JP6551009B2 - 光源装置 - Google Patents

Description

本発明は、例えばＬＥＤ素子を利用した電球型の光源装置に関する。

現在、ハロゲン電球の代替手段として、省エネルギー化や長寿命化といった観点から、ＬＥＤ素子を利用した電球型の光源装置（ＬＥＤ電球）が利用されている。

例えば特許文献１には、図８および図９に示すように、全体形状が長細い棒状の複数の発光モジュール６５が連接されなる発光ユニット６１によって発光部が構成された電球型の光源装置６０が開示されている。発光モジュール６５は、リードフレーム型のパッケージ６７に複数の発光素子６６が搭載されて構成されている。この光源装置６０における発光ユニット６１は、一の発光モジュールにおける発光素子６６が実装された一方のリードフレーム６８の外端部と、隣接する他の発光モジュールにおける他方のリードフレーム６９の外端部とが接続され、隣接する発光モジュールがＶ字形状をなすように構成されている。そして、発光ユニット６１は一対の電源用リード６３，６３に対して直列接続されている。

また、特許文献２には、複数の棒状の発光モジュールの各々が、電気引出線及び金属ワイヤによって芯柱上に固定されてなる電球型の光源装置が開示されている。この光源装置においては、粘性係数の低い高熱伝導率の気体が光透過性の封体内に充填されており、発光モジュールの動作時に発生する熱が、当該気体の対流及び伝導によって、封体から放出されることが記載されている。

特許第５４６３４４７号公報 特開２０１５−５３２６９号公報

而して、特許文献１および特許文献２に記載の光源装置においては、複数の発光モジュールの各々は、封体の内部において浮いた状態で、金属ワイヤや給電リードによって支持された構造とされている。このため、発光モジュールに生じた熱を効率よく放熱することができない（放熱性が悪い）、という問題がある。
例えば、特許文献１に記載の光源装置においては、図７において白抜きの矢印で示すように、発光素子６６において発生した熱は、当該発光素子６６が実装された一方のリードフレーム６８に伝熱される。しかしながら、発光素子６６が実装された一方のリードフレーム６８が電源用リード６３に接続された発光モジュールにおいては、当該電源用リード６３を介して外部に放熱（排熱）することができるものの、他の発光モジュールにおいて生じた熱は効率よく放熱（排熱）することができない。このため、各発光モジュールにおいて熱が蓄積されやすい、という構造上の間題があった。そして、発光素子（ＬＥＤ）の発光特性（発光効率や発光波長）は温度に影響を受けやすいことから、上記構成の光源装置においては、発光素子自体を高出力化させることが困難であった。
以上のように、このような光源装置においては、発光モジュールの蓄熱による発光素子の光出力効率に対する悪影響が生ずることを回避するために、より放熱性の高い構造が求められている。

本発明は、以上のような事情に基づいてなされたものであって、発光モジュールの動作時において生じた熱を効率よく排熱することができ、高出力化を図ることのできる光源装置を提供することを目的とする。

本発明の光源装置は、互いに分離された第一のリードフレームおよび第二のリードフレームにおける当該第一のリードフレームに複数の発光素子が固定されてなる複数の発光モジュールによって発光部が構成されており、当該発光モジュールの動作時において生じた熱を放熱させる放熱部を備えた光源装置であって、
前記発光部は、一の発光モジュールにおける第二のリードフレームに、少なくとも一の他の発光モジュールにおける第二のリードフレームが電気的に接続されて構成されており、前記複数の発光モジュールの各々における第一のリードフレームが伝熱部材を介して放熱部に熱的に接続されており、
前記一の発光モジュールにおける第一のリードフレームの極性が正極とされ、前記他の発光モジュールにおける第一のリードフレームの極性が負極とされていることを特徴とする。

本発明の光源装置においては、前記発光部は、２つの発光モジュールが第二のリードフレーム同士が接合されて電気的に接続された複数のエレメントを有しており、各々のエレメントを構成する発光モジュールにおける第一のリードフレームが伝熱部材を介して放熱部に熱的に接続された構成とされていることが好ましい。

