JP5598669B2

JP5598669B2 - 照明装置

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Publication number: JP5598669B2
Application number: JP2010259371A
Authority: JP
Inventors: 光三小川; 一斎樋口; 重利小宮山; 豊本田; 厳與森山
Original assignee: Toshiba Lighting and Technology Corp
Current assignee: Toshiba Lighting and Technology Corp
Priority date: 2010-11-19
Filing date: 2010-11-19
Publication date: 2014-10-01
Anticipated expiration: 2030-11-19
Also published as: JP2012113837A

Description

本発明の実施形態は、ＬＥＤ素子を光源とする照明装置に関する。

従来、ＬＥＤ素子を光源とするダウンライトやスポットライトなどの照明装置では、青色発光のＬＥＤ素子をパッケージ内に収容するとともにＬＥＤ素子からの青色光の一部により励起されて黄色光を放射する蛍光体が混入された蛍光体層で覆い、蛍光体層の表面である発光面から白色系の光を放射する表面実装形のＳＭＤ（Surface Mount Device）パッケージが用いられている。また、基板に青色発光の複数のＬＥＤ素子を実装するとともにこれら複数のＬＥＤ素子をＬＥＤ素子からの青色光の一部により励起されて黄色光を放射する蛍光体が混入された蛍光体層で覆って面状の発光部を形成し、この発光部の表面である発光面から白色系の光を放射する発光モジュールであるＣＯＢ（Chip On Board）モジュールが用いられている。

ＳＭＤパッケージを用いる場合には、配光制御のために、ＳＭＤパッケージ毎に反射体や全反射形のレンズなどの光学部品を用いている。また、ＣＯＢモジュールを用いる場合には、発光部が面状であることから、ＳＭＤパッケージで用いているような全反射形のレンズは用いられず、光学部品として反射体のみを用いることが多い。

特開２００６−２９４５２６号公報

大光量の照明装置を構成しようとした場合、ＳＭＤパッケージを用いるとＳＭＤパッケージおよび光学部品の数を多くする必要があるが、照明装置の大きさの制限からあまり多くのＳＭＤパッケージおよび光学部品を用いることができないため、ＣＯＢモジュールを用いる方が対応しやすい。しかし、ＣＯＢモジュールを用いる場合には、発光部が面状であることから、ＳＭＤパッケージで用いているような全反射形のレンズは用いられないため、必要な配光制御が得られないことがある。

また、ＳＭＤパッケージの場合、ＬＥＤ素子に垂直に対向する発光面の中心部はＬＥＤ素子との距離が短いため、ＬＥＤ素子からの青色光が蛍光体層内を通過する距離が短くなって、発光面の中心部からは蛍光体からの黄色光よりも青色光が多く放射され、また、ＬＥＤ素子に斜めに対向する発光面の周辺部はＬＥＤ素子との距離が長いため、ＬＥＤ素子からの青色光が蛍光体層内を通過する距離が長くなって、発光面の周辺部方向へ放射される青色光は垂直方向に比べて相対的に少なくなり、したがって、発光面の中心部方向に抜ける青色光が周辺部方向に抜ける青色光に比べて多くなる。そのため、全反射形のレンズによって狭角配光に制御すると、発光面の中心部が周辺部に比べて青い状態がそのまま投影されて、照射面に照射される光の中央部が周辺部に比べて青くなり、いわゆる色われという現象が生じやすくなる。

本発明は、このような点に鑑みなされたもので、レンズによる発光モジュールの発光部からの光の配光制御が可能で、狭角配光とした場合でも色われの発生を低減できる照明装置を提供することを目的とする。

実施形態の照明装置は、発光モジュール、および発光モジュールに対向するフレネルレンズを備える。発光モジュールは、基板、およびこの基板の一面に複数のＬＥＤ素子が実装されるとともにこれら複数のＬＥＤ素子を蛍光体層で覆って形成された発光部を有する。発光部の幅はフレネルレンズの幅の８〜１５％の範囲、発光部の発光面積はフレネルレンズの光出射面積の２．８〜３．８％の範囲である。複数のＬＥＤ素子間の間隔は１．５ｍｍ以下で、かつ発光部の幅が最も広い箇所での複数のＬＥＤ素子の実装領域の幅は蛍光体層の形成領域の幅に対して８０％以上である。フレネルレンズは、１／２ビーム角が１５°以下となる配光に制御する。

