(57)【要約】【課題】  ＬＥＤ照明装置に使用可能な、小型で素子の集積度向上に対する効果が大きく、かつ、低コストで得られ、信頼性の高いヒートシンクの構成を提供する。【解決手段】  積層した配線基板２、絶縁基板３、熱伝導性基板７を貫通するように、熱伝導性を有する柱状部材６挿通し、柱状部材３の配線基板２側に露出した部分に予め形成した平坦面にＬＥＤ素子１を実装し、柱状部材６における熱伝導性基板７側に露出した方の端部には、ＬＥＤ素子の出力に応じて表面積を設定した、平滑部を有する放熱フィン９を接合する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
それぞれに少なくとも一つの貫通孔が設けられた、配線基板、絶縁基板、熱伝導性基板を、前記貫通孔が連通した少なくとも一つの連通貫通孔となるように配置して、前記配線基板、前記絶縁基板、前記設伝導性基板を順に積層してなる実装基板と、前記少なくとも一つの連通貫通孔のそれぞれに、片方の端が前記配線基板側に、他方の端が前記熱伝導基板側に露出するように挿通されてなる熱伝導性を有する柱状部材と、前記柱状部材の前記配線基板側に露出した端部のそれぞれに実装されてなるＬＥＤ素子と、前記柱状部材の前記熱伝導基板側に露出した端部のそれぞれに接合されてなる放熱フィンとを有することを特徴とする、ＬＥＤ照明装置。
【請求項２】
前記柱状部材の前記配線基板側に露出した端部には、前記柱状部材の軸方向とほぼ垂直な平坦面が形成されてなることを特徴とする、請求項１に記載のＬＥＤ照明装置。
【請求項３】
前記配線基板の前記ＬＥＤ素子が配された周囲に、リフレクタ部材が配されてなることを特徴とする、請求項１または請求項２に記載のＬＥＤ照明装置。
【請求項４】
前記放熱フィンは、前記ＬＥＤ照明装置の使用状態において鉛直となる平滑面を有する、薄板形状であることを特徴とする、請求項１ないし請求項３のいずれかに記載のＬＥＤ照明装置。
【請求項５】
前記放熱フィンの表面積と前記ＬＥＤ素子の出力との比は、５ｃｍ２／Ｗ以上であることを特徴とする、請求項１ないし請求項４のいずれかに記載のＬＥＤ照明装置。
【請求項６】
前記放熱フィンは、銅パイプを薄板上に加工してなることを特徴とする、請求項１ないし請求項５のいずれかに記載のＬＥＤ照明装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】  本発明は発光体素子としてＬＥＤ素子を実装した照明装置に関し、特に放熱特性に優れるＬＥＤ照明装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】  発光ダイオード素子（以下、ＬＥＤ素子と記す）を光源とする照明は、元来低消費電力であり、近年長寿命化が進んだことから、環境への負荷の対する配慮の面だけでなく、原油価格の高騰に伴う電力料金の削減の要請から普及が急速に拡大している。そして、液晶ディスプレイのバックライトへの応用から、一般家庭の室内照明、オフィスの照明、自動車のヘッドライトから街路灯、看板灯など、広い分野でのＬＥＤ照明への置き換えが進んでいる。【０００３】  以上のように普及が進む中で、ＬＥＤ照明装置の更なる用途拡大には、装置の一層の小型化、大容量照明へ向けた装置の集積化が容易であること、廉価であること必要とされている。しかしながら、このＬＥＤ照明の発光原であるＬＥＤチップは、熱に非常に弱く、許容温度を超えると発光効率が低下し、また素子の寿命も短くする問題がある。【０００４】  この問題を解決は、ＬＥＤ素子の発光時の熱を周囲に如何に放熱するかに依存し、多くの提案がなされてきた。例えば、特許文献１には、放熱効率を上げるのに良く使用される、金属製のヒートシンクが取り付けられた構成が開示されている。このヒートシンクは、ＬＥＤ素子が正面側に配置された基板と、この基板部における背面側に間隔をおいて突出する複数枚の平行に配置されたフィン部を備えており、基板部及びフィン部の表面積を大きくすることにより放熱が増加し、一定の放熱性を得るようにしてある。【０００５】  また特許文献２には、ヒートシンクのフィン部を折り曲げてフィン部を大きくし、より放熱性を改善した構成が開示されている。これに対して、より小型の構成として、特許文献３には、ヒートシンクとして絞り加工によって一枚の金属板を筒状に形成して、３次元方向に向いた放熱面とすることにより、より放熱効果がある構成が開示されている。しかしながら用途拡大を図る、これからのＬＥＤ照明装置に求められる照度、輝度の向上に必須な小型化、ＬＥＤ素子の高集積化には不十分であり、より効率のよい放熱機構が求められている。