JP2015015494A - 光源モジュール及び面発光装置 - Google Patents

Abstract

【課題】取付作業の簡素化及び製造コストの低廉化を図ることができるとともに、発光むらの発生を十分に抑制することができ、かつ汎用性のある光源モジュール及び面発光装置を提供する。
【解決手段】光源モジュールは、発光素子と、発光素子から出射される光を入射する光入射面、光入射面から入射した光を反射する光反射面、及び光反射面で反射した光を外部に出射する光出射面を有する光方向変換素子と、光方向変換素子に混入され、光入射面から入射した光を光反射面を透過する方向を含む各方向に拡散させる光拡散剤とを備える。
【選択図】図８

Description

本発明は、光源モジュール及び面発光装置に関し、特に発光部として発光ダイオード（Light Emitting Diode：ＬＥＤ）を用いた光源モジュール及び面発光装置に関する。

周知のように、映像・看板等の表示や店舗用の照明に利用される面発光装置には、光源として蛍光灯が多用されている。しかし、蛍光灯は有害な水銀を使用しているため、産業廃棄物としての適切な処理を必要とする問題を有している。また、蛍光灯は寿命が短く、ランニングコストも大きい。

近年、このような問題を解消する面発光装置の発光ランプとして、ＬＥＤを用いることが提案されている。ＬＥＤは、半導体製造技術に基づいて製造されることから、量産性・省コスト性に優れた特長を有する。近年では、発光効率が６０ｌｍ／Ｗを超える白色ＬＥＤも実用化されており、照明用途等への適用が期待されている。しかし、ＬＥＤが点光源であるため、面発光装置として照度むらを抑えつつ所望の照度を得るには複数のＬＥＤを適切に配置する必要がある。

また、ＬＥＤの輝度は単体としてのＬＥＤ素子の発光特性に依存するが、ＬＥＤ素子単体の色むら・輝度むらが存在することが既に知られており、照明の品質が要求される用途においては発光特性の均一なＬＥＤ素子を揃えることが要求される。現実には所望の発光特性に対する許容範囲に収まるＬＥＤ素子を選別して用いている。

従来、個々のＬＥＤ素子に発光特性のばらつきがあっても、照度の均一化が図れる面発光装置として、例えば、素子搭載基板としての配線基板と、この配線基板の素子搭載面内で並列する複数のＬＥＤと、これらＬＥＤからの出射光を照明対象に導くための拡散部付きの導光部材とを備えたものが提案されている（特許文献１）。

また、従来の面発光装置として、ＬＥＤと、このＬＥＤからの光を全反射する反射部及びこの反射部からの光を光軸と直角な方向に出射する鋸歯部を有するレンズとを備えたもの（特許文献２，３）や、拡散レンズによって一体的に覆われた複数のＬＥＤを有する複数のＬＥＤユニットを一方向に並列配置してなるもの（特許文献４）も提案されている。

特開２００４−１４３６５号公報 特開２００３−８０６８号公報 特開２００３−８０８１号公報 特開２００５−１７５７３号公報

しかしながら、特許文献１によると、ＬＥＤの取り付けを１個ずつ行うものであるため、ＬＥＤの個数と同数の取り付けを必要としていた。この結果、発光面積（装置の規模）が大きくなると、それだけ取付数が嵩み、取付作業を煩雑にするという問題があった。

特許文献２，３によると、レンズが反射部のみならず鋸歯部を有するものであるため、レンズの形状が複雑になり、製造コストが嵩むという問題があった。また、ＬＥＤからの光がレンズの光軸と直角な方向に出射されるため、発光量及び色のばらつきが平均化されず、発光むら及び色むらの発生を十分に抑制することができないという問題もあった。

特許文献４によると、複数のＬＥＤユニットを一方向に並列して配置する構造であるため、ＬＥＤユニットの並列方向と直角な方向の寸法に変更があると、ＬＥＤユニットの長さを変更する必要があった。この結果、照明の規模・形状や用途に応じてＬＥＤユニットを設計変更しなければならず、汎用性がないという問題があった。また、面状に発光させるために、複数のＬＥＤユニットがそれぞれ拡散レンズによって一体的に覆われているため、レンズ材料の使用量が多くなり、この場合にも製造コストが嵩むという問題があった。

従って、本発明の目的は、取付作業の簡素化及び製造コストの低廉化を図ることができるとともに、発光むらの発生を十分に抑制することができ、かつ汎用性のある光源モジュール及び面発光装置を提供することにある。

本発明は、上記目的を達成するために、発光素子と、前記発光素子から出射される光を入射する光入射面、前記光入射面から入射した光を反射する光反射面、及び前記光反射面で反射した光を外部に出射する光出射面を有する光方向変換素子と、前記光方向変換素子に混入され、前記光入射面から入射した前記光を前記光反射面を透過する方向を含む各方向に拡散させる光拡散剤と、を備えた光源モジュールを提供する。

また、本発明は、上記目的を達成するため、複数の上記光源モジュールと、前記複数の光源モジュールの前記光方向変換素子の前記光出射面から出射された光、及び前記光反射面を透過する方向の光の混合光を光拡散部材に入射し、前記光拡散部材の光出射面から面状に出射する面発光装置を提供する。

