JP2014067548A - 固体照明装置 - Google Patents

Abstract

【課題】導光体の光劣化が抑制され、小型化・軽量化が容易な固体照明装置を提供する。
【解決手段】固体照明装置は、光源と、入射導光部と、導光体と、を有する。前記光源は、３５０ｎｍ以上５００ｎｍ以下の波長範囲の光を放出する。前記入射導光部は、前記光の入射面と、前記入射面の面積よりも大きい面積を有する出射面と、を有し、前記光が第１の導光方向に沿って導光される。前記導光体は、前記入射導光部の前記出射面と光結合可能な入射面と、下面と、前記下面とは反対の側の出射面と、を有する。前記入射導光部の前記出射面から放出された前記光が第２の導光方向に沿って導光されつつ、散乱光として前記出射面から放出される。前記波長範囲において、前記入射導光部の光透過率の経時低下率は、前記導光体の光透過率の経時低下率よりも低い。
【選択図】図１

Description

本発明の実施形態は、固体照明装置に関する。

固体発光素子を用い白色光などの各種の波長の光を放出する固体照明（ＳＳＬ：Solid State lighting）装置の光源としては、ＬＥＤ（Light Emitting Diode)が主流である。

この場合、ＬＥＤを並べてアレイ光源の構造とすると、粒状発光のため不自然であり、目にぎらつき感が残る。

また、均一な発光を得ようとすると、素子数を増やした高密度アレイ光源とすることが必要となる。このため、特性の揃った素子を選別することが必要となる。また、ＬＥＤに給電するための回路基板が必要である。

これに対して、導光体の導光方向に沿った側面に蛍光体などの波長変換層を備え、波長変換光を放出する線状光源がある。または、導光方向に光拡散層を設けて散乱光を放出する線状光源とすることもできる。このような線状光源は、線状の連続的な発光を得ることが容易である。

もし、透明樹脂からなる導光体のみを用いる場合、紫外光〜青緑色光はフォトンエネルギーが大きく、透明樹脂を劣化させることがある。他方、ガラスからなる導光体を用いると、透明樹脂よりも劣化を低減できるが、重く、割れやすく、加工も容易ではない。また、高価格となる。

特許第４８２３３００号公報

導光体の光劣化が抑制され、小型化・軽量化が容易な固体照明装置を提供する。

実施形態の固体照明装置は、光源と、入射導光部と、導光体と、を有する。前記光源は、３５０ｎｍ以上５００ｎｍ以下の波長範囲の光を放出する。前記入射導光部は、前記光の入射面と、前記入射面の面積よりも大きい面積を有する出射面と、を有し、前記光が第１の導光方向に沿って導光される。前記導光体は、前記入射導光部の前記出射面と光結合可能な入射面と、下面と、前記下面とは反対の側の出射面と、を有する。前記入射導光部の前記出射面から放出された前記光が第２の導光方向に沿って導光されつつ、散乱光として前記出射面から放出される。前記波長範囲において、前記入射導光部の光透過率の経時低下率は、前記導光体の光透過率の経時低下率よりも低い。

導光体の光劣化が抑制され、小型化・軽量化が容易な固体照明装置が提供される。

図１（ａ）は第１の実施形態にかかる固体照明装置の模式斜視図、図１（ｂ）はＡ−Ａ線に沿った模式断面図、である。 図２（ａ）は比較例にかかる固体照明装置の模式斜視図、図２（ｂ）はＡ−Ａ線に沿った模式断面図、である。 図３（ａ）は集光レンズを用いる光結合構造を表す模式斜視図、図３（ｂ）は光ファイバーを用いる光結合構造を表す模式図、である。 図４（ａ）は第２の実施形態にかかる固体照明装置の模式斜視図、図４（ｂ）はＡ−Ａ線に沿った模式断面図、である。 図５（ａ）は第３の実施形態にかかる固体照明装置の模式斜視図、図５（ｂ）はＡ−Ａ線に沿った模式断面図、である。 図６（ａ）は第４の実施形態にかかる固体照明装置の模式斜視図、図６（ｂ）は第４の実施形態の変形例の模式斜視図、図６（ｃ）はそれぞれのＡ−Ａ線に沿った模式断面図、である。 図７（ａ）は第５の実施形態にかかる固体照明装置の模式斜視図、図７（ｂ）はＡ−Ａ線に沿った模式断面図、図７（ｃ）はＢ−Ｂ線に沿った模式断面図、である。 図８（ａ）は第６の実施形態にかかる固体照明装置の模式斜視図、図８（ｂ）はＡ−Ａ線に沿った模式断面図、図８（ｃ）はＢ−Ｂ線に沿った模式断面図、である。 図９（ａ）は第７の実施形態にかかる固体照明装置の模式斜視図、図９（ｂ）はその模式平面図、である。

