JP2014505982A5 - - Google Patents

Description

効率的なＬＥＤ、特に窒化物（ＩｎＧａＮ系）の開発における最近の進歩のおかげで、当技術分野で知られているすべての白色光源の達成可能な限り最高の効率のため、固体照明技術は、白色照明市場を制覇し始めている。線形照明や街路照明など、比較的大きく、激しく加熱されるＬＥＤは、熱の効率的な除去を容易にするように分配することができるため、ＬＥＤによる解決策が広く、照明装置に使用されている。省エネ問題を解決するための重要な見通しの観点から、スモールフォームファクタと高い光束を有する標準的な白熱灯やハロゲンをＬＥＤに交換するための開発は、最も重要な科学的、技術的課題の一つであるが、しかしながら、その解決策は、制御電子回路（ドライバ）をインストールするための限られた空間と、このようなランプのＬＥＤが放出する熱を除去するための比較的小さな表面積によって著しく妨げられる。

白色ＬＥＤは多くの場合、ＹＡＧ：Ｃｅ系蛍光体でコーティングされた青色ＬＥＤを含む。ハイパワー（１ワット以上）の複数の青色ＬＥＤは３０〜４５％程度の効率を有し、それぞれに適用されるワットから約５５０から７００ｍＷがユニットの加熱に割り当てられる。さらに蛍光体は、白色ＬＥＤで、青色光が黄色光に変換する際に、入射光エネルギーの約２０％が、蛍光体の加熱に費やされると考えられている。技術仕様は、青色ＬＥＤ放射電力損失が２５℃〜１２５℃の温度で約７％、白色ＬＥＤの電力損失は、同じ温度約２０％であることを示唆する。それゆえ、高出力の白色ＬＥＤは、熱や光束に実質的な限界がある。本発明の目的は、既知の技術的解決法が克服した、スモールファクタのＬＥＤランプを提供し、標準電球に差し替えることである。

標準的な白色光ランプに取って代わるよう設計されたＬＥＤランプの構造はＬＥＤチップに基づいている。白色光は、ＬＥＤチップから放出された放射線の混合と、青、緑および赤、または青およびオレンジなどの異なる光色の混合の結果である。

指定された不利な点を解消するために、我々は、ＬＥＤから離れた波長変換器を伴う白色光源を提案し、その動作原理を図３にて説明する。照明の配置は、この原則に従って構築されており、例として米国特許６，６００，１７５（Ｂ１）を図４に示す。この白色光源は、内部容積を有する透明媒体２１１によって形成されたシェル２０７を備える。媒体２１１は例えば、透明なポリマーまたはガラス等の光を透過する任意の適切な材料で形成することができる。媒体２１１の内部容積は、ベース２１４に載置された発光ダイオード（ＬＥＤ）チップ２１３を備えている。第一及び第二の電気的接点２１６および２１７は、ＬＥＤ２１３チップの２１８と２１９それぞれの放射面と裏面、また導体２１２による第一の電気的接点２１６に隣接してＬＥＤ２１８の放射面に接続されている。媒体２１１を透過した光は、その蛍光及び／又は燐光成分、またはそれらの混合物、または、白色光にＬＥＤ２１３の側面２１８によって放出される放射線に変換するフォトルミネセンス燐光体媒体に関連付けられている。フォトルミネセント蛍光体は、媒体２１１のシェル２０７内で散乱、および／またはシェル２０７の表面の内壁にフィルムコーティング２０９の形態で配置される。あるいは光ルミネセント蛍光体は、外部被覆が十分に維持されている場合（例：摩擦や劣化の対象とならない）のように、シェルが単独にある環境下でアセンブリシェルの外壁上でコーティングされる（図示せず）。例えば、フォトルミネセント蛍光体は、ポリマーやガラス溶解物中に分散させることができ、シェルは、そこからシェルの均一な組成物を提供し、シェルの全表面からの光出力を確保するために形成される。

