JP2022076829A - Light-emitting device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、発光装置に関する。 The present invention relates to a light emitting device.
垂直共振器面発光レーザ(Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser、VCSEL)において、動作特性及び温度特性を改善させる種々の技術が知られている。例えば、特許文献1には、熱伝導率が高い導電性の基板であるシリコン基板に形成された凹部にVCSELを実装することで、VCSELから発生する熱を効率良く放熱することで、動作特性及び温度特性を向上させる発光装置が記載される。
Various techniques for improving operating characteristics and temperature characteristics are known in vertical-cavity surface-emitting lasers (VCSELs). For example, in
近年、発光装置を含む光伝送システムにおいて、発光装置を小型化するために、発光素子を駆動する駆動素子、キャパシタ及び抵抗等の種々の電子部品を発光素子と共に基板に実装することが望まれている。特許文献1に記載される発光装置は、単一のVCSELが実装され、複数の発光素子を実装するときに、良好な動作特性及び温度特性を実現することは容易ではない。
In recent years, in an optical transmission system including a light emitting device, in order to reduce the size of the light emitting device, it is desired to mount various electronic components such as a driving element, a capacitor and a resistor for driving the light emitting element on a substrate together with the light emitting element. There is. In the light emitting device described in
本発明は、このような課題を解決するものであり、複数の発光素子を単一の基板に実装するときに、良好な動作特性及び温度特性を実現可能な発光装置を提供することを目的とする。 The present invention solves such a problem, and an object of the present invention is to provide a light emitting device capable of realizing good operating characteristics and temperature characteristics when a plurality of light emitting elements are mounted on a single substrate. do.
本発明に係る発光装置は、第1方向に延伸する実装面を有する基板と、実装面の第1方向の一端に近接して配置され、外部から電力が供給可能な第1電源パターン及び第2電源パターンと、第1方向に沿って実装面に配列された複数の配線パターンと、第1電源パターン及び複数の配線パターンの隣接する2つにそれぞれが電気的に接続された複数の発光素子とを有し、複数の配線パターンのそれぞれの面積は、発光素子の面積の3倍以上である。 The light emitting device according to the present invention has a substrate having a mounting surface extending in the first direction, a first power supply pattern and a second power supply pattern which are arranged close to one end of the mounting surface in the first direction and can be supplied with electric power from the outside. A power supply pattern, a plurality of wiring patterns arranged on a mounting surface along a first direction, and a plurality of light emitting elements each electrically connected to two adjacent first power supply patterns and a plurality of wiring patterns. The area of each of the plurality of wiring patterns is three times or more the area of the light emitting element.
さらに、本発明に係る発光装置では、複数の配線パターンは、実装面の第1方向に直交する第2方向の全面に亘って配置されることが好ましい。 Further, in the light emitting device according to the present invention, it is preferable that the plurality of wiring patterns are arranged over the entire surface in the second direction orthogonal to the first direction of the mounting surface.
さらに、本発明に係る発光装置では、基板は、表面に実装面が配置された実装基板と、実装面の裏面に表面が対向するように配置され、一面に亘って接地パターンが配置された少なくとも1つの接地基板と、複数の配線パターンの中で第1電源パターン及び第2電源パターンから最も離隔した配線パターンと接地パターンとを電気的に接続する第1導電体と、第2電源パターンと接地パターンとを電気的に接続する第2導電体とを有することが好ましい。 Further, in the light emitting device according to the present invention, the substrate is arranged so that the front surface faces the back surface of the mounting board on which the mounting surface is arranged on the front surface, and the grounding pattern is arranged on one surface at least. One grounding board, a first conductor that electrically connects the wiring pattern and the grounding pattern that are farthest from the first power supply pattern and the second power supply pattern among a plurality of wiring patterns, and the second power supply pattern and the grounding. It is preferable to have a second conductor that electrically connects the pattern.
さらに、本発明に係る発光装置では、複数の発光素子が発光するときに流れる発光電流は、実装基板上を、第1電源パターン及び第2電源パターンに近接する実装面の一端から第1電源パターン及び第2電源パターンから離隔する実装面の他端に向かって第1方向に沿って流れ、少なくとも1つの接地基板上を、第1電源パターン及び第2電源パターンから離隔する実装面の他端から第1電源パターン及び第2電源パターンに近接する実装面の一端に向かって第1方向に沿って流れる、ことによって、第1方向に流れる発光電流により発生する磁界を打ち消すことで、発光電流により発生するインダクタンスを低くすることが好ましい。 Further, in the light emitting device according to the present invention, the light emitting current flowing when a plurality of light emitting elements emit light is a first power supply pattern on the mounting substrate from one end of the mounting surface close to the first power supply pattern and the second power supply pattern. And flows along the first direction toward the other end of the mounting surface separated from the second power supply pattern, and flows on at least one grounding board from the other end of the mounting surface separated from the first power supply pattern and the second power supply pattern. Generated by the emission current by canceling the magnetic field generated by the emission current flowing in the first direction by flowing along the first direction toward one end of the mounting surface close to the first power supply pattern and the second power supply pattern. It is preferable to reduce the inductance to be applied.
さらに、本発明に係る発光装置では、基板は、少なくとも1つの接地基板のそれぞれに配置される接地パターンの間を電気的に接続する第3導電体を更に有することが好ましい。 Further, in the light emitting device according to the present invention, it is preferable that the substrate further has a third conductor that electrically connects between the grounding patterns arranged on each of the at least one grounding substrates.
さらに、本発明に係る発光装置は、第1電源パターンと第2電源パターンとの間に接続されたコンデンサを更に有することが好ましい。 Further, it is preferable that the light emitting device according to the present invention further has a capacitor connected between the first power supply pattern and the second power supply pattern.
さらに、本発明に係る発光装置では、複数の配線パターンのそれぞれの面積は、発光素子の面積の10倍以上であることが好ましい。 Further, in the light emitting device according to the present invention, the area of each of the plurality of wiring patterns is preferably 10 times or more the area of the light emitting element.
