JP4452495B2 - スポット照明用高パワーｌｅｄモジュール - Google Patents

Description

本発明は、一般的に照明（ライティング）用途のための発光ダイオード（ＬＥＤ）技術に関する。本発明は、スポットモジュール照明（イルミネーション）用途に関連した特定の用途を有しており、以下にこの特定用途に関連して説明する。しかしながら、本発明は他の同様の用途にも適用可能であることを理解されたい。

現在のスポットモジュールランプ技術は、主として、小型反射器（ＭＲ）及び放物線反射器（ＰＡＲ）型ランプ照明用ハロゲン型ランプに頼っている。しかしながら、ハロゲン型ランプを使用するスポット照明は、若干の欠陥を有している。例えば、過大な加熱が、これらの型のランプを商業用及び消費者の用途のために使用することを制限しがちである。現在のＬＥＤによる解決方法は、光源アレイ内に標準、既成の、エポキシカプセル封じされた、スルーホールＬＥＤ源を使用している。これらの構成は、ランプの出力強度を厳しく制限する。そのため、ＬＥＤ技術によって実現できる筈の潜在的市場への浸透も相応して制限されている。

この技術分野における今日までの努力は、主として、種々のスタイルのパッケージにおいて“カラーウォッシュ（水性塗料）”能力を得るために、出力光のマルチカラーディジタル制御に向けられてきた。ＬＥＤをベースとするランプは、ＭＲランプフットプリントを模擬するように設計されてきた。しかしながら、これらのランプを構成するために使用されるＬＥＤは熱伝導性ではない（これらのランプの熱抵抗は約300°Ｃ／Ｗである）ので、これらのＬＥＤランプは過大な熱を発生する。従って、普通のＬＥＤをベースとするＭＲランプにとって熱負荷は重大問題である。

この熱問題に対処するための１つの試みは、金属クラッド印刷回路基板（ＰＣＢ）上に面実装デバイスをパッケージすることである。しかしながら、これは、ランプのボディ内に含まれているヒートシンク内にＰＣＢを直接集積していない平面的アプローチである。従って、高パワーＬＥＤランプをＭＲパッケージ内に組み込むことは不可能であった。

本発明は、上述した諸問題その他を解消する新しく、且つ改良された装置及び方法を提供する。

本発明の一面によれば、光モジュールが提供される。これは、前側発光ダイオードアレイ及び後側を画定している発光ダイオード組立体を含む。後側は、熱伝導性スプレッダと熱的に通じ、熱伝導性コアが熱伝導性スプレッダと熱的に通じている。熱伝導性コアは前側発光ダイオードアレイと作動的に通じている電気導体を含み、複数の付属品が熱伝導性スプレッダと熱的に通じるように熱伝導性コアの周りに配置されている。

本発明の別の面によれば、発光ダイオード組立体は、電気接続要素を通過させているボディによって支持された発光面を含む。ボディは、発光面と熱的に通じている熱伝導性コアを含む。熱伝導性コアは、発光面において発光ダイオードと電気的に接続されている電気接続要素を含む。複数の熱伝導性アタッチメントが熱伝導性コアを取り囲み、それらは発光ダイオード組立体と熱的に通じている。

本発明の更に別の面によれば、スポットモジュールプラットフォームとの接続に使用するためのランプが設けられている。このランプは、対向する前向き側及び後向き側を有するＬＥＤ組立体に配列されている複数のＬＥＤを含む。前向き側は、電力が供給された時にＬＥＤから照明を選択的に発生する。ヒートシンクは、ＬＥＤ組立体の後向き側と熱的に通じており、ＬＥＤから熱を引き出すように配列されている。熱散逸手段がヒートシンクと熱的に通じており、対流によってヒートシンクから熱を散逸させる。

本発明の１つの長所は、ＭＲまたはＰＡＲ型ランプ、または他の新しいランプ形態のＬＥＤをベースとするスポットモジュールの熱抵抗を減少させたことである。

本発明の別の長所は、ＭＲまたはＰＡＲ型ランプ、または他の新しいランプ形態のスポットモジュール内に高パワーＬＥＤを使用可能にしたことである。

本発明の別の長所は、普通のＭＲランプのフットプリントを実質的に模擬するＬＥＤをベースとするランプを提供したことである。同じアプローチを、ＰＡＲ型ランプの場合にも使用することができる。

