JP4048750B2 - 植物栽培用の半導体発光照明装置 - Google Patents

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、LEDを利用した半導体発光による照明装置に係り、特に放熱性をよくし大電流の印加を可能として高輝度の発光が得られるようにした植物栽培用の半導体発光照明装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
従来から発光ダイオード(LED)を利用したさまざまな半導体発光装置が開発されている。この半導体発光装置の中で最も典型的なものは砲弾型のランプ状としたものと表面実装用のチップ型としたものであり、図3にランプ状の半導体発光装置の従来例を示す。
【0003】
図3において、二股状のリードフレーム51の一方のリード51aの上端にマウント部51bを形成し、このマウント部51bの上にサブマウント素子52を介してフリップチップ型の半導体発光素子53が導通接続されている。サブマウント素子52はたとえば静電気保護素子であり、下面にマウント部51bに導通させるための電極52aを形成し、上面の電極にはワイヤ54をリード51cとの間にボンディングしている。そして、ワイヤ54を含めてリードフレーム51の上端はエポキシの樹脂パッケージ55によって封止されている。
【0004】
リードフレーム51を介して半導体発光素子53に通電すると、半導体発光素子53の基板に積層した化合物半導体の活性層から発光し、半導体発光素子53が発熱する。
【0005】
多数の半導体発光装置を用いることによって、植物栽培用の光源として利用することができる。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、半導体発光素子53からの発熱は樹脂パッケージ55やリードフレーム51側に熱伝達されるが、樹脂パッケージ55の放熱性は低く、半導体発光素子53を搭載しているリード51aへの熱伝達量も少ない。特に、半導体発光素子53がサファイアを基板としてGaN系化合物半導体を積層した青色発光のものでは、サファイアの基板の熱伝導率が低いので放熱性は格段に低い。また、サブマウント素子52にSiを用いることにより、これを経由した熱の流れはよくなるが、リードフレーム51が細いので結果的に放熱性は悪くなる。
【0007】
このように従来の半導体発光装置では、半導体発光素子53から発生する熱の放熱性が低いので、現状では20mA程度の電流しか印加できない。これよりも大きな電流を印加すると半導体発光素子53の温度が上昇し、流す電流に比例して発光輝度が増加せず飽和してしまうし、特性が劣化して発光輝度が低下してしまう。したがって、半導体発光素子53には小さな電流しか印加できず、その発光輝度にも限界がある。このため、植物栽培用の光源や照明用の光源として利用しようとする場合では、多数の半導体発光装置を備える必要があり、光源装置が複雑になるとともにコストも高くなるという問題がある。また、半導体発光素子の発熱をリードフレームに移動できたとしても、その熱をリードフレームから他の場所に放熱しなければならないという問題が残る。
【0008】
そこで、本発明は、半導体発光素子の放熱を促し大電流印加による高輝度化が可能な植物栽培用の半導体発光照明装置を提供することを目的とする。
【0009】
【課題を解決するための手段】
本発明は、植栽された植物に対向して配置され、冷却水を通水可能で、且つ内部に通電可能な金属壁と、金属壁に取り付けられる光源ユニットとを有する植物栽培用の半導体発光照明装置である。
【0010】
この発明によれば、半導体発光素子の放熱を促し大電流印加による高輝度化が可能な植物栽培用の半導体発光照明装置が得られる。
【0011】
【発明の実施の形態】
