JP5198432B2 - 埋め込みｌｅｄ - Google Patents

Description

本発明は、ガラスのような材料に組み込まれる発光ダイオード（ＬＥＤ）に関する。

現在、建築用発光素子のために、ガラスに組み込まれた発光ダイオード（ＬＥＤ）が製造されている。これらの素子においては、ポリマ、通常ＰＶＢ（ポリビニルブチラール）によって貼り合わされる２枚のガラス板の間に、２次元ＬＥＤアレイが挟まれる。ＬＥＤは、ＬＥＤに電流を供給する導体のパターンが存在する一方のガラス板に取り付けられる。上記構成は、この構成に耐久性を与え、それによって、使用分野が増大することから、有益である。

ガラスのような媒体の中に完全に埋め込まれるＬＥＤに存在する問題は、ガラス面と、周囲の空気との間の境界面において全内部反射（ＴＩＲ）が起こることである。結果として、臨界角より大きい角度を持つ光は、ガラス／空気の境界面において全反射される。しかしながら、全反射された光は、（多数の内部反射によって）ガラス／ＰＶＢ／ガラス系において吸収される。絶縁ＬＥＤが大きなガラスのスタック(stack)の中にある場合には、全反射された光は、最終的には全て吸収される。しかしながら、相対的に高いＬＥＤ密度（例えば、＞0.5cm^-2）においては、全反射された光は、隣接するパッケージにおいて散乱し得る。これは、予測できない光のアウトカップリングをもたらす。

（上記のような）ＬＥＤシステムが照明目的で用いられる場合、性能は許容できないものである。なぜなら、光学的効率が低く、グレアが制御されない、即ち、光がＬＥＤアレイシステムから望ましくない方向に出るのを阻止する手段がないからである。

本発明の目的は、ＬＥＤパッケージに駆動電圧を供給する手段を具備する基板上に配設されるＬＥＤパッケージの形態の少なくとも１つのＬＥＤを有し、少なくとも１つの前記ＬＥＤパッケージが支持層内に埋め込まれる、請求項１に記載のＬＥＤアレイシステムを提供することによって上記の問題を取り除くことにある。前記ＬＥＤアレイシステムは、前記ＬＥＤパッケージが、前記ＬＥＤによって放射される光をコリメートするための反射面を持つ反射器も有することを特徴とする。反射コリメータの使用は、１より高い屈折率を持つ前記支持層内に埋め込まれた前記ＬＥＤから放射される前記光が、前記層と、周囲の媒体、一般には空気との間の境界面を通る際に起こる全内部反射（ＴＩＲ）を減らすことによって、光学的効率を高めることを可能にする。前記反射器は、グレアを減らすことも可能にする、即ち、前記ＬＥＤアレイシステムから放射される前記光を、好ましい方向のまわりの或る角度範囲内に保つことも可能にする。これは、指向性照明の目的に好ましい。

前記ＬＥＤアレイシステムは、好ましくは、最上層であって、前記最上層と、前記基板との間に前記支持層を挟むようにして配設される最上層を具備する。前記最上層は、前記ＬＥＤアレイシステムの寿命を増やすために損傷を防止する保護部の役割を果たし得る。結果として生じる透明な照明器具は、視覚的に魅力的であり、本発明の装置は、透明な面内に発光素子を組み込むことを可能にする。

好ましい実施例においては、前記基板及び前記最上層は、ガラス製であり、前記支持層は、ほぼ等しい屈折率を持つポリビニルブチラール（ＰＶＢ）製である。合わせガラスのための、ガラスとＰＶＢとの組み合わせは、良く知られている。

前記コリメータの前記反射面は、好ましくは、前記支持層の垂線と直交する断面であって、前記ＬＥＤからの距離の関数として増大していく断面を持ち、或る実施例によれば、前記反射面は、前記ＬＥＤから延在する円錐台を有する。円錐台は、理想的なコリメータではないが、形状の簡単さは、製造するのを相対的に簡単にし、従って、コスト効率を高くする。

