(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の側に光出口窓を有するとともに、前記第１の側とは異なる第２の側にベースを有する筐体であって、光を伝達するキャビティ材料を具備するキャビティを囲む筐体と、
前記キャビティ内に設けられ、前記ベースに結合される半導体発光体であって、前記キャビティ内へ第１の色範囲の光を発する前記半導体発光体と、
前記半導体発光体と前記光出口窓との間に光学的に配置される発光素子であって、前記第１の色範囲の光の少なくとも一部を前記第１の色範囲とは異なる第２の色範囲の光に変換するための発光材料を有する前記発光素子と、
前記キャビティ内に配置されるとともに、前記キャビティ材料の熱伝導率よりも高い熱伝導率を持つ熱伝導体であって、前記発光素子に熱的に結合されるとともに、前記ベースに熱的に結合される前記熱伝導体と、
を有する、発光モジュールにおいて、
前記熱伝導体は、不透明であり、前記キャビティを２つのサブキャビティに分割する壁を形成し、
前記熱伝導体は、光混合を可能とするために前記サブキャビティ間を光が透過できるようにするホールを有している、発光モジュール。
【請求項２】
前記ベースは、前記発光モジュールをヒートシンクに熱的に結合するための熱結合面を有する、請求項１記載の発光モジュール。
【請求項３】
前記熱伝導体は、銅、アルミニウム、アルミナセラミック、窒化ホウ素セラミック、窒化アルミニウム、酸化ベリリウム、酸化亜鉛、亜鉛、及び、銀のうちの少なくとも１つでできている、請求項１記載の発光モジュール。
【請求項４】
前記キャビティに対向している前記熱伝導体の第１の表面が光反射性であるか、又は、光反射層が前記第１の表面上に設けられている、請求項１記載の発光モジュール。
【請求項５】
前記発光素子の方を向いている前記熱伝導体の第２の表面が光反射性であるか、又は、光反射層が前記第２の表面上に設けられている、請求項１記載の発光モジュール。
【請求項６】
前記ベースに平行な仮想平面に沿った前記熱伝導体の断面形状は、円、楕円、又は、六角形である、請求項１記載の発光モジュール。
【請求項７】
前記ベースは、熱伝導性プリント回路基板である、請求項１記載の発光モジュール。
【請求項８】
前記熱伝導体は、前記ベースに結合されており、及び／又は、前記熱伝導体と前記ベースとの間、及び／又は、前記熱伝導体と前記発光素子との間に熱的な結合を供給するための熱伝導性接着剤を具備する前記発光素子に結合されている、請求項１記載の発光モジュール。
【請求項９】
前記キャビティ内での前記熱伝導体の位置が、以下の基準
（ｉ）前記半導体発光体が動作中、且つ、前記熱伝導体が利用できない場合に、前記発光素子が最も高い温度を持つ特定の位置において、前記熱伝導体が前記発光素子と接触する、
（ｉｉ）前記位置において、前記熱伝導体の長さが最小となる、
（ｉｉｉ）前記キャビティ内の前記熱伝導体の他の位置と比較して光出力が極大である、
（ｉｖ）前記光出口窓に沿った光出力が、前記キャビティ内の熱伝導体の他の位置と比較して、最大限均一である、
の少なくとも１つによって定められる、請求項１記載の発光モジュール。
【請求項１０】
前記発光モジュールは、複数の熱伝導体を有し、各熱伝導体は、前記キャビティ内に配置されるとともに、前記キャビティ材料の熱伝導率よりも高い熱伝導率を持ち、前記発光素子に熱的に結合されるとともに、前記ベースに熱的に結合される、請求項１記載の発光モジュール。
【請求項１１】
前記筐体は、前記キャビティ材料の熱伝導率よりも高い熱伝導率を持つ材料の壁であって、前記光出口窓と前記ベースとの間に挿入され、前記発光素子及び前記ベースに熱的に結合されている前記壁を有する、請求項１記載の発光モジュール。
【請求項１２】
請求項１記載の発光モジュールを有する、ランプ。
【請求項１３】
請求項１記載の発光モジュールと、請求項１２記載のランプとを有する、照明器具。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、発光素子を有する発光モジュールに関する。
【背景技術】
【０００２】
米国特許出願公開第２００９／０３２２２０８Ａ１は、発光デバイスを開示している。発光ダイオード（ＬＥＤ）が、埋込み型の筐体によって形成された円錐状のキャビティ内に設けられている。埋込み型筐体の前面側において、円錐状のキャビティは、耐熱性蛍光体層が設けられた透明な熱伝導層で覆われている。埋込み型筐体の背面において、ヒートシンクが設けられ、埋込み型筐体の側壁が、金属フレームで覆われている。円錐状のキャビティは、シリコーンなどの材料で満たされていてもよい。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
ＬＥＤは、蛍光体層へ光を発する。ＬＥＤの光の一部は、蛍光体層によって、他の色の光に変換される。光の色変換は、比較的効率的であるが、それでも幾らかのエネルギーが蛍光体層によって散逸される。一般的には、蛍光体層によって引き起こされるストークスシフトのために、変換された光のエネルギーの２０％乃至３０％が失われ、制限された量子効率のために、約２％乃至２０％が失われる。特に、高出力ＬＥＤが用いられる場合、蛍光体層は、比較的高温になり、蛍光体層の効率劣化につながる。発光デバイスの蛍光体層において生成される熱は、透明な熱伝導体によって金属フレームの方へ伝導され、次いで、ヒートシンクの方へ熱が排出される。
【０００４】
発光デバイスは、蛍光体層から熱を排出するための金属フレームを備えるが、金属フレームから最も離れて位置する蛍光体層の領域である蛍光体層の中心領域は、なお、比較的高温である。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明の目的は、発光モジュールが動作中であっても温度が比較的低いままである発光素子を具備する発光モジュールを提供することである。
【０００６】
