JP5095985B2 - 多数の部品からなる反射角変成器 - Google Patents

Description

本発明は、一般に、発光ダイオード（ＬＥＤｓ）又は他の固相光源に関し、より具体的には、そのような光源の集光光学部品に関する。

発光ダイオードの金型は、一般に、例えば、中心軸より９０度までといった広角にわたり、光を放射する。レンズ又は反射カップを使用して、ＬＥＤにより放射された光の方向を変えることは、一般的である。そのような単純な光学技術は、表示光として用いられるデバイス、又は精密な放射パターンが必要とされない場合には十分である。

しかし、ＬＥＤ照明システムの光出力が、例えば、投射型ディスプレイ（例、背面投射型テレビ又は前面投射器）、自動車用途（例、ヘッドライト）、光ファイバー、アクセント照明、コンパクト空間における色混合、及び他の用途といった、アンタンデュ限定システムを含むシステムに厳密に特定されている場合には、革新的な光学解決法を用いなければならない。

精密な集光光学部品は、望ましい放射パターンを生成するために多数の部品を使用する。集光光学部品は、本発明によれば、１つ又はそれ以上のＬＥＤｓを取り囲む反射側壁をもつ小さい反射リングを含む。小さい反射リングは、高精度で製造され、ＬＥＤｓの近くに配置することができる。一実施形態においては、発光ダイオードは、サブマウント上のメサ上に取り付けられ、反射リングは、組み立て中に、メサを横方向の位置決めガイドとして使用する。集光光学部品は、組み立て中に、反射リングを横方向の位置決めガイドとして使用する、別個の上方リフレクタを含む。上方リフレクタは、組み立てられた場合に、反射リング上の反射側壁のおおよその延長部になる反射側壁を含む。

図１及び図２は、発光ダイオードのアレイ１２と併せて用いられる、集光光学部品１０の切り欠き斜視図及び断面図を示す。集光光学部品１０は、例えば、アレイ１２から放射された光をコリメートする反射角変成器とすることができる。図に示すように、集光光学部品１０は、連続的な反射側壁１４を含む。このように、アレイ１２に最も近い反射側壁の縁１６から、反射側壁の端部１８まで、集光光学部品１０は一体部品である。

効率を向上させるため、反射側壁１４の縁１６は、アレイ１２に可能な限り近いことが望ましい。さらに、ＬＥＤｓの側壁を通って放射されるあらゆる光を反射するため、縁１６は、刃型縁であるべきである。その結果、集光光学部品１０は、製造、及び、ＬＥＤｓのアレイ１２に対する集光光学部品１０の配置の両方において、高い精度が必要となる。製造及び配置において望ましい精度を達成するためには、かなり多くの時間と労力が必要となり、したがって、費用が高くなる。

図３は、本発明の実施形態による、集光光学部品１００の側断面図を示す。集光光学部品１００は、ここでは反射角変成器組立体１００と称されることもある。本発明の実施形態によれば、反射角変成器組立体１００は、多数の部品から反射側壁を生成するように製造されるという利点があり、１つの部品は、高精度で製造及び配置されることが可能な小さい反射リング１０２であり、第２の部品は、緩やかな許容差で製造及び配置されることが可能な、大きい上方レクレクタ１０４である。したがって、集光光学部品１００の製造及び組み立てにかかる時間及び費用は、例えば、集光光学部品１０に比較すると削減される。

図４は、小さい反射リング１０２と、上方リフレクタ１０４の一部分だけの、より接近した断面図を示す。図に示すように、反射リング１０２は、基板１０８に取り付けられたＬＥＤｓ１０６を取り囲む。基板１０８は、セラミック又は他の適当な材料とすることができる。基板１０８は、電気接続リード（図示せず）により、直接接合銅（ＤＢＣ）基板１０９に取り付けられる。ＤＢＣ基板１０９は、放熱板１１０に接続される。基板１０８は、メサ１１２を含み、この上にＬＥＤｓ１０６が取り付けられる。反射リング１０２は、メサ１１２とほぼ同じ大きさの内径を有する。反射リング１０２は基板１０８に取り付けられて、反射リング１０２が、基板１０８のメサ１１２並びにＬＥＤｓ１０６を取り囲むようにする。取り付けられた場合には、反射リング１０２は、例えば、ＬＥＤｓからおおよそ０．１００ｍｍ又はそれより少ない距離だけ離して配置される。メサ１１２は、反射リング１０２を基板１０８に取り付けるためのガイドとして機能する。メサ１１２をガイドとして使用することは、ＬＥＤｓ１０６に対する反射リング１０２の位置合わせを簡略化するという利点がある。さらに、ＬＥＤｓ１０６がメサ１１２の上面１１２ａに取り付けられるため、反射リング１０２はＬＥＤｓ１０６の下方に延び、これにより反射リング１０２が、ＬＥＤｓ１０６からのいずれの側面に放射された光も反射することを可能にする。さらに、反射リング１０２の一部分が、メサ１１２の上面１１２ａの下方に延びるため、メサ１１２の上面１１２ａに隣接する反射リング１０２の角部１０２ａは鈍角とすることができ、図１又は図２に示す刃型縁１６とは異なり、製造が比較的容易になる。