前記光学的効率を高めるために、前記反射面は、複合放物面集光器（ＣＰＣ）を有し得る。ＣＰＣは数学的に記述され得ることから、スキュー光線などをより正確に考慮に入れるためにレイトレーシング技法を利用することが可能であり、この方法においては、前記ＬＥＤアレイシステムから放射される光の望ましい特性を実現するために、前記ＣＰＣの形状が、レイトレーシング技法を用いて最適化される。

前記反射器の上には、前記支持層に対して本質的に平行に、透明なカバーが配設されることができ、前記ＬＥＤと、前記反射面と、前記透明なカバーとによって規定されるボリューム(volume)には、ガス状媒体が充填され得る。この構成は、前記反射面などを損傷の危険にさらさずに、前記ＬＥＤパッケージを、あらかじめ製作し、保管することを相対的に簡単にする。

或る実施例によれば、前記反射面は、好ましくは、金属の反射材料と、干渉コーティング(interference coating)とを有する。前記反射器は、ソリッド(solid)の金属、又は金属材料で被覆されているセラミックなどの何らかの他の材料から成り得る。金属コーティングは、表面の反射率を高める簡単な方法であり、前記反射面及び前記干渉コーティングは、それを更に高める。金属材料から成る反射器は、例えばアルミニウムの場合には、扱い易く、非常に頑丈であり得る。銀が用いられる場合のような他の場合には、前記反射面は、例えば、上記で言及した前記透明なカバーを用いて、封止される必要がある。

或る実施例においては、前記反射面に隣接した半径方向外側の第１ボリュームに、前記反射面の半径方向内側の第２ボリュームの屈折率より低い屈折率を持つ媒体が充填され、それによって、前記ＬＥＤから送出される光は、前記反射面において全反射を経験する。異なる屈折率を持つ媒体間の境界面における全反射は、前記システムの最大限の光学的効率を達成する方法である。この構成は、一般に、前記反射面がコーティングを具備する前述した事例の場合のアスペクト比よりわずかに大きいアスペクト比（基板プレートに対して垂直な方向を基準として、幅で除算した高さ）を持つであろう。それ故、これに関連して、全反射の使用は、前記光学的効率が最も重要であり、わずかに厚いＬＥＤアレイシステムが許容され得るアプリケーションに適している。結果として生じる前記ＬＥＤアレイシステムは、全体的に見て、前記反射面が金属を有する場合より高度に透明でもあるであろう。透明度がより高いという特徴は、アプリケーションによっては、技術的利点と、審美的価値との両方を供給することが出来る。

前記第１ボリュームが、屈折率が１であるガスを有し、前記第２ボリュームが、前記支持層の屈折率と等しい屈折率、即ち、１より高い屈折率を持つ透明な材料を有する場合には、全反射が得られる。後者の特徴は、屈折面の数を減らし、前記システムの複雑さを減らし、前記システムの透明な見た目を良くするが、明らかに、いくつかの視野角に対して全内部反射が起こるであろう。

本発明のシステムを用いることによって、全内部反射が起こるのを防止することが可能であり、従って、前記光学的効率を高めるだけでなく、望ましい方向上のコーン(cone)の外側のグレアを、許容可能なレベル、少なくとも500cd/m²未満に保つことが可能である。

別の態様において、本発明のＬＥＤアレイシステムの製造法は、基本的に、
− ＬＥＤパッケージを、前記ＬＥＤパッケージに駆動電圧を供給する手段を具備する基板プレート上に配設するステップと、
− 前記ＬＥＤパッケージの上にポリマの支持層を塗布するステップと、
− スタックを、圧力を加えながら加熱し、斯くして、前記ポリマの媒体内にコリメータを完全に埋め込むステップとを有する。

上記の方法は、処理を改善するために、前記コリメータにポリマを予め充填するステップも含み得る。

図１は、ガラス板の基板６上にランバートＬＥＤ（Lambertian LED）４が配設されるシステム２の一部を概略的に図示している。基板６上にはＬＥＤ４に電流を供給する透明な導体８が存在する。ＬＥＤ４は、基板６と、上部ガラス板１０との間に挟まれ、ポリマ１２、一般に、ポリビニルブチラール（ＰＶＢ）内に埋め込まれる。前記ポリマ１２は、ガラス板６、１０を結合させる接着力も供給する。ＰＶＢの屈折率は、ガラスの屈折率とほぼ同じであり、下に記載されている計算においては、前記屈折率は、1.5に設定される。サンドイッチ状の前記システムのおおよその高さＨは、一般に、約7乃至8mmである。前記システムは、一般に空気１４によって囲まれている。矢印Ａは、ＬＥＤ４を出る光を示しており、矢印Ａ'は、全内部反射を経験する光を示している。

