WO2010004702A1 - 電球形照明用光源 - Google Patents

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bulb
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仕田智
植本隆在
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パナソニック株式会社
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    • F21Y2115/00—Light-generating elements of semiconductor light sources
    • F21Y2115/10—Light-emitting diodes [LED]

Definitions

  • the present invention relates to a light source for a light bulb shaped illumination using a light emitting element such as an LED, and more particularly to a heat radiation technology for efficiently radiating the light emitting element.
  • Patent Document 1 In recent years, in the field of lighting, technology to apply light emitting elements such as LEDs to light sources for lighting has been researched and developed (refer to Patent Document 1), and as part of it, consideration is also considered to apply to light sources for bulb shaped lighting (See Patent Documents 2 and 3).
  • the light source for bulb-type illumination is required to limit the external dimensions to that of an incandescent lamp in consideration of compatibility with the luminaire, and it is further required to obtain a total luminous flux suitable for an illumination application.
  • a large-volume heat sink member is usually disposed on the surface (lower surface) opposite to the LED mounting surface of the LED mounting substrate.
  • the light source for bulb-shaped illumination is used as general illumination for home use, it is necessary to cover the mounting substrate with a protective cover (globe), and the heat radiation effect by natural air cooling can not be expected so much. Further, as described above, since the light source for the bulb-shaped illumination is restricted in the outer dimensions, there is a limit to increasing the volume of the heat sink member on the lower surface of the mounting substrate. Thus, when it is going to apply light emitting elements, such as LED, to a light source for bulb-shaped illuminations, it is necessary to re-examine heat dissipation structure again from various restrictions.
  • an object of this invention is to provide the light source for bulb-shaped illuminations which applied the light emitting element which has a thermal radiation characteristic better than before.
  • the light source for a bulb-shaped illumination is a light source for a bulb-shaped illumination that receives power supply through a cap, and has a cap-like case having a cap protruding and having a power supply circuit housed therein; A first heat sink member fixed in a state of sealing the opening of the bowl-like case, a mounting substrate disposed in surface contact with a surface facing the opening sealing surface of the first heat sink member, and the mounting A light emitting element mounted on the surface opposite to the contact surface of the substrate to the first heat sink member, receiving a power supply from the power supply circuit and emitting light, and a wavelength conversion member for converting the wavelength of light emitted from the light emitting element
  • a light emitting portion including the light emitting portion, a globe covering at least the light emitting direction of the light emitting portion, and a first portion of the surface of the mounting substrate in surface contact with the region where the light emitting portion is not provided; And a second heat sink member and a second portion in surface contact with the sink member.
  • the inventors of the present invention have studied the structure of the heat sink, and when the heat radiation path starting from the light emitting element mounting surface of the mounting substrate is secured, the envelope volume of the heat sink disposed on the surface opposite to the light emitting element mounting surface. It has been found that better heat dissipation characteristics can be obtained than in the case of increasing.
  • the present invention is based on this new finding, and a second heat sink is provided to secure a heat dissipation path starting from the light emitting element mounting surface of the mounting substrate. With this configuration, the heat dissipation characteristics of the light source for bulb-shaped illumination can be made better than in the past.
  • FIG. 1 An exploded perspective view showing a configuration of a light source for illumination according to an embodiment of the present invention Sectional drawing which shows the structure of the light source for illumination which concerns on embodiment of this invention Top view for explaining the heat sink member and the contact portion of the mounting substrate
  • Sectional drawing which shows the structure of the light source for illumination which concerns on the modification of this invention
  • Sectional drawing which shows the structure of the light source for illumination which concerns on the modification of this invention
  • FIG. 1 is an exploded perspective view showing a configuration of a light source for illumination according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a cross-sectional view showing the configuration of the illumination light source according to the embodiment of the present invention.
  • the illumination light source 1 has a bowl-shaped case 15 in which an E-type cap 16 is formed to protrude, a heat sink member 11 fixed in a state of closing the opening of the case 15, and an upper surface of the heat sink member 11
  • the mounting substrate 21 disposed on the surface facing the opening sealing surface 14, the light emitting unit 24 disposed on the top surface of the mounting substrate 21 (the surface facing the contact surface to the heat sink member 11), the heat sink member 11
  • the heat sink member 31 disposed on the upper surface 14 of the above, and the globe 41 which is fixed to the heat sink member 31 and covers the light emitting direction of the light emitting portion 24 are provided. Further, as shown in FIG.
  • a power supply circuit 18 for supplying commercial power supplied through the E-type cap 16 to the light emitting unit 24 is housed inside the case 15.
  • the power supply circuit 18 is one in which various electronic components are mounted on the printed wiring board 17, and the printed wiring board 17 is fixed inside the case 15.
  • the power supply circuit 18 and the light emitting unit 24 are electrically connected through the wiring 19.
  • the wires 19 are passed through the through holes 13 provided in the heat sink member 11 and the through holes 33 provided in the heat sink member 31.
  • the case 15 is made of resin, ceramic or the like and has electrical insulation.
  • a bowl shape refers to the whole shape which has an opening at the end on the opposite side to the end where the E-type mouth ring 16 is provided, and the shape of the opening is not particularly limited to a circle.
  • the heat sink member 11 is made of metal, for example, anodized aluminum, and the fins 12 are formed on the side of the substantially truncated cone shape and the upper surface 14 is flat. Further, a through hole 13 for introducing a wire is bored.
