JP2016111168A

JP2016111168A - 光学装置

Info

Publication number: JP2016111168A
Application number: JP2014246542A
Authority: JP
Inventors: 尚子松本; Naoko Matsumoto
Original assignee: Stanley Electric Co Ltd
Current assignee: Stanley Electric Co Ltd
Priority date: 2014-12-05
Filing date: 2014-12-05
Publication date: 2016-06-20

Abstract

【課題】光学レンズと光源及び放熱基板との距離が小さい場合には、耐熱性が低い樹脂製の光学レンズにおいて、光源及び放熱基板から光学レンズへの大きな放射熱の影響で変色、溶け、焦げ等の変質不具合を生じない光学装置を提供する。
【解決手段】光源１が放熱基板２に搭載され、放熱基板２の光源１が搭載された面に対向して光学レンズ３が配置されている。光学レンズ３は、軽量化、成型自由度の観点から、ガラスではなく、ポリカーボネート、アクリル等の樹脂により構成されている。光学レンズ３はねじ５によって放熱基板２に取付けてある。放熱基板２上に、可視光に対して透過率ｔが大きくかつ赤外光に対して放射率εが小さい光学層６及びその下層としての絶縁層７を設けてある。
【選択図】図３

Description

本発明は発光ダイオード（LED）素子、レーザダイオード（LD）素子等の発熱素子よりなる光源及び光学レンズを含む光学装置、特に、その放熱構造に関する。

近年、LED素子、LD素子等の発熱素子よりなる光源の高性能化に伴い、光源の発熱量は増大してきている。一方、光源の小型化、薄型化の要求が高まり、光源の発熱密度は非常に高くなり、熱的に厳しい状況を強いられている。

特に、LED素子、LD素子は自身が発する熱により寿命及び性能が低下するという負の特性がある。また、発光素子との組合せにより発光色を変化させる目的で使用される蛍光体層も熱による負の特性を有する。

第１の従来の光学装置においては、光源を黒鉛結晶を含む炭素中に金属が分散された複合材料からなる高放熱炭素材料よりなる放熱基板上に設けている（参照：特許文献１）。この放熱基板においては、炭素含有率が７０〜９０体積％であり、また、熱放射率が０．５以上かつ熱伝導率が２００Ｗ／（Ｋ・ｍ）以上である。従って、放熱基板は高放射性及び高熱伝導性を兼ね備えており、この結果、光源からの熱を効率よく放散できる。

第２の従来の光学装置においては、光源の周囲に板状放熱面を光源の放熱基板と一体かつ連続して形成したヒートシンクを設けている（参照：特許文献２）。この場合、放熱基板の光源取付け位置前方に、放熱基板の平坦面に対して凹な半円状の曲面からなる導光路を設け、導光路の先端で光学レンズを支持し、光源からの発生する熱を閉空間からなる周囲の空間に放散させる。従って、放熱基板は高放射性及び高熱伝導性を兼ね備えており、この結果、光源からの熱を効率よく放散できる。

尚、従来の半導体発光モジュールとして、半導体発光素子を配置した高反射プレートを用いて構成されるものがある（参照：特許文献３）。この高反射プレートは、たとえばアルミニウム基材上に純アルミニウムあるいは純銀の層を形成し、さらにその上に、酸化チタンあるいは酸化シリコンを蒸着することにより増反射膜を形成する。これにより、純アルミニウムあるいは純銀の酸化による劣化を防止し、初期の反射率を長く維持する（参照：特許文献３の段落００７３）。しかし、この高反射プレートは、放熱基板ではない。

特開２００９−２８３７６４号公報特開２０１３−２１１４５３号公報国際公開第２００７／１２６０７４号公報

しかしながら、上述の従来の第１、第２の光学装置においては、放熱基板が高熱伝導性と共に高放射性を有するので、後述のポリカーボネート、アクリル等の樹脂よりなる光学レンズと光源及び放熱基板との距離が小さい場合には、耐熱性が低い樹脂製の光学レンズにおいて、光源及び放熱基板から光学レンズへの大きな放射熱の影響で変色、溶け、焦げ等の変質不具合を生じるという課題がある。尚、これについては、図１を参照して後述する。