本発明の第１の態様は、請求項１記載の発光モジュールを提供する。本発明の第２の態様は、請求項１３記載のランプを提供する。本発明の第３の態様は、請求項１４記載の照明器具を提供する。好適な実施形態が、従属請求項において規定されている。
【０００７】
本発明の第１の態様に従った発光モジュールは、筐体と、半導体発光体と、発光素子と、熱伝導体とを有する。筐体は、筐体の第１の側に光出口窓を有するとともに、第１の側とは異なる第２の側にベースを有し、光を伝達するキャビティ材料を具備するキャビティを囲む。半導体発光体は、キャビティ内に設けられ、ベースに結合される。半導体発光体は、第１の色範囲の光をキャビティ内に発するように構成される。発光素子は、半導体発光体と光出口窓との間に光学的に配置される。発光素子は、第１の色範囲の光の少なくとも一部を、第１の色範囲とは異なる第２の色範囲の光に変換するための発光材料を有する。熱伝導体は、キャビティ内に配置され、キャビティ材料の熱伝導率よりも高い熱伝導率を持つ。熱伝導体は、発光素子に熱的に結合され、ベースに熱的に結合される。
【０００８】
熱伝導体は、発光素子とヒートシンクに結合され得るベースとの間に低熱抵抗の熱伝導路を供給するように、発光素子及びベースに熱的に結合される。熱的に結合された手段、つまり熱的に結合された特徴は、直接的なコンタクト、あるいは、熱伝導性のよい結合構造又は材料を介したコンタクトを持ち、換言すれば、熱的に結合された前記特徴の間には熱絶縁が存在しない。また、結合構造又は材料は、キャビティ材料の熱伝導率に比して相対的に良好な熱伝導率を持つべきであるか、又は、かかる結合構造又は材料は、比較的薄く、結果、かかる結合構造又は材料を通じた熱伝導路が比較的短いため、かかる結合構造又は材料の熱抵抗は、比較的低い。このため、熱は、キャビティ材料を通じるよりも、発光素子から熱伝導体を通じた熱伝導路を通じてベースへ向かって良好に伝導される。結果、半導体発光体が動作中であり、発光素子の温度が熱結合インタフェースの温度よりも上昇する場合、熱は、例えば、ヒートシンクへ供給されるように、熱伝導体を通じてベースへと伝導される。このため、発光素子の温度は、半導体発光体が動作中である場合の許容範囲内に維持される。このことは、蛍光体層の劣化、又は、蛍光体層の効率低下を防ぐ。また、熱勾配の低下は、デバイスにおける低減された熱応力につながり、これは、熱機械的応力が、層間剥離又はクラックの形成に起因するデバイス欠陥などの信頼性の問題を生じさせ得るため、有用である。
【０００９】
ベースは、比較的大きい熱容量を有していてもよく、結果として、ベースがヒートシンクとして機能し得ることに留意すべきである。さらに、他の実施形態では、ベースは、発光モジュールの周囲に受けた熱を供給するためのフィンを有していてもよい。ベース自体は、少なくとも部分的に熱伝導性であり、熱伝導体からの熱を受けるように構成される。熱伝導体を介した熱伝導によって得られる最小の効果は、ベースがヒートシンクとして機能するように構成されているか、他のヒートシンクへ熱を逃がすように構成されている場合、発光モジュールの要素の温度の更なる制限が得られ、発光素子とベースとの間の温度差が低減されることである。両方の場合において、発光素子の温度は、許容範囲内に保たれる。
【００１０】
熱伝導体は、キャビティ内に設けられ、このことは、発光素子から熱結合インタフェースへ向かって熱を逃がすことに関して最も有利な効果を得るために、熱伝導体が、キャビティ内のほとんど全ての位置に設けられてもよく、発光素子の任意の配置及びベースの任意の配置に熱的に結合されてもよいことを意味する。これは、発光素子から熱を最も良く逃がす熱伝導を得るために最小量の（熱伝導）要素を使用する発光モジュールの設計を可能とするため、好適である。
【００１１】
キャビティは、光源から発光素子及び／又は光出口窓へ向かって光を透過させる機能、及び、異なる色の光を混合する機能を持つため、当業者は、キャビティ内での熱伝導体の使用を考慮しないことに留意すべきである。当業者は、熱伝導体が、これらの機能を阻害することを予想し、光透過機能及び光混合機能に主に寄与する１つのキャビティ材料で均一に満たされたキャビティを選ぶであろう。
【００１２】
オプションで、ベースは、発光モジュールをヒートシンクに熱的に結合するための熱結合インタフェースを有する。このため、熱結合インタフェースは、熱伝導体に熱的に結合され、発光素子の熱は、ヒートシンクへ伝導され得る。
【００１３】
オプションで、熱伝導体は、光透過材料でできており、キャビティ材料に光学的に結合される。熱伝導体は、光源及び／又は発光素子によって光出口窓へと発される光の光路を阻害し得る。さらに、熱伝導体は、光を吸収し得る。熱伝導体が光透過材料でできており、キャビティ材料に光学的に結合されている場合、発される光の光路の歪は、低減され、光損失が回避される。さらに、熱伝導体が、発光材料に光学的に結合されている場合、熱伝導体を通じて透過する光は、発光素子の中へ直接発されてもよく、この場合、発光素子において、ダークスポットが、発光モジュールを見ている観測者に視認されることが防止される。
【００１４】
オプションで、熱伝導体は、銅、アルミニウム、アルミナセラミック、窒化ホウ素セラミック、窒化アルミニウムセラミック、酸化ベリリウムセラミック、酸化亜鉛セラミック、亜鉛、及び、銀のうちの少なくとも１つでできている。当該材料は、高い熱伝導率を持ち、発光素子で生成される比較的大量の熱が発光素子から逃されることができ、結果、発光素子の温度は許容範囲内に維持される。さらに、幾つかの材料（例えば、幾つかの金属、又は、立方晶結晶構造を具備する高密度窒化ホウ素セラミック）は、光反射性であり、熱伝導体に作用する光をあまり吸収せず、発光モジュールの効率が、熱伝導体によってそれほど低減されない。
【００１５】
