JP5851017B2 - 複数の発光素子を実装するための基板 - Google Patents

Description

本発明は、複数の発光素子を実装するための基板及び当該基板を製造する方法に関する。本発明は更に、当該基板を含む光出力デバイス及び当該光出力デバイスを組み立てる方法に関する。

今日では、プリント回路基板（ＰＣＢ）上に実装された発光ダイオード（ＬＥＤ）といった、基板上に実装された発光素子は、照明デバイスに用いられることが多くなってきている。所望のビーム形状を生成するためには、このようなＬＥＤに基づいた照明デバイスは、しばしば、各ＬＥＤについて配置されるコリメータといった光学素子を有する光学系を含む。その一例として、図１に、複数のコリメータ１０２を有する光学系１０１が、ＰＣＢ１０４上に実装された複数のＬＥＤ１０３上に配置されている既知の照明デバイス１００が概略的に示される。

図１の光学系の性能を最適化するためには、各ＬＥＤは、その対応するコリメータに対し位置合わせされなければならない。このことは、コリメータを調節することによって、又は、各ＬＥＤが別個のプリント回路基板（ＰＣＢ）上に実装される場合は、ＬＥＤがその上に配置されたプリント回路基板の位置を調節することによって、行うことができる。しかし、ＬＥＤの組み立て及び／又は交換可能性を促進するためには、通常、複数のＬＥＤがその上に配置された１つのプリント回路基板を使用することが好適である。したがって、プリント回路基板上にＬＥＤが実装された後、ＬＥＤは、互いに対し固定位置を有する。このことは、光学系において唯一残されたアライメントは、コリメータの調節であることを意味するが、これは、非常に不便であり、製造において時間のかかる工程である。

したがって、発光素子が同じ基板上に実装される場合でも、当該発光素子のそれらの対応する光学素子に対するアライメントを容易にする必要がある。

本発明は、この問題を解決し、発光素子が同じ基板上に実装される場合でも、当該発光素子のそれらの対応する光学素子に対するアライメントを容易にすることを目的とする。

本発明の一態様では、この目的及び他の目的は、第１の発光素子の接続のための第１の導体パッドが設けられた第１のセグメントと、第２の発光素子の接続のための第２の導体パッドが設けられた第２のセグメントとを含み、基板には、基板の平面において、基板に機械的力を加えることによって、基板の第１のセグメントと基板の第２のセグメントとの間に相対移動が実現されるように、基板の端から基板内のポイントまで延在する少なくとも１つの貫通孔が設けられている、当該基板によって実現される。

本発明は、基板の端から基板内のポイントまで延在する少なくとも１つの貫通孔を提供することによって、剛性基板の様々なセグメントが、基板の平面において、互いに対して移動できるように、当該基板の撓み性を高めることが可能であるという理解に基づく。発明者は更に、そのような貫通孔を適切に配置することによって、基板の平面において、基板に加えられた機械的力に応答して、第１の発光素子の接続のための第１の導体パッドと第２の発光素子の接続のための第２の導体パッドとの間に相対移動が可能となることを理解した。これにより、（第１及び第２の導体パッドに固定して実装される）第１及び第２の発光素子間の相対位置を変更することができ、したがって、第１及び第２の発光素子のそれぞれが、対応する光学素子に位置合わせされることが可能となる。これは、光学部品を調節する必要なく複数のキャビティを有する光学系に対する非常に正確なアライメントを可能にし、したがって、製造において、より便利で時間効率的な工程が可能となる。更に、発光素子は単一の基板上に配置されるので、発光素子が別個の基板上に配置されるデザインに比べて依然として簡単な組み立て及び／又は交換可能性が可能である。

当業者によって認識されるように、貫通孔の形状及びサイズは多様である。しかし、貫通孔は、基板の平面を貫通する実質的に直線の細長い溝、チャネル又はスリットといった細長い形状を有することが好適である。