さらに、本発明に係る発光装置では、複数の配線パターンのそれぞれの面積は、発光素子の面積の30倍以上であることが好ましい。 Further, in the light emitting device according to the present invention, the area of each of the plurality of wiring patterns is preferably 30 times or more the area of the light emitting element.
さらに、本発明に係る発光装置では、複数の配線パターンのそれぞれの厚さは、10μ以上であり且つ100μm以下であることが好ましい。 Further, in the light emitting device according to the present invention, the thickness of each of the plurality of wiring patterns is preferably 10 μm or more and 100 μm or less.
本発明に係る発光装置は、複数の発光素子を単一の基板に実装するときに、良好な動作特性及び温度特性を実現することができる。 The light emitting device according to the present invention can realize good operating characteristics and temperature characteristics when a plurality of light emitting elements are mounted on a single substrate.
以下、図面を参照して、本発明に係る発光装置について説明する。ただし、本発明の技術的範囲はそれらの実施の形態には限定されず、特許請求の範囲に記載された発明とその均等物に及ぶ点に留意されたい。 Hereinafter, the light emitting device according to the present invention will be described with reference to the drawings. However, it should be noted that the technical scope of the present invention is not limited to those embodiments and extends to the inventions described in the claims and their equivalents.
(実施形態に係る発光装置の構成および機能)
図1は実施形態に係る発光装置の斜視図であり、図2(a)は図1に示す発光装置の平面図であり、図2(b)は図1に示す発光装置の側面図であり、図3は図2(a)に破線Aで示される領域を示す拡大平面図である。
(Configuration and function of light emitting device according to the embodiment)
1 is a perspective view of a light emitting device according to an embodiment, FIG. 2A is a plan view of the light emitting device shown in FIG. 1, and FIG. 2B is a side view of the light emitting device shown in FIG. 3 is an enlarged plan view showing a region shown by a broken line A in FIG. 2A.
発光装置1は、基板10と、第1発光素子11と、第2発光素子12と、第3発光素子13と、第4発光素子14とを有する。発光装置1は、枠材15と、第1拡散板16と、第2拡散板17と、第3拡散板18と、第4拡散板19と、第1充電コンデンサ20aと、第2充電コンデンサ20bと、第3充電コンデンサ20cと、第4充電コンデンサ20dとを更に有する。発光装置1は、発光制御回路21と、制御電源コンデンサ22と、電流調整抵抗23と、電流調整コンデンサ24と、スイッチング抵抗25とを更に有する。発光装置1は、温度センサ26と、温度コンデンサ27とを更に有する。発光装置1は、例えばTOF(Time Of Flight)センサの光源として使用される。
The
基板10は、実装基板30と、第1接地基板31と、第2接地基板32と、第3接地基板33とを有する。実装基板30、第1接地基板31、第2接地基板32及び第3接地基板33は、ガラスエポキシ等の樹脂により形成された略矩形の絶縁性基板であり、重畳して配置される。
The
図4(a)は実装基板30の平面図であり、図4(b)は第1接地基板31の平面図であり、図4(c)は第2接地基板32の平面図であり、図4(d)は第3接地基板33の平面図である。図5は図4(a)に破線Bで示される領域を示す拡大平面図であり、図6は実装基板30、第1接地基板31、第2接地基板32及び第3接地基板33の接続関係を示す図である。
4A is a plan view of the
実装基板30は、第1発光素子11~第4発光素子14及び発光制御回路21等の電子部品が実装される実装面34を有する。発光装置1は、第1電源パターン41、第2電源パターン42、第1配線パターン43、第2配線パターン44、第3配線パターン45、第4配線パターン46、第1接地パターン47及び制御回路放電パターン48を更に有する。発光装置1は、制御電源パターン49、電流調整信号パターン50、第1スイッチング信号パターン51、第2スイッチング信号パターン52、エラー信号パターン53、センサ電源パターン54、SCLパターン55及びSDAパターン56を更に有する。第1電源パターン41~SDAパターン56は、厚さが70μmである銅箔等の導電性薄膜であり、実装面34の全面に亘って配置されるソルダーレジスト等の絶縁層35を介して実装面34の長手方向に隣接して配置される。基板10の長手方向は第1方向と称されることもあり、長手方向に直交する基板10の短手方向は、第2方向と称されることもある。
The mounting
第1電源パターン41は、実装面34の一端に近接して、実装面34の短手方向の全面に亘って配置される。第1電源パターン41は、実装面の短手方向の一端から他端まで延伸すると共に、隣接して配置される第1配線パターン43に向かって中央部において突出する凸部が形成される平面形状を有する。
The first
第1電源パターン41は、基板10の一対の長辺の一端の近傍に配置される4つの第1電源電極61に電気的に接続されると共に、第1発光素子11の正電極に複数の第1ボンディングワイヤ81を介して電気的に接続される。複数の第1のボンディングワイヤ81は、製品上面から平面視したとき、電流の向きと略平行であるとよい。経路が最も短縮できる。また、第1電源パターン41は、第1充電コンデンサ20a、第2充電コンデンサ20b、第3充電コンデンサ20c及び第4充電コンデンサ20dの一端に電気的に接続される。第1電源パターン41は、外部から電力が供給可能なアノード電源パターンである。
The first