請求項1記載の発明は、植栽された植物に対向して配置され、冷却水を通水可能で、且つ内部に通電可能な金属壁と、前記金属壁に取り付けられる、半導体発光素子と、前記半導体発光素子に熱伝達可能に連接されると共に電気的に接続されて第1の電極になる放熱ブロックと、前記放熱ブロックの周囲に絶縁膜を挟んで熱伝達可能に設けられ、前記半導体発光素子に電気的に接続されて第2の電極になるスリーブと、前記スリーブに設けられたねじ部と、前記半導体発光素子、放熱ブロック及びスリーブの一部を封止する樹脂部と、前記放熱ブロックに当接する板ばねにて形成される光源ユニットを有することを特徴とする植物栽培用の半導体発光照明装置であり、金属壁内に通電されるので配線を別途用意する必要がなく構造を簡単にでき、また、光源ユニットの熱を金属壁に移動させ、さらに水冷するので、放熱を確実に行うことができるため、光源ユニットの輝度の低下を防止し、植物の育成を効率よく行うことができる。また、放熱ブロックの交換を容易に行うことができる。
【0013】
請求項2記載の発明は、前記金属壁は複数段に設けられ、前記植物は各金属壁に対向する位置にそれぞれ設けられていることを特徴とする請求項1に記載の植物栽培用の半導体発光照明装置なので、空間を有効利用して植物を効率よく育成することができる。
【0014】
図1は本発明の実施の形態に係る植物栽培用の半導体発光照明装置に用いる光源ユニット及びその取付構造の縦断面図である。
【0015】
光源ユニット11は、GaN系化合物半導体をサファイア基板に積層した青色発光の4台の半導体発光素子1を備えたものである。植物栽培用の光源としては、青色と赤色が必要であり、青色発光はGaN系化合物半導体が、赤色発光はGaAlAsやInGaAlP化合物半導体が用いられる。
【0016】
4台の半導体発光素子1は静電気保護用のツェナーダイオードなどを利用したサブマウント素子2にそれぞれ導通搭載されている。このサブマウント素子2は熱伝導のよいSiから成り、図示のように放熱ブロック3の上端にAgペーストを介して導通搭載されている。この放熱ブロック3はAlやAgやCuまたはこれらの金属を少なくとも1つ含む合金等のように熱伝導率の高い金属を素材としたもので、下端部を除く外周には絶縁膜4を介して円筒状の金属のスリーブ5を放熱ブロック3に対して熱伝達可能に外挿している。このスリーブ5は外周に雄ねじ5aを形成したもので、各サブマウント素子2との間をワイヤ2aによってボンディングしている。なお、放熱ブロック3は半導体発光素子1のp側電極と導通する第1の電極になり、スリーブ5は半導体発光素子1のn側電極と導通する第2の電極になる。
【0017】
また、放熱ブロック3及びスリーブ5の上端には、半導体発光素子1及びワイヤ2aを含んで封止するエポキシの樹脂部の一例である樹脂パッケージ6が一体化されている。
【0018】
次に光源ユニットの装着構造Aについて説明する。
【0019】
光源ユニット11は金属製の壁部12に取り付けられる。壁部12は導電性を有し、少なくとも一部(図1では上部)に平面を備え、平面には放熱ブロック3より外径が大きい取付凹部16が形成されている。
【0020】
壁部12の上部には、取付凹部16に重合する孔部を備えた絶縁体13が設けられ、絶縁体13の上部には、取付凹部16に連通する取付孔14を備え、導電性を有する取付板15が設けられている。取付孔14の周壁には、スリーブ5の雄ねじ5aに螺合する固定部の一例である雌ねじ17が形成されている。
【0021】
取付凹部16の周壁の対向する2箇所以上には、付勢部材の一例である板ばね18が設けられている。それぞれの板ばね18は、屈曲した中間部が先側に突出する逆V字状又は逆U字状に形成され、嵌入する放熱ブロック3を半径方向内側に付勢して固定することができる。
【0022】
光源ユニット11を壁部12に取り付ける時には、まず、放熱ブロック3を取付孔14に挿通させ、取付凹部16に少し嵌入させる。次いで、スリーブ5の雄ねじ5aを取付孔14の雌ねじ17に螺合させる。このとき、放熱ブロック3は、回転しながら取付凹部16の底部に向かって徐々に移動し、当接する板ばね18から半径方向内側に向かって付勢される。このようにして取付を行うことによって、壁部12は、板ばね18を介して放熱ブロック3に通電可能に接続し、取付板15は、スリーブ5に通電可能に接続される。
【0023】
板ばね18は放熱ブロック3を半径方向内側に付勢するので、放熱ブロック3が所定位置より取付凹部16の底側に移動しすぎても、塑性変形することがなく、付勢力を一定にして通電状態を安定的に保持すると共に板ばねの寿命を長くすることができる。また、放熱ブロック3の基端面を取付凹部16の底部に当接させることができるので、放熱ブロック3から壁部12への放熱を効率よく行うことができる。
