JP4725260B2 - 発光装置および照明器具 - Google Patents

Description

本発明は、発光素子と、発光素子から出力された光のうちの少なくとも一部の光の光色を変換する光色変換部材とを備え、発光素子から出力された光とは異なる光色に発光する発光装置および照明器具に関するものである。

この種の発光装置としては、たとえば、青色に発光するＬＥＤ（発光ダイオード）チップを発光素子に用いるとともに、青色光の一部を光色変換部材で黄色光に変換し、発光素子からの青色光と光色変換部材からの黄色光とを混色することにより白色光を得られるようにしたものが知られている（たとえば特許文献１参照）。

特許文献１に記載の発明では、発光素子からの光の一部を吸収することにより励起され黄色に発光する蛍光体を透光性の合成樹脂中に分散させた光色変換部材を用い、図４に示すように、基板１５に設けた凹部１６の底面に発光素子２を搭載した状態で凹部１６内に光色変換部材１４を充填した構成を有している。これにより、光色変換部材１４の表面（図４の上面）の全面から光が出射されることになる。
特開２００４−１５３１０９号公報（第３−４頁、図１）

ところで、上述した発光装置１’では、光色変換部材１４の表面の全面が発光するので、発光素子２そのものに比べて発光面積が大きくなってしまう。すなわち、発光装置１’の発光面積の大きさは発光素子２における発光面積によって制限されており、発光装置１’において発光素子２そのものよりも小さい発光面積を実現することはできない。

一方、図５に示すように、この種の発光装置１’の前方（図５の右方）に発光装置１’からの光を受ける投光レンズ１３を発光装置１’に近接して設けることにより、発光装置１’を光源とした投光照明用の照明器具を構成することが考えられる。しかし、光源から出射された全ての光を投光レンズ１３で受けるためには、少なくとも光源の発光面よりも面積の大きい入射面を有した投光レンズ１３を用いる必要があり、光源の発光面積が大きくなるほど投光レンズ１３として大型のものが必要になるので、上述した発光装置１’を光源として用いる場合には、発光素子２を単独で光源として用いる場合に比べて大型の投光レンズ１３が必要になり、結果的に、照明器具の大型化や投光レンズ１３の高コスト化につながる。

本発明は上記事由に鑑みて為されたものであって、発光面積の大きさを発光素子の発光面積によって制限されることなく設定することができ、発光素子そのものよりも発光面積を小さくすることができる発光装置および照明器具を提供することを目的とする。

請求項１の発明では、所定の光色に発光する発光素子と、発光素子から出力された光のうちの少なくとも一部の光の光色を変換する光色変換部材とを備え、発光素子から出力された光とは異なる光色に発光する発光装置であって、発光素子を包囲する形で中空のハウジングが設けられ、ハウジングは、内周面の一部が外向きに凸となる球面の一部を成しており、当該球面の一部の先端部を除く内周面の全面に少なくとも発光素子から出力された光と同じ光色の光を全て反射する反射面が形成されるとともに、内周面において前記球面の一部の先端部に入射した光を外部に出射させる出射窓を有し、出射窓が光色変換部材で形成されていることを特徴とする。

この構成によれば、発光素子から出力された光のうち、一部の光は出射窓からハウジングの外部に出射され、その他の光は反射面で反射された後に出射窓からハウジングの外部に出射されることになる。すなわち、発光装置全体としては、ハウジングにおける出射窓のみが発光することになり出射窓の大きさによって発光面積が決まるので、発光面積の大きさを発光素子の発光面積に制限されることなく設定することができ、出射窓を小さくすることによって発光素子そのものと同等あるいはそれ以下の発光面積を実現することも可能である。しかも、ハウジングの内周面における出射窓の周囲は球面の一部を成しているから、発光素子から出力された光の大部分はハウジング内において反射面で反射を複数回繰り返すことにより多方向について均一化されることになり、出射窓からはむらのない光を取り出すことができる。また、光色変換部材は出射窓にのみ使用されていればよいから、凹部内に光色変換部材を充填していた従来構成に比べて光色変換部材の必要量が少なくなり、光色変換部材に要する材料費を低コストに抑えることができる。一方、発光装置から出射される光の光束を増大させるために、発光素子を複数個設けたり発光面積の大きい発光素子を用いたりすることも考えられるが、これらの場合にも、発光装置全体としては出射窓のみが発光するので、出射窓を小さくすることによって発光面積を小さくすることができる。なお、発光素子にはＬＥＤチップのほか有機ＥＬなども含む。

