JP4905630B2

JP4905630B2 - 照明装置

Info

Publication number: JP4905630B2
Application number: JP2005205963A
Authority: JP
Inventors: 厳與森山
Original assignee: Toshiba Lighting and Technology Corp
Current assignee: Toshiba Lighting and Technology Corp
Priority date: 2005-07-14
Filing date: 2005-07-14
Publication date: 2012-03-28
Anticipated expiration: 2025-07-14
Also published as: JP2007027325A

Description

本発明は、発光素子を用いた照明装置に関する。

従来、発光素子として発光ダイオード素子を光源とする照明装置では、青色光の発光ダイオード素子と青色光を白色光に変換する蛍光体とを用いて白色光を得るようにした照明装置がある。

この照明装置では、基板を貫通して第１接続ピンおよび第２接続ピンを固定し、第１接続ピン上に発光ダイオード素子を配設し、発光ダイオード素子と第２接続ピントをワイヤで接続している。基板上の発光ダイオード素子などはコーティング部で覆っている。

基板との間に発光ダイオード素子やコーティング部などが配置される空洞を介してレンズ部を配設している。空洞部には、赤色蛍光顔料と緑色蛍光顔料とを等量に混合した蛍光顔料をシリコーン樹脂中に混合してシート状に硬化させた蛍光体を配設している。

そして、発光ダイオード素子から放射された青色光を蛍光体で吸収して白色光に変換し、この白色光をレンズ部から放出する（例えば、特許文献１参照。）。
特開２００２−２８９９２６号公報（第３−４頁、図６）

上述したように、従来の照明装置では、発光ダイオード素子などをコーティング部で覆っているため、発光ダイオード素子から放射された青色光はコーティング部の表面から出射されるが、コーティング部は光学設計されているわけではなく、蛍光体の全体域に青色光を分散させて均一に照射するものでない。そのため、蛍光体に照射される青色光の照度分布にばらつきがあり、つまり輝度むらがあり、この輝度むらによって均一な白色光が得られず、色むらが発生する。

本発明は、このような点に鑑みなされたもので、輝度むら、色むらを低減できる照明装置を提供することを目的とする。

請求項１記載の照明装置は、基板と；基板に配設された発光素子と；基板に配設され、発光素子の光を反射させる反射体と；発光素子と対向するとともに発光素子と離間して配置され、発光素子の光を変換する蛍光体シートと；発光素子を被覆し、発光素子から放射される光を制光する制光体と；を備える照明装置において、制光体は、凸形状であって、発光素子と蛍光体シートとが正対する光軸方向における制光体の先端面と蛍光体シートとは離間されており、先端面に形成された発光素子からの光軸近傍の光を蛍光体シートの周辺域に向けて屈曲させる凹面と、先端面を除く周面に形成された凸面とを有し、反射体は、制光体の周囲に形成されるとともに基板側に対して反対側に拡開開口された発光素子から反射体方向への光を蛍光体シートの周辺域に向けて反射させる反射面を有し、制光体から出射する光および反射体によって反射する光により蛍光体シートの照度分布が均一になるように配光を制御するものである。

発光素子は、例えば青色発光ダイオード素子や紫外発光ダイオード素子などが挙げられる。ただし、これらに限定されるものではなく、蛍光体を励起して可視光を発光させることが可能な発光素子であれば、照明装置の用途や目的とする発光色などに応じて種々の発光素子を使用することができる。

反射体は、例えば発光素子側から蛍光体シート側へ向けて拡開傾斜される反射面を有する構成が挙げられ、発光素子の光を蛍光体シートの周辺域に向けて反射させる。

蛍光体シートは、蛍光体が均一に分散され、発光素子から放射された光により励起されて可視光を発光し、この蛍光体から発光される可視光と発光素子から放射される光との混色によって、あるいは蛍光体から発光される可視光または可視光自体の混色によって、照明装置として所望の発光色を得るものである。蛍光体の種類は特に限定されるものではなく、目的とする発光色や発光素子から放射される光などに応じて適宜に選択される。

制光体は、発光素子を被覆する樹脂層などが挙げられ、樹脂層の形状によって樹脂層の表面から出射する方向を制御し、蛍光体シートの照度分布が均一になるように光を分散させる。

蛍光体シートの照度分布が均一になるようにとは、均一になることが好ましいが、均一に近い略均一も含まれる。

請求項２記載の照明装置は、請求項１記載の照明装置において、制光体は、反射体から離反した位置に形成されているものである。

請求項３記載の照明装置は、請求項１または２記載の照明装置において、制光体は、樹脂が流し込まれた型材に、発光素子がその樹脂内に配設されるように基板を位置させて成形されているものである。