第2電源パターン42は、実装面34の一端と第1電源パターン41との間に配置され、接地されるカソード電源パターンである。第2電源パターン42は、実装面の短辺に接すると共に、隣接して配置される第1電源パターン41の一辺と平行に延伸する辺の角が切欠きされた略矩形の平面形状を有する。
The second
第2電源パターン42は、基板10の短辺に配置される5つの第2電源電極62、基板10の一対の長辺のそれぞれに配置される9個の第3電源電極63及び第4電源電極64、並びに基板10の短辺に配置される1つの第5電源電極65に電気的に接続される。第2電源電極62、第3電源電極63、第4電源電極64及び第5電源電極65は、接地される。第2電源パターン42は、第2電源電極62に直接接続され、第3電源電極63、第4電源電極64及び第5電源電極65に、第1接地基板31、第2接地基板32及び第3接地基板33を介して電気的に接続される。
The second
第1接地基板31、第2接地基板32及び第3接地基板33のそれぞれは、第2接地パターン57、第3接地パターン58及び第4接地パターン59が配置される。第2接地パターン57~第4接地パターン59は、第1接地基板31、第2接地基板32及び第3接地基板33のそれぞれの表面の全面に亘って配置される。
A
第2接地パターン57~第4接地パターン59は、第1接地基板31~第3接地基板33の表面の面積の90%を越える領域に配置されるときに表面の全面に亘って配置されるとする。
When the
第2接地パターン57、第3接地パターン58及び第4接地パターン59のそれぞれは、ビアとも称される貫通孔57a、58a及び59aが形成される。第2接地パターン57、第3接地パターン58及び第4接地パターン59は、貫通孔57a、58a及び59aのそれぞれを貫通するように配置される第1導電体60aを介して、第1接地パターン47に電気的に接続される。第1導電体60aは、第1電源パターン41及び第2電源パターン42から最も離隔した第4配線パターン46を第2接地パターン57、第3接地パターン58及び第4接地パターン59に電気的に接続する。
Through
第2接地パターン57、第3接地パターン58及び第4接地パターン59は、貫通孔57a、58a及び59aのそれぞれを貫通するように配置される第2導電体60bを介して、第2電源パターン42に電気的に接続される。さらに第2接地パターン57、第3接地パターン58及び第4接地パターン59は、貫通孔57a、58a及び59aのそれぞれを貫通するように配置される第3導電体60cを介して互いに電気的に接続される。
The
第1配線パターン43は、第2電源パターン42の反対側に第1電源パターン41に実装面34の長手方向に隣接して、実装面34の短手方向の全面に亘って配置される。第1配線パターン43は、実装面の短手方向の一端の近傍から他端の近傍まで延伸する。第1配線パターン43は、一方に隣接して配置される第1電源パターン41から中央部において突出する凸部に対向して配置される及び、他方に隣接して配置される第2配線パターン44に向かって中央部において突出する凸部が形成される平面形状を有する。第1配線パターン43の面積は、第1配線パターン43に配置される第1発光素子11の面積の10倍以上であり、第1発光素子11から発生する熱を放熱する放熱板として機能する。第1配線パターン43の面積は、30倍以上であると更に好ましい。放熱性が向上するからである。30倍を超えてくると、放熱性のアップ幅が少なくなる。
The
第1配線パターン43が配置される領域の短手方向の両端には、接地される第3電源電極63及び第4電源電極64が配置されるため、第1電源パターン41は短手方向の両端までは延伸していない。配線パターンの短手方向の長さが基板10の短手方向の長さの90%を越えるときに、配線パターンは、実装面34の短手方向の全面に亘って配置されるとする。
Since the grounded third
第1配線パターン43は、第1発光素子11の裏面に形成される負電極に微粒子金属粉末を含有するDBペースト等の導電性接着部材を介して電気的に接続されると共に、第2発光素子12の正電極に複数の第2ボンディングワイヤ82を介して電気的に接続される。
The
第2配線パターン44は、第1電源パターン41の反対側に第1配線パターン43に実装面34の長手方向に隣接して、実装面34の短手方向の全面に亘って配置される。第2配線パターン44は、実装面の短手方向の一端の近傍から他端の近傍まで延伸する。第2配線パターン44は、一方に隣接して配置される第1配線パターン43から中央部において突出する凸部に対向して配置される及び、他方に隣接して配置される第3配線パターン45に向かって中央部において突出する凸部が形成される平面形状を有する。第2配線パターン44の面積は、第2配線パターン44に配置される第2発光素子12の面積の10倍以上であり、第1発光素子12から発生する熱を放熱する放熱板として機能する。
The
第2配線パターン44は、第2発光素子12の裏面に形成される負電極に微粒子金属粉末を含有するDBペースト等の導電性接着部材を介して電気的に接続されると共に、第3発光素子13の正電極に複数の第3ボンディングワイヤ83を介して電気的に接続される。
The
第3配線パターン45は、第1配線パターン43の反対側に第2配線パターン44に実装面34の長手方向に隣接して、実装面34の短手方向の全面に亘って配置される。第3配線パターン45は、実装面の短手方向の一端の近傍から他端の近傍まで延伸する。第3配線パターン45は、一方に隣接して配置される第2配線パターン44から中央部において突出する凸部に対向して配置される及び、他方に隣接して配置される第4配線パターン46に向かって中央部において突出する凸部が形成される平面形状を有する。第3配線パターン45の面積は、第3配線パターン45に配置される第3発光素子13の面積の10倍以上であり、第1発光素子13から発生する熱を放熱する放熱板として機能する。
The
第3配線パターン45は、第3発光素子13の裏面に形成される負電極に微粒子金属粉末を含有するDBペースト等の導電性接着部材を介して電気的に接続されると共に、第4発光素子14の正電極に複数の第4ボンディングワイヤ84を介して電気的に接続される。
The
第4配線パターン46は、第2配線パターン44の反対側に第3配線パターン45に実装面34の長手方向に隣接して、実装面34の短手方向の全面に亘って配置される。第4配線パターン46の平面形状は、第1配線パターン43~第3配線パターン45の平面形状と異なり、第1配線パターン43~第3配線パターン45よりも長手方向に長い。第4配線パターン46は、制御回路放電パターン48及び電流調整信号パターン50等を囲む略U字型の平面形状を有する。第4配線パターン46の面積は、第4配線パターン46に配置される第4発光素子14の面積の10倍以上であり、第1発光素子14から発生する熱を放熱する放熱板として機能する。
The
第4配線パターン46は、第4発光素子14の裏面に形成される負電極に微粒子金属粉末を含有するDBペースト等の導電性接着部材を介して電気的に接続される。また、第4配線パターン46は、発光制御回路21の電流入力端子に微粒子金属粉末を含有するDBペースト等の導電性接着部材を介して電気的に接続される。
The
第1接地パターン47は、発光制御回路21の接地端子に微粒子金属粉末を含有するDBペースト等の導電性接着部材を介して電気的に接続される。第1接地パターン47は、複数の貫通孔47aが形成され、貫通孔47aの内部に配置される第1導電体60aを介して第2接地パターン57、第3接地パターン58及び第4接地パターン59に電気的に接続される。
