JP4812828B2 - Ｌｅｄ照明装置 - Google Patents

Description

本発明は、照明用光源としてＬＥＤ素子を用いた照明装置に関し、特にＬＥＤ素子から発生した熱の放熱技術に関する。

近年、白熱電球や蛍光灯に代わる次世代の照明用光源として、ＬＥＤ素子を用いたＬＥＤ照明器具が多数提案されている。このようなＬＥＤ照明器具は長寿命、省エネルギーという利点があり、注目されている。ＬＥＤ照明においては、従来からも、より高輝度なものが望まれており、そのためには基板に実装するＬＥＤ素子の数を多くしたり、ＬＥＤ素子に流す電流を増加させる必要がある。

ＬＥＤ素子に大きな電流を流す場合、ＬＥＤ素子からの発熱によってＬＥＤ素子の封止材料の劣化、ＬＥＤ素子の電極と基板の配線パターンとを接続する半田材料の劣化等が発生する恐れがある。このためＬＥＤ素子の放熱を適切にしなければならない。例えば、ＬＥＤ素子の温度を十分に低下させるにはＬＥＤ素子に大型放熱フィンを設ければよいが、照明器具の大型化・高コスト化につながるため実用的ではない。

そこで第１の従来例として、回路基板と、回路基板の片面に実装された複数のＬＥＤ素子を備え、ＬＥＤ素子が実装されていない基板裏面をヒートシンクなどの熱伝導部材に接触させることにより照明装置の筐体に熱を逃がすようにしたものが提案されている（例えば、特許文献１参照）。

これによりＬＥＤ素子の発熱を熱伝導部材を介して照明装置筐体に逃がし、放熱を行っている。しかしながらこのような方式では、熱伝導部材と照明装置筐体との接触面積が小さく、ＬＥＤ素子の放熱は十分とはいえなかった。

この問題を解決する第２の従来例として、ＬＥＤが配列された基板と、その基板を取り付ける底部を有する照明装置筐体とを有し、基板が底部に放熱固定板を介して取り付けられてなるＬＥＤ照明装置であって、放熱固定板の上記基板が取り付けられた面と対向する面に照明装置筐体の底部との接触面積を増大させるように凸部を形成したものが提案されている（例えば、特許文献２参照）。

この方式では基板と照明装置筐体の底部との間に凸部を形成した放熱固定板を設けることにより照明装置筐体の底部との接触面積が大きくなり、ＬＥＤ素子の発熱を照明装置の筐体に効率的に逃がすことができる。

特開２００３−１２４５２８号公報（段落００２２〜００２７、図３〜図５） 特開２００２−２９９７００号公報（段落００１１〜００１８、図１、図５）

しかしながら、放熱固定板と照明装置筐体に凹凸部を設け、嵌合させる構造においては、構造が複雑になるばかりでなく、嵌合する凸部は凹部に対して幅寸法を若干小さくしなければ凸部を凹部に挿入することができないため、高い加工精度が要求される。また、そのような理由から両者の接合部を完全に密着させることは困難であり、凸部と凹部の接合部に空気層ができることによる接触熱抵抗の増加が懸念される。

本発明は、上記のような課題を解決するためになされたもので、ＬＥＤ素子から発生した熱を簡単な構成により効率よく放熱することができるＬＥＤ照明装置を提供することを目的とする。

本発明に係るＬＥＤ照明装置は、複数のＬＥＤ素子が実装された基板と、前記基板を収容する照明装置筐体とを備え、前記基板は、少なくとも一方の側面が長手方向に連続的に傾斜した形状を有し、前記照明装置筐体は、前記基板の一方の側面に対応する内側側面が該一方の側面の傾斜角度と同一角度で長手方向に傾斜した形状を有し、前記基板を前記照明装置筐体に挿入することにより、前記基板の側面が前記照明装置筐体の内側側面に挟み付けられて密着しているものである。