本発明によれば、フレネルレンズを用いるとともに、発光モジュールの複数のＬＥＤ素子間の間隔を１．５ｍｍ以下で、かつ発光部の幅が最も広い箇所での複数のＬＥＤ素子の実装領域の幅を蛍光体層の形成領域の幅に対して８０％以上とすることにより、フレネルレンズによる発光モジュールの発光部からの光の配光制御が可能で、狭角配光とした場合でも色われの発生を低減できることが期待できる。

一実施形態を示す照明装置の発光モジュールの正面図である。同上発光モジュールのＬＥＤ素子の寸法および配置の寸法を示す説明図である。同上照明装置のフレネルレンズの断面図である。同上フレネルレンズの一部の拡大断面図である。同上発光モジュールを示し、(a)は複数のＬＥＤ素子からの光の放射を説明する説明図、(b)は１つのＬＥＤ素子からの光の放射を説明する説明図である。同上フレネルレンズからの光の出射角度に対する相関色温度を測定した結果を示すグラフである。同上光源径／フレネルレンズ径に対する輝度均斉度を測定した結果を示すグラフである。同上光源径／フレネルレンズ径に対する１／２ビーム角を測定した結果を示すグラフである。

以下、一実施形態を、図面を参照して説明する。

図３に示すように、照明装置11は、発光モジュールとしてのＣＯＢ（Chip On Board）モジュール12、およびこのＣＯＢモジュール12の一面である前面に対向するように設けられたフレネルレンズ13を備えており、例えば光束が２０００lm超の大光量のスポットライトとして用いられる。

図１に示すように、ＣＯＢモジュール12は、基板15、この基板15の一面である前面の中央領域に形成された面状の発光部16を備えている。

基板15は、例えば、アルミニウムなどの金属やセラミックスなど熱伝導性に優れた材料で、四角形であって長方形に形成されている。基板15の前面を実装面とし、この実装面に図示しない配線パターンが形成されている。基板15が金属製の場合には基板15の実装面に絶縁層が形成され、この絶縁層上に配線パターンが形成されている。

発光部16は、基板15の実装面側から見た形状が四角形であって長方形であり、発光部16の外形領域より小さい実装領域17内に、複数のＬＥＤ素子18が発光部16の各辺に沿った縦横方向にそれぞれ所定の間隔をあけた状態に配列されて実装され、つまりマトリクス状に配列されて実装されている。

複数のＬＥＤ素子18は例えば接着剤で基板15上に接着されて実装され、これら複数のＬＥＤ素子18がワイヤボンディング処理によるボンディングワイヤによって縦横いずれかの配列方向に沿って直列に電気接続されるとともに基板15の配線パターンに電気接続されている。ＬＥＤ素子18は、直方体状のベアチップにて構成され、長手方向の両端にボンディングワイヤが電気的に接続される端子が形成されている。また、複数のＬＥＤ素子18およびこれらを接続するボンディングワイヤは、蛍光体が混入された例えばシリコーン樹脂などの透明樹脂で構成される蛍光体層19で一体に覆われて封止されている。蛍光体層19の形成領域は、複数のＬＥＤ素子18の実装領域17よりも大きく形成されている。

ＬＥＤ素子18には例えば青色光を発するＬＥＤ素子18が用いられ、蛍光体層19の蛍光体にはＬＥＤ素子18からの青色光の一部により励起されて黄色光を放射する蛍光体が用いられている。したがって、ＬＥＤ素子18および蛍光体層19などによって発光部16が形成され、この発光部16の前面である蛍光体層19の前面が発光面20となり、この発光面20から白色系の照明光が放射される。

