JP2010055939A

JP2010055939A - 光源ユニット及び照明装置

Info

Publication number: JP2010055939A
Application number: JP2008219691A
Authority: JP
Inventors: Sumio Hashimoto; 純男橋本; Iwatomo Moriyama; 厳與森山; Kazunari Higuchi; 一斎樋口; Keiichi Shimizu; 恵一清水
Original assignee: Toshiba Lighting and Technology Corp
Current assignee: Toshiba Lighting and Technology Corp
Priority date: 2008-08-28
Filing date: 2008-08-28
Publication date: 2010-03-11

Abstract

【課題】基板が発光素子から発生する熱により変形するという現象に着目し、その変形を利用して基板の放熱効果を高めることができる光源ユニット及び照明装置を提供することを目的とする。
【解決手段】本発明は、複数の発光素子４が表面側に実装された基板２と、この基板２が熱的に結合される放熱部材３と、前記基板２が熱により変形する場合、基板２の放熱部材３への熱的結合度を高めるように作用するトリガー手段とを具備する光源ユニット１である。
【選択図】図１

Description

本発明は、ＬＥＤ等の発光素子を用いた光源ユニット及びその光源ユニットを適用した照明装置に関する。

ＬＥＤ等の発光素子は、その温度が上昇するに従い、光出力の低下とともに寿命にも影響を与える。このため、ＬＥＤやＥＬ素子等の固体発光素子を光源とする照明装置では、寿命、効率の諸特性を改善するために発光素子の温度上昇を抑制する必要がある。従来、ＬＥＤを基板に実装した照明装置において、基板の裏面を照明装置の本体側に接触させ、基板からの熱を本体側に伝導し、放熱するものが知られている（例えば、特許文献１及び特許文献２参照）。また、放熱特性を向上するため、ＬＥＤを実装した基板をヒートシンク側に突出するように反って形成し、ソケットで基板の周囲を押圧した状態でヒートシンクに装着し、基板の中心部が確実にヒートシンクに接触するようにしたものが提案されている（特許文献３）。このように、従来の照明装置では、放熱効果を高めるために種々の改善が図られている。
特開２００６−１７２８９５号公報特開２００７−２７３２０５号公報特表２００８−５１８３８４号公報

しかしながら、これら従来の改善は、発光素子が実装された基板が発光素子から発生する熱により変形するという現象に何ら着目されていない。

本発明は、上記状況に鑑みなされたもので、基板が発光素子から発生する熱により変形するという現象に着目し、その変形を利用して基板の放熱効果を高めることができる光源ユニット及び照明装置を提供することを目的とする。

請求項１に記載の光源ユニットは、複数の発光素子が表面側に実装された基板と；この基板が熱的に結合される放熱部材と；前記基板が熱により変形する場合、基板の放熱部材への熱的結合度を高めるように作用するトリガー手段と；を具備することを特徴とする。

本発明及び以下の発明において、特に指定しない限り用語の定義及び技術的意味は次による。発光素子とは、ＬＥＤや有機ＥＬ等の固体発光素子である。発光素子の実装は、チップ・オン・ボード方式や表面実装方式によって実装するのが好ましいが、本発明の性質上、実装方式は特に限定されない。また、発光素子の実装個数には特段制限はない。放熱部材には、いわゆるヒートシンク、装置の本体、ケースあるいはカバー等と指称されるものが含まれる。要は、放熱部材は、基板と熱的に結合される熱伝導性を有する手段を意味する。トリガー手段は、基板の放熱部材への熱的結合度を高めるように作用する手段であり、単一の構成要素又は複合的構成要素から構成される場合がある。

請求項２に記載の光源ユニットは、請求項１に記載の光源ユニットにおいて、前記トリガー手段は、基板の表面側の線膨張率α_Ａと裏面側の線膨張率α_Ｂとの関係をα_Ａ＜α_Ｂとなし、基板の裏面側に位置し、基板が熱的に結合される放熱部材の結合面を凹曲面状に形成して構成されていることを特徴とする。

請求項３に記載の光源ユニットは、請求項１又は請求項２に記載の光源ユニットにおいて、前記トリガー手段は、基板が熱的に結合される放熱部材の結合面を凹曲面状に形成して基板面を放熱部材側へ突出させて曲面状に形成することを特徴とする。

請求項４に記載の光源ユニットは、請求項１乃至請求項３のいずれか一に記載の光源ユニットにおいて、基板の一端を放熱部材から基板に向かって広がるテーパ面で係止する係止手段及び基板の他端を放熱部材に固定する固定手段を有することを特徴とする。