本発明によると、汎用性があり、取付作業の簡素化及び製造コストの低廉化を図ることができるとともに、発光むらの発生を十分に抑制することができる。

本発明の第１の実施の形態に係る面発光ユニットを備えた面発光装置の全体を示す斜視図。 本発明の第１の実施の形態に係る面発光ユニットの全体を示す組立斜視図。 本発明の第１の実施の形態に係る面発光ユニットの全体を示す分解斜視図。 本発明の第１の実施の形態に係る面発光ユニットの接続状態を示す斜視図。 本発明の第１の実施の形態に係る面発光ユニットの接続を解除した状態を示す斜視図。 本発明の第１の実施の形態に係る面発光ユニットの接続部を一方側から見た状態を示す斜視図。 本発明の第１の実施の形態に係る面発光ユニットの接続部を他方側から見た状態を示す斜視図。 本発明の第１の実施の形態に係る面発光ユニットの要部を示す断面図。 本発明の第１の実施の形態に係るＬＥＤの断面図。 本発明の第１の実施の形態に係る面発光ユニットの発光ランプにおける光方向変換部の光反射面での全反射を説明するために示す図。 本発明の第１の実施の形態に係る面発光ユニットの発光ランプにおける光方向変換部の形状を説明するために示す断面図。 （ａ）〜（ｃ）は、光方向変換部とＬＥＤとの位置関係を示し、（ｄ）は、ＬＥＤ内部での発光の様子を示す図。 本発明の第１の実施の形態に係る面発光ユニットを備えた面発光装置の動作を説明するために示す断面図。 本発明の第２の実施の形態に係る面発光ユニットの全体を示す組立斜視図。 （ａ）及び（ｂ）は、本発明の第２の実施の形態に係る面発光ユニットの発光ランプを説明するために示す断面図。 （ａ）〜（ｃ）は、本発明の第２の実施の形態に係る面発光ユニットの発光ランプにおける光方向変換部を説明するために示す斜視図と平面図及び下面図。 本発明の第２の実施の形態に係る面発光ユニットの発光ランプにおける光方向変換部を説明するために示す断面図。 本発明の第３の実施の形態に係る面発光ユニットの発光ランプにおける光方向変換部を説明するために示す断面図。

［第１の実施の形態］
図１は、本発明の第１の実施の形態に係る面発光ユニットを備えた面発光装置の全体を示す斜視図である。図２は、本発明の第１の実施の形態に係る面発光ユニットの全体を示す組立斜視図である。図３は、本発明の第１の実施の形態に係る面発光ユニットの全体を示す分解斜視図である。図４は、本発明の第１の実施の形態に係る面発光ユニットの接続状態を示す斜視図である。図５は、本発明の第１の実施の形態に係る面発光ユニットの接続を解除した状態を示す斜視図である。図６は、本発明の第１の実施の形態に係る面発光ユニットの接続部を一方側から見た状態を示す斜視図である。図７は、本発明の第１の実施の形態に係る面発光ユニットの接続部を他方側から見た状態を示す斜視図である。図８は、本発明の第１の実施の形態に係る面発光ユニットの要部を示す断面図である。図９は、本発明の第１の実施の形態に係るＬＥＤの断面図である。図１０は、本発明の第１の実施の形態に係る面発光ユニットの発光ランプにおける光方向変換部の光反射面での全反射を説明するために示す図である。図１１は、本発明の第１の実施の形態に係る面発光ユニットの発光ランプにおける光方向変換部の形状を説明するために示す断面図である。なお、図１において、互いに直交する３つの方向をそれぞれＸ方向（面発光装置の縦方向）及びＹ方向（面発光装置の横方向）・Ｚ方向（面発光装置の厚さ方向）とする。

〔面発光装置の全体構成〕
図１において、符号１で示す面発光装置は、一方向に開口するケース２と、このケース２内で縦横方向に並列する複数の面発光ユニット３，３，…と、これら複数の面発光ユニット３，３，…の光取出側でケース２の開口部を閉塞する光拡散部材４とから大略構成されている。面発光装置１の照度は例えば平均１０００ｌｘに設定される。

（ケース２の構成）
図１に示すように、ケース２は、互いに対向する２対の側面板２Ａ，２Ｂ及びこれら２対の側面板２Ａ，２Ｂに連接する背面板２Ｃからなるポリカーボネート等の角形箱によって形成されている。ケース２の材料としては、ポリカーボネート以外の合成樹脂であってもよく、アルミニウム等の金属であってもよい。ケース２の外形寸法としては、例えば縦寸法及び横寸法が共に１３００ｍｍに、また厚さ寸法が６０ｍｍにそれぞれ設定されている。

２対の側面板２Ａ，２Ｂは、内面に例えばアルミニウムシートを貼付することにより設けられた光反射部２ａ，２ｂを有し、面発光ユニット３，３，…から出射された光を反射するように構成されている。これにより、面発光ユニット３，３，…から出射された光を光反射部２ａ，２ｂで反射し、側面板２Ａ，２Ｂにおける光の反射効率が高められる。光反射部２ａ，２ｂは、側面板２Ａ，２Ｂの内面に対してアルミニウムシートを貼付する方法以外の方法によって設けてもよく、例えば無電解めっきあるいは白色塗装によって設ける方法がある。

背面板２Ｃは、光拡散板４の内面に対向するユニット実装面２ｃを有し、このユニット実装面２ｃ上に複数の面発光ユニット３，３，…を実装するように構成されている。背面板２Ｃのユニット実装面２ｃは、面発光ユニット３，３，…から放射される光の反射効率を高めるために例えば白色塗装が施されている。

（面発光ユニット３，３，…の構成）
面発光ユニット３，３，…は略同一の構成であるため、一の面発光ユニット３についてのみ説明すると、面発光ユニット３は、図２及び図３に示すように、配置空間５Ａを有するユニット本体５と、このユニット本体５の配置空間５Ａに配置された回路基板６と、この回路基板６上で所定の間隔をもって並列する複数（実施の形態では４個）の発光ランプ７，７，…と、これら複数の発光ランプ７，７，…を挿通させて配置空間５Ａを封止するシール部材８とを備え、ケース２の背面板２Ｃ上に同一平面内で縦横方向に並列して複数個（本実施の形態では合計３６個：縦方向に１２個，横方向に３個）取り付けられている。縦方向に並列する面発光ユニット３，３，…のうち互いに隣り合う２つの面発光ユニット３，３は配線（図示せず）によって直列に接続され、その間隔は１００ｍｍ程度に設定されている。横方向に並列する面発光ユニット３，３，…のうち互いに隣り合う２つの面発光ユニット３，３は第１コネクタ２５，第２コネクタ２７（共に後述）によって直列に接続され、図４及び図５に示すように着脱し得るように構成されている。なお、ユニット本体５および複数の発光ランプ７は、光源モジュールを構成する。また、発光ランプは、１つでもよい。

