JP5113573B2

JP5113573B2 - Ｌｅｄ照明装置

Info

Publication number: JP5113573B2
Application number: JP2008076699A
Authority: JP
Inventors: 健一郎田中; 成福岡
Original assignee: Panasonic Corp; Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Corp; Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2008-03-24
Filing date: 2008-03-24
Publication date: 2013-01-09
Anticipated expiration: 2028-03-24
Also published as: KR20100124839A; EP2261551A4; EP2261551A1; US8742435B2; CN101978210B; WO2009119550A1; US20110018012A1; JP2009231128A; EP2261551B1; KR101203133B1; CN101978210A

Description

本発明は、発光波長の異なる複数のＬＥＤチップを有する光源を利用したＬＥＤ照明装置に関するものである。

従来から、この種のＬＥＤ照明装置として、図９に示すように、一面開口した箱状に形成されたケース１００と、ケース１００の底壁の中央部に形成された窓孔１０１内に配置され発光波長の異なる複数のＬＥＤチップ（例えば、赤色ＬＥＤチップ、緑色ＬＥＤチップ、青色ＬＥＤチップ）を有する光源１’と、透光性材料（例えば、アクリル樹脂、シリコーン樹脂などのポリマー）により形成されケース１００内に収納された導光体１０２と、導光体１０２におけるケース１００の底壁側とは反対の放射面１０２ａ側に形成され光源１’からの光を所定の割合で反射させる放射側反射部１０３と、導光体１０２とケース１００の内面との間に設けられ光源１’から放射され放射側反射部１０３で反射された光を反射する内側反射部１０４とを備えたものが提案されている（特許文献１）。
特開２００８−２７８８６号公報（図１）

ところで、図９に示した構成のＬＥＤ照明装置では、導光体１０２での光損失に起因して光取出し効率が低下してしまう。また、図９に示した構成のＬＥＤ照明装置では、光源１’が１種類のＬＥＤチップのみを利用したものであれば、大面積で均一な照明光を得ることが可能であるが、導光体１０２の放射面１０２ａ側の放射側反射部１０３が光源１’からの光を所定の割合で反射させるように形成されており、光源１’からの光の一部が放射側反射部１０３で反射されずに直接外部へ出射されるので（なお、図９中に一点鎖線で示した矢印は、光源１’から放射された光の伝搬経路を示している）、光源１’において発光波長の異なる複数のＬＥＤチップが近接配置されていても、光源１’自体に色むらがある場合、ＬＥＤ照明装置全体として色むらが発生してしまう。

本発明は上記事由に鑑みて為されたものであり、その目的は、光取出し効率を向上でき且つ色むらの発生を抑制できるＬＥＤ照明装置を提供することにある。

請求項１の発明は、発光波長の異なる複数のＬＥＤチップを有する光源と、光取り出し用の多数の開口部が形成された拡散反射シートからなり前記光源の光軸に厚み方向が一致する形で配置されるフェースシートと、前記フェースシートの光出射面側とは反対側において前記フェースシートに対向配置され前記フェースシートで拡散反射された光を前記フェースシート側へ拡散反射する拡散反射シートからなるリヤシートとを備え、前記フェースシートと前記リヤシートとの間の媒質が空気であり、前記フェースシートは、前記光源からの直接光が外部へ出射せず且つ前記光出射面側の輝度が均一になるように前記各開口部が形成されてなることを特徴とする。

この発明によれば、光取り出し用の多数の開口部が形成された拡散反射シートからなり光源の光軸に厚み方向が一致する形で配置されるフェースシートと、前記フェースシートの光出射面側とは反対側において前記フェースシートに対向配置され前記フェースシートで拡散反射された光を前記フェースシート側へ拡散反射する拡散反射シートからなる前記リヤシートとを備え、前記フェースシートと前記リヤシートとの間の媒質が空気なので、光取出し効率を向上でき、しかも、前記フェースシートは、前記光源からの直接光が外部へ出射せず且つ前記光出射面側の輝度が均一になるように前記各開口部が形成されているので、発光波長の異なる複数の前記ＬＥＤチップを有する前記光源において色むらがある場合でもＬＥＤ照明装置全体として色むらの発生を抑制できる。

