JP2008543041A - Ｌｅｄを備える照明システム - Google Patents

Abstract

照明システムは、複数の発光ダイオードチップを持つ。各発光ダイオードチップは、光を発する発光層を具備するＬＥＤ基板を有する。前記ＬＥＤチップは、所定の光学特性を持つ光学基板上に配設される。前記ＬＥＤの前記発光層は、前記光学基板に面する。前記少なくとも１つの発光ダイオードチップによって発せられる光は、発光層とは反対を向いている光出射窓を介して発せられている。前記光学基板は、熱拡散手段を有する。好ましくは、前記光学基板は、熱拡散手段の役割を果たす透光性多結晶セラミック材料を有する。好ましくは、前記熱拡散手段は、前記光学基板の、前記光出射窓とは反対を向いている側に付けられる金属被覆層及び／又はヒートシンクを有する。好ましくは、前記ＬＥＤは、前記光学基板内に埋め込まれる。

Description

本発明は、少なくとも１つの発光ダイオード（ＬＥＤ）チップを有する照明システムであって、各発光ダイオードチップが、光を発するための発光層を具備するＬＥＤ基板を有し、前記少なくとも１つの発光ダイオードチップが、光学基板(optical substrate)上に配設される照明システムに関する。

現在、ＬＥＤは、照明システムにおいて広く用いられている。それらは、とりわけ、（非発光型）（画像）表示装置、例えば、テレビ受像機及びモニタの背面照光の光源として用いられる。詳細には、このような照明システムは、（携帯用）コンピュータ又は（コードレス）電話において用いられる、ＬＣＤパネルとも呼ばれる液晶表示装置などの非発光型ディスプレイのバックライトとして適切に用いられ得る。更に、このような照明システムは、スポットライト、フラッドランプといった一般照明用途、並びに例えば、信号、輪郭照明及び公告掲示板において利用されるような大面積直視型発光パネルに用いられる。その他の用途は、自動車の前方照明、信号燈、及び家庭において周囲の光の状態を画面に示されているＴＶ番組又は映画の雰囲気に合わせる所謂環境照明用途(ambiance-light applications)を含む。他の出現しつつある用途は、高輝度、高光束光源が好ましいパーソナル画像投影装置の高輝度光源としてのＬＥＤの使用である。

一般に、このような照明システムは、多数の光源、例えば発光ダイオード（ＬＥＤ）を有する。ＬＥＤは、例えば、よく知られている赤色（Ｒ）、緑色（Ｇ）又は青色（Ｂ）の発光体のような、異なる原色の光源であり得る。更に、発光体は、原色として、例えば、アンバー又はシアンを持ち得る。これらの原色は、発光ダイオードチップによって直接生成されてもよく、又は発光ダイオードチップから短波長の光が照射される際に蛍光体によって生成されてもよい。後者の場合には、原色の１つとして、混色又は白色光を用いることも可能である。一般に、照明システムによって発せられる光と、特定の光源との相関性を取り除くと共に、光の一様な分布を得るために、個々の光源によって発せられる光は、光学系の透明素子において混ぜ合わされる。耐用期間にわたって一定の光学性能を得るためには、照明システムの個々の光源の各々の異なる経年変化挙動(geing behavior)を補償するための方策がとられなければならない。この目的のため、センサ及び何らかのフィードバックアルゴリズムを備えるコントローラが、光源の耐用期間にわたって色の精度及び光出力レベルを安定させるために供給される。

日本の特願２００４−１５８５５７号公報の英語の要約は、凹部と、凹部内に配置されるＬＥＤとを備える第１面を持つ透明な基板を有するフリップチップ型の発光ダイオード（ＬＥＤ）パッケージを開示している。ＬＥＤは、フリップチップダイの透明な基板の方へ発光し、故に、前記発光が、ＬＥＤの上部のボンディングパッドによって妨げられることはなく、そのため、発光領域を増大させ、発光強度を増大させる。

既知の照明システムの不利な点は、発光効率が相対的に低いことにある。

本発明は、上記の不利な点を完全に又は部分的に取り除くことをその目的とする。

本発明によれば、この目的は、少なくとも１つの発光ダイオードチップを有する照明システムであって、各発光ダイオードチップが、光を発するための発光層を具備するＬＥＤ基板を有し、前記少なくとも１つの発光ダイオードチップが、所定の光学特性を持つ光学基板上に配設され、前記少なくとも１つの発光ダイオードチップの前記発光層が、前記光学基板に面し、前記少なくとも１つの発光ダイオードチップによって発せられる光が、前記光学基板の光出射窓(light-egress window)を介して発せられ、前記光出射窓が、発光層とは反対を向いており、前記光学基板が、熱拡散手段を有する照明システムによって達成される。

