JP2005276956A - 照明ユニットおよびそれを用いた照明装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】 LED照明ユニット10は、レンズLSを支持する開口を有する第1基板131と、各レンズに対応して多数のLED素子が2次元状に密集して配設されている第2基板132と、電極が穿設される第3基板133とが積層されて構成されており、各基板の両面に給電および放熱用の薄膜が被覆されている。これらの薄膜はLED素子への給電と放熱に使用される。垂直方向は、ビアホールを介して接続される給電および放熱用の薄膜がLED素子への給電および放熱に使用される。
【選択図】 図4
Description
特に、本発明は、発光ダイオード素子(LED素子)を用いるLED照明ユニット(またはLED投光ユニット)とそれを用いた照明装置に関する。
照明装置(または投光装置あるいは発光装置)として、スピード違反した車両の車両番号を撮像手段で撮像する場合に、車両に車両番号を撮像手段で撮像可能なように光を投射する投光装置について述べる。
そのような投光装置は、夜間でも、たとえば、20メートル程度先の車両に撮像に必要が光を投光することが要望されている。つまり、そのような投光装置は、遠方まで必要な光を投光できるという条件が課せられている。
そのような条件を満たす投光装置としてはこれまで、たとえば、照度の高いハロゲンランプと集光レンズを組み合わせたものなどを用いたものが使用されてきた。
そのような要請に応える手段として、投光装置として発光ダイオード(LED素子)を用いる方法が考えられる。LED素子の寿命は半永久的であるし、LED素子個々は小型であり、消費電力も少なく、最近はかなり放射強度(輝度)の高いものも開発されてきている。
もちろん、1個のLED素子のみでは、夜間に車両の番号を撮像できる光を提供することは無理であるから、多数のLED素子を用い、かつ、集光レンズを用いることになる。
特許第3319393号(特許文献2)は、LEDランプをリードフレームに搭載し、配光特性を改善した発光装置を開示している。
実開平4−111769号公報に開示されている表示装置を上述した夜間、車両の番号を撮像するための照明装置(投光装置)として適用することを仮定すると、発光手段としてLED素子の輝度を高めるための改善、輝度の高い多数のLED素子が必要になるので集積の問題と放熱対策の問題の解決、遠方まで所定の輝度(照度)の光を提供するための工夫を種々行わなければならない。
したがって、実開平4−111769号公報に開示されている表示装置をそのまま投光装置には適用できない。
前記第1〜第4ビアホールおよび前記第1〜第3導電層を用いて前記複数の前記複数の発光ダイオードに給電を行う電気回路を構成した、照明ユニットが提供される。
電源制御ユニットは、与えられる外部トリガ信号の立ち上がりまたは立ち下がりのどららかをスイッチにより選択可能とし、遅延調整回路、点灯パルス幅調整回路により前記複数のLED素子を分割した複数グループの各グループに同時に電圧まかは電流を印加する。
図1〜図7を参照して、本発明の照明装置およびその照明装置に用いる照明ユニットの第1実施の形態について述べる。
図1は本発明の第1実施の形態の照明装置の適用例を示す図である。
本発明の第1実施の形態の照明装置1は、発光ダイオード(LED)を用いた照明ユニット10と、電源制御ユニット20とを有する。
照明装置1の適用例として車両の番号を撮影する場合の照明手段として用いられる場合を想定すると、照明ユニット10からその前方に位置する領域3に所定の放射強度の光を照射(投光)可能である。領域3には、たとえば、移動している車両が位置し、夜間でも照明ユニット10からの光で撮像装置2がその車両の番号を撮像可能にしている。
LED照明ユニット10から領域3までの距離Dは、たとえば、15〜25メートル程度である。
撮像装置2が領域3に位置し、移動している車両の番号を撮像する時間は短時間であるから、電源制御ユニット20は照明ユニット10を撮像装置2の撮像トリガ信号TSに合わせて短時間パルス状に駆動する。これによっても、照明ユニット10の消費電力を大幅に低減できる。
撮像装置2は領域3に照明ユニット10から光が投光されている期間に撮像を行い、たとえば、領域3に位置し走行している車両の番号を撮像する。
電源制御ユニット20の駆動方法の詳細は後述する。
上述した光を提供する照明ユニット10の詳細について述べる。
図2は図1に図解した照明装置1における第1実施の形態の照明ユニット10を図解する図であり、図2(A)は正面図であり、図2(B)は裏面図であり、図2(C)は外形断面図である。
