ＬＥＤ光源ユニット、照明装置
【課題】複数のＬＥＤが実装された短冊状セラミック基板とフレームあるいは放熱板を接合した場合にも、セラミック基板の歪や応力の発生を抑えた光源ユニットを実現する。
【解決手段】複数のＬＥＤ１３が実装された短冊状セラミック基板１１とそれにセラミック基板１１とは熱膨張係数の異なるコバールまたは鉄系の金属基板１２を、フィラー入りの熱硬化性の樹脂接着剤１４で接合するようにした。
【解決手段】複数のＬＥＤ１３が実装された短冊状セラミック基板１１とそれにセラミック基板１１とは熱膨張係数の異なるコバールまたは鉄系の金属基板１２を、フィラー入りの熱硬化性の樹脂接着剤１４で接合するようにした。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明の実施形態は、液晶テレビジョン等のＬＥＤバックライトとして用いられるＬＥＤ光源ユニットおよびこれを用いた照明装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、光源として発光ダイオード（ＬＥＤ）を用いたエッジライト方式のバックライトユニットは、ＬＥＤが実装された高熱伝導性のアルミ系、銅系合金などの金属や、窒化アルミニウム、アルミナなどのセラミックス基板が放熱部材を介して放熱機能を備えたフレームに取着されている。
【０００３】
また、ＬＥＤを用いた直下式バックライトユニットは、ＬＥＤが高熱伝導性のアルミ系、銅系合金などの金属や、窒化アルミニウムなどで形成されたセラミック基板に実装し、熱対策のためにセラミック基板３をアルミニウム合金などの高熱伝導性の金属で形成したユニットケースの底部上面にネジ止めなどで固定されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００９-２７２４５１号公報
【特許文献２】特開２００７-３３５３７１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
この発明が解決しようとする課題は、アルミニウムのフレームや放熱板に対し線状ＬＥＤ光源ユニットとして長尺で幅狭の短冊状セラミック基板を用い接合した場合に、接着剤の硬化温度から室温への降温や、ＬＥＤへの通電による発熱・温度上昇のために、接合した双方材料の熱膨張係数の違いによって、図１２（ｂ）に示すように接合状態を保ちながらも特に長尺方向において湾曲変形し、長手方向中央部分が浮き上がり、導光板に対するＬＥＤ光の入射効率の悪化を招いたり、アルミニウムのフレームや放熱板を更に周囲の金属フレームに接合させて放熱を行う構造などの場合、湾曲変形による空隙ができて放熱性が失われたりする、という問題があった。
【０００６】
他の放熱対策として、アルミニウム基板とセラミック基板の間に、高熱伝導性のシートあるいはグリスなどを挟んでネジ止めを行った場合は、放熱性が悪くなったり、高価になったり、さらにセラミック基板が割れないようにばね性を持たせてネジ止めする必要から広いスペースを要したりし、薄型の要望の強い液晶テレビジョン等には向かない、という問題があった。
【０００７】
そこで、長尺のセラミック基板がアルミニウムのフレームあるいは放熱板に取り付けられた場合にも、セラミック基板の歪や応力の発生を抑えることのできるＬＥＤ光源ユニットおよび照明装置を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記した課題を解決するために、実施形態のＬＥＤ光源ユニットは、複数のＬＥＤが実装された長尺で幅狭の短冊状セラミック基板と、前記ＬＥＤが実装された前記セラミック基板の裏面側に接合した長尺で幅狭の短冊状のコバール系または鉄系の金属部材とからなることを特徴とする。
【０００９】
また、実施形態の照明装置は、複数のＬＥＤが実装された長尺で幅狭の短冊状セラミック基板と、前記セラミック基板と熱膨張係数が近似した値の熱伝導性を有する金属部材と、前記セラミック基板と前記金属部材とを接着剤とから構成されるＬＥＤ光源ユニットと、該ＬＥＤ光源ユニットから照射される光を、一側面から入光させ一表面から出光させる導光板と、を具備したことを特徴する。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】ＬＥＤ光源ユニットに関する第１の実施形態について説明するための模式的な断面図である。
【図２】ＬＥＤ光源ユニットに関する第２の実施形態について説明するための模式的な断面図である。
【図３】ＬＥＤ光源ユニットに関する第２の実施形態の第１の変形例について説明するための視図である。
【図４】ＬＥＤ光源ユニットに関する第２の実施形態の第２の変形例について説明するための斜視図である。
【図５】照明装置に関する第１の実施形態について説明するための模式的な分解斜視図である。
【図６】図５要部の拡大斜視図である。
【図７】図５が組み立てられた状態の断面図である。
【図８】ＬＥＤ光源ユニットの固着について説明するための説明図である。
【図９】照明装置に関する第２の実施形態について説明するための模式的な分解斜視図である。
【図１０】図９要部の拡大斜視図である。
【図１１】図９が組み立てられた状態の断面図である。
【図１２】従来のＬＥＤ光源ユニットについて説明するための説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、実施形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。
【００１２】
図１は、ＬＥＤ光源ユニットに関する第１の実施形態について説明するための模式的な断面図である。
【００１３】