  • the mounting substrate 21 is configured of a metal substrate 22 made of aluminum, copper or the like, and an insulating layer 23 made of resin, ceramics, etc. laminated on the upper surface of the metal substrate 22 (the surface facing the contact surface to the heat sink member 11). It is done.
  • the light emitting unit 24 and the electrode pad 27 are mounted on the insulating layer 23.
  • the peripheral portion 28 on the upper surface of the mounting substrate 21 is a region in which the light emitting unit 24 is not provided. In the peripheral portion 28, the insulating layer 23 is not present, and the upper surface of the metal substrate 22 is exposed.
  • the light emitting portion 24 is configured of the LED 25 and the silicone resin molded body 26 (see an enlarged view of a portion A in FIG. 2).
  • the LED 25 is a light emitting element that emits blue light.
  • the silicone resin molded body 26 contains a yellow phosphor and functions as a wavelength conversion member that converts blue light into yellow light.
  • the heat sink member 31 is, for example, a substantially disc-shaped flat plate made of metal such as anodized aluminum, and the lower surface thereof is formed in an opening 32 having a recess 34 and a part of the recess 34 penetrating to the upper surface It is done.
  • the lower surface of the heat sink member 31 is in surface contact with the upper surface 14 of the heat sink member 11.
  • the recessed portion 34 of the heat sink member 31 is formed so as to accommodate the mounting substrate 21 and to be in surface contact with the peripheral edge portion 28 of the upper surface of the mounting substrate 21.
  • the opening 32 of the heat sink member 31 is formed to accommodate the light emitting unit 24.
  • the globe 41 is made of a translucent resin, glass or the like, and is provided above the light emitting portion 24 and the mounting substrate 21 in order to protect the light emitting portion 24 and the mounting substrate 21 from direct contact with the user and scattering of water and the like. Is attached to the heat sink member 31 so as to cover the The globe 41 is attached to the upper surface of the heat sink member 31 with a thermally conductive bonding material, or screwed into a screw groove provided in the heat sink member 31. The peripheral edge portion 35 of the heat sink member 31 is not covered by the globe 41, and is in contact with the outside air (see FIG. 2).
  • FIG. 3 is a top view for explaining the contact portion of the heat sink member and the mounting substrate.
  • the contact area between the mounting substrate 21 and the heat sink member 31 is larger than the area where the light emitting portion 24 which is a heat source is disposed.
  • the mounting substrate 21 is a square in top view, and the heat sink member 31 is in surface contact with the three sides of the peripheral portion 28 of the mounting substrate 21. If a metal-based mounting substrate is employed as the mounting substrate on which the light emitting portion is disposed, better heat radiation characteristics can be obtained as compared to the case where a ceramic substrate is employed. However, the metal-based mounting substrate has a disadvantage that when a temperature difference occurs between the upper surface and the lower surface, internal stress is generated due to the difference in thermal expansion amount to cause warpage. If the mounting substrate is warped, the contact area between the lower surface of the mounting substrate and the heat sink member is narrowed, and the heat dissipation characteristics are degraded.
  • the heat sink member 31 since the heat sink member 31 is in surface contact with the upper surface of the mounting substrate 21, the heat sink member 31 exerts an effect of suppressing the temperature difference between the upper surface and the lower surface of the mounting substrate 21. Even if stress is generated, the upper surface of the mounting substrate 21 can be pressed to exert the effect of restricting warpage. Furthermore, in the present embodiment, since the heat sink member 31 is in surface contact with the three sides of the peripheral edge portion 28 of the mounting substrate 21, the effect of restricting the warp of the mounting substrate 21 can be further enhanced.
  • the thickness T2 of the portion of the heat sink member 31 in surface contact with the upper surface of the mounting substrate 21 is larger than the thickness T1 of the mounting substrate 21 (see the enlarged view of A in FIG. 2).
  • the rigidity of the heat sink member 31 can be enhanced, and the effect of controlling the warpage of the mounting substrate 21 can be further enhanced.
  • the heat sink member 31 is in direct contact with the metal substrate 22 without the interposition of the insulating layer 23 (see an enlarged view of a portion A in FIG. 2). Therefore, the thermal resistance at the interface between the mounting substrate 21 and the heat sink member 31 can be reduced, and good heat dissipation characteristics can be realized.
  • FIG. 4 is a view showing a heat radiation path of the illumination light source according to the embodiment of the present invention.
  • heat is conducted to the heat sink member 11 starting from the lower surface (symbol 51), natural air cooling from the heat sink member 11 (symbol 52) is conducted, and heat is conducted to the heat sink member 31 from the top surface (symbol 53), heat is conducted from the heat sink member 31 to the heat sink member 31 from the heat sink member 31 to the natural air cooling (code 54) path and the upper surface as the starting point (code 53); ), A path for natural air cooling from the heat sink member 11 (reference numeral 52) is formed. As described above, in the present embodiment, not only the lower surface of the mounting substrate 21 but also the heat dissipation path starting from the upper surface are formed.
  • the heat radiation characteristics when the heat radiation path starting from the upper surface of the mounting substrate 21 is formed will be verified based on the experimental results.
  • the inventors first conducted an experiment on the change of the heat radiation characteristic when the envelope volume of the heat sink member disposed on the lower surface of the mounting substrate is changed.
  • FIG. 5 is a view schematically showing an experimental system of heat dissipation characteristics.
  • the sample of the LED module is manufactured by arranging the light emitting unit 64 on the mounting substrate 62.
  • a heat sink member 61 is disposed on the lower surface of the mounting substrate 62.
