JP2006253197A - 光照射モジュール - Google Patents

Abstract

【課題】 大がかりな装置を設けることなくＬＥＤの温度上昇を抑制する。
【解決手段】 電子機器に組み込まれ、ＬＥＤ１の光を外部に射出する光照射モジュールにおいて、ＬＥＤ１を金属基板２の実装面に実装し、金属基板２の上記実装面と反対側の面のうちＬＥＤ１の実装位置に対応する位置に金属製の伝熱ブロック２０を面接触させ、金属基板２の厚さＡと、伝熱ブロックの上記実装面と直交する方向の長さＢとの合計が、ＬＥＤ１の実装位置から実装面の端部までの距離Ｃよりも長くなるようにする。ＬＥＤ１を伝熱ブロックの実装面に直接実装してもよい。
【選択図】 図３

Description

本発明は、ＬＥＤを光源として持つ光照射モジュールに関し、ＬＥＤの熱対策を講じたものである。

近年、ＬＥＤの高輝度化に伴い、様々な機器の光源としてＬＥＤが用いられるようになってきている。その一例として、高輝度ＬＥＤを液晶プロジェクタの光源として用いたものがある（例えば、特許文献１参照）。ＬＥＤを用いることにより、従来のハロゲンランプやキセノンランプを用いた場合と比べて装置の小型化が図れるとともに、光源の点灯制御が容易になるという利点がある。しかし、ＬＥＤ光の輝度を高めるには大電流を流す必要があるため、ＬＥＤ自身の発熱が無視できず、熱対策を講じないとＬＥＤが熱で破損するおそれがある。ＬＥＤ等の光源の熱対策を講じた装置として、例えば特許文献２〜４に開示されたものがある。

特開２０００−１９４２７５号公報 特開２００４−４５８１号公報 特開２００４−６９８２５号公報

特許文献２では、光源に放熱板を接触させて放熱を図っているが、厚みのない放熱板では光源の熱が直ぐにその裏面に伝わり、裏面から空気への放熱が主となるため、熱を効率よく逃がすことができない。また特許文献２の一部の実施形態や引用文献３ではペルチェ素子を含む大がかりな冷却装置を用いており、モジュールの大型化およびコストアップは免れない。

本発明は、電子機器に組み込まれ、ＬＥＤの光を外部に射出する光照射モジュールに適用される。
請求項１の発明は、ＬＥＤを金属基板の実装面に実装し、金属基板の裏面（実装面と反対側の面）のうちＬＥＤの実装位置に対応する箇所に金属製の伝熱ブロックを面接触させ、金属基板の厚さと、伝熱ブロックの上記実装面と直交する方向の長さとの合計が、ＬＥＤの実装位置から実装面の端部までの距離よりも長くなるようにしたものである。
請求項２の発明は、金属基板と伝熱ブロックとを熱伝導性の部材を挟んで面接触させたものである。
請求項３の発明は、ＬＥＤを金属製の伝熱ブロックの実装面に実装し、伝熱ブロックの上記実装面と直交する方向の長さがＬＥＤの実装位置から実装面の端部までの距離よりも長くなるようにしたものである。
請求項４の発明は、当該モジュールが組み込まれる電子機器に対する位置決め部、または電子機器に取り付ける際の取付部を伝熱ブロックに一体に設けたものである。
請求項５，６の発明は、プロジェクタモジュールに適用したもので、画像形成部と投影部とを更に有し、ＬＥＤの光を画像形成部に導いて画像投影用の投影光を形成し、その投影光を投影部にて外部に投影する。
特に請求項６の発明は、伝熱ブロック、ＬＥＤ、画像形成部および投影部を一方向に積層して一体化し、投影光の光軸がその積層方向と略直交する方向となるよう構成したものである。

請求項１の発明によれば、ＬＥＤを金属基板の実装面に実装し、金属基板の上記実装面と反対側の面のうちＬＥＤの実装位置に対応する位置に金属製の伝熱ブロックを面接触させ、金属基板の厚さと、伝熱ブロックの上記実装面と直交する方向の長さとの合計が、ＬＥＤの実装位置から実装面の端部までの距離よりも長くなるようにしたので、ＬＥＤの熱を金属基板から伝熱ブロックに効率よく逃がすことができ、大がかりな装置を設けることなくＬＥＤの温度上昇を最小限に抑制できる。
請求項３の発明によれば、ＬＥＤを金属製の伝熱ブロックの実装面に実装し、伝熱ブロックの上記実装面と直交する方向の長さがＬＥＤの実装位置から実装面の端部までの距離よりも長くなるようにしたので、上述と同様の効果を得ることができる。

