JP7186935B2 - lighting equipment - Google Patents
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Description
本願は、照明装置に関する。 The present application relates to lighting devices.
照明装置は、例えば光源のような発熱部を有するため、装置の温度上昇による熱暴走を抑制するために、装置内部を許容温度以下に抑える必要がある。装置の内部を冷却するために、例えば、発熱部に金属製のヒートシンクを取り付け、ヒートシンクに熱を移動させた後に、ヒートシンクを空冷することで行われる。さらに、ヒートシンクの冷却効果を高めるために、冷却フィンを設け、表面積を大きくすることが知られている(例えば、特許文献1参照)。
Since the lighting device has a heat-generating part such as a light source, it is necessary to keep the inside of the device below an allowable temperature in order to suppress thermal runaway due to temperature rise of the device. In order to cool the inside of the device, for example, a metal heat sink is attached to the heat generating portion, heat is transferred to the heat sink, and then the heat sink is air-cooled. Furthermore, in order to enhance the cooling effect of the heat sink, it is known to provide cooling fins to increase the surface area (see
また、金属製のヒートシンクの代わりに、セラミックのヒートシンクを使うことが知られている(例えば、特許文献2参照)。 Also, it is known to use a ceramic heat sink instead of a metal heat sink (see, for example, Patent Document 2).
特許文献1では、LEDヘッドライトの光源の冷却に冷却フィンを具備する金属製のヒートシンクを用いている。しかし、冷却性能を高めるためにはフィンを高く、あるいは大きくする必要があり、装置の小型化が難しくなる。
In
特許文献2で例示されるセラミック材料であっても、金属と比べると熱伝導率が小さいため、光源の搭載された面とは反対の放射面における熱放射効率が十分とは言えない。
Even the ceramic material exemplified in
本願は、上記の課題を解決するためになされたものであり、セラミックのヒートシンクを用いて、放熱効率の向上及び小型化の両立が可能な照明装置を提供することを目的とする。 The present application has been made to solve the above problems, and an object of the present application is to provide a lighting device that uses a ceramic heat sink to achieve both improved heat radiation efficiency and reduced size.
本願に開示される照明装置は、光源と、一方の面に前記光源が設けられた基板と、前記基板を冷却する板状のヒートシンクと、前記基板の他方の面と前記ヒートシンクの一方の面との間に密着して設けられた熱伝導層と、を備え、前記ヒートシンクはセラミック材料からなり、厚さ方向に貫通し内部に金属が充填されたビアホールを複数有し、複数の前記ビアホールは、前記ヒートシンクの熱拡散係数をD[m 2 /sec]としたとき、前記ビアホール間の距離Lが、 L≧√(0.02D) を満たすように配置されている。 A lighting device disclosed in the present application includes a light source, a substrate provided with the light source on one surface, a plate-shaped heat sink for cooling the substrate, the other surface of the substrate and one surface of the heat sink. a heat conductive layer provided in close contact between the heat sink, the heat sink made of a ceramic material, and having a plurality of via holes penetrating in a thickness direction and filled with a metal inside, the plurality of via holes comprising: When the thermal diffusion coefficient of the heat sink is D [m 2 /sec] , the distance L between the via holes satisfies the following: L≧√(0.02D).
本願に開示される照明装置によれば、金属の充填されたビアホールが適切に配置されたセラミック材料からなるヒートシンクを用いることで、光源側から効率よく伝熱させ、放熱効率を向上させたので、フィンを設ける等により大型化することなく、放熱効率を向上させることができる。これにより、セラミックのヒートシンクを用い、放熱効率の向上及び小型化の両立が可能な照明装置を提供することが可能となる。 According to the lighting device disclosed in the present application, by using a heat sink made of a ceramic material in which via holes filled with metal are appropriately arranged, heat is efficiently transferred from the light source side, and heat dissipation efficiency is improved. By providing fins or the like, the heat radiation efficiency can be improved without increasing the size. As a result, it is possible to provide a lighting device that uses a ceramic heat sink and is capable of achieving both improved heat radiation efficiency and reduced size.