上記のシステムの場合は、光学的効率η、即ち、上部ガラス面１０を出る光の量を、ＬＥＤ４から放射される光の全量で除算したものが、低い。ＬＥＤがポリマ／ガラスのスタック内に埋め込まれる場合の予想される低い光学的効率は、式スキーム１を用いて非常に簡単に計算され得る。

α_ｃ 臨界角
Ｉ_０ 放射面に対して垂直なＬＥＤの光度(cd)
ｎ 屈折率

ｎ〜1.50の屈折率の場合は、ランバート放射ＬＥＤのシステム内で、約６０％の光が吸収される。所謂エスケープコーン(escape cone)（α＜α_ｃ）内の光しか、ＬＥＤからの放射光束に寄与しない。ほとんどのＬＥＤパッケージは、広い（ほとんどランバート）ビームを生成し、高屈折率媒体に組み込まれる場合ロスが大きい。

上記の状況においては、放射光束は、２πの空間角度にわたって放射される。しかしながら、照明目的では、グレアは許容できない。この文脈においては、グレアは、図において２Ψで規定されている好ましい放射コーンの外部に放射される光に相当する。一般的なガイドは、角度Ψ＞６０度に対して照明システムの輝度を500乃至1000cd/m²未満に保つ。5mm²の面から10lmを生成する一般的なＬＥＤの場合は、全半球の輝度は、式２を用いて計算されるように、〜1Mcd/m²である。

Φ ＬＥＤによる放射光束(lm)
Ｓ 放射面(m²)
Ｌ 輝度(cd/m²)

本発明は、光学的効率をかなり高め、且つグレアの問題を完全に解決する方法を提供する。解決の鍵は、特定の形状及び低アスペクト比を備える鏡面反射型内壁を持つＬＥＤパッケージを設計することにある。低アスペクト比は、薄いシステムを意味し、これは、美的印象を改善し、用いられる必要があるＰＶＢの量を減らし、それによって、コストを減らす。また、より薄いシステムは、ＰＶＢによる光の吸収を減らし、光の吸収があまりに顕著になるのを防止する。

ＬＥＤ４によって放射される光は、光学的効率及びグレアを最適化するようコリメートされるべきである。本発明は、これらのパラメータを調整する反射素子の使用を提案する。

図２には、本発明のＬＥＤアレイシステムの第１実施例１０２が示されている。矢印Ａは、引き続き、ＬＥＤ１０４を出る光を示している。この実施例においては、ＬＥＤパッケージ１００は、ガラス板の基板１０６上に配設される。透明な導体１０８は、ＬＥＤ１０４に駆動電流を供給する。ＬＥＤパッケージ１００は、ＬＥＤ１０４から延在し、ＬＥＤ１０４から半径方向外向きに傾斜している反射側壁１２０も有する。側壁１２０は、おおむね、高さｈ及び幅ｗにわたって延在し、サンドイッチ状の層の垂線に対して壁部角度θ_ｗだけ角度を付けられる。ＬＥＤパッケージ１００は、ＰＶＢ１１２内に埋め込まれ、上部ガラス板１１０は、ＰＶＢ層１１２上に配設される。目的は、光学的効率を高め、グレアを減らすことであり、適切なアスペクト比（ｈ／ｗ）及び壁部角度（θ_ｗ）を選択することによって、光は、全内部反射が起こることが防止され、且つグレアが存在しないようにしてコリメートされる。パラメータｈ／ｗ及びθ_ｗは、２次元の場合について計算され得る。次いで、３次元素子（円錐形、正方形、六角形）が構成され得る。次いで、レイトレーシング技法を用いて光の角度分布を微調整することが可能である。コリメート素子のくさび角度θ_ｗは、

