JP6212866B2 - 発光ユニット及び照明器具 - Google Patents

Description

本発明は、放熱性が良好な優れた発光効率の光源を得ることができる発光ユニット及び照明器具に関する。

近年、ＬＥＤを光源とする照明装置で小型かつ大光束が要求されるものには、ＣＯＢ（Ｃｈｉｐ Ｏｎ Ｂｏａｒｄ）が使われた照明装置が知られている。

このＣＯＢは小さい発光部の中に複数のＬＥＤ素子がダイボンディングされ、ＬＥＤ素子と配線パターンが金ワイヤーなどによりワイヤーボンドされ、電気的な接続がなされている。このように小さい発光部に密集してＬＥＤ素子がボンディングされていることから発熱が集中する。

このため、ＬＥＤ素子の発熱を効率良く分散および別の放熱部材に伝熱させる目的から、ＣＯＢに用いられる基板はアルミニウムなどの金属を使用した金属基板であることが多い。また、金属基板よりはコスト的に高くなるが、耐熱性に優れたセラミックスを基板としたＣＯＢも挙げられる。

これらのＣＯＢは小さい取り付け面に取り付けられることを特徴とするため、発光部分以外の基板は極力小さくし、ＣＯＢのモジュールサイズを小さくしたものが一般的である。このため、ＣＯＢの充電部からＣＯＢを取付けた部材（たとえば照明器具本体）までの絶縁のための十分な空間距離、または沿面距離がとれないので、絶縁体を使用してＣＯＢを固定している。（特開2011-181248）

また、ＣＯＢを照明装置本体に直接密着することにより発生した熱を、伝熱により放熱させている。（特開2012-104257）

特開2011-181248号 電球形ランプおよび照明器具 特開2012-104257号 照明ユニットおよび照明装置

ＣＯＢはＬＥＤチップを多数集積し直並列で接続されているため、入力電圧が高い場合が多い。直流で高電圧となるＣＯＢは基板表面などに使用される絶縁材の耐圧だけでなく、充電部から人が触れるおそれのある非充電金属部までの沿面距離および空間距離を十分にとる必要がある。

絶縁距離を確保するためには、ＣＯＢの基板側に十分な距離がとれる大きさの挿入孔を設け、位置決めおよび取り付けを設ける方法があるが、ＣＯＢ基板に挿入孔を設けるための穴の面積分のＣＯＢ自体が大きくなってしまう。このため、アルミニウムなどを基材とした金属基板を使用したＣＯＢは基板端部からの絶縁距離を十分とる目的から、ＣＯＢ基板と照明器具の間に入れる絶縁材の大きさが大きくなり、照明器具の小型化が難しくなる。

また、特殊な形状のＣＯＢおよびＣＯＢを押さえる絶縁体が必要となり、汎用性が失われるなどの課題があった。

この他に、ＣＯＢは多数のチップが集積され実装されていることから、チップ自体の発熱が集中して発光効率が低下してしまう。この発光効率の低下を防ぐため、取付け部材に穴をあけ、器具本体（放熱手段）に直接ＣＯＢを接触させ、熱伝導による放熱をさせる方法がある。

しかしながら、ＣＯＢの基板がアルミニウム基板の場合、基板裏面の金属部と照明器具外郭が電気的に同電位となってしまい、ＣＯＢの充電部とＣＯＢ基板の端部までの距離だけでは絶縁距離が不十分になってしまう課題があった。

本発明に係る発光ユニットは、絶縁プレートと、前記絶縁プレートに設けた貫通穴と、前記貫通穴内に収納した金属プレートと、前記金属プレートを覆うように前記絶縁プレート上に設けた絶縁板と、発光部を有し、前記発光部を前記金属プレート上に配置するように前記絶縁板上に設けたＣＯＢ（Ｃｈｉｐ Ｏｎ Ｂｏａｒｄ）とから構成したものである。

本発明によれば、放熱性が良好な優れた発光効率の光源を得ることができるとともに、取付面積が小さく十分な絶縁距離を確保することできる発光ユニットを提供することができる。

本発明の実施の形態１に係る発光ユニットを示す斜視図である。 図１に示す発光ユニットの分解斜視図である。 図１に示すＣＯＢの斜視図である。 図１に示す発光ユニットの正面図である。 図４に示すＡ−Ａ断面図である。 図５に示すＢ部拡大図である。

