JP6104133B2 - Ｌｅｄ素子を用いた発光装置 - Google Patents

Description

本発明は、ＬＥＤ素子を用いた発光装置に関するものである。

従来から、ＬＥＤ素子と蛍光体を含有した透光性材料とで構成され、ＬＥＤ素子から放射された光と、ＬＥＤ素子から放射された光によって蛍光体が励起されてＬＥＤ素子とは異なる発光色の光を放射する励起光とを組み合わせて、所望の光色、例えば白色光を得るようにした発光装置が知られている。

特許文献1の発光装置は、ＬＥＤ素子を封止部材で封止するとともに、この封止部材を囲うように枠体が基板上に配置され、その枠体の上に、蛍光体を含有する透光性部材からなる色変換部材を配置して構成される。この発光装置は、更に色変換部材及び枠体とＬＥＤ素子を封止する封止部材との間に空気層を備え、ＬＥＤ素子および色変換部材が発生した熱により空気層が暖められ、色変換部材及び枠体に、内部の空気を外部に放出可能な貫通孔を備えた構成となっている。

特開２０１２−１７４８７７（第８頁−第９頁、図４、図５）

しかしながら、特許文献１に記載されたＬＥＤ素子を用いた発光装置では、より高電力でＬＥＤ素子を点灯させた場合においては、ＬＥＤ素子および色変換部材から発せられる熱を空気層の空気により十分効率的に受け取ることができていない。その結果として、ＬＥＤ素子および色変換部材に残った熱により、色変換部材やＬＥＤ素子の熱による劣化を引き起こす要因になり、これに起因して発光装置としての寿命が短くなってしまう問題があった。

本発明は、上記課題を解決するためになされたものであって、その目的は、発光装置内部の放熱性を向上させることができる発光装置を提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明の発光装置は、基板上に実装されたＬＥＤ素子と、ＬＥＤ素子を囲うように配置された枠状の支持部材と、支持部材の上に配置された波長変換部材と、ＬＥＤ素子を覆うように封止する透光性封止部材と、波長変換部材と透光性封止部材の間に形成された空気層とを備え、支持部材には、外部と空気層との間で通気が可能な放熱孔が形成されたＬＥＤ発光装置において、支持部材の上部と下部にそれぞれ１つ以上の第１の放熱孔と第２の放熱孔を有し、第１の放熱孔は支持部材の中心に対し基板面と水平方向にずらした向きで配置され、第２の放熱孔は中心に対し基板面と水平方向に第１の通気口と逆方向にずらした向きで配置されることを特徴とする。

また、第１の放熱孔または第２の放熱孔の少なくとも一部が、左または右に湾曲していることが望ましい。

さらに、第１の放熱孔の断面積が支持部材の外面から内面に向かうに従って小さくなっており、第２の放熱孔の断面積が支持部材の外側から内側に向かうに従って大きくなるこ
とが望ましい。

本発明によれば、波長変換部材と透光性封止部材の間に形成された空気層に気流の渦を発生させることで、波長変換部材および透過光性部材と外部から流入した空気の接触時間を延ばすことで、より効率的に熱交換を行うことが可能となると共に、熱を受け取った空気をスムーズに外部に放出することが出来る。これにより、装置内部の放熱性を向上させることができる発光装置を提供することができる。

本発明における発光装置の斜視図である。 図１に示すＡ−Ａ断面図である。 本発明の第１実施形態を示す図であり（ａ）は図２に示すＢ−Ｂ断面図、および（ｂ）は図２に示すＣ−Ｃ断面図である。 本発明の第１実施形態における第１の放熱孔６と第２の放熱孔を有する支持部材３の製造方法を説明する図であり（ａ）は下支持部材、（ｂ）は中支持部材、（ｃ）は上支持部材である。 本発明の第２実施形態を示す図であり（ａ）は図２に示すＢ−Ｂ断面図、および（ｂ）は図２に示すＣ−Ｃ断面図である。 本発明の第３実施形態を示す図であり（ａ）は図２に示すＢ−Ｂ断面図、および（ｂ）は図２に示すＣ−Ｃ断面図である。

以下、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。なお、図面の説明において、同一または相当要素には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。

（第１の実施形態）
以下、本発明を具体化した第１実施形態を図１〜３を用いて説明する。

図１は各実施形態におけるＬＥＤ発光装置１２を示す概略斜視図であり、図２は図１におけるＡ−Ａ断面図である。
ＬＥＤ発光装置１２は基板２上に電極パターン５が設けられており、その電極パターン５上にＬＥＤ素子１が電極パターン５と電気的に接続されている。本実施例においてＬＥＤ素子１は、図示しない樹脂にてダイボンド実装し、図示しないワイヤーにて電極パターン５と電気的に実装しているが、他にフリップチップ実装や半田実装等、どのような実装方法を用いてもよい。

基板２の材質は樹脂、セラミックや金属などが使用可能であり、放熱性を考慮すればアルミニウム等の金属が好ましい。基板２の材質として金属を有する際には、電極パターン５と基板２の間にアルミナ膜等の絶縁層が必要となる。

