WO2016132622A1 - 半導体レーザ光源装置、半導体レーザ光源システムおよび映像表示装置 - Google Patents

半導体レーザ光源装置、半導体レーザ光源システムおよび映像表示装置 Download PDF

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light source
laser light
cooler
semiconductor
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村井　偉志
廣瀬　達朗
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三菱電機株式会社
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Definitions

  • the present invention relates to a semiconductor laser light source device and a semiconductor laser light source system including a cooler for cooling the semiconductor laser, and an image display device including the semiconductor laser light source device or the semiconductor laser light source system.
  • a solid color light source As a light source used in large halls and large-scale high-intensity projectors for digital cinemas, medium- and small-sized projectors used mainly for small meetings or presentations, and projection monitors that incorporate a projection optical system and a large screen in the housing.
  • Those using solid-state light sources such as LEDs or semiconductor lasers have been widely commercialized or proposed.
  • a solid color light source can be used for instant lighting and low power consumption. It is characterized by having advantages such as electric power and long life.
  • semiconductor lasers also have the advantage that higher brightness and higher output can be achieved by superimposing light. Therefore, development of a high-power semiconductor laser light source device using a larger number of semiconductor lasers has been advanced as a large-sized high-intensity projector used for projection onto a large screen.
  • semiconductor lasers are less susceptible to heat than other solid-state light sources such as LEDs, and the electro-optical conversion efficiency is likely to decrease significantly as the temperature of the element increases. Further, if high-power light is continuously emitted at a high temperature, deterioration is promoted and the life of the device is likely to be shortened. Therefore, in order to obtain a desired light amount even when the environmental temperature is high, a heat dissipation structure with higher cooling performance than other solid light sources is required.
  • Patent Document 1 in order to dissipate a plurality of semiconductor lasers, a plurality of short-diameter wave-shaped radiation fins are provided on a pedestal to which the semiconductor lasers are attached, and a cooling fan is provided with a plurality of holes for the radiation fins.
  • a structure in which a driver substrate is disposed is disclosed.
  • Patent Document 2 discloses a structure in which a flexible substrate for electrically connecting a semiconductor laser and a semiconductor laser is embedded in a heat transfer member or a base of a heat sink to dissipate the semiconductor laser.
  • the radiating fins formed for cooling a plurality of semiconductor lasers are cooled by a cooling fan via a driver board provided with a plurality of holes. Since the driver board blocks the wind of the cooling fan, the radiating fins cannot be efficiently cooled, the cooling performance is lowered, and the semiconductor laser cannot be efficiently cooled.
  • an object of the present invention is to provide a technique capable of efficiently cooling a semiconductor laser.
  • a semiconductor laser light source device includes a semiconductor laser, a cooler that cools the semiconductor laser, and a drive substrate that drives the semiconductor laser, and the cooler is opposite to the emission surface of the semiconductor laser.
  • the driving substrate is disposed so as to be in contact with a surface opposite to the surface on which the semiconductor laser is disposed in the cooler.
  • Another semiconductor laser light source device includes a semiconductor laser, a cooler that cools the semiconductor laser, and a drive substrate that drives the semiconductor laser, and each of the cooler and the drive substrate includes the semiconductor laser. It is arrange
  • the semiconductor laser light source system according to the present invention includes a plurality of semiconductor laser light source devices.
  • the video display device includes a semiconductor laser light source device or a semiconductor laser light source system.
  • the thermal resistance between the semiconductor laser and the cooler can be reduced, and the semiconductor laser can be efficiently cooled.
  • FIG. 1 is a configuration diagram of a video display device including a semiconductor laser light source device according to Embodiment 1.
  • FIG. 1 is a diagram showing a schematic configuration of a semiconductor laser light source device according to a first embodiment.
  • 1 is a diagram showing a configuration of a semiconductor laser in Embodiment 1.
  • FIG. 1 is a diagram illustrating a configuration outline of a semiconductor laser light source system according to Embodiment 1.
  • FIG. FIG. 6 is a diagram showing a configuration outline of a semiconductor laser light source device according to a second embodiment. 6 is a diagram illustrating a configuration of a semiconductor element in Embodiment 2.
  • FIG. It is a figure which shows the other structure outline
  • FIG. 1 is a diagram showing a schematic configuration of a semiconductor laser light source device according to a first embodiment.
  • 1 is a diagram showing a configuration of a semiconductor laser in Embodiment 1.
  • FIG. 1 is a diagram
  • FIG. 5 is a diagram showing a configuration outline of a semiconductor laser light source device according to a third embodiment. It is a figure which shows the other structure outline
  • FIG. It is a figure which shows the other structure outline
  • FIG. It is a figure which shows the other structure outline
  • FIG. It is a figure which shows the other structure outline
  • FIG. 1 is a configuration diagram of a video display apparatus 300 according to the first embodiment.
  • the video display device 300 includes three types of semiconductor laser light source devices 100 of red, blue, and green, an illumination optical system 101, a video display system 102, and a projection optical system 103.
  • the semiconductor laser light source device 100 is a high-power semiconductor laser light source device including a plurality of semiconductor lasers.
  • Light emitted from the red, blue, and green semiconductor laser light source devices 100 is synthesized by the illumination optical system 101 and converted into white light, and is irradiated to the video display system 102.
  • the video display system 102 DMD (Digital Light Processing) or LCOS (Liquid Crystal On Silicon) can be used.
  • the video created by the video display system 102 is enlarged by the projection optical system 103 and displayed on the screen 104.
  • the video display device 300 shown in FIG. 1 is assumed to be a projector that displays white by combining three types of semiconductor laser light source devices 100 of red, blue, and green, but a combination of a semiconductor laser and a phosphor. It may be a video display device that displays white or displays white by combining a semiconductor laser and an LED.
  • FIG. 2 is a diagram showing a configuration outline of the semiconductor laser light source device 100. More specifically, FIG. 2 (a) is a plan view of the semiconductor laser light source device 100, FIG. 2 (b) is a cross-sectional view taken along the line AA in FIG. 2 (a), and FIG. 1 is a side view of a semiconductor laser light source device 100.
  • FIG. FIG. 3 is a diagram showing the configuration of the semiconductor laser 1. More specifically, FIG. 3 (a) is a plan view of the semiconductor laser 1, FIG. 3 (b) is a cross-sectional view taken along the line BB of FIG. 3 (a), and FIG. It is CC sectional view taken on the line of 3 (a).
