JP6179647B2

JP6179647B2 - Ｌｅｄランプの光源

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Publication number: JP6179647B2
Application number: JP2016167811A
Authority: JP
Inventors: 石川　洋祐; 洋祐石川; 雅三陸名; 泰久松本; 将幸松崎; 信雄福田
Original assignee: Iwasaki Denki KK
Current assignee: Iwasaki Denki KK
Priority date: 2013-10-11
Filing date: 2016-08-30
Publication date: 2017-08-16
Anticipated expiration: 2034-09-24
Also published as: JPWO2015053076A1; WO2015053076A1; JP5999458B2; JP2016225315A

Description

本発明は、気密封止形のＬＥＤランプに関する。

照明用ランプは、概して、白熱電球、蛍光灯、ＨＩＤランプ、ＬＥＤランプと順次開発され、実用化されてきた。ＬＥＤランプは、発光ダイオード素子（ＬＥＤ素子）を光源として利用したランプである。ＬＥＤランプは、青色ＬＥＤ素子の開発により白色の発光が可能となり、最近、照明用ランプとして利用が拡がりつつある。

図１Ａ〜１Ｃは、現在広く販売されているＬＥＤランプの一例を示す図である。これらのＬＥＤランプ１００は、一般に、出力が１０Ｗ以下（典型的には７Ｗ程度）のランプである。図１Ａ〜１Ｃに示すように、ランプ形状は種々あるが、基本的に、口金１０２、放熱部１０４及びグローブ１０６から成っている。放熱部１０４は、アルミニウムのダイキャストから形成され、多くの場合、外周面に放熱フィンが形成されている。グローブ１０６は、透光性の樹脂から成る。

ＬＥＤ素子は、白熱電球、蛍光灯、ＨＩＤランプ等と異なり、半導体素子であるため真空雰囲気又は所定のガス雰囲気中に配置する必要性がない。従って、アルミダイキャスト部分１０４とグローブ１０６との間は、適当な接着剤で固定されている。このため、アルミダイキャスト部分１０４とグローブ１０６とで形成される内部空間は、ランプ外部との間で気密封止にはなってない（以下、「非気密封止形」又は「開放形」という。）。

本発明者等は、本発明に関連する次の先行特許文献が存在することを承知している。

特開2010-16223「ランプ」（公開日：2010/01/21）、特許第5081746号、出願人：パナソニック株式会社国際公開WO 2010/004702「電球形状照明用光源」（国際公開日：2010/01/14）、特許第5129329号、出願人：パナソニック株式会社特開2012-156036「ＬＥＤランプ」（公開日：2012/08/16）、出願人：岩崎電気株式会社

ＬＥＤ素子は、半導体素子であり、半導体の接合部の温度と素子寿命が密接な関係にある。即ち、使用時の接合部の温度が比較的低い場合には素子寿命は長期間となるが、温度が高くなるにつれ素子寿命は急激に短くなる。従って、ＬＥＤランプでは、ＬＥＤ素子の温度が高いとランプ寿命が短縮化し、ランプ照度も劣化する。

そのため、本出願人は、前掲特許文献３により、次のようなアイデアを提案した。即ち、気密封止されたランプ構成において、ランプ内に冷却ガスとしての低分子量ガス（例えば、ヘリウムガス）を封入する。ランプ内には、ランプ軸線方向に長い形状の銅製の光源支持体を配置し、その周囲に光源として複数個のＬＥＤ素子を搭載する。光源支持体にはランプ軸線に沿って貫通孔を形成して冷却ガス流路とし、ＬＥＤ素子を裏面からも効率良く冷却する。この発明に関しては、一定の冷却効果が有ることが確認され、特許文献３の図６にその効果がグラフで示されている。

特許文献３の出願後、本発明者等は、特許文献３に記載のＬＥＤランプより更に高い冷却・放熱手段を備えたＬＥＤランプの構成の研究開発を進めてきた。一方、この研究開発の過程において、ランプ内にヘリウム１００％の冷却ガスを封入した場合、ＬＥＤ素子に変色が発生することが判明した。

