JP2011129469A

JP2011129469A - 照明器具

Info

Publication number: JP2011129469A
Application number: JP2009289561A
Authority: JP
Inventors: Takaaki Kataoka; 高明片岡
Original assignee: Panasonic Electric Works Co Ltd
Current assignee: Panasonic Electric Works Co Ltd
Priority date: 2009-12-21
Filing date: 2009-12-21
Publication date: 2011-06-30

Abstract

【課題】ＬＥＤパッケージの外郭に接合された熱伝導性部材を介して、ＬＥＤの熱を効率的に器具筺体に放熱し、ＬＥＤを長寿命化することができる照明器具を提供する。
【解決手段】基板２２に実装されるＬＥＤパッケージ２１は、基板２２を貫通して形成された長穴３２（３２ａ，３２ｂ）に嵌挿され、ＬＥＤパッケージ２１の側面に当接する熱伝導性部材２３を介して基板２２の裏側側に配置される放熱部材としての放熱シート４５にＬＥＤの熱を伝導する。
【選択図】図２

Description

本発明は、照明器具に係り、特にＬＥＤパッケージの熱を効率的に放熱して発光輝度の劣化を防止し、長寿命化を図った照明器具に関する。

ＬＥＤ（発光ダイオード）素子は、高い光変換効率を有して消費電力が小さいと共に、蛍光灯などのように水銀を使用しないなど、環境性能に優れることから、近年、照明用光源として注目されており、照明器具として実用化されている。照明用のＬＥＤは、樹脂やセラミックなどの絶縁容器内にＬＥＤ素子や蛍光体を配置したＬＥＤパッケージとして一般に使用されている。

このような従来の照明器具としては、発光面側がレンズで包囲されて基板に実装された発光ダイオードを、発光ダイオードとレンズとの光軸が一致するように器具本体に取付け可能にした照明器具が知られている（例えば、特許文献１参照。）。

また、発光素子が実装される素子実装基板と、放熱性の高いＳｉＣ，ＡｌＮ，又はセラミックスで形成された配線基板とを接合し、更に素子実装基板および配線基板にそれぞれ形成された放熱ビア同士を接続して、発光素子の熱を配線基板から放熱し、温度上昇を抑制するようにした照明装置が開示されている（例えば、特許文献２参照。）。

更に、放熱板と基板との間に熱伝導パッドを挟んで積層し、放熱板上に配置した多数の発光ダイオードの端子を、放熱板および熱伝導パッドを貫通させて基板に接合して、発光ダイオードから発生する熱を放熱するようにした照明装置の放熱構造が知られている（例えば、特許文献３参照。）。

特開２００６−２４３８１号公報特開２００９−２２４４６９号公報実用新案登録第３１１２５５５号公報

特許文献１に記載の照明器具は、支持部材を基板側から器具本体に取付けて、発光ダイオードと光制御体との光軸合わせを容易に行えるようにすることを目的としたものであり、ＬＥＤの放熱に関しての記述はないものの、基板側では該基板を介して器具本体から放熱し、また、発光面側では空気への熱放射によって放熱するものと推定される。しかし、両者とも熱伝導率は低く、効果的に放熱することはできない。

また、特許文献２に記載の照明装置は、それぞれ放熱ビアが設けられた素子実装基板、及び配線基板を接合する構成となっているため、機構が複雑であるばかりでなく、配線基板が放熱性の高いＳｉＣ，ＡｌＮ，またはセラミックスとする必要があり、製作コストが嵩む虞がある。

更に、特許文献３に記載の発光ダイオードランプの放熱構造は、発光ダイオードから発生する熱を、発光ダイオードの端子から熱伝導パッド全面に拡散し、さらに放熱板の全面に伝えて、広い面積の放熱面から放熱するようにしたものであるが、すべての発光ダイオードの端子を、放熱板、熱伝導パッド、及び基板に形成されたそれぞれの挿通孔に挿通させなければならず、多くの組付け工数を要する問題があった。また、放熱板、熱伝導パッド、及び基板に熱を伝導する発光ダイオードの端子が細く、熱伝導面積が小さいため、効率的に発光ダイオードの熱を伝達するためには改善の余地があった。

本発明は、前記実情に鑑みてなされたものであり、ＬＥＤパッケージの外郭に接合された熱伝導性部材を介して、ＬＥＤの熱を効率的に器具筺体に放熱し、ＬＥＤを長寿命化することができる照明器具を提供することを目的とする。

