JP5391767B2 - 発光装置及び照明器具 - Google Patents

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Description

本発明は、ＬＥＤ等の発光素子を用いた照明器具に適する発光装置及びその発光装置を用いた照明器具に関する。
近年、ＬＥＤ等の発光素子を基板に配設し、光源として用いる照明器具が開発されており、この種、照明器具においては、基板を器具本体に取付けるに際し、取付け状態の安定性を保ち、また、器具本体への密着性を良好にするため、基板の複数個所をねじ等を用いて器具本体に固定することが行われている。一方、このような場合、発光素子は使用中に熱が発生し、その点灯、消灯により、基板は、熱を受け、また、冷却され、これらのヒートサイクルで膨張、収縮を繰り返し、応力を受ける環境下にある。したがって、基板に反りや変形が生じ、半田部分にクラックが生じる等の不具合を含んでいる。
ところで、薄型化された半導体パッケージに、ソリが発生したり強度不足による破損や実装不良が発生したりすることを防止するために、半導体パッケージを形成する際、基板上における複数の半導体素子が実装される面に、複数の半導体素子を取り囲むように補強部材を配置し、この補強部材を半導体素子とともに封止部材で封止するものが提案されている（特許文献１、図４参照）。
特開２００６−２２８９３２号公報（図４）
しかしながら、特許文献１に示されたものでは、基板、補強部材及び封止部材の線膨張率が異なると、却って、基板に反りや変形を生じることとなり、これら材料の選択が複雑となる課題が存在する。また、複数の半導体素子を取り囲むような補強部材を別部材として用意しなければならず、その製造工程も煩雑となる問題もある。
本発明は、上記事情に基づきなされたもので、取付部材への取付け状態を安定に保ち、変形を抑制することができる発光装置及びその発光装置を用いた照明器具を提供することを目的とする。
請求項１に記載の発光装置は、基板と；この基板の一方の面に実装された複数の発光素子と；これら発光素子とは電気的に接続されない状態で上記基板の一方の面に形成された導電性材料を含む熱伝導層と；上記基板の他方の面に形成された導電性材料を含む放熱層と；上記基板を取付部材に取付けるための複数の取付部位と；少なくともこれら取付部位間を結ぶ直線上に上記基板を貫通して設けられた複数の貫通孔を有する熱膨張吸収手段と；上記貫通孔内に形成された上記熱伝導層と上記放熱層とを熱伝導可能に接続する導体と；を具備することを特徴とする。
本発明及び以下の発明において、特に指定しない限り用語の定義及び技術的意味は次による。発光素子とは、ＬＥＤや有機ＥＬ等の固体発光素子である。発光素子の実装は、チップ・オン・ボード方式や表面実装方式によって実装するのが好ましいが、本発明の性質上、実装方式は特に限定されない。また、発光素子の実装個数には特段制限はない。取付部材とは、基板が取付けられる部材をいい、いわゆる本体、ケースあるいはカバー、放熱部材等と指称されるものを含む。熱膨張吸収手段は、複数の取付部位間の全てに設ける必要はなく、熱膨張吸収作用との関係で、取付部位間の全てに設けるか、又は部分的に設けるかは、設計上、適宜選択すればよい。また、熱膨張吸収手段は、例えば、基板に形成したスリット等の開口部であってもよいし、基板の一部の材質を弾性体等の別部材で形成したものでもよい。
本発明の実施形態に係る照明器具を示す斜視図である。 同基板を示す平面図である。 同反射体を示す平面図である。 図３のＡ−Ａ線に沿う断面図である。 基板の取付け状態を示す要部の断面図である。 本発明の第２の実施形態に係る基板を示す平面図である。 本発明の第３の実施形態に係る基板を示す平面図である。 本発明の第４の実施形態に係る基板を示す平面図である。 本発明の第５の実施形態に係る基板を示す平面図である。 本発明の第６の実施形態に係る基板を示す平面図である。 同基板を示す部分拡大断面図である。
以下、本発明の第１の実施形態に係る基板及び照明器具について図１乃至図５を参照して説明する。図１は、照明器具を示す斜視図、図２は、基板を示す平面図、図３は、反射体を示す平面図、図４は、図３のＡ−Ａ線に沿う断面図、図５は、基板の取付け状態を示す要部の断面図である。
