| 【発明の名称】 |
面照明装置 |
| 【発明者】 |
【氏名】村井 卓生
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| 【要約】 |
【課題】高密度で実装されたチップ型ＬＥＤを点灯した際の発熱を、強制冷却手段を用いることなく、効率よく装置外部に放熱させることにより、長寿命かつ大光束を有する経済的な面照明装置を提供すること。
【解決手段】透光性板材からなり伝搬光の一部を拡散させる拡散パタンを有する導光板と、導光板の一端部に配された複数のチップ型ＬＥＤからなる光源部とを有す面照明装置において、チップ型ＬＥＤがサイド発光タイプであって、絶縁性を有する、もしくは絶縁層を表面に形成した高熱伝導性材料からなる回路基板に、実装されるように構成する。 |
【特許請求の範囲】
【請求項１】 透光性板材からなり伝搬光の一部を拡散させる拡散パタンを有する導光板と、該導光板の一端部に配された複数のチップ型ＬＥＤからなる光源部と、を有す面照明装置において前記チップ型ＬＥＤがサイド発光タイプであって、絶縁性を有する、もしくは絶縁層を表面に形成した高熱伝導性材料からなる回路基板に、実装されたことを特徴とする面照明装置。
【請求項２】 前記導光板の光放射面以外を覆う導光板収納ケースの一部が前記回路基板であることを特徴とする請求項１記載の面照明装置。
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【発明の詳細な説明】【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、誘導表示照明灯、避難口照明灯、広告灯、液晶ディスプレイ用バックライトなどに用いられる面発光型の照明装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】これまで発光ダイオード素子（Ｌｉｇｈｔ Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｄｉｏｄｅ：以下、ＬＥＤと呼称する）を用いた面発光型の照明装置として、例えば特開平８-１６０８９２公報に記載された表示装置が知られている。
【０００３】図７（ａ）、（ｂ）はそれぞれこの公報に開示されている従来の面発光型表示装置の側断面図と平面図である。図において１はアクリル樹脂等の透光性材料からなる導光板、２７は導光板１の表面上に配された発光層、２８は発光層２７に設けられたドットパターン状の光反射部、２９は発光チップの前段に砲弾形状の樹脂レンズをモールドし、放熱効果を有する長いリード電極が取り付けられたＬＥＤである（以下、本文中では砲弾型ＬＥＤと呼称する）。
【０００４】また、３０は砲弾型ＬＥＤ２９を固定するためのＬＥＤ固定ホルダ、３１は砲弾型ＬＥＤを駆動するためのＬＥＤ基板、３２は文字やデザインなどのパターンが描かれているパターンフィルム、３３はフレームである。
【０００５】次に、図をもとに動作を説明する。砲弾型ＬＥＤ２９は、導光板１の端面に近接してアレイ状に配されている。砲弾型ＬＥＤ２９から発した光は、この端面より導光板１の内部へ結合し、導光板１の界面（表面もしくは裏面）においてスネルの法則に従う。即ち、界面の前後における屈折率によって決まる全反射臨界角より小さな入射角で進入した光は、導光板の外部へ放射される。また大きな入射角で進入した光は鏡面反射され、導光板１内の界面で繰り返し反射されながら、面方向に沿って伝搬する。
【０００６】一方、発光層２７には光を乱反射する光反射部が設けてあり、面方向に沿って伝搬する光が発光層２７の光反射部に当たると、光はここで乱反射される。乱反射された光の一部は、対向面に全反射臨界角より小さな入射角で進入し、外部へ放射される。放射されなかった光は、対向面で反射され、再び光反射部へ進入し、同じ行程を繰り返す。この結果、発光層２７の対向面から見ると面全体から光が放射されている状態となる。この放射光は発光層２７上のパターンフィルム３２に描かれている文字やデザインなどを浮かび上がらせる。
【０００７】このような光反射部は、反射率の高い白色塗料をドット状にシルク印刷する方法や、サンドブラスト等により表面を凹凸に加工する方法や、射出成形によって予め表面に凹凸を形成する方法などによって得ることができる。また、面放射光を略均一にするため、光反射部におけるドットパターンや表面凹凸の空間周波数は光源である砲弾型ＬＥＤ２９から離れるに従って大きくなるように設定されている。
