JP2009510752A - 高輝度発光ダイオードデバイス - Google Patents

Abstract

本発明は、発光ダイオード（ＬＥＤ）デバイス（１０）であって、基板上に配置された複数のＬＥＤチップ（１２）、及びそれぞれが入射窓（２４）及び出射窓（２６）を有する複数の導光部材（１６，３６）を備え、部材は、一つのＬＥＤチップからの光を入射窓から出射窓に伝搬させるように構成され、部材は、出射窓がキャビティ（２２）の幾つかの内面（２０）を形成するようにさらに配置され、キャビティは、デバイスからの光を出射することを可能とする出射口（３０）をさらに有する。この構成は、高輝度ＬＥＤデバイスを可能にする。

Description

本発明は、複数のＬＥＤチップを備えている発光ダイオード（ＬＥＤ）デバイスに関する。

ＬＥＤチップが、電飾および照明の目的で、ますます使用されている。例えば、白色を作るために、蛍光体で表面が覆われた青色又は紫外線ＬＥＤ、いわゆる蛍光体変換ＬＥＤが使用されている。蛍光体は、青色放射の青色放射の少なくとも一部を、例えば黄色光に変換する。未変換の青色光と黄色光とが、一緒に白色光を生成させる。

しかしながら、現在のところ、個々のＬＥＤチップは、投射型ディスプレー及び車のヘッドライトのような多くの用途にとって十分な輝度をもたらさない。従って、他の知られているマルチＬＥＤチップデバイスと同様に、例えば米国特許６３２５５３４明細書にも開示されているように、ＬＥＤチップのアレイを備えているＬＥＤデバイスが使用されている。米国特許６３２５５３４明細書では、他の多数の既知のマルチＬＥＤチップデバイスと同様に、数個のＬＥＤチップが互いに隣り合って基板上に配置されている。ＬＥＤチップからの光は、ＬＥＤを覆う光学系により集光される。しかしながら、全てのＬＥＤチップを覆う光学系が広いため、表面の一単位当たりの光量が少なくなり、輝度が低くなる。

この問題を克服すると共に、改良された高輝度ＬＥＤデバイスを提供することが本発明の目的である。

この目的、及び下記の詳細な説明から明らかになる他の目的は、ＬＥＤデバイスであって、基板に配置された複数のＬＥＤチップと、複数の導光部材であって、それぞれが入射窓及び出射窓を有する導光部材を有し、前記部材は、少なくとも一つのＬＥＤチップからの光が前記入射窓から前記出射窓に伝搬できるように構成され、前記部材は、前記出射窓が、キャビティのいくつかの内側表面を形成するように更に配置され、キャビティは、前記デバイスからの光を取り出すことを可能にする出射口を更に有するＬＥＤデバイスを用いて達成される。

本発明は、光を、複数のＬＥＤチップから共通のキャビティに導くことで、キャビティの出射口の輝度を、一つのＬＥＤチップの輝度よりも高くすることができるという理解に基づく。このとき、出射口の大きさが、一つのＬＥＤチップの大きさを大幅に上回ることがない。このようにして、高輝度のＬＥＤデバイスが達成される。

出射口と対向するキャビティの底面で光を放出することができるように、少なくとも一つの追加のＬＥＤチップが基板上に配置されるのが好ましい。これは、ＬＥＤデバイスの輝度をさらに増加させる。少なくとも一つの追加のＬＥＤチップは、キャビティが基板と同じ高さにある場合に、例えばキャビティの底面に配置される。変形例として、上記少なくとも一つの追加のＬＥＤチップには、追加の導光部材であって、追加のＬＥＤチップからの光を追加の導光部材の入射窓から出射窓まで伝搬する追加の導光部材が設けられており、このとき、キャビティの底面は、本質的には出射窓により形成される。追加の導光部材は、例えばキャビティが基板と同じ高さにない場合に有益である。

