集光照明器具
【課題】集光型ＬＥＤ光源の発光効率を制限している、放熱の問題点と光の取り出し効率を制限している問題点を同時に解決して、高性能な集光型ＬＥＤ光源を提供することにある。
【解決手段】 １個ないし複数個の発光ダイオードを備える照明器具において、光源としてのＬＥＤチップを搭載した配線基板を兼ねた放熱板を含むヒートシンク容器の上部に集光用のレンズを具備する。その容器内に液体ないしジェルを充填することによって、冷却効果を高める。また、レンズと液体ないしジェルの屈折率がほぼ等しいことによる光の取り出し効率を高める。
【解決手段】 １個ないし複数個の発光ダイオードを備える照明器具において、光源としてのＬＥＤチップを搭載した配線基板を兼ねた放熱板を含むヒートシンク容器の上部に集光用のレンズを具備する。その容器内に液体ないしジェルを充填することによって、冷却効果を高める。また、レンズと液体ないしジェルの屈折率がほぼ等しいことによる光の取り出し効率を高める。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、集光機能を備え、光源としてＬＥＤ（発光ダイオード）を用いた照明用器具に関する。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１に述べられるように、ＬＥＤを光源とする照明器具は白熱電球や蛍光灯に対する優位性から広く一般に使用され始めている。最も一般的な白色ＬＥＤ光源は、青色ＬＥＤの光を利用して黄色の蛍光体を励起し、青色と黄色によって擬似白色光を得るものである。白色ＬＥＤ光源では通常、ＬＥＤチップとその周囲に黄色蛍光体を配置した白色ＬＥＤパッケージを用い、これを単数あるいは複数個器具の中に配置することで実現している。このような白色ＬＥＤ光源の発光効率を高めるためには、極めて小型のＬＥＤチップに投入される電気的エネルギーのうち、発光に使われずに熱として放出されるエネルギーを効率良く器具から外気に逃がす工夫が重要である。また、白色ＬＥＤパッケージから放出される白色光を器具から外部に取り出す効率を高める必要がある。
【０００３】
ＬＥＤチップから放出される熱は、通常チップ裏面から配線基板を通してヒートシンクに伝導され、ヒートシンクから外気に放出される。ここで配線基板には電気的絶縁のために絶縁体層が存在するため、その部分の熱抵抗が高くなりチップの温度上昇を来すことになる。
【０００４】
ＬＥＤパッケージから発生する白色光がパッケージ表面から外部に放出される割合は、パッケージ内部に蛍光体を含有する樹脂の屈折率と、樹脂表面に接触している媒質の屈折率の違いによって決定され、屈折率の違いが少ないほど光の取り出し効率が高くなる。ところで、スポットライトやダウンライトのような集光型光源ではパッケージの上部に正確にレンズを配置する必要があるため、空気層を介して、レンズを配置する構造をとることが多い。その結果、ＬＥＤパッケージ表面は空気層と接することになり、屈折率差が大きくなるため、光と取り出し効率を高められないという問題点があった。
【０００５】
以上は、白色ＬＥＤ光源についての問題点であるが、同様の問題点はＬＥＤチップからの光のみを利用する光源においてもしょうじていることは明らかである。この場合における光の取り出し効率は、ＬＥＤチップの半導体材料の屈折率とチップ表面に接している媒質の屈折率の違いによって制限を受けることになる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２０００−２３１８０２
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明の目的は、集光型ＬＥＤ光源の発光効率を制限している、放熱の問題点と光の取り出し効率を制限している問題点を同時に解決して、高性能な集光型ＬＥＤ光源を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明によれば、１個ないし複数個の発光ダイオードを備える照明器具において、光源としてのＬＥＤチップを搭載した配線基板を兼ねた放熱板を含むヒートシンク容器の上部に集光用のレンズを具備した照明器具であって、その容器内に液体ないしジェルを充填することによって、冷却効果を高めるとともに、レンズと液体ないしジェルの屈折率がほぼ等しいことによる光の取り出し効率を高めた集光照明器具が提供される。