JP3656715B2

JP3656715B2 - 光源装置

Info

Publication number: JP3656715B2
Application number: JP20990299A
Authority: JP
Inventors: 勝杉本; 英二塩浜; 二郎橋爪; 秀吉木村
Original assignee: Matsushita Electric Works Ltd
Current assignee: Panasonic Electric Works Co Ltd
Priority date: 1999-07-23
Filing date: 1999-07-23
Publication date: 2005-06-08
Anticipated expiration: 2019-07-23
Also published as: JP2001036148A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は固体発光素子を用いた照明用の光源装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
通常の発光ダイオード（ＬＥＤ）は、金属製リードフレーム上に実装されており、これをエポキシ樹脂にて埋め込んだ構造になっている。表面実装用のＬＥＤも、セラミックまたはエポキシベースの配線基板に実装し、エポキシや射出成形用の樹脂で覆われている。
【０００３】
一方、放熱を改善したＬＥＤの例として、ＬＥＤを実装するリードフレームを大きくしたり、リード線の本数を増すことにより、外部への熱的な接続効率を高くしたものや、リードフレームの代わりに金属ベースの土台を用いたものなどがある。
【０００４】
また、熱応力の緩和を目指した例として、米国特許第５，５１４，６２７号に開示されているように、ゲル状の透明物質で発光素子を覆い、更にその周囲を硬い樹脂で覆った構造のものがある。
【０００５】
通常のＬＥＤの構造では、発光素子からリード線への熱抵抗が２５０℃／Ｗ程度である。したがって、ＬＥＤに８０ｍＷの負荷をかけると、リード線に対して２０℃程度ジャンクション温度が上昇する。照明装置としてＬＥＤを使用する場合、通常の自然対流では、ランプ近傍の温度は室温より２０℃程度は上昇する。したがって、ジャンクション温度は、６０〜７０℃に達する。この結果、ＬＥＤの発光効率は２０〜３０％低下する。
【０００６】
この状況は、前述のように、ＬＥＤを実装するリードフレームを大きくしたり、リード線の本数を増すことにより、外部への熱的な接続効率を高くしたものや、リードフレームの代わりに金属ベースの土台を用いたものなどでは、若干改善されている。すなわち、熱抵抗が１２５℃／Ｗ程度になっている。
【０００７】
ＬＥＤの放熱の問題点は、このような放熱特性を改良したＬＥＤにおいても、ＬＥＤの底面からのみ放熱しているということである。ＬＥＤは、他のＬＳＩなどの素子と異なり、光を外部に放射する必要性から、全体を不透明物質で覆う訳にはいかない。そのために、底面以外は、熱伝導の良くない透明な樹脂で覆われているのである。
【０００８】
１個のＬＥＤに多くの電流を流して、少ない発光素子数で、大きな光束を得ようとした場合、発光素子から生じた熱を如何に逃がすかが重要な課題となる。ＬＥＤはＰＮジャンクション部の温度が上がると効率が大幅に低下し、寿命も短くなるからである。
【０００９】
さらに、黄緑より長波長の非常に明るいＬＥＤは、ＧａＡｓの基板を用いて作られているが、これが非常に脆弱であり、外部からの応力に弱い。発熱によって、発光素子とその周辺物質の両方が膨張するが、それらの熱膨張率が異なると、固体同士の場合、大きな応力が生じる。これがＬＥＤの点滅によって、繰り返し圧縮・引っ張りのサイクルがあると、発光素子は大きなダメージを被る。
【００１０】
そこで、本発明者らは、発光素子の熱を効率的に外部へ逃がし、発光効率を高めると同時に、熱応力によって発光素子がダメージを受けることを防止できるような光源装置を考案した。
【００１１】
