トップ :: F 機械工学 照明 加熱 武器 爆破 :: F21 照明




【発明の名称】 発光ダイオード素子封止外周発光ランプ
【発明者】 【氏名】谷中 一郎
【要約】 【課題】ＬＥＤ（発光ダイオード）光源による柱状光導体あるいは線状光導体の外周発光ランプにおいて、光源である該ＬＥＤランプ側から光導体側への入射光線が空気を介して通過するときの光線の伝搬ロスをなくすため、ＬＥＤ素子側から該光導体側へ空気を介さないで光線を伝搬させる外周発光ランプを提供する。

【解決手段】柱状体５０あるいは線状体の端部に発光ダイオード素子４９が封止され、反該端部側がコアのみの柱状光導体１または線状光導体となっていて、その外周に、軸線方向と実質的に交差方向で、線状微小突起群５１を該軸線方向に設け、該軸線方向の該突起群の断面が三角形などであり、かかる線状微小細突起群５１が発光部を形成して外周部が発光する。空気を介さずに外周発光部である該光導体に光線が至るので、該ランプの輝度を著しく上げることができた。
【特許請求の範囲】
【請求項１】 発光ダイオード光源による柱状あるいは線状の外周発光ランプであって、端部の柱状体あるいは端部の線状体に発光ダイオード素子が封止されていて、該柱状体あるいは該線状体に連なる反該端部側がコアのみからなる柱状光導体あるいは線状光導体となっていて、該発光ダイオード素子の光線放射方向が該柱状光導体あるいは該線状光導体の方向であって、該柱状光導体あるいは該線状光導体の外周に、該柱状光導体あるいは該線状光導体の軸線方向と実質的に交差方向に、全外周にあたかも雄ネジ形、あるいは外周の一部にあたかもラック形の線状微小突起群を該軸線方向に設けることにより、該線状微小突起群が発光部を形成して、該柱状光導体あるいは該線状光導体の外周が発光することを特徴とする発光ダイオード素子封止外周発光ランプ。
【請求項２】 該発光ダイオード素子が封止されている該柱状体あるいは該線状体が、該柱状光導体あるいは該線状光導体の両端部にあることを特徴とする請求項１に記載する発光ダイオード素子封止外周発光ランプ。
【請求項３】 片側端部に該発光ダイオード素子を封止している該柱状体あるいは該線状体、または両側端部に該発光ダイオード素子を封止している該柱状体あるいは該線状体、を備える該発光ダイオード素子封止外周発光ランプにおいて、該発光ダイオード封止外周発光ランプの軸線方向両端部の内面において、片端内面もしくは両端内面が、該柱状光導体側あるいは線状光導体側に向けての反射面となっていることを特徴とする請求項１および２に記載する発光ダイオード素子封止外周発光ランプ。
【請求項４】 該柱状光導体あるいは該線状光導体の外周の該線状微小突起群の該軸線方向の該突起部断面形状が実質的に三角形、鋸歯形、あるいは正弦波形であって、該線状微小突起群の突起間のピッチが０．８〜１．０ｍｍ、該突起の高さが０．３〜０．５ｍｍであることを特徴とする請求項１、２および３に記載する発光ダイオード素子封止外周発光ランプ。
【請求項５】 該柱状光導体あるいは該線状光導体の外周の該線状微小突起群の該軸線方向の突起部断面が実質的に矩形であって、該突起部間相互の間で形成される溝の幅が０．１ｍｍ以下で、突起部の高さが０．３〜０．５ｍｍであることを特徴とする請求項１、２、３および４に記載する発光ダイオード素子封止外周発光ランプ。
【請求項６】 該発光ダイオード素子封止外周発光ランプにおいて、端部の該発光ダイオード素子封止部である該柱状体あるいは該線状体の部分と、反該端部側の該柱状光導体あるいは該線状光導体の部分とが、透明な接合面を介して互いに接合していることを特徴とする請求項１、２、３、４および５に記載する発光ダイオード素子封止外周発光ランプ。
【請求項７】 該発光ダイオード素子封止外周発光ランプにおいて、端部の該発光ダイオード素子封止部である該柱状体あるいは該線状体に、発光ダイオードランプの形態で封止されていることを特徴とする、請求項１、２、３、４、５および６に記載する発光ダイオード素子封止外周発光ランプ。
【発明の詳細な説明】【０００１】
【発明の属する技術分野】発光ダイオード利用のランプ分野であって、該ランプの形状が柱状体あるいは線状体で、該柱状体あるいは線状体の外周が発光する発光ダイオードランプに関する。
【０００２】
【従来の技術】柱状の蛍光灯や線状のネオンサインなどは、その柱状体あるいは線状体の外周部が発光するが、該柱状体あるいは該線状体の内部自体が光を励起する光源である。これに対し、コア部（芯）と鞘部（クラッドあるいはシース部）からなる光導体の長手方向の端部から、別光源による導入光線が全反射の原理によって該光導体の内部を伝搬し、他方の端部に至ることを利用した蛍光灯の如き柱状あるいはネオンサインの如き線状の外周発光体がある。該光導体による外周発光体は、光源は外部にあって光源自体ではないので、頑丈で発熱も伴わないところから、長さの必要な発光体、立体発光体あるいは面発光体などとして道路標識、液晶ディスプレイのバックライト、部分照明器具などに使われている。
