JP2010050473A - 発光ダイオード平面光源 - Google Patents

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Abstract

【課題】ヒートシンクとの熱抵抗を低減した発光ダイオード平面光源を提供する。
【解決手段】発光ダイオード平面光源は、ヒートシンク１１０３に取付けられた発光ダイオード７０１を備えている。ヒートシンクは、平面光源或は液晶表示用の裏照明光源の光案内プレート１１０４の裏面と周囲に位置している。発光ダイオードの両側或は周囲には光反射器４０６が設けられている。発光ダイオードは、少なくとも一つの金属ベースに取付けられる発光ダイオード・チップを備えている。発光ダイオード・チップは回路基板を介して電源に電気的に接続される。金属ベースの上表面は光反射面とされている。発光ダイオード・チップの上方には透光媒質が設けられている。金属ベースの上方には回路基板が取付けられている。金属ベースの下表面には金属ベースと一体になるネジ或はネジ穴が設けられ、金属ベースはネジ或はネジ穴を通じて直接ヒートシンクと機械連結されている。
【選択図】図１１

Description

本発明は、発光ダイオード平面光源に関し、特に照明、交通信号灯と情報ディスプレイ等の機器に使われる高出力、高効率、長寿命の発光ダイオード平面光源に関するものである。
従来、発光ダイオードは、信号指示、大型モニター表示等の分野に広く使用されていて、寿命が長い、色が良い、堅固等の利点を有する。動作電流を増加させると、発光ダイオード・チップの温度が急速に上昇する一方、発光ダイオード・チップの発光効率はチップ温度の上昇と共にほぼ直線状に降下するため、現在では、低出力の発光ダイオードしか製造できなく、代表的な発光ダイオードの出力は約２０ｍＡ×４Ｖ＝８０ｍＷ程度である。どうすれば発光ダイオードから生ずる大量の熱を有効に発散して、発光ダイオードを低い温度で作動させるかは、発光ダイオード及び発光ダイオード・ランプの製造の課題になっている。
現在、代表的な高出力発光ダイオードは、図１に示すように、発光ダイオード・チップ１０１が金属ベース１０３の反射面１０２に取付けられている。金属ベース１０３は、エポキシ樹脂１１１を用いて回路基板１０６に接着されている。回路基板１０６は、接着剤１１２を用いてヒートシンク１１３に接続されている。発光ダイオード・チップ１０１の電極は、リード線１０４と管脚１０５を介して回路基板１０６上の導電層１０７に接続されている。この発光ダイオード・チップ１０１上には、光学接着剤１０８及びレンズ１０９が設けられている。１１０は固定装置である。
明らかに、発光ダイオード・チップ１０１は、金属ベース１０３（熱抵抗はRB）、エポキシ樹脂層１１１（熱抵抗はRE）、回路基板１０６（熱抵抗はRP）と接着剤１１２（RA）を介してヒートシンク１１３に連結されている。それらの合計熱抵抗ΣR= RB +RE + RP + RAは非常に大きいので、チップの温度が上昇し易く、発光効率を急速に降下させる。同時に、チップを取付ける金属ベース１０３は、接着剤を用いて回路基板１０６に接着されている。回路基板１０６と金属ベース１０３の熱膨張係数が異なるとともに、温度の上昇速度が異なるため、時には冷たく、時には熱く、時には膨らみ、時には縮む条件下での長時間作動により、エポキシ樹脂接着剤の破裂を招き易い。このエポキシ樹脂接着剤の破裂は、熱抵抗REを大きく増大させて、発光ダイオードを過熱させ焼損させてしまう。要するに、従来の技術では、出力が高く、発光効率が高く、使用寿命が長い発光ダイオードを製造することができなかった。
本発明の目的は、従来の発光ダイオードとヒートシンク間の熱抵抗が大きいために、チップ温度が上昇し易くそれによって発光効率が急速に降下する欠点を克服し、金属ベースと回路基板間の接着剤が回路基板と金属ベースの熱膨張係数が異なるため、長時間作動すると、接着剤が破裂し易く、発光ダイオードとヒートシンク間の熱抵抗を大きく増大させ、発光ダイオードが過熱され焼損されてしまう欠点を克服し、かつ高出力、高発光効率、長寿命の発光ダイオードと発光ダイオード・ランプを提供することにある。
