(57)【要約】【課題】機械的強度の低下を抑制しながらも、冷却効率を向上できる光源装置を提供することにある。【解決手段】光源装置１は、支持基板２と、当該支持基板２に実装された複数のＬＥＤチップ３とを備え、支持基板２におけるＬＥＤチップ３側とは反対側に配置された冷却手段４に支持基板２が熱的に結合された状態で使用されるものであって、支持基板２は、ＬＥＤチップ３が厚み方向の一面に配置されたベースシート２０と、ＬＥＤチップ３を露出させる開口部２１ａを有しベースシート２０の上記一面に接合されベースシート２０を補強するフレーム２１とで構成されてなる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
支持基板と、当該支持基板に実装された複数のＬＥＤチップとを備え、支持基板におけるＬＥＤチップ側とは反対側に配置された冷却手段に支持基板が熱的に結合された状態で使用される光源装置であって、
支持基板は、ＬＥＤチップが厚み方向の一面に配置されたベースシートと、ＬＥＤチップを露出させる開口部を有しベースシートの上記一面に接合されベースシートを補強するフレームとで構成されてなることを特徴とする光源装置。
【請求項２】
ベースシートは上記他面が鏡面仕上げされてなることを特徴とする請求項１記載の光源装置。
【請求項３】
ベースシートは絶縁性シートであることを特徴とする請求項１または２記載の光源装置。
【請求項４】
絶縁性シートの材料としてはＡｌＮを用いたことを特徴とする請求項３記載の光源装置。
【請求項５】
フレームの開口部は内側に複数のＬＥＤチップが配置される形に形成されていることを特徴とする請求項１〜４のうちいずれか１項記載の光源装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、発光ダイオードチップを用いた光源装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、放電ランプやレーザ発振器などを光源として用いた光源装置が提供されているが、近年、低消費電力化や長寿命化などを目的として、放電ランプなどの代わりに発光ダイオード（以下、ＬＥＤと称する）チップを光源として用いた光源装置が種々提案されている。例えば、紫外線を放射するＬＥＤチップ（紫外線ＬＥＤチップ）を用いた光源装置（紫外線硬化装置）が提案されており、このような光源装置は、紫外線を受光することによって硬化する紫外線硬化材、例えば、紫外線硬化型のインク（インキともいう）などを硬化させる印刷システムなどに利用されている。
【０００３】
この種の光源装置としては、放電ランプなどを用いた従来の光源装置と同程度の光量が得られるように、複数（例えば、数十個）のＬＥＤチップを一枚の支持基板に実装したものが提案されている（例えば、特許文献１参照）。
【特許文献１】特開２０００−３１５４６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ここで、ＬＥＤチップに通電してＬＥＤチップを発光させると、当然ながらＬＥＤチップ自体が発熱する。このとき、ＬＥＤチップの数が少なければ問題ないが、上記光源装置のように、数十個のＬＥＤチップを一枚の支持基板に実装したものでは、ＬＥＤチップによる発熱量が大幅に増えてしまう。そして、ＬＥＤチップの発光効率は負の温度係数を有しているため、発熱量が増えると、ＬＥＤチップの発光効率が低下してしまう。
【０００５】
そのため、上記のような光源装置は、支持基板におけるＬＥＤチップ側とは反対側に配置された冷却手段（例えば、ヒート・パイプなどの冷却装置）に支持基板が熱的に結合された状態で使用されることが多い。
【０００６】
上記のような冷却手段を用いれば、ＬＥＤチップが発生する熱を冷却手段で吸収できるので、光源装置のＬＥＤチップの発光効率を改善できる。しかし、発熱量が増えれば増えるほど、高性能な冷却手段を用いる必要が生じ、光源装置の運用コストが高くなってしまうため、光源装置自体の冷却効率を向上したいという要望がある。
【０００７】
