JP2012500497A - 電球等に用いられるled光源 - Google Patents

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Abstract

光源(40、70)および光源(40、70)の製造方法が開示される。光源(70)は、ハウジング(71)、ドライブアセンブリ(74)およびLED(75)を含む。ハウジングは、熱放射面(46)を有する外表面(77)に内包された内部区画と、内部区画の外側からアクセスできる第1および第2電気端子(42、43)とを有する。ドライブアセンブリ(74)は、内部区画内に配置され、第1および第2電気端子(42、43)と電気的に接続される。LEDは、熱放散面(46)に直接取り付けられ、そこから電気的に絶縁され、LEDは、第1および第2LED電気接点を有する。ハウジング(41)は、ハウジング(41)の外側に配置され、熱放散面(46)から電気的に絶縁され、ドライブアセンブリ(74)に接続された第1および第2ハウジング電気端子(42、43)を有する。第1導体(81)は、第1LED電気接点を第1ハウジング電気接点(42)に接続する。第2導体(82)は、第2LED電気接点を第2ハウジング電気接点(43)に接続する。
【選択図】図5

Description

発光ダイオード(LED)は、電気エネルギを光に変換する重要な半導体素子である。これらの素子の改良により、従来の白熱灯や蛍光灯に取って代わるように設計された照明設備で使用されるようになってきている。LEDは、顕著な長寿命を有し、ある場合では、顕著な効率で電気エネルギを光に変換する。
LEDは、懐中電灯や他の電池を用いる器具の白熱灯の代替として特に優れている。LEDは白熱灯電球より顕著に長い寿命と、従来の白熱灯電球より数倍の光変換効率を有する。光変換効率の増大は、懐中電灯に用いられる電池の寿命を延ばし、それゆえ、電池交換を減らす。さらに、LEDを用いる光源は、白熱灯の光源より高い耐久性を有し、それゆえ、ポータブルの光源器具により適している。
さらに、LEDは、典型的な懐中電灯の寿命より長い寿命を有する。それゆえ、懐中電灯の寿命の間にLEDの取替えはほとんど必要とならない。この特徴は、懐中電灯で用いられる異なった電球の数は極めて多く、正しい電球を探すのに時間が掛かるので、懐中電灯の設計では特に魅力的である。LEDを用いる懐中電灯の場合、十分な取替え用電球が懐中電灯に含まれ、懐中電灯の予測寿命の間は持続する。
残念ながら、単一のLEDで生成される光の量は限られている。個々のLEDは数ワットの電力に限られ、それゆえ、ワットあたりの光出力は白熱灯光源より顕著に大きいものの、着目している多くの用途では十分な光を供給するには複数のLEDを必要とする。たとえば、懐中電灯や赤外線カメラで使用される光源システムは、個々にパッケージ化されたLEDの配列を含むのが典型である。そのようなシステムのコストは、個々にパッケージ化された構成要素を収容し、それらの構成要素を取り付ける必要性により、かなり高くなる。
熱放散も、高出力LED光源では大きな問題である。LEDにおける電力から光への変換効率は、LED内の接点温度上昇に伴い低下する。それゆえ、LEDから熱を取り除くことは、かなりの熱量を生ずるLED光源の設計において主要な要素である。熱が効果的に取り除かれないと、変換効率、したがって生成可能な光の量は、かなり減少してしまう。
LEDから熱を取り除くために、種々のパッケージ配置が工夫されている。熱を取り除く配置の1つの種類は、LEDが搭載されるプリント基板の金属コアにLEDから熱を伝えることによる。その後、プリント基板の広い面積が、大きな温度上昇を伴わずに熱を大気またはアセンブリに組み込まれた二次ヒートシンクに放散するのに利用される。典型的には、LEDは、個々のLEDから熱を集めるパッケージ内の金属表面に搭載される。この表面は、LEDダイの表面積より遥かに大きな面積を有し、それゆえ、この表面がプリント基板のコアと上手く熱接触されるならば、LEDダイの温度はプリント基板コアの温度、または、僅かに上に維持できる。
