JP4592320B2 - 発光装置 - Google Patents

Description

本発明は、発光ダイオード（ＬＥＤ）を用いた発光装置に関するものである。

これまでＬＥＤを用いた発光装置の放熱機構に関し、様々な構造や方法が提案されてきた。その中でＬＥＤの前面にレンズを配し、ＬＥＤから出射された光（以下、「ＬＥＤ出射光」という）を反射面などを介さずに直射的に取り出すと共に、レンズとＬＥＤとの間を、絶縁性かつ透光性を有する液体で満たし、ＬＥＤから発生する熱の一部を自然対流によって輸送する方法は、液体中に波長変換性、残光性、光散乱性等を有する様々な物質を分散させることにより様々な機能が付与できる特徴を有している。（例えば特許文献１）
特開２００１−３６１４８号公報

従来の発光装置は以上のように構成されており、以下に示すような課題を有していた。

複数の発光スペクトルから成る白色光や高い演色性を有する光を得ようとすると、液体中に複数の波長変換性物質を均一に分散させる必要があった。

ところが分散された波長変換性物質は、ＬＥＤから発生した熱によって引き起こされた自然対流の影響を受け、澱みに滞留し集中する傾向を示した。また異なる波長変換物質は一般に比重が異なるため、重いものが下方に、軽いものが上方に層状に分布する傾向を示した。この結果、均一な分布を維持することは難しく、発光色にムラが生じたり、色づきが悪くなったりしていた。

本発明は、係る課題を解決するためになされたもので、色ムラのない高い演色性を有する発光装置を提供することを目的にしたものである。

本発明に係る発光装置は、発光ダイオードと、発光ダイオードを実装した実装基板と、実装基板を内包し、発光ダイオードから出射された出射光と対向するように配された、内面が凹面状の筐体と、内面で反射された光を外部に取り出す際の光出射面となる光出射部と、を備え、筐体は熱伝導性の優れた材料で構成され、筐体において内面と反対側の面を断熱材で覆い、内面に、出射光に対する作用物質を一様分散したバインダからなる光変換部を設けると共に、光出射部と筐体とで囲まれた空間を絶縁性かつ透光性を有する充填剤で満たし、筐体において内面と反対側の面に、断熱材を貫通もしくは除去して放熱部を設けるように構成したものである。

発光ダイオードから出射された出射光と対向するように配された凹面状の内面に波長変換性物質をバインダで固定するようにしたので、絶縁性かつ透光性を有する充填剤を充填されても、波長変換性物質が比重の違いにより層状に分離することや、自然対流によって滞留することはなくなる。この結果、色ムラのない高い演色性を有する発光装置を提供することができる。

実施の形態１．

図１（ａ）、（ｂ）は、それぞれ本発明の実施の形態１に係る発光装置の断面図と側断面図である。
図において発光装置は、ＬＥＤ素子２と、このＬＥＤ素子２を実装した実装基板１と、ＬＥＤ素子２と対向するように配され、内面を鏡面状の反射面とした半円筒状の筐体４と、この筐体４の反射面上に設けられＬＥＤ素子２から発せられた光を異なる波長の光に変換する光変換部３と、筐体４で反射された光を外部に取り出す際の光出射面となる光出射部６と、この光出射部６と筐体４とで囲まれた空間に充填された充填剤５と、から構成される。

以下、各々の構成要素について説明する。
まず光出射部６は、光学ガラスや耐光性に優れた樹脂で構成されたレンズや窓などであり、目的に応じて凹や凸などの形状が選ばれる。

また実装基板１は、ガラスエポキシ樹脂を用いても発光装置の機能には支障を来たさないが、ＬＥＤ素子２の寿命や発光効率を改善するために、熱伝導性に優れた金属やセラミクスを用いることが望ましい。図２に金属を用いた実装基板１の構成例を示す。図において金属基板１０の表面には絶縁層（図示せず）が形成され、その上に導電パタン１１が配設され、その上にＬＥＤ素子２が実装される。導電パタン１１はＬＥＤ素子２が実装される部分を除いて絶縁処理が施される。また給電部９を介してＬＥＤ素子２に電力が供給される。

また充填剤５は、絶縁性かつ透光性を有する液体であって、ＬＥＤ素子２の発光面との屈折率のミスマッチによる光の取出し効率の低下を低減するため、ＬＥＤ素子発光面との屈折率差の小さなものが選ばれる。そしてＬＥＤ素子２をこのような充填剤５で浸漬することにより、ＬＥＤ素子２から発生した熱は、実装基板１を伝導するだけでなく、自然対流によって筐体４まで輸送され、筐体４を介して外部に放散される。このようにしてＬＥＤ素子２から発生した熱は効率よく放散される。

