JP2006179777A - 反射型発光ダイオード - Google Patents

Abstract

【課題】 簡易な構成で放熱特性の向上を図ることのできる反射型発光ダイオードを提供する。
【解決手段】 発光素子と、凹面状の反射面１１Ａを有し当該反射面１１Ａが前記発光素子１０の発光面１０Ａと対向するように配置される反射基材１１と、前記反射面１１Ａの開口に配置されて前記発光素子１０に電力を供給する一対のリード１２Ａ、１２Ｂとを備えた反射型発光ダイオード１において、前記発光素子１０が発する熱を放熱するための放熱部１３を備え、前記一対のリード１２Ａ、１２Ｂの上面に前記放熱部１３が設けられるとともに、前記放熱部１３に前記発光素子１０がマウントされる構成とした。
【選択図】 図１

Description

本発明は、発光素子が発する光を外部に向けて反射する反射面を有した反射型発光ダイオードに係り、特に、当該反射型発光ダイオードの放熱技術に関する。

従来から、発光素子（例えば発光ダイオードや有機ＥＬ素子など）と、当該発光素子の発光面に対向配置され、発光素子が発する光を発光素子の背面側に向けて反射する反射面とを備えた反射型発光ダイオードが知られている（例えば、特許文献１参照）。
ところで、近年では、発光素子の高出力化や高輝度化に伴って、発光素子の発熱量が増大する傾向にある。しかしながら、発光素子は他の半導体と同様に、その寿命特性が周囲温度や動作時の温度によって影響を受けるため、長寿命化を図るには、発光素子を放熱させる必要がある。そこで、反射型発光ダイオードに関して種々の放熱技術が提案されている。

このような放熱技術としては、例えば、発光素子にヒートパイプを接続するとともに、当該ヒートパイプの一端を熱伝導性基板の実装面に接続する構成とし、ヒートパイプを介して発光素子の熱を実装面側に伝達する技術がある。さらに、この構成において、ヒートパイプの一端を反射面の背後に取り付けられたヒートシンクに接続する構成とし、放熱特性をさらに向上させるようにした技術がある（例えば、特許文献２参照）。
特開平７−１５０４７号公報 特開２００４−１２７７１６号公報

しかしながら、上記従来の放熱技術にあっては、発光素子からの熱をヒートパイプにより反射面の裏側に設けたヒートシンクまで熱を伝達させる構成であるため、熱の伝達経路が長くなり、熱の伝導ロスが大きく、十分な放熱特性を得ることができない。また、ヒートパイプを用いる構成では構造が複雑化しコスト高の要因にもなっていた。

本発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであり、簡易な構成で放熱特性の向上を図ることのできる反射型発光ダイオードを提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明は、発光素子と、凹面状の反射面を有し当該反射面が前記発光素子の発光面と対向するように配置される反射体と、前記反射面の開口に配置されて前記発光素子に電力を供給する一対のリードとを備えた反射型発光ダイオードにおいて、前記発光素子が発する熱を放熱するための放熱部材を備え、前記一対のリードの面のうち、前記反射面と対向する面と反対側の面上に前記放熱部材が設けられるとともに、前記一対のリードのいずれか一方或いは前記放熱部材に前記発光素子がマウントされたことを特徴とする。
なお、上記放熱部材に上記発光素子をマウントする場合は、電気絶縁性および高熱伝導性を有する絶縁部を備えて放熱部材を構成し、当該絶縁部に発光素子をマウントする構成としても良い。