【０００３】これらの該光導体による該外周発光体の光源としてはＬＥＤ（Ｌｉｇｈｔ Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｄｉｏｄｅ；発光ダイオード）ランプが多用されている。ＬＥＤランプには発光体であるＬＥＤチップが透明樹脂に封止（モールド）されているものが多い。ここで、該ＬＥＤチップの発光の原理を説明する。ｐｎ接合のダイオード・チップに順方向の電圧を印加して、ｐ部からｎ部に正孔を、ｎ部からｐ部に電子を注入すると、価電子帯から伝導帯に励起された電子は、直接または間接的にエネルギ準位を下げて価電子帯の空孔と再結合する。このときに低下した電子のエネルギの差に相当する波長をもつ光が放射される。この現象は、ほとんどのｐｎ接合ダイオードにおいて起こるが、十分に強い光が起こるものを特にＬＥＤチップとして利用している。
【０００４】ＬＥＤチップの例としては、緑色光を出すＧａＰ物質など、黄色光を出すＧａＡｓＰ物質など、赤色光を出すＧａＡｌＡｓ物質などがある。実用レベルの高光度ＬＥＤランプとしては、光度１０ｃｄ（カンデラ）程度まであり、自動車用の超高光度のものでは光度２２ｃｄ程度クラスも提供されている。ＬＥＤの高性能化に伴って、交通信号用や照明用などの分野にもＬＥＤランプの実用が広がっている。
【０００５】図７は、砲弾型ＬＥＤランプの一例の斜視略図である。砲弾型ＬＥＤランプ２５のサイズは発光光度や目的や用途などによって異なるが、該砲弾型ＬＥＤランプの胴部の円形断面の直径が３〜１２ｍｍ程度から１５ｍｍという大きなものまである。緑色光で該発光光度が１８００ｍｃｄ（ミリカンデラ）程度の場合、そのサイズの目安は、図７において砲弾形部の縦方向の長さが１５ｍｍ程度、該砲弾形の胴部の円形断面の直径が１０ｍｍ程度であるが、同程度の光度の該ＬＥＤランプで該長さが３．５ｍｍ程度、該直径が３ｍｍ程度の小さいものもある。該砲弾型ＬＥＤランプの発光光線の放射は、主として図７において上方である前方へビーム光線が放射されるタイプである。該砲弾型ＬＥＤランプの該外形は該胴部と先端レンズ部とに分けられるが、該胴部の断面が円形タイプや楕円形（オーバル）タイプなどがある。
【０００６】次に、図７に示す砲弾型ＬＥＤランプの構造の例を説明する。図７において反射効果のための皿形を含むカソード（陰極）２８に、ＬＥＤチップ２７が導電性ペーストで接着されている。一方、アノード（陽極）２９からウエッジワイヤボンディング３０でＬＥＤチップ２７の上面の電極に結線されていて発光基部を形成している。かかる部品からなる該発光基部を本発明ではＬＥＤ素子と称しているが、該ＬＥＤ素子がエポキシ系樹脂などの透明樹脂部３４に封止されている。図７の砲弾型ＬＥＤランプ２５および該ＬＥＤ素子の大きさは、一例としてＬＥＤランプ２５の胴部の直径が１０ｍｍのもので、該ＬＥＤ素子の幅方向（長辺）の長さは５ｍｍ程度である。カソード２８からのアウターリード３２とアノード２９からのアウターリード３１から、ＬＥＤチップ２７に順電圧を印加するとｐｎ接合部の活性層で発光し、ＬＥＤチップ２７の表面から光線が放射される。
【０００７】該光線はアノードでもある皿２８によって前方（図７では上方）に放射し、砲弾状の先端の半球状樹脂レンズ３３を通過しビーム光線として前方に放射される。放射光の指向特性（対向側の放射強度の分布）は用途によって異なり、ＬＥＤチップ２７の形状と位置、カソード皿２８の形状、半球状樹脂レンズ３３の形状などによって任意に設計される。
【０００８】図８に、砲弾型ＬＥＤランプ２５におけるＬＥＤチップ２７中心部からの放射光線の透明樹脂部３４内と外部での光線路３５の縦断面略図例を示す。すなわち、該ＬＥＤチップ２７の表面を区切って、そこから出る光線路３５をコンピュータによってシュミレーションして表示したものの例である。このように砲弾型ＬＥＤランプ２５からの放射光は、砲弾型ＬＥＤランプ２５の軸線方向（図８では右方向）にビーム光線的な円錐形の末広がり状の光路を示す。したがって、該砲弾型ＬＥＤランプの対向面３６には、図８において左側から対向面３６を見ると対向面３６に照射の光輪が描かれる。ＬＥＤチップの真正面を０°、左右各真横を９０°としてその光度を相対値などで示した座標が指向特性座標で、光線のビームの指向性、広がりの特性を示す。なお、砲弾型ＬＥＤランプ以外に、ディスプレイ用として角型ＬＥＤランプがあり、エンボステーピング包装した表面実装型、該ディスプレイ用角型ＬＥＤランプを縦横に並べて一体化したパネルディスプレイユニットなどがある。
【０００９】砲弾型ＬＥＤランプを光源とした光導体による外周発光体の例として、実用新案登録第３０８１１８６号「光導入式携帯ライト」が開示されている。図９はその図例の一部で、光導入式携帯ライト４０の斜線表示部の断面略図部において、光源の砲弾型ＬＥＤランプ４１からの放射光線が、光導入式携帯ライト４０の発光体部である、外周に線状微小突起群を有する柱状光導体４３の光導入部４２から導入され、柱状光導体４３の外周が発光する仕組みを示している。この例に示すように、ＬＥＤランプと外周が発光する機能をもつ光導体の組み合わせで柱状体あるいは線状体の外周を発光させることは公知である。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】光導体において該光導体の長手方向の端部から、別光源のＬＥＤランプの光線が該光導体に入射し、全反射の原理によって該光導体の内部を伝搬し、他方の端部に至ることを利用した、柱状光導体あるいは線状光導体による外周発光体の問題点を次に示す。ＬＥＤチップからの光線がＬＥＤランプとして外部空気中に放射されるとき、該ＬＥＤランプ内部の該光線の反射ロスや、該内部と外部空気との界面による光散乱ロスが生じる。また、該光導体に導入されるときの該光導体の光導入部の該光線の反射ロスやその空気との界面における光散乱ロスなどが生じる。
