JP2015005501A - Led照明モジュールおよびled照明装置 - Google Patents
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Abstract
Description
また、多数個のLEDパッケージを用いて光源を構成する場合、各LEDパッケージを均等に配置しないと照明ムラが生じるという課題がある。
また、四角形状の光源ではなく、円形状に近い光源が欲しいとのニーズもある。
また、大光量でありながら、小型かつ軽量であるLED照明装置のニーズは高い。
発明者も、図14に示すように、同一個数のLEDパッケージを実質的に同一パターンで配置した実装ブロック4Aおよび4Bを設け、各実装ブロックと複数個の電源装置とを同じ条件で接続することにより、大光量LED照明装置を実現することを試みた。
また、分離領域Sを無くした場合、各実装ブロックの距離が近接することとなるが、実装ブロック間の境界部分に電位差が生じると予期せぬ短絡の原因となる可能性がある。この問題はLEDパッケージの個数が増え、実装ブロックあたりの電圧が高くなるほど顕著となる。実装ブロック間の境界部分に電位差が生じない配線パターンを作成する必要性が生じることとなった。
さらには、円形状に近い光源が欲しいとのニーズに応える必要もあった。
発明者は、鋭意工夫の上、上記の課題を解決することができる新たな構造を備えた大光量LED照明モジュールおよびLED照明装置を創作した。すなわち、本発明は、以下の技術手段から構成される。
[2]前記LEDパッケージが、数WクラスのLEDパッケージであることを特徴とする[1]に記載のLED照明モジュール。
[3]全光束が4万ルーメン以上であり、かつ、輝度が7.0[lm/mm2]以上であることを特徴とする[2]に記載のLED照明モジュール。
[4]実装基板の面積が、5000mm2以上20000mm2以下であり、かつ、前記実装領域内におけるLEDパッケージの実装面積が55%以上であることを特徴とする[1]ないし[3]のいずれかに記載のLED照明モジュール。
[6]隣り合う任意の二つの実装ブロックは、それぞれ電流の向きが逆になるように構成されていることを特徴とする[5]に記載のLED照明モジュール。
[7]前記実装領域が、実質的に円形状または多角形状に構成されることを特徴とする[1]ないし[6]のいずれかに記載のLED照明モジュール。
[9]前記実装領域には、相互に平行な8本以上の直線からなる配線路が設けられ、上端の配線路と上端の内側に隣接する配線路に、一つの単位直列群を構成する複数個のLEDパッケージが分散配置され、下端の配線路と下端の内側に隣接する配線路に、一つの単位直列群を構成する複数個のLEDパッケージが分散配置され、前記実装領域において、LEDパッケージが実質的に円形状に配置されることを特徴とする[8]に記載のLED照明モジュール。
[10]前記実装ブロックが、前記配線リターン部を有しない実装ブロックを含み、当該配線リターン部を有しない実装ブロックが相互に平行な3本以上の直線からなる配線路を有し、少なくとも上端および下端の配線路の実装ピッチよりも中心の配線路における実装ピッチを大きくすることにより、当該配線リターン部を有しない実装ブロックの両短辺が円弧状となるようにLEDパッケージを配置したことを特徴とする[9]に記載のLED照明モジュール。
[11]前記実装領域が、実質的に直径が100mm以下の円形状に構成されることを特徴とする[1]ないし[10]のいずれかに記載のLED照明モジュール。
[13]前記複数の実装ブロックが、3〜8個の実装ブロックからなり、かつ、前記実装ブロックのいずれもが、複数個のLEDパッケージが直線上に配置される行を3つ以上備えることを特徴とする[1]ないし[12]のいずれかに記載の大光量LED照明モジュール。
[14]前記実装ブロックが、外縁形状の異なる1以上の実装ブロックを含むことを特徴とする[13]に記載のLED照明モジュール。
[15]実装領域の中心線を挟んで対称に配置される偶数個の実装ブロックにおいて、各LEDパッケージが実装領域の中心線を挟んで対称に配置されることを特徴とする[14]に記載のLED照明モジュール。
[16]前記実装領域が、反射層として機能するソルダーレジストにより被覆されていることを特徴とする[1]ないし[15]のいずれかに記載のLED照明モジュール。
[17][1]ないし[16]のいずれかに記載のLED照明モジュールと、リフレクターと、ヒートスプレッダと、ヒートシンクと、複数個の電源装置とを備えるLED照明装置。
