JP5029893B2

JP5029893B2 - 電球形ｌｅｄランプおよび照明装置

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Publication number: JP5029893B2
Application number: JP2007223635A
Authority: JP
Inventors: 和人森川; 敏也田中; 滋大澤; 潔西村; 昌裕泉; 明子斉藤
Original assignee: Toshiba Lighting and Technology Corp
Current assignee: Toshiba Lighting and Technology Corp
Priority date: 2007-07-06
Filing date: 2007-08-30
Publication date: 2012-09-19
Anticipated expiration: 2027-08-30
Also published as: JP2009037995A

Description

本発明は、ＬＥＤ（発光ダイオード）を光源として用いた電球形ランプおよびこのランプを用いた照明装置に関する。

ＬＥＤは、その温度が上昇するに従い、光出力の低下とともに寿命も短くなることが知られている。このため、ＬＥＤを光源とするランプでは、ＬＥＤの温度上昇を抑制することが求められている。

従来、こうした要請に配慮して、ＬＥＤから伝わる熱を外部に放出するための放熱部を備え、この放熱部を外部に露出させたＬＥＤ電球が知られている（例えば、特許文献１参照。）。

この特許文献１の電球形ＬＥＤランプは、外部に露出する周部を有する金属製の外郭部材の光源取付け部に熱伝導するようにＬＥＤが実装されたＬＥＤ基板を取付けたものであり、ＬＥＤ基板の熱を金属製外郭部材の光源取付け部を介して周部に伝導させ、包熱効果を高めることによってＬＥＤ基板の温度上昇を抑制している。
特開2006−313717号公報

特許文献１の技術では、電球形ＬＥＤランプのＬＥＤ基板と外郭部材の光源取付け部とが絶縁性部材を介して接続されていることから、熱伝導の抵抗が大きいので、光出力が大きく、発熱量の多い高出力用LED基板を用いた場合の放熱効果としては十分ではなかった。

本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、ＬＥＤ基板の温度上昇を効果的に抑制できる電球形ＬＥＤランプおよびこのＬＥＤランプを用いた照明装置を提供することを目的とする。

請求項１の電球形ＬＥＤランプは、外部に露出する周側面部、この周側面部の内側に一体に形成された光源取付け部を有する金属製のホルダと；このホルダの光源取付け部とは反対側に配設された口金と；金属基板、この金属基板の一面側に絶縁層を介して形成された配線パターン、前記金属基板の一面側に接着層を介して配設され、前記絶縁層の何れの表面よりも高い位置に配置されたＬＥＤチップ、およびこのＬＥＤチップと前記配線パターンとを接続するボンディングワイヤを有し、他面側が前記ホルダの光源取付け部に熱伝導するように取付けられたＬＥＤ基板と；このＬＥＤ基板を覆って前記ホルダの一面側に取付けられた透光性カバーと；前記ＬＥＤ基板の回路部品を有し、前記ホルダに設けられた点灯回路と；を具備していることを特徴とする。

この発明で、ホルダは、鉄およびステンレス等の合金、またはこれらよりも熱伝導性が良い金属例えば銅およびその合金、更に、アルミニウムおよびその合金等を使用できる。この発明で、ホルダの放熱面積を増やすための構成として、ホルダの周側面部に、ローレット加工を施してその周側面部を粗面とすることは可能であり、これに代えて放熱フィンを形成することも可能である。更に、ホルダの周側面部を防錆のための保護膜でコーテングしてもよく、この場合、黒色の保護膜をコーテングすれば、ホルダから外部への熱輻射を更に向上できる点で好ましい。この発明で、ホルダに一体に形成された光源取付け部は、ネジ溝などからなるＬＥＤ基板の取付け手段を有していてもよい。

ＬＥＤ基板には、電気エネルギーを光に変換する発光素子、例えば半導体発光素子として発光ダイオード（ＬＥＤ）チップが実装されている。ただし、必要に応じてエレクトリックルミネッセンス素子（ＥＬ素子）をＬＥＤチップに代えて用いることも可能である。
使用するＬＥＤチップの数は複数個であって、基板に面実装されている。

ＬＥＤ基板の金属基板は、銅（Ｃｕ）やアルミニウム（Ａｌ）等の熱伝導性に優れた金属材料または合金材料によって一面側にＬＥＤチップが面実装可能なように平板状に形成されている。金属基板の形状は矩形状、円形状、多角形状のいずれであってもよい。ＬＥＤ基板の他面側は、金属基板表面が直接または熱伝導性の良好な保護層を介して露出しており、ホルダの光源取付け部に直接または間接的に接触することによって熱伝導可能に取付けられている。

ＬＥＤ基板の金属基板の一面側には、絶縁性接着層を介してＬＥＤチップが配設されており、ＬＥＤチップの配設箇所とは別の領域の基板の一面側に形成された絶縁層上には配線パターンが設けられている。このＬＥＤチップと配線パターンとは、ボンディングワイヤによって接続されてＬＥＤ基板の回路が形成されている。