基板には、複数の貫通孔が設けられてよく、貫通孔のそれぞれは、基板の端から基板内のポイントまで延在する。貫通孔の数を増加することによって、撓み性を高めることができる。貫通孔の長さを増加することによっても撓み性は高められる。

一実施形態では、貫通孔はＬ字型である。Ｌ字型貫通孔は、その両側のセグメントを基板の平面の両次元において移動可能にする。これにより、基板の平面における任意の方向に沿って発光素子の位置を調節し易くなり、したがって、アライメントが容易となる。

複数の貫通孔のサブセットは、基板の第１の端から延在する一方で、残りの貫通孔は、第１の端とは反対側の基板の第２の端から延在してよい。

基板内に位置付けられた貫通孔の端は、丸みを帯びた形状であることが好適である。丸みを帯びた形状の利点は、屈曲時に基板の大きい面積に亘って応力が分散され、これにより基板が折れるリスクが減少する点である。

基板は、プリント回路基板（ＰＣＢ）といった導体パッドへの電気的接続を提供する配線が設けられた（剛性）非導電性基板であってよい。配線及び導体パッドは、例えば接着剤によって取り付けられるディスクリート要素、又はプリント回路基板上に例えばエッチングされてもよい。プリント回路基板といった従来の基板からフレキシブル基板への変換は、費用効率の高い解決策を可能にするという利点がある。

更に、本発明による基板は、光出力デバイスに有利に含まれてよく、当該光出力デバイスは、第１の導体パッドに接続された第１の発光素子と、第２の導体パッドに接続された第２の発光素子とを更に含む。

光出力デバイスは、第１の発光素子から受光することを目的とする第１の光学素子と、第２の発光素子から受光することを目的とする第２の発光素子とが設けられた光学系を更に含んでよく、第１及び第２の発光素子のそれぞれは、基板に機械的力を加えることによって、その対応する光学素子に位置合わせされる。

基板及び光学系は、アライメント時に合せられる対応する基準素子のセットを含んでよく、そのため、より正確なアライメントが実現される。

基板上の基準素子のセットは、基準孔のセットであり、光学系上の基準素子のセットは、基準孔に合せられる対応する突起のセットであってよい。この解決策は、一般的に、基板に突起があり光学系に基準孔がある解決策に比べて製造がより簡単である。突起は、光学系の突起が基準孔内に挿入されると当該突起が基板の様々なセグメントを正しい位置に押すように、テーパ形か又は面取りをした端を有してもよい。

本発明の別の態様では、フレキシブル基板を製造する方法が提供される。当該方法は、第１の発光素子の接続のための第１の導体パッドが設けられた第１のセグメントと第２の発光素子の接続のための第２の導体パッドが設けられた第２のセグメントとを含む基板を提供するステップと、基板の平面において、基板に機械的力を加えることによって、基板の第１のセグメントと基板の第２のセグメントとの間に相対移動が実現されるように、基板の端から基板内のポイントまで延在する少なくとも１つの貫通孔を形成するステップとを含む。

この態様は、先の態様に関連して説明したものと同様の利点を提供する。

基板への貫通孔の形成には、基板に（円形の）貫通孔を作ることと、貫通孔から基板の端まで切れ目を作ることとが含まれる。このようにすると、屈曲時に基板の大きい面積に亘って応力が分散され、これにより基板が折れるリスクが減少するように、貫通孔の内側端においてより幅広の貫通孔を形成することができる。しかし、貫通孔は他の方法で作られてもよい。例えば貫通孔は、所望の形状を実現するためにパンチ加工又はフライス加工されてよい。

当該方法は、基板に基準素子のセットを設けるステップを更に含む。基準素子は、発光素子のその対応する光学素子に対するアライメントを容易にする。

更に、本発明による基板を製造する方法は、光出力デバイスを組み立てる方法に有利に組み込まれてもよく、当該方法は、基板上の第１の導体パッドに第１の発光素子を、基板上の第２の導体パッドに第２の発光素子を実装するステップを更に含む。

