JP2003031005A - 発光ダイオード照明装置 - Google Patents
発光ダイオード照明装置Info
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- F21K9/233—Retrofit light sources for lighting devices with a single fitting for each light source, e.g. for substitution of incandescent lamps with bayonet or threaded fittings specially adapted for generating a spot light distribution, e.g. for substitution of reflector lamps
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- F21V29/70—Cooling arrangements characterised by passive heat-dissipating elements, e.g. heat-sinks
- F21V29/74—Cooling arrangements characterised by passive heat-dissipating elements, e.g. heat-sinks with fins or blades
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- F21Y2107/00—Light sources with three-dimensionally disposed light-generating elements
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- F21Y2115/00—Light-generating elements of semiconductor light sources
- F21Y2115/10—Light-emitting diodes [LED]
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- Arrangement Of Elements, Cooling, Sealing, Or The Like Of Lighting Devices (AREA)
- Non-Portable Lighting Devices Or Systems Thereof (AREA)
- Planar Illumination Modules (AREA)
- Led Device Packages (AREA)
Abstract
(57)【要約】
【課題】 発光ダイオードを用いた高光強度の照明装置
を提供する。 【解決手段】 凹面１６上に複数配列したフェースダウ
ンボンディング型発光ダイオード１６の発光が、凹面１
６の焦点位Ｐに収束し、高光強度の点光源Ｐを形成す
る。発光ダイオードの基板１３の裏側に密着して冷却部
１２を配設する。
を提供する。 【解決手段】 凹面１６上に複数配列したフェースダウ
ンボンディング型発光ダイオード１６の発光が、凹面１
６の焦点位Ｐに収束し、高光強度の点光源Ｐを形成す
る。発光ダイオードの基板１３の裏側に密着して冷却部
１２を配設する。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】この発明は、複数の発光ダイ
オード、例えばフェースボンディング型の発光ダイオー
ド又はレンズ付発光ダイオードなどの出射光を集光する
ように配列した、光強度の高い発光ダイオード照明装置
に関する。
オード、例えばフェースボンディング型の発光ダイオー
ド又はレンズ付発光ダイオードなどの出射光を集光する
ように配列した、光強度の高い発光ダイオード照明装置
に関する。
【０００２】
【従来の技術】昨今、ＬＥＤ（Ｌｉｇｈｔ Ｅｍｉｔｔ
ｉｎｇ Ｄｉｏｄｅ）は、赤外光から紫外光まで各種の
発光波長を有するものが製造され、光通信用、各種表示
用、或いは各種照明用などに広く用いられている。ＬＥ
Ｄの特長として、その発光スペクトルは、従来の他の光
源に較べてスペクトル幅が狭い、すなわち単色性が高い
こと、また、各種の発光波長を有するＬＥＤを組み合わ
せて所望のスペクトルを選択できること、及び発光効率
が高く発熱が少ないこと等が挙げられ、このような特長
を生かしたＬＥＤ照明装置の需要が高まってきている。
例えば、植物栽培において、特定の波長を有する光を大
量に照射することによって植物の生育速度が著しく増加
することが知られており、植物栽培農家は、特定の波長
の強度の高い照明装置を必要としている。また、生化学
産業の分野においては、特定の波長、又は発光波長の異
なる複数の光を同時に大量に照射し、特定の生化学反応
を促進し、薬品等の生産効率を高めると言った用途に使
用できる照明装置を必要としている。さらに、表示、装
飾、舞台といった照明分野においても、色彩、色調を任
意に変えることができ、発光効率が高く発熱が少なく、
かつ、遠方からも確認できる強度の高い照明装置を必要
としている。
ｉｎｇ Ｄｉｏｄｅ）は、赤外光から紫外光まで各種の
発光波長を有するものが製造され、光通信用、各種表示
用、或いは各種照明用などに広く用いられている。ＬＥ
Ｄの特長として、その発光スペクトルは、従来の他の光
源に較べてスペクトル幅が狭い、すなわち単色性が高い
こと、また、各種の発光波長を有するＬＥＤを組み合わ
せて所望のスペクトルを選択できること、及び発光効率
が高く発熱が少ないこと等が挙げられ、このような特長
を生かしたＬＥＤ照明装置の需要が高まってきている。
例えば、植物栽培において、特定の波長を有する光を大
量に照射することによって植物の生育速度が著しく増加
することが知られており、植物栽培農家は、特定の波長
の強度の高い照明装置を必要としている。また、生化学
