JP4751098B2 - 発光ユニット - Google Patents

Description

本発明は複数の発光ダイオードを光源とし照明等高出力用途に用いられる発光ユニットに関し、特に放熱性に優れた発光ユニットに関する。

発光ダイオードの輝度が向上してきたことから発光ダイオードを用いた信号灯や照明機器が利用されるようになっている。このような従来技術の例として既製の蛍光灯照明器具にその蛍光灯に代えて複数の発光ダイオードを取り付けて使用する蛍光灯型ＬＥＤランプが開示されている（例えば、特許文献1参照。）。このような高出力用途の発光ユニットは大電流駆動（点灯）が必要であるため発光ダイオード素子の発熱量が駆動電流値にほぼ比例して増加し、これに伴って発生熱が大きくなる。一方、発光ダイオード素子の発光効率（電流―光 変換効率）は温度が低いほど高く、寿命も温度が低いほど長くなる。そこで複数の発光ダイオードを光源として使用する場合に、発光ダイオード素子の発熱量を放熱するために発光ダイオードが配列された基板の底面に金属からなる放熱固定板（ヒートシンク）を設けた信号灯器の例が開示されている。（例えば、特許文献２、特許文献３参照。）。

このようなヒートシンクを採用した発光ユニットの従来例について図を用いて簡単に説明する。図１１に示すように従来例における発光ユニットは２次元的に配設した複数個の発光ダイオード１ａをアルミ基板１ｂに搭載した発光体基板１に、ヒートシンク２を接着などによって装着している。なお、ヒートシンク２には放熱フィン２ｃが形成されており、この放熱フィン２ｃよって複数個の発光ダイオード１ａから発生する発熱量を放熱している。

特開２００４−３０３６１４号公報（第５−７頁、図１） 特開２００２−２９９７００号公報（第３−４頁、図１） 特開２００２−４３７７１号公報（第２頁、図１）

しかしながら、近年明るさの要求が高まっている為、実装される素子数や投入電力が大きくなる傾向にあり今まで以上に発熱量が大きなり、その発生熱を処理する為に、ヒートシンク等の放熱される側を大きくしなければならない。このため、発光ユニットの大きさか大きくなり、重量も大きくなるという問題があり、小型化、軽量化された高出力用途の発光ユニットの実現が要求されていた。

（発明の目的）
そこで本発明の目的は、高い放熱効果を発揮すると共に、小型、軽量化が可能な高出力用途の発光ユニットを提供することにある。

上記目的を達成するための本発明の発光ユニットは、多角形の柱状支持材と該柱状支持材の側面に配列されている複数の発光ダイオードとを備え、前記柱状支持材が液体または気体からなる冷却媒体を注入するための複数の冷却孔を有し、前記複数の冷却孔は前記柱状支持材の長手方向に沿って形成され、注入口と出口とが前記柱状支持材の長手方向の一方の端面に形成されている孔からなり、前記複数の冷却孔が前記柱状支持材の側面に対応する位置に形成されていて、前記出口が前記注入口の内側に配置されていることを特徴とする。

また、複数の冷却孔の注入口が柱状支持材の側面に対応する位置に形成され、複数の冷却孔の出口が注入口に対応する内側にそれぞれ配置されていることを特徴とする。

また、複数の冷却孔の注入口が柱状支持材の側面に対応する位置に形成され、複数の冷却孔が柱状支持材の他方の端面近傍で一個の孔に纏められ、該一個の孔の出口が柱状支持材の略中心付近に設けられていることを特徴とする。

以上のように本発明の発光ユニットは、発光ダイオードを搭載する柱状支持材を直接冷却するため高い放熱効果を得ることができる。この結果、投入電力を上げても発光ダイオード素子を低温度に保持することが可能となり、発光ダイオード素子の発光効率（電流―光 変換効率）を向上させることができる。また、発光ダイオード素子の熱による劣化を抑制し寿命を長くすることができる。さらに、放熱のための大型のヒートシンクが不要になり器具として小型化、軽量化された高出力用途の発光ユニットを提供することができる。