実施の形態１．
図１は本発明の実施の形態１に係る発光ユニットを示す斜視図であり、図２は図１の発光ユニットの分解斜視図である。

絶縁プレート１はアクリルやポリカボネートなどの樹脂材料やセラミックなどの電気的な絶縁性材料からなり、概略中央に貫通穴１−１が設けられている。絶縁プレート１としては耐熱性、難燃性、加工性などの点でポリカーボネートが好ましい。

なお、貫通穴１−１の大きさは貫通穴１−１に収納した金属プレート７の放熱性を考慮すると、絶縁板２を介して金属プレート７上に配置されるＣＯＢ３の発光部３−２より大きい方が好ましく、また、絶縁板２を介して金属プレート７上にＣＯＢ３を安定性よく配置することを考慮すると、貫通穴１−１の大きさはＣＯＢ３の大きさより小さい方が好ましい。

この実施の形態では、絶縁プレート１の貫通穴１−１をＣＯＢ３の発光部３−２の形状と同じ円形の貫通穴として構成する場合を例示しているが、その他の四角形や長方形、８角形など他の形状で構成してもよい。

金属プレート７は絶縁プレート１の貫通穴１−１内に収納させるために貫通穴１−１より小さいサイズとし、その厚みは絶縁プレート１以上の厚みで構成する。金属プレート７の厚みを絶縁プレート１の厚みより小さくすると、絶縁プレート１の貫通穴１−１内に金属プレート７を収納した後、金属プレート７を覆うように絶縁板２を絶縁プレート１上に配置したとき、貫通穴１−１において金属プレート７と絶縁板２との間に隙間ができてしまう。

このように隙間ができてしまうと、断熱効果が働いてしまい、放熱性の点で好ましくない。放熱性を考慮すると、隙間ができないように金属プレート７の厚みを絶縁プレート１の厚みと同じか、それより大きくするとよい。特に、金属プレート７の厚みを絶縁プレート１の厚みより大きくすると、ＣＯＢ３の発光部３−２を金属プレート７上に配置するように絶縁板２上にＣＯＢ３を配置したとき、絶縁板２を介して金属プレート７とＣＯＢ３の発光部３−２とを密着性よく取り付けることができる。これにより、ＣＯＢ３の発光部３−２に発生した熱を、絶縁板２を介して効率よく金属プレート７へ放熱させることができる。

金属プレート７の厚みは絶縁プレート１の厚みより大きくすることは密着性の点で好ましいが、どこまで厚くすればよいか以下、具体例を挙げて説明する。ＣＯＢ３の発熱により金属プレート７はあまり膨張せず、樹脂で構成した絶縁プレート１は膨張することが考えられる。このとき、絶縁プレート１が金属プレート７の厚みを超えるような膨張になると、結局、絶縁プレート１の貫通穴１−１に収納した金属プレート７と絶縁板２の間に隙間ができてしまい、ＣＯＢ３の発光部３−２に発生した熱の放熱が悪くなってしまう。

そこで、例えば金属プレート７をアルミニウムで構成し、絶縁プレート１をポリカーボネートで構成した場合は、それぞれの線熱膨張率から温度上昇が90deg、厚みを20mm以下とすると、金属プレート７の厚みは絶縁プレート１の厚みより0.1mm以下の範囲で厚くすることが好ましい。

金属プレート６は放熱性を考慮すると熱伝導性の良いものがよく、アルミニウム、鉄、銅などの金属が挙げられる。このうち、熱伝導性のみを考慮すると銅が好ましいが、銅は腐食し易くコストが高いので、銅より熱伝導性は劣るが比較的熱伝導性が良好で、銅より腐食性、コストの点で良好なアルミニウムが好ましい。金属プレート６としては、電気的な絶縁性能はなくてよい。

絶縁板２は例えばアルミナ系フィラーとポリオレフィン系エラストマーを構成材料とした熱伝導性絶縁板（シート）から構成してもよく、この態様の厚みは例えば０．３mm程度である。絶縁板２は貫通穴１−１に収納した金属プレート７を覆い隠すように絶縁プレート１上に配置され、ＣＯＢ３以上の大きさで構成される。絶縁板２をＣＯＢ３よりも大きく構成することにより、図６に示すように、Ｌ２２のごとくＣＯＢ３端部から絶縁板２の表面から裏面を通って金属プレート７端部まで絶縁距離を稼ぐことができ、絶縁性の点で好ましい。絶縁板２をＣＯＢ３よりも小さく構成すると、Ｌ２２の絶縁距離が極端に小さくなり、ＣＯＢ３裏面から金属プレート７端部までしか絶縁距離を稼ぐことができないので、絶縁性の点で好ましくない。