以下、本実施の形態について図を参照して説明する。なお、各図中、同一符号は、同一または相当する部分を示すものとする。また、照明装置として、LEDヘッドライトを例として挙げるが、これに限定されない。発熱する光源であればLEDに限るものでなく、小型化が求められる照明装置であれば、ヘッドライトに限るものではない。 The present embodiment will be described below with reference to the drawings. In each figure, the same reference numerals indicate the same or corresponding parts. Moreover, although an LED headlight is mentioned as an example of a lighting device, it is not limited to this. The light source that generates heat is not limited to the LED, and the lighting device that requires miniaturization is not limited to the headlight.
実施の形態1.
以下、実施の形態1に係る照明装置の例である、LEDヘッドライトについて図を用いて説明する。
図1は、実施の形態1に係るLEDヘッドライトの概略構成を示す断面図である。LEDヘッドライト1は、筐体11内に、発熱体である光源2、光源2が一方の面に取り付けられた基板3、光源2から発せられた光を集光する集光レンズ4、光を外部へ放射する投射レンズ5、集光レンズ4を保持する保持部材6、集光レンズ4を保持し投射レンズ5を取り付けるための取付部材7、基板3の他方の面に設けられた熱伝導層8、熱伝導層8の基板3とは反対側の面に設けられたヒートシンク9、ヒートシンク9と離間して設けられた放射熱吸収層10を有する。LEDヘッドライト1の各構成部は、筐体11により空気下の密閉空間に配置されている。
An LED headlight, which is an example of the lighting device according to
FIG. 1 is a cross-sectional view showing a schematic configuration of an LED headlight according to
LEDヘッドライト1の組み立ては、例えば次の方法で行う。基板3の一方の面に光源2を取り付け、保持部材6に保持された集光レンズ4が光源2の前方に位置するように基板3に設置し、取付部材7で集光レンズ4を固定する。その後、取付部材7に投射レンズ5を取り付ける。基板3の他方の面に熱伝導層8、ヒートシンク9の順に取り付ける。光源2が取り付けられ、発熱部となる基板3は、熱伝導層8を介してヒートシンク9と密着している。ヒートシンク9において、熱伝導層8と密着する面が発熱面9a、反対側の面が放熱面9bとなる。このように組み立てられた光源部を内面に放射熱吸収層10が取り付けられた筐体11内に設置する。このとき、ヒートシンク9の放熱面9bと放射熱吸収層10とは離間しかつ対向するように配置する。なお、光源部を構成する各部品は、例えばネジあるいは接着剤で取り付けられるが、他の方法で取り付けてもよい。
The assembly of the
ヒートシンク9は、光源2及び基板3からの熱を吸収し、光源2とは反対側の放熱面9bから熱を放射し、放射された熱を放射熱吸収層10が吸収して冷却している。放射熱吸収層10の大きさは、少なくともヒートシンク9の大きさ以上の大きさであり、小さくなければ良い。ヒートシンク9よりも小さい場合は、ヒートシンク9からの放射熱が筐体11で反射され、冷却効率が落ちるためである。しかし、筐体11が樹脂である場合には、放射熱吸収層10を設けなくても、放射熱の反射による放熱効果の低下が生じない。
The
ヒートシンク9には、ビアホール12が加工されたセラミックが用いられる。セラミックとしては例えば、酸化アルミニウム、酸化チタン、酸化クロム、酸化ケイ素、ガラス、窒化ケイ素、炭化ケイ素、二酸化ジルコニウム、ムライト、ステアライト、フォルステライト、コージェライト、窒化アルミニウムが使用される。2種類以上のセラミックを組み合わせた材料も用いられるが、加工性及びコストの観点から、酸化アルミニウムが望ましい。
The
基板3、熱伝導層8、ヒートシンク9は接触した面同士に隙間がないように密着させたほうが良い。隙間があると熱伝導が阻害されて、熱が伝わりにくくなるためである。そのため、熱伝導層8としては、金属製の接合材料を用い、基板3とヒートシンク9とを接合するのが望ましい。接合材料を用いる場合、熱伝導率が高い観点から、銀系の材料が用いられる。しかし、熱膨張係数及び製造プロセスの観点から、接合材料が使えないこともある。その場合、熱伝導層8として金属箔を用いて、基板3、熱伝導層8、ヒートシンク9をねじ止めする構造としても良い。金属箔であれば、形状に馴染み、熱伝導率の低下を抑制できる。金属箔の材質は、熱伝導率が高い観点から、銀系の材料が良い。
