JP2018186050A

JP2018186050A - 発光ユニット

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Publication number: JP2018186050A
Application number: JP2017088654A
Authority: JP
Inventors: 篤史大野; Atsushi Ono; 守幸関根; Moriyuki SEKINE
Original assignee: Iwasaki Denki KK
Current assignee: Iwasaki Denki KK
Priority date: 2017-04-27
Filing date: 2017-04-27
Publication date: 2018-11-22
Anticipated expiration: 2037-04-27
Also published as: JP6863047B2

Abstract

【課題】軽量化と温度上昇の抑制とを両立可能にする発光ユニットを提供する。【解決手段】発光ユニットのＬＥＤモジュール２は、ＬＥＤ８が配置された筐体１０と前面カバー１４とによって囲まれた空間Ｓには、ＬＥＤ８を覆いつつ、前面カバー１４の一部（基端部２１Ｋ）に接し、且つ前面カバー１４の他の部分（頂部２１Ｔ）との間に隙間ＳＢを空けて、透光性及び熱伝導性を有した熱伝導材（充填材）を充填している。【選択図】図３

Description

本発明は、発光ユニットに関する。

従来、発光ダイオードランプが挿入されたガラスバルブの頂部の内面から発光ダイオードランプの底面の高さまで透明で熱伝導性のシリコーン樹脂（以下、充填剤）を充填した発光ユニットが知られている。（例えば、特許文献１参照）。この発光ユニットは、灯具が有するソケットに着脱自在な口金を有している。

特許第６０５８０５２号明細書

しかし、従来の構成は、ガラスバルブの頂部の内面から発光ダイオードランプの底面の高さまで充填剤が充填されるので、発光ダイオードランプの重量が増加してしまう。重量の増加は、口金や器具の加重負担を増やしてしまう。
本発明は、軽量化と温度上昇の抑制とを両立可能にすることを目的とする。

本発明は、発光素子と、前記発光素子が配置された筐体と、前記筐体に配置された前記発光素子を覆うカバーとを備え、前記筐体と、前記カバーとによって囲まれた空間には、前記発光素子を覆いつつ、前記カバーの一部に接し、且つ前記カバーの他の部分との間に隙間を空けて、透光性及び熱伝導性を有した充填材が充填されていることを特徴とする。

本発明は、上記発光ユニットにおいて、前記筐体の熱を放熱する放熱部材と、前記発光素子が実装された基板とを有し、前記充填材は、前記基板と、前記筐体との間の隙間を塞ぐように充填されていることを特徴とする。

本発明は、上記発光ユニットにおいて、前記充填材は、前記筐体と、前記カバーとの間に形成される空間に占める割合が５０%以下であることを特徴とする。

本発明は、上記発光ユニットにおいて、前記カバーは、前記充填材と接する領域と、前記充填材と接しない領域と、の境界からの照射光の輝度ムラを少なくとも低減可能に前記発光素子からの光を拡散して放射することを特徴とする。

本発明によれば、軽量化と温度上昇の抑制とを両立可能になる。

本実施形態に係るＬＥＤユニットの構成を示す斜視図である。ＬＥＤモジュールの構成を示す斜視図である。ＬＥＤモジュールの第一実施例の断面図である。ＬＥＤモジュールの第二実施例の断面図である。（Ａ）は比較例１、（Ｂ）は比較例２、（Ｃ）は比較例３、（Ｄ）は比較例４の各々の断面図である。第一及び第二実施例と比較例１〜４のシミュレーション結果を示した図である。比較例３及び４を除く充填率Ｖ―温度Ｔｃの関係を示した図である。比較例３及び４を含む充填率Ｖ―温度Ｔｃの関係を示した図である。

以下、図面を参照して本発明の実施形態について説明する。
図１は、本実施形態に係るＬＥＤユニット１の構成を示す斜視図である。
ＬＥＤユニット１（発光ユニット）は、複数のＬＥＤモジュール２（発光素子モジュール）を備える口金型ＬＥＤユニットである。このＬＥＤユニット１の端部には、口金６が設けられる。口金６は、例えばＥ２６タイプやＥ３９タイプ等の一般的にＥ型口金と呼ばれるねじ込み式（回しこみ式）のものであり、灯具が備えるソケットに螺合して装着可能である。なお、口金６は差し込み式でもよい。

