JP2015095488A - Ｌｅｄ照明装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 従来のＬＥＤ素子の上面に反射層を設け、側面に蛍光樹脂を設けた上面反射方式のＬＥＤモジュールを複数個用いたＬＥＤ照明装置においては、ＬＥＤ素子上面の指向性の強い発光特性は抑えられるが、反射層の遮光によって出射光の方向が制限されて、光量不足による暗さと、照明ムラが発生する問題があった。
【解決手段】 バンプタイプのＬＥＤ素子の上面に反射層を、側面に蛍光体層を形成したＬＥＤモジュールを基板上に複数個実装し、前記基板上面を透明カバーで被覆した構成によりＬＥＤ素子の上面に設けた反射層と、全体を覆う透明カバーとを組み合わせて、ＬＥＤ素子からの発光を透明カバー内の反射層や反射体との間で反射を繰り返させることによって、光量の有効活用と放射角度の多様化を行い、明るくてムラの無いＬＥＤ照明装置を実現した。
【選択図】 図４

Description

本発明はＬＥＤ素子を発光源とするＬＥＤ照明装置に関するものであり、詳しくはＬＥＤ素子の上面に反射層を、側面に蛍光体層を形成したＬＥＤモジュールを基板上に複数個実装し、前記基板上面を透明カバーで被覆することによって、出射効率を高め、かつ出射光のむらを少なくしたＬＥＤ照明装置に関する。

近年、ＬＥＤ素子は半導体素子であるため、長寿命で優れた駆動特性を有し、さらに小型で発光効率が良く、鮮やかな発光色を有することから、カラー表示装置のバックライトや照明装置等に広く利用されるようになってきた。

特に近年、ＬＥＤ素子の発光特性として知られている強い指向性を緩和するため、ＬＥＤ素子の周囲を透光部材である透光性樹脂で被覆し、さらに被覆した透光性樹脂の上面側に反射層を設けた上面反射層方式ＬＥＤモジュール（例えば特許文献１）が提案されている。

以下、反射部材（反射層）を透光性部材の上面に配設した従来のＬＥＤモジュールに付いて説明する。なお、理解し易いように発明の趣旨を外さない範囲において図面を一部簡略化し、また部品名称も本願にそろえている。図１１は特許文献１に示されたＬＥＤモジュール１００の断面図である。ＬＥＤモジュール１００は、回路基板１０２の上面に配設した配線電極（図示せず）にフリップチップ実装したＬＥＤ素子１０１と、ＬＥＤ素子１０１を覆うようにして封止する透光性樹脂１０４と、透光性樹脂１０４の側面に形成した蛍光樹脂１０５と、透光性樹脂１０４の上面に形成した反射部材１０６を備えている。

次に上記ＬＥＤ照明装置１００の発光動作を説明する。回路基板１０２の駆動電極（図示せず）より、ＬＥＤ素子１０１へ駆動電圧を供給するとＬＥＤ素子１０１が発光する。仮に反射部材１０６がない場合、ＬＥＤ素子１０１は側面方向と上面方向に光を出射するが上面方向への出射光が強いため、ＬＥＤモジュール１００としては上方への出射光は極めて強くなる。このため、ＬＥＤモジュール１０１の真上が極端に強く周辺が弱い発光状態となる。このＬＥＤモジュール１００を照明装置に組み込むと輝度むらが生じる。つまりこの照明装置はＬＥＤモジュール１００の中心のみ明るく周囲が暗いものとなる。

上記問題を解決するために、ＬＥＤモジュール１００では、ＬＥＤ素子１０１を封止している透光性樹脂１０４の上面に反射部材１０６を配設している。すなわち、ＬＥＤ１０１からの発光を反射部材１０６で反射させて側面から放射させる反射光Ｐｓ１，Ｐｓ２と、ＬＥＤ１０１からの発光を直接側面方向へ出射させる側面光Ｐｏ１〜Ｐｏ４とによって、側面方向への出射光量を増加させている。この結果ＬＥＤ素子１０１の真上の極端に強い放射光を反射部材１０６によって反射させ、その反射光を周囲から放射させることによって、ＬＥＤモジュール１００の正面が局部的に明るくなるという配光むらを改善している。
なお、前記ＬＥＤ素子１０１として青色ＬＥＤを使用し、蛍光樹脂１０５として黄色系のＹＡＧ蛍光樹脂を用いた場合はＬＥＤ発光装置１００は疑似白色発光装置となる。