また本発明は、上記発明において、前記放熱部材に複数の放熱フィンを設けたことを特徴とする。

また本発明は、上記発明において、前記反射体と前記放熱部材とを連接させて一体としたことを特徴とする。

また本発明は、上記発明において、前記反射体に複数の放熱フィンを設けたことを特徴とする。

また本発明は、上記発明において、前記放熱部材がアルミナまたはサーメットから形成されていることを特徴とする。

また本発明は、上記発明において、前記放熱部材および前記反射体がアルミナまたはサーメットから一体形成されていることを特徴とする。

また本発明は、上記発明において、前記反射面の開口面積に占める前記放熱部材の面積の割合が約１０％以下であることを特徴とする。

本発明によれば、簡易な構成で放熱特性の向上を図ることのできる反射型発光ダイオードが提供される。

＜第１実施形態＞
以下図面を参照して、本発明の実施の形態について説明する。図１は本実施の形態に係る反射型発光ダイオード１の構成を概略的に示す斜視図であり、図２は反射型発光ダイオード１の断面図である。また、図３は反射型発光ダイオード１の平面図である。これらの図に示すように、反射型発光ダイオード１は、大別すると、発光素子１０と、反射基材１１と、リード部１２と、放熱部１３とを備えている。
発光素子１０は、比較的出力の大きな例えば□０．５ｍｍ以上のＬＥＤ（Light Emitting Diode:発光ダイオード）素子であり、下方に発光面１０Ａを向けて放熱部１３の底部（図２参照）に直接マウントされる。なお、この発光素子１０の放熱部１３へのマウント構造については後に詳述する。

反射基材１１は上記発光素子１０の下方に配置され、発光素子１０の発光面１０Ａと対向する面が凹面状に形成されている。その凹面は、鍍金や金属蒸着、或いは、表面研磨などにより鏡面加工が施されており、発光素子１０が発する光を反射する反射面１１Ａとされている。したがって、図２中、矢印Ａにて示すように、発光素子１０から発した光は、当該発光素子１０の発光面１０Ａに対向配置された反射面１１Ａにより、発光素子１０の背後（図中、上方）に向けて反射されることで、外部に向けて放射される。このように、発光素子１０が発する光を、一旦、反射面１１Ａにて反射して外部に向けて放射する構成とすることで、発光素子１０が発する光を外部に向けて有効に放射できる。
ここで、反射面１１Ａの凹面曲率や形状は、発光素子１０が発する光の波長や指向性、配光制御などに基づいて設計される。本実施の形態では、反射面１１Ａを、発光素子２を焦点とする回転放物面形状とし、外部に放射する光が略平行光となるようにしている。

リード部１２は、発光素子１０に対して電力を供給するものであり、１対のリード１２Ａ、１２Ｂを備えている。これらのリード１２Ａ、１２Ｂは高導電性を有する例えば金属材が長板状に形成されてなり、反射面１１Ａの開口面に配置される。リード１２Ａ、１２Ｂのそれぞれの一端には、ワイヤ２０が接続され、それぞれのワイヤ２０が発光素子１０に接続される。また、リード１２Ａ、１２Ｂの他端は、反射型発光ダイオード１が実装される図示せぬ実装基板の電力供給線に電気的に接続される。したがって、リード１２Ａ、１２Ｂおよびワイヤ２０を介して実装基板から発光素子１０に電力が供給されて、当該発光素子が発光する。
ここで、本実施の形態では、発光素子１０とワイヤ２０の周囲とが共に図示せぬ光透過性樹脂により封止されており、衝撃や振動などによる故障（例えばワイヤ２０の切断など）の防止が図られている。なお、この光透過性樹脂の代わりに、例えば低融点ガラスなどのガラス材を用いても良い。

放熱部１３は発光素子１０が発する熱を外部に放熱するものであり、例えば銅やアルミニウムなどの金属、或いは、アルミナやサーメットなどのセラミックといった高熱伝導性を有する材質から形成された略矩形の２枚の放熱板１４、１５が上面視十文字状に組まれて構成されている。上述したように、発光素子１０は放熱部１３の底部に直接マウントされる。より詳細には、放熱板１４は、発光素子１０を放熱させる部材としての機能とともに、当該発光素子１０が直接マウントされる基板としての機能も有し、当該放熱板１４の底面１４Ａには発光素子１０をマウントするための回路パターン（図示せず）が形成されている。そして、放熱板１４が放熱板１５と交差する位置１４Ｂに発光素子１０が直接マウントされる。

この放熱板１４は、その底面１４Ａが略一直線状に配置されたリード１２Ａ、１２Ｂの上面に配置される。上記のように、放熱板１４の底面１４Ａには回路バターンが形成されており、この回路パターンとリード１２Ａ、１２Ｂとの電気的短絡を防止するために、放熱板１４の底面１４Ａとリード１２Ａ、１２Ｂとの間に図示せぬ電気的絶縁部材を介在させている。
また、上記放熱板１５は放熱板１４の放熱を補助するものである。上述したように、放熱板１４と放熱板１５とが交差する位置に発光素子１０を配置する構成としているため、発光素子１０が発する熱は放熱板１４のみならず、放熱板１５にも伝達し、当該放熱板１５よっても発光素子１０の放熱が行われる。

