JP2005038870A

JP2005038870A - 発光ダイオードランプ

Info

Publication number: JP2005038870A
Application number: JP2003196846A
Authority: JP
Inventors: Mitsusachi Hatanaka; 三幸畠中; Takashi Sato; 敬佐藤; Hiroshi Miyairi; 洋宮入
Original assignee: Iwasaki Denki KK
Current assignee: Iwasaki Denki KK
Priority date: 2003-07-15
Filing date: 2003-07-15
Publication date: 2005-02-10

Abstract

【課題】光学系と光源部がそれぞれ独立して作製された部品を組み合わせ、また大型発光素子の利用効率を上げることができる大きさの光学系を有し、発光素子の熱が素子実装基板から直接外気もしくはケースへ効率的に放熱される発光ダイオードランプを提供することを課題とする。
【解決手段】発光素子からの出射光を反射部のみの光学系で制御し、その光路は少なくとも反射面で反射されることと、発光素子の実装された基板の光取り出し窓２５を通過するという二種類の経路をとおり、発光素子基板部と反射面のある光制御部とがそれぞれ独立した構造を有して構成してある。また発光素子が反射面と対抗するようにして焦点周辺に配置して接続して構成してある。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は発光ダイオード（ＬＥＤ）ランプに関し、大型発光素子の高度な光制御が可能で、放熱特性に優れた光デバイスに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、単体の発光ダイオードランプにおいて、その光学系の中に反射面を設けたランプは多数案出されている。その中でも図７に示すように、発光素子１１の側面からの光を反射面２７によって反射し、できるだけ前方へ出射するという構成の使用法が最も多い。図７において、発光素子１１は光透過性樹脂１３によって封止されている。
【０００３】
また近年図８のように、発光素子１１からの出射光のうち、ある角度以上の斜め方向の光を一旦全反射させ、それを再び反射面２７で反射して前方へ出射するというような反射構造を持った発光ダイオードランプ（特許文献１）も製品化されている。図８において、発光素子１１は光透過性樹脂１３によって封止されている。
【０００４】
図中の矢印は発光素子１１から出射された光の光路を表している。これらのランプに共通して言えることは、主となる光学系は発光素子１１の前方樹脂レンズ部であり、反射面２７によってレンズ部で利用しきれない横方向や斜め方向への光を、できるだけ前方へ出射させる機能を持つということである。また、発光素子１１から外部へ照射される光と同一の方向へ反射面２７によって反射させる構造となっている。前出のランプはみな光透過性樹脂１３によって封止されており、光源部と光学系が一体化されている。
【０００５】
【特許文献１】特開２００２−９４１２９
【０００６】
反射面のみを光学系として利用している発光ダイオードランプには図９に示すような、発光素子１１の発光面と凹状反射面１６が対向して配置され、光透過性樹脂１３で封止し、凹状反射面１６には裏面鏡として金属蒸着膜または金属メッキが施されている構成の反射型発光ダイオードランプがある。このランプにおいては、発光素子１１から出射された光が一旦凹状反射面１６にあたり、光学的制御を受けて前方に照射される。よって凹状反射面１６のみが光学系を形成していて、横方向や斜め方向の光も効率よく利用することができる。この構造では、光がすべて凹状反射面１６によって前方へ照射されるため、横方向や後ろ方向への不必要な光が照射されることが無くなる。
【０００７】
ここで挙げてきた発光ダイオードランプはほとんどのものが直径５〜１０ｍｍ、搭載発光素子は一辺３００μｍ前後の大きさで構成されている。近年、一部の高出力型発光ダイオードランプにおいて、一辺１ｍｍ前後の大きさを持つ発光素子が搭載されているものが発表されている。これにより、従来の数倍から数十倍の電流を印可することが可能になっている。
【０００８】
大型の発光素子を搭載したランプにおいては、図１０に示すように銅・アルミなどの金属基板上に設けられたパターン上に発光素子１１を実装し、基板を通して熱をランプ裏側へ逃がすような構造を取っているものもある。図１０において発光素子１１は、光透過性樹脂１３によって封止されている。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、図７や図８に示すような発光ダイオードランプにおいては、その製造工程もしくは使用環境によって、熱膨張係数の違いから樹脂と反射部材との界面にクラックが生じやすいという問題がある。また、図９に示すような反射型発光ダイオードランプにおいては、金属膜で構成された反射面が、外面に凸状になってさらされているため、ピンホールや剥がれが生じやすいという問題がある。
【００１０】
さらに前記した大型の発光素子を用いた場合、現行の光学系では小さすぎ、発光素子を点光源と見なすことができないため出射光を利用しきれず、特に平行光のような非常に制御された光へ変換することが困難である。
それを解決するために大きな光学系を用いた場合、それに伴い封止するための樹脂量が多くなるため、材料費が高くなるとともに工程時間も増え、製造上においてはボイドやクラックなどの不良が増える原因となる。
【００１１】
また、光学系と光源部が一体成型されているため、生産においてどちらか一方に不良が発生した場合、デバイス自体が不良となり歩留まりの低下とコスト高を生じる。特に前記した大型の発光素子のような通常より高価な部材を使用した場合や、特殊な技術によって光学系を形成している場合などはその問題が顕著になってくる。製品として出荷された後も発光素子の寿命や光学系の劣化などで同様の問題が発生する。