[18]電源装置の数と実装ブロックの数とが等しいことを特徴とする[17]に記載のLED照明装置。ここで、電源装置を除く重量が15kg以下であることが好ましい。
また、汎用的な電源装置を用いて高輝度かつ大光量のLED光源を低コストに製造することが可能となる。
直列に接続された43個のLEDパッケージからなる単位パッケージ群を8つ並列に配置してなるLED照明モジュールを試作し、大塚電子製全光束測定システムHM−9050を用いて全光束の測定を行った。
8つの単位パッケージ群は、同一仕様の8つの電源装置とそれぞれ一対一で接続されている。合計344個のLEDパッケージは、実施例1で後述する3.45mm角のLEDパッケージ(第2パッケージ)を使用した。ヒートスプレッダは、モレックス喜入製FGHP(特許文献2参照)を使用した。試作機では、以下の表1に示す結果が確認された。
本発明のLED照明モジュールは、多数個(例えば百〜数百個)の数Wクラス(例えば、2〜6W)のLEDパッケージを搭載し、数百W(例えば、300〜600W)の光源を構成するものである。このLED照明モジュールは、多数個のLEDパッケージと、多数個のLEDパッケージが搭載される実装基板とを主に備える。このLED照明モジュールは、後述するように、ヒートスプレッダを介して実装基板の裏面からヒートシンクに放熱する構造を設け、リフクレタ(および/またはレンズ)を取り付けてLED照明装置を構成する。
LEDパッケージは、典型的には、青色の可視光を発光する青色LEDチップと、青色LEDチップで励起され、白色光を発する黄色の蛍光体が含まれる投光部と、その幅および奥行きが数mm以下で、上面視正方形状のパッケージ基板を備えた構成のものを用いる。青色LEDチップで赤および緑色の蛍光体を励起してもよいし、紫外LEDで赤、緑および青色の蛍光体を励起する構成でもよい。
投光部は、例えば、シリコーン、プラスチック、エポキシ樹脂、ガラスなどの多様な材料により構成することが可能である。投光部は、光出力の所望のビーム成形に応じて多様な形状とすることができ、例えば、楕円体の弾丸形状、断面が四角形または六角形の柱形状としてもよい。
いずれにせよ、多数個のLEDパッケージは全て同一の仕様とする。色温度は、例えば、2700〜6500Kの範囲で設定する。
実装基板の表面には、LEDパッケージが搭載される実装領域(すなわち発光領域)が設けられている。この実装領域は、複数個の実装ブロックに分割されている。隣り合う任意の二つの実装ブロックは、隣り合う実装ブロック間で電位差が生じないように、それぞれ電流の向きが逆になるように構成する。これにより、実装ブロック間の境界部分に実質的に電位差が生じないこととなり、信頼性および安全性が向上する。
最大出力容量200W以下(好ましくは100W以下)の汎用的な定電流電源装置を利用するとの観点からは、実装ブロックの数を2〜8個とすることが好ましく、3〜8個とすることがより好ましく、さらに好ましくは4〜6個とする。好ましい構成例としては、一つの実装ブロック当たりのLEDパッケージの個数を34〜100個とし、合計で100〜500個のLEDパッケージを搭載したモジュールを構成することが開示される。以下では、一つの実装ブロックに搭載されるLEDパッケージの集まりを「単位LEDパッケージ群」と呼ぶ場合がある。
単位LEDパッケージ群を接続する配線路は、相互に平行な複数の直線から構成され、実装ブロックも相互に平行に配置される。実装領域には、相互に平行な直線配線路が、例えば8本以上(好ましくは10本以上、より好ましくは12本以上)配置される。実装領域の中心線または中心線に隣接する直線配線路には、LEDパッケージが例えば8個以上(好ましくは10個以上、より好ましくは12個以上)配置される。
かかる配線パターンとすることにより、分離領域の存在を原因とする照明ムラの問題を解消すると共に、遠距離にある対象物をより高い照度で照らすことが可能となる。
実装基板の裏面は、ヒートスプレッダに当接させる。ヒートスプレッダは、実装基板から伝達される熱を瞬時にその周辺部分まで拡散させる薄板部材(例えば1〜2mm程度の厚さ)であり、ヒートシンクに効率的に熱を伝達する。ヒートスプレッダとしては、熱拡散性に著しく優れた冷媒の気化および凝縮によって発熱体を冷却する構造(例えば、複数の微小開口を持つ薄銅板を積層し、上下を銅板で密閉した液室内で毛細管現象による環流が生じるヒートパイプ(特許文献2参照))を有するものを用いることが好ましい。このようなヒートスプレッダを採用することで、多数個のLEDパッケージの高密度実装による高輝度および大光量の実現が可能となり、また照明装置の外形寸法を小型化すると共に照明装置の重量を軽量化することが可能となる。