図2に図解した照明ユニット10は、上述した15〜25mの前方における走行する車両の番号を、夜間でも撮像装置2で撮像可能な光、たとえば、近赤外線光を提供できる能力を持つものとして製造した場合について例示している。
図2(A)に図解したように、照明ユニット10は、たとえば、横10cm×縦10cmの寸法の基板13に、横15個×縦15個、合計225個のLED素子およびレンズLSを有する。隣接するLED素子およびレンズLSの間隔は、たとえば、6mm程度である。たとえば、特許第3319393号に開示されているLED素子、あるいは、通常単体で使用するためのパッケージされたLED素子は、このような短い間隔では集積できない。換言すれば、本実施の形態のLED素子は高い集積度で基板13に平面的に密集して搭載されている。
また、図2(C)に図解した照明ユニット10の高さ(厚さ)tについて例示すると、基板13の厚さが約3.6mmであり、レンズの突出高さが約4.3mmであり、合計すると、8mm程度であり、照明ユニット10の厚さも薄い。
電極J1〜J20から給電された電力が、225個のLED素子にいかる給電されるかについての詳細は後述するが、留意すべきは、照明ユニット10において、各LED素子への給電用配線は設けていないことである。
図3(A)、(B)は各LED素子への給電方法を例示した等価回路の概要を図解した図である。
図3(A)は、2個の電極J1、J2と2個の電極J3、J4との間に、図2(A)の第1列のLED1〜LED15を直列に接続した回路、第2列のLED16〜LED30を直列に接続した回路、第3列のLED31〜LED45を直列に接続し、かつ、第1列〜第3列の回路を並列に接続する回路を図解した図である。図3(B)は、2個の電極J1、J2と2個の電極J3、J4との間に、第1列〜第3列のLED1〜LED45の全てを並列に接続する回路を図解した図である。
図3(A)に図解した回路構成の場合、電極J1、J2と電極J3、J4との間に流れる電流容量は少なくて済むが、1列の中に1個のLED素子でも故障が発生すると、その列のLED素子全体が発光できなくなる可能性がある。他方、図3(B)に図解した回路構成の場合、1列の中に1個のLED素子でその列の他のLED素子の発光は影響されないが、電極J1、J2と電極J3、J4との藍でに流れる電流容量は多くなる。
本実施の形態においては、図3(A)の回路構成または図3(B)の回路構成、あるいは、他の回路構成のいずれでもよい。
本実施の形態では、このように、2個の電極J1、J2と2個の電極J3、J4とで、3列、45個のLED素子への給電を行う例を例示している。
2個の電極J1、J2と、2個の電極J3、J4とを用いているのは、多数のLED素子に流れる電流が多くなるため、十分な電流容量を確保するためである。
図4(A)〜(C)は照明ユニット10の部分、たとえば、図2(A)の第1列の一部の断面図である。
図4(A)に図解したように、複数のLED素子と複数のレンズLSが、基板13に搭載されている。LED素子は、たとえば、近赤外線光を出射するLED素子を用いている。レンズLSは、たとえば、ガラスレンズを用いている。
基板13は、第1基板131と、第2基板132と、第3基板133とを有する。これら基板131〜133は、絶縁性があり、耐熱性があり、強度に優れた材質、たとえば、ガラスエポキシ樹脂で形成されている。
第1基板131と第2基板132との第1絶縁性接着層151で接着されており、第2基板132と第3基板133とが第2絶縁性接着層152で接着されている。
第1基板131の開口を除く部分には、第1基板131の上面に第1基板上放熱層141U、第1基板131の下面に第1基板下放熱層141L、および、開口の内壁に第1基板壁放熱層141Wが形成されている。
これらの放熱層141U、141L、141Wは、熱伝導度の高い材質、たとえば、銅を用いた銅箔を70μmの厚さで形成している。
これらの放熱層141U、141L、141Wは本発明の実施の形態において必須ではないが、多数のLED素子を開口内のキャビティCV内に密閉状態で実装している本発明のLED照明ユニット10の放熱効果を促進するために設けている。
第1基板131の開口内のレンズLSの下部の第2基板132にはLED素子が配設されている。