このＬＥＤ基板の絶縁性接着層は、ＬＥＤチップを接着するダイボンド材等から構成されるものであって、ＬＥＤチップから基板への伝熱の抵抗部材となるが、その厚さ寸法が10〜100μｍときわめて薄いものであるので、伝熱の抵抗は少ない。また、絶縁性接着層が比較的薄く構成されていても、個々のＬＥＤチップ自体に印加される電圧および流れる電流はＬＥＤ基板全体に比較して少なく、またＬＥＤチップには絶縁性接着層側にサファイア等からなる絶縁性の素子基板が設けられているので、高度の絶縁性能は不要である。このように、比較的薄く構成された絶縁性接着層における熱抵抗は実質的に無視できる程度であり、ＬＥＤチップの発熱がきわめて良好に金属基板に放熱されることとなる。したがって、この金属基板の他面側をホルダの光源取付け部に直接または間接的に接触させることによって、熱伝導性能が飛躍的に向上し、光出力の高い高出力用ＬＥＤ基板を用いた場合であっても、十分な放熱効果と発揮することができる。

透光性カバーは、主に充電部をなすＬＥＤ基板に対して他のものが接触することを妨げるため等に設けられるものであって、グローブ形状をなしていても、フラット状をなしていてもよい。このカバーがグローブである場合、その内面の一部に反射膜を設けることは妨げないとともに、カバーの形状は点状光源が発した光を例えば拡散または集光させるために任意形状とすることができる。更に、透光性カバーとして、点状光源が発した光を集光または拡散させるためのレンズを用いることも可能である。

請求項１の発明では、金属基板に絶縁性接着層を介してＬＥＤチップが実装されたＬＥＤ基板の他面側をホルダの光源取付け部に直接または間接的に接触させることによって、光出力の高い高出力用ＬＥＤ基板を用いた場合であっても、十分な放熱効果と発揮することができる。

請求項２は、請求項１記載の電球形ＬＥＤランプにおいて、配線パターン上に形成された光反射層を備え、ＬＥＤチップはこの光反射層より高い位置に配置されていることを特徴とする。さらに、ホルダの取付け部には前記ＬＥＤ基板の他面側が挿入される凹部を形成することができる。

ホルダに形成された凹部は、ＬＥＤ基板の他面側が挿入可能な形状であればよく、深さ寸法は基板の厚さ寸法以下であればよい。このような凹部が形成されていると、ＬＥＤ基板の位置決めが容易であるとともに、光源取付け部とＬＥＤ基板の他面側との間に粘性を有する充填物を介在させる場合に、充填物の流出を防止することができる。

請求項３は、請求項１または２記載の電球形ＬＥＤランプにおいて、前記ホルダの光源取付け部と前記ＬＥＤ基板の他面側との間には熱伝導性樹脂が設けられていることを特徴とする。

ホルダの光源取付け部とＬＥＤ基板の他面側との間に熱伝導性樹脂を設けることによって、これらの間に隙間が発生しにくくなり、熱伝導性が低下することが抑制される。

請求項４は、請求項１ないし３いずれか一記載の電球形ＬＥＤランプにおいて、前記点灯回路は、前記回路部品が実装された回路基板を有しており、この回路基板が前記ホルダの他面側に配設され、前記ＬＥＤ基板および前記口金と電気的に接続されていることを特徴とする。

点灯回路はホルダの他面側に設けられるものであるが、ホルダの他面側に凹部を形成し、この凹部内に収容するのが好ましい。また、点灯回路の一部が口金の内側に収容される状態に配置されていてもよい。また、点灯回路とホルダとの間には絶縁部材を介在させておくのが好ましく、この絶縁部材には、合成樹脂例えばＰＰ（ポリプロピレン）またはＰＢＴ（ポリブチレンテレフタレート）などを好適に用いることができる。

請求項５は、請求項１ないし４いずれか一記載の電球形ＬＥＤランプにおいて、ＬＥＤ基板は、金属基板中央部のＬＥＤチップの実装密度が疎であり、金属基板周縁部のＬＥＤチップの実装密度が密となるように配置されていることを特徴とする。

発熱部品であるＬＥＤチップは、実装密度が高いほど互いに隣接する素子同士の熱影響が高くなり、点灯中の温度が上昇する傾向にある。ところが、ＬＥＤ基板は外部に露出する周側面部を一体に備えた金属製のホルダに取付けられるので、この周側面部に近い金属基板周縁部は放熱効果によって比較的温度が低くなることから、金属基板中央部と比較してＬＥＤチップの実装密度を高めても温度上昇を抑制することが可能であることが分かった。

請求項６は、請求項１ないし５いずれか一記載の電球形ＬＥＤランプにおいて、前記光源取付け部は、熱伝導性樹脂および接着樹脂を含んでなる接合材を介して周側面部の内側に一体に形成されていることを特徴とする。熱伝導性樹脂は例えば熱伝導率が比較的大きいシリコーン樹脂等であり、接着樹脂は相対的に接着性の良いシリコーン樹脂等である。熱伝導性シリコーン樹脂が光源取付け部とホルダの周側面部の内側を接着し、この熱伝導性シリコーン樹脂を接着性シリコーン樹脂が覆うような構造であってもよいし、逆に熱伝導性シリコーン樹脂が接着性シリコーン樹脂を覆っていても良い。