ＣＯＢモジュール12には、図示しない点灯装置からＬＥＤ素子18に対して点灯電源を供給する配線が接続される。

そして、図２に示すように、本実施形態のＣＯＢモジュール12では、ＬＥＤ素子18の長手方向の寸法が０．５ｍｍであり、このＬＥＤ素子18の実装ピッチが２ｍｍで、ＬＥＤ素子18間の間隔が１．５ｍｍであって好ましくは１．５ｍｍ以下に設定されている。ＬＥＤ素子18の長手方向に直交する短手方向の間隔は１．５ｍｍ以下に設定されている。

さらに、本実施形態のＣＯＢモジュール12は、発光部16の幅W1（蛍光体層19の形成領域の幅W1）が最も広い箇所（複数のＬＥＤ素子18の配列方向に沿った発光部16の長さが最も長い箇所）において、つまり、長方形の発光部16の長辺に沿った箇所において、複数のＬＥＤ素子18の実装領域17の幅W2が蛍光体層19の形成領域の幅W1に対して８０％以上となるように形成されている。なお、発光部16の幅とは、発光部16が四角形の場合にはその発光部16の辺に沿った方向の幅を意味する。

また、図３に示すように、フレネルレンズ13は、例えば、ポリカーボネートなどの透明樹脂にて、ＣＯＢモジュール12の発光部16の外形より大きく、例えば円板状や四角形状に形成されている。フレネルレンズ13は平板状のレンズ本体22を有し、ＣＯＢモジュール12の発光部16に対向するレンズ本体22の面に発光部16からの光が入射する入射面でもあるレンズ面23が形成され、レンズ面23とは反対側の面に光が出射する平面状の出射面24が形成されている。

レンズ面23には径方向にのこぎり状の断面を有する複数のレンズ突部25が同心円状に形成されており、これら複数のレンズ突部25のうち、フレネルレンズ13の中心側には発光部16から入射する光を屈折させて所定の出射方向へ出射させる屈折形のレンズ突部25aが形成され、フレネルレンズ13の周辺側には発光部16から入射する光を反射させて所定の出射方向へ出射させる反射形のレンズ突部25bが形成されている。本実施形態のフレネルレンズ13では、出射面24から出射する光の出射方向が、フレネルレンズ13の出射面24に垂直な光軸方向に対して、例えば１／２ビーム角が１５°以下となる狭角配光に制御する。

図４に示すように、反射形のレンズ突部25bは、発光部16からの光がフレネルレンズ13の中心側に対向するレンズ突部25bの一面からレンズ突部25b内に入射し、レンズ突部25b内に入射した光をフレネルレンズ13の外径側に対向するレンズ突部25bの他面で所定の出射方向へ向けて全反射させる。

反射形のレンズ突部25b間の谷26および反射形のレンズ突部25bの先端の山27はそれぞれ曲面で形成され、谷26の曲面の半径が山27の曲面の半径より大きく形成されている。なお、図４の２点鎖線には、谷26および山27を曲面に形成しなかった場合の鋭角となる谷26および山27の状態を示している。

フレネルレンズ13の周辺側に形成される反射形のレンズ突部25bは中心側に形成される屈折形のレンズ突部25aに比べて形状が大きいが、反射形のレンズ突部25bの谷26および山27をそれぞれ曲面に形成しているため、そのレンズ突部25bの谷26と山27との間の高さ寸法H1は、曲面に形成しなかった場合の高さ寸法H2に比べて小さくなり、反射形のレンズ突部25bの高さ寸法を屈折形のレンズ突部25aの高さ寸法と同じに合わせることができる。そのため、平板部分であるレンズ本体22の強度上必要な厚み寸法を確保したうえで、フレネルレンズ13を薄形化でき、作用材料の削減や軽量化を図ることができる。

また、フレネルレンズ13と発光部16との関係は次のようになっている。発光部16の幅W1は、フレネルレンズ13のレンズ突部25が形成されている有効領域の幅W3の８〜１５％の範囲である。言い換えれば、発光部16の発光面積は、フレネルレンズ13の有効領域の光出射面積の２．８〜３．８％の範囲である。

