JPWO2011093534A1 - Ｌｅｄ電球 - Google Patents

Abstract

ＬＥＤの放熱効率を格段に向上させてその高寿命化を達成することができ、加えて軽量化および照射領域の拡大化も達成することができるＬＥＤ電球を提供する。ＬＥＤモジュール５の複数のＬＥＤパッケージ７が点灯して発熱すると、その発熱は、各ＬＥＤパッケージ７の電極層に面接触するヒートパイプユニット６の受熱板部６Ａから複数本のヒートパイプ６Ｂの放熱端部に瞬時に移動し、その放熱端部に対面する筒状ホルダ２の放熱窓２Ｃから外部に効率よく放熱されるため、各ＬＥＤパッケージ７の高寿命化が達成される。また、球面板状のモジュール基板５Ａの凸曲面上に配列された複数のＬＥＤパッケージ７の点灯光は、球状に形成されたグローブ３を通して広範囲に照射されるため、その照射領域が拡大する。さらに、筒状ホルダ２が必要限度の長さの合成樹脂製とされているため、重量が大幅に軽減する。

Description

本発明は、ＬＥＤ（発光ダイオード）を光源とするＬＥＤ電球に関するものである。

近年、地球温暖化対策の一環として省エネルギー化が進められており、照明機器の分野では、白熱電球に比べて消費電力が大幅に小さい電球型蛍光灯が普及しつつある。さらに、この電球型蛍光灯と比べても消費電力が格段に小さく、しかも寿命が圧倒的に長いＬＥＤ電球も商品化されるに至っている。
このＬＥＤ電球は、発光源となる複数のＬＥＤ（発光ダイオード）を有するＬＥＤモジュールと、ＬＥＤモジュールの各ＬＥＤを点灯させるための電源ユニットと、電源ユニットに給電するように既存の電球ソケットにねじ込まれる口金と、口金の開口端部に一端部が装着された筒状ホルダと、筒状ホルダの他端部に開口端部が装着された透光性のグローブ（またはカバー）とを備えており、電源ユニットおよびＬＥＤモジュールは、通常、筒状ホルダの内側に配置されている（例えば特許文献１または２参照）。

特開２００８−９１１４０号公報 特開２００９−２６７０８２号公報

ところで、ＬＥＤ電球は、点灯時に各ＬＥＤ（発光ダイオード）が発熱するため、その放熱対策が不十分であると、各ＬＥＤ（発光ダイオード）が高温となってその寿命が大幅に低下する。この点、特許文献１に記載のＬＥＤ電球では、基板（７）に実装された各発光ダイオード（２）の発熱を基板（７）に重なる伝熱性金属製の基台（１１）を介して筒状ホルダとしての伝熱性金属製のカバー（４）へと自然放熱するようにしているため、各発光ダイオード（２）の放熱効率が十分であるとは言い難い。
一方、特許文献２に記載のＬＥＤ電球では、各ＬＥＤ素子（３６）の発熱を筒状ホルダとしての外側ボディ（１２）および内側ボディ（５８）の間に形成された放熱路を介して外部に放熱するように構成すると共に、外側ボディ（１２）の表面からも熱放射できるように、外側ボディ（１２）を熱伝導性の良好な金属で構成し、その外表面には放熱用の複数のリブ（１６）を形成している。
しかしながら、特許文献２に記載のＬＥＤ電球では、複数のリブ（１６）が形成された金属製の外側ボディ（１２）と、その内側に嵌合する内側ボディ（５８）とで筒状ホルダが構成されているため、重量が嵩むという問題がある。
加えて、特許文献１に記載のＬＥＤ電球では、放熱機能を持たせるために筒状のカバー（４）が長大となっており、その分、各発光ダイオード（２）の点灯光を透過させるグローブ（３）が小型の半球状となっているため、各発光ダイオード（２）の点灯光の照射領域が狭いという問題がある。同様に、特許文献２に記載のＬＥＤ電球では、放熱機能を持たせるために筒状の外側ボディ（１２）が長大となっており、その分、各ＬＥＤ素子（３６）の点灯光を透過させるカバー（４４）が小型の半球状となっているため、各ＬＥＤ素子（３６）の点灯光の照射領域が狭いという問題がある。
本発明は、このような従来技術の問題点に対応してなされたものであり、ＬＥＤの放熱効率を格段に向上させてその高寿命化を達成することができると共に、軽量化および照射領域の拡大化にも寄与ができるＬＥＤ電球を提供することを課題とする。

