JP6507543B2 - 光源装置 - Google Patents

Description

本発明は、光源装置に関する。

光源にＬＥＤ（Ｌｉｇｈｔ Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｄｉｏｄｅ）やＬＤ（Ｌａｓｅｒ Ｄｉｏｄｅ）などの発光素子を用いた光源装置は、照射エリアの確保や所望の光強度・均斉度を得るため、複数個の発光素子を使用するものが多くなっている。発光素子は電流を調整することにより光出力を調整するが、Ｖｆ（順電圧）に個体差があるため、電気的に並列に接続した場合、各発光素子に流れる電流の差から光出力に差が生じ、均斉度に悪影響を及ぼすことがある。そのため、発光素子は電気的に直列に接続するのが好ましいが、複数個の発光素子を直列に電気接続した場合、印加電圧が高くなる。このようなケースで、実装基板として一般的に使用されているアルミニウム基板を使用する場合、基板の絶縁層を厚くして耐電圧を確保する必要があるが、基板の絶縁層を厚くすると熱伝導性が低下するため、発光素子が温度上昇し易くなり、効率低下の原因にもなる。このため、光源装置の中には、発光素子を実装する基板として、基材にセラミックスを用いた基板を用いているものがある。

特開２０１２−８９５５３号公報

光源装置は、可視光を照射するのみでなく、被照射物に対して紫外線を照射することによって、光反応や紫外線硬化を行わせる場合に使用されることもある。このように紫外線を照射する際に用いる光源装置では、発光素子として、紫外線を放出する発光素子が使用される。このような光源装置は、高出力で使用されることが多く、発熱量が大きくなりがちであるため、冷却性能を高める必要がある。

光源装置の冷却性能を高めるための手法としては、例えば、冷却水を循環させることにより冷却を行う水冷が挙げられるが、水冷を行う場合には、基板や放熱部材を、アルミニウム等の熱伝導率が高い材料によって形成するのが好ましい。このように発光素子を実装する基板の基材にアルミニウムを用いる際には、配線導体層の酸化や腐食の防止、及びアルミニウム基板に電子部品を実装する際の熱から絶縁層を保護するために、ソルダーレジスト層を被覆形成する。

しかし、光源装置を水冷によって冷却する構成にした場合、結露が発生することがある一方で、ソルダーレジストは吸水性が高いため、結露によって発生した水分を吸収することがある。この場合、ソルダーレジストの絶縁抵抗が低下して配線導体間を短絡させたり、吸収した水分によって配線導体が腐食したりしてしまうことが考えられる。このため、紫外線を放出する発光素子を用いた灯具で、長期間に亘って紫外線を効率よく照射するのは、大変困難なものとなっていた。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、紫外線の照射性能の経年低下を抑制する光源装置を提供することを目的とする。

実施形態の光源装置は、発光素子と；セラミックス基板と；放熱部材と；を具備する。発光素子は、紫外線領域に主波長を有する光を放出する。セラミックス基板は、発光素子が一面側に配設され、セラミックスを基材とし、発光素子が配設される側の面には、導体からなる導電パターンと、少なくとも導電パターンを覆うオーバーコートとが形成される。放熱部材は、セラミックス基板における発光素子が配設される側の面の反対側に配設され、金属材料からなる。

本発明によれば、紫外線の照射性能の経年低下を抑制する光源装置を提供することができる。

図１は、実施形態に係る光源装置の断面図である。 図２は、実施形態に係る光源装置の変形例であり、パッケージを用いた場合の断面図である。

以下で説明する実施形態に係る光源装置１は、発光素子５と、セラミックス基板１０と、放熱部材２０と、を具備する。発光素子５は、紫外線領域に主波長を有する光を放出する。セラミックス基板１０は、発光素子５が一面側に配設され、且つ、セラミックスを基材とし、発光素子５が配設される側の面には、導体からなる導電パターン１１と、少なくとも導電パターン１１を覆うオーバーコート１８とが形成される。放熱部材２０は、セラミックス基板１０における発光素子５が配設される側の面の反対側に配設され、金属材料からなる。

