(57)【要約】 【課題】高効率の照明光源を提供する。【解決手段】本発明に係る照明光源は、光を出力するためのＬＥＤアセンブリと、前記ＬＥＤアセンブリに接続されたＭＲ１６型ヒートシンクであって、第１の直径を有し且つ比較的平坦な内側コア領域と第２の直径を有した外側コア領域とを含んだＭＲ１６型ヒートシンクとを具備している。前記ＬＥＤアセンブリは前記内側コア領域上に配置され、前記第１の直径は前記第２の直径の１／２未満である。【選択図】図２−Ａ
2012169274.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光を出力するためのＬＥＤアセンブリと；
前記ＬＥＤアセンブリに接続されたＭＲ１６型ヒートシンクであって、第１の直径を有し且つ比較的平坦な内側コア領域と第２の直径を有した外側コア領域とを含んだＭＲ１６型ヒートシンクと；
を具備し、
前記ＬＥＤアセンブリは前記内側コア領域上に配置され、
前記第１の直径は前記第２の直径の１／２未満である
照明光源。
【請求項２】
前記ＬＥＤアセンブリは基板上に配置された少なくとも３０個のＬＥＤを含んでいる請求項１に記載の照明光源。
【請求項３】
前記基板は約６ｍｍ未満の幅を有したシリコンを備えている請求項２に記載の照明光源。
【請求項４】
前記第１の直径は約１６ｍｍ未満である請求項１に記載の照明光源。
【請求項５】
前記基板は、熱伝導性接着剤を用いて前記内側コア領域に接続されたシリコンを備えた請求項２に記載の照明光源。
【請求項６】
前記基板は約６ｍｍ未満の幅を有しており、平坦部分は約１２ｍｍ未満の直径を有している請求項５に記載の照明光源。
【請求項７】
前記外側コア領域は複数の放熱構造を含んでいる請求項１に記載の照明光源。
【請求項８】
前記複数の放熱構造は、複数の幹部と複数の分岐部とを含み、前記幹部は前記内側コア領域に接続されており、前記分岐部は前記幹部に接続されている請求項７に記載の照明光源。
【請求項９】
前記幹部の径方向の長さと前記複数の幹部の径方向の長さとの比は、約１：１、約２：３、及び、約１：２からなる群より選択される請求項８に記載の照明光源。
【請求項１０】
前記ＭＲ−１６型ヒートシンクは、約１６７Ｗ／ｍＫより高い熱伝導率を有したアルミニウム合金を含んでいる請求項１に記載の照明光源。
【請求項１１】
ＬＥＤアセンブリを受け取ることと；
第１の直径を有し且つ比較的平坦な内側コア領域と第２の直径を有した外側コア領域とを含んだＭＲ１６型ヒートシンクであって、前記第１の直径は前記第２の直径の半分未満であるＭＲ１６型ヒートシンクを受け取ることと；
を具備し、
前記ＬＥＤアセンブリは前記内側コア領域に固定される
照明光源の組み立て方法。
【請求項１２】
前記ＬＥＤアセンブリは少なくとも３０個のＬＥＤを含んでいる請求項１１に記載の方法。
【請求項１３】
前記基板は約６ｍｍ未満の幅寸法を有したシリコンを含み、前記第１の直径は約１６ｍｍ未満である請求項１２に記載の方法。
【請求項１４】
前記ＬＥＤアセンブリは熱伝導性接着剤を用いて前記内側コア領域に接続されている請求項１１に記載の方法。
【請求項１５】
前記ＬＥＤアセンブリはシリコン基板上に配置された複数のＬＥＤを備えている請求項１４に記載の方法。
【請求項１６】
前記基板は約６ｍｍ未満の幅寸法を有しており、平坦部分は約１２ｍｍ未満の直径を有している請求項１５に記載の方法。
【請求項１７】
前記ＭＲ−１６型ヒートシンクはモノリシックであり、前記外側コア領域は複数の放熱構造を備えている請求項１１に記載の方法。
【請求項１８】
前記放熱構造は複数の幹部と複数の分岐部と外部リムとを備え、前記複数の幹部は前記内側コア領域に接続され、前記複数の分岐部は前記複数の幹部及び前記外部リムに接続されている請求項１７に記載の方法。
【請求項１９】
前記幹部の径方向の長さと前記複数の幹部の径方向の長さとの比は、約１：１、約２：３、及び、約１：２からなる群より選択される請求項１８に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本出願は、係属中の米国出願第６１／３０１，１９３号（出願日：２０１０年２月３日、発明の名称：「Ｗｈｉｔｅ  Ｌｉｇｈｔ  Ａｐｐａｒａｔｕｓ  ａｎｄ  Ｍｅｔｈｏｄ」）に関連している。この米国出願は、本明細書において、あらゆる目的のために参照により組み込まれる。
【０００２】
本発明は、高効率の照明光源に関する。
【背景技術】
【０００３】
エジソンの真空電球の時代が終わろうとしている。多くの国、多くの州において、白熱電球は過去のものとなりつつあり、より高効率な照明光源が必要とされている。代替光源の例としては、蛍光灯、ハロゲン、及び発光ダイオード（ＬＥＤ）が挙げられる。このような高効率の選択肢が利用可能となっているのにも拘わらず、未だ多くの人々がこれらの代替光源へ乗り換えるのをためらっている。
【０００４】
これらのより新規な技術が受容されていないのには、種々の理由がある。１つの理由として、これらの照明光源中には毒性物質が利用されている点がある。一例として、蛍光灯照明光源は、典型的には、光を生成するためにガス形態の水銀に依存している。水銀ガスは有毒物質であるため、使用後のランプは単に舗道縁石に廃棄するわけにはいかず、指定された有毒廃棄物処理場まで輸送する必要がある。さらに、蛍光灯製造業者の中には、家庭において影響を受けやすい場所（例えば寝室）では電球の使用を控えるように消費者に伝えているところもある。
