(57)【要約】【課題】  ハロゲンバルブ、ＨＩＤバルブ等との互換性を確保しつつ高出力でも放熱性能を向上させた半導体発光素子バルブ及びこれを用いた照明装置を提供する。【解決手段】  放熱基板２ａ、２ｂの一面の全体はヒートシンク３ａ、３ｂと共にフランジ付平板状ポール４の平坦面４ａ、４ｂに接触する。放熱基板２ａ、２ｂはいわゆる銅インレイ基板であり、ＦＲ−４層２１、銅コア２２及び銅箔２３よりなる。半導体発光素子パッケージ１ａ、１ｂはＬＥＤ素子１１ａ、１２ａ；１１ｂ、１２ｂが銅コア２２に対向するように、実装される。ヒートシンク３ａ、３ｂの内側には、放熱基板２ａ、２ｂを収容するための凹部３１が形成され、半導体発光素子パッケージ１ａ、１ｂを露出するために、凹部３１に開口部３２が形成されている。ヒートシンク３ａ、３ｂの外側には、半円形フィン３３が形成されている。平板状ポール４のフランジ４ｃには外部ヒートシンク６が取付けられる。【選択図】        図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１、第２の半導体発光素子パッケージと、
前記各第１、第２の半導体発光素子パッケージが実装された第１、第２の放熱基板と、
前記各第１、第２の放熱基板の一面の全体が接触した第１、第２の平坦面を有する平板状ポールと
を具備し、
前記各第１、第２の半導体発光素子パッケージは前記第１、第２の放熱基板を介して前記平板状ポールに対向している半導体発光素子バルブ。
【請求項２】
前記各第１、第２の放熱基板は第１、第２の金属インレイ基板を具備し、
前記各第１、第２の半導体発光素子パッケージは前記第１、第２の金属インレイ基板の金属コアに対向して実装された請求項１に記載の半導体発光素子バルブ。
【請求項３】
さらに、前記平板状ポールの前記各第１、第２の平坦面に取付けられた第１、第２のヒートシンクを具備し、
前記各第１、第２の放熱基板は前記第１、第２のヒートシンクの第１、第２の凹部に収容され、
前記各第１、第２の半導体発光素子パッケージは前記第１、第２のヒートシンクの第１、第２の凹部に設けられた第１、第２の開口部で露出した請求項１に記載の半導体発光素子バルブ。
【請求項４】
前記各第１、第２のヒートシンクは、少なくとも前記第１、第２の半導体発光素子パッケージと前記平板状ポールのフランジとの間に設けられ、自然対流に対して平行に設けられた半円形フィンを具備する請求項３に記載の半導体発光素子バルブ。
【請求項５】
前記第１、第２の半導体発光素子パッケージ近傍の前記半円形フィンのサイズを前記平板状ポールのフランジ近傍の前記半円形フィンのサイズより小さくした請求項４に記載の半導体発光素子バルブ。
【請求項６】
さらに、前記平板状ポールのフランジに取付けられた第３のヒートシンクを具備する請求項１に記載の半導体発光素子バルブ。
【請求項７】
前記第３のヒートシンクは自然対流に平行なプレートフィンを有する請求項６に記載の半導体発光素子バルブ。
【請求項８】
前記第３のヒートシンクはピンフィンを有する請求項６に記載の半導体発光素子バルブ。
【請求項９】
前記平板状ポールのフランジは前記第３のヒートシンクの上部に取付けられた請求項６に記載の半導体発光素子バルブ。
【請求項１０】
請求項１〜９のいずれかに記載の半導体発光素子バルブと、
前記半導体発光素子バルブを装着し、該半導体発光素子バルブの出射光を所定方向に投影する投影光学ユニットと
を具備する照明装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は発光ダイオード（LED）素子、レーザダイオード（LD）素子等の半導体発光素子よりなる半導体発光素子バルブ及びこれを用いた照明装置、特に、その放熱構造の改良に関する。
