発光ダイオード照明装置

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【発明の名称】	発光ダイオード照明装置
【発明者】	【氏名】玉置智【氏名】太田平雄
【要約】	【課題】発光ダイオードを用いた高光強度の照明装置を提供する。【解決手段】凹面１６上に複数配列したフェースダウンボンディング型発光ダイオード１６の発光が、凹面１６の焦点位Ｐに収束し、高光強度の点光源Ｐを形成する。発光ダイオードの基板１３の裏側に密着して冷却部１２を配設する。

【特許請求の範囲】
【請求項１】複数の発光ダイオードを、該複数の発光ダイオードの発光を集光するように凹面上に配列したことを特徴とする、発光ダイオード照明装置。
【請求項２】複数の発光ダイオードを環状に配列し、環央部に、各発光ダイオードからの発光を環軸方向に反射する反射体を設け、各発光ダイオードの発光を平行光線にするようにしたことを特徴とする、発光ダイオード照明装置。
【請求項３】前記反射体は、この反射体の前記環軸を含む断面の稜線が環軸に向かって凸状の２次曲線を有する回転曲面錐体であることを特徴とする、請求項２に記載の発光ダイオード照明装置。
【請求項４】前記反射体は、この反射体の前記環軸を含む断面の稜線が環軸に向かって凸状の２次曲線を有し、この２次曲線を２辺とする複数の曲平面からなる、曲平面角錐体であることを特徴とする、請求項２に記載の発光ダイオード照明装置。
【請求項５】前記発光ダイオードの基板に放熱を促進する冷却手段が設けられていることを特徴とする、請求項１～４のいずれかに記載の発光ダイオード照明装置。
【請求項６】前記冷却手段はペルチエー素子であることを特徴とする、請求項５に記載の発光ダイオード照明装置。
【請求項７】前記冷却手段はヒートパイプであることを特徴とする、請求項５に記載の発光ダイオード照明装置。
【請求項８】請求項１に記載の発光ダイオード照明装置をバルク型レンズに搭載したことを特徴とする、発光ダイオード照明装置。
【請求項９】請求項１に記載の発光ダイオード照明装置を透明樹脂でレンズ状に覆ったことを特徴とする、発光ダイオード照明装置。
【請求項１０】前記発光ダイオードが、フェースボンディング型発光ダイオードであることを特徴とする、請求項１～９のいずれかに記載の発光ダイオード照明装置。

【発明の詳細な説明】【０００１】
【発明の属する技術分野】この発明は、複数の発光ダイオード、例えばフェースボンディング型の発光ダイオード又はレンズ付発光ダイオードなどの出射光を集光するように配列した、光強度の高い発光ダイオード照明装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】昨今、ＬＥＤ（ＬｉｇｈｔＥｍｉｔｔｉｎｇＤｉｏｄｅ）は、赤外光から紫外光まで各種の発光波長を有するものが製造され、光通信用、各種表示用、或いは各種照明用などに広く用いられている。ＬＥＤの特長として、その発光スペクトルは、従来の他の光源に較べてスペクトル幅が狭い、すなわち単色性が高いこと、また、各種の発光波長を有するＬＥＤを組み合わせて所望のスペクトルを選択できること、及び発光効率が高く発熱が少ないこと等が挙げられ、このような特長を生かしたＬＥＤ照明装置の需要が高まってきている。例えば、植物栽培において、特定の波長を有する光を大量に照射することによって植物の生育速度が著しく増加することが知られており、植物栽培農家は、特定の波長の強度の高い照明装置を必要としている。また、生化学産業の分野においては、特定の波長、又は発光波長の異なる複数の光を同時に大量に照射し、特定の生化学反応を促進し、薬品等の生産効率を高めると言った用途に使用できる照明装置を必要としている。さらに、表示、装飾、舞台といった照明分野においても、色彩、色調を任意に変えることができ、発光効率が高く発熱が少なく、かつ、遠方からも確認できる強度の高い照明装置を必要としている。