【００１１】かように、該光源部と、その間に空気を介した該光導体の該光線導入部において、別光源の該ＬＥＤランプ側と空気との境界面の該光線の通過ロスならびに空気と光導体側との境界面の該光線の通過ロスの合計はかなり高いといわねばならない。また、ＬＥＤランプと光導体の結合部が必要で、光線通過のロスを少なくするために該光導体の光導入面の研磨など精緻さが要求され、加工コストが高くなることなどがあげられる。
【００１２】本発明は上記課題を考慮し、光源であるＬＥＤランプ側から光導体側に光線が空気を介して通過するときの伝搬のロスをなくし、該ＬＥＤランプと該光導体の間の空気を介した結合部を必要としない、外周側面が発光する柱状光導体あるいは線状光導体を提供することを目的とする。
【００１３】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するために鋭意検討の結果、次の如き発明に至った。すなわち、図１に示す如く、端部のＡ部柱状体５０あるいは端部の線状体に発光ダイオード素子４９が封止されていて、反該端部側つまり図１の右側のＢ部柱体はコアのみからなる柱状光導体１あるいは線状光導体となっていて、柱状光導体１あるいは該線状光導体の外周に、柱状光導体１あるいは該線状光導体の軸線方向つまり長手方向と実質的に交差方向に、あたかも雄ネジ形の如く全外周に、あるいはラック形の如く外周の一部に線状微小突起群５１を該軸線方向の任意長さに設けることにより、線状微小突起群５１が発光部を形成して柱状光導体１あるいは該線状光導体の外周部が発光する発光ダイオード素子封止外周発光ランプの発明をなした。
【００１４】加えて、図３に描くように発光ダイオード素子４９が封止されている柱状体５８あるいは該線状体が、該柱状光導体１あるいは該線状光導体の両端部にあることを特徴とする発光ダイオード素子封止外周発光ランプの発明である。さらに、片側端部の該柱状体あるいは該線状体、または両側端部の該柱状体あるいは該線状体に該発光ダイオード素子を封止している該発光ダイオード素子封止外周発光ランプにおいて、該発光ダイオード素子封止外周発光ランプの片側端部あるいは両側端部に、該柱状光導体側あるいは該線状光導体側に向けて反射面を有することを特徴とする発光ダイオード素子封止外周発光ランプの発明である。
【００１５】加えて、外周の該線状微小突起群の該軸線方向の該突起部断面形状が実質的に図２あるいは図５に示す如く三角形、あるいは鋸歯形または正弦波形であって、該線状微小突起群の突起間のピッチが０．８〜１．０ｍｍ、該突起の高さが０．３〜０．５ｍｍであることを特徴とする発光ダイオード素子封止外周発光ランプの発明である。加えて、外周の該線状微小突起群の該軸線方向の突起部断面が実質的に図６に示す如く矩形であって、該突起間相互の間で形成される溝の幅が０．１ｍｍ以下で、突起の高さが０．３〜０．５ｍｍであることを特徴とする発光ダイオード素子封止外周発光ランプの発明である。
【００１６】さらに、図４の左図５６に示す如く、該発光ダイオード素子４９が封止されている該端部側の柱状体５０あるいは該線状体の部分と、該反端部側の柱状光導体側１あるいは該線状光導体側とが、透明な接合面６０を介して互いに接合していることを特徴とする発光ダイオード素子封止外周発光ランプの発明である。また、図４の右図５７に示す如く、該発光ダイオード素子４９が、発光ダイオードランプ６１の形態で、柱状体５９あるいは該線状体の端部に封止されていることを特徴とする発光ダイオード素子封止外周発光ランプの発明である。
【００１７】本発明のＬＥＤ素子封止の柱状光導体あるいは線状光導体による外周発光ランプは、砲弾型ＬＥＤランプを外部光源として、その光線を該光導体部に空気を介して導入して発光体とするところの、従来の外部光源による外周発光光導体に比較して、同じ発光性能のＬＥＤ素子の使用で格段に高い輝度が得られる。
【００１８】
【発明の実施の形態】発明の実施の形態を実施例にもとづき、図面を参照して説明する。なお本発明の全ての図面の各部の寸法や寸法比などは、説明を明確にするために主要部を誇張して描いているので実物の場合とは大きく異なる。図１は本発明の実施の形態の一例のＬＥＤ素子封止外周発光ランプの斜視略図である。図１の寸法イメージは、図１において柱状体の直径は３〜１５ｍｍ程度、横方向である長手方向が大凡５０〜５００ｍｍ程度であるが、あくまでもイメージであって本発明は前記の値に制約されない。図１において、ＬＥＤチップ２７、カソード反射皿２８、アノード２９ならびにウエッジワイヤボンディング３０からなるＬＥＤ素子４９が、柱状体５０の端部、つまり図１において左側端部のＡ部柱体に封止されている。Ｂ部柱体である柱状光導体部１は外周に線状微小突起群５１を有する外周発光体部である。
【００１９】該ＬＥＤ素子封止外周発光ランプが図１に示す如く一体ものの場合には、Ａ部柱体とＢ部柱体とも同じ柱状光導体あるいは線状光導体であるが、光学的な機能としてはＡ部柱体は透明な柱状体であればよい。本発明においては、図１に示す如く一体ものの場合でも機能上の表現として、Ａ部柱体を該柱状体と表現し、Ｂ部柱体を該柱状光導体と表現している。