このタイプの伝熱配置には多くの制限がある。第一に、パッケージの伝熱面をプリント基板コア、または、中間伝熱面に取り付けることにより、いくらかの熱抵抗が加わり、そして、この熱抵抗に打ち勝つためLEDが動作しなければならない温度が上昇する。
第二に、パッケージは、伝熱面がLEDの電気接点の1つであることを必要とする。このことにより、マルチプルLED光源のLEDの電気的構造は、典型的にLEDが並列に接続される配置に限定される。しかし、多くの用途では、各LEDを同じ電流が流れ、LEDを駆動するのに必要な電圧がLEDへ効率的に電力を伝達するのに十分に高いことを確実にするため、LEDを直列に接続した配置が好まれる。
第三に、マルチプルLED光源を組み込んだデバイスの製造者は、LED製造者により提供される入手可能なパッケージ配置の制限を受ける。それゆえ、製造者は、パッケージ化されたLED製品の使用が必要ないならば、必ずしも考慮しなくてもよいであろう設計制限を考慮しなければならない。たとえば、多くの伝熱パッケージは、伝熱接点と電気接点がLEDパッケージの底面に配置された表面搭載パッケージであり、パッケージは対となるパッドを有するプリント基板にハンダのリフロー処理により搭載される。それゆえ、デバイスの製造者は、プリント基板のLEDの位置を、共通の面でそのようなパッドを有するようにしなければならない。伝熱面は、電気接点が配置される面より低いプリント基板コアに熱的に接する必要があるため、LEDの伝熱面をプリント基板コアに接触するために大面積熱伝導ビアが提供されなければならない。
最後に、パッケージ化されたLEDは、最終製品での個々のLEDの形状を制限することに注意しなければならない。LEDパッケージのサイズは、LEDダイよりかなり大きい。それゆえ、マルチプルLED光源を供給するのに、パッケージの配列をプリント基板上に搭載しなければならず、あるいは、パッケージ製造者が決めた形状を有するマルチプルLEDパッケージを用いなければならない。特定の配列のLEDを有するマルチプルLED光源を必要とする製品では、この制限が大きな問題をもたらす。
本発明は、光源と、光源を製造する方法を含む。光源は、ハウジングとLEDを含む。ハウジングは、熱放散面を有する外表面に内包された内部区画と、内部区画の外側からアクセスできる第1および第2LED電気端子を有する。LEDは熱放散面に直接取り付けられ、そこから電気的に絶縁され、LEDは第1および第2LED電気接点を有する。光源は、ハウジングの外側に配置され、熱放散面から電気的に絶縁された第1および第2ハウジング電気端子も含み、第1および第2ハウジング電気端子間に電位差が印加されるとLED電気接点に電力が供給される。第1導体が第1LED電気接点を第1LED電気端子に接続し、第2導体が第2LED電気接点を第2LED電気端子に接続する。
本発明の一局面では、光源は、第1および第2ハウジング電気端子と第1および第2LED電気端子に電気的に接続されたドライブアセンブリを含む。ドライブアセンブリは内部区画に位置し、第1および第2LED電気端子に給電する。
本発明の別の局面では、光源は、LEDと第1および第2導体を覆う保護キャップを含む。保護キャップは、透明素材を含んでもよい。
本発明の別の局面では、第1および第2LED電気端子は、ハウジングの第1および第2ホールを貫通し、ドライブアセンブリに接続される導体部材を含む。第1導体部材は、ハウジングから延在し、ワイヤボンドをするのに十分な断面積を有する円筒形導体を含む。
本発明のさらに別の局面では、光源は熱放散面に取り付けられた複数のLEDを含んでもよく、熱放散面ではLEDの2つがワイヤボンドで一緒に接続される。
図1は、本発明の一局面による統合光源を有するデバイス20の部分の断面図である。 図2は、懐中電灯等で使用するLEDを用いる電球の断面図である。 図3は、本発明の別の局面を利用する電球の断面図である。 図4は、ある程度単純な接続配置を利用する電球の断面図である。 図5は、ねじを有するベースつきのハウジングを有する電球の断面図である。 図6は、複数のLEDを有する電球の端面図である。
