JP4492193B2 - 表示ランプ - Google Patents

Description

本発明は、高出力型のＬＥＤ（発光ダイオード）チップの発光素子の上部に全反射レンズを配設し、発光素子の光を集光して広い発光面積でかつ効率良く前方に照射する表示ランプに係り、特に発光素子の熱を好適に放熱することができるとともに、リード端子をハンダ付する際にリード端子からの熱が発光素子に伝達し難くして好適な特性を維持することのできる表示ランプに関するものである。

近年、照明に用いることができるほどの高出力型のＬＥＤが数多く存在してきている。しかし、ＬＥＤそのものが発光する領域はピンポイントであり、そのままでは無指向性の照明となり光が拡散してしまい、一定程度の面積の発光面を形成できず、また遠距離からの視認性も劣ることから、通常ＬＥＤ前方を覆って光を収束させる集光レンズを配設することが行われている。この集光レンズとしては、底部に発光素子取付部を形成し、発光素子から照射される中央部分の光をレンズ前面の中央に形成された凸部で集光するとともに、その外側の光をンズ底部から前方に向かって放物線曲線を描く壁面で全反射して前方へと放射している。
実公平６−２８７２５号公報

しかし、通常のＬＥＤの場合には点灯電流がせいぜい数ｍＡ程度であるのに対し、上述した高出力型の表示ランプにあっては数百ｍＡと極めて大きく、そのため従来のＬＥＤではさほど問題とならなかった発熱が大きな問題となっている。すなわち、周囲温度が上昇するとＬＥＤの発光効率が下がって光度が低下することとなる。そのため、回路基板上のＬＥＤへの電源ラインの抵抗値が大きいことで多大に発熱することがないように、回路パターンを広く、かつ膜厚を厚くしていた。しかしながら、ＬＥＤを配置した回路基板にリード端子をハンダ付する場合には、逆にリード端子から伝達する熱が伝熱性に優れた回路パターンを通じてＬＥＤに伝わり、その結果ＬＥＤが破損したり特性が劣化したりする虞があった。

そこで本発明にあっては、上述した課題を解決すべく、高出力型のＬＥＤを用いる表示ランプにおいて、発光素子からの発熱を好適に放熱することができるとともに、リード端子のハンダ付時の発光素子への熱伝導を極力防いで保護することができる表示ランプの提供を目的とする。

上記目的を達成するため、本発明の表示ランプは、 リード端子を備えた基台上に配設した発光素子の上面に全反射レンズを配置し発光素子からの光を該全反射レンズで反射してレンズ前方へ放射する表示ランプにおいて、金属製の基台表面には絶縁層を介してリード端子から発光素子へと給電することのできる導電性能と発光素子からの熱を伝導する熱伝導性を備え上記全反射レンズの口径面積と同等の面積からなる金属被膜を被着形成するとともに、該金属被膜における上記リード端子の接続部分から上記発光素子の接続部分への経路中に、上記リード線をハンダ付する際の熱が上記発光素子に伝達することを防ぐための金属被膜を剥離した断熱絶縁部を介在させたことを特徴とする。

また、絶縁部分は、リード端子及び／または発光素子を中心とする円弧状に形成することを特徴とする。

本発明の表示ランプによれば、金属製の基台表面には絶縁層を介してリード端子から発光素子へと確実に給電することのできる導電性能と発光素子からの熱を伝導する熱伝導性を備え上記全反射レンズの口径面積と略同等の広面積からなる金属被膜を被着形成するとともに、該金属被膜における上記リード端子の接続部分から上記発光素子の接続部分への経路中に、上記リード線をハンダ付する際の熱が上記発光素子に伝達することを防ぐための金属被膜を剥離した断熱絶縁部を介在させたことで、発光素子が発生する熱は厚膜でかつ広い面積からなる金属被膜を伝わりつつ、その裏面の金属製の基台へと伝わることで好適に放熱することができるとともに、リード端子のハンダ付時にリード端子から金属被膜に伝わる熱は、断熱絶縁部に邪魔されて発光素子に直接的に伝わることなく、これにより発光素子を外部から伝わる熱から保護することができる。

また、絶縁部分は、リード端子及び／または発光素子を中心とする円弧状に形成することで、リード端子接続部分から放射状に伝達する熱や、発光素子接続部分に対して放射状に伝達する熱を効果的に妨げることができる。

図１及び図２は、本発明の表示ランプ１を示し、この表示ランプ１は、基台２と、この基台２上に配置される発光素子３と、発光素子３上部を一体的にモールドする凸レンズ部４と、凸レンズ部４の上方に配置される全反射レンズ５と、全反射レンズ５を側面からカバーする不透明な外装カバー６とから構成されている。