また、請求項１の発明は、前記フェースシートは、前記光源に近い前記開口部ほど開口サイズが小さく、前記光源からの前記直接光が前記外部へ出射しないように前記各開口部のアスペクト比が設定されてなることを特徴とする。

この発明によれば、前記光源からの前記直接光が前記光源に近い前記開口部の内側面で反射されることなく出射するのを防止することができ、前記光源からの前記直接光が前記開口部を通して前記外部へ出射するのを防止することが可能となる。

請求項２の発明は、請求項１の発明において、前記フェースシートは、前記光源の前記光軸に近いほど厚みが厚く、前記光源からの前記直接光が前記外部へ出射しないように前記各開口部のアスペクト比が設定されてなることを特徴とする。

請求項３の発明は、請求項１または請求項２の発明において、前記フェースシートは、前記光源の前記光軸を含む断面における前記開口部の内側面のうち前記光軸から遠い側が前記光軸に平行で前記光軸に近い側が前記光源に近づくにつれて前記光軸から離れるテーパ状に形成されてなることを特徴とする。

この発明によれば、輝度の均一化を図れる。

請求項４の発明は、請求項１の発明において、前記フェースシートは、前記光出射面側における前記開口部の周部のうち前記光源の前記光軸から遠い側に前記厚み方向に突出し前記光源からの前記直接光を反射する反射部が形成されてなることを特徴とする。

この発明によれば、前記光源からの前記直接光の一部が１度も反射されずに前記開口部を通過したとしても反射部により反射されるので、前記光源からの前記直接光が前記外部へ出射されるのをより確実に防止することが可能となる。

請求項５の発明は、請求項１ないし請求項４の発明において、前記フェースシートの前記光出射面側に配置される導光板を備えることを特徴とする。

この発明によれば、前記フェースシートの前記光出射面側に配置される導光板を備えていることにより、輝度のより一層の均一化を図れる。

請求項６の発明は、請求項５の発明において、前記導光板における前記フェースシート側とは反対側の表面に光取出し効率向上用の凹凸構造が形成されてなることを特徴とする。

この発明によれば、前記外部への光取出し効率をさらに向上できる。

請求項７の発明は、請求項１の発明において、前記フェースシートにおける前記光出射面側に離間して配置された拡散反射シートからなる２次フェースシートを備え、前記２次フェースシートは、前記光源からの前記直接光が前記外部へ出射せず且つ前記２次フェースシートの光出射面側の輝度が均一になるように多数の２次開口部が形成されてなることを特徴とする。

この発明によれば、前記光源からの前記直接光が前記外部へ出射されるのをより確実に防止することが可能となるとともに、輝度のより一層の均一化を図れる。

請求項１の発明では、光取出し効率を向上でき且つ色むらの発生を抑制できるという効果がある。

（実施形態１）
本実施形態のＬＥＤ照明装置は、図１に示すように、発光波長の異なる複数のＬＥＤチップ１０を有する光源１と、光取り出し用の多数の開口部２１が形成された矩形板状の拡散反射シートからなり光源１の光軸Ｍ１に厚み方向が一致する形で配置されるフェースシート２と、フェースシート２の光出射面側とは反対側においてフェースシート２に対向配置されフェースシート２で拡散反射された光をフェースシート２側へ拡散反射する矩形板状の拡散反射シートからなるリヤシート３と、フェースシート２とリヤリート３との間に介在する枠状（ここでは、矩形枠状）のスペーサ４とを備え、フェースシート２とリヤシート３との間の媒質５が空気であり、フェースシート２は、光源１からの直接光が外部へ出射せず且つ光出射面側の輝度が均一になるように各開口部２１が形成されている。なお、スペーサ４の形状は枠状に限らず、例えば、柱状の形状として、フェースシート２とリヤシート３との四隅同士の間に介在させてもよい。

