JP5129329B2 - 電球形照明用光源 - Google Patents

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Description

本発明は、LED等の発光素子を用いた電球形照明用光源に関し、特に、発光素子を効率よく放熱させる放熱技術に関する。
近年、照明分野ではLED等の発光素子を照明用光源に適用する技術が研究開発されており(特許文献1参照)、その一環として白熱電球代替用途の電球形照明用光源に適用することも検討されている(特許文献2,3参照)。電球形照明用光源は、照明器具との適合性を考慮して外形寸法を白熱電球相当に制限することが求められ、その上で照明用途に適した全光束を得ることが求められる。
照明用途に適した全光束を得るには、LEDへの投入電力をある程度大きくする必要がある。ところがLEDへの投入電力を大きくすると、LEDの発熱が増大して温度上昇を招く。LEDは高温になるほど発光効率が低下してしまうので、単に投入電力を大きくしただけでは、期待通りの全光束を得ることができない。そこで通常は、LEDの放熱特性を高めるため、LED実装基板におけるLED実装面に対向する面(下面)に体積の大きなヒートシンク部材を配設することとしている。
特開2005−038798号公報 特開2003−124528号公報 特開2004−265619号公報 特開2005−294292号公報
これまでのLED等の発光素子を適用した照明用光源では、実装基板が密閉される構造はあまり想定されておらず、実装基板の自然空冷および実装基板下面のヒートシンク部材により放熱効果を得ることとしている。
しかしながら電球形照明用光源では、家庭用の一般照明として利用されるため、保護カバー(グローブ)で実装基板を覆う必要があり、自然空冷による放熱効果があまり期待できない。また上述の通り、電球形照明用光源には外形寸法に制限が課されるため、実装基板下面のヒートシンク部材の体積を大きくするのにも限界がある。このように電球形照明用光源にLED等の発光素子を適用しようとすると、各種制約から放熱構造を改めて検討しなおす必要がある。
そこで本発明は、従来よりも放熱特性が良好な、発光素子を適用した電球形照明用光源を提供することを目的とする。
本発明に係る電球形照明用光源は、口金を通じて電力供給を受ける電球形照明用光源であって、口金が突設形成されていると共に内部に電源回路を収容している椀状ケースと、前記椀状ケースの開口を封塞する状態で固定された第1のヒートシンク部材と、前記第1のヒートシンク部材の開口封塞面に対向する表面に面接触させて配置された実装基板と、前記実装基板の前記第1のヒートシンク部材への接触面に対向する表面に実装され、前記電源回路から電力供給を受けて発光する発光素子および当該発光素子から出射された光の波長を変換する波長変換部材を含む発光部と、少なくとも前記発光部の光射出方向を覆うグローブと、実装基板の前記表面における前記発光部が配設されていない領域に面接触する第1部分と前記第1のヒートシンク部材に面接触する第2部分とを有する第2のヒートシンク部材とを備える。
発明者らは、ヒートシンクの構造に関する研究により、実装基板の発光素子実装面を起点とする放熱経路を確保した場合には、単に発光素子実装面に対向する面に配設されたヒートシンクの包絡体積を大きくした場合よりも良好な放熱特性が得られることを発見した。本発明はこの新たな知見に基づくものであり、第2のヒートシンクを設けることにより実装基板の発光素子実装面を起点とする放熱経路を確保することとしている。この構成により、電球形照明用光源の放熱特性を従来よりも良好にすることができる。
本発明の実施形態に係る照明用光源の構成を示す分解斜視図 本発明の実施形態に係る照明用光源の構成を示す断面図 ヒートシンク部材および実装基板の接触部分を説明するための上面図 本発明の実施形態に係る照明用光源の放熱経路を示す図 放熱特性の実験システムを模式的に示す図 各位置における測定温度およびジャンクション温度を示すグラフ 放熱特性の実験システムを模式的に示す図 各バージョンにおける測定温度を示すグラフ 本発明の変形例に係る照明用光源の構成を示す断面図 ヒートシンク部材および実装基板の接触部分を説明するための上面図 本発明の変形例に係る照明用光源の構成を示す断面図 本発明の変形例に係る照明用光源の構成を示す断面図 本発明の変形例に係る照明用光源の構成を示す断面図 本発明の変形例に係る照明用光源の構成を示す断面図 本発明の変形例に係る照明用光源の構成を示す断面図 本発明の変形例に係る照明用光源の構成を示す断面図 本発明の変形例に係る照明用光源の構成を示す断面図 本発明の変形例に係る照明用光源の構成を示す断面図