請求項２の発明は、請求項１の発明において、前記ハウジングが、内部空間が球状に形成されていることを特徴とする。

この構成によれば、ハウジングの内周面の全面が球面を成しているので、ハウジングのどこに出射窓を設けてもよく、光の出射方向を自由に設定できるという利点がある。

請求項３の発明は、請求項１の発明において、前記ハウジングが、内部空間が半球状に形成されていることを特徴とする。

この構成によれば、ハウジングにおける内周面の平面部分に直交する方向の寸法を、ハウジングにおける当該平面部分に沿った長手寸法の半分程度に抑えることができるから、ハウジングの小型化が可能になる。

請求項４の発明は、請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載の発光装置を光源として用いることを特徴とする。

この構成によれば、従来の発光装置を光源として用いる場合に比較して光源の発光面積を小さくすることができる。

請求項５の発明は、請求項４の発明において、前記発光装置の前方に投光レンズを有することを特徴とする。

この構成によれば、従来の発光装置を光源として用いる場合に比較して、光源の発光面積を小さくすることができるので、光源からの光を受ける投光レンズとして小型のものを用いることができ、結果的に、照明器具の小型化や投光レンズの低コスト化につながる。

本発明は、ハウジングにおける出射窓のみが発光するものであって出射窓の大きさによって発光面積が決まるので、発光面積の大きさを発光素子の発光面積に制限されることなく設定することができ、出射窓を小さくすることによって発光素子そのものと同等あるいはそれ以下の発光面積を実現することも可能である。

（実施形態１）
本実施形態の発光装置１は、従来構成において説明したものと同様に、青色に発光するＬＥＤ（発光ダイオード）チップを発光素子として用いるとともに、青色光の一部を光色変換部材で黄色光に変換し、発光素子からの光と光色変換部材からの光とを混色することによって白色光を得られるようにしたものである。

発光素子２は、図１に示すように、板状の実装基板３の一表面（図１の上面）上に設けられたベース体５上に搭載される。図１では詳しく図示しないが、発光素子２は、窒化ガリウム系化合物半導体材料からなる発光部が、当該発光部からの光（青色光）に対して透明な基板の一表面側に形成されたものであり、発光部がベース体５に対向する形でベース体５に設けた電極（図示せず）にフリップチップ実装される。これにより、発光部からの光は基板を通して出力されることになる。なお、フリップチップ実装に限らず、図４に示した従来構成のように、発光素子２と電極とをボンディングワイヤによって接続する構成としてもよいが、フリップチップ実装を採用したほうがボンディングワイヤの影が生じない分だけ発光素子２からの光の取り出し効率がよくなる。

一方、発光素子２が実装されたベース体５は、中空の球状に形成されたカバー体６と共に発光素子２を包囲するハウジング７を構成する。カバー体６は、実装基板３の厚み方向において対向する両壁部にそれぞれ開口部８，９が貫設されており、ベース体５側（図１の下側）の壁部に設けられた開口部８がベース体５と嵌合可能な形状に形成されている。ここにおいてベース体５が開口部８に嵌合した状態で、発光素子２はハウジング７内に収納されることになる。他方の開口部９は、ハウジング７の外周面側（図１の上側）ほど開口面積が大きくなるテーパ状に形成されている。また、図示しないが、ベース体５に設けた電極はハウジング７の外部と接続可能なように構成される。

このように構成されたハウジング７の内周面には、発光素子２からの光を反射する反射面１０が略全面にわたって形成されている。ここでは、ハウジング７の内周面に硫酸バリウム（ＢａＳＯ_４）の薄膜を成形することにより発光素子２からの光を拡散反射する反射面１０としているが、この構成に限らず、たとえば、銀（Ａｇ）などの薄膜を成形することにより発光素子２からの光を正反射する反射面１０としてもよい。これらの薄膜で多層膜を形成し反射面１０としてもよい。なお、反射面１０は、発光素子２からの光と同じ光色の光を全て反射する性質を有するものであればよく、本実施形態では少なくとも青色光を全て反射する。また、反射面１０だけでなくハウジング７全体、あるいはベース体５とカバー体６とのいずれか一方を反射性を有する材料で形成するようにしてもよい。本実施形態では、反射性を有する材料からカバー体６を形成してある。

