CN102348928A - 发光模块及照明器具 - Google Patents

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Abstract

一种发光模块(10)，包括基板(1)、LED(发光元件)(3)、反射板(配光控制构件)(4)以及透光性盖(5)。基板(1)在第一面上形成有铜箔(热传导部及配线图案)(2)。LED(3)与热传导部热连接且与配线图案电接合，并在发光中伴随着发热。反射板(4)与LED(3)周围的热传导部热接合，并在LED(3)放射出的光的射出侧形成棱角部(4e)，所述反射板(4)对从LED(3)放射出的光进行配光控制。透光性盖(5)与棱角部(4e)热接合，且供从LED(3)放射出的光透过。

Description

发光模块及照明器具
技术领域
本发明涉及一种将发光元件中产生的热向光照射侧传递以将热从透光盖侧放出的发光模块及照明器具。
背景技术
伴随着发光二极管(LED)的高输出化及高效率化，使得其能输出与荧光灯相同程度的光束。随着这种LED的普及，开发出以LED作为光源的LED衬底照明(base light)、LED嵌顶灯(down light)这样的照明器具。
作为光源的LED的特点是寿命比目前为止的技术的光源的寿命长。由于光源或照明器具的更换频率减少，所以有利于保养。此外，由于一个LED很小，因此，在光学设计上的自由度高。另外，一旦开发出效率更高的LED，也就能想出与现在不同形态的照明器具。
但是，LED会因亮灯时产生的热而受到光束或发光效率降低、或是寿命变短这样的影响。因此，以LED为光源的发光模块或照明器具必须在研究怎样使LED产生的热放出后进行设计。尽管单个LED本身小型且轻量，但利用LED作为光源的照明器具在结构等上会受到局限。
以LED作为光源的照明器具记载在日本专利申请公开公报号“特开2004-253478号公报”中。该照明器具包括：配置有多个LED的基板；以及具有分别围住各LED的反射面的反射板。在这种照明器具的情况下，一般必须具有从与照明一侧相反的一侧即背面侧散热的结构。例如，埋入天花板的类型的照明器具具有从背面侧朝天花板内散热的结构。此外，安装于天花板的类型的照明器具将供空气流通的间隙设置在天花板表面与该照明器具的背面之间。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本专利特开2004-253478号公报
发明内容
发明所要解决的技术问题
从背面侧散热的类型的照明器具在背后设置用于散热的机构这一点就使得体积增大。此外，在将该照明器具安装到由具有绝热性能的材料制成的天花板上时，为提高散热性能，使得照明器具的结构的体积进一步增大。因此，本发明提供一种即使直接安装到具有绝热性能的天花板的情况下也能维持散热性能的发光模块及照明器具。
解决技术问题所采用的技术方案
本发明一实施方式的发光模块包括基板、发光元件、配光控制构件以及透光性盖。基板在第一面上形成有热传导部及配线图案。发光元件与热传导部热连接且与配线图案电接合，并在发光中伴随着发热。配光控制构件与发光元件周围的热传导部热接合，并在发光元件放射出的光的射出侧形成有棱角部，上述配光控制构件对从发光元件放射出的光进行配光控制。透光性盖与棱角部热接合，且供从发光元件放射出的光透过。
此时，当采用绝缘材料作为基板时，能应用散热特性较好且耐久性优异的陶瓷材料或合成树脂材料。作为基板采用的合成树脂材料的一例是玻璃环氧树脂。此外，当采用金属制的材料作为基板时，采用铝或铜等热传导性及散热性优异的材料。
在本说明书中，“热传导部”是具有至少与基板同等以上的热传导率的部位，理想的是由具有大于等于基板的热传导率的构件构成。该“热传导部”理想的是由铜、铝等金属构成。例如，当基板为金属基板时，能将基板构成作为热传导部。作为热传导率好的构件，能采用铜或铝、或是硅基板。
发光元件理想的是以发光二极管、有机EL、半导体激光等半导体作为发光源的发光元件。除此之外，只要是能安装到基板上的小型的光源，则不特别加以限定。此外，发光元件既可以由发出白色光的元件构成，也可以根据用途为红色、蓝色、绿色或是将它们组合构成。