【０００５】
代替照明光源の普及が遅い別の理由として、白熱電球と比較して性能が低い点がある。蛍光は、照明を開始するための別個のスタータ又はバラスト機構に依存している。そのため、蛍光は、顧客が期待するように「瞬時に」点灯しない場合がある。それに加え、蛍光は、典型的には、即時に最高輝度になるのではなく、時間をかけて最高輝度へと到達することが多い。さらに、ほとんどの蛍光は脆弱であり、調光が不可能であり、ノイズ源となり得るバラスト変圧器があり、頻繁に点灯オンオフを繰り返すと故障の可能性も出てくる。
【０００６】
より最近になって導入された別の種類の代替照明光源は、発光ダイオード（ＬＥＤ）の使用に依存している。ＬＥＤは、蛍光と比較して、例えば以下の利点を有している。即ち、固体素子に内在する強靱性及び信頼性、偶発的な破壊又は廃棄時において放出される可能性のある有毒化学物質を用いていないこと、瞬時にオンにすることができること、調光が可能であること、可聴ノイズが無いことなどである。しかし、ＬＥＤ照明光源にも、消費者に利用をためらわせる欠陥がある。
【０００７】
ＬＥＤ照明の１つの不利点として、光出力（例えばルーメン）が比較的低い点がある。現在のＬＥＤ照明光源の場合、相当する白熱灯よりも必要電力は大幅に低いものの（例えば５〜１０ワット対５０ワット）、主要照明光源として用いるのにはあまりにも暗い場合がある。例えば、ＭＲ１６型における典型的な５ワットＬＥＤランプは２００〜３００ルーメンを提供できる一方で、同じ型の典型的な５０ワットの白熱電球は７００〜１０００ルーメンを提供できる。そのため、現在のＬＥＤは、アクセント照明のみに用いられるか、又は、より多くの照明が必要とされていない領域において用いられていることが多い。
【０００８】
ＬＥＤ照明の別の欠陥として、ＬＥＤの突出したコストの高さがある。現在の３０ワットに相当するＬＥＤ電球のコストは＄６０を越えており、これとは対照的に、白熱灯投光照明のコストは約＄１２である。消費者は、ＬＥＤの寿命を通じて電力低減コストを「埋め合わせ」しようとする場合もあるが、初期費用が高すぎるため、需要は限定されている。
【０００９】
ＬＥＤ照明に関連する別の懸念として、部品の量及び製造作業量がある。ある製造業者の場合、ＭＲ１６ＬＥＤ光源の製造に１４個の構成要素が必要であり、別の製造業者の場合、ＭＲ１６ＬＥＤ光源の製造において６０個を越える構成要素を用いている。ＬＥＤ照明の別の不利点として、ヒートシンクが必要であるため、出力性能が限定される点がある。多くの用途において、ＬＥＤが配置されるのは、空気循環の悪い筺体（例えば、凹状の天井のある筺体）の内部であり、このような内部では、温度は通常５０℃を越える。このような温度においては、表面放射率だけでは放熱において不十分である。さらに、従来の電子組み立て技術及びＬＥＤ信頼性因子に起因してＰＣＢ基板温度は約８５℃までに限定されるため、ＬＥＤからの電力出力も制約を受ける。従来、ＬＥＤ照明光源からの光出力の増加は、単にＬＥＤの数を増やすことによって行われており、そのため、デバイスコスト及びデバイスサイズの増加に繋がっていた。さらに、このような光の場合、ビーム角度が制限され、出力も限られていた。
【００１０】
本発明は、高効率の照明光源を提供する。前記高効率の照明光源は、高い信頼性及び長い寿命を有しつつ、デバイスコスト又はサイズの増加を招くこと無く光出力増加を可能とし、さらに、多数のビーム角度をカバーすることを可能とする。本発明の実施形態は、ＭＲ１６型光源を含んでいる。照明モジュールは、熱伝導性基板上に直列に配列された２０〜１１０個のＬＥＤを含んでいる。前記基板は、一対の入力電源コネクタを有したフレキシブルプリント基板（ＦＰＣ）に半田付けされる。シリコン基板は、熱エポキシを介して、ＭＲ１６型ヒートシンクへと物理的に接着されている。駆動モジュールは、高温動作駆動回路を含んでいる。前記高温動作駆動回路は、剛性プリント回路基板又はフレキシブルプリント基板へと取り付けられている。前記駆動回路及びＦＰＣは、熱伝導性プラグベース中に封入されている。前記熱伝導性プラグベースは、ＭＲ１６プラグに適合するものであり、ベースアセンブリモジュールを形成している。典型的には、前記駆動回路から前記熱伝導性プラグケースへの熱伝導を促進させる埋め込み用化合物（potting compound）が用いられる。前記駆動回路は、入力電力接点（例えば、１２、２４、１２０、２２０ボルトＡＣ）に接続され、出力電源コネクタ（例えば、４０ＶＡＣ、１２０ＶＡＣなど）へと接続されている。前記ベースアセンブリモジュールは、前記ＭＲ１６型ヒートシンクの内部チャンネルに挿入され、前記ＭＲ１６型ヒートシンクの内部チャンネル内に固定されている。入力電源コネクタは、出力電源コネクタに接続されている。レンズは、前記ヒートシンクに固定されている。
【００１１】
