JP2013171805A

JP2013171805A - 照明装置

Info

Publication number: JP2013171805A
Application number: JP2012036806A
Authority: JP
Inventors: Hiroki Yokoyama; 浩樹横山
Original assignee: Stanley Electric Co Ltd
Current assignee: Stanley Electric Co Ltd
Priority date: 2012-02-22
Filing date: 2012-02-22
Publication date: 2013-09-02

Abstract

【課題】光の照射方向とは無関係に複数の発光素子を効率良く略均一に冷却することによって該発光素子の長寿命化を図ることができる照明装置を提供すること。
【解決手段】発光素子とこれを実装する回路基板、複数の放熱フィンを備えたヒートシンク及びアウタレンズを備えた光学モジュールを取付アーム４に回動可能に取り付けて成るＬＥＤ照明装置１において、前記光学モジュールを複数の光学モジュールＭ１，Ｍ２，Ｍ３に分割し、各光学モジュールＭ１〜Ｍ３を枠状の金属フレーム２に回動可能に支持し、これらの光学モジュールＭ１〜Ｍ３を支持する前記金属フレーム２を前記取付アーム４に回動可能に支持する。
【選択図】図５

Description

本発明は、ＬＥＤ等の発光素子を光源とする照明装置に関するものである。

近年、半導体の消費電力が加速度的に上昇するのに伴って該半導体の発熱量が増加しているため、高性能の冷却システムに対する需要が高まっている。又、小型化のために高密度に集積された回路においても消費される電力は増加傾向にあり、発熱量と同時に発熱密度も急激に上昇している。

半導体であるＬＥＤ（発光ダイオード）やレーザーダイオード等の発光素子においても、明るさの向上に伴って従来の表示用としての用途から照明用としての用途も増えており、斯かる発光素子を光源として使用する照明装置が出現している。

ところが、ＬＥＤ等の発光素子の最大の問題は、投入した電力の大部分が熱となり、自身が発する熱によって発光効率と寿命が低下するという点であり、従って、斯かる発光素子を光源とする照明装置には発光素子の冷却手段が必要となる。ここで、冷却手段としてヒートシンクを用いた従来のＬＥＤ照明装置の例を図８に示す。

即ち、図８は従来のＬＥＤ照明装置の斜視図であり、図示のＬＥＤ照明装置１０１は、光学モジュールＭをチャンネル状の取付アーム１０４に水平な回転軸１０３によって上下に回動可能に支持して構成されている。ここで、光学モジュールＭは、複数（図示例では、縦３列、横５列の計１５個）のＬＥＤ１１１とこれらのＬＥＤ１１１を実装する矩形平板状の不図示の回路基板、矩形プレート状のベースプレート１１３ｂの背面に上下方向の複数の放熱フィン１１３ａを横方向に適当な間隔で立設して成るヒートシンク１１３及びＬＥＤ１１１及び回路基板を覆うアウタレンズ１１４によってユニットとして構成されている。

而して、複数（図示例では、１５個）のＬＥＤ１１１に通電されてこれらが発光すると、該ＬＥＤ１１１から発せられる熱はヒートシンク１１３のベースプレート１１３ｂから各放熱フィン１１３ａヘと伝導し、各放熱フィン１１３ａから空気中へと放熱されることによってＬＥＤ１１１が冷却されてその温度上昇が抑えられる。

そして、ＬＥＤ照明装置１０１の照明方向を変更する場合には、光学モジュールＭが回転軸１０３を中心として回動されることによってアウタレンズ１１４からの光の出射方向が変えられる。

ところで、特許文献１には、ヒートシンクの放熱性能を高めるために、筒状体が並列に複数連結された放熱フィンの下端とベースプレート上面との間に空隙を形成する構成が提案されている。これによれば、放熱フィンの下端とベースプレート上面との間の空隙から外部の空気が流入するため、熱源からの熱が伝導するベースプレートの上面を空気が流れてヒートシンクの放熱性が高められる。

特開２０１１−１６５７０４号公報

図８に示す従来のＬＥＤ照明装置１０１においてヒートシンク１１３の放熱性能を高めるためには、該ヒートシンク１１３のサイズを大きくしてその放熱面積を増やす必要があり、このようにヒートシンク１１３のサイズを大きくするとＬＥＤ照明装置１０１が大型化及び高重量化するという問題が発生する。

