JP6191907B2 - 照明装置および基台の設計方法 - Google Patents

Description

本発明は、ＬＥＤ（Ｌｉｇｈｔ Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｄｉｏｄｅ）等の半導体発光素子を光源として備える照明装置に関し、特に半導体発光素子が配される基台の厚みに関する。

近年、省エネルギーの観点よりＬＥＤなどの半導体発光素子を光源として備える照明装置（以下、「ＬＥＤ照明装置」という。）が採用されるようになっている。当初は電球形ランプ、ダウンライトなど、一般家庭向けのそれほど高い輝度が求められない用途の照明が中心であった。しかし、最近では、体育館、工場、倉庫等の天井面などに取り付けて使用される、高出力のＨＩＤ（Ｈｉｇｈ Ｉｎｔｅｎｓｉｔｙ Ｄｉｓｃｈａｒｇｅ：高輝度放電）ランプの代替用としても、ＬＥＤ照明装置の用途が拡大しつつある。（例えば、特許文献１）
ＬＥＤ照明装置は、一般に、特許文献１に開示されているように、ＬＥＤが実装された発光モジュールが、基台となる板状のモジュールプレート（ＭＰ）の前面に配置され、当該ＭＰが筒状の筐体の前方側の開口に嵌め込まれて保持された構成を有している。そして、ＬＥＤから発せられた光は、前方に出射される。

特開２０１２−１４９００号公報

ＬＥＤは点灯時に熱を発生する。この熱によりＬＥＤの温度が過度に上昇すると、ＬＥＤの発光効率が低下したり、ＬＥＤの寿命が短くなったりする。従って、ＬＥＤ照明装置では、発光駆動時における光源からの熱を高い効率で放熱させることが、重要である。特に、高い輝度で光を出射する高出力タイプの照明装置では、ＬＥＤからの発熱量も大きいため、放熱効率は重要なファクターである。

また、このような高出力タイプのＬＥＤ照明装置は、家庭用のＬＥＤ照明装置と比較するとサイズが大きいため、重さも重くなる。高出力タイプの照明装置は、高い天井に吊下げられて設置される場合が多いため、安全上の理由からも、出来るだけ軽量化を図ることが望まれる。
放熱性を向上させるには、例えば、基台の厚みを厚くして熱容量を増加させる方法がある。しかし、基台の厚みが増加すると、基台の体積が増加して基台の重量が増加するため、照明装置の重量も増加してしまう。

従来、基台の厚みが異なる複数種類の照明装置のプロトタイプを作製して半導体発光素子の温度を実測し、その中から最適な基台の厚みを選択する方法が採用されていた。しかし、これでは、最適な基台の厚みを正確に知るためには、たくさんの種類のプロトタイプを作製しなくてはならず、コストと時間がかかるという問題がある。また、作成するプロトタイプの数を少なくすると、最適な厚みから外れる確率が高くなってしまう。

或いは、従来、開発者が経験から独断で基台の厚みを決定していたため、実際には必ずしも放熱性と軽量化が最適化されているとは言えない。
本発明は、上記問題点に鑑み、より簡便で正確に放熱性と軽量化が最適化された基台を有する照明装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明の一態様に係る照明装置は、発熱源である半導体発光素子が配された平面視で円形または円環状の発熱領域を有する発光部と、前記発熱領域が熱接続された状態で、一方の主面上に前記発光部が配された板状の基台と、少なくとも一端が開口した筒状であって、前記基台の外縁が前記一端側の内周面に接した状態で前記開口内に前記基台を保持するケースと、を備える照明装置であって、前記基台の平均厚みｔは、以下の式８を満たすことを特徴とする。

[但し、Ｗは前記発熱領域から前記基台へと入力される熱流量、ｒａは平面視における前記基台の中心から前記発熱領域の外縁までの距離、ｒｂは平面視における前記基台の中心から前記基台の外縁までの距離、λｔｈは前記基台の熱伝導率、Ｔｍａｘは前記半導体発光素子の許容上限温度、Ｔａは前記照明装置の周囲空気の温度、Ｒｃａは前記ケースの内周面から前記照明装置の周囲空気までの熱抵抗である。]
また、別の態様では、前記発熱領域と前記ケースとの間の前記基台の熱抵抗Ｒｔｈは、以下の式２により規定されていることを特徴としてもよい。

また、別の態様では、前記発光部は、基板と、前記基板上に実装された複数の半導体発光素子と、前記複数の半導体発光素子を覆う封止層とを有する発光モジュールから成り、平面視において、前記封止層は、前記発熱領域に内接していてもよい。
また、別の態様では、平面視において、前記封止層が存在する領域は、前記発熱領域と一致していてもよい。

また、別の態様では、平面視において、前記封止層の中心が前記基台の中心と一致するように配置された前記発光モジュールを１個備えてもよい。
また、別の態様では、平面視において、前記封止層は、円形であってもよい。
また、別の態様では、平面視において、前記封止層は、円環状であってもよい。
また、別の態様では、前記発光部は、複数の前記発光モジュールから成り、前記複数の発光モジュールは、平面視で互いに間隔を開けて円環状に配置されていてもよい。

また、別の態様では、前記基台は、円板状であってもよい。
また、別の態様では、前記基台の他方の主面上に、放熱部を備え、平面視において、前記放熱部は前記発熱領域と重なっていてもよい。
また、本発明の一態様に係る照明装置における基台の設計方法は、発熱源である半導体発光素子が配された平面視で円形または円環状の発熱領域を有する発光部と、前記発熱領域が熱接続された状態で、一方の主面上に前記発光部が配された板状の基台と、少なくとも一端が開口した筒状であって、前記基台の外縁が前記一端側の内周面に接した状態で前記開口内に前記基台を保持するケースと、を備える照明装置における前記基台の設計方法であって、前記基台の平均厚みｔは、以下の式８を満たすように設計されていることを特徴とする。

