JP5940546B2 - Ｌｅｄパッケージマウント - Google Patents

Description

本国際特許出願は、同時に係属し、本願の権利者が所有する、２０１０年１０月８日出願の非仮出願、米国特許出願第１２／９０１，０３４号の優先権を主張し、同出願の開示全体が参照によりここに組み込まれる。

本発明は、発光ダイオード（ＬＥＤ）に関し、より具体的には、改良されたＬＥＤパッケージ取付装置および方法に関する。

ＬＥＤ照明構造体は典型的には、光をレンズに通して投射する１つまたは複数のＬＥＤを含むＬＥＤ回路ボードを備える。ＬＥＤボードは、メタル・コア・プリント回路基板（ＭＣＰＣＢ）などの放熱基板に取り付けられる。ＬＥＤボード、レンズおよび基板は、ヒートシンクに固定されるＬＥＤパッケージを構成し、このヒートシンクは、周囲環境に放熱するためのフィンまたは他の構造物を含むことがある。ＬＥＤパッケージからの放熱は、ＬＥＤの良好な性能を長期にわたり維持するために必要である。典型的な構成では、ＬＥＤパッケージは、複数のネジ、別個の金属クリップ、バネ、リベット、および／または熱伝導性接着剤を使用してヒートシンクに取り付けられる。

ヒートシンクにＬＥＤパッケージを取り付けるためにネジを使用すると、ＬＥＤパッケージのぐらつき、ＬＥＤボードにかかるトルクのネジによる不均一、ネジのゆるみ、並びにＬＥＤパッケージ、ネジおよびヒートシンクの間での非効率な熱伝達特性に起因して、ＬＥＤからヒートシンクへの熱伝達に悪影響が及ぶ可能性があることが、一部の適用例では分かっている。さらに、取付け機構として別個のネジおよび外部ハードウェアを使用することにより、ＬＥＤ製品の製造時間およびコストが、特に大量生産において増加する。ネジを使用することに関連する問題をなくすために、前もって製造された保持アーム付きのヒートシンクが提供される。ＬＥＤパッケージは、保持アームとヒートシンク本体の間にＬＥＤパッケージが捕捉されるようにヒートシンクの中に配置される。保持アームは、ヒートシンクとＬＥＤパッケージとの間の接触を維持するために絶え間ない締付力を長期にわたり提供し、それによってＬＥＤパッケージとヒートシンクの間の良好な熱伝達が確保される。

ＬＥＤパッケージ取付装置は、１つの面と、アームと面との間の空間を画定するようにこの面から間隔をあけて配置されたアームとを含むヒートシンクを備える。ＬＥＤパッケージは基部を備え、この基部はアームと面との間の空間に配置される。この空間および基部は、アームが、基部を面に突き当てて留める力を基部に加えるように寸法が決められ、構成される。

この装置は複数のアームをさらに含むことがあり、これら複数のアームのそれぞれは、複数のアームのそれぞれと面との間の空間が画定されるように、面の上に配置される。複数のアームは、面のまわりに等しく間隔をあけて配置され、また、複数の向かい合う対として配置されることができる。アームは、片持ち梁のように延び得る。アームは、基部を面に押し付けるカム面と、基部と機械的に係合する突起とを備え得る。取付肩は、基部から延びる突起を備え得る。基部は、そのそれぞれが複数のアームのそれぞれよりも幅が広い複数の凹部によって互いに間隔をあけて配置された複数の取付肩を備えることがある。面に対するＬＥＤパッケージの位置を決めるために、タブがＬＥＤパッケージと係合し得る。この面は、面に対して基部を位置決めする、基部上の第２の噛合い係合部材と係合する第１の係合部材を備えることがある。基部は、係合部材を中心にして面に対して回転可能であり得る。

