JP2007035788A

JP2007035788A - Ｌｅｄランプユニット

Info

Publication number: JP2007035788A
Application number: JP2005214552A
Authority: JP
Inventors: Mitsuhiro Naeshiro; 光博苗代; Tadaoki Ichikawa; 忠沖市川
Original assignee: Toyoda Gosei Co Ltd
Current assignee: Toyoda Gosei Co Ltd
Priority date: 2005-07-25
Filing date: 2005-07-25
Publication date: 2007-02-08
Anticipated expiration: 2025-07-25
Also published as: JP4857635B2

Abstract

【課題】小型で、放熱特性に優れたＬＥＤランプユニットを提供する。
【解決手段】ヒートシンクと、
前記ヒートシンクの上に配置される基板と、
前記基板に実装されるＬＥＤ光源と、
前記ＬＥＤ光源の光放出側に配置されるレンズであって、その一部が前記基板に当接することによって前記基板に対して位置決めされるレンズと、
熱かしめによって形成された第１係止爪を有し、前記ヒートシンクに固定されるケースと、を備え、
前記基板及び前記レンズが前記ヒートシンクと前記ケースで挟持され、前記第１係止爪は前記ケースを前記ヒートシンクに固定する、ＬＥＤランプユニットとする。
【選択図】図１

Description

本発明はＬＥＤランプユニットに関する。

小型、省電力といったＬＥＤの利点を生かしたＬＥＤランプユニットが様々な用途に利用されつつある。ＬＥＤランプユニットにおいて、ＬＥＤランプを実装する基板はフレームやカバーなどにより覆われて外部から保護される。例えば特許文献１において、半導体をが実装したされる基板を、フレーム及びカバーにより覆ってい保護したする装置が開示されている。かかる装置では、フレームとカバーはともに熱可塑性樹脂で形成されており、フレームとカバーとの接点の一部を熱で軟化（溶融）して接合すること（いわゆる熱かしめ）によって両者を固定しているされている。
一方、様々な用途に利用されるＬＥＤランプユニットでは、その発熱が問題となることが多いある。このような場合には、ヒートシンクなどを利用することにより放熱特性を向上させることが行われている。例えば、特許文献２には、基板の裏面側にヒートシンクを設けることによってＬＥＤの熱を効率的に放出するＬＥＤユニットが開示されている。

特開２００３−１７８６０２号特開平５−６７６９１号

従来、放熱性向上のために使用されるヒートシンクは、ネジや両面テープ等によって基板又はケースに固定される。ネジを使用してヒートシンクを固定する場合は、基板又はケースと、ヒートシンクとにネジ穴が必要となる。即ち、それぞれの部材にネジ穴を穿孔する工程が必要となり、製造工程が増加する。また、樹脂製のケースに必要な強度を備えるネジ穴を穿孔するためには、肉厚のケースとする必要があるため、装置が大型化する。装置が大型化すれば設置スペースの確保が困難となり、例えば車両室内など限られた空間において高い自由度で設置できない。さらには部品数が増加するため、製造コストも上昇する。一方、ヒートシンクを両面テープで固定した場合は、その接着力（固定力）はネジ止めに比べて弱いことが多く、信頼性が低い。

一方、例えば車両用のマップランプなど、特定の領域を照明する目的で使用されるランプ装置ではＬＥＤ光源の配光制御が必要となる。配光制御には通常レンズが使用される。所望の配光制御を実現するためには、レンズを所定位置に固定する必要がある。例えば、従来の例に倣ってレンズを熱かしめによって基板へと固定することもできるが、熱かしめの際の熱や圧力によってレンズが変形してしまう。レンズが変形すればその光学特性が影響を受け、レンズ精度が低下する。従って高精度な配光制御ができない。
ＬＥＤランプユニットの発光態様の多様化等を背景として、より高精度な配光制御を行うことが求められている。配光制御はレンズによって行うことができる。ＬＥＤランプユニットにレンズの固定方法は、フレームとカバーとの固定と同様に熱かしめで固定する方法が考えられる。しかし、レンズの一部又はレンズと一体に形成した足を熱かしめで固定すると、熱かしめの際の溶融によってレンズ自体にヒケ（ゆがみや変形）が生じる。レンズがゆがむ又は変形すると、レンズのレンズ精度が低下し、高精度な配光制御が行うことができない。またレンズの他に、配光制御の高精度化のために別途特別な部材を使用することも考えられるが、部品数が増加し、装置が複雑化する。
また、今後、ＬＥＤの高輝度化に伴い発熱量の増大が予想されることを考慮すると、ＬＥＤランプユニットは放熱特性に優れた構成とすることが望まれている。
そこで本発明は、以上の問題に鑑みて、小型で、放熱特性に優れたＬＥＤランプユニットを提供することを目的の一つとする。さらに信頼性の高いＬＥＤランプユニットを提供することを目的の一つとする。また、簡易な構成で高精度の配光制御を実現するＬＥＤランプユニットを提供することも目的の一つとする。特にまた、レンズ精度を低下させることなくレンズを配置することによって、ないようにレンズを組み込んで、高度な配光制御が可能なを実現するＬＥＤランプユニットを提供することも目的の一つとする。