図1は本発明の第1実施形態例にかかる照明モジュール1の平面図であり、図2は本発明の第1実施形態例に係る照明モジュール1の回路図である。この照明モジュール1は、164個のLEDパッケージを備えており、直列に接続された41個のLEDパッケージ3からなる単位LEDパッケージ群を4組備える回路構成である。4つの単位LEDパッケージ群は、同一仕様の4つの電源装置とそれぞれ一対一で接続される。
隣り合う二つの行(LEDライン)において、各行に配置されるLEDパッケージ3の個数の差が奇数個である場合は、各行のLEDパッケージが千鳥状となるように配置している。このような配置とすることにより、実質的に均等間隔での配置を実現すると共に、放熱性を良好にしている。
第1パッケージの場合、例えば、面積(5mm×5mm=25mm2)当たりの光量で表すと、(a)2700K、電力2Wの場合の輝度は182lm÷25mm2=7.28lm/mm2、(b)2700K、電力4.575Wの場合の輝度は352lm÷25mm2=14.08lm/mm2、(c)5000K、電力2Wの場合の輝度は260lm÷25mm2=10.4lm/mm2、(d)5000K、電力4.575Wの場合の輝度は502lm÷25mm2=20.08lm/mm2となる。
第2パッケージの場合、例えば、面積(3.45mm×3.45mm=11.9mm2)当たりの光量で表すと、(a)2700K、電力0.98Wの場合の輝度は107lm÷11.9mm2=8.99lm/mm2、(b)2700K、電力2.03Wの場合の輝度は195lm÷11.9mm2=16.39lm/mm2、(c)5000K、電力0.98Wの場合の輝度は2601lm÷11.9mm2=10.4lm/mm2、(d)5000K、電力2.03Wの場合の輝度は237lm÷11.9mm2=19.92lm/mm2となる。
実装基板2は、絶縁樹脂製のフレキシブル基板であり、例えば、厚さ25μmのポリイミドフィルムである。
実装基板2の表面には、配線パターンに形成された配線層8が積層されている。配線層8は、例えば、厚さ8〜35μmの銅箔である。或いは、配線層8を、銅などの金属層を蒸着やスパッター等で形成し、その上にレジストを塗布し、パターンを露光、現像してさらにエッチングを行い、レジストを除去することで形成してもよい。第1実施形態例に係る配線層8は単層であるため、多層化した場合と比べ放熱性およびコスト性に優れている。
LEDパッケージ3は、半田等による電気接続部15により配線層8と電気的に接続されている。また、LEDパッケージ3の底面は、半田等によるダイヒートシンク16により、ヒートスプレッダ20と物理的に連絡されている。なお、ダイヒートシンク16は必須の構成で無く、ダイヒートシンク16を設けなくとも本発明の目的は実現できる。
LED照明モジュール1は、その裏面に接着されたヒートスプレッダ20の裏面がモジュール保持具14の当接面と接触する状態で、ねじ等の固定具により固定される。ヒートスプレッダ20の裏面とモジュール保持具14の当接面の間には、必要に応じて放熱グリス、放熱シート等の熱伝達部材を介在させる。モジュール保持具14は、熱伝導性に優れた銅、アルミ等の金属材により構成される。モジュール保持具14を介してLED照明モジュール1からの熱がヒートシンク12に熱伝導される。
図5は、本発明の第2実施形態例に係るLED照明モジュール1の平面図である。以下では、第1実施形態例と重複する構成についての説明は極力割愛し、異なる構成を中心に説明する。
第2実施形態例に係るLED照明モジュール1は、実質的に円形状に配置された108個のLEDパッケージ3を備えている。直列に接続された36個のLEDパッケージからなる単位LEDパッケージ群を3組備える回路構成である。3つの単位LEDパッケージ群は、同一仕様の3つの電源装置とそれぞれ一対一で接続される。
このように、3つの実装ブロックによっても、高輝度かつ大光量のLED照明モジュールを構成することが可能である。
図6は、本発明の第3実施形態例に係るLED照明モジュール1の平面図である。以下では、第1および第2実施形態例と重複する構成についての説明は極力割愛し、異なる構成を中心に説明する。