ここで、光源装置の冷却効率を向上するには、支持基板の厚みを薄くして、ＬＥＤチップと冷却手段との間の距離を短くすることが考えられるが、支持基板の厚みを薄くすると、当然ながら、支持基板の強度（機械的強度）が弱くなり、光源装置を冷却手段に取り付ける際に、支持基板が破損してしまうといった別の問題が生じるおそれがあった。
【０００８】
本発明は上述の点に鑑みて為されたもので、その目的は、支持基板の強度の低下を抑制しながらも、冷却効率を向上できる光源装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記の課題を解決するために、請求項１の発明では、支持基板と、当該支持基板に実装された複数のＬＥＤチップとを備え、支持基板におけるＬＥＤチップ側とは反対側に配置された冷却手段に支持基板が熱的に結合された状態で使用される光源装置であって、支持基板は、ＬＥＤチップが厚み方向の一面に配置されたベースシートと、ＬＥＤチップを露出させる開口部を有しベースシートの上記一面に接合されベースシートを補強するフレームとで構成されてなることを特徴とする。
【００１０】
請求項１の発明によれば、支持基板が、ＬＥＤチップが厚み方向の一面に配置されたベースシートと、厚み方向に貫通する開口部を有しベースシートの上記一面の全面を上記開口部よりＬＥＤチップを露出する形で覆うように上記一面に接合されベースシートの強度（機械的強度）を補強するフレームとで構成されてなり、支持基板におけるＬＥＤチップ側とは反対側に配置された冷却手段に熱的に結合された状態で使用されるから、支持基板のベースシートの厚みを薄くして、ベースシートの熱伝導率（熱伝導度）を高めることによって、ＬＥＤチップで発生した熱が冷却手段に伝わり易くなって、冷却効率を向上でき、しかも、ベースシートの厚みを薄くした場合であっても、フレームによってベースシートが補強されているから、支持基板の強度（機械的強度）の低下を抑制できる。
【００１１】
請求項２の発明では、請求項１の発明において、ベースシートは上記他面が鏡面仕上げされてなることを特徴とする。
【００１２】
請求項２の発明によれば、ベースシートの上記他面と冷却手段などの他部材との密着性を向上できるから、ベースシートと他部材との熱伝導度が向上し、冷却効率が向上する。
【００１３】
請求項３の発明では、請求項１または２の発明において、ベースシートは絶縁性シートであることを特徴とする。
【００１４】
請求項３の発明によれば、ベースシートが銅などの金属材料よりなる場合とは異なり、感電などの事故を防止できる。
【００１５】
請求項４の発明では、請求項３の発明において、絶縁性シートの材料としてはＡｌＮを用いたことを特徴とする。
【００１６】
請求項４の発明によれば、ＡｌＮは絶縁性材料のなかでも比較的熱伝導率が高いので、冷却効率を向上できる。
【００１７】
請求項５の発明では、請求項１〜４のうちいずれか１項の発明において、フレームの開口部は内側に複数のＬＥＤチップが配置される形に形成されていることを特徴とする。
【００１８】
請求項５の発明によれば、開口部とＬＥＤチップとが一対一で対応する場合に比べれば、フレームの形状を簡単にできる。
【発明の効果】
【００１９】
本発明は、支持基板の強度の低下を抑制しながらも、冷却効率を向上できるという効果を奏する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
本発明の一実施形態の光源装置１は、図１（ａ），（ｂ）に示すように、支持基板２と、支持基板２に実装された複数（図示例では１６）のＬＥＤチップ３とを備えている。この光源装置１は、図１（ａ）および図２に示すように、支持基板２におけるＬＥＤチップ側とは反対側（図１（ａ）における下面側）に配置された冷却手段４に支持基板２が熱的に結合された状態で使用される。
【００２１】
ＬＥＤチップ３は、例えば、紫外領域にピーク波長を有する紫外線ＬＥＤチップであって、フリップチップ実装が可能なものを用いている。ただし、これはあくまで一例であって、ＬＥＤチップ３を紫外線ＬＥＤチップに限定する趣旨ではない。
【００２２】
支持基板２は、図１（ａ）に示すように、ベースシート２０と、ベースシート２０に接合されてベースシート２０を補強するフレーム２１とで構成されてなる。
【００２３】
