JP2004265980A - 発光ダイオード光源ユニット - Google Patents

Abstract

【課題】発光ダイオード素子を表面実装したプリント配線基板を備えた発光ダイオード光源ユニットにおいて、発光ダイオード素子の後側の反射特性も考慮する。
【解決手段】発光ダイオード光源ユニットを構成するため、発光ダイオード素子９を表面実装するプリント配線基板Ｐが金属製基材４５の表面にコーティングされたセラミック層４６に配線ランドＷと発光ダイオード素子のための表面実装パッドＸを備え、表面実装パッドの周囲に前記セラミック層が表出するように表面実装パッドより大きな面積の空白領域を残してレジスト４７が形成されている。さらに、発光ダイオード素子の両側に反射面５２ａを有する反射体５２が設けられている。
【選択図】 図５

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、発光ダイオード素子を表面実装したプリント配線基板を備えた発光ダイオード光源ユニットに関する。
【０００２】
【従来の技術】
上述したような発光ダイオード光源ユニットはファクシミリやスキャナなどの光源として用いられているが、照度アップのために幾何光学的な種々の工夫がなされている。ある従来の発光ダイオード光源ユニットでは（例えば、特許文献１参照）、基板上に複数の発光ダイオード素子が所定間隔をあけて基板長手方向に配列され、この発光ダイオード素子列の両側に白色樹脂部が形成され、この白色樹脂部間にわたって透明樹脂部が充填配備されている。各発光ダイオード素子は、基板のパターン部にダイボンディングされ、且つ発光ダイオード素子の上面が基板のパターン部にワイヤボンディングされている。白色樹脂部は、透明樹脂に白色の染料を合成したもので、粘度が高く半液状のもので、且つ凝固速度が速い樹脂が使用され、２本の白色樹脂部は、発光ダイオード素子の両側に接近して、基板長手方向へ盛り上げ状（断面半楕円状）に塗布され、熱処理にて凝固させて形成され、その際一方の白色樹脂部は、ワイヤボンデイングのワイヤの一部、及びパターン部を完全に覆っており、保護するようになっている。発光ダイオード素子の横側面から放射された光は白色樹脂部で反射し、この反射した光が透明樹脂部と外気の境面で屈折し、発光ダイオード素子の上方で焦点ができるように構成されている。
【０００３】
さらに別な発光ダイオード光源ユニットでは（例えば、特許文献２参照）、発光ダイオード素子が直線状に実装された回路基板が樹脂製の取付台に取り付けられており、取付台の一部は回路基板の発光ダイオード実装面まで延設され、その先端は発光ダイオードの両側に達しており、そこに読み取り原稿方向に拡開する傾斜面が形成されている。この傾斜面は表面が鏡面仕上げされており、発光ダイオードの光の反射面を形成している。この光の反射面が発光ダイオード素子の横側面又は前面からの光を反射し、高い照度を得るのに貢献する。
【０００４】
【特許文献１】
特開平５−０２９６６５号公報（段落番号００１０−００１３、第２図）
【０００５】
【特許文献２】
特開平６−２９１９３９号公報（段落番号００２９−００３０、第３図）
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
上述した従来の発光ダイオード光源ユニットでは、基板に表面実装された発光ダイオード素子の両側に反射面を設け、この反射面が発光ダイオード素子の横又は前面からの光を前方に反射することにより、照明対象物に対する照度アップを図っている。しかしながら、光はあらゆる方向に伝播するものであり、発光体としての発光ダイオード素子の後方の反射特性も照度アップに重要な役割を果たすにもかかわらず、従来はその点が考慮されていなかった。