キャビティが４つの内側面を有し、各内側面は、一つのＬＥＤチップからの光を運ぶ一つの出射窓を有するとする。さらに、５番目のＬＥＤチップがキャビティの底面に配置される。さらに、底面の寸法、及び出射口の寸法は、底面のＬＥＤチップの面積と一致する。この場合、無損失システムでは、一つのＬＥＤチップと比べ、発光面積が同一でありながら、輝度を５倍とすることができる。

本発明の一実施形態では、各導光部材は、第１、第２、及び第３の側面を有する三角プリズムであり、そして第１及び第２の側面は、ほぼ直角に配置されている。すなわち、三角プリズムの底面領域は、直角三角形である。さらに、入射窓は、直角に配置された側面の一方の少なくとも一部に形成されることができ、出射窓は、直角に配置された側面の他方の少なくとも一部に形成されるのがよい。入射窓及び出射窓の寸法は、ＬＥＤチップの大きさと一致する好ましい。入射窓及び出射窓がそれぞれ、直角に配置された側面をほぼ覆う場合、ＬＥＤチップは、基板上で互いに近接して配置されることができ、ＬＥＤデバイスの小型化を可能にする。入射窓及び出射窓がそれぞれ、直角に配置された側面の一部しか覆わない場合、ＬＥＤチップを、基板上で互いに離して配置することができ、製造が容易になる。

出射窓に一致する側面と、第３の側面は、約４５度の角度で配置されるのが好ましい。しかしながら、変形例として、出射窓に一致する側面と、第３の側面とを、鋭角に配置することができる。これは、三角プリズム内の反射の総量を向上させる。

本発明の他の実施形態では、導光部材は、直角に配置された側面の一方において三角プリズムを延長する直方体をさらに備え、入射窓は直角に配置されたの側面の他方の少なくとも一部に形成され、出射窓は、プリズムに面する直方体の面とは反対側の面の少なくとも一部に形成されている。これは、ＬＥＤチップが基板上で互いに離れて配置されることを可能にし、製造が容易になる。三角プリズム及び直方体は、一体に形成されることができ、換言すれば、二つの分離した部分を接合するのではなく、これらは一つの同じ部品又は一片の材料により一体的に作られ即ち形成される。

ＬＥＤデバイスは、ＬＥＤチップからの光又は放射の少なくとも一部の波長を変換する蛍光体をさらに備えることができる。キャビティは、内面に、例えば蛍光体コーティングを備えることができる。すなわち、導光部材の出射窓と、キャビティの底に配置された追加のＬＥＤチップに、蛍光体コーティングを設けることができる。蛍光体コーティングに代えて、キャビティ全体を蛍光材料で満たすこともできる。蛍光体は、青色又は紫外線ＬＥＤチップとの組み合わせで、ＬＥＤデバイスが例えば白色光を放出することを可能にする。

フィルタを、ＬＥＤチップと導光部材の間、又は各導光部材と蛍光体の間に介在させるのが好ましくて、フィルタは、ＬＥＤチップからの未変換光を透過すると共に、変換された光を反射するように構成されているのが好ましい。フィルタは、光の損失を防止し、全ての変換された光がキャビティに向けて前方に向ける。これは、効率的な光抽出及び輝度の増加を生じさせる。蛍光体上にさらなるフィルタを配置することができ、そしてフィルタは、未変換光を反射するようにする。従って、ＬＥＤチップからの未変換光は、変換又はミキシングのために反射され戻される。これも、効率的な光抽出及び輝度の増加を生じさせる。

出力結合効率を高めるため、ＬＥＤデバイスのキャビティをシリコン樹脂のような透明樹脂により満たしてもよい。

ＬＥＤデバイスは、出射口から放出された光を受光するために配置されたコリメータ、出力結合レンズ、又は複合放物型集光器（ＣＰＣ）のような部材をさらに備えても良い。コリメータは、放出角度を、要望されたどんな値までも増加させることができ、そして出力結合レンズ及びＣＰＣは、デバイスからの光の出力結合を高めることができる。好ましくは、キャビティが透明樹脂で満たされている場合には、光学部材は、透明樹脂と光学接触する。