本発明の別の長所は、普通のクリップオン濾波したＭＲランプに優る輝度レベルを発生させたことである。

本発明の別の長所は、スポットモジュールから、10°乃至65°にわたる半値全幅の角度出力を発生させるために、主レンズ構成、または主及び副レンズ構成の組合わせの何れかを使用して光出力を集束できるようにしたことである。

本発明の別の長所は、ＬＥＤの動作温度を低下させ、それによってＬＥＤをベースとするランプの動作寿命を増加させたことである。

本発明のさらなる長所は、以下の添付図面に基づく好ましい実施例の説明から明白になるであろう。

図１に示すデバイス８は、電気絶縁性サブマウント２０、２２、２４にそれぞれ取り付けられている高パワーＬＥＤ１０、１２、１４の集積アレイを含んでいる。サブマウント２０、２２、２４はそれぞれ、金属製後側基体２６のウェル３０、３２、３４内に取り付けられている。オプションとして、ＬＥＤ１０、１２、１４を金属基体２６に直接取り付け、それによってサブマウントの使用を排除する。ＬＥＤ１０、１２、１４が存在しているウェル３０、３２、３４は、典型的には “反射器”形状を好ましく形成するように基体材料内に直接型打ち、または錐もみする。しかしながら、他のＬＥＤ及びウェル構成も考えられる。サブマウント２０、２２、２４（または、オプションとして、ＬＥＤ１０、１２、１４）は、後側基体２６に取り付けられている。後側基体２６は、高度に熱伝導性の材料（例えば、はんだ、充填されたエポキシ、熱テープ、及び／または他の熱的に有利な接着剤）を介してヒートシンクとして動作する。ＬＥＤ１０、１２、１４は、導体３８を介して電気接点３６に接続されている。

レンズ４０、４２、４４が、ＬＥＤ１０、１２、１４をそれぞれカバーしている。オプションとして、副光学レンジング（lensing）アレイを含むキャップを、ウェル内のＬＥＤの上に取り付ける。この場合、レンジングアレイ内のそれぞれの小型レンズを、ＬＥＤ及びウェルに対して１対１の関係に対応させる。

基体２６は、金属のような熱伝導性材料を含む熱スプレッダ６０に取り付けられている。使用中、ＬＥＤ１０、１２、１４が発生する熱は基体２６を通って熱スプレッダ６０に伝わる。この熱は、スプレッダ６０全体に比較的均一に分配される。スプレッダ６０は、熱伝導性コア６２に取り付けられている。熱導電性のフィン６４がコア６２を取り囲み、コア６２から延びている。図示実施例では、フィン６４はコア６２に締まり嵌めされた独立組立体を形成している。一実施例では、組立てる前にコア６２を収縮させ、フィン６４を拡張させることによって、隙間のない締まり嵌めを保証する。詳述すれば、コア６２を冷却（例えば、凍結）することによってコアの外径を一時的に収縮させ、またヒートシンクフィン６４を加熱することによってフィン６４の内径を一時的に膨張させる。次いで、フィン組立体をコア６２の周りに滑らせる、またはそれ以外の方法で位置決めする。これらの部品が室温に戻ると、フィン組立体とコア６２との間に隙間のない締まり嵌めが得られる。フィン６４はコア６２と接触しているから、熱はコアからフィン６４を通して外部環境へ伝わる。代替として、熱スプレッダ６０及びフィン付きヒートシンク６４は、熱伝導性材料の単一片として鋳造することができる。電気導体６８、７０が、コア６２及び熱スプレッダ６０を貫通し、ピン７２、７４から受けた電力をＬＥＤ１０、１２、１４へ供給する。熱管理を改善するために、並びにランプにより美的な心地良さを与えるために、図示以外のフィン付きヒートシンク形状も考案できる。

