JP2007265964A

JP2007265964A - 照明装置

Info

Publication number: JP2007265964A
Application number: JP2007005703A
Authority: JP
Inventors: Masahiro Toda; 雅宏戸田; Shinji Nogi; 新治野木
Original assignee: Toshiba Lighting and Technology Corp
Current assignee: Toshiba Lighting and Technology Corp
Priority date: 2006-02-28
Filing date: 2007-01-15
Publication date: 2007-10-11

Abstract

【課題】光源部30からの光を効率よく取り出すことができ、照射面での色むらも低減できる照明装置11を提供する。
【解決手段】青色光および黄色光を放射する複数の光源部30、および複数の光源部30に対向する光取出レンズ18を備える。光取出レンズ18には、各光源部30から放射する青色光および黄色光を入射して平行光とするように、各光源部30の発光面31を包囲する入射面45を設ける。入射面45に対向し、入射した青色光および黄色光を平行光として反射する全反射面46を設ける。青色光および黄色光の平行光を集光して白色光とする白色発光部51を生成する複数のレンズ面50を設ける。光取出レンズ18で各光源部30の照射領域Ａが重なり合うように構成する。光源部30から光を効率よく取り出し、照射面での色むらを低減する。
【選択図】図１

Description

本発明は、発光ダイオードチップを用いた照明装置に関する。

従来、発光ダイオードチップを用いた照明装置は、基板上に凹部を有する反射体が設けられ、この凹部内の中央に発光ダイオードチップが配設されている。

そして、この種の照明装置により、白色光を発光させるには、樹脂に黄色発光蛍光体を含有させた蛍光体層を凹部内に充填し、凹部内の青色光を発光する発光ダイオードチップを蛍光体層によって被覆することにより、発光ダイオードチップが発光する青色光と、この青色光で黄色発光体を励起させることで発光する黄色光とを混色させて白色光を得ている。

また、凹部に対向して１枚のレンズを配設することにより、凹部から放出される光の配光制御が可能となる。

また、レンズとして１枚または２枚のフライアイレンズを用い、このフライアイレンズを複数の発光ダイオードチップに対して所定の間隔をあけて配設することが知られている。このフライアイレンズを用いることにより、照明装置の厚みを薄くしながら、特定の照射範囲を照射することを可能としている（例えば、特許文献１参照。）。
特開２００５−１９０９５４号公報（第３−４頁、図１−３）

ところで、凹部内の中央の発光ダイオードチップから青色光を発光し、凹部内の全域の蛍光体層から黄色光を発光するため、凹部を外方から見た場合、これら青色光の発光源と黄色光の発光源とで大きさに違いがある。

そのため、１枚のレンズにより凹部から放出される光を制御する場合、青色光の発光源と黄色光の発光源との大きさの違いがレンズによって照射面に投影されるため、照射面の中央域では青色光の照度が高い分布となり、周縁域では黄色光が分布し、照射面で色むらが生じる問題がある。

また、レンズとしてフライアイレンズを用いる場合、このフライアイレンズを発光ダイオードチップに対して所定の間隔をあけて配設するため、発光ダイオードチップから光軸方向へ放出された平行光はフライアイレンズに効率よく入射するが、発光ダイオードチップから光軸方向に対して交差する方向へ放出された光はフライアイレンズに入射しなかったり反射してしまうなどして、光を効率よく取り出すことができない問題がある。

また、上述のように発光ダイオードチップおよび蛍光体層を設けた凹部に対して所定の間隔をあけてフライアイレンズを配設したとした場合、発光ダイオードチップから光軸方向へ放出される青色光はフライアイレンズに入射しやすく取出効率がよいが、蛍光体層から放出される黄色光は青色光に比べて平行光の割合が少ないのでフライアイレンズに入射する量が少なく取出効率が低いため、照射面での青色光の光度が高く、黄色光の光度が低くなり、これによって色むらが発生しやすくなる。

本発明は、このような点に鑑みなされたもので、光源部からの光を効率よく取り出すことができ、照射面での色むらの発生も低減できる照明装置を提供することを目的とする。

請求項１記載の照明装置は、中央部に配設された青色光を発光する発光ダイオードチップ、および発光ダイオードチップの青色光の発光面積よりも大きな発光面積を有し青色光により励起されて黄色光を発光する蛍光体層を備え、青色光および黄色光を放射する発光面が形成された複数の光源部と；各光源部の発光面から放射される青色光および黄色光の全ての光が入射して平行光とするように各光源部の発光面を包囲する入射面、入射面に対向して設けられ入射した青色光および黄色光を平行光として反射する全反射面、および平行光を集光させて白色発光部を生成する複数のレンズ面を備え、各光源部の照射領域が重なり合うように構成された光取出レンズと；を具備しているものである。