ここにおいて、光源１の各ＬＥＤチップ１０は、１つの実装基板１１の一表面側に実装され、透光性材料（例えば、シリコーン樹脂、エポキシ樹脂、アクリル樹脂、ポリカーボネート樹脂、ガラスなど）からなるレンズ状の封止部１６により封止されている。実装基板１１は、第１の熱伝導性材料（例えば、Ｃｕ、Ａｌなど）からなる矩形板状の伝熱板１２と、伝熱板１２の一表面側の中央部に接合された第２の熱伝導性材料（例えば、ＡｌＮなど）からなる矩形板状のサブマウント部材１３と、伝熱板１２の上記一表面側に接合されサブマウント部材１３が内側に離間して配置される開口窓１４ａを有する配線基板１４とを備えており、配線基板１４がリヤシート３に接合されている。ここで、サブマウント部材１３は、ＬＥＤチップ１０のチップサイズよりも大きなサイズの矩形板状に形成されＬＥＤチップ１０と伝熱板１２との線膨張率差に起因してＬＥＤチップ１０に働く応力を緩和する応力緩和機能と、ＬＥＤチップ１０で発生した熱を伝熱板１２においてＬＥＤチップ１０のチップサイズよりも広い範囲に伝熱させる熱伝導機能とを有している。

また、各ＬＥＤチップ１０は、サブマウント部材１３におけるＬＥＤチップ１０の搭載面側に形成された導体パターンと配線基板１４の配線パターンとを電気的に接続する複数のボンディングワイヤ１５を介して給電されるようになっている。ここで、配線基板１４は、平面視において一部が伝熱板２１の外周縁よりも外方へ延出する突出部（図示せず）が設けられており、当該突出部において電源ユニットなどからの給電用の電線が接続されるようになっている。なお、配線基板１４としては、例えば、絶縁性基材の一表面側に各ＬＥＤチップ１０への給電用の配線パターンが設けられたものを用いればよいが、絶縁性基材の材料としては、例えば、ガラスエポキシ樹脂（ＦＲ４、ＦＲ５など）、紙フェノールなどを採用すればよい。

上述の光源１は、発光波長の異なる複数のＬＥＤチップ１０として、赤色光を放射する赤色ＬＥＤチップ、緑色光を放射する緑色ＬＥＤチップ、青色光を放射する青色ＬＥＤチップ、黄色光を放射する黄色ＬＥＤチップを採用しており、赤色光と緑色光と青色光と黄色光の混色光として白色光を得ることができる。ただし、ＬＥＤチップ１０の数や発光色は特に限定するものではなく、所望の混色光に応じて適宜選択すればよい。

また、上述のスペーサ４は、フェースシート２およびリヤシート３と同様に、光源１からの光を反射する拡散反射シートにより構成されているが、スペーサ４は、必ずしも拡散反射シートにより構成する必要はない。

フェースシート２、リヤシート３およびスペーサ４に用いる拡散反射シートとしては、例えば、ポリエチレンテレフタレート樹脂（ＰＥＴ）を発泡させて１０μｍ以下の超微細な気泡を多数形成した光反射板（超微細発泡光反射板）を用いればよく、この種の光反射板としては、例えば、ＭＣＰＥＴ（登録商標）を採用すればよいが、ＭＣＰＥＴと同様に拡散反射率および全反射率の高いものであればＭＣＰＥＴ以外のものを採用してもよく、シート状部材の表面に拡散反射膜を形成したものでもよい。本実施形態では、フェースシート２、リヤシート３およびスペーサ４を上述の拡散反射シートにより構成しているので、金属鏡面により反射面が形成されている場合に比べて、拡散反射率および全反射率を高めることができ、外部への光取り出し効率を高めることができ、光出力の向上を図れる。