“热接合”是指构成为在接合部上将构件彼此间的热直接传递的意思，既可以只是彼此相互抵接，也可以为扩大接触面积而通过粘接材料等连接。当将构件彼此热结合时，较为理想的是将彼此用力压接、或是通过硅酮树脂或粘接材料等填满接合面之间的空气层。
配线图案是为对安装于基板的发光元件供电而形成在基板上的配线印刷等导电构件。与配线图案电连接的发光元件的安装部是指使发光元件与配线图案处于导通状态的部分。例如，当用Sn-Ag-Cu焊剂等软焊料将发光元件安装到配线图案时，焊接部是安装部。
棱角部是射出从发光元件放射出的光的一侧的配光控制构件的端部。当在基板的第一面上配置有多个发光元件时，棱角部以围住各发光元件的外周的方式设置在发光元件彼此之间。此时，棱角部在遍及围住发光元件外周的全周上与透光性盖热接合。
配线图案也可以同时作为热传导部。此时，发光元件相对于配线图案电接合且热接合。在热传导部同时作为配线图案时，热传导部与配线图案连续形成。此外，热传导部形成为基板的第一面的面积的70％以上。
分别设定发光元件与热传导部的第一接合部、热传导部、热传导部与配光控制构件的第二接合部、配光控制构件、棱角部与透光性盖的第三接合部、透光性盖各自的传热特性，以使从作为进热部的第一接合部至作为散热部的透光性盖的射出面为止的温度差为15K以下。
此外，本发明的照明器具包括基板、发光元件、配光控制构件、透光性盖、主体以及亮灯电路。基板、发光元件、配光控制构件以及透光性盖与上述发光模块同样构成。主体至少对基板进行保持。亮灯电路与形成在基板的第一面上的配线图案连接，以控制发光元件亮灯。
在上述照明器具的情况下，发光元件的特征是：在作为散热部的透光性盖的射出面的单位面积上的输入电量为400W/m2以下。透光性盖的射出面是将发光元件放射出光射出一侧的面。
发明效果
根据本发明的发光模块，由于发光元件与热传导部、热传导部与配光控制构件、配光控制构件与透光性盖分别热接合，因此，能使由发光元件产生的热从作为散热部的透光性盖的射出面散热。此外，根据在遍及围住发光元件外周的全周上使棱角部与透光性盖接合的发光模块，能将从一个发光元件放射出的热均等地向透光性盖传递。根据热传导部同时作为配光图案的发光模块，能用热传导部容易地回收发光元件产生的热，使得散热效率提高。根据热传导部形成为基板的第一面的面积的70％以上的发光模块，能促进使基板的温度在整体上均等。因此，热能更可靠地从发光元件向透光性盖侧传递。根据沿着热传递路径以使从输入部至散热部的温度差为15K以下的方式构成第一接合部、热传导部、第二接合部、配光控制构件、第三接合部、透光性盖的发光模块，能抑制第一接合部的温度过度上升。
根据本发明的照明器具，能提供一种具有上述发光模块的效果的照明器具。由于将由发光元件产生的热向与从发光元件放射出的光相同的方向放出，因此，不必担心热在背面侧蓄积。因此，在将照明器具埋入天花板等墙壁中或是安装于墙壁的情况下，不需要考虑主体背面侧的排热。也就是说，能缩小照明器具在光的射出方向上的厚度。
此外，根据将作为散热部的透光性盖的射出面的单位面积上的向发光元件输入的电量设定为400W/m2以下的照明器具，在周围的环境温度为25℃、透光性盖的射出面的热传递系数为10W/m2K时，能抑制第一接合部的温度相对于周围的环境温度上升55K以上。照明器具能确保足以长期使用的可靠性。此外，由于限制了对发光元件的输入电量，因此，从透光性盖的单位面积上射出的光为一定值以下。由于限制了射出面的亮度，因此，该照明装置能提供舒适的照明环境。
附图说明
图1是从射出侧观察本发明的发光模块的俯视图。
图2是沿图1中的A-A线将发光模块的一部分放大后的剖视图。
图3是将图2所示的热传导部与配光控制构件的接合部及配光控制构件与透光性盖的接合部放大后的剖视图。
图4是图2所示的设于基板的配线图案及热传导部的布局的俯视图。
图5是包括图1所示的发光模块的本发明的照明器具的主视图。
图6是将图5所示的照明器具安装于天花板的状态的剖视图。
具体实施方式
参照图1～图4对本发明一实施方式的发光模块10进行说明。如图1所示，发光模块10形成为俯视呈四边形。如图2所示，发光模块10包括：基板1；作为发光元件的发光二极管(LED)3；作为配光控制构件的反射板4；以及透光性盖5。
