(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
発光ダイオードデバイスであって、
少なくとも一つの発光ダイオードと、
その上に上記少なくとも一つの発光ダイオードが取り付けられる面を備えたヒートシンクシャーシと、
上記少なくとも一つの発光ダイオードからの光を受光するための、上記少なくとも一つの発光ダイオードと連結している端部と、光抽出／再配光領域を含む別の端部とを有する導波路とを備え、
上記導波路は、上記少なくとも一つの発光ダイオードからの光を、上記ヒートシンクシャーシから離れて、上記光抽出／再配光領域へと導くために設けられ、
上記光抽出／再配光領域は、上記導波路内に形成されたプリズム状の構造を備え、かつ、上記導波路からの上記光を抽出および再配光し、
上記導波路は、さらに、上記少なくとも一つの発光ダイオードと近接している下部、および上記光抽出／再配光領域と近接している上部を備え、
上記下部は、上記上部よりも高い熱伝導率を有していることを特徴とする発光ダイオードデバイス。
【請求項２】
上記光抽出／再配光領域は、上記ヒートシンクシャーシに遮蔽されることなく、上記ヒートシンクシャーシの方向に少なくとも一部の光を再配光することを特徴とする、請求項１に記載の発光ダイオードデバイス。
【請求項３】
上記発光ダイオードデバイスは、上記下部で取り出される上記少なくとも一つの発光ダイオードからの熱を上記ヒートシンクシャーシへ放出するために設けられた、熱伝導カラーをさらに含むことを特徴とする、請求項１または２に記載の発光ダイオードデバイス。
【請求項４】
上記下部は、窒化アルミニウムを含むことを特徴とする、請求項３に記載の発光ダイオードデバイス。
【請求項５】
上記下部は、光学的に透明な液体を含んでおり、上記少なくとも一つの発光ダイオードからの熱が、この液体を経由して対流によって取り出されることを特徴とする、請求項３に記載の発光ダイオードデバイス。
【請求項６】
上記導波路は、上記少なくとも一つの発光ダイオードの紫外（ＵＶ）光への露光を遮断または低減する材料を含むことを特徴とする、請求項１〜５のいずれか一項に記載の発光ダイオードデバイス。
【請求項７】
上記材料は、ポリメタクリル酸メチル樹脂（ＰＭＭＡ）を含むことを特徴とする、請求項６に記載の発光ダイオードデバイス。
【請求項８】
上記ヒートシンクシャーシの面に取り付けられた複数の発光ダイオードと、
上記発光ダイオードからの光を受光するための、上記複数の発光ダイオードの少なくとも一つとそれぞれ連結している端部と光抽出／再配光領域を含む別の端部とをそれぞれ有する、複数の導波路とを備え、
上記複数の導波路のそれぞれは、上記それぞれの少なくとも一つの発光ダイオードから受光した光を、上記ヒートシンクシャーシから離れて、上記光抽出／再配光領域へと導くために設けられ、上記光抽出／再配光領域は、上記導波路からの上記光を抽出および再配光することを特徴とする、請求項１〜７のいずれか一項に記載の発光ダイオードデバイス。
【請求項９】
上記複数の導波路のそれぞれの上記光抽出／再配光領域は、共通の光抽出／再配光領域を形成するために連結していることを特徴とする、請求項８に記載の発光ダイオードデバイス。
【請求項１０】
上記複数の発光ダイオードは、異なる温度または色特性を有することを特徴とする、請求項８または９に記載の発光ダイオードデバイス。
【請求項１１】
上記光抽出／再配光領域は、蛍光体またはナノ蛍光体を含むことを特徴とする、請求項１〜９のいずれか一項に記載の発光ダイオードデバイス。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、発光ダイオード（ＬＥＤ）デバイス、特に、広い角度の光分布を備えたＬＥＤ電球のようなＬＥＤデバイスに関する。こうしたデバイスを、低コストかつ低吸収損失で、大量生産する方法についても示されている。