このような課題を解決するため、本発明に係るＬＥＤ電球は、電球ソケットにねじ込まれる口金と、口金の開口端部に一端部が装着された筒状ホルダと、筒状ホルダの他端部に開口端部が装着されたグローブと、グローブ側に点灯光を照射する複数のＬＥＤを有するＬＥＤモジュールと、ＬＥＤモジュールに直流出力側が接続され、交流入力側が前記口金に接続された電源ユニットとを備えたＬＥＤ電球であって、各ＬＥＤの発熱を放熱するためのヒートパイプユニットがＬＥＤモジュールに接合して筒状ホルダ内に組み込まれており、筒状ホルダには、ヒートパイプユニットの放熱端部に対面する放熱窓が開口されていることを特徴とする。
本発明に係るＬＥＤ電球では、既存の電球ソケットに口金がねじ込まれて装着された状態において、その点灯スイッチがオンされることにより、ＬＥＤモジュールの複数のＬＥＤが点灯し、その点灯光がグローブを通して照射される。
ここで、複数のＬＥＤが点灯して発熱すると、その発熱は、ＬＥＤモジュールに接合するヒートパイプユニットの放熱端部に瞬時に移動し、この放熱端部に対面する筒状ホルダの放熱窓から外部に効率よく放熱される。その結果、各ＬＥＤの高温化が抑制されて各ＬＥＤの寿命が延びる。
本発明に係るＬＥＤ電球においては、電源ユニットを口金の内側に配置し、筒状ホルダの長さをＬＥＤモジュールおよびヒートパイプユニットを収容する必要限度の長さとすることにより、グローブを半球状を超えた球状に形成することができる。この場合、グローブを通して照射される各ＬＥＤの点灯光の照射領域が拡大する。また、長さの短い筒状ホルダを従来例の金属製より軽量な合成樹脂製とすることにより、重量が大幅に低減する。
また、本発明のＬＥＤ電球において、ＬＥＤモジュールは、各ＬＥＤを嵌め込んで装着する複数の装着穴が形成されたモジュール基板を有する構成とし、ヒートパイプユニットは、モジュール基板の各装着穴に嵌め込まれた各ＬＥＤに面接触してモジュール基板に接合される受熱板部を有する構成とすることができる。この場合、各ＬＥＤの点灯による発熱は、各ＬＥＤに面接触するヒートパイプユニットの受熱板部に効率よく確実に伝熱されるため、各ＬＥＤの放熱効率が確実に向上する。
さらに、本発明のＬＥＤ電球において、モジュール基板は、グローブ側に膨出する曲面板状に形成されているのが好ましい。この場合、各ＬＥＤがグローブ側に膨出する凸曲面上に配列されるため、グローブを通して照射される各ＬＥＤの点灯光の照射領域が一層拡大する。
また、本発明のＬＥＤ電球において、ヒートパイプユニットは、受熱板部に連続して突出する複数本のヒートパイプを有する構成とすることができる。この場合、筒状ホルダの放熱窓に対面する各ヒートパイプの放熱端部から均一に放熱される。
ここで、複数本のヒートパイプの放熱端部の位置に高低差が設けられていると、その放熱端部の間で熱対流が発生し、この熱対流が放熱端部からの放熱を促進するので好ましい。

本発明に係るＬＥＤ電球では、複数のＬＥＤが点灯して発熱すると、その発熱は、ＬＥＤモジュールに接合するヒートパイプユニットの放熱端部に瞬時に移動し、この放熱端部に対面する筒状ホルダの放熱窓から外部に効率よく放熱される。その結果、各ＬＥＤの高温化が抑制されて各ＬＥＤの寿命が延びる。すなわち、本発明によれば、各ＬＥＤの放熱効率を格段に向上させることができ、その高寿命化を達成することができる。
また、本発明によれば、従来例のように筒状ホルダ自体に放熱機能を持たせる必要がないため、筒状ホルダは、金属製より軽量な合成樹脂製とすることができ、その長さは、電源ユニットを口金の内側に配置することで、ＬＥＤモジュールおよびヒートパイプユニットを収容する必要限度の長さに短縮することができる。その結果、従来例に較べて大幅な軽量化を達成することが可能となる。
さらに、本発明によれば、筒状ホルダの短縮化に応じてグローブも半球状を超えた球状に形成することができるため、グローブを通して照射される各ＬＥＤの点灯光の照射領域を拡大化することが可能となる。特に、ＬＥＤモジュールの各ＬＥＤをグローブ側に膨出する凸曲面上に配列することにより、各ＬＥＤの点灯光の照射領域を一層拡大することが可能となる。

