JP2011054340A

JP2011054340A - 照明装置

Info

Publication number: JP2011054340A
Application number: JP2009200587A
Authority: JP
Inventors: Miho Watanabe; 美保渡邊
Original assignee: Toshiba Lighting and Technology Corp
Current assignee: Toshiba Lighting and Technology Corp
Priority date: 2009-08-31
Filing date: 2009-08-31
Publication date: 2011-03-17

Abstract

【課題】ＬＥＤ素子32から放射される光の拡散性を高くしてグレアを低減できるうえに、光損失を最小限に抑えて光取出効率を高めることができる電球形ランプ11を提供する。
【解決手段】ＬＥＤ素子32から放射される光の経路に、空気層42を介して、中空微粒子を含有する透光性樹脂にて形成されたグローブ14を配置する。中空微粒子は、空気を内包する空間部を包囲する金属酸化物の外殻から形成する。光の経路に屈折率差の大きい空気と各部材との界面が多く介在し、光拡散性を向上できる。中空微粒子は球状となるので、中空微粒子での光の反射を少なくできて、全光透過率を向上できる。
【選択図】図１

Description

本発明は、光源として半導体発光素子を用いた照明装置に関する。

従来、半導体発光素子としてＬＥＤ素子を用いた照明装置には、例えば、電球形ランプなどがある。この電球形ランプでは、外殻部材の一端に複数のＬＥＤ素子を実装した基板が取り付けられているとともにこの基板を覆うようにグローブが取り付けられ、外殻部材の他端に口金が取り付けられ、外殻部材の内部に点灯装置が収納されている（例えば、特許文献１参照。）。

ＬＥＤ素子は点光源であって指向性の強い光を放射するので、光源を眩しく感じるグレアが生じやすいが、このグレアを低減するために光拡散性を有するグローブを使用している。

特開２００６−３１３７１８号公報（第４頁、図２）

上述のように、グレアを低減するために光拡散性のグローブを使用することが用いられているが、その光拡散性を高くすると、グレアを低減できるものの、グローブでの光損失が増大し、光がグローブを透過して取り出される光取出効率が低下してしまう問題がある。一方、光取出効率を高くしようとすれば、グローブの光拡散性を低くしなければならず、グレアが発生してしまう問題がある。

本発明は、このような点に鑑みなされたもので、半導体発光素子から放射される光の拡散性を高くしてグレアを低減できるうえに、光損失を最小限に抑えて光取出効率を高めることができる照明装置を提供することを目的とする。

請求項１記載の照明装置は、半導体発光素子と；半導体発光素子から放射される光の経路に配置され、内部の空間部を包囲する金属酸化物の外殻から形成された中空微粒子を含有する透光性樹脂にて形成された光拡散体と；を具備しているものである。

照明装置は、例えば、電球形ランプや、天井埋込形、天井直付形および天井吊下げ形の照明器具など、光源として半導体発光素子を用いる照明装置であればいずれでも構わない。

半導体発光素子は、例えば、ＬＥＤ素子やＥＬ素子などのいずれでも構わない。ＬＥＤ素子の場合には、ＬＥＤチップが搭載された端子付き発光素子を基板に実装するＳＭＤ（Surface Mount Device）や、ＬＥＤチップを基板に直接実装して、蛍光体を混合した透明樹脂を塗布して封止樹脂層を形成したＣＯＢ（Chip On Board）などで、基板に実装される。また、基板に実装される半導体発光素子の数は、１つでも複数でも構わない。

光拡散体は、半導体発光素子から放射される光の経路に、空気層を介して配置されるグローブやセードなどのいずれでも構わない。また、例えば、半導体発光素子を空気層を介してドーム状に覆う封止層や、半導体発光素子を空気層なく封止する封止層などでも構わない。