特開２０１０−０４５２４８号公報（図４）

次に引用文献１に示すＬＥＤモジュール１００を複数個組み込んで照明装置を構成した場合の問題点を説明する。図１２は本願発明の参考例として、図１１に示す従来の上面反射層方式のＬＥＤモジュール１００を複数個組み込んだＬＥＤ照明装置１００Ｌの構成を示す。
すなわち図１２はＬＥＤ照明装置１００Ｌの断面図であり、大型回路基板１０２ＬにＬＥＤモジュール１００を３個直列に組み込んだ構成を示している。すなわち大型回路基板１０２Ｌの上面には配線電極１０２ａが設けられ、この配線電極１０２ａに３個のＬＥＤモジュール１００ａ、１００ｂ、１００ｃが直列接続でフリップチップ実装されており、この配線電極１０２ａはスルーホール電極１０２ｂを介して大型回路基板１０２Ｌの下面の端部の設けられた電源電極１０２ｃに接続されている。

次にＬＥＤ照明装置１００Ｌの発光動作を説明する。回路基板１０２の電源電極１０２ｃに駆動電圧を供給すると直列接続された３個のＬＥＤモジュール１００ａ〜１００ｃのＬＥＤ素子１０１が発光し、各ＬＥＤモジュール１００ａ〜１００ｃも発光するので、ＬＥＤモジュール１００ａ、１００ｂの発光動作を例示して説明する。

ＬＥＤモジュール１００ａは、図１１で説明したようにＬＥＤ素子１０１の発光は、側面方向への出射光Ｐｏ１〜Ｐｏ４と、上面の反射部材１０６で反射された反射光Ｐｓ１，Ｐｓ２が、さらには回路基板１０２や配線電極１０２ａで反射される出射光Ｐｄ１，Ｐｄ２がある。また他のＬＥＤモジュール１００ｂ，１００ｃに付いても同様の出射光が得られる。

しかし、上記ＬＥＤ照明装置１００Ｌの場合には、側面方向に出射された出射光のほとんどが、斜め上方へと出射されてしまうため、上面側の出射光が少なくなって、上面側への照明効果が減少した暗い照明装置となってしまうという問題がある。

そこで本発明の目的は、上記問題点を解決しようとするものであり、上面反射層方式のＬＥＤモジュールを複数個組み込んだＬＥＤ照明装置おいて、上面側への照明効果の減少を改善し、光量の増加と放射方向の多様化により、明るい照明装置を実現することである。

上記目的を達成するため本発明におけるＬＥＤ照明装置の構成は、バンプタイ
プのＬＥＤ素子の上面に反射層を、側面に蛍光体層を形成したＬＥＤモジュール
を基板上に複数個実装し、前記基板上面を透明カバーで被覆したことを特徴とす
る。

上記構成によれば、ＬＥＤ素子よりの発光を直接側面方向への出射光、または反射部材で反射させた側面方向への出射光を、透明カバーや反射部材によって反射を繰り返させることによって、上面方向への出射光を増加させ、光量の増加と放射方向の多様化を行って明るい照明装置を実現することができる。

前記基板上に複数個実装したＬＥＤモジュール間に、反射体を配置すると良い。

前記反射体の内部に遮光体を設けると良い。

前記反射体は白色反射樹脂であり、前記遮光体は黒色樹脂であると良い。

上記構成によれば、各ＬＥＤモジュールから隣接するＬＥＤモジュールに向かう低い位置の放射光を、ＬＥＤ照明装置の上面方向に反射させて有効に光量増加を行うことができると共に、隣接するＬＥＤモジュールの蛍光樹脂を再励起することを防止できるので色むらの発生も防止できる。

前記反射層がハーフミラーであると良い。

上記構成によれば、ＬＥＤモジュールの反射部材の上面の明るさを制御できるので、ＬＥＤ照明装置としての明るさのバランスを調整することができる。

上記の如く本発明によれば、ＬＥＤ素子よりの発光を直接側面方向への出射光、または反射部材で反射させた側面方向への出射光を、透明カバーや反射部材によって反射を繰り返させることによって、上面方向への出射光を増加させ、光量の増加と放射方向の多様化を行って明るい照明装置を実現することがである。

