JP2010093008A - 発光ダイオードユニット及び照明器具 - Google Patents

Abstract

【課題】放熱性の優れた発光ダイオオードユニット、及び照明器具を提供する。
【解決手段】表面に電源配線１０２がプリントされた基板１０１に、該基板１０１を貫通する孔部１０４を設け、前記基板１０１の裏面にヒートシンクを配設し、その底面に放熱部材を備えるＬＥＤ１０３を前記孔部１０４に挿入し、前記放熱部材と前記ヒートシンクとを粘着部材により接合し、前記発光ダイオード１０３の電極端子１０３ｂと前記基板１０１上の電源配線１０２とを電気的に接続する。これにより、ＬＥＤ１０３より発生する熱の放熱性を高めることができ、この結果、発光ダイオードユニット１００に対して高い値の電流を流すことができるようになり、ＬＥＤ１０３の発光輝度を高めることが可能となる。
【選択図】図１

Description

本発明は、プリント基板に発光ダイオードを実装した発光ダイオードユニット、及び該発光ダイオードユニットを使用した照明器具に関し、特に、発光ダイオードより発生する熱の放熱性に優れた発光ダイオードユニット、及び照明器具に関するものである。

近年、照明器具の光源として、高出力、高輝度型の発光ダイオード（ＬＥＤ）が用いられるようになっている。この高出力型のＬＥＤは、従来のＬＥＤに比べて輝度が非常に高い一方で、発熱量も非常に大きい。ＬＥＤは、熱により発光効率や耐久性が劣化するので、高出力型のＬＥＤを光源として使用する場合は、放熱対策を施す必要がある。

図６は、特許文献１に記載の発光ダイオードユニット５００の構成を示す図である。

図６において、発光ダイオードユニット５００は、基板５０１の表面に配線パターン５０２が形成され、該配線パターン５０２に３個のＬＥＤ５０３Ｒ、５０３Ｇ、５０３Ｂが接続されている。配線パターン５０２は、樹脂などの保護層５０４により保護されている。基板５０１の裏面には、ＬＥＤ５０３Ｒ、５０３Ｇ、５０３Ｂに対応する位置に、金属製の放熱板であるヒートシンク５０５が接着されている。

以上のように構成される従来の発光ダイオードユニット５００では、ＬＥＤ５０３Ｒ、５０３Ｇ、５０３Ｂが発光すると、各ＬＥＤより発生した熱は、基板５０１を介してヒートシンク５０５へと伝わり、その後空気中に放熱される。
特開２００３−０９２０１１号公報

しかしながら、発光ダイオードユニット５００の基板５０１は、通常ガラスエポキシや合成樹脂フィルム等の熱伝導性が低い材質により形成されており、基板５０１を介して熱をヒートシンク５０５に伝える上記従来の構造では、効率よく放熱を行うことができない。

ＬＥＤの発熱量は、印加する電流量に応じて多くなるので、放熱効率の低い上記従来の発光ダイオードユニット５００では、ＬＥＤに対して多くの電流を流すことができず、結果としてＬＥＤの照射輝度を高めることができなかった。また、従来の発光ダイオードユニットを、各種の照明器具の光源として利用したとしても、照明器具としての十分な輝度を得ることができなかった。

本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、発光ダイオードより発生する熱の放熱性を高め、より多くの電流を流すことで照射輝度を高めることが可能な発光ダイオードユニット、及び該発光ダイオードユニットを用いた照明器具を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明の請求項１に係る発光ダイオードユニットは、表面に電源配線がプリントされた基板に、該基板を貫通する孔部を設け、前記基板の裏面にヒートシンクを配設し、その底面に放熱部材を備える発光ダイオードを前記孔部に挿入し、前記放熱部材と前記ヒートシンクとを接合し、前記発光ダイオードの電極端子と前記基板上の電源配線とを電気的に接続してなることを特徴とする。

これにより、発光ダイオードより生じる熱を効率よく放熱することができる。

また、本発明の請求項２に係る発光ダイオードユニットは、請求項１に記載の発光ダイオードユニットにおいて、前記ヒートシンクは、前記基板の底面の、少なくとも前記孔部を塞ぐ位置に配設されていることを特徴とする。