  • An alumina substrate is adopted as the mounting substrate 62, and a 1.0 mm square LED chip is adopted as a light emitting element of the light emitting portion 64. Twelve LED chips are flip chip mounted on the alumina substrate.
  • FIG. 6 is a graph showing the measured temperature and junction temperature at each position, and (a) shows the sample top surface Pos. (B) shows the heat sink member top surface Pos. (C) shows the heat sink member end upper surface Pos. 3 shows the temperature of (3), (d) is the heat sink member lower surface Pos. (E) shows the junction temperature of the LED chip.
  • the temperature at each position becomes lower as the envelope volume of the heat sink member disposed on the lower surface of the mounting substrate is larger.
  • the effect of temperature reduction by increasing the envelope volume gradually decreases as the envelope volume increases.
  • the sample top surface Pos. In No. 1 when the envelope volume of the heat sink member is changed from 54 cm 3 to 208 cm 3 , an excellent temperature drop effect can be obtained.
  • the envelope volume of the heat sink member is changed from 1108.8 cm 3 to 2625 cm 3 , the effect of temperature drop is hardly obtained.
  • Such tendency is shown in the sample horizontal Pos. 2.
  • Tj At the junction temperature Tj, the sample top surface Pos. The same tendency as 1 is seen.
  • the effect of temperature reduction can be obtained by increasing the envelope volume of the heat sink member disposed on the lower surface of the mounting substrate, but it is understood that there is also a limit. It is presumed that the heat radiation effect is regulated by the envelope volume when the envelope volume of the heat sink member is small, and that the radiation effect is regulated by the contact area between the heat sink member and the mounting substrate when the envelope volume is large to a certain extent. Be done. Based on the above experimental results, the inventors conducted an experiment on the change of the heat release characteristic when the contact area between the heat sink member and the mounting substrate is changed while the envelope volume remains the same.
  • FIG. 7 is a diagram schematically showing an experimental system of heat dissipation characteristics, (a) shows a sample size of the LED module, (b) shows a version 1 system, and (c) shows a version 2 system (D) shows a version 3 system.
  • the heat sink member is disposed only on the lower surface of the mounting substrate, and the envelope volume of the heat sink member is 200 cm 3 .
  • the heat sink member is disposed only on the lower surface of the mounting substrate, and the envelope volume of the heat sink member is 300 cm 3 .
  • the heat sink members are disposed on the lower surface and the upper surface of the mounting substrate, and the envelope volume of the heat sink member is 300 cm 3 .
  • FIG. 8 is a graph showing the measured temperature in each version.
  • the above versions 1 and 2 correspond to the conventional example, and version 3 corresponds to the present embodiment. Therefore, the present embodiment can obtain better heat radiation characteristics than the conventional one, and can contribute to the downsizing of the illumination light source.
  • the electrode pad 27 is provided on the upper surface of the mounting substrate 21, and the wiring 19 is connected to the electrode pad 27 on the upper surface of the mounting substrate 21.
  • the present invention is not limited to this.
  • the electrode pad 27 is provided on the lower surface of the mounting substrate 21, the wiring pattern 29 and the electrode pad 27 are electrically connected by through holes, and the wiring 19 is an electrode on the lower surface of the mounting substrate 21. It may be connected to the pad 27.
  • the heat sink member 31 is not provided with a fin, but the present invention is not limited to this.
  • the fins 36 may be provided on the side of the heat sink member 31.
  • the fin is provided in the side part in the heat sink member 11 in embodiment, this invention is not limited to this.
  • FIG. 12A the fins 36 may be provided on the side of the heat sink member 31.
  • the fins 12 may be provided inside the heat sink member 11.
  • the globe 41 has a shape similar to a light bulb, but the present invention is not limited thereto.
  • the globe 41 may be made as small as possible, and the portion of the heat sink member 31 in contact with the outside air may be made large.
  • the inner circumference of the opening of the heat sink member 31 is constant everywhere, the present invention is not limited to this.
  • the opening may have an inner circumferential surface 37 which gradually widens as it approaches the top surface of the heat sink member. This can enhance the light extraction efficiency.
  • a metal-based mounting substrate is used, but the present invention is not limited to this.
  • the same effect can be obtained with a ceramic substrate such as an alumina substrate.
  • the upper surface of the heat sink member 11 is a flat surface
  • the lower surface of the heat sink member 31 has a recess for accommodating the mounting substrate 21.
  • a recess for accommodating the mounting substrate 21 may be provided on the top surface of the heat sink member 11, and the heat sink member 31 may be provided with only an opening for receiving the light emitting portion 24 and extracting the light.
  • recessed portions may be provided on both the upper surface of the heat sink member 11 and the lower surface of the heat sink member 31, and the mounting substrate 21 may be accommodated in both of the recessed portions.
  • the light emitting unit 24 is completely accommodated in the opening of the heat sink member 31, but the present invention is not limited to this.
  • the surface 39 of the top of the light emitting unit 24 may protrude in the direction perpendicular to the insulating substrate 21 more than the surface 38 of the heat sink member 31. By doing so, the light extraction efficiency can be enhanced.
  • the rigidity of the heat sink member 31 is enhanced to secure the effect of restricting the warp of the mounting substrate 21.
  • the gas in the inner space of the glove 41 is not mentioned, air or nitrogen gas may be sealed. Since nitrogen gas has better thermal conductivity than air, better heat dissipation characteristics can be obtained when nitrogen gas is enclosed. Moreover, it can prevent that a luminescent property degrades by moisture absorption of LED and a fluorescent substance.