[但し、Ｗは前記発熱領域から前記基台へと入力される熱流量、ｒａは平面視における前記基台の中心から前記発熱領域の外縁までの距離、ｒｂは平面視における前記基台の中心から前記基台の外縁までの距離、λｔｈは前記基台の熱伝導率、Ｔｍａｘは前記半導体発光素子の許容上限温度、Ｔａは前記照明装置の周囲空気の温度、Ｒｃａは前記ケースの内周面から前記照明装置の周囲空気までの熱抵抗である。]
また、別の態様では、前記発熱領域と前記ケースとの間の前記基台の熱抵抗Ｒｔｈは、以下の式２により規定されていることを特徴としてもよい。

本発明の一態様に係る照明装置の構成によれば、照明装置の設計において、放熱性と軽量化の両方の観点から最適化された基台の厚みを上記式に基づいて算出することができる。従って、複数種類のプロトタイプを作製して半導体発光素子の温度測定試験を行う手間を省略することができる。これにより、開発コスト抑制および開発期間の短縮を図ることができる。

また、本発明の一態様に係る照明装置の製造方法によっても、上記と同様の効果を得ることができる。

実施形態１に係る照明装置１００の斜め前方から見た外観斜視図である。 照明装置１００の斜め後方から見た外観斜視図である。 照明装置１００の分解斜視図である。 照明装置１００の断面図である。 照明装置１００の発光モジュールの分解斜視図である。 （ａ）は、照明装置１００のモジュールプレートにおける熱伝導の態様を説明するための図である。（ｂ）は、照明装置１００の要部断面図であって、発光部で発生した熱がモジュールプレートからケースを介して周囲空気へと放熱される際の熱抵抗を模式的に示す図である。（ｃ）は、ＬＥＤ‐周囲空気間の模式熱回路図である。 実施形態２に係る照明装置２００の斜め前方から見た斜視図である。 照明装置２００の断面図である。 カバーを取り除いて発光モジュールが露出した状態の照明装置２００の要部斜視図である。 （ａ）は、変形例１に係る照明装置３００において、発光部で発生した熱が、モジュールプレートおよびケースを介して周囲空気へと伝導する際の熱抵抗を模式的に示す要部断面図である。（ｂ）は、照明装置３００および変形例２に係る照明装置４００におけるＬＥＤ‐周囲空気間の熱回路図である。（ｃ）は、照明装置４００において、発光部で発生した熱が、モジュールプレートおよびケースを介して周囲空気へと熱伝導する際の熱抵抗を模式的に示す要部断面図である。 変形例３に係る照明装置５００の概略構成を示す断面図である。

本発明を実施するための形態を、以下に図面を参照して詳細に説明する。なお、各図は、模式図であり、図面に示された部品等の各構成要素の形状や寸法および比等については、必ずしも厳密に図示したものではない。
≪実施形態１≫
［１．全体構成］
図１および図２は、実施形態１に係る照明装置１００の外観を模式的に示す斜視図である。図１は、照明装置１００を斜め前方から見た場合の斜視図であり、図２は、照明装置１００を斜め後方から見た場合の斜視図である。図３は、照明装置１００の内部構成を模式的に示す分解斜視図である。図４は、照明装置１００の内部構成を模式的に示す断面図である。なお、図１〜図３において、矢印Ｙで示す方向を後方、その反対側を前方とする。照明装置１００においては、光は主に前方に出射される。

図１〜４に示すように、照明装置１００は、その主な構成として、モジュールプレート（基台）１０、モジュールプレート１０の前面１１に配置された発光部２０、発光部２０を覆うようにモジュールプレート１０上に取着された透光性のカバー３０、有底筒状の形状を有しモジュールプレート１０の後方側を覆うケース４０、および、ケース４０の筒底部分の中央部から後方側に延伸する支持パイプ５０等を備える。支持パイプ５０の後端部には、支持パイプ５０を造営材（天井、壁など）に取り付けるための部材である取付部６０が装着されている。

照明装置１００は、例えば、体育館、工場、倉庫の天井などの造営材に取り付けられ、ＨＩＤランプ代替の照明装置として用いられる。
［２．各部構成］
（１）モジュールプレート１０
モジュールプレート１０は、熱伝導性の材料（熱伝導率の高い材料）で形成された円板状の部材である。本実施形態におけるモジュールプレート１０の形成に用いる材料としては、例えば、アルミニウムやマグネシウムなどの金属あるいはそれらの合金を挙げることができる。モジュールプレート１０は、略均一な厚みを有している。モジュールプレート１０の最も厚い部分の厚みｔｘと最も薄い部分の厚みｔｎとの差（ｔｘ−ｔｎ）は、例えば、ｔｘの５％以下である。平面度でいえば、例えば、厚み１ｍｍで平面度０．０５以下である。しかし、上記の値に特に限定されるものではなく、上記の値より大きくてもよい。なお、モジュールプレート１０の厚みについては、出来るだけ均一であるのが好ましい。

本実施形態においては、モジュールプレート１０の直径は、例えば２６０ｍｍである。モジュールプレート１０の平均厚みは、モジュールプレート１０が形成される材料にもよるが、例えば、２ｍｍ〜数ｍｍ程度である。
モジュールプレート１０には、発光モジュール２１を固定するための貫通孔であるネジ孔１２が設けられている。本実施形態においては、モジュールプレート１０には、ネジ孔１２が４つ設けられている。

