JP5816013B2 - Ｌｅｄランプ - Google Patents

Description

本発明は、ＬＥＤを光源に使用したＬＥＤランプに関する。

近年、環境意識の高まりから、省電力化に優れたＬＥＤ素子を光源に使用したＬＥＤ電球が盛んに用いられるようになってきた。特に最近は、高輝度なＬＥＤ電球が求められるようになってきており、そのために使用されるＬＥＤ素子も出力の大きなものが使用され、供給する電力も大きくなってきている。これに伴ってＬＥＤ素子の発熱と、電源基板に実装される電気部品の発熱が問題になってきており、それぞれの放熱をいかに効率的に行うかが重要な問題になってきた。

そこで種々の発明がなされてきている。例えば特許文献１に記載されている電球形ランプは、一端側の面に発光素子が設けられた基板と、一端に基板の他端側の面が取り付けられ、基板の発光素子から伝達される熱を放熱する複数の放熱フィンが設けられた放熱体と、基板を覆って放熱体の一端に取り付けられたグローブと、放熱体の他端に設けられた口金と、放熱体と口金との間に収容され、発光素子を点灯させる点灯回路と、放熱体の他端側に回転可能に設けられ、少なくとも放熱フィンを通気路の一部として放熱体の内部を通気させるファンと、を具備していることを特徴とするものである。

また特許文献２に記載されている発光素子ランプは、発光素子が実装された基板と、この基板と熱的に結合された放熱部材と、この放熱部材に絶縁性を有するカバー部材を介して接続された口金と、発光素子を点灯制御する点灯回路がカバー部材に縦形配置されて収納され、点灯回路を構成する回路部品のうち、少なくとも２個の発熱部品相互が所定の間隔をもって離間され、当該発熱部品の一方側が前記放熱部材に熱的に結合され、他方側が口金に熱的に結合されるように実装された点灯回路基板とを具備することを特徴とするものである。

特開２０１０−４０２２１ 特開２０１０−１２３５２７

しかしながら、特許文献１に記載されている電球形ランプでは、冷却用のファンを装備しなければならず、構造が複雑になると共にコストの高いものとなる。また電源回路基板の電気部品に関しては、特に放熱の考慮はしておらず、ファンによる冷却も行われていない。そのため高輝度化に伴う消費電力の増加によって、電気部品によっては最大定格温度を上回り、部品寿命が短くなる可能性がある。

また特許文献２に記載されている発光素子ランプでは、複数の発熱部品を離間して配置し、発熱部品の温度上昇を抑えようとしているものの、それぞれの発熱部品と筐体や口金などの放熱部材との間の伝熱性は同じであり（［００２１］電源回路基板を埋没させるように放熱性及び絶縁性を有する充填材であるシリコーン系の樹脂等を充填、［００４２］絶縁性のカバー部材内は、点灯回路基板を含めて覆うように充填材が充填されている）、また複数の発熱部品を、耐熱性の違いで区別して放熱しておらず（［０００９］発熱部品は熱伝達部材を介して放熱部材又は口金に熱的に結合されている。熱伝達部材は、放熱部材、口金の双方に介在している場合、又はどちらか一方に介在している場合を許容する）、発熱部品を離したとしても、発熱温度がより高い部品から、耐熱温度のより低い発熱部品への伝熱によって、耐熱温度のより低い発熱部品の温度が上昇し最大定格温度を上回り、部品の寿命が短くなる恐れがある。

本発明は、以上のような課題を解決するため鋭意検討した結果なされたものであり、長寿命で高輝度のＬＥＤランプを提供するものである。

請求項１に記載の発明にあたっては、ＬＥＤ素子が実装されたＬＥＤ基板と、片面に前記ＬＥＤ基板を載置した放熱板と、両端が開口した一端側に、前記ＬＥＤ基板を外側にして前記放熱板を配置し、他端側に口金を螺合した筐体と、前記筐体内部に収容された電源回路基板と、からなるＬＥＤランプにおいて、前記電源回路基板は、前記口金の回転軸線方向に沿って縦に収納され、前記口金を下にして前記電球形ＬＥＤランプを立てて置いたときに、前記電源回路基板の下側に最大定格温度が低い電気部品が配置され、発熱温度の高い電気部品が、前記最大定格温度の低い電気部品よりも上側に、上下方向において前記２種類の電気部品間に隙間ができるように配置され、前記電源回路基板を埋設するポッティング用放熱樹脂の上端が、前記最大定格温度が低い電気部品の略下端から前記発熱温度の高い電気部品の下端の間に位置し、前記発熱温度の高い電気部品は、前記ポッティング用放熱樹脂で埋設されていないことを特徴とするものである。

