JP2019511840A - Ledモジュールを製造する方法 - Google Patents

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Abstract

本発明は、LEDモジュール(1)の複数のLED(10)を包囲するように、複数の層(11a、11b、11c)を有する透光性の封入材(11)を配設するステップと、LEDモジュール(1)のLED(10)の位置に対応する少なくとも1つの密な散乱領域(P)を形成し、LEDモジュール(1)のLED(10)の位置に対応しない少なくとも1つの疎な散乱領域(P)を形成し、且つ密な散乱領域(P)と疎な散乱領域(P)との間の遷移散乱領域(P)を形成するように、層(11a、11c)の外表面(111、112、113)の表面構造を変更するステップとを有した、LEDモジュール(1)を製造する方法を記述する。本発明は更に、LEDモジュール(1)、及び装置筐体(20)と、少なくとも1つのそのようなLEDモジュール(1)とを有する装置(2)を記述する。

Description

本発明は、LEDモジュールを製造する方法、LEDモジュール、及びそのようなLEDモジュールを組み込んだ装置を記述する。
発光ダイオードは、多様な用途で使用されている。具体的には、高出力LEDは、例えば日中走行用ライト、ブレーキライト、及びインジケータライトなどの自動車用照明モジュールにおける新開発ランプに広く使用されている。特定のピッチで配置されたアレイ状又は一連の個々のLEDで構成されるリニア照明モジュールでは、光源を見るとき、集中した高輝度光の領域が観察される。この“スポットさ(spottiness)”は、各LEDの輝度及びLED間に必要なピッチに起因し、一般的に望ましくないとして感じられる。光源が実際には複数のLEDを含む場合にも均一な光源の見た目を得るために、様々なアプローチが試みられてきた。例えば、蛍光体層は、見掛けの光源の不均一性を低減することができる。他の例では、光散乱素子を使用して、LEDを起源とする光を拡散させることが知られている。例えば、LEDダイの近くの透光性封入材層の中に、又は封入材層を覆う更なる透光層の中に、又は更にはLEDから遠隔位置に、散乱粒子を留めることができる。散乱はまた、LEDモジュールの周りに適切に処理されたガラスカバー又はポリマーフォイルを配置することによって達成されることもできる。
別のアプローチにおいて、個々のLEDの眩しい光は、基本的に透明であるが、例えば二酸化チタン粒子又は捕獲された気泡といった光を反射及び/又は偏向する要素を含有した、機能的散乱層によって和らげられ得る。例えばガラス又はポリマー球などのフィラーといった、高い屈折率を持つ透明材料を、封入材中に懸濁させることも可能である。所望の効果を得るための散乱物質(これは、粒子、屈折ガラス球、気泡などを有し得る)の濃度は、LEDの発光表面積、LEDピッチ、光のエスケープ角、LEDによって放たれるルーメン量、光線の光路などの様々なファクタに依存することになる。中出力及び高出力のLED用途では、透光層は一般に、例えばポリジメチルシロキサンなどの透明なシリコーン製品で作製される。このようなシリコーンは、長期にわたって透明性を保持するとともに、その柔軟なゴムのような特性が、このようなシリコーンを、フレキシブルLEDモジュールにとっての好適な選択肢にする。シリコーンは、2成分製品として入手可能であり、それは、両方の成分を完全に混合することによって調製されなければならない。この混合段階において散乱物質が付加される。その後、調製された混合物が金型に注がれ、次いで硬化される。既知のアプローチを用いると、一般に、透光材料の全体にわたって多少なりとも均等に散乱物質が分布した散乱層を得ることができるのみであり、LED光源は各々、LEDモジュール内で局所的な存在を持つ。LEDに光学的に近接した領域で所望の度合いの散乱を提供するように散乱物質濃度が選択されなければならないので、既知のアプローチの欠点は、例えば、アレイのLED同士の間の領域や、LEDモジュールの外縁に沿った領域などといった、LEDの間近にない領域での不必要な光の損失である。