（２）発光部２０
発光部２０は、発光モジュール２１から成る。実施形態１に係る照明装置１００においては、発光部２０は、１つの発光モジュール２１から構成されている。図５は、発光モジュール２１の分解斜視図である。図５に示すように、発光モジュール２１は、基板２２と、基板２２上において平面視円形の領域内に実装された複数のＬＥＤ２３と、複数のＬＥＤ２３を覆って基板２２上に形成された平面視円形の封止層２４とを有している。

基板２２は、例えばアルミナ、アルミ材料、ガラスコンポジット材料等で形成され、その表面にはＬＥＤ２３に電力供給するための配線パターン（不図示）が形成されている。
基板２２上には、複数個（一例として１３２個）のＣＯＢ（Ｃｈｉｐ ｏｎ Ｂｏａｒｄ）タイプのＬＥＤ２３が実装され、これらのＬＥＤ２３を覆うように、蛍光体を含む透光性の樹脂から成る封止層２４が配されている。ＬＥＤ２３から出射される青色光の一部は、封止層２４に混入された蛍光体により黄色光に波長変換され、変換されなかった青色光と混色されて白色光となり、封止層２４の外部に放射される。ＬＥＤ２３は、光と共に熱を発する。従って、ＬＥＤ２３が配された領域が発熱領域２５である。

本実施形態においては、複数のＬＥＤ２３は、基板２２上において平面視で円形の領域内に配置されている。封止層２４は、円形に配置されたＬＥＤ２３を覆うように平面視で円形に形成されている。基板２２は、例えば、一辺の長さが１００ｍｍの平面視矩形状の部材であり、封止層２４の直径は、例えば、６０ｍｍ〜８０ｍｍである。しかし、上記サイズに限定されるものではない。

ここで、封止層２４が、ＬＥＤ２３が配されている領域から大きくはみ出して形成された場合、はみ出し部分に到達するＬＥＤ２３からの光は比較的少なく、はみ出し部分の波長変換に対する寄与も小さい。従って、はみ出し部分が大きいとその分材料が無駄になってしまう。そのため、コスト面からも、現実的には、封止層２４は、ＬＥＤ２３が配されている領域よりも若干大きい程度に形成される場合がほとんどであり、封止層２４が形成される領域は、ＬＥＤ２３が配される領域と略一致していると考えることができる。従って、ここでは、封止層２４が形成されている領域と発熱領域２５とは略一致しているとみなすことができる。従って、本実施形態においては、発熱領域２５は、平面視で円形である。

ＬＥＤ２３は、封止層２４に覆われて外部から視認することが困難である。従って、ＬＥＤ２３が配されている領域が予め判明していない場合には、このように、封止層２４が形成されている領域を基に発熱領域２５を定義する方法は、簡便で有効な方法である。
発光モジュール２１は、ネジ７１によりモジュールプレート１０上に熱結合状態で取り付けられている。具体的には、図５に示すように、発光モジュール２１は、速結端子２６ａ，２６ｂを有するソケット２６で覆われている。ソケット２６には、ネジ７１が挿通される貫通孔２６ｃおよび２６ｄがそれぞれ一対ずつ設けられている。基板２２には、ネジ７１が挿通される貫通孔２２ａが一対設けられている。貫通孔２６ｃに挿通されたネジ７１は、貫通孔２２ａに挿通され、ネジ孔１２に螺合される。貫通孔２６ｄに挿通されたネジ７１は、そのままネジ孔１２に螺合される。そして、ソケット２６がモジュールプレート１０にネジ留めされることによって発光モジュール２１はモジュールプレート１０の前面に押し付けられた状態で固定されている。発光モジュール２１がモジュールプレート１０に押し付けられた状態で固定されていることにより、発光モジュール２１において発生する熱は、モジュールプレート１０に効率よく伝導される。

ソケット２６の中央部には、封止層２４に対応して円形の開口２６ｅが設けられており、ＬＥＤ２３から発せられた光が封止層２４および開口２６ｅを介して、前方に出射される。
ソケット２６の速結端子２６ａ，２６ｂは、発光モジュール２１の基板２２上に設けられたアノード端子２７ａおよびカソード端子２７ｂに接続される。速結端子２６ａ，２６ｂには、配線９０ａ，９０ｂの一端がそれぞれ接続されている。配線９０ａ，９０ｂの他端は、天井裏や壁内等に配設された外部の電源ユニット（不図示）にそれぞれ接続されている。これにより、配線９０ａ，９０ｂを介してＬＥＤ２３と外部の電源ユニットとが電気的に接続されている。

なお、発光モジュールのモジュールプレート１０への取り付けは、熱伝導性を有する接着剤等を用いてもよい。
（３）カバー３０
カバー３０は、モジュールプレート１０の前面に配置された発光モジュール２１を覆うように装着されており、発光モジュール２１を保護する部材である。

このカバー３０は、その主面部分３１が、例えば、フレネルレンズ構造を有しており、発光モジュール２１から出射される光を集光して前方に出射する機能を有している。
カバー３０は、例えばアクリル樹脂、ポリエチレンテレフタレート、ポリカーボネート等の透明な樹脂材料を射出成形して形成される。
このカバー３０はモジュールプレート１０の前面に、接着あるいはねじ止めなどにより固定されている。

（４）ケース４０
ケース４０は、全体として有底円筒形状をしており、筒壁に相当する筒状部４１および筒底に相当する天板部４２から成る。筒状部４１の前方側の開口４１ａは、モジュールプレート１０の外縁と略同じ径となっている。天板部４２の中央部には、貫通孔４３が設けられており、支持パイプ５０の前端部５１が嵌め込まれている。貫通孔４３の径は、支持パイプ５０の外径と略同じ大きさとなっている。