本発明によれば、少なくとも一方の側面が連続的に傾斜した形状を有する基板と、基板を収める照明装置筐体の内側側面が、基板の一方の側面の傾斜角度と同一角度で傾斜した形状を有するので、所定の位置で基板側面と照明装置筐体の内側側面が接触する。これにより基板と照明装置筐体の接触面積が大きくなり、ＬＥＤ素子で発生した熱を簡単な構成により照明装置筐体に効率よく逃がすことができる。

以下、本発明に係るＬＥＤ照明装置の実施の形態について図面を参照して説明する。

実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１に係るＬＥＤ照明装置の斜視図である。また、図２はＬＥＤ照明装置の主要部品を分解して示す正面図で、（ａ）は実装基板の正面図、（ｂ）は照明装置筐体の正面図である。
本実施の形態１に係るＬＥＤ照明装置は、ＬＥＤ素子１と、複数のＬＥＤ素子１を実装した基板（実装基板）２と、実装基板２を収める照明装置筐体３と、光を拡散または集光するための透光性カバー（図示せず）とを備えている。図中、１０は実装基板２を照明装置筐体３に固定するためのネジ、１１は実装基板２に設けられたネジ１０を通すための長穴、１２は照明装置筐体３の底面に設けられたネジ穴である。

図１に示されるような長方形のライン形状の照明器具に搭載される実装基板２は、少なくとも一辺に設けた、例えば図２の右側から左側にかけて基板の幅が狭くなり、連続的に傾斜している側面２ｃを有する形状となっている。すなわち、実装基板２は、上面から見て台形形状をなし、先端面２ａの長さ（基板の幅）が後端面２ｂより漸次短くなるように少なくとも一方の側面２ｃが連続的に傾斜した面を有している。他方の側面２ｄは、この例では先端面２ａおよび後端面２ｂに対して直角をなすようにストレートに形成されているが、先端面２ａ側が先細となるように、ある角度（側面２ｃの傾斜角度と同じでなくてもよい）で傾斜した形状でもかまわない。なお、実装基板２の側面というのは、後述するように実装基板２の挿入方向に沿う側面を指す。この実装基板２は例えばガラスエポキシ樹脂、またはより熱伝導率の高い金属材料、例えばアルミニウムから形成されている。

実装基板２を収める照明装置筐体３は、側壁３ａ、３ｂと底壁３ｃとを有する溝形の部材から構成され、一方の側壁３ｂの内側側面３ｄは実装基板２の傾斜した側面２ｃと一致するように同一角度で連続的に傾斜した面を有する。この傾斜面からなる内側側面３ｄの高さは実装基板２の厚さと同等以上であることが望ましい。他方の側壁３ａは、実装基板２の他方の側面２ｄに合致するように長手方向にストレートな内側側面３ｅとなっている。このように構成される照明装置筐体３は熱伝導率の高い金属材料、例えばアルミニウムから形成されている。

実装基板２上に実装されるＬＥＤ素子１は、例えばサファイア基板上に窒化ガリウム系の発光層から形成され、各層に接続された電極（図示せず）を実装基板２の上面に形成された配線部（図示せず）と電気的に接続して電力を供給するようになっている。さらに、ＬＥＤ素子１はエポキシ材やシリコーン材などからなる透明あるいは半透明の樹脂で覆われており、特に、紫外光などに対して劣化速度が緩やかなものなど、耐候性の強いものを使用することが望ましい。

次に、実装基板２と照明装置筐体３の取り付けについて図３を参照して説明する。実装基板２を照明装置筐体３に取り付けるときには、実装基板２の幅の狭い方、すなわち先端面２ａ側（図では左側）を照明装置筐体３の基板収納箇所の幅の広い方（図では右側）から矢印のように横方向に挿入し、実装基板２をスライドさせていき、実装基板２の傾斜した側面２ｃと照明装置筐体３の傾斜した内側側面３ｄとが接触し、止まるところまで挿入する。これにより、実装基板２の側面２ｃと照明装置筐体３の内側側面３ｄの傾斜面の作用により、実装基板２の側面２ｃ、２ｄは照明装置筐体３の内側側面３ｄ、３ｅの間に挟み付けられた状態となるため、実装基板２の側面２ｃ、２ｄと照明装置筐体３の内側側面３ｄ、３ｅとは確実に密着する。またこのとき、実装基板２と照明装置筐体３の接触面に熱伝導性グリスを塗布すれば、より接触熱抵抗を低減することができる。そしてこの位置にて実装基板２と照明装置筐体３を図１のようにネジ１０等で固定する。

