JP2008004415A - 立体光源体 - Google Patents

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Abstract

【課題】省電力でありながらも効率良く、光を上方向や下方向など向けて全体的に照射して使用可能な光源体を提供する。
【解決手段】異なる方向に光を照射して使用可能な光源体であって、PN接合半導体であり実際に発光する部材であるLED素子1と、立体形状を成し且つ前記LED素子1を複数支持するベース2とを具備し、前記立体形状を構成する構成面21のうち、互いに異なる方向を向き且つ光の照射側で法線同士は交差しない関係にある複数の構成面21を、前記LED素子1を支持するためのLED支持面として設定した。
【選択図】図1

Description

本発明は、例えばろうそくや電球のように、空間的にほぼ全方向に光を照射することが可能な光源体等に関するものである。

従来から複数のLED素子を配設した光源体と、各LED素子に対応する複数のレンズを備えたレンズアレイとを具備する照明装置が知られている。

具体的にこの種の照明装置に用いられる光源体は、例えば、液晶パネルのバックライトとして好適に用いることができるように、複数のLED素子を回路基板上に高密度に実装して、良好な平行光を得られるように構成されている(例えば、特許文献1参照)。
特開2005−228606

ところがこのような従来の構成、特に特許文献1の構成では、輝度のバラつきを抑制しながら特定方向に指向性のある光を照射し得るものの、例えば、ローソクや電球のように、光を上方向や下方向など向けて全体的に照射したいといった要望を満たすことは困難である。

本発明は、このような課題に着目してなされたものであって、主たる目的は、省電力でありながらも効率良く、光を上方向や下方向など向けて全体的に照射して使用可能な光源体を提供することにある。

すなわち本発明にかかる光源体は、異なる方向に光を照射して使用可能な光源体であって、PN接合半導体であり実際に発光する部材であるLED素子と、立体形状を成し且つ前記LED素子を複数支持するベースとを具備し、前記立体形状を構成する構成面のうち、互いに異なる方向を向き且つ光の照射側で法線同士は交差しない関係にある複数の構成面を、前記LED素子を支持するためのLED支持面として設定していることを特徴とする。

ここで、「LED素子」とは、一般にベアチップと呼ばれるものを指し、砲弾型のものは含まない。また、LED支持面は、LED素子を直接支持するか或いは間接的に支持するかを問わないものとする。

このようなものであれば、各LED支持面にそれぞれ支持させた複数のLED素子がそれぞれ照射する照射光の光軸は、その照射側では交差することがない。

したがって、あたかもローソクや電球のように光を上方向や下方向など向けて全体的に照射して使用することができる。

また、LED素子を立体形状を構成するLED支持面に支持させているので、例えば、LED素子を平面的に並べて配置した場合よりも、小さな領域から強い光を照射することができるうえ、このことにより、点光源的な作用効果、すなわち、集光化処理や平行化処理を好適に行うことができるなど、多様な使用態様に対しても好適に対応することができる。

すなわち、省電力でありながらも効率良く、例えば、ローソクや電球のように光を上方向や下方向など向けて全体的に照射して使用することができ、且つ例えば大光量な平行光を容易に実現するなど、多様化するニーズにも好適に対応できるといった、優れた光源体を提供することができる。

なお、各LED素子の光軸同士が、光の反照射側の略一点で交わるものであれば、点光源的な性質をより高めることができる。すなわち、非常に小さな1点で光る理想的な点光源からは、レンズ系との組み合わせによって、例えば非常に小さな1点に集光できるとか、非常に平行度の高い光を得られるとかいった効果を得られるが、それと同等の効果を得ることができる。

また、本発明のベースの望ましい態様としては、このベースが、凸多面体であるものが挙げられる。

ここで、「凸多面体」とは、例えば、正多面体に代表されるように、当該多面体のどの面を延長しても、その面が当該多面体と交わらない多面体をいうものとする。

当該ベースの製造が無用に複雑化することを防止するには、前記ベースが、切頭四角錐体であって、底面以外の面を前記LED支持面としていることが望ましい。

前記LED素子に電力を供給するための電力供給回路を、前記ベースに一体的に形成しているのであれば、LEDをベースに直接実装するので、組立工数などを削減してコストダウンを図ることが可能となる。

一方、前記LED素子に電力を供給するための電力供給回路を、前記ベースに取付可能な回路基板に形成しているのであれば、LEDを、ベースとは別体の回路基板に実装するので、ベースの材料の選択自由度を大きくすることができる。