  • the semiconductor laser light source device 100 includes a plurality of (for example, eight) semiconductor lasers 1, a cooler 2, and a driving substrate 3. First, the semiconductor laser 1 will be described.
  • the semiconductor laser 1 includes a chip 11, a light emitting layer 12, a heat dissipation block 13, a plate 14, a terminal pin 15, a CAN 16, and a glass window 17. .
  • the light emitting layer 12 is a layer that emits light, and is formed on the chip 11. Since the chip 11 generates heat, it is disposed on the plate 14 in a state of being disposed on the side surface of the heat dissipation block 13, and the chip 11 radiates heat to the heat dissipation block 13.
  • the terminal pin 15 is a member for supplying electric power from the outside to conduct to the chip 11 to emit light, and is connected to the chip 11 via the wire 18.
  • the chip 11 Since the performance of the chip 11 deteriorates due to the influence of dust or the like, the chip 11 is sealed by the CAN 16 in a state of being disposed on the plate 14 via the heat dissipation block 13. This eliminates the influence of dust and the like.
  • the glass window 17 is disposed on the upper surface of the CAN 16 and transmits light emitted from the light emitting layer 12. The emitted light is indicated by an arrow in the figure, and the same applies to other drawings.
  • the cooler 2 is a member that cools the semiconductor laser 1.
  • the semiconductor lasers 1 are arranged on the upper surface of the cooler 2 in two rows so that the heat dissipating blocks 13 on which the chips 11 are arranged face each other.
  • the cooler 2 is disposed so as to be in contact with the lower surface of the semiconductor laser 1 (surface opposite to the emission surface of the semiconductor laser 1), and is disposed directly below the heat dissipation block 13.
  • the drive substrate 3 is a substrate on which a drive circuit that drives the semiconductor laser 1 is mounted.
  • the drive substrate 3 is disposed so as to be in contact with the lower surface of the cooler 2 (the surface opposite to the surface on the cooler 2 where the semiconductor laser 1 is disposed).
  • the cooler 2 is formed with a cavity 2a in which a plurality of fins 7 are arranged and a plurality of through holes 2b through which the terminal pins 15 are inserted.
  • the cavity 2 a is formed along the longitudinal direction at the center in the width direction of the cooler 2, located below the heat dissipation block 13, and a plurality of fins 7 are disposed below the heat dissipation block 13.
  • the cooler 2 functions as a liquid cooling device.
  • the flow paths are indicated by white arrows in the figure, and the same applies to other drawings.
  • the plurality of through holes 2b are respectively formed at positions corresponding to the terminal pins 15 of each semiconductor laser 1.
  • the drive substrate 3 is also formed with a plurality of through holes through which the terminal pins 15 are inserted.
  • FIG. 4 is a diagram showing a configuration outline of the semiconductor laser light source system 200.
  • the semiconductor laser light source system 200 is configured by arranging a plurality (for example, three) of semiconductor laser light source devices 100 in the horizontal direction. 4 shows a configuration in which the semiconductor laser light source device 100 includes the coolers 2 individually, the semiconductor laser 1 of the three semiconductor laser light source devices 100 is disposed in one cooler 2. May be. 1 includes the three semiconductor laser light source devices 100, the image display device 300 may include three semiconductor laser light source systems 200 instead.
  • the cooler 2 is disposed so as to be in contact with the surface opposite to the emission surface of the semiconductor laser 1, and the drive substrate 3 is provided with the cooler 2. Are disposed so as to be in contact with the surface opposite to the surface on which the semiconductor laser 1 is disposed.
  • the semiconductor laser 1 and the cooler 2 are brought into direct contact, the thermal resistance between the semiconductor laser 1 and the cooler 2 can be reduced, and the semiconductor laser 1 can be efficiently cooled.
  • the semiconductor laser 1 and thus the semiconductor laser light source device 100 can be used for a long time.
  • the semiconductor laser light source system 200 includes a plurality of semiconductor laser light source devices 100, it is possible to achieve higher output than the semiconductor laser light source device 100 alone.
  • the semiconductor laser 1 can be efficiently cooled.
  • the video display device 300 includes the semiconductor laser light source system 200, in addition to the above effects, an effect that higher output can be achieved than in the case where the semiconductor laser light source device 100 is provided is obtained.
  • FIG. 5 is a diagram showing a schematic configuration of the semiconductor laser light source apparatus 110 according to the second embodiment. More specifically, FIG. 5A is a plan view of the semiconductor laser light source device 110, FIG. 5B is an EE sectional view of FIG. 5A, and FIG. 4 is a cross-sectional view of the semiconductor laser light source device 110 taken along the line FF.
  • FIG. 6 is a diagram showing a configuration of the semiconductor element 4. More specifically, FIG. 6A is a plan view of the semiconductor element 4, FIG. 6B is a GG cross-sectional view of FIG. 6A, and FIG. 6C is FIG. It is HH sectional drawing of (a).
  • the same components as those described in the first embodiment are denoted by the same reference numerals, and the description thereof is omitted.
  • the semiconductor laser light source device 110 includes a semiconductor element 4, a cooler 2, and a drive substrate 3.
  • the semiconductor element 4 is a large-sized semiconductor element in which a plurality of (for example, two) chips 11 are arranged on the heat dissipation block 13.
  • the semiconductor element 4 includes a plurality of (for example, two) chips 11, a plurality of (for example, 14) light emitting layers 12, a plurality of (for example, two) heat dissipation blocks 13, a plate 14, terminal pins 15, a CAN 16, and a glass window 17. I have.
  • the semiconductor element 4 is disposed on the upper surface of the cooler 2, and the two heat dissipation blocks 13 of each semiconductor element 4 are disposed to face each other.
  • Seven light emitting layers 12 are arranged for one chip 11, and in each semiconductor element 4, two heat radiating blocks 13 are arranged in seven light emitting layers 12 arranged in one heat radiating block 13 and in the other heat radiating block 13.
  • the seven light emitting layers 12 formed are arranged so as to face each other.
  • the arrangement direction of the light emitting layer 12 is parallel to the width direction of the cooler 2.
