JP5551562B2 - ランプ - Google Patents

Description

本発明は、ＬＥＤ（発光ダイオード）などの半導体発光素子を光源とするランプに関し、特に、高輝度放電ランプ（ＨＩＤランプ）の代替品となるＬＥＤランプに関する。

近年、高輝度ＬＥＤの実用化を契機として、ＬＥＤモジュールを光源とするＬＥＤランプが普及しつつある。その一例として、特許文献１には、白熱電球の代替品となるＬＥＤランプが開示されている。当該ＬＥＤランプは、光源としてのＬＥＤモジュールと当該ＬＥＤモジュールを点灯させるための回路ユニットとが、グローブと口金とを含む外囲器内に格納された構成を有しており、回路ユニットは、ＬＥＤモジュールから出射される光を妨げないように、ＬＥＤモジュールと口金との間に配置されている。

特開２００６−３１３７１７号公報

しかしながら、上記のような回路ユニットの配置では、ＬＥＤモジュールから口金に至る熱伝導経路上に回路ユニットが存在することになるため、回路ユニットの電子部品が熱破壊され、回路ユニットの寿命が縮まるおそれがある。

特に、ＬＥＤランプを、白熱電球よりも高輝度であるＨＩＤランプの代替品として利用する場合は、ＨＩＤランプと同等の輝度を得るためにＬＥＤの数量を増やす必要があり、そうするとＬＥＤモジュールの発熱量が増大してしまうため、電子部品の熱破壊による寿命低下の問題がより顕著である。

また、ＨＩＤランプは、点光源に近い配光特性を有し、主として外管の管軸方向中央領域が光る構造であるため、特許文献１に記載のＬＥＤランプのようにグローブ（ＨＩＤランプの外管に相当）の全体が光る構造を採用したのでは、ＨＩＤランプと近似する配光特性を得ることはできない。

本発明は、上記のような課題に鑑みてなされたもので、回路ユニットの熱の影響による寿命低下を抑制しつつ、全体的にＨＩＤランプと同様な部位が主として光るランプを提供することを目的とする。

上記の目的を達成するため、本発明に係るランプは、台座と、前記台座に取り付けられた口金と、前記台座を介して前記口金とは反対側に搭載された半導体発光素子とを有するランプであって、中空部を有する柱状の導光部材が、一端面を前記半導体発光素子の光の出射部に対面させた状態で設けられており、前記導光部材の軸心方向における中央部には、前記一端面から入射され他端面に向って進行する前記半導体発光素子の光の行路を前記軸心と交差する方向に変更する行路変更部が形成され、前記中空部には、前記口金から受電される電力を変換して前記半導体発光素子を発光させる回路ユニットの少なくとも一部が収納されており、前記導光部材の前記一端面から入射された前記半導体発光素子の光は前記導光部材の外表面からランプ外部へ出射することを特徴とする。

また、前記中空部は、前記導光部材の軸心方向中央部に位置し、前記行路変更部は、当該中空部内面に形成された反射膜を含むことを特徴とする。
さらに、前記行路変更部は、前記軸心方向、前記中空部に対応する導光部材外周面に形成されたフロスト加工面を含むことを特徴とする。

あるいは、前記行路変更部は、前記導光部材の軸心方向中央領域の外周面に形成されたフロスト加工面であることを特徴とする。
この場合に、前記中空部は、前記フロスト加工面よりも導光部材の前記他端面寄りに位置することを特徴とする。

また、前記導光部材は、前記他端面が半球状をした細長い円柱状をしていることを特徴とする。
また、前記中空部は、球状をしていることを特徴とする。

また、前記半導体発光素子は実装基板に実装されており、前記導光部材は、前記中空部と当該導光部材外部とを連絡する連絡孔を有していて、前記回路ユニットの前記一部と前記実装基板または前記口金とを接続する配線が、前記連絡孔に挿通されていることを特徴とする。

