JP6109547B2 - Ｌｅｄ発光装置 - Google Patents

Description

本発明はＬＥＤ素子を発光源とするＬＥＤ発光装置に関するものであり、詳しくはＬＥＤ素子の駆動時の発熱によって形状記憶合金を変形させ、この変形によってＬＥＤ素子を実装した基板と放熱体である筐体とを密着させて放熱を行うＬＥＤ発光装置に関する。

近年、ＬＥＤ素子（以下ＬＥＤと略記する）は半導体素子であるため、長寿命で優れた駆動特性を有し、さらに小型で発光効率が良く、鮮やかな発光色を有することから、カラー表示装置のバックライトや照明等に広く利用されるようになってきた。

特に近年、ＬＥＤ素子の駆動時の発熱によって変形する形状記憶合金を利用したＬＥＤ発光装置がいろいろ提案されている。（例えば特許文献１、特許文献２、特許文献３参照）

以下従来の形状記憶合金を利用したＬＥＤ発光装置について説明する。特許文献１にはＬＥＤをホルダーに固定する構成として、固定部材としての形状記憶合金を設けたホルダーにＬＥＤを収納し、温度を変態温度以上に変化させることによって、形状記憶合金を変形させてＬＥＤをホルダーに固定する固定方法が記載されている。また、特許文献２には、電球形照明光源においてＬＥＤの発熱によって形状記憶合金を変形させ、その変形によって温度表示を行わせることにより、使用者が高温に気付かずに接触して火傷をすること防止する構成が記載されている。

特許文献３はＬＥＤ発光装置ではないが冷却対象部品（実施形態ではＣＰＵとしている）を形状記憶合金の変形を利用して放熱を行う冷却装置に関するものであり、その目的が本発明のＬＥＤ発光装置に近似しているので図面により説明する。なお、理解し易いように発明の趣旨を外さない範囲において図面を一部簡略化し、また部品名称も本願にそろえている。図６は特許文献３における方熱装置１００の断面図であり、非放熱状態を示している。図７も方熱装置１００の断面図であり、放熱状態を示している。

図６において基板１０２に実装された冷却対象部品であるＣＰＵ１０１と放熱体である下ケース１０３とが、図示しない支持手段によって所定の間隔に固定されており、下ケース１０３には形状記憶板バネ１０５と熱伝導性板バネ１０８がネジ１０９によって固定されている。そして熱伝導性板バネ１０８にはネジ１０９によって下ケース１０３に固定される固定部１０８ａ、この固定部１０８ａから、基板１０２側へ延びる立ち上がり部１０８ｂ、この立ち上がり部１０８ｂの先端からＣＰＵ１０１の表面に対向するように延長された受熱部１０８ｃを有し、この受熱部１０８ｃの上面には熱伝導シート１０６が貼り付けられている。この熱伝導性板バネ１０８は熱伝導性及びバネ性の双方に優れた材料、例えばリン青銅などのバネ材により形成され、受熱部１０８ｃに被着された放熱シート１０６をＣＰＵ１０１の表面から離す方向の弾発力を有している。すなわち熱伝導性板バネ１０８は形状記憶板バネ１０５に対し、バイアスを与えるバネとして機能する。

形状記憶板バネ１０５は、ネジ１０９によって下ケース１０３に固定された固定部１０５ａ、この固定部１０５ａから熱伝導性板バネ１０８に接するように延びる押圧部１０５ｂを有している。この形状記憶板バネ１０５は、所定温度になると記憶した形状に変形しようとして弾性力を生じ、この形状記憶板バネ１０５の記憶した形状は、所定温度を超えた温度になっても維持される。なお形状記憶板バネ１０５の記憶した形状は、押圧部１０５ｂが反り上がって熱伝導性板バネ１０８の受熱部１０８ｃを介して熱伝導シート１０６をＣＰＵ１０１に押し付ける形状になっている。