本発明がその利点を提供する方法は、デバイスの一部として本発明の一局面による統合光源21を有するデバイス20の部分の断面図である図1を参照することにより、より容易に理解できる。デバイス20は、単なる光源以上のものであると考えられる。すなわち、デバイス20は、光源21をコントロールすること以外の機能を実行する。光源21は、より一般的な処理および/またはコントロール機能を実行するのに用いられるデバイス20の部品に過ぎない。デバイス20は、熱を周囲に放散する金属コア23を有するプリント基板22に構成される。金属コア23は、信号を伝達する別の金属層を有する基板24上に構築されてもよい。実施の形態によっては、基板24はなくてもよい。プリント基板22は、コア23上に複数のワイヤ層25も含む。デバイス20の一部である部品26、27のような部品を作動するのに必要な種々の接続がこれらの層内に張り巡らされる。部品の少なくとも1つは、光源21からの光のコントロールからは独立した機能を提供する。
光源21は、それぞれのLEDを熱伝導接着剤を用いてコア23の表面に接着することにより作られる。LEDが、LEDの底面から電気接点の電気的遮蔽を提供するならば、接着剤は、ハンダなどの導体接着剤でもよい。個々のLEDは、ワイヤボンド34などのワイヤボンドにより一緒に接続され、LED31〜33を備える直列鎖を形成する。直列鎖は2つの電気端子35、36に接続され、2つの電気端子35、36はプリント基板22上の配線に接続される。
LEDをワイヤボンドに接続した後に、LEDとワイヤボンドは、保護キャップ37を形成する透明な素材に封入される。本発明の一局面では、保護キャップ37は、リング38をプリント基板22の表面に取り付け、その後リングにシリコーンなどの透明素材を充填することにより形成される。しかし、保護キャップを提供する他の方法を用いることもできる。たとえば、シリコーンや他の素材の液滴をLEDに被せてもよい。本発明の他の局面では、保護キャップを別に形成し、LEDと保護キャップの上面との間に空隙を残しつつLEDに被せる。保護キャップおよび/または保護キャップ内の封入材は蛍光材料を含み、LEDにより発せられた光の波長を所望のスペクトル成分の光に変換することもできる。
デバイス20でのLEDの配置がプリント基板の構成を変えることなく変更できることは重要である。LEDの数量、LEDの配置およびLEDの相互接続は、プリント基板コア上にダイを含むLEDを配置する装置と特定のワイヤボンドを形成するワイヤボンディングシステムとにより決定される。プリント基板がプリント基板コア領域の光源とプリント基板との間に最終的な接続を形成するのに十分な端子を有している限り、これらの製造装置の双方の動作は、プリント基板とは独立して変更されるコンピュータプログラムとデータファイルによりコントロールされる。したがって、あるプリント基板設計は、複数の異なった装置で利用されることができる。
プリント基板コア領域には他のダイを置くことができ、LEDと接続できるということも重要である。たとえば、LED光源は、LEDを駆動する一定の電流を供給するコントロールチップを含むことが多い。さらに、異なったスペクトルバンドの光を発する複数のチップを用いるLED光源は、観察者が特定の色と感知する光を生成するように各スペクトルバンドで生ずる光の強さを調整するコントローラを含むことが多い。これらのコントローラは、同様にプリント基板コア領域に搭載され、コントローラがそのコア領域に実装された特定の光源に特化する場合には、プリント基板配線よりもむしろLEDに接続される。
上記の本発明の実施の形態は、LEDを用いる光源が中間パッケージなしで直接にデバイスに組み込まれて最終製品を提供するというデバイスに向けられている。しかし、本発明は、大型のシステムのサブ構成を提供するのにも用いることができる。
ここで、懐中電灯等で使用するLEDを用いる電球の断面図である図2を参照する。電球40は、電球40のベースを提供し、電球40が取って代わるように設計された従来の白熱電球の外寸法と一致する外寸法を有するハウジング41を含む。詳細には、ハウジング41は、懐中電灯のような電灯装置と電球との機械的位置合せを提供する電灯装置の対応する構造と適合するフランジ42と、電球に給電するための電気接点の1つを含む。第2電気接点43は、ハウジング42の底面に提供される。ハウジング42は、LED44で生じた熱を光源の表面、よって最終的には光源の外側の空気に伝達する熱放散面をも提供する。
