JP2013225587A

JP2013225587A - Ｌｅｄ電球

Info

Publication number: JP2013225587A
Application number: JP2012096939A
Authority: JP
Inventors: Yoshinori Go; 慶典呉
Original assignee: Stanley Electric Co Ltd
Current assignee: Stanley Electric Co Ltd
Priority date: 2012-04-20
Filing date: 2012-04-20
Publication date: 2013-10-31
Anticipated expiration: 2032-04-20
Also published as: JP5864349B2

Abstract

【課題】ＬＥＤ光源の点灯時の発熱に対して十分な放熱効果を有すると共に、従来の白熱電球と同等の配光特性を得ることが可能なＬＥＤ電球を提供することにある。
【解決手段】気密封止されたガラスバルブ２５内に、透明基板７上に複数のＬＥＤ素子２が実装されてなるＬＥＤモジュール１ａ、１ｂを収容し、ＬＥＤモジュール１ａ、１ｂを導入線２２ａ、２２ｂと共にアンカー線２４で支持固定するようにした。ガラスバルブ２５は金属製の口金３０に装着し、アンカー線２４は先端２４ａをガラスバルブ２５の内壁２５ｃに当接させ、ガラスバルブ２５に気密貫通して導出された導出部を口金３０に接合した。
【選択図】図１０

Description

本発明は、ＬＥＤ電球に関するものであり、詳しくは、発光源にＬＥＤを用いてなるＬＥＤ電球に関する。

従来、ＬＥＤを発光源とするＬＥＤ電球には、例えば図１２にあるような構造のものが開示されている。それは、直線状に配置された複数のリード９０、９１、９２が光透過性の第１の樹脂９３によって一体化されて細長い棒状のパッケージ９４が形成され、該パッケージ９４には複数のリード９０、９１、９２のいずれかに接着材料を介して固定された発光素子９５と該発光素子９５の電極を複数リード９０、９１、９２のいずれかに電気的に接続するボンディングワイヤ１０５を有しており、全ての発光素子９６と全てのボンディングワイヤ１０５が光透過性の第２の樹脂９６で樹脂封止されることにより発光装置９７が形成されている。

そして、ＬＥＤ電球１０２は図１３にあるように、ガラス製カバー９８を気密封止する口金９９に制御用基板（図示せず）が内蔵され、ガラス製カバー９８の気密内部空間１００内に制御用基板から延びる一対の電源用リード１０３に６個の発光装置９７が直列接続されると共に、隣接する発光装置９７同士がＶ字形状をなすようにジグザグに配置されてフィラメント部１０１が形成されている。

この場合、発光装置９７は、第１の樹脂９３及び第２の樹脂９６がいずれも光透光性を有するため導光体として機能し、裏面からの光取出しが増加して広指向性を実現する。その結果、フィラメント部１０１は、一般的な白熱電球のフィラメントと同様の発光形態を呈するものとなる（特許文献１参照。）。

また、図１４にあるように、複数個のＬＥＤランプ８０を可撓性部材８１によって連鎖することによりＬＥＤ連鎖体８２を形成し、該ＬＥＤ連鎖体８２の両端を電球本体８３を構成するステム８４から同様に電球本体８３を構成するガラス球８５の中空体８６内に延出した２本の内部導入線８７に接続してなるＬＥＤ電球も開示されている（特許文献２参照。）。

特開２００９−１７０７５９号公報実用新案登録第３０７５６８９号

ところで、上記特許文献１のＬＥＤ電球においては、発光素子９５の点灯時の発熱は一対の電源用リード１０３を介してのみ放熱され、特許文献２のＬＥＤ電球においては、ＬＥＤランプ８０の点灯時の発熱は２本の内部導入線８７を介してのみ放熱される。

そのため、いずれのＬＥＤ電球も光源の点灯時の発熱に対して十分な放熱効果を得ることができず、温度上昇に起因する光源の発光効率の低下によって所望の照射光量を確保することができなくなると共に同様に温度上昇に起因する光源寿命の短縮化によって信頼性を損なうことにもなる。