産業の分野においては、特定の波長、又は発光波長の異
なる複数の光を同時に大量に照射し、特定の生化学反応
を促進し、薬品等の生産効率を高めると言った用途に使
用できる照明装置を必要としている。さらに、表示、装
飾、舞台といった照明分野においても、色彩、色調を任
意に変えることができ、発光効率が高く発熱が少なく、
かつ、遠方からも確認できる強度の高い照明装置を必要
としている。
【０００３】このように、特定の波長の光を高強度で照
明できるＬＥＤ照明装置は、種々の産業分野で必要とさ
れている。しかしながら、ＬＥＤは半導体接合に電流を
流すといった動作原理から生ずる制約があり、ハロゲン
ランプと比肩し得るような光強度の十分強いＬＥＤチッ
プを得ることは現在のところ困難である。また、光強度
の高い半導体光源には、ＬＤ（Ｌａｓｅｒ Ｄｉｏｄ
ｅ）があるが、青色等の短波長ＬＤは、光共振器の作製
が難しく、入手困難か若しくは著しくコストが高いなど
の欠点がある。このように、光強度の高いＬＥＤ照明装
置が必要とされているが、いまだ十分な光強度を有する
ＬＥＤ照明装置は実現されていない。
明できるＬＥＤ照明装置は、種々の産業分野で必要とさ
れている。しかしながら、ＬＥＤは半導体接合に電流を
流すといった動作原理から生ずる制約があり、ハロゲン
ランプと比肩し得るような光強度の十分強いＬＥＤチッ
プを得ることは現在のところ困難である。また、光強度
の高い半導体光源には、ＬＤ（Ｌａｓｅｒ Ｄｉｏｄ
ｅ）があるが、青色等の短波長ＬＤは、光共振器の作製
が難しく、入手困難か若しくは著しくコストが高いなど
の欠点がある。このように、光強度の高いＬＥＤ照明装
置が必要とされているが、いまだ十分な光強度を有する
ＬＥＤ照明装置は実現されていない。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】上記課題に鑑み、本発
明は、光強度の高い発光ダイオード照明装置を提供する
ことを目的とする。
明は、光強度の高い発光ダイオード照明装置を提供する
ことを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明の発光ダイオード照明装置は、フェースボン
ディング型発光ダイオードやレンズ付ハッコウダイオー
ド等の複数の発光ダイオードを、複数の発光ダイオード
の発光を集光するように凹面上に配列したことを特徴と
する。この構成によれば、発光ダイオードは互いに密に
配列でき、また、凹面の面積を大きくして所望の数の発
光ダイオードを配列でき、かつ凹面の焦点に発光ダイオ
ードの発光が集光するから、高光強度の発光ダイオード
照明装置を実現することができる。
に、本発明の発光ダイオード照明装置は、フェースボン
ディング型発光ダイオードやレンズ付ハッコウダイオー
ド等の複数の発光ダイオードを、複数の発光ダイオード
の発光を集光するように凹面上に配列したことを特徴と
する。この構成によれば、発光ダイオードは互いに密に
配列でき、また、凹面の面積を大きくして所望の数の発
光ダイオードを配列でき、かつ凹面の焦点に発光ダイオ
ードの発光が集光するから、高光強度の発光ダイオード
照明装置を実現することができる。
【０００６】また、本発明の発光ダイオード照明装置
は、複数の発光ダイオードを環状に配列し、環央部に、
各発光ダイオードからの発光を環軸方向に反射する反射
体を設け、複数の発光ダイオードの各発光を平行光線に
するようにしたことを特徴とする。ここで、上記反射体
は、好ましくは、反射体の環軸を含む断面の稜線が環軸
に向かって凸状の２次曲線を有する回転曲面錐体であ
る。前記反射体は、好ましくは、反射体の環軸を含む断
面の稜線が環軸に向かって凸状の２次曲線を有し、この
２次曲線を２辺とする複数の曲平面からなる、曲平面角
錐体である。これらの構成によれば、各発光ダイオード
を互いに密に配列でき、また、環の直径を大きくして所
望の数の発光ダイオードを配列でき、かつ環軸方向に発
光ダイオードの発光が揃うから、高光強度の平行光線を
有する発光ダイオード照明装置が実現できる。
は、複数の発光ダイオードを環状に配列し、環央部に、
各発光ダイオードからの発光を環軸方向に反射する反射
体を設け、複数の発光ダイオードの各発光を平行光線に
するようにしたことを特徴とする。ここで、上記反射体
は、好ましくは、反射体の環軸を含む断面の稜線が環軸
に向かって凸状の２次曲線を有する回転曲面錐体であ
る。前記反射体は、好ましくは、反射体の環軸を含む断
面の稜線が環軸に向かって凸状の２次曲線を有し、この
２次曲線を２辺とする複数の曲平面からなる、曲平面角
錐体である。これらの構成によれば、各発光ダイオード
を互いに密に配列でき、また、環の直径を大きくして所
望の数の発光ダイオードを配列でき、かつ環軸方向に発
光ダイオードの発光が揃うから、高光強度の平行光線を
有する発光ダイオード照明装置が実現できる。
【０００７】さらに本発明では、発光ダイオード、とく
にフェースボンディング型発光ダイオードの電極の固定
部材に放熱を促進する冷却手段が設けられていることが
好ましい。この冷却手段はペルチエー素子、またはヒー
トパイプであってよい。これらの構成による冷却手段は
冷却能力が高くないが、発熱が極めて少なく、かつ、熱
放散の良いフェースボンディング型発光ダイオードを使
用しているので、温度上昇を十分低く抑えることがで
き、ハロゲンランプ等で必要不可欠な嵩張る冷却装置を
必要としない。従って、極めて高光強度で、コンパクト
な照明装置を実現できる。
にフェースボンディング型発光ダイオードの電極の固定
部材に放熱を促進する冷却手段が設けられていることが
好ましい。この冷却手段はペルチエー素子、またはヒー
トパイプであってよい。これらの構成による冷却手段は
冷却能力が高くないが、発熱が極めて少なく、かつ、熱
放散の良いフェースボンディング型発光ダイオードを使
用しているので、温度上昇を十分低く抑えることがで
き、ハロゲンランプ等で必要不可欠な嵩張る冷却装置を
必要としない。従って、極めて高光強度で、コンパクト
な照明装置を実現できる。
