JP2009135080A

JP2009135080A - 光源装置

Info

Publication number: JP2009135080A
Application number: JP2008173718A
Authority: JP
Inventors: Jian-Shian Lin; 建憲林; 杰隆 ▲頼▼; Chieh-Lung Lai
Original assignee: Industrial Technology Research Institute ITRI
Current assignee: Industrial Technology Research Institute ITRI
Priority date: 2007-11-28
Filing date: 2008-07-02
Publication date: 2009-06-18
Also published as: TWI353053B; TW200924183A; US7717587B2; US20090135599A1

Abstract

【課題】高照明率を有する光源装置、光制御素子を増加する必要のない光源装置、又は、体積と素子数を減少できる光源装置を提供する。
【解決手段】本発明は、基板(30)の上に複数の搭載面(310)を形成し、少なくとも一つの搭載面(310)が前記基板(30)に対して傾斜角に形成されてなり、各搭載面(310)にそれぞれ電気的に接続される発光ダイオード(32)が設けられる光源装置(3)を提供する。それぞれの各搭載面(310)に電気的に接続される各発光ダイオード(32)により所定の配光の目的に達成することで、光制御素子を追加する必要のある従来技術の欠点を改善し、光源装置の光効率を高める。
【選択図】図３

Description

本発明は光源装置に関し、特に、光制御素子を余分に増加する必要のない光源装置に関するものである。

科学と技術の進歩につれて、生活も便利になってくる。さらに、光源装置の発明と普及化のために、夜間さえ昼間のように様々な活動ができるようになっている。従前の光源装置はタングステン電球（白熱電球）を採用していた。タングステン電球は寿命が短く、消費電力が多く、長期間使用すると高温が生じやすいため、エネルギーの転換効率がよくなかった。

従来の光源装置におけるタングステン電球の代わりに、近年、半導体プロセス技術の向上のために、発光ダイオード（ＬＥＤ）のダイ（ベアチップ）をワイヤボンディングして実装することにより、微小な発光素子を実現することができるようになった。発光素子そのものが長寿命、低消費電力、高発光効率、及び色の多様化などの特性を有することに伴い、応用する光源装置のメリットも多くなり、発光ダイオードを発光素子として採用されることが多くなりつつある。しかしながら、発光ダイオードで作製された発光素子は従来の光源と異なり、単一の発光素子の発光強度が足りないため、光源装置において、複数の発光ダイオードを配列してより十分な発光強度を提供するようにしている。また、発光ダイオードは指向性光源であるため、光源装置において、発光ダイオードを傾斜させて配列したり、光制御素子を追加したりして、使用者の要望に応じて配光していた。しかし、光源装置において発光ダイオードを傾斜させて配列する場合、成形用型のコストと人工組立のコストが高まり、光源装置のコストが高くなることで、発光ダイオードを発光素子として作成された光源装置の普及が間接的に抑制されていた。一方、光制御フィルム、幾何学的反射ハウジング、又は偏向レンズなどの光制御素子を追加する場合、光源装置の光効率を降下させるため、発光ダイオード数の増加が必要になるとともに、消費電力も光源装置のコストも高くなっていた。

特許文献１には負フォーカス型反射式ランプに関する構造が提案され、ランプハウジングの上方の正フォーカスレンズに単一の負フォーカスの鏡面エリアが設けられ、ランプハウジングの両側にサイドウォールが設けられることにより、光源から射出する上向き光線を単一の負フォーカスの鏡面エリアに導き、それを負フォーカスの鏡面エリアでサイドウォールに反射させて、複数の射出光線を発生させて光線の射出角度を大きくし、これによって、グレアを軽減する目的を達することができ、ランプの高さを縮めることができるようにしている。

図１に示すように、特許文献２に係る光源装置１は、発光素子１０と、前記発光素子１０の一方に設けられる反光ハウジング１１と、前記発光素子１０の他方に設けられる透光部１２と、前記発光素子１０と透光部１２の間に設けられる散光部１３とを含む。反光ハウジング１１は曲面を有するハウジングである。反光ハウジング１１の一方に透光部１２を接続し、反光ハウジング内面の曲面で発光素子１０から射出した光線Ｓを屈折させ、透光部１２を介して光線Ｓを均一的に光源装置１に射出することにより、光源装置１の光効率と輝度分布の均一性を高めるようにしている。

