JP2017073198A - 半導体発光バルブ - Google Patents

Abstract

【課題】 放熱効率が高い半導体発光バルブ及び照明装置を提供する。
【解決手段】 ２つのＬＥＤ素子１ａ、１ｂは放熱性を有するプリント配線基板の両面に装着されている。プリント配線基板２はＬＥＤ素子１ａ、１ｂの熱を伝達するための熱伝導性部材３によって支持されている。熱伝導性部材３の後部は口金部４を通過してヒートシンク５に結合している。ヒートシンク５は、熱伝導性部材３側に設けられた開放型傾斜放射状フィン部５１及び開放型傾斜放射状フィン部５１の外側に結合した包囲型非傾斜放射状フィン部５２によって構成されている。
【選択図】 図１

Description

本発明は発光ダイオード（LED）素子、レーザダイオード（LD）素子等の半導体発光素子よりなる半導体発光バルブ、特に、そのヒートシンクの改良に関する。

自動車、二輪車の前照灯、フォグランプ等においては、従来、ハロゲンバルブ及びＨＩＤ（Ｈｉｇｈ Ｉｎｔｅｎｓｉｔｙ Ｄｉｓｃｈａｒｇｅ）バルブが多く用いられているが、近年、省エネルギー、長寿命の発光ダイオード（ＬＥＤ）素子を用いたＬＥＤバルブが注目されている。

ＬＥＤ素子においては、所望の明るさを達成するために投入された電力のうち、光出力として用いられなかった電力は熱となり自身を加熱する。従って、ＬＥＤ素子は自身が発する熱により寿命及び性能が低下するという負の特性を有する。また、ＬＥＤ素子との組合せにより発光色を変化させる目的で使用される蛍光体層も熱による負の特性を有する。このため、ＬＥＤバルブにおいては、ＬＥＤ素子及び蛍光体層の温度を適切な温度以下に抑える熱設計としての放熱構造を用いてＬＥＤ素子及び蛍光体層の熱を空気中に放散させる。特に、前照灯、フォグランプ等の光束を実現するためには、高出力ＬＥＤ素子を用いるので、放熱構造が大型化する。

従来のＬＥＤバルブにおいては、ＬＥＤ素子をプリント配線基板に搭載し、プリント配線基板を熱伝達性部材に支持させ、熱伝導性部材を口金部に通過させると共に放熱構造としてのヒートシンクに結合させている。これにより、ＬＥＤ素子からの熱を熱伝導性部材に伝達させてヒートシンクにて放熱している。

上述のヒートシンクは、自然対流を利用したものとして、複数のフィンを放射状に配置した放射状フィン型（参照：特許文献１）又は複数の矩形フィンを平行かつ垂直に配置した矩形フィン型（参照：特許文献２）がある。いずれも、押出成形によって製造できる。

特許第４６８９７６２号公報 特開２００９−７６３３８号公報（特許第５０２６９０１号公報）

上述の放射状フィン型ヒートシンクにおいては、ＬＥＤバルブの中心軸に向かって速い対流が発生し、さらに、外側放射方向に自然対流が発生するが、このうち有効な自然対流は中心軸から上方へ向かうものに限定され、この結果、放熱効率が低いという課題がある。

また、上述の矩形フィン型ヒートシンクにおいては、放射状フィン型よりも流路を長くできるので、放熱効率を高くできるが、その形状がＬＥＤバルブ製品に適合し難いという課題がある。

上述の課題を解決するために、本発明に係る半導体発光バルブは、半導体発光素子と、半導体発光素子を搭載したプリント配線基板と、プリント配線基板を支持する熱伝導性部材と、熱伝導性部材を通過させる口金部と、口金部を通過した熱伝導性部材に結合されたヒートシンクとを具備する半導体発光バルブであって、ヒートシンクは、口金部側に設けられた開放型傾斜放射状フィン部と、開放型傾斜放射状フィン部の外側に結合した包囲型非傾斜放射状フィン部とを具備し、開放型傾斜放射状フィン部の各フィンは熱伝導性部材から包囲型非傾斜放射状フィン部に向かって漸次高くなっているものである。

本発明によれば、包囲型非傾斜放射状フィン部により中心軸方向の半導体発光素子に向かう速い対流を開放型傾斜放射状フィン部に取込むことにより、開放型傾斜放射状フィン部の放射方向の有効な自然対流を増大させ、これにより、放熱効率を大きくできる。