本発明のＬＥＤ照明装置に用いるＬＥＤモジュールの断面図である 本発明のＬＥＤ照明装置に用いるＬＥＤモジュールの断面図である 本発明の第１実施形態におけるＬＥＤ照明装置の断面図である。 図３に示すＬＥＤ照明装置の発光状態を示す断面図である。 本発明の第２実施形態におけるＬＥＤ照明装置の断面図である。 図５に示すＬＥＤ照明装置の発光状態を示す断面図である。 本発明の第３実施形態におけるＬＥＤ照明装置の断面図である。 図７に示すＬＥＤ照明装置の発光状態を示す断面図である。 本発明の第４実施形態におけるＬＥＤ照明装置の断面図である。 図９に示すＬＥＤ照明装置の発光状態を示す断面図である。 従来のＬＥＤ照明装置に用いるＬＥＤモジュールの断面図である 従来のＬＥＤ照明装置の断面図である。 図１２に示すＬＥＤ照明装置の発光状態を示す断面図である。

（本発明に使用されるＬＥＤモジュール）
以下図面により、本発明で用いるＬＥＤモジュールについて説明する。図１、図２は本発明で用いるＬＥＤモジュールの断面図であり、図１はＬＥＤ素子の上面を反射部材で被覆した反射部材方式のＬＥＤ発光装置１０、図２はＬＥＤ素子の上面をハーフミラーで被覆したハーフミラー方式のＬＥＤ発光装置２０である。
図１、図２におけるＬＥＤモジュール１０、２０の基本的構成は図１１に示すＬＥＤモジュール１００と同じであるが、異なるところはＬＥＤモジュール１００においてＬＥＤ素子１０１の周囲を被覆していた透明樹脂１０４を省略してさらに小型化してものである。

すなわち、図１のＬＥＤモジュール１０は、回路基板２に実装されたＬＥＤ素子１の側面に直接蛍光樹脂５を設け、ＬＥＤ素子１の上側面に直接反射部材６を設けたものである。従ってＬＥＤモジュール１００より透明樹脂１０４のサイズだけ小型化されているが、ＬＥＤモジュール１０の発光、放射特性はＬＥＤモジュール１００と基本的に同じである。

すなわち、ＬＥＤ素子１の発光は、両側面方向への出射光Ｐｏ１〜Ｐｏ３と、上面の反射部材６で反射され、さらには回路基板２で反射される出射光Ｐｄ１，Ｐｄ２がある。また、図２に示すＬＥＤ素子２０は、ＬＥＤ素子１０の反射部材６に替えてハーフミラー１６を設けているので、ＬＥＤ素子の発光の一部がハーフミラー１６によって反射されてＬＥＤモジュール１０の側面より出射光Ｐｄ１，Ｐｄ２として出射され、また一部は直接ハーフミラー１６を通過して上方に放射される出射光Ｐｈ１、Ｐｈ２が存在する。

（第１実施形態）
次に本発明のＬＥＤ照明装置の第１実施形態を説明する。図３、図４は本発明の第１実施形態におけるＬＥＤ発光装置を示し、図３は本発明の第１実施形態におけるＬＥＤ発光装置１０Ｌの断面図、図４は図３に示すＬＥＤ発光装置１０Ｌの発光状態を示す断面図である。

図３に示すＬＥＤ発光装置１０Ｌの断面図において、回路基板２の上面には配線電極２ａが形成され、この配線電極２ａには図１で説明した３個のＬＥＤモジュール１０ａ，１０ｂ，１０ｃが直列接続でフリップチップ実装されており、配線電極２ａの両端はスルーホール電極２ｂを介して回路基板２の下面に設けられた電源電極２ｃに接続されている。さらに回路基板２に実装された３個のＬＥＤモジュール１０ａ，１０ｂ，１０ｃを覆うように回路基板２の上面側は透明カバー７で被覆されている。

