JP4366923B2 - 照明装置およびその制御方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、配光性を任意に調節可能な照明装置に関し、特に、光源が平面基板上に配置された照明装置において指向特性を任意かつ電気的に調節可能な照明装置に関する。
【０００２】
【従来技術】
従来、電球等の点光源を利用した照明装置の配光性を制御する方法として、光源からの光を所望の方向に反射させるリフレクタと点光源との位置関係を調節することにより、比較的狭い範囲を照らす光（出射する光の半値角の小さいスポット光）や広い範囲を照らす光（出射する光の半値角の大きいフラット光）を生じさせる方法がある。また、発光ダイオード（ＬＥＤ）等の面光源を利用した照明装置の配光性を調節する方法として、半値角が等しく出射方向の異なった複数の発光ダイオードを配置した照明装置を形成し、配置面全体の形状を二次元的あるいは三次元的に変化させることにより、複数の発光ダイオードからの光を組み合わせ、照明装置全体から出射する光の配光性を変化させる方法がある。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、点光源に対して行われた上記方法を面光源に対して行うことは照明装置全体の大きさに制限がある場合には不可能である。また、発光ダイオードの配置面全体の形状を変化させる従来の方法では、照明装置のうち配置面を含む部分を可動にする必要が生じるため、照明装置全体の構成が複雑になる。
【０００４】
そこで、本発明は、光源を平面に配置したまま照明装置の配光性を容易に調節することが可能な照明装置を提供することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明は、基板上に載置された複数の光源を有する照明装置であって、前記複数の光源は、第一の光源と、該第一の光源の半値角より大きい半値角を有する光を出光する第二の光源とを含み、前記第一の光源と前記第二の光源とは、互いにＬＥＤチップを覆うモールド部材の内径が同じ砲弾型であり、前記第一の光源は、前記ＬＥＤチップの発光面から前記モールド部材の頂点までの距離が、前記第二の光源よりも大きくなるように形成され、前記照明装置は、前記第一の光源への供給電力に対する前記第二の光源への供給電力の割合を変化させる制御装置を備えることを特徴とする照明装置である。
【０００６】
本発明により、照明装置全体の形状を変化させることなく、電気的方法により容易に面光源を利用した照明装置の指向特性を段階的に変化させることができる。
【０００７】
本発明は、前記第一の光源と前記第二の光源とで構成されるブロックが、前記基板に繰り返し載置される請求項１に記載の照明装置である。
【０００８】
これにより、広範囲をほぼ同じ位置からスポット光あるいはフラット光で照射する照明装置を形成して、その指向特性を制御することが可能である。即ち、一ブロックあるいは数ブロックを配置した照明装置においては、スッポト光のみを照射する場合と、フラット光のみを照射する場合とで光源の位置がズレるが、本発明のように多数回繰り返し配置することにより、スッポト光のみを照射する場合と、フラット光のみを照射する場合とで光源の位置が見かけ上ズレない照明装置を形成することが可能である。
【０００９】
本発明は、前記第一の光源で構成されるブロックが、前記第二の光源で構成されるブロックの内側に載置される請求項１に記載の照明装置である。
【００１０】
これにより、指向特性の半値角の小さいスポット光を出光する複数の発光ダイオードにより、より狭い範囲を集中的に照射可能なスッポト光を容易に得ることが可能である。
【００１１】
本発明は、前記第一の光源で構成されるブロックが、前記第二の光源で構成されるブロックの外側に載置される請求項１に記載の照明装置である。
【００１２】
これにより、狭い範囲を集中的に照射可能なスッポト光の照射距離をより大きくすることができ、照明装置から遠く離れてもスポット光が観測可能である。
【００１３】
本発明は、基板上に載置された複数の光源を有し、前記複数の光源は、第一の光源と、該第一の光源の半値角より大きい半値角を有する光を出光する第二の光源とを含み、前記第一の光源と前記第二の光源とは、互いにＬＥＤチップを覆うモールド部材の内径が同じ砲弾型であり、前記第一の光源は、前記ＬＥＤチップの発光面から前記モールド部材の頂点までの距離が、前記第二の光源よりも大きくなるように形成されている照明装置の制御方法であって、前記第一の光源への供給電力に対する前記第二の光源への供給電力の割合を変化させることを特徴とする照明装置の制御方法である。
【００１４】
これにより、照明装置全体の形状を変化させることなく、電気的方法により容易に面光源を利用した照明装置の指向特性を段階的に変化させることができる。
【００１５】
本発明は、前記第一の光源への供給電力と前記第二の光源への供給電力の和が定常である請求項５に記載の照明装置の制御方法である。
【００１６】
これにより、照明装置から出光する光量は一定としたままで、指向特性のみを変化させることができる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態を、以下に図面を参照しながら説明する。ただし、以下に示す実施の形態は、本発明の技術思想を具体化するための照明装置を例示するものであって、本発明は照明装置を以下に限定するものではない。特に、本発明の構成要素である光源は、発光ダイオードに限定されない。また、各図面に示す部材の大きさや位置関係などは説明を明確にするために誇張しているところがある。
【００１８】
図１に示されるように、本発明にかかる照明装置は、導電性パターンを施した同一平面基板上に、出射する光の半値角の異なる複数の種類の発光ダイオードのグループを配置し、それぞれのグループに投入される電力の制御を行う。即ち、第一の光源を一つまたは複数含むグループＡと、該第一の光源の半値角より大きい半値角を有する光を出光する第二の光源を一つまたは複数含むグループＢとを同一平面基板上に隣接して載置し、電力をグループＡおよびグループＢに対して別々に供給し、該電力を別々に、あるいは同時に制御する。ここで、本明細書における半値角とは、図６に示されるように光源から出射される光の強度分布を測定したとき、光の強度が最大値の半分になる方向を、光軸方向を基準として測った角度をいうものとする。出光される光の半値角の小さい発光ダイオードだけに電力を供給すれば、狭い範囲を集中的に照射する光（スポット光）が生じ、出光する光の半値角の大きい発光ダイオードだけに電力を供給すれば、広い範囲を照射する光（フラット光）が生じる。出光される光の半値角の小さい発光ダイオードだけに電力を供給、あるいは出光する光の半値角の大きい発光ダイオードだけに電力を供給し、電力を大きくすると照明装置全体としての半値角は変化しないが光軸方向の中心光度が大きくなり、逆に電力を小さくすると半値角は変化しないが光軸方向の中心光度が小さくなる。ここで例えば、双方に供給する電力を同一にすると、照明装置全体から出光する光は、半値角の異なるスポット光とフラット光が組み合わされた結果、スポット光とフラット光の中間的な指向特性の半値角を有する光となる。即ち、図６に示されるように、半値角αを有するスポット光、および半値角βを有するフラット光を組み合わせて双方に電力を供給すると、全体として観測される光は、フラット光およびスポット光の中間的な半値角γ（α＜γ＜β）を有する光となる。
【００１９】
本発明は、このようにして出射する光の半値角の小さい発光ダイオード等の光源と、それよりも半値角の大きい発光ダイオード等の光源に供給される電力をそれぞれ制御することにより、照明装置全体から出光する光の指向特性を変化させることが可能である。また、上記制御において、スポット光を出光する発光ダイオードに供給される電力とフラット光を出光する発光ダイオードに供給される電力の和を常に一定にすることにより、照明装置全体から出光する光の量も常に一定となるため、面光源とした状態でスポット光、フラット光、あるいはそれらの中間的な半値角を有する光を電気的制御により容易に出射することが可能な照明装置となる。
【００２０】
以下、本発明の実施の形態の各構成について詳述する。
［発光ダイオード１０４、１０５、２００］
本発明の実施の形態において光源の一例として使用される発光ダイオード２００の模式的な概観を図２に示す。発光ダイオード２００は、リード電極２０１側面の一部にストッパー２０２を備える。該ストッパー２０２は、発光ダイオード２００のリード電極２０１を基板１０１に設けた貫通孔に挿入した場合に、該貫通孔の側壁上面に引っ掛かるため、発光ダイオードのモールド部材がそれ以上基板面に近づかない。そのため、発光ダイオードを基板に支持固定すると共に、基板１０１に載置された発光ダイオード２００のモールド部材の頂点と基板上面との距離を調節するためにも使用される。ここで、Ｒは、いわゆる砲弾型に成型されたモールド部材の外径であり、ａはＬＥＤチップからモールド部材の頂点までの距離であり、ｂはモールド部材の全長であり、ｃはストッパー２０２の下端からモールド部材の頂点までの距離、即ち、基板に載置された発光ダイオードの頂点から基板上面までの距離となる。