機械的強度と熱伝導性を考慮した厚さ約０．６ｍｍの鋼板からなる略菱形形状の基台２は、まずその全体にガラス等からなる絶縁保護膜７を形成し、その上から通電する回路パターンとなる銀等からなる膜厚が１０μｍの金属被膜８を、上記全反射レンズ５の口径面積と略同等の形状の円形状に被着形成するとともに、接続部以外はその上からガラス等からなる絶縁被膜を被着形成している。金属被膜８は、高出力タイプの発光素子３への電流を確実かつ好適に流すことができる導電性能を有すべく、従来の表示ランプと比較して、厚膜で、かつ広い面積を備えている。

そして、図２に示すごとく、発光素子３の底面に位置する一方の電極は一方のリード端子９に接続する第１の金属被膜域８ａに接続され、かつ発光素子３の上面に位置する他方の電極１０は、ボンディングワイヤ（図示せず）により他方のリード端子１１に接続する第２の金属被膜域８ｂに接続されている。そして、第１の金属被膜域８ａと第２の金属被膜域８ｂにおけるリード端子接続部分８ｃ、８ｄから発光素子３接続部分へ至る直線的経路の途中には、リード線９，１０をハンダ付する際の熱が発光素子３に伝達することを防ぐために、金属被膜を剥離した（被着しない）断熱絶縁部１２を、リード端子接続部分８ｃ、８ｄを中心としたそれぞれ約９０度の円弧状に形成している。

また、金属被膜８における発光素子３の近傍には、前述同様に発光素子３に伝達する熱を妨げるべく、上記断熱絶縁部１２よりも小径な断熱絶縁部１３、１４、１５を、発光素子３を中心とする円弧状に形成している。これらの断熱絶縁部は、小さいと断熱効果が小さくなる一方、大きすぎると発光素子へ通じる回路パターンが狭くなって電流が流れづらくなることから、適宜な大きさと位置と数に設定する必要がある。

図３は、上記発光素子３近傍の構造を示すべく凸レンズ部４を半割した斜視図であり、基台２上に配置された小径な発光素子３を囲繞して透明なアクリル製の略リング状の枠体１６が配設され、その枠体１６の内部には、上記発光素子３を覆って同じく透明な溶融したシリコン等の合成樹脂材を上部から表面張力により凸状に盛り上げて注入し、これを硬化させて凸レンズ部１７を形成している。すなわち枠体１６は、溶融した合成樹脂を流し込む型とするとともに、それ自身を透明とすることで発光素子３の光をもれなく透過させている。そしてこの凸レンズ部１７は、発光素子３からの光を一定程度集光する作用とともに、発光素子３と基台２上のパターンを繋ぐ細いボンディングワイヤ（図示せず）を保護する作用も有している。枠体１６に注入する合成樹脂の量を一定量にコントロールすることで、所望する曲率の凸レンズ部１７が得られるものである。従来であれば、発光素子とボンディングワイヤの周りを、刷毛でシリコンワニスを塗布していたのであるが、それでは発光素子からレンズ体に至る放射状の発光が不均一となり、その結果平行光等の好適な集光が得られなかった。

全反射レンズ５は、最大外径約２１ｍｍ、高さ約１２．５ｍｍのアクリル等の透明な合成樹脂材からなり、前方に向って徐々に幅径を拡大する形状である略逆円錐台状に成形されている。円筒状の外装カバー６は、全反射レンズ５の上部を保持しつつその側面を囲繞し上記基台２上に配設される。

図４に示すごとく、上記全反射レンズ５における傾斜した周壁１１は、レンズ下端からレンズ前面にかけて外側に少し膨らんだ独特の曲面に形成されるとともに（その断面は連続する曲面に限られず、複数の傾斜面で形成してもよい）、レンズ前面の外周部分を平面体部１２としかつその中央部には前方が凸（Ｒ５）となる中央凸レンズ部２４を、レンズ前面より若干低い位置から前方に向かい突設形成している。そして、底部に配設するＬＥＤ等の発光素子３からの光を集光し一定程度の光の束からなる平行光としてレンズ前方に照射するものである。