当業者ならば、アレイ内のＬＥＤの数は、所望のランプ出力に従って変化させ得ることは理解されよう。

図２−５に、本発明の代替実施例を示す。図１に示した実施例の部品に対応するこれらの実施例内の部品に対しては同一の参照番号にプライム記号（’）を付してある。新しい部品には新しい番号が付されている。

（実施例２）
図２に示すデバイス７７は実質的に平坦な基体７８を含み、基体７８上に高パワーＬＥＤ１０’、１２’、１４’が取り付けられている。カバー８０が基体７８上に取り付けられている。カバーは、ＬＥＤ１０’、１２’、１４’に対して１対１の関係で対応する凹み８２、８４、８６を含む。凹み８２、８４、８６はそれぞれの反射器を形成するように成形（例えば、ハニカムに成形）されており、これらは、円錐、放物線、または代替として所望の光出力ビームパターンが得られるような輪郭形状であることができる。

（実施例３）
図３に示す本発明の別の実施例は、金属スラグ（例えば、熱スプレッダ）１１０上に取り付けられている複数の高パワーＬＥＤ１００、１０２、１０４を有するデバイス９０を含む。オプションとして、各ＬＥＤを、電気絶縁性のサブマウントを介してスラグ１１０に取り付ける。この実施例では、各ＬＥＤ１００、１０２、１０４は、離散したユニットとして個々にパッケージされている。更に、各パッケージは、単一の主光学系（例えば、レンズ）１１２、１１４、１１６を含む。パッケージは、回路基板１２０を使用して電気的に接続されている。回路基板１２０は、金属コア印刷回路基板を用いるような、離散したパッケージから熱を最適に散逸させるように設計される。オプションとして、基板は、パッケージ内に含まれているヒートシンクをスラグ１１０に直接接続できるようにし、スラグ１１０を組立体のためのヒートシンクとして動作させる。ＬＥＤ１００、１０２、１０４は、熱伝導性接着剤またははんだ（例えば、熱テープ）を介してスラグ１１０に取り付ける。代替として、熱伝導性接着剤またははんだによってＬＥＤ１００、１０２、１０４をそれぞれのサブマウントに取り付け、更に、サブマウントをスラグ１１０に取り付ける。基板１２０上の回路（図示してない）は、ＬＥＤ１００、１０２、１０４を電源に接続する。回路は、標準の金属及びセラミック材料で好ましく形成するが、他の材料も使用できる。

（実施例４）
図４に示すＬＥＤモジュール１３０の代替実施例は、上述した実施例におけるように熱伝導性コアから延びているのではなく、ＬＥＤアレイの裏側から延びている複数の熱伝導性ピラーまたは成形された突起１３２を含んでいる。当業者ならば、照明モジュール上の熱散逸用延長部分または突起の位置が可変であり、同じように機能させるために他の配置が可能であることは理解されよう。更に、延長部分または突起の形状、物理的連続性、及び材料も特定の用途に関連して変化させることができる。

図４には、発光面の周縁の周りに取り付けられているプラスチック、金属、または他の材料製のハウジング１３６も示されている。ＬＥＤと対面している光学系１４０が、好ましくはねじ切り、スナップ、クリップ、ねじ（スクリュー）等によってハウジング１３６に取り付けられている。光学系１４０は、要望に応じて傾斜させることも、または所望の出力カラーを得るために下側に位置するＬＥＤと色合わせすることも、または透明であることもでき、また平坦な窓、レンズまたは他の光調整システムまたはビームシェーパー、多重フレネル光学系、ディフューザ、その他として形成することができる。オプションとして、光学系１４０は、下側に位置するＬＥＤと心合わせされた光軸を有するレンティキュラー板または小型レンズのアレイからなることができる。何れの場合も、好ましくは、さまざまな用途に対する要望に応じてモジュール１３０を選択的に適合させるようにするために、異なる型のものと容易に相互交換できるように光学系１４０をハウジング１３６に取り付ける。更に、オプションとして、ハウジング１３６は光学系１４０と、その下側に位置するＬＥＤとの間の所望距離を選択するために、高さ調整可能にする、及び／または、異なる高さのハウジングと相互交換できるようにする。当業者ならば、このようにＬＥＤと光学系１４０との間の分離を可変にすることによって、異なる焦点距離のレンズを受け入れることができることが理解できよう。

