JP2009540595A - 照明デバイス - Google Patents

Abstract

【課題】製造が比較的容易であり、ロバストであり、かつ広いスペクトル、特に白色スペクトルを発生できる照明デバイスを提供する。
【解決手段】本発明は、波長変換セラミックス（１０６）および光学的コリメート化コンポーネント（１１０）と組み合わされた青色光源、例えばＬＥＤ（１０２）を含む照明デバイス（１０１）に関する。このセラミックス（１０６）は、例えば接着剤により、またはインサート成形により、光学的コンポーネント（１１０）によって機械的に支持されており、光源（１０２）と変換器（１０６）との間の中間ギャップは、シリコーンに類似した材料で充填することが好ましい。
【選択図】図２

Description

本発明は、発光ダイオード（ＬＥＤ）を含む照明デバイスおよびかかる照明デバイスを製造するための方法に関する。

ＬＥＤを含む照明デバイスは、多くの分野で急速に重要となっており、これら目的のために、広範な構造がこれまで提案されている。本願で参考例として援用する国際公開特許出願第WO2005/109529A1号は、例えばＬＥＤが透明材料内に埋め込まれ、反射コリメータの焦点内に置かれている構造について述べている。しかしながら、かかるデバイスおよび同様な構造を製造することは、許容度を小さくしなければならない場合、かなり困難である。更に、白色光を発光できる照明デバイスが求められている。

このような背景に基づき、本発明の目的は、製造が比較的容易であり、ロバストであり、かつ広いスペクトル、特に白色スペクトルを発生できる照明デバイスを提供することにある。

この目的は、請求項１に記載の照明デバイスおよび請求項１０に記載の方法によって達成され、従属請求項には好ましい実施形態が開示されている。

本発明に係わる照明デバイスは、次のコンポーネントを備える。
光源、特に青色光源または紫外線（ＵＶ）光源。
光源が発生した光を異なる波長に変換するための固体波長変換器。この波長変換器は特に光源からの光によって励起されるルミネッセンス材料を含み、この材料は吸収したエネルギーを異なる波長の光として再発光する。光源からの光の一部しか、変換器によって捕捉かつ変換されない場合、照明デバイスの全体の発光のスペクトルは、光源の元の光を含み、このことはスペクトルを広くしてしまう。紫外線発光光源の場合、すべての光線を吸収しなければならない。
光源および／または変換器によって発生された光を、例えば反射または屈折により、所望する方向に向け直すための光学的コンポーネント。ここで、変換器は前記コンポーネントによって機械的に支持されている。

上記照明デバイスでは、変換器と光学的コンポーネントとが機械的にリンクされた１つの安定な構造体となるように組み合わされている。従って、これら２つのコンポーネントを相対的に位置決めすることは、小さい許容度で達成され、このことは更なる組み立てを容易にすると共に、より高い精度の製品の製造を可能にしている。更にこの構造体は、照明デバイス全体から別個に製造できるので、この部分をあらかじめテストすることにより、最適な給電チェーンおよび製造歩留まりを最適にするための手段が可能となる。

照明デバイスは、特に２０００〜６０００Ｋのレンジ内の相関性のある色温度（ＣＣＴ）を有する白色光を放出できることが好ましい。例えば、青色光源とルミラミック変換器（本願で参考例として援用する米国特許出願第US2005/0269582A1号にはルミラミック変換器が記載されている）と組み合わせることにより光源と変換器とを正しく選択し、白色スペクトルの放出を行うことができる。

好ましいことに、変換器はセラミック材料、例えば上記ルミラミック材料とすることができる。

変換器を光学的コンポーネントに機械的に結合するための異なる方法が存在する。１つの好ましい変形例では、この結合は、中間材料、例えばエポキシ樹脂に類似した（透明）接着剤によって行うことができる。光学的コンポーネントと変換器とは、この場合、別個に製造された構造体となり、これら構造体は塗布した後に凝固または硬化する当初液状の中間材料によってリンクされる。

別の変形例では、変換器は、分子接着により光学的コンポーネントに機械的に結合される。この結合は、製造された固体変換器のまわりに光学的コンポーネントのプラスチック材料を成形することによって特に達成できる。

本発明の別の発展例では、光源と変換器との間のギャップをシリコーンに類似した透明充填材料が満たす。従って、良好な光学的結合が得られ、部品を位置決めする際の残留許容度も保証できる。

光学的コンポーネントの主要機能は、変換器を離間する光を好ましい方向に向け直すことであるが、光学的コンポーネントは更に光源および／または変換器を部分的に囲む反射表面を更に含むことができる。従って、光源または変換器を後方または側方に離間し、通常は失われるはずの光を照明デバイスの有効な光出力に寄与できるように捕捉し、元に戻すことができる。上記とは異なり、または上記に加え、光学的用途が、吸光表面および／または拡散表面を必要としている場合には、これら吸光表面および／または光拡散表面を含めてもよい。

