JP4544316B2

JP4544316B2 - 光源及び光源実装方法

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Publication number: JP4544316B2
Application number: JP2008059460A
Authority: JP
Inventors: 圭吾須貝
Original assignee: Seiko Epson Corp
Current assignee: Seiko Epson Corp
Priority date: 2008-03-10
Filing date: 2008-03-10
Publication date: 2010-09-15
Anticipated expiration: 2028-03-10
Also published as: US7942552B2; US20090225545A1; JP2009218342A

Description

本発明は、複数の発光体からなる光源及び複数の発光体からなる光源の実装方法に関する。

光源として、複数の発光体を設けることにより、所望の光量を得るようにしたものが提案されている（例えば、特許文献１参照）。
特開２００５−１５３１９３号公報

上述のように複数の発光体を設ける方法においては、限られた領域内に、所望の光量を得ることができるだけの数の発光体を配置する必要があるため、これら発光体を平面上に整列配置することで無駄なく配置するようにしている。
しかしながら、限られた領域で、より大きな光量を出力することの可能な光源が望まれていた。
そこで、この発明は、上記従来の未解決の問題に着目してなされたものであり、限られた領域でより大きな光量を出力することの可能な光源及び光源実装方法を提供することを目的としている。

上記した課題を解決するために、本発明の光源は、略平面な出射面を有する表面実装型の発光体が埋め込み配置された基板が複数積層されてなる基体と、前記基板の前記出射面側の面を下としたとき最下層に位置する最下層基板の前記出射面側に形成され且つ当該最下層基板よりも上層に位置する上層基板に配置された前記発光体の出射光を前記最下層基板の前記出射面側から出射するための光出射部と、前記基体に配置され且つ前記上層基板に配置された前記発光体の出射光を前記光出射部表面まで導く導光手段と、最上層に位置する最上層基板の前記出射面側とは逆側に配置された空冷式の冷却手段と、を備え、前記基体には、各層の前記基板に配置された前記発光体を前記冷却手段により冷却するための通風路が形成され、前記通風路には前記導光手段として光ファイバが配置され且つ前記通風路と前記光ファイバとの間には隙間が形成されていることを特徴としている。
発光体を平面内に配置する場合に比較して、発光体を多層に配置した方が、限られた範囲内により多くの発光体を配置することができ、すなわち単位面積あたりの発光体の配置数を増加させることができる。そして、導光手段により、発光体の出射光を光出射部表面まで導くようにしているから、光出射部側から見て上層の発光体の出射光も含めて光出射部から出射させることができる。したがって、より多くの発光体による出射光を光出射部から出射することができるため、限られた範囲内における光量をより増大させることができる。

また、前記導光手段として光ファイバを用いることにより、発光体の出射光が、導光手段により光出射部表面まで導光される際の、出射光の損失を低減することができる。
また、多層構造の場合、発光体の発熱による熱がこもりやすいが、各層の発光体を冷却手段により冷却するための通風路を基体に設けることにより、容易に放熱させることができると共に、この通風路に光ファイバを設け且つ通風路と光ファイバとの間に隙間を形成するため、通風路を有効に活用することができ、その分、光源の小型化を図ることができる。

さらに、発光体として、表面実装型の発光体を用い、これを基板に埋め込み配置しているから、単に基板を積層することにより、発光体が多層に配置された基体を容易に得ることができる。

上記光源において、前記通風路は、前記発光体の非出射側に通じ且つ前記発光体の側部を通って前記最下層基板の前記出射面側に抜けるように形成されることを特徴としている。

これにより、発光体の非出射側及び側面が冷却されるから、発光体を効果的に冷却することができる。
また、本発明の光源実装方法は、複数の発光体を有する光源の実装方法であって、略平面な出射面を有する表面実装型の発光体が埋め込み配置された基板を複数積層して基体を形成し、前記出射面を下としたとき最下層に位置する最下層基板よりも上層に位置する上層基板に配置された前記発光体の出射光を、前記最下層基板の前記出射面から出射するための光出射部表面まで光ファイバにより導くと共に、最上層基板の前記出射面とは反対側の非出射側に空冷式の冷却手段を設け、前記基体に、各層の前記基板に配置された前記発光体を前記冷却手段により冷却するための通風路を形成し、前記光ファイバを、前記通風路との間に隙間が形成されるように前記通風路に配置することを特徴としている。