上述の課題を解決するために本発明に係る光学装置は、光源と、光源が搭載された放熱基板と、放熱基板の光源が搭載された面に対向して設けられた樹脂製の光学レンズと、光源及び放熱基板の少なくとも１つと光学レンズとの間に介在し、可視光に対して大きい透過率を有しかつ赤外光に対して放射率が小さい光学層とを具備するものである。これにより、光源及び／または放熱基板から光学レンズへの放射熱は減少する。

本発明によれば、光源及び／または放熱基板から光学レンズへの放射熱が減少するので、光学レンズの受熱量が小さくなる。従って、光学レンズの温度を低下させることができ、この結果、光学レンズの変色、溶け、焦げ等の変質不具合を防止できる。

従来の光学装置を示し、（Ａ）は斜視図、（Ｂ）は断面図である。図１の放熱基板の例を示す断面図であって、（Ａ）はガラスエポキシ基板の場合を示し、（Ｂ）は金属ベース基板の場合を示す。本発明に係る光学装置の第１の実施の形態を示す断面図である。図３の光学層としての赤外光反射多層膜を示す断面図である。図４の赤外光反射多層膜の透過スペクトルを示すグラフであって、（Ａ）は可視光領域を示し、（Ｂ）は赤外光領域を示す。図３の光源の可視光領域の発光スペクトルの例を示すグラフである。図１、図３の光学レンズの温度の例を示す表である。図３の光学装置の変更例を示す断面図である。本発明に係る光学装置の第２の実施の形態を示す断面図である。本発明に係る光学装置の第３の実施の形態を示す断面図である。図１０の光学装置の変更例を示す断面図である。

図１は従来の光学装置を示し、（Ａ）は斜視図、（Ｂ）は断面図である。

図１において、光源１が放熱基板２に搭載され、放熱基板２の光源１が搭載された面に対向して光学レンズ３が配置されている。光源１は白色光源であって、たとえば青色ＬＥＤ素子及び青色光の一部を黄色光に波長変換するＹＡＧ蛍光体層よりなる。尚、ＬＥＤ素子の代りにＬＤ素子を用いることもできる。放熱基板２は、光源１のプリント配線板の作用もし、図２の（Ａ）に示すガラスエポキシ基板、あるいは図２の（Ｂ）に示す金属ベース基板であり、高熱伝導性と共に高放射性を有する。尚、図２の（Ａ）において、２１ＡはＦＲ−４層、２２Ａは銅箔配線層であり、図２の（Ｂ）において、２１Ｂは銅、アルミニウム等よりなるベースメタル層、２２Ｂは絶縁層、２３Ｂは銅箔配線層である。光学レンズ３はたとえば凸レンズあるいはフレネル凸レンズであり、軽量化、成型自由度の観点から、ガラスではなく、ポリカーボネート、アクリル等の樹脂により構成されている。光源１からの熱を放熱基板２だけで放熱できない場合には、放熱基板２の光源１が搭載されていない面にフィン４ａを有するヒートシンク４を取付けて放熱性能を向上させる。ヒートシンク４はたとえば高熱伝導性のアルミニウム合金よりなり、表面の放射率を高めるために、黒アルマイト処理等が施されている。また、放熱基板２とヒートシンク４との間には、熱抵抗を低減するために、グリス、熱伝導性接着剤等の熱伝導部材（ＴＩＭ）（図示せず）を介在させる。光学レンズ３はねじ５によって放熱基板２に取付けてある。

図１の光学装置においては、小型化、薄型化するために、光学レンズ３と光源１との距離ｄは数ｍｍと小さくされている。他方、軽量化、成型自由度の観点から、光学レンズ３はポリカーボネート、アクリル等の樹脂によって構成されている。従って、光学レンズ３の放射率εは０．８〜０．９と大きいので、光学レンズ３の受熱及び放熱が活発となり、この結果、上述のごとく、光源１及び高放射性の放熱基板２から光学レンズ３への放射熱Ｒ１、Ｒ２によって光学レンズ３が温度上昇して耐熱性の低い樹脂製の光学レンズ３が変色、溶け、焦げ等の変質不具合が生じる。尚、光源１の発熱量を低減して光学レンズ３の温度負荷を軽減すれば、上述の変質不具合を抑止できるが、この場合、光学装置の光束が低下してしまう。

