JP4124638B2 - Ｌｅｄ照明システム - Google Patents

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    • H01L33/641—Heat extraction or cooling elements characterized by the materials

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、発光ダイオード(LED)を用いた照明システム、特に大光量で発光することのできるLED照明システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
青色発光可能な窒化ガリウム系LED（GaN-LED）の開発により、照明装置としてのLEDの使用が注目されつつある。照明装置としてみた場合、白熱電球や蛍光灯等の従来の照明装置と比較すると窒化ガリウム系LEDは、(a)素子寿命が実用上無限に近く長い、(b)エネルギ効率が高く、熱放出が少ない、(c)光度が高い、(d)調光性に優れている（任意の色合いを出すことができる）、(e)素子単体が非常に小さいため、任意の形状に実装することが可能である、等多くの特長を持つ。
【０００３】
LEDを光源として用いるためには、白色光が得られることが望ましい。近年、GaN-LEDをイットリウム・アルミニウム・ガーネット蛍光体薄膜で覆うことにより、白色光源(白色LED)が実現したため、今後、LED照明装置がより広く用いられるようになることが予想される。
【０００４】
LED照明装置を一般家庭等に普及させるためには、従来の電灯や蛍光灯と同様に容易に取り扱うことができるようにすることが必要である。例えば、LEDは従来の電球や蛍光管よりも長寿命であるが、それでも一般家庭等において交換する必要が生じる場合がある。そのため、照明装置へのLED光源(電球や蛍光管に相当)の取り付け及び取り外しが、従来の電灯等と同様又はそれ以上に容易にできることが望ましい。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、このような、LED光源の取り付け及び取り外しを容易に行うことができるLED照明装置については、未だ検討されていない。
【０００６】
また、LEDを照明装置に用いる際には、以下のように、大電力を供給することによりLEDチップの温度が上昇するという問題を解決する必要がある。。
現在、前記の白色LEDから得られる光束の強度は、砲弾形(3mmφ)のもので数lm(ルーメン)、高輝度大面積形のもので数十lm程度である。しかし、液晶プロジェクター用光源や自動車のヘッドランプ等の光源に用いるためには、この白色LEDから千〜数千lmの光束を得る必要がある。そのためには、現状の白色LEDの発光効率が、現状として実用レベルでは最大で約25(lm/W)、研究室レベルでは最大で約50(lm/W)であることから、20W〜100W以上の電力を供給する必要がある。
【０００７】
これらの光源において想定される小さな実装領域に、このような大きな電力が供給されると、LEDチップが蓄熱して温度上昇するおそれがある。また、この熱がLEDチップを実装する基板に伝熱したとしても、その基板が蓄熱して温度上昇することによりLEDチップの温度も上昇するおそれがある。LEDは半導体デバイスであるため、高温になるほど非輻射再結合が生じる確率が高くなり、発光効率が低下してしまう。従って、LED照明装置を大光量で且つ効率よく発光させるためには、LEDチップから発生する熱を適切に外部に放熱させて、LEDチップの温度が過度に上昇することを防止する必要がある。
【０００８】
特許文献１には、フレキシブル基板上に設けた、LEDに電力を供給する導電パターンの表面から放熱すること([0050]、図４)や、フレキシブル基板の裏側に設けた、シリコン樹脂製の放熱用フィンから放熱すること([0046]、図８)が記載されている。ただし、フレキシブル基板の材料については、[0032]に「可撓性の樹脂部材」と記載されているのみである。そのため、放熱における基板の役割については十分に検討されていない。
【０００９】
【特許文献１】