このような構成のものにおいては、前記放熱部は、前記複数の発光エレメントを支持する放熱基板を備えており、
前記エレメントの各々は、当該エレメントを構成する発光モジュールにおける第一のリードフレームの外端部が前記放熱基板に設けられた伝熱部材に接合されて支持された構成とされていることが好ましい。
さらに、前記放熱基板に垂直な方向に延びる中心軸を中心とした回転体形状であって、前記発光モジュールからの光に対して透光性を有する封体を備えており、
前記複数のエレメントは、前記放熱基板上において、当該封体の中心軸に対する同心円上の位置に配置された構成とされていることが好ましい。

本発明の光源装置によれば、複数の発光モジュールの各々において発生した熱を、発光素子が実装された第一のリードフレームに熱的に接続された伝熱部材を介して放熱部に伝熱することができる。このため、各発光モジュールの動作時において生じた熱を効率よく放熱することができ、発光モジュールに熱が蓄積されることを回避することができる。従って、各発光モジュールにおける発光素子に対する入力を高くすることができて高出力化を図ることができる。
また、エレメントを構成する発光モジュールにおける第一のリードフレームの外端部が放熱部を構成する放熱基板に設けられた伝熱部材に直接的に接合されて、エレメントが支持された構成とされていることにより、上記効果を一層確実に得ることができる。

本発明の光源装置に係るＬＥＤ電球の一例における構成を示す部分断面図である。 図１における破線で囲まれた円領域を示す拡大図である。 図１に示すＬＥＤ電球における発光部の構成を概略的に示す平面図である。 発光モジュールの構成を概略的に示す長手方向の断面図である。 発光ユニットを構成するエレメントの構成を概略的に示す部分断面図である。 本発明の光源装置に係るＬＥＤ電球の他の例における構成を示す部分断面図である。 図６に示すＬＥＤ電球における発光ユニットの構成を概略的に示す部分断面図である。 従来の光源装置の一例における構成を一部を省略した状態で示す正面図である。 図８に示す光源装置における発光部の一構成例を、平面に展開した状態で示す図である。

以下、本発明の実施の形態について詳細に説明する。
図１は、本発明の光源装置に係るＬＥＤ電球の一例における構成を示す部分断面図である。図２は、図１における破線で囲まれた円領域を示す拡大図である。図３は、図１に示すＬＥＤ電球における発光部の構成を概略的に示す平面図である。
このＬＥＤ電球１０は、既存の一般照明用電球の代替手段となるべく、例えばハロゲン電球などと略同じ外観に形成されている。ＬＥＤ電球１０の具体的な構成について説明すると、このＬＥＤ電球１０は、一端面側において複数の発光モジュール４５の各々を支持するソケット部２０と、複数の発光モジュール４５を覆うようソケット部２０に装着された封体１５とを備えている。

封体１５は、後述する放熱基板３０に垂直な方向（図１において上下方向）に延びる中心軸Ｃを中心とした回転体形状であって、発光モジュール４５からの光に対して透光性を有する材料により構成されている。このような材料としては、例えば、透明なガラスや不透明のスリガラス、透明または乳白色（スリガラス状）のプラスチック材料などを用いることができる。この例における封体１５は、略球状に成型された透光性カバー部材（グローブ）により構成されている。

ソケット部２０は、内部に電装部配置空間Ｓを有する放熱部材２１と、放熱部材２１の他端部に固定された電源支持体２７と、放熱部材２１の内部において、電源支持体２７によって支持されて設けられた電装部（図示せず）とを備えている。電装部は、例えば商用電源を発光素子駆動用の電源に変換する制御用基板（図示せず）を備えている。

放熱部材２１は、封体１５の内部に位置される小径筒状部２２と、この小径筒状部２２の他端に連続して軸方向外方に延びる大径筒状部２５とを有する。小径筒状部２２には、一端側開口端面より軸方向内方側の位置に、小径筒状部２２の一端側開口を塞ぐ端壁２３が一体に設けられている。そして、小径筒状部２２における端壁２３の外面より軸方向に突出する突出部分２２ａと、端壁２３とによって囲まれた空間によって、放熱基板保持部２４が形成されている。
放熱部材２１を構成する材料としては、例えばアルミニウム、銅などの金属材料などを例示することができる。