開口内のキャビティCVがレンズLSと密閉樹脂層19とによって封止しているいることにより、パッケージ無しのLED素子が外部から封止される構造となっている。換言すれば、開口内のキャビティCVに実装されたLED素子が、開口の内壁と、第2基板132と、レンズLSと、密閉樹脂層19とで規定される密閉空間内に機密封止されるから、単体で使用するLED素子のように、機密封止対策を講じたパッケージ処理をする必要がなく、LED素子単体を小型化できる。その結果、多数のLED素子を実装しても基板13の面積は小さくてよい。
第2基板132または第2基板132の上面に形成された第2基板上第1導電・放熱層142U1の上に、LED素子が搭載されている。
レンズLSは図解したように、球形レンズまたは、破線で図解したように、下面が平坦な準球形レンズなどを用いることができる。レンズLSとして球形または準球形レンズを用いたのは、レンズLSとLED素子との距離が小さいからである。したがって、レンズLSとLED素子との距離に応じて、球形レンズまたは準球形レンズ以外のレンズを用いることもできる。
LED素子はその上部に位置するレンズLSの焦点位置または焦点位置の近傍に配設されている。レンズLSとLED素子との位置は、第1基板131および第1基板上導電・放熱層141U、第1基板下導電・放熱層141Lの厚さ、または、第1基板131の開口の直径の大きさを調整することにより、調整できる。たとえば、第1基板131の開口を大きくすると、レンズLSは開口内に沈み、LED素子との距離が接近する。第1基板131の厚さを薄くしても同様である。
LED素子の光軸とレンズLSの光軸とは一致またはほぼ一致する。それにより、LED素子から出射した光はレンズLSを通過後、狭指向性の集光光となる。
第2基板132の上面(第1基板131側の面)には第2基板上導電・放熱層142Uが形成されており(被着されており)、第2基板132の下面(第3基板133側の面)には第2基板下導電・放熱層142Lが形成されており、第2基板第1ビアホールVH21の内壁から第2絶縁性接着層152にかけて第2基板第1壁導電・放熱層142W1が形成されており、第2基板第2ビアホールVH22の内壁から第2基板下導電・放熱層142Lにかけて第2基板第2壁導電・放熱層142W2が形成されている。
図4(C)に図解したように、第2基板上第1導電・放熱層142U1にはLED素子が搭載され、かつ、LED素子のアノードAが接続されており、第2基板上第2導電・放熱層141U2にはLED素子のカソードKが配線WRを介して接続されている。
なお、LED素子は、第2基板上第1導電・放熱層142U1に搭載されている必要はなく、第2基板132に搭載されていてもよい。ただし、LED素子のアノードAは第2基板上第1導電・放熱層142U1に接続されている。
また、LED素子のアノードAとカソードKとが接続される対象は、上述した第2基板上第1導電・放熱層142U1と第2基板上第2導電・放熱層141U2と逆でもよい。ただし、その場合は、後述する電極J1、2と、電極J3、4からの給電の向きは逆になる。
好ましくは、これらの層は、LED素子の放熱対策も考慮して、導電性かつ熱伝導度の高い材質で形成されることが好ましい。
そのような材質の例示としては、第1基板上導電・放熱層141U、第1基板下導電・放熱層141Lなどと同様、たとえば、70μmの厚さの銅箔で形成する。
第3基板133の上面(第2基板132側の面)には第3基板上導電・放熱層143Uが形成されており(被着されており)、第3基板133の下面には第3基板下導電・放熱層143Lが形成されており、第3基板第1ビアホールVH31の内壁には第3基板第1壁導電・放熱層143W1が形成されており、第3基板第2ビアホールVH32の内壁には第3基板第2壁導電・放熱層143W2が形成されている。
第3基板下導電・放熱層143Lは、たとえば、第1電極J1に接続されている第3基板下第1導電・放熱層143L1と、たとえば、第3電極J3に接続されている第3基板下第2導電・放熱層143L2とに分離されている。
好ましくは、これらの層は、LED素子の放熱対策も考慮して、導電性かつ熱伝導度の高い材質で形成されることが好ましい。
そのような材質の例示としては、第2基板上導電・放熱層142U、第2基板下導電・放熱層142Lなどと同様、たとえば、70μmの厚さの銅箔で形成する。
電極J1は、第3基板133の下面の第3基板下第1導電・放熱層143L1、第3基板第1壁導電・放熱層143W1、第3基板133の上面の第3基板上導電・放熱層143U、第2基板第1壁導電・放熱層142W1、第2基板132の上面の第2基板上第1導電・放熱層142U1を介してLED素子のアノードAに電流を供給することができる。またこれらの導電層は放熱層をも構成しており、これらの層を介して、LED素子の熱を照明ユニット10の外部に放出することもできる。