熱伝導体に用いられ得る金属の他の例は、モリブデン、クロム、タングステン、又は、真鍮、青銅、鋼鉄などの合金である。熱伝導体に用いられ得るセラミックの他の例は、サファイア、酸化ハフニウム、酸化イットリウム、ジルコニア、イットリウムアルミニウムガーネット（ＹＡＧ）である。また、熱伝導体は、硼珪酸ガラス、ソーダ石灰ガラス、溶融シリカ、石英ガラスなどのガラス材料で製造されてもよい。また、熱伝導体は、シリコーン樹脂、熱接着剤、熱伝導粒子で満たされた熱伝導ポリマーなどのポリマーでできていてもよい。他の好適な材料は、カーボン、グラファイト、又は、グラフェンである。上記の例は、互いに組み合わされて用いられてもよい。熱伝導体の材料の最も重要な特性は、熱伝導体の材料の熱伝導率が、キャビティ材料の熱伝導率よりも良いことである。
【００１６】
オプションで、キャビティに対向している熱伝導体の第１の表面は、光反射性であるか、又は、光反射層が第１の表面上に設けられる。このため、熱伝導体とキャビティとの間の界面は、光反射性である。このことは、キャビティから熱伝導体に作用する光が吸収され、これにより、発光モジュールの効率を低減することを回避する。これは、熱伝導体が光透過性でない場合に、特に好適である。光反射層は、被覆、モールド層、又は、光反射性の低い熱伝導材料の周囲に挿入される反射シェルであってもよい。光反射層に用いられる材料は、例えば、反射性Ａｌ２Ｏ３又はジルコニアなどのセラミックシェル、薄膜銀又はアルミニウム層などの金属表面層、ＴｉＯ２、Ａｌ２Ｏ３、ＢＮなどの細孔又は色素の反射性被覆、例えば、ポリアミド、エポキシ、ポリエステル、シリコーン樹脂、シリケート、アルキルシリケート、フルオロポリマー、テフロン（登録商標）材料などのポリマーなどのバインダに埋め込まれたジルコニア、酸化ハフニウム、酸化イットリウムである。また、反射層は、ダイクロイックフィルタなどの多層リフレクタであってもよい。光反射層は、第１の表面上に設けられた被覆であってもよい。
【００１７】
オプションで、発光素子の方を向いている熱伝導体の第２の表面は、光反射性であるか、又は、光反射層が第２の表面上に設けられている。このため、発光素子と熱伝導体との間の界面は、光反射性である。熱伝導体が光透過性でない場合、熱伝導体が発光素子に接触している位置において、いかなる光も発光素子に入ることはできず、ダークスポットが、発光モジュールを見ている観測者によって視認され得る。光は、発光素子内へガイドされ、第２の色範囲における色の光が、発光素子の発光材料によって発される。ガイドされた光と、第２の色範囲内の色の光とが、第２の表面に作用し、この光が、光反射性の第２の表面によって反射されるため、ダークスポットが低減され、より均一な光出力分布が光出口窓に沿って得られる。光反射層に用いられる材料は、例えば、ＴｉＯ２、Ａｌ２Ｏ３、ＢＮ、及び、ＺｎＯなどの色素である。光反射層は、シリコーン、シリケート、又は、アルキルシリケートなどの高分子バインダをベースとしていてもよい。光反射層は、第２の表面上に設けられた被覆であってもよい。かかる被覆の例は、アルミニウム又は銀の層である。さらに、光反射層は、例えば、多層リフレクタ又はダイクロイックリフレクタなどのリフレクタであってもよい。さらに、光反射層は、熱伝導体と光反射性の発光素子との間に付与された接着剤であってもよい。好適な材料の他の例が上記のように議論され、ここで、好適な光反射性材料が熱伝導体の第１の表面上に用いられることが議論される。
【００１８】
オプションで、ベースに平行な仮想面に沿った熱伝導体の断面形状は、円、楕円、又は、六角形状である。反射表面間の離散遷移なしに好適な光反射を供給するため、円形又は楕円形の断面が好適である。円形状の断面は、キャビティ内の空間の使用に関して、比較的効率的である。六角形状の断面を具備する熱伝導体は、キャビティ内の空間の使用を比較的低くしたまま、円形状断面の熱伝導体に比してより多くの熱を伝導するための追加的な熱伝導材料を供給する。本発明は、上記熱伝導体の断面形状に限定されないことに留意すべきである。任意の形状が可能である。熱伝導体の断面形状の他の例は、正方形、矩形、三角形、星形などである。熱伝導体の断面形状は、発光素子との距離の関数として変化し得ることにも留意すべきである。例えば、熱伝導体は、円錐形状であってもよく、この場合、熱伝導体の断面の円の直径は、発光素子に向かって減少する。さらに、発光素子近傍の熱伝導体の断面形状が円形である一方、ベース近傍の熱伝導体の断面形状は、正方形であってもよい。さらに、熱伝導体は、ホールを持っていてもよく、このホールを通じて光を透過可能である。
【００１９】
オプションで、ベースは、熱伝導性のプリント回路基板である。
【００２０】
熱伝導性ベース、又は、熱伝導性プリント回路基板であるベースは、発光素子において生成される熱が、結合されたヒートシンクへ良好に伝導されるように、熱伝導体と熱結合インタフェースとの間に好適な熱的結合を供給する。キャビティ内部の熱伝導体からの熱をキャビティ外部のベース側へ伝導するためにベースを用いることによって、熱結合インタフェースは、発光モジュールの背面側に配置されてもよい。一般的に、背面側は、光出口窓から比較的離れており、観測者から見えないようにヒートシンクを覆うことが比較的容易であるため、ヒートシンク用に好適な位置である。他の実施形態では、熱結合インタフェースは、例えば、発光素子とベースとの間に介在する壁の外側表面など、他の位置に設けられる。
【００２１】
オプションで、熱伝導体は、熱伝導体とベースとの間、及び／又は、熱伝導体と発光素子との間に熱的結合を供給するための熱伝導性接着剤によりベース及び／又は発光素子に結合される。
【００２２】
オプションで、キャビティ内の熱伝導体の位置は、以下の基準
【００２３】
（ｉ）半導体発光体が動作中、且つ、熱伝導体が利用できない場合に、発光素子が最も高い温度を持つ特定の位置において、熱伝導体が発光素子と接触する、
【００２４】
（ｉｉ）当該位置において、熱伝導体の長さが最小となる、
【００２５】
（ｉｉｉ）キャビティ内の熱伝導体の他の位置と比較して光出力が極大である、
【００２６】