ケース４０は、前方側の開口４１ａにモジュールプレート１０が嵌め込まれた状態で、ケース４０の前端部４１ｂが、モジュールプレート１０の外縁１３に対して、カシメ加工により固定されている。そのため、ケース４０の開口４１ａは、モジュールプレート１０によって封口された状態となっている。モジュールプレート１０の外縁１３は、ケース４０の内周面４６に接している。

貫通孔４３に嵌め込まれた支持パイプ５０の前端部５１と天板部４２とは、カシメ加工により固定されている。
筒状部４１の後端側および天板部４２には、ケース４０の内側と外側との間での空気の流通を図るための通気孔４４が開設されている。また、筒状部４１には、表面積を増すため、および機械的強度アップのためのビード４５が略等間隔で複数形成されている。

なお、ケース４０のＹ軸方向高さは、例えば２７０ｍｍであり、板厚は、例えば１ｍｍである。
また、支持パイプ５０の前端部５１と天板部４２との接合は、カシメ加工に限られない。例えば、天板部４２における貫通孔４３の縁にパイプクランプを設置し、当該パイプクランプにより支持パイプ５０に締結してもよいし、接着材で貫通孔４３の縁と支持パイプ５０を接合してもよい。

（５）支持パイプ５０
支持パイプ５０は、伝熱性の良好な材料（例えばステンレス鋼などの金属や熱伝導性樹脂等）で形成された直管である。支持パイプ５０は、その前端部５１が天板部４２の貫通孔４３に嵌め込まれてカシメ加工などにより接合されている。
一方、支持パイプ５０の後端部５２は、取付部６０の差し込み口６２に差し込まれた状態で、取付部６０に接合されている。支持パイプ５０の内部の中空部には、発光モジュール２１に接続された配線９０ａ，９０ｂが挿通されている。

なお、支持パイプ５０の長さは、例えば１０〜２０ｃｍであり、外径は、例えば２７ｍｍであり、肉厚は、例えば１．５ｍｍ〜３ｍｍである。
（６）取付部６０
図１〜図３に示すように、取付部６０は、支持パイプ５０の後端部５２を天井などの造営材に固定する機能を有する。取付部６０は、前方側から後方側に行くに従って径が拡がる円錐台状の外観形状を有する台座部６１と、台座部６１の前端側に設けられ、支持パイプ５０の後端部５２が差し込まれる差し込み口６２と、台座部６１の後端側に設けられたフランジ部６３とを有している。フランジ部６３には、挿通孔６４が複数設けられており、挿通孔６４にねじを挿通して造営材１にねじ込むことにより、フランジ部６３が造営材１に固定される。

（７）電力供給用の配線
図４に示すように、電力供給用の配線９０ａ，９０ｂは、電源ユニット（不図示）から造営材１の貫通孔１ａ、取付部６０の内部空間、支持パイプ５０の内部空間、ケース４０の内部空間、およびモジュールプレート１０に設けられた配線用貫通孔１４を通って、モジュールプレート１０の前面１１側までそれぞれ伸長している。そして、配線９０ａ，９０ｂの先端が、速結端子２６ａ，２６ｂにそれぞれ接続されている。

配線９０ａ，９０ｂは、耐熱性の電線であって、例えば架橋ポリエチレン絶縁電線、シリコーンゴム絶縁電線、フッ素樹脂絶縁電線、シリコーンガラス耐熱電線などが用いられる。
このような電力供給用の配線９０ａ，９０ｂを介して、電源ユニットから発光モジュール２１に直流電力が供給され、ＬＥＤ２３が点灯される。

なお、図４においては、図示を簡略化してわかりやすくするために、ソケット２６については図示を省略し、配線９０ａ，９０ｂは基板２２に接続されている。
［３．熱伝導と放熱性について］
（３−１．モジュールプレートにおける熱伝導について）
図６（ａ）は、モジュールプレート１０における発熱領域２５からの熱伝導の態様を模式的に示す図である。図６（ｂ）は、照明装置１００において、発熱領域２５からの熱がモジュールプレート１０およびケース４０を介してケース４０の周囲に存在する空気（以下、「周囲空気」という。）へと伝導する際の熱抵抗を模式的に示す一部切欠き断面図である。

図６（ａ）および図６（ｂ）において、Ｃは、モジュールプレート１０および発熱領域２５の平面視における中心を示す。ｒａは、発熱領域２５の半径であり、ｒｂは、モジュールプレート１０の半径である。ｔは、モジュールプレート１０の厚みである。本実施形態においては、発熱領域２５は、封止層２４が形成されている領域と一致している。従って、発熱領域２５の中心は封止層２４の中心であり、発熱領域２５の半径は、封止層２４の半径と等しい。

ここで、例えば、ｔ、ｒａ、ｒｂの単位は、〔ｍｍ〕である。
なお、図６（ａ），（ｂ）においては、わかりやすく示すために、モジュールプレート１０の半径ｒｂに対して厚みｔを誇張して図示している。実際は、半径ｒｂに対して厚みｔは、非常に小さい。例えば、上記モジュールプレート１０の説明の項で述べたように、モジュールプレート１０の直径は、例えば、２６０ｍｍであるので、半径ｒｂは、例えば、１３０ｍｍである。それに対して、モジュールプレート１０の厚みｔは、例えば、２ｍｍ〜数ｍｍ程度である。

