JP2011077518A - 発光ダイオードモジュール - Google Patents

Abstract

【課題】出射された光の分布が、実際の照明条件を満たす発光ダイオードモジュールを提供する。
【解決手段】発光ダイオードモジュールは、中心軸線を有する発光ダイオードと、前記発光ダイオードを覆い且つ入光面及び出光面を含むレンズと、を備える。発光ダイオードの中心を原点ｏとするｏ−ｘｚｙの三次元直交座標系を用いて説明すると、ｘ軸は前記レンズの長さ方向に対応し、ｙ軸は前記レンズの幅方向に対応し、前記発光ダイオードの中心軸線はｚ軸上に位置する。前記レンズの出光面は、前記発光ダイオードの中心軸線に平行する中心軸線ＩＩを有し、前記中心軸線ＩＩは原点ｏを通るｚｘ平面として定義されるｚｏｘ平面の一方側に位置するので、前記発光ダイオードが出射して前記レンズから出射する光線における前記ｚｏｘ平面の一方側に分布する光線量は、前記ｚｏｘ平面の他方側に分布する光線量より多い。
【選択図】図１

Description

本発明は、発光アセンブリに関するものであり、特に発光ダイオードモジュールに関するものである。

新たな光エネルギーである発光ダイオードモジュールは、高発光効率、小型化、軽量化及び親環境化などの利点を有するため、各分野で広く用いられている。

従来の発光ダイオードモジュールは、通常、レンズを用いて、その複数の発光ダイオードが出射した光を集光させる。このため、従来の発光ダイオードモジュールからの光線は実際に円形を呈し、所定のエリアを十分に照射することができない。例えば、前記発光ダイオードモジュールを街灯に使用する場合、前記発光ダイオードモジュールからの光線は、道路の中央エリアではなく、両側エリアだけを照射するので、道路照明に求められる条件を満たすことができない。

上記の問題点を解決するために、通常、街灯の取付アームの傾斜角度を増大させて、それに装着される発光ダイオードの光出射方向を調節する。しかし、政府によって頒布された道路照明標準によれば、街灯の取付アームの傾斜角度は１５°を超えると、道路の両側エリアに設置された街灯からの光線は、それぞれ交差して対向側まで照射される。更に、異なるサイズの発光ダイオードは光出射角度も互いに違うため、前記取付アームの傾斜角度を調整するだけでは、あらゆるサイズの発光ダイオードからの光の出射方向が実際の照明条件を充足させることができない。

本発明は、従来の問題点に鑑みてなされたものであり、出射光の分布が実際の照明条件を満たすことができる発光ダイオードモジュールを提供することを目的とする。

前記問題を解決するために、本発明に係る発光ダイオードモジュールは、中心軸線Ｉを有する発光ダイオードと、前記発光ダイオードを覆い且つ入光面及び出光面を含むレンズと、を備えてなる。前記発光ダイオードから出射された光線は、前記レンズの入光面から前記レンズ内に入射された後に前記レンズの出光面から出射される。ｏ−ｘｚｙの三次元直交座標系を用いて説明すると、原点ｏが前記発光ダイオードの中心に位置し、ｘ軸及びｙ軸が前記原点ｏで直交し、ｚ軸が前記原点ｏを通過し且つ前記原点ｏを通るｘｙ平面として定義されるｘｏｙ平面に直交する。前記ｘ軸は前記レンズの長さ方向に対応し、前記ｙ軸は前記レンズの幅方向に対応し、前記発光ダイオードの中心軸線Ｉは前記ｚ軸上に位置する。前記レンズの出光面は、前記発光ダイオードの中心軸線Ｉに平行する中心軸線ＩＩを有し、前記中心軸線ＩＩは前記原点ｏを通るｚｘ平面として定義される前記ｚｏｘ平面の一方側から離間して位置する。そのため、前記レンズから出射される前記発光ダイオードからの光線のうち前記ｚｏｘ平面の一方側に分布する光線量は、前記ｚｏｘ平面の他方側に分布する光線量より多い。

従来の技術に比べて、本発明の発光ダイオードモジュールにおいて、前記ｚｏｘ平面の一方側に分布する光線量は、前記ｚｏｘ平面の他方側に分布する光線量より多いので、街灯の取付アームの傾斜角度αを減少させることができる。従って、前記発光ダイオードモジュールは、政府によって頒布された道路照明標準の前記傾斜角度αに関する条件を満たすことができ、前記発光ダイオードからの光エネルギーを効果的に利用することもできる。

