JP2010244688A - 半導体発光装置の光源モジュールを用いた照明装置 - Google Patents

Abstract

【課題】
発光ダイオード光源を複数用いた照明装置は、光源モジュールごとに求められる配光が違うため、複数種類のレンズを１または少数ずつ用いる必要があった。このため、製造コストが高くなりがちであった。
【解決手段】
本発明は、半導体発光装置とレンズとの間に散乱材を含有する樹脂を配置した光源モジュールを複数用いる。そして、散乱材の含有濃度によって配光が違う点を応用し、光源モジュールを配置する角度の違いに応じて散乱材の含有濃度が違うものを用いる点に特徴を持つ。
【効果】
本発明により、散乱材の含有濃度の調整さえ行えば、一種類のレンズのみで異なる配光を持つ光源モジュールを実現できる。この結果、照明装置の製造コストを低減できる効果がある。
【選択図】図１

Description

本発明は、半導体発光装置の光源モジュールを用いた照明装置に関する。

近年、照明用光源として発光ダイオードが注目されている。白色発光ダイオード光源の発光効率が高まり、エネルギー効率や価格が市場で受け入れられる程度にまでなってきたことがその原因である。これを利用して、屋内または屋外で用いることができる照明装置が実用化されつつある。しかし、白色発光ダイオード光源は、従来の放電管等光源との違いから照明装置として構成するための特別の工夫が必要となる場合がある。

特開２００６−１１４３４７の図８には、このような工夫の一例が示されている。この照明装置は、所定の投影レンズで発光ダイオード素子の配光を形成する灯具ユニットを用い、これを複数配列することで全体として照明装置としての配光を実現している。

特開２００６−１１４３４７、図８

しかし、この照明装置の各灯具ユニットに用いる投影レンズは、それぞれ違うものが必要となる。光の照射方向や照射する場所によって求められる配光が違うためである。従って、複数種類のレンズを１または少数ずつ用いる照明装置とならざるを得ず、製造コストが高くなりがちという問題があった。

本発明は、この問題を解決すべくなされたものである。本発明は、半導体発光装置とレンズとの間に散乱材を含有する樹脂を配置した光源モジュールを複数用いる。そして、散乱材の含有濃度によって配光が違う点を応用し、光源モジュールを配置する角度の違いに応じて散乱材の含有濃度が違うものを用いる点に特徴を持つ。

本発明により、散乱材の含有濃度の調整さえ行えば、一種類のレンズのみで異なる配光を持つ光源モジュールを実現できる。この結果、照明装置の製造コストを低減できる効果がある。

本発明の照明装置を示す図である。 本発明の照明装置に用いる光源モジュールを示す図である。 光源モジュールの角度に対する光照射強度の依存性、即ち配光特性を示す図である。

以下に、図を参照しながら本発明の実施形態を説明する。なお、本明細書中、「上」「上方」または「下」「下方」などの方向を示す言葉を使用する。これらは、発明の説明のために本発明に係る照明装置の光軸方向を便宜的に「下」とし、その反対方向を「上」としたことによる。

図１は、本発明の実施形態を示す図である。図１は、３個の光源モジュール１Ａ、１Ｂ、１Ｃを用いた照明装置である。光軸を図中下方向へ向けた光源モジュール１Ａは、３個の光源モジュールの中で一番広い配光を有する。この隣に配置された、光軸の方向を傾けた光源モジュール１Ｂは、光源モジュール１Ａより狭い配光を有する。そして、光源モジュール１Ｂの光軸よりも更にその光軸を傾けて配置された光源モジュール１Ｃは、一番狭い配光を有する。各光源モジュールの光軸は、被照射面に対して所定の角度をなしている。図１においては、光源モジュール１Ａの光軸は被照射面に対して垂直の角度をとっている。同様に、光源モジュール１Ｂの光軸は被照射面に対して垂直より小さな角度をとり、光源モジュール１Ｃの光軸の被照射面に対する角度は、光源モジュール１Ｂのそれよりもさらに小さな角度をとっている。

なお、光軸とは、後述する半導体発光装置２の中心とレンズ４の中心とを通る、光源モジュール１の発光が主として放出される方向に延びる仮想的な線を指す。また、光軸と被照射面とがなす角度は、本明細書中では、９０°以下の値となるように決めるものとする。更に、光源モジュール１Ａ、１Ｂ、１Ｃが「隣に、または、隣接して配置され」るとは、各光源モジュール間に、配光に影響を与えるようなものを挟まず、かつ、各光源モジュールが他の光源モジュールの配光に影響を与えるように相互に重なり合うことなく、できるだけ近くに配列されることを指す。