図１において、１１はアルミナ（Ａｌ２Ｏ３）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）それに窒化ケイ素（Ｓｉ３Ｎ４）等の耐熱、絶縁性の材料で形成された長尺で幅狭の短冊状セラミック基板である。１２はコバール（Ｆｅ―Ｎｉ−Ｃｏ合金）系また鉄系の熱伝導性の金属基板である。セラミック基板１１と金属基板１２は接着剤１４で接合される。この接着剤１４としては、エポキシ樹脂系や、シリコーン樹脂系、アクリル樹脂系接着剤、両面接着テープなどを使用できる。接着材層における熱伝導性を向上させるために接着材にフィラーを充填しても構わない。
【００１４】
セラミック基板１１と金属基板１２の接合には必ずしも接着剤１４を用いる必要はなく、ネジ止めしても構わない。
【００１５】
セラミック基板１１上には、銀導体などを用いた図示しない配線パターンがセラミック基板１１の長手方向に沿って形成されており、配線パターン上に複数のＬＥＤ１３が直線的にセラミック基板１１に実装されている。ＬＥＤ１３は、パッケージングされたものでも、チップの状態のものでも構わない。チップの場合は、チップの表面に透明封止樹脂がモールドされる。
【００１６】
ＬＥＤ１３には、たとえば商用電源のＡＣ１００〜２２０Ｖを、ＡＣ−ＤＣコンバータで直流変換し、点灯電源として供給される。もしくはバッテリーや電池などの直流電源を用い点灯用電源としてもよい。さらに、ＬＥＤ光源ユニットを搭載した製品の使用環境温度変化やＬＥＤ１３の点灯において、ＬＥＤ１３の周囲温度が変化しても一定の電流がＬＥＤに流れるようにＤＣ−ＤＣコンバータを用いて定電流制御が行われている。
【００１７】
ところで、熱伝導性に優れたセラミック基板の熱膨張係数は６．５ｐｐｍ／Ｋ程度で、これに対しアルミニウム基板の熱膨張係数は２４ｐｐｍ／Ｋ程度である。アルミニウム基板の熱膨張係数がセラミック基板に対して１桁大きく、さらに係数差は１７．５ｐｐｍ（約３．７倍）と大きい。このような熱膨張係数の関係にあるセラミック基板に実装されたＬＥＤ１３が点灯により発生する熱を、放熱させるために、単にアルミニウム基板を接合した従来の場合は、双方の基板を接合した時の温度に対してＬＥＤ１３点灯による温度上昇や、使用環境温度の変化（昇温時・降温）発生時の温度差に応じて、接合した双方基板の膨張または収縮寸法が熱膨張係数差により異なり熱応力が発生する。その結果、基板が長軸方向で湾曲変形し、導光板の光入射面に対する個々のＬＥＤの光軸方向にズレが生じることでバックライト発光面の明るさ均一性が低下したり、熱を逃がす外部フレームの密着面に隙間が生じたり、湾曲によりセラミック基板に接合が剥がれたりする。
【００１８】
アルミナのセラミック基板１１の熱膨張係数が６．５ｐｐｍ／Ｋ程度であるのに対し、コバール系の金属基板１２は組成比にもよるが、５．０２ｐｐｍ/Ｋ程度である。セラミック基板１１と金属基板１２は熱膨張係数が同じ桁で、さらに係数差も１．５２ｐｐｍと小さく近似した値であることから、温度差による変形量や応力を小さく抑えることができる。
【００１９】
また、金属基板１２をコバール系から鉄とした場合にも、鉄基板の熱膨張係数は１２ｐｐｍ／Ｋ程度であり、セラミック基板とアルミニウム基板の熱膨張係数差（約３．７倍）に対して、セラミック基板１１の熱膨張係数差（約１．８５倍）と小さく近似している。この場合の鉄による金属基板１２は、３層構造の応力に求められる下記の式１および式２に従い、適当な厚みにすることにより、鉄系の金属基板１２による変形量と応力の調整が可能となる。
【００２０】
なお、式１および式２については、例えば、１９８９年５月１日発行の文献「Appl. Phys. Left Vol.54,No.18」の１７５４〜１７５６ページの「Buffer layer effects on residual stress in InP on Si substrates」に記載されている。
【００２１】
【数１】
となる。式１および式２からｉ番目層の平均応力は、Ｐｉ／ｄｉとなる。ただし、
Ｐｉ：ｉ番目の層の平均面内応力 ε１：界面に垂直な方向の歪
Ｅｉ：ｉ番目の層のヤング率 ｄｉ：ｉ番目の層の厚み
Ｃij：弾性スティフネス Ｒ ：曲率半径
ν ：ボアッソン比 ｆ’：１層目と２層目界面の歪
ｆ ：２層目と３層目界面の歪
である。
【００２２】
このように構成されたＬＥＤ光源ユニットをアルミニウム等の放熱板または放熱性を有するフレームに接合する場合、セラミック基板１１と放熱板またはフレームとの間に、式１および式２に則って適当な厚み、長さ、幅のコバール系または鉄系の金属基板１２をフィラー入りの熱硬化性の樹脂接着剤１４で貼り付ける構造とした。これにより、セラミック基板１１と熱膨張係数の値が近似した金属基板１２との熱膨張差による変形量や応力を小さく抑えることができる。
【００２３】
この実施形態によれば、短冊状セラミック基板を用いたＬＥＤ光源ユニットを作製した場合でも、セラミック基板の変形湾曲によりと放熱板やフレーム面と間に生じる隙間による放熱特性低下や、セラミック基板の変形による導光板への入射効率も低下することのない、効率と信頼性の高いＬＥＤ光源を得ることができる。
【００２４】
図２は、ＬＥＤ光源ユニットに関する第２の実施形態について説明するための模式的な断面図である。第１の実施形態と同一の構成部分には同一の符号を付して説明する。
【００２５】
この実施形態は、ＬＥＤ光源ユニットに関する第１の実施形態のセラミック基板１１と金属基板１２との間に、アルミニウム基板１５を挟むようにして構成したものである。アルミニウム基板１５の一方の面は、フィラーが充填された高熱伝導性のエポキシ樹脂やシリコーン樹脂、アクリル樹脂系接着剤１４ａによりセラミック基板１１と接合される。アルミニウム基板１５の他方の面は、フィラーが充填された高熱伝導性のエポキシ樹脂やシリコーン樹脂、アクリル樹脂系接着剤１４ｂによりコバール系または鉄系の金属基板１２と接合される。