ＬＥＤモジュール２は、ＬＥＤ８（発光素子）を光源として放射光を放射するユニットであり、ＬＥＤユニット１の中心軸線である軸線Ｋに沿って延びる棒状のモジュールに形成される。このＬＥＤユニット１は、５つのＬＥＤモジュール２を備え、これらのＬＥＤモジュール２が各筐体１０の裏面を内側に向け、なおかつ、ＬＥＤユニット１の軸線Ｋと同一方向に延びる姿勢で、当該軸線Ｋの周囲に等間隔に環状に配列される。これにより、ＬＥＤユニット１は、軸線Ｋの全周囲に亘る範囲に光を放射する。各ＬＥＤモジュール２は、同一構造、及び形状である。なお、各ＬＥＤモジュール２の光出力、及び数等を調整することによって、ＬＥＤユニット１の仕様を変更可能である。

本構成のＬＥＤユニット１は、ＨＩＤランプのような高出力タイプの放電ランプと同等の光出力を有し、ＨＩＤランプの代替として用いることができる。
ここで、ＨＩＤランプなどの放電ランプは交流電力で点灯するのに対し、ＬＥＤ８は直流電力で点灯する。したがって、ＬＥＤ８を光源とするＬＥＤモジュール２を交流の商用電力で点灯させる場合、商用電力を直流電力に変換する電源回路が必要になる。本実施形態のＬＥＤユニット１は電源回路を内蔵せず、ソケットを有する灯具の側に電源回路を設け、当該ソケットから口金６を通じて直流電力を供給する。

図２は、ＬＥＤモジュール２の構成を示す斜視図である。
ＬＥＤモジュール２は、図２に示すように、面状のＬＥＤ８を実装した基板９と、基板９が配置された筐体１０と、筐体１０に配置された基板９を覆う前面カバー１４とを備える。基板９は、矩形板状のプリント配線基板であり、複数のＬＥＤ８が実装される。本構成のＬＥＤ８は、多数のＬＥＤ素子を、例えば格子状に平面視略矩形の範囲内に配列し、その表面を樹脂材で薄い厚みでモールドして成るＣＯＢ型ＬＥＤであり、その略全面が発光する。この基板９には、複数（本構成では３つ）のＬＥＤ８が一列に並べて配置され、これらＬＥＤ８によって広い発光面積が得られる。

筐体１０は、基板９が載置される載置面１０Ａ（図３）を有する板状の本体部１１と、本体部１１の裏面（載置面と反対側の面）から突出する放熱フィン１２（放熱部材）とを一体に有する。筐体１０は、例えばアルミニウム等の高熱伝導性を有する金属材によって形成され、ＬＥＤ８からの熱を受けて放熱するヒートシンクとして機能する。

前面カバー１４は、透光性のある材料、例えば樹脂材を用いて形成される。前面カバー１４は、平面視楕円形状、かつ、断面半円形状に形成されたドーム状のカバー部２１と、カバー部２１を筐体１０に連結する連結部２２とを一体に備える。カバー部２１は、筐体１０に配置されたＬＥＤ８を、基板９を含めて覆う。連結部２２は、複数設けられ、筐体１０の本体部１１に係合する爪形状に形成される。前面カバー１４と筐体１０との間は、パッキン等によって封止され、内部への水の浸入が防止される。

図３は、ＬＥＤモジュール２の第一実施例の断面図である。以下の説明において、特に説明がない限り、上下等の各方向は図３に示す方向に従う。但し、実際の使用態様ではＬＥＤモジュール２の向きは図３の向きに限定されない。ＬＥＤモジュール２は、筐体１０と前面カバー１４とによって囲まれた断面視で略半円形状の空間Ｓを有している。この空間Ｓには、透光性及び熱伝導性を有する熱伝導材１００（充填材）が充填される。
熱伝導材１００は、透明のシリコーン樹脂、又は、そのシリコーン樹脂に熱伝導性物質等を複合させた複合材料で形成され、空気等と比べて高い熱伝導率を有する。また、シリコーン樹脂は絶縁体（不導体）であるので、基板９の導通部等に付着しても導通には影響しない。熱伝導材１００は、シリコーン樹脂に限定されず、透光性及び熱伝導性を有する他の材料を適用可能である。