いずれの場合であっても同種の接着材がよく、接着材の熱膨張係数の違いによる剥離を低減することができる。このような構成により、ＬＥＤチップから放射された熱は金属基板に伝熱し、熱伝導性樹脂に伝熱し、さらにホルダに伝熱して周側面部から外部に放射される。なお、熱伝導性シリコーン樹脂が接着性シリコーン樹脂を覆っている場合には、熱伝導性シリコーン樹脂表面から熱を放射することもできるので、放熱効果が向上する。

請求項７の照明装置は、ソケットを有する器具本体と；この器具本体のソケットに装着される請求項１ないし６いずれか一記載の電球形ＬＥＤランプと；を具備していることを特徴とする。

本発明の電球形ＬＥＤランプによれば、金属基板に絶縁性接着層を介してＬＥＤチップが実装されたＬＥＤ基板の他面側をホルダの光源取付け部に直接または間接的に接触させることによって、光出力の高い高出力用ＬＥＤ基板を用いた場合であっても、十分な放熱効果と発揮することができ、高温状態での継続的な使用によってＬＥＤチップの光出力性能が低下することを抑制することができる。

図１〜図３を参照して本発明の第１実施形態を説明する。

図１及び図２中符号１は電球形ＬＥＤランプ（以下ランプと略称する。）を示している。このランプ１は、金属製のホルダ２と、ＬＥＤチップ１１と、透光性のカバー９と、点灯回路２１と、絶縁部材６と、口金７とを具備している。

ホルダ２は例えばアルミニウムの一体成形品からなる。図２及び図３に示すようにホルダ２は、外周面部３と、これと一体の光源取付け部４とからなり、外周面部３の内側に凹部５が形成されている。光源取付け部４は周部３の軸方向一端を閉じた奥壁で形成されており、凹部５は外周面部３の軸方向他端に開口されている。

外周面部３は、放熱面として機能するものであって、光源取付け部４から凹部５の開口縁部２ａに向けて次第に径が小さくなる円錐状のテーパ面で形成されている。開口縁部２ａの内周面には環状をなす係止溝２ｂが設けられている。外周面部３と光源取付け部４とが一体に連続する部位に環状の溝２ｃが形成されている。

溝２ｃは、例えば光源取付け部４を囲んで環状に設けられていて、光源取付け部４の周部外面に開放されている。この環状の溝２ｃはカバー取付け溝を兼ねている。また、光源取付け部４の中央部には凹部４ａが設けられている。

ＬＥＤ基板１２には、ＬＥＤチップ１１が１００個実装されている。ＬＥＤチップ１１の定格電流値は35mＡであり、ＬＥＤ基板１２の消費電力は１３Ｗで、光出力は約800lmである。なお、本実施形態および他の実施形態の説明のために示す図面では、ＬＥＤチップ１１の配置構造を分かりやすく説明するためにＬＥＤチップ１１を簡略化して記載しているので、ＬＥＤチップ１１の大きさおよび実装数は実際のものとは相違している。

ホルダ２に形成された凹部４ａは、ＬＥＤ基板１２の他面側が挿入可能であり、深さ寸法は基板１２の全体の厚さ寸法の約１／２である。この凹部４ａによってＬＥＤ基板１２をホルダ２に固定する際に位置決めが容易に行うことができる。

また、凹部４ａには、熱伝導性材料４ｂが充填されている。この熱伝導性材料４ｂは、グリース状のシリコーン樹脂に放熱用の金属酸化物等が混合されたものや、放熱用の金属酸化物を混合したエポキシ樹脂等の熱伝導性に優れた粘性を有する樹脂であり、光源取付け部とＬＥＤ基板の他面側との間に隙間が発生することを防止して熱伝導性が低下することが抑制している。また、凹部４ａに熱伝導性材料４ｂを充填することによって、粘性を有する熱伝導性材料４ｂが光源取付け部４以外の領域へ流出することを防止している。

ＬＥＤ基板１２は、光源取付け部４の凹部４ａに挿入された後、その基板周縁に図示しない接着剤を塗布することによってホルダ２に接着されている。なお、ＬＥＤ基板１２のホルダ２への固着手段は接着剤に限定されることはなく、取付けねじやファスナ等の周知の取付け手段を用いることができる。

透光性のカバー９は、ガラスまたは合成樹脂製などにより例えば半球状に形成されたグローブからなる。カバー９はその開口縁部９ａをホルダ２の溝２ｃに嵌めることによってホルダ２に装着されている。したがって、カバー９は、光源取付け部４を覆い隠しており、ＬＥＤチップ１１はカバー９の内面に対向している。