本発明に係るＬＥＤバルブの実施の形態を示す傾斜図である。 （Ａ）は図１の上面図、（Ｂ）は図１の正面図、（Ｃ）は図１の底面図である。 （Ａ）は図１の左側面図、（Ｂ）は図１の右側面である。 図１の断面図である。 図１〜図４のＬＥＤバルブの動作を説明するための正面図である。 図１〜図４のヒートシンクの製造方法を説明するための図であって、（Ａ）は正面図、（Ｂ）は（Ａ）のＢ―Ｂ線断面図である。 図１〜図４のヒートシンクの製造方法を説明するための図であって、（Ａ）は正面図、（Ｂ）、（Ｃ）、（Ｄ）は（Ａ）のＢ―Ｂ線、Ｃ―Ｃ線、Ｄ−Ｄ線断面図である。 図１〜図４のＬＥＤバルブを装着したリフレクタ型照明装置を示す断面図である。

図１は本発明に係るＬＥＤバルブの実施の形態を示す斜視図、図２の（Ａ）は図１の上面図、図２の（Ｂ）は図１の正面図、図２の（Ｃ）は図１の底面図、図３の（Ａ）は図１の左側面図、図３の（Ｂ）は図１の右側面図、図４は図１の断面図である。

図１〜図４において、２つのＬＥＤ素子１ａ、１ｂ（ＬＥＤ素子１ｂは図４に示す）たとえば青色ＬＥＤ素子及びＬＥＤ素子を被覆した蛍光体層たとえば青色光を黄色光に変換するＹＡＧ層より構成され、放熱性を有するプリント配線基板２の両面に装着されている。尚、ＬＥＤ素子１ａ、１ｂの数は２個に限定されない。

プリント配線基板２は通電を行うための配線（図示せず）を有するが、駆動回路は設けられていない。プリント配線基板２はＬＥＤ素子１ａ、１ｂの熱を伝達するための熱伝導性部材３によって支持されている。

熱伝導性部材３の後部は口金部４を通過してヒートシンク５に結合している。

ヒートシンク５は、熱伝導性部材３側に設けられた開放型放射状フィン部５１、及び開放型放射状フィン部５１の外側に結合した包囲型（たとえば円筒型）非傾斜放射状フィン部５２によって構成される。

開放型傾斜放射状フィン部５１の各フィン５１ａは中心軸Ａ_ｘから放射状に配置され、各フィン５１ａは熱伝導性部材３から包囲型非傾斜放射状フィン部５２に向かって漸次高くなっており、つまり傾斜している。これに対し、包囲型非傾斜放射状フィン部５２も各フィン５２ａは中心軸Ａ_ｘから放射状に配置されているが、各フィン５２ａの大きさは包囲部つまり円筒部５２ｂによって定まり、中心軸Ａ_ｘに沿って同一となっており、つまり非傾斜である。

開放型傾斜放射状フィン部５１の各フィン５１ａと包囲型非傾斜放射状フィン部５２の各フィン５２ａとは、図３に示すごとく、側面視で同一である。これにより、ヒートシンク５内の空気流を滑らかにすると共に、中心軸Ａ_ｘの方向に積極的な対流を起こさせて自然対流の効率を向上させる。

また、開放型傾斜放射状フィン部５１及び包囲型非傾斜放射状フィン部５２の上端、下端以外に位置するフィン５１ａ、５２ａは中心軸Ａ_ｘから放射状に向いているが、途中で下方又は斜めに下方に向かって曲折している。これにより、各フィン５１ａ、５２ａの温度の高い部分をできるだけ上方に位置させて放熱効率を向上させている。

図１〜図４のＬＥＤバルブの動作を図５を参照して説明する。図５に示すごとく、ＬＥＤ素子１ａ、１ｂからの熱Ｘはプリント配線基板２及び熱伝導性部材３を伝導して開放型傾斜放射状フィン部５１に到達する。ここで、ヒートシンク５内では熱源であるＬＥＤ素子１ａ、１ｂからの距離に応じて温度勾配が生じる。この結果、開放型傾斜放射状フィン部５１が包囲型非傾斜放射状フィン部５２より高温となる。開放型傾斜放射状フィン部５１の放熱によって加熱された空気は包囲型非傾斜放射状フィン部５２の放熱で加熱された空気を巻き込み上昇の対流を生じる。この上昇の対流により包囲型非傾斜放射状フィン部５２後方（図面右側）より外気Ｙが包囲型非傾斜放射状フィン部５２内に導入され、積極的な対流Ｚ１となる。さらに、この対流Ｚ１は開放型傾斜放射状フィン部５１に取込まれて開放型傾斜放射状フィン部５１において上述の上昇の対流を合わせて対流Ｚ２となり、この結果、ＬＥＤ素子１ａ、１ｂからの効率的に放熱される。

図１〜図４のヒートシンク５の製造方法を図６、図７を参照して説明する。

始めに、図６を参照すると、押出成形法によって全体がフィン５０ａよりなる包囲型非傾斜放射状フィン部５０を形成する。尚、図６の（Ａ）は正面図、図６の（Ｂ）は（Ａ）のＢ―Ｂ線断面図である。