The
放射熱吸収層10としては、セラミックまたは樹脂が用いられる。セラミックの場合には、例えば、酸化アルミニウム、酸化チタン、酸化クロム、酸化ケイ素、ガラス、窒化ケイ素、炭化ケイ素、二酸化ジルコニウム、ムライト、ステアライト、フォルステライト、コージェライト、窒化アルミニウムが使用される。セラミックの塊から加工したバルク体を用いてもよいし、筐体11にセラミックコーティングにより設けてもよい。セラミックであればどのような材料も用いることができる。樹脂としては例えば、ポリカーボネート、ポリプロピレン、ポリビニルアルコール、アクリル、エポキシ、フェノール、ポリ塩化ビニル、ポリスチレン、不飽和ポリエステル、ポリイミド、アクリロニトリルーブタジエンースチレン共重合体が使用される。またこれらの樹脂をマトリックスとした繊維強化プラスチックも使用される。さらに、これらを2種類以上組み合わせて用いても良い。樹脂の塊から加工して形成し筐体11の内面に設けてもよいし、筐体11にコーティングあるいは塗装により設けることもできる。
Ceramic or resin is used as the radiation
図2は、実施の形態1に係るLEDヘッドライトのヒートシンク9の構造を示す断面図である。ヒートシンク9には、セラミックの厚み方向に貫通したビアホール12が加工されている。ビアホール12内は、熱伝導率が高い金属が充填されている。金属の充填方法は、金属のペーストを充填するあるいは内面に金属めっきを施して埋める等の方法が用いられる。
FIG. 2 is a cross-sectional view showing the structure of the
ヒートシンク9の作製方法については、例えば次の方法で行う。まず板状のセラミックの基体を用意する。次に、レーザーまたは機械的な穴あけ加工等の手法を用いて、所定の位置にビアホール12の加工を行う。その後、ビアホール12に銀系のペーストを充填する。なお、充填には、スクリーン印刷を用いると位置合わせを容易に行うことができる。その後、銀系のペーストの焼結を行う。この際、ペーストの収縮率により、ビアホール12とペーストの間に隙間が生じることがあるが、ペーストの固形分濃度及び配合により収縮率をコントロールすることで改善できる。なお、セラミックの基体として焼成前のセラミック成型体を用い、これにビアホール12を加工した後に焼成し、ペースト充填しても良い。あるいは、焼成前のセラミック成型体にビアホール12を加工して、ペーストを充填後に焼成する方法であっても良い。成型体は、焼成体に比べて柔らかく加工しやすいため、容易に加工できる。ただし、セラミックは焼成時に収縮するため、成型体で加工した場合は、寸法精度が低いという問題があり、状況に応じて最適な手法を用いることが望ましい。これらの手法により、ビアホール12の内部を熱伝導率が高い材料で充填したヒートシンク9を作ることができる。また、金属めっき処理を行う場合には、電気伝導性、密着性、腐食性の観点から銅めっきを行うのがよい。
The
内部が金属で充填されたビアホール12を有するヒートシンク9の一方の面に、熱伝導層8と基板3とを取り付けることで、図2に示す構造を作ることができる。ヒートシンク9の他方の面は放熱面9bであり、基板3には光源2が取り付けられるので発熱部となる。
The structure shown in FIG. 2 can be produced by attaching the thermally
図3は、ヒートシンク9を放熱面側からみた平面図であり、図2の上面図に相当する。ヒートシンク9の放熱面側の大半はセラミックがむき出しの状態であり、ビアホール12の部分のみ熱伝導率が高い材料になっている。ビアホール12は、周囲に均一に熱を拡散できる観点から、断面が四角、三角、楕円、長穴形状よりも円形であって、ビアホールとして円筒形状であることが望ましい。また、ビアホール12同士の距離が均一になる観点から、正三角形の頂点に位置するように配置することが望ましい。
FIG. 3 is a plan view of the
図4、図5、図6は、ヒートシンク9に形成されたビアホール12のヒートシンク9の放熱面における配置と放射効率との関係を説明するための図である。熱の平均拡散距離dtは、ヒートシンクを構成する材料の熱拡散係数D[m2/sec]、時間t[sec]を用いて、dt=√(2Dt)と表される。ヒートシンク9の放熱面にビアホール12からの熱が伝熱され、ヒートシンク9の放熱面の温度を瞬時に高められる時間を0.01[sec]とする。このとき、図中ビアホール12の半径をr、ビアホールの面積をA(=πr2)、熱が拡散して放射効率が高い温度になるビアホール12の端部からd0.01=√(0.02D)の距離に含まれる範囲の面積をB、ビアホール12の端部からの距離d0.01を超えた放射効率が悪い範囲の面積Cとする。面積Aと面積Bとの占める面積は放熱に寄与する面積に相当する。4, 5, and 6 are diagrams for explaining the relationship between the arrangement of the via holes 12 formed in the