既知のアプローチの別の欠点は、例えば二酸化チタンなどの散乱物質がシリコーン封入材の可撓性を低下させることである。上述の問題に加えて、そのようなアプローチは、故に、フレキシブルLEDモジュールには適さないことになる。上述の充填シリコーン散乱層に関連する別の問題は、これらは、封入プロセスの要件のために設計段階における早期に規定又は設定されなければならず、シリコーンディフューザの後期調整を基本的に認めないことである。ディフューザフォイルの使用もフレキシブルLED照明ソリューションには適さない。何故なら、フォイルは全ての方向で真に柔軟であるわけではないからである。
DE102013106689A1(特許文献1)は、半導体部分が、金型内の開口に埋め込まれて剛性の光学プレートによって覆われた単一のLEDを有することを開示している。その光学プレートはプロファイル化されており、そのプロファイルは、LEDの上方から外側に向かって低下する反射率を有する。
US2014/160752A1(特許文献2)は、多数のLEDと、LEDを覆う部分を持つ接着層とを有する光出力装置を開示している。電気的に散乱する粒子が、静電気引力によって接着層部分に付着して、発光デバイスにセルフアラインされた散乱領域を形成する。LED間で、この粒子層はより薄くされ得る。
本発明の1つの目的は、上述の問題を解決する改善されたLEDモジュールを提供することである。
独国特許出願公開第102013106689号明細書 米国特許出願公開第2014/160752号明細書
本発明の目的は、請求項1のLEDモジュールを製造する方法によって達成され、請求項9のLEDモジュールによって達成され、及び請求項15の装置によって達成される。
本発明によれば、LEDモジュールを製造する方法は、LEDモジュールの複数のLEDを包囲するように、複数の層を有する透光性の封入材を配設するステップと、LEDモジュールのLEDの位置に対応する少なくとも1つの密な散乱領域を形成し、LEDモジュールのLEDの位置に対応しない少なくとも1つの疎な散乱領域を形成し、且つ密な散乱領域と疎な散乱領域との間の遷移散乱領域又は勾配散乱領域を形成するように、層の外表面の表面構造を変更するステップとを有する。
本発明方法の1つの利点は、マルチLEDモジュールによる光出力が均一な外観を与えられることである。これは、透光性の封入材の1つ以上の表面に形成されたパターンによって達成される。これらのパターンは実効的に、さもなければ平滑な層の外表面における変化を有し、例えば、パターンは、層表面に形成された刻み目、窪み、又はギザギザなどの構成を有することができる。変更されたテクスチャが、透光性の層の表面における所望の光散乱機能を達成する。疎らなパターンにされた領域に向けて全ての外向き方向に遷移するLEDの上の(すなわち、LEDモジュールの発光面を覗き込むときにLEDに揃えられている)密なパターンにされた領域の組み合わせは、LEDがもはや“個別の光源”として見えないようになるという意味を持つ。その代わりに、LEDからの光は散乱されて融合及び混合し、単一の光源(例えば、LEDのストリップを有するLEDモジュールの場合に、単一の長くて細い光源)の外観を与える。
本発明によれば、LEDモジュールは、複数のLEDと、LEDを包囲する複数の層を有する透光性の封入材と、当該LEDモジュールのLEDの位置に対応する少なくとも1つの密な散乱領域を有し、当該LEDモジュールのLEDの位置に対応しない少なくとも1つの疎な散乱領域を有し、且つ密な散乱領域と疎な散乱領域との間の遷移領域を有するように、少なくとも1つの封入材層の表面に形成された散乱パターンとを有する。
本発明に従ったLEDモジュールの1つの利点は、それが多数のLEDを有する場合であっても、それが単一の光源として見えることである。また、封入材の材料の内部に散乱粒子を埋め込む必要なしに、光の散乱が封入材層の外表面で発効されるので、封入材の全体が可撓性シリコーンで作製される。これは、ひいては、LEDモジュールそれ自体がフレキシブルであることができ、LEDモジュールが基本的に任意の形状をとることが可能になることを意味する。
本発明によれば、装置は、装置筐体と、該装置筐体の開口部を通して光を放つように構成された、少なくとも1つのこのようなLEDモジュールとを有し、LEDモジュールのLEDによって放たれる光の所望の均一度に従って、封入材層の表面に散乱パターンが形成されている。