図２は、個別の光源モジュール１を示す図である。半導体発光装置２は、基板３表面に形成された配線（図示せず）に電気的に接続されるように実装されている。半導体発光装置２は、散乱材含有樹脂５によって覆われている。更に、半導体発光装置２と散乱材含有樹脂５はその内面を凹状、外面を凸状とした所定の形状のレンズ４に覆われている。また、個別の半導体発光装置２は、半導体発光素子６がハウジング８の底面に実装され、配線（図示せず）にワイヤ７等の電気的接続手段で接続されている。更に、半導体発光素子６の周囲は封止樹脂９で覆われている。

図１の照明装置全体は、電源ケーブルや電源回路等必要な部品を含む支柱等の支持体に設置される。そして、照明装置に電力を供給した場合、下方向に所定の配光を実現する。配光は、好適には照射対象の均斉度が概ね均一になるように光軸の傾きと散乱材含有樹脂５の含有濃度が調整される。ここで言う「照射対象の均斉度が概ね均一」とは、平面状の照射対象、例えば地面、に対して照明装置の光軸方向が垂直である場合に、想定される照射範囲において（最小照度）÷（平均照度）の値が０．４以上であることを指す。

以下に、本実施形態中の部品又は部材について詳細に説明する。半導体発光素子６は、一般的には化合物半導体単結晶層の積層構造によって構成される。具体的にはＧａＡｓ、ＡｌＧａＡｓ、ＩｎＡｌＧａＰ、ＧａＰ、ＧａＮ、ＺｎＯ、ＺｎＳｅ等である。この積層構造は、ｎ型層とｐ型層を含み、かつ、この間にＭＱＷ等の発光層が挟み込まれる。ｎ型層上とｐ型層上にはそれぞれオーミック接続した電極層が形成され、ハウジング８内の配線と各電極層とは電気的に接続されている。電気的に接続するための手段は、例えばワイヤ７のほか、導電性接着剤、共晶ハンダなどである。

本実施形態においては、特に半導体発光装置２として白色発光ダイオード装置を好適に用いることができる。この場合、半導体発光素子６として、ＧａＮ系化合物半導体等によって構成された青色発光ダイオード素子を好適に用いることができる。なお、半導体発光装置２の中に半導体発光素子６は、図２中では一つだけあるが、複数あっても良い。

封止樹脂９は、シリコーン樹脂やエポキシ樹脂等の半導体発光装置分野で一般的に使用されている透明樹脂を用いることができる。半導体発光装置２として白色発光ダイオード装置を用いる場合、封止樹脂９中には蛍光体が混合される。青色発光ダイオード素子と黄色蛍光体の黄色の蛍光とを混色させ、半導体発光装置２全体として白色光を発するようにするためである。このような蛍光体として、例えばＹＡＧ：Ｃｅ、（Ｃａ，Ｓｒ，Ｂａ）_２ＳｉＯ_４：Ｅｕ等の材料を用いることができる。

ハウジング８は、その内部に半導体発光素子６や封止樹脂９を物理的に保持し、および／または、半導体発光素子６の周囲で反射面としての役割を果たすものである。このため、ハウジング８の内面は反射率の高い銀やアルミニウム、白色系の材料でコーティングされることが好ましい。また、ハウジング８内部には配線が設けられ、半導体発光素子６と電気的に接続されている。この配線は、基板３表面に形成された配線と接続され、外部からの電力を半導体発光素子６に伝達できるようになっている。なお、半導体発光素子６を直接基板３に実装するために物理的保持の必要がなかったり、配光上の要請から反射面の必要がなかったりする場合、ハウジング８は必須ではない。

基板３は、半導体発光装置２をその表面上に実装し、更にレンズ４、散乱材含有樹脂５を物理的に保持するために用いている。更に、半導体発光装置２を駆動させた場合の発熱を基板２を介して外部へ放散する場合もある。このため、熱伝導性の高い材料によって構成された基板、例えば銅やアルミニウム板等の金属基板や、窒化アルミニウム基板などが望ましい。更に、基板３の半導体発光装置２の側とは反対の表面にヒートシンク等放熱手段が設けることが好ましい。