請求項１記載の照明装置によれば、蛍光体シートの照度分布が均一になるように発光素子から放射される光を制光体によって制光することにより、蛍光体シートで変換する光の輝度むら、色むらを低減できる。さらに、制光体が発光素子からの光軸近傍の光を蛍光体シートの周辺域に向けて屈曲させること、反射体が発光素子から反射体方向への光を蛍光体シートの周辺域に向けて反射させることにより、蛍光体シートの周辺域の照度を補い、蛍光体シートの照度分布を均一にでき、蛍光体シートでの輝度むら、色むらを低減できる。

請求項２記載の照明装置によれば、請求項１記載の照明装置の効果に加えて、発光素子を被覆する制光体を反射体から離反した位置に形成しているため、発光素子から反射体方向に向かう光の損失が少なく、発光効率を向上できる。

請求項３記載の照明装置によれば、請求項１または２記載の照明装置の効果に加えて、樹脂が流し込まれた型材に、発光素子がその樹脂内に配設されるように基板を位置させることにより、制光体を成形できるため、制光体を適切で安定した形状に形成できる。

以下、本発明の一実施の形態を図面を参照して説明する。

図１ないし図５に第１の実施の形態を示し、図１は照明装置の発光モジュールの一部の断面図、図２は照明装置の発光モジュールおよび器具本体の断面図、図３は照明装置の発光モジュールおよび器具本体の平面図、図４は照明装置の光学系の製造方法を示す断面図、図５は照明装置における蛍光体シートの照度分布を示す照度分布図である。

図２および図３に示すように、照明装置11は、複数の発光モジュール12と（図には１つのみ示す）、これら発光モジュール12を取り付ける器具本体13とを有している。

図１ないし図３に示すように、各発光モジュール12は、基板21、この基板21の一面21aに配置された複数の発光素子として固体発光素子である発光ダイオード素子22、各発光ダイオード素子22を被覆する制光体23、各発光ダイオード素子22の光を反射させる反射体24、各発光ダイオード素子22からの光を変換する蛍光体シート25、および蛍光体シート25で変換された光を制光するレンズ体26を有している。本実施の形態では、発光ダイオード素子22が基板21の縦横方向に３つずつ等間隔に配列され、つまりマトリクス状に配列されている。

そして、基板21は、例えばアルミニウム、ガラスエポキシ樹脂、エンジニアリングプラスチック、窒化アルミニウムなどの高熱伝導性を有する材料で形成されている。基板21には、複数の発光ダイオード素子22をマトリクス状に配置する実装域29、およびこの実装域29の１つの縁部から外方へ突出された差込部30を有し、差込部30の中央には四角形状の嵌合溝部31が形成されている。

基板21の一面21aには、絶縁層32が形成され、この絶縁層32上に複数の発光ダイオード素子22を直列に接続可能なパターン形状の配線パターン33が形成されている。この配線パターン33上に各発光ダイオード素子22が配設され、これら各発光ダイオード素子22の一対の電極がワイヤ34を用いたワイヤボンディングによって配線パターン33に電気的に接続されている。

複数の発光ダイオード素子22を直列接続したときに両端に位置する各配線パターン33aは、差込部30にそれぞれ延設され、その差込部30の各配線パターン33a上に電極である受電部35がそれぞれ形成されている。

また、発光ダイオード素子22は、発光色が青色の青色発光ダイオードチップであり、青色光を発光する例えば窒化ガリウム（ＧａＮ）系半導体などで構成されている。

また、制光体23は、例えばシリコーン樹脂、エポキシ樹脂などの透明な樹脂材料で、発光ダイオード素子22およびワイヤ34を被覆して基板21上に直接密着して形成されている。制光体23は、基板21の一面21aに対して凸形の形状に形成されている。発光ダイオード素子22と蛍光体シート25とが正対する光軸方向における制光体23の先端面には、発光ダイオード素子22からの光軸近傍の光を蛍光体シート25の周辺域へ向けて屈曲させるための発光ダイオード素子22側に凹む凹面23aが形成されている。制光体23の先端面を除く周面は凸面23bに形成されている。

この制光体23を形成するには、図４に示すように、各制光体23を成形するための凹部38を有する型材39およびこの型材39に組み合わせた離形剤40を用い、型材39の各凹部38に樹脂41を流し込み、その樹脂41内に発光ダイオード素子22が配設されるように基板21を位置させた状態で樹脂41を固化させ、型材39と基板21とを分離することにより、基板21に発光ダイオード素子22を被覆する一定の形状の制光体23を形成できる。

また、反射体24は、基板21の一面21aの実装域29に直接密着して形成されているものであって、例えば、基板21の一面21aの実装域29の粗面に、ポリブチレンテレフタレート（ＰＢＴ）やポリカーボネートなどの高熱伝導性を有する樹脂材料を流し込んで成形することにより、基板21に一体化されている。