ＬＥＤチップ１１を点灯させるための点灯回路２０は、図２に示すように回路基板２１ａに各種の回路部品２１ｂを取付けて、ユニット化されている。回路基板２１ａは円形状をなしており、回路部品２１ｂはコンデンサ（図示しない）を含んでいる。回路部品２１ｂの多くは、そのリード端子を回路基板２１ａに貫通させて回路基板２１ａの一面側に実装されていて、前記リード端子は回路基板２１ａの他面に設けられている図示しない回路パターンに半田付けされている。

点灯回路２０は凹部５に収容されている。この点灯回路２０はＬＥＤチップ１１に電気的に接続するための図示しない絶縁被覆電線と、後述する口金７に接続するための図示しない絶縁被覆電線とが導出されている。なお、点灯回路２０は、その回路部品２１ｂをＬＥＤ基板１２に実装することでＬＥＤ基板１２に一体的に実装して構成してもよい。

絶縁部材６は合成樹脂例えばポリブチレンテレフタレートの成形体である。この絶縁部材６は、後述する口金７に向けて開口するとともにこの開口側ほど大径となる円筒状部６ｂ、及びこの円筒状部６ｂの一端に連続して前記開口に対向する閉鎖壁部６ａを有してカップ状をなしている。絶縁部材６は、その外周面を凹部５の内周面に接触させるとともに、閉鎖壁部６ａの外面を光源取付け部４の内面に接触させて設けられている。この絶縁部材６の内側に点灯回路２０が収容されている。この場合、点灯回路２０は、回路基板２１ａのリード端子が突出された面を閉鎖壁部６ａに対向させるとともに、回路部品２１ｂが実装された面を絶縁部材６の開口に向けた横置き姿勢で絶縁部材６に収容されている。

点灯回路２０に電源を供給するために外郭部材２の開口縁部２ａ側に配設された口金７は、口金要素７ａこの口金要素７ａに固定される連結部材７ｂとを有している。図示しないランプソケットに着脱自在に取付けられる口金要素７ａは、その周部に例えば螺旋状のねじ山を有していて、図示しないランプソケットに着脱自在にねじ込まれる部分をなしている。連結部材７ｂは、合成樹脂例えばポリブチレンテレフタレートなどの絶縁材製であり、凹部５の開口縁部２ａに接続されている。

このランプ１は、ホルダ２に設けた凹部５に点灯回路２１を収容したので、点灯回路２０を配置するためのスペースを外郭部材２に対してその軸方向に並べて確保する必要がない。これにより、ランプ１の軸方向長さが短くなり、コンパクトなランプ１とすることができる。

図３は、ＬＥＤ基板１２の要部を拡大して示す断面図、図４はその上面図である。ＬＥＤ基板１２は、パッケージ基板例えば金属基板１３と、銀メッキ層１４、絶縁層１５と、複数の導体２８と、複数の半導体発光素子例えばＬＥＤチップ１１と、ボンディングワイヤ２７と、封止部材２２とを備えて形成されている。

金属基板１２ａは、銅（Ｃｕ）からなるとともに、ＬＥＤ基板１２して必要とされる発光面積を得るために所定形状例えば円盤形状をなしている。金属基板１２ａの一面側には、この金属基板１２ａと一体の凸部からなる素子取付け部１３が例えばＬＥＤチップ１１と同数形成されている。素子取付け部１３を除いた基板１２ａの主部の厚みは例えば0.18mｍである。金属基板１２ａは、ホルダ４の凹部４ａに挿入され、粘性を有する熱伝導性材料４ｂを介して光源取付け部４に金属基板１２ａの他面１２ｃが接触するように取付けられている。

素子取付け部１３の先端面１３ａは一面１２ｂと平行な平坦面をなしている。素子取付け部１３はその先端面１３ａから金属基板１２ａの一面１２ｂに至るに従い次第に太く形成されている。言い換えれば、素子取付け部１３は、その高さ方向と直交する断面積が先端面１３ａから金属基板１２ａの一面１２ｂに至るに従い次第に大きくなる円錐台状に形成されている。そのため、素子取付け部１３はその先端面１３ａから金属基板１２ａの一面にわたるテーパ状周面１３ｂを有している。このテーパ状周面１３ｂと金属基板１２ａの一面１２ｂとはこれらの間に角を作ることなく弧状をなして連続している。先端面１３ａの直径は例えば0.57mmであり、素子取付け部１３の最大径をなす根元の直径は例えば1.08mmである。

表面素子取付け部１３の略全体に銀メッキ層１４が被着されている。この銀メッキ層１４は、表面素子取付け部１３の先端面１３ａ全体に被着された端面メッキ部１４ａと、これに一体に連続した表面素子取付け部１３のテーパ状周面１３ｂの略全体に被着された周面数メッキ部１４ｂとからなる。銀メッキ層１４は無電解メッキにより設けられた薄膜であって、その膜厚は例えば0.3μｍ〜0.4μｍである。この銀メッキ層１４の光の反射率は９０％以上である。