本発明に係る発光ダイオードモジュールの組立図である。 図１に示した発光ダイオードモジュールのレンズがリバーサルされた後の立体斜視図である。 図１に示した発光ダイオードモジュールのＩＩＩ−ＩＩＩ線に沿う断面図である。 図１に示した発光ダイオードモジュールのＩＶ−ＩＶ線に沿う断面図である。 図１に示した発光ダイオードモジュールが作動する際の照度分布図である。 図１に示した発光ダイオードモジュールが作動する際の直交座標で表した配光曲線図である。 発光ダイオードを光源とする街灯を示す図である。

図１乃至図４に示したように、本発明の発光ダイオードモジュール１は、発光ダイオード１０及び前記発光ダイオード１０を覆うレンズ２０を備える。前記発光ダイオード１０は、突台１１、発光ダイオードチップ１２及び封止材１３を含む。前記突台１１は、矩形を呈し、その底部は外側へ突出されて基座１４を形成する。前記基座１４も矩形であるが、その面積が前記突台１１の面積より大きい。前記突台１１の頂部には、前記発光ダイオードチップ１２を取り付けるための凹陥部１１０が設けられている。前記封止材１３は前記凹陥部１１０内に充填されて前記発光ダイオードチップ１２を包む。前記封止材１３の外表面は、平面であり且つ前記発光ダイオード１０の出光面１３４を形成する。前記発光ダイオード１０は、中心軸線Ｉを有する。前記発光ダイオード１０からの光線の強度は、前記中心軸線Ｉの近傍で最大であり、前記発光ダイオード１０の出射角度は１２０°である。

前記レンズ２０は、ＰＭＭＡ（ｐｏｌｙｍｅｔｈｙｌ ｍｅｔｈａｃｒｙｌａｔｅ）或いはＰＣ（ｐｏｌｙｃａｒｂｏｎａｔｅ）などのような光学性能が優れる透明な材料から一体成型され、支持部２１、導光部２３及び前記支持部２１と前記導光部２３との間に設けられる連接部２２を含む。本実施形態において、前記支持部２１は、略矩形を呈し、その短手方向に沿う両側面には、それぞれ１つの弧状ノッチ２１１が設けられている。前記連接部２２は、略矩形を呈し且つ前記支持部２１の上面に設けられ、前記連接部２２の面積は前記支持部２１の面積より小さく、前記連接部２２の底面の対向する２つの短辺はそれぞれ前記支持部２１の２つの弧状ノッチ２１１の底部に揃えられている。前記連接部２２の長手方向に沿う片側には、２つの弧状ノッチ２１２が互いに離間して設けられている。

分り易く説明するため、ここで、三次元直交座標系ｏ−ｘｙｚ（図１を参照）を用いて説明する。原点ｏは前記発光ダイオード１０の中心に位置し、ｘ軸及びｙ軸は前記原点ｏで直交し、ｚ軸は前記原点ｏを通過し且つ原点ｏを通るｘｙ平面として定義されるｘｏｙ平面に直交する。前記ｘ軸は、前記発光ダイオードモジュール１の長さ方向（前後方向）に対応し、前記ｙ軸は、前記発光ダイオードモジュール１の幅方向（左右方向）に対応する。前記発光ダイオード１０の中心軸線Ｉは、前記ｚ軸上に位置する。図３は、前記発光ダイオードモジュール１の原点ｏを通るｙｚ平面として定義されるｚｏｙ平面に沿う断面図であり、図４は、前記発光ダイオードモジュール１の原点ｏを通るｚｘ平面として定義されるｚｏｘ平面に沿う断面図である。

