JP2008091161A

JP2008091161A - Ｌｅｄ照明装置

Info

Publication number: JP2008091161A
Application number: JP2006269604A
Authority: JP
Inventors: Takashi Shindo; 崇進藤; Yoshiyuki Uchinono; 良幸内野々; Hiroyuki Yoshida; 浩之吉田; Masahide Muto; 正英武藤; Masahiro Sato; 正博佐藤
Original assignee: Matsushita Electric Works Ltd
Current assignee: Panasonic Electric Works Co Ltd
Priority date: 2006-09-29
Filing date: 2006-09-29
Publication date: 2008-04-17

Abstract

【課題】凸型形状の回路基板を用いて広範囲の配光を実現しながら、実装される各ＬＥＤ素子の発熱を均一に放熱して素子特性のばらつきを抑え、均一な照明を得られるようにする。
【解決手段】凸面１１ａに複数のＬＥＤ素子１２が実装される凸型回路基板１１の内部に金属ブロック２１などの放熱手段を設け、その放熱手段の凸型回路基板１１の凸面１１ａに近接する部分の形状を、凸面１１ａに倣う形状とする。
【選択図】図２

Description

本発明は、複数のＬＥＤ素子が実装された回路基板を備えるＬＥＤ照明装置に関する。

従来、光源に高輝度のＬＥＤ（light emitting diode；発光ダイオード）素子を用いたＬＥＤ照明装置が知られている。ＬＥＤ照明装置は、光源に白熱灯や蛍光灯などを用いた照明装置と比較して、低消費電力かつ長寿命であり、さらにランプ交換等のメンテナンスが不要で使い勝手がよいといった利点を有している。

ＬＥＤ照明装置の光源として使用するＬＥＤ素子は、単体では照射範囲が狭いため、通常、複数個を回路基板に実装してモジュール化した状態で使用している。したがって、ＬＥＤ照明装置の配光特性は、実装される複数のＬＥＤ素子のレイアウトによって定まることになる。換言すると、ＬＥＤ照明装置は、複数のＬＥＤ素子のレイアウトを最適化することで、目的に応じた自由な配光特性が得られるといった利点も有している。

また、近年では、ＭＩＤ（Molded Interconnect Devices）と呼ばれる立体回路成形品の製造技術が確立され、立体的な回路基板を比較的容易に作製できるようになってきている。そして、このような技術を用いてＬＥＤ照明装置の回路基板を凸型の立体形状に形成し、その凸面（外周面）に複数のＬＥＤ素子を実装することで、広範囲の配光を可能にする試みもなされている（例えば、特許文献１参照。）。

特開平１１−１６３４１２号公報（〜、図１１）

ところで、この種のＬＥＤ照明装置においては、光源として用いるＬＥＤ素子の発熱によって温度が過度に上昇すると、ＬＥＤ素子の発光効率や輝度の低下を招き、また、ＬＥＤ素子の寿命低下を招く要因となることが指摘されている。このため、ＬＥＤ照明装置では、ＬＥＤ素子の発熱による温度上昇を効果的に防止できるようにすることが重要な課題とされており、例えば特許文献１に記載されているＬＥＤ照明装置では、ＬＥＤ素子の発熱により凸型の回路基板に沿った上昇気流を発生させ、凸型回路基板の下方から温度の低い空気を流れ込ませることで、ＬＥＤ素子の熱を放熱する構造としている。

しかしながら、このような放熱構造では、凸型回路基板の上側ほど放熱効率が低下することになり、凸型回路基板の凸面に実装された複数のＬＥＤ素子間でその実装位置に応じた素子特性のばらつきを生じさせてしまう場合があり、均一な照明が得られなくなるといった問題があった。

本発明は、以上のような従来の実情に鑑みて創案されたものであって、凸型形状の回路基板を用いて広範囲の配光を実現しながら、実装される各ＬＥＤ素子の発熱を均一に放熱して素子特性のばらつきを抑え、均一な照明を得られるようにしたＬＥＤ照明装置を提供することを目的としている。

本発明のＬＥＤ照明装置は、凸型形状に立体成形されて回路パターンが形成された凸型回路基板と、凸型回路基板の凸面に実装された複数のＬＥＤ素子と、凸型回路基板の内部に設けられた放熱手段とを備えた構成とし、放熱手段を、凸型回路基板の凸面に近接する部分の形状が凸面に倣う形状とすることで、前記課題を解決する。このＬＥＤ照明装置では、複数のＬＥＤ素子が実装される凸型回路基板の凸面のほぼ全周に亘って凸型回路基板内部の放熱手段までの距離が略一定とされるので、この凸型回路基板の凸面に実装される複数のＬＥＤ素子の発熱は、放熱手段によって均一に放熱されることになる。

