説明

放射構造を備えた装置

【課題】小型、軽量で、高い放射特性を有する放射構造を備えた装置を提供する。
【解決手段】冷却すべき部材と、冷却すべき部材に固定された第1の放熱部材と、冷却すべき部材とは異なる部材の第1の放熱部材と対向する位置に固定された第2の放熱部材とを有する。第1および第2の放熱部材は、対向面に赤外波長以下のピッチの凹凸構造が形成されている。冷却すべき部材の熱を第1の放熱部材が放射し、前記第2の放熱部材が受け取って、外部に放熱する。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、熱源の熱を外部に放熱するための構造を備えた装置に関し、特に、発光装置に関する。
【背景技術】
【0002】
近年、電子機器の高性能化に伴い、製品の発熱量が増大してきている。さらに、製品の小型・薄型化の要求が高まり、電子機器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。このような発熱体を冷却するために、一般的にヒートシンクなどの放熱部材を用いて発熱体の熱を空気中に放散するような構造が用いられる。
【0003】
電子機器に用いられるLEDやレーザーダイオード等に代表される発光素子は、自身が発する熱により寿命や性能が低下するという性質がある。発光素子との組み合わせにより発光色を変化させる目的で使用される蛍光体は、高温になると消光する特性がある。このため、LEDやレーザーダイオードや蛍光体等を搭載した装置は、これらを適切な温度以下に抑える熱設計が必要である。
【0004】
発熱体の放熱方法としては、例えばヒートシンクなどの放熱部材を用いて、発熱体の熱を自然に空気中へ放散させる方法が一般的である。ヒートシンクの放熱性能は、包絡体積に依存し、包絡体積が大きいほど潜在的な性能が高まる。
【0005】
一方、装置を小型化、薄型化するためには、ヒートシンクの包絡体積を単純に大きくすることは難しく、限られたスペースの中でいかに効率よく発熱体の熱を空気へ放散させるかが重要な課題になっている。
【0006】
特許文献1には、熱伝導率の高いシート状のグラファイトを金属薄板と貼り合わせ、コルゲート状に形成し、ヒートシンクベース上に接合したヒートシンクが開示されている。
【0007】
特許文献2には、複数の放熱フィンが伝熱部材に固定されたヒートシンクを、複数の光源からなる光源群に熱接続したプロジェクタが開示されている。放熱フィンが配置された空間は、冷却ファンにより冷却されている。
【0008】
特許文献3には、表面にナノメートルオーダの凹凸構造を形成した炭素系基板を放熱材料として用いることが開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0009】
【特許文献1】特開2009−99878号公報
【特許文献2】特開2011−76781号公報
【特許文献3】特開2011−49281号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0010】
特許文献1のようにグラファイトシートを用いる構成は、グラファイトシートの高い熱伝導率を利用することができるが、グラファイトシートの放射率はあまり大きくない。このため、ヒートシンクの放射特性を大きく改善することは難しい。また、グラファイトシートは、折り曲げることにより炭素繊維が折れやすく、炭素繊維が折れた場合、熱伝導性能も低下する。
【0011】
特許文献2のように複数の放熱フィンを備えたヒートシンクは、容積が大きくなり、装置が大型化する。
【0012】
特許文献3に開示されている、表面にナノメールオーダの凹凸構造を形成した炭素系基板を熱源に取り付けることにより、放射率を向上させることができるが、LEDヘッドライトを用いたAFS(Adaptive Front-Lighting System)や、可動式LED照明や蛍光体ホイールを用いた光源ユニット等の発光装置は、熱源(LEDや蛍光体ホイール)が筐体の内部に配置されているため、筐体内に熱がこもるという問題がある。また、AFS、可動式LED照明、蛍光体ホイールを用いた光源ユニット等は、熱源が可動部であるため、非接触で筐体の外に放熱することが望ましい。
【0013】
