JPWO2009004740A1 - 回折部材を用いたｌｅｄ照明装置 - Google Patents

Abstract

ＰＮ接合領域（３４）で発生した光を厚み方向に透過させて表面から射出する簿板状の半導体素子本体（３１）と、その半導体素子本体（３１）の表面を覆うように設けられた表面電極（３２）と、その表面電極（３２）を厚み方向に貫通するものであって前記半導体素子（３１）本体内を透過してくる光を集光し外部に射出する柱状をなす複数の誘電体アンテナ（３６）と、を具備したＬＥＤ（３）と、そのＬＥＤ（３）の発光面側に配設され、ＬＥＤ（３）から照射される光を回折・分散させる回折部材（４）と、その回折部材（４）の外側に配設され、当該回折部材（４）で分散した光を拡散させて外部に射出する拡散部材（２）と、を設けた蛍光灯に代替可能な、高効率で均一な光を得ることができるＬＥＤ照明器（１）を提供する。

Description

本発明は、面発光可能な高効率ＬＥＤを用いたＬＥＤ照明装置に関するものである。

ＬＥＤは、蛍光灯や白熱灯に比べて長寿命で光量も安定しており、始動に時間がかかったり、廃棄上の問題が生じたりすることも少ない。そして近時では、青色や紫外光を発するものに加えてハイパワーなものも開発されて、従来のようにインジケータのみならず、一般的な照明機器にもその用途が広がりつつある。

しかし、全光量や照度などにおいて比較すると、単位発光面積あたりの光量が増大しているとはいえ、ＬＥＤはいまだ蛍光灯などの後塵を拝している。トータルとして蛍光灯並みの光量を得ようとすると、多くのＬＥＤが必要となるうえ、発熱量が非常に多くなってしまい、特許文献１、２に示すように放熱部材が別途必要になってしまうのである。

これは、従来のＬＥＤが低発光効率かつ小発光面積であることに１つの大きな原因がある。ＬＥＤは周知のごとく、ＰＮ接合構造を有する半導体素子に順電圧を印加することにより、ＰＮ接合層が発光するものであり、そのＰＮ接合層で発生した光が、半導体素子を厚み方向に貫通して素子表面から放射される。ところが、素子の表面には電極が貼着してありその電極が光を遮るため、外部への光の取り出し効率の向上や大面積化による大光量化が阻害される。かといって、遮光影響を小さくするため、電極の面積を素子面積に比べて一定以上小さくすると、素子全体に一様な電界を与えることができなくなって発光量そのものが低下する。したがって、大光量を得るべく素子面積を大きくしても、面発光させるには、結局電極の面積を大きくせざるを得ず、電極による遮光作用で外部に大光量を取り出すことができない。また、かかる不具合を鑑みてＩＴＯ等の透明電極を用いたものも考えられているが、透明電極は金属電極に比べて比抵抗が大きいため、結局この部分でのロスが生じて発光効率が低下する。
特開２００５−１６６５７８号広報 特開２００７−１０９５０４号広報 特開２００３−０７８１６７号広報

このように、従来のＬＥＤは、与えた電力に対する発光効率を一定以上に上げることができず、また単一素子での大面積発光、すなわち大光量発光も難しい。

これに対し、本発明者は、特許文献３に示すように、光が電磁波であることに着目し、光に対するアンテナ作用により当該光を集光し、透過させる微少な誘電体アンテナを電極に多数貫通させて構成した画期的なＬＥＤを開発している。かかるＬＥＤによれば、理想的な面発光を行わせて外部に大光量を高効率で取り出すことができる。

本発明は、単一素子での大面積の面発光が高効率で可能なこのＬＥＤを利用し、蛍光灯などに代替可能な照明装置を提供すべく図ったものであって、その具体的な主目的は、均一な光を得ることができ、一般照明を含む種々の照明目的に対して、より好適に適応できるようにすることにある。