本発明を実施するための最良の形態を、図面を参照して詳細に説明する。
<構成>
図1は、本発明の実施形態に係る照明用光源の構成を示す分解斜視図である。図2は、本発明の実施形態に係る照明用光源の構成を示す断面図である。
図1に示すように照明用光源1は、E型口金16が突設形成された椀状のケース15、ケース15の開口を封塞する状態で固定されたヒートシンク部材11、ヒートシンク部材11の上面(開口封塞面に対向する表面)14に配設された実装基板21、実装基板21の上面(ヒートシンク部材11への接触面に対向する面)に配設された発光部24、ヒートシンク部材11の上面14に配設されたヒートシンク部材31、ヒートシンク部材31に固定され発光部24の光出射方向を覆うグローブ41を具備している。また図2に示すようにケース15の内部には、E型口金16を通じて供給された商用電力を発光部24に供給する電源回路18が収容されている。電源回路18は、プリント配線板17に各種の電子部品が実装されたものであり、プリント配線板17がケース15の内部に固定されている。電源回路18と発光部24とは配線19を通じて電気的に接続されている。配線19は、ヒートシンク部材11に設けられた貫通孔13およびヒートシンク部材31に設けられた貫通孔33に通されている。ケース15は、樹脂やセラミックス等からなり、電気絶縁性を有する。なお椀状とは、E型口金16が突設された端部とは反対側の端部に開放口をもつような形状全般を指し、特に開放口の形状が円形に限られるものではない。
ヒートシンク部材11は、例えばアルミニウムをアルマイト加工したもののように金属製であり、略円錐台形状の側部にフィン12が形成されているとともに上面14が平坦となっている。また配線導入用の貫通孔13が穿設されている。
実装基板21は、アルミニウムや銅などからなる金属基板22と、金属基板22の上面(ヒートシンク部材11への接触面に対向する面)に積層された樹脂やセラミックスなどからなる絶縁層23とから構成されている。絶縁層23には発光部24および電極パッド27が実装されている。実装基板21の上面における周縁部28は、発光部24が配設されていない領域となっている。周縁部28では絶縁層23は存在せずに金属基板22の上面が露出している。
発光部24は、LED25およびシリコーン樹脂成形体26から構成されている(図2のA部拡大図参照)。LED25は青色光を発する発光素子である。シリコーン樹脂成形体26は黄色蛍光体を含有しており、青色光を黄色光に変換する波長変換部材として機能している。
ヒートシンク部材31は、例えばアルミニウムをアルマイト加工したもののように金属製の略円板形状の平板であり、その下面が凹入部34をもつと共に凹入部34の一部が上面まで貫通する開口32に形成されている。ヒートシンク部材31の下面は、ヒートシンク部材11の上面14に面接触している。ヒートシンク部材31の凹入部34は実装基板21を収容すると共に実装基板21上面の周縁部28に面接触するように形成されている。またヒートシンク部材31の開口32は、発光部24を収容するように形成されている。
グローブ41は、透光性の樹脂やガラス等からなり、発光部24や実装基板21にユーザが直接触れたり水分等が飛散したりしないように保護するため、発光部24および実装基板21の上方を覆うようにヒートシンク部材31に取り付けられている。なおグローブ41の取り付けは、ヒートシンク部材31の上面に熱伝導性接合材で接合され、またはヒートシンク部材31に設けられたねじ溝にねじ嵌めされることにより実施されている。ヒートシンク部材31の周縁部35はグローブ41により覆われておらず、外気に触れる構造となっている(図2参照)。
以下にヒートシンク部材31および実装基板21の相互の関係について説明する。
図3は、ヒートシンク部材および実装基板の接触部分を説明するための上面図である。
本実施形態では、実装基板21とヒートシンク部材31との接触面積は、発熱源である発光部24が配設された面積よりも広い。このように実装基板21とヒートシンク部材31との接触面積を広く取ることで、発光部24の温度上昇を大幅に抑制することができる。
