JP6489820B2

JP6489820B2 - 光学装置

Info

Publication number: JP6489820B2
Application number: JP2014255827A
Authority: JP
Inventors: 尚子松本
Original assignee: Stanley Electric Co Ltd
Current assignee: Stanley Electric Co Ltd
Priority date: 2014-12-18
Filing date: 2014-12-18
Publication date: 2019-03-27
Anticipated expiration: 2034-12-18
Also published as: JP2016115899A

Description

本発明は発光ダイオード（LED）素子、レーザダイオード（LD）素子等の発熱素子よりなる光源及び光学レンズを含む光学装置、特に、その放熱構造に関する。

近年、LED素子、LD素子等の発熱素子よりなる光源の高性能化に伴い、光源の発熱量は増大してきている。一方、光源の小型化、薄型化の要求が高まり、光源の発熱密度は非常に高くなり、熱的に厳しい状況を強いられている。

特に、LED素子、LD素子は自身が発する熱により寿命及び性能が低下するという負の特性がある。また、発光素子との組合せにより発光色を変化させる目的で使用される蛍光体層も熱による負の特性を有する。

第１の従来の光学装置においては、光源を黒鉛結晶を含む炭素中に金属が分散された複合材料からなる高放熱炭素材料よりなる放熱基板上に設けている（参照：特許文献１）。この放熱基板においては、炭素含有率が７０〜９０体積％であり、また、熱放射率が０．５以上かつ熱伝導率が２００Ｗ／（Ｋ・ｍ）以上である。従って、放熱基板は高放射性及び高熱伝導性を兼ね備えており、この結果、光源からの熱を効率よく放散できる。

第２の従来の光学装置においては、光源の周囲に板状放熱面を光源の放熱基板と一体かつ連続して形成したヒートシンクを設けている（参照：特許文献２）。この場合、放熱基板の光源取付け位置前方に、放熱基板の平坦面に対して凹な半円状の曲面からなる導光路を設け、導光路の先端で光学レンズを支持し、光源からの発生する熱を閉空間からなる周囲の空間に放散させる。従って、放熱基板は高放射性及び高熱伝導性を兼ね備えており、この結果、光源からの熱を効率よく放散できる。

尚、従来の半導体発光モジュールとして、半導体発光素子を配置した高反射プレートを用いて構成されるものがある（参照：特許文献３）。この高反射プレートは、たとえばアルミニウム基材上に純アルミニウムあるいは純銀の層を形成し、さらにその上に、酸化チタンあるいは酸化シリコンを蒸着することにより増反射膜を形成する。これにより、純アルミニウムあるいは純銀の酸化による劣化を防止し、初期の反射率を長く維持する（参照：特許文献３の段落００７３）。しかし、この高反射プレートは、放熱基板ではない。

特開２００９−２８３７６４号公報特開２０１３−２１１４５３号公報国際公開第２００７／１２６０７４号公報

しかしながら、上述の従来の第１、第２の光学装置においては、放熱基板が高熱伝導性と共に高放射性を有するので、後述のポリカーボネート、アクリル等の樹脂よりなる光学レンズと光源及び放熱基板との距離が小さい場合には、耐熱性が低い樹脂製の光学レンズにおいて、光源及び放熱基板から光学レンズへの大きな放射熱の影響で変色、溶け、焦げ等の変質不具合を生じるという課題がある。尚、これについては、図１を参照して後述する。

上述の課題を解決するために本発明に係る光学装置は、光源と、光源が搭載された放熱基板と、放熱基板の光源が搭載された面に対向して設けられた樹脂製の光学レンズとを具備し、光源の全方向に亘って放熱基板の光学レンズに対向する面側の断面形状は繰返しの鋸歯形状をなし、鋸歯形状の各鋸歯は光源に対して内向きの垂直面及び外向きの傾斜面を有する。これにより、放熱基板と光学レンズとの間の形態係数が減少して放熱基板から光学レンズへの放射熱は減少する。

本発明によれば、放熱基板から光学レンズへの放射熱が減少するので、光学レンズの受熱量が減少する。従って、光学レンズの温度を低下させることができ、この結果、光学レンズの変色、溶け、焦げ等の変質不具合を防止できる。

従来の光学装置を示し、（Ａ）は斜視図、（Ｂ）は断面図である。図１の放熱基板の例を示す断面図であって、（Ａ）はガラスエポキシ基板の場合を示し、（Ｂ）は金属ベース基板の場合を示す。本発明に係る光学装置の第１の実施の形態を示す断面図である。本発明に係る光学装置の第２の実施の形態を示す断面図である。本発明に係る光学装置の第３の実施の形態を示す断面図である。図１、図３、図４、図５の光学レンズ及び光源の温度の例を示す表である。図３の光学装置と図４の光学装置とを組合わせた光学装置を示す断面図である。図３の光学装置と図５の光学装置とを組合わせた光学装置を示す断面図である。