【背景技術】
【０００２】
自動車、二輪車の前照灯、フォグランプ等においては、従来、ハロゲンバルブ及びＨＩＤ（Ｈｉｇｈ  Ｉｎｔｅｎｓｉｔｙ  Ｄｉｓｃｈａｒｇｅ）バルブが多く用いられているが、近年、省エネルギー、長寿命の発光ダイオード（ＬＥＤ）素子を用いたＬＥＤバルブが注目されている。
【０００３】
ＬＥＤ素子においては、所望の明るさを達成するために投入された電力のうち、光出力として用いられなかった電力は熱となり自身を加熱する。従って、ＬＥＤ素子は自身が発する熱により寿命及び性能が低下するという負の特性を有する。また、ＬＥＤ素子との組合せにより発光色を変化させる目的で使用される蛍光体層も熱による負の特性を有する。このため、ＬＥＤバルブにおいては、ＬＥＤ素子及び蛍光体層の温度を適切な温度以下に抑える熱設計としてヒートシンク等の放熱構造を用いてＬＥＤ素子及び蛍光体層の熱を空気中に放散させる。特に、前照灯、フォグランプ等の光束を実現するためには、高出力ＬＥＤ素子を用いるので、放熱構造が大型化する。
【０００４】
他方、ＬＥＤバルブの形状、寸法及び光束分布をハロゲンバルブ、ＨＩＤバルブの形状、寸法及び光束分布と同一にしてハロゲンバルブ、ＨＩＤバルブとの互換性を確保することが汎用性及び製造コストの低減の観点から必要である。
【０００５】
図８は上述の互換性を確保した第１の従来のＬＥＤバルブを示し、（Ａ）は断面図、（Ｂ）は（Ａ）の部分拡大断面図である（参照：特許文献１の図３、図４）。
【０００６】
図８においては、２つのＬＥＤパッケージ１０１ａ、１０１ｂが放熱基板１０２の両主面に実装されている。放熱基板１０２は照明装置内に挿入されるバルブ本体１０４にねじ１０３によって固定されている。放熱基板１０２は、金属製もしくはセラミック製の基材１０２１、基材１０２１を被覆する絶縁層１０２２、絶縁層１０２２上の配線パターン層１０２３、及び保護層１０２４によって構成されている。このとき、両主面上の配線パターン層１０２３は貫通孔１０２３ａを介して共通接続され、さらに、ワイヤ１０５に電気的に共通接続されている。従って、ＬＥＤパッケージ１０１ａ、１０１ｂからの熱は放熱基板１０２を介してバルブ本体１０４へ放熱される。
【０００７】
上述の互換性を確保した第２の従来のＬＥＤバルブは、ＬＥＤパッケージと、ＬＥＤパッケージが先端に設けられ、照明装置内に挿入されるバルブ本体と、バルブ本体に３本の支柱によって支持され、ＬＥＤ素子の発光面に向って円錐状に湾曲したリフレクタと、リフレクタに嵌められたヒートシンクとから構成されている（参照：特許文献２）。
【０００８】
上述の互換性を確保した第３の従来のＬＥＤバルブは、ＬＥＤパッケージと、ＬＥＤパッケージが先端に設けられ、照明装置内に挿入されるバルブ本体と、バルブ本体の柱状部に複数の溝を切削することによって形成されたヒートシンクとから構成されている（参照：特許文献３）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開２０１４−１２０３８８号公報
【特許文献２】特許第４６８９７６２号公報
【特許文献３】特開２００７−４８７２７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
しかしながら、図８に示す上述の従来の第１のＬＥＤバルブにおいては、放熱基板１０２の一部しかバルブ本体１０４に接触しておらず、また、ＬＥＤパッケージ１０１ａ、１０１ｂがバルブ本体１０４に対向していないので、ＬＥＤパッケージ１０１ａ、１０１ｂからバルブ本体１０４までの距離が大きく、しかも、絶縁層１０２２及び保護層１０２４を含む放熱基板１０２自体の熱抵抗も大きい。従って、ＬＥＤパッケージ１０１ａ、１０１ｂからバルブ本体１０４までの熱抵抗が大きくなり、この結果、高出力ＬＥＤ素子の場合の放熱性能が不充分であるという課題がある。
