JP2012146552A - 照明装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 ＬＥＤ素子から発する光を妨げることなく、ＬＥＤ素子からの熱を効率良く放出し、なおかつＬＥＤ電球の配光を改善した高輝度な照明装置を提供する。
【解決手段】 光を発する発光素子と、前記発光素子が実装される基板と、前記基板を積載し前記発光素子から発する熱を放熱する放熱板と、前記発光素子および前記基板および前記放熱板を覆い、前記発光素子から発する光を透過するグローブからなる照明装置であって、前記放熱板は、少なくとも端部以外の領域で前記グローブの内壁に接していることを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、発光素子を用いた照明装置に関するものである。

近年、従来型の白熱電球もしくは電球形蛍光灯の代替を目的として、発光ダイオード（以下、ＬＥＤと記載）や有機ＥＬのような、低消費電力にて駆動可能な発光素子によるＬＥＤ電球などは、発光効率の向上・小型化・長寿命化等研究開発が進んでいる。

図９は、現在市販のＬＥＤ電球９００の全体構成を示す概略断面図である。ＬＥＤ電球９００は、グローブ９１、ＬＥＤパッケージ９２、ＬＥＤパッケージ実装基板９３、ＬＥＤパッケージ実装基板を取り付ける台９４、ヒートシンク９５、絶縁リング９６、電源基板９７、封止樹脂９８、口金９９、導線、およびリード線とを有する。ＬＥＤパッケージを収納するグローブ９１は、ＬＥＤパッケージ実装基板を取り付ける台９４と端部で接合されており、ＬＥＤパッケージ９２は、ＬＥＤパッケージ実装基板９３に実装され、ＬＥＤパッケージ実装基板を取り付ける台９４のほぼ中心に配置されている。

ＬＥＤ電球９００により従来型の白熱電球と同等の全光束を確保しようとすると、ＬＥＤ素子への投入電力が大きくなり、点灯時のＬＥＤ素子の温度が過度に高くなる。この温度上昇により、ＬＥＤ素子の発光効率が低下し、この低下した分を補うためにさらにＬＥＤ素子への投入電力を増加させ、ＬＥＤ素子の温度がさらに上がるという悪循環を引き起こす。

そこで、この問題を解決するには、ＬＥＤ素子から発せられた熱を効率よくヒートシンク９５に伝え、ヒートシンク９５から放熱する方法がある。しかし、ＬＥＤ電球９００自体の高輝度化が進む中、ヒートシンク９５からだけでは放熱が間に合わなくなる。ＬＥＤ電球９００はヒートシンク９５以外にもグローブ９１、または口金９９も熱を伝える経路として考えられるが、金属で形成されている口金９９に対して、グローブ９１として使用されている材料は熱伝導率が低いため、放熱部材としては、さほど機能していないという現状がある。

この課題に対し、例えば特許文献１には、グローブの内面に、グローブの熱伝導率よりも高い熱伝導率を有する透光性材料によって構成された透光性層を形成し、透光性層の熱伝導率と同等以上の熱伝導率を有する伝熱材料によって構成された伝熱部を介してヒートシンクに接続するというランプが開示されている。

また、特許文献２には、LEDを囲む枠体の開口部に、蛍光体を含有する透光部材を配設し、この遮光部材に熱伝導部材を埋め込み、放熱させる照明装置が開示されている。

特開２０１０−１６２２３号公報（平成２２年１月２１日公開） 特開２０１０−１４１１７１号公報（平成２２年６月２４日公開）

しかしながら、特許文献１に示されたランプでは、グローブの内面に透光性層を形成して熱伝導率を向上させるためには、金属に匹敵する熱伝導率の材料を用いて、５０μｍ程度の厚膜に形成しなければならないが、そのような材料は一般的に透光性が低く、さらに厚膜のため、光の透過率が激減し、全光束が小さくなるという課題がある。また、特許文献２に示された照明装置では、ＬＥＤ素子からの発熱は熱伝導部材から放熱されても、ＬＥＤ電球のグローブ内で熱がこもってしまう。

そこで、本発明は上記課題に鑑みて為されたものであり、ＬＥＤ素子から発する光を妨げることなく、ＬＥＤ素子からの熱を効率良く放出し、なおかつＬＥＤ電球の配光特性を改善した高輝度な照明装置を提供することを目的とする。