次に、図６には、本実施形態のＣＯＢモジュール12およびフレネルレンズ13を用いた場合において、フレネルレンズ13からの光の出射角度に対する相関色温度を測定した結果のグラフを示す。比較例として、ＳＭＤ（Surface Mount Device）パッケージとフレネルレンズとを組み合わせた場合を示す。ＳＭＤパッケージは、青色発光のＬＥＤ素子をパッケージ内に収容するとともにＬＥＤ素子からの青色光の一部により励起されて黄色光を放射する蛍光体が混入された蛍光体層で覆い、蛍光体層の表面である発光面から光を放射する。また、いずれも、フレネルレンズによって１／２ビーム角が１５°以下となる狭角配光に制御する。

比較例のように、ＳＭＤパッケージの場合、ＬＥＤ素子に垂直に対向する発光面の中心部はＬＥＤ素子との距離が短いため、ＬＥＤ素子からの青色光が蛍光体層内を通過する距離が短くなって、発光面の中心部からは蛍光体からの黄色光よりも青色光が多く放射され（出射角が約５°以下の範囲）、また、ＬＥＤ素子に斜めに対向する発光面の周辺部はＬＥＤ素子との距離が長いため、ＬＥＤ素子からの青色光が蛍光体層内を通過する距離が長くなって、発光面の周辺部からは青色光とともに蛍光体からの黄色光が多く放射されやすく（出射角が約５°より大きい範囲）、したがって、発光面の中心部が周辺部に比べて青い状態となる。そのため、フレネルレンズによって狭角配光に制御すると、発光面の中心部が周辺部に比べて青い状態がそのまま投影されて、照射面に照射される光の中央部が周辺部に比べて青くなり、色われという現象が生じた。

一方、本実施形態のＣＯＢモジュール12およびフレネルレンズ13を用いた場合、照射面に照射される光の中央部が周辺部に比べて青くなることがなく、広い出射角度域において略一定の色温度となり、色われを低減することができた。

これは、図２に示すように、ＣＯＢモジュール12の複数のＬＥＤ素子18間の間隔を１．５ｍｍ以下としていることが第１の理由としてある。

図５(b)に示すように、１つのＬＥＤ素子18についてみれば、ＬＥＤ素子18に垂直に対向する発光面20の垂直対向領域はＬＥＤ素子18との距離が短いため、ＬＥＤ素子18からの青色光が蛍光体層19内を通過する距離が短くなって、発光面20の対向領域からは蛍光体からの黄色光よりも青色光が多く放射され、また、ＬＥＤ素子18に斜めに対向する発光面20の斜め対向領域はＬＥＤ素子18との距離が長いため、ＬＥＤ素子18からの青色光が蛍光体層19内を通過する距離が長くなって、発光面20の斜め対向領域からは青色光とともに蛍光体からの黄色光が多く放射され、ＳＭＤパッケージと同様である。しかしながら、基板15に複数のＬＥＤ素子18を実装したＣＯＢモジュール12であり、複数のＬＥＤ素子18間の間隔を１．５ｍｍ以下としているため、図５(a)に示すように、１つのＬＥＤ素子18に垂直に対向する発光面20の垂直対向領域は、隣り合うＬＥＤ素子18にとって斜めに対向する斜め対向領域であって、黄色光が多く放射される領域であるため、１つのＬＥＤ素子18に垂直に対向する発光面20の垂直対向領域からは青色光とともに黄色光も多く放射され、結果として白色系の色温度の光が出射される。