特開2002-232009号公報（[0032]、[0046]、[0050]、図４、図８）
【特許文献２】
特開2002-329896号公報（[0020]、[0021]、図３、図５）
【００１０】
一方、本願発明者らは特許文献２において、LEDチップからの発熱を外部に伝熱させるために、LEDチップをダイアモンド基板(又は表面をダイアモンドやダイアモンドカーボンで覆った基板)上に載置することを提案している([0020]、図３等)。室温におけるダイアモンドの熱伝導率は約20W/cmKであり、LEDチップを載置するために通常用いられる基板(サファイア、石英、SiC、GaN、AlN等)のそれよりも1桁〜2桁高い。そのため、LEDチップから発生する熱がダイヤモンド基板に吸熱され、LEDチップの温度の上昇を抑制することができる。
【００１１】
LEDチップを載置する基板は、設置スペースを小型化するために、数mm厚の薄いものとする。そのため、LEDチップからの熱が基板に蓄熱されやすい。特許文献２においては、ダイアモンド基板に吸収された熱は基板の「底面又は側面から外部へ放熱される」([0020])としている。しかし、LEDの設置密度を更に高くすると、基板から周囲の空気への放熱だけでは不十分となり、基板の温度が上昇してしまう。そのため、LEDのチップからの発熱を適切に放熱することができなくなるおそれがある。
【００１２】
本発明はこのような課題を解決するために成されたものであり、その目的とするところは、LED光源を容易に着脱することができるLED照明システムを提供することにある。併せて、このLED照明システムにおいて、LEDから発生する熱を適切にシステムの外部に放熱できるようにすることを目的とする。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために成された本発明に係るLED照明システムは、
a)基板と、該基板上に設けた、絶縁性材料から成る伝熱層と、該伝熱層上に設けた、所定のパターンを有する導電層と、該導電層上の所定の位置に設けた発光ダイオードチップと、前記基板の端部に設けた、伝熱層の熱を伝熱するモジュール熱接触部と電力供給端子とを有するコネクタ部と、を設けたLEDモジュールと、
b)前記モジュール熱接触部と面接触するソケット熱接触部と、前記コネクタ部の電力供給端子と接続する端子と、を設けた、前記コネクタ部を支持するソケットと、
を備えることを特徴とする。
【００１４】
【発明の実施の形態】
本発明に係るLED照明システムは、LEDモジュールとソケットから成る。このうち、LEDモジュールは、従来の照明装置における電球や蛍光管に該当するLED光源である。LEDモジュールにはコネクタ部を設け、このコネクタ部をソケットに取り付けることにより、1組の照明システムとなる。
【００１５】
以下に、LEDモジュール及びソケットそれぞれの構成について説明する。
LEDモジュールは以下のように構成する。モジュールの土台となる基板は、併せて、LEDからの熱を吸熱する役割を果たす。基板の材料には、例えば、AlN、GaN、SiC等のセラミックス又は単結晶から成る基板を用いる。基板上に絶縁性材料から成る伝熱層を設ける。伝熱層の材料には、熱伝導率が約20W/cmK(温度298Kにおける値)と高いダイアモンド若しくはダイアモンドライクカーボン、又はダイアモンドの約２倍の熱伝導率を有するカーボンナノチューブを用いることが望ましい。伝熱層上に、所定のパターンを有する導電層を設ける。この所定パターンは、外部から導電層に電力を供給する端子と、導電層からLEDチップに電力を供給する回路及び端子を形成したものである。また、導電層には、LEDチップと面的に接触する領域を設けてもよい。導電層の端子との電気的絶縁に必要な部分を除いた大半の領域を、前記熱接触領域とすることができる。導電層の材料には、例えば、導電性及び伝熱性に優れた金を用いる。導電層の前記端子にLEDチップの電極をハンダ付け等により接続して、LEDチップを設ける。その際、LEDチップが伝熱層又は導電層の前記熱接触領域と面的に接触するようにする。
【００１６】