ヒートシンク上にＬＥＤパッケージを組み立てる方法は、１つの面と、この面から間隔をあけて配置されたアームとを、アームと面との間の空間を画定するように備えるヒートシンクを供給するステップと、基部を有するＬＥＤパッケージを供給するステップと、面上にＬＥＤパッケージを設置するステップと、基部がアームと面との間の空間に押し込まれるようにＬＥＤパッケージを面に対して移動するステップとを含み得る。この方法は、ヒートシンク上の複数のアーム、および基部上の複数の取付肩を含むことがあり、面上にＬＥＤパッケージを設置するステップは、取付肩をアームと揃えるステップを含む。この方法は、取付肩がアームの下に位置するようにＬＥＤパッケージを回転するステップを含むことがある。ＬＥＤパッケージを面に対して回転するステップは、留め具と係合してＬＥＤパッケージの回転を制限するステップをさらに含むことがある。

本発明のヒートシンクの一実施例の斜視図である。 図１のヒートシンクの詳細な斜視図である。 図１のヒートシンクとともに使用可能なＬＥＤパッケージの一実施例の斜視図である。 図３のＬＥＤパッケージの底面図である。 ＬＥＤパッケージの別の実施例をその上に取り付けた、本発明のヒートシンクの一実施例の斜視図である。 ヒートシンクに取り付けられたＬＥＤパッケージを示す詳細な斜視図である。 ヒートシンク上の非固定位置にあるＬＥＤパッケージを示す詳細な斜視図である。 ヒートシンク上の固定位置にあるＬＥＤパッケージを示す詳細な斜視断面図である。 照明器具の一実施例におけるヒートシンクおよびＬＥＤパッケージを示す斜視図である。 ＬＥＤパッケージをヒートシンク上に取り付ける方法を示すブロック図である。

図１および図２を参照すると、金属、セラミック、または熱伝導性ポリマーなどの熱伝導性材料で作られた本体１２を含むヒートシンク１０の一実施例が示されている。銅などの他の熱伝導性材料が使用されてもよいが、典型的なヒートシンクはアルミニウムで作ることができる。このヒートシンクは、平板、ダイカスト・フィン付ヒートシンク、または押出し成形フィン付ヒートシンクを含むことができる。ＬＥＤパッケージは、ヒートシンクがＬＥＤパッケージから熱を散逸するようにヒートシンク１０によって支持されることができる。

図３および図４を参照すると、透明なドーム形のレンズ２で覆われた１つまたは複数のＬＥＤ（図示せず）を支持するＬＥＤ回路ボードを備えた、例示的なＬＥＤパッケージが全体として１で示されている。ＬＥＤボードは、アルミニウム層もしくは銅層、またはＭＣＰＣＢ（メタル・コア・プリント回路基板）などの熱伝導性基板に取り付けることができる。ＬＥＤパッケージ１は、ＬＥＤの動作中に光を通して放出するレンズ２と、レンズ２を越えて延びる基部４とによって画定される第１の部分を含む。ここで使われる「基部」という語は、ＬＥＤパッケージから熱を散逸し、後述のように留めることができて、ＬＥＤ回路ボード、熱伝導性基板、および／または他の層の一部分を含み得る、ＬＥＤパッケージ１の任意の部分を意味する。ＬＥＤパッケージを電源に接続するために、パッドまたは他の導電体をＬＥＤパッケージ１上に設けることができる。

一実施例では、基部４に、基部４の一部を形成し、基部４の周囲に間隔をあけて配置される取付肩３０が設けられる。取付肩３０は基部４の一部分であり、後述のように、ＬＥＤパッケージ１をヒートシンク１０上に保持するために、保持アーム２４によって留めることができる。図示のように、取付肩３０は、基部４の中心部分から延びる突起を含み、この突起は取付肩３０の間に凹部３２を作り出す。凹部３２は、後述のように、ＬＥＤパッケージ１がヒートシンクの支持面１４上に位置したときに保持アーム２４を収容する。図示の実施例では、取付肩３０は互いに９０度の間隔をあけて配置され、凹部３２は取付肩３０と交互になっており、やはり互いに９０度だけ間隔をあけて配置される。取付肩３０の端は仮想円Ｃに沿って存在し、凹部３２が円Ｃから後退して取付肩３０の間に空き領域を作っている。

