JP2009170362A - Ｌｅｄ発光装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ＬＥＤ発光素子からの出射光を効率的に、かつ有効に配光制御できるＬＥＤ発光装置を提供することを目的とする。
【解決手段】本発明は、照射開口部５を有し、この照射開口部５に向けて拡開するように内周面がテーパ状に形成されるとともに、角部７ａがＲ形状の連続面をなす多角形の反射面７を備える本体ケース１と、この本体ケース１の照射開口部５とは反対側に取付けられる基板３と、この基板３に実装され、前記反射面７のＲ形状の略中心点に対応して配置されたＬＥＤ発光素子２と、前記本体ケース１内に、基板３をＬＥＤ発光素子２を含めて覆うように充填された透光性の充填材１０とを具備するＬＥＤ発光装置である。
【選択図】図１

Description

本発明は、ＬＥＤ発光素子を用いたＬＥＤ発光装置の改良に関する。

従来、ＬＥＤ表示装置において、四角形の枠体内に、ＬＥＤ素子をマトリクス状に搭載した基板を組込み、そして、基板と枠体との隙間に非流動性シリコーン樹脂を目張りし、その後、基板の上に流動性のシリコーン樹脂を充填したものが知られている（特許文献１参照）。
特開平５−１９０９０５号公報

しかしながら、特許文献１に示されたものは、四角形の枠体内に、単にＬＥＤ素子をマトリクス状に並べたに過ぎず、ＬＥＤ素子からの出射光を有効に配光制御する技術思想は何ら示されていない。

本発明は、上記状況に鑑みなされたもので、角部をＲ形状となした多角形の反射面との関係でＬＥＤ発光素子を効果的に配置し、ＬＥＤ発光素子からの出射光を効率的に、かつ有効に配光制御できるＬＥＤ発光装置を提供することを目的とする。

請求項１記載のＬＥＤ発光装置は、 照射開口部を有し、この照射開口部に向けて拡開するように内周面がテーパ状に形成されるとともに、角部がＲ形状の連続面をなす多角形の反射面を備える本体ケースと；この本体ケースの照射開口部とは反対側に取付けられる基板と；この基板に実装され、前記反射面のＲ形状の略中心点に対応して配置されたＬＥＤ発光素子と；前記本体ケース内に、基板をＬＥＤ発光素子を含めて覆うように充填された透光性の充填材と；を具備することを特徴とする。

多角形とは、三角形、四角形、六角形等を含む概念である。反射面は、本体ケースと一体に形成してもよいし、別体に形成してもよい。基板は、反射面と相似形の多角形であることが好ましいが、本請求項においては必ずしも多角形である必要はない。ＬＥＤ発光素子の基板への実装は、表面実装方式やチップ・オン・ボード方式等が適用できる。Ｒ形状の略中心点とは、幾何学的に厳密な中心点を意味するものではなく、設計上の誤差等を許容範囲とするものである。また、ＬＥＤ発光素子は、白色発光のほか、例えば、青色、緑色、赤色の発光色のものを用いてもよい。充填材としては、透明のシリコーン系樹脂を用いるのが好ましいが、ウレタン系樹脂、ポリエステル系樹脂等、適宜選択できる。ＬＥＤ発光装置は、ディスプレイ装置やいわゆる空間を照らす照明器具等を含む概念である。

請求項２記載のＬＥＤ発光装置は、請求項１記載のＬＥＤ発光装置において、本体ケースは、テーパ状部の照射開口部側端部である終点から照射開口部に向けて略垂直に内面が設けられる筒状部を有し、充填材が充填される位置は、前記テーパ状部の終点以下であることを特徴とする。

請求項３記載のＬＥＤ発光装置は、請求項１又は請求項２記載のＬＥＤ発光装置において、基板におけるＬＥＤ発光素子の実装面の高さ位置は、前記テーパ状部の始点以上であることを特徴とする。テーパ状部の始点とは、前請求項とは逆に基板方向へ向かうテーパ状部の端部を意味している。

