JP2017084727A - 照明モジュールおよび照明装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】半導体発光素子の特徴を生かした照明モジュールおよび照明装置を提供する。【解決手段】照明モジュールは、基板30と、基板上に配置された複数の第1光源31と、基板上に配置された少なくとも1つの第2光源32とを備え、第1光源31と第2光源32とで、波長帯域または相関色温度が異なっており、第1光源31の数は、第2光源32の数よりも多く、第2光源32の配光角は第1光源31の配光角より大きい。【選択図】図2

Description

本願は、照明モジュールおよびこれを備えた照明装置に関する。
近年、照明分野において、白熱球および蛍光ランプに替わり、半導体発光素子が用いられるようになってきた。半導体発光素子の典型例は、LED(Light Emitting Diode)である。半導体発光素子を用いることにより、白熱球および蛍光ランプに比べて寿命が長く、低消費電力の照明装置を実現し得る。
また、半導体発光素子は、用いる半導体材料により種々の発光波長の光を出射させることができる。このため、種々の発光色の半導体発光素子を組み合わせ、調色が可能な照明装置を実現することできる。半導体発光素子は、白熱電球および蛍光ランプに比べて小さいため、薄型あるいは小型の照明装置を実現したり、デザイン性に優れた照明装置を実現したりすることも可能である。
例えば、特許文献1は、昼光色LEDと電球色LEDと赤色LEDを備え、調色が可能な照明装置を開示している。
特開2015−50122号公報
本願の一実施形態は、上述した半導体発光素子の特徴を生かした照明モジュールおよび照明装置を提供する。
本開示の照明モジュールは、基板と、前記基板上に配置された複数の第1光源と、前記基板上に配置された少なくとも1つの第2光源とを備え、前記第1光源と前記第2光源とで、波長帯域または相関色温度が異なっており、前記第1光源の数は、前記第2光源の数よりも多く、前記第2光源の配光角は前記第1光源の配光角より大きい。
数の少ない第2光源の配光角がより大きいため、第1光源と第2光源との輝度分布の面内ばらつきの差を小さくできる。また、第2光源の搭載数を少なくできるため、製造コストを低減することができる。
図1は、実施形態の照明装置の一例を示す模式的な分解斜視図である。 図2は、図1に示す照明装置における照明モジュールの平面図である。 図3は、図2に示す照明モジュールに搭載された第1光源の断面図である。 図4は、図2に示す照明モジュールに搭載された第2光源の断面図である。 図5は、第1光源の配光特性を示す図である。 図6は、第2光源の配光特性を示す図である。 図7は、図1に示す照明装置における照明モジュールと灯具カバーとの位置関係を示す模式的な断面図である。 図8は、第1および第2光源の配光特性の他の例を示す図である。 図9は、第1および第2光源の配光特性のさらに他の例を示す図である。 図10Aは、バットウイング型の配光特性を有する光源の他の例を示す上面図である。 図10Bは、図10Aに示す光源のI−I断面図である。 図11Aは、バットウイング型の配光特性を有する光源の他の例を示す上面図である。 図11Bは、図11Aに示す光源のI−I断面図である。 図12は、第1および第2光源の他の例を示す断面図である。 図13は、照明モジュールにおける光源の配置の他の例を示す上面図である。 図14は、照明モジュールにおける光源の配置の他の例を示す上面図である。 図15は、シミュレーションに用いた光源の配光特性を示す図である。 図16は、シミュレーションによって求めた輝度分布を示す図である。 図17は、OD/P2の範囲を求めるためのシミュレーションに用いた光源の配光特性を示す図である。 図18は、シミュレーションによって求めた、OD/P2が0.2である場合の輝度分布を示す図である。 図19は、シミュレーションによって求めた、OD/P2が0.5である場合の輝度分布を示す図である。 図20は、シミュレーションによって求めた、OD/P2が0.8である場合の輝度分布を示す図である。
照明装置が、電球色の光源および昼光色の光源を備えている場合、主として夜間の照明に用いられる電球色の光源の数は、昼光色の光源の数よりも少なくてよい。しかし、この場合、電球色の光源の、照明装置における単位面積当たりの数が少なくなる。このため、電球色の光源のみを点灯させた場合、照明装置における輝度ムラが生じやすくなり、電球色に調色した場合の照明装置の美観が損なわれる可能性がある。
美観を損なわないようにするためには、例えば、光源からの光を拡散させるカバーを光源からより離間させて保持することが考えられる。しかし、この場合、照明装置全体が厚くなってしまい、白熱電球および蛍光ランプに比べて小さいという、半導体発光素子の特徴を生かすことできなくなってしまう。
また、電球色の光源の数を昼光色の光源の数と同じにし、供給する電力を小さくして電球色の光源の暗く点灯させることが考えられる。しかし、この場合には、電球色の光源の数を減らすことができず、また、調光のための制御回路を設ける必要がある等、照明装置のコストを低減することが困難となる。
本願発明者はこのような課題に鑑み、新規な構造を有する照明モジュールおよび照明装置を想到した。以下、照明モジュールおよび照明装置の実施形態の一例を詳細に説明する。以下に示す実施形態は例示であって、本発明を限定するものではない。
(照明装置全体の構造)
図1は、本実施形態の照明モジュールおよび照明装置の一例を示す分解斜視図である。照明装置11は、筐体21と、照明モジュール22と、制御回路23と、カバー24とを備える。制御回路23には外部の交流電源または直流電源から電力の供給を受ける配線が接続される。また、制御回路23と照明モジュール22との間も配線によって電気的に接続されている。
筐体21は、照明モジュール22および制御回路23を支持し、収納する。また、筐体21は、照明モジュール22に対して所定の間隔を隔ててカバー24を支持する。本実施形態では、筐体21は、例えば、底部21eと、4つの側部21a、21b、21c、21dとを含み、底部21eの一面に照明モジュール22および制御回路23が配置される。底部21eと、4つの側部21a、21b、21c、21dとによって形成される空間内に照明モジュール22および制御回路23が位置している。図1に示すように底部21eの平面をx軸およびy軸にとり、照明装置11の厚さ方向をz軸にとる。