【０００６】  更に、特許文献４には、ＬＥＤ電球向けのＬＥＤ素子に取り付けた放熱用スラッグ部分に、放熱用のヒートシンクと同じく、放熱用と電球用のネジとを兼ねたヒートシンクを取り付けた例が開示されている。しかしながら、ネジ部の内側に配置されたヒートシンクでは周りを囲む大きなネジ部への空間を通しての熱伝達となり、放熱効率は上がらず、大きなネジ部に放熱を依存し、より小型化、より高集積化には不向きである。【０００７】  一方、ヒートシンクとは異なり、特許文献５にはＬＥＤ素子の上面を液体で満たして放熱性を上げた構成が開示されている。しかしながら、半導体素子であるＬＥＤ素子に液体を接触させることは、腐食防止などの信頼性の確保に、高度の技術を要することになる。水冷技術は放熱技術の一つであり、コンピュータ分野では、ＩＣチップの高速化に伴い増加する熱の放出のために、高速コンピュータには古くから採用されているが、装置の大型化が避けられず、ＬＥＤ照明のごとき小型装置への採用は未だ困難である。【０００８】  より一層放熱性を上げた構成として、特許文献６にあるヒートパイプを利用したものがあるが、ヒートパイプは、熱交換効率はよい���装置が大型であり高価であることから、採用するには小型化、
コストダウンのための更なる改良が必要である。放熱体を使った照明器具として、特許文献７には電子部品の放熱を目的とし、絶縁性材料の熱伝導媒体を回路基板と外枠体を貫通もしくは切り裂きをつけて電子部品に接触させて、放熱体に熱を伝導させる構造が開示され、発光部は回路基板の放熱を兼用した放熱体の上に置かれているが、電子部品の発熱に影響されて発光部のみを効率よく単体で冷却できない問題がある。【０００９】  また、図６には、放熱に使用される従来のヒートシンクの代表例を模式的に記載した。図６に示すように、ＬＥＤ素子１が配線基板２上に配置され、更に絶縁基板３を介して密着または熱伝導性接着剤等により基板部４に接合し、その基板部４の背面側に間隔を置いて突出する複数枚の平行に配置されたフィン部５を有している。４、５は一体でヒートシンクである。【００１０】  このような構成における放熱特性の適否は、ＬＥＤ素子から放熱効果を有するヒートシンクに至るまでに配線基板と絶縁基板と三層に渡る熱伝達が速やかに行われるかに依存する。しかしながら積層間を全面に渡り密着させる事は困難であることは自明である。そこで熱伝導性接着剤、熱伝導性ゴム等を使用して密着性を上げる努力がなされるが、構成が複雑になりコストが増加するなどの課題があった。【００１１】  また、ヒートシンクはアルミのダイキャストや押し出し成型で製作され、重量が増加する課題もある。特にＬＥＤ素子を集積化し大容量化を図る場合には、放熱効率を考慮すると必要以上に大型化し、さらなる重量増加に繋がるという課題がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１２】
【特許文献１】  特開２００２−２９９７００号公報
【特許文献２】  特開２０１０−１４６８１７号公報
【特許文献３】  特開２０１３−１２０６８８号公報
【特許文献４】  実用新案登録第３０９２４３５号公報
【特許文献５】  特開平１１−１６３４１０号公報
【特許文献６】  特開平２００６−２１０５３７号公報
【特許文献７】  特開平２０１３−１９７０６０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】  以上のことから、本発明の課題は、ＬＥＤ照明装置に使用可能な、小型で素子の集積度向上に対する効果が大きく、かつ、低コストで得られ、信頼性の高いヒートシンクの構成を提供することにある。
【課題を解決するための手段】  本発明は、上記課題に鑑み、ＬＥＤ照明装置における、放熱フィンの構造と取付方法を再検討した結果、なされたものである。【００１４】  本発明は、それぞれに少なくとも一つの貫通孔が設けられた、配線基板、絶縁基板、熱伝導性基板を、前記貫通孔が連通した少なくとも一つの連通貫通孔となるように配置して、前記配線基板、前記絶縁基板、前記設伝導性基板を順に積層してなる実装基板と、前記少なくとも一つの連通貫通孔のそれぞれに、片方の端が前記配線基板側に、他方の端が前記熱伝導基板側に露出するように挿通されてなる熱伝導性を有する柱状部材と、前記柱状部材の前記配線基板側に露出した端部のそれぞれに実装されてなるＬＥＤ素子と、前記柱状部材の前記熱伝導基板側に露出した端部のそれぞれに接合されてなる放熱フィンとを有することを特徴とする、ＬＥＤ照明装置である。【００１５】  また、本発明は、前記柱状部材の前記配線基板側に露出した端部には、前記柱状部材の軸方向とほぼ垂直な平坦面が形成されてなることを特徴とする、前記のＬＥＤ照明装置である。