請求項４記載のＬＥＤ発光装置は、請求項１乃至請求項３のいずれか一記載のＬＥＤ発光装置において、基板は、多角形をなしており、その少なくとも一辺の略中央には基板表裏を貫通する充填材注入口が形成されていることを特徴とする。充填材注入口は、基板に切欠きを形成し、この切欠きと本体ケースとで構成する貫通孔のようなものであってもよいし、基板単独に形成する貫通孔であってもよい。

請求項５記載のＬＥＤ発光装置は、請求項１乃至請求項４のいずれか一記載のＬＥＤ発光装置において、基板は、その外周側面が本体ケースとの間で隙間を形成して取付けられていることを特徴とする。隙間は、基板の熱膨張を吸収する作用をなすものである。

本発明によれば、ＬＥＤ発光素子からの出射光を効率的に、かつ有効に配光制御可能なＬＥＤ発光装置を提供することができる。

以下、本発明のＬＥＤ発光装置の実施形態について図１乃至図３を参照して説明する。図1は、ＬＥＤ発光装置を示す平面図、図２は、図１のＡ−Ａ線に沿う断面図、図３は、図1の一部を拡大して示す断面図である。図において、ＬＥＤ発光装置は、本体ケース１と、ＬＥＤ発光素子２が配設された基板３と、充填材１０とを備えている。

本体ケース１は、白色のＰＢＴ樹脂から形成されており、概略直方体形状をなしている。そして、本体ケース１には、椀状の凹部４が形成されており、この凹部４は、一側を照射開口部５とし、他側を基板取付部６としている。照射開口部５側は、平面視、すなわち、平面から見た場合（図１参照）、略正四角形であり角部５ａをＲ形状とし、内面が略垂直状の短筒状部５ｂをなしている。この短筒状部５ｂから基板取付部６に向かう部分は、テーパ状に形成された反射面７をなしており、この反射面７の角部７ａは、前記短筒状部５ｂのＲ形状から連続したＲ形状の連続面に形成されている。したがって、角部７ａは中心点を同じくするＲ形状の連続面として構成されており、反射面７は、照射開口部５に向けて拡開するテーパ状となっている。因みに、反射面７の外側一辺の寸法Ｗ₁は、６６ｍｍであり、内側一辺の寸法Ｗ₂は、４５ｍｍである。また、反射面７の外側の角部のＲ₁は、R１８ｍｍであり、内側の角部のＲ₂は、R７．５ｍｍである。一方、基板取付部６は、有底短筒状であり、底壁から２本の取付ピン６ａが立設されている。なお、本実施形態においては、短筒状部５ｂの内面も反射面としての機能を有している。

基板３は、絶縁材から構成され、略正四角形の平板からなる。また、角部３ａは、前記反射面７の角部７ａのＲ形状と中心点を同じくするＲ形状に形成されている。基板３の材料は、放熱特性が比較的良好で、耐久性に優れたセラミック材料、合成樹脂材料、又は金属材料を適用できる。合成樹脂材料を用いる場合には、例えば、ガラスエポキシ樹脂等で形成できる。そして、基板３表面は、反射率の高い白色レジストが印刷されており、白色のＬＥＤ発光素子２が表面実装方式で実装されている。すなわち、ＬＥＤ発光素子２を基板３の角部３ａに４個配設している。具体的には、ＬＥＤ発光素子２は、前記反射面７の角部７ａにおけるＲ形状の略中心点に配置されている。換言すれば、ＬＥＤ発光素子２を中心として同心円上にＲ形状の連続面が形成されている。

また、基板３の各辺の略中央部には、基板３の表裏に亘る方形の切欠き３ｂ₁、３ｂ₂、３ｂ₃、３ｂ₄が形成されている。この切欠き３ｂ₁、３ｂ₂、３ｂ₃、３ｂ₄は、後述する充填材注入口としての機能を担うものである。さらに、基板３の裏面には、点灯回路８が配設されている。点灯回路８は、ＬＥＤ発光素子２を点灯させるものであり、整流素子や保護素子としてのヒュ−ズ、バリスタ等の部品を実装して構成されている。これら部品は、基板３の熱が効率的に均等に放熱できるように、その配置が考慮されている。すなわち、熱的に均等となるように部品の配置が工夫されている。また、点灯回路８からは、電源に接続されるリード線８ａが導出されている。