本発明の現在の好ましい実施形態を示す添付図面を参照し、上述及び他の本発明の態様をより詳細に説明する。

図１ａ及び１ｂは、発明の実施形態のＬＥＤデバイス１０を示す。ＬＥＤデバイス１０は、平らな基板１４上に十字状に配置された５つのＬＥＤチップ１２を備えている。ＬＥＤチップ１２は、互いに隣接して、又は略隣接して基板１４上に位置決めされている。

中央に配置されたＬＥＤチップ１２ａ以外の各ＬＥＤチップ１２には、導光用三角プリズム１６が設けられている。各プリズム１６は、第１の側面１８ａ、第２の側面１８ｂ、及び第３の側面１８ｃを有している。第１の側面１８ａ及び第２の側面１８ｂは、ほぼ直角に配置されている。第１の側面１８ａは、ＬＥＤチップ１２に面し、第２の側面１８ｂは、キャビティ２２の内側面２０を形成している。さらに、第１の側面１８ａに、入射窓２４が形成され、第２の側面１８ｂに、出射窓２６が形成されている。入射窓２４及び出射窓２６を除くプリズム１６の全ての面は、入射窓２４から出射窓２６まで光が伝搬できるように、反射コーティング（図示せず）で覆われている。プリズム１６上の反射コーティングは、損失のない内部総反射を維持するために、プリズムとノンオプティカルコンタクトであることが好ましい。

図１ａ及び１ｂは、このように４つの出射窓２２のそれぞれが、キャビティ２２の４つの内側面の一つを形成している。入射窓２４及び出射窓２６の寸法は、四角形のＬＥＤチップ１２の大きさに一致し、立方体のキャビティ２２を生じさせるのが好ましい。さらに、キャビティ２２は、中央のＬＥＤチップ１２ａが位置決めされている底面２８と、底面２８の反対側の出射開口３０を有している。

ＬＥＤデバイス１０を作動させると、プリズム１６を備えたＬＥＤチップ１２からの光は、入射窓２４を通ってそれぞれのプリズム１６に結合される。その後、光は、プリズム１６を通って出射窓２６、そしてキャビティ２２に導かれる。同時に、底面のＬＥＤチップ１２ａからの光は、キャビティ２２内に放出される。光は、最終的に、出射口３０を通ってキャビティ２２から出ることができる。従って、出射口３０は、大きさが一つのＬＥＤチップの大きさと一致するにも関わらず、出射口３０は、５つのＬＥＤチップから発生した光を放出し、高輝度ＬＥＤデバイスになる。

ＬＥＤチップ１２は、青色光又は紫外光を放出するように構成されているのが好ましい。この場合、キャビティ２２の内側面を形成する出射窓２６および底のＬＥＤチップ１２ａが、蛍光体コーティング３２を備えるのがよい。例えば、青色ＬＥＤチップの場合、蛍光体コーティングがＬＥＤチップ１２から放出された青色光の一部を、例えば黄色光に変換し、そしてこの黄色光が、変換されていない青色光と共に白色光を生成することができる。蛍光体コーティング３２に替えて、図２に示されるように、キャビティ２２を、蛍光材料３４で完全に満たされることができる。この場合、より多くの青色光が蛍光体により吸収され、その結果、より多くの黄色光を生成させる。

青色光又は紫外光を透過し変換された光を反射するフィルタ（図示せず）を、各ＬＥＤチップとプリズムとの間、プリズムと蛍光体または蛍光体コーティングとの間に、選択的に配置してもよい。この方法によれば、変換された光を、キャビティに向けて送ることができる。フィルタは、例えば、ダイクロイックミラーがよい。さらに、未変換光を反射し、未変換光に変換又はミキシングされる機会をもう一度与えるために、青又は紫外線反射フィルタ（図示せず）を、出射口で、蛍光体コーティング上、又は蛍光材料上に配置しても良い。上述のフィルタは、ＬＥＤデバイスの輝度向上に寄与する。

ＬＥＤデバイスの出力結合効率を高めるために、図３ａ乃至３ｂに示されるように、ＬＥＤデバイスのキャビティ２２をシリコン樹脂のような透明樹脂４６で満たしてもよい。出力結合をさらに高めるために、透明樹脂は、図３ａでは出力結合レンズ４８と、図３ｂではＣＰＣ５０と、（出射口で）オプティカルコンタクトされている。