具体的に言えば、散光部１３は発光素子１０の射出端に設けられ、さらに、複数の光分散エリアを含む。前記光分散エリアの表面に屈折度を変えるための複数の微細構造アレイを有する。複数の微細構造アレイの分布を調整することにより、発光素子１０によるガウス分布（Gaussian distribution）を改善し、無用の光線を透光部１２の範囲に集束し、発光素子１０の中央にあるより高輝度な光線を透光部１２に分散させて、光効率と輝度分布の均一性を高める。しかしながら、このようにすると、人工組立のコストを増加してしまう。また、反光ハウジング１１、透光部１２、及び散光部１３を増加すると、光源装置１のコストを高めるし、光源装置１の光効率を降下してしまう。

又、図２に示すように、特許文献３に係る光源装置２は、搭載面を有する本体２０と、前記本体２０の搭載面に設けられる複数の発光素子２１と、前記本体２０の内に設けられ、前記本体２０に相対的に傾斜する反射部２２とを含む。本体２０は略カップ状の構造を成すものである。反射部２２は本体２０の底部に設けられ、略円錐状又は角錐状を成す。複数の発光素子２１は反射部２２の周囲に設けられる。発光素子２１の設置角度及び反射部２２の傾斜角度を調整することにより、各発光素子２１が生じた光線を集中して射出する。しかしながら、反射部２２は平面状、発光素子２１の発光角度を合わせて調整することができないため、各発光素子２１が生じた光線を完全に屈折させることができない。さらに、反射部２２の傾斜角度を合わせるために、大量の発光素子２１を設置することが必要になると同時に、光源装置２のコストも増加するし、光源装置２の体積が大きくなるため、光源装置２の外形に制限されてしまう。

また、従来の平面式発光ダイオードのダイの位置決めのプロセスは、先ず、ＳＭＴ（Surface Mounting Technology）によりダイの識別と位置決めを行い、それらの情報を三軸式のダイ規制装置（この三軸式のダイ規制装置はＸ、Ｙ、Ｚという三つの移動自由度を有する）に輸送することにより、ダイの移動と位置決めを行う。次に、ＣＣＤ画像識別装置によりダイの識別と位置決めを行い、三軸式のダイ規制装置を介してダイをポッティング接着装置における接着位置に移動する。最後に、硬化装置により発光ダイオードのダイを基板の上に固着する。三軸式のダイ規制装置は三つの移動自由度しかないため、発光ダイオードのダイを平面基板の上に固着する場合だけに適用する。発光ダイオードの照明の用途の需用に対して、従来の平面式発光ダイオードのダイ位置決めプロセスは既に使用者が配光曲線に対する要求を満足させることができなくなった。

米国特許出願公開第２００６／０１３９９３３号明細書米国特許出願公開第２００６／０２３２９７６号明細書米国特許第５８３８２４７号明細書

従って、如何に上述した従来の光源装置の欠点を改善するかが、当業界において解決すべき課題となっている。

本発明は、上述した従来技術の欠点に鑑みてなされたものであり、高照明率を有する光源装置を提供することを目的とする。

本発明の他の目的は、光制御素子を増加する必要のない光源装置を提供することにある。

本発明の他の目的は、体積と素子数を減少できる光源装置を提供することにある。

上記の目的を達成するために、本発明は、第１の表面と、前記第１の表面と反対側の第２の表面とを有し、第１の表面に複数の搭載面を有し、少なくとも一つの搭載面が第１の表面に対して傾斜角に形成されてなる基板と、前記各搭載面にそれぞれ設けられ、前記基板に電気的に接続される複数の発光ダイオードと、を含む光源装置を提供する。

本発明によれば、それぞれの搭載面に設置され、基板に電気的に接続される各発光ダイオードにより、所定の配光の目的を達成し、従来の技術において光制御素子の追加を必要とする欠点を克服し、光源装置の光効率を相対的に高め、さらに、発光ダイオードの組立方式を変更せずに光源装置の体積と組立部品数を減少できるため、光源装置の照明効果を高めることができる。