かかる目的を達成するために、本発明に係るＬＥＤ照明装置は、以下の（１）〜（３）を備えていることを特徴とする。（１）ＰＮ接合領域で発生した光を厚み方向に透過させて表面から射出する簿板状の半導体素子本体と、その半導体素子本体の表面を覆うように設けられた表面電極と、その表面電極を厚み方向に貫通するものであって前記半導体素子本体内を透過してくる光を集光し外部に射出する柱状をなす複数の誘電体アンテナと、を具備したＬＥＤ。（２）そのＬＥＤの発光面側に配設され、ＬＥＤから照射される光を回折・分散させる回折部材。（３）その回折部材の外側に配設され、当該回折部材で分散した光を拡散させて外部に射出する拡散部材。

このようなものであれば、ＬＥＤから射出された光が、回折部材によって一旦複数の点あるいは線光源に分散され、その分散された光が拡散部材によってさらに拡散されて外部に射出されることになるので、光拡散部材のみで光を拡散させた場合に比べて、均一な光を得ることができる。また、同等の光の均一度を得ようとした場合には、従来の光拡散部材のみのものと比べて、光拡散部材での光拡散度を小さくすることができるため、この部分での光量ロスを低減して、全体として効率を向上させることが可能になる。

さらに、面電極によって素子本体に一様な電界が与えられるので、ＬＥＤを理想的に面発光させて大光量を得ることが容易にできる一方、電極には多数の誘電体アンテナを貫通させているので、電磁波である光がこれら誘電体アンテナに集光されて外部に射出されることとなり、電極での遮光影響を大きく低減することができる。つまり、理想的な面発光を行ないつつもそこで発生した大光量を外部へ高効率で取り出すことができ、その効率を従来の２倍以上に向上させることも可能となる。

その結果、本発明によれば、一般照明に必要とされる光量を担保しつつ、高効率である分、発熱を抑えることができる。そして、回折部材や拡散部材に耐熱性の低い樹脂を使うことができるようになるなど、その素材や形状に関する設計自由度が大きく増し、種々の目的に応じた最適な照明装置を提供することができるようになる。

その具体例として、蛍光灯に置き換え可能な長尺型照明装置を実現するには、前記拡散部材が、内部又は表面で光拡散作用を営む透光性を有した樹脂製の長尺状のものであり、前記半導体素子本体が、直線帯状をなし、前記拡散部材と長手方向を一致させつつ、当該拡散部材に隣接配置され又は拡散部材の内部に収容されているものが望ましい。

製造に負担をかけることなく回折部材をＬＥＤと拡散部材との間に介在させるには、前記回折部材が、光を透過させながら回折・分散させる光透過型回折シートであり、その光透過型回折シートを、前記拡散部材におけるＬＥＤ発光面に対向する表面に貼付しておくことが好ましい。

ＬＥＤからの光をロスなく回折部材及び拡散部材に導くには、前記回折部材に長手方向に延伸する溝または貫通孔を設け、その内部にＬＥＤを収容するとともに、前記溝又は貫通孔の底面又は側周面であってＬＥＤの発光面に対向する部位に、前記光透過型回折シートを貼付しているものが好適である。

前記拡散部材の具体的態様としては、透明樹脂で形成された本体の内部に光散乱粒子を拡散させたものや、透明樹脂で形成された本体の表面に微細凹凸を設けたものを挙げることができる。

発光色のバリエーションを、前記拡散部材を利用して無理なく増加させるには、拡散部材の表面又は内部に蛍光物質を塗布又は混入しておくことが好ましい。

このように構成した本発明によれば、回折部材を介在させているので、光拡散部材のみで光を拡散させた場合に比べて、均一な光を得ることができる。また、同等の光の均一度を得ようとした場合には、従来の光拡散部材のみのものと比べて、光拡散部材での光拡散度を小さくすることができるため、この部分での光量ロスを低減して、全体として効率を向上させることが可能になる。

さらに、理想的な面発光を行ないつつもそこで発生した大光量を誘電体アンテナを利用して外部へ高効率で取り出すことができるので、一般照明に必要とされる光量を担保しつつ、高効率である分、発熱を抑えることができる。そして、その結果、回折部材や拡散部材に耐熱性の低い樹脂を使うことができるようになるなど、その素材や形状に関する設計自由度が大きく増大し、種々の目的に応じた最適な照明装置を提供することができるようになる。