本発明の目的は、小型、軽量で、高い放射特性を有する放射構造を備えた装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【0014】
上記目的を達成するために、本発明による放熱構造を備えた装置では、冷却すべき部材と、冷却すべき部材に固定された第1の放熱部材と、第1の放熱部材と対向する位置に固定された第2の放熱部材とを有する。第1および第2の放熱部材のうち少なくとも一方には、対向面に赤外波長以下のピッチの凹凸構造が形成されている。
【0015】
例えば、第1および第2の放熱部材の少なくとも一方は、グラファイト、ダイヤモンド、ガラス状炭素および金属を含有する炭素のいずれかにより構成する。
【0016】
第2の放熱部材が固定される部材は、例えば、筐体とする。冷却すべき部材および第1の放熱部材は、筐体の内部空間に配置され、第2の放熱部材は、筐体または筐体の外部に向かって熱を放出することができる。
【0017】
第2の放熱部材は、筐体の一部を構成していてもよい。この場合、第2の放熱部材の一部の面が、筐体の外部空間に向かって露出されていることが好ましい。
【0018】
また、冷却すべき部材は、変位可能でもよい。変位時における第1の放熱部材と第2の放熱部材との距離は、予め定めた範囲に維持されていることが好ましい。
【発明の効果】
【0019】
本発明によれば、対向配置された第1の放熱部材から第2の放熱部材へ、非接触かつ高効率に熱を受け渡すことができるため、冷却すべき部材とは離れた空間、例えば筐体の外部に熱を放熱することができる。よって、小型、軽量で、高い放射特性を有する放射構造を備えた装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【0020】
【図1】実施形態1の放熱構造を説明する斜視図。
【図2】実施形態1の第1および第2の放熱部材3,4の凹凸面の上面の走査型電子顕微鏡写真。
【図3】実施形態1の第1および第2の放熱部材3,4の凹凸面の断面の走査型電子顕微鏡写真。
【図4】実施形態1の第1および第2の放熱部材3,4の距離と、発光素子1(熱源)の温度との関係を示すグラフ。
【図5】実施形態2の放熱構造を備えた車両用照明装置の断面図。
【図6】実施形態2の別の態様の放熱構造を備えた車両用照明装置の断面図。
【発明を実施するための形態】
【0021】
本発明の一実施の形態の発光装置について図面を用いて説明する。
<実施形態1>
実施形態1として、放熱構造を備えた発光装置を図1を用いて説明する。
【0022】
この発光装置は、LEDやレーザーダイオード等の発光素子1と、発光素子2を搭載する基板5と、発光素子1と基板5とを接着する熱伝導性の高いTIM(Thermal Interface Materials)層2と、基板5に裏面に固定された第1の放熱部材3と、第1の放熱部材3と所定の間隔をあけて対向配置された第2の放熱部材4とを備えて構成される。
【0023】
第1の放熱部材3および第2の放熱部材4は、表面に微細な凹凸構造を備えた熱伝導性の高い材料により構成されている。第2の放熱部材4は、不図示の筐体に固定され、筐体の内部に配置された、第1の放熱部材3から空間を介して熱を受け取って筐体の外部に放熱する。これにより、筐体内での発熱を効率よく外部に放出することができる。また、第1の放熱部材3は、第2の放熱部材4と非接触であるため、第1の放熱部材3および基板5および発光素子1が可動部であっても構わない。
【0024】
第1の放熱部材3および第2の放熱部材4は、それぞれ対向面3a,4aに微細な凹凸構造を備えていることが好ましい。第2の放熱部材4は、裏面4bが筐体の外部空間に露出されている場合には、裏面4bにも微細な凹凸構造を備えていることが好ましい。また、裏面4bが、筐体の他の熱伝導性の高い部材にTIM層で接着されている構造にすることも可能である。この場合は、裏面4bに微細な凹凸構造が設けられていなくてもよい。
【0025】
ここでは、発光素子1が熱源である場合について説明するが、発光素子1に代えて蛍光体等の他の熱源を配置することももちろん可能である。
【0026】