基板２に設けられるＬＥＤ素子１は、所望の色を発するものであればどのようなものでも良いが、本実施形態においてはＧａＮ系青色ＬＥＤ素子を用いている。ＬＥＤ素子１は、透光性材料からなる透光性封止部材８により封止される。

また、基板２に配した環状の支持部材３上部の色変換部材４は、色変換部材４と透光性封止部材８の間に空気層９を形成するように離間して配置される。また色変換部材４は、透光性樹脂に蛍光体を含有する。蛍光体は所望の色を形成できればどのようなものを用いても構わないが、耐光性、耐熱性を有しているものが好ましく、本実施形態においては青
色光を受けて黄色光を発するＹＡＧ蛍光体を用いることで、ＬＥＤ発光装置１２は白色光を放射することができる。透光性封止部材８および色変換部材４を形成する透光性樹脂は、透光性、耐光性、耐熱性を有する材料であればどのようなものを用いてもよく、例えば透光性を有するシリコーン樹脂やエポキシ樹脂が用いられる。

環状の支持部材３は、空気層９と外部をつなぐ少なくとも１つの第１の放熱孔６と、第１の放熱孔６よりも下にあって空気層９と外部をつなぐ少なくとも１つの第２の放熱孔７を有する。これらの放熱孔は、第１の放熱孔６で主に空気層９の空気を外部に排出し、第２の放熱孔７で主に外部から空気層９に空気を取り込む役割を担う。

次に、第１の実施形態における支持部材３に形成された第１の放熱孔６の構成及び作用については図３（ａ）を用いて、第２の放熱孔７の構成及び作用については図３（ｂ）を用いて、それぞれ説明する。

第１の放熱孔６は、基板２と水平方向に支持部材３の中心に向かって左側へずれて設けられている。また、第２の放熱孔７は、第１の放熱孔６とは逆に、基板と水平方向に支持部材３の中心に向かって右側へ（第１の放熱孔とは逆方向に）ずれて設けられている。

ここで「中心」とは、図形のちょうど真ん中の１点（環状の支持部材３の中心位置に相当する点）を指し、円においては丁度真ん中にある点、楕円においては長軸と短軸の交点となる点、長方形や平行四辺形等の点対称の図形においては図形の重心、をそれぞれ「中心」と定義する。

このような構造とすることによって、支持部材３の第２の放熱孔７から空気層９に入った空気は、ＬＥＤ素子１の点灯時に発生する熱によって上昇すると同時に、第２の放熱孔７の支持部材３を中心に対し基板２と水平方向にずらすことで、第２の放熱孔７が空気層９に侵入する空気の流れに対し方向付けする役割を担い、空気層９内にて効率的に渦を巻く。そして、第１の放熱孔６は、支持部材３３の中心に向かって第２の放熱孔７と逆向きにずれた配置することで、空気層９内の空気が第１の放熱孔６によって気流の流れを阻害されることなくスムーズに空気を外部に排出する。これにより、空気層８に流入した空気が渦を巻いて上昇することで、空気がより長時間光透過性部材８および色変換部材４と接触することができ、光透過性部材８および色変換部材４から熱をより効率的に奪うことができる。また、上記作用を受けて、熱を受け取った空気がスムーズに外部に排出されるため、さらに効率的に熱を外部に放出することが出来る。

次に、本実施形態に記載のＬＥＤ発光装置１２における支持部材３の製造方法を図４を用いて説明する。支持部材３は、図４（ａ）記載の下支持部材３ａ、図４（ｂ）に記載の中支持部材３ｂ、図４（ｃ）に記載の上支持部材３ｃを組み合わせて形成される。

下支持部材３ａ、中支持部材３ｂ、上支持部材３ｃは金属やセラミックス等の熱伝導性の高い材料で、上支持部材３ｃには第１の放熱孔６の上部を構成する凹部６ｂが、中支持部材３ｂには第１の放熱孔６の下部を構成する凹部６ａと第２の放熱孔７の上部を形成する凹部７ｂが、下支持部材３ａには第２の放熱孔７の下部を構成する凹部７ａをそれぞれ形成する。また、上支持部材３ｃには色変換部材をはめ込むための位置決め凹部１３を形成する。位置決め凹部１３以外の各凹部はどのような方法で形成してもよいが、支持部材の材料が金属である場合には、例えばレーザー照射にて、セラミックスであれば粉末成形にてそれぞれ形成することができる。また、位置決め凹部１３はセラミックであれば粉末成形や削り出しにて、金属であればプレス成型にて作ることができる。

そして、下支持部材３ａ、中支持部材３ｂ、上支持部材３ｃを、第１の放熱孔６、第２
の放熱孔７を形成するように各凹部がそれぞれ重なるように図示しない接着手段、例えば樹脂性接着剤や金属溶接で接着することで支持部材３を形成する。上記方法を用いれば、本発明の様に作用する他の形状の放熱孔を作成することが可能となる。

なお、完成した支持部材３を、図１、図２に記載のようにＬＥＤ素子が実装、封止された基板２上に配置し、位置決め凹部１３に色変換部材４を接着、配置することで、ＬＥＤ発光装置１２を製造することができる。