請求項２に記載の発明にあたっては、請求項１に記載の筐体が樹脂材料で形成されていることを特徴とするものである。

請求項３に記載の発明にあたっては、請求項２の樹脂材料が電気絶縁性の伝熱材を充填した熱伝導性樹脂であることを特徴とするものである。

請求項１に記載の発明によれば、充填したポッティング用放熱樹脂によって、最大定格温度の低い電気部品のみが筐体や口金と熱接続しているので、最大定格温度の低い電気部品（電源回路基板に配置された電気部品の中で比較的耐熱性の低い電気部品）と、筐体間、又は口金間との伝熱性を、発熱温度の高い電気部品間との伝熱性、及びＬＥＤ基板間との伝熱性よりも高くできるので、前記発熱温度の高い電気部品、及びＬＥＤ基板からの伝熱による前記最大定格温度の低い電気部品の温度上昇を抑制し、更に前記最大定格温度の低い電気部品から筐体への伝熱性を高くすることができ、その相乗効果によって前記最大定格温度の低い電気部品の温度上昇を抑制した長寿命の電球形ＬＥＤランプを提供できる。

請求項２に記載の発明によれば、熱伝導性の小さい樹脂を筐体に使用するので、ＬＥＤ素子で発生した熱が最大定格温度の低い電気部品に伝わりにくくなり、この電気部品の温度上昇が抑制される。なおかつ汎用の樹脂を使用するので、低コストで軽く、高輝度で長寿命の電球形ＬＥＤランプを提供できる。

請求項３の発明によれば、電気絶縁性の熱伝導性樹脂を使用することで、ＬＥＤ素子自体の放熱性を上げつつ、ＬＥＤ素子からの熱が耐熱性に弱い素子へ伝わることは抑制し、ＬＥＤ素子と耐熱性の弱い素子両方の温度上昇を抑えることができる。そこで今後求められる更なる高輝度で長寿命の電球形ＬＥＤランプを提供できる。

本実施形態に係わる電球形ＬＥＤランプ１００の外観図 本実施形態に係わる電球形ＬＥＤランプ１００の断面図 本実施形態に係わる電球形ＬＥＤランプ１００の分解斜視図

以下に本発明の好適な実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお本実施の形態は一例であり、これに限定されるものではない。図１は、本実施形態に係わる電球形ＬＥＤランプの外観図である。図２は本実施形態に係わる電球形ＬＥＤランプ断面図である。図３は本実施形態に係わるＬＥＤランプの分解斜視図である。

（請求項１）
本実施形態に係わるＬＥＤランプ１００は、ＬＥＤ素子１が実装された基板２が放熱部材３に載置されている。なお複数個のＬＥＤ素子が実装されていてもよい。ＬＥＤ素子１としては公知の種々のＬＥＤを用いることができる。本実施形態では、照明用の白色光を発光する高輝度タイプのＬＥＤを用いている。
基板２は、略円形の平板で公知のガラスエポキシ基板、金属基板、セラミックス基板等のプリント基板を用いることができる。本実施形態では、電気絶縁樹脂で被覆された金属基板からなるプリント基板を用いている。
放熱部材３は、熱伝導率の高い材料（例えば、アルミ、銅などの金属材料や酸化金属材料など）で形成されていることが好ましい。更に基板２からの熱伝導を容易にするために、基板２と放熱部材３の接触面にシリコングリース等の放熱グリースを塗布して、空気による隙間を無くすことが好ましい。