そこで、発熱領域２５からの熱がモジュールプレート１０内を伝導する様子を、次のように単純化して考えることができる。発熱領域２５からモジュールプレート１０の前面１１に伝わった熱が、モジュールプレート１０の外縁１３に到達するのに要する時間をＴｉ１とする。発熱領域２５からモジュールプレート１０の前面１１に伝わった熱が、モジュールプレート１０の後面１５に到達するのに要する時間をＴｉ２とする。この場合、Ｔｉ２＜＜Ｔｉ１である。即ち、発熱領域２５からの熱のモジュールプレート１０の主面に沿った方向における伝達を考える場合、発熱領域２５からの熱は、略瞬時に後面１５に達するとみなすことができる。従って、ある瞬間に発熱領域２５において発生した熱は、非常に短い時間経過後には、図６（ａ）において斜線で示された半径ｒａ、厚みｔの円柱形の範囲に伝わっていると考えることができる。そして、その円柱の柱軸を中心として平面視で同心円状に広がるように熱が伝わる。言い換えると、発熱領域２５からの熱は、円柱の径が拡大するようにモジュールプレート１０中を外縁１３へと向けて伝わる。

一般に、熱伝導率λの物質の長さＬにおける熱抵抗Ｒは、次の式１で表される。

なお、上記式１において、Ａは、物質の伝熱路における断面積である。
上記のように円柱の径が拡大するように伝わる伝熱態様においては、熱が伝わる断面積Ａは、円柱の周面の面積である。従って、発熱領域２５とケース４０との間（発熱領域２５の外縁２５ａからモジュールプレート１０の外縁１３までの間）のモジュールプレート１０の熱抵抗Ｒｔｈは、上記伝熱の円柱の径をｒとして、次の式２で表すことができる。

ここで、ｒａは、発熱領域２５の半径（中心Ｃから発熱領域２５の外縁２５ａまでの距離）である。ｒｂは、モジュールプレート１０の半径（中心Ｃからモジュールプレート１０の外縁１３までの距離）である。ｔは、モジュールプレート１０の厚みである。λｔｈは、モジュールプレート１０の熱伝導率である。
（３−２．照明装置１００におけるモジュールプレートの放熱設計）
次に、照明装置におけるモジュールプレートの放熱設計について、より具体的に考察する。ここでは、モジュールプレートの厚みの設計についてのみ考察を行い、モジュールプレートの材質、ケースの材質および厚みについては、予め決まっているものとして、ここでの考察の対象としない。

図６（ｃ）は、ＬＥＤ２３−周囲空気間の模式熱回路図である。図６（ｃ）において、Ｔｊは、ジャンクション温度（ＬＥＤ２３のチップの温度）である。なお、Ｔｊ，Ｔｃ，Ｔａの単位は、例えば、〔℃〕である。
照明装置の設計においては、想定される使用用途、適用される照明器具、使用環境等により、照明装置のサイズが予め決まっている場合が多い。すると、ケース‐空気間熱抵抗Ｒｃａが予め決まる。そして、所望の輝度を得るために用いられる発光モジュールが選定されると、発光モジュールの発熱量およびＬＥＤ２３の許容上限温度Ｔｍａｘ（℃）が決まる。

ここで、ある部材の温度Ｔｅ１の部分と温度Ｔｅ２の部分との間を流れる熱流量Ｗは、Ｔｅ２＜Ｔｅ１とすると、一般に、次の式３で表される。

ここで、ケース‐空気間熱抵抗Ｒｃａに上記式３を当てはめると、Ｒｃａは、次の式４で表される。

なお、式４において、Ｗは、発熱領域２５からモジュールプレート１０に入力（伝導）される熱流量である。ここでは、発光モジュール２１で発生した熱（発熱領域２５からの熱）は、全てモジュールプレート１０へと入力され、モジュールプレート１０内を伝わって、ケース４０へと伝導されると仮定し、発光モジュール２１の発熱量と熱流量Ｗとは等しいとする。ただし、これに限られず、発光モジュール２１において発生する熱量から、輻射により発光モジュール２１から放熱される熱量や周囲の空気へ伝搬する熱量を差し引いて、実際にモジュールプレート１０へと伝わる熱量をＷとしてもよい。さらには、モジュールプレート１０内を伝わる間にモジュールプレート１０から輻射により放熱される熱量や周囲の空気へ伝搬する熱量を考慮してもよい。

そして、式４より、Ｔｃは、式５で表される。

また、同様に、ＬＥＤ‐ケース間熱抵抗Ｒｊｃは、式３より、次の式６で表される。

式６においても、Ｗは、上記式４の場合と同様である。
ここで、式６で表されるＲｊｃは、式２で表されるＲｔｈと同じものである。従って、式２，式５，式６より、モジュールプレートの厚みｔは、次の式７で表される。

ジャンクション温度ＴｊがＬＥＤ２３の許容温度の範囲内であって、基台の厚みｔが最小となるのは、ＴｊがＬＥＤ２３の許容上限温度Ｔｍａｘのときである。即ち、モジュールプレート１０の放熱性と軽量化が最適化されたときの厚みｔは、Ｔｊ＝Ｔｍａｘの時の値である。
従って、放熱性と軽量化が最適化されたときのモジュールプレート１０の厚みｔは、次の式８で表される。

上記式８において、Ｒｃａは予め決まっており、想定される周囲空気温度Ｔａを決定（例えば２５℃）して代入し、ＴｊにＴｍａｘを代入することにより、ｔの値が求められる。モジュールプレート１０の厚みを、式８により求められたｔの値とすることにより、必要な放熱性を確保しつつモジュールプレート１０の過剰な大型化を防止することができる。

これにより、モジュールプレートの厚みを異ならせた複数種類の照明装置のプロトタイプを作製するコストおよび手間を低減し、放熱性と軽量化が最適化された厚みを有するモジュールプレートを備えた照明装置を得ることができる。
以上説明したように、式８に基づいて最適なモジュールプレート１０の厚みを算出することにより、放熱性と軽量化が最適化されたモジュールプレートを有する照明装置を容易に実現することができる。