次に、基板３には、２つの取付孔が形成されており、この取付孔に取付ピン６ａがその弾性力を伴って圧入されることにより、基板３は基板取付部６に取付けられるようになっている。したがって、基板３の取付けに際しては、基板３は本体ケース１に対して、垂直方向の移動によって取付けられる。図３に示すように、基板３を取付けた状態においては、基板３の外周側面３ｃと本体ケース１との間には、隙間Ｇが形成されるようになっている。この隙間Ｇは、基板３の熱膨張による伸びを吸収するために形成されたものである。基板の線膨張係数をα、基板の長さ寸法をＬ、温度上昇をΔＴとすると、基板の伸びΔＬは、α×Ｌ×ΔＴとなる。したがって、この基板３の熱膨張による伸びを吸収するためには、隙間Ｇは、ΔＬ／２以上であることが好ましい（隙間Ｇは長さ方向の両側にあるため）。本実施形態では、基板３の伸びΔＬは、１ｍｍ程度であり、隙間Ｇは、０．７５ｍｍに設定されている。なお、前記切欠き３ｂと本体ケース１の基板取付部６との間で基板３表裏に貫通した充填材注入口を形成している。

基板３の基板取付部６への取付けに際し、仮に、ねじを用いた場合には、ねじを上方から締付けるようにして行うが、この場合、ねじを締付けることによる回転モーメントが基板３に加わり、基板３がねじの回転方向に若干ずれて回動し、基板３の外周側面３ｃが本体ケース１に接触し、隙間Ｇが確保されないで取付けられてしまう可能性がある。しかし、本実施形態では、上述のように垂直方向の移動によって取付けられるので、隙間Ｇは適切に確保される。

次に、充填材１０について説明する。充填材１０は、透明のシリコーン樹脂製であり、弾性、絶縁性を有している。なお、熱伝導性を有するようにしてもよい。この充填材１０の充填方法は、まず、液状の充填材１０を基板３の切欠き３ｂ₁、３ｂ₂、３ｂ₃、３ｂ₄の内、例えば、切欠き３ｂ₁から注入する。注入された充填材１０は、基板３の下側に流れ込み、下側が充填される。このとき、他の切欠き３ｂ₂、３ｂ₃、３ｂ₄は、充填材１０の基板３下側の流れの進行に伴って、基板３下側の空気を排出する役目を果たしている。したがって、この基板３下側の空気の排出により、充填材１０は基板３下側へ気泡等を有することなく、隙間なく確実に充填され、また、充填材１０により基板３を下側から押上げる力が作用するようなことも回避できる。さらに注入を続けると、充填材１０は基板３の上側を覆うように流れる。そして、充填材１０の注入量は、基板３及びＬＥＤ発光素子２が覆われ、テーパ状の反射面７の上端レベルとする。充填材１０の注入終了後は、充填材１０が硬化し、安定するまで高温雰囲気内に所要時間放置し、保管する。なお、上記では、切欠き３ｂ₁を充填材注入口として用い、他の切欠き３ｂ₂、３ｂ₃、３ｂ₄を空気排出口として用いたが、いずれを充填材注入口として用いてもよい。

以上のように構成されたＬＥＤ発光装置の作用について説明する。点灯回路８に通電すると、点灯回路８が動作して基板３に電力が供給され、ＬＥＤ発光素子２が発光する。ＬＥＤ発光素子２から出射された光の多くは充填材１０を通過して前方に照射され、一部の光はテーパ状の反射面７に反射され、また、一部の光は基板３表面の白色レジストに反射されて充填材１０を通過して前方に照射される。さらには、短筒状部５ｂの内面に反射されて前方に照射される光もある。このとき、特に、反射面７の角部７ａは、Ｒ形状をなしており、しかも、そのＲ形状の中心位置にＬＥＤ発光素子２が配置されているので、ＬＥＤ発光素子２からの出射光を効率的に前方へ配光制御可能となる。つまり、図１において、ＬＥＤ発光素子２からの出射光の約１／４の範囲ａについて、反射面７の角部７ａによって効果的に反射させて前方へ照射することができる。また、仮想的にＲ形状の一定のラインｌに注目してみると、ＬＥＤ発光素子２とＲ形状のラインｌとは、ラインｌ上のどの位置においても同じ距離、例えば、ｂ₁＝ｂ₂となっているので均一な反射ができ、照度むらの軽減が可能となる。一方、基板３は、熱膨張により伸びるが、隙間Ｇにより吸収され、基板３の外周側面３ｃが本体ケース１に接触することはない。なお、この隙間Ｇには、充填材１０が介在しているが、基本的には、基板３の熱膨張による伸びは、充填材１０の弾性により、緩和、吸収される。また、基板３から発生した熱は、充填材１０を経由して放熱される。