本発明のＬＥＤ照明装置によれば、凸型回路基板の凸面に実装される複数のＬＥＤ素子の発熱が放熱手段によって均一に放熱されるので、各ＬＥＤ素子間における素子特性のばらつきを抑え、均一な照明を得ることができる。

以下、本発明の具体的な実施形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。

図１は、本発明を適用したＬＥＤ照明装置の外観を示す斜視図である。この図１に示すＬＥＤ照明装置は、スタンド型の照明装置に本発明を適用した例であり、照明用の光を発光する発光部１を基台２で支持する構造となっている。また、このＬＥＤ照明装置では、必要に応じて、ガラスなどの光透過性を有する材料で成形されたカバー３が、基台２上の発光部１を覆うように、基台２に取り付けられる。

発光部１は、凸型回路基板１１の凸面（外周面）１１ａに複数のＬＥＤ素子１２が実装されてなるものである。凸型回路基板１１はＭＩＤ（立体回路成形品）の基板であり、基板材料が凸型形状に立体成形され、回路パターンが形成されたものである。ここで、凸型回路基板１１の基板材料としては、熱抵抗が低く放熱性の高い無機材料、例えばＡｌ_２Ｏ_３やＡｌＮ、Ｓｉ_３Ｎ_４などのセラミック材料が好適である。凸型回路基板１１は、これらの基板材料が、プレス成形やＣＩＭ（Ceramics Injection Molding；セラミックス射出成形）、鋳込み成形などの既知の成形法によって凸型形状に成形され、その成形品に回路パターンが形成されることで作製される。なお、凸型形状の成形品に回路パターンを形成する手法としては、例えば、特許第３１５３６８２号公報にて開示される手法が有効に適用できる。

本発明を適用したＬＥＤ照明装置では、以上のような凸型回路基板１１の凸面１１ａに複数のＬＥＤ素子１２を実装して、図１に示すような発光部１とすることで、全周囲に亘る広い範囲への配光を可能としている。また、このＬＥＤ照明装置では、発光部１の複数のＬＥＤ素子１２の点灯／消灯を個別に、或いは実装位置に応じてグループ分けしたグループごとに切り替え可能にし、点灯させるＬＥＤ素子１２を選択的に切り替えるようにすれば、配光を任意に変更することができ、自由な配光を得ることができる。

ＬＥＤ照明装置は、ＬＥＤ素子１２の発熱による温度上昇に起因してＬＥＤ素子１２に発光効率や輝度の低下、寿命低下などの問題を生じさせないようにするために、ＬＥＤ素子１２の発熱を効率よく放熱するための放熱機構を設けることが望まれる。そこで、本発明を適用したＬＥＤ照明装置では、凸型形状に立体成形された凸型回路基板１１の内部に放熱手段を設けるようにしており、特に、この凸型回路基板１１の内部に設ける放熱手段を、その凸型回路基板１１の凸面１１ａに近接する部分の形状が凸面１１ａに倣う形状となるようにすることで、凸型回路基板１１の凸面１１ａに実装された複数のＬＥＤ素子１２の発熱を均一に放熱できるようにしている。以下、本発明を適用したＬＥＤ照明装置における発光部１の例として、凸型回路基板１１の内部に放熱手段を設けた２つの具体例（実施例１，２）を例示して説明する。

［実施例１］
実施例１は、金属材料が凸型のブロック状に成形された金属ブロックを凸型回路基板１１の内部に埋設して放熱手段とした例である。

図２は、本実施例における発光部１の縦断面図である。本実施例では、図２に示すように、凸型回路基板１１が半球体の内部を凸面（外周面）１１ａに沿うようにくり抜いたカップ型の凸型形状に成形され、この凸型回路基板１１の内部に、例えばＣｕやＡｌなどの金属材料が凸型に成形されてなる金属ブロック２１が埋め込まれている。凸型回路基板１１の内部に埋設された金属ブロック２１は、その外周面、すなわち凸型回路基板１１の凸面１１ａに近接する面が、凸型回路基板１１の凸面１１ａに倣う形状とされ、複数のＬＥＤ素子１２が実装される凸型回路基板１１の凸面１１ａと、放熱手段としての金属ブロック２１外周面との間の距離Ｌ１が、凸面１１ａのほぼ全周に亘って略一定とされている。したがって、本実施例の発光部１では、凸型回路基板１１の凸面１１ａに実装された複数のＬＥＤ素子１２の発熱が、金属ブロック２１によって均一に放熱されることになり、実装位置に応じた放熱効率の差に起因する複数のＬＥＤ素子１２間における素子特性のばらつきを有効に抑え、均一な照明を得ることが可能となる。