また形状記憶板バネ１０５は、所定温度未満のとき弾性力を失って僅かな外力で容易に塑性変形するようになっている。従って放熱装置１００を備える装置が駆動されていない状態では、装置内の温度が所定温度未満なので、図６に示すごとく、熱伝導性板バネ１０８が形状記憶板バネ１０５を塑性変形させて、熱伝導シート１０６をＣＰＵ１０１の表面から離しており、冷却対象部品であるＣＰＵ１０１と放熱体である下ケース１０３が熱的に接続されていない状態、すなわち非放熱状態となっている。

次に放熱装置１００を備える装置が駆動された状態では、ＣＰＵ１０１の温度上昇によって装置内の温度が所定温度以上になると、図７に示すごとく、形状記憶板バネ１０５が記憶した形状に変形しようとして弾性力を生じ、押圧部１０５ｂが反り上がって熱伝導性板バネ１０８の受熱部１０８ｃを押しあげることにより、熱伝導シート１０６をＣＰＵ１０１に押し付ける。この結果、冷却対象部品であるＣＰＵ１０１と放熱体である下ケース１０３が熱的に接続されて冷却が行われる状態、すなわち放熱状態となっている。そして、放熱装置１００を備える装置の駆動が停止されると、装置内の温度が所定温度未満に戻ることによって形状記憶板バネ１０５は塑性変形状態となり、熱伝導性板バネ１０８の復元力によって図６の非放熱状態へ復帰する。

特開平２−６５１９０号公報 特開２０１０−１７６９０２号公報 特開２００７−２５８５４８号公報

しかし、特許文献１や特許文献２に記載されたＬＥＤ発光装置は、形状記憶合金を用いてはいるが、ＬＥＤをホルダーに固定するものであったり、形状記憶合金を変形させ、その変形によって温度表示をさせるものであり、本発明とは直接関係しないものである。

これに対し、特許文献３はＬＥＤ発光装置ではないが冷却対象部品（実施形態ではＣＰＵとしている）を形状記憶合金の変形を利用して放熱を行う放熱装置に関するものであり、その目的が本発明のＬＥＤ発光装置に近似している。しかし、特許文献３における冷却対象部品を本発明のＬＥＤとして考えて場合、次のような問題がある。

まず、図６の非放熱状態において、熱伝導性板バネ１０８のバイアスによってＬＥＤ（冷却対象部品）と形状記憶板バネ１０５とが分離されているので、ＬＥＤを搭載した装置の駆動によってＬＥＤが温度上昇を始めても、その発熱が直接形状記憶板バネ１０５に伝達されず、空気層を介して伝達される構成であるため、形状記憶板バネ１０５の温度が所定温度以上に上昇するのに時間がかかる。この間は発熱しているＬＥＤから放熱体である下ケース１０３を通じての放熱が行われず、ＬＥＤの温度が異常に高くなってからやっと図７に示す放熱状態となるので、ＬＥＤの発熱に伴う十分な放熱が行われない。

また、弾性体として形状記憶板バネ１０５を使用しているので、熱伝導性板バネ１０８の受熱部１０８ｃに被着された熱伝導シート１０６を、ＣＰＵ１０１に押し付けた場合には、熱伝導シート１０６とＣＰＵ１０１の接触状態が片当りとなって、面全体での接触が行われず、放熱経路が狭くなって十分な放熱が行われない。これは形状記憶板バネ１０５の狭い部分で、熱伝導性板バネ１０８の受熱部１０８ｃを押し上げるので、受熱部１０８ｃの全体を平行に押し上げることができないからである。また、特許文献３の他の実施形態には形状記憶板バネ１０５に替えて、形状記憶合金のコイルバネを使用する事例も示されているが、コイルバネを使用しても、やはり受熱部１０８ｃの全体を平行に押し上げることができないので、同様な問題がある。