The
制御回路放電パターン48は、発光制御回路21の裏面に絶縁性の接着剤を介して接着される。なお、制御回路放電パターン48は、発光制御回路21の裏面にはんだで接続してもよい。第1接地パターン47は、複数の貫通孔48aが形成され、貫通孔48aの内部に配置される金属等の熱伝導率が高い熱伝導部材を介して第2接地パターン57、第3接地パターン58及び第4接地パターン59に接続される。
The control
制御電源パターン49は、一端が発光制御回路21の電源端子に微粒子金属粉末を含有するDBペースト等の導電性接着部材を介して電気的に接続され、他端が制御電極66に電気的に接続される。制御電極66は、基板10の短辺に配置される。
One end of the control
電流調整信号パターン50は、一端が発光制御回路21の電流調整信号端子に微粒子金属粉末を含有するDBペースト等の導電性接着部材を介して電気的に接続され、他端が電流調整信号電極67に電気的に接続される。電流調整信号電極67は、基板10の長手方向の端部に配置される。
One end of the current
第1スイッチング信号パターン51の一端は、発光制御回路21の第1スイッチング信号端子に微粒子金属粉末を含有するDBペースト等の導電性接着部材を介して電気的に接続される。第1スイッチング信号パターン51の他端が第1スイッチング信号電極68に電気的に接続される。第1スイッチング信号電極68は、基板10の短辺に配置される。
One end of the first
第2スイッチング信号パターン52の一端が発光制御回路21の第2スイッチング信号端子に微粒子金属粉末を含有するDBペースト等の導電性接着部材を介して電気的に接続される。第2スイッチング信号パターン52の他端が第2スイッチング信号電極69に電気的に接続される。第2スイッチング信号電極69は、基板10の短辺に配置される。
One end of the second
エラー信号パターン53は、一端が発光制御回路21のエラー信号端子に微粒子金属粉末を含有するDBペースト等の導電性接着部材を介して電気的に接続され、他端がエラー信号電極70に電気的に接続される。エラー信号電極70は、基板10の長手方向の端部に配置される。
One end of the
センサ電源パターン54は、一端が温度センサ26のセンサ電源端子に微粒子金属粉末を含有するDBペースト等の導電性接着部材を介して電気的に接続され、他端がセンサ電源電極71に電気的に接続される。センサ電源電極71は、基板10の短辺に配置される。
One end of the sensor
SCLパターン55は、一端が温度センサ26のSCL端子に微粒子金属粉末を含有するDBペースト等の導電性接着部材を介して電気的に接続され、他端がSCL電極72に電気的に接続される。SCL電極72は、基板10の長手方向の端部に配置される。
One end of the
SDAパターン56は、一端が温度センサ26のSDA端子に微粒子金属粉末を含有するDBペースト等の導電性接着部材を介して電気的に接続され、他端がSDA電極73に電気的に接続される。SDA電極73は、基板10の長手方向の端部に配置される。
One end of the
第1発光素子11~第4発光素子14のそれぞれは、VCSELとも称され、レーザ光を出射する複数のエミッタが表面に等間隔にアレイ状に配置される。第1発光素子11~第4発光素子14のそれぞれは、例えば364(26×14)個のエミッタを有し、364個のエミッタは、0.0385mmのピッチで配列される。
Each of the first
第1発光素子11~第4発光素子14は、第1配線パターン43~第4配線パターン46を介して基板10の長手方向に沿って配列される。第1発光素子11~第4発光素子14は、第1配線パターン43~第4配線パターン46、発光制御回路21及び第1接地パターン47等を介して第1電源パターン41と第2電源パターン42との間に直列接続される。
The first
第1発光素子11の正電極は第1電源パターン41に電気的に接続され、第1発光素子11の負電極は第1配線パターン43に電気的に接続される。第2発光素子12の正電極は第1配線パターン43に電気的に接続され、第2発光素子12の負電極は第2配線パターン44に電気的に接続される。第3発光素子13の正電極は第2配線パターン44に電気的に接続され、第3発光素子13の負電極は第3配線パターン45に電気的に接続される。第4発光素子14の正電極は第3配線パターン45に電気的に接続され、第4発光素子14の負電極は第4配線パターン46に電気的に接続される。
The positive electrode of the first
第1発光素子11~第4発光素子14のそれぞれは、第1電源電極61と第2電源電極62~第5電源電極65との間に12V等の所定の電圧が印加されることに応じて、コヒーレントなレーザ光をエミッタから第1拡散板16~第4拡散板19に向けて出射する。出射されたレーザ光は、±15°の指向性を有してもよい。
Each of the first
枠材15は、エポキシやシリコーンなどの樹脂、または、アルミナ等の部材により形成され、第1発光素子11~第4発光素子14のそれぞれを囲むように配置され、第1拡散板16~第4拡散板19のそれぞれを、レーザ光が当たらない位置、かつ、第1発光素子11~第4発光素子14と複数の第1ボンディングワイヤ81~複数の第4ボンディングワイヤ84のそれぞれを最小距離で覆う位置で保持する。
The
第1拡散板16~第4拡散板19のそれぞれは、例えばポリアリレート樹脂等の熱可塑性樹脂、シリコーン樹脂等の熱硬化性樹脂、及びエポキシ樹脂等の紫外線硬化樹脂で形成された光透過性部材である。第1拡散板16~第4拡散板19のそれぞれの表面及び裏面の少なくとも一方には、第1発光素子11~第4発光素子14のそれぞれから出射された光を拡散するシボ加工等された拡散面が形成される。第1拡散板16~第4拡散板19のそれぞれは、第1発光素子11~第4発光素子14のそれぞれから出射された光の取り込む量は、90%以上が好ましく、95%以上が好ましく、100%が更に好ましい。装置の発光効率が低下しない。
Each of the
第1充電コンデンサ20a~第4充電コンデンサ20dは、第1電源パターン41と第2電源パターン42との間に並列接続され、充電された電荷を第1発光素子11~第4発光素子14が発光するときに流れる発光電流として供給する。
The
発光制御回路21は、第4配線パターン46を介して第4発光素子14の負電極に電気的に接続されると共に、第1接地パターン47及び第2接地パターン57~第4接地パターン59を介して第2電源パターン42に電気的に接続される。
The light
図7は、発光装置1の回路図である。
FIG. 7 is a circuit diagram of the
発光制御回路21は、電流調整素子211と、スイッチング素子212と、エラー検出回路213とを有し、第1発光素子11~第4発光素子14に流れる発光電流を制御する。発光制御回路21は、制御電源パターン49を介して制御電極66から5V等の所定の電圧が電源電圧として印加される。
The light