また、前記回路ユニットは、前記一部が前記中空部に収納されており、残りの部分が、前記台座を介して前記半導体発光素子とは反対側に設けられていることを特徴とする。

上記の構成からなるランプによれば、回路ユニットの少なくとも一部は導光部材の中空部に収納され、当該導光部材は、一端面を、台座を介して口金とは反対側に搭載された半導体発光素子の光の出射部に対面させた状態で設けられているため、すなわち、半導体発光素子から口金に至る熱伝導経路に回路ユニットの少なくとも一部を設けない構成としたため、半導体発光素子で発生する熱がその部分を構成する電子部品に及ぼす影響を可能な限り低減でき、回路ユニットの寿命低下を抑制できる。

また、半導体発光素子から出射された光は、導光部材の一端面から入射され他端面に向って進行する途中、導光部材の軸心方向における中央部に形成された行路変更部によって、前記軸心と交差する方向に行路変更され、導光部材の外表面からランプ外部へと出射されるため、当該出射光は、導光部材の軸心方向中央部から出射されたように観察されることとなる。このため、当該ランプにおいては、全体的に、導光部材の長手方向中央部から光が出射されたように観察されることとなる。

実施の形態１に係るＬＥＤランプの概略構成を示す断面図である。 （ａ）は、ＬＥＤモジュールの斜視図であり、（ｂ）は同平面図である。 導光部材の構成部材の斜視図である。 実施の形態２に係るＬＥＤランプの概略構成を示す一部断面図である。

以下、本発明に係るランプの実施の形態について、半導体発光素子としてＬＥＤを用いたＨＩＤ（高輝度放電）ランプ形のランプを例に説明する。
＜実施の形態１＞
図１は、実施の形態１に係るＨＩＤランプ形のＬＥＤランプ１０の概略構成を示す断面図である。なお、図１を含む全ての図において、各部材間の縮尺は統一していない。

ＬＥＤランプ１０は、台座１２を有する。台座１２は、中央に貫通孔１４を有する円板状部１６と、円板状部１６の上面の周縁部に立設された円形壁部１８と円板状部１６の下面から延出された筒状部２０とを有する。円形壁部１８の内壁面には、段差部１８Ａが形成されている。台座１２は、良熱伝導性を有する絶縁材料、例えば窒化アルミニウム（ＡｌＮ）などで形成される。

台座１２の筒状部２０には、口金２２が取り付けられている。口金２２は、筒状胴部とも称されるシェル２４と円形皿状をしたアイレット２６とを有する。シェル２４とアイレット２６とは、ガラス材料からなる絶縁体２８を介して一体となっている。この一体となったものが、筒状部２０に嵌め込まれている。なお、筒状部２０には、後述する第２リード線７４を外部へ導出するための貫通孔２０Ａが開設されている。ここで、口金２２の中心軸をランプ軸Ｘと称することとする。

円板状部１６上面の円形壁部１８で囲まれた部分（ＬＥＤモジュール搭載面）には、ＬＥＤモジュール３０が搭載されている。
図２（ａ）にＬＥＤモジュール３０の概略構成を示す斜視図を、図２（ｂ）に同平面図を示す。ＬＥＤモジュール３０は、図２に示すように、中央に貫通孔３２を有する円板状をしたプリント配線板からなる実装基板３４とこれに実装された複数個の（本例では、３６個の）ＬＥＤ３６とを有する。３６個のＬＥＤ３６は、２重の同心円状に配されており、内側に１６個、外側に２０個がそれぞれ円環状に配されている。ＬＥＤ３６として、本例では、青色ＬＥＤが用いられている。

３６個のＬＥＤ３６は、波長変換膜である蛍光体膜３８で覆われている。蛍光体膜３８は、波長変換材料である黄色蛍光体を透光性樹脂（例えば、シリコーン樹脂）に混入したものである。蛍光体膜３８は、ＬＥＤ３６の配列に合わせて、円環状に形成されている。

３６個のＬＥＤ３６は、実装基板３４の配線パターンによって電気的に直列に接続されている（この直列接続する配線パターンについては不図示）。直列に接続された３６個のＬＥＤ３６の内、高電位側末端のＬＥＤ３６のｐ側電極（不図示）と電気的に接続された配線パターン部分が、蛍光体膜３８から露出するように延出され、アノード給電端子４０を形成している。また、低電位側末端のＬＥＤ３６のｎ側電極（不図示）と電気的に接続された配線パターン部分が、蛍光体膜３８から露出するように延出され、カソード給電端子４２を形成している。上記の構成からなるＬＥＤモジュール３０において、アノード給電端子４０およびカソード給電端子４２を介して給電すると、ＬＥＤ３６の各々から青色光が出射される。出射された青色光の一部は、蛍光体膜３８によって黄色光に変換される。黄色光と黄色光に変換されなかった青色光とが混色されて、白色光がＬＥＤモジュール３０から出射される。