発光ダイオード（ＬＥＤ）を有する照明システムにおいては前記ＬＥＤチップの出力レベルを増大させる傾向がある。このようなＬＥＤチップは、公称電力(nominal power)で駆動される場合、100mWから5Wまでの範囲内の放射出力を持つ。これは、前記ＬＥＤの、１００℃をはるかに超える、即ち、２００℃さえも超える温度まで上昇し得る温度をもたらし得る。或るＬＥＤチップの効率は、前記ＬＥＤチップの温度が高くなり過ぎる場合に低下し、更に高い温度においては前記ＬＥＤの機能性が低下することが知られている。本発明の方策に従って前記光学基板に熱拡散手段を設けることによって、前記ＬＥＤは、高い電力で動作させられることができ、前記ＬＥＤによって生成される熱は、前記熱拡散手段によって前記ＬＥＤから遠くへ案内される。

現在の、当業界において知られている照明システムの単一及び多数のＬＥＤ光源の問題は、入力電力の放射光出力への変換効率が相対的に低いことである。より効率的な光源の場合、この変換効率は、多くても１０乃至１５％にしか達しない。この低い効率は、一方では、前記ＬＥＤの活性層の固有の変換効率のせいであり、他方では、同じ活性層又は前記同じ活性層を囲む屈折率が高い層のスタック(stacks)における光の閉じ込め(trapping）及び再吸収のせいである。この結果、入力電力の９０乃至８５％が熱に変換されることとなる。この理由のため、照明用途のＬＥＤの最適化においては、ＬＥＤからの光の抽出における熱の管理と最適化との両方とも重要な問題である。

前記既知の照明システムの他の不利な点は、前記照明システムは、パワーチップから遠くへ効率的に熱を伝達する手段を持たないパワーチップ用には設計されておらず、それ故、このシステムの光束及び輝度が低いままであることにある。更に、基板とＬＥＤとの組み合わせが、前記ＬＥＤからの光の抽出のために最適化されていないことから、発光効率は相対的に低い。

好ましくは、本発明によるＬＥＤは、公称電力で駆動される場合に、少なくとも100mWの放射出力を持つ。

本発明による照明システムにおいては、前記発光ダイオードは、前記光学基板上に所謂裏返し(face-down)のようにして取り付けられる。前記ＬＥＤによって発せられる光は、前記光学基板にカップリングされる。

前記熱拡散手段が実現され得る方法は幾つかある。本発明による照明システムの好ましい実施例は、前記光学基板が、光学部品と、熱拡散手段との両方の役割を果たす、透光性の又は透明な（多）結晶セラミック材料を有することを特徴とする。（多）結晶セラミック材料製の光学基板は、それ自体、熱伝導素子として有効である。多結晶セラミック材料製の光学基板を用いる別の利点は、このような材料は難なく２００℃を超える温度に耐え、高出力ＬＥＤチップが用いられることができ、温度がもはや前記照明システムの制約ではなくなることにある。前記（多）結晶セラミック材料は、前記光学系の一体部分であるためには、透明又は透光性であるべきである。実用的な理由から、焼結多結晶光学基板の使用が好ましい。セラミック素子又は装置を作成する当業者にはこのような素子の作成が可能であることは既知である。適切なセラミック材料は、イットリウム・アルミニウム・ガーネット（ＹＡＧ）、ＰＣＡ（多結晶アルミナ）、AlN（窒化アルミニウム）などである。これらの材料は、１０００℃を超える温度で焼結され、前記ＬＥＤの動作温度に難なく耐えることが出来る。これらの材料製の素子は、押し出し成形、射出成形、又は例えば、セラミック成形をする当業者には既知であるような鋳造技術によって、様々な形状にされ得ることも知られている。ガラスは、光学基板として適した別の材料である。

上記の材料を用いると、前記光学基板に付加的な機能が付加され得る。この目的のため、本発明による照明システムの好ましい実施例は、前記光学基板の前記所定の光学特性が、光抽出、光変換及び／又は光の指向性に影響を及ぼすものを含むことを特徴とする。

第１実施例においては、局所的に或る量の発光物質が付けられている凹部内に青色又は紫外線放射ＬＥＤが取り付けられる。これは、前記セラミック材料において焼結されることができ、又は不拡散(in-diffusion)を介して、若しくは当業者には既知の任意の他の手段によって、後で付けられることができる。前記発光材料は、少なくとも部分的に、原色光を二次色に変換し、単一のＬＥＤのために光学基板において様々な発光物質を組み合わせることによって、非常にロバストな一定の色の光源が得られる。