以上、本実施の形態１に係るＬＥＤ照明装置の構成について説明した。次に、本実施の形態１に係るＬＥＤ照明装置の放熱効果について説明する。

従来の長方形のライン形状の実装基板を基板と同一形状の筐体に収納する場合、ＬＥＤ素子が実装されていない基板裏面を筐体の内側底面に接触させ、ＬＥＤ素子から発生した熱を、基板を介して筐体に逃がしていたが、さらにＬＥＤ素子の発熱を基板側面からも筐体に逃がすために、基板の側面と筐体の内側の側面を密着させることは形状が長方形である場合、一般的に困難である。

これは長方形の実装基板を同一形状の照明装置筐体に収める場合、基板の幅寸法を照明装置筐体の基板収納部の幅寸法よりも小さくしなければ基板を筐体に収めることができず、実装基板と筐体間に熱を伝えにくい隙間（空隙）が発生するからである。一方、実装基板の側面を筐体内側の側面に密着させるためには高い加工精度が要求され、加工や基板の取り付けが難しくなる。

本実施の形態では、少なくとも一辺に設けた、例えば図２（ａ）のように基板の右側から左側にかけて基板の幅が狭くなる、連続的に傾斜している側面２ｃを有する実装基板２と、図２（ｂ）のように実装基板２を収める照明装置筐体３の内側側面３ｄが、実装基板２の傾斜した側面２ｃと一致するように同一角度で連続的に傾斜させた面を有するので、実装基板２を照明装置筐体３に装着する場合、実装基板２を照明装置筐体３の基板収納箇所の幅の広い方から横方向に挿入し、実装基板２をスライドさせることにより、所定の位置で実装基板２の傾斜した側面２ｃと照明装置筐体３の傾斜した内側側面３ｄとが密接に接触する。

この位置で照明装置筐体３の内側側面３ｄ、３ｅと実装基板２の側面２ｃ、２ｄとが完全に接触することになる。ここで実装基板２を照明装置筐体３とネジ止め等で固定することにより、実装基板裏面と基板側面の両方が照明装置筐体３に密着するため、実装基板２と照明装置筐体３との接触面積が大きくなり、ＬＥＤ素子１で発生した熱を筐体に効率よく逃がすことができる。

ここで、ネジ等を使用して実装基板２と照明装置筐体３を固定する場合、図２（ａ）に示すように実装基板２の長手方向（挿入方向）に楕円形状もしくは長穴形状の長穴１１を設ける。これにより、実装基板２の傾斜した側面２ｃと照明装置筐体３の傾斜した内側側面３ｄとが完全に接触できる位置まで実装基板２の位置を微調整することができ、完全に密着した位置にて実装基板２と照明装置筐体３を固定することができる。

以上のように、本実施の形態のＬＥＤ照明装置は、複数のＬＥＤ素子１が実装され、少なくとも一辺に設けた、連続的に傾斜している側面２ｃを有する実装基板２と、実装基板２を収める照明装置筐体３とを備え、実装基板２の側面２ｃに対応する照明装置筐体３の内側側面３ｄが、実装基板２の傾斜した側面２ｃと一致するように同一角度で連続的に傾斜した面を有するので、実装基板２と照明装置筐体３の接触面積が大きくなり、ＬＥＤ素子１で発生した熱を照明装置筐体３に効率よく放熱することができる。

従って、ＬＥＤ素子周辺に充填した樹脂の劣化を防ぐことができ、ＬＥＤ素子の寿命低下を抑制することができる。また、放熱のために大型のフィンを用いることなく、より高出力のＬＥＤ素子を使用することができ、ＬＥＤ照明装置の高出力化・小型化を達成でき、且つ高い信頼性を得ることができる。