前記駆動モジュールは、入力電力を１２ＡＣボルトからより高いＤＣ電圧（例えば４０〜１２０ボルト）へと変換する。前記駆動モジュールは、前記より高い電圧により、前記照明モジュールを駆動する。放射光は、レンズによって、所望の種類の照明（例えば、スポット、投光など）へと調整される。動作時において、前記駆動モジュール及び前記照明モジュールから放出された熱は、前記ＭＲ１６型ヒートシンクによって放散される。定常状態において、これらのモジュールは、およそ７５℃〜１３０℃の範囲において動作し得る。
【００１２】
前記ＭＲ１６型ヒートシンクは、放熱を促進する。前記ヒートシンクは、内側コアを含んでいる。前記内側コアの直径は、前記ヒートシンクの外径の半分よりも小さく、前記外径の１／３未満〜１／５未満であり得る。前記ＬＥＤのシリコン基板は、熱エポキシによって、前記内側コア領域へと直接接着される。
【００１３】
前記内側コアの直径は前記外径よりも小さいため、より多くの放熱フィンを設けることができる。典型的なフィン構成は、前記内側コアから延びた放射フィンの「幹部」（radiating fin “trunks”）を含んでいる。いくつかの実施形態において、幹部の数は、８〜３５である。各幹部の端部において、２つ以上のフィン「分岐部」が設けられている。これらの「分岐部」は、「Ｕ」字型の分岐形状を有している。各分岐部の端部において、２つ以上のフィン「サブ分岐部」が設けらており、これらの「サブ分岐部」も「Ｕ」字型の分岐形状を有する。前記幹部のフィン厚さは、通常は前記分岐部のそれよりも大きく、前記分岐部の厚さは、通常は前記サブ分岐部等のそれよりも大きい。前記内側コアから前記外径への熱の流れ、空気の流れ、及び表面積は、正確な構造によって異なる。
【００１４】
前記構造を実現するための方法は、ＬＥＤを備えたＬＥＤパッケージアセンブリを、フレキシブルプリント回路に電気的に接続されたシリコン基板上に設ける工程を含んでいる。前記ＬＥＤパッケージアセンブリは、放熱フィンを有するヒートシンクに熱伝導性接着剤によって接着される。ドライバ回路を有するＬＥＤドライバモジュールが、熱伝導性ベース内のフレキシブルプリント回路基板へと固定される。レンズは、前記光を所望に集束させる。
【００１５】
一実施形態において、光チップアセンブリは、シリコン基板上に形成されたＬＥＤと、前記シリコン基板に接続されたフレキシブルプリント回路とを有している。ヒートシンクが前記光チップアセンブリに接続され、前記シリコン基板は、熱伝導性接着剤を介して内側コア領域へと接続されている。外側コアは、分岐した放熱フィンを含んでいる。前記ＬＥＤドライバモジュールは、ハウジングと、ＬＥＤドライバ回路とを含んでいる。第２のフレキシブルプリント回路が前記ＬＥＤドライバ回路へと接続され、レンズが前記ヒートシンクの内側コア領域へと接続されている。平面基板と平面領域との間のエポキシ層が、熱を前記ＬＥＤアセンブリから前記内側コア領域へと伝導させる。
【００１６】
本発明の他の側面によると、光源を形成する方法は、絶縁基板上にＬＥＤを配置することを含んでいる。前記絶縁基板は、前記ＬＥＤのための電力を受信するための入力パッドを有している。前記方法は、フレキシブルプリント回路を前記基板へと接着させる工程を含んでいる。前記基板はまた、動作電圧を受信するための入力接点と、前記動作電圧を前記絶縁基板へと提供するための出力パッドとを有している。前記絶縁基板は、熱伝導性接着剤によってヒートシンクの平面領域上へと接着されている。駆動モジュールは、電子回路を有し、駆動電圧を外部電圧源から受信し、ケーシング中に設けられている。前記ケーシングは、ベースを有し、前記ベースは、前記ケーシングから突き出した接点を備えている。前記ケーシングは、前記ヒートシンクの内部チャンネル内に配置されている。
【００１７】
本発明の別の側面によると、照明光源は、ＬＥＤアセンブリに接続されたＭＲ−１６適合型ヒートシンクを含んでいる。前記ＭＲ−１６適合型ヒートシンクは、内側コア領域と外側コア領域とを有している。前記ＬＥＤアセンブリは、前記内側コア領域内に配置されている。構造の単純化により、大量製造及び手作業による配線作業が促進される。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１−Ａ】本発明の一実施形態に係るＭＲ−１６型実装の斜視図。
【図１−Ｂ】本発明の他の実施形態に係るＭＲ−１６型実装の斜視図。
【００１９】
【図２−Ａ】図１−Ａの装置の分解図。
【図２−Ｂ】図１−Ｂの装置の分解図。
【００２０】
【図３−Ａ】図１及び図２の装置と共に用いられるＬＥＤアセンブリを示す斜視図。
【図３−Ｂ】図１及び図２の装置と共に用いられるＬＥＤアセンブリを示す斜視図。
【００２１】
【図４−Ａ】ドライバモジュールを示す斜視図。
【図４−Ｂ】ドライバモジュールを示す斜視図。
【図４−Ｃ】ＬＥＤドライバ回路を示す回路図。
【００２２】
【図５−Ａ】ＭＲ−１６適合型ライトのためのヒートシンクを示す上面図。
【図５−Ｂ】ＭＲ−１６適合型ライトのためのヒートシンクを示す斜視図。
【００２３】
【図６−Ａ】他のＭＲ−１６適合型ライトのためのヒートシンクを示す上面図。
【図６−Ｂ】他のＭＲ−１６適合型ライトのためのヒートシンクを示す斜視図。
【００２４】
【図７−Ａ】製造プロセスのブロック図。