ＣＯＢ３は絶縁プレート１の貫通穴１−１に収納した金属プレート６の中央に対応するように、発光部３−２の中央が来るように絶縁板２上に配置する。このように、発光部３−２を金属プレート７上に配置するように絶縁板２上にＣＯＢ３を配置して構成することにより、ＣＯＢ３の発光部３−２に発生した熱を絶縁板２を介して効率よく金属プレート７へ放熱させることができる。この金属プレート７へ達した熱は、金属プレート７よりその下に配置された図示しない照明器具のアルミダイキャストなどの放熱部材により放熱される。

また、ＣＯＢ３上には両サイドの端部を覆うようにコネクター４を配置し、ＣＯＢ３の端部をコネクター４と絶縁プレート１で挟み込む。このとき、コネクター４のコネクター固定穴４−１と、絶縁板２の絶縁板固定穴２−１と、絶縁プレート１の絶縁プレート固定穴１−２の３つの穴が連通するように、コネクター４と絶縁板２と絶縁プレート１とが配置される。

そして、固定ネジカバー５を介して固定ネジ６により、コネクター固定穴４−１、絶縁板固定穴２−１、絶縁プレート固定穴１−２の３つの穴を通してネジ止めすることにより、図示していない照明器具本体や照明器具の反射板などのアルミダイキャストなどの放熱部材へ密着するように、コネクター４とＣＯＢ３と絶縁プレート１とが固定される。これにより、絶縁プレート１上にＣＯＢ３、コネクター４が配置された光ユニットを得ることができる。

このように、この実施の形態では、ＣＯＢ３の端部を覆うようにコネクター４を配置し、固定ネジカバー５を介して固定ネジ６で止めする構成としたので、図６に示すように、Ｌ２１のごとく、ＣＯＢ３端部から絶縁板２表面を通って固定ネジカバー５を介して放熱部材にまで絶縁距離を稼ぐことができ、絶縁性能を良好にすることができる。しかも、固定ネジカバー５で持って稼いでいる分、横方向のユニットサイズを小さくできる。

一方、固定ネジカバー５を外してしまうと、Ｌ２１の絶縁距離がＣＯＢ３端部と固定ネジ６の間の距離と短くなってしまい、絶縁性の点で好ましくない。ＣＯＢ３端部と固定ネジ６の間の距離を大きくとれば絶縁性能を向上できるが、横方向のユニットサイズが大きくなってしまい好ましくない。

なお、固定ネジカバー５としてはポリカーボネートやポリプロピレンなどの電気的に絶縁性を持つ材料が挙げられ、このうち耐熱性、難燃性などに優れたポリカーボネートが好ましい。実施の形態では、固定ネジカバー５と固定ネジ６を別々に構成してネジ止めする場合を例示したが、固定ネジ６の棒状部分を覆うように固定ネジカバー５を固定ネジ６に予め一体的に固定して構成したものを用いてもよい。

コネクター４には電線挿入穴４−２が設けられ、電線挿入穴４−２内に挿入された電線（図示せず）から供給された電気がコネクター電極（図示せず）に接続され、さらにＣＯＢ３に設けられたＣＯＢ電極３−１に接触し、発光部３−２内にある各ＬＥＤ素子へ電気的な供給がなされる。

ＣＯＢ３の発光部３−２は図示はしていないが、複数のＬＥＤ素子が直並列に接続され、ＬＥＤ素子が蛍光体を含んだシリコーンなどの透明樹脂にて覆われている。発光部３−２内のＬＥＤ素子は電気的な接続をすることにより発光するとともに発熱する。このため、ＣＯＢ３の発光効率の向上および寿命特性などの信頼性を確保するには、発熱した発光部３−２の熱を放熱することが必要となる。

ＣＯＢ３の発熱部である発光部３−２の基板裏面に伝わった熱は、熱伝導にあまり影響を及ぼさない０．３ｍｍ以下の薄い厚みの絶縁板２を介し、発熱部の中央に密着するように配置された熱伝導性の優れた金属プレート６に伝熱される。金属プレート６に伝熱された熱は、固定ネジ６とコネクター４によりＣＯＢ３の端部が押し付けられて、金属プレート６が照明器具本体などの放熱部材に密着しているため、良好な放熱（伝熱）を実現することができる。

このように、実施の形態ではＣＯＢ３の発光部３−２から発生した熱を効率よく放熱することができるため、発光効率を向上させることができるとともに、寿命特性にも優れた発光ユニットを得ることができる。しかも、横方向のユニットサイズを小さくすることができる。

