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発明の名称 照明器具
発行国 日本国特許庁(JP)
公報種別 公開特許公報(A)
公開番号 特開2007−87668(P2007−87668A)
公開日 平成19年4月5日(2007.4.5)
出願番号 特願2005−272846(P2005−272846)
出願日 平成17年9月20日(2005.9.20)
代理人 【識別番号】100087767
【弁理士】
【氏名又は名称】西川 惠清
発明者 鎌田 策雄 / 西岡 恭志 / 浦野 洋二
要約 課題
放熱性を向上した照明装置を提供する。

解決手段
LEDチップ10と、LEDチップ10が搭載される金属板21と、熱伝導機能を持ちLEDチップ10と金属板21との線膨張率差に起因してLEDチップ10に働く応力を緩和するサブマウント部材30を有する発光装置1が実装される器具本体100に、例えば水のような流体からなる冷媒が通される流路100bを設けた。流路100bを設けない場合に比べ、放熱性が向上する。従って、LEDチップ10への入力電力を大きくして光出力を高くすることができる。
特許請求の範囲
【請求項1】
発光ダイオードチップと、発光ダイオードチップが実装された実装基板と、当該実装基板における発光ダイオードチップの実装面側で発光ダイオードチップを囲む枠体と、枠体の内側に透明樹脂材料を充填して形成されて発光ダイオードチップおよび当該発光ダイオードチップに電気的に接続された一対のボンディングワイヤを封止し且つ弾性を有する封止部と、封止部に重ねて配置されたレンズと、発光ダイオードチップから放射された光によって励起されて発光ダイオードチップの発光色とは異なる色の光を放射する蛍光体を透明材料とともに成形した成形品であって実装基板の前記実装面側でレンズおよび枠体を覆いレンズの光出射面および枠体との間に空気層が形成される形で配設されるドーム状の色変換部材とを有する発光装置と、
発光装置を収納するとともに発光ダイオードチップに熱的に接続された器具本体とを備え、
器具本体には流体からなる冷媒が通される流路が設けられていることを特徴とする照明器具。
発明の詳細な説明
【技術分野】
【0001】
本発明は、光源として発光ダイオードチップを用いた照明器具に関するものである。
【背景技術】
【0002】
従来から、発光ダイオードチップ(以下、「LEDチップ」という。)を光源として用いた照明器具が提供されている(例えば、特許文献1参照)。
【特許文献1】特開2001−35239号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【0003】
ここで、LEDチップは発光時に発熱する発熱部品であり、かつ温度の上昇に伴って光出力が低下するため、より高い光出力を得るためには放熱性の向上が要求される。
【0004】
本発明は上記事由に鑑みて為されたものであり、その目的は、放熱性が向上した照明器具を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【0005】
本発明は、発光ダイオードチップと、発光ダイオードチップが実装された実装基板と、当該実装基板における発光ダイオードチップの実装面側で発光ダイオードチップを囲む枠体と、枠体の内側に透明樹脂材料を充填して形成されて発光ダイオードチップおよび当該発光ダイオードチップに電気的に接続された一対のボンディングワイヤを封止し且つ弾性を有する封止部と、封止部に重ねて配置されたレンズと、発光ダイオードチップから放射された光によって励起されて発光ダイオードチップの発光色とは異なる色の光を放射する蛍光体を透明材料とともに成形した成形品であって実装基板の前記実装面側でレンズおよび枠体を覆いレンズの光出射面および枠体との間に空気層が形成される形で配設されるドーム状の色変換部材とを有する発光装置と、発光装置を収納するとともに発光ダイオードチップに熱的に接続された器具本体とを備え、器具本体には流体からなる冷媒が通される流路が設けられていることを特徴とする。
【発明の効果】
【0006】