  • the sealing of the internal space of the glove 41 can be realized, for example, by the aspect shown in FIGS.
  • the opening of the through hole 13 provided in the heat sink 11 is sealed with a sealing material 43
  • the sealing valve 42 is provided in the globe 41.
  • the sealing valve 42 is provided at the opening of the through hole 13.
  • the sealing valve 42 is provided at the opening of the through hole 33.
  • a mechanical vacuum valve or the like can be used as the sealing valve 42. Glass, resin, cement or the like can be used as the sealing material 43.
  • the LED 25 is sealed by the silicone resin molded body 26.
  • the present invention is not limited to this.
  • the LED 25 may be exposed.
  • the phosphor layer 44 on the inner surface of the glove 41, white light can be obtained as in the embodiment. Further, in order to prevent the LED and the phosphor from absorbing moisture, it is desirable to enclose nitrogen gas or dry air in the internal space of the glove 41 or to evacuate the internal gas and keep it in a vacuum state.
  • the present invention can be widely used in lighting in general.

Abstract

　従来よりも放熱特性が良好な、発光素子を適用した電球形照明用光源を提供する。 　照明用光源１は、ヒートシンク部材１１と、ヒートシンク部材１１の表面に面接触させて配置された実装基板２１と、実装基板２１の表面に配設された発光部２４と、発光部２４の光射出方向を覆うグローブ４１と、実装基板２１の表面における発光部２４が実装されていない周縁部２８に面接触する第１部分およびヒートシンク部材１１に面接触する第２部分を有するヒートシンク部材３１とを備える。

Description

電球形照明用光源
　本発明は、ＬＥＤ等の発光素子を用いた電球形照明用光源に関し、特に、発光素子を効率よく放熱させる放熱技術に関する。
　近年、照明分野ではＬＥＤ等の発光素子を照明用光源に適用する技術が研究開発されており（特許文献１参照）、その一環として白熱電球代替用途の電球形照明用光源に適用することも検討されている（特許文献２，３参照）。電球形照明用光源は、照明器具との適合性を考慮して外形寸法を白熱電球相当に制限することが求められ、その上で照明用途に適した全光束を得ることが求められる。
　照明用途に適した全光束を得るには、ＬＥＤへの投入電力をある程度大きくする必要がある。ところがＬＥＤへの投入電力を大きくすると、ＬＥＤの発熱が増大して温度上昇を招く。ＬＥＤは高温になるほど発光効率が低下してしまうので、単に投入電力を大きくしただけでは、期待通りの全光束を得ることができない。そこで通常は、ＬＥＤの放熱特性を高めるため、ＬＥＤ実装基板におけるＬＥＤ実装面に対向する面（下面）に体積の大きなヒートシンク部材を配設することとしている。
特開２００５－０３８７９８号公報 特開２００３－１２４５２８号公報 特開２００４－２６５６１９号公報 特開２００５－２９４２９２号公報
　これまでのＬＥＤ等の発光素子を適用した照明用光源では、実装基板が密閉される構造はあまり想定されておらず、実装基板の自然空冷および実装基板下面のヒートシンク部材により放熱効果を得ることとしている。
　しかしながら電球形照明用光源では、家庭用の一般照明として利用されるため、保護カバー（グローブ）で実装基板を覆う必要があり、自然空冷による放熱効果があまり期待できない。また上述の通り、電球形照明用光源には外形寸法に制限が課されるため、実装基板下面のヒートシンク部材の体積を大きくするのにも限界がある。このように電球形照明用光源にＬＥＤ等の発光素子を適用しようとすると、各種制約から放熱構造を改めて検討しなおす必要がある。
　そこで本発明は、従来よりも放熱特性が良好な、発光素子を適用した電球形照明用光源を提供することを目的とする。
　本発明に係る電球形照明用光源は、口金を通じて電力供給を受ける電球形照明用光源であって、口金が突設形成されていると共に内部に電源回路を収容している椀状ケースと、前記椀状ケースの開口を封塞する状態で固定された第１のヒートシンク部材と、前記第１のヒートシンク部材の開口封塞面に対向する表面に面接触させて配置された実装基板と、前記実装基板の前記第１のヒートシンク部材への接触面に対向する表面に実装され、前記電源回路から電力供給を受けて発光する発光素子および当該発光素子から出射された光の波長を変換する波長変換部材を含む発光部と、少なくとも前記発光部の光射出方向を覆うグローブと、実装基板の前記表面における前記発光部が配設されていない領域に面接触する第１部分と前記第１のヒートシンク部材に面接触する第２部分とを有する第２のヒートシンク部材とを備える。