請求項５に記載の照明装置は、請求項１乃至請求項４のいずれか一に記載の光源ユニットと；この光源ユニットを備える装置本体と;を具備することを特徴とする。照明装置には、いわゆる空間を照らす照明器具やディスプレイ装置等が含まれる。

請求項１に記載の発明によれば、基板の熱的変形に伴い、基板の放熱部材への熱的結合度が高くなるので、放熱が効果的に行える光源ユニットを提供することができる。

請求項２に記載の発明によれば、請求項１に記載の発明の効果に加え、基板の線膨張率を有効に利用してトリガー手段を構成できる。

請求項３に記載の発明によれば、請求項１に記載の発明の効果に加え、基板面を放熱部材側へ突出させて曲面状に形成したので、トリガー手段としての作用が確実に機能する効果を奏する。

請求項４に記載の発明によれば、請求項１に記載の発明の効果に加え、トリガー手段を基板の係止手段及び固定手段で構成できる。

請求項５に記載の発明によれば、上記各請求項に記載の光源ユニットが奏する効果を得ることができる照明装置を提供できる。

以下、本発明の第１の実施形態に係る光源ユニットについて図１を参照して説明する。図１は、光源ユニットを模式的に示す断面図及び平面図である。光源ユニット１は、光源となる発光素子が実装された基板２と、放熱部材３とを備えている。基板２の表面側には、発光素子としてＬＥＤ４が表面実装方式で複数個、縦４個×横５個＝２０個マトリクス状に実装されている。ＬＥＤ４は、表面実装型のＬＥＤパッケージであり、概略的にはセラミックスで形成された本体に配設されたＬＥＤチップと、このＬＥＤチップを封止するエポキシ系樹脂やシリコーン樹脂等のモールド用の透光性樹脂とから構成されている。ＬＥＤチップには、青色光を発光する青色のＬＥＤチップが用いられており、モールド用の透光性樹脂は、ＬＥＤチップの発光を吸収して黄色系の光を発生する蛍光体を含有しており、ＬＥＤチップからの光は、ＬＥＤパッケージの透光性樹脂を透過して白色や電球色等の白色系の発光色となって外部へ放射されるようになっている。なお。ＬＥＤは、チップ・オン・ボード方式で直接基板２に実装するようにしてもよい。

基板２は、絶縁材であるガラスエポキシ樹脂の略長方形状の平板からなり、裏面側の略一面に放熱用の銅箔が設けられており、表面側には銅箔で形成された配線パターンが施されている。また、適宜レジスト層が施されるようになっている。因みに、ガラスエポキシ樹脂の線膨張率α₁は、約１２×１０^−６／℃であり、銅箔の線膨張率α₂は、約１７×１０^−６／℃であり、基板２が複数層で構成されている場合、基板２の表面側と裏面側の線膨張率は複合的なものとなるが、ここでは、例えば、基板２の断面において、厚さが半分の位置を基準の位置として基準の位置よりも表面側の線膨張率をα_A、裏面側の線膨張率をα_Bとすると、α_B＞α_Aの関係となっている。ここで、線膨張率をα_A、α_Bは、平均値を示し、温度上昇に伴い裏面側の伸びが表面側に比べて大きくなる構成であることを意味する。なお、基板２の材料は、絶縁材とする場合には、放熱特性が比較的良好で、耐久性に優れたセラミック材料又は合成樹脂材料を適用できる。また、金属製とする場合は、アルミニウム等の熱伝導性が良好で放熱性に優れた材料を適用するのが好ましい

放熱部材３は、例えば、アルミニウム等の熱伝導性を有する金属製であり、基板２が取付けられる結合面３ａは、基板２と同様に略長方形状をなし、かつ凹曲面状に形成されている。具体的には、緩やかな弧状をなして凹んで形成されている。また、結合面３ａの長手方向の両端には係止枠３ｂ、３ｃが突出して形成されており、一方の係止枠３ｃは鍵状をなしている。さらに、結合面３ａとは反対側の面には、放熱表面積を増大するため、多数の放熱フィン３ｄが形成されている。基板２の放熱部材３への取付けにあたっては、基板２の裏面側が放熱部材３の結合面３ａに対向するように取付けられる。まず、基板２の一端側が係止枠３ｃの鍵状の部分に挿入され、他端側の２箇所が固定手段としてのねじ５によって締付けられ固定される。なお、基板２と結合面３ａとの間には、熱伝導性のシート等を介在させるようにしてもよい。また、放熱部材３には、いわゆるヒートシンク、装置の本体、ケースあるいはカバー等と指称されるものが含まれる。要は、放熱部材３は、基板２と熱的に結合される熱伝導性を有する手段を意味する。