光学的コンポーネントの設計は、照明デバイスの所望する用途に応じて決まる。光学的コンポーネントは、焦点領域から来た光を照明デバイスの光軸に平行な主要方向に向け直すコリメート化部品を備えることが好ましい。

照明デバイスは、発生された光を所望する方向に向け直し、かつ発光ビームの形状を定めるためのレンズを更に含むことができる。このレンズは、別個のコンポーネントでもよいし、光学的コンポーネントに組み込んでもよい。

発光デバイスの光源は、基本的には任意の適当な技術によって実現できるが、青色光源または紫外線（ＵＶ）光源であることが好ましい。更に、この光源は容易に入手できる固体光源である発光ダイオード（ＬＥＤ）および／またはレーザーもしくは同様な光源（例えばＶＣＳＥＬ（垂直キャビティ表面放出レーザー）またはＶＥＣＳＥＬ（垂直外部キャビティ表面放出レーザー））によって実現することが好ましい。

本発明は、上記のような照明デバイスを製造する方法にも関し、この方法は、次のステップを含む。
ａ）インサートとして固体波長変換器をモールド内に置くステップ。モールド内に変換器を固定しても、（最終照明デバイス内の光源に向いた）変換器の後方の表面および（最終照明デバイスの発光方向に配向した）正面の表面は、自由な状態のままにしなければならないので、成形プロセス中、ホルダーと接触させることができ、問題はない。このような固定は、テープで補助された成形プロセスを使っても行うことができる。
ｂ）光学的コンポーネントを形成する材料、特にエポキシに類似したあるプラスチック材料、ＬＣＰ（液体クリスタルポリマー）などをインサート（すなわち変換器）のまわりに射出成形するステップ。こうして射出成形された材料は、凝固した後に、変換器と光学的コンポーネントとを含む複合部品が得られる。オプションとして、必要であれば凝固後に、射出成形される材料の表面を反射性、拡散性または吸収性の層でコーティングしてもよい。
ｃ）変換器と光学的コーティングから成る上記複合部品と光源およびオプションとして照明デバイスの別の部品とを組み立てるステップ。

上記製造方法は、２つの主要な利点を有する。第１に、最小の寸法上の許容度で、変換器と光学的コンポーネントとの間の機械的にロバストなリンクを達成できること、第２に、何らかの方法で実行しなければならない光学的コンポーネントの射出成形と同時に前記リンクを容易に製造できること。

以下に説明する実施形態を読めば、本発明の上記およびそれ以外の特徴が明らかとなろう。これら実施形態は、添付図面を参照し、例として説明する。

番号が１００だけ異なる図中の参照番号は、同一または類似の部品を示す。

ＬＥＤ照明デバイスには高効率および調節自在な色温度のような有利な特徴があるので、このようなデバイスの使用が増加しつつある。しかしながらＬＥＤは多くの点で、従来のライト用電球とは異なっている。このことは、自動車用照明セットメーカーのような照明設備メーカーはＬＥＤを使って製造するための新しい技術をマスターしなければならないことを意味する。更にＬＥＤの製品寿命は短く、ほとんど標準化されていないので、新しい製品ごとにかなりの開発努力および時間が必要である。これら問題は、ＬＥＤモジュール、例えばシステムの他の部分との良好に定められた機械的、電気的、光学的および熱的インターフェースを有するように、ある機能で強化されたＬＥＤにより改善できる。ＬＥＤの内部は変更できるが、インターフェースは所定の規格に合わせることができる。

更に、マイクロレベルでＬＥＤ照明デバイスから発生される光を操作することが重要である。このことは、（前方照明要素の場合のための）例えばコリメーションおよびカットオフを、光源の極めて近くで行うことを意味する。このことは、エテンデュー（etendue:光の拡散特性の１つ）のようなアイテムに対して利点がある。本明細書では、マイクロレベルでの関連する光学要素に対して、「マイクロ光学要素」のような用語を使用する。

次の２つの方法、例えば赤色ＬＥＤ、緑色ＬＥＤおよび青色ＬＥＤを組み合わせる方法、または黄色の蛍光体で被覆した青色ＬＥＤまたはＵＶ ＬＥＤを用いて、ＬＥＤから白色光を発生できる。後者の場合、蛍光体は透明または不透明のセラミックと置換できる。次のように提案される構造では、ＬＥＤ、特にいわゆるルミラミック（Lumiramic）タイルから光を抽出するのに、かかるセラミック変換器が使用される。ルミラミックタイルとは、青色ＬＥＤの青色光を別のカラー、例えば黄色または赤色に変換するセラミック蛍光変換プレートであり、これら蛍光変換プレートは、従来の蛍光体よりも利点がある。ルミラミックタイルと主要光学系（コリメータ）との組み合わせは、少ない製造ステップで、より効率的なシステムを製造できるようにする。このシステムでは、ＬＥＤの最も近くでカラー変換を生じさせることに優先度が与えられる。更にエタンデューを維持するために、タイルをＬＥＤと同じサイズにすることが好ましい。