LEDモジュールの端部に、前記のように、ソケットと接続するためのコネクタ部を設ける。このコネクタ部には、後述のソケット熱接触部と面的に熱接触するモジュール熱接触部を設ける。このモジュール熱接触部は、伝熱層と同様にダイアモンド、ダイアモンドライクカーボン又はカーボンナノチューブを用いることが望ましい。また、コネクタ部には、電力を供給するための電力供給端子を設ける。コネクタ部の形状は、例えば電球と同様の雄ねじ状や、板状とすることができる。
【００１７】
ソケットは、LEDモジュールのコネクタ部を支持する構造を有する。ソケットの開口の内側は、コネクタ部の形状に応じて、例えば、電球のソケットと同様の雌ねじ状の形状や、バネを設けることにより板状のコネクタ部を挟んで固定する構造とすることができる。ソケットの開口の内側であって、LEDモジュールをソケットに取り付けた際にモジュール熱接触部と面接触する位置に、ソケット熱接触部を設ける。これにより、ソケット熱接触部とモジュール熱接触部とが熱接触する。また、コネクタ部の前記電力供給端子と接続する位置に端子を設ける。このソケットの端子に電力を供給することにより、コネクタ部の前記電力供給端子から導電層を経てLEDチップに電力を供給することができる。
【００１８】
上記のようにLEDモジュールとソケットとを構成することにより、LEDモジュールの取り付け又は取り外しを容易に行うことができる。また、LEDモジュールをソケットに取り付けるだけでコネクタ部の電力供給端子とソケットの端子とが接続されるため、LEDモジュール取り付け又は取り外しの際に電力供給用の配線処理を別途行う必要はない。
【００１９】
次に、本発明のLED照明システムにおいて、LEDチップから発生した熱がシステム外部へ放熱される過程を説明する。LEDチップの熱は、まず、導電層の熱接触領域に伝熱する。導電層は所定のパターンで層状に形成されているため、この熱は導電層全体に拡散する。また、導電層全体が伝熱層に面接触しているため、この熱は導電層全体から伝熱層に拡散する。
【００２０】
LEDモジュール全体に拡散した熱の一部は伝熱層の表面から直接周囲の空気へ放熱されるが、本発明のLED照明システムにおいては更に、モジュール熱接触部とソケット熱接触部を介して、LEDモジュールの熱がソケットへ伝熱する。この熱はソケットから周囲の空気へ放熱する。この構成により、LEDチップからの発熱をより効率よく周囲の空気へ放熱することができる。ここで、前記のように伝熱層の材料に熱伝導率の高いダイアモンド、ダイアモンドライクカーボン又はカーボンナノチューブを用いることにより、伝熱層の熱を迅速にモジュール熱接触部に伝熱させることができる。また、モジュール熱接触部及びソケット熱接触部は、伝熱性のよい材料から成ることが望ましい。そのために、両接触部の材料として、例えば伝熱層と同じダイアモンド、ダイアモンドライクカーボン又はカーボンナノチューブを用いることができる。両接触部のうち電力供給端子と接触しない箇所には金属を用いてもよい。更に、モジュール熱接触部とソケット熱接触部との間の伝熱を効率よく行うためは、両接触部はできるだけ広い面積で熱接触する構造を有することが望ましい。
【００２１】
本発明のLED照明システムにおいては更に、ソケットから周囲の空気へ熱を放出するための構造を有することが望ましい。例えば、ソケットの外側をフィン状の構造として、ソケット自体から放熱するようにする。また、LEDの発光を反射する、配光用のレフレクタから周囲の空気へ放熱するようにしてもよい。
【００２２】
以上の構成により、LEDチップの温度が上昇して発光効率が低下することはほとんど避けられるが、更に安全性を高めるため、LEDチップの過熱を検知する温度センサを設けてもよい。典型的には、LEDチップの近傍に温度センサを配置してLEDチップの温度を直接測定するが、温度センサを導電層若しくは伝熱層の表面に設けるか又は基板の中に埋め込んでその位置での温度を測定することにより、LEDチップの温度を間接的に測定してもよい。LEDチップの温度が所定温度を上回ったことをこの温度センサが検知した時、LEDチップへの電力供給を低下させ又は停止する。その後、LEDチップの温度が前記所定温度又はそれより低い所定の温度以下になった時、LEDチップへの電力供給量を元に戻す。また、LEDモジュール内では、LEDモジュールの端付近に配置したLEDチップよりも中央付近に配置したLEDチップの方が、周囲のLEDチップからの熱の影響を受けやすいため温度が上昇し易い。そのため、この温度センサを各LEDチップに配置して、温度が所定値を上回ったLEDチップへの電力供給を低下させる等の制御を行うことが望ましい。これらの制御を行うため、このLED照明システムには、温度センサからの信号を受信してLEDチップへの電力供給の制御を行う制御部を設けることが望ましい。この制御部には、制御のためのプログラムを記憶する記憶部が含まれる。
