JP5007395B2

JP5007395B2 - 立体光源体

Info

Publication number: JP5007395B2
Application number: JP2006173598A
Authority: JP
Inventors: 賢治米田
Original assignee: Mitsubishi Chemical Corp; CCS Inc
Current assignee: Mitsubishi Chemical Corp; CCS Inc
Priority date: 2006-06-23
Filing date: 2006-06-23
Publication date: 2012-08-22
Anticipated expiration: 2026-06-23
Also published as: JP2008004415A

Description

本発明は、例えばろうそくや電球のように、空間的にほぼ全方向に光を照射することが可能な光源体等に関するものである。

従来から複数のＬＥＤ素子を配設した光源体と、各ＬＥＤ素子に対応する複数のレンズを備えたレンズアレイとを具備する照明装置が知られている。

具体的にこの種の照明装置に用いられる光源体は、例えば、液晶パネルのバックライトとして好適に用いることができるように、複数のＬＥＤ素子を回路基板上に高密度に実装して、良好な平行光を得られるように構成されている（例えば、特許文献１参照）。
特開２００５−２２８６０６

ところがこのような従来の構成、特に特許文献１の構成では、輝度のバラつきを抑制しながら特定方向に指向性のある光を照射し得るものの、例えば、ローソクや電球のように、光を上方向や下方向など向けて全体的に照射したいといった要望を満たすことは困難である。

本発明は、このような課題に着目してなされたものであって、主たる目的は、省電力でありながらも効率良く、光を上方向や下方向など向けて全体的に照射して使用可能な光源体を提供することにある。

すなわち本発明にかかる光源体は、異なる方向に光を照射して使用可能な光源体であって、ＰＮ接合半導体であり実際に発光する部材であるＬＥＤ素子と、立体形状を成し且つ前記ＬＥＤ素子を複数支持するベースとを具備し、前記立体形状を構成する構成面のうち、互いに異なる方向を向き且つ光の照射側で法線同士は交差しない関係にある複数の構成面を、前記ＬＥＤ素子を支持するためのＬＥＤ支持面として設定しており、前記ＬＥＤ支持面として設定される前記構成面に、他の部材に取り付けられる面である底面の対向面が含まれており、前記各ＬＥＤ素子の光軸同士が、光の反照射側の略一点で交わるものであり、前記ベースが、垂直断面形状が略正方形の切頭四角錐体を成す中実ブロック状であって、前記底面以外の面を前記ＬＥＤ支持面としており、前記ベースの底面が放熱部材に接触して設けられることを特徴とする。

ここで、「ＬＥＤ素子」とは、一般にベアチップと呼ばれるものを指し、砲弾型のものは含まない。また、ＬＥＤ支持面は、ＬＥＤ素子を直接支持するか或いは間接的に支持するかを問わないものとする。

このようなものであれば、各ＬＥＤ支持面にそれぞれ支持させた複数のＬＥＤ素子がそれぞれ照射する照射光の光軸は、その照射側では交差することがない。

したがって、あたかもローソクや電球のように光を上方向や下方向など向けて全体的に照射して使用することができる。

また、ＬＥＤ素子を立体形状を構成するＬＥＤ支持面に支持させているので、例えば、ＬＥＤ素子を平面的に並べて配置した場合よりも、小さな領域から強い光を照射することができるうえ、このことにより、点光源的な作用効果、すなわち、集光化処理や平行化処理を好適に行うことができるなど、多様な使用態様に対しても好適に対応することができる。

さらに、前記ベースが、切頭四角錐体であって、底面以外の面を前記ＬＥＤ支持面としているので、当該ベースの製造が無用に複雑化することを防止することができる。

すなわち、省電力でありながらも効率良く、例えば、ローソクや電球のように光を上方向や下方向など向けて全体的に照射して使用することができ、且つ例えば大光量な平行光を容易に実現するなど、多様化するニーズにも好適に対応できるといった、優れた光源体を提供することができる。

なお、各ＬＥＤ素子の光軸同士が、光の反照射側の略一点で交わるものであれば、点光源的な性質をより高めることができる。すなわち、非常に小さな１点で光る理想的な点光源からは、レンズ系との組み合わせによって、例えば非常に小さな１点に集光できるとか、非常に平行度の高い光を得られるとかいった効果を得られるが、それと同等の効果を得ることができる。