ここで、図３に示すように、放熱板１４の厚さＷ１、および、放熱板１５の厚さＷ２はリード１２Ａ、１２Ｂの幅とほぼ等しく、或いは、リード１２Ａ、１２Ｂの幅に比べ若干大きくなる程度に形成されている。より具体的には、反射面１１Ａの開口面積に占める放熱板１４および放熱板１５の面積の割合が約１０％以下となるように、放熱板１４、１５のそれぞれの厚さＷ１、Ｗ２が設計されており、これにより、放熱部１３を反射面１１Ａの開口面内に設けた場合であっても、当該放熱部１３による減光が極力抑制される。

また、放熱部１３の反射基材１１への取り付け時には、放熱板１４がリード１２Ａ、１２Ｂの上面に支持されるとともに、放熱板１５が反射基材１１の上縁部１１Ｂに支持される。すなわち、リード１２Ａ、１２Ｂおよび反射基材１１の上縁部１１Ｂの各々により放熱部１３を支持する構成とすることで、放熱部１３の支持構造を強固なものとしている。

以上の構成の下、リード１２Ａ、１２Ｂからワイヤ２０を介して電力が供給されると、発光素子１０が発光し、反射面１１Ａにて反射された光が外部に放射される。このとき、発光素子１０が発した熱は、放熱部１３の放熱板１４、１５の各々に伝達され、これら放熱板１４および１５から外部に向けて放熱される。

このように、本実施の形態によれば、放熱部１３に発光素子１０を直接マウントする構成としたため、発光素子１０とヒートシンクとして機能する放熱部１３までの距離が従来のものに比べて短くなるため、発光素子１０が発する熱を伝導ロスが生じることなく放熱部１３に伝達させることができ、これにより、放熱特性を向上させることができる。
したがって、発光素子１０を高出力化したとしても、十分な放熱を行うことができるため、発光素子１０の長寿命化を図ることができる。

また、本実施の形態によれば、発光素子１０を放熱部１３に直接マウントする構成であるため、発光素子１０が発する熱をヒートシンクまで伝達させるための例えばヒートパイプなどの部材を備える必要がなく、これにより、構造が簡素化され、低コスト化を達成することができる。
また、本実施の形態によれば、反射基材１１の裏面側ではなく、反射基材１１の上方（発光素子１０側）に放熱部１３を設ける構成としているため、反射型発光ダイオード１が実装基板に与える熱影響を抑制することができる。

また、本実施の形態によれば、反射面１１Ａの開口面積に占める放熱部１３の面積の割合を約１０％以下としているため、放熱部１３による減光を抑え、反射型発光ダイオード１の光の取り出し効率が低下するのが防止される。
特に、リード部１２の上面に配置される放熱部１３の厚さをリード部１２の幅と同程度とすることで、放熱部１３による減光をほぼ無視することができ、反射面１１Ａの光学設計に、リード部１２による減光を考慮した従来と同様の光学設計を用いることができ、設計が容易となる。

なお、本実施の形態において、放熱部１３を構成する放熱板１４および１５は、高熱伝導性を有する材質であれば、それぞれ同一の材質でなく、異なる材質のものから形成しても良い。
また、反射基材１１の凹面に対して鏡面加工を施して反射面１１Ａを形成する構成に限らず、反射基材１１として、金属などの高反射率を有する材質の部材を用い、当該部材をプレス加工するなどして、発光素子１０が発する光に対して十分な反射率を有する上記反射面１１Ａを形成する構成としても良い。

＜第２実施形態＞
次いで本発明の第２実施形態について説明する。
図４は、本実施の形態に係る反射型発光ダイオード１Ａの断面をみた斜視図である。この図に示すように、反射型発光ダイオード１Ａは、発光素子１０と、反射基材３０と、リード部１２と、放熱部４０とを備えている。これらのうち、発光素子１０およびリード部１２は第１実施形態と同様であるため、その説明を省略する。
反射基材３０は、略直方体に形成された金属材であり、その上面３０Ａには凹面が形成され、当該凹面が反射面３１として機能する。なお、反射基材３０を樹脂材にて形成し、凹面に対して鍍金や金属蒸着、或いは、表面研磨などの鏡面加工を施して反射面３１を形成しても良い。