【０００３】このように、特定の波長の光を高強度で照明できるＬＥＤ照明装置は、種々の産業分野で必要とされている。しかしながら、ＬＥＤは半導体接合に電流を流すといった動作原理から生ずる制約があり、ハロゲンランプと比肩し得るような光強度の十分強いＬＥＤチップを得ることは現在のところ困難である。また、光強度の高い半導体光源には、ＬＤ（ＬａｓｅｒＤｉｏｄｅ）があるが、青色等の短波長ＬＤは、光共振器の作製が難しく、入手困難か若しくは著しくコストが高いなどの欠点がある。このように、光強度の高いＬＥＤ照明装置が必要とされているが、いまだ十分な光強度を有するＬＥＤ照明装置は実現されていない。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】上記課題に鑑み、本発明は、光強度の高い発光ダイオード照明装置を提供することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するために、本発明の発光ダイオード照明装置は、フェースボンディング型発光ダイオードやレンズ付ハッコウダイオード等の複数の発光ダイオードを、複数の発光ダイオードの発光を集光するように凹面上に配列したことを特徴とする。この構成によれば、発光ダイオードは互いに密に配列でき、また、凹面の面積を大きくして所望の数の発光ダイオードを配列でき、かつ凹面の焦点に発光ダイオードの発光が集光するから、高光強度の発光ダイオード照明装置を実現することができる。
【０００６】また、本発明の発光ダイオード照明装置は、複数の発光ダイオードを環状に配列し、環央部に、各発光ダイオードからの発光を環軸方向に反射する反射体を設け、複数の発光ダイオードの各発光を平行光線にするようにしたことを特徴とする。ここで、上記反射体は、好ましくは、反射体の環軸を含む断面の稜線が環軸に向かって凸状の２次曲線を有する回転曲面錐体である。前記反射体は、好ましくは、反射体の環軸を含む断面の稜線が環軸に向かって凸状の２次曲線を有し、この２次曲線を２辺とする複数の曲平面からなる、曲平面角錐体である。これらの構成によれば、各発光ダイオードを互いに密に配列でき、また、環の直径を大きくして所望の数の発光ダイオードを配列でき、かつ環軸方向に発光ダイオードの発光が揃うから、高光強度の平行光線を有する発光ダイオード照明装置が実現できる。
【０００７】さらに本発明では、発光ダイオード、とくにフェースボンディング型発光ダイオードの電極の固定部材に放熱を促進する冷却手段が設けられていることが好ましい。この冷却手段はペルチエー素子、またはヒートパイプであってよい。これらの構成による冷却手段は冷却能力が高くないが、発熱が極めて少なく、かつ、熱放散の良いフェースボンディング型発光ダイオードを使用しているので、温度上昇を十分低く抑えることができ、ハロゲンランプ等で必要不可欠な嵩張る冷却装置を必要としない。従って、極めて高光強度で、コンパクトな照明装置を実現できる。
【０００８】また、本発明では、発光ダイオード照明装置をバルク型レンズに搭載したことを特徴とする。発光ダイオード照明装置の凹面の焦点位置をバルク型レンズの光源位置に一致させて配設すれば、バルク型レンズが高効率の収光作用を有するので、極めて高効率の発光ダイオード照明装置が実現できる。また、発光ダイオード照明装置を透明樹脂でレンズ状に覆った場合は、高光強度の発光ダイオード照明装置が実現できる。
【０００９】
【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を、図面を用いて詳細に説明する。なお、実質的に同一の部材には同一の符号を用いて説明する。はじめに、本発明の第１の実施の形態を説明する。図１は本発明の発光ダイオード照明装置の第１の実施の形態を示す図であり、図１（Ａ）は外観斜視図、図１（Ｂ）は（Ａ）のＡ－Ａ断面図である。なお図１（Ａ）においては、見易くするために電極パターンは図示していない。図１（Ａ），（Ｂ）において、発光ダイオード照明装置１０は、凹面状の端部を有する支持部１１と、支持部１１の凹面に密着された冷却部１２と、冷却部１２の凹面に密着された凹面１４を有する基板１３と、基板１３の凹面１４に設けられた電極パターン１５と、この電極パターン１５ボンディングされた複数の発光ダイオード１６とで構成されており、凹面１４は、焦点Ｐを有する２次曲面、例えば球面、放物面、楕円面、双曲面等である。
【００１０】発光ダイオードは本来発熱が少ないが、本実施の形態のように緻密に多数のＬＥＤを配設すると、発熱の対策を講じなければならず、そのため基板１３の裏側に密着して冷却部１２を配置している。この冷却部１２としては、ペルチエー素子等の電子冷却器を使用しても十分冷却でき、また、ヒートパイプを使用しても良い。また、放熱を促進するためのフィンを冷却部１２に設け、自然または強制空冷しても良い。冷却部１２の熱は支持部１１からも放熱される。基板１３は、熱伝導性の高い材料、例えば、Ａｌ, Ｆｅ, Ｃｕ等の金属や、アクリル樹脂、ポリカーボネート、デルリン等の高分子材料、ガラス等から構成されており、基板１３の凹面１４は、研削加工、プレス加工後の研磨によって鏡面仕上げされている。なお、基板１３の材料が導電性を有する場合には、鏡面仕上げした凹面に絶縁膜を形成して電極パターン１５を形成する。この絶縁膜は、例えば、１ｍｍ以下のプラスチックフィルムシートの貼り付け、熱酸化、絶縁材料のメッキ，蒸着あるいはスパッタリング等により形成される。また、基板１３の電極パターン１５は、例えば、ＩＴＯ膜等からなる透明電極や、Ａｌ，Ａｕ，Ａｇ等の金属からなる導電パターンにより形成される。