本発明の一実施形態に係るＬＥＤ電球の外観を示す正面図である。 図１に示したＬＥＤ電球の内部構造を示す縦断面図である。 図２に示したＬＥＤモジュールおよびヒートパイプユニットの拡大正面図である。 図３のＩＶ矢視図である。 図４に示したＬＥＤパッケージの構造を示す縦断面図である。 図３のＶＩ矢視図である。 一実施形態におけるヒートパイプユニットの変形例を示す図６に対応した図である。 一実施形態における筒状ホルダおよびＬＥＤモジュールの変形例を示す図２に対応した縦断面図である。 一実施形態における筒状ホルダおよびヒートパイプユニットの変形例を示す図２に対応した縦断面図である。

以下、添付の図面を参照して本発明に係るＬＥＤ電球の実施の形態を説明する。図１に示すように、一実施形態のＬＥＤ電球は、図示しない既存の電球ソケットにねじ込まれる口金１と、口金１の開口端部に一端部が装着された筒状ホルダ２と、筒状ホルダ２の他端部に開口端部が装着された透光性のグローブ３とを備えている。そして、図２に示すように、口金１の内側には電源ユニット４が収容され、筒状ホルダ２の内側にはＬＥＤモジュール５およびヒートパイプユニット６が配設されている。
口金１は、シェル部１Ａおよびアイレット部１Ｂを有するエジソンタイプの例えばＥ２６形のものであり、そのシェル部１Ａおよびアイレット部１Ｂには電源ユニット４の交流入力側の２本のリード線（図示省略）が半田付け接続されている。そして、この口金１の開口端部の内周に筒状ホルダ２の一端部がシリコーン樹脂やエポキシ樹脂などの接着剤により接着固定されている。
筒状ホルダ２は、耐熱性を有する例えばＡＢＳ樹脂などの熱可塑性樹脂により一体成型されている。この筒状ホルダ２の一端部には、口金１の開口端部の内周に嵌合して接着固定される小径の嵌合固定部２Ａが形成され、他端部には、グローブ３の開口端部の外周に嵌合して接着固定される大径の嵌合固定部２Ｂが形成されている。また、筒状ホルダ２の他端部の内周には、ＬＥＤモジュール５を支持するための複数の支持片２Ｃが突出して形成されている。そして、筒状ホルダ２の緩いテーパ状をなす外周には、複数のスリット状の放熱窓２Ｄが周方向に配列して開口されている。
グローブ３は、ＬＥＤモジュール５の点灯光を透過させるカバー部材であり、例えばポリカーボネート（ＰＣ）やアクリル樹脂などの透明樹脂に適宜の光拡散剤を混入して成形されており、いわゆるすりガラス状の外観を呈する。このグローブ３の開口端部には、筒状ホルダ２の嵌合固定部２Ｂの内周に嵌合される嵌合段部３Ａが形成されており、この嵌合段部３Ａがシリコーン樹脂やエポキシ樹脂などの接着剤により筒状ホルダ２の嵌合固定部２Ｂの内周に接着固定されている。
電源ユニット４には、口金１のシェル部１Ａおよびアイレット部１Ｂから図示しないリード線を介して供給される交流を直流に変換するダイオードブリッジ回路などの整流回路、整流された直流の電圧を所定電圧に制御する電圧制御回路、過電流を遮断するヒューズやサージ電流を遮断するサーミスタなどを有する保護回路などが組み込まれている。そして、この電源ユニット４の直流出力側の２本のリード線（図示省略）が後述するＬＥＤモジュール５の回路パターン５Ｅに半田付け接続されている。
図３および図４に示すように、ＬＥＤモジュール５は、発光源となる複数のＬＥＤを実装するためのモジュール基板５Ａを有する。このモジュール基板５Ａは、耐熱性があって熱伝導性の高いポリカーボネート（ＰＣ）などの合成樹脂により、外面がグローブ３側に３次元的に膨出する曲面板状に一体成型されている。すなわち、モジュール基板５Ａは、断面が円弧状の球面板状に形成されたＬＥＤ実装部５Ｂの外周に断面が平板状のリング状支持部５Ｃが連続した形状、たとえて言うならば、いわゆる麦わら帽子状の形状に形成されている。そして、このＬＥＤ実装部５Ｂには、ＬＥＤを実装するための複数の装着穴５Ｄが例えば同心円状に配列して形成されている。