上記実状に鑑み、本発明の課題は、発光ダイオード素子を表面実装したプリント配線基板を備えた発光ダイオード光源ユニットにおいて、発光ダイオード素子の後方の反射特性も考慮することである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、発光ダイオード素子を表面実装するプリント配線基板を備えた、本発明による発光ダイオード光源ユニットでは、前記プリント配線基板がその基材の表面にコーティングされたセラミック層に配線ランドと発光ダイオード素子のための表面実装パッドを形成することにより製作され、前記表面実装パッドの周囲に前記セラミック層が表出するように前記表面実装パッドより大きな面積の空白領域を残してレジストが形成され、前記セラミック層が前記発光ダイオード素子の後方反射面として機能するように構成されている。
この構成では、発光ダイオード素子の後側となる基板面がセラミック層となっているので、このセラミック層が発光ダイオード素子の後方反射面として機能し、照明対象物に対する照度アップに貢献することになった。プリント配線基板の基材にコーティングされたセラミック層はいずれにしても、プリント配線基板の表面に覆われるレジストに比べ高い反射特性を有するので、従来品に比べ優れた後方反射特性を備えた発光ダイオード光源ユニットが得られる。もちろん、より優れた後方反射特性を実現するためには、特に優れた反射特性を有するセラミックをプリント配線基板の基材の表面にコーティングされる材料として選択するとよい。
本発明の好適な実施形態では、前記表面実装パッドに実装された発光ダイオード素子の両側に反射面を有する反射体が設けられている。この構成では、後方反射面としての表面実装パッドの外側に表出されたセラミック層と側面反射面としての発光ダイオード素子の両側に位置する反射体との相乗効果により発光ダイオードによる照明対象物に対する照度がアップする。
本発明の好適な他の実施形態では、前記プリント配線基板の基材が金属製である。基材が金属製であることにより、樹脂製の基材に比べ熱伝導性が改善され、基板に平面実装される発光ダイオード素子間の熱分布を一様化することに貢献する。その際、基材にコーティングされたセラミック層は絶縁層としても機能する。基材に採用する金属としては、アルミが好適である。アルミを採用することで、低コスト化と軽量化が得られるだけでなく、その良好な熱伝導性により、発光ダイオード素子間の熱分布の一様化はさらに改善される。
本発明の別な好適実施形態では、前記反射体が前記発光ダイオード素子と前記配線ランドの間に配置され、前記発光ダイオード素子から前記配線ランドへのボンディングワイヤは前記反射体を飛び越すように設けられている。この構成では、発光ダイオード素子から配線ランドへの配線は反射体を飛び越すようにボンディングワイヤを敷設するだけで、反射体と発光ダイオード素子との間の狭い領域に配線ランドを形成するといった、反射体と発光ダイオードとの間隔を広げるような不都合は回避される。
本発明によるその他の特徴及び利点は、以下図面を用いた実施形態の説明により明らかになるだろう。
【０００８】
【発明の実施の形態】
図１には、本発明による発光ダイオード光源ユニットを採用したフィルムスキャナの外観が示されている。このフィルムスキャナは、光源装置Ａ、フィルムキャリアユニットＢ、レンズユニットＣ、光電変換ユニットＤ、制御装置Ｅから構成されている。光源装置Ａからの光線をフィルムキャリアユニットＢに支持された現像済みの写真フィルムＦに照射し、この写真フィルムＦを透過した光線をレンズユニットＣで光電変換ユニットＤに導き、この光電変換ユニットＤに内蔵したＣＣＤ（ Ｃｈａｒｇｅ Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｄｅｖｉｃｅ）型のラインセンサにおいて写真フィルムＦの画像をＲ（赤）、Ｇ（緑）、Ｂ（青）の三原色に対応したデジタル信号化した画像データとして取得すると同時に、赤外光（ＩＲ）によって写真フィルムＦの傷やゴミに起因して変動する光強度をデジタル信号化した傷補正のための画像データとして取得する。
【０００９】