光源部は、例えば、反射体の凹部内の中央部に発光ダイオードチップが配設され、この凹部内に蛍光体層が充填されて発光ダイオードチップを被覆することにより、蛍光体層の表面で青色光および黄色光を放射する発光面が形成される。複数の光源部は、例えば、マトリクス状あるいは直線状に隣り合うように配列される。

光取出レンズは、入射面で青色光および黄色光を平行光とし、さらに全反射面で青色光および黄色光を平行光とし、複数のレンズ面で青色光および黄色光の平行光を集光することにより、青色光および黄色光との混色によって白色光を発光する白色発光部を生成する。

そして、光源部が発する青色光および黄色光を光取出レンズで光軸方向に平行な平行光とし、複数のレンズ面により平行光を集光させて白色発光部を生成して各光源部の照射領域が重なり合うようにしたことにより、光源部から光を効率よく取り出し、照射面での色むらの発生を低減する。

請求項２記載の照明装置は、請求項１記載の照明装置において、光取出レンズは、隣り合う一方の光源部に設けられた全反射面と他方の光源部に設けられた全反射面との間に接続部が形成され、接続部に対向する部分にレンズ面が形成されているものである。

そして、光取出レンズの隣り合う全反射面の間の接続部に対向する部分に隣り合うレンズ面の間を形成した場合には、接続部の幅が狭く強度低下しやすくなり、接続部の強度を高くするために全反射面部分を低減させて接続部の幅を確保したのでは反射光率が低下するが、光取出レンズの隣り合う全反射面の間の接続部に対向する部分にレンズ面を形成したので、全反射面部分を低減させなくても接続部の幅を確保でき、つまり強度低下および全反射面部分を低減することを抑制しつつ複数のレンズ面を形成可能となる。

請求項１記載の照明装置によれば、光源部が発する青色光および黄色光を光取出レンズで光軸方向に平行な平行光とし、複数のレンズ面により平行光を集光させて白色発光部を生成して各光源部の照射領域が重なり合うようにしたので、光源部から光を効率よく取り出すことができ、照射面での色むらの発生も低減できる。

請求項２記載の照明装置によれば、請求項１記載の照明装置の効果に加えて、光取出レンズの隣り合う一方の光源部に設けられた全反射面と他方の光源部に設けられた全反射面との間の接続部に対向する部分にレンズ面を形成したので、強度低下および全反射面部分を低減することを抑制しつつ複数のレンズ面を形成できる。

以下、本発明の一実施の形態を図面を参照して説明する。

図１乃至図９に第１の実施の形態を示し、図１は照明装置の断面図、図２は照明装置の光取出レンズに入射した青色光および黄色光を入射面および全反射面で平行光とする説明図、図３は照明装置の光取出レンズの各レンズ面から出射する光の説明図、図４は照明装置の光取出レンズのレンズ面側から見た正面図、図５は照明装置の光取出レンズを外した状態の正面図、図６は照明装置の１つの光源部の断面図、図７は照明装置の１つの光源部の蛍光体層を省略した正面図、図８は照明装置の光取出レンズを用いない場合に１つの光源部から光を照射する照射面での青色光と黄色光との強度分布のグラフ、図９は照明装置の光取出レンズを用いた場合に１つの光源部から光を照射する照射面での青色光と黄色光との強度分布のグラフである。

図１ないし図６において、照明装置11は、照明モジュール12を備え、この照明モジュール12が例えば照明器具の器具本体などの図示しない照明装置本体に対して着脱可能に取り付けられる。照明モジュール12には、複数の発光ダイオードチップ13がマトリクス状に配列されている。

発光ダイオードチップ13は、例えばサファイア基板上に発光ピークが４５０〜４６０ｎｍの青色光Ｂを発光する窒化ガリウム（ＧａＮ）系半導体が積層されており、その表面にはワイヤボンディングするための陰極側と陽極側の電極がそれぞれ設けられたいわゆるダブルワイヤタイプが用いられている。このタイプの発光ダイオードチップ13は、光が表面側へ透光するとともに側面側や裏面側にも透過し、つまり全面から青色光Ｂが出る。

