JP2006107850A - Lighting device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は発光素子を用いた照明装置に関する。さらに詳しくは、従来長い蛍光管を何本も並べて広い範囲で照らすような照明装置を発光素子で代用し得るような高出力の発光素子を用いた照明装置に関する。 The present invention relates to a lighting device using a light emitting element. More specifically, the present invention relates to an illuminating apparatus using a high-output light emitting element that can replace an illuminating apparatus that conventionally illuminates a wide range by arranging a number of long fluorescent tubes.
近年、青色系発光ダイオード(LED)の出現により、ディスプレイの光源や信号装置の光源などにLEDが用いられ、さらに電灯の代りにLEDが用いられるようになってきている。この電灯に代ってLEDを用いる場合、たとえば図3に示されるように、円板状の基板95にランプ型(いわゆる砲弾型)のLED96を複数個配列して直並列に接続し、その表面側に乳白色の半透明カバー94が被せられ、接続されたLED96の配線がソケット92に接続されることにより構成される。そして、ソケット92に交流電源を接続することにより、普通の電灯に代って使用し得る照明装置にするものが知られている(たとえば特許文献1参照)。
前述のように、ランプ型(ドーム型)LEDを何個も束ねて電球状にすると、LEDの指向特性が非常に狭いため、ドーム状カバーの頂部側には非常に強い光が放射されるが、横方向に放射される光は非常に弱くなり、たとえば天井にこの照明装置を取り付けた場合、照明装置の真下では明るくても部屋の隅の方は暗く、部屋全体の照明にしたいというような場合には、必ずしも適していない。 As described above, when many lamp-type (dome-shaped) LEDs are bundled to form a light bulb, the directivity characteristics of the LEDs are very narrow, and thus very strong light is emitted to the top side of the dome-shaped cover. The light emitted in the lateral direction becomes very weak. For example, when this lighting device is mounted on the ceiling, the corner of the room is dark even though it is bright underneath the lighting device. In some cases, it is not always suitable.
一方、ランプ型発光素子ではなく、LEDチップをそのまま縦横に並べるか、半導体ウェハのような大きな基板に複数個の発光部を、一定間隔を設けて形成して広い面積で指向性なく発光させる構造にして照明装置を構成しようとしても、横方向に進む光は、隣接するLEDチップまたは発光部間で吸収などにより減衰したり、正面側の照射に寄与せず無駄になったりするため、また、元々正面側への光の照射が弱いため、正面側での輝度が充分に上がらない。 On the other hand, instead of lamp-type light-emitting elements, LED chips are arranged vertically and horizontally, or a plurality of light-emitting portions are formed on a large substrate such as a semiconductor wafer at regular intervals so as to emit light without directivity over a wide area. Even if an attempt is made to configure the lighting device, the light traveling in the lateral direction is attenuated by absorption between adjacent LED chips or light emitting parts, or is not contributed to the irradiation on the front side, and is wasted. Since the light irradiation on the front side is originally weak, the luminance on the front side is not sufficiently increased.
本発明はこのような問題を解決するためになされたもので、発光素子を用いながら、その光を有効に利用することにより、部分的照明ではなく、部屋などの広い範囲を非常に明るく照明することができる照明装置を提供することを目的とする。 The present invention has been made to solve such problems, and by using the light effectively while using the light emitting element, it illuminates a wide area such as a room very brightly rather than partially. An object of the present invention is to provide an illuminating device that can be used.
本発明の他の目的は、照明の輝度を大きくするため、発光素子の発熱が大きくなっても、その放熱を速やかに行える構造とすることにより、発熱のトラブルを解消することができる構造の照明装置を提供することにある。 Another object of the present invention is to increase the luminance of the illumination, so that even if the heat generation of the light emitting element is increased, a structure that can quickly dissipate the heat, so that the problem of heat generation can be solved. To provide an apparatus.