【００２３】
【発明の効果】
本発明のLED照明システムによって、従来の電球等に相当するLEDモジュールをソケットから容易に取り付け又は取り外しを行うことができる。これにより、本発明のLED照明システムの取り扱いが、従来の電灯等と同様又はそれ以上に容易となる。
【００２４】
本発明のLEDモジュールは半永久的に劣化しない光源であるため、従来の電球や蛍光管のように寿命により廃棄されることはない。また、改装工事等、ユーザの都合により不要になったLEDモジュールは、寿命が半永久的であるためリサイクルが可能である。本発明によりLEDモジュールの着脱が容易になることにより、このリサイクルも容易に行えるようになる。このように、本発明のLEDモジュールは環境に優しい光源であるといえる。
【００２５】
また、本発明のLED照明システムは、LEDチップの熱が、電力供給のための導電層を介して伝熱層に伝熱することにより、LEDチップと伝熱層との間の伝熱効率を高くして、LEDチップの熱が迅速に伝熱層に拡散させることができる。これは、導電層の熱接触がLEDチップと伝熱層の双方に対して共に良好であることと、導電層が所定のパターンで面的に拡がっているために伝熱層との熱接触部が広いことによる。更に、LEDモジュールのコネクタ部とソケットにそれぞれ熱伝導率の高い熱接触部を設け、両方の熱接触部を面的に熱接触させて、LEDモジュールの熱をソケットに伝熱させることにより、LEDモジュールの熱をソケットを通して周囲の空気に放熱することができる。これらの構成により、LEDチップの温度上昇を防ぐことができる。
【００２６】
このようにLEDチップの温度上昇が防止されるため、LEDチップを高密度で配置することが可能になる。そのため、大光量で発光することのできるLED照明システムを実現することが可能になる。
【００２７】
【実施例】
図１に、本発明のLED照明システムのうち、LEDモジュールの一実施例を示す。(a)は、LEDチップ１６を載置する前のLEDモジュールの平面図である。(b)は、(a)の上にLEDチップ１６を載置して完成したLEDモジュールの平面図である。(c)及び(d)はそれぞれ、(b)をA及びBの方向から見たものを示す。(e)は破線Cにおける断面図である。
【００２８】
このLEDモジュールの構成を説明する。このモジュールは、LEDチップ１６を８個載置するものである。AlN製の基板１１上の１面にダイアモンドから成る伝熱層１２を形成する。伝熱層１２の上に、(a)に示すパターンを有する導電層１３を形成する。導電層１３の材料には金を用いる。導電層１３のパターンは、各LEDチップ１６に電力を供給するための正及び負の端子１３１及び１３２、LEDとの熱接触部１３３、導電層１３に電力を供給するための正及び負の端子１３４及び１３５を有する。LEDチップ１６の正及び負の電極１７１及び１７２が前記端子１３１及び１３２に接し、且つそれ以外の領域が熱接触部１３３に接するように、８個のLEDチップ１６を導電層１３上に載置する((d)参照)。各LEDチップ１６の電極１７１と端子１３１、電極１７２と端子１３２とをハンダ付けする。
【００２９】
基板１１の端部には、ソケットと接続するコネクタ部１４を設ける。このコネクタ部１４における伝熱層１２が、ソケットと熱接触するモジュール熱接触部１５となる。コネクタ部１４の１つの面上に、導電層１３中の前記端子１３４及び１３５を形成する。また、(e)に示すように、コネクタ部１４の奥行き方向の４辺のうちの１辺に、切り込み１１１を設ける。
【００３０】
伝熱層１２は、カーボンナノチューブ等のように高い伝熱性を有する材料から成る場合には、必ずしも図１のように基板１１の全面に設ける必要はなく、図２のように導電層１３の形状に合わせた所定のパターンで形成してもよい。この構成により、伝熱層１２の材料の使用量を低減することができる。