また実装基板21は上面視四角形であり、ヒートシンク部材31は実装基板21の周縁部28の三辺に面接触している。発光部を配設する実装基板として、金属ベースの実装基板を採用すれば、セラミックス基板を採用した場合に比べて良好な放熱特性を得ることができる。しかしながら金属ベースの実装基板は、上面と下面とに温度差が生じた場合に熱膨張量の相違による内部応力が生じて反りが生じるという欠点を有している。実装基板に反りが生じれば、実装基板の下面とヒートシンク部材との接触面積が狭くなり、放熱特性が劣化してしまう。本実施形態では、ヒートシンク部材31は、実装基板21の上面に面接触しているため、実装基板21の上面と下面との温度差を抑制する効果を発揮し、仮に温度差に起因して内部応力が生じたとしても実装基板21の上面を押さえつけて反りを規制する効果を発揮することができる。さらに本実施形態では、ヒートシンク部材31が実装基板21の周縁部28の三辺に面接触しているため、実装基板21の反りを規制する効果をさらに高めることができる。
また本実施形態では、ヒートシンク部材31の実装基板21の上面に面接触している部分の厚みT2は、実装基板21の厚みT1よりも大きい(図2のA部拡大図参照)。このようにヒートシンク部材31の厚みT2を厚くすることで、ヒートシンク部材31の剛性を高めることができ、実装基板21の反りを規制する効果を一層高めることができる。
また本実施形態では、ヒートシンク部材31は絶縁層23を介さずに金属基板22に直接接触している(図2のA部拡大図参照)。したがって実装基板21とヒートシンク部材31との界面における熱抵抗を低減することができ、良好な放熱特性を実現することができる。
図4は、本発明の実施形態に係る照明用光源の放熱経路を示す図である。
実装基板21には、下面を起点としてヒートシンク部材11に熱を伝導し(符号51)、ヒートシンク部材11から自然空冷する(符号52)経路、上面を起点としてヒートシンク部材31に熱を伝導し(符号53)、ヒートシンク部材31から自然空冷する(符号54)経路、および、上面を起点としてヒートシンク部材31に熱を伝導し(符号53)、ヒートシンク部材31からヒートシンク部材11に熱を伝導し(符号55)、ヒートシンク部材11から自然空冷する(符号52)経路が形成される。このように本実施形態では実装基板21の下面のみならず上面を起点とする放熱経路が形成される。
以下、実装基板21の上面を起点とする放熱経路を形成したときの放熱特性について、実験結果に基づいて検証する。
<検証>
発明者らは、まず実装基板の下面に配設されたヒートシンク部材の包絡体積を変化させたときの放熱特性の変化に関する実験を行った。
図5は、放熱特性の実験システムを模式的に示す図である。
LEDモジュールのサンプルは、実装基板62に発光部64を配設して作製されている。実装基板62の下面にはヒートシンク部材61が配設されている。実装基板62にはアルミナ基板を採用し、発光部64の発光素子には1.0mm角のLEDチップを採用している。アルミナ基板には12個のLEDチップがフリップチップ実装されている。
このような実験システムにおいて、包絡体積が異なる4種類のヒートシンク部材を用意し(包絡体積:54,208,1108.8,2625cm)、発光部64に電流を投入したときの各位置(サンプル上面Pos.1,サンプル横のヒートシンク部材上面Pos.2,ヒートシンク部材端部上面Pos.3,ヒートシンク部材下面Pos.4)の温度およびLEDチップのジャンクション温度Tjを測定した。発光部64に投入する電流は、100,150,200mAの3種類とした。
図6は、各位置における測定温度およびジャンクション温度を示すグラフであり、(a)はサンプル上面Pos.1の温度を示し、(b)はサンプル横のヒートシンク部材上面Pos.2の温度を示し、(c)はヒートシンク部材端部上面Pos.3の温度を示し、(d)はヒートシンク部材下面Pos.4の温度を示し、(e)はLEDチップのジャンクション温度を示す。