また、以下で説明する実施形態に係る光源装置１で、発光素子５は、照射する光の主波長が異なる発光素子５が複数配設される。

また、以下で説明する実施形態に係る光源装置１で、セラミックス基板１０は、基材にアルミナ、または窒化アルミニウムが用いられる。

また、以下で説明する実施形態に係る光源装置１で、発光素子５は、主波長が２４０ｎｍ以上４０５ｎｍ以下の光を照射する。

また、以下で説明する実施形態に係る光源装置１で、オーバーコート１８は、紫外線を反射する。

また、以下で説明する実施形態に係る光源装置１で、オーバーコート１８は、紫外線を吸収する。

〔実施形態〕
次に、実施形態に係る光源装置を図面に基づいて説明する。図１は、実施形態に係る光源装置の断面図である。図１に示す光源装置１は、光源装置１における光源である発光素子５を複数有しており、複数の発光素子５は、セラミックスを基材として板状に形成されたセラミックス基板１０の一面側に配設されている。セラミックス基板１０の基材としては、例えば、反射特性が必要な場合は、白色で高反射率のアルミナを用いるのが好ましい。また、より高い放熱性能を確保する場合は、熱伝導率が高い窒化アルミニウムを用いるのが好ましい。即ち、セラミックス基板１０は、無機材によって構成されている。

発光素子５は、紫外線領域に主波長を有する光を放出することが可能になっており、例えば、主波長が２４０ｎｍ以上４０５ｎｍ以下の光を照射する。また、複数の発光素子５は、照射する光の主波長が、紫外線の波長域内において異なった発光素子５が複数設けられており、これにより、発光素子５は、紫外線の波長域内の広い範囲の波長を、複数の発光素子５によって照射可能になっている。なお、この複数の発光素子５は、全ての発光素子５で主波長が異なっていなくてもよく、複数の発光素子５全体でみたときに、発光素子５同士で、照射する光の主波長が異なるものを含んでいればよい。

セラミックス基板１０における発光素子５が配設されている側の面には、導電パターン１１とオーバーコート１８とが形成されている。導電パターン１１は、導体からなり、例えば銅や銀等の導電性の高い材料を主成分としている。導体からなる導電パターン１１は、任意の回路パターンで、セラミックス基板１０上に形成されており、本実施形態に係る光源装置１では、複数の発光素子５の電気的な接続状態が、直列になるように形成されている。各発光素子５は、この導電パターン１１に対して、はんだ１２によって接続されており、これにより、発光素子５と導電パターン１１とは、電気的に接続されている。つまり、本実施形態に係る光源装置１では、複数の発光素子５を並列に接続することに起因する均斉度への悪影響を防ぐために、複数の発光素子５を直列で接続している。

オーバーコート１８は、絶縁と腐食を防止するための無機物の物質からなり、少なくとも導電パターン１１を覆って形成されている。即ち、オーバーコート１８は、セラミックス基板１０における発光素子５が配設されている側の面において、実装部や給電部１５等を除いた部分に形成されて、セラミックス基板１０を覆っている。このため、オーバーコート１８は、導電パターン１１が形成されている部分では、導電パターン１１におけるセラミックス基板１０が位置する側の面の反対側の面において、発光素子５やはんだ１２が位置する部分以外の部分に形成されている。オーバーコート１８は、ガラスを主成分として、紫外線を反射、または吸収する粒子を含む。なお、オーバーコート１８は、紫外線を反射する部材で構成されてもよいし、紫外線を吸収する部材で構成されてもよい。要は、オーバーコート１８が、導体パターン１１に紫外線が到達することを抑制できれば、どのような構成をとってもよい。

また、セラミックス基板１０には、外部の電源（図示省略）に対して電気的に接続される給電部１５が設けられている。この給電部１５は、セラミックス基板１０に一対が設けられており、一対の給電部１５は、セラミックス基板１０における発光素子５や導電パターン１１が配設される側の面に配設されている。例えば、一対の給電部１５は、セラミックス基板１０の互いに対向する端部付近における、発光素子５や導電パターン１１が配設される側の面に配設されており、導電パターン１１に対して電気的に接続されている。なお、給電部１５は、これ以外の部分に設けられていてもよく、導電パターン１１に電気的に接続され、電源から供給される電力を受けることのできる形態であれば、配設される位置は問わない。

また、セラミックス基板１０における発光素子５が配設される側の面の反対側には、金属材料からなる放熱部材２０が配設されている。この放熱部材２０は、冷却媒体として冷却水を用いる、いわゆる水冷式の放熱部材２０になっている。この放熱部材２０は、例えば、熱伝導率が高い材料であるアルミニウムからなり、端部が閉塞された角筒状の形状で形成されている。角筒状の形状で形成される放熱部材２０は、角筒の外周面の一面が、セラミックス基板１０における発光素子５が配設される側の面の反対側の面に接触する状態で配設されている。