  • the arrangement direction of the two semiconductor elements 4 is perpendicular to the arrangement direction of the light emitting layer 12. For this reason, the flow path of the fin 7 is parallel to the longitudinal direction of the cooler 2, that is, the arrangement direction of the two semiconductor elements 4.
  • the chip 11 of the semiconductor element 4 has a plurality of light emitting layers 12, it is larger than the semiconductor laser 1 in the first embodiment. Similarly, the heat dissipation block 13 and the plate 14 for cooling the chip 11 are also large.
  • the cooler 2 is disposed so as to be in contact with the semiconductor element 4 immediately below the heat dissipation block 13.
  • the terminal pin 15 is disposed outside the heat dissipation block 13.
  • the two heat dissipation blocks 13 can be arranged close to each other.
  • the cooler 2 can be disposed directly below the heat dissipation block 13 in the state of being in contact with the semiconductor element 4 as in the case of the first embodiment. become able to.
  • the thermal resistance between the heat dissipation block 13 and the cooler 2 can be reduced, the semiconductor element 4 can be efficiently cooled.
  • the semiconductor laser light source device 110 includes the semiconductor element 4 on which the chip 11 having the plurality of light emitting layers 12 is arranged, so that the number of terminal pins 15 is reduced as compared with the semiconductor laser 1 in the first embodiment. Since it can be reduced, a relatively large heat radiation area can be taken. Thereby, the semiconductor element 4 can be efficiently cooled.
  • FIG. 7 is a diagram illustrating another configuration outline of the semiconductor laser light source device according to the second embodiment. More specifically, FIG. 7A is a plan view of the semiconductor laser light source device 120, FIG. 7B is a cross-sectional view taken along the line II in FIG. 7A, and FIG. FIG. 8 is a cross-sectional view taken along line JJ of FIG.
  • the arrangement direction of the two semiconductor elements 4 is perpendicular to the arrangement direction of the light emitting layer 12.
  • FIG. 1A, 7B, and 7C the arrangement direction of the two semiconductor elements 4 is parallel to the arrangement direction of the light emitting layer 12. That is, the semiconductor element 4 is arranged such that the arrangement direction of the seven light emitting layers 12 is parallel to the longitudinal direction of the cooler 2. For this reason, the flow path of the fin 7 is formed in parallel with the width direction of the cooler 2, and since the flow path does not pass through the plurality of semiconductor elements 4, the temperature of the plurality of semiconductor elements 4 can be individually controlled. It is done.
  • FIG. 8 is a diagram showing an outline of the configuration of the semiconductor laser light source system 201.
  • the semiconductor laser light source system 201 is configured by arranging a plurality (for example, three) of semiconductor laser light source devices 110 in the horizontal direction. 8 shows a configuration in which the semiconductor laser light source device 110 is individually provided with the cooler 2, the semiconductor element 4 of the three semiconductor laser light source devices 110 is arranged in one cooler 2. May be.
  • the semiconductor laser light source system 201 may be configured by arranging a plurality of semiconductor laser light source devices 120 in the horizontal direction instead of the plurality of semiconductor laser light source devices 110.
  • the video display device 300 shown in FIG. 1 includes the three semiconductor laser light source devices 100, but may include three semiconductor laser light source systems 201 instead.
  • the semiconductor laser is the semiconductor element 4 in which the plurality of chips 11 are arranged in the heat dissipation block 13.
  • the semiconductor element 4 is disposed immediately below. Therefore, since the number of terminal pins 15 is reduced as compared with the case of the first embodiment, the contact area between the cooler 2 and the semiconductor element 4 is increased, and the semiconductor element 4 can be cooled more efficiently.
  • the semiconductor laser light source devices 110 and 120 can be downsized.
  • the semiconductor laser light source system 201 includes a plurality of semiconductor laser light source devices 110 or semiconductor laser light source devices 120, it is possible to achieve higher output than the semiconductor laser light source device 110 or the semiconductor laser light source device 120 alone.
  • FIG. 9 is a diagram showing a schematic configuration of the semiconductor laser light source apparatus 130 according to the third embodiment. More specifically, FIG. 9A is a plan view of the semiconductor laser light source device 130, FIG. 9B is a cross-sectional view taken along the line KK of FIG. 9A, and FIG. 2 is a side view of the semiconductor laser light source device 130.
  • FIG. 9A is a plan view of the semiconductor laser light source device 130
  • FIG. 9B is a cross-sectional view taken along the line KK of FIG. 9A
  • FIG. 2 is a side view of the semiconductor laser light source device 130.
  • FIG. In the third embodiment the same components as those described in the first and second embodiments are denoted by the same reference numerals, and the description thereof is omitted.
  • the drive substrate 3 is disposed so as to be in contact with the lower surface of the cooler 2 (the surface opposite to the surface on the cooler 2 where the semiconductor laser 1 is disposed). 3, the cooler 2 and the drive substrate 3 are disposed so as to be in contact with the surface opposite to the emission surface of the semiconductor laser 1.
  • the semiconductor lasers 1 are arranged in two rows so that the heat radiation blocks 13 face each other.
  • the cooler 2 is formed in a convex shape in which the central portion in the width direction has a height higher than the end portion, and the upper surface of the central portion in the width direction is disposed so as to contact the inner portion of the lower surface of the plate 14 of the semiconductor laser 1.
  • the drive substrate 3 is divided into two parts and arranged so as to be in contact with the outer part of the lower surface of the plate 14.
  • the drive substrate 3 is disposed above both ends in the width direction of the cooler 2 and is not in contact with the cooler 2.
  • the terminal pins 15 are arranged so as to protrude downward from the pair of drive substrates 3. That is, the terminal pins 15 are disposed at both ends in the width direction of the semiconductor laser light source device 130, and the cooler 2 is disposed between the terminal pins 15 disposed at both ends in the width direction of the semiconductor laser light source device 130. .
  • the cooler 2 in the third embodiment does not include the cavity 2a and the through hole 2b, and a plurality of fins 7 are arranged on the lower surface of the cooler 2.
  • a fan 8 is arranged on the back surface of the fin 7.
  • FIG. 10B is an LL sectional view of FIG. 10A
  • FIG. 2 is a side view of a semiconductor laser light source device 140.
  • FIG. 10A is a plan view of the semiconductor laser light source device 140
  • FIG. 10B is an LL sectional view of FIG. 10A
  • FIG. 2 is a side view of a semiconductor laser light source device 140.