本発明の目的は次のように実現される。本発明が提供した発光ダイオードは、高熱伝導率のベースに取付けられた少なくとも一つの発光ダイオード・チップを備え、その発光ダイオード・チップは回路基板を介して電源に接続され、同発光ダイオード・チップの上方に透光媒質が設けられる。上記ベース表面は光反射面或いはベースの周囲には光反射面が取付けられている。そして、ベース上方或は周囲に回路基板が取付けられていることを特徴としている。
上記発光ダイオードは、上記ベース下側に少なくとも一つのネジまたネジ穴を有し、上記ベースに直接的に機械連結されるヒートシンクも備えることを特徴とする。
上記発光ダイオード・チップの前側には、光反射器がある。
上記透光媒質は、光学接着剤とレンズである。
上記発光ダイオード・チップは、複数の同色の光を発するチップ或は異色の光を発するチップであり、チップ同士は直列、並列、或は直列および並列に接続される。
上記ベースは、金属ベース、超高熱伝導率管または金属ベース下側に設けられた超高熱伝導率管から構成される。
上記光反射器は、光学反射面を有し、その光反射面と発光ダイオード軸間の取付けの角度は１０〜７０度である。
上記光学接着剤内或は光学接着剤とレンズの間には、光変換素材が設けられる。
上記発光ダイオードを用いて製造された発光ダイオード・ランプの特徴は、少なくとも一つの上記発光ダイオードを備え、この発光ダイオードは、そのベース上のネジ或はネジ穴を介して、一つのヒートシンクと直接に機械接触され、この発光ダイオードの引出線は一つの駆動回路と電気的に接続され、駆動回路はそのハウジングを介して電気コネクターに電気的に接続され、上記ダイオードに一つの透光バルブハウジングを被せたことである。
上記電気コネクターは、双脚、多脚直入のランプ・ヘッダ或は螺旋ランプ・ヘッダである。
上記透光バルブハウジングは、ガラス或はビニールからなる透明の、着色の或は発散のバルブハウジングである。
上記透光バルブハウジングの内壁には光変換素材層がある。
上記ヒートシンクは、フィンを有するヒートシンクである。
上記フィンは、単数或は複数の螺旋を有する螺旋状フィンである。
上記フィンの内表面は、光反射面である。
上記内表面は、円錐形或は放物面をなす。
上記発光ダイオードを用いて製造された交通灯の特徴は、上記発光ダイオードの光発散角は５ないし６０度の間の角度であり、現有の交通灯の放物面の光反射器の焦点付近に取付けられ、各発光ダイオード中の一部分の発光ダイオードが出射する光は、直接元の交通灯の透光窓から出射され、他の部分は元の交通灯の放物面の光反射器によって反射されて出射される。したがって、必要な焦点集中と均一分布の発射光が得られることである。
上記発光ダイオードを用いて製造された発光ダイオードの平面光源の特徴は、上記少なくとも一つの発光ダイオードは、一つの平面熱発散プレートからなるヒートシンクに取付けられ、上記熱発散プレートは、平面光源或は液晶表示用の裏照明光源の光案内プレートの裏面と周囲に位置し、上記発光ダイオードの両側或は周囲には光反射器が設けられている。
上記発光ダイオードは、複数の同色の光を発する発光ダイオード或は異色の光を発する発光ダイオードである。
本発明の利点は以下である。
（１）ヒートシンクとベースの直接かつ密接な熱連結は、チップとヒートシンク間の熱抵抗をほとんどゼロにし、それによりチップに生じる熱を有効に発散させる。また、金属ベースとヒートシンクは金属ネジを用いて連結され、熱連結は十分確実であり、長時間作動でも変わらない。これにより、高出力、高効率、長寿命の発光ダイオードを製造することができる。
（２）回路基板は金属ベースの上方或は周囲に設置され、チップとヒートシンク間の熱抵抗を増加させないと共に、チップ間の連結にも便利であり、高密度の取付けにも有利である。
（３）高出力の発光ダイオードと平面光源を製造することができる。
要するに、本発明のダイオードは、従来の発光ダイオードの熱抵抗が大きい及び接着剤が破裂し易いという課題を克服し、またその体積は従来の発光ダイオードよりずっと小さいので、高密度の取付けに好適である。
従来の発光ダイオードの構成図。 本発明の発光ダイオードの構成図。 本発明の発光ダイオードの下リード線の実施例の構成図。 本発明の発光ダイオードに光反射器を取付けた実施例の構成図。 本発明の発光ダイオードに光反射器を取付けた他の実施例の構成図。 本発明の発光ダイオード・ランプの構成図。 本発明の発光ダイオード・ランプに放物面型ヒートシンクを取付けた実施例の構成図。 本発明の発光ダイオード・ランプに円錐型ヒートシンクを取付けた他の一つの実施例の構成図。 本発明の発光ダイオード・ランプに超高熱伝導率管を取付けた実施例の構成図。 本発明の発光ダイオード・ランプに球状ヒートシンクを取付けた実施例の構成見取図。 本発明の発光ダイオードで作った交通灯の構成図。 本発明の発光ダイオードで作った平面光源の構成図。