本発明は以上の目的の少なくとも一つを達成するために、以下に示すＬＥＤランプユニットを提供する。即ち、ヒートシンクと、
前記ヒートシンクの上に配置される基板と、
前記基板に実装されるＬＥＤ光源と、
前記ＬＥＤ光源の光放出側に配置されるレンズであって、その一部が前記基板に当接することによって前記基板に対して位置決めされるレンズと、
熱かしめによって形成された第１係止爪を有し、前記ヒートシンクに固定されるケースと、を備え、
前記基板及び前記レンズが前記ヒートシンクと前記ケースで挟持され、前記第１係止爪は前記ケースを前記ヒートシンクに固定する、ＬＥＤランプユニットとする。

本発明では、ケースとヒートシンクにより基板とレンズを挟持し、第１係止爪によりケースがヒートシンクへ固定される。これにより、固定用のネジやネジ穴が不要となり、小型のＬＥＤランプユニットとなる。さらに、かかる状態で固定されたケース、基板及びレンズはズレ若しくはがたつきが防止され、信頼性の高いＬＥＤランプユニットとなる。また、レンズは挟持されて固定されるため、レンズ自体を熱かしめしないことから、熱変形によるレンズ精度の低下が発生しない。従って、高精度な配光制御が可能となる。一方、レンズの位置決めはケースを基準とするのではなく、ＬＥＤ光源がマウントされる基板を基準として行われる。これにより、レンズとＬＥＤ光源との位置のズレや誤差が生じにくく、レンズによる高精度の配光制御が実現される。

以下、本発明におけるＬＥＤランプユニットの構成要素について詳細に説明する。
（ヒートシンク）
ＬＥＤランプユニットにはヒートシンクが備えられる。ヒートシンクは、アルミ、銅等の熱伝導率の高い金属や、金属若しくはセラミックス製（フィラー含有）の樹脂などの放熱性材料で形成される。ヒートシンクを使用することによって、後述するＬＥＤ光源の熱を効率よく放熱させることができる。なお、ヒートシンクの形状は特に限定されない。例えば、フィンを複数枚備える形状とすることができる。

（ＬＥＤ光源及び基板）
ＬＥＤ光源の種類は特に限定されず、砲弾型ＬＥＤランプ、表面実装型ＬＥＤランプ、又はＬＥＤチップを直接利用することができる。また、使用するＬＥＤ光源の数も限定されず、一つ若しくは複数のＬＥＤ光源を使用することができる。複数のＬＥＤ光源を使用する場合は、ＬＥＤ光源の種類は同一であっても良いし、異なる種類のＬＥＤ光源を含んでいても良い。ＬＥＤ光源の発光色は目的に応じて適宜選択される。例えば、白色、赤色、緑色、青色等、所望の発光色に応じて選択される。使用する複数のＬＥＤ光源の発光色は同一であっても良いし、異なる発光色のＬＥＤ光源を含んでいても良い。
基板にはＬＥＤ光源が実装されている。基板の材質は特に限定されないが、Al、Cuなどの金属や高熱伝導性樹脂など、熱伝導性の高いの材質で基板を形成することが好ましい。ＬＥＤ光源の熱をヒートシンク等へ効率よく伝播させることができるからである。
基板はヒートシンクの上に配置される。基板とヒートシンクの間に熱伝導層を設けても良い。係る構成によると、ＬＥＤ光源の熱をヒートシンクへ効率よく伝播させることができる。熱伝導層の材質としては、金属フィラーを含有するシリコーンゲル、シリコーンシート、アクリルエラストマーを例示できる。