以上のように本実施形態によれば、反射面７の角部７ａは、Ｒ形状をなしており、そのＲ形状の中心位置にＬＥＤ発光素子２が配置されているので、ＬＥＤ発光素子２からの出射光を効率的に前方へ配光制御することが可能となる。また、充填材注入口又空気排出口としての切欠き３ｂ₁、３ｂ₂、３ｂ₃、３ｂ₄は、基板３の各辺の略中央部に形成されているので、これは各ＬＥＤ発光素子２から離れた位置であり、ＬＥＤ発光素子２から出射される光の障害となる影響を少なくすることができる。さらに、充填材注入口及び空気排出口により充填材１０を隙間なく確実に充填することが可能となる。さらにまた、基板３の外周側面３ｃと本体ケース１との間には、隙間Ｇが形成されているので、基板３の熱膨張を吸収することができ、ヒートサイクルにより基板３の膨張、収縮が繰り返されても基板３と本体ケース１とが接触する事態を軽減でき、基板３のひずみによる破損、基板３と本体ケース１間の充填材１０の剥離等を回避することが可能となる。加えて、充填材１０により防水効果を得ることができ、また、充填材１０が熱伝導性を有している場合には、放熱効果を得ることができる。さらに、反射面７はテーパ状をなし、白色のＰＢＴ樹脂で構成されているとともに、基板３表面は白色レジストが印刷されているので、反射効率が良好である。

次に、上記実施形態において、テーパ状の反射面７、基板３、充填材１０及びＬＥＤ発光素子２の位置関係について検討した結果を図４乃至図６を参照して説明する。図４乃至図６は、これらを模式的に示す説明図である。なお、上述の実施形態と同一又は相当部分には、同一符号を付し、その重複した説明は省略する。

（実施例１）図４は、反射面７のテーパ状部７ｔと充填材１０の界面レベル１０ｓとの位置関係を示している。まず、図４（ｂ）においては、充填材１０の界面レベル１０ｓがテーパ状部７ｔにかかっておらず、短筒状部５ｂまで達している態様である。つまり、界面レベル１０ｓがテーパ状部７ｔの終点Ｅを越えている場合である。この場合、図示点線で示すように、ＬＥＤ発光素子２から出射した光の内、例えば、短筒状部５ｂの内面で反射した光、充填材１０の界面で全反射し、さらに短筒状部５ｂの内面で反射した光は、全反射を繰り返し、前方へ照射されない現象が生じてしまう。

これに対し、図４（ａ）においては、充填材１０の界面レベル１０ｓがテーパ状部７ｔにかかっている態様を示している。つまり、界面レベル１０ｓがテーパ状部７ｔの終点Ｅ以下の場合である。この場合、図示点線で示すように、例えば、ＬＥＤ発光素子２から出射した光は、直接テーパ状部７ｔで反射し、又は充填材１０の界面で全反射し、さらにテーパ状部７ｔで反射して前方へ照射される。したがって、この実施例によれば、ＬＥＤ発光素子２から出射した光を効率よく前方に照射できる。

（実施例２）図５は、反射面７のテーパ状部７ｔと基板３のＬＥＤ発光素子２の実装面３ｓとの位置関係を示している。まず、図５（ｂ）においては、基板３の実装面３ｓがテーパ状部７ｔの始点Ｂ以下の態様である。この場合、図示点線で示すように、ＬＥＤ発光素子２から出射した光の内、例えば、充填材１０の界面で全反射し、さらに基板取付部６の内面で反射した光は、全反射を繰り返し、前方へ照射されない現象が生じてしまう。