＜ユニット本体５の構成＞
ユニット本体５は、回路基板６及び発光ランプ７，７，…を保持するベース１０と、このベース１０と共に配置空間５Ａを形成するためのカバー１１とを有し、長尺サイズの容器によって形成され、他のユニット本体に接続し得るように構成されている。ユニット本体５の長手方向寸法は例えば４００ｍｍに設定されている。

ベース１０は、その長手方向に所定の間隔をもって並列する２つの取付片１２，１２を片側側縁に有し、全体がアルミニウム等の金属材料からなる矩形板によって形成されている。ベース１０の材料としては、金属材料の他にＡＢＳ樹脂等の樹脂材料が用いられる。ベース１０には、カバー側に開口する内外２つの枠体１０Ａ，１０Ｂが立設されている。これら両枠体１０Ａ，１０Ｂは四角形状の枠体によって形成されている。両枠体１０Ａ，１０Ｂ間には、シール部材８の両側縁・端縁に嵌合する凹溝１３が設けられている。枠体１０Ａの内面には、回路基板６の両側縁・端縁を保持する段状部１４が設けられている。枠体１０Ａの片側側縁には、ベース長手方向に所定の間隔をもって並列するケーブル挿通用の切り欠き１５，１６が設けられている。枠体１０Ｂの片側側縁には、両切り欠き１５，１６にそれぞれ対応する部位に位置するケーブル挿通用の切り欠き１７，１８が設けられている。

カバー１１は、発光ランプ７，７，…の光方向変換用光学素子２９（後述）を挿通させる複数（本実施の形態では４個）の開口部１１Ａ，１１Ａ，…を有し、ベース１０の両側縁に装着されている。そして、全体がＡＢＳ樹脂等の樹脂材料によって形成されている。カバー１１の光取出側面１１Ｂは、ケース２の背面板２Ｃと同様に白色塗装を施すことにより、発光ランプ７，７，…からの出射光を反射する光反射面で形成されている。カバー１１の長手方向一方側端部には図６に示すように面発光ユニット同士を機械的に接続するための嵌合突起１９が、また長手方向他方側端部には図７に示すように同じく面発光ユニット同士を機械的に接続するための嵌合空間２０が設けられている。嵌合突起１９にはカバー１１の長手方向と直角な方向（短手方向）に並列する複数（本実施の形態では３個）の補強部１９Ａが一体に設けられている。各カバー１１の片側側縁には、両切り欠き１５，１６間の寸法と略同一の寸法をもって並列するケーブル挿通用の切り欠き２１，２２が設けられている。

＜回路基板６の構成＞
回路基板６は、図８に示すように、発光ランプ７，７，…の発光部（後述）の背面に露出する電極端子部と電気的に接続する配線パターン（図示せず）を有し、ユニット本体５の配置空間５Ａに配置され、かつベース１０（枠体１０Ａ）の段状部１４に保持されている。回路基板６には、ツェナーダイオードからなる電子部品（図示せず）が搭載されている。これにより、発光ランプ７，７，…のうちいずれかの発光ランプ７が故障等によって点灯しなくなった場合にも他の発光ランプ７，７，…の点灯が可能となる。また、回路基板６には、発光部近傍に位置し、光方向変換用光学素子２９の位置決め用ピン（図示せず）に嵌合するピン孔６Ａ，６Ｂ（図３に示す）が設けられている。回路基板６の２対のケーブル接続部（図示せず）には、切り欠き１５，１７，２１及び第１ケーブル挿通孔８Ｃ（後述）を挿通するケーブル２４を介して第１コネクタ２５が、また切り欠き１６，１８，２２及び第２ケーブル挿通孔８Ｄ（後述）を挿通するケーブル２６を介して第２コネクタ２７がそれぞれ接続されている。

＜発光ランプ７，７，…の構成＞
発光ランプ７，７，…は、図８に示すように、それぞれが光取出側に白色光を出射する発光部としてのＬＥＤ２８及びこのＬＥＤ２８からの出射光を入射して側方に出射する光方向変換部としての光方向変換用光学素子２９を有し、回路基板６のランプ搭載側に実装されている。発光ランプ７，７，…のうち互いに隣り合う２つの発光ランプ７，７間の寸法は間隔は１００ｍｍ程度に設定されている。

ＬＥＤ２８は、図９に示すように、青色光を発する青色ＬＥＤ素子２８４及びこの青色ＬＥＤ素子２８４から発する青色光で励起されて黄色光を発する珪酸塩系の蛍光体２８５を含有する封止樹脂２８６をパッケージ２８２で封止してなり、回路基板６の素子搭載側に配置されている。そして、青色ＬＥＤ素子２８４から発する青色光と蛍光体から発する黄色光との混合に基づいて前述したように白色光を出射するように構成されている。青色ＬＥＤ素子２８４としては、例えば発光波長領域を４５０ｎｍ〜４６０ｎｍとするＧａＮ系半導体化合物からなる青色ＬＥＤ素子が用いられる。蛍光体２８５としては、珪酸塩系の蛍光体の他に、例えばＹＡＧ（Ｙｔｔｒｉｕｍ Ａｌｕｍｉｎｕｍ Ｇａｒｎｅｔ）蛍光体等のガーネット系蛍光体を用いてもよい。

パッケージ２８２は、白色の樹脂材料から形成され、リフレクタとなる傾斜面２８１ａおよび底面２８１ｂからなる凹部２８１を有する。凹部２８１の底面２８１ｂから一対のリード２８３Ａ，２８３Ｂが外側に導出している。一対のリード２８３Ａ，２８３Ｂの一方の端部に青色ＬＥＤ素子２８４が電気的に接続し、一対のリード２８３Ａ，２８３Ｂの他方の端部で回路基板６上の導電パターンに電気的に接続している。

光方向変換用光学素子２９は、図８に示すように、ＬＥＤ２８から出射される光を入射する光入射面２９Ａと、この光入射面２９Ａから入射した光を反射する光反射面２９Ｂと、この光反射面２９Ｂで反射した光を側方（斜め前後方向）に出射する光出射面２９Ｃとを有し、回路基板６のランプ搭載側に配置され、全体がＰＭＭＡ（ポリメタクリル酸メチル）樹脂等の透明材料によって形成されている。そして、ＬＥＤ２８から出射された光が光入射面２９Ａに入射すると、その大部分の光を屈折させ、これら屈折光を光反射面２９Ｂで全反射し、さらに光出射面２９Ｃから屈折させて斜め前方及び斜め後方・側方に、また光反射面２９Ｂ（界面）からそれぞれ出射するように構成されている。