モジュール基板５Ａのリング状支持部５Ｃは、図２に示すように、筒状ホルダ２の他端部の内周に形成された複数の支持片２Ｃにねじ止め固定されている。一方、モジュール基板５ＡのＬＥＤ実装部５Ｂの各装着穴５Ｄには、それぞれＬＥＤパッケージ７がその投光方向をグローブ３側に向けた半突出状態で嵌め込まれている（図５参照）。そして、各ＬＥＤパッケージ７に給電するための回路パターン５Ｅがリング状支持部５ＣとＬＥＤ実装部５とに跨って形成されている。この回路パターン５Ｅは、例えば、銅（Ｃｕ），ニッケル（Ｎｉ），銀（Ａｇ）のメッキ層を順次積層した３層構造の導電メッキ層で構成されている。
ＬＥＤパッケージ７は、図５に示すように、ポリカーボネート（ＰＣ）やセラミックスからなる薄型ボックス状のキャビティ基体７Ａに形成されたリフレクタ凹部７Ｂの底部にＬＥＤチップ７Ｃが配置され、このＬＥＤチップ７Ｃがリフレクタ凹部７Ｂに充填された封入樹脂７Ｄにより封入された構造を有する。
ＬＥＤパッケージ７のリフレクタ凹部７Ｂの底部には、モジュール基板５ＡのＬＥＤ実装部５Ｂに形成された回路パターン５ＥにＬＥＤチップ７Ｃを接続するための電極層７Ｅが露出状態で形成されている。なお、図示省略したが、リフレクタ凹部７Ｂの周壁面には、ＬＥＤチップ７Ｃの点灯光を反射するリフレクタ用のメッキ層が形成されている。
ここで、ヒートパイプユニット６は、ＬＥＤモジュール５のモジュール基板５Ａに実装された各ＬＥＤパッケージ７の発熱を放熱するためのものである。このヒートパイプユニット６は、図３および図６に示すように、モジュール基板５ＡのＬＥＤ実装部５Ｂの内面の凹球面に接合する曲面板状に形成された受熱板部６Ａと、この受熱板部６Ａの内面にそれぞれ基端部が連続して同心円状に植設された複数本のヒートパイプ６Ｂとを有する。各ヒートパイプ６Ｂは、相互に平行に受熱板部６Ａの内面から突出し、その先端部が平面状に揃えられている。
受熱板部６Ａおよび複数本のヒートパイプ６Ｂは、後処理で溶解可能な合成樹脂材料で成型された中子材の表面に銅やニッケルなどの導電性金属のメッキ層を無電解メッキ処理により形成し、その後、芯材を溶解させることで形成される。すなわち、受熱板部６Ａは、中子材の曲面板状部分の内面に形成された導電性金属のメッキ層自体で構成され、複数本のヒートパイプ６Ｂは、中子材の複数本の棒状部分の外周面に形成された導電性金属のメッキ層からなる複数本のパイプ内に、それぞれウィックおよび作動液（冷媒液）を充填し、内部を真空化して基端部の開口を封止することで形成される。
なお、前述した中子材を成型する合成樹脂材料としては、例えば２５〜９５℃に保たれた水中に２〜３５時間ほど浸漬されることで溶解するポリビニールアルコール（ＰＶＡ）や、２５〜７０℃に保たれたアルカリ溶液（水酸化ナトリウム溶液や水酸化カリウム溶液）または酸性溶液中に１〜１２０分ほど浸漬されることで溶解するポリ乳酸樹脂が使用可能であり、さらに、Ｎメチル２ピロリドンの溶液で溶解するＡＢＳ樹脂も使用可能である。
ここで、熱伝導性の高い銅やニッケルなどで形成されたヒートパイプユニット６の受熱板部６Ａは、ＬＥＤモジュール５を構成するモジュール基板５ＡのＬＥＤ実装部５Ｂの内面に接着されており、この受熱板部６Ａには、各ＬＥＤパッケージ７の電極層７Ｅが面接触状態で接着されている。なお、接着材としては、熱伝導性の高いシリコーン樹脂やエポキシ樹脂などが使用される。
以上のように構成された一実施形態に係るＬＥＤ電球では、図示しない既存の電球ソケットに口金１がねじ込まれた装着状態において、その点灯スイッチがオンされると、電源ユニット４の直流出力側から所定電圧に制御された直流電流がＬＥＤモジュール５の回路パターン５Ｅに供給されることにより、モジュール基板５Ａに実装された複数のＬＥＤパッケージ７の各ＬＥＤチップ７Ｃが点灯し、その点灯光がグローブ３を通して照射される。