以上のような構成において、電源が投入されると、図示しない点灯回路が動作して基板２に電力が供給され、ＬＥＤ４が発光する。一方、これに伴いＬＥＤ４から発生する熱が基板２に伝わり、基板２は、熱膨張により基板４の長さ方向に伸びようとする。この場合、基板２の表面側の線膨張率α_Aと裏面側の線膨張率α_Bとの関係がα_B＞α_Aとなっていること、放熱部材３の結合面３ａが凹曲面状に形成されていること及び基板２の固定構造（鍵状の係止枠３ｃ及びねじ５の頭部によって基板２は表面側方向から押えられている）等により、基板２は、結合面３ａの方向（矢印で図示する）に向かって湾曲するように変形し、つまり、基板２の裏面側は、凹曲面状の結合面３ａに密着するように変形していく。したがって、基板２の放熱部材３への熱的結合度が高くなり、基板２からの熱は、放熱部材３へ効果的に伝導され放熱が促進される。また、基板２の変形量は、基板２の温度上昇と比例関係にあるので、温度上昇に従い、その密着度が高まり、すなわち、基板２の放熱部材３への熱的結合度が高くなり、放熱効果が向上するように作用する。なお、基板２の裏面側と結合面３ａとの密着は、全面的な接触ではなく、部分的に密着するような構成としてもよい。

ここで、基板２が結合面３ａの方向に変形するように作用しているのは、基板２の線膨張率の関係がα_B＞α_Aとなっていること、結合面３ａが凹曲面状に形成されていること及び基板２の固定構造であり、これら複合的構成要素でトリガー手段が構成されているものである。つまり、トリガー手段とは、基板２が結合面３ａの方向に変形するように作用する構成要素を意味しており、上記では複合的構成要素から構成されているが、単一の構成要素であってもよい。

なお、上述の構成では、基板２の表面側の線膨張率α_aと裏面側の線膨張率α_Bとの関係がα_B＞α_Aとなる場合について説明したが、α_B＜α_Aとなる基板を適用してもよい。この場合においても基板が結合面３ａの方向に変形するようにトリガー手段を構成すればよい。したがって、結果的には、線膨張率がα_A≠α_Bの関係の基板の適用が可能となる。

以上のように本実施形態によれば、基板２の熱的変形に伴い、基板２の放熱部材３への熱的結合度が高くなるので、放熱が効果的に行える光源ユニット１を提供することができる。

次に、本発明の第２の実施形態に係る光源ユニットについて図２を参照して説明する。図２は、光源ユニットを模式的に示す断面図及び平面図である。なお、以降第１の実施形態と同一又は相当部分には同一符号を付し、重複した説明は省略する。本実施形態では、基板２を円形板状に構成しており、これに従い放熱部材３の結合面３ａも円形状に形成したものである。基板２の表面側には、発光素子としてＬＥＤ４が表面実装方式で放射状に略等間隔で配置され実装されている。また、放熱部材３の周縁部には係止枠３ｅが突出して形成されている。基板２の放熱部材３への取付けにあたっては、基板２の裏面側が放熱部材３の結合面３ａに対向するように、基板２の略中央部から固定手段としてのねじ５によって締付け固定する。この状態では、ねじ５の締付け力により、基板２の略中央部は、結合面３ａ方向へ僅かに凹んで湾曲して固定されるようになる。

本実施形態によれば、第１の実施形態と同様に、基板２の線膨張率の関係、結合面３ａの凹曲面状及び基板２の固定構造によってトリガー手段が構成され、基板２の熱的変形に伴い、基板２の放熱部材３への熱的結合度が高くなり、放熱を効果的に行うことができる。

次に、本発明の第３の実施形態に係る光源ユニットについて図３を参照して説明する。図２は、光源ユニットを模式的に示す断面図である。本実施形態では、基板２を予め裏面側が突出するように曲面状に形成したものである。したがって、基板２の取付け状態では、基板２の裏面側が結合面３ａ側へ突出するように曲面状をなしている。

