JP2018029031A - Ｌｅｄ照明装置 - Google Patents

Abstract

【課題】広がりをもった領域から指向性の強い光を一様に発するＬＥＤ照明装置を得る。
【解決手段】このＬＥＤ照明装置１００においては、ＬＥＤチップ１０が複数１次元配列されている。全てのＬＥＤチップ１０を覆うように、光散乱層３０が設けられる。光散乱層３０は、ＬＥＤチップ１０との間の上下方向における間隔がＸとなるように設けられる。光散乱層３０の上側には、上側から光散乱層３０を覆うように、集光層４０が設けられる。集光層４０は、光散乱層３０との間の上下方向の間隔がＹとなるように設けられる。下側から入射した散乱光を集光して上側への指向性を高める構造（集光構造）が集光層４０に多数設けられている。
【選択図】図１

Description

本発明は、複数の発光ダイオード（ＬＥＤ）が発光源として用いられたＬＥＤ照明装置の構造に関する。

蛍光灯や白熱電球等に代わり、より低消費電力で耐久性の高い発光ダイオード（ＬＥＤ）が、様々な光源において用いられている。ＬＥＤは原理的に単色の（一定の波長の）光、例えば青色や赤色の光しか発することができない。また、ＬＥＤは例えば窒化物半導体の単結晶で構成された半導体層で構成され、その単体の大きさは数ｍｍ程度と小さなものしか実質的に製造できないため、実際にはＬＥＤは点光源のような形態となる。

一方、例えば照明用の光源としては、点状ではなく広がりをもった領域から一様に光を発するものが好ましい。ここで要求される一様性とは、光強度や、光のスペクトルに関する一様性である。また、照明用としては、上記のような単色の光ではなく、白色光（発光スペクトルに広がりがある光）が好ましい。このため、照明用としてＬＥＤが用いられる際には、ＬＥＤが発した光を吸収してＬＥＤが発した光と異なる波長の光（蛍光）を発する蛍光体が併せて用いられ、ＬＥＤが発した光とこの蛍光が発した光が混合されるような構成とされる。具体的には、青色光を発するＬＥＤと、黄色の蛍光を発する蛍光体が用いられ、ＬＥＤが発した青色光と蛍光体が発した蛍光光とが混合された白色光（擬似白色光）が発せられる。

また、光源の広がりを確保するためには、複数個のＬＥＤが配列されて用いられる。この際、実際の発光源は個々の小さなＬＥＤであるが、見かけ上の発光源は複数のＬＥＤが連結されて大きな広がりをもつように、すなわち、広い範囲でムラなく一様に発光しているように見えるような構成とされる。ここで、一般的には、発せられる光の指向性を高めて進行方向を特定の方向に集中させる、すなわち、集光をさせることが好ましく、これによって、照度を高くすることもできる。

このようなＬＥＤを光源とする照明装置（ＬＥＤ照明装置）の構造は、例えば特許文献１に記載されている。この構造においては、複数の小さなＬＥＤが配列された上に、これらを覆うように大きな蛍光体（色温度変換層）、内部粗面化プリズムシートが順次設けられる。各ＬＥＤが発した単色光は、その上側の蛍光体が発した光と混合された擬似白色光となって上側に発せられ、内部粗面化プリズムシートに入射する。内部プリズムシートは有機材料で構成され、その下側（ＬＥＤに近い側）には、多数の粒状体が分散され、入射した光を様々な方向に散乱させる光散乱層として機能する。これにより、上記のように見かけの発光源は大きな広がりをもつように見える。光散乱層によって光は様々な方向に分散して発せられるため、光の指向性を高めるために、内部粗面化シートの上側表面には、多数の凸形状（プリズム要素）が配置されている。個々のプリズム要素によって、光が発せられる方向を特に上側に集中させることができる。