筐体１０は、ＬＥＤ１、基板２、放熱部３、電源回路基板４、絶縁キャップ５及び放熱樹脂６を収容する。筐体１０は、両端が開口した筒状に構成され、筐体１０の内部の収容部１１にＬＥＤ１、基板２、放熱部３、電源回路基板４、絶縁キャップ５及びポッティング用放熱樹脂６が配置されるように構成されている。また、筐体１０の一端の縁部に、ＬＥＤ１を覆うように透光性のグローブ７が接合され、他端側の筐体端部１２に口金８が螺合されている。本実施形態においては、ＬＥＤランプ１００が電球形ランプであるため、筐体１０の基板２に平行な方向における断面は、口金８に向かって直径が小さくなる略円形の外形を有している。また収容部１１は、略円柱状に構成されている。

電源回路基板４は、略長方形の平板形状で、コンデンサー４１、ＩＣ４２、トランス４３等の電気部品が実装され、収納部１１に口金８の回転軸線方向に沿って縦に収納されている。また口金８を下にして、グローブ７を上にしてＬＥＤランプを立てて置いたときに、電源回路基板４の下側に最大定格温度が低く耐熱性の弱いコンデンサー４１が実装され、発熱温度の高いＩＣ４２及びトランス４３が、コンデンサー４１よりも上側に実装されている。本実施形態では、コンデンサー４１の上にＩＣ４２が実装され、更にその上にトランス４３が実装されている。また上下方向において、コンデンサー４１の上端とＩＣ４２の下端の間に１０ｍｍの隙間が生じるように実装されている。

ポッティング用放熱樹脂６は、電気不導体で熱伝導性の高いシリカ、アルミナ等の顔料が含有されたもので、加熱前は流動性が有り収納部１１に隙間なく充填され、時間経過によって硬化し流動性が無くなるものを用いる。本実施形態では熱硬化性のシリカ含有シリコーン樹脂を用いたが、これに限定されるものではなく、常温で硬化する樹脂や湿気で硬化する樹脂等の公知の硬化性樹脂を使用することができる。
筐体１０に口金８を螺合し、収納部１１に電源回路基板４を配置し、口金側を下にして筐体１０を立てて置いた後に、筐体１０の他端開口部から、このポッティング用放熱樹脂６の上端（樹脂と空気との界面）が、コンデンサー４１の下端から、ＩＣ４２の下端の間に位置するように注入する。なお放熱樹脂の上端がコンデンサー４１の上端近傍に位置していることが好ましく、特にコンデンサー４１の上端と略一致するように注入するのが好ましい。
また、放熱樹脂６の粘度が低すぎると筐体１０と口金８の螺合部から漏れてくるので、粘度は１Pa・s以上あることが好ましく、隙間への充填性からは２００Pa・s以下であることが好ましい。なお３Pa・ｓから１０Pa・ｓであることが更に好ましい。
放熱樹脂６を注入後、ＬＥＤランプ１００を立てたまま、所望の時間、温度で放置して硬化する。硬化後の放熱樹脂６の空気界面も、コンデンサー４１の下端から、ＩＣ４２の下端の間に位置するように注入する必要がある。

このような構成によって、発熱温度の高いＩＣ４２、トランス４３及びＬＥＤ素子１から放熱された熱が、耐熱性の弱いコンデンサー４１へ流れ込む量が少なくなり、またコンデンサー４１から筐体１０又は口金８に伝熱される熱量が大きくなり、コンデンサー４１の発熱温度の上昇を効果的に抑えることができる。

（請求項２）
筐体１０は、汎用性の樹脂材料で形成されている。それ以外は請求項１と同様な構成からなっている。本実施例では、ポリブチレンテレフタレートを使用したが、これに限定されるものではなく、ポリエチレンテレフタレート、ポリウレタン、ポリカーボネート、ポリフェニレンサルファイド、ポリアミドイミド、ポリイミド、ポリアミド、フェノール樹脂、アクリル樹脂等公知の樹脂材料が使用できる。