【００２１】
以下、本発明の実施の形態において、光源の一実施例として使用される発光ダイオードの各構成について詳述する。
（ＬＥＤチップ１０３）
本実施の形態では発光素子として発光ダイオードを使用したが、本発明に使用する発光素子としては電球、蛍光灯等、他のいかなる発光体でも構わない。また、本実施の形態で使用される発光ダイオードの発光色は限定されず、白色系、赤色系、緑色系、青色系、の発光色を有する発光ダイオードが使用され、または上記の発光色を有する発光ダイオードが各々組み合わされて使用される。蛍光体と発光素子とを組み合わせ、蛍光体を励起させることによって波長変換した光を出光させる発光装置とする場合、蛍光体を励起可能な波長の光を出光するＬＥＤチップが使用される。ＬＥＤチップ１０３は、ＭＯＣＶＤ法等により基板上にＧａＡｓ、ＩｎＰ、ＧａＡｌＡｓ、ＩｎＧａＡｌＰ、ＩｎＮ、ＡｌＮ、ＧａＮ、ＩｎＧａＮ、ＡｌＧａＮ、ＩｎＧａＡｌＮ等の半導体を発光層として形成させる。半導体の構造としては、ＭＩＳ接合、ＰＩＮ接合やＰＮ接合などを有するホモ構造、ヘテロ構造あるいはダブルへテロ構成のものが挙げられる。半導体層の材料や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。また、半導体活性層を量子効果が生ずる薄膜に形成させた単一量子井戸構造や多重量子井戸構造とすることもできる。好ましくは、蛍光体を効率良く励起できる比較的短波長を効率よく発光可能な窒化物系化合物半導体（一般式ＩｎiＧａjＡｌkＮ、ただし、０≦ｉ、０≦ｊ、０≦ｋ、ｉ＋ｊ＋ｋ＝１）である。
【００２２】
窒化ガリウム系化合物半導体を使用した場合、半導体基板にはサファイヤ、スピネル、ＳｉＣ、Ｓｉ、ＺｎＯ、ＧａＮ等の材料が好適に用いられる。結晶性の良い窒化ガリウムを形成させるためにはサファイヤ基板を用いることがより好ましい。サファイヤ基板上に半導体膜を成長させる場合、ＧａＮ、ＡｌＮ等のバッファー層を形成しその上にＰＮ接合を有する窒化ガリウム半導体を形成させることが好ましい。また、サファイア基板上にＳｉＯ2をマスクとして選択成長させたＧａＮ単結晶自体を基板として利用することもできる。この場合、各半導体層の形成後ＳｉＯ2をエッチング除去させることによって発光素子とサファイア基板とを分離させることもできる。窒化ガリウム系化合物半導体は、不純物をドープしない状態でＮ型導電性を示す。発光効率を向上させるなど所望のＮ型窒化ガリウム半導体を形成させる場合は、Ｎ型ドーパントとしてＳｉ、Ｇｅ、Ｓｅ、Ｔｅ、Ｃ等を適宜導入することが好ましい。一方、Ｐ型窒化ガリウム半導体を形成させる場合は、Ｐ型ドーパンドであるＺｎ、Ｍｇ、Ｂｅ、Ｃａ、Ｓｒ、Ｂａ等をドープさせる。
【００２３】
窒化ガリウム系化合物半導体は、Ｐ型ドーパントをドープしただけではＰ型化しにくいためＰ型ドーパント導入後に、炉による加熱、低速電子線照射やプラズマ照射等によりアニールすることでＰ型化させることが好ましい。具体的な発光素子の層構成としては、窒化ガリウム、窒化アルミニウムなどを低温で形成させたバッファ層を有するサファイア基板や炭化珪素上に、窒化ガリウム半導体であるＮ型コンタクト層、窒化アルミニウム・ガリウム半導体であるＮ型クラッド層、Ｚｎ及びＳｉをドープさせた窒化インジュウムガリウム半導体である活性層、窒化アルミニウム・ガリウム半導体であるＰ型クラッド層、窒化ガリウム半導体であるＰ型コンタクト層が積層されたものが好適に挙げられる。ＬＥＤチップ１０３を形成させるためにはサファイア基板を有するＬＥＤチップ１０３の場合、エッチングなどによりＰ型半導体及びＮ型半導体の露出面を形成させた後、半導体層上にスパッタリング法や真空蒸着法などを用いて所望の形状の各電極を形成させる。ＳｉＣ基板の場合、基板自体の導電性を利用して一対の電極を形成させることもできる。
【００２４】
次に、形成された半導体ウエハー等をダイヤモンド製の刃先を有するブレードが回転するダイシングソーにより直接フルカットするか、又は刃先幅よりも広い幅の溝を切り込んだ後（ハーフカット）、外力によって半導体ウエハーを割る。あるいは、先端のダイヤモンド針が往復直線運動するスクライバーにより半導体ウエハーに極めて細いスクライブライン（経線）を例えば碁盤目状に引いた後、外力によってウエハーを割り半導体ウエハーからチップ状にカットする。このようにして窒化物系化合物半導体であるＬＥＤチップ１０３を形成させることができる。
【００２５】
本発明の発光装置において、蛍光体を励起させて発光させる場合は、蛍光体との補色等を考慮してＬＥＤチップ１０３の主発光波長は３５０ｎｍ以上５３０ｎｍ以下が好ましい。
（マウント・リード１０７）
マウント・リード１０７としては、ＬＥＤチップ１０３を配置させるものであり、ダイボンド機器などで積載するのに十分な大きさがあれば良い。また、ＬＥＤチップ１０３を複数設置しマウント・リード１０７をＬＥＤチップ１０３の共通電極として利用する場合においては、十分な電気伝導性とボンディングワイヤー等との接続性が求められる。また、マウント・リード１０７上のカップ内にＬＥＤチップを配置すると共に蛍光体を内部に充填させる場合は、近接して配置させた別の発光ダイオードからの光により疑似点灯することを防止することができる。
【００２６】
ＬＥＤチップ１０３とマウント・リード１０７のカップとの接着は熱硬化性樹脂、透光性無機材料などによって行うことができる。具体的には、エポキシ樹脂、アクリル樹脂やイミド樹脂、シリカゾルなどが挙げられる。また、フェースダウンＬＥＤチップなどによりマウント・リードと接着させると共に電気的に接続させるためにはＡｇペースト、カーボンペースト、金属バンプ等を用いることができる。さらに、発光ダイオードの光利用効率を向上させるためにＬＥＤチップが配置されるマウント・リードの表面を鏡面状とし、表面に反射機能を持たせても良い。この場合の表面粗さは、０．１Ｓ以上０．８Ｓ以下が好ましい。また、マウント・リード１０７の具体的な電気抵抗としては３００μΩ・ｃｍ以下が好ましく、より好ましくは、３μΩ・ｃｍ以下である。また、マウント・リード上に複数のＬＥＤチップを積置する場合は、ＬＥＤチップからの発熱量が多くなるため熱伝導度がよいことが求められる。具体的には、０．０１０１ｃａｌ／ｃｍ・ｓ・ ℃以上が好ましくより好ましくは ０．５０１ｃａｌ／ｃｍ・ｓ・ ℃以上である。これらの条件を満たす材料としては、鉄、銅、鉄入り銅、錫入り銅、メタライズパターン付きセラミック等が挙げられる。
（インナー・リード１０２）
インナー・リード１０２としては、マウント・リード１０７上に配置されたＬＥＤチップ１０３と接続された導電性ワイヤー１０６との接続を図るものである。マウント・リード１０７上に複数のＬＥＤチップ１０３を設けた場合は、各導電性ワイヤー１０６同士が接触しないよう配置できる構成とする必要がある。具体的には、マウント・リードから離れるに従って、インナー・リードのワイヤーボンディングさせる端面の面積を順に大きくする或いは端面の高さを順に高くすることなどによってマウント・リードからより離れたインナー・リードと接続させる導電性ワイヤーの接触を防ぐことができる。導電性ワイヤーとの接続端面の粗さは、密着性を考慮して１．６Ｓ以上１０Ｓ以下が好ましい。インナー・リードの先端部を種々の形状に形成させるためには、あらかじめリードフレームの形状を型枠で決めて打ち抜き形成させてもよく、或いは全てのインナー・リードを形成させた後にインナー・リード上部の一部を削ることによって形成させても良い。さらには、インナ・リードを打ち抜き形成後、端面方向から加圧することにより所望の端面の面積と端面高さを同時に形成させることもできる。
【００２７】
インナー・リードは、導電性ワイヤーであるボンディングワイヤー等との接続性及び電気伝導性が良いことが求められる。具体的な電気抵抗としては、３００μΩ・ｃｍ以下が好ましく、より好ましくは３μΩ・ｃｍ以下である。これらの条件を満たす材料としては、鉄、銅、鉄入り銅、錫入り銅及び銅、金、銀をメッキしたアルミニウム、鉄、銅等が挙げられる。
（導電性ワイヤー１０６）
導電性ワイヤー１０６としては、ＬＥＤチップ１０３の電極とのオーミック性、機械的接続性、電気伝導性及び熱伝導性がよいものが求められる。熱伝導度としては０．０１ｃａｌ／ｃｍ・ｓ・ ℃以上が好ましく、より好ましくは０．５０１ｃａｌ／ｃｍ・ｓ・ ℃以上である。また、作業性などを考慮して導電性ワイヤー１０６の直径は、好ましくは、Φ１０μｍ以上、Φ４５μｍ以下である。このような導電性ワイヤー１０６として具体的には、金、銅、白金、アルミニウム等の金属及びそれらの合金を用いた導電性ワイヤーが挙げられる。このような導電性ワイヤーは、各ＬＥＤチップ１０３の電極と、インナー・リード１０２及びマウント・リード１０７などと、をワイヤーボンディング機器によって容易に接続させることができる。
（モールド部材２０３）