また、放熱部材２０には、冷却水が流入する流入口２３と、放熱部材２０内の冷却水が流出する流出口２４とが設けられている。例えば、流入口２３は、放熱部材２０の長さ方向における一端に設けられ、流出口２４は、放熱部材２０の長さ方向における他端に設けられている。放熱部材２０は、内部が冷却水の流路２１になっており、冷却水は、流入口２３から放熱部材２０内に流入し、放熱部材２０に流入した冷却水は、放熱部材２０内の流路２１を通って流出口２４から流出することが可能になっている。流入口２３と流出口２４は、冷却水を吸引して送出するポンプ（図示省略）と、冷却水を冷却するラジエータ等の熱交換器（図示省略）とを有する冷却経路に接続されており、これにより、放熱部材２０内の流路２１を流れる冷却水は、熱交換器で冷却されつつ、循環する。

この実施形態に係る光源装置１は、以上のような構成からなり、以下、その作用について説明する。光源装置１を点灯させる際には、外部の電源から一対の給電部１５に対して電力を供給する。給電部１５に供給された電力は、導電パターン１１とはんだ１２を介して発光素子５に供給される。発光素子５は、このように供給された電力によって点灯し、紫外線領域に主波長を有する光（以下、紫外線とする。）を照射する。発光素子５から照射された紫外線は、光源装置１における発光素子５が配設されている側の面から拡散しながら照射され、被照射物に対して照射される。

発光素子５は、このように供給された電力によって点灯するが、本実施形態に係る光源装置１では、複数の発光素子５は、直列で接続されている。このため、発光素子５を点灯させる際には、高い電圧を印加することによって点灯させるが、発光素子５が設けられる基板は、セラミックスからなるセラミックス基板１０であるため、絶縁破壊が発生することなく、発光素子５を点灯させ続けることができる。つまり、発光素子５が設けられる基板が、アルミニウムのように耐電圧が低い材料によって形成される場合、基板の厚さによっては、高い電圧を発光素子５に印加すると絶縁破壊が発生することがあるが、セラミックスは耐電圧が高くなっている。このため、高い電圧を発光素子５に印加しても、絶縁破壊が発生することなく、発光素子５を点灯させて紫外線を照射し続けることができる。

また、このように紫外線を照射する発光素子５は、点灯時には熱が発生するため、本実施形態に係る光源装置１では、放熱部材２０によって温度の上昇を抑えながら発光素子５を点灯させる。詳しくは、発光素子５の点灯時に発光素子５で発生する熱は、はんだ１２や導電パターン１１を介してセラミックス基板１０に伝達され、セラミックス基板１０からさらに放熱部材２０に伝達される。放熱部材２０に伝達された熱は、放熱部材２０内の冷却水に伝達される。

一方、発光素子５の点灯時には、放熱部材２０は、冷却経路に配設されるポンプの駆動によって流入口２３から放熱部材２０内に冷却水が流入し、放熱部材２０内の冷却水は流出口２４から流出する。このため、発光素子５で発生した熱が伝達されることにより温度が上昇した冷却水は、流出口２４から流出する。

流出口２４から流出した冷却水は、冷却経路に備えられる熱交換器で熱交換が行われることにより冷却される。これにより、発光素子５で発生した熱は、光源装置１の外部に放出される。熱交換器で冷却された冷却水は、流入口２３から再び放熱部材２０内に流入し、放熱部材２０内の流路２１を流れながら、発光素子５からの熱を受けて温度が上昇し、流出口２４から流出する。放熱部材２０は、このように冷却水が循環しながら、光源装置１の外部に熱を放出することにより、発光素子５で発生した熱によって光源装置１の温度が上昇することを抑制する。即ち、放熱部材２０は、光源装置１の冷却を行う。なお、放熱部材２０内の流路２１を通過する冷却媒体としては冷却水に限定されず、液体であってもよいし、例えば圧縮空気や窒素ガスなどの気体であってもよい。