図１に戻り、ＬＥＤランプ１０は、柱状（本例では、円柱状）をした導光部材４４を有する。導光部材４４は、一端面（基部側端面）がその中心軸と直交する平面に形成されており、他端面（先端側端面）が半球状に形成されていて、全体的に細長い円柱状をしている。導光部材４４をこのような形状としたのは、ＨＩＤランプを構成する外管が通常有する形状（外観）、すなわち、底部が半球状に形成された細長い有底筒状に近似させるためである。

導光部材４４は、一端面が平面に形成された側の端部部分が、台座１２の円形壁部１８の段差部１８Ａに嵌め込まれて台座１２に立設されている。導光部材４４は、不図示の接着剤で台座１２に固定されている。この状態で、前記一端面（基部側端面）は、ＬＥＤモジュール３０の（ＬＥＤ３６各々の）光の出射部に対面しており、当該一端面が光の入射面４６となる。

導光部材４４は、略球状をした中空部４８を有する。中空部４８は、導光部材４４の長手方向の中央部に位置している。すなわち、中空部４８は、その中心が導光部材４４の全長の略半分のところに位置するように設けられている。これは、ＨＩＤランプにおいて、光中心が外管の全長略半分のところに位置するのに合わせたことによる。中空部４８の内面には、反射膜５０が形成されている。反射膜５０は、例えばアルミニウムの蒸着膜からなる。

導光部材４４は、また、その中心軸上を通る連絡孔５２を有している。連絡孔５２により、中空部４８と導光部材４４外部とが連絡されている。
導光部材４４は、面対称形をした二つの部材（第１部材５４、第２部材５６）が組み合わさって構成されている。図３に、一方の部材の斜視図を示す。

導光部材４４は、中空部４８の内面に、後述する回路ユニット６６の回路基板６８を支持するための支持部５８が形成されている。支持部５８は、中空部４８の内周面から突設された第１リブ６０および第２リブ６２からなり、両リブ６０，６２間で支持溝６４が形成されている。また、第１部材５４と第２部材５６は、合わせ面５４Ａ，５６Ａを有する。

第１部材５４と第２部材５６をその合わせ面同士を合わせて組み合わせると、上述したように、全体的に柱状をした導光部材４４となる。
図１に戻り、回路ユニット６６は、回路基板６８と回路基板６８に実装された電子部品７０Ａ，７０Ｂとからなる。回路基板６８の両面に振り分けて、電子部品７０Ａと電子部品７０Ｂとが実装されている。回路基板６８は、円板状をしており、図１に示すように、導光部材４４の支持溝６４（図３）にその周縁部が嵌め込まれて支持されている。すなわち、回路ユニット６６全体が、導光部材４４の中空部４８に収納された形になっている。回路ユニット６６は、回路基板６８の両面に電子部品を振り分けて実装しているため、略球形をした中空部４８に効率的に収納することが可能となっている。

回路ユニット６６とアイレット２６とは第１リード線７２で、回路ユニット６６とシェル２４とは第２リード線７４でそれぞれ電気的に接続されている。第１リード線７２、第２リード線７４は、導光部材４４の連絡孔５２、実装基板３４の貫通孔３２、台座１２の貫通孔１４を挿通されている。

回路ユニット６６は、アイレット２６およびシェル２４並びに第１リード線７２および第２リード線７４を介して供給される交流電力（口金２２から受電される電力）を、ＬＥＤ３６を発光させるための電力に変換して、ＬＥＤ３６に給電する。

回路基板６８と実装基板３４とは、連絡孔５２に挿通された内部配線７６，７８を介して電気的に接続されている。内部配線７６，７８の実装基板３４側端部は、アノード給電端子４０、カソード給電端子４２（図２）にそれぞれ半田付けされている。