【００１１】
また、上述の従来の第２のＬＥＤバルブにおいては、バルブ本体とヒートシンクとの接触面積は支柱等で制限されるので実質的に小さく、従って、ヒートシンクの放熱性能が不十分となり、この結果、高出力ＬＥＤ素子の場合の放熱性能が不充分であるという課題がある。
【００１２】
さらに、上述の従来の第３のＬＥＤバルブにおいては、ヒートシンクの溝が前照灯、フォグランプ等の照明装置の場合の自然対流の流れに対して横切るように設けられているので、ヒートシンクの放熱性能が不十分となり、この結果、高出力ＬＥＤ素子の場合の放熱性能が不充分であるという課題がある。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
上述の課題を解決するために、本発明に係る半導体発光素子バルブは、第１、第２の半導体発光素子パッケージと、各第１、第２の半導体発光素子パッケージが実装された第１、第２の放熱基板と、各第１、第２の放熱基板の一面の全体が接触した第１、第２の平坦面を有する平板状ポールとを具備し、各第１、第２の半導体発光素子パッケージは第１、第２の放熱基板を介して平板状ポールに対向しているものである。これにより、第１、第２の半導体発光素子パッケージから平板状ポールまでの距離を実質的に小さくする。また、各第１、第２の放熱基板は第１、第２の金属インレイ基板を具備し、各第１、第２の半導体発光素子パッケージは第１、第２の金属インレイ基板の金属コアに対向して実装されている。これにより、放熱基板自体の熱抵抗を小さくする。
【００１４】
さらに、平板状ポールの各第１、第２の平坦面に取付けられた第１、第２のヒートシンクを具備し、各第１、第２の放熱基板は第１、第２のヒートシンクの第１、第２の凹部に収容され、各第１、第２の半導体発光素子パッケージは第１、第２のヒートシンクの第１、第２の凹部に設けられた第１、第２の開口部で露出したものである。これにより、第１、第２のヒートシンクと平板状ポールとの接触面積は大きくなり、第１、第２のヒートシンクの放熱性能が向上する。
【００１５】
さらにまた、各第１、第２のヒートシンクは、少なくとも第１、第２の半導体発光素子パッケージと平板状ポールのフランジとの間に設けられ、自然対流に対して平行に設けられた半円形フィンを具備する。これにより、第１、第２のヒートシンクの自然対流に対する放熱性能が向上する。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、半導体発光素子パッケージから平板状ポールまでの距離が実質的に小さくなるので、半導体発光素子パッケージからバルブ本体としての平板状ポールまでの熱抵抗を小さくでき、従って、放熱性能を向上できる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明に係る半導体発光素子バルブの第１の実施の形態を示す斜視図である。
【図２】図１の半導体発光素子バルブの部分分解図である。
【図３】図１の半導体発光素子バルブの平板状ポール近傍の詳細な断面図である。
【図４】本発明に係る半導体発光素子バルブの第２の実施の形態を示す斜視図である。
【図５】図１のプレートフィン及び図４のピンフィンの効果を説明する図である。
【図６】図１のヒートシンクに対する平板状ポールの取付位置と半導体発光素子の温度との関係を示す表である。
【図７】図１の半導体発光素子バルブを装着したリフレクタ型照明装置を示す斜視図である。