図１、図２、図５、および図６を参照すると、図示の実施例ではヒートシンク１０は面１４がＬＥＤパッケージ１の基部４の底面４ａと直接接触するようにＬＥＤパッケージ１を受け止め支持する支持面１４を備える。図５の実施例のＬＥＤパッケージ１は、基部４に載置された複数のＬＥＤデバイスとともに示されている。基部４は、典型的には、平坦な底面４ａ（図４）を有するので、支持面１４は、支持面１４がＬＥＤパッケージ１の底面４ａと実質的に面４ａ全体にわたって面の間の空隙なしで接触するように、平坦面を備え、ＬＥＤパッケージ１とヒートシンク１０の間の熱伝達を最大化するようになっている。ヒートシンク１０は、支持面１４から離れて延びるにつれて広がる円錐形側壁１６をさらに備える。円錐形側壁１６は、周囲環境への熱伝達を容易にするとともに、ヒートシンク１０の上の良好な空気の流れを可能にし、またその表面積を増やす複数のフィン１９を支持することができる環状フランジ１８で終わっている。ヒートシンク１０の表面積は、ＬＥＤパッケージ１で発生する熱を散逸するのに十分なだけ大きい。例示的なヒートシンクが示され説明されているが、この取付装置および方法は、ＬＥＤパッケージとともに使用するのに適した任意のヒートシンクで使用することができる。

図２および図６を参照すると、ＬＥＤパッケージ１をヒートシンク１０上に保持するために、ＬＥＤパッケージ１を支持面１４に突き当てて留める複数のＬＥＤパッケージ取付部２０が設けられている。各取付部２０は、ヒートシンク１０に固定される本体部２２、および保持アーム２４を備え、保持アーム２４は面１４から間隔をあけて配置され、面１４の上に延びて、支持面１４と保持アーム２４の底面２４ａとの間に空間２５を作っている。図示の実施例では、延びる保持アーム２４を形成する逃げ溝を生成するダイカスト工程の一部として、アクセス孔１４ａが保持アーム２４の下の面１４に形成される。別の製造工程では、アクセス孔１４ａは省かれることがある。さらに、アクセス孔１４が保持アーム２４の下に位置する一方で、保持アーム２４が基部４に面１４に向かって力を加えるとき、基部４が面１４と密係合するように押し付けられるよう、基部４はアクセス孔１４に架かっている。基部４が空間２５に押し込まれたとき、保持アーム２４が基部４を面１４に突き当てて留めてＬＥＤパッケージ１をヒートシンク１０上に保持するのに十分な力を基部４に加えるよう、空間２５は、ＬＥＤパッケージ１の基部４の厚さｔと実質的に同じかまたはそれよりわずかに小さくなるように、寸法が決められる。保持アーム２４は、面１４の上に延びるように、片持ち梁の状態で本体部２２に据え付けられる。ＬＥＤパッケージ１の基部４が保持アーム２４の下に押しやられると、アーム２４はＬＥＤパッケージ１に圧縮締付力をもたらし、基部４の底面４ａをヒートシンク１０の支持面１４と強制的に密係合させる。

図６を参照すると、保持アーム２４の底面２４ａは支持面１４に対して角度αで形成され、面２４ａは、基部４を面１４に突き当てて留めるように、ＬＥＤパッケージの基部４に面１４に向かって力を加えるカム部材として機能する。各面２４ａは、第１の前端部２６および第２の後端部２８を含み、ＬＥＤパッケージ１の基部４は、ヒートシンク１０へのＬＥＤパッケージ１の取付け時に、第１の前端部２６に挿入され、第２の後端部２８に向けて回転させられる。面２０は、第１の前端部２６が第２の後端部２８よりもわずかに大きい距離だけ面１４から間隔をあけるように角度が付けられ、基部４が保持アーム２４の下の固定位置まで動かされるとき、面２４ａは、基部４に増加する力をかけて、基部が面１４に押し付けられ、ＬＥＤパッケージ１がヒートシンク１０上の位置に保持される。第１の端部２６は、基部が保持アーム２４の下に挿入できるよう、基部６の厚さｔよりもわずかに大きい距離だけ面１４から間隔があけられ、第２の端部２８は、保持アーム２４が面１４に向けて圧縮力を基部に加えて基部４を面１４に突き当てて留めるように、基部４の厚さｔよりもわずかに小さい距離だけ面１４から間隔があけられることができる。

