(57)【要約】【課題】ＬＥＤ素子を冷却液に浸漬して点灯時の放熱効率を高めると共に、冷却液がＬＥＤ素子の発熱による温度上昇に伴って熱膨張を生じても冷却液が充填された密閉空間の内圧を上昇させることのないＬＥＤ発光ユニットを提供することにある。【解決手段】ＬＥＤ光学ユニット１の構成を、キャップ３と口金２を接合し、そのキャップ３とキャップ３に固定保持されたダイヤフラム収容筒５と、ダイヤフラム収容筒５の内部に収容保持されたダイヤフラム１５とにより密閉空間１６を形成し、その密閉空間１６内に冷却液４を充填すると共に冷却液４中に夫々ＬＥＤ１３、１４が実装された金属製基台１１、１２を浸漬させた構成とした。【選択図】図３
2012104747.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
透光性を有し一端開口他端閉塞の筒状キャップと口金が接合され、
前記筒状キャップの開口端部に対して、両端開口の一端開口端部を固定保持すると共に他端開口部が前記筒状キャップ内に位置する筒状の保持体と、
前記保持体の内部に収容保持された容積可変体とにより形成された密閉空間内に、
透明で絶縁性を有する冷却液が充填されると共に該冷却液中にＬＥＤが実装された金属製基台が浸漬されており、
前記ＬＥＤの点灯時の発熱による前記冷却液の温度上昇によって該冷却液の体積が増加したときに、前記保持体内における前記容積可変体の変位により前記密閉空間の容積が増大して前記密閉空間の内圧の上昇を防止するようにしたことを特徴とするＬＥＤ発光ユニット。
【請求項２】
前記容積可変体は、伸縮弾性部材からなり一端を開口とし、他端を閉塞した筒状のダイヤフラム、前記保持体内を摺動自在に嵌装された筒状あるいは柱状のピストン、及び前記保持体内に沿って伸縮自在に嵌装された蛇腹状の伸縮筒のうちのいずれかであることを特徴とする請求項１に記載のＬＥＤ発光ユニット。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ＬＥＤ発光ユニットに関するものであり、詳しくは、発光源のＬＥＤ素子に対して優れた放熱性能を有するＬＥＤ発光ユニットに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、この種のＬＥＤ発光ユニットとしては、例えば、以下のような構成からなるものが開示されている。
【０００３】
それは、図８に示すように、ステム８０上に設けられた銅ブロック８１に半導体レーザチップ８２をダイボンディングし、開口部８３にガラス板８４が取り付けられたキャップ８５とステム８０とで半導体レーザチップ８２及び銅ブロック８１を包み込む空間を形成して、その空間内に空間８６を残すように絶縁性不活性液体８７を充填したものである。
【０００４】
これにより、半導体レーザチップ８２が発生する熱は、銅ブロック８１と半導体レーザチップ８２との接触面から放熱されるだけでなく、半導体レーザチップ８２の表面全体から絶縁性不活性液体８７へ放熱される。
【０００５】
その結果、半導体レーザチップ８２の全体が絶縁性不活性液体８７により効率よく冷却されて半導体レーザチップ８２の温度上昇が抑制され、半導体レーザチップ８２の高出力化及び半導体レーザチップ８２の端面の劣化防止が実現できる、というものである。
【０００６】
この場合、空間８６は、絶縁性不活性液体８７が半導体レーザチップ８２の発熱による温度上昇に伴って熱膨張を生じたときに、パッケージの形状が変形したり破損したりするのを防止する役割を有している。
【０００７】
また、上述の構成に対して図９に示すように、キャップ８５の内側に内筒８８を設け、キャップ８５と内筒８８の間にマイクロカプセル８９を満たすと共に、キャップ８５とステム８０とで形成された空間内を絶縁性不活性液体８７で完全に満たしたものもある。
【０００８】
これにより、図８の構成と同様に、半導体レーザチップ８２が発生する熱は、銅ブロック８１と半導体レーザチップ８２との接触面から放熱されるだけでなく、半導体レーザチップ８２の表面全体から絶縁性不活性液体８７へ放熱される。
【０００９】
その結果、半導体レーザチップ８２の全体が絶縁性不活性液体８７により効率よく冷却されて半導体レーザチップ８２の温度上昇が抑制され、半導体レーザチップ８２の高出力化及び半導体レーザチップ８２の端面の劣化防止が実現できる、というものである。
