JP3135326U - 蛍光灯型ｌｅｄ照明装置 - Google Patents

Abstract

【課題】大光量で、かつ、高効率である既存の照明装置と置き換えることができる蛍光灯型ＬＥＤ照明器を提供する。
【解決手段】ＰＮ接合領域３４で発生させた光を厚み方向に透過させて表面から射出する薄板状の半導体素子本体３１と、その半導体素子本体３１の表面を覆うように設けられた表面電極３２と、その表面電極３２を厚み方向に貫通するものであって前記半導体素子本体３１の内部を透過してくる光を集光し外部に射出する柱状をなす複数の誘電体アンテナ３６、を具備したＬＥＤ３と、透光性を有した樹脂製の長尺状をなす外装体と、を備えており、前記ＬＥＤ３が外装体の両端部または長手方向に沿って配設されて、当該ＬＥＤ３から射出された光が前記外装体２を介して外部に照射されるように構成した。
【選択図】図４

Description

本考案は、面発光可能な高効率ＬＥＤを用いた長尺状をなす蛍光灯型のＬＥＤ照明装置に関するものである。

ＬＥＤは、蛍光灯や白熱灯に比べて長寿命で光量も安定しており、始動に時間がかかったり、廃棄上の問題が生じたりすることも少ない。そして近時では、青色や紫外光を発するものに加えてハイパワーなものも開発されて、従来のようにインジケータのみならず、一般的な照明機器にもその用途が広がりつつある。

しかし、全光量や照度などにおいて比較すると、単位発光面積あたりの光量が増大しているとはいえ、ＬＥＤはいまだ蛍光灯などの後塵を拝している。トータルとして蛍光灯並みの光量を得ようとすると、多くのＬＥＤが必要となるうえ、発熱量が非常に多くなってしまい、特許文献１、２に示すように放熱部材が別途必要になってしまうのである。

これは、従来のＬＥＤが低発光効率かつ小発光面積であることに１つの大きな原因がある。ＬＥＤは周知のごとく、ＰＮ接合構造を有する半導体素子に順電圧を印加することにより、ＰＮ接合層が発光するものであり、そのＰＮ接合層で発生した光が、半導体素子を厚み方向に貫通して素子表面から放射される。ところが、素子の表面には電極が貼着してありその電極が光を遮るため、外部への光の取り出し効率の向上や大面積化による大光量化が阻害される。かといって、遮光影響を小さくするため、電極の面積を素子面積に比べて一定以上小さくすると、素子全体に一様な電界を与えることができなくなって発光量そのものが低下する。したがって、大光量を得るべく素子面積を大きくしても、面発光させるには、結局電極の面積を大きくせざるを得ず、電極による遮光作用で外部に大光量を取り出すことができない。また、かかる不具合を鑑みてＩＴＯ等の透明電極を用いたものも考えられているが、透明電極は金属電極に比べて比抵抗が大きいため、結局この部分でのロスが生じて発光効率が低下する。
特開２００５−１６６５７８号広報 特開２００７−１０９５０４号広報 特開２００３−０７８１６７号広報

このように、従来のＬＥＤは、与えた電力に対する発光効率を一定以上に上げることができず、また単一素子での大面積発光すなわち大光量発光も難しい。

これに対し、本考案者は、特許文献３に示すように、光が電磁波であることに着目し、光に対するアンテナ作用により当該光を集光し、透過させる微少な誘電体アンテナを電極に多数貫通させて構成した画期的なＬＥＤを開発している。かかるＬＥＤによれば、理想的な面発光を行わせて外部に大光量を高効率で取り出すことができる。

そこで本考案は、単一素子での大面積の面発光が高効率で可能なこのＬＥＤを利用し、蛍光灯などの既存の照明装置に代替できるＬＥＤ照明装置を提供すべく図ったものである。

すなわち、本考案に係る蛍光灯型ＬＥＤ照明装置は、
（１）ＰＮ接合領域で発生させた光を厚み方向に透過させて表面から射出する簿板状の半導体素子本体と、その半導体素子本体の表面を覆うように設けられた表面電極と、その表面電極を厚み方向に貫通するものであって前記半導体素子本体内を透過してくる光を集光し外部に射出する柱状をなす複数の誘電体アンテナと、を具備したＬＥＤと、
（２）透光性を有した樹脂製の長尺状をなす外装体と、を備えている。
（３）そして、前記ＬＥＤが外装体の両端部または長手方向に沿って配設されて、当該ＬＥＤから射出された光が前記外装体を介して外部に照射されるように構成している。

このようなものであれば、面電極によって素子本体に一様な電界が与えられるので、大面積で面発光させて大光量を得ることが容易にできる。一方、電極には多数の誘電体アンテナを貫通させているので、電磁波である光がこれら誘電体アンテナに集光されて外部に射出されることとなり、電極での遮光影響を大きく低減することができる。つまり、大面積での理想的な面発光により大光量を発生させつつ、その発生した光を外部へ高効率で取り出すことができるようになる。