絶縁層１５には光反射性能を得るために例えば白色のガラスエポキシ基板が用いられている。なお、本実施例では絶縁層１５を一層としたが、これは二層とすることもでき、それにより、一層のものよりも高い絶縁耐圧を確保できる。絶縁層１５は素子取付け部３が個々に挿入される複数の通孔１６を有している。通孔１６は例えば円形で、その直径は素子取付け部１３の最大径をなす根元部の直径以上に大きい。本実施形態では素子取付け部１３の根元部の直径と同径の1.08mmとしてある。

絶縁層１５は金属基板２の一面２ｂに接着層１７により貼り合わされ金属基板１２ａに積層されている。接着層１７は、紙や布等の繊維材料からなるシートに熱硬化性の接着樹脂を含浸してなり、絶縁層１５の通孔１６に個別に連通する複数の孔を有している。これらの孔の円形の縁によって、貼り合わせに伴い通孔１６に挿入された素子取付け部１３に向けて食み出した食み出し部１７ａを形成することが好ましい。この食み出し部１７ａはテーパ状周面３ｂに被着された周面メッキ部１４ｂに連続している。

なお、絶縁層１５が金属基板１２ａに接着される前の状態では、接着層１７の孔の直径は通孔１６の直径より多少大きいが、食み出し部１７ａは、絶縁層１５が金属基板１２ａに接着されるに伴い形成される。これは、予め接着層１７が貼り付けられた絶縁層１５を金属基板１２ａに押付けた状態のままで加熱炉に通して接着層１７を加熱硬化することに伴い、前記押付けにより接着層１７が圧縮されて変形することで、接着層１７の孔が通孔１６の直径より縮径されるからである。通孔１６の内面１６ａに対する食み出し部１７aの食み出し寸法Ａは0.2mm以下である。この食み出し寸法Ａは、接着層１７の厚み及び金属基板１２ａへの絶縁層１５の押付け力の加減等により規定できる。

複数の導体１８は、各ＬＥＤチップ１１への通電要素としてこれらＬＥＤチップ１１を直列に接続するために、絶縁層１５の金属基板１２ａに接着された裏面とは反対側の面にエッチング処理等により形成されている。これらの導体１８は、銅（Ｃｕ）からなり、絶縁層１５を金属基板１２ａに貼り合わせる前に設けられる。各導体１８は、絶縁層１５の長手方向に所定間隔毎に点在して二列形成されている。各列での複数の導体１８は所定ピッチで各通孔１６と交互に並べられている。

各ＬＥＤチップ１１は例えば青色の光を発する青色ＬＥＤチップ１１からなる。このＬＥＤチップ１１は、例えば窒化物半導体を用いてなるダブルワイヤー型であって、透光性を有する素子基板２２の一面に半導体発光層２３を積層して形成されている。素子基板２２は例えばサファイア基板で作られている。半導体発光層２３は反射膜を有しておらず、ＬＥＤチップ１１の厚み方向の双方に光を放射できるとともに、素子基板２２の側面から側方へも光を放射できる。

これらのＬＥＤチップ１１は、素子基板２２の前記一面と平行な他面を接着剤例えば透光性のシリコーン樹脂からなるダイボンド材２６を用いて各素子取付け部３の先端面１３ａを覆っている銀メッキ層１４の端面メッキ部１４ａ上にダイボンドされている。それによって、各ＬＥＤチップ１１は各導体８と交互に配置されている。ダイボンド材２６の厚みは0.10ｍｍ以下である。ダイボンド材２６はＬＥＤチップ１１から素子取付け部１３への伝熱の抵抗部材となるが、以上のようにきわめて薄いので、このダイボンド材２６での熱抵抗は実質的に無視できる程度である。金属基板１２ａの長手方向に交互に配置された導体１８とＬＥＤチップ１１とは、ワイヤボンディングにより設けられたボンディングワイヤ２７で電気的に直列に接続されている。

ＬＥＤチップ１１の半導体発光層２３と素子取付け部１３との間の絶縁耐圧は、ダイボンド材２６だけではなく、このダイボンド材２６よりもはるかに厚いサファイア製の素子基板２２で確保されている。半導体発光層２３の高さ位置を導体１８表面の光反射層１０より高く位置させるために、本実施形態ではＬＥＤチップ１１全体が導体８表面の光反射層１０より高く位置されている。なお、ＬＥＤ基板１２には光反射層１０、銀メッキ層１４を設けなくてもよい。

こうした高さの差によって、ワイヤボンディングにおいて、ボンディングマシンでボンディングワイヤ１７の一端を半導体発光層２３の電極２４，２５にボールボンディングにより接合した後に、このボンディングワイヤ２７の他端を導体１８に接合する際、ボンディングマシンのボンディングツールの移動に絶縁層１５が邪魔になり難く、又、ボンディングワイヤ２７を斜め下方に無理に引くこともないので、ワイヤボンディングがし易い。

更に、本実施形態のようにＬＥＤチップ１１全体が絶縁層１５の表面よりも高い位置に配置されている好ましい構成では、ＬＥＤチップ１１からその周囲に放射される光が、絶縁層１５に妨げられることなく、通孔１６の周辺に差し込み易い。それにより、ＬＥＤチップ１１のまわりで光を反射させて光を取出すことができるので、光の取出し効率を高めることができる点で有利である。