前記光源装置Ａは、後述するように３原色及び赤外光を作り出すよう複数の発光ダイオード素子９を主走査方向に列状に配置して成る発光ダイオードアレイＬＥＤ（後述する３種の発光ダイオードアレイの総称）を備えている。前記フィルムキャリアユニットＢは写真フィルムＦを副走査方向に往復搬送するものであり、１３５サイズ、２４０サイズ、１２０・２２０サイズのフィルム等の複数種の写真フィルムＦに対応したフィルキャリアユニットＢが用意されており、それぞれが選択的に交換可能に構成されている。前記レンズユニットＣは、フィルムキャリアＢに支持された写真フィルムＦの画像を前記光電変換ユニットＤに内蔵した前記ＣＣＤ型のラインセンサに結像させるよう機能し、取得する画素数に対応して拡大率を変更できるようズーム型の光学レンズを備えている。前記光電変換ユニットは、Ｒ（赤）、Ｇ（緑）、Ｂ（青）の三原色に対応した３ライン型のＣＣＤラインセンサと赤外光（ＩＲ）を感知する１ライン型のＣＣＤラインセンサとを内蔵している。
【００１０】
図２と図３に示すように、前記光源装置Ａは樹脂成形品で成る上部ケース１０と、アルミニウム合金で成る下部ケース２０とを備えている。上部ケース１０には、平坦な上部テーブル部１１と、この上部テーブル部１１の下面側に突出するボックス部１２とを一体形成した構造であり、更に、上部テーブル部１１の下面に対して樹脂製のカバー１３を備えている。前記下部ケース２０は底壁部２１と側壁部２２とを一体形成し、これら底壁部２１と側壁部２２との外面に放熱体として複数のフィン２３を一体的に形成している。又、この光源装置Ａではフィン２３に対して冷却風を供給する一対のファン２４を備えている。
【００１１】
前記上部ケース１０の上部テーブル部１１には上方に向けて光線を照射するよう主走査方向に沿う姿勢で設定幅の開口１１Ａを形成し、この開口１１Ａの内部にシリンドリカル型の集光レンズ３０を備え、この集光レンズ３０の下方位置に出退するＮＤフィルター３１を配置してある。このＮＤフィルター３１は集光レンズ３０の下方に配置される状態と、前記カバー１３の内部に収納される状態とにスライド移動自在に支持され、前記カバー１３に備えた電磁ソレノイド型の電動アクチュエータ１４からの駆動力で作動するクランク機構１５と連係している。尚、このＮＤフィルター３１は光電変換ユニットＤのＣＣＤの調整時に主集光レンズ３０の下方位置に配置することにより光源装置Ａからの光線の光量を減じ前記光電変換ユニットＤを適正な光量で調整する。
【００１２】
更に、前記ボックス部１２の内部には、前記集光レンズ３０の光軸Ｌの延長上の下方位置にダイクロイック型の第１ミラーＭ１と、シリンドリカル型の第１レンズＬｅ１を備え、第１ミラーＭ１の横隣位置にダイクロイック型の第２ミラーＭ２を備え、この第２ミラーＭ２の反射側に光線を導くシリンドリカル型の第２レンズＬｅ２を備え、この第２ミラーＭ２の透過側に光線を導くシリンドリカル型の第３レンズＬｅ３を備えている。
【００１３】
前記下部ケース２０の底壁部２１に対して、主走査方向に直線状に配置されたチップ状の複数の緑色の発光ダイオード素子９から成る発光ダイオードアレイＧ−ＬＥＤと、主走査方向に直線状に配置されたチップ状の複数の青色の発光ダイオード素子９から成る発光ダイオードアレイＢ−ＬＥＤとを設けた第１プリント配線基板Ｐ１を備え、又、下部ケース２０の側壁部２２に対して第１赤色、第２赤色、赤外光の発光ダイオード素子９を、この順序で主走査方向に直線状に配置することにより構成される発光ダイオードアレイＲ１・Ｒ２・ＩＲ−ＬＥＤを設けた第２プリント配線基板Ｐ２を備えている。そして、下部ケース２０に対して上部ケース１０を重ね合わせる形態で組み合わせることにより、前記第１レンズＬｅ１の焦点位置に前記緑色の発光ダイオードアレイＧ−ＬＥＤが配置され、前記第２レンズＬｅ２の焦点位置に青色の発光ダイオードアレイＢ−ＬＥＤが配置され、前記第３レンズＬｅ３の焦点位置に前記第１赤色、第２赤色、赤外光の発光ダイオードアレイＲ１・Ｒ２・ＩＲ−ＬＥＤが配置される。
【００１４】