（実施例５）
図５に示す代替取付具１５０は、ランプ組立体のハウジングとして兼用される金属製基体１５２即ち熱散逸取付具を含む。高パワーＬＥＤ１５６、１５８、及び対応するレンズ１６０、１６２も含まれている。このようなボディ１５２は、アルミニウムまたは他の熱伝導性材料を適当に鋳造、または加工して製造する。ＬＥＤを電源（図示してない）に相互接続する回路１７０は、ハウジング組立体上に直接パターン化することも、またはハウジングの上面に取り付けた印刷配線基盤からなることもできる。回路はＬＥＤ１５６、１５８のための開口を含み、またオプションとして、レンズ１６０、１６２を取り付けるための機械的機構を含む。回路１７０への電気接続は、電源、またはデバイス外電源からのリードを受けるようにすることができる中央部分内の接点１２４を通して行う。代替として、電気接続はハウジング内のバイアまたは孔を通して行うことができる。ハウジングの中空の中央部分は、ＬＥＤ１５６、１５８のための他の電気制御回路を収容するために使用することができ、またハウジングの底は、ソケットへ接続するための適当なコネクタに取り付けることができる。熱散逸用フィン１７８が、組立体の外側を取り囲んでいる。当業者ならば、単一ハウジング内のアレイ内のＬＥＤの数及びカラーを所望ランプ出力に従って変化させ得ることが理解されよう。更に、取り付けられた熱散逸用フィンの数及び配列も要望に応じて可変である。

本発明のデバイスにおいて説明した機械的設計は、約40°Ｃ／Ｗ程度、またはそれ以下（例えば、約15°Ｃ／Ｗ）の熱抵抗を有している。更に、デバイス８、７７、９０、１３０、１５０は、ＭＲまたはＰＡＲ型（例えば、ＭＲ−16ランプ）の普通のランプのフットプリントを模擬するように設計することができる。

好ましくは、本発明に使用する高パワーＬＥＤは、それぞれのランプが少なくとも60ルーメンの光を発生するように飽和光（例えば、緑、青、シアン、赤、橙、黄、またはアンバー）及び／または白光を発生する。１つのアレイ内での多重カラーも考えられる。

好ましくは、本発明のレンズ及び小型レンズは、屈折、回折、またはフレネルレンズ形であり、スポットライト用途に使用するために約10°から約65°までの広がり範囲のスポットライトビームを発生するように設計される。

交流（ＡＣ）入力（例えば、12ＶＡＣ、120ＶＡＣ、または220ＶＡＣ）をＬＥＤへ給電するための直流低電圧電力に変換するために、デバイス８、７７、９０、１３０、１５０内に電力変換部品を含ませることも意図している。汎用ＡＣ電力のための電力変換部品も意図している。

デバイス８、７７、９０、１３０、１５０内の個々のＬＥＤを選択的に動作させることをも意図している。この場合、個々の、またはグループＬＥＤのアドレス指定は、ランプ組立体内に配置した適当な制御回路を用いて局部的に、または個々のＬＥＤを遠方から選択的にアドレスするための通信手段を通して達成することができる。

以上に、本発明を好ましい実施例に関して説明した。明らかに、以上の説明から変更及び代替を考えることができる。本発明は、これらの変更及び代替の全てを含むことを意図している。

本発明を実現するのに適当なデバイスの第１実施例を示す図である。 本発明を実現するのに適当なデバイスの第２実施例を示す図である。 本発明を実現するのに適当なデバイスの第３実施例を示す図である。 本発明を実現するのに適当なデバイスの第４実施例を示す図である。 本発明を実現するのに適当なデバイスの別の実施例を示す図である。

Claims (16)

