JP2013004814A

JP2013004814A - Ｌｅｄユニット

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Publication number: JP2013004814A
Application number: JP2011135651A
Authority: JP
Inventors: Rei Kume; 嶺久米
Original assignee: Panasonic Corp
Current assignee: Panasonic Corp
Priority date: 2011-06-17
Filing date: 2011-06-17
Publication date: 2013-01-07
Anticipated expiration: 2031-06-17
Also published as: JP5828068B2

Abstract

【課題】熱伝導性を有する放熱板を備えたＬＥＤユニットにおいて、波長変換部材の温度上昇を抑制し、かつ出射光の配光を広角に制御する。
【解決手段】ＬＥＤユニット１は、光源２と、光源２が実装される実装基板３と、ドーム状に構成され、光源２からの出射光の波長を異なる波長に変換する波長変換部材４と、波長変換部材４の熱を実装基板３へ放熱する放熱板５と、を備える。放熱板５は波長変換部材４の下部外周面と接しており、波長変換部材４の熱を、その下部外周面から放熱板５を通って、実装基板３へ移動させることができるので、波長変換部材４の温度上昇を抑制することができる。また、ドーム状に構成された波長変換部材４から光が出射されるので、出射光の配光を広角に制御することができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、熱伝導性を有する放熱板を備えたＬＥＤユニットに関する。

従来、白色光を照射するＬＥＤユニットは、発光ダイオード素子（以下、ＬＥＤチップという）からの出射光を蛍光体を含む波長変換部材に入射させ、その蛍光体によって波長変換された光と、波長変換されなかった光とを混光させて白色光を生成する。この種のＬＥＤユニットでは、ＬＥＤチップからの光出射方向に対して、波長変換部材内の光路長が異なることにより、ＬＥＤチップからの出射光が波長変換される確率が異なり、所定の色の光成分が多く又は少なくなり、照射光に色バラツキが生じる虞がある。

そこで、色バラツキを低減させるために、波長変換部材をドーム状に形成した発光装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。この発光装置を図５に示す。発光装置１０１は、ドーム状の波長変換部材１０４をＬＥＤチップ１０２が実装された実装基板１０３上でＬＥＤチップ１０２を覆うように形成し、ＬＥＤチップ１０２からの光出射方向に対して、光路長が均一となるように構成されている。しかしながら、特許文献１に示されるような発光装置では、ＬＥＤチップ１０２からの出射光が、波長変換部材１０４内で波長変換される際、エネルギーロスによる熱が生じ、この熱が波長変換部材１０４内に蓄積され、波長変換部材１０４の温度が上昇してしまう。この温度上昇により、例えば蛍光体の波長変換効率の低下等といった波長変換部材１０４の劣化が生じ、照射光の光成分が変化することにより、発光装置１０１からの照射光の色度が所望の色度から変化する虞がある。

そのような波長変換部材の劣化の速度は、波長変換部材の種類によって異なり、この差異は、波長変換部材の温度が上昇するほど顕著に現れる。例えば、波長変換部材の種類が異なる、３色の違った光色の光源を用いた色温度可変ＬＥＤユニットでは、波長変換部材の温度上昇により、波長変換部材の劣化具合が異種の光源間で大きく異なり、各光源の色バラツキが照射光の色バラツキに大きく影響する。

波長変換部材の温度上昇を抑制するために、波長変換部材を高放熱性部材に接触させた発光装置が知られている（例えば、特許文献２参照）。この発光装置を図６に示す。発光装置１０１は、出射面１０５を有する波長変換部材１０４の実装面１０６上にＬＥＤチップ１０２を実装し、搭載面１０７を介して波長変換部材１０４を高放熱性部材１０８に接触させている。この構成によれば、波長変換部材１０４内の熱が、高放熱性部材１０８へ効率的に移動され、波長変換部材１０４の温度上昇を抑制することができる。

特開２０１０−２７５１４号公報特開２０１０−９８１１８号公報

しかしながら、特許文献２に示されるような発光装置では、実装面１０６が搭載面１０７に対して傾斜しており、これら実装面１０６及び搭載面１０７の一端側に出射面１０５が位置しているので、出射面１０５の配光範囲が狭くなっている。従って、例えば広い範囲にＬＥＤチップ１０２からの出射光を配光したい場合等に対応することが難しい。