又、ヒートシンク１１３の対流による放熱性能が該ヒートシンク１１３の設置方向によって低下するという問題があった。特に、光を照射する向きによっては複数のＬＥＤ１１１の温度にバラツキが生じ、ＬＥＤ１１１によってはジャンクション温度が許容値を超えてしまうことがあった。

例えば、図９の側面図に示すように光が水平に出射するよう光学モジュールＭを垂直に起立させた状態でＬＥＤ照明装置１０１を使用する場合には、図９に破線矢印にて示すようにヒートシンク１１３を下から上に向かって対流する空気は、その過程でＬＥＤ１１１によって順次加熱されるために図１０（ａ）に示すように温度分布を示し、その温度は上方に向かって次第に高くなる。ここで、ヒートシンク１１３の下部と中間高さ及び上部における空気の温度を図９に示すようにそれぞれＴ１’，Ｔ２’，Ｔ３’とすると、Ｔ１’＜Ｔ２’＜Ｔ３’の関係が成立する。

又、ヒートシンク１１３を流れる空気の横方向の温度分布は図１０（ｂ）に示すようになり、ヒートシンク１１３の幅方向端部では横方向に隣接するＬＥＤ１１１による加熱の影響が小さく、中央では隣接するＬＥＤ１１１によって加熱されるため、空気の温度は中央で高く、そこから左右両端部に向かって次第に低くなっている。

従って、ＬＥＤ照明装置１０１の全体で考えると、複数のＬＥＤ１１１のうち、ジャンクション温度が最も高くなるものの寿命によってＬＥＤ照明装置１０１の耐久性が左右される。

本発明は上記問題に鑑みてなされたもので、その目的とする処は、光の照射方向とは無関係に複数の発光素子を効率良く略均一に冷却することによって該発光素子の長寿命化を図ることができる照明装置を提供することにある。

上記目的を達成するため、請求項１記載の発明は、発光素子とこれを実装する回路基板、複数の放熱フィンを備えたヒートシンクを備えた光学モジュールを取付アームに回動可能に取り付けて成る照明装置において、前記光学モジュールを複数に分割し、各光学モジュールを枠状の金属フレームに回動可能に支持し、これらの光学モジュールを支持する前記フレームを前記取付アームに回動可能に支持したことを特徴とする。

請求項２記載の発明は、請求項１記載の発明において、前記各光学モジュールを水平な回転軸によって前記フレームに回動可能に支持するとともに、該光学モジュールが備える前記ヒートシンクの放熱フィンを前記回転軸に対して垂直方向に形成したことを特徴とする。

請求項３記載の発明は、請求項２記載の発明において、前記各光学モジュールを前記回転軸を中心として回転させる駆動機構を設けたことを特徴とする。

請求項４記載の発明は、請求項３記載の発明において、前記駆動機構を、駆動源であるモータと、前記各光学モジュールの回転軸に結着された駆動ギヤと、隣接する２つの駆動ギヤ間に配設されて両駆動ギヤに噛合するアイドルギヤを含んで構成したことを特徴とする。

請求項５記載の発明は、請求項１〜４の何れかに記載の発明において、前記フレームは金属製であり、該フレームの幅方向中央部に金属プレートを設けたことを特徴とする。

請求項１及び記載の発明によれば、複数に分割された光学モジュールをこれらを支持する金属フレームに対して回動させ、これらの光学モジュールが上下方向に重ならないよう横方向に適当な間隔を設けて配置することができるため、各光学モジュールのヒートシンクを流れる空気が他の光学モジュールを流れる空気の影響を受けることなく各光学モジュールの発光素子をそれぞれ独立に冷却するため、各光学モジュールの発光素子が効率良く略均一に冷却される。このため、各光学モジュールの発光素子のジャンクション温度が下がって該発光素子の発光効率と寿命が高められ、照明装置の耐久性向上が図られる。又、各光学モジュールのヒートシンクの放熱性が高められる結果、照明装置の小型化と軽量化が可能となるとともに、発光素子のジャンクション温度が下げられた分だけ該発光素子への供給電流を増やすことができ、当該照明装置の照度を高めることができる。