また、形状記憶合金を使用していない通常のＬＥＤ発光装置の場合は、最も高い発熱が行われるＬＥＤを実装した基板と、放熱体である筐体とを密着させて放熱を行う場合に、ＬＥＤ発光装置の組み立て時に筐体に対してＬＥＤを実装した基板を、ネジ止めによって密着させる構造が取られる。しかしネジ止めでは基板の周辺のみに強い圧力が集中するので、基板の全面を筐体に密着されることが難しく、十分な面での放熱が行われないという問題がある。またネジ止めの固定力を強めるために、ネジを強く締めすぎるとＬＥＤを実装した基板に強い反りとストレスが発生し、基板に実装されているＬＥＤに破損や実装破壊が生じてしまうという問題がある。

そこで本発明の目的は、上記問題点を解決しようとするものであり、ＬＥＤ発光装置の組み立て時にＬＥＤの破損を発生させることなく、しかもＬＥＤの発熱に伴って素早く形状記憶合金が変形することにより、すぐにＬＥＤから放熱体への放熱経路を形成して放熱状態に移行することができる、ＬＥＤ発光装置を提供することである。

上記目的を達成するため本発明におけるＬＥＤ発光装置の構成は、ＬＥＤ素子を実装した基板と、該基板を放熱体である筐体に取り付けたＬＥＤ発光装置において、前記基板の裏面と前記筐体間に熱伝導シートと加熱により容積が増加する形状記憶合金を挟んで、前記基板と筐体とをネジによって低荷重状態となるように固定したことを特徴とする。

上記構成によれば、ＬＥＤが駆動されていない非放熱状態においても、ＬＥＤと形状記憶合金が熱伝導シートを介して軽く接しているので、ＬＥＤが駆動されて温度上昇を開始すると、その発熱が熱伝導シートを介して素早く形状記憶合金に伝達されるので、形状記憶合金がその容積を増加させ、熱伝導シートを圧縮して放熱状態となる。この結果ＬＥＤの発熱を圧縮された熱伝導シートと容積が増加した形状記憶合金を経由して筐体へと強力に放熱することが可能となり、さらに形状記憶合金の容積の増加によって熱伝導シートの全面をＬＥＤに押し当てることで、片当りのない接触状態が得られる。

前記熱伝導シートを前記形状記憶合金と基板間、及び前記形状記憶合金と筐体間に設けると良い。

前記基板と筐体間に初期圧接力調整用のスペーサを挟んでネジ固定すると良い。

上記構成によれば、非放熱状態における熱伝導シートの圧縮量を正確に決めた固定ができる。

上記の如く本発明によれば、ＬＥＤが駆動されていない非放熱状態においては、ＬＥＤと形状記憶合金が熱伝導シートを介して軽く接しているので、ＬＥＤに対して圧力の掛け過ぎによる破損の心配がなく、またＬＥＤが駆動されて温度上昇を開始すると、その発熱が熱伝導シートを介して形状記憶合金に伝達されるので、形状記憶合金がその容積を増加させて熱伝導シートを圧縮することで、放熱状態となる。この結果ＬＥＤの発熱を圧縮された熱伝導シートと容積が増加した形状記憶合金を経由して筐体へと強力に放熱することが可能となり、さらに形状記憶合金の容積の増加によって熱伝導シートの全面をＬＥＤに押し当てることで、片当りのない接触状態が得られ、放熱が必要なときに、素早く放熱がおこなえるＬＥＤ発光装置を提供できる。

本発明の第１実施形態におけるＬＥＤ発光装置の上面図である。 図１に示すＬＥＤ発光装置の断面図である。 本発明の第２実施形態におけるＬＥＤ発光装置の断面図である。 本発明の第３実施形態におけるＬＥＤ発光装置の断面図である。 本発明の第４実施形態におけるＬＥＤ発光装置の断面図である。 従来例におけるＬＥＤ発光装置の断面図である。 従来例におけるＬＥＤ発光装置の断面図である。