電流調整素子211は、例えば並列接続された複数のnMOSFETである。電流調整素子211のゲートは電流調整信号電極67に電気的に接続され、電流調整素子211のソースはスイッチング素子212の一端に電気的に接続され、電流調整素子211のドレインは第4発光素子14の負電極に電気的に接続される。電流調整素子211の電流調整信号電極67を介してゲートに印加される電圧である電流調整信号の大きさに応じて第1発光素子11~第4発光素子14に流れる発光電流の電流量を制御する。電流調整素子211は、例えば発光電流のビーク電流が7Aになる電流調整信号が入力される。
The
スイッチング素子212は、例えば並列接続された複数のnMOSFETであり、制御端子であるゲートに印加される電圧に応じて、ソースとドレインとの間をオンオフすることで、第1発光素子11~第4発光素子14に流れる発光電流をオンオフする。電流調整素子211の制御端子には、第1スイッチング信号パターン51及び第2スイッチング信号パターン52を介して第1スイッチング信号電極68及び第2スイッチング信号電極69から差動信号がスイッチング信号として印加される。
The switching
エラー検出回路213は、電流調整素子211及びスイッチング素子212の動作を監視し、電流調整素子211及びスイッチング素子212が異常な動作をしたときに、エラー信号をエラー信号パターン53を介してエラー信号電極70に出力する。
The
制御電源コンデンサ22は、制御電源パターン49を介して発光制御回路21の電源端子に一端が電気的に接続されると共に、他端が接地される。電流調整抵抗23は、一端が電流調整信号電極67に電気的に接続され、他端が発光制御回路21の電流調整信号端子及び電流調整コンデンサ24の一端に電気的に接続される。電流調整コンデンサ24の他端は第1接地パターン47を介して接地される。スイッチング抵抗25は、一端が第1スイッチング信号パターン51に電気的に接続され、他端が第2スイッチング信号パターン52に接続される。
One end of the control
温度センサ26は、ダイオード温度センサであり、I2C等の2線式シリアルインタフェースを有する。温度センサ26は、第1発光素子11~第4発光素子14が発光することに応じて上昇する周囲温度を検出し、検出した周囲温度を示す温度信号をI2Cの通信規格に基づいてSDA電極73から温度信号として出力する。温度コンデンサ27は、制御電源パターン49と第1接地パターン47との間に温度センサ26と並列接続される。
The
図8(a)は発光装置1に供給されるスイッチング信号の一例を示す図であり、図8(b)は図8(a)において括弧Cで示される部分の拡大図であり、図8(c)は図8(b)において括弧Dで示される部分の拡大図である。なお、スイッチング信号は、第1スイッチング信号電極68と第2スイッチング信号電極69の間に供給される差動信号であるが、ここではシングルエンド信号として示される。
8 (a) is a diagram showing an example of a switching signal supplied to the
一例では、スイッチング信号は、フレームレートが25Hzの繰り返し信号として発光装置1に供給される。一例では、バーストとも称されるパルス群の幅は7.6msであり、バーストの間隔は40msである。バーストは、2.2msの間隔で繰り返されるパルス群の集合体であり、バーストに含まれるパルス群の幅は100~500μsである。バーストは、発光装置1が光源として使用されるTOFセンサの検出対象等によって決定される。バーストに含まれるパルス群は、パルス幅が10nsであり、25nsの間隔で繰り返す複数のパルスを含む。スイッチング信号に含まれるパルスのデューティ比は、消費電力が0.2W程度になるように規定される。
In one example, the switching signal is supplied to the
図9は、第1発光素子11~第4発光素子14が発光するときに流れる発光電流の経路を示す図である。
FIG. 9 is a diagram showing a path of a light emitting current flowing when the first
発光装置1が光を出射するとき、発光電流は、第1発光素子11~第4発光素子14、第1配線パターン43~第4配線パターン46等を介して第1電源パターン41から発光制御回路21に向かって実装基板30上を流れる。発光電流は、発光制御回路21に到達すると、第1接地パターン47から第1導電体60aを介して第1接地基板31~第3接地基板33に配置される第2接地パターン57~第4接地パターン59に流れる。
When the
発光電流は、第2接地パターン57~第4接地パターン59の第1電源パターン41から離隔した端部から第2電源パターン42に電気的に接続された第2導電体60bに向かって流れる。発光電流は、第2電源パターン42に電気的に接続された第2導電体60bに到達すると、第2導電体60bを介して第2電源パターン42に流れる。
The light emitting current flows from the end of the
実装基板30上を基板10の長手方向に流れる発光電流の方向は、第2接地パターン57~第4接地パターン59を基板10の長手方向に流れる発光電流の方向と反対になる。発光電流は、基板10の長手方向に流れるときの向きが反対になるので、基板10の長手方向に流れる発光電流により発生する磁界は互いに打ち消し合う。
The direction of the light emitting current flowing in the longitudinal direction of the
(実施形態に係る発光装置の作用効果)
発光装置1では、第1電源パターン41及び第2電源パターン42が実装面34の長手方向の一端に近接して配置されるので、実装基板30及び第1接地基板31~第3接地基板に流れる発光電流の長手方向の向きが反対になる。発光装置1では、実装基板30及び第1接地基板31~第3接地基板に流れる発光電流の長手方向の向きが反対になるので、基板10の長手方向に流れる発光電流により発生する磁界は互いに打ち消し合い、発光電流により発生するインダクタンスを低くできる。発光装置1では、発光電流により発生するインダクタンスが低くなるので、高速応答が可能になる。
(Action and effect of the light emitting device according to the embodiment)
In the
また、発光装置1では、第1発光素子11~第4発光素子14が配置され、放熱板として機能する第1配線パターン43~第4配線パターン46の面積が第1発光素子11~第4発光素子14の面積の10倍以上である。発光装置1では、第1配線パターン43~第4配線パターン46の面積が第1発光素子11~第4発光素子14の面積の10倍以上と非常に大きいので、良好な放熱特性を実現できる。
Further, in the
また、発光装置1では、第1配線パターン43~第4配線パターン46は、実装面34の短手方向の全面に亘って配置されるので、実装面の面積を最小化しつつ、良好な放熱特性を実現できる。第1配線パターン43~第4配線パターン46は、それぞれの配線の面積全体にバランスよく熱を広げつつ、ため込むことにより、各配線パターンに、直接、Viaと称される孔を設けなくても、第1接地基板31~第3接地基板33へ放熱できる。
Further, in the