本実施形態の筐体１０を樹脂材料で作成することによって、筐体１０の熱伝導率が低く、金属製の筐体に比較すると、ＬＥＤ素子１で発生した熱がコンデンサー４１に伝わることを、更に抑制できる。ＬＥＤ素子で発生する熱は、放熱部材に急速に伝わり、放熱部材と接触している筐体周辺から放熱される。コンデンサー４１で発生する熱は、充填された放熱樹脂に急速に伝わり、放熱樹脂と接触している筐体周辺又は口金から放熱される。このように、それぞれの電気部品からの熱を異なる場所で放熱し、発熱する電気部品相互の熱的影響を更に緩和することができる。

（請求項３）
筐体１０は、放熱樹脂材料で形成されている。それ以外は請求項１と同様な構成からなっている。本実施形態では、シリカが７０重量％、ポリエチレンテレフタレートが３０重量％からなる熱伝導率が５Ｗ／ｍＫの放熱樹脂を使用したが、これに限定されるものではない。放熱性としては、放熱材であるシリカの充填量が多いほど熱伝導率が増加するが、成形性が低下し、また樹脂としても脆いものとなり実用性が乏しくなるので、充填量としては７０重量％前後が好ましい。ベースとなる樹脂は、請求項２で記述したような公知の樹脂を使用できる。また放熱材としては、シリカ以外に、アルミナ、チタニア、ジルコニア等のセラミック粒子や金属粒子を使用することができる。

本実施形態の筐体１０を放熱樹脂材料で作成することによって、ＬＥＤ素子で発生する熱の放熱性を高められ、電源回路基板に実装された電気部品への伝熱は抑制され、更なる高輝度タイプのＬＥＤランプを提供できるようになる。

（実験例）
次に、本実施形態に係わるＬＥＤランプ１００の効果を示す実験例について説明する。

（実施例１）
まず、実施例１として、全光束５００Ｌｍ（昼白色）でＥ１７口金を有するＬＥＤランプ１００を用意した。実験に用いたＬＥＤランプ１００においては、放熱部３及び筐体１０はアルミニウムで形成されている。また電源基板の周りに絶縁部材９を設置し、この絶縁部材９と筐体１０の間に放熱用シリコーングリスを塗布した。本実施形態の通り、口金８側を下にして筐体１０を立てて置き、筐体１０の開口部から、熱伝導率０．７Ｗ／ｍＫのポッティング用のシリカ含有シリコーン放熱樹脂６を、コンデンサー４１の上端まで注入した。そのまま６０℃で３０分間加熱し、硬化させた。硬化後も、コンデンサー４１は放熱樹脂６によって上端まで埋設されており、ＩＣ４２は埋設されていない。

ＬＥＤランプ１００をダウンライト用照明器具に取り付け、３０℃の環境温度で点灯し、各電気部品の温度をＴ型熱電対にて測定した。ＬＥＤ素子１では、カソードの温度を測定した。温度は点灯後１時間以内に安定するので、点灯１時間後のコンデンサーとＬＥＤ素子の温度を表１に記載した。

（実施例２）
放熱樹脂６の上端の位置が、コンデンサー４１の下端と上端の中間にくるように注入した以外は、実施例１と同様にして、ＬＥＤランプ１００を作成し、温度測定を行った。

（実施例３）
放熱樹脂６の上端の位置が、コンデンサー４１の下端から２ｍｍ上の位置まで注入した以外は、実施例１と同様にして、ＬＥＤランプ１００を作成し、温度測定を行った。

（実施例４）
放熱樹脂６の上端の位置が、コンデンサー４１の上端から２ｍｍ上の位置まで注入した以外は、実施例１と同様にして、ＬＥＤランプ１００を作成し、温度測定を行った。

（比較例１）
放熱樹脂６を注入しないで、実施例１と同様にＬＥＤランプ１００を作成し、温度測定を行った。

（比較例２）
放熱樹脂６の上端の位置が、コンデンサー４１の上端から５ｍｍ上までくるように（ＩＣ４２の下端には達しないように）注入した以外は、実施例１と同様にして、ＬＥＤランプ１００を作成し、温度測定を行った。

（比較例３）
放熱樹脂６の上端の位置が、ＩＣ４２の上端までくるように注入した以外は、実施例１と同様にして、ＬＥＤランプ１００を作成し、温度測定を行った。

（実施例５）
全光束６５０Ｌｍ（昼白色）でＥ２６口金を有し、筐体１０がポリブチレンテレフタレート樹脂で形成され、絶縁部材９を配置しないこと以外は、実施例１と同様にしてＬＥＤランプ１００を作成し、温度測定を行った。