一般にモールド部材は、ＬＥＤチップ、及び該ＬＥＤチップとリード電極との電気的接続を図る導電性ワイヤー等を外部環境から保護するために使用されるが、本実施の形態においては上記目的に加えて、主にその形状を変化させることにより、種々の指向特性、即ち種々の半値角を有する発光ダイオードを形成するために使用される。発光ダイオードのモールド部材の形状を選択することによって、一般に、指向角が広がると正面光度が低下し、指向角が狭まると正面光度が向上する傾向にある。ここで、指向角とは、放射された光の光軸に対する広がりを表す角度をいう。砲弾型のモールド部材を用いると、一般に指向角が広ければ半値角も広く、指向角が狭ければ半値角も狭い発光ダイオードとすることが可能である。
【００２８】
モールド部材２０３は、各種樹脂や硝子などを用いて形成させることができる。モールド部材２０３の具体的材料としては、主としてエポキシ樹脂、ユリア樹脂、シリコーン樹脂などの耐候性および透光性に優れた熱硬化性樹脂や硝子などが好適に用いられる。なお、本明細書中における熱硬化性樹脂とは、加圧下で加熱すると固化するプラスチックをいう。熱硬化性樹脂は、いったん固化すると最初の性質を損うことなく再溶融、または再成形できない。このような熱硬化性樹脂として、たとえばエポキシ系、メラミン系、フェノール系、尿素系の樹脂が挙げられる。
【００２９】
本実施の形態における指向特性の半値角を調整する方法の一例として、モールド部材の形状は同じ内径を有する砲弾型に成型し、ＬＥＤチップの発光面からモールド部材の頂点までの距離等を調節する方法が挙げられる。より詳細には、スポット光の半値角がモールド部材の中心からα°の発光ダイオードにおけるＬＥＤチップの発光面からモールド部材の頂点までの距離は、フラット光の半値角がモールド部材の中心からβ°（α°＜β°）の発光ダイオードにおけるＬＥＤチップの発光面からモールド部材の頂点までの距離より大きくなるように成型時の金型の形状を変えることにより調節される。本実施の形態において、スポット光の半値角がモールド部材の中心からα°の発光ダイオード１０５は第一の光源として、フラット光の半値角がモールド部材の中心からβ°（α°＜β°）の発光ダイオード１０４は第二の光源として使用される。
【００３０】
また、本実施の形態における指向特性の半値角を調整する方法の別の一例として、モールド部材の形状そのものを変化させる方法が挙げられる。例えば、焦点距離をそれぞれ変えたレンズ形状に成型することによって、指向特性の半値角の異なる発光ダイオードを形成することが可能である。また、モールド部材を砲弾型とレンズ型にそれぞれ成型することによって、指向特性の半値角の異なる発光ダイオードを形成することが可能である。
（拡散剤）
本実施の形態におけるモールド部材には、発光装置の発光輝度を向上させるために拡散剤を含有させることも可能である。モールド部材に含有される拡散剤は、発光素子から放出される光のうち発光観測面側に放出される光の散乱吸収を少なくし、光反射層側面に向かう光を多く散乱させることで発光装置の発光輝度を向上させるものである。このような拡散剤としては、酸化バリウム、チタン酸バリウム、酸化バリウム、酸化珪素、酸化チタン、酸化アルミニウム等の無機部材やメラミン樹脂、ＣＴＵグアナミン樹脂、ベンゾグアナミン樹脂などの有機部材が好適に用いられる。
【００３１】
同様に、外来光や発光素子からの不要な波長をカットするフィルター効果を持たすために各種着色剤を添加させることもできる。さらに、樹脂の内部応力を緩和させる各種フィラーを含有させることもできる。
（フィラー）
更に、本発明において、モールド部材中に蛍光体に加えて、あるいは蛍光体に変えてフィラーを含有させても良い。具体的な材料は拡散剤と同様であるが、拡散剤とは中心粒径が異なり、本明細書においてフィラーとは中心粒径が５μｍ以上１００μｍ以下のものをいう。このような粒径のフィラーを透光性樹脂中に含有させると、光散乱作用により発光装置の色度バラツキが改善される他、透光性樹脂の耐熱衝撃性を高めることができる。また、フィラーは蛍光体と類似の粒径及び／又は形状を有することが好ましい。ここで本明細書では、類似の粒径とは、各粒子のそれぞれの中心粒径の差が２０％未満の場合をいい、類似の形状とは、各粒径の真円との近似程度を表す円形度（円形度＝粒子の投影面積に等しい真円の周囲長さ／粒子の投影の周囲長さ）の値の差が２０％未満の場合をいう。このようなフィラーを用いることにより、蛍光体とフィラーが互いに作用し合い、樹脂中にて蛍光体を良好に分散させることができ色ムラが抑制される。更に、蛍光体及びフィラーは、共に中心粒径が１５μｍ〜５０μｍ、より好ましくは２０μｍ〜５０μｍであると好ましく、このように粒径を調整することにより、各粒子間に好ましい間隔を設けて配置させることができる。これにより光の取り出し経路が確保され、フィラー混入による光度低下を抑制しつつ指向特性を改善させることができる。また、このような粒径範囲の蛍光体及びフィラーを透光性樹脂に含有させ孔版印刷法にて封止部材を形成すると、封止部材硬化後のダイシング工程においてダイシングブレードの目詰まりが回復されドレッサー効果をもたらすことができ量産性が向上される。
［基板１０１］
発光ダイオード２００を配置する基板１０１としては、各発光ダイオード２００を所望の位置に配置し、外部電極と電気的に接続するために用いられるものである。発光ダイオード用の基板１０１としては、機械的強度が高く熱変形の少ないものが好ましい。具体的にはセラミックス、ガラスや各種樹脂を用いた基板が好適に利用できる。また、放熱性を考慮すると、発光ダイオードに電力を供給するための配線パターンが絶縁性材料を介して施された金属基板を用いることが好ましい。基板１０１には、各発光ダイオード２００が駆動できるよう銅などにより導電性パターンが形成されており、該導電性パターンを介して、発光ダイオードと制御装置が電気的に接続される。さらに、基板１０１には発光ダイオード２００から出光した光を発光面方向に反射させるためのリフレクタが備えられてもよい。発光ダイオードの周囲に備えられるリフレクタは、光の取り出し方向に向かって広くなる形状をしており、リフレクタの内壁面は、光が反射されやすように鏡面状態に加工して反射面とする。また、光源の放熱性を向上させるため、リフレクタの材料は、支持体の材料としても使用されるような金属であることが好ましい。
【００３２】
なお、上述したモールド部材の形状を調節する方法と共に、あるいはモールド部材の形状は一定としたまま、リフレクタの傾斜角（基板上面とリフレクタの反射面とのなす内角）を変える方法によって、それぞれの発光ダイオードの指向特性の半値角を調節することが可能である。例えば、モールド部材の形状が同じ発光ダイオードにおいて、一方のリフレクタの傾斜角を他方のリフレクタの傾斜角より大きくすれば、よりフラットな光を出光する光源を形成することが可能である。また、上述したストッパー２０２あるいはスペーサーの位置をリード電極上で変化させ、モールド部材の頂点とリフレクタとの相対位置を変化させることにより、発光ダイオードの指向特性の半値角を調節することが可能である。
［制御装置］
本実施の形態における制御装置とは、スポット光を出射する第一の光源と、フラット光を出射する第二の光源とにそれぞれ電力を供給し、各電力をアナログ的、あるいはデジタル的に制御することが可能な機器をいう。従って、制御装置は、第一の光源、第二の光源毎に供給電力を制御することが可能な制御回路を有する。該制御回路は、電圧あるいは電流を一定として抵抗値を可変抵抗器によって連続的に変化させることにより、供給される電力を段階的に変化させることが可能な回路とすることもある。さらに、該制御回路は、第一の光源への供給電力に対する第二の光源への供給電力の割合を変化させることが可能な制御回路とすることもできる。
【００３３】
例えば、制御装置は、図７に示されるように第一の光源に供給される電力を制御する制御回路と、第二の光源に供給される電力を制御する制御回路とが別々に設けられた制御装置としてもよい。また、制御回路は、図８に示されるように反転回路を使用して抵抗値の値を適当に設定することにより、第一の光源への供給電力と第二の光源への供給電力を同時に制御する制御回路としてもよい。後者のように制御することにより、本実施の形態における制御装置は、照明装置全体に供給される全電力を定常にし、フラット光を出射する光源、およびスポット光を出射する光源にそれぞれ供給される電力の分配率を段階的に変化させることが可能である。例えば、図５に示されるように、フラット光を出射する第二の光源に供給される電力の全電力に対する割合（分配率）をｘとし、スポット光を出射する第一の光源に供給される電力の全電力に対する割合を（１−ｘ）とした場合、照明装置全体からの照射光量（光束）は、フラット光を出射する第一の光源からの光の割合が（１−ｘ）、およびスポット光を出射する第二の光源からの光の割合がｘ組み合わされた光となる。従って、図５および図６に示されるように、半値角αを有するスポット光、および半値角βを有するフラット光を組み合わせて、全体として観測される光は、フラット光およびスポット光の中間的な半値角γ（α＜γ＜β）を有する光となる。本実施の形態の制御装置は、第一の光源に供給される電力の割合を０から１に段階的に切り替える操作と同時に第二の光源に供給される電力の割合を１から０に段階的に切り替える操作が容易に行える。