【００２６】
セラミック基板１１とアルミニウム基板１５を接合させる接着剤１４ａそれにアルミニウム基板１５と金属基板１２とを接合させる接着剤１４ｂは必ずしも用いる必要はなく、ネジ止めしても構わない。さらに、接着剤１４ａ，１４ｂとネジ止めとを共用させても構わない。
【００２７】
セラミック基板１１が接合されたアルミニウム基板１５の反対面側に、熱膨張係数が５．０２ｐｐｍ/Ｋ程度のコバール系または熱膨張係数が１２ｐｐｍ／Ｋ程度の鉄系の金属基板１２が接着剤１４ｂにより接合されている。
【００２８】
アルミニウム基板１５は、セラミック基板１１と熱膨張係数の値が近似したコバール系または鉄系の金属基板１２で挟まれる格好となり、セラミック基板１１とアルミニウム基板１５の熱膨張係数差による応力は、相殺され緩和することが可能となる。
【００２９】
このように、ＬＥＤ光源ユニットは熱伝導性・放熱性に優れたセラミック基板１１をＬＥＤ実装基板として用いさらに放熱効果を得るために放熱板や金属フレームに取り付ける場合でも、セラミック基板と熱膨張率が近似する金属部材をセラミック基板の裏面側に接合することで熱膨張係数差による応力を相殺緩和させ、ＬＥＤ１３が実装されたセラミック基板１１の変形を抑えることができる。
【００３０】
この実施形態によれば、短冊状セラミック基板を用いたＬＥＤ光源ユニットを作製した場合でも、セラミック基板の変形湾曲によりと放熱板やフレーム面と間に生じる隙間による放熱特性低下や、セラミック基板の変形による導光板への入射効率も低下することのない、効率と信頼性の高いＬＥＤ光源を得ることができる。さらにセラミック基板に放熱性の高いアルミニウム基板を配置したことから、放熱効果を向上させることができる。
【００３１】
図３および図４は、それぞれＬＥＤ光源ユニットに関する第２の実施形態の第１の変形例と第２の変形例について説明するためのそれぞれ斜視図である。
【００３２】
まず図３の変形例は、ＬＥＤ１３が実装された複数本のセラミック基板１１を長手方向に並べてさらに長尺化している。複数本のセラミック基板１１に対して共通のアルミニウム基板１５とアルミニウム基板１５を挟んでセラミック基板１１と対向する位置に金属基板１２を接合させている。
【００３３】
この変形例の場合は、複数本のセラミック基板１１に対してアルミニウム基板１５を共通化したことにより、アルミニウム基板１５の放熱面積が増えセラミック基板１１の温度上昇を抑えつつ、金属基板１２の接合により反りを防止することができる。
【００３４】
図４の変形例は、ＬＥＤ１３が実装された複数本のセラミック基板１１を長手方向に並べてさらに長尺化している。複数本のセラミック基板１１に対して共通のアルミニウム基板１５とアルミニウム基板１５を挟んで複数本のセラミック基板１１と対向する位置に共通の金属基板１２を接合させている。
【００３５】
この変形例の場合は、複数本のセラミック基板１１に対してアルミニウム基板１５と金属基板１２を共通化したことにより、アルミニウム基板１５の放熱面積の増加に加え、アルミニウム基板１５全体を共通の金属基板１２で接合させたことにより、放熱効果と反り防止の効果を向上させることができる。
【００３６】
図５〜図７は、照明装置に関する第１の実施形態について説明するための、図５は模式的な分解斜視図、図６は図５要部の斜視図、図７は図５が組み立てられた状態の断面図である。この実施形態は、ＬＥＤ光源ユニットの第１の実施形態を、エッジライト方式の液晶表示装置の一例である液晶テレビジョンのバックライトに適用したものである。
【００３７】
すなわち、バックライト５０は、複数のＬＥＤ光源ユニット５１１，５１２と導光板５２とを備えている。導光板５２の一側面は、ＬＥＤ光源ユニット５１１，５１２のＬＥＤ１３が直線的に対向配列される状態の入光面５２１とする。導光板５２の一表面は、入光面５２１から入射された光を出射する出光面５２２とする。導光板５２は、例えばアクリル樹脂等の透明な板状構造を有している。
【００３８】
導光板５２は、例えば熱伝導性の高い例えばアルミニウム製のバックフレーム５３に収容される。バックフレーム５３は、入光面５２１と出光面５２２は開放した状態の構成をしている。
【００３９】
さらに、ＬＥＤ光源ユニット５１１，５１２は、断面がコ字状の熱伝導性の高いフレーム５４内にＬＥＤ光源ユニット５１１，５１２の金属基板１２と密着させる状態でネジ等の固着手段で取着される。フレーム５４は断面Ｔ字状やＬ字状でもよく、要はＬＥＤ光源ユニット５１１，５１２を固着させる平面部とフレーム５４に反りが発生しないようにするための平面部に直交するリブが一体的形成されたものであればよい。フレーム５４は、バックフレーム５３に熱的に結合させる状態で取着される。
【００４０】
バックライト５０は、液晶テレビジョンの背面に設置され、照明光５５が液晶表示器によって光スイッチングされ、液晶テレビジョンは画像表示を行う。バックライト５０は、下から順に、バックフレーム５３、導光板５２、拡散シート５６、レンズシート５７、偏光シート５８、フロントフレーム５９が積層された構造となっている。なお、バックフレーム５３、拡散シート５６、レンズシート５７、偏光シート５８、フロントフレーム５９は適宜省略することができる。
【００４１】
ここで、図８を参照し、フィラー入りの熱硬化性の樹脂接着剤１４を用いたＬＥＤ光源ユニット５１１，５１２とフレーム５４の接合についてさらに詳しく説明する。
【００４２】
図８（ａ）に示すように、ＬＥＤ１３が実装された状態でセラミック基板１１と金属基板１２との間に接着剤１４が塗布された状態で、中心部ａと周囲部に設置された支点ｂ，ｃによってＬＥＤ光源５１１をフレーム５４の平面部に貼り付けた場合、フレーム５４に対し。凸形状になるように変形させた状態で、加温炉に設置して加温し接合される。その後、室温に降下させた場合、図８（ｂ）に示すように変形はなくなり、ＬＥＤ光源ユニット５１１は直線状に接合される。ＬＥＤ５１２も同様にしてフレーム５４に接合される。