さらに充填剤５として、低温環境で特性が保障された、変色や固化することのない低温用シリコーンを用いれば、本発光装置を冷蔵庫や冷凍庫などの低温環境で使用することもできる。

また光変換部３は、ＬＥＤ素子２から発した光を励起光として異なる波長の光に変換する波長変換物質と、一様に分散された当該波長変換物質を保持するバインダと、から構成される。波長変換物質として蛍光体などが挙げられる。

このような光変換部３は、例えば蛍光体を筐体４にバインダを介して直接接着したり、シリコーンシートをバインダとして蛍光体をシート中に所定の濃度で一様に分散し、このシートを筐体４に密着させたりして構成する。ここでバインダは、充填剤５の屈折率を考慮して選ばれる。

以上のような構成によりＬＥＤ素子２から発した光は、充填剤５を通って光変換部３に入射する。光変換部３に入射した光は、分散された蛍光体によって波長変換されたり、反射・散乱されたりして、光出射部６や筐体４の方に向かったりする。光出射部６の方に向かった光は充填剤５を通って光出射部６を介して出射される。

また筐体４の方に向かった光は反射面により反射された後、再び光変換部３に入射し、分散された蛍光体によって波長変換されたり、反射・散乱されたりする。そして光出射部６の方に向かった光が充填剤５を通り光出射部６を介して出射され、筐体４の方に向かった光は前述と同じ経路を辿る。このようにしてＬＥＤ出射光は様々な経路を辿りながら、異なる波長の光に変換され、光出射部６を介して出射される。以下では、ＬＥＤ出射光に対し、異なる波長の光に変換される割合を変換効率と呼ぶことにする。

この時、蛍光体はバインダ中に固定されているので、比重の違いにより層状に分離することや、充填剤５中に自然対流が発生しても滞留したりすることはなくなり、分布にムラが生じることもなくなる。この結果、色ムラが生じたり、色合いが悪くなったりすることはなくなる。

ここで光変換部３の蛍光体は、混合蛍光体であり、ＬＥＤ出射光を励起光としてそれぞれ青色スペクトル、緑色スペクトル、赤色スペクトルで発光する３種類の蛍光体を混合して構成したものである。
青色スペクトルが得られる蛍光体として例えばＢａＭｇＡｌ10Ｏ17、緑色スペクトルが得られる蛍光体として例えばＺｎＳ：Ｃｕ，Ａｌ、赤色スペクトルが得られる蛍光体として例えばＹ2Ｏ2Ｓ：Ｅｕなどが挙げられる。これら３種類の蛍光体を混合することにより白色発光が得られる。

蛍光体を混合する際、３種類の蛍光体は変換効率を高めると共に、演色性を高めるような比率で混合する。バインダ中に分散する混合蛍光体をこのように混合することで、発光スペクトルの分光成分が可視光域で連続するため、演色性の高い発光装置を実現することができる。

また図３は、本実施の形態に係る発光装置の別の形態を示したものである。
図において実装基板１上の各ＬＥＤ素子２は、高反射性の材料で構成された反射面１６によって取り囲まれている。このような構成によりＬＥＤ素子２から出射された光の方向は制限され、光変換部３を設ける範囲も制限することができる。

ここで図４は、このような構成を実現するための説明図である。図（ａ）は図２で説明した実装基板１であり、図（ｂ）は反射板１５である。反射板１５には、各ＬＥＤ素子２に対応した開口部１７が設けてあり、これを実装基板１に被せることにより各ＬＥＤ素子２を取り囲むように反射面１６が形成される。このようにして各ＬＥＤ素子２の出射光を制限することができる。

また図５は、本実施の形態に係る発光装置のもう一つの形態を示したものである。
図においてＬＥＤ素子２を実装した実装基板１とＬＥＤ素子２´を実装した実装基板１´は、筐体４と光出射部６の囲む空間の両端部のそれぞれに略対向する形で配され、それぞれの実装基板から出射される光の方向が一致しないように、筐体４の底部の方に少し傾くように設置される。このような構成により２つの実装基板１、１´を内蔵することができ、大光束の発光装置を得ることができる。

また本発光装置は、筐体４が熱を外部に放散させる放熱板として働いているので、発光面を下向きにし、筐体４を上に向けて外部に露出する照明装置等の用途に好適である。この場合、筐体４を金属などの熱伝導性に優れた材料で構成することにより、ＬＥＤ素子２から発生した熱の放熱路を確実に確保することができる。

このように本発光装置の構成によれば、複数ＬＥＤ素子からなる大出力実装基板を用いた場合にも、ＬＥＤ素子２温度の上昇を抑制することができ、高効率で、寿命の長い、演色性に優れた発光装置を提供することができる。さらに近年開発が加速されている大電流駆動、大光出力型の発熱量の大きなＬＥＤ素子（ハイパワー素子）にも対応が可能である。