（レンズ）
レンズはＬＥＤ光源の配光制御を目的として使用されるものである。レンズの材質は光透過性であれば特に限定されず、アクリル樹脂、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、ポリカーボネート樹脂、シリコーン樹脂、エポキシ樹脂等の合成樹脂や、ガラスなどの無機材料を採用することができる。レンズは基板に実装されるＬＥＤ光源の光放出側に配置される。レンズの位置決めは、レンズの一部を基板上の所定の位置に当接させて行う。例えば、基板の所定の位置にレンズの一部が係合する係合部を設けて、ここにレンズの一部を係合させることでレンズの位置決めを基板に対して行うことができる。このように、レンズの位置決めをケースなどの他の部材を基準とするのではなく、ＬＥＤ光源がマウントされた基板を基準としてレンズの位置決めを行うことにより、ＬＥＤ光源に対するレンズの位置にズレや誤差が生じにくく、配光制御を高精度に行うことができる。

レンズは、後述するケースと一体に形成することもできるが、レンズとケースは別体とする。レンズとケースを透明樹脂により一体に形成すると、ケース部分によってレンズ部分にヒケ（ゆがみや変形）が生じるおそれがある。特にレンズの厚さが大きい場合はヒケが生じやすい。レンズにヒケが生じるとレンズ精度が低下し、レンズによる配光制御が良好に行われない。例えば、青色ＬＥＤチップの封止部材に青色ＬＥＤチップの光によって黄色光を発する蛍光体を含ませることによって白色光を放出するＬＥＤ光源に対して、レンズ精度の低いレンズを用いると、青色光と黄色光とが分離して放出され、色別れして観察されることがある。また、レンズ位置決め用の構造などをレンズと一体的に形成することもレンズにヒケを生じさせる要因の一つとなる。一方で、レンズを固定するための特別な部材などを使用すると、部品数が増加し、製造工程の複雑化を招く。従って、レンズは位置決め用の最小限の構造と一体に形成することが好ましい。部品数を増加させず、ヒケを最小限に抑えられるからである。なお、レンズ表面の内、光が導入される面に光拡散処理を施しても良い。このようにすると色別れを軽減することができる。光拡散処理の方法としては、例えば、レンズの表面にブラスト処理、シボ加工などの光拡散処理を施すこともできる。また、レンズ表面に光拡散剤を含ませたシートを配置することにより光拡散処理を施すこともできる。光拡散剤としてはレンズと異なる屈折率を有するガラス粒子、SiO₂、TiO₂などの透明若しくは白色の微粒子が挙げられる。

（ケース）
本発明のケースはレンズと基板を間に挟んでヒートシンクに固定される。これによって基板とレンズはケースとヒートシンクによって挟持される。ケースの材質は樹脂や金属を採用できるが、絶縁性や成形性、熱かしめの点から熱可塑性樹脂製であることが好ましい。中でも放熱性の熱可塑性樹脂製であることが好ましい。装置の放熱特性の向上に寄与するからである。ケースは第１係止爪を備える。第１係止爪がヒートシンクへ当接することにより、ケースがヒートシンクへ係止して垂直軸方向（即ち、基板とレンズを挟持する方向）へ固定される。

さらに、ケースは第２係止爪を備えていることが好ましい。第１係止爪による固定に加えて、第２係止爪によって、ケースをヒートシンクに対して垂直軸方向に固定することが好ましい。ケースをヒートシンクへより強固に固定することができるからである。このとき、第１係止爪と第２係止爪とはヒートシンクに対して異なる方向にケースを固定することが好ましい。例えば、第１係止爪は垂直軸方向及び第１水平軸方向にケースをヒートシンクへ固定し、第２係止爪は垂直軸方向及び第２水平軸方向にケースをヒートシンクに固定することが好ましい。ケースとヒートシンクのズレやがたつきが軽減されるからである。第１水平軸方向と第２水平軸方向とは直交することがさらに好ましい。より一層ズレやがたつきが防止されるからである。さらに、かかる状態で挟持された基板及びレンズについても、そのズレ若しくはがたつきが軽減される。