前記ＬＥＤ素子に電力を供給するための電力供給回路を、前記ベースに一体的に形成しているのであれば、ＬＥＤをベースに直接実装するので、組立工数などを削減してコストダウンを図ることが可能となる。

一方、前記ＬＥＤ素子に電力を供給するための電力供給回路を、前記ベースに取付可能な回路基板に形成しているのであれば、ＬＥＤを、ベースとは別体の回路基板に実装するので、ベースの材料の選択自由度を大きくすることができる。

前記ＬＥＤ素子が、エピタキシャル面である上面側から両電極をとり且つ天地をひっくり返した状態で実装するフリップチップ型であれば、フェースアップ型で必要なワイヤが不要となり小型化できる。また、電極を回路基板にバンプボンディング等により実装して良好な放熱効果を得られる。

ＬＥＤ素子ごとに、各ＬＥＤ素子がその光軸と異なる方向に照射する光を、前記光軸方向により一致させる向きに導く集光レンズや反射面を設けておけば、各ＬＥＤ素子の光軸同士を光の反照射側の一点で交わる構成にしておくことで、前述した点光源としてのものであれば、いるのであれば、窪部の反射面によって、ＬＥＤ素子が放射する略すべての光を該ＬＥＤ素子の光軸方向に揃えることができる。したがって、該光源体が発する光を、例えば、光の照射側の略一点から発光するように見せることができ、点光源的な光源体としての役目を最大限に発揮し得るようになる。

前記ＬＥＤ素子ごとに、該ＬＥＤ素子がその光軸と異なる方向に照射する光を、前記光軸方向と略一致させる向きに設けているのであれば、集光レンズによって、ＬＥＤ素子が放射する略すべての光を該ＬＥＤ素子の光軸方向に揃えることができる。したがって、該光源体が発する光を、例えば、光の照射側の略一点から発光するように見せることができ、点光源的な光源体としての役目を最大限に発揮し得るようになる。

上述した光源体を少なくとも用いて成る照明装置であって、この照明装置が、前記ＬＥＤ素子の照射側に、その照射光を収束又は発散させるためのレンズを備えて成るのであれば、複数のＬＥＤ素子を平面上に並べて配置するものと比べ、平面視においてベース部分を小さくできるなど、全体のコンパクト化に資する。

前記光源体は、複数のＬＥＤ素子を立体状に並べ設けたものであるが、１つのＬＥＤ素子でも同様の効果を奏し得るものを構成できる。すなわち、発光面であるＰＮ接合面が、立体的な形状をなすものである。光学系との組み合わせにより理想的な点光源としてみなすことができるようなもの（例えば非常に小さな１点に集光できるとか、非常に平行度の高い光を得られるとかいったもの）としては、球状又は部分球状に形成されているものがより好ましい。

このように本発明に係る光源体は、各ＬＥＤ支持面にそれぞれ支持させた複数のＬＥＤ素子がそれぞれ照射する照射光の光軸は、その照射側では交差することがない。

すなわち、省電力でありながらも効率良く、例えば、ローソクや電球のように光を上方向や下方向など向けて全体的に照射して使用することができるといった、優れた光源体を提供することができる。

以下に本発明の一実施形態について図面を参照して説明する。

本実施形態に係る光源体Ａは、異なる方向に光を照射して使用可能な光源であって、図１、図２に示すように、平面視略矩形状のＬＥＤ素子１と、このＬＥＤ素子１を複数（本実施形態では計５個）支持するベース２と、ＬＥＤ素子１を覆うモールド部材３（図１では略）とを具備するものである。以下、各部を具体的に説明する。

ＬＥＤ素子１は、ＰＮ接合半導体であり実際に発光する部材であって、本実施形態では、このＬＥＤ素子１に、エピタキシャル面である上面側から両電極１１ａ、１１ｂをとり且つ天地をひっくり返した状態で電力供給回路２２にバンプボンディングにより実装するフリップチップ型のものを用いている。