【０００８】従来の砲弾型ＬＥＤ２９を用いた面照明装置は、以上のように構成されており、予め決められた光源スペースに対して、アレイ状に並べることのできるＬＥＤの数はレンズ径によって制限されていた。その結果、光源部から得られる単位面積当たりの放射輝度は制限され、面照明用光源として必ずしも満足できるものではなかった。また、光源基板へのリード電極取付け部から砲弾型ＬＥＤ２９のレンズ頂点までの距離が大きいため、コンパクトな光源部を構成することが難しかった。
【０００９】このような課題を解決するために、チップ型ＬＥＤを高密度で実装し、大光束を得るという方法による面照明装置も提案されている。しかしながら、この方法も、放熱効果を有する長いリード電極を持たないチップ型ＬＥＤを高密度で実装するため、素子及び素子周辺の温度が著しく高くなり、素子の発光効率や寿命の低下を招いていた。
【００１０】この点に関して、例えば、チップ型ＬＥＤ８の周囲環境温度が２５℃と５０℃の場合における点灯時間と相対輝度との関係を、図８に示す。図より相対輝度が１０％ダウンするまでの点灯時間を比較すると、周囲環境温度が２５℃では約７０００時間であるのに対し、５０℃では約２０００時間しかなく、周囲環境温度の上昇に伴って、発光効率の低下が始まる時間が短くなることが分かる。
【００１１】このように、チップ型ＬＥＤの実装では、放熱を充分図り、素子及び素子周辺の温度を低く抑えなければならず、特に、高密度で実装する場合には、素子近傍に強制冷却手段を配設しなければならないという課題があった。
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】本発明は係る課題を解決するためになされたもので、高密度で実装されたチップ型ＬＥＤを点灯した際の発熱を、強制冷却手段を用いることなく、効率よく装置外部に放熱させることにより、長寿命かつ大光束を有する経済的な面照明装置を提供することを目的としたものである。また、併せて駆動回路を含めたコンパクトな面照明装置を提供することを目的としたものである。
【００１３】
【課題を解決するための手段】本発明に係る面照明装置は、透光性板材からなり伝搬光の一部を拡散させる拡散パタンを有する導光板と、導光板の一端部に配された複数のチップ型ＬＥＤからなる光源部とを有す面照明装置において、チップ型ＬＥＤがサイド発光タイプであって、絶縁性を有する、もしくは絶縁層を表面に形成した高熱伝導性材料からなる回路基板に、実装されるように構成したものである。
【００１４】また、導光板の光放射面以外を覆う導光板収納ケースの一部を回路基板としたものである。
【００１５】
【発明の実施の形態】実施の形態1.図１（ａ）、（ｂ）はそれぞれ本発明の実施の形態１に係る面発光装置の側断面図と、導光板収納ケースを外して真上から見た平面図である。従来例と同一もしくは同一相当部分には同じ符号を付して説明を省略する。図において、２は導光板１の一面に設けられ、伝搬光を拡散する拡散パタン、３は高い反射率を有する白色の拡散反射板、４は導光板１を収納する樹脂あるいは金属などで構成された導光板収納ケース、５は拡散パタン２が設けられた面と対向する導光板１の表面に取り付けられ、乳半のアクリル板や半透明のＰＥＴシート等を主材料とする表面カバー、６は絶縁金属基板、７は導電パタン、８は導光板１の端面に隣接して配設されたサイド発光タイプのチップ型ＬＥＤ、９はリード電極、１０は駆動回路、１１はチップ抵抗である。
【００１６】また、図２は、チップ型ＬＥＤ８と絶縁金属基板６とのコンタクトの様子を示す要部拡大図である。図において１２は例えば１ｍｍ程度の厚みを有するアルミニウム、銅、鉄、ステンレス、ニッケルなどからなる金属基板、１３は金属基板１２の上に形成された厚みが１００μｍ程度のエポキシ樹脂、ガラス繊維入りエポキシ樹脂、ポリエチレン、架橋ポリエチレン、ポリイミド、ポリアミドイミド、ポリエステル、ポリウレタンなどからなる絶縁層である。このような絶縁層は、絶縁材料を塗布する方法などによって形成されている。