  • the semiconductor lasers 1 are arranged in two rows so that the chips 11 having the light emitting layer 12 face each other.
  • the terminal pin 15 is disposed at the center in the width direction of the semiconductor laser light source device 130.
  • the drive substrate 3 is disposed in the center portion in the width direction of the semiconductor laser light source device 130, and the upper surface of both end portions in the width direction of the drive substrate 3 is disposed in contact with the inner portion of the lower surface of the plate 14 of the semiconductor laser 1.
  • the cooler 2 is formed in a concave shape in which the central portion in the width direction is at a lower height than the end portion, and the upper surface of both end portions in the width direction is disposed so as to contact the outer portion of the lower surface of the plate 14 of the semiconductor laser 1. ing.
  • FIG. 11 is a diagram illustrating another configuration outline of the semiconductor laser light source device according to the third embodiment. More specifically, FIG. 11A is a plan view of the semiconductor laser light source device 150, FIG. 11B is an MM cross-sectional view of FIG. 11A, and FIG. It is NN sectional drawing of Fig.11 (a).
  • the semiconductor laser light source device 150 includes the semiconductor element 4 in which the terminal pins 15 are arranged outside the heat dissipation block 13, and is cooled between the terminal pins 15.
  • the device 2 is arranged. That is, this is an example in which the semiconductor element 4 is arranged in place of the semiconductor laser 1 in the semiconductor laser light source device 130 shown in FIGS. 9A, 9B, and 9C.
  • the cooler 2 is formed in a convex shape in which the central portion in the width direction is higher than the end portion, and the upper surface of the central portion in the width direction is the center of the lower surface of the plate 14 of the semiconductor element 4. It is arranged to touch the part.
  • the drive substrate 3 is divided into two parts and arranged so as to be in contact with both end portions of the lower surface of the plate 14. The drive substrate 3 is disposed above both ends in the width direction of the cooler 2 and is not in contact with the cooler 2.
  • FIG. 12 is a diagram illustrating another configuration outline of the semiconductor laser light source device according to the third embodiment. More specifically, FIG. 12 (a) is a plan view of the semiconductor laser light source device 160, FIG. 12 (b) is an OO sectional view of FIG. 12 (a), and FIG. It is PP sectional drawing of Fig.12 (a).
  • the semiconductor laser light source device 160 includes the semiconductor element 4 in which the terminal pins 15 are arranged on one outer side of the heat dissipation block 13, and directly below the heat dissipation block 13. In this configuration, the cooler 2 is disposed, and the drive substrate 3 is disposed outside the terminal pins 15.
  • the cooler 2 is formed in a shape in which the central portion in the width direction and one end are at a height position higher than the other end, and the upper surface of the central portion in the width direction and one end is It arrange