別の実施例においては、前記光源からより高い光束を得るために、多数のＬＥＤが、同じ又は異なる発光材料が付けられた様々な出射穴の中に取り付けられる。意図的に、セラミック基板の上の前記発光物質の分布を選ぶことによって、前記光学基板から発せられる光の色又は色温度の所望の変化を、位置又は放射角の関数として、引き起こすことも可能である。

更に別の好ましい実施例においては、前記セラミック基板は、前記ＬＥＤの基板と同じ又は略々同じ屈折率を持つ材料から成る。前記ＬＥＤ基板と、前記出射穴の内面との間に同じ屈折率を持つ透明な接着剤を付けることによって、装置は、前記ＬＥＤ基板における内部反射による光のロスを最小限にする。

更に別の実施例においては、前記光学基板の前面に、光の抽出の促進を目的とする、又は予め指定された方向における抽出の向上も目的とする、マクロレンズ又は回折パターンのような光学構造が供給される。これらのパターンは、焼結前に前記セラミックを構成することによって、又は後で前記光学基板の上部に適切な屈折率を持つ層を付けることによって、前記光学基板の表面であって、前記表面を通して光が発せられる表面に付けられ得る。全ての場合において、これは、３００℃以上の動作温度に耐えるのに適した無機層に関する。

本発明による照明システムの別の利点は、熱伝導性が改善されたセラミック層の上部に、前記照明システムにおける熱拡散を促進する他の手段があることである。この目的のため、本発明による照明システムの好ましい実施例は、前記熱拡散手段が、前記光学基板の、前記光出射窓とは反対側に付けられる金属被覆層(metallization layer)を有することを特徴とする。前記金属被覆層は、前記ＬＥＤから遠くへ熱を案内するのを更に促進する。前記ＬＥＤによって発せられる光は、前記光学基板内へ案内されるので、前記光学基板の、前記発光層に面する側に付けられる前記金属被覆層は、前記ＬＥＤによる発光の効率を低下させない。前記金属被覆層は、発せられた光を、前記光出射窓の側に案内する反射器として用いられ得る。

本発明による照明システムの好ましい実施例は、前記熱拡散手段が、前記光学基板の、前記光出射窓とは反対側に付けられるヒートシンクを有することを特徴とする。ヒートシンクは、放散エネルギの周囲への伝達を大いに促進する。ヒートシンクを設けることによってパワーアプリケーションの冷却が効果的に達成される。

本発明による照明システムの好ましい実施例は、前記少なくとも１つの発光ダイオードチップが、前記光学基板内に埋め込まれることを特徴とする。前記ＬＥＤの埋め込まれた環境及び熱拡散手段の備えは、動作中前記ＬＥＤによって生成される熱のより効果的な冷却に寄与する。

好ましくは、前記光学基板の、前記光出射窓とは反対を向いている面に金属接続部が設けられ、前記金属接続部は、前記少なくとも１つの発光ダイオードチップに電力を供給する。

本発明による照明システムの有利な実施例は、前記少なくとも１つの発光ダイオードチップと、前記光学基板との間に光学接合手段(optical-bonding means)が設けられることを特徴とする。

以下、下記の実施例を参照して、本発明のこれら及び他の態様を説明し、明らかにする。

図は、単に概略的なものであり、縮尺通りには描かれていない。特に、幾つかの寸法は、理解しやすいように非常に誇張された形で示されている。図の中の同様の構成要素は、可能な限り同じ参照符号で示されている。

図１Ａは、本発明による照明システムの実施例の断面図を非常に概略的に示している。図１Ｂは、図１Ａに示されている実施例の細部の断面図を非常に概略的に示している。図１Ａ及び１Ｂの照明システムは、複数の発光ダイオード（ＬＥＤ）チップＲ、Ｇ、Ｂを有する。図１Ａ及び１Ｂに示されている本発明の実施例においては、ＬＥＤチップＲ、Ｇ、Ｂは、光学基板１０上に取り付けられる。ＬＥＤは、図１Ａの例における、よく知られている赤色Ｒ、緑色Ｇ又は青色ＢのＬＥＤチップのような、異なる原色の光源であり得る。他の例においては、ＬＥＤは、原色として例えばアンバー又はシアンを持ち得る。これらの原色は、発光ダイオードチップによって直接生成されてもよく、又は発光ダイオードチップから光が照射される際に蛍光体（層）によって生成されてもよい。後者の場合には、原色の１つとして、混色又は白色光もあり得る。一般に、ＬＥＤは、相対的に高い光源輝度を持つ。