尚、前記緑色の発光ダイオード素子９の波長は４００〜４８０ｎｍ、青色の発光ダイオード素子９の波長は５２０〜５６０ｎｍ、第１赤色の光の発光ダイオード素子９と第２赤色光の発光ダイオード素子９とを合わせた波長は６２０〜７５０ｎｍ、赤外光の発光ダイオード素子９の波長は８３０〜９５０ｎｍのものが使用されている。前記第１ミラーＭ１は緑色の発光ダイオード素子９からの波長（４００〜４８０ｎｍ）の光線を透過させ、これ以外の波長の光線を反射させる性能のものを使用し、前記第２ミラーＭ２は第１赤色と第２赤色光と赤外光と発光ダイオード素子９からの波長（６２０〜７５０ｎｍ及び８３０〜９５０ｎｍ）の光線を透過させ、青色の発光ダイオード素子９からの光線（５２０〜５６０ｎｍ）を反射させる性能のものを使用している。
【００１５】
この構成により、緑色の発光ダイオードアレイＧ−ＬＥＤからの光線は第１レンズＬｅ１で平行光線化された状態で第１ミラーＭ１を透過して集光レンズ３０に導かれ、青色の発光ダイオードアレイＢ−ＬＥＤからの光線は第２レンズＬｅ２で平行光線化された状態で第２ミラーＭ２で反射した後、第１ミラーＭ１で更に反射することにより集光レンズ３０に導かれ、第１赤色、第２赤色、赤外光の発光ダイオードアレイＲ１・Ｒ２・ＩＲ−ＬＥＤからの光線は第３レンズＬｅ３で平行光線化された状態で第２ミラーＭ２を透過した後、第１ミラーＭ１で反射することで集光レンズ３０に導かれ、これらの光線は集光レンズ３０によりフィルムキャリアユニットＢにおける写真フィルムＦのスキャニング領域に集光する。
【００１６】
図４から明らかなように、プリント配線基板Ｐ（第１プリント配線基板Ｐ１、第２プリント配線基板Ｐ２の総称）に形成した発光ダイオードアレイＬＥＤ（前述した３種の発光ダイオードアレイの総称）に対応するレンズＬｅ（前述した３種のレンズの総称）の焦点位置を決めるために、前記上部ケース１０のボックス部１２には位置決め用のピン１７を突設し、レンズＬｅに接当する位置決め面１８を形成してある。又、ボックス部１２において前記底壁面２１、側壁面２２に対向する部位にプリント配線基板Ｐと接当する基準面１９を形成してある。前記レンズＬｅ（第１レンズＬｅ１、第２レンズＬｅ２、第３レンズＬｅ３）の夫々の両端部には、前記位置決め面１８に接当する支持片３３を一体形成すると共に、前記ピン１７が係合するピン孔部３４と固定用のビス３５が貫通するビス孔部３６を形成している。前記集光レンズ３０を上部ケース１０に支持する構造は位置決め用のピン１７を用いない点を除き、レンズＬｅをボックス部１２に支持する構造と等しく、集光レンズ３０の両端部に形成した支持片３３に形成してビス孔部３６に対して挿通するビス３５を上部ケース１０に螺合させることになる。
【００１７】
前記第１プリント配線基板Ｐ１にも前記ピン１７が係合するピン孔部４０を形成してあり、この第１プリント配線基板Ｐ１は底壁部２１に対してビス４１により固定され、第２プリント配線基板Ｐ２は側壁部２２に対してビス４１により位置決め状態で固定される（図２参照）。尚、下部ケース２０の底壁部２１、側壁部２２に対して第１・第２プリント配線基板Ｐ１、Ｐ２を支持する際に、その境界面における熱伝導性を向上させるためにシリコングリスが塗布されている。
【００１８】
上述した構成により、ボックス部１２に対して第１、第２、第３レンズＬｅ１、Ｌｅ２、Ｌｅ３を支持する際には、レンズ端部の支持片３３のピン孔部３４にピン１７を挿通した状態でビス孔部３６に挿通したビス３５の締め付けにより夫々のレンズＬｅ１、Ｌｅ２、Ｌｅ３をボックス部１２に対して精度高く支持する。この後に、上部ケース１０と下部ケース２０とを重ね合わせる形態で連結することにより、ボックス部１２の底面側に形成したピン１７が対応する底壁部２１に支持された第１プリント配線基板Ｐ１のピン孔部４０に係入して第１プリント配線基板Ｐ１との相対位置を決めると同時に、上部ケース１０に対する下部ケース２０の相対位置が決まり、その結果、第３レンズＬｅ３と第２プリント配線基板Ｐ２との相対的な位置も決まる。
【００１９】
