JP2017183300A - Ｌｅｄ発光装置 - Google Patents

Abstract

【課題】出射光の集光性を高めて点光源化をはかる際に、放射光量の低下が小さい発光装置を提供する。【解決手段】ＬＥＤ発光装置１０は、基板２に実装されたＬＥＤ素子１と、ＬＥＤ素子を取り囲むように設けられた枠体３と、枠体によってＬＥＤ素子の発光面から離間して保持された窓部材４を備え、窓部材は、ＬＥＤ素子より発せられた光を下面から上面へ透過して出射する透光板５と、枠体の内周側面から突出して透光板の側面と接続されている光吸収体６と、光吸収体の下面にあって前記ＬＥＤ素子から出射された光を反射する反射部材７とを有する。【選択図】図１

Description

本発明は、集光性に優れたＬＥＤ発光装置に関する。

ＬＥＤ発光装置の用途として、自動車用ヘッドライトや、プロジェクタ用の光源のようにレンズと組み合わせて集光性を高めた光源が求められている。このような集光性を高めた光源を作成するためには、ＬＥＤ素子からの光の出射角度と発光面積をできるだけ狭めて、その出射光をレンズに入射させる必要がある。そこで、上記光源においてＬＥＤ素子より発せられた光の出射角度を制御する技術が提案されている。（例えば特許文献１）

以下、特許文献１に示した従来技術を説明する。

図９に示す様に、従来のＬＥＤ発光装置１００は、基板１０２にＬＥＤ素子１０１が実装され、ＬＥＤ素子１０１を保護する透明カバー１１０が、ＬＥＤ素子１０１を取り囲むように基板１０２上に設けられた枠体１０３の切欠き上に載置されて、透明カバー１１０と枠体１０３の間に光吸収体１０６が配設されて構成される。

このＬＥＤ発光装置１００におけるＬＥＤ素子１０１から出射された光は、透明カバー１１０を通過して外部に放射されるが、透明カバー１１０の側面と枠体１０３の間に配設された光吸収体１０６によって、透明カバー１１０の側面に向かう光を吸収し、ＬＥＤ発光装置１００から放射する開口端部での乱反射を防止し、出射角度を制御する。

特許第５３４５３５８号公報（第８頁、図２）

ここで、従来のＬＥＤ発光装置１００の発光面積をより狭く（より点光源化）しようとして、透明カバーの内側に向けて光吸収体１０６を延出すると、ＬＥＤ素子１０１より出射した光の一部が、枠体切欠の内側面１０３ａより突出した光吸収体１０６の下面で吸収されてしまい、ＬＥＤ発光装置より出射される光の発光強度が、極端に減少してしまう不具合が生じる。

本発明の目的は、上記課題を解決することにある。すなわち、光の出射角度を制御しながら点光源化を図ったとしても、装置からの放射光量の低下を極力抑えたＬＥＤ発光装置を提供することにある。

上記課題を解決するため本発明のＬＥＤ発光装置は、基板に実装されたＬＥＤ素子と、ＬＥＤ素子を取り囲んで設けられた枠体と、ＬＥＤ素子の発光面から離間して枠体で保持する窓部材とを備え、窓部材は、ＬＥＤ素子より発せられた光束を、下面から上面へ透過して出射する透光板と、ＬＥＤ素子の発光面から見て、透光板の側面と枠体との間の領域の少なくとも一部の領域で、枠体の内周側面から内側に突出させて、上記光束を遮光する光吸収体と、光吸収体の下面で、前記ＬＥＤ素子から出射された光を反射する反射部材と、を有することを特徴とする。