【図７−Ｂ】製造プロセスのブロック図。
【図７−Ｃ】製造プロセスのブロック図。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
図１−Ａ及び図１−Ｂは、本発明の２つの実施形態を示している。より詳細には、図１−Ａ及び図１−Ｂは、ＭＲ−１６型に適合したＬＥＤ照明光源１００及び１１０の実施形態を示す。ＭＲ−１６型に適合したＬＥＤ照明光源１００及び１１０は、それぞれ、ＧＵ５．３型に適合したベース１２０及び１３０を有している。ＭＲ−１６照明光源は、典型的には、１２ボルトの交流電流（ＶＡＣ）で動作する。図面中、ＬＥＤ照明光源１００は、１０度のビームを有するスポットライトを提供する。ＬＥＤ照明光源１１０は、２５〜４０度のビームを有する投光照明を提供する。
【００２６】
上記係属中の特許出願に記載されているようなＬＥＤアセンブリは、ＬＥＤ照明光源１００及び１１０内において用いてもよい。ＬＥＤ照明光源１００のピーク出力輝度はおよそ７６００〜８６００カンデラ（およそ３６０〜４００ルーメン）であり、４０度の投光照明の場合のピーク出力輝度はおよそ１０５０〜１４００カンデラ（およそ５１０〜６５０ルーメン）であり、２５度の投光照明の場合はおよそ２３００〜２５００カンデラ（およそ６２０〜６７０ルーメン）である。よって、出力輝度は、従来のハロゲン電球ＭＲ−１６光とほぼ同じ輝度である。
【００２７】
図２−Ａ及び図２−Ｂは、それぞれ、図１−Ａ及び図１−Ｂの分解図である。図２−Ａは、スポットライト２００のモジュール図を示す。図２−Ｂは、投光照明２５０のモジュール図を示す。スポットライト２００は、レンズ２１０と、ＬＥＤアセンブリモジュール２２０と、ヒートシンク２３０と、ベースアセンブリモジュール２４０とを含んでいる。投光照明２５０は、レンズ２６０と、レンズホルダ２７０と、ＬＥＤアセンブリモジュール２８０と、ヒートシンク２９０と、ベースアセンブリモジュール２９５とを含んでいる。スポットライト２００又は投光照明２５０の組み立てをモジュール形式で行うことで、製造の複雑性及びコストが減少し、このようなライトの信頼性が増加する。
【００２８】
レンズ２１０及びレンズ２６０は、ガラス及びポリカーボネート材料などの紫外線抵抗性の透明材料から形成されていてもよい。レンズ２１０及び２６０を用いて折り畳み型光路を形成することができ、これにより、ＬＥＤアセンブリ２２０からの光を２回以上反射させた後に、出力することができる。このような折り畳み型光学レンズにより、スポットライト２００を、相当する深さの従来の反射器を用いた場合に通常得られるものよりもより堅固な円柱構造の光にすることが可能になる。
【００２９】
前記ライトの耐久性を増加させるために、前記透明材料は、より高温（例えば１２０℃）においてより長期間（例えば数時間）にわたって動作可能である。レンズ２１０及びレンズ２６０の材料として利用可能な１つの材料として、Ｂａｙｅｒ  Ｍａｔｅｒｉａｌ  Ｓｃｉｅｎｃｅ  ＡＧから入手可能なＭａｋｒｏｌｏｎ（登録商標）ＬＥＤ２０４５又はＬＥＤ２２４５ポリカーボネートが挙げられる。他の実施形態において、他の類似の材料を用いてもよい。
【００３０】
図２−Ａ中、レンズ２１０の縁部上のクリップを介して、レンズ２１０がヒートシンク２３０へと固定される。或いは、ＬＥＤアセンブリ２２０がヒートシンク２３０へと固定されている箇所の近隣に、接着剤を介してレンズ２１０を固定することも可能である。図２−Ｂ中、レンズ２６０の縁部上のタブを介して、レンズ２６０がレンズホルダ２７０へと固定されている。図示のように、レンズホルダ２７０上のより多くのタブにより、レンズホルダ２７０をヒートシンク２９０へと固定することもできる。レンズホルダ２７０は、好適には、前記レンズを通じて散乱光を反射する白色プラスチック材料である。他の類似の耐熱材料をレンズホルダ２７０に用いてもよい。
【００３１】
ＬＥＤアセンブリ２２０及びＬＥＤアセンブリ２８０は同様の構造にすることが可能であるため、製造プロセスにおいて互いに置換することが可能である。他の実施形態において、ＬＥＤアセンブリは、ルーメン／ワット有効性に基づいて選択され得る。例えば、いくつかの例において、ルーメン／ワット（Ｌ／Ｗ）の有効性が５３〜６６Ｌ／ＷであるＬＥＤアセンブリを４０度投光照明のために用い、有効性がおよそ６０Ｌ／ＷであるＬＥＤアセンブリをスポットライトのために用い、有効性がおよそ６３〜６７Ｌ／ＷであるＬＥＤアセンブリを２５度投光照明のために用いるといった具合にする。
【００３２】
ＬＥＤアセンブリ２２０及びＬＥＤアセンブリ２８０は、典型的には、３６個のＬＥＤを含んでいる。これら３６個のＬＥＤは、直列に配置されるか、並列直列に（例えば１２個のＬＥＤを３列で平行に直列に）配置されるか、又は、他の構成において配置される。このようなＬＥＤアセンブリについての更なる詳細については、先に言及した特許出願中に記載がある。
【００３３】
一実施形態において、前記ＬＥＤアセンブリの目標消費電力は、１３ワット未満である。この目標数値は、ハロゲンベースのＭＲ１６ライト（５０ワット）の典型的な電力消費よりも大幅に低い。その結果、本発明の実施形態は、ハロゲンベースのＭＲ１６ライトの輝度又は強度と整合し、かつ、２０％未満のエネルギーしか使用しない。