（第２の実施形態）
次に、第２の実施形態を図５を用いて説明する。本実施形態は、第１の実施形態よりも放熱特性をさらによくした形態で、第１の実施形態と異なる点は、第１の放熱孔６と第２の放熱孔７の形状の特徴が異なる点のみで、他の構成は同じである。

図５ａ及び図５ｂに示されるように、第１の放熱孔６は、外部から空気層９に向かうに従って右に湾曲しており、第２の放熱孔７は、外部から空気層９に向かうに従って左に湾曲した構造となっている。

上記構成とすれば、色変換部材４の支持部材３の第２の放熱孔７から空気層９に入った空気が、よりスムーズに渦を巻きながら空気層９を鉛直上方向に上昇し、第１の放熱孔６を通って外部に抜けることができ、より効果的な放熱が可能となる。

なお、本実施形態では、放熱孔全てが湾曲した例を示したが、一部が湾曲した構成や、Ｓ字形のような左右両方へ湾曲した構成とした構成としても構わない。

（第３の実施形態）
次に、第３の実施形態を図６を用いて説明する。本実施形態は、第１、第２の実施形態よりもさらに放熱特性をよくした形態で、第１、第２の実施形態とは、図６に示すように第１の放熱孔６と第２の放熱孔７の形状の特徴が異なる。

第１の放熱孔６は、図６ａに示すように、色変換部材４の支持部材３の外面から内面に向かうに従って断面積が小さくなっており、第２の放熱孔７は図６ｂに示されるように、色変換部材４の支持部材３の内面から外面に向かうに従って断面積が小さくなるような構造を有している。

上記構成とすることで、第１の放熱孔６は、内部から外部への空気の流れは抵抗が少ないので流れやすいが、外部から内部へは抵抗が大きいので流れに難くなる。これにより、空気層９から外部により空気を送り出し易くなり、更に第２の放熱孔７は、第１の放熱孔６と逆の形状になっているので、外部から空気層９により空気を取り込み易くなる。上記作用を受けて、より優先的に第２の放熱孔７から空気を取り入れ第１の放熱孔６から空気を排出することができる様になり、空気の流れを厳密に規制して、より効果的な放熱が可能となる。

なお、上述した各実施形態では、簡略化のために第１の放熱孔６、第２の放熱孔７をそれぞれ１つとして説明してきたが、空気の入れ替え効率の観点から第１の放熱孔６、第２の放熱孔７を共に、複数の孔を有することがより好ましい。

また、各実施形態における図において、支持部材３は環状として説明してきたが、環状に限らず、三角形や、長方形、ひし形や五角形などのＬＥＤ素子を囲うことができる枠状であれば、空気層９にある空気は渦を巻くことが出来るため、どのような形でもよい。しかし、よりスムーズに空気を流すことが出来ることから環状である方が好ましい。
また、各実施形態における第１の放熱孔６、第２の放熱孔７の中心軸に対するずれの角度を大きくすればするほど、ＬＥＤ素子１から出る光が支持部材３の外部に出難くなるため、光漏れを少なくしたい場合には、各放熱孔の中心軸に対するずれの角度を大きくすることが好ましい。

また、各実施形態において、第１の放熱孔６は水平方向に中心に向かって左に、第２の放熱孔７は水平方向に中心に向かって右にずれて配置する形態にて説明してきたが、この向きに限定するものではなく、第１の放熱孔６と第２の放熱孔７の向きが水平方向で支持部材３の中心に向かって逆向きであればよい。

１ ＬＥＤ素子
２ 基板
３ 支持部材
４ 色変換部材
６ 第１の放熱孔
７ 第２の放熱孔
８ 透光性封止部材
９ 空気層
１１ 透光性封止部材
１２ ＬＥＤ発光装置

Claims (3)

1. 基板上に実装されたＬＥＤ素子と、
   前記ＬＥＤ素子を囲うように配置された枠状の支持部材と、
   前記支持部材の上に配置された波長変換部材と、
   前記ＬＥＤ素子を覆うように封止する透光性封止部材と、
   前記波長変換部材と前記透光性封止部材の間に形成された空気層とを備え、
   前記支持部材には、外部と空気層との間で通気が可能な放熱孔が形成されたＬＥＤ発光装置において、
   前記支持部材の上部と下部に、それぞれ１つ以上の第１の放熱孔と第２の放熱孔を有し、
   前記第１の放熱孔は、支持部材の中心に対して基板面と水平方向にずらした向きで配置され、
   前記第２の放熱孔は、前記中心に対し前記基板面と水平方向に第１の放熱口と逆方向にずらして配置されること、
   を特徴とするＬＥＤ発光装置。
2. 前記第１の放熱孔または前記第２の放熱孔の少なくとも一部が、左または右に湾曲していること、
   を特徴とする請求項１に記載のＬＥＤ発光装置。
3. 前記第１の放熱孔の断面積が、支持部材の外面から内面に向かうに従って小さくなっており、前記第２の放熱孔の断面積が支持部材の外側から内側に向かうに従って大きくなること、
   を特徴とする請求項１または２に記載のＬＥＤ発光装置。
   

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