JP2011501464A - Ｌｅｄ光源用拡散器 - Google Patents

Abstract

ＬＥＤ光源であって、少なくとも１つのＬＥＤ、ＬＥＤと光源の発光面との間のパネル、及び少なくとも１つのＬＥＤの光をミー散乱で拡散する材料を含有するパネル内の充填材料を含む。

Description

本発明は、均一な照明面を生じ、かつ発光ダイオード（ＬＥＤ）の大電力動作を可能化するために、ＬＥＤ光源から均一に分散した光を供給すること、ＬＥＤが発生する熱を効率的に除去すること、及び特にＬＥＤ光源が発生する光を実質的な光損失無しに均一に分散することに関する。

ＬＥＤは、半導体接合から成り、接合を流れる電流により発光する。白色ＬＥＤは、典型的には青色又は紫外のＬＥＤダイを用い、これにプラスチック皮膜を加えることによって形成され、この皮膜は燐光体を含有する。燐光体は、ＬＥＤダイから放射された青色光又は紫外光を白色光又は概ね黒体放射に類似したスペクトルの光に変換するために用いられる。

一見すると、白色ＬＥＤは伝統的光源に対する優れた代替物になるように思える。同電力であれば白熱電球より遙かに多くの光出力を生じ、換言すれば、等しい光に対して電力消費が遙かに少なく、また、その動作寿命が桁違いに長く、すなわち１０００ないし２０００時間に対して１万ないし１０万時間である。同様に、その最大効率は蛍光管よりも高く、その寿命も実質的に蛍光管より長い。

しかしながら、ＬＥＤは多くの欠点を有しており、これまで伝統的光源として広く採用することが妨げられていた。その一つは、ＬＥＤが離散的光源であるということである。その出力光束の内では強力な光を生ずるが、光束の外では光が弱い。複数ＬＥＤの使用は、このとき光の干渉パターンが生じるため、この問題の十分な解決とはならない。

過去、点光源問題に対する一つの解決策として、ＬＥＤのシェル又は本体にＬＥＤからの光を拡げる拡散器が付加された。他の方法は、ＬＥＤパッケージ表面を粗面化することであった。いずれの方法もＬＥＤ光源の均一な光分布を達成しておらず、発光効率を低下させる可能性がある。近似的に角度上の均一性を達成する方法も、部分的に吸収性の過程を有し、発光効率を更に低下させる。

ＬＥＤの他の欠点は、ＬＥＤでは所定の光出力に対して消費電力が白熱電球より大幅に少ないが、照明に適当な光を発生するのに未だ多くのワット数を要することである。ＬＥＤは、半導体であり、殆ど点状の熱源であって、約８０〜１５０℃の範囲以上にすることはできない。このように、ＬＥＤは、実質的に熱問題を有している。

この熱問題に対する一つの解決策は、大きな金属製吸放熱材をＬＥＤに取り付けることである。そして、この吸放熱材は、電球外側に延伸し、ＬＥＤの熱を除去する。しかし、吸放熱材は光源の所望形状への適合を困難にするため、この解決策は好ましいものではない。

本発明の目的は、ＬＥＤ用拡散器を開発し、上記の主要な問題を効果的に解決することである。その狙いは、ＬＥＤ光源に取り付けられる拡散器であって、殆ど光損失無しに光を光源表面に均一に分布させ更に放熱用表面積を大きくする拡散器を提供することである。
器具は、好ましくはポリカーボネートのようなプラスチックで形成される密封パネルと、好ましくは流体、プラスチック又はゲルで形成される充填材とを含む。流体、ゲル又はプラスチックは、ミー散乱体（Mie scatterers）システムを含有するか、又はそれ自体でこれを形成するように設計される。加えて、流体、ゲル又はプラスチックは、ＬＥＤからの熱を効率的に除去して適当な除去用表面に伝達する材料であるか、又はこれを含有するように設計される。

一つの実施形態では、密封パネルは矩形断面を有する。流体、ゲル又はプラスチックは、約７０〜９９％まで、又は熱膨張の余地を残すのに適当な程度までパネルに充填される。パネルは、ＬＥＤ光源組立品の一体部分として構成されてもよく、任意の様々な周知方法により取り付けられる追加物であってもよい。

他の実施形態では、流体、ゲル又はプラスチックは、密封パネル中で空間的に均一でない分布で配置されてもよい。これは、一つの方向に対して他の方向より強力な光を発生するために用いられる。

添付図面は、本発明を更に理解するために含まれており、本明細書に組み込まれ、その一部をなす。図面は、本発明の実施形態を例示し、その説明と共に本発明の原理を明らかにするものである。

現技術水準のＬＥＤ光源の図であり、光出力の方向性に対する理由を示す。

ＬＥＤから放射され、超波長（supra-wavelength）粒子でミー散乱される光の断面図である。

ＬＥＤ光源の断面図であり、ＬＥＤ前面に搭載された拡散器を示す。

ＬＥＤ光源の断面図であり、空間的に均一でない分布を持った拡散器を示す。

ここで、本発明の好適な実施形態について詳細に言及するが、その例は添付図面に図示されている。同一の又は類似の部分に言及する場合、可能な限り同一の参照番号を明細書及び図面で使用している。