本発明に係る照明装置は、光を発する発光素子と、前記発光素子が実装される基板と、前記基板を積載し前記発光素子から発する熱を放熱する放熱板と、前記発光素子および前記基板および前記放熱板を覆い、前記発光素子から発する光を透過するグローブからなる照明装置であって、前記放熱板は、少なくとも端部以外の領域で前記グローブの内壁に接していることを特徴とする。

また、本発明に係る照明装置は、前記放熱板は、多面体形状であり、前記放熱板の、前記グローブと対向する側に前記基板を積載するための平面部を１つ以上有することを特徴とする。

また、本発明に係る照明装置は、前記放熱板は、前記平面部以外の領域が熱伝導部材を介して前記グローブに内接し、接着されていることを特徴とする。

また、本発明に係る照明装置は、前記平面部に対面する前記グローブ内壁及び／または外壁の一部、もしくはすべての領域に、光を拡散させるためのパターンが施されていることを特徴とする。

また、本発明に係る照明装置は、前記平面部に対面する前記グローブ内壁及び／または外壁の一部、もしくはすべての領域に、光を拡散させるための粗面化処理が施されていることを特徴とする。

また、本発明に係る照明装置は、前記グローブは、光を拡散させる拡散材料からなることを特徴とする。

また、本発明に係る電子機器は、上記のいずれかに記載の照明装置を備えたことを特徴とする。

本発明によれば、ＬＥＤ素子から発する光を妨げることなく、ＬＥＤ素子からの熱を効率良く放出することで発光素子の温度上昇を抑制し、発光効率を向上させることができる。さらに、ＬＥＤ電球の配光を改善した、高輝度な照明装置を実現することができる。

実施の形態に係るＬＥＤ電球の全体構成を示す断面図である。 実施の形態におけるLED電球のグローブと、多面体形状の放熱板との接触部近傍の構成を示す断面図である。 実施の形態におけるLED電球のグローブと、多面体形状の放熱板との接触部近傍の構成を示す断面図である。 実施の形態におけるLED電球のグローブと、多面体形状の放熱板との接触部近傍の構成及び光の方向を示す断面図である。 実施の形態における多面体形状の放熱板の構成を示す図である。 実施の形態における他の多面体形状の放熱板の形状を示す図である。 実施の形態における他の多面体形状の放熱板の形状を示す図である。 実施の形態におけるLED電球の全体構成を示す断面図である。 従来のＬＥＤ電球の全体構成を示す断面図である。

以下、本発明の実施形態に係る照明装置１００について、ＬＥＤ電球を例にして、図１〜図７に基づいて説明する。なお、本発明の図面において、同一の参照符号は、同一部分または相当部分を表わすものとする。

＜照明装置の構成＞
図１は、ＬＥＤ電球１００の全体構成を示す断面図である。本実施形態におけるＬＥＤ電球１００は、グローブ１、ＬＥＤパッケージ２、ＬＥＤパッケージ実装基板３、放熱板１２、ヒートシンク５、絶縁リング６、電源基板７、封止樹脂８、口金９、導線１０、リード線１１と、グローブ１と放熱板１２を接続する接着剤４とから構成されている。

グローブ１は、透光性のあるＰＣ（ポリカーボネート）によりドーム形状に形成されている。グローブ１の材質は透光性を持つ材料であればこれに限らず、例えばガラス、アクリルといった材質も使用できる。グローブ１は後述するヒートシンク５上に配置されており、接着剤、ねじ等の公知の方法により固定されている。

図２〜図４には、グローブ１に施された拡散パターン１４が示されている。詳細は後述するが、グローブ１の内面側または外面側には、このような光を拡散させる形状（拡散パターン）が施されており、ＬＥＤパッケージ２から発する光が拡散される。また、グローブ１の内面側には後述する放熱板１２が、接着剤４を介して取り付けられている。

グローブ１に施される拡散パターン１４の形状であれば、LEDパッケージ性能やグローブ間との距離などにより適宜設計されることは言うまでも無い。また、ＬＥＤパッケージ２が対向するグローブ内壁および／または外壁の全面に拡散パターン１４が施されていても良い。なお、本願におけるグローブ１の端部とは、グローブ１がヒートシンク５に接している端面に加え、その近傍を含んでおり、たとえば、端面から外壁および内壁側におよそ３ｍｍ以内の範囲を言う。なお、グローブ１の端部は、この範囲に限定されるものではない。