ここで、各ＬＥＤパッケージ７のＬＥＤチップ７Ｃが点灯して発熱すると、その発熱は、各ＬＥＤパッケージ７のリフレクタ凹部７Ｂの底部に露出する電極層７Ｅに面接触するヒートパイプユニット６の受熱板部６Ａから一群のヒートパイプ６Ｂの放熱端部に瞬時に移動し、その放熱端部に対面する筒状ホルダ２の放熱窓２Ｃから外部に効率よく放熱される。その結果、各ＬＥＤチップ７Ｃの高温化が抑制されて各ＬＥＤチップ７Ｃの寿命が延びる。
また、一実施形態のＬＥＤ電球では、グローブ３が従来例のような半球状ではなく、通常の電球と略同様の球状に成形されており、しかも、各ＬＥＤパッケージ７がグローブ３側に３次元的に膨出する球面板状（曲面板状）に形成されたＬＥＤ実装部５Ｂの各装着穴５Ｄに半突出状態に嵌め込まれて装着されているため、各ＬＥＤパッケージ７のＬＥＤチップ７Ｃの点灯光は、グローブ３を通して広範囲に照射されるようになり、その照射領域が拡大する。
さらに、一実施形態のＬＥＤ電球では、筒状ホルダ２が従来例のような金属製ではなく、軽量な合成樹脂製とされており、しかも、筒状ホルダ２の長さがＬＥＤモジュール５およびヒートパイプユニット６を収容する必要限度の長さに設定されていて従来例より短縮化されているため、重量が大幅に軽減する。
すなわち、一実施形態のＬＥＤ電球によれば、複数のＬＥＤパッケージ７の各ＬＥＤチップ７Ｃの放熱効率を格段に向上させることができ、その高寿命化を達成することができる。また、従来例に較べて大幅な軽量化を達成することができる。さらに、各ＬＥＤチップ７Ｃの点灯光の照射領域を一層拡大することができる。
本発明のＬＥＤ電球は、前述した一実施形態に限定されるものではない。例えば、ヒートパイプユニット６を構成する一群のヒートパイプ６Ｂのうち、少なくとも外周側に環状に配列されるものは、放熱効率が向上するように、放熱端部が筒状ホルダ２の放熱窓２Ｃに向かう放射方向にＬ字型に屈曲したものとしてもよい。
また、一群のヒートパイプ６Ｂは、放熱端部の間に熱対流が発生するように放熱端部の位置に高低差を設けてもよい。例えば環状に配列される一群のヒートパイプ６Ｂのうち、外周側と内周側との間で放熱端部の位置に高低差を設ければ、外周側と内周側との間で熱対流が発生し、この熱対流により各ヒートパイプ６Ｂの放熱端部からの放熱が促進される。
さらに、一群のヒートパイプ６Ｂは、図７に示すような断面形状を有する１本のヒートパイプ６Ｃ、すなわち、内部空間が放射状に連続するヒートパイプ６Ｃに変更することができる。
ここで、図８に示すように、筒状ホルダ２は、ＬＥＤモジュール５のリング状支持部５Ｃをねじ止め固定する支持片２Ｃの位置を大径の嵌合固定部２Ｂの端部の位置付近に設定すると共に、ＬＥＤモジュール５は、ＬＥＤ実装部５Ｂが半球状をなしてグローブ３側に大きく膨出するようにしてもよい。この場合、ＬＥＤモジュール５のＬＥＤ実装部５Ｂに実装された複数のＬＥＤパッケージ７の各ＬＥＤチップ７Ｃから照射される点灯光の配光角度は、例えば一点鎖線間の角度θまで大きく拡がる。
また、図９に示すように、筒状ホルダ２は、小径の嵌合固定部２Ａ付近に伝熱板２Ｅが一体に形成されたアルミニウム合金などの伝熱金属製とし、この伝熱板２Ｅに一群のヒートパイプ６Ｂの放熱端部を突当てや嵌合により接合してもよい。この場合、各ＬＥＤチップ７Ｃの点灯による発熱が一群のヒートパイプ６Ｂの放熱端部から伝熱板２Ｄを介して筒状ホルダ２の全体に放熱されるため、放熱効率が格段に向上する。加えて、伝熱板２Ｅを電源ユニット４の支持部材とすることができる。
一方、グローブ３は、光拡散剤が混入されていない透明な外観を呈するものや、乳白色などの半透明の外観を呈するものであってもよい。また、グローブ３は、すりガラスや乳白色または透明のガラス製であってもよい。