図１は本発明の一実施形態における回折部材を用いたＬＥＤ照明装置の内部構造を示す概観図である。 図２は同実施形態における回折部材を用いたＬＥＤ照明装置の模式的断面図である。 図３は同実施形態における面発光ＬＥＤの模式的断面図である。 図４は同実施形態における面発光ＬＥＤの模式的斜視図である。 図５は本発明の他の実施形態における面発光ＬＥＤの模式的断面図である。 図６は同実施形態における光透過型回折シートの模式的斜視図である。 図７は本発明のさらに他の実施形態における回折部材を用いたＬＥＤ照明装置の模式的斜視図である。 図８は本発明のさらに他の実施形態における回折部材を用いたＬＥＤ照明装置の模式的断面図である。

以下、本発明の一実施形態について図１〜図８を参照して説明する。

本実施形態に係るＬＥＤ照明装置１は、例えば蛍光灯などに代わって、室内照明などの一般照明に用いられるものであり、図１に示すように、拡散部材２と、拡散部材２に取り付けられたＬＥＤ３と、同じく前記拡散部材２に取り付けられた光回折シート４と、それら拡散部材２、ＬＥＤ３及び、光回折シート４とを保持する保持体５とを備えている。

拡散部材２は、樹脂を素材とする透明なものであり、内部に光を拡散するための光散乱粒子２１を含んでいる。拡散部材２の形状は、例えば、図１及び図２に示すように断面が概略半円形状の柱状である。この実施形態では、拡散部材２には、横断面視において概略半円形上の弦側に、長手方向に延伸して溝Ａを設けている。さらに前記溝Ａに蓋をするように基板Ｂが設置されている。

ＬＥＤ３は、図１に示すように直線帯状をなし、その一方の面板部の表面を発光面とし、その発光面から白色光を射出する面発光タイプのものである。詳述すれば、このＬＥＤ３は、図３及び図４に示すように、ＰＮ接合構造を有した簿板状をなす半導体素子本体３１と、その半導体素子本体３１の表面を略覆うように設けられた表面電極３２と、半導体素子本体３１の裏面を略覆うように設けられた裏面電極兼反射板３３とを備えており、その中間のＰＮ境界領域３４から光を厚み方向に射出する。なお、電力供給用のリード線３５は素子本体３１の周縁部に接続されている。また、前述した溝Ａの内部において、ＬＥＤ３は拡散部材２と長手方向が一致し、かつ基板Ｂに貼付されており、さらに前記発光面が溝Ａの底面を向き、光を拡散部材２の内部に照射する。

前記表面電極３２には、図３及び図４に示すように所定ピッチで複数の貫通孔３２１が厚み方向に形成してあって、それら各貫通孔３２１には、前記半導体素子本体３１から放射される光を集光し透過させる大きさの誘電体アンテナ３６を設けている。この誘電体アンテナ３６が、光に対して誘電体アンテナ３６としての機能を有効に発揮するためには、具体的な大きさとして、高さ、幅（径）ともに、光の波長の数分の１から十数倍程度である必要がある。より好ましくは、１／３から３倍程度がよい。また、誘電体アンテナ３６の形状は、図３及び図４では円柱状であるが、多角形柱、楕円柱などでもよい。さらに、誘電体アンテナ３６は、素子本体３１と連続一体のものでもよいし、図５に示すように誘電率の異なる別部材としてもよい。

さらにこの実施形態では、図３に示すようにこの表面電極３２のさらに外側にＹＡＧなどの蛍光樹脂層３７を設けており、半導体素子本体３１からの光と、前記蛍光樹脂層３７からの蛍光とが混合されて、数色が混ざることで前述したように白色光が外部に射出されるように構成している。

光回折シート４は、図６に示すように光を透過し屈曲することができるフィルム上に規則正しく微小突起４１を設けたものである。微小突起４１同士の間隔は３０ｎｍから１００μｍの間にあるとよい。また、ある列は３０ｎｍの間隔で微小突起４１が並び、別の列は１００ｎｍの間隔で微小突起４１が並ぶというように、あるグループごとに微小突起４１の間隔が異なっていても良い。透明な光回折シート４に入射した光は、規則正しく並んだ微小突起４１により
回折し、互いに干渉しあい、点あるいは線状の光源となり、光量をほとんどロスすることなく分散されて射出される。また、光回折シート４は、前述した溝Ａの底面上にＬＥＤ３の発光面に対向するように貼付されている。