（第１実施形態）
以下図面により、本発明の実施形態を説明する。図１、図２は本発明の第１実施形態におけるＬＥＤ発光装置を示し、図１は本発明の第１実施形態におけるＬＥＤ発光装置１０の上面図、図２は図１に示すＬＥＤ発光装置１０のＡ−Ａ断面図である。

図１に示すＬＥＤ発光装置１０の上面図において、基板２の上面には図示しない配線電極が設けられ、複数のＬＥＤ１が実装されたＬＥＤブロック１Ａが構成さており、このＬＥＤブロック１Ａを蛍光体層８で被覆している。そして基板２とそこに実装されたＬＥＤブロック１ＡによりＬＥＤパッケージ１０ａを構成している。またこの基板２としては樹脂回路基板やセラミック回路基板や金属に絶縁層を設けた金属製回路基板等を使用することができるが、放熱性の良さを考慮すると金属製回路基板やセラミック回路基板が望ましいが、価格的には樹脂回路基板が有利であり、条件によって使いわけることができる。またＬＥＤ発光装置１０における１例としては、ＬＥＤ１として青色ＬＥＤを使用し、蛍光体層８としてＹＡＧ蛍光体層を使用した白色光の発光装置がある。

図２に示す断面図において、ＬＥＤパッケージ１０ａを構成する基板２の裏面と放熱体である筐体３の間に、熱伝導シート６と形状記憶合金５を挟んでＬＥＤパッケージ１０ａを構成する基板２と筐体３とをネジ９によって固定している。この形状記憶合金５としては、加熱により容積が増加する形状記憶合金を使用しており、また熱伝導シート６としては、弾性のあるシリコーン樹脂に金属粒子又はカーボン粒子等を混入した熱伝導性と弾力性を有するシートを使用することができる。

次にＬＥＤ発光装置１０の組み立て方法を説明する。ＬＥＤパッケージ１０ａを構成する基板２の裏面と放熱体である筐体３の間に、熱伝導シート６と形状記憶合金５を挟んで基板２と筐体３とをネジ９によって固定するが、このときの条件として、２本のネジ９の締め具合が問題となる。通常この状態で２本のネジ９を締めるときに、基板２と筐体３との間に熱伝導シート６と形状記憶合金５が存在するので、ネジ９を強く締めすぎるとＬＥＤパッケージ１０ａを構成する基板２の中央部分に強い反りとストレスが発生し、基板２の中央部に実装されているＬＥＤブロック１Ａを構成するＬＥＤ１に破損や実装破壊が生じ、ＬＥＤパッケージ１０ａを破損してしまうという問題がある。

また、ＬＥＤパッケージ１０ａの破損をさけるために、ネジ９の締めを緩めるとＬＥＤパッケージ１０ａと、熱伝導シート６及び形状記憶合金５との接触が不十分になって、ＬＥＤパッケージ１０ａから筐体３への放熱が行われず、ＬＥＤパッケージ１０ａの温度上昇によって、ＬＥＤ発光装置１０の発光効率が低下してしまうとい問題がある。

次に上記問題を解決した本発明におけるＬＥＤ発光装置の動作を説明する。まず、図２に示すＬＥＤ発光装置１０において、基板２と筐体３とをネジ９によって固定するときに、熱伝導シート６が僅かに圧縮される状態にネジ９による固定をおこなう。このＬＥＤ発光装置１０が動作していない非放熱状態においては、ＬＥＤパッケージ１０ａからの発熱が生じた場合に、熱伝導シート６を介して形状記憶合金５に、その発熱がある程度伝達される状態であり、かつＬＥＤパッケージ１０ａを構成する基板２の中央部分に、あまり強いストレスが生じない低荷重状態となるようにネジ９の締め具合を調整している。