  • the drive substrate 3 is disposed so as to be in contact with the other end of the lower surface of the plate 14.
  • the drive substrate 3 is disposed above the other end in the width direction of the cooler 2 and is not in contact with the cooler 2.
  • the cooler 2 and the drive substrate 3 are surfaces opposite to the emission surface of the semiconductor laser 1 or the semiconductor element 4, respectively. It is arranged to touch. Accordingly, since the semiconductor laser 1 or the semiconductor element 4 and the cooler 2 are brought into direct contact with each other, the thermal resistance between the semiconductor laser 1 or the semiconductor element 4 and the cooler 2 can be reduced, and the semiconductor laser 1 or the semiconductor element 4 is made efficient. Can cool well.
  • Embodiment 3 since the height position of the fin 7 of the cooler 2 can be increased, the heat radiation area can be increased, and the performance of the cooler 2 can be improved. Further, since the fins 7 are arranged outside the cooler 2, a forced air-cooled cooler in which the fans 8 are arranged on the back surface of the fins 7 can be configured. Although the forced air cooling cooler 2 using the fan 8 is shown in the third embodiment, a liquid cooling device can be arranged instead of the forced air cooling as in the first and second embodiments. It is.
  • the semiconductor laser light source device according to the third embodiment can be employed in the semiconductor laser light source system and the video display device.

Abstract

　半導体レーザを効率よく冷却することが可能な技術を提供することを目的とする。半導体レーザ光源装置１００は、半導体レーザ１と、半導体レーザ１を冷却する冷却器２と、半導体レーザ１を駆動する駆動基板３とを備えている。冷却器２は、半導体レーザ１の出射面とは反対側の面と接するように配置されている。また、駆動基板３は、冷却器２における半導体レーザ１が配置される側の面とは反対側の面と接するように配置されている。

Description

半導体レーザ光源装置、半導体レーザ光源システムおよび映像表示装置
　本発明は、半導体レーザを冷却する冷却器を備える半導体レーザ光源装置および半導体レーザ光源システムと、半導体レーザ光源装置または半導体レーザ光源システムを備える映像表示装置に関するものである。
　近年、大ホールまたはデジタルシネマ向けの大型高輝度プロジェクタ、主に少人数の会議またはプレゼンテーションに用いられる中小型プロジェクタ、および筐体に投射光学系と大型スクリーンを内蔵するプロジェクションモニタなどに用いられる光源として、ＬＥＤまたは半導体レーザ等の固体光源を使用するものが広く商品化、または提案がなされている。これらの機器においては、従来の多くのプロジェクタおよびプロジェクションモニタの光源として使用されてきたランプに対して、固体光源を使用することで一層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、および長寿命であるなどの利点を持つことを特徴とする。
　特に半導体レーザには、光を重畳させることで更なる高輝度化、および高出力化が可能となる利点も併せ持つ。そのため、大画面への投射に用いられる大型高輝度プロジェクタ用途として、より多数の半導体レーザを用いた高出力半導体レーザ光源装置の開発が進められている。
　しかし、半導体レーザは、ＬＥＤなど他の固体光源と比較して熱に弱く、素子の温度が上昇するに従い、電気－光変換効率が著しく低下しやすい。また、高温状態で高出力の光を出射し続けると劣化が促進し、素子の寿命も短くなりやすい。そのため、環境温度が高温時にも所望の光量を得るためには、他の個体光源よりも冷却性能の高い放熱構造が必要になる。
　例えば、特許文献１には、複数の半導体レーザを放熱するため、半導体レーザを取り付けた台座に複数の短径波状の放熱フィンを設けて、冷却ファンを放熱フィンに対して複数の穴を設けたドライバ基板を挟んで配置した構造が開示されている。
　また、特許文献２には、半導体レーザと半導体レーザを電気的に接続するフレキシブル基板を、伝熱部材またはヒートシンクの基部に埋設して、半導体レーザを放熱する構造が開示されている。
特開２００１－３２６４１１号公報 特開２０１１－７６７８１号公報
　特許文献１に記載の構造では、複数の半導体レーザを冷却するために形成した放熱フィンは、複数の穴を設けたドライバ基板を介して、冷却ファンによって冷却されている。ドライバ基板が冷却ファンの風を遮るため、放熱フィンを効率よく冷却することができず、冷却性能が低下し、半導体レーザを効率よく冷却することができないという問題点があった。
　特許文献２に記載の構造では、半導体レーザとヒートシンクとの間に電気的に接続するフレキシブル基板を配置すると、発熱源である半導体レーザとヒートシンクとの間の接触面積が減るため、熱抵抗が増加して冷却性能が低下し、半導体レーザを効率よく冷却することができないという問題点があった。
　そこで、本発明は、半導体レーザを効率よく冷却することが可能な技術を提供することを目的とする。
　本発明に係る半導体レーザ光源装置は、半導体レーザと、半導体レーザを冷却する冷却器と、前記半導体レーザを駆動する駆動基板とを備え、前記冷却器は、前記半導体レーザの出射面とは反対側の面と接するように配置され、前記駆動基板は、前記冷却器における前記半導体レーザが配置される側の面とは反対側の面と接するように配置されるものである。
　本発明に係る別の半導体レーザ光源装置は、半導体レーザと、半導体レーザを冷却する冷却器と、前記半導体レーザを駆動する駆動基板とを備え、前記冷却器および前記駆動基板はそれぞれ、前記半導体レーザの出射面とは反対側の面と接するように配置されるものである。