基板1在第一面1a上具有作为热传导构件及配线图案的铜箔2。基板1由玻璃环氧树脂形成。如图4所示，该铜箔2被分别布局成作为热传导部及配线图案的部分与LED3的配置相应。铜箔2形成在图4中打阴影的范围内。此外，基板1上的铜箔2也可具有与配线图案电绝缘的部位。铜箔2整体上形成为相对于基板1的第一面1a的面积的大约70％以上。
如图1及图4所示，LED3在基板1的第一面1a上并排配置成正方形排列。在本实施方式的发光模块10的情况下，LED3配置为4行4列，共计有16个。如图2及图4所示，各LED3通过焊剂6与铜箔2热接合及电接合，从而安装到基板1上。形成焊剂6的部位是安装部，即发光元件与热传导部的第一接合部。
反射板4由具有耐热性及电绝缘性的合成树脂成型而成，在本实施方式中是由白色的聚对苯二甲酸丁二醇酯(PBT)成型而成的。设置反射板4是为了对从各LED放射出的光进行配光控制。与每个LED3相对应的反射板4的一个个杯形件41制成为从射出侧观察呈倒金字塔形。换言之，杯形件41如图2所示形成有矩形的所谓“研钵型(日文：すり鉢型)”的凹部4a，在其底部的开口4b的中央分别设有如上所述排列的LED3。
如图2所示，反射板4设置成围住各LED3。如图3所示，在作为配光控制构件的射入侧的反射板4的各杯形体41的开口4b边缘形成的周缘部4c通过粘接材料G2与铜箔2热接合。通过粘接材料G2接合的部分是铜箔(热传导部)2与反射板(配光控制构件)4的第二接合部。
此外，如图2所示，反射板4与各LED3对应地具有用于将从LED3放射出的光射出的矩形的开口部4d。该开口部4d形成在基板1的厚度方向上的与开口4b相反的一侧。如图2及图3所示，各开口部4d在彼此相邻的开口部4d之间形成一定高度的棱角部(日文：稜部)4e。
透光性盖5在与反射板4相对于基板1配置的一侧相同的第一面1a侧设置于反射板4的射出侧。透光性盖5将LED3放射出的光从作为射出面的外表面5a射出。如图3所示，与反射板4面对的透光性盖5的内表面5b通过粘接材料G3与反射板4的棱角部4e热接合。通过粘接材料G3接合的部分是反射板(配光控制构件)4与透光性盖5的第三接合部。
此外，反射板4的棱角部4e在遍及围住各个LED3外周的全周上与透光性盖5接合。用于第二接合部的粘接材料G2及用于第三接合部的粘接材料G3例如是硅酮树脂。
在本实施方式中，透光性盖5由透明的丙烯酸形成。透光性盖5只要能透过光，既可以是白色或乳白色，也可以混合有箔带(日文：チヤフ)或光纤等使透过的光扩散的细小粒子。此外，也可以对透光性盖5的表面进行使光扩散的加工。
如上所述构成的结果是，发光模块10形成从作为发光元件的每个LED3至透光性盖5的外表面5a的各个热传递路径。热传递路径由成为第一接合部的焊剂6、作为热传递部和配线图案的铜箔2、成为第二接合部的粘接材料G2、作为配光控制构件的反射板4、成为第三接合部的粘接材料G3、透光性盖5构成，并按这个顺序将热从LED3传递至透光性盖5。在上述热传递路径中，设定传热特性，以使从作为进热部的钎焊6至作为散热部的透光性盖5的外表面5a的温度差为15K以下。在此所述的传热特性是指由各构件之间的热传递率及各构件内的热传导率、构件彼此间的接触面积以及作为热传递路径的物理的路径长度及截面积等在传热上有关联的变量确定的特性。
接着，对本实施方式的作用进行说明。
当对发光模块10的LED3供电来使其亮灯时，从LED3放射出的光通过反射板4进行配光控制，以经由透光性盖5从外表面5a射出。此外，LED3在将电能转换成光时产生热。由LED3产生的热经由焊剂6或从与LED3直接接触的部分传递至铜箔2。此时，铜箔2形成为基板1的第一面的面积的70％以上。此外，铜箔2的热传导率高。因此，即便是在LED3刚刚亮灯或是刚刚关灯之后，基板1也容易使整体的温度分布平均化。
被传递至铜箔2的热会传递至基板1及反射板4。此时，热主要经由粘接材料G2传递至热阻比基板1的热阻低的反射板4。一旦热从反射板4的棱角部4e经由粘接材料G3向透光性盖5传递，就从透光性盖5的外表面5a散热。这样，在上述发光模块10中，透光性盖5便起到散热部的作用。
在点亮LED3之后，经过一定时间，发光模块10的热分布就稳定下来。通过实验结果，本发明的发明人发现通过将成为进热部的焊剂6与成为散热部的透光性盖5的外表面5a之间的温度差控制在15K(开尔文)以下，就能将热传递路径将热传递路径设定在与从LED3饶恕出的光相同的一侧。例如，在不将铜箔2与反射板4、反射板4与透光性盖5分别热接合的情况下，焊剂6与透光性盖5之间的温度差为30K左右。此时，将热从铜箔2向基板1侧传递比将热从铜箔2向反射板4侧传递更容易传递。因此，热主要从基板1的背面侧散热。