リヤシート３は、サブマウント部材１３が内側に離間して配置され且つ配線基板１４における開口窓１４ａの周部を露出させる窓孔３１が中央部に形成されている。

また、フェースシート２は、上述のように、光源１からの直接光が外部へ出射せず且つ光出射面側の輝度が均一になるように各開口部２１が形成されており、図１および図２に示すように、光源１に近い開口部２１ほど開口サイズが小さく、光源１からの直接光が外部へ出射しないように光源１の光軸Ｍ１を含む断面（フェースシート２の厚み方向に沿った中心軸Ｍ２を含む断面）における各開口部２１のアスペクト比が設定されている。ここにおいて、開口部２１のアスペクト比は、フェースシート２における開口部２１周部の厚みａ（図１参照）とフェースシート２におけるリヤシート３側の表面における開口部２１の幅ｂ（図１参照）との比であり、〔アスペクト比〕＝〔フェースシート２における開口部２１周部の厚みａ〕／〔開口部２１の開口幅ｂ〕により求められる値である。なお、本実施形態では、各開口部２１の開口形状を円形状としてあり、フェースシート２の上記中心軸Ｍ２からの距離が大きな開口部２１ほど開口幅ｂが大きくなっているが、開口部２１の開口形状は円形状に限らず、例えば、図３に示すように、弧状の開口形状として、フェースシート２の上記中心軸Ｍ２からの距離が大きな開口部２１ほど開口幅ｂが大きくなるようにしてもよい。

以上説明した本実施形態のＬＥＤ照明装置では、光取り出し用の多数の開口部２１が形成された拡散反射シートからなり光源１の光軸Ｍ１に厚み方向が一致する形で配置されるフェースシート２と、フェースシート２の光出射面側とは反対側においてフェースシート２に対向配置されフェースシート２で拡散反射された光をフェースシート２側へ拡散反射する拡散反射シートからなるリヤシート３とを備え、フェースシート２とリヤシート３との間の媒質が空気なので、光取出し効率を向上でき、しかも、フェースシート２は、光源１からの直接光が外部へ出射せず且つ光出射面側の輝度が均一になるように各開口部２１が形成されているので、発光波長の異なる複数のＬＥＤチップ１０を有する光源１において色むらがある場合でもＬＥＤ照明装置全体として色むらの発生を抑制できる。また、本実施形態のＬＥＤ照明装置では、フェースシート２とリヤシート３との間に枠状のスペーサ４を備え、スペーサ４も拡散反射シートにより形成されているので、外部への光取出し効率をさらに向上できる。

また、本実施形態のＬＥＤ照明装置によれば、フェースシート２は、光源１に近い開口部２１ほど開口サイズが小さく、光源１からの直接光が外部へ出射しないように各開口部２１のアスペクト比が設定されているので、光源１からの直接光が光源１に近い開口部２１の内側面で反射されることなく出射するのを防止することができ、光源１からの直接光が開口部２１を通して外部へ出射するのを防止することが可能となる。

また、本実施形態のＬＥＤ照明装置では、光源１の点灯時に各ＬＥＤチップ１０で発生した熱を配線基板１４を通すことなくサブマウント部材１３を介して伝熱板１２へ伝熱して放熱することができるので、放熱性が向上し、各ＬＥＤチップ１０のジャンクション温度の温度上昇を抑制できるから、入力電力を大きくでき、光出力の高出力化を図れる。

（実施形態２）
本実施形態のＬＥＤ照明装置の構成は実施形態１と略同じであって、図４に示すように、フェースシート２の構造が相違している。なお、実施形態１と同様の構成要素には同一の符号を付して説明を省略する。

本実施形態におけるフェースシート２は、光源１の光軸Ｍ１に近いほど厚みが厚く、光源１からの直接光が外部へ出射しないように各開口部２１のアスペクト比が設定されている。なお、開口部２１のアスペクト比の定義は基本的に実施形態１と同じであるが、開口部２１のフェースシート２における開口部２１周部の厚みａとしては、光源１の光軸Ｍ１を含む断面において光軸Ｍ１から遠い側の周部の厚みを採用する。