ＬＥＤパッケージ２は、複数のＬＥＤ素子と、ＬＥＤ素子を実装する実装基板と、ＬＥＤ素子を封止する封止材とからなる。ＬＥＤ素子は、絶縁基板であるサファイア（Ａｌ_２Ｏ_３）基板を下にして窒化ガリウム（ＧａＮ）からなる半導体発光層を上に積層し、電極層（ＩＴＯ層）が上面に形成されたものである。ＬＥＤ素子はワイヤーによって実装基板上にワイヤーボンド実装されている。実装基板には配線があって、ＬＥＤ素子は実装基板上の配線と電気的に接続されている。樹脂からなる封止材（図示せず）は、複数のＬＥＤ素子を覆っており、蛍光塗料が含まれ、ＬＥＤ素子が発する光の色を所望の色に変換すると共に、素子を劣化しにくくさせる効果も有する。

ＬＥＤパッケージ実装基板３は、ＬＥＤパッケージ２を積載するための基台である。ＬＥＤパッケージ２から発する熱を放熱板１２に伝えるため、材質はアルミニウム（Ａ６０６３）としている。ＬＥＤパッケージ実装基板３の材質はこれに限られるものではなく、熱伝導率の高い材質、例えば鉄、銅、アルミニウム等の金属およびその合金など様々な材質が使用できる。ＬＥＤパッケージ２が、ＬＥＤパッケージの裏側で接続される表面実装用電極を有し、ＬＥＤパッケージ実装基板３とはんだ接続される場合には、ＬＥＤパッケージ実装基板３は、金属と絶縁体とでパターニングされた基板を用いることができる。

図５は放熱板１２の構成を示す図である。放熱板１２は、ＬＥＤパッケージ実装基板３が積載される領域は平面部１３を有し、この平面部１３は、ＬＥＤパッケージと同数設けられており、前記平面部１３以外の領域は、グローブ１の内壁と接触するような球状面をもつ構造である。ＬＥＤパッケージ２が実装される平面の領域が狭いほど、グローブ内壁と接触する面積が大きくなり、熱をグローブ１に伝える効果が大きくなる。グローブ１に伝わった熱はそのままグローブ１の表面から放熱される。ＬＥＤ電球の温度をどの程度下げるかにより、図６、図７に示すように平面部１３の形状や面積を調整する。また、放熱板１２の形状はこれらに限られるものではなく、さまざまな形態をとることができる。

他の実施形態として、図６の放熱板１２を用いた際のＬＥＤ電球の断面図を図８に示す。

放熱板１２は、グローブ１の内面側に接着剤４によって取り付けられており、熱的に接続されている。接着剤４の熱伝導率は高いほどよい。また、放熱板１２は、ヒートシンク５に、ねじまたは接着剤によって熱的に接続されており、これによってＬＥＤパッケージ２の発熱は、ＬＥＤパッケージ実装基板３を介して放熱板１２へと伝わり、その熱がさらにグローブ１へと伝わって放熱する。放熱板１２の取り付け方法はグローブ１にインサート成形する等様々な手段を用いることができる。

放熱板１２の材質はアルミニウム（Ａ６０６３）であり、熱伝導率は２１０Ｗ／ｍ・Ｋと高いため伝熱効果が高い。また、放熱板１２の材質はこれに限られるものではなく、熱伝導率の高い材質、例えば鉄、銅、アルミニウム等の金属およびその合金など様々な材質が使用できる。その中でも、熱伝導率が１００Ｗ／ｍ・Ｋ以上となる材質が、熱をより伝えやすいため望ましい。

ヒートシンク５には、側面部に複数の図示しない放熱フィンがヒートシンク５の中心から外側に向けて放射状に設けられており、ＬＥＤパッケージ２から発せられ、放熱板１２を経由して伝わった熱を放熱する。ヒートシンク５は放熱板１２に接着剤、ねじ、かしめ等の公知の方法により固定される。ＬＥＤパッケージ２から放熱板１２を介して伝わった熱をヒートシンク５全体に効率よく伝えるため、ヒートシンク５の材質はアルミニウム（Ａ６０６３）としている。ヒートシンク５の材質はこれに限られるものではなく、熱伝導率の高い材質、例えば鉄、銅、アルミニウム等の金属およびその合金など様々な材質が使用できる。

また、ヒートシンク５の表面はアルマイト処理が施されており、放射率が通常のアルミニウムに比べ高くなるため効果的に放熱ができる。表面処理はこれに限られるものではなく、放射塗料を塗布するなど放射率が向上する様々な手段を用いることができる。