面２４ａにはまた、粗面化したまたは窪みを付けた面など、複数の小さな突起２７を設けることもできる。突起２７は、保持アーム２４と基部の間に機械的な固定（ロック）をもたらすように基部４の上面４ｂと機械的に係合して、デバイスの組立て後にＬＥＤパッケージ１が固定位置から動かないようにする。

本体１２に対するＬＥＤパッケージ１の横方向移動を制限するため、止めタブ４０もまた本体１２に設けられて、基部４が保持アーム２４に対して適切に取り付けられることを確かなものにする。止めタブ４０は、ヒートシンク１０へのＬＥＤパッケージ１の取付け時にＬＥＤパッケージ１をヒートシンク本体１２に対して移動するときに、基部４の進路中に突き出ることとなる。ＬＥＤパッケージを固定位置まで移動して、ＬＥＤパッケージが保持アーム２４に対する既知の位置に固定されるようにしたとき、ＬＥＤパッケージ１の一部が止めタブ４０に係合する。止めタブ４０は、図示のように面１４から突き出ることがある。止めタブ４０はまた、本体部２２またはアーム２４から突き出ることもある。止めタブ４０は、ＬＥＤパッケージが支持面１４上に適切に位置したときに、取付肩３０のうちの１つの横縁部３０ａと係合する。図示の実施例は、保持アーム２４の１つに隣接して位置し、取付肩３０のうちの１つの横縁部によって係合する止めタブ４０を示すが、止めタブ４０は、本体１２上のどこか他のところに位置することもでき、また取付肩３０以外のＬＥＤパッケージ１上の構造物が係合することもある。さらに、２つ以上の止めタブを使用することもできる。

図示の実施例では、４つのＬＥＤパッケージ取付部２０が、ＬＥＤパッケージ１の基部４全体にわたって均一な力が加わるように、支持面１４のまわりに９０度の間隔をあけて設けられている。取付部２０は、図示のように向かい合う対として配置することができる。より多くの個数の取付部２０が使用されることもある。さらに、ＬＥＤパッケージ１の基部４の底面４ａが、基部４の変形またはぐらつきなしで、また基部４と面１４の間の空隙なしでヒートシンク１０の支持面１４と密接触して保持されるならば、より少ない個数の取付部２０が使用されることもある。保持アーム２４および本体部２２は、ヒートシンク本体１２と一体的に組み上げて形成することができ、また保持アーム２４、本体部２２、およびヒートシンク本体１２は、押出し成形法または注入成形法などによって一体で作ることができる。

保持アーム２４および本体部２２は、熱が取付部２０を介してＬＥＤパッケージ１からヒートシンク本体１２まで熱伝導されるように、ヒートシンク本体１２と熱伝導接触している。保持アーム２４が基部４の上面４ｂの上に延び、上面４ｂと密接触しているので、熱は、基部４の底面４ａから支持面１４を介してと同様に、基部４の上面４ｂから保持アーム２４および本体部２２を介して、直接、散逸される。基部４の上面４ｂがＬＥＤパッケージの高温側であることが多いので、基部４の上面４ｂから熱を散逸することにより、ＬＥＤパッケージ１からの熱伝達が向上する。保持アーム２４および本体２２の表面積は、基部４の上面４ｂからヒートシンク本体１２への熱伝達を向上させるように最大化することができる。

図７を参照すると、ＬＥＤパッケージ１をヒートシンク１０に取り付けるために、ＬＥＤパッケージ１を、保持アーム２４がＬＥＤパッケージ１の凹部３２に位置し、取付肩３０が取付部２０の間であってアーム２４に隣接する位置となる、支持面１４上の非固定位置に配置することができる。アーム２４がＬＥＤパッケージの配置を妨げることなくＬＥＤパッケージ１を面１４上に配置できるよう、凹部３２はアーム２４を収容するようになっている。基部４の凹部３２および取付肩３０は、保持アーム２４を収容するように構成され、凹部３２および取付肩３０の個数および相対位置が取付部２０の個数および相対位置と一致する。取付肩３０は、取付部２０への熱伝達を最大にする表面積を取付肩３０が有するように、寸法を決めることができる。ＬＥＤパッケージ１が図７に示されるように面１４に配置されると、ＬＥＤパッケージ１は面１４に押し付けられ、本体１２に対して矢印Ａの方向に、図６および図８に示される固定位置まで回転させられる。固定位置では、取付肩３０は保持アーム２４の下に押し込まれ、保持アームは対となる取付肩３０と係合して基部４に力を加え、基部を面１４に押し付ける。