当該方法は、第１の発光素子から受光することを目的とする第１の光学素子と、第２の発光素子から受光することを目的とする第２の光学素子とが設けられた光学系を提供するステップと、光学系を発光素子上に配置するステップと、基板に機械的力を加えることによって、第１及び第２の発光素子のそれぞれをその対応する光学素子に位置合わせするステップとを更に含む。アライメント時、光学系上の基準素子のセットは、基板上の対応する基準素子のセットと合せられる。

なお、本発明は請求項に記載される特徴の全ての可能な組み合わせに関する。

本発明の実施形態を示す添付図面を参照して、本発明のこれらの及び他の態様が以下により詳細に説明される。

図１は、従来技術による複数のコリメータを有する光学系を備えたＬＥＤに基づく照明デバイスを概略的に示す。 図２は、本発明の一実施形態による基板を概略的に示す。 図３ａは、１次元の撓み性を実現する貫通孔の様々な構成を概略的に示す。 図３ｂは、１次元の撓み性を実現する貫通孔の様々な構成を概略的に示す。 図３ｃは、１次元の撓み性を実現する貫通孔の様々な構成を概略的に示す。 図４は、２次元の撓み性を実現する貫通孔の構成を概略的に示す。 図５は、本発明の一実施形態による光出力デバイスを概略的に示す。 図６は、本発明の一実施形態による光出力デバイスを製造するステップを示すフローチャートである。 図７ａは、発光素子とそれらの対応する光学素子とのアライメントを概略的に示す。 図７ｂは、発光素子とそれらの対応する光学素子とのアライメントを概略的に示す。

図２は、本発明の一実施形態による基板１を概略的に示す。基板１は、第１の発光素子の接続のための第１の導体パッド２２ａが設けられた第１のセグメント５ａと、第２の発光素子の接続のための第２の導体パッド２２ｂが設けられた第２のセグメント５ｂとを含む（剛性の）非導電性基板である。任意選択的に、基板は、より多くの発光素子が基板に接続可能であるように追加の導体パッドを含む。例えば図２に示される実施例では、基板の第３のセグメント５ｃへの第３の発光素子の接続のための第３の導体パッド２２ｃがある。基板は、任意の所望の構成で導体パッドを接続するように基板内及び／又は基板上に作られた導電路も含む。これは例えばＩＭＳ基板（ＭＣＰＣＢ）又はＦＲ４基板といった従来のプリント回路基板（ＰＣＢ）を用いることによって実現される。

基板１には、基板の平面において、基板の第１のセグメント５ａと基板の第２のセグメント５ｂとの間に相対移動が実現されるように、基板の端８、９から基板内のポイント２０まで延在する第１のセットの貫通孔６ａ−ｃが設けられている。したがって、各貫通孔の内側端２０に位置付けられる基板の一部が、基板の平面において、セグメント５ａ−ｂに加えられる機械的力に応答して隣接するセグメント５ａ−ｂ間に相対移動を可能にする撓み性のあるヒンジとして機能するような構成である。

単一の貫通孔６ａで十分ではあるが、撓み性を増加するために、しばしば、追加の貫通孔を設けることが好適である。例えば図２に示される実施例では、第１の導体パッド２２ａと第２の導体パッド２２ｂとの間に配置された３つの貫通孔６ａ−ｃがある。各貫通孔は、ここでは、基板を貫通する溝、チャネル又はスリットといった直線の細長い形状を有する。屈曲された場合に基板が折れるリスクを減少するために、貫通孔は、貫通孔の内側端２０において丸みを帯びた形状を有することが好適である。

更に、隣接する貫通孔は、基板の両端から延在することが好適である。例えば図２に示される実施例では、第１のセットの貫通孔６ａ−ｃでは、そのうちの２つの貫通孔６ａ、６ｃは第１の端８から延在し、２つの他の貫通孔の間に位置付けられている第３の貫通孔６ｂは、第１の端とは反対側の基板の第２の端９から延在する。