さらに、本考案によれば、一般照明に必要とされる光量を確保できるだけでなく、高効率である分、発熱を抑えることができるので、放熱部材等を必要とすることなく樹脂製の外装体を用いることが初めてできるようになる。そしてこのように樹脂製の外装体を用いることができるようになることから、外装体の形状や素材に対する選択性が大きく拡がり、当該外装体に種々のレンズ機能や光拡散機能を発揮させて、様々な目的に応じた好適な照明を行うことが容易にできるようになる。

具体例としては、前記ＬＥＤが白色光を照射するものであり、前記外装体を透明にしたものを挙げることができる。

発光色にバリエーションを与えるには、例えば前記外装体の表面又は内部に蛍光物質を塗布又は混入させるとともに、前記ＬＥＤから射出された光が前記蛍光物質を蛍光させつつ外部に照射されるように構成したものが好適である。

このように構成した本考案によれば、ＬＥＤ照明装置において、従来にない大光量・高効率での面発光が可能になるうえ、外装体の形状や素材に対する選択性が大きく、しかも放熱部材等が不要な簡易な構成であるため、一般照明のみならず、様々な目的に応じた好適な照明を行うことができるようになる。

以下、本考案の一実施形態について図１〜図９を参照して説明する。

本実施形態に係るＬＥＤ照明装置１は、例えば蛍光灯などに代わって、室内照明などの一般照明に用いられるものであり、図１に示すように、外装体２と、外装体２に取り付けられたＬＥＤ３と、それら外装体２及びＬＥＤ３を保持する保持体４とを備えている。

外装体２は、樹脂を素材とする透明なものであり、例えば断面が図２に示すように概略半円形状の柱状をなす。この実施形態では、この外装体２における両端面及び側周面のうちの平面部に、それぞれ内向きの反射板２１を取り付けており、後述するＬＥＤ３からこの外装体２の内部に導入された光が、反射板２１を取り付けていない側周面である円柱外面部２２から射出されるように構成している。

ＬＥＤ３は、図３に示すように矩形乃至円形板状をなし、その一方の面板部の表面から白色光を射出する面発光タイプのものであり、前記外装体２の各端部に発光面を互いに対向させて取り付けられている。詳述すれば、このＬＥＤ３は、図３及び図４に示すように、ＰＮ接合構造を有した簿板状をなす半導体素子本体３１と、その半導体素子本体３１の表面を略覆うように設けられた表面電極３２と、半導体素子素子本体３１の裏面を略覆うように設けられた裏面電極兼反射板３３とを備えており、その中間のＰＮ境界領域３４から光を厚み方向に射出する。なお、電力供給用のリード線３５は素子本体３１の周縁部に接続されている。

前記表面電極３２には、図３及び図４に示すように所定ピッチで複数の貫通孔３２１が厚み方向に形成してあって、それら各貫通孔３２１には、前記半導体素子素子本体３１から放射される光を集光し透過させる大きさの誘電体アンテナ３６を設けている。この誘電体アンテナ３６が、光に対して誘電体アンテナ３６としての機能を有効に発揮するためには、具体的な大きさとして、高さ、幅（径）ともに、光の波長の数分の１から十数倍程度である必要がある。より好ましくは、１／３から３倍程度がよい。また、誘電体アンテナ３６の形状は、図３及び図４では円柱状であるが、多角形柱、楕円柱などでもよい。さらに、誘電体アンテナ３６は、素子本体３１と連続一体のものでもよいし、図５に示すように誘電率の異なる別部材としてもよい。

さらにこの実施形態では、図３に示すようにこの表面電極３２のさらに外側にＹＡＧなどの蛍光樹脂層３７を設けており、半導体素子素子本体３１からの光と、前記蛍光樹脂層３７からの蛍光とが混合されて、数色が混ざることで前述したように白色光が外部に射出されるように構成している。

保持体４は、図１に示すように例えば長尺状をなす中空の本体４１と、その本体４１の各端部から直角に延伸する一対のアーム４２とを備えたもので、各アーム４２に設けられた図示しないコネクタに、前記外装体２の端部に設けられた図示しないコネクタが接続されて、当該外装体２及びＬＥＤ３が、この保持体４に着脱可能に支持される。保持体４側のコネクタは、本体４１に内蔵された図示しない整流回路などに接続されているとともに、外装体２側のコネクタはＬＥＤ３に接続されており、この保持体４に外装体２及び３を装着することにより、ＬＥＤ３に電力を供給して発光させることが可能になる。

次に、このような構成のＬＥＤ照明装置１の動作につき、簡単に説明する。

電力が供給されてＬＥＤ３が発光すると、図１に示すように各ＬＥＤ３から出た光の一部は直接、前記円柱外面部２２から外部に射出される一方、残りは、円柱外面部２２や反射板２１で内部に反射しながら、最終的には、円柱外面部２２から外部に射出されることとなる。しかしてこのときの外装体２の内部での複数回の反射により、円柱外面部２２は、均一に発光する。

このように構成したＬＥＤ照明装置１によれば、ＬＥＤ３の素子本体３１に表面電極３２により一様な電界を与えているので、大面積で面発光させて、大光量を得ることができる。一方、表面電極３２には、多数の誘電体アンテナ３６を貫通させているので、電磁波である光を集光して外部に射出することができ、表面電極３２による遮光影響を大きく低減することができる。つまり、ＬＥＤ３に表面電極３２と誘電体アンテナ３６を備えているので、大光量を発生させつつ、その発生した光を外部へ高効率で取り出すことができる。