照明モジュール22は、波長帯域または相関色温度が異なる複数種の光源26を備えている。照明モジュール22の構造は以下において詳述する。
制御回路23は、例えば、電源回路23aおよび受信回路23bを含む。電源回路23aは、外部から受ける電力を、照明モジュール22に備えられた光源26に適した電圧および電流に変換し、照明モジュール22へ出力する。また、制御回路23は、操作者からの指令に基づき光源26のオン/オフの制御、電流値の制御等を行うことによって、照明モジュール22全体から出射する光の調色を行う。光の強さの調節、つまり、調光を行ってもよい。
操作者からの指令は、例えば、リモコン25によって行われる。リモコン25は、操作者からの入力を受け付け、入力に基づく制御信号を送信する。受信回路23bはリモコン25から送信される制御信号を受信し、制御信号が電源回路23aへ出力される。
カバー24は、筐体21によって形成される空間を閉塞することにより、筐体21内部へ埃等の異物が侵入するのを抑制する。また、照明モジュール22の光源26から出射する光がカバー24を透過する際、拡散させることにより、照明モジュール22から出射する光のムラを抑制する。つまり、カバー24は、拡散板として機能する。
(照明モジュールの構造)
図2は、照明モジュール22の平面図を示す。照明モジュール22は、基板30と、基板30に配置された複数種の光源26を含む。光源26は複数の第1光源31および複数の第2光源32を含む。照明モジュール22において、第2光源32の数は、第1光源31の数よりも少ない。夜間に求められる室内の明るさ、つまり照度は、昼間に求められる照度よりも小さいからである。例えば、第2光源32の数は、第1光源31の数の4/5以下である。
本実施形態では、基板30において、第1光源31および第2光源32はそれぞれ2次元に配列されている。図2に示すように、2次元の配列方向を直交するx方向およびy方向にとると、第1光源31は、列L2では、x方向にピッチP1で配置されており、列L2に隣接する列L1では、x方向にピッチP2で配置されている。列L1と列L2とはy方向において、ピッチP1で交互に配置されている。一方、第2光源32は、x方向およびy方向にピッチP2で配置されている。ピッチP1、P2は、基板30上において配列される第1光源31および第2光源32の中心間距離で定義される。本実施形態では、ピッチP2はピッチP1よりも大きく、ピッチP2はピッチP1の2倍である。また、第1光源31の最短配列ピッチはピッチP1であり、第2光源32の最短配列ピッチはピッチP2である。
図2に示すように、第1光源31および第2光源32は、基板30において、混合して配置されている。ここで混合とは、複数の第1光源31が2次元に配列されている領域と複数の第2光源32が2次元に配列されている領域とが重なっていることをいう。本実施形態では、点線で示す第1光源31が配列されている領域R1が、一点鎖線で示す第2光源32が配列されている領域R2を含んでおり、領域R1と領域R2とは重なっている。
このように、照明モジュール22において、第2光源32の数が第1光源31の数よりも少なく、配列ピッチも第2光源32の方が相対的に大きいため、第1光源31に比べて、第2光源32の点灯時の輝度分布のばらつきが大きくなり得る。この第2光源32の面内の輝度分布のばらつきを小さくするため、第2光源32は、第1光源31よりも広い配光角を有している。光源の配光の詳細については以下において詳述する。
(第1および第2光源の構造)
本実施形態では、第1光源31および第2光源32が出射する光の波長帯域または相関色温度が互いに異なっている。第1光源31および第2光源32が異なった波長帯域または相関色温度の光を出射するため、第1光源31および第2光源32の点灯を切り替えたり、第1光源31および第2光源32へ供給する電力を調節したりすることによって、照明装置11から出射する光の色合いを調節、つまり、調色を行うことができる。
第1光源31および第2光源32は互いに異なる相関色温度の白色光を出射してもよい。この場合、第2光源32の相関色温度は、第1光源31の相関色温度よりも低いことが好ましい。例えば、第1光源31は昼光色の光を出射し、第2光源32は電球色の光を出射することが好ましい。前述したように、夜間に求められる照明は昼間よりも暗くてよいため、主として夜間の照明に用いられる電球色の光を出射する第2光源32の数を減らし、照明装置のコストを低減することができる。電球色とは、例えば、相関色温度が2000K以上4500K以下であり、昼光色とは、例えば、相関色温度が、5000K以上6500K以下である。
図3および図4は、第1光源31および第2光源32の断面構造を模式的に示している。第1光源31と第2光源32とにおいて、出射する光の波長帯域または相関色温度が異なっている。また、第2光源32の配光は、第1光源31の配光よりも広い。
図3に示すように、第1光源31は、基板30上に配置された第1発光素子41と、第1発光素子41の出射面41aを少なくとも覆う第1被覆部材51とを含む。基板30は、基体35と、導体配線36と、絶縁部材37とを含む。また、図4に示すように、第2光源32は、基板30上に配置された第2発光素子42と、第2発光素子42の出射面42aを少なくとも覆う第2被覆部材52とを含む。
以下、まず、第1光源31と第2光源32とにおいて、共通する部材の説明を行う。基体35は、第1および第2発光素子41、42を支持する。基体35はその表面に、第1および第2発光素子41、42に電力を供給するための導体配線36を有している。基板30がフレキシブル基板である場合、基体35の材料としては、例えば、フェノール樹脂、エポキシ樹脂、ポリイミド樹脂、BTレジン、ポリフタルアミド(PPA)、ポリエチレンテレフタレート(PET)等の樹脂が挙げられる。なかでも、低コストと、成型容易性の点から、基体35としてこれらの樹脂を材料として選択することが好ましい。基板の厚さは適宜選択することができ、ロール・ツー・ロール方式で製造可能なフレキシブル基板、あるいはリジット基板のいずれであってもよい。リジット基板は湾曲可能な薄型リジット基板であってもよい。低コストおよび成型容易性の観点では、基体35としてこれらの樹脂を選択することが好ましい。あるいは、耐熱性および耐光性の観点から、基体35としてセラミックスを選択してもよい。セラミックスとしては、例えば、アルミナ、ムライト、フォルステライト、ガラスセラミックス、窒化物系(例えば、AlN)、炭化物系(例えば、SiC)、LTCC等が挙げられる。なかでも、アルミナから形成されたまたはアルミナを主成分とするセラミックスを基体35として好適に用いることができる。
