JP2009009926A - 発光ダイオード照明装置 - Google Patents

Abstract

【課題】発光効率の向上とコスト低減とを共に図ることができる発光ダイオード照明装置を提供する。
【解決手段】円環状のレンズ本体２ｃ、このレンズ本体の底面２ａに形成された環状溝２ｄ、このレンズ本体の少なくとも外周側の内側面に形成されてこの内側面に入射された光を投光面側へ全反射させる全反射面２ｃ２を有する円環状レンズ２とこの円環状レンズの環状溝に光学的に対向配置されてこの環状溝の周方向に所要の間隔を置いて配置された複数の発光ダイオード装置３，３，３…とを具備している。
【選択図】 図１

Description

本発明は発光ダイオード装置を光源として使用した発光ダイオード照明装置に関する。

近年、発光ダイオード装置の発光効率の向上により、この発光ダイオード装置を光源とする一般照明用の発光ダイオード照明装置が商品化されている。

例えば複数のパワー発光ダイオードを光源として使用した丸形のスポットライトやダウンライトも数多く商品化されている。

そして、これら照明装置の一例としては、目的に適した配光制御のために各発光ダイオード装置毎にレンズをそれぞれ設け、これら各発光ダイオード装置と各レンズを器具本体に固定しているものが知られている（以下、従来技術１という）。

また、複数の発光ダイオード装置を環状に配設し、これら発光ダイオード装置の発光を環状のレンズにより、その環状中心の試料に集光させるＬＥＤ照明装置が知られている（例えば特許文献１参照。以下、従来技術２という）。
特開２００７−１０３８０号公報

しかしながら、上記従来技術１では、近年、発光ダイオード装置単体の発光効率が漸次向上しているために、その仕様変更や新しい照明装置が比較的短い期間で次々に提案されている。

すなわち、発光ダイオード装置単体の光束が増加した場合には、１つの照明器具に必要な発光ダイオード装置の個数は減少するので、レンズの個数も減少する。

このために、照明器具の変更も必要になる。すなわち、レンズは予め照明器具に固定されているために、照明器具は発光ダイオード装置の搭載個数に応じて専用設計されている。このために、発光ダイオード装置の搭載個数が変更されると、照明器具自体の見直しが必然的に必要になる。

したがって、高効率の発光ダイオード装置を使用するためには照明器具体も短い期間で見直しが必要となり、開発コストが嵩むという課題がある。

また、上記従来技術２では、環状のレンズに、その光軸に対し横方向から入射される複数の発光ダイオードからの発光については、この環状のレンズにより集光できず、横漏れ光として発光効率を低下させるという課題がある。

本発明はこのような事情を考慮してなされたもので、発光効率の向上とコスト低減とを共に図ることができる発光ダイオード照明装置を提供することを目的とする。

請求項１に係る発光ダイオード照明装置は、円環状のレンズ本体、このレンズ本体の軸方向一端面に形成された環状溝、このレンズ本体の少なくとも外周側の内側面に形成されてこの内側面に入射された光を投光面側へ全反射させる全反射面を有する円環状レンズと；この円環状レンズの環状溝に光学的に対向配置されてこの環状溝の周方向に所要の間隔を置いて配置された複数の発光ダイオード装置と；を具備していることを特徴とする。

請求項２に係る発光ダイオード照明装置は、円環状レンズは、レンズ本体の内周側の内側面を、光透過と乱反射可能に構成していることを特徴とする。

請求項３に係る発光ダイオード照明装置は、円環状レンズは、レンズ本体の軸方向他端側の投光面側にて環状中心孔を閉塞する透光体を具備していることを特徴とする。なお、透光体とは光を透過させるものであればよく、拡散性を有すれば、レンズ全体を光らせることができ好適である。

請求項４に係る発光ダイオード照明装置は、円環状のレンズ本体、このレンズ本体の軸方向一端面に形成された環状溝、このレンズ本体の少なくとも外周側の内側面に形成されてこの内側面に入射された光を投光面側へ全反射させる全反射面を有する円環状レンズと；この円環状レンズの環状溝に光学的に対向配置されてこの環状溝の周方向に所要の間隔を置いて基板上に環状に配置された複数の発光ダイオードベアチップおよびこれら発光ダイオードベアチップの外面を被覆し基板上に透光性樹脂を配設した透光性樹脂部を有する発光ダイオード装置と；を具備していることを特徴とする。

請求項５に係る発光ダイオード照明装置は、発光ダイオードベアチップの配設ピッチＰと、樹脂部の幅方向寸法ＷはＰ＜２・Ｗの関係を有することを特徴とする。

請求項６に係る発光ダイオード照明装置は、円環状レンズと基板との間には、間隙を形成していることを特徴とする。

請求項７に係る発光ダイオード照明装置は、円環状のレンズ本体、このレンズ本体の一端面に形成された環状の光入射面およびこのレンズ本体の他端面に形成された環状の投光面を有する円環状レンズと；この円環状レンズの光入射面に光学的に対向配置された環状の光出射面、環状の光入射面およびこの光入射面に入射された光を光出射面に導光する環状の導光路を有する環状の導光体と；この導光体の光入射面に光学的に対向するように基板上に環状に配設された複数の発光ダイオードを有する発光ダイオード装置と；を具備していることを特徴とする。

請求項８に係る発光ダイオード照明装置は、導光体は、その環径が光入射面側一端から光出射側他端に向って漸次縮径するように形成されていることを特徴とする。

請求項９に係る発光ダイオード照明装置は、導光体は、その導光路の環径方向の厚さが光入射面側一端から光出射面側他端に向けて漸次薄くなるように形成されていることを特徴とする。

請求項１０に係る発光ダイオード照明装置は、導光体は、その光出射面側一端を、環状レンズの光入射面側端部に一体に連結されてなることを特徴とする。

請求項１１に係る発光ダイオード照明装置は、発光ダイオード装置は、発光色が異なる複数種類の発光ダイオードを有することを特徴とする。

請求項１に係る発光ダイオード照明装置によれば、円環状レンズの環状溝に、複数の発光ダイオード装置を、光学的に対向させて周方向に所要の間隔を置いて配設しているので、この円環状レンズの全体を発光させることができる。