散乱材含有樹脂５は、封止樹脂９と同様に、シリコーン樹脂やエポキシ樹脂等の半導体発光装置分野で一般的に使用されている透明樹脂を用いることができる。これに、例えば平均粒径３〜３０μｍ程度のＳｉＯ_２、ＴｉＯ_２、ＺｒＯ_２等の粒子を散乱材として混合して作製する。混合する量は、使用するレンズ４自体の配光の広狭の度合いと、光源モジュール１を照明装置の光軸に対してどの程度傾けて配置するかによる。散乱材の濃度が高いほど、光源モジュール１の配光は広くなる。従って、図１において、光源モジュール１Ａに含まれる散乱材含有樹脂の濃度は高く、１Ｂ、１Ｃとなるに従って濃度は低くなる。

レンズ４は、図２に示すように、例えば半導体発光装置２等を納める側が凹面、光軸方向が凸面となった形状をとる。また、光源モジュール１Ａ、１Ｂ、１Ｃ全てにおいてレンズ４の形状は同一である。焦点距離などは照明装置が利用される環境に従って設定可能である。レンズ４は、ガラスやアクリル樹脂等の透明樹脂など、半導体受発光素子やその他光学機器分野で一般的に使用される材料によって構成されうる。

以下に本発明の実施例を示す。本実施例において、各光源モジュールに共通して使用するレンズ４として屈折率１．４９の透明アクリル樹脂製のレンズを準備した。このレンズは、上面から見た場合の直径が２ｃｍ、高さ３ｃｍのものである。また、このレンズの半導体発光装置２に向かい合う側の面は凹状に５ｍｍ程度窪ませた。半導体発光装置にこのレンズを装着し、かつ、散乱材含有樹脂を入れなかった場合における、軸上光度の５０％にまで光度が落ちる角度の広さ、即ち半値幅（以下、散乱角度）は−１２〜＋１２°の範囲、即ち２４°であった。

半導体発光装置２として、窒化ガリウム系化合物半導体発光素子（Ｃｒｅｅ社製ＥＺ１０００）を窒化アルミニウム基板上に実装し、その周囲をＹＡＧ：Ｃｅ蛍光体を含むシリコーン樹脂（旭化成ワッカーシリコーン社製ＳｉｌＧｅｌ６１２）で覆った白色発光ダイオード装置を用いた。

拡散材含有樹脂５として、シリコーン樹脂（旭化成ワッカーシリコーン社製ＳｉｌＧｅｌ６１２）に平均粒径８μｍのＳｉＯ_２粒子（日本エイブルスティック社製フィラーＥ−Ｚ）をシリコーン樹脂に対して１０重量％、３０重量％、５０重量％だけ混合した、３種類の濃度のものを準備した。５０重量％は光源モジュール１Ａ用、３０重量％は光源モジュール１Ｂ用、１０重量％は光源モジュール１Ｃ用である。

これらの光源モジュールの配光特性は、図３に示す通りとなった。光源モジュール１Ａは、軸上光度５８カンデラ、散乱角度６０°であった。同様に、光源モジュール１Ｂは軸上光度１５６カンデラ、散乱角度４７°、光源モジュール１Ｃは軸上光度３３２カンデラ、散乱角度２９°であった。即ち、散乱材含有濃度の増加により軸上光度が低下し、散乱角度が拡がることが確認された。なお、測定には測定装置としてラディアント・イメージング社のイメージング・スフェアを用いた。

次に、光源モジュール１Ａ、１Ｂ、１Ｃを組み合わせ、街路灯を作製した。具体的には、光源モジュール１Ａ、１Ｂ、１Ｃを支柱に取り付け、地上から１０ｍの高さになるように支柱に設置した。この際、光源モジュール１Ａの光軸は地面と垂直であった。また、光源モジュール１Ａの隣に設置された１Ｂの光軸は地面に対して５５°の角度、光源モジュール１Ｂの隣に設置された１Ｃの光軸は地面に対して４７°の角度であった。なお、光源モジュール１Ａ、１Ｂ、１Ｃの光軸を含む面は、地面と垂直になるように設置した。

上記の試作された街路灯の地面における照度を測定し、均斉度を測定した。光源モジュール１Ａ、１Ｂ、１Ｃの光軸を含む面と地面との交線上１０ｍの範囲において、均斉度は０．４以上であり、概ね均一であることが確認された。

なお、光源モジュール１Ａ、１Ｂ、１Ｃの光軸を含む面が地面に対して傾くように照明装置を同時に配置することで、光源モジュール１Ａ、１Ｂ、１Ｃの光軸を含む面に対して垂直な方向に配光を広げることができる。また、レンズの形状を横長にしても同様の効果が得られる。このようにすることで、例えば１０×２０ｍ程度の範囲で均斉度を概ね均一とすることができる。更に、左右方向へ同様の街路灯を配置することで、例えば１０×３５ｍの範囲で均斉度を概ね均一とすることができる。