次に、この低荷重状態においてＬＥＤ発光装置１０を動作状態にすると、ＬＥＤパッケージ１０ａが発熱を始め、この発熱がＬＥＤパッケージ１０ａの基板２から熱伝導シート６を介して形状記憶合金５に伝達され、形状記憶合金５の温度が上昇し始める。そして形状記憶合金５の温度が所定温度を超えると、形状記憶合金５が記憶された形状に変形を開始し、容積が増加して膨張することにより熱伝導シート６を圧縮する。この結果ＬＥＤパッケージ１０ａの発熱は圧縮された熱伝導シート６によって熱伝達力が増加し、形状記憶合金５を経由して筐体３に伝達されて強力に放熱される放熱状態となる。その結果ＬＥＤパッケージ１０ａの発熱が解消され、正常な発光効率を保つことができる。

なお、この放熱状態においては、熱伝導シート６の圧縮によりＬＥＤパッケージ１０ａから筐体３への熱伝達力が増加することによって、高い放熱効果が得られるが、この熱伝達力を増加させる応力は熱伝導シート６の弾力性によって吸収されるので、ＬＥＤパッケージ１０ａを構成する基板２に与えるストレスをＬＥＤパッケージ１０ａの破損に至らないように緩和することができ、また、形状記憶合金５の容積増加量も、その範囲に収まるように設計しておく。

このように本発明においては、ＬＥＤ発光装置１０が動作していない非放熱状態においては、形状記憶合金５の塑性変形によってＬＥＤパッケージ１０ａに加わるストレスを低荷重状態に保ち、またＬＥＤ発光装置１０を動作状態にすると直ちにＬＥＤパッケージ１０ａの発熱を形状記憶合金５に伝達して容積増加を行わせることによって熱伝導シート６を圧縮する。そしてこの熱伝導シート６の圧縮によって放熱状態へと移行するが、この熱伝導シート６の圧縮によってＬＥＤパッケージ１０ａの破損に至らないよう配慮している。そしてＬＥＤ発光装置１０の駆動状態で行われていた放熱状態は、ＬＥＤ発光装置１０の駆動停止に伴って、形状記憶合金５が塑性変形に戻ることによって非放熱状態に復帰し、ＬＥＤパッケージ１０ａに対する圧力も低荷重状態に復帰する。

また、図２に示すごとくブロック形状の形状記憶合金５は容積が増加するときに厚み方向にも一様に伸びるので、熱伝導シート６の全面に一様な圧力を加えることができる。従って形状記憶合金５は熱伝導シート６及び筐体３に対して全面に一様な加圧を行うことができ、板バネのような片当りのない接触状態が得られる。

（第２実施形態）
次に図３により本発明の第２実施形態におけるＬＥＤ発光装置の構成を説明する。図３は本発明の第２実施形態におけるＬＥＤ発光装置２０の断面図であり、上面図は図１に示す第１実施形態におけるＬＥＤ発光装置１０と同じになるので図示は省略する。また、第２実施形態におけるＬＥＤ発光装置２０の基本構成は、第１実施形態におけるＬＥＤ発光装置１０と同じであり、同一部材には同一番号を付し、重複する説明は省略する。

第２実施形態におけるＬＥＤ発光装置２０が、第１実施形態におけるＬＥＤ発光装置１０と異なるところは、ネジ９によって固定するＬＥＤパッケージ１０ａを構成する基板２と、筐体３との間にスペーサ７を設けたことである。スペーサ７はＬＥＤ発光装置２０の組み立て時に、ＬＥＤパッケージ１０ａに低荷重状態を正確に与えるためのスペーサであり、形状記憶合金５の塑性変形状態における厚さ、及び熱伝導シート６の厚さに従って、ネジ９を締めたときに熱伝導シート６が低荷重状態の圧縮量になるように、スペーサ７の厚みができている。すなわち、スペーサ７を設けてネジ９を確り固定したときに熱伝導シート６の圧縮量がＬＥＤパッケージ１０ａに低荷重状態を与える条件になっているので、ＬＥＤ発光装置２０の組み立てが容易になる。