本発明による照明装置は、一面に電極配線が形成された絶縁性基板と、該絶縁性基板の一面上に前記電極配線と接続されるようにマトリクス状にマウントされ、それぞれが直列および/または並列に接続される複数個の反射型のチップ型発光素子と、該チップ型発光素子の発光面側に該チップ型発光素子から一定間隔をあけて設けられる光拡散板と、前記絶縁性基板の他面側に空気層を介さないようにして設けられる放熱板とを具備している。 An illuminating device according to the present invention is mounted in a matrix so as to be connected to the electrode wiring on one surface of the insulating substrate, and the electrode wiring is formed on one surface of the lighting device. A plurality of reflective chip light emitting elements connected to the light emitting plate, a light diffusing plate provided on the light emitting surface side of the chip light emitting element at a predetermined interval from the chip light emitting element, and the insulating substrate And a heat radiating plate provided on the surface side so as not to interpose an air layer.
ここに反射型のチップ型発光素子とは、両端部に一対の電極端子が設けられた絶縁基板表面に該一対の電極端子と両電極が接続されるように発光素子チップがマウントされると共に、その外周に反射壁が設けられ、真横には光が放射されない構造の発光素子を意味する。 Here, the reflective chip type light emitting element is a light emitting element chip mounted so that the pair of electrode terminals and both electrodes are connected to the surface of an insulating substrate provided with a pair of electrode terminals at both ends. It means a light emitting device having a structure in which a reflecting wall is provided on the outer periphery and light is not emitted beside it.
前記光拡散板の前記発光素子チップと対向する面にシボ加工が施されていることにより、発光素子と光拡散板との距離を小さくして照射する光の減衰を最小限にしながら、発光素子間隔の非発光領域を目立たなくすることができる。 The surface of the light diffusing plate facing the light emitting element chip is embossed, thereby reducing the distance between the light emitting element and the light diffusing plate and minimizing the attenuation of the light emitted. The non-light emitting area of the interval can be made inconspicuous.
前記放熱板の前記絶縁性基板が設けられる面と反対面にさらに放熱手段が設けられることにより、より一層放熱を促進することができ、たくさんの発光素子を同時に点灯して明るい照明を連続して使用しても、発熱による発光素子への影響や火事などに対する保安の問題を解消することができる。 By further dissipating heat on the surface opposite to the surface on which the insulating substrate of the heat sink is provided, heat dissipation can be further promoted. Even if it is used, it is possible to eliminate the influence of heat generation on the light emitting element and the safety problem against fire.
前記反射型のチップ型発光素子の指向特性が、出力が1/2になる範囲の角度で、120°±20°であることが、発光素子と光拡散板との距離を30mm程度と小さくしても均一な光にすることができ、光拡散板から最も有効に光を取り出すことができるため、同じ入力に対して、最も明るい照明装置とすることができる。 The directivity of the reflective chip light emitting element is 120 ° ± 20 ° in an angle where the output is halved, which reduces the distance between the light emitting element and the light diffusion plate to about 30 mm. However, the light can be made uniform, and the light can be extracted most effectively from the light diffusing plate.
本発明によれば、反射型のチップ型発光素子をマトリクス状に配列しているため、各発光素子から出る光は横には行かず、前方を中心とする斜め前方に光が進む発光パターンとなる。そのため、比較的遠くまで光が進むと共に、斜め横方向にも光が進みながら、真横には光が進まないため、隣接する発光素子間で光の吸収や遮断を引き起こすことは殆どない。しかも、その発光面側に一定間隔をあけて光拡散板が設けられているため、発光素子が所定の間隔をあけて配列されていても、その隙間は殆ど目立たなくなる。その結果、それぞれの発光素子で発光する光を非常に無駄なく利用することができると共に、発光素子の間隔が目立たず、非常に広い範囲に亘って均一な輝度で、間接光の照明装置とすることができる。 According to the present invention, since the reflective chip-type light emitting elements are arranged in a matrix, the light emitted from each light emitting element does not go sideways, but the light emission pattern in which the light travels obliquely forward with the front as the center. Become. For this reason, light travels relatively far and light travels in an oblique lateral direction, but light does not travel directly to the side, so light absorption or blocking is hardly caused between adjacent light emitting elements. In addition, since the light diffusing plate is provided at a certain interval on the light emitting surface side, the gap is hardly noticeable even if the light emitting elements are arranged at a predetermined interval. As a result, the light emitted from each light-emitting element can be used without waste, and the light-emitting element spacing is inconspicuous, and the indirect light illumination device has a uniform brightness over a very wide range. be able to.