前記LED素子が、エピタキシャル面である上面側から両電極をとり且つ天地をひっくり返した状態で実装するフリップチップ型であれば、フェースアップ型で必要なワイヤが不要となり小型化できる。また、電極を回路基板にバンプボンディング等により実装して良好な放熱効果を得られる。

LED素子ごとに、各LED素子がその光軸と異なる方向に照射する光を、前記光軸方向により一致させる向きに導く集光レンズや反射面を設けておけば、各LED素子の光軸同士を光の反照射側の一点で交わる構成にしておくことで、前述した点光源としてのものであれば、いるのであれば、窪部の反射面によって、LED素子が放射する略すべての光を該LED素子の光軸方向に揃えることができる。したがって、該光源体が発する光を、例えば、光の照射側の略一点から発光するように見せることができ、点光源的な光源体としての役目を最大限に発揮し得るようになる。

前記LED素子ごとに、該LED素子がその光軸と異なる方向に照射する光を、前記光軸方向と略一致させる向きに設けているのであれば、集光レンズによって、LED素子が放射する略すべての光を該LED素子の光軸方向に揃えることができる。したがって、該光源体が発する光を、例えば、光の照射側の略一点から発光するように見せることができ、点光源的な光源体としての役目を最大限に発揮し得るようになる。

上述した光源体を少なくとも用いて成る照明装置であって、この照明装置が、前記LED素子の照射側に、その照射光を収束又は発散させるためのレンズを備えて成るのであれば、複数のLED素子を平面上に並べて配置するものと比べ、平面視においてベース部分を小さくできるなど、全体のコンパクト化に資する。

前記光源体は、複数のLED素子を立体状に並べ設けたものであるが、1つのLED素子でも同様の効果を奏し得るものを構成できる。すなわち、発光面であるPN接合面が、立体的な形状をなすものである。光学系との組み合わせにより理想的な点光源としてみなすことができるようなもの(例えば非常に小さな1点に集光できるとか、非常に平行度の高い光を得られるとかいったもの)としては、球状又は部分球状に形成されているものがより好ましい。

このように本発明に係る光源体は、各LED支持面にそれぞれ支持させた複数のLED素子がそれぞれ照射する照射光の光軸は、その照射側では交差することがない。

すなわち、省電力でありながらも効率良く、例えば、ローソクや電球のように光を上方向や下方向など向けて全体的に照射して使用することができるといった、優れた光源体を提供することができる。

以下に本発明の一実施形態について図面を参照して説明する。

本実施形態に係る光源体Aは、異なる方向に光を照射して使用可能な光源であって、図1、図2に示すように、平面視略矩形状のLED素子1と、このLED素子1を複数(本実施形態では計5個)支持するベース2と、LED素子1を覆うモールド部材3(図1では略)とを具備するものである。以下、各部を具体的に説明する。

LED素子1は、PN接合半導体であり実際に発光する部材であって、本実施形態では、このLED素子1に、エピタキシャル面である上面側から両電極11a、11bをとり且つ天地をひっくり返した状態で電力供給回路22にバンプボンディングにより実装するフリップチップ型のものを用いている。

ベース2は、垂直断面形状が略正方形の切頭四角錐体を成す中実ブロック状のものであって、本実施形態では、窒化アルミニウムにより形成している。

なお、当該切頭四角錐体を構成する6つの構成面21a〜21f(以下、構成面21と総称する)は、互いに異なる方向を向き且つ光の照射側で法線同士は交差しない関係にあるため、これら6つの構成面21全てを、LED素子1を支持するためのLED支持面として設定できるが、当該ベース2の取付部分を確保する等の都合上、本実施形態では、これら6つの構成面21のうち、底面21f以外の構成面21a〜21eを、LED支持面として設定している。

また、本実施形態では、図2に示すように、前記LED素子1に電力を供給するための電力供給回路22を、ベース2の表面に一体的に形成している。

モールド部材3は、LED素子1の照射光を効率良く透過できる材料(例えば、シリコーン樹脂やエポキシ樹脂や硝子など)により形成したものである。

以上のように構成される光源体Aについて、その動作の一例を以下に述べる。

各LED支持面21a〜21e(LED支持面21と総称する)にそれぞれ支持させた各LED素子1に、電力供給回路22を介して電力を供給すると、各LED素子1はそれぞれ光を照射する。このとき、図3に示すように、各LED素子1がそれぞれ照射する照射光の光軸Laは、その照射側では交差することがない。しかして、当該光源体Aの照射光は、例えば、ローソクや電球のように上方向や横方向など向けて全体的に照射されることとなる。