電球40の光生成構成は、伝熱コア46を有する基板45上に構築されたLED光源により提供される。基板45はハウジング41の開口との機械的位置合せを提供し、追加の機械的強度を提供する。伝熱コア46は、47で示される領域でハウジング41と熱的に接触する。熱的接触は、熱伝導エポキシあるいはハンダなどの熱伝導結合剤を用いて伝熱コア46をハウジング41に結合することにより提供される。
光源構成は、図1を参照して説明したのと同様の方法で構築される。それぞれのLED44は伝熱コア46に熱伝導結合剤で結合される。それぞれのLEDは、チップ内の絶縁層または絶縁結合剤などの別の電気的絶縁処理により伝熱コア46から電気的に絶縁される。LEDの数や配置は、所望の光出力により決定される。
LEDは、ワイヤボンドにより内部で接続される。特定の用途により、具体的な接続形状が決定される。図2に示す例では、LEDは直列に接続される。しかし、LEDの複数の直列に接続されたつながりが電気端子51、52に並列で接続される配列を用いることもできる。さらに、LEDのそれぞれのつながりに別の電気端子が提供されてもよい。
LEDは、電球の外側の環境状態からダイを保護するドーム48内に封入される。ドーム48は、LEDからの光の抜き取りを改善するように透明な素材で満たされる。さらに、ドーム48は、LEDにより生成された光のスペクトルを別の光のスペクトルに変換し、および/または、蛍光体および/または別のLEDにより生じた光を混合するため、蛍光体または拡散剤を含むこともできる。たとえば、LEDは青色光を生成し、ドーム48は青色光で励起される黄色発光蛍光体を透明なキャリア中に含むこともできる。その結果としての光のスペクトルは、光源出力の黄色光に対する青色光の割合が正しく選択されるならば、観察者は白色であると知覚する。
端子51、52は、それぞれリード線53、54の一部である。これらのリード線は、伝熱コア46および基板45を貫通し、それらから電気的に絶縁されている。リード線53、54は、チップ61〜63を有するプリント基板60上のパッド55、56にそれぞれ接続される。リード線53、54は、プリント基板60と光源部分との電気的接続を提供することに加え、光源部分をプリント基板60に機械的に結合するのにも利用され、よって、プリント基板を電球40内に固定するのに役立つ。
プリント基板60は、電球の光源部分のLEDのコントロールおよび/または電力を供給する1つまたは複数の集積回路を含む。これらの回路とプリント基板60の他の部品との間の接続は、図を単純にするために省略されている。
電球40では基板45は必須ではないことは重要である。基板45がない場合には、光源構成は、伝熱コア46の縁をハウジング41の縁に合わせることにより、または、ハウジング41の開口の縁と係合する伝熱コア46の底面の付加的特徴を提供して光源構成をハウジング41に位置合せすることにより、位置合せできる。
ここで、本発明の別の局面を利用する電球70の断面図である図3を参照する。電球70は、伝熱機能を提供する上面72を含むハウジング71を有する。ハウジング71は、LED75用駆動回路を提供する集積回路74を含む小さなプリント基板73を保持する。プリント基板73は、プリント基板73をハウジング71の表面77の開口を通すことにより、スペーサ76でハウジング71内に配置される。
LED75は、上述したのと類似の方法で、熱伝導接着剤により上面72に結合される。LED75は、リード線81、82によりプリント基板73上の駆動回路に接続される。リード線81、82は、L字型金属片であり、上面72の孔を貫通し、プリント基板73の留め金83、84と係合する。リード線は、ハウジング71の外側から上面72の孔を通って留め金83、84へと挿入される。絶縁パッド85、86は、上面72からリード線81、82をそれぞれ電気的に絶縁する。絶縁パッド85、86は、リード線81、82を留め金83、84に挿入する前に上面72に塗布されたエポキシのような電気的絶縁接着剤の層から形成することも可能である。絶縁パッド85、86はまた、表面のめっき、コーティングあるいは表面処理を通じて、ハウジング71の制作において形成することもできる。そのような実施の形態では、リード線81、82は、留め金83、84がリード線の挿入だけを許容し、リード線の撤去を許容しないならば、ハウジング71内でのプリント基板73の位置を固定することもできる。