本構成では、空間Ｓの一部だけに熱伝導材１００が充填されることによって、熱伝導材１００からなる熱伝導層ＳＡが形成されるとともに、熱伝導層ＳＡと前面カバー１４との間に隙間ＳＢが形成される。図３に示すように、熱伝導層ＳＡは、ＬＥＤモジュール２が有する全てのＬＥＤ８を覆いつつ前面カバー１４の一部だけに接しており、発熱体であるＬＥＤ８の熱を、前面カバー１４に効率良く伝える。つまり、ＬＥＤ８から前面カバー１４への熱伝導性を改善する。

詳述すると、筐体１０と前面カバー１４とを組み付け、図３に示すように、筐体１０を前面カバー１４よりも下方、且つ、基板９及びＬＥＤ８を表面が水平となるようにＬＥＤモジュール２を水平配置した状態で、外部から空間Ｓ内に、液体状態の熱伝導材１００を充填する。液体状態の熱伝導材１００は、重力の作用により、空間Ｓの最も下に位置する基板９の載置面１０Ａから溜まっていく。このため、載置面１０Ａと基板９との間等に生じる隙間を熱伝導材１００で塞ぐことができる。

ＬＥＤ８を覆うまで熱伝導材１００が充填された後、熱伝導材１００が硬化することによって熱伝導層ＳＡが形成される。この場合、熱伝導層ＳＡの表面は水平面となるので、基板９の表面及びＬＥＤ８の表面と平行となり、ＬＥＤ８等の前面を均等に覆うことができる。

熱伝導材１００の充填位置は、上記の充填が可能な範囲で任意の位置でよい。例えば、筐体１０の本体部１１及び基板９を貫通する貫通孔を設け、図３におけるＬＥＤ８の下方等から圧力をかけて充填する方法、又は、前面カバー１４の基端部２１Ｋ（後述する熱伝導層ＳＡが接する箇所）に貫通孔を設け、図３におけるＬＥＤ８の側方から充填する方法を適用すればよい。なお、充填後は熱伝導材１００が硬化することによって貫通孔は塞がれる。

第一実施例では、熱伝導材１００が、空間Ｓの体積の５０％を満たすまで充填されることによって、空間Ｓの下半分の領域に熱伝導層ＳＡが形成される。これにより、基板９及びＬＥＤ８を覆いつつ、前面カバー１４の一部（カバー部２１の左右の基端部２１Ｋ）に面接触する熱伝導層ＳＡが形成される。また、充填によって基板９及びＬＥＤ８を覆う熱伝導層ＳＡを設けるので、筐体１０と基板９との間等にできる隙間を熱伝導材１００で塞ぎ、各部材間の熱伝導性が向上する。

また、空間Ｓの上半分の領域には熱伝導層ＳＡが形成されないので、基板９及びＬＥＤ８の表面に対して垂直方向に離間する前面カバー１４の頂部２１Ｔには熱伝導層ＳＡが接触しない。つまり、基板９及びＬＥＤ８から垂直方向に離れた領域に、熱伝導層ＳＡが存在しない隙間ＳＢ、つまり、空気のみが存在する隙間ＳＢが形成される。
従って、この隙間ＳＢに熱伝導材１００を充填した場合と比べて重量を低減できる。また、上記隙間ＳＢは、空間ＳのうちＬＥＤ８から垂直方向に最も離れているので、隙間ＳＢに熱伝導材１００を充填する場合と比べて、放熱性の低下を効率良く抑制できる。以上の構成により、ＬＥＤモジュール２の軽量化と、ＬＥＤ８の温度上昇の抑制とを効率良く両立できる。

