JP6545991B2

JP6545991B2 - 光源モジュール

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Publication number: JP6545991B2
Application number: JP2015072285A
Authority: JP
Inventors: 知幸市川; 津田　俊明; 俊明津田
Original assignee: Koito Manufacturing Co Ltd
Current assignee: Koito Manufacturing Co Ltd
Priority date: 2015-03-31
Filing date: 2015-03-31
Publication date: 2019-07-17
Anticipated expiration: 2035-03-31
Also published as: JP2016192512A; US20160290620A1; CN106016119A; CN106016119B; US10184652B2

Description

本発明は、光源モジュールに関し、特に自動車などの車両の灯具に用いられる光源モジュールに関する。

従来、レーザ素子と、このレーザ素子が搭載される金属製のステムとを有するレーザ光源が、回路基板上に搭載された構造を有する光源モジュールが知られている（例えば、特許文献１参照）。

特開２００６−２７８３６１号公報

上述した光源モジュールでは、光源を熱による損傷から保護するために、また低温であっても光源の光出力が過剰になる可能性があるために、光源の温度に応じて光源へ供給する電流を調節する、いわゆる温度ディレーティング制御が行われる場合がある。温度ディレーティング制御を高精度に実施するためには、光源の温度を高精度に検知する必要がある。

本発明はこうした状況に鑑みてなされたものであり、その目的は、光源の温度の検知精度を向上させるための技術を提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明のある態様は光源モジュールである。当該光源モジュールは、発光素子、及び一端側が発光素子に電気的に接続される端子を有する光源と、端子の他端側を外部給電端子に電気的に接続するための配線基板と、光源及び配線基板の間に配置され、発光素子に伝熱可能に接続される熱拡散部材と、配線基板に搭載され、光源の温度を検知する温度検知部と、を備える。熱拡散部材は、配線基板側を向く面に凹部を有する。温度検知部は、凹部に収容される。この態様によれば、光源の温度の検知精度を向上させることができる。

上記態様において、温度検知部と凹部の表面との間に介在する絶縁性の熱伝導部材をさらに備えてもよい。この態様によれば、光源の温度の検知精度をより高めることができる。上記いずれかの態様において、熱拡散部材に送風するファンをさらに備え、凹部は、光源よりもファンの送風方向の風下に位置してもよい。この態様によっても、光源の温度の検知精度をより高めることができる。上記いずれかの態様において、熱拡散部材に送風するファンをさらに備え、凹部は、ファンの光源に最も近い第１点と光源のファンに最も近い第２点とを通る第１直線に対して垂直で且つ第２点を通る第２直線よりも、光源側に配置されてもよい。この態様によっても、光源の温度の検知精度をより高めることができる。

本発明によれば、光源の温度の検知精度を向上させるための技術を提供することができる。

実施の形態１に係る光源モジュールの概略構造を示す断面図である。光源の概略構造を示す断面図である。実施の形態１に係る光源モジュールにおける光源と、凹部と、ファンとの位置関係を説明するための模式図である。図４（Ａ）は、実施の形態２に係る光源モジュールが備える配線基板の概略構造を示す平面図である。図４（Ｂ）は、実施の形態２に係る光源モジュールの点灯回路の構成を示す回路図である。図４（Ｃ）は、実施の形態２に係る光源モジュールが備える配線基板の概略構造を示す平面図である。

以下、本発明を好適な実施の形態をもとに図面を参照しながら説明する。各図面に示される同一または同等の構成要素、部材、処理には、同一の符号を付するものとし、適宜重複した説明は省略する。また、実施の形態は、発明を限定するものではなく例示であって、実施の形態に記述されるすべての特徴やその組み合わせは、必ずしも発明の本質的なものであるとは限らない。

（実施の形態１）
図１は、実施の形態１に係る光源モジュールの概略構造を示す断面図である。図１では、光源１００及び外部給電端子６００の内部構造の図示を省略している。また、配線パターンの図示を省略している。図２は、光源の概略構造を示す断面図である。本実施の形態に係る光源モジュール１は、例えば車両用灯具に用いられる。図１に示すように、光源モジュール１は、光源１００と、配線基板２００と、熱拡散部材３００と、温度検知部４００と、ファン５００とを備える。