以下、図面を参照しつつ本発明の実施の形態を説明する。
図１（ａ）は第１の実施形態にかかる固体照明装置の模式斜視図、図１（ｂ）はＡ−Ａ線に沿った模式断面図、である。
固体照明装置は、光源と、入射導光部２４と、導光体２０と、を有する。光源は、発光素子１０を有し、３５０ｎｍ以上５００ｎｍ以下の波長範囲の光を放出する。入射導光部２４は、入射面２４ａと、入射面２４ａの面積よりも大きい面積を有する出射面２４ｂと、を有する。光は、入射導光部２４の略中心軸となる第１の導光方向５０に沿って導光される。導光体２０は、入射導光部２４の出射面２４ｂと重なり合わされる入射面２０ａと、下面２０ｅと、下面２０ｅとは反対の側の出射面２０ｄと、を有する。入射導光部２４の出射面２４ｂから放出された光は、導光体２０の略中心軸となる第２の導光方向５２に沿って導光されつつ、散乱光として出射面２０ｄから放出される。

略紫外光〜青緑色光の波長範囲である３５０〜５００ｎｍにおいて、入射導光部２４の材料の光透過率の経時低下率は、導光体２０の材料の光透過率の経時低下率よりも低い。

入射導光部２４は、上面２４ｃ、下面２４ｄ、および２つの側面２４ｄ、２４ｅをさらに有してもよい。また、導光体２０は、略直方体であり、第１の端面２０ｂ、第１の端面２０ｂとは反対の側の第２の端面２０ｃ、および２つの側面２０ｆ、２０ｈをさらに有してもよい。

発光素子１０は、たとえば、Ｉｎ_ｘＧａ_ｙＡｌ_{１−ｘ−ｙ}Ｎ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、ｘ＋ｙ≦１）なる組成式で表される窒化物系材料からなるものとすることができる。この場合、その発光波長は、３５０〜５００ｎｍの範囲とすることができる。また、発光素子１０は、半導体レーザー素子や発光ダイオードなどとすることができる。もし、発光素子１０が半導体レーザー素子とすると、その放出光は鋭いビームであり、広がり角（半値全角）は３０度×１５度のように狭く、発光領域のサイズは１０μｍ以下と小さい。

入射導光部２４の出射面２４ｂは、テーパ面とされる。他方、導光体２０の入射面２０ａもテーパ面とされ、入射導光部２４の出射面２４ｂと光結合可能である。すなわち、入射導光部２４の出射面２４ｂと導光体２０の入射面２０ａとは、近接するかまたは重なり合う。なお、図１（ａ）は、入射導光部２４を導光体２０の接着する前の状態を表している。

導光体２０の第２の導光方向５２と直交する面の断面積Ｓ２は、入射導光部２４の第１の導光方向５０と直交する面の断面積Ｓ１よりも大きい。このため、導光体２０における光密度は、入射導光部２４の光密度よりも低減できる。

また、出射面２４ｂをテーパ面とすることにより、互いに重なり合う接触領域の面積は、入射導光部２４の入射面２４ａよりも広くできる。このため、光密度は入射面２４ａで高く、出射面２４ｂで低減できる。テーパ面の傾きが緩やかであるほど、光密度を低減することが容易となる。