1. 光モジュールであって、
   前側発光ダイオードアレイと後側とを含むほぼ平面の発光ダイオード組立体を備え、該後側はほぼ平面の熱伝導性スプレッダと熱的に通じ、
   前記熱伝導性スプレッダと熱的に通じる第１の端部を有する熱伝導性コアを備え、該熱伝導性コアは、前記前側発光ダイオードアレイを横切る方向に細長く、前記熱伝導性スプレッダから遠い第２の端部を形成し、
   前記熱伝導性コアの周りに配置され、前記熱伝導性スプレッダと熱的に通じ、前記熱伝導性コアから離れる方向に延びている複数の付属品、
   を備えていることを特徴とする光モジュール。
2. 前記前側発光ダイオードアレイを取り囲んでいるハウジングと、
   前記前側発光ダイオードアレイと反対側の前記ハウジングに取り外し可能に取り付けられている光学系と、
   を更に備えていることを特徴とする請求項１に記載の光モジュール。
3. 前記複数の付属品は、前記熱伝導性コアを取り囲むように前記熱伝導性コアに取り付けられているフィンを含むことを特徴とする請求項１に記載の光モジュール。
4. 前記発光ダイオード組立体は、成形された凹み内にそれぞれ配置されている複数のダイオードを含み、前記凹み及び前記発光ダイオードはレンズでカバーされていることを特徴とする請求項１に記載の光モジュール。
5. 前記発光ダイオード組立体は、個々にパッケージされた発光ダイオード素子を含むことを特徴とする請求項１に記載の光モジュール。
6. 前記個々にパッケージされた発光ダイオード素子は、前記熱伝導性スプレッダと熱的に通ずるように取り付けられていることを特徴とする請求項５に記載の光モジュール。
7. 前記光モジュールは、40°Ｃ／Ｗより低い熱抵抗を有していることを特徴とする請求項１に記載の光モジュール。
8. 前記熱伝導性コア及び前記電気導体の外面の物理的大きさと形状は、ＭＲ型取付具及びＰＡＲ型取付具のセットから選択された取付具内に収容されるようになっていることを特徴とする請求項１に記載の光モジュール。
9. 前記前側発光ダイオードアレイは、カラー光を選択的に発生し、前記カラー光は狭い帯域の光を発生する発光ダイオードにより発生することを特徴とする請求項１に記載の光モジュール。
10. 前記前側発光ダイオードアレイは、白光を選択的に発生することを特徴とする請求項１に記載の光モジュール。
11. 前記前側発光ダイオードアレイは、少なくとも50ルーメンの光を選択的に発生することを特徴とする請求項１に記載の光モジュール。
12. 個々に給電可能なダイオードのセットを、前記前側発光ダイオードアレイ内に更に備えていることを特徴とする請求項１に記載の光モジュール。
13. 光モジュールであって、
    発光面と後側とを含むほぼ平面の発光ダイオード組立体を備え、該後側はほぼ平面の熱伝導性スプレッダと熱的に通じ、
    前記発光ダイオードは、電気接続要素を通過させているボディによって支持され、前記ボディは、
    前記熱伝導性スプレッダと熱的に通じる第１の端部を有する細長い熱導電性コアを含み、前記熱導電性コアは、発光面を横切る方向に細長く、前記熱伝導性スプレッダから遠い第２の端部を形成し、且つ前記発光面と、前記電気接続要素を前記発光面内の発光ダイオードと電気的に接続させるための通路を提供し、
    前記熱伝導性コアを取り囲み、前記発光ダイオード組立体と熱的に通じている複数の細長い熱伝導性アタッチメント、
    を含むことを特徴とする光モジュール。
14. 前記複数の熱伝導性アタッチメントは、前記熱伝導性コアに取り付けられているフィンを含むことを特徴とする請求項１３に記載の光モジュール。
15. 前記フィンは、前記熱伝導性コアの中心軸に平行に前記熱伝導性コアに取り付けられているアタッチメント縁を含むことを特徴とする請求項１４に記載の光モジュール。
16. 前記熱伝導性アタッチメントは、前記発光面とは反対側に取り付けられている細長いピラーを含むことを特徴とする請求項１３に記載の光モジュール。

Images