１ ：口金
１Ａ：シェル部
１Ｂ：アイレット部
２ ：筒状ホルダ
２Ａ：嵌合固定部
２Ｂ：嵌合固定部
２Ｃ：支持片
２Ｄ：放熱窓
２Ｅ：伝熱板
３ ：グローブ
３Ａ：嵌合段部
４ ：電源ユニット
５ ：ＬＥＤモジュール
５Ａ：モジュール基板
５Ｂ：ＬＥＤ実装部
５Ｃ：リング状支持部
５Ｄ：装着穴
５Ｅ：回路パターン
６ ：ヒートパイプユニット
６Ａ：受熱板部
６Ｂ：ヒートパイプ
６Ｃ：ヒートパイプ
７ ：ＬＥＤパッケージ
７Ａ：キャビティ基体
７Ｂ：リフレクタ凹部
７Ｃ：ＬＥＤチップ
７Ｄ：封入樹脂
７Ｅ：電極層

Claims (6)

1. 電球ソケットにねじ込まれる口金と、口金の開口端部に一端部が装着された筒状ホルダと、筒状ホルダの他端部に開口端部が装着されたグローブと、グローブ側に点灯光を照射する複数のＬＥＤを有するＬＥＤモジュールと、ＬＥＤモジュールに直流出力側が接続され、交流入力側が前記口金に接続された電源ユニットとを備えたＬＥＤ電球であって、
   前記各ＬＥＤの発熱を放熱するためのヒートパイプユニットが前記ＬＥＤモジュールに接合して前記筒状ホルダ内に組み込まれており、
   前記筒状ホルダには、前記ヒートパイプユニットの放熱端部に対面する放熱窓が開口されていることを特徴とするＬＥＤ電球。
2. 前記電源ユニットが前記口金の内側に配置され、前記筒状ホルダが前記ＬＥＤモジュールおよびヒートパイプユニットを収容する必要限度の長さを有する合成樹脂製とされており、前記グローブが半球状を超えた球状に形成されていることを特徴とする請求項１に記載のＬＥＤ電球。
3. 前記ＬＥＤモジュールは、前記各ＬＥＤを嵌め込んで装着する複数の装着穴が形成されたモジュール基板を有し、前記ヒートパイプユニットは、モジュール基板の各装着穴に嵌め込まれた各ＬＥＤに面接触してモジュール基板に接合される受熱板部を有することを特徴とする請求項１または２に記載のＬＥＤ電球。
4. 前記モジュール基板は、前記グローブ側に膨出する曲面板状に形成されていることを特徴とする請求項３に記載のＬＥＤ電球。
5. 前記ヒートパイプユニットは、前記受熱板部に連続して突出する複数本のヒートパイプを有することを特徴とする請求項３または４に記載のＬＥＤ電球。
6. 前記複数本のヒートパイプは、その放熱端部の位置に高低差が設けられていることを特徴とする請求項５に記載のＬＥＤ電球。

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