図１及び２に示すように、光源１００は、主な構成としてキャップ１０２と、発光素子１０４と、ステム１０６と、少なくとも２つの端子１０８，１１０とを有する。光源１００は、例えば従来公知のＣＡＮパッケージである。すなわち光源１００は、発光素子１０４が収容された空間から端子１０８，１１０がステム１０６を貫通して外部に延在する構造を有する。よって、端子１０８，１１０は、光源１００の主な放熱面となるステム１０６の主表面から突出する。光源１００は、レーザで蛍光体を励起して白色光を生成する。

具体的には、光源１００は、キャップ１０２とステム１０６とで形成される内部空間１０３を有する。この内部空間１０３に、発光素子１０４が収容される。内部空間１０３は、気密に封止される。発光素子１０４は、従来公知のレーザ素子であり、レーザ光の波長域は例えば３８０〜４７０ｎｍである。ステム１０６は、金属製の板状部材であり、発光素子１０４を支持する。具体的には、ステム１０６の内部空間１０３と接する表面に、放熱ブロック１１２が固定される。また、放熱ブロック１１２にはサブマウント１１４が固定され、サブマウント１１４に発光素子１０４が取り付けられる。したがって、ステム１０６は、放熱ブロック１１２及びサブマウント１１４を介して発光素子１０４を支持する。

発光素子１０４の一方の電極は、一方の端子１０８の一端側に電気的に接続される。発光素子１０４の他方の電極は、他方の端子１１０の一端側に電気的に接続される。端子１０８，１１０は、ステム１０６と電気的に絶縁された状態でステム１０６に固定される。キャップ１０２の上面には、発光素子１０４の光を外部に取り出すための窓１０２ａが設けられる。窓１０２ａには、発光素子１０４の光の少なくとも一部を波長変換する波長変換部１１６が設けられる。波長変換部１１６としては、粉体蛍光体を透明樹脂やガラスに分散させてなるものや、粉体蛍光体を焼結したセラミック等が例示される。発光素子１０４と波長変換部１１６との間における発光素子１０４の出射光の光路上には、レンズ１１８が設けられる。レンズ１１８は、例えば、発光素子１０４から出射される光を平行光に変換するコリメートレンズである。

配線基板２００は、光源１００の端子１０８，１１０を外部給電端子６００に電気的に接続するための部材である。配線基板２００は、例えば従来公知のプリント配線基板である。配線基板２００は、ガラスエポキシ基板等の樹脂製の基板２０２と、当該基板２０２の表面に形成された導電性の配線パターン（図示せず）とを有する。基板２０２は、光源１００が搭載される領域に貫通孔２０２ａを有する。貫通孔２０２ａには、端子１０８，１１０の他端側が挿通される。端子１０８，１１０の他端側と配線パターンの一端側とは、はんだ等の接続部材２０４ａにより固定されて互いに電気的に接続される。これにより、配線基板２００と端子１０８，１１０との接続部２０４が形成される。

基板２０２の所定領域、例えば周縁部には、外部給電端子６００が設けられる。接続部２０４と外部給電端子６００とが並ぶ方向、すなわち配線基板２００の延在方向は、光源１００、熱拡散部材３００及び配線基板２００の積層方向に対して交わる方向である。また、本実施の形態では、外部給電端子６００はコネクタ形状を有する。外部給電端子６００には、外部電源が接続される。また、外部給電端子６００には配線パターンの他端側が電気的に接続される。したがって、外部電源が外部給電端子６００に接続されると、外部給電端子６００、配線パターン、接続部２０４及び端子１０８，１１０を介して、発光素子１０４に電力が供給される。また、配線基板２００には、発光素子１０４の出力を制御する制御回路（図示せず）や、温度検知部４００が搭載される。

温度検知部４００は、光源１００の温度を検知する。温度検知部４００は、サーミスタ、半導体温度センサ、白金温度センサ等の公知の温度センサで構成することができる。本実施の形態では、温度検知部４００は、表面実装型（surface mount device：ＳＭＤ）のサーミスタで構成される。