これによれば、各位置における温度は、実装基板の下面に配設されたヒートシンク部材の包絡体積が大きいほど低くなることが分かる。ただし包絡体積を大きくすることによる温度低下の効果は、包絡体積を大きくするほど次第に小さくなる。例えば、サンプル上面Pos.1では、ヒートシンク部材の包絡体積を54cmから208cmに変えたときには優れた温度低下の効果を得ることができる。ところがヒートシンク部材の包絡体積を1108.8cmから2625cmに変えても温度低下の効果はほとんど得られない。このような傾向は、サンプル横Pos.2,ヒートシンク部材端部上面Pos.3,ヒートシンク部材下面Pos.4でも見受けられるが、特にサンプル上面Pos.1では顕著に表れている。またジャンクション温度Tjでは、サンプル上面Pos.1と同様の傾向が見られる。
以上より、実装基板の下面に配設されたヒートシンク部材の包絡体積を大きくすれば温度低下の効果を得ることができるが、それにも限界があることが分かる。これはヒートシンク部材の包絡体積が小さな場合には放熱効果は包絡体積で規律され、包絡体積がある程度大きな場合には放熱効果はヒートシンク部材と実装基板との接触面積で規律されるからであると推察される。発明者らは上記実験結果を受けて、包絡体積は同じままでヒートシンク部材と実装基板との接触面積を変化させたときの放熱特性の変化に関する実験を行った。
図7は、放熱特性の実験システムを模式的に示す図であり、(a)はLEDモジュールのサンプル寸法を示し、(b)はバージョン1のシステムを示し、(c)はバージョン2のシステムを示し、(d)はバージョン3のシステムを示す。
バージョン1では、実装基板の下面のみにヒートシンク部材が配設され、ヒートシンク部材の包絡体積は200cmである。バージョン2では、実装基板の下面のみにヒートシンク部材が配設され、ヒートシンク部材の包絡体積は300cmである。バージョン3では実装基板の下面および上面にヒートシンク部材が配設され、ヒートシンク部材の包絡体積は300cmである。
図8は、各バージョンにおける測定温度を示すグラフである。
バージョン1とバージョン2,3とを比較すると、ヒートシンク部材の包絡体積を200cmから300cmにするとサンプル上面の温度が低下することが分かる。さらにバージョン2とバージョン3とを比較すると、ヒートシンク部材の包絡体積が同じ300cmであっても、実装基板の下面のみにヒートシンク部材を配設したバージョン2に比べて実装基板の上面および下面にヒートシンク部材を配設したバージョン3のほうがサンプル上面の温度が低下することが分かる。すなわち実装基板の上面を起点とする放熱経路(熱伝導経路)を確保した場合には、単に実装基板の下面に配設されたヒートシンクの包絡体積を大きくした場合よりも良好な放熱特性を得ることができることが分かる。
上記のバージョン1,2が従来例に相当し、バージョン3が本実施形態に相当する。したがって本実施形態は、従来よりも良好な放熱特性を得ることができ、照明用光源の小型化に貢献することができる。
以上、本発明に係る照明用光源について、実施形態に基づいて説明したが、本発明はこれらの実施形態に限られない。例えば、以下のような変形例が考えられる。
(1)実施形態では、電極パッド27が実装基板21の上面に設けられており、配線19は実装基板21の上面の電極パッド27に接続されている。しかしながら本発明はこれに限られない。例えば、図9に示すように、実装基板21の下面に電極パッド27を設け、配線パターン29と電極パッド27とをスルーホールにて電気的に接続し、配線19を実装基板21の下面の電極パッド27に接続することとしてもよい。このようにすることで、図10に示すように実装基板21の上面における発光部が配設されていない領域を広げることができ、実装基板21の四辺にヒートシンク部材31を面接触させることができる。また図11に示すように、実装基板21の上面から下面にかけて貫通孔を穿設し、この貫通孔に配線19を通すこととしてもよい。
(2)実施形態では、ヒートシンク部材31にはフィンが設けられていないが、本発明はこれに限られない。例えば、図12(a)に示すように、ヒートシンク部材31の側部にフィン36を設けることとしてもよい。また実施の形態では、ヒートシンク部材11には側部にフィンが設けられているが、本発明はこれに限られない。例えば、図12(b)に示すように、ヒートシンク部材11の内部にフィン12を設けることとしてもよい。
(3)実施形態では、グローブ41を電球形に類似した形状としているが、本発明はこれに限られない。例えば、図13に示すように、グローブ41をできるだけ小さくして、ヒートシンク部材31が外気に触れる部分を大きくしてもよい。