第1および第2の放熱部材3、4は、熱伝導率の高い材料の所定の面に微細な凹凸を形成することにより、当該面の反射率を低減し、放射率を向上させた部材である。熱伝導率の高い材料としては、炭素基板(例えば、グラファイト、グラファイトに金属を混合した稠密グラファイト(高密度グラファイト)、ダイヤモンド、ガラス状炭素)や、AlやCu等の金属を用いることができる。
【0027】
第1および第2の放熱部材3、4の凹凸ピッチ(隣り合う凸の間隔)は、赤外波長以下であることが好ましい。例えば、凹凸ピッチは、ナノメートルオーダ(約10nm〜500nm程度)からサブマイクロメートルオーダ(約0.5〜10μm程度)の幅であることが特に好ましい。凹凸の深さは、サブマイクロメートルオーダ(約0.5μm〜10μm程度)であることが好ましい。
【0028】
グラファイトは、後述するように酸素ガスを用いたプラズマエッチング法により、凹凸ピッチよりも深さの深い微細な凹凸を形成することができ、放熱特性を大きくすることができるため、第1および第2の放熱部材3,4として特に好適である。
【0029】
図2および図3に、プラズマエッチング法により、グラファイトの表面に形成した凹凸の上面および断面の走査型電子顕微鏡写真を示す。図2および図3のように、凹凸ピッチが1μm以下で、深さが数μmの深い微細な凹凸が形成されていることが確認できる。このような凹凸が形成されているグラファイト面の放射率と熱伝導率を測定したところ、放射率が0.99程度と著しく高く、熱伝導率が140W/mK程度であり、アルミなどの金属よりも高かった。
【0030】
したがって、第1および第2の放熱部材3,4として、少なくとも対向面に微細な凹凸が形成されたものを用いることにより、対向面の放射率を非常に高くすることができ、対向面3a,4a間で非接触で熱を受け渡すことができる。具体的には、図1の構造において、不図示の筐体内の発熱体1から放熱部材3に伝導した熱を、放熱部材3の面3aから放射し、対向面4aから対向する放熱部材4が高効率で受け取ることができる。放熱部材4は、筐体に固定されているため、受け取った熱を熱伝導により筐体に受け渡すことができる。また、放熱部材4の裏面4bが外部空間に露出されている場合には、面4bから外部空間に向かって高効率で放熱することができる。
【0031】
第1の放熱部材3の面3aと第2の放熱部材4の面4aとの距離は、発光素子1の温度を低下させるための最適値に設定することが望ましい。最適値は、熱源(発光素子1)の温度、第1および第2の放熱部材3,4のサイズ、筐体内の空間の温度ならびに筐体外部の温度等によって異なるため、予め実験により求めておいた好適な距離に設定することが望ましい。
【0032】
例えば、以下のようにして第1および第2の放熱部材3,4の距離の好適な範囲を実験により求めることができる。まず、図1の構造を用意する。一例として、ここでは、発光素子1(熱源)のサイズを30mm角、厚さ0.1mm、発熱量1.8Wのものを用いる。TIM層2は、信越化学工業製のKE−3467を用い、サイズは30mm角、厚さ0.04mmとする。基板5は、Al(JIS規格A1050、表面ミラー加工、熱伝導率222W/mK、放射率0.1)、第1および第2の放熱部材3、4は、表面にナノメートルオーダの微細な凹凸構造が形成されたカーボン(熱伝導率140W/mK、放射率0.99)である。第1の放熱部材3は裏面3aに、第2の放熱部材3は両面4a、4bに凹凸構造が形成されている。基板5、ならびに、第1および第2の放熱部材3,4のサイズは、いずれも50mm角、厚さ1mmとした。なお、第1および第2の放熱部材3,4の放射率は、放射温度計(KEYENCE社製、FT−H20)により、表面温度150℃の状態で測定した。
【0033】
発光素子1(熱源)の発する熱量を固定し、第1の放熱部材3の面3aと第2の放熱部材4の面4aとの距離を変化させ、熱源の温度を測定する。その結果の一例を図4に示す。図4のように、第1の放熱部材3の面3aと第2の放熱部材4の面4aとの距離に応じて、熱源の温度が変化しており、熱源温度が大幅に低減する好ましい距離範囲が存在する(図4では、距離8mm以上の範囲)。また、リファレンスとして、発光素子1(熱源)とTIM層2と基板5のみの構造で、熱源の温度を測定したところ、97.6℃であった。また、別のリファレンスとして、発光素子1(熱源)とTIM層2と基板5と第1の放熱部材3のみの構造(第2の放熱部材4を配置しない構造)で、熱源の温度を測定したところ、81.7℃であった。