【００４３】
ＬＥＤ光源ユニット５１１，５１２とフレーム５４の接合時の温度は、１００℃以下のなるべく高い温度として、接着剤１４は、接合温度と室温間の熱膨張係数差で発生する応力以上の接合強度とする。接着剤としては、接合温度と室温間の熱膨張係数差で発生する歪を緩和できる柔軟性を持たせたものでも構わない。
【００４４】
また、セラミック基板１１の変形が導光板５２の入射効率を悪化させないように、セラミック基板１１とフレーム５３の厚みの調整が図られている。ＬＥＤ１３の通電中のジャンクション温度は、通常１２０℃程度であることから、接合温度としてはそれ以上の温度履歴を与えると過剰な応力を与えることになってしまう。このため、接合温度としては１００℃以下にすることが望ましい。
【００４５】
この実施形態に係る照明装置は、ＬＥＤが実装された短冊状セラミック基板の変形を抑えられることから、ＬＥＤの光を導光板に確実に導光させることができ、入射効率の向上を図ることが可能となる。
【００４６】
図９〜図１１は、照明装置に関する第２の実施形態について説明するための、図９は模式的な分解斜視図、図１０は図９要部の斜視図、図１１は図９が組み立てられた状態の断面図である。照明装置に関する第１の実施形態と同一の構成部分には同一の符号を付して説明する。この実施形態は、ＬＥＤ光源ユニットの第２の実施形態を、エッジライト方式の液晶表示装置の一例である液晶テレビジョンのバックライトに適用したものである。
【００４７】
すなわち、バックライト５０は、複数のＬＥＤ光源ユニット５１３，５１４と例えばアクリル樹脂等の透明な板状構造の導光板５２とを備えている。導光板５２の一側面は、ＬＥＤ光源ユニット５１３，５１４のＬＥＤ１３が直線的に対向配列される状態の入光面５２１とする。導光板５２の一表面は、入光面５２１から入射された光を出射する出光面５２２とする。
【００４８】
導光板５２は、例えば熱伝導性の高い例えばアルミニウム製のバックフレーム５３に収容される。バックフレーム５３は、入光面５２１と出光面５２２は開放した状態の構成をしている。
【００４９】
さらに、ＬＥＤ光源ユニット５１３，５１４は、断面がコ字状の熱伝導性の高いフレーム５４内にＬＥＤ光源ユニット５１３，５１４の金属基板１２と密着させる状態で接着剤等の固着手段で取着される。フレーム５４は断面Ｔ字状やＬ字状でもよく、要はＬＥＤ光源ユニット５１３，５１４を固着させる平面部とフレーム５４に反りが発生しない役目の平面部に直交するリブが一体的形成されたものであればよい。フレーム５４は、バックフレーム５３に熱的に結合させる状態で取着される。
【００５０】
バックライト５０は、液晶テレビジョンの背面に設置され、照明光５５が液晶表示器によって光スイッチングされ、液晶テレビジョンは画像表示を行う。バックライト５０は、下から順に、バックフレーム５３、導光板５２、拡散シート５６、レンズシート５７、偏光シート５８、フロントフレーム５９が積層された構造となっている。
【００５１】
ＬＥＤ光源ユニット５１３，５１４のフレーム５４への取り付けは、アルミニウム基板１５のセラミック基板１１と金属基板１２が接合された面とは異なる面に図示しない貫通孔を形成し、ネジ止めによる接合であっても構わない。
【００５２】
この実施形態に係る照明装置においても、ＬＥＤが実装された短冊状セラミック基板の変形を抑えられることから、ＬＥＤの光を導光板に確実に導光させることができことから、入射効率の向上を図ることが可能となる。
【００５３】
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。これら新規な実施形態は、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。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、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。
【符号の説明】
【００５４】
１１ セラミック基板
１２ 金属基板
１３ ＬＥＤ
１４，１４ａ，１４ｂ 接着剤
１５ アルミニウム基板
５０ バックライト
５１１〜５１４ ＬＥＤ光源ユニット
５２ 導光板
５３ バックフレーム
５４ フレーム
【技術分野】
【０００１】
この発明の実施形態は、液晶テレビジョン等のＬＥＤバックライトとして用いられるＬＥＤ光源ユニットおよびこれを用いた照明装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、光源として発光ダイオード（ＬＥＤ）を用いたエッジライト方式のバックライトユニットは、ＬＥＤが実装された高熱伝導性のアルミ系、銅系合金などの金属や、窒化アルミニウム、アルミナなどのセラミックス基板が放熱部材を介して放熱機能を備えたフレームに取着されている。
【０００３】
また、ＬＥＤを用いた直下式バックライトユニットは、ＬＥＤが高熱伝導性のアルミ系、銅系合金などの金属や、窒化アルミニウムなどで形成されたセラミック基板に実装し、熱対策のためにセラミック基板３をアルミニウム合金などの高熱伝導性の金属で形成したユニットケースの底部上面にネジ止めなどで固定されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００９-２７２４５１号公報
【特許文献２】特開２００７-３３５３７１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