好ましくは、ＬＥＤの各々は、公称電力で駆動される場合に少なくとも100mWの放射出力を持つ。このような高い出力を持つＬＥＤは、多くの場合、ＬＥＤパワーパッケージとも呼ばれる。このような高効率、高出力ＬＥＤの使用は、所望の比較的高い光出力において、ＬＥＤの数が比較的少なくてもよいという特有の利点を持つ。これは、製造される照明システムのコンパクトさ及び効率に良い影響を与える。

各ＬＥＤチップＲ、Ｇ、Ｂは、光を発する発光層１を具備するＬＥＤ基板２を有する（図１Ｂ参照）。複数のＬＥＤＲ、Ｇ、Ｂは、所定の光学特性を持つ光学基板１０上に配設される。光学基板の前記所定の光学特性は、光抽出、光変換及び／又は光の指向性に影響を及ぼすものを含む。

本発明による照明システムにおいては、ＬＥＤＲ、Ｇ、Ｂは、光学基板１０上に所謂裏返しのようにして取り付けられる。各ＬＥＤＲ、Ｇ、Ｂによって発せられる光は、光学基板１０にカップリングされる。複数のＬＥＤＲ、Ｇ、Ｂによって発せられる光は、光学基板１０の光出射窓１１を介して発せられる（図１Ａ及び１Ｂ中の矢印参照）。本発明によれば、光学基板１０は、熱拡散手段を有する。図１Ａ及び１Ｂの例においては、光学基板１０それ自体が、熱拡散手段の役割を果たす。透光性多結晶セラミック材料製の光学基板１０を設けることによって、このようなセラミック材料は、熱拡散手段の役割を果たす。多結晶セラミック材料製の光学基板１０は、効果的に熱伝導を促進する。多結晶セラミック材料製の光学基板１０を用いる別の利点は、このような材料は２００℃を超える温度に難なく耐え、高出力ＬＥＤチップＲ、Ｇ、Ｂが用いられることができ、温度がもはや照明システムの制約とならないことにある。好ましくは、前記多結晶セラミック材料は透明である。適切な材料は、イットリウム・アルミニウム・ガーネット（ＹＡＧ）、ＰＣＡ（多結晶アルミナ）、AlN（窒化アルミニウム）などである。
これらの材料は、１０００℃を超える温度で焼結され、ＬＥＤの動作温度に難なく耐えることが出来る。これらの材料製の素子は、押し出し成形、射出成形、又は例えば、セラミック成形をする当業者には既知であるような鋳造技術によって、様々な形状にされ得ることも知られている。セラミック材料の熱機械特性はＬＥＤチップと適合し、これはロバストな装置の設計を可能にする。光学基板として適した別の材料はガラスである。

図１Ａ及び１Ｂの例においては、光学基板１０の、光出射窓１１とは反対を向いている面に、金属接続部２３が設けられる。金属接続部２３は、複数のＬＥＤチップＲ、Ｇ、Ｂに電力を供給する。ワイヤ接合部２４は、ＬＥＤチップＲ、Ｇ、Ｂと、金属接続部２３との間の電気的接続を供給する。

図２Ａは、ＬＥＤＲ、Ｇ、Ｂが、光学基板１０内に埋め込まれる、本発明による照明システムの実施例の断面図を非常に概略的に示している。図２Ｂ及び２Ｃは、図２Ａに示されている照明システムの２つの異なる実施例の細部の断面図を非常に概略的に示している。

ＬＥＤＲ、Ｇ、Ｂは、所謂裏返しのようにして光学基板１０内に取り付けられる。各ＬＥＤＲ、Ｇ、Ｂによって発せられる光は、光学基板１０にカップリングされる。複数のＬＥＤＲ、Ｇ、Ｂによって発せられる光は、光学基板１０の光出射窓１１を介して発せられる（図２Ａ、２Ｂ及び２Ｃ中の矢印参照）。ＬＥＤチップＲ、Ｇ、Ｂと、光学基板１０との間には光学接合手段１２が設けられる。光学接合手段１２は、ＬＥＤと、光学基板との間の良好な光学的接触(optical contact)を供給する。好ましくは、光学接合手段は、ＬＥＤチップＲ、Ｇ、Ｂと、光学基板１０との間での屈折率の変化を低減する又は防止するための屈折率整合特性を有する。好ましくは、光学接合手段１２は、透明な接着剤を有する。