そして、照明モジュール12は、放熱性および剛性を有するアルミニウム（Ａｌ）やニッケル（Ｎｉ）、ガラスエポキシ樹脂などの平板状の基板14、この基板14の一面に形成された白色の絶縁層15、この絶縁層15上に形成された回路パターン層16、これら絶縁層15および回路パターン層16上に一体に形成された反射体17、および反射体17上に配設された光取出レンズ18を有している。

回路パターン層16には、各発光ダイオードチップ13の配設位置毎に、陰極側と陽極側の回路パターン（配線パターン）16a，16bが形成されている。回路パターン層16は、例えば、基板14の絶縁層15上にＣｕ層を形成し、回路パターン層16以外のＣｕ層の部分を除去した後、電界メッキによってＣｕ層上にＮｉ層およびＡｇ層を形成して構成されている。

また、反射体17は、例えばＰＢＴ（ポリブチレンテレフタレート）やＰＰＡ（ポリフタルアミド）、ＰＣ（ポリカーボネート）などの樹脂を基板14の一面に流し込んで一体に成形されている。各発光ダイオードチップ13の配設位置毎に、各発光ダイオードチップ13を収容する複数の凹部21が形成されている。各凹部21は、基板14に対して反対側へ向けて漸次拡開する円錐台状に形成されている。

各発光ダイオードチップ13は、凹部21の底面21aの中央部で絶縁層15上に例えば透明なエポキシ樹脂やシリコーン樹脂などの透明接着剤22を用いて固定されている。固定作業では、凹部21の底面21aの中央部で絶縁層15上に透明接着剤22を塗布し、この透明接着剤22に発光ダイオードチップ13を押し付ける。

発光ダイオードチップ13の表面の各電極と各回路パターン16a，16bの端部とは、ワイヤボンディングによるボンディングワイヤ23によって電気的に接続されている。

各凹部21には、発光ダイオードチップ13を被覆する被覆層である蛍光体層27が形成されている。この蛍光体層27は、透光性を有するシリコーン樹脂やエポキシ樹脂などの熱硬化性透明樹脂に発光ダイオードチップ13からの青色光Ｂにて励起して黄色光Ｙを発光する黄色蛍光体を主体とする蛍光体29が配合されたもので、蛍光体29を配合した樹脂を凹部21内に充填し、熱硬化させることにより形成されている。蛍光体29としては、黄色蛍光体が主体であるが、赤色蛍光体なども配合されている。

そして、凹部21、発光ダイオードチップ13、蛍光体層27などで光源部30が形成され、凹部21の開口側に位置する蛍光体層27の表面が青色光Ｂおよび黄色光Ｙを放射する発光面31として構成されている。したがって、基板14上には、複数の光源部30がマトリクス状に配列されている。

また、図１ないし図４に示すように、光取出レンズ18は、各光源部30の発光面31に対向する複数のレンズ部41を有し、これら複数のレンズ部41がマトリクス状に配列されているとともに接続部42を介して一体に形成されている。

各レンズ部41は、光源部30の発光面31から放射される青色光Ｂおよび黄色光Ｙの全ての光が入射して平行光とするように光源部30の発光面31を包囲する入射面45、この入射面45に対向して入射した青色光Ｂおよび黄色光Ｙを光軸方向に平行な平行光として反射する全反射面46、および入射面45に対して反対側に位置して光が出射する出射面47を有している。

入射面45は、凹状で、光源部30に向けて漸次拡開する円錐台状に形成され、光源部30の発光面31の正面側に対向して青色光Ｂおよび黄色光Ｙを光軸方向に平行な平行光に屈折させるレンズ面部48、および光源部30の発光面31の周囲に対向する周面部49が形成されている。

全反射面46は、光源部30に対して反対側へ向けて漸次拡開する二次曲線にて形成され、入射面45の周面部49に対向して入射した青色光Ｂおよび黄色光Ｙを平行光として反射する。

出射面47には、青色光Ｂおよび黄色光Ｙの平行光を集光させる凸レンズ面で構成された複数のレンズ面50がマトリクス状に配列され、いわゆるフライアイレンズが一体に形成されている。そして、複数のレンズ面50により、青色光Ｂおよび黄色光Ｙの平行光を集光させて混色させることにより白色光を発光する白色発光部51を生成している。