この発明が解決しようとする課題は、アルミニウムのフレームや放熱板に対し線状ＬＥＤ光源ユニットとして長尺で幅狭の短冊状セラミック基板を用い接合した場合に、接着剤の硬化温度から室温への降温や、ＬＥＤへの通電による発熱・温度上昇のために、接合した双方材料の熱膨張係数の違いによって、図１２（ｂ）に示すように接合状態を保ちながらも特に長尺方向において湾曲変形し、長手方向中央部分が浮き上がり、導光板に対するＬＥＤ光の入射効率の悪化を招いたり、アルミニウムのフレームや放熱板を更に周囲の金属フレームに接合させて放熱を行う構造などの場合、湾曲変形による空隙ができて放熱性が失われたりする、という問題があった。
【０００６】
他の放熱対策として、アルミニウム基板とセラミック基板の間に、高熱伝導性のシートあるいはグリスなどを挟んでネジ止めを行った場合は、放熱性が悪くなったり、高価になったり、さらにセラミック基板が割れないようにばね性を持たせてネジ止めする必要から広いスペースを要したりし、薄型の要望の強い液晶テレビジョン等には向かない、という問題があった。
【０００７】
そこで、長尺のセラミック基板がアルミニウムのフレームあるいは放熱板に取り付けられた場合にも、セラミック基板の歪や応力の発生を抑えることのできるＬＥＤ光源ユニットおよび照明装置を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記した課題を解決するために、実施形態のＬＥＤ光源ユニットは、複数のＬＥＤが実装された長尺で幅狭の短冊状セラミック基板と、前記ＬＥＤが実装された前記セラミック基板の裏面側に接合した長尺で幅狭の短冊状のコバール系または鉄系の金属部材とからなることを特徴とする。
【０００９】
また、実施形態の照明装置は、複数のＬＥＤが実装された長尺で幅狭の短冊状セラミック基板と、前記セラミック基板と熱膨張係数が近似した値の熱伝導性を有する金属部材と、前記セラミック基板と前記金属部材とを接着剤とから構成されるＬＥＤ光源ユニットと、該ＬＥＤ光源ユニットから照射される光を、一側面から入光させ一表面から出光させる導光板と、を具備したことを特徴する。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】ＬＥＤ光源ユニットに関する第１の実施形態について説明するための模式的な断面図である。
【図２】ＬＥＤ光源ユニットに関する第２の実施形態について説明するための模式的な断面図である。
【図３】ＬＥＤ光源ユニットに関する第２の実施形態の第１の変形例について説明するための視図である。
【図４】ＬＥＤ光源ユニットに関する第２の実施形態の第２の変形例について説明するための斜視図である。
【図５】照明装置に関する第１の実施形態について説明するための模式的な分解斜視図である。
【図６】図５要部の拡大斜視図である。
【図７】図５が組み立てられた状態の断面図である。
【図８】ＬＥＤ光源ユニットの固着について説明するための説明図である。
【図９】照明装置に関する第２の実施形態について説明するための模式的な分解斜視図である。
【図１０】図９要部の拡大斜視図である。
【図１１】図９が組み立てられた状態の断面図である。
【図１２】従来のＬＥＤ光源ユニットについて説明するための説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、実施形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。
【００１２】
図１は、ＬＥＤ光源ユニットに関する第１の実施形態について説明するための模式的な断面図である。
【００１３】
図１において、１１はアルミナ（Ａｌ２Ｏ３）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）それに窒化ケイ素（Ｓｉ３Ｎ４）等の耐熱、絶縁性の材料で形成された長尺で幅狭の短冊状セラミック基板である。１２はコバール（Ｆｅ―Ｎｉ−Ｃｏ合金）系また鉄系の熱伝導性の金属基板である。セラミック基板１１と金属基板１２は接着剤１４で接合される。この接着剤１４としては、エポキシ樹脂系や、シリコーン樹脂系、アクリル樹脂系接着剤、両面接着テープなどを使用できる。接着材層における熱伝導性を向上させるために接着材にフィラーを充填しても構わない。
【００１４】
セラミック基板１１と金属基板１２の接合には必ずしも接着剤１４を用いる必要はなく、ネジ止めしても構わない。
【００１５】
セラミック基板１１上には、銀導体などを用いた図示しない配線パターンがセラミック基板１１の長手方向に沿って形成されており、配線パターン上に複数のＬＥＤ１３が直線的にセラミック基板１１に実装されている。ＬＥＤ１３は、パッケージングされたものでも、チップの状態のものでも構わない。チップの場合は、チップの表面に透明封止樹脂がモールドされる。
【００１６】
ＬＥＤ１３には、たとえば商用電源のＡＣ１００〜２２０Ｖを、ＡＣ−ＤＣコンバータで直流変換し、点灯電源として供給される。もしくはバッテリーや電池などの直流電源を用い点灯用電源としてもよい。さらに、ＬＥＤ光源ユニットを搭載した製品の使用環境温度変化やＬＥＤ１３の点灯において、ＬＥＤ１３の周囲温度が変化しても一定の電流がＬＥＤに流れるようにＤＣ−ＤＣコンバータを用いて定電流制御が行われている。
【００１７】
ところで、熱伝導性に優れたセラミック基板の熱膨張係数は６．５ｐｐｍ／Ｋ程度で、これに対しアルミニウム基板の熱膨張係数は２４ｐｐｍ／Ｋ程度である。アルミニウム基板の熱膨張係数がセラミック基板に対して１桁大きく、さらに係数差は１７．５ｐｐｍ（約３．７倍）と大きい。このような熱膨張係数の関係にあるセラミック基板に実装されたＬＥＤ１３が点灯により発生する熱を、放熱させるために、単にアルミニウム基板を接合した従来の場合は、双方の基板を接合した時の温度に対してＬＥＤ１３点灯による温度上昇や、使用環境温度の変化（昇温時・降温）発生時の温度差に応じて、接合した双方基板の膨張または収縮寸法が熱膨張係数差により異なり熱応力が発生する。その結果、基板が長軸方向で湾曲変形し、導光板の光入射面に対する個々のＬＥＤの光軸方向にズレが生じることでバックライト発光面の明るさ均一性が低下したり、熱を逃がす外部フレームの密着面に隙間が生じたり、湾曲によりセラミック基板に接合が剥がれたりする。