さらに、たとえば発光素子の指向特性が120°±20°程度になるように、反射型チップ型発光素子の反射壁が形成されることにより、発光素子と光拡散板との距離を30mm程度で、発光素子の配列間隔が1mm程度(LEDチップの間隔は3〜4mm弱になる)にすれば、光の広がりにより弱くなった部分が隣接する発光素子により光拡散板上で補われ、発光素子間の隙間が影になることがなく、透過率が90%程度と高い光拡散板を用いても面内で均一な発光となる。この発光素子と光拡散板との距離が大きくなるほど、照明装置を設置するスペースが大きくなって不便であると共に、その間の空間内で光が乱反射しながら減衰するため、室内の輝度が低下するが、本発明では、反射型のチップ型発光素子を用いることと、光拡散板を用いることで、この間隔を非常に小さくすることができ、設置のスペースを非常に小さくすることができると共に、室内輝度を大きくすることができる。 Further, for example, by forming the reflective wall of the reflective chip light emitting element so that the directivity characteristic of the light emitting element is about 120 ° ± 20 °, the distance between the light emitting element and the light diffusion plate is about 30 mm, When the arrangement interval of the light emitting elements is set to about 1 mm (the LED chip interval is slightly less than 3 to 4 mm), the portion weakened by the spread of light is compensated on the light diffusion plate by the adjacent light emitting elements, and the distance between the light emitting elements Even if a light diffusing plate having a high transmittance of about 90% is used, uniform light emission is achieved in the plane. As the distance between the light emitting element and the light diffusing plate increases, the space for installing the lighting device increases, which is inconvenient, and light is attenuated while being diffusely reflected in the space between them. In the present invention, by using a reflective chip type light emitting element and a light diffusing plate, this interval can be made very small, the installation space can be made very small, Brightness can be increased.
たとえば図3に示されるようなランプ型発光素子では、一般的なものでは、その指向特性がたとえば20°〜70°程度になるため、この間隔を、たとえば60mm程度以上にして、しかも内部で乱反射させないと面内で均一な発光面とすることができず、設置スペースを非常に多く要すると共に、乱反射させることによる光のロスが多く、同じ入力に対して室内の輝度も低下する。さらに、本発明では、発光素子をマウントする絶縁性基板を放熱板に空気層を介在させないように、たとえば熱伝導性接着剤により貼り付けているため、発光素子がマトリクス状に非常に狭い間隔でたくさんマウントされ、すべてが同時にパルス動作ではなく連続動作することにより発熱しても、放熱板を介して効率よく熱放散をすることができる。この放熱板の裏面に、さらに放熱フィンおよび水冷管などの放熱手段を設けることにより、より一層効率よく放熱させることができ、発光素子の信頼性や照明装置の保守の問題を解決することができる。 For example, in a general lamp type light emitting device as shown in FIG. 3, the directivity characteristic is about 20 ° to 70 °, for example, so that the interval is set to, for example, about 60 mm or more and irregular reflection is performed inside. Otherwise, a uniform light emitting surface cannot be obtained within the surface, so that a large installation space is required, and a large amount of light is lost due to irregular reflection, resulting in a decrease in room brightness for the same input. Further, in the present invention, since the insulating substrate for mounting the light emitting element is attached to the heat radiating plate with, for example, a heat conductive adhesive so as not to interpose an air layer, the light emitting elements are arranged in a matrix at very narrow intervals. Even if heat is generated by mounting a lot and continuously operating all instead of a pulse operation at the same time, heat can be efficiently dissipated through the heat sink. By providing heat radiating means such as heat radiating fins and water-cooled tubes on the rear surface of the heat radiating plate, heat can be radiated more efficiently, and the problems of reliability of the light emitting element and maintenance of the lighting device can be solved. .
さらに、光拡散板の発光素子と対向する側の面にシボ加工を施すことにより、光の進行方向をランダムにすることができるため、発光素子と光拡散板との距離を小さくしても発光素子間のデッドスペースを目立たなくすることができてより好ましい。 In addition, the surface of the light diffusing plate facing the light emitting element can be textured to randomize the light traveling direction, so that light emission can be achieved even when the distance between the light emitting element and the light diffusing plate is reduced. It is more preferable because the dead space between the elements can be made inconspicuous.