次いで、ＬＥＤモジュール２の第二実施例を説明する。
図４は、ＬＥＤモジュール２の第二実施例の断面図である。
第二実施例は、熱伝導材１００の充填量を空間Ｓの体積の７０％にした点が第一実施例と異なる。つまり、第二実施例では、熱伝導層ＳＡが厚くなり、前面カバー１４との接触面積が第一実施例よりも増える。従って、第一実施例よりも放熱効果の向上を期待できる。また、第一実施例と同様に、前面カバー１４の頂部２１Ｔと熱伝導層ＳＡとの間に隙間ＳＢが形成されるので、ＬＥＤ８の温度上昇を抑制しつつＬＥＤモジュール２の軽量化が可能である。例えば、ＬＥＤ８の出力の違い等に起因するＬＥＤ８の発熱量に応じて、第一実施例の構成、又は第二実施例の構成を適宜に選択すればよい。

続いて比較例を説明する。
図５（Ａ）は比較例１、図５（Ｂ）は比較例２、図５（Ｃ）は比較例３、図５（Ｄ）は比較例４の各々の断面図を示す。図５（Ａ）及び図５（Ｂ）に示すように、比較例１は、充填率Ｖが零であり、比較例２は、充填率Ｖが１００％である。図５（Ｃ）に示すように、比較例３は、前面カバー１４の内面全体に渡って熱伝導材１００（熱伝導層ＳＡに相当）を接触させるとともに、熱伝導材１００内に隙間ＳＢを設けた構成であり、充填率Ｖは６０％である。図５（Ｄ）に示すように、比較例４は、熱伝導材１００を空間Ｓの上半分の領域に充填させたものであり、充填率Ｖは５０％である。

図６は第一及び第二実施例と比較例１〜４のシミュレーション結果を示した図である。
図６中の充填率Ｖは、空間Ｓに占める熱伝導材１００の体積の割合を示し、上記したように第一実施例は５０％、第二実施例は７０％である。また、図６中の温度Ｔｃは、ＬＥＤ８のジャンクション温度である。また、図６中の温度差ｄＴは、比較例Ｑ２に対する温度Ｔｃの差を示す。
図７及び図８は、シミュレーション結果に基づく充填率Ｖ―温度Ｔｃの関係を示した図である。図７及び図８において、第一実施例は符号Ｐ１、第二実施例は符号Ｐ２、比較例１は符号Ｑ１、比較例２は符号Ｑ２、比較例３は符号Ｑ３、比較例４は符号Ｑ４を付して示す。なお、図７は充填率Ｖの違いを比較するため、充填率Ｖ以外の条件が異なる比較例３及び４を記載していない。

第一実施例、第二実施例、比較例１及び２を比較すると、図７に示すように、充填率Ｖが高いほど、温度Ｔｃが下がっており、熱伝導材１００が有用であることが明らかである。また、充填率Ｖが相対的に高い第一実施例、第二実施例、及び比較例２を示す点Ｐ１、Ｐ２、Ｑ２は略同一の直線ｆ１上に並ぶ結果が得られた。
一方、充填率Ｖが零の比較例１を示す点Ｑ１は、上記直線ｆ１よりも温度Ｔｃが高かった。充填率Ｖが零の点Ｑ１と充填率Ｖが５０％の点Ｐ１とを直線ｆ２（一点鎖線で示す）で結んだ場合、この直線ｆ２と上記直線ｆ１との縦軸方向に沿う間隔は、ＬＥＤ８の温度低減効果を示す。図７に示すように、ＬＥＤ８の温度低減効果は、充填率Ｖが高くなるほど、小さくなる傾向であった。
発明者等の検討によれば、充填率Ｖが０〜５０％までは効率良くＬＥＤ８の温度低減効果が得られ、値５０％を超えると、その温度低減効果は飽和傾向であることを確認した。このことから、充填率Ｖは、ＬＥＤモジュール２の重量を十分に抑えられる範囲で０〜１００％の範囲にすればよく、より好ましくは、０〜５０％以下にすることで、温度低減効果を効率良く得ることが可能である。

