(57)【要約】【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。【選択図】図１
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【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。
【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、Ｏ２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
Ｏ２流量：２００ｓｃｃｍ
エッチング時間：５０分
このようにＯ２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、Ｏ２ガス以外にＡｒガス、Ｎ２ガス、Ｈ２ガス、ＣＦ４ガス、ＣＯ２ガス、ＳＦ６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（ＣＯ２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
【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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