【図８】第１の従来のＬＥＤバルブを示し、（Ａ）は断面図、（Ｂ）は（Ａ）の部分拡大断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
図１は本発明に係る半導体発光素子バルブの第１の実施の形態を示す斜視図、図２は図１の半導体発光素子バルブの部分分解図、図３は図１の半導体発光素子バルブの平板状ポール近傍の詳細な断面図である。
【００１９】
図１、図２、図３において、各半導体発光素子パッケージ１ａ、１ｂが放熱基板２ａ、２ｂに実装される。放熱基板２ａ、２ｂの一面の全体はヒートシンク３ａ、３ｂと共にバルブ本体としてのフランジ付平板状ポール４の平坦面４ａ、４ｂに接触し、放熱基板２ａ、２ｂはねじ５ａ、５ｂによって固定される。尚、この平板状ポール４の厚さは均一である。従って、半導体発光素子パッケージ１ａ、１ｂから放熱基板２ａ、２ｂを介して平板状ポール４までの距離は実質的に小さくなる。また、放熱基板２ａ、２ｂ、ヒートシンク３ａ、３ｂと平板状ポール４との間には、熱抵抗を低減するために、グリス、熱伝導性接着剤等の熱伝導部材（ＴＩＭ）（図示せず）を介在させる。
【００２０】
半導体発光素子パッケージ１ａ、１ｂは白色光源でたとえば２つの青色ＬＥＤ素子１１ａ、１２ａ；１１ｂ、１２ｂ及び青色光の一部を黄色光に波長変換するイットリウム・アルミニウム・ガーネット（ＹＡＧ）酸化物系蛍光体層１３ａ；１３ｂよりなる。尚、ＬＥＤ素子の代りに、レーザダイオード（ＬＤ）素子を用いることもできる。
【００２１】
放熱基板２ａ、２ｂは半導体発光素子パッケージ１ａ、１ｂのプリント配線板の作用を有し、高熱伝導性及び高放熱性を有する銅コアを圧入した両面ガラスエポキシ基板いわゆる銅インレイ基板よりなる。つまり、各放熱基板２ａ、２ｂは、ＦＲ−４層２１、ＦＲ−４層２１を貫通した銅コア２２及び配線層としての銅箔２３よりなる。これにより、放熱基板２ａ、２ｂ自体の熱抵抗は小さくなる。この場合、半導体発光素子パッケージ１ａ、１ｂは、特にＬＥＤ素子１１ａ、１２ａ；１１ｂ、１２ｂが銅コア２２に対向するように、実装される。これにより、半導体発光素子パッケージ１ａ、１ｂから銅コア２２を介して平板状ポール４への距離を実質的に小さくして熱伝導効果を増進する。尚、銅インレイ基板は銅以外の金属を圧入させた金属インレイ基板でもよい。また、放熱基板２ａ、２ｂはセラミック基板でもよく、また、薄くても放熱性能が高く熱伝導率の大きいアルミニウム合金、銅のベースメタルよりなる金属ベース基板でもよい。
【００２２】
このように、放熱基板２ａ、２ｂ自体の熱抵抗の低下と共に、放熱基板２ａ、２ｂの一面の全体を厚さが均等の平板状ポール４の平坦面４ａ、４ｂに接触させることにより半導体発光素子パッケージ１ａ、１ｂから平板状ポール４までの距離が実質的に小さくなるので、半導体発光素子パッケージ１ａ、１ｂから平板状ポール４のフランジ４ｃまでの熱抵抗を小さくでき、この結果、高出力の半導体発光素子パッケージ１ａ、１ｂの場合でも放熱性能を向上させることができる。
【００２３】
ヒートシンク３ａ、３ｂは、平板状ポール４を挟むために、対称な分割形状をなしている。また、ヒートシンク３ａ、３ｂの内側には、放熱基板２ａ、２ｂを収容するための凹部３１が形成され、さらに、半導体発光素子パッケージ１ａ、１ｂを露出するために、凹部３１に開口部３２が形成されている。他方、ヒートシンク３ａ、３ｂの外側には、半円形フィン３３が形成されている。半円形フィン３３は自然対流の流れに沿って平行に設けられており、従って、ヒートシンク３ａ、３ｂの放熱性能を十分発揮できる。尚、半円形フィン３３は照明装置に必要な光束、光度、配光特性を考慮して設計されるが、半円形フィン３３は放熱性能を高める一方、光取出し効果を低下させる。このため、半導体発光素子パッケージ１ａ、１ｂ近傍の半円形フィン３３のサイズをフランジ４ｃ近傍の半円形フィン３３のサイズより小さくすることで光取出し効果を低減することなく放熱性能を高める。ヒートシンク３ａ、３ｂはたとえば高熱伝導性のアルミニウム合金よりなり、表面の放射率を高めるために、黒マルマイト処理、塗装等がヒートシンク３ａ、３ｂの表面に施されている。特に、ヒートシンク３ａ、３ｂの表面処理は可視光領域において光を吸収することになり、従って、配光制御の妨げとならない。