また、発光装置1は、実装基板30に加えて実装基板30に重畳して配置される第1接地基板31~第3接地基板33を有するので、機械的強度を向上させることができる。
Further, since the
また、第1充電コンデンサ20a、第2充電コンデンサ20b、第3充電コンデンサ20c及び第4充電コンデンサ20dが第1発光素子11~第4発光素子14に並列接続されるので、第1発光素子11~第4発光素子14に発光電流を安定的に供給できる。
Further, since the
また、発光装置1では、第1接地基板31~第3接地基板33に配置される第2接地パターン57~第4接地パターン59の間は、第3導電体60cによって全面に亘って電気的に接続されるので、接地抵抗を低減できる。
Further, in the
(実施形態に係る発光装置の変形例)
発光装置1は、第1発光素子11~第4発光素子14を有するが、実施形態に係る発光装置は、2個、3個又は5個以上の複数の発光素子を有してもよい。また、発光装置1では、第1発光素子11~第4発光素子14は直列接続されるが、実施形態に係る発光装置では、複数の発光素子は、並列接続又は直並列接続されてもよい。
(Modified example of the light emitting device according to the embodiment)
The
また、発光装置1では、第1電源電極61等の外部接続用の電極は、基板10の側面に配置されるが、実施形態に係る発光装置では、外部接続用の電極は、基板の表面又は底面に配置されてもよい。また、実施形態に係る発光装置では、第1電源電極61及び第2電源電極62~第5電源電極65は、省略され、第1電源パターン41及び第2電源パターン42を外部接続用の電極としてもよい。
Further, in the
また、発光装置1では、第1発光素子11~第4発光素子14の配列方向である第1方向が実装面34の長手方向であるが、実施形態に係る発光装置では、第1方向に直交し配線パターンが延伸する第2方向が実装面34の長手方向であってもよい。
Further, in the
また、発光装置1では、基板10は、実装基板30、第1接地基板31~第3接地基板33により形成されるが、実施形態に係る発光装置では、複数の発光素子が実装される基板は、多層構造の単一の基板であってもよい。
Further, in the
また、発光装置1では、第1充電コンデンサ20a、第2充電コンデンサ20b、第3充電コンデンサ20c及び第4充電コンデンサ20dが第1発光素子11~第4発光素子14に並列接続される。しかしながら、実施形態に係る発光装置では、複数の発光素子に並列接続される充電コンデンサは省略されてもよい。
Further, in the
また、発光装置1では、発光制御回路21等の第1発光素子11~第4発光素子14以外の電子部品が基板10に実装されるが、実施形態に係る発光装置では、複数の発光素子以外の電子部品は、基板に実装されなくてもよい。
Further, in the
また、発光装置1では、第1配線パターン43~第4配線パターン46の面積は、第1発光素子11~第4発光素子14の面積の10倍以上である。しかしながら、実施形態に係る発光装置では、発光素子が配置される配線パターンの面積は、発光素子の面積の3倍以上であればよい。
Further, in the
図10(a)は、発光素子と配線パターンとの面積比を変化させたときの発光素子の温度変化を示すシミュレーション結果を示す図である。図10(b)は、図10(a)に示すシミュレーション結果における発光素子に対する配線パターンの面積比と発光素子の温度との関係を示す図である。図10(a)において、「配線パターン/素子面積[%]」の欄は発光素子の面積に対する配線パターンの面積の比率を示し、「銅薄膜厚み[μm]」の欄は銅薄膜の厚みを示し、「素子電力[W]」の欄は、発光素子に供給される電力を示す。また、「発光素子の温度[℃]」の欄は発光素子の温度を示し、「温度比率」の欄は配線パターンの面積が発光素子の面積が等しいとき、すなわち「配線パターン/素子面積[%]」の欄が100%であるときの発光素子の温度に対する発光素子の温度の比率を示す。図10(b)において、横軸は発光素子の面積に対する配線パターンの面積の比率を示し、縦軸は発光素子の温度を示す。 FIG. 10A is a diagram showing a simulation result showing a temperature change of the light emitting element when the area ratio of the light emitting element and the wiring pattern is changed. FIG. 10B is a diagram showing the relationship between the area ratio of the wiring pattern to the light emitting element and the temperature of the light emitting element in the simulation result shown in FIG. 10A. In FIG. 10A, the column of "wiring pattern / element area [%]" shows the ratio of the area of the wiring pattern to the area of the light emitting element, and the column of "copper thin film thickness [μm]" shows the thickness of the copper thin film. The column of "element power [W]" indicates the power supplied to the light emitting element. In addition, the column of "temperature of light emitting element [° C]" indicates the temperature of the light emitting element, and the column of "temperature ratio" is when the area of the wiring pattern is the same as the area of the light emitting element, that is, "wiring pattern / element area [%". ] ”Column indicates the ratio of the temperature of the light emitting element to the temperature of the light emitting element when the column is 100%. In FIG. 10B, the horizontal axis shows the ratio of the area of the wiring pattern to the area of the light emitting element, and the vertical axis shows the temperature of the light emitting element.