この放熱問題の解決のために、ＬＥＤ電球内にヒートシンク等の放熱手段を設けることが考えられるが、その場合、放熱手段を設けることによって光源の配置が偏ったり或いは光源からの出射光が遮られて所望の配光特性を得ることができず、従来の白熱電球と同等の光学特性を実現することは困難である。

そこで、本発明は上記問題に鑑みて創案なされたもので、その目的とするところは、光源の点灯時の発熱に対して十分な放熱効果を有すると共に、従来の白熱電球と同等の配光特性を得ることが可能なＬＥＤ電球を提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明の請求項１に記載された発明は、気密封止された内部にＬＥＤ素子が実装されたＬＥＤモジュールが収容されたガラスバルブが金属製口金に装着されてなるＬＥＤ電球であって、前記ＬＥＤモジュールは前記ガラスバルブを気密貫通する導入線に支持固定されていると同時に、ガラスバルブに気密貫通して先端部が前記ガラスバルブの内壁に当接し且つ前記ガラスバルブからの導出部が前記金属製口金に接合された線状金属のアンカー線によっても支持固定されていることを特徴とするものである。

また、本発明の請求項２に記載された発明は、請求項１において、前記ガラスバルブ内に熱伝導率の高いガスが封入されていることを特徴とするものである。

また、本発明の請求項３に記載された発明は、請求項２において、前記熱伝導率の高いガスは、窒素又はヘリウムであることを特徴とするものである。

本発明のＬＥＤ電球は、気密封止された内部にＬＥＤ素子が実装されたＬＥＤモジュールが収容されてなるガラスバルブを金属製口金に装着し、ＬＥＤモジュールをガラスバルブを気密貫通する導入線と、ガラスバルブに気密貫通して先端部がガラスバルブの内壁に当接し且つガラスバルブからの導出部が金属製口金に接合された線状金属のアンカー線によって支持固定する構造とした。

このアンカー線は、ＬＥＤモジュールに実装されたＬＥＤ素子の発光（点灯）時の発熱の放熱に寄与し、且つＬＥＤモジュールの支持固定を導入線だけで支持固定した場合よりも強固にする働きを有する。

その結果、従来の白熱電球よりも低消費電力で、照射光の配光特性等の光学特性が従来の白色電球と同等の性能を有すると共に、ＬＥＤ素子の発光時の自己発熱による温度上昇が抑制されて温度上昇に起因する発光寿命の短縮及び発光効率の低下が抑制されて高い信頼性及び適切な照射光量を確保することができ、振動や衝撃等に対する機械的信頼性も高いＬＥＤ電球を実現することが可能となった。

ＬＥＤ素子の説明図である。ＬＥＤモジュールの上面説明図である。ＬＥＤモジュールの側面説明図である。リード端子の斜視説明図である。フレアステムの説明図である。ＬＥＤモジュールの一体化の説明図である。リード端子と導入線の接合説明図である。ガラスバルブ内へのＬＥＤモジュールの収容説明図である。口金の説明図である。ＬＥＤ電球の説明図である。ガラスビードの使用説明図である。従来例の説明図である。従来例の説明図である。従来例の説明図である。

以下、この発明の好適な実施形態を図１〜図１１を参照しながら、詳細に説明する（同一部分については同じ符号を付す）。尚、以下に述べる実施形態は、本発明の好適な具体例であるから、技術的に好ましい種々の限定が付されているが、本発明の範囲は、以下の説明において特に本発明を限定する旨の記載がない限り、これらの実施形態に限られるものではない。

図１〜図３は、本発明のＬＥＤ電球を構成するＬＥＤモジュールに係わる説明図である。ＬＥＤモジュールは、従来の白熱電球における発光部となるフィラメントに相当する部分である。

ＬＥＤモジュールに発光源として用いられる複数のＬＥＤ素子（ＬＥＤチップ）２はフリップチップ（ＦＣ）実装型の素子であり図１（ＬＥＤ素子の説明図）に示すように、外部電源からの電力を取り込んでＬＥＤ素子２を発光させる一対の電極３（アノード電極３ａ、カソード電極３ｂ）が該ＬＥＤ素子２の発光層４を挟んで互いに対向する上面５と下面６のうち下面６側に設けられ、ＬＥＤ素子２の上面５と下面６からはＬＥＤ素子２からの発光光が互いにほぼ均等な光出力に分かれて外部に出射される。