また、透光板の面積は、ＬＥＤ素子の発光面の面積より小さくてもよい。

また、透光板の一辺の側面のみを光吸収体が覆った形態としてもよい。

また、透光板は、蛍光体を有してもよい。

また、透光板の下面に当接された透光性の熱伝導部材を、枠体に当接してもよい。

また、枠体は段差部を有し、光吸収体が枠体の段差部に載置されてもよい。

本発明によれば、ＬＥＤ発光装置において、光の出射角度を制御しながら点光源化を図ったとしても、装置からの放射光量の低下を極力抑えることができる。

本発明の第１の実施形態におけるＬＥＤ発光装置の構成を示す断面図である。 図１に示すＬＥＤ発光装置の構成を示す平面図である。 図１に示すＬＥＤ発光装置における光放射の状態を示す断面図である。 本発明の第２の実施形態におけるＬＥＤ発光装置、及び光放射の状態を示す断面図である。 本発明の第３の実施形態におけるＬＥＤ発光装置の構成を示す断面図である。 本発明の第４の実施形態におけるＬＥＤ発光装置の構成を示す断面図である。 本発明の第５の実施形態におけるＬＥＤ発光装置の構成を示す平面図である。 本発明の第６の実施形態におけるＬＥＤ発光装置の断面図である。 従来技術を示すＬＥＤ発光装置の断面図である。

以下、図面を用いて本発明のＬＥＤ発光装置の具体的な実施形態を詳述する。

説明にあっては、各実施形態において用いる図面は模式図とし、寸法や形状は実際の形状を正確に反映したものではなく、図面を見やすく、また、理解しやすくするため一部誇張しており、発明に直接関係しない一部の要素は省略している。なお、同一または対応する要素には同一番号を付し、重複する説明は省略する。

本発明は第１から第４の実施形態があり、順に図面を用いて説明する。

［第１の実施形態におけるＬＥＤ発光装置の構成説明：図１、図２］
図１、図２を用いて第１の実施形態におけるＬＥＤ発光装置１０の構成を説明する。
図１、図２に示す様に、ＬＥＤ発光装置１０は、ＬＥＤ素子１、基板２、枠体３、窓部材４を有する。ＬＥＤ素子１は、図示しない電極を有する基板２に実装される。また、基板２のＬＥＤ素子１が実装された周囲には、枠体３が載置される。枠体３は、上面の内周に沿って段差部３ａを有し、この段差部３ａに窓部材４が載置される。この様に構成すれば、窓部材４の載置が容易となるし、窓部材４部分から枠体３を介して基板２に至る、良好な放熱ルートを得ることができる。この窓部材４は、上面５ａ、下面５ｂ及び側面５ｃを備えた透光板５と、枠体３の内側面３ｂから突出し透光板の側面５ｃと固着して配置された光吸収体６と、光吸収体６のＬＥＤ素子１と対向する面（下面）に形成された反射層７を有し、透光板５の全周を光吸収体６で取り囲んで構成される。そして、窓部材４とＬＥＤ素子１とは離間して配置され、本実施例においては、両部材の間に空気層８が存在する。

次に、ＬＥＤ発光装置１０を構成する部材の機能と材料を説明する。
ＬＥＤ素子１としては、いろいろなＬＥＤ素子を用いることができるが、本実施形態においては、青色光を発光する、特に窒化ガリウムを材料とする青色発光ＬＥＤ素子を用いた。基板２も特に限定されないが、本実施形態においては、放熱特性に優れる窒化アルミニウムの板を用いた。これによりＬＥＤ素子１から排出された熱をより効率的に放熱することができる。

枠体３には、放熱性と光の反射性を兼ね備えるアルミナや酸化チタンなどのセラミックスやアルミニウムなどの金属として、特に放熱性を考慮しない場合は酸化チタンなどの白色粉末を含有させたシリコーンなどの樹脂を用いた。

透光板５には、下面でＬＥＤ素子１の出射光を受けて上面から出射する透明な部材のものとして、例えばサファイアやガラス、アルミナを用いた。後述するが、透光板５は蛍光体を含んでいてもよく、例えばシリコーン樹脂に蛍光体を含有したものや、蛍光体と低温ガラスを焼成した焼結蛍光体であっても良い。その際、蛍光体は、所望の波長の光を出射させるものであればどの様なものを使用しても良い。特に、ＬＥＤ発光装置１０より白色光を出射する場合においては、ＬＥＤ素子１が青色光を発するものであれば、透光板５に含まれる蛍光体は、ＹＡＧ蛍光体などの青色光を吸収して黄色光を出射するものであるとよい。