図１は従来の光学装置を示し、（Ａ）は斜視図、（Ｂ）は断面図である。

図１において、光源１が放熱基板２に搭載され、放熱基板２の光源１が搭載された面に対向して光学レンズ３が配置されている。光源１は白色光源であって、たとえば青色ＬＥＤ素子及び青色光の一部を黄色光に波長変換するＹＡＧ蛍光体層よりなる。尚、ＬＥＤ素子の代りにＬＤ素子を用いることもできる。放熱基板２は、光源１のプリント配線板の作用もし、図２の（Ａ）に示すガラスエポキシ基板、あるいは図２の（Ｂ）に示す金属ベース基板であり、高熱伝導性と共に高放射性を有する。尚、図２の（Ａ）において、２１Ａは高放熱性ＦＲ−４層、２２Ａは銅箔配線層であり、図２の（Ｂ）において、２１Ｂは銅、アルミニウム等よりなるベースメタル層、２２Ｂは高放熱性絶縁層、２３Ｂは銅箔配線層である。光学レンズ３はたとえば凸レンズあるいはフレネル凸レンズであり、軽量化、成型自由度の観点から、ガラスではなく、ポリカーボネート、アクリル等の樹脂により構成されている。光源１からの熱を放熱基板２だけで放熱できない場合には、放熱基板２の光源１が搭載されていない面にフィン４ａを有するヒートシンク４を取付けて放熱性能を向上させる。ヒートシンク４はたとえば高熱伝導性のアルミニウム合金よりなり、表面の放射率を高めるために、黒アルマイト処理等が施されている。また、放熱基板２とヒートシンク４との間には、熱抵抗を低減するために、グリス、熱伝導性接着剤等の熱伝導部材（ＴＩＭ）（図示せず）を介在させる。光学レンズ３はねじ５によって放熱基板２に取付けてある。

図１の光学装置においては、小型化、薄型化するために、光学レンズ３と光源１との距離ｄは数ｍｍたとえば３ｍｍと小さくされている。他方、軽量化、成型自由度の観点から、光学レンズ３はポリカーボネート、アクリル等の樹脂によって構成されている。従って、光学レンズ３の放射率εは０．８〜０．９と大きいので、光学レンズ３の受熱及び放熱が活発となり、この結果、上述のごとく、光源１及び高放射性の放熱基板２から光学レンズ３への放射熱Ｒ１、Ｒ２によって光学レンズ３が温度上昇して耐熱性の低い樹脂製の光学レンズ３が変色、溶け、焦げ等の変質不具合が生じる。尚、光源１の発熱量を低減して光学レンズ３の温度負荷を軽減すれば、上述の変質不具合を抑止できるが、この場合、光学装置の光束が低下してしまう。

ところで、光源１もしくは放熱基板２から光学レンズ３への放射熱Ｒ１もしくはＲ２の放射熱量Ｑ（Ｗ）は、式（１）で表される。
Ｑ＝Ｆ・ε・σ・（Ｔ_２ ^４−Ｔ_３ ^４）・Ａ（１）
但し、Ｆは形態係数であって、０＜Ｆ＜１、
εは光源１もしくは放熱基板２の放射率であって、０＜ε＜１、
σはステファン・ボルツマン定数（Ｗ／ｍ^２・Ｋ^４）、
Ｔ_２は光源１もしくは放熱基板２の絶対温度（Ｋ）、
Ｔ_３は光学レンズ３の絶対温度（Ｋ）、
Ａは伝熱面積（ｍ^２）
である。尚、形態係数Ｆは放射熱の計算において放射熱をやり取りする２つの面間の幾何学的位置関係を表す量であって、たとえば、２つの面の向きが平行平面のときにはＦ＝１に近づき、他方、２つの面の向きが直角に近く、２つの面の投影面積が小さい程Ｆ＝０に近づく。従って、図１においては、光源１、放熱基板２と光学レンズ３とが平行であり、互いの干渉が大きくなり、この結果、光源１、放熱基板２と光学レンズ３との間の形態係数Ｆは１に近づく。

式（１）においては、ステファン・ボルツマン定数σは一定であり、また、絶対温度Ｔ_２、Ｔ_３は設計条件、たとえばサイズや物性値等から予め決まっている。従って、光源１もしくは放熱基板２から光学レンズ３への放射熱量Ｑを小さくするには、形態係数Ｆ及び放射率εを小さくすればよい。本発明においては、形態係数Ｆを小さくして放射熱量Ｑを小さくする。