以下、設計の特徴に従って現行方式及び好適な実施形態について詳細に説明する。

図１は、現技術水準のＬＥＤ光源１０の図であり、光出力の方向性に関する理由及び熱除去に用いられる構成を示す。図１に示されているように、ＬＥＤ２０は、回路基板３０に搭載されている。前記ＬＥＤは点光源であるので、前記ＬＥＤ光源から放射される光は光束に集中して見える。前記回路基板は、ＬＥＤ２０との電気的相互接続を提供すると共に、電気的絶縁をも提供する。電線５０は、回路基板から延び、ＬＥＤに電源（不図示）から電力供給する。回路基板３０は低熱抵抗材料から成る吸放熱材４０に搭載され、その目的は、ＬＥＤ２０が発生する熱に対して環境への低熱抵抗経路を提供することである。図面では、吸放熱材４０はそこから延伸するひれ部４２を有するが、任意の形状の吸放熱材を用いることができる。

図２は、更なる実施形態に関し、ＬＥＤから放射され、複数の超波長粒子７０でミー散乱され、各波長８０に対し等しく散乱される光の断面図を示す。典型的には、入射光６０は複数の波長成分を含み、ＬＥＤに用いられた発光材料に基づく波長６２を含んでいる。例えば、典型的なＬＥＤ放射スペクトルでは、ＬＥＤから放射された青色に対応する波長６２は、約４１０〜４５０ｎｍである。図２に示されているように、入射光６０は実効径９０を有する分散した一組又は複数の粒子７０に衝突するが、実効径９０はＬＥＤ放射光の主波長６２より大きくなっている。分散粒子７０の実効径９０は、好ましくは、発光源における主波長６２の１ないし数倍の大きさである。例えば、青色光を生じるＬＥＤでは、分散粒子７０の組は、約１．１μｍの平均径を有するアルミナ三水和物とすることができる。当然のことながら、ＬＥＤ発光源の主波長６２より大きくてミー散乱を起こす実効径９０を持つ任意の適当な粒子を用いることができる。当然のことながら、粒子が球状である必要はなく、ほぼ球状である必要さえもなく、円板状又は棒形状の粒子のような他の形状を用いることができる。これは入射光６０のミー散乱条件を形成し、各入射波長６２は散乱されて出射波長８０となる。透過光又は出射波長８０は、このように入射光６０に対して複数の方向に分散されるが、光強度に大きく影響することはない。

図３はＬＥＤ光源１０の断面図であり、ＬＥＤ前面に搭載された拡散器９０を示している。図３に示されているように、ＬＥＤ２０は、回路基板３０に搭載され、不図示の電源に達する電力線５０を有する。前記ＬＥＤの前面には拡散器パネル９０が配置されている。前記拡散器パネルは、ＬＥＤ２０及び回路基板３０に形状一致するものとして示されており、前記ＬＥＤの熱を前記回路基板に伝達する低熱抵抗経路を提供する。拡散器パネル９０により伝達された熱は、伝導と放射面９２からの輻射とにより環境へ伝達される。また、拡散器パネル９０は、ＬＥＤ２０の光を拡げ、放射面９２上にほぼ均一な光出力を生じる。当然のことながら、拡散器パネル９０の断面が矩形である必要はなく、円板のような他の形状を用いることができる。これも当然であるが、拡散器パネル９０の放射面が平坦である必要はなく、半球のような他の形状を用いることもできる。同様に当然のことであるが、拡散器パネル９０がＬＥＤ２０に形状一致する必要はなく、その前面に単に配置するだけでもよい。

図３に示されているように、ＬＥＤ光源１０は、少なくとも１つのＬＥＤ、少なくとも１つのＬＥＤ２０と光源の発光面との間にあるパネル９０、及びパネル９０内にあり少なくとも１つのＬＥＤ２０の光を散乱する充填材料９１を含む。一つの実施形態では、充填材料９１は、炭酸カルシウムのような無機粒子で薄く覆われた複数の粒子を有するポリ（アクリルアミド）ヒドロゲルである。

他の実施形態では、ＬＥＤ光源１０は、少なくとも１つのＬＥＤ２０、少なくとも１つのＬＥＤ２０と光源１０の発光面との間にあるパネル、及びパネル９０内にあり少なくとも１つのＬＥＤ２０の光を散乱する充填材料９１を含み、充填材料９１は小さなミー・セル（small Mie cells）に加えて第２の密度の異なる成分を含有する。一つの実施形態では、充填材料９１は炭化水素ベースの油から成り、前記第２の密度の異なる成分は水及び少量の界面活性剤から成る。当然のことながら、充填材料９１は、光に対してそれぞれ透明な成分から成る。