【００３４】
ＬＥＤアセンブリ２２０及び２８０は、ヒートシンク２３０及び２９０へと固定されている。ＬＥＤアセンブリ２２０及び２８０は、典型的には、シリコンなどの平坦な基板を含んでいる。（ＬＥＤアセンブリ２２０及び２８０の動作温度は、１２５〜１４０℃のオーダーである。）前記シリコン基板は、例えば熱伝導率が９６Ｗ／ｍ．ｋ．以下の高熱伝導率エポキシを用いて前記ヒートシンクへと固定することができる。或いは、熱可塑性−熱硬化性エポキシ（例えば、Ｔａｎａｋａ  Ｋｉｋｉｎｚｏｋｕ  Ｋｏｇｙｏ  Ｋ．Ｋ．から入手可能なＴＳ−３６９又はＴＳ−３３３２−ＬＤ）を用いてもよい。もちろん、他のエポキシ又は他の締結手段も利用可能である。
【００３５】
ヒートシンク２３０及び２９０は、好適には、低熱抵抗及び高熱伝導率の材料から形成される。いくつかの実施形態において、ヒートシンク２３０及び２９０は、熱伝導率ｋ＝１６７Ｗ／ｍ．ｋ．及び熱放射率ｅ＝０．７の陽極酸化６０６１−Ｔ６アルミニウム合金から形成される。他の実施形態において、熱伝導率ｋ＝２２５Ｗ／ｍｋ及び熱放射率ｅ＝０．９の６０６３−Ｔ６若しくは１０５０アルミニウム合金などの材料、又は、ＡＬ１１００などの合金が用いられる。熱放射率を増加させるために、さらなるコーティングを付加してもよい。例えば、ＺＹＰ Ｃｏａｔｉｎｇｓ，Ｉｎｃ．から入手可能なＣｒ２Ｏ３又はＣｅＯ２を用いた塗料の場合の熱放射率はｅ＝０．９であり、Ｍａｔｅｒｉａｌｓ  Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ  Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎから入手可能なＤｕｒａｃｏｎ（登録商標）コーティングの場合、熱放射率ｅ＞０．９８である。
【００３６】
環境温度５０℃の自然対流状態における測定により、ヒートシンク２３０の熱抵抗はおよそ８．５℃／ワットであり、ヒートシンク２９０の熱抵抗はおよそ７．５℃／ワットであった。さらなる開発及び試験により、他の実施形態において、６．６℃／ワットもの低い熱抵抗が達成可能であると考えられる。
【００３７】
図２−Ａ及び図２−Ｂ中のベースアセンブリ又はモジュール２４０及び２９５により、ライトソケットへの標準的なＧＵ５．３物理的インターフェース及び電子インターフェースが得られる。ベースモジュール２４０及び２９５は、ＬＥＤモジュール２２０及び２８０の駆動に用いられる高温耐性の電子回路を含んでいる。これらのＬＥＤへの入力電圧１２ＶＡＣは、１２０ＶＡＣ、４０ＶＡＣ又は前記ＬＥＤ駆動回路において所望される他の所望の電圧へと変換される。
【００３８】
ベースアセンブリ２４０及び２９５のシェルは典型的にはアルミニウム合金であり、ヒートシンク２３０及びヒートシンク２９０において用いられる合金と類似の合金（例えばＡＬ１１００合金）から形成される。前記ＬＥＤ駆動回路から前記ベースアセンブリのシェルへの熱伝導を促進するために、Ｏｍｅｇａ  Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｉｎｃ．から入手可能なＯｍｅｇａｂｏｎｄ（登録商標）２００、及び、Ｅｐｏｘｉｅｓ，Ｅｔｃ．から入手可能な５０−１２２５などの適合した埋め込み用化合物を用いてもよい。
【００３９】
図３−Ａ及び図３−Ｂは、上述したライトと共に用いられるＬＥＤアセンブリを示す。図３−Ａは、ＬＥＤパッケージサブアセンブリ（ＬＥＤモジュールとも呼ばれる）を示す。複数のＬＥＤ３００が基板３１０へと固定される。これらのＬＥＤ３００は直列接続され、およそ１２０ボルトＡＣの電圧源によって電力供給される。各ＬＥＤ３００において十分な電圧降下（例えば３〜４ボルト）を得るために、３０〜４０個のＬＥＤが用いられ、例えば、３７〜３９個のＬＥＤが直列接続される。他の実施形態において、ＬＥＤ３００は並列直列に接続され、およそ４０ＶＡＣの電圧源によって電力供給される。この実装において、ＬＥＤ３００は、３６個のＬＥＤを含み、これら３６個のＬＥＤは、３つのグループに分けて配置され、直列接続された１２個のＬＥＤ３００が各グループ内に含まれる。よって、各グループは、前記ＬＥＤドライバ回路によって提供された電圧源（４０ＶＡＣ）と並列接続され、これにより、十分な電圧降下（例えば３〜４ボルト）が各ＬＥＤ３００を通じて得られる。他の実施形態において、他の駆動電圧及び他の配置構成のＬＥＤ３００が利用可能である。
【００４０】
ＬＥＤ３００は、シリコン基板３１０又は他の熱伝導性基板上にマウントされる。シリコン基板３１０又は他の熱伝導性基板は、通常は、ＬＥＤ３００を基板３１０から隔離させる薄い電気絶縁層及び／又は反射層を含んでいる。上述したように、ＬＥＤ３００からの熱はシリコン基板３１０へと伝達され、熱伝導性エポキシを介してヒートシンクへと伝達される。
【００４１】
一実施形態において、シリコン基板はおよそ５．７ｍｍ×５．７ｍｍであり、厚さはおよそ０．６ミクロンである。この寸法は、特定の照明の要求に応じて変化し得る。例えば、輝度強度がより低い場合、より少数のＬＥＤがより小型の基板上に取り付けられる。