上記複数のＬＥＤ素子２は図２（ＬＥＤモジュールの上面説明図）及び図３（ＬＥＤモジュールの側面説明図）にあるように、ガラス等の透明部材で形成され、一方の面に複数の独立した電極パターン８が略直線状に形成された長細形状のＬＥＤ素子実装用透明基板（以下、「透明基板」と略称する）７の互いに隣接する電極パターン８の夫々に架かるようにその上面に、該ＬＥＤ素子２の一対の電極３の夫々３ａ、３ｂ（図１参照）を位置させた状態でフリップチップ実装されている。

このとき、透明基板７上に実装された複数のＬＥＤ素子２は、複数の独立した電極パターン８を介して電気的に全て直列に接続されており、リード端子接合用電極パターン８ａ、８ｂ間に所定の電圧を印加することにより全てのＬＥＤ素子２を発光（点灯）させることができる。

透明基板７に形成された電極パターン８は、ＩＴＯやＩＺＯ等の透明金属材料による透明電極パターン、或いはアルミニウム等の金属膜上にニッケル下地層と金メッキ層又は金蒸着層又は金スパッタ層が形成された金属細線による不透明導体パターンからなっている。導体パターンが不透明であっても細線であるため導体パターンが光学特性にほとんど影響を与えることがなく、且つ透明導体パターンに比べて透明基板７に対するダイシェア強度等の信頼性は向上する。

複数のＬＥＤ素子２が実装された透明基板７の両端部にはリード端子接合用電極パターン８ａ、８ｂが形成されており、透明電極７の夫々の端部をクリップ型リード端子（以下、「リード端子」と略称する）９のクリップ部１１で咥え込んだ状態でリード端子接合用電極パターン８ａ、８ｂとクリップ部１１をはんだや導電ペースト等の導電接合部材によって接合することにより、リード端子接合用電極パターン８ａ、８ｂとリード端子９が電気的に接合されると共に透明基板７とリード端子９が機械的に接合されている。

リード端子９は予め、矩形平板状のバネ材に板金加工を施して図４（リード端子の斜視説明図）にあるような形状のリードフレーム１０として成形される。図４より、リードフレーム１０は両端部にクリップ部１１が形成されると共に互いのクリップ部１１が夫々のクリップ部１１から延設された延設部１２で繋がり、該延設部１２の中央部に貫通孔１２ａが設けられた形状を呈している。

クリップ部１１は、矩形平板状のバネ材の長手方向の両先端部側に、夫々の先端部側から長手方向に沿って内側に向かい所定の位置で短手方向の側端部に向かう略Ｌ字状の切り込みを施し、その切込部を先端部側に折り曲げた挟持片１１ａを有している。

透明基板７に接合されるリード端子９は、予め成形されたリードフレーム１０を延設部１２の適宜な位置で切断して用いられている。なお、リードフレーム１０はリード端子９としての用途のみではなく、後述するＬＥＤモジュール同士の接続等の他の用途としても使用される。

このように、上記構造からなるＬＥＤモジュールは、透明基板上に形成された透明導電パターン上或いは細線不透明導電パターン上に、上面と下面からほぼ均等な光出力を出射する複数のＬＥＤ素子を実装した。そのため、ＬＥＤモジュールは夫々のＬＥＤ素子からの出射光が該ＬＥＤモジュールの全方向に向けて照射されるものとなり、従来の一般的な白熱電球のフィラメントとほぼ近似した配光特性を形成することができる。

その結果、従来の白熱電球のフィラメントの代わりに上記ＬＥＤモジュールを光源として用いることにより、従来の白熱電球の配光特性を確保しつつ、長寿命、低消費電力等のＬＥＤ素子の特徴を生かしたＬＥＤ電球を実現することが可能となる。