このように本実施形態にかかる光源体Aによれば、各LED支持面21a〜21eにそれぞれ支持させた複数のLED素子1がそれぞれ照射する照射光の光軸Laは、その照射側では交差することがない。

したがって、あたかもローソクや電球のように光を上方向や下方向など向けて全体的に照射して使用することができる。

また、LED素子1を立体形状を構成するLED支持面21に支持させているので、例えば、同じ光量でも、LED素子1を平面的に並べて配置した場合よりも小さな領域で光らせることができる。言い換えれば平面視した際の単位面積当たりの光量を増大させることができる。したがって、点光源的な性質をより高めることができ、例えば、集光化処理や平行化処理を好適に行うことができるなど、多様な使用態様に対しても好適に対応することができる。

すなわち、省電力でありながらも効率良く、例えば、ローソクや電球のように光を上方向や横方向など向けて全体的に照射して使用することができ、且つ例えば大光量な平行光を容易に実現するなど、多様化するニーズにも好適に対応できるといった、優れた光源体Aを提供することができる。

ベース2が、切頭四角錐体であって、底面21f以外の構成面21a〜21eをLED支持面としているので、当該ベース2の製造が無用に複雑化することを防止できる。

前記LED素子1に電力を供給するための電力供給回路22を、前記ベース2に一体的に形成しているので、LEDをベース2に直接実装でき、組立工数などを削減してコストダウンを図ることができる。

前記LED素子1に、フリップチップ型のものを用いているので、フェースアップ型で必要なワイヤが不要となり小型化できる。また、電極11a、11bを電力供給回路22にバンプボンディングにより実装して良好な放熱効果を得られる。

なお、本発明は前記実施形態に限られるものではない。

例えば、ベース2を切頭四角錐体を成すものとしているが、このベース2を、例えば、正多面体に代表される凸多面体(究極的には球状または部分球状に近いもの)とすることもできる。

また、条件(1)「評価する構成面が異なる方向を向く」と条件(2)「照射側でその法線同士が交差しない」との両方を満たすものであれば、図4(b)、(e)に示すものに限らず、本発明の光源体に該当し得る。特に図4(e)に示す光源体であれば、上下方向および横方向に向けてすなわち全体的にまんべんなく光を照射することができる。

また、ベース2を、窒化アルミニウムにより形成しているが、絶縁体であり且つ熱伝導特性に優れる他の材料を用いて形成することを妨げない。

また、LED素子を、図5に示すような、エピタキシャル面である上面側から両電極11´a、11´bをとり、電力供給回路22からワイヤを介して電力供給を受けるタイプのフェースアップ型のLED素子11´とすることを妨げない。

また、前記LED素子1に電力を供給するための電力供給回路22を、ベース2の表面に一体的に形成しているが、電力供給回路22を、図6に示すような、前記ベース2に取付可能であり且つLED支持面21a〜21eにそれぞれ重合する回路基板要素Ba〜Beを一体に備える回路基板Bに形成するようにしても良い。このように構成すれば、LED素子1をベース2とは別体の回路基板Bに実装できるので、ベース2の材料の選択自由度を大きくすることができる。

また、LED素子1の照射側に、図7に示すような光学ユニット4(本発明の「レンズ」に相当)を設けることにより、光源体Aを用いた照明装置Pとして使用することもできる。

具体的に、この光学ユニット4は、ボディ基端面4aからボディ先端面4bに向かうに連れ徐々に断面積が拡がるように形成した回転体形状をなす中実透明なボディ41を具備して成るものであって、このボディ基端面4aには、前記LED素子1を収容するための凹部42が開口させてある。

この凹部42の底面42aは、前記基端面4a側に向かって膨らませた凸レンズ形状にしてあり、その側面42bは、基端面4a側に向かうにつれ徐々に拡がるテーパ面としてある。一方、前記ボディ先端面4bには、その中央部を膨出させることにより中央凸レンズ部43が形成してあり、この中央凸レンズ部43の周囲には、それとは異なる曲率のリング状凸レンズ部44が形成してある。さらに前記ボディ41の側面には、断面輪郭が放物線をなすように形成した湾曲膨出面45が設けてある。