しかも、この円環状レンズの少なくとも外周側の内側面を全反射面に形成しているので、発光ダイオード装置からこの外周側内側面に入射した光を投光面側へ全反射させ、この外周側側面から外方へリークする横漏れ光を低減することができる。

このために、環状レンズの投光面のほぼ全面を発光させることができるので、眩しさを低減できるとともに、発光効率を向上させることができる。

そして、１枚の円環状レンズに複数の発光ダイオード装置を配設するので、１枚の円環状レンズにより発光ダイオード装置の個数の変更に容易に対応することができる。

請求項２に係る発光ダイオード照明装置によれば、円環状レンズの内周側の内側面において、光透過と乱反射が発生して拡散されるので、この内周側とその内方の環状中心部における明るさを向上させることができる。

請求項３に係る発光ダイオード照明装置によれば、環状のレンズ本体の内周側の側面で透過し、乱反射した光は投光面側の環状中心孔において、透明体に入射され、これを発光させる。このために、環状レンズの環状中心孔においても発光させることができるので、眩しさを一層低減することができる。なお、レンズ兼カバーと考えれば、カバーを必要とすることがなく、組立製造が容易となる。

請求項４に係る発光ダイオード照明装置によれば、発光素子である小形の発光ダイオードベアチップの複数を基板上に直接環状に実装するので、これら発光ダイオードベアチップの実装数を増加させることができる。このために、光束を増大させることができる。

また、複数の発光ダイオードベアチップを基板に環状に配設するので、発光ダイオードベアチップの実装数を増加させ、またはその投入電力を増大させても、発光ダイオードベアチップの発生熱を基板の一点に集中させずに分散させることができ、放熱性を向上させることができる。

このために、基板上の一点に熱が集中して発光ダイオードベアチップ自体の温度が上昇して発光効率が低下したり、熱が蛍光体に伝達されて蛍光体の量子効率が低下し出力光の発光色が変化してしまうという不具合を防止または低減することができる。

さらに、複数の発光ダイオードベアチップを面状ではなく。環状、すなわち線状に配置するので、これら発光ダイオードベアチップの断面においては、点光源とほぼ同様の配光制御が可能であり、その分、円環状レンズの設計の容易性を向上させることができる。また、発光ダイオードベアチップが円環状レンズに対し同心円状に配設される場合には、見かけ上、その周方向に光が連続した滑らかな配光が得られる。

請求項５に係る発光ダイオード照明装置によれば、各発光ダイオードベアチップ同士間の距離の方が透光性樹脂部の幅寸法の２倍よりも短い。このために、発光ダイオードベアチップからその配設ピッチ方向に放射される光度の方が透光性樹脂部の幅方向に出力される光度よりも高くなるので、円環状レンズを透視して見える小形の発光ダイオードベアチップの投影が粒々となって見える現象を低減または防止できる。

請求項６に係る発光ダイオード照明装置によれば、円環状レンズと基板との間には、間隙があるので、この間隙を通して、発光ダイオードベアチップの発生熱を放熱できる。このために、さらに、放熱性を向上できる。

請求項７に係る発光ダイオード照明装置によれば、発光ダイオード装置で発光し、導光体の光入射面に入射された光は、導光体内の側面により繰り返し反射されつつ光出射面に導光される。したがって、仮に、発光ダイオード装置の発光中に光色が異なる複数の光が含まれていても、この発光が導光体内側面の反射の繰り返しにより、その光出射面側に導光されるまでに混合されるので、色むらを低減することができる。

請求項８に係る発光ダイオード照明装置によれば、導光体が光入射面側一端から光出射側他端に向けて漸次縮径しているので、導光体の光入射面側一端から光出射面側他端までの導光路の長さを縮小させることなく、導光体自体の光入射面側一端から光出射側他端までの軸方向長さ（高さ）を縮小させることができる。

また、導光体の光出射面側一端の環径が縮径されるので、その縮径に合せて、この導光体の光出射面に対向する環状レンズの光入射側一端の環径を縮径できる。このために、環状レンズの小形化を図ることができる。

請求項９に係る発光ダイオード照明装置によれば、導光体の光出射面側の縮径方向の厚さが薄いので、その分、光出射面側の輝度を高めることができる。このために、レンズ効率を向上させることができる。

請求項１０に係る発光ダイオード照明装置によれば、導光体の光出射面側一端が環状レンズの光入射面側端部に一体に連結されているので、これら両面が離間している場合に、これら両面間で発生する反射による反射損を防止または低減することができる。このために、レンズ効率を向上させることができる。

請求項１１に係る発光ダイオード照明装置によれば、発光色が異なる複数種類の発光ダイオードを具備していても、これら複数の発光色は上述したように主に導光体内で混合されるので、色むらを低減させることができる。

以下、本発明の実施形態を添付図面に基づいて説明する。なお、複数の添付図面中、同一又は相当部分には同一符号を付している。

図１は本発明の第１の実施形態に係る発光ダイオード照明装置１の要部平面図、図２は図１のII矢視図、図３は図１のIII−III線断面図である。

これら図１〜図３に示すように発光ダイオード照明装置１は、平面形状が円環形の円環状レンズ２と、複数の発光ダイオード装置３，３，３…を具備している。

図１，図２に示すように円環状レンズ２は、その軸方向一端面である底面２ａからその他端面である投光面２ｂに向けて漸次拡径する偏平椀状に形成された円環状のレンズ本体２ｃを具備している。レンズ本体２ｃの中心Ｏａには、その軸方向に貫通する所要大の中心孔２ｏを形成している。

図３に示すようにレンズ本体２ｃは、その環状内周側の内側面２ｃ１と、環状外周側の内側面２ｃ２とを、外方に凸の円弧面により全反射面にそれぞれ形成している。

また、レンズ本体２ｃは、その投光面２ｂをほぼ平坦面に形成する一方、底面２ａにはその中央部にて、所要大の環状溝２ｄを同心状に形成している。環状溝２ｄの底面２ｄ１も図３中、下方に凸の円弧面に形成して、その内面を全反射面に形成している。

