JP2024095446A - 光源装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ＬＥＤの搭載された基板の熱を効率よく放熱すると共に、高い絶縁性を確保し、信頼性の高い光源装置を提供すること。
【解決手段】光源装置が、ＬＥＤ素子と、表面にＬＥＤ素子が載置され、ＬＥＤ素子に電力を供給する基板と、基板の裏面と密着するように配置され基板と熱的に接合する金属製のベース部材と、ベース部材の一部分と密着するように配置されベース部材を支持すると共に、ベース部材と熱的に接合する金属製のヒートシンクと、を備え、基板の裏面は、ＬＥＤ素子の一方の電極と導通しており、基板とベース部材との間に、基板とベース部材を電気的に導通させると共に、基板の熱をベース部材に伝える導電性熱伝導部材を有し、ベース部材とヒートシンクとの間に、ベース部材とヒートシンクを電気的に絶縁すると共に、ベース部材の熱をヒートシンクに伝える絶縁性熱伝導部材を有する。
【選択図】図１

Description

本発明は、ＬＥＤ（Light Emitting Diode）を光源として利用した光源装置に関する。

従来、様々な用途の照明装置や照明システムにおいて、ＬＥＤを光源として利用した光源装置が実用に供されている。このように、光源としてＬＥＤを用いると、投入した電力の大半が熱となり、ＬＥＤ自身が発生する熱によって発光効率と寿命が低下するといった問題があるため、熱対策が重要となる。

近年、このような熱対策として、放熱効果に優れる金属基板（例えば、アルミ基板、銅基板、鉄基板等）が、ＬＥＤ用の基板として注目されている（例えば、非特許文献１）。
しかし、このような金属基板を使用した場合、静電気が金属基板に印加すると、ＬＥＤが破損してしまう虞があるため、基板と筐体の金属部分との絶縁性を確保する必要がある。

このため、絶縁性と放熱性を兼ね備えるＬＥＤの光源ユニットとして、アルミ基板の前面に発光素子回路（ＬＥＤ）が搭載されたＬＥＤパッケージを、アルミ基板の裏面との間に絶縁放熱用ゴム成形品を挟んで基台に取り付ける、といった構成も提案されている（例えば、特許文献１）。

"アルミ基板とｌｅｄの関係について"、［online］、富士プリント工業株式会社、［令和４年６月１３日検索］、インターネット＜URL：https://www.fujiprint.com/%E3%82%A2%E3%83%AB%E3%83%9F%E5%9F%BA%E6%9D%BF%E3%81%A8led%E3%81%AE%E9%96%A2%E4%BF%82%E3%81%AB%E3%81%A4%E3%81%84%E3%81%A6/＞

特開２０１３－２１８８６０号公報

特許文献１の構成によれば、絶縁性及び熱伝導性の高いゴム材料を介してＬＥＤパッケージを基台に取り付けることで、基板の絶縁性を確保するとともに、ＬＥＤの熱を基台に放熱することが可能となる。

しかしながら、特許文献１の構成は、基板と基台との間にゴム材料が介在するため、基板と基台間の熱抵抗は、ゴム材料の熱伝導率とその厚さによることとなり、必ずしも十分な放熱ができるものではなかった。
また、近年、パワーＬＥＤ等、高輝度のものが主流になりつつあり、消費電力も高くなる傾向（例えば、１Ｗ以上）にあることから、さらなる熱対策も求められている。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、ＬＥＤの搭載された基板（例えば、アルミ基板）の熱を効率よく放熱すると共に、高い絶縁性を確保し、信頼性の高い光源装置を提供することである。

上記目的を達成するため、本発明の光源装置は、ＬＥＤ素子と、表面にＬＥＤ素子が載置され、ＬＥＤ素子に電力を供給する基板と、基板の裏面と密着するように配置され基板と熱的に接合する金属製のベース部材と、ベース部材の一部分と密着するように配置されベース部材を支持すると共に、ベース部材と熱的に接合する金属製のヒートシンクと、を備え、基板の裏面は、ＬＥＤ素子の一方の電極と導通しており、基板とベース部材との間に、基板とベース部材を電気的に導通させると共に、基板の熱をベース部材に伝える導電性熱伝導部材を有し、ベース部材とヒートシンクとの間に、ベース部材とヒートシンクを電気的に絶縁すると共に、ベース部材の熱をヒートシンクに伝える絶縁性熱伝導部材を有することを特徴とする。