なお本実施の形態では、充填剤５は対流が発生する粘度の低いものとしたが、熱伝導性に優れた材料であれば、対流が発生し難い、粘度の高いゲル状の液体であっても構わない。この場合、ＬＥＤ素子２で発生した熱は、熱伝導によって筐体４まで伝わり、外部に放散される。

また本実施の形態では、波長変換性物質を一様分散させる場合について説明してきたが、これに限定されるものではない。波長変換性物質の代わりに残光性物質や光散乱性物質を一様分散させても良い。この場合も波長変換性物質の場合と同様、分布ムラが生じないため色ムラは生じない。またこれらを波長変換性物質と組み合わせ、一様分散するようにすれば様々な機能を付与することができる。このような残光性物質、光散乱性物質としてそれぞれ蛍光体、シリカの微粉体などが挙げられる。

また本実施の形態では、筐体４の内面を鏡面状の反射面としたが、光を吸収しない面であれば何であっても構わない。光を拡散させる拡散面や拡散面と鏡面を組み合わせたものであっても良く、同様の効果が得られる。

また本実施の形態では、筐体４の内側を半円筒状としたが、光出射部６に向かって広がっていく凹面状の面であれば何であっても構わない。例えば光出射部６から最も遠い筐体４の部位（以下、これを「筐体４の底部」という）が平面であっても光出射部６に向かって広がっていく形状であれば、同様の効果が得られる。

また本実施の形態では、ＬＥＤ素子２の発光型は何であっても構わない。例えばフェースアップタイプやフリップチップタイプであっても良いし、これ以外のタイプであっても構わない。またＬＥＤ素子２の発光スペクトルのピークは、短波長側にある方が変換後得られる波長範囲が広くなるので望ましい。このようなＬＥＤとして、近紫外領域に発光スペクトルのピークを持つＧａＮ系ＬＥＤなどが挙げられる。

さらに本実施の形態では、光出射部６の充填剤５側の面にＬＥＤ素子２の発光波長を反射し、それ以外の波長の光を透過する選択的反射膜を設けるようにすれば、ＬＥＤ素子２から発し、変換されずに光出射部に到達した励起光は、再び光変換部３に戻され、光変換部３の発光に寄与するように活用されるので、変換効率を一層高めることができる。

実施の形態２．
図６は本実施の形態に係る発光装置の断面図を示したものである。図１で示した発光装置に対し、筐体４の外側を枠体２２で覆った構造になっている。筐体４の外側と枠体２２の内側には、空気層２１が形成されている。
空気層２１は、断熱効果を有しており、筐体４を介して外部に放散される熱を抑制する。この結果、放散されなかった熱は光出射部６と筐体４の接合部を介して光出射部６の表面に伝えられる。

この際、筐体４を伝導性に優れた材料で構成することで実装基板１の放熱にも寄与する一方、枠体２２を例えば加工性のよい断熱性の高い樹脂などの材料で構成することにより筐体４から得た熱を空気層２１全体に広げ、光出射部６側まで拡散させることができる。
ここで筐体４と枠体２２で囲んだ領域を空気層２１で構成しているが、代りに断熱性のよい材料を充填するようにしても良い。

以上のような構成により低温環境において光出射部６の表面に付着する霜の量を抑えることができ、変換効率の低下を防ぐことができる。このような発光装置は、低温環境向けの照明装置に好適である。

実施の形態３
図７（ａ）、（ｂ）はそれぞれ本実施の形態に係る発光装置の断面図と側面図を示したものである。
図６で示した発光装置に対し、部分的に放熱部２３を組み込んだ構成になっている。このような構成にすることで、光出射部６の表面への霜付きを防止できると共に、放熱部２３を介し外部に余分な熱を放出する発光装置を構成することができる。

ここで放熱部２３は放熱性に優れたものであれば、どのような材料、構成であっても構わない。
例えば金属や多孔質性の材料であっても良いし、バイメタルや形状記憶合金などを用い、ある温度に達すると放熱手段との間に熱の伝導路が形成される構成であっても良い。

また図（ｂ）に示すように放熱部２３は、必要とされる放熱量に応じた面積を確保する形で部分的に構成するものであって構わない。さらにこの放熱部２３の筐体４内側に位置する表面には光変換部３が設けられていても構わないが、放熱性の低下を防止するため、筐体４内側の光変換部３は、放熱部２３を避けるようにすることが望ましい。

ここで図８に、放熱部２３を避けるように光変換部３が形成された時の実装基板１の設置例を示す。
放熱部２３は筐体４の底部に設けてある。実装基板１は、筐体４と光出射部６の囲む空間の端部に配され、ＬＥＤ素子２の光軸が、放熱部２３（筐体４の底部）の方ではなく、光変換部３の方に向くように傾けて設置されている。