光吸収体６には、入射した光を吸収する部材として、カーボンを混合した黒色のシリコーン樹脂やガラスで形成された板を用いた。また、反射層７には、入射した光を反射する部材として、酸化チタンを混合した白色のシリコーン樹脂やガラスで形成された散乱反射層、またはアルミや銀で形成された鏡面反射層を用いた。

図１に示す如く、ＬＥＤ素子１の発光面から見て、透光板５の側面と枠体３との間の領域の少なくとも一部の領域で、枠体３の内周側面から内側に突出させて、上記光束を遮光することができる。具体的には、ＬＥＤ発光装置１０における透光板５の幅Ｌ２は、光吸収体６の枠体３からの突出量によって規定され、この突出量が大きくなることでより点光源化される。特に、透光板５の幅Ｌ２が複数のＬＥＤ素子１が実装された発光領域の幅Ｌ１に比べて小さく設定する場合は、透光板５の面積がＬＥＤ素子１の発光面の面積より小さくなる。なお、本実施例においては、複数個のＬＥＤ素子１を基板２に配置しているので、複数個のＬＥＤ素子の外周を囲む領域が、ＬＥＤ素子１の発光面の面積となる。

［第１の実施形態におけるＬＥＤ発光装置の光放射状態の説明：図３］
次に、ＬＥＤ素子１から出射された光束が、透光板５を通過してＬＥＤ発光装置１０から放射される様子について、図３を用いて説明する。
Ｐ３１，Ｐ３２．Ｐ３３は、ＬＥＤ素子１の出射光であり、特徴的な放射特性を示す例である。

出射光Ｐ３１は、ＬＥＤ素子１から出射して透光板５の下面５ｂに直接入射する光であり、そのまま透光板５内を通過して、透光板５の上面５ａから放射される。出射光Ｐ３２は、ＬＥＤ素子１から出射して光吸収体６に向かう光であり、透光板５を通過して透光板５の側面５ｃに固着された光吸収体６に達する。ここで、出射光Ｐ３２は光吸収体６で吸収されて枠体３に到達しないので、ＬＥＤ発光装置１０から放射する開口端部で乱反射する光は発生しない。出射光Ｐ３３は、ＬＥＤ素子１から出射されて、直接枠体３に向かう光であり、枠体３の内壁で乱反射された光の一部が反射層７でまた反射される。反射層７で反射された出射光Ｐ３３は、さらに基板２の表面で乱反射し、その光の一部が後に透光板５の下面５ｂに入射し、そのまま透光板５を通過して透光板５ａから放射される。

上記のように、光吸収体６を配したので、出射光Ｐ３２を確実に吸収することができ、透光板５の側面５ｃに到達した出射光Ｐ３２の光が、ＬＥＤ発光装置１０から放射する開口端部で乱反射することがない。これにより、ＬＥＤ発光装置１０は放射される光の出射角度を、効率よく制御することができる。

また、点光源化のために段差部３ａよりも内側領域まで光吸収体６を突出させ、ＬＥＤ発光装置１０における発光領域（装置から放射する開口）を狭くしたとしても、本構成の様に反射層７を設ければ、出射光Ｐ３３が枠体３から突出した光吸収体６の下面で吸収されることはなくなり、ここで反射された光のある割合は、最終的には透光板５を通過して透光板５の上面５ａから放射される。これにより、ＬＥＤ発光装置１０における、放射光量の低下を極力抑えることができ、光の利用効率が従来構成よりも格段に向上する。

上述したように、本実施例において、点光源化するにあたって、幅Ｌ２＜幅Ｌ１の関係とするのが好ましいが、透光板５の幅Ｌ２が複数のＬＥＤ素子１が実装された発光領域の幅Ｌ１に比べて大きく設定されている場合においても、一定の効果を奏する。

［第２の実施形態におけるＬＥＤ発光装置の光放射状態の説明：図４］
次に、第２の実施形態について図４を用いて説明する。
第１の実施形態との相違点は、窓部材２４における透光板２５に蛍光体を含有する点である。第２の実施形態におけるＬＥＤ発光装置２０の他の構成部分は、第１の実施形態におけるＬＥＤ発光装置１０の構成と同様であるので、ここでの詳細な説明は省略する。