これに対し、図５（ａ）においては、基板３の実装面３ｓの高さがテーパ状部７ｔの始点Ｂ以上の態様を示している。この場合、図示点線で示すように、例えば、ＬＥＤ発光素子２から出射した光は、直接テーパ状部７ｔで反射し、又は充填材１０の界面で全反射し、さらにテーパ状部７ｔで反射して前方へ照射される。したがって、この実施例によれば、ＬＥＤ発光素子２から出射した光を効率よく前方に照射できる。

（実施例３）図６は、ＬＥＤ発光素子２と反射面７のテーパ状部７ｔとの位置関係を示している。ＬＥＤ発光素子２からの出射光と充填材１０の界面での全反射を検討すると、図示のように臨界角はθで表すことができる。この臨界角θを超えると全反射に至るわけであるから、臨界角θをなす光線の到達点より内側にテーパ状部７ｔの始点Ｂを設定すれば、全反射した光をテーパ状部７ｔで反射させて有効に前方に照射できる。したがって、ＬＥＤ発光素子２から充填材１０の界面までの距離をｈ₁、ＬＥＤ発光素子２の高さ寸法をｈ₂とすると、ＬＥＤ発光素子２の中心からテーパ状部７ｔの始点までの距離Ｌは、２×（ｈ₁・tanθ＋ｈ₂・tanθ）以下であれば効率的にＬＥＤ発光素子２からの光を前方に照射できる。図示においては、距離Ｌの内側にテーパ状部７ｔの始点Ｂを位置させた態様を示している。

なお、上述の実施形態において、本体ケースの照射開口部に乳白色の透光性カバーを設けてＬＥＤ発光装置を構成してもよい。この場合、光の拡散性を発揮できる。また、ＬＥＤ発光装置を複数並べて組み合わせ、それらの集合体として発光装置を構成してもよい。さらに、本発明のＬＥＤ発光装置は、ディスプレイ装置や屋内外で使用される照明器具等に適用可能である。

本発明のＬＥＤ発光装置の実施形態を示す平面図である。 図１のＡ−Ａ線に沿う断面図である。 図1の一部を拡大して示す断面図である。 本発明のＬＥＤ発光装置（実施例１）を模式的に示す説明図である。 同ＬＥＤ発光装置（実施例２）を模式的に示す説明図である。 同ＬＥＤ発光装置（実施例３）を模式的に示す説明図である。

符号の説明

１・・・本体ケース、２・・・ＬＥＤ発光素子、３・・・基板、３ｂ・・・充填材注入口（切欠き）、５・・・照射開口部、７・・・反射面、７ａ・・・角部、１０・・・充填材、 Ｂ・・・テーパ状部の始点、Ｅ・・・テーパ状部の終点、Ｇ・・・隙間

Claims (5)

1. 照射開口部を有し、この照射開口部に向けて拡開するように内周面がテーパ状に形成されるとともに、角部がＲ形状の連続面をなす多角形の反射面を備える本体ケースと；
   この本体ケースの照射開口部とは反対側に取付けられる基板と；
   この基板に実装され、前記反射面のＲ形状の略中心点に対応して配置されたＬＥＤ発光素子と；
   前記本体ケース内に、基板をＬＥＤ発光素子を含めて覆うように充填された透光性の充填材と；
   を具備することを特徴とするＬＥＤ発光装置。
2. 本体ケースは、テーパ状部の照射開口部側端部である終点から照射開口部に向けて略垂直に内面が設けられる筒状部を有し、充填材が充填される位置は、前記テーパ状部の終点以下であることを特徴とする請求項１記載のＬＥＤ発光装置。
3. 基板におけるＬＥＤ発光素子の実装面の高さ位置は、前記テーパ状部の始点以上であることを特徴とする請求項１又は請求項２記載のＬＥＤ発光装置。
4. 基板は、多角形をなしており、その少なくとも一辺の略中央には基板表裏を貫通する充填材注入口が形成されていることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか一記載のＬＥＤ発光装置。
5. 基板は、その外周側面が本体ケースとの間で隙間を形成して取付けられていることを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれか一記載のＬＥＤ発光装置。

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