中空微粒子は、内部に空気などの気体を内包する金属酸化物の外殻から形成されており、外殻の一部が欠けていたり割れていても内部に空気などの気体が存在していれば構わない。金属酸化物の材質は、高い光拡散性を得るために空気などの気体との屈折率差が大きい材質を用いるのが好ましいが、それに限定されない。

透光性樹脂は、透光性を有していれば材質は限定されない。

請求項２記載の照明装置は、請求項１記載の照明装置において、外殻を構成する金属酸化物は、シリカ、アルミナ、酸化マグネシウムおよび酸化亜鉛の少なくともいずれか１つを含み、透光性樹脂は、シリコーン樹脂、ポリカーボネート樹脂およびアクリル樹脂のいずれか１つであるものである。

空間部内の空気の屈折率は１であるのに対して、シリカの屈折率は１．４４、アルミナの屈折率は１．７６、酸化マグネシウムの屈折率は１．７２、酸化亜鉛の屈折率は１．９５であり、空気との屈折率差が大きく、光拡散性が向上する。

空間部内の空気の屈折率は１であるのに対して、ポリカーボネート樹脂の屈折率は１．５８、アクリル樹脂の屈折率は１．４９であり、空気との屈折率差が大きく、光拡散性が向上する。また、シリコーン樹脂の屈折率は１．４であり、空気との屈折率差が小さいが、シリコーン樹脂に関係なく、中空微粒子の含有率によって光拡散性の向上と光損失の抑制とを任意に設定可能となる。

請求項３記載の照明装置は、請求項２記載の照明装置において、中空微粒子は、透光性樹脂に対して０．１〜８．０質量％含有されているものである。

中空微粒子の含有量が０．１質量％より少ないと、十分な光拡散性が得られなくなり、また、中空微粒子の含有量が８．０質量％より多いと、中空微粒子による遮光作用が強くなって、十分な全光透過率が得られなくなる。

請求項４記載の照明装置は、請求項１ないし３いずれか一記載の照明装置において、中空微粒子の平均粒径は、１．０〜１０μｍであるものである。

中空微粒子の平均粒径が１．０μｍより小さいと、十分な光拡散性が得られなくなり、また、中空微粒子の平均粒径が１０μｍより大きいと、透光性樹脂との混合比率が少なくなり、目的とする光拡散性および全光透過率が得られなくなる。

請求項１記載の照明装置によれば、半導体発光素子から放射される光の経路に、内部の空間部を包囲する金属酸化物の外殻から形成された中空微粒子を含有する透光性樹脂にて形成された光拡散体を配置するため、光の経路に屈折率差の大きい空気などの気体と各部材との界面が多く介在し、光拡散性を向上できるとともに、中空微粒子は球状となるので、この中空微粒子での光の反射を少なくできて、全光透過率を向上でき、したがって、半導体発光素子から放射される光の拡散性を高くしてグレアを低減できるうえに、光損失を最小限に抑えて光取出効率を高めることができる。

請求項２記載の照明装置によれば、請求項１記載の照明装置の効果に加えて、金属酸化物は、シリカ、アルミナ、酸化マグネシウムおよび酸化亜鉛の少なくともいずれか１つを含むため、空気との屈折率差が大きく、光拡散性を向上できる。さらに、透光性樹脂は、ポリカーボネート樹脂やアクリル樹脂であると、空間部内の空気などの気体との屈折率差が大きく、光拡散性を向上でき、また、空気との屈折率差が小さいシリコーン樹脂であると、このシリコーン樹脂に関係なく中空微粒子の含有率によって光拡散性の向上と光損失の抑制とを任意に設定でき、設計および製造を容易にできる。

請求項３記載の照明装置によれば、請求項２記載の照明装置の効果に加えて、中空微粒子は、空気との屈折率差が大きい透光性樹脂に対して０．１〜８．０質量％含有するため、光拡散性の向上と光損失の抑制とを両立できる適切な範囲を規定できる。