提案する構造の基本的アイデアは、光学的部品またはマイクロ光学部品とセラミック変換プレートとを組み合わせることであり、このことは、次のような多数の目的を果たす。

双方の要素（マイクロ光学要素とセラミック変換プレート）を依然として使用すること。

ＬＥＤの頂部にセラミック変換プレートを通常方法で取り付けることに関連する問題を解消すること（かかる取り付けは、一般に屈折率が一致した光学的材料によって行われ、この光学的材料はほとんど強度を与えず、よって結果として弱い振動挙動を生じさせるシリコーンに類似した材料であることが多い）。

組み合わされたマイクロ光学要素とセラミック変換プレートとを半製造品として製造し、光学部品の最終組み立てをより容易にすると共に、その半製造品の予備試験を可能にすること。

セラミック変換プレートのいくつかの欠点、例えばプレートの側面からの発光を防止することを助けるようにマイクロ光学要素を製造できること（すなわちマイクロ光学要素は側面発光した光を捕捉し、所望する方向に反射できる）。

変換プレートとＬＥＤの双方を環境上の作用から保護し、組み立て中の更なる取り扱いの誤使用から保護するように、組み合わされたマイクロ光要素とセラミック変換プレートとを設計できるようにすること。

ＬＥＤチップおよび主要な光学系またはマイクロ光学系要素の通常の配置では、精度の問題から不整合および光学的損失が生じることが多い。ギャップは、光学的損失を生じさせる。ＬＥＤからの光束のすべてが捕捉されるわけではなく、および／または光が出る表面積を広くすると、その結果、輝度が低下する。異なる部品を物理的に接続すると、これらギャップのうちの一部を解消する可能性が得られる。

図１は、上記概念に従った照明デバイス１の第１実施形態を、これに関連して示す。この照明デバイスの中心要素は、青色発光ＬＥＤ２であり、この発光ダイオードは、金属トラックが設けられたセラミック絶縁基板のような基板３、または他の任意のタイプの適当な基板に置かれている。このＬＥＤは、光学的部品１０（マイクロ光学部品）によって囲まれており、この部品１０は、デバイスから光軸Ａの主要方向に発生される光の向きを定めるためのコリメータとして、その上部の成形部分内で働く。この目的のために、光学的部品１０は、側方反射表面１１を備える。

照明デバイス１は、波長変換要素６としてルミラミックタイルを備える。この変換器６は、ＬＥＤが発生した光の一部を吸収し、異なる（より長い）波長の光を再発光する。従って、照明デバイス１から発生される全スペクトルが広くなり、特に白色発光を得ることができる。

変換器６は接着材料５の粒子または連続リムによって、光学的コンポーネント１０に剛性的に結合されている。

ＬＥＤ２と変換器６と光学的コンポーネント１０の間の間隙は、透明充填材料４、例えばシリコーンにより充填されているので、密な光学的結合が得られ、光学的損失は最小となっている。

光学的コンポーネント１０は、変換器６およびＬＥＤ２の側面をそれぞれ囲む反射表面１１、１２と、１３とを更に備える。これら表面は、特殊な反射率を有していなければならず、側方からの発光をＬＥＤまたは変換器に向け直すことにより光の損失を最小にすることを助けている。

図２は、本発明にかかわる照明デバイス１０１の別の実施形態を示し、図１に類似するコンポーネントは同じ参照番号に１００を加えた番号で示されている。

上記のように、照明デバイス１０１は、（このケースでは中間サブマウント１０５により）基板１０３の上に設けられたＬＥＤ１０２と、セラミック変換器１０６（例えばルミラミック）と、反射表面１０１を有するコリメータ部分を備えた光学的コンポーネント１１０とを備える。更に光学的コンポーネント１１０は、側面からの光の損失を最小にするよう、変換器１０６を囲む反射表面１１２を備える。

図１と対照的に、照明デバイス１０１の光学的コンポーネント１１０は、変換器１０６への直接的な機械的接触部を有する。この光学的コンポーネント１１０は、射出成形により製造され、この場合、セラミック変換器１０６を重ね成形（ルミラミック部分にインサート成形）されるようにモールド内にセラミック変換器１０６が挿入される。これによってコリメータ１１０と変換器１０６との間の物理的ギャップがなくなる。次にこの組立体をモジュールの他の部分に機械的に取り付けることができる。