つぎに、図面を参照しながら本発明の照明装置について説明をする。本発明による照明装置は、図1(a)にその一実施形態の断面説明図が、図1(b)に発光素子が設けられた絶縁性基板の平面説明図が、それぞれ示されるように、一面に図示しない電極配線が形成された絶縁性基板2の一面上にその電極配線と接続されるように、複数個の反射型のチップ型発光素子1がマトリクス状にマウントされ、この複数個の発光素子1は、図示しない電極配線により、それぞれが直列および/または並列に接続されている。このチップ型発光素子1の発光面側に、そのチップ型発光素子1から一定間隔dを介して光拡散板3が設けられると共に、絶縁性基板2の他面側に放熱板4が図示しない熱伝導性接着剤などを介して空気層が介在しないように設けられている。
Next, the illumination device of the present invention will be described with reference to the drawings. The lighting device according to the present invention is shown in FIG. 1A as a cross-sectional explanatory view of one embodiment, and FIG. 1B as a plan explanatory view of an insulating substrate provided with a light emitting element, respectively. A plurality of reflective chip-type
図1(a)に示される例では、本発明の照明装置を天井などに直接取り付けられた状態の図が示されており、天板7などに光拡散板3が直接図示しないネジなどにより固定され、その光拡散板3と、発光素子1との間が一定の距離dとなるように、絶縁性基板2が取付板8などを介して梁9などに固定されている。しかし、発光素子1と光拡散板3との間隔dが一定の距離になるように絶縁性基板2と光拡散板3とを箱体または枠組みなどに固定しておいて、その箱体などを天井など所望の場所に取り付ける構造にしてもよい。しかし、取付板8などを介して絶縁性基板2を取り付ける方が、放熱特性が向上して好ましい。その意味からも取付板8などは熱伝導性が良好で、機械的強度の大きい金属板が好ましく、アルミニウム、ステンレス、鉄などが用いられる。この取付板8と放熱板4との接続も、図示しない熱伝導グリスなどを介してネジなどで固定することが、交換が容易でありながら、良好な熱伝導を維持することができるため好ましい。
In the example shown in FIG. 1A, the lighting device of the present invention is directly attached to the ceiling or the like, and the light
図1に示される例では、さらに熱伝導を良好にするため、放熱板4の裏面に、さらに放熱手段5(51、52)が設けられている。放熱手段5として、図1に示される例では、放熱フィン51および水冷するための水流管52の例が示されている。放熱フィン51は、たとえば銅板などの熱伝導の良好な金属板で表面積を大きくした構造に形成され、放熱板4との間に空気層が介在されないように、熱伝導グリス6を介して放熱板4に密着させ、図示しないネジなどで固定されているが、熱伝導性の良好な接着剤により接着してもよい。水流管52による放熱は冷却水を必要とするので、大掛かりになるが、発光素子への入力と放熱環境などに応じて、放熱が不足する場合にこれらの手段を用い得ることを示しているもので、必要な放熱量に応じて、これらの手段のうちから選択される。箱体などに絶縁性基板と光拡散板3を取り付ける構造の場合でも、これらの放熱手段を取り付けることはできるし、箱体を熱伝導の良好な厚い金属板により形成することにより、そのまま放熱手段とすることができる。
In the example shown in FIG. 1, heat dissipating means 5 (51, 52) is further provided on the back surface of the
反射型のチップ型発光素子1は、たとえば図2にその一例の断面説明図が示されるように、絶縁性基板11の両端部から裏面にかけて一対の端子電極12a、12bが設けられ、一方の端子電極12a上にLEDチップ13がボンディングされ、LEDチップ13の一対の電極が、一対の端子電極12a、12bとそれぞれワイヤ14を介して電気的に接続されている。この例では、LEDチップ13の基板がサファイア基板131で、一対の両電極133、134がLEDチップ13の表面側に導出されているため、両電極ともワイヤボンディングにより接続されている。このような場合には、必ずしも端子電極12a上にボンディングされないで、絶縁性基板11上に直接ボンディングされてもよい。LEDチップ13の基板裏面に一方の電極が導出される場合には、導電性接着剤により、一方の端子電極12a上にボンディングすることにより、電気的にも接続される。
As shown in FIG. 2, for example, FIG. 2 shows a cross-sectional explanatory diagram of the reflective chip-type