まず、ＬＥＤ素子１から出射された光が透光板２５を通過してＬＥＤ発光装置２０から放射される様子を、図４を用いて説明する。
Ｐ４１、Ｐ４２、Ｐ４３は、ＬＥＤ素子１の出射光であり、特徴的な放射特性を示す例である。出射光Ｐ４１は、ＬＥＤ素子１から出射して透光板２５の下面２５ｂに直接入射する光であり、一部は、透光板２５に含有される蛍光体にて波長変換をされることなく通過する青色光Ｐｂとなり、他の一部は波長変換され散乱し、黄色光Ｐｙとなって透光板上面２５ａから放射される。

一方、出射光Ｐ４１の光の中で、透光板２５に含有される蛍光体にて波長変換されて散乱した光である散乱光Ｐｎは、光吸収体６の方向に向かう。ここで、散乱光Ｐｎは光吸収体６で吸収されて枠体３に到達しないので、ＬＥＤ発光装置２０から放射する開口端部で乱反射した光が発生することはない。出射光Ｐ４２は、ＬＥＤ素子１から出射して光吸収体６に向かう光であり、透光板２５を通過して透光板２５の側面２５ｃに固着された光吸収体６に達する。ここでも、出射光Ｐ４２は光吸収体６で吸収されて、ＬＥＤ発光装置２０から放射する開口端部で乱反射した光が発生することはない。出射光Ｐ４３は、ＬＥＤ素子１から出射されて直接枠体３に向かう光であり、枠体３の内壁で乱反射された光の一部が反射層７でまた反射する。反射層７で反射したＰ４３の光は、さらに基板２の表面で乱反射され、その光の一部が透光板２５の下面２５ｂに入射し、青色光Ｐｂ及び波長変換された黄色光Ｐｙとして透光板２５の上面２５ａから放射する。この様にして放射した青色光Ｐｂと黄色光Ｐｙとは、互いに混りあってＬＥＤ発光装置２０から白色光Ｐｗとなって放射する。

上記のように、光吸収体６は、出射光Ｐ４２のみならず散乱光Ｐｎも吸収して、透光板２５の側面２５ｃに到達した出射光Ｐ４２及び散乱光Ｐｎを、乱反射させることはない。これにより、ＬＥＤ発光装置２０は、放射される光の出射角度を小さくする（光束を規制して制限する）ことができ、より点光源化することができる。

また、ＬＥＤ発光装置２０において反射層７を設けたからこそ、第一の実施形態と同様
に、出射光Ｐ４３の光の一部を最終的には透光板５を通過させて、放射光量を極力低下させずにＬＥＤ発光装置２０から放射することができる。これによりＬＥＤ発光装置２０は、有効に光を利用することができる。

［第３の実施形態におけるＬＥＤ発光装置の構成説明：図５］
次に、第３の実施形態におけるＬＥＤ発光装置の構成を、図５を用いて説明する。

図５は、第３の実施形態によるＬＥＤ発光装置３０の構成を示す断面図である。

第３の実施形態におけるＬＥＤ発光装置３０は、反射層の配置について第１の実施形態におけるＬＥＤ発光装置１０と相違する。

反射層３７、光吸収体３６及び透光板５で構成された窓部材３４は、第１の実施形態と同様に枠体３の段差部に載置されている。ここで、反射層３７は、第１の実施形態における反射層７の長さを短くして、透光板５との間に距離を設けた。すなわち、反射層３７は透光板５と接しておらず、反射層３７と透光板５の間に光吸収体３６ａが入り込んだ構成となっており、透光板５の側面５ｃは光吸収体３６の端面で覆い尽くされている。