因此，在本实施方式中，以使从焊剂6至透光性盖5的外表面5a之间的温度差为15K以下的方式构成热传递路径。与由LED3放射出的光一样，只要以将由LED3产生的热向表面侧传递比将由LED3产生的热向基板1的背面侧传递更容易传递的方式构成即可。也就是说，温度差的设定不限定于15K以下。不过，即便是以热容易传递至射出光一侧的方式构成热传递路径的情况下，若温度差变大，则热负载也会施加到焊剂6、第二接合部的粘接材料G2上。因此，从焊剂6至透光性盖5的温度差设定在可保证焊剂6、粘接材料G2的完整性的范围内。
另外，在上述实施方式中，对将铜箔2形成在玻璃环氧树脂的基板1上的情形进行了说明。也可以采用金属基板代替玻璃环氧树脂作为基板1，并将基板1自身作为热传导部，能得到与上述实施方式相同的效果。作为金属基板采用的材料除了铜、铝之外，还包括硅基板。当采用这些金属基板的情况下，基板1起到热传导部的作用。此时，由于铜箔2只要至少起到配线图案的作用即可，因此，只要为向各LED3供电而形成为最小限度即可。
此外，在上述实施方式中采用的玻璃环氧树脂的基板1的情况下，铜箔2也可以分成热传导部和配线图案来进行布局。此时，热传导部和配线图案既可以是两者均由铜箔形成，也可以与用途相应地由彼此不同的材料形成。在分开形成热传导部和配线图案的情况下，既可以是在同一面上并排的布局，也可以夹着绝缘层重叠。
接着，参照图5及图6对使用上述发光模块10的照明器具20进行说明。如图5所示，照明器具20包括四个图1所示的发光模块10。四个发光模块10排列成2行2列。如图6所示，该照明器具20还包括主体21、亮灯电路22以及安装部23。四个相邻设置的发光模块10固定于安装部23，以在整体上构成四边形的发光面。此时，较为理想的是，以在各发光模块10的反射板4的外周之间不产生间隙的方式对各发光模块10进行定位安装。
主体21由铝合金制的铸件形成、或是通过挤压成型形成，其具有框部21a及凸缘部21b。主体21至少对基板1进行保持。在本实施方式中，如图5及图6所示，围住发光模块10整体。主体21由框部21a和凸缘部21b构成。如图5所示，框部21a制成为围住四个发光模块10整体的方框形。框部21a形成为比使四个发光模块10的外缘彼此紧密接触的状态的外周及安装部23稍宽。框部21a将发光模块10及安装部23收纳在内部。
如图6所示，凸缘部21b从发光模块10的光射出一侧的框部21a边缘朝向内侧突出形成。由凸缘部21b围住的窗形成为比将四个发光模块10组合时的外形尺寸稍小。因此，在将发光模块10嵌入框部21a的情况下，卡在凸缘部21b上。
如图6所示，照明器具20通过一般的安装机构固定，以使作为发光模块10背面侧的主体21的固定侧与天花板C抵接。亮灯回路22与各发光模块10的作为配线图案的铜箔2连接，从而控制LED3亮灯。安装部23是铝制的，其由四边形的平板构成。安装部23在与安装有发光模块10一侧相反的一侧上组装有亮灯电路22。
照明器具20按照以下步骤组装。首先，将发光模块10固定至安装部23。此时，透光性盖5既可以安装于各发光模块10，也可以对于四个发光模块10形成一个。通过将安装部23从安装有发光模块10的一侧首先从固定侧朝向射出侧插入到框部21a中，从而使发光模块10卡在凸缘部21b。
在此状态下，接着，通过用一般方法固定安装部23和框部21a，从而将发光模块10组装于主体21。在连接亮灯电路22与发光模块10之后，将亮灯电路22安装于安装部23。藉此，完成照明器具20的组装。
在本实施方式的照明器具20中，作为散热部的透光性盖5的外表面5a的每单位面积对所有的LED3的输入电量为400W/m2(瓦特每平方米)以下。这相当于例如对透光性盖5的外表面5a的面积为1m2的照明器具20的LED3输入400W的电量。
在本实施方式的照明器具20的情况下，透光性盖5与周围气氛之间的热传递系数估计为10W/m2K(瓦特每平方米开尔文)左右。在透光性盖5的外表面5a的单位面积上对LED3的输入电量为400W/m2的情况下，透光性盖5的温度上升400W/m2÷10W/m2K＝40K。