これにより、ヒートシンクの形状を任意のものとすることができ、発光ダイオードユニットを搭載する照明器具を設計する際に、設計の自由度を増すことができる。

また、本発明の請求項３に係る照明器具は、発光ダイオードを光源とする照明器具において、表面に電源配線がプリントされた基板に該基板を貫通する孔部が設けられ、前記基板の裏面にヒートシンクが配設され、その底面に放熱部材を備える発光ダイオードが前記孔部に挿入され、前記放熱部材と前記ヒートシンクとが接合され、前記発光ダイオードの電極端子と前記基板上の電源配線とが電気的に接続されてなる発光ダイオードユニットを備えることを特徴とする。

これにより、発光ダイオードより生じる熱を効率よく放熱することができ、照明器具の照射輝度を高めることが可能となる。

また、本発明の請求項４に係る照明器具は、請求項３に記載の照明器具において、前記ヒートシンクと、当該照明器具の筐体の少なくとも一部とが当接していることを特徴とする。

これにより、発光ダイオードより生じる熱を、照明器具全体により効率よく放熱することができる。

また、本発明の請求項５に係る照明器具は、請求項３または４に記載の照明器具において、前記発光ダイオードユニットは、交流電流により駆動することを特徴とする。

これにより、照明器具点灯時の発熱量を抑えることが可能となる。

本発明による発光ダイオードユニットによれば、基板に孔部を設け、基板の底面にヒートシンクを配設し、孔部にＬＥＤを挿入して、ＬＥＤの放熱部材と、ヒートシンクとを直接接合するものとし、ＬＥＤより発生した熱を、基板を介さず直接ヒートシンクに伝えることとしたので、ＬＥＤより発生する熱の放熱性を高めることができる。この結果、発光ダイオードユニットに対して高い値の電流を流すことができるようになり、ＬＥＤの発光輝度を高めることが可能となる。

また、本発明による発光ダイオードユニットによれば、ヒートシンクの形状を任意なものとすることができるので、当該発光ダイオードユニットを照明器具に搭載する際に、照明器具の設計の自由度を増すことができる。

また、本発明による照明器具によれば、基板に孔部を設け、基板の底面にヒートシンクを配設し、孔部にＬＥＤを挿入し、ＬＥＤの放熱部材と、ヒートシンクとを直接接合してなる発光ダイオードユニットを光源として使用し、照明器具の筐体と、ヒートシンクとを当接させることとしたので、発光ダイオードより生じた熱を、照明器具全体で放熱することが可能となる。この結果、発光ダイオードユニットに対して高い値の電流を流すことができるようになり、照明器具の照射輝度を高めることができる。

また、本発明による照明器具によれば、発光ダイオードユニットを交流電流で駆動することとしたので、照明器具の点灯時間全体における発熱量を抑えることが可能となる。

以下、本発明の実施の形態について説明する。

（実施の形態１）
図１は、本実施の形態１に係る発光ダイオードユニット（ＬＥＤユニット）１００の正面図であり、図２はＬＥＤユニット１００の断面図である。

図１、及び図２において、１０１は、発光ダイオードが実装される基板である。本実施の形態１では、基板１０１として、ガラスエポキシ製のものを使用している。基板１０１の表面には、薄膜銅などにより電源配線１０２がプリント形成されている。１０３は、発光ダイオード（ＬＥＤ）である。ＬＥＤ１０３は、図２に示すように、その底面に金属製の放熱部材１０３ａを有する高出力タイプのものであり、２本の電極端子１０３ｂを有している。

基板１０１には、基板１０１を貫通する孔部１０４が設けられている。孔部１０４は、ＬＥＤ１０３が挿入されるものであり、その形状、大きさは、実装するＬＥＤ１０３の形状、大きさに合わせて任意のものとすることができる。

基板１０１の底面には、図２に示すように、アルミやステンレス等の金属部材よりなるヒートシンク１０５が接合される。本実施の形態１において、ヒートシンク１０５の形状は、基板１０１と同一形状のものとし、基板１０１の裏面全面に接合している。

ＬＥＤ１０３は、基板１０１の孔部１０４の内部に挿入され、ＬＥＤ１０３の放熱部材１０３ａが、熱伝導性を有する接着部材によりヒートシンク１０５に接合され、ＬＥＤ１０３の電極端子１０３ｂはそれぞれ、電源配線１０２に電気的に接続される。