このLEDチップ13は青色発光用として形成されており、たとえばサファイア基板131上に窒化物半導体により、n形層とp形層とが積層された半導体積層部132が形成され、n形層に接続してn側電極133、p形層に接続してp側電極134が形成されており、そのn側電極133が前述の一方の端子電極12aとワイヤ14に接続され、p側電極134が他方の端子電極12bとワイヤ14によりそれぞれ接続されている。このような窒化物半導体を用いる場合でも、基板に導電性のSiCを用いることができ、その場合には、一方の電極を直接導電性接着剤により端子電極12aと接続することができる。ここに窒化物半導体とは、III 族元素のGaとV族元素のNとの化合物またはIII 族元素のGaの一部または全部がAl、Inなどの他のIII 族元素と置換したものおよび/またはV族元素のNの一部がP、Asなどの他のV族元素と置換した化合物(窒化物)からなる半導体をいう。
The
LEDチップ13は、絶縁性基板11表面の周囲に設けられた反射ケース15により囲まれ、その反射ケース15の凹部内には、エポキシ樹脂などの透光性樹脂16が充填されてLEDチップ13およびワイヤボンディング部が保護されている。この透光性樹脂16内に、たとえばYAG(イットリウム・アルミニウム・ガーネット)蛍光体物質17が混入されることにより、たとえば青色発光LEDチップ13の発光色を白色に変換している。しかし、発光素子1は、この例に限定されるものではなく、たとえば白色光にするにしても、赤、緑、青の3原色を発光するLEDチップを1個の発光素子内に内蔵して混色することにより白色光にしてもよいし、近紫外光を発光するLEDチップの表面にそれぞれ赤、緑、青に変更する発光色変換部材を設けてそれぞれの色に変換した光を混合することによっても白色光にすることもできるし、また、白色ではなく、所望の発光色の発光素子を用いることもできる。
The
本発明では、この反射ケース15の内面の傾斜角を制御することにより、発光素子1の指向特性が120°±20°さらに好ましくは120°±10°になるように形成されている。指向特性は、図2(b)に示されるように、発光素子1から放射される光パターンPで、中心の光強度が一番強い部分の輝度が、横方向で半分の輝度になる位置のときの中心部からの角度で表したもので、図2(a)に示されるように、反射ケース15を有するチップ型発光素子1では、反射ケース15の内面の傾斜角度αにより、その光パターンの広がりを調整することができる。この反射ケース15内面の傾斜角度αが60°〜120°程度に形成されることにより、指向特性を120°±20°程度にすることができる。
In the present invention, by controlling the inclination angle of the inner surface of the
すなわち、本発明者がこの指向特性と、前述の発光素子1および光拡散板3の間隔dとの関係を種々変えて、光拡散板3を透過した光の所定の距離(室内での人間の目の高さ程度の位置)での輝度を調べて検討を重ねた結果、指向角度がたとえば150°以上と大きいと輝度が大幅に低下し、指向角度が90°以内と小さいと、発光素子1の間隔が目立つようになり、均一光になりにくい(発光素子1と光拡散板3との距離dを大きくするとその間隔を目立たなくすることができるが、距離dを大きくすると輝度が低下する)という現象が現れ、上述の指向特性θの発光素子1にすることが好ましいことを見出した。
That is, the inventor variously changes the relationship between the directivity and the distance d between the light emitting
絶縁性基板2は、たとえばセラミックスまたはエポキシ樹脂基板などを用いることができるが、発光素子の数が多いため発熱量が多く、できるだけ熱伝導率のよいセラミックス基板などが好ましく、たとえば0.8〜1.6mm程度の厚さのもが用いられる。この絶縁性基板2には、図示しない銅被膜などにより配線パターンが形成されており、その銅被膜上に前述の発光素子1の端子電極12a、12bの裏面電極が直接接続されるようにボンディングされ、たとえば4個直列接続したものを並列に接続して15V程度の直流で動作させることができる。また、この配列は、たとえば図1(c)に回路図が示されるように、マトリクス状に配列された発光素子1が直並列に接続されて100Vの交流電源で駆動することもできる。たとえば、発光素子1の大きさは、長さLが3mm程度で、幅Wが2mm程度のものが用いられ、横方向のピッチp1が3±0.5mm程度、縦方向のピッチp2が4±0.5mm程度になるように配線パターンが形成され、絶縁性基板2の大きさは、横が1m、縦が1.3m程度に形成されている。その結果、11万個程度のチップ型発光素子1がマウントされている。
For example, a ceramic or epoxy resin substrate can be used as the insulating
光拡散板3は、光を拡散して点状の光源が目立たないようにしながら、透過率のよい材料が用いられ、たとえば5mm程度の厚さのアクリル板が用いられ、絶縁性基板2と対向する側の面にシボ加工が施されたものが好ましい。このシボ加工が施されていることにより、光拡散板3と発光素子1との間隔dを30±5mm程度と近づけても発光素子1の間隔を殆ど目立たなくすることができると共に、光拡散板3と発光素子1との間隔dを狭くすることができるため、その間での光の損失が少なく、光拡散板3から取り出される光が多くて、輝度を向上させることができる。このアクリル板からなる光拡散板3は、透過率が90%程度のものを用いた。