第３の実施形態におけるＬＥＤ発光装置３０の他の構成部分は、第１の実施形態におけるＬＥＤ発光装置１０の構成と同様であるので、ここでの詳細な説明は省略する。

本実施形態において、透光板５の側面５ｃは、反射部材７と一部で接する第一の実施形態と比べて、完全に光吸収体３６の端面で覆い尽くされているので、透光板５の側面５ｃへ向かった光はすべて光吸収体３６で吸収される。その結果、第一の実施形態に比べて透光板５の側面５ｃでの光の乱反射をさらに抑制できるので、ＬＥＤ発光装置３０からの光の出射角度は厳密に制御され、放射光の集光効果がさらに高くなる。なお、本実施形態においても、第２の実施形態と同様に透光板５に蛍光体を含有させてもよい。

［第４の実施形態におけるＬＥＤ発光装置の構成説明：図６］
次に、第４の実施形態におけるＬＥＤ発光装置の構成を、図６を用いて説明する。
図６は、第４の実施形態におけるＬＥＤ発光装置４０の構成を説明する断面図である。

第４の実施形態におけるＬＥＤ発光装置４０が、図５に示す第２の実施形態におけるＬＥＤ発光装置２０と相違する点は、蛍光体を含有する透光板２５の下面に透光性の熱伝導部材９を接触するように設けたことである。透光性の熱伝導部材９は、透光板２５よりも熱伝導率が高いことが好ましく、たとえば透光板２５がシリコーン樹脂に蛍光体を含有したものである場合、熱伝導部材はサファイア基板やガラス基板を用いることができる。

ここでは、透光性の熱伝導部材９の厚さに対応させて、枠体４３を深く切り込んで作成した段差部４３ａに、まず透光性の熱伝導部材９を載置し、その上に蛍光体を含有させた透光板２５、光吸収体６、反射層７で構成される窓部材２４を載置した。

第３の実施形態におけるＬＥＤ発光装置３０の他の構成部分は、第２の実施形態におけるＬＥＤ発光装置２０の構成と同様であるので、ここでの詳細な説明は省略する。

本実施形態の特徴は、透光性の熱伝導部材９が透光板２５及び枠体３３の両方に接触しているので、透光板２５から透光性の熱伝導部材９に入った蛍光体の励起熱は、透光性の熱伝導部材９から枠体４３に伝達される放熱経路が形成されていることにある。この様に、透光板２５が青色光を黄色光に波長変換するときに発する励起熱は、透光性の熱伝導部材９を介して枠体４３に効率よく逃がすことができるので、透光板２５に含有される蛍光
体の温度上昇が抑えられる効果がある。

なお、本実施形態においては、窓部材２５とＬＥＤ素子１とを離間して設けるにあたって、熱伝導部材９とＬＥＤ素子１の間に空気層８を備えた構成としたが、蛍光体の励起熱よって透光板２５の温度がＬＥＤ素子１の温度よりも高くなった場合において、熱伝導部材９とＬＥＤ素子１が接触していても構わない。これにより、透光板２５の熱を、熱伝導部材９を介して枠体４３への放熱ルートに加えて、ＬＥＤ素子１を介して基板２へ放熱されるルートが設けられ、これにより透光板９からの放熱性をさらに向上させることができる。その結果、温度上昇に起因する、透光板２５に含有される蛍光体の波長変換特性の低下を抑えることができ、放射光量の低下や、白色光に対する色味変化が小さくなる。さらには、透光板２５の寿命が延び、ＬＥＤ発光装置４０が長寿命になる。

［第５の実施形態におけるＬＥＤ発光装置の構成説明：図７］
次に、第５の実施形態におけるＬＥＤ発光装置５０の構成を、図７を用いて説明する。
図７は、第１の実施形態の変形例におけるＬＥＤ発光装置５０の構成を示す平面図である。

第４の実施形態におけるＬＥＤ発光装置５０が、図２に示す第１の実施形態におけるＬＥＤ発光装置１０と相違する点は、光吸収体及び反射層の設け方にある。

第１の実施形態では、光吸収体６及びその下面に形成された反射層７を透光板５の全周（四辺）に設けて、枠体３に載置した例を示したが、本実施形態では、光吸収体５６及び反射層（図示せず）を、透光板５５の四つの辺の内の一つの辺にだけ設けて、枠体３に載置した。