【０００８】また、本発明では、発光ダイオード照明装
置をバルク型レンズに搭載したことを特徴とする。発光
ダイオード照明装置の凹面の焦点位置をバルク型レンズ
の光源位置に一致させて配設すれば、バルク型レンズが
高効率の収光作用を有するので、極めて高効率の発光ダ
イオード照明装置が実現できる。また、発光ダイオード
照明装置を透明樹脂でレンズ状に覆った場合は、高光強
度の発光ダイオード照明装置が実現できる。
置をバルク型レンズに搭載したことを特徴とする。発光
ダイオード照明装置の凹面の焦点位置をバルク型レンズ
の光源位置に一致させて配設すれば、バルク型レンズが
高効率の収光作用を有するので、極めて高効率の発光ダ
イオード照明装置が実現できる。また、発光ダイオード
照明装置を透明樹脂でレンズ状に覆った場合は、高光強
度の発光ダイオード照明装置が実現できる。
【０００９】
【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を、図
面を用いて詳細に説明する。なお、実質的に同一の部材
には同一の符号を用いて説明する。はじめに、本発明の
第１の実施の形態を説明する。図１は本発明の発光ダイ
オード照明装置の第１の実施の形態を示す図であり、図
１（Ａ）は外観斜視図、図１（Ｂ）は（Ａ）のＡ−Ａ断
面図である。なお図１（Ａ）においては、見易くするた
めに電極パターンは図示していない。図１（Ａ），
（Ｂ）において、発光ダイオード照明装置１０は、凹面
状の端部を有する支持部１１と、支持部１１の凹面に密
着された冷却部１２と、冷却部１２の凹面に密着された
凹面１４を有する基板１３と、基板１３の凹面１４に設
けられた電極パターン１５と、この電極パターン１５ボ
ンディングされた複数の発光ダイオード１６とで構成さ
れており、凹面１４は、焦点Ｐを有する２次曲面、例え
ば球面、放物面、楕円面、双曲面等である。
面を用いて詳細に説明する。なお、実質的に同一の部材
には同一の符号を用いて説明する。はじめに、本発明の
第１の実施の形態を説明する。図１は本発明の発光ダイ
オード照明装置の第１の実施の形態を示す図であり、図
１（Ａ）は外観斜視図、図１（Ｂ）は（Ａ）のＡ−Ａ断
面図である。なお図１（Ａ）においては、見易くするた
めに電極パターンは図示していない。図１（Ａ），
（Ｂ）において、発光ダイオード照明装置１０は、凹面
状の端部を有する支持部１１と、支持部１１の凹面に密
着された冷却部１２と、冷却部１２の凹面に密着された
凹面１４を有する基板１３と、基板１３の凹面１４に設
けられた電極パターン１５と、この電極パターン１５ボ
ンディングされた複数の発光ダイオード１６とで構成さ
れており、凹面１４は、焦点Ｐを有する２次曲面、例え
ば球面、放物面、楕円面、双曲面等である。
【００１０】発光ダイオードは本来発熱が少ないが、本
実施の形態のように緻密に多数のＬＥＤを配設すると、
発熱の対策を講じなければならず、そのため基板１３の
裏側に密着して冷却部１２を配置している。この冷却部
１２としては、ペルチエー素子等の電子冷却器を使用し
ても十分冷却でき、また、ヒートパイプを使用しても良
い。また、放熱を促進するためのフィンを冷却部１２に
設け、自然または強制空冷しても良い。冷却部１２の熱
は支持部１１からも放熱される。基板１３は、熱伝導性
の高い材料、例えば、Ａｌ, Ｆｅ, Ｃｕ等の金属や、ア
クリル樹脂、ポリカーボネート、デルリン等の高分子材
料、ガラス等から構成されており、基板１３の凹面１４
は、研削加工、プレス加工後の研磨によって鏡面仕上げ
されている。なお、基板１３の材料が導電性を有する場
合には、鏡面仕上げした凹面に絶縁膜を形成して電極パ
ターン１５を形成する。この絶縁膜は、例えば、１ｍｍ
以下のプラスチックフィルムシートの貼り付け、熱酸
化、絶縁材料のメッキ，蒸着あるいはスパッタリング等
により形成される。また、基板１３の電極パターン１５
は、例えば、ＩＴＯ膜等からなる透明電極や、Ａｌ，Ａ
ｕ，Ａｇ等の金属からなる導電パターンにより形成され
る。
実施の形態のように緻密に多数のＬＥＤを配設すると、
発熱の対策を講じなければならず、そのため基板１３の
裏側に密着して冷却部１２を配置している。この冷却部
１２としては、ペルチエー素子等の電子冷却器を使用し
ても十分冷却でき、また、ヒートパイプを使用しても良
い。また、放熱を促進するためのフィンを冷却部１２に
設け、自然または強制空冷しても良い。冷却部１２の熱
は支持部１１からも放熱される。基板１３は、熱伝導性
の高い材料、例えば、Ａｌ, Ｆｅ, Ｃｕ等の金属や、ア
クリル樹脂、ポリカーボネート、デルリン等の高分子材
料、ガラス等から構成されており、基板１３の凹面１４
は、研削加工、プレス加工後の研磨によって鏡面仕上げ
されている。なお、基板１３の材料が導電性を有する場
合には、鏡面仕上げした凹面に絶縁膜を形成して電極パ
ターン１５を形成する。この絶縁膜は、例えば、１ｍｍ
以下のプラスチックフィルムシートの貼り付け、熱酸
化、絶縁材料のメッキ，蒸着あるいはスパッタリング等
により形成される。また、基板１３の電極パターン１５
は、例えば、ＩＴＯ膜等からなる透明電極や、Ａｌ，Ａ
ｕ，Ａｇ等の金属からなる導電パターンにより形成され
る。
【００１１】ここで、フェースボンディング型発光ダイ
オードについて説明する。発光ダイオードチップには、
ワイヤボンディング型と、フェースボンディング型チッ
プがある。ワイヤボンディング型チップは、ｐｎ接合に
電流を印加する電極の一方又は両方と基板の電源電極と
の接続をボンディングワイヤで行うものである。このた
め、ワイヤボンディング型チップにおいては、ボンディ
ングワイヤが発光を遮り、均一な光強度分布が得られな
いといった課題があり、また、チップの熱放散をボンデ
ィングワイヤを介して行うため、熱放散が悪く、チップ
温度が上昇しやすいと言った課題がある。
オードについて説明する。発光ダイオードチップには、
ワイヤボンディング型と、フェースボンディング型チッ
プがある。ワイヤボンディング型チップは、ｐｎ接合に
電流を印加する電極の一方又は両方と基板の電源電極と
