JP4511446B2 - 光源装置 - Google Patents

Description

本発明は、ＬＥＤ素子を用いた光源装置に関するものであり、大光量の光源装置を超小型で低コストに提供するものである。

従来、ＬＥＤ素子は、砲弾型リードタイプや樹脂パッケージを用いた表面実装型タイプのランプとしてＬＥＤメーカーから提供されている。しかし、これらのタイプは発光効率が低く、従来の小電流で使う表示器用途には十分であったが、大電流高発熱の照明用途には不向きであった。

近年、ＬＥＤ素子の発光効率を高める開発が進められ、ＬＥＤチップ自体の改良およびチップサイズの大型化を図ることで放熱性を高める改良や、チップ発光面側にレンズや反射板を取り付けることで集光を図った改良が行われてきた。その結果、２ｌｍ／Ｗの発光効率であったＬＥＤ素子が、２０ｌｍ／Ｗを超えるレベルに達し、照明用途への適用が議論される状況になってきた。

ＬＥＤ素子は、エネルギーロスが少なく省エネルギーであり、かつ長寿命であることから環境対策の点で優れており、照明用途への期待が高まっている。
ただし、上記の改良されたＬＥＤ素子を用いた場合でも、照明器具を実現するためには光束が不足するため、複数のＬＥＤ素子を搭載する必要がある。

確かに、複数のＬＥＤ素子を搭載して照明器具を構成するのであれば、ＬＥＤ素子数の多寡により光量を調整することができるので、コストを度外視すれば、数百ｌｍの光量を必要とする蛍光灯などを代替することが技術的に可能といえる。しかしながら、照明器具の中でも大光量を必要とする照明器具（プロジェクターなどの投光器類）では、高輝度大光束の光源を小型に実現する必要があるため、従来のＬＥＤ素子実装技術による放熱設計では対応できない。
したがって、投光器などの大光量を必要とする照明器具に関しては、大光量が得られる従来の光源（キセノンランプや水銀ランプなど）に代えて、ＬＥＤ素子からなる光源装置を用いることは未だ実現されていなかった。

投光器の一種であるプロジェクターを例にあげれば、照明器具として１０００ｌｍ以上の光束を直径３ｃｍ以下の発光面積で作製することが要求される。この場合２０ｌｍ／Ｗの高輝度ＬＥＤ素子を用いた場合でも、５０個以上の素子を実装しなければならず、また将来技術として、５０〜１００ｌｍ／Ｗの超高輝度素子が仮に開発された場合においても、１０個以上の素子実装が要求される。

このような高密度の素子実装においては、エネルギーロスの少ない固体発光素子であるＬＥＤであっても、かなりのエネルギーロスが熱損失として発生し、上記プロジェクターの例では数十Ｗの熱損失となるため、放熱技術が問題となっている。

ところで、従来のＬＥＤ素子を用いた光源装置は、平面上に複数個のＬＥＤ素子を並べることで発光量を増やし、放物面反射鏡やレンズを用いて集光を図っていた（例えば、特許文献１参照）。
この場合、発光量を増やすことはできてもＬＥＤ素子実装面積の増大と放物面反射鏡の占有面積の増加とにより、光源装置は非常に大きなものになっていた。したがって、プロジェクターに代表される投光器のように、装置の小型化を要する分野においては、光源装置を収納できないという問題があった。
特開２００４−２５９５４１号公報

本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、大光量であって放熱性が高く、超小型かつ低コストである光源装置を提供することを課題とする。