リード線85、86が上面72に取り付けられたならば、LED75は上面72に結合され、ワイヤボンド87などのワイヤボンドによりリード線81、82に接続される。その後、LED75とワイヤボンドは、上述のようにドーム88内に封入される。図3に示す実施の形態では、ドーム88は、養生により固体構造となるシリコーンあるいは類似の素材の液滴から形成される。しかし、上記のように、他に形成した封入ドームを用いることもできる。
電球70は、1つのLEDだけを含む。しかし、上記と類似の方法で、光出力や色域を拡大するのに複数のLEDを用いることもできる。ワイヤボンドを用いて個々のLEDを接続することで、上記と同じハウジング構造や駆動回路を用いることもできる。
図3に示す実施の形態では、L字型のリード線と適合する留め金を用いてLEDとコントロール回路の間の接続を提供する必要がある。これらの部品は、部品と組立て時間の両方の点で電球のコストを上昇させる。ここで、いくらか簡単な接続配置を利用する電球90の断面図である図4を参照する。電球90は、上記の方法と類似の方法でLED75が結合された上面92を有するハウジング91を含む。上面92には2つの孔が形成される。プリント基板97に取り付けられた対応する棒は、93、94として示されるように、各孔を貫通して突出する。棒の直径は、ワイヤボンドを各棒の上面に取り付けるのに十分である。本発明の一局面では、棒はその鉛直面に、棒とハウジング91との間に短絡が形成されるのを防止する絶縁コーティング95を含み、それゆえ、組立て時の余裕代を減少する。絶縁コーティングは棒を上面92の孔に合わせるのに要する余裕代を減少する。この設計では、プリント基板97がハウジング91に差し込まれたときに、棒は孔内に位置する。
図4に示す棒の配置は、プリント基板をハウジング内に固定する機構は提供しない。プリント基板97は、端部77の適当な口金によりハウジング91内に独立して固定される。本発明の別の局面では、プリント基板97は、加熱により変形されリベット状の構造を形成できるプラスチック材から構築された第2の棒により、ハウジング91に固定される。そのような棒は98として示される。棒98は、上面92の別の孔に貫入され、加熱面を上面92から突出した端部に当てて、プリント基板を上面92に対し固定する構造を形成する。
本発明の上記の実施の形態は、懐中電灯等で使用されるタイプの標準的電球に取って代わるような形状とされたハウジングを利用する。しかし、他のタイプのハウジングを用いる本発明の実施の形態を作ることもできる。ここで、ねじ102を有するベースを持ったハウジング101を有する電球100の断面図である図5を参照する。電球100は、従来のねじ込み電灯ソケットで使用するのに適する。
本発明の上記の実施の形態では、縮尺通りではないことは重要である。特に、LEDは、ダイを含む典型的なLEDよりかなり大きく示されている。実際には、LED103は懐中電灯の電球の直径よりも遥かに小さく、それゆえ、LED103は点源であるように見える。したがって、保護キャップも、電球からの光の焦点を合わせたりコリメートしたりする光学要素104を含むことができる。
本発明の上記の電球の実施の形態は、単一LEDを用いるが、ワイヤボンドを用いて接続されたマルチプルLEDを用いる実施の形態も構築することができる。ここで、LED121のような複数のLEDを有する電球120の端面図である図6を参照する。LEDは、ワイヤボンドを用いてLEDを直列の各つながりに接続することにより、電球120内に4つの直列のつながりに配置される。各つながりには、接点122、123などの2つの接点経由で給電される。接点は、上記と類似の方法で電球ハウジングの内側へ配置されるが、電球内でプリント基板に端部を有する棒または接点の数は、2ではなく、ここでは8である。