　発明者らは、ヒートシンクの構造に関する研究により、実装基板の発光素子実装面を起点とする放熱経路を確保した場合には、単に発光素子実装面に対向する面に配設されたヒートシンクの包絡体積を大きくした場合よりも良好な放熱特性が得られることを発見した。本発明はこの新たな知見に基づくものであり、第２のヒートシンクを設けることにより実装基板の発光素子実装面を起点とする放熱経路を確保することとしている。この構成により、電球形照明用光源の放熱特性を従来よりも良好にすることができる。
本発明の実施形態に係る照明用光源の構成を示す分解斜視図 本発明の実施形態に係る照明用光源の構成を示す断面図 ヒートシンク部材および実装基板の接触部分を説明するための上面図 本発明の実施形態に係る照明用光源の放熱経路を示す図 放熱特性の実験システムを模式的に示す図 各位置における測定温度およびジャンクション温度を示すグラフ 放熱特性の実験システムを模式的に示す図 各バージョンにおける測定温度を示すグラフ 本発明の変形例に係る照明用光源の構成を示す断面図 ヒートシンク部材および実装基板の接触部分を説明するための上面図 本発明の変形例に係る照明用光源の構成を示す断面図 本発明の変形例に係る照明用光源の構成を示す断面図 本発明の変形例に係る照明用光源の構成を示す断面図 本発明の変形例に係る照明用光源の構成を示す断面図 本発明の変形例に係る照明用光源の構成を示す断面図 本発明の変形例に係る照明用光源の構成を示す断面図 本発明の変形例に係る照明用光源の構成を示す断面図 本発明の変形例に係る照明用光源の構成を示す断面図
　本発明を実施するための最良の形態を、図面を参照して詳細に説明する。
＜構成＞
　図１は、本発明の実施形態に係る照明用光源の構成を示す分解斜視図である。図２は、本発明の実施形態に係る照明用光源の構成を示す断面図である。
　図１に示すように照明用光源１は、Ｅ型口金１６が突設形成された椀状のケース１５、ケース１５の開口を封塞する状態で固定されたヒートシンク部材１１、ヒートシンク部材１１の上面（開口封塞面に対向する表面）１４に配設された実装基板２１、実装基板２１の上面（ヒートシンク部材１１への接触面に対向する面）に配設された発光部２４、ヒートシンク部材１１の上面１４に配設されたヒートシンク部材３１、ヒートシンク部材３１に固定され発光部２４の光出射方向を覆うグローブ４１を具備している。また図２に示すようにケース１５の内部には、Ｅ型口金１６を通じて供給された商用電力を発光部２４に供給する電源回路１８が収容されている。電源回路１８は、プリント配線板１７に各種の電子部品が実装されたものであり、プリント配線板１７がケース１５の内部に固定されている。電源回路１８と発光部２４とは配線１９を通じて電気的に接続されている。配線１９は、ヒートシンク部材１１に設けられた貫通孔１３およびヒートシンク部材３１に設けられた貫通孔３３に通されている。ケース１５は、樹脂やセラミックス等からなり、電気絶縁性を有する。なお椀状とは、Ｅ型口金１６が突設された端部とは反対側の端部に開放口をもつような形状全般を指し、特に開放口の形状が円形に限られるものではない。
　ヒートシンク部材１１は、例えばアルミニウムをアルマイト加工したもののように金属製であり、略円錐台形状の側部にフィン１２が形成されているとともに上面１４が平坦となっている。また配線導入用の貫通孔１３が穿設されている。
　実装基板２１は、アルミニウムや銅などからなる金属基板２２と、金属基板２２の上面（ヒートシンク部材１１への接触面に対向する面）に積層された樹脂やセラミックスなどからなる絶縁層２３とから構成されている。絶縁層２３には発光部２４および電極パッド２７が実装されている。実装基板２１の上面における周縁部２８は、発光部２４が配設されていない領域となっている。周縁部２８では絶縁層２３は存在せずに金属基板２２の上面が露出している。
　発光部２４は、ＬＥＤ２５およびシリコーン樹脂成形体２６から構成されている（図２のＡ部拡大図参照）。ＬＥＤ２５は青色光を発する発光素子である。シリコーン樹脂成形体２６は黄色蛍光体を含有しており、青色光を黄色光に変換する波長変換部材として機能している。
　ヒートシンク部材３１は、例えばアルミニウムをアルマイト加工したもののように金属製の略円板形状の平板であり、その下面が凹入部３４をもつと共に凹入部３４の一部が上面まで貫通する開口３２に形成されている。ヒートシンク部材３１の下面は、ヒートシンク部材１１の上面１４に面接触している。ヒートシンク部材３１の凹入部３４は実装基板２１を収容すると共に実装基板２１上面の周縁部２８に面接触するように形成されている。またヒートシンク部材３１の開口３２は、発光部２４を収容するように形成されている。
　グローブ４１は、透光性の樹脂やガラス等からなり、発光部２４や実装基板２１にユーザが直接触れたり水分等が飛散したりしないように保護するため、発光部２４および実装基板２１の上方を覆うようにヒートシンク部材３１に取り付けられている。なおグローブ４１の取り付けは、ヒートシンク部材３１の上面に熱伝導性接合材で接合され、またはヒートシンク部材３１に設けられたねじ溝にねじ嵌めされることにより実施されている。ヒートシンク部材３１の周縁部３５はグローブ４１により覆われておらず、外気に触れる構造となっている（図２参照）。