【0034】
図4およびリファレンスの温度から、第1の放熱部材3と第2の放熱部材の距離が近すぎる(図4では距離8mm未満)場合、冷却効果が低減することが分かる。これは、第1の放熱部材3が、第2の放熱部材4が放射する熱を受熱し、逆に温められたり、第1の放熱部材3と第2の放熱部材4との間の対流が妨げられるためと考えられる。
【0035】
したがって、予め上述のような実験により求めた好ましい距離範囲(図4の例では、距離8mm以上)に第1の放熱部材3と第2の放熱部材4との距離を設定することにより、発光素子1(熱源)の熱を効率よく放熱できる。図4の例では、距離が最適な範囲(約50mmから約65mmの範囲)の場合には、97.6℃の熱源を79℃まで低減できる。
【0036】
図1の構造において、第1および第2の放熱部材3、4の一方または両方が可動であっても構わない。可動による変位方向は、回転変位であっても、直線変位であっても、揺動であってもよく、第1および第2の放熱部材3,4の少なくとも一部が対向していればよい。このとき、第1および第2の放熱部材3,4の距離は、動作につれて変化しても構わないが、変化の前後で上述の好ましい距離範囲(図4では8mm以上)に含まれていることが望ましい。
【0037】
また、実施形態1では、第1の放熱部材3に代えて、微細な凹凸加工が施されていない従来の放熱部材を配置することも可能である。この場合も、高い放射率を有する第2の放熱部材が、従来の放熱部材3からの熱を効率よく受熱するため、第2の放熱部材3を配置しない構造と比較して、放熱効率を高めることができる。
【0038】
また、第1の放熱部材3と第2の放熱部材4との間の距離が広い場合や、第1の放熱部材3と第2の放熱部材4との間に、別の部材が配置されている場合には、第1の放熱部材3と第2の放熱部材4との間に、第3の放熱部材を1以上配置し、第1の放熱部材3の熱を、第3の放熱部材を介して、第2の放熱部材4が受け取る構成にすることもできる。この構成についての具体例は、実施形態2で説明する。
【0039】
ここで、炭素基板にプラズマエッチングにより、ナノメートルオーダのピッチの凹凸を形成する方法について説明する。炭素基板としては、グラファイト基板や、グラファイトに金属を混合した稠密グラファイト(高密度グラファイト)基板が好適である。この他に、ダイヤモンド基板やガラス状炭素基板を用いることができる。
【0040】
この基板の表面を、Oガスのプラズマに曝し、プラズマエッチング処理する。プラズマエッチングの条件は、例えば下記条件とする。
RFパワー:500W
圧力:50mTorr
流量:200sccm
エッチング時間:50分
このようにOプラズマに基板表面を曝すことにより、マスク等を用いることなく、図2および図3に示したようなナノメートルオーダの凹凸形状を形成することができる。
【0041】
なお、プラズマエッチング法は、ドライエッチング法、反応性イオンエッチング法、大気圧プラズマエッチング法等のプラズマに基板表面を曝してエッチングを行うことができる方法であれば、どのようなエッチング法であってもよい。プラズマの発生方法も電子サイクロトロン共鳴(ECR)、高周波(RF)、アーク放電直流プラズマ等種々の方法を用いることができる。また、処理ガスは、Oガス以外にArガス、Nガス、Hガス、CFガス、COガス、SFガス等やこれらの混合ガスを用いることができる。
【0042】
また、プラズマエッチングの前に、基板の表面をサンドブラスト等の機械的表面研磨法で研磨する処理や、ハイパワーレーザ(COレーザ、YAGレーザ、エキシマレーザー等)を照射して基板表面を研磨する処理を行うことも可能である。
【0043】
また、上記プラズマエッチング工程を行う前に、プラズマエッチング工程で形成される凹凸形状よりもピッチの大きな凹凸を形成することも可能である。この場合、ピッチの大きな凹凸の表面に、さらにプラズマエッチング工程によるナノメートルオーダの凹凸構造が形成されるため、より一層放熱効率を高めることができる。
【0044】
<実施形態2>