本発明に従った装置の1つの利点は、LEDモジュールが好ましく均一な光出力を提供することができ、単一の光源として見えることである。LEDモジュールは基本的に任意の形態をとるように作製されることができるため、この装置は、通常ではない形状をもつようなLEDモジュール、又は均一な光源効果を達成するために従来技術のアプローチを用いたのでは可能でない形状を持つようなLEDモジュールを含むことができる。
従属請求項及び以下の説明は、本発明の特に有利な実施形態及び特徴を開示している。それら実施形態の特徴は適宜に組み合わされ得る。1つのクレームカテゴリーの文脈で記述される特徴は、別のクレームカテゴリーにも等しく適用されることができる。
以下では、本発明をいかようにも限定することなく、透光性の封入材がシリコーン材料を有すると仮定することがある。封入材層の変更された表面構造は、如何なる好適な技術を用いて達成されてもよい。例えば、微細なフライス加工工具を使用して、封入材層の表面に所望のパターンを形成し得る。好ましくは、各散乱領域の広がり範囲及び/又は各散乱領域の密度は、動作時のLEDモジュールの所望の光学的外観に基づいて決定される。本発明方法は、“フェーディング”散乱パターンを作り出すこと、すなわち、(LEDモジュールの発光面上を見るときに)LEDの上又は上方の高密度パターンが、LEDから外に向かって、距離が増加する低密度パターンへと弱まっていくことを可能にする。本発明の特に好適な一実施形態において、散乱パターンは、赤外線レーザ光ビームによって作り出される。例えば、10μmの領域の波長を持つレーザを使用して、所望される複数の異なるパターン領域を作り出すことができる。斯くして、封入材層表面の光学特性が、例えば、層表面モルフォロジーを意図的に変えることや、局所的に屈折率を変えることなどによって変化又は変更される。例えば赤外線レーザなどのレーザの使用は、そのLEDモジュールを用いる用途の要求に適合するように自由に選択されたパターンで、シリコーンの表面上に形成される基本的に任意の散乱パターンが実現され得ることを可能にする。
散乱パターンは、密なパターンにされた領域が作り出されるのか又は疎らなパターンにされた領域が作り出されるのかに応じて、共に近づけて又は遠ざけて、層の表面にランダムに配置された変化を作製することによって達成されることができる。しかしながら、本発明の好適な一実施形態では、散乱パターンは、層の表面に規則的に形成された凹部を有する。これは、完成品で達成される実際の散乱レベルの更なる制御を可能にする。好ましくは、凹部は基本的に円形の形状を有し、レーザ光のパルスを層表面の特定の点に向けることによって作り出される。散乱パターンがどのように作り出されるのかに関わらず、散乱パターンの深さは好ましくは比較的浅いものである。好ましくは、層の外表面に形成される凹部は、50μm−200μmより深くない。
レーザを使用することは、作り出されるパターンの細かい制御を可能にする。例えば、本発明の好適な一実施形態において、層の表面構造は、2次元グリッドパターンを形成するように変更される。グリッドパターンは、所望のパターン密度を達成するために、互いに対して所定の距離に形成された小さい窪み(デント)又は凹部(リセス)を有することができる。レーザを使用して散乱パターンを形成することの別の1つの利点は、高度な精度及び制御を適用して、LEDモジュールのオン状態及び/又はオフ状態において例えば会社ロゴ又はブランド名といった特定の画像を示す散乱領域を形成することができることである。
散乱パターンは、封入材の最も外側の表面上のみに形成されてもよい。これは、所望の散乱効果及び好ましく均一な光出力外観を達成するのに十分であり得る。本発明の更なる好適な一実施形態において、散乱パターンは、封入材の最外面とともに中間レベルにも形成され得る。これは、封入材が2つ以上の層を有するとき、例えば、LEDの上に直に設けられた未変更の又は滑らかな表面を持つ下層と、この下層の上に設けられた更なる層とを有するときに、容易に達成される。この外側の層は、その下面(これは下層の外表面と接触することになる)及びその上面(これは封入材の最外面である)に散乱パターンを形成するように処理されることができる。このような両面パターニングされた層は、例えば、見る角度が変化するときに光源の均一度を変化させることや、見る角度が変化するときに画像又はロゴを出現又は消滅させることなどのために、角度依存効果を呈することができる。