図１から図４は本発明の実施例１における発光ユニットを示し、図５、図６は実施例２における発光ユニットを示し、図７、図８は実施例３における発光ユニットを示す。
また、図９、図１０は実施例４における発光ユニットを示す図である。本実施形態における発光ユニットは、多角形の柱状支持材の側面に複数の発光ダイオードが配列されており、この柱状支持材に液体または気体からなる冷却媒体を注入するための冷却溝または冷却孔を設け、強制的に冷却媒体を注入、循環させることによって高い放熱効果を発揮するものである。この結果、放熱のための大型のヒートシンクが不要になり、小型化、軽量化された高出力用途の発光ユニットを提供することができる。なお、以下の実施例の説明および図において従来技術と同様の構成要素には同一の番号を付与し重複する説明を省略する。以下、本発明の具体的実施例について図に基づいて説明する。

図１は実施例１における発光ユニットを示す正面図、図２は、図１における発光ユニットのＡ−Ａ断面図、図３は図２における発光ユニットのＢ−Ｂ断面図、図４は図２におけるＡ部の部分拡大図で発光ユニットに配置されている発光ダイオードを示す断面図である。図１、図２、図３に示すように本実施例における発光ユニットは、六角形の柱状支持材１５と、柱状支持材１５の六角形の辺に対応する各側面にそれぞれ配列されている複数の発光ダイオード１１（本実施例においては１２個配列されている）と、柱状支持材１５の各側面の一端に設ける端子部１６とを備えており、柱状支持材１５の内部に冷却孔１９が形成されている。

発光ダイオード１１は、図４に示すように、基板１２の上面に絶縁層を介してカソード電極１３とアノード電極１４とがパターン形成されている。このカソード電極１３とアノード電極１４には金、銀、またはアルミニウムメッキされた銅電極が用いられる。また、基板１２の上面中央部には発光ダイオード素子１０が搭載され、その裏面側が接着剤によって基板１２に固定されている。この発光ダイオード素子１０が備える電極が、基板１２に設けられたカソード電極１３及びアノード電極１４に金線からなるボンディングワイヤ１７によって電気的に接続されている。また、基板１２の表面側には、発光ダイオード素子１０やボンディングワイヤ１７を被覆して保護する透光性封止樹脂１８が形成されている。

端子部１６には、発光ダイオード１１に接続されているカソード電極１３と、アノード電極１４とが形成されており、この端子部１６は、実装基板（図示せず）等に設けるソケット（図示せず）と着脱自在に嵌合できるようになっている。

柱状支持材１５はアルミニウム等の金属材料からなり、図２、図３に示すように、その内部に水または空気等からなる冷却媒体を注入するための冷却孔１９が四個設けられている。この冷却孔１９は柱状支持材１５の長手方向に沿って形成され、注入口１９ａと出口１９ｂとが柱状支持材１５の長手方向における一方の端面、即ち端子部１６側の端面１５ａに形成されている。この冷却孔１９は、柱状支持材１５の一方の端面１５ａに設ける注入口１９ａから長手方向に沿って他方の端面に向かって延長され、他方の端面の近傍で延長方向を反転し、一方の端面１５ａに設ける出口１９ｂまで延長されており、略Ｕ字状の形状に形成されている。また、四個の冷却孔１９の注入口１９ａは柱状支持材１５の外周に沿って略等しい間隔で配置されており、出口１９ｂは、四個の注入口１９ａに対応する内側にそれぞれ配置されている。この注入口１９ａから水または空気を強制的に注入、循環させることにより、発光ダイオード素子１０から発生する熱を効率よく放熱させることができる。

以上のように本実施例における発光ユニットは、発光ダイオード１１を搭載する柱状支持材１５を直接冷却するため高い放熱効果を得ることができる。この結果、投入電力を上げても発光ダイオード素子を低温度に保持することが可能となり、発光ダイオード素子の発光効率（電流―光 変換効率）を向上させることができる。また、発光ダイオード素子の熱による劣化を抑制し寿命を長くすることができる。さらに、放熱のための大型のヒートシンクが不要になり小型化、軽量化された高出力用途の発光ユニットを実現することができる。