発明者らの実験によれば、本実施形態の導光体２０および入射導光部２４のサイズであれば、光密度は入射光パワー（Ｗ）をそれぞれの断面積（ｍｍ^２）で除算すればよいことが判明した。樹脂などの場合、光密度を高くして行くと、光吸収が増加し変色などにより透過率が低下する。このため、光吸収がさらに増加するという正帰還作用を生じる。また、光吸収が増加すると発熱も増加し、樹脂の溶解を生じる場合もある。

導光体２０がシリコーン樹脂の場合、入射面２０ａの光密度を１０Ｗ／ｍｍ^２以下とすることで、これらの問題を抑制し、実用上耐えうることができる。また、導光体２０がアクリル樹脂の場合、入射面２０ａの光密度を５Ｗ／ｍｍ^２以下とすることで、同様に実用上耐えうることができる。

第１の実施形態では、３５０〜５００ｎｍの波長範囲において、入射導光部２４の光透過率の経時低下率は、導光体２０の光透過率の経時低下率よりも低い。たとえば、入射導光部２４を樹脂よりも光劣化の少ないガラスなどの材料とする。また、入射導光部２４の出射面２４ｂをテーパ面とし、光密度を低減する。他方、入射導光部２４の断面積よりも広い断面積を有する導光体２０にもテーパ面状の入射面２０ａを設けて入射導光部２４のテーパ面状の出射面２４ｂと重ねる。光透過率の低下量が所定の範囲よりも小さくなるように、導光体２０の入射面２０ａの光密度を、たとえば上記の範囲内とすることにより光劣化を抑制し信頼性の高い固体照明装置が可能となる。

このため、たとえば、半導体レーザー素子からの幅の狭いビームに対して、入射導光部２４は１ｍｍ×１ｍｍ程度の断面を有するガラス材料とすることができ、導光体２０はアクリルなどの透光性樹脂とすることができる。このようにすると、接触領域における光密度が低減でき、接触領域近傍における光劣化を低減でき信頼性を高めることができる。また、入射導光部２４の屈折率と、導光体２０の屈折率と、を近づけると、一体化した入光枝のように作用するので光の屈折を抑制できる。

また、固体照明装置は、導光体２０の第１の端面２０ｂに設けられた第１の反射層３２と、導光体２０の第２の端面２０ｃに設けられた第２の反射層３４と、を有することができる。また、接触領域をテーパ面とし光密度を低減するので、垂直面の面積は低減できる。このため、第１の反射層３２の面積を広くし、戻り光を効率よく導光体２０内に再度戻し高い効率の線状光源とすることができる。第１および第２の反射層３２、３４は、金属または誘電体多層膜などとすることができる。

さらに、導光体２０の下面２０ｅに波長変換層３０や光拡散層３１を設けてもよい。波長変換層３０は、たとえば、蛍光体粒子などが分散して配置される。蛍光体粒子は、導光体２０の第２の導光方向５２に沿って導かれた光の一部を吸収し、光の波長よりも長い波長に波長変換光を散乱光として上面２０ｄに向かって放出する。波長変換層３０に吸収されない光の他の一部は、波長変換層３０により散乱光に変換されて上面２０ｄに向かう。この結果、導光体２０の上方では、波長変換光と、発光素子１０の放出光が変換された散乱光との混合光として、白色光や電球光を得ることができる。

また、光拡散層３１は、光を光拡散剤などにより散乱して上面２０ｄに向かって散乱光として放出する。導光体２０の第２の導光方向５２に沿って導光された光のうち、第２の反射層３４に到達した光は反射され逆方向に導光される。波長変換層３０や光拡散層３１の下面に金属などからなる反射層を設けると、外方へ漏れる光を低減し照明に寄与する光を増加できる。

このようにして、波長変換層３０から波長変換光と、光が波長変換層３０により散乱された散乱光と、は導光体２０の上面２０ｄに上方で混合光ＧＴとなる。たとえば、光を波長が４５０ｎｍの青色レーザー光とし、波長変換層３０を黄色蛍光体とすると、青色レーザー光が散乱された青色散乱光と、黄色波長変換光と、の混合光として、白色光や電球色光が生成される。また、波長変換層が赤色蛍光体と緑色蛍光体とを含むと、青色散乱光と赤色波長変換光と緑色波長変換光との混合色として白色光を生成される。