【００１７】絶縁金属基板６は、金属基板１２と、絶縁層１３から構成されており、絶縁層１３の上には、厚みが３０μｍ程度の銅箔などからなる導電パタン７が形成されている。図示していないが、チップ型ＬＥＤ８は、絶縁層１３上に熱伝導性の接着剤や半田などでマウントされている。また、チップ型ＬＥＤ８は、サイド発光タイプであるので、光が射出される方向は、マウント面である絶縁金属基板６と平行な（矢印Ａで示した）方向である。
【００１８】図２をもとに放熱動作について説明する。チップ型ＬＥＤ８を点灯した際、素子から発生する熱は、リード電極９を介して導電パタン７へと流れ込む。発生する熱は、陽極側よりも陰極側の方が大きいため、熱の流路となる導電パタン７のパタン幅は、陰極側の方が広く設定されている。
【００１９】リード電極９を介して導電パタン７へと流れ込んだ熱は導電パタン７に沿って伝導するとともに、厚み方向（絶縁層１３）へと拡散する。ここで絶縁層１３の厚みは高々１００μｍであるので、絶縁層１３へ拡散した熱は、速やかにその下に続く金属基板１２へと伝わる。金属基板１２へ伝わった熱は、絶縁層１３と反対側の外気と接している面より放熱される。
【００２０】ここで、絶縁金属基板６による放熱効果を、実験データを基に説明する。
【００２１】図３は絶縁アルミニウム基板に実装されたチップ型ＬＥＤと、ガラスエポキシ基板に実装された直径５ｍｍの砲弾型ＬＥＤをパルス駆動した時の過渡熱特性を比較したものである。図において横軸、縦軸はそれぞれパルス時間（秒）、熱抵抗（℃／Ｗ）である。実験条件は、室温２５℃のもと、ＧａＡｓＰ系のＬＥＤを用い、（パルス時間の間だけ）０．１１Ｗの電力で駆動した。
【００２２】図から明らかなように熱抵抗はパルス時間が数百秒を越えたあたりから飽和しており、連続使用時の熱抵抗はこの飽和値として求まる。したがって図より砲弾型ＬＥＤと、絶縁アルミニウム基板にマウントされたチップ型ＬＥＤの連続使用時の熱抵抗は、それぞれ３９５℃／Ｗ、２６０℃／Ｗと求まる。
【００２３】この熱抵抗値より連続使用時におけるＬＥＤの発光部位であるジャンクション温度の上昇分は、砲弾型ＬＥＤの場合で４３℃（＝３９５℃／Ｗ×０．１１Ｗ）、絶縁アルミニウム基板にマウントされたチップ型ＬＥＤの場合で２９℃（＝２６０℃／Ｗ×０．１１Ｗ）と求まる。この結果は、絶縁アルミニウム基板を用いた方がＬＥＤのジャンクション温度は１４℃（＝４３℃―２９℃）も低く、放熱面で格段に優れていることを示している。なお、ここでは絶縁アルミニウム基板について説明したが、アルミニウムに近い熱伝導率を有する金属材料による金属基板であれば同様な効果が得られることは明らかである。
【００２４】次に、典型的な砲弾型ＬＥＤとチップ型ＬＥＤが、実装基板上で占める形状寸法をそれぞれ直径３ｍｍの円、１ｍｍ×２ｍｍの長方形として、実装密度を比較すると、前者の場合、６ｍｍ×６ｍｍのスクウェアにおいて、最大４個の素子しか実装できないのに対して、後者の場合、同じ面積で、最大１８個の素子が可能である。このようにチップ型ＬＥＤは、従来の砲弾型ＬＥＤと比べて、数倍の密度で実装が可能であり、また発熱面についても前述の絶縁金属基板を使用することによって大幅に放熱効果が改善される。この結果、強制冷却手段を用いることなく、砲弾型ＬＥＤよりも数倍の密度でＬＥＤを実装することができ、長寿命かつ高い放射輝度を有する面照明用光源を得ることが出来る。
【００２５】なお、図１においてチップ型ＬＥＤ８から発した光が、導光板１の端面より結合し、界面で反射を繰り返しながら伝搬し、拡散パタン２と対向する面（以下、光放射面と呼称する）全体から放射される動作は従来例と同じであるので省略する。
【００２６】また、同図（ａ）において光放射面以外の界面を通って外部に放射された光を、導光板１の内部に戻すために、ＬＥＤからの光が進入する端面と光放射面を除く、残り全ての面を囲むように拡散反射板３が配され、導光板収納ケース４の内側も高反射率の反射面になっている。このような構成によって導光板１の内部に戻された光は、内部で反射を繰り返し、拡散パタン２まで達した後、前述と同じ行程を辿り、光放射面から放射される。この結果、照明に活用される光量は増大し、照明効率は高められる。