【００１１】ここで、フェースボンディング型発光ダイオードについて説明する。発光ダイオードチップには、ワイヤボンディング型と、フェースボンディング型チップがある。ワイヤボンディング型チップは、ｐｎ接合に電流を印加する電極の一方又は両方と基板の電源電極との接続をボンディングワイヤで行うものである。このため、ワイヤボンディング型チップにおいては、ボンディングワイヤが発光を遮り、均一な光強度分布が得られないといった課題があり、また、チップの熱放散をボンディングワイヤを介して行うため、熱放散が悪く、チップ温度が上昇しやすいと言った課題がある。
【００１２】一方、フェースボンディング型チップは、ｐｎ接合に電流を印加する両方の電極をチップ裏面上に有しており、また、この電極はチップ裏面全体をほぼ占有する広い面積を有している。また、フェースボンディング型チップは、チップ裏面の電極を基板上の電極パターンに熱圧着することにより、電気的接続と固定を同時に行うことができる。従って、フェースボンディング型チップを使用すれば、ワイヤボンディングの必要が無くなり、工程が簡単化すると共に、ボンディングワイヤが無いから均一な光強度分布が得られ、また、基板との接触面積が大きいから、熱放散が良く、チップ温度が上昇し難い。本発明は上記したワイヤボンディング型チップとフェースボンディング型チップの何れも適用可能であるが、後者のチップがより有利であり、以下、フェースボンディング型発光ダイオードを例にとって説明する。
【００１３】図２は、本実施の形態で用いるフェースボンディング型発光ダイオードの構成を示す図である。図において、フェースボンディング型発光ダイオード１６は、サファイヤ等の透明基板１７と、ｐ又はｎ型導電性を有する半導体層１８と、ｎ又はｐ型導電性を有する半導体層１９とを積層して構成されており、半導体層１８と半導体層１９とは、凹嵌部２０を介して電気的に分離されている。凹嵌部２０を介して電気的に分離されている半導体層１８と半導体層１９の下面には、それぞれ電極２１，２１が設けられており、電極２１，２１は同一平面内にある。フェースボンディング型発光ダイオード１６は、フェースボンディング型発光ダイオード１６の電極２１，２１が基板１３の電極１５，１５にボンディングされて固定されると共に、電気的接続も完了する。電極２１，２１及び電極１５，１５の面積はボンディングワイヤの径に較べれば遙かに面積が大きく、従って熱放散性がよい。本発明の第１の実施の形態による発光ダイオード照明装置は、フェースボンディング型発光ダイオードを使用するので、光強度分布が均一であると共に、温度上昇が少ない。また、砲弾型レンズを用いたレンズ付ＬＥＤに比べてサイズが極めて小さいので、高密度に配設できる。なお、図２に示した構成のフェースボンディング型発光ダイオード１６に限らず、フェースボンディング型電極構造を有している発光ダイオードチップであればよく、例えば、透明部材でモールドされた表面実装型ＬＥＤ（ＳＭＤ）等も同様に利用することができる。
【００１４】これらの構成からなる第１の実施の形態の発光ダイオード照明装置１０によれば、全てのフェースボンディング型発光ダイオード１６の発光が凹面１４の焦点Ｐに集光し、焦点Ｐの光強度は、フェースボンディング型発光ダイオード１６の個数に比例して強くなる。従って、点Ｐに物体をおけば、高強度のＬＥＤ光を照射できる。また、焦点Ｐよりも離れた位置に物体を置けば点Ｐを光源とする高光強度の発散光を物体に照射できる。また凹部１４の構造を凸状にすれば照射面積を広げることができる。