基体35を構成する材料に樹脂を用いる場合、ガラス繊維、SiO2、TiO2、Al23等の無機フィラーを樹脂に混合し、機械的強度の向上、熱膨張率の低減、光反射率の向上等を図ってもよい。また、基体35としては、導体配線36を絶縁分離できるものであればよく、金属部材に絶縁層を形成している、いわゆる金属基板を用いてもよい。
導体配線36は、第1および第2発光素子41、42の電極と電気的に接続され、外部からの電力を第1および第2発光素子41、42に供給する。すなわち、外部から通電させるための電極またはその一部としての役割を担う。通常、正と負の少なくとも2つに離間して形成される。
導体配線36は、第1および第2発光素子41、42を支持する基体35の少なくとも上面に形成される。導体配線36の材料は、基体35として用いられる材料、製造方法等によって適宜選択することができる。例えば、基体35の材料としてセラミックを用いる場合は、導体配線36の材料は、セラミックスシートの焼成温度にも耐え得る高融点を有する材料が好ましく、例えば、タングステン、モリブデンのような高融点の金属を用いるのが好ましい。高融点を有する材料上に、めっき、スパッタリング、蒸着などにより、ニッケル、金、銀など他の金属材料を設けてもよい。
また、基体35の材料としてガラスエポキシ樹脂を用いる場合は、導体配線36の材料は、加工し易い材料が好ましい。さらに、基板重量の軽減による照明装置の軽量化および照明装置の薄型化の効果を高められるため、基体35の材料として湾曲可能な薄型リジット基板を選択することが好ましい。
また、射出成型されたエポキシ樹脂を用いる場合には、導体配線36の材料は、打ち抜き加工、エッチング加工、屈曲加工などの加工がし易く、かつ、比較的大きい機械的強度を有する部材が好ましい。具体例としては、銅、アルミニウム、金、銀、タングステン、鉄、ニッケル等の金属、または、鉄−ニッケル合金、りん青銅、鉄入り銅、モリブデン等の金属層、リードフレーム等が挙げられる。また、その表面を、さらに金属材料で被覆してもよい。この材料は特に限定されないが、例えば、銀のみ、あるいは、銀と、銅、金、アルミニウム、ロジウム等との合金、または、銀およびこれら合金を用いた多層膜とすることができる。また、金属材料の配置方法は、めっき法の他にスパッタ法または蒸着法などを用いることができる。
接続部材38は、第1および第2発光素子41、42を基体35または導体配線36に固定する。接続部材38は、絶縁性または導電性を有する。図3および図4に示すように、第1および第2発光素子41、42が導体配線36にフリップチップ実装される場合、接続部材38は導電性を有する。具体的にはAu含有合金、Ag含有合金、Pd含有合金、In含有合金、Pb−Pd含有合金、Au−Ga含有合金、Au−Sn含有合金、Sn含有合金、Sn−Cu含有合金、Sn−Cu−Ag含有合金、Au−Ge含有合金、Au−Si含有合金、Al含有合金、Cu−In含有合金、金属とフラックスの混合物等を挙げることができる。第1および第2発光素子41、42の裏面に設けられた電極と、導体配線36が接続部材38によって電気的に接続される。
接続部材38を形成する導電性材料は、液状、ペースト状、固体状(シート状、ブロック状、粉末状、ワイヤー状)であってよく、組成および基体35の形状等に応じて、適宜選択することができる。また、これらの接続部材38は、単一部材で形成してもよく、あるいは、数種のものを組み合わせて用いてもよい。
接続部材38が絶縁性を有する場合には、種々の樹脂製の接着材等を用いることができる。この場合には、接続部材38は第1および第2発光素子41、42を基体35に接続してもよい。また、導体配線36と第1および第2発光素子41、42とは電気的に接続される。
導体配線36の、第1および第2発光素子41、42および他の要素と電気的に接続する部分以外は絶縁部材37で被覆されていることが好ましい。例えば、絶縁部材37は、導体配線36および露出した基体35の表面を覆うソルダーレジスト等の絶縁性樹脂であってもよいし、酸化ケイ素、窒化ケイ素などの絶縁性の堆積層であってもよい。絶縁性樹脂は、第1および第2発光素子41、42からの光の吸収が少ない材料であり、絶縁性であれば特に限定されない。例えば、エポキシ、シリコーン、変性シリコーン、ウレタン樹脂、オキセタン樹脂、アクリル、ポリカーボネイト、ポリイミド等を絶縁部材37に用いることができる。
絶縁部材37を配置させる場合には、導体配線36の絶縁を行う目的だけでなく、以下に述べるアンダーフィル材料と同様な白色系のフィラーを絶縁部材37に含有させることにより、光の漏れおよび吸収を防いで、照明モジュール22の光取り出し効率を上げることもできる。
第1および第2発光素子41、42をフリップチップ実装する場合には、第1および第2発光素子41、42と基体35との間にアンダーフィル39が形成されていることが好ましい。アンダーフィル39は、母材と、母材に分散したフィラーとを含む、フィラーは、第1および第2発光素子41、42からの光を効率よく反射できるようにすること、および、第1および第2発光素子41、42と基体35との熱膨張率の差により発生する応力を緩和させることを目的として添加されている。
アンダーフィル39の母材は、発光素子からの光の吸収が少ない材料であれば、特に限定されない。例えば、エポキシ、シリコーン、変性シリコーン、ウレタン樹脂、オキセタン樹脂、アクリル、ポリカーボネイト、ポリイミド等を用いることができる。
アンダーフィル39のフィラーとしては、白色系のフィラーであれば、光がより反射され易くなり、光の取り出し効率の向上を図ることができる。また、フィラーとしては、無機化合物を用いるのが好ましい。ここでの白色とは、フィラー自体が透明であった場合でもフィラーの周りの材料と屈折率差がある場合に散乱で白色に見えるものも含む。