本発明者らの考案した光源装置では、絶縁性かつ不活性で透光性を有する液体に発光素子を浸漬するような構造にする。発光素子を従来のように固体中にモールドしたのでは、発光素子は非常に小さく、表面積が小さいので、熱伝導で熱を逃すには限度があった。しかしながら、流動性のある液体に浸漬すれば、対流によって発光素子から熱を輸送できるので、熱の輸送量が大きくなる。従来は発光素子からリードフレームへのみ熱が輸送されていたが、本発明者らの考案した光源装置では、発光素子から全ての方向へ放熱できるようになる。これによって、発光素子の６面が全て放熱に寄与することになるから、放熱効果は６倍以上に向上する。
【００１２】
さらに、発光素子の周囲に充填されるのが液体であるので、液体を発光モジュールの各部へ流入させたり、あるいは外部へ導出させることによって、液体の熱をモジュールの外へ放熱させることも容易である。
【００１３】
また、発光素子を浸漬するので、用いる液体は絶縁性である必要性があるが、これによって、モジュール筺体と発光素子との間で熱交換を十分に行いながら、しかも、十分な絶縁を保つことが可能となった。
【００１４】
さらに、従来は、発光素子からの光による光化学反応によってモールド樹脂を変質劣化させていたが、このような問題も解決される。確かに、液体も長時間の光の照射で劣化すると思われるが、液体は流動するので、樹脂モールドの場合のように、発光素子のごく近傍で反応が進み、着色が生じ、それが光の吸収を促進して、加速度的に劣化するというようなことが無い。液体の総量が多ければ、劣化は大きな体積中に平均化されてしまい、殆ど問題にならない。
【００１５】
また、発光素子の周囲に充填されるのが液体であるので、僅かな空間が設けられてさえいれば、熱膨張などによって、発光素子に応力を及ぼすことは無く、発光素子の劣化を促進させないのは言うまでもない。さらに、液体では、様々な物質を混合、溶解、分散させることが可能である。これらの作用によって、様々な応用が可能となる。
【００１６】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、このような点に鑑みてなされたものであり、液体中に分散させた波長変換性もしくは光拡散性を有する粉体と液体の比重の違いを利用して、発光色や光の散乱具合を変えることができる光源装置を提供しようとするものである。
【００１７】
【課題を解決するための手段】
請求項１の光源装置は、発光素子が絶縁性かつ不活性で透光性を有する液体に浸漬された光源装置であって、波長変換性もしくは光拡散性を有し、液体よりも比重が十分に大きい粉体を液体中に分散され、粉体が沈殿する部分よりも上方に発光素子が配置され、発光素子の前方にレンズが配置されており、レンズと発光素子の間に液体が満たされていることを特徴とする。
【００１８】
請求項２の光源装置は、請求項１において、装置本体に振動を与える手段を備えることを特徴とする。
【００１９】
請求項３の光源装置は、発光素子が絶縁性かつ不活性で透光性を有する液体に浸漬された光源装置であって、波長変換性もしくは光拡散性を有し、常温では液体の比重と略等しく、高温では液体の比重よりも相対的に重く沈殿傾向になる粉体を液体中に分散され、粉体が沈殿する部分よりも上方に発光素子が配置され、発光素子の前方にレンズが配置されており、レンズと発光素子の間に液体が満たされていることを特徴とする。
【００２０】
【発明の実施の形態】
（前提となる構成）
図９に本発明の前提となる構成を示す。ＬＥＤのような固体発光素子１を金属ベースの配線基板２上に実装し、穴の空いた枠体３を基板２に固着し、液体４を入れた後に、透明な樹脂で成形されたレンズ５を有するレンズ板６を固着する。このとき用いる液体４は、無色な不活性液体であり、フッ素系不活性液体がこれに使用できる。液体の自然対流によって、発光素子１や基板２からの熱輸送が促進され、更に、発光素子１の熱応力による劣化や封入物質の劣化着色も殆ど無くなる。
【００２１】