在本申请发明的发光模块10中，作为进热部的焊剂6与作为散热部的透光性盖5的外表面5a的温度差为15K以下。因此，焊剂6部的温度为40K+15K＝55K，最高也不超过55K。也就是说，假定设置有照明器具20的部位的环境温度为25℃，则焊剂6的温度为80℃以下。
若焊剂温度大幅上升，则在焊剂部分可能会发生接触不良等不良情况，从而可能使LED自身的发光效率降低、寿命缩短。若是本实施方式的照明器具20，则焊剂6部分的温度即使上升也能抑制在55K以内。也就是说，在环境温度为25℃的情况下，能将焊剂6的温度控制在80℃以下。本发明的照明器具20能确保使用时的可靠性。
此外，在上述结构的照明器具20的情况下，若将输入电量设定为400W/m2、将照明器具20的综合效率设定为80(lm/W(流明每瓦特))，则每单位面积上的器具光束为400W/m2×80lm/W＝32000lm/m2(流明每平方米)，在边长为60mm的正方形的照明器具中，能获得32000lm/m2×0.36m2＝11520(lm(流明))的器具光束。同样地，在边长为355mm的正方形的照明器具的情况下，器具光束为4000lm。
这是足够作为衬底照明所需光量的光束。此外，从透光性盖5射出的每单位面积上的光量、即光束发散度为所设定的值以下。由于限制了射出面的亮度，因此，该照明器具20能提供舒适的照明环境。
设定为光束发散度的值的较为理想的范围是例如40000lm/m2以下、更为理想的是35000lm/m2以下。在光束发散度为上述范围以上时，射出面的亮度变得过高，容易感到晃眼(glare)。
另外，在本实施方式中，以发光模块10及照明器具20是四边形的情况为例进行了说明，但各自的外形不受特别限定，例如也可以是圆形或多边形。此外，在本说明书中，对本发明的优选实施方式进行了说明。因此，本发明不限定于上述实施方式。此外，本发明能在不脱离本发明的思想的范围内进行各种设计改变。例如，本发明可进行对作为发光元件的LED的数量、LED的排列、基板1或发光模块10及照明器具20的外形形状等的改变。

Claims (7)

1.一种发光模块，其特征在于，包括：
基板，该基板在第一面上形成有热传导部及配线图案；
发光元件，该发光元件与所述热传导部热接合且与所述配线图案电接合，并在发光中伴随着发热；
配光控制构件，该配光控制构件与所述发光元件周围的所述热传导部热接合，并在所述发光元件放射出的光的射出侧形成有棱角部，所述配光控制构件对从所述发光元件放射出的光进行配光控制；以及
透光性盖，该透光性盖与所述棱角部热接合，且供从所述发光元件放射出的光透过。
2.如权利要求1所述的发光模块，其特征在于，所述棱角部在遍及围住所述发光元件外周的全周上与所述透光性盖接合。
3.如权利要求1所述的发光模块，其特征在于，
所述热传导部同时作为所述配线图案，
所述发光元件相对于所述热传导部电接合且热接合。
4.如权利要求1所述的发光模块，其特征在于，所述热传导部形成为所述基板的所述第一面的面积的70％以上。
5.如权利要求1所述的发光模块，其特征在于，所述发光元件与所述热传导部的第一接合部、所述热传导部、所述热传导部与所述配光控制构件的第二接合部、所述配光控制构件、所述棱角部与所述透光性盖的第三接合部、所述透光性盖构成为从作为进热部的所述第一接合部至作为散热部的所述透光性盖的射出面为止的温度差为15K以下。
6.一种照明器具，其特征在于，包括：
基板，该基板在第一面上形成有热传导部及配线图案；
发光元件，该发光元件与所述热传导部热接合且与所述配线图案电接合，并在发光中伴随着发热；
配光控制构件，该配光控制构件与所述发光元件周围的所述热传导部热接合，并在所述发光元件放射出的光的射出侧形成有棱角部，所述配光控制构件对从所述发光元件放射出的光进行配光控制；
透光性盖，该透光性盖与所述棱角部热接合，且供从所述发光元件放射出的光透过；
主体，该主体至少对所述基板进行保持；
亮灯电路，该亮灯电路与所述配线图案连接，对所述发光元件进行亮灯控制。
7.如权利要求6所述的照明器具，其特征在于，所述发光元件在作为散热部的所述透光性盖的射出面的单位面积上的输入电量为400W/m2以下。
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