ところで、光源１もしくは放熱基板２から光学レンズ３への放射熱Ｒ１もしくはＲ２の熱量Ｑ（Ｗ／ｍ^２）は、式（１）で表される。
Ｑ＝Ｆ・ε・σ・（Ｔ_２ ^４−Ｔ_３ ^４）・Ａ（１）
但し、Ｆは形態係数であって、０＜Ｆ＜１、
εは光源１もしくは放熱基板２の放射率であって、０＜ε＜１、
σはステファン・ボルツマン定数（Ｗ／ｍ^２・Ｋ^４）、
Ｔ_２は光源１もしくは放熱基板２の絶対温度（Ｋ）、
Ｔ_３は光学レンズ３の絶対温度（Ｋ）、
Ａは伝熱面積（ｍ^２）
である。尚、形態係数Ｆは放射熱の計算において放射熱をやり取りする２つの面間の幾何学的位置関係を表す量であって、たとえば、２つの面の向きが平行平面のときにはＦ＝１に近づき、２つの面の向きが直角に近く、２つの面の投影面積が小さいほどＦ＝０に近づく。

式（１）においては、ステファン・ボルツマン定数σは一定である。また絶対温度Ｔ_２、Ｔ_３は設計条件、たとえばサイズや物性値等から予め決まっている。従って、光源１もしくは放熱基板２から光学レンズ３への放射熱量Ｑを小さくするには、放射率ε及び形態係数Ｆを小さくすればよい。本発明においては、放射率εを小さくして放射熱量Ｑを小さくする。

図３は本発明に係る光学装置の第１の実施の形態を示す断面図である。

図３においては、図１の放熱基板２上に、可視光に対して透過率ｔが大きくかつ赤外光に対して放射率εが小さい光学層６を設けてある。この場合、放熱基板２と光学層６との間には、放熱基板２の銅箔配線層２２Ａあるいは２３Ｂから光学層６を電気的に絶縁のために絶縁層７を設けてある。

光学レンズ３の樹脂の耐熱温度は約４００Ｋであるので、光学層６はその時の赤外放射中心波長となる約７μｍ付近の反射率ｒを大きくすることにより放射率εを小さくしている。このような光学層６の材料としては、たとえば、Ａｕ、Ｐｔ、Ａｇ、Ｃｕ等の金属、ＴｉＯ_２、ＺｎＯ等の金属酸化物、ＡｌＮ、ＴｉＮ、ＺｒＮ、ＴａＮ、ＮｂＮ、ＨｆＮ等の金属窒化物があり、スパッタリング法、化学的気相成長（ＣＶＤ）法等で形成される。

また、図３の光学層６として、図４に示す赤外光反射多層膜を用いることもできる。図４においては、絶縁層７上に、赤外光を透過する高屈折率層６１と低屈折率層６２とを交互に積層してある。高屈折率層６１はたとえば屈折率ｎ＝２．２５の酸化チタン（ＴｉＯ_２）、あるいはインジウム（Ｉｎ）、ハフニウム（Ｈｆ）、亜鉛（Ｚｎ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、ニオブ（Ｎｂ）、タンタル（Ｔａ）等の酸化物よりなり、また、低屈折率層６２はたとえば屈折率ｎ＝１．４３の酸化シリコン（ＳｉＯ_２）、あるいはカルシウム（Ｃａ）、リチウム（Ｌｉ）、マグネシウム（Ｍｇ）等のフッ化物よりなる。各高屈折率層６１及び低屈折率層６２の厚さは６００ｎｍ〜２５００ｎｍであって、スパッタリング法あるいはＣＶＤ法によって形成される。この場合、隣接する高屈折率層６１及び低屈折率層６２の１組は光の干渉を利用して波長λ_ｉの赤外光を反射する。このときの反射条件は、
ｎ_６１・ｄ_６１＝ｎ_６２・ｄ_６２＝λ_ｉ／４
但し、ｎ_６１は高屈折率層６１の屈折率たとえば２．２５、
ｄ_６１は高屈折率層６１の厚さ、
ｎ_６２は低屈折率層６２の屈折率たとえば１．４３、
ｄ_６２は低屈折率層６２の厚さ
である。従って、中心波長７０００ｎｍの波長範囲λ_ｉ＝６３００〜１００００ｎｍで赤外光を反射するように、高屈折率層６１の厚さｄ_６１及び低屈折率層６２の厚さｄ_６２を変化させて積層すると、所望の透過スペクトルあるいは反射スペクトルを得ることができる。たとえば、図５の（Ａ）に示す可視光領域の透過スペクトル及び図５の（Ｂ）に示す赤外光領域の透過スペクトルが得られた。この場合、図５の（Ａ）に示す可視光領域の透過スペクトルは白色ＬＥＤ素子よりなる光源１の図６に示す発光スペクトルに対応しており、この結果、赤外光反射多層膜は光源１の光を通過させることになる。尚、赤外光反射多層膜の積層数は多ければ低透過率（高反射率）の赤外光領域が大きくなるが、少なくともλ＝７０００ｎｍの赤外光に対して３層以上好ましくは１０層あればよい。