ＬＥＤ素子を光源として用いた照明器具において発光密度を向上させるには、ＬＥＤ素子自体の発光効率を改善する以外に、実装方法において飛躍的な革新が必要である。
本発明者は、この実装方法における革新および上記課題の解決を目指して種々検討を重ねた。その結果、基板に実装されたＬＥＤ素子を取り囲むように放物面などの反射面を有する集光用反射板を設け、それのみで集光していた従来の光源装置に対し、基板のＬＥＤ素子実装面が反射面を有して集光用反射板と共に集光するようにしたことにより、上記課題を解決した。
すなわち、本発明の光源装置は、（１）複数のＬＥＤ素子と、前記複数のＬＥＤ素子が実装された基板と、前記複数のＬＥＤ素子からの出射光を集光するための反射面を有する反射板とを備えた光源装置であって、前記基板には金属ベース基板またはセラミック基板が用いられ、前記基板のうち前記複数のＬＥＤ素子が実装された実装面は、前記反射板と共に前記出射光を集光するための反射面を構成する金属層で覆われ、前記基板の実装面および前記反射板の反射面がそれぞれ、角錐が有する錐体面を構成し、前記反射板は前記基板の実装面における前記複数のＬＥＤ素子の実装領域を覆うように、前記基板に対して取付けられていることを特徴とするものである。
ＬＥＤ実装基板と反射板とが別体であり、かつ基板の実装面が反射面を有していなかった従来の場合には、ＬＥＤ素子から出射する光のうち、実装基板自身の方向に向かう分はその実装面に吸収されるため、有効利用されないという欠点があった。本発明では、基板の実装面が集光用反射面としても機能するため、全ての出射光がもれなく反射集光され、発光効率を上げることができる。

また、基板実装面に反射面を設けて集光用反射板における反射面と共に集光させる場合、それらの反射面が放物面のような曲面ではなく、角錐の錐体面となるように構成する方が、それぞれの面が平面であるため、基板および反射板を低コストで作製できる。
本発明では、集光のための反射面が角錐の錐体面を構成するようにし、基板実装面がその一面となるようにしたことにより、超小型の光源装置を構成することができる。

高熱を発生する高輝度ＬＥＤ素子の実装においては、放熱性を向上させるため高熱伝導性の基板が要求される。高熱伝導性の配線基板としては、パワーモジュール用に多用されるアルミニウムや銅をコアに用いた金属ベース基板や、アルミナや窒化アルミなどの高熱伝導性セラミック基板が上げられる。しかしながら、これらは従来、単なる部品実装基板の用途に終始していた。本発明では、これら高熱伝導性基板を単なる実装基板にとどまらず、集光用反射面としても機能させることに着眼した。
本発明では、金属ベース基板またはセラミック基板からなるＬＥＤ実装基板を、集光用反射面としても機能するように配置することにより、集光効率を高めつつ放熱性をも高めることができる。

また、さらなる集光効率の向上を目指し、その実装面におけるＬＥＤ実装部以外の面については、光反射率の高い材料で表面を覆うことを見出した。光反射率の高い材料としては、銀、アルミニウム、銅、ニッケルなど主に実装基板の電極に用いられる金属材料や、酸化チタンやアルミナなどのセラミック白色顔料を混入した電極保護用の絶縁性コーティング材があり、これらを光反射材料として使用することが有効である。
本発明は、上記（１）の光源装置においてさらに、（２）前記基板の実装面は、前記複数のＬＥＤ素子が実装された箇所を除き、前記金属層として機能する配線用電極によって覆われていることを特徴とするものである。

また、酸化チタンやアルミナなどのセラミック白色顔料を混入した電極保護用の絶縁性コーティング材を光反射材料として使用しても、なお反射率が不足する場合には、当該絶縁性コーティング材上に金属材料を印刷コーティングし、金属面とすることで光反射率を高めることができる。
本発明は、上記（１）の光源装置においてさらに、（３）前記基板の実装面は、前記複数のＬＥＤ素子が実装された箇所を除き、電極保護用の絶縁性コーティング材によって覆われ、前記絶縁性コーティング材の表面が前記金属層として機能する金属材料でコーティングされていることを特徴とするものである。
本発明では、上記のように構成することにより、光反射面を最大限に設けて発光効率を向上させることができる。