【００１５】次に、第１の実施の形態を利用した高強度の収束光を得るフェースボンディング型発光ダイオードの応用例について説明する。図３は、第１の実施の形態の発光ダイオード照明装置１０を光源とする収束光形成の応用例を示す図であり、図３（Ａ）は従来の光学レンズを用いた例、図３（Ｂ）はバルク型レンズを用いた例、図３（Ｃ）はレンズ状樹脂を用いた例を示す。図３（Ａ）において、発光ダイオード照明装置１０に搭載した全ての発光ダイオードの発光Ｌが焦点Ｐに集光し、焦点Ｐを光源として、焦点距離だけ離して配設したレンズ２５によって収束光線が形成される。この構成によれば、発光ダイオード照明装置１０に搭載した発光ダイオードの数に比例した強度の収束光が得られる。図３（Ｂ）において、発光ダイオード照明装置１０の焦点Ｐが、バルク型レンズ２６の光源位置に一致するように配設されており、発光ダイオード照明装置１０に搭載した全ての発光ダイオードの発光Ｌが、焦点Ｐに集光し、点Ｐを光源として、バルク型レンズ２６により収束される。
【００１６】ここで、バルク型レンズについて説明する。バルク型レンズとは、発光体を内包するための空隙を有する例えば砲弾状のレンズで、空隙に内包したＬＥＤ等の半導体発光素子の発光のほとんど全てを収束することができるもので、本出願人により開発されたものであり、その詳細については特願２００１－２０８２５号明細書が参照される。図７は、バルク型レンズの構成を示す断面図である。図において、バルク型レンズ７０は、第１のレンズ面７１と、第２のレンズ面７２と、内側面７３と、外側面７４と、底面７５の面から構成される、透明光学媒質７６からなるバルク体である。第１のレンズ面７１と第２のレンズ面７２は、光のコリメート、収束又は発散と言った使用目的に応じたレンズ作用を有する曲面であり、図の例では、光学媒質７６から見て、第１のレンズ面７１は外に凸球面、第２のレンズ面７２は凹球面である。内側面７３と外側面７４は、この例では、円筒面である。図は、ＬＥＤチップ７７が支持台７８上に支持されて、バルク型レンズ７０に搭載されて発光し、その光束７９が収束して出射している様子を示している。
【００１７】このバルク型レンズ７０は、いわば、凸レンズ内に光源を内包している構造なので、光源に球面凸レンズを近づけて平行光線を形成する従来技術の場合に生ずる損失、すなわち、凸レンズの曲率半径と焦点距離の関係から定まる開口角以上の光束を収束することができないことによる損失が生じない。また、光源に球面凸レンズを近づけて収束した場合には、レンズ面のフレネル反射光が空間に散逸してしまい、収束光として利用することができないが、バルク型レンズの場合には、バルク型レンズが凸レンズ内に光源を内包している構造であるので、第１のレンズ面７１と第２のレンズ面７２で生ずるフレネル反射光がバルク型レンズから散逸することが無く、その一部は、内側面７３と外側面７４及び底面７５で反射して、再び第１のレンズ面７１にもどって収束光となり、フレネル反射光の他の一部はＬＥＤチップ７７に戻り、ＬＥＤチップ７７のｐｎ接合で吸収されて再発光する。従って、図３（Ｂ）の構成によれば、発光ダイオード照明装置１０に搭載した発光ダイオードの発光をほとんど全て収束することができ、極めて効率良く高光強度の収束光が得られる。
【００１８】次に、図３（Ｃ）の構成を説明する。図において、発光ダイオード照明装置１０は、発光ダイオード照明装置１０の発光面を覆ってレンズ状の透明又は半透明樹脂２７が配設されている。透明または半透明樹脂２７は、透明または半透明プラスチック樹脂、透明性が高く適当な弾性を示すシリコーンポリマー、フッ素系ポリマー、熱可塑性エラストマー又は紫外線硬化性樹脂等である。この構成によれば、発光ダイオード照明装置１０に搭載した発光ダイオードの数に比例した高光強度の収束光が得られる。
【００１９】次に、本発明の発光ダイオード照明装置の第２の実施の形態を説明する。図４は本発明の発光ダイオード照明装置の第２の実施の形態を示す斜視図であり、図５は図４に示した発光ダイオード照明装置の断面図である。図４において、発光ダイオード照明装置４０は、第１の実施の形態における凹面状の基板１３の代わりに、環状の基板４１を用い、環状の基板４１の内面４１ａ上にフェースボンディング型発光ダイオード１６を環の円周方向に沿って配列したものであり、環央部には、環軸４８を中心対称軸とした光の反射体４３を備えている。また、環状の基板４１は、図５に示したように放熱フィン４１ｂを有していても良く、または図１で示したように、ペルチエー素子やヒートパイプ等の冷却手段を有していても良い。