(4)実施形態では、ヒートシンク部材31の開口の内周はどこでも一定であるが、本発明はこれに限られない。例えば、図14に示すように、開口がヒートシンク部材上面に近づくにつれて次第に広がる内周面37を有することとしてもよい。これにより光の取出し効率を高めることができる。
(5)実施形態では、金属ベースの実装基板を用いているが、本発明はこれに限られない。例えば、アルミナ基板等のセラミックス基板でも同様の効果を得ることができる。
(6)実施形態では、ヒートシンク部材11の上面が平坦面であり、ヒートシンク部材31の下面が実装基板21を収容するための凹入部をもつが、本発明はこれに限られない。例えば、ヒートシンク部材11の上面に実装基板21を収容するための凹入部を設け、ヒートシンク部材31には発光部24を収容して光を取出すための開口のみを設けることとしてもよい。またヒートシンク部材11の上面およびヒートシンク部材31の下面の両方に凹入部を設け、両方の凹入部で実装基板21を収容することとしてもよい。
(7)実施形態では、発光部24はヒートシンク部材31の開口に完全に収容されているが、本発明はこれに限られない。例えば、図15に示すように、発光部24の頂部の面39がヒートシンク部材31の表面38よりも絶縁基板21に垂直な方向に突出していてもよい。そうすることで光取出し効率を高めることができる。なお、この場合においても、ヒートシンク部材31の厚みT2を実装基板21の厚みT1よりも大きくしておくことにより、ヒートシンク部材31の剛性を高めて実装基板21の反りを規制する効果を確保することができる。
(8)実施形態では、グローブ41の内部空間のガスについて言及していないが、空気でもよいし窒素ガスを封入することとしてもよい。窒素ガスは空気に比べて熱伝導性が良いので、窒素ガスを封入した場合にはさらに良好な放熱特性を得ることができる。また、LEDおよび蛍光体が吸湿することにより発光特性が劣化してしまうことを防止することができる。
なお、グローブ41の内部空間のガスを排気して真空状態にしても、LEDおよび蛍光体の吸湿を防止することができる。
グローブ41の内部空間の封止は、例えば、図16,17,18に示す態様により実現可能である。図16では、ヒートシンク11に設けられた貫通孔13の開口を封止材43で封止し、かつ、グローブ41に封止弁42を設けることとしている。図17では、貫通孔13の開口に封止弁42を設けることとしている。また、図18では、貫通孔33の開口に封止弁42を設けることとしている。封止弁42としては、例えば、機械的な真空バルブ等が利用可能である。封止材43としては、ガラス、樹脂、セメント等が利用可能である。
(9)実施形態では、LED25はシリコーン樹脂成形体26により封止されているが、本発明は、これに限らない。例えば、図18に示すように、LED25が露出していてもよい。この場合、グローブ41の内面に蛍光体層44を設けることにより、実施形態同様に白色光を得ることができる。また、LEDおよび蛍光体が吸湿することを防止するため、グローブ41の内部空間に窒素ガスや乾燥空気を封入するか、内部のガスを排気して真空状態にしておくのが望ましい。
本発明は、照明一般に広く利用することができる。
1 照明用光源
11 ヒートシンク部材
12 フィン
13 貫通孔
14 上面
15 ケース
16 E型口金
17 プリント配線板
18 電源回路
19 配線
21 実装基板
22 金属基板
23 絶縁層
24 発光部
25 LED
26 シリコーン樹脂成形体
27 電極パッド
28 周縁部
29 配線パターン
31 ヒートシンク部材
32 開口
33 貫通孔
34 凹入部
35 周縁部
36 フィン
37 次第に広がる内周面
38 ヒートシンク部材の表面
39 発光部の頂部の面
41 グローブ
42 封止弁
43 封止部材
44 蛍光体層
61 ヒートシンク部材
62 実装基板
64 発光部

Claims (10)

  1. 口金を通じて電力供給を受ける電球形照明用光源であって、
    口金が突設形成されていると共に内部に電源回路を収容している椀状ケースと、
    前記椀状ケースの開口を封塞する状態で固定された第1のヒートシンク部材と、
    前記第1のヒートシンク部材の開口封塞面に対向する表面に面接触させて配置された実装基板と、