熱拡散部材３００は、金属等の熱伝導性の高い材料で構成される。熱拡散部材３００として用いられる金属としては、アルミニウム等が挙げられる。熱拡散部材３００は、少なくとも一部が光源１００のステム１０６と、配線基板２００との間に配置され、発光素子１０４に熱的に、言い換えれば伝熱可能に接続される。すなわち、熱拡散部材３００は、配線基板２００とステム１０６とで挟持される。熱拡散部材３００は、例えばねじ等の締結具（図示せず）により配線基板２００に固定される。熱拡散部材３００は、基板２０２の貫通孔２０２ａに対応する位置に、貫通孔３００ａを有する。端子１０８，１１０は、貫通孔３００ａ及び貫通孔２０２ａに挿通され、接続部２０４において先端部が配線パターンに電気的に接続される。熱拡散部材３００は、配線基板２００側を向く面に凹部３１０を有する。本実施の形態の凹部３１０は、図１に示されるように、配線基板２００側を向く面と光源１００側を向く面とをつなぐ側面まで延在している。すなわち、凹部３１０は、熱拡散部材３００の角部が切り欠かれてなり、側面において熱拡散部材３００の外部に連通している。これにより、後述する熱伝導部材７００を凹部３１０内に充填しやすくすることができる。しかしながら、凹部３１０の形状は特に限定されず、側面に接していなくてもよい。すなわち、凹部３１０は、熱拡散部材３００と配線基板２００とで囲まれる閉鎖空間であってもよい。

熱拡散部材３００により、発光素子１０４で発生する熱を拡散させることができる。発光素子１０４で発生する熱は、サブマウント１１４、放熱ブロック１１２及びステム１０６を介して熱拡散部材３００に伝達される。熱拡散部材３００は、ステム１０６の主表面と面接触する。このため、ステム１０６の側面のみに熱拡散部材３００が接触する場合に比べて、ステム１０６と熱拡散部材３００との接触面積を増やすことができる。したがって、光源１００の放熱性を高めることができる。熱拡散部材３００は、ヒートシンク（図示せず）を有する。熱拡散部材３００に伝達された熱は、主にヒートシンク部分から放熱される。

ファン５００は、主に熱拡散部材３００に送風する。ファン５００の送風により、熱拡散部材３００、特に熱拡散部材３００のヒートシンク部分が冷却される。これにより、熱拡散部材３００の放熱性をより高めることができ、ひいては光源１００の放熱性をより高めることができる。光源１００は、熱拡散部材３００への放熱に加えて、ファン５００からの送風により冷却されてもよい。

温度検知部４００は、配線基板２００に搭載された状態で、凹部３１０に収容される。温度検知部４００が凹部３１０に収容されることで、光源モジュール１が置かれる環境の影響を温度検知部４００が受けて、温度検知部４００による光源１００の温度の検知精度が低下することを抑制することができる。温度検知部４００が受ける環境の影響としては、例えばファン５００の送風が考えられる。例えば、ファン５００から温度検知部４００への送風によって温度検知部４００が冷却される場合、温度検知部４００は、光源１００よりも冷却される可能性がある。あるいは、温度検知部４００は、光源１００の冷却とは独立して若しくは先行して冷却される可能性がある。これに対し、温度検知部４００を凹部３１０に収容することで、ファン５００からの風が温度検知部４００に直に当たることを抑制することができる。これにより、温度検知部４００による光源１００の温度の検知精度を向上させることができる。

また、本実施の形態の光源モジュール１は、温度検知部４００と凹部３１０の表面との間に介在する、絶縁性の熱伝導部材７００をさらに備える。すなわち、温度検知部４００と熱拡散部材３００とは、熱伝導部材７００を介して熱的に接続される。これにより、光源１００の熱を熱拡散部材３００及び熱伝導部材７００を介して温度検知部４００に伝達させることができる。熱伝導部材７００としては、例えばシリコーングリス等の、絶縁性を有し且つ熱伝導性の高い充填材を用いることができる。熱伝導部材７００は、ゲル状であってもシート状等の他の状態であってもよい。

温度検知部４００は、熱拡散部材３００に直に当接させると両者間で短絡が生じるおそれがあるため、温度検知部４００と凹部３１０の表面とは離間させることが好ましい。しかしながら、温度検知部４００と凹部３１０の表面との間に空間があると、熱拡散部材３００から温度検知部４００への熱伝導が阻害される。これに対し、温度検知部４００と凹部３１０の表面との間に絶縁性の熱伝導部材７００を介在させることで、温度検知部４００と熱拡散部材３００との間の短絡を回避しながら、熱拡散部材３００から温度検知部４００への熱伝導を促進することができる。よって、温度検知部４００による光源１００の温度の検知精度をより高めることができる。