そこで、ＬＥＤモジュールを用いたＬＥＤ電球５０の具体的な構造例について、図５〜図１０に示す製造工程を基に説明する。

まず、予め図５（フレアステムの説明図）にあるような、フレアガラスに２１一対の導入線２２ａ、２２ｂが気密に貫通すると共に排気管２３が融着されてなるフレアステム２０を準備する。

次に、図６（ＬＥＤモジュールの一体化の説明図）にあるように、２つのＬＥＤモジュール１を準備する。この場合、１つのＬＥＤモジュール（第１のＬＥＤモジュール）１ａと他の１つのＬＥＤモジュール（第２のＬＥＤモジュール）１ｂは、互いに極性が異なるリード端子接合用電極パターン８ａ、８ｂに、リードフレーム１０を延設部１２の適宜な位置で切断してなるリード端子９を接合し、第１のＬＥＤモジュール１ａと第２のＬＥＤモジュール１ｂのリード端子９が接合されていないリード端子接合用電極パターン８ｂ、８ａに、略逆Ｖ字状に折曲されたリードフレーム１０を接合して電気的導通を図ると共に第１のＬＥＤモジュール１ａと第２のＬＥＤモジュール１ｂをリードフレーム１０を介して略逆Ｖ字状に一体化している。

第１のＬＥＤモジュール１ａと第２のＬＥＤモジュール１ｂによる略Ｖ字形状は、従来の白熱電球におけるＣ−２Ｖ形のフィラメント形状に相当するものである。

その後、リードフレーム１０の延設部１２に設けられた貫通孔１２に線状金属のアンカー線２４を挿通し、先端部２４ａを貫通孔１２から所定の長さだけ突出した状態で該貫通孔１２部分で延設部１２とアンカー線２４を接合する。この接合は例えば、はんだ接合１３等によって行われる。

そして、図７（リード端子と導入線の接合説明図）のように、アンカー線２４を排気管２３に挿通して状態で、第１のＬＥＤモジュール１ａと第２のＬＥＤモジュール１ｂの夫々に接合されたリード端子９の延設部１２を一対の導入線２２ａ、２２ｂの夫々にスポット溶接１４等によって接合固定する。

次に、図８（ガラスバルブ内へのＬＥＤモジュールの収容説明図）にあるように、球状部２５ａと筒状部２５ｂを有するガラスバルブ２５の該筒状部２５ｂ内にフレアガラス２１を挿入し、略Ｖ字形状に配置された第１のＬＥＤモジュール１ａ及び第２のＬＥＤモジュール１ｂが球状部２５ａ内に収容されると共にアンカー線２４の先端２４ｂが球状部２５ａの内壁２５ｃに当接した状態で、筒状部２５ｂとフレアガラス２１を加熱融着して気密封止する。

その後、排気管２３を通してガラスバルブ２５内の空気を排気した後、同様に排気管２３を通してガラスバルブ２５内に不活性ガスや熱伝導率が良好なＮ_２ガスやＨｅガスを注入し、ガス注入後に排気管２３を加熱して気密封止する。このとき、アンカー線２４は排気管２３の気密封止部を気密に貫通して排気管２３外に導出されている。

次に、金属製口金３０にフレアガラス２１を装着する。口金３０は図９（口金の説明図）に示すように、底部と開口部を有するカップ状を呈しており、底部は例えば、紙繊維あるいはガラス繊維が含有されたフェノール系樹脂からなる略平板状の絶縁体３１で塞がれており、絶縁体３１の中央部には、夫々貫通孔を有する一対のアイレット部３２ａ、３２ｂが設けられている。

そこで、口金３０にフレアガラス２１を装着するに当たっては、図１０（ＬＥＤ電球の説明図）のように、バルブ２５内で第１のＬＥＤモジュール１ａ及び第２のＬＥＤモジュール１ｂに接続されてフレアガラス２１に気密に貫通してバルブ２５外に導出された一対の導入線２２ａ、２２ｂを、口金３０の底部に位置する絶縁体３１に設けられたアイレット部３２ａ、３２ｂの夫々の貫通孔に挿通しながら、且つ、バルブ２５内で第１のＬＥＤモジュール１ａと第２のＬＥＤモジュール１ｂを機械的・電気的に接続するリードフレーム１０に接合されると共に先端２４ａがバルブ２５の内壁２５ｃに当接して排気管２３に気密に貫通してバルブ２５外に導出されたアンカー線２４を口金３０に接触させながら、フレアガラス２１を口金３０の開口部から該口金３０内に挿入する。