【００２０】本発明における、外周が発光する該柱状光導体の方は面状、棒状などの立体状の発光体を意味し、外周が発光する該線状光導体の方は、視覚上で線として捉えられる発光体、あるいは遠くから見た場合にネオンサイン管が線状に見えるように、近接視では面状や立体状発光体でも実際上は線状に認識される発光体をいう。
【００２１】本発明に用いる柱状光導体あるいは線状光導体は、光ファイバーなどといわれている光導体である。一般に光の伝搬のみを目的とする光ファイバーは、装飾用から光通信用まで広く使われている。これら光導体は、透明なガラスや合成樹脂などのコア部と、コアより屈折率の小さい鞘部とで構成している。単に屈折率ともいう絶対屈折率ｎ１のコア部を通過する光線が、ｎ１より屈折率の小さいｎ２の鞘部の境界面に入射するとき、つまり相対屈折率ｒ＝（ｎ２／ｎ１）＜１のとき、臨界角ｉがｓｉｎ ｉ＝（ｎ２／ｎ１）と定義されて、その入射光角が臨界角ｉより大きい場合に該光線は全反射する。工業的に用いられる光ファイバーの材料は、一般的に透明合成樹脂の例で屈折率１．３５程度から、高屈折率の鉛ガラスの１．５５程度までの間であり、該光導体は、その境界面の全反射作用で光線を伝搬し、光源から離れた端面に該光導体がカーブしていても光線が伝搬する。
【００２２】真空に近い小さい屈折率である周囲空気より、明らかに高い屈折率である透明合成樹脂などの固体を敢えてコア部に鞘部として被覆する理由は、コア部側からのコアと鞘の境界面を保護するためであることに他ならない。加えて、コアと鞘の間に屈折率に大きな差がなくても、光ファイバーの使用時の曲げ量において、該曲げ量を曲率半径値で示せば、この値が該光ファイバーの大凡直径程度より大きければ全反射が得られ、それ以下に極端に曲げることはないからである。
【００２３】本発明は光線伝搬のみが目的でなく、光線伝搬と共に伝搬光線の一部を外周発光に用いるのが目的であり、コア部側から見たコアと鞘の境界面を保護する必要はないから、鞘部の役割を外周空気としてよい。鞘部の役割を外周空気とする場合、外周空気の屈折率は大凡１で、透明合成樹脂の屈折率は何れも空気のそれよりは大きいので、光学的には透明性さえあればよいことになる。
【００２４】本発明の該光導体の外周発光の仕組みについて説明する。コアと鞘部、あるいは鞘部を周囲空気とするところの固体としてはコア部のみからなる光導体中の光線伝搬の原理は、或る屈折率のコア中の光線が、それより屈折率の小なる鞘部との境界面に入射するとき、入射角が法線に対するある一定の角度より大きいと全反射する。その境界面は光導体の軸線（長手方向中心線）に対し略平行ではあるが、微細には平行とは限らないので反射点の法線角度も微細には一定でない。よって光線の導入直後からの進行距離にしたがって該光線の該軸線に対する角度は、鞘内面で全反射しない部分も含めて多様化して行く現象がある。
【００２５】この現象を利用して光導体の長手方向の外周に線状の微細な突起群を設けることのみで、該軸線に対する角度が多様化して伝搬して行く該光線の一部を捉えて、光導体側面を透過させ、あるいは光錯乱させて外周発光させることが本発明の仕組みである。
【００２６】本発明に用いる光導体はコア部のみからなり、鞘部の役割は外周空気である。該光導体の長手方向つまり軸線方向について、該軸線方向と実質的に交差方向に外周に沿って外周全部、あるいは外周の一部に線状微小突起群を有する部分を該軸線方向に設ける。前者はあたかも雄ネジ形で、後者は柱状体あるいは線状体の側面の一部に該光導体の軸線方向に歯を切ったようなラック形（ｒａｃｋ；まっすぐな棒に歯車状の歯を切ったもの）の如き形状でもよい。該光導体に光線が導入されると、該光導体の外周において該軸線方向に連なる該線状微小突起群を有するあたかも雄ネジ状の外周部全体、あるいはあたかもラック状の外周の一部が軸線方向に漏光部や光錯乱部を形成して発光し、外周が光るものである。
【００２７】図２は、図１における柱状光導体の外周に該線状微小突起群３を有するＢ部柱体をその直径で切った場合の縦断面略図である。つまり、図２では外周の該線状微小突起群の該軸線方向の突起部断面３が、実質的に三角形である場合の一例である。図２に描くように外周の該軸線方向の該三角形の谷部５３は、該光導体の該軸線に対して略平行な面を形成している。
【００２８】図３は、本発明のＬＥＤ素子封止外周発光ランプにおいて、ＬＥＤ素子４９を柱状光導体１の両側の柱状体５８に封止した場合の斜視略図例である。図３に示すように、本発明のＬＥＤ素子封止外周発光ランプにおいては、柱状光導体１の両側の端部に、ＬＥＤ素子４９が封止されている柱状体５８あるいは該線状体を設けてもよい。
【００２９】また、該柱状光導体通過の光線を有効に外周発光に利用するために、図１におけるＬＥＤ素子封止外周発光ランプの右側のＬＥＤ素子のない内面の端面に、アルミ箔などの鏡面反射材あるいは反射性の高い乱反射材などを貼付などして、該光線が該柱状光導体側に向かう反射面５２としてもよい。また、右側の端面内面の反射面５２に加えて、ＬＥＤ素子４９封止側の左側の端面内面を反射面４５としてもよい。また、図３における該ＬＥＤ素子封止の柱状体が、柱状光導体の両側にあるタイプのＬＥＤ素子封止外周発光ランプにおいても、両端面の内面を反射面４５としてもよい。
【００３０】ところで図１は、図１においてＡ部柱体およびＢ部柱体とも連続した一体ものである場合の例で、図１において左側の柱状体５０の端部にＬＥＤ素子４９が直接封止されている。これに対し図４の左図５６ならびに右図５７は、図１とは別な構造の例であるところのＬＥＤ素子封止部である柱状体端部の近傍の斜視部分略図である。