本発明によれば、流路を設けない場合に比べて放熱性が向上する。従って、発光ダイオードチップへの入力電力を大きくして光出力を高くすることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【0007】
以下、本実施形態について図1〜4を参照しながら説明する。
【0008】
本実施形態は、図2に示すように、例えばAlやCuのような熱伝導率の高い材料からなり上面が開放された収納凹部100aを有する有底円筒形状の器具本体100と、それぞれ収納凹部100aに収納された複数個(図では3個)の発光装置1とを備える。
【0009】
発光装置1は、LEDチップ10と、LEDチップ10が実装された実装基板20と、実装基板20におけるLEDチップ10の実装面側でLEDチップ10を囲む枠体40と、枠体40の内側に透明樹脂材料を充填して形成されてLEDチップ10および当該LEDチップ10に接続されたボンディングワイヤ14,14を封止し且つ弾性を有する封止部50と、封止部50に重ねて配置されるレンズ60と、LEDチップ10から放射された光によって励起されてLEDチップ10の発光色とは異なる色の光を放射する蛍光体を透明材料とともに成形した成形品であってレンズ60の光出射面60b側にレンズ60を覆い光出射面60bおよび枠体40との間に空気層80が形成される形で配設されるドーム状の色変換部材70とを備えている。なお、発光装置1は、例えば、グリーンシートからなる絶縁層90を介して収納凹部100aの底面に実装されている。このように、絶縁層90として比較的に熱伝導率の高いグリーンシートを用いたことにより、絶縁層90として例えば塩化ビニールのような比較的に熱伝導率の低い材料からなるシートを用いる場合に比べ、LEDチップ10から器具本体100までの熱抵抗を小さくすることができて放熱性が向上し、LEDチップ10のジャンクション温度の温度上昇を抑制できるから、入力電力を大きくでき、光出力の高出力化を図れる。
【0010】
実装基板20は、LEDチップ10が搭載される金属板21と、金属板21に積層されたガラスエポキシ基板からなる絶縁性基材22とで構成されており、当該絶縁性基材22における金属板21側とは反対側の表面にLEDチップ10の図示しない両電極それぞれと電気的に接続される一対のリードパターン23が設けられるとともに、絶縁性基材22においてLEDチップ10に対応する部位に窓孔24が設けられており、LEDチップ10で発生した熱が絶縁性基材22を介さずに金属板21に伝熱できるようになっている。ここにおいて、金属板21の材料としてはCuを採用しているが、熱伝導率の比較的高い金属材料であればよく、Cuに限らず、Alなどを採用してもよい。なお、金属板21と絶縁性基材22とは、絶縁性を有するシート状の接着フィルムからなる固着材25により固着されている。また、各リードパターン23は、Ni膜とAu膜との積層膜により構成されており、色変換部材70により覆われていない部位がアウターリード部23bとなっている。
【0011】
LEDチップ10は、青色光を放射するGaN系青色LEDチップであり、結晶成長用基板としてサファイア基板に比べて格子定数や結晶構造がGaNに近く且つ導電性を有するn形のSiC基板からなる導電性基板11を用いており、導電性基板11の主表面側にGaN系化合物半導体材料により形成されて例えばダブルへテロ構造を有する積層構造部からなる発光部12がエピタキシャル成長法(例えば、MOVPE法など)により成長され、導電性基板11の裏面に図示しないカソード側の電極であるカソード電極(n電極)が形成され、発光部12の表面(導電性基板11の主表面側の最表面)に図示しないアノード側の電極であるアノード電極(p電極)が形成されている。要するに、LEDチップ10は、一表面側にアノード電極が形成されるとともに他表面側にカソード電極が形成されている。上記カソード電極および上記アノード電極は、Ni膜とAu膜との積層膜により構成してあるが、上記カソード電極および上記アノード電極の材料は特に限定するものではなく、良好なオーミック特性が得られる材料であればよく、例えば、Alなどを採用してもよい。なお、本実施形態では、LEDチップ10の発光部12が導電性基板11よりも金属板21から離れた側となるように金属板21に実装されているが、LEDチップ10の発光部12が導電性基板11よりも金属板21に近い側となるように金属板21に実装するようにしてもよい。光取り出し効率を考えた場合には、発光部12を金属板21から離れた側に配置することが望ましいが、本実施形態では導電性基板11と発光部12とが同程度の屈折率を有しているので、発光部12を金属板21に近い側に配置しても光の取り出し損失が大きくなりすぎることはない。