なお、許容上限温度Ｔｍａｘは、ある程度の幅（例えば、５〜１０℃）を持たせた許容上限温度域としてもよい。
また、ここで、ｔの値としては、例えば、単位〔ｍｍ〕において、小数点以下２桁までを有効数字とし、小数点以下３桁を四捨五入した値を採用する。
≪実施形態２≫
実施形態１においては、発光部が１つの発光モジュールから成る場合について説明した。しかし、式２で表されるモジュールプレートの熱抵抗は、発光モジュールが１つの場合に限られない。以下、実施形態２に係る照明装置２００について、図面を参照して詳細に説明する。なお、説明の重複を避けるため、実施形態１と同じ構成要素については、同符号を付して、その説明を省略する。以下、各変形例においても、同様である。

図７は、実施形態２に係る照明装置２００の外観を模式的に示す斜視図であって、照明装置２００を斜め前方から見た場合の斜視図である。図８は、照明装置２００の内部構成を模式的に示す断面図である。図９は、カバー３０を取り除いて発光部２２０が露出した状態の照明装置２００を斜め前方から見た斜視図である。
図７および図９に示すように、照明装置２００において、発光部２２０は、複数の発光モジュール２２１から構成されている。本実施形態においては、発光部２２０は、６個の発光モジュール２２１から構成されている。発光モジュール２２１は、モジュールプレート２１０上に、平面視で円環状に互いに略等間隔を開けて配置されている。モジュールプレート２１０は、配線用貫通孔２１４が中央に１つ設けられている点および、発光モジュール２２１を固定するためのネジ孔の数および位置が異なる点において、実施形態１に係るモジュールプレート１０と異なっている。それ以外においては、モジュールプレート２１０の基本的な構成はモジュールプレート１０と同じであって、熱伝導性の材料から成る円板状の部材である。発光モジュール２２１の円環の中心は、モジュールプレート２１０の中心と略一致している。モジュールプレート２１０の外縁２１３は、ケース４０の内周面４６に接している。

また、各発光モジュール２２１は、サイズが小さいという点以外は、基本的な構成は実施形態１に係る発光モジュール２１と同じであり、例えば、２８．０×３７．５〔ｍｍ〕の基板上に円形に配置された複数のＬＥＤ２３が、直径２１〔ｍｍ〕の封止層により覆われて成る。
図８に示すように、電力供給用の配線９０ａ，９０ｂからリード線９１ａ，９１ｂが分岐され、分岐されたリード線９１ａ，９１ｂの先端が速結端子２６ａ，２６ｂにそれぞれ接続されている。リード線９１ａ，９１ｂは、耐熱性の電線であって、例えば架橋ポリエチレン絶縁電線、シリコーンゴム絶縁電線、フッ素樹脂絶縁電線、シリコーンガラス耐熱電線などが用いられる。

このような電力供給用の配線９０ａ，９０ｂおよびリード線９１ａ，９１ｂを介して、電源ユニットから各発光モジュール２２１に直流電力が供給される。
照明装置２００においては、複数の発光モジュール２２１が円環状に配置されている。従って、各発光モジュール２２１における封止層２２４のモジュールプレート２１０の中心Ｃから最も遠い点同士および最も近い点同士を結んでできる円環状の領域を、疑似的に、一つの大きな円環状の発熱領域２２５と捉えることができる。この場合、発熱領域２２５からモジュールプレート２１０およびケース４０を介して周囲空気へと伝わる熱伝導の態様は、発熱領域２２５の外半径（中心Ｃから外縁２２５ａまでの距離）をｒａ、モジュールプレート２１０の半径をｒｂとして、実施形態１の場合と同様に考えることができる。即ち、照明装置２００の構成においても、式８に基づいて放熱性と軽量化が最適化されたモジュールプレート２１０の厚みｔを算出することができる。

なお、実施形態２に係る照明装置２００においては、発光部２２０が６つの発光モジュール２２１を備える構成について説明したが、これに限られない。発光モジュール２２１の数については、３つ以上で平面視円環状に配置されていれば、何れの個数であってもよい。
また、個々の発光モジュール２２１におけるＬＥＤ２３の配置領域および封止層２２４の形状については、平面視円形に限定されない。例えば、ＬＥＤ２３が直線的な列状に配置され、平面視矩形状の封止層２２４によりＬＥＤ２３が封止されていてもよい。

さらには、円環状に配置された発光モジュールの環の内側に、さらに別の発光モジュールが配置されていてもよい。
≪変形例≫
以上、本発明の構成を、実施形態１および２に基づいて説明したが、本発明は上記各実施形態に限られない。例えば、以下のような変形例を実施することができる。

（変形例１）
実施形態１に係る照明装置１００および、実施形態２に係る照明装置２００においては、発熱領域の中心は、モジュールプレートの中心Ｃと一致していた。しかし、これに限られない。
図１０（ａ）は、変形例１に係る照明装置３００において、発熱領域２５で発生した熱がモジュールプレート１０およびケース４０を介して周囲空気へと熱伝導する際の熱抵抗を模式的に示す一部切欠き断面図である。照明装置３００においては、発熱領域２５の中心Ｃ１（この場合は、封止層２４の中心と同じである。）は、モジュールプレート１０の中心Ｃ２からずれた位置に配置されている。