【００３４】
以上のように、本発明は指向特性の異なる光源のグループに供給される電力をそれぞれ変化させることにより、照明装置全体の指向特性を電気的制御により容易に段階的変化させることが可能である。
【００３５】
【実施例】
以下、本発明に係る実施例について詳述する。なお、本発明は以下に示す実施例のみに限定されないことは言うまでもない。
（実施例１）
本実施例で使用される発光ダイオード１０４、１０５の半値角の大きさは、モールド部材の形状を調節することにより制御する。なお、本実施例においてそれぞれの発光ダイオードは、実質的に同じ発光波長、発光効率を有しているものを使用した。発光ダイオード１０４、および発光ダイオード１０５の何れのモールド形状も、図２に示されるような所謂砲弾型であるが、モールド部材の外径Ｒは等しく、寸法ａ、ｂ、ｃの大きさはそれぞれ異なる。本実施例で使用する発光ダイオード１０４、１０５の外径Ｒ、寸法ａ、ｂ、ｃ、及びモールド部材の中心からの半値角の大きさは、それぞれ以下の表に示す通りである。
【００３６】
【表１】
【００３７】
本実施における制御回路は、図８に示されるように抵抗とオペアンプを組み合わせ、反転回路を有する回路とする。ここで、Ｖ２＝Ｖ１／２とし、各抵抗値の値は以下の表２に示されるように設定する。なお、Ｒ１は、可変抵抗である。
【００３８】
【表２】
【００３９】
図１に示すように、半値角±１０°のスポット光を出光する発光ダイオード１０５（第一の光源）と、半値角±３５°のフラット光を出光する発光ダイオード１０４（第二の光源）を、絶縁性部材を介して導電性パターンを施した基板に載置し、制御回路に組み込むことにより照明装置を形成する。なお、本実施の形態において、第一の光源の半値角の大きさは、５°〜２２．５°の範囲に調整し、第二の光源の半値角の大きさは、２２．５°〜７０°の範囲に調整することが好ましい。５°より小さいと照明装置の指向性が強くなり色バランスが安定し難く、７０°より大きいと輝度が低くなるからである。また、本発明において第一の光源と第二の光源の半値角の大きさの差は、１２．５°以上であることが好ましい。このようにすることによって、一つの照明装置を利用してフラット光とスポット光の両方、さらにそれらの中間的な指向特性を有する光を得ることが可能である。該導電性パターンを通じて発光ダイオードに電力を供給する制御装置を使用して、図６に示されるように発光ダイオード１０５と、発光ダイオード１０４のそれぞれに分配される電力を段階的に制御する。フラット光を出射する第二の光源に供給される電力を全電力の９０％とし、スポット光を出射する第一の光源に供給される電力を全電力の１０％とした場合、照明装置全体からの照射光は、第一の光源からの光が１０％、および第二の光源からの光が９０％組み合わされた光となる。従って、半値角±１０°を有するスポット光、および半値角±３５°を有するフラット光を組み合わせ、全体として観測される光は、フラット光およびスポット光の中間的な半値角±１５．５°を有する光となった。
【００４０】
以上のようにすることにより、発光ダイオード等の光源を平面基板に複数配置して照明装置を形成し、照明装置全体の配光性を電気的方法により段階的に容易に調節することができる。
（実施例２）
図３に示すように、半値角の小さいスポット光を出光する発光ダイオードと、半値角の大きいフラット光を出光する発光ダイオードとにより一ブロックを形成し、該一ブロックを繰り返し配置する他は実施例１と同様に照明装置を形成した。なおここで、スポット光を出光する複数の発光ダイオードのグループと、フラット光を出光する複数の発光ダイオードとにより一ブロックを形成しても構わない。
【００４１】
このようにすると、広範囲をほぼ同じ位置からスポット光あるいはフラット光で照射する照明装置を形成して、その指向特性を制御することが可能である。即ち、一ブロックあるいは数ブロックを配置した照明装置においては、スポット光のみを照射する場合と、フラット光のみを照射する場合とで光源の位置がズレるが、本実施例のように多数回繰り返し配置することにより、スッポト光のみを照射する場合と、フラット光のみを照射する場合とで光源の位置が見かけ上ズレない照明装置を形成することが可能である。
（実施例３）
図４に示すように、半値角の小さいスポット光を出光する発光ダイオード１０５により構成されるブロックを基板に載置し、該ブロックの周囲を取り囲むように半値角の大きいフラット光を出光する発光ダイオード１０４により構成されるブロックを載置する他は実施例１と同様に照明装置を形成した。
【００４２】
本実施例のように構成すると、指向特性の半値角の小さいスポット光を出光する複数の発光ダイオードにより、より狭い範囲を集中的に照射可能な照明装置とすることができる。
（実施例４）
図９に示すように、半値角の大きいフラット光を出光する複数の発光ダイオード１０４により構成されるブロックを基板に載置し、該ブロックの周囲を取り囲むように半値角の小さいスポット光を出光する発光ダイオード１０５により構成されるブロックを載置する他は実施例１と同様に照明装置を形成する。
【００４３】
本実施例のように構成すると、より狭い範囲を集中的に照射可能なスッポト光の照射距離を実施例３と比較して大きくすることができ、照明装置から遠く離れてもスポット光が観測可能である。
（実施例５）
実施例４と同様に、半値角の大きいフラット光を出光する複数の発光ダイオード１０４により構成されるブロックを基板に載置し、該ブロックの周囲を取り囲むように半値角の小さいスポット光を出光する発光ダイオード１０５により構成されるブロックを載置する。さらに図１０に示されるように、発光ダイオードを外部環境から保護するため、発光ダイオードの最上部より高い外枠９０１を発光ダイオード１０５により構成される複数のブロックを取り囲むように設置する。その他は実施例１と同様に照明装置を形成する。
【００４４】
本実施例のように構成すると、発光ダイオード１０５によるスポット光は、発光ダイオード１０４によるフラット光と比較して外枠９０１によって遮られにくいため、照明装置の正面の光取り出し効率を向上させることができる。
（実施例６）
発光ダイオードに供給した電力１Ｗ当たりに人間の目が感じる明るさ（ｌｕｍｅｎ）によって発光効率を表すものとし、発光効率が１ｌｍ／Ｗの第一の光源と、２ｌｍ／Ｗの第二の光源とを使用して照明装置を形成する。互いに半値角の異なる第一の光源および第二の光源に供給される電力の割合を２：１とする。このようにして照明装置全体の配光特性を電気的方法により容易に調節することができる。
【００４５】
【発明の効果】
本発明は、発光ダイオード等の光源を平面基板に複数配置して照明装置を形成し、照明装置全体の配光性を電気的方法により容易に調節することができる。
【００４６】
【図面の簡単な説明】
【図１】 図１は本発明にかかる照明装置の一実施例の模式的な断面図である。
【図２】 図２は本発明において一実施例として使用される発光ダイオードの概観の模式図である。
【図３】 図３は、本発明の一実施例にかかる照明装置の模式的な正面図である。
【図４】 図４は、本発明の一実施例にかかる照明装置の模式的な正面図である。
【図５】 図５は、指向特性の異なる発光ダイオード毎に供給される電力を変化させることを説明する模式図である。
【図６】 図６は、本発明において照明装置から出光する光の指向特性を制御する原理を説明するための模式図である。
【図７】 図７は、本発明の制御装置における制御回路の一実施例を示す図である。
【図８】 図８は、本発明の制御装置における制御回路の一実施例を示す図である。
【図９】 図９は、本発明の一実施例にかかる照明装置の模式的な正面図である。
【図１０】 図１０は、本発明の一実施例にかかる照明装置の模式的な正面図である。
【符号の説明】
１００、３００、４００・・・照明装置
１０２・・・インナー・リード
１０３・・・ＬＥＤチップ
１０４・・・半値角の大きい発光ダイオード
１０５・・・半値角の小さい発光ダイオード
１０６・・・導電性ワイヤー
１０７・・・マウント・リード
２００・・・発光ダイオード
２０１・・・リード電極
２０２・・・ストッパー
２０３・・・モールド部材
３０１、４０１・・・一ブロック
７０１・・・可変抵抗
７０２・・・抵抗
８０１・・・オペアンプ
９０１・・・外枠
【発明の属する技術分野】
本発明は、配光性を任意に調節可能な照明装置に関し、特に、光源が平面基板上に配置された照明装置において指向特性を任意かつ電気的に調節可能な照明装置に関する。
【０００２】
【従来技術】