そして、図8に示すように、前記LED素子1から射出された光Lのうち、凹部42の側面42bを通過した略全ての光Lが、前記湾曲膨出面45に到達し、そこで全反射されて前記リング状凸レンズ部44を介し、光軸Laに向かって互いに相寄る向きの光Lとして外部に放射されるようにしてある。また一方で、前記LED素子1から射出された光Lのうち、凹部42の底面42aを通過した略全ての光Lが、前記中央凸レンズ部43を介し、やはり光軸Laに向かって互いに相寄る向きの光Lとして外部に放射されるように構成してある。なお、これら各凸レンズ部43、44から出る光Lの集光位置が略同一位置となるようにしてある。

さらに、LED素子1から射出され、光学ユニット4のボディ先端面4bから外部へ放射される略全ての光Lが、図8に示すように、前記先端面4bから所定距離離間した位置Xに収まり、なおかつその一定有効径内での照度が、略均一又は滑らかに変化するように構成している。

このように構成した光学ユニット4と光源体Aとを備えた照明装置Pによれば、単一のボディ41のみで、LED素子1が照射する照射光を略漏れなく、そのボディ先端面4bから射出できるという効果を奏することができる。

また、図9に示すように、略半球状のベース2の表面を構成する複数のLED支持面21に、LED素子1をそれぞれ支持させ、各LED素子1の光軸h同士が、光の反照射側で略一点(h0)に集まるように構成したものであれば、指向性を同図の2点鎖線で示すように、光軸hが最も光の強い方向であるから、その一点(h0)から点発光した光と近似したものになり、例えばその後、レンズ系で集光する場合に非常に小さな点に集光でき、或いは平行化する場合にその平行度が極めて高いものになるなどといったように、理想的な光学系を構成することができるようになる。

そしてこのとき、ベース2を、銅製のものとした上で、例えばCVD法でダイヤモンド薄膜層Dxを表面に形成した銅製基板Dyの上に、該ベース2を載置すれば、LED素子1で発生しベース2に伝熱した熱は、ダイヤモンド薄膜層Dxで銅製基板Dyの表面に沿う方向に伝熱し、さらに、その熱を銅製基板Dyが厚み方向へと放熱するため、LED素子1で発生する熱を非常に効率よく放熱することができる。したがって、コンパクトでありながら放熱効果に優れるといった光源体を備えた照明装置を提供することができる。なお、ダイヤモンド薄膜層Dxが、例えばダイヤモンドライクカーボンなど、純粋なダイヤモンドで以外のものであることを妨げない。

また、光源体Aの放熱のために、ヒートパイプを用いるといった実施態様も考えられる。

具体的には、図10に示すように、光源体Aを支持し放熱用の放熱部材J(望ましくは、CVD法で形成したダイヤモンド層J1を表面に備える金属)を、金属管の中に中空の筒を内装し常温付近の温度で液化または気化する熱媒を封入して成るヒートパイプHPに接続したものが挙げられる。図10では、このヒートパイプHPに対してフィンFN及び図示しないファンとを設けることで放熱効果をさらに向上させているが、ヒートパイプHPを単独で用いるなど、構成態様はこれに限られるものではない。また、光学ユニット4を用いなくても良い。

また、図11に示すように、ベース2を、表面にLED素子1を配するための複数の窪部2aを形成するとともに、全体としては略半球状とし、且つ各LED素子1の光軸h同士が、光の反照射側で略一点(h0)に集まるように構成するとともに、各窪部2aに配したLED素子1がその光軸hと異なる方向に照射する光を、該窪部2aの起立面である反射面2a1で、該光軸h方向と略一致させる向きに反射させるといった実施態様も考えられる。

このような構成によれば、窪部2aの反射面2a1によって、LED素子1が放射する略すべての光を該LED素子1の光軸方向にさらに指向性良く揃えることができる。したがって、光源体Aが発する光は、まさに、略半球状のベース2の略中心である光の照射側の略一点(h0)から発光するように見えるので、前述したよりもさらに小さな点光源に近似できるような光学的に非常に質の高い光を得ることができる。

同様な効果は、反射ではなく屈折レンズでも得られる。すなわち、図12に示すように、ベース2を、表面にLED素子1を支持する複数のLED支持面21を形成するとともに全体としては略半球状とし、且つ各LED素子1の光軸h同士が、光の反照射側で略一点(h0)に集まるように構成するとともに、LED素子1ごとに、該LED素子1がその光軸hと異なる方向に照射する光を、該光軸h方向と略一致させる向きに導かせる中実の集光レンズ1aを設けるといった構成でも良い。