請求項３及び４記載の発明によれば、複数の光学モジュールを駆動機構によって回転軸を中心として同方向に同角度だけ同時に回動させることができる。

請求項５記載の発明によれば、金属フレームの幅方向中央部に金属プレートを取り付けたため、各光学モジュールの発光素子の熱がヒートシンク及び金属プレートを経て金属フレームへと伝導して該金属フレームから放熱することとなり、この結果、各発光素子が一層効果的に冷却されてそのジャンクション温度が更に低く抑えられる。

本発明に係るＬＥＤ照明装置の斜視図である。本発明に係るＬＥＤ照明装置の分解斜視図である。本発明に係るＬＥＤ照明装置の光学モジュールの分解斜視図である。本発明に係るＬＥＤ照明装置の光学モジュールの側面図である。本発明に係るＬＥＤ照明装置の使用状態を示す側面図である。本発明に係るＬＥＤ照明装置の別形態に係る光学モジュールの斜視図である。本発明に係るＬＥＤ照明装置の別形態に係る光学モジュールの側面図である。従来のＬＥＤ照明装置の斜視図である。従来のＬＥＤ照明装置の使用状態を示す側面図である。（ａ），（ｂ）は従来のＬＥＤ照明装置のヒートシンクを流れる空気の温度分布を示す図である。

以下に本発明の実施の形態を添付図面に基づいて説明する。

図１は本発明に係るＬＥＤ照明装置の斜視図、図２は同ＬＥＤ照明装置の分解斜視図、図３は同ＬＥＤ照明装置の光学モジュールの分解斜視図、図４は同光学モジュールの側面図、図５はＬＥＤ照明装置の使用状態を示す側面図である。

本実施の形態に係るＬＥＤ照明装置１は、図１に示すように、矩形枠状の金属フレーム２に上下３段の光学モジュールＭ１，Ｍ２，Ｍ３を水平な回転軸３によって回動可能に支持するとともに、これらの光学モジュールＭ１〜Ｍ３を支持する金属フレーム２をチャンネル状の取付アーム４に回転軸３によって回動可能に取り付けて構成されている。

より詳細には、図２に示すように、金属フレーム２の左右の側壁には、各光学モジュールＭ１〜Ｍ３の回転軸３の軸方向両端を挿通保持するための切欠き状の軸受部２ａが上下３段に亘ってそれぞれ形成されている。又、金属フレーム２内の幅方向中央部には金属プレート５が垂直に取り付けられており、この金属プレート５には半円状の切欠き５ａが光学モジュールＭ１〜Ｍ３の配置位置に合わせて上下３段に亘って形成されている。

而して、各光学モジュールＭ１〜Ｍ３は、これを水平な状態に保って金属フレーム２に図２の手前側から送り込まれ、その左右に突出する前記回転軸３が金属フレーム２の左右の前記各軸受部２ａに嵌め込まれることによって金属フレーム２に回動可能に支持される。その後、金属フレーム２の左右の側壁の外面に縦方向に細長い押えステー６が取り付けられ、各押えステー６に上下方向に形成された３つの円孔６ａに各回転軸３の端部を嵌め込むことによって各光学モジュールＭ１〜Ｍ３の金属フレーム２からの脱落が防がれる。又、金属フレーム２内の幅方向中央部に取り付けられた前記金属プレート５の横には同様の金属製の押えステー７が取り付けられる。尚、押えステー７にも半円状の切欠き７ａが光学モジュールＭ１〜Ｍ３の配置位置に合わせて上下３段に亘って形成されている。

各光学モジュールＭ１〜Ｍ３においてそれぞれ１枚の放熱フィン１３ａの両面を挟み込むように、一方側に金属プレート５、他方側に押えステー７がそれぞれは位置され、例えば不図示のネジ等によって押えステー７が金属プレート５に固定されている。そして、光学モジュールＭ１〜Ｍ３の回動時には、該光学モジュールＭ１〜Ｍ３が回動可能な程度の強さ（トルク）で、押えステー７が金属プレート５に固定（ネジ締め）される。又、光学モジュールＭ１〜Ｍ３の固定時には、該光学モジュールＭ１〜Ｍ３が回動しない程度の強さ（トルク）で、押えステー７が金属プレート５に固定（ネジ締め）されている。このため、特に光学モジュールＭ１〜Ｍ３の固定時においては、金属プレート５及び押えステー７が放熱フィン１３ａの両面に密着する。これにより、ＬＥＤ１１から生じて放熱フィン１３ａに伝導した熱が金属プレート５及び押えステー７を介して金属フレーム２へ伝わり易くなり、放熱性が一層高められる。