ここで、本実施例における発光部１の作製工程の一例について、簡単に説明する。

まず、図３に示すように、凸型回路基板１１を、均一の厚みを有するカップ型の凸型形状に成形する。ここで、基板材料にはＡｌ_２Ｏ_３やＡｌＮ、Ｓｉ_３Ｎ_４などのセラミック材料を用い、例えば、粉末状のセラミック材料にポリスチレン、パラフィンワックス、ステアリン酸の混合物などをバインダーとして混合し、ＣＩＭ成形機などの成形機に投入してカップ型の形状の凸型回路基板１１に成形する。また、凸型回路基板１１は、ＣＩＭの他にもプレス成形、鋳込み成形などの成形法によって成形することも可能である。鋳込み成形により凸型回路基板１１を成形する場合には、水溶性の樹脂と水とがバインダーとして用いられる。

次に、図４に示すように、金属ブロック２１を、凸型回路基板１１の内部の空間に合わせた凸型のブロック状に成形する。ここで、金属ブロック２１の材料には例えばＣｕやＡｌなどを用い、これらの金属材料を、例えば鋳型を用いた鋳造やＭＩＭ（Metal Injection Molding；金属射出成形）などの成形法によって、凸型回路基板１１内部の空間に合致する凸型のブロック状に成形して、金属ブロック２１を作製する。なお、このとき、金属ブロック２１の外周面に例えば図５に示すような溝２１ａを形成しておくようにすれば、この溝２１ａを冷媒流路として活用して凸型回路基板１１の内部に冷媒を流すことも可能となり、放熱特性を更に良好なものとすることができる。

次に、図６に示すように、凸型回路基板１１の内部に金属ブロック２１を嵌め込み、例えば、ろう付けや固体接合などの接合方法により、これら凸型回路基板１１と金属ブロック２１とを接合する。これにより、図７に示すように、凸型回路基板１１の内部に放熱手段としての金属ブロック２１が埋め込まれて一体化された状態となる。なお、凸型回路基板１１の回路パターンは、凸型回路基板１１と金属ブロック２１とを一体化する前に形成してもよいし、凸型回路基板１１と金属ブロック２１とを一体化した後に形成するようにしてもよい。ただし、凸型回路基板１１の凸面１１ａへのＬＥＤ素子１２の実装は、ＬＥＤ素子１２の破損を防止するために、凸型回路基板１１と金属ブロック２１とを一体化した後の最終工程で行うことが望ましい。

［実施例２］
実施例２は、凸型回路基板１１の凸面１１ａに沿うように凸型回路基板１１の内部に冷媒が流される冷媒流路を貫通形成し、この冷媒流路を放熱手段とした例である。

図８は、本実施例における発光部１の縦断面図である。本実施例では、図８に示すように、凸型回路基板１１は半球体の凸型形状に成形され、この半球体形状の凸型回路基板１１の内部に、例えば冷却水などの冷媒が流れる冷媒流路２２が、凸型回路基板１１の凸面１１ａに沿うようなかたちで貫通形成されている。この冷媒流路２２は、例えば、頂点部から放射状に分岐する複数の分岐流路の集合として構成される。そして、各分岐流路の壁面のうち凸型回路基板１１の凸面１１ａに近接する部分が、凸型回路基板１１の凸面１１ａに倣う形状とされ、複数のＬＥＤ素子１２が実装される凸型回路基板１１の凸面１１ａと、放熱手段としての冷媒流路２２との間の距離Ｌ２が、凸面１１ａのほぼ全周に亘って略一定とされている。したがって、本実施例の発光部１では、凸型回路基板１１の凸面１１ａに実装された複数のＬＥＤ素子１２の発熱が、冷媒流路２２を流れる冷媒によって均一に放熱されることになり、上述した実施例１と同様に、実装位置に応じた放熱効率の差に起因する複数のＬＥＤ素子１２間における素子特性のばらつきを有効に抑え、均一な照明を得ることが可能となる。

まず、図９に示すように、凸型回路基板１１の内部に冷媒流路２２を貫通形成するための型となる流路形成用部材２４を作製する。ここで、流路形成用部材２４の材料としては例えばパラフィンワックスなどを用い、この材料を例えば射出成形や押出成形などの成形法によって冷媒流路２２に対応した放射状に成形して、流路形成用部材２４を作製する。

