JP2016111299A - 発光ダイオードモジュール - Google Patents

Abstract

【課題】光源の周囲における不快グレアをより低減する発光ダイオードモジュールを提供する。【解決手段】発光ダイオードモジュール１は、複数の発光ダイオード素子２を有する。複数の発光ダイオード素子２は、基板３の上の所定の領域αに配設される。反射板５は、基板３の所定の領域αに全面が密着するように取り付けられる。反射板５は、複数の発光ダイオード素子２を電気絶縁状態で固着し、複数の発光ダイオード素子２の光のうち基板３の方向に向かう光を拡散反射させる梨地面の反射面を有する。複数の発光ダイオード素子２は、蛍光体を含む光透過性樹脂９によって反射板５と共に基板３の上で封入される。【選択図】図１

Description

本発明は、照明器具の光源として使用される発光ダイオードモジュールに関する。

発光ダイオードは、指向性を有しており、光をスポット的に照射するため、不快グレアを発生させやすい。一般的に、室内を照明する標準的な白色発光ダイオード式照明灯においては、光源を覆うように樹脂製のシェードを設けることによって不快グレアを低減している。より遠くに広範囲に光を照射するための光源の光量が比較的大きい発光ダイオード式照明器具においては、反射効率の高い筒形のリフレクタの開口に光を拡散させる拡散レンズを設けることによって不快グレアを低減している。

シェードまたは拡散レンズを設けると、光源から発生する光線がシェードまたは拡散レンズを透過するときに明るさが減衰する。十分な明るさを得るためには、光源に対してより大きな光量が要求されるので、エネルギ損失もより大きくなる。特に、光源が多数の発光ダイオード素子を集中して配設した発光ダイオードモジュールである場合は、発熱による発光ダイオード素子の破損を防ぐために、配設することができる発光ダイオード素子の数に限りがあり、シェードまたは拡散レンズによって十分な光量を得ることができなくなるおそれがある。

特許文献１は、全体の発光効率を変えずに、拡散反射成分を鏡面反射成分よりも大きくなるようにリフレクタの反射面を形成することによって不快グレアを低減する投光器のような発光ダイオード式照明器具を開示している。従前から、光の乱反射によって白色化が生じることが知られており、特許文献１の発明によると、リフレクタの開口から照射される光の白色化によって照射効率を低下させずに不快グレアを低減することができる。

特開２０１４−１０８９４号公報

リフレクタの拡散反射成分の増大によって不快グレアを低減する方法によると、リフレクタの散乱光による光の白色化によって、照射場所における不快グレアを低減することができるが、光源のスポット的な発光の状態が依然として存在している。したがって、光源の周囲における不快グレアをより低減することができる余地がある。

本発明は、上記課題に鑑みて、光源の周囲における不快グレアをより低減する発光ダイオードモジュールを提供することを目的とする。本発明の発光ダイオードモジュールによって得ることができるいくつかの利点は、発明の実施の形態の説明において、その都度具体的に示される。

本発明の発光ダイオードモジュールは、基板（３）と、基板（３）の上の所定の領域（α）に配設される複数の発光ダイオード素子（２）と、基板（３）の所定の領域（α）に全面が密着するように取り付けられ複数の発光ダイオード素子（２）を電気絶縁状態で固着し複数の発光ダイオード素子（２）の光のうち基板の方向に向かう光を拡散反射させる梨地面の反射面を有する反射板（５）と、蛍光体を含む光透過性樹脂によって反射板（５）と共に複数の発光ダイオード素子（２）を基板（３）の上で封入するパッケージ（１０）と、を含んでなる。

より有力な発光ダイオードモジュールは、基板（３）が銅製である。また、反射板（５）がアルミニウム板である。また、反射板（５）が反射面の表面全面に真空蒸着によるアルミニウム薄膜（５Ａ）を有する。また、反射板（５）の反射面の表面に設けられる真空蒸着によって形成される酸化チタン薄膜（７）を含んでなる。

本発明の発光ダイオードモジュールは、好ましくは、光を拡散反射させる反射面を有するリフレクタ（１２）が一体的に取り付けられる。また、好ましくは、パッケージの外枠内面（１０Ａ）が光を拡散反射させる反射面を有する。

本発明の発光ダイオード式照明器具は、発光ダイオードモジュールにおいて光源の複数の発光ダイオード素子の発する基板の方向に向かう光を拡散反射させるので、光が拡散し、見掛け上、光源が拡大して指向性が抑えられる。その結果、光源の周囲における不快グレアをより低減することができる。