Ｎ コリメータの内部での最大反射回数
Ψ 出射角（ラジアン）
θ コリメータのくさび角度（ラジアン）
を用いて計算され得る。コリメータの関連アスペクト比（ｈ／ｗ）は、

によって与えられ、ここで、

ｈ コリメータの高さ(m)
ｗ コリメータの幅(m)
ｄ コリメータの入口寸法(m)
である。
一例として、（適切なグレア防止のために必要とされる）Ψ＝６０度であると仮定すると、くさび角度θ＝１３．７度において、コリメータのアスペクト比（ｈ／ｗ）は、１．１８である。この場合、光は、１２０度のコーン内で逃げる。同時に、

であることから、ガラス１０８と、空気１１４との間の境界面において全内部反射（ＴＩＲ）が起こることが防止される。

ＴＩＲが起こることが防止され、光がガラス１０８から高角度（＞６０度）で逃げない（グレアがない）ことから、効率は高い。光学的効率及び面積効率(etendue)の点で、より有利な反射器形状はＣＰＣである。ＣＰＣは、よりコンパクトでもあり、従って、サンドイッチ状システムの高さを減らす。

単一のＬＥＤパッケージの機能しか記載されていないが、ＬＥＤアレイシステムは一般に幾つかのＬＥＤパッケージを有することは理解されるべきである。

図３には、本発明の第２の例示実施例が示されている。大体の構成素子は、第１実施例の構成素子とほぼ同じであり、ＬＥＤパッケージ２００は、２枚のガラス板２０６、２０８の間に挟まれるＰＶＢ層２１２内に埋め込まれる。しかしながら、この実施例においては、ＬＥＤパッケージ２１２は、ＬＥＤ２０４から延在する反射ＣＰＣ２２０を有する。透明なカバー２２２は、ＬＥＤ２０４と、ＣＰＣ２２０の壁部と、前記カバー２２２とによって規定される領域内に空気間隙(air void)２２４が存在するように、ＣＰＣ２２０上に設けられる。ＣＰＣ２２０は、ソリッドのアルミニウム、又は金属被覆されたセラミック／ポリマから成り、ＬＥＤ２０４を出る光の反射コリメーション(reflective collimation)を供給する。

図４は、本発明の第３実施例による本発明のシステムを図示している。ここでも、先の実施例と異なるのは、ＬＥＤパッケージ３００だけである。この実施例においては、反射壁部は、ＬＥＤ３０４の上に直接配設され得るソリッドのＣＰＣ構造部３２０（例えば、ＰＭＭＡ又はガラス又は透明なセラミック）を有する。ＣＰＣ３２０は、基本的に、第２実施例に関連して示されているＣＰＣとは逆のものである。同心空気間隙３２６の内壁は、ＬＥＤ３０４から放射される光をＴＩＲによって効果的に反射する反射面を規定する。この実施例による本発明は、他の実施例の場合より高度に透明であるであろう。

図５は、本発明の第４実施例を示している。この実施例においては、透明な導体４０８が配設されるガラス板４０６上に上下反対にＬＥＤパッケージ４００を配設することによって、第２実施例の透明なカバー２２２が取り除かれている。従って、ガラス板４０６は、ＬＥＤパッケージ４００の基板及び透明なカバーの役割を果たす。透明な導体４０８とＬＥＤパッケージとの間の電気接触は、ワイヤ４２８によって供給される。ＬＥＤパッケージ４００は、適切な接着手段を用いてガラス板４０６に接着される。この構成は、第２実施例に比べてシステムの厚さを減らす。或る態様においては、ワイヤ４２８は、ＬＥＤパッケージ４００がガラス板４０６に接着４３０されたら透明な導体４０８を圧迫するのに十分に堅い。これは、特にシステム４０２全体が積層された後の更なるボンディング／はんだ付けの使用なしに電気接触を確実にするであろう。

様々なソリューションの中から選ぶ場合、コスト、複雑さ及び大きさなどの面が考慮に入れられる必要がある。例えば、第３実施例は、最も優れた光学的効率を供給するが、最も大きいアスペクト比をもたらすソリューションでもあり、現在、第１実施例に関連して記載されているソリューションと比べて相対的に高価なソリューションでもある。