また、特許文献２に記載のＬＥＤ照明装置においては、蛍光体がＬＥＤと一体化されて構成されたＬＥＤチップが複数配列され、その上側においてＬＥＤチップから離間してプリズムシートが設けられる。プリズムシートは、前記のようなプリズム要素が表面に形成されたシートであり、プリズム要素をＬＥＤチップ側（下側）に設けることによって、ＬＥＤチップが発した光を拡散させることができ、プリズム要素をＬＥＤチップと反対側（上側）に設けることによって、光を集光させることができる。このため、プリズムシートを上下の両側に設ければ、特許文献１に記載の技術と同様に、ＬＥＤチップに近い側で光の拡散を、ＬＥＤチップから遠い側で集光を行うことができる。

このようにして、ＬＥＤを用いて、例えば室内の天井灯等、一般的な照明用に好ましく用いられる照明装置を得ることができる。

特開２０１１−１２４０２３号公報 ＷＯ２０１２／０６３７５９Ａ１号公報

上記のようなＬＥＤ照明装置は、室内の一般的な照明用以外にも、様々な用途で用いられ、例えば、金属や樹脂材料等の表面の傷の検査を行うための検査装置における照明用にも用いられる。こうした場合には、細かな傷を高コントラストで認識しやすくするためには、特に光の指向性を高める、すなわち、集光の度合いを強くすることが好ましい。この際、広い範囲でムラなく一様に発光させることは、上記と同様に要求される。

特許文献１に記載の構成においては、内部粗面化プリズムシートの下側で光が拡散（散乱）され、その上側で集光される。この場合、光が散乱されてから集光されるまでの距離が短いために、光の拡散の効果が不十分となり、光源となる各ＬＥＤが見かけ上分離されて発光にムラが生じ、広い範囲で一様な発光をさせることが困難であった。

特許文献２に記載の技術においては、光源に広がりをもたせ、かつ集光も行うことができる。しかしながら、プリズムシートの下面のプリズム要素によって光を散乱させる場合には、プリズムシートを透過せずにＬＥＤ側（下側）に全反射する成分が無視できず、これによって実質的な発光強度が低下した。また、この全反射した成分の光の一部は再びＬＥＤ側の蛍光体に入射してから再び反射し、再度上側に発せられる。この際に、再び蛍光が発せられるため、最終的に発せられる光のスペクトルが、所望のものから変化する。このため、やはり発せられる光の強度や色（スペクトル）にムラが生じる場合があった。

このため、ＬＥＤを光源として用いる際に、広がりをもった領域から指向性の強い光を一様に発することは困難であった。

本発明は、かかる問題点に鑑みてなされたものであり、上記問題点を解決する発明を提供することを目的とする。

本発明は、上記課題を解決すべく、以下に掲げる構成とした。
本発明のＬＥＤ照明装置は、発光ダイオード（ＬＥＤ）と、前記発光ダイオードとの間に空隙が形成されるように前記発光ダイオードを上側から覆い、光を散乱させる光散乱層と、前記光散乱層との間に空隙が形成されるように前記光散乱層を上側から覆い、前記光散乱層から出た光を集光する集光層と、を具備することを特徴とする。
本発明のＬＥＤ照明装置は、前記光散乱層の下側で、前記発光ダイオードが発した光を吸収し前記発光ダイオードが発した光と異なる波長の蛍光を発する蛍光層を具備することを特徴とする。
本発明のＬＥＤ照明装置は、前記発光ダイオードが複数配置され、前記発光ダイオード毎に前記蛍光層が前記発光ダイオードと一体化された構成を具備する発光ダイオードチップが用いられたことを特徴とする。
本発明のＬＥＤ照明装置において、前記発光ダイオードチップと前記光散乱層との間の上下方向における間隔は、水平方向において隣接する前記発光ダイオードチップ間の間隔の５倍以上であることを特徴とする。
本発明のＬＥＤ照明装置は、前記集光層との間に空隙が形成されるように前記集光層を上側から覆う保護層を具備することを特徴とする。
本発明のＬＥＤ照明装置において、前記光散乱層は、透明な有機材料中に、粒状体が分散された構造を具備することを特徴とする。
本発明のＬＥＤ照明装置において、前記粒状体を構成する材料は、透明であり、前記有機材料と異なる屈折率を有することを特徴とする。
本発明のＬＥＤ照明装置において、前記集光層は、上面側に形成された凹凸を具備することを特徴とする。