フィラーの反射率は、発光波長の光に対して50%以上であることが好ましく、70%以上であることがより好ましい。このようにすれば、照明モジュール22の光の取り出し効率を向上させることができる。また、フィラーの平均粒径は、1nm以上10μm以下が好ましい。フィラーの平均粒径をこの範囲とすることで、アンダーフィルとしての樹脂流動性が良くなり、狭い隙間でも問題なく被覆することができる。なお、フィラーの粒径は、好ましくは、100nm以上5μm以下、さらに好ましくは200nm以上2μm以下である。また、フィラーの形状は、球形でも鱗片形状でもよい。
フィラーの平均粒径およびアンダーフィルの材料を適宜選択および調整することにより、発光素子の側面が、アンダーフィルによって被覆されないようにすることが好ましい。発光素子の側面を光取り出し面として確保するためである。
第1および第2発光素子41、42は特に限定されず、公知のものを利用できる。本形態においては、第1および第2発光素子41、42として発光ダイオードを用いることが好ましい。第1および第2発光素子41、42の発光波長帯域は任意に選択し得る。例えば、青色、緑色の光を出射するために、ZnSe、窒化物系半導体(InxAlyGa1-x-yN、0≦X、0≦Y、X+Y≦1)、GaP等から形成された半導体層を含んでいてもよい。また、赤色の光を出射するために、GaAlAs、AlInGaPから形成された半導体層を含んでいていてもよい。さらに、これ以外の半導体材料から形成された発光素子を用いることもできる。用いる発光素子の半導体組成、発光色、大きさおよび個数は目的に応じて適宜選択することができる。半導体層の材料およびその混晶度によって発光波長を種々選択することができる。
第1および第2発光素子41、42は、それぞれ、透光性の基板と、基板上に積層された半導体積層構造とを有する。半導体積層構造は、活性層と活性層とを挟むn型半導体層およびp型半導体層とを含む。また、第1および第2発光素子41、42は、n型半導体層およびp型半導体層にそれぞれ電気的に接続されたn型電極およびp型電極を有する。第1および第2発光素子41、42において、n型電極およびp型電極は、同一面に位置していてもよいし、異なる面に位置していてもよい。本実施形態では、図3および図4に示すように、第1および第2発光素子41、42は、出射面41a、42aが基板30と反対側に位置するように、基板30にフリップチップ実装されている。
第1被覆部材51は第1発光素子41の出射面41aを少なくとも覆って、基板30上に配置される。同様に、第2被覆部材52は第2発光素子42の出射面42aを少なくとも覆って、基板30上に配置される。第1および第2被覆部材51、52は、第1および第2発光素子41、42を外部環境から保護するとともに、第1および第2発光素子41、42から出射する光を光学的に制御する。本実施形態では、第2光源32の配光が1光源31の配光よりも広くなるように、第1および第2被覆部材51、52は、第1および第2発光素子41、42から出射する光を制御する。
第1および第2被覆部材51、52の材料としては、エポキシ樹脂、シリコーン樹脂またはそれらを混合させた樹脂、ガラスなどの透光性材料を用いることができる。これらのうち、耐光性および成形のしやすさを考慮して、シリコーン樹脂を選択することが好ましい。
第2被覆部材52は、第2発光素子42から出射する光を拡散させるための光拡散材を含有することが好ましい。光拡散材を有することで、第2発光素子42から光軸L方向に出射された光が光拡散材によって、ランダムな方向に拡散され、配光が広くなる。一方、第1被覆部材51は、光拡散材を含まないことが好ましい。光軸Lは、第1および第2発光素子41、42の中心を通る、出射面41a、42aの法線で定義される。
第1および第2被覆部材51、52は、第1および第2発光素子41、42から出射する光を吸収して、異なる波長の光を発する蛍光体等の波長変換部材、発光素子の発光色に対応した着色剤等を含有していてもよい。
波長変換部材としては、第1および第2発光素子41、42からの光を吸収し、異なる波長の光に波長変換するものであればよい。例えば、セリウムで賦活されたイットリウム・アルミニウム・ガーネット(YAG)系蛍光体、セリウムで賦活されたルテチウム・アルミニウム・ガーネット(LAG)、ユウロピウム及び/又はクロムで賦活された窒素含有アルミノ珪酸カルシウム(CaO−Al23−SiO2)系蛍光体、ユウロピウムで賦活されたシリケート((Sr,Ba)2SiO4)系蛍光体、βサイアロン蛍光体、CASN系又はSCASN系蛍光体等の窒化物系蛍光体、KSF系蛍光体(K2SiF6:Mn)、硫化物系蛍光体などが挙げられる。さらに、前記した蛍光体以外の蛍光体であって、同様の性能、作用、効果を有する蛍光体も使用することができる。
また、波長変換部材は、例えば、いわゆるナノクリスタル、量子ドットと称される発光物質でもよい。これらの材料としては、半導体材料を用いることができ、例えばII−VI族、III−V族、IV−VI族半導体、具体的には、CdSe、コアシェル型のCdSxSe1-x/ZnS、GaP等のナノサイズの高分散粒子が挙げられる。
第1光源31および第2光源32が出射する光の波長帯域または相関色温度は、第1および第2被覆部材51、52が波長変換部材を含まない場合には、第1および第2発光素子41、42の半導体層の組成によって決まる。また、第1および第2被覆部材51、52が波長変換部材を含む場合には、波長変換部材の蛍光または発光特性および第1および第2発光素子41、42の半導体層の組成によって決まる。
光拡散材としては、具体的には、SiO2、Al23、Al(OH)3、MgCO3、TiO2、ZrO2、ZnO、Nb25、MgO、Mg(OH)2、SrO、In23、TaO2、HfO、SeO、Y23、CaO、Na2O、B23などの酸化物、SiN、AlN、AlONなどの窒化物、MgF2のようなフッ化物などを用いることができる。これらは、単独で用いてもよいし、混合して用いてもよい。あるいは、第1および第2被覆部材51、52中において、複数の層に分けてこれらを積層させてもよい。
また、光拡散材として有機フィラーを用いてもよい。例えば粒子形状を有する各種樹脂を用いることができる。この場合、各種樹脂として、例えば、シリコーン樹脂、ポリカーボネイト樹脂、ポリエーテルスルホン樹脂、ポリアリレート樹脂、ポリテトラフルオロエチレン樹脂、エポキシ樹脂、シアナート樹脂、フェノール樹脂、アクリル樹脂、ポリイミド樹脂、ポリスチレン樹脂、ポリプロピレン樹脂、ポリビニルアセタール樹脂、ポリメタクリル酸メチル樹脂、ウレタン樹脂およびポリエステル樹脂などを用いることができる。