次に図４によりＬＥＤ照明装置１０Ｌの発光動作を説明する。３個の並んだＬＥＤモジュールの左側にあるＬＥＤモジュール１０ａ、１０ｂを事例として発光動作を説明する。ＬＥＤモジュール１０ａの左側からの側方への出射光Ｐｏ１，Ｐｏ２は透明カバー７の側面に当って、その一部が実線で示すように通過して出射されるが、その一部は点線示す様に反射した後に透明カバー７の上面から出射光Ｐｓ１，Ｐｓ２として出射していく。なお、出射光Ｐｓ１，Ｐｓ２は透明カバー７の上面でも反射が行われるが、図解を容易にするため１回目の反射までを記載している。

またＬＥＤモジュール１０ａの右側からの側方への出射光Ｐｏ３は透明カバー７の上面に入射し、そのー部は実線で示すように通過して出射されるが、他の一部は点線で示す様に反射した後に、隣接するＬＥＤモジュール１０ｂの反射部材６でさらに反射が行われ、透明カバー７の上面から出射光Ｐｓ３として出射していく。また、右側からの側方への出射光Ｐｏ４は透明カバー７の上面に入射し、全反射が行われて一つおきのＬＥＤモジュール１０ｃの反射部材６で反射し、その反射光は透明カバー７の上面から出射光Ｐｓ４として出射していく。
さらにＬＥＤモジュール１０ａ内部で反射部材に入射して反射した反射光は回路基板２の配線電極２ａ等による反射がおこなわれて透明カバー７の上面から出射光Ｐｄ１、Ｐｄ２として出射していく。

なお、他の２個のＬＥＤモジュール１０ｂ、１０ｃにおいても重複する説明は省略したが、同様の反射を繰り返す動作により、多くの出射光がＬＥＤ照明装置１０Ｌの上方に集光された照明を行うことができる。
以上の説明で解る通り、本発明の特徴は各ＬＥＤモジュールにおける反射部材の上面側を、透明カバー７からの反射光を更に反射して戻す機能に利用することによって、無駄になる出射光を有効に反射させて光量の増加と、出射方向の多様化をはかり、ＬＥＤ照明装置の照明効果を高めているものである。

（第２実施形態）
次に図５、図６により本発明の第２実施形態におけるＬＥＤ照明装置の構成を説明する。図５、図６は本発明の第２実施形態におけるＬＥＤ照明装置を示し、図５は本発明の第２実施形態におけるＬＥＤ照明装置２０Ｌの断面図、図６は図５に示すＬＥＤ照明装置２０Ｌの発光状態を示す断面図である。

図５に示すＬＥＤ照明装置２０Ｌの断面図において、基本的構成は図３に示すＬＥＤ照明装置１０Ｌと同じであり、同一要素または共通する要素には同一番号を付し、重複する説明は省略する。すなわち第２実施形態におけるＬＥＤ照明装置２０Ｌが第１実施形態におけるＬＥＤ照明装置１０Ｌと異なるところは、回路基板２の上面に配線電極２ａが形成され、この配線電極２ａには図１で説明した３個のＬＥＤモジュール１０ａ，１０ｂ，１０ｃが直列接続でフリップチップ実装されていることは同じだが、各ＬＥＤモジュール間と、ＬＥＤモジュールと１０ａ、１０ｃと透明カバー７の側壁との間に反射体８ａ〜８ｄを配置したことである。この反射体８は例えば透明樹脂に散乱体粒子を混入した白色樹脂を用いており、その高さは、略ＬＥＤモジュール１０の高さと同じくらいが良い。

次に図６により、ＬＥＤ照明装置２０Ｌの発光動作を説明する。ＬＥＤ照明装置２０Ｌの発光動作は基本的にＬＥＤ照明装置１０Ｌの発光動作と同じであり、同一発光及び同一放射光には同一番号を付して、重複する説明は省略する。従ってＬＥＤ照明装置２０Ｌの発光動作として、ＬＥＤ照明装置１０Ｌの発光動作と異なる部分に付いて説明する。

ＬＥＤモジュール１０ａと１０ｂを例示して説明すると、ＬＥＤモジュール置１０ａの左側の低い位置から側方に放射された放射光Ｐｏ２は反射体８ａの斜面で反射されて透明カバー７の上面より出射光Ｐｓ２として出射される。またＬＥＤモジュール１０ａの右側の低い位置から側方に放射された放射光Ｐｏ５は反射体８ｂの斜面で反射されて透明カバー７の上面より出射光Ｐｓ５として出射される。また、ＬＥＤモジュール１０ｂの左側の低い位置から側方に放射された放射光Ｐｏ６は反射体８ｂの斜面で反射されて透明カバー７の上面より出射光Ｐｓ６として出射される。またＬＥＤモジュール１０ｂの右側の低い位置から側方に放射された放射光Ｐｏ７は反射体８ｃの斜面で反射されて透明カバー７の上面より出射光Ｐｓ７として出射される。