本発明の他の目的及び特徴が、添付の図面と併せて検討される以下の詳細な説明から明らかになるであろう。しかしながら、理解されるべきことには、図面は、本発明の範囲を定めるものとしてではなく、単に例示の目的で作成されたものである。
本発明に従ったLEDモジュールの第1の実施形態の光出力面上を見たところの概略図を示している。 図1のLEDモジュールを通る断面である。 封入材層の外表面に形成された密な散乱パターンを示している。 封入材層の外表面に形成された遷移散乱パターンを示している。 封入材層の外表面に形成された疎な散乱パターンを示している。 本発明に従ったLEDモジュールの第2の実施形態を貫く断面図である。 本発明に従ったLEDモジュールに関する二重パターンにされた封入材層を示している。 本発明に従ったLEDモジュールの更なる実施形態を示している。 図8のLEDモジュールを通る断面を示している。 従来技術のLEDモジュールを示している。
図面においては、全体を通して、似通った参照符号が同様のオブジェクトを参照する。図中のオブジェクトは必ずしも縮尺通りに描かれていない。
図1は、本発明に従ったLEDモジュール1の光出力面111上を見たところの概略図を示している。LEDモジュール1は、キャリア(図示せず)上に直列に配置された一連のLED10を有している。LED10は、特定のピッチPで離間されている。この例示実施形態において、光出力面111は、透光性の封入材11の最も上の表面111である。この図は、透光性の封入材を通して見えるLEDダイ10の概略を示している。最上面111の特定領域R、R、Rに数ミクロンの深さまで、異なる密度を持つ散乱パターンP、P、Pが形成されている。この図は、異なる領域R、R、Rにおける異なるパターン密度を模式的に示している。LED10の直上で、LEDダイの輪郭を越えて延在して、散乱パターンPは密である。モジュールの光出力面の外側領域において、散乱パターンPは疎である。これらの領域の間で、遷移散乱パターンPは例えば密なパターンにされた領域Rから疎なパターンにされた領域Rへ、領域間の滑らかな遷移を達成するように中間の密度を有する。
図2は、図1のものと同様のLEDモジュール1を通る断面A−Aである。この図は、LEDモジュール1が一連のLED10を有し、各LED10が、蛍光体層140で被覆されるとともに、キャリア13上にマウントされていることを示している。例えば、LED10は、リフロープロセスでフレキシブルプリント回路板(PCB)13上にはんだ付けされることができる。次いで、液体シリコーン混合物が、LED10を覆うようにPCB上に注がれ、その後、通常の手法で硬化されて透光性の封入材11となる。この例示実施形態では、透光性の封入材11は、それを通じてLED光が放射されることになる最上面111を有した単一の層11aを有している。シリコーン封入材11が硬化されると、所望の散乱パターンP、P、Pを形成するために、例えば、制御された手法で最上面111の領域R、R、RにレーザビームLを導くことによって、本発明方法が適用される。封入材層11は、通常、少なくとも数ミリメートルの厚さであり、最大で10mmの厚さを有することができ、散乱パターンP、P、Pは、封入材層11aの上面全体にわたって、すなわち、LEDモジュール1の光出力面全体にわたって、赤外線レーザにより、典型的には約15μmの深さまでである1−50μmの深さまで形成されることができる。散乱パターンの凹部又はピットの深さは、レーザパワーに大いに依存することになる。この例示実施形態では、密なパターン領域が各LEDの上に割り当てられ、遷移領域が密な領域と境界を接し、そして、それらの間が疎にパターニングされている。これは、例えば、LEDピッチが非常に大きい場合に適し得る。そうでなければ、疎なパターン領域は、図1に示されるように、表面111の外縁に制限されてもよい。
図3は、封入材層の外表面にCO赤外線レーザによって形成された密な散乱パターンを示している。この図は、部分的に重なり合って互いのすぐ近くに形成された凹部R又はピットの、2次元の秩序だったパターンを示している。この密な散乱パターンPでは、封入材層の元々の表面領域のうち、ほんの少しのみが変化されないままである。本発明に従った方法では、このような密な散乱パターンPが、LED10の真上にあってLEDより幾分大きい領域に形成される。