図１〜図４により本発明を液晶プロジェクタモジュールに適用した場合の一実施形態を説明する。
図１は本実施形態における液晶プロジェクタモジュールＰＭを電子機器に組み込んだ図を示している。このプロジェクタモジュールＰＭは小型のもので、これが組み込まれる電子機器としては、小型プロジェクタ装置の他にデジタルカメラや携帯電話機等が挙げられる。電子機器の筐体１００は、材料として熱伝導性のよい金属が用いられ、例えばアルミダイカスト製とされる。

プロジェクタモジュールＰＭは、光源部と、画像形成部と、投影部と、伝熱部とが予め一体化されて成る。光源としての高輝度ＬＥＤ１は、金属製のＬＥＤ基板２に実装されている。ＬＥＤ基板２は、例えばアルミニウム板の上面に熱伝導性絶縁層を介して銅パターンによる導体回路を形成し、この面をＬＥＤ１の実装面としたものである。ＬＥＤ基板２の実装面と反対側の面（下面）２ａは金属部分が露出している。

ＬＥＤ基板２の上方には投光レンズ１１が配置されるとともに、ＬＥＤ基板２に一体化された枠１２には、画像形成部材である液晶パネル３が配置され、更にその上方には、投影部を構成するＰＢＳ（Polarized Beam Spritter）４が枠１３を介して配置されている。ＰＢＳ膜４ａは、ＬＥＤ光の光軸に対して４５度の角度をなす。ＰＢＳ４の後方には１／４波長板５および反射ミラー６が設けられ、ミラー６の反射面は球面あるいは非球面とされる。なお、３１は液晶パネル３を制御するための電気配線、３２はＬＥＤ１を制御するための電気配線である。

液晶パネル３に画像を形成するとともにＬＥＤ１を点灯すると、ＬＥＤ光はレンズ１１を介して液晶パネル３を透過し、これにより画像投影用の投影光が形成される。投影光はＰＢＳ４に至り、ＰＢＳ膜４ａで後方に反射され、その反射光は１／４波長板５を通過した後、反射ミラー６で前方に反射され、再度１／４波長板５を通過する。１／４波長板５を２度通過することで偏光変換された光は、今度はＰＢＳ４を透過し、絞り１３ａおよび筐体１００の開口１０１を通って外部のスクリーンに投影される。

スクリーン上の像を明るく見易くするには、光源としてのＬＥＤ１を高輝度発光させる必要があり、そのためにはＬＥＤ１に大電流（例えば、４００ｍＡ）を流す必要がある。したがってＬＥＤ１の発熱量は大きく、熱影響が懸念される。

そこで本実施形態では、ＬＥＤ基板２の下部に金属ブロック（伝熱ブロック）２０を配置し、この金属ブロック２０を介してＬＥＤ１の温度上昇を抑えるようにした。金属ブロック２０は、熱伝導率の高いアルミニウムや銅などをほぼ四角柱状に加工したもので、その上面は、ＬＥＤ基板２の下面（金属露出部分）と面接触される。図２から分かるように、金属ブロック２０の配置位置は、ＬＥＤ１の実装位置に対応する位置（ＬＥＤ１の真下）である。金属ブロック２０のＬＥＤ基板２への取り付けは、ねじ手段を用いてもよいし、基板２に設けた嵌合部に金属ブロック２０を嵌め込んでもよい。

以上の構成によれば、ＬＥＤ１の熱を金属製のＬＥＤ基板２、次いで金属ブロック２０に順に逃がすことができるので、ＬＥＤ１の温度上昇を抑えることができる。特に本実施形態では、図１から分かるように金属ブロック２０の側面および底面が筐体１００の内面に面接触しているので、金属ブロック２０の熱を筐体１００から効率よく外部に逃がすことができ、ＬＥＤ１の温度上昇をより一層抑えることができる。

ところで、一般に発熱体を熱伝導性の部材（伝熱部材）に接触させ、発熱体の熱を伝熱部材に伝達して逃がす場合、伝熱部材における熱の伝達方向は、発熱体との接触面と直交する方向が支配的で、接触面に沿う方向の伝熱量は少ない。つまり上記の例では、ＬＥＤ１の熱は主に伝熱部材（ここではＬＥＤ基板２と金属ブロック２０）を垂直下方に伝わることになり、横方向への伝熱は少ない。このことは、金属ブロック２０を横長に配置するよりも縦長に配置した方がＬＥＤ１の熱を効率よく逃がすことがきることを意味する。そこで、本実施形態では金属ブロック２０の横方向の寸法は最小限に止め、高さを高くした。

金属ブロック２０の高さは高いほどよいが、次の関係を満たしていれば大きな効果が期待できる。
図３において、ＬＥＤ基板２の厚さをＡ、金属ブロック２０の高さをＢ、発熱体であるＬＥＤ１から金属ブロック２０の端面までの距離（横方向への熱伝達距離）をＣとしたとき、
Ａ＋Ｂ＞Ｃ・・・（１）
となるようにＢを決める。