【００３１】図４の左図５６は、ＬＥＤ素子４９が封止されているＡ部柱体の柱状体５０と、外周に該線状微小突起群を有する外周発光部であるＢ部柱体の柱状光導体１とが、透明な境界部６０を介して接合している場合の例である。透明な境界部６０はＡ部柱体とＢ部柱体との接合部であり、透明性接着剤での接着や溶着などで光線の通過に支障のない透明状態の接合部とする。かような構造であると、Ａ部柱体とＢ部柱体とを別々に作っておき、完成製品とするときに接合でき、Ｂ部柱体の材料選定や加工などについてはＬＥＤ素子封止のための制約を考慮する必要がなく、該光導体として適合すればよい。例えば、ＬＥＤ素子封止部であるＡ部柱体の柱状体５０をエポキシ系樹脂とし、外周発光部であるＢ部柱体の柱状光導体１をＰＭＭＡ（ポリメタクリル）樹脂とするなどである。
【００３２】図４の右図５７は、図７に描いているＬＥＤランプ２５と同様なＬＥＤランプをＬＥＤランプ６１としてそのままＡ部柱状体５９に封止した例である。かような構造であると、封止用のＲＥＤランプ６１を別に作っておくか、市販品のＬＥＤランプ６１を用意しておき、完成製品とするときに封止用の該ＬＥＤランプ自体をそのまま封止すればよい。かような場合は柱状光導体１の材料選定や加工などについて精密部品であるＬＥＤ素子の封止のための制約は考慮する必要がなく、該ＬＥＤランプ自体の封止に適合すればよい。なお、ＬＥＤランプ６１はビーム光線を放射する砲弾型ＬＥＤランプでなくてもよいが、この場合は光線の放射方向を反射板などを用いて柱状光導体１方向へのビーム状の光線とする必要がある。
【００３３】さらに、図４の左図５６と右図５７との組み合わせ、つまり左図５６のＡ部柱状体５０にＬＥＤ素子４９に替えて、右図５７に封止しているＬＥＤランプ６１を封止して柱状体５０部としておき、完成製品にするときにＢ部柱体である外周発光する柱状光導体部１と接合してもよい。
【００３４】次に、本発明の一例である鞘部を周囲空気とする固体としてはコア部のみからなる柱状光導体にて、本発明の光導体の外周発光と光線伝搬の原理を説明する。図５は、図２の光導体の断面略図のＣ部、つまり該柱状光導体外周の線状微小突起群の該軸線方向の突起部断面が三角形の場合の断面拡大部分略図である。図５は、コア部である柱状光導体１、鞘部の役割をする周囲空気２からなり、柱状光導体１であるコア側からのコアと周囲空気の境界面９−１〜９−７を示し、周囲外面１０−１〜１０−７を示す。
【００３５】図５において、柱状光導体１の軸線に対し所定角度で伝搬する光線１１は、コアと鞘の境界の法線１１１−１１２に対して全反射しない角度で透過した場合、外層１０−５に至って法線１１３−１１４に対称に正反射（鏡面反射）し１１’方向つまり外周に漏光する。該軸線に対し所定角度で伝搬する光線１２についても同様に、法線１２１−１２２に対して全反射しない角度で透過した場合、外面１０−５で法線１２３−１２４に対称に正反射し１２’方向に漏光する。該軸線に対し所定角度で伝搬する光線１３については、法線１３１−１３２に対し全反射しない角度で透過した場合に１３’方向に漏光する。
【００３６】所定角度で伝搬する光線１４は三角形の谷部である光導体軸線に平行のコア側から見たコア層と周囲空気層との境界面９−４で法線１４１−１４２に対して全反射する角度で入射して全反射し、外周部から漏光せずに光導体１中を１４’方向に伝搬する。以下同様に該軸線に対し多様化した光導体１中を伝搬する光線の一部が同様に線状突起体３−１、３−２を含めて全ての線状微小突起群が光り、光導体の長手方向において線状突起群を有する部分の外周が総合的に光る。この例に示すような作用で外周が光るので、線状微小突起群の突起断面は三角形でなくてもよく、鋸歯波形、正弦波形、矩形などでもよい。線状微小突起群は該光導体の外周に沿って円周に亘っている雄ネジ形でもよく、また、該光導体の側面の一部に該光導体の軸線方向に歯を切ったようなラック形でもよい。
【００３７】図６は、図２における該線状微小突起群の該軸線方向の突起部断面３の三角形に相当する部分の断面形状が、矩形の場合の拡大部分断面略図である。図６は、コア部である柱状光導体１、鞘部の役割をする周囲空気２からなり、外周の線状微小突起群の該軸線方向の突起部の矩形断面１６−１〜１６−３と、該突起群に囲まれて形作られた溝部１７−１〜１７−３を示す。この溝部は、該線状微小突起群の該軸線方向の断面の矩形を形成するために切削法などによって加工された溝で、壁面２０−１〜２０−５を形作っている。また、図６において、柱状光導体部１の外周の該線状微小突起群である軸線方向突起部断面の矩形１６−１〜１６−３の外面１８−１〜１８−５を示し、コア側からのコアと外周空気との境界面１９−１〜１９−５を示す。
【００３８】入射した光線２１、２２は、壁面２０−４、２０−５に至り、その面で光線の一部が２１’、２２’として漏光し、光線の他の一部はコアと外周空気との境界面１９−５で２１”、２２”方向に全反射し柱状光導体１中を伝搬して行く。光線２３は、壁面２０−４に至り一部は２３’方向へ全反射して外面１８−３から漏光し、光線の他の一部は２３”方向へ漏光する。光線２４は、溝部１７−１の底部のコアと外周空気との境界面で全反射し柱状光導体１中を２４’方向に伝搬して行く。以下同様に光導体１中を伝搬する光線の一部が壁面２０−１〜２０−５に至り、該溝部が光ることによって、矩形突起１６−１〜１６−３の間に作られた全ての溝部１７−１〜１７−３が光り、光導体１の長手方向において該線状微小突起群を有する部分の該外周全体が光る。外周の該線状微細突起群の該軸線方向の突起部断面は厳密には矩形でなくてもよく、台形などの実質的に矩形の範疇の形状も含まれる。線状微小突起群は該光導体の外周に沿って円周に亘っている雄ネジ形でもよく該光導体の側面の一部に該光導体の軸線方向に歯を切った如きラック形でもよい。