電源支持体２７は、例えば樹脂材料により構成されており、電装部を支持する機能を有すると共に、電源支持体２７の他端部に設けられた口金（給電端子）２８と放熱部材２１とを電気的に絶縁させる機能を有する。

放熱部材２１における放熱基板保持部２４には、ヒートシンクを構成する放熱基板３０が受容されて保持されている。
放熱基板３０の一面には、電気絶縁層３１が設けられており、この電気絶縁層３１の一面に、例えば銅よりなる給電用のパターン回路が形成されている。３３はレジストである。この例における給電用のパターン回路は、図３に示すように、互いに電気的に絶縁された２つの円環状のパターン回路構成部分３２ａ，３２ｂが、それぞれ、封体の中心軸Ｃを中心とした同心円状に形成されて構成されている。
封体の中心軸Ｃに対して外側のパターン回路構成部分３２ｂには、給電線３５がその一端部が例えばハンダ５５によって接合されて電気的に接続されている。給電線３５の他端部は、放熱部材２１における端壁２３に形成された貫通孔を介して放熱部材２１の内部の電装部配置空間Ｓに導出されて制御用基板に接続されている。また、図示はしていないが、封体の中心軸Ｃに対して内側のパターン回路構成部分３２ａには、給電線の一端部が例えばハンダによって接合されて電気的に接続されており、当該給電線の他端部は、放熱部材２１の内部の電装部配置空間Ｓに導出されて制御用基板に接続されている。
放熱基板３０を構成する材料としては、例えばアルミニウム、セラミックスなどを用いることができる。
放熱基板３０の厚みは、例えば１ｍｍである。

上述したように、封体１５の内部には、複数の発光モジュール４５によって構成された発光部４０がソケット部２０の一端面側において支持されて配置されている。

発光モジュール４５は、図４に示すように、一面に開口するキャビティ（凹部）４６ａを有する一方向に細長い棒状の樹脂パッケージ４６を備えている。キャビティ４６ａは、平坦な底面を有し、一方向（長手方向）の両側が外方に向かうに従って開口方向に広がるよう傾斜した形状を有する。
樹脂パッケージ４６を構成する樹脂材料としては、光透過性を有するものであることが好ましい。このような樹脂材料としては、例えばナイロンにガラス成分を含有させた耐熱性の高い透明な樹脂材料などを挙げることができる。

樹脂パッケージ４６におけるキャビティ４６ａ内には、互いに分離された２つの板状の第一のリードフレーム４７ａおよび第二のリードフレーム４７ｂが、外端部が樹脂パッケージ４６の両端の各々から外方に延出されるよう、設けられている。
第一のリードフレーム４７ａおよび第二のリードフレーム４７ｂを構成する材料としては、例えば鉄系あるいは銅系の金属材料を用いることができる。

キャビティ４６ａ内において第一のリードフレーム４７ａの一面上には、複数の発光素子５０が一方向に並んで実装されている。
この例における発光素子５０は、例えば、正負の電極がいずれも素子の表面に位置されたチップ状のＬＥＤ素子により構成されており、裏面が第一のリードフレーム４７ａの一面に例えば接着材料によって固定されている。発光素子５０としては、例えば４４５ｎｍ〜４６０ｎｍにピーク波長を有する光を発するＬＥＤ素子を用いることができる。

各々の発光素子５０は、ボンディングワイヤ４９によって電気的に接続されている。また、両端に位置される発光素子は、それぞれ、ボンディングワイヤ４９によって、第一のリードフレーム４７ａまたは第二のリードフレーム４７ｂに電気的に接続されている。そして、このような構成により、一のキャビティ４６ａ内に収容された第一のリードフレーム４７ａと第二のリードフレーム４７ｂとは、ボンディングワイヤ４９及び発光素子５０を介して電気的に接続された状態とされる。