　本発明に係る半導体レーザ光源システムは、半導体レーザ光源装置を複数備えるものである。
　本発明に係る映像表示装置は、半導体レーザ光源装置または半導体レーザ光源システムを備えるものである。
　本発明によれば、半導体レーザと冷却器とを直接接触させるため、半導体レーザと冷却器との間の熱抵抗を低減でき、半導体レーザを効率よく冷却することができる。
　この発明の目的、特徴、局面、および利点は、以下の詳細な説明と添付図面とによって、より明白となる。
実施の形態１に係る半導体レーザ光源装置を備える映像表示装置の構成図である。 実施の形態１に係る半導体レーザ光源装置の構成概要を示す図である。 実施の形態１において半導体レーザの構成を示す図である。 実施の形態１に係る半導体レーザ光源システムの構成概要を示す図である。 実施の形態２に係る半導体レーザ光源装置の構成概要を示す図である。 実施の形態２において半導体素子の構成を示す図である。 実施の形態２に係る半導体レーザ光源装置の他の構成概要を示す図である。 実施の形態２に係る半導体レーザ光源システムの構成概要を示す図である。 実施の形態３に係る半導体レーザ光源装置の構成概要を示す図である。 実施の形態３に係る半導体レーザ光源装置の他の構成概要を示す図である。 実施の形態３に係る半導体レーザ光源装置の他の構成概要を示す図である。 実施の形態３に係る半導体レーザ光源装置の他の構成概要を示す図である。
　＜実施の形態１＞
　本発明の実施の形態１について、図面を用いて以下に説明する。実施の形態１に係る半導体レーザ光源装置１００、半導体レーザ光源システム２００および映像表示装置３００について詳細に説明するが、最初に映像表示装置３００について説明する。図１は、実施の形態１に係る映像表示装置３００の構成図である。
　映像表示装置３００は、赤、青、緑の３種類の半導体レーザ光源装置１００、照明光学系１０１、映像表示システム１０２および投射光学系１０３を備えている。ここで、半導体レーザ光源装置１００とは、複数の半導体レーザを備える高出力半導体レーザ光源装置である。
　赤、青、緑の半導体レーザ光源装置１００からの出射光は、照明光学系１０１で合成されて白色の光に変換され、映像表示システム１０２に照射される。映像表示システム１０２として、ＤＭＤ（Digital Light Processing）またはＬＣＯＳ（Liquid Crystal On Silicon）などを用いることができる。映像表示システム１０２で作成された映像は、投射光学系１０３によって拡大されて、スクリーン１０４に表示される。
　なお、図１に示す映像表示装置３００は、赤、青、緑の３種類の半導体レーザ光源装置１００を組み合わせて白色を表示するプロジェクタを想定したものであるが、半導体レーザと蛍光体を組み合わせて白色を表示、または半導体レーザとＬＥＤを組み合わせて白色を表示する映像表示装置であってもよい。
　次に、実施の形態１に係る半導体レーザ光源装置１００について説明する。図２は、半導体レーザ光源装置１００の構成概要を示す図である。より具体的には、図２（ａ）は、半導体レーザ光源装置１００の平面図であり、図２（ｂ）は、図２（ａ）のA-A断面図であり、図２（ｃ）は、半導体レーザ光源装置１００の側面図である。図３は、半導体レーザ１の構成を示す図である。より具体的には、図３（ａ）は、半導体レーザ１の平面図であり、図３（ｂ）は、図３（ａ）のB-B線断面図であり、図３（ｃ）は、図３（ａ）のC-C線断面図である。
　図２（ａ），（ｂ），（ｃ）に示すように、半導体レーザ光源装置１００は、複数（例えば８つ）の半導体レーザ１、冷却器２および駆動基板３を備えている。先ず、半導体レーザ１について説明する。
　図３（ａ），（ｂ），（ｃ）に示すように、半導体レーザ１は、チップ１１、発光層１２、放熱ブロック１３、プレート１４、端子ピン１５、ＣＡＮ１６およびガラス窓１７を備えている。発光層１２は、光を出射する層であり、チップ１１に形成されている。チップ１１は発熱するため、放熱ブロック１３の側面に配置された状態でプレート１４上に配置され、チップ１１は放熱ブロック１３に放熱している。端子ピン１５は、外部から電力を供給して、チップ１１に導通し、発光させるための部材であり、ワイヤ１８を介してチップ１１と接続されている。チップ１１は、粉塵などの影響を受けて性能が劣化するため、放熱ブロック１３を介してプレート１４上に配置された状態でＣＡＮ１６によって封止されている。これにより、粉塵などの影響を排除している。ガラス窓１７は、ＣＡＮ１６の上面に配置され、発光層１２からの出射光を透過する。なお、出射光は図中において矢印で示されており、他の図面においても同様である。
　図２（ａ），（ｂ），（ｃ）に示すように、冷却器２は、半導体レーザ１を冷却する部材である。半導体レーザ１は、チップ１１が配置された放熱ブロック１３が正対するように２列に冷却器２の上面に配置されている。冷却器２は、半導体レーザ１の下面（半導体レーザ１の出射面とは反対側の面）と接するように配置され、また、放熱ブロック１３の直下に配置されている。駆動基板３は、半導体レーザ１を駆動する駆動回路が搭載された基板である。駆動基板３は、冷却器２の下面（冷却器２における半導体レーザ１が配置される側の面とは反対側の面）と接するように配置されている。
　冷却器２には、複数のフィン７が配置される空洞２ａと、端子ピン１５が挿通される複数の貫通穴２ｂが形成されている。空洞２ａは、冷却器２の幅方向中央部において長手方向に沿って形成されており、放熱ブロック１３の下側に位置し、放熱ブロック１３の下側に複数のフィン７が配置されている。フィン７を流路として水などを流すことで、冷却器２は液冷装置として機能する。なお、流路は図中において白抜き矢印で示されており、他の図面においても同様である。
　複数の貫通穴２ｂは、各半導体レーザ１の端子ピン１５に対応する位置にそれぞれ形成されている。なお、図示しないが、駆動基板３にも端子ピン１５が挿通される複数の貫通穴が形成されている。
　次に、半導体レーザ光源システム２００について説明する。図４は、半導体レーザ光源システム２００の構成概要を示す図である。図４に示すように、半導体レーザ光源システム２００は、複数（例えば３つ）の半導体レーザ光源装置１００を水平方向に並べて構成されている。なお、図４では、半導体レーザ光源装置１００は個別に冷却器２を備える構成が示されているが、１つの冷却器２に３つの半導体レーザ光源装置１００の半導体レーザ１を配置した構成であってもよい。また、図１に示す映像表示装置３００は、３つの半導体レーザ光源装置１００を備えているが、これに代えて３つの半導体レーザ光源システム２００を備えていてもよい。
　以上のように、実施の形態１に係る半導体レーザ光源装置１００では、冷却器２は、半導体レーザ１の出射面とは反対側の面と接するように配置され、駆動基板３は、冷却器２における半導体レーザ１が配置される側の面とは反対側の面と接するように配置される。
　したがって、半導体レーザ１と冷却器２とを直接接触させるため、半導体レーザ１と冷却器２との間の熱抵抗を低減でき、半導体レーザ１を効率よく冷却することができる。半導体レーザ１を効率よく冷却することで、半導体レーザ１ひいては半導体レーザ光源装置１００の長期使用が可能となる。
　また、半導体レーザ光源システム２００は、半導体レーザ光源装置１００を複数備えるため、半導体レーザ光源装置１００単体よりも高出力化を図ることができる。