図4は、封入材層の元々の表面111のうち、より少ない部分が処理されている遷移散乱パターンPを示しており、凹部R及び/又はピットは、図3の密な散乱パターンほどには互いの近くにない。本発明に従った方法では、このような遷移散乱パターンPが、密なパターンにされる領域で受けられる光の量よりは少ないが、かなりである光の量を受ける領域に形成されることができる。遷移散乱パターンPの目的は、高光出力領域Rdを低光出力領域Rsに“ブレンド”することによって、光出力面全体にわたっていっそう均一な光出力を達成することである。
図5は、封入材層の元々の表面111のうち比較的大きい部分が変化されないままである疎な散乱パターンPを示しており、凹部及び/又はピットRは広く離間されている。本発明に従った方法では、このような疎な散乱パターンPが、例えば、LEDモジュールの光出力面111の外縁及び/又は比較的大きいピッチで離間された2つの隣接LED間の中間の方で、LEDから直接的に殆ど光を受けない領域に形成される。
封入材層の表面に作製される凹部、ピット又は彫り込みRは、図3−5に示したような厳密なグリッドパターンのみに従う必要はない。その代わりに、得られる散乱パターン配置が、例えば会社ロゴ、漫画のキャラクター、ブランド名、1つ以上の単語などの認識可能な画像を生み出すように、凹部、ピット又は彫り込みRの配置のバリエーションを計画することができる。
図6は、本発明に従ったLEDモジュール1の第2の実施形態を通る断面であり、2つの封入材層11b、11cを有する透光性封入材11を示している。この図はまた、複数のLED10を完全に覆うように設けられた蛍光体層14を示している。下側封入材層11bは処理されず、例えば、単に透明シリコーンの硬化層11bを有する。上側封入材層11cは、両方の外表面112、113でパターニングされている。両面パターニングの効果は、両方の外表面112、113でパターニングされた封入材層11cを示すものである図7に例示するように、本発明のパターニングの光学的効果を増強することである。特定の光学パターンを有するこれら2つの層が注意深くアライメントされるとき、角度に依存する分布パターンを実現することができる。ここで、2層の封入材11b、11cは、例えば10mmまでの、数ミリメートルの合計厚さを有することができる。上側封入材層11cの上面及び下面112、113に形成される散乱パターンP、P、Pは、上述のように数μmの深さまで形成されることができる。このパターニング深さは、図中に含まれた長方形によって示されている。実際には、任意のパターンが、上側封入材層11cの表面112、113に凹部又はピットの配列を有することになる。
図8は、本発明に従ったLEDモジュール1の更なる一実施形態を示している。ここでは、LEDモジュール1は、照明装置2の一部であり、幾つかのLEDを湾曲構成で有している。LEDモジュール1のオン状態において、光は、単一の光源105を起源としているように見える。均一な光出力は、上の図1−7で説明したパターニングされた散乱領域の配置によって達成される。この効果は、図9にも例示されており、図9は、実質的に垂直な方向にLED10を去る光線が、密なパターンにされた領域Rdの密な散乱パターンPdによって、より大きく散乱される一方で、その外縁又はLED10間の途中のどこかで封入材11を出て行く光線は、遷移パターンPt又は疎なパターンPsによって、より小さく散乱されることを示している。異なる散乱領域の配置は、LEDのストリップのピッチに関連した特徴的な“スポットさ”を効果的に打ち消す。故に、見掛け上の光源105は、単一の光源として見えるとともに、光を散乱させるために封入材中の金属酸化物色素を使用する従来のLEDモジュールよりも高い光出力を有する。さらに、本発明のLEDモジュール1は、透明封入材層11がその本来の可撓性を保持するので、基本的に任意の形状をとることができる。
図10は、同様の照明構成の従来技術のLEDモジュール5を示している。LEDモジュール5によって出力される光の“スポットさ”を低減させる狙いで光を散乱させるために、金属酸化物色素が封入材51内に分配されている。しかしながら、封入材中の金属酸化物色素では、均一な光の外観を達成するのに十分でなく、隣接するLED10間のピッチP及び個々のLED10の輝度のために、別々の光源がはっきりと視認される。この図は、LED10を去る光線が或る程度散乱されることを示している。LEDモジュールの“スポットさ”を完全に除去するためには、封入材51中に多量の金属酸化物色素が必要とされることになるが、それは、LEDモジュール5の光出力をひどく低下させるとともに、封入材からその柔軟な特性を奪うという悪影響を有するものである。