　以下にヒートシンク部材３１および実装基板２１の相互の関係について説明する。
　図３は、ヒートシンク部材および実装基板の接触部分を説明するための上面図である。
　本実施形態では、実装基板２１とヒートシンク部材３１との接触面積は、発熱源である発光部２４が配設された面積よりも広い。このように実装基板２１とヒートシンク部材３１との接触面積を広く取ることで、発光部２４の温度上昇を大幅に抑制することができる。
　また実装基板２１は上面視四角形であり、ヒートシンク部材３１は実装基板２１の周縁部２８の三辺に面接触している。発光部を配設する実装基板として、金属ベースの実装基板を採用すれば、セラミックス基板を採用した場合に比べて良好な放熱特性を得ることができる。しかしながら金属ベースの実装基板は、上面と下面とに温度差が生じた場合に熱膨張量の相違による内部応力が生じて反りが生じるという欠点を有している。実装基板に反りが生じれば、実装基板の下面とヒートシンク部材との接触面積が狭くなり、放熱特性が劣化してしまう。本実施形態では、ヒートシンク部材３１は、実装基板２１の上面に面接触しているため、実装基板２１の上面と下面との温度差を抑制する効果を発揮し、仮に温度差に起因して内部応力が生じたとしても実装基板２１の上面を押さえつけて反りを規制する効果を発揮することができる。さらに本実施形態では、ヒートシンク部材３１が実装基板２１の周縁部２８の三辺に面接触しているため、実装基板２１の反りを規制する効果をさらに高めることができる。
　また本実施形態では、ヒートシンク部材３１の実装基板２１の上面に面接触している部分の厚みＴ２は、実装基板２１の厚みＴ１よりも大きい（図２のＡ部拡大図参照）。このようにヒートシンク部材３１の厚みＴ２を厚くすることで、ヒートシンク部材３１の剛性を高めることができ、実装基板２１の反りを規制する効果を一層高めることができる。
　また本実施形態では、ヒートシンク部材３１は絶縁層２３を介さずに金属基板２２に直接接触している（図２のＡ部拡大図参照）。したがって実装基板２１とヒートシンク部材３１との界面における熱抵抗を低減することができ、良好な放熱特性を実現することができる。
　図４は、本発明の実施形態に係る照明用光源の放熱経路を示す図である。
　実装基板２１には、下面を起点としてヒートシンク部材１１に熱を伝導し（符号５１）、ヒートシンク部材１１から自然空冷する（符号５２）経路、上面を起点としてヒートシンク部材３１に熱を伝導し（符号５３）、ヒートシンク部材３１から自然空冷する（符号５４）経路、および、上面を起点としてヒートシンク部材３１に熱を伝導し（符号５３）、ヒートシンク部材３１からヒートシンク部材１１に熱を伝導し（符号５５）、ヒートシンク部材１１から自然空冷する（符号５２）経路が形成される。このように本実施形態では実装基板２１の下面のみならず上面を起点とする放熱経路が形成される。
　以下、実装基板２１の上面を起点とする放熱経路を形成したときの放熱特性について、実験結果に基づいて検証する。
＜検証＞
　発明者らは、まず実装基板の下面に配設されたヒートシンク部材の包絡体積を変化させたときの放熱特性の変化に関する実験を行った。
　図５は、放熱特性の実験システムを模式的に示す図である。
　ＬＥＤモジュールのサンプルは、実装基板６２に発光部６４を配設して作製されている。実装基板６２の下面にはヒートシンク部材６１が配設されている。実装基板６２にはアルミナ基板を採用し、発光部６４の発光素子には１．０ｍｍ角のＬＥＤチップを採用している。アルミナ基板には１２個のＬＥＤチップがフリップチップ実装されている。
　このような実験システムにおいて、包絡体積が異なる４種類のヒートシンク部材を用意し（包絡体積：５４，２０８，１１０８．８，２６２５ｃｍ3）、発光部６４に電流を投入したときの各位置（サンプル上面Ｐｏｓ．１，サンプル横のヒートシンク部材上面Ｐｏｓ．２，ヒートシンク部材端部上面Ｐｏｓ．３，ヒートシンク部材下面Ｐｏｓ．４）の温度およびＬＥＤチップのジャンクション温度Ｔｊを測定した。発光部６４に投入する電流は、１００，１５０，２００ｍＡの３種類とした。
　図６は、各位置における測定温度およびジャンクション温度を示すグラフであり、（ａ）はサンプル上面Ｐｏｓ．１の温度を示し、（ｂ）はサンプル横のヒートシンク部材上面Ｐｏｓ．２の温度を示し、（ｃ）はヒートシンク部材端部上面Ｐｏｓ．３の温度を示し、（ｄ）はヒートシンク部材下面Ｐｏｓ．４の温度を示し、（ｅ）はＬＥＤチップのジャンクション温度を示す。
　これによれば、各位置における温度は、実装基板の下面に配設されたヒートシンク部材の包絡体積が大きいほど低くなることが分かる。ただし包絡体積を大きくすることによる温度低下の効果は、包絡体積を大きくするほど次第に小さくなる。例えば、サンプル上面Ｐｏｓ．１では、ヒートシンク部材の包絡体積を５４ｃｍ3から２０８ｃｍ3に変えたときには優れた温度低下の効果を得ることができる。ところがヒートシンク部材の包絡体積を１１０８．８ｃｍ3から２６２５ｃｍ3に変えても温度低下の効果はほとんど得られない。このような傾向は、サンプル横Ｐｏｓ．２，ヒートシンク部材端部上面Ｐｏｓ．３，ヒートシンク部材下面Ｐｏｓ．４でも見受けられるが、特にサンプル上面Ｐｏｓ．１では顕著に表れている。またジャンクション温度Ｔｊでは、サンプル上面Ｐｏｓ．１と同様の傾向が見られる。
　以上より、実装基板の下面に配設されたヒートシンク部材の包絡体積を大きくすれば温度低下の効果を得ることができるが、それにも限界があることが分かる。これはヒートシンク部材の包絡体積が小さな場合には放熱効果は包絡体積で規律され、包絡体積がある程度大きな場合には放熱効果はヒートシンク部材と実装基板との接触面積で規律されるからであると推察される。発明者らは上記実験結果を受けて、包絡体積は同じままでヒートシンク部材と実装基板との接触面積を変化させたときの放熱特性の変化に関する実験を行った。