図１において、照明器具として天井埋込形のダウンライト１を示している。ダウンライト１は、熱伝導性の筒状本体２と、この筒状本体２に取付けられた化粧枠３と、同じく筒状本体２に取付けられ、発光素子としてのＬＥＤが実装された基板４と、筒状本体２内に収納された点灯回路装置を含む電源ユニット５と、反射体６及び反射体６の前方に配設された透光性カバー７とを備えている。また、筒状本体２の外面には、端子台８が配置されており、化粧枠３には、一対の取付け用板ばね９が装着されている。
筒状本体２は、アルミダイカスト製の熱伝導良好な材料で形成されており、その外面が白色のメラミン樹脂系塗料によって焼付塗装されている。なお、勿論、熱伝導性を担保できれば、他の材料で形成してもよい。筒状本体２には、電源ユニット５が収納されており、回路基板に制御用ＩＣ、トランス、コンデンサ等の部品を実装して構成されており、その電源ユニット５の点灯回路によって発光素子を点灯制御するものである。なお、電源ユニット５は、端子台８に電気的に接続されており、端子台８は、商用電源に接続されるようになっている。また、筒状本体２の外面には、縦方向に延びる複数の放熱フィン２ｃが形成されている。
化粧枠３は、ＡＢＳ樹脂で略傘状に形成され、末広がり状の開口端部には、環状のフランジ３ａが形成されており、他端部側は、筒状本体２に取付けられている。加えて、外周面には、一対の取付け用板ばね９が装着されている。
図２に示すように、基板４の表面側には、光源となるＬＥＤ１０・・・が表面実装方式で複数個、具体的には中央部に３個、その周囲部に９個の合計１２個が実装されている。基板４は、絶縁材又は金属の略円形の平板からなり、取付部材としての筒状本体２へ取付けるための複数の取付部位、すなわち、中央部にねじ貫通孔４ａ、周囲に１２０度の間隔を空けて３個のねじ貫通孔４ｂ、４ｃ、４ｄが形成されている。また、中央部のねじ貫通孔４ａとその周囲のねじ貫通孔４ｂ、４ｃ、４ｄとの間には、基板４の熱膨張による伸縮を吸収する熱膨張吸収手段として、中央部を中心とするなだらかな円弧状のスリット４ｓ・・・が同心円上に形成されている。つまり、スリット４ｓ・・・は、中央部のねじ貫通孔４ａと周囲のねじ貫通孔４ｂ、中央部のねじ貫通孔４ａと周囲のねじ貫通孔４ｃ、中央部のねじ貫通孔４ａと周囲のねじ貫通孔４ｄ、とをそれぞれ結ぶ直線上に、その直線と略直交する方向に形成されている。
なお、スリットは、周囲のねじ貫通孔４ｂと４ｃ、４ｃと４ｄ、４ｂと４ｄとをそれぞれ結ぶ直線上に、その直線と略直交する方向に形成してもよい。また、基板４の材料は、絶縁材とする場合には、放熱特性が比較的良好で、耐久性に優れたセラミック材料又は合成樹脂材料を適用できる。合成樹脂材料を用いる場合には、例えば、ガラスエポキシ樹脂等で形成できる。また、金属製とする場合は、アルミニウム等の熱伝導性が良好で放熱性に優れた材料を適用するのが好ましい。
以上の構成により、基板４は、詳細を後述するように、ねじ貫通孔４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄを介して固定手段により筒状本体２へ取付けられる。この取付け状態において、発光素子の点灯、消灯により、基板４は、熱を受け、また、冷却され、これらのヒートサイクルで膨張、収縮を繰り返し、応力を受ける。しかしながら、熱膨張による図示矢印方向の応力は、スリット４ｓ・・・によって吸収することができ、この応力が基板４に作用することを軽減でき、ひいては基板４の反りや変形を抑制することができる。なお、ねじ貫通孔４ａから４ｂ、４ｃ、４ｄ方向以外の放射方向は、自由端になっているため、応力が作用する程度が小さい。
続いて、基板４の表面側には、白色のポリカーボネートやＡＳＡ樹脂等によって形成された反射体６が配設されている。反射体６は、ＬＥＤから放射される光を配光制御し、効率的に照射する機能をなしている。図３及び図４に示すように、反射体６は、円板状をなし、隔壁の稜線部によって複数の投光開口６ａ・・・が前記基板４に実装されたＬＥＤ１０・・・と対向して形成されている。反射体６の外周にはリング状に外周縁部６ｂが形成されており、中央部から外周部、すなわち、外周縁部６ｂに向かって、それぞれ約１２０度の間隔を空けて放射状に放射状隔壁６ｃが形成されている。また、中央部から外周縁部６ｂの間には、前記放射状隔壁６ｃを二分するように円形状の内周隔壁６ｄが形成されている。さらに、各放射状隔壁６ｃの間に位置する内周隔壁６ｄの外側壁からは、外周縁部６ｂに向かって、それぞれ２つの分割隔壁６ｅ・・・が延出している。