図１ａ乃至１ｂに示されたＬＥＤデバイスのもう一つの変形例が、図４に示されている。図４では、出射窓２６に対応する第２の側面１８ｂと第３の側面１８ｃの間が、図１ａ乃至１ｂに示す約４５度と比べて鋭い角度となっている。より鋭い角度が、プリズム１６内の全反射の量を向上させている。

本発明の別の実施形態によるＬＥＤデバイス１０が、図５ａ乃至５ｂに示されている。図５ａ乃至５ｂでは、各三角プリズム１６が、側面１８ｂで直方体によって延長され、単一の導光構造を形成している。入射窓２４がプリズム部分の側面１８ａに形成され、出射窓２６が直方体部分のプリズムに向いた面３８ｂと反対の面３８ａに形成されている。各プリズム１６及び直方体３６は、一体に形成されているのが好ましい。本実施形態では、図１乃至４のＬＥＤデバイスより、ＬＥＤチップ１２を離して位置決めすることができ、製造が容易になる。

もう一つの実施形態によるＬＥＤデバイス１０が、図６ａ乃至６ｂに示されている。図６ａ乃至６ｂでは、ＬＥＤデバイスは、例えば図１と同様に、三角プリズム１６を備えているが、入射窓２４が、第１の側面１８ａの一部にだけ形成され、出射窓２６が、第２の側面１８ｂの一部にだけ形成されている。これにより、ＬＥＤチップが互いに離れて配置されキャビティが基板の表面よりも上方にあるＬＥＤデバイスになる。本実施形態では、中央のＬＥＤチップ１２ａに、入射窓４２及び出射窓４４を有する追加の導光部材４０が設けられ、出射窓４４は、キャビティの底面を形成しているのが好ましい。プリズム１６及び追加の導光部材４０は、一体に形成されるのが好ましく、これによりＬＥＤデバイスの製造が容易になる。

当業者は、本発明が上述の好ましい実施形態に限定されるものでないと理解できる。むしろ、添付の特許請求の範囲の範囲内で多数の修正、及び変形が可能である。例えば、５つのＬＥＤチップを有するＬＥＤデバイスを開示したが、発明はこの態様に限定されないと理解すべきであり、ＬＥＤデバイスに異なる数のＬＥＤチップを使用してもよい。例えば、３つのＬＥＤチップ、並びに三角の底面及び出射口を持つキャビティを有するＬＥＤデバイスも想定される。さらに、図７に示されている例のように、幾つかのチップ及び導光部材を隣り合わせで配置してもよい。図７では、底面に幾つかのＬＥＤチップが配置された長方形のキャビティがあり、幾つかのＬＥＤチップ１２及びプリズム１６が、キャビティの長辺に沿って配置され、さらに一つのＬＥＤチップ及びプリズム１６が、キャビティの短辺に沿って配置されている。変形例として、一つの細長いプリズム１６が、キャビティの一方の長辺に配置された幾つかのＬＥＤチップ１２をカバーしてもよい。

さらに、図１乃至４に関連して説明された青色又は紫外線ＬＥＤ、波長フィルタ、蛍光体充填キャビティ等の様々な態様を、図５乃至７に示すＬＥＤデバイスで実施してもよい。

図１ａは、本発明の実施形態によるＬＥＤデバイスの概略的な断面図であり、図１ｂは、図１ａのＬＥＤデバイスの概略的な斜視図である。 図１ａおよび図１ｂのＬＥＤデバイスの変形例の概略的な斜視図である。 図３ａおよび図３ｂは、図１ａおよび図１ｂのＬＥＤデバイスの変形例の概略的な斜視図である。 図１ａおよび図１ｂのＬＥＤデバイスの他の改良型の概略的な断面図である。 図５ａは、本発明の他の実施形態によるＬＥＤデバイスの概略的な断面図であり、図５ｂは、図５ａのＬＥＤデバイスの概略的な斜視図である。 図６ａは、本発明のもう一つの実施形態によるＬＥＤデバイスの概略的な断面図であり、図６ｂは、図６ａのＬＥＤデバイスの概略的な斜視図である。 長方形のキャビティを有するＬＥＤデバイスの概略的な斜視図である。