次に、図７を参照すると、切削加工法によって包囲型非傾斜放射状フィン部５０の前部のみを中心軸Ａ_ｘを回転軸として円弧状に加工する。この結果、図６の包囲型非傾斜放射状フィン部５０の前部はフィン５１ａよりなる開放型傾斜放射状フィン部５１となり、他方、図６の包囲型非傾斜放射状フィン部５０の後部はフィン５２ａよりなる包囲型非傾斜放射状フィン部５２となる。尚、図７の（Ａ）は正面図、図７の（Ｂ）、（Ｃ）、（Ｄ）は図７の（Ａ）のＢ―Ｂ線断面図、Ｃ―Ｃ線断面図である。

尚、開放型傾斜放射状フィン部５１と、包囲型非傾斜放射状フィン部５２とを別々に製造し、接着剤等を用いて結合してもよい。

図８は図１〜図４のＬＥＤバルブを装着したリフレクタ型照明装置の断面図である。

図８において、図１〜図４のＬＥＤバルブの口金部４が嵌め込まれるソケット部６、リフレクタ７及びレンズ８が設けられている。リフレクタ７はＬＥＤバルブからの出射光Ｌを所定方向に投影する投影光学ユニットを構成し、樹脂素材にＡｌ等の反射層を形成したたとえば放物面体をなしている。

図８においては、矢印に示すごとく、ＬＥＤバルブのＬＥＤ素子１ａ、１ｂからの光Ｌはリフレクタ７で反射して出射する。これにより、たとえば白熱電球のフィラメント等の発光体を再現している。

尚、上述の実施の形態においてはＬＥＤ素子１ａ、１ｂをプリント配線基板２に搭載し、プリント配線基板２を熱伝達性部材３に装着し、熱伝達性部材３をヒートシンクに結合する構成を採用しているが、熱伝達性部材３を介さずプリント配線基板２をヒートシンク５に直接結合する構成、又は熱伝達性部材以外の他の構成を採用してもよい。

また、本発明は水平取付型ＬＥＤバルブ以外にも適用できる。この場合には、フィン５１ａ、５２ａを下方又は斜め下方へ曲折させる必要はない。

また、上述の実施の形態においては、発光素子としてＬＥＤ素子を用いたが、本発明はレーザダイオード（ＬＤ）素子等の他の発光素子にも適用し得る。

さらに、本発明は上述の実施の形態の自明の範囲内でのいかなる変更にも適用し得る。

本発明に係る照明装置は、車両用灯具、たとえば前照灯、フォグランプ、昼間走行ランプ（ＤＲＬ）、及び液晶プロジェクタ等のリフレクタを用いた照明装置に利用できる。

１ａ、１ｂ：ＬＥＤ素子
２：プリント配線基板
５：ヒートシンク
５０：包囲型非傾斜放射状フィン部
５０ａ：フィン
５１：開放型傾斜放射状フィン部
５１ａ：フィン
５２：包囲型非傾斜放射状フィン部
５２ａ：フィン
５２ｂ：円筒部
６：ソケット部
７：リフレクタ
８：レンズ
Ａ_ｘ：中心軸

Claims (5)

1. 半導体発光素子と、
   前記半導体発光素子を搭載したプリント配線基板と、
   前記プリント配線基板を支持する熱伝導性部材と、
   前記熱伝導性部材を通過させる口金部と、
   前記口金部を通過した前記熱伝導性部材に結合されたヒートシンクとを具備する半導体発光バルブであって、
   前記ヒートシンクは、
   前記口金部側に設けられた開放型傾斜放射状フィン部と、
   前記開放型傾斜放射状フィン部の外側に結合した包囲型非傾斜放射状フィン部とを具備し、
   前記開放型傾斜放射状フィン部の各フィンは前記熱伝導性部材から前記包囲型非傾斜放射状フィン部に向かって漸次高くなっている半導体発光バルブ。
2. 前記開放型傾斜放射状フィン部と前記包囲型非傾斜放射状フィン部とは一体的に形成された請求項１に記載の半導体発光バルブ
3. 前記半導体発光バルブは水平取付型半導体発光バルブである請求項１に記載の半導体発光バルブ。
4. 前記開放型傾斜放射状フィン部の上端、下端以外に位置するフィンは中心軸から放射状となり、途中で下方又は斜め下方に曲折している請求項１に記載の半導体発光バルブ。
5. 半導体発光素子と、該半導体発光素子を自然空冷するためのヒートシンクとを具備する半導体発光バルブであって、
   前記ヒートシンクは、
   前記半導体発光素子側に設けられた開放型傾斜放射状フィン部と、
   前記開放型傾斜放射状フィン部の外側に結合した包囲型非傾斜放射状フィン部とを具備し、
   前記開放型傾斜放射状フィン部の各フィンは前記半導体発光素子側から前記包囲型非傾斜放射状フィン部に向かって漸次高くなっている半導体発光バルブ。
   
   

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