さらなる実装効率の向上を図るべく、ＬＥＤ素子の実装密度を高めるためには、ＬＥＤ素子を樹脂モールド前のベアチップの状態で実装することが好ましい。ベアチップ実装法の場合、ワイヤーボンド法を用いたフェイスアップ実装法と、フリップチップ接合法を用いるフェイスダウン実装法がある。ＬＥＤ素子の発光効率を高めるためには、素子の発光面側に電極などの障害物のないフェイスダウン実装法が望ましい。
本発明では、上記金属ベース基板やセラミック基板へのフリップチップ接合法を開発することにより、発光効率の高い高密度ＬＥＤ実装技術を開発した。フリップチップ接合法によるＬＥＤ素子の実装の場合、チップサイズ以外に実装面積を必要としないため、実装密度を最大にできることは公知である。このことにより、ＬＥＤチップ実装部以外の基板実装面を光反射面とすることにおいて、最大の反射面が得られる。
したがって、本発明は、上記（１）〜（３）の光源装置においてさらに、（４）前記複数のＬＥＤ素子は、フリップチップ実装方式によって前記基板に実装されていることを特徴とするものである。

本発明では、低コストで製作可能な平板状の実装基板を集光用反射面として機能させることで、容易に放熱部材を設け得るようにし、集光効率を高めると同時に、ＬＥＤの集積化による発熱密度の上昇を抑える放熱設計を容易にした。
すなわち本発明は、上記（１）〜（４）の光源装置においてさらに、（５）前記基板は、前記複数のＬＥＤ素子が実装された実装面と反対側の面に放熱部材を備えていることを特徴とするものである。

なお、以下に本発明の説明に用いる用語につき定義をおく。

錐体の「錐体面」とは、図５に示す如く、空間内の平面上に閉じた線Ｃが与えられ、平面上にない点Ｏをとるとき、点Ｏと閉じた線Ｃ上の各点とを結ぶ直線の軌跡のことをいう。
また、錐体の「底面」とは、上記曲線Ｃが囲む領域のことをいう。

「フリップチップ接合」とは、表面にバンプを形成したチップを、反転して基板に接続する技術を指すものとする。なお、「バンプ」とは、半導体チップの素子面に、蒸着法、めっき法または印刷法などにより形成された突起電極をいう。
フリップチップ接合法は、パッケージを使用せずベアチップと内部配線だけで接続し実装密度を最大限に高めるためのものであり、ワイヤを使用せずに、金やハンダの小粒（バンプ）を用いて接続する実装法である。

「金属ベース基板」とは、アルミニウム、鉄、銅などのベース金属上にエポキシ樹脂やポリイミドなどの有機絶縁体層を介して配線パターンを形成した基板をいう。金属基板、絶縁金属基板または金属系基板とも呼ばれる。金属ベース基板で回路を形成した場合、基板の熱抵抗が非常に小さいため、大きなパワーが扱えることに加え、配線パターンでの発熱も効率よく放熱することが可能である。その他、回路全体が金属基板上にあるため、金属部分をＧＮＤとすることで回路から放射される不要輻射を大幅に低減することも可能である。

「セラミック基板」とは、基板材料にアルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）その他のセラミック材料を使用した配線基板をいう。一般的に、セラミック基板は他の有機基板に比べ、熱伝導性、電気絶縁性および耐熱性に優れるなどの特性を有する。

ＬＥＤ素子を用いた従来技術では、直径３ｃｍ程度の発光面積では１０００ｌｍを超える光束を得ることはできない。例えば、市販の砲弾型や表面実装型の高出力ＬＥＤ素子であって３０ｌｍ／Ｗ程度の高発光効率をもつ素子を用いたとしても、通常用いられる樹脂基板へのはんだ実装方式では放熱性能が低いため、定格出力は通常１００ｍＷ以下に制限される。その結果、１個のＬＥＤあたり最大でも３ｌｍの光出力に制限されるため、１０００ｌｍを超える光束を実現するためには３３４個以上ものＬＥＤ素子を搭載しなければならないことになり、このままでは小型で高出力の発光光源を作ることはできない。