本実施の形態１の発光ダイオードユニット１００は、上記のようにヒートシンク１０５に直接接合させたＬＥＤ１０３を３個直列に接続し、これを基板１０１上に３列に配設したものである。

なお、本実施の形態１では、ＬＥＤ１０３の放熱部材１０３ａを、ヒートシンク１０５に、接着部材を用いて接合するものとしたが、ＬＥＤ１０３の放熱部材１０３ａがヒートシンク１０５に当接さえしていれば、接着部材を用いて接合しなくてもよい。また、本実施の形態１では、ヒートシンク１０５を基板１０１の裏面に接合しているが、ＬＥＤ１０３の放熱部材１０３ａと、ヒートシンク１０５とが直接当接し、あるいは接着部材を介して接合するのであれば、ヒートシンク１０５は、必ずしも基板１０１に接合させる必要はない。

また、本実施の形態１では、ヒートシンク１０５の形状は、基板１０１と同一形状のものとしているが、ヒートシンク１０５はこのような形状に限られるものではなく、少なくとも孔部１０４の下面にヒートシンク１０５が位置し、ＬＥＤ１０３の放熱部材１０３ａとヒートシンク１０５とが直接当接することができ、あるいは接着部材を介して接合することができるものであれば、ヒートシンク１０５の形状は任意のものとすることができる。例えば、図３（ａ）、および図３（ｂ）で示すように、ヒートシンク１０５を、金属部材（例えばアルミ部材）よりなる円柱形状のものとし、これを孔部１０４の下面を覆うようにそれぞれ配設し、ＬＥＤ１０３の放熱部材１０３ａと、ヒートシンク１０５とを直接当接させ、あるいは接着部材を介して接合させるものとしてもよい。また、基板１０１上に実装するＬＥＤ１０３の数量、及び配置位置は、本実施の形態１で示すものに限定されるものではない。

次に、以上のように構成されるＬＥＤユニット１００の作用効果について説明する。

図示しない電力供給ユニットより電流を印加しＬＥＤ１０３を発光させると、ＬＥＤ１０３より発生した熱は、ＬＥＤ１０３の放熱部材１０３ａよりヒートシンク１０５に直接伝わり、ヒートシンク１０５より放熱される。このＬＥＤユニット１００の放熱効果を、図４を用いて具体的に説明する。

図４は、本実施の形態１に係るＬＥＤユニット１００と、従来のＦＲ４基板上にＬＥＤを接合させたＬＥＤユニットそれぞれの、ジャンクション温度の時間変化を示すグラフである。なお、図４は、ヒートシンク１０５の温度が、２３℃から２５℃で一定の場合に、順方向電流を３５０ｍＡ流したときの、ジャンクション温度の時間変化を測定したものである。また、図４で示す温度は９個のＬＥＤ４の平均値を示すものである。

図４において、横軸は時間（秒）を表し、縦軸はジャンクション温度（℃）を表す。また、ａは、ＦＲ４基板上にＬＥＤを接合させた従来のＬＥＤユニットにおける測定結果を表し、ｂは、上述したＬＥＤユニット１００において、ＬＥＤ１０３の放熱部材１０３ａを、ヒートシンク１０５に当接させたのみの状態（接着部材による接合を行っていない状態）の測定結果を表し、ｃは、本実施の形態１に係るＬＥＤユニット１００における測定結果を表す。

測定開始後２００秒経過後のジャンクション温度は、従来のＬＥＤユニット（図４ａ）では１０８℃を示し、上述したＬＥＤユニット１００において、ＬＥＤ１０３を、ヒートシンク１０５に接合しない場合（図４ｂ）は、９６℃を示し、本実施の形態１に係るＬＥＤユニット１００（図４ｃ）では８３℃を示した。

図４で示す測定結果より、本実施の形態１に係るＬＥＤユニット１００は、従来のＬＥＤユニットに比べて、ＬＥＤ１０３より発生した熱を効率よく放熱していることが確認できる。また、上述したＬＥＤユニット１００において、ＬＥＤ１０３を、ヒートシンク１０５に接合せず、当接させるのみであっても、従来のＬＥＤユニットに比べて放熱性が改善されていることが確認できる。