エタンデューの重要な光学的システムのために、光学的コンポーネント１１０のコリメータ機能が使用される。しかしながら、コリメータの長さはコリメータ化の求められる度合いに応じて、非現実的に大きくなることがあり得る。小さいコリメータと１つのレンズとを組み合わせることにより、セットアップの長さを限度内に維持できる。小さいコリメータを第１光学系と称し、レンズを二次的光学系と称す。

熱−機械的応力を保護するために、ＬＥＤ１０２と変換器１０６との間にシリコーンピロー１０４を配置し、システムにある程度の膨張の余裕を与えることができる。

図１および２に示されるタイプの、１回射出成形部品により、ＬＥＤ照明デバイスの次の機能を奏することができる。
反射コリメータカップの１つ以上の側面による光学的機能。
シリコンを介し、ＬＥＤ基板に接続されたルミラミックタイルによって提供される出力結合機能。

図示されるように、光源モジュールを構築することにより、モジュールの部品数を少なくし、ＬＥＤチップの光の抽出を最適にすると共に、ＬＥＤチップの組み立てを簡略化することが可能となる。これまで説明した構造の可能性のある用途は、自動車のフロント照明であるが、当然ながら、一般的な照明における他の用途も可能である。

最後に、本願において使用した「含む」または「備える」なる用語は、他の要素またはステップが存在することを排除するものではなく、更に「１つの」または「ある」なる用語は、複数存在することを排除するものではなく、単一のプロセッサまたは他のユニットでも、いくつかの手段の機能を満たすことができることについて指摘したい。本発明は、各新規な特徴的な特徴およびこれら特徴の各組み合わせにあり、更に、特許請求項における参照符号は、発明の範囲を限定するものと見なしてはならない。

光学的コンポーネントにセラミックス変換器が接着されている、本発明に係わる照明デバイスの第１実施形態の横断面を略図で示す。 セラミックス変換器のまわりに光学的コンポーネントが成形されている、本発明に係わる照明デバイスの第２実施形態の横断面図を略図で示す。

符号の説明

１、１０１ 照明デバイス
２、１０２ 青色発光ダイオード
３ 基板
４ 透明充填材料
５ 接着材料
６、１０６ 変換要素
１０、１１０ 光学的コンポーネント
１１、１２、１３ 反射表面

Claims (10)

1. 光源（２、１０２）と、
   前記光源によって発生された光を異なる波長に変換するための固体の波長変換器（６、１０６）と、
   前記光源（２、１０２）および／または前記変換器（６、１０６）により発生された光を、所望する方向（Ａ）に向け直すための光学的コンポーネント（１０、１１０）とを備え、前記変換器（６、１０６）は、前記光学的コンポーネント（１０、１１０）により機械的に支持されている照明デバイス（１、１０１）。
2. 白色光を発生するようになっていることを特徴とする、請求項１に記載の照明デバイス（１、１０１）。
3. 前記変換器（６、１０６）は、セラミックであることを特徴とする、請求項１に記載の照明デバイス（１、１０１）。
4. 前記変換器（６、１０６）は、中間材料、好ましくは接着剤（５）を介して前記光学的コンポーネント（１０、１１０）に機械的に結合されていることを特徴とする、請求項１に記載の照明デバイス（１、１０１）。
5. 前記変換器（６、１０６）は、分子接着により、前記光学的コンポーネント（１０、１１０）に機械的に結合されていることを特徴とする、請求項１に記載の照明デバイス（１、１０１）。
6. 前記光源（２、１０２）と前記変換器（６、１０６）との間のギャップは、透明な充填材料、特にシリコーン（４、１０４）で満たされていることを特徴とする、請求項１に記載の照明デバイス（１、１０１）。
7. 前記光学的コンポーネント（１０、１１０）は、前記光源（２、１０２）および／または前記変換器（６、１０６）を部分的に囲む反射性、拡散性および／または吸収性表面（１２、１３、１１２）を備えることを特徴とする、請求項１に記載の照明デバイス（１、１０１）。
8. レンズを備えることを特徴とする、請求項１に記載の照明デバイス（１、１０１）。
9. 前記光源は、青色光源、ＵＶ（紫外線）光源、発光ダイオード、レーザー、ＶＣＳＥＬおよび／またはＶＥＣＳＥＬを含むことを特徴とする、請求項１に記載の照明デバイス（１、１０１）。
10. ａ）インサートとしてモールド内に固体波長変換器（６、１０６）を置くステップと、
    ｂ）前記照明デバイスの前記光学的コンポーネント（１０、１１０）を形成する材料を前記インサート（６、１０６）のまわりに射出成形するステップと、
    ｃ）光源（２、１０２）およびオプションとして別の部品と共に、前記ステップ（ｂ）で得られた複合部品を組み立てるステップとを備えた、請求項１に記載の照明デバイス（１、１０１）を製造するための方法。

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