図10(a)及び10(b)に示すシミュレーションに使用された発光素子は、平面視したときの面積が1mm2であり且つ高さが0.1mmである形状を有し、0.2Wの電力が供給される単一の素子である。図10(a)及び10(b)に示すシミュレーションに使用された基板は、膜厚が18μmである銅薄膜と、銅薄膜の表面に配置された膜厚が0.1mmであり且つ熱伝導率が0.3W/mKの絶縁層とを有する。 The light emitting element used in the simulation shown in FIGS. 10 (a) and 10 (b) has a shape having an area of 1 mm 2 and a height of 0.1 mm when viewed in a plan view, and has a shape of 0.2 W. It is a single element to which power is supplied. The substrates used in the simulations shown in FIGS. 10 (a) and 10 (b) are a copper thin film having a film thickness of 18 μm and a film film arranged on the surface of the copper thin film having a film thickness of 0.1 mm and thermal conductivity. Has an insulating layer of 0.3 W / mK.
発光素子の面積に対する配線パターンの面積の比率が200%であるときの発光素子の温度は81.9度であるのに対し、発光素子の面積に対する配線パターンの面積の比率が300%であるときの発光素子の温度は71.8度である。発光素子の面積に対する配線パターンの面積の比率が300%である、すなわち発光素子の面積が配線パターンの面積の3倍であるときに80度以下になる。一般に半田、微粒子金属粉末を含有するペースト等の導電性接続部材の溶解温度は80度程度であり、発光素子の面積が配線パターンの面積の3倍以上であるとき、発光素子の温度は、導電性接続部材の溶解温度に到達しない。さらに、発光素子の発熱温度が10.1度下がるから、発光素子の熱による発光効率の低下を抑制でき、長時間点灯しても発光素子の熱による劣化を抑制できる。 When the ratio of the area of the wiring pattern to the area of the light emitting element is 200%, the temperature of the light emitting element is 81.9 degrees, while the ratio of the area of the wiring pattern to the area of the light emitting element is 300%. The temperature of the light emitting element is 71.8 degrees. The ratio of the area of the wiring pattern to the area of the light emitting element is 300%, that is, 80 degrees or less when the area of the light emitting element is three times the area of the wiring pattern. Generally, the melting temperature of a conductive connecting member such as solder or a paste containing fine metal powder is about 80 degrees, and when the area of the light emitting element is three times or more the area of the wiring pattern, the temperature of the light emitting element is conductive. The melting temperature of the sex connecting member is not reached. Further, since the heat generation temperature of the light emitting element is lowered by 10.1 degrees, it is possible to suppress the decrease in the luminous efficiency due to the heat of the light emitting element, and it is possible to suppress the deterioration due to the heat of the light emitting element even if it is lit for a long time.
また、発光素子の面積に対する配線パターンの面積の比率が200%であるときの温度比率は51%であるのに対し、発光素子の面積に対する配線パターンの面積の比率が50000%であるときの温度比率は35%である。発光素子の面積に対する配線パターンの面積の比率が1000%以上になる、すなわち発光素子の面積が配線パターンの面積の10倍以上になると、温度比率の低下が飽和する。発光素子の面積が配線パターンの面積の10倍以上になると、温度比率の低下が略飽和するので、発光素子の面積が配線パターンの面積の10倍とすることで、最小限の大きさで放熱効率が高い発光装置を実現できる。
Further, the temperature ratio when the ratio of the area of the wiring pattern to the area of the light emitting element is 200% is 51%, whereas the temperature when the ratio of the area of the wiring pattern to the area of the light emitting element is 50,000%. The ratio is 35%. When the ratio of the area of the wiring pattern to the area of the light emitting element is 1000% or more, that is, when the area of the light emitting element is 10 times or more the area of the wiring pattern, the decrease in the temperature ratio is saturated. When the area of the light emitting element becomes 10 times or more the area of the wiring pattern, the decrease in the temperature ratio is substantially saturated. Therefore, by making the area of the
図11(a)は、発光素子と配線パターンとの面積比、及び銅薄膜の膜厚を変化させたときの発光素子の温度変化を示すシミュレーション結果を示す図である。図11(b)は、発光素子と配線パターンとの面積比を3000%で一定とし、銅薄膜の膜厚を変化させたときの発光素子の温度変化を示すシミュレーション結果を示す図である。図11(a)において、横軸は発光素子の面積に対する配線パターンの面積の比率を示し、縦軸は発光素子の温度を示す。また、波形W101は銅薄膜の膜厚が18μmのときの発光素子の温度を示し、波形W102は銅薄膜の膜厚が35μmのときの発光素子の温度を示し、波形W103は銅薄膜の膜厚が70μmのときの発光素子の温度を示す。波形W104は銅薄膜の膜厚が200μmのときの発光素子の温度を示し、波形W105は銅薄膜の膜厚が500μmのときの発光素子の温度を示す。図11(b)において、横軸は配線パターンの厚さを示し、縦軸は発光素子の温度を示す。 FIG. 11A is a diagram showing simulation results showing the area ratio between the light emitting element and the wiring pattern and the temperature change of the light emitting element when the film thickness of the copper thin film is changed. FIG. 11B is a diagram showing a simulation result showing a temperature change of the light emitting element when the area ratio of the light emitting element and the wiring pattern is kept constant at 3000% and the film thickness of the copper thin film is changed. In FIG. 11A, the horizontal axis shows the ratio of the area of the wiring pattern to the area of the light emitting element, and the vertical axis shows the temperature of the light emitting element. Further, the waveform W101 indicates the temperature of the light emitting element when the thickness of the copper thin film is 18 μm, the waveform W102 indicates the temperature of the light emitting element when the thickness of the copper thin film is 35 μm, and the waveform W103 indicates the temperature of the light emitting element when the thickness of the copper thin film is 35 μm. Shows the temperature of the light emitting element when is 70 μm. The waveform W104 shows the temperature of the light emitting element when the thickness of the copper thin film is 200 μm, and the waveform W105 shows the temperature of the light emitting element when the thickness of the copper thin film is 500 μm. In FIG. 11B, the horizontal axis represents the thickness of the wiring pattern, and the vertical axis represents the temperature of the light emitting element.