なお、第１係止爪を複数設けてもよい。例えば、２個の第１係止爪によって、ケースをヒートシンクの前後方向にヒートシンクへ固定してもよい。同様に第２係止爪を複数設けてもよい。

第１係止爪はケースの一部を軟化（溶融）させて固化（いわゆる熱かしめ）することによって形成される。第１係止爪を形成する前の状態（ケースがヒートシンクへ固定される前の状態）で、ケースに第１突起部を予め形成し、第１突起部の一部を熱かしめすることにより、第１係止爪を形成することができる。同様に、ケースへ第２突起部を予め形成し、第２突起部の一部を熱かしめすることにより、第２係止爪を形成することができる。

ケースはヒートシンクを仮止めするための爪を備えていても良い。かかる仮止め用の爪はヒ−トシンクの裏面に一時的に当接してケースとヒートシンクを、基板とレンズを挟持した状態で仮止めするものである。ケースとヒートシンクを仮止めしない場合は、第１または第２突起部を熱かしめする際のズレ防止のために、ヒートシンクとケースとを仮固定する工程が必要となる。しかし、仮止め用の爪によってケースとヒートシンクを仮止めすることにより、仮固定する工程が不要となる。これにより作業工程が削減され製造効率が向上する。ケースに仮止め用の爪を形成するには、ケースを熱可塑性樹脂で形成することが好ましい。仮止め用の爪の形成が容易だからである。仮止め用の爪は第１突起部に形成してもよい。かかる構成によると第１係止爪を形成する際の熱かしめによって、仮止め用の爪も溶融して第１係止爪の一部とすることができる。
以下に、実施例を用いて本発明をより詳細に説明する。

本発明の一の実施例であるＬＥＤランプユニット１の分解斜視図を図１Ａに示し、組立後の斜視図を図１Ｂに示す。図１ＢのＡ−Ａ線断面図を図２に示す。また、ＬＥＤランプユニット１の裏面について熱かしめ前の状態の斜視図を図３Ａに示し、図３ＡのＢ−Ｂ線断面図を図３Ｂに示す。さらに熱かしめ途中の状態の斜視図を図４Ａに示し、図４ＡのＣ−Ｃ線断面図を図４Ｂに示す。さらに熱かしめ後の状態の斜視図を図５に示す。
ＬＥＤランプユニット１は車両室内の天井に設置され、マップランプとして利用される。図１Ａに示すようにＬＥＤランプユニット１はケース１０、レンズ２、基板３、熱伝導シート４及びヒートシンク５を備える。ヒートシンク５はアルミ製であって、ベース部分５１と、ベース部５１に垂直な４個の平板状のフィンからなる。熱伝導シート４は金属フィラーを含有するシリコーンゲルである。基板３はＡｌ製の放熱性基板であって、その上には、ＬＥＤランプ３１、定電流回路（図示せず）、コネクタ３３などが実装される。コネクタ３３には給電用の端子（図示せず）が接続される。基板３上には回路（図示せず）が形成されており、コネクタ３３を介して供給された電力がＬＥＤランプ３１へ供給される。また基板３の両側部には基板３の一部を欠いて形成された係合部位３２が形成されている。ＬＥＤランプ３１は白色発光する表面実装型ＬＥＤランプである。レンズ２は凸レンズであって、その縁部に２個の位置決め部２１を備える。ケース１０は放熱性のＰＢＴ樹脂製であって、レンズ用の開口部１３を備える。さらに前後側部に２本ずつ第１突起部１１を備える。第１突起部１１はケース１０内側に突出した仮止め用の爪１１ａを備える。なお、ケース１０の下面側は開口部１４となっており、その平面視形状は、ヒートシンク５のベース部５１の平面視形状よりもわずかに大きい形状である。また、ケース１０の側面には取付用突起部１５が形成されている。