（ｉｖ）光出口窓に沿った光出力が、キャビティ内の熱伝導体の他の位置と比較して、最大限均一である、の少なくとも１つによって定められる。第１の基準は、熱伝導体が、熱伝導体が存在しない場合に、当該位置における発光素子の温度が、熱伝導体に結合され得る発光素子の他の位置よりも高いであろう位置において、発光素子に熱的に結合されることを意味する。熱伝導体が上記位置に結合される場合、熱伝導体を通じて熱結合インタフェースへと向かう熱流は、熱伝導体が他の位置において発光素子に結合された場合の熱流に比して相対的に大きい。第２の基準は、熱伝導体の長さが相対的に短く、結果として、良好な熱伝導体であるように、熱伝導体の位置が選択されることを意味する。第３及び第４の基準は、当該位置が、半導体発光体から発光素子へ向かう光ビームの歪みを回避するために最適化されていることを示している。これは、他の位置が選択された場合に、歪みが多くなることを意味し、例えば、発光モジュールの効率が減少し、又は、より均一でない光出力が得られることを意味する。発光モジュールの特定の要件に依存して異なるパラメータ間で最適値を見つけるために異なる基準が用いられてもよいことに留意すべきである。
【００２７】
オプションで、発光モジュールは、複数の熱伝導体を有する。各熱伝導体は、キャビティ内に配置され、キャビティ材料の熱伝導率よりも高い熱伝導率を有する。各熱伝導体は、発光素子に熱的に結合され、ベースに熱的に結合される。複数の熱伝導体を用いることは、より多くの熱をベースに伝導させることを可能とし、発光素子の温度を許容範囲内に保つ。さらに、より多くの熱伝導体を用いることによって、動作中、発光素子内の温度勾配が、比較的平坦でありながら（これは、発光素子内の温度差が小さいことを意味する）、発光モジュールからの比較的高い光出力を得るために用いられ得るより多くの最適パラメータが利用可能となる。
【００２８】
オプションで、筐体は、キャビティ材料の熱伝導率よりも高い熱伝導率を持つ材料の壁を有する。当該壁は、光出口窓とベースとの間に介在し、発光素子及びベースに熱的に結合される。熱伝導性の壁は、発光材料から熱結合インタフェースへ熱を逃がすための追加的な手段である。この目的のために壁を用いることは、発光素子が完全な光出口窓を覆う層である場合、且つ、光出口窓が壁に沿って完全に延在する場合、特に好適である。ある実施形態において、壁の外側表面は、熱結合インタフェースであってもよく、又は、他のヒートシンクとして機能してもよいことに留意すべきである。
【００２９】
本発明の第２の態様によれば、ランプは、本発明の第１の態様に従った発光モジュールを有するように供給される。
【００３０】
本発明の第３の態様によれば、照明器具は、本発明の第２の態様に従ったランプを有する、又は、本発明の第１の態様に従った発光モジュールを有するように供給される。
【００３１】
本発明の第２の態様に従ったランプ及び本発明の第３の態様に従った照明器具は、本発明の第１の態様に従った発光モジュールと同一の利点を供給し、対応するシステムの実施形態として類似の効果を具備する類似の実施形態を持つ。
【００３２】
本発明のこれらの態様及び他の態様が、以下に説明される実施形態を参照して、明らかにされ、説明されるであろう。
【００３３】
２以上の本発明の上記実施形態、実装、及び／又は、態様が、有用であると思われる任意の態様で組み合わされてもよいことが、当該技術分野における当業者によって理解されるであろう。
【００３４】
説明される発光モジュールの修正及び変形に対応する、発光モジュール、ランプ、及び／又は、照明器具の修正及び変形が、本願明細書に基づいて、当該技術分野における当業者によって実行され得る。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】図１は、本発明の第１の態様に従った発光モジュールの実施形態を概略的に示している。
【図２ａ】図２ａは、線分Ａ−Ａ´に沿った図１の発光モジュールの断面を概略的に示している。
【図２ｂ】図２ｂは、本発明の第１の態様に従った発光モジュールの実施形態の一部の２つの断面を概略的に示している。
【図３ａ】図３ａは、複数の発光モジュールを有するとともに、熱伝導性壁を持つ発光モジュールの実施形態の断面を概略的に示している。
【図３ｂ】図３ｂは、発光素子の温度勾配に関する熱伝導体の効果を概略的に示している。
【図４】図４ａ〜図４ｃは、発光モジュールの３つの変形例の断面を概略的に示している。
【図５ａ】図５ａは、熱伝導体の実施形態を概略的に示している。
【図５ｂ】図５ｂは、発光モジュールの代替的な実施形態を概略的に示している。
【図６ａ】図６ａは、本発明の第２の態様に従ったランプを概略的に示している。
【図６ｂ】図６ｂは、本発明の第３の態様に従った照明器具を概略的に示している。  異なる図面において同一の参照符号が付された要素は、同一の構造的特徴及び同一の機能を有するか、同一の信号であることに留意すべきである。かかる要素の機能及び／又は構造が説明されるが、当該要素の説明が詳細な説明において繰り返される必要はない。  図面は、単に、図表であって、縮尺通りではない。特に、明確化のため、幾つかの寸法は強調（誇張）されている。
【発明を実施するための形態】
【００３６】