このような構成によれば、ＬＥＤ素子で発生した熱は、基板と導電性熱伝導部材を介して熱容量の大きいベース部材に伝わり、ベース部材から絶縁性熱伝導部材を介してヒートシンクに伝わるため、基板の熱を効率よく放熱できる。また、ベース部材とヒートシンクとの間は、絶縁性熱伝導部材によって絶縁されているため、仮にヒートシンクに静電気等が印加されたとしても、それがＬＥＤ素子に至ることはなく、ＬＥＤ素子の破損を防止することができる。

また、導電性熱伝導部材の面積よりも絶縁性熱伝導部材の面積の方が大きいことが望ましい。

また、ベース部材とヒートシンクとの間の、絶縁性熱伝導部材のない部分に、電気的に絶縁の絶縁スペーサを有し、ベース部材がヒートシンクに取り付けられたときに、絶縁スペーサによって、ベース部材とヒートシンクの間隔が規制されると共に、絶縁性熱伝導部材がベース部材とヒートシンクとの間に狭持されることが望ましい。

また、絶縁スペーサの硬度よりも絶縁性熱伝導部材の硬度の方が低いことが望ましい。

また、絶縁スペーサは、ヒートシンクに対して垂直な方向に貫通する貫通孔を有し、絶縁スペーサは、貫通孔に挿通される、電気的に絶縁のネジによってベース部材に固定されていることが望ましい。

また、ベース部材は、ヒートシンクに対して垂直な方向に貫通する貫通孔を有し、ベース部材は、貫通孔に挿通される、電気的に絶縁のネジによってヒートシンクに固定されていることが望ましい。

また、ベース部材は、ヒートシンクに向かって突出し、ヒートシンクに対して移動を規制する、電気的に絶縁の複数の位置決めピンを有することが望ましい。また、この場合、絶縁性熱伝導部材は、ヒートシンクに対して垂直な方向に貫通する複数の貫通孔を有し、複数の位置決めピンが、複数の貫通孔に挿通されていることが望ましい。

以上のように、本発明によれば、基板の熱を効率よく放熱できると共に、高い絶縁性を確保することができる。このため、信頼性の高い光源装置が実現される。

図１は、本発明の実施形態に係る光源装置の構成を説明する図である。 図２は、本発明の実施形態に係る光源装置に含まれるＬＥＤユニットの斜視図である。 図３は、本発明の実施形態に係る光源装置に含まれるＬＥＤユニットの分解斜視図である。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。なお、図中同一又は相当部分には同一の符号を付してその説明は繰り返さない。

図１は、本発明の実施形態に係る光源装置１の構成を説明する図であり、図１（ａ）は正面図であり、図１（ｂ）は図１（ａ）のＡ－Ａ線断面図であり、図１（ｃ）は図１（ａ）のＢ－Ｂ線断面図である。本実施形態の光源装置１は、例えば、内視鏡装置等に組み込まれる装置であって、所定の照射エリア又は照射対象物に対して照明光を供給する装置である。なお、以下、本明細書においては、ＬＥＤ素子１０３の光軸方向をＺ軸方向、Ｚ軸と直交する方向をＸ軸方向（図１（ａ）の左右方向）及びＹ軸方向（図１（ａ）の上下方向）と定義して説明する。