【００２７】また、同図（ｂ）においてチップ型ＬＥＤ８は、複数のＬＥＤ及び電流安定化用のチップ抵抗１１を直列接続し、さらにそれら直列接続されたユニットが並列接続される構成となっている。このような接続により、各チップ型ＬＥＤ８の抵抗のバラツキに関係なく、各ＬＥＤに流れる電流をほぼ一定にできる。また、いずれか一つのＬＥＤが不点灯状態になった場合でも、装置としての点灯状態は保たれるようになる。ここでチップ抵抗１１はチップ型ＬＥＤと同じ方法により絶縁金属基板６にマウントされている。
【００２８】さらに、駆動回路部１０の構成要素についてもチップ型ＬＥＤ８やチップ抵抗１１と同じように実装してもよい。例えば、外部から入力される電圧が交流の場合には、駆動回路部１０は、入力された交流電圧を、降圧（もしくは昇圧）するトランスと、この降圧（もしくは昇圧）された電圧を全波整流するダイオードブリッジやツェーナダイオード等から構成される。
【００２９】したがって絶縁金属基板６上に駆動回路部１０に対応する導電パタンを配設し、駆動回路部１０の構成要素をチップ部品、もしくはこれに準ずる部品を用いて、チップ型ＬＥＤ８と同じ様にマウントすれば、発生した熱を、絶縁金属基板６を介して外部へ逃がすことができる。このようにすれば、駆動回路部１０と光源部を同じ基板上に高密度で実装することが可能となり、省スペース化が図れる。
【００３０】なお、この駆動回路部１０にはＬＥＤの点消灯や調光を行うための制御回路が含れていても構わない。さらに回路実装面の背面に溝や凹凸を形成したり、フィン等の突起物を設けることで、放熱特性を向上させてもよい。
【００３１】さらにまた絶縁金属基板６上には駆動用バッテリーとバッテリー駆動回路部を設けてもよい。このようにすれば装置内光源部、回路部を小面積としながらも、コードレスで常時点灯、あるいは停電を検知しての緊急補助点灯等を行うことが可能となる。なお、ここでは絶縁金属基板６を用いた場合について説明したが、表面に絶縁層が形成された高熱伝導性基板、もしくは絶縁性を有する高熱伝導性基板であっても同様である。また、光放射面が拡散パタンと対向する面以外であっても同様である。
【００３２】以上のように本発明では、絶縁金属基板６上に、チップ型ＬＥＤやその駆動回路の構成要素を高密度実装するようにしたので、充分な放熱が可能となり、強制冷却装置を使うことなく、コンパクト、長寿命かつ大光束を有する面照明装置を得ることができる。
【００３３】実施の形態２.図４は、本発明に係る実施の形態２における面発光装置の側断面図を示す。従来例もしくは実施の形態１と同一もしくは同一相当部分には同じ符号を付し、説明を省略する。基本動作は実施の形態１と同じであり、異なる部分について説明する。
【００３４】本実施の形態では、導光板収納ケース４１は、例えばアルミニウムや銅などの高熱伝導性を有する材料から構成されている。この導光板収納ケース４１は導光板１の光放射面を除く全側面と背面をカバーしている。また、導光板収納ケース４１の内側には、光源部や駆動回路部１０などが収納されるスペースが確保されている。より詳しくは、導光板収納ケース４１の光源部と駆動回路部１０が収納されるスペースには、絶縁処理が施され、その上に印刷などの方法で導電パタン７を設けてあり、実施の形態１における絶縁金属基板６として機能している。さらに、導電パタン７は、導光板収納ケース４１を導光板１に取付けた時、マウントされているチップ型ＬＥＤ８の発光部が、導光板１の端面と近接するように設定されている。
【００３５】このように構成することにより、導光板収納ケース４１自身が光源部と駆動回路部１０から発生した熱を外部に放熱するための放熱板の役割を果たすことになり、強制冷却手段は不要となり、部品点数も削減される。
【００３６】このように、光源部、駆動回路部１０などの熱源を小面積上に高密度に実装することが可能となり、装置の小型化あるいは薄型化が可能となる他、回路構成部品の点数を削減することができ、製造工程の簡素化が実現される。
【００３７】なお本面照明装置を貼りつけ以外の方法、例えば吊り下げて使うような場合には導光板収納ケース４１の背面に溝や凹凸を形成したり、フィン等の突起物を設けることで、さらに良好な放熱特性を得ることができる。
【００３８】また、絶縁層を塗布方法によって形成した場合について説明したが、絶縁層を、耐熱性と絶縁性を有する薄い基板もしくはフィルムとして、これを、高熱伝導性を有する基板や導光板収納ケース４１などに密着させてもよい。
