JP2021106114A - 光源装置 - Google Patents
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Abstract
Description
複数の実装領域を含む上面を備えた基板と、
前記各実装領域に少なくとも1つ配置されるように前記基板の上面に設けられた複数の発光素子と、
前記複数の発光素子の少なくとも一部の発光素子の上面に設けられた遮光部材と、
上面と、複数の第1凹部と少なくとも1つの第2凹部を有する下面と、を備える導光部材と、
を含み、
前記発光素子は、前記実装領域ごとに独立して点灯制御することができ、
前記各第1凹部内には、前記各実装領域に配置された前記発光素子が位置し、
上面視において、前記第2凹部は前記各第1凹部をそれぞれ囲む環状部を備え、
前記第1凹部内に位置する前記発光素子からの光は前記第1凹部の内面から前記導光部材内に入射し、入射された光は前記第2凹部の内面により前記導光部材の上面に向けて反射され、反射された光は前記導光部材の上面から出射し、出射された光は、前記発光素子が配置される実装領域と前記基板の上方の一点に対して点対称の位置に配置される照射領域を照射する。
以下、本発明に係る実施形態の光源装置について図面を参照しながら説明する。
実施形態の光源装置100は、複数に区分された照射領域に対して光を照射するための光源装置である。光源装置100は、図1及び図2に示すように、複数の実装領域51〜59を含む上面50aを備えた基板50と、各実装領域51〜59に少なくとも1つ配置されるように基板50の上面50aに設けられた複数の発光素子1〜9と、複数の発光素子1〜9の少なくとも一部の発光素子の上面に設けられた遮光部材20と、上面30a及び底面30bを備える導光部材30と、を含む。導光部材30の底面30bには、複数の第1凹部31〜39と少なくとも1つの第2凹部40とが設けられている。なお、図1は、光源装置100の内部構造の理解を容易にするために、導光部材30の一部を省略している。また、図2の発光素子4と発光素子5を囲む実線で描かれた円は、該発光素子周辺の構成を明らかにするための拡大図を示す領域を規定するための線であって、光源装置100の構成要素を示すものではない。
第1凹部31〜39内に位置する発光素子1〜9からの光は、第1凹部31〜39の内面から導光部材30内に入射し、入射された光は第2凹部40の内面により導光部材30の上面30aに向けて反射され、反射された光は導光部材30の上面30aから出射し、出射された光は、図3に示すように、発光素子1〜9が配置される実装領域51〜59と基板50の上方の一点Oに対して点対称の位置に配置される照射領域を照射する。尚、少なくとも2つの実装領域と、少なくとも2つの実装領域に配置された発光素子によって照射される照射領域とが、基板の上方の一点に対して点対称の位置に配置されればよい。
以上のように構成された実施形態の光源装置100は、光源から出射された光が広い領域を照射することができる。
尚、実施形態の光源装置の説明は、9個の実装領域51〜59の各実装領域に1つずつ配置された9個の発光素子1〜9を備えた光源装置について説明するが、本発明において発光素子及び実装領域の数は、所望の数に区分された照射領域に対応して設定されているものであり、9個に限定されるものではなく、少なくとも2以上の複数であればよい。ここで、本明細書において、「対応」とは、互いに関係付けられている領域と領域、面と面、部材と部材、領域と部材、面と部材、及び領域と面等の関係を意味する。
実施形態では、基板50の上面50aにおいて9個に区分された実装領域51〜59は、3行3列のマトリクス状に設けられており、各実装領域は四角形であり、全ての実装領域は同一形状かつ同一寸法である。実施形態における実装領域は、3行3列の9個に区分されているが、実装領域は照射領域に対応して2つ以上に区分されていればよい。例えば、実装領域は、n行m列(n≧2、m≧2)に区分けされてもよい。また、各実装領域の形状は、例えば、円、楕円、略i角形(i≧3)等が考えられ、全ての実装領域が必ずしも同一形状かつ/又は同一寸法でなくてもよい。