当業者によって認識されるように、他の導体パッドに関連して移動可能であるべき追加の導体パッドがある場合、基板には追加のセットの貫通孔が形成される。例えば図２に示される実施例では、第３の導体パッド２２ｃが第２の導体パッド２２ｂに関連して移動可能であるように、基板の端８、９から基板内のポイントまで延在する第２のセットの貫通孔７ａ−ｃがある。これにより、基板の平面において、基板上のすべての導体パッド２２ａ−ｃ間の相対移動が可能となる。

図２及び図３ａに示される貫通孔は、主に、貫通孔の延長方向に実質的に垂直な第１の方向（図３ａにおいてＸ方向と示される）に沿ったセグメント間の（１次元の）相対移動を可能にする。当業者によって認識されるように、この所望の効果は、他の形状の貫通孔でも実現される。図３ｂ−ｃに、セグメント間に１次元の相対移動を実現する代替形状を有する貫通孔の２つの実施例が示される。

基板の平面の両次元（図４においてｘ及びｙ方向と示される）において、貫通孔の両側にある基板のセグメントが互いに対して移動可能であるように貫通孔をデザインすることも可能である。これは、図４に示されるように、１つ以上のＬ字型の貫通孔（６ａ−ｂ）を使用することによって実現される。

図５は、本発明の一実施形態による光出力デバイスを概略的に示す。

ここでは、光出力デバイスは、図２に関連して上述した基板１を含む。第１の発光素子２ａは、基板１上の第１の導体パッド２２ａに電気的かつ熱的に接続され、第２の発光素子２ｂは、基板上の第２の導体パッド２２ｂに電気的かつ熱的に接続される。図５に示される実施例では、基板上の第３の導体パッド２２ｃに接続された第３の発光素子２ｃもある。各発光素子は、導体パッド上に直接実装されたチップ又はダイといった発光ダイオード（ＬＥＤ）であってよい。光出力デバイスは更に、発光素子の駆動及び制御に必要な構成要素も含む。

光出力デバイスは更に、発光素子上に配置された光学系１０を含む。光学系は、第１の発光素子２ａから受光することを目的とする第１の光学素子１１ａと、第２の発光素子２ｂから受光することを目的とする第２の光学素子１１ｂとを含む。任意選択的に、光学系は、追加の発光素子から受光することを目的とする追加の光学素子を含む。例えば図３に示される実施例では、第３の発光素子２ｃから受光することを目的とする第３の光学素子１１ｃがある。

ここでは、光学素子は平行反射器である。各平行反射器は、当技術分野において周知であるように、反射面（例えば反射面が設けられたキャビティとして）を使用するか、又は、全反射（ＴＩＲ）（ポリカーボネート又はＰＭＭＡによって作られた本体部を使用することによって）に基づく。

基板上の発光素子２ａ−ｃに対する光学素子１１ａ−ｃの適切なアライメントを確実にするために、基板１と光学系１０とには、対応する基準素子１２、１３のセットが設けられていることが好適である。例えば光学系は、基板の１つ以上の対応基準孔１２と合わさる１つ以上の突起１３（例えばピン）を含む。または、この反対であってもよい。基準素子は、十分な精度を確実にするために発光素子の付近に配置されることが好適である。

任意選択的に、基板はヒートシンクといった放熱素子１８に熱的に接続される。

光出力デバイスの動作時、基板の導電性トレースを介して発光素子に電流が供給され、これにより発光素子が発光する。放射光の放射パターンは、光学系の光コンポーネントによって整形される。ここでは、放射光は平行にされる。更に、発光素子によって発生された熱は、発光素子を冷却するために基板からヒートシンクへの直接熱接触によって伝達される。