この反射体24には、各発光ダイオード素子22の位置に対応して各発光ダイオード素子22を収容する複数の収容部44が開口形成されている。これら各収容部44の内周面には、基板21側に対して反対のレンズ体26側に拡開開口する反射面45が形成されている。なお、収容部44の内部は、空間でもよいが、発光ダイオード素子22や制光体23を被覆するように例えばシリコーン樹脂などの充填樹脂層を充填形成することにより、発光ダイオード素子22の熱を反射体24などに効率よく伝達でき、放熱性を向上できる。

また、蛍光体シート25は、例えばシリコーン樹脂などに黄色発光の蛍光体が均一に分布させてシート状に形成されており、基板21に対して反対側となる反射体24の面に各収容部44の開口部を閉塞するように配設され、収容部44の各発光ダイオード素子22に対向されている。

また、レンズ体26は、基板21の一面21aの実装域29に配置され、例えばポリカーボネートおよびアクリル樹脂などの透光性を有する樹脂材料で形成されている。このレンズ体26は、各発光ダイオード素子22の位置に対応して配置される複数のレンズ48を有し、各レンズ48には、蛍光体シート25で変換された光が入射する凹状の入射面49が形成され、この入射面49から入射した光を反射させる反射面50、入射面49に入射した光および反射面50で反射する光を出射する出射面51が形成されている。これら複数のレンズ48は、出射面51側で連結されて一体形成され、一体の出射面51でレンズ体26の発光面52が形成されている。

各レンズ48には、入射面49と反射面50との間に、反射体24の表面側に接合する環状の接合面部53が形成されている。この接合面部53を介して、レンズ体26が反射体24側に固定されている。

次に、図２および図３に示すように、器具本体13は、例えばガラスエポキシ樹脂、エンジニアリングプラスチック、アルミニウムおよび窒化アルミニウムなどの高熱伝導性を有する材料で形成された板状の本体部61を有し、この本体部61の一面である配置面61aに複数の発光モジュール12がその基板21の他面21bを接合して整列配置される。

本体部61の配置面61aの縁部には、発光モジュール12の基板21の差込部30が差し込みおよび抜き外し可能に差し込まれる保持部62が配設されている。この保持部62は、本体部61の縁部に取り付けられた保持部材63を有し、この保持部材63と本体部61との間に差込部30が抜き差し可能とする差込溝64が形成されている。差込溝64には、各発光モジュール12の配置位置に対応して、差込部30の嵌合溝部31が嵌合する嵌合突部65が設けられ、この嵌合突部65の両側で本体部61の配置面61aに対向する保持部材63側に配線基板66がそれぞれ取り付けられ、これら各配線基板66にコネクタ67がそれぞれ取り付けられている。これら各コネクタ67は、各配線基板66に取り付けられるコネクタ本体68、このコネクタ本体68から本体部61の配置面61aへ向けて突設された弾性変形可能なばね鋼で形成された端子片69を有している。基板21の差込部30を差し込んでいない状態で端子片69と本体部61の配置面61aとの間隔は基板21の差込部30の厚みより小さく設定され、基板21の差込部30を差し込む際に端子片69が弾性変形して差込部30の差し込みを許容し、基板21の差込部30を差し込んだ状態で各端子片69が差込部30の各受電部35に圧接して電気的に接続される。したがって、各コネクタ67が給電部70として構成されている。

また、照明装置11は、器具本体13の給電部70に接続されて発光モジュール12の発光ダイオード素子22を点灯させる図示しない点灯装置を備えている。

そして、照明装置11を組み立てる際には、発光モジュール12の基板21の他面21bを器具本体13の本体部61の配置面61aに接合して配置し、基板21を本体部61上で摺動させながら、基板21の差込部30の嵌合溝部31を保持部62の嵌合突部65に合わせて、基板21の差込部30を保持部62の差込溝64に差し込む。

基板21の差込部30を保持部62の差込溝64に差し込む過程で差込部30が各コネクタ67の端子片69に当接し、さらに基板21の差込部30を差し込み操作することで各コネクタ67の端子片69が弾性変形して差込部30を所定の差込位置まで差し込める。

差込部30を保持部62に差し込むことにより、差込部30の各受電部35に各コネクタ67の端子片69つまり各給電部70が圧接して電気的に接続できる。

そして、図示しない点灯装置から給電部70を通じて発光モジュール12に給電することにより、発光モジュール12の複数の発光ダイオード素子22を点灯させることができる。