同様に、電極J3は、第3基板133の下面の第3基板下第2導電・放熱層143L2、第3基板第2壁導電・放熱層143W2、第2基板132の下面の第2基板下導電・放熱層142L、第2基板第2壁導電・放熱層142W2、第2基板132の上面の第2基板上導電・放熱層141U2を介して、LED素子のカソードKに電流を供給することができる。またこれらの導電層は放熱層をも構成しており、これらの層を介して、LED素子の熱を照明ユニット10の外部に放出することもできる。
以上の回路構成により、基本的に、電極J1とJ3に電圧を印加するとLED素子に電流が流れ、LED素子が発光することか理解されよう。また、これらの給電経路および第1基板131の周囲の第1基板上導電・放熱層141U〜第1基板下導電・放熱層141Lなどを介してキャビティCV内に実装されたLED素子の熱を照明ユニット10の外部に放出することができる。
以上により、各LED素子に配線を用いて接続しないでも、多数のLED素子に効果的に給電を行うことができる。
図5はLED照明ユニット10の部分光線軌跡を示す図である。
図5に図解したように、LED素子から射出した光が、レンズLSが狭指向性の集光光にされて、たとえば、領域3に向けて出射する。
図5は一部のLED素子とレンズLSの光線を示すが、本実施の形態においては、225個のLED素子からの光が225個のレンズLSで狭指向性の集光光にされて、225本の光を集合した光の束が領域3に向けて出射される。
電源制御ユニット20は、遅延回路21と、点灯パルス幅調整回路22と、電流駆動回路23とを有する。
遅延回路21は、外部トリガ信号TSの立ち上がりまたは立ち下がりのどちらかをスイッチにて選択し、それから、所定時間、たとえば、7μs〜0.6ms遅延させて、点灯パルスを発生させて点灯パルス幅調整回路22に印加する回路である。
点灯パルス幅調整回路22は、所定時間、たとえば、0.1ms〜6msの間、LED素子が点灯するように点灯パルス幅を調整する回路であり、撮像タイミングに合わせてパルス幅の調整を行う。
電流駆動回路23は、LED素子に一定の電流を印加し、光量の変動を抑制する回路である。また、高速に点灯をオン・オフ制御するためにトランジスタにてスイッチングを行い、LED素子における電力消費を低減させることができる。
また本発明の第1実施の形態の照明装置によれば、上記照明ユニットを電源制御ユニットで効果的に駆動して、さらに省電力を図ることができた。
図8〜図12を参照して本発明の第2実施の形態の照明ユニットについて述べる。
図8(A)、(B)は、図2(A)、(B)に対応する第2実施の形態の照明ユニット10Aの正面図と裏面図である。
図8(A)は、基板13Aの正面側に複数のLED素子が同心円状に配設されている状態を示している。図8(B)は基板13Aの裏面側の電極J1〜J20の配置を示している。
第2実施の形態の照明ユニット10Aは、図9に断面図を示すように、焦点距離Fの収束光束を出力する照明ユニットである。
図10(B)、図11(B)において、図解を簡単にするため、図4(A)に図解した、第1基板131と第2基板132との間の第1絶縁性接着層151、第1基板131の周囲に形成された第1基板上導電・放熱層141U、第1基板下導電・放熱層141L、第1基板壁導電・放熱層141Wは図解していない。また、図10(B)、図11(B)において、図解を簡単にするため、図4(A)に図解した、第2基板132の上面の第2基板上第1導電・放熱層142U1と第2基板上第2導電・放熱層141U2は図解していないが、図4(B)と同様、図10(A)、図11(A)に、第2基板上第1導電・放熱層142U1と第2基板上第2導電・放熱層141U2とを図示している。
複数のLED素子およびレンズLSの集積方法、給電方式、放熱対策などは第1実施の形態と同様である。
図8(A)の第1リングR1に位置するLED素子とレンズLSからは、図9の光軸中心に沿って光を出射させる。したがって、第1リングR1に位置するLED素子とレンズLSとは、図10(A)、(B)に図解したように、レンズLSとLED素子との光軸Oを一致させる。
第2リングR2〜第5リングR5に位置するLED素子とレンズLSとは、たとえば、図11(A)〜(C)に図解したように、リング位置に応じて、レンズLSとLED素子との位置をずらす。レンズLSとLED素子とのずらしかたとしては、第1基板131の開口の頭部に装着されるレンズLSは固定とし、LED素子の位置を光軸Oの中心から角度αに相当する分だけずらして、第2基板132の上に搭載する。リング位置に応じたLED素子の位置は、たとえば、図12(A)〜(D)に例示したように、第2基板上第1導電・放熱層142U1に4個の三角マークをつけておき、リング位置に応じたマーク部分にLED素子を合わせればよい。