本発明の異なる形態としては、１個ないし複数個の発光ダイオードを備える照明器具において、光源としてのＬＥＤチップを搭載したパッケージと、パッケージを搭載した配線基板を兼ねた放熱板を含むヒートシンク容器の上部に集光用のレンズを具備した照明器具であって、その容器内に液体ないしジェルを充填することによって、冷却効果を高めるとともに、レンズと液体ないしジェルの屈折率がほぼ等しいことによる光の取り出し効率を高めた集光照明器具であってもよい。さらに本発明の異なる形態としては、１個ないし複数個の発光ダイオードを備える照明器具において、光源としての白色ＬＥＤパッケージと、パッケージを搭載した配線基板を兼ねた放熱板を含むヒートシンク容器の上部に集光用のレンズを具備した照明器具であって、その容器内に液体ないしジェルを充填することによって、冷却効果を高めるとともに、レンズと液体ないしジェルの屈折率がほぼ等しいことによる光の取り出し効率を高めた集光照明器具であってもよい。加えて本発明の異なる形態としては、１個ないし複数個の発光ダイオードを備える照明器具において、光源としての青色ないし紫外光ＬＥＤチップを搭載したパッケージと、パッケージを搭載した配線基板を兼ねた放熱板を含むヒートシンク容器の上部に蛍光体膜と集光用のレンズを具備した白色照明器具であって、その容器内に液体ないしジェルを充填することによって、冷却効果を高めるとともに、レンズと液体ないしジェルの屈折率がほぼ等しいことによる光の取り出し効率を高めた集光照明器具であってもよい。
【０００９】
本照明器具を構成するＬＥＤチップ、ＬＥＤパッケージ、ヒートシンク、光学レンズにおいて、本発明では、ＬＥＤチップあるいはＬＥＤパッケージと光学レンズの間の空隙に液体ないしジェルを封止することで、熱的問題点と光学的問題点を同時に解決している。すなわち、熱的問題点の解決に関しては、ＬＥＤチップあるいはＬＥＤパッケージとヒートシンクの間に液体ないしジェルを充填することで、熱伝導ないしは対流が生じて、ＬＥＤチップからの発熱を直接、あるいはパッケージを介してヒートシンクに効率的に逃がす手段を生じ、従来からのチップ裏面からの熱の放散に加えて新たな熱放散の通路を形成することができる。
【００１０】
加えて、対流による放熱をさらに効率良く行うためには、器具内に小型の攪拌装置を付けて、強制対流を起こさせることが効果的である。
【００１１】
また、光学的問題点の解決に関しては、屈折率が１．３ないしはそれ以上の液体ないしはジェルを充填することでＬＥＤチップ表面あるいはＬＥＤパッケージ表面に接する媒質の屈折率を空気層の１より大きくすることで、ＬＥＤチップあるいはＬＥＤパッケージからの光の取り出し効率を高めることができる。
【発明の効果】
【００１２】
以上述べたように、本発明に係る集光型ＬＥＤ照明器具においては、光源と光学レンズの間の空隙に透明で屈折率が１．３以上の液体を充填することで、チップの冷却効果と光源からの光取り出し効率の改善を同時に達成できる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】図１は、本発明に係る集光照明器具を概念的に示す説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、本発明の実施形態を添付図面に基づいて説明する。
【００１５】
図１は、本発明に係る集光照明器具を概念的に示す説明図である。以下には白色ＬＥＤ集光照明器具について説明するが、ＬＥＤ光のみを用いる単色ＬＥＤ照明器具についても同様の構成となっている。
【００１６】
白色ＬＥＤ集光照明器具は、光源としてのＬＥＤチップ１と、ＬＥＤチップを搭載したＬＥＤパッケージ２と、パッケージ内の空隙３と照明器具内部に設けられた空隙４と、ヒートシンク５と、照明器具上部に設けられた光学レンズ６を備えている。白色ＬＥＤ照明器具の場合には、ＬＥＤチップは青色ないしは紫外光ＬＥＤであり、パッケージ内の空隙３には蛍光体を含有した透明樹脂が充填されている。
【００１７】
照明器具内に設けられた空隙４には液体として、フロリナートないしはシリコーンオイルを充填する。ジェルの一例としては、オプトシールが推奨される。
【００１８】
青色ＬＥＤチップとしては、発光面が約１ｍｍｘ１ｍｍで定格電流３５０ｍＡのものを用いる。
【００１９】
熱特性評価を行うために、チップ直下の放熱板上にサーミスタを固定して基板温度を測定した。また、チップの温度（接合温度）は、チップの電流−電圧特性の温度依存性を利用して評価した。