Claims (15)

1. 発光ダイオード（ＬＥＤ）デバイス１０であって、
   基板（１４）上に配置された複数のＬＥＤチップ（１２）と、
   それぞれが、入射窓（２４）及び出射窓（２６）を有する複数の導光部材（１６、３６）をそ備え、
   前記部材は、少なくとも一つのＬＥＤチップからの光が、前記入射窓から前記出射窓に伝搬されるように構成され、前記部材は、前記出射窓がキャビティ（２２）の幾つかの内側面（２０）を形成するように配置され、
   キャビティは、前記デバイスからの光を出射することを可能とする出射口（３０）をさらに有する、
   ことを特徴とする発光ダイオードデバイス。
2. 前記キャビティは、前記出射口と反対の位置にある底面（２８）を有し、
   前記キャビティの底面で光を放出するための少なくとも一つの追加のＬＥＤチップ（１２ａ）が前記基板上に配置された、
   請求項１に記載のＬＥＤデバイス。
3. 各導光部材は、第１（１８ａ）、第２（１８ｂ）、及び第３（１８ｃ）の側面を有する三角プリズムからなり、
   前記第１及び第２の側面は、ほぼ直角に配置されている、
   請求項１に記載のＬＥＤデバイス。
4. 前記入射窓は、前記直角に配置された側面の一方の少なくとも一部に形成され、
   前記出射窓は、前記直角に配置された側面の他方の少なくとも一部に形成されている、
   請求項３に記載のＬＥＤデバイス。
5. 前記側面は前記出射窓と一致し、
   前記第３の側面は、約４５度の角度に配置されている、
   請求項４に記載のＬＥＤデバイス。
6. 前記側面は前記出射窓と一致し、
   前記第３の側面は、鋭角に配置されている、
   請求項４に記載のＬＥＤデバイス。
7. 前記各導光部材は、前記三角プリズムの直角に配置された側面の一方で前記三角プリズムを延長する直方体をさらに含み、
   前記入射窓は、前記直角に配置された側面の他方の少なくとも一部に形成され、
   前記出射窓は、前記プリズムに向いた面（３８ｂ）とは反対の位置にある前記直方体の面（３８ａ）の少なくとも一部に形成されている、
   請求項３に記載のＬＥＤデバイス。
8. 前記三角プリズム及び前記直方体がワンピースに形成されている、
   請求項７に記載のＬＥＤデバイス。
9. 前記入射窓及び出射窓の寸法は、ほぼ一致している、
   請求項１に記載のＬＥＤデバイス。
10. 前記キャビティは、内部に前記ＬＥＤチップから放出された光の少なくとも一部の波長を変換する蛍光体コーティング（３２）が設けられている、
    請求項１に記載のＬＥＤデバイス。
11. 前記キャビティは、前記ＬＥＤチップから放出された光の少なくとも一部の波長を変換する蛍光材料で満たされている、
    請求項１に記載のＬＥＤデバイス。
12. フィルタが、各ＬＥＤチップと導光部材の間、又は各導光部材及び前記蛍光体の間に配置され、
    前記フィルタは、未変換光を透過し、変換された光を反射するように構成されている、
    請求項１０又は請求項１１に記載のＬＥＤデバイス。
13. 前記蛍光体の上にフィルタが配置され、
    フィルタは、未変換光を反射するように適合された、
    請求項１０乃至１２の何れかの１項に記載のＬＥＤデバイス。
14. 前記キャビティが透明樹脂で満たされている、
    請求項１記載のＬＥＤデバイス。
15. 前記出射口から放出された光を受光するように構成された、コリメータ、結合レンズ（４８）又は複合放物型集光器（５０）のような光学部材をさらに備えている、
    請求項１記載のＬＥＤデバイス。

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