側光放射連結照明システムは、ＬＥＤ４０２、第一リフレクタ４０４、第二リフレクタ４０６、出口開口部４１２、変換層６０２、追加の透明カバー層４０８、第二リフレクタ４０６を第一リフレクタ４０４と分ける支持手段から構成される。支持手段は、平らな透明素子５０２、サイドサポート５０４、ベース５０６を含む。サイドサポート５０４は、透明または反射する素材であることが望ましい。第一反射体４０４はベース５０６に取り付けられている。第二リフレクタ４０６は平らな透明素子５０２に取り付けられている。変換層６０２は、第二リフレクタ４０６の表面上に位置し、ＬＥＤ４０２の活性領域によって放射された一次放射の少なくとも一部を一次放射波長とは異なる波長を有する放射線に変換している。

説明のために、側光放射連結照明システムの動作を説明する光線４１４、４１５、４１６について考慮しよう。最初の色の光線４１４は、ＬＥＤ４０２の活性領域によって放射され、ＬＥＤ４０２出射面に向けられる。最初の色の光線４１４は、ＬＥＤ４０２の出力面を通過し、透明カバー層４０８に向けられる。最初の色の光線４１４は、透明カバー層４０８を通過し、最初の色の光線４１４を最初の色とは異なる第２の色の光線４１５の中で変換する変換層６０２に向けられる。第二の色の光は、波長変換の点から任意の方向に出射させることができる。第二の色の光線４１５は、透明カバー層４０８を通って導かれると、その後、出口開口４１２を通って最初の反射鏡４０４に導かれる。第二の色の光線４１６は、リフレクタ４０４によって反射され、平坦な透明部材５０２に向けられる。第二の色の光線４１６は平坦な透明部材５０２を透過して側光放射カップリング照明システムを出る。

このシステムの欠点は、大口径損失、及びその効率を排除する光源、鏡、および変換層を有する光板の境界における光の損失である。さらに、平行にする光学系からの出射光光線がかなり細く、ハロゲンランプを使用したとしても、出射された光線の十分な開口角を有する小さな波形率の標準ランプの代替として使用する照明機としては許容できないことである。

ここに示す発明が提案する発光機は、１つまたは複数のＬＥＤを持つ一次放射源、そのＬＥＤが接続された平坦な周辺部を有する熱除去基盤、ＬＥＤに対向する光反射面を有するリフレクタ、および一次放射を二次放射線へ変換し、ＬＥＤとリフレクタの間に取り付けられた変換層、で構成される。対象問題は、光放射を連結するための熱除去基盤が、端が熱除去基盤上に設置されたＬＥＤに接近した開口部を有することにより解決され、変換層の特定の表面はＬＥＤの照射を受け、ＬＥＤの照射を受ける変換層の反射板表面は、一次放射源と開口部とに対向する凹面を有する凹形状をしている。

照明器は、１または複数のＬＥＤ１を有する一次放射源と、絞り３および複数のＬＥＤ１が接続された表面４が取り付けられた熱除去基部２と、ＬＥＤに対向する光反射面６を有するリフレクタ５と、一次放射８を二次放射線９に変換し、ＬＥＤ１に対向する凹面１０を有している変換層７と、光反射面６と対向する凸面１１で構成され、変換層７は、複数の発光ダイオード２と反射面６との間に配置される。