次に本発光装置を低温環境で使用する場合について説明する。
図９は本発光装置を冷蔵ショーケースの照明装置に適用した例を示したものであり、図１０はショーケース本体２５における本発光装置の取付け部位を拡大した要部拡大図である。
図９において発光装置３０は照明装置として棚２９の上部に設置されており、発光装置３０の放熱部２３は、冷却器２６、放熱フィン２７が配された風路２８途中に露出するように設置されている。

このように構成することで、霜取りに必要な熱量分を除いた余分な熱量を風路２８中へ放出することができる。ここで図１０のように放熱部２３に風路２８中の風の流れに沿う方向に複数の溝を有する放熱フィン３５を装着することで、高い放熱効率を得ることができる。またこのような構成により筐体４において放熱部２３が占める光変換部３を施さなくてよい部位の面積を小さくすることができるので、効率の良い発光装置を提供することができる。

このように本発光装置によれば、従来の冷蔵ショーケース用の照明装置がポリカーボジャケットを表面に設けた特殊蛍光ランプと低温用インバータを用い、ランプ寿命の度にランプを交換しなければならない高価な構成であったのに対し、ＬＥＤ素子を用いているため交換回数が大幅に削減された長寿命かつ安価な照明装置を提供することが可能となる。さらに本発光装置は水銀を含んでいないので、前述の水銀を含んだランプと比べると、環境汚染に対する特段の配慮をせずに、廃却することができる。

なお本発光装置は、ここで説明した低温環境における照明装置の他に、屋内外や乗り物の照明装置や表示装置用光源などにも好適である。

（ａ）、（ｂ）は、それぞれ実施の形態１に係る発光装置の断面図と側断面図を示したものである。 金属を用いた実装基板１の構成例を示したものである。 実施の形態１に係る発光装置の別の形態を示したものである。 （ａ）、（ｂ）は、それぞれ実装基板１と、この実装基板１に被せる反射板１５を示したものである。 実施の形態１に係る発光装置のもう一つの形態を示したものである。 実施の形態２に係る発光装置の断面図を示したものである。 （ａ）、（ｂ）は、それぞれ本実施の形態に係る発光装置の断面図と側面図を示したものである。 実施の形態２に係る発光装置の別の形態を示したものである。 本発光装置を冷蔵ショーケースの照明装置に適用した例を示したものである。 ショーケース本体２５における本発光装置の取付け部位を拡大した要部拡大図である。

符号の説明

１ 実装基板
２ ＬＥＤ素子
３ 光変換部
４ 筐体
５ 充填剤
６ 光出射部
９ 給電部
１０ 金属基板
１１ 導電パタン
１５ 反射板
１６ 反射面
１７ 開口部
２１ 空気層
２２ 枠体
２３ 放熱部
２５ ショーケース本体
２６ 冷却器
２７ ファン
２８ 風路
２９ 棚
３０ 発光装置
３５ 放熱フィン

Claims (8)

1. 発光ダイオードと、
   該発光ダイオードを実装した実装基板と、
   該実装基板を内包し、前記発光ダイオードから出射された出射光と対向するように配された、内面が凹面状の筐体と、
   前記内面で反射された光を外部に取り出す際の光出射面となる光出射部と、を備え、
   前記筐体は熱伝導性の優れた材料で構成され、
   前記筐体において前記内面と反対側の面を断熱材で覆い、
   前記内面に、前記出射光に対する作用物質を一様分散したバインダからなる光変換部を設けると共に、前記光出射部と前記筐体とで囲まれた空間を絶縁性かつ透光性を有する充填剤で満たし、
   前記筐体において前記内面と反対側の面に、前記断熱材を貫通もしくは除去して放熱部を設けたことを特徴とする発光装置。
2. 前記出射光に対する作用物質が波長変換性を持つことを特徴とする請求項１記載の発光装置。
3. 前記波長変換性を持つ作用物質は、青色スペクトル、緑色スペクトル及び赤色スペクトルで発光する３種類の蛍光体を混合した混合蛍光体であることを特徴とする請求項２記載の発光装置。
4. 前記光出射部の前記充填剤側の面に設けられ、前記発光ダイオードの発光波長の光は反射し、それ以外の波長の光を透過する選択的反射膜を備えたことを特徴とする請求項２又は３記載の発光装置。
5. 前記出射光に対する作用物質が残光性を持つことを特徴とする請求項１記載の発光装置。
6. 前記出射光に対する作用物質が光散乱性を持つことを特徴とする請求項１記載の発光装置。
7. 前記実装基板上に前記発光ダイオードを取り囲むように反射面を備え、
   該反射面は、前記発光ダイオードの出射光の方向を制限することを特徴とする請求項１乃至６のいずれかに記載の発光装置。
8. 前記放熱部の前記内面側に対応する部位には前記光変換部を設けないことを特徴とする請求項１乃至７のいずれかに記載の発光装置。

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