図８に示すように、比較例３及び４（点Ｑ３、Ｑ４に相当）は、隙間ＳＢの位置を略揃えて充填率Ｖだけを異ならせた第一実施例、及び第二実施例等（点Ｐ１、Ｐ２、Ｑ１及びＱ２）を近似した特性曲線ｆ３と離れた位置にある。このことから、比較例３及び４は、特性曲線ｆ３で示す傾向とは異なる傾向を有している。つまり、比較例３及び４（点Ｑ３、Ｑ４に相当）は、特性曲線ｆ３で示される傾向と比較すると、同条件の充填率ＶではＬＥＤ８の温度低減効果が低かった。また、図３、図４、及び図５（Ａ）〜図５（Ｄ）には、ＬＥＤ８からの熱の流れ、及び放熱量のイメージを矢印で示している。矢印の方向が放熱方向を示し、矢印の幅が放熱量を示している。

すなわち、本構成のＬＥＤモジュール２は、図３及び図４に示すように、ＬＥＤ８を覆う熱伝導層ＳＡが前面カバー１４の左右の基端部２１Ｋに面接触しているので、基端部２１Ｋからの放熱量が相対的に大きく、前面カバー１４の他の部分（頂部２１Ｔ）からの放熱量は相対的に小さくなる。
一方、図５（Ａ）に示す比較例１では、前面カバー１４内の空間Ｓ内は断熱性を有する空気で満たされるので、前面カバー１４のいずれからも放熱量が少ない。また、図５（Ｂ）に示す比較例２は、空間Ｓ全体が熱伝導層ＳＡであるので前面カバー１４からの放熱量は最も大きいものの、熱伝導層ＳＡの体積が大きく、重量が増加してしまう。

図５（Ｃ）に示す比較例３では、前面カバー１４の内面を覆うように熱伝導層ＳＡが設けられるので、充填率Ｖが同じ比較例１と比べると、ＬＥＤ８を覆う熱伝導層ＳＡが薄く、前面カバー１４への熱伝導量が減り、基端部２１Ｋからの放熱量が相対的に小さくなる。また、図５（Ｄ）に示す比較例４では、発熱源であるＬＥＤ８と熱伝導層ＳＡとの間に、断熱性を有する空気が介在するので、熱伝導層ＳＡによる放熱効果が小さく、前面カバー１４からの放熱量が少なくなる。

以上説明したように、本構成では、ＬＥＤ８が配置された筐体１０と前面カバー１４とによって囲まれた空間Ｓには、ＬＥＤ８を覆いつつ、前面カバー１４の一部（基端部２１Ｋ）に接し、且つ前面カバー１４の他の部分（頂部２１Ｔ）との間に隙間ＳＢを空けて、透光性及び熱伝導性を有した熱伝導材１００（充填材）を充填するので、ＬＥＤモジュール２の軽量化と、ＬＥＤ８の温度上昇の抑制とを両立可能になる。
ＬＥＤモジュール２の軽量化を図ることで、ＬＥＤユニット１（発光ユニット）の口金６、及び灯具が備えるソケットに作用する荷重を低減することができる。

また、熱伝導材１００を充填して空間Ｓ内に熱伝導層ＳＡを設けているので、ＬＥＤ８周囲に存在する隙間を熱伝導材１００で塞ぐことができる。換言すると、熱伝導材１００は、ＬＥＤ８を実装した基板９と筐体１０との間等に生じた隙間を塞ぐように充填されている。これにより、基板９と筐体１０との間等の熱伝導性を向上させることができる。筐体１０には放熱フィン１２が設けられるので、筐体１０及び放熱フィン１２による放熱を効率良く行うことができる。

さらに、熱伝導材１００は、筐体１０と前面カバー１４との間に形成される空間に占める割合が５０%以下であるので、軽量化を図りつつ、効率良くＬＥＤ８の温度上昇を抑制できる。しかも、本構成では、ＬＥＤユニット１が有する複数のＬＥＤモジュール２の各々が、ＬＥＤ８が配置された筐体１０と前面カバー１４とによって囲まれた空間Ｓに、ＬＥＤ８を覆いつつ、前面カバー１４の一部（基端部２１Ｋ）に接し、且つ前面カバー１４の他の部分（頂部２１Ｔ）との間に隙間ＳＢを空けて熱伝導材１００を充填している。従って、ＨＩＤランプのような高出力タイプで、各ＬＥＤモジュール２の軽量化と、ＬＥＤ８の温度上昇の抑制とを両立したＬＥＤユニット１を提供可能になる。