前記導光部２３は、前記連接部２２の左側へ偏って前記連接部２２の上面に形成される。前記導光部２３は、ｚｏｙ平面を対称面として前記ｘ軸方向（前後方向）に沿って対称であると共に、Ｋ平面を対称面として前記ｙ軸方向（左右方向）に沿って対称である。前記Ｋ平面は、前記ｚｏｘ平面に対して左へ一定の距離を水平移動し且つ前記ｚｏｘ平面と互いに平行する。前記導光部２３の外表面は、隆起した自由曲面２３１及びそれぞれ前記曲面２３１の左右両側に位置すると共に楕円状の平面である２つの楕球面（ｅｌｏｎｇａｔｅｄ ｅｌｌｉｐｓｏｉｄ ｓｕｒｆａｃｅｓ）２３２を含む。前記自由曲面２３１は、前記導光部２３の中央部に位置し、且つ前記発光ダイオードモジュール１の長さ方向に沿って延在し、その幅は前記自由曲面２３１の前、後両端から中央に向かって次第に狭くなる。前記２つの楕球面２３２は、それぞれ前記自由曲面２３１の長手方向の両側に対称的に設けられ、各楕球面２３２の幅がそれぞれ前記導光部２３の前後両端から中央へ向かって次第に広くなる。前記自由曲面２３１及び前記２つの楕球面２３２は、ともに前記レンズ２０の出光面２３０を構成する。前記出光面２３０は、ｚｏｙ平面を対称面として前記ｘ軸方向（前後方向）に沿って対称であると共に、Ｋ平面を対称面として前記ｙ軸方向（左右方向）に沿って対称である。前記ｚｏｙ平面と前記Ｋ平面との交線は、前記出光面２３０の中心軸線ＩＩである。前記中心軸線ＩＩは、前記ｚｏｙ平面上に位置し且つ前記ｚ軸（或いは中心軸線Ｉ）に対して左へ水平移動する。即ち、前記中心軸線ＩＩは、前記中心軸線Ｉに平行し、且つ前記ｚｏｘ平面の左側に位置する。前記レンズ２０の出光面２３０は、前記ｚｏｘ平面に対して左へ偏っている。

前記レンズ２０における前記支持部２１の底面２１０の中央エリアには、十字状を呈する第一収容凹所２１３が形成されている。前記第一収容凹所２１３の頂部には、中心が前記ｚ軸上に位置する第一位置決め面２１４が形成されている。前記第一収容凹所２１３の四隅には、それぞれ前記第一収容凹所２１３の中心へ突出する四つの第一錐状部２１９が形成されている。前記レンズ２０の前記第一位置決め面２１４の中央エリアには、さらに第二収容凹所２１５が凹んで設けられている。前記第二収容凹所２１５の頂部には、中心点が前記ｚ軸上に位置する第二位置決め面２１６が形成されている。前記第二収容凹所２１５の長さ方向に沿う両側にはそれぞれ外側へ突出する弧状の第一側縁２１７が形成されており、前記第二収容凹所２１５の幅方向に沿う両側にはそれぞれ直線状の第二側縁２１８が形成されている。前記第一側縁２１７と前記第二側縁２１８との連結部位には、前記第二収容凹所２１５の中心へ突出する第二錐状部２２０が形成されている。前記レンズ２０の前記第二位置決め面２１６の中央エリアには、さらに楕円状の凹陥部２４が形成されている。前記凹陥部２４の内表面は、前記レンズ２０の入光面２５を形成する。

前記入光面２５は、楕球面であり、その中心軸線ＩＩＩは前記ｚ軸上に位置する。前記入光面２５は、前記ｚｏｙ平面を対称面として前記レンズ２０の長さ方向に沿って対称であると共に、前記ｚｏｘ平面を対称面として前記レンズ２０の幅方向に沿って対称である。前記入光面２５の前記ｚｏｘ平面の右側には、さらに球面２５０が凹んで形成されている。前記球面２５０は、前記ｚｏｙ平面を対称面として前記レンズ２０の長さ方向に沿って対称する。前記入光面２５と前記第二位置決め面２１６（即ち前記レンズ２０の底面）との交線２５２は楕円状を呈する。前記交線２５２の長軸方向は前記レンズ２０の幅方向と一致し、前記交線２５２の短軸方向は前記レンズ２０の長さ方向と一致し、前記交線２５２の中心点は前記ｚ軸上に位置する。

前記レンズ２０を前記発光ダイオード１０に覆わせると、前記発光ダイオード１０の基座１４は前記レンズ２０の第一収容凹所２１３内に収納され、前記基座１４の底面１４１と前記レンズ２０の支持部２１の底面２１０とは同一平面に位置し、前記基座１４の頂面１４０は前記支持部２１の第一位置決め面２１４に当止され、前記レンズ２０の四つの第一錐状部２１９は前記基座１４の四つの片隅１４２にそれぞれ当止される。前記発光ダイオード１０の突台１１は、前記レンズ２０の第二収容凹所２１５内に収納され、前記突台１１の頂面１１１は前記支持部２１の第二位置決め面２１６に当止され、前記支持部２１の四つの第二錐状部２２０は前記突台１１の四つの片隅１１２にそれぞれ当止される。前記発光ダイオード１０の出光面１３４と前記レンズ２０の入光面２５との間には、一定の距離を隔てて空気間隙が形成される。前記発光ダイオード１０の前記出光面１３４から出射される光線は前記レンズ２０の入光面２５を通して前記レンズ２０の内部に入射され、前記レンズ２０の出光面２３０を介して出射される。