本発明の上記目的は、下記の構成により達成される。
（１）少なくとも一つのＬＥＤパッケージと、前記ＬＥＤパッケージが実装される基板とを具備した照明器具であって、
前記ＬＥＤパッケージは、前記ＬＥＤパッケージ側面に当接し、前記基板を貫通する熱伝導性部材を具備した照明器具。
（２）上記（１）に記載の照明器具であって、
前記熱伝導性部材は、
前記基板に形成された、長穴に嵌挿されるものである照明器具。
（３）上記（１）に記載の照明器具であって、
前記熱伝導性部材は、
前記弾性体で構成された照明器具。
（４）上記（３）に記載の照明器具であって、
前記弾性体は、金属フィラーを含有するシリコーン樹脂である照明器具。
（５）上記（１）乃至（４）のいずれかに記載の照明器具であって、
前記熱伝導性部材は、前記ＬＥＤパッケージの相対向する２辺に沿って装着される照明器具。
（６）上記（１）乃至（５）のいずれかに記載の照明器具であって、
前記熱伝導性部材は、前記照明器具の筐体に弾性的に接触するものである照明器具。

本発明の照明器具によれば、基板に実装されるＬＥＤパッケージが、ＬＥＤパッケージ側面に当接して、基板を貫通する熱伝導性部材を具備しているため、ＬＥＤの熱を熱伝導性部材を介して基板の裏側に配置される放熱部材に効率よく伝達することができ、ＬＥＤパッケージを冷却することができる。

また、熱伝導性部材は、基板に形成された、長穴に嵌挿されるため、ＬＥＤパッケージと放熱部材とを接合する熱伝導性部材の長さを短くすることができ、熱の伝導効率を高めることができる。また、温度上昇をする部位の周りに貫通穴をあけることで、熱歪みを解放する付随的効果が得られる。

更に、熱伝導性部材は、弾性体で構成されているため、熱伝導性部材をＬＥＤパッケージ、及び放熱部材に押圧することにより、多少の寸法誤差があってもＬＥＤパッケージ、及び放熱部材に密着させることができ、熱伝導効率を高めることができる。

また、弾性体は、金属フィラーを含有するシリコーン樹脂であるため、高い弾性及び熱伝導率が得られ、効率的に熱を伝導することができる。

更にまた、熱伝導性部材は、ＬＥＤパッケージの相対向する２辺に沿って装着されるため、ＬＥＤパッケージの電極と異なる側面に熱伝導性部材を配置して、電極に影響を及ぼすことなく、熱伝導性部材を配置することができる。また、ＬＥＤパッケージに対して対称位置から熱が伝導されるため、熱バランスのとれた熱伝導が可能となる。

また、熱伝導性部材は、照明器具の筐体に弾性的に接触するものであるため、熱伝導性部材を介してＬＥＤパッケージの熱を照明器具の筐体に伝導し、表面積の大きな筺体から放熱して、ＬＥＤパッケージの冷却効率を高めることができる。

本発明に係る照明器具の外観斜視図である。図１に示す照明器具本体の外観側面図（上半分）、及び断面図（下半分）である。基板にＬＥＤパッケージが実装されたＬＥＤユニットの斜視図である。配線パターンが形成された基板の平面図である。図４に示す基板にＬＥＤパッケージが実装されたＬＥＤユニットの平面図である。図５に示すＬＥＤユニットの回路図である。図５におけるＶＩＩ−ＶＩＩ線断面の概略図である。ＬＥＤパッケージの側面に当接する熱伝導性部材によって、ＬＥＤパッケージの熱が照明器具の筺体に伝達される状態を示す断面図である。（ａ）はＬＥＤパッケージの熱によって生じる基板の温度勾配を示す図であり、（ｂ）は熱伝導性部材を設けた場合の基板の温度勾配を示す図である。

以下、本発明に係る照明器具の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。
図１に示すように、本発明の一実施例である照明器具１０は、天井や壁面等に配設される照明装置であり、照明器具本体１１と、一端に設けられたフランジ１３がネジによって天井や壁面に固定されるアーム１２とを備え、照明器具本体１１とアーム１２の他端とは、回動可能な連結部材１４によって連結されており、アーム１２に対して照明器具本体１１の向きを任意の角度に設定できる。フランジ１３からは、照明器具本体１１内に配設されたＬＥＤパッケージ２１に接続された電源線１５が導出する。

図２に示すように、照明器具本体１１は、ＬＥＤパッケージ２１と、実装基板２２と、熱伝導性部材２３と、レンズ２４と、筺体２５とを備える。ＬＥＤパッケージ２１は、種々の形態のものが提示されているが、例えば、ＬＥＤが、樹脂やセラミックなどで形成された立方体の絶縁容器内に蛍光体と共に配置された構成を有する。ＬＥＤとして青色発光ダイオードが使用される場合、青色発光ダイオードからの青色光を黄色光に変換する蛍光体を配置することにより、青色光を吸収する蛍光体が黄色光を発し、この黄色光と、吸収されなかった青色光とにより白色光の出射光が得られる。上記構成以外にも、紫外線発光ダイオードからの紫外光を受けて赤色、緑色、青色発光する蛍光体を有する構成であってもよい。立方体形状のＬＥＤパッケージ２１の一面は、実装基板２２への実装面であり、この実装面と反対側の面は、ＬＥＤからの光を放射する発光面となる。