【0012】
また、LEDチップ10は、上述の実装基板20に、LEDチップ10のチップサイズよりも大きなサイズの矩形板状に形成されLEDチップ10と金属板21との線膨張率の差に起因してLEDチップ10に働く応力を緩和するサブマウント部材30を介して実装されている。サブマウント部材30は、上記応力を緩和する機能だけでなく、LEDチップ10で発生した熱を金属板21においてLEDチップ10のチップサイズよりも広い範囲に伝熱させる熱伝導機能を有している。本実施形態では、サブマウント部材30の材料として熱伝導率が比較的高く且つ絶縁性を有するAlNを採用しており、LEDチップ10は、上記カソード電極がサブマウント部材30におけるLEDチップ10側の表面に設けられ上記カソード電極と接続される導体パターン(図示せず)および金属細線(例えば、金細線、アルミニウム細線など)からなるボンディングワイヤ14を介して一方のリードパターン23と電気的に接続され、上記アノード電極がボンディングワイヤ14を介して他方のリードパターン23と電気的に接続されている。なお、LEDチップ10とサブマウント部材30とは、例えば、SnPb、AuSn、SnAgCuなどの半田や、銀ペーストなどを用いて接合すればよいが、AuSn、SnAgCuなどの鉛フリー半田を用いて接合することが好ましい。また、サブマウント部材30において、導体パターンの周囲には、LEDチップ10から放射された光を反射する反射膜(例えば、Ni膜とAg膜との積層膜)が形成されている。
【0013】
サブマウント部材30の材料はAlNに限らず、線膨張率が導電性基板11の材料である6H−SiCに比較的近く且つ熱伝導率が比較的高い材料であればよく、例えば、複合SiC、Siなどを採用してもよい。
【0014】
上述の封止部50の透明樹脂材料としては、シリコーン樹脂を用いているが、シリコーン樹脂に限らず、アクリル樹脂などを用いてもよい。
【0015】
これに対して、枠体40は、円筒状の形状であって、透明樹脂の成形品により構成されているが、当該成形品に用いる透明樹脂としては、シリコーン樹脂を採用している。要するに、本実施形態では、封止部50の透明樹脂材料の線膨張率と同等の線膨張率を有する透光性材料により枠体40を形成してある。ここに、本実施形態では、枠体40を実装基板20に固着した後で枠体40の内側に上記透明樹脂材料を充填(ポッティング)して熱硬化させることで封止部50を形成してある。なお、上記透明樹脂材料としてシリコーン樹脂に代えてアクリル樹脂を用いている場合には、枠体40をアクリル樹脂の成形品により構成することが望ましい。
【0016】
レンズ60は、封止部50側の光入射面60aおよび光出射面60bそれぞれが凸曲面状に形成された両凸レンズにより構成されている。ここにおいて、レンズ60は、シリコーン樹脂の成形品により構成してあり、封止部50と屈折率が同じ値となっているが、レンズ60は、シリコーン樹脂の成形品に限らず、例えば、アクリル樹脂の成形品により構成してもよい。
【0017】
ところで、レンズ60は、光出射面60bが、光入射面60aから入射した光を光出射面60bと上述の空気層80との境界で全反射させない凸曲面状に形成されている。ここで、レンズ60は、当該レンズ60の光軸がLEDチップ10の厚み方向に沿った発光部12の中心線上に位置するように配置されている。なお、LEDチップ10の側面から放射された光は封止部50および空気層80を伝搬して色変換部材70まで到達し色変換部材70の蛍光体を励起したり蛍光体には衝突せずに色変換部材70を透過したりする。