光拡散材は、実質的に第1および第2発光素子41、42から出射する光を波長変換しない材料であることが好ましい。これにより、以下において説明するように、第1および第2被覆部材51、52が所定の形状を有する場合に、第1および第2発光素子41、42の出射面41a、41bからの第1および第2被覆部材51、52の厚さが出射する方向によって異なることにより、配光色ムラを抑制することができる。
光拡散材の含有量は、光が拡散される程度であればよく、例えば0.01〜30wt%程度、好ましくは2〜20wt%程度である。また、光拡散材のサイズも同様に光が拡散される程度であればよく、例えば0.01〜30μm程度、好ましくは0.5〜10μm程度である。形状は、球形でも鱗片形状でもよいが、均一に拡散させるために球状であることが好ましい。ただし光拡散材の添加量は第2被覆部材52との屈折率差および厚さに応じて調整し得る。
第1および第2被覆部材51、52の形状は、第1および第2光源31、32の配光特性に影響する。本実施形態では、図3および図4に示すように第1および第2被覆部材51、52は、凸形状を有している。凸形状は、例えば、略半長球状、略円錐状、略円柱状、きのこ型等である。また、第1および第2被覆部材51、52の上面視における外形は円または楕円である。
図5は、第1光源31の配光特性を示し、図6は、第2光源32の配光特性を示している。配光特性は、光軸Lを含む平面において、光軸Lを0°とし、光軸Lからそれぞれ±90°の範囲の角度で光源の光度を測定し、測定した値を光軸Lからの角度に対してプロットしたグラフである。縦軸は、最も強い光度を1として規格化された相対発光強度で示す。
第1光源31は、ランバート型またはこれに準ずる配光特性を有している。これに対して、第2光源32は、バットウイング型の配光特性を有していることが好ましい。ランバート型またはこれに準ずる配光特性は、0°における発光強度が最も大きく、配光角度の絶対値が大きくなるにつれて発光強度が減少する発光強度分布で定義される。つまり、ランバート型またはこれに準ずる配光特性では、中心部が最も明るく、外周へ行くほど暗くなる。また、バットウイング型の配光特性は、広義には、0°よりも配光角の絶対値が大きい角度において発光強度が強い発光強度分布で定義される。特に、狭義では、50°〜60°付近において、発光強度が最も強くなる発光強度分布で定義される。つまり、バットウイング型の配光特性では、中心部が外周部よりも暗い。
本明細書では、種々の配光特性の光源に対して配光の広さを比較するため、光源の配光角を以下のように定義する。光軸Lを含む平面における上述した配光特性において、角度のプラス側とマイナス側の特性は対称であると仮定し、相対発光強度が0.8となる時の角度θを求め、2θの角度を配光角と定義する。バットウイング型の配光特性など0°以外で相対発光強度が最大になる配光特性では、最も大きい角度で0.8となるときのθを用いる。
上述した配光特性から、バットウイング型の配光特性における配光角は、ランバート型またはこれに準ずる配光特性における配光角よりも大きい。つまり、第1光源31がランバート型またはこれに準ずる配光特性を有し、第2光源32がバットウイング型の配光特性を有している場合、第2光源32の配光は第1光源31の配光より広い。例えば、図5に示す配光特性では、2θは約74°であり、図6に示す配光特性では2θは約176°である。
第2光源32の第2被覆部材52が光拡散材を含んでいる場合、光拡散材によって理想的に光が拡散すると仮定すると、第2光源32から出射する光の光度は、配光角あたりの第2被覆部材52の表面積におおよそ比例する。図4に示すように、第2被覆部材52の基板30からの高さをAとし、第2被覆部材52が基板30と接する幅をCとした場合、A=Cであれば、いずれの配光角においても配光角あたりの第2被覆部材52の表面積はほぼ等しくなる。このため、相対配光強度は0°から90°においてほぼ一定となる。
一方、A>Cを満たす場合、つまり、幅Cに対する高さAの比が1より大きい(A/C>1)場合、0°より大きく90°よりも小さい角度において、相対配光強度は0°および90°よりも強くなる。つまり、バットウイング型の配光特性が実現し得る。
これに対し、第1光源31において、第1被覆部材51が凸形状を有しており、光拡散材を含んでいない場合には、第1被覆部材51における高さAおよび幅Cに特に制限はない。一般に発光素子から出射する光は、ランバート型またはこれに準ずる配光特性を有するため、第1被覆部材51が凸形状を有していれば、第1光源31は、概ねランバート型またはこれに準ずる配光特性を有する。また、第1被覆部材51が光拡散材を含んでいても、A<Cを満たしていれば、第1光源31はランバート型またはこれに準ずる配光特性を有する。
図7は、照明装置11における、カバー24と照明モジュール22との位置関係を示す断面図である。カバー24は上述したように拡散板としての機能を有し、第1および第2光源31、32からの光を拡散させる。これにより、特に、第2光源32の点灯時において、照明装置11を見たときのカバー24における輝度のばらつきを抑制し、粒々感なくカバー24全体が均一に発光しているように見せることによって美観を向上させることができる。
一般に光源の配列ピッチが長い場合、拡散板によって光源からの光度のばらつきを抑制するためには、光源と拡散板との距離を長くとる必要がある。しかし、本実施形態の照明装置11によれば、数が少なく、配列ピッチが大きい第2光源32は広配光の配光特性を有しているため、カバー24との距離を大きくとらなくてもカバー24における輝度のばらつきを抑制することができる。図7に示すように基板30とカバー24との厚さ方向(z軸方向)の光学距離ODは小さくてもよい。したがって、照明装置11の厚さを小さくすることができ、薄型で美観に優れた照明装置を実現することができる。
例えば、図2に示すように、第1光源31および第2光源32のピッチをP1、P2とした場合、以下の不等式(1)
0.7≦OD/P1≦2.0
0.2≦OD/P2≦0.8 ・・・・(1)
の関係を満たしている。これらの関係を満たすことによって、上述したように、第1および第2光源31、32の点灯時において、照明装置11を見たときのカバー24における輝度のばらつきをより確実に抑制することができる。