ＬＥＤパッケージ１を面１４上に適切に位置付けるために、面１４には、基部４の底面４ａに形成され、中心に位置する噛合い係合要素５２（図４）と係合する、中心に位置する係合要素５０（図２）が設けられることがある。係合要素５０は、基部４の底面４ａに形成された、中心に位置する開口５２（図４）と係合する突起またはピンを含み得る。ピン５０が開口５２と係合することにより、ＬＥＤパッケージ１は、面１４上で保持アーム２４に対して適切に位置づけられる。ピン５０は、ＬＥＤパッケージ１を固定位置まで回転するときの旋回軸としての機能を果たす。空間２５の端部を形成する取付部２０の垂直壁２９は、ＬＥＤパッケージ１を固定位置まで回転するときに、取付肩３０がアーム２４の下で回転できるように、図７に示されるように湾曲している。

ネジなしの取付装置により、ネジなどの別個の固定具を使用することがなくなり、製造のコストおよび時間が減り、特に大量生産において有益となる。保持アーム２４によりまた、長期にわたり一定した締付力を得ることもできる。ＬＥＤパッケージとヒートシンクとの間の締付力が長期にわたり維持されるので、ＬＥＤパッケージとヒートシンクとの間の良好な熱伝達もまた維持される。保持アーム２４および止めタブ４０もまた、ヒートシンク１０に対するあらゆる方向への動きから、ＬＥＤパッケージ１を確実に保持する。保持アーム２４はまた、より大型のＬＥＤパッケージ、およびＭＣＰＣＢ上に取り付けられる複数のＬＥＤパッケージに対し容易に拡大縮小が可能である。また、保持アーム２４により、ＬＥＤパッケージをヒートシンクに取り付けるのにネジを使用する場合に起こり得る、ＬＥＤパッケージのぐらつき、ＬＥＤパッケージにかかるトルクのネジによる不均一、およびネジのゆるみがなくなる。

図１０を参照すると、ヒートシンク内にＬＥＤパッケージを組み立てるために、支持面と、この支持面から間隔をあけて配置された少なくとも１つの保持アームとを備えるヒートシンクが提供される（ブロック１００１）。基部を備えるＬＥＤパッケージもまた提供される（ブロック１００２）。基部は取付肩を備えることがある。ＬＥＤパッケージは支持面上に、基部が面に接触して位置するように設置される（ブロック１００３）。取付肩は、保持アームに隣接して設置することができる。ＬＥＤパッケージは支持面に押し付けられ、基部／取付肩が保持アームの下に押し込まれるように動かされる（ブロック１００４）。ＬＥＤパッケージは、好ましくは取付肩が保持アームの下に位置するように回転することができる。ヒートシンク内にＬＥＤパッケージを組み立てるために、シングルアクション時計回りトルク付自動押込プランジャ（an automated force plunger with a single actin clock-wise torque）が使用されることがある。プランジャを収容し、ＬＥＤパッケージ１の全体にわたって均一な締付力を与えるために、間隔をあけた複数の凹部５２が基部４の上面４ｂに設けられることがある。組込み時にプランジャは、凹部５２と係合して、基部４を支持面１４に押し付け、回転力をＬＥＤパッケージ１に加える。保持アームは、基部に圧縮力を作用してＬＥＤパッケージの基部を支持面に突き当てて留めるように構成され、および寸法を決められる（ブロック１００５）。支持面に対するＬＥＤパッケージ１の回転は、ＬＥＤパッケージと係合して、ＬＥＤパッケージを保持アームに対する固定位置に固定する止め具によって制限される（ブロック１００６）。