レンズ本体２ｃの底面２ａ側には、その環状溝２ｄの図３中下方にて、平面円形の複数の発光ダイオード装置３，３，３…を同心状に環状に配設している。これにより、各発光ダイオード装置３は環状溝２ｄに光学的に対向配置されている。

すなわち、図１、図３に示すように各発光ダイオード装置３，３，３…は、その直径が環状溝２ｄの幅よりも若干小径に形成されており、環状溝２ｄの周方向に所要の等ピッチを置いて配設されている。

各発光ダイオード装置３は、例えば砲弾形発光ダイオード装置であり、円筒形の外囲器３ａ内に、図示しない例えば青色発光の発光ダイオードチップと、例えば黄色発光の蛍光体を混合した合成樹脂を充填してなる外方に凸の集光レンズ３ｂとを形成している。

すなわち、各発光ダイオード装置３は、発光ダイオードチップの青色発光を黄色発光蛍光体を黄色に発光させると共に、この青色発光と黄色発光蛍光体を混合させて白色光を集光レンズ３ｂから外部へ発光させるように構成されている。

各発光ダイオードチップは円形の基板４上に立設されている。基板４は図示しない回路を形成しており、この回路により各発光ダイオードチップどうしを電気的に接続すると共に、図示しない点灯装置に電気的に接続されている。

そして、発光ダイオード照明装置１はこれら円環状レンズ２、基板４、図示しない点灯装置を図示しない器具本体にそれぞれ固定している。

したがって、図示しない点灯装置に所要のランプ電圧が印加されると、基板４の回路を介して各発光ダイオード装置３，３，３…にランプ電圧が印加される。

このために、各発光ダイオード装置３の集光レンズ３ｂから白色光が出力される。これら白色光は円環状レンズ２の環状溝２ｄ内の全方向へ放射される。

そして、図４に示すように各発光ダイオード装置３から環状溝２ｄの底面２ｄ１と、内周側の側面２ｄ２と、外周側の側面２ｄ３とに放射された白色光ａは、これら底面２ｄ１と両側面２ｄ２，２ｄ３からレンズ本体２ｃ内に入射され、その内、外両側の全反射面２ｃ１，２ｃ２で全反射されて投光面２ｂから外部へ放射される。

一方、各発光ダイオード装置３から環状溝２ｄ内の周方向へ直線的に放射された光の一部ｂは環状溝２ｄの外周側の側面２ｄ３に放射され、ここからレンズ本体２ｃ内へ入射され、レンズ本体２ｃ内の外周側の全反射面２ｄ３で全反射されて投光面２ｂから外部へ投光される。

さらに、この環状溝２ｄの周方向へ放射された光ｂのうち、環状溝２ｄの外周側の側面２ｄ３の手前で溝底面２ｄ１からレンズ本体２ｃ内へ入射された光は、このレンズ本体２ｃの内部で内、外両側面の全反射面２ｃ１，２ｃ２で全反射されてから投光面２ｂより外部へ放射される。

そして、円環状レンズ２の内周側の全反射面２ｃ１では、この全反射面２ｃ１に入射した光の殆どが投光面２ｂ側へ全反射されるが、その若干はこの全反射面２ｃ１で透過や乱反射をして、中心孔２ｏ側へ出射され、中心孔２ｏの投光面２ｂから外部へ投光される。

このために、円環状レンズ２の投光面２ｂのほぼ全面が発光すると共に、その中心孔２ｏからも投光されるので、眩しさを低減することができる。

図５はこのように構成された発光ダイオード照明装置１を天井面５に取付けて、その下方を照明するダウンライトとして使用した場合の配向特性Ａを示す。この配向特性Ａは図５中下方に末広の配向を示す点に特徴がある。

そして、発光ダイオード照明装置１は、円環状レンズ２の少なくとも外周側の内側面２ｃ２を全反射面に形成しているので、発光ダイオード装置３からこの外周側内側面２ｃ２に入射した光を投光面２ｂ側へ全反射させ、この外周側内側面２ｃ２から外方へリークする横漏れ光を低減することができる。

このために、円環状レンズ２の投光面２ｂのほぼ全面を発光させることができるので、眩しさを低減できると共に、発光効率を向上させることができる。

そして、１枚の円環状レンズ２に複数の発光ダイオード装置３，３，３…を配設するので、１枚の円環状レンズ２により発光ダイオード装置３の個数の変更に容易に対応することができる。

図６は本発明の第２の実施形態に係る発光ダイオード照明装置１Ａの要部縦断面図である。この発光ダイオード照明装置１Ａは図１で示す発光ダイオード照明装置１において、その円環状レンズ２の内周側の側面２ｃ１の全反射面を、光透過、乱反射可能の単なる反射面２ｃ１Ａに形成し、中心孔２ｏの投光面２ｂ側に透光性平板のディスク２ｏＡを配設した点に特徴がある。これ以外の構成は図１で示す発光ダイオード照明装置１とほぼ同様である。

この発光ダイオード照明装置１Ａによれば、円環状レンズ２の内周側の内側面２ｃ１を単なる反射面２ｃ１Ａに形成しているので、この反射面２ｃ１Ａで透過したり、乱反射してレンズ本体２ｂ内から中心孔２ｏ側へ出射される光量を増加させることができる。

このために、この中心孔２ｏから投光面２ｂ側のディスク２ｏＡの発光の明るさを上記発光ダイオード照明装置１よりも向上させることができる。その結果、眩しさを一層低減することができる。

なお、上記各実施形態では、発光ダイオード装置３として砲弾形の発光ダイオード装置３を使用した場合について説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、他の発光ダイオード装置でもよい。例えば、図７で示す第３の実施形態に係る発光ダイオード装置３Ａでもよい。

この発光ダイオード装置３Ａは、円板状の基板４上に、例えば青色発光の複数の発光ダイオードベアチップ３Ａ１，３Ａ１，…を周方向に所要のピッチを置いて環状かつ同心状に直接配設する。

また、この基板４上において、これら環状に配設された発光ダイオードベアチップ３Ａ１，３Ａ１，…上に、例えば黄色発光蛍光体を混合した合成樹脂を環状かつ同心状に積層形成して外方に凸の集光レンズ３Ａ２に形成する。