例えば、照明装置で想定される一般的な光学距離ODの値は10mm〜40mm程度である。したがって不等式(1)より、光学距離ODが10mmである場合、P1の範囲は、7mm〜20mmであり、P2の範囲は、2mm〜8mm程度である。また、光学距離ODが40mmである場合、P1の範囲は、28mm〜80mmであり、P2の範囲は、8mm〜64mm程度である。
(照明モジュールの製造方法)
照明モジュール22は例えば、以下の方法によって製造され得る。まず、第1および第2光源31、32の配置に応じたパターンの導体配線36を備えた基板30を用意する。次に、第1および第2発光素子41、42を基板30に接合する。例えば、フリップチップ接合によって、第1および第2発光素子41、42を基板30に実装する。
次に、上述した配合に従い、第1および第2被覆部材51、52を調製する。第1および第2被覆部材51、52は、第1および第2発光素子41、42を被覆するように圧縮成型または射出成型によって形成することができる。その他、第1および第2被覆部材51、52の材料の粘度を最適化して、第1および第2発光素子41、42の上に滴下もしくは描画して、材料自体の表面張力によって、図3および図4に示されるような形状を形成することができる。この方法による場合、金型を必要とすることなく、より簡便に第1および第2被覆部材51、52を基板30上に形成することができる。また、このような形成方法による被覆部材の材料の粘度の調整は、その材料本来の粘度の他、上述したような光拡散材、波長変換部材、着色剤を利用して行うことができる。これにより照明モジュールが完成する。
以上説明したように、本実施形態の照明モジュールによれば、数の少ない第2光源の配光がより広いため、照明モジュール全体における第1光源と第2光源との輝度分布の面内ばらつきの差が小さい。このため、第1光源と第2光源とを切り替えて点灯させる場合には、2つの光源の点灯時の見え方の差が小さい。また、第1光源と第2光源とを同時に点灯させる場合には、2つの光源からの光を均一に混合することが可能となる。第2光源の搭載数を少なくできるため、製造コストを低減することが可能となる。
また、本実施形態の照明モジュールによれば、第2光源の配光がより広いため、第2光源を点灯させた場合のカバー上での輝度むらを抑制することができる。カバー全体が均一に発光しているように見え、美観に優れた照明装置を実現することができる。また、カバーと光源が配置された基板との間隔を長くとらなくてもよく、薄型の照明装置を実現することができる。
(その他の形態および変形例)
本発明の照明装置および照明モジュールは上記実施形態に限られず、種々の変形が可能である。
まず、上記実施形態では、第1光源31はランバート型またはこれに準ずる配光特性を備え、第2光源32は、バットウイング型の配光特性を備えていたが、配光特性の組み合わせはこれに限られない。例えば、図8に示すように、第1光源31および第2光源32の両方がランバート型またはこれに準ずる配光特性D1、D2を備えていてもよい。この場合でも、第2光源32の配光は第1光源31の配光よりも広い。図8に示す例では、例えば、第1光源31の配光特性D1における2θは約50°であり、第2光源32の配光特性D2における2θは約70°である。また、図9に示すように、第1光源31および第2光源32の両方がバットウイング型の配光特性D3、D4を備えていてもよい。この場合も、第2光源32の配光は第1光源31の配光よりも広い。図9に示す例では、例えば、第1光源31の配光特性D3における2θは約140°であり、第2光源32の配光特性D4における2θは約170°である。
また、バットウイング型の配光特性を実現する被覆部材の形状の上記実施形態に限られない。例えば図10Aおよび図10Bに示す光源60を用いてもバットウイング型の配光特性を実現し得る。図10Aは光源60の上面図であり、図10Bは図10AにおけるI−I断面図である。基板30上に配置された光源60は、第2発光素子42と、波長変換部材61と被覆部材62とを含む。第2発光素子42は基板30に接合されており、波長変換部材61は第2発光素子42の出射面42aを覆って、基板30に配置される。波長変換部材61は、透光性の樹脂、ガラス等とこれらに分散した蛍光体などの波長変換材を含んでいる。被覆部材62は、第2発光素子42の光軸Lを含む貫通孔62hを有し、波長変換部材61の一部を覆って基板30に配置されている。上面視において、被覆部材62はリング形状を有する。また、光軸Lを含む平面視において、被覆部材62は貫通孔62hによって分断される2つの断面を有する。各断面は、峰部62pを有し、円弧、楕円、放物線等、曲線の凸形状を有している。峰部62pは上面視において円である。被覆部材62は上記実施形態における第2被覆部材52と同じ材料によって形成されていてもよいし、光拡散材は含まなくてもよい。被覆部材62がこのような形状を有することにより、バットウイング型の配光特性を実現することができる。
また、図11Aおよび図11Bに示す光源70を用いバットウイング型の配光特性を実現してもよい。図11Aは光源70の上面図であり、図11Bは図11AにおけるII−II断面図である。基板30上に配置された光源70は、基板30に接合された第2発光素子42と、被覆部材72とを含む。第2発光素子42は基板30に接合されており、被覆部材72は第2発光素子42の出射面42aを覆って、基板30に配置される。
被覆部材72は、上面視において円形状を有する。また、被覆部材72は、光軸L上に凹部72rを有し、光軸Lを含む平面視において、凹部72rよりも外側において、峰部72pを有する。被覆部材72の峰部72pは上面視において円形状を有する。
被覆部材72の高さAは、被覆部材72の最大幅C’よりも小さいことが好ましい。また、被覆部材の基板30と接する面の幅Cは、最大幅C’よりも小さいことが好ましい。つまり、A>C’であり、C’>Cであることが好ましい。被覆部材72がこのような形状を有することにより、バットウイング型の配光特性を実現することができる。