以上説明した本実施形態のＬＥＤ照明装置では、開口部２１の開口形状および開口サイズを実施形態１と同じに設定した場合に、光源１からの直接光が光源１に近い開口部２１の内側面で反射されることなく出射するのをより確実に防止することができ、光源１からの直接光が開口部２１を通して外部へ出射するのを防止することが可能となる。

（実施形態３）
本実施形態のＬＥＤ照明装置の構成は実施形態１と略同じであって、図５に示すように、フェースシート２の構造が相違している。なお、実施形態１と同様の構成要素には同一の符号を付して説明を省略する。

ところで、実施形態２のＬＥＤ照明装置では、フェースシート２において光源１の光軸Ｍ１に近い部位ほど厚みが厚くなっているので、輝度の均一性が低下してしまう。

これに対して、本実施形態におけるフェースシート２は、光源１の光軸Ｍ１を含む断面における開口部２１の内側面のうち光軸Ｍ１から遠い側が光軸Ｍ１に平行で光軸Ｍ１に近い側が光源１に近づくにつれて光軸Ｍ１から離れるテーパ状に形成されている。

しかして、本実施形態のＬＥＤ照明装置では、実施形態２に比べて、輝度の均一化を図れる。なお、実施形態２におけるフェースシート２の開口部２１の形状を本実施形態と同様の形状としてもよい。

（実施形態４）
本実施形態のＬＥＤ照明装置の構成は実施形態１と略同じであって、図６に示すように、フェースシート２の構造が相違している。なお、実施形態１と同様の構成要素には同一の符号を付して説明を省略する。

本実施形態におけるフェースシート２は、光出射面側における開口部２１の周部のうち光源１の光軸Ｍ１から遠い側に厚み方向に突出し光源１からの直接光を反射する反射部２２が形成されている。

しかして、本実施形態のＬＥＤ照明装置では、光源１からの直接光の一部が１度も反射されずに開口部２１を通過したとしても反射部２２により反射されるので、光源１からの直接光が外部へ出射されるのをより確実に防止することが可能となる。

（実施形態５）
本実施形態のＬＥＤ照明装置の構成は実施形態１と略同じであり、図７に示すように、フェースシート２の光出射面側に配置される矩形板状の導光板６であってフェースシート２の各開口部２１それぞれに埋設される複数の導光部６ｂが連続一体に形成された導光板６を備えている点が相違する。なお、実施形態１と同様の構成要素には同一の符号を付して説明を省略する。

ここにおいて、導光板６の厚みは、当該導光板６での光損失をより少なくするために薄い方が好ましく、フェースシート２とリヤシート３との間の距離よりも小さく設定してある。また、導光板６は、ガラスにより形成してあるが、ガラスに限らず、例えば、アクリル樹脂、シリコーン樹脂、エポキシ樹脂、ポリカーボネート樹脂などにより形成してもよい。

しかして、本実施形態のＬＥＤ照明装置では、フェースシート２の光出射面側に配置される導光板６を備えていることにより、フェースシート２の光出射面側へ出射した光が導光板６で導光されるので、輝度のより一層の均一化を図れる。

また、本実施形態のＬＥＤ照明装置では、導光板６におけるフェースシート２側とは反対側の表面に光取出し効率向上用の凹凸構造を形成すれば、外部への光取出し効率をさらに向上できる。なお、他の実施形態２〜４においても導光板６を設けてもよい。

（実施形態６）
本実施形態のＬＥＤ照明装置の構成は実施形態１と略同じであって、図８に示すように、フェースシート２における光出射面側に離間して配置された拡散反射シートからなる２次フェースシート７を備え、２次フェースシート７は、光源１からの直接光が外部へ出射せず且つ当該２次フェースシート７の光出射面側の輝度が均一になるように多数の２次開口部７１が形成されている点が相違する。なお、実施形態１と同様の構成要素には同一の符号を付して説明を省略する。