前記レンズ２０の出光面２３０は前記ｚｏｘ平面に対して左へ偏るため、前記レンズ２０の出光面２３０の中心軸線ＩＩは前記発光ダイオード１０の中心軸線Ｉに対して左へ偏る。従って、前記発光ダイオード１０の出光面１３４から出射される光線の大部分は前記レンズ２０の出光面２３０において、左へ屈折される。これにより、本発明のレンズ２０は、前記発光ダイオード１０から出射される光線の大部分を前記ｚｏｘ平面の左側に集光させる。即ち、前記発光ダイオードモジュール１が出射する光線において、前記ｚｏｘ平面の左側に分布する光線量は、前記ｚｏｘ平面の右側に分布する光線量より多い。

図５は、前記発光ダイオードモジュール１の照度分布を示している。前記発光ダイオードモジュール１の直下から１０メートル離れた箇所に、前記ｘｏｙ平面に平行する受光スクリーンが設置されている。前記受光スクリーン上の前記発光ダイオードモジュール１の光形４０が縦長状を呈する。前記光形４０の右側４１は内側へ凹み、前記光形状４０の左側４２は外側へ突出する。即ち、前記レンズ２０の屈折作用により、前記発光ダイオード１０が出射した光線は、前記レンズ２０の出光面２３０から出射される際、大部分が前記ｚｏｘ平面の左側に集光される。

図６に示したように、前記実線４４は前記発光ダイオードモジュール１の前記ｚｏｙ平面における光形状分布を示すものであり、前記実線４３は前記発光ダイオードモジュール１の前記ｚｏｘ平面における光形状分布を示すものである。前記実線４４及び図３を同時に参照して、前記ｚｏｙ平面の前記ｚ軸の左側に位置する角度を負値に定義し、前記ｚｏｙ平面の前記ｚ軸の右側に位置する角度を正値に定義すると、前記レンズ２０の左側では、出射光の強度は前記中心軸線Ｉ（Ｚ軸）から左側へ行くにつれ次第に増加し且つａ点（２２．５°）で最大になり、それから逓減してｂ点（４５°）でより弱い程度に衰え、ｃ点（６７．５°）で非常に弱い程度に衰え、さらに０まで衰える。前記レンズ２０の右側では、出射光の強度は右側へ行くにつれ逓減し、ｄ点（−２２．５°）での光の強度がａ点での光の強度の1/２であり、ｅ点（−４５°）での光の強度もｂ点での光の強度より小さい。

前記実線４３及び図４を参照して、前記ｚｏｘ平面の前記ｚ軸の前側に位置する角度を負値に定義し、前記ｚｏｘ平面の前記ｚ軸の後側に位置する角度を正値に定義すると、前記レンズ２０の前後両側における光形状はほぼ対称であり、光の強度は前記中心軸線Ｉ（Ｚ軸）から前後方向へ行くにつれ次第に増加し、ｇ点（約−６０°）及びｈ点（約６０°）で最大になり、それから０まで急に逓減する。

図７に示したように、前記発光ダイオードモジュール１が街灯３１、３２に取付けられて、道路照明に用いられる場合、前記レンズ２０が存在するため、前記発光ダイオード１０から出射する大部分の光線は集光されて道路３４の中心線３４０に向って出射する。従って、街灯３１、３２の取付アーム３３の傾斜角度αを減少させることができ、政府が頒布した道路照明標準の前記傾斜角度αに関する条件を満たすことができ、前記発光ダイオード１０からの光エネルギーを効果的に利用することもできる。

以上、本発明の好適な実施形態について詳細に説明したが、本発明は前記実施形態に限定されるものではなく、本発明の範囲内で種々の変形又は改良が可能であり、該変形又は改良も、本発明の特許請求の範囲内に含まれることであるのが、いうまでもない。