【００３９】該軸線方向の任意長さの線状微小突起群を有する外周部あるいは外周部の一部が光るという効果を損なわない限り、本発明の該柱状光導体あるいは該線状光導体自体の断面形状は、円形、楕円形、半円形、そして各中空形でもよく、製品使用時に必要な光学的、機械的性能などが維持されればどのような形状でもよい。
【００４０】該線状微細突起群の該軸線方向の突起部断面は三角形、鋸歯形、矩形など断面においての法面が直線状であることが望ましい。例えば、図２における外面１０、図５における外面１０−２、１０−３、１０−５、１０−６、図６における壁面２０−１〜２０−５の如き直線状が望ましい。正弦波形など曲線状では外周を効率よく光らせることができないがソフトな発光体になるなどの特長がある。
【００４１】該突起部断面が三角形の場合の頂角は、その境界は定かでないが大凡９０°以下が適合し、望ましくは３０°までの範囲が適合する。頂角があまりにも小さいと光導体内部で伝搬する光線のうちの全反射する分が多くなり、外周部への漏光に寄与する分が少なくなって外周の部分輝度を低めることになる。頂角があまりにも大きいと線状微小突起群の突起間のピッチを小さくとることができないので全体として高輝度が得難くなる。
【００４２】本発明の外周発光体の該外周の該線状微細突起群の該軸線方向の該突起部が三角形断面あるいは矩形断面の場合のピッチ、つまり雄ネジ形でいうピッチは、大凡０．８〜１．０ｍｍ程度が望ましい。突起の高さは大凡０．３〜０．５ｍｍ程度が望ましい。該矩形断面の場合には矩形突起間で形作られる溝、図６でいえば１７−１〜１７−３に図示されるような該軸線方向の溝幅は大凡０．１ｍｍ（１００μｍ）以内とする必要がある。線状微小突起群の断面が矩形の場合の外周発光の機構は主として溝の壁面の光錯乱現象の利用であり、溝幅が狭いと一つの溝当たりでは溝の両壁面の光錯乱現象を加算した効果となるから狭い方がよいのである。
【００４３】本発明のＬＥＤ素子封止外周発光ランプは、一体ものの場合の柱状光導体あるいは線状光導体は、ＬＥＤ素子を封止する必要性から、透明エポキシ系樹脂、あるいはこれとほぼ同等な物性を示す透明性の樹脂を用いる。エポキシ系樹脂はエポキシ基をもつ熱硬化性樹脂であり、エピクロルヒドリンとビスフェノールＡをベースとしたものが多い。接着性、機械的性質、電気的性質、化学的性質、寸法精度などにすぐれ、強靭な樹脂から、可撓性があるものまで幅広い性質が得られるのでＬＥＤ素子封止用樹脂として多く用いられている。
【００４４】一方、図４の左図５６に示す如く、ＬＥＤ素子封止部の柱状体５０と、外周発光柱状光導体１とが接合部６０で接合している場合、例えばＡ部柱体にはエポキシ系樹脂を用いて、ＬＥＤ素子封止のための制約がないＢ部柱体である柱状光導体部１には下記の如き樹脂などを用いることができる。同様に、図４の右図５７に示す如くＡ部柱体にＬＥＤランプ６１そのもの封止する場合、ＬＥＤ素子部の封止のための制約がないので、Ｂ部柱体である柱状光導体部１、あるいはＡ部柱体であるＬＥＤランプ封止柱状体５９およびＢ部柱体である柱状光導体１には次の如き樹脂が適用できる。
【００４５】すなわちアクリル系樹脂、スチレン系樹脂、ポリメチルペンテン樹脂、エチレン酢酸ビニル共重合体樹脂、ポリ塩化ビニル樹脂、酢ビ・塩ビ共重合体樹脂、ポリウレタン系樹脂などの透明性の高い樹脂を用いることができる。加えて、コア部の樹脂は一般に高屈折率の樹脂が適合し、屈折率１．４〜２．０の範囲が好適であり、これらの例としては屈折率の高いポリスチレン、ポリスチレン共重合体、ＰＭＭＡ、ポリカーボネートなどがあげられる。
【００４６】樹脂の透明性については、本発明のＬＥＤ素子封止外周発光ランプは各種用途に使われるので、基本的にそれぞれの用途に適した透明性があればよい。外周発光部の長さが短ければ高い透明性は必要でなく、長ければ減衰性の問題から透明性は高い方がよい。しかしながら全光線透過率が８０％以上が望ましく、光導体としての加工や使用時の撓みなどに対する十分な機械的強度を持っていなければならず、ポリマーの架橋などの物性改良手段を講じてもよい。外周の線状微小突起群の加工法との兼ね合いでいえば、適度な可撓性のある例えばＰＭＭＡ樹脂などは精密転造法が適用でき、硬いポリスチレン系樹脂や逆に柔らかいポリウレタン系樹脂などは切削法が適用できる。
【００４７】柱状光導体あるいは線状光導体に微細線状突起群を形成する方法は、ダイス用金属で線状微小突起群の各種の転造用雌型を作り、この雌型で予め作っておいた線状あるいは柱状光導体の長手方向の一部を精密転造加工する方法が適用できる。切削切込み入れる方法も適用できる。精密転造加工によるか切削切込加工によるかなどについては、全体の形状、微細線状突起群の形状、使用樹脂の種類などによって選択する。また、図４の左図５６において、Ｂ部柱体である柱状光導体はガラスであってもよい。ガラスの場合の線状微小突起群の形成加工は加熱状態での精密転造などが適合する。