【0018】
色変換部材70は、シリコーン樹脂のような透明材料とLEDチップ10から放射された青色光によって励起されてブロードな黄色系の光を放射する粒子状の黄色蛍光体とを混合した混合物の成形品により構成されている。したがって、本実施形態の発光装置は、LEDチップ10から放射された青色光と黄色蛍光体から放射された光とが色変換部材70の外面70bを通して放射されることとなり、白色光を得ることができる。なお、色変換部材70の材料として用いる透明材料は、シリコーン樹脂に限らず、例えば、アクリル樹脂、エポキシ樹脂、ガラスなどを採用してもよい。また、色変換部材70の材料として用いる透明材料に混合する蛍光体も黄色蛍光体に限らず、例えば、赤色蛍光体と緑色蛍光体とを混合しても白色光を得ることができる。
【0019】
ここで、色変換部材70は、内面70aがレンズ60の光出射面60bに沿った形状に形成されている。したがって、レンズ60の光出射面60bの位置によらず法線方向における光出射面60bと色変換部材70の内面70aとの間の距離が略一定値となっている。なお、色変換部材70は、位置によらず法線方向に沿った肉厚が一様となるように成形されている。色変換部材70は、開口部の周縁を実装基板20に対して、例えば接着剤(例えば、シリコーン樹脂、エポキシ樹脂など)を用いて接着すればよい。
【0020】
さらに、本実施形態の器具本体100において収納凹部100aの底面を構成する部位には、器具本体100の側面に開口して冷媒が通される流路100bを設けてある。冷媒としては例えば水のような流体が使用される。流路100bには、図2に示すように放熱器HEが連結される。図2の例では、放熱器HEは流路100bよりも高い位置に保持されており、発光装置1の熱によって温度が上昇して密度が低下した冷媒が放熱器HE内に流入し、放熱器HE内において温度が低下して密度が上昇した冷媒が流路100bに戻るといった対流により冷媒が循環する。放熱器HEは例えば、アルミニウムのような熱伝導率の高い材料からなり、冷媒が溜まる容器の周囲に、外気との接触面積を増やすための放熱フィンが設けられたものである。
【0021】
上記構成によれば、流路100bを設けない場合に比べて放熱性が向上する。従って、LEDチップ10への入力電力を大きくして光出力を高くすることができる。
【0022】
なお、上記のように対流を利用して冷媒を循環させる代わりに、流路100bを両端がそれぞれ器具本体100の側面に開口する管状とするとともに、流路100bの両端間に図5に示すように放熱器HEとポンプPOとを連結し、ポンプPOにより流路100bと放熱器HEとに冷媒を循環させてもよい。
【0023】
また、上述の実施形態では、LEDチップ10として、発光色が青色の青色LEDチップを採用しており、導電性基板11としてSiC基板を採用しているが、SiC基板の代わりにGaN基板を用いてもよく、SiC基板やGaN基板を用いた場合には結晶成長用基板として絶縁体であるサファイア基板を用いている場合に比べて、結晶成長用基板の熱伝導率が高く結晶成長用基板の熱抵抗を小さくできる。また、LEDチップ10の発光色は青色に限らず、例えば、赤色、緑色などでもよい。すなわち、LEDチップ10の発光部12の材料はGaN系化合物半導体材料に限らず、LEDチップ10の発光色に応じて、GaAs系化合物半導体材料やGaP系化合物半導体材料などを採用してもよい。また、導電性基板11もSiC基板に限らず、発光部12の材料に応じて、例えば、GaAs基板、GsP基板などから適宜選択すればよい。
【図面の簡単な説明】
【0024】
【図1】本発明の実施形態の要部を示す断面図である。
【図2】同上を示す斜視図である。
【図3】同上の要部を示す一部破断した分解斜視図である。
【図4】同上の要部を示す平面図である。
【図5】同上の別の形態を示す斜視図である。
【符号の説明】
【0025】
1 発光装置
10 LEDチップ
100 器具本体
100b 流路




 

 


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