複数のＬＥＤ素子18間の間隔が１．５ｍｍ以下の範囲では、隣り合うＬＥＤ素子18の光が発光面20に対して互いに作用し合って色むらを抑制することができるが、１．５ｍｍより大きいと、隣り合うＬＥＤ素子18の光が発光面20に対して互いに作用しにくくなり、各ＬＥＤ素子18に垂直に対向する発光面20の垂直対向領域がその周りに対して青くなりやすく、斑点状の色むらが発生しやすくなる。また、複数のＬＥＤ素子18間の間隔を１．５ｍｍ以下とすることによって各ＬＥＤ素子18から出射される光が作用し合うため、実装領域17を一つの発光源とみなすことができる。つまり、蛍光体層19から出射される青色光は、ＬＥＤ素子18から周辺部方向へ向かって抜けるものよりもＬＥＤ素子18に垂直に対向する方向へ抜けやすくなる。しかしながら、複数のＬＥＤ素子18間の寸法を所定値以下とすることで、実装領域17をあたかも一つの光源とみなせる程度に青色光が混ざるため、実装領域17と対向する発光面20から出射される青色光の光量の角度依存性は低減される。なお、複数のＬＥＤ素子18間の間隔の下限値は、ＬＥＤ素子18を基板15に固定したり電気的に接続する実装技術によって決まる。

さらに、図１に示すように、発光部16の幅W1（蛍光体層19の形成領域の幅W1）が最も広い箇所（複数のＬＥＤ素子18の配列方向に沿った発光部16の長さが最も長い箇所）において、複数のＬＥＤ素子18の実装領域17の幅W2が蛍光体層19の形成領域の幅W1に対して８０％以上となるように形成されていることが第２の理由としてある。

実装領域17から発光面20の周辺部方向に出射された青色光は、実装領域17に垂直に対向する発光面20から出射される青色光に比べて抜けにくくなる。そこで、実装領域17の幅W2を蛍光体層19の形成領域の幅W1に対して８０％以上とし、実装領域17の周囲の蛍光体層19の幅をある程度以下にすることにより、蛍光体層19の周辺部で周辺部に位置するＬＥＤ素子18に垂直に対向する方向に抜ける青色光と周辺部方向に抜ける青色光との差が小さくなるようにし、色われを低減することができる。一方、実装領域17の中央部に位置する各ＬＥＤ素子18に垂直に対向する発光面20の垂直対向領域には、周囲に位置する他のＬＥＤ素子18の発光に伴う黄色光が多く作用するが、実装領域17の周辺部に位置する各ＬＥＤ素子18に垂直に対向する発光面20の垂直対向領域には、周囲に位置する他のＬＥＤ素子18が少なくなるため、周囲に位置するＬＥＤ素子18の発光に伴う黄色光の作用が少なくなる。そこで、実装領域17の周囲の蛍光体層19の幅をある程度以上確保することにより、蛍光体層19の周辺部で蛍光体から放射する黄色光を多くし、色むらを低減することができる。

複数のＬＥＤ素子18の実装領域17の幅W2が蛍光体層19の形成領域の幅W1に対して８０％より小さいと、蛍光体層19の周辺部で蛍光体から放射する黄色光が減少するとともに、周辺部方向へ青色光が抜けにくくなるため色むらが発生しやすくなる。また、上限値については、基板15に実装されたＬＥＤ素子18の周囲にはＬＥＤ素子18とボンディングワイヤで電気的に接続する配線パターンが形成され、その配線パターンやボンディングワイヤを含めて蛍光体層19で覆って保護するため、１００％以下とすることが好ましく、さらに好ましくは９５％以下とすることが望ましい。

したがって、照明装置11は、フレネルレンズ13を用いるとともに、ＣＯＢモジュール12の複数のＬＥＤ素子18間の間隔を１．５ｍｍ以下で、かつ発光部16の幅が最も広い箇所での複数のＬＥＤ素子18の実装領域の幅W2を蛍光体層19の形成領域の幅W1に対して８０％以上とすることにより、フレネルレンズ13によるＣＯＢモジュール12の発光部16からの光の配光制御が可能で、狭角配光とした場合でも色われの発生を低減できる。

次に、フレネルレンズ13と発光部16との関係は、発光部16の幅W1が、フレネルレンズ13のレンズ突部25が形成されている有効領域の幅W3の８〜１５％の範囲としており、これによりフレネルレンズ13の出射面24に輝度むらが発生するのを低減できる。