請求項４記載の照明装置によれば、請求項１ないし３いずれか一記載の照明装置の効果に加えて、中空微粒子の平均粒径は、１．０〜１０μｍであるため、光拡散性の向上と光損失の抑制とを両立できる適切な範囲を規定できる。

本発明の第１の実施の形態を示す照明装置としての電球形ランプの断面図である。同上電球形ランプの光拡散体としてのグローブの断面の概念図である。同上グローブに含有する中空微粒子としての中空シリカの断面の顕微鏡写真（ＳＥＭ）である。本発明の第２の実施の形態を示す照明装置の断面図である。本発明の第３の実施の形態を示す照明装置の断面図である。

以下、本発明の実施の形態を、図面を参照して説明する。

図１ないし図３に第１の実施の形態を示す。

図１において、11は照明装置としての電球形ランプを示し、この電球形ランプ11は、金属製の放熱体12、この放熱体12の一端側に取り付けられたモジュール基板13、このモジュール基板13を覆って放熱体の一端側に取り付けられた光拡散体としてのグローブ14、放熱体12の他端側に取り付けられた絶縁性を有するホルダ15、このホルダ15の他端側に取り付けられた口金16、およびホルダ15の内側に収納された点灯回路17を備えている。そして、この電球形ランプ11は、いわゆるミニクリプトン電球と同等の全長を有している。

放熱体12は、例えば熱伝導性が良好なアルミニウムなどの金属材料あるいは樹脂材料などにより、一端側が大径で他端側が小径となる外形で、外周部には一端側と他端側とに亘って複数の放熱フィン21が形成されている。

放熱体12の一端には、モジュール基板13を取り付けるための平坦状の基板取付面22が形成され、この基板取付面22の周囲にグローブ14を取り付けるための溝部23が形成されている。放熱体12の中心軸線に対して径方向にオフセットした位置には、放熱体12の一端側と他端側とに貫通する配線孔24が形成されている。

また、モジュール基板13は、円形状の基板31と、この基板31の一端側の面である前面31aに実装された複数、例えば８つの半導体発光素子としてのＬＥＤ素子32、および基板31の前面31aに実装された１つの接続受部33を備えている。

基板31は、例えば放熱性が良好なアルミニウムなどの金属材料、あるいは合成樹脂材料やセラミックス材料などにより基板本体が形成されている。この基板本体の前面には、ＬＥＤ素子32を実装する図示しない配線パターン、および全光反射率が９０％以上の反射層である反射部34が形成されている。反射部34は、配線パターンのＬＥＤ素子32および接続受部33を実装する箇所を除き、配線パターン上を含む基板本体前面の全面領域に形成されていることが好ましい。

基板31は、複数のねじ35により、基板31の他端側の面である背面31bが放熱体12の基板取付面22に対して面接触して熱的に接触する状態に固定されている。なお、基板31は、放熱体12に対して、例えば放熱性に優れたシリコーン系の接着剤などにより接着してもよい。基板31には、放熱体12の配線孔24に対応して配線孔36が形成されている。

ＬＥＤ素子32は、ＬＥＤチップが搭載された端子付き発光素子を基板31に実装するＳＭＤ（Surface Mount Device）タイプが用いられている。すなわち、ＬＥＤ素子32は、端子を有するベース、このベースに搭載されて端子と電気接続された青色あるいは近紫外線を発光するＬＥＤチップ、このＬＥＤチップを内包してＬＥＤチップが発する光を前面側へ反射させるリフレクタ、このリフレクタ内のＬＥＤチップを封止してＬＥＤチップが発した青色光あるいは近紫外線によって励起されて主に黄色の光を放出する蛍光体を混合した透明樹脂である封止樹脂を有し、ＬＥＤチップを一次光源として、面状の二次光源となる封止樹脂の前面の光出射面から白色の光を出射するように構成されている。そして、複数のＬＥＤ素子32は、基板31の前面の外縁部に、互いに略等間隔に離間された状態で基板31の中心軸線を中心とする同一円周上に配置されており、それぞれ光を一端側方向であるグローブ14の内面へ向けて放射する。