第１の実施形態が図１に示されている。発光モジュール１００が、概略的に示されている。発光モジュール１００は、壁１０７とベース１０８とを有する筐体１０６を持つ。筐体は、発光素子１０２によって形成される光出口窓を持つ。図１の特定の実施形態において、発光素子１０２は、層として描かれている。発光素子１０２は、例えば、透明なマトリクスポリマーに分散又は分子状に溶解した発光材料を有する。他の実施形態では、発光素子１０２は、異なる形状を持っていてもよく、又は、発光材料が供給される透明基板によって形成されていてもよい。発光材料は、有機発光材料、無機蛍光体、量子ドット材料、又は、これらの組み合わせなどの、第１の色の光を第２の色の光に変換することができる任意の材料であってもよい。発光素子１０２は、単一の層又は複数の層からなっていてもよい。各層は、単一の発光材料又は異なる発光材料の組み合わせを含んでいてもよい。さらに、発光素子は、セラミック蛍光体であってもよい。筐体１０６は、キャビティ１１４を囲む。キャビティ１１４へ向かって対向しているベース１０８の側であるベース１０８の側において、動作中、発光素子１０２へ向けて光を発する半導体発光体１１２が設けられている。半導体発光体１１２は、第１の色範囲にある光を発し、発光素子１０２の発光材料は、第１の色範囲にある光の一部を吸収し、吸収した光の一部を第２の色範囲にある光として発する。発光モジュール１００による総発光は、発光素子１０２によって吸収されない光である、発光体１１２によって発された光の一部と、発光素子１０２の発光材料によって発された光との組み合わせである。筐体１０６は、発光モジュール１００の背面側として図１に描かれている側において、熱結合インタフェース１１０を持つ。ヒートシンクが、熱結合インタフェース１１０に結合されてもよい。熱結合インタフェース１１０は、例えば、比較的良好に熱を伝導する表面であり、半導体発光体１１２によって生成される熱を受けるために、半導体発光体１１２に熱的に結合されている。キャビティ１１４は、光透過材料で満たされている。光透過材料は、空気などの気体、シリコーン油又は鉱油などの液体であってもよく、あるいは、シリコーン、シリケート、アルキルシリケート、ガラス、又は、セラミックなどの他の材料であってもよい。さらに、発光モジュール１００は、円筒形状の熱伝導体１０４を有する。熱伝導体１０４は、発光素子１０２とベース１０８とに接触するように、キャビティ１１４内に置かれる。発光素子１０２と熱伝導体１０４との間の直接的な接触は、発光素子１０２と熱伝導体１０４との間の比較的良好な熱結合をもたらす。ベース１０８は、熱伝導体１０４と熱結合インタフェース１１０との間に熱結合を供給する。他の実施形態（図示省略）では、熱伝導体は、ベース１０８を通じて、熱結合インタフェースに向かって延在していてもよい。熱伝導体は、キャビティ１１４内の材料の熱伝導率よりも少なくとも高い熱伝導率を持つ材料でできている。
【００３７】
半導体発光体１１２が動作中である場合、これは、半導体発光体１１２が第１の色範囲にある光を発することを意味し、発光素子１０２は、第１の色範囲にある光の一部を吸収し、吸収した光を第２の色範囲にある光に変換する。上述したように、当該変換は、１００％の効率でなく、幾らかの熱が発光素子１０２内で生成される。発光材料は、例えば、８０％乃至９０％などの制限された量子効率を持ち、半導体発光体１１２の光の２０％乃至１０％が熱に変換されることとなる。さらに、２０％乃至３０％のオーダであり得るストークスシフト損失が、光から熱への変換をもたらす。熱結合インタフェース１１０に結合されるヒートシンクによる冷却のために、発光モジュール１００の他の部分が比較的冷たいままであるのに対し、発光素子１０２は、比較的熱くなる。熱伝導体に沿った温度勾配のため、熱は、発光素子１０２から熱結合インタフェース１１０ひいてはヒートシンクへと移送される。このため、発光素子１０２の温度が増加する場合、より多くの熱が発光素子１０２からヒートシンクへと移送されるので、発光素子１０２の温度は、高くなり過ぎない。
【００３８】
発光モジュール１００において用いられる半導体発光体の例は、発光ダイオード、レーザダイオード、又は、有機発光ダイオードである。
【００３９】
空気は、０．０２７Ｗ／ｍＫの熱伝導率係数を持ち、キャビティ１１４が空気で満たされた場合、熱伝導体１０４は、例えば、０．１乃至０．３Ｗ／ｍＫの熱伝導率係数を持つシリコーンでできていてもよい。この場合、熱伝導体１０４により適した材料は、１Ｗ／ｍＫの熱伝導率係数を持つガラス、約３０Ｗ／ｍＫの熱伝導率係数を持つセラミックアルミナ又はサファイア、１６０乃至２７０Ｗ／ｍＫの熱伝導率係数を持つアルミニウム、又は、３８０Ｗ／ｍＫの熱伝導率係数を持つ銅である。シリコーン又はガラスは、光透過性であり、従って、これらは、光透過性の熱伝導体１０４を作るために用いられてもよい。熱伝導体１０４に適した材料は、上記の材料に限定されないことに留意すべきである。キャビティ材料の熱伝導率係数よりも高い熱伝導率係数を有する任意の材料が、好適な材料である。さらに、シリコーン及びガラスは、光透過性であるため、これらは、特定の実施形態では、キャビティ材料としても用いられ得る。同様に、特定の実施形態では、熱伝導体の材料の熱伝導率係数は、シリコーン又はガラスの熱伝導率係数よりも高い必要がある。
【００４０】
熱伝導体１０４は、金属グリッドなどの熱拡散グリッドと、幾つかの他の熱伝導要素とを有していてもよい。熱拡散グリッドは、発光素子１０２と接触していてもよく、熱伝導要素は、熱拡散グリッドとベース１０８とに熱的に結合される。
【００４１】
透明な熱伝導材料が、熱伝導体１０４が発光素子１０２と接触している熱伝導体１０４の上部において用いられてもよい。透明な熱伝導材料は、例えば、ＩＴＯ又はＩＺＯ材料の薄膜又は被覆であってもよい。
【００４２】
図２ａは、線分Ａ−Ａ´に沿って、図１の発光モジュール１００の断面を概略的に示されている。発光モジュール１００の筐体１０６は、壁とベース１０８とからなる。ベース１０８は、比較的高い熱伝導率係数を持つ材料で満たされた熱的ビア２０９を持っていてもよい。しかしながら、ベース１０８が比較的良好な熱伝導体であるか、又は、極めて薄い場合、上記熱的ビア２０９は必要ではない。
【００４３】
筐体１０６は、キャビティ１１４を囲み、光出口窓２０４を持つ。発光モジュール１００の要素によって生成された光は、光出口窓２０４を通じて、発光モジュール１００の周囲へと発せられる。図２ａの実施形態では、光出口窓２０４は、発光素子１０２によって形成されている。他の実施形態では、発光素子は、例えば、半導体発光体１１２により近い位置などの他の位置に配置されてもよい。
【００４４】