前記基板は金属板、シリコン基板、セラミック基板、及び回路基板のうちの何れかの高熱伝導率の熱伝導基板であればいい。本発明の一実施態様において、各搭載面は第１の表面に対して同一の傾斜角に形成してなるが、他の実施態様において、各搭載面は第１の表面に対して異なる傾斜角に形成してなっている。また、本発明の一実施態様において、各発光ダイオードのダイは全て同色の発光ダイオードのダイであるが、他の実施態様において、各発光ダイオードのダイは複数の異なる色の発光ダイオードのダイよりなる。

また、複数の搭載面は基板の第１の表面に形成することに限定されるものではなく、一実施態様において、複数の搭載面は、発光ダイオードがそれぞれ基板の第１の表面と第２の表面の上に設けられるように、第２の表面に形成しても良い。

従来技術の発光ダイオード光源装置に比べると、本発明に係る光源装置は発光ダイオードを搭載面に直接電気的に接続するような構成を提供し、更に、各搭載面が配光の要求に応じて設けられることで、各発光ダイオードを光源装置に直接応用することができるし、光制御素子を増加する必要がないため、光源装置の体積と部品数を減少すると同時に、光源装置の光効率を高めることができる。

以下、具体的な実施例によって本発明の実施例を説明する。図面を参照しながら本発明に係る実施例を説明することにより、当業者は本明細書に記載の内容から本発明のその他の利点と効果を容易に理解することができる。

図３は本発明に係る光源装置の実施例を模式的に示す図である。図３に示すように、光源装置３は、基板３０と、前記基板３０に形成される複数の搭載面３１０と、各搭載面３１０に設けられる発光ダイオード３２とを含む。本実施例に示す発光装置３は基板３０の上に複数の搭載面３１０及び各搭載面３１０に設置される発光ダイオード３２を有するものを例にするが、それらの数量は特定の限定がなく、応用の形式によって適当にすることができる。

基板３０には１面側に第１の表面３０１と反対の面側に第２の表面３０２を有する。本実施例において、複数の搭載面３１０は第１の表面３０１に形成される。基板３０は各発光ダイオード３２を外部装置又は外部電源に電気的に接続するための、導電線路を有する回路板である。第２の表面３０２は外部に接続することが可能である。第１の表面３０１には予め複数の凸部３１を形成しておき、各搭載面３１０が各凸部３１に対応して形成される。本発明に係る基板３０の材料は、例えば金属、シリコン、セラミック、ガラス、合成樹脂などが挙げられる。

具体的に言えば、基板３０の第１の表面３０１は各凸部３１に電気的に接続するための導電線路を有し、基板３０の第２の表面３０２は前記導電線路に電気的に接続するための複数の接点３０２１を有してもよく、各接点３０２１を介してさらに外部装置又は外部電源に電気的に接続できるようになっている。なお、回路板である基板３０の表面に導電線路と接点を形成するような技術は回路板産業において公知技術である上に、本発明の特徴ではないため、例えばスルーホール（ＰＴＨ）を介して導電線路と接点３０２１を接続するような方法、又は導電線路と各接点３０２１を形成する方法に関する説明は省略する。

また、本実施例において、表面に導電線路を有する基板３０について説明したが、これに限定されるのではなく、各凸部３１を形成できる電気的な基板材料であればよく、例えば、金属板又は他の適当な強度を有する高熱伝導率の熱伝導基板であっても良い。第１の表面３０１及び第２の表面３０２における導電線路と接点３０２１は必ずしも電気的な接続構造とは限らない。例えば、基板３０は搭載のみ機能を発揮し、電気部分が例えばボンディングワイヤにより外部に直接接続する。

前記各凸部３１は第１の表面３０１に形成され、第１の表面３０１に電気的に接続される搭載面３１０を有し、さらに、少なくとも一つの搭載面３１０が基板３０に対して傾斜角θに形成してなる。各凸部３１はエッチング、電気めっき、蒸着、機械加工、又は表面実装技術（ＳＭＴ）のうちの何れかの方式により基板３０の第１の表面３０１に形成されるとともに、粘着、半田付け、又はワイヤボンドのうちの何れかの方式により搭載面３１０と第１の表面に形成された前記導電線路に電気的に接続される。搭載面３１０は各発光ダイオード３２に電気的に接続するように導電線路に電気的に接続する複数の接点を有しても良いが、ワイヤボンドを採用する場合、導電線路と接点に関する製作は周知の技術で行うことができる。