上記の構成からなるＬＥＤランプ１０によれば、点灯中にＬＥＤ３６で発生する熱は、実装基板３４、台座１２を介して口金２２へと伝導され、ＬＥＤランプ１０が装着されている照明器具のソケットを経由して、当該照明器具の他の構成部材、ひいてはこれが取り付けられている例えば天井や壁へと放熱される。

この場合に、ＬＥＤランプ１０では、実装基板３４を挟んで口金２２と反対側の導光部材４４内に回路ユニット６６を格納する構成とし、ＬＥＤモジュール３０から口金２２に至る熱伝導経路に回路ユニット６６を設けない構成としたので、ＨＩＤランプの代替とするためＬＥＤモジュールを構成するＬＥＤを多く用いた（ＬＥＤの個数を増大させた）本例においても、ＬＥＤモジュールで発生する熱が回路ユニット６６に及ぼす影響を可能な限り低減でき、回路ユニット６６を構成する電子部品の寿命低下を抑制できる。

また、３６個のＬＥＤ３６の各々から出射された光は、導光部材４４の入射面４６から入射され、導光部材４４と空気層との境界面（導光部材４４の外周面）で反射を繰り返しながら、導光部材４４内を進行する。そして、前記外周面に対する入射角が臨界角以下の場合に、当該入射角に応じた分の光が導光部材４４外へと出射され、一方、入射角が臨界角を越えると全反射してさらに導光部材４４内を進行する。

そして、導光部材４４内を進行する光の一部は、中空部４８の近傍を通過して、入射面４６とは反対側の端面（出射側端面）から出射される。本例の場合、出射側端面は、半球面状をした端面となる。出射側端面から出射される光の一部は、導光部材４４内で反射を繰り返して進行してきたものであるため、当該出射側端面から放射状に出射されると考えられる。これをランプ軸Ｘ方向に観察した場合、あたかも中空部４８から出射されたように見えると考えられる。

一方、導光部材４４内を進行する残りの光は、その行路が、略球状の反射膜５０（球状をした中空部４８の内面に形成されているため、反射膜５０も結果的に球状を成している。）で、ランプ軸Ｘ（導光部材４４の軸心でもある）と交差する方向に変更されて、そのままほとんど導光部材４４から外部へと出射される。よって、導光部材４４の入射面４６から入射され先端側端面に向って進行するＬＥＤ３６の光の行路をランプ軸Ｘ（導光部材４４の軸心）と交差する方向に変更する行路変更部として機能する反射膜５０で反射されて導光部材４４の外部へと出射される光は、あたかも中空部４８（導光部材４４の長手方向中央部）から出射されたように観察される。

いずれも、中空部４８（導光部材４４の長手方向中央部内部）から出射されたように観察されるため、あたかもＨＩＤランプの外管に近似する形状をした導光部材４４の中央部が発光するように見せることができる。

また、本例では、ＨＩＤランプの全体的な形状に近似させるために、外管を用いていないため、すなわち、入射面４６から入射された光を導光部材４４の外表面からＬＥＤランプ１０外部へ出射することとしたため、部品点数を少なくでき、組立て工数等を削減することができる。
＜実施の形態２＞
図４は、実施の形態２に係るＬＥＤランプ８０の概略構成を示す一部断面図である。ＬＥＤランプ８０は、中空部のランプ軸Ｘ方向における位置が異なり、導光部材の外表面に後述するフロスト加工を施した点が異なる以外は、基本的に実施の形態１のＬＥＤランプ１０（図１）と同様の構成である。よって、図４において、ＬＥＤランプ１０と同様の構成部分には同じ符号を付してその説明については省略し、以下、異なる部分を中心に説明する。

ＬＥＤランプ８０における導光部材８２の長手方向中央領域の外周面には帯状にフロスト加工が施され、当該フロスト加工面により光の良出射領域８４が形成されている。これは、導光体の表面にフロスト加工を施した領域（フロスト加工面）は光の取出効率が向上することを利用したものである。

導光部材８２の中空部４８の構成は、実施の形態１と同様であるが、ランプ軸Ｘ方向、導光部材８２の入射面４６よりも先端側端面（半球状端面）寄りとなる位置、すなわち、良出射領域８４と先端側端面との間に設けることとした。また、ＬＥＤランプ８０では、中空部４８の内面に反射膜を形成していない。