なお、図11、図12で各LED素子1から示されている2点鎖線は光の指向性を表している。

さらにまた、図13に示すように、ベース2を、略かまぼこ形状とし、この長手方向に沿って複数のLED素子1を複数列を成すように配するといった実施態様としてもよい。

前記光源体Aは、複数のLED素子1を立体状に並べ設けたものであるが、単一のLED素子でも同様の効果を奏し得るものを構成できる。すなわち、発光面であるPN接合面が、立体的な形状をなすものである。一例としては、図14に示すように、このLED素子1’は、全体として球状(又は部分球状)をなし、発光面であるPN接合面1a’が、やはり球状(又は部分球状)をなすようにしたものを挙げることができる。このようなものであれば、立体形状であるがゆえんに、より小さな領域で発光させることができるうえ、理想的な点光源からでた光と同様の性質の光(例えば非常に小さな1点に集光できるとか、非常に平行度の高い光を得られるとかいったもの)を得ることができる。このようなLED素子1’は、例えば、半導体材料を落下させながら成長させたり、あるいは宇宙空間の無重力状態で成長させるなどして、製造することが可能である。

その他、各部の具体的構成についても上記実施形態に限られるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変形が可能である。

本発明の一実施形態における光源体を示す全体斜視図。 同実施形態におけるLED素子の取付態様を模式的に示す要部拡大図。 同実施形態における光源体の作用説明図。 同実施形態における光源体に該当するか否かの判断例を示す図。 本発明の他の実施形態におけるLED素子の取付態様を模式的に示す要部拡大図。 本発明の他の実施形態における回路基板を示す展開図。 本発明の他の実施形態における照明装置を示す断面図。 同実施形態における照明装置の作用説明図。 本発明の他の実施形態における照明装置を示す断面図。 明の他の実施形態における照明装置を示す全体図。 本発明の他の実施形態における光源体を示す図。 本発明の他の実施形態における光源体を示す図。 本発明の他の実施形態における光源体を示す全体斜視図。 本発明のさらに他の実施形態におけるLED素子を示す部分断面図。

符号の説明

A・・・・・・・・・光源体
B・・・・・・・・・回路基板
P・・・・・・・・・照明装置
1・・・・・・・・・LED素子
1a・・・・・・・・集光レンズ
2・・・・・・・・・ベース
2a1・・・・・・・反射面
4・・・・・・・・・レンズ(光学ユニット)
21・・・・・・・・構成面
21a〜21e・・・LED支持面
21f・・・・・・・底面
22・・・・・・・・電力供給回路
h・・・・・・・・・光軸(光の反照射側)

Claims (11)

  1. 異なる方向に光を照射して使用可能な光源体であって、
    PN接合半導体であり実際に発光する部材であるLED素子と、立体形状を成し且つ前記LED素子を複数支持するベースとを具備し、
    前記立体形状を構成する構成面のうち、互いに異なる方向を向き且つ光の照射側で法線同士は交差しない関係にある複数の構成面を、前記LED素子を支持するためのLED支持面として設定していることを特徴とする光源体。
  2. 各LED素子の光軸同士が、光の反照射側の略一点で交わるものであることを特徴とする請求項1記載の光源体。
  3. 前記ベースが、凸多面体であることを特徴とする請求項1または2記載の光源体。
  4. 前記ベースが、切頭四角錐体であって、底面以外の面を前記LED支持面としていることを特徴とする請求項3記載の光源体。
  5. 前記LED素子に電力を供給するための電力供給回路を、前記ベースに一体的に形成していることを特徴とする請求項1乃至4いずれか記載の光源体。
  6. 前記LED素子に電力を供給するための電力供給回路を、前記ベースに取付可能な回路基板に形成していることを特徴とする請求項1乃至4いずれか記載の光源体。
  7. 前記LED素子が、エピタキシャル面である上面側から両電極をとり且つ天地をひっくり返した状態で実装するフリップチップ型であることを特徴とする請求項1乃至6いずれか記載の光源体。
  8. 前記ベースに、LED素子がその光軸と異なる方向に照射する光を、前記光軸方向と略一致させる向きに反射させる反射面を設けていることを特徴とする請求項1乃至7いずれか記載の光源体。
  9. 前記LED素子ごとに、該LED素子がその光軸と異なる方向に照射する光を、前記光軸方向と略一致させる向きに導かせる集光レンズを設けていることを特徴とする請求項1乃至8いずれか記載の光源体。
  10. 請求項1乃至9いずれか記載の光源体を少なくとも用いて成る照明装置であって、
    前記LED素子の照射側に、その照射光を収束又は発散させるためのレンズを備えて成ることを特徴とする照明装置。
  11. 発光面であるPN接合面が球状又は部分球状に形成されていることを特徴とするLED素子。
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