(57)【要約】【課題】大光量のＬＥＤ式投光器が望まれている。【解決手段】投光器は、光源である複数の発光ダイオード素子１と、複数の発光ダイオード素子１が配設された銅の基板２と、熱伝導性の材料で形成され内筒が中心に向かって窪んだ階段形状をなすＬＥＤ１を取り付けるための筒形の取付板３と、を有する。取付板３の内筒の各段の段面上に基板２が設けられる。取付板３の段面上に設けられる基板２の外形は、照射面の形状と相似の中空形状である。照射面の中央に設けられる基板２Ａの外形は、四角形または円形である。取付板３は、リフレクタである。投光器は、照射方向Ｄｘに対して垂直の方向に取付板３の内筒の段面に接触するようにして取付板３に固定される放熱のための複数のフィン４を含んでなる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
光源である複数の発光ダイオード素子と、前記複数の発光ダイオード素子が配設された複数の基板と、熱伝導性の材料で形成され内筒が中心に向かって窪んだ複数段の階段形状をなし各段の段面上にそれぞれ前記基板が設けられる筒形の取付板と、を有する投光器。
【請求項２】
前記取付板がリフレクタである請求項１に記載の投光器。
【請求項３】
照射方向に対して垂直の方向に前記段面に接触するようにして前記取付板に固定される放熱のための複数のフィンを含んでなる請求項１に記載の投光器。
【請求項４】
前記取付板の前記各段の段面上に設けられる前記基板の外形が前記リフレクタの開口の形状と相似の中空板形状であって、照射面の中央に設けられる基板の外形が四角形または円形である請求項１に記載の投光器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、発光ダイオード素子を光源とする投光器に関する。特に、屋外の比較的大きい施設における照明に適する投光器に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、発光ダイオード素子で白色光を得る技術の進歩にともなって、白熱灯、蛍光灯、水銀灯のような照明灯から発光ダイオード式照明灯への転換が急速に進んでいる。そして、光量が多い投光器の光源としても発光ダイオード素子が利用されるようになってきている。以下、本発明では、電極を含む発光ダイオードの半導体チップを発光ダイオード素子（ＬＥＤ）という。
【０００３】
投光器は、光源からある程度離れた位置にある照射対象に所定の照射範囲で所要の明るさの光を照射するための照明器具である。そのため、テニスコートのような運動場または競技場の夜間照明、庭園の照明、あるいは看板の照明に使用されている比較的大型の投光器の光源は、所要の照射距離と照射範囲および照度とに相応する大きさの光量が要求される。例えば、水銀灯系のメタルハロイドランプ投光器は、大光量の光源を設けることができるので、遠く離れた照射対象に広い照射範囲で十分な明るさの光を与えることができる。
【０００４】
ＬＥＤ式投光器に対して水銀灯式投光器と同じだけの照射距離を求めると、ＬＥＤの発熱量が許容量を超えてしまう。一方で、ＬＥＤ式投光器では、光源であるＬＥＤの光が指向性を有しているので、水銀灯式投光器に比べて所定の照射範囲内にスポット的に光を照射することが容易である。そこで、例えば、特許文献１に代表的に示されるように、リフレクタによって集光し所定の照射範囲内における照射効率を向上させることによってＬＥＤの発熱量を抑えるとともに、翼面積が大きい平板形状の放熱のためのフィンを備えたヒートシンクを設けるようにされている。
【０００５】
ただし、より大きい光量を光源に求めた場合、光源のＬＥＤの温度が手を触れることができないほど高温になる。そのため、空気により自然に放熱されるだけでは、ＬＥＤの破損を防止するとともに発熱によるエネルギの損失を低減することが難しい。ヒートシンク本体を大きくし、フィンの数と翼面積を増やすことによって放熱効果を高くすることが可能であるが、ヒートシンクの質量が増大して投光器の総重量が重くなる。また、金属の一体成形加工では、翼面積がより大きくて薄い平板形状のフィンを十分な数だけ増設することが難しい。
【０００６】
例えば、特許文献２あるいは特許文献３に開示される自動車のヘッドランプのように、閉塞された空間に設置されるＬＥＤ式照明灯では、フィンとフィンとの間に高温の空気を効率よく対流させて放熱効果を高めるために、照射方向に対して直交する放射方向に複数のフィンを設けることがある。しかしながら、発熱源であるＬＥＤからフィンに熱が伝わるまでにある程度の時間を要するので、光源がより大きい光量を有する投光器のヒートシンクとしては、放熱効果が十分ではない。