本発明は、街路灯や庭園灯に好適に使用できる。また、これに留まらず、公告看板などの地面から垂直に立つ面を照明する広告灯や壁面灯、または、天井を照明するための灯具としても使用しうる。

１ 光源モジュール
１Ａ 光源モジュール
１Ｂ 光源モジュール
１Ｃ 光源モジュール
２ 半導体発光装置
３ 基板
４ レンズ
５ 散乱材含有樹脂
６ 半導体発光素子
７ ワイヤ
８ ハウジング
９ 封止樹脂

Claims (4)

1. 第一の半導体発光装置と、第一の半導体発光装置が発する光の光路上に配置された第一のレンズと、第一の半導体発光装置が発する光の光路上であって第一の半導体発光装置と第一のレンズとの間に配置された第一の散乱材含有濃度を持つ第一の樹脂と、
   を含む第一の光源モジュールと、
   第二の半導体発光装置と、第二の半導体発光装置が発する光の光路上に配置された第二のレンズと、第二の半導体発光装置が発する光の光路上であって第二の半導体発光装置と第二のレンズとの間に配置された第二の散乱材含有濃度を持つ第二の樹脂と、
   を含む第二の光源モジュールと、
   を含み、
   第一の光源モジュールと第二の光源モジュールは隣接して配置され、かつ、
   第一の光源モジュールの光軸と第二の光源モジュールの光軸は所定の角度をなすように互いに傾いて配置され、かつ、
   この角度に応じて第一の散乱材含有濃度と第二の散乱材含有濃度が違い、かつ、
   第一のレンズと第二のレンズが同一であること、
   を特徴とする照明装置。
2. 照明装置が被照射面に対して第一の光源モジュールの光軸がなす角度は、照明装置が被照射面に対して第二の光源モジュールの光軸がなす角度より大きく、かつ、
   第一の散乱材含有濃度は、第二の散乱材含有濃度より大きいこと、
   を特徴とする請求項１に記載の照明装置。
3. 第一の半導体発光装置と、第一の半導体発光装置が発する光の光路上に配置された第一のレンズと、第一の半導体発光装置が発する光の光路上であって第一の半導体発光装置と第一のレンズとの間に配置された第一の散乱材含有濃度を持つ第一の樹脂と、
   を含む第一の光源モジュールを製造する工程と、
   第二の半導体発光装置と、第二の半導体発光装置が発する光の光路上に配置された第二のレンズと、第二の半導体発光装置が発する光の光路上であって第二の半導体発光装置と第二のレンズとの間に配置された第二の散乱材含有濃度を持つ第二の樹脂と、
   を含む第二の光源モジュールを製造する工程と、
   第一のモジュールを支持体に配置する工程と、
   第一の光源モジュールの光軸と第二の光源モジュールの光軸が所定の角度をなすように互いに傾け、かつ、第二のモジュールを第一のモジュールに隣接して配置する工程と、
   を含み、かつ、
   この角度に応じて第一の散乱材含有濃度と第二の散乱材含有濃度が違い、かつ、
   第一のレンズと第二のレンズが同一であること、
   を特徴とする照明装置の製造方法。
4. 第一の半導体発光装置と、第一の半導体発光装置が発する光の光路上に配置された第一のレンズと、第一の半導体発光装置が発する光の光路上であって第一の半導体発光装置と第一のレンズとの間に配置された第一の散乱材含有濃度を持つ第一の樹脂と、
   を含む第一の光源モジュールと、
   第二の半導体発光装置と、第二の半導体発光装置が発する光の光路上に配置された第二のレンズと、第二の半導体発光装置が発する光の光路上であって第二の半導体発光装置と第二のレンズとの間に配置された第二の散乱材含有濃度を持つ第二の樹脂と、
   を含む第二の光源モジュールと、
   を用い、
   第一の光源モジュールと第二の光源モジュールとによって照明される平面に対して第一の光源モジュールの光軸は第一の角度をなし、かつ、
   第一の光源モジュールと第二の光源モジュールとによって照明される平面に対して第二の光源モジュールの光軸は第一の角度をなし、かつ、
   第一の角度は第二の角度より大きくなるように第一の光源モジュールと第二の光源モジュールを配置し、かつ、
   第一の散乱材含有濃度より第二の散乱材含有濃度が大きくなるようにし、かつ、
   第一のレンズと第二のレンズを同一とすること、
   を特徴とする平面の照明方法。

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