従来技術の装置と、第２実施例と、第３実施例との比較が、表１に示されている。
表１：レイトレーシング技法を用いて計算した、従来技術のソリューションと、本発明との比較

[*] 空気中のアルミニウムの反射率R=92.1%(550nm)

製造方法は、全ての実施例でほぼ同じである。違いは、ＬＥＤパッケージの構成に関するものである。ＬＥＤパッケージ１００、２００、３００、４００は、反射光学系１２０、２２０、３２０、４２０を具備し、付けられる透明な導電性領域を備えるガラス板１０６、２０６、３０６、４０６に取り付けられる。ＰＶＢ１１２、２１２、３１２、４１２及び上部ガラス板１０８、２０８、３０８、４０８を加えた後、スタックは、一般に、〜10barの圧力を加えながら、典型的には100℃まで加熱される。このようにして、ポリマ媒体１１２、２１２、３１２、４１２内にコリメータ１２０、２２０、３２０、４２０全体が埋め込まれる。コリメータ１１２、３１２にポリマを予め充填することは処理を改善し得る。

大雑把に説明したが、本発明のシステムの使用が考えられる多くの特定の領域がある。これらの領域は、照明器具、ショーケース、発光天井タイル、自動車用照明（例えば、ブレーキ灯）などのような照明システムを含む。また、適切な光学特性を持つ様々なセラミックなどのような、ガラス以外の材料も、本発明のシステムに用いられ得る。

既知の照明システムの概略的な断面図である。 本発明の第１実施例による概略的な断面図である。 本発明の第２実施例による概略的な断面図である。 本発明の第３実施例による概略的な断面図である。 本発明の第４実施例による概略的な断面図である。

Claims (7)

1. 少なくとも１つのＬＥＤパッケージを有するＬＥＤアレイシステムであり、前記少なくとも１つのＬＥＤパッケージが、ＬＥＤを有し、前記ＬＥＤパッケージに駆動電圧を供給する手段を具備する基板上に配設され、前記少なくとも１つのＬＥＤパッケージが、支持層内に埋め込まれ、最上層が、前記最上層と、前記基板との間に前記支持層を挟むようにして配設されるＬＥＤアレイシステムであって、前記少なくとも１つのＬＥＤパッケージが、前記ＬＥＤによって放射される光をコリメートするための反射面を持つ反射器を有し、前記反射面に隣接する半径方向外側の第１ボリュームに、前記反射面の半径方向内側の第２ボリュームの屈折率より低い屈折率を持つ媒体が充填され、それにより、前記ＬＥＤから送出される光が、前記反射面において全反射を経験し、前記基板及び前記最上層が、ガラス製であり、前記支持層が、ポリマ製であり、前記第１ボリュームが、屈折率が１であるガスを有し、前記第２ボリュームが、前記ポリマの屈折率と等しい屈折率を備える透明な材料を有するＬＥＤアレイシステム。
2. 請求項１に記載のＬＥＤアレイシステムであって、前記ポリマが、ＰＶＢであるＬＥＤアレイシステム。
3. 請求項１又は２に記載のＬＥＤアレイシステムであって、前記反射面が、前記支持層の垂線と直交する断面であって、前記ＬＥＤからの距離の関数として増大していく断面を持つＬＥＤアレイシステム。
4. 請求項１乃至３のいずれか一項に記載のＬＥＤアレイシステムであって、前記反射面が、円錐台を有するＬＥＤアレイシステム。
5. 請求項１乃至３のいずれか一項に記載のＬＥＤアレイシステムであって、前記反射面が、複合放物面集光器を有するＬＥＤアレイシステム。
6. 請求項１乃至５のいずれか一項に記載のＬＥＤアレイシステムであって、望ましい方向上のコーン２Ψの外側では、グレアを500cd/m²未満に保つよう構成されるＬＥＤアレイシステム。
7. 請求項１乃至６のいずれか一項に記載のＬＥＤアレイシステムを含む照明システム。

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