発光体を平面内に配置する場合に比較して、発光体を多層に配置した方が、限られた範囲内により多くの発光体を配置することができ、すなわち単位面積あたりの発光体の配置数を増加させることができる。そして、光ファイバにより、発光体の出射光を光出射部まで導くようにしているから、光出射部側から見て上層の発光体の出射光も含めて光出射部から出射させることができる。したがって、より多くの発光体による出射光を光出射部から出射することができるため、限られた範囲内における光量をより増大させることができる。
また、発光体として、表面実装型の発光体を用い、これを基板に埋め込み配置しているから、単に基板を積層することにより、発光体が多層に配置された基体を容易に得ることができる。
さらに、多層構造の場合、発光体の発熱による熱がこもりやすいが、各層の発光体を冷却手段により冷却するための通風路を基体に設けることにより、容易に放熱させることができると共に、この通風路に、光ファイバを設けることにより、通風路を有効に活用することができ、その分、光源の小型化を図ることができる。

以下、本発明の実施の形態を説明する。
まず、第１の参考実施形態の構成を説明する。
図１は、本発明を適用した光源１００の概略構成を示す断面図である。
光源１００は略直方体形状を有し、基体１と、基体１の上に配置されるヒートシンク２
と、ヒートシンク２の上に配置されるファン３と、を備える。
基体１は、同一形状を有する長方形の板状の光源プレート１１及び１２が積層されて構
成され、光源プレート１１の、光源プレート１２と隣接する面とは逆側の面が、光源１０
０の光出射面１００ａを形成している。
光源プレート１１には、複数の発光素子２１が配置される。

図２は、基体１に配置される発光素子２１の配置状況を表す説明図であって、図２（ａ）は基体１の断面図、図２（ｂ）は基体１を上から見たときの各層の発光素子２１を平面視で表した図、図２（ｃ）は基体１を下から見たときの各層の発光素子２１を平面視で表した図である。
光源プレート１１において、発光素子２１は、例えば図２に示すように、前後左右に、発光素子１つ分程度の間隔を開けて配置される。

同様に、光源プレート１２にも、複数の発光素子２１が配置され、且つこれら発光素子２１も、発光素子１つ分程度の間隔を開けて配置されるが、さらに、光源プレート１２に配置される発光素子２１は、図１及び図２に示すように、平面視で、光源プレート１１に配置された発光素子２１間に位置するように配置される。これにより、発光素子２１は、基体１において、図２に示すように，平面視で、発光素子２１どうしがその角部で隣接するように千鳥格子状に配置されることになる。
発光素子２１は、表面実装型の発光ダイオード（ＬＥＤ）等、光出射面が平面である素子で形成される。発光素子２１は略直方体形状を有しその一の端面が光出射面となり、発光素子２１は、その光出射面の表面位置と光源プレート１１又は１２の表面位置とが同等程度となるように光源プレート１１又は１２に埋め込まれて配置される。

積層構造の１層目となる光源プレート１１には、図１に示すように、２層目となる光源プレート１２に配置された発光素子２１の光出射面と対向する位置に、光源プレート１１の発光素子２１の光出射面側、すなわち光出射面１００ａの表面まで垂直に伸びて貫通する導光路１１ａが形成されている。これにより、光源プレート１１及び１２を積層したとき、光源プレート１２の発光素子２１の光出射面と、光源プレート１１の導光路１１ａとが対向し、光源プレート１２の発光素子２１の出射光が導光路１１ａを通って光出射面１００ａまで導かれ、結果的に、１層目の光源プレート１１の発光素子２１の出射光と、２層目の光源プレート１２の発光素子２１の出射光とが光出射面１００ａから出射される。
ヒートシンク２は、光源プレート１２の、光源プレート１１とは逆側の面に積層され、このヒートシンク２にさらにファン３が固定されている。