又、金属プレート５及び押えステー７を金属フレーム２の幅方向中央部に配置したことにより、最も放熱性の悪い（高温になる）幅方向中央部に位置するＬＥＤ１１からの熱を効率的に引くことができる。そして、この部分を効率的に冷却することによって、照明器具全体としての長寿命を実現することができる。

又、特に光学モジュールＭ１〜Ｍ３の固定時には、金属プレート５と押えステー７によって物理的に１枚の放熱フィン１３ａが挟み込まれるため、回転の遊びや強い不意の力（強風や振動等）によって光学モジュールＭ１〜Ｍ３が誤って回転してしまい、光照射方向や放熱フィン１３ａの向きが変わることがない。

ところで、金属プレート５は、その上下端面において金属フレーム２の内側上下面に溶接されている。或いは、金属プレート５の上下端をＬ字状に折り曲げて金属フレーム２の上下面内側に対してネジ止めした構成を採用しても良く、金属フレーム２と金属プレート５をアルミダイキャストで一体成型しても良い。

金属フレーム２は、光学モジュールＭ１〜Ｍ３の回転軸３とは別に、固有の独立したフレーム回転軸（不図示）を輸している。このフレーム回転軸は、光学モジュールＭ１〜Ｍ３の回転軸３と平行に延びる軸であり、例えば、光学モジュールＭ１の回転軸３の下方且つ光学モジュールＭ２の回転軸３の上方に位置する。即ち、フレーム回転軸は、光学モジュールＭ１〜Ｍ３の回転軸３とは異なる位置に配置されており、取付アーム４に回動可能に支持されている。更に、金属フレーム２は、不図示のフレーム回転軸を中心として前後（上下）に回動可能に取付アーム４に支持されている。このため、金属フレーム２は、光学モジュールＭ１〜Ｍ３の回転とは独立して回動することができる。

そして、以上のようにして上下３つの光学モジュールＭ１〜Ｍ３が回動可能に支持された金属フレーム２は、真中（中段）の光学ユニットＭ２を支持する回転軸３の左右両端部が前記取付アーム４の左右に形成された円孔４ａに通されることによって取付アーム４に上下に回動可能に取り付けられている。

ところで、金属フレーム２には、３つの光学モジュールＭ１〜Ｍ３を同方向に同角度だけ同時に回動させるための駆動機構が設けられており、この駆動機構は、図１に示すように取付アーム４の一側部に取り付けられた駆動源であるモータ８と、３つの光学モジュールＭ１〜Ｍ３の各回転軸３の一端に結着された駆動ギヤ９及び隣接する２つの駆動ギヤ９の間に配設されて両駆動ギヤ９に噛合するアイドルギヤ１０を含んで構成されている。ここで、モータ８には細かい回転制御が可能なステッピングモータ等が使用され、その出力軸が１つの駆動ギヤ９に伝達されるよう構成されている。

次に、各光学モジュールＭ１〜Ｍ３の構成の詳細を図３及び図４に基づいて以下に説明する。

図３は光学モジュールの分解斜視図、図４は同光学モジュールの側面図であり、各光学モジュールＭ１〜Ｍ３の構成は同じであるため、以下、１つの光学モジュールＭ１についてのみ図示及び説明する。