さらに、本実施の形態に係る光源モジュール１では、凹部３１０は、温度検知部４００の検知精度をより向上できるよう光源１００に対する位置が定められている。図３は、光源１００と、凹部３１０と、ファン５００との位置関係を説明するための模式図である。図３では、光源１００、熱拡散部材３００及び配線基板２００の積層方向に対して平行な方向から見た様子を図示している。

図３に示すように、凹部３１０は、光源１００よりもファン５００の送風方向Ｗ（図３中の矢印Ｗで示す方向）の風下に位置する。これにより、温度検知部４００が光源１００よりも冷却されること、あるいは温度検知部４００が光源１００の冷却とは独立に若しくは先行して冷却されることを抑制することができる。このため、温度検知部４００による光源１００の温度の検知精度をより向上させることができる。

あるいは、凹部３１０は、第２直線Ｌ_２よりも光源１００側に配置される。第２直線Ｌ_２は、ファン５００上の光源１００に最も近い第１点Ｐ_１と光源１００上のファン５００に最も近い第２点Ｐ_２とを通る第１直線Ｌ_１に対して垂直で、且つ第２点Ｐ_２を通る直線である。第１点Ｐ_１は、第２点Ｐ_２に最も近いファン５００上の点としてもよい。あるいは、凹部３１０は、ファン５００と凹部３１０との間に光源１００が存在するように配置される。これらの配置によっても、温度検知部４００が光源１００よりも冷却されること、あるいは温度検知部４００が光源１００の冷却とは独立に若しくは先行して冷却されることを抑制することができる。よって、温度検知部４００の温度検知精度をより向上させることができる。

以上説明したように、本実施の形態に係る光源モジュール１は、ステム１０６と配線基板２００との間に配置され、発光素子１０４に伝熱可能に接続される熱拡散部材３００を有する。これにより、ステム１０６の側面に熱拡散部材３００を接触させる場合に比べて、ステム１０６と熱拡散部材３００との接触面積を増やすことができる。その結果、光源１００の放熱性を向上させることができる。また、熱拡散部材３００は配線基板２００側を向く面に凹部３１０を有し、温度検知部４００は凹部３１０に収容される。これにより、温度検知部４００が外部環境から受ける、温度に関する影響を軽減することができる。よって、光源１００の温度をより高精度に検知することができる。また、ファン５００の設置自由度を高めることもできる。

また、温度検知部４００と凹部３１０の表面との間には、絶縁性の熱伝導部材７００が充填される。これにより、熱拡散部材３００から温度検知部４００への熱伝導をより促進することができる。よって、温度検知部４００による光源１００の温度の検知精度をより高めることができる。

また、凹部３１０は、光源１００よりもファン５００の送風方向Ｗの風下に配置される。あるいは、凹部３１０は、光源１００に最も近いファン５００上の第１点Ｐ_１とファン５００に最も近い光源１００上の第２点Ｐ_２とを結ぶ第１直線Ｌ_１に垂直で且つ第２点Ｐ_２を通る第２直線Ｌ_２よりも、光源１００側に配置される。これらの配置により、温度検知部４００が光源１００以上に冷却されること、あるいは温度検知部４００が光源１００の冷却とは独立に若しくは先行して冷却されることを抑制することができる。よって、温度検知部４００による光源１００の温度の検知精度をより向上させることができる。

（実施の形態２）
実施の形態２に係る光源モジュール１は、配線基板２００への温度検知部４００の接続構造によって、温度検知部４００による光源１００の温度の検知精度を高めている点を除き、実施の形態１に係る光源モジュール１の構成と共通する。以下、実施の形態２に係る光源モジュール１について、実施の形態１と異なる構成を中心に説明し、共通する構成については説明を省略する。

