JP5446670B2

JP5446670B2 - Ｌｅｄユニット

Info

Publication number: JP5446670B2
Application number: JP2009223303A
Authority: JP
Inventors: 敬佐藤; 浩二内田; 望梶原
Original assignee: Iwasaki Denki KK
Current assignee: Iwasaki Denki KK
Priority date: 2009-09-28
Filing date: 2009-09-28
Publication date: 2014-03-19
Anticipated expiration: 2029-09-28
Also published as: JP2011071446A

Description

本発明は、ＬＥＤを光源に採用したＬＥＤユニットに係り、特に、ＬＥＤにより蛍光体を光らせて混合色光を得るＬＥＤユニットにおいて器具効率の向上を図る技術に関する。

従来、ＬＥＤを光源とした各種のＬＥＤユニットが知られている（例えば、特許文献１参照）。また近年では、混合色、例えば白色光を出力する白色ＬＥＤが知られている。この種の白色ＬＥＤには、黄色蛍光体を分散させた蛍光体樹脂で青色ＬＥＤを封止することで、青色ＬＥＤの発光色と黄色蛍光体の蛍光色との混色によって白色光を得るものが良く用いられている。

特開２００７−２３４５５８号公報

ところで、ＬＥＤユニットの光軸上に、レンズや反射鏡などの二次光学系を配置して使用した場合、この二次光学系への入射光以外の光は、無制御に外部に漏れる光となり照度の低下に繋がる。特に、二次光学系の初段の光学系をダウンサイズすると、照射効率の低下が更に顕著に生じ、また、二次光学系への入射光量も低下することから、器具効率も低下する。
本発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであり、照射効率の低下を抑え、かつ、器具効率を高めることができるＬＥＤユニットを提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明は、ＬＥＤ光源を蛍光体樹脂に封入し、前記ＬＥＤ光源の発光と前記蛍光体樹脂の蛍光の混合により混合色光を得て二次光学系に向けて放射するＬＥＤユニットにおいて、凹状のカップを有するユニット本体に、前記蛍光体樹脂で封入した前記ＬＥＤ光源を収め、前記ＬＥＤ光源の光を平行光化する半球状のレンズで、前記蛍光体樹脂と界面反射を生じさせ、かつ前記レンズと界面反射を生じさせない屈折率の透明樹脂で前記ＬＥＤ光源を封止した前記カップを覆い、前記反射体は、前記ＬＥＤ光源の光軸と交差する頂部に、前記二次光学系のレンズに光を入射する光透過窓が開口し、当該光透過窓の直径を前記二次光学系のレンズの有効径よりも小さくし、前記反射体の内面全体には、前記ＬＥＤ光源から放射され、前記光透過窓以外の箇所に入射する光を前記蛍光体樹脂に向けて反射し再度励起させる反射面を設けたことを特徴とする。

本発明によれば、入射光通過領域を外れた箇所に配置した反射面によって、二次光学系に入射しない放射光が蛍光体樹脂に向けて反射されるため、二次光学系に入射せずに外部に漏れる光を低減し照射効率の低下を抑えることができる。さらに、反射体が蛍光体樹脂に向けて光を反射することで、この光が蛍光体樹脂の表面で反射されるため、二次光学系に入射する光量が増化することとなり、器具効率を向上させることができる。

本発明の実施形態に係るＬＥＤユニットを示す斜視図である。ＬＥＤユニットの平面及び正面を示す図である。反射面の有無及び該反射体の光透過窓の直径と、入射光の光束、色温度及び平均演色評価指数との関係の試験結果を示す図である。図３に示す各構成の分光分布を示す図である。本発明の変形例に係るＬＥＤユニットの構成を示す断面図である。

以下、図面を参照して本発明の実施形態について説明する。
図１は本実施形態に係るＬＥＤユニット１を示す斜視図であり、図２はＬＥＤユニット１の平面及び正面を示す図である。
ＬＥＤユニット１は、図１に示すように、二次光学系Ｓに光を入射するユニットである。二次光学系Ｓは、光利用の用途に応じて１又は複数の光学素子を備えて構成され、ＬＥＤユニット１が放射する光が入射する初段の光学素子Ｓ１は、該ＬＥＤユニット１の光軸Ｋ上に配置される。なお、図１には、光学素子Ｓ１としてレンズを例示したが、これに限らず、この光学素子Ｓ１には、透過型或いは反射型の任意の光学素子、又は、ピンホール等が用いられ得る。