【０００７】
送風ファンまたは水冷装置のような強制的な冷却装置を設けると、消費電力が多くなるだけではなく、部品点数が増大し投光器の構造がより繊細になる。そのため、生産性が大幅に低下する。とりわけ、直射日光と風雪雨に曝される屋外の照明設備では、冷却装置を搭載した投光器は、より損傷しやすくなる。その結果、冷却装置が不要である水銀灯式投光器のようないわゆる電球を光源とする投光器に比べて、設置、点検、修理、あるいは交換による設備と維持管理に要する作業と費用の負担が大きくなる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２０１１−１１３８１４号公報
【特許文献２】特開２００６−１４３１１４号公報
【特許文献３】特開２００６−３５１３５１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
リフレクタによって集光し照射効率を可能な限り高くする場合、限定された照射範囲に集中して光を照射せざるを得ない。そのため、より広い照射領域をほぼ均等の明るさで照らす必要があるときは、複数の投光器を並べて配置し、核投光器の照射範囲の境界が重なり合うようにして照明を与えている。その結果、水銀灯式投光器に比べてより多くの数の投光器が要求されるため、依然として設備および維持管理に要する作業と費用の負担が大きく、ＬＥＤ式投光器の普及の妨げになっている。
【００１０】
本発明は、上記課題に鑑みて、より広い照射領域に所要の照度の光を照射できるＬＥＤ式投光器を提供することを主たる目的とする。また、本発明は、構成が比較的簡単で損傷しにくい投光器を提供することを目的とする。また、本発明は、空気で自然に放熱するだけでＬＥＤの周囲の温度を安全な温度に維持することができる投光器を提供することを目的とする。本発明によって得ることができる具体的な利点については、発明の実施の形態の説明において詳しく示される。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明の投光器は、上記目的を達成するために、光源である複数の発光ダイオード素子（１）と、複数の発光ダイオード素子（１）が配設された複数の基板（２）と、熱伝導性の材料で形成され内筒が中心に向かって窪んだ複数段の階段形状をなし各段の段面上にそれぞれ基板（２）が設けられる筒形の取付板（３）と、を有するようにされる。
【００１２】
上記本発明の投光器では、具体的に取付板（３）がリフレクタである。また、照射方向（Ｄｘ）に対して垂直の方向に段面に接触するようにして取付板（３）に固定される放熱のための複数のフィン（４）を含んでなるようにされる。特に、取付板（３）の各段の段面上に設けられる基板（２）の外形が取付板（３）の開口（１０）の形状と相似の中空形状であって、照射面の中央に設けられる基板（２）の外形が四角形または円形にされる。なお、符号は、説明の便宜上付されたものであって、本発明を具体的に図面に示されている実施の形態に限定するものではない。
【発明の効果】
【００１３】
本発明のＬＥＤ式投光器は、内筒が階段形状の筒形の取付板を有し、各段の段面上にそれぞれ基板を設ける構成であるので、照射方向に対面する投光器の照射面のおよそ全面にわたってＬＥＤを設けることができる。そのため、単一の投光器における光量を増大し、照射範囲を拡大することができる。その結果、より広い照射領域に所要の照度の光を与えることができ、投光器の台数を減らして、設備および維持管理にかかる作業と費用の負担を軽減する効果をもたらす。
【００１４】
また、内筒が階段形状の筒形の取付板の各段の段面上に基板を設ける構成であるので、発熱源であるＬＥＤが取付板の全面におおよそ均等に配設される。このとき、取付板が熱伝導性の材料で形成されている。そのため、取付板が基板から熱を吸収するヒートシンクとして作用し、熱を吸収して放熱する面積がよい大きい。したがって、光源のＬＥＤから生じた熱は、取付板のほぼ全面にわたって均一に分散された状態で吸収され、より短時間に放熱される。その結果、より大きな光量を得ることができる。そして、放熱だけで温度を低く維持することができ、比較的簡単な構成で損傷しにくい。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の投光器の正面図および上側断面図である。