この発光ダイオード装置３Ａによれば、複数の発光ダイオードチップ３Ａ１，３Ａ１，…と集光レンズ３Ａ２を一体に形成するので、砲弾形発光ダイオード装置３のように個別に形成する場合よりも、発光ダイオードチップ３Ａ１，３Ａ１，…の高密度実装を図ることができ、その分、発光ダイオード照明装置としての明るさを向上させることができる。

図８は本発明の第４の実施形態に係る発光ダイオード照明装置１Ｂの平面図、図９はこの発光ダイオード照明装置１Ｂの発光ダイオード装置３Ｂの平面図、図１０は図９のＸ−Ｘ線断面図である。

図８に示すように発光ダイオード照明装置１Ｂは、図１で示す発光ダイオード照明装置１の発光ダイオード装置３に代えて、複数の発光ダイオードベアチップ５，５，…を具備した発光ダイオード装置３Ｂを設けた点に主な特徴がある。これ以外の構成は図１等で示す発光ダイオード照明装置１とほぼ同一である。

図８，図９に示すように、発光ダイオード装置３Ｂは、円形の基板４上に、円環状レンズ２の円形の環状溝に同心状に、複数の発光ダイオードベアチップ５，５，５を周方向に所要の等ピッチＰを置いて同心円状に配設している。

図９，図１０に示すように、例えば平面円形の基板４は放熱性と剛性を有するアルミニウム（Ａｌ）やニッケル（Ｎｉ）等により形成され、その一面（図９，図１０では上面）上に、電気絶縁性を有する白色のガラスエポキシ樹脂等の電気絶縁層４ａを形成している。

さらに、この電気絶縁層４ａ上には、銅（Ｃｕ）とニッケル（Ｎｉ）の合金やこの合金の金（Ａｕ）めっき等により陰極（−）側と陽極（＋）側の一対の回路パターン（配線パターン）６ａ，６ｂを形成しており、これら回路パターン６ａ，６ｂには、電気絶縁層４ａ上に固定された、例えば青色発光の発光ダイオードベアチップ５の陽極と陰極の電極がボンディングワイヤ７により電気的に接続されている。

図９に示すように一対の回路パターン６ａ，６ｂは、基板４の周方向に例えば５分割されて平面形状が扇形に形成され、各対の回路パターン６ａ，６ｂには、図１１に示すように複数の発光ダイオードベアチップ５，５，…を直列に電気的に接続して１組を形成し、さらに、これら５組の発光ダイオードベアチップ５，５，５，…の直列回路同士を電気的に並列に接続している。

また、周方向で隣り合う各組の扇形の回路パターン６ａ，６ｂ、６ａ，６ｂ同士の各間隙には、熱と電気の両者を絶縁する熱電気絶縁部材Ｚをそれぞれ介在させている。但し、この熱電気絶縁部材Ｚを介在させずに単なる間隙でもよい。

そして、図９に示すように発光ダイオード装置３Ｂは、基板４上にて環状に配列された発光ダイオードベアチップ５，５，…の環状配列上に、透光性を有するシリコン樹脂を所定幅で同心状に積層して透光性樹脂部８を形成し、この透光性樹脂部８により、発光ダイオードベアチップ５，５，５，…を基板４上に固定している。この透光性樹脂部８は、そのシリコン樹脂中に、発光ダイオードベアチップ５の青色発光により例えば黄色に発光するＹＡＧ蛍光体等の黄色発光蛍光体を分散させている。

この透光性樹脂部８の幅方向両側には、その両側外面を縁取るように反射部としての左右一対の側壁９ａ，９ｂを白色樹脂等により基板４上に同心状にそれぞれ形成している。

これら一対の側壁９ａ，９ｂは、その対向面（内側面）に、円環状レンズ２側に向けて漸次拡開する傾斜面Ｓを形成しており、この傾斜面Ｓを、ここに入射された光を円環状レンズ２の環状溝２ｄ側へ反射させる反射面に形成している。

そして、これら一対の側壁９ａ，９ｂの内側であって、透光性樹脂部８の投光面（図１０では上端面）の幅方向寸法Ｗは、円環状レンズ２の環状溝２ｄの開口幅の幅寸法ｗａよりも小（Ｗ＜ｗａ）であり、さらに、環状配列の発光ダイオードベアチップ５，５，…同士間の配列ピッチｐに対しては、Ｐ＜２・Ｗの関係を有する。

また、図１２に示すように基板４の図中上面と、円環状レンズ２の底面２ａとの間には、間隙ｇが形成されている。

発光ダイオード照明装置１Ｂは、以上のように構成されているので、図示しない点灯装置から各回路パターン６ａ，６ｂを介して各発光ダイオードベアチップ５に所要のＤＣ電圧が印加されると、各発光ダイオードベアチップ５が青色に発光する。これら青色発光は、透光性樹脂部８内の黄色蛍光体を励起して黄色に発光させる。さらに、この黄色発光は、この透光性樹脂部８または円環状レンズ２内で青色発光と合成されて白色光として出力される。

これら白色光等は、上記図１等で示す第１の実施形態と同様に、円環状レンズ２では、その外周側の内側面に入射された光を全反射して投光面２ｂから出力される。

なお、この発光ダイオード照明装置１Ｂの具体例の一例は次の通りである。すなわち、直径７０ｍｍのアルミニウム製基板４の白色の電気絶縁層４ａ上に、０．３ｍｍ角の発光ダイオードベアチップ５，５，…を、直径５０ｍｍと３０ｍｍの２列の同心円で１ｍｍの等ピッチにより配列し、合計２５１個の発光ダイオードベアチップ５，５，…を各々２０ｍＡで点灯したときの電力が約１５Ｗである。また、透光性樹脂部８の透明シリコン樹脂中に、ＹＡＧ蛍光体を１０質量％添加し、その幅Ｗが２ｍｍのときの発光効率は８０ｌｍ／Ｗ、全光束は１２００ｌｍであった。

また、この発光ダイオード照明装置１Ｂによれば、発光素子である小形の発光ダイオードベアチップ５の複数を基板４上に直接環状に実装するので、これら発光ダイオードベアチップ５，５，…の実装数を増加させることができる。このために、光束を増大させることができる。