ＬＥＤユニット１は、図２に示すように、ユニット本体２と、１つのＬＥＤ３を有して構成されたＬＥＤ光源４と、ＬＥＤ３に電流を供給する二対のリードフレーム５とを備えて大略構成されている。ユニット本体２には、その上面に凹状のカップ６が設けられ、このカップ６は、平坦な底部６Ａ、及び、その周縁から上方に拡がる傾斜を有するスロープ部６Ｂを備えて側面視台形状に形成されている。ユニット本体２には、カップ６を覆うように半球状のレンズ１０が設けられ、該レンズ１０によりＬＥＤ光源４の放射光が平行光化されてＬＥＤユニット１から放射される。

ＬＥＤ３は、カップ６の底部６Ａの略中央に配置されており、ＬＥＤ３の電極とリードフレーム５とが図示しないワイヤによって電気的に接続されている。このＬＥＤ３には、青色光を発光する青色ＬＥＤが用いられる。また、これらのＬＥＤ３は、青色光を受けて例えば黄色の蛍光を発する蛍光体が散布された樹脂製の蛍光体樹脂７に封止され、この蛍光体樹脂７は、さらに略透明の透明樹脂８でカップ６に封止されている。そして、ＬＥＤ３の青色の発光色と蛍光体の黄色の蛍光色の混色によって白色光が得られる。
なお、ＬＥＤユニット１において、複数のＬＥＤ３を例えばマトリクス状に底部６Ａに配置してＬＥＤ光源４を構成しても良い。

またＬＥＤユニット１は、図１に示すように、レンズ１０の外側に反射体１１を備えている。この反射体１１は、図１及び図２に示すように、半球状のレンズ１０の全体を上側から覆うカップ状に形成され、ＬＥＤ光源４の光軸Ｋと交差する頂部（すなわち、ＬＥＤ光源４の発光面４Ａの真上）には、二次光学系Ｓに入射する光が通過する入射光通過領域に対応して光透過窓１２が開口している。すなわち、光透過窓１２を形成した反射体１１でＬＥＤ光源４が覆われているため、ＬＥＤユニット１から放射される光は該光透過窓１２を通過する光のみとなる。

光透過窓１２の上面視の形状は、二次光学系Ｓの初段の光学素子Ｓ１に入射可能な入射光の断面積最大時の断面の形状、或いは、この断面の中に収まる形状とされており、レンズ１０によって平行光化され光透過窓１２を通過する光の殆どが二次光学系Ｓに入射するように構成されている。具体的には、光学素子Ｓ１が図示例の球面レンズである場合には、光透過窓１２の上面視形状は、該レンズの有効径に相当する直径Ｄａの円形状に形成され、また例えばシリンドリカルレンズの場合は、光透過窓１２の上面視形状は矩形状に形成される。なお、本実施形態では、光透過窓１２を直径Ｄａよりも小さい直径Ｄｂの円形状として色温度の改善を図ることとしているが、これについては、後に詳述する。

この反射体１１は、二次光学系Ｓに入射する光が通過する入射光通過領域を外れた箇所（すなわち、光透過窓１２以外の箇所）に、ＬＥＤ光源４が放射する光を蛍光体樹脂７に向けて反射する反射面１１Ａを配置するものであり、図２に示すように、反射体１１においては、この反射面１１Ａが内面全体に形成されている。
すなわち、ＬＥＤ光源４が放射する光のうち、光透過窓１２を通過しない光Ｌａは、全て反射面１１Ａで反射し、レンズ１０及び透明樹脂８を通って蛍光体樹脂７に向かう。レンズ１０と透明樹脂８の屈折率差は、透明樹脂８とレンズ１０との境界面での反射を無視できるほど小さく、反射面１１Ａから蛍光体樹脂７に向かった光Ｌａは、透明樹脂８と蛍光体樹脂７の屈折率差により該蛍光体樹脂７の界面７Ａで反射される。これにより、蛍光体樹脂７の界面７Ａで反射した光Ｌａが該光透過窓１２から取り出されるためＬＥＤユニット１の器具効率が高められることとなる。また、光軸Ｋに沿って光透過窓１２を通過しない光Ｌａは、全て反射面１１Ａで反射されて外部に出ることはないため、上記二次光学系Ｓに入射しない漏光が低減し照射効率の低下が抑えられることとなる。