他の較正を用いることができることを理解すべきである。例えば、図５Ａは、図４に示すものに似た断面図を示すが、基板１０８’が、溝１１４により形成されたメサ１１２と共に示されている。反射リング１０２’は、溝１１４内に取り付けられるように構成される。別の実施形態においては、基板１０８はメサ１１２を含まないことがあるが、このことは、反射リングの製造、取り付け、及びＬＥＤｓ１０６との位置合わせを複雑にする。図５Ｂは、図４に示すものに似た断面図を示すが、反射リング１０２’の一部分が、ＬＥＤｓ１０６のアレイの少なくとも一部分を覆う構成を有する。

ＬＥＤｓ１０６は、サブマウント１０８上にアレイで配置することができる。ＬＥＤｓ１０６及びサブマウント１０８は、Ｂｈａｔに付与された米国特許番号第６，８８５，０３５に述べられる種類とすることができ、この全体が引用によりここに組み入れられるが、本発明は、これに限定されるものではない。所望の場合には、他の種類のＬＥＤｓ及びサブマウントを用いてもよい。一実施形態においては、ＬＥＤｓ１０６はフリップチップ又は逆転した設計であり、ｐ型及びｎ型導体パッドがＬＥＤｓと同じ側部にあり、光は、一般に、導体パッドとは反対側にあるＬＥＤｓにより放射されるが、上述のように、幾らかの光は、ＬＥＤの側部を通して放射される。ＬＥＤｓは、例えば、以下に限定されるものではないが、ＧａＮ、ＡｌＧａＮ、ＡｌＮ、ＧａＩｎＮ、ＡｌＧａＩｎＮ、ＩｎＮ、ＧａＩｎＡｓＮ、及びＧａＩｎＰＮを含む組成を有するＩＩＩ族窒化物形式であるとすることができる。一般的な基板材料は、これらの基板上での高品質ＩＩＩ族窒化物結晶の核生成及び成長を容易にするため、サファイア、炭化珪素ＳｉＣ、又はＩＩＩ族窒化物である。ＬＥＤｓ、又は上に重なる層は、望ましい白色光を生成するために、リンコーティングを含むことができる。例えば、青色ポンプＬＥＤ金型は、白色として認識される青色及び黄色の光の混合を生成するために、黄色リンでコーティングされることになる。

ｐ型及びｎ型の導体パッドは、例えば、金スタッドバンプ１０６ａによって、サブマウント１０８の上で又は該サブマウントにおいて、電気接続される。スタッドバンプ１０６ａとサブマウント１０８上の微量金属との間の相互接続は、ＬＥＤとサブマントとの間の電気接続を行い、動作中に、ＬＥＤからの熱除去のために熱経路を与える。図示実施形態では、金スタッドバンプに言及しているが、相互接続部は、元素金属、金属合金、半導体金属合金、はんだ、熱的及び電気的に導電性のあるペースト又は化合物（例えば、エポキシ）、ＬＥＤ金型とサブマウントと間の異種金属間の共晶接合部、（例えば、Ｐｄ−Ｉｎ−Ｐｄ）、又ははんだバンプから製造することができる。

サブマウント１０８は、例えば、高温コファイアセラミック、又は薄膜アルミナ又は他の熱的パッケージ材料といった他の適切な材料により形成することができる。任意的な誘電体層、例えばＳｉＯ２（図示せず）を、ＬＥＤｓとサブマウント基板との間の電気的遮蔽のために、サブマウント上に含むことができる。基板１０８は、電気接続リード（図示せず）を与えるＤＢＣ基板１０９に取り付けられ、ＤＢＣ基板１０９は、放熱板１１０に接続される。