なお、本発明は、一つの素子取付け部１３に一個のＬＥＤチップ１１を取付けることに制約されることはなく、一つの素子取付け部１３に複数個のＬＥＤチップ１１を並べて取付けることも可能である。その場合、同じ色の光を発する複数個のＬＥＤチップ１１であっても、或いは異なる色の光を発する複数個のＬＥＤチップ１１であってもよく、異なる色の光を発する複数個のＬＥＤチップ１１を一つの素子取付け部１３に取付ける場合には、赤色、黄色、青色の光を発する３個のＬＥＤチップ１１を並べて取付けることもできる。そして、一つの素子取付け部１３に複数個のＬＥＤチップ１１を並べて取付けた構成においては、ＬＥＤ基板１２の全光束を向上させることが可能である。

以上のように銀メッキ層１４が略全体に被着された素子取付け部１３を有した金属基板１２ａ、光反射層１０を有した導体１８付きの絶縁層５、ＬＥＤチップ１１、ボンディングワイヤ２７によって、ＬＥＤ基板１２の面状発光源が形成されている。

封止部材２２は、リフレクタ２０内に未硬化の状態で注入された後硬化されたものであり、前記面状発光源を埋めている。この封止部材２２は絶縁層５の通孔６内に充填されている。それにより、封止部材２２は、銀メッキ層１４で覆われた素子取付け部３のテーパ状周面１３ｂ及び食み出し部１７ａに通孔１６内で接してこれらを覆っている。封止部材２２は、熱硬化性の透光性材料例えば透明シリコーン樹脂からなり、その内部に蛍光体(図示しない)が混入されている。本実施形態では白色系の照明光を得るために、ＬＥＤチップ１１が発する光(具体的に青色の光)の一部により励起されて、このＬＥＤチップ１１が発する光とは異なる色の光(具体的には黄色の光)を放射する蛍光体が用いられ、この蛍光体は好ましくは略均一に分散した状態で封止部材２２内に混入されている。

この組み合わせにより、ＬＥＤ基板１２の点灯により半導体発光層２３から放出された青色の光の一部が蛍光体に当たることなく封止部材２２を通過する一方で、青色の光が当たった蛍光体が励起されて黄色の光を放射し、この黄色の光が封止部材２２を通過するので、これら補色関係にある二色の光の混合によってＬＥＤ基板１２は白色光を照射できる。

ＬＥＤ基板１２は、各ＬＥＤチップ１１に通電して、これらＬＥＤチップ１１を発光させることにより図３中矢印方向に光を取出して照明を行う。この点灯時に各ＬＥＤチップ１１は発熱するが、ＬＥＤチップ１１用の導体１８の絶縁層１５は金属基板１２ａとＬＥＤチップ１１との間には介在されていないとともに、ＬＥＤチップ１１は金属基板１２ａの素子取付け部１３上に直接的にダイボンドされているので、各ＬＥＤチップ１１が発する熱は、絶縁層１５に邪魔されることなく金属基板１２ａに直接的に伝導する。より具体的には、ＬＥＤチップ１１の熱は、実質的に熱抵抗とはならないほど薄いダイボンド材２６を通ってから、銀メッキ層１４を経て金属基板１２ａの素子取付け部１３に伝えられる。しかも、素子取付け部１３は、ＬＥＤチップ１１がダイボンドされた先端面１３ａから金属基板１２ａの主部に至るに従い次第に太く、言い換えれば、素子取付け部１３の断面積が基板１２ａの主部に近付く程大きくなっているので、ＬＥＤチップ１１から基板１２ａの主部に向けての熱伝導がより容易となる。そして、金属基板１２ａの熱はこの金属基板１２ａの背面１２ｃからホルダ２の光源取付け部４に伝熱され、ホルダ２の周側面部３から放熱されるので、ＬＥＤチップ１１の温度上昇は抑えられる。

こうしてＬＥＤチップ１１の熱が高効率に金属基板１２ａを介してホルダ２から外部に放出されるので、各ＬＥＤチップ１１の温度上昇が効果的に抑制され、各ＬＥＤチップ１１の温度を設計通りに維持できる。そのため、各ＬＥＤチップ１１の発光効率の低下と、各ＬＥＤチップ１１が発する光量のばらつきが抑制され、その結果的として、電球形ＬＥＤランプ１内の各ＬＥＤチップ１１の発光効率の低下と発光色のむらを抑制できる。

図５は、ＬＥＤチップ１１の配置を説明するＬＥＤ基板１２の概略上面図である。図５に示すように、円盤状のＬＥＤ基板１２の一面側には、多数のＬＥＤチップ１１が面状に実装されているが、その実装密度はＬＥＤ基板１２の中央部のＬＥＤチップ１１ａの実装密度が疎であり、金属基板１２の周縁部に向かうに従いＬＥＤチップ１１ｂの実装密度が次第に密となるように配置されている。