図９を参照すると、組み立てられたヒートシンクとＬＥＤパッケージは、電力をＬＥＤパッケージに供給するための電気コネクタ６０などの導電体と電気的に連絡して、完全な照明ユニットを生成することができる。図示の実施例では、コネクタ６０はネジ式コネクタである。コネクタ６０はソケットにねじ込むことができ、または別の方法で電力源と接続することができる。他のタイプのコネクタもまた使用することができる。市販の照明ユニットを作るために、ヒートシンク１０、ＬＥＤパッケージ１、およびコネクタ６０がさらに筐体内にひとまとめにされ、かつ／またはカバーが設けられることがある。照明ユニットには様々な応用例で様々な用途があり、筐体、コネクタ、カバー、ヒートシンク、およびＬＥＤパッケージは、そのような応用例での用途向けに特別に設計することができる。

本発明の諸実施例が本明細書で開示されているが、特許請求の範囲に示された本発明の趣旨および範囲から逸脱することなく、様々な変更および修正を加えることができる。当業者には、本発明には他の環境における他の応用例があることが理解されよう。多くの実施例が可能である。次に続く特許請求の範囲は、本発明の範囲を、上述の特定の実施例に限定するものでは決してない。

Claims (13)

1. 第１の面と、前記第１の面との間に空間を画定する第２の面であって前記第１の面から間隔をあけて配置された第２の面を有する剛性のあるアームとを含むヒートシンクと、
   基部を有するＬＥＤパッケージであって、前記基部が、前記アームの第２の面と前記第１の面との間の前記空間に配置され、前記アームの第２の面が前記基部を前記第１の面に突き当てて留める力を前記基部に直接に加えるように前記アームが構成されるＬＥＤパッケージと
   を備え、
   前記アームは、前端と後端であって、前記基部が当該前端に挿入され当該後端に向かって回転される前端と後端を有し、
   前記アームの第２の面が、前記基部が前記空間に挿入されるにつれて前記基部を前記第１の面に押し付けるように増加する力を作用するように、前記前端では前記後端でよりも大きい距離で前記第１の面から離隔され、前記第１の面に対して角度をつけられたカム面を備える、発光ダイオード（ＬＥＤ）パッケージ取付装置。
2. それぞれが第２の面を有する複数のアームをさらに含み、前記複数のアームのそれぞれが、前記第１の面の上に配置され、前記複数のアームの第２の面と前記第１の面との間の複数の空間を画定し、前記基部が前記複数の空間内に配置され、前記複数のアームの第２の面が前記基部を前記第１の面に突き当てて留める力を前記基部に直接に加えるように前記複数のアームが構成される、請求項１に記載の装置。
3. 前記複数のアームが前記第１の面のまわりに等しく間隔をあけて配置される、請求項２に記載の装置。
4. 前記複数のアームが向かい合う対として配置される、請求項２に記載の装置。
5. 前記基部が、複数の切欠き部によって互いに間隔をあけて配置された複数の突起を備え、前記複数の切欠き部が前記複数のアームよりも幅が広い、請求項４に記載の装置。
6. 前記アームが、前記基部と機械的に係合する突起を備える、請求項１に記載の装置。
7. 前記アームが片持ち梁のように延びる、請求項１に記載の装置。
8. 前記基部がある厚さを有し、前記アームの第２の面と前記第１の面との間の距離が前記基部の厚さよりも小さい、請求項１に記載の装置。
9. 前記基部が、前記アームの下に延びる肩を備える、請求項１に記載の装置。
10. 前記ヒートシンクが、互いに等しく間隔をあけて配置された４つのアームをさらに備える、請求項１に記載の装置。
11. 前記基部が４つの肩を備え、前記４つの肩のうちの１つが前記４つのアームのそれぞれの下に設置される、請求項１０に記載の装置。
12. 前記第１の面に対する前記ＬＥＤパッケージの横方向位置を決めるように、前記ＬＥＤパッケージと係合するタブをさらに備える、請求項１に記載の装置。
13. 前記基部上の噛合い係合部材と係合する係合部材を前記第１の面上にさらに備える、請求項１に記載の装置。