図4のように、ビアホール12の中心からr+d0.01を半径とする円が互いに接するようにビアホール12が配置された場合、面積A及び面積Bが占める合計の表面積は、全体の90.7%(≒(A+B)/(A+B+C))であり、r+d0.01を半径とする円が重ならずに最も効率的に放射が可能となる。r+d0.01を半径とする円が重ならない関係とは、ビアホール12同士が、ビアホール12の端部からのビアホール同士の距離(図7におけるビアホールの間隔)をLとすると、L≧d0.01の関係を満たす配置にあることである。
As shown in FIG. 4, when the via
図5のように、ビアホール12の中心からr+d0.01の距離を半径とする円から離れるようにビアホール12が配置された場合、放射効率が悪い範囲の面積Cが増大し、面積Aと面積Bが占める合計の表面積は、全体の90.7%より小さくなるが、放射による効果は十分に得られる。As shown in FIG. 5, when the via
一方、図6のように、ビアホール12の中心からr+d0.01の距離を半径とする円が重なるようにビアホール12が配置された場合、放射効率が悪い範囲の面積Cは減少し、面積Aと面積Bが占める合計の表面積は、全体の90.7%を超える。しかし、半径r+d0.01の円が重なっているため、ビアホール1個あたりの放射効果が下がって非効率となる。また、ヒートシンク9の面積当たりのビアホールの個数を増加させる必要があり、加工コストが上がることになる。On the other hand, as shown in FIG. 6, when the via holes 12 are arranged so that circles having a radius of r+d 0.01 from the center of the via holes 12 overlap each other, the area C of the range with poor radiation efficiency decreases, and the area A and area B occupy more than 90.7% of the total surface area. However, since the circles with a radius of r+d of 0.01 are overlapped, the radiation effect per via hole is lowered, resulting in inefficiency. Moreover, it is necessary to increase the number of via holes per unit area of the
図7、図8、図9は、ヒートシンク9の断面図で、ビアホール12の配置と放射効率との関係を説明するための図である。ヒートシンク9の厚みをH[mm] 、ビアホール12の間隔をL[mm]とする。図7、図8はヒートシンク9の厚みが十分厚い場合である。ビアホール12が形成されていない場合、図7におけるヒートシンク9の発熱面9aからd0.01の距離が放射に有効な範囲となるが、熱が放熱面9bに達しておらず放熱効率は劣る。図7のように、ビアホール12の間隔をLが2×d0.01の場合、ビアホール12間は瞬時に熱が均一となり、放熱面9bのうち放射可能となる領域Eが放熱面9b全面となり、放熱面9bから熱が放射され、放射効率が向上する。7, 8, and 9 are cross-sectional views of the
図8は、ビアホール12の間隔Lが2×d0.01を超えて離れている場合である。この場合、ビアホール12間のU字状の内側の領域以外は熱が瞬時に均一となる。放熱面9bのビアホール12からd0.01内の領域が放射可能となる領域Eであり、この領域から熱が放射され、放射効率が向上する。
図7、図8より、ヒートシンク9の厚みHが厚くd0.01以上の大きい場合(H≧d0.01)、放射に有効な範囲は、ビアホール12の間隔Lに依存することがわかる。FIG. 8 shows the case where the distance L between the via holes 12 exceeds 2×d 0.01 . In this case, the heat instantly becomes uniform except for the U-shaped inner region between the via holes 12 . A region within d 0.01 from the via
7 and 8, when the thickness H of the
一方、図9のように、ヒートシンク9の厚みHが薄くd0.01より小さい場合(H<d0.01)、ビアホール12がなくても伝熱により瞬時に発熱面9aから放熱面9bまで熱が均一となり、放熱面9b全面が放射可能となる領域Eとなり、熱が放射される。そのため、ビアホール12を有する構造において、ビアホール12の効果が生じるのは、ヒートシンク9の厚みHとの関係において、H≧d0.01の関係式を満たす場合である。On the other hand, when the thickness H of the