【図２】本発明の投光器の組図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
図１は、本発明の投光器の実施の形態を示す。本発明では、図１に示されるように、投光器を設置する方向を照射方向Ｄｘとする。そして、照射方向Ｄｘに向かう面を投光器の前面または正面とし、前面の反対面を後面または背面とする。また、照射方向Ｄｘに対して右側を右側面、左側を左側面、上側を上面、下側を下面とする。なお、照射方向Ｄｘに沿って後面から前面に向かう方向を前後方向、上面から下面の方向を上下方向または縦方向、左右両側面の方向を左右方向または横方向とする。また、前面において光が放出される平面を照射面という。
【００１７】
実施の形態の投光器は、光源である複数の発光ダイオード素子（ＬＥＤ）１と、複数のＬＥＤ１が配置された複数の基板２と、熱伝導性の材料で形成され内筒が中心に向かって窪んだ複数段の階段形状の筒形の取付板３と、を有する。特に、実施の形態の投光器は、照射方向Ｄｘに対して垂直の方向に取付板３の内筒の各段の段面に接触するようにして取付板３に固定される放熱のための複数のフィン４を含んでなる。基板２を取り付けるための取付板３は、具体的にリフレクタである。以下、リフレクタを取付板３として説明する。
【００１８】
複数のＬＥＤ１には、投光器から遠く離れた位置に設けられている図示しない直流電源から電力が供給される。例えば、投光器の側面に入力端子が設けられ、入力端子と直流電源との間がケーブルで接続される。投光器と直流電源との間の距離には制限があるので、投光器を設置する照明設備が設けられる施設の規模によっては、複数の投光器に複数の直流電源からそれぞれ供給されるようにすることができる。
【００１９】
ＬＥＤ１は、電気的に数個ないし十数個単位で直列に接続される。直列に接続された複数のＬＥＤ１でなる直列ユニットは、それぞれ並列に接続される。直流電源から定格最大の電流値が供給されたときに得ることができる最大の光量が所要の光量を十分に超えるように、所要の光量に対して余裕を持たせた個数だけ基板２に配設されている。そのため、あるＬＥＤ１が破損して特定の直列ユニットが電気的に切断されたときにも、所要の光量の光を照射し続けることができる。
【００２０】
基板２は、銅で成る。ＬＥＤ１は、直列ユニットの単位で基板２に配列される。基板２は、近くに設けられるプリント配線板と接続し、プリント配線板から電流が供給される。基板２をプリント配線板にすることができるが、銅の基板に比べて放熱効果が劣る。複数の基板２は、リフレクタ３の各段面上にそれぞれ設けられる。基板２の外形は、基本的に投光器の照射面の形状、言い換えると、リフレクタ３の開口１０の形状に対して相似の中空板形状に形成される。ただし、照射面の中央に当たる位置に設けられる基板２Ａの外形は、環状である必要がないので、四角形または円形である。
【００２１】
図１に示される実施の形態の投光器は、開口１０の形状が円形であるので、基板２は、円環状に形成されている。ただし、基板２の外形は、完全に閉じられている環形状でなくてもよい。また、基板２の外形は、照射面の全面にわたってＬＥＤ１を可能な限り均等に配設できる形状であればよい。例えば、基板２の形状を扇形にすることができる。基板２の形状が扇形であるときは、複数の同形の扇形にすることができる。基板２の形状が扇形であるときは、複数の同形の扇形の基板２を組み合わせて全体として１つの環状の基板を形成することができる。
【００２２】
各基板２と中央の基板２Ａには、ＬＥＤ１が投光器の照射面においておおよそ均等に分散されて配列されるように配設される。例えば、実施の形態の投光器では、基板２にＬＥＤ１が投光器の照射面の中心Ｏを取り囲むようにして同一の間隔で一列に配設されている。このとき、各基板２に配設されるＬＥＤ１の個数は、基本的にＬＥＤ１の直列ユニットの個数の倍数にされる。
【００２３】
銅の基板２は、ＬＥＤ１から生じる熱を速やかにリフレクタ３に伝導し、放熱させることができる。そのため、放熱効果が高く、冷却装置を必要としない。基板２がガラスエポキシのような樹脂製のプリント配線板であるときは、プリント配線が電気的に絶縁されるように溶融樹脂にアルミニウムのような熱伝導性の金属の微粉末を混合して基板を成形することによって、基板２に熱伝導性を与えるとよい。また、基板２の板厚を十分に薄くすることによって熱をリフレクタ３に伝達しやすくすることができ、効率よく放熱させるようにすることができる。
【００２４】