本発明の光源装置100は、独立点灯可能な発光素子からの光が所望の照射領域を選択的に照射できるように、実装領域と照射領域とを対応させて設けている。
図3に示すように、実施形態における照射領域61〜69は、実装領域51〜59に対応して、3行3列のマトリクス状に配列されている。しかしながら、照射領域の数や配置はこれに限定されるものではなく、例えば、実装領域は、n行m列(n≧2、m≧2)に区分けされてもよい。また、各照射領域の形状は、例えば、円、楕円、略j角形(j≧3)等が考えられ、全ての照射領域が必ずしも同一形状かつ/又は同一寸法でなくてもよい。尚、図3では説明を容易にするため、照射領域61〜69を面で示している。
点対称の中心となる点Oは、例えば、照射領域61〜69の中心Pと実装領域(基板50の上面50a)51〜59の中心Qを結んだ直線L上の点であり、直線Lは基板50の上面50aと垂直に交わるように配置されている。各照射領域とそれに対応する実装領域はそれぞれ点Oを中心にして点対称の位置に配置されている。例えば、図3の照射領域61〜69において右下に位置する照射領域61に対応する実装領域は、図3の実装領域51〜59において左上に位置する実装領域51である。他の照射領域62〜69も同様に点Oに対して点対称の位置に対応する実装領域52〜59を有している。照射領域61〜69の中心Pを含む照射領域65は、対応する実装領域55から見ると直上に位置するように設けられている。
なお、点対称の中心となる点Oは、中心Pと中心Qを結んだ直線L上の点に限定されるものではなく、照射領域61〜69内の任意の点と実装領域(基板50の上面50a)51〜59内の任意の点とを結んだ直線上の点とすることができる。
発光素子1〜9は、図4Aに示すように、半導体構造体10と正負一対の電極11とを備えている。発光素子1〜9は、第1素子側面〜第4素子側面を備えており、外観形状が略直方体である。中央の実装領域55に配置された発光素子5以外の発光素子1〜4、6〜9の上面には、図4Bに示すように、遮光部材20が配置されている。そのため、発光素子1〜4、6〜9の上面から出射される光は、遮光部材20によって遮られる。発光素子1〜4、6〜9の4つの素子側面から出射される光が主に発光素子1〜4、6〜9の外部へ出射される。発光素子の素子側面から光が出射されることにより、第2凹部の内面に入射する入射角を大きくすることができる。第2凹部の内面に入射する入射角が大きくなることで、入射角を臨界角よりも大きくしやすくなる。これにより、発光素子からの光が第2凹部の内面で全反射しやすくなる。一方、本実施形態では、照射領域の中央に配置された発光素子5は、直上に配置された照射領域55に光を照射するため、上面5aに遮光部材20を設けていない。しかしながら、発光素子5の上面5aにも、遮光部材20を配置してもよい。例えば、全ての発光素子上に遮光部材を設けてもよい。このようにすることで、光源装置100の上面視における見た目の色に統一性が生じ、製品としての見た目が良好となる。発光素子5の上面5aに遮光部材が設けられた場合には、4つの素子側面から出射された光が第1凹部35の内面から導光部材内に入射し、入射された光は第2凹部の内面により導光部材の上面に向けて反射され、反射された光は導光部材の上面から出射し、出射された光は照射領域55を照射する。また、遮光部材は発光素子からの光を反射する部材で形成されることが好ましい。このようにすることで、発光素子の上面から出射された光を遮光部材によって反射し、発光素子の素子側面から発光素子から出射された光を取り出すことができる。これにより、発光素子の光取り出し効率を向上させることができる。
各発光素子1〜9はそれぞれ、対応する各実装領域51〜59に配置されている。また、図1及び図2に示される実施形態の光源装置100では、9個の発光素子1〜9は全て同一方向を向いて配置されているが、各発光素子1〜9は、上面視におけるそれぞれの中心点に対して回転して配置されてもよい。