図１０（ｂ）は、照明装置３００におけるＬＥＤ−周囲空気間の模式熱回路図である。図１０（ａ），（ｂ）において、ｒａ１は、モジュールプレート１０の中心Ｃ２と、中心Ｃ２から近い方の発熱領域２５の外縁２５ａ１との間の距離であり、ｒａ２は、中心Ｃ２と、中心Ｃ２から遠い方の発熱領域２５の外縁２５ａ２との間の距離である。Ｒｊｃ１は、外縁２５ａ１とモジュールプレート１０の外縁１３との間のＬＥＤ‐ケース間熱抵抗である。Ｒｊｃ２は、外縁２５ａ２と外縁１３との間のＬＥＤ‐ケース間熱抵抗である。

本変形例の場合のように、発光部がモジュールプレートの中心からずれた位置に配置されている場合においても、ＬＥＤ‐ケース間熱抵抗は、Ｒｊｃ１とＲｊｃ２とが並列に接続された構成と捉えることができる。そして、上記各実施形態と同様にして、放熱性と軽量化が最適化されたモジュールプレートの厚みを算出することができる。
（変形例２）
変形例１に係る照明装置３００においては、モジュールプレート１０の中心Ｃ２は、発熱領域２５の範囲内に位置していた。図１０（ｃ）に示す、変形例２に係る照明装置４００のように、モジュールプレート１０の中心Ｃ２が、発熱領域２５の範囲外に位置する場合においても、変形例１の場合と同様に考えることができる。そして、上記各実施形態と同様にして、放熱性と軽量化が最適化されたモジュールプレートの厚みを算出することができる。

（変形例３）
実施形態１，実施形態２，変形例１，変形例２においては、ケース４０の内部は、配線９０ａ，９０ｂが通されている以外は空洞であったが、これに限られない。例えば、図１１に示す変形例３に係る照明装置５００のように、放熱部８０がモジュールプレート２１０の後面２１５に取着されて、放熱部８０がケース４０内部に収容されていてもよい。

なお、図１１は、変形例３に係る照明装置５００の断面図である。照明装置５００においては、実施形態２に係る照明装置２００の構成に放熱部８０が追加された構成となっている。また、放熱部８０は、板状の放熱フィン８１を複数有している。
本変形例においては、実施形態２に係る照明装置２００が放熱部８０を備えた構成を例に説明したが、これに限られない。実施形態１に係る照明装置１００および、変形例１，２に係る照明装置３００，４００の構成に、放熱部が適用されてもよい。

また、放熱部８０の構成も、図１１に示す構成に限られない。例えば、放熱フィンがまっすぐな板状でなく、捩れた形状であってもよいし、放熱フィンが互いに平行に配置され値なくてもよい。さらには、放熱部が、例えばブロック状のヒートシンクとして形成され、放熱フィンを備えない構成としてもよい。
（変形例４）
実施形態２に係る照明装置２００の発光部２２０は、複数の発光モジュール２２１が円環状に配置されて構成されていた。しかし、これに限られない。例えば、発光部が、円環状または円板状の基板と、当該基板上に円環状に配置された複数のＬＥＤ２３と、これら複数のＬＥＤ２３を封止するひと続きの円環状の封止体とから構成されていてもよい。

（変形例５）
上記各実施形態および各変形例においては、発光部は基板上に形成されていたが、これに限られない。モジュールプレート上に発光部が直接形成されていてもよい。その場合は、モジュールプレート上に絶縁被膜を形成し、その上にＬＥＤ２３を実装してもよい。
≪補足≫
以上、本発明の一態様としての実施形態および変形例について説明した。本発明の一態様の構成およびその効果は、以下のようにまとめることができる。

本発明の一態様に係る照明装置は、発熱源である半導体発光素子２３が配された平面視で円形または円環状の発熱領域２５を有する発光部２０と、発熱領域２５が熱接続された状態で、一方の主面１１上に発光部２０が配された板状の基台１０と、少なくとも一端４１ｂが開口した筒状であって、基台１０の外縁１３が一端４１ｂ側の内周面４６に接した状態で開口４１ａ内に基台１０を保持するケース４０と、を備える照明装置１００であって、基台１０の平均厚みｔは、以下の式８を満たすことを特徴とする。

[但し、Ｗは発熱領域２５から基台１０へと入力される熱流量、ｒａは平面視における基台１０の中心Ｃから発熱領域２５の外縁２５ａまでの距離、ｒｂは平面視における基台１０の中心Ｃから基台１０の外縁１３までの距離、λｔｈは基台１０の熱伝導率、Ｔｍａｘは半導体発光素子２３の許容上限温度、Ｔａは照明装置１００の周囲空気の温度、Ｒｃａはケース４０の内周面４６から照明装置１００の周囲空気までの熱抵抗である。]
上記構成によると、照明装置の設計において、放熱性と軽量化の両方の観点から最適化された基台の厚みを上記式に基づいて算出することができる。従って、従来のように複数種類のプロトタイプを作製して半導体発光素子の温度測定試験を行う手間を省略することができる。これにより、開発コスト抑制および開発期間の短縮を図ることができる。

本発明の別の態様に係る照明装置においては、前記発熱領域と前記ケースとの間の前記基台の熱抵抗Ｒｔｈは、以下の式２により規定されていることを特徴としてもよい。

これにより、発熱領域の形状に即して基台の熱抵抗をより適切に算出することができる。
本発明の別の態様に係る照明装置においては、前記発光部は、基板と、前記基板上に実装された複数の半導体発光素子と、前記複数の半導体発光素子を覆う封止層とを有する発光モジュールから成り、平面視において、前記封止層は、前記発熱領域に内接していてもよい。