他方、ＬＥＤ素子を実装する基板を高熱伝導性の金属ベース配線基板に換えることで、放熱性能の改善を図ることは可能である。しかしながら、基板やＬＥＤパッケージがもつ熱抵抗による制限を受けることから、実現されている例としては３０ｌｍ／Ｗ級の発光効率を有するＬＥＤ素子を用い、直径１０ｃｍの領域内に約１０個のＬＥＤ素子を実装したものであり、現状では２００〜３００ｌｍの光束が得られる程度にとどまっている。これ以上に小型で発光出力の高い光源を得るには、より発光効率の高いＬＥＤ素子が開発されるのを待つしかなかった。

本発明の実装技術と放熱技術によれば、将来の高発光効率ＬＥＤ素子の開発を待たずに、高効率で小型の高出力光源を提供することができる。
一実施例によれば、直径３ｃｍの光源装置において、３０ｌｍ／Ｗの発光効率の表面実装型ＬＥＤ素子を１６個実装し、素子あたり１Ｗの出力を与えた状態で、光源中心部の素子ジャンクション（接合部）温度を、冷却温度２５℃に対し５０℃に抑えることができる（後記実施形態１、図１および図２参照）。

また、別の実施例によれば、現時点で最高の発光効率を有する４０ｌｍ／Ｗで１ミリ角のベアチップＬＥＤ素子をフリップチップ実装することにより、ＬＥＤ素子実装数を２８個に増やし、チップの放熱性を向上させてジャンクション温度を６０℃以下にすることができる（後記実施形態２および図３参照）。

それぞれの例における総光束は、前者の例で３０ｌｍ×１６個＝４８０ｌｍであり、後者の例で４０ｌｍ×２８個＝１１２０ｌｍである。いずれもＬＥＤ素子の定格温度８０℃を十分下回っていることから、さらに出力を引き上げることも可能である。

本発明によれば、超小型で大光束の光源が得られるので、小型のプロジェクターや小型の強力スポット光源を実現することができる。その他、高出力であることから、従来キセノンランプや水銀ランプといった高出力光源を必要としていた分野においても、これらの高出力ランプに代えて本発明のＬＥＤ光源装置を適用することが可能と言える。

以下、添付図面に基づき、本発明の実施形態について説明する。図１は本発明の光源装置の一実施形態を示す（Ａ）平面図、（Ｂ）正面図、（Ｃ）側面図、図２は図１の光源装置におけるＬＥＤ実装基板を示す（Ａ）正面図、（Ｂ）側断面図、図３は別の実施形態にかかるＬＥＤ実装基板を示す（Ａ）正面図、（Ｂ）側断面図、図４は集光用反射面が構成する形状を説明するための斜視図である。

［実施形態１］
本実施形態にかかる光源装置１は主に、図１または図２に示す如く、複数のＬＥＤ素子７と、ＬＥＤ素子７が実装された基板２と、ＬＥＤ素子７からの出射光を反射するための反射板３と、反射した出射光をさらに集光するための集光レンズ４と、基板２の実装面と反対側の面に取り付けられた放熱フィン５とにより、構成されている。