ここで、光反射面２９Ｂに入射する光線の光学的現象につき、図１０を用いて説明する。屈折率ｎ１の物質から屈折率ｎ２の物質に光線ＬＢが入射すると、スネルの法則により、次の関係が成り立つ。
ｎ１・ｓｉｎ（θ１）＝ｎ２・ｓｉｎ（θ２）
ｎ１＜ｎ２，θ１´＝９０°である場合にθ２´を臨界角という。屈折率ｎ２の物質から屈折率ｎ１の物質に臨界角以上の角度で入射すると、その界面（光反射面２９Ｂ）で入射光線ＬＢは全反射する。屈折率ｎ１の物質を空気（ｎ１＝１）とし、屈折率ｎ２の物質（光方向変換用光学素子２９）をＰＭＭＡ樹脂（ｎ２＝１．４９）とすると、臨界角θ２´はθ２´＝４２．１６°となる。

光方向変換用光学素子２９の光入射側端部には、面発光ユニット３の幅方向（ユニット長手方向と直角な方向）に並列し、かつユニット本体５内で回路基板６の両側側縁を段状部１４に圧接可能な鍔部２９ａ（図３に示す）が設けられている。光方向変換用光学素子２９の光入射側端面には、回路基板６のピン孔６Ａ，６Ｂに嵌合する位置決め用ピン（図示せず）が設けられている。光方向変換用光学素子２９の光入射面２９Ａ及び光反射面２９Ｂ・光出射面２９Ｃには鏡面加工が施されている。光方向変換用光学素子２９の材料としては、ＰＭＭＡ樹脂の他に、ポリカーボネート及びエポキシ・シリコーン等の透明樹脂材料や透明ガラスが用いられる。この場合、透明材料からなる光方向変換用光学素子２９に限定されず、着色が施された光方向変換用光学素子としてもよい。

光入射面２９Ａは、図８に示すように、第１光入射面２９ｂ及び第２光入射面２９ｃからなり、光学素子形成用素材（略円柱体）の一方側端部に開口端面（光入射側端面）に向かって漸次広がる截頭円錐形状の凹部２９０を設けることにより形成されている。凹部２９０は、ＬＥＤ２８を収容する大きさをもつ空間部によって形成されている。これにより、第１光入射面２９ｂとＬＥＤ２８の光取出面２８Ａとの間には空隙Ｇ（Ｇ≒０．３ｍｍ）が形成される。また、第２光入射面２９ｃにはＬＥＤ２８の側面から出射される光が入射する。これにより、第２光入射面２９ｃに入射する光（例えば黄色光）が拡散され、色むらを抑制することができる。

光反射面２９Ｂは、図８に示すように、光学素子形成用素材（略円柱体）の他方側端部に開口端面（光取出側）に向かって漸次広がる漏斗状の凹部２９１を設けることにより形成されている。そして、光入射面２９Ａから到達する光を全反射するように構成されている。光反射面２９Ｂは、等価的に回転２次曲面、特に回転放物面あるいは回転双曲面の一部としてもよい。光反射面２９Ｂには、反射効率を高めるために、アルミニウム等の金属膜を蒸着してもよく、ニッケル等の無電解めっき処理を施してもよい。光反射面２９Ｂの中心部には、ＬＥＤ２８と反対側に開口する凹部を形成してもよい。これにより、光反射面２９Ｂの中心部（凹部）からの光の出射が広範囲の指向角をもって行われる。

光反射面２９Ｂ（漏斗状の外面）の形状は、例えば次に示す光学的シュミレーションによって決定される。先ず、図１１に示すように、略円柱状の光学素子形成用素材（ＰＭＭＡ樹脂）ａの軸線方向寸法（光方向変換用光学素子２９の軸線方向寸法）Ｌを設定するとともに、その一方側端面に中心軸線Ｏ上の点を中心とする仮想円の外径（光反射面２９Ｂの最大外径）Ｄを設定する。次に、光学素子形成用素材ａの他方側端面からその一方側端面に向かって寸法Ｌ１（Ｌ＞Ｌ１）離間する仮想面Ｖ１上で、予め光学素子形成用素材ａの中心軸線Ｏ上に配置されたＬＥＤから出射される光線ＬＢを法線ｂと４２．１６°（臨界角）以上の角度αをもって全反射させる。この場合、仮想面Ｖ１上での光線ＬＢの反射点を集合すると、これら反射点が外径Ｄ１（Ｄ＞Ｄ１）の円周に沿って配置される。そして、これら試行を光学素子形成用素材ａの一方側端面と平行な任意の仮想面上で繰り返し実施して全ての反射点を集合する。これら反射点の集合によって光反射面２９Ｂが形成される。

光出射面２９Ｃは、図８に示すように、均一の外径をもつ円周面で形成されている。そして、前述したように光反射面２９Ｂで反射した光を斜め前方及び斜め後方・側方に出射するように構成されている。また、光出射効率を高めるために、内部反射と屈折を起こし難い構造とし、鏡面であることが好ましい。光出射面２９Ｃは円周面で形成されている場合について説明したが、多角柱（三角柱，四角柱，…）の側面で形成してもよい。光出射面２９Ｃには、光拡散性をもたせるために、粗面加工を施してもよい。この粗面加工を施す代わりに、光方向変換用光学素子２９に光拡散剤を混入しても光拡散性を高めることができる。