図３に示すように、絶縁距離Ｌ１１、Ｌ１２はＣＯＢ３の基板が金属基板で構成された場合が最も短くなり、ＣＯＢ電極３−１からＣＯＢ３の基板端部までの最も短い距離（Ｌ１１またはＬ１２の短い方）がＣＯＢ３の絶縁距離となる。

次に、ＣＯＢ３端部から絶縁板２端部を経由して照明器具本体にに向かう絶縁距離Ｌ２１は、ＣＯＢ３裏面に設けられた絶縁板２により絶縁され、絶縁プレート１に設けられた絶縁プレート固定穴１−２と固定ネジカバー５の間を通り照明器具本体に到達する距離となる。

ＣＯＢ３端部から絶縁板２端部を経由して金属プレート７に向かう絶縁距離Ｌ２２は、ＣＯＢ３端部から絶縁板２端部を経由して、絶縁板２の端部から絶縁板２の裏面と絶縁プレート１の表面を通り、金属プレート７に到達する距離となる。このＬ２１とＬ２２のどちらか短い方が、ＣＯＢ３から照明器具本体までの絶縁距離となる。

よって、合計の絶縁距離は、Ｌ１１またはＬ１２のどちらか短い距離に、Ｌ２１またはＬ２２のどちらか短い距離を加算した距離となる。このとき、Ｌ２１の絶縁距離がＬ２２の絶縁距離より短い場合は、絶縁プレート１の厚みを厚くし、この絶縁プレート１の厚みに合わせ、金属プレート７の厚みおよび固定ネジカバー５と固定ネジ６の長さを調節することにより、Ｌ２１の絶縁距離をＬ２２の絶縁距離と同等にすることができる。

また、放熱に影響しない範囲で、金属プレート７の直径および絶縁プレート１の貫通穴１−１の直径を適宜調節することにより、Ｌ２２の絶縁距離を適宜調節することができる。金属プレート７の直径および絶縁プレート１の貫通穴１−１の直径を大きくすれば、Ｌ２２の絶縁距離を小さくでき、また、金属プレート７の直径および絶縁プレート１の貫通穴１−１の直径を小さくすれば、Ｌ２２の絶縁距離を大きくすることができる。

このように、実施の形態では、放熱性が良好な優れた発光効率の光源を得ることができるとともに、取付面積が小さく十分な絶縁距離を確保することできる。

１ 絶縁プレート、１−１ 貫通穴、１−２ 絶縁プレート固定穴、２ 絶縁板、２−１ 絶縁板固定穴、３ ＣＯＢ、３−１ ＣＯＢ電極、３−２発光部、４ コネクター、４−１ コネクター固定穴、４−２電線挿入穴、５ 固定ネジカバー、６ 固定ネジ、７ 金属プレート。

Claims (3)

1. 絶縁プレートと、
   前記絶縁プレートに設けた貫通穴と、
   前記貫通穴内に収納した金属プレートと、
   前記金属プレートを覆うように前記絶縁プレート上に設けた絶縁板と、
   発光部を有し、前記発光部を前記金属プレート上に配置するように前記絶縁板上に設けたＣＯＢ（Ｃｈｉｐ Ｏｎ Ｂｏａｒｄ）と、を備え、
   前記絶縁板は、前記ＣＯＢ端部から、前記絶縁板の端部および、前記絶緑板と前記絶縁プレートの間を経由して前記金属プレートに到達するまでの距離が絶縁距離になるように前記金属プレートおよび前記ＣＯＢよりも大きく形成されていることを特徴とする発光ユニット。
2. 絶縁プレートと、
   前記絶縁プレートに設けた貫通穴と、
   前記貫通穴内に収納した金属プレートと、
   前記金属プレートを覆うように前記絶縁プレート上に設けた絶縁板と、
   発光部を有し、前記発光部を前記金属プレート上に配置するように前記絶縁板上に設けたＣＯＢ（Ｃｈｉｐ Ｏｎ Ｂｏａｒｄ）と、
   前記ＣＯＢ端部を覆うように前記絶縁板上に設けたコネクターと、を備え、
   前記コネクターと前記絶縁板と前記絶縁プレートとを固定ネジ絶縁カバーを介して固定ネジにて固定したことを特徴とする発光ユニット。
3. 請求項１または請求項２のいずれかに記載の発光ユニットを備えたことを特徴とする照明器具。

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