本発明の発光ダイオードを製造するには、図２に示すように、少なくとも一つの発光ダイオード・チップ１０１、例えば黄色の光を発する発光ダイオード・チップ１０１が、金属ベース１０３の反射面１０２に取付けられている。二個以上の発光ダイオード・チップ１０１を用いる際には、同色または異色の光を発する発光ダイオード・チップ１０１を使用することができる。金属ベース１０３は、少なくとも一つのネジ２０４を介してヒートシンク１１３と緊密に熱連結および機械連結されている。より良い熱接触を得るために、金属ベース１０３とヒートシンク１１３の間には熱伝導接着剤２０６も用いられる。回路基板１０６は、金属ベース１０３上に設置され、その上表面の導電層１０７には引出線２０９が接続されている。引出線２０９は金属ベース１０３およびヒートシンク１１３と電気的に絶縁されている。回路基板１０６と発光ダイオード・チップ１０１間はリード線１０４を介して電気的に接続されている。引出線２０９は外部の電源との接続に使われる。発光ダイオード・チップ１０１上には光学接着剤１０８およびレンズ１０９が設けられ、光学接着剤１０８とレンズ１０９間には光変換素材２１３が設けられ、光変換素材２１３は、発光ダイオード・チップ１０１が発した光を他の色の光に変換する。金属ベース１０３は熱抵抗が非常に小さい銅からなるため、発光ダイオード・チップ１０１から発生した熱はヒートシンク１１３を通じて容易に発散される。したがって、発光ダイオード・チップ１０１を低い温度の高い発光効率状態で作動させる。
本発明の下リード線を用いた発光ダイオードを製造するには、図３に示すように、少なくとも一つの発光ダイオード・チップ１０１、例えば二つの発光ダイオード・チップ１０１が金属ベース１０３の反射面１０２に取付けられる。これらの発光ダイオード・チップ１０１には、異色の光を発する発光ダイオード・チップが用いられる。金属ベース１０３は、少なくとも一つのネジ２０４を有し、ヒートシンク１１３と緊密に熱連結および機械連結される。回路基板１０６は金属ベース１０３の周囲に置かれ、その上表面の導電層１０７には引出線２０９が接続されている。引出線２０９は、絶縁層３０３を貫通し垂直に下に向けて延び、外部電源に接続されている。発光ダイオード・チップ１０１上には透光媒質が設けられている。この透光媒質は光学接着剤１０８である。透光媒質（光学接着剤１０８）の頂面１０９は、出力される光の光分布の要求によって、球面或は楕円球面に設計される。金属ベース１０３は、熱抵抗が非常に小さいアルミニウム或はアルミニウム合金からなる。それ以外は実施例１と同様である。
本発明の光反射器を有する発光ダイオードを製作するには、図４に示すように、その特徴として、少なくとも一つの発光ダイオード・チップ１０１の上方に一つの光反射器４０６が追加され、本来ならば発光ダイオードの側方に出射される光４０２が発光ダイオード・チップ１０１或は反射面１０２に反射されて戻され、再び発光ダイオードの前方に出射される。これにより、光の有効利用率を向上させることができる。二つ以上の発光ダイオード・チップ１０１が用いられ、それらが異色の光を発する発光ダイオード・チップである場合、光の混色効果を向上させるため、反射器４０６と発光ダイオード・チップ１０１間に混色剤４０９を設けるとよい。発光ダイオード・チップ１０１の一つの電極は、金属ベース１０３に接続され、ネジ穴４０８およびネジ２０４の少なくとも一方を介して外部に導かれる。発光ダイオード・チップのもう一つの電極はリード線１０４を介して引出線２０９に接続される。引出線２０９は、絶縁層３０３を貫通して外部に延び、外部電源に接続されている。リード線４１０は、二つ以上の発光ダイオード・チップ１０１間の接続線である。ヒートシンク１１３は、フィン４０４を有している。熱伝導層４０７は、電気的絶縁層である。その他は実施例２と同様である。