ベース２は、垂直断面形状が略正方形の切頭四角錐体を成す中実ブロック状のものであって、本実施形態では、窒化アルミニウムにより形成している。

なお、当該切頭四角錐体を構成する６つの構成面２１ａ〜２１ｆ（以下、構成面２１と総称する）は、互いに異なる方向を向き且つ光の照射側で法線同士は交差しない関係にあるため、これら６つの構成面２１全てを、ＬＥＤ素子１を支持するためのＬＥＤ支持面として設定できるが、当該ベース２の取付部分を確保する等の都合上、本実施形態では、これら６つの構成面２１のうち、底面２１ｆ以外の構成面２１ａ〜２１ｅを、ＬＥＤ支持面として設定している。

また、本実施形態では、図２に示すように、前記ＬＥＤ素子１に電力を供給するための電力供給回路２２を、ベース２の表面に一体的に形成している。

モールド部材３は、ＬＥＤ素子１の照射光を効率良く透過できる材料（例えば、シリコーン樹脂やエポキシ樹脂や硝子など）により形成したものである。

以上のように構成される光源体Ａについて、その動作の一例を以下に述べる。

各ＬＥＤ支持面２１ａ〜２１ｅ（ＬＥＤ支持面２１と総称する）にそれぞれ支持させた各ＬＥＤ素子１に、電力供給回路２２を介して電力を供給すると、各ＬＥＤ素子１はそれぞれ光を照射する。このとき、図３に示すように、各ＬＥＤ素子１がそれぞれ照射する照射光の光軸Ｌａは、その照射側では交差することがない。しかして、当該光源体Ａの照射光は、例えば、ローソクや電球のように上方向や横方向など向けて全体的に照射されることとなる。

このように本実施形態にかかる光源体Ａによれば、各ＬＥＤ支持面２１ａ〜２１ｅにそれぞれ支持させた複数のＬＥＤ素子１がそれぞれ照射する照射光の光軸Ｌａは、その照射側では交差することがない。

また、ＬＥＤ素子１を立体形状を構成するＬＥＤ支持面２１に支持させているので、例えば、同じ光量でも、ＬＥＤ素子１を平面的に並べて配置した場合よりも小さな領域で光らせることができる。言い換えれば平面視した際の単位面積当たりの光量を増大させることができる。したがって、点光源的な性質をより高めることができ、例えば、集光化処理や平行化処理を好適に行うことができるなど、多様な使用態様に対しても好適に対応することができる。

すなわち、省電力でありながらも効率良く、例えば、ローソクや電球のように光を上方向や横方向など向けて全体的に照射して使用することができ、且つ例えば大光量な平行光を容易に実現するなど、多様化するニーズにも好適に対応できるといった、優れた光源体Ａを提供することができる。

ベース２が、切頭四角錐体であって、底面２１ｆ以外の構成面２１ａ〜２１ｅをＬＥＤ支持面としているので、当該ベース２の製造が無用に複雑化することを防止できる。

前記ＬＥＤ素子１に電力を供給するための電力供給回路２２を、前記ベース２に一体的に形成しているので、ＬＥＤをベース２に直接実装でき、組立工数などを削減してコストダウンを図ることができる。

前記ＬＥＤ素子１に、フリップチップ型のものを用いているので、フェースアップ型で必要なワイヤが不要となり小型化できる。また、電極１１ａ、１１ｂを電力供給回路２２にバンプボンディングにより実装して良好な放熱効果を得られる。

なお、本発明は前記実施形態に限られるものではない。

例えば、ベース２を切頭四角錐体を成すものとしているが、このベース２を、例えば、正多面体に代表される凸多面体（究極的には球状または部分球状に近いもの）とすることもできる。

また、条件（１）「評価する構成面が異なる方向を向く」と条件（２）「照射側でその法線同士が交差しない」との両方を満たすものであれば、図４（ｂ）、（ｅ）に示すものに限らず、本発明の光源体に該当し得る。特に図４（ｅ）に示す光源体であれば、上下方向および横方向に向けてすなわち全体的にまんべんなく光を照射することができる。