次に、図１０に示すように、凸型回路基板１１を、流路形成用部材２４が内部に埋め込まれた状態の半球体の形状に成形する。ここで、基板材料にはＡｌ_２Ｏ_３やＡｌＮ、Ｓｉ_３Ｎ_４などのセラミック材料を用い、例えば、粉末状にしたセラミック材料にポリスチレン、パラフィンワックス、ステアリン酸の混合物などをバインダーとして混合し、これを予め流路形成用部材２４がセットされたＣＩＭ成形機などの成形機に投入して、半球体形状の凸型回路基板１１に成形する。このとき、成形機における基板成形型の成形面から均一に浮かした状態で、流路形成用部材２４を基板成形型の内部に配置しておくことにより、凸面１１ａからの距離が均一となる位置に流路形成用部材２４が埋め込まれた状態の凸型回路基板１１を得る。また、凸型回路基板１１は、ＣＩＭの他にも鋳込み成形によって成形することも可能である。鋳込み成形により凸型回路基板１１を成形する場合には、水溶性の樹脂と水がバインダーとして用いられる。

次に、図１１に示すように、流路形成用部材２４が内部に埋め込まれた状態の半球体形状の凸型回路基板１１を高温炉２６内に収容し、ヒータ２６ａの加熱によって、凸型回路基板１１内部に埋め込まれた流路形成用部材２４と基板材料に混合したバインダーを熱分解させる。ここで、ヒータ２６ａによる加熱条件は、例えば最高温度が５００℃〜６００℃程度となるように設定される。この加熱処理により凸型回路基板１１内部の流路形成用部材２４が分解除去されることで、凸型回路基板１１内部に冷媒流路２２が形成されることになる。なお、図１１においては、高温炉２６内に１つの凸型回路基板１１を収容した様子を図示しているが、実際には、複数個の凸型回路基板１１をまとめて高温炉２６内に収容して加熱処理を行う。

次に、図１２に示すように、流路形成用部材２４が分解除去されて冷媒流路２２が形成された凸型回路基板１１を、高温炉２６内のヒータ２６ａの加熱によって商品形状に焼き固める。ここで、焼結の条件は、例えば、基板材料にＡｌ_２Ｏ_３を用いた場合は高温炉２６内を大気雰囲気として、ヒータ２６ａによる加熱条件を、例えば最高温度が１５００℃〜１６００℃程度となるように設定する。また、基板材料にＡｌＮを用いた場合は高温炉２６内を窒素雰囲気として、ヒータ２６ａによる加熱条件を、例えば最高温度が１８００℃〜１９００℃程度となるように設定する。この焼結処理によって凸型回路基板１１が商品形状に焼き固められ、図１３に示すように、内部に冷媒流路２２が凸面１１ａに沿って貫通形成された凸型回路基板１１が作製される。その後、凸型回路基板１１に回路パターンが形成され、凸面１１ａに複数のＬＥＤ素子１２が実装されることで、発光部１が完成する。

以上、具体的な例を挙げながら詳細に説明したように、本発明を適用したＬＥＤ照明装置は、凸型回路基板１１の内部に金属ブロック２１や冷媒流路２２などの放熱手段を設け、その放熱手段の凸型回路基板１１の凸面１１ａに近接する部分の形状を凸面１１ａに倣う形状としているので、凸型回路基板１１の凸面１１ａに実装された複数のＬＥＤ素子１２の発熱を放熱手段によって均一に放熱することができる。したがって、このＬＥＤ照明装置によれば、凸型回路基板１１の凸面１１ａに実装された複数のＬＥＤ素子１２間における素子特性のばらつきを抑え、均一な照明を得ることができる。

また、本発明を適用したＬＥＤ照明装置は、凸型回路基板１１の凸面１１ａに複数のＬＥＤ素子１２を実装しているので、全周囲に亘る広い範囲への配光が可能であり、さらに、複数のＬＥＤ素子１２の点灯／消灯を個別に或いはグループごとに選択的に切り替えることにより、自由な配光を得ることができる。