キャビティ１１４は、光透過性材料２０６で満たされている。さらに、キャビティ１１４内部のベース１０８上には、動作中、第１の色の光を発光素子１０２に発する半導体発光体１１２が設けられている。さらに、キャビティ１１４内部には、発光素子１０２からの熱２０２を熱結合インタフェース１１０へ伝導することができる熱伝導体１０４が設けられている。
【００４５】
図２ａの実施形態では、熱結合インタフェース１１０が、キャビティに対向する筐体の反対側であるベース１０８の側に設けられている。熱結合インタフェース１１０は、筐体１０６の他の表面に設けられていてもよい。
【００４６】
ヒートシンク２０８が、熱を発光モジュール１００の周囲に逃がすために、熱結合インタフェース１１０に結合される。
【００４７】
熱伝導体１０４は、例えば、熱的ビア２０９が備えられた多層ＦＲ４プリント回路基板の上／中に存在するような、ベース１０８に存在する熱伝導パターン及び／又はビア２０９に接続されているか、又は、その一部である。さらに、熱伝導体１０４と、ビア２０９を具備するベース１０８とは、単一の要素として製造されてもよく、結果、熱伝導体１０４はベース１０８の一部となる。
【００４８】
ある実施形態では、熱伝導体１０４は、光透過性であり、キャビティ材料２０６に光学的に結合されている。従って、キャビティ材料２０６と熱伝導体１０４とは、光学的に１つのエンティティを形成する。キャビティ１１４を通じて透過される光は、熱伝導体１０４を通じて透過されてもよく、発光素子１０２が熱伝導体１０４と接触している領域において発光素子１０２へ透過されてもよい。これは、キャビティ１１４を通じた光路の歪みを防ぎ、発光素子１０２を見ている観測者がダークスポットを視認することを防ぐ。さらに、発光素子１０２は、光出口窓２０４の一部を覆っていてもよく、これは、半導体発光体１１２からの光の直接的な幾らかの放射を可能とする。さらに、発光素子１０２は、複数の発光材料及び／又は発光層を有していてもよい。発光材料間、及び／又は、発光層間には、中間キャリア又は接着層が存在し得る。発光材料の１つ、又は、発光層の１つが、キャビティ１１４内部に存在していてもよい。
【００４９】
図２ｂでは、熱伝導体１０４と発光素子１０２及び／又はベース１０８との間の接触がどのように配置されているかを示す２つの実施形態が示されている。
【００５０】
図２ｂの左側では、熱伝導体１０４の第１の表面が、光反射性材料２１１で被覆されている。第１の表面は、キャビティ１１４に対向している。光反射性材料２１１の被覆は、光が熱伝導体１０４によって吸収されることを防ぐ。さらに、熱伝導体１０４の第２の表面が、光反射性材料２１０で被覆されている。第２の表面は、発光素子１０２に対向している。特に、熱伝導体１０４が光透過性でない場合、発光素子１０２を通じてガイドされる光、又は、発光素子１０２内で生成される光が、発光モジュール１００の周囲へ発するための光出口窓２０４へ反射されるように、第２の表面に上記反射性材料を供給することは好適である。光の反射は、図２ｂにおける位置２１５で示されている。このことは、熱伝導体１０４が発光素子１０２に接触する位置において発光素子１０２で見られるダークスポットを回避する。
【００５１】
第１の表面が光反射性材料２１１で被覆されていてもよく、又は、第２の表面が光反射性材料２１０で被覆されていてもよく、又は、両方の表面が光反射性材料で被覆されていてもよい。また、第１の表面は、熱伝導体１０４の周りに光反射材料の円筒を配置することによって製造される光反射層を備えていてもよく、例えば、円筒は、光反射性セラミックで製造されてもよく、熱伝導体は、円筒内に配置された金属ピンであってもよい。
【００５２】
図２ｂの右側において、熱伝導体２１３は、熱伝導性接着剤２１２で発光素子１０２に結合されており、熱伝導体２１３は、他のタイプ又は同一のタイプの熱伝導性接着剤２１４でベース１０８に結合されている。熱伝導性接着剤２１４は、キャビティ材料２０６と発光素子１０２との間の接着剤としても機能するように、発光素子１０２に対して平行に延在していてもよい。特に、熱伝導体２１３が光透過性である場合、熱伝導性の光透過接着剤２１２を持つことが好適であり、熱伝導体２１３が光透過性でない場合、熱伝導性の光反射接着剤２１２を持つことが好適である。さらに、熱伝導体２１３の形状は円錐形状である。特に、熱伝導体２１３が光透過性でない場合、円錐形状の熱伝導体２１３を持つことが好適であり、これは、熱伝導体２１３と発光素子１０２との間の接触領域の大きさが小さく、小さいダークスポットのみが光出口窓において視認され得るためであり、円錐形状は、最大量の光が発光モジュールの周囲へ発せられるように、光を発光素子１０２へ反射するのに役立ち得る。
【００５３】
他の実施形態では、熱伝導体１０４は、キャビティ材料２０６と熱的に接触しなくてもよい。キャビティ材料は、ホールを具備するシリコーン、ガラス、又は、セラミックのソリッド層であってもよく、複数の熱伝導体１０４が、ホールの内部に設けられ、空気ギャップが、熱伝導体１０４とキャビティ材料２０６との間に存在してもよい。かかる空気ギャップは、キャビティ材料２０６と空気との間の界面における極めて強い光反射という光学的な利点をもたらし、光と熱伝導体１０４との間の相互作用が低減され、これは、例えば、熱伝導体１０４が光反射性でない場合に、光の吸収を低減する。
【００５４】
図３ａでは、発光モジュール３００の他の実施形態が示されている。図３ａは、筐体３０２のベース１０８に対して略平行な、又は、発光素子に対して略平行な平面に沿った断面を示している。図面は、観測者が光出口窓を介してキャビティ内部を見た場合を描いており、明確化のために、発光素子の図示が省略されている。発光素子は、層として供給され、光出口窓を形成し、これにより、筐体３０２とともにキャビティを囲んでいる。発光モジュール３００は、半導体発光体１１２が基板３０４上に設けられたベースを持つ。半導体発光体１１２は、発光素子へ向かって光を発する。キャビティの中央では、断面が六角形状の熱伝導体１０４が設けられている。熱伝導体１０４は、発光素子（図示省略）に熱的に結合されており、熱結合インタフェース（図示省略）に熱的に結合されている。熱結合インタフェースは、発光モジュール３００の背面側に設けられていてもよい。さらに、発光モジュール３００は、キャビティを満たしている材料の熱伝導率よりも良い熱伝導率を持つ熱伝導性材料でできた筐体３０２を有する。筐体３０２の熱伝導率は、熱伝導体１０４の熱伝導率と同等であってもよい。筐体３０２は、発光素子に熱的に結合され、熱結合インタフェースに熱的に結合される。