また、複数の発光ダイオードベアチップ５，５，…を基板４上に環状に配設するので、発光ダイオードベアチップ５の実装数を増加させ、またはその投入電力を増大させても、発光ダイオードベアチップ５，５，…の発生熱を基板４の一点に集中させずに分散させることができ、放熱性を向上させることができる。

このために、基板４上の一点に熱が集中して発光ダイオードベアチップ５，５，…自体の温度が上昇して発光効率が低下したり、熱が透光性樹脂部８の黄色蛍光体に伝達されてこの黄色蛍光体の量子効率が低下し出力光の発光色が変化してしまうという不具合を防止または低減することができる。

さらに、複数の発光ダイオードベアチップ５，５，…を面状ではなく、環状、すなわち線状に配置するので、これら発光ダイオードベアチップ５，５，…の断面においては、点光源とほぼ同様の配光制御が可能であり、その分、円環状レンズ２の設計の容易性を向上させることができる。また、発光ダイオードベアチップ５，５，…が円環状レンズ２に対し同心円状に配設される場合には、見かけ上、その周方向に光が連続した滑らかな配光が得られる。

さらに、発光ダイオードベアチップ５，５，…の配設ピッチＰは、透光性樹脂部８の幅方向寸法Ｗの２倍（２・Ｗ）に対し、Ｐ＜２・Ｗの関係を有するので、発光ダイオードベアチップ５からその配設ピッチ方向に放射される光度の方が透光性樹脂部８の幅方向に出力される光度よりも高くなるので、円環状レンズ２を透視して見える小形の発光ダイオードベアチップ５の投影が粒々となって見える現象を低減または防止できる。

また、円環状レンズ２と基板４との間には、間隙ｇがあるので、この間隙ｇを通して、発光ダイオードベアチップ５，５，…の発生熱を放熱できる。このために、さらに、放熱性を向上できる。

図１３は本発明の第５の実施形態に係る発光ダイオード照明装置１Ｃの縦断面図である。この発光ダイオード照明装置１Ｃは、図７で示す発光ダイオード装置３Ａ上に、所要の下部間隙ｇａを置いて環状の導光体１０を同心状に配設して光学的に対向配置し、さらに、この環状の導光体１０上に、所要の上部間隙ｇｂを置いて円環状レンズ１１を同心状に配設して光学的に対向配置した点に特徴がある。

図７で示すようにこの発光ダイオード装置３Ａは、円板状の基板４上に、例えば青色発光の複数の発光ダイオードベアチップ３Ａ１，３Ａ１，…を周方向に所要のピッチを置いて環状かつ同心状に直接配設する。

また、この基板４上において、これら環状に配設された発光ダイオードベアチップ３Ａ１，３Ａ１，…上に、例えば黄色発光蛍光体を混合した合成樹脂を環状かつ同心状に積層形成して外方（図１３では上方）に凸の集光レンズ３Ａ２に形成する。

導光体１０は、透明等透光性を有するアクリル樹脂やポリカーボネート等の透光体により円柱状に形成された所定長さの円柱状本体１０ａに、所定径の中心孔１０ｂを同心状かつ軸方向に貫通するように穿設することにより、環状の導光路１０ｃを形成している。

導光路１０ｃは、その集光レンズ３Ａ２に下部間隙ｇａを介して同心状に対向する図１３中の環状の下端面１０ｄと上端面１０ｅとをそれぞれ平坦面に形成することにより、この下端面１０ｄを光入射面に形成し、上端面１０ｅを光出射面にそれぞれ形成している。

環状の光入射面１０ｄは、その環径方向に沿う幅方向中心Ｏａを、環状の集光レンズ３Ａ２の環径方向に沿う幅方向中心Ｏｂにほぼ一致させている。

円環状レンズ１１は、その縦断面がほぼ半円状の円環状レンズ本体１１ａを有し、このレンズ本体１１ａの図１３中下端面１１ｂを平坦面に形成して光入射面に形成し、図１３中、上方に凸の円弧面１１ｃを投光面に形成している。

円環状レンズ１１は、その下端の光入射面１１ｂｅの環径方向に沿う幅方向中心Ｏｃを、導光体１０の上端の光出射面１０ｅの環径方向に沿う幅方向中心Ｏｄにほぼ一致させている。

このように発光ダイオード照明装置１Ｃは構成されているので、発光ダイオードベアチップ３Ａ１，３Ａ１，…からの青色光は集光レンズ３Ａ２中の黄色蛍光体を励起して黄色光を発光させ、これら黄色光と青色光が混色されて白色光に変換される。

このために、この集光レンズ３Ａ２からは主に白色光と、若干の黄色光と青色光とが出射される。さらに、これら光は下部間隙ｇａで屈折してから導光体１０の光入射面１０ｄに入射される。

この光入射面１０ｄから環状の導光路１０ｃ内に入射された白色光や青色光、黄色光は、この環状導光路１０ｃの内周側内側面ｉｎと外周側内側面ｏｕｔで繰り返し全反射されて光出射面１０ｅに導光される。

このように環状導光路１０ｃ内に入射された白色光、青色光、黄色光は、この導光路１０ｃの内，外周両側の内側面で反射を繰り返すので、光出射面１０ｅでは、青色光と黄色光の混色が促進される。このために、色むらと輝度むらを共に低減させることができる。

したがって、導光体１０の光出射面１０ｅからは色むらと輝度むらが低減した白色光が円環状レンズ１１の光入射面１１ｂに入射されるので、この円環状レンズ１１の投光面１１ｃからは色むらと輝度むらを低減した白色光が外部へ投光される。

図１４は本発明の第６実施形態に係る発光ダイオード照明装置１Ｄの縦断面図である。この発光ダイオード照明装置１Ｄは、図１３で示す発光ダイオード照明装置１Ｃにおいて、その直胴円柱状の導光体１０を、外形がほぼ円錐台状の導光体１０Ｄに置換した点に主な特徴を有する。