【００１０】
この場合、マイクロカプセル８９は、例えば、内部に空気や不活性ガスが充填された風船や微小孔を有する発泡性樹脂等からなる、外力に対し収縮性を有する部材で構成され、絶縁性不活性液体８７が半導体レーザチップ８２の発熱による温度上昇に伴って熱膨張を生じたときに、マイクロカプセル８９自体の体積が減少してパッケージの形状が変形したり破損したりするのを防止する役割を有している（例えば、特許文献１参照。）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１１】
【特許文献１】特許第３３５１１０３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
ところで、上記図８の構成からなる半導体発光素子９０は、絶縁性不活性液体８７の熱膨張により空間８６は収縮するものの、その内圧は上昇する。例えば、空間８６と絶縁性不活性液体８７との体積割合を１：９とし、絶縁性不活性液体８７の体積が温度上昇により常温時の１．１倍になった場合、常温時に１気圧であった空間８６内の気圧は１０気圧にまで上昇してしまい、パッケージを破壊するに十分な内圧となってしまう。
【００１３】
一方、上記図９の構成からなる半導体発光素子９１は、絶縁性不活性液体８７の熱膨張によりマイクロカプセル８９は収縮するものの、その内圧は上昇する。したがって、例えば、各マイクロカプセル８９の総内部体積と絶縁性不活性液体８７との体積割合を１：９とし、絶縁性不活性液体８７の体積が温度上昇により常温時の１．１倍になった場合、常温時に１気圧であったマイクロカプセル８９の総内部気圧は１０気圧にまで上昇してしまい、図８の構成からなる半導体発光素子９０と同様に、パッケージを破壊するに十分な内圧となってしまう。
【００１４】
そこで、本発明は上記問題に鑑みて創案なされたもので、その目的とするところは、密閉空間内に充填した透明で絶縁性を有する冷却液に、ＬＥＤ素子及びＬＥＤ素子に熱的に接続された放熱部材を冷却液に浸漬してＬＥＤ素子の放熱効率を高めると共に、冷却液がＬＥＤ素子の発熱による温度上昇に伴って熱膨張を生じたときにも、密閉空間を構成する構成部材に変形が生じたり構成部材を破損したりすることのないＬＥＤ発光ユニットを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
上記課題を解決するために、本発明の請求項１に記載された発明は、透光性を有し一端開口他端閉塞の筒状キャップと口金が接合され、前記筒状キャップの開口端部に対して、両端開口の一端開口端部を固定保持すると共に他端開口部が前記筒状キャップ内に位置する筒状の保持体と、前記保持体の内部に収容保持された容積可変体とにより形成された密閉空間内に、透明で絶縁性を有する冷却液が充填されると共に該冷却液中にＬＥＤが実装された金属製基台が浸漬されており、前記ＬＥＤの点灯時の発熱による前記冷却液の温度上昇によって該冷却液の体積が増加したときに、前記保持体内における前記容積可変体の変位により前記密閉空間の容積が増大して前記密閉空間の内圧の上昇を防止するようにしたことを特徴とするものである
【００１６】
また、本発明の請求項２に記載された発明は、請求項１において、前記容積可変体は、伸縮弾性部材からなり一端を開口とし、他端を閉塞した筒状のダイヤフラム、前記保持体内を摺動自在に嵌装された筒状あるいは柱状のピストン、及び前記保持体内に沿って伸縮自在に嵌装された蛇腹状の伸縮筒のうちのいずれかであることを特徴とするものである。
【発明の効果】
【００１７】
本発明のＬＥＤ光学ユニットは、キャップと口金を接合し、そのキャップとキャップに固定保持された保持体と、保持体の内部に収容保持された容積可変体とにより密閉空間を形成し、その密閉空間内に冷却液を充填すると共に冷却液中にＬＥＤが実装された金属製基台を浸漬させた構成とした。
【００１８】
その結果、ＬＥＤの点灯時の発熱による冷却液の温度上昇によって冷却液の体積が増加しても、保持体内での容積可変体の変位により密閉空間の容積が増大して密閉空間の内圧の上昇を防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明の実施形態に係わるＬＥＤ発光ユニットの側面図である。