反射リング１０２は、例えば、Ｇｅｎｅｒａｌ Ｅｌｅｃｔｒｉｃにより製造されたＵｌｔｅｍ（登録商標）のような熱可塑性プラスチック材料から製造することができる。反射リング１０２は、射出成形、キャスティング、トランスファー成形、又は別の適切な方法によって形成することができる。反射リング１０２の反射表面１０３は、保護用の銀又はアルミニウムのような反射材料で覆うことができる。反射リング１０２は、例えば、高温エポキシを用いて、基板１０８に取り付けられる。一実施形態においては、反射リング１０２の高さは、おおよそ１．８ｍｍであり、最小内寸は、おおよそ４．１５ｍｍ×６．３０ｍｍ、外寸はおおよそ１２ｍｍ×１２．５ｍｍとすることができる。これらの寸法は、一例にすぎないものとして与えられ、もちろん、他の望ましい寸法を用いることができる。

図３及び図４に示すように、上方リフレクタ１０４の反射表面１０５は、反射リング１０２の反射表面１０３からの全体的な曲免の延長部である。しかし、曲面の使用は、本発明には必要ではないことが理解されるべきである。例えば、反射リング１０２の反射表面１０３及び上方リフレクタ１０４の反射表面１０５は、線形とすることができ、角度が付けられてもよいし、又は、例えば垂直というように、直線であってもよい。したがって、反射リング１０２及び上方リフレクタ１０４は、長方形状の管を形成する二部品の統合トンネルとすることができる。

上方リフレクタ１０４は、反射リング１０２を、横方向の位置の基準として用いることができる。しかし、所望の場合には、上方リフレクタ１０４は、サブマウント１０８自体を基準として用いることができる。上方リフレクタ１０４は、ＤＢＣ基板１０９を放熱板１１０に対して保持する、例えば、ボルト１２０、クランプ又は他の適切なコネクタを用いて、放熱板１１０に連結することができる。また別の方法では、上方リフレクタ１０４は、例えば、エポキシ又はシリコンを用いて、放熱板１１０に接合することができる。図４に示すように、上方リフレクタ１０４は、ｚ軸方向においては反射リングに接触せず、すなわち、上方リフレクタ１０４は、放熱板１１０の方向に、反射リング及び／又は基板１０８上に圧縮力を適用しない。

上方リフレクタ１０４は、Ｕｌｔｅｍ（登録商標）のような熱可塑性プラスチック、又は他の適切な材料から製造することができる。上方リフレクタは、射出成形、キャスティング、トランスファー成形、又は別の適切な方法によって形成することができる。上方リフレクタ１０４の反射表面１０５は、保護用の銀又はアルミニウムのような反射材料で覆うことができる。一実施形態では、上方リフレクタ１０４は、放射板１１０から、例えば２２ｍｍの高さを有し、出口の内寸は、おおよそ９．１ｍｍ×１３．６ｍｍであり、壁の厚さはおおよそ３ｍｍである。これらの寸法は、一例として与えられるに過ぎず、もちろん、他の望ましい寸法を用いることができる。

２つの別個の部品を用いて反射角変成器組立体１００を形成することにより、その製造及び組み立ては簡略化される。ＬＥＤｓ１０６の近くに配置される、小さい反射リング１０２だけに、製造及び配置において高い精度が要求される。上方リフレクタ１０４の製造及び組み立ての許容差は、より厳しさが少ないものとなる。さらに、上方リフレクタ１０４がＬＥＤｓ１０６から遠くなっているため、上方リフレクタ１０４の温度感度についての必要条件は、より厳しさの少ないものとなる。

図６、図７Ａ、図７Ｂ、及び図８は、本発明の実施形態による、集光光学部品２１０をもつデバイス２００の組み立てを示す斜視図である。図６は、サブマウント２０４上に取り付けられたＬＥＤｓのアレイ２０２を示す。サブマウント２０４は、複数の電気リード２０８を含むＤＢＣサブマウント２０６に取り付けられる。ＤＢＣサブマウント２０６は、放熱板２０９上に配置されて示されるが、一実施形態においては、ＤＢＣサブマウント２０６は放熱板２０９に取り付けられておらず、上述のように、上方リフレクタにより適用される圧縮力によって放熱板２０９に対して保持されることが理解されるべきである。しかし、所望の場合には、ＤＢＣサブマウント２０６は、例えば、エポキシ又は他の適切な機構により、物理的に、放熱板２０９に取り付けることができる。