そこで、本発明は、高い冷却・放熱機能を有し、同時にＬＥＤ素子に変色が発生することがない気密封止形のＬＥＤランプを提供することを目的とする。

上記目的に鑑みて、本発明に係るＬＥＤランプは、一面では、ＬＥＤ光源を覆う外球を有する気密封止形のＬＥＤランプであって、前記外球内の封入ガスは、ヘリウムに対して、少なくとも酸素を混入したヘリウムと酸素の混合ガスである。

更に、上記気密封止形のＬＥＤランプでは、前記混合ガスは、ヘリウムガスに対して、大気又は乾燥空気を混入して生成した混合ガスであってよい。

更に、本発明に係るＬＥＤランプは、一面では、ＬＥＤ光源を覆う外球を有する気密封止形のＬＥＤランプであって、前記外球内に封入されたヘリウムガスと、固体の酸素ディスペンサーとを備え、ランプ点灯時には、前記酸素ディスペンサーの供給する酸素により、前記外球内でヘリウムと酸素の混合ガスが生成される。

更に、上記気密封止形のＬＥＤランプでは、前記混合ガスは、ヘリウムガスに対して、体積比で２〜１０％の酸素を混入した混合ガスであってよい。

本発明によれば、高い冷却・放熱機能を有し、同時にＬＥＤ素子に変色が発生することがない気密封止形のＬＥＤランプを提供することが出来る。

図１Ａは、現在広く販売されている非気密封止形のＬＥＤランプの一例を示す図である。図１Ｂは、現在広く販売されている非気密封止形のＬＥＤランプの他の一例を示す図である。図１Ｃは、現在広く販売されている非気密封止形のＬＥＤランプの更に他の一例を示す図である。図２Ａは、本発明の第１実施形態に係る気密封止形のＬＥＤランプの一例を示す図であり、ＬＥＤランプの正面図である。図２Ｂは、本発明の第１実施形態に係る気密封止形のＬＥＤランプの一例を示す図であり、４枚の光源支持体の位置関係が分かるように斜め下方から見た斜視図である。図３は、図２Ａ及び２Ｂに示すＬＥＤランプで使用される光源支持体を説明する図である。図４は、図２Ａ及び２Ｂに示すＬＥＤランプで使用されるＬＥＤ素子を説明する図である。図５は、封入ガスと光束維持率の関係を示す図である。図６は、封入ガスと冷却効果の関係を、ジャンクション温度により示した図である。図７は、本実施形態に係る気密封止形のＬＥＤランプの製造方法のフローであり、各ステップの右側にその段階の簡単なランプの図を示している。

以下、本発明に係るＬＥＤランプの実施形態に付いて、添付の図面を参照しながら詳細に説明する。なお、図中、同じ要素に対しては同じ参照符号を付して、重複した説明を省略する。また、以下に説明する実施形態は、例示であって、本発明の範囲を限定するものではないことを承知されたい。

（ＬＥＤランプの構成）
図２Ａ及び２Ｂは、本発明の本実施形態に係るＬＥＤランプの一例を示す図である。ここで、図２ＡはＬＥＤランプの正面図であり、図２Ｂは４個の光源支持体の位置関係が分かるように斜め下方から見た斜視図である。このＬＥＤランプ１０は、図１Ａ〜１Ｃで説明した現在広く宣伝・販売されている７Ｗ程度の低出力ＬＥＤランプより高出力の１２Ｗ程度のＬＥＤランプを対象としている。このため、冷却・放熱手段が更に重要な検討事項となる。

図２Ａに示すＬＥＤランプ１０は、一端が口金２で気密封止された外球６の内部に、複数個のＬＥＤ素子１８が配置されている。複数個のＬＥＤ素子１８は、光源支持体１４に適当な間隔で搭載され固定される。