　また、映像表示装置３００は、半導体レーザ光源装置１００を備えるため、半導体レーザ１を効率よく冷却することができる。または、映像表示装置３００が半導体レーザ光源システム２００を備える場合、上記の効果に加えて、半導体レーザ光源装置１００を備える場合よりも高出力化を図ることができるという効果が得られる。
　＜実施の形態２＞
　次に、実施の形態２に係る半導体レーザ光源装置１１０について説明する。図５は、実施の形態２に係る半導体レーザ光源装置１１０の構成概要を示す図である。より具体的には、図５（ａ）は、半導体レーザ光源装置１１０の平面図であり、図５（ｂ）は、図５（ａ）のE-E断面図であり、図５（ｃ）は、半導体レーザ光源装置１１０のF-F断面図である。図６は、半導体素子４の構成を示す図である。より具体的には、図６（ａ）は、半導体素子４の平面図であり、図６（ｂ）は、図６（ａ）のG-G断面図であり、図６（ｃ）は、図６（ａ）のH-H断面図である。なお、実施の形態２において、実施の形態１で説明したものと同一の構成要素については同一符号を付して説明は省略する。
　図５（ａ），（ｂ），（ｃ）に示すように、半導体レーザ光源装置１１０は、半導体素子４、冷却器２および駆動基板３を備えている。図６（ａ），（ｂ），（ｃ）に示すように、半導体素子４は、放熱ブロック１３に複数（例えば２つ）のチップ１１を配置した大型の半導体素子である。半導体素子４は、複数（例えば２つ）のチップ１１、複数（例えば１４個）の発光層１２、複数（例えば２つ）の放熱ブロック１３、プレート１４、端子ピン１５、ＣＡＮ１６およびガラス窓１７を備えている。半導体素子４は冷却器２の上面に配置され、各半導体素子４の２つの放熱ブロック１３は互いに正対するように配置されている。
　１つのチップ１１につき７つの発光層１２が配置され、各半導体素子４において、２つの放熱ブロック１３は、一方の放熱ブロック１３に配置された７つの発光層１２と、他方の放熱ブロック１３に配置された７つの発光層１２が互いに正対するように配置されている。発光層１２の配置方向は、冷却器２の幅方向と平行である。また、２つの半導体素子４の配置方向は、発光層１２の配置方向と垂直である。このため、フィン７の流路は、冷却器２の長手方向、すなわち、２つの半導体素子４の配置方向と平行となる。
　半導体素子４のチップ１１は、複数の発光層１２を有するため、実施の形態１における半導体レーザ１の場合よりも大型になる。また、チップ１１を冷却する放熱ブロック１３およびプレート１４も同様に大型になる。冷却器２は、放熱ブロック１３の直下に半導体素子４と接するように配置されている。
　端子ピン１５は、放熱ブロック１３の外側に配置されている。その結果、２つの放熱ブロック１３を近接して配置することができる。また、端子ピン１５を放熱ブロック１３の外側に配置することで、冷却器２を、実施の形態１の場合と同様に半導体素子４に接した状態で、放熱ブロック１３の直下に配置することができるようになる。その結果、放熱ブロック１３と冷却器２との間の熱抵抗を低減することができるため、効率よく半導体素子４を冷却することができる。
　さらに、半導体レーザ光源装置１１０は、複数の発光層１２を有するチップ１１を配置した半導体素子４を備えることで、実施の形態１における半導体レーザ１の場合と比較して、端子ピン１５の本数を減らすことができるため、相対的に放熱面積を多くとることができる。これにより、半導体素子４を効率よく冷却することができる。
　次に、実施の形態２における他の構成について説明する。図７は、実施の形態２に係る半導体レーザ光源装置の他の構成概要を示す図である。より具体的には、図７（ａ）は、半導体レーザ光源装置１２０の平面図であり、図７（ｂ）は、図７（ａ）のI-I線断面図であり、図７（ｃ）は、図７（ａ）のJ-J線断面図である。
　図５（ａ），（ｂ），（ｃ）の構成では、２つの半導体素子４の配置方向は、発光層１２の配置方向と垂直である。その結果、１つの半導体素子４に対して、１つの流路を形成することができる。これに対して、図７（ａ），（ｂ），（ｃ）の構成では、２つの半導体素子４の配置方向は、発光層１２の配置方向と平行である。すなわち、半導体素子４は、７つの発光層１２の配置方向が冷却器２の長手方向と平行となるように配置されている。このため、フィン７の流路は冷却器２の幅方向と平行に形成され、流路が複数の半導体素子４を通過しないため、複数の半導体素子４の温度を個別に制御できるという効果が得られる。
　次に、実施の形態２に係る半導体レーザ光源システム２０１について説明する。図８は、半導体レーザ光源システム２０１の構成概要を示す図である。図８に示すように、半導体レーザ光源システム２０１は、複数（例えば３つ）の半導体レーザ光源装置１１０を水平方向に並べて構成されている。なお、図８では、半導体レーザ光源装置１１０は個別に冷却器２を備える構成が示されているが、１つの冷却器２に３つの半導体レーザ光源装置１１０の半導体素子４を配置した構成であってもよい。
　また、半導体レーザ光源システム２０１は、複数の半導体レーザ光源装置１１０に代えて複数の半導体レーザ光源装置１２０を水平方向に並べて構成されてもよい。また、図１に示す映像表示装置３００は、３つの半導体レーザ光源装置１００を備えているが、これに代えて３つの半導体レーザ光源システム２０１を備えていてもよい。
　以上のように、実施の形態２に係る半導体レーザ光源装置１１０，１２０では、半導体レーザは、放熱ブロック１３に複数のチップ１１を配置した半導体素子４であり、冷却器２は、放熱ブロック１３の直下に半導体素子４と接するように配置される。したがって、実施の形態１の場合と比較して端子ピン１５の本数が減少するため、冷却器２と半導体素子４との接触面積が増加し、半導体素子４を一層効率よく冷却することができる。
　このように、実施の形態１の場合と比較して端子ピン１５の本数が減少するため、半導体レーザ光源装置１１０，１２０の小型化を図ることができる。
　半導体レーザ光源システム２０１は、半導体レーザ光源装置１１０または半導体レーザ光源装置１２０を複数備えるため、半導体レーザ光源装置１１０または半導体レーザ光源装置１２０単体よりも高出力化を図ることができる。
　また、光源自体を小型にすることができるため、信頼性が高く小型の映像表示装置３００が得られる。
　＜実施の形態３＞
　次に、実施の形態３に係る半導体レーザ光源装置１３０について説明する。図９は、実施の形態３に係る半導体レーザ光源装置１３０の構成概要を示す図である。より具体的には、図９（ａ）は、半導体レーザ光源装置１３０の平面図であり、図９（ｂ）は、図９（ａ）のK-K線断面図であり、図９（ｃ）は、半導体レーザ光源装置１３０の側面図である。なお、実施の形態３において、実施の形態１，２で説明したものと同一の構成要素については同一符号を付して説明は省略する。
　実施の形態１では、駆動基板３は、冷却器２の下面（冷却器２における半導体レーザ１が配置される側の面とは反対側の面）と接するように配置されたが、実施の形態３では、冷却器２および駆動基板３はそれぞれ、半導体レーザ１の出射面とは反対側の面と接するように配置されている。
　図９（ａ），（ｂ），（ｃ）に示すように、半導体レーザ１は、放熱ブロック１３が互いに正対するように２列に配置されている。冷却器２は、幅方向中央部分が端部よりも高い高さ位置となる凸部状に形成され、幅方向中央部分の上面が半導体レーザ１のプレート１４の下面の内側部分と接するように配置されている。駆動基板３は、２つに分割され、プレート１４の下面の外側部分とそれぞれ接するように配置されている。駆動基板３は、冷却器２の幅方向両端部の上側に配置され、冷却器２とは接していない。端子ピン１５は、一対の駆動基板３から下方に突出するように配置されている。すなわち、端子ピン１５は、半導体レーザ光源装置１３０の幅方向両端部に配置され、冷却器２は、半導体レーザ光源装置１３０の幅方向両端部に配置された端子ピン１５の間に配置されている。