このように構成された反射体６は、各投光開口６ａ・・・に対応する各隔壁、すなわち、放射状隔壁６ｃ、内周隔壁６ｄ及び分割隔壁６ｅ・・・が形成する反射面６ｆ・・・が図４に示すように、略椀状となって、投光開口６ａ・・・から稜線部に向かって拡開しており、各投光開口６ａ・・・ごとに反射面６ｆ・・・を構成している。なお、放射状隔壁６ｃと対向する裏面側の外周縁部６ｂ近傍にはリブを形成して３つのねじ穴６ｇが形成されている。
次に、基板４の照明器具への取付けについて図５を参照して説明する。図５に示すように（図示上取付け用板ばね９は省略している。）、筒状本体２の底壁２ａには、基板４の裏面側が面接触して密着するように配設されている。また、基板４の表面側には、反射体６の裏面が当接されるようにして配設されている。これら基板４及び反射体６の底壁２ａへの取付けにあたっては、まず、基板４を表面側から中央部のねじ貫通孔４ａを貫通し底壁２ａにねじ込まれる固定手段としての取付けねじ１１によって締付ける。続いて、筒状本体２の内側から固定手段としての３本の取付けねじ１２（２本のみを示し、内１本を仮想線で示している。）を底壁２ａ、基板４のねじ貫通孔４ｂ、４ｃ、４ｄを貫通させ、反射体６の裏側から放射状隔壁６ｃと対向した位置のねじ穴６ｇにねじ込み締付ける。この場合、取付けねじ１２の締付け力は、反射体６を底壁２ａ側へ引っ張る方向に働くので、基板４の中央部の取付けねじ１１と周囲側の取付けねじ１２との締付け力が協働して、基板４の底壁２ａへの密着性を高めることができる。
この基板４の取付け状態では、反射体６の投光開口６ａ・・・は、基板４の各ＬＥＤ１０・・・と対向配置されるようになっており、また、反射体６の裏面が基板４の表面側に押圧当接され、基板４の裏面側は筒状本体２の底壁２ａに密着するようになる。また、化粧枠３は、筒状本体２に取付けねじ１３によって取付けられている。そして、フランジ３ａは、天井面Ｃの埋込み穴より大径であり、ダウンライト１が天井面Ｃに設置された状態で埋込み穴の周縁に下方から引っ掛かるようになっている。さらに、化粧枠３の内周側には、開口を覆うアクリル樹脂等からなる透光性のカバー７が設けられており、反射体６の前方に配設されるようになっている。なお、透光性のカバー７は、拡散性を有する部材で形成することができ、例えば、乳白色、半透明の部材で形成してもよい。
以上のような構成において、電源ユニット５に通電されると、点灯回路が動作して基板４に電力が供給され、ＬＥＤ１０・・・が発光する。各ＬＥＤ１０・・・から出射された光の多くは直接透光性カバー７を透過して前方に照射され、一部の光は反射体６の各反射面６ｆ・・・に反射されて配光制御され透光性カバー７を透過して前方に照射される。一方、これに伴いＬＥＤ１０・・・から発生する熱は、主として基板４の裏面から筒状本体２の底壁２ａへ伝わり、さらに、筒状本体２の全体へ伝導され、その伝導過程での放熱を伴いながら放熱される。ここで、基板４は、ＬＥＤ１０・・・から発生する熱で膨張するが、この熱膨張による応力は、スリット４ｓ・・・によって吸収することができ、基板４の反りや変形を抑制することができる。したがって、基板４の裏面側と筒状本体２の底壁２ａとの密着性が保たれ、熱伝導を良好に保つことが可能となる。加えて、反射体６の裏面が基板４の表面側に押圧当接されているので、これによっても基板４の変形を抑制することができ、基板４の裏面側は筒状本体２の底壁２ａに密着するよう維持される。なお、スリット４ｓ・・・は、基板４の製造過程におけるリフロー工程においても、熱膨張による変形を抑制する機能を発揮している。
なお、本実施形態では、熱膨張吸収手段として、スリット４ｓ・・・を形成したものについて説明したが、これに限らず、例えば、基板４に貫通孔を形成し、この貫通孔を埋めるように弾性材料を設けるように構成してもよく、したがって、熱膨張を吸収できればその構成は特段限定されるものではない。