【００２０】反射体４３は、反射体４３の環軸４８を含む断面が環軸４８に向かって凸状の２次曲線を有する回転曲面錐体であり、凸状の２次曲線はフェースボンディング型発光ダイオード１６の取り付け位置を焦点とする放物線である。回転曲面錐体４３は、光の出射方向、図においては右方向に頂点を有する。反射体４３は、筐体４４の表面の一部を加工して形成し、環状の基板４１は、基板４１の環軸４８を、反射体４３の中心対称軸に一致させて筐体４４にネジ止め固定されている例である。なお、反射体４３を独立の部材として作製し、筐体４４に取り付けてもよい。
【００２１】環状の基板４１の内面４１ａは、絶縁体又は表面を絶縁体で覆った導体で構成されており、フェースボンディング型発光ダイオード１６は、内面４１ａ上に設けられた電源供給用の電極パターン４２にボンディングして固定され、かつ電気的に接続されている。電極パターン４２は、リード線４６に接続しており、取付固定部４５の背面に設けた外部電源接続端子４７に接続されている。取付固定部４５は、ネジ部４５ａを有し、ソケットにねじ込み固定できる。または、外部電源への接続は、ソケットに差し込んで固定する方式でも良い。
【００２２】これらの構成からなる第２の実施の形態の照明装置４０によれば、図５に示すように、各発光ダイオード１６から有限の発散角を有して発光した発光Ｌは、環軸４８を含む面内の発散角に応じて反射体４３の稜線４３ａ上の異なった位置に入射する。稜線４３ａは、発光ダイオード１６の取り付け位置を焦点とする放物線形状を有するから、稜線４３ａの異なった位置に入射した各発光は、各々、環軸４８方向に反射され、高光強度の平行光線が得られる。
【００２３】次に、本発明の第２の実施の形態の他の例を説明する。図６は、第２の実施の形態の他の例を示す斜視図である。この例は、第２の実施の形態と比べ、反射体の形状が異なる。図において、反射体５３は、反射体５３の環軸４８を含む断面の稜線４３ａが環軸４８に向かって凸状の２次曲線を有し、この２次曲線は発光ダイオード１６の取り付け位置を焦点とする放物線形状を有しており、この２次曲線を２辺とする複数の曲平面５３ｂからなる曲面角錐体である。曲平面５３ｂは、各々のフェースボンディング型発光ダイオード１６の発光面と対向する位置に、フェースボンディング型発光ダイオード１６の数だけ設けるのが好ましい。
【００２４】この構成からなる第２の実施の形態の照明装置５０によれば、各々の発光ダイオード１６から有限の発散角を有して発光した光は、環軸４８を含む面内の発散角、及び環軸４８に垂直な面内の発散角に応じて反射体５３の各々の曲平面５３ｂ上の異なった位置に入射し、各々の曲平面５３ｂ上の異なった位置に入射した各々の発光は、曲平面５３ｂが環軸４８に向かって発光ダイオード１６の取り付け位置を焦点とする放物線形状を有する２次曲線を２辺とする曲平面であるから、各々、環軸４８方向に反射されて高光強度の平行光線が得られる。
【００２５】なお、上記第１及び第２の実施の形態において、発光波長の異なる発光ダイオードを複数取り混ぜて使用し、個々の発光ダイオードの発光を独立に制御すれば、所望の色相、色調の発光が得られることは明らかであり、また、反射体４３，５３の表面に微細な凹凸を設けることにより、所望の色相、色調の発光が得られることも明白である。また、上記第１及び第２の実施の形態において、発光ダイオードとして、フェースボンディング型発光ダイオードを使用しているが、ＬＥＤチップの周囲を透明樹脂で凸レンズ形状にモールドした、いわゆるレンズ付発光ダイオードを用いて発光ダイオード照明装置を構成し、このようにして構成した照明装置をバルク型レンズに内包して搭載し得ることは明らかである。本発明の照明装置は、光強度が高いので、遠方からも確認できることを必要とする信号機、あるいは表示装置などに使用すれば極めて有用である。
【００２６】
【発明の効果】上記説明から理解されるように、本発明の発光ダイオード照明装置によれば、高光強度の発光ダイオード照明装置が得られる。特定の波長のＬＥＤ光を大量に照射することが必要な、植物育成、生化学の分野、また、表示、装飾、舞台といった照明分野に使用すれば極めて有用である。また、遠方からも確認できることが必要な信号機、あるいは表示装置に使用すれば極めて有用である。

【出願人】	【識別番号】５９９１０４２９９【氏名又は名称】ラボ・スフィア株式会社
【出願日】	平成１３年７月１８日（２００１．７．１８）
【代理人】	【識別番号】１０００８２８７６【弁理士】【氏名又は名称】平山一幸（外１名）
【公開番号】	特開２００３－３１００５（Ｐ２００３－３１００５Ａ）
【公開日】	平成１５年１月３１日（２００３．１．３１）
【出願番号】	特願２００１－２１８０４９（Ｐ２００１－２１８０４９）