光学モジュールＭ１は、発光素子である５つのＬＥＤ（発光ダイオード）１１とこれらのＬＥＤ１１を実装する回路基板１２、複数の放熱フィン１３ａを備えたヒートシンク１３及びアウタレンズ１４を備えている。ここで、回路基板１２は、横方向に長い矩形プレート状の部材であって、その表面には前記５つのＬＥＤ１１が横方向に適当な間隔で実装されている。又、前記ヒートシンク１３は、回路基板１２と同形状のベースプレート１３ｂの両端に前記回転軸３を突設するとともに、ベースプレート１３ｂの背面に、複数の前記放熱フィン１３ａを回転軸３の軸方向に適当な間隔で形成することによって構成されており、該ヒートシンク１３は熱伝導率の高いアルミニウムの一体鋳造（ダイキャスト等）によって一体に成形されている。尚、各光学モジュールＭ１〜Ｍ３が金属フレーム２に対して回転軸３を中心として如何に回転してもこれらの光学モジュールＭ１〜Ｍ３同士が干渉しないよう、各光学モジュールＭ１〜Ｍ３の回転軸３を中心とする最大回転半径Ｒ（図４参照）と３つの光学モジュールＭ１〜Ｍ＃の回転軸３の配列ピッチＰ（図１参照）は、Ｐ＞２Ｒなる関係が成立するよう設定されている。

以上のように構成された各光学モジュールＭ１〜Ｍ３は、前述のように金属フレーム２に回動可能に組み込まれるが、金属フレーム２の幅方向中央に垂直に取り付けられた前記金属プレート５と押えステー７によって各光学モジュールＭ１〜Ｍ３に設けられたヒートシンク１３の放熱フィン１３ａが両側から挟み込まれる。そして、３つの光学モジュールＭ１〜Ｍ３が組み込まれた金属フレーム２は、真中の光学モジュールＭ２の回転軸３によって取付アーム４に回動可能に支持されることによって図１に示すようなＬＥＤ照明装置１が組み立てられる。

次に、以上のように構成されたＬＥＤ照明装置１の作用を図５に基づいて以下に説明する。

図５に示すようにＬＥＤ照明装置１をその光照射方向が水平となる状態で使用する場合、金属フレーム２を回転軸３を中心として回動させて垂直に対して図示のように斜めに傾ける。そして、駆動機構のモータ８を起動し、１つの駆動ギヤ９を所定方向に所定角度だけ回転させる。すると、１つの駆動ギヤ９の回転はアイドルギヤ１０を介して他の２つの駆動ギヤ９に伝達されるため、３つの光学モジュールＭ１〜Ｍ３が同方向に同角度だけ同時に回動し、図５に示すように各光学モジュールＭ１〜Ｍ３が垂直に起立する。

上述のように、金属フレーム２を垂直に対して斜めに傾けた状態で、該金属フレーム２に対して３つの光学モジュールＭ１〜Ｍ３を垂直状態になるよう回動させると、３つの光学モジュールＭ１〜Ｍ３が上下方向に重ならないよう水平方向に適当な間隔を設けて配置される。このため、各光学モジュールＭ１（Ｍ２，Ｍ３）のヒートシンク１３を流れる空気が図５に矢印にて示すように他の光学モジュールＭ２，Ｍ３（Ｍ１）を流れる空気の影響を受けることなく各光学モジュールＭ１〜Ｍ３のＬＥＤ１１をそれぞれ独立に冷却することとなる。この結果、各光学モジュールＭ１〜Ｍ３のＬＥＤ１１がそれぞれ効率良く略均一に冷却され、各光学モジュールＭ１〜Ｍ３のＬＥＤ１１のジャンクション温度が下がって該ＬＥＤ１１の発光効率と寿命が高められ、当該ＬＥＤ照明装置１の耐久性向上が図られる。

特に、本実施の形態では、金属フレーム２の幅方向中央部に金属プレート５と金属製の押えステー７を取り付け、これらの金属プレート５と押えステー７によって各光学モジュールＭ１〜Ｍ３の放熱フィン１３ａを両側から挟み込むようにしたため、各光学モジュールＭ１〜Ｍ３のＬＥＤ１１の熱がヒートシンク１３から金属プレート５及び押えステー７を経て金属フレーム２へと伝導し、該金属フレーム２から放熱することとなり、この結果、各ＬＥＤ１１が一層効果的に冷却されてそのジャンクション温度が更に低く抑えられる。

そして、上述のように各光学モジュールＭ１〜Ｍ３のヒートシンク１３の放熱性が高められる結果、ＬＥＤ照明装置１の小型化と軽量化が可能となるとともに、ＬＥＤ１１のジャンクション温度が下げられた分だけ該ＬＥＤ１１への供給電流を増やすことができ、当該ＬＥＤ照明装置１の照度を高めることができるという効果も得られる。