の接続をボンディングワイヤで行うものである。このた
め、ワイヤボンディング型チップにおいては、ボンディ
ングワイヤが発光を遮り、均一な光強度分布が得られな
いといった課題があり、また、チップの熱放散をボンデ
ィングワイヤを介して行うため、熱放散が悪く、チップ
温度が上昇しやすいと言った課題がある。
【００１２】一方、フェースボンディング型チップは、
ｐｎ接合に電流を印加する両方の電極をチップ裏面上に
有しており、また、この電極はチップ裏面全体をほぼ占
有する広い面積を有している。また、フェースボンディ
ング型チップは、チップ裏面の電極を基板上の電極パタ
ーンに熱圧着することにより、電気的接続と固定を同時
に行うことができる。従って、フェースボンディング型
チップを使用すれば、ワイヤボンディングの必要が無く
なり、工程が簡単化すると共に、ボンディングワイヤが
無いから均一な光強度分布が得られ、また、基板との接
触面積が大きいから、熱放散が良く、チップ温度が上昇
し難い。本発明は上記したワイヤボンディング型チップ
とフェースボンディング型チップの何れも適用可能であ
るが、後者のチップがより有利であり、以下、フェース
ボンディング型発光ダイオードを例にとって説明する。
ｐｎ接合に電流を印加する両方の電極をチップ裏面上に
有しており、また、この電極はチップ裏面全体をほぼ占
有する広い面積を有している。また、フェースボンディ
ング型チップは、チップ裏面の電極を基板上の電極パタ
ーンに熱圧着することにより、電気的接続と固定を同時
に行うことができる。従って、フェースボンディング型
チップを使用すれば、ワイヤボンディングの必要が無く
なり、工程が簡単化すると共に、ボンディングワイヤが
無いから均一な光強度分布が得られ、また、基板との接
触面積が大きいから、熱放散が良く、チップ温度が上昇
し難い。本発明は上記したワイヤボンディング型チップ
とフェースボンディング型チップの何れも適用可能であ
るが、後者のチップがより有利であり、以下、フェース
ボンディング型発光ダイオードを例にとって説明する。
【００１３】図２は、本実施の形態で用いるフェースボ
ンディング型発光ダイオードの構成を示す図である。図
において、フェースボンディング型発光ダイオード１６
は、サファイヤ等の透明基板１７と、ｐ又はｎ型導電性
を有する半導体層１８と、ｎ又はｐ型導電性を有する半
導体層１９とを積層して構成されており、半導体層１８
と半導体層１９とは、凹嵌部２０を介して電気的に分離
されている。凹嵌部２０を介して電気的に分離されてい
る半導体層１８と半導体層１９の下面には、それぞれ電
極２１，２１が設けられており、電極２１，２１は同一
平面内にある。フェースボンディング型発光ダイオード
１６は、フェースボンディング型発光ダイオード１６の
電極２１，２１が基板１３の電極１５，１５にボンディ
ングされて固定されると共に、電気的接続も完了する。
電極２１，２１及び電極１５，１５の面積はボンディン
グワイヤの径に較べれば遙かに面積が大きく、従って熱
放散性がよい。本発明の第１の実施の形態による発光ダ
イオード照明装置は、フェースボンディング型発光ダイ
オードを使用するので、光強度分布が均一であると共
に、温度上昇が少ない。また、砲弾型レンズを用いたレ
ンズ付ＬＥＤに比べてサイズが極めて小さいので、高密
度に配設できる。なお、図２に示した構成のフェースボ
ンディング型発光ダイオード１６に限らず、フェースボ
ンディング型電極構造を有している発光ダイオードチッ
プであればよく、例えば、透明部材でモールドされた表
面実装型ＬＥＤ（ＳＭＤ）等も同様に利用することがで
きる。
ンディング型発光ダイオードの構成を示す図である。図
において、フェースボンディング型発光ダイオード１６
は、サファイヤ等の透明基板１７と、ｐ又はｎ型導電性
を有する半導体層１８と、ｎ又はｐ型導電性を有する半
導体層１９とを積層して構成されており、半導体層１８
と半導体層１９とは、凹嵌部２０を介して電気的に分離
されている。凹嵌部２０を介して電気的に分離されてい
る半導体層１８と半導体層１９の下面には、それぞれ電
極２１，２１が設けられており、電極２１，２１は同一
平面内にある。フェースボンディング型発光ダイオード
１６は、フェースボンディング型発光ダイオード１６の
電極２１，２１が基板１３の電極１５，１５にボンディ
ングされて固定されると共に、電気的接続も完了する。
電極２１，２１及び電極１５，１５の面積はボンディン
グワイヤの径に較べれば遙かに面積が大きく、従って熱
放散性がよい。本発明の第１の実施の形態による発光ダ
イオード照明装置は、フェースボンディング型発光ダイ
オードを使用するので、光強度分布が均一であると共
に、温度上昇が少ない。また、砲弾型レンズを用いたレ
ンズ付ＬＥＤに比べてサイズが極めて小さいので、高密
度に配設できる。なお、図２に示した構成のフェースボ
ンディング型発光ダイオード１６に限らず、フェースボ
ンディング型電極構造を有している発光ダイオードチッ
プであればよく、例えば、透明部材でモールドされた表
面実装型ＬＥＤ（ＳＭＤ）等も同様に利用することがで
きる。
【００１４】これらの構成からなる第１の実施の形態の
発光ダイオード照明装置１０によれば、全てのフェース
ボンディング型発光ダイオード１６の発光が凹面１４の
焦点Ｐに集光し、焦点Ｐの光強度は、フェースボンディ
ング型発光ダイオード１６の個数に比例して強くなる。
従って、点Ｐに物体をおけば、高強度のＬＥＤ光を照射
できる。また、焦点Ｐよりも離れた位置に物体を置けば
点Ｐを光源とする高光強度の発散光を物体に照射でき
る。また凹部１４の構造を凸状にすれば照射面積を広げ
ることができる。
発光ダイオード照明装置１０によれば、全てのフェース
ボンディング型発光ダイオード１６の発光が凹面１４の
焦点Ｐに集光し、焦点Ｐの光強度は、フェースボンディ
ング型発光ダイオード１６の個数に比例して強くなる。
従って、点Ｐに物体をおけば、高強度のＬＥＤ光を照射
できる。また、焦点Ｐよりも離れた位置に物体を置けば