絶縁リング６は、ヒートシンク５と口金９が電気的に接触しないように絶縁するための部材であり、材質はＰＢＴ（ポリブチレンテレフタラート）である。絶縁リング６の材質はこれに限られるものではなく、絶縁性の高い材質、例えばＰＣや、絶縁性を保持しながら高い熱伝導率を有するＰＰＳ（ポリフェニレンサルファイド）などが使用できる。絶縁リング６はヒートシンク５に接着剤、ねじ等の公知の方法により固定される。

電源基板７は、図示しない複数の電子部品（例えば、商業電源から供給された交流電力を直流電力に整流する整流回路、この整流回路により整流された直流電力の電圧値を調整する電圧調整回路等）が基板上に実装された、ＬＥＤパッケージ２を発光させるための回路基板である。電源基板７は絶縁リング６に、係止手段、固着手段等の公知の方法により固定される。

封止樹脂８は、絶縁リング６および口金９内部に充填されており、電源基板７を覆っている。封止樹脂８の材質は絶縁性が高く、熱伝導率が高い樹脂であり、電源基板７から発する熱を絶縁リング６および口金９に伝導する役目を持つ。

口金９は、例えばエジソンタイプのＥ２６形の口金であって、ねじ山を備えた筒状に形成された金属性のシェル部を有している。口金９は、このシェル部の一端側の頂部に絶縁部（図示せず）を介して金属製のアイレット部を有し、他端側が絶縁リング６に装着されている。

導線１０は、電源基板７と口金９とを電気的に接続するための配線である。導線１０は電源基板７と口金９のアイレット部の内側面に接続されており、また図示しない導線が電源基板７と口金９のシェル部の内側面に接続されており、図示しない灯具内の電極と接触して、電源基板７に灯具から供給される電力を伝える役目を持つ。

＜放熱経路＞
次に、本実施形態における放熱回路について説明する。電源基板７上の電子部品の発熱は主に、電源基板７および封止樹脂８を介して、または導線１０を介して口金９へと伝わり、そこから図示しない灯具へ伝わって、ＬＥＤ電球の外部へ放射と対流、熱伝導によって放熱する。また、電源基板７上の電子部品の発熱の一部は電源基板７および封止樹脂８を介して絶縁リング６へと伝わり、ＬＥＤ電球の外部へ放射と対流によって放熱する。さらにその中の一部の熱はヒートシンク５へと伝わりＬＥＤ電球の外部へ放射と対流によって放熱する。

ＬＥＤパッケージ２の発熱は、放熱板１２を介してヒートシンク５へと伝わり、ＬＥＤ電球１００の外部へ放射と対流によって放熱する。従来のＬＥＤ電球のように、放熱板１２がない場合には、熱伝導率が１Ｗ／ｍ・Ｋ以下と低いグローブには、ＬＥＤパッケージ実装基板を取り付ける台と接する部分から数ｍｍの位置までしか熱は伝わらない。そのためグローブ全体にはほとんど熱は伝わらず、グローブからの放熱はごく微量であるため、放熱経路は主にヒートシンクのみであった。グローブはＬＥＤ電球の表面積の約１／３を占めるため、本実施形態の構成をとることにより、LEDパッケージ２の発熱が放熱板１２を介してヒートシンク５に伝わるので、高い放熱効果を得ることができる。

本実施形態では放熱板１２がグローブ１内面側と熱的に接触しているので、ＬＥＤパッケージ２の発熱は、ＬＥＤパッケージ実装基板３を介して放熱板１２へと伝わり、その熱がさらに接着剤４を介してグローブ１内面側へと伝わる。グローブ１内面側へと伝わった熱は、グローブ１外面側へと伝わる。グローブ１の熱伝導率は１Ｗ／ｍ・Ｋ以下と低いが、厚さが１ｍｍ程度のため、グローブ１外面側まで熱が伝わる。放熱板１２とグローブ１とが熱的に接触している部分からグローブ１全体へと熱が伝わり、グローブ１の温度が上昇する。グローブ１の熱伝導率は低いが、放熱板１２上の、ＬＥＤパッケージ２が実装されている平面以外は、グローブ１と接触しているため、接触箇所におけるグローブ１の温度は十分に高まり、グローブ１から放射と対流によって放熱する量が大幅に増加する。これによりＬＥＤパッケージ２から発する熱をグローブ１からも効率良く放出でき、ＬＥＤパッケージ２の温度上昇が抑制されるので、ＬＥＤパッケージ２の発光効率が向上する。