また、上記実施形態では、照明モジュールの光源はベアチップの形態を有していたが、パッケージ化された光源を基板に実装してもよい。例えば、図12に示すように、光源81は、基板82と、基板82上に接合された発光素子83と、基板82において、発光素子83を囲んで配置されたリフレクタ84とリフレクタ84によって形成する空間において、発光素子83を埋め込んで充填された被覆部材85とを含む。リフレクタ84は、発光素子83と対向する反射面84aを有し、反射面84aは例えば円錐台の側面であってもよいし、角錐台の複数の側面であってもよい。反射面84aは、発光素子83から出射する光を反射する。被覆部材85は、例えば、上述した被覆部材85または第2被覆部材52と同様の組成を有する材料を用いて構成することができる。被覆部材85の上面85aは図12では平坦であるが、発光素子83から出射する光を所望の方向へ屈折させるため、凸形状を有していてもよい。
光源81の配光特性は、リフレクタ84の反射面84aの傾斜角度α、被覆部材85の材料、および上面85aの形状によって変化する。したがって、これらの構成を変化させることによって、光源81の配光を広くしたり狭くしたりすることができ、配光特性を異ならせた2種の光源81を上記実施形態で説明した第1および第2光源として用いることができる。この場合、更に光源81に被覆部材を形成してもよいし、被覆部材を形成しなくてもよい。
このように、光源の配光特性は被覆部材の形状に加えて、発光素子の出射特性や、被覆部材の材料の特性、リフレクタ等の有無等、被覆部材の形状以外の条件によっても影響され得る。
また、上記実施形態における照明モジュールの光源は2次元に配列されていたが、照明モジュールは1次元に配列された光源を備えていてもよい。図13に示される照明モジュール22’は、基板30と、基板30に1次元に配置された第1光源31および第2光源32とを備える。第1光源31は、ピッチP3およびピッチP4の組み合わせの繰り返しにより配列されており、第2光源32はピッチP5で配置されている。この場合、第1光源31の平均配列ピッチは(P3+P4)/2であり、第2光源32の配列ピッチP5よりも小さい。このため、照明モジュール22’において、第2光源32の数は、第1光源31の数よりも少ない。しかし、第2光源32の配光は第1光源31の配光よりも広いため、上記実施形態と同様、照明モジュール全体における第1光源と第2光源との輝度分布のばらつきの差が小さい。また、第2光源の搭載数を少なくできるため、製造コストを低減することが可能となり、照明装置に用いた場合において、カバー上での輝度むらを抑制することができ、薄型の照明装置を実現することができるなどの効果を得ることができる。
さらに、照明モジュールにおける光源の配置は2方向に等ピッチに配置される例に限られない。例えば、図14に示す照明モジュール22’’は、基板30上において、複数の光源は同心円状に配置されている。具体的には、図14において破線で示すように、複数の第1光源31および複数の第2光源32が同心円状に配置されている。この場合、同心円r1〜r4のそれぞれにおいて、第1光源31のピッチP1および第2光源32のピッチP2を求め、各同心円におけるピッチP1、P2が不等式(1)を満たすように第1光源31および第2光源32の配置と、光学距離ODとを決定してもよい。
また、照明モジュールにおける光源の配列周期は、照明モジュール全体において一定でなくてもよく、部分的に異なる周期で光源が配置されていてもよい。この場合、少なくとも不等式(1)を満たすように第1および第2光源が配置されている部分においては、上述したように、照明装置における輝度ムラを低減する顕著な効果を得ることができる。また、基板上において、光源の一部または全部がランダムに配置されていてもよい。この場合でも、数の少ない第2光源の配光角が大きいことにより、第2光源の輝度ムラは抑制される。特に、隣接する光源間の距離がすべて、不等式(1)を満たしている場合には、配置がランダムでも照明装置における輝度ムラを低減する顕著な効果を得ることができる。
上記実施形態の第1光源31および第2光源32は互いに異なる相関色温度の白色光を出射する。しかし、第1光源31および第2光源32が出射する光の組み合わせはこれに限られない。例えば、第1光源31のおよび第2光源32の一方が白色を出射し、他方が単色光を出射してもよい。具体的には、例えば、第1光源31が昼光色の白色を出射し、第2光源32が赤色の光を出射してもよい。この場合、第2光源32の数は少ないが配光角が大きいため、照明装置全体における赤色の光の輝度ムラが抑制され、照明装置のカバー全体に赤みがかった白色が分布する。このため、演色性の高い調光を実現することができる。また、第1光源31および第2光源32は単色光を出射し、第1光源31および第2光源32の波長帯域が互いに異なっていてもよい。この場合にも、異なる2つの波長帯域の光が均一に混合された照明装置が実現する。
(実験例)
実施形態の照明装置の効果を確認するために、シミュレーションを行い評価した。具体的には、図2に示す通りに第1および第2光源31、32を配置した場合のカバーにおける輝度ムラを評価した。図2におけるピッチP1およびP2をそれぞれ、25mmおよび50mmに設定した。また、図7に示す基板30とカバー24との距離である光学距離ODを25mmに設定した。OD/P1=1であり、OD/P2=0.5である。これらの値は、不等式(1)の概ね中央値である。
図15に、シミュレーションに用いた光源の配光特性を示す。図15において、曲線Rはランバート型の配光特性つまり、第1光源31の配光特性を示し、曲線Bは、バットウイング型の配光特性、つまり、第2光源32の配光特性を示す。
図16は、カバー上における輝度分布を示す。横軸は、カバー上における相対的な位置を示し、縦軸は、最も高い輝度を基準とした相対輝度比を示す。
図16において、曲線R25は、10個のランバート型の配光特性を有する光源を25mmのピッチで配置した場合の輝度分布を示す。曲線B50は、10個のバットウイング型の配光特性を有する光源を50mmのピッチで配置した場合の輝度分布を示す。また、曲線R50は、10個のランバート型の配光特性を有する光源を50mmのピッチで配置した場合の輝度分布を示す。
図16において、曲線R25に示すように、ランバート型の配光特性を有する光源を25mmのピッチで配置した場合、配列の両端の位置を除けば、相対輝度比は概ね90%を下回ることがなく、輝度ムラが非常に小さいことが分かる。これに対し、曲線R50に示すように、ランバート型の配光特性を有する光源を50mmのピッチで配置した場合、光源間の距離が長くなることにより、光源と光源との間に輝度が低い部分が生じる。図16から分かるように、暗部では、相対輝度比は70%を下回る。