光学系と光源部が一体成型となっていることから、これらの発光ダイオードランプは単一の照射特性のみを有し、用途に応じて照明効果を変えたい場合には全く別の金型による成型品か、レンズなどの光学系を付加したユニットとしなければならない。これらの問題はコストをあげる原因となってしまう。
【００１２】
前記した図７，図８，図９に示した発光ダイオードランプにおいては、発光素子はリードフレーム上に配置され、その周囲はエポキシ樹脂等で覆われている。そのため、発光素子から発生した熱は外気へ発散されるまでに熱伝導性の低い樹脂中を通過しなければならず、発光素子に熱がたまりやすいことからその発光効率の低下を招くことになる。また発生した熱の多くは、リードフレームを介して発光ダイオードランプの実装された回路基板へ放熱される。特に図１０に示すランプにおいては更に大量の熱が基板へと伝わっていく。このことによって回路基板部の温度が上昇し、周辺回路部品の誤動作や劣化を招く可能性がある。これらの熱に関する問題点は、前記した大型の発光素子を使用したときにはその消費電力が上がることにより、その解決がさらに重要となる。
【００１３】
本発明は上記事情に基づき、光学系と光源部がそれぞれ独立して作製された部品を組み合わせ、光学系が凹状反射面のみで構成され、且つ大型発光素子の利用効率を十分に上げることのできる大きさの光学面を持ち合わせ、発光素子の熱が素子実装基板から直接外気もしくはケースへ、発光ダイオードランプ実装基板と逆方向に効率的に放熱される構造をもつ発光ダイオードランプを提供することを目的とする。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
本発明は上記の課題を解決するために次ぎの構成としてある。
請求項１に記載の発明は、発光素子からの出射光を凹状反射面のみの光学系で制御し、その光路は少なくとも凹状反射面で反射されることと、発光素子実装基板の光取り出し窓を通過するという二種類の経路をとおり、発光素子実装基板と凹状反射面のある光制御部とがそれぞれ独立した構造を有して構成してある。
また発光素子が凹状反射面と対向するようにしてその焦点周辺に配置されるよう、発光素子実装基板と光制御部が接続して構成してある。
【００１５】
請求項２に記載の発明は、前記発光素子が少なくとも一辺５００μｍ以上の大きさを有し、凹状反射面は発光素子を焦点とし、その焦点距離は少なくとも前記発光素子一辺の大きさの１０倍以上で設計されて構成してある。
【００１６】
請求項３に記載の発明は、前記発光素子をチップ型ＬＥＤランプとして構成してある。
【００１７】
請求項４に記載の発明は、前記発光素子実装基板部と凹状反射面のある光制御部との間を、可動式スペーサーにて接続したとき、それによって発光素子が焦点周辺を移動し、多種の照明効果を単一のランプで実現することができるように構成してある。
【００１８】
請求項５に記載の発明は、前記発光素子実装基板部において、光取り出し窓を遮ることのないよう金属板を接続し、同金属板が外光の影響を防ぎ、更に放熱フィンの役割も果たすように構成してある。
【００１９】
請求項６に記載の発明は、前記発光素子を用いた発光ダイオードランプにおいて、光制御部の光出射方向と逆側の面を回路基板に実装したとき、発光素子実装基板により発光素子より発生した熱が直接外気もしくは外ケースへと放熱され、回路基板側には熱影響を及ぼさないように構成してある。
【００２０】
請求項１にあるように構成することで、光学系と光源部を樹脂で一体化する必要が無く、樹脂は発光素子を覆うのに十分な量をポッティングする程度で済み、材料費と工程時間を抑えることができるとともに、発光素子を封止した樹脂と凹状反射面との間のクラック発生の問題を無視でき、金属膜で構成された凹状反射面が内側に構成されているため、回路基板実装時に傷ついたりして凹状反射面の光学的特性を損ねることがなくなる。
【００２１】
また請求項１にあるように構成することで、製造中に凹状反射面や発光素子の不良が発生した場合、もしくは長期使用による凹状反射面の劣化や発光素子の寿命といった問題でも、どちらか一方のみの不良であれば片方を取り替えることで使用可能となり、歩留まりの低下やコスト高を防ぐことができる。
【００２２】
請求項２のような構成としたとき、大型の発光素子を搭載することで大電流の通電が可能になり、光出力を増大させることができ、充分な焦点距離を取ったことで発光素子を点光源と見なすことが可能となり、光の利用効率を上げることができる。特に略平行光のような非常に制御された光に変換する場合に有効である。またこのような凹状反射面であれば請求項３にあるように、携帯電話用などのチップ型ＬＥＤランプを同様にして用いることができ、工程の簡略化へとつながる。
【００２３】
請求項４のように構成することにより、発光素子実装基板の位置を可変する事ができる。よって発光素子を凹状反射面の焦点周辺で移動させることにより、出射光を集光したり拡散させたりといった様々な照明効果を単一のランプで実現できることとなる。
【００２４】
請求項５の構成とすることで、太陽光や周囲他照明の写り込みといった外光の影響を防ぐことができ、視認性が増すとともに、金属板が放熱フィンの役割も果たすことから、発光素子の熱上昇を抑えることができる。
【００２５】
請求項６の構成としたとき、発光ダイオードランプを実装した回路基板と反対の方向へ発光素子からの熱が放熱されるため、回路基板側にある回路部品の温度上昇を防ぐことができ、誤作動や早期劣化を避ける効果がある。
【００２６】
【実施例１】