導光部材30は、図1に示すように、基板50上で、複数の発光素子1〜9を一括して覆うように配置されている。導光部材30は、例えば、ポリカーボネートやアクリル等を含む透光性材料により構成することができる。導光部材30は、各発光素子1〜9をそれぞれ覆う複数の第1凹部31〜39と、隣接する実装領域に跨がるように設けられた第2凹部40とを底面30bに有する。
また、導光部材30の上面30aは、平坦な面に形成されるとよい。これにより、導光部材の上面が凹凸面である場合より導光部材の上面の一部が欠けることを抑制することができる。また、導光部材30の上面30aが平坦な面であることにより、導光部材の上面を吸着しやすくなる。これにより、吸着ノズルを用いて導光部材を基板上に配置する等の作業が行いやすくなる。尚、本明細書において、平坦とは±5μm程度の変動は許容されることを意味する。
以下、第1凹部31〜39と第2凹部40について詳細を説明する。
実装領域51〜59ごとに設けられた第1凹部31〜39は、導光部材30の底面30bに設けられた凹部であって対応する発光素子1〜9を覆うように形成される。9個の第1凹部31〜39は、同一形状である。そのため、以下では、図2及び図5を参照して、中央に位置する発光素子5を覆う第1凹部35を例に挙げて、第1凹部の形状を説明する。
隣接する実装領域に跨がるように設けられた第2凹部40もまた、導光部材30の底面30bに配置された凹部である。第2凹部40は、隣接する実装領域の境界線上に跨がって設けられている。隣接する実装領域に対して第2凹部の一部である単位第2凹部が1つ設けられている。例えば、第2凹部40は、図2に示すように、全ての隣接する実装領域の境界線上に形成された12個の単位第2凹部401〜412を含む。図2に示すように、単位第2凹部401は、実装領域51及び実装領域52に跨がって設けられ、単位第2凹部402は、実装領域52及び実装領域53に跨がって設けられ、単位第2凹部403は、実装領域51及び実装領域54に跨がって設けられている。単位第2凹部404〜単位第2凹部412も順に、図2に示すように、隣接する実装領域に跨がって設けられている。実施形態に係る光源装置100において、単位第2凹部401〜412は互いに連通しており、各第1凹部31〜39をそれぞれ囲む環状部を形成する。
また、上述のように、発光素子1〜9は上面視におけるそれぞれの中心点に対して回転して配置されてもよいため、「環状部が第1凹部を囲む」程度は、各発光素子の回転程度に応じて異なり得る。そのため、本発明に係る光源装置においては、「環状部が第1凹部を囲む」とは、環状部が第1凹部の四方の1/4以上を囲むことを含む。
3行3列のマトリクス状の角部に配置された第1凹部31(33、37、39)を囲む環状部は、単位第2凹部401(405、408、412)と、単位第2凹部403(402、411、410)と、から構成される。
3行3列のマトリクス状の中央に配置された第1凹部35を囲む環状部は、単位第2凹部404と、単位第2凹部406と、単位第2凹部407と、単位第2凹部409と、から構成される。
3行3列のマトリクス状のその他の第1凹部32(34、36、38)を囲む環状部は、単位第2凹部401(408、405、412)と、単位第2凹部402(403、410、411)と、404(406、407、409)と、から構成される。
本実施形態では、9個の実装領域と9個の照射領域が点対称の配置関係にある。そのため、単位第2凹部404、406、407、409は、それぞれの第1面の傾斜角度及び形状が同一、かつそれぞれの第2面の傾斜角度及び形状が同一に形成される。また、単位第2凹部401〜403、405、408、410〜412は、それぞれの第1面の傾斜角度及び形状が同一、かつそれぞれの第2面の傾斜角度及び形状が同一に形成される。
上述したように、実施形態の光源装置100では、第2凹部を構成する単位第2凹部の内面による反射を利用して、発光素子1〜9それぞれから出射される光を所望の照射領域に照射するようにしており、単位第2凹部の各面は、発光素子1〜9それぞれの各素子側面に対応して設けられている。