【００１８】
アルミナのセラミック基板１１の熱膨張係数が６．５ｐｐｍ／Ｋ程度であるのに対し、コバール系の金属基板１２は組成比にもよるが、５．０２ｐｐｍ/Ｋ程度である。セラミック基板１１と金属基板１２は熱膨張係数が同じ桁で、さらに係数差も１．５２ｐｐｍと小さく近似した値であることから、温度差による変形量や応力を小さく抑えることができる。
【００１９】
また、金属基板１２をコバール系から鉄とした場合にも、鉄基板の熱膨張係数は１２ｐｐｍ／Ｋ程度であり、セラミック基板とアルミニウム基板の熱膨張係数差（約３．７倍）に対して、セラミック基板１１の熱膨張係数差（約１．８５倍）と小さく近似している。この場合の鉄による金属基板１２は、３層構造の応力に求められる下記の式１および式２に従い、適当な厚みにすることにより、鉄系の金属基板１２による変形量と応力の調整が可能となる。
【００２０】
なお、式１および式２については、例えば、１９８９年５月１日発行の文献「Appl. Phys. Left Vol.54,No.18」の１７５４〜１７５６ページの「Buffer layer effects on residual stress in InP on Si substrates」に記載されている。
【００２１】
【数１】
となる。式１および式２からｉ番目層の平均応力は、Ｐｉ／ｄｉとなる。ただし、
Ｐｉ：ｉ番目の層の平均面内応力 ε１：界面に垂直な方向の歪
Ｅｉ：ｉ番目の層のヤング率 ｄｉ：ｉ番目の層の厚み
Ｃij：弾性スティフネス Ｒ ：曲率半径
ν ：ボアッソン比 ｆ’：１層目と２層目界面の歪
ｆ ：２層目と３層目界面の歪
である。
【００２２】
このように構成されたＬＥＤ光源ユニットをアルミニウム等の放熱板または放熱性を有するフレームに接合する場合、セラミック基板１１と放熱板またはフレームとの間に、式１および式２に則って適当な厚み、長さ、幅のコバール系または鉄系の金属基板１２をフィラー入りの熱硬化性の樹脂接着剤１４で貼り付ける構造とした。これにより、セラミック基板１１と熱膨張係数の値が近似した金属基板１２との熱膨張差による変形量や応力を小さく抑えることができる。
【００２３】
この実施形態によれば、短冊状セラミック基板を用いたＬＥＤ光源ユニットを作製した場合でも、セラミック基板の変形湾曲によりと放熱板やフレーム面と間に生じる隙間による放熱特性低下や、セラミック基板の変形による導光板への入射効率も低下することのない、効率と信頼性の高いＬＥＤ光源を得ることができる。
【００２４】
図２は、ＬＥＤ光源ユニットに関する第２の実施形態について説明するための模式的な断面図である。第１の実施形態と同一の構成部分には同一の符号を付して説明する。
【００２５】
この実施形態は、ＬＥＤ光源ユニットに関する第１の実施形態のセラミック基板１１と金属基板１２との間に、アルミニウム基板１５を挟むようにして構成したものである。アルミニウム基板１５の一方の面は、フィラーが充填された高熱伝導性のエポキシ樹脂やシリコーン樹脂、アクリル樹脂系接着剤１４ａによりセラミック基板１１と接合される。アルミニウム基板１５の他方の面は、フィラーが充填された高熱伝導性のエポキシ樹脂やシリコーン樹脂、アクリル樹脂系接着剤１４ｂによりコバール系または鉄系の金属基板１２と接合される。
【００２６】
セラミック基板１１とアルミニウム基板１５を接合させる接着剤１４ａそれにアルミニウム基板１５と金属基板１２とを接合させる接着剤１４ｂは必ずしも用いる必要はなく、ネジ止めしても構わない。さらに、接着剤１４ａ，１４ｂとネジ止めとを共用させても構わない。
【００２７】
セラミック基板１１が接合されたアルミニウム基板１５の反対面側に、熱膨張係数が５．０２ｐｐｍ/Ｋ程度のコバール系または熱膨張係数が１２ｐｐｍ／Ｋ程度の鉄系の金属基板１２が接着剤１４ｂにより接合されている。
【００２８】
アルミニウム基板１５は、セラミック基板１１と熱膨張係数の値が近似したコバール系または鉄系の金属基板１２で挟まれる格好となり、セラミック基板１１とアルミニウム基板１５の熱膨張係数差による応力は、相殺され緩和することが可能となる。
【００２９】
このように、ＬＥＤ光源ユニットは熱伝導性・放熱性に優れたセラミック基板１１をＬＥＤ実装基板として用いさらに放熱効果を得るために放熱板や金属フレームに取り付ける場合でも、セラミック基板と熱膨張率が近似する金属部材をセラミック基板の裏面側に接合することで熱膨張係数差による応力を相殺緩和させ、ＬＥＤ１３が実装されたセラミック基板１１の変形を抑えることができる。
【００３０】
この実施形態によれば、短冊状セラミック基板を用いたＬＥＤ光源ユニットを作製した場合でも、セラミック基板の変形湾曲によりと放熱板やフレーム面と間に生じる隙間による放熱特性低下や、セラミック基板の変形による導光板への入射効率も低下することのない、効率と信頼性の高いＬＥＤ光源を得ることができる。さらにセラミック基板に放熱性の高いアルミニウム基板を配置したことから、放熱効果を向上させることができる。
【００３１】
図３および図４は、それぞれＬＥＤ光源ユニットに関する第２の実施形態の第１の変形例と第２の変形例について説明するためのそれぞれ斜視図である。
【００３２】
まず図３の変形例は、ＬＥＤ１３が実装された複数本のセラミック基板１１を長手方向に並べてさらに長尺化している。複数本のセラミック基板１１に対して共通のアルミニウム基板１５とアルミニウム基板１５を挟んでセラミック基板１１と対向する位置に金属基板１２を接合させている。