そして、キャビティ４６ａ内には、各々の発光素子５０、第一のリードフレーム４７ａおよび第二のリードフレーム４７ｂ並びにボンディングワイヤ４９を封止する封止剤４８が充填されている。
封止剤４８としては、例えば、光透過性のシリコン樹脂やエポキシ樹脂などを用いることができる。封止剤４８には、発光素子５０から発せられる光を波長変換して出力する蛍光材料（図示せず）が含有されていてもよい。

この例における発光部４０は、互いに同一の構成を有する６つのエレメント４１１を備えた発光ユニット４１によって構成されている。
各エレメント４１１は、２つの発光モジュール（以下、便宜上、一のエレメントを構成する２つの発光モジュールをそれぞれ符号「４５ａ」，「４５ｂ」を付して示す。）における第二のリードフレーム４７ｂの外端部同士が例えば溶接によって接合されてＶ字形状をなすよう構成されている。２つの発光モジュール４５ａ，４５ｂは、一方の発光モジュールにおける第一のリードフレーム４７ａの極性が正極とされ、他方の発光モジュールにおける第一のリードフレーム４７ａの極性が負極とされていることの他は、基本的な構成は同一のものである。

各エレメント４１１は、例えば放熱基板３０の一面側における封体の中心軸Ｃに対する同心円上の位置において、各発光モジュール４５ａ，４５ｂにおける一方のリードフレーム４７ａがソケット部２０側に位置される姿勢で、放熱基板３０によって支持されて配置されている。すなわち、図５に示すように、各エレメント４１１の一方の発光モジュール４５ａにおける一方のリードフレーム４７ａの他端部が、放熱基板３０の一面に設けられた内側のパターン回路構成部分３２ａに例えばハンダ５５によって接合されている。また、他方の発光モジュール４５ｂにおける一方のリードフレーム４７ａの他端部が、放熱基板３０の一面に設けられた外側のパターン回路構成部分３２ｂに例えばハンダ５５によって接合されている。これにより、複数の発光モジュール４５の各々が伝熱部材としても機能するパターン回路を介して放熱部に熱的に接続された状態で、各エレメント４１１が放熱基板３０によって適正な姿勢で支持される。
ここに、「放熱部」とは、熱伝導性の高い材料で形成された構成部材によって構成されるものである。具体的には、この例における放熱部には、放熱基板３０および放熱部材２１が含まれる。

上記の発光ジュール４５の一寸法例を示すと、第一のリードフレーム４７ａおよび第二の４７ｂを含む全長が１６ｍｍ、図４における上下方向の寸法が１．２ｍｍである。樹脂パッケージ４６におけるキャビティ４６ａの寸法は、開口部分が１０．７ｍｍ×０．７ｍｍ、深さが０．６ｍｍである。また、発光素子５０は、出力が２０ｍＷ、寸法が０．２４ｍｍ×０．４８ｍｍ、厚みが０．０９ｍｍである。発光素子５０の配置間隔は２ｍｍであり、発光素子５０の数は３個である。リードフレーム４７ａ，４７ｂの幅寸法は０．５ｍｍであり、厚みは０．２ｍｍである。

而して、上記のＬＥＤ電球１０においては、６つのエレメント４１１の各々に係る発光素子５０が実装された第一のリードフレーム４７ａの他端部が伝熱部材としても機能するパターン回路を介して放熱部材２１によって保持された放熱基板３０に熱的に接続されている。このため、図５において白抜きの矢印で示すように、発光モジュール４５ａ，４５ｂの動作時において発生した熱は、一方のリードフレーム４７ａを介してパターン回路に伝熱される。そして、パターン回路は、放熱基板３０を介して放熱部材２１に熱的に接続されていることから、パターン回路に伝熱された熱は、放熱部材２１の外周面から外部に放熱される。
従って、上記のＬＥＤ電球１０によれば、各発光モジュール４５の動作時において生じた熱を効率よく放熱することができ、発光モジュール４５に熱が蓄積されることを回避することができる。これにより、各発光モジュール４５における発光素子５０に対する入力を大きくすることができ、ＬＥＤ電球１０自体の高出力化を図ることができる。
具体的には、上記のＬＥＤ電球１０によれば、伝熱部材を有さないことの他は上記のＬＥＤ電球と同一の構成を有するＬＥＤ電球に比して、発光素子５０に対する入力を２００％以上大きくすることができる。