各単位第2凹部の面はそれぞれ固有の配光特性を有しており、それぞれの固有の配光特性は、対応する発光素子の出射素子側面からの光が同一の照射領域を照らすことができるようにそれぞれ決定される。つまり、1つの発光素子は第1素子側面〜第4素子側面を介して4方向へ光を出射しているが、その出射方向の異なる光は、各素子側面に対応して設けられた各単位第2凹部の面の固有の配光特性によって同一の照射領域に集光される。
図6Aに示されるように、発光素子5の第1素子側面5b1から出射された光は、主に、第1素子側面5b1に対向する第1凹部35の第1側面35b1に入射し、第1凹部35の第1側面35b1で屈折して、第1素子側面5b1に対応する単位第2凹部407の第1面407aへ向かう。単位第2凹部407の第1面407aに入射した光は、単位第2凹部407の第1面407aで反射し、導光部材30の上面30aへ向かう。導光部材30の上面30aに入射した光は、導光部材30の上面30aで再度屈折して導光部材30の外部へと出射し、発光素子5が設けられた実装領域55に対応する照射領域65を照射する。
さらに図6Aを参照して、発光素子4(2、6、8)からの光が、第1凹部の内面、及び第2凹部を構成する単位第2凹部の面を介して出射される様子を説明する。
発光素子4の第1素子側面4b1の反対側に位置する第3素子側面4b3は、導光部材30の外周に対向している。発光素子4を覆う第1凹部34もまた、発光素子4の第1素子側面4b1〜第4素子側面4b4のそれぞれに対向する第1側面34b1〜第4側面34b4を含む内面を備える。
次に、図6Bを参照して、発光素子1(3、7、9)からの光が、第1凹部の内面、及び第2凹部を構成する単位第2凹部の面を介して出射される様子を説明する。図6Bは、図2の光源装置100のB−B線における断面図であり、発光素子からの光が、それぞれの第1凹部の内面、及び第2凹部を構成する単位第2凹部の面を介して導光部材30の外部へ出射される様子を示している。
<変形例1>
上述の説明は各発光素子が全て同一方向で配置されている場合で説明したが、既に説明したように、発光素子は発光素子の中心に対して回転して配置されてもよい。
例えば、3行3列の中央に配置された発光素子5を基準の発光素子として、他の発光素子1〜4、6〜9が発光素子5と比較して回転角度θa〜θh(0°≦θa〜θh<360°)分回転して配置されているとすると、θa〜θh=0°のとき、9個の発光素子1〜9は全て同一方向を向いて配置されていることになる。例えば、θa、θc、θf、θh=0°、θb、θd、θe、θg=45°のときは、発光素子1、3、7、9は発光素子5と同方向を向いて配置されており、発光素子2、4、6、8は発光素子5が45°回転した向きで配置されていることになる。
さらなる例として、発光素子が上面視において正方形形状の場合、θx(x=a〜h)=0°、θx(x=a〜h)=90°、θx(x=a〜h)=180°、及びθx(x=a〜h)=270°はいずれも、中央の発光素子5と発光素子x(x=1〜4、6〜9)が同方向を向いて配置されていることになる。
なお、このように発光素子が回転して配置された場合、その回転角度に応じて導光部材の外周に対向していた発光素子の素子側面に対応する単位第2凹部を設ける空間を有し得る。
発光素子4の第1素子側面4b1から出射された光は、図7Bに示すように、主に、第1素子側面4b1に対応する第1凹部34の第1側面34b1に入射し、第1凹部34の第1側面34b1で屈折して、第1素子側面4b1に対応する単位第2凹部506の第1面506aへ向かう。単位第2凹部506の第1面506aに入射した光は、単位第2凹部506の第1面506aで反射して、導光部材30の上面30aへ向かう。導光部材30の上面30aに入射した光は、導光部材30の上面30aで再度屈折して導光部材230の外部へと出射し、発光素子4が設けられた実装4に対応する領域64を照射する。
変形例2に係る光源装置は、発光素子1〜9の素子側面を覆って波長変換部材21が配置されている点で、実施形態に係る光源装置100と異なる。遮光部材20が配置されている発光素子1〜4、6〜9においては、図8に示すように、遮光部材20が発光素子の上面及び波長変換部材21の上面を覆って配置される。