これにより、封止層により発熱領域を規定することができる。
本発明の別の態様に係る照明装置においては、平面視において、前記封止層が存在する領域は、前記発熱領域と一致していてもよい。
これにより、封止層により発熱領域をより正確に規定することができる。
本発明の別の態様に係る照明装置においては、平面視において、前記封止層の中心が前記基台の中心と一致するように配置された前記発光モジュールを１個備えてもよい。

これにより、発熱領域の中心が基台の中心と一致するため、式２に基づいて基台の厚みを算出しやすい。
本発明の別の態様に係る照明装置においては、平面視において、前記封止層は、円形であってもよい。
これにより、式２に基づいて基台の厚みを算出することができる。

本発明の別の態様に係る照明装置においては、平面視において、前記封止層は、円環状であってもよい。
これによっても、式２に基づいて基台の厚みを算出することができる。
本発明の別の態様に係る照明装置においては、前記発光部は、複数の前記発光モジュールから成り、前記複数の発光モジュールは、平面視で互いに間隔を開けて円環状に配置されていてもよい。

これによっても、式２に基づいて基台の厚みを算出することができる。
本発明の別の態様に係る照明装置においては、前記基台は、円板状であってもよい。
これにより、式２に基づいて基台の厚みを算出しやすい。
本発明の別の態様に係る照明装置においては、前記基台の他方の主面上に、放熱部を備え、平面視において、前記放熱部は前記発熱領域と重なっていてもよい。

これにより、照明装置の放熱性をより高めることができる。
本発明の一態様に係る基台の設計方法は、発熱源である半導体発光素子２３が配された平面視で円形または円環状の発熱領域２５を有する発光部２０と、発熱領域２５が熱接続された状態で、一方の主面１１上に発光部２０が配された板状の基台１０と、少なくとも一端４１ｂが開口した筒状であって、基台１０の外縁１３が一端４１ｂ側の内周面４６に接した状態で開口４１ａ内に基台１０を保持するケース４０と、を備える照明装置１００における基台１０の設計方法であって、基台１０の平均厚みｔは、以下の式８を満たすように設計されていることを特徴とする。

[但し、Ｗは発熱領域２５から基台１０へと入力される熱流量、ｒａは平面視における基台１０の中心Ｃから発熱領域２５の外縁２５ａまでの距離、ｒｂは平面視における基台１０の中心Ｃから基台１０の外縁１３までの距離、λｔｈは基台１０の熱伝導率、Ｔｍａｘは半導体発光素子２３の許容上限温度、Ｔａは照明装置１００の周囲空気の温度、Ｒｃａはケース４０の内周面４６から照明装置１００の周囲空気までの熱抵抗である。]
これにより、放熱性と軽量化が最適化された厚みを有する基台を、上記式８に基づいて効率的に設計することができる。

本発明の別の態様に係る基台の設計方法においては、前記発熱領域と前記ケースとの間の前記基台の熱抵抗Ｒｔｈは、以下の式２により規定されていることを特徴としてもよい。

これにより、発熱領域の形状に即して基台の熱抵抗をより適切に算出することができる。
以上で説明した実施形態は、いずれも本発明の好ましい一具体例を示すものである。実施形態で示される数値、形状、材料、構成要素、構成要素の配置位置及び接続形態、工程、工程の順序などは一例であり、本発明を限定する主旨ではない。また、実施形態における構成要素のうち、本発明の最上位概念を示す独立請求項に記載されていない構成要素については、より好ましい形態を構成する任意の構成要素として説明される。

また、発明の理解の容易のため、上記各実施形態で挙げた各図の構成要素の縮尺は実際のものと異なる場合がある。また、本発明は上記各実施形態の記載によって限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において適宜変更可能である。例えば、各実施形態に係る照明装置や各変形例に係る照明装置の部分的な構成を、適宜組み合わせてなる照明装置であっても良い。

尚、上記示した各図は模式図であり、必ずしも厳密に図示したものではない。

１０，２１０ モジュールプレート（基台）
１１ 前面（一方の主面）
１３ 外縁
１５ 後面（他方の主面）
２０，２２０ 発光部
２１，２２１ 発光モジュール
２２ 基板
２３ ＬＥＤ（半導体発光素子）
２４，２２４ 封止層
２５，２２５ 発熱領域
２５ａ，２２５ａ 外縁
４０ ケース
４１ａ 開口
４１ｂ 前端部（一端）
４６ 内周面
８０ 放熱部
１００ 照明装置
Ｃ 中心
Ｃ１ 発熱領域（封止層）の中心
Ｃ２ モジュールプレート（基台）の中心

Claims (2)

1. 発熱源である半導体発光素子が配された平面視で円形または円環状の発熱領域を有する発光部と、
   前記発熱領域が熱接続された状態で、一方の主面上に前記発光部が配された板状の基台と、
   少なくとも一端が開口した筒状であって、前記基台の外縁が前記一端側の内周面に接した状態で前記開口内に前記基台を保持するケースと、
   を備える照明装置における前記基台の設計方法であって、
   前記基台の平均厚みｔは、式８を満たすように設計されている
   

   

   ことを特徴とする基台の設計方法。
   [但し、Ｗは前記発熱領域から前記基台へと入力される熱流量、ｒａは平面視における前記基台の中心から前記発熱領域の外縁までの距離、ｒｂは平面視における前記基台の中心から前記基台の外縁までの距離、λｔｈは前記基台の熱伝導率、Ｔｍａｘは前記半導体発光素子の許容上限温度、Ｔａは前記照明装置の周囲空気の温度、Ｒｃａは前記ケースの内周面から前記照明装置の周囲空気までの熱抵抗である。]
2. 前記発熱領域と前記ケースとの間の前記基台の熱抵抗Ｒｔｈは、式２により規定されている
   

   

   ことを特徴とする請求項１に記載の基台の設計方法。

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