図３は、反射面１１Ａの有無及び該反射体１１の光透過窓１２の直径と、入射光の光束、色温度及び平均演色評価指数との関係の試験結果を示す図である。なお、同図においては、ＬＥＤユニット１から反射体１１を除いた構成を比較基準構成としている。
この図に示されるように、光透過窓１２の直径が等しい場合、反射体１１に反射面１１Ａを備える方が、該反射面１１Ａが無い場合に比べて、二次光学系Ｓへの入射光の光束が増加している。このことから、本実施形態の反射面１１Ａによる器具効率の向上が実験的に裏付けられる。

ここで、この図３に示すように、ＬＥＤユニット１は、平均演色評価指数（Ｒａ）の値が「９５」であり比較的演色性が優れているものの、色温度については、反射体１１を有さない構成（同図：比較基準構成）の場合、所定の分光分布を有する光源の色温度（例えば３０００Ｋ）よりも高い４３６６（Ｋ）であり、二次光学系Ｓに入射する入射光が青成分の目立った光色となっている。
これに対して、反射体１１を備え、かつ、該反射体１１に反射面１１Ａを設けた構成（同図：構成Ａ、構成Ｂ）では、比較基準構成、及び、反射面１１Ａが無い構成（同図：構成Ｃ、構成Ｄ）に比べ、色温度が低くなり青成分が目立たない光色に近づいていることが分かる。

図４は、図３に示した各構成の分光分布を示す図である。
ＬＥＤユニット１は、反射体１１を備えない比較基準構成において、蛍光体樹脂７の蛍光の波長域（波長６００ｎｍの前後）の成分が、青成分が目立たない光の分光分布に対して少ない分光分布を有している。
一方、反射面１１Ａが設けられた反射体１１を有する構成Ａ、構成Ｂにおいては、反射面１１Ａで蛍光体樹脂７に向けて反射された光Ｌａが該蛍光体樹脂７で再度励起されて光透過窓１２から取り出されるため、図４に示すように、蛍光の波長域（波長６００ｎｍの前後）が補強され、低色温度の青っぽい光色が改善されることとなる。

このとき、図３に示すように、反射体１１の光透過窓１２を直径Ｄａから直径Ｄｂに狭めて反射面１１Ａの面積を多くすることで、この反射面１１Ａで反射した光Ｌａの光量を増やし蛍光体樹脂７で再度励起される光成分、すなわち、波長５５０ｎｍから６５０ｎｍの光をより増やし、色温度を更に改善することができる。さらに、光透過窓１２の直径が狭まることで、光軸Ｋに沿った直射光Ｌｂ（図２参照）の成分、すなわち、青っぽい光色の成分が弱められることから色温度の改善効果が一層高められることとなる。

以上説明したように、本実施形態によれば、光透過窓１２が開口し、内面に反射面１１Ａを備える反射体１１によって、二次光学系Ｓに入射しない光Ｌａを蛍光体樹脂７に向けて反射する構成とした。これにより、二次光学系Ｓに入射せずに外部に漏れる光を低減し照射効率の低下を抑えることができる。さらに、反射体１１が蛍光体樹脂７に向けて光を反射することで、この反射光が蛍光体樹脂７の表面で反射され、二次光学系Ｓに入射する光量が増えるため、器具効率を向上させることができる。

また本実施形態によれば、蛍光体樹脂７の蛍光を、ＬＥＤ光源４の直射光Ｌｂ及び反射面１１Ａにより蛍光体樹脂７に向けて反射させた光Ｌａの両方で生じさせる構成とした。この構成により、ＬＥＤ光源４が、青成分の目立たない光の分光分布に対し、蛍光体樹脂７の蛍光の波長域の成分が少ない分光分布を有する場合であっても、この波長域の成分を、反射体１１が蛍光体樹脂７に向けて反射し該蛍光体樹脂７で反射した光Ｌａで補うことができ、青成分の目立たない所定の分光分布を有する白色光を得ることができる。