放熱部４０は、上述した第１実施形態の放熱部１３と異なり、多数の放熱フィン１７を備える１枚の放熱板１６により構成されている。放熱板１６は、例えば銅やアルミニウムなどの金属、或いは、アルミナやサーメットなどのセラミックといった高熱伝導性を有する材質から形成されている。また、放熱板１６には多数の放熱フィン１７が一体成形されており、表面積の増加が図られている。この放熱板１６は、第１実施の形態にて説明した放熱部１３の放熱板１４に対応するものであり、放熱板１６の底面１６Ａに、発光素子１０が直接マウントされ、発光素子１０が発する熱が放熱板１６に伝達され、当該放熱板１６から外部に放熱される。上記のように、放熱板１６は放熱フィン１７により表面積が増加させられているため放熱効率が向上し、放熱部４０を１枚の放熱板１６により構成した場合であっても、発光素子１０の熱を十分に放熱させることができる。

このように本実施の形態によれば、複数の放熱フィン１７を備える放熱板１６を放熱部４０に用いる構成としたため、放熱板１６の放熱効率が向上し、放熱部４０に要する放熱板１６の枚数を削減することができる。

＜第３実施形態＞
次いで本発明の第３実施形態について説明する。
図５は本実施の形態に係る反射型発光ダイオード１Ｂの断面図、図６はその平面図である。これらの図に示すように、反射型発光ダイオード１Ｂは、発光素子１０と、反射基材５０と、リード部１２と、放熱部６０とを備えている。これらのうち、発光素子１０およびリード部１２は第１実施形態と同様であるため、その説明を省略する。

反射基材５０は、例えばアルミニウムや銅などの金属材、或いは、アルミナやサーメットなどのセラミックといった高熱伝導性材料が略直方形状に形成されてなり、その上面には凹面が形成され、この凹面に対して研磨や金属蒸着などの鏡面加工が施されて、当該凹面が反射面５０Ａとして形成されている。

放熱部６０は、反射基材５０の反射面５０Ａの開口面を横断する棒状の部材として形成され、反射基材５０に連接されて一体とされる。この放熱部６０の底面６０Ａには、発光素子１０が直接マウントされるとともに、リード部１２のリード１２Ａおよび１２Ｂが図示せぬ電気絶縁部材を挟んで設けられている。また、図５に示すように、放熱部６０には、第２実施形態と同様に、多数の放熱フィン６１が形成されており、放熱部６０の表面積の増加が図られている。

ここで、本実施の形態では、図５および図６に示すように、放熱部６０のみならず、反射基材５０にも多数の放熱フィン５１および５２を形成することとしている。具体的には、反射基材５０の底面に多数の放熱フィン５１が一体成形されるとともに、反射基材５０の上面にも多数の放熱フィン５２が一体成形される。
したがって、発光素子１０が発生する熱は放熱部６０に伝達されて当該放熱部６０から放熱されるとともに、放熱部６０から反射基材５０にも熱が伝達され、当該反射基材５０からも放熱される。この結果、当該反射基材５０による放熱も行われ、より大きな放熱量を得ることができる。

また、反射基材５０に放熱フィン５１および５２を形成して反射基材５０の表面積を増加させているため、当該反射基材５０による放熱量が高められ、発光素子１０が発する熱を十分に放熱させることができる。

さらに、反射基材５０の底面（反射面５０Ａの裏面側）にも放熱フィン５１を形成し、反射型発光ダイオード１Ｂの上下の両方から放熱が行われる構成であるため、反射型発光ダイオード１Ｂの実装基板への取り付け姿勢やレイアウトなどに影響されることなく、十分な放熱特性を得ることができる。また、これにより、反射型発光ダイオード１Ｂの実装時におけるレイアウトの自由度が向上し、設計が容易となる。

＜変形例＞
上述した第１乃至第３実施形態の各々は、あくまでも本発明の一態様を示すものであり、本発明の範囲内で任意に変形および応用が可能である。
例えば、上述した各実施の形態において、リード部１２の一対のリード１２Ａ、１２Ｂを高熱伝導性を有する材質により形成し、図７に示すように、この一対のリード１２Ａ、１２Ｂのいずれか一方に発光素子１０をマウントする構成としても良い。この構成においては、リード部１２から放熱部１３、４０、６０（図示例では放熱部１３）への熱の伝達を促すために、一対のリード１２Ａ、１２Ｂと放熱部１３、４０、６０に介在する絶縁部材７０に高熱伝導性を有するものが用いられる。