このように、本実施の形態１に係るＬＥＤユニット１００では、従来のＬＥＤユニットよりも高い放熱効果を得ることができる。したがって、従来のＬＥＤユニットよりも高い値の電流を流すことができるようになり、この結果、ＬＥＤ１０３の発光輝度を高めることが可能となる。

また、本実施の形態１の発光ダイオードユニット１００では、ヒートシンク１０５の形状は、基板１０１の孔部１０４の下部にて、ＬＥＤ１０３の放熱部材１０３ａと、ヒートシンク１０５の一部とが接合することができるものであれば、任意な形状とすることができる。このため、従来のＬＥＤユニットのように、必ずしもヒートシンク１０５全体を、ＬＥＤ１０３の下方に位置する領域に配設する必要はない。したがって、ＬＥＤユニット１００を照明器具に実装する際に、ＬＥＤ１０３の下方に位置する領域にヒートシンク１０５全体を配置する十分なスペースがない場合であっても、ヒートシンク１０５の形状を適宜変更することで対応することができる。

以上のように、本実施の形態１の発光ダイオードユニットによれば、基板に孔部を設け、基板の底面にヒートシンクを配設し、基板の孔部にＬＥＤを挿入し、ＬＥＤの放熱部材と、ヒートシンクとを直接接合するものとし、ＬＥＤより発生した熱を、基板を介さず直接ヒートシンクに伝えることとしたので、ＬＥＤより発生する熱の放熱性を高めることが可能となり、これにより、ＬＥＤユニットに対して高い値の電流を流すことができるようになり、ＬＥＤの発光輝度を高めることが可能となる。

また、本実施の形態１の発光ダイオードユニットによれば、ヒートシンクの形状、配置位置は、ヒートシンクと、ＬＥＤの放熱部材とが接合することができるものであれば、任意なものとすることができるので、発光ダイオードユニットを照明器具に実装する際に、該照明器具の設計の自由度を増すことができる。

（実施の形態２）
本実施の形態２は、上述した実施の形態１に係るＬＥＤユニット１００を、その光源として使用する照明器具について述べるものである。本実施の形態２では、照明器具の具体例として、街路灯について述べる。

図５（ａ）は、街路灯４００の内部構成を示す図である。また、図５（ｂ）は、街路灯４００の概略断面図である。

図５（ａ），（ｂ）において、４０１は、街路灯４００の筐体であり、アルミ等の熱伝導性の高い部材により形成されている。なお、筐体４０１の材質はこれに限られるものではなく、樹脂等いかなるものであっても良い。１００は、上述した実施の形態１に係るＬＥＤユニット１００であり、本実施の形態２のＬＥＤユニット１００は、１つの基板上に１８個のＬＥＤを実装するものである。筐体４０１の内側には、ＬＥＤユニット支持部４０１ａが凸設されており、ＬＥＤユニット１００は、ヒートシンク１０５と、ＬＥＤユニット支持部４０１ａの上側平面部とが当接した状態で、ネジ部材４０５により固定される。

また、図５（ａ）において、４０２は電極ターミナルであり、トランス（図示せず）により１００Ｖから１２Ｖに変換された交流電流を入力とする。４０３はダイオードブリッジであり、電極ターミナル４０２より供給される交流電流を整流するものである。４０４は抵抗であり、ＬＥＤユニット１００に供給する電流値を制御するものである。

次に、以上のように構成される街路灯４００の作用効果について説明する。

街路灯４００を点灯させると、ＬＥＤ１０３より発生した熱は、ＬＥＤユニット１００のヒートシンク１０５に伝わり、さらにＬＥＤユニット支持部４０１ａを介して、筐体４０１全体に伝わる。従って、ＬＥＤ１０３より発生した熱は、ヒートシンク１０５のみならず、街路灯４００全体より放熱されることになる。

また、本実施の形態２では、ＬＥＤユニット１００は、ダイオードブリッジ４０３により整流された交流電流で駆動しており、街路灯４００の点灯時においても、ＬＥＤ１０３の点灯がＯＦＦとなる期間が、瞬間的に連続して発生する。従って、当該ＬＥＤ１０３の点灯ＯＦＦ期間は熱の発生は抑えられることになり、結果として、街路灯４００が点灯する時間全体の発熱量が抑えらることになる。