【図２】同じく、本発明の実施形態に係わるＬＥＤ発光ユニットの上面図である。
【図３】同じく、本発明の実施形態に係わるＬＥＤ発光ユニットの部分断面図である。
【図４】ＬＥＤ発光ユニットの駆動状態を示す説明図である。
【図５】同じく、ＬＥＤ発光ユニットの駆動状態を示す説明図である。
【図６】他の実施形態に係わるＬＥＤ発光ユニットの部分断面側面図である。
【図７】同じく、他の実施形態に係わるＬＥＤ発光ユニットの部分断面側面図である。
【図８】実施例の説明図である。
【図９】同じく、実施例の説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以下、この発明の好適な実施形態を図１から７を参照しながら、詳細に説明する（同一部分については同じ符号を付す）。尚、以下に述べる実施形態は、本発明の好適な具体例であるから、技術的に好ましい種々の限定が付されているが、本発明の範囲は、以下の説明において特に本発明を限定する旨の記載がない限り、これらの実施形態に限られるものではない。
【００２１】
図１は、本実施形態に係わるＬＥＤ発光ユニットの側面図、図２は上面図、図３（ａ）は部分断面上面図、（ｂ）は部分断面側面図、図４及び図５はＬＥＤ発光ユニットの駆動状態を示す説明図であり、そのうち（ａ）は部分断面上面図、（ｂ）は部分断面側面図である。
【００２２】
ＬＥＤ発光ユニット１は口金２とキャップ３が接合され、キャップ３内には冷却液４が充填されていると共に、その冷却液４中に、キャップ３に対して固定保持された基台１１、１２、同様にキャップ３に対して固定保持されたダイヤフラム収容筒５、及びダイヤフラム収容筒５内に収容されたダイヤフラム１５の夫々が浸漬されている  。
【００２３】
口金２は、ＬＥＤ発光ユニット１を灯具の光源に用いるときの灯具に対する取付部の機能、及び外部電源からの電力を受電する外部接続電極の機能を有している。更に、灯具への取付部として口金２を用いることにより、灯具に対するＬＥＤ発光ユニット１の位置決めを精度よく且つ再現性よく行うことができる。その結果、灯具からの照射光の配光特性（配光分布）を光学設計に基づき高精度で忠実に且つ良好な再現性をもって確保することができる。
【００２４】
キャップ３は、樹脂やガラス等の透明部材からなり、一端を開口とし、他端を半球状に閉塞した円筒状に形成されている。
【００２５】
基台１１、１２はいずれも平板状の金属部材からなり、複数枚（本実施形態においては４枚）の基台１１は、口金２の中心軸Ｘに沿って口金２側からキャップ３側に延びるように全体が柱状に配置されると共に、１枚の基台１２は柱状の上端部（キャップ３側の端部）に前記中心軸Ｘに対して垂直になるように配置されている。
【００２６】
柱状に配置された４枚の基台１１の夫々には、外側面（キャップ３と対向する側の面）に、光出射面を側方（キャップ３側）に向けたＬＥＤ（本実施形態では２つのＬＥＤ）１３が実装され、柱状の上端部に配置された基台１２には、上面（キャップ３と対向する側の面）に、光出射面を上方（キャップ３側）に向けたＬＥＤ（本実施形態では１つのＬＥＤ）１４が実装されている。
【００２７】
４枚の基台１１と１枚の基台１２で囲まれた内部には、口金２の中心軸Ｘに沿って口金２側からキャップ３側に延びるように円筒状のダイヤフラム収容筒５が配置されると共に、ダイヤフラム収容筒５の内部にはゴム等の伸縮弾性部材からなり一端を開口とし、他端を閉塞した円筒状のダイヤフラム１５が配置され、その開口端部１５ａが外側に巻き上げられてキャップ３の開口端部の外周面３ａに沿って被嵌されている。
【００２８】
これにより、キャップ３とダイヤフラム収容筒５とダイヤフラム１５とにより密閉空間１６が形成され、この密閉空間１６内に、キャップ３に対して固定保持された、ＬＥＤ１３が実装された４枚の基台１１及びＬＥＤ１４が実装された１枚の基台１２が位置している。それと同時に、密閉空間１６内には、パラフィン油等の透明で絶縁性を有する冷却液４が充填されており、この冷却液４中に複数の基台１１、１２が浸漬された状態となっている。
【００２９】
そこで、各基台１１に実装されたＬＥＤ１３及び基台１２に実装されたＬＥＤ１４の夫々に搭載された発光源となるＬＥＤ素子（図示せず）に電圧を印加すると、ＬＥＤ素子への通電による発光と同時に発熱を伴う。その場合、ＬＥＤ素子はＬＥＤ素子自体の自己発熱による温度上昇によって発光寿命が短縮すると共に発光効率が低下する。その結果、信頼性が低下すると共に照射光量が低減することになる。