このような構成によれば、基板２は、予め曲面状に形成されており、その曲面状に突出した方向に方向付けられているので、基板２が熱膨張により変形する場合、当該方向に変形しやすく、基板２の裏面側が結合面３ａに密着する方向に変形する。したがって、この基板２を曲面状に形成した構成がトリガー手段の一構成要素となっているものである。なお、本実施形態の場合、基板２の表面側の線膨張率α_Aと裏面側の線膨張率α_Bとの関係は、α_A≠α_Bであってもα_A＝α_Bであってもよい。基板２が予め曲面状に形成されていることにより変形する方向が規制されているためである。

以上のように本実施形態によれば、第１の実施形態と同様に、基板２の熱的変形に伴い、基板２の放熱部材３への熱的結合度を高めることが可能となり、放熱を効果的に行うことができる。

続いて、本発明の第４の実施形態に係る光源ユニットについて図４を参照して説明する。図４は、光源ユニットを模式的に示す断面図及び要部の拡大断面図である。本実施形態では、放熱部材３の結合面３ａを平坦に形成し、基板２の裏面側も平坦に形成したものであり、係止枠３ｃの形態を異ならしめたものである。図４(ｂ)に示すように、係止枠３ｃの鍵状の部分には、図示上、放熱部材３から基板２への下方に向かって広がりをなすテーパ面３ｆが形成されている。

このような構成によれば、基板２が熱膨張により長さ方向に伸びようとすると、基板２の一端角部２ｃがテーパ面３ｆ上でのすべりを伴いながら係止し、基板２は、結合面３ａの方向へ密着するように変形していく。したがって、密着度が高まり、基板２の放熱部材３への熱的結合度が高まる。本実施形態の場合、係止手段としてのテーパ面３ｆを有する係止枠３ｃがトリガー手段を構成しているものである。なお、基板２の表面側の線膨張率α_Aと裏面側の線膨張率α_Bとの関係は、α_A≠α_Bであってもα_A＝α_Bであってもよい。

次に、本発明の実施形態に係る照明装置について図５を参照して説明する。図５は、照明装置を示す斜視図である。照明装置として天井埋込形のダウンライト１０を示している。ダウンライト１０は、熱伝導性の筒状本体１１と、この筒状本体１１に取付けられた化粧枠１２と、同じく筒状本体１１に取付けられた前記実施形態の光源ユニット１と、筒状本体１１内に収納された電源ユニット１３と、反射体１４及び反射体１４の前方に配設された透光性カバー１５とを備えている。また、筒状本体１１の外面には、端子台１６が配置されており、化粧枠１２には、一対の取付け用板ばね１７が装着されている。

本実施形態のダウンライト１０によれば、前記各実施形態の光源ユニット１を備えているので、放熱効果を向上できるダウンライト１０を提供することができる。

なお、本発明は、上記実施形態の構成に限定されることなく、発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の変形が可能である。例えば、本発明は、いわゆる空間を照らす照明器具やディスプレイ装置等にも適用可能である。

本発明の第１の実施形態に係る光源ユニットを示す断面図及び平面図である。同第２の実施形態に係る光源ユニットを示す断面図及び平面図である。同第３の実施形態に係る光源ユニットを示す断面図である。同第４の実施形態に係る光源ユニットを示す断面図及び要部の拡大断面図である。本発明の実施形態に係る照明装置を示す斜視図である。

符号の説明

１・・・光源ユニット、２・・・基板、３・・・放熱部材、
３ａ・・・放熱部材の結合面、４・・・発光素子（ＬＥＤ）、
１０・・・照明装置（ダウンライト）

Claims

複数の発光素子が表面側に実装された基板と；
この基板が熱的に結合される放熱部材と；
前記基板が熱により変形する場合、基板の放熱部材への熱的結合度を高めるように作用するトリガー手段と；
を具備することを特徴とする光源ユニット。
前記トリガー手段は、基板の表面側の線膨張率α_Aと裏面側の線膨張率α_Bとの関係をα_A＜α_Bとなし、基板の裏面側に位置し、基板が熱的に結合される放熱部材の結合面を凹曲面状に形成して構成されていることを特徴とする請求項１に記載の光源ユニット。
前記トリガー手段は、基板が熱的に結合される放熱部材の結合面を凹曲面状に形成して基板面を放熱部材側へ突出させて曲面状に形成することを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の光源ユニット。
前記トリガー手段は、基板の一端を放熱部材から基板に向かって広がるテーパ面で係止する係止手段及び基板の他端を放熱部材に固定する固定手段を有することを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか一に記載の光源ユニット。
請求項１乃至請求項４のいずれか一に記載の光源ユニットと；
この光源ユニットを備える装置本体と;
を具備することを特徴とする照明装置。