JP6700161B2 - 液体封止ｌｅｄ - Google Patents

Description

本発明は、液体封止ＬＥＤに関するものである。

従来のＬＥＤとして、ＬＥＤチップを熱から保護するために、該ＬＥＤチップを液体で封止した構造のものがあり、例えば、特許文献１及び２には、基板上に設置されたＬＥＤチップをキャップ（筐体）で被覆し、該キャップ（筐体）内に液体を封入し、該ＬＥＤチップから射出される光を該キャップに設けられたレンズを介して該キャップ外に透過させる構造のものが開示されている。

ところが、前記液体封止ＬＥＤにおいて、ＬＥＤチップを被覆するキャップ内に液体を封入する場合には、液体の膨張を許容するため、キャップ内にある程度液体で満たされない空間を設ける必要があるが、この場合、前記特許文献１の図１に示されたＬＥＤのように、ＬＥＤチップとレンズとの間に液体で満たされない空間が介在すると、ＬＥＤチップから射出された光がレンズに入射する際に、屈折率の差によって前記光の一部がレンズ表面で反射されて大きく減衰し、これにより、光の取り出し量が減少して液体封止ＬＥＤから射出される放射束が低下してしまうという問題点があり、一方、前記特許文献１の図７及び図８や前記特許文献２の図１１に示されたＬＥＤのように、キャップにおけるＬＥＤチップの光軸上に位置する部分を該ＬＥＤチップ側に窪ませ、その先端にレンズを取り付け、窪みの周囲に液体で満たされないリング状の空間を設ける構造にすると、ＬＥＤチップとレンズとの間に液体で満たされない空間が介在しなくなるが、ＬＥＤチップから射出された光がレンズを透過した後、キャップの窪みの内面で反射する際に、前記光の一部が前記窪みの内面によって大きく減衰し、前記特許文献１の図１に示されたＬＥＤと同様に放射束が低下するという問題が生じ、これを解消するには、前記窪みの内面に反射率を向上させるための加工が必要となって製造コストが増加するという問題点があった。

特許第３３５１１０３号公報 特許第３７００４８２号公報

そこで、本発明は、液体封止ＬＥＤにおいて、製造コストを抑えながら、光の取り出し量を増やし、液体封止ＬＥＤから射出される放射束を増加させることを主たる課題とするものである。

すなわち、本発明に係る液体封止ＬＥＤは、ＬＥＤチップと、前記ＬＥＤチップを設置する収容空間を有する封止ケースと、前記封止ケースの収容空間に封入される液体とを備え、前記封止ケースが、前記ＬＥＤチップの光軸上に設けられ、該ＬＥＤチップ側へ突出する透光部を有し、前記ＬＥＤチップの光軸を鉛直方向上向きに向けた状態において、前記透光部の先端側が前記収容空間の液体内又は液体表面に接するように配置されると共に、基端側の少なくとも一部が前記収容空間の液体で満たされていない空間に配置されることを特徴とするものである。

このようなものであれば、ＬＥＤチップから射出された光が収容空間内の液体を介して透光部に入射するため、液体で満たされない空間（例えば、気相や真空相）を介して透光部に入射する場合に比べて透光部表面での屈折率差による反射が緩和される。これにより、透光部に入射する際の光の減衰が低減される。さらに、透光部に入射し、透光部の基端側表面に達した光は、該基端側が液体で満たされていない空間に配置されていることから基端側表面で内向きに全反射して該透光部から出射するため、ＬＥＤチップから射出される光の取り出し量を増加させることができる。

また、前記液体封止ＬＥＤにおいて、前記封止ケースが、所定方向に開口する有底穴が形成された本体と、該本体の開口を閉じる蓋体とを備え、前記蓋体に前記透光部が設けられているものであってもよい。

また、前記蓋体が、透光性を有する材料からなっているものであってもよい。

また、前記液体封止ＬＥＤにおいて、前記収容空間の前記ＬＥＤチップの光軸と直交する断面形状が矩形状に形成されたものでもよい。

前記液体封止ＬＥＤにおいては、前記収容空間に封入された液体の膨張に柔軟に対応できるように、前記収容空間の液体で満たされていない空間が大きい方が好ましい。そして、前記収容空間の前記ＬＥＤチップの光軸と直交する断面形状を矩形状に形成したものと、該断面形状を円形状に形成したものとを、前者と後者で透光部の形状・大きさを一致させると共に、前者の最短幅と後者の幅を一致させて比較すると、前者の方が後者よりも断面積が広くなり、これに伴って液体で満たされない空間が増すため、前記収容空間における液体で満たされない空間の割合を増加させることができるようになり、これにより、液体の膨張を許容し易くなる。（図５参照）