このように、本実施の形態２による街路灯４００は、従来のＬＥＤユニットを使用する街路灯に比べて、ＬＥＤ１０３より発生した熱を効率的に放熱することができ、かつ発熱量も抑えることができるので、従来のＬＥＤユニットよりも高い値の電流を流すことができるようになり、この結果、街路灯４００の照射輝度を高めることが可能となる。

なお、ＬＥＤユニット１００自身による十分な放熱効果は、上記実施の形態１で述べたように、ＬＥＤユニット１００を直流電流で駆動させても得ることができ、このため、上記街路灯４００を直流電流で点灯するようにしてもよい。

以上のように、本実施の形態２による照明器具によれば、上述した実施の形態１に係るＬＥＤユニットをその光源として使用し、さらに、ＬＥＤユニットのヒートシンクと、照明器具の筐体とを当接させることとしたので、照明器具の点灯時に発生する熱を、照明器具全体で効率よく放熱することができる。また、ＬＥＤユニットを、交流電流により駆動させるので、照明器具の点灯時間全体の発熱量を抑えることが可能となる。この結果、本実施の形態２による照明器具によれば、ＬＥＤユニットに対して高い値の電流を流すことができるようになり、照明器具の照射輝度を高めることが可能となる。

本発明によれば、高輝度、かつ放熱効果の優れた照明器具を提供することができる点において有用である。

本実施の形態１に係る発光ダイオードユニットの正面図である。 本実施の形態１に係る発光ダイオードユニットの断面図である。 本実施の形態１に係る発光ダイオードユニットのヒートシンクの実施例を説明するための正面図である。 本実施の形態１に係る発光ダイオードユニットのヒートシンクの実施例を説明するための断面図である。 本実施の形態１に係る発光ダイオードユニットと、従来の発光ダイオードユニットにおける、ＬＥＤ点灯時のジャンクション温度の変化を示す図である。 図５（ａ）は、本実施の形態２に係る街路灯の内部構成を示す図であり、図５（ｂ）は、本実施の形態２に係る街路灯の概略断面図である。 従来の発光ダイオードユニットの構成を示す図である。

符号の説明

１０１ 基板
１０２ 電源配線
１０３ 発光ダイオード（ＬＥＤ）
１０３ａ 放熱部材
１０３ｂ 電極端子
１０４ 孔部
１０５ ヒートシンク
４０１ 筐体
４０１ａ ＬＥＤユニット支持部
４０２ 電極ターミナル
４０３ ダイオードブリッジ
４０４ 抵抗
４０５ ネジ部材
５０１ 基板
５０２ 配線パターン
５０３Ｒ，５０３Ｇ，５０３Ｂ 発光ダイオード
５０４ 保護層
５０５ ヒートシンク

Claims (5)

1. 表面に電源配線がプリントされた基板に、該基板を貫通する孔部を設け、
   前記基板の裏面にヒートシンクを配設し、
   その底面に放熱部材を備える発光ダイオードを前記孔部に挿入し、前記放熱部材と前記ヒートシンクとを接合し、前記発光ダイオードの電極端子と前記基板上の電源配線とを電気的に接続してなる、
   ことを特徴とする発光ダイオードユニット。
2. 請求項１に記載の発光ダイオードユニットにおいて、
   前記ヒートシンクは、前記基板の底面の、少なくとも前記孔部を塞ぐ位置に配設されている、
   ことを特徴とする発光ダイオードユニット。
3. 発光ダイオードを光源とする照明器具において、
   表面に電源配線がプリントされた基板に該基板を貫通する孔部が設けられ、前記基板の裏面にヒートシンクが配設され、その底面に放熱部材を備える発光ダイオードが前記孔部に挿入され、前記放熱部材と前記ヒートシンクとが接合され、前記発光ダイオードの電極端子と前記基板上の電源配線とが電気的に接続されてなる発光ダイオードユニットを備える、
   ことを特徴とする照明器具。
4. 請求項３に記載の照明器具において、
   前記ヒートシンクと、当該照明器具の筐体の少なくとも一部とが当接している、
   ことを特徴とする照明器具。
5. 請求項３または４に記載の照明器具において、
   前記発光ダイオードユニットは、交流電流により駆動する、
   ことを特徴とする照明器具。

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