上述した構成によれば、発光素子２から出力された光のうち、一部の光は開口部９を通してハウジング７の外部に出射され、その他の光はハウジング７の反射面１０で反射された後に開口部９を通してハウジング７の外部に出射されることになる。要するに、本実施形態の構成によれば、発光素子２から出力された光は全て開口部９を通してハウジング７の外部に出射されることになるから、発光装置１の発光面積の大きさを発光素子２の発光面積とは関係なく設定することができ、開口部９の開口面積を小さくしておけば発光素子２そのものと同等あるいはそれ以下の発光面積の点光源を実現することができる。ここで、ハウジング７は、球面状の内周面の略全面に反射面１０を有することにより所謂積分球と同様の構成を採用したものであるから、発光素子２から出力された光の大部分はハウジング７の反射面１０で反射を複数回繰り返すことによってハウジング７の内部空間で多方向について均一化され、開口部９からはむらのない光を取り出すことができる。また、発光素子２から出力された光はハウジング７の内周面の全面に対して略均一にむらなく照射するから、ハウジング７の壁部においてはどこに開口部９を設けたとしても、図１のハウジング７と同様に、発光素子２からの光を全て開口部９から出射させることができる。

ところで、開口部９内には光色変換部材からなる出射窓１１が設けられており、開口部９からハウジング７の外部に出射される光は全て光色変換部材を通ることになる。光色変換部材は、青色光が透過する透光性樹脂（たとえばシリコーン樹脂やエポキシ樹脂など）の中に、青色光を吸収することにより励起され黄色に発光する蛍光体を分散させたものであって、この光色変換部材に入射した光（青色光）のうち、一部の光は蛍光体で黄色光に変換されて出力され、その他の光は蛍光体に吸収されることなく光色変換部材を透過して青色光として出力されるので、出射窓１１を通してハウジング７の外部に出射される光としては、青色光と黄色光との混色である白色光が得られることになる。ここで、出射窓１１は開口部９内に配置されるだけであるから、図４に示した従来構成のように、基板１５の凹部１６に光色変換部材１４が充填される構成に比べて光色変換部材の必要量が少なくなり、光色変換部材に要する材料費を低コストに抑えることができる。

また、カバー体６に開口部９を貫設する構成は本発明を実施するために必須の構成ではなく、開口部９に相当する部位に光色変換部材からなる出射窓１１が形成されていればよい。すなわち、光色変換部材からなる出射窓１１をカバー体６と一体に設けたり、カバー体６において開口部９に相当する部分（反射面１０が形成されていない部分）を青色光に対して透明な部材で形成し、この部分に光色変換部材からなる出射窓１１をハウジング７の外側あるいは内側から貼り付けたりしてもよい。

さらにまた、本実施形態では、出射窓１１によって開口部９を閉塞し、ハウジング７の内部空間に青色光に対して透明な合成樹脂部材１２（シリコーン樹脂など）を充填することによって、発光素子２の特性劣化を防止している。ここにおいて、開口部９に挿入された光色変換部材によって開口部９を閉塞しているが、この構成に限らず、たとえば、開口部９に嵌合する部分とハウジング７の外側から開口部９を覆う部分とを一体に有した光色変換部材によって開口部９を閉塞する構成や、カバー体６よりも薄型であるシート状の光色変換部材によって開口部９を閉塞する構成などを採用してもよい。

図２は、上述した発光装置１を投光照明用の照明器具の光源として用いた例を示しており、この照明器具では発光装置１の前方（図２の右方）に発光装置１からの光を受ける投光レンズ１３が出射窓１１に近接して配置されている。この照明器具では、発光装置１において発光素子２そのものと同等あるいはそれ以下の発光面積の点光源を実現できるので、図５に示した従来の照明器具に比較して、発光装置１からの光を受ける投光レンズ１３を小型化することができ、照明器具の小型化および投光レンズ１３の低コスト化が可能になる。なお、図２においては実装基板３を省略している。