図10は、ヒートシンク9に形成されたビアホール12の半径rと放射効率との関係を説明するための図である。図10は、図4のようにビアホール12からr+d0.01の距離を半径とする円が互いに接するようにビアホール12が配置された場合の、ビアホール12の面積Aの放熱面全体に占める割合を破線で、熱が拡散して放射効率が高い温度になるビアホール12の端部からd0.01=√(0.02D)の距離に含まれる範囲の面積Bの放熱面全体に占める割合を実線で示している。FIG. 10 is a diagram for explaining the relationship between the radius r of the via
図10より、ビアホール12の半径rは小さいほど、放射効率が高くなる面積Bが大きく、全体としての放射効率が高いので、望ましい。ビアホール12の半径rが3.5mm以下であれば、放射効率が高い面積Bの割合がビアホールの面積Aを上回るため、放射効率が高くなる。なお、図10において、ビアホール12の半径rはゼロを除く。
From FIG. 10, the smaller the radius r of the via
以上のように、実施の形態1に係る照明装置によれば、発熱体である光源2を設けた基板3を冷却するヒートシンク9として板状のセラミック材料からなる基体を用い、セラミックの厚み方向に貫通され内部に金属の充填されたビアホール12を設け、ヒートシンク9の光源側である発熱面9aから放熱面9bへ効率よく伝熱させ、放熱効率を向上させたので、フィンを設ける等により大型化することなく、セラミックの基体のサイズのままで放熱効率を向上させることができる。これにより、セラミックのヒートシンク9を用い、放熱効率の向上及び小型化の両立が可能な照明装置を提供することが可能となる。
As described above, according to the lighting device according to the first embodiment, the substrate made of a plate-shaped ceramic material is used as the
また、光源2の設けられた基板3とヒートシンク9の発熱面9aとの間に、熱伝導層8を設けたので、発熱体である光源2からの熱をよりヒートシンク9へ伝熱しやすくなり、放熱効率が向上する。
さらに、光源2の配置された筐体11内にヒートシンク9の放熱面9bと対向するように放射熱吸収層10を設けたので、ヒートシンク9からの熱を放射熱吸収層10吸収させることで、より放熱効率が向上する。In addition, since the heat
Furthermore, since the radiation
実施の形態2.
以下に、実施の形態2に係る照明装置の例である、LEDヘッドライトについて図を用いて説明する。
図11は、実施の形態2に係るLEDヘッドライトのヒートシンク9の構造を示す断面図である。本実施の形態2においては、ヒートシンク9のビアホール12に放熱面9b側へ突出するように放熱層13を設けた。その他の構成は実施の形態1と同様である。
An LED headlight, which is an example of a lighting device according to
FIG. 11 is a cross-sectional view showing the structure of the
ビアホール12に放熱面9b側へ突出するように放熱層13を設けることにより、放熱層13を設けない場合よりも放熱面積を大きくすることができ、放熱層13からも放射による放熱効果を得ることができる。放熱層13としては、例えばセラミックを含む層であり、セラミックの粒子を含有したペーストを用いて形成することができる。セラミックの粒子としては、入手性の観点から酸化アルミニウムが望ましく、ビアホール12の頂点にセラミックの粒子を含有したペーストを塗工した後、所定の温度に加温することで、放熱層13を設けることができる。
By providing the
図12は、ヒートシンク9を放熱面側からみた平面図である。ビアホール12の部分に放熱層13が設けられ、ビアホール12から突出した分、放熱面積を大きくできることになる。
FIG. 12 is a plan view of the
以上のように、実施の形態2に係る照明装置によれば、実施の形態1と同様の効果を奏する。さらに、ヒートシンク9のビアホール12に放熱面9b側へ突出するように放熱層13を設けたので、放熱層13を設けない場合よりも放熱面積を大きくすることができ、放熱層13からも放射による放熱効果を得ることができる。これにより放熱効率はさらに向上し、放熱効率の高い照明装置を提供することが可能となる。
As described above, according to the lighting device according to the second embodiment, the same effects as those of the first embodiment can be obtained. Furthermore, since the
実施の形態3.