特に、基板２が実質的に熱伝導性を有していないプリント配線板であるときは、リフレクタ３の内筒の各段の段面上に段面の形状とほぼ同じ形状の中空板形状の薄い銅板を重ねて設けるようにすることができる。このとき、銅板は、ＬＥＤ１から生じる熱をより短時間に吸収するので、ＬＥＤ１の温度上昇を十分に抑えることができる。
【００２５】
このように、実施の形態の投光器では、内筒が階段形状の筒形のリフレクタ３における各段の段面上にＬＥＤ１を均一に配設している。そのため、例えば、図１に示される実施の形態の投光器の場合では、照射方向Ｄｘに対面する投光器の正面から見た照射面のほぼ全面にわたってＬＥＤ１を配置することができ、単一の投光器における光量を増大し照射面積をより広くすることができる。
【００２６】
このとき、実施の形態の投光器では、熱伝導性の材料で形成されているリフレクタ３がヒートシンクの機能を有する。そして、リフレクタ３の内筒の各段の段面上にＬＥＤ１を均等に分散して配設した銅の基板２を設けているので、リフレクタ３の内筒の全体で特定のＬＥＤ１に偏ることがなく各ＬＥＤ１から生じる熱が均一に吸熱され放熱される。
【００２７】
実施の形態の投光器では、複数個のＬＥＤ１においてばらつきがなくＬＥＤ１にかかる発熱による負荷を低減することによって各ＬＥＤ１の性能を最大限に発揮できるので、エネルギの損失が減少し、光量を大きくすることができる。また、実施の形態の投光器では、ＬＥＤ１の個数を増加させても周囲の温度がそれほど上がらず、光源の全体としての発熱量を抑えることができる点で有利である。
【００２８】
実施の形態の投光器では、熱伝導性の材料で形成される取付板がリフレクタ３であるので、反射板としての性能が要求される。そのため、取付板がアルミニウムの板金で形成されている。反射面は、反射光を散乱させないように全体的に平坦な高い反射率の反射材料を被覆している。リフレクタ３の内筒の全面もしくは少なくとも基板２が設けられていない側壁材３Ａの内面にアルミニウム、銀、酸化チタンのような反射面を形成し得る金属の微粒子を均一に真空蒸着している。
【００２９】
リフレクタ３の内筒の厚さは、強度と放熱効果に配慮しながら可能な限り薄くされている。そのため、出力する光量の大きさに比べて投光器をより軽量にすることができる。実施の形態の投光器のリフレクタ３は、図２に示されるように、側壁材３Ａと段面材３Ｂとが一体で加圧プレスによって成形されている。リフレクタ３を形成する材料の材質によって加圧プレスでリフレクタ３の内筒を製作することが困難であるときは、側壁材３Ａと段面材３Ｂとを溶接し、または熱伝導性の接着剤で接合して組み立てられる。
【００３０】
実施の形態の投光器では、開口１０の形状が円形であるため、円筒形のリフレクタ３が設けられている。リフレクタ３の内筒の階段の段数は、本発明の効果を得ることができる範囲で２段以上何段であってもよい。取付板としては、リフレクタ３の内筒の各段の段差は、基本的に同じ大きさでよい。また、各段の段差の大きさ（高さ）は、段面の幅と同じ大きさでよい。ただし、本質的に段差の大きさに制約があるわけではなく、設計上の変更が可能である。例えば、実施の形態の投光器では、取付板がリフレクタ３であるため、各段の段数と段差の大きさは、照射距離、照射範囲、照射効率を考慮して適する大きさに決められる。
【００３１】
取付板がリフレクタ３であるとき、各段の段差の大きさが段面の幅よりも大きいほど照射方向Ｄｘに対して光が拡散する角度を小さくすることができる。図１に示されるように、実施の形態におけるリフレクタ３では、段差を段面の幅よりも僅かに大きくしている。そのため、実施の形態の投光器では、光源のＬＥＤ１の光を例えば点線で示されるように反射させて光の拡散を抑制することによって、所定の照射範囲内の照度をより大きくするようにされている。
【００３２】
リフレクタ３の内筒の各段の段差は、各段毎に大きさを変えるようにすることができる。ただし、リフレクタ３の開口１０に近い位置の段差ほど大きくされる。各段の段差の大きさを変えた場合、投光器の側面から見たリフレクタ３の断面形状が全体として碗形状に近似するので、照射範囲が比較的狭くなるが、光源のＬＥＤ１から発せられる光の拡散をより効率よく抑えることができる。
【００３３】
なお、内筒の各段の段数が少ないときには、光の拡散を抑えるために、開口１０を囲むように着脱自在のリフレクタを別に取り付けるようにして、照射方向Ｄｘに対してＬＥＤ１が発する光を集光するようにすることが可能である。また、ＬＥＤ１を風雨から保護するために、開口１０を覆うように投光器の前面に光の透過率が高い透明のランプシェードまたはレンズを設けることができる。