従来、電球等の点光源を利用した照明装置の配光性を制御する方法として、光源からの光を所望の方向に反射させるリフレクタと点光源との位置関係を調節することにより、比較的狭い範囲を照らす光（出射する光の半値角の小さいスポット光）や広い範囲を照らす光（出射する光の半値角の大きいフラット光）を生じさせる方法がある。また、発光ダイオード（ＬＥＤ）等の面光源を利用した照明装置の配光性を調節する方法として、半値角が等しく出射方向の異なった複数の発光ダイオードを配置した照明装置を形成し、配置面全体の形状を二次元的あるいは三次元的に変化させることにより、複数の発光ダイオードからの光を組み合わせ、照明装置全体から出射する光の配光性を変化させる方法がある。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、点光源に対して行われた上記方法を面光源に対して行うことは照明装置全体の大きさに制限がある場合には不可能である。また、発光ダイオードの配置面全体の形状を変化させる従来の方法では、照明装置のうち配置面を含む部分を可動にする必要が生じるため、照明装置全体の構成が複雑になる。
【０００４】
そこで、本発明は、光源を平面に配置したまま照明装置の配光性を容易に調節することが可能な照明装置を提供することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明は、基板上に載置された複数の光源を有する照明装置であって、前記複数の光源は、第一の光源と、該第一の光源の半値角より大きい半値角を有する光を出光する第二の光源とを含み、前記第一の光源と前記第二の光源とは、互いにＬＥＤチップを覆うモールド部材の内径が同じ砲弾型であり、前記第一の光源は、前記ＬＥＤチップの発光面から前記モールド部材の頂点までの距離が、前記第二の光源よりも大きくなるように形成され、前記照明装置は、前記第一の光源への供給電力に対する前記第二の光源への供給電力の割合を変化させる制御装置を備えることを特徴とする照明装置である。
【０００６】
本発明により、照明装置全体の形状を変化させることなく、電気的方法により容易に面光源を利用した照明装置の指向特性を段階的に変化させることができる。
【０００７】
本発明は、前記第一の光源と前記第二の光源とで構成されるブロックが、前記基板に繰り返し載置される請求項１に記載の照明装置である。
【０００８】
これにより、広範囲をほぼ同じ位置からスポット光あるいはフラット光で照射する照明装置を形成して、その指向特性を制御することが可能である。即ち、一ブロックあるいは数ブロックを配置した照明装置においては、スッポト光のみを照射する場合と、フラット光のみを照射する場合とで光源の位置がズレるが、本発明のように多数回繰り返し配置することにより、スッポト光のみを照射する場合と、フラット光のみを照射する場合とで光源の位置が見かけ上ズレない照明装置を形成することが可能である。
【０００９】
本発明は、前記第一の光源で構成されるブロックが、前記第二の光源で構成されるブロックの内側に載置される請求項１に記載の照明装置である。
【００１０】
これにより、指向特性の半値角の小さいスポット光を出光する複数の発光ダイオードにより、より狭い範囲を集中的に照射可能なスッポト光を容易に得ることが可能である。
【００１１】
本発明は、前記第一の光源で構成されるブロックが、前記第二の光源で構成されるブロックの外側に載置される請求項１に記載の照明装置である。
【００１２】
これにより、狭い範囲を集中的に照射可能なスッポト光の照射距離をより大きくすることができ、照明装置から遠く離れてもスポット光が観測可能である。
【００１３】
本発明は、基板上に載置された複数の光源を有し、前記複数の光源は、第一の光源と、該第一の光源の半値角より大きい半値角を有する光を出光する第二の光源とを含み、前記第一の光源と前記第二の光源とは、互いにＬＥＤチップを覆うモールド部材の内径が同じ砲弾型であり、前記第一の光源は、前記ＬＥＤチップの発光面から前記モールド部材の頂点までの距離が、前記第二の光源よりも大きくなるように形成されている照明装置の制御方法であって、前記第一の光源への供給電力に対する前記第二の光源への供給電力の割合を変化させることを特徴とする照明装置の制御方法である。
【００１４】
これにより、照明装置全体の形状を変化させることなく、電気的方法により容易に面光源を利用した照明装置の指向特性を段階的に変化させることができる。
【００１５】
本発明は、前記第一の光源への供給電力と前記第二の光源への供給電力の和が定常である請求項５に記載の照明装置の制御方法である。
【００１６】
これにより、照明装置から出光する光量は一定としたままで、指向特性のみを変化させることができる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態を、以下に図面を参照しながら説明する。ただし、以下に示す実施の形態は、本発明の技術思想を具体化するための照明装置を例示するものであって、本発明は照明装置を以下に限定するものではない。特に、本発明の構成要素である光源は、発光ダイオードに限定されない。また、各図面に示す部材の大きさや位置関係などは説明を明確にするために誇張しているところがある。
【００１８】
図１に示されるように、本発明にかかる照明装置は、導電性パターンを施した同一平面基板上に、出射する光の半値角の異なる複数の種類の発光ダイオードのグループを配置し、それぞれのグループに投入される電力の制御を行う。即ち、第一の光源を一つまたは複数含むグループＡと、該第一の光源の半値角より大きい半値角を有する光を出光する第二の光源を一つまたは複数含むグループＢとを同一平面基板上に隣接して載置し、電力をグループＡおよびグループＢに対して別々に供給し、該電力を別々に、あるいは同時に制御する。ここで、本明細書における半値角とは、図６に示されるように光源から出射される光の強度分布を測定したとき、光の強度が最大値の半分になる方向を、光軸方向を基準として測った角度をいうものとする。出光される光の半値角の小さい発光ダイオードだけに電力を供給すれば、狭い範囲を集中的に照射する光（スポット光）が生じ、出光する光の半値角の大きい発光ダイオードだけに電力を供給すれば、広い範囲を照射する光（フラット光）が生じる。出光される光の半値角の小さい発光ダイオードだけに電力を供給、あるいは出光する光の半値角の大きい発光ダイオードだけに電力を供給し、電力を大きくすると照明装置全体としての半値角は変化しないが光軸方向の中心光度が大きくなり、逆に電力を小さくすると半値角は変化しないが光軸方向の中心光度が小さくなる。ここで例えば、双方に供給する電力を同一にすると、照明装置全体から出光する光は、半値角の異なるスポット光とフラット光が組み合わされた結果、スポット光とフラット光の中間的な指向特性の半値角を有する光となる。即ち、図６に示されるように、半値角αを有するスポット光、および半値角βを有するフラット光を組み合わせて双方に電力を供給すると、全体として観測される光は、フラット光およびスポット光の中間的な半値角γ（α＜γ＜β）を有する光となる。
【００１９】
本発明は、このようにして出射する光の半値角の小さい発光ダイオード等の光源と、それよりも半値角の大きい発光ダイオード等の光源に供給される電力をそれぞれ制御することにより、照明装置全体から出光する光の指向特性を変化させることが可能である。また、上記制御において、スポット光を出光する発光ダイオードに供給される電力とフラット光を出光する発光ダイオードに供給される電力の和を常に一定にすることにより、照明装置全体から出光する光の量も常に一定となるため、面光源とした状態でスポット光、フラット光、あるいはそれらの中間的な半値角を有する光を電気的制御により容易に出射することが可能な照明装置となる。
【００２０】
以下、本発明の実施の形態の各構成について詳述する。
［発光ダイオード１０４、１０５、２００］
本発明の実施の形態において光源の一例として使用される発光ダイオード２００の模式的な概観を図２に示す。発光ダイオード２００は、リード電極２０１側面の一部にストッパー２０２を備える。該ストッパー２０２は、発光ダイオード２００のリード電極２０１を基板１０１に設けた貫通孔に挿入した場合に、該貫通孔の側壁上面に引っ掛かるため、発光ダイオードのモールド部材がそれ以上基板面に近づかない。そのため、発光ダイオードを基板に支持固定すると共に、基板１０１に載置された発光ダイオード２００のモールド部材の頂点と基板上面との距離を調節するためにも使用される。ここで、Ｒは、いわゆる砲弾型に成型されたモールド部材の外径であり、ａはＬＥＤチップからモールド部材の頂点までの距離であり、ｂはモールド部材の全長であり、ｃはストッパー２０２の下端からモールド部材の頂点までの距離、即ち、基板に載置された発光ダイオードの頂点から基板上面までの距離となる。
【００２１】
以下、本発明の実施の形態において、光源の一実施例として使用される発光ダイオードの各構成について詳述する。
（ＬＥＤチップ１０３）