さらにまた、上記のＬＥＤ電球１０によれば、次のような効果が得られる。
上記のＬＥＤ電球１０においては、上述したように、各々２つの発光モジュール４５ａ，４５ｂがＶ字形状をなすよう構成された６つのエレメント４１１が封体の中心軸Ｃを中心とした同心円上の位置に配置されている。このため、上記のＬＥＤ電球１０によれば、一般的なハロゲン電球における金属製のフィラメントと同様の発光形態をとることができる。また、各発光モジュール４５ａ，４５ｂにおける樹脂パッケージ４６が光透過性の樹脂によって構成されていることにより、リードフレーム４７ａ，４７ｂの表裏面方向のみならず、リードフレーム４７ａ，４７ｂの延長方向にも光を取り出すことができる。従って、上記のＬＥＤ電球１０によれば、光を広範囲に放射することができる。

図６は、本発明の光源装置に係るＬＥＤ電球の他の例における構成を示す部分断面図である。図７は、図６に示すＬＥＤ電球における発光ユニットの構成を概略的に示す部分断面図である。なお、図６および図７においては、便宜上、２つの発光モジュールのみが示されている。このＬＥＤ電球１０は、発光部４０を構成する発光ユニット４１の構成以外は、図１乃至図４に示すＬＥＤ電球と同一の構成を有する。従って、図１乃至図４に示すＬＥＤ電球と同一の構成部材については、同一の符号を付して説明を省略することとする。
このＬＥＤ電球１０においては、放熱部材２１における端壁２３の中央部に、封体１５の中心軸Ｃに沿って内方に延びる筒状の支柱保持部２３ａが形成されている。そして、複数の発光モジュール４５を支持する支柱１８が、その端部が支柱保持部２３ａに受容された状態で、封体１５の中心軸Ｃに沿って延びるよう設けられている。ここに、支柱１８は、透明な材料、例えばガラス材料などにより構成されている。

この例における発光部４０は、互いに同一の構成を有する複数の発光モジュール４５を備えた発光ユニット４１によって構成されている。
各発光モジュール４５は、一方のリードフレーム４７ａがソケット部２０側に位置される姿勢で、ロッド状またはワイヤ状の伝熱部材４３および金属ワイヤ４４によって支持されている。すなわち、図７に示すように、発光モジュール４５における一方のリードフレーム４７ａの他端部が、伝熱部材４３を介して放熱基板３０の一面に設けられたパターン回路構成部分３２に電気的に接続されている。伝熱部材４３の一端部は、例えば溶接によって、一方のリードフレーム４７ａに接合されており、伝熱部材４３の他端部は、例えばハンダ５５によって、パターン回路構成部分３２に接合されている。また、発光モジュール４５における他方のリードフレーム４７ｂの一端部には、金属ワイヤ４４の端部が接合されており、当該金属ワイヤ４４によって支柱１８に固定されている。これにより、各発光モジュール４５における他方のリードフレーム４７ｂが金属ワイヤ４４を介して互いに電気的に接続されている。