本発明を好適な実施形態及びそれについての変形の形態で開示してきたが、理解されることには、それらには、本発明の範囲を逸脱することなく、数多の更なる変更及び変形が為され得る。
明瞭さのため、理解されるべきことには、この出願全体を通して“a”又は“an”の使用は、複数であることを排除せず、“有する”は、他のステップ又は要素を排除しない。
1 LEDモジュール
10 LED
105 見掛け上の光源
11 透光性の封入材
11a、11b、11c 透光性の封入材層
111、112、113 層表面
13 キャリア
14 蛍光体層
140 蛍光体層
2 装置
5 従来技術のLEDモジュール
51 封入材
密な散乱領域
疎な散乱領域
遷移散乱領域
密な散乱パターン
疎な散乱パターン
遷移散乱パターン
L レーザ光ビーム
R 凹部/ピット
P ピッチ

Claims (13)

  1. フレキシブルLEDモジュールを製造する方法であって、
    前記LEDモジュールの複数のLEDを包囲するように、複数の層を有する透光性の可撓性封入材を配設するステップと、
    前記複数のLEDを包囲するように前記封入材を配設した後に、前記LEDモジュールのLEDの位置に対応する少なくとも1つの密な散乱領域を形成し、前記LEDモジュールのLEDの位置に対応しない少なくとも1つの疎な散乱領域を形成し、且つ密な散乱領域と疎な散乱領域との間の遷移散乱領域を形成するように、層の外表面の表面構造を変更するステップと
    を有し、
    前記層の前記外表面の前記表面構造が、前記層の前記外表面において変更される、
    方法。
  2. レーザ光ビームを層の前記外表面に導いてその表面構造を変更するステップを有する請求項1に記載の方法。
  3. 層の前記表面構造は、2次元グリッドパターンを形成するように変更される、請求項1又は2に記載の方法。
  4. 前記LEDモジュールの各LEDの上に密な散乱領域を形成するステップを有する請求項1乃至3のいずれかに記載の方法。
  5. 各散乱領域の広がり範囲及び/又は各散乱領域の密度が、動作時の前記LEDモジュールの所望の光学的外観に基づいて決定される、請求項1乃至4のいずれかに記載の方法。
  6. 層の前記表面構造は、前記散乱領域が特定の画像を形成するように変更される、請求項1乃至5のいずれかに記載の方法。
  7. 層の上面及び下面の表面構造を変更するステップを有する請求項1乃至6のいずれかに記載の方法。
  8. 前記表面構造は、最大で50μm、より好ましくは最大で15μmの深さまで形成される、請求項1乃至7のいずれかに記載の方法。
  9. フレキシブルLEDモジュールであって、
    複数のLEDと、
    前記LEDを包囲する複数の層を有する透光性の可撓性封入材と、
    当該LEDモジュールのLEDの位置に対応する少なくとも1つの密な散乱領域を有し、当該LEDモジュールのLEDの位置に対応しない少なくとも1つの疎な散乱領域を有し、且つ密な散乱領域と疎な散乱領域との間の遷移領域を有するように、少なくとも1つの封入材層の表面に形成された散乱パターンと
    を有し、
    前記透光性の封入材は、前記LED上に設けられた内側層と、前記内側層上に設けられたパターン層とを有し、
    前記パターン層は、前記内側層に隣接する内表面に更なる散乱パターンを有する、
    LEDモジュール。
  10. 前記透光性の封入材は、前記透光性の封入材の最外面に散乱パターンを持つパターン層を有する、請求項9に記載のLEDモジュール。
  11. 散乱パターンは、層の表面に規則的に形成された凹部を有する、請求項9又は10に記載のLEDモジュール。
  12. 凹部は実質的に円形の形状を有する、請求項11に記載のLEDモジュール。
  13. 装置筐体と、該装置筐体の開口部を通して光を放つように構成された、請求項1乃至8のいずれかに記載の方法を用いて製造された少なくとも1つのLEDモジュールとを有し、前記LEDモジュールのLEDによって放たれる光の所望の均一度に従って、封入材層の表面に散乱パターンが形成されている、装置。
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