【００２４】
このように、ヒートシンク３ａ、３ｂを厚さが均等の平板状ポール４の平坦面４ａ、４ｂ及びフランジ４ｃに接触させることにより接触面積が大きくなり、高出力の半導体発光素子パッケージ１ａ、１ｂから平板状ポール４を介してヒートシンク３ａ、３ｂへの放熱性能が向上する。
【００２５】
平板状ポール４は、半導体発光素子パッケージ１ａ、１ｂ間の距離を小さくするために、薄くても放熱性能が高い銅等の金属もしくはアルミニウム合金等の合金よりなる。また、平板状ポール４の平坦面４ａ、４ｂは、接触熱抵抗を小さくするために、素地の平滑面もしくは鏡面仕上の平滑面とする。
【００２６】
平板状ポール４のフランジ４ｃには照明装置の外部ヒートシンク６がねじ（図示せず）によって取付けられる。このとき、外部ヒートシンク６が平板状ポール４のフランジ４ｃの面内で回転可能とされている。また、半導体発光素子バルブが前照灯等のハウジングに装着されたときに防水構造とするために、平板状ポール４のフランジ４ｃにＯリング（図示せず）を設ける。尚、外部ヒートシンク６は従来のハロゲンバルブ、ＨＩＤバルブのソケットサイズより大きくなっている。
【００２７】
外部ヒートシンク６には、プレートフィン６１が形成されている。プレートフィン６１は自然対流の流れに沿って平行に設けられており、従って、外部ヒートシンク６の放熱性能を十分発揮できる。外部ヒートシンク６はたとえば高熱伝導性のアルミニウム合金よりなり、表面の放射率を高めるために、黒マルマイト処理、塗装等が外部ヒートシンク６の表面に施されている。このとき、平板状ポール４のフランジ４ｃと外部ヒートシンク６との間には、熱抵抗を低減するために、グリス、熱伝導性接着剤等の熱伝導部材（ＴＩＭ）（図示せず）を介在させる。
【００２８】
図４は本発明に係る半導体発光素子バルブの第２の実施の形態を示す斜視図である。尚、図４においては、フランジ４ｃは図示省略してある。
【００２９】
図４においては、図１〜図３のヒートシンク３ａ、３ｂの代りに、ヒートシンク３ａ’、３ｂ’を設け、図１〜図２の外部ヒートシンク６の代りに、外部ヒートシンク６’を設けてある。
【００３０】
ヒートシンク３ａ’、３ｂ’においては、放熱基板３ａ、３ｂより前方側の半円形フィンを削除することにより放熱性能を少し抑制しつつ光取り出し効率の向上を優先させる。
【００３１】
また、外部ヒートシンク６’においては、図１、図２のプレートフィン６１の代りに、ピンフィン６１’を設けてある。プレートフィン６１の場合は自然対流に対して平行のときに最高の放熱性能を発揮するが、図５の（Ａ）に示すごとく、プレートフィン６１が自然対流に対して斜めになると放熱性能が低下し、さらに自然対流に対して垂直になると放熱性能が約３０％程度低下する。これに対し、ピンフィン６１’の場合には、図５の（Ｂ）に示すごとく、自然対流に対してピンフィン６１’が斜めになっても放熱性能は低下しない。つまり、外部ヒートシンク６’はいかなる回転取付位置でも最高の放熱性能を発揮できる。さらに、ピンフィン６１’の外部ヒートシンク６’はプレートフィン６１の外部ヒートシンク６に比較して約３０％の軽量化も図れる。
【００３２】
図６は図１の外部ヒートシンク６に対するバルブ本体としての平板状ポール４の取付位置と半導体発光素子パッケージ１ａ、１ｂの温度との関係を示す表である。