【0024】
図2は本発明の実施の形態に係る植物栽培用の半導体発光照明装置の縦断面図である。
【0025】
半導体発光照明装置20は、2段に設けられた水平板状の金属壁21,22を備え、それぞれの金属壁21,22の下側に植物25が植栽された栽培容器23,24を有している。また、金属壁21,22の上側には冷却水31がそれぞれ通水されている。前述した光源ユニット11は、各金属壁21,22の下側の複数箇所の壁部12に設けられている。すなわち光源ユニット11は、図1を用いて説明した装着構造Aを上下逆にした状態でそれぞれ設けられている。上、下段の複数の取付板15は、各段ごとに電気的に並列に接続されて直流電源29,30に接続される。また、金属壁21,22も直流電源29,30にそれぞれ接続される。
【0026】
栽培容器23,24は、貯水部26と、貯水部26の上側に被せられる平板状の支持部28とを有している。支持部28には、所定間隔おきに貫通孔27が形成されている。栽培される植物25は支持部28に固定され、貫通孔27の下側に根を伸ばして水分を吸収し、上側に葉を広げて光源ユニット11からの光を受ける。
【0027】
光源ユニット11が発生する熱は取付板15を介して、又は直接的に壁部12に伝達される。壁部12の上部は冷却水31に接しているので、壁部12の有する熱を効率よく排出することができる。かかる構成によって、光源ユニット11に大電流を流すことができ、半導体発光素子1の輝度を高くすることができるので、金属壁21,22に配置する光源ユニット11の間隔を大きくしてその設置数を減らすことができ、装置を簡略化できると共に運転費用を節約することができる。
【0028】
【発明の効果】
本発明では、植栽された植物に対向して配置され、冷却水を通水可能で、且つ内部に通電可能な金属壁を有しているので、配線を別途用意する必要がなく構造を簡単にでき、また、光源ユニットの熱を金属壁に移動させ、さらに水冷するので、放熱を確実に行うことができる。
【0029】
また、光源ユニットに第1の電極になる放熱ブロックと、放熱ブロックの周囲に絶縁膜を挟んで熱伝達可能に設けられ第2の電極になるスリーブとを備えることにより、両電極から金属壁への放熱を確実に行うことができ、光源ユニットの輝度の低下を防止し、植物の育成を効率よく行うことができる。
【0030】
さらに、金属壁を複数段に設けることにより、空間を有効利用して植物を効率よく育成することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明で用いる光源ユニットの装着構造の縦断面図
【図2】本発明の一実施の形態における植物栽培用の半導体発光照明装置の縦断面図
【図3】従来の半導体発光装置の縦断面図
【符号の説明】
1 半導体発光素子
2 サブマウント素子
2a ワイヤ
3 放熱ブロック
4 絶縁膜
5 スリーブ
5a 雄ねじ
6 樹脂パッケージ(樹脂部)
11 光源ユニット
12 壁部
13 絶縁体
14 取付孔
15 取付板
16 取付凹部
17 雌ねじ(固定部)
18 板ばね
20 半導体発光照明装置
21,22 金属壁
23,24 栽培容器
25 植物
26 貯水部
27 貫通孔
28 支持部
29,30 直流電源
31 冷却水
A 装着構造

Claims (2)

  1. 植栽された植物に対向して配置され、冷却水を通水可能で、且つ内部に通電可能な金属壁と、前記金属壁に取り付けられる、半導体発光素子と、前記半導体発光素子に熱伝達可能に連接されると共に電気的に接続されて第1の電極になる放熱ブロックと、前記放熱ブロックの周囲に絶縁膜を挟んで熱伝達可能に設けられ、前記半導体発光素子に電気的に接続されて第2の電極になるスリーブと、前記スリーブに設けられたねじ部と、前記半導体発光素子、放熱ブロック及びスリーブの一部を封止する樹脂部と、前記放熱ブロックに当接する板ばねにて形成される光源ユニットを有することを特徴とする植物栽培用の半導体発光照明装置。
  2. 前記金属壁は複数段に設けられ、前記植物は各金属壁に対向する位置にそれぞれ設けられていることを特徴とする請求項1に記載の植物栽培用の半導体発光照明装置。
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