図４に本発明者らが行った実験の結果を示す。
これは横軸にＬＥＤ１の点灯時間、縦軸にＬＥＤ１の温度をとったもので、Ｌ１が金属製のＬＥＤ基板２のみで金属ブロック２０を用いないケースを、Ｌ２，Ｌ３は金属製のＬＥＤ基板２と、上記（１）式を満たす金属ブロック２０とを併用したケースを示す。金属ブロック２０の形状はＬ２とＬ３とで同等であるが、Ｌ２は金属ブロック２０の材質としてＡ５０００番台のアルミニウムを用いた場合を、Ｌ３は同Ａ６０００番台のアルミニウムを用いた場合を示す。

図から分かるように、いずれのケースでも点灯開始からＬＥＤ１の温度は上昇するが、金属ブロック２０を用いない場合（Ｌ１）は、ＬＥＤ２の点灯開始から約６０秒でＬＥＤ温度が９０度付近にまで達している。これに対し、Ａ５０００番台のアルミニウム製金属ブロック２０を用いた場合（Ｌ２）は、２分以上経過しても７２度程度に抑制されている。さらに、より熱伝導率の高いＡ６０００番台のアルミニウム（Ｌ３）では、２分以上で５５度程度にまで抑えられている。また実験結果には示されていないが、Ａ１０００番台のアルミニウムも熱伝導率が高いので、好結果が期待できる。

このように本実施形態では、縦長の金属ブロック２０を設けたことでＬＥＤ１の温度上昇を最小限に抑制できるので、ＬＥＤ１に大電流を流してもＬＥＤ１の熱による破損を防止できる。したがって、放熱ファンやペルチェ素子といった高価で大がかりな放熱（冷却）装置は不要である。また、金属ブロック２０の横方向寸法を抑えることができるので、プロジェクタモジュールＰＭを全体として縦長の構成とすることができ、金属ブロック２０が画像形成部や投影部よりも横方向に出っ張ることがない。このため、プロジェクタモジュールＰＭを筐体１００内に配置したときに他の部材の配置の自由度が高まる。

さらに、伝熱部（金属ブロック２０およびＬＥＤ基板２）、光源部（ＬＥＤ１）、画像形成部（液晶パネル３）、投影部（ＰＢＳ４やミラー６など）を一方向に積層して一体化し、投影部の投影光軸ＯＸをその積層方向と直交する方向としたので、図１の如く配置したときに、投影光軸ＯＸを筐体１００の下面、つまり設置面から大きく離間させることができる。因みに、投影光軸が設置面に近いと外部スクリーンに投影しづらく、斜め上方に投影するといった配慮が必要となる。

図５〜図１２に他の実施形態を示す。いずれの実施形態でも金属ブロックの高さは上記（１）式を満たすものとする。
図５は金属ブロック２１を熱伝導性の接着部材３１を介してＬＥＤ基板２に固定したものである。これによれば、組立てが容易となり、また金属ブロック２１および基板２の接触面に凹凸があってもこれをこれを吸収して密着性を高め、熱伝導効率を損なわずに済む。熱伝導性の弾性シートを間に挟んでもよい。金属ブロック２１は先の例と比べて高さが低いため、ＬＥＤの温度抑制効果は多少劣るものの、よりコンパクトな構成を実現できる。

図６，図７は金属ブロックの形状を変えたものである。図６のものは金属ブロック２２の下部にフィン２２ａを形成し、放熱面積を増加させることで空気への放熱効率を高めている。フィン２２ａの近傍に空気の対流が発生し得る場合は特に効果的である。図７のものは金属ブロック２３の下端面を球面としたもので、これによって放熱面積の増大が図れ、放熱効率をアップできる。

図８は金属ブロック２４の側面に位置決め用のボス２４ａを設けた例を示している。このボス２４ａを電子機器の筐体１１１に設けた位置決め孔１１１ａに挿通することで、筐体１１１に対する位置決めが行え、プロジェクタモジュールの取り付けが容易に行える。

さらに図９〜図１１は金属ブロックに筐体への取付部を設けた例を示す。図９の例では金属ブロック２５にねじ貫通孔２５ａを設け、この孔２５ａにねじ３０を貫通させて筐体１１２のねじ孔１１２ａにねじ込むことで、プロジェクタモジュールの取り付けを行う。

図１０の例では金属ブロック２６の下部を筐体１１３の装着部１１３ａに嵌め込み、装着部１１３ａの爪１３ｂを金属ブロック２６の溝２６ａに係合させて固定する。この場合、装着部１１３ａは弾性部材（例えば、プラスチック）で構成し、その弾性変形を利用して爪１３ｂを溝２６ａに噛ませる。この構成によれば、プロジェクタモジュールの取り付けが極めて容易に行える。図１１の例は、金属ブロック２７の下部に設けた縦方向の孔２７ａに筐体１１４のボス１１４ａを挿入して固定するものである。