【００４８】近年、小さくて高光度のＬＥＤ素子あるいはＬＥＤランプが提供されるようになってきている。図１、図３ならびに図４においては、封止ＬＥＤ素子あるいは封止ＬＥＤランプは一ケ所当たり１個であるが、本発明のＬＥＤ素子封止外周発光ランプにおいては、該一ケ所に並列に複数個のＬＥＤ素子あるいはＬＥＤランプを封止してもよい。封止ＬＥＤ素子数を複数にすることや、高光度ＬＥＤ素子の起用によって、本発明のＬＥＤ素子封止外周発光ランプの光度をかなり高くすることができるので、本発明を適用すれば一般の蛍光灯クラスの６０００ｃｄ／ｍ２クラス以上の輝度も容易に得られる。
【００４９】次に実施例を示す。コアのみからなる直径１４ｍｍ、全長１２０ｍｍの外周平滑な円柱状光導体を、屈折率１．６０のエポキシ系樹脂を用いて試作した。一方、外周発光の検討用に各種の線状微小突起群を作るべく、ダイス用金属で各種の転造用雌型を作った。該転造用雌型を用いて、予め作っておいた外周平滑な該円柱状光導体について、図１でいうとＢ部柱体を精密転造加工によって、外周部にあたかも雄ネジの如き線状微小突起群を作った。図１でいうと外周部が平滑なＡ部柱体の長さが３０ｍｍ、該外周発光部である該外周に該線状微小突起群を有するＢ部柱体の長さを９０ｍｍとし、以下全ての試料について一定とした。
【００５０】まず、次に示すテスト用ＬＥＤ素子封止外周発光ランプの試料（１）〜（４）を試作した。試料（１）〜（４）の外周発光部である線状微小突起群の軸線方向の円柱光導体の軸線方向の突起部断面形状は、図２に示す如き三角形とした。形状は図２でいうと、該軸線方向の突起部断面の該三角形の頂角を６０°とし、該三角形の突起間のピッチを０．８ｍｍ、突起の高さを０．５ｍｍと一定にした。該試料の内容は、試料（１）図１に示す如く、ＬＥＤ素子封止部のＡ部柱体と外周発光部のＢ部柱体とが一体ものの場合。試料（２）図４の左図５６に示す如く、ＬＥＤ素子封止部Ａ部柱体と外周発光部Ｂ部柱体とが接合部６０を介して接合している場合。試料（３）図４の右図５７に示す如く、ＬＥＤ素子封止部Ａ部柱体と外周発光部Ｂ部柱体とが一体ものではあるが、ＬＥＤランプ６１そのものを封止した場合。試料（４）図９に示す如く、砲弾型ＬＥＤランプ４１を外部光源として、光導体４３の光導入部４２との間に空気を介して光線を導入した場合、についての４試料である。
【００５１】該ＬＥＤ素子関係の内容は次の如くである。テスト用該ＬＥＤ封止外周発光ランプのＬＥＤチップの位置は、外周発光部開始端から１０ｍｍと一定とした。試料（１）および（２）に使用のＬＥＤ素子部は、円柱部の断面における直径１０ｍｍ、長さ１５ｍｍのディスプレイ用の砲弾型ＬＥＤランプに使われているところの、ＬＥＤ材料ＧａＰ／ＧａＰの、緑色発光ＬＥＤチップを用いたＬＥＤ素子を封止した。該ＬＥＤ素子は、該砲弾型ＬＥＤランプとした場合に３．３Ｖ印加で１５００〜２０００ｍｃｄ（ミリカンデラ）の光度のものである。試料（３）および（４）には、ディスプレイ用の該砲弾型ＬＥＤランプそのものを用い、前者については図４の右図５７に示す如く封止し、後者については図９に示す如く外部光源とした。
【００５２】外周発光体部である該円柱状光導体の内容については、試料（１）および（３）は、エポキシ系樹脂の一体もの。試料（２）は、試料（１）を図４の左図５６でいえば、接合部６０の部分で一旦切断し、両切断面を精密研摩した上、透明エポキシ系接着剤で接合して試料としたもの。試料（４）については、図９でいえばＬＥＤランプ４１先端と、円柱状光導体の光導入部４２の面との距離を２ｍｍとし、該外周発光開始端から該ＬＥＤチップ間の距離は試料（１）〜（３）と同様の１０ｍｍとし、ＬＥＤランプ４１と光導入部４２間は筒状物で覆って試料とした。
【００５３】評価方法は、ＬＥＤ素子に電圧３．３Ｖを印加して発光させ、各試料の外周発光部の軸線と直角方向の光度（ｃｄ）を長形光度計にて測定し、輝度（ｃｄ／ｍ２；ミリカンデラ／平方メートル）に換算して評価値とした。検討結果は、試料（１）の輝度が９７２ｃｄ／ｍ２、試料（２）が８２６ｃｄ／ｍ２、試料（３）が８９２ｃｄ／ｍ２、試料（４）が５６４／ｍ２であった。試料（１）の該ＬＥＤ素子封止部円柱状体と該円柱状光導体とが一体ものの場合の輝度が最も高く、試料（４）のＬＥＤランプを外部光源として、円柱状光導体の光導入部との間に空気を介して光線を導入した場合の輝度は低く、試料（１）の輝度の５８％であった。また、試料（２）のＬＥＤ素子封止部である該円柱状体と該円柱状光導体を接合部で接合した場合、試料（３）のＬＥＤ素子封止部である該円柱状体と該円柱状光導体とが一体ものではあるが、該ＬＥＤランプそのものを封入した場合については、おのおの試料（１）の輝度の８５％と９２％の輝度を示した。
【００５４】このことから、本発明のＬＥＤ素子封止外周発光ランプは、同じ発光性能の該ＬＥＤ素子を用いた該砲弾型ＬＥＤランプによる外部光線導入の外周発光体に比較して、はるかに輝度が高いことが分かった。また、同じＬＥＤ素子を用いた該砲弾型ＬＥＤランプを外部光源とした場合に比較して、ＬＥＤ素子封止部である円柱状体と円柱状光導体とが透明性接合部で接合している場合、ならびにＬＥＤランプそのものを封入した場合についても、かなり輝度が高いことも分かった。