＜シール部材８の構成＞
シール部材８は、図３及び図８に示すように、ベース１０とカバー１１との間に介装され、かつ両側縁・端縁がベース１０の凹溝１３に嵌合され、全体がゴム製のパッキンによって形成されている。そして、前述したようにユニット本体５の配置空間５Ａを封止するように構成されている。シール部材８には、発光ランプ７，７，…の光方向変換用光学素子２９を挿通させる複数（本実施の形態では４個）の素子挿通孔８Ａ，８Ａ，…が設けられている。これら素子挿通孔８Ａ，８Ａ，…の開口周縁には、光方向変換用光学素子２９の外周面（光出射面２９Ｃ）と開口部１１Ａ，１１Ａ，…の内面との間に圧入する円環状のシール部８Ｂが一体に設けられている。シール部材８の長手方向一方側端部にはケーブル２４，２４を圧入した状態で挿通させる第１ケーブル挿通孔８Ｃ，８Ｃが、またその長手方向他方側端部にはケーブル２６，２６を圧入した状態で挿通させる第２ケーブル挿通孔８Ｄ，８Ｄがそれぞれ設けられている。

（光拡散部材４の構成）
光拡散部材４は、図１に示すように、面発光ユニット３，３，…の光取出側に配置され、かつケース２の開口部に装着され、光拡散剤を混入した樹脂材料からなる乳白色の薄板部材によって形成されている。そして、面発光ユニット３，３，…から出射された光を、またケース２の背面板２Ｃ（ユニット実装面２ｃ）・側面板２Ａ，２Ｂ（光反射部２ａ，２ｂ）で反射された光を、さらにはこれら混合光をそれぞれ拡散して透過するように構成されている。光拡散部材４と面発光ユニット３，３，…との間隔は例えば２０ｍｍ程度に設定されている。

図１２（ａ）〜（ｃ）は、光方向変換用光学素子２９とＬＥＤ２８との位置関係を示し、図１２（ｄ）は、ＬＥＤ２８内部での発光の様子を示す図である。

図１２（ａ）に示すように、ＬＥＤ２８が光方向変換用光学素子２９の光入射面２９Ａ側に空隙がほとんど無い程度に接近して配置されている場合は、光方向変換用光学素子２９に入射した光は、スネルの法則により、臨界角内の方向に集光し、光反射面２９Ｂで全反射し、側方に向かい、側面の光取出面２９Ｃから出射し、周囲に拡散される。また、光方向変換用光学素子２９の上部に外力が加わった場合にＬＥＤ２８にも力が加わり、破損するおそれがある。

図１２（ｂ）に示すように、ＬＥＤ２８と光方向変換用光学素子２９の光入射面２９Ａとの間に空隙がある場合は、入射範囲が広がるため、入射した光が全て光反射面２９Ｂに照射するようにするためには、光方向変換用光学素子２９の直径が大きくなってしまう。直径を大きくしない場合は、ＬＥＤ２８から水平に近い方向に出射された光（蛍光体層の距離が長いため、黄色寄りの光となる）は、光方向変換用光学素子２９の光取出面２９Ｃで全反射し、光反射面２９Ｂから出射し、光方向変換用光学素子２９の中心軸上に黄色光が集光してしまい、発光ランプ７を２次元状に配列して面光源を構成した場合に黄色い部分ができることがある。

図１２（ｃ）に示すように、光方向変換用光学素子２９の底面に凹部２９０があり、ＬＥＤ２８と光方向変換用光学素子２９との間に十分な空隙がある場合は、光方向変換用光学素子２９の上部に外力が加わった場合でもＬＥＤ２８に力が加わらず、影響を受けない。

ＬＥＤ２８は、青色ＬＥＤ素子２８４から出射された青色で励起されて黄色発光する蛍光体２８５が混入した封止樹脂２８６で封止されているので、青色ＬＥＤ素子２８４から発せられた光が封止樹脂２８６を通過する方向により、その通過距離が異なるため、出射された光は色が異なる。すなわち、図１２（ｄ）において、ａ方向に進む光線は、通過する封止樹脂２８６が薄くなるため、青っぽい光となる。ｂ方向に進む光線は、通過する封止樹脂２８６が厚くなるため、黄色っぽい光となる。光方向変換用光学素子２９の光入射面のＬＥＤ２８の周囲に光入射面が形成されるように、第１光入射面２９ｂおよび第２光入射面２９ｃからなる凹部２９０を形成し、水平に近い黄色い光成分は、第２光入射面２９ｃから入光し、光取出面２９Ｃから周囲に出光させて拡散させることにより、光方向変換用光学素子２９の上部に黄色光が集光しないようにすることができる。

ＬＥＤ２８と第１光入射面２９ｂとの空隙をＧ、ＬＥＤ２８の直径（または幅）をＤとするとき、第１光入射面２９ｂの直径（または幅）Ｗは、Ｄ＜Ｗ＜（Ｄ＋３Ｇ）が好ましく、Ｄ＜Ｗ＜（Ｄ＋２Ｇ）またはＤ＜Ｗ＜（Ｄ＋Ｇ）がより好ましい。

〔面発光装置１の動作〕
図１３は、本発明の第１の実施の形態に係る面発光ユニットを備えた面発光装置の動作を説明するために示す断面図である。

図１３に示すように、先ず電源部（図示せず）から面発光ユニット３，３，…のＬＥＤ２８が通電されると、これらＬＥＤ２８から白色光を出射する。

次いで、ＬＥＤ２８から出射した白色光を光方向変換用光学素子２９の光入射面２９Ａに入射させて光反射面２９Ｂで反射し、この光反射面２９Ｂで反射した光を光出射面２９Ｃから斜め前後方向及び側方に出射する。また、一部の白色光を光反射面２９Ｂで反射せず、光反射面２９Ｂ（界面）から前方に出射する。これら出射光は、光軸に沿って光拡散部材４（図１に示す）に直接入射する光、面発光ユニット３，３，…（カバー１１の光取出側面１１Ｂ）及びケース２の内面（背面板２Ｃのユニット実装面２ｃ及び側面板２Ａ，２Ｂの光反射部２ａ，２ｂ）に反射されて光拡散部材４に入射する光と様々である。また、光方向変換用光学素子２９からの出射光には、光拡散部材４に到達しても反射される光も存在する。

しかる後、光方向変換用光学素子２９から出射した様々な白色光をケース２内で混合し、この混合の程度に応じた強度の光を光拡散部材４に入射して拡散し、光拡散部材４を透過してその光出射面から面状に出射する。