なお、本実施の形態１では、実装基板２の側面２ｃおよび照明装置筐体３の内側側面３ｄは、端から端まで連続した傾斜面つまり全長傾斜（伝熱上は全面密着）の形態をとっているが、これらの側面２ｃ、３ｄの一部に、すなわち先端側もしくは後端側あるいはその両方に、他方の側面２ｄ、３ｅと平行なストレートな面を含んでいてもよい。つまり、これらの側面２ｃ、３ｄは、一部のストレート面と傾斜面とを含む形状でもよいものである。ストレート面は可能な限り短い方が好ましい。

実施の形態２．
図４は、本発明の実施の形態２に係るＬＥＤ照明装置の斜視図である。また、図５はＬＥＤ照明装置の放熱部材の正面図、図６および図７はＬＥＤ照明装置の組立方法を示す分解斜視図である。
本実施の形態２に係るＬＥＤ照明装置は、実施の形態１で示した実装基板２と照明装置筐体３との間に放熱部材４を設け、放熱部材４に実装基板２をそれらの側面および底面が密着するように収容するとともに、放熱部材４を照明装置筐体３にそれらの側面および底面が密着するように収容する構成としたものである。放熱部材４は、図４〜図７に示すように、側壁４ａ、４ｂと底壁４ｃとを有する溝形の部材により構成されており、一方の側壁４ｂの内側側面４ｄおよび外側側面４ｅは、実装基板２の側面２ｃの傾斜角度と同一角度で連続的に傾斜した傾斜面となっている。図中、１３は放熱部材４の底面および側面に設けた長穴で、底面に設けた長穴１３は実装基板２に設けた長穴１１に連通している。

実施の形態２に係るＬＥＤ照明装置を組み立てる場合には、まず図６に示すように、複数のＬＥＤ素子１が実装された実装基板２を放熱部材４に取り付ける。この場合には、実装基板２の幅の狭い方、すなわち先端面２ａ側（図では基板の左側）を放熱部材４の幅の広い方（図では放熱部材４の右側）から矢印のように横方向に挿入し、基板側面２ｃと放熱部材４の内側側面４ｄが接触し、止まるところまで挿入する。この位置においては実装基板２の側面２ｃと放熱部材４の内側側面４ｄとが確実に密着する。このとき、放熱部材４と実装基板２の接触面に熱伝導性グリスを塗布すれば、より接触熱抵抗を低減することができる。放熱部材４は熱伝導率の高い金属材料、例えばアルミニウムから形成されている。

ついで、前述のように実装基板２が取り付けられた放熱部材４を、図７に示すように、照明装置筐体３に取り付ける。放熱部材４の外側側面４ｅは、実装基板２の側面２ｃおよび照明装置筐体３の内側側面３ｄの傾斜角度と同一角度で傾斜した傾斜面となっているので、放熱部材４の幅の狭い方（図では左側）を照明装置筐体３の幅の広い方（図では右側）から横方向に挿入し、放熱部材４をスライドしていき、放熱部材４の外側側面４ｅと照明装置筐体３の内側側面３ｄが接触し、止まるところまで挿入する。止まるところで放熱部材４の外側側面４ｅと照明装置筐体３の内側側面３ｄとが完全に接触することになる。またこのとき、放熱部材４と照明装置筐体３の接触面に熱伝導性グリスを塗布すれば、より接触熱抵抗を低減することができる。この位置にて図４に示すように、放熱部材４を照明装置筐体３の底部と側面にネジ１０等で固定することにより放熱部材４が照明装置筐体３に確実に密着する。

本実施の形態では、少なくとも一辺が連続的に傾斜する側面２ｃを有する実装基板２に、実装基板２の傾斜させた側面２ｃと一致するように同一角度で傾斜させた内側側面４ｄおよび外側側面４ｅを有する放熱部材４を取り付け、さらに、これらを収める照明装置筐体３の内側側面３ｄは、放熱部材４の外側側面４ｅと一致するように同一角度で連続的に傾斜させた傾斜面となっているので、基板側面は放熱部材側面に接触し、放熱部材４はより広い接触面積で照明装置筐体側面と密着することになる。放熱部材側面は照明装置筐体側面とネジ等で固定するので、放熱部材側面と照明装置筐体側面が確実に密着するため、ＬＥＤ素子で発生した熱は照明装置筐体底面だけでなく、照明装置筐体側面方向にも効率よく放熱することができる。