図６のフローチャートを更に参照して、本発明の一実施形態によるフレキシブル基板を製造する方法が以下に説明される。

ステップＳ１において、（剛性の）非導電性基板１が提供される。基板は、第１の発光素子２ａの接続のための第１の導体パッド２２ａが設けられた第１のセグメント５ａと、第２の発光素子２ｂの接続のための第２の導体パッド２２ｂが設けられた第２のセグメント５ｂとを含む。基板は、所望の構成に基板上の様々なコンポーネントを接続するように基板内及び／又は基板上に作られた導電路を含む。基板は、一般的に、ＩＭＳ基板（ＭＣＰＣＢ）又はＦＲ４基板といった従来のプリント回路基板（ＰＣＢ）であってよい。

ステップＳ２において、貫通孔６ａ−ｃのセットが基板に形成される。貫通孔６ａ−ｃは、基板の端から基板内のポイントまで延在し、基板の平面において、基板に加えられた機械的力に応答して、基板の第１のセグメント５ａと基板の第２のセグメント５ｂとの間に相対移動が実現されるように配置される。例えば各貫通孔は、基板に最初の（円形）貫通孔２０を作り、次に、その最初の貫通孔２０から基板の端までの切れ目（基板の平面を貫通する）を作ることによって形成される。しかし、貫通孔は、パンチ加工又はフライス加工といった他の方法で形成されても他の形状であってもよい。更に、電気的レイアウトは、基板の端８、９と貫通孔の内側端２０との間に形成された基板の小さいブリッジに沿って配線３が延在するようにデザインされていることに留意されたい。

ステップＳ３において、基準素子１２のセットが基板に形成されることが好適である。各基準素子は、光学系の対応突起１３を受容する基板の基準孔１２である。基準素子は、発光素子の付近に配置されることが好適である。

図６を参照して、本発明の一実施形態による光出力デバイスを組み立てる方法が以下に説明される。

ステップＳ４において、発光ダイオード（ＬＥＤ）といった発光素子が、ステップＳ１−Ｓ３に従って製造された基板の導体パッドに実装される。したがって、第１の発光素子２ａは基板上の第１の導体パッドに接続され、第２の発光素子２ｂは第２の導体パッドに接続される。これは、基板をはんだ治具（図示せず）内に配置し、はんだによって発光素子を導体パッドに接続させることによって実現される。発光素子は、基準素子に対して所定の位置に実装されることに留意されたい。したがって、精度を高め、各発光素子が基板上の（基板の基準素子１２に対する）その意図する位置に実装されることを確実にするためには、はんだ治具には、基板上の基準素子１２と光学素子によって使用される基準素子に対応する基準素子（例えば突起又はピン）とのセットが設けられていることが好適である。

ステップＳ５において、複数の光学素子１１ａ−ｂを有する光学系１０が提供される。ここでは、光学系は、第１の発光素子２ａから受光することを目的とする第１の光学素子１１ａと、第２の発光素子２ｂから受光することを目的とする第２の光学素子１１ｂとを含む。

ステップＳ６において、光学系１０は、発光素子２ａ−ｂ上に配置される。

ステップＳ７において、各発光素子は、基板の平面において、基板のセグメント５ａ−ｂに力を加えることによって各発光素子の位置を個別に調節することによってその対応する光学素子に対して位置合わせされる。図７ａ−ｂに示されるように、これは、光学系のテーパ形突起１３が基板の基準孔１２内に挿入されたときに、基板の様々なセグメントがそれらの適切な位置（即ち、発光素子がその対応する光学素子に位置合わせされる位置）に移動させる光学系上の突起１３を使用することによって実現される。図７ｃに示されるように、光学系は、光学系が発光素子上に配置される場合に基板の端を押す面取りをした端を有する突起を有してもよい。

アライメント時に可能である発光素子の変位量は様々で、貫通孔の長さ及び数に依存する。通常は、約±０．５ｍｍ以上で２つの隣接する発光素子間の距離を変更することが可能である。