更に、この光源支持体１４は、外球６の一端に固着されたステム８から延在する支柱２０によって、外球６の内部の適当な箇所に位置決め支持されている。所望により、光源支持体１４に隣接する支柱２０の部分には、絶縁性チューブ（図示せず。）が被せられ、光源支持体１４と支柱２０との間の電気絶縁性が確保される。

更に、口金２に近い外球６の内部には、熱遮蔽部材２４が設けられていてもよい。熱遮蔽部材２４は、例えば、セラミック、金属板、マイカ板等で形成されている。

外球６の内部空間２２に封入されるガスに関しては、後で、詳しく説明する。

（各構成要素の説明）
図２Ａに示すＬＥＤランプ１０の各要素に関して簡単に説明する。

口金２は、白熱電球やＨＩＤランプで使用されているねじ込みタイプ（Ｅ型）や差し込みタイプであってよい。外球６は、例えば、ホウケイ酸ガラス等の透光性の硬質ガラスから成るＢＴ管である。しかし、任意の形状であってよい。外球６は、透明タイプ又は拡散タイプ（曇りガラスのタイプ）のいずれであってもよい。公知の白熱電球やＨＩＤランプと同様に、口金２と外球６との間は気密封止され、外球内部空間と外部空間との間は気密封止状態となっている。

図２Ｂに示すように、このＬＥＤランプ１０では、４枚の光源支持体片１４−１〜１４−４から成る光源支持体片を備えている。各光源支持体片１４−１〜１４−４の外周面には、実装基板１６が固定され、各実装基板１６には４個のＬＥＤ素子１８が実装されている。所望により、光源支持体１４の外周面と実装基板１６との間に、熱伝導シート（図示せず。）を介在配置してもよい。

図３は、この光源支持体１４を説明する図である。光源支持体片１４−１〜１４−４の外形は、板状体であり、熱伝導性の良好な材質から成り、例えば、銅、アルミニウム、熱伝導樹脂等から成る。熱伝導樹脂は、樹脂に金属粉・金属片を混入して熱伝導係数を高くしたものである。

４枚の光源支持体片１４−１〜１４−４は、ランプ軸線に垂直断面で見ると、概して矩形を形成するように配置されている。更に、隣接する光源支持体片の間は接続されてなく、スリット（間隙）２６を空けて配置されている。図示する光源支持体１４は、４枚の光源支持体片がランプ軸線に垂直断面で見ると矩形を形成するように配置しているが、これに限定されない。即ち、３枚の光源支持体片で三角形を形成するように配置してもよく、任意の枚数（ｎ個）の光源支持体片で任意の多角形（ｎ角形）を形成するように配置してもよい。更に、各光源支持体１４に実装されるＬＥＤ素子も、任意所望の個数であってよい。

各ＬＥＤ素子１８に対する給電は、ＬＥＤ素子を直列に接続するリード線（図示せず。）により行われる。光源支持体１４が良好な電気伝導体の場合、光源支持体を給電線として利用してもよい。

実装基板１６は、プリント配線板から成り、ＬＥＤ素子に給電するための必要な回路パターンが形成されている。ＬＥＤ素子１８の放熱・冷却効果を高めるため、実装基板１６は、板厚を比較的薄くするか、或いはメタルコア基板（金属コア基板）として形成することが好ましい。プリント配線板の技術分野に於いて、メタルコア基板は公知の技術である。金属の良好な熱伝導性により、高い放熱・冷却効果が期待できる。

（ＬＥＤ素子の変色とその対策）
図２Ａ及び２Ｂに示すＬＥＤランプに於いて、外球内に封入するガスとして、冷却性能が高い観点から、１００％のヘリウムガスＨｅを使用していた。しかし、点灯後、比較的短時間でＬＥＤ素子が茶色に変色し、その結果、光束が劣化する現象が発生した。