（比較例４）
筐体１０の収納部１１に放熱樹脂６を注入しないこと以外は実施例１と同様にしてＬＥＤランプ１００を作成し、温度測定を行った。

（比較例５）
放熱樹脂６の上端がＩＣ４２の上端に位置していること以外は実施例１と同様にしてＬＥＤランプ１００を作成し、温度測定を行った。

（実施例６）
全光束８５０Ｌｍ（昼白色）、筐体１０がシリカ７０重量％、ポリエチレンテレフタレート樹脂３０重量％で形成されたこと以外は、実施例４と同様にしてＬＥＤランプ１００を作成し、温度測定を行った。

（比較例６）
放熱樹脂６を注入しないで、実施例５と同様にしてＬＥＤランプ１００を作成し、温度測定を行った。

（比較例７）
放熱樹脂６の上端がＩＣ４２の上端に位置していること以外は実施例５と同様にしてＬＥＤランプ１００を作成し、温度測定を行った。

（表１）

表１の実施例１から比較例３までの結果から、請求項１の発明の通りに電源回路基板上の電気部品の実装位置と、筐体収納部に注入する放熱樹脂の上端の位置を調整することによって、耐熱性の低いコンデンサーの放熱が効果的に行われ温度上昇が抑制され、長寿命のＬＥＤランプを提供できることがわかる。

表１の実施例５から比較例５までの結果から、請求項２の汎用樹脂の使用においても、請求項１の発明の通りに放熱樹脂６の位置を調整することによって耐熱性の低いコンデンサーの放熱が効果的に行われ温度上昇が抑制され、長寿命のＬＥＤランプを提供できることがわかる。

表１の実施例６から比較例７までの結果から、請求項３の熱伝導性樹脂の使用においても、請求項１の発明の通りに放熱樹脂６の位置を調整することによって耐熱性の低いコンデンサーの放熱とＬＥＤ素子の放熱が効果的に行われ温度上昇が抑制され、高輝度で長寿命のＬＥＤランプを提供できることがわかる。

１：ＬＥＤ素子、２：基板、３：放熱部材、４：電源回路基板、５：絶縁キャップ、
６：放熱樹脂、７：グローブ、８：口金、９：絶縁部材、１０：筐体、１１：収容部、
１２：筐体端部、４１：コンデンサー、４２：ＩＣ、４３：トランス、
１００：ＬＥＤランプ

Claims (3)

1. ＬＥＤ素子が実装されたＬＥＤ基板と、片面に前記ＬＥＤ基板を載置した放熱板と、両端が開口した一端側に、前記ＬＥＤ基板を外側にして前記放熱板を配置し、他端側に口金を螺合した筐体と、前記筐体内部に収容された電源回路基板と、からなるＬＥＤランプにおいて、前記電源回路基板は、前記口金の回転軸線方向に沿って縦に収納され、前記口金を下にして前記電球形ＬＥＤランプを立てて置いたときに、前記電源回路基板の下側に最大定格温度が低い電気部品が配置され、発熱温度の高いＩＣ又はトランスが、前記最大定格温度の低い電気部品よりも上側に、上下方向において前記電気部品と前記ＩＣ又はトランスとの間に隙間ができるように配置され、前記電源回路基板を埋設するポッティング用放熱樹脂の上端（樹脂と空気との界面）が、前記最大定格温度が低い電気部品の略下端から前記発熱温度の高いＩＣ又はトランスの下端の間に位置し、前記発熱温度の高いＩＣ又はトランスは、前記ポッティング用放熱樹脂で埋設されていないことを特徴とした電球形ＬＥＤランプ。
2. 筐体が樹脂材料で形成されていることを特徴とした請求項１記載の電球形ＬＥＤランプ。
3. 樹脂材料が電気絶縁性の伝熱材を充填した熱伝導性樹脂であることを特徴とした請求項２記載の電球形ＬＥＤランプ。

Images