すなわち、円錐台状の導光体１０Ｄは、その本体１０Ｄａの環径を、その図１４中下端の光入射面１０Ｄｄ側から上端の光出射面１０Ｄｅ側に向けて漸次縮径するように形成してほぼ円錐台状に形成している。但し、環状の光入射面１０Ｄｄと環状の光出射面１０Ｄｅとを結ぶ環状の導光路１０Ｄｃの環径方向に沿う幅方向寸法は、これら両面１０Ｄｄ，１０Ｄｅでほぼ等しく形成されている。

この発光ダイオード照明装置１０Ｄによっても、発光ダイオード装置３Ａからの青色光と黄色光とを、導光体１０Ｄｄにより、その光出射面１０Ｄｅまで導光する際に混色を促進させるので、色むらと輝度むらを共に低減させることができる。

また、円錐台状の導光体１０Ｄの光出射面１０Ｄｅ側端部を縮径して、導光路１０Ｄｃを導光体１０Ｄの中心側へ所要角度傾斜させたので、この導光体１０Ｄｃの光入射面１０Ｄｄから光出射面１０Ｄｅまでの導光路１０Ｄｃの長さを縮小させずに光出射面１０Ｄｅ側端部の小形化を図ることができる。

このために、この導光体１０Ｄの光出射面１０Ｄｅに光学的に対向する円環状レンズ１０Ｄの環径を縮小して小形化を図ることができる。その結果、発光ダイオード照明装置１０Ｄ全体としての小形軽量化を図ることができる。

図１５は本発明の第７の実施形態に係る発光ダイオード照明装置１０Ｅの縦断面図である。この発光ダイオード照明装置１０Ｅは、図１４で示す発光ダイオード照明装置１０Ｄにおいて、その円錐台状の導光体１０Ｄの環状導光路１０Ｄｃを、先細環状導光路１０Ｅｃに置換した点に特徴がある。

すなわち、先細環状導光路１０Ｅｃは、円錐台状の導光体本体１０Ｅａの肉厚を、その光入射面１０Ｅｄから光出射面１０Ｅｅに向けて漸次薄くなるように形成することにより、導光路１０Ｅｃを先細形状に形成している。

このために、導光体１０Ｅの光出射面１０Ｅｅの平面積が縮小するので、その分、この光出射面１０Ｅａ上の輝度を高めることができる。その結果、円環状レンズ１１Ｅの光入射面１１Ｅｂへ入射される入射光の集光度を向上させることができる。

また、導光体１０Ｅの光出射面１０Ｅｄ側端部を薄肉に形成した分、導光体１０Ｅの軽量化を図ることができる。

図１６は本発明の第８の実施形態に係る発光ダイオード照明装置１Ｆの縦断面図である。この発光ダイオード照明装置１０Ｆは、図１３で示す発光ダイオード照明装置１Ｃにおいて、その直胴状の環状導光路１０ｃを、先細環状導光路１０Ｆｃに置換した点に特徴がある。

すなわち、先細環状導光路１０Ｆｃは、導光体本体１０Ｆａを図１３で示す導光体本体１０ａと同様に直胴体に形成する一方、中心孔１０Ｆｂを、光出射面１０Ｆｅから光入射面１０Ｆｄに向けて漸次先細に形成することにより、導光路１０Ｆｃの肉厚を光入射面１０Ｆｄから光出射面１０Ｆｅ側に向けて漸次薄くなるように形成している。

したがって、この発光ダイオード照明装置１０Ｆによっても上記図１５で示す発光ダイオード照明装置１Ｅとほぼ同様に、先細環状導光体１０Ｆの光出射面１０Ｆｅの輝度を高めることができ、集光度を向上させることができる。

なお、上記発光ダイオード装置３Ａは図１７，図１８でそれぞれ示す発光ダイオード装置３Ｂ，３Ｃにそれぞれ置換してもよい。図１７で示す発光ダイオード装置３Ｂは、上記基板４上に、環状の内側集光レンズ１２と、この内側集光レンズ１２よりも所定径大径の環状の外側集光レンズ１３とを同心円状に配設し、これら内，外側集光レンズ１２，１３の一方を、例えば白色光に発光させ、他方を電球色に発光させるように構成した点に特徴がある。

すなわち、まず、基板４上には、上記内，外側集光レンズ１２，１３が配設されるべき位置にて、例えば青色発光の複数の発光ダイオードベアチップ３Ｂ１，３Ｂ１，…を周方向に所要のピッチを置いてそれぞれ環状に配設して内，外２列の発光ダイオードベアチップ列１２ａ，１３ａを同心状に形成する。

次に、これら内，外発光ダイオードベアチップ列１２ａ，１３ａの環状配列上に、発光ダイオードベアチップ３Ｂ１の青色光により白色光に発光する蛍光体と、電球色に発光する蛍光体をそれぞれ含有した合成樹脂を所要幅で環状にそれぞれ配設することにより、内，外側集光レンズ１２，１３をそれぞれ形成している。

そして、これら内，外側集光レンズ１２，１３は上記各導光体１０，１０Ｄ，１０Ｅ，１０Ｆの各光入射面１０ｄ，１０Ｄｄ，１０Ｅｄ，１０Ｆｄに光学的に対向配置される。

したがって、この場合は、内，外側集光レンズ１２，１３からの白色光と電球色光とを導光体１０，１０Ｄ，１０Ｅ，１０Ｆにより混合させ、色むらを低減させることができる。

また、この発光ダイオード装置３Ｂによれば、発光ダイオードベアチップ列１２ａ，１３ａが２列あるので、１列の場合に比して発光ダイオード装置３Ｂ全体としての発光量を
増大させることができる。

図１８で示す発光ダイオード装置３Ｃは、図１７で示す発光ダイオード装置３Ｂと同様に、基板４上に、複数の発光ダイオードベアチップ３Ｃ１，３Ｃ１，…を、複数、例えば内外２個の異径同心円状に配設して環状の内側発光ダイオードベアチップ列１４と外側発光ダイオードベアチップ列１５をそれぞれ形成する。

この内側発光ダイオードベアチップ列１４の各発光ダイオードベアチップ３１Ｃ１の配設位置とは、相互に周方向でずれており、これら内，外側発光ダイオードベアチップ１４，１５の一方の周方向で隣り合う発光ダイオードベアチップ３１Ｃ１，３１Ｃ１，…同士の間隙に他方の発光ダイオードベアチップ３１Ｃ１が位置するように配設されている。