発熱部品であるＬＥＤチップ１１は、実装密度が高いほど互いに隣接する素子同士の熱影響が高くなり、点灯中の温度が上昇する傾向にある。ところが、ＬＥＤ基板１２は外部に露出する周側面部３を一体に備えた金属製のホルダ２に取付けられるので、この周側面部３に近い金属基板１２ａの周縁部付近は放熱効果によって比較的温度が低くなる。このため、金属基板１２ａの中央部付近よりもＬＥＤチップ１１の実装密度を高めても温度上昇を抑制することが可能であることが分かった。

このように、金属基板１２ａの中央部のＬＥＤチップ１１ａの実装密度を高くしてＬＥＤチップ１１ａ同士の実装間隔を大きくし、金属基板１２ａの周縁部付近のＬＥＤチップ１１ｂの実装間隔を小さくすることで、各ＬＥＤチップ１１の放熱効果が良好となり、熱影響に伴うランプ効率の低下が抑制される。また、各ＬＥＤチップ１１の熱影響が均一化されることで、ＬＥＤ基板１２の輝度均斉度が向上して輝度むらの発生を抑えることができる。

図６は、第２の実施形態の電球形ＬＥＤランプに使用されるＬＥＤ基板１２のＬＥＤチップ１１の配置を説明するＬＥＤ基板１２の概略上面図である。本実施形態の金属基板１２ａは八角形状の基板１２を有しており、この基板１２の一面側に格子状に配列された多数のＬＥＤチップ１１が面状に実装されている。その実装密度は、図５の実施形態と同様にＬＥＤ基板１２の中央部のＬＥＤチップ１１ａの実装密度が疎であり、金属基板１２の周縁部に向かうに従いＬＥＤチップ１１ｂの実装密度が次第に密となるように配置されている。このような配置構造にすることで、図５のＬＥＤ基板１２と同様の作用効果を奏することができる。

また、ＬＥＤ基板１２の形状が八角形であるので、ＬＥＤチップ１１が実装されていない周縁部のスペースに点灯回路２０との電気接続端子を配置したり、取付け手段を配置することができる。

図７は、第３の実施形態の電球形ＬＥＤランプに使用されるＬＥＤ基板１２の要部を拡大して示す概略上面図である。

本実施形態のＬＥＤ基板１２は、交流電力で点灯するようにＬＥＤチップ１１が正極点灯用１１ｐと負極点灯用１１ｎの２種類の向きで点灯するように実装されており、正極点灯用１１ｐおよび負極点灯用１１ｎがそれぞれ直列回路を形成して、これら回路が最終的に並列接続されて一対の入力端子を形成し、この入力端子を介して点灯回路２０から電力が入力されるよう回路を形成している。このような回路構成であれば、交流電力が入力されてもＬＥＤチップ１１が正極点灯用１１ｐと負極点灯用１１ｎの２種類の直列回路が交互に点灯するため、明るさのちらつきが発生することがなく、回路効率的にも有利である。

しかし、ＬＥＤチップ１１の正極点灯用１１ｐと負極点灯用１１ｎの２種類がそれぞれ直線的な配列で実装された場合には、輝度むらが発生する可能性がある。本実施形態では、このような不具合を解消するために、見かけ上の直線位置に正極点灯用１１ｐと負極点灯用１１ｎの２種類のＬＥＤチップ１１が交互に配置されるように導電パターン１０を形成している。この配置構成によって、片方の極性の回路に何らかの不具合が発生した場合であっても、点灯時の見え方としては全体として輝度が低下するものの、輝度むらはほとんど目立たないので、点灯外観が損なわれることがない。

次に、本発明の第４実施形態を示す電球形ＬＥＤランプについて図８ないし９を参照して説明する。なお、第１実施形態と同じまたは同等の構成要素については、同一の符号を付してその詳細なる説明は省略する。

本実施形態の電球形ＬＥＤランプ１は、光源取付け部４が、熱伝導性樹脂３０ａおよび接着樹脂３０ｂを含んでなる接合材３０を介して周側面部３の内側に一体に形成されており、他の構成要素は第１実施形態のものとほぼ同様である。前記熱伝導性樹脂３０ａは熱伝導率が比較的大きいシリコーン樹脂であり、接着樹脂３０ｂは相対的に接着性の良いシリコーン樹脂を使用している。熱伝導性シリコーン樹脂３０ａが光源取付け部４とホルダ２の周側面部３の内側を接着し、この熱伝導性シリコーン樹脂３０ａを接着性シリコーン樹脂３０ｂが覆うような構造である。また、接着性シリコーン樹脂３０ｂは透光性カバー９とホルダ２の境界部に配設されているので、透光性カバー９とホルダ２との接合を強固にすることもできる。