ここで、このように放熱部材２０によって冷却を行った場合、光源装置１の使用時における環境や放熱部材２０での冷却状態によっては、結露が発生することがある。結露が発生した場合、光源装置１の表面に水分が付着するが、セラミックス基板１０は無機材によって構成されており、導電パターン１１は、オーバーコート１８によって覆われている。このため、結露によって光源装置１の表面に水分が付着した場合でも、セラミックス基板１０や導電パターン１１は、この水分によって腐食し難くなっている。

また、放熱部材２０は、熱伝導率が高い材料であるアルミニウムを用いて形成されているため、放熱性は高いが錆が発生することがある。放熱部材２０には、このように錆が発生することがあるが、放熱部材２０は、発光素子５や導電パターン１１との間に、セラミックスからなるセラミックス基板１０が介在する状態で配設されている。このため、放熱部材２０で錆が発生した場合でも、この錆はセラミックス基板１０によって遮られるため、錆に起因する絶縁破壊や、光源装置１における電気経路の腐食等の不具合が生じ難くなっている。

また、紫外線を被照射物に照射して、光反応や紫外線硬化を行わせる際には、被照射物に対して近距離から紫外線を照射することがある。このため、本実施形態に係る光源装置１においても、被照射物で光反応や紫外線硬化を行わせる際には、被照射物に対して近距離から紫外線を照射することがあるが、被照射物の光反応時や紫外線硬化時には、化学反応により、不純物と呼ばれる物が発生する。この不純物が、放熱部材２０を構成する金属材料に付着すると、付着した部分から錆が発生し易くなるが、被照射物への紫外線の照射時における放熱部材２０と被照射物との間には、セラミックス基板１０が位置している。このため、被照射物の化学反応によって不純物が発生した場合でも、この不純物が放熱部材２０まで到達することが抑制され、被照射物の化学反応によって不純物が発生し易い状況でも、この不純物の発生に起因する放熱部材２０の錆は、発生し難くなっている。

以上の実施形態に係る光源装置１は、基板としてセラミックス基板１０を使用し、発光素子５の点灯時に発生する熱の冷却を行う放熱部材２０を、セラミックス基板１０における発光素子５が配設される側の面の反対側に配設している。また、導電パターン１１は、オーバーコート１８によって覆っている。これらにより、冷却性能を確保しつつ、冷却時に結露が発生した場合でも、結露の水分に起因する腐食を抑制することができる。この結果、紫外線の照射性能の経年低下を抑制することができる。

また、導電パターン１１は、オーバーコート１８によって覆われることで、発光素子５から放出され、被照射物などから反射して導電パターン１１に到達する紫外線にさらされることを防ぐことができるため、紫外線の照射性能の経年劣化を抑制することができる。

また、基板に、絶縁性が高く、樹脂等を主成分とする熱伝導層を基材に形成する必要がないセラミックスを基材に用いるセラミックス基板１０を使用するため、発光素子５を複数個実装した場合でも、熱伝導性を維持しつつ、高い耐電圧を確保することができる。また、セラミックスは、樹脂に比べて耐紫外線性があるため、基板に紫外線が照射される構成においても劣化を抑制することができる。これらの結果、紫外線の照射性能の経年低下を抑制することができる。

また、発光素子５として、照射する光の主波長が異なる発光素子５を複数配設することにより、被照射物で光反応や紫外線硬化等の化学反応を行わせる際に、より確実に反応させることができる。つまり、紫外線を照射することによる化学反応は、被照射物の材質によって、化学反応が起き易い光の波長が異なることがあるが、光の主波長が異なる発光素子５を複数配設することにより、被照射物の材質がどのような材質のものであっても、化学反応を行わせ易くすることができる。この結果、被照射物に紫外線を照射することによって化学反応の不均一さを抑制することができる。

また、セラミックス基板１０は、無機材によって構成されているが、セラミックス基板１０の基材にアルミナを用いた場合には、発光素子５から照射された紫外線を、高い反射率で反射することができるので、紫外線の照射性能を向上させることができる。また、セラミックス基板１０の基材に窒化アルミニウムを用いた場合には、発光素子５の点灯時における熱を、窒化アルミニウムの高い熱伝導率によって、より確実に放熱部材２０に伝達することができ、放熱性能を向上させることができる。さらに、セラミックス基板１０の基材に、アルミナと窒化アルミニウムとのいずれを用いた場合でも、放熱部材２０で錆が発生した際に、この錆が、セラミックス基板１０における発光素子５や導電パターン１１が配設されている側の面まで伝わるのを防ぐことができる。これにより、放熱部材２０で発生する錆に起因して、光源装置１の電気経路に腐食等の不具合が発生することを、より確実に抑制することができる。これらの結果、紫外線の照射性能の経年低下を抑制することができる。