点Ｐを光源とする高光強度の発散光を物体に照射でき
る。また凹部１４の構造を凸状にすれば照射面積を広げ
ることができる。
【００１５】次に、第１の実施の形態を利用した高強度
の収束光を得るフェースボンディング型発光ダイオード
の応用例について説明する。図３は、第１の実施の形態
の発光ダイオード照明装置１０を光源とする収束光形成
の応用例を示す図であり、図３（Ａ）は従来の光学レン
ズを用いた例、図３（Ｂ）はバルク型レンズを用いた
例、図３（Ｃ）はレンズ状樹脂を用いた例を示す。図３
（Ａ）において、発光ダイオード照明装置１０に搭載し
た全ての発光ダイオードの発光Ｌが焦点Ｐに集光し、焦
点Ｐを光源として、焦点距離だけ離して配設したレンズ
２５によって収束光線が形成される。この構成によれ
ば、発光ダイオード照明装置１０に搭載した発光ダイオ
ードの数に比例した強度の収束光が得られる。図３
（Ｂ）において、発光ダイオード照明装置１０の焦点Ｐ
が、バルク型レンズ２６の光源位置に一致するように配
設されており、発光ダイオード照明装置１０に搭載した
全ての発光ダイオードの発光Ｌが、焦点Ｐに集光し、点
Ｐを光源として、バルク型レンズ２６により収束され
る。
の収束光を得るフェースボンディング型発光ダイオード
の応用例について説明する。図３は、第１の実施の形態
の発光ダイオード照明装置１０を光源とする収束光形成
の応用例を示す図であり、図３（Ａ）は従来の光学レン
ズを用いた例、図３（Ｂ）はバルク型レンズを用いた
例、図３（Ｃ）はレンズ状樹脂を用いた例を示す。図３
（Ａ）において、発光ダイオード照明装置１０に搭載し
た全ての発光ダイオードの発光Ｌが焦点Ｐに集光し、焦
点Ｐを光源として、焦点距離だけ離して配設したレンズ
２５によって収束光線が形成される。この構成によれ
ば、発光ダイオード照明装置１０に搭載した発光ダイオ
ードの数に比例した強度の収束光が得られる。図３
（Ｂ）において、発光ダイオード照明装置１０の焦点Ｐ
が、バルク型レンズ２６の光源位置に一致するように配
設されており、発光ダイオード照明装置１０に搭載した
全ての発光ダイオードの発光Ｌが、焦点Ｐに集光し、点
Ｐを光源として、バルク型レンズ２６により収束され
る。
【００１６】ここで、バルク型レンズについて説明す
る。バルク型レンズとは、発光体を内包するための空隙
を有する例えば砲弾状のレンズで、空隙に内包したＬＥ
Ｄ等の半導体発光素子の発光のほとんど全てを収束する
ことができるもので、本出願人により開発されたもので
あり、その詳細については特願２００１−２０８２５号
明細書が参照される。図７は、バルク型レンズの構成を
示す断面図である。図において、バルク型レンズ７０
は、第１のレンズ面７１と、第２のレンズ面７２と、内
側面７３と、外側面７４と、底面７５の面から構成され
る、透明光学媒質７６からなるバルク体である。第１の
レンズ面７１と第２のレンズ面７２は、光のコリメー
ト、収束又は発散と言った使用目的に応じたレンズ作用
を有する曲面であり、図の例では、光学媒質７６から見
て、第１のレンズ面７１は外に凸球面、第２のレンズ面
７２は凹球面である。内側面７３と外側面７４は、この
例では、円筒面である。図は、ＬＥＤチップ７７が支持
台７８上に支持されて、バルク型レンズ７０に搭載され
て発光し、その光束７９が収束して出射している様子を
示している。
る。バルク型レンズとは、発光体を内包するための空隙
を有する例えば砲弾状のレンズで、空隙に内包したＬＥ
Ｄ等の半導体発光素子の発光のほとんど全てを収束する
ことができるもので、本出願人により開発されたもので
あり、その詳細については特願２００１−２０８２５号
明細書が参照される。図７は、バルク型レンズの構成を
示す断面図である。図において、バルク型レンズ７０
は、第１のレンズ面７１と、第２のレンズ面７２と、内
側面７３と、外側面７４と、底面７５の面から構成され
る、透明光学媒質７６からなるバルク体である。第１の
レンズ面７１と第２のレンズ面７２は、光のコリメー
ト、収束又は発散と言った使用目的に応じたレンズ作用
を有する曲面であり、図の例では、光学媒質７６から見
て、第１のレンズ面７１は外に凸球面、第２のレンズ面
７２は凹球面である。内側面７３と外側面７４は、この
例では、円筒面である。図は、ＬＥＤチップ７７が支持
台７８上に支持されて、バルク型レンズ７０に搭載され
て発光し、その光束７９が収束して出射している様子を
示している。
【００１７】このバルク型レンズ７０は、いわば、凸レ
ンズ内に光源を内包している構造なので、光源に球面凸
レンズを近づけて平行光線を形成する従来技術の場合に
生ずる損失、すなわち、凸レンズの曲率半径と焦点距離
の関係から定まる開口角以上の光束を収束することがで
きないことによる損失が生じない。また、光源に球面凸
レンズを近づけて収束した場合には、レンズ面のフレネ
ル反射光が空間に散逸してしまい、収束光として利用す
ることができないが、バルク型レンズの場合には、バル
ク型レンズが凸レンズ内に光源を内包している構造であ
るので、第１のレンズ面７１と第２のレンズ面７２で生
ずるフレネル反射光がバルク型レンズから散逸すること
が無く、その一部は、内側面７３と外側面７４及び底面
７５で反射して、再び第１のレンズ面７１にもどって収
束光となり、フレネル反射光の他の一部はＬＥＤチップ
７７に戻り、ＬＥＤチップ７７のｐｎ接合で吸収されて
再発光する。従って、図３（Ｂ）の構成によれば、発光
ダイオード照明装置１０に搭載した発光ダイオードの発
光をほとんど全て収束することができ、極めて効率良く
高光強度の収束光が得られる。
ンズ内に光源を内包している構造なので、光源に球面凸
レンズを近づけて平行光線を形成する従来技術の場合に
生ずる損失、すなわち、凸レンズの曲率半径と焦点距離
の関係から定まる開口角以上の光束を収束することがで
きないことによる損失が生じない。また、光源に球面凸
レンズを近づけて収束した場合には、レンズ面のフレネ
ル反射光が空間に散逸してしまい、収束光として利用す
ることができないが、バルク型レンズの場合には、バル
ク型レンズが凸レンズ内に光源を内包している構造であ