本発明は以上のように構成されているので、広がりをもった領域から指向性の強い光を一様に発するＬＥＤ照明装置を得ることができる。

本発明の実施の形態に係るＬＥＤ照明装置の、互いに垂直な二方向に沿った断面図である。 本発明の実施の形態に係るＬＥＤ照明装置に用いられるＬＥＤチップの断面図である。 本発明の実施例となるＬＥＤ照明装置と、集光層を具備しない比較例における光強度の角度依存性を測定した結果である。

以下、本発明の実施の形態となるＬＥＤ照明装置について説明する。図１は、このＬＥＤ照明装置１００の断面図である。このＬＥＤ照明装置１００においては、例えば特開２０１２−６９８８５号公報に記載されるような発光ダイオードチップ（ＬＥＤチップ）１０が、水平面を構成する基板２０上面に１次元配列されている。図１（ａ）は、ＬＥＤチップがある箇所におけるその配列方向に垂直な断面図であり、図１（ｂ）は、その配列方向に沿った断面図である。図１（ｂ）において、ＬＥＤチップの水平方向における間隔はＬである。ここでは、集光は配列方向と垂直な方向においてなされている、すなわち、図１（ａ）中において、特に上向きへの指向性が高くなるように設定される。一方、図１（ｂ）においては、発光源となるのは各ＬＥＤチップ１０であるが、上側から見て、発光源となる各ＬＥＤ１０を分離して認識することはできず、図１（ｂ）の左右方向にわたり広い範囲で一様に発光しているように見える構成とされる。

図２は、このＬＥＤチップ１０の構造を模式的に示す断面図である。ここでは、例えば特開２０１２−６９８８５号公報に記載された構造が簡略化されて示されている。ここでは、窒化物半導体で構成され短波長（青色）の発光をする半導体層（発光ダイオード）１１が、金属製のリードフレーム１２上に搭載され、リードフレーム１２上においては、反射層１３が半導体層１１を囲んで設けられている。反射層１３は、半導体層１１が発した光を周囲で上向きに反射させるように設けられている。このため、半導体層１１が発した光は図２において上側に向かって発せられる。ただし、この光の進行方向を制限するのは反射層１３とリードフレーム１２だけであるため、その指向性は高くない。

また、リードフレーム１２の上側で反射層１３で囲まれた内部には、樹脂材料に蛍光材料が添加された蛍光層１４が、半導体層１１をその内部に封止して形成される。この蛍光材料は、半導体層１１が発した青色の光を吸収し、これよりも長波長かつスペクトル帯域の広い黄色の光を発する。このため、このＬＥＤチップ１０から上側に向かって、発光ダイオード（半導体層１１）が発した光と蛍光層１４が発した光が混合して発せられ、この光は、そのスペクトルが青色側から長波長側にわたる広がりをもつ白色光（擬似白色光）となる。なお、実際には半導体層１１やリードフレーム１２には半導体層１１に電流を流すために各種の配線が接続されているが、その記載は図２では省略されている。

図２におけるＬＥＤチップ１０の幅Ｄは例えば５ｍｍ程度であり、図１（ｂ）におけるＬＥＤ照明装置１００全体の幅と比べて小さい。図２の構造において光は下側に向けて発せられることはなく、かつ発光の源となる半導体層１１は、幅Ｄよりも更に小さい。また、半導体層１１の厚さＴは、Ｄよりも小さい。このため、実際には光は小さな半導体層１１を中心として上側に向けて放射状に発せられる。