図３は本発明に係る光学装置の第１の実施の形態を示す断面図である。

図３においては、図１の放熱基板２の代りに台形断面形状の放熱基板２Ａを設けてある。つまり、放熱基板２Ａの厚さを光源１から離れる程小さくしている。放熱基板２Ａは光学レンズ３の面に対して部分的に非平行な傾斜面２Ａ−１を有するので、放熱基板２Ａと光学レンズ３との間の形態係数Ｆは減少し、従って、放熱基板２から光学レンズ３への放射熱Ｒ２は減少する。この結果、光学レンズ３の受熱量は減少し、光学レンズ３の温度を低下させることができ、従って、光学レンズ３の変色、溶け、焦げ等の変質不具合を防止できる。

図３においては、放熱基板２Ａの台形断面形状の上面の高さは、図１の放熱基板２の高さと同一であるので、光源１からの光学レンズ３への光取込率は損なわれない。また、光源１直下の放熱基板２Ａの厚さも図１の放熱基板２の厚さと同一であるので、光源１からの放熱基板２Ａへの熱拡散の効率も担保され、従って、放熱性能は低下せず、この結果、光源１の温度は上昇することはない。他方、伝熱面積は増大する。さらに、放熱基板２Ａと光学レンズ３との間の空間が増大するので、放熱基板２Ａと光学レンズ３との間の空気が流れ易くなり、対流による放熱性能を向上できる。この結果、光源１の温度を低下させることができる。

尚、図３において、放熱基板２Ａ及び光学レンズ３を重力方向に対して略平行に配置した場合、光学レンズ３の温度分布は光源１と対向する面が最も高く上流に向って温度が高くなる分布を示す。従って、この場合、放熱基板２Ａの重力方向の上流部分は斜めにカットするのが好ましい。また、放熱基板２Ａと光学レンズ３との間の形態係数Ｆをさらに減少させるために、光源１の全方向に亘って放熱基板２Ａを台形断面形状にするのが好ましい。

図４は本発明に係る光学装置の第２の実施の形態を示す断面図である。

図４においては、図１の放熱基板２の代りに繰返しのサメ歯（鋸歯）断面形状の放熱基板２Ｂを設けてある。放熱基板２Ｂは光学レンズ３の面に対して部分的に非平行な傾斜面２Ｂ−１を含む繰返しのサメ歯（鋸歯）断面形状を有するので、放熱基板２Ｂと光学レンズ３との間の形態係数Ｆは減少し、従って、放熱基板２から光学レンズ３への放射熱Ｒ２は減少する。たとえば、各サメ歯（鋸歯）はピッチ０．６ｍｍ、高さ１．５ｍｍを有し、上記傾斜面２Ｂ−１は光源１に対して外向きに略４５°の角度を有している。但し、この角度は９０°に近い程、光学レンズ３への放熱の影響を減少できる。この結果、光学レンズ３の受熱量は減少し、光学レンズ３の温度を低下させることができ、従って、光学レンズ３の変色、溶け、焦げ等の変質不具合を防止できる。また、伝熱面積の増大によって放熱性能の向上を図ることができ、この結果、光源１の温度を低下させることができる。

尚、図４においても、放熱基板２Ｂ及び光学レンズ３を重力方向に対して略平行に配置した場合、光学レンズ３の温度分布は光源１と対向する面が最も高く上流に向って温度が高くなる分布を示す。従って、放熱基板２Ｂの重力方向の上流部分は斜めにカットするのが好ましい。また、放熱基板２Ｂと光学レンズ３との間の形態係数Ｆをさらに減少させるために、光源１の全方向に亘って放熱基板２Ｂをサメ歯（鋸歯）断面形状にするのが好ましい。

図５は本発明に係る光学装置の第３の実施の形態を示す断面図である。

図５においては、図１の放熱基板２の代りに繰返しのサメ歯（鋸歯）断面形状の放熱基板２Ｃを設けてある。放熱基板２Ｃは光学レンズ３の面に対して部分的に非平行な傾斜面２Ｃ−１を含む繰返しのサメ歯（鋸歯）断面形状を有するので、放熱基板２Ｃと光学レンズ３との間の形態係数Ｆは減少し、従って、放熱基板２から光学レンズ３への放射熱Ｒ２は減少する。たとえば、各サメ歯（鋸歯）はピッチ０．６ｍｍ、高さ１．５ｍｍを有し、上記傾斜面２Ｃ−１は光源１に対して内向きに略４５°の角度を有している。但し、この角度は９０°に近い程、光学レンズ３への放熱の影響を減少できる。この結果、光学レンズ３の受熱量は減少し、光学レンズ３の温度を低下させることができ、従って、光学レンズ３の変色、溶け、焦げ等の変質不具合を防止できる。また、伝熱面積の増大によって放熱性能の向上を図ることができ、この結果、光源１の温度を低下させることができる。