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、波長変換部材の温度上昇を抑制することができ、かつ出射光の配光を広角に制御することができるＬＥＤユニットを提供することを目的とする。

本発明のＬＥＤユニットは、光源と、前記光源が実装される実装基板と、前記光源を覆うように前記実装基板上に設けられ、前記光源からの出射光の波長を異なる波長に変換する波長変換部材と、前記波長変換部材の熱を前記実装基板へ放熱する放熱板と、を備え、前記波長変換部材は、ドーム状に構成され、前記放熱板は、前記波長変換部材の下部外周面に接していることを特徴とする。

このＬＥＤユニットにおいて、前記波長変換部材の下部端面が、前記実装基板に接していることが好ましい。

このＬＥＤユニットにおいて、前記波長変換部材の下部内方に、前記光源から前記実装基板に沿った方向への出射光を前記波長変換部材へ反射する反射板が設けられていることが好ましい。

このＬＥＤユニットにおいて、前記波長変換部材は、その下部に外方に延びる鍔部を有し、前記鍔部が、前記放熱板により押さえられていることが好ましい。

本発明に係るＬＥＤユニットによれば、波長変換部材の熱を、波長変換部材の下部外周面から放熱板を通って、実装基板へ移動させることができるので、波長変換部材の温度上昇を抑制することができる。また、ドーム状に構成された波長変換部材から光が出射されるので、出射光の配光を広角に制御することができる。

本発明の第１の実施形態に係るＬＥＤユニットの側断面図。本発明の第２の実施形態に係るＬＥＤユニットの側断面図。本発明の第３の実施形態に係るＬＥＤユニットの側断面図。本発明の変形例に係るＬＥＤユニットの側断面図。従来のＬＥＤユニットの側断面図。従来のＬＥＤユニットの側断面図。

以下、本発明の第１の実施形態に係るＬＥＤユニットについて、図１を参照して説明する。ＬＥＤユニット１は、光源２と、光源２が実装される実装基板３と、光源２を覆うように実装基板３上に設けられ、光源２からの出射光の波長を異なる波長に変換する波長変換部材４と、波長変換部材４の熱を実装基板３へ放熱する放熱板５と、を備える。波長変換部材４の熱は、光源２からの出射光が波長変換部材４内で波長変換される際に生じる。光源２と波長変換部材４との間には、空気又は波長変換部材４を構成する透明材料と同じ材料が充填されている。図中において、太い黒矢印は、波長変換部材４の熱の移動を示している。

光源２として、発光ダイオード（以下、ＬＥＤという）が用いられる。本実施形態では、例えば青色光を出射する青色ＬＥＤ（発光波長が４６０ｎｍ）が用いられ、また、赤色光を出射する赤色ＬＥＤ（発光波長が６６０ｎｍ）、又は緑色光を出射する緑色ＬＥＤ（発光波長が５２０ｎｍ）が用いられてもよい。なお、ＬＥＤユニットには、複数の光源２が用いられてもよく、これら複数の光源２として、上述の青色ＬＥＤ、赤色ＬＥＤ、又は緑色ＬＥＤが適宜に組み合わせて用いられ、これらを混光させて白色光が得られる。なお、ＬＥＤの数量、又は発光波長は特に限定されることなく、適宜選択すればよい。

ＬＥＤは、発光ダイオード素子（以下、ＬＥＤチップという）２１を、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）等のサブマウント２２を介して実装基板３上に実装し、ワイヤボンドによりサブマウント２２に設けられた給電部に電気的に接続している。サブマウント２２は、高熱伝導性を有し、ＬＥＤチップ２１の熱を効率的に実装基板３へ放熱することができ、また、実装基板３とＬＥＤチップ２１との線膨張率差に起因するＬＥＤチップ２１に働く応力を緩和することができる。

また、ＬＥＤチップ２１は、透光性材料から成る封止部２３により封止され、封止部２３の屈折率を適宜設定することによりＬＥＤチップ２１からの光取出し効率を向上させることができ、また、ワイヤボンドのワイヤを外部からの衝撃等から保護することができる。封止部２３の透光性材料として、例えばシリコーン樹脂、エポキシ樹脂、又はアクリル樹脂等を用いることができる。