その後、フレアガラス２１を口金３０に接着固定すると共に、導入線２２ａ、２２ｂの夫々をアイレット部３２ａ、３２ｂの夫々にはんだ等の導電性接合部材で接合して接点部３３ａ、３３ｂを形成し、さらに、アンカー線２４を金属製口金３０に導電性接合部材を介して接合（図示せず）する。

これにより、ＬＥＤ電球５０が組み上がる。

そこで、図示しないが、外部電源に繋がった一対の外部電極にＬＥＤ電球５０の接点部３３ａ、３３ｂを接触させた状態で該外部電源から電力を供給するとＬＥＤ電球５０の接点部３３ａ、３３ｂ間に電圧が印加され、その電圧が一対の導入線２２ａ、２２ｂを介して第１のＬＥＤモジュール１ａ及び第２のＬＥＤモジュール１ｂに印加されて全てのＬＥＤ素子２が発光（点灯）する。

ＬＥＤ素子２は発光すると熱も発生する。その熱は一部がガラスバルブ２５内に封入された不活性ガスや良好な熱伝導率を有するＮ_２ガスやＨｅガス等の封入ガスに伝達されて封入ガスを介して効率良くガラスバルブ２５に伝達され、ガラスバルブ２５を伝導された熱がガラスバルブ２５に触れる大気中に放散される。

同時にＬＥＤ素子２から発生した熱の一部は、ＬＥＤ素子２が実装された透明基板７を介して一対の導入線２２ａ、２２ｂに移動し、導入線２２ａ、２２ｂが接合された接点部３３ａ、３３ｂに接触した外部電極を介してＬＥＤ電球５０の外に移動する。

さらに、本発明のＬＥＤ電球は、上記ＬＥＤ素子２からの発熱の放熱経路に加えて、アンカー線２４が更なる放熱性の向上に寄与するものとなる。具体的には、ＬＥＤ素子２から発生して該ＬＥＤ素子２が実装された透明基板７に移動した熱は、第１のＬＥＤモジュール１ａと第２のＬＥＤモジュール１ｂを接続するリードフレーム１０を伝導してアンカー線２４に移動し、アンカー線２４に移動した熱はその一部が該アンカー線２４の先端２４ｂが当接したガラスバルブ２５に移動し、ガラスバルブ２５を伝導された熱がガラスバルブ２５に触れる大気中に放散される。

また、アンカー線２４に移動した熱の一部は、アンカー線２４を伝導して該アンカー線２４が接合された金属製の口金３０に移動し、口金３０に触れる大気中に放散される。

このように、本発明のＬＥＤ電球５０は、その構造をアンカー線２４を備えたものとし、該アンカー線２４に放熱効果の向上に寄与する機能を持たせた。その結果、ＬＥＤ素子２からの発熱が複数の伝熱経路を経て効率よく放熱され、ＬＥＤ素子２の発光時の自己発熱による温度上昇が抑制されて温度上昇に起因する発光寿命の短縮及び発光効率の低下が抑制され、高い信頼性及び適切な照射光量を確保することができる。

また、アンカー線２４は導入線２２ａ、２２ｂと共に第１のＬＥＤモジュール１ａ及び第２のＬＥＤモジュール１ｂを支持固定するものであり、アンカー線２４を設けることにより振動や衝撃等に対するＬＥＤ電球５０の機械的信頼性を高めることが可能となる。

なお、アンカー線２４は、光源である第１のＬＥＤモジュール１ａと第２のＬＥＤモジュール１ｂに囲まれた内側領域に位置しており、そのためＬＥＤ素子２から発せられた光がガラスバルブ２５外に放出されるまでの光路を遮るものではなく、ＬＥＤ電球５０からの出射光の配光特性に悪影響を及ぼすものとはならない。