上述した各発光ダイオード３２は各搭載面３１０にそれぞれ設けられ、基板３０上の導電線路に電気的に接続される。本実施例において、各発光ダイオードのダイは所望に応じて、全て同色の発光ダイオードのダイであったり、又は複数の異なる色を含む発光ダイオードのダイであることにより、同色又は異なる色の光源を提供する。一つの搭載面３１０の上に複数の発光ダイオードのダイ又は発光ダイオードのチップを設けても良い。

本実施例において、各凸部３１の搭載面３１０は光源装置３の所望のデザインに応じて、基板３０に対して二つの異なる方向の傾斜角θに形成してなり、且つ、一部の搭載面３１０が傾斜角がゼロとなる水平設計に形成してなるため、各発光ダイオード３２が所定の集束距離の指向性光源を生じさせることができ、これにより、単一のエリアに集光する投射性外部装置（例えば懐中電灯）に応用できる。従って、本発明は各凸部３１の搭載面３１０の傾斜角θのデザインによれば、光制御素子を追加せずに、所定の配光の目的を直接に実現することができるため、製造コスト、体積及び部品数を減少できるだけではなく、反射又は屈折によるロスがないため、光源装置３の光効率を高めることができる。

上述した実施例について説明したように、本発明に係る技術特徴は各搭載面３１０の傾斜角θのデザインにより所望の配光の目的を実現するものであるため、各搭載面３１０が基板３０に対して所定の異なる傾斜角に形成してなってもよく、基板３０の第１の表面３０１に対して所望の単一の傾斜角に形成してなってもよい。つまり、本実施例に限定されるのではなく、応用する外部装置に応じて設計すればいい。

図４は本発明に係る光源装置の他の実施例を模式的に示す図である。本願の説明をより分かりやすいために、図４において、前記実施例と同様又は類似の構成要素については同様又は類似の符号を付して、その説明を省略する。図４に示すように、所望の配光に応じて、複数の凸部３１’の搭載面３１０’は基板３０に対して二つの異なる方向の傾斜角θに形成してなり、且つ、一部の搭載面３１０’が傾斜角がゼロの水平設計に形成してなるため、図示のように各発光ダイオード３２が基板３０の中央で直射し、両端で外部に拡散するような異なる方向の指向性光源を生じさせることができ、光線を多数のエリアに拡散する投射性外部装置（例えばヘッドライト）に応用できる。

図５は本発明に係る光源装置の他の実施例を模式的に示す図である。本願の説明をより分かりやすいために、図５において、前記実施例と同様又は類似の構成要素については同様又は類似の符号を付して、その説明を省略する。図５に示すように、所望の配光に応じて、複数の凸部３１”の搭載面３１０”は基板３０に対して二つの異なる方向の傾斜角θに形成してなるため、図示のように各発光ダイオード３２が基板３０の中央と一端で内部に集束し、他端で外部に拡散するような異なる方向の指向性光源を生じさせることにより、多数のエリアに集束する投射性外部装置（例えばネオンランプ）に応用できる。

上述した各実施例は何れも基板３０の単一の表面に光源を形成するものである。図６は本発明に係る他の実施例を示す図であり、所望の光源の照射形態に応じて、基板３０の対称的の両面に形成する。図６に示すように、凸部３１は基板３０の第２の表面３０２の上に形成される。第２の表面３０２の凸部３１は第１の表面３０１の凸部３１に対称的に配列してもよく、第１の表面３０１と第２の表面３０２における各凸部３１は非対称的に配列しても良い。第２の表面３０２の凸部３１の設置方式、電気的な接続方式及び特性は第１の表面３０１の各凸部３１と同じため、両面での発光ダイオード３２が所定の方向に照射するものを提供できる。

また、異なる傾斜角に形成してなる前記実施例に限定されるのではなく、前記実施例の変形例として、光源装置の設置角度に応じて、複数の凸部の搭載面を基板に対して同一の傾斜角に形成してなっても良い。