実装基板３は、ＬＥＤからの熱を効率よく放熱するために、高放熱性の金属を主要な材料とする金属基板から構成され、表面上に例えば金（Ａｕ）等を含む配線パターンを有し、この配線パターンと金属基板との間に、絶縁性を確保するための絶縁層を有している。配線パターンとサブマウント２２の給電部とが電気的に接続されて、ＬＥＤチップ２１と配線パターンとが電気的に接続されることにより、ＬＥＤへの給電が確保されている。実装基板３として、ＬＥＤからの光出力が小さく、熱の発生が小さい場合、上記の金属基板の代わりに、ガラスエポキシ基板、紙フェノール基板を用いてもよい。

波長変換部材４は、粒状の蛍光体と、この蛍光体を保持する透明樹脂と、を含んだ透光性部材である。蛍光体は、実質的に光源２からの出射光の波長を異なる波長に変換するものである。蛍光体による波長変換の際にその蛍光体から熱が発せられ、その熱が波長変換部材４内に蓄積されることにより、波長変換部材４の温度が上昇する。本実施形態では、波長変換部材４はドーム状に構成されており、その下部端面が実装基板３と接している。こうすることで、波長変換部材４内の熱を実装基板３へ直接移動させることができるので、波長変換部材４の温度上昇を効率的に抑制することができる。蛍光体として、例えば黄色蛍光体や赤色蛍光体を用いることができるが、これに限定されず、色調整や演色性を向上させるために、複数種の蛍光体を混合させて用いてもよい。例えば赤色蛍光体と緑色蛍光体とを混合させて用いることにより、演色性の高い白色光を得ることができる。

透明樹脂は、波長変換部材４の主体を成すものであり、光源２からの出射光を透過させる。本実施形態では、上述のように波長変換部材４がドーム状に構成されており、このドーム状の波長変換部材４の表面から光が出射されるので、例えば反射鏡等の構成部材を別途設置することなく、広い配光範囲を確保することができる。また、光出射方向に対して、波長変換部材４内の光路長が均一となっており、光源２からの出射光が波長変換される確率が等しいので、所定の光成分のバラツキを抑制し、照射光の色バラツキを抑制することができる。

透明樹脂には、必要に応じて拡散材を混合させてもよい。こうすれば、透明樹脂内で光源２からの出射光を効果的に拡散させることができるので、ＬＥＤユニット１の照射光の色をどの光照射方向に対しても更に均一とすることができる。拡散材として、例えば酸化アルミニウム、若しくはシリカ等の無機材料、又は例えばフッ素系樹脂等の有機材料から形成される平均粒径１μｍの材料を用いることができる。透明樹脂の材料として、例えばシリコーン樹脂、アクリル樹脂、ガラス、又は有機成分と無機成分とがｎｍレベル若しくは分子レベルで混合、結合された有機・無機ハイブリッド材料を用いることができる。波長変換部材４の実装基板３上への設置方法として、波長変換部材４の下部端面を例えばシリコーン樹脂又はエポキシ樹脂等を含む接着剤を介して固着する方法を用いることができる。

放熱板５は、高熱伝導性又は高放熱性を有する材料から構成され、実装基板３上に延びるように設けられている。一般に、ＬＥＤユニット１は、使用者により長時間使用される場合があり、そのような場合、波長変換のエネルギーロスによる熱が蓄積されて、波長変換部材４の温度上昇が顕著となる。そこで、本実施形態では、放熱板５は波長変換部材４の下部外周面に接し、こうすることで、上述の波長変換部材４の下部端面からの直接的な熱の移動だけでなく、波長変換部材４の下部外周面から放熱板５を通って、実装基板３へ熱を移動させることができる。従って、波長変換部材４内の熱を効率的に分散させることができ、波長変換部材４の温度上昇を抑制することができる。

実装基板３と放熱板５との接触面積は、できるだけ大きく設定されることが好ましい。こうすれば、放熱板５を介して、より多くの熱を実装基板３へ移動させることができるので、波長変換部材４の温度上昇を更に抑制することができる。放熱板５の材料として、高熱伝導性又は高放熱性を有する金属又は樹脂を用いることが好ましい。そのような金属として、例えばアルミニウム、鉄、又は銅等を用いることができ、また、そのような樹脂として、例えば熱硬化性樹脂に高熱伝導性を有するフィラーを拡散させたものを用いることができる。放熱板５の設置方法として、例えば、放熱板５に穴部を設け、この穴部に実装基板３上に固定された波長変換部材４を嵌めこむ（しまりばめ）方法を用いることができる。