図４は、ＬＥＤ光源の断面図であり、空間的に均一でない分布を持った拡散器９０を示している。図４に示されているように、拡散器９０は、２つの矩形領域９４を有し、そこでは流体、ゲル又はプラスチックの充填材料密度が該拡散器９０の他領域９６よりも低くなっている。低密度充填剤領域９４は、拡散器９０内に形成した別々の箱で構成してもよく、又は使用材料密度の単なる調節であってもよい。低密度充填材料領域９４の効果は、該領域からの光を拡散器９０の他領域９６に比してより直接的で強力なものにすることである。他領域９６は、より拡散した、強度の低い光を生じる。当然のことながら、低密度充填剤領域９４は、矩形である必要はなく、円形又は環形のような他の形状でもよい。同様に当然のことであるが、充填材料が均一密度であり、ミー散乱体だけが密度変更されるようにしてもよい。

当業者には明らかなことであるが、本発明の構成に対する修正や変更を本発明の範囲と精神を逸脱することなく行うことができる。上記記載の意味するところは、本発明に対する修正及び変更が、本願特許請求の範囲及びその均等物に該当する場合、本発明に含まれるということである。

Claims (25)

1. ＬＥＤ光源であって、
   少なくとも１つのＬＥＤ、
   前記少なくとも１つのＬＥＤと前記光源の発光面との間のパネル、及び
   前記少なくとも１つのＬＥＤの光をミー散乱で拡散する材料を含有する前記パネル内の充填材料
   を含むＬＥＤ光源。
2. 前記充填材料が流体である、請求項１記載のＬＥＤ光源。
3. 前記充填材料がゲルである、請求項１記載のＬＥＤ光源。
4. 前記充填材料がプラスチックである、請求項１記載のＬＥＤ光源。
5. 前記充填材料が光をミー散乱で拡散する、請求項１記載のＬＥＤ光源。
6. 前記充填材料が熱伝導性である、請求項１記載のＬＥＤ光源。
7. 前記充填材料が前記パネル全体に均一分布している、請求項１記載のＬＥＤ光源。
8. ミー散乱体が前記パネル全体に均一分布している、請求項１記載のＬＥＤ光源。
9. 前記充填材料が前記パネル全体に均一でなく分布している、請求項１記載のＬＥＤ光源。
10. ミー散乱体が前記パネル全体に均一でなく分布している、請求項１記載のＬＥＤ光源。
11. 前記少なくとも１つのＬＥＤが燐光体を有しない青色又は紫外のＬＥＤであり、前記パネルが少なくとも１つの燐光体を含有する、請求項１記載のＬＥＤ光源。
12. 前記パネルが密封されている、請求項１記載のＬＥＤ光源。
13. 前記パネルがＬＥＤに形状一致するよう型で作られている、請求項１記載のＬＥＤ光源。
14. 前記充填材料が前記パネルを完全には充填しない、請求項１記載のＬＥＤ光源。
15. 前記充填材料がヒドロゲルである、請求項１記載のＬＥＤ光源。
16. ＬＥＤ光源であって、
    少なくとも１つのＬＥＤ、
    前記少なくとも１つのＬＥＤと前記光源の発光面との間のパネル、及び
    前記少なくとも１つのＬＥＤの光を散乱する前記パネル内の充填材料
    を含み、
    前記充填材料がポリ（アクリルアミド）ヒドロゲルである、
    ＬＥＤ光源。
17. 前記ポリ（アクリルアミド）が無機粒子で薄く覆われた複数の粒子を含む、請求項１６記載のＬＥＤ光源。
18. 前記無機粒子が炭酸カルシウムである、請求項１７記載のＬＥＤ光源。
19. ＬＥＤ光源であって、
    少なくとも１つのＬＥＤ、
    前記少なくとも１つのＬＥＤと前記光源の発光面との間のパネル、及び
    前記少なくとも１つのＬＥＤの光を散乱する前記パネル内の充填材料
    を含み、
    前記充填材料が小ミー・セルに加え第２の密度が異なる成分を含有し、前記充填材料が炭化水素ベースの油から成り、前記第２の密度が異なる成分が水及び少量の界面活性剤から成る
    ＬＥＤ光源。
20. 前記充填材料が光に対してそれぞれ透明な成分から成る、請求項１９記載のＬＥＤ光源。
21. ＬＥＤ光源であって、
    少なくとも１つのＬＥＤ、及び
    前記少なくとも１つのＬＥＤの光を散乱する材料
    を含み、
    前記材料がポリ（アクリルアミド）ヒドロゲルである、
    ＬＥＤ光源。
22. 前記ポリ（アクリルアミド）が無機粒子で薄く覆われた複数の粒子を含む、請求項２１記載のＬＥＤ光源。
23. 前記無機粒子が炭酸カルシウムである、請求項２２記載のＬＥＤ光源。
24. ＬＥＤ光源であって、
    少なくとも１つのＬＥＤ、及び
    前記少なくとも１つのＬＥＤの光を散乱する材料であって、
    を含み、
    前記材料が小ミー・セルに加え第２の密度が異なる成分を含有する
    ＬＥＤ光源。
25. 前記材料が炭化水素ベースの油から成り、前記第２の密度が異なる成分が水及び少量の界面活性剤から成る、請求項２４記載のＬＥＤ光源。

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