図１０に本発明に用いる波長変換物質の特性図を示す。図中、Ｂは青色ＬＥＤの発光色、Ｙは波長変換物質としての蛍光体の発光色、Ｃは比較対照のために示す白熱灯の発光色のスペクトラムである。図９の構造において、液体中に波長変換をすることのできる物質を分散させる。例えば、（Ｙａ，Ｇｄ_1-a）₃（Ａｌ_b，Ｇａ_1-b）₅Ｏ₁₂：Ｃ₅ ³⁺のような蛍光体を用いる。発光素子には、青色に発光するものを用いる。上記の蛍光体は、青色の光を吸収して黄色く光るので、両方の光が混合されて、白色光を生じる。蛍光体の分散量を変えると、青色と黄色の比率が変化するので、発光色を変化させることができる。
【００２２】
図１１は本発明による発光色の設計可能範囲を示す色度図である。図中、Ｆは蛍光体の発光色範囲、Ｂは青色ＬＥＤの発光色、Ｔは発光色の色温度を示している。本例では、上述の図１０において、蛍光体の種類と分散量を変化させることにより、破線で示す扇形内部の色を表現することが可能であり、色度図内の広い範囲の色を出すことができる。これによって、装飾性に富んだ照明用光源を得ることが出来る。
【００２３】
また、液体に分散させる物質は、単に、光を散乱するのみでも良い。例えば、シリカの微粒子などが分散されていればよい。ＬＥＤの発光色が単色の場合、この微粒子のサイズによって、前方散乱される割合が変化するから、これによって配光を制御することが可能である。
【００２４】
（実施例１）
図１及び図２に本発明の実施例１を示す。本実施例では、光散乱性の粉体を分散した液体を用いる。図中、液体４中に描かれた黒丸は光散乱性の粉体を示す。ここで、粉体の比重は、液体４の比重よりも十分に大きいものとする。さらにレンズ５を用いて、レンズ５の焦点位置に発光素子１が配置されるようにする。１２は装置本体、１３は電源等である。このような構造のランタンを考える。このランタンは、静かに置いておくと、図１に示すように、光散乱性の粉体が沈殿し、液体４は透明になり、発光素子１からの光はレンズ５によって集光される。一方、振動を与えると、図２に示すように、粉体が液体４中に拡散されるので、発光素子１からの光が散乱され、レンズ５の集光作用が十分に機能せず、散光が得られる。ここで用いる粉体の比重は液体の比重よりも軽いものを用いても同様の効果を得ることができる。
【００２５】
（実施例２）
本実施例では、図１及び図２に示す実施例１において、光散乱性の粉体に代えて、波長変換性を有する粉体を分散した液体を用いる。図中、液体４中に描かれた黒丸は波長変換性を有する粉体を示す。ここで、粉体の比重は、液体の比重よりも十分に大きいものとする。さらにレンズ５を用いて、レンズ５の焦点位置に発光素子１が配置されるようにする。このような構造のランタンを考える。このランタンは、静かに置いておくと、図１に示すように、波長変換性の粉体が沈殿し、液体４は透明になり、発光素子１からの発光色そのものが得られる。一方、振動を与えると、図２に示すように、粉体が液体４中に拡散されるので、発光素子１からの光の一部が波長変換され、元の光と混合した光が得られる。ここで用いる粉体の比重は液体の比重よりも軽いものを用いても同様の効果を得ることができる。
【００２６】
（実施例３）
図３及び図４に本発明の実施例３を示す。本実施例では、上述の実施例１において、粉体と液体の比重が十分に異なり、余分な粉体が収納される部分１４を設けておくことを特徴とする。ここで、粉体の比重は、液体の比重よりも十分に大きいものとする。図３に示すように、装置本体１２を縦置きにすると、余分な粉体が沈殿し、発光素子１からの光は散乱されないので、レンズ５によって集光され、ビーム光が得られる。一方、図４に示すように、装置本体１２を横置きにすると、粉体が発光素子１の周囲に集まり、発光素子１からの光が散乱されるので、レンズ５の集光作用が十分に機能せず、拡散光が得られる。これにより、光源装置を置く方向によって、散光・集光を選択できる。ここで用いる粉体の比重は液体よりも軽いものを用いても同様の効果を得ることができる。
【００２７】
これらの実施例は、例えば、図５及び図６に示すように、コンセント差し込み式、充電式の非常用ランタンなどとして実現する。図１〜図４において、１３は充電回路等を含む電源部であり、図６に示す栓刃１５の収納部を兼ねている。また、振動を与える実施形態の場合には、小型のバイブレータを収納していても良い。
【００２８】
（実施例４）
