光源バンクを搭載し、前記第１の面の裏面である第２の面に冷却機構が設けられる光源バンク保持部材と、を有し、
   前記冷却機構は、
   前記光源バンク保持部材を挟んで前記光源バンクに対応する位置に設けられた放熱部と、
   前記第２の面を、前記放熱部を含めて覆う流路カバーと、
   前記流路カバーに設けられ、冷媒が流入する流入端子と、
   前記流路カバーに設けられ、前記流入端子との間に前記放熱部による流路が形成される、冷媒が流出する流出端子と、
   前記流入端子と前記放熱部との間に形成され、前記放熱部に形成される流路よりも抵抗が小さな第１流路と、を有する光源装置。
2. 請求項１記載の光源装置において、
   前記流入端子と前記流出端子の流路断面の面積が等しい光源装置。
3. 請求項２記載の光源装置において、
   前記流入端子および前記流出端子と、前記第１の流路の流路断面の面積が等しい光源装置。
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、
   前記放熱部は複数の平行なフィン形状を備え、前記第１流路は各フィン形状のすべてに亘るように形成されている光源装置。
5. 請求項４に記載の光源装置において、
   前記放熱部は矩形形状であり、前記第１流路は前記複数のフィン形状に平行な対辺の略中央部を結ぶように形成されている光源装置。
6. 請求項１ないし請求項５のいずれかに記載の光源装置を備えた投写型表示装置。
7. 光源バンクに収容された複数の半導体発光素子を冷却する半導体発光素子の冷却方法であって、
   光源バンク保持部材の第１の面に前記光源バンクを搭載し、前記第１の面の裏面である第２の面に冷却機構を設け、
   前記冷却機構として、
   放熱部を、前記光源バンク保持部材を挟んで前記光源バンクに対応する位置に設け、
   流路カバーにより前記第２の面を、前記放熱部を含めて覆い、
   冷媒が流入する流入端子を前記流路カバーに設け、
   前記流入端子との間に前記放熱部による流路が形成されるように、冷媒が流出する流出端子を前記流路カバーに設け、
   前記放熱部に形成される流路よりも抵抗が小さな第１流路を前記流入端子と前記放熱部との間に形成する半導体発光素子の冷却方法。

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