次に、第１の参考実施形態の作用を説明する。
光源プレート１１に配置された発光素子２１の出射光は、光源１００の出射光として光出射面１００ａからそのまま出射される。一方、光源プレート１１に積層された光源プレート１２の発光素子２１の出射光は、導光路１１ａを通って光源プレート１１中を通過し、光出射面１００ａに導かれて出射される。

したがって、光出射面１００ａからは、光源プレート１１に配置された発光素子２１の出射光と光源プレート１２に配置された発光素子２１の出射光とが出射されることになる。
ここで、発光素子２１を用いる場合、発熱の点、或いは信号線の引き回しの点等から、発光素子２１をある程度の隙間を開けて配置する必要がある。そのため、隙間を開ける分だけ発光素子２１を配置可能な面積は減少し、また、光源プレートという限られた平面内に発光素子２１を配置した場合、光源プレートに配置可能な発光素子２１の数は、ある程度制限される。

しかしながら、上述のように、複数の発光素子２１が配置された光源プレート１１及び１２を積層し、光源プレート１１及び１２の双方に配置された発光素子２１の出射光を光源１００の出射光として光出射面１００ａから出射するようにしている。そして、光源プレート１１及び１２には、それぞれの光源プレートに配置された発光素子２１間を補完するように、発光素子２１が配置されている。このため、積層方向の占有領域は大きくなるものの、光源１００の光出射面１００ａを底面とする限られた領域内において、より多くの発光素子２１を配置することができるため、光出射面１００ａ当たりの発光量を増大させることができる。

このとき、光源プレート１２の発光素子２１は、光源プレート１１に配置された発光素子２１間の隙間を補完するように配置されており、光出射面１００ａでは、満遍なく分散して配置された発光素子２１から光出射が行われる。このため、光出射面１００ａ内において光度が偏ることを回避し、略均一な光度とすることができる。
また、特に表面実装型のＬＥＤ等の場合には、発熱の点を考慮する必要があるが、上述のように、光源プレート１２の上層にヒートシンク２及びファン３を設け、これらにより基体１の冷却を図っているため、光源１００の温度上昇を抑制することができる。

また、上述のように、光源プレート１１及び１２を積層することにより、光出射面１００ａの面積を増大することなく光量を増大することができる。言い換えれば、光出射面１００ａの面積をより小さくしたとしても所望の光量を得ることができるから、光源１００の小型化を図ることができる。
また、発光素子２１を、光源プレートに最低必要な隙間を開けて配置する場合に比較して、光源プレート内における発光素子２１の間隔が広いから、発光素子２１を冷却しやすい。

なお、上記第１の参考実施形態においては、光源１００には、冷却手段として、ヒートシンク２とファン３とを設けた場合について説明したが、必ずしもこれら両方を備えている必要はなく、何れか一方のみを備える場合であっても適用することができる。
また、ヒートシンク２及びファン３を、基体１と一体に設ける必要はなく、例えば、ファン３を別体として設け、このファン３により冷却を図るようにしてもよい。

次に、本発明の第２の参考実施形態を説明する。
この第２の参考実施形態は、上記第１の参考実施形態において、基体１の構成が異なること以外は上記第１の参考実施形態と同様であるので、同一部には同一符号を付与し、その詳細な説明は省略する。
図３は、第２の参考実施形態における光源１００の概略構成を示す断面図である。また、図４は、後述の基体４１に配置される発光素子２１の配置状況を表す説明図であって、図４（ａ）は基体４１の断面図、図４（ｂ）は基体４１を上から見たときの各層の発光素子２１を平面視で表した図、図４（ｃ）は基体４１を下から見たときの各層の発光素子２１を平面視で表した図である。

第２の実施の形態における光源１００は、図３に示すように、基体４１と、基体４１の上に載置されるファン４２とを備える。
基体４１は、同一形状を有する長方形の板状の光源プレート５１及び５２が積層されて構成され、光源プレート５１の、光源プレート５２と隣接する面とは逆側の面が、光源１００の光出射面１００ａを形成している。