るので、第１のレンズ面７１と第２のレンズ面７２で生
ずるフレネル反射光がバルク型レンズから散逸すること
が無く、その一部は、内側面７３と外側面７４及び底面
７５で反射して、再び第１のレンズ面７１にもどって収
束光となり、フレネル反射光の他の一部はＬＥＤチップ
７７に戻り、ＬＥＤチップ７７のｐｎ接合で吸収されて
再発光する。従って、図３（Ｂ）の構成によれば、発光
ダイオード照明装置１０に搭載した発光ダイオードの発
光をほとんど全て収束することができ、極めて効率良く
高光強度の収束光が得られる。
【００１８】次に、図３（Ｃ）の構成を説明する。図に
おいて、発光ダイオード照明装置１０は、発光ダイオー
ド照明装置１０の発光面を覆ってレンズ状の透明又は半
透明樹脂２７が配設されている。透明または半透明樹脂
２７は、透明または半透明プラスチック樹脂、透明性が
高く適当な弾性を示すシリコーンポリマー、フッ素系ポ
リマー、熱可塑性エラストマー又は紫外線硬化性樹脂等
である。この構成によれば、発光ダイオード照明装置１
０に搭載した発光ダイオードの数に比例した高光強度の
収束光が得られる。
おいて、発光ダイオード照明装置１０は、発光ダイオー
ド照明装置１０の発光面を覆ってレンズ状の透明又は半
透明樹脂２７が配設されている。透明または半透明樹脂
２７は、透明または半透明プラスチック樹脂、透明性が
高く適当な弾性を示すシリコーンポリマー、フッ素系ポ
リマー、熱可塑性エラストマー又は紫外線硬化性樹脂等
である。この構成によれば、発光ダイオード照明装置１
０に搭載した発光ダイオードの数に比例した高光強度の
収束光が得られる。
【００１９】次に、本発明の発光ダイオード照明装置の
第２の実施の形態を説明する。図４は本発明の発光ダイ
オード照明装置の第２の実施の形態を示す斜視図であ
り、図５は図４に示した発光ダイオード照明装置の断面
図である。図４において、発光ダイオード照明装置４０
は、第１の実施の形態における凹面状の基板１３の代わ
りに、 環状の基板４１を用い、環状の基板４１の内面４
１ａ上にフェースボンディング型発光ダイオード１６を
環の円周方向に沿って配列したものであり、環央部に
は、環軸４８を中心対称軸とした光の反射体４３を備え
ている。また、環状の基板４１は、図５に示したように
放熱フィン４１ｂを有していても良く、または図１で示
したように、ペルチエー素子やヒートパイプ等の冷却手
段を有していても良い。
第２の実施の形態を説明する。図４は本発明の発光ダイ
オード照明装置の第２の実施の形態を示す斜視図であ
り、図５は図４に示した発光ダイオード照明装置の断面
図である。図４において、発光ダイオード照明装置４０
は、第１の実施の形態における凹面状の基板１３の代わ
りに、 環状の基板４１を用い、環状の基板４１の内面４
１ａ上にフェースボンディング型発光ダイオード１６を
環の円周方向に沿って配列したものであり、環央部に
は、環軸４８を中心対称軸とした光の反射体４３を備え
ている。また、環状の基板４１は、図５に示したように
放熱フィン４１ｂを有していても良く、または図１で示
したように、ペルチエー素子やヒートパイプ等の冷却手
段を有していても良い。
【００２０】反射体４３は、反射体４３の環軸４８を含
む断面が環軸４８に向かって凸状の２次曲線を有する回
転曲面錐体であり、凸状の２次曲線はフェースボンディ
ング型発光ダイオード１６の取り付け位置を焦点とする
放物線である。回転曲面錐体４３は、光の出射方向、図
においては右方向に頂点を有する。反射体４３は、筐体
４４の表面の一部を加工して形成し、環状の基板４１
は、基板４１の環軸４８を、反射体４３の中心対称軸に
一致させて筐体４４にネジ止め固定されている例であ
る。なお、反射体４３を独立の部材として作製し、筐体
４４に取り付けてもよい。
む断面が環軸４８に向かって凸状の２次曲線を有する回
転曲面錐体であり、凸状の２次曲線はフェースボンディ
ング型発光ダイオード１６の取り付け位置を焦点とする
放物線である。回転曲面錐体４３は、光の出射方向、図
においては右方向に頂点を有する。反射体４３は、筐体
４４の表面の一部を加工して形成し、環状の基板４１
は、基板４１の環軸４８を、反射体４３の中心対称軸に
一致させて筐体４４にネジ止め固定されている例であ
る。なお、反射体４３を独立の部材として作製し、筐体
４４に取り付けてもよい。
【００２１】環状の基板４１の内面４１ａは、絶縁体又
は表面を絶縁体で覆った導体で構成されており、フェー
スボンディング型発光ダイオード１６は、内面４１ａ上
に設けられた電源供給用の電極パターン４２にボンディ
ングして固定され、かつ電気的に接続されている。電極
パターン４２は、リード線４６に接続しており、取付固
定部４５の背面に設けた外部電源接続端子４７に接続さ
れている。取付固定部４５は、ネジ部４５ａを有し、ソ
ケットにねじ込み固定できる。または、外部電源への接
続は、ソケットに差し込んで固定する方式でも良い。
は表面を絶縁体で覆った導体で構成されており、フェー
スボンディング型発光ダイオード１６は、内面４１ａ上
に設けられた電源供給用の電極パターン４２にボンディ
ングして固定され、かつ電気的に接続されている。電極
パターン４２は、リード線４６に接続しており、取付固
定部４５の背面に設けた外部電源接続端子４７に接続さ
れている。取付固定部４５は、ネジ部４５ａを有し、ソ
ケットにねじ込み固定できる。または、外部電源への接
続は、ソケットに差し込んで固定する方式でも良い。
【００２２】これらの構成からなる第２の実施の形態の
照明装置４０によれば、図５に示すように、各発光ダイ
オード１６から有限の発散角を有して発光した発光Ｌ
は、環軸４８を含む面内の発散角に応じて反射体４３の
稜線４３ａ上の異なった位置に入射する。稜線４３ａ
は、発光ダイオード１６の取り付け位置を焦点とする放
物線形状を有するから、稜線４３ａの異なった位置に入
射した各発光は、各々、環軸４８方向に反射され、高光
強度の平行光線が得られる。
照明装置４０によれば、図５に示すように、各発光ダイ