図５は実施例２における発光ユニットの一方の端面側から見た側面図である。実施例１においては六角形の形状をなす柱状支持材を用いた例について説明したが、実施例２は、柱状支持材の形状を八角形とし、冷却孔の配置が異なる例について説明する。なお、基本的な構造は実施例１と同様である。図５に示すように実施例２における発光ユニットは、一個の冷却孔２１が柱状支持材２５の長手方向に沿って形成されており、注入口２１ａと出口２１ｂとが柱状支持材２５の長手方向における一方の端面にそれそれ一個ずつ設けられている。この冷却孔２１は、柱状支持材２５の一方の端面に設ける注入口２１ａから長手方向に沿って他方の端面に向かって延長され、他方の端面の近傍で延長方向を反転し、一方の端面２１ａに設ける出口２１ｂまで延長されており、略Ｕ字状の形状に形成されている。また、注入口２１ａと出口２１ｂとは柱状支持材２５の中心に対して対向する位置に設けられており、注入口２１ａは柱状支持材２５の側面に対応する位置に配置されている。

また、図６は本実施例の他の例における発光ユニットの一方の端面側から見た側面図である。図６に示すように、この発光ユニットは二個の冷却孔２２が柱状支持材２５の長手方向に沿って形成されており、冷却孔２２の注入口２２ａと出口２２ｂとが柱状支持材２５の長手方向における一方の端面にそれそれ二個ずつ設けられている。注入口２２ａと出口２２ｂとは柱状支持材２５の外周に沿って略等しい間隔で配置されている。また、二個の注入口２２ａは、柱状支持材２５の側面に対応する位置にそれぞれ配置され、かつ柱状支持材２５の中心に対して互いに対向する位置に配置されている。また、二個の出口２２ｂも二個の注入口２２ａと同様に互いに対向する位置に配置されている。なお、冷却孔２２は冷却孔２１と同様に略Ｕ字状の形状に形成されている。

本実施例における発光ユニットは、冷却孔２１、２２の内径を大きくすることが出来るため、比較的粘性の大きい冷却媒体を用いることも可能である。また、実施例２における発光ユニットにおいても実施例１と同様の効果を得ることができる。

図７は実施例３における発光ユニットの一方の端面側から見た側面図である。図７に示すように実施例３における発光ユニットは、八個の冷却孔２３を設けた例であり、冷却孔２３は実施例２と同様に柱状支持材２５の長手方向に沿って形成されており、略Ｕ字状の形状に形成されている。八個の冷却孔２３の注入口２３ａは柱状支持材２５の外周に沿って略等しい間隔で配置されており、柱状支持材２５の八角形の各側面のそれぞれに対応する位置に配置されている。また、八個の出口２３ｂは、八個の注入口２３ａに対応する内側にそれぞれ配置されている。

また、図８は本実施例の他の例における発光ユニットの一方の端面側から見た側面図である。図８に示すように、この発光ユニットの冷却孔２４には八個の注入口２４ａと、一個の出口２４ｂが設けられている。八個の注入口２４ａは、図７の注入口２３ａと同じ位置に配置されており、一個の出口２４ｂは柱状支持材２５の略中心付近に設けられている。この冷却孔２４は、柱状支持材２５の一方の端面に設ける八個の注入口２４ａから長手方向に沿って他方の端面に向かって延長される八個の孔が他方の端面の近傍で一個の孔に纏められ、かつ延長方向を反転し、一方の端面に設ける出口２４ｂまで延長されている。なお、一個の出口２４ｂに繋がる一個の孔の内径は、その孔の断面積が、注入口２４ａから延長されている八個の孔の断面積の合計とほぼ等しくなるように設定されている

本実施例における発光ユニットは、冷却孔２３、２４が柱状支持材２５の外周に沿って配置され、かつ八角形の各側面のそれぞれに対応する位置に配置されているため、柱状支持材２５の各側面に配置されている発光ダイオード１１から発生する熱を効率よく放熱させることが出来る。また、実施例３における発光ユニットにおいても実施例１と同様の効果を得ることができる。