本実施の形態では発光素子として発光ダイオードを使用したが、本発明に使用する発光素子としては電球、蛍光灯等、他のいかなる発光体でも構わない。また、本実施の形態で使用される発光ダイオードの発光色は限定されず、白色系、赤色系、緑色系、青色系、の発光色を有する発光ダイオードが使用され、または上記の発光色を有する発光ダイオードが各々組み合わされて使用される。蛍光体と発光素子とを組み合わせ、蛍光体を励起させることによって波長変換した光を出光させる発光装置とする場合、蛍光体を励起可能な波長の光を出光するＬＥＤチップが使用される。ＬＥＤチップ１０３は、ＭＯＣＶＤ法等により基板上にＧａＡｓ、ＩｎＰ、ＧａＡｌＡｓ、ＩｎＧａＡｌＰ、ＩｎＮ、ＡｌＮ、ＧａＮ、ＩｎＧａＮ、ＡｌＧａＮ、ＩｎＧａＡｌＮ等の半導体を発光層として形成させる。半導体の構造としては、ＭＩＳ接合、ＰＩＮ接合やＰＮ接合などを有するホモ構造、ヘテロ構造あるいはダブルへテロ構成のものが挙げられる。半導体層の材料や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。また、半導体活性層を量子効果が生ずる薄膜に形成させた単一量子井戸構造や多重量子井戸構造とすることもできる。好ましくは、蛍光体を効率良く励起できる比較的短波長を効率よく発光可能な窒化物系化合物半導体（一般式ＩｎiＧａjＡｌkＮ、ただし、０≦ｉ、０≦ｊ、０≦ｋ、ｉ＋ｊ＋ｋ＝１）である。
【００２２】
窒化ガリウム系化合物半導体を使用した場合、半導体基板にはサファイヤ、スピネル、ＳｉＣ、Ｓｉ、ＺｎＯ、ＧａＮ等の材料が好適に用いられる。結晶性の良い窒化ガリウムを形成させるためにはサファイヤ基板を用いることがより好ましい。サファイヤ基板上に半導体膜を成長させる場合、ＧａＮ、ＡｌＮ等のバッファー層を形成しその上にＰＮ接合を有する窒化ガリウム半導体を形成させることが好ましい。また、サファイア基板上にＳｉＯ2をマスクとして選択成長させたＧａＮ単結晶自体を基板として利用することもできる。この場合、各半導体層の形成後ＳｉＯ2をエッチング除去させることによって発光素子とサファイア基板とを分離させることもできる。窒化ガリウム系化合物半導体は、不純物をドープしない状態でＮ型導電性を示す。発光効率を向上させるなど所望のＮ型窒化ガリウム半導体を形成させる場合は、Ｎ型ドーパントとしてＳｉ、Ｇｅ、Ｓｅ、Ｔｅ、Ｃ等を適宜導入することが好ましい。一方、Ｐ型窒化ガリウム半導体を形成させる場合は、Ｐ型ドーパンドであるＺｎ、Ｍｇ、Ｂｅ、Ｃａ、Ｓｒ、Ｂａ等をドープさせる。
【００２３】
窒化ガリウム系化合物半導体は、Ｐ型ドーパントをドープしただけではＰ型化しにくいためＰ型ドーパント導入後に、炉による加熱、低速電子線照射やプラズマ照射等によりアニールすることでＰ型化させることが好ましい。具体的な発光素子の層構成としては、窒化ガリウム、窒化アルミニウムなどを低温で形成させたバッファ層を有するサファイア基板や炭化珪素上に、窒化ガリウム半導体であるＮ型コンタクト層、窒化アルミニウム・ガリウム半導体であるＮ型クラッド層、Ｚｎ及びＳｉをドープさせた窒化インジュウムガリウム半導体である活性層、窒化アルミニウム・ガリウム半導体であるＰ型クラッド層、窒化ガリウム半導体であるＰ型コンタクト層が積層されたものが好適に挙げられる。ＬＥＤチップ１０３を形成させるためにはサファイア基板を有するＬＥＤチップ１０３の場合、エッチングなどによりＰ型半導体及びＮ型半導体の露出面を形成させた後、半導体層上にスパッタリング法や真空蒸着法などを用いて所望の形状の各電極を形成させる。ＳｉＣ基板の場合、基板自体の導電性を利用して一対の電極を形成させることもできる。
【００２４】
次に、形成された半導体ウエハー等をダイヤモンド製の刃先を有するブレードが回転するダイシングソーにより直接フルカットするか、又は刃先幅よりも広い幅の溝を切り込んだ後（ハーフカット）、外力によって半導体ウエハーを割る。あるいは、先端のダイヤモンド針が往復直線運動するスクライバーにより半導体ウエハーに極めて細いスクライブライン（経線）を例えば碁盤目状に引いた後、外力によってウエハーを割り半導体ウエハーからチップ状にカットする。このようにして窒化物系化合物半導体であるＬＥＤチップ１０３を形成させることができる。
【００２５】
本発明の発光装置において、蛍光体を励起させて発光させる場合は、蛍光体との補色等を考慮してＬＥＤチップ１０３の主発光波長は３５０ｎｍ以上５３０ｎｍ以下が好ましい。
（マウント・リード１０７）
マウント・リード１０７としては、ＬＥＤチップ１０３を配置させるものであり、ダイボンド機器などで積載するのに十分な大きさがあれば良い。また、ＬＥＤチップ１０３を複数設置しマウント・リード１０７をＬＥＤチップ１０３の共通電極として利用する場合においては、十分な電気伝導性とボンディングワイヤー等との接続性が求められる。また、マウント・リード１０７上のカップ内にＬＥＤチップを配置すると共に蛍光体を内部に充填させる場合は、近接して配置させた別の発光ダイオードからの光により疑似点灯することを防止することができる。
【００２６】
ＬＥＤチップ１０３とマウント・リード１０７のカップとの接着は熱硬化性樹脂、透光性無機材料などによって行うことができる。具体的には、エポキシ樹脂、アクリル樹脂やイミド樹脂、シリカゾルなどが挙げられる。また、フェースダウンＬＥＤチップなどによりマウント・リードと接着させると共に電気的に接続させるためにはＡｇペースト、カーボンペースト、金属バンプ等を用いることができる。さらに、発光ダイオードの光利用効率を向上させるためにＬＥＤチップが配置されるマウント・リードの表面を鏡面状とし、表面に反射機能を持たせても良い。この場合の表面粗さは、０．１Ｓ以上０．８Ｓ以下が好ましい。また、マウント・リード１０７の具体的な電気抵抗としては３００μΩ・ｃｍ以下が好ましく、より好ましくは、３μΩ・ｃｍ以下である。また、マウント・リード上に複数のＬＥＤチップを積置する場合は、ＬＥＤチップからの発熱量が多くなるため熱伝導度がよいことが求められる。具体的には、０．０１０１ｃａｌ／ｃｍ・ｓ・ ℃以上が好ましくより好ましくは ０．５０１ｃａｌ／ｃｍ・ｓ・ ℃以上である。これらの条件を満たす材料としては、鉄、銅、鉄入り銅、錫入り銅、メタライズパターン付きセラミック等が挙げられる。
（インナー・リード１０２）
インナー・リード１０２としては、マウント・リード１０７上に配置されたＬＥＤチップ１０３と接続された導電性ワイヤー１０６との接続を図るものである。マウント・リード１０７上に複数のＬＥＤチップ１０３を設けた場合は、各導電性ワイヤー１０６同士が接触しないよう配置できる構成とする必要がある。具体的には、マウント・リードから離れるに従って、インナー・リードのワイヤーボンディングさせる端面の面積を順に大きくする或いは端面の高さを順に高くすることなどによってマウント・リードからより離れたインナー・リードと接続させる導電性ワイヤーの接触を防ぐことができる。導電性ワイヤーとの接続端面の粗さは、密着性を考慮して１．６Ｓ以上１０Ｓ以下が好ましい。インナー・リードの先端部を種々の形状に形成させるためには、あらかじめリードフレームの形状を型枠で決めて打ち抜き形成させてもよく、或いは全てのインナー・リードを形成させた後にインナー・リード上部の一部を削ることによって形成させても良い。さらには、インナ・リードを打ち抜き形成後、端面方向から加圧することにより所望の端面の面積と端面高さを同時に形成させることもできる。
【００２７】
インナー・リードは、導電性ワイヤーであるボンディングワイヤー等との接続性及び電気伝導性が良いことが求められる。具体的な電気抵抗としては、３００μΩ・ｃｍ以下が好ましく、より好ましくは３μΩ・ｃｍ以下である。これらの条件を満たす材料としては、鉄、銅、鉄入り銅、錫入り銅及び銅、金、銀をメッキしたアルミニウム、鉄、銅等が挙げられる。
（導電性ワイヤー１０６）
導電性ワイヤー１０６としては、ＬＥＤチップ１０３の電極とのオーミック性、機械的接続性、電気伝導性及び熱伝導性がよいものが求められる。熱伝導度としては０．０１ｃａｌ／ｃｍ・ｓ・ ℃以上が好ましく、より好ましくは０．５０１ｃａｌ／ｃｍ・ｓ・ ℃以上である。また、作業性などを考慮して導電性ワイヤー１０６の直径は、好ましくは、Φ１０μｍ以上、Φ４５μｍ以下である。このような導電性ワイヤー１０６として具体的には、金、銅、白金、アルミニウム等の金属及びそれらの合金を用いた導電性ワイヤーが挙げられる。このような導電性ワイヤーは、各ＬＥＤチップ１０３の電極と、インナー・リード１０２及びマウント・リード１０７などと、をワイヤーボンディング機器によって容易に接続させることができる。
（モールド部材２０３）
一般にモールド部材は、ＬＥＤチップ、及び該ＬＥＤチップとリード電極との電気的接続を図る導電性ワイヤー等を外部環境から保護するために使用されるが、本実施の形態においては上記目的に加えて、主にその形状を変化させることにより、種々の指向特性、即ち種々の半値角を有する発光ダイオードを形成するために使用される。発光ダイオードのモールド部材の形状を選択することによって、一般に、指向角が広がると正面光度が低下し、指向角が狭まると正面光度が向上する傾向にある。ここで、指向角とは、放射された光の光軸に対する広がりを表す角度をいう。砲弾型のモールド部材を用いると、一般に指向角が広ければ半値角も広く、指向角が狭ければ半値角も狭い発光ダイオードとすることが可能である。
【００２８】
モールド部材２０３は、各種樹脂や硝子などを用いて形成させることができる。モールド部材２０３の具体的材料としては、主としてエポキシ樹脂、ユリア樹脂、シリコーン樹脂などの耐候性および透光性に優れた熱硬化性樹脂や硝子などが好適に用いられる。なお、本明細書中における熱硬化性樹脂とは、加圧下で加熱すると固化するプラスチックをいう。熱硬化性樹脂は、いったん固化すると最初の性質を損うことなく再溶融、または再成形できない。このような熱硬化性樹脂として、たとえばエポキシ系、メラミン系、フェノール系、尿素系の樹脂が挙げられる。