図４は、ＬＥＤ素子１８の概略断面図である。ＬＥＤ素子１８は、窒化アルミニウムＡｌＮ基板３０の上に、白色の窒化ガリウムＧａＮ系チップ３２が搭載され、窒化ガリウム系チップの表面に透明なシリコーン密着層３６が形成されている。窒化ガリウム系チップ３２とシリコーン密着層３６の側面には、シリコーン封止剤３４が形成され、これらを保護している。シリコーン密着層３６及びシリコーン封止剤３４の上には、薄黄色の蛍光体シート３８，４０が、形成されている。シリコーン密着層３６の上にある蛍光体シートは、シリコーンに無機蛍光体を混入した蛍光体シート蛍光体層４０を形成し、シリコーン封止剤３４の上にある蛍光体シートは、シリコーンから成る蛍光体シート散乱層３８を形成している。蛍光体シート蛍光体層４０の上を、ほぼ半球形状のシリコーンレンズ４２が覆っている。

本発明者等は、茶色に変色したＬＥＤ素子１８の各構成要素を分析した結果、元々透明であったシリコーン密着層３６が、茶色に変色していることを確認した。更に、シリコーン密着層３６以外の各要素に関しては、変色は見られないことも確認した。茶色に変色したシリコーン密着層３６が、薄黄色の半透明の蛍光体シート蛍光体層４０を透して見えるので、ＬＥＤ素子全体が変色しているように見える。

従来の常識では、ヘリウムガスＨｅは、反応性が低い不活性ガスと知られているため、ＬＥＤ素子１８の各要素への悪影響はないと考えられていた。また、酸素ガスは、構成要素を酸化し劣化する原因となるため、排除することが好ましいと考えられていた。実際、前掲特許文献１の段落0017には、「バルブ９の内部は、…不活性ガス（例えば、窒素である。）が封入されていても良い。バルブ９の内部を気密状体にすることで、封止体１７を構成する樹脂（シリコーン樹脂）や蛍光体粒子が酸化により劣化するのを防ぐことができる。」の記載がある。同様に、前掲特許文献２の段落0040には、「ＬＥＤおよび蛍光体が吸湿することを防止するため、グルーブ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好ましい。」の記載がある。同様に、前掲特許文献３の段落0067には、「外球内部は、低分子量ガスで満たされているため、酸素は存在しなく、ＬＥＤ素子１８、関連する回路パターン、その他の構成要素が酸化、腐食することもない。」の記載がある。

しかし、本発明者等が確認したＬＥＤランプでは、点灯後、比較的短時間でシリコーン密着層３６に茶色の変色が発生している。現時点では、シリコーン密着層３６の変色の原因を究明するには至っていない。

そこで、本発明者等は、封入ガスの組成を変えて、即ち、ヘリウムガスＨｅに対して種々のガスを混入した混合ガスを用いて、変色の発生の度合いを実験により検証した。その結果、ヘリウムガスＨｅに対して、所定量の酸素Ｏ_２を混入した混合ガスでは、長期間、変色が発生しないことを発見した。ＬＥＤ素子の変色の程度は、変色による光束の劣化を光束維持率として捉え、定量的に規定している。

表１は、封入ガスと光束維持率の関係の実験データである。表１に示す各データは、夫々の条件で製造した少なくとも５個のランプの測定値の平均値を示している。

従来例は、外球内にヘリウムガスのみを封入したＬＥＤランプである。点灯後１００時間経過した時点で、光束維持率のデータより、光束は初期光束の６．６％まで低下したことが判る。

本実施例は、ヘリウムＨｅと酸素Ｏ_２の混合ガスを封入したＬＥＤランプである。ヘリウム９７％と酸素３％の混合ガス（体積％）及びヘリウム９３％と酸素７％の混合ガス（体積％）のいずれの場合も、点灯後４９１時間経過した時点で、光束は初期光束の１００．２％を維持していた。ヘリウムと酸素の混合比に関しては、更なるデータの蓄積が必要であるが、現時点で、ヘリウムと酸素の混合ガスに関して酸素の比率が少なくとも２〜１０％程度の範囲では、良好な光束維持率Ｍｌが確保されよう。