【００２０】
空隙４が空気層の場合、３５０ｍＡの定格電流におけるチップへの投入電力は１．０５Ｗであった。この時のサーミスタ温度は７６．３℃、接合温度は１０２℃であった。
【００２１】
空隙４にフロリナートを充填すると、３５０ｍＡの定格電流におけるチップへの投入電力はほぼ等しい１．０６Ｗで、サーミスタ温度は７５．５℃であったが、接合温度は約９４℃となり、約８℃の温度低下が確認できた。
【００２２】
光学的評価を全光束測定の相対評価で行った。空隙４が空気層の場合とフロリナートを充填した場合を比較したところ、定格電流３５０ｍＡのもとで、フロリナート充填によって約６１％という大幅な取り出し効率の改善が見られた。２５０ｍＡのもとでは、フロリナート充填による効率改善は約２４％であったので、大電流動作時には接合温度の低減も全光束の改善に寄与している可能性が高い。
【００２３】
充填する液体としてはフロリナート以外にもシリコーンオイルを用いてもほぼ同様の結果が得られた。屈折率はフロリナートの約１．３よりシリコーンオイルの約１．４の方が若干高いので、光の取り出し効率の観点からはシリコーンオイルの方が優れているが光の透過率の観点からはフロリナートの方が若干優れている。
【符号の説明】
【００２４】
１：ＬＥＤチップ
２：ＬＥＤパッケージ
３：ＬＥＤパッケージ内の空隙
４：照明器具内部に設けられた空隙
５：ヒートシンク
６：照明器具上部に設けられた光学レンズ
【技術分野】
【０００１】
本発明は、集光機能を備え、光源としてＬＥＤ（発光ダイオード）を用いた照明用器具に関する。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１に述べられるように、ＬＥＤを光源とする照明器具は白熱電球や蛍光灯に対する優位性から広く一般に使用され始めている。最も一般的な白色ＬＥＤ光源は、青色ＬＥＤの光を利用して黄色の蛍光体を励起し、青色と黄色によって擬似白色光を得るものである。白色ＬＥＤ光源では通常、ＬＥＤチップとその周囲に黄色蛍光体を配置した白色ＬＥＤパッケージを用い、これを単数あるいは複数個器具の中に配置することで実現している。このような白色ＬＥＤ光源の発光効率を高めるためには、極めて小型のＬＥＤチップに投入される電気的エネルギーのうち、発光に使われずに熱として放出されるエネルギーを効率良く器具から外気に逃がす工夫が重要である。また、白色ＬＥＤパッケージから放出される白色光を器具から外部に取り出す効率を高める必要がある。
【０００３】
ＬＥＤチップから放出される熱は、通常チップ裏面から配線基板を通してヒートシンクに伝導され、ヒートシンクから外気に放出される。ここで配線基板には電気的絶縁のために絶縁体層が存在するため、その部分の熱抵抗が高くなりチップの温度上昇を来すことになる。
【０００４】
ＬＥＤパッケージから発生する白色光がパッケージ表面から外部に放出される割合は、パッケージ内部に蛍光体を含有する樹脂の屈折率と、樹脂表面に接触している媒質の屈折率の違いによって決定され、屈折率の違いが少ないほど光の取り出し効率が高くなる。ところで、スポットライトやダウンライトのような集光型光源ではパッケージの上部に正確にレンズを配置する必要があるため、空気層を介して、レンズを配置する構造をとることが多い。その結果、ＬＥＤパッケージ表面は空気層と接することになり、屈折率差が大きくなるため、光と取り出し効率を高められないという問題点があった。
【０００５】
以上は、白色ＬＥＤ光源についての問題点であるが、同様の問題点はＬＥＤチップからの光のみを利用する光源においてもしょうじていることは明らかである。この場合における光の取り出し効率は、ＬＥＤチップの半導体材料の屈折率とチップ表面に接している媒質の屈折率の違いによって制限を受けることになる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２０００−２３１８０２