図１Ａ示すように、ヒートシンク５の上に熱伝導シート４、ＬＥＤランプ３１が実装された基板３、レンズ２を順に重ね、最後にケース１０とヒートシンク５が基板３とレンズ２を挟持するようにケース１０を被せることによってＬＥＤランプユニット１は組み立てられる。その際、レンズ２の位置決め部２１が基板３の係合部位３２へ係合して、ＬＥＤランプ３１の直上にレンズ２が配置されるようにレンズ２が基板３に対して位置決めされている。さらに、図２に示すように、ケース１０は開口部１３を形成する縁部１３ａでレンズ２と当接する。さらに、図３に示すように、ヒートシンク５のベース部分５１は、ケース１０の下面側の開口部１４からケース１０内に入り込むこととなる。このとき、開口部１４の平面視形状は、ヒートシンク５のベース部５１の平面視形状よりもわずかに大きい形状であるため、ベース部５１の前後左右の側部がケース１０の内側の面に当接し、第１突起部１１の仮止め用の爪１１aがヒートシンク５のベース部分５１の裏面に当接する。これによりケース１０がヒートシンク５に仮止めされる。
ケース１０が仮止めされた後、図４Ａに示すように、第１突起部の一部に対して、過熱した熱かしめ用の治具６を押し当てる。これにより、第１突起部１１の先端部は軟化（溶融）する（図４Ｂを参照）。このとき、治具６の形状はＬ字型であって、そのＬ字部分がヒートシンク５の裏面に治具６が押し付けられる。図５に示すように、軟化（溶融）した第１突起部１１の先端部は、ヒートシンク５の裏面に沿って変形することとなる。これにより、４個の第１係止爪１１０がそれぞれ形成される。この結果、第１係止爪１１０は、ケース１０とヒートシンク５とが基板３とレンズ２を挟持した状態で固定され、ＬＥＤランプユニットが組み立てられる（図１Ｂ参照）。なお、治具６により第１突起部１１の先端部を軟化（溶融）した際、仮止め用の爪１１ａも軟化（溶融）され、第１系止爪１１０の一部を形成することとなる。

上記のように構成されるＬＥＤランプユニット１では、第１係止爪１１０がヒートシンク５の裏面に当接することにより、ケース１０がヒートシンク５に固定される。従って、固定用のネジやネジ穴を必要としないため、簡易な構成で小型のＬＥＤランプユニットとなる。また、ケース１０の内側面にヒートシンク５のベース部分５１の前後左右の側面が当接し、かつ第１係止爪１１０によって基板とレンズを挟持する方向に固定されるため、ケース１０のズレ若しくはがたつきが軽減される。これにより、信頼性の高いＬＥＤランプユニットとなる。また、ヒートシンク５は、ベース部５１の前後左右の側面と第１係止爪１１０によって放熱性のＰＢＴ樹脂製ケース１０と接する。これによりヒートシンク５へ伝播された熱の一部をケース１０へ伝播しやすく、ヒートシンク５のみならずケース１０からの放熱も促進される。また、基板３は挟持されて固定されているので、固定用のネジ穴などを必要としない。そのため、ネジ穴等を設ける場合に比べて表面積が多くなり、基板３の表面からの放熱が促進される。さらに、レンズ２の位置決め部２１が基板３の係合部位３２へ係合することによりレンズ２がＬＥＤランプ３１の直上に位置決めされて配置される。即ち、レンズ２の位置決めは、ケース１０やヒートシンク５を基準とするのではなく、ＬＥＤランプ３１がマウントされた基板３を基準として行われる。その結果、レンズ２とＬＥＤランプ３１との位置にズレや誤差が生じにくく、レンズ２によって高精度な配光制御が実現される。さらに、レンズ２は、レンズ部分の他には位置決め部２１を有するのみであって、レンズ部分のヒケを引き起こすおそれが少ない。従って、レンズ２は高いレンズ精度が維持され、高精度な配光制御が可能となる。さらに、ＬＥＤランプユニット１は基板３とヒートシンク５との間にシリコーンゲル製の熱伝導シート４が挟み込まれており、熱伝導層が形成されている。これにより、ＬＥＤランプ３１の熱は基板３の裏面からヒートシンク５へ効率よく伝播され、装置の放熱特性が向上する。加えて、基板３はＡｌ製の放熱性基板であるので、ＬＥＤランプ３１の熱はより一層ヒートシンク５へ効率よく伝播されるため、高い放熱効果を奏する。