比較例は、空気を封入したＬＥＤランプである。空気は、窒素Ｎ_２７８％と酸素Ｏ_２２１％の混合ガス（体積％）である。乾燥空気を封入した場合、点灯後１０００時間経過した時点で、光束は初期光束の９７．８％を維持していた。大気を封入した気密封止型ランプは、結局、開放形（非気密封止形）ランプと同じと考えられる。大気中の開放形ランプの場合、点灯後８５６時間経過した時点で、光束は初期光束の９５．０％を維持していた。

なお、ヘリウムガスの一部を酸素で置き換えたため、冷却性能の低下が懸念された。しかし、ＬＥＤ素子のジャンクション温度Ｔｊのデータで見る限り、ヘリウム１００％のランプではＴｊ＝１２１℃であり、ヘリウムと酸素の混合ガスのランプではＴｊ＝１０３〜１０５℃であり、冷却性能の低下は見られなかった。なお、本実施例において使用したＬＥＤ素子のジャンクション温度Ｔｊの許容温度は、１３５℃である。

図５は、表１の点灯時間ｔと光束維持率Ｍｌを、ガス組成をパラメータにして示したグラフである。

図６は、表１のガス組成とジャンクション温度Ｔｊの関係を示したグラフである。なお、比較例の空気に関しては、経験上、ヘリウムやヘリウムを主体とした混合ガスに比較すれば冷却効果は低いが、元々、空気自体の冷却効果はかなり高いことが知られている。比較例の空気の場合も、ジャンクション温度Ｔｊの許容温度１３５℃以下であった。

（ＬＥＤランプの製造方法）
図７は、本実施形態に係る気密封止形のＬＥＤランプの製造方法のフローであり、各ステップの右側にその段階の簡単なランプの図を示している。

ステップＳ１のマウント組立工程で、ＬＥＤ素子１８を光源支持体１４に固定し、光源支持体を支柱２０に取り付けてマウントを形成、ステム８を取り付ける。

ステップＳ２の封止工程で、マウントを外球６の外球内部に挿入し、マウントが取り付けられたステム８と外球６とをバーナーで熱して封着する。

ステップＳ３の排気行程で、封止済みの外球内部から排気管を通じて一度真空状態に排気する。その後、所定のヘリウムと酸素の混合ガスを封入し、チップオフ（排気管をバーナーで溶かして封着すること）して気密封止する。

ステップＳ４の口金付け工程で、口金２のトップ部及びサイド部を半田付けする。

ステップＳ５の点灯試験、検査を経て、ＬＥＤランプ１０が完成する。

ここで、ステップＳ２〜Ｓ４では、外球の取り付け部、ステム等がバーナーによって１０００℃近くの高温に熱せられる。この熱が、外球内部のＬＥＤ素子１８に伝わって損傷しないようにするため、熱遮蔽部材２４（図２Ａ，図２Ｂ参照）が、外球の口金取り付け部分とＬＥＤ素子１８との間に設けられている。

［その他の実施形態］
表１、図５及び図６に関連して、密封形ＬＥＤランプにヘリウムと酸素の混合ガスを封入した場合、比較的長期間、光束維持率Ｍｌが高く維持されることを説明した。
ランプ製造時にヘリウムと酸素の混合ガスを封入する代わりに、ランプ外球内に、ヘリウムガスと固体の「酸素ディスペンサー」とを封入して、ランプ点灯時には、前記酸素ディスペンサーの供給する酸素により、前記外球内でヘリウムと酸素の混合ガスが生成されるようにしてもよい。この混合ガスは、ヘリウムガスに対して、体積比で２〜１０％の酸素が混合した混合ガスとなることが好ましい。

酸素ディスペンサーは、所定量の酸素をランプ外球内に意図的に添加することを目的とする部品である。例えば、従来の放電ランプでは、ランプ外球内に残留した有機物が放電管のエネルギーにより分解されて炭素が発生し、放電管（バーナー）の表面に付着し薄膜を形成する。予め酸素ディスペンサーを封入しておくと、酸素ディスペンサーは、所定量の酸素を放出することにより、炭素が放電管の表面に付着する前に、一酸化炭素や二酸化炭素に変えて、付着を防止する。