（光源装置１の構成）
図１に示すように、本実施形態の光源装置１は、ＬＥＤユニット１００と、ヒートシンク２００と、を備えている。

（ＬＥＤユニット１００の構成）
図２は、ＬＥＤユニット１００を斜め下方向から見たときの斜視図である。また、図３は、ＬＥＤユニット１００の分解斜視図である。

図１～図３に示すように、ＬＥＤユニット１００は、Ｘ軸方向及びＹ軸方向で規定される矩形板状の基板１１０と、基板１１０上に配置されたＬＥＤ素子１２０と、ベース部材１３０と、を備えている。
基板１１０は、導電性を有し、熱伝導率の高い材料（例えば、銅、アルミニウム、窒化アルミニウム）で形成された矩形状の配線基板であり、その表面の略中央には、ＬＥＤ素子１２０が搭載されている。また、基板１１０の表面には、各ＬＥＤ素子１２０に電力を供給するためのアノードパターンＡ（不図示）及びカソードパターンＫが形成されており、アノードパターンＡにはＬＥＤ素子１２０のアノード電極（不図示）が半田付けされ、カソードパターンＫにはＬＥＤ素子１２０のカソード電極（不図示）が半田付けされ、それぞれ電気的に接続されている。なお、本実施形態においては、カソードパターンＫとして、導電性を有する基板１１０そのものを利用しており、ＬＥＤ素子１２０のカソード電極は、ＬＥＤ素子１２０の裏面（基板１１０と対向する面）に形成されている。
従って、ＬＥＤ素子１２０の裏面において、カソード電極がカソードパターンＫ（つまり、基板１１０）に半田付けされ、これによってＬＥＤ素子１２０と基板１１０が電気的および機械的に接続されている。なお、本実施形態においては、基板１１０自体が導電性を有するため、基板１１０の裏面もＬＥＤ素子１２０のカソード電極と導通している。

また、アノードパターンＡ及びカソードパターンＫは、不図示のＬＥＤ駆動回路と電気的に接続されており、ＬＥＤ素子１２０には、アノードパターンＡ及びカソードパターンＫを介してＬＥＤ駆動回路からの駆動電流が供給されるようになっている。

ＬＥＤ素子１２０は、略正方形の発光面を備えた半導体発光素子であり、ＬＥＤ駆動回路から駆動電流の供給を受けて、所定の波長（例えば、波長４００ｎｍ、５００ｎｍ、５５０ｎｍ、６００ｎｍ、６５０ｎｍ）の光を出射する。なお、本実施形態のＬＥＤ素子１２０は、所定光量の光を出射するようにＬＥＤ素子１２０に供給される駆動電流が調整されている。

ベース部材１３０は、熱伝導率の高い金属（例えば、銅、アルミニウム）の立方体状の部材である。ベース部材１３０の正面（Ｚ軸方向の面）には基板１１０が載置されて、不図示の固定部材（例えば、ネジ、接着剤等）によって固定されている。なお、基板１１０とベース部材１３０との間（接触面）には、基板１１０とベース部材１３０を電気的に導通させると共に、基板１１０の熱をベース部材１３０に伝える、導電性熱伝導部材１５０（例えば、放熱グリス又は放熱シート）が設けられており（図３）、これによって基板１１０とベース部材１３０の密着性を高め、熱抵抗を低下させている。つまり、ベース部材１３０は、基板１１０の裏面と密着するように配置され、基板１１０と熱的に接合している。なお、本実施形態のベース部材１３０は、基板１１０よりも十分に大きく、熱容量も大きいため、ＬＥＤ素子１２０で発生した熱は、導電性熱伝導部材１５０を介して瞬時にベース部材１３０に伝わるようになっている。また、本実施形態の導電性熱伝導部材１５０の熱伝導率は、後述の絶縁性熱伝導部材１６０の熱伝導率と比較して、高いものを使用している。

また、ベース部材１３０の４隅には、ベース部材１３０をＹ軸方向に貫通する貫通孔１３２ａ～１３２ｄが形成されており（図３）、ベース部材１３０は、貫通孔１３２ａ～１３２ｄに挿通される、電気的に絶縁の（例えば、樹脂製の）４本のネジ１４０によってヒートシンク２００に固定される（図１（ｂ）、（ｃ）、図２、図３）。