図２Ｂに示されている照明システムの例においては、熱拡散手段は、光学基板１０の、光出射窓１１とは反対側に付けられる金属被覆層１６を有する。金属被覆層１６は、ＬＥＤチップＲ、Ｇ、Ｂと、金属接続部２３との間の電気的接続を供給する。図２Ｂの例においては、金属接続部２３は、光学基板１０内に埋め込まれる。金属被覆層１６は、ＬＥＤによって生成される熱を遠くへ案内する。

図２Ｃに示されている照明システムの例においては、熱拡散手段は、光学基板１０の、光出射窓１１とは反対側に付けられるヒートシンク１７を更に有する。金属被覆層１６は、相対的に厚い金属被覆板１９を介してヒートシンク１７に接続される。ＬＥＤ Ｒ、Ｇ、Ｂによって生成される熱は、金属被覆板１９を介したヒートシンク１７の方への熱伝導によって効果的に放散され、ヒートシンク１７は、熱を周囲に放射する。照明システムの好適な実施例においては、ヒートシンク１７は、熱伝導接続部を介して照明システムのハウジングと接触している。

上記の実施例は、本発明を限定するものではなく、本発明を例示するものであって、当業者には、添付した特許請求の範囲から外れない多くの他の実施例を設計することが出来るであろうことに注意されたい。特許請求の範囲においては、括弧内に配置されたいかなる参照符号も特許請求の範囲を限定するものとして解釈されるべきではない。「有する」という動詞及びその語形変化の使用は、特許請求の範囲に記述されている要素又はステップ以外の要素又はステップの存在を除外するものではない。要素の単数形表記は、このような要素の複数の存在を除外するものではない。本発明は、幾つかの別個の要素を有するハードウェア、及び適切にプログラムされたコンピュータによって実施され得る。幾つかの手段を列挙している装置クレームにおいては、これらの手段の幾つかは、ハードウェアの同一アイテムによって実施され得る。単に、或る方策が互いに異なる従属項において列挙されているという事実は、これらの方策の組み合わせが有利には用いられ得ないことを示さない。

ＬＥＤが光学基板上に取り付けられる、本発明による照明システムの実施例の断面図である。 図１Ａに示されている実施例の細部の断面図である。 ＬＥＤが光学基板内に埋め込まれる、本発明による照明システムの実施例の断面図である。 図２Ａに示されている第１実施例の細部の断面図である。 図２Ａに示されている第２実施例の細部の断面図である。

Claims (9)

1. 少なくとも１つの発光ダイオードチップを有する照明システムであって、各発光ダイオードチップが、光を発するための発光層を具備するＬＥＤ基板を有し、前記少なくとも１つの発光ダイオードチップが、所定の光学特性を持つ光学基板上に配設され、前記少なくとも１つの発光ダイオードチップの前記発光層が、前記光学基板に面し、前記少なくとも１つの発光ダイオードチップによって発せられる光が、前記光学基板の光出射窓を介して発せられ、前記光出射窓が、発光層とは反対を向いており、前記光学基板が、熱拡散手段を有する照明システム。
2. 前記光学基板が、透光性多結晶セラミック材料を有し、前記透光性多結晶セラミック材料が、熱拡散手段の役割を果たす請求項１に記載の照明システム。
3. 前記熱拡散手段が、前記光学基板の、前記光出射窓とは反対を向いている側に付けられる金属被覆層を有する請求項１又は２に記載の照明システム。
4. 前記熱拡散手段が、前記光学基板の、前記光出射窓とは反対を向いている側に付けられるヒートシンクを有する請求項１又は２に記載の照明システム。
5. 前記少なくとも１つの発光ダイオードチップが、前記光学基板内に埋め込まれる請求項１又は２に記載の照明システム。
6. 前記光学基板の前記所定の光学特性が、光抽出、光変換及び／又は光の指向性に影響を及ぼすものを有する請求項１又は２に記載の照明システム。
7. 前記光学基板の、前記光出射窓とは反対を向いている面に金属接続部が設けられ、前記金属接続部が、前記少なくとも1つの発光ダイオードチップに電力を供給する請求項１又は２に記載の照明システム。
8. 前記少なくとも１つの発光ダイオードチップと、前記光学基板との間に光学接合手段が設けられる請求項１又は２に記載の照明システム。
9. 少なくとも１つの発光ダイオードチップが、公称電力で駆動される場合に少なくとも100mWの放射出力を持つ請求項１又は２に記載の照明システム。

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