２５０ｎｍ以下またはこれに近い波長の紫外線で励起することができるいくつかの典型的な光ルミネセンス蛍光体がある。典型的な赤色発光ルミネセンス蛍光体は、Ｙ _２ Ｏ _３ ：Ｅｕ ^＋３ である。典型的な黄色発光ルミネセンス蛍光体は、ＹＡＧ：Ｃｅ ^＋３ である。典型的な緑色発光ルミネセンス蛍光体には、ＣｅＭｇＡｌ_１１Ｏ_１９ ：Ｔｂ＜３＋＞、（ランタノイド）ＰＯ_４：Ｃｅ ^＋３、Ｔｂ ^＋３ およびＧｄＭｇＢ_５Ｏ_１０：Ｃｅ ^＋３、Ｔｂ ^＋３ を含む。典型的な青色発光ルミネセンス蛍光体は、ＢａＭｇＡｌ _１０ Ｏ _１７ ：Ｅｕ ^＋２ および（Ｓｒ、Ｂａ、Ｃａ） _５ （ＰＯ _４ ） _３ Ｃｌ：Ｅｕ ^＋２ である。４００〜４５０ｎｍまたはそれに近い波長域を有する、より長い波での励起ＬＥＤに対して典型的な光無機材料としては、イットリウム・アルミニウム・ガーネット（ＹＡＧ又はＹ_３Ａｌ_５Ｏ_１２）、テルビウム含有ガーネット、酸化イットリウム（Ｙ_２Ｏ_３）、ＹＶＯ _４ 、ＳｒＧａ_２Ｓ_４、（ＳＲ、Мｇ、Ｃａ、Ｂａ）（Ｇａ、Ａｌ、Ｉｎ） _２ Ｓ _４ 、ＳｒＳおよび窒化ケイ酸塩を含む。４００〜４５０ｎｍの波長域での励起ＬＥＤに対する典型的な発光ルミネセンス蛍光体としては、ＹＡＧ：Ｃｅ ^＋３ 、ＹＡＧ：Ｈｏ ^＋３ 、ＹＡＧ：Ｐｒ^＋３、ＳｒＧａ_２Ｓ_４：Ｅｕ ^＋２、ＳｒＧａ_２Ｓ_４：Ｃｅ ^＋３ 、ＳｒＳ：Ｅｕ ^＋２ およびＥｕ ^＋２ をドープした窒化ケイ酸塩を含む。量子ドット材料は、約３０ナノメートル未満の無機半導体微粒子である。典型的な量子ドット材料が挙げられる（これらに限定されない）のＣｄＳ粒子、ＣｄＳｅの、ＺｎＳｅの、ＩｎＡｓを、ＧａＡｓ及びＧａＮ系を含む。量子ドット材料は、粒子サイズ、粒子の表面特性、及び無機半導体材料に依存して異なる波長を有する光を再放出し、１つの波長の光を吸収することができる。

変換層の光ルミネセント蛍光体は、例えば、液体中の光輝性蛍光体懸濁液から、粉砕し、ペースト化し、堆積し、又は電気内方浸透を行うことにより、光リフレクタへのコーティングとしてコンフォーマルに適用され得る。光輝性コーティング蛍光体反射板に関連する問題の一つは、リフレクタが円筒形または半球形、例えば非平面表面を有する場合は特に、リフレクタ上に均一な再現性のコーティングを適用している液体懸濁液を粉砕し、貼り付け、蒸着法が適用されるときに、基板にフォトルミネセント蛍光体粒子を適用するために使用される。コーティングの均一性が大幅に懸濁液の粘度、懸濁液中の粒子濃度、及び、周囲温度および湿度などの環境要因に依存する。塗布乾燥前の懸濁液に流れによる欠陥、およびコーティング厚さの変化は、通常の日常の問題として分類される。

場合によっては、フォトルミネセンス蛍光体を、押し出しによって成形されたポリカーボネート、ＰＥＴ、ポリプロピレン、ポリエチレン、アクリルなどの例えば透明プラスチックのコーティング材料に添加することが好ましい。この場合には、変換層は、熱シートにあらかじめ製造され、次いで、所望の形状に成形されうる。成形する前に、例えばアルミニウムや銀からなる光反射コーティングは、真空蒸着によってシートの片面に塗布することができる。コンフォーマルとなるように予め形成された放熱器の反射面の変換層は、例えば、変換層と放熱器の反射面の間に位置するシリコン系粘着剤によって反射面に結合することができる。この場合には、接着剤層は薄くすることができ、例えば、変換層よりも薄くすることができ、変換層から熱を除去するに際して、大きな熱抵抗を維持することができない。

イルミネータの具体的な実施形態の一つにおいて、予め形成されたシートを真空熱蒸着によって適用されるアルミニウムの薄層（０．５ミクロン）で銅または黄銅円筒形リフレクタに貼り付けされ、使用されている有機溶媒は、光輝性蛍光体、界面活性剤（界面活性剤）、ポリマーの懸濁液を調製するために使用される次いで懸濁液を押し出し又は金型鋳造によりシート状に成形することができ、またはそれは、平坦な基板上に、例えばガラス基板上に注がれ、その後、乾燥される。得られたシートは、仮基板から分離され、リフレクタに取り付けられ、溶媒またはシアノアクリレート接着剤を使用することができ。シートで被覆されたリフレクタは４８０℃に加熱し、ポリマーマトリックスは光輝性蛍光体コーティングを残し、焼失されている。