接続受部33は、コネクタで構成され、基板31の中心部に配線パターンと電気的に接続されて実装されている。

また、グローブ14は、一端側がやや扁平な球形状に形成されており、他端側が開口するとともにその開口縁部41が放熱体12の溝部23に嵌合されて接着剤により接着固定されている。グローブ14の外面は放熱体12の外面と略連続する形状となり、グローブ14の内部には放熱体12およびモジュール基板13との間に空気層42が形成されている。すなわち、グローブ14は、ＬＥＤ素子32から放射される光の経路に、空気層42を介して配置されている。

図２のグローブ14の断面の概念図、および図３の中空微粒子43としての中空シリカの断面の顕微鏡写真（ＳＥＭ）に示すように、グローブ14は、中空微粒子43が均一に分散された状態に含有される透光性樹脂44にて形成されている。

中空微粒子43は、内側の空間部43aに空気などの気体を内包する外殻43bから形成されており、その外殻43bの一部が欠けていたり割れていても内部に空気などの気体が存在していれば構わない。

金属酸化物には、屈折率１．４４のシリカ、屈折率１．７６のアルミナ、屈折率１．７２の酸化マグネシウム、および屈折率１．９５の酸化亜鉛などが用いられる。

透光性樹脂44には、屈折率１．５８のポリカーボネート樹脂、屈折率１．４９のアクリル樹脂、および屈折率１．４のシリコーン樹脂などが用いられる。

中空微粒子43の含有率は、ポリカーボネート樹脂およびアクリル樹脂などの屈折率が高い透光性樹脂44が用いられる場合、その透光性樹脂44に対して０．１〜８．０質量％とされている。中空微粒子43の含有量が０．１質量％より少ないと、十分な光拡散性が得られなくなり、また、中空微粒子43の含有量が８．０質量％より多いと、中空微粒子43による遮光作用が強くなって、十分な全光透過率が得られなくなる。これらを考慮して、より好ましい範囲は、０．５〜２．０質量％である。

シリコーン樹脂などの屈折率が低い透光性樹脂44が用いられる場合、空気との屈折率差が小さく、中空微粒子43の含有率によって光拡散性の向上と光損失の抑制とを任意に設定可能となるため、透光性樹脂44によってグローブ14の強度を確保できれば、中空微粒子43の含有率は制限されない。

中空微粒子43の平均粒径は、１．０〜１０μｍである。中空微粒子43の平均粒径が１．０μｍより小さいと、十分な光拡散性が得られなくなり、また、中空微粒子43の平均粒径が１０μｍより大きいと、透光性樹脂44との混合比率が少なくなり、目的とする光拡散性および全光透過率が得られなくなる。

したがって、中空微粒子43の含有率および平均粒径は、組み合わせる透光性樹脂44の材質と、目的とする光拡散性および全光透過率に応じて適宜調整する。

そして、グローブ14の製造について説明する。ここでは、金属酸化物にシリカを用いるものであって、中空微粒子43として中空シリカを用い、透光性樹脂44にポリカーボネート樹脂を用いるものとして説明する。まず、ポリカーボネート樹脂に中空シリカを１０〜２０質量％塗布したマスターバッチを作り、それを用いて金型でグローブ14の形状に成形する。成形されたグローブ14は、ポリカーボネート樹脂に対して中空シリカが０．１〜８．０質量％、好ましくは０．５〜２．０質量％含有される。このように、グローブ14の製造方式を、ポリカーボネート樹脂への中空シリカの塗布によるマスターバッチ式とするため、中空シリカの含有率の調整を極めて容易に行うことができ、製造コストを低減できる。

また、ホルダ15は、例えばＰＢＴ樹脂などの絶縁性を有する材料により略円筒状に形成されている。ホルダ15の一端側には、放熱体12の配線孔24に対応して配線孔50が形成されている。