このように、第１の実施の形態では、光学層６の赤外光の透過率ｔを小さくすることにより、つまり、反射率ｒを大きくすることにより光学層６を含む放熱基板２の実質的な赤外光の放射率εをたとえばε＝０．１とすることができる。ここで、図１の光学装置における放熱基板２の赤外光の放射率εを０．９とすれば、図７に示すごとく、図１の光学レンズ３の温度に比較して図３の光学レンズ３の温度は、光源１と光学レンズ３との距離ｄ＝１ｍｍ、２ｍｍ、３ｍｍに対して、１〜５℃の低減が認められた。尚、図７において、周囲空気温度は１００℃、光源１の発熱量は２．２Ｗとした。従って、放熱基板２からの放射熱Ｒ２を小さくして光学レンズ３の受熱量を小さくし、光学レンズ３の温度を低下させることができる。この結果、光学レンズ３の変色、溶け、焦げ等の変質不具合を防止できる。

尚、上述の第１の実施の形態においては、光学層６は放熱基板２上のみに設けられているが、図８に示すごとく、光源１上にも設けることができる。この場合、光学層６の赤外光領域の低透過率特性によって光源１の実質的な放射率εはさらに小さくなり、光源１からの放射熱Ｒ１を小さくして光学レンズ３の受熱量をさらに小さくでき、従って、光学レンズ３の温度をさらに低下させることができる。この結果、光学レンズ３の変色、溶け、焦げ等の変質不具合をさらに防止できる。

図９は本発明に係る光学装置の第２の実施の形態を示す断面図である。

図９においては、図１の光学レンズ３の放熱基板２側の面上に、可視光に対して透過率ｔが大きくかつ赤外光に対して放射率εが小さい光学層６’を設けてある。この場合、図３の絶縁層７を設けない。

図９の光学層６’の材料は、図３の光学層６の材料と同一であり、たとえば、Ａｕ、Ｐｔ、Ａｇ、Ｃｕ等の金属、ＴｉＯ_２、ＺｎＯ等の金属酸化物、ＡｌＮ、ＴｉＮ、ＺｒＮ、ＴａＮ、ＮｂＮ、ＨｆＮ等の金属窒化物、あるいは図４に示す赤外光反射多重層である。

このように、第２の実施の形態においても、光学レンズ３側に設けられている光学層６’の赤外光の透過率ｔを小さくすることにより、つまり反射率ｒを大きくすることにより、光学層６’を含む光源１及び放熱基板２の実質的な赤外光の放射率εはたとえばε＝０．１とすることができる。従って、光学層６’からの放射熱Ｒ１’、Ｒ２’を小さくして光学レンズ３の受熱量を小さくし、光学レンズ３の温度を低下させることができる。この結果、光学レンズ３の変色、溶け、焦げ等の変質不具合を防止できる。

図１０は本発明に係る光学装置の第３の実施の形態を示す断面図である。

図１０においては、図１の光源１上に、可視光に対して透過率ｔが８０％以上と大きくかつ赤外光に対して吸収率μが大きい赤外光吸収層８を設けてある。この赤外光吸収層８は図３の光学層６として作用する。