【００４２】
図３−Ａに示すように、輪状のシリコーン３１５をＬＥＤ３００を包囲するように配置することで、井戸型構造が形成される。種々の実施形態において、リン含有材料（phosphorus bearing material）が前記井戸構造内に配置される。動作時において、ＬＥＤ３００は、青みがかった光、紫の光、又は紫外光を提供する。そして、前記リン含有材料が前記ＬＥＤからの光によって励起され、白色光を放射する。
【００４３】
図３−Ａに示すように、複数の接着パッド３２０が基板３１０上に設けられる（例えば２〜４個）。その後、従来の半田層（例えば、９６．５％のスズ及び５．５％の金）を用いて、その上に半田ボール３３０を設けることができる。図３−Ａに示す実施形態において、４個の接着パッド３２０が各角にひとつずつ設けられ、２つが各電力供給接続に用いられる。他の実施形態において、接着パッドが２つだけ用いられる場合もあり、１つが各ＡＣ電力供給接続に用いられる。
【００４４】
図３−Ａには、フレキシブルプリント回路（ＦＰＣ）３４０も図示されている。ＦＰＣ３４０は、ポリイミド及びＤｕＰｏｎｔから入手可能なＫａｐｔｏｎ（登録商標）などのフレキシブル基板材料を含んでいる。図示のように、ＦＰＣ３４０は、基板３１０への電気接続のための接着パッド３５０と、供給電圧への接続のための接着パッド３６０とを有している。開口部３７０により、ＬＥＤ３００から光が得られる。
【００４５】
ＦＰＣ３４０としては、多様な形状及びサイズのものを用いることができる。例えば図３−Ａに示すように、一連の切り込み部３８０を設けることにより、ＦＰＣ３４０の膨張及び収縮の効果を基板３１０より小さくすることができる。ＦＰＣ３４０は三日月形状であってもよく、開口部３７０はスルーホールでなくてもよい。他の実施形態において、用途に応じて、ＦＰＣ３４０を他の形状及びサイズにすることが可能である。
【００４６】
図３−Ｂに示す通り、シリコンの上面への従来のフリップチップ型配置構成において、基板３１０は半田ボール３３０を介してＦＰＣ３４０へと接着されている。前記シリコンの上面に電気接続を設けることにより、前記シリコンの下面全体を用いて、熱を前記ヒートシンクへと伝達することが可能になる。さらに、その結果、前記ＬＥＤが前記ヒートシンクへと直接接着され、これにより、典型的には熱伝導を抑制するＰＣＢ材料とは対照的に、熱伝導が最大化される。その後、アンダーフィル作業を例えばシリコーンを用いて行って、基板３１０とＦＰＣ３４０との間の空間３８０を封止する。図３−Ｂは、前記ＬＥＤサブアセンブリ又はモジュールが組み立てられた様子を示している。
【００４７】
図４−Ａ及び図４−Ｂは、図３−Ａ及び図３−Ｂにおいて上述したＬＥＤモジュールを駆動するためのドライバモジュール又はＬＥＤドライバ回路４００を示す。ドライバ回路４００は、接点４２０と、回路基板４１０に電気的に接続されたフレキシブルプリント回路４３０とを含んでいる。接点４２０は、ＧＵ５．３に適合した従来の電気接点であり、ドライバ回路４００を動作電圧へと接続させている。他の実施形態においては、前記電気接点のための他の型が用いられる。
【００４８】
電気部品４４０は、回路基板４１０上及びＦＰＣ４３０上に設けられてもよい。電気部品４４０は、動作電圧を受信し、この電圧をＬＥＤ駆動電圧へと変換する回路を含んでいる。図４−Ｃは、このステップアップ電圧機能を可能にする回路図である。典型的な駆動回路として、Ｍａｘｉｍ  Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ  Ｐｒｏｄｕｃｔｓ，Ｉｎｃ．から入手可能なＭａｘ１６８１４ＬＥＤ駆動回路が挙げられる。図４−Ａにおいて、出力ＬＥＤ駆動電圧は、ＦＰＣ４３０の接点４５０において提供される。これらの接点４５０は、上記の図３−Ａ及び図３−Ｂに示すＬＥＤモジュールの接着パッド３６０へと接続される。
【００４９】
図４−Ａには、ベースケーシングも描かれている。このベースケーシングは、２つの別個の部材４７０及び４７５を含んでおり、これらは、例えばアルミニウム合金から成形される。図２−Ａ及び図２−Ｂに示すように、前記ベースケーシングは、好適には、ＭＲ−１６形式に適合したヒートシンクと噛み合うように構成されている。
【００５０】
ＬＥＤドライバ回路４００は、部材４７０と部材４７５との間に設けられ、接点４２０及び接点４５０は外部に留まっている。その後、部材４７０及び４７５を、例えば、溶接、接着又は他の方法で、相互に固定する。部材４７０及び４７５は、ＬＥＤ回路４４０に向かって延びた成形突起部を含んでいる。これらの突起部は、一連のピンやフィンなどであってもよく、これらの突起部により、ＬＥＤドライバ回路４００から前記ベースケーシングへと熱を伝導させるための経路が得られる。
【００５１】