また例えば、上述した各実施の形態において、図８に示すように、電気絶縁性および高熱伝導性を有する部材から形成されたスペーサとしての絶縁部８０を放熱部１３、４０、６０（図示例では放熱部１３）の底面に設け、その絶縁部８０に発光素子１０をマウントする構成としても良い。

例えば、上述した各実施の形態では、反射面１１Ａ、３１、５０Ａの形状を回転放物面としたが、これに限らず、放物面や楕円面などの球面状や非球面状、もしくは多面体から構成しても良い。なお、この構成においては、反射面１１Ａ、３１、５０Ａにて反射され外部に放射される光の一部が放熱部１３、４０、６０により遮光された場合でも、所定の輝度分布が得られるように反射面１１Ａ、３１、５０Ａの形状を光学的に設計するのが望ましい。

また例えば、上述した各実施の形態では、発光素子１０とワイヤ２０の周囲とを共に光透過性樹脂により封じる構成としたが、光透過性樹脂を反射面１１Ａ、３１、５０Ａ内の中空部分全体に充填して発光素子１０とワイヤ２０とを封じる構成としても良い。これにより、発光素子１０が発する熱が光透過性樹脂を介して反射基材１１、３０、５０にも伝達されるため、放熱効果をより高めることができる。

また上述した各実施の形態では、反射型発光ダイオード１、１Ａ、１Ｂが発光素子１０を１つだけ備える場合について例示したが、複数の発光素子１０を備える構成であっても良く、また、あらかじめ樹脂等で封止されている発光素子１０を用いてもよい。

また上述した各実施の形態において、放熱部１３、４０、６０とリード部１２との間に介在させる電気絶縁部材として高熱伝導性部材を用いる構成とし、リード部１２に発生する熱を放熱部１３、４０、６０から放熱させるようにしても良い。

また上述した各実施の形態において、放熱部１３、４０、６０の形状を、ルーバ形状とすることで、これら放熱部１３、４０、６０をルーバとして機能させても良い。
なお、反射型発光ダイオードを用いて構成される照明装置に対しても本発明を適用可能であることは勿論である。

本発明の第１実施形態に係る反射型発光ダイオードの斜視図である。 同反射型発光ダイオードの断面図である。 同反射型発光ダイオードの平面図である。 本発明の第２実施形態に係る反射型発光ダイオードの断面をみた斜視図である。 本発明の第３実施形態に係る反射型発光ダイオードの断面図である。 同反射型発光ダイオードの平面図である。 本発明の変形例に係る反射型発光ダイオードの断面図である。 本発明の他の変形例に係る反射型発光ダイオードの断面図である。

符号の説明

１、１Ａ、１Ｂ 反射型発光ダイオード
１０ 発光素子
１０Ａ 発光面
１１、３０、５０ 反射基材（反射体）
１１Ａ、３１、５０Ａ 反射面
１２ リード部
１２Ａ、１２Ｂ リード
１３、４０、６０ 放熱部（放熱部材）
１４、１５、１６ 放熱板
１７、５１、５２、６１ 放熱フィン

Claims (7)

1. 発光素子と、凹面状の反射面を有し当該反射面が前記発光素子の発光面と対向するように配置される反射体と、前記反射面の開口に配置されて前記発光素子に電力を供給する一対のリードとを備えた反射型発光ダイオードにおいて、
   前記発光素子が発する熱を放熱するための放熱部材を備え、
   前記一対のリードの面のうち、前記反射面と対向する面と反対側の面上に前記放熱部材が設けられるとともに、前記一対のリードのいずれか一方或いは前記放熱部材に前記発光素子がマウントされたことを特徴とする反射型発光ダイオード。
2. 前記放熱部材に複数の放熱フィンを設けたことを特徴とする請求項１に記載の反射型発光ダイオード。
3. 前記反射体と前記放熱部材とを連接させて一体としたことを特徴とする請求項１または２に記載の反射型発光ダイオード。
4. 前記反射体に複数の放熱フィンを設けたことを特徴とする請求項３に記載の反射型発光ダイオード。
5. 前記放熱部材がアルミナまたはサーメットから形成されていることを特徴とする請求項１または２に記載の反射型発光ダイオード。
6. 前記放熱部材および前記反射体がアルミナまたはサーメットから一体形成されていることを特徴とする請求項３または４に記載の反射型発光ダイオード
7. 前記反射面の開口面積に占める前記放熱部材の面積の割合が約１０％以下であることを特徴とする請求項１乃至４に記載の反射型発光ダイオード。
   

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