このような構成により、ＬＥＤチップ１１から放射された熱は金属基板１２ａに伝熱し、熱伝導性樹脂３０ａに伝熱し、さらにホルダ２に伝熱して周側面部３から外部に放射され、ランプ内部が高温となることを低減している。このときに電球形ＬＥＤランプ１の温度を測定したグラフが図９である。図９のグラフの横軸はランプ点灯からの経過時間を１目盛１０分で示し約６０分の測定時間であり、縦軸は温度を示している。また、グラフ中、ＬＥＤチップ上温度（Ｔ１）は図８のＴ１の部分の温度を示し、金属基板下温度（Ｔ２）は図８のＴ２の部分の温度を示し、金属基板温度（Ｔ３）は図８のＴ３の部分の温度を示し、ホルダ温度（Ｔ４）は図８のＴ４の部分の温度を示し、周囲温度（Ｔ５）は図８のＴ５の部分の温度を示している。このグラフによると、ＬＥＤチップ、金属基板、ホルダの順に温度が低くなっているので、熱伝導性樹脂３０ａがＬＥＤチップ１１の熱を効果的に伝熱してホルダ２外に放熱されているもの考えられる。

次に、電球形ＬＥＤランプを光源とした照明器具の構成を説明する。図１０に示すように、３０は店舗等の天井面Ｘに設置された埋込み形ダウンライトとしての照明器具であり、下面に開口部３１ａを有する金属製の箱状をなした本体ケース３１と、開口部３１ａに嵌合される金属製の反射体３２で構成されている。反射体３２は、例えばアルミニウム等の金属板で構成し、下面周囲に飾り枠３２ａ一体に形成されている。反射体３２の上面板の中央部には、電球形ＬＥＤランプ１の口金をねじ込むソケット３３を配設する。

この照明器具３０は、光源となる電球形ＬＥＤランプ１の配光が一般白熱電球の配光に近似しているので、照明器具３０内に配置されたソケット３３近傍の反射体３２への光の照射量が充分に確保され、反射体３２の光学設計どおりの器具特性を得ることができる。

本発明の第１実施形態に係る電球形ＬＥＤランプを示す斜視図。図１の電球形ＬＥＤランプを示す断面図。図１の電球形ＬＥＤランプのＬＥＤ基板の要部を拡大して示す断面図。図３のＬＥＤ基板のＬＥＤチップ部分を拡大して示す上面図。図３のＬＥＤ基板におけるＬＥＤチップの配置構造を示す概略上面図。第２実施形態のＬＥＤ基板のＬＥＤチップの配置構造を示す概略上面図。第３実施形態のＬＥＤ基板の要部を拡大して示す概略上面図。第４実施形態の電球形ＬＥＤランプを示す断面図。同実施形態の電球形ＬＥＤランプの測定温度を示すグラフ。本発明の照明器具の実施形態を示す概略断面図。

符号の説明

１…電球形ランプ、２…ホルダ、３…外周面部、４…光源取付け部、４ａ…光源取付け部の凹部、５ａ…ストッパ部、９…透光性カバー、１１…ＬＥＤチップ、１２…ＬＥＤ基板、１２ａ…金属基板、２０…点灯回路、２１ａ…回路基板、２１ｂ…回路部品、７…口金。

Claims

外部に露出する周側面部、この周側面部の内側に一体に形成された光源取付け部を有する金属製のホルダと；
このホルダの光源取付け部とは反対側に配設された口金と；
金属基板、この金属基板の一面側に絶縁層を介して形成された配線パターン、前記金属基板の一面側に接着層を介して配設され、前記絶縁層の何れの表面よりも高い位置に配置されたＬＥＤチップ、およびこのＬＥＤチップと前記配線パターンとを接続するボンディングワイヤを有し、他面側が前記ホルダの光源取付け部に熱伝導するように取付けられたＬＥＤ基板と；
このＬＥＤ基板を覆って前記ホルダの一面側に取付けられた透光性カバーと；
前記ＬＥＤ基板の回路部品を有し、前記ホルダに設けられた点灯回路と；
を具備していることを特徴とする電球形ＬＥＤランプ。
前記配線パターン上に形成された光反射層を備え、前記ＬＥＤチップはこの光反射層より高い位置に配置されていることを特徴とする請求項１記載の電球形ＬＥＤランプ。
前記ホルダの光源取付け部と前記ＬＥＤ基板の他面側との間には熱伝導性樹脂が設けられていることを特徴とする請求項１または２記載の電球形ＬＥＤランプ。
前記点灯回路は、前記回路部品が実装された回路基板を有しており、この回路基板が前記ホルダの他面側に配設され、前記ＬＥＤ基板および前記口金と電気的に接続されていることを特徴とする請求項１ないし３いずれか一記載の電球形ＬＥＤランプ。
ＬＥＤ基板は、金属基板中央部のＬＥＤチップの実装密度が疎であり、金属基板周縁部のＬＥＤチップの実装密度が密となるように配置されていることを特徴とする請求項１ないし４いずれか一記載の電球形ＬＥＤランプ。
前記光源取付け部は、熱伝導性樹脂および接着樹脂を含んでなる接合材を介して周側面部の内側に一体に形成されていることを特徴とする請求項１ないし５いずれか一記載の電球形ＬＥＤランプ。
ソケットを有する器具本体と；
この器具本体のソケットに装着される請求項１ないし６いずれか一記載の電球形ＬＥＤランプと；
を具備していることを特徴とする照明装置。