実施形態2として、放熱構造を備えた車両用照明装置について説明する。実施形態2において、実施形態1と同じ構成には同じ番号を付し、詳細な説明を省略する。
【0045】
この車両用照明装置は、筐体55の内部に、第1および第2の灯具ユニット60,61を備えた構成である。第1および第2の灯具ユニット60,61は、それぞれ、発光素子1と、発光素子1を搭載する基板5と、発光素子1と基板5を接着する熱伝導性の高いTIM(図5では不図示)と、基板5の裏面に固定されたヒートシンク51と、リフレクタ52とを備えている。基板5は、エーミングボルト54によりブラケット53に固定されている。ブラケット53は、筐体55に固定されている。エーミングボルト54を不図示の駆動機構により変位させることにより、第1および第2の灯具ユニットを、図5中に示した矢印50の方向に変位させることができる。また、灯具ユニット60には、さらに、発光素子1の出射光を集光するレンズ57が配置されている。筐体55の前面は、可視光に透明なカバー56により覆われている。
【0046】
ヒートシンク51の一部および基板5の一部には、複数の第1の放熱部材3が固定されている。また、筐体55のうち、複数の第1の放熱部材3と対向する領域はそれぞれ、第2の放熱部材4によって構成されている。これにより、発光素子1が発生した熱のうち基板5およびヒートシンク51に伝導した熱を、第1の放熱部材3から第2の放熱部材4に向かって放射し、この熱を対向面4aから受け取った第2の放熱部材4は、外部空間に露出された面4bから外部に向かって放熱することができる。これにより、筐体55内に配置された可動部を有する第1および第2の灯具ユニット60,61の熱を筐体55の外部に効率よく放熱し、発光素子1を冷却することができる。
【0047】
また、第1および第2の灯具ユニット60、61において、ヒートシンク51に取り付けられた第1の放熱部3と、筐体55の一部である第2の放熱部4との間に、ブラケット53が位置する部分には、ブラケット53の両面に第3の放熱部4’、3’が固定されている。第3の放熱部4’は、ブラケット53が第1の放熱部3と対向する面に固定され、第3の放熱部3’は、ブラケット53が第2の放熱部4と対向する面に固定されている。第3の放熱部4’、3’は、第1および第2の放熱部3,4と同様の材質および構造であり、それぞれ第1又は第2の放熱部3,4と対向する面にナノメートルオーダの凹凸構造が備えられている。これにより、第3の放熱部4’、3’およびブラケット53を介して、第1の放熱部3の熱を第2の放熱部4に受け渡すことができる。
【0048】
具体的には、第3の放熱部材4’は、第1の放熱部3が放射した熱を対向面から効率よく受け取り、ブラケット53に熱伝導により受け渡す。ブラケット53の熱は、第3の放熱部材3’に伝導し、放射される。この熱を、対向する第2の放熱部4が受け取って、筐体55の外部空間に放熱する。
【0049】
第1の放熱部材3と第2の放熱部材4との距離は、実施形態1で説明した好ましい距離の範囲に含まれることが望ましい。また、第1および第2の放熱部材3、4の間に、第3の放熱部材4’、3’が配置されている場合、第1の放熱部材3と第3の放熱部材4’との距離、ならびに、第3の放熱部材3’と第2の放熱部材4との距離についても、同様に、実施形態1で説明した好ましい距離の範囲に含まれることが望ましい。
【0050】
また、図6に示した車両用照明装置のように、第2の放熱部材4を筐体55の内壁面に固定することも可能である。この場合、筐体55の外壁面に、第4の放熱部材6を配置することも可能である。第4の放熱部材6は、第1および第2の放熱部3,4と同様の材質および構造であり、外部空間に露出した面にナノメートルオーダの凹凸構造が備えられている。
【0051】
図6の装置においては、第2の放熱部材4が、第1の放熱部材3または第3の放熱部材3’から受け取った熱は、筐体55に伝導し、第4の放射部材6から筐体55の外部空間に効率よく放熱することができる。
【0052】
なお、第2の実施形態では、ヒートシンク51や基板5の一部に第1の放熱部材3を固定する構造であったが、ヒートシンク51や基板5の表面をナノメールオーダの凹凸構造に加工することにより、ヒートシンク51や基板5自体を第1の放熱部材3とすることも可能である。同様に、筐体55の表面をナノメールオーダの凹凸構造に加工することにより、筐体55自体を第2の放熱部材4とすることも可能である。また、ブラケット53の表面をナノメールオーダの凹凸構造に加工することにより、ブラケット53自体を第3の放熱部材4’、3’にすることもできる。