ベースシート２０は、例えば、矩形状の絶縁性シートであって、その材料としては、ＡｌＮ（窒化アルミニウム）を用いている。ベースシート２０の厚み方向の一面側には、例えば図１（ｂ）に示すように１６個のＬＥＤチップ３を４×４のマトリクス状（４行４列のマトリクス状）に接合されている。一方、ベースシート１０の厚み方向の他面（図１（ａ）における下面）は鏡面仕上げ（鏡面加工）されており、これによってベースシート２０の上記他面の平坦度を改善し、他の部材（本実施形態では冷却手段４）との密着性の向上を図っている。
【００２４】
フレーム２１は、例えば、ベースシート２０の外形サイズ以上の外形サイズの矩形板状に形成され、その厚みはベースシート２０の厚みより十分大きく設定されている。なお、フレーム２１の材料として、ベースシート２０の材料よりも機械的強度が高い材料を用いた場合には、必ずしもフレーム２１の厚みをベースシート２０の厚みよりも厚くする必要はなく、所望の機械的強度が得られるような厚みに設定すればよい。
【００２５】
フレーム２１には、フレーム２１を厚み方向（図１（ａ）における上下方向）に貫通する開口部２１ａが形成されている。開口部２１ａは、内側にベースシート２０上に配置された複数（図示例では１６）のＬＥＤチップ３の全てが配置される形に形成されている。なお、開口部２１ａは、図１（ｂ）に示すように、フレーム２１の厚み方向に直交する面内における開口形状が正方形状となっているが、これに限定する趣旨ではなく、例えば円形状などであってもよい。フレーム２１におけるベースシート２０側とは反対側（図１（ａ）における上面側）には、配線パターン２２が形成されている。配線パターン２２は、外部の電源装置（図示せず）よりＬＥＤチップ３に給電するための電路（図示せず）と、電極パッド２２ａとを有している。
【００２６】
このようなフレーム２１は、ＬＥＤチップ３を開口部２１ａより露出させる形でベースシート２０の上記一面に接合され、これによって図１（ａ），（ｂ）に示す形の支持基板２が得られる。その後には、フレーム２１に設けられた電極パッド２２ａとＬＥＤチップ３の電極（図示せず）とが、ボンディングワイヤＷによって電気的に接続される。したがって、本実施形態の光源装置１では、ＬＥＤチップ３は支持基板２にワイヤボンディングにより実装されている。なお、図１（ａ），（ｂ）では、一部のボンディングワイヤＷのみを図示し、図２では、ボンディングワイヤＷおよび導電パターン２２を省略している。
【００２７】
次に、光源装置１の冷却に用いられる冷却手段４について説明する。冷却手段４は、例えば、金属材料（例えば、金属材料のなかでも熱伝導度が高いアルミニウム等）により角筒状に形成された冷却用パイプ４０と、冷却用パイプ４０の内部空間からなる流路４０ａに図示しない水等の熱媒（熱媒体ともいう）を流すためのポンプ（図示せず）とを備えた、所謂水冷式の冷却装置である。なお、冷却手段４としては、上記熱媒として空気を用いた空冷式の冷却装置であってもよく、この場合、上記ポンプの代わりにファンが利用される。また、上記熱媒は、水や空気に限定されるものではなく、その他の流体であってもよい。
【００２８】
以上述べた光源装置１は、図１（ａ）に示すように、冷却手段４の冷却用パイプ４０の一側面（図１（ａ）における上側面）に、ベースシート２０の他面を接触させた形で、冷却手段４に取り付けられ、使用に供される。図２は、光源装置１を一の冷却手段４に複数取り付けた例を示している。
【００２９】
そして、光源装置１の使用によってＬＥＤチップ３で発生した熱は、ベースシート２０に伝わった後に、冷却用パイプ４０を介して流路４０ａを流れる熱媒に伝わり、温度が上昇した熱媒は流路４０ａを流れる間に冷却される。このようにして光源装置１のＬＥＤチップ３は冷却手段４によって冷却される。
【００３０】
以上述べた本実施形態の光源装置１によれば、支持基板２におけるＬＥＤチップ３側とは反対側（ベースシート２０においてＬＥＤチップ３が配置された厚み方向の一面側とは反対側の厚み方向の他面側）に配置された冷却手段４に支持基板２が熱的に結合された状態で使用されるため、支持基板２のベースシート２０の厚みを薄くして、ベースシート２の熱伝導率（熱伝導度）を高めることで、冷却効率を向上できる。
【００３１】