【００３３】
この変形例の場合は、複数本のセラミック基板１１に対してアルミニウム基板１５を共通化したことにより、アルミニウム基板１５の放熱面積が増えセラミック基板１１の温度上昇を抑えつつ、金属基板１２の接合により反りを防止することができる。
【００３４】
図４の変形例は、ＬＥＤ１３が実装された複数本のセラミック基板１１を長手方向に並べてさらに長尺化している。複数本のセラミック基板１１に対して共通のアルミニウム基板１５とアルミニウム基板１５を挟んで複数本のセラミック基板１１と対向する位置に共通の金属基板１２を接合させている。
【００３５】
この変形例の場合は、複数本のセラミック基板１１に対してアルミニウム基板１５と金属基板１２を共通化したことにより、アルミニウム基板１５の放熱面積の増加に加え、アルミニウム基板１５全体を共通の金属基板１２で接合させたことにより、放熱効果と反り防止の効果を向上させることができる。
【００３６】
図５〜図７は、照明装置に関する第１の実施形態について説明するための、図５は模式的な分解斜視図、図６は図５要部の斜視図、図７は図５が組み立てられた状態の断面図である。この実施形態は、ＬＥＤ光源ユニットの第１の実施形態を、エッジライト方式の液晶表示装置の一例である液晶テレビジョンのバックライトに適用したものである。
【００３７】
すなわち、バックライト５０は、複数のＬＥＤ光源ユニット５１１，５１２と導光板５２とを備えている。導光板５２の一側面は、ＬＥＤ光源ユニット５１１，５１２のＬＥＤ１３が直線的に対向配列される状態の入光面５２１とする。導光板５２の一表面は、入光面５２１から入射された光を出射する出光面５２２とする。導光板５２は、例えばアクリル樹脂等の透明な板状構造を有している。
【００３８】
導光板５２は、例えば熱伝導性の高い例えばアルミニウム製のバックフレーム５３に収容される。バックフレーム５３は、入光面５２１と出光面５２２は開放した状態の構成をしている。
【００３９】
さらに、ＬＥＤ光源ユニット５１１，５１２は、断面がコ字状の熱伝導性の高いフレーム５４内にＬＥＤ光源ユニット５１１，５１２の金属基板１２と密着させる状態でネジ等の固着手段で取着される。フレーム５４は断面Ｔ字状やＬ字状でもよく、要はＬＥＤ光源ユニット５１１，５１２を固着させる平面部とフレーム５４に反りが発生しないようにするための平面部に直交するリブが一体的形成されたものであればよい。フレーム５４は、バックフレーム５３に熱的に結合させる状態で取着される。
【００４０】
バックライト５０は、液晶テレビジョンの背面に設置され、照明光５５が液晶表示器によって光スイッチングされ、液晶テレビジョンは画像表示を行う。バックライト５０は、下から順に、バックフレーム５３、導光板５２、拡散シート５６、レンズシート５７、偏光シート５８、フロントフレーム５９が積層された構造となっている。なお、バックフレーム５３、拡散シート５６、レンズシート５７、偏光シート５８、フロントフレーム５９は適宜省略することができる。
【００４１】
ここで、図８を参照し、フィラー入りの熱硬化性の樹脂接着剤１４を用いたＬＥＤ光源ユニット５１１，５１２とフレーム５４の接合についてさらに詳しく説明する。
【００４２】
図８（ａ）に示すように、ＬＥＤ１３が実装された状態でセラミック基板１１と金属基板１２との間に接着剤１４が塗布された状態で、中心部ａと周囲部に設置された支点ｂ，ｃによってＬＥＤ光源５１１をフレーム５４の平面部に貼り付けた場合、フレーム５４に対し。凸形状になるように変形させた状態で、加温炉に設置して加温し接合される。その後、室温に降下させた場合、図８（ｂ）に示すように変形はなくなり、ＬＥＤ光源ユニット５１１は直線状に接合される。ＬＥＤ５１２も同様にしてフレーム５４に接合される。
【００４３】
ＬＥＤ光源ユニット５１１，５１２とフレーム５４の接合時の温度は、１００℃以下のなるべく高い温度として、接着剤１４は、接合温度と室温間の熱膨張係数差で発生する応力以上の接合強度とする。接着剤としては、接合温度と室温間の熱膨張係数差で発生する歪を緩和できる柔軟性を持たせたものでも構わない。
【００４４】
また、セラミック基板１１の変形が導光板５２の入射効率を悪化させないように、セラミック基板１１とフレーム５３の厚みの調整が図られている。ＬＥＤ１３の通電中のジャンクション温度は、通常１２０℃程度であることから、接合温度としてはそれ以上の温度履歴を与えると過剰な応力を与えることになってしまう。このため、接合温度としては１００℃以下にすることが望ましい。
【００４５】
この実施形態に係る照明装置は、ＬＥＤが実装された短冊状セラミック基板の変形を抑えられることから、ＬＥＤの光を導光板に確実に導光させることができ、入射効率の向上を図ることが可能となる。
【００４６】
図９〜図１１は、照明装置に関する第２の実施形態について説明するための、図９は模式的な分解斜視図、図１０は図９要部の斜視図、図１１は図９が組み立てられた状態の断面図である。照明装置に関する第１の実施形態と同一の構成部分には同一の符号を付して説明する。この実施形態は、ＬＥＤ光源ユニットの第２の実施形態を、エッジライト方式の液晶表示装置の一例である液晶テレビジョンのバックライトに適用したものである。
【００４７】
すなわち、バックライト５０は、複数のＬＥＤ光源ユニット５１３，５１４と例えばアクリル樹脂等の透明な板状構造の導光板５２とを備えている。導光板５２の一側面は、ＬＥＤ光源ユニット５１３，５１４のＬＥＤ１３が直線的に対向配列される状態の入光面５２１とする。導光板５２の一表面は、入光面５２１から入射された光を出射する出光面５２２とする。
【００４８】
導光板５２は、例えば熱伝導性の高い例えばアルミニウム製のバックフレーム５３に収容される。バックフレーム５３は、入光面５２１と出光面５２２は開放した状態の構成をしている。