なお、反射体８は透明樹脂に散乱体粒子を混入した白色樹脂を用いているため、完全な反射性を有するものではないので、ＬＥＤモジュールの低い位置から側方に放射された放射光Ｐｏ５、Ｐｏ６は、反射体８ｂによって１００％反射されることはなく、点線で示す如く反射体８ｂを通過する通過光Ｐｎ１、Ｐｎ２として隣接するＬＥＤモジュール１０に到達し、その蛍光樹脂５を再励起する結果となる。

（第３実施形態）
次に図７、図８により本発明の第３実施形態におけるＬＥＤ照明装置の構成を説明する。図７、図８は本発明の第３実施形態におけるＬＥＤ照明装置を示し、図７は本発明の第３実施形態におけるＬＥＤ照明装置３０Ｌの断面図、図８は図７に示すＬＥＤ照明装置３０Ｌの発光状態を示す断面図である。

図７に示すＬＥＤ照明装置３０Ｌの断面図において、基本的構成は図５に示すＬＥＤ照明装置２０Ｌと同じであり、同一要素または共通する要素には同一番号を付し、重複する説明は省略する。すなわち第３実施形態におけるＬＥＤ照明装置３０Ｌが第２実施形態におけるＬＥＤ照明装置２０Ｌと異なるところは、回路基板２の上面に配線電極２ａが形成され、この配線電極２ａには図１で説明した３個のＬＥＤモジュール１０ａ，１０ｂ，１０ｃが直列接続でフリップチップ実装され、ＬＥＤモジュールと１０ａ、１０ｂ、１０ｃと透明カバー７の側壁との間に反射体８ａ〜８ｄを配置したことは同じだが、さらに、各反射体８ａ〜８ｄの内部に遮光体９ａ，９ｂ，９ｃ，９ｄが設けられていることである。

次に図８により、ＬＥＤ照明装置３０Ｌの発光動作を説明する。ＬＥＤ照明装置３０Ｌの発光動作は基本的にＬＥＤ照明装置２０Ｌの発光動作と同じであり、同一発光及び同一放射光には同一番号を付して、重複する説明は省略する。従ってＬＥＤ照明装置３０Ｌの発光動作として、ＬＥＤ照明装置２０Ｌの発光動作と異なる部分に付いて説明する。

ＬＥＤモジュール１０ａと１０ｂを例示して説明すると、ＬＥＤモジュール１０ａの左側の低い位置から側方に放射された放射光Ｐｏ２は反射体８ａの斜面で反射されて透明カバー７の上面より出射光Ｐｓ２として出射される。またＬＥＤモジュール１０ａの右側の低い位置から側方に放射された放射光Ｐｏ５は反射体８ｂの斜面で８０％は反射されて透明カバー７の上面より出射光Ｐｓ５として出射されるが、残りの２０％が反射体８ｂを通過する通過光Ｐｎ１として隣接するＬＥＤモジュール１０ｂに到達し、その蛍光樹脂５を再励起していたが、遮光体９ｂを設けることによって、通過光Ｐｎ１は遮光体９ｂによって遮光されてＬＥＤモジュール１０ｂに到達せず、蛍光樹脂５の再励起を防止することができる。

同様に、ＬＥＤモジュール１０ｂの左側の低い位置から側方に放射された放射光Ｐｏ６は反射体８ｂの斜面で８０％が反射されて透明カバー７の上面より出射光Ｐｓ６として出射され、残りの２０％が反射体８ｂを通過する通過光Ｐｎ２として隣接するＬＥＤモジュール１０ａに到達し、その蛍光樹脂５を再励起していたが、遮光体９ｂを設けることによって、通過光Ｐｎ２は遮光体９ｂによって遮光されてＬＥＤモジュール１０ａに到達せず、蛍光樹脂５の再励起を防止することができる。同様に他のＬＥＤモジュール１０と反射体８及び遮光体９による動作が行われ、低い位置から側方に放射された放射光Ｐｏは８０％が反射されて有効な放射光となり、残りの２０％による隣接するＬＥＤモジュール１０に対する、蛍光樹脂５の再励起による色ムラ等の障害を防止することができる。