図９に示すように特定の実施例では、厚さが異なるシートは、イットリウム・ガドリニウム・セリウムアルミニウムガーネット（Ｙ、Ｇｄの、Ｃｅの）塩化メチレン中のポリカーボネート溶液中の３Ａｌ_５Ｏ_１２をもとにして実験フォトルミネセント蛍光体粒子の懸濁液から押出成形により形成した。変換層は、イルミネータ開口から混合された白色光の出射の必要な色座標値を達成するのに十分な厚さでなければならない。有効厚さは、光散乱使用されるフォトルミネセンス燐光体の処理と範囲に基づいて定義され、例えば、５〜５００μｍで、最も頻繁には１００〜２５０μｍである。

イソプロパノールでリフレクタを湿らせ、所望の形状の雄型を用いてシートを加圧することによって、シートを、円筒状のリフレクタに固定した。溶媒は、シートを軟化及び反射シートへの完全な密着性を確保するために、その下から気泡を絞り出すことができる。コーティングされたリフレクタはポリマーを燃焼するために４８０℃の空気中でアニールされ、その結果、光ルミネセンス蛍光体で覆われた円筒形の反射鏡となる。さほど複雑ではない形状の反射体は、透明なシリコンバインダーと光ルミネセント蛍光体との混合物で被覆することができ、次いで、この混合物がアニールされる。この場合には、シリコンバインダーはアニールによって除去されない。空気中で４８０℃に加熱された後、青い光を橙色から赤色に変換するフォトルミネセンス蛍光体は、完全な無駄になるまで分解されてしまう可能性がある事を考えるべきである。

この場合には、より低い燃焼温度を有する他のポリマーを使用しなければならない。

変換層の表面は、透明保護層により追加的に被覆することができ、この保護層は、変換層への水分および／または酸素の進入を防止する。というのも、フォトルミネッセンス、蛍光体の種類によっては、例えば硫化物は、水分攻撃による損傷を受けやすいからである。保護層は、変換層へ水分および／または酸素が浸透するのを防止する任意の透明材料から作ることができ、例えば、二酸化ケイ素、窒化ケイ素または酸化アルミニウム、および、有機ポリマーまたはポリマーと複数の無機層との組み合わせなどの無機材料からなる。

保護層はまた、光ルミネセンス蛍光体の粒子の境界を空気によって光学的にクリアにすることができ、かつ、この境界でのＬＥＤ一次放射線と光ルミネセンス蛍光体の二次放射線の反射を減らすことができ、粒子内の光ルミネセンス蛍光体の自己放射の吸収損失を低減し、これにより、照明装置の効率を高める。保護層はまた、フォトルミネセンス蛍光体粒子の表面仕上げ処理によって適用されることができ、とりわけ、粒子の表面にケイ酸亜鉛のナノサイズ５０〜１００ｎｍの膜を形成させ、これにより光ルミネセンス蛍光体の粒子の境界をクリアにする。

必要に応じて、追加的に開口が、光学的に透明な窓で気密を保って密閉されてよく、これにより照明の内部体積を不活性雰囲気で満たすか又は排気することができる一方で、水分および／または酸素から変換層を保護することができる。

変換器７の表面１０および反射板５の表面６は、例えば、熱除去基部２における開口部３の平面に平行な面によって切断された軸対称の図形（球、楕円、放物面、またはその他）または表面対称の図形（例えば、円柱）として形成することができる。この場合、複数のＬＥＤ１は、熱除去基部２の前記表面と変換器７の表面１０とが交差する、従来のラインに沿って、その近くに位置する。変換器の表面１０の形状と放射指向ダイアグラムに基づくＬＥＤの位置を最適化することにより、開口部から出る前の変換器７の空洞内部で反射された放射線の異なる角度および再分配において、ＬＥＤの放射の変換器の表面１０への入射角に従って、照明から出てくる色の均一性及び放射の角度分布を向上させることができる。

仕様からわかるように、ＣＲＥＥにより製造された強力な青色ＬＥＤ ＳＬ−Ｖ−Ｂ４５ＡＣ２またはＥＺＢｒｉｇｈｔ１０００ファミリーチップのＳｅｍｉＬＥＤｓのチップにおいては、ＬＥＤチップの放射指向性図は、ランバート分布（ＬＥＤチップの表面に対して９０°の傾斜角度を有する光円錐）を有することができ、または、例えば、ＬＥＤチップの表面上に形成された量子サイズの格子構造を用いて放射が結合されている場合には、角度α＜９０°を有するより狭角の円錐に限定される。この場合には、ＬＥＤは、ＬＥＤの放射指向性図の軸が、角度β≧９０°−α／２で反射鏡の対称軸に交差するように、熱除去基部上に配置することができる。