図２（ａ）は比較例にかかる固体照明装置の模式斜視図、図２（ｂ）はＡ−Ａ線に沿った模式断面図、である。
半導体レーザー素子１１０のチップは、ＣＡＮ型パッケージに実装されており、４５０ｎｍの波長の青色ビームを放出する。ビームの広がり角は、３０度×１５度などと狭いので、導光体１２０の入射面１２０ａに入射する。レーザー光は、導光体１２０内を導光されつつ、波長変換層１３０に入射し波長変換光を上方に放出する。波長変換層１３０の下方に反射構造１４０を設けると波長変換光やレーザー光を上方に向けて反射することができる。

導光体１２０が樹脂からなり、入射面１２０ａのサイズが３ｍｍ×３ｍｍであるものとする。たとえば、広がりが大きい方の半値全角内のビームが入射面１２０ａ内におさまるように、発光素子１１０を入射面１２０ａから離間させれば、ビームの入射効率を保ちつつ入射面１２０ａにおける光密度を低減することができる。このようにすると、樹脂の劣化を低減することができる。

しかしながら、図２（ｂ）に表すように、入射面１２０ａとは反対の側に設けられた反射層１３４により反射されたビームのうち光ｇｇは、入射面１２０ａから外側に漏れるので、照明光に寄与しない。この照明光に寄与しない光を低減するには、発光素子１１０と入射面１２０ａとを近づけ入射領域を狭くし、入射領域の周囲に反射層を設ければよい。但し、入射領域の光密度が高くなるので樹脂に光劣化を生じやすくなることがある。

これに対して、本実施形態では、入射導光部２４の光耐性を樹脂の光耐性よりも高くすることにより、ビームの入射領域を広げることなく入射導光部２４の光劣化を抑制できる。また、効率を高めることができる。さらに、光密度が低減されているので、導光体２０を樹脂とすることができる。ガラスの密度は、２．２〜２．４ｇ／ｃｍ^３などと大きいが、アクリル樹脂の密度は、たとえば、１．１〜１．２ｇ／ｃｍ^３と小さい。このため、サイズの大きい導光体２０をアクリル樹脂などとすることにより、照明装置を小型、軽量、低価格とすることが容易となる。

図３（ａ）は集光レンズを用いる光結合構造を表す模式斜視図、図３（ｂ）は光ファイバーを用いる光結合構造を表す模式図、である。
図３（ａ）に表すように、発光素子１０と入射導光部２４との間に集光レンズ１２を設けると、導光体２０への光結合効率を高めることができる。

また、図３（ｂ）に表すように、発光素子１０からのビームを、光ファイバー１４の一方の端部１４ａへ入射し、光ファイバー１４の他方の端部１４ｂから入射導光部２４へ入射してもよい。発光素子１０が半導体レーザー素子である場合、光ファイバー１４のコアにビームを高い効率で入射し、コアから高い効率で入射導光部２４へ入射することができる。

図４（ａ）は第２の実施形態にかかる固体照明装置の模式斜視図、図４（ｂ）はＡ−Ａ線に沿った模式断面図、である。
図４（ａ）は、入射導光部２５を導光体２０の上面２０ｄに接着する前の状態である。また、図４（ｂ）は、入射導光部２５を導光体２０の上面２０ｄに接着したのちの状態である。

入射導光部２５は、たとえばガラス材からなり、導光体２０の上面２０ｄのほぼ全長に渡って配設されている。入射導光部２５の屈折率と導光体２０の屈折率との差を適正に選択すると、光ｇ２を第２の反射層３４の側の近くまで導光することができる。接触領域が広くなり導光体２０の上面２０ｄでの光密度を一層低減できる。このため、導光体２０を樹脂からなるものとしても光劣化を低減でき信頼性を高めることができる。なお、導光体２０の下面の側に波長変換層３０を設けると、上面２０ｄの上方で、波長変換光と光の散乱光との混合光ＧＴを得ることができる。また、導光体２０の下面２０に光拡散層３１を設けると、上面２０の上方で散乱光ＧＴを得ることができる。