また、ベース２を、窒化アルミニウムにより形成しているが、絶縁体であり且つ熱伝導特性に優れる他の材料を用いて形成することを妨げない。

また、ＬＥＤ素子を、図５に示すような、エピタキシャル面である上面側から両電極１１´ａ、１１´ｂをとり、電力供給回路２２からワイヤを介して電力供給を受けるタイプのフェースアップ型のＬＥＤ素子１１´とすることを妨げない。

また、前記ＬＥＤ素子１に電力を供給するための電力供給回路２２を、ベース２の表面に一体的に形成しているが、電力供給回路２２を、図６に示すような、前記ベース２に取付可能であり且つＬＥＤ支持面２１ａ〜２１ｅにそれぞれ重合する回路基板要素Ｂａ〜Ｂｅを一体に備える回路基板Ｂに形成するようにしても良い。このように構成すれば、ＬＥＤ素子１をベース２とは別体の回路基板Ｂに実装できるので、ベース２の材料の選択自由度を大きくすることができる。

また、ＬＥＤ素子１の照射側に、図７に示すような光学ユニット４（本発明の「レンズ」に相当）を設けることにより、光源体Ａを用いた照明装置Ｐとして使用することもできる。

具体的に、この光学ユニット４は、ボディ基端面４ａからボディ先端面４ｂに向かうに連れ徐々に断面積が拡がるように形成した回転体形状をなす中実透明なボディ４１を具備して成るものであって、このボディ基端面４ａには、前記ＬＥＤ素子１を収容するための凹部４２が開口させてある。

この凹部４２の底面４２ａは、前記基端面４ａ側に向かって膨らませた凸レンズ形状にしてあり、その側面４２ｂは、基端面４ａ側に向かうにつれ徐々に拡がるテーパ面としてある。一方、前記ボディ先端面４ｂには、その中央部を膨出させることにより中央凸レンズ部４３が形成してあり、この中央凸レンズ部４３の周囲には、それとは異なる曲率のリング状凸レンズ部４４が形成してある。さらに前記ボディ４１の側面には、断面輪郭が放物線をなすように形成した湾曲膨出面４５が設けてある。

そして、図８に示すように、前記ＬＥＤ素子１から射出された光Ｌのうち、凹部４２の側面４２ｂを通過した略全ての光Ｌが、前記湾曲膨出面４５に到達し、そこで全反射されて前記リング状凸レンズ部４４を介し、光軸Ｌａに向かって互いに相寄る向きの光Ｌとして外部に放射されるようにしてある。また一方で、前記ＬＥＤ素子１から射出された光Ｌのうち、凹部４２の底面４２ａを通過した略全ての光Ｌが、前記中央凸レンズ部４３を介し、やはり光軸Ｌａに向かって互いに相寄る向きの光Ｌとして外部に放射されるように構成してある。なお、これら各凸レンズ部４３、４４から出る光Ｌの集光位置が略同一位置となるようにしてある。

さらに、ＬＥＤ素子１から射出され、光学ユニット４のボディ先端面４ｂから外部へ放射される略全ての光Ｌが、図８に示すように、前記先端面４ｂから所定距離離間した位置Ｘに収まり、なおかつその一定有効径内での照度が、略均一又は滑らかに変化するように構成している。

このように構成した光学ユニット４と光源体Ａとを備えた照明装置Ｐによれば、単一のボディ４１のみで、ＬＥＤ素子１が照射する照射光を略漏れなく、そのボディ先端面４ｂから射出できるという効果を奏することができる。

また、図９に示すように、略半球状のベース２の表面を構成する複数のＬＥＤ支持面２１に、ＬＥＤ素子１をそれぞれ支持させ、各ＬＥＤ素子１の光軸ｈ同士が、光の反照射側で略一点（ｈ０）に集まるように構成したものであれば、指向性を同図の２点鎖線で示すように、光軸ｈが最も光の強い方向であるから、その一点（ｈ０）から点発光した光と近似したものになり、例えばその後、レンズ系で集光する場合に非常に小さな点に集光でき、或いは平行化する場合にその平行度が極めて高いものになるなどといったように、理想的な光学系を構成することができるようになる。