本発明の照明器具１０で用いられる実装基板２２は、後述するように高熱伝導率素材である必要がなく、例えば、絶縁性が高く、熱収縮による半田接合面のストレスが少なく、且つコストが安価なガラスエポキシ樹脂基板で製作されている。図３及び図４に示すように、実装基板２２は、片面実装基板であり、該実装基板２２上にＬＥＤパッケージ２１が実装される。実装基板２２は、略６角形状のガラスエポキシ樹脂のベース２６上に、銅ベースの配線パターン２７ａ、２７ｂが形成されている。

各配線パターン２７ａ、２７ｂには、ＬＥＤパッケージ２１のアノード電極、及びカソード電極（いずれも図示せず）が半田付けによって接続される電極用端子２８ａ、２８ｂ、及び電源線１５（図１参照）に接続される給電端子２９ａ、２９ｂが形成され、更にコンデンサ４１が接続されるコンデンサ端子３０ａ、３０ｂ、及びダイオード４２が接続されるダイオード端子３１ａ、３１ｂが設けられている。

配線パターン２７ａ、２７ｂは、各端子２８ａ、２８ｂ、２９ａ、２９ｂ、３０ａ、３０ｂ、３１ａ、３１ｂ以外の部分がレジストによって覆われ保護されている。尚、配線パターン２７ａ、２７ｂは、放熱効果を最大限にするため、できる限り広い面積とすることが好ましい。また、実装基板２２には、一対の電極用端子２８ａ、２８ｂに対して９０°回転した位置に、一対の角穴３２ａ、３２ｂが実装基板２２を貫通して設けられている。

図５に示すように、実装基板２２の配線パターン２７ａ、２７ｂ上にＬＥＤパッケージ２１が載せられ、半田付けにより電極用端子２８ａ、２８ｂにＬＥＤパッケージ２１のアノード電極、及びカソード電極が接続され、コンデンサ端子３０ａ、３０ｂにコンデンサ４１が接続され、ダイオード端子３１ａ、３１ｂにダイオード４２が接続される。これにより、図６に示す照明用の電気回路が構成される。

また、角穴３２ａ、３２ｂには、熱伝導性部材２３が挿通され、ＬＥＤパッケージ２１の外郭部である４つの側面の内、電極用端子２８ａ、２８ｂ側と異なる２つの側面（ＬＥＤパッケージ２１の相対向する２辺）に、それぞれ当接している。ＬＥＤパッケージ２１の側面は、発光面としての機能を有しないため、該側面に熱伝導性部材２３を当接しても配光に対して影響を及ぼすことはない。

図７に示すように、熱伝導性部材２３は、角穴３２ａ、３２ｂに嵌挿されて実装基板２２の表面側（配線パターン２７ａ、２７ｂを側）から裏面側に貫通し、実装基板２２の裏面から突出している。熱伝導性部材２３は、例えば、シリコーン樹脂に金属フィラーを含有してなる弾性体であり、高い熱伝導率と弾性とを有する。これにより、実装基板２２にＬＥＤパッケージ２１が実装されたＬＥＤユニット４０が形成される（図３、図５参照）。

ＬＥＤユニット４０は、図２に示すように、前面側にレンズ２４が取り付けられて、筺体２５に収容される。レンズ２４は、例えばポリカーボネート樹脂などの透明素材によって、中心軸ＣＬに対称な略放物体状に形成されており、前面が平坦面２４ａとされ、裏面（ＬＥＤパッケージ２１側）に略円弧状のレンズ面を備える凹部２４ｂが設けられている。ＬＥＤパッケージ２１から放射された光は、凹部２４ｂのレンズ面に入射し、前面の平坦面２４ａから略平行光となって出射される。

筺体２５は、例えば、熱伝導率の高いアルミニウムなどで形成された本体部４３と、ＡＢＳ樹脂などで形成され、本体部４３に固定されてＬＥＤユニット４０、レンズ２４を覆う前カバー４４とからなる。ＬＥＤユニット４０は、図８に示すように、放熱シート４５を介して本体部４３に取り付けられる。このとき、ＬＥＤユニット４０の熱伝導性部材２３は、熱伝導性部材２３の弾性によって放熱シート４５に押圧されて密着し、熱伝導性部材２３と放熱シート４５間の熱伝導が良好に行われる。また、放熱シート４５は、本体部４３への熱伝導面積を拡大するため、実装基板２２の表面積よりできるだけ広くすることが好ましく、これによって、周辺空気への放熱面積も拡大する。