また照明ユニットに使用するLED素子は任意のものを用いることができる。 同様にレンズも、光学特性に則して任意にものを用いることができる。
10、10A・・照明ユニット
13、13A・・基板
131〜133・・第1〜3基板
VH21・・第2基板第1ビアホール
VH22・・第2基板第2ビアホール
VH31・・第3基板第1ビアホール
VH32・・第3基板第2ビアホール
141U・・第1基板上導電・放熱層
141L・・第1基板下導電・放熱層
141W・・第1基板壁導電・放熱層
142U・・第2基板上導電・放熱層
142U1・・第2基板上第1導電・放熱層
142U2・・第2基板上第2導電・放熱層
142L・・第2基板下導電・放熱層
142W1・・第2基板第1壁導電・放熱層
142W2・・第2基板第2壁導電・放熱層
143U・・第3基板上導電・放熱層
143L・・第3基板下導電・放熱層
143L1・・第3基板下第1導電・放熱層
143L2・・第3基板下第2導電・放熱層
151、152・・第1、2絶縁性接着層
J1〜J20・・電極
19・・密閉樹脂層
CV・・キャビティ
20・・電源制御ユニット
21・・電源分配部、22・・タイミング制御回路
2・・撮像装置
3・・領域
Claims (8)
- 複数の開口を有する第1基板と、
前記複数の開口に配設されている複数のレンズと、
第1および第2ビアホールを有する第2基板と、
該第2基板の前記第1基板側の面に形成された第1および第2の導電層と、
前記第2基板または前記第1導電層の上に、前記複数のレンズに対応して配設され、アノードとカソードとが前記第1および第2の導電層に接続されている、複数の発光ダイオードと、
第3および第4ビアホールを有する第3基板と、
前記第3基板の前記第2基板側に形成された第3導電層と
を有し、
前記第1〜第4ビアホールおよび前記第1〜第3導電層を用いて前記複数の前記複数の発光ダイオードに給電を行う電気回路を構成した、
照明ユニット。 - 前記第3基板の前記第3導電層が形成されている面と対向する面から前記電気回路に給電を行う電極が設けられる、
請求項1に記載の照明ユニット。 - 前記第1〜第3導電層は放熱特性を有する、
請求項1または2に記載の照明ユニット。 - 前記第1基板の両面に第4放熱層が被覆されている、
請求項1〜3のいずれかに記載の照明ユニット。 - 前記複数のレンズと前記複数の発光ダイオードとはそれぞれ光軸を一致させて対向して配設されており、
前記発光ダイオードは対応するレンズの焦点位置またと焦点位置の近傍に位置している、
請求項1〜4のいずれかに記載の照明ユニット。 - 前記レンズは球形レンズまたは準球形レンズであり、
前記発光ダイオードは近赤外線発光ダイオードである、
請求項5に記載の照明ユニット。 - 前記複数のレンズと前記複数の発光ダイオードとはそれぞれ同心円上に配設されており、同心円の位置に応じてレンズの位置に対してLED素子の位置がずれて配設されている、
請求項1〜4、6のいずれかに記載の照明ユニット。 - 照明ユニットと該照明ユニットに駆動電力を提供する電源制御ユニットとを有する照明装置であって、
当該照明ユニットは、
複数の開口を有する第1基板と、
前記複数の開口に配設されている複数のレンズと、
第1および第2ビアホールを有する第2基板と、
該第2基板の前記第1基板側の面に形成された第1および第2の導電層と、 前記第2基板または前記第1導電層の上に前記複数のレンズに対応して配設され、アノードとカソードとが前記第1および第2の導電層に接続されている、複数の発光ダイオードと、
第3および第4ビアホールを有する第3基板と、
前記第3基板の前記第2基板側に形成された第3導電層と
を有し、
前記第1〜第4ビアホールおよび前記第1〜第3導電層を用いて前記複数の前記複数の発光ダイオードに給電を行う電気回路を構成されており、
当該電源制御ユニットは、与えられる外部トリガ信号の立ち上がりまたは立ち下がりのどららかをスイッチにより選択可能とし、遅延調整回路、点灯パルス幅調整回路により前記複数のLED素子を分割した複数グループの各グループに同時に電圧まかは電流を印加する、
ことを特徴とする、照明装置。
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