そしてこのとき、ベース２を、銅製のものとした上で、例えばＣＶＤ法でダイヤモンド薄膜層Ｄｘを表面に形成した銅製基板Ｄｙの上に、該ベース２を載置すれば、ＬＥＤ素子１で発生しベース２に伝熱した熱は、ダイヤモンド薄膜層Ｄｘで銅製基板Ｄｙの表面に沿う方向に伝熱し、さらに、その熱を銅製基板Ｄｙが厚み方向へと放熱するため、ＬＥＤ素子１で発生する熱を非常に効率よく放熱することができる。したがって、コンパクトでありながら放熱効果に優れるといった光源体を備えた照明装置を提供することができる。なお、ダイヤモンド薄膜層Ｄｘが、例えばダイヤモンドライクカーボンなど、純粋なダイヤモンドで以外のものであることを妨げない。

また、光源体Ａの放熱のために、ヒートパイプを用いるといった実施態様も考えられる。

具体的には、図１０に示すように、光源体Ａを支持し放熱用の放熱部材Ｊ（望ましくは、ＣＶＤ法で形成したダイヤモンド層Ｊ１を表面に備える金属）を、金属管の中に中空の筒を内装し常温付近の温度で液化または気化する熱媒を封入して成るヒートパイプＨＰに接続したものが挙げられる。図１０では、このヒートパイプＨＰに対してフィンＦＮ及び図示しないファンとを設けることで放熱効果をさらに向上させているが、ヒートパイプＨＰを単独で用いるなど、構成態様はこれに限られるものではない。また、光学ユニット４を用いなくても良い。

また、図１１に示すように、ベース２を、表面にＬＥＤ素子１を配するための複数の窪部２ａを形成するとともに、全体としては略半球状とし、且つ各ＬＥＤ素子１の光軸ｈ同士が、光の反照射側で略一点（ｈ０）に集まるように構成するとともに、各窪部２ａに配したＬＥＤ素子１がその光軸ｈと異なる方向に照射する光を、該窪部２ａの起立面である反射面２ａ１で、該光軸ｈ方向と略一致させる向きに反射させるといった実施態様も考えられる。

このような構成によれば、窪部２ａの反射面２ａ１によって、ＬＥＤ素子１が放射する略すべての光を該ＬＥＤ素子１の光軸方向にさらに指向性良く揃えることができる。したがって、光源体Ａが発する光は、まさに、略半球状のベース２の略中心である光の照射側の略一点（ｈ０）から発光するように見えるので、前述したよりもさらに小さな点光源に近似できるような光学的に非常に質の高い光を得ることができる。

同様な効果は、反射ではなく屈折レンズでも得られる。すなわち、図１２に示すように、ベース２を、表面にＬＥＤ素子１を支持する複数のＬＥＤ支持面２１を形成するとともに全体としては略半球状とし、且つ各ＬＥＤ素子１の光軸ｈ同士が、光の反照射側で略一点（ｈ０）に集まるように構成するとともに、ＬＥＤ素子１ごとに、該ＬＥＤ素子１がその光軸ｈと異なる方向に照射する光を、該光軸ｈ方向と略一致させる向きに導かせる中実の集光レンズ１ａを設けるといった構成でも良い。

なお、図１１、図１２で各ＬＥＤ素子１から示されている２点鎖線は光の指向性を表している。

さらにまた、図１３に示すように、ベース２を、略かまぼこ形状とし、この長手方向に沿って複数のＬＥＤ素子１を複数列を成すように配するといった実施態様としてもよい。

前記光源体Ａは、複数のＬＥＤ素子１を立体状に並べ設けたものであるが、単一のＬＥＤ素子でも同様の効果を奏し得るものを構成できる。すなわち、発光面であるＰＮ接合面が、立体的な形状をなすものである。一例としては、図１４に示すように、このＬＥＤ素子１’は、全体として球状（又は部分球状）をなし、発光面であるＰＮ接合面１ａ’が、やはり球状（又は部分球状）をなすようにしたものを挙げることができる。このようなものであれば、立体形状であるがゆえんに、より小さな領域で発光させることができるうえ、理想的な点光源からでた光と同様の性質の光（例えば非常に小さな１点に集光できるとか、非常に平行度の高い光を得られるとかいったもの）を得ることができる。このようなＬＥＤ素子１’は、例えば、半導体材料を落下させながら成長させたり、あるいは宇宙空間の無重力状態で成長させるなどして、製造することが可能である。