上記の構成からなるＬＥＤランプ８０において、３６個のＬＥＤ３６の各々から出射された光は、導光部材８２の入射面４６から入射され、導光部材８２と空気層との境界面（導光部材８２の外周面）で反射を繰り返しながら、導光部材８２内を先端側端面に向って進行する。そして、前記外周面に対する入射角が臨界角以下の場合に、当該入射角に応じた分の光が導光部材８２外へと出射され、一方、入射角が臨界角を越えると全反射してさらに導光部材８２内を進行するが、フロスト加工が施されてなる良出射領域８４からは、多くの光が拡散状態で出射される、すなわち、導光部材８２内を入射面４６から先端側端面に向って進行する光が、その行路をランプ軸Ｘ（導光部材８２の軸心）と交差する方向にされて導光部材８２外部へと出射されることとなる。このため、あたかも導光部材８２の長手方向中央部内部から出射されたように観察される。

一方、良出射領域８４から出射されなかった光の一部は、中空部４８の近傍を通過して、入射面４６とは反対側の端面（出射側端面）から出射される。出射側端面から出射される光の一部は、導光部材８２内で反射を繰り返して進行してきたものであるため、当該出射側端面から放射状に出射されると考えられるのは、実施の形態１の場合と同様であり、これをランプ軸Ｘ方向に観察した場合、あたかも中空部４８から出射されたように見えると考えられるのも実施の形態１の場合と同様である。

よって、実施の形態２も実施の形態１と同様、上記行路変更部として機能するフロスト加工面からなる良出射領域８４によって、導光部材８２の長手方向中央部内部から出射されたように観察されるため、ＨＩＤランプの外管に近似する形状をした導光部材８２の中央部が発光するように見せることができる。

以上、本発明を実施の形態に基づいて説明してきたが、本発明は上記の例に限定されないことは勿論であり、例えば、以下の形態とすることも可能である。
（１）上記実施の形態では、導光部材を全体的に円柱状に形成したが、導光部材は円柱状に限らず、楕円柱状や多角柱状に形成しても構わない。要は、ＨＩＤランプの外管に近似する形状であれば構わないのである。
（２）実施の形態１においても、導光部材４４の外周面にフロスト加工面を形成しても構わない。フロスト加工を施してフロスト加工面を形成する領域は、実施の形態２の場合と同様、導光部材８２の長手方向中央領域である。すなわち、中空部４８を帯状に囲繞するように、フロスト加工を施すのである。このようにすることで、導光部材４４の長手方向中央部の外表面からより多くの光が拡散状態で出射されることとなる。この場合、中空部４８内面に形成された反射膜５０と当該フロスト加工面とが、上述した行路変更部として機能することとなる。
（３）上記実施の形態では、青色ＬＥＤ３６を実装基板３４上において黄色蛍光体膜３８で覆って白色光を得ることとしたが、これに限らず、導光部材４４（図１）、導光部材８２（図４）をアクリル樹脂で形成する場合に、当該アクリル樹脂に黄色蛍光体粒子を混入させることとしても構わない。蛍光体粒子は高温になる程波長変換効率が低下するため、このようにすることにより、ＬＥＤを直接蛍光体で覆う場合と比較して、ＬＥＤ発光中の熱の影響を受け難く、蛍光体粒子の波長変換効率の低下を抑制することができる。