オード１６から有限の発散角を有して発光した発光Ｌ
は、環軸４８を含む面内の発散角に応じて反射体４３の
稜線４３ａ上の異なった位置に入射する。稜線４３ａ
は、発光ダイオード１６の取り付け位置を焦点とする放
物線形状を有するから、稜線４３ａの異なった位置に入
射した各発光は、各々、環軸４８方向に反射され、高光
強度の平行光線が得られる。
【００２３】次に、本発明の第２の実施の形態の他の例
を説明する。図６は、第２の実施の形態の他の例を示す
斜視図である。この例は、第２の実施の形態と比べ、反
射体の形状が異なる。図において、反射体５３は、反射
体５３の環軸４８を含む断面の稜線４３ａが環軸４８に
向かって凸状の２次曲線を有し、この２次曲線は発光ダ
イオード１６の取り付け位置を焦点とする放物線形状を
有しており、この２次曲線を２辺とする複数の曲平面５
３ｂからなる曲面角錐体である。曲平面５３ｂは、各々
のフェースボンディング型発光ダイオード１６の発光面
と対向する位置に、フェースボンディング型発光ダイオ
ード１６の数だけ設けるのが好ましい。
を説明する。図６は、第２の実施の形態の他の例を示す
斜視図である。この例は、第２の実施の形態と比べ、反
射体の形状が異なる。図において、反射体５３は、反射
体５３の環軸４８を含む断面の稜線４３ａが環軸４８に
向かって凸状の２次曲線を有し、この２次曲線は発光ダ
イオード１６の取り付け位置を焦点とする放物線形状を
有しており、この２次曲線を２辺とする複数の曲平面５
３ｂからなる曲面角錐体である。曲平面５３ｂは、各々
のフェースボンディング型発光ダイオード１６の発光面
と対向する位置に、フェースボンディング型発光ダイオ
ード１６の数だけ設けるのが好ましい。
【００２４】この構成からなる第２の実施の形態の照明
装置５０によれば、各々の発光ダイオード１６から有限
の発散角を有して発光した光は、環軸４８を含む面内の
発散角、及び環軸４８に垂直な面内の発散角に応じて反
射体５３の各々の曲平面５３ｂ上の異なった位置に入射
し、各々の曲平面５３ｂ上の異なった位置に入射した各
々の発光は、曲平面５３ｂが環軸４８に向かって発光ダ
イオード１６の取り付け位置を焦点とする放物線形状を
有する２次曲線を２辺とする曲平面であるから、各々、
環軸４８方向に反射されて高光強度の平行光線が得られ
る。
装置５０によれば、各々の発光ダイオード１６から有限
の発散角を有して発光した光は、環軸４８を含む面内の
発散角、及び環軸４８に垂直な面内の発散角に応じて反
射体５３の各々の曲平面５３ｂ上の異なった位置に入射
し、各々の曲平面５３ｂ上の異なった位置に入射した各
々の発光は、曲平面５３ｂが環軸４８に向かって発光ダ
イオード１６の取り付け位置を焦点とする放物線形状を
有する２次曲線を２辺とする曲平面であるから、各々、
環軸４８方向に反射されて高光強度の平行光線が得られ
る。
【００２５】なお、上記第１及び第２の実施の形態にお
いて、発光波長の異なる発光ダイオードを複数取り混ぜ
て使用し、個々の発光ダイオードの発光を独立に制御す
れば、所望の色相、色調の発光が得られることは明らか
であり、また、反射体４３，５３の表面に微細な凹凸を
設けることにより、所望の色相、色調の発光が得られる
ことも明白である。また、上記第１及び第２の実施の形
態において、発光ダイオードとして、フェースボンディ
ング型発光ダイオードを使用しているが、ＬＥＤチップ
の周囲を透明樹脂で凸レンズ形状にモールドした、いわ
ゆるレンズ付発光ダイオードを用いて発光ダイオード照
明装置を構成し、このようにして構成した照明装置をバ
ルク型レンズに内包して搭載し得ることは明らかであ
る。本発明の照明装置は、光強度が高いので、遠方から
も確認できることを必要とする信号機、あるいは表示装
置などに使用すれば極めて有用である。
いて、発光波長の異なる発光ダイオードを複数取り混ぜ
て使用し、個々の発光ダイオードの発光を独立に制御す
れば、所望の色相、色調の発光が得られることは明らか
であり、また、反射体４３，５３の表面に微細な凹凸を
設けることにより、所望の色相、色調の発光が得られる
ことも明白である。また、上記第１及び第２の実施の形
態において、発光ダイオードとして、フェースボンディ
ング型発光ダイオードを使用しているが、ＬＥＤチップ
の周囲を透明樹脂で凸レンズ形状にモールドした、いわ
ゆるレンズ付発光ダイオードを用いて発光ダイオード照
明装置を構成し、このようにして構成した照明装置をバ
ルク型レンズに内包して搭載し得ることは明らかであ
る。本発明の照明装置は、光強度が高いので、遠方から
も確認できることを必要とする信号機、あるいは表示装
置などに使用すれば極めて有用である。
【００２６】
【発明の効果】上記説明から理解されるように、本発明
の発光ダイオード照明装置によれば、高光強度の発光ダ
イオード照明装置が得られる。特定の波長のＬＥＤ光を
大量に照射することが必要な、植物育成、生化学の分
野、また、表示、装飾、舞台といった照明分野に使用す
れば極めて有用である。また、遠方からも確認できるこ
とが必要な信号機、あるいは表示装置に使用すれば極め
て有用である。
の発光ダイオード照明装置によれば、高光強度の発光ダ
イオード照明装置が得られる。特定の波長のＬＥＤ光を
大量に照射することが必要な、植物育成、生化学の分
野、また、表示、装飾、舞台といった照明分野に使用す
れば極めて有用である。また、遠方からも確認できるこ
とが必要な信号機、あるいは表示装置に使用すれば極め
て有用である。
【図１】本発明の発光ダイオード照明装置の第１の実施
の形態を示すもので、（Ａ）は外観斜視図、（Ｂ）は
（Ａ）のＡ−Ａ断面模式図である。
の形態を示すもので、（Ａ）は外観斜視図、（Ｂ）は
（Ａ）のＡ−Ａ断面模式図である。
【図２】本発明で用いるフェースボンディング型発光ダ
イオードの構成を示す断面図である。
イオードの構成を示す断面図である。
【図３】第１の実施の形態の発光ダイオード照明装置を
光源とする収束光形成の応用例を示し、（Ａ）は従来の
光学レンズを用いた例、（Ｂ）はバルク型レンズを用い