また、ベース部材１３０の底面のＸ軸方向両端（つまり、絶縁性熱伝導部材１６０のない部分）には、底面をＹ軸方向に切り欠いた切欠部１３４ａ、１３４ｂが形成されており（図３）、切欠部１３４ａ、１３４ｂには、Ｚ軸方向に長く延びる矩形板状の、電気的に絶縁の（例えば、樹脂製の）絶縁スペーサ１４２、１４４が収まるようになっている（図２、図３）。
絶縁スペーサ１４２は、貫通孔１３２ａと連通する貫通孔１４２ａと、貫通孔１３２ｂと連通する貫通孔１４２ｂと、貫通孔１４２ａと貫通孔１４２ｂの間に形成された貫通孔１４２ｃとを有し、１４２ｃに挿通される、電気的に絶縁の（例えば、樹脂製の）ネジ１４５によってベース部材１３０に固定される（図２、図３）。
絶縁スペーサ１４４は、貫通孔１３２ｃと連通する貫通孔１４４ａと、貫通孔１３２ｄと連通する貫通孔１４４ｂと、貫通孔１４４ａと貫通孔１４４ｂの間に形成された貫通孔１４４ｃとを有し、１４４ｃに挿通される、電気的に絶縁の（例えば、樹脂製の）ネジ１４５によってベース部材１３０に固定される（図２、図３）。
なお、絶縁スペーサ１４２、１４４がベース部材１３０に固定されたとき、絶縁スペーサ１４２、１４４の底面（Ｙ軸方向と相反する方向の面）は、ベース部材１３０の底面よりも、Ｙ軸方向と相反する方向に僅かに突出している（図１（ａ））。

また、ベース部材１３０の底面のＸ軸方向略中央には、Ｚ軸方向に沿って並ぶ２つの有底孔１３５ａ、１３５ｂ（図３において不図示）が形成されている。有底孔１３５ａ、１３５ｂには、それぞれ、電気的に絶縁の（例えば、樹脂製の）円柱状の位置決めピン１７０が挿入されており、位置決めピン１７０の先端（Ｙ軸方向と相反する方向の端部）が、ベース部材１３０の底面からヒートシンク２００に向かって突出し、ヒートシンク２００の係合孔２１０と係合するようになっている（図１（ｂ）、図２、図３）。

また、ベース部材１３０の底面のＸ軸方向略中央には、絶縁スペーサ１４２、１４４の間に挟まるように、矩形板状の絶縁性熱伝導部材１６０が配置される。絶縁性熱伝導部材１６０は、例えば、放熱グリス又は放熱シートであり、ベース部材１３０とヒートシンク２００を電気的に絶縁すると共に、ベース部材１３０の熱をヒートシンク２００に伝える部材である。絶縁性熱伝導部材１６０には、貫通孔１６０ａ、１６０ｂが形成されており、絶縁性熱伝導部材１６０がベース部材１３０の底面に配置されたとき、位置決めピン１７０が貫通孔１６０ａ、１６０ｂを通り、絶縁性熱伝導部材１６０がベース部材１３０の底面とヒートシンク２００に密着するようになっている（図１（ａ）、（ｂ））。
また、本実施形態の絶縁性熱伝導部材１６０の面積は、導電性熱伝導部材１５０の面積よりも大きくなっており、これによって基板１１０とベース部材１３０との間の熱抵抗よりも、ベース部材１３０とヒートシンク２００との間の熱抵抗の方が低くなっている。
また、絶縁性熱伝導部材１６０の硬度は、絶縁スペーサ１４２、１４４の硬度よりも低く、ＬＥＤユニット１００がヒートシンク２００に取り付けられたときに、絶縁性熱伝導部材１６０がＬＥＤユニット１００とヒートシンク２００間に狭持されて（圧縮されて）保持されるようになっている（図１（ａ）、（ｂ））。

（ヒートシンク２００の構成）
ヒートシンク２００は、ベース部材１３０の裏面（基板１１０が搭載される面と反対側の面）に密着するように配置され、ベース部材１３０を支持すると共に、ベース部材１３０と熱的に接合する金属製の板状の部材である。ヒートシンク２００の裏面（不図示）には、不図示の放熱フィンが形成されており、ベース部材１３０からヒートシンク２００に伝わる熱は、放熱フィンを介して周囲の空気中に放熱されるようになっている。つまり、本実施形態のヒートシンク２００は、空冷のヒートシンクである。なお、本実施形態のヒートシンク２００は、ベース部材１３０よりも十分に大きく、熱容量も大きいため、ベース部材１３０の熱は、絶縁性熱伝導部材１６０を介して瞬時にヒートシンク２００に伝わるようになっている。