本発明の上記の実施の形態は、ある形の透明キャップを用いて、環境的損傷からLEDを保護している。この説明では、着目しているスペクトルバンドでLEDから放たれる光の少なくとも50%を透過するならば、キャップは透明であると定義される。
本発明の上記の実施の形態は、熱放散面に直接接続されたLEDを用いる。LEDが熱伝導接着剤で熱放散面に結合され、その接着剤以外の材料の中間層がなければ、LEDは熱放散面に直接接続すると定義される。
本発明の上記の実施の形態が、本発明の種々の局面を説明するために提供されてきた。しかし、異なった特定の実施の形態で示される本発明の異なった局面を組み合わせ、本発明の別の実施の形態を提供することもできることは理解されるはずである。さらに、本発明に対する種々の改変が、これまでの詳細な説明や添付の図面から当業者にとっては明らかとなるであろう。したがって、本発明は、添付の特許請求の範囲によってのみ限定されるべきである。

Claims (11)

  1. 熱放散面を有する外表面に内包された内部区画と、前記内部区画の外側からアクセスできる第1および第2LED電気端子とを有するハウジングと;
    前記熱放散面に直接取り付けられ、前記熱放散面から電気的に絶縁された第1LEDであって、第1および第2LED電気接点を有する第1LEDと;
    前記ハウジングの外側に配置され、前記熱放散面から電気的に絶縁された第1および第2ハウジング電気端子であって、前記第1および第2ハウジング電気端子の間に電位差が印加されると前記LED電気接点に給電される、第1および第2ハウジング電気端子と;
    前記第1LED電気接点を前記第1LED電気端子に接続する第1導体と;
    前記第2LED電気接点を前記第2LED電気端子に接続する第2導体とを備える;
    光源。
  2. 前記第1および第2ハウジング電気端子と前記第1および第2LED電気端子に電気的に接続されるドライブアセンブリであって、前記内部区画に配置され、前記第1および第2LED電気端子に給電するドライブアセンブリをさらに備える;
    請求項1の光源。
  3. 前記LEDと前記第1および第2導体とを覆う保護キャップを更に備える;
    請求項1の光源。
  4. 前記保護キャップは透明素材を備える;
    請求項3の光源。
  5. 前記第1および第2LED電気端子は、前記ハウジングの第1および第2孔を貫通し、前記ドライブアセンブリに接続された導体部材を備える;
    請求項1の光源。
  6. 前記第1導体部材は、前記ハウジングから延在し、ワイヤボンドを受け入れるのに十分な断面積を有する円筒形導体を備える;
    請求項5の光源。
  7. 前記第1導体は、ワイヤボンドを備える;
    請求項1の光源。
  8. 前記熱放散面に直接取り付けられる第2LEDであって、前記第1LEDにワイヤボンドで接続される第2LEDをさらに備える;
    請求項1の光源。
  9. 熱放散面を提供するステップと;
    複数のLEDを前記熱放散面に直接取り付け、前記LEDは前記熱放散面から電気的に絶縁されるステップと;
    前記LEDの2つをワイヤボンドを用いて直列に接続するステップと;
    前記LEDの前記2つを前記光源内の電気端子にワイヤボンドで接続するステップと;
    前記複数のLEDと前記ワイヤボンドを透明の保護カバーで覆うステップとを備える;
    光源を製造する方法。
  10. 熱放散コアを有するプリント基板と;
    前記プリント基板に接続される複数の集積回路チップと;
    前記熱放散コアがさらされた前記プリント基板の部分を備えるLED搭載領域と;
    前記熱放散コアに直接取り付けられ、前記熱放散コアから電気的に絶縁された複数のLEDであって、前記LEDの少なくとも2つは前記2つのLEDを接続するワイヤボンドで直列に接続され、前記LEDは前記集積回路チップの少なくとも1つに電気的に接続される、複数のLEDとを備える;
    デバイス。
  11. 前記デバイスは、前記LEDの機能と独立した機能を実行する;
    請求項10のデバイス。
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