図１（ｂ）において、このＬＥＤチップ１０は、基板２０上に間隔Ｌで１次元配列されており、ＬはＤと同程度である。図１（ａ）（ｂ）において、光は、各ＬＥＤチップ１０から上側にそれぞれ矢印Ａ１、Ｂ１のように各ＬＥＤチップ１０から個別にそれぞれ放射状に発せられる。

ＬＥＤチップ１０の上側には、全てのＬＥＤチップ１０を覆うように、光散乱層３０が設けられる。光散乱層３０は、端部において基板２０との間にスペーサ２１を挟むことによって、ＬＥＤチップ１０との間の上下方向における間隔がＸとなるように設けられる。ここで、Ｘ＞＞Ｔである。光散乱層３０は、特許文献１に記載の内部粗面化プリズムシートにおける下側の部分と同様に、透明な有機材料中に透明かつ小さな粒状体（散乱構造）が多数分散されて構成され、有機材料と粒状体との屈折率の違いに起因して、有機材料と粒状体との界面で入射した光が散乱される。この際、粒状体はランダムに分散しているため、ＬＥＤチップ１０から発せられた光は、光散乱層３０によって拡散され、かつ、この拡散は光散乱層３０における面内方向の各点で起こる。このため、光散乱層３０を通過後は、図１（ａ）（ｂ）におけるそれぞれ矢印Ａ２、Ｂ２で示されるように、光は光散乱層３０の面内の各点から発散して発せられる。この状態を上側から見ると、光散乱層３０の上面が均一に発光しているように見え、個々のＬＥＤチップ１０を認識することが困難となる。すなわち、特に図１（ｂ）においては、分断されて設けられた複数の小さなＬＥＤチップ１０が用いられているにも関わらず、光散乱層３０の全面で一様に発光しているように見える。

光散乱層３０の上側には、上側から光散乱層３０を覆うように、集光層４０が設けられる。集光層４０は、端部において光散乱層３０との間にスペーサ２２を挟むことによって、光散乱層３０との間の上下方向の間隔がＹとなるように設けられる。集光層４０は、特許文献１に記載の内部粗面化プリズムシートにおける上側、あるいは特許文献２における、プリズム要素を上側に設けたプリズムシートと同様であり、下側から入射した散乱光を集光して上側への指向性を高める構造（集光構造）が集光層４０に多数設けられている。ＬＥＤチップ１０の配列方向と垂直な方向における集光をするために，集光層４０においては、プリズム要素（集光構造）となる凹凸は、この配列方向に沿って設けられている。このため、ＬＥＤチップ１０の配列方向と垂直な図１（ａ）においてのみこの集光構造となる凹凸形状が示されている。これにより、図１（ａ）においては、集光層４０通過後における光の向きは矢印Ａ３で示されるように主に上側となるように集光される。一方、配列方向では集光されないため、この配列方向に沿った図１（ｂ）においては、この光は、その向きが矢印Ｂ３で示されるように、矢印Ｂ２の向きと変わりがない発散光となる。

集光層４０の更に上側には、一様に形成された透明な保護層５０が、集光層４０を覆うように、集光層４０から離間して設けられる。保護層５０においては光に対する散乱や集光はなされず、保護層５０は、その下側にある集光層４０、光散乱層３０、ＬＥＤチップ１０等の保護や、光の取り出し用の窓として保護層５０は機能する。保護層５０は、特許文献２における保護カバーに対応する。このため、図１（ａ）において保護層５０を透過後の光の向きを示す矢印Ａ４は、その下層の矢印Ａ３と同様の向きであり、図１（ｂ）において保護層５０を透過後の光の向きを示す矢印Ｂ４も、その下層の矢印Ｂ３と同様の向きである。保護層５０は、例えば透明で均一、かつ平坦な有機材料等で構成される。