光源プレート５１及び５２には、図４に示すように、上記第１の参考実施形態と同様に、複数の発光素子２１が所定間隔を開けて、且つ互いに発光素子２１間の隙間を補完するように配置されている。
また、図５に示すように、光源プレート５１には、光源プレート５２に配置された発光素子２１の出射光を光源１００の光出射面１００ａに導くための導光路５１ａが形成されている。さらに、光源プレート５１には、光源プレート５２と隣接する面から光源プレート５１に配置された発光素子２１を経由して、発光素子２１の光出射面側に貫通する通風路５１ｂと、導光路５１ａに連通する通風路５１ｃとが形成されている。

一方、光源プレート５２には、光源プレート５１と隣接する側とは逆側の面から光源プレート５２に配置された発光素子２１を介して、発光素子２１の光出射面側に貫通する通風路５２ａが形成されている。また、光源プレート５２に配置された発光素子２１間には、光源プレート５２を貫通して垂直に伸びる通風路５２ｂが形成されている。この通風路５２ｂは、光源プレート５１及び５２を積層したときに光源プレート５１に形成された通風路５１ｂと連通可能な位置に形成される。
なお、図５は、通風路５１ｂ及び５１ｃ、通風路５２ａ及び５２ｂの詳細を表す説明図であって、（ａ）は正面から見た断面図、（ｂ）は下面図、（ｃ）は側面から見た断面図である。

光源プレート５１の通風路５１ｂは、光源プレート５１の、光源プレート５２と隣接する面から発光素子２１の非出射面側まで鉛直に伸びる第１の通風路５１１と、第１の通風路５１１に連通する第２の通風路５１２とから構成される。この第２の通風路５１２は、発光素子２１のアノード及びカソード端子への配線を妨げない位置に形成される。例えば、図５（ａ）に示す正面から見た断面図において、手前側を前、向こう側を後ろとし、発光素子２１の左右にアノード及びカソード端子があるものとすると、第２の通風路５１２は、これらアノード及びカソード端子への配線位置を避けて、発光素子２１の前後の側面と対向する位置に、発光素子２１の上面から発光素子２１の側面に沿って形成される。また第２の通風路５１２は、発光素子２１の前後の側面の幅よりも狭い幅に形成され、前後の側面の幅方向中央部近傍と対向する位置に形成される。そして、第２の通風路５１２の一端は、発光素子２１の上面位置で第１の通風路５１１と連通し、他端は、光源プレート５１の光出射面の表面位置まで形成される。このため、光源プレート５１の、光源プレート５２と隣接する面から第１の通風路５１１を経由して発光素子２１の非出射面側に至り、続いて第２の通風路５１２を介して発光素子２１の上部から側面を通って光源プレート５１の光出射面側に至る通風路が形成されることになる。

一方、通風路５１ｃは、図５に示すように、光源プレート５２の発光素子２１の前後方向の前位置及び後位置と向かい合う、光源プレート５１側の位置に形成され、且つ、導光路５１ａの縁から、対向する光源プレート５２側の発光素子２１の側面位置よりもやや長い位置まで溝状に形成され、光源プレート５１及び５２が積層されたとき、光源プレート５２側の発光素子２１の側面と対向する位置で、光源プレート５２側の通風路５２ａと連通する。

この光源プレート５２側の通風路５２ａは、図５に示すように、光源プレート５１の通風路５１ｂと同一形状に形成される。
また、光源プレート５２の通風路５２ｂは、図５に示すように、光源プレート５２を貫通して垂直に伸びて形成され、光源プレート５１及び５２を積層したときに光源プレート５１の通風路５１ｂと連通するように形成される。

これによって、光源プレート５１と光源プレート５２とを積層すると、光源プレート５２の、光源プレート５１と隣接する面とは逆側の面から通風路５２ａを通り光源プレート５２の発光素子２１の非出射面側及び側面を通って、通風路５１ｃから導光路５１ａに連通して光出射面１００ａ側に連通する通風路が形成される。
また、光源プレート５２の通風路５２ｂと光源プレート５１の通風路５１ｂとが連通して、光源プレート５２の、光源プレート５１と隣接する面とは逆側の面から通風路５２ｂ、通風路５１ｂを通り、光源プレート５１の発光素子２１の非出射面側及び側面を通って、光出射面１００ａ側に連通する通風路が形成される。
図３に戻って、ファン４２は、光源プレート５２の、光源プレート５１と隣接する面とは逆側の面に配置される。