第3実施形態例に係るLED照明モジュール1は、実質的に八角形状に配置された156個のLEDパッケージ3を備えている。直列に接続された52個のLEDパッケージからなる単位LEDパッケージ群を3組備える回路構成である。3つの単位LEDパッケージ群は、同一仕様の3つの電源装置とそれぞれ一対一で接続される。
このように、実装領域を八角形状とした高輝度かつ大光量のLED照明モジュールを構成することが可能である。
図7は、本発明の第4実施形態例に係るLED照明モジュール1の平面図である。以下では、第1、第2および第3実施形態例と重複する構成についての説明は極力割愛し、異なる構成を中心に説明する。
第4実施形態例に係るLED照明モジュール1は、実質的に六角形状に配置された168個のLEDパッケージを備えている。直列に接続された42個のLEDパッケージからなる単位LEDパッケージ群を4組備える回路構成である。4つの単位LEDパッケージ群は、同一仕様の4つの電源装置とそれぞれ一対一で接続される。
このように、実装領域を六角形状とした高輝度かつ大光量のLED照明モジュールを構成することが可能である。
図8は、本発明の第5実施形態例に係るLED照明モジュール1の平面図であり、図9は本発明の第5実施形態例に係るLED照明モジュール1の回路図である。この照明モジュール1は、168個のLEDパッケージを備えており、56個のLEDパッケージ3からなる単位LEDパッケージ群を3組備える回路構成である。3つの実装ブロック4A〜4Cは、同一仕様の3つの電源装置とそれぞれ一対一で接続される。
実装領域の下半分においてLEDパッケージを実質的に円形状に配置するための構成は次のとおりである。すなわち、実装ブロック4Cにおいて、中央から2番目に遠い単位直列群42Cでは13個のLEDパッケージ3を第一の直線上に配置し、1個のLEDパッケージ3を第一の直線の外側に隣接する第二の直線上に配置し、第二の直線上に単位直列群41Cを構成する14個のLEDパッケージ3のうち8個を配置する。
これとは異なり、中央に位置する実装ブロック4Bでは、単位直列群41B〜44Bが4本の直線上にそれぞれ一行配置されている。
LED照明モジュール1は、その裏面に接着されたヒートスプレッダ20の裏面がモジュール保持具31の当接面と接触する状態で、ねじ等の固定具により固定される。モジュール保持具31は、熱伝導性に優れた銅、アルミ等の金属材により構成される。ヒートシンク12は、自然空冷式のもの、水冷式のもの、電動ファンを備えるものを用いることができる。
モジュール保持具31の背面側には電源装置につながる電源ケーブルがケーブルクランプ36により接続されている。ケーブルクランプ36は防水仕様であり、LED照明モジュール1の背面側に位置する空間であるチャンバー37も外部からの水が浸入しない防水構造となっている。
図12は、本発明の第6実施形態例に係るLED照明モジュール1の平面図であり、図13は本発明の第6実施形態例に係るLED照明モジュール1の回路図である。以下では、第5実施形態例と重複する構成についての説明は極力割愛し、異なる構成を中心に説明する。
第6実施形態例に係るLED照明モジュール1は、240個のLEDパッケージを備えており、80個のLEDパッケージ3からなる単位LEDパッケージ群を3組備える回路構成である。3つの実装ブロック4A〜4Cは、同一仕様の3つの電源装置とそれぞれ一対一で接続される。
これとは異なり、中央に位置する実装ブロック4Bでは、単位直列群41B〜45Bが5本の直線上にそれぞれ一行配置されている。
本発明の技術的範囲は上記実施形態例の記載に限定されるものではなく、上記実施形態例に様々な変更または改良を加えることが可能であり、そのような変更または改良を加えた形態のものも本発明の技術的範囲に含まれる。
2 実装基板
3 LEDパッケージ
4A〜4D 実装ブロック
5a〜5d カソード電極
6a〜6d アノード電極
7 実装領域
8 配線層
9 ソルダーレジスト層
10 接着層
11 リフレクター
12 ヒートシンク
13 拡散板
14 モジュール保持具
15 電気接続部
16 ダイヒートシンク
17 保護カバー
18 Oリング
20 ヒートスプレッダ
21 取付用穴
31 モジュール保持具
32 透明板
33 Oリング
34 固定枠
35 固定具
36 ケーブルクランプ
37 チャンバー
38 レンズ
41〜45 単位直列群
71 配線リターン部
72 並列接続箇所
Claims (18)