【００２９】
本実施の形態における指向特性の半値角を調整する方法の一例として、モールド部材の形状は同じ内径を有する砲弾型に成型し、ＬＥＤチップの発光面からモールド部材の頂点までの距離等を調節する方法が挙げられる。より詳細には、スポット光の半値角がモールド部材の中心からα°の発光ダイオードにおけるＬＥＤチップの発光面からモールド部材の頂点までの距離は、フラット光の半値角がモールド部材の中心からβ°（α°＜β°）の発光ダイオードにおけるＬＥＤチップの発光面からモールド部材の頂点までの距離より大きくなるように成型時の金型の形状を変えることにより調節される。本実施の形態において、スポット光の半値角がモールド部材の中心からα°の発光ダイオード１０５は第一の光源として、フラット光の半値角がモールド部材の中心からβ°（α°＜β°）の発光ダイオード１０４は第二の光源として使用される。
【００３０】
また、本実施の形態における指向特性の半値角を調整する方法の別の一例として、モールド部材の形状そのものを変化させる方法が挙げられる。例えば、焦点距離をそれぞれ変えたレンズ形状に成型することによって、指向特性の半値角の異なる発光ダイオードを形成することが可能である。また、モールド部材を砲弾型とレンズ型にそれぞれ成型することによって、指向特性の半値角の異なる発光ダイオードを形成することが可能である。
（拡散剤）
本実施の形態におけるモールド部材には、発光装置の発光輝度を向上させるために拡散剤を含有させることも可能である。モールド部材に含有される拡散剤は、発光素子から放出される光のうち発光観測面側に放出される光の散乱吸収を少なくし、光反射層側面に向かう光を多く散乱させることで発光装置の発光輝度を向上させるものである。このような拡散剤としては、酸化バリウム、チタン酸バリウム、酸化バリウム、酸化珪素、酸化チタン、酸化アルミニウム等の無機部材やメラミン樹脂、ＣＴＵグアナミン樹脂、ベンゾグアナミン樹脂などの有機部材が好適に用いられる。
【００３１】
同様に、外来光や発光素子からの不要な波長をカットするフィルター効果を持たすために各種着色剤を添加させることもできる。さらに、樹脂の内部応力を緩和させる各種フィラーを含有させることもできる。
（フィラー）
更に、本発明において、モールド部材中に蛍光体に加えて、あるいは蛍光体に変えてフィラーを含有させても良い。具体的な材料は拡散剤と同様であるが、拡散剤とは中心粒径が異なり、本明細書においてフィラーとは中心粒径が５μｍ以上１００μｍ以下のものをいう。このような粒径のフィラーを透光性樹脂中に含有させると、光散乱作用により発光装置の色度バラツキが改善される他、透光性樹脂の耐熱衝撃性を高めることができる。また、フィラーは蛍光体と類似の粒径及び／又は形状を有することが好ましい。ここで本明細書では、類似の粒径とは、各粒子のそれぞれの中心粒径の差が２０％未満の場合をいい、類似の形状とは、各粒径の真円との近似程度を表す円形度（円形度＝粒子の投影面積に等しい真円の周囲長さ／粒子の投影の周囲長さ）の値の差が２０％未満の場合をいう。このようなフィラーを用いることにより、蛍光体とフィラーが互いに作用し合い、樹脂中にて蛍光体を良好に分散させることができ色ムラが抑制される。更に、蛍光体及びフィラーは、共に中心粒径が１５μｍ〜５０μｍ、より好ましくは２０μｍ〜５０μｍであると好ましく、このように粒径を調整することにより、各粒子間に好ましい間隔を設けて配置させることができる。これにより光の取り出し経路が確保され、フィラー混入による光度低下を抑制しつつ指向特性を改善させることができる。また、このような粒径範囲の蛍光体及びフィラーを透光性樹脂に含有させ孔版印刷法にて封止部材を形成すると、封止部材硬化後のダイシング工程においてダイシングブレードの目詰まりが回復されドレッサー効果をもたらすことができ量産性が向上される。
［基板１０１］
発光ダイオード２００を配置する基板１０１としては、各発光ダイオード２００を所望の位置に配置し、外部電極と電気的に接続するために用いられるものである。発光ダイオード用の基板１０１としては、機械的強度が高く熱変形の少ないものが好ましい。具体的にはセラミックス、ガラスや各種樹脂を用いた基板が好適に利用できる。また、放熱性を考慮すると、発光ダイオードに電力を供給するための配線パターンが絶縁性材料を介して施された金属基板を用いることが好ましい。基板１０１には、各発光ダイオード２００が駆動できるよう銅などにより導電性パターンが形成されており、該導電性パターンを介して、発光ダイオードと制御装置が電気的に接続される。さらに、基板１０１には発光ダイオード２００から出光した光を発光面方向に反射させるためのリフレクタが備えられてもよい。発光ダイオードの周囲に備えられるリフレクタは、光の取り出し方向に向かって広くなる形状をしており、リフレクタの内壁面は、光が反射されやすように鏡面状態に加工して反射面とする。また、光源の放熱性を向上させるため、リフレクタの材料は、支持体の材料としても使用されるような金属であることが好ましい。
【００３２】
なお、上述したモールド部材の形状を調節する方法と共に、あるいはモールド部材の形状は一定としたまま、リフレクタの傾斜角（基板上面とリフレクタの反射面とのなす内角）を変える方法によって、それぞれの発光ダイオードの指向特性の半値角を調節することが可能である。例えば、モールド部材の形状が同じ発光ダイオードにおいて、一方のリフレクタの傾斜角を他方のリフレクタの傾斜角より大きくすれば、よりフラットな光を出光する光源を形成することが可能である。また、上述したストッパー２０２あるいはスペーサーの位置をリード電極上で変化させ、モールド部材の頂点とリフレクタとの相対位置を変化させることにより、発光ダイオードの指向特性の半値角を調節することが可能である。
［制御装置］
本実施の形態における制御装置とは、スポット光を出射する第一の光源と、フラット光を出射する第二の光源とにそれぞれ電力を供給し、各電力をアナログ的、あるいはデジタル的に制御することが可能な機器をいう。従って、制御装置は、第一の光源、第二の光源毎に供給電力を制御することが可能な制御回路を有する。該制御回路は、電圧あるいは電流を一定として抵抗値を可変抵抗器によって連続的に変化させることにより、供給される電力を段階的に変化させることが可能な回路とすることもある。さらに、該制御回路は、第一の光源への供給電力に対する第二の光源への供給電力の割合を変化させることが可能な制御回路とすることもできる。
【００３３】
例えば、制御装置は、図７に示されるように第一の光源に供給される電力を制御する制御回路と、第二の光源に供給される電力を制御する制御回路とが別々に設けられた制御装置としてもよい。また、制御回路は、図８に示されるように反転回路を使用して抵抗値の値を適当に設定することにより、第一の光源への供給電力と第二の光源への供給電力を同時に制御する制御回路としてもよい。後者のように制御することにより、本実施の形態における制御装置は、照明装置全体に供給される全電力を定常にし、フラット光を出射する光源、およびスポット光を出射する光源にそれぞれ供給される電力の分配率を段階的に変化させることが可能である。例えば、図５に示されるように、フラット光を出射する第二の光源に供給される電力の全電力に対する割合（分配率）をｘとし、スポット光を出射する第一の光源に供給される電力の全電力に対する割合を（１−ｘ）とした場合、照明装置全体からの照射光量（光束）は、フラット光を出射する第一の光源からの光の割合が（１−ｘ）、およびスポット光を出射する第二の光源からの光の割合がｘ組み合わされた光となる。従って、図５および図６に示されるように、半値角αを有するスポット光、および半値角βを有するフラット光を組み合わせて、全体として観測される光は、フラット光およびスポット光の中間的な半値角γ（α＜γ＜β）を有する光となる。本実施の形態の制御装置は、第一の光源に供給される電力の割合を０から１に段階的に切り替える操作と同時に第二の光源に供給される電力の割合を１から０に段階的に切り替える操作が容易に行える。
【００３４】
以上のように、本発明は指向特性の異なる光源のグループに供給される電力をそれぞれ変化させることにより、照明装置全体の指向特性を電気的制御により容易に段階的変化させることが可能である。
【００３５】
【実施例】
以下、本発明に係る実施例について詳述する。なお、本発明は以下に示す実施例のみに限定されないことは言うまでもない。
（実施例１）
本実施例で使用される発光ダイオード１０４、１０５の半値角の大きさは、モールド部材の形状を調節することにより制御する。なお、本実施例においてそれぞれの発光ダイオードは、実質的に同じ発光波長、発光効率を有しているものを使用した。発光ダイオード１０４、および発光ダイオード１０５の何れのモールド形状も、図２に示されるような所謂砲弾型であるが、モールド部材の外径Ｒは等しく、寸法ａ、ｂ、ｃの大きさはそれぞれ異なる。本実施例で使用する発光ダイオード１０４、１０５の外径Ｒ、寸法ａ、ｂ、ｃ、及びモールド部材の中心からの半値角の大きさは、それぞれ以下の表に示す通りである。