尚、図５においても、放熱基板２Ｃ及び光学レンズ３を重力方向に対して略平行に配置した場合、光学レンズ３の温度分布は光源１と対向する面が最も高く上流に向って温度が高くなる分布を示す。従って、放熱基板２Ｃの重力方向の上流部分は斜めにカットするのが好ましい。また、放熱基板２Ｃと光学レンズ３との間の形態係数Ｆをさらに減少させるために、光源１の全方向に亘って放熱基板２Ｃをサメ歯（鋸歯）断面形状にするのが好ましい。

このように、図１の光学装置の形態係数Ｆに比較して図３、図４、図５の光学装置の形態係数Ｆが減少する。従って、光学レンズ３の受熱影響を減少できる。この結果、図６に示すごとく、図１の光学レンズ３の温度に比較して図３、図４、図５の光学レンズ３の温度には、４〜５℃の低減が認められた。従って、放熱基板２Ａ、２Ｂ、２Ｃから光学レンズ３への放射熱Ｒ２は小さくなって光学レンズ３の受熱量は小さくなり、光学レンズ３の温度を低下させることができる。この結果、光学レンズ３の変色、溶け、焦げ等の変質不具合を防止できる。他方、図１の光学装置の伝熱面積Ａに比較して図３の光学装置の伝熱面積Ａは大きく、また、図３の光学装置の伝熱面積Ａに比較して図４、図５の光学装置の伝熱面積Ａは１．３倍程度増大する。従って、放熱性能を向上できる。この結果、図６に示すごとく、図１の光源１の温度に比較して図３、図４、図５の光源１の温度には、６℃の低減が認められた。尚、図６において、光源１と光学レンズ３との距離ｄは３ｍｍとして、周囲空気温度は１００℃、光源１の発熱量は２．２Ｗとした。

尚、図７に示すごとく、図３に示す光学装置と図４に示す光学装置とを組合せてもよい。これにより、放熱基板２Ｄの傾斜面２Ａ−１、２Ｂ−１により放熱基板２Ｄと光学レンズ３との間の形態係数Ｆはさらに減少し、従って、光学レンズ３の受熱量をさらに減少させることができる。また、伝熱面積の増大による放熱性能の向上をさらに図ることができ、光源１の温度をさらに低下させることができる。同様に、図８に示すごとく、図３に示す光学装置と図５に示す光学装置とを組合せてもよい。これにより、放熱基板２Ｅの傾斜面２Ａ−１、２Ｃ−１により放熱基板２Ｅと光学レンズ３との間の形態係数Ｆはさらに減少し、従って、光学レンズ３の受熱量をさらに減少させることができる。また、伝熱面積の増大による放熱性能の向上をさらに図ることができ、光源１の温度をさらに低下させることができる。

また、本発明は上述の実施の形態の自明の範囲内のいかなる変更にも適用し得る。

本発明に係る光学装置は、車両用灯具、たとえば前照灯、フォグランプ、昼間走行ランプ（ＤＲＬ）、及びストロボ、その他一般照明装置に利用できる。

１：光源
２、２Ａ、２Ｂ、２Ｃ、２Ｄ、２Ｅ：放熱基板
２Ａ−１、２Ｂ−１、２Ｃ−１、：傾斜面
２１Ａ：ＦＲ−４層
２２Ａ：銅箔配線層
２１Ｂ：ベースメタル層
２２Ｂ：絶縁層
２３Ｂ：銅箔配線層
３：光学レンズ
４：ヒートシンク
４ａ：フィン
５：ねじ
Ｒ１、Ｒ２：放射熱

Claims

光源と、
前記光源が搭載された放熱基板と、
前記放熱基板の前記光源が搭載された面に対向して設けられた樹脂製の光学レンズと
を具備し、
前記光源の全方向に亘って前記放熱基板の前記光学レンズに対向する面側の断面形状は繰返しの鋸歯形状をなし、
前記鋸歯形状の各鋸歯は前記光源に対して内向きの垂直面及び外向きの傾斜面を有する光学装置。
前記放熱基板の前記光学レンズに対向した面は前記光学レンズの面に対して部分的に傾斜している請求項１に記載の光学装置。
前記放熱基板の厚さは前記光源から離れる程小さくなっている請求項２に記載の光学装置。
前記放熱基板の断面は台形形状をなしている請求項３に記載の光学装置。
前記放熱基板はガラスエポキシ基板である請求項１〜４のいずれかに記載の光学装置。
前記放熱基板は金属ベース基板である請求項１〜４のいずれかに記載の光学装置。