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明の目的は、集光型ＬＥＤ光源の発光効率を制限している、放熱の問題点と光の取り出し効率を制限している問題点を同時に解決して、高性能な集光型ＬＥＤ光源を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明によれば、１個ないし複数個の発光ダイオードを備える照明器具において、光源としてのＬＥＤチップを搭載した配線基板を兼ねた放熱板を含むヒートシンク容器の上部に集光用のレンズを具備した照明器具であって、その容器内に液体ないしジェルを充填することによって、冷却効果を高めるとともに、レンズと液体ないしジェルの屈折率がほぼ等しいことによる光の取り出し効率を高めた集光照明器具が提供される。本発明の異なる形態としては、１個ないし複数個の発光ダイオードを備える照明器具において、光源としてのＬＥＤチップを搭載したパッケージと、パッケージを搭載した配線基板を兼ねた放熱板を含むヒートシンク容器の上部に集光用のレンズを具備した照明器具であって、その容器内に液体ないしジェルを充填することによって、冷却効果を高めるとともに、レンズと液体ないしジェルの屈折率がほぼ等しいことによる光の取り出し効率を高めた集光照明器具であってもよい。さらに本発明の異なる形態としては、１個ないし複数個の発光ダイオードを備える照明器具において、光源としての白色ＬＥＤパッケージと、パッケージを搭載した配線基板を兼ねた放熱板を含むヒートシンク容器の上部に集光用のレンズを具備した照明器具であって、その容器内に液体ないしジェルを充填することによって、冷却効果を高めるとともに、レンズと液体ないしジェルの屈折率がほぼ等しいことによる光の取り出し効率を高めた集光照明器具であってもよい。加えて本発明の異なる形態としては、１個ないし複数個の発光ダイオードを備える照明器具において、光源としての青色ないし紫外光ＬＥＤチップを搭載したパッケージと、パッケージを搭載した配線基板を兼ねた放熱板を含むヒートシンク容器の上部に蛍光体膜と集光用のレンズを具備した白色照明器具であって、その容器内に液体ないしジェルを充填することによって、冷却効果を高めるとともに、レンズと液体ないしジェルの屈折率がほぼ等しいことによる光の取り出し効率を高めた集光照明器具であってもよい。
【０００９】
本照明器具を構成するＬＥＤチップ、ＬＥＤパッケージ、ヒートシンク、光学レンズにおいて、本発明では、ＬＥＤチップあるいはＬＥＤパッケージと光学レンズの間の空隙に液体ないしジェルを封止することで、熱的問題点と光学的問題点を同時に解決している。すなわち、熱的問題点の解決に関しては、ＬＥＤチップあるいはＬＥＤパッケージとヒートシンクの間に液体ないしジェルを充填することで、熱伝導ないしは対流が生じて、ＬＥＤチップからの発熱を直接、あるいはパッケージを介してヒートシンクに効率的に逃がす手段を生じ、従来からのチップ裏面からの熱の放散に加えて新たな熱放散の通路を形成することができる。
【００１０】
加えて、対流による放熱をさらに効率良く行うためには、器具内に小型の攪拌装置を付けて、強制対流を起こさせることが効果的である。
【００１１】
また、光学的問題点の解決に関しては、屈折率が１．３ないしはそれ以上の液体ないしはジェルを充填することでＬＥＤチップ表面あるいはＬＥＤパッケージ表面に接する媒質の屈折率を空気層の１より大きくすることで、ＬＥＤチップあるいはＬＥＤパッケージからの光の取り出し効率を高めることができる。
【発明の効果】
【００１２】
以上述べたように、本発明に係る集光型ＬＥＤ照明器具においては、光源と光学レンズの間の空隙に透明で屈折率が１．３以上の液体を充填することで、チップの冷却効果と光源からの光取り出し効率の改善を同時に達成できる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】図１は、本発明に係る集光照明器具を概念的に示す説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、本発明の実施形態を添付図面に基づいて説明する。
【００１５】
図１は、本発明に係る集光照明器具を概念的に示す説明図である。以下には白色ＬＥＤ集光照明器具について説明するが、ＬＥＤ光のみを用いる単色ＬＥＤ照明器具についても同様の構成となっている。
【００１６】
白色ＬＥＤ集光照明器具は、光源としてのＬＥＤチップ１と、ＬＥＤチップを搭載したＬＥＤパッケージ２と、パッケージ内の空隙３と照明器具内部に設けられた空隙４と、ヒートシンク５と、照明器具上部に設けられた光学レンズ６を備えている。白色ＬＥＤ照明器具の場合には、ＬＥＤチップは青色ないしは紫外光ＬＥＤであり、パッケージ内の空隙３には蛍光体を含有した透明樹脂が充填されている。
【００１７】