［第１の実施の形態の効果］
以上説明した第１の実施の形態によれば、次に示す効果が得られる。

（１）面発光ユニット３，３，…が複数の発光ランプ７，７，…をそれぞれ備えているため、複数のＬＥＤ２８を単位としてその取り付けを行うことができる。これにより、発光面積（装置の規模）が大きくなっても、取付数を削減することができ、取付作業の簡素化を図ることができる。

（２）光方向変換用光学素子２９の光出射面２９Ｃから光が斜め前後方向及び側方に、またその一部が前方にそれぞれ出射され、さらにこれら出射光が混合されることに基づいて光の面発光が行われるため、ＬＥＤ素子の単体特性としての発光量及び色むらのばらつきが平均化され、発光むら及び色むらの発生を十分に抑制することができる。

（３）複数の面発光ユニット３，３，…が縦横方向に並列して配置されているため、面発光ユニット３，３，…の個数を増減することにより装置全体の縦横方向寸法を変更することができる。これにより、照明の規模・形状や用途に応じて面発光ユニット３，３，…を設計変更する必要はなく、汎用性をもたせることができる。また、複数の面発光ユニット３，３，…が着脱可能に配置されているため、面発光ユニット３，３，…の間隔を拡大・縮小することにより、照明の明るさを調整することができるとともに、汎用性をもたせることができる。

（４）光方向変換用光学素子２９が鋸歯部を有するものでないため、光方向変換用光学素子２９の形状が簡単になり、また各面発光ユニット３，３，…のＬＥＤ２８がそれぞれ光方向変換用光学素子２９で覆われているため、光学素子（レンズ）材料の使用量が低減され、これにより製造コストの低廉化を図ることができる。

（５）光入射面２９Ａの第１光入射面２９ａとＬＥＤ２８の光取出面２８Ａとの間には空隙Ｇ（Ｇ≒０．３ｍｍ）が形成されているため、光方向変換用光学素子２９の回路基板６に対する組付時に回路基板６上のＬＥＤ２８への圧接による応力の印加が回避され、ＬＥＤ２８の破損発生やその接合部のずれ発生を防止することができる。

（６）光方向変換光学素子２９の光入射側端部には、ＬＥＤ２８を収容する凹部Ａが設けられているため、発光ランプ７，７，…全体の光軸方向寸法を短縮することができ、面発光ユニット３，３，…の薄型化を図ることができる。

[第２の実施の形態]
図１４は、本発明の第２の実施の形態に係る面発光ユニットの全体を示す組立斜視図である。図１５は、本発明の第２の実施の形態に係る面発光ユニットの発光ランプを説明するために示す断面図である。図１５（ａ）は図１４のＡ−Ａ断面図を、図１５（ｂ）は図１４のＢ−Ｂ断面図をそれぞれ示す。図１６は、本発明の第２の実施の形態に係る面発光ユニットの発光ランプにおける光方向変換部を説明するために示す図である。図１６（ａ）は斜視図を、図１６（ｂ）は平面図を、図１６（ｃ）は下面図をそれぞれ示す。図１７は、本発明の第２の実施の形態に係る面発光ユニットの発光ランプにおける光方向変換部を説明するために示す断面図である。図１４〜図１７において、図１〜図８及び図１３と同一又は同等の部材・部位については同一の符号を付し、詳細な説明は省略する。

図１４に示すように、第２の実施の形態に示す面発光ユニット１０１は、長尺サイズのユニット本体１０２と、このユニット本体１０２上にその長手方向に並列して配置された複数（本実施の形態では４個）の発光ランプ１０３，１０３，…とを備えた点に特徴がある。

このため、ユニット本体１０２は、各発光ランプ１０３，１０３，…の光方向変換部に嵌合する凹部１０２Ａを有するアルミニウム等の金属材料からなる断面略Ｃ字状の板部材によって形成され、他のユニット本体に接続し得るように構成されている。ユニット本体１０２の材料としては、金属材料の他にＡＢＳ樹脂等の樹脂材料が用いられる。ユニット本体１０２には、図１５（ａ）及び（ｂ）に示すように、凹部１０２Ａの底面一部を切り起こし形成することにより、複数の発光ランプ１０３，１０３，…をそれぞれ保持する複数のホルダ片１０４，１０４，…（図１５では１個のみ図示）が設けられている。ホルダ片１０４，１０４，…には、その両側縁を折り曲げ形成することにより、複数の回路基板１０６（後述）を保持する段状部１０４Ａ，１０４Ａがそれぞれ設けられている。段状部１０４Ａ，１０４Ａには、上下方向に開口する２個のピン挿通孔（図示せず）がそれぞれ設けられている。ユニット本体１０２の長手方向両端部には、ケース２の背面板２Ｃ（共に図１に示す）に面発光ユニット１０１を取り付けるための貫通孔１０２Ｂ，１０２Ｂ（図１４に示す）が設けられている。なお、単一の発光ランプ１０３および単一のホルダ片１０４は、光源モジュールを構成する。また、ケーブルによって直列的に接続された複数の発光ランプ１０３および複数のホルダ片１０４も、光源モジュールを構成する。

発光ランプ１０３，１０３，…は略略同一の構成であるため、一の発光ランプ１０３についてのみ説明すると、発光ランプ１０３は、図１５（ａ）及び（ｂ）に示すように、光取出側に白色光を出射する発光部としてのＬＥＤ２８と、ＬＥＤ２８からの出射光を入射して側方に出射する光方向変換部としての光方向変換用光学素子１０５と、この光方向変換用光学素子１０５の光入射側端面とホルダ片１０４の段状部１０４Ａ，１０４Ａとの間に介在する回路基板１０６とを有し、ユニット本体１０２の凹部１０２Ａ（図１４に示す）内に装着されている。