接続部42は、隣り合う一方の光源部30に設けられたレンズ部41の全反射面46と他方の光源部30に設けられたレンズ部41の全反射面46との間に形成されている。この接続部42に対向する部分に隣り合うレンズ面50の端部間が位置している。

そして、図１に示すように、光取出レンズ18は、複数のレンズ面50の集光によって、各光源部30から放射された青色光Ｂおよび黄色光Ｙの照射領域Ａが互いに重なり合うように構成されている。なお、図１において、左側の光源部30から順に照射領域をA1、A2、A3と示す。

次に、本実施の形態の作用を説明する。

照明装置11において、陰極側と陽極側の回路パターン16a，16b間に外部から所定の直流電圧を印加すると、各光源部30の発光ダイオードチップ13が青色光Ｂを多方向に発光する。この青色光Ｂは蛍光体層27内に入射し、この蛍光体層27の黄色蛍光体を励起して黄色光Ｙを発光させる。そのため、これら発光ダイオードチップ13からの青色光Ｂと黄色蛍光体からの黄色光Ｙとを各光源部30の発光面31から光取出レンズ18に放射する。

図２に示すように、光源部30の発光面31から放射される青色光Ｂおよび黄色光Ｙを含む全ての光は、光取出レンズ18の入射面45から光取出レンズ18内に入射し、出射面47である複数のレンズ面50から外部に出射する。

このとき、光取出レンズ18のレンズ面部48に入射して屈折する青色光Ｂおよび黄色光Ｙが光軸方向に平行な平行光となり、光取出レンズ18の周面部49に入射して全反射面46で反射する青色光Ｂおよび黄色光Ｙが光軸方向に平行な平行光となり、これら平行光が複数のレンズ面50に入射する。

図３に示すように、複数のレンズ面50では入射する青色光Ｂおよび黄色光Ｙの平行光を集光させて白色発光部51を生成し、これら複数のレンズ面50で集光した青色光Ｂおよび黄色光Ｙの照射領域が互いに重なり合う。これにより、青色光Ｂおよび黄色光Ｙが混色して白色光となる。

光取出レンズ18から出射する光を照射面に投影する。このとき、図１に示すように、各光源部30から放射された青色光Ｂおよび黄色光Ｙの照射領域Ａが重なり合う。これにより、照射面では青色光Ｂおよび黄色光Ｙが混色して白色光となり、照射面での色むらが少なくなる。

そして、図８には、光取出レンズ18を用いず、１つの光源部30からの光を１ｍ離れた照射面に照射したときにおいて、光軸を中心とした距離と青色光Ｂおよび黄色光Ｙの強度分布とを測定した結果を示す。光取出レンズ18を用いないことで、光源部30から放射した光が照射面の広い範囲に拡散するため、強度分布の値は低いものの、青色光Ｂと黄色光Ｙとの照射領域および強度分布は略等しく、色むらは生じない。なお、図８にはそれぞれ５７７ｍｍ内の分布を実線で示しているが、図８には５７７ｍｍ以上をも細線で示し、５７７ｍｍ以上でも色むらは生じていない。

また、図９には、光取出レンズ18を用い、１つの光源部30からの光を１ｍ離れた照射面に照射したときにおいて、光軸を中心とした距離と青色光Ｂおよび黄色光Ｙの強度分布とを測定した結果を示す。光取出レンズ18を用いて集光することで、光源部30から放射した光が照射面の所定の範囲に集光されるため、強度分布の値が高くなるものの、青色光Ｂは光軸中心領域に集中しやすく、黄色光Ｙは広い領域に分散しやすい傾向がある。

これは、凹部21内の中央の発光ダイオードチップ13から青色光Ｂが発光し、凹部21内の全域の蛍光体層27から黄色光Ｙが発光するため、凹部21を外方から見た場合、これら青色光Ｂの発光源と黄色光Ｙの発光源とで大きさに違いがあり、この青色光Ｂの発光源と黄色光Ｙの発光源との大きさの違いが光取出レンズ18によって照射面に投影されるため、照射面の中央域で青色光Ｂの強度分布が高く、それ以外の領域で黄色光Ｙの強度分布が高くなる傾向があり、照射面で色むらが生じやすくなる。

光取出レンズ18を用いた場合に、１つの光源部30についていえばこのような傾向があるが、複数の光源部30から放射された青色光Ｂおよび黄色光Ｙの照射領域Ａが互いに重なり合うため、照射面での色むらを低減できる。