このように構成した本発明に係る液体封止ＬＥＤによれば、光の取り出し量が増加し、液体封止ＬＥＤから射出される光を高出力化することができる。

本実施形態に係る液体封止ＬＥＤを示す断面図である。 図１に示した液体封止ＬＥＤの封止ケースを示す分解斜視図である。 図１に示した液体封止ＬＥＤの姿勢を変更した場合を示す断面図である。 図１に示した液体封止ＬＥＤの姿勢を変更した場合を示す断面図である。 図１に示した液体封止ＬＥＤの作用効果を説明する比較図である。 その他の実施形態に係る液体封止ＬＥＤを示す断面図である。 図６に示した液体封止ＬＥＤの封止ケースを示す分解斜視図である。 その他の実施形態に係る蓋体を示す平面図である。

以下に、本発明に係る液体封止ＬＥＤを図面を参照して説明する。

本実施形態に係る液体封止ＬＥＤ１００は、ＬＥＤチップを液体によって封止したＬＥＤであり、特に、動作時に高い発熱を生じる高出力ＬＥＤチップ（射出される光の種類は何ら限定されない）を使用する場合に好適な構造になっている。

図１に示すように、本実施形態に係る液体封止ＬＥＤ１００は、所定方向に開口する有底穴が形成された本体１０及び該本体１０の開口を塞ぐことによって収容空間２０を形成する蓋体３０からなる封止ケース４０と、前記封止ケース４０の収容空間２０に固定されるＬＥＤチップ５０と、前記封止ケース４０の収容空間２０に封入される液体６０及び気体７０とから構成されている。

図２に示すように、前記本体１０は、ブロック状に形成されており、所定方向（図１及び図２において、上方向）を向く一つの面が開口している。前記本体１０の底には、その中央から収容空間２０側に向かって突出した円錐台状の台座１１が形成されており、該台座１１には、前記ＬＥＤチップ５０が光の射出方向（図２中、矢印方向Ｘにて示す）を収容空間２０側（上方向）に向けた状態で設置されている。なお、前記本体１０は、セラミックス材料によって形成されており、前記ＬＥＤチップ５０は、ボンディングワイヤー５１によって本体１０に接続されている。そして、図示しない電源に接続された本体１０からボンディングワイヤー５１を介してＬＥＤチップ５０に電力が供給されるようになっている。

前記蓋体３０は、透光性を有する材料によって形成されており、前記本体１０の開口縁に固定される薄板状の枠部３１と、該枠部３１の中央部分に一体に設けられる透光部３２とから構成されている。前記透光部３２は、封止ケース４０の外方へ向く外面側が前記枠部３１の外面と面一になっており、封止ケース４０の内方へ向く内面側がＬＥＤチップ５０側に向かって円錐台状に突出しており、その突出した先端面が凸レンズ状に形成されている。なお、前記透光部３２は、前記ＬＥＤチップ５０から射出される光によって劣化しない、或いは、劣化し難い材料によって形成する必要があり、例えば、ガラス等によって形成すればよい。

そして、前記収容空間２０には液体６０及び気体７０が封入される。なお、前記封止ケース４０内では、前記本体１０の底から迫り出す台座１１と前記蓋体３０から隆起する透光部３２とが隙間を開けて対向している。これにより、前記ＬＥＤチップ５０の光軸Ｙ（図１中、一点鎖線にて示す）上に前記透光部３２が設けられた状態となり、該ＬＥＤチップ５０からの光は該透光部３２を介して封止ケース４０外へ射出される。

前記収容空間２０は、前記台座１１を囲むように形成されるリング状の第１空間２１と、前記透光部３２の突出部分を囲むように形成されるリング状の第２空間２２とが、前記台座１１と前記透光部３２との間の隙間を介して繋がった形状になっている。なお、前記収容空間２０に封入される液体６０は、電気的に絶縁性を有し、前記ＬＥＤチップ５０自体を形成する材料や該ＬＥＤチップ５０から射出される光に反応しない、或いは、反応し難いものである必要があり、具体的には、フロリナート（商品名）等のフッ素系炭化水素などを使用することが好ましい。

次に、本実態形態に係る液体封止ＬＥＤ１００の姿勢を変更した場合における収容空間２０内の液体６０及び気体７０とＬＥＤチップ５０及び透光部３２との位置関係を説明する。