　図７は、放熱特性の実験システムを模式的に示す図であり、（ａ）はＬＥＤモジュールのサンプル寸法を示し、（ｂ）はバージョン１のシステムを示し、（ｃ）はバージョン２のシステムを示し、（ｄ）はバージョン３のシステムを示す。
　バージョン１では、実装基板の下面のみにヒートシンク部材が配設され、ヒートシンク部材の包絡体積は２００ｃｍ3である。バージョン２では、実装基板の下面のみにヒートシンク部材が配設され、ヒートシンク部材の包絡体積は３００ｃｍ3である。バージョン３では実装基板の下面および上面にヒートシンク部材が配設され、ヒートシンク部材の包絡体積は３００ｃｍ3である。
　図８は、各バージョンにおける測定温度を示すグラフである。
　バージョン１とバージョン２，３とを比較すると、ヒートシンク部材の包絡体積を２００ｃｍ3から３００ｃｍ3にするとサンプル上面の温度が低下することが分かる。さらにバージョン２とバージョン３とを比較すると、ヒートシンク部材の包絡体積が同じ３００ｃｍ3であっても、実装基板の下面のみにヒートシンク部材を配設したバージョン２に比べて実装基板の上面および下面にヒートシンク部材を配設したバージョン３のほうがサンプル上面の温度が低下することが分かる。すなわち実装基板の上面を起点とする放熱経路（熱伝導経路）を確保した場合には、単に実装基板の下面に配設されたヒートシンクの包絡体積を大きくした場合よりも良好な放熱特性を得ることができることが分かる。
　上記のバージョン１，２が従来例に相当し、バージョン３が本実施形態に相当する。したがって本実施形態は、従来よりも良好な放熱特性を得ることができ、照明用光源の小型化に貢献することができる。
　以上、本発明に係る照明用光源について、実施形態に基づいて説明したが、本発明はこれらの実施形態に限られない。例えば、以下のような変形例が考えられる。
（１）実施形態では、電極パッド２７が実装基板２１の上面に設けられており、配線１９は実装基板２１の上面の電極パッド２７に接続されている。しかしながら本発明はこれに限られない。例えば、図９に示すように、実装基板２１の下面に電極パッド２７を設け、配線パターン２９と電極パッド２７とをスルーホールにて電気的に接続し、配線１９を実装基板２１の下面の電極パッド２７に接続することとしてもよい。このようにすることで、図１０に示すように実装基板２１の上面における発光部が配設されていない領域を広げることができ、実装基板２１の四辺にヒートシンク部材３１を面接触させることができる。また図１１に示すように、実装基板２１の上面から下面にかけて貫通孔を穿設し、この貫通孔に配線１９を通すこととしてもよい。
（２）実施形態では、ヒートシンク部材３１にはフィンが設けられていないが、本発明はこれに限られない。例えば、図１２（ａ）に示すように、ヒートシンク部材３１の側部にフィン３６を設けることとしてもよい。また実施の形態では、ヒートシンク部材１１には側部にフィンが設けられているが、本発明はこれに限られない。例えば、図１２（ｂ）に示すように、ヒートシンク部材１１の内部にフィン１２を設けることとしてもよい。
（３）実施形態では、グローブ４１を電球形に類似した形状としているが、本発明はこれに限られない。例えば、図１３に示すように、グローブ４１をできるだけ小さくして、ヒートシンク部材３１が外気に触れる部分を大きくしてもよい。
（４）実施形態では、ヒートシンク部材３１の開口の内周はどこでも一定であるが、本発明はこれに限られない。例えば、図１４に示すように、開口がヒートシンク部材上面に近づくにつれて次第に広がる内周面３７を有することとしてもよい。これにより光の取出し効率を高めることができる。
（５）実施形態では、金属ベースの実装基板を用いているが、本発明はこれに限られない。例えば、アルミナ基板等のセラミックス基板でも同様の効果を得ることができる。
（６）実施形態では、ヒートシンク部材１１の上面が平坦面であり、ヒートシンク部材３１の下面が実装基板２１を収容するための凹入部をもつが、本発明はこれに限られない。例えば、ヒートシンク部材１１の上面に実装基板２１を収容するための凹入部を設け、ヒートシンク部材３１には発光部２４を収容して光を取出すための開口のみを設けることとしてもよい。またヒートシンク部材１１の上面およびヒートシンク部材３１の下面の両方に凹入部を設け、両方の凹入部で実装基板２１を収容することとしてもよい。
（７）実施形態では、発光部２４はヒートシンク部材３１の開口に完全に収容されているが、本発明はこれに限られない。例えば、図１５に示すように、発光部２４の頂部の面３９がヒートシンク部材３１の表面３８よりも絶縁基板２１に垂直な方向に突出していてもよい。そうすることで光取出し効率を高めることができる。なお、この場合においても、ヒートシンク部材３１の厚みＴ２を実装基板２１の厚みＴ１よりも大きくしておくことにより、ヒートシンク部材３１の剛性を高めて実装基板２１の反りを規制する効果を確保することができる。
（８）実施形態では、グローブ４１の内部空間のガスについて言及していないが、空気でもよいし窒素ガスを封入することとしてもよい。窒素ガスは空気に比べて熱伝導性が良いので、窒素ガスを封入した場合にはさらに良好な放熱特性を得ることができる。また、ＬＥＤおよび蛍光体が吸湿することにより発光特性が劣化してしまうことを防止することができる。
　なお、グローブ４１の内部空間のガスを排気して真空状態にしても、ＬＥＤおよび蛍光体の吸湿を防止することができる。