【００１６】  また、本発明は、前記配線基板の前記ＬＥＤ素子が配された周囲に、リフレクタ部材が配されてなることを特徴とする、前記のＬＥＤ照明装置である。【００１７】  また本発明は、前記放熱フィンが、前記ＬＥＤ照明装置の使用状態において鉛直となる平滑面を有する、薄板形状であることを特徴とする、前記のＬＥＤ照明装置である。【００１８】  また、本発明は、前記放熱フィンの表面積と前記ＬＥＤ素子の出力との比が、５ｃｍ２／Ｗ以上であることを特徴とする、前記のＬＥＤ照明装置である。【００１８】  また、本発明は、前記放熱フィンが、銅パイプを薄板上に加工してなることを特徴とする、前記のＬＥＤ照明装置である。
【発明の効果】
【００１９】  放熱フィンは、表面から熱を放出するので、その表面積は可能な限り広くしたい方が、放熱の効率を向上できる。そのため、図６に示したように、櫛歯状の板状の部材を一体に設けた構造が採用される。つまり、表面に凹凸を設けることにより、大きな表面積を確保する設計を採用するのが一般的である。【００２０】  しかしながら、放熱フィンのような、個体と流体の接触系において、流体が固体表面に対して相対的に運動していて、流体の流動状態が層流である場合は、固体表面と流体の界面に、ほぼ流動しない、境膜と称される流体の領域が存在し、放熱に殆ど寄与しないことがある。この現象は、放熱フィンの小型化に伴い、より顕在化する。【００２１】  従って、本発明に係るＬＥＤ装置のように小型の場合では、放熱フィンの表面を平滑にした方が、放熱の効率が高いことが考えられ、本発明者のシミュレーションなどを用いた検討結果によれば、このことが検証された。本発明の放熱フィンの形状は、この知見によるものである。また、表面粗さ；Ｒａで示したフィン表面の平滑度は、１２．５μｍ以下であることが望ましいことが、本発明者らの検討結果により明らかになった。【００２２】  また、放熱フィンの表面では、加熱された流体の密度が低下することにより、流体が上昇するのが自明の理であり、放熱フィンの表面を基板に対して垂直に保持し、かつ鉛直することで、フィン表面の流体の移動をより速め、放熱効率を向上できる。本発明における放熱フィンの取付構造は、このような知見に基づくものである。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】  本発明の第一の実施の形態に係るＬＥＤ照明装置の外観図
【図２】  第一の実施の形態の図１のＸ−Ｘ´の断面図
【図３】  第一の実施形態のより詳細な説明図
【図４】  本発明の第二の実施形態に係るＬＥＤ照明装置
【図５】  第二の実施の形態の図３のＹ−Ｙ´の断面図
【図６】  従来のヒートシンクタイプの模式図
【発明を実施するための形態】
【００２４】  以下に図面を参照しながら、本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。なお、本明細書及び図面において、実質的に同一の機能を有する構成要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略する。
【第一の実施の形態】
【００２５】図１は本発明の第一の実施の形態に係るＬＥＤ照明装置の外観図である。熱伝導性基板として炭素繊維強化プラスチック（以下、ＣＦＲＰ）基板７にＬＥＤ素子１が実装された実装基板８がありＬＥＤ素子に対応した位置に放熱フィン９が取り付けられた構成で非常にシンプルな構成となっている。
【００２６】  ここで熱伝導性基板としては他にはＳｉＣ、熱伝導性の高いフィラーを入れたＰＰＳ等の樹脂等剛性のある材料から適宜選択可能である。実装基板８の両端にはそれぞれ電源からのリード線を接続する端子１０が設けられている。ＬＥＤ素子の実装部と放熱フィンの構成を詳細に説明する為に図１のＸ−Ｘ´の断面図を図２に拡大記載した。実装基板８は絶縁基板３と配線基板２が積層されてなる。ここで絶縁基板にはガラスエポキシを使用したが、他に絶縁性の高い材料としてはセラミック等も使用可能である。
【００２７】  また、配線基板２には金メッキ、銀メッキ、又はパラジウムメッキ表面処理を施した銅製のリードフレームを使用した。金メッキ、銀メッキ、又はパラジウムメッキ表面処理はＬＥＤ素子１とリードフレームをワイヤーボンディングで接続する際のワイヤーとの密着を改善し銅製のリードフレームの腐食を防ぐ為の処理である。配線基板としては他にプリント配線板、セラミック配線板等も使用可能である。リードフレームを使用しているので前記の電源制御回路からの接続端子はリードフレームの配線設計により片方に配置することは容易である。