図１に示すように、前記液体封止ＬＥＤ１００を前記ＬＥＤチップ５０の光軸Ｙが鉛直方向上向きとなる姿勢にすると、前記収容空間２０における第２空間２２の上側に気体７０が溜まって気相（液体で満たされていない空間）が形成されると共に、前記収容空間２０における残りの空間が液体６０によって満たされて液相（液体で満たされた空間）が形成される。一方、図３（ａ）に示すように、前記液体封止ＬＥＤ１００を前記ＬＥＤチップ５０の光軸Ｙが鉛直方向下向きとなる姿勢にすると、前記収容空間２０における第１空間２１の上側に気体７０が溜まって気相が形成されると共に、前記収容空間２０における残りの空間が液体６０によって満たされて液相が形成される。なお、図３（ｂ）に示すように、前記液体封止ＬＥＤ１００を前記ＬＥＤチップ５０の光軸Ｙが水平となる姿勢にすると、前記収容空間２０における前記封止ケース４０の一側面（図３（ｂ）において、上側に位置する面）に沿った第１空間２１及び第２空間２２を繋いだ空間に気体７０が溜まって気相が形成されると共に、前記収容空間２０における残りの空間が液体６０によって満たされて液相が形成される。即ち、前記液体封止ＬＥＤ１００は、前記いずれの姿勢になったとしても、前記ＬＥＤチップ５０と前記透光部３２との間の隙間に液体６０が満たされた状態となる。

そして、前記液体封止ＬＥＤ１００を前記各姿勢に移行させる途中においても、前記収容空間２０における前記ＬＥＤチップ５０と前記透光部３２との間に気体７０が介在するような事態が生じ難い。詳述すると、例えば、前記液体封止ＬＥＤ１００を図１に示す姿勢から図３（ｂ）に示す姿勢に移行させる場合には、図４（ａ）〜（ｃ）に示すように、気体７０が透光部３２を避けるように第２空間２２を回り込んで移動し、同様に、前記液体封止ＬＥＤ１００を図３（ａ）に示す姿勢から図３（ｂ）に示す姿勢に移行させる場合には、気体１０が台座１１を避けるように第１空間２１を回り込んで移動するため、前記液体封止ＬＥＤ１００をよほど激しく動かさない限り、前記収容空間２０における前記ＬＥＤチップ５０と前記透光部３２との間に気体７０が入り込むことはない。これにより、液体封止ＬＥＤ１００が傾くような事態が生じたとしても、透光部３２とＬＥＤチップ５０との間に気相が介在し難く、液体封止ＬＥＤ１００から射出される光の光量低下を防止することができる。

また、図１に示すように、前記液体封止ＬＥＤ１００を前記ＬＥＤチップ５０の光軸Ｙが鉛直方向上向きとなる姿勢で設置すると、前記収容空間２０における第２空間２２の上側に気体７０が溜まって気相が形成されると共に、前記収容空間２０における残りの空間が液体６０によって満たされて液相が形成される。これにより、前記透光部３２の先端側（図１において、下側）が液体６０内に位置し、前記透光部３２の先端側を除く少なくとも基端側（図１において、上側）が気相に囲まれて気相空間に配置された状態となる。これにより、前記ＬＥＤチップ５０から射出されて前記透光部３２に入射し、透光部３２の基端側周面に達した光は該基端側周面で内向きに全反射し、さらに、前記透光部３２の周面が、前記ＬＥＤチップ５０の光の射出方向に向かって広がるテーパー状に形成されていることにより、該基端側周面で内向きに全反射した光が透光部３２から効率的に出射する。したがって、前記透光部３２に入射した光の減衰が低減され、液体封止ＬＥＤ１００から射出される光の取り出し量が増加する。

なお、本実施形態に係る液体封止ＬＥＤ１００のように、前記収容空間２０のＬＥＤチップ５０の光軸Ｙに直交する断面形状を正方形状に形成したもの（図５（ａ）参照）と、該断面形状を円形状に形成したもの（図５（ｂ）参照）とを、同一形状の透光部３２を設けると共に前者の最短幅と後者の直径を一致させて比較すると、前者の方が後者よりも前記収容空間２０の断面積が広くなり、これに伴って気体７０を封入できる空間が増すため、前記収容空間２０に対する気体７０の封入量を増加させることができる。これにより、前記収容空間２０に封入された液体６０の膨張に柔軟に対応できるようになる。なお、本実施形態においては、前記断面を正方形状に形成しているが、これに限定されず、長方形状であってもよい。

＜その他の実施形態＞
その他の実施形態に係る液体封止ＬＥＤ２００は、前記液体封止ＬＥＤ１００における本体１０の形状及び蓋体３０の構成を変更したものである。具体的には、図６及び図７に示すように、本体１０が円筒状に形成され、蓋体３０が本体１０の開口縁に固定される円環状の枠体３４と該枠体３４の開口を塞ぐ円板状の透光体３３とから構成されており、前記枠体３４の収容空間２０側に位置する面に前記透光体３３が固定されている。よって、前記透光体３３全体が、前記実施形態におけるＬＥＤチップ５０側に突出した透光部３２となり、前記枠体３４が、前記実施形態における枠部３１となる。なお、透光体３３の周面は、ＬＥＤチップ５０の光軸Ｙ（図６中、一点鎖線にて示す）と平行になっている。