保持体５は、図１に示すように例えば長尺状をなす中空の本体５１と、その本体５１の各端部から直角に延伸する一対のアーム５２とを備えたもので、各アーム５２に設けられた図示しないコネクタに、前記拡散部材２の端部に設けられた図示しないコネクタが接続されて、当該拡散部材２、ＬＥＤ３及び光回折シート４が、この保持体５に着脱可能に支持される。保持体５側のコネクタは、本体５１に内蔵された図示しない整流回路などに接続されているとともに、拡散部材２側のコネクタはＬＥＤ３に接続されており、この保持体５に拡散部材２及びＬＥＤ３及び光回折シート４を装着することにより、ＬＥＤ３に電力を供給して発光させることが可能になる。

次に、このような構成のＬＥＤ照明装置１の動作につき、簡単に説明する。

電力が供給されてＬＥＤ３が発光すると、図１に示すようにＬＥＤ３から射出された光が光回折シート４によって複数の点あるいは線状光源に分散し、その分散された光が拡散部材２の内部の拡散粒子２１によって拡散される。しかして拡散部材２の外面部は均一に発光する。

このように構成したＬＥＤ照明装置１によれば、ＬＥＤ３から射出された光が、透明な光回折シート４により、光量をほとんどロスすることなく一旦複数の点あるいは線光源に分散され、その分散された光が光拡散粒子２１によってさらに拡散されて外部に射出されるので、光拡散粒子２１のみで光を拡散させた場合に比べて、均一な光を得ることができる。また、同等の光の均一度を得ようとした場合には、光拡散粒子５のみのものと比べて、光拡散粒子５での光拡散度を小さくすることができるので、この部分での光量ロスを低減して、全体としての効率を向上させることができる。

さらに、ＬＥＤ３の素子本体３１に表面電極３２により一様な電界を与えているので、大面積で面発光させて、大光量を得ることができる。一方、表面電極３２には、多数の誘電体アンテナ３６を貫通させているので、電磁波である光を集光して外部に射出することができ、表面電極３２による遮光影響を大きく低減することができる。つまり、ＬＥＤ３に表面電極３２と誘電体アンテナ３６を備えているので、大光量を発生させつつ、その発生した光を外部へ高効率で取り出すことができる。

したがって、一般照明に必要とされる光量を確保できるだけでなく、高効率である分、発熱を抑えることができるので、放熱部材等を必要としない。

さらに、このように発熱を抑制できるからこそ拡散部材２や光回折シート４に耐熱性の低い樹脂を使用できるのであるが、そのことにより、拡散部材２や光回折シート４の形状や素材に対する設計自由度が大きく増し、種々の目的に応じた最適な照明を行うことができるようになる。

また、光の分散作用を営ませるために光回折シート４を拡散部材２に貼付するだけでよいので、製造に負担をかけることもない。

なお、本発明は前記実施形態に限られるものではない。以下に示す説明及び図において、前記実施形態に対応する部材には同一の符号を付すこととする。例えば、光回折シート４を複数のスリットあるいは格子等を刻むあるいは印刷したものにしても構わない。光回折シート４の代わりに拡散部材２の表面に微小な格子を刻むことで回折部材の働きをさせても良い。

例えば、図７に示すＬＥＤ照明装置１では、拡散部材２には溝がなく、その形状は、横断面が概略半円形状であり、かつ、柱状体である。さらに、横断面視で、半円形状の弦側の側面上に光回折シート４を貼付している。光回折シート４の上には透明な取り付け板Ｃが貼付され、取り付け板Ｃの上に直線帯状のＬＥＤ３は貼付されており、その発光面は光回折シート４に対向し、ＬＥＤ３の長手方向は拡散部材２の長手方向と一致している。さらに、拡散部材２の光回折シート４が貼付されていない側面は、サンドブラスト加工等によって、微細凹凸７を設けることで擦りガラス状にしている。本実施形態では拡散部材２の内部には光散乱粒子２１を含んでいないが、微細凹凸７と光散乱粒子２１を両方用いても構わない。