上記の構成においては、ＬＥＤチップ１０から上側に放射状に発せられた光（矢印Ａ１、Ｂ１）は、平坦な光散乱層３０に入射する。この際、光散乱層３０の上側から見て、個々のＬＥＤチップ１０が分離して発光しているのではなく、光散乱層３０が全体として発光しているように見えることが好ましい。このためには、Ｘを十分に大きくして、個々のＬＥＤチップ１０が発した光が十分に発散した状態で光散乱層３０に下側から入射することが好ましい。この際、ＬＥＤチップ１０の間隔Ｌが大きい場合には、Ｘもこれに応じて大きくすることが必要となる。このため、ＸはＬの５倍以上とすることが好ましい。前記の通り、Ｘの設定はスペーサ２１によって行うことができる。また、Ｘ＞＞Ｔであるため、実際には、基板２０と光散乱層３０との間の間隔をＸとすることができる。なお、図１、２においては、便宜上Ｄ、Ｔ、Ｘ、Ｙ、Ｌの関係は実際とは異なって示されている。

この際、特許文献２に記載のようにプリズムシートを用いて光を散乱させる場合とは異なり、下側に全反射する成分は少ない。更に、Ｘが小さな場合には、全反射した成分がＬＥＤチップ１０内の蛍光層１４に再入射する可能性が高くなるが、Ｘを大きくすることにより、仮に全反射する成分が存在しても、この成分の光が蛍光層１４に再入射する可能性は低くなり、この光は基板２０側で反射されて再び光散乱層３０に入射する、あるいはこの光は光散乱層３０を通過せずにそのまま外部に発せられる。このため、光散乱層３０から集光層４０に向かう光のスペクトルが、この全反射した光によって悪影響を受ける可能性は低い。ただし、Ｘが大きくなるとＬＥＤ照明装置１００が大型化するため、ＬＥＤ照明装置１００全体の大きさを考慮した上で、Ｘは設定される。

集光層４０において、見かけ上の発光を集光層４０全体で広い面内にわたり均一とするためには、光が十分に発散した状態で下側から集光層４０に入射することが好ましい。このためには、光散乱層３０と集光層４０との間に空隙を設ける、すなわち、間隔Ｙを大きくすることが好ましい。具体的には、この間隔Ｙは、光学的に十分厚く、発せられる光のスペクトルにおける短波長側端部となる青色光の波長（４６０ｎｍ程度）の１０倍以上とすることが好ましい。このため、光散乱層３０と集光層４０とは、別体で構成される。

また、保護層５０は単に光を透過させる機能のみを有するため、保護層５０と集光層４０との間の間隔は、保護層５０と近接する集光層４０の上面を保護できるように、適宜設定される。特に、集光層４０の上面には上記のようなプリズム形状（集光構造）が形成されているため、このプリズム形状となった部分と保護層５０とが直接接することがなく、かつプリズム構造が上側から見て保護層５０によって覆われるように、これらの間隔は設定される。

あるいは、集光層の表面が他の構造によって保護されている場合には、保護層５０は不要である。逆に、保護層にも、光散乱層３０と同様に光を散乱させる機能をもたせてもよい。ただし、集光層４０による集光の効果を維持するために、この光散乱の効果を、下側の光散乱層３０よりも弱くすることが好ましい。

図３は、上記の構造において、Ｌ＝４ｍｍ、Ｘ＝２０ｍｍ、Ｙ＝０．７５ｍｍとした実施例、同様の構造において集光層４０を設けなかった場合における配列方向と垂直な方向における保護層を透過後の光強度の角度分布（図１（ａ）における上方向を基準とする）を測定した結果である。ここで、上向き（角度が０°の場合）に発せられる光の強度を基準として規格化されている。集光層４０としては、図１（ａ）における周期５０μｍ、深さ２５μｍのプリズム構造を集光構造として用いたものが用いられた。この結果より、実施例では、上向きの指向性が高まった光を発することができることが確認できる。