また、その他の実施形態に係る蓋体３０としては、液体封止ＬＥＤ２００の蓋体３０の構成を変更したものが挙げられる。具体的には、図８に示すように、蓋体３０は、本体１０の開口縁に固定される枠体３１と、該枠体３１の円形状の開口を塞ぐ八角形状の透光体３３とから構成されており、前記枠体３１のＬＥＤチップ５０側の面に前記透光体３３を固定したものである。このように透光体３３の形状を八角形状にすることにより、該透光体３３を円形状にした場合に比べて加工性が向上する。なお、このような透光体３３の形状としては、八角形状に限定されず、多角形状であればよい。但し、角数が少なくとなると、それに伴って開口の大きさが小さくなるため、六角形以上に形成することが好ましい。

なお、前記各実施形態では、前記封止ケース４０として、ＬＥＤチップ５０が設けられる本体１０側に収容空間２０となる窪みを形成しているが、透光部３２が設けられる蓋体３０側に収容空間２０となる窪みを形成してもよく、本体１０側及び蓋体３０側のいずれにも収容空間となる窪みを形成し、本体１０及び蓋体３０を合致させることにより、一つの収容空間２０が形成されるようにしてもよい。

また、前記各実施形態では、液体封止ＬＥＤ１００，２００をＬＥＤチップ５０の光軸Ｙが鉛直方向上向きとなる姿勢に設置した状態で、透光部３２の先端側が収容空間２０の液体６０内に配置された状態になっているが、液体封止ＬＥＤ２００のように透光部３２の先端側を平坦状に形成し、その先端面が収容空間２０の液体６０表面に接するように配置された状態となっていてもよい。

また、前記各実施形態では、ＬＥＤチップ５０の光軸Ｙと透光部３２又は透光体３３の中心軸が平行となるように蓋体３０が本体１０に設けられていたが、例えば、透光部３２又は透光体３３の中心軸をＬＥＤチップ５０の光軸Ｙに対して傾斜させて設けるなど、枠部３１又は枠体３４の内面（収容空間２０側の面）を傾斜させても良い。このような場合には、ＬＥＤチップ５０の光軸Ｙが鉛直方向上向きとなる姿勢に設置すると、透光部３２又は透光体３３の基端側の一部が液体６０で満たされていない空間に配置されることがある。具体的には、枠部３１又は枠体３４の内面における下方側は液体６０で満たされるものの、上方側は液体６０で満たされていない状態となり、したがって、枠部３１又は枠体３４の下方側の内面及び透光部３２又は透光体３３の下方側が液体６０内に配置される一方、枠部３１又は枠体３４の上方側の内面及び透光部３２又は透光体３３の上方側が液体６０で満たされていない空間に配置され、これにより、透光部３２又は透光体３３の基端側の一部（上方側）が液体６０で満たされていない空間に配置される。

また、前記各実施形態から分かるように、前記透光部３２の周面は、ＬＥＤチップ５０の光軸Ｙと平行になっているか、或いは、ＬＥＤチップ５０からの光の射出方向に向かって広がる形状に形成されていればよい。

また、前記各実施形態においては、封止ケース４０の収容空間２０内に液体６０及び気体７０を封入し、収容空間２０内の液体６０で満たされていない空間を気相としているが、収容空間２０内の液体６０で満たされていない空間を真空相としてもよい。

１００ 液体封止ＬＥＤ
１０ 本体
２０ 収容空間
３０ 蓋体
３１ 枠部
３２ 透光部
４０ 封止ケース
５０ ＬＥＤチップ
６０ 液体
７０ 気体

Claims (4)

1. ＬＥＤチップと、
   前記ＬＥＤチップを設置する収容空間を有する封止ケースと、
   前記封止ケースの収容空間に封入される液体とを備え、
   前記封止ケースが、前記ＬＥＤチップの光軸上に設けられ、該ＬＥＤチップ側へ突出する透光部を有し、
   前記ＬＥＤチップの光軸を鉛直方向上向きに向けた状態において、前記透光部の先端側が前記収容空間の液体内又は液体表面に接するように配置されると共に、基端側の少なくとも一部が前記収容空間の液体で満たされていない空間に配置されることを特徴とする液体封止ＬＥＤ。
2. 前記封止ケースが、所定方向に開口する有底穴が形成された本体と、該本体の開口を閉じる蓋体とを備え、前記蓋体に前記透光部が設けられている請求項１記載の液体封止ＬＥＤ。
3. 前記蓋体が、透光性を有する材料からなっている請求項２記載の液体封止ＬＥＤ。
4. 前記収容空間の前記ＬＥＤチップの光軸と直交する断面形状が矩形状である請求項１乃至３のいずれかに記載の液体封止ＬＥＤ。