【００５５】
発光素子（図示省略）は、（熱伝導性）支持構造体上に設けられてもよく、熱伝導体は、支持構造体に熱的に結合されてもよい。
【００５６】
図３ｂは、発光モジュール３００の実施形態における熱伝導体１０４の使用の効果を示している。左側において、光出口窓を形成する層である発光モジュールの発光素子の第１の温度勾配３５０が、示されている。第１の温度勾配３５０は、発光モジュール３００に似ているがキャビティ内に熱伝導体１０４を持たない発光モジュールに関する。動作中、発光素子の中心の第１の領域３５６が、比較的熱くなる。中心の周囲の第２の領域３５４は、中間の温度となり、熱伝導性筐体に最も近い第３の領域３５２が、比較的低い温度となる。第１の温度勾配３５０は、キャビティ内の熱伝導体１０４の位置を決定するために使用されてもよい。第１の領域３５６が、熱伝導体１０４を介して熱結合インタフェースに直接的に熱結合されている場合、熱伝導体の両端の間に比較的大きな温度差が得られ、発光材料から熱結合インタフェースへ向かう比較的大きな熱流が得られる。このため、図３ｂの右側に見られるように、熱伝導体１０４が図３ａの発光モジュール３００において用いられる場合、第２の温度勾配３６０が得られる。発光素子の中心に近い第１の領域３６６と、筐体３０２の壁に近い第３の領域３６２とは、熱結合インタフェースへつながる低い熱抵抗を具備する熱経路を持ち、発光体１１２が動作中である場合に、比較的低い温度を保つ。第１の領域３６６と第３の領域３６２との間には、発光モジュール３００が動作中である場合に、中間の温度を得る第２の領域３６４がある。このため、発光素子は、任意の特定領域において比較的熱くならず、発光素子は、劣化が抑制され、結果として、長寿命を持つ。
【００５７】
図４ａ乃至図４ｃは、図３ａの発光モジュール３００の変形例の断面を示している。
【００５８】
発光モジュール４００の第１の変形例が図４ａに示されている。筐体４０２の壁は、熱を良好に伝導する材料で特に作られていない。キャビティには、正方形状の断面を持つ３つの熱伝導体４０６が設けられている。さらに、発光モジュールのベース上には、基板４０４上に備えられた複数の半導体発光体４０５が設けられている。熱伝導体４０６は、キャビティ内において、半導体発光体４０５の発する光が発光素子へ向かう光路が最小限阻害される位置に置かれている。
【００５９】
発光モジュール４３０の第２の変形例が、図４ｂに示されている。半導体発光体４０５は、基板上に設けられておらず、筐体４０２のベース上に直接設けられている。１つの半導体発光体４０５が、キャビティの中心に位置しており、他の半導体発光体４０５が、筐体４０２の壁の近くに円状に配置されている。図４ｂの実施形態では、熱伝導体４３２が、高い熱伝導率を有する光透過材料で作られている。さらに、熱伝導体４３２は、環状に製造されており、環状の熱伝導体が、中心にある１つの半導体発光体４０５と他の半導体発光体４０５との間に配置されている。熱伝導体が光を透過するので、光学的には１つのキャビティが見られる。さらに、環状の熱伝導体４３２は、発光素子及び熱結合インタフェースとの比較的大きい接触領域を持ち、発光素子から熱結合インタフェースへ向かう低い熱抵抗を有する熱経路を提供する。
【００６０】
ある実施形態では、熱伝導体４３２は、不透明であり、キャビティを２つのサブキャビティに分割する壁を形成する。光出口窓を形成する１つの発光素子（図示省略）は、２つのサブキャビティによってシェアされ、発光素子又は発光素子が設けられるキャリア層における光ガイドのため、（熱伝導体４３２によって形成される）内部壁の視認性は、抑制される。さらに、熱伝導体４３２は、光混合を可能とするためにサブキャビティ間を光が透過できるようにするホールを有していてもよい。
【００６１】
さらに、熱伝導体４３２は、環状の断面を持つが、他の実施形態では、断面形状が異なっていてもよく、例えば、矩形又は三角形であってもよいことに留意すべきである。さらに、熱伝導体４３２は、キャビティを２つのサブキャビティに更に分割するキャビティ内部の壁であってもよい。当該壁は、光透過材料で製造されてもよく、又は、不透明であって、１つのサブキャビティから他のサブキャビティへ光の透過を可能とするための幾つかのホール又は開口を持っていてもよい。
【００６２】
発光モジュール４６０の第３の変形例が、図４ｃに示されている。半導体発光体４６４は、比較的大きい。例えば、半導体発光体は、大きい発光表面を持つ有機発光ダイオードである。さらに、筐体４６２の壁は、熱伝導性を持つ。キャビティの中には、筐体４６２の壁の近くに置かれた４つの熱伝導体４６６が設けられており、より具体的には、熱伝導体４６６は、筐体４６２の熱伝導性壁に熱的に結合されている。熱伝導体４６６と熱伝導性壁との間の熱結合は、より低い熱抵抗を具備する熱伝導性経路を供給する。さらに、熱伝導体４６６は、半導体発光体４６４の発光経路を最小限にしか邪魔しない位置に置かれている。
【００６３】
筐体４６２の熱伝導性壁は、例えば、アルミニウムなどの金属で作られていてもよく、キャビティに対向している壁の表面は、光反射性材料で被覆されていてもよい。他の実施形態では、壁は、例えば、熱伝導性粒子で満たされたポリアミドなどの熱伝導性プラスティックで作られる。
【００６４】
発光モジュール４６０の他の変形例は、熱結合インタフェースが、光出口窓とは反対側の発光モジュール４６０の側である筐体４６２の背面に設けられていないが、熱結合インタフェースが、筐体４６２の壁の周囲に設けられる。かかる実施形態では、筐体４６２の壁が、例えば、ヒートシンクとして機能する金属フィンを備えていてもよい。