　グローブ４１の内部空間の封止は、例えば、図１６，１７，１８に示す態様により実現可能である。図１６では、ヒートシンク１１に設けられた貫通孔１３の開口を封止材４３で封止し、かつ、グローブ４１に封止弁４２を設けることとしている。図１７では、貫通孔１３の開口に封止弁４２を設けることとしている。また、図１８では、貫通孔３３の開口に封止弁４２を設けることとしている。封止弁４２としては、例えば、機械的な真空バルブ等が利用可能である。封止材４３としては、ガラス、樹脂、セメント等が利用可能である。
（９）実施形態では、ＬＥＤ２５はシリコーン樹脂成形体２６により封止されているが、本発明は、これに限らない。例えば、図１８に示すように、ＬＥＤ２５が露出していてもよい。この場合、グローブ４１の内面に蛍光体層４４を設けることにより、実施形態同様に白色光を得ることができる。また、ＬＥＤおよび蛍光体が吸湿することを防止するため、グローブ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望ましい。
　本発明は、照明一般に広く利用することができる。
　　　　１　　照明用光源
　　　１１　　ヒートシンク部材
　　　１２　　フィン
　　　１３　　貫通孔
　　　１４　　上面
　　　１５　　ケース
　　　１６　　Ｅ型口金
　　　１７　　プリント配線板
　　　１８　　電源回路
　　　１９　　配線
　　　２１　　実装基板
　　　２２　　金属基板
　　　２３　　絶縁層
　　　２４　　発光部
　　　２５　　ＬＥＤ
　　　２６　　シリコーン樹脂成形体
　　　２７　　電極パッド
　　　２８　　周縁部
　　　２９　　配線パターン
　　　３１　　ヒートシンク部材
　　　３２　　開口
　　　３３　　貫通孔
　　　３４　　凹入部
　　　３５　　周縁部
　　　３６　　フィン
　　　３７　　次第に広がる内周面
　　　３８　　ヒートシンク部材の表面
　　　３９　　発光部の頂部の面
　　　４１　　グローブ
　　　４２　　封止弁
　　　４３　　封止部材
　　　４４　　蛍光体層
　　　６１　　ヒートシンク部材
　　　６２　　実装基板
　　　６４　　発光部

Claims (10)

  1. 　口金を通じて電力供給を受ける電球形照明用光源であって、
    　口金が突設形成されていると共に内部に電源回路を収容している椀状ケースと、
    　前記椀状ケースの開口を封塞する状態で固定された第１のヒートシンク部材と、
    　前記第１のヒートシンク部材の開口封塞面に対向する表面に面接触させて配置された実装基板と、
    　前記実装基板の前記第１のヒートシンク部材への接触面に対向する表面に実装され、前記電源回路から電力供給を受けて発光する発光素子および当該発光素子から出射された光の波長を変換する波長変換部材を含む発光部と、
    　少なくとも前記発光部の光射出方向を覆うグローブと、
    　実装基板の前記表面における前記発光部が配設されていない領域に面接触する第１部分と前記第１のヒートシンク部材に面接触する第２部分とを有する第２のヒートシンク部材と
    　を備えることを特徴とする電球形照明用光源。
  2. 　前記第２のヒートシンク部材の少なくとも一部は、前記グローブに覆われずに外部に露出していること
    　を特徴とする請求項１に記載の電球形照明用光源。
  3. 　前記第２のヒートシンク部材は、平板であり、その一方の主面が前記第２の部分であり、前記主面の一部が凹入されて前記第１の部分が形成されていると共に、凹入部の一部が他方の主面まで貫通する開口に形成され、当該開口に前記発光部が収容されていること
    　を特徴とする請求項１に記載の電球形照明用光源。
  4. 　前記開口の内周は、前記他方の主面に近づくにつれて次第に広がること
    　を特徴とする請求項３に記載の電球形照明用光源。
  5. 　前記第２のヒートシンク部材と前記実装基板との接触面積は、前記発光部と前記実装基板との接触面積よりも広いこと
    　を特徴とする請求項１に記載の電球形照明用光源。
  6. 　前記第２のヒートシンク部材における前記第１部分は、実装基板の前記表面における周縁部全周にわたり面接触しており、または、実装基板の前記表面に配された電極パッド付近を除いて全周にわたり面接触していること
    　を特徴とする請求項１に記載の電球形照明用光源。
  7. 　前記第２のヒートシンク部材における前記第１部分の厚みは、前記実装基板の厚みよりも大きいこと
    　を特徴とする請求項１に記載の電球形照明用光源。
  8. 　前記実装基板は、前記第１のヒートシンク部材の開口封塞面に対向する表面に面接触させて配置された金属基板と、当該金属基板の前記第１のヒートシンク部材への接触面に対向する表面の一部領域に積層された絶縁層とから構成され、
    　前記発光部は、前記絶縁層に配設されており、
    　前記第２のヒートシンク部材における前記第１部分は、前記金属基板の前記表面における前記絶縁層が積層されていない領域に面接触していること
    　を特徴とする請求項１に記載の電球形照明用光源。
  9. 　前記グローブは、前記第２のヒートシンク部材に設けられたねじ溝にねじ嵌めされ、または、熱伝導性接合材で接合されて、前記第２のヒートシンク部材に連結されていること
    　を特徴とする請求項１に記載の電球形照明用光源。
  10. 　前記発光部の頂部は、前記第２のヒートシンク部材の表面よりも実装基板に垂直な方向に突出していること
    　を特徴とする請求項１に記載の電球形照明用光源。
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