また、口金16は、例えばＥ１７型であり、照明器具のランプソケットにねじ込まれる筒状のシェル51と、このシェル51の他端側の頂部に絶縁部52を介して設けられたアイレット53とを備えている。

また、点灯回路17は、例えばＬＥＤ素子32に対して定電流を供給する回路などである。点灯回路17の電源入力側には、図示しないリード線で口金16のシェル51が、リード線54でアイレット53がそれぞれ接続されている。点灯回路17の出力側にはリード線55が接続され、このリード線55が各配線孔50，24，36を通じて基板31の前面31a側に挿通され、接続受部33に接続されている。

次に、第１の実施の形態の動作を説明する。

電球形ランプ11の口金16を所定のソケットに装着して通電すると、点灯回路17が動作して、リード線55および基板31を介して各ＬＥＤ素子32に電力が供給され、各ＬＥＤ素子32が点灯して光を放射し、これら光が空気層42およびグローブ14を透過して外部へ拡散照射される。

このとき、各ＬＥＤ素子32から放射される光は、空気層42に入射し、この空気層42からグローブ14に入射し、このグローブ14内で複数の中空微粒子43に対して入射と出射を繰り返し、グローブ14の外面から空気中に出射される。

すなわち、各ＬＥＤ素子32から放射される光は、空気層42とグローブ14の透光性樹脂44の界面、透光性樹脂44と中空微粒子43との界面、中空微粒子43と内包する空気との界面、グローブ14の透光性樹脂44の外面と空気との界面において、それらの屈折率差に応じて屈折し、拡散されることになる。

図２に示すように、例えば、中空微粒子43にＬＥＤ素子32からの平行な光が入射した場合、中空微粒子43と内包する空気との界面との屈折率差が大きいために、中空微粒子43からは光が広く拡散して出射される。

このように、ＬＥＤ素子32から放射される光の経路に、空気層42を介して、内部の空間部43aを包囲する金属酸化物の外殻43bから形成された中空微粒子43を含有する透光性樹脂44にて形成されたグローブ14を配置するため、光の経路に屈折率差の大きい空気と各部材との界面が多く介在し、光拡散性を向上できる。しかも、中空微粒子43は球状となるので、この中空微粒子43での光の反射を少なくできて、全光透過率を向上できる。したがって、ＬＥＤ素子32から放射される光の拡散性を高くしてグレアを低減できるうえに、光損失を最小限に抑えて光取出効率を高めることができる。

また、透光性樹脂44に、ポリカーボネート樹脂やアクリル樹脂を用いると、空気との屈折率差が大きいために、光拡散性を向上できる。このような空気との屈折率差が大きい透光性樹脂44の場合には、中空微粒子43の含有率を０．１〜８．０質量％の範囲とすることにより、光拡散性の向上と光損失の抑制とを両立できる適切な範囲を規定できる。

透光性樹脂44に、空気との屈折率差が小さいシリコーン樹脂を用いると、このシリコーン樹脂に関係なく中空微粒子43の含有率によって光拡散性の向上と光損失の抑制とを任意に設定でき、設計および製造を容易にできる。

また、金属酸化物に、シリカ、アルミナ、酸化マグネシウムおよび酸化亜鉛を用いると、空気との屈折率差が大きいために、光拡散性を向上できる。

中空微粒子43の平均粒径を１．０〜１０μｍとすると、光拡散性の向上と光損失の抑制とを両立できる適切な範囲を規定できる。

また、グローブ14の内面などで光の一部が反射して、ＬＥＤ素子32が実装された基板31へ向かった場合、その光を全光反射率が９０％以上の反射部34でグローブ14の方向へ反射させるため、光損失を低減し、光取出効率を向上できる。