基板２には、２６ｍｍ×４３ｍｍのアルミ金属ベース基板が用いられている。このアルミ金属ベース基板２は、図２Ｂに示す如く、厚み２ｍｍのアルミ薄板２ａの上に、熱伝導性絶縁層２ｂが５０〜８０μｍの厚みで形成され、その上に回路パターンが形成された銅箔２ｃおよびアルミ電極２ｄが圧接された構造を有している。ここでアルミ電極２ｄは、光反射面を構成すべく、基板２の実装面のほぼ全域を占めるように形成されているのが好ましい。なお、反射率をさらに高めるべく、このアルミ電極２ｄ上に、酸化チタンやアルミナなどのセラミック白色顔料を混入した電極保護用の絶縁性コーティング材層を設けてもよい。さらに、この絶縁性コーティング材層の上に金属材料をコーティングしてもよい。
そして、銅箔２ｃ上には、コネクタ６およびＬＥＤ素子７が実装されている。なお、基板２の実装面における光反射面（図２Ａにおいて破線に囲まれた領域）以外の面には、銅箔２ｃ上にレジスト層２ｅが設けられている。
また、放熱フィン５が、基板２におけるＬＥＤ素子実装面とは反対側の面（アルミ薄板２ａ）に、熱伝導効果を高めるために取り付けられている。

ＬＥＤ素子７は、図２に示す如く、表面実装型の市販品の中で最も小型である３ｍｍ×２ｍｍのものを用い、はんだ付け接合にて合計１６個実装されている。

反射板３は、基板２の実装面におけるＬＥＤ素子７の実装領域を覆うように、基板２に対して取り付けられている。
また、反射板３は、図１に示す如く、その反射面が基板２の反射面と共に角錐の錐体面を構成するように、形成かつ配置されている。本実施形態では、角錐として最小の錐体面数である正四面体の三角錐を用い、錐体面の一面を基板２の反射面、残り２面を反射板３の反射面とし、さらに、その底面側に平面視円形状の集光レンズ４を配置するように構成されている。
ただし、正四面体の三角錐を利用した場合、張り出した頂点が占有体積を増加させるため、小型化には不利である。ここで、反射面によって反射させた光は、集光レンズ４に導かれる分だけが有効であることから、図４に示す如く正四面体の三角錐の頂部をカットしても、集光効果には影響しないことは明らかである。よって本実施形態では、基板２および反射板３の反射面が構成する形状は、図４に示す如く、錐体面１１と底面１２とにかかる頂部１０をカットした形状になっている。

上記のように構成した光源装置１は、集光のための反射面が銅箔パターンで形成されていると共に角錐の錐体面を構成しているため、全ての出射光がもれなく反射集光されて大光量であると共に超小型である。また、ＬＥＤ実装基板が金属ベース基板であると共に、実装面とは反対側の面に放熱フィンを備えているため、放熱性が非常に高い。

［実施形態２］
本実施形態にかかる光源装置（不図示）は、表面実装型のＬＥＤ素子ではなく、１ｍｍ角のベアチップＬＥＤ素子７’をフリップチップ接合法により、直接基板２上の銅箔２ｃに実装して構成したものである（図３参照）。そして、銅箔２ｃ上のＬＥＤ実装部以外の部分において、そのほぼ全面をアルミ層２ｄで覆うことにより、光反射面（図３Ａにおいて破線に囲まれた領域）を構成している。この場合、アルミニウムと銅のクラッド箔を用いているため、銅箔２ｃの実装部のアルミ層２ｄをエッチングにより除去し、実装部以外のアルミ層を残すことにより、上記構成を容易に実現できる。
なお、それ以外の構成は上記実施形態１と同様であるため説明は省略する。

上記のように構成した光源装置は、実施形態１と同じ実装領域でありながら、２８個ものＬＥＤ素子を実装可能であり、ＬＥＤ素子の占有面積を最小にし、基板におけるＬＥＤ素子実装部以外の実装面を光反射面として有効に使うことができる。

［変形例］
上記実施形態では、基板および反射板が有する反射面の３次元的構成として正四面体の三角錐を用いたが、これに限定するものではなく、四角錐以上を用いてもよい。例えば、正八面体を二つに割ってできる四角錐を用いた場合、角錐頂点から底面への垂線と各錐体面とのなす角（以下、頂角と称する）が大きくなる分だけ大きな照射面積となり、光拡散効果を得ることができる。