このような構成にすると、ＬＥＤ発光装置５０から放射される光の四辺からの出射角度を、場所によって変えることができる。すなわち、光吸収体５６及び反射層（図示せず）が設けられている方向への出射角度を小さく、光吸収体５６が設けてられていない他の３方向への出射角度を大きくすることができる。なお、本実施例においては、透光板５５の一つの辺のみに光吸収体５６を設けた例を示したが、ＬＥＤ素子１から出射される光束の一部を遮光したい位置のみに、光吸収体５６を配置しても構わない。

［第６の実施形態におけるＬＥＤ発光装置の構成説明：図８］
次に、第６の実施形態におけるＬＥＤ発光装置６０の構成を、図８を用いて説明する。
図８は、第５の実施形態におけるＬＥＤ発光装置６０の構成を示す断面図である。

第６の実施形態におけるＬＥＤ発光装置６０が、図１に示す第１の実施形態におけるＬＥＤ発光装置１０と相違する点は、枠体の形状と窓部材５４の保持方法である。

ここで示すＬＥＤ発光装置６０は、ＬＥＤ素子１の周囲を取り囲むように設けられた枠体６３が段差部を持たず、その上端部の内壁を、ＬＥＤ素子１が構成する発光領域Ｌ１の内側に突出するように延伸させて、凸部６３ａを有する構成した。そして、凸部６３ａの先端に、窓部材６４を直接固定した。窓部材６４は、光吸収体６６及び反射層６７の幅を等しくして透光板５の周囲に固着してなり、透光板５の長さＬ３をＬＥＤ発光領域Ｌ１より小さく設定した。

第６の実施形態におけるＬＥＤ発光装置６０の他の構成部分は、第１の実施形態におけるＬＥＤ発光装置１０の構成と同様であるので、ここでの説明は省略する。

本実施形態においては、枠体６３に段差部が無いのでその分だけ、基板から立設する枠
体６３の厚み（図の横方向の厚み）自体を薄くでき、前述した他の構成と同じ放射光量でありながら、よりＬＥＤ発光装置のサイズ（図の横方向の装置幅）を小さくすることができるようになる。

１ ＬＥＤ素子
２ 基板
３、４３、６３ 枠体
３ａ、４３ａ 段差部
６３ａ 凸部
４、２４、３４、４４、６４ 窓部材
５、２５、５５ 透光板
５ａ、２５ａ 上面
５ｂ、２５ｂ 下面
５ｃ、２５ｃ 側面
６、３６、３６ａ、５６、６６ 光吸収体
７、３７、６７ 反射層
８ 空気層
９ 熱伝導部材
１０、２０、３０、４０，５０ ＬＥＤ発光装置

Claims (6)

1. 基板に実装されたＬＥＤ素子と、
   前記ＬＥＤ素子を取り囲んで設けられた枠体と、
   前記ＬＥＤ素子の発光面から離間して、前記枠体で保持する窓部材と、を備え、
   前記窓部材は、前記ＬＥＤ素子より発せられた光束を、下面から上面へ透過して出射する透光板と、
   前記ＬＥＤ素子の発光面から見て、前記透光板の側面と前記枠体との間の領域の少なくとも一部の領域で、前記枠体の内周側面から内側に突出させて、前記光束を遮光する光吸収体と、
   前記光吸収体の下面にあって、前記ＬＥＤ素子から出射された光を反射する反射部材と、
   を有することを特徴とするＬＥＤ発光装置。
2. 前記透光板の面積は、前記ＬＥＤ素子の発光面の面積より小さいことを特徴とする請求項１に記載のＬＥＤ発光装置。
3. 前記透光板の１辺の側面のみを、前記光吸収体で覆うことを特徴とする請求項１又は２に記載のＬＥＤ発光装置。
4. 前記透光板は、蛍光体を含有することを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載のＬＥＤ発光装置。
5. 前記透光板の下面に当接された透光性の熱伝導部材を、前記枠体に当接していることを特徴とする請求項４に記載のＬＥＤ発光装置。
6. 前記枠体は段差部を有し、前記光吸収体が前記枠体の段差部に載置されていることを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載のＬＥＤ発光装置。
   

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