光方向変換用光学素子１０５は、図１５（ａ），（ｂ）及び図１６（ａ）〜（ｃ）に示すように、ホルダ片１０４に嵌合する凹部（嵌合部）１０８及びＬＥＤ２８を収容する凹部１０９に加え、ＬＥＤ２８から出射される光を入射する光入射面２９Ａと、この光入射面２９Ａから入射した光を反射する光反射面２９Ｂと、この光反射面２９Ｂで反射した光を側方及び斜め前後方向に出射する光出射面２９Ｃとを有し、ユニット本体１０２のランプ搭載側に配置され、全体が光方向変換用光学素子２９と同様にＰＭＭＡ（ポリメタクリル酸メチル）樹脂等の透明材料によって形成されている。そして、ＬＥＤ２８から出射された光が光入射面２９Ａに入射すると、その大部分の光を屈折させ、これら屈折光を光反射面２９Ｂで全反射し、さらに光出射面２９Ｃから屈折させて斜め前方及び斜め後方・側方に、また光反射面２９Ｂ（界面）からそれぞれ出射するように構成されている。

光方向変換用光学素子１０５には、図１６（ｃ）及び図１７に示すように、光入射側面に突出する第１位置決め用ピン１０６Ａ，１０６Ａ及び第２位置決め用ピン１０６Ｂ，１０６Ｂ，１０６Ｂ，１０６Ｂが設けられている。第１位置決め用ピン１０６Ａ，１０６Ａは、光入射面２９Ａの近傍に位置し、回路基板１０６のピン嵌合孔（図示せず）に嵌合されている。第２位置決め用ピン１０６Ｂ，１０６Ｂ，１０６Ｂ，１０６Ｂは、光入射側面上の４隅部に位置し、段状部１０４Ａ，１０４Ａのピン嵌合孔（図示せず）に嵌合されている。また、光方向変換用光学素子１０５には、ケーブル１０７を挿通させるケーブル挿通用の切り欠き１０６Ｃ，１０６Ｃ，１０６Ｃ，１０６Ｃが、これら切り欠き１０６Ｃ，１０６Ｃ，１０６Ｃ，１０６Ｃに連通する樹脂充填用の空間部１０６Ｄ，１０６Ｄ，１０６Ｄ，１０６Ｄ及びこれら各空間部部１０６Ｄ，１０６Ｄ，１０６Ｄ，１０６Ｄに連通する基板接続用の空間部１０６Ｅ，１０６Ｅ，１０６Ｅ，１０６Ｅがそれぞれ設けられている。

回路基板１０６は、図１５（ａ）及び（ｂ）に示すように、発光ランプ１０３のＬＥＤ２８の背面に露出する電極端子部と電気的に接続する配線パターン（図示せず）を有し、光方向変換用光学素子１０５の凹部１０８内に配置されている。回路基板１０６には、図１５（ｂ）に示すように、ツェナーダイオードからなる電子部品１１０が搭載されている。これにより、発光ランプ１０３，１０３，…のうちいずれかの発光ランプ１０３が故障等によって点灯しなくなった場合にも他の発光ランプ１０３，１０３，…の点灯が可能となる。回路基板１０６，１０６，…のうち互いに隣り合う２つの回路基板１０６，１０６はケーブル１０７によって直列に接続されている。

［第２の実施の形態の効果]
以上説明した第２の実施の形態によれば、第１の実施の形態の効果（１）〜（６）と同様の効果が得られる。

［第３の実施の形態］
図１８は、本発明の第３の実施の形態に係る面発光ユニットの発光ランプにおける光方向変換部を説明するために示す断面図である。この第３の実施の形態の光方向変換用光学素子は、第１の実施の形態の光方向変換用光学素子２９において、上部の光反射面２９Ｂと側面の光出射面２９Ｃとの間に傾斜した光反射面２９Ｄを設けたものである。

ＬＥＤ２８から出射された光を光方向変換用光学素子２９の底面の第２光入射面２９ｃから入射した光を、上面の光反射面２９Ｂで反射させ、側面の光出射面２９Ｃからほとんど出射させるが、光反射面２９Ｂと光出射面２９Ｃとの間に概円錐の一部形状の光反射面２９Ｄを設けることにより、光反射面２９Ｂで反射した光の一部を光反射面２９Ｄで反射させ、さらに底面の微細な凹凸からなる拡散面２９Ｅで拡散反射させて、上部の光反射面２９Ｂから光を出射させる。なお、光方向変換用光学素子２９に拡散面２９Ｅを設けずに基板６の上面に拡散面を設けてもよい。

これにより、第１の実施の形態では、光を全面的に側面出射させているため、厚さが特に薄い面光源に使用した場合に光源直上が暗くなってしまう。光源上方向にも光を出射させることにより、超薄型の場合においても均一の面光源を得ることができる。

以上、本発明の面発光ユニット（面発光装置）を上記の実施の形態に基づいて説明したが、本発明は上記の実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々の態様において実施することが可能であり、例えば次に示すような変形も可能である。

（１）各実施の形態では、面発光ユニット３，３，…の長手方向寸法が全て同一である場合について説明したが、本発明はこれに限定されず、各長手方向寸法が互いに異なる複数種の面発光ユニットを用意し、これら複数種の面発光ユニットを適宜組み合わせて接続することにより、文字型看板など種々の外形形状をもつ面発光装置を得ることができる。

（２）各実施の形態では、ＬＥＤ２８の発光光量が常に一定である場合について説明したが、本発明はこれに限定されず、例えば周囲の明るさに応じて発光光量を制御してもよい。

（３）各実施の形態では、光方向変換用光学素子２９の凹部２９０内に単一のＬＥＤ２８を収容する場合について説明したが、本発明はこれに限定されず、複数のＬＥＤ素子を収容してもよい。この場合、複数のＬＥＤ素子を所定の位置に配置し、これらＬＥＤ素子の発光光量を同時又は順次制御することにより、例えば蝋燭や回転灯といった擬似的な発光装置を構成することができ、視覚に訴える演出効果を得ることができる。

（４）各実施の形態では、青色光を発する青色ＬＥＤ素子とこの青色ＬＥＤ素子から発する青色光で励起されて黄色光を発する黄色蛍光体とを組み合わせて白色光を得る場合について説明したが、本発明はこれに限定されず、紫外光を発するＬＥＤ素子とこのＬＥＤ素子が発する紫外光で励起されてＲ（赤色）光・Ｇ（緑色）光・Ｂ（青色）光を発するＲ蛍光体・Ｇ蛍光体・Ｂ蛍光体とを組み合わせても白色光を得ることができる。