【００４９】
さらに、ＬＥＤ光源ユニット５１３，５１４は、断面がコ字状の熱伝導性の高いフレーム５４内にＬＥＤ光源ユニット５１３，５１４の金属基板１２と密着させる状態で接着剤等の固着手段で取着される。フレーム５４は断面Ｔ字状やＬ字状でもよく、要はＬＥＤ光源ユニット５１３，５１４を固着させる平面部とフレーム５４に反りが発生しない役目の平面部に直交するリブが一体的形成されたものであればよい。フレーム５４は、バックフレーム５３に熱的に結合させる状態で取着される。
【００５０】
バックライト５０は、液晶テレビジョンの背面に設置され、照明光５５が液晶表示器によって光スイッチングされ、液晶テレビジョンは画像表示を行う。バックライト５０は、下から順に、バックフレーム５３、導光板５２、拡散シート５６、レンズシート５７、偏光シート５８、フロントフレーム５９が積層された構造となっている。
【００５１】
ＬＥＤ光源ユニット５１３，５１４のフレーム５４への取り付けは、アルミニウム基板１５のセラミック基板１１と金属基板１２が接合された面とは異なる面に図示しない貫通孔を形成し、ネジ止めによる接合であっても構わない。
【００５２】
この実施形態に係る照明装置においても、ＬＥＤが実装された短冊状セラミック基板の変形を抑えられることから、ＬＥＤの光を導光板に確実に導光させることができことから、入射効率の向上を図ることが可能となる。
【００５３】
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。これら新規な実施形態は、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。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、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。
【符号の説明】
【００５４】
１１ セラミック基板
１２ 金属基板
１３ ＬＥＤ
１４，１４ａ，１４ｂ 接着剤
１５ アルミニウム基板
５０ バックライト
５１１〜５１４ ＬＥＤ光源ユニット
５２ 導光板
５３ バックフレーム
５４ フレーム
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数のＬＥＤが実装された長尺で幅狭の短冊状セラミック基板と、
前記ＬＥＤが実装された前記セラミック基板の裏面側に接合した長尺で幅狭の短冊状のコバール系または鉄系の金属部材とからなることを特徴とするＬＥＤ光源ユニット。
【請求項２】
前記セラミック基板と前記金属基板との間にアルミニウム基板を介在させ、該アルミニウム基板に前記セラミック基板と前記金属基板をそれぞれ接合させたことを特徴とする請求項１記載のＬＥＤ光源ユニット。
【請求項３】
前記請求項２記載のＬＥＤ光源ユニットを直線状に複数並べて構成した場合の前記アルミニウム基板は一体化したものであることを特徴とする請求項２記載のＬＥＤ光源ユニット。
【請求項４】
前記請求項２記載のＬＥＤ光源ユニットを直線状に複数並べて構成した場合の前記アルミニウム基板および前記金属基板は一体化したものであることを特徴とする請求項２記載のＬＥＤ光源ユニット。
【請求項５】
前記請求項１〜４のいずれかのＬＥＤ光源ユニットと、
前記ＬＥＤ光源ユニットから照射される光を、一側面から入光させ一表面から出光させる導光板と、を具備したことを特徴する照明装置。
【請求項１】
複数のＬＥＤが実装された長尺で幅狭の短冊状セラミック基板と、
前記ＬＥＤが実装された前記セラミック基板の裏面側に接合した長尺で幅狭の短冊状のコバール系または鉄系の金属部材とからなることを特徴とするＬＥＤ光源ユニット。
【請求項２】
前記セラミック基板と前記金属基板との間にアルミニウム基板を介在させ、該アルミニウム基板に前記セラミック基板と前記金属基板をそれぞれ接合させたことを特徴とする請求項１記載のＬＥＤ光源ユニット。
【請求項３】
前記請求項２記載のＬＥＤ光源ユニットを直線状に複数並べて構成した場合の前記アルミニウム基板は一体化したものであることを特徴とする請求項２記載のＬＥＤ光源ユニット。
【請求項４】
前記請求項２記載のＬＥＤ光源ユニットを直線状に複数並べて構成した場合の前記アルミニウム基板および前記金属基板は一体化したものであることを特徴とする請求項２記載のＬＥＤ光源ユニット。
【請求項５】
前記請求項１〜４のいずれかのＬＥＤ光源ユニットと、
前記ＬＥＤ光源ユニットから照射される光を、一側面から入光させ一表面から出光させる導光板と、を具備したことを特徴する照明装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【公開番号】特開２０１２−１６０５３４（Ｐ２０１２−１６０５３４Ａ）
【公開日】平成２４年８月２３日（２０１２．８．２３）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１８３００（Ｐ２０１１−１８３００）
【出願日】平成２３年１月３１日（２０１１．１．３１）
【出願人】（０００１１１６７２）ハリソン東芝ライティング株式会社 (995)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年８月２３日（２０１２．８．２３）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年１月３１日（２０１１．１．３１）
【出願人】（０００１１１６７２）ハリソン東芝ライティング株式会社 (995)
【Ｆターム（参考）】
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