本発明の発光ダイオードモジュールの構成を示す断面図である。 本発明の発光ダイオードモジュールにおける反射板の表面を模式的に示す断面図である。 本発明の発光ダイオードモジュールの光源の発光状態と反射板の表面を拡大して示す写真である。 本発明の発光ダイオードモジュールの作用を示す模式図である。

図１は、実施の形態の発光ダイオードモジュールを水平に置いたときの縦方向の断面を模式的に示す。図２は、図１に示される反射板の表面を拡大して模式的に示す。以下、本発明の代表的な実施の形態の発光ダイオードモジュールの構成を具体的に示す。

実施の形態の発光ダイオードモジュール１は、玄関ホールのような高天井を有する比較的大きい室内に設けられる照明灯、あるいは競技場に設けられる投光器のような比較的大型の照明器具の光源として使用することができる。

発光ダイオードモジュール１は、複数の発光ダイオード素子が１枚の基板の上に集積されるようにそれぞれ近接して並べて配設され、複数の発光ダイオード素子を封入する光透過性樹脂と、光透過性樹脂に含まれる蛍光体と、各種配線と、端子と、を含めて一体化した光源を形成するユニットである。発光ダイオードモジュール１は、スイッチング素子や抵抗素子のような回路素子、放熱部材、あるいは反射部材を含むことがある。

実施の形態の発光ダイオードモジュール１では、複数の発光ダイオード素子２（２Ａ，２Ｂ，２Ｃ）が基板３の上の所定の領域αに所定の間隔Ｌをもって並べて配設されている。図１に示される発光ダイオード素子２は、それぞれサファイアの絶縁基板の上に各半導体層と電極を積層したよく知られている一般的な構成を有する。したがって、実施の形態の発光ダイオードモジュール１は、チップオンボード（COB，Chip On Board）の構造を有する。

複数の発光ダイオード素子２は、見掛け上、１つの光源になるように可能な限りそれぞれ近接して配置される。図１に示される実施の形態の発光ダイオードモジュール１においては、全ての発光ダイオード素子２が等間隔で配設されている。発光ダイオード素子２の平面形状によって、水平に置かれた発光ダイオードモジュール１の各発光ダイオード素子２の縦方向における間隔と、横方向における間隔とが異なることがある。

基板３は、熱伝導率に優れている銅製であることが望ましい。なお、実施の形態の発光ダイオードモジュール１においては、熱伝導率において銅の性質を有すると認められる限りにおいて、銅の含有率に関係なく銅製という。基板２の発光面側の表面には、基板３を腐蝕から保護するための金属鍍金が施されている。以下の説明では、基板３の発光ダイオード２が取り付けられる側の面を発光面として、発光面の反対側の面を非発光面という。

金属鍍金で形成される鍍金層４は、基板３の発光面における少なくとも所定の領域α以外の表面に均一に設けられる。実施の形態の発光ダイオードモジュール１では、基板３の発光面側の表面全面に鍍金層４が設けられている。鍍金層４の鍍金材料は、基板３が銅製である場合は、ニッケルが有効である。鍍金層４の鍍金材料は、基板３の材質に合わせて基板３の保護に有効である鍍金性能が高い金属が適用される。発光ダイオードモジュール１が比較的光量の大きい光源を形成するときは、望ましくは、鍍金層４の鍍金材料は、熱伝導性が良好な金属が選択される。

反射板５は、発光ダイオード素子３の光のうち基板３の方向に向かう光を正規の反射方向に向かうように反射させる。以下の説明では、反射板５の発光ダイオード素子５が取り付けられる側の面を反射面として、反射面の反対側の面を非反射面という。反射板５は、基板３の発光面側の所定の領域αに全面が密着するように取り付けられ固定される。反射板５の反射面の表面上には、複数の発光ダイオード素子２がマウントされ、電気絶縁状態で固着される。

反射板５の性質は、９０％以上の反射率を達成できる材料が選択される。また、発光ダイオードモジュール１が比較的光量の大きい光源を形成し得ることを想定しているので、反射板５の性質は、熱伝導性が比較的良好である材料が選択される。実施の形態の発光ダイオードモジュール１における反射板５は、アルミニウム板である。反射板５の可視光の反射率を向上させるために、反射板５の反射面の表面全面に真空蒸着によってアルミニウムまたは銀の粒子を均一に付着させ、アルミニウム薄膜または銀薄膜を形成することができる。

本発明において、アルミニウム以外の反射板５に適用できる金属材料として、例えば、銀がある。ただし、銀は、硫化して変質による変色を生じ、可視光の反射率を低下させることがある。反射板５の反射面に変質しやすい材料を適用するときは、変質に対する対策が必要になることがある。