そして、これら２列の内，外側発光ダイオードベアチップ列１４，１５上には、これらを一体に被覆するように、例えば黄色発光蛍光体を混合した合成樹脂を環状かつ同心円状に積層して外方（図１８では図面の表面側）に凸の１本の環状帯状の集光レンズ３Ｃ２を形成する。

図１９はこの発光ダイオード装置３Ｃの垂直方向（Ｚ軸）の配光特性を示すグラフである。すなわち、図１８で示すように基板４の中心ＯのＸ軸とＹ軸を含む水平面に対して、この中心Ｏから垂直方向に起立するＺ軸を０°（垂直）から６０°まで傾けた角度を横軸に示し、これら角度における相対光度を縦軸に示している。この相対光度は、内，外側発光ダイオードベアチップ１４，１５の両者を共に点灯したとき（図１９では実線（両方）で示す）、かつＺ軸が０°（垂直）の光度の最高値を「１」としたときの光度を示す。

図１９中、点線曲線は内側発光ダイオードベアチップ列１４のみの発光ダイオードベアチップ３１Ｃ，３１Ｃ，…を点灯させたときの相対光度を示し、破線曲線は外側発光ダイオードベアチップ列１５のみの発光ダイオードベアチップ３１Ｃ，３１Ｃ，…を点灯させたときの光度を示している。さらに、実曲線はこれら内，外側発光ダイオードベアチップ列１４，１５の両者の発光ダイオードベアチップ３１Ｃ，３１Ｃ，…を共に点灯させたときの相対光度を示している。

そして、図１９に示すように相対光度が最高値の半分の光度０．５をそれぞれ示すＺ軸の傾斜角（１／２ビーム角）は、内側発光ダイオードベアチップ列１４のみを点灯したときが２０°であり、外側発光ダイオードベアチップ列１５のみを点灯したときの１４°と、これら両者１４，１５を点灯したときの１６°よりも大きく、配光が広いことを示している。

そして、上記発光ダイオード装置３Ｃでは、その基板４の直径が例えば４０ｍ、内側発光ダイオードベアチップ列１４の環状配列の環径が１９ｍｍ、外側発光ダイオードベアチップ列１５の同環径が２１ｍｍの場合、光量が約１０００ｌｍであった。

これに対し、基板４の直径が同じく４０ｍであるが、発光ダイオードベアチップ列が１列で、その環径が２０ｍｍの場合、光量は約５００ｌｍであったから、上記２列の発光ダイオード装置３Ｃの光量はほぼ２倍の光量を有する。

また、基板４の直径が８０ｍｍで内外２列の発光ダイオードベアチップ列１４，１５の環径がそれぞれ５９ｍｍ，６１ｍｍの場合、光量は約３０００ｌｍであった。

これに対し、発光ダイオードベアチップ列が環径６０ｍｍで１列の場合、光量は約１５００ｌｍであったから上記発光ダイオード装置３Ｃのほぼ半分であった。

そして、直径が８０ｍｍの基板４上に、環径が１９ｍｍと２１ｍの２列の発光ダイオードベアチップ列１４，１５と、環径が５９ｍｍと６０ｍの２列の発光ダイオードベアチップ列１４，１５の合計４列を設けた場合の光量は、これら各光量の１０００ｌｍと３０００ｌｍの合計の４０００ｌｍであった。すなわち、Ｅ−ＣＯＲＥ６０Ｗ程度の器具サイズで４０００ｌｍの光量を実現できた。

なお、上記各実施形態では、複数の発光ダイオードベアチップ３Ａ１，３Ｂ１，３Ｃ１と発光ダイオード５を、円板状の基板４上に、同心円状に１列または２列配設する場合について説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、例えば、発光ダイオードベアチップ３Ａ１，３Ｂ１，３Ｃ１と発光ダイオード５を２列以上の複数の同心円状に配設してもよく、その配列は円形に限定されず、四角形状や多角形状でもよく、環状であればよい。

さらに、透光性樹脂部８や集光レンズ３ｂ，３Ａ２，３Ｃ２は、黄色蛍光体を分散させた場合について説明したが、この黄色蛍光体に限定されるものではなく、さらに、蛍光体を分散させずに透明樹脂のみにより形成してもよく、また、その樹脂に、光拡散材を分散させてもよい。また、発光ダイオードベアチップ３Ａ１，３Ｂ１，３Ｃ１、発光ダイオード５の発光色も青色光に限定されず、Ｒ（赤），Ｇ（緑），Ｂ（青）等他の発光色でもよく、透光性樹脂部８の発光色と適宜組み合せてもよい。

また、図１３〜図１６で示す導光体１０，１０Ｄ，１０Ｅ，１０Ｆの光出射面１０ｅ，１０Ｄｅ，１０Ｅｅ，１０Ｆｅと、円環状レンズ１１，１１Ｄ，１１Ｅ，１１Ｆの光入射面１１ｂ，１１Ｄｂ，１１Ｅｂ，１１Ｆｂとを一体に連結して、これら導光体１０，１０Ｄ，１０Ｅ，１０Ｆと円環状レンズ１１，１１Ｄ，１１Ｅ，１１Ｆとをアクリル樹脂やポリカーボネート等の合成樹脂により一体に形成してもよい。

さらに、図３や図６等で示す砲弾形の発光ダイオード装置３は、図９等で示す発光ダイオード装置３Ｂ、図１７，図１８でそれぞれ示す発光ダイオード装置３Ｂ，３Ｃにそれぞれ置換してもよい。

さらにまた、上記発光ダイオード照明装置１，１Ａ，１Ｂ，１Ｃ，１Ｄ，１Ｅ，１Ｆには、上記発光ダイオード装置３，３Ａ，３Ｂ，３Ｃに、その発光ダイオードベアチップ３Ａ１，３Ｂ１，３Ｃ１の発光をそれぞれ調光する調光装置を設けてもよい。