なお、本実施形態では、白色光を得るために、青色に発光する発光素子２と、青色光の一部を黄色光に変換するとともに残りを透過させる光色変換部材とを組み合わせた発光装置１を例示したが、この構成に限定するものではなく、たとえば、紫外線を発生する発光素子２と、紫外線を吸収することにより白色に発光する光色変換部材とを組み合わせた発光装置１などに本発明を適用してもよい。

（実施形態２）
実施形態１では、ハウジング７として所謂積分球のように内部空間が球状に形成されたものを採用した例を示したが、本実施形態の発光装置１は、図３に示すように、カバー体６を一面（図３の下面）開口の半球状とすることにより内部空間が半球状となるように形成されたハウジング７を採用している。その他の構成および機能は実施形態１と同様である。

本実施形態のベース体５は板状に形成されており、実装基板３（図１参照）を兼ねている。そして、ベース体５とカバー体６とは、カバー体６がベース体５の一表面側に配置される形で組み合わされる。この構成においても、実施形態１の発光装置１と同様に、発光素子２から出力された光の大部分はハウジング７の反射面１０で反射を複数回繰り返すことによってハウジング７の内部空間で多方向について均一化され、開口部９からはむらのない光を取り出すことができる。また、ベース体５の厚み方向（図３の上下方向）におけるハウジング７の寸法を、ベース体５の表面上におけるハウジング７の長手寸法（図３の左右寸法）の半分程度に抑えることができるから、発光装置１の小型化が期待できる。

（実施形態３）
本実施形態の発光装置１は、出力される光の光束を大きくするためにハウジング７内に発光素子２を増設し、所謂マルチチップとした点が実施形態１の発光装置１と相違する。その他の構成および機能は実施形態１と同様である。

複数個の発光素子２は各々が発光するものの、ハウジング７内で発生した光は開口部９からしか出射されないので、複数個の発光素子２で発生した全ての光が１個の開口部９から集中的に取り出されることになる。したがって、発光装置１全体としては、発光素子２が１個だけの場合と同様に、１個の発光素子２と同等あるいはそれ以下の発光面積の点光源を実現することができる。

要するに、本発明を用いれば、ハウジング７内の発光素子２の個数に関係なく、発光装置１の発光面積を一律に小さく設定することができるので、当該発光装置１を光源として用いる照明器具においては、ハウジング７内に設けた発光素子２の個数がそれぞれ異なることによって光束が異なる複数種類の発光装置１について、発光装置１以外の部品（投光レンズ１３等）を共用することができる。

また、発光装置１から出力される光の光束を大きくするために、発光面積の比較的大きい発光素子２（所謂ラージチップ）を採用することも考えられるが、この構成においても、発光装置１全体としては、発光面積の小さい発光素子２を用いる場合と同様に、発光面積の小さい点光源を実現することができる。したがって、発光素子２自体の発光面積がそれぞれ異なることによって光束が異なる複数種類の発光装置１についても、発光装置１以外の部品（投光レンズ１３等）を共用することができる。

本発明の実施形態１の発光装置を示す断面図である。 同上の照明器具を示す断面図である。 本発明の実施形態２の発光装置を示す断面図である。 従来の発光装置を示す断面図である。 同上を用いた照明器具を示す断面図である。

符号の説明

１ 発光装置
２ 発光素子
７ ハウジング
１０ 反射面
１１ 出射窓
１３ 投光レンズ

Claims (5)

1. 所定の光色に発光する発光素子と、発光素子から出力された光のうちの少なくとも一部の光の光色を変換する光色変換部材とを備え、発光素子から出力された光とは異なる光色に発光する発光装置であって、発光素子を包囲する形で中空のハウジングが設けられ、ハウジングは、内周面の一部が外向きに凸となる球面の一部を成しており、当該球面の一部の先端部を除く内周面の全面に少なくとも発光素子から出力された光と同じ光色の光を全て反射する反射面が形成されるとともに、内周面において前記球面の一部の先端部に入射した光を外部に出射させる出射窓を有し、出射窓が光色変換部材で形成されていることを特徴とする発光装置。
2. 前記ハウジングは、内部空間が球状に形成されていることを特徴とする請求項１記載の発光装置。
3. 前記ハウジングは、内部空間が半球状に形成されていることを特徴とする請求項１記載の発光装置。
4. 請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載の発光装置を光源として用いることを特徴とする照明器具。
5. 前記発光装置の前方に投光レンズを有することを特徴とする請求項４記載の照明器具。

Images