光学レンズ３の樹脂の耐熱温度は約４００Ｋであるので、赤外光吸収層８はその時の赤外放射中心波長となる約７μｍ付近の吸収率μを大きくすることにより放射率εを小さくしている。このような赤外光吸収層８の材料としては、たとえば、ソーダ石灰ガラス、リン酸塩ガラス等がある。

このように、第３の実施の形態においても、光源１側に設けられている赤外光吸収層８の赤外光の吸収率μを大きくすることにより、光源１の実質的な赤外光の放射率εをたとえばε＝０．１とすることができる。従って、光源１からの放射熱Ｒ１を小さくして光学レンズ３の受熱量を小さくし、光学レンズ３の温度を低下させることができる。この結果、光学レンズ３の変色、溶け、焦げ等の変質不具合を防止できる。

尚、上述の第３の実施の形態においては、赤外光吸収層８は光源１上のみに設けられているが、図１１に示すごとく、放熱基板２上にも設けることができる。この場合、赤外光吸収層８の赤外光吸収率特性によって放熱基板２を含めた光源１の実質的な放射率εはさらに小さくなり、放熱基板２からの放射熱Ｒ２を小さくして光学レンズ３の受熱量をさらに小さくでき、従って、光学レンズ３の温度をさらに低下させることができる。この結果、光学レンズ３の変色、溶け、焦げ等の変質不具合をさらに防止できる。

尚、本発明は上述の実施の形態の自明の範囲内のいかなる変更にも適用し得る。

本発明に係る光学装置は、車両用灯具、たとえば前照灯、フォグランプ、昼間走行ランプ（ＤＲＬ）、及びストロボ、その他一般照明装置に利用できる。

１：光源
２：放熱基板
２１Ａ：ＦＲ−４層
２２Ａ：銅箔配線層
２１Ｂ：ベースメタル層
２２Ｂ：絶縁層
２３Ｂ：銅箔配線層
３：光学レンズ
４：ヒートシンク
４ａ：フィン
５：ねじ
６、６’：光学層
７：絶縁層
８：赤外光吸収層
Ｒ１、Ｒ２、Ｒ１’、Ｒ２’：放射熱

ところで、光源１もしくは放熱基板２から光学レンズ３への放射熱Ｒ１もしくはＲ２の熱量Ｑ（Ｗ）は、式（１）で表される。
Ｑ＝Ｆ・ε・σ・（Ｔ_２ ^４−Ｔ_３ ^４）・Ａ（１）
但し、Ｆは形態係数であって、０＜Ｆ＜１、
εは光源１もしくは放熱基板２の放射率であって、０＜ε＜１、
σはステファン・ボルツマン定数（Ｗ／ｍ^２・Ｋ^４）、
Ｔ_２は光源１もしくは放熱基板２の絶対温度（Ｋ）、
Ｔ_３は光学レンズ３の絶対温度（Ｋ）、
Ａは伝熱面積（ｍ^２）
である。尚、形態係数Ｆは放射熱の計算において放射熱をやり取りする２つの面間の幾何学的位置関係を表す量であって、たとえば、２つの面の向きが平行平面のときにはＦ＝１に近づき、２つの面の向きが直角に近く、２つの面の投影面積が小さいほどＦ＝０に近づく。

Claims

光源と、
前記光源が搭載された放熱基板と、
前記放熱基板の前記光源が搭載された面に対向して設けられた樹脂製の光学レンズと、
前記光源及び前記放熱基板の少なくとも１つと前記光学レンズとの間に介在し、可視光に対して大きい透過率を有しかつ赤外光に対して放射率が小さい光学層と
を具備する光学装置。
前記光学層は前記放熱基板上に設けられた請求項１に記載の光学装置。
前記光学層は前記光源上に設けられた請求項１に記載の光学装置。
前記光学層は前記光学レンズの前記放熱基板側の面に設けられた請求項１に記載の光学装置。
前記光学層は、Ａｕ、Ｐｔ、Ａｇ、Ｃｕ等の金属、ＴｉＯ_２、ＺｎＯ等の金属酸化物、ＡｌＮ、ＴｉＮ、ＺｒＮ、ＴａＮ、ＮｂＮ、ＨｆＮ等の金属窒化物、赤外光反射多重層、及び赤外光吸収層のいずれかよりなる請求項１に記載の光学装置。