【００３４】
実施の形態の投光器は、放熱のための複数のフィン４を照射方向Ｄｘに対して垂直の方向である放射方向に設けている。フィン４は、アルミニウムあるいはピッチ系炭素繊維のように放熱材に利用されている比較的高い熱伝導率を有し比重の小さい材料で形成される中央に穴を有する中空板である。実施の形態の投光器のフィン４は、図２に示されるように、アルミニウムの中空円板（円環板）である。
【００３５】
フィン４は、取付板であるリフレクタ３の各段の段面に接触するようにしてリフレクタ３に固定される。具体的には、フィン４は、リフレクタ３の内筒の段面材３Ｂの裏面にねじのような締結材で全面が密着されるように取り付けられる。フィン４は、リフレクタ３に間接的に接触するように設けることができる。例えば、リフレクタ３の内筒とフィン４との間に熱伝導性のシリコンペーストを介在させてフィン４の接合面と段面材３Ｂの接合面との間における密着性をより高くすることができる。
【００３６】
実施の形態の投光器には、図１に点線と斜線で示されるヒートシンク５を設けることができる。ヒートシンク５は、図２に点線で示されているように、アルミニウムの鋳造円筒体で形成されている。ヒートシンク５は、リフレクタ３の側壁材３Ａに密着して取り囲むように設けられる。ヒートシンク５は、フィン４を接触させる。ヒートシンク５は、リフレクタ３の側面から熱を吸収し、フィン４に伝達する。そのため、ヒートシンク５によって強度と放熱効果を高くすることができる。ただし、ヒートシンク５は、投光器の総重量を増加させるので、特に強度と放熱効果を要求されるときに限って設けられるべきである。
【００３７】
ヒートシンク５を設けたときは、図１に示されるように、フィン４とフィン４との間にフィン４Ａを増設することができる。フィン４Ａは、図２に示されるような円形のフィン４を２以上に等分割した扇形状の平板４Ｂをヒートシンク５の外周に予め形成されている図示しない溝に嵌め合わせて取り付けられる。したがって、フィン４Ａは、外見上はフィン４と同一の形状であり、同等の放熱効果を有する。そのため、フィン４Ａを設けることによって放熱性をより高くすることができる。
【００３８】
ターミナル６は、投光器の後面に設けられ、投光器の外部の直流電源から供給される電力を各ＬＥＤ１に配電する。ターミナル６の前面にリフレクタ３の内筒が取り付けられて固定される。実施の形態の投光器では、ターミナル６は、複数のブロック状のアルミニウムの鋳造体を結合して形成される。そのため、ターミナル６は、ヒートシンクを兼用する。ターミナル６をヒートシンクとして利用するときは、ターミナルの背面に複数の放熱板７が設けられる。ターミナル６は、リフレクタ３を伝わる熱を吸収して放熱板７から放熱する。そのため放熱効果をより高くすることができる。
【００３９】
カバー８は、防錆処理されている金属または強化樹脂で形成されている。実施の形態の投光器のカバー８は、ステンレス製である。カバー８は、図示しない複数の通気孔を有する。通気孔を通してフィン４の周囲に対流する暖められた高温の空気と外気とが循環する。カバー８の外形は任意であるが、カバー８に覆われる空間は、可能な限り大きくされる。カバー８には、図示しない取付具が設けられる。投光器は、取付具によって前後方向と左右方向にそれぞれ回動できるように照明塔または照明柱の照明架台に取り付けられる。
【００４０】
以上に説明される実施の形態の投光器は、いくつかの例が具体的に挙げられているが、本発明の技術思想を逸脱しない範囲で変形ないし応用が可能である。例えば、実施の形態の投光器では、内筒が階段形状の筒形の取付板の段差が照射方向に対して平行であるが、段差に角度を与えることができる。
【産業上の利用可能性】
【００４１】
本発明の投光器は、屋外の施設における夜間照明設備の照明、庭園の照明、看板の照明、工事現場における照明のように、多様な産業で使用されている照明に適用することができる。本発明は、消費電力を低減し、指定有害物質を含まず、比較的安全なＬＥＤの利点を有するＬＥＤ式投光器の普及に貢献する。
【符号の説明】
【００４２】
１  発光ダイオード素子（ＬＥＤ）
２  基板
３  取付板（リフレクタ）
４  フィン
５  ヒートシンク
６  ターミナル
７  放熱板
８  カバー
【図１】
2014143161.tif 000003
【図２】
2014143161.tif 000004