（第３実施形態）
次に図４により本発明の第３実施形態におけるＬＥＤ発光装置の構成を説明する。図４は本発明の第３実施形態におけるＬＥＤ発光装置３０の断面図であり、上面図は図１に示す第１実施形態におけるＬＥＤ発光装置１０と同じになるので図示は省略する。また、第３実施形態におけるＬＥＤ発光装置３０の基本構成は、第２実施形態におけるＬＥＤ発光装置２０と同じであり、同一部材には同一番号を付し、重複する説明は省略する。

第３実施形態におけるＬＥＤ発光装置３０が、第２実施形態におけるＬＥＤ発光装置２０と異なるところは、熱伝導シート６の配置位置を形状記憶合金５と筐体３の間にしたことである。この構成によるとＬＥＤパッケージ１０ａを構成する基板２と、形状記憶合金５とが直接接触することによって、ＬＥＤパッケージ１０ａの発熱が直接形状記憶合金５に伝わるので、ＬＥＤ発光装置３０の動作開始から形状記憶合金５の変形動作までの時間が短縮され、放熱動作が素早く開始されることである。

（第４実施形態）
次に図５により本発明の第４実施形態におけるＬＥＤ発光装置の構成を説明する。図５は本発明の第４実施形態におけるＬＥＤ発光装置４０の断面図であり、上面図は図１に示す第１実施形態におけるＬＥＤ発光装置１０と同じになるので図示は省略する。また、第４実施形態におけるＬＥＤ発光装置４０の基本構成は、第３実施形態におけるＬＥＤ発光装置３０と同じであり、同一部材には同一番号を付し、重複する説明は省略する。

第４実施形態におけるＬＥＤ発光装置４０が、第３実施形態におけるＬＥＤ発光装置３０と異なるところは、熱伝導シート６の配置位置を形状記憶合金５と筐体３の間、及びＬＥＤパッケージ１０ａを構成する基板２の裏面と形状記憶合金５の間の２ケ所に設けたことである。そしてこの熱伝導シート６が厚くなった分を、スペーサ１７の厚みを増すことで、熱伝導シート６が低荷重状態の圧縮量となるように調整している。この構成によるとＬＥＤパッケージ１０ａを構成する基板２と形状記憶合金５の間、及び形状記憶合金５と筐体３の間に緩衝力が働いて構成が安定する効果があり、また熱伝導シート６の総合厚さが増したことによって、低荷重の印加にゆとりが生じる効果もある。

上記各実施形態においては、容積の増加する金属として形状記憶合金を記載したが、これ以外にも熱膨張係数の大きい金属材料を用いることができる。また、放熱対象物として、最も効果のあるＬＥＤ発光装置を記載したが、これ以外にも放熱が必要なＣＰＵ等の冷却にも利用できる。

１、１０１ ＬＥＤ
２、１０２ 基板
３ 筐体
５ 形状記憶合金
６、１０６ 熱伝導シート
７，１７ スペーサ
８ 蛍光体層
９、１０９ ネジ
１０，２０、３０、４０ ＬＥＤ発光装置
１００ 放熱装置
１０３ 下ケース
１０５ 形状記憶板バネ
１０５ａ 固定部
１０５ｂ 押圧部
１０８ 熱伝導性板バネ
１０８ａ 固定部
１０８ｂ 立ち上がり部
１０８ｃ 受熱部

Claims (3)

1. ＬＥＤ素子を実装した基板と、該基板を放熱体である筐体に取り付けたＬＥＤ発光装置において、前記基板の裏面と前記筐体間に熱伝導シートと加熱により容積が増加する形状記憶合金を挟んで、前記基板と筐体とをネジによって低荷重状態となるように固定したことを特徴とするＬＥＤ発光装置。
2. 前記熱伝導シートを前記形状記憶合金と基板間、及び前記形状記憶合金と筐体間に設けたことを特徴とする請求項１に記載のＬＥＤ発光装置。
3. 前記基板と筐体間に初期圧接力調整用のスペーサを挟んでネジ固定したことを特徴とする請求項１又は２に記載のＬＥＤ発光装置。

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