本発明の光反射器が取付けられている発光ダイオードを製作するには、図５に示すように、その特徴として、発光ダイオード・チップ１０１の上方に一つの光反射器４０６が追加され、本来ならば発光ダイオード・チップ１０１の側方に向けて出射される光５０３が前方に向けて反射されて、光の利用率を向上させる。光変換素材２１３が、発光ダイオード・チップ１０１の表面に設けられている。回路基板１０６の少なくとも二つの引出線２０９は、金属ベース１０３を貫通し垂直下方に向けて延び、外部電源に接続されている。その他は実施例３と同様である。
本発明の発光ダイオードを用いて作成される発光ダイオード・ランプを製作するには、図６に示すように、少なくとも一つの発光ダイオード・チップ１０１が一つのヒートシンク１１３に取付けられている。この発光ダイオードの引出線２０９は一つの駆動回路６０３に電気的に接続されている。駆動回路６０３及びそのハウジング６０４は、入力リード線６０７を介して一つの電気コネクター６０５に電気的に接続され、この電気コネクター６０５は、螺旋状電球ヘッドである。駆動回路６０３は、入力された外部電圧を発光ダイオードの動作に好適な電圧に変換して、発光ダイオードを点灯させる。一つのガラスからなって内表面に光変換素材層６０９をコーティングした透光バルブハウジング６０８をこの発光ダイオードに被せ、発する光を所望の必要な色の光に変換する。
本発明のヒートシンクが取付けられている発光ダイオード・ランプを製作するには、図７Ａに示すように、発光ダイオード７０１は放物面型ヒートシンク１１３中に取付けられている。或は、図７Ｂに示すように、発光ダイオード７０１は円錐型ヒートシンク１１３中に取付けられている。ヒートシンク１１３は、熱を発散させるフィン４０４を有する。ヒートシンク１１３の内表面は反射面７０２である。図７Ａにおいて、外部電源に接続される電気コネクター６０５は、二脚直入ランプ・ヘッダである。図７Ｂにおいて、外部電源に接続される電気コネクター６０５は、三脚直入ランプ・ヘッダである。ハウジング６０４には、駆動回路６０３が内蔵されている。その他は実施例１と同様である。
本発明の超高熱伝導管が取付けられている発光ダイオード・ランプを製作するには、図８に示すように、その特徴として、少なくとも一つの発光ダイオード・チップ１０１が一つの超高熱伝導管８０１（略して熱管という）の吸熱端８０３上に取付けられ、熱管８０１の他の一端はヒートシンク１１３に連結されている。熱管８０１は、銅より約１５００倍の高い高熱伝導率を有するため、その熱抵抗はほぼゼロと同等である。発光ダイオード・チップ１０１から生ずる熱は、熱管８０１を介して迅速にヒートシンクに伝わって発散されてしまう。その他は実施例５と同様である。
本発明の超高熱伝導管が取付けられていて電球状ヒートシンクを有する発光ダイオード・ランプを製作するには、図９に示すように、少なくとも一つの発光ダイオード・チップ１０１或は発光ダイオード７０１は、超高熱伝導管８０１の上端部に取付けられた熱抵抗の小さな合金からなる金属ベース１０３に取付けられる。この超高熱伝導管８０１の他の一端は、単数或は複数の電球状をなす螺旋型の熱発散用フィンを有するヒートシンクに連結される。このヒートシンクの螺旋型フィンはフィン間の空気流動を加速化させ、ヒートシンクの熱発散効果を向上させる。金属ベース１０３の周囲には反射面１０２が取付けられ、反射面１０２はヒートシンク１１３の上方に位置する。内表面上に一層の光変換素材２１３を有する透光バルブハウジング６０８が、この発光ダイオードの上方に取付けられる。その外部にもう一つの第二透光バルブハウジング９０８を取付けることもできる。その他は実施例５と同様である。
本発明のダイオード・チップを用いて製造された交通灯を製作するには、図１０に示すように、少なくとも一つの発光ダイオード７０１が高い熱伝導を有する一つの金属ベース１０３に取付けられる。金属ベース１０３は、熱発散器であるヒートシンク１１３に連結される。上記発光ダイオードは、３〜６０度の光発散角度を有し、本有の交通灯の放物面の光反射器の焦点付近に設けたヒートシンク１１３に取付けられる。上記複数の発光ダイオードにおける一部分の発光ダイオードが発する光は元の交通灯の透光窓１００８から直接に出射され、他の部分の発光ダイオードが発する光は元の交通灯の放物面の光反射器４０６を介して反射されて出射される。したがって、必要な焦点集中と均一分布の出射光が得られる。この発光ダイオード交通灯は、直接現有のタングステンフィラメント交通灯に置き換えられる。その他は実施例５と同様である。