以上のように、本実施の形態のＬＥＤ照明装置は、照明装置筐体３と放熱部材４の接触面積が大きくなり、ＬＥＤ素子１で発生した熱を、放熱部材４を介して照明装置筐体３に効率よく放熱することができる。

従って、ＬＥＤ素子周辺に充填した樹脂の劣化を防ぐことができ、ＬＥＤ素子の寿命低下を抑制することができる。また、放熱のために大型のフィンを用いることなく、より高出力のＬＥＤ素子を使用することができ、ＬＥＤ照明装置の高出力化・小型化を達成でき、且つ高い信頼性を得ることができる。

実施の形態３．
図８は、本発明の実施の形態３に係るＬＥＤ照明装置の斜視図である。また、図９はＬＥＤ照明装置の実装基板と放熱部材との取り付け状態を示す正面図、図１０はＬＥＤ照明装置の組立方法を示す分解斜視図である。

本実施の形態３に係るＬＥＤ照明装置において、図４に示した実施の形態２と異なる点は、放熱部材４の側面に実装基板２の側面２ｃの傾斜角度と同一角度で傾斜した複数のフィン５が設けられ、照明装置筐体３の内側側面に、これらのフィン５に対応して断面が凹状に形成され、凸状のフィン５が嵌合する傾斜した溝部６を設けたことである。その他は、実施の形態２と同一の構成である。

図８に示すＬＥＤ照明装置は、放熱部材４の側面に複数のフィン５が設けられ、図９の放熱部材４の正面図に示すように、基板形状に合わせて（実装基板２の側面２ｃの傾斜角度と同一角度で）フィン５が連続的に傾斜する構成となっている。また、フィン５と嵌合する照明装置筐体３の内側側面に設けた溝部６は、放熱部材４のフィン５に対応して同一角度にて連続傾斜している。

実装基板２の放熱部材４への取り付けについては、実施の形態２と同様、実装基板２を放熱部材４の幅の広い方から横方向に挿入し、実装基板２の側面と放熱部材４の内側側面が接触し、止まるところまで挿入する。これにより実装基板側面と放熱部材側面が確実に密着する。このとき、放熱部材４と実装基板２の接触面に熱伝導性グリスを塗布すれば、より接触熱抵抗を低減することができる。

次に、放熱部材４と照明装置筐体３の取り付けについて図１０を用いて説明する。放熱部材４を照明装置筐体３に取り付けるときは放熱部材４のフィン５を照明装置筐体３の溝部６に合わせて、放熱部材４の幅の狭い方（図では左側）を照明装置筐体３の幅の広い方（図では右側）から横方向に挿入して嵌合させる。そのまま横方向にスライドさせて放熱部材４の側面と照明装置筐体３の内側側面が接触し、止まるところまで挿入する。これにより照明装置筐体側面と放熱部材４のフィン５が確実に密着する。このとき、放熱部材４と照明装置筐体３の接触面に熱伝導性グリスを塗布すれば、より接触熱抵抗を低減することができる。そしてこの位置にて実装基板２、放熱部材４、照明装置筐体３をネジ等で固定する。

以上のように、本実施の形態のＬＥＤ照明装置は、少なくとも一辺が連続的に傾斜する形状を設けた実装基板２と、実装基板２と同一角度で傾斜させた側面を有する放熱部材４と、放熱部材４の側面に設けられた複数のフィン５と、フィン５と同一角度にて連続傾斜しフィン５が嵌合する溝部６を設けた照明装置筐体３とを有するので、フィン５が照明装置筐体３の内側側面に設けた溝部６に嵌合され、照明装置筐体側面とフィンが確実に密着するので、放熱部材４と照明装置筐体３の接触面積が大きくなり、ＬＥＤ素子１で発生した熱を照明装置筐体底面のみならず、照明装置筐体側面からも効率よく放熱することができる。