このように、発光素子1〜9の素子側面を波長変換部材21で覆うことにより、照射領域61〜69に照射される光の波長を所望の波長に設定することができる。
変形例3に係る光源装置は、発光素子1〜9の上面及び素子側面を覆って波長変換部材22が配置されている点で実施形態に係る光源装置100と異なる。遮光部材20が配置されている発光素子1〜4、6〜9においては、図9に示すように、波長変換部材22は、発光素子1〜4、6〜9の上面と遮光部材20との間、及び発光素子1〜4、6〜9の素子側面に配置される。
このように、発光素子の上面及び素子側面を波長変換部材22で覆うことにより、照射領域61〜69に照射される光の波長を所望の波長に設定することができる。
変形例4に係る光源装置は、発光素子1〜9の上面及び素子側面を覆って配置される波長変換部材22と、発光素子5の上面及び発光素子1〜4、6〜9の遮光部材20の上面を覆う被覆部材23とを備える点で実施形態に係る光源装置100と異なる。遮光部材20が配置されている発光素子1〜4、6〜9においては、図10に示すように、波長変換部材22は、発光素子1〜4、6〜9の上面と遮光部材20との間、及び発光素子1〜4、6〜9の素子側面に配置される。
このように、波長変換部材22の上面を被覆部材23で覆うことにより、発光素子及び/又は遮光部材を外力から保護することができる。
(1)色相:色相環の3レンジ以内
(2)明度:3レンジ以内
(3)彩度:3レンジ以内
であることを意味する。すなわち、マンセル表色系(20色相)の等色相面において、色相、明度、彩度とも両隣までが同系色とする。
このマンセル表色系において、被覆部材23の上面及び基板50の上面の明度は、例えば4以下である。
このように、被覆部材23の上面と基板50の上面50aとを同系色に設定することで、光源装置100の見た目の色に統一性が生じ、製品としての見た目が良好となる。
変形例5に係る光源装置600は、図11に示すように、導光部材30の側面を覆う枠部材45を備えている点で実施形態に係る光源装置100と異なる。導光部材30の側面を覆う枠部材45を設けることで、導光部材30の側面から漏れ出る光を枠部材45によって反射でき、発光素子から出射された光を効率的に利用することができる。さらに、例えば、本発明に係る光源装置を電子機器に搭載する場合に、枠部材45を、導光部材30の側面との間に空間を有するように配置することで、該空間に電子部品46等を配置することができる。
以下、実施例について説明する。
実施例では、実施形態の光源装置に基づき、基板と、独立して点灯可能な9個の発光素子1〜9と、第1凹部31〜39及び第2凹部40を備える導光部材30とを備える光源装置モデルを用いて、照射面における照射分布のシミュレーションを行った。
発光素子1〜9が出射する光の波長は、550nmに設定した。発光素子1〜9は、3行×3列のマトリクス状に配列し、すべて同一方向(θ=0°)の配置に設定した。中央に配置された発光素子5以外の発光素子1〜4、6〜9は、上面に遮光部材20を有する設定とした。遮光部材20の材料は、酸化チタンを添加したシリコーン樹脂に設定した。シリコーン樹脂の屈折率は1.51とし、酸化チタンの屈折率は2.54とした。また、遮光部材における酸化チタンの含有率は60wt%に設定した。なお、「wt%」とは重量パーセントのことであり、遮光部材の全重量に対する酸化チタンの重量の比率を表す。
第1凹部31〜39は、上面が0.9×0.9mmの辺の長さを有し、底面が1.04×1.04mmの辺の長さを有する略矩形形状であり、上面から底面までの長さが0.8mmである略直方体形状に設定した。第1側面〜第4側面の傾斜角度φ1は全て、85°に設定した。
第2凹部40は、12個の単位第2凹部401〜412から構成される設定とした。単位第2凹部404、406、407、409の面のうち、第1凹部35側の面の傾斜角度φ2は56.5°に設定し、他方の面の傾斜角度φ2は40°に設定した。単位第2凹部401〜403、405、408、410〜412の面のうち、3行3列の角部に位置する第1凹部31(又は、33、37、39)側の面の傾斜角度φ2は、40°に設定し他方の面の傾斜角度φ2は、58°に設定した。