照明器具内に設けられた空隙４には液体として、フロリナートないしはシリコーンオイルを充填する。ジェルの一例としては、オプトシールが推奨される。
【００１８】
青色ＬＥＤチップとしては、発光面が約１ｍｍｘ１ｍｍで定格電流３５０ｍＡのものを用いる。
【００１９】
熱特性評価を行うために、チップ直下の放熱板上にサーミスタを固定して基板温度を測定した。また、チップの温度（接合温度）は、チップの電流−電圧特性の温度依存性を利用して評価した。
【００２０】
空隙４が空気層の場合、３５０ｍＡの定格電流におけるチップへの投入電力は１．０５Ｗであった。この時のサーミスタ温度は７６．３℃、接合温度は１０２℃であった。
【００２１】
空隙４にフロリナートを充填すると、３５０ｍＡの定格電流におけるチップへの投入電力はほぼ等しい１．０６Ｗで、サーミスタ温度は７５．５℃であったが、接合温度は約９４℃となり、約８℃の温度低下が確認できた。
【００２２】
光学的評価を全光束測定の相対評価で行った。空隙４が空気層の場合とフロリナートを充填した場合を比較したところ、定格電流３５０ｍＡのもとで、フロリナート充填によって約６１％という大幅な取り出し効率の改善が見られた。２５０ｍＡのもとでは、フロリナート充填による効率改善は約２４％であったので、大電流動作時には接合温度の低減も全光束の改善に寄与している可能性が高い。
【００２３】
充填する液体としてはフロリナート以外にもシリコーンオイルを用いてもほぼ同様の結果が得られた。屈折率はフロリナートの約１．３よりシリコーンオイルの約１．４の方が若干高いので、光の取り出し効率の観点からはシリコーンオイルの方が優れているが光の透過率の観点からはフロリナートの方が若干優れている。
【符号の説明】
【００２４】
１：ＬＥＤチップ
２：ＬＥＤパッケージ
３：ＬＥＤパッケージ内の空隙
４：照明器具内部に設けられた空隙
５：ヒートシンク
６：照明器具上部に設けられた光学レンズ
【特許請求の範囲】
【請求項１】
１個ないし複数個の発光ダイオードを光源とする照明器具において、これら発光ダイオードを搭載した配線基板を兼ねた放熱板を含むヒートシンク容器の上部に集光用のレンズを具備した照明器具であって、その容器内に沸点が５０℃以上２００℃以下の液体ないしジェルを充填することによって、冷却効果を高めた集光照明器具。
【請求項２】
請求項１に記載の集光照明器具において、
上記レンズ、液体ないしジェルの屈折率が１．３以上２．０以下の範囲にある光の取り出し効率を高めた集光照明器具。
【請求項３】
請求項１または２に記載の集光照明器具において、
上記発光ダイオードが３６５ｎｍから４７０１ｎｍの範囲内にピーク波長を有するＬＥＤチップと蛍光体で構成される白色ＬＥＤパッケージである集光照明器具。
【請求項１】
１個ないし複数個の発光ダイオードを光源とする照明器具において、これら発光ダイオードを搭載した配線基板を兼ねた放熱板を含むヒートシンク容器の上部に集光用のレンズを具備した照明器具であって、その容器内に沸点が５０℃以上２００℃以下の液体ないしジェルを充填することによって、冷却効果を高めた集光照明器具。
【請求項２】
請求項１に記載の集光照明器具において、
上記レンズ、液体ないしジェルの屈折率が１．３以上２．０以下の範囲にある光の取り出し効率を高めた集光照明器具。
【請求項３】
請求項１または２に記載の集光照明器具において、
上記発光ダイオードが３６５ｎｍから４７０１ｎｍの範囲内にピーク波長を有するＬＥＤチップと蛍光体で構成される白色ＬＥＤパッケージである集光照明器具。
【図１】
【公開番号】特開２０１２−１５６０６３（Ｐ２０１２−１５６０６３Ａ）
【公開日】平成２４年８月１６日（２０１２．８．１６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１５５７７（Ｐ２０１１−１５５７７）
【出願日】平成２３年１月２７日（２０１１．１．２７）
【出願人】（５０１０４５０２１）株式会社ナノテコ (9)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年８月１６日（２０１２．８．１６）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年１月２７日（２０１１．１．２７）
【出願人】（５０１０４５０２１）株式会社ナノテコ (9)
【Ｆターム（参考）】
[ Back to top ]