本発明の発光ダイオードを用いて製造される平面光源を製作するには、図１１に示すように、発光ダイオード７０１は、大きな面積を有する平面状の熱発散プレート１１０３で作られたヒートシンク１１３に取付けられる。この熱発散プレート１１０３は、平面光源、裏照明光源の光案内プレート１１０４の裏面と周囲に位置する。熱発散プレート１１０３の外側に、複数の発光ダイオード間および同発光ダイオードと電源間をそれぞれ接続するための回路基板１１０６が設けられる。熱発散プレート１１０３はフィン４０４を付帯させることができる。光反射器４０６は、発光ダイオード７０１の両側或は周囲に位置し、発光ダイオードが発する光を直接かつ有効に光案内プレート１１０４に結合させる。上記光源の上方には光学プレート１１０７が設けられ、上記光学プレート１１０７は、液晶表示プレート、光増強プレート、発散プレート或は絵や文字を有する透光プレート等である。上記少なくとも一つの発光ダイオード７０１は、同色の光を発する或は異色の光を発する発光ダイオードであり、異色の光を発するそれぞれの発光ダイオードの輝度を制御することにより、異なる色温度の白色光、彩色光または変色光の平面光源および裏照明光源を得ることができる。
１０１…発光ダイオード・チップ、１０２…反射面、１０３…金属ベース、１０４…リード線、１０５…管脚、１０６…回路基板、１０７…導電層、１０８…光学接着剤、１０９…レンズ、１１０…固定装置、１１２…接着剤、１１３…ヒートシンク、２０４…ネジ、２０６…熱伝導接着剤、２０９…引出線、２１３…光変換素材、３０３…絶縁層、４０４…フィン、４０６…光反射器、４０７…熱伝導層、４０８…ネジ穴、４０９…混色剤、４１０…チップ間の接続線、６０３…駆動回路、６０４…駆動回路のハウジング、６０５…電気コネクター、６０７…入力リード線、６０８…透光バルブハウジング、６０９…光変換素材層、７０１…発光ダイオード、８０１…超高熱伝導率管、８０３…吸熱端、９０８…第二透光バルブハウジング、１００８…透光窓、１１０４…光案内プレート、１１０７…光学プレート、１１０６…回路基板。

Claims (7)

  1. 少なくとも一つの発光ダイオードは、一つの平面熱発散プレートからなるヒートシンクに取付けられ、
    上記ヒートシンクは、平面光源或は液晶表示用の裏照明光源の光案内プレートの裏面と周囲に位置し、
    上記発光ダイオードの両側或は周囲に光反射器が設けられた発光ダイオード平面光源において、
    上記発光ダイオードは、少なくとも一つの金属ベースに取付けられる発光ダイオード・チップを備え、
    上記発光ダイオード・チップは、回路基板を介して電源に電気的に接続され、
    上記金属ベースの上表面を光反射面とし、
    上記発光ダイオード・チップの上方には透光媒質が設けられ、
    上記金属ベースの上方には上記回路基板が取付けられ、
    上記金属ベースの下側に少なくとも一つのネジ或はネジ穴を備え、かつ
    上記金属ベースは、上記ネジ或はネジ穴を通じて直接上記ヒートシンクと機械連結されることを特徴とする発光ダイオード平面光源。
  2. 上記発光ダイオードは、複数の同色の光を発する発光ダイオード或は異色の光を発する発光ダイオードであることを特徴とする請求項１に記載の発光ダイオード平面光源。
  3. さらに、上記発光ダイオード・チップの側方に発する光を、上記発光ダイオード・チップ或は上記光反射面に反射させてから、上記発光ダイオード・チップの前方に出射させる光反射器を有することを特徴とする請求項１又は２に記載の発光ダイオード平面光源。
  4. 上記透光媒質は、光学接着剤とレンズであることを特徴とする請求項１乃至３のうちのいずれか一つに記載の発光ダイオード平面光源。
  5. 上記発光ダイオード・チップは、複数の同色の光を発するチップ或は異色の光を発するチップであり、チップ同士は直列、並列、或は直列および並列に接続されることを特徴とする請求項１乃至４のうちのいずれか一つに記載の平面光源。
  6. 上記光反射器の光反射面と発光ダイオード軸間の取付け角度は、１０〜７０度であることを特徴とする請求項３に記載の発光ダイオード平面光源。
  7. さらに、上記光学接着剤内或は光学接着剤とレンズの間には、光変換素材が設けられていることを特徴とする請求項４に記載の発光ダイオード平面光源。
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