また、白色光を得るためのＬＥＤと蛍光体の組み合わせも上記のものに限らず、近紫外ＬＥＤと赤色蛍光体、青色蛍光体、緑色蛍光体を混合してなる混色蛍光体との組み合わせとしても構わない。
（４）上記の形態では、ＬＥＤモジュールを構成するＬＥＤの個数は、上記したものに限らず、必要とする輝度等に応じて、適宜変更可能である。
（５）上記実施の形態では、複数個のＬＥＤを環状に配したが、ＬＥＤ各々の光の出射部が、入射面４６に対向している限り、その配列態様は任意である。
（６）上記実施の形態では、半導体発光素子としてＬＥＤを用いたが、これに限らず、例えば、ＬＤを用いても、有機発光素子を用いても構わない。
（７）口金を介するソケットへの熱伝導性を向上させるため、口金内側に熱伝導性に優れた合成樹脂、例えばシリコーンを充填しても構わない。
（８）上記実施の形態では、口金にエジソン型を用いたが、これに限らずスワン型その他の形式のものを用いても構わない。
（９）上記実施の形態では、点灯回路を構成する複数の電子部品を一の回路ユニットにまとめたが、当該複数の電子部品を相対的に熱に弱い部品と強い部品とに分けて、二つの回路ユニットを構成することとしても構わない。そして、熱に弱い電子部品で構成される回路ユニットは、上記実施の形態と同様に中空部に収納し、熱に強い電子部品で構成される回路ユニットは、台座を介してＬＥＤモジュール（ＬＥＤ）とは反対側に設けることとしても構わない。このようにすることで、中空部に収納する電子部品の個数を低減できるため、中空部に必要とされる空間に余裕が生まれることとなり、当該中空部の形状の設計の自由度が増大することとなる。
（１０）上記実施形態において、回路ユニットと口金との間に、前記回路ユニットの熱を前記口金に伝えるためのヒートパイプを設けても良い。例えば、熱伝導性の良い材料で形成された柱状のヒートパイプを、その一端が回路ユニットと熱的に接続され、他端が口金と熱的に接続された状態で、前記回路ユニットと前記口金との間に配置しても良い。その場合、回路ユニットと口金とがヒートパイプを介して通電しないように、絶縁性を確保することが好ましい。なお、ヒートパイプは、連絡孔５２に挿通しても良いし、連絡孔５２と平行してヒートパイプ用の挿通孔を開設することとしても構わない。

本発明に係るランプは、例えば、ＨＩＤランプに代替するＬＥＤランプとして好適に利用可能である。

１０，８０ ＬＥＤランプ
１２ 台座
２２ 口金
３６ ＬＥＤ
４４，８２ 導光部材
４８ 中空部
５０ 反射膜
６６ 回路ユニット
８４ 良出射領域

Claims (8)

1. 台座と、前記台座に取り付けられた口金と、前記台座を介して前記口金とは反対側に搭載された半導体発光素子とを有するランプであって、
   中空部を有する柱状の導光部材が、一端面を前記半導体発光素子の光の出射部に対面させた状態で設けられており、
   前記導光部材の軸心方向における中央部には、前記一端面から入射され他端面に向って進行する前記半導体発光素子の光の行路を前記軸心と交差する方向に変更する行路変更部が形成され、前記中空部には、前記口金から受電される電力を変換して前記半導体発光素子を発光させる回路ユニットの少なくとも一部が収納されており、
   前記中空部は、前記導光部材の軸心方向中央部に位置し、前記行路変更部は、当該中空
   部内面に形成された反射膜を含み、
   前記導光部材の前記一端面から入射された前記半導体発光素子の光は前記導光部材の外表面からランプ外部へ出射することを特徴とするランプ。
2. 前記行路変更部は、さらに、前記軸心方向、前記中空部に対応する導光部材外周面に形成されたフロスト加工面を含むことを特徴とする請求項１に記載のランプ。
3. 前記行路変更部は、前記導光部材の軸心方向中央領域の外周面に形成されたフロスト加工面であることを特徴とする請求項１に記載のランプ。
4. 前記中空部は、前記フロスト加工面よりも導光部材の前記他端面寄りに位置することを特徴とする請求項３に記載のランプ。
5. 前記導光部材は、前記他端面が半球状をした細長い円柱状をしていることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載のランプ。
6. 前記中空部は、球状をしていることを特徴とする請求項１または２に記載のランプ。
7. 前記半導体発光素子は実装基板に実装されており、
   前記導光部材は、前記中空部と当該導光部材外部とを連絡する連絡孔を有していて、
   前記回路ユニットの前記一部と前記実装基板または前記口金とを接続する配線が、前記連絡孔に挿通されていることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載のランプ。
8. 前記回路ユニットは、前記一部が前記中空部に収納されており、残りの部分が、前記台座を介して前記半導体発光素子とは反対側に設けられていることを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項に記載のランプ。

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