また、発光素子５として、主波長が２４０ｎｍ以上４０５ｎｍ以下の光を照射するものを用いるため、被照射物に対して紫外線を照射して化学反応を行わせる際に、より確実に反応させることができる。この結果、光源装置１を、被照射物に対して光反応や紫外線硬化を行わせる灯具として用いる場合に、化学反応の不均一さを抑制することができる。

また、オーバーコート１８が大部分の紫外線を反射することで、導電パターン１１に紫外線が到達することを更に抑制することができる。この結果、紫外線の照射性能の経年低下を抑制することができる。

また、オーバーコート１８が大部分の紫外線を吸収することで、導電パターン１１に紫外線が到達することを更に抑制することができる。この結果、紫外線の照射性能の経年低下を抑制することができる。

〔変形例〕
なお、上述した光源装置１では、発光素子５は、導電パターン１１にはんだ１２によって直接接続されているが、発光素子５は、導電パターン１１に直接接続されていなくてもよい。図２は、実施形態に係る光源装置の変形例であり、パッケージを用いた場合の断面図である。発光素子５は、例えば、図２に示すように、パッケージ３０としてリフレクタ３２と一体になっているものを使用し、このパッケージ３０を、はんだ１２によって導電パターン１１に接続することにより、セラミックス基板１０に配設してもよい。発光素子５が光源となるパッケージ３０のパッケージ材には、紫外線による劣化を防止するため、セラミックスが用いられている。即ち、リフレクタ３２は、基材にセラミックスが用いられている。

このように発光素子５とリフレクタ３２とが一体となったパッケージ３０を用いて、セラミックス基板１０に配設することにより、発光素子５の点灯時における紫外線を、リフレクタ３２で反射させて照射することができる。これにより、発光素子５から照射された紫外線が拡散し過ぎることを抑制でき、所望の方向に効率良く照射することができる。この結果、紫外線の照射性能を高めることができ、且つ、高い照射性能を長期に亘って維持することができる。また、パッケージ３０は、パッケージ材料にセラミックスが用いられているため、熱膨張が、セラミックス基板１０の熱膨張と同等になる。この結果、実装部の破損を低減することができ、耐久性を向上させることができる。なお、発光素子５の配設様式は図２に限定されない。つまり、図２において、一つのパッケージ３０内に一つの発光素子５が配設されているが、例えば、一つのパッケージ３０内に、照射する光の主波長が異なる発光素子５が複数配設されていてもよい。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これらの実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。

１ 光源装置
５ 発光素子
１０ セラミックス基板
１１ 導電パターン
１２ はんだ
１５ 給電部
１８ オーバーコート
２０ 放熱部材
２１ 流路
２３ 流入口
２４ 流出口
３０ パッケージ
３２ リフレクタ

Claims (5)

1. 紫外線領域に主波長を有する光を放出する発光素子と；
   前記発光素子が一面側に配設され、セラミックスを基材とし、前記発光素子が配設される側の面には、導体からなる導電パターンと、少なくとも前記導電パターンを覆い、前記導電パターンに前記光が到達することを抑制するオーバーコートとが形成されるセラミックス基板と；
   前記セラミックス基板における前記発光素子が配設される側の面の反対側に配設され、金属材料からなり、冷却媒体が通過する流路が内部に設けられた放熱部材と；
   を具備し、
   前記オーバーコートは、紫外線を吸収する光源装置。
2. 前記導電パターン及び前記オーバーコートは、前記セラミックス基板の厚み方向において、前記セラミックス基板と前記発光素子との間に配置されている請求項１に記載の光源装置。
3. 前記発光素子は、照射する光の主波長が異なる前記発光素子が複数配設される請求項１または２に記載の光源装置。
4. 前記セラミックス基板は、基材にアルミナ、または窒化アルミニウムが用いられる請求項１〜３のいずれか１項に記載の光源装置。
5. 前記発光素子は、主波長が２４０ｎｍ以上４０５ｎｍ以下の光を照射する請求項１〜４のいずれか１項に記載の光源装置。

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