【００３１】
図３に、LED照明装置のソケットの一実施例を示す。ソケットの開口部２１の内壁のうちの１面に、ダイアモンドを材料とする層から成るソケット熱接触部２２を形成する。前記コネクタ部１４を差し込んだ際にその正及び負の端子１３４及び１３５と接触する位置に、これらの端子に電力を供給する正及び負の端子２３１及び２３２を設ける。また、開口部２１には、コネクタ部の切り込み１１１の形状に合わせた突起２１１を設ける。これにより、モジュールの表裏を逆向きにした場合にはソケットの開口部２１に挿入することができない構造としている。LEDの電極には極性があるため、誤ってモジュールの端子とソケットの端子の正負が逆に接続してはならないが、この構造ではそのような問題は生じない。
【００３２】
このソケットにおいては、LEDモジュールの着脱を容易に行うために、図４に示すLEDモジュール着脱装置を設ける。(a)に示すように、ソケット３１の内壁に、止具３３を設ける。この止具３３は、バネの力により、その先端の爪３３１がソケット３１の開口部に突出する。このソケット３１にLEDモジュール３２を取り付ける際には、止具３３の爪３３１がLEDモジュール３２のコネクタ部により外側へ押される((b))。そのため、コネクタ部をソケット３１の奥まで差し込むことができる。LEDモジュール３２の切欠３２１が爪３３１の横に差し掛かると、バネの力により爪３３１が切欠３２１を噛む。これにより、LEDモジュール３２がソケット３１に固定される((c))。LEDモジュール３２を取り外す際には、ボタン３４を押すことにより、爪３３１が外側へ押されてLEDモジュール３２の固定が解除される((d))。
【００３３】
図１又は図２のLEDモジュール１０のコネクタ部１４を図３のソケットの開口部２１に差し込む(図５)。これにより、コネクタ部１４のモジュール熱接触部１５とソケット２０のソケット熱接触部２２とが面的に接触する。
【００３４】
本実施例のLED照明装置における、LEDチップへの電力の供給について、導電層１３内における電流を示した図６を用いて説明する。直流電流が電源からソケットの正及び負の端子２３１及び２３２、LEDモジュールのコネクタ部１４にある正及び負の端子１３４及び１３５を介して導電層１３に供給される。導電層１３は、並列に接続した２個１組のLEDチップ(例えばLEDチップ１６１と１６２)を４組直列に接続した回路を構成している。
【００３５】
本実施例のLED照明装置における、LEDチップで生じた熱の伝熱について説明する。LEDチップ１６から、導電層１３の熱接触部１３３に伝熱する。熱接触部１３３から流入した熱は、導電層１３内を面状に伝熱する。導電層１３から伝熱層１２へ熱が伝熱する。この際、導電層１３全体から伝熱するため、伝熱の効率がよい。伝熱層１２の熱は、コネクタ部１４のモジュール熱接触部１５から、ソケット熱接触部２２を経て、ソケットへ伝熱する。
【００３６】
次に、本実施例のいくつかの応用例を示す。図７は、ソケットの外側表面にフィン４１をつけたものである。このフィン４１により、LEDモジュールからソケットに伝熱した熱を大気中へ効率よく放出することができる。ソケットの材質としては、熱伝導性と絶縁性に優れた材料、例えばアルミナ(Al2O3)や窒化アルミニウム(AlN)セラミックスを用いることが望ましい。
【００３７】
図８は、本実施例のLED照明装置にLEDの発光を反射するレフレクタ５１を設けたものである。レフレクタ５１はソケット５２及びLEDモジュール５３の底部(基板)とも熱接触している。LEDモジュール５３の熱は、ソケット５２を通してレフレクタ５１に伝熱するとともに、LEDモジュール５３の底部から直接レフレクタ５１に伝熱することにより、効率よく大気中へ放出される。
【００３８】
図９は、LEDモジュール中央付近の、伝熱層１２の表面に、熱電対から成る温度センサ６１を設けたものである。この温度センサを設けた位置の温度が、LEDの温度が過熱したと判断される所定の温度まで上昇した時、LEDへ供給する電力を遮断して、LEDチップの温度上昇を防ぐ。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明に係るLED照明装置のLEDモジュールの一実施例を示す平面図及び断面図。