ただし、四角錐以上を用いて錐体面数を増加させれば、必然的にその１錐体面の面積は減少せざるを得ない。スポット光源を実現するためには、実装面となる１錐体面の発熱面積を確保することも重要であり、このことからも、錐体面数が最小である三角錐を基本にすることは本発明の主眼である。

正八面体を二つに割ってできる四角錐の頂角は約３５度で、より光拡散効果が高いともいえるが、正四面体の三角錐の頂角が約２０度であることは良好な光収束効果をもたらすため、強力スポット光源としては優れた形態といえる。
なお、より頂角を小さくした三角錐を用いれば、光収束性が求められる場合には有効である。一方、正四面体の三角錐の錐体面の１面をＬＥＤ実装基板の実装面としたことにより、最大の実装面積が得られ、もっとも小型でありながら最大の放熱面積を得られることにもなる。

また、円錐ではなく角錐を用いたことにより、実装基板は平面状のものを用意すればよいことになり、基板製造上低コストで提供できる。

さらに、基板の実装面とは反対側に、標準的な放熱フィンを設置でき、冷却用の小型ファンを取り付けることも容易となった。放熱フィンに小型のファンを直付けして衝突噴流による強制空冷することは、高発熱密度のフィンを冷却する手段として有効である。実施形態２の冷却効果は、同手法を適用することで達成された。

さらに、図１に示したような放熱フィンにカバーを取り付けてフィン部を流路とし、水冷することも容易であり、さらに冷却効果を増大させることも可能である。この場合、上記実施形態で得られた出力の約２倍の出力を得ることも十分可能であり、このとき、最大光束は２０００ｌｍ以上を得られることも推定できることから、商業用プロジェクターの光源として代替が可能となり、広範な用途への普及が期待できる。

本発明の光源装置の一実施形態を示す（Ａ）平面図、（Ｂ）正面図、（Ｃ）側面図である。 図１の光源装置におけるＬＥＤ実装基板を示す（Ａ）正面図、（Ｂ）側断面図である。 別の実施形態にかかるＬＥＤ実装基板を示す（Ａ）正面図、（Ｂ）側断面図である。 集光用反射面が構成する形状を説明するための斜視図である。 錐体面を説明するための図である。

符号の説明

１ 光源装置
２ 基板
２ａ アルミ薄板
２ｂ 絶縁層
２ｃ 銅箔
２ｄ アルミ層
２ｅ レジスト層
３ 反射板
４ 集光レンズ
５ 放熱フィン
６ コネクタ
７、７’ ＬＥＤ素子
１０ 頂部
１１ 錐体面
１２ 底面

Claims (5)

1. 複数のＬＥＤ素子と、前記複数のＬＥＤ素子が実装された基板と、前記複数のＬＥＤ素子からの出射光を集光するための反射面を有する反射板とを備えた光源装置であって、
   前記基板には金属ベース基板またはセラミック基板が用いられ、
   前記基板のうち前記複数のＬＥＤ素子が実装された実装面は、前記反射板と共に前記出射光を集光するための反射面を構成する金属層で覆われ、
   前記基板の実装面および前記反射板の反射面がそれぞれ、角錐が有する錐体面を構成し、
   前記反射板は前記基板の実装面における前記複数のＬＥＤ素子の実装領域を覆うように、前記基板に対して取付けられていることを特徴とする光源装置。
2. 前記基板の実装面は、前記複数のＬＥＤ素子が実装された箇所を除き、前記金属層として機能する配線用電極によって覆われていることを特徴とする請求項１に記載の光源装置。
3. 前記基板の実装面は、前記複数のＬＥＤ素子が実装された箇所を除き、電極保護用の絶縁性コーティング材によって覆われ、前記絶縁性コーティング材の表面が前記金属層として機能する金属材料でコーティング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。
4. 前記複数のＬＥＤ素子は、フリップチップ実装方式によって前記基板に実装されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の光源装置。
5. 前記基板は、前記複数のＬＥＤ素子が実装された実装面と反対側の面に放熱部材を備えていることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の光源装置。

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