２次フェースシート７は、フェースシート２と同様の拡散反射シートにより形成してあり、スペーサ８を介してフェースシート２に対向配置されている。したがって、２次フェースシート７とフェースシート２との間には、空隙９が形成されている。また、２次フェースシート７の開口部７１は、フェースシート２の開口部２１と同じ開口形状で開口部２１の投影領域に形成してあるが、必ずしもフェースシート２の開口部２１と同じ開口形状でなくてもよいし、形成位置もフェースシート２の開口部２１の投影領域でなくてもよい。

以上説明した本実施形態のＬＥＤ照明装置によれば、光源１からの直接光が外部へ出射されるのをより確実に防止することが可能となるとともに、輝度のより一層の均一化を図れる。なお、本実施形態では、２次フェースシート７の平面サイズをフェースシート２の平面サイズよりも小さく設定してあるが、フェースシート２と同じ平面サイズに設定してもよい。

実施形態１のＬＥＤ照明装置の概略断面図である。同上におけるフェースシートの平面図である。同上におけるフェースシートの他の構成例の平面図である。実施形態２のＬＥＤ照明装置の概略断面図である。実施形態３のＬＥＤ照明装置の概略断面図である。実施形態４のＬＥＤ照明装置の概略断面図である。実施形態５のＬＥＤ照明装置の概略断面図である。実施形態６のＬＥＤ照明装置の概略断面図である。従来例を示すＬＥＤ照明装置の概略断面図である。

符号の説明

１光源
２フェースシート
３リヤシート
４スペーサ
５媒質
６導光板
７２次フェースシート
１０ＬＥＤチップ
２１開口部
２２反射部
３１窓孔
７１２次開口部
Ｍ１光軸
Ｍ２中心軸

Claims

発光波長の異なる複数のＬＥＤチップを有する光源と、光取り出し用の多数の開口部が形成された拡散反射シートからなり前記光源の光軸に厚み方向が一致する形で配置されるフェースシートと、前記フェースシートの光出射面側とは反対側において前記フェースシートに対向配置され前記フェースシートで拡散反射された光を前記フェースシート側へ拡散反射する拡散反射シートからなるリヤシートとを備え、前記フェースシートと前記リヤシートとの間の媒質が空気であり、前記フェースシートは、前記光源からの直接光が外部へ出射せず且つ前記光出射面側の輝度が均一になるように前記各開口部が形成されてなり、前記フェースシートは、前記光源に近い前記開口部ほど開口サイズが小さく、前記光源からの前記直接光が前記外部へ出射しないように前記各開口部のアスペクト比が設定されてなることを特徴とするＬＥＤ照明装置。
前記フェースシートは、前記光源の前記光軸に近いほど厚みが厚く、前記光源からの前記直接光が前記外部へ出射しないように前記各開口部のアスペクト比が設定されてなることを特徴とする請求項１記載のＬＥＤ照明装置。
前記フェースシートは、前記光源の前記光軸を含む断面における前記開口部の内側面のうち前記光軸から遠い側が前記光軸に平行で前記光軸に近い側が前記光源に近づくにつれて前記光軸から離れるテーパ状に形成されてなることを特徴とする請求項１または請求項２記載のＬＥＤ照明装置。
前記フェースシートは、前記光出射面側における前記開口部の周部のうち前記光源の前記光軸から遠い側に前記厚み方向に突出し前記光源からの前記直接光を反射する反射部が形成されてなることを特徴とする請求項１記載のＬＥＤ照明装置。
前記フェースシートの前記光出射面側に配置される導光板を備えることを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれか１項に記載のＬＥＤ照明装置。
前記導光板における前記フェースシート側とは反対側の表面に光取出し効率向上用の凹凸構造が形成されてなることを特徴とする請求項５記載のＬＥＤ照明装置。
前記フェースシートにおける前記光出射面側に離間して配置された拡散反射シートからなる２次フェースシートを備え、前記２次フェースシートは、前記光源からの前記直接光が前記外部へ出射せず且つ前記２次フェースシートの光出射面側の輝度が均一になるように多数の２次開口部が形成されてなることを特徴とする請求項１記載のＬＥＤ照明装置。