また、ベースシート２０の機械的強度を補強するフレーム２１がベースシート２０の上記一面に接合されているから、ベースシート２０の厚みを薄くした場合であっても、支持基板２の機械的強度を向上できる。その上、光源装置１を冷却手段４に取り付ける際に、ベースシート２０が破損したり、ベースシート２０がその薄さのために変形してしまったりすることを抑制できて、光源装置１の冷却手段４への取り付けが容易に行えるようになる。
【００３２】
加えて、ベースシート２０は上記他面が鏡面仕上げされてなるので、ベースシート２０の上記他面と他部材である冷却手段４（の冷却用パイプ４０）との密着性を向上できるから、冷却効率を向上できる。さらに、ベースシート２０は絶縁性シートであるので、ベースシート２０が銅などの金属材料よりなる場合とは異なり、感電などの事故を防止できる。しかも、絶縁性シートの材料として、絶縁性材料のなかでも比較的熱伝導率が高いＡｌＮを用いたので、冷却効率を向上できる。
【００３３】
さらに、フレーム２１の開口部２１ａは内側に複数のＬＥＤチップ３が配置される形に形成されているので、開口部２１ａが内側に一つのＬＥＤチップ３が配置される形に形成されている（開口部２１ａとＬＥＤチップ３とが一対一で対応する）場合に比べれば、フレーム２１の形状を簡単にでき、製造コストの低減が図れる。
【００３４】
なお、本実施形態の光源装置１では、ＬＥＤチップ３を支持基板２にワイヤボンディングにより実装しているが、例えば、ベースシート２０の厚み方向の一面側に、ＬＥＤチップ３用の配線パターン（図示せず）を形成して、ＬＥＤチップ３を支持基板２にフリップチップ実装するようにしてもよい。
【００３５】
ところで、冷却手段４は、上述した水冷式や空冷式の冷却装置に限られるものではなく、その他の冷却装置であってもよい。例えば、冷却手段４としては、２種類の金属の接合部に電流を流すと一方の金属から他方へ熱が移動する（ペルチェ効果）を利用した板状の半導体素子であるペルチェ素子（ペルティエ素子ともいう）を利用したものであってもよいし、密閉容器内に作動流体（例えば水）を封入し作動流体の蒸発・凝縮により熱移動を行う伝熱装置であるヒート・パイプ（サーモ・サイフォン、サーモ・チューブともいう）を利用したものであってもよい。ヒート・パイプには、蒸発し気体となって移動した後に凝縮された作動液体を元の位置に戻す方法として、重力を利用するものと、ウィックなどによる毛細管現象を利用するものとがあるが、いずれを用いるかは光源装置１の使用形態に応じて適宜選択すればよい。例えば、光源装置１をベース部材１１の上記一面を下方に向けて使用する場合には、重力を利用したヒート・パイプを用いればよい。
【００３６】
なお、図１（ａ）および図２に示す例では、光源装置１を、冷却手段４に直接的に取り付けているが、例えば、ベースシート２０の材料よりも熱伝導度が高い材料（例えば、本実施形態では、ＡｌＮよりも熱伝導度が高い銅など）よりなる伝熱板（図示せず）を光源装置１と冷却手段４との間に介在させるようにしてもよい。このような伝熱板によれば、ベースシート２０の熱を拡散して冷却手段４に伝えることができるから、冷却効率の向上が図れる。ところで、このような伝熱板を用いる場合には、複数の光源装置１を伝熱板に取り付けてから、伝熱板を冷却手段４に取り付けるようにしてもよく、このようにすれば、複数の光源装置１を冷却手段４に取り付ける作業が容易に行えるという利点がある。
【００３７】
また、本実施形態の光源装置１の支持基板２は、フレーム２１に一つのベースシート２０を接合してなるものであるが、支持基板２は、フレーム２１に複数のベースシート２０を接合してなるものであってもよい。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】本発明の一実施形態の光源装置を示し、（ａ）は一部を省略した概略断面図、（ｂ）は一部を省略した正面図である。
【図２】同上の光源装置の一部を破断した斜視図である。
【符号の説明】
【００３９】
１    光源装置
２    支持基板
３    ＬＥＤチップ
４    冷却手段
２０    ベースシート
２１    フレーム
２１ａ  開口部
【図１】
2009010050.tif 000003
【図２】
2009010050.tif 000004