また、ヒートシンク２００の表面には、係合孔２１０が形成されており、係合孔２１０には、ベース部材１３０の位置決めピン１７０の先端が係合する（嵌る）ように配置される。位置決めピン１７０の先端が係合孔２１０に嵌ることにより、ヒートシンク２００に対してベース部材１３０の移動（つまり、ＸＺ平面における移動）が規制される。
そして、貫通孔１３２ａ～１３２ｄに挿通されるネジ１４０を締めることによって、ネジ１４０の先端がヒートシンク２００に形成されたネジ孔２２０と螺合し、ヒートシンク２００上にベース部材１３０が固定される。
上述のように、絶縁スペーサ１４２、１４４の底面（Ｙ軸方向と相反する方向の面）が、ベース部材１３０の底面よりも、Ｙ軸方向と相反する方向に僅かに突出している。このため、ヒートシンク２００上にベース部材１３０が固定されると、絶縁スペーサ１４２、１４４の底面（Ｙ軸方向と相反する方向の面）が、ヒートシンク２００の表面に当て付いた状態で密着する。そして、絶縁性熱伝導部材１６０がベース部材１３０の底面とヒートシンク２００間に狭持されて（圧縮されて）保持される（図１（ａ）、（ｂ））。

このように、本実施形態の光源装置１は、基板１１０をベース部材１３０に導電性熱伝導部材１５０を介して取り付け、ベース部材１３０をヒートシンク２００に絶縁性熱伝導部材１６０を介して取り付けている。
従って、ＬＥＤ素子１２０で発生した熱は、熱伝導率の高い基板１１０と導電性熱伝導部材１５０を介して熱容量の大きいベース部材１３０に瞬時に伝わり、ベース部材１３０の熱は、ベース部材１３０から絶縁性熱伝導部材１６０を介して、さらに熱容量の大きいヒートシンク２００に伝わるように構成されている。
また、絶縁性熱伝導部材１６０の面積は、導電性熱伝導部材１５０の面積よりも大きくなっており、これによって基板１１０とベース部材１３０との間の熱抵抗よりも、ベース部材１３０とヒートシンク２００との間の熱抵抗の方が低くなっているため、ＬＥＤ素子１２０からヒートシンク２００までの熱伝導プロセスにおいてボトルネックの生じる部分がない。従って、基板１１０の熱を効率よく放熱できる。
また、本実施形態においては、導電性の基板１１０を導電性のベース部材１３０に導電性熱伝導部材１５０を介して取り付けるため、ベース部材１３０がＬＥＤ素子１２０のカソード電極と導通する構成となるが、ベース部材１３０とヒートシンク２００との間は、絶縁性熱伝導部材１６０によって絶縁されている。従って、ヒートシンク２００に静電気等が印加されたとしても、それがＬＥＤ素子１２０に至ることはなく、ＬＥＤ素子１２０が破損することもない。

以上が本実施形態の説明であるが、本発明は、上記の構成に限定されるものではなく、本発明の技術的思想の範囲内において様々な変形が可能である。

例えば、本実施形態においては、ヒートシンク２００が空冷のヒートシンクであるとしたが、ベース部材１３０よりも熱容量が十分に大きければよく、水冷ヒートシンク、ヒートパイプ等、他の冷却装置を適用してもよい。

また、本実施形態のベース部材１３０は、立方体状の部材として説明したが、基板１１０よりも熱容量が十分に大きければよく、直方体や多角柱状のものなど、他の形状のものを適用することもできる。

なお、今回開示された実施の形態は、全ての点で例示であって、制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した説明ではなく、特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味及び範囲内での全ての変更が含まれることが意図される。