- 百個以上の同一仕様のLEDパッケージを実装領域に高密度に実装した大光量のLED照明モジュールであって、
実装領域が、複数の実装ブロックから構成されること、
各実装ブロックに実装されるLEDパッケージの数は同数であること、
各実装ブロックに実装される複数個のLEDパッケージが、電源装置と同一の条件で接続されること、
同一実装ブロックに実装される複数個のLEDパッケージを接続する配線路において配線方向が転換する配線リターン部を実装領域の外縁部に配置したことを特徴とするLED照明モジュール。 - 前記LEDパッケージが、数WクラスのLEDパッケージであることを特徴とする請求項1に記載のLED照明モジュール。
- 全光束が4万ルーメン以上であり、かつ、輝度が7.0[lm/mm2]以上であることを特徴とする請求項2に記載のLED照明モジュール。
- 実装基板の面積が、5000mm2以上20000mm2以下であり、かつ、前記実装領域内におけるLEDパッケージの実装面積が55%以上であることを特徴とする請求項1ないし3のいずれかに記載のLED照明モジュール。
- 各実装ブロックに実装される複数個のLEDパッケージの全部が、直列に接続されることを特徴とする請求項1ないし4のいずれかに記載のLED照明モジュール。
- 隣り合う任意の二つの実装ブロックは、それぞれ電流の向きが逆になるように構成されていることを特徴とする請求項5に記載のLED照明モジュール。
- 前記実装領域が、実質的に円形状または多角形状に構成されることを特徴とする請求項1ないし6のいずれかに記載のLED照明モジュール。
- 各実装ブロックに実装される複数個のLEDパッケージが、並列に接続された複数の単位直列群からなり、当該単位直列群が直列に接続された4個以上のLEDパッケージを有し、かつ、当該各単位直列群がいずれも同数個のLEDパッケージを有することを特徴とする請求項1ないし4のいずれかに記載のLED照明モジュール。
- 前記実装領域には、相互に平行な8本以上の直線からなる配線路が設けられ、
上端の配線路と上端の内側に隣接する配線路に、一つの単位直列群を構成する複数個のLEDパッケージが分散配置され、
下端の配線路と下端の内側に隣接する配線路に、一つの単位直列群を構成する複数個のLEDパッケージが分散配置され、
前記実装領域において、LEDパッケージが実質的に円形状に配置されることを特徴とする請求項8に記載のLED照明モジュール。 - 前記実装ブロックが、前記配線リターン部を有しない実装ブロックを含み、当該配線リターン部を有しない実装ブロックが相互に平行な3本以上の直線からなる配線路を有し、少なくとも上端および下端の配線路の実装ピッチよりも中心の配線路における実装ピッチを大きくすることにより、当該配線リターン部を有しない実装ブロックの両短辺が円弧状となるようにLEDパッケージを配置したことを特徴とする請求項9に記載のLED照明モジュール。
- 前記実装領域が、実質的に直径が100mm以下の円形状に構成されることを特徴とする請求項1ないし10のいずれかに記載のLED照明モジュール。
- 前記LEDパッケージが、上面視方形状でその幅および奥行きが数mm以下であるパッケージ基板を備えることを特徴とする請求項1ないし11のいずれかに記載のLED照明モジュール。
- 前記複数の実装ブロックが、3〜8個の実装ブロックからなり、かつ、前記実装ブロックのいずれもが、複数個のLEDパッケージが直線上に配置される行を3つ以上備えることを特徴とする請求項1ないし12のいずれかに記載の大光量LED照明モジュール。
- 前記実装ブロックが、外縁形状の異なる1以上の実装ブロックを含むことを特徴とする請求項13に記載のLED照明モジュール。
- 実装領域の中心線を挟んで対称に配置される偶数個の実装ブロックにおいて、各LEDパッケージが実装領域の中心線を挟んで対称に配置されることを特徴とする請求項14に記載のLED照明モジュール。
- 前記実装領域が、反射層として機能するソルダーレジストにより被覆されていることを特徴とする請求項1ないし15のいずれかに記載のLED照明モジュール。
- 請求項1ないし16のいずれかに記載のLED照明モジュールと、
リフレクターと、
ヒートスプレッダと、
ヒートシンクと、
複数個の電源装置とを備えるLED照明装置。 - 電源装置の数と実装ブロックの数とが等しいことを特徴とする請求項17に記載のLED照明装置。
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