実施例２において、波長変換性を有する粉体と液体の比重が十分に異なり、余分な粉体が収納される部分を設けておけば、光源を置く方向によって、波長変換作用の有無を選択できるので、光色を選択することができる。粉体の比重が液体の比重よりも重い場合の作用説明図を図３と図４に示すが、ここで用いる粉体の比重は液体よりも軽いものを用いても同様の効果を得ることができる。
【００２９】
（実施例５）
実施例１，２において、比重の異なる複数の物質を液体中に分散させる。例えば、１つの粉体として、波長変換機能を有し、液体よりも比重が大きいものを用いると共に、他の粉体として、光散乱機能を有し、液体よりも比重が小さいものを用いる。発光素子が青色ＬＥＤであり、波長変換機能を有する粉体が図１０で述べた蛍光体である場合、振動中は白色散光となり、振動が止まると、蛍光体の沈殿により青色散光となり、その後、光散乱性の粉体が浮き上がることにより、液体は透明となり、青色集光へと変化する。
【００３０】
（実施例６）
図７及び図８に本発明の実施例６を示す。図７は常温時、図８は高温時の状態を示している。図中、液体４中に描かれた黒丸は波長変換性あるいは光拡散性を有する粉体を示す。液体４の比重は温度によって変化するので、周囲温度の変化、発光素子１の温度変化、積極的に温度を変化させる機構（ヒーターや冷却装置）を用いて、上述の波長変換性の粉体や光拡散性の粉体を液体中に分散させたり、あるいは沈殿させたりして、光色や配光を変化させることができる。
【００３１】
例えば、図１０に示した青色から黄色への波長変換性の蛍光体を液体中に分散させておけば、周囲温度が上がると、液体の温度も上がり、液体の比重が小さくなるので、蛍光体の比重は相対的に大きくなり、沈殿傾向になる。この結果、周囲温度の低いときよりも青っぽい涼しい色の発光が得られる。周囲温度が低いときには、この逆で、黄色い光が多くなり、暖色になる。これによって、周囲温度によって、光色が自動的に変化する照明装置が得られる。
【００３２】
【発明の効果】
本発明によれば、発光素子が絶縁性かつ不活性で透光性を有する液体に浸漬されたことにより、発光素子の冷却効果が高まり、効率、寿命が向上した。また、熱応力による劣化が無くなった。また、従来のような樹脂着色などによる劣化も無くなった。さらに、液体中に波長変換性、光散乱性の物質を分散、混合することによって、多様な機能が付与できるようになった。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例１の静置時の断面図である。
【図２】本発明の実施例１の振動時の断面図である。
【図３】本発明の実施例３の縦置き時の断面図である。
【図４】本発明の実施例３の横置き時の断面図である。
【図５】本発明の実施例３の正面側から見た斜視図である。
【図６】本発明の実施例３の背面側から見た斜視図である。
【図７】本発明の実施例６の常温時の断面図である。
【図８】本発明の実施例６の高温時の断面図である。
【図９】本発明の前提となる構成の断面図である。
【図１０】本発明に用いる波長変換物質の特性図である。
【図１１】本発明による発光色の設計可能範囲を示す色度図である。
【符号の説明】
１発光素子
２基板
３枠体
４液体
５レンズ
６レンズ板

Claims

発光素子が絶縁性かつ不活性で透光性を有する液体に浸漬された光源装置であって、波長変換性もしくは光拡散性を有し、液体よりも比重が十分に大きい粉体を液体中に分散され、粉体が沈殿する部分よりも上方に発光素子が配置され、発光素子の前方にレンズが配置されており、レンズと発光素子の間に液体が満たされていることを特徴とする光源装置。
請求項１において、装置本体に振動を与える手段を備えることを特徴とする光源装置。
発光素子が絶縁性かつ不活性で透光性を有する液体に浸漬された光源装置であって、波長変換性もしくは光拡散性を有し、常温では液体の比重と略等しく、高温では液体の比重よりも相対的に重く沈殿傾向になる粉体を液体中に分散され、粉体が沈殿する部分よりも上方に発光素子が配置され、発光素子の前方にレンズが配置されており、レンズと発光素子の間に液体が満たされていることを特徴とする光源装置。