なお、以上説明した実施形態は本発明の一適用例を例示したものであり、本発明が以上の実施形態で説明した内容に限定されることを意図するものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で様々な変形が可能である。例えば、ＬＥＤ照明装置の配光特性を向上させるといった観点からは、凸型回路基板１１の凸面１１ａに、光源として用いる複数のＬＥＤ素子１２からの光を反射して前方に配光するための反射部を各ＬＥＤ素子１２ごとに設けることも有効である。具体的には、例えば図１４に示すように、凸型回路基板１１の凸面１１ａに、複数のＬＥＤ素子１２に対応させて複数の凹部２８を設け、各凹部２８内にＬＥＤ素子１８を実装する。そして、各凹部２８の壁面を加工して、ＬＥＤ素子１２からの横方向への光を凹部２８の壁面にて反射させ、前方に配光できるようにする。凸型回路基板１１の凸面１１ａ上に複数のＬＥＤ素子１２をそのまま実装した場合には、隣接するＬＥＤ素子１２の横方向の光が干渉して、照明のむらを発生させる要因となることも懸念されるが、以上のような反射部を設けて各ＬＥＤ素子１２からの光を前方に配光するようにすれば、照明むらの発生を有効に抑制することができる。

また、上述した実施形態では、スタンド型の照明装置に本発明を適用した例を説明したが、本発明は、例えば図１５に示すように、吊り下げタイプの照明装置に対しても有効に適用可能である。この図１５に示すような吊り下げタイプの照明装置は、例えば室内の天井などから吊り下げられて室内を照明するものであり、発光部１が下側を向くように基体５に取り付けられ、発光部１を覆うようにフード６が装着される。このような吊り下げタイプの照明装置に本発明を適用した場合、発光部１を覆うフード６の内面を反射面とし、一部のＬＥＤ素子１２からの光を下方に反射させることで、吊り下げタイプの照明装置として理想的な配光特性を得ることができる。

本発明を適用したＬＥＤ照明装置の外観を示す斜視図である。実施例１における発光部の縦断面図である。実施例１における発光部の作製工程を説明する図であり、カップ状の凸型形状に成形された凸型回路基板を示す斜視図である。実施例１における発光部の作製工程を説明する図であり、凸型のブロック状に成形された金属ブロックを示す斜視図である。凸型のブロック状に成形された金属ブロックの他の例を示す斜視図である。実施例１における発光部の作製工程を説明する図であり、凸型回路基板の内部に金属ブロックを嵌め込む様子を示す斜視図である。実施例１における発光部の作製工程を説明する図であり、凸型回路基板と金属ブロックとが一体化された様子を示す斜視図である。実施例２における発光部の縦断面図である。実施例２における発光部の作製工程を説明する図であり、凸型回路基板の内部に冷媒流路を貫通形成するための型となる流路形成用部材を示す斜視図である。実施例２における発光部の作製工程を説明する図であり、流路形成用部材が内部に埋め込まれた半球体形状の凸型回路基板を示す斜視図である。実施例２における発光部の作製工程を説明する図であり、凸型回路基板内部に埋め込まれた流路形成用部材と基板材料に混合したバインダーを熱分解させる様子を示す模式図である。実施例２における発光部の作製工程を説明する図であり、凸型回路基板を商品形状に焼き固める様子を示す模式図である。実施例２における発光部の作製工程を説明する図であり、内部に冷媒流路が貫通形成された凸型回路基板を示す斜視図である。凸型回路基板の凸面に設けた凹部内にＬＥＤ素子を実装した様子を示す斜視図である。本発明を適用した吊り下げタイプのＬＥＤ照明装置を示す側面図である。

符号の説明

１発光部
１１凸型回路基板
１１ａ凸面
１２ＬＥＤ素子
２１金属ブロック
２２冷媒流路
２８凹部

Claims

凸型形状に立体成形され、回路パターンが形成された凸型回路基板と、
前記凸型回路基板の凸面に実装された複数のＬＥＤ素子と、
前記凸型回路基板の内部に設けられた放熱手段とを備え、
前記放熱手段は、前記凸型回路基板の凸面に近接する部分の形状が、当該凸面に倣う形状とされていることを特徴とするＬＥＤ照明装置。
前記放熱手段は、金属材料が凸型のブロック状に成形された金属ブロックよりなることを特徴とする請求項１に記載のＬＥＤ照明装置。
前記放熱手段は、前記凸型回路基板の凸面に沿うように当該凸型回路基板の内部に貫通形成された、冷媒が流される冷媒流路よりなることを特徴とする請求項１に記載のＬＥＤ照明装置。
前記凸型回路基板の基板材料としてセラミック材料が用いられていることを特徴とする請求項１に記載のＬＥＤ照明装置。
前記凸型回路基板の凸面に、前記複数のＬＥＤ素子からの光を反射して前方に配光するための反射部が各ＬＥＤ素子ごとに設けられていることを特徴とする請求項１に記載のＬＥＤ照明装置。