【背景技術】
【０００２】
発光ダイオードは、様々な用途に対する光源としての使用において好評を博している。高品質な窒化ガリウム結晶の成長が実証されてから以降、約４５０ｎｍ（青色）の波長で発光する高効率な窒化インジウムガリウム量子井戸青色ＬＥＤチップは、世界中で盛んに開発されている。蛍光体変換青色ＬＥＤから得られる白色ＬＥＤチップは、一般的な照明およびバックライトの用途において現在使用されている。特に、ＬＥＤ電球は、一般的な照明用途向けの、発熱電球、ハロゲン電球、冷陰極蛍光灯（ＣＣＦＬ）、小型蛍光灯（ＣＦＬ）に代わる照明器具として開発されている。しかし、ＬＥＤは表面実装型デバイスであり、発光は１２０°のビーム角を備えた均等拡散空間分布を有する。従って、市販のＬＥＤ電球の上記配光の上記ビーム角は、現在までのところ、一般的には１２０°〜１４０°である。これに対して、従来の白熱電球またはＣＦＬ電球は、２７０°より大きい配光ビーム角を生成する。上記ＬＥＤの狭いビーム角特性は、ＬＥＤ電球のダウンライト用途（天井取り付け）にとって望ましいが、光が底面や側面に十分に配光されない鉛直照明にとっては望ましくない。このことは、不均一な配光および付影効果をもたらす。散乱を増加させ、それに伴い上記ビーム角を増加させるために、ＬＥＤのドームケーシングに散乱性コーティングを使用する従来の方法は、一般的に２０％〜３０％の光損失をもたらし、結果として発光効率が低減する。こうした従来の方法での上記光出力の上記角度分布は、一般的に１５０°未満であり、従来のＣＦＬ電球とは異なる空間分布を有する。
【０００３】
図１Ａは、１２０°のビーム角を有するＬＥＤの、極座標図における均等拡散空間分布を示す。図１Ｂでは、従来のＣＦＬ電球の光の角度分布が示されている。ＣＦＬ電球では、上記角度分布は３００°までであり、光度分布は完全に均一であることに注意されたい。
【０００４】
図２Ａは、ビーム角を増加させグレアを低減するために、ドーム状のディフューザーを使用している市販のＬＥＤ電球の例である。ＬＥＤ１は、放熱のため、金属製ヒートシンクシャーシ２（熱を再分配するために、表面積を増加させるためのフィンを一般的に備える）に取り付けられている。特に高出力ＬＥＤ電球の場合、金属製ヒートシンクシャーシ２のサイズは、より効率的な放熱を行うために、通常は増大される。上記金属製ヒートシンクの面積が増大することにより、ＬＥＤ電球全体のサイズと重量が増大し、上記電球のデザインの質が低減し、消費者に対する訴求力は低下する。ＬＥＤ電球ケーシング３は、通常はドーム状であり、ビーム角を増加させグレアを低減するために、散乱性コーティング４で覆われている。図２Ｂは、図２Ａで記載された特徴を備えたＬＥＤ電球の極座標図を示す。ビーム角は図１Ａから増加しているが、光度分布の均一性は低く、角度分布はＣＦＬ電球と大きく異なっている。上記大型の金属製ヒートシンクが、光が下方向に導かれるのを妨げているので、この構造においてビーム角もまた低減される。散乱性コーティング４は、光損失の原因であり、上記ＬＥＤ電球の効率を低減させる。
【０００５】
これらの問題のうちの一部を克服するため、様々な構成を備えたＬＥＤ電球が開発されてきた。これらは以降の段落で説明される。
【０００６】