点灯する発光ダイオード素子22から出射される青色光が、制光体23の内部を通じて制光体23の表面から出射して、および反射面45での反射を通じて、蛍光体シート25に到達し、蛍光体シート25を透過する発光ダイオード素子22の青色光と、発光ダイオード素子22の青色光により蛍光体シート25の蛍光体が励起して発光する黄色光とで、蛍光体シート25からは白色光が出射する。蛍光体シート25から出射する白色光は、レンズ体26に入射し、レンズ体26の出射面51から出射する。

制光体23では、凹面23aで発光ダイオード素子22からの光軸近傍の光を蛍光体シート25の周辺域に向けて屈曲させることを含めて、発光ダイオード素子22から放射される光を制光することにより、図５に示すように、蛍光体シート25の照度分布ａが略均一になるように構成できる。

さらに、反射体24が発光ダイオード素子22から反射体方向への光を蛍光体シート25の周辺域に向けて反射させることにより、図５に示すように、蛍光体シート25の周辺域の照度分布ｂを補い、蛍光体シート25の照度分布が略均一になるように構成できる。

したがって、蛍光体シート25を通過した光を制光するレンズ体26の表面の輝度むら、色むらの発生を低減できる。

このように、蛍光体シート25の照度分布が均一になるように発光ダイオード素子22から放射される光を制光体23によって制光することにより、蛍光体シート25で変換する光の輝度むら、色むらを低減できる。

特に、制光体23が発光ダイオード素子22からの光軸近傍の光を蛍光体シート25の周辺域に向けて屈曲させること、反射体24が発光ダイオード素子22から反射体方向への光を蛍光体シート25の周辺域に向けて反射させることにより、蛍光体シート25の周辺域の照度を補い、蛍光体シート25の照度分布を均一にでき、蛍光体シート25での輝度むら、色むらを低減できる。

また、制光体23と反射体24とが離反しているため、発光ダイオード素子22から反射体方向に向かう光の損失が少なくなり、発光効率を向上できる。

また、樹脂41が流し込まれた型材39に、発光ダイオード素子22がその樹脂41内に配設されるように基板21を位置させることにより、制光体23を成形できるため、制光体23を適切で安定した形状に形成できる。

なお、照明装置11のメンテナンス時などには、発光モジュール12の基板21の差込部30を器具本体13の保持部62から抜き外すことにより、発光モジュール12の電気的および機械的な接続を解除して容易に取り外すことができる。

次に、図６に第２の実施の形態を示し、反射体24の１つの収容部44内に複数の発光ダイオード素子22が配設される場合など、複数の発光ダイオード素子22が比較的接近した位置に配設される場合には、各発光ダイオード素子22毎の制光体23を連続した形状に一体に形成する。この場合にも、蛍光体シート25の照度分布が均一になるように各発光ダイオード素子22から放射される光を各制光体23によって制光することにより、蛍光体シート25で変換する光の輝度むら、色むらを低減できる。

本発明の第１の実施の形態を示す照明装置の発光モジュールの一部の断面図である。同上照明装置の発光モジュールおよび器具本体の断面図である。同上照明装置の発光モジュールおよび器具本体の平面図である。同上照明装置の光学系の製造方法を示す断面図である。同上照明装置における蛍光体シートの照度分布を示す照度分布図である。第２の実施の形態を示す照明装置の断面図である。

符号の説明

11 照明装置
21 基板
22 発光素子としての発光ダイオード素子
23 制光体
23a 凹面
23b 凸面
24 反射体
25 蛍光体シート
39 型材
41 樹脂
45 反射面

Claims

基板と；
基板に配設された発光素子と；
基板に配設され、発光素子の光を反射させる反射体と；
発光素子と対向するとともに発光素子と離間して配置され、発光素子の光を変換する蛍光体シートと；
発光素子を被覆し、発光素子から放射される光を制光する制光体と；
を備える照明装置において、
制光体は、凸形状であって、発光素子と蛍光体シートとが正対する光軸方向における制光体の先端面と蛍光体シートとは離間されており、先端面に形成された発光素子からの光軸近傍の光を蛍光体シートの周辺域に向けて屈曲させる凹面と、先端面を除く周面に形成された凸面とを有し、
反射体は、制光体の周囲に形成されるとともに基板側に対して反対側に拡開開口された発光素子から反射体方向への光を蛍光体シートの周辺域に向けて反射させる反射面を有し、
制光体から出射する光および反射体によって反射する光により蛍光体シートの照度分布が均一になるように配光を制御することを特徴とする照明装置。
制光体は、反射体から離反した位置に形成されている
ことを特徴とする請求項１記載の照明装置。
制光体は、樹脂が流し込まれた型材に、発光素子がその樹脂内に配設されるように基板を位置させて成形されている
ことを特徴とする請求項１または２記載の照明装置。