図５（ａ）は第３の実施形態にかかる固体照明装置の模式斜視図、図５（ｂ）はＡ−Ａ線に沿った模式断面図、である。
第３の実施形態では、ガラスなどからなる入射導光部２４の出射面２４ｂは、テーパ面とされ、導光体２０の上面２０ｄに接着される。接着領域２０ｈは、導光体２０の入射面となる。入射導光部２４の出射面２４の面積は、入射面２４ａの面積よりも大きいので、光密度が低減される。このため、導光体２０を樹脂からなるものとすることができる。

なお、導光体２０の下面の側に波長変換層３０を設けると、上面２０ｄの上方で、波長変換光と光の散乱光との混合光ＧＴを得ることができる。また、導光体２０の下面に光拡散層３１を設けると、上面２０ｄの上方で散乱光ＧＴを得ることができる。

図６（ａ）は第４の実施形態にかかる固体照明装置の模式斜視図、図６（ｂ）は第４の実施形態の変形例の模式斜視図、図６（ｃ）はそれぞれのＡ−Ａ線に沿った模式断面図、である。
第４の実施形態では、ガラス材などからなる入射導光部２４は、上下両面にテーパ面状出射面が設けられ、くさび形断面を有する凸部を有する。他方、樹脂などからなる導光体２０は、凸部と嵌合可能な凹部を有する。なお、図６（ａ）および（ｂ）は、嵌合前の状態である。両面にテーパ面が設けられるので、光密度を低減することがさらに容易となる。図６（ｂ）に表すように、入射導光部２４の幅は、導光体２０の幅よりも細くてもよい。この場合、２つの側面２４ｅにもテーパ面を設けることができる。上面２０ｄの上方で、波長変換光と光の散乱光との混合光ＧＴを得ることができる。また、導光体２０の下面に光拡散層３１を設けると、上面２０ｄの上方で散乱光ＧＴを得ることができる。

図７（ａ）は第５の実施形態にかかる固体照明装置の模式斜視図、図７（ｂ）はＡ−Ａ線に沿った模式断面図、図７（ｃ）はＢ−Ｂ線に沿った模式断面図、である。
第５の実施形態では、ガラス材などからなる入射導光部２６の先端は、円錐形の凸部２６ａである。他方、導光体２１には、凸部２６ａと嵌合する凹部が設けられる。図７（ａ）は嵌合前を表す。また、図７（ｃ）に表すように、導光体２１の下面には波長変換層３０または光拡散層３１が設けられる。

円錐形の表面を出射面２６ｂとするので、光密度を低減することができる。円錐の高さが大きくても導光体２１の凹部に挿入すれば固定が容易である。このため、接触領域の面積を大きくし、光密度を一層低減できる。波長変換層３０または光拡散層３１とは反対の側の導光体２０の外縁の上方で、波長変換光と光の散乱光との混合光ＧＴを得ることができる。また、導光体２１の下面に光拡散層３１を設けると、散乱光ＧＴを得ることができる。

図８（ａ）は第６の実施形態にかかる固体照明装置の模式斜視図、図８（ｂ）はＡ−Ａ線に沿った模式断面図、図８（ｃ）はＢ−Ｂ線に沿った模式断面図、である。
第６の実施形態では、入射導光部２７の先端は、光ファイバー２７のコア２７ａである。コア２７ａは、たとえば石英ガラスなどとすることができる。他方、導光体２１には、コア２７ａと嵌合する凹部が設けられる。なお、図８（ａ）は嵌合前を表す。また、図８（ｃ）に表すように、導光体２１の下面には波長変換層３０または光拡散層３１が設けられる。

コア２７ａの表面を出射面とするので、光密度を低減することができる。波長変換層３０または光拡散層３１とは反対の側の導光体２１の外縁の上方で、波長変換光と光の散乱光との混合光ＧＴを得ることができる。また、導光体２１の下面に光拡散層３１を設けると、散乱光ＧＴを得ることができる。