た例、（Ｃ）はレンズ状樹脂を用いた例の概略図であ
る。
光源とする収束光形成の応用例を示し、（Ａ）は従来の
光学レンズを用いた例、（Ｂ）はバルク型レンズを用い
た例、（Ｃ）はレンズ状樹脂を用いた例の概略図であ
る。
【図４】本発明の発光ダイオード照明装置の第２の実施
の形態を示す斜視図である。
の形態を示す斜視図である。
【図５】図４に示した発光ダイオード照明装置の断面図
である。
である。
【図６】第２の実施の形態の他の例を示す斜視図であ
る。
る。
【図７】バルク型レンズの構成を示す断面図である。
１０ 第１の実施の形態による発光ダイオード照明装
置 １１ 支持部 １２ 冷却部 １３ 基板 １４ 凹面 １５ 電極パターン １６ フェースボンディング型発光ダイオードチップ １７ 透明基板 １８ ｐ又はｎ型半導体層 １９ ｎ又はｐ型半導体層 ２０ 凹嵌部 ２１ 発光ダイオードチップ電極 ２５ 凸レンズ ２６ バルク型レンズ ２７ レンズ状透明樹脂 ４０ 第２の実施の形態による発光ダイオード照明装
置 ４１ 環状の基板 ４１ａ 環状の基板の内面 ４１ｂ 冷却フィン ４２ 電極パターン ４３，５３ 反射体 ４３ａ 反射体の稜線 ４４ 筐体 ４５ 取付固定部 ４５ａ ネジ部 ４７ 外部電源接続端子 ４８ 環軸 ５０ 第２の実施の形態による他の発光ダイオード照
明装置 ５３ｂ 曲平面 Ｐ 焦点 Ｌ 光束
置 １１ 支持部 １２ 冷却部 １３ 基板 １４ 凹面 １５ 電極パターン １６ フェースボンディング型発光ダイオードチップ １７ 透明基板 １８ ｐ又はｎ型半導体層 １９ ｎ又はｐ型半導体層 ２０ 凹嵌部 ２１ 発光ダイオードチップ電極 ２５ 凸レンズ ２６ バルク型レンズ ２７ レンズ状透明樹脂 ４０ 第２の実施の形態による発光ダイオード照明装
置 ４１ 環状の基板 ４１ａ 環状の基板の内面 ４１ｂ 冷却フィン ４２ 電極パターン ４３，５３ 反射体 ４３ａ 反射体の稜線 ４４ 筐体 ４５ 取付固定部 ４５ａ ネジ部 ４７ 外部電源接続端子 ４８ 環軸 ５０ 第２の実施の形態による他の発光ダイオード照
明装置 ５３ｂ 曲平面 Ｐ 焦点 Ｌ 光束
─────────────────────────────────────────────────────
フロントページの続き
(51)Int.Cl.7 識別記号 ＦＩ テーマコート゛(参考）
Ｆ２１Ｖ 13/02 Ｈ０１Ｌ 33/00 Ｌ
29/00 Ｆ２１Ｙ 101:02
Ｈ０１Ｌ 33/00 Ｆ２１Ｓ 1/02 Ｇ
// Ｆ２１Ｙ 101:02 1/00 Ｅ
Claims (10)
- 【請求項１】 複数の発光ダイオードを、該複数の発光
ダイオードの発光を集光するように凹面上に配列したこ
とを特徴とする、発光ダイオード照明装置。 - 【請求項２】 複数の発光ダイオードを環状に配列し、
環央部に、各発光ダイオードからの発光を環軸方向に反
射する反射体を設け、各発光ダイオードの発光を平行光
線にするようにしたことを特徴とする、発光ダイオード
照明装置。 - 【請求項３】 前記反射体は、この反射体の前記環軸を
含む断面の稜線が環軸に向かって凸状の２次曲線を有す
る回転曲面錐体であることを特徴とする、請求項２に記
載の発光ダイオード照明装置。 - 【請求項４】 前記反射体は、この反射体の前記環軸を
含む断面の稜線が環軸に向かって凸状の２次曲線を有
し、この２次曲線を２辺とする複数の曲平面からなる、
曲平面角錐体であることを特徴とする、請求項２に記載
の発光ダイオード照明装置。 - 【請求項５】 前記発光ダイオードの基板に放熱を促進
する冷却手段が設けられていることを特徴とする、請求
項１〜４のいずれかに記載の発光ダイオード照明装置。 - 【請求項６】 前記冷却手段はペルチエー素子であるこ
とを特徴とする、請求項５に記載の発光ダイオード照明
装置。 - 【請求項７】 前記冷却手段はヒートパイプであること
を特徴とする、請求項５に記載の発光ダイオード照明装
置。 - 【請求項８】 請求項１に記載の発光ダイオード照明装
置をバルク型レンズに搭載したことを特徴とする、発光
ダイオード照明装置。 - 【請求項９】 請求項１に記載の発光ダイオード照明装
置を透明樹脂でレンズ状に覆ったことを特徴とする、発
光ダイオード照明装置。 - 【請求項１０】 前記発光ダイオードが、フェースボン
ディング型発光ダイオードであることを特徴とする、請
求項１〜９のいずれかに記載の発光ダイオード照明装
置。
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|---|---|---|---|
| JP2001218049A JP4129570B2 (ja) | 2001-07-18 | 2001-07-18 | 発光ダイオード照明装置 |
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|---|---|---|---|
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Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2003031005A true JP2003031005A (ja) | 2003-01-31 |
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|---|---|---|---|
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Cited By (33)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2003107423A1 (en) * | 2002-06-14 | 2003-12-24 | Lednium Pty. Ltd. | A lamp and method of producing a lamp |
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