【００５５】次に、該突起部の断面が三角形の場合について、該突起部の高さの検討を行った。 該突起部の断面の三角形の頂角は６０°で一定とし、該突起部のピッチを０．８ｍｍと一定とした。該突起部の高さは、試料（５）の０．２ｍｍから試料（１０）の０．７ｍｍまでの６水準とし、図２に示す如く該突起部間には、該円柱状光導体の軸線方向に平行な面の谷部５３を形作った。前記測定と同様に、該ＬＥＤ素子に３．３Ｖを印加して発光させ、光度の測定法は試料（１）〜（４）の測定と同様とし、光度を輝度に換算して評価した。
【００５６】
【表１】

【００５７】表１の結果から突起の高さにおいて、試料（６）の０．３ｍｍの場合の輝度８３０ｃｄ／ｍ２から、試料（８）の０．５ｍｍの場合の輝度９７２ｃｄ／ｍ２の試料（６）〜（８）の範囲において高い輝度を示した。
【００５８】同様な方法で該突起間のピッチの検討を行った。突起の高さを０．５ｍｍと一定とし、ピッチについて試料（１１）の０．６から、試料（１７）の１．２ｍｍまで７水準とした。その結果を表２に示す。
【００５９】
【表２】

【００６０】表２の結果から、ピッチについてはその境界は定かではないが、試料（１３）の０．８ｍｍの場合の輝度９７２ｃｄ／ｍ２から、試料（１５）の１．０ｍｍの場合の輝度８４８／ｍ２の試料（１３）〜（１５）の範囲が輝度が高いことが分かった。
【００６１】次に頂角の角度の検討を行った。角度の水準を１１０°、１００°、９０°、８０°、７０°、５０°、３０°の７水準で行った結果、境界は定かでないが９０°〜５０°範囲の場合に高い輝度が得られた。
【００６２】外周平滑な該円柱状光導体を用い、図１でいえば、Ｂ部柱体の外周の線状微小突起群の該円柱状光導体の軸線方向の該突起部断面が矩形の場合の検討を行った。該矩形の形成方法は切削法によって、図６の１７−１〜１７−３に示す如き深さ０．４ｍｍの切り込み入れて形成し、１６−１〜１６−３に示すような軸線方向の該突起部断面が矩形のＬＥＤ素子封止外周発光ランプを試作した。図６の１７−１〜１７−３に描く如き溝の溝幅を８０μｍとし、長手方向の突起のピッチを試料（１８）の０．６ｍｍから０．１ｍｍきざみで、試料（２４）の１．２ｍｍまでの７水準とし、同様な方法で光度を測定し輝度を求めたした。この結果を表３に示す。
【００６３】
【表３】

【００６４】結果は、試料（２０）の０．８ｍｍの場合の輝度９６６ｃｄ／ｍ２から、試料（２２）の１．０ｍｍの場合の輝度９４８ｃｄ／ｍ２の試料（２０）〜（２２）の範囲で輝度が高いことが分かり、該矩形の場合の線状微小突起群の突起ピッチについては、断面が三角形の場合と同様な結果であった。また、該矩形突起を作るためのスリットの溝の幅をある限度を越えて大きくすると輝度が低くなることが分かり、輝度を高めるスリット溝幅は大凡０．１ｍｍ（１００μｍ）以下であることも分かった。
【００６５】
【発明の効果】本発明は、以上説明したように構成されているので、以下に記載されるような効果を奏する。
【００６６】（ア）本発明のＬＥＤ素子封止の柱状光導体あるいは線状光導体による外周発光ランプは、砲弾型ＬＥＤランプを外部光源として、その光線を該光導体部に空気を介して導入して発光体とするところの従来の外部光源による外周発光光導体に比較して、同じ発光性能のＬＥＤ素子の使用で格段に高い輝度が得られる。
（イ）本発明のＬＥＤ素子封止外周発光ランプは、雄ネジ形の外周全体、あるいはラック形の外周の一部に、柱状光導体あるいは線状光導体の軸線方向の任意長さに、高輝度で外周を発光させることができる。よって、従来の光ファイバー類の外周発光方式において、輝度が低いがゆえに使えなかった用途である道路標識、ディスプレーなどの発光表示装器具、部分照明器具、装飾用途など高輝度が必要な分野にＬＥＤランプの用途を拡大できる。
（ウ）本発明のＬＥＤ素子封止外周発光ランプは、コンピュータなどの液晶ディスプレイのバックライト用などの線状の外周発光体から、ショーウインドウ照明などの大きなものまで適用することができ、用途の範囲が極めて広い。
（エ）端部にＬＥＤ素子を封止した、外周平滑な柱状光導体あるいは線状光導体を予め作っておき、必要に応じて金属ネジ加工などに用いられている精密転造法や切削方式で、外周の軸線方向の任意の長さや位置について簡単に線状微小突起群の形成加工ができるので、簡便で製作コストが基本的に低く経済的である。
（オ）小型で高光度な白、赤、緑色などの光を発するＬＥＤ素子あるいはＬＥＤランプを用いれば、自在な色相の線状、長方形、立体的発光体が任意サイズで得られ、時計、児童の鞄などに付帯させる夜間に目立つ交通安全具、夜間のスキーツアーなどの運動用付帯用品などにも適用できる。
【００６７】高光度のＬＥＤ素子や、小さくて高光度のＬＥＤランプが提供されるようになっている。したがって、本発明のＬＥＤ素子封止外周発光ランプの封止ＬＥＤ素子あるいはＬＥＤランプを一ケ所に並列で複数の使用が可能になり、かような方法を含めて本発明のＬＥＤ素子封止外周発光ランプのさらなる光輝度化が可能で、ショーウィンドウなどの照明用や標識用など、面状、立体状あるいは線状の高輝度の発光体が必要な分野向けのＬＥＤランプの適用の道が開け、産業界に資するところが大きい。
【００６８】
【出願人】 【識別番号】３０００７７５５９
【氏名又は名称】谷中 一郎
【出願日】 平成１４年５月７日（２００２．５．７）
【代理人】
【公開番号】 特開２００３−３３１６０５（Ｐ２００３−３３１６０５Ａ）
【公開日】 平成１５年１１月２１日（２００３．１１．２１）
【出願番号】 特願２００２−１７０７０５（Ｐ２００２−１７０７０５）