図７Ａは、メサ２０３（図６に示す）を横方向の位置決めガイドとして用いて、サブマウント２０２に取り付けられた反射角変成器の、小さい反射リング２１２を示す。反射リング２１２は、図７Ａにおいては全体的に長方形であるように示されるが、反射リングは、例えば、楕円形、正方形、円形、又は他の望ましい形状のような、他の代替的な形状を有することができることが理解されるべきである。図７Ｂは、一例として、反射リング２１２’の一部分が、説明目的のために欠如された、円形の反射リング２１２’を示す。図７Ｂに示すように、反射リング２１２’は、互いに組み立てられる多数の部品を用いて、製造することができる。図７Ａに示す、長方形反射リング２１２におけるように、円形反射リング２１２’は、アレイ２０２における複数のＬＥＤｓを取り囲む。反射リングは、図７Ｂに示すように、ＬＥＤアレイ２０２の一部分にわたり配置することができる。

反射リング２１２がサブマウント２０２に取り付けられた状態で、上方リフレクタ２１４は、図６及び図７Ａに示すように、例えば、穴２０９ａを通るボルトを用いて、放熱板２０９に取り付けられ、その結果として、図８に示す構造体がもたらされる。図８は、説明目的のために、上方リフレクタ２１４の半分のみを示す。製造を簡略化するために、上方リフレクタ２１４は、放熱板２０９に取り付ける前に互いに連結された、例えば、４部品といった、２つ又はそれ以上の部品により製造することができる。上方リフレクタ２１４は、反射リング２１２の外周を横方向の位置決めガイドとして用いることができる。或いは、上方リフレクタ２１４は、反射リング２１２におけるピンホール２１２ａに挿入されるピンを用いて、適所に誘導することができる。上方リフレクタの他の取り付け構成を本発明で用いることができる。

本発明は、教示目的のために、特定の実施形態に関連して示されたが、本発明はそれらへ限定されるものではない。本発明の範囲から逸脱することなく、多様な適応及び修正を行うことができる。したがって、添付の特許請求の範囲の精神及び範囲は、上記の説明に限定されるべきではない。

発光ダイオードのアレイと併せて用いられる集光光学部品の切り欠き斜視図を示す。 発光ダイオードのアレイと併せて用いられる集光光学部品の断面図を示す。 本発明の実施形態による、集光光学部品の側断面図を示す。 小さい反射リング及び集光光学部品の上方リフレクタの一部分のみの、より接近した断面図を示す。 小さい反射リング及びサブマウントの他の実施形態を示す。 小さい反射リング及びサブマウントの他の実施形態を示す。 本発明の一実施形態による、集光光学部品をもつデバイスの組み立てを示す斜視図である。 本発明の一実施形態による、集光光学部品をもつデバイスの組み立てを示す斜視図である。 本発明の一実施形態による、集光光学部品をもつデバイスの組み立てを示す斜視図である。 本発明の一実施形態による、集光光学部品をもつデバイスの組み立てを示す斜視図である。

符号の説明

１００：集光光学部品
１０２：反射リング
１０４：上方リフレクタ
１０６：ＬＥＤｓ
１０８：基板
１１０：放熱板
１１２：メサ

Claims (21)