また、上述した各実施例は基板の上に凸部を形成する態様を例にして搭載面の配置方式を説明したが、基板の上に凸部を形成する方式以外、基板に凹部を形成しても良いことは当業者に理解されるところである。図７に示すように、エッチング、モールド射出成形、ダイカスト、又は他の手法により基板の上に複数の凹部３３を形成し、各凹部３３により所望の搭載面３３０を形成し、搭載面３３０に発光ダイオード３２を設けることで、所定の方向に照射する光源装置を提供する。

上述した各実施例に係る光源装置は光源装置の構造設計を主として示すものであり、発光ダイオードと搭載面との間の電気接続についても例示的に説明した。半導体プロセス技術又は射出成形技術などを採用する手法は本発明に係る技術特徴ではないし、フリップチップ（Flip Chip）又はワイヤボンドような電気接続技術も半導体分野において汎用な手法であるため、発明の属する技術の分野における通常の知識を有する者が上述した実施例の説明により本発明を実施することができるべきである。従って、説明を簡潔で分かりやすくさせるために、それらに関するプロセスの詳細説明を省略する。

上述したように、本発明は、各発光ダイオードを直接に光源装置に応用できるように、発光ダイオードを搭載面に直接電気的に接続し、各搭載面が配光の所望に応じて適当な傾斜角に形成してなるような光源装置を提供するため、光制御素子を増加することなく、光源装置の体積と部品数を減少することができるし、光源装置の光効率を高めることもできる。

また、上述した具体的な実施例は本発明の利点や効果を説明するための例示に過ぎず、本発明の実施形態を限定するものではない。本発明の要旨を逸脱しない範囲において、本明細書に記載の実施形態に種々の修飾と変更が可能であることは言うまでもない。またそうした修飾や変更も本発明の範囲に含まれる。

特許文献２に係る光源装置を模式的に示す図である。特許文献３に係る光源装置を模式的に示す図である。本発明に係る光源装置の実施例を模式的に示す図である。本発明に係る光源装置の他の実施例を模式的に示す図である。本発明に係る光源装置の他の実施例を模式的に示す図である。本発明に係る光源装置の他の実施例を模式的に示す図である。本発明に係る光源装置の他の実施例を模式的に示す図である。

符号の説明

１、２、３光源装置
１０、２１発光素子
１１反光ハウジング
１２透光部
１３散光部
２０本体
２２反射部
３０基板
３１、３１’、３１” 凸部
３２発光ダイオード
３３凹部
３０１第１の表面
３０２第2の表面
３１０、３１０’、３１０”、３３０搭載面
θ 傾斜角
Ｓ光線

Claims

第１の表面と、前記第１の表面と反対側の第２の表面とを有し、複数の搭載面を有し、少なくとも一つの搭載面が前記第１の表面に対して傾斜角に形成されてなる基板と、
前記各搭載面にそれぞれ設けられ、前記基板に電気的に接続する複数の発光ダイオードと、を含むことを特徴とする光源装置。
前記各搭載面は前記第１の表面に対して同一の傾斜角又は異なる傾斜角に形成してなることを特徴とする請求項１に記載の光源装置。
前記基板の第１の表面は複数の凸部を有し、前記各搭載面は前記各凸部に対応して形成されることを特徴とする請求項１に記載の光源装置。
前記基板の第１の表面は複数の凹部を有し、前記各搭載面は前記各凹部に対応して形成されることを特徴とする請求項１に記載の光源装置。
前記各発光ダイオードは複数の異なる色を含む発光ダイオードのダイである、又は同色の発光ダイオードのダイであることを特徴とする請求項１に記載の光源装置。
前記搭載面に複数の発光ダイオードが設けられることを特徴とする請求項１に記載の光源装置。
前記基板は金属板、シリコン基板、セラミック基板、及び回路板のうちの何れか一つであることを特徴とする請求項１に記載の光源装置。
複数の搭載面は前記第２の表面にも形成されることを特徴とする請求項１に記載の光源装置。
前記基板の第１の表面と第２の表面には複数の凸部を有し、前記各搭載面が前記各凸部に対応して形成されることを特徴とする請求項８に記載の光源装置。
前記基板の第１の表面と第２の表面には複数の凹部を有し、前記各搭載面が前記各凹部に対応して形成されることを特徴とする請求項８に記載の光源装置。