また、図８に示すように、拡散部材２の中心に貫通孔Ｄを形成し、その側周面には光回折シート４を貼付し、その中心にはＬＥＤ３を配置しても構わない。拡散部材２の内部に光拡散粒子２１だけでなく蛍光物質６を混入させても良い。

このような構成によれば、ＬＥＤ３からは紫外線あるいは青色の光が、光回折シート４によって複数の点あるいは線光源に分散される。分散された光の一部は蛍光物質６５を蛍光させ、光散乱粒子２１６によって散乱されながら拡散部材２から外部へ射出される。他の光は蛍光物質６５を蛍光することなく拡散部材２から外部へ出て、蛍光した光と混色する。このようにして、無理なく発光色のバリエーションを増やすことができる。

なお、蛍光物質を拡散部材の表面に塗布しても構わない。また、ＬＥＤは単一ではなく、複数個を並べて一列にしても構わないし、誘電体アンテナを用いていないＬＥＤでも構わない。

その他、本発明は前記図示例や実施形態に限られず、その主旨を逸脱しない範囲で種々の変形が可能である。

以上のように構成した本発明によれば、回折部材を介在させているので、光拡散部材のみで光を拡散させた場合に比べて、均一な光を得ることができる。また、同等の光の均一度を得ようとした場合には、従来の光拡散部材のみのものと比べて、光拡散部材での光拡散度を小さくすることができるため、この部分での光量ロスを低減して、全体として効率を向上させることが可能になる。

さらに、理想的な面発光を行ないつつもそこで発生した大光量を誘電体アンテナを利用して外部へ高効率で取り出すことができるので、一般照明に必要とされる光量を担保しつつ、高効率である分、発熱を抑えることができる。そして、その結果、回折部材や拡散部材に耐熱性の低い樹脂を使うことができるようになるなど、その素材や形状に関する設計自由度が大きく増大し、種々の目的に応じた最適な照明装置を提供することができるようになる。

Claims (7)

1. ＰＮ接合領域（３４）で発生した光を厚み方向に透過させて表面から射出する簿板状の半導体素子本体（３１）と、その半導体素子本体（３１）の表面を覆うように設けられた表面電極（３２）と、その表面電極（３２）を厚み方向に貫通するものであって前記半導体素子本体（３１）内を透過してくる光を集光し外部に射出する柱状をなす複数の誘電体アンテナ（３６）と、を具備したＬＥＤ（３）と、 そのＬＥＤ（３）の発光面側に配設され、ＬＥＤ（３）から照射される光を回折・分散させる回折部材（４）と、 その回折部材（４）の外側に配設され、当該回折部材で分散した光を拡散させて外部に射出する拡散部材（２）と、を備えているＬＥＤ照明装置（１）。
2. 前記拡散部材（２）が、内部又は表面で光拡散作用を営む透光性を有した樹脂製の長尺状のものであり、 前記ＬＥＤ（３）が、直線帯状をなし、前記拡散部材（２）と長手方向を一致させつつ、当該拡散部材（２）に隣接配置され又は拡散部材（２）の内部に収容されているものである請求項１記載のＬＥＤ照明装置（１）。
3. 前記回折部材（４）が、光を透過させながら回折・分散させる光透過型回折シート（４）であり、その光透過型回折シート（４）を前記拡散部材におけるＬＥＤ（３）発光面に対向する表面に貼付されている請求項１記載のＬＥＤ照明装置（１）。
4. 前記拡散部材（２）に長手方向に延伸する溝（Ａ）または貫通孔（Ｄ）を設け、その内部にＬＥＤ（３）を収容するとともに、前記溝（Ａ）又は貫通孔（Ｄ）の底面又は側周面であってＬＥＤ（３）の発光面に対向する部位に、前記光透過型回折シート（４）を貼付している請求項３記載のＬＥＤ照明装置（１）。
5. 前記拡散部材（２）が、透明樹脂で形成された本体の内部に光散乱粒子（２１）を拡散させたものである請求項１記載のＬＥＤ照明装置（１）。
6. 前記拡散部材（２）が、透明樹脂で形成された本体の表面に微細凹凸（７）を設けたものである請求項１記載のＬＥＤ照明装置（１）。
7. 前記拡散部材（２）の表面又は内部に蛍光物質（６）を塗布又は混入させている請求項１記載のＬＥＤ照明装置（１）。

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