銅薄膜の膜厚の膜厚を18μmから厚くした場合でも、発光素子の温度特性の変化は小さいため、銅薄膜で形成される配線パターンの厚さを薄くすることで、使用される銅の量を削減することで製造コストを低減することができる。配線パターンの厚さは、10μm以上であり且つ100μm以下であることが好ましい。 Even if the thickness of the copper thin film is increased from 18 μm, the change in the temperature characteristics of the light emitting element is small. Therefore, by reducing the thickness of the wiring pattern formed by the copper thin film, the amount of copper used The manufacturing cost can be reduced by reducing the amount of copper. The thickness of the wiring pattern is preferably 10 μm or more and 100 μm or less.
1 発光装置
10 基板
11 第1発光素子
12 第2発光素子
13 第3発光素子
14 第4発光素子
30 実装基板
31 第1接地基板
32 第2接地基板
33 第3接地基板
41 第1電源パターン
42 第2電源パターン
43 第1配線パターン
44 第2配線パターン
45 第3配線パターン
46 第4配線パターン
1
Claims (9)
前記実装面の前記第1方向の一端に近接して配置され、外部から電力が供給可能な第1電源パターン及び第2電源パターンと、
前記第1方向に沿って前記実装面に配列された複数の配線パターンと、
前記第1電源パターン及び前記複数の配線パターンの隣接する2つにそれぞれが電気的に接続された複数の発光素子と、を有し、
前記複数の配線パターンのそれぞれの面積は、前記発光素子の面積の3倍以上である、
ことを特徴とする発光装置。 A substrate having a mounting surface extending in the first direction,
A first power supply pattern and a second power supply pattern that are arranged close to one end of the mounting surface in the first direction and can be supplied with electric power from the outside.
A plurality of wiring patterns arranged on the mounting surface along the first direction, and
It has a plurality of light emitting elements, each of which is electrically connected to two adjacent two of the first power supply pattern and the plurality of wiring patterns.
The area of each of the plurality of wiring patterns is three times or more the area of the light emitting element.
A light emitting device characterized by that.
表面に前記実装面が配置された実装基板と、
前記実装面の裏面に表面が対向するように配置され、一面に亘って接地パターンが配置された少なくとも1つの接地基板と、
前記複数の配線パターンの中で前記第1電源パターン及び前記第2電源パターンから最も離隔した配線パターンと前記接地パターンとを電気的に接続する第1導電体と、
前記第2電源パターンと前記接地パターンとを電気的に接続する第2導電体と、
を有する、請求項1又は2に記載の発光装置。 The substrate is
A mounting board on which the mounting surface is arranged on the surface, and
At least one grounding board arranged so that the front surface faces the back surface of the mounting surface and the grounding pattern is arranged over one surface.
A first conductor that electrically connects the first power supply pattern, the wiring pattern most distant from the second power supply pattern, and the grounding pattern among the plurality of wiring patterns.
A second conductor that electrically connects the second power supply pattern and the grounding pattern, and
The light emitting device according to claim 1 or 2.
前記実装基板上を、前記第1電源パターン及び前記第2電源パターンに近接する前記実装面の一端から前記第1電源パターン及び前記第2電源パターンから離隔する前記実装面の他端に向かって前記第1方向に沿って流れ、
前記少なくとも1つの接地基板上を、前記第1電源パターン及び前記第2電源パターンから離隔する前記実装面の他端から前記第1電源パターン及び前記第2電源パターンに近接する前記実装面の一端に向かって前記第1方向に沿って流れる、ことによって、
前記第1方向に流れる発光電流により発生する磁界を打ち消すことで、発光電流により発生するインダクタンスを低くする、請求項3に記載の発光装置。 The emission current that flows when the plurality of light emitting elements emit light is
The mounting board is viewed from one end of the mounting surface close to the first power supply pattern and the second power supply pattern toward the other end of the mounting surface separated from the first power supply pattern and the second power supply pattern. Flowing along the first direction,
On the at least one grounding board, from the other end of the mounting surface separated from the first power supply pattern and the second power supply pattern to one end of the mounting surface close to the first power supply pattern and the second power supply pattern. By flowing along the first direction towards
The light emitting device according to claim 3, wherein the inductance generated by the light emitting current is lowered by canceling the magnetic field generated by the light emitting current flowing in the first direction.
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