以上の図８〜図１１のような構成とすることで、伝熱ブロックとしての金属ブロックに位置決め部材や取付部材としての機能をも持たせることができ、以て部品点数の低減が図れる。

図１２は金属ブロックに直接ＬＥＤを実装した実施形態を示す。
例えばアルミ製の金属ブロック２８の上面に絶縁層を介して導体回路を形成し、ここに直接ＬＥＤ１を実装する。金属ブロック２８の高さは、ＬＥＤ１の実装位置から実装面の端部までの距離よりも長くされる。またレンズ１１や枠体１２も金属ブロック２８に直接固定する。これによれば、ＬＥＤ１の熱が直接金属ブロック２８に伝達されるので、先の実施形態と比べて熱伝導効率が良く、ＬＥＤ１の温度上昇抑制効果が高い。またＬＥＤ基板が不要となるので部品点数の低減が図れ、組立性やコストの面でも有利である。

なお、金属ブロックの形状は上記の例に限定されず、例えば円柱状でもよい。また画像形成部材は透過型液晶パネルに限定されず、反射型液晶や他のものでもよい。さらにプロジェクタモジュールにて説明したが、ＬＥＤを光源とする他の光照射モジュール、例えばカメラに設けられるＬＥＤフラッシュモジュールや、ＡＦ補助光照射モジュールなどにも本発明を適用可能である。

一実施形態におけるプロジェクタモジュールを電子機器の筐体に組み込んだ状態を示す図。 図１のII−II線断面図。 金属ブロックの高さ寸法を説明する図。 ＬＥＤの点灯時間に対する温度変化を３パターン表す図で、本発明者らが行った実験結果を示す。 金属ブロックを熱伝導性の接着部材を介してＬＥＤ基板に固定した例を示す図。 金属ブロックの下部にフィンを形成した例を示す図。 金属ブロックの下面を円弧面とした例を示す図。 金属ブロックの側面に位置決め用のボスを設けた例を示す図。 金属ブロックにねじ貫通孔を設けた例を示す図。 金属ブロックに嵌合部を設けた例を示す図。 金属ブロックに嵌合孔を設けた例を示す図。 金属ブロックに直接ＬＥＤを実装した例を示す図。

符号の説明

１ ＬＥＤ
２ ＬＥＤ基板
３ 液晶パネル
４ ＰＢＳ
４ａ ＰＢＳ膜
５ １／４波長板
６ 反射ミラー
１１ レンズ
２０〜２６ 金属ブロック（伝熱ブロック）
２４ａ 位置決め用ボス
２５ａ ねじ貫通孔
２６ａ 取付用の溝
２７ａ 取付用の孔
ＰＭ 液晶プロジェクタモジュール
ＯＸ 投影光軸
１００，１１１〜１１４ 電子機器の筐体

Claims (6)

1. 電子機器に組み込まれ、ＬＥＤの光を外部に射出する光照射モジュールにおいて、
   前記ＬＥＤを金属基板の実装面に実装し、該金属基板の裏面のうち前記ＬＥＤの実装位置に対応する箇所に金属製の伝熱ブロックを面接触させ、前記金属基板の厚さと、前記伝熱ブロックの前記実装面と直交する方向の長さとの合計が、前記ＬＥＤの実装位置から実装面の端部までの距離よりも長くなるようにしたことを特徴とする光照射モジュール。
2. 前記金属基板と前記伝熱ブロックとを熱伝導性の部材を挟んで面接触させたことを特徴とする請求項１に記載の光照射モジュール。
3. 電子機器に組み込まれ、ＬＥＤの光を外部に射出する光照射モジュールにおいて、
   前記ＬＥＤを金属製の伝熱ブロックの実装面に実装し、該伝熱ブロックの前記実装面と直交する方向の長さが前記ＬＥＤの実装位置から実装面の端部までの距離よりも長くなるようにしたことを特徴とする光照射モジュール。
4. 前記伝熱ブロックは、当該モジュールが組み込まれる電子機器に対する位置決め部、または該電子機器に取り付ける際の取付部を一体に有し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光照射モジュール。
5. 画像形成部と投影部とを更に有し、前記ＬＥＤの光を前記画像形成部に導いて画像投影用の投影光を形成し、該投影光を前記投影部にて外部に投影することを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の光照射モジュール。
6. 前記伝熱ブロック、ＬＥＤ、画像形成部および投影部を一方向に積層して一体化し、投影光の光軸がその積層方向と直交する方向となるよう構成したことを特徴とする請求項５に記載の光照射モジュール。

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