なお、金属酸化物には、空気の屈折率と透光性樹脂44の屈折率との中間の屈折率を有する金属酸化物を用いてもよい。この場合、透光性樹脂44に分散されている中空微粒子43の一部がグローブ14の外面に露出していると、透光性樹脂44に比べて、中空微粒子43の屈折率が空気の屈折率に近いため、中空微粒子43を透過した光がグローブ14の外面から出射しやすくなり、光取出効率を向上できる。

次に、図４に第２の実施の形態を示す。

ＬＥＤ素子32が、青色あるいは近紫外線を発光するＬＥＤチップ32aの電極を基板31の前面31aに絶縁層61を介して形成された配線パターン62にはんだ63で接続して直接実装し、このＬＥＤチップ32aを黄色の蛍光体を混合した変換層64で覆うＣＯＢ（Chip On Board）タイプの場合である。

変換層64は、蛍光体とともに中空微粒子43が均一に分散された状態に含有される透光性樹脂44にて形成されており、ＬＥＤチップ32aに対して空気層65を介してドーム状に形成されている。

そして、この場合にも、ＬＥＤ素子32のＬＥＤチップ32aから放射される光の経路に、空気層65を介して、中空微粒子43を含有する透光性樹脂44にて形成された変換層64を配置するため、光の経路に屈折率差の大きい空気と各部材との界面が多く介在し、光拡散性を向上できる。

次に、図５に第３の実施の形態を示す。

ＬＥＤ素子32が、ＬＥＤチップ32aが搭載された端子付き発光素子を基板31に実装するＳＭＤ（Surface Mount Device）タイプの場合である。すなわち、ＬＥＤ素子32は、図示しない端子を有するベース71、このベース71に搭載されて端子と電気接続された青色あるいは近紫外線を発光するＬＥＤチップ32a、このＬＥＤチップ32aを内包してＬＥＤチップが発する光を前面側へ反射させるリフレクタ72、このリフレクタ72内のＬＥＤチップ32aを封止してＬＥＤチップ32aが発した青色光あるいは近紫外線によって励起されて主に黄色の光を放出する蛍光体を混合した封止樹脂層73を有し、ＬＥＤチップ32aを一次光源として、面状の二次光源となる封止樹脂層73の前面の光出射面から白色の光を出射するように構成されている。

封止樹脂層73は、蛍光体とともに中空微粒子43が均一に分散された状態に含有される透光性樹脂44にて形成されている。

そして、ＬＥＤ素子32のＬＥＤチップ32aから放射される光の経路に、中空微粒子43を含有する透光性樹脂44にて形成された封止樹脂層73を配置するため、光の経路に屈折率差の大きい空気と各部材との界面が多く介在し、光拡散性を向上できる。

なお、照明装置としては、電球形ランプ11に限らず、天井埋込形、天井直付形および天井吊下げ形の照明器具など、光源としてＬＥＤ素子32を用いる照明装置であればいずれでも構わない。それ伴い、光拡散体としては、グローブに限らず、セードでも構わない。

11 照明装置としての電球形ランプ
14 光拡散体としてのグローブ
32 半導体発光素子としてのＬＥＤ素子
34 反射部
43 中空微粒子
43a 空間部
43b 外殻
44 透光性樹脂

Claims

半導体発光素子と；
半導体発光素子から放射される光の経路に配置され、内部の空間部を包囲する金属酸化物の外殻から形成された中空微粒子を含有する透光性樹脂にて形成された光拡散体と；
を具備していることを特徴とする照明装置。
外殻を構成する金属酸化物は、シリカ、アルミナ、酸化マグネシウムおよび酸化亜鉛の少なくともいずれか１つを含み、
透光性樹脂は、シリコーン樹脂、ポリカーボネート樹脂およびアクリル樹脂のいずれか１つである
ことを特徴とする請求項１記載の照明装置。
中空微粒子は、透光性樹脂に対して０．１〜８．０質量％含有されている
ことを特徴とする請求項２記載の照明装置。
中空微粒子の平均粒径は、１．０〜１０μｍである
ことを特徴とする請求項１ないし３いずれか一記載の照明装置。