    前記実装基板の前記第1のヒートシンク部材への接触面に対向する表面に実装され、前記電源回路から電力供給を受けて発光する発光素子および当該発光素子から出射された光の波長を変換する波長変換部材を含む発光部と、
    少なくとも前記発光部の光射出方向を覆うグローブと、
    実装基板の前記表面における前記発光部が配設されていない領域に面接触する第1部分と前記第1のヒートシンク部材に面接触する第2部分とを有する第2のヒートシンク部材とを備え、
    前記第2のヒートシンク部材における前記第1部分は、実装基板の前記表面における周縁部全周にわたり面接触している、または、実装基板の前記表面に配された電極パッド付近を除いて全周にわたり面接触している、または、実装基板が上面視四角形であって実装基板の前記表面における周縁部の三辺に面接触しており、
    前記第2のヒートシンク部材の少なくとも一部は、前記グローブに覆われずに外部に露出していること
    を特徴とする電球形照明用光源。
  2. 前記第2のヒートシンク部材は、平板であり、その一方の主面が前記第2の部分であり、前記主面の一部が凹入されて前記第1の部分が形成されていると共に、凹入部の一部が他方の主面まで貫通する開口に形成され、当該開口に前記発光部が収容されていること
    を特徴とする請求項1に記載の電球形照明用光源。
  3. 前記開口の内周は、前記他方の主面に近づくにつれて次第に広がること
    を特徴とする請求項2に記載の電球形照明用光源。
  4. 前記第2のヒートシンク部材と前記実装基板との接触面積は、前記発光部と前記実装基板との接触面積よりも広いこと
    を特徴とする請求項1に記載の電球形照明用光源。
  5. 前記第2のヒートシンク部材における前記第1部分の厚みは、前記実装基板の厚みよりも大きいこと
    を特徴とする請求項1に記載の電球形照明用光源。
  6. 前記実装基板は、前記第1のヒートシンク部材の開口封塞面に対向する表面に面接触させて配置された金属基板と、当該金属基板の前記第1のヒートシンク部材への接触面に対向する表面の一部領域に積層された絶縁層とから構成され、
    前記発光部は、前記絶縁層に配設されており、
    前記第2のヒートシンク部材における前記第1部分は、前記金属基板の前記表面における前記絶縁層が積層されていない領域に面接触していること
    を特徴とする請求項1に記載の電球形照明用光源。
  7. 前記グローブは、前記第2のヒートシンク部材に設けられたねじ溝にねじ嵌めされ、または、熱伝導性接合材で接合されて、前記第2のヒートシンク部材に連結されていること
    を特徴とする請求項1に記載の電球形照明用光源。
  8. 前記発光部の頂部は、前記第2のヒートシンク部材の表面よりも実装基板に垂直な方向に突出していること
    を特徴とする請求項1に記載の電球形照明用光源。
  9. 前記第1のヒートシンク部材における前記第2のヒートシンク部材に接触する部分の外径と、前記第2のヒートシンク部材における前記第1のヒートシンク部材に接触する部分の外径とが同じであること
    を特徴とする請求項1に記載の電球形照明用光源。
  10. 口金を通じて電力供給を受ける電球形照明用光源であって、
    口金が突設形成されていると共に内部に電源回路を収容している椀状ケースと、
    前記椀状ケースの開口を封塞する状態で固定された第1のヒートシンク部材と、
    前記第1のヒートシンク部材の開口封塞面に対向する表面に面接触させて配置された実装基板と、
    前記実装基板の前記第1のヒートシンク部材への接触面に対向する表面に実装され、前記電源回路から電力供給を受けて発光する発光素子および当該発光素子から出射された光の波長を変換する波長変換部材を含む発光部と、
    少なくとも前記発光部の光射出方向を覆うグローブと、
    実装基板の前記表面における前記発光部が配設されていない領域に面接触する第1部分と前記第1のヒートシンク部材に面接触する第2部分とを有する第2のヒートシンク部材とを備え、
    前記第2のヒートシンク部材の少なくとも一部は、前記グローブに覆われずに外部に露出していること
    を特徴とする電球形照明用光源。
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