本実施形態では光源となる第１のＬＥＤモジュール１ａと第２のＬＥＤモジュール１ｂを略逆Ｖ字形状に配置したが、必ずしも略逆Ｖ字形状に限られるものではなく、ＬＥＤ電球の大きさとＬＥＤモジュールの長さとの関係、ＬＥＤ電球に求められる明るさ、配光特性及び消費電力等を考慮して適宜最適な形状寸法に設定される。

ちなみに、従来の白熱電球のフィラメント形状である、Ｃ−６形、Ｃ−８形、Ｃ−２Ｆ形に相当する配置とすることも可能である。

さらに、本実施形態ではアンカー線２４の先端２４ｂを直接ガラスバルブ２５の内壁２５ｃに当接するようにしたが、アンカー線２４の先端部２４ａにガラスビード３５を取り付けて該ガラスビード３５とガラスバルブ２５を融着することも可能である（図１１（ガラスビードを用いたガラスバルブとアンカー線の接合説明図）参照）。

以上のように、本発明のＬＥＤ電球は、ＬＥＤ素子を発光源とするＬＥＤモジュールを、ＬＥＤ素子からの出射光がＬＥＤモジュールの全方向に向けて照射されるような構造とし、従来の白熱電球のフィラメントの代わりにＬＥＤモジュールを光源として用いると共にＬＥＤモジュールに接合したアンカー線を設け、該アンカー線をＬＥＤモジュールに実装されたＬＥＤ素子の発光（点灯）時の発熱の放熱に寄与し、且つＬＥＤモジュールの支持固定をより強固にする働きを有するものとした。

これにより、従来の白熱電球よりも低消費電力で、照射光の配光特性等の光学特性が従来の白色電球と同等の性能を有すると共に、ＬＥＤ素子の発光時の自己発熱による温度上昇が抑制されて温度上昇に起因する発光寿命の短縮及び発光効率の低下が抑制されて高い信頼性及び適切な照射光量を確保することができ、振動や衝撃等に対する機械的信頼性も高いＬＥＤ電球を実現することが可能となる。

１… ＬＥＤモジュール
１ａ… 第１のＬＥＤモジュール
１ｂ… 第２のＬＥＤモジュール
２… ＬＥＤ素子（ＬＥＤチップ）
３… 電極
３ａ… アノード電極
３ｂ… カソード電極
４… 発光層
５… 上面
６… 下面
７… ＬＥＤ素子実装用透明基板（透明基板）
８… 電極パターン
８ａ… リード端子接合用電極パターン
８ｂ… リード端子接合用電極パターン
９… リード端子
１０… リードフレーム
１１… クリップ部
１１ａ… 挟持片
１２… 延設部
１２ａ… 貫通孔
１３… 半田接合
１４… スポット溶接
２０… フレアステム
２１… フレアガラス
２２… 導入線
２２ａ… 導入線
２２ｂ… 導入線
２３… 排気管
２４… アンカー線
２４ａ… 先端部
２４ｂ… 先端
２５… ガラスバルブ
２５ａ… 球状部
２５ｂ… 筒状部
２５ｃ… 内壁
３０… 口金
３１… 絶縁体
３２… アイレット部
３２ａ… アイレット部
３２ｂ… アイレット部
３３… 接点部
３３ａ… 接点部
３３ｂ… 接点部
３５… ガラスビード
５０… ＬＥＤ電球

Claims

気密封止された内部にＬＥＤ素子が実装されたＬＥＤモジュールが収容されたガラスバルブが金属製口金に装着されてなるＬＥＤ電球であって、
前記ＬＥＤモジュールは前記ガラスバルブを気密貫通する導入線に支持固定されていると同時に、ガラスバルブに気密貫通して先端部が前記ガラスバルブの内壁に当接し且つ前記ガラスバルブからの導出部が前記金属製口金に接合された線状金属のアンカー線によっても支持固定されていることを特徴とするＬＥＤ電球。
前記ガラスバルブ内に熱伝導率の高いガスが封入されていることを特徴とする請求項１に記載のＬＥＤ電球。
前記熱伝導率の高いガスは、窒素又はヘリウムであることを特徴とする請求項２に記載のＬＥＤ電球。