また本実施形態によれば、蛍光体樹脂７の上に平行光化用のレンズ１０を設け、このレンズ１０を反射体１１で覆うとともに、この反射体１１には、二次光学系Ｓに入射する光が通過する領域に対応して光透過窓１２を設け、反射体１１の内面に反射面１１Ａを設ける構成とした。この構成によれば、光透過窓１２を通過する光は平行光化されて二次光学系Ｓに入射されるため、ＬＥＤユニット１が光透過窓１２から放射する光の殆どを二次光学系Ｓに入射させることができる。これにより、二次光学系Ｓに入射させずに外部に漏れる光をより一層低減し照射効率の低下を防止することができる。

なお、上述した実施形態は、あくまでも本発明の一態様を示すものであり、本発明の範囲内で任意に変形及び応用が可能である。

上述した実施形態では、ＬＥＤユニット１がレンズ１０を備える構成を例示したが、該レンズ１０を備えない構成にも本発明を適用することができる。
図５は、本変形例に係るＬＥＤユニット１０１の構成を示す断面図である。なお、この図において、図１及び図２と対応する部材については同一の符号を付し、その説明を省略する。

同図に示すように、このＬＥＤユニット１０１においては、ユニット本体２の上にレンズ１０を備える代わりに、該ユニット本体２のカップ６の上側を覆うように板状の反射体１１１が設けられている。この反射体１１１には、二次光学系Ｓに入射する光が通過する領域に対応して光透過窓１１２が設けられ、また、内面（ＬＥＤ光源４との対向面）には反射面１１１Ａが形成されている。これにより、ＬＥＤユニット１０１においては、上述した実施形態と同様に、二次光学系Ｓに入射せずに外部に漏れる光を低減し、また、器具効率を向上させることができる。
なお、反射体１１１を、同図に仮想線で示すように、全体的に切頭錐状に形成し、ユニット本体２のカップ６を覆うようにしてもよい。

また上述した実施形態では、光透過窓１２を設けた反射体１１でＬＥＤ光源４を完全に覆う構成としたが、これに限らず、反射体１１の側面に隙間や孔などが設けられていてもよいことは勿論である。さらに、反射体１１は、二次光学系Ｓに入射する光が通過する領域の外に、ＬＥＤ光源４が放射する光を蛍光体樹脂７に向けて反射する反射面１１Ａを配する構成であれば、任意の形状及び構成とすることができる。

１、１０１ＬＥＤユニット
２ユニット本体
３ＬＥＤ
４ＬＥＤ光源
６カップ
７蛍光体樹脂
８透明樹脂
１０レンズ
１１、１１１反射体
１１Ａ、１１１Ａ反射面
１２、１１２光透過窓
Ｓ二次光学系
Ｓ１光学素子

Claims

ＬＥＤ光源を蛍光体樹脂に封入し、前記ＬＥＤ光源の発光と前記蛍光体樹脂の蛍光の混合により混合色光を得て二次光学系に向けて放射するＬＥＤユニットにおいて、
凹状のカップを有するユニット本体に、前記蛍光体樹脂で封入した前記ＬＥＤ光源を収め、前記ＬＥＤ光源の光を平行光化する半球状のレンズで、前記蛍光体樹脂と界面反射を生じさせ、かつ前記レンズと界面反射を生じさせない屈折率の透明樹脂で前記ＬＥＤ光源を封止した前記カップを覆い、
前記反射体は、前記ＬＥＤ光源の光軸と交差する頂部に、前記二次光学系のレンズに光を入射する光透過窓が開口し、当該光透過窓の直径を前記二次光学系のレンズの有効径よりも小さくし、
前記反射体の内面全体には、前記ＬＥＤ光源から放射され、前記光透過窓以外の箇所に入射する光を前記蛍光体樹脂に向けて反射し再度励起させる反射面を設けた
ことを特徴とするＬＥＤユニット。