以下、本発明の実施例について図面に基づいて詳しく説明する。図１は本発明の大型発光素子を用いた発光ダイオードランプの構造断面図である。発光素子１１を図２に示す光取り出し窓２５を有する発光素子実装基板１５上のパターン２２ｂ上にダイボンドし、ボンディングワイヤ１２で発光素子１１とパターン２２ａが接続されている。これに図１に示すように、カップ形状をなすスペーサー１４を貼り付け、光透過性樹脂１３にてポッティングする。このようにして構成された光源基板を、発光素子１１から発した光を反射する凹状反射面１６とを具備してなる光制御部１７と、発光素子１１の発光面と凹状反射面１６が対向するように接続する。同発光素子１１は少なくとも一辺５００μｍ以上の大きさを有するため、従来の３００μｍ前後の大きさを持つ発光素子に比べ大電流を通電することができ、光出力を増大させることが可能となる。
【００２７】
このようにして構成された発光ダイオードランプにおいて、発光素子１１より出射された光はすべて凹状反射面１６により光学的制御を受けて反射し、発光素子実装基板１５の光取り出し窓２５を通過して１８ａ、１８ｂに示すような光路を経て照射される。また、図３に示すように、発光素子１１より放射された熱は、発光素子実装基板１５により回路基板２６と反対方向の空気中、もしくは外ケースへと効率よく放熱される。
なお、光制御部１７はプラスチックによって成型されており、凹状反射面１６は発光素子１１を焦点とする光学的形状を有し、金属蒸着膜または金属メッキが施されている。凹状反射面１６の光学的形状は、発光素子１１をできるだけ点光源に近づけ、光の制御性を上げるため、少なくとも焦点距離が発光素子１１の一辺の大きさに対し１０倍以上で設計されている。光制御部１７を金属により構成する場合は、アルミなどの反射率が高く加工性の良い材料を用い、反射面１６を鏡面に仕上げることで同様に使用することができる。スペーサー１４においては、カップ部の光取り出し効率向上と発光ダイオードの放熱性向上のため、アルミなどの金属によって加工されている。
【００２８】
【実施例２】
図４は実施例１において使用した発光素子を、チップ型ＬＥＤランプなどの既製パッケージ発光部品に置き換えた場合の構造断面図である。マウント用パターンの施されたチップ型ＬＥＤランプ実装基板２０上にチップ型ＬＥＤランプ１９を実装し、その発光面が凹状反射面１６の略焦点位置となるようスペーサー２１を介して光制御部１７と接続されている。チップ型ＬＥＤランプ実装基板２０は、図２の発光素子実装基板１５と同様に光取り出し窓を有している。
【００２９】
【実施例３】
図５は実施例１、実施例２におけるスペーサー部を可動式スペーサー２３とした場合の図である。可動部により発光面が凹状反射面１６の焦点を前後に移動し、出射光を集光したり拡散したりすることが可能となる。前記機能により、単一の発光ダイオードランプで用途に応じた様々な照明効果をもたらすことができる。
【００３０】
【実施例４】
図６は前記実施例１において凹状反射面１６が発光素子１１を焦点とする放物面などの光学的形状を有し、発光面から出射された光を略平行光として照射するような構造とした場合に、遮光板兼放熱フィン部材となる金属板２４を、発光素子実装基板１５の光取り出し窓２５を遮ることのないように配置し接続した、図２における点線Ａでの断面図である。上記構造により、太陽光や周囲他照明の写り込みなどといった外光の影響を受けにくくする事が可能になるとともに、放熱性が上がり、発光素子の温度を低減することで発光効率の向上という効果を得ることができる。
【００３１】
【発明の効果】
上記した請求項１に記載の発明によると、光制御部と光源部がそれぞれ独立して接続されているので、樹脂は発光素子を覆うのに充分な量で済み、凹状反射面が樹脂で封止されていないためクラックなどの問題が無くなり、凹状反射面の光学特性を損ねることが無くなる。また、光学系が凹状反射面のみで構成されているため、光の制御性・利用効率が高いという特別な効果がある。
【００３２】
上記した請求項２に記載の発明によると、大型の発光素子を搭載することで光出力の増大が計れる。また、充分な焦点距離を取ることで発光素子を点光源と見なすことができ、光の緻密な制御ができるという特別な効果がある。
【００３３】
上記した請求項３に記載の発明によると、チップ型ＬＥＤランプを搭載した発光ダイオードランプとした場合、工程の大幅な簡略化ができるという特別な効果がある。
【００３４】
上記した請求項４に記載の発明によると、単一の発光ダイオードランプとして使用した場合に、可動式スペーサーで発光素子を焦点周辺で移動させることより、様々な照明効果をもたらすことができる特別な効果がある。
【００３５】
上記した請求項５に記載の発明によると、金属板が太陽光などの写り込みといった影響を防ぐ遮光板の役割と、放熱フィンとして発光素子の熱上昇を抑える役割をもつ特別な効果がある。
【００３６】
上記した請求項６に記載の発明によると、本発明によれば発光素子から発生した熱は発光ダイオードランプを実装した回路基板側の回路部品へは影響を及ぼさず、直接外気もしくは外ケースへと効率よく放熱することができる特別な効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例１に係る構造断面図である。
【図２】図１における発光素子実装基板１５の素子実装側正面図である。
【図３】本発明の実施例１の放熱に係る構造断面図である。
【図４】本発明の実施例２に係る構造断面図である。
【図５】本発明の実施例３に係る構造断面図である。
【図６】本発明の実施例４に係る構造断面図である。
【図７】従来例の発光ダイオードランプの構造断面図である。
【図８】従来の他の発光ダイオードランプの構造断面図である。
【図９】従来例の反射型発光ダイオードランプの構造断面図である。
【図１０】従来例の放熱特性を上げた発光ダイオードランプの構造断面図である。
【符号の説明】
１１発光素子
１２ボンディングワイヤ
１３光透過性樹脂
１４スペーサー
１５発光素子実装基板
１６凹状反射面
１７光制御部
１８ａ、１８ｂ光路
１９チップ型ＬＥＤランプ
２０チップ型ＬＥＤランプ実装基板
２１スペーサー
２２ａ、２２ｂパターン
２３可動式スペーサー
２４金属板
２５光取り出し窓
２６回路基板
２７反射面