【図２】 LEDモジュールの他の実施例を示す平面図。
【図３】 本発明に係るLED照明装置のソケットの一実施例を示す斜視図。
【図４】 本実施例のソケットにおける、LEDモジュールを着脱するための構造を説明する図。
【図５】 本実施例のLEDモジュールとソケットとの接続を示す斜視図。
【図６】 本実施例のLEDモジュールにおいて、導電層の電流を説明する平面図。
【図７】 本実施例のソケットの外側表面にフィンを設けたものを示す斜視図。
【図８】 本実施例のLED照明装置にレフレクタを設けたものを示す断面図。
【図９】 本実施例のLEDモジュールに温度センサを設けたものを示す平面図。
【符号の説明】
１０、３２、５３…LEDモジュール
１１…基板
１１１…コネクタ部の切り込み
１２，６１…伝熱層
１３…導電層
１３１，１３２…LEDチップへの電力供給端子
１３３…導電層の熱接触部
１３４，１３５…コネクタ部の端子
１４…コネクタ部
１５…モジュール熱接触部
１６、５４…LEDチップ
１７１，１７２…LEDチップの電極
２０、５２…ソケット
２１…開口
２２…ソケット熱接触部
２３１，２３２…ソケットの端子
３１、５２…ソケット
３２１…LEDモジュールの切欠
３３…止具
３３１…止具の爪
３４…ボタン
４１…フィン
５１…レフレクタ
６２…温度センサ

Claims (11)

  1. a)基板と、該基板上に設けた、絶縁性材料から成る伝熱層と、該伝熱層上に設けた、所定のパターンを有する導電層と、該導電層上の所定の位置に設けた発光ダイオードチップと、前記基板の端部に設けた、伝熱層の熱を伝熱するモジュール熱接触部と電力供給端子とを有するコネクタ部と、を設けたLEDモジュールと、
    b)前記モジュール熱接触部と面接触するソケット熱接触部と、前記コネクタ部の電力供給端子と接続する端子と、を設けた、前記コネクタ部を支持するソケットと、
    を備えることを特徴とするLED照明システム。
  2. 前記伝熱層がダイアモンド、ダイアモンドライクカーボン又はカーボンナノチューブから成ることを特徴とする請求項１に記載のLED照明システム。
  3. 発光ダイオードの光を反射すると共に、ソケットの熱を周囲の大気へ放熱するレフレクタを設けたことを特徴とする請求項１又は２のいずれかに記載のLED照明システム。
  4. LEDモジュールの基板が前記レフレクタと接触していることを特徴とする請求項３に記載のLED照明システム。
  5. 前記LEDモジュールに温度センサを設けたことを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載のLED照明システム。
  6. 前記温度センサからの信号を受信してLEDチップへの電力供給の制御を行う制御部を設けたことを特徴とする請求項５に記載のLED照明システム。
  7. a)基板と、
    b)前記基板上に設けた、絶縁性材料から成る伝熱層と、
    c)前記伝熱層上に設けた、所定のパターンを有する導電層と、
    d)前記導電層上の所定の位置に設けた発光ダイオードチップと、
    e)前記基板の端部に設けた、基板及び伝熱層の熱を伝熱するモジュール熱接触部と電力供給端子とを有するコネクタ部と、
    を備えることを特徴とするLEDモジュール。
  8. 前記伝熱層がダイアモンド、ダイアモンドライクカーボン又はカーボンナノチューブから成ることを特徴とする請求項７に記載のLEDモジュール。
  9. 温度センサを設けたことを特徴とする請求項７又は８に記載のLEDモジュール。
  10. 請求項７〜９のいずれかに記載のLEDモジュールのコネクタ部を支持するためのソケットであって、該コネクタ部のモジュール熱接触部と面接触するソケット熱接触部と、前記コネクタ部の電力供給端子と接続する端子と、を備えることを特徴とするLEDモジュール用ソケット。
  11. ソケットの周囲に、大気へ熱を放熱する放熱部を設けたことを特徴とする請求項１０に記載のLEDモジュール用ソケット。
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