（５）各実施の形態では、ＬＥＤ素子及び蛍光体を用いて白色光を得る場合について説明したが、本発明はこれに限定されず、蛍光体を用いることなく、例えば青色ＬＥＤ素子が発する青色光と黄色ＬＥＤ素子が発する黄色光とを混合することにより白色光を得ることができる。また、青色ＬＥＤ素子が発する青色光と緑色ＬＥＤ素子が発する緑色光と赤色ＬＥＤ素子が発する赤色光とを混合することにより白色光、又は他の色の光を得ることができる。また、白色光に限らず、赤色、緑色、青色等の単色光であってもよい。

（６）各実施の形態では、青色光を発する青色ＬＥＤ素子及びこの青色ＬＥＤ素子から発する青色光で励起されて黄色光を発する黄色蛍光体をパッケージで封止して白色光を得る場合について説明したが、本発明はこれに限定されず、パッケージで青色ＬＥＤ素子のみを封止するとともに、黄色蛍光体を光拡散部材４の光入射面側に配置することにより、白色光を得ることができる。

（７）各実施の形態では、面発光ユニット３，３，…が同種類である場合について説明したが、本発明はこれに限定されず、各面発光ユニット内で発光ランプが発する色やその個数・位置を異にする複数種の面発光ユニットであってもよい。

（８）各実施の形態では、発光ランプ７，７，…及び発光ランプ１０３，１０３，…の電気的な接続が直列である場合について説明したが、本発明はこれに限定されず、並列であっても勿論よい。

（９）各実施の形態では、面発光ユニット３，３，…からの出射光を一方向に取り出す場合について説明したが、本発明はこれに限定されず、複数方向に取り出すようにしても何等差し支えない。

（１０）各実施の形態では、複数の面発光ユニット３，３，…（又は１０１，１０１，…）が同一の平面内で縦横方向に並列して配置され、複数の発光ランプ７，７，…（又は１０３，１０３，…）がユニット横方向に並列して配置され、かつ複数の面発光ユニット３，３，…（又は１０１，１０１，…）のうち縦方向に互いに隣接する２つの面発光ユニット３，３，…（又は１０１，１０１，…）において正方形頂点（図１に示す位置）に配置されている場合について説明したが、本発明はこれに限定されず、複数の面発光ユニットが同一の平面内で縦横方向に並列して配置され、複数の発光ランプがユニット横方向に並列して配置され、かつ複数の面発光ユニットのうち縦方向に互いに隣接する２つの面発光ユニットにおいて千鳥状に配置されているものでもよい。また、複数の面発光ユニットが同一の曲面内で縦横方向に並列して配置され、複数の発光ランプがユニット横方向に並列して配置され、かつ複数の面発光ユニットのうち縦方向に互いに隣接する２つの面発光ユニットにおいて正方形頂点に又は千鳥状に配置されているものでもよい。

（１１）各実施の形態では、ＬＥＤ２８は、ＬＥＤ素子２８４を封止樹脂２８６で封止した構造のものを用いたが、ＬＥＤ素子のみでもよい。

本発明に係る光源モジュール、面発光ユニット及び面発光装置は、映像・看板等の表示や店舗用の照明等として有用である。

１…面発光装置、２…ケース、２Ａ，２Ｂ…側面板、２ａ，２ｂ…光反射部、
２Ｃ…背面板、２ｃ…ユニット実装面、３，１０１…面発光ユニット、４…光拡散部材、
５，１０２…ユニット本体、５Ａ…配置空間、６，１０６…回路基板、
６Ａ，６Ｂ…ピン孔、７，１０３…発光ランプ、８…シール部材、８Ａ…素子挿通孔、
８Ｂ…シール部、８Ｃ…第１ケーブル挿通孔、８Ｄ…第２ケーブル挿通孔、１０…ベース、
１０Ａ，１０Ｂ…枠体、１１…カバー、１１Ａ…開口部、１１Ｂ…光取出面、
１２…取付片、１３…凹溝、１４…段状部、
１５，１６，１７，１８，２１，２２，１０６Ｃ…切り欠き、１９…嵌合突起、
１９Ａ…補強部、２０…嵌合空間、２４，２６，１０７…ケーブル、２８…ＬＥＤ、
２９，１０５…光方向変換用光学素子、２９Ａ…光入射面、２９ａ…鍔部、
２９ｂ…第１光入射面、２９ｃ…第２光入射面、２９Ｂ…光反射面、
２９Ｃ…光出射面、２９Ｄ…光反射面、２９Ｅ…拡散面、１０２Ａ…凹部、
１０２Ｂ…貫通孔、１０４…ホルダ片、１０４Ａ…段状部、
１０６Ａ…第１位置決め用ピン、１０６Ｂ…第２位置決め用ピン、
１０６Ｄ…樹脂充填用の空間部、１０６Ｅ…基板接続用の空間部、
１０８，１０９，２９０，２９１…凹部、１１０…電子部品、Ｇ…空隙、ＬＢ…光線、
Ｏ…中心軸線、Ｖ１…仮想面、ａ…光学素子形成用素材、ｂ…法線、２８１…凹部、
２８１ａ…傾斜面、２８１ｂ…底面、２８２…パッケージ、２８３Ａ，２８３Ｂ…リード、
２８４…青色ＬＥＤ素子、２８５…蛍光体、２８６…封止樹脂

Claims (2)

1. 発光素子と、
   前記発光素子から出射される光を入射する光入射面、前記光入射面から入射した光を反射する光反射面、及び前記光反射面で反射した光を外部に出射する光出射面を有する光方向変換素子と、
   前記光方向変換素子に混入され、前記光入射面から入射した前記光を前記光反射面を透過する方向を含む各方向に拡散させる光拡散剤と、
   を備えた光源モジュール。
2. 複数の請求項１に記載の光源モジュールと、
   前記複数の光源モジュールの前記光方向変換素子の前記光出射面から出射された光、及び前記光反射面を透過する方向の光の混合光を光拡散部材に入射し、前記光拡散部材の光出射面から面状に出射する面発光装置。

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