当業者は、本発明は決して上述された好適な実施形態に限定されないことを認識する。それどころか、多くの変更及び変形が、添付の特許請求の範囲内で可能である。例えば本発明は平行反射器を有する光学系に限定されず、上述された発明は、レンズ、ＴＩＲ光学部品又はライトガイドといった光コンポーネントとの発光素子の個別のアライメントが所望される、基板上の発光素子を使用するあらゆる用途に有利に使用される。光出力デバイスは、自動車のヘッド／テールライト及びスポットライトといった様々な用途に使用される。

Claims (11)

1. 第１の導体パッドと、前記第１の導体パッドに接続された第１の発光素子とが設けられた第１のセグメントと、
   第２の導体パッドと、前記第２の導体パッドに接続された第２の発光素子とが設けられた第２のセグメントと、
   を有する基板を含む光出力デバイスであって、
   前記基板には、前記基板の平面において、前記基板に機械的力を加えることによって、前記基板の前記第１のセグメントと前記基板の第２のセグメントとの間に相対移動が実現されるように、前記基板の端から前記基板内のポイントまで延在する少なくとも１つの貫通孔が設けられ、
   前記光出力デバイスは、前記第１の発光素子から受光することを目的とする第１の光学素子と、前記第２の発光素子から受光することを目的とする第２の光学素子とが設けられた光学系を更に含み、前記第１及び第２の発光素子のそれぞれは、前記基板に機械的力を加えることによって、その対応する光学素子に位置合わせされる、光出力デバイス。
2. 前記基板には、複数の貫通孔が設けられ、前記貫通孔のそれぞれは、前記基板の端から前記基板内のポイントまで延在する、請求項１に記載の光出力デバイス。
3. 前記複数の貫通孔のサブセットは、前記基板の第１の端から延在する一方で、残りの貫通孔は、前記第１の端とは反対側の前記基板の第２の端から延在する、請求項２に記載の光出力デバイス。
4. 前記貫通孔はＬ字型である、請求項１乃至３の何れか一項に記載の光出力デバイス。
5. 前記基板内に位置付けられた前記貫通孔の端は、丸みを帯びた形状である、請求項１乃至４の何れか一項に記載の光出力デバイス。
6. 前記基板は、プリント回路基板（ＰＣＢ）といった前記第１及び第２の導体パッドへの電気的接続を提供する配線が設けられた非導電性基板である、請求項１乃至５の何れか一項に記載の光出力デバイス。
7. 前記基板及び前記光学系は、アライメント時に合せられる対応する基準素子のセットを含む、請求項１乃至６の何れか一項に記載の光出力デバイス。
8. 前記基板上の前記基準素子のセットは、基準孔のセットであり、前記光学系上の前記基準素子のセットは、前記基準孔に合せられる対応する突起のセットである、請求項７に記載の光出力デバイス。
9. 前記突起はテーパ形にされる、請求項８に記載の光出力デバイス。
10. 光出力デバイスを製造する方法であって、
    第１の発光素子の接続のための第１の導体パッドが設けられた第１のセグメントと第２の発光素子の接続のための第２の導体パッドが設けられた第２のセグメントとを含む基板を提供するステップと、
    前記基板の平面において、前記基板に機械的力を加えることによって、前記基板の前記第１のセグメントと前記基板の前記第２のセグメントとの間に相対移動が実現されるように、前記基板の端から前記基板内のポイントまで延在する少なくとも１つの貫通孔を形成するステップと、
    前記基板上の前記第１の導体パッドに第１の発光素子を、前記基板上の前記第２の導体パッドに第２の発光素子を実装するステップと、
    前記第１の発光素子から受光することを目的とする第１の光学素子と、前記第２の発光素子から受光することを目的とする第２の光学素子とが設けられた光学系を提供するステップと、
    前記光学系を前記第１及び第２の発光素子上に配置するステップと、
    前記基板に機械的力を加えることによって、前記第１及び第２の発光素子のそれぞれをその対応する光学素子に位置合わせするステップと、
    を含む、方法。
11. 前記基板に基準素子のセットを設けるステップを更に含む、請求項１０に記載の方法。