1. 少なくとも１つの発光ダイオードと、
   第１の反射側壁の組により、前記少なくとも１つの発光ダイオードを取り囲む反射リングと、
   前記反射リング及び前記少なくとも１つの発光ダイオードを取り囲む上方リフレクタであって、前記上方リフレクタが、第２の反射側壁の組を有し、前記第１の反射側壁の組と前記第２の反射側壁の組とで、ほぼ連続的な形状をなす上方リフレクタと、
   前記少なくとも１つの発光ダイオードが上面に取り付けられたメサを備えたサブマウントとを有し、
   前記反射リングは前記サブマウント上に取り付けられ、前記メサの上面の下方に延びて前記メサを取り囲む
   ことを特徴とする装置。
2. 前記第１の反射側壁の組の前記反射側壁が湾曲した構成を有し、前記第２の反射側壁の組の前記反射側壁が湾曲した構成を有し、前記第１の反射側壁の組と前記第２の反射側壁の組とがほぼ連続的な曲線を形成することを特徴とする請求項１に記載の装置。
3. 前記第１の反射側壁の組が、前記少なくとも１つの発光ダイオードの平面に関して、角度が付けられた又は垂直な配向を有し、前記第２の反射側壁の組が、前記少なくとも１つの発光ダイオードの平面に関して、角度が付けられた又は垂直な配向を有することを特徴とする請求項１に記載の装置。
4. 前記第１の反射側壁の組が、前記少なくとも１つの発光ダイオードを取り囲む、長方形、楕円形、又は円形の開口部を形成することを特徴とする請求項１に記載の装置。
5. 前記反射リングが、前記少なくとも１つの発光ダイオードを、少なくとも部分的に覆うことを特徴とする請求項１に記載の装置。
6. 複数の発光ダイオードがアレイにあり、前記反射リングが前記複数の発光ダイオードを取り囲むことを特徴とする請求項１に記載の装置。
7. 前記メサが、前記サブマウントにおける溝により定められることを特徴とする請求項１に記載の装置。
8. 前記少なくとも１つの発光ダイオードが放熱板に連結されており、前記上方リフレクタが前記放熱板に取り付けられることを特徴とする請求項１に記載の装置。
9. 前記上方リフレクタが、前記放熱板の方向に、前記反射リング上に圧縮力を適用しないことを特徴とする請求項８に記載の装置。
10. 前記少なくとも１つの発光ダイオードが前記サブマウントに連結され、前記サブマウントの一部分が前記上方リフレクタと前記放熱板との間に配置され、前記放熱板に前記上方リフレクタを取り付けることが、圧縮力を前記サブマウント上に適用することを特徴とする請求項８に記載の装置。
11. 前記サブマウントが第１のサブマウントであり、前記少なくとも１つの発光ダイオードが前記第１のサブマウントに取り付けられた第２のサブマウント上に取り付けられることを特徴とする請求項１０に記載の装置。
12. 少なくとも１つの発光ダイオードをサブマウントに設けるステップと、
    反射側壁の組により前記少なくとも１つの発光ダイオードを取り囲む反射リングを前記サブマウントに取り付けるステップと、
    上方リフレクタを取り付けるためのガイドとして前記反射リングを用いるステップと、
    を含み、前記上方リフレクタが、前記反射リングの前記反射側壁に関して、ほぼ連続的な一組の反射側壁を有し、
    前記少なくとも１つの発光ダイオードが上面に取り付けられたメサを備えたサブマウントとを有し、
    前記反射リングは前記サブマウント上に取り付けられ、前記メサの上面の下方に延びて前記メサを取り囲む
    ことを特徴とする方法。
13. 前記反射リングの前記反射側壁、及び、前記上方リフレクタの前記反射側壁の少なくとも一方が湾曲構成を有することを特徴とする請求項１２に記載の方法。
14. 前記反射リングの前記反射側壁が、前記少なくとも１つの発光ダイオードを取り囲む、長方形、楕円形、又は円形の開口部の少なくとも１つを形成することを特徴とする請求項１２に記載の方法。
15. 前記反射リングが、前記少なくとも１つの発光ダイオードを、少なくとも部分的に覆うことを特徴とする請求項１２に記載の方法。
16. 複数の発光ダイオードが、サブマウント上にアレイで設けられることを特徴とする請求項１２に記載の方法。
17. 放熱板を設けるステップと、
    前記上方リフレクタを前記放熱板に取り付けるステップと、
    をさらに含むことを特徴とする請求項１２に記載の方法。
18. 前記サブマウントの一部分が、前記上方リフレクタと前記放熱板との間に配置されることを特徴とする請求項１７に記載の方法。
19. 前記放熱板に取り付けられた前記上方リフレクタからの圧縮力を用いて、前記サブマウントを前記放熱板に対して保持するステップをさらに含むことを特徴とする請求項１８に記載の方法。
20. 前記上方リフレクタが、前記反射リング上に圧縮力を適用しないことを特徴とする請求項１２に記載の方法。
21. 前記サブマウントが第１のサブマウントであり、前記少なくとも１つの発光ダイオードを前記サブマウント上に設けるステップが、前記少なくとも１つの発光ダイオードを第２のサブマウント上に取り付けるステップと、前記第２のサブマウントを前記第１のサブマウントに取り付けるステップとを含むことを特徴とする請求項１２に記載の方法。