図４（Ａ）は、実施の形態２に係る光源モジュールが備える配線基板の概略構造を示す平面図である。図４（Ｂ）は、実施の形態２に係る光源モジュールの点灯回路の構成を示す回路図である。図４（Ｃ）は、実施の形態２に係る光源モジュールが備える配線基板の概略構造を示す平面図である。図４（Ａ）は、光源１００のカソードがグランドとなる場合の配線基板を示し、図４（Ｃ）は、光源１００のカソードがグランドとならない場合の配線基板を示す。図４（Ａ）及び図４（Ｃ）では、外部給電端子６００の図示を省略している。

図４（Ａ）及び図４（Ｂ）示されるように、本実施の形態では、光源１００のカソード端子と、温度検知部４００の端子とが同電位にされ、カソード端子と温度検知部４００の端子とが互いに電気的に接続される。ここでは便宜上、端子１１０をカソード端子とする。発光素子１０４がレーザ素子である光源１００において、カソードがダイとなる場合は、カソード端子の温度が最もジャンクション温度に近い。また、電気伝導体は一般に熱伝導性が高い。このため、光源１００の端子１１０と温度検知部４００の端子とを電気伝導体で接続することで、精度よくジャンクション温度を監視することができる。

具体的には、基板２０２上に形成される配線パターンは、カソード端子である端子１１０が電気的に接続されるランド部２０６ａと、アノード端子である端子１０８が電気的に接続されるランド部２０６ｂとを有する。ランド部２０６ａ，２０６ｂは、貫通孔２０２ａの周縁部に配置される。ランド部２０６ａ，２０６ｂは、いわゆるスルーホール電極構造を有してもよい。ランド部２０６ａには、配線２０８の一端側が電気的に接続される。配線２０８の他端側は端子２０８ａを構成する。ランド部２０６ｂには、配線２１０の一端側が接続される。配線２１０の他端側は端子２１０ａを構成する。

また、基板２０２の温度検知部搭載領域Ｒには、温度検知部４００の端子が電気的に接続される一対のランド部２１２ａ，２１２ｂが設けられる。ランド部２１２ａには、配線２１４の一端側が電気的に接続される。配線２１４の他端側は、ランド部２０６ａに電気的に接続される。他方のランド部２１２ｂには、配線２１６の一端側が電気的に接続される。配線２１６の他端側は端子２１６ａを構成する。端子２０８ａ，２１０ａ，２１６ａは、外部給電端子６００（図１参照）に電気的に接続される。

上記構成により、光源１００のカソード側はバッテリ２のグランドと同電位、すなわち接地電位となる。よって、温度検知部４００の一方の端子の電位も接地電位となる。このため、温度検知部４００は、グランド基準の電圧で温度検知を実行することができる。また、ジャンクション温度に近い端子１１０の熱を配線２１４を介して温度検知部４００に伝導させることができるため、温度検知部４００による光源１００の温度の検知精度を向上させることができる。また、光源１００と配線基板２００上の点灯回路とを接続する端子が３端子となるため、配線基板２００や外部給電端子６００の小型化及び低コスト化が可能である。

また、例えば光源１００を直列に多段接続した場合、最下段の光源１００以外はカソードがグランドとならない。この場合、光源１００のカソード端子と温度検知部４００の端子とを電気的に接続することが困難である。そこで、このような場合には、図４（Ｃ）に示す配線パターンとする。すなわち、ランド部２０６ａには、配線２０８の一端側が電気的に接続される。配線２０８の他端側は端子２０８ａを構成する。ランド部２０６ｂには、配線２１０の一端側が接続される。配線２１０の他端側は端子２１０ａを構成する。

また、温度検知部搭載領域Ｒがランド部２０６ａの近傍に配置される。そして、ランド部２１２ａには、配線２１８の一端側が電気的に接続される。配線２１８の他端側は端子２１８ａを構成する。ランド部２１２ｂには、配線２１６の一端側が電気的に接続される。配線２１６の他端側は端子２１６ａを構成する。端子２０８ａ，２１０ａ，２１６ａ，２１８ａは、外部給電端子６００（図１参照）に電気的に接続される。

このような配線パターンを有する配線基板２００に温度検知部４００を搭載することで、温度検知部４００を光源１００のカソード端子の近傍に配置する。そして、搭載された温度検知部４００とカソード端子との間に絶縁性の熱伝導部材７００を介在させる。例えば、熱伝導部材７００で温度検知部４００を覆うとともに、この熱伝導部材７００の一部を端子１１０に当接させる。これにより、端子１１０の熱を熱伝導部材７００を介して温度検知部４００に伝導させることができる。よって、温度検知部４００による光源１００の温度の検知精度を向上させることができる。