実施の形態の反射面５の表面は、図２および図３に示されているように、不規則で比較的緩やかな斜面を有する梨地面に形成されている。反射板５は、より具体的には、エッチングによってアルミニウム板の表面を梨地面に成形し、その上に真空蒸着によってアルミニウム粒子を均一に付着させている。そのため、図２に示されるように、反射板５の反射面の表面は、同じ厚さのアルミニウム薄膜（真空蒸着薄膜）５Ａによって覆われた梨地面であるので、９０％以上の高い反射率を維持しながら、殆どの光線を拡散反射させることができる。

反射板５は、反射面の表面が梨地面であることによって光源から基板３の方向に出力される光線を高反射率で散乱させる。そのため、図４に示されるように、光線の多くが光源Ｏの周囲でより広範囲に拡散するので、実質的に立体角（照射幅）ｄが鏡面反射だけによる立体角ｄωよりも大きい立体角ｄφになる。その結果、見掛け上の光源の範囲が広がって指向性が小さくなり、光量を小さくしないで輝度を減少させることができる。また、白色発光ダイオードの場合は、白色化によって光源の中心における眩しさが低減される。

図３に示されるように、反射板５を備え照射効率を向上できる発光ダイオードモジュール１において、図３Ａに示される反射板の反射面が梨地面である発光ダイオードモジュールでは、図３Ｂに示される反射板の反射面が鏡面である発光ダイオードモジュールに比べて見掛け上の光源の範囲が拡大し、その結果、明るさを低下させずに眩しさが抑えられていることがわかる。

反射板５は、銅製の基板３の表面に形成されているニッケルの鍍金層４を介在させて比較的高い熱伝導率を有するアルミニウムの微粉末を適量混入したシリコンペースト６によって接着される。反射板５は、柔軟に変形するシリコンペースト６によって基板３に隙間なく密着されるので、基板３と反射板５との間の接触面積を最大にして、可能な限り高い熱伝導性が付与される。

ニッケルの鍍金層４は、熱伝導率がそれほど高くはない。しかしながら、ニッケルは、少なくとも熱絶縁性の材料ではなく、鍍金厚が十数μｍ程度であることから、光源の放熱効果にそれほど重要な影響を与えない。ただし、基板３において、発光面側でシリコンペースト６を介在させて反射板５と密接する所定の領域αにおける鍍金層４を限定的に除くことが可能である。銅製の基板３がアルミニウム製の反射板５と直接接触することによって、僅かであっても熱伝導率をより高くすることが期待できる。

柔軟なシリコンペースト６は、銅製の基板３とアルミニウム製の反射板５との間の熱膨張差を吸収する。基板３の表面積が比較的大きい実施の形態の発光ダイオードモジュール１において、７０℃に達する可能性がある銅製の基板３とアルミニウム製の反射板５の間に生じる熱変位の違いによる基板３の接着の崩壊あるいは発光ダイオードモジュール１の変形を防ぐことができる。

実施の形態の発光ダイオードモジュール１は、アルミニウム製の反射板５の反射面の表面全面に均一に酸化チタン薄膜７が設けられる。より具体的には、図２に示されるように、アルミニウム製の反射板５の反射面の表面全面にアルミニウム薄膜５Ａを介在させて、均一の厚さの酸化チタン薄膜７が付着されている。

真空蒸着による酸化チタン薄膜７の薄膜は、基本的に粒子レベルに近い薄さであって、具体的に約数ｎｍから数μｍである。したがって、酸化チタン薄膜７は、微視的にはアルミニウム製の反射板５を被覆しておらず、反射板５の反射面の表面を実質的に透過させる。したがって、酸化チタン薄膜７は、アルミニウム製の反射板５の可視光を反射させる反射効率を低下させない。酸化チタン薄膜７は、反射板５で十分に反射させることができない特定の波長の光を散乱させる。その結果、反射板５の全体としては、最大９７％の高い反射率を得ることができる。

実施の形態の発光ダイオードモジュール１では、酸化チタン薄膜（真空蒸着膜）を、例えば、光透過性樹脂に酸化チタン（二酸化チタン）の微粉末を混入した樹脂層（光透過性樹脂膜）に実質的に置き換えることができない。真空蒸着膜は、性能に大きな影響を及ぼす。また、光透過性樹脂膜は、熱絶縁性であるので、熱伝導率を低下させる。比較的光量が大きい発光ダイオードモジュールにおいて、発光ダイオード素子と基板との間の熱伝導性の低下は、無視することができない放熱効果の低下を招き、発光ダイオード素子を損傷させる可能性がある。

基板３の発光面側において、アルミニウム製の反射板５が設けられる所定の領域αの外側の表面上には、ポリイミドやポリエステルでなるフレキシブル配線基板８が貼り付けられる。フレキシブル配線基板８には、予め複数の発光ダイオード素子２にそれぞれ電流を供給する配線がプリントされている。