上記全反射レンズ５の下部には、発光素子２を配設するのには充分すぎる高さからなる略円柱形状の中空部１８を、レンズ体下端からレンズ高さの約１／３の深さに凹設して形成している（従来の表示ランプにあっては、このレンズ下端には発光素子が配置されるだけの小径な半球状の中空部があるのみ）。そして、発光素子３を被覆する部分が樹脂で大径となることから、枠体１６及び凸レンズ部１７が全反射レンズ５に触れないようにレンズの中空部１８の穴径を拡大させるのであるが、中空部１８全体の穴径を大きくすることはレンズ周壁で全反射する光路に大きく影響してしまうことから、これを避けるべく必要最小限の構造変更をすることとし、中空部１８の下部のみ穴径を拡大させるべく段部２２を張り出して形成している。ただし、この段部２２を単純に水平にすると、発光素子２からの光はこの段部２２で屈折して、異なる意図しない光路となってしまうことから、発光素子３からの光が段部２２に入射しないように外に向かって上向きのテーパーとしている。そして、中空部１８の上面１８ａは、発光素子３からみて凹状の球面（Ｒ４）からなるとともに、中空部１８の側周面１８ｂは、全反射レンズ５下端からレンズ体前方に向かって穴径を徐々に狭くする若干のテーパーを設けてなり、これにより中空部１８を略円柱形状に形成している。この中空部１８の穴径・高さ・テーパーは、そこに配置する発光素子３の寸法や、全反射レンズ５の材質に応じた屈折率や全反射レンズ５の外形寸法等に応じて設定される。

このような構成からなる表示ランプ１によれば、図４に示すごとく、発光素子３からの光はまずその上を覆っている凸レンズ部１７を透過することで、ある程度集光されて中空部１８を進む。そして、凸レンズ部１７から上記中空部１８の上面１８ａに向かう光は、上面１８ａの凹曲面にほぼ垂直に（レンズの屈折率に応じた全反射角以下である）入射してレンズ体内を直進し、レンズ前面の中央凸レンズ部２４で集光される方向に屈折してレンズ前方に照射される。本実施例にあっては、凸レンズ部１７の曲率をアクリルのレンズの屈折率に応じて設定することで凸レンズ部１７を通る光を平行光とするものである。また、凸レンズ部１７から上記中空部１８の側周面１８ｂに向かう光は、側周面１８ｂに対しレンズの屈折率に応じた全反射角以下で入射して屈折し、周壁２０に対して上記全反射角以上で入射することで全反射し、レンズ前面の平面体部２６を通ってレンズ前方に照射されるものである。

尚、上述した実施例にあっては、全反射レンズ５の前面に中央凸レンズ部２４を設けた構成について説明したが、これに限定されることなく、中央凸レンズ部をなくして全部平面にしてもよく、その場合でも上述した実施例の表示ランプ１と比較して完全な平行光ではないものの、単純な形状で相応の平行光に近い集光作用を発揮し得るものである。尚、特に図示しないが、中空部１８の上面１８ａで光を直進させずにレンズ中心軸方向に寄せるべく屈折させた場合には、さらに好適な平行光に近い集光作用を発揮し得るものである。

尚、上述した実施例にあっては中空部の形状を略円状形状として説明したが、これに限定されることはなく、中空部の上面と側周面との境界部分を境にして、発光素子から光を、直接レンズ前面に向かう光と、レンズの周壁で全反射してレンズ前面に向かう光とに分けるという構成にすることで、レンズ前面から放射される光を拡散させることなく好適に集光させることが可能となるものである。

本発明の表示ランプの一部切欠分解斜視図である。 本発明の表示ランプの平面図である。 本発明の表示ランプにおける枠体を示す一部切欠斜視図である。 本発明の表示ランプにおけるレンズ体を透過する光を示す説明図である。

１ 表示ランプ
２ 基台
３ 発光素子
４ 凸レンズ部
５ 全反射レンズ
６ 外装カバー
７ 絶縁保護膜
８ 金属被膜
８ａ 第１の金属被膜域
８ｂ 第２の金属被膜域
８ｃ、８ｄ リード端子接続部分
９ 一方のリード端子
１０ 他方の電極
１１ 他方のリード端子
１２，１３，１４，１５ 断熱絶縁部
１６ 枠体
１７ 凸レンズ部
１８ 中空部
１８ａ 上面
１８ｂ 側周面
２０ 周壁
２２ 段部
２４ 中央凸レンズ部

Claims (2)

1. リード端子を備えた基台上に配設した発光素子の上面に全反射レンズを配置し発光素子からの光を該全反射レンズで反射してレンズ前方へ放射する表示ランプにおいて、金属製の基台表面には絶縁層を介してリード端子から発光素子へと給電することのできる導電性能と発光素子からの熱を伝導する熱伝導性を備え上記全反射レンズの口径面積と同等の面積からなる金属被膜を被着形成するとともに、該金属被膜における上記リード端子の接続部分から上記発光素子の接続部分への経路中に、上記リード線をハンダ付する際の熱が上記発光素子に伝達することを防ぐための金属被膜を剥離した断熱絶縁部を介在させたことを特徴とする表示ランプ。
2. 絶縁部分は、リード端子及び／または発光素子を中心とする円弧状に形成することを特徴とする請求項１記載の表示ランプ。

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