尚、冷却孔は、柱状支持材の長手方向における一方の端面から他方の端面まで貫通する貫通孔であっても良く、この場合においても同様の効果を得ることができる。

図９は実施例４における発光ユニットを示す正面図、図１０は、図９における発光ユニットのＣ−Ｃ断面図である。図９、図１０に示すように本実施例における発光ユニットは、六角形の柱状支持材１５の内部に冷却孔に代えて冷却溝２９が設けられている点が実施例１と異なっており、その他は実施例１と同様である。

図９、図１０に示すように、柱状支持材１５には空気を注入するための冷却溝２９が６個設けられている。この冷却溝２９は、その深さが柱状支持材１５の外周部から中心方向に向かって形成され、長さが柱状支持材１５の長手方向に沿って全長に亘って形成されている。また、冷却溝２９は柱状支持材１５の六角形の各稜線部、即ち、柱状支持材１５の各側面に設ける各発光ダイオード１１が互いに隣接する間に設けられている。この冷却溝２９に空気を強制的に注入、循環させることにより、発光ダイオード１１から発生する熱を効率よく放熱させることができる。また、本実施例における発光ユニットは、実施例1と同様の効果を得ることができる。尚、本実施例においては、６個の冷却溝を柱状支持材１５の六角形の各稜線部に設けた例で説明したが、これに限定されるものではなく、冷却柱状支持材の形状によって溝の数や、配置する位置を自由に設定出来ることは言うまでもない

尚、各実施例においては柱状支持材の形状を六角形または八角形を例として説明したが、これに限定されるものではなく、三角形、四角形、十角形等の他の多角形形状の柱状支持材を用いることができる。

また、各実施例においては冷却媒体として水または空気を用いた例で説明したが、冷却媒体は、これに限定されるものではなく不活性ガス等の気体や、各種冷却用の液体を用いても同様の効果を得ることができる。

本発明の実施例１における発光ユニットを示す図である。 図１におけるＡ−Ａ断面図である。 図２におけるＢ−Ｂ断面図である。 図２におけるＡ部の部分拡大図で、発光ユニットに配置されている発光ダイオードを示す断面図である。 本発明の実施例２における発光ユニットを示す側面図である。 本発明の実施例２における発光ユニットの他の例を示す側面図である。 本発明の実施例３における発光ユニットを示す側面図である。 本発明の実施例３における発光ユニットの他の例を示す側面図である。 本発明の実施例４における発光ユニットを示す正面図である。 図９におけるＣ−Ｃ断面図である。 従来例における発光ユニットを示す図である。

符号の説明

１０ 発光ダイオード素子
１１ 発光ダイオード
１２ 基板
１３ カソード電極
１４ アノード電極
１５、２５ 柱状支持体
１５ａ 端面
１６ 端子部
１７ ボンディングワイヤ
１８ 透光性封止樹脂
１９、２１、２２、２３、２４ 冷却孔
１９ａ、２１ａ、２２ａ、２３ａ、２４ａ 注入口
１９ｂ、２１ｂ、２２ｂ、２３ｂ、２４ｂ 出口
２９ 冷却溝

Claims (3)

1. 多角形の柱状支持材と該柱状支持材の側面に配列されている複数の発光ダイオードとを備え、前記柱状支持材が液体または気体からなる冷却媒体を注入するための複数の冷却孔を有し、前記複数の冷却孔は前記柱状支持材の長手方向に沿って形成され、注入口と出口とが前記柱状支持材の長手方向の一方の端面に形成されている孔からなり、前記複数の冷却孔が前記柱状支持材の側面に対応する位置にそれぞれ形成されていて、前記出口が前記注入口の内側に配置されていることを特徴とする発光ユニット。
2. 前記複数の冷却孔の注入口が前記柱状支持材の側面に対応する位置に形成され、前記複数の冷却孔の出口が前記注入口に対応する内側にそれぞれ配置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。
3. 前記複数の冷却孔の注入口が前記柱状支持材の側面に対応する位置に形成され、前記複数の冷却孔が前記柱状支持材の他方の端面近傍で一個の孔に纏められ、該一個の孔の出口が前記柱状支持材の略中心付近に設けら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。
   

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