図７には、光源径／フレネルレンズ径に対する輝度均斉度を測定した結果を示すグラフを示し、また、図８には、光源径／フレネルレンズ径に対する１／２ビーム角を測定した結果を示すグラフを示す。なお、ここでは、発光部16およびフレネルレンズ13とも円形の場合で測定を実施した。

フレネルレンズ径は、フレネルレンズ13のレンズ突部25が形成されている有効領域の径である。

輝度均斉度は、フレネルレンズ13の出射面24を正面から見た場合の最も暗いところと最も明るいところとの比であり、輝度均斉度が１であれば明るさの差がなく、輝度均斉度が１より小さくなるほど明るさの差が大きくなる。また、白熱電球を用いたダウンライトを下面から見た場合の輝度均斉度は、一般的に０．１程度である。

狭角配光は、一般的に１／２ビーム角が１５°以下となるものを狭角配光と呼んでいる。

図７に示すように、照明器具の輝度均斉度０．１を基準として考えると、光源径がフレネルレンズ径に対して８％以上の割合であれば、輝度均斉度０．１の基準を超えた輝度均斉度が得られた。

図８に示すように、フレネルレンズ13により１／２ビーム角が１５°以下となる狭角配光に制御する場合には、光源径がフレネルレンズ径に対して１４．５％以下であって誤差を考慮して１５％以下の割合とすることが必要となった。

なお、発光部16が円形の場合の測定結果であったが、発光部16が四角形の場合にも同様の測定結果が得られる。

したがって、発光部16の幅W1を、フレネルレンズ13のレンズ突部25が形成されている有効領域の幅W3の８〜１５％の範囲とすることにより、フレネルレンズ13によって狭角配光としても、フレネルレンズ13の出射面24の輝度むらの発生を低減できる。

また、ここでは長さ比について述べたが、その長さ比を面積比に換算すれば、発光部16の発光面積を、フレネルレンズ13の有効領域の光出射面積の２．８〜３．８％の範囲とすることにより、フレネルレンズ13によって狭角配光としても、フレネルレンズ13の出射面24の輝度むらの発生を低減できる。

なお、発光部16の形状は、長方形に限らず、正方形や円形など、どのような形状でもよい。発光部16が円形の場合にも、円形の範囲内に複数のＬＥＤ素子18が縦横方向に沿って配列される。また、発光部16が円形の場合、発光部16の幅が最も広い箇所は、発光部16の直径が最も大きい箇所となる。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

11 照明装置
12 発光モジュールとしてのＣＯＢモジュール
13 フレネルレンズ
15 基板
16 発光部
17 実装領域
18 ＬＥＤ素子
19 蛍光体層
25b レンズ突部
26 谷
27 山

Claims

１／２ビーム角が１５°以下となる配光に制御するフレネルレンズと；
基板、およびこの基板の一面に複数のＬＥＤ素子が実装されるとともにこれら複数のＬＥＤ素子を蛍光体層で覆って形成された発光部を有し、複数のＬＥＤ素子間の間隔が１．５ｍｍ以下で、かつ発光部の幅が最も広い箇所での複数のＬＥＤ素子の実装領域の幅が蛍光体層の形成領域の幅に対して８０％以上であり、発光部はフレネルレンズに対向し、発光部の幅はフレネルレンズの幅の８〜１５％の範囲、発光部の発光面積はフレネルレンズの光出射面積の２．８〜３．８％の範囲である発光モジュールと；
を具備していることを特徴とする照明装置。
フレネルレンズの少なくとも一面には複数のレンズ突部が同心円状に形成され、複数のレンズ突部のうちフレネルレンズの周辺側に形成される複数のレンズ突部は反射形であり、これら反射形のレンズ突部間の谷およびレンズ突部の先端の山がそれぞれ曲面で形成され、谷の曲面の半径が山の曲面の半径より大きく形成されている
ことを特徴とする請求項１記載の照明装置。