しかし、ＬＥＤ一次放射線における一定の比較的小さな部分が直接外側に照明開口を伝播し、そしてユーザーがＬＥＤライトに直接アイコンタクトする可能性を避けるために、熱伝導ベース２は、照明の外側へ向かう一次放射の直接光を覆う突起１２を含むことができ、これにより変換器７の表面１０をバイパスする。ＬＥＤ一次放射のより完全な利用を確保するために、熱伝導ベース２の突起１２は、付加リフレクタを有し、この平面ミラー部１３は、そこに当たる一次放射を変換器７の表面１０へ向ける。付加リフレクタを備えた照明装置の実施形態の具体的な詳細を、模式的に図１０に示す。本実施形態の照明装置は、図８に示した要素に加えて、反射コーティング１３と突出部１２を含み、図８および図と同じように番号が付けられている。付加リフレクタを有する照明装置の別の特定の実施形態が、図１１に詳細に示され、固定されたＬＥＤ１を有するベース２の領域における照明装置の拡大断面図８に示しており、対応する構成要素には図８と同様に番号が付されている（正確な縮尺ではない）。付加リフレクタは、ＬＥＤチップ１と変換器７の間に位置する傾斜面１５（例えば、軸対称形状の変換器の場合には、平面で切断された円錐面がベースを上向きに置く）であり、その反射は、傾斜面に当たるＬＥＤチップ１からの放射の一部をほぼ完全に変換器７の反対側へと向け直すことができ、照明から出ていく放射を均質化する。ＬＥＤと変換層によって放出される光の反射を増加させるために、放熱器におけるリフレクタの表面は、とりわけ、放射線を均質化するために研磨され又は艶消しされ、高い光学反射を有するコーティングで覆うことができる。光リフレクタの表面は、放熱器から離れた別個のミラーとして形成されてもよいが、熱伝導層を介して熱的に接触を維持することができる。高反射コーティングのための好適なコーティングおよび材料としては、銀、アルミニウム、ダイクロイックコーティング、アルミニウムの反射率を高めるためにダイクロイックコーティングと組み合されたアルミニウム、および、ゾルゲル法により形成される酸化チタン、酸化アルミニウム等の材料を含む。照明装置にかかる本実施形態では、ＬＥＤチップ１が、０．１５〜０．２μｍの厚さのアルミニウムまたは銀のフィルムとして作られたリフレクタ６の対称軸にＬＥＤチップ１の表面の法線が平行になるようにベース２上に位置する（又は小さい角度をなしている）されており、このフィルムは半球状のガラスキャップ１７の内面に真空熱蒸着によって適用され、アルミニウム半球状のキャップ１９に弾性耐熱性化合物１８により接着され、キャップ１９はＬＥＤチップ１のための第２共通電極として機能し、該チップは複数の導体１４および金属被膜１５を有するポリイミドリボン１６を用いて並列に第２共通電極へ接続されている。光反射性を高めるために、ポリイミドリボン上の金属コーティング１５は薄いアルミニウム層で被覆され、電気接点であることに加えて付加リフレクタとして機能している。ＬＥＤのこのレイアウトによって、一次放射は、観察者の目に直接入らない。第１の電極がベース２であってＬＥＤチップ１が半田付けされ、放熱器２２は、ベース２との電気的及び熱的に接触している。電力は、リフレクタ６の対称軸と軸方向に整列してキャップ１９の頂部に溶接（又ははんだ付け）を介して接続され、かつ、放熱器２２の内面２１における電気的に絶縁された貫通孔（不図示）を介して、放熱器本体（不図示）の上部に作られた対応するキャビティ内に位置する供給ドライバに接続されている中央円筒出力（図１１では不図示）によってキャップ１９（図１１には示されていない）に供給される。