　実施の形態３における冷却器２は、実施の形態１の場合と異なり、空洞２ａと貫通穴２ｂを備えておらず、冷却器２の下面に複数のフィン７が配置されている。また、フィン７の背面にはファン８が配置されている。
　次に、実施の形態３に係る半導体レーザ光源装置の他の構成概要について説明する。図１０は、実施の形態３に係る半導体レーザ光源装置の他の構成概要を示す図である。より具体的には、図１０（ａ）は、半導体レーザ光源装置１４０の平面図であり、図１０（ｂ）は、図１０（ａ）のL-L断面図であり、図１０（ｃ）は、半導体レーザ光源装置１４０の側面図である。
　図１０（ａ），（ｂ），（ｃ）に示すように、半導体レーザ１は、発光層１２を有するチップ１１が正対するように２列に配置されている。端子ピン１５は、半導体レーザ光源装置１３０の幅方向中央部分に配置されている。駆動基板３は、半導体レーザ光源装置１３０の幅方向中央部分に配置され、駆動基板３の幅方向両端部の上面が半導体レーザ１のプレート１４の下面の内側部分と接するように配置されている。冷却器２は、幅方向中央部分が端部よりも低い高さ位置となる凹部状に形成され、幅方向両端部の上面が半導体レーザ１のプレート１４の下面の外側部分と接するように配置されている。
　次に、実施の形態３に係る半導体レーザ光源装置の他の構成概要として半導体素子４を備える場合について２つの構成概要を説明する。図１１は、実施の形態３に係る半導体レーザ光源装置の他の構成概要を示す図である。より具体的には、図１１（ａ）は、半導体レーザ光源装置１５０の平面図であり、図１１（ｂ）は、図１１（ａ）のM-M断面図であり、図１１（ｃ）は、図１１（ａ）のN-N断面図である。
　図１１（ａ），（ｂ），（ｃ）に示すように、半導体レーザ光源装置１５０は、放熱ブロック１３の外側に端子ピン１５を配置した半導体素子４を備え、端子ピン１５の間に冷却器２が配置された構成である。すなわち、図９（ａ），（ｂ），（ｃ）に示した半導体レーザ光源装置１３０において半導体レーザ１の代わりに半導体素子４を配置した例である。
　より具体的には、冷却器２は、幅方向中央部分が端部よりも高い高さ位置となる凸部状に形成され、幅方向中央部分の上面が半導体素子４のプレート１４の下面の中央部分と接するように配置されている。駆動基板３は、２つに分割され、プレート１４の下面の両端部分とそれぞれ接するように配置されている。駆動基板３は、冷却器２の幅方向両端部の上側に配置され、冷却器２とは接していない。
　次に、他方の構成概要について説明する。図１２は、実施の形態３に係る半導体レーザ光源装置の他の構成概要を示す図である。より具体的には、図１２（ａ）は、半導体レーザ光源装置１６０の平面図であり、図１２（ｂ）は、図１２（ａ）のO-O断面図であり、図１２（ｃ）は、図１２（ａ）のP-P断面図である。
　図１２（ａ），（ｂ），（ｃ）に示すように、半導体レーザ光源装置１６０は、放熱ブロック１３の外側の一方に端子ピン１５を配置した半導体素子４を備え、放熱ブロック１３の直下に冷却器２が配置され、端子ピン１５の外側に駆動基板３が配置された構成である。
　より具体的には、冷却器２は、幅方向中央部分および一方の端部が他方の端部よりも高い高さ位置となる形状に形成され、幅方向中央部分および一方の端部の上面が半導体素子４のプレート１４の下面の中央部分および一方の端部と接するように配置されている。駆動基板３は、プレート１４の下面の他方の端部と接するように配置されている。駆動基板３は、冷却器２における幅方向の他方の端部の上側に配置され、冷却器２とは接していない。
　以上のように、実施の形態３に係る半導体レーザ光源装置１３０，１４０，１５０，１６０では、冷却器２および駆動基板３はそれぞれ、半導体レーザ１または半導体素子４の出射面とは反対側の面と接するように配置される。したがって、半導体レーザ１または半導体素子４と冷却器２とを直接接触させるため、半導体レーザ１または半導体素子４と冷却器２との間の熱抵抗を低減でき、半導体レーザ１または半導体素子４を効率よく冷却することができる。
　実施の形態３では、冷却器２のフィン７の高さ位置を高くすることができるため、放熱面積を増加することができ、冷却器２の性能を向上させることができる。また、フィン７を冷却器２の外側に配置したため、フィン７の背面にファン８を配置した強制空冷の冷却器を構成することが可能となる。なお、実施の形態３では、ファン８を使用した強制空冷の冷却器２を示したが、実施の形態１，２の場合のように、強制空冷の代わりに液冷装置を配置することも可能である。
　また、実施の形態１，２の場合と同様に、実施の形態３に係る半導体レーザ光源装置を半導体レーザ光源システムおよび映像表示装置に採用することが可能である。
　この発明は詳細に説明されたが、上記した説明は、すべての局面において、例示であって、この発明がそれに限定されるものではない。例示されていない無数の変形例が、この発明の範囲から外れることなく想定され得るものと解される。
　なお、本発明は、その発明の範囲内において、各実施の形態を自由に組み合わせたり、各実施の形態を適宜、変形、省略することが可能である。
　１　半導体レーザ、２　冷却器、３　駆動基板、４　半導体素子、１００，１１０，１２０，１３０，１４０，１５０，１６０　半導体レーザ光源装置、２００，２０１　半導体レーザ光源システム、３００　映像表示装置。

Claims (9)

  1. 　半導体レーザ（１）と、
    　半導体レーザ（１）を冷却する冷却器（２）と、
    　前記半導体レーザ（１）を駆動する駆動基板（３）と、
    　を備え、
    　前記冷却器（２）は、前記半導体レーザ（１）の出射面とは反対側の面と接するように配置され、
    　前記駆動基板（３）は、前記冷却器（２）における前記半導体レーザ（１）が配置される側の面とは反対側の面と接するように配置される、半導体レーザ光源装置。
  2. 　前記半導体レーザ（１）は、放熱ブロック（１３）に複数のチップ（１１）を配置した半導体素子（４）であり、
    　前記冷却器（２）は、前記放熱ブロック（１３）の直下に前記半導体素子（４）と接するように配置される、請求項１記載の半導体レーザ光源装置。
  3. 　半導体レーザ（１）と、
    　半導体レーザ（１）を冷却する冷却器（２）と、
    　前記半導体レーザ（１）を駆動する駆動基板（３）と、
    　を備え、
    　前記冷却器（２）および前記駆動基板（３）はそれぞれ、前記半導体レーザ（１）の出射面とは反対側の面と接するように配置される、半導体レーザ光源装置。
  4. 　請求項１記載の半導体レーザ光源装置（１００，１１０，１２０）を複数備える、半導体レーザ光源システム。
  5. 　請求項３記載の半導体レーザ光源装置（１３０，１４０，１５０，１６０）を複数備える、半導体レーザ光源システム。
  6. 　請求項１記載の半導体レーザ光源装置（１００，１１０，１２０）を備える、映像表示装置。
  7. 　請求項３記載の半導体レーザ光源装置（１３０，１４０，１５０，１６０）を備える、映像表示装置。
  8. 　請求項４記載の半導体レーザ光源システム（２００，２０１）を備える、映像表示装置。
  9. 　請求項５記載の半導体レーザ光源システムを備える、映像表示装置。
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