放熱シート４５は、例えば、シリコーン系素材により薄板状に形成されており、その表面は柔軟性と粘着性を有し、高い絶縁性と熱伝導率を備えるものが好ましい。また、黒鉛で作られたグラファイトシートなどの高熱伝導シートをＰＥＴ（ポリエチレンテレフタレート）層で絶縁し、アクリル粘着剤などで密着させるようにしてもよい。また、実装基板２２で絶縁がとれている場合には、必ずしも放熱シート４５を設けなくてもよい。

本実施形態の作用を説明する。図９は熱伝導性部材２３の有無によって実装基板２２に生じる温度勾配を模式的に示す図であり、図９（ａ）に示すように、熱伝導性部材２３を備えない場合、実装基板２２には、熱源であるＬＥＤパッケージ２１の当接部の温度が最も高い、急な温度勾配が生じる。この熱は、実装基板２２を介する熱伝導、及び実装基板２２の表面から周辺空気への熱放射によって放熱されるが、効果的に放熱するには、実装基板２２を熱伝導率が高い、高価なアルミニウムなどの金属製基板で製作する必要がある。

一方、図９（ｂ）に示すように、熱伝導性部材２３を備える場合、ＬＥＤパッケージ２１の熱は、ＬＥＤパッケージ２１の側面から熱伝導性部材２３に矢印Ａ方向に伝導され、また、実装基板２２の熱が、熱伝導性部材２３に矢印Ｂ方向に伝導され、該熱伝導性部材２３を介して不図示の放熱部材（例えば、筺体２５）に効率的に伝導されるため、実装基板２２に生じる温度勾配は小さくなる。なお、図９（ｂ）は、理解を容易にするため、熱伝導性部材２３をＬＥＤパッケージ２１の一方の側面にのみ設けたものとして示している。

図２及び図８に示すように、本実施形態の照明器具１０は、ＬＥＤパッケージ２１の側面に当接する熱伝導性部材２３が、筺体２５の本体部４３（図２参照）、或いは、実装基板２２と本体部４３で狭持される放熱シート４５（図８参照）に密着配置されているため、ＬＥＤパッケージ２１で発生する熱は、ＬＥＤパッケージ２１の側面から熱伝導性部材２３に伝導され、該熱伝導性部材２３を介して表面積の大きな放熱シート４５に伝導（矢印Ｃ方向）されて拡散し、更に、放熱シート４５から筺体２５の本体部４３に伝導される（矢印Ｄ方向）。また、実装基板２２の熱は、その表面から周辺空気に放射される（矢印Ｅ方向）。これにより、ＬＥＤパッケージ２１は、効率的に冷却される。

また、熱伝導性部材２３は、実装基板２２の角穴３２ａ、３２ｂを貫通して配設されるため、発熱源であるＬＥＤパッケージ２１と、放熱部材である放熱シート４５、或いは筺体２５とを最短距離の放熱路で接合することができ、高い熱伝導効率が達成される。更に、熱伝導性部材２３の断面積が比較的大きいため、熱伝導抵抗が小さく、効率的にＬＥＤパッケージ２１の熱を伝導することができる。

更に、ＬＥＤパッケージ２１周辺の温度が高くなる部位に角穴３２ａ、３２ｂが設けられているため、実装基板２２の熱歪みを解放することができ、実装基板２２の反りの発生を抑制することができる。

なお、本発明は、前述した実施形態に限定されるものではなく、適宜、変形、改良、等が可能である。例えば、熱伝導性部材２３は、ＬＥＤパッケージ２１の２つの側面に接合するように説明したが、接触面積を更に拡大して熱抵抗を低減するため、ＬＥＤパッケージ２１の側面を取り囲むように配設するようにしてもよい。

１０照明器具
２１ＬＥＤパッケージ
２２実装基板（基板）
２３熱伝導性部材（弾性体）
２５筺体
３２ａ、３２ｂ角穴（長穴）

Claims

少なくとも一つのＬＥＤパッケージと、前記ＬＥＤパッケージが実装される基板とを具備した照明器具であって、
前記ＬＥＤパッケージは、前記ＬＥＤパッケージ側面に当接し、前記基板を貫通する熱伝導性部材を具備した照明器具。
請求項１に記載の照明器具であって、
前記熱伝導性部材は、
前記基板に形成された、長穴に嵌挿されるものである照明器具。
請求項１に記載の照明器具であって、
前記熱伝導性部材は、
前記弾性体で構成された照明器具。
請求項３に記載の照明器具であって、
前記弾性体は、金属フィラーを含有するシリコーン樹脂である照明器具。
請求項１乃至４のいずれかに記載の照明器具であって、
前記熱伝導性部材は、前記ＬＥＤパッケージの相対向する２辺に沿って装着される照明器具。
請求項１乃至５のいずれかに記載の照明器具であって、
前記熱伝導性部材は、前記照明器具の筐体に弾性的に接触するものである照明器具。