次に、第２の参考実施形態の作用を説明する。
上記第１の参考実施形態と同様に、光源プレート５１に配置された発光素子２１の出射光は、光源１００の出射光として光出射面１００ａからそのまま出射される。また、光源プレート５１に積層された光源プレート５２の発光素子２１の出射光は光源プレート５１に形成された導光路５１ａを通って光源プレート５１中を通過し、光出射面１００ａに導かれて出射される。

一方、前述のように、光源プレート５１及び５２を積層することにより基体４１には、光源プレート５２の通風路５２ｂ及び光源プレート５１の通風路５１ｂからなる、基体４１のファン４２側の面から光出射面１００ａ側に貫通する通風路が形成される。このため、例えばファン４２が吸い込み式のファンである場合には、ファン４２を作動させることにより、通風路５１ｂから通風路５２ｂを通って基体４１のファン４２側に抜けるように風が流れ、光源プレート５１の発光素子２１の非出射面側及び側面が冷却される。

また、基体４１には、光源プレート５２の通風路５２ａ、光源プレート５１の通風路５１ｃ及び導光路５１ａからなる、基体４１のファン４２側から光出射面１００ａ側に貫通する通風路が形成される。このため、ファン４２を作動させることにより、導光路５１ａ、通風路５１ｃ、及び通風路５２ａを通って、基体４１のファン４２側に抜けるように風が流れ、光源プレート５２の発光素子２１の非出射面側及び側面が冷却される。
ここで、発光素子２１を積層した場合、放熱効率が悪くなってしまうが、上述のように通風路及び導光路を利用して発光素子２１を冷却しているから、効果的に冷却することができ、温度上昇を抑制することができる。

特に、通風路を発光素子２１の非出射面側まで導き、発光素子２１を直接冷却しているから、効率よく冷却することができる。
また、光源プレート５２の発光素子２１の出射光を光出射面１００ａに導くための導光路５１ａを、通風路として流用しているため、新たに通風路を設ける手間を省くことができると共に、その分、光源プレートの小型化を図ることができる。
なお、上記第１の参考実施形態と同等の作用効果を得ることができることはいうまでもない。

次に、本発明の実施の形態を説明する。
上記各参考実施形態においては、導光手段として、導光路１１ａ、５１ａを形成し、導光路により、２層目の光源プレートに配置された発光素子２１の出射光を光出射面１００ａに導く場合について説明したが、これに限るものではない。
導光手段として、導光路１１ａ、５１ａに替えて光ファイバを配置し、光ファイバにより、発光素子２１の出射光を光出射面１００ａに導くようにしてもよい。光ファイバを用いることにより、発光素子２１の出射光を導光する際の、光の損失を低減することができるため、より効果的である。

また、このように光ファイバを用いる場合、第２の参考実施形態のように通風路を形成して冷却を行う場合には、図６に示すように、導光路５１ａを通風路として用い、この通風路内に光ファイバ６０を配置し、導光路５１ａの内周と光ファイバ６０との間に隙間を形成することで、通風路を確保するようにしてもよい。
また、このように、光ファイバを用いて導光する場合には、必ずしも、発光素子２１間の隙間を、他の層の発光素子２１により補完するように配置しなくてもよい。すなわち、各層の発光素子２１の出射光を、光出射面１００ａに均等に導光することができればどのように配置してもよい。

（応用例１）
上記各参考実施形態においては、光源プレートを２層積層して基体１又は４１を形成する場合について説明したが、これに限るものではなく、例えば図７に示すように、光源プレートを３層積層してもよく、また、３層以上積層してもよい。
このように、光源プレートを３層以上積層することにより、その分、一つの光源プレートに配置される発光素子２１の数が削減されるため、熱が分散されることになり、また一つの光源プレートに導光路や通風路がより多く形成されるため、その分、冷却効率をより向上させることができる。