一方、曲線B50で示すように、バットウイング型の配光特性を有する光源を50mmのピッチで配置した場合、配列の両端の位置を除けば、相対輝度比は概ね90%を下回ることがなく、輝度ムラが非常に小さいことが分かる。図16では、曲線B50の輝度ムラは、曲線R25の輝度ムラと同程度に小さいことが分かる。 これらの結果から、本開示の実施形態によれば、バットウイング型の配光特性を有する第2光源32を用いれば、光源の数を少なくしてもカバー上における輝度ムラを第1光源31と同程度に抑制することができることが分かった。図2に示す配置によれば、第1光源31の数は56であり、第2光源の数は25であるため、第2光源32の数を第1光源31の数の半分以下にしても、ほぼ同程度の輝度ムラを実現できることが分かった。
次に、OD/P2の適切な範囲をシミュレーションにより決定した。具体的には、図17の曲線B1および曲線B2で示すバットウイング型の配光特性を有する第2光源32を用意し、図2に示す通り、P2を50mmに設定し第2光源32を配置した。図7に示す基板30とカバー24との距離である光学距離ODを変えて、カバー上における輝度分布を測定した。図18、図19および図20は、OD/P2が0.2、0.5および0.8である場合の輝度分布を示す。比較のため、図17の曲線R’で示すランバート型の配光特性を有する光源を50mmのピッチで配置し、同様に輝度分布を測定した。
図18に示すように、OD/P2が0.2である場合、曲線B2は、暗部でも80%程度以上の相対輝度比を有している。また図19に示すように、OD/P2が0.5である場合、曲線B1および曲線B2のいずれにおいても、暗部における相対輝度比が80%程度以上になる。
図20に示すように、OD/P2が0.8である場合、曲線B1および曲線B2に加え、曲線R’においても、暗部における相対輝度比が90%程度以上となり、ランバート型の配光特性を有する光源とバットウイング型の配光特性を有する第2光源32とで輝度分布に差がほとんど見られなくなっている。つまり、ODがP2に対して十分に大きく(P2×0.8以上)なれば、第2光源32の配光角が大きくなくても、カバー上の輝度分布は均一になる。
これらの結果から、OD/P2が0.2以上0.8以下であれば、バットウイング型の配光特性を有することによって、第2光源32の輝度ムラを抑制することができることが分かった。同様のシミュレーションを行い、OD/P1は0.7以上2以下が好ましいことを確認した。
本開示の実施形態による照明モジュールおよび照明装置は、室内照明、各種インジケーター、ディスプレイ、液晶のバックライト、センサー、信号機、車載部品、看板用チャンネルレター等、種々の用途に使用することができる。
11 照明装置
21 筐体
21a〜21d側部
21e底部
22、22’、22’’ 照明モジュール
23 制御回路
23a電源回路
23b受信回路
24 カバー
25 リモコン
26 光源
27 反射板
27a反射面
27h孔
30 基板
31 第1光源
32 第2光源
35 基体
36 導体配線
37 絶縁部材
38 接続部材
41 第1発光素子
41a、42a出射面
42 第2発光素子
51 第1被覆部材
52 第2被覆部材
60 光源
61 波長変換部材
62 被覆部材
62h貫通孔
62p峰部
70 光源
72 被覆部材
72r凹部
81 光源
82 基板
83 発光素子
84 リフレクタ
84a反射面
85 被覆部材
85a上面

Claims (13)

  1. 基板と、
    前記基板上に配置された複数の第1光源と、
    前記基板上に配置された少なくとも1つの第2光源と、
    を備え、
    前記第1光源と前記第2光源とで、波長帯域または相関色温度が異なっており、
    前記第1光源の数は、前記第2光源の数よりも多く、
    前記第2光源の配光角は前記第1光源の配光角より大きい、
    照明モジュール。
  2. 前記少なくとも1つの第2光源の数は2以上であり、前記複数の第1光源と前記少なくとも1つの第2光源とは混合して前記基板上に配列されている、請求項1に記載の照明モジュール。
  3. 前記複数の第1光源および前記少なくとも1つの第2光源は1次元または2次元に配置されている請求項1または2に記載の照明モジュール。
  4. 前記第1光源および前記第2光源はそれぞれ白色光を出射し、前記第2光源の相関色温度は、前記第1光源の相関色温度よりも低い、請求項1から3のいずれかに記載の照明モジュール。
  5. 前記第1光源は白色光を出射し、
    前記第2光源は単色光を出射する、請求項1から3のいずれかに記載の照明モジュール。
  6. 前記第1光源および前記第2光源は単色光を出射し、
    前記第1光源および前記第2光源の波長帯域は互いに異なる、請求項1から3のいずれかに記載の照明モジュール。
  7. 前記第1光源は、ランバート型またはこれに準ずる配光特性を有する請求項1から6のいずれかに記載の照明モジュール。
  8. 前記第2光源は、バットウイング型の配光特性を有する請求項1から7のいずれかに記載の照明モジュール。
  9. 前記第1光源および前記第2光源のそれぞれは、出射面と、前記出射面を覆う被覆部材とを含む請求項1から8のいずれかに記載の照明モジュール。
  10. 前記第1光源および前記第2光源のそれぞれは、前記基板に接合され、前記出射面を有するLEDを含み、
    前記被覆部材は、前記LEDを覆って前記基板上に配置されている請求項9に記載の照明モジュール。
  11. 前記基板はフレキシブル基板である請求項1から10のいずれかに記載の照明モジュール。
  12. 請求項2から11のいずれかに記載の照明モジュールと
    拡散板と
    を備え、
    前記基板の前記複数の第1光源および前記少なくとも1つの第2光源は、前記拡散板と前記基板との間に位置している、照明装置。
  13. 前記基板上における前記複数の第1光源の配列ピッチP1および前記基板上における前記少なくとも1つの第2光源の配列ピッチP2は、前記拡散板と前記基板との間隔ODを用いて、以下の関係
    0.7≦OD/P1≦2.0
    0.2≦OD/P2≦0.8
    を満たしている、請求項12に記載の照明装置。
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