導光部材30の材料は、ポリカーボネートに設定した。ポリカーボネートの屈折率は1.58とした。
図13Aは、9個の発光素子1〜9のうち、中央に配置した1個の発光素子5を点灯させたときの照射面における照度分布を示す図である。図13Bは、図13Aに示す点灯状況のときの照射面における照度分布を示す図である。
図14Aは、9個の発光素子1〜9のうち、1個の発光素子4を点灯させたときの点灯状況を示す図である。図14Bは、図14Aに示す点灯状況のときの照射面における照度分布を示す図である。
図15Aは、9個の発光素子1〜9のうち、1個の発光素子7を点灯させたときの点灯状況を示す図である。図15Bは、図15Aに示す点灯状況のときの照射面における照度分布を示す図である。
図16Aは、9個の発光素子1〜9のうち、5個の発光素子1〜3、6、9を点灯させたときの点灯状況を示す図である。図16Bは、図16Aに示す点灯状況のときの照射面における照度分布を示す図である。
1a、5a 上面
1b1〜1b4、4b1〜4b4、5b1〜5b4 第1素子側面〜第4素子側面
10 半導体構造体
11 電極
20 遮光部材
21、22 波長変換部材
23 被覆部材
30、230 導光部材
30a、230a 上面
30b 底面
31〜39 第1凹部
35a 上面
31b1〜31b4、34b1〜34b4、35b1〜35b4 第1側面〜第4側面
40 第2凹部
45 枠部材
46 電子部品
50 基板
50a 上面
51〜59 実装領域
61〜69 照射領域
401〜412、501〜512 単位第2凹部
401a、406a、407a 第1面
406b 第2面
421、422、425 環状部
100、200、600 光源装置
Claims (11)
- 複数の実装領域を含む上面を備えた基板と、
前記各実装領域に少なくとも1つ配置されるように前記基板の上面に設けられた複数の発光素子と、
前記複数の発光素子の少なくとも一部の発光素子の上面に設けられた遮光部材と、
上面と、複数の第1凹部と少なくとも1つの第2凹部を有する下面と、を備える導光部材と、
を含み、
前記発光素子は、前記実装領域ごとに独立して点灯制御することができ、
前記各第1凹部内には、前記各実装領域に配置された前記発光素子が位置し、
上面視において、前記第2凹部は前記各第1凹部をそれぞれ囲む環状部を備え、
前記第1凹部内に位置する前記発光素子からの光は前記第1凹部の内面から前記導光部材内に入射し、入射された光は前記第2凹部の内面により前記導光部材の上面に向けて反射され、反射された光は前記導光部材の上面から出射し、出射された光は、前記発光素子が配置される実装領域と前記基板の上方の一点に対して点対称の位置に配置される照射領域を照射する光源装置。 - 断面視において、前記基板に対する前記第2凹部の内面の傾斜角度は40°以上70°以下である請求項1に記載の光源装置。
- 前記導光部材の上面が平坦な面である請求項1又は2に記載の光源装置。
- 断面視において、前記基板に対する前記第1凹部の内面の傾斜角度は70°以上90°以下である請求項1〜3のいずれか1つに記載の光源装置。
- 前記発光素子の素子側面を覆う波長変換部材を備える請求項1〜4のいずれか1つに記載の光源装置。
- 前記波長変換部材は前記発光素子の上面と前記遮光部材の間に位置する請求項5に記載の光源装置。
- 前記照射領域と前記実装領域とは、n行m列に区分されており、n≧2、m≧2である請求項1〜6のいずれか1つに記載の光源装置。
- 1行目、n行目、1列目およびm列目に位置する前記実装領域に載置された前記発光素子の上面に前記遮光部材が設けられる請求項7に記載の光源装置。
- 前記遮光部材の上面を被覆する被覆部材を有する請求項1〜8のいずれか1つに記載の光源装置。
- 前記基板の上面と前記被覆部材の上面が同系色である請求項9に記載の光源装置。
- 前記基板の上面及び前記被覆部材の上面のマンセル表色系における明度が4以下である請求項9又は10に記載の光源装置。
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