１ ：光源装置
１００ ：ＬＥＤユニット
１０３ ：ＬＥＤ素子
１１０ ：基板
１２０ ：ＬＥＤ素子
１３０ ：ベース部材
１３２ａ ：貫通孔
１３２ｂ ：貫通孔
１３２ｃ ：貫通孔
１３２ｄ ：貫通孔
１３４ａ ：切欠部
１３４ｂ ：切欠部
１３５ａ ：有底孔
１３５ｂ ：有底孔
１４０ ：ネジ
１４２ ：絶縁スペーサ
１４２ａ ：貫通孔
１４２ｂ ：貫通孔
１４２ｃ ：貫通孔
１４４ ：絶縁スペーサ
１４４ａ ：貫通孔
１４４ｂ ：貫通孔
１４４ｃ ：貫通孔
１４５ ：ネジ
１５０ ：導電性熱伝導部材
１６０ ：絶縁性熱伝導部材
１６０ａ ：貫通孔
１６０ｂ ：貫通孔
１７０ ：位置決めピン
２００ ：ヒートシンク
２１０ ：係合孔
２２０ ：ネジ孔

Claims (8)

1. ＬＥＤ素子と、
   表面に前記ＬＥＤ素子が載置され、前記ＬＥＤ素子に電力を供給する基板と、
   前記基板の裏面と密着するように配置され、前記基板と熱的に接合する金属製のベース部材と、
   前記ベース部材の一部分と密着するように配置され、前記ベース部材を支持すると共に、前記ベース部材と熱的に接合する金属製のヒートシンクと、
   を備え、
   前記基板の裏面は、前記ＬＥＤ素子の一方の電極と導通しており、
   前記基板と前記ベース部材との間に、前記基板と前記ベース部材を電気的に導通させると共に、前記基板の熱を前記ベース部材に伝える導電性熱伝導部材を有し、
   前記ベース部材と前記ヒートシンクとの間に、前記ベース部材と前記ヒートシンクを電気的に絶縁すると共に、前記ベース部材の熱を前記ヒートシンクに伝える絶縁性熱伝導部材を有する
   ことを特徴とする光源装置。
2. 前記導電性熱伝導部材の面積よりも前記絶縁性熱伝導部材の面積の方が大きいことを特徴とする請求項１に記載の光源装置。
3. 前記ベース部材と前記ヒートシンクとの間の、前記絶縁性熱伝導部材のない部分に、電気的に絶縁の絶縁スペーサを有し、
   前記ベース部材が前記ヒートシンクに取り付けられたときに、前記絶縁スペーサによって、前記ベース部材と前記ヒートシンクの間隔が規制されると共に、前記絶縁性熱伝導部材が前記ベース部材と前記ヒートシンクとの間に狭持される
   ことを特徴とする請求項１に記載の光源装置。
4. 前記絶縁スペーサの硬度よりも前記絶縁性熱伝導部材の硬度の方が低いことを特徴とする請求項３に記載の光源装置。
5. 前記絶縁スペーサは、前記ヒートシンクに対して垂直な方向に貫通する貫通孔を有し、
   前記絶縁スペーサは、前記貫通孔に挿通される、電気的に絶縁のネジによって前記ベース部材に固定されている
   ことを特徴とする請求項３または請求項４に記載の光源装置。
6. 前記ベース部材は、前記ヒートシンクに対して垂直な方向に貫通する貫通孔を有し、
   前記ベース部材は、前記貫通孔に挿通される、電気的に絶縁のネジによって前記ヒートシンクに固定されている
   ことを特徴とする請求項１に記載の光源装置。
7. 前記ベース部材は、前記ヒートシンクに向かって突出し、前記ヒートシンクに対して移動を規制する、電気的に絶縁の複数の位置決めピンを有することを特徴とする請求項１に記載の光源装置。
8. 前記絶縁性熱伝導部材は、前記ヒートシンクに対して垂直な方向に貫通する複数の貫通孔を有し、
   前記複数の位置決めピンが、前記複数の貫通孔に挿通されている
   ことを特徴とする請求項７に記載の光源装置。
   
   

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