上述したランプは、高い動作温度（例えば１２０℃）において動作する。熱は、電気部品４４０によって生成され、前記ＬＥＤモジュールによっても熱が生成される。前記ＬＥＤモジュールは、前記ヒートシンクを介して、前記ベースケーシングへと熱を伝導させる。電気部品４４０上への熱負荷を低減するために、熱伝導性シリコーンゴム（例えば、Ｅｐｏｘｉｅｓ．ｃｏｍ５０−１２２５又はＯｍｅｇａ  Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｉｎｃ．から入手可能なＯｍｅｇａｂｏｎｄ（登録商標））などの埋め込み用化合物をＬＥＤドライバ回路４００及び前記ベースケーシングとの物理的接点において前記ベースケーシングの内部に注入することで、ＬＥＤドライバ回路４００からの熱を、前記ベースケーシングへと外側方向に伝導させるのを支援してもよい。
【００５２】
図５−Ａ及び図５−Ｂは、ＭＲ−１６適合型スポットライトのためのヒートシンク５００の実施形態を示す。ヒートシンク５００及び５１０は、典型的には、低熱抵抗のアルミニウム合金（例えば、熱伝導率ｋ＝１６７Ｗ／ｍｋ及び熱放射率ｅ＝０．７である黒色陽極酸化６０６１−Ｔ６アルミニウム合金）である。熱伝導率ｋ＝２２５Ｗ／ｍｋ及び熱放射率ｅ＝０．９の６０６３−Ｔ６又は１０５０アルミニウム合金などの他の材料も利用可能である。他の実施形態において、ＡＬ１１００などの他の合金を用いてもよい。熱放射率増加のために、コーティングを付加してもよい。例えば、ＺＹＰＣｏａｔｉｎｇｓ，Ｉｎｃ．から提供されているＣｒ２Ｏ３又はＣｅＯ２を用いた塗料を用いた場合、熱放射率ｅ＝０．９が可能となり、Ｍａｔｅｒｉａｌｓ  Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ  Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎから提供されているＤｕｒａｃｏｎ（登録商標）コーティングを用いた場合、熱放射率ｅ＞０．９８が可能となる。
【００５３】
図５−Ａ及び図５−Ｂ中、比較的平坦な部分５２０は、内側コア領域５３０と外側コア領域５４０とを規定している。上述したＬＥＤモジュールは、内側コア５３０の平坦部分５２０へと結合され、外側コア５４０は、前記ライト及びベースモジュールからの放熱を支援する。内側コア領域５３０は、現在利用可能なＬＥＤに基づいたＭＲ−１６ライトの光発生領域よりもずっと小さくすることができる。図５−Ａに示すように、内側コア領域５３０の直径は、外側コア領域５４０の直径の１／３未満であり、典型的には外側コア領域５４０の直径の約３０％である。フィン５７０は熱を逃がす役割を担っており、これにより、前記ＬＥＤドライバ回路の動作温度を低下させることが可能となる。
【００５４】
図５−Ａ中、ヒートシンク５００の上面図は、本発明の一実施形態によるフィン構成を示している。一連の９個の分岐したフィン５７０が図示されている。各熱フィン５７０は、幹部領域（trunk region）及び分岐部（branches）５８０を含んでいる。分岐部５８０はサブ分岐部（sub-branches）５９０を含み、所望であればより多くのサブ分岐部を追加することも可能である。また、前記幹部領域、分岐部５８０及びサブ分岐部５９０の長さの比は、図示されている比から変更することが可能である。前記熱フィンの厚さは、前記ヒートシンクの外側縁部に向かって低減し、例えば、前記幹部領域は分岐部５８０よりも肉厚であり、分岐部５８０はサブ分岐部５９０よりも肉厚である。
【００５５】
さらに、図５−Ａ及び図５−Ｂから分かるように、熱フィン５７０が分岐すると、熱フィン５７０は２：１の比で分岐して「Ｕ」字型形状５９５となる。種々の実施形態において、前記幹部領域から延びる分岐部５８０の数と、分岐部５８０から延びるサブ分岐部５９０の数とは、図示の数（分岐部が２つ）から変更可能である。上述した原理を用いたヒートシンクの放熱性能は、多様な条件に合わせて最適化することが可能である。例えば、異なる数の分岐した熱フィン５７０（例えば、７、８、９、１０）、幹部と分岐部との間の異なる長さ比、分岐部とサブ分岐部との間の異なる長さ比、異なる厚さの幹部、分岐部、サブ分岐部；異なる分岐部形状；及び異なる分岐パターンが利用可能である。
【００５６】
図５−Ｂにおいて、内部チャンネル５５０を含むヒートシンク５００の断面が図示されている。内部チャンネル５５０は、上述したように、ＬＥＤドライバエレクトロニクスを含むベースモジュールを受容するように適合化されている。内部チャンネル５５０のより幅が狭い部分５６０も図示されている。図４−Ａに示すＬＥＤドライバモジュールのＬＥＤ駆動電圧接点を含むより肉薄の部位（例えば接着パッド）が上記幅が狭い部分５６０を通じて挿入され、前記ＬＥＤドライバモジュール上のタブによって所定位置に固定される。
【００５７】
図６−Ａ及び図６−Ｂは、本発明の別の実施形態を示す。より詳細には、図６−Ａ及び図６−Ｂは、ＭＲ−１６適合型投光照明のためのヒートシンク６００の実施形態を示す。図５−Ａ及び図５−Ｂについての上記の説明は、図６−Ａ及び図６−Ｂに示す投光照明の実施形態にも適用可能である。例えば、ヒートシンク６００は、典型的には、平坦領域６２０を有している。平坦領域６２０において、ＬＥＤライトモジュールが熱伝導性接着剤を介して接着される。ＬＥＤライトモジュールの性能はより高くなっているため、前記ＬＥＤライトモジュールはより小型となり且つ所望の輝度を提供する。よって、内側コア領域６３０の直径をより小さくすることができ、外側コア領域６４０も他のＭＲ−１６ＬＥＤライトより小さくすることができる。図５−Ａ及び図５−Ｂについて説明したように、任意の数の放熱フィン６７０をヒートシンク６００に設けることが可能である。放熱フィン６７０は、分岐部６８０及びサブ分岐部６９０を有している。これらの分岐部６８０及びサブ分岐部６９０は全て、図５−Ａ及び図５−Ｂに関連して説明した所望のジオメトリを有している。