従って、ＬＥＤ素子周辺に充填した樹脂の劣化を防ぐことができ、ＬＥＤ素子の寿命低下を抑制することができる。また、大型のフィンを用いることなく、より高出力のＬＥＤ素子を使用することができ、ＬＥＤ照明装置の高出力化・小型化を達成でき、且つ高い信頼性を得ることができる。

本発明の実施の形態１に係るＬＥＤ照明装置の斜視図である。 ＬＥＤ照明装置の分解正面図である。 ＬＥＤ照明装置の組立方法を示す分解斜視図である。 本発明の実施の形態２に係るＬＥＤ照明装置の斜視図である。 ＬＥＤ照明装置の放熱部材の正面図である。 ＬＥＤ照明装置の組立方法を示す分解斜視図である。 図６に続くＬＥＤ照明装置の組立方法を示す分解斜視図である。 本発明の実施の形態３に係るＬＥＤ照明装置の斜視図である。 ＬＥＤ照明装置の実装基板と放熱部材との取り付け状態を示す正面図である。 図９に続くＬＥＤ照明装置の組立方法を示す分解斜視図である。

符号の説明

１ ＬＥＤ素子、２ 実装基板、２ｃ 実装基板の傾斜した側面、３ 照明装置筐体、３ｄ 照明装置筐体の傾斜した内側側面、４ 放熱部材、４ｄ 放熱部材の傾斜した内側側面、４ｅ 放熱部材の傾斜した外側側面、５ フィン、６ 溝部、１０ ネジ、１１ 長穴、１２ ネジ穴。

Claims (5)

1. 複数のＬＥＤ素子が実装された基板と、前記基板を収容する照明装置筐体とを備え、
   前記基板は、少なくとも一方の側面が長手方向に連続的に傾斜した形状を有し、
   前記照明装置筐体は、前記基板の一方の側面に対応する内側側面が該一方の側面の傾斜角度と同一角度で長手方向に傾斜した形状を有し、
   前記基板を前記照明装置筐体に挿入することにより、前記基板の側面が前記照明装置筐体の内側側面に挟み付けられて密着していることを特徴とするＬＥＤ照明装置。
2. 複数のＬＥＤ素子が実装された基板と、前記基板を収容する照明装置筐体と、前記基板と前記照明装置筐体との間に設けられ、前記照明装置筐体に放熱する放熱部材とを備え、
   前記基板は、少なくとも一方の側面が長手方向に連続的に傾斜した形状を有し、
   前記照明装置筐体は、前記基板の一方の側面に対応する内側側面が該一方の側面の傾斜角度と同一角度で長手方向に傾斜した形状を有し、
   前記放熱部材は、前記基板の一方の側面に対応する内側側面が該一方の側面の傾斜角度と同一角度で長手方向に傾斜し、外側側面が前記照明装置筐体の内側側面の傾斜角度と同一角度で長手方向に傾斜する形状を有し、
   前記基板を前記放熱部材に挿入することにより、前記基板の側面と前記放熱部材の内側側面とが、また、前記放熱部材を前記照明装置筐体に挿入することにより、前記放熱部材の外側側面と前記照明装置筐体の内側側面とが、相互に挟み付けられて密着していることを特徴とするＬＥＤ照明装置。
3. 前記放熱部材は、外側側面に長手方向に連続的に傾斜した複数のフィンを備え、前記照明装置筐体の内側側面には前記フィンの傾斜角度と同一角度で長手方向に傾斜し、前記フィンが嵌合する溝部を備えることを特徴とする請求項２記載のＬＥＤ照明装置。
4. 前記基板は、前記照明装置筐体の底面上にネジで固定され、前記ネジを前記基板に通す穴の形状が前記基板の挿入方向に長い長穴に形成されていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載のＬＥＤ照明装置。
5. 前記基板は、前記放熱部材を介して前記照明装置筐体の底面上にネジで固定され、前記ネジを前記基板及び前記放熱部材に通す穴の形状が前記基板の挿入方向に長い長穴に形成されていることを特徴とする請求項２または３記載のＬＥＤ照明装置。

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