＜出射経路＞
次に、本実施形態における光の出射経路について説明する。ＬＥＤパッケージ２から発する光は、主にグローブ１内の空気中を介して、グローブ１内部を通り、ＬＥＤ電球１００の外部へ出射する。また、ＬＥＤパッケージ２から発する光の一部は、グローブ１内の空気中を介して放熱板１２の表面に当たり、反射してグローブ１２内部を通り、ＬＥＤ電球の外部へ出射する。

現状のＬＥＤ電球に用いられているグローブと、本発明の放熱板１２とを接触させた場合、その接触部では光の外部への透過が妨げられることになり、グローブの球面内で光を透過する部分と、透過しない部分で発光むらが生じることになる。しかし、本発明のグローブ１では、多面体形状の放熱板１２と接触する近傍に、図２〜図４に示すような拡散パターン１４を施してある。

図２に示すような内部に拡散パターン１４が施されたグローブ１に、発光素子から発せられた光が入光した場合、グローブ内壁面に施された凹凸形状によって、光があらゆる方向に拡散し、発光むらを低減することができる。

また、図３に示すような外部に拡散パターン１４が施されたグローブ１に、発光素子から発せられた光が入光した場合、グローブ外壁面に施された凹凸形状によって、光があらゆる方向に拡散し、発光むらを低減することができる。

また、図４に示すようなプリズム形状の拡散パターン１４を施せば、図中に示した点線の矢印のように光がグローブ１と放熱板１２との接触面側に屈折し、発光むらを低減することができる。拡散パターン１４は、上記に示したものだけでなく、光を拡散させる範囲や光の強度などにより、その形状、位置、大きさなど、適宜設定すればよい。

また、図９に示したような従来のＬＥＤ電球の場合、ＬＥＤパッケージから発せられた光は、ＬＥＤパッケージ実装基板を取り付ける台からグローブ側へ広がることになるのに対して、本発明のＬＥＤ電球の場合、ＬＥＤパッケージ２は立体的に配置されているため、口金９側へも光が放たれることになり配光が改善される。

以上のように多面体形状の放熱板１２を拡散パターン１４を施したグローブ１内面側に取り付けることにより、グローブ１からも放熱し、これによりＬＥＤパッケージ２から発する熱を効率良く放出でき、ＬＥＤパッケージ２の温度上昇が抑制されるので、ＬＥＤパッケージ２の発光効率が向上する。また、グローブ１に拡散パターン１４を施すことで、光の発光むらを低減することができる。さらに、ＬＥＤパッケージ２を立体的に実装することにより、既存のＬＥＤ電球と比較して配光特性が改善される。

本発明の照明装置は、ＬＥＤを用いたＬＥＤ電球だけではなく、あらゆる照明装置に適用できる用途の広いものである。

１、９１ グローブ
２、９２ ＬＥＤパッケージ
３、９３ ＬＥＤパッケージ実装基板
４ 接着剤
５、９５ ヒートシンク
６、９６ 絶縁リング
７、９７ 電源基板
８、９８ 封止樹脂
９、９９ 口金
１０ 導線
１１ リード線
１２ 放熱板
１３ 平面部
１４ 拡散パターン
９４ ＬＥＤパッケージ実装基板を取り付ける台
１００、１００´ LED電球
９００ 従来のLED電球

Claims (7)

1. 発光素子と、
   前記発光素子が実装される基板と、
   前記基板を積載する放熱板と、
   前記発光素子、前記基板及び前記放熱板を覆い、前記発光素子から発する光を透過するグローブからなる照明装置であって、
   前記放熱板は、少なくとも端部以外の領域で前記グローブの内壁に接していることを特徴とする照明装置。
2. 前記放熱板は、多面体形状であり、前記放熱板の、前記グローブと対向する側に前記基板を積載するための平面部を１つ以上有することを特徴とする請求項１に記載の照明装置。
3. 前記放熱板は、前記平面部以外の領域が熱伝導部材を介して前記グローブに内接し、接着されていることを特徴とする請求項１または２に記載の照明装置。
4. 前記平面部に対面する前記グローブ内壁及び／または外壁の一部、もしくはすべての領域に、光を拡散させるためのパターンが施されていることを特徴とする請求項１から３に記載の照明装置。
5. 前記平面部に対面する前記グローブ内壁及び／または外壁の一部、もしくはすべての領域に、光を拡散させるための粗面化処理が施されていることを特徴とする請求項１から３に記載の照明装置。
6. 前記グローブは、光を拡散させる拡散材料からなることを特徴とする請求項１から３に記載の照明装置。
7. 請求項１から６のいずれかに記載の照明装置を備えたことを特徴とする電子機器。