このような構成のＬＥＤ電球においても、上記効果を得ることができる。すなわち、複数の発光モジュールの各々における発光素子５０が実装された第一のリードフレーム４７ａの他端部が伝熱部材４３およびパターン回路を介して放熱部材２１によって保持された放熱基板３０に熱的に接続されている。このため、図７において白抜きの矢印で示すように、発光モジュール４５の動作時において発生した熱は、一方のリードフレーム４７ａを介してパターン回路に伝熱される。そして、パターン回路は、放熱基板３０を介して放熱部材２１に熱的に接続されていることから、パターン回路に伝熱された熱は、放熱部材２１の外周面から外部に放熱される。
従って、上記のＬＥＤ電球１０によれば、各発光モジュール４５の動作時において生じた熱を効率よく放熱することができ、発光モジュール４５に熱が蓄積されることを回避することができる。これにより、各発光モジュール４５における発光素子５０に対する入力を大きくすることができ、ＬＥＤ電球１０自体の高出力化を図ることができる。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上記の実施形態に限定されるものではなく、種々の変更を加えることができる。
例えば発光ユニットを構成する発光モジュールの数、エレメントの配置パターン、各発光モジュールにおける発光素子の数およびその他の具体的構成は、目的に応じて適宜に変更することができる。また、発光素子は、チップ状のものに限定されない。
さらにまた、発光素子から発せられる光を波長変換して出力する場合においては、発光モジュールにおける封止剤に蛍光物質が含有された構成とされていても、封体の内面に蛍光体膜が形成された構成とされていても、いずれでもよい。さらにまた、封体の形状は例えば砲弾状とされていてもよい。

１０ ＬＥＤ電球
１５ 封体
１８ 支柱
２０ ソケット部
２１ 放熱部材
２２ 小径筒状部
２２ａ 突出部分
２３ 端壁
２３ａ 支柱保持部
２４ 放熱基板保持部
２５ 大径筒状部
２７ 電源支持体
２８ 口金
３０ 放熱基板
３１ 電気絶縁層
３２，３２ａ，３２ｂ パターン回路構成部分
３３ レジスト
３５ 給電線
４０ 発光部
４１ 発光ユニット
４１１ エレメント
４３ 伝熱部材
４４ 金属ワイヤ
４５，４５ａ，４５ｂ 発光モジュール
４６ 樹脂パッケージ
４６ａ キャビティ（凹部）
４７ａ 第一のリードフレーム
４７ｂ 第二のリードフレーム
４８ 封止剤
４９ ボンディングワイヤ
５０ 発光素子
５５ ハンダ
６０ 光源装置
６１ 発光ユニット
６３ 電源用リード
６５ 発光モジュール
６６ 発光素子
６７ パッケージ
６８ 一方のリードフレーム
６９ 他方のリードフレーム
Ｃ 封体の中心軸
Ｓ 電装部配置空間

Claims (4)

1. 互いに分離された第一のリードフレームおよび第二のリードフレームにおける当該第一のリードフレームに複数の発光素子が固定されてなる複数の発光モジュールによって発光部が構成されており、当該発光モジュールの動作時において生じた熱を放熱させる放熱部を備えた光源装置であって、
   前記発光部は、一の発光モジュールにおける第二のリードフレームに、少なくとも一の他の発光モジュールにおける第二のリードフレームが電気的に接続されて構成されており、前記複数の発光モジュールの各々における第一のリードフレームが伝熱部材を介して放熱部に熱的に接続されており、
   前記一の発光モジュールにおける第一のリードフレームの極性が正極とされ、前記他の発光モジュールにおける第一のリードフレームの極性が負極とされていることを特徴とする光源装置。
2. 前記発光部は、２つの発光モジュールが第二のリードフレーム同士が接合されて電気的に接続された複数のエレメントを有しており、各々のエレメントを構成する発光モジュールにおける第一のリードフレームが伝熱部材を介して放熱部に熱的に接続されていることを特徴とする請求項１に記載の光源装置。
3. 前記放熱部は、前記複数のエレメントを支持する放熱基板を備えており、
   前記エレメントの各々は、当該エレメントを構成する発光モジュールにおける第一のリードフレームの外端部が前記放熱基板に設けられた伝熱部材に接合されて支持されていることを特徴とする請求項２に記載の光源装置。
4. 前記放熱基板に垂直な方向に延びる中心軸を中心とした回転体形状であって、前記発光モジュールからの光に対して透光性を有する封体を備えており、
   前記複数のエレメントは、前記放熱基板上において、当該封体の中心軸に対する同心円上の位置に配置されていることを特徴とする請求項３に記載の光源装置。

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