前記プリント配線基板Ｐは、熱伝導率が高い素材として、比較的厚みがあるアルミニウム製の基材４５を用いており、このプリント配線基板Ｐに対して前述したチップ状の発光ダイオード素子９を主走査方向に沿って列状に配置するとともに、この発光ダイオード素子９の形成方向に沿って複数のチップ抵抗器ＣＲを備えている。このチップ抵抗器ＣＲは等しい抵抗値で、等しいサイズのものが使用され、このチップ抵抗器ＣＲに通電した際に発生する熱をプリント配線基板Ｐに、結果的には発光ダイオード素子９に伝えることで、複数の発光ダイオード素子９の温度分布を適切な温度で一様化している。
【００２０】
以下にプリント配線基板Ｐの構造を図５を用いて詳述する。図５は、プリント配線基板Ｐの製作手順とパーツの表面実装手順を示しているが、この手順は一例を示しているのであり、本発明を限定するものではない。
前記プリント配線基板Ｐは、前述したようにアルミニウム製の基材４５の表面に対してセラミック材料をコーティングすることによって絶縁セラミック層４６を形成し（図５（ａ）と図５（ｂ））、この上面に対して銅箔膜や金箔膜で成るプリント配線Ｗや表面実装用パッドＸが形成され（図５（ｃ））、さらにこのプリント配線基板Ｐの上面に絶縁性の樹脂で成るレジスト膜４７が形成されている（図５（ｄ））。このように製作されたプリント配線基板Ｐに発光ダイオード素子９、及び一体形成されている矩形の枠体５１と反射体５２からなる反射体ユニット５０が表面実装される（図５（ｅ））。最後に、発光ダイオード素子９などの電子部品とプリント配線Ｗとの間にボンディングワイヤ６１を張る（図５（ｆ））。これにより発光ダイオード光源ユニットの基本構造ができあがることになる。尚、前記基材４５としてアルミニウム以外に、銅板や金属合金を使用することが可能である。もちろん樹脂材料を使用することも可能である。
【００２１】
プリント配線基板Ｐに発光ダイオード素子９や反射体ユニット５０を表面実装する前の外観図が図６に、表面実装後の平面図が図７に、表面実装後の外観図が図８に示されているが、特に図６から明らかなように、発光ダイオード素子９のための表面実装パッドＸの周囲にセラミック層４６が表出するように前記表面実装パッドＸより大きな面積の空白領域を残す形でレジスト４７が形成されている。このセラミック層４６はアルミ製基材４５上へのセラミック材のコーティングによって形成されており、その反射特性はレジスト４７などに比べてはるかに高い。それ故、この表面実装パッドＸの外側に表出されたセラミック層４６は発光ダイオード素子９から放射される光線のバック反射面として機能し、以下に説明する反射体ユニット５０の反射面５２ａとともに発光ダイオードアレイＬＥＤによる照明対象物（ここでは写真フィルムＦ）に対する照度アップに貢献する。この目的を強化するためには、特に優れた反射特性を有するセラミックを金属製基材４５の表面にコーティングされる絶縁層材料として選択したり、できる限り鏡面状表面が得られるようなコーティング方法を選択することが望ましい。
【００２２】
反射体ユニット５０は、液晶性ポリマー製であり、２本の反射体５２は発光ダイオードアレイＬＥＤ形成方向（主走査方向）の長さをカバーするだけの長さを有し、この反射体５２の両端は反射体５２を取り囲んでいる矩形上の枠体５１の対向する辺に接続されている。枠体５１は反射体５２に比べ大きな断面積を有し、矩形に構成されていることからその剛性は高く、反射体５２を安定姿勢で支持することができる。前記反射体５２には、実装状態において発光ダイオード素子９と対向する側にくる傾斜反射面５２ａが形成されており、この傾斜反射面５２ａが発光ダイオード素子９からの光を照明対象物の方に反射させる。
【００２３】