【００６５】
図５ａは、熱伝導体５００の他の実施形態を示している。熱伝導体５００は、互いの上部に交差状に配置された熱伝導性バー５０２，５０６の組み合わせである。発光素子は、バー５０２の上面に設けられていてもよく、発光素子と熱伝導体５００との間に比較的大きな接触領域が存在しており、これにより、熱伝導体５００と発光素子との間の良好な熱結合につながる。さらに、バー５０６の底面は、キャビティのベース５０４上に配置され、熱結合インタフェースに熱的に結合されていてもよく、これにより、熱結合インタフェースに結合する良好な熱結合を供給する。バー５０２，５０６が互いに交差する点において、発光素子から上部バー５０２により受けられた熱５１０は、ベースを介して熱５１０を熱結合インタフェースへ供給する下位バー５０６へ向かって移送され得る。明確化のため、複数の半導体発光体５０８が、図５ａに概略的に示されており、半導体発光体５０８によって発せられた光は、バー５０２，５０６の間の空間を通じて発光素子へと透過される。上記構造は、２つの目的に役立つ。バー５０２，５０６の間の空間での光散逸と、発光モジュールを通じた熱拡散である。
【００６６】
図５ｂは、発光モジュール５５０の代替的な実施形態の断面を示している。発光モジュール５５０の筐体５５６は、限られた程度の壁を持ち、主にベース５５８からなる。キャビティ５６４が、筐体５５６と、曲面として形成された発光素子５５２とによって囲まれている。発光モジュール５５０の光出口窓は、発光素子５５２によって形成されている。発光素子５５２の端部は、筐体５５６と接触している。キャビティ内には、半導体発光体が設けられており、当該半導体発光体は、例えば、発光ダイオード又はレーザ発光ダイオードなどであってもよい。さらに、キャビティ５６４は、キャビティ材料で満たされている。また、キャビティ内には、一端ではベースと熱結合するとともに、他端では発光素子５５２と熱結合している熱伝導体５５４が設けられている。熱伝導体５５４は、キャビティ材料の熱伝導率よりも良い熱伝導率を持つ熱伝導材料のバーである。
【００６７】
図６ａは、本発明の第２の態様に従ったランプ６００を示している。ランプ６００は、伝統的な電球の形状を持ち、バルブのガラス６０２は、拡散的に半透明であってもよい。ランプ６００の下部分６０８は、例えば、電源変換及び／又は調光を付与する駆動回路を含んでおり、当該駆動回路は、半導体発光体へ供給される電流を制御し、ランプ６００に電力を供給するためのものであり、ヒートシンクとして用いられ得る金属から製造されていてもよい。あるいは、追加的なヒートシンクが、ソケットの周りに存在していてもよく、一般的には、フィンから大きな表面積を有するアルミニウムのケーシングが用いられる。ランプ６００は、本発明の第１の態様に従った少なくとも１つの発光モジュール６０４を有する。発光モジュール６０４は、熱伝導材料６０６により、ランプ６００のベース６０８に接続されていてもよい。ランプ６００の他の実施形態では、ランプが、蛍光灯の形状を持っていてもよいことに留意すべきである。
【００６８】
図６ｂは、本発明の第３の態様に従った照明器具６５０を示している。照明器具６５０は、本発明の第１の態様に従った少なくとも１つの発光モジュール６０４を有する。例えば、照明器具が、金属で製造されている場合、発光モジュール６０４は、照明器具６５０がヒートシンクとして機能するように、照明器具６５０に熱的に結合されていてもよい。
【００６９】
上記実施形態は、本発明を限定するものではなく、当該技術分野における当業者は、添付の請求項の範囲から逸脱することなく、多くの代替的な実施形態を設計することができることに留意すべきである。
【００７０】
請求項中、括弧内の任意の参照符号は、請求項を限定するものとして解釈されるべきではない。「有する」の動詞及びその活用形の使用は、請求項に記載された要素又はステップ以外の要素又はステップの存在を除外しない。要素に先行する不定冠詞「ａ」又は「ａｎ」は、かかる要素が複数存在することを除外しない。本発明は、幾つかの個別の要素を有するハードウェアにより実装されてもよいし、適切にプログラムされたコンピュータにより実装されてもよい。幾つかの手段を列挙している装置クレームでは、これらの手段は、同一のハードウェアにより実現されてもよい。特定の手段が相互に異なる従属請求項において言及されているという単なる事実は、これらの手段の組み合わせが好適に用いられないということを示すものはない。
【図１】
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【図２ａ】
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【図２ｂ】
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【図３ａ】
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【図３ｂ】
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【図４ａ】
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【図４ｂ】
0006045571.tif 000008
【図４ｃ】
0006045571.tif 000009
【図５ａ】
0006045571.tif 000010
【図５ｂ】
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【図６ａ】
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【図６ｂ】
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