【００３０】
これに対し、上記構成のＬＥＤ発光ユニット１においては、ＬＥＤ素子の発光時の熱はＬＥＤ１３が実装された金属製の基台１１及びＬＥＤ１４が実装された金属製の基台１２に伝導され、基台１１、１２の夫々の表面から該表面に接する冷却液４に効率的に伝達される。そして、受熱した冷却液４は密閉空間１６内の自然対流によりキャップ３に熱伝達され、キャップ３の外面から該表面に接する外気に伝達されて移動し、暖気が大気中に放散される。  それと同時に、キャップ３に移動した熱の一部は金属製の口金２に伝導され、口金２を介してＬＥＤ発光ユニット１が取り付けられた灯具の側に移動する。
【００３１】
その結果、ＬＥＤ素子からの熱が効率よく放熱され、ＬＥＤ素子の発光時の自己発熱による温度上昇が抑制されて温度上昇に起因する発光寿命の短縮及び発光効率の低下が抑制され、高い信頼性及び適切な照射光量を確保することができる。
【００３２】
このように、上記構成のＬＥＤ発光ユニット１はＬＥＤ発光ユニット１自体に優れた放熱手段を有している。そのため、このＬＥＤ発光ユニット１を灯具に光源として組み込んだ場合、灯具側にヒートシンク等の放熱手段を設ける必要がない。そのため、ＬＥＤ発光ユニット１は光源として灯具に組み込むことにより灯具の低コスト化及び軽量化に大いに寄与するものとなる。
【００３３】
ところで、冷却液４はＬＥＤ１３、１４の熱を受熱すると温度上昇によって膨張し、体積が増加する。するとそれに伴って図４に示すように、冷却液４の増加した分の圧力によってダイヤフラム１５が押し潰されて該ダイヤフラム１５の内容積が減少し、その分、キャップ３とダイヤフラム収容筒５とダイヤフラム１５とにより形成された、冷却液４が充填された密閉空間１６の容積が増大する。
【００３４】
そして、更に冷却液４の温度が上昇すると熱膨張が大きくなって図５のようにダイヤフラム１５を大きく押し潰し、冷却液４が充填された密閉空間１６の容積が更に増大する。
【００３５】
このように、冷却液４の温度上昇に伴う熱膨張により冷却液４の体積が増加しても、その分、伸縮弾性部材からなるダイヤフラム１５を押し潰して該ダイヤフラム１５の内容積を減少させることにより冷却液４が充填された密閉空間１６全体の容積が増大され、それにより冷却液４による密閉空間１６の内圧の上昇が防止される。
【００３６】
そしてその後、ＬＥＤ１３、１４が消灯して冷却液４の温度が下がると冷却液４の体積が減少する。すると、押し潰されていたダイヤフラム１５が冷却液圧に対抗する反発力によって徐々に膨らみ、最終的には元の形に戻り密閉空間１６全体の容積を減少させる。その結果、ＬＥＤ１３、１４の点灯時とは反対に、冷却液４による密閉空間１６の内圧の降下が防止される。
【００３７】
つまり、ＬＥＤ１３、１４の点灯時及び消灯時のいずれの場合においても、冷却液４が充填された密閉空間１６の内圧がほぼ大気圧と同圧に保持されることになり、冷却液４が充填された密閉空間１６を構成する構成部材（本実施形態においては、例えばキャップ３）に変形が生じたり構成部材を破損したりすることがなく、信頼性の高いＬＥＤ発光ユニットを実現することができる。
【００３８】
図６（部分断面側面図）及び図７（部分断面側面図）は、ＬＥＤ１３、１４点灯時の冷却液４の熱膨張に対して、冷却液４が充填された密閉空間１６の内圧の上昇を防止する機能を有する上記ダイヤフラム１５に代わって、他の構成によって同様の機能を発揮するようにしたものである。
【００３９】
そのうち、図６のＬＥＤ発光ユニット１は、４枚の基台１１と１枚の基台１２で囲まれた内部に、キャップ３に対して固定保持されて口金２の中心軸Ｘに沿って口金２側からキャップ３側に延びる両端開口を有する円筒状のシリンダ２０と、該シリンダ２０内に摺動自在に嵌装された円筒状あるいは円柱状のピストン２１を備えた構成とするものである。
【００４０】
この場合、冷却液４が充填される密閉空間１６は、キャップ３とシリンダ２０とピストン２１とで形成される。そのため、ＬＥＤ１３、１４の点灯時の発熱を受熱して温度上昇した冷却液４が熱膨張して体積が増加すると、増加した体積分の冷却液４がシリンダ２０の上端開口（キャップ３側の開口）からシリンダ２０内に流れ込んでピストン２１に下方（口金２の方向）に向かう圧力を加え、ピストン２１を口金２側に押圧移動させる。