プリント配線基板Ｐの発光ダイオード素子９を実装した領域の断面図である図９から明らかなように、発光ダイオード素子９からプリント配線（配線ランド）Ｗへのボンディングワイヤ６１は反射体５２を飛び越すように設けられている。このため、発光ダイオード素子９とボンディングワイヤ６１によって接続される配線ランドＷは実装された反射ユニット５０の反射体５２と枠体５１の間に形成された隙間に位置するようにレイアウトされている。ちなみにこの実施形態では、反射体５２の高さは約１ｍｍ、反射体５２と発光ダイオード素子９との間隔は０．５ｍｍ程度となっている。
【００２４】
図７と図８から明らかなように、プリント配線Ｗは発光ダイオード素子９に電力を供給する発光配線部５３と、チップ抵抗器ＣＲに電力を供給する加熱配線部５４と、温度計測手段としてのチップ状のサーミスタＳに電圧を印加する計測配線部５５とを形成している。発光ダイオードアレイＬＥＤは、７つのチップ状の発光ダイオード素子９を電気的に直列に接続したものを１単位として、複数単位備えたものである。前記発光配線部５３には、発光ダイオード素子９の１単位に電力を供給する電力端子５３ａと、発光ダイオード素子９の配列方向に沿って独立して形成された中継端子５３ｂとが形成されている。前記加熱配線部５４には、チップ抵抗器ＣＲの両端の電極ＣＲａとハンダ６０により接続する端子５４ａが形成されている。又、計測配線部５５には、サーミスタＳの両端の電極Ｓａにハンダ６０により接続する端子５５ａが形成されている。
本発明による発光ダイオード光源ユニットは上記実施の形態以外に、例えば、静電複写機やフラットベッドスキャナーの光源に適用することが考えられる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による発光ダイオード光源ユニットを採用したフィルムスキャナーの外観図
【図２】図１によるフィルムスキャナーの分解図
【図３】図１によるフィルムスキャナーの断面図
【図４】光源装置の分解断面図
【図５】本発明による発光ダイオード光源ユニットのための製作手順を示す模式図
【図６】プリント配線基板に発光ダイオード素子や反射体ユニットを表面実装する前の外観図
【図７】プリント配線基板に発光ダイオード素子や反射体ユニットを表面実装した後の平面図
【図８】プリント配線基板に発光ダイオード素子や反射体ユニットを表面実装した後の外観図
【図９】プリント配線基板における発光ダイオード素子を実装した領域の断面図
【符号の説明】
９ 発光ダイオード
４５ 基材
４６ セラミック層
４７ レジスト
５０ 反射体ユニット
５１ 枠体
５２ 反射体
５２ａ 反射面
６１ ボンディングワイヤ
ＬＥＤ 発光ダイオードアレイ
Ｐ プリント配線基板
Ｗ パターン配線（配線ランド）
Ｘ 表面実装パッド

Claims (5)

1. 発光ダイオード素子を表面実装するプリント配線基板を備えた発光ダイオード光源ユニットにおいて、
   前記プリント配線基板がその基材の表面にコーティングされたセラミック層に配線ランドと発光ダイオード素子のための表面実装パッドを形成することにより製作され、前記表面実装パッドの周囲に前記セラミック層が表出するように前記表面実装パッドより大きな面積の空白領域を残してレジストが形成され、前記セラミック層が前記発光ダイオード素子の後方反射面として機能することを特徴とする発光ダイオード光源ユニット。
2. 前記基材が金属であることを特徴とする請求項１に記載の発光ダイオード光源ユニット。
3. 前記金属製基材がアルミであることを特徴とする請求項１又は２に記載の発光ダイオード光源ユニット。
4. 前記表面実装パッドに実装された前記発光ダイオード素子の両側に反射面を有する反射体が設けられていることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の発光ダイオード光源ユニット。
5. 前記反射体が前記発光ダイオード素子と前記配線ランドの間に配置され、前記発光ダイオード素子から前記配線ランドへのボンディングワイヤは前記反射体を飛び越すように設けられていることを特徴とする請求項４に記載の発光ダイオード光源ユニット。

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