以下に、実施の形態3に係る照明装置の例である、LEDヘッドライトについて図を用いて説明する。
図13は、実施の形態3に係るLEDヘッドライトを示す概略構成図である。実施の形態1の図1と異なるのは、光源2の設けられた基板3に隙間なく密着して設けられた熱伝導層8及びヒートシンク9を基板3より大きくしたことである。図13の断面図に示されるように、基板3の幅より熱伝導層8及びヒートシンク9の幅の方が広い。基板3の方が熱伝導層8及びヒートシンク9より小さいと、熱伝導層8及びヒートシンク9に接していない基板3からの伝熱が不十分となるが、基板3が熱伝導層8及びヒートシンク9より大きいと、光源2からの熱を基板3を介して効率よく伝熱し、放熱することが可能となる。この場合、放射熱吸収層10の大きさも熱伝導層8及びヒートシンク9に対応して大きくするのがよい。図13では、放射熱吸収層10の幅は熱伝導層8及びヒートシンク9の幅に対応して広くしている。
An LED headlight, which is an example of a lighting device according to
FIG. 13 is a schematic configuration diagram showing an LED headlight according to
図14は、実施の形態3に係るLEDヘッドライトを示す別の概略構成図である。図14では、基板3に比べ熱伝導層8の幅を大きくしているが、熱伝導層8の幅よりもヒートシンク9の幅をさらに大きく広げても良い。この場合、熱伝導をスムーズにするために、熱伝導層8のエッジ部分にビアホール12が接触するように、ビアホール12の配置を調整したほうが良い。ビアホール12を中心に放熱領域が広がるため、図14において、熱伝導層8のエッジ部分のビアホール12のヒートシンク9の発熱面9a外側の領域(図14中、点線の楕円領域)も放熱に寄与することになり、放熱効率が向上する。図14においても、放射熱吸収層10の幅はヒートシンク9の幅に対応して広くしている。
FIG. 14 is another schematic configuration diagram showing the LED headlight according to the third embodiment. In FIG. 14, the width of the heat
以上のように、実施の形態3に係る照明装置によれば、光源2の設けられた基板3に隙間なく接して設けられた熱伝導層8及びヒートシンク9を基板3より大きくすることにより、放熱効率が向上する。さらに、熱伝導層8よりもヒートシンク9を大きくし、熱伝導層8のエッジ部分にビアホール12を配置するようにすれば、ヒートシンク9の発熱面9a側も放熱に寄与することになり、さらに放熱効率が向上する。
As described above, according to the lighting device according to the third embodiment, the thermal
実施例1~12.
次に、金属の充填されたビアホール12及び放熱層13について実施例を基にそれらの効果を説明する。試験条件は、以下の通りである。
1.基板3、熱伝導層8、ヒートシンク9の大きさ:100mm×100mm
2.ヒートシンク9の材料:酸化アルミニウム
D=1.1×10-5[m2/sec]
√(0.02D)=0.47mm
3.光源2:LEDヘッドライト
ビアホール12に対して、ビアホール12の半径r、ビアホール12同士の距離L及び放熱層13の有無を変化させた試料を作成し、LEDヘッドライト点灯後、飽和した温度を光ファイバー温度計あるいは熱電対等で計測し、試験開始温度からの上昇温度を対比した。Examples 1-12.