【００５８】
図７−Ａ〜図７−Ｃは、製造プロセスのブロック図を示す。図示のプロセスからＬＥＤライトが得られる。まず、ＬＥＤ３００を電気絶縁シリコン基板３１０上に配置し、配線する（工程７００）。図３−Ａに示すように、シリコーンダム３１５をシリコン基板３１０上に配置して井戸を規定する。その後、この井戸中にリン含有材料を充填する（工程７１０）。次に、シリコン基板３１０をフレキシブルプリント回路３４０に接着する（工程７２０）。上述したように、半田ボール及びフリップチップ半田付け（例えば３３０）を、種々の実施形態における半田付けプロセスにおいて用いることが可能である。その後、アンダーフィルプロセスを行ってギャップ３８０を充填してもよい。これにより、ＬＥＤアセンブリ３４０が形成される（工程７３０）。その後、このＬＥＤアセンブリモジュールが適切に動作するかについて、試験を行ってもよい（工程７４０）。
【００５９】
はじめに、複数の接点４２０をプリント回路基板４１０へ半田付け又は接続してもよい（工程７５０）。これらの接点４２０は、およそ１２ＶＡＣの駆動電圧を受信するためのものである。次に、複数の電子回路デバイス４４０（例えばＬＥＤ駆動集積回路）をフレキシブルプリント回路４３０及び回路基板４１０上に半田付けする（工程７６０）。上述したように、現行のＭＲ−１６光電球と異なり、電子回路デバイス４４０は、長時間の高温動作を行うことが可能である。その後、フレキシブルプリント回路４３０及びプリント回路基板４１０をベースケーシングの２つの部材４７０及び４７５内に配置する（工程７７０）。図４−Ａ及び図４−Ｂに示すように、フレキシブルプリント回路４３０の接点４５０は露出している。部材４７０及び４７５を封止する前に、埋め込み用化合物を前記ベースケーシング内に注入する（工程７８０）。その後、部材４７０及び４７５を封止めして、ＬＥＤモジュールを形成する（工程７９０）。その後、このＬＥＤ駆動アセンブリモジュールが適切に動作するかについて、試験を行ってもよい（工程８００）。
【００６０】
図７−Ｃには、ＬＥＤランプアセンブリプロセスが図示されている。まず、試験されたＬＥＤモジュールをヒートシンク（５００、６００）と共に設ける（工程８１０及び工程８２０）。その後、ＬＥＤモジュールを前記ヒートシンクに取り付ける（工程８３０）。
【００６１】
試験されたＬＥＤドライバベースモジュール２９５が設けられる（工程８４０）。次に、このモジュールをヒートシンク（５００、６００）の内部空洞（５５０、５６０）に挿入する（工程８５０）。このＬＥＤドライバモジュールを前記ヒートシンクへと固定するには、前記ＬＥＤドライバモジュール又は前記ヒートシンク上にタブ又はリップを用いて行ってもよい。さらに、接着剤を用いて、前記ヒートシンクと前記ＬＥＤドライバモジュールとを固定してもよい。
【００６２】
上記の作業により、接点３６０と隣り合う位置に、ＬＥＤドライバ（ベース）モジュールの接点４５０が設けられる。その後、半田付け工程により、接点４５０が接点３６０へと接続される（工程８６０）。ホットバー半田付け装置を用いて、接点４５０を接点３６０に半田付けすることもできる。図７−Ｃに示すように、その後レンズモジュールを前記ヒートシンクへと固定する（工程８７０）。その後、前記組み立てられたＬＥＤランプに試験を行って、動作が適切かを決定する（工程８８０）。上述したように、本発明の実施形態により、ＭＲ１６ＬＥＤランプを製造するための単純化された方法が得られる。
【００６３】
本明細書及び図面は、設計及びプロセスを例示するものである。よって、本明細書及び図面において、特許請求の範囲に記載のような本発明のより広い意図及び範囲から逸脱することなく、種々の改変及び変更が可能である。
【図１−Ａ】
2012169274.tif 000003
【図１−Ｂ】
2012169274.tif 000004
【図２−Ａ】
2012169274.tif 000005
【図２−Ｂ】
2012169274.tif 000006
【図３−Ａ】
2012169274.tif 000007
【図３−Ｂ】
2012169274.tif 000008
【図４−Ａ】
2012169274.tif 000009
【図４−Ｂ】
2012169274.tif 000010
【図４−Ｃ】
2012169274.tif 000011
【図５−Ａ】
2012169274.tif 000012
【図５−Ｂ】
2012169274.tif 000013
【図６−Ａ】
2012169274.tif 000014
【図６−Ｂ】
2012169274.tif 000015
【図７−Ａ】
2012169274.tif 000016
【図７−Ｂ】
2012169274.tif 000017
【図７−Ｃ】
2012169274.tif 000018
【外国語明細書】
2012169274000001.pdf