以上のように本実施形態によれば、複数の固定手段としての取付けねじ１１、１２によって基板４を筒状本体２に取付けるようにしたので、基板４の取付け状態を安定に保ち、また、筒状本体２への密着性を良好にすることができ、さらに、基板４の変形を抑制できるので、基板４の筒状本体２への密着性を維持することが可能となる。したがって、放熱が効果的に行え、基板４の半田部分にクラック等が生じることを軽減できる。さらに、基板４の放熱を効果的に行うことによって、基板４全体を均熱化させることができ、点灯中の各ＬＥＤ１０・・・の温度が一定となり、色、明るさ、寿命等のばらつきが低減される。
次に、本発明の第２の実施形態に係る基板について図６を参照して説明する。図６は、基板を示す平面図である。なお、以降第１の実施形態と同一又は相当部分には、同一符号を付し重複した説明は省略する。本実施形態では、第１の実施形態とは、基板４の筒状本体２への取付け方法が異なる。本実施形態では、基板４の表面側から取付けねじ１１、１２を筒状本体２側へねじ込み締付けて基板４を筒状本体２の底壁２ａへ固定するものである。
本実施形態によれば、取付けねじ１１と１２間にスリット４ｓ・・・が形成されているので、第１の実施形態と同様に基板４の取付け状態を安定に保ち、また、筒状本体２への密着性を良好にすることができ、基板４の変形を抑制することが可能で、基板４の筒状本体２への密着性を維持することができる。
次に、本発明の第３の実施形態に係る基板について図７を参照して説明する。図７は、基板を示す平面図である。本実施形態では、基板４の中央部にねじ貫通孔を形成しない形態である。したがって、ねじ貫通孔４ｂ、４ｃ、４ｄが形成されており、その間を結ぶ直線上に略長方形のスリット４ｓ-3・・・を形成したものである。本実施形態によれば、第１の実施形態と同様な効果を奏することができる。
さらに、本発明の第４の実施形態に係る基板について図８を参照して説明する。図８は、基板を示す平面図である。本実施形態では、基板４の周縁部の４箇所にねじ貫通孔４ｂ、４ｃ、４ｄ、４ｅを形成し、その間を結ぶ直線上に略長方形のスリット４ｓ-4・・・を形成したものである。なお、ねじ貫通孔４ｂと４ｄ、４ｃと４ｅを結ぶ各対角線上にスリット４ｓ-4・・・を形成してもよい。本実施形態によれば、第１の実施形態と同様な効果を奏することができる。
次に、本発明の第５の実施形態に係る基板について図９を参照して説明する。図９は、基板を示す平面図である。本実施形態では、第１の実施形態とは、スリットの形状が異なる。スリット４ｓ-5・・・を略円形に形成したものである。本実施形態によっても、各取付部位である中央部のねじ貫通孔４ａとその周囲のねじ貫通孔４ｂ、４ｃ、４ｄとの間には、スリット４ｓ-5・・・が形成されているので、応力を吸収することが可能で第１の実施形態と同様な効果を奏することができる。
続いて、本発明の第６の実施形態に係る基板について図１０及び図１１を参照して説明する。図１０は、基板を示す平面図、図１１は、基板の一部を拡大して模式的に示す断面図である。本実施形態では、基板４に熱膨張吸収手段として、いわゆるバイアホール４ｖを形成したものである。
図１０に示すように、基板４には、多数の小孔からなるバイアホール４ｖ・・・が形成されており、このバイアホール４ｖ・・・は、少なくとも取付部位である中央部のねじ貫通孔４ａとその周囲のねじ貫通孔４ｂ、４ｃ、４ｄとの間に配設されるようになっている。
図１１に示すように、基板４は、ガラスエポキシ樹脂からなるベース板４０、このベース板４０の表面側に形成された配線パターン層４１、この配線パターン層４１の上に適宜施されたレジスト層及びベース板４０の裏面側の一面に形成された放熱層４２を備えている。配線パターン層４１は、ＬＥＤ１０・・・に電源からの電力を供給するために、銅箔等の導電性を有する材料で形成されている。ここで、具体的には、この配線パターン層４１は、実際にＬＥＤ１０・・・等の電気部品が接続されて電力が供給され、導電する導電層４１ａと、電気的には接続されず、導電されない非導電層４１ｂとから構成されている。この非導電層４１ｂは、基板４の表面側に適宜形成され、基板４の熱を放熱し、また、基板４の面を均熱化する機能を担うものである。また、放熱層４２は、銅箔等の熱伝導性の良好な材料で形成されている。