【００３６】
【表１】
本実施における制御回路は、図８に示されるように抵抗とオペアンプを組み合わせ、反転回路を有する回路とする。ここで、Ｖ２＝Ｖ１／２とし、各抵抗値の値は以下の表２に示されるように設定する。なお、Ｒ１は、可変抵抗である。
【００３８】
【表２】
図１に示すように、半値角±１０°のスポット光を出光する発光ダイオード１０５（第一の光源）と、半値角±３５°のフラット光を出光する発光ダイオード１０４（第二の光源）を、絶縁性部材を介して導電性パターンを施した基板に載置し、制御回路に組み込むことにより照明装置を形成する。なお、本実施の形態において、第一の光源の半値角の大きさは、５°〜２２．５°の範囲に調整し、第二の光源の半値角の大きさは、２２．５°〜７０°の範囲に調整することが好ましい。５°より小さいと照明装置の指向性が強くなり色バランスが安定し難く、７０°より大きいと輝度が低くなるからである。また、本発明において第一の光源と第二の光源の半値角の大きさの差は、１２．５°以上であることが好ましい。このようにすることによって、一つの照明装置を利用してフラット光とスポット光の両方、さらにそれらの中間的な指向特性を有する光を得ることが可能である。該導電性パターンを通じて発光ダイオードに電力を供給する制御装置を使用して、図６に示されるように発光ダイオード１０５と、発光ダイオード１０４のそれぞれに分配される電力を段階的に制御する。フラット光を出射する第二の光源に供給される電力を全電力の９０％とし、スポット光を出射する第一の光源に供給される電力を全電力の１０％とした場合、照明装置全体からの照射光は、第一の光源からの光が１０％、および第二の光源からの光が９０％組み合わされた光となる。従って、半値角±１０°を有するスポット光、および半値角±３５°を有するフラット光を組み合わせ、全体として観測される光は、フラット光およびスポット光の中間的な半値角±１５．５°を有する光となった。
【００４０】
以上のようにすることにより、発光ダイオード等の光源を平面基板に複数配置して照明装置を形成し、照明装置全体の配光性を電気的方法により段階的に容易に調節することができる。
（実施例２）
図３に示すように、半値角の小さいスポット光を出光する発光ダイオードと、半値角の大きいフラット光を出光する発光ダイオードとにより一ブロックを形成し、該一ブロックを繰り返し配置する他は実施例１と同様に照明装置を形成した。なおここで、スポット光を出光する複数の発光ダイオードのグループと、フラット光を出光する複数の発光ダイオードとにより一ブロックを形成しても構わない。
【００４１】
このようにすると、広範囲をほぼ同じ位置からスポット光あるいはフラット光で照射する照明装置を形成して、その指向特性を制御することが可能である。即ち、一ブロックあるいは数ブロックを配置した照明装置においては、スポット光のみを照射する場合と、フラット光のみを照射する場合とで光源の位置がズレるが、本実施例のように多数回繰り返し配置することにより、スッポト光のみを照射する場合と、フラット光のみを照射する場合とで光源の位置が見かけ上ズレない照明装置を形成することが可能である。
（実施例３）
図４に示すように、半値角の小さいスポット光を出光する発光ダイオード１０５により構成されるブロックを基板に載置し、該ブロックの周囲を取り囲むように半値角の大きいフラット光を出光する発光ダイオード１０４により構成されるブロックを載置する他は実施例１と同様に照明装置を形成した。
【００４２】
本実施例のように構成すると、指向特性の半値角の小さいスポット光を出光する複数の発光ダイオードにより、より狭い範囲を集中的に照射可能な照明装置とすることができる。
（実施例４）
図９に示すように、半値角の大きいフラット光を出光する複数の発光ダイオード１０４により構成されるブロックを基板に載置し、該ブロックの周囲を取り囲むように半値角の小さいスポット光を出光する発光ダイオード１０５により構成されるブロックを載置する他は実施例１と同様に照明装置を形成する。
【００４３】
本実施例のように構成すると、より狭い範囲を集中的に照射可能なスッポト光の照射距離を実施例３と比較して大きくすることができ、照明装置から遠く離れてもスポット光が観測可能である。
（実施例５）
実施例４と同様に、半値角の大きいフラット光を出光する複数の発光ダイオード１０４により構成されるブロックを基板に載置し、該ブロックの周囲を取り囲むように半値角の小さいスポット光を出光する発光ダイオード１０５により構成されるブロックを載置する。さらに図１０に示されるように、発光ダイオードを外部環境から保護するため、発光ダイオードの最上部より高い外枠９０１を発光ダイオード１０５により構成される複数のブロックを取り囲むように設置する。その他は実施例１と同様に照明装置を形成する。
【００４４】
本実施例のように構成すると、発光ダイオード１０５によるスポット光は、発光ダイオード１０４によるフラット光と比較して外枠９０１によって遮られにくいため、照明装置の正面の光取り出し効率を向上させることができる。
（実施例６）
発光ダイオードに供給した電力１Ｗ当たりに人間の目が感じる明るさ（ｌｕｍｅｎ）によって発光効率を表すものとし、発光効率が１ｌｍ／Ｗの第一の光源と、２ｌｍ／Ｗの第二の光源とを使用して照明装置を形成する。互いに半値角の異なる第一の光源および第二の光源に供給される電力の割合を２：１とする。このようにして照明装置全体の配光特性を電気的方法により容易に調節することができる。
【００４５】
【発明の効果】
本発明は、発光ダイオード等の光源を平面基板に複数配置して照明装置を形成し、照明装置全体の配光性を電気的方法により容易に調節することができる。
【００４６】
【図面の簡単な説明】
【図１】 図１は本発明にかかる照明装置の一実施例の模式的な断面図である。
【図２】 図２は本発明において一実施例として使用される発光ダイオードの概観の模式図である。
【図３】 図３は、本発明の一実施例にかかる照明装置の模式的な正面図である。
【図４】 図４は、本発明の一実施例にかかる照明装置の模式的な正面図である。
【図５】 図５は、指向特性の異なる発光ダイオード毎に供給される電力を変化させることを説明する模式図である。
【図６】 図６は、本発明において照明装置から出光する光の指向特性を制御する原理を説明するための模式図である。
【図７】 図７は、本発明の制御装置における制御回路の一実施例を示す図である。
【図８】 図８は、本発明の制御装置における制御回路の一実施例を示す図である。
【図９】 図９は、本発明の一実施例にかかる照明装置の模式的な正面図である。
【図１０】 図１０は、本発明の一実施例にかかる照明装置の模式的な正面図である。
【符号の説明】
１００、３００、４００・・・照明装置
１０２・・・インナー・リード
１０３・・・ＬＥＤチップ
１０４・・・半値角の大きい発光ダイオード
１０５・・・半値角の小さい発光ダイオード
１０６・・・導電性ワイヤー
１０７・・・マウント・リード
２００・・・発光ダイオード
２０１・・・リード電極
２０２・・・ストッパー
２０３・・・モールド部材
３０１、４０１・・・一ブロック
７０１・・・可変抵抗
７０２・・・抵抗
８０１・・・オペアンプ
９０１・・・外枠
Claims (5)
- 基板上に載置された複数の光源を有する照明装置であって、
前記複数の光源は、第一の光源と、該第一の光源の半値角より大きい半値角を有する光を出光する第二の光源とを含み、
前記第一の光源と前記第二の光源とは、互いにＬＥＤチップを覆うモールド部材の内径が同じ砲弾型であり、
前記第一の光源は、前記ＬＥＤチップの発光面から前記モールド部材の頂点までの距離が、前記第二の光源よりも大きくなるように形成され、
前記照明装置は、前記第一の光源への供給電力に対する前記第二の光源への供給電力の割合を変化させる制御装置を備えることを特徴とする照明装置。 - 前記第一の光源と前記第二の光源とで構成されるブロックが、前記基板に繰り返し載置される請求項１に記載の照明装置。
- 前記第一の光源で構成されるブロックが、前記第二の光源で構成されるブロックの内側に載置される請求項１に記載の照明装置。
- 基板上に載置された複数の光源を有し、前記複数の光源は、第一の光源と、該第一の光源の半値角より大きい半値角を有する光を出光する第二の光源とを含み、前記第一の光源と前記第二の光源とは、互いにＬＥＤチップを覆うモールド部材の内径が同じ砲弾型であり、前記第一の光源は、前記ＬＥＤチップの発光面から前記モールド部材の頂点までの距離が、前記第二の光源よりも大きくなるように形成されている照明装置の制御方法であって、前記第一の光源への供給電力に対する前記第二の光源への供給電力の割合を変化させることを特徴とする照明装置の制御方法。
- 前記第一の光源への供給電力と前記第二の光源への供給電力の和が定常である請求項４に記載の照明装置の制御方法。
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