【0053】
本発明では、小型で軽量な放熱構造を提供することができる。しかも、第1の放熱部材3と第2の放熱部材4は、非接触で熱を受け渡して外部に放熱することができるため、第1の放熱部材3が固定されている部材および第2の放熱部材4が固定されている部材の少なくとも一方が可動する構造であっても、可動の運動方向に関わらず、好ましい距離の範囲内に位置する限り、効率よく熱を受け渡して、放熱することができる。
【0054】
また、本発明の放熱構造は、上述した車両用照明装置に限らず、AFS(Adaptive Front-Lighting System)、LED照明装置、LEDフォグライト、LEDDRL(昼間走行用ライト)、プロジェクタの光源や蛍光体の放熱構造として用いることができる。また、LED等の発光素子に限らず他の発熱部品の放熱構造としても用いることができる。いずれも、冷却すべき部材に、第1の放熱部材3を固定し、これに所定の間隔をあけて対向するように第2の放熱部材4を固定する構造とすることにより、本発明の放熱構造を採用することができる。
【符号の説明】
【0055】
1…発光素子、2…TIM、3…第1の放熱部材、4…第2の放熱部材、5…基板、6…第4の放熱部材、51…ヒートシンク、52…リフレクタ、55…筐体、60,61…灯具ユニット

【特許請求の範囲】
【請求項1】
冷却すべき部材と、前記冷却すべき部材に固定された第1の放熱部材と、前記第1の放熱部材と対向する位置に固定された第2の放熱部材とを有し、
前記第1および第2の放熱部材のうち少なくとも一方は、対向面に赤外波長以下のピッチの凹凸構造が形成されていることを特徴とする放熱構造を備えた装置。
【請求項2】
請求項1に記載の放熱構造を備えた装置において、前記第1および第2の放熱部材の少なくとも一方は、グラファイト、ダイヤモンド、ガラス状炭素および金属を含有する炭素のいずれかにより構成されていることを特徴とする放熱構造を備えた装置。
【請求項3】
請求項1または2に記載の放熱構造を備えた装置において、前記第2の放熱部材が固定された前記部材は、筐体であり、前記冷却すべき部材および前記第1の放熱部材は、前記筐体の内部空間に配置されていることを特徴とする放熱構造を備えた装置。
【請求項4】
請求項3に記載の放熱構造を備えた装置において、前記第2の放熱部材は、前記筐体の一部を構成しており、一部の面が、前記筐体の外部空間に向かって露出されていることを特徴とする放熱構造を備えた装置。
【請求項5】
請求項1ないし4のいずれか1項に記載の放熱構造を備えた装置において、前記冷却すべき部材は、変位可能であり、変位時における前記第1の放熱部材と第2の放熱部材との距離は、予め定めた範囲に維持されていることを特徴とする放熱構造を備えた装置。

【図1】
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【図4】
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【図5】
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【図6】
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【図2】
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【図3】
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【公開番号】特開2013−89915(P2013−89915A)
【公開日】平成25年5月13日(2013.5.13)
【国際特許分類】
【出願番号】特願2011−232053(P2011−232053)
【出願日】平成23年10月21日(2011.10.21)
【出願人】(000002303)スタンレー電気株式会社 (2,684)
【Fターム(参考)】