キャップ１９が、コバール又は比較的良好な熱伝導性と比較的低い熱膨張係数とを有する他の類似の合金で作られており、変換器７で使用されるフォトルミネッセンス蛍光体の熱膨張係数に最も近い場合、照明装置の設計は、単純化され安価となり、キャップ１７無しで作成されうる。この目的のために、反射用のアルミニウム又は銀のフィルムが、コバールキャップ１９の内面に真空熱蒸着（またはその他）によって、直接的に、または、前述の方法のいずれかを用いたフォトルミネセント蛍光体層の堆積に続く中間薄膜の誘電体被覆を介して、印加される。

この目的のために、キャップ１９の内側表面が研磨され、および／または、アルミニウムや銀反射膜が、直接的に、または、予め形成されたプラスチック変換機７を貼り合わせることに続く中間体薄膜の誘電体被覆を介して、真空熱蒸着によって適用される。

Claims (14)

1. 一または複数の発光ダイオードからなる一次放射線源と、
   前記発光ダイオードが固定される表面を有する熱除去基部と、
   表面に当たる前記発光ダイオードの前記一次放射線を二次放射線へ変換する変換材料層として設計された放射線変換器と、
   当たる放射線を反射する表面を有するリフレクタと、
   を備え、
   前記放射線変換器は、前記一次放射線源及び前記反射面近傍の前記リフレクタとの間に位置付られ、
   前記リフレクタ及び前記変換器は、前記一次放射線源から所定の距離で位置しており、
   前記熱除去基部は、放射出力のための開口部を有しており、
   前記発光ダイオードにより照射される前記変換器の前記表面及び前記リフレクタの前記表面は、凹状を有し、この凹部は前記開口部と前記発光ダイオードに対向し、
   前記発光ダイオードは、前記開口部の周囲の近くに配置される、照明装置。
2. 前記変換器及び前記リフレクタの複数の前記表面は、前記熱除去基部における前記開口部の前記平面に平行な面によって切断された軸対称の図形として形成される、請求項１に記載の照明装置。
3. 前記変換器及び前記リフレクタの複数の前記表面は、前記熱除去基部における前記開口部の前記平面に垂直な主軸を有する球体または放物体として形成される、請求項２に記載の照明装置。
4. 前記図形は、回転楕円体である、請求項２に記載の照明装置。
5. 前記変換器及び前記リフレクタの複数の前記表面は、前記熱除去基部における前記開口部の前記平面に平行な面によって切断された面対称の図形として形成される、請求項１に記載の照明装置。
6. 前記変換器及び前記の複数の前記表面は、前記熱除去基部における前記開口部の前記平面に垂直な対称軸を有する、平面で切断された円柱として形成される、請求項５に記載の照明装置。
7. 前記熱除去基部は、一次放射線が前記開口部へ直接出力されるのを防ぐ突起部を備える、請求項１に記載の照明装置。
8. 前記リフレクタの表面は、リブ付き外面を有する熱取出放熱器の内面である、請求項１に記載の照明装置。
9. 前記変換器と前記リフレクタの複数の前記表面が複数の平坦なファセットまたはセグメントから構成される、請求項２から４のいずれか１項に記載の照明装置。
10. 前記一次放射線源の前記熱除去基は、前記リフレクタと一体である、請求項５または６に記載の照明装置。
11. 一次放射線が照射される前記変換器の凹面の反対側にある、当該変換器の前記凸面と、前記リフレクタの前記凹面とは、光学的に透明な媒体で区切られている、請求項１に記載の照明装置。
12. 前記熱除去基部の前記突起は、そこに当たる前記一次放射線を前記変換器の前記反対側の表面へと導く平坦なミラー部を備える、請求項７に記載の照明装置。
13. 前記発光ダイオードは、各発光ダイオードの放射指向性図の軸が、前記発光ダイオードのそれぞれの前記指向性ダイアグラムの半値幅と９０°との差と等しいかそれよりも小さな角度で前記リフレクタの対称軸に交差するように、前記熱除去基部に固定される、請求項５または６に記載の照明装置。
14. 前記発光ダイオードは、各発光ダイオードの放射指向性図の軸が、前記リフレクタの対称軸に対して平行かまたは鋭角をなすように、前記熱除去基部に固定され、
    前記変換器の前記表面と前記発光ダイオードとの間の前記熱除去基部は、そこに当たる一次放射を前記変換器における反対側の表面へと導く傾斜した反射鏡部を備える、請求項５または６に記載の照明装置。