【００２８】  この三層を貫通して、配線基板２側に路露出する端部に平坦面を有する銅製の柱状部材６が配置されている。この柱状部材は配線基板２上のＬＥＤ素子１との接続が予め決められた位置に三層を通して貫通口１４を設けた位置に挿入されており柱状部材６の平頭部１１がリードフレーム上に止まった形態となっている。柱状部材６のＣＦＲＰ側に突出した部分にはネジが切ってある。ここで柱状部材６は円柱状のいわゆるネジ状の部材を使用したが、他に四角形、三角形、楕円形等適宜使用は可能である。
【００２９】  次にＬＥＤ素子の実装部の説明をする。柱状部材６の平坦面にＬＥＤ素子１をシリコン接着剤でダイボンディングし、次いで配線基板２とＬＥＤ素子１を金のワイヤー１２で接続している。そしてＬＥＤ素子１の周囲を囲むようにセラミック製のリフレクタ１３が配置されている。このリフレクタ内部にＬＥＤ素子を覆うように黄色蛍光材料を混ぜた光透過性のシリコン封止剤で満たしてある。
【００３０】  一方、柱状部材６のＣＦＲＰ側に突出したネジ部には銅製の放熱フィン９が接続されている。この接続は放熱フィン９の両端の直状部の内部にネジが切ってあり柱状部材６のネジ部とネジ込みで接続されている。この際にネジ込み部に密着を上げる為に熱伝導性の銀ペーストを塗布して接続している。放熱フィン９は銅製のパイプをプレスにより図にある薄い板状に加工して使用した。薄い板状にすることにより放熱面積を拡大し軽量で放熱効率のよい放熱フィンを実現している。この接続はネジ式の他に勘合方式でもよい。柱状部材６のＣＦＲＰ側は柱状部材と実装基板との隙間を充填し放熱フィン９をＣＦＲＰに固定するために封止剤１８で保持されている。
【００３１】  図３に熱伝導性基板７、絶縁基板３、配線基板２、放熱フィン９、柱状部材６、ＬＥＤ素子１の構成のより詳細を示した。柱状部材６が三層２、３、７の貫通口１４を通して挿入され、柱状部材の平頭部１１にＬＥＤ素子１が実装され、柱状部材６の平頭部１１との反対側の熱伝導性基板に突出した端部に放熱フィン９がネジ込みで接続されている。
【００３２】  以上、本実施の形態で説明した通りにＬＥＤ素子から金属製の柱状部材を介して概ね薄板状の放熱フィンが直接連結されておりＬＥＤ素子の発熱をダイレクトに放熱フィンに伝え、放熱効果が格段に改善された。また、ヒートシンクに比べて格段に軽量で小型のＬＥＤ照明が提供される。
【第二の実施の形態】
【００３３】  図４は本発明の第二の実施の形態に係るＬＥＤ照明装置の外観である。構成の多くは実施形態１と同様であるが、本実施形態ではＬＥＤ素子が一つの柱状部材の平坦面上に二つ実装され、更にこの発光部が７つ配列されている。従って、ＬＥＤ素子１が１４個実装されたＬＥＤ照明装置となっている。図４のＹ−Ｙ´の断面図を図５に記載した。
【００３４】  平坦の柱状部材６に二つのＬＥＤ素子１がダイボンディングされており、ＬＥＤ素子間はワイヤーボンディングされ、其々のＬＥＤ素子１の一極が配線基板２にワイヤーボンディングされている。放熱フィンの柱状部材との接続部と対抗する側は銅製連結部材で放熱フィン間を接続して固定されている。銅製連結部材の固定には留め具ボルトナット１６を使用してネジ止めしてある。銅製連結部材として銅線および銅板が使用できる。その他の構成は実施形態１に同じである。
【００３５】  この様にＬＥＤ素子１と放熱フィン９は直接的に一体に連結された構成で接続されているので放熱効率が良く、大容量ＬＥＤ照明に適した構成となっている。以上、実施の形態をもとに本発明を説明した。これらの実施形態は例事であり、各構成要素の組み合わせには例示した他の要素も使用可能であり、その変形例も可能であるが、そうした変形例も本発明の範囲内にあることは当業者に理解されるところである。
【符号の説明】
【００３６】１          ＬＥＤ素子
２          配線基板
３          絶縁基板
４          基板部
６          柱状部材
５          フィン部
７          熱伝導性基板（ＣＦＰＲ）
８          実装基板
９          放熱フィン
１０        電源制御回路接続端子
１１        柱状部材の平坦面
１２        金ワイヤー
１３        リフレクター
１４        貫通口
１５        銅製連結部材
１６        留め具ボルトナット
１７        支持部材
１８        封止部材
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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