Claims

発光素子からの出射光を凹状反射面のみの光学系で制御し、その光路は少なくとも凹状反射面で反射されることと、発光素子実装基板の光取り出し窓を通過するという二種類の経路をとおり、発光素子実装基板と凹状反射面のある光制御部とがそれぞれ独立した構造を有し、発光素子が凹状反射面と対向するようにしてその焦点周辺に配置され接続されたことを特徴とする発光ダイオードランプ。
前記発光素子が少なくとも一辺５００μｍ以上の大きさを有し、凹状反射面は発光素子を焦点とし、その焦点距離は少なくとも前記発光素子一辺の大きさの１０倍以上で設計されていることを特徴とする請求項１に記載の発光ダイオードランプ。
前記発光素子をチップ型ＬＥＤランプとすることを特徴とする請求項１及び請求項２に記載の発光ダイオードランプ。
前記発光素子実装基板と凹状反射面のある光制御部との間を、可動式スペーサーにて接続したとき、それによって発光素子が焦点周辺を移動することができ、多種の照明効果を単一のランプで実現することができることを特徴とした請求項１乃至請求項３に記載の発光ダイオードランプ。
前記発光素子実装基板部において、光取り出し窓を遮ることのないよう金属板を接続し、同金属板が外光の影響を防ぎ、更に放熱フィンの役割も果たすように構成したことを特徴とした請求項１乃至請求項４に記載の発光ダイオードランプ。
前記発光素子を用いた発光ダイオードランプにおいて、光制御部の光出射方向と逆側の面を回路基板に実装したとき、発光素子実装基板により発光素子より発生した熱が直接外気もしくはケースへと放熱され、回路基板側には熱影響を及ぼさないように構成したことを特徴とする請求項１乃至請求項５記載の発光ダイオードランプ。