（第４実施形態）
次に図９、図１０により本発明の第４実施形態におけるＬＥＤ照明装置の構成を説明する。図９、図１０は本発明の第４実施形態におけるＬＥＤ照明装置を示し、図９は本発明の第４実施形態におけるＬＥＤ照明装置４０Ｌの断面図、図１０は図９に示すＬＥＤ照明装置４０Ｌの発光状態を示す断面図である。

図９に示すＬＥＤ照明装置４０Ｌの断面図において、基本的構成は図３に示すＬＥＤ照明装置１０Ｌと同じであり、同一要素または共通する要素には同一番号を付し、重複する説明は省略する。すなわち第４実施形態におけるＬＥＤ照明装置４０Ｌが第１実施形態におけるＬＥＤ照明装置１０Ｌと異なるところは、ＬＥＤ照明装置１０Ｌでは回路基板２の上面に実装された３個のＬＥＤモジュールが、図１に示すＬＥＤモジュール１０ａ，１０ｂ，１０ｃであったのに対し、ＬＥＤ照明装置４０Ｌでは回路基板２の上面に実装された３個のＬＥＤモジュールが図２に示したLEDモジュール２０ａ，２０ｂ，２０ｃになっていることである。すなわち、ＬＥＤモジュール１０ａ，１０ｂ，１０ｃではＬＥＤ素子１の上面に反射体６が配置されたのに対し、ＬＥＤモジュール２０ａ，２０ｂ，２０ｃでは、ＬＥＤ素子１の上面にハーフミラー１６が配置されていることである。

次に図１０により、ＬＥＤ照明装置４０Ｌの発光動作を説明する。ＬＥＤ照明装置４０Ｌの発光動作は基本的に図４に示すＬＥＤ照明装置１０Ｌの発光動作と同じであり、異なるところはＬＥＤ照明装置１０Ｌの放射光に加えて、各ＬＥＤモジュール２０ａ，２０ｂ，２０ｃの上面方向にハーフミラー１６を通過した貫通光Ｐｈ１、Ｐｈ２が増加されており、ＬＥＤ照明装置１０Ｌに対して、各ＬＥＤモジュール２０ａ，２０ｂ，２０ｃの上部の光量が増加して、全体として明るいＬＥＤ照明装置となっている。

上記の如く、本発明のＬＥＤ照明装置は、上面に反射体またはハーフミラーのような反射層を備えたＬＥＤモジュールと、全体を覆う透明カバーとを組み合わせて、ＬＥＤ素子からの発光を透明カバー内の反射層や反射体との間で反射を繰り返させることによって、光量の有効活用と放射角度の多様化を行い、明るくてムラの無いＬＥＤ照明装置を実現している。

１、１０１ ＬＥＤ素子
２、１０２ 回路基板
５，１０５ 蛍光樹脂
６，１０６ 反射部材
７ 透明カバー
８ 反射体
９ 遮光体
１０，２０、１００ ＬＥＤモジュール
１０Ｌ．２０Ｌ、３０Ｌ・４０Ｌ、１００Ｌ ＬＥＤ照明装置
１６ ハーフミラー
１０４ 透明樹脂

Claims (5)

1. バンプタイプのＬＥＤ素子の上面に反射層を、側面に蛍光体層を形成したＬＥＤモジュールを基板上に複数個実装し、前記基板上面を透明カバーで被覆したことを特徴とするＬＥＤ照明装置。
2. 前記基板上に複数個実装したＬＥＤモジュール間に、反射体を配置したことを特徴とする請求項１記載のＬＥＤ照明装置。
3. 前記反射体の内部に遮光体を設けたことを特徴とする請求項２に記載のＬＥＤ照明装置。
4. 前記反射体は白色反射樹脂であり、前記遮光体は黒色樹脂である請求項３に記載のＬＥＤ照明装置。
5. 前記反射層がハーフミラーである請求項１から４の何れか１項に記載のＬＥＤ照明装置。
   

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