The
放熱板4は、熱伝導の良好な金属板が用いられ、たとえば12mm厚程度のアルミニウム板または銅板が用いられる。前述のように、発光素子1が絶縁性基板2上にマトリクス状に密集して設けられており、各発光素子1に電流が流されて発光するため、発熱量も結構大きくなる。そのため、発生する熱を速やかに放熱することが、発光素子1の寿命および安全管理上からも要求され、このような放熱板4が設けられている。この場合、絶縁性基板2には、発光素子1が密集して設けられているため、ネジ止めのスペースがなく、熱伝導の良好な接着剤、たとえば変性アクリル系接着剤などにより絶縁性基板2の裏面に接着されている。しかし、ネジ止めのスペースがあり、絶縁性基板2を取り替える際の便宜を考慮してネジ止めする場合には、両者間に熱伝導性グリスを塗布して接合してもよい。いずれにしても、絶縁性基板2と放熱板との間に空気層が介在しないように接合されることが好ましい。この放熱板4は、前述のように、さらに取付板8などに接合されて熱伝導による放熱をしたり、放熱板4の裏面側に第2の放熱手段5が設けられる。
The
以上のように、本発明によれば、反射型のチップ型発光素子を用いて、その指向性を調整しながら、シボ加工など一定の凹凸を有する光拡散板により光の均一化を図っているため、発光素子と光拡散板との距離dを30mm程度と非常に小さくし、しかも透過率が90%程度と透過率の高い光拡散板を使用しても発光素子間の影が現れず、非常に均一で明るい照明装置にすることができる。前述の直流駆動で、1素子当り電流を20mA流したとき、20m2の大きさの部屋の中で7000ルクスの明るさが得られた。これは、32Wの蛍光灯を約80本点灯したのと同程度の明るさである。 As described above, according to the present invention, light is uniformed by a light diffusing plate having certain irregularities such as embossing while adjusting directivity using a reflective chip-type light emitting element. Therefore, the distance d between the light emitting element and the light diffusing plate is very small as about 30 mm, and even if a light diffusing plate having a high transmittance of about 90% is used, no shadow between the light emitting elements appears. It can be a very uniform and bright lighting device. When a current of 20 mA per element was passed by the DC drive described above, a brightness of 7000 lux was obtained in a room with a size of 20 m 2 . This is about the same brightness as about 80 32 W fluorescent lamps.
1 発光素子
2 絶縁性基板
3 光拡散板
4 放熱板
5 第2の放熱手段
6 熱伝導グリス
11 絶縁基板
12 端子電極
13 LEDチップ
14 ワイヤ
15 反射壁
16 透光性樹脂
17 発光色変換部材
DESCRIPTION OF
Claims (4)
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|---|---|---|---|
| JP2004290807A JP2006107850A (en) | 2004-10-01 | 2004-10-01 | Lighting device |
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|---|---|
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ID=36377312
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| JP2004290807A Pending JP2006107850A (en) | 2004-10-01 | 2004-10-01 | Lighting device |
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Cited By (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
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- 2004-10-01 JP JP2004290807A patent/JP2006107850A/en active Pending
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