なお、シリコーン密着層３６の変色の原因及びヘリウムと酸素の混合ガスを封入した場合に変色が抑制されるメカニズムが、ランプ外球内に残留した有機物の炭化及び酸素による炭化抑制と同じであるか否かを含めて、現時点では不明である。

しかし、所定量の酸素をランプ外球内に意図的に添加する酸素ディスペンサーは、その機能に於いて、本実施形態におけるヘリウムと酸素の混合ガスの生成に利用出来る。

［まとめ］
以上により、本発明に係る気密封止形のＬＥＤランプの実施形態に付いて説明したが、これらは例示であって、本発明を限定するものではない。

本実施形態では、ヘリウムと酸素の混合ガスについて説明したが、例えば、他の種類のガスを混入した場合であっても、それが新たな効果を生じる別の発明でない限り、本発明の範囲内である。従って、ヘリウムに対して、大気又は乾燥空気を混入して、ヘリウムと酸素の混合ガスを生成する場合も、本発明の範囲内である。本発明の技術的範囲は、添付の特許請求の範囲の記載によって定められる。

２：口金、６：外球、８：ステム、１０：ＬＥＤランプ、１４：光源支持体、１４−１，１４−２，１４−３，１４−４：光源支持体片、１６：実装基板、１７：封止体、１８：ＬＥＤ素子、２０：支柱、２２：内部空間、２４：熱遮蔽部材、３０：基板、３２：窒化ガリウム系チップ、３４：シリコーン封止剤、３６：シリコーン密着層、３８：蛍光体シート、３８：蛍光体シート散乱層、４０：蛍光体シート蛍光体層、４２：シリコーンレンズ、１００：ＬＥＤランプ、１０２：口金、１０４：放熱部，アルミダイキャスト部分、１０６：グローブ、
Ｔｊ：ジャンクション温度、Ｍｌ：光束維持率、

Claims

外球で覆われたＬＥＤランプの光源において、
ランプ軸線に沿って延在する筒状の光源支持体と、
前記光源支持体の外周部に配置された複数個のＬＥＤ素子とを備え、
前記光源支持体は、ランプ軸線に垂直断面で見るとｎ角形（ｎ＝３，４，…）を形成し、ｎ角形の角部には全長にわたって間隙が形成され、
前記光源支持体の両端部は全面的に開放されている、ＬＥＤランプの光源。
外球で覆われたＬＥＤランプの光源において、
複数枚の光源支持体片から構成され、隣接する該光源支持体片の間に間隙を空けて、ランプ軸線に垂直断面で見るとｎ角形（ｎ＝３，４，…）を形成するよう構成された光源支持体と、
各々の前記光源支持体片の外周面に搭載された複数個のＬＥＤ素子とを備え、
前記光源支持体は、前記外球内でランプ軸線に沿って位置決めされ、
前記光源支持体の両端部は全面的に開放されている、ＬＥＤランプの光源。
請求項１又は２に記載のＬＥＤランプの光源において、
前記光源支持体は、ランプ口金から延在する支柱によって、ランプ軸線に沿って位置決めされている、ＬＥＤランプの光源。
請求項１〜３のいずれか一項に記載のＬＥＤランプの光源において、
前記光源支持体は、銅、アルミニウム、又は熱伝導樹脂から形成されている、ＬＥＤランプの光源。
請求項２〜４のいずれか一項に記載のＬＥＤランプの光源において、更に、
前記光源支持体片の外周面に配置された実装基板を備え、該実装基板により前記ＬＥＤ素子へ給電されている、ＬＥＤランプの光源。
請求項５に記載のＬＥＤランプの光源において、
前記実装基板は、メタルコアのプリント配線板で形成されている、ＬＥＤランプの光源。