ところで、本実施の形態に係るＬＥＤ照明装置１において各光学モジュールＭ１〜Ｍ３を通過する空気の温度Ｔ１，Ｔ２，Ｔ３（図５参照）を実測した結果、これらの温度Ｔ１，Ｔ２，Ｔ３はほぼ同じ値を示し（Ｔ１≒Ｔ２≒Ｔ３）、当該ＬＥＤ照明装置１の温度分布は略均一になることが確かめられた。

ここで、光学モジュールＭ１〜Ｍ３の別形態を図６及び図７に示す。

即ち、図６は別形態に係る光学モジュールの斜視図、図７は同光学モジュールの側面図であり、図示の光学モジュールＭ１においては、ヒートシンク１３に複数の半円状の放熱フィン１３ａを回転軸３に対して垂直方向に形成しており、図７に示すように、放熱フィン１３ａの半径Ｒと３つの光学モジュールＭ１〜Ｍ３の回転軸３の配列ピッチＰ（図１参照）は、Ｐ＞２Ｒなる関係が成立するよう設定されている。このように設定することによって、各光学モジュールＭ１〜Ｍ３が金属フレーム２に対して回転軸３を中心として如何に回転しても、これらの光学モジュールＭ１〜Ｍ３同士が干渉しないようになっている。尚、３つの光学モジュールＭ１〜Ｍ３の構成は全て同じであるため、図６及び図７には１つの光学モジュールＭ１のみを図示している。

ところで、以上は本発明を光源としてＬＥＤを使用するＬＥＤ照明装置に対して適用した形態について説明したが、本発明は、ＬＥＤ以外のレーザーダイオード等の他の発光素子を光源として使用する他の任意の照明装置に対しても同様に適用可能であることは勿論である。

又、本実施の形態では、光学モジュールＭ１〜Ｍ３をモータ８を動力源として回動させているが、例えば手動レバーや手動ダイヤル、レンチとナット等を用いて回転軸３を回動させても良い。尚、本発明において示される「回動」及び「回転」とは、３６０°回転しても良いし、例えば１８０°等、回転可能範囲が所定の範囲に限定されていても良いが、不図示の配線の巻き込みを防ぐためには、回転範囲を３６０°以内とすることが望ましい。

１ＬＥＤ照明装置（照明装置）
２金属フレーム
２ａ金属フレームの軸受部
３回転軸
４取付アーム
４ａ取付アームの円孔
５金属プレート
５ａ混族プレートの切欠き
６押えステー
６ａ押えステーの円孔
７押えステー
７ａ押えステーの切欠き
８モータ
９駆動ギヤ
１０アイドルギヤ
１１ＬＥＤ（発光素子）
１２回路基板
１３ヒートシンク
１３ａヒートシンクの放熱フィン
１３ｂヒートシンクのベースプレート
１４アウタレンズ
Ｍ１〜Ｍ３光学モジュール
Ｐ光学モジュールの配列ピッチ
Ｒ光学モジュールの最大回転半径
Ｔ１〜Ｔ３各光学モジュールを通過する空気の温度

Claims

発光素子とこれを実装する回路基板、複数の放熱フィンを備えたヒートシンクを備えた光学モジュールを取付アームに回動可能に取り付けて成る照明装置において、
前記光学モジュールを複数に分割し、各光学モジュールを枠状の金属フレームに回動可能に支持し、これらの光学モジュールを支持する前記フレームを前記取付アームに回動可能に支持したことを特徴とする照明装置。
前記各光学モジュールを水平な回転軸によって前記フレームに回動可能に支持するとともに、該光学モジュールが備える前記ヒートシンクの放熱フィンを前記回転軸に対して垂直方向に形成したことを特徴とする請求項１記載の照明装置。
前記各光学モジュールを前記回転軸を中心として回転させる駆動機構を設けたことを特徴とする請求項２記載の照明装置。
前記駆動機構を、駆動源であるモータと、前記各光学モジュールの回転軸に結着された駆動ギヤと、隣接する２つの駆動ギヤ間に配設されて両駆動ギヤに噛合するアイドルギヤを含んで構成したことを特徴とする請求項３記載の照明装置。
前記フレームは金属製であり、該フレームの幅方向中央部に金属プレートを設けたことを特徴とする請求項１〜４の何れかに記載の照明装置。