図９（ａ）は第７の実施形態にかかる固体照明装置の模式斜視図、図９（ｂ）はその模式平面図、である。
ガラス材などからなる入射導光部２８は、リング状の導光体２２の側面に接着される。なお、図９（ａ）は、接着前を表す。入射導光部２８の屈折率がリング状の導光体２２の屈折率よりも僅かに低くすると、導光体２２内を導光されている光が入射導光部２８の側へ戻ることが抑制できる。

なお、導光体２０の下面の側に波長変換層３０を設けると、リング状の導光体２２の上面２２ｄの上方で、波長変換光とビームの散乱光との混合光ＧＴを得ることができる。また、導光体２０の下面２０に光拡散層３１を設けると、上面２２ｄの上方で散乱光ＧＴを得ることができる。第２の導光方向５３は、リング状の導光体２２の中心軸に沿った円周上となる。

第１〜第７の実施形態によれば、紫外光〜青緑色光の波長範囲の入射光による導光体の劣化が抑制され、小型化・軽量化が容易な固体照明装置が提供される。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

１０ 発光素子、２０、２１、２２ 導光体、２４、２５、２６、２８ 入射導光部、２７ 光ファイバー、３０ 波長変換層、３１ 光拡散層、５０、５１ 第１の導光方向、５２、５３ 第２の導光方向

Claims (10)

1. ３５０ｎｍ以上５００ｎｍ以下の波長範囲の光を放出する光源と、
   前記光の入射面と、前記入射面の面積よりも大きい面積を有する出射面と、を有し、前記光が第１の導光方向に沿って導光される入射導光部と、
   前記入射導光部の前記出射面と光結合可能な入射面と、下面と、前記下面とは反対の側の出射面と、を有する導光体であって、前記入射導光部の前記出射面から放出された前記光が第２の導光方向に沿って導光されつつ、散乱光として前記出射面から放出される導光体と、
   を備え、
   前記波長範囲において、前記入射導光部の光透過率の経時低下率は、前記導光体の光透過率の経時低下率よりも低い固体照明装置。
2. 前記第２の導光方向と直交する面の前記導光体の断面積は、前記第１の導光方向と直交する面の前記入射導光部の断面積よりも大きい請求項１記載の固体照明装置。
3. 前記入射導光部は、ガラスを含み、
   前記導光体は、シリコーン樹脂を含み、
   前記導光体の前記入射面の光密度は、１０Ｗ／ｍｍ^２以下である請求項１または２に記載の固体照明装置。
4. 前記入射導光部は、ガラスを含み、
   前記導光体は、アクリル樹脂を含み、
   前記導光体の前記入射面の光密度は、５Ｗ／ｍｍ^２以下である請求項１または２に記載の固体照明装置。
5. 前記入射導光部の前記出射面は、前記第１の導光方向に沿ったテーパ面を有し、
   前記導光体は、内部または表面に前記第２の導光方向に沿ったテーパ面を有する請求項１〜４のいずれか１つに記載の固体照明装置。
6. 前記入射導光部の前記出射面は、前記第１の導光方向に沿った凸部を有し、
   前記導光体は、前記第２の導光方向に沿った凹部を有し、
   前記入射導光部の前記凸部と前記導光体の前記凹部とは、嵌合可能である請求項１〜５のいずれか１つに記載の固体照明装置。
7. 前記導光体の前記入射面に入射し、前記第２の導光方向に沿って導光された前記光を反射する反射層をさらに備え、
   前記導光体は、第１の端面と、前記第２の導光方向に沿って前記第１の端面とは反対の側の第２の端面と、を有し、
   前記反射層は、前記第２の端面に設けられた請求項１〜６のいずれか１つに記載の固体照明装置。
8. 前記導光体の前記第１の端面のうち、前記入射面が設けられない領域に設けられた反射層をさらに備えた請求項７記載の固体照明装置。
9. 前記導光体は、リング形状を有し、前記入射面は前記リング形状の側面に設けられ、
   前記入射導光部の前記出射面は、前記導光体の前記入射面と接着された請求項１〜４のいずれか１つに記載の固体照明装置。
10. 前記導光体の前記下面には、前記光を吸収し波長変換光を放出する波長変換層、または光拡散剤が分散された光拡散層が設けられた請求項１〜９のいずれか１つに記載の固体照明装置。

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