【００３３】
図６に示すように、平板状ポール４を外部ヒートシンク６の上側位置に取付けた場合が平板状ポール４を外部ヒートシンク６の中心位置もしくは下側位置に取付けた場合に比較して半導体発光素子パッケージ１ａ、１ｂの温度は０．３℃程度低くなることが分かる。これは自然対流による平板状ポール４の熱の流れ場と外部ヒートシンク６の熱の流れ場とが双方の上部で発達し易いからである。つまり、平板状ポール４の上部と外部ヒートシンク６の上部とを近づけて自然対流の効果を高め合うことができ、結果として、放熱性能を向上できる。尚、同様に、図４の外部ヒートシンク６’に対するバルブ本体としての平板状ポール４の取付位置についても、平板状ポール４を外部ヒートシンク６’の上側位置に取付けるのが好ましい。
【００３４】
図７は図１の半導体発光素子バルブを装着したリフレクタ型照明装置を示す斜視図である。
【００３５】
図７において、図１の半導体発光素子バルブを覆うようにリフレクタ７が設けられている。リフレクタ７は半導体発光素子バルブからの出射光を所定方向に投影する投影光学ユニットを構成する。このリフレクタ７は樹脂素材にＡｌ等の反射層を形成した放物面体をなしている。この場合、半導体発光素子パッケージ１ａ、１ｂはリフレクタ７の外側から見えない位置に設けられており、これにより、半導体発光素子パッケージ１ａ、１ｂからの直射光によるグレアを低減する。
【００３６】
尚、図４の半導体発光素子バルブを装着した照明装置においては、半導体発光素子パッケージ１ａ、１ｂがリフレクタの外側から見えるので、グレアが生じ易いものの光取り出し効率を向上できる。
【００３７】
さらに、図１、図４の半導体発光素子バルブは、図７に示すリフレクタ型照明装置以外に、他の照明装置、たとえばプロジェクタ型照明装置、直射投影型照明装置等にも装着できる。
【００３８】
尚、本発明は上述の実施の形態の自明の範囲内のいかなる変更にも適用し得る。
【産業上の利用可能性】
【００３９】
本発明に係る照明装置は、車両用灯具、たとえば前照灯、フォグランプ、昼間走行ランプ（ＤＲＬ）、及びストロボ、その他一般照明装置に利用できる。
【符号の説明】
【００４０】
１ａ、１ｂ：半導体発光素子パッケージ
２ａ、２ｂ：放熱基板
２１：ＦＲ−４層
２２：絶縁層
２３：銅コア
３ａ、３ｂ；３ａ’、３ｂ’：ヒートシンク（第１、第２のヒートシンク）
３１：凹部
３２：開口部
３３：半円形フィン
４：平板状ポール（バルブ本体）
４ａ、４ｂ：平坦面
４ｃ：フランジ
５ａ、５ｂ：ねじ
６、６’：外部ヒートシンク（第３のヒートシンク）
６１：プレートフィン
６１’：ピンフィン
７：リフレクタ
１０１ａ、１０１ｂ：ＬＥＤパッケージ
１０２：放熱基板
１０２１：基材
１０２２：絶縁層
１０２３：配線パターン層
１０２３ａ：貫通孔
１０２４：保護層
１０３：ねじ
１０４：バルブ本体
１０５：ワイヤ
【図３】
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【図８】
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【図１】
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【図２】
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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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