したがって、一般照明に必要とされる光量を確保できるだけでなく、高効率である分、発熱を抑えることができるので、放熱部材等を必要としない。

さらに、このように発熱を抑制できるからこそ外装体２に樹脂を使用できるのであるが、そのことにより、外装体２の形状や素材に対する選択性を大きく拡がり、前記外装体２に種々のレンズ機能や光拡散機能等を発揮させて、様々な目的に応じた好適な照明を行うことができるようになる。

また、ＬＥＤ３から照射された光を外装体２の内部で複数回反射させることにより、円柱外面部２２を均一に発光させているので、照射面の明るさを均一にすることができる。

なお、本考案は前記実施形態に限られるものではない。以下に示す説明及び図において、前記実施形態に対応する部材には同一の符号を付すこととする。例えば、図６及び図７に示すＬＥＤ照明装置１では、ＬＥＤ３を直線帯状の形とし、発光面が外装体２の長手方向と平行になるように外装体２の側周面に貼設している。外装体２は図示しない保持体の本体側に自身の長手方向に延びる溝を備えており、その溝の底面上に光を分散させる回折シート７を設置している。また、外装体２の内部には粒子状の蛍光物質５と光散乱粒子６が混入されている。

回折シート７は図８に示すように光を透過し屈曲することができるフィルム上に規則正しく微小突起７１を設けたものである。突起同士の間隔は３０ｎｍから１００μｍの間にあるとよい。また、ある列は３０ｎｍの間隔で微小突起４１が並び、別の列は１００ｎｍの間隔で微小突起７１が並ぶというように、あるグループごとに微小突起７１の間隔が異なっていても良い。

ここで、このような構成におけるＬＥＤ照明装置１の動作について簡単に説明する。電源が入ると、ＬＥＤ３からは紫外線あるいは青色の光が、外装体２の溝に向かって照射され、透明な回折シート７によって複数の点あるいは線光源に光量をロスすることなく分散される。分散された光の一部は蛍光物質５を蛍光させ、光散乱粒子６によって散乱されながら外装体２から外部へ出る。他の光は蛍光物質５を蛍光することなく外装体２から外部へ出て、蛍光した光と混色する。

また、図９に示すように、外装体２の中心に貫通孔を形成して、そこにＬＥＤ３を配置してもよい。

なお、蛍光物質を外装体の表面に塗布しても構わない。光を散乱させる手段として光散乱粒子の代わりに、外装体の表面をサンドブラストなどによって表面加工を行ってもよい。また、ＬＥＤは単一ではなく、複数個を並べて一列にしても構わないし、誘電体アンテナを用いていないＬＥＤでも構わない。

その他、本考案は前記図示例や実施形態に限られず、その主旨を逸脱しない範囲で種々の変形が可能である。

本考案の一実施形態における蛍光灯型ＬＥＤ照明装置の内部構造を示す概観図 同実施形態における外装体の内部構造を示す模式的断面図。 同実施形態における面発光ＬＥＤの模式的断面図。 同実施形態における面発光ＬＥＤの模式的斜視図。 本考案の他の実施形態における面発光ＬＥＤの模式的断面図。 本考案のさらに他の実施形態における蛍光型ＬＥＤ照明装置を示す斜視図 同実施形態における蛍光型ＬＥＤ照明装置の内部構造を示す模式的断面図。 同実施形態における回折シートの構造を示す模式的斜視図。 本考案のさらに他の実施形態における蛍光灯互換型ＬＥＤ照明装置の内部構造を示す模式的断面図。

符号の説明

１・・・ＬＥＤ照明装置
２・・・外装体
３・・・ＬＥＤ
３１・・半導体素子本体
３２・・表面電極
３２１・貫通孔
３４・・ＰＮ接合領域
３６・・誘電体アンテナ
５・・・蛍光物質

Claims (3)

1. ＰＮ接合領域で発生させた光を厚み方向に透過させて表面から射出する簿板状の半導体素子本体と、その半導体素子本体の表面を覆うように設けられた表面電極と、その表面電極を厚み方向に貫通するものであって前記半導体素子本体内を透過してくる光を集光し外部に射出する柱状をなす複数の誘電体アンテナと、を具備したＬＥＤと、
   透光性を有した樹脂製の長尺状をなす外装体と、を備えており、
   前記ＬＥＤが外装体の両端部または長手方向に沿って配設されて、当該ＬＥＤから射出された光が前記外装体を介して外部に照射されるように構成しているＬＥＤ照明装置。
2. 前記ＬＥＤが白色光を照射するものであるとともに、前記外装体が透明なものである請求項１記載のＬＥＤ照明装置。
3. 前記外装体がその表面又は内部に蛍光物質を塗布又は混入させてなるものであり、前記ＬＥＤから射出された光が前記蛍光物質を蛍光させつつ外部に照射されるように構成している請求項１記載のＬＥＤ照明装置。