Next, the effects of the metal-filled via
1. Size of
2. Material of heat sink 9: aluminum oxide
D=1.1×10 −5 [m 2 /sec]
√(0.02D)=0.47mm
3. Light source 2: For the LED headlight via
図15は、試験結果をまとめたもので、本実施の形態1,2で示されたヒートシンク9に形成されたビアホール12及び放熱層13の放熱効果について実施例1~12及び比較例1~5の結果に基づいて説明するための図である。なお、上昇温度が低いほど、放熱効果が高いことを示している。
[ビアホールの効果]
ヒートシンク9の厚みHが5.0mmでビアホール12有(実施例1~6、8~12)とビアホール無(比較例1)とを対比すると、比較例1の上昇温度120Kと比べて、実施例1~6、8~12はいずれも上昇温度が120Kより低く、ビアホールを設ける効果が確認された。また、ヒートシンクの厚みHが1.5mmでビアホール有(実施例7)とビアホール無(比較例4)とを対比すると、上昇温度がそれぞれ108Kと118Kであり、同様にビアホールを設ける効果が確認された。FIG. 15 summarizes the test results, showing examples 1 to 12 and comparative examples 1 to 5 of the heat dissipation effect of the via holes 12 and the
[Effect of via hole]
When the thickness H of the
[ビアホール同士の距離Lについて]
実施例1~6は、ヒートシンク9の厚みHが5.0mmかつ放熱層13を設けていないもので、ビアホール同士の距離Lのみが異なる。実施例6から順にビアホール同士の距離Lが小さくなると、上昇温度は低下するが、実施例1~3では上昇温度は99Kで一定である。実施例3は図4で示した、ビアホール12を中心に距離r+√(0.02D)を半径とする円が接するようにビアホール12同士が配置された状態である。これ以上ビアホール12が近接する実施例1,2は、図6で示した状態に相当し、ビアホール1個あたりの放熱効果が上がらず、放熱効率は飽和する。そのため、実施例1~3では上昇温度が一定となる。また、ビアホール同士を近接して設けることは面積当たりのビアホールの個数が増加し、ビアホールの加工工数が増えコストに影響するので、ビアホール同士の距離Lは√(0.02D)の2倍(=0.94mm)より小さくしない方がよい。[Regarding distance L between via holes]
In Examples 1 to 6, the thickness H of the
[ヒートシンクの厚みHについて]
実施例4,7及び比較例2は、ビアホール12を有し、ビアホール同士の距離Lが1.2mm、ビアホールの半径rが0.1mmのもので、ヒートシンクの厚みHのみが異なっている。実施例4はヒートシンクの厚みHが5.0mmで上昇温度が105K、実施例7はヒートシンクの厚みHが1.5mmで上昇温度が108K、比較例2はヒートシンクの厚みHが0.3mmで上昇温度が125Kであった。ヒートシンク9の厚みHが√(0.02D)(=0.47mm)より小さい比較例2の上昇温度が高く、ヒートシンクの厚みHが√(0.02D)より大きい実施例4,7は比較例より上昇温度が低い。すなわち、ヒートシンク9の厚みHが√(0.02D)より大きいとビアホール12を有する効果を奏することがわかる。[About heat sink thickness H]
Examples 4 and 7 and Comparative Example 2 have via
このことは、上述のビアホールの効果で述べたように、同じヒートシンクの厚みHが5.0mmの実施例4の上昇温度と比較例1の上昇温度とを比較するとそれぞれ105K、120Kであり、同じヒートシンクの厚みHが1.5mmの実施例7と比較例4の上昇温度とを比較するとそれぞれ108K、118Kである結果からもわかる。すなわち、ヒートシンクの厚みHが√(0.02D)より大きいとビアホールによる伝熱及び放熱の効果を奏する。 As described above for the effect of the via hole, when the temperature rise in Example 4 with the same heat sink thickness H of 5.0 mm is compared with the temperature rise in Comparative Example 1, the results are 105 K and 120 K, respectively. Comparing the temperature rises of Example 7, in which the thickness H of the heat sink is 1.5 mm, and Comparative Example 4, the results are 108 K and 118 K, respectively. That is, when the thickness H of the heat sink is larger than √(0.02D), the effect of heat transfer and heat dissipation by the via holes is exhibited.
一方、ヒートシンクの厚みHが√(0.02D)よりも小さい比較例2は、図9で示した状態に相当する。比較例2と同じヒートシンクの厚みHが0.3mmであって、ビアホールを有しない比較例3と比しても、上昇温度は同じ125Kであり、ビアホールによる伝熱及び放熱の効果が認められない。 On the other hand, Comparative Example 2 in which the thickness H of the heat sink is smaller than √(0.02D) corresponds to the state shown in FIG. The thickness H of the heat sink is 0.3 mm, which is the same as in Comparative Example 2. Compared to Comparative Example 3, which does not have via holes, the temperature rise is the same 125 K, and the effect of heat transfer and heat dissipation by the via holes is not recognized. .