本発明の第１の実施形態に係る発光ダイオード照明装置の平面図。 図１のＩＩ矢視図。 図１のＩＩＩ−ＩＩＩ線断面図。 図１で示す発光ダイオード装置からの光の放射方向を示す平面的模式図。 図１で示す発光ダイオード照明装置の配光分布図。 本発明の第２の実施形態に係る発光ダイオード照明装置の要部縦断面図。 本発明の第３の実施形態に係る発光ダイオード照明装置の発光ダイオード装置の平面図。 本発明の第４の実施形態に係る発光ダイオード照明装置の平面図。 図８で示す発光ダイオード装置の平面図。 図９のＸ−Ｘ線断面図。 図８〜図１０で示す発光ダイオードチップの電気配線図。 図８のＸＩＩ−ＸＩＩ線断面図。 本発明の第５の実施形態に係る発光ダイオード照明装置の要部縦断面図。 本発明の第６の実施形態に係る発光ダイオード照明装置の要部縦断面図。 本発明の第７の実施形態に係る発光ダイオード照明装置の要部縦断面図。 本発明の第８の実施形態に係る発光ダイオード照明装置の要部縦断面図。 本発明の発光ダイオード装置の他の実施形態を示す平面図。 本発明の発光ダイオード装置のさらに他の実施形態を示す平面図。 図１８で示す発光ダイオード装置の光度を示すグラフ。

符号の説明

１，１Ａ，１Ｂ，１Ｃ，１Ｄ，１Ｅ，１Ｆ…発光ダイオード照明装置、２，１１，１１Ｄ，１１Ｅ，１１Ｆ…円環状レンズ、２ａ…円環状レンズの底面、２ｂ，１１ｃ，１１Ｄｃ，１１Ｅｃ，１１Ｆｃ…円環状レンズの投光面、２ｃ１…円環状レンズの内周側全反射面、２ｃ２…円環状レンズの外周側全反射面、２ｄ…円環状レンズの環状溝、２ｄ１…環状溝の底面、２ｄ２…環状溝の内周側の側面、２ｄ３…環状溝の外周側の側面、２ｏ…中心孔、２ｏＡ…ディスク、３，３Ａ，３Ｂ，３Ｃ…発光ダイオード装置、４…基板、３Ａ１，３Ｂ１，３Ｃ１，５…発光ダイオードベアチップ、１０，１０Ｄ，１０Ｅ，１０Ｆ…導光体、１０ａ，１０Ｄａ，１０Ｅａ，１０Ｆａ…導光体本体、１０ｄ，１０Ｄｄ，１０Ｅｄ，１０Ｆｄ…導光体の光入射面、１０ｅ，１０Ｄｅ，１０Ｅｅ，１０Ｆｅ…導光体の光出射面、１１ｂ，１１Ｄｂ，１１Ｅｂ，１１Ｆｂ…円環状レンズの光入射面、ｇａ，ｇｂ…間隙、１２…内側集光レンズ、１２ａ…内側発光ダイオードベアチップ列、１３…外側集光レンズ、１３ａ…外側発光ダイオードベアチップ列。

Claims (11)

1. 円環状のレンズ本体、このレンズ本体の軸方向一端面に形成された環状溝、このレンズ本体の少なくとも外周側の内側面に形成されてこの内側面に入射された光を投光面側へ全反射させる全反射面を有する円環状レンズと；
   この円環状レンズの環状溝に光学的に対向配置されてこの環状溝の周方向に所要の間隔を置いて配置された複数の発光ダイオード装置と；
   を具備していることを特徴とする発光ダイオード照明装置。
2. 円環状レンズは、レンズ本体の内周側の内側面を、光透過と乱反射可能に構成していることを特徴とする請求項１記載の発光ダイオード照明装置。
3. 円環状レンズは、レンズ本体の軸方向他端側の投光面側にて環状中心孔を閉塞する透光体を具備していることを特徴とする請求項１または２記載の発光ダイオード照明装置。
4. 円環状のレンズ本体、このレンズ本体の軸方向一端面に形成された環状溝、このレンズ本体の少なくとも外周側の内側面に形成されてこの内側面に入射された光を投光面側へ全反射させる全反射面を有する円環状レンズと；
   この円環状レンズの環状溝に光学的に対向配置されてこの環状溝の周方向に所要の間隔を置いて基板上に環状に配置された複数の発光ダイオードベアチップおよびこれら発光ダイオードベアチップの外面を被覆し基板上に透光性樹脂を配設した透光性樹脂部を有する発光ダイオード装置と；
   を具備していることを特徴とする発光ダイオード照明装置。
5. 発光ダイオードベアチップの配設ピッチＰと、樹脂部の幅方向寸法ＷはＰ＜２・Ｗの関係を有することを特徴とする請求項４記載の発光ダイオード照明装置。
6. 円環状レンズと基板との間には、間隙を形成していることを特徴とする請求項４または５記載の発光ダイオード照明装置。
7. 円環状のレンズ本体、このレンズ本体の一端面に形成された環状の光入射面およびこのレンズ本体の他端面に形成された環状の投光面を有する円環状レンズと；
   この円環状レンズの光入射面に光学的に対向配置された環状の光出射面、環状の光入射面およびこの光入射面に入射された光を光出射面に導光する環状の導光路を有する環状の導光体と；
   この導光体の光入射面に光学的に対向するように基板上に環状に配設された複数の発光ダイオードを有する発光ダイオード装置と；
   を具備していることを特徴とする発光ダイオード照明装置。
8. 導光体は、その環径が光入射面側一端から光出射側他端に向って漸次縮径するように形成されていることを特徴とする請求項７記載の発光ダイオード照明装置。
9. 導光体は、その導光路の環径方向の厚さが光入射面側一端から光出射面側他端に向けて漸次薄くなるように形成されていることを特徴とする請求項７または８記載の発光ダイオード照明装置。
10. 導光体は、その光出射面側一端を、環状レンズの光入射面側端部に一体に連結されてなることを特徴とする請求項７ないし９のいずれか一記載の発光ダイオード照明装置。
11. 発光ダイオード装置は、発光色が異なる複数種類の発光ダイオードを有することを特徴とする請求項７ないし１０のいずれか一記載の発光ダイオード照明装置。

Images