このように、光源部30が発する青色光Ｂおよび黄色光Ｙを光取出レンズ18で光軸方向に平行な平行光とし、複数のレンズ面50により平行光を集光させて白色発光部51を生成して各光源部30の照射領域Ａが重なり合うようにしたので、光源部30から光を効率よく取り出すことができ、照射面での色むらの発生も低減できる。

また、光取出レンズ18により、光軸方向に対して交差する方向に向かう量が青色光Ｂに比べて多い黄色光Ｙを全反射面46で反射させて光軸方向へ平行光として向かわせることにより、複数のレンズ面50に入射する黄色光Ｙの量を増加させることができる。そのため、照射面での黄色光Ｙの強度を向上させ、色むらも改善できる。

また、光取出レンズ18と複数のレンズ面50で構成されるフライアイレンズとを一体に形成したため、光学的な損失が少なく、効率を向上できるとともに、部品点数を削減し、小形に構成できる。

また、図１０に第２の実施の形態を示すように、光取出レンズ18は、隣り合う一方の光源部30に設けられたレンズ部41の全反射面46と他方の光源部30に設けられたレンズ部41の全反射面46との間の接続部42に対向する部分にレンズ面50の中央部を位置させるようにしてもよい。

これは、光取出レンズ18の光軸方向の寸法が同じとする条件で、光取出レンズ18の隣り合う全反射面46の間の接続部42に対向する部分に隣り合うレンズ面50の間を形成した場合には、接続部42の幅が狭く強度低下しやすくなり、接続部42の強度を高くするために全反射面46の部分を低減させて接続部42の幅を確保したのでは反射光率が低下してしまうが、光取出レンズ18の隣り合う全反射面46の間の接続部42に対向する部分にレンズ面50を形成することにより、全反射面46の部分を低減させなくても接続部42の幅を確保でき、つまり強度低下および全反射面46の部分を低減することを抑制しつつ複数のレンズ面50を形成できる。

なお、光を発する光源部は、発光ダイオードチップと蛍光体との組み合わせだけとは限らず、少なくとも異なる２つ以上の波長域の光を発するものであれば、発光ダイオードチップが２種類以上あっても励起される蛍光体層が２種類以上あっても励起される蛍光体層が２種類以上構成されていてもよい。

本発明の第１の実施の形態を示す照明装置の断面図である。同上照明装置の光取出レンズに入射した青色光および黄色光を入射面および全反射面で平行光とする説明図である。同上照明装置の光取出レンズの各レンズ面から出射する光の説明図である。同上照明装置の光取出レンズのレンズ面側から見た正面図である。同上照明装置の光取出レンズを外した状態の正面図である。同上照明装置の１つの光源部の断面図である。同上照明装置の１つの光源部の蛍光体層を省略した正面図である。同上照明装置の光取出レンズを用いない場合に１つの光源部から光を照射する照射面での青色光と黄色光との強度分布のグラフである。同上照明装置の光取出レンズを用いた場合に１つの光源部から光を照射する照射面での青色光と黄色光との強度分布のグラフである。本発明の第２の実施の形態を示す照明装置の一部の断面図である。

符号の説明

11 照明装置
13 発光ダイオードチップ
18 光取出レンズ
27 蛍光体層
30 光源部
31 発光面
42 接続部
45 入射面
46 全反射面
50 レンズ面
51 白色発光部

Claims

中央部に配設された青色光を発光する発光ダイオードチップ、および発光ダイオードチップの青色光の発光面積よりも大きな発光面積を有し青色光により励起されて黄色光を発光する蛍光体層を備え、青色光および黄色光を放射する発光面が形成された複数の光源部と；
各光源部の発光面から放射される青色光および黄色光の全ての光が入射して平行光とするように各光源部の発光面を包囲する入射面、入射面に対向して設けられ入射した青色光および黄色光を平行光として反射する全反射面、および平行光を集光させて白色発光部を生成する複数のレンズ面を備え、各光源部の照射領域が重なり合うように構成された光取出レンズと；
を具備していることを特徴とする照明装置。
光取出レンズは、隣り合う一方の光源部に設けられた全反射面と他方の光源部に設けられた全反射面との間に接続部が形成され、接続部に対向する部分にレンズ面が形成されている
ことを特徴とする請求項１記載の照明装置。