本実施形態のＬＥＤユニット１において、光源２からの出射光は、光源２を中心として放射状に発せられ、光源２と波長変換部材４との間の空気又は透明材料を通って、波長変換部材４へ入射される。この入射光は、波長変換部材４内で蛍光体に照射され異なる波長に波長変換され、又は蛍光体に照射されず波長変換されることなく、波長変換部材４を透過する。上記の蛍光体によって波長変換された光と波長変換されなかった光とが混光されることにより、例えば白色光が生成され、この光がＬＥＤユニット１から照射される。

本実施形態のＬＥＤユニット１によれば、波長変換部材４の下部端面からの直接的な熱の移動だけでなく、波長変換部材４の下部外周面から放熱板５を通って、実装基板３へ熱を分散させることができるので、波長変換部材４の温度上昇を抑制することができる。従って、例えば蛍光体の波長変換効率の低下等といった波長変換部材４の劣化が生じ難く、ＬＥＤユニット１の変換効率を維持することができる。

また、ドーム状に構成された波長変換部材４から光が出射されるので、構成部材を別途設置することなく、出射光の配光を広角に制御することができる。

また、光出射方向に対して、波長変換部材４内の光路長が均一となっているので、光源２からの出射光が波長変換される確率が等しくなり、所定の光成分のバラツキを抑制し、ＬＥＤユニット１の照射光の色バラツキを抑制することができる。こうして、どの角度からＬＥＤユニット１を観察しても、色度分布が同じように生じ、照射光の色がどの光照射方向に対しても均一なＬＥＤユニット１が得られる。

次に、本発明の第２の実施形態に係るＬＥＤユニットについて、図２を参照して説明する。本実施形態に係るＬＥＤユニット１は、波長変換部材４の下部内方に、光源２から実装基板３に沿った方向への出射光を波長変換部材４へ反射する反射板６を設け、また、同一種類のＬＥＤを有するものである。反射板６は、波長変換部材４の下部内周面に沿うように環状に形成されており、その内径は実装基板３に向かって漸次小さくなっている。こうすることで、実装基板３に沿った方向への出射光が、波長変換部材４の下部を透過して、放熱板５により遮光されることを防止することができ、また、その出射光を波長変換部材４へ反射することができる。反射板６として、例えばアルミ反射板又は銀反射板等の高反射性を有する部材を用いることができる。他の構成は、上記第１の実施形態と同様である。

本実施形態のＬＥＤユニット１において、光源２から実装基板３に沿った方向への出射光は、反射板６へ照射され、この照射光は反射板６によって反射され、図中の光線Lで示されるように、波長変換部材４へ照射される。また、上記の出射光を除く光源２からの出射光は、直接波長変換部材４へ照射され、上記の反射板６によって反射された光と混光される。これら混光された光は、波長変換部材４内を通り、蛍光体により波長変換された光と波長変換されなかった光とが混光され、混色光としてＬＥＤユニット１から照射される。

本実施形態のＬＥＤユニット１によれば、光源２から実装基板３に沿った方向への出射光は、放熱板５によって吸収されることなく、反射板６によって反射されて、波長変換部材４に照射されるので、ＬＥＤユニット１の変換効率を向上させることができる。

次に、本発明の第３の実施形態に係るＬＥＤユニットについて、図３を参照して説明する。本実施形態に係るＬＥＤユニット１は、波長変換部材４の下部に、外方に延びる鍔部４ａを有し、この鍔部４ａを放熱板５により押さえ、また、同一種類のＬＥＤを有するものである。鍔部４ａとこの鍔部４ａ上の放熱板５とが、ネジ７によって実装基板３上に固定されている。ネジ７の代わりに、例えば接着材を用いて、鍔部４ａと放熱板５とを実装基板３上に固定してもよい。実装基板３と鍔部４ａとの接触面積は、できるだけ大きく設定されることが好ましい。こうすれば、より多くの熱を波長変換部材４から実装基板３へ直接移動させることができるので、ＬＥＤユニット１の放熱性を向上させることができ、また、より安定して波長変換部材４を実装基板３上に設置することができる。他の構成は、上記第１の実施形態と同様である。