【００３９】図５（ａ）、（ｂ）はそれぞれ、耐熱性と絶縁性を有する薄い基板もしくはフィルムの上に、光源部または駆動回路部１０に対応する導電パタンを配し、これら回路を構成するチップ電子部品などを高密度で実装し、これを、高熱伝導性を有する基板や導光板収納ケース４１などに取付けた面発光装置の側断面図を示したものである。
【００４０】図において、１４はポリイミドなどからなる厚みが数百μｍ前後の耐熱性と絶縁性を有する薄い基板もしくはフィルム、１５はシリコン系の熱伝導性接着剤や熱伝導性接着シールなどからなる厚みが数十μｍ前後の高熱伝導性を有する接着層、１６は高熱伝導性を有する基板である。
【００４１】このような高耐熱性と絶縁性を有する薄い基板もしくはフィルム１４は、高熱伝導性を有する接着層１５を介して、高熱伝導性を有する基板１６や導光板収納ケース４１に取付られ、間隙に空気層が出来ないように密着させられている。このように密着させることにより高熱伝導性を有する基板１６や導光板収納ケース４１と、十分な熱的コンタクトが保たれる。
【００４２】したがって光源部や駆動回路部１０で発生した熱は、厚みが高々数百μｍの高耐熱性と絶縁性を有する薄い基板もしくはフィルム１４、及び厚みが高々数十μｍ前後の高熱伝導性を有する接着層１５を拡散し、その下に続く高熱伝導性を有する基板１６や導光板収納ケース４１へ速やかに流れ込み、外部へ効率よく放熱される。
【００４３】この場合も、高熱伝導性を有する基板１６あるいは導光板収納ケース４１の背面に溝や凹凸を形成したり、フィンなどの金属性突起部を設けることで更なる放熱効果を期待することができる。なお、このような構成は、前述の高熱伝導性を有する材料からなる基板の表面に絶縁材料を塗布し、その上に導電路となる導電パタンを形成する構成と比較すると、加工面やコスト面で大きなメリットを有している。
【００４４】さらにまた、図６に示すように、導光板１の端面に近接してアレイ状に配された複数のＬＥＤ全てに対し、これらを覆うように光反射板を配設してもよい。図において１７は光源部のＬＥＤ後部に配された高反射率を有する鏡面状もしくは白色の光反射板である。
【００４５】このような構成により、チップ型ＬＥＤ８から発し、導光板１の端面に結合する際、端面で反射されたり、放射角の不整合などにより導光板１の内部にうまく結合できなかった光束を、再び導光板１の端面に向けて進行させ、一部を結合させることが可能となる。これにより導光板１への結合効率が高まり、照明効率の高い面照明装置を得ることができる。
【００４６】
【発明の効果】本発明は以上のように構成されているので、以下に示すような効果を奏する。
【００４７】光源部や駆動回路部などを絶縁性の高熱伝導材料からなる回路基板に配設するようにしたので、これらを高密度実装した場合であっても、強制冷却装置を使わずに、素子及び素子周囲温度を低く抑えることが可能となる。この結果、強制冷却装置が不要となって経済的になるとともに、単位面積当たりの放射輝度の高い長寿命の面照明装置を得ることができる。
【００４８】また、導光板収納ケースの一部を絶縁性の高熱伝導材料からなる回路基板とし、ここに光源部と駆動回路を配設し、ＬＥＤなどから発生した熱を外部に放熱させるように構成したので、構成部品の点数が削減され、製造工程を簡素化することができる。
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| 【出願人】 |
【識別番号】０００００６０１３
【氏名又は名称】三菱電機株式会社
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| 【出願日】 |
平成１３年１月１８日（２００１．１．１８） |
| 【代理人】 |
【識別番号】１００１０２４３９
【弁理士】
【氏名又は名称】宮田 金雄 （外１名）
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| 【公開番号】 |
特開２００２−２１６５２５（Ｐ２００２−２１６５２５Ａ） |
| 【公開日】 |
平成１４年８月２日（２００２．８．２） |
| 【出願番号】 |
特願２００１−１０２５１（Ｐ２００１−１０２５１） |
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