（応用例２）
上記各参考実施形態においては、平面視で見て発光素子２１が千鳥格子状に配置される場合について説明したが、これに限るものではなく、発光素子２１どうしの間隔は、１つの発光素子２１の照射可能領域の大きさや、必要とする光量等に基づいて任意に設定すればよい。また、必ずしも整列配置する必要はなく、平面視で重ならないように配置し、且つ光出射面１００ａ内で、光度に偏りが生じないように配置すればよい。

（応用例３）
上記各参考実施形態においては、表面実装型の発光素子２１を光源プレートに埋め込み、光源プレートどうしを密着させて積層する場合について説明したが、必ずしも密着させて積層する必要はない。複数の層を例えばスペーサを介して積層するようにしてもよく、この場合には、層間に、上層の光源プレートに配置された発光素子２１の出射光を出射面まで導くための導光路を設ければよい。また、このように、スペーサ等を介して積層する場合には、発光素子２１として、表面実装型の発光素子に限らず、砲弾型等の発光素子を適用することも可能である。

また、発光素子２１として、ＬＥＤに限るものではなく、半導体レーザなどを適用することもできる。
また、発光素子２１を光源プレートに埋め込み配置する際に、発光素子２１と光源プレートとの間に、熱伝導率の高い絶縁材料を注入して冷却性を高めるようにしてもよい。
なお、上記参考実施形態において、光出射面１００ａが光出射部に対応し、発光素子２１が発光体に対応し、導光路１１ａ、５１ａが導光手段に対応している。また、光源プレート１１、１２、５１、５２が基板に対応し、ファン３が冷却手段に対応している。

本発明における光源の一例を示す断面図である。発光素子の配置状況を説明するための図である。第２の参考実施形態における光源の一例を示す断面図である。第２の参考実施形態における発光素子の配置状況を説明するための図である。図３の通風路の詳細を説明するための図である。基体のその他の例を示す概略構成図である。基体のその他の例を示す概略構成図である。

符号の説明

１基体、２ヒートシンク、３ファン、１１光源プレート、１１ａ導光路、１２光源プレート、４１基体、４２ファン、５１光源プレート、５１ａ導光路、５１ｂ通風路、５１ｃ通風路、５２光源プレート、５２ａ通風路、５２ｂ通風路、１００光源

Claims

略平面な出射面を有する表面実装型の発光体が埋め込み配置された基板が複数積層されてなる基体と、
前記基板の前記出射面側の面を下としたとき最下層に位置する最下層基板の前記出射面側に形成され且つ当該最下層基板よりも上層に位置する上層基板に配置された前記発光体の出射光を前記最下層基板の前記出射面側から出射するための光出射部と、
前記基体に配置され且つ前記上層基板に配置された前記発光体の出射光を前記光出射部表面まで導く導光手段と、
最上層に位置する最上層基板の前記出射面側とは逆側に配置された空冷式の冷却手段と、
を備え、
前記基体には、各層の前記基板に配置された前記発光体を前記冷却手段により冷却するための通風路が形成され、
前記通風路には前記導光手段として光ファイバが配置され且つ前記通風路と前記光ファイバとの間には隙間が形成されていることを特徴とする光源。
前記通風路は、前記発光体の非出射側に通じ且つ前記発光体の側部を通って前記最下層基板の前記出射面側に抜けるように形成されることを特徴とする請求項１記載の光源。
複数の発光体を有する光源の実装方法であって、
略平面な出射面を有する表面実装型の発光体が埋め込み配置された基板を複数積層して基体を形成し、
前記出射面を下としたとき最下層に位置する最下層基板よりも上層に位置する上層基板に配置された前記発光体の出射光を、前記最下層基板の前記出射面から出射するための光出射部表面まで光ファイバにより導くと共に、
最上層基板の前記出射面とは反対側の非出射側に空冷式の冷却手段を設け、前記基体に、各層の前記基板に配置された前記発光体を前記冷却手段により冷却するための通風路を形成し、
前記光ファイバを、前記通風路との間に隙間が形成されるように前記通風路に配置することを特徴とする光源の実装方法。