ＬＥＤ１０・・・は、表面実装型のＬＥＤパッケージであり、基板４の表面側にはんだ結合されている。ＬＥＤパッケージは、概略的にはセラミックスで形成された本体１０ａと、この本体１０ａに実装されたＬＥＤチップと、このＬＥＤチップを封止するエポキシ系樹脂やシリコーン系樹脂等のモールド用の透光性樹脂とから構成されている。この透光性樹脂には、ＬＥＤチップの発光を吸収して黄色系の光を発生する蛍光体が分散されている。また、本体１０ａからはＬＥＤチップに接続された一対のアノード端子１０ｂ及びカソード端子１０ｃが水平方向に突出しており、これらアノード端子１０ｂ及びカソード端子１０ｃは、前記導電層４１ａと電気的に接続されている。
次に、本実施形態のバイアホール４ｖ・・・は、配線パターン層４１の非導電層４１ｂから放熱層４２に亘って貫通する貫通穴に銅めっき処理を施して形成されている。したがって、このバイアホール４ｖ・・・は、基板４の表裏の層、すなわち、非導電層４１ｂと放熱層４２とを電気的に接続するものではなく、放熱、均熱化のために熱伝導的に接続されたものである。
このような構成によれば、ＬＥＤ１０・・・から発生する熱は、配線パターン層４１や放熱層４２へ伝導され放熱される。また、バイアホール４ｖ・・・によって、非導電層４１ｂから放熱層４２へ効率的に熱伝導され、放熱とともに基板４面の温度状態の差が少なくなり均熱化される。さらに、基板４は、ＬＥＤ１０・・・から発生する熱で膨張するが、バイアホール４ｖ・・・が取付部位である中央部のねじ貫通孔４ａとその周囲のねじ貫通孔４ｂ、４ｃ、４ｄとの間に存在するので、熱膨張による応力は、バイアホール４ｖ・・・によって吸収することができ、基板４の反りや変形を抑制することができる。なお、バイアホール４ｖ・・・は、少なくとも取付部位間に存在するように配設すればよく、具体的な配設位置や個数は、放熱特性、熱膨張の吸収の程度を考慮して適宜選択すればよい。
以上のように本実施形態によれば、バイアホール４ｖ・・・を形成したので、第１の実施形態の効果に加え、基板４の放熱、均熱化を促進することが可能となる。
以下、本願の出願当初の特許請求の範囲に記載された発明を付記する。
［１］
複数の実装された発光素子と；
取付部材に取付けるための複数の取付部位と；
この取付部位間を結ぶ直線上に配設された熱膨張吸収手段と；
を具備することを特徴とする基板。
［２］
本体と；
この本体に取付けられる［１］に記載の基板と；
を具備することを特徴とする照明器具。
［３］
熱伝導性の本体と；
この本体に複数の固定手段によって取付けられ、この固定手段間を結ぶ直線上であって、当該直線と直交する方向に形成されたスリットを有する複数の発光素子が配設された基板と；
を具備することを特徴とする照明器具。
１・・・照明器具（ダウンライト）、２・・・取付部材（本体）、４・・・基板、
４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄ・・・取付部位、４ｓ・・・熱膨張吸収手段（スリット）、
４ｖ・・・熱膨張吸収手段（バイアホール）、１０・・・発光素子（ＬＥＤ）、
１１、１２・・・固定手段（取付けねじ）

Claims (3)

  1. 基板と；
    この基板の一方の面に実装された複数の発光素子と；
    これら発光素子とは電気的に接続されない状態で上記基板の一方の面に形成された導電性材料を含む熱伝導層と；
    上記基板の他方の面に形成された導電性材料を含む放熱層と；
    上記基板を取付部材に取付けるための複数の取付部位と；
    少なくともこれら取付部位間を結ぶ直線上に上記基板を貫通して設けられた複数の貫通孔を有する熱膨張吸収手段と；
    上記貫通孔内に形成された上記熱伝導層と上記放熱層とを熱伝導可能に接続する導体と；
    を具備することを特徴とする発光装置。
  2. 上記放熱層は、上記基板の他方の面において、上記発光素子の実装位置から上記基板の一方の面に対して垂直方向にも存在していることを特徴とする請求項１記載の発光装置。
  3. 請求項１記載の発光装置と；
    この発光装置を収容し、上記発光素子の発光を外部に導出する本体と；
    を具備することを特徴とする照明器具。
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