１０ 発光ダイオード
１１ 突台
１２ 発光ダイオードチップ
１３ 封止材
１４ 基座
２０ レンズ
２１ 支持部
２２ 連接部
２３ 導光部
２４ 凹陥部
２５ 入光面
３１ 街灯
３２ 街灯
３３ 取付アーム
３４ 道路
４０ 光形
４１ 右側
４２ 左側
４３ 実線
４４ 実線
１１０ 凹陥部
１１１ 頂面
１１２ 片隅
１３４ 出光面
１４０ 頂面
１４１ 底面
１４２ 片隅
２１０ 底面
２１１ 弧状ノッチ
２１２ 弧状ノッチ
２１３ 第一収容凹所
２１４ 第一位置決め面
２１５ 第二収容凹所
２１６ 第二位置決め面
２１７ 第一側縁
２１８ 第二側縁
２１９ 第一錐状部
２２０ 第二錐状部
２３０ 出光面
２３１ 自由曲面
２３２ 楕球面
２５０ 球面
２５２ 交線
３４０ 中心線

Claims (9)

1. 中心軸線Ｉを有する発光ダイオードと、前記発光ダイオードを覆い且つ入光面及び出光面を含むレンズと、を備えてなる発光ダイオードモジュールであって、
   前記発光ダイオードから出射された光線は、前記レンズの入光面から前記レンズ内に入射され、且つその後に前記レンズの出光面から出射され、
   前記発光ダイオードの中心に原点ｏを持ち、ｘ軸及びｙ軸が前記原点ｏで直交し、ｚ軸が前記原点ｏを通過し且つ前記原点ｏを通るｘｙ平面として定義されるｘｏｙ平面に直交し、前記ｘ軸が前記レンズの長さ方向に対応し、前記ｙ軸が前記レンズの幅方向に対応し、前記発光ダイオードの中心軸線Ｉが前記ｚ軸上に位置し、
   前記レンズの出光面は、前記発光ダイオードの中心軸線Ｉに平行する中心軸線ＩＩを有し、前記中心軸線ＩＩは前記原点ｏを通るｚｘ平面として定義されるｚｏｘ平面の一方側から離間して位置することを特徴とする発光ダイオードモジュール。
2. 前記レンズの出光面は、中央部に位置し且つ前記レンズの長さ方向に沿って延在する自由曲面とそれぞれが前記自由曲面の両側に位置する２つの楕球面とを含むことを特徴とする請求項１の記載の発光ダイオードモジュール。
3. 前記出光面は、前記原点ｏを通るｙｚ平面として定義されるｚｏｙ平面を対称面として前記ｘ軸に沿って対称であると共に、Ｋ平面を対称面として前記ｙ軸に沿って対称であり、
   前記Ｋ平面は、前記ｚｏｘ平面に平行して前記ｚｏｘ平面の一方側から離間して位置し且つ前記出光面の中心軸線ＩＩによって通過されることを特徴とする請求項１に記載の発光ダイオードモジュール。
4. 前記入光面は前記ｚ軸上に位置する中心軸線ＩＩＩを有し、前記入光面は前記ｚｏｙ平面を対称面として前記レンズの長さ方向に沿って対称であり、前記入光面は前記ｚｏｘ平面を対称面として前記レンズの幅方向に沿って対称であることを特徴とする請求項１に記載の発光ダイオードモジュール。
5. 前記出光面の中心軸線ＩＩは、前記ｚｏｙ平面上に位置することを特徴とする請求項１に記載の発光ダイオードモジュール。
6. 前記レンズの出光面は前記レンズの頂部に形成されており、前記レンズの底部には凹陥部が設けられており、前記レンズの入光面が前記凹陥部の内表面上に形成されることを特徴とする請求項１に記載の発光ダイオードモジュール。
7. 前記入光面と前記レンズの底面との交線は楕円状を呈し、前記交線の長軸は前記レンズの幅方向と一致し、前記交線の短軸は前記レンズの長さ方向と一致し、前記交線の中心点は前記ｚ軸上に位置することを特徴とする請求項１に記載の発光ダイオードモジュール。
8. 前記レンズは、支持部、導光部及び前記支持部と前記導光部との間に設けられる連接部を含み、前記連接部の面積は前記支持部の面積より小さく、前記導光部は前記連接部の一方側に偏って前記連接部上に形成され、前記レンズの出光面は前記導光部の外表面上に形成されることを特徴とする請求項１に記載の発光ダイオードモジュール。
9. 前記発光ダイオードからの光の前記レンズを経由して出射された後の照度分布図は、縦長状を呈し、前記照度分布図の長さ方向の一方側は内側へ凹み、前記照度分布図の長さ方向の他方側は外側へ突出することを特徴とする請求項１乃至請求項８の何れか一項に記載の発光ダイオードモジュール。