基板３の発光面側の表面における所定の領域αの上に配設される全ての発光ダイオード素子２は、ベースに相当する反射板５と共に蛍光体を含む光透過性樹脂９によって１個のパッケージ１０の中に封入される。全ての発光ダイオード素子２を収容するパッケージ１０は、本質的に外枠のみで構成される。外枠は、フレキシブル配線基板８の上に設けられる。見掛け上、発光ダイオードモジュール１は、１つの光源を形成する。

各発光ダイオード素子２では、それぞれワイヤボンディングによって金線または銅線でなる導線１１による配線が施される。導線１１は、パッケージ１０の中においてフレキシブル配線基板８のプリント配線と接続する。導線１１は、アルミニウム製の反射板５と複数の発光ダイオード素子２（２Ａ，２Ｂ，２Ｃ）と共にパッケージ１０に収容される。

光透過性樹脂９で形成される透光部位には、所望の光の色具合を考慮して適当な量の黄色の蛍光体が混合されている。実施の形態の発光ダイオードモジュール１の透光部位は、光透過性樹脂であるシリコン樹脂にハイアロン系の蛍光体を混合してなる。そのため、発光ダイオードモジュール１では、発光ダイオード素子２を発光させていないとき、外見上、光源の全体が黄色のように見える。

図１に示される実施の形態の発光ダイオードモジュール１は、光を拡散反射させる反射面を有するリフレクタ１２が一体的に取り付けられている。リフレクタ１２は、図４Ｂに示されるように、光源Ｏから発生される散乱光を角度θで拡散反射させることによって、角度θの方向の見掛け上の光源の範囲を拡大させて指向性をより小さく抑える。そのため、不快グレアを一層低減することができる。また、白色発光ダイオードの場合は、白色化によって、全体的な眩しさをより低減する。

図１に示される実施の形態の発光ダイオードモジュール１では、パッケージ１０の外枠内面１０Ａを光が拡散反射する反射面に形成することができる。ただし、パッケージ１０の外枠が十分に低いので、光源の周囲における不快グレアを低減する上で、外枠内面１０Ａを光が拡散反射する反射面に形成することは必須ではない。

本発明の発光ダイオードモジュールは、本発明の技術思想に反しない限り、実施の形態の発光ダイオードモジュールと同じ構成に限定されず、すでにいくつかの例が示されているが、変形したり、置換したり、あるいは他の発明と組み合わせて実施することが可能である。

本発明は、発光ダイオード式照明器具に適用できる。特に、比較的光量の大きい発光ダイオード式照明器具に適する。本発明は、不快グレアを効果的に低減する。本発明は、蛍光灯あるいは水銀灯から省エネルギ化に効果がある発光ダイオード式照明灯への置換えを促進する。

１ 発光ダイオードモジュール
２ 発光ダイオード素子
３ 基板
４ 鍍金層
５ 反射板
５Ａ アルミニウム薄膜（真空蒸着膜）
６ シリコンペースト
７ 酸化チタン薄膜（真空蒸着膜）
８ フレキシブル配線基板
９ 光透過性樹脂
１０ パッケージ
１０Ａ 外枠内面
１１ 導線
１２ リフレクタ

Claims (7)

1. 基板と、前記基板の上の所定の領域に配設される複数の発光ダイオード素子と、前記基板の前記所定の領域に全面が密着するように取り付けられ前記複数の発光ダイオード素子を電気絶縁状態で固着し前記複数の発光ダイオード素子の光のうち前記基板の方向に向かう光を拡散反射させる梨地面の反射面を有する反射板と、蛍光体を含む光透過性樹脂によって前記反射板と共に前記複数の発光ダイオード素子を前記基板の上で封入するパッケージと、を含んでなる発光ダイオードモジュール。
2. 前記基板が銅製である請求項１に記載の発光ダイオードモジュール。
3. 前記反射板がアルミニウム板である請求項１に記載の発光ダイオードモジュール。
4. 前記反射板が反射面の表面全面に真空蒸着によるアルミニウム薄膜を有する請求項１に記載の発光ダイオードモジュール。
5. 前記反射板の反射面の表面に設けられる真空蒸着によって形成される酸化チタン薄膜を含んでなる請求項１に記載の発光ダイオードモジュール。
6. 光を拡散反射させる反射面を有するリフレクタが一体的に取り付けられる請求項１に記載の発光ダイオードモジュール。
7. パッケージの外枠内面が光を拡散反射させる反射面を有する請求項１に記載の発光ダイオードモジュール。