[ビアホールの半径rについて]
実施例8~10及び比較例5は、いずれもヒートシンク9の厚みHが5.0mm、ビアホール12同士の距離Lが1.2mm、放熱層13を設けていないもので、ビアホール12の半径rが異なっている。上昇温度は、実施例8で107K、実施例9で108K、実施例10で113K、比較例5で117Kであった。ビアホールの半径rが3.5mm以下の実施例8~10においては、ビアホールを有しない比較例1と比べて上昇温度の低下が確認できる。しかし、ビアホールの半径rが3.5mmを超える比較例5においては、上昇温度が大きく、ビアホールを有しない比較例1とは3Kしか変わらなく、効果が小さいことが確認された。[Regarding via hole radius r]
In Examples 8 to 10 and Comparative Example 5, the thickness H of the
[放熱層の効果]
実施例11、12は放熱層13を設けたものである。他の条件は同じで放熱層13の有無で上昇温度を比較すると、実施例11で96K、実施例3で99Kであり、放熱層13を設けることにより上昇温度の低下が確認された。また、同様に他の条件は同じで放熱層13の有無で実施例12及び実施例8の上昇温度を比較するとそれぞれ104K、107Kであり、放熱層13を設けることによる効果が確認された。[Effect of heat dissipation layer]
In Examples 11 and 12, the
本開示は、様々な例示的な実施の形態及び実施例が記載されているが、1つ、または複数の実施の形態に記載された様々な特徴、態様、及び機能は特定の実施の形態の適用に限られるのではなく、単独で、または様々な組み合わせで実施の形態に適用可能である。
従って、例示されていない無数の変形例が、本願明細書に開示される技術の範囲内において想定される。例えば、少なくとも1つの構成要素を変形する場合、追加する場合または省略する場合、さらには、少なくとも1つの構成要素を抽出し、他の実施の形態の構成要素と組み合わせる場合が含まれるものとする。While this disclosure describes various exemplary embodiments and examples, various features, aspects, and functions described in one or more of the embodiments may vary from particular embodiment to embodiment. The embodiments are applicable singly or in various combinations without being limited to the application.
Accordingly, numerous variations not illustrated are envisioned within the scope of the technology disclosed herein. For example, modification, addition or omission of at least one component, extraction of at least one component, and combination with components of other embodiments shall be included.
1:LEDヘッドライト、 2:光源、 3:基板、 4:集光レンズ、 5:投射レンズ、 6:保持部材、 7:取付部材、 8:熱伝導層、 9:ヒートシンク、 9a:発熱面、 9b:放熱面、 10:放射熱吸収層、 11:筐体、 12:ビアホール、 13:放熱層。
1: LED headlight 2: Light source 3: Substrate 4: Condensing lens 5: Projection lens 6: Holding member 7: Mounting member 8: Thermal conductive layer 9:
Claims (8)
一方の面に前記光源が設けられた基板と、
前記基板を冷却する板状のヒートシンクと、
前記基板の他方の面と前記ヒートシンクの一方の面との間に密着して設けられた熱伝導層と、を備え、
前記ヒートシンクはセラミック材料からなり、厚さ方向に貫通し、内部に金属が充填されたビアホールを複数有し、
複数の前記ビアホールは、前記ヒートシンクの熱拡散係数をD[m 2 /sec]としたとき、前記ビアホール間の距離Lが、
L≧√(0.02D)
を満たすように配置されている照明装置。 a light source;
a substrate provided with the light source on one surface;
a plate-shaped heat sink that cools the substrate;
a heat conductive layer provided in close contact between the other surface of the substrate and one surface of the heat sink;
The heat sink is made of a ceramic material, has a plurality of via holes that penetrate in the thickness direction and are filled with metal,
When the thermal diffusion coefficient of the heat sink is D [m 2 /sec] , the plurality of via holes have a distance L between the via holes of
L≧√(0.02D)
A lighting device arranged to satisfy
H≧√(0.02D)
を満たす厚みである請求項1に記載の照明装置。 The thickness H of the heat sink is
H≧√(0.02D)
2. The lighting device according to claim 1, wherein the thickness satisfies the following:
前記放射熱吸収層と前記ヒートシンクとは離間しかつ対向して配置されている請求項1から5のいずれか1項に記載の照明装置。 the light source is disposed in a housing with a radiant heat absorbing layer on the inner surface;
6. The lighting device according to any one of claims 1 to 5, wherein the radiation heat absorbing layer and the heat sink are spaced apart and opposed to each other.
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