本実施形態のＬＥＤユニット１において、光源２からの出射光は、波長変換部材４へ入射され、蛍光体によって波長変換され、又は波長変換されることなく、波長変換部材４を透過する。これら波長変換された光と波長変換されなかった光とが混光されて、混色光としてＬＥＤユニット１から照射される。

本実施形態のＬＥＤユニット１によれば、波長変換部材４を放熱板５と実装基板３とで挟み込むことにより、波長変換部材４の実装基板３への設置を簡易とすることができる。また、鍔部４ａが設けられたことにより、波長変換部材４と実装基板３との接触面積が増え、波長変換部材４から実装基板３へ更に効率的に直接熱を移動させることができるので、ＬＥＤユニット１の放熱性を向上させることができる。

次に、本発明の変形例に係るＬＥＤユニットについて、図４を参照して説明する。本変形例に係るＬＥＤユニット１は、波長変換部材４の下部内方に反射板６を有し、また、波長変換部材４の下部に、外方に延びる鍔部４ａを有し、この鍔部４ａを放熱板５により押さえ、また、同一種のＬＥＤを有するものである。つまり、本変形例のＬＥＤユニット１は、上記第２の実施形態に係るＬＥＤユニット１と上記第３の実施形態に係るＬＥＤユニット１とを組み合わせたものである。他の構成は、上記第１の実施形態と同様である。

本変形例のＬＥＤユニット１において、光源２から実装基板３に沿った方向への出射光は、反射板６へ照射された後、反射されて、光線Lで示されるように、波長変換部材４へ照射される。また、上記の出射光を除く光源２からの出射光は、直接波長変換部材４へ照射され、上記の反射板６によって反射された光と混光される。これら混光された光は、波長変換部材４内を通り、蛍光体により波長変換された光と波長変換されなかった光とが混光され、混色光としてＬＥＤユニット１から照射される。

本変形例のＬＥＤユニット１によれば、上述のように、実装基板３に沿った方向への出射光は、反射板６により反射され、波長変換部材４を通って、ＬＥＤユニット１の外部へ照射されるので、ＬＥＤユニット１の変換効率を向上させることができる。また、波長変換部材４を放熱板５と実装基板３とで挟み込み、波長変換部材４の設置を簡易とし、更に、鍔部４ａにより、波長変換部材４と実装基板３との接触面積が増え、ＬＥＤユニット１の放熱性を向上させることができる。

本発明は上記実施形態又は変形例の構成に限られず、発明の趣旨を変更しない範囲で種々の変更が可能である。例えば、上記では、ＬＥＤチップ２１をサブマウント２２を介して、実装基板３に実装する例を示したが、サブマウント２２を介することなく、例えばＬＥＤチップ２１を半田ダイボンディングにより実装基板３上に実装してもよい。また、光源２と波長変換部材４との間に、例えば光源２の封止部２３と同一材料からなる透明樹脂材料を充填してもよい。

１ＬＥＤユニット
２光源
３実装基板
４波長変換部材
４ａ鍔部
５放熱板
６反射板

Claims

光源と、
前記光源が実装される実装基板と、
前記光源を覆うように前記実装基板上に設けられ、前記光源からの出射光の波長を異なる波長に変換する波長変換部材と、
前記波長変換部材の熱を前記実装基板へ放熱する放熱板と、を備え、
前記波長変換部材は、ドーム状に構成され、
前記放熱板は、前記波長変換部材の下部外周面に接していることを特徴とするＬＥＤユニット。
前記波長変換部材の下部端面が、前記実装基板に接していることを特徴とする請求項１に記載のＬＥＤユニット。
前記波長変換部材の下部内方に、前記光源から前記実装基板に沿った方向への出射光を前記波長変換部材へ反射する反射板が設けられていることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のＬＥＤユニット。
前記波長変換部材は、その下部に外方に延びる鍔部を有し、
前記鍔部が、前記放熱板により押さえられていることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか一項に記載のＬＥＤユニット。