なお、上記の構成において、蛍光層は各ＬＥＤチップ内に設けられるものとしたが、各ＬＥＤチップ内には蛍光層は用いられず、ＬＥＤチップ内における発光要素は半導体層のみとしてもよい。こうした場合においては、例えば特許文献１に記載の構造と同様に、配列されたＬＥＤチップ全体を覆うように大きな蛍光層を設けることができ、この上に上記と同様に光散乱層、集光層を設けることができる。この際、蛍光層と光散乱層との間隔を上記のＸ、隣接する半導体層（発光ダイオード）の間隔を上記のＬとすれば、同様の効果を奏する。

あるいは、蛍光層を用いずに単色の発光をさせる場合においても、上記のように光源の広がり及び光の指向性が要求される場合には、上記の構成が有効であることは明らかである。この場合においては、単色の発光をする半導体層（発光ダイオード）と光散乱層との間隔を上記のＸ、隣接する半導体層の間隔を上記のＬとすれば、同様の効果を奏する。この場合、発光ダイオードの発光波長は任意であり、これに応じて散乱構造や集光構造の寸法を設定することができる。

また、光を散乱する光散乱層の構造あるいは個々の散乱構造、その後に集光をする集光層の構造あるいは個々の集光構造についても、同様に機能させることが可能な限りにおいて、上記と異なる構造のものを用いることができる。この際、上記の構造では、ＬＥＤは一方向に沿って配列され、この配列方向に垂直な方向において集光されるものとしたが、例えばＬＥＤが二次元配列されていてもよい。この場合においても、この集光方向に応じて集光層あるいは集光構造は、適宜設定することができる。

１０ 発光ダイオードチップ（ＬＥＤチップ）
１１ 半導体層（発光ダイオード）
１２ リードフレーム
１３ 反射層
１４ 蛍光層
２０ 基板
２１、２２ スペーサ
３０ 光散乱層
４０ 集光層
５０ 保護層
１００ ＬＥＤ照明装置

Claims (8)

1. 発光ダイオード（ＬＥＤ）と、
   前記発光ダイオードとの間に空隙が形成されるように前記発光ダイオードを上側から覆い、光を散乱させる光散乱層と、
   前記光散乱層との間に空隙が形成されるように前記光散乱層を上側から覆い、前記光散乱層から出た光を集光する集光層と、
   を具備することを特徴とするＬＥＤ照明装置。
2. 前記光散乱層の下側で、前記発光ダイオードが発した光を吸収し前記発光ダイオードが発した光と異なる波長の蛍光を発する蛍光層を具備することを特徴とする請求項１に記載のＬＥＤ照明装置。
3. 前記発光ダイオードが複数配置され、前記発光ダイオード毎に前記蛍光層が前記発光ダイオードと一体化された構成を具備する発光ダイオードチップが用いられたことを特徴とする請求項２に記載のＬＥＤ照明装置。
4. 前記発光ダイオードチップと前記光散乱層との間の上下方向における間隔は、水平方向において隣接する前記発光ダイオードチップ間の間隔の５倍以上であることを特徴とする請求項３に記載のＬＥＤ照明装置。
5. 前記集光層との間に空隙が形成されるように前記集光層を上側から覆う保護層を具備することを特徴とする請求項１から請求項４までのいずれか１項に記載のＬＥＤ照明装置。
6. 前記光散乱層は、透明な有機材料中に、粒状体が分散された構造を具備することを特徴とする請求項１から請求項５までのいずれか１項に記載のＬＥＤ照明装置。
7. 前記粒状体を構成する材料は、透明であり、前記有機材料と異なる屈折率を有することを特徴とする請求項６に記載のＬＥＤ照明装置。
8. 前記集光層は、上面側に形成された凹凸を具備することを特徴とする請求項１から請求項７までのいずれか１項に記載のＬＥＤ照明装置。

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