本発明の他の実施例であるＬＥＤランプユニット１００の斜視分解図を図６に示す。熱かしめ後のＬＥＤランプユニット１００の裏面側の斜視図を図７に示す。なお、上記ＬＥＤランプユニット１と同一の部材には同一の符号を付してその説明を省略する。
図６に示すようにＬＥＤランプユニット１００はケース１０１、レンズ２、基板３、熱伝導シート４及びケース５０を備える。ケース１０１は左右側部に２本ずつ第２突起部１２を備える。ＬＥＤランプユニット１において、第１突起部１１を熱か示したのと同様に、第２突起部１２は、治具によって熱かしめされ、第２係止爪１２０となる（図７参照）。

かかるＬＥＤランプユニット１００によっても、ＬＥＤランプユニットと同様の効果を奏する。さらに、第１係止爪１１０による固定に加えて、第２係止爪１２０によっても、ケース１０１がヒートシンク５０へ固定されるため、より一層強固に固定される。加えて、第１係止爪１１０と第２係止爪１２０とは直交する水平軸方向にケース１０１をヒートシンク５０へ固定するので、ケース１０１のズレ若しくはがたつきが一層防止され、信頼性の高いＬＥＤランプユニットとなる。また、ケース１０１とヒートシンク５０は第１係止爪１１０に加えて第２係止爪１２０によっても接するので、ヒートシンク５０へ伝播された熱の一部は第２係止爪１２０を経てケース１０１へ伝播され放出されることとなる。これにより更なる放熱効果が奏される。

この発明は上記発明の実施の態様及び実施例の説明に何ら限定されるものではない。特許請求の範囲を逸脱せず、当業者が容易に想到できる範囲で種々の変形態様もこの発明に含まれる。

本発明のＬＥＤランプユニットは、車両室内または居室内のルームランプやスポットランプにその利用が図られる。

図１Ａは本発明の一の実施例であるＬＥＤランプユニット１の分解斜視図である。図１ＢはＬＥＤランプユニット１の斜視図である。図２は図１ＡにおけるＬＥＤランプユニット１のＡ−Ａ線断面図である。図３Ａは熱かしめ前の状態のＬＥＤランプユニット１の裏面の斜視図である。図３Ｂは図３ＡにおけるＬＥＤランプユニット１のＢ−Ｂ線断面図である。図４Ａは熱かしめ中の状態のＬＥＤランプユニット１の裏面の斜視図である。図４Ｂは熱かしめ途中の状態のＬＥＤランプユニット１の側面図である。図５は熱かしめ後の状態のＬＥＤランプユニット１の裏面の斜視図である。図６Ａは本発明の他の実施例であるＬＥＤランプユニット１００の分解斜視図である。図６ＢはＬＥＤランプユニット１００の斜視図である。図７は熱かしめ後の状態のＬＥＤランプユニット１００の裏面の斜視図である。

符号の説明

１１００ＬＥＤランプユニット
１０１０１ケース
１１第１突起部
１１０第１係止爪
１２第２突起部
１２０第２係止爪
２レンズ
３基板
３１ＬＥＤランプ
４熱伝導シート
５５０ヒートシンク

Claims

ヒートシンクと、
前記ヒートシンクの上に配置される基板と、
前記基板に実装されるＬＥＤ光源と、
前記ＬＥＤ光源の光放出側に配置されるレンズであって、その一部が前記基板に当接することによって前記基板に対して位置決めされるレンズと、
熱かしめによって形成された第１係止爪を有し、前記ヒートシンクに固定されるケースと、を備え、
前記基板及び前記レンズが前記ヒートシンクと前記ケースで挟持され、前記第１係止爪は前記ケースを前記ヒートシンクに固定する、ＬＥＤランプユニット。
前記ケースが第２係止爪をさらに有し、前記第１係止爪は前記ヒートシンクに対して垂直方向及び第１水平軸方向に前記ケースを固定し、前記第２係止爪は前記ヒートシンクに対して垂直方向及び第２水平軸方向に前記ケースを固定する、請求項１に記載のＬＥＤランプユニット。
前記第１水平軸方向と前記第２水平軸方向とが直交する、請求項２に記載のＬＥＤランプユニット。
前記ヒートシンクと前記基板との間に熱伝導層を備える、請求項１〜３のいずれかに記載のＬＥＤランプユニット。
前記ケースが、前記ケースを前記ヒートシンクに仮止めするための爪を有する、請求項１〜４のいずれかに記載のＬＥＤランプユニット。