ところで、前面カバー１４において、熱伝導材１００（熱伝導層ＳＡ）と接する領域と、熱伝導材１００と接しない領域とでは、透過率等の光学特性が異なり、光学特性の違いにより、輝度ムラが生じるおそれがある。
そこで、本構成の前面カバー１４は、熱伝導材１００（熱伝導層ＳＡ）と接する領域（基端部２１Ｋに相当）と、熱伝導材１００と接しない領域（頂部２１Ｔに相当）との間の輝度ムラを低減可能にＬＥＤ８からの光を拡散する。具体的には、前面カバー１４に、拡散効果を付与する表面処理を施す方法（例えば、梨地加工）、又は前面カバー１４の材質に、拡散効果を付与する材料を複合させた複合材料を用いることによって、輝度ムラを低減している。

なお、拡散効果を付与する範囲は、輝度ムラを低減可能な範囲で適宜に設定すればよい。例えば、前面カバー１４の表面及び裏面の全面、又はいずれか一面の全体に拡散効果を付与する構成、若しくは、前面カバー１４における基端部２１Ｋと頂部２１Ｔとの境界部分を中心とする一部の範囲だけに拡散効果を付与する構成のいずれでもよい。

以上、一実施形態に基づいて、本発明を説明したが、上述した実施形態は、あくまでも本発明の一態様の例示であり、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において任意に変形、および応用が可能である。

例えば、上述した実施形態では、熱伝導材１００が、ＬＥＤ８を覆いつつ、前面カバー１４の基端部２１Ｋに接し、且つ前面カバー１４の頂部２１Ｔとの間に隙間ＳＢを空けて充填される場合を説明したが、これに限定されない。軽量化と温度上昇の抑制とを両立可能な範囲で、熱伝導材１００が、ＬＥＤ８を覆いつつ、前面カバー１４における基端部２１Ｋ以外の部分に接し、且つ前面カバー１４における頂部２１Ｔ以外の部分との間に隙間ＳＢを空けて充填されるようにしてもよい。
また、上述した実施形態では、口金６を備えると共に複数のＬＥＤモジュール２を有するＬＥＤユニット１に本発明を適用する場合を説明したが、口金６を備えなくてもよいし、ＬＥＤモジュール２の数も任意でよい。また、ＬＥＤユニット１に限定されず、有機ＥＬ等の発光素子と、発光素子が配置された筐体と、筐体に配置された発光素子を覆うカバーとを備える様々な発光ユニットに本発明を適用してもよい。

１ＬＥＤユニット（発光ユニット）
２ＬＥＤモジュール（発光素子モジュール）
６口金
８ＬＥＤ（発光素子）
９基板
１０筐体
１２放熱フィン（放熱部材）
１４前面カバー（カバー）
２１カバー部
２１Ｋ基端部
２１Ｔ頂部
１００熱伝導材（充填材）
Ｓ空間
ＳＡ熱伝導層
ＳＢ隙間

Claims

発光素子と、前記発光素子が配置された筐体と、前記筐体に配置された前記発光素子を覆うカバーとを備え、
前記筐体と、前記カバーとによって囲まれた空間には、前記発光素子を覆いつつ、前記カバーの一部に接し、且つ前記カバーの他の部分との間に隙間を空けて、透光性及び熱伝導性を有した充填材が充填されていることを特徴とする発光ユニット。
前記筐体の熱を放熱する放熱部材と、前記発光素子が実装された基板とを有し、
前記充填材は、前記基板と、前記筐体との間の隙間を塞ぐように充填されていることを特徴とする請求項１に記載の発光ユニット。
前記充填材は、前記筐体と、前記カバーとの間に形成される空間に占める割合が５０%以下であることを特徴とする請求項１または２に記載の発光ユニット。
前記カバーは、前記充填材と接する領域と、前記充填材と接しない領域との間の輝度ムラを低減可能に前記発光素子からの光を拡散することを特徴とする請求項１から請求項３のいずれかに記載の発光ユニット。