その他、各部の具体的構成についても上記実施形態に限られるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変形が可能である。

本発明の一実施形態における光源体を示す全体斜視図。同実施形態におけるＬＥＤ素子の取付態様を模式的に示す要部拡大図。同実施形態における光源体の作用説明図。同実施形態における光源体に該当するか否かの判断例を示す図。本発明の他の実施形態におけるＬＥＤ素子の取付態様を模式的に示す要部拡大図。本発明の他の実施形態における回路基板を示す展開図。本発明の他の実施形態における照明装置を示す断面図。同実施形態における照明装置の作用説明図。本発明の他の実施形態における照明装置を示す断面図。明の他の実施形態における照明装置を示す全体図。本発明の他の実施形態における光源体を示す図。本発明の他の実施形態における光源体を示す図。本発明の他の実施形態における光源体を示す全体斜視図。本発明のさらに他の実施形態におけるＬＥＤ素子を示す部分断面図。

Ａ・・・・・・・・・光源体
Ｂ・・・・・・・・・回路基板
Ｐ・・・・・・・・・照明装置
１・・・・・・・・・ＬＥＤ素子
１ａ・・・・・・・・集光レンズ
２・・・・・・・・・ベース
２ａ１・・・・・・・反射面
４・・・・・・・・・レンズ（光学ユニット）
２１・・・・・・・・構成面
２１ａ〜２１ｅ・・・ＬＥＤ支持面
２１ｆ・・・・・・・底面
２２・・・・・・・・電力供給回路
ｈ・・・・・・・・・光軸（光の反照射側）

Claims

異なる方向に光を照射して使用可能な光源体であって、
ＰＮ接合半導体であり実際に発光する部材であるＬＥＤ素子と、立体形状を成し且つ前記ＬＥＤ素子を複数支持するベースとを具備し、
前記立体形状を構成する構成面のうち、互いに異なる方向を向き且つ光の照射側で法線同士は交差しない関係にある複数の構成面を、前記ＬＥＤ素子を支持するためのＬＥＤ支持面として設定しており、前記ＬＥＤ支持面として設定される前記構成面に、他の部材に取り付けられる面である底面の対向面が含まれており、
前記各ＬＥＤ素子の光軸同士が、光の反照射側の略一点で交わるものであり、
前記ベースが、垂直断面形状が略正方形の切頭四角錐体を成す中実ブロック状であって、前記底面以外の面を前記ＬＥＤ支持面としており、前記ベースの底面が放熱部材に接触して設けられることを特徴とする光源体。
前記ＬＥＤ素子が、前記ＬＥＤ支持面ごとに１つずつ設けられている請求項１記載の光源体。
前記ＬＥＤ素子に電力を供給するための電力供給回路を、前記ベースに一体的に形成していることを特徴とする請求項１又は２記載の光源体。
前記ＬＥＤ素子に電力を供給するための電力供給回路を、前記ベースに取付可能な回路基板に形成していることを特徴とする請求項１乃至３いずれか記載の光源体。
前記ＬＥＤ素子が、エピタキシャル面である上面側から両電極をとり且つ天地をひっくり返した状態で実装するフリップチップ型であることを特徴とする請求項１乃至４いずれか記載の光源体。
前記ベースに、ＬＥＤ素子がその光軸と異なる方向に照射する光を、前記光軸方向と略一致させる向きに反射させる反射面を設けていることを特徴とする請求項１乃至５いずれか記載の光源体。
前記ＬＥＤ素子ごとに、該ＬＥＤ素子がその光軸と異なる方向に照射する光を、前記光軸方向と略一致させる向きに導かせる集光レンズを設けていることを特徴とする請求項１乃至６いずれか記載の光源体。
請求項１乃至７いずれか記載の光源体を少なくとも用いて成る照明装置であって、
前記ＬＥＤ素子の照射側に、その照射光を収束又は発散させるためのレンズを備えて成ることを特徴とする照明装置。