【００４１】
その結果、冷却液４の温度上昇に伴う熱膨張による冷却液４の体積の増加分は、シリンダ２０内の冷却液４の容積を増大させることにより密閉空間１６全体の容積を増大させ、それにより冷却液４による密閉空間１６の内圧の上昇が防止される。
【００４２】
その後、ＬＥＤ１３、１４が消灯して冷却液４の温度が下がると冷却液４の体積が減少する。すると、それに伴ってシリンダ２０内のピストン２１が上方（キャップ３の方向）に移動し、シリンダ２０内の冷却液４の容積を減少させることにより密閉空間１６全体の容積を減少させ、それによりＬＥＤ１３、１４の点灯時とは反対に、冷却液４による密閉空間１６の内圧の降下が防止される。
【００４３】
つまり、ＬＥＤ１３、１４の点灯時及び消灯時のいずれの場合においても、冷却液４が充填された密閉空間１６の内圧がほぼ大気圧と同圧に保持されることになり、冷却液４が充填された密閉空間１６を構成する構成部材（本実施形態においては、例えばキャップ３）に変形が生じたり構成部材を破損したりすることがなく、信頼性の高いＬＥＤ発光ユニットを実現することができる。
【００４４】
但し、上記構成においては、図示はしていないが、ＬＥＤ１３、１４の消灯で冷却液４の体積が減少したときに、冷却液圧に対抗してピストン２１を上方に押し上げるような、下方から上方に向かう押圧力を常時ピストン２１に加えた状態に保持することが必要である。これには具体的に、バネやゴム等の弾性部材を用いることが考えられる。
【００４５】
一方、図７のＬＥＤ発光ユニット１は、４枚の基台１１と１枚の基台１２で囲まれた内部に、キャップ３に対して固定保持されて口金２の中心軸Ｘに沿って口金２側からキャップ３側に延びる両端開口を有する円筒状のガイド筒３０と、ガイド筒３０内に該ガイド筒に沿って伸縮自在の蛇腹状の伸縮筒３１を備えた構成とするものである。
【００４６】
この場合、冷却液４が充填される密閉空間１６は、キャップ３とガイド筒３０と伸縮筒３１とで形成される。そのため、ＬＥＤ１３、１４の点灯時の発熱を受熱して温度上昇した冷却液４が熱膨張して体積が増加すると、増加した体積分の冷却液４がガイド筒３０の上端開口（キャップ３側の開口）からガイド筒３０内に流れ込んで伸縮筒３１（伸縮筒３１の上部３２）に下方（口金２の方向）に向かう圧力を加え、蛇腹部３３を圧縮して伸縮筒３１の上部３２を口金２側に押圧移動させる。
【００４７】
その後、ＬＥＤ１３、１４が消灯して冷却液４の温度が下がると冷却液４の体積が減少する。すると、圧縮されていた蛇腹部３３が冷却液圧に対抗する反発力によって徐々に伸長し、最終的には元の形に戻り密閉空間１６全体の容積を減少させる。その結果、ＬＥＤ１３、１４の点灯時とは反対に、冷却液４による密閉空間１６の内圧の降下が防止される。
【００４８】
つまり、ＬＥＤ１３、１４の点灯時及び消灯時のいずれの場合においても、冷却液４が充填された密閉空間１６の内圧がほぼ大気圧と同圧に保持されることになり、冷却液４が充填された密閉空間１６を構成する構成部材（本実施形態においては、例えばキャップ３）に変形が生じたり構成部材を破損したりすることがなく、信頼性の高いＬＥＤ発光ユニットを実現することができる。
【符号の説明】
【００４９】
１…  ＬＥＤ発光ユニット
２…  口金
３…  キャップ
３ａ…  外周面
４…  冷却液
５…  ダイヤフラム収容筒
１１…  基台
１２…  基台
１３…  ＬＥＤ
１４…  ＬＥＤ
１５…  ダイヤフラム
１５ａ…  開口端部
１６…  密閉空間
２０…  シリンダ
２１…  ピストン
３０…  ガイド筒
３１…  伸縮筒
３２…  上部
３３…  蛇腹部
【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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【図７】
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【図８】
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【図９】
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