なお、温度検知部４００は、配線基板２００の熱拡散部材３００とは反対側の主表面に搭載されてもよい。また、図４（Ａ）では、端子１１０と温度検知部４００の端子とが配線２１４を介して電気的に接続される構造が図示されているが、端子１１０と温度検知部４００の端子とは、はんだ等の接続部材により電気的に接続されてもよい。また、図４（Ｂ）に図示される点灯回路は降圧コンバータを有するが、特にこの構成に限定されず、昇圧コンバータや昇降圧コンバータであってもよい。また、本実施の形態ではカソードがダイとなる場合を例に説明したが、アノードがダイとなる場合には、アノード端子と温度検知部４００とを電気的に接続することで、あるいはアノード端子と温度検知部４００との間に熱伝導部材７００を介在させることで、同様の効果を得ることができる。

本発明は、上述した各実施の形態に限定されるものではなく、各実施の形態を組み合わせたり、当業者の知識に基づいて各種の設計変更などの変形を加えることも可能であり、そのような組み合わせられ、もしくはさらなる変形が加えられて得られる新たな実施の形態も本発明の範囲に含まれる。このような新たな実施の形態は、組み合わされる実施の形態及び変形それぞれの効果をあわせもつ。

実施の形態１に係る光源モジュール１に、実施の形態２に係る光源モジュール１が備える配線基板２００及び点灯回路が組み合わされてもよい。また、各実施の形態において、光源１００はＣＡＮパッケージ以外のレーザ光源であってもよい。また、発光素子１０４は、ＬＥＤ等であってもよい。また、各実施の形態において、外部給電端子６００の位置に対する光源１００の姿勢、すなわち端子１０８，１１０の並ぶ方向は、図示されたものに限定されない。

１光源モジュール、１００光源、１０４発光素子、１０８，１１０端子、２００配線基板、３００熱拡散部材、３１０凹部、４００温度検知部、５００ファン、６００外部給電端子、７００熱伝導部材、Ｌ_１第１直線、Ｌ_２第２直線、Ｐ_１第１点、Ｐ_２第２点、Ｗ送風方向。

Claims

発光素子、及び一端側が前記発光素子に電気的に接続される端子を有する光源と、
前記端子の他端側を外部給電端子に電気的に接続するための配線基板と、
前記光源及び前記配線基板の間に配置され、前記発光素子に伝熱可能に接続される熱拡散部材と、
前記配線基板に搭載され、前記光源の温度を検知する温度検知部と、を備え、
前記熱拡散部材は、配線基板側を向く面に凹部を有し、
前記温度検知部は、前記凹部に収容され、
前記光源は、アノード端子およびカソード端子を有し、カソードがダイであり、
前記配線基板は、前記アノード端子が電気的に接続されるアノード用のランド部と、前記カソード端子が電気的に接続されるカソード用のランド部と、前記温度検知部の端子が電気的に接続される温度検知部用の一対のランド部と、を有し、
前記温度検知部用の一対のランド部は、前記アノード用のランド部に対してよりも前記カソード用のランド部に対して近傍に配置されることを特徴とする光源モジュール。
前記温度検知部と前記凹部の表面との間に介在する絶縁性の熱伝導部材をさらに備える請求項１に記載の光源モジュール。
前記熱拡散部材に送風するファンをさらに備え、
前記凹部は、前記光源よりも前記ファンの送風方向の風下に位置する請求項１又は２に記載の光源モジュール。
前記熱拡散部材に送風するファンをさらに備え、
前記凹部は、前記ファンの前記光源に最も近い第１点と前記光源の前記ファンに最も近い第２点とを通る第１直線に対して垂直で且つ前記第２点を通る第２直線よりも、光源側に配置される請求項１乃至３のいずれか１項に記載の光源モジュール。
前記温度検知部と前記カソード端子との間に介在する絶縁性の熱伝導部材をさらに備える請求項１乃至４のいずれか１項に記載の光源モジュール。
前記温度検知部用の一対のランド部の一方と前記カソード用のランド部とを電気的に接続する配線をさらに備える請求項１乃至４のいずれか１項に記載の光源モジュール。