図３は、ＵＳ６，４５０，６６１Ｂ１（Ｏｋｕｍｕｒａら、２００２年９月）に記載された、ＬＥＤ電球の配光の等方性を増加させるための方法の概略図である。このＬＥＤ電球１００は、広ビーム角配光を実現するため、円盤状の球分布で取り付けられた一連のＬＥＤを使用する。従って、上記ＬＥＤの半分、およびそれらの発光は、上方向に向けられ、残り半分は下方向に向けられる。この構成において、上記ＬＥＤはヒートシンクの上に直接取り付けられていないので、ＬＥＤの放熱は最適ではない。このようにＬＥＤを取り付ける手間は、生産コストをも増大させる。特に、ＬＥＤの性能および寿命がそのジャンクション温度に大きく依存する高出力ＬＥＤ電球において、放熱は重要である。従って、この引用例で記載されている上記方法は、低出力ＬＥＤに限定される。
【０００７】
図４は、ＵＳ２００８／００６２７０３Ａ１（Ｃａｏ、２００８年３月）に記載された、増大された光ビーム角を備えたＬＥＤ電球１２０の概略図である。上記ＬＥＤは、等角に／三次元状に取り付けられ、光は横方向に照射され、より広いビーム角を生成する。上記ＬＥＤは、上記ヒートシンクと小さい面積でしか直接接触しないので、この方法において良好な放熱を実現するのは困難である。この方法は、複数のＬＥＤの代わりに単独のＬＥＤを用いるＬＥＤ電球に実装するのも困難である。
【０００８】
図５は、ＵＳ６，５９８，９９２Ｂ２（Ｗｅｓｔら、２００２年１１月）に記載された、横方向照射ＬＥＤを製造するための方法の概略図である。反射ミラーまたはレンズ１２８は、ＬＥＤ１３０の上に配置され、光は横方向に再配光され、のこ歯部分を通り抜ける。この方法は、より広いビーム角のＬＥＤデバイスを製造することが可能であるが、そのＬＥＤデバイスの真上に暗点を生じさせ、好ましくない付影効果をもたらす。
【０００９】
図６は、ＵＳ２００３／００２１１１３Ａ１（Ｂｅｇｅｍａｎｎ、２００３年１月）において開示されたＬＥＤ電球１４０である。この構成において、下方向に配光される光が上記ヒートシンクによって遮蔽されることを避けるために、上記ＬＥＤは、上記ＬＥＤ電球のねじ込み口金より上の上昇高さにおいて、少なくとも四面を備えた正多面体１４２に取り付けられている。この方法は、単独モジュールＬＥＤ電球には好適ではなく、上記ヒートシンクシャーシに直接取り付けられたＬＥＤを備えた電球と比べて、生産コストが高くなる。このことは、上記提案された構成の上記取り付け構造に関する複雑性の結果である。
【００１０】
ＵＳ７，３２９，０２９Ｂ２（Ｃｈａｖｅｓら、２００５年１０月）は、図７に示されているように、ＬＥＤ１５４からの上記放射光を配光するために、移送部１５０およびイジェクター１５２を使用することを記載している。この構成において、ＬＥＤ１５４は移送部１５０に近接して配置され、イジェクター１５２は、１２０°より高い光角度分布を生成するようにデザインされている。この発明は、改善された光角度分布について記載しているが、使用されている光学デバイスは非常に複雑であり、安価に生産することは困難である。
【００１１】
従って、１２０°を上回る配光を備え、高効率を実現するための良好な放熱を維持するＬＥＤデバイスが技術的に必要である。
【００１２】
本発明の目的は、広ビーム角、良好な放熱特性、広ビーム角を生成する際の最小の光損失を備えたＬＥＤデバイスを提供することである。こうしたＬＥＤデバイスを低コストで大量生産するための方法を提供することも、目的である。従来の白熱照明やＣＦＬ照明に対して競合するために、コストはＬＥＤデバイスにとって主要な問題であるから、このことは重要である。
【発明の概要】
【００１３】
さらに具体的に言うと、本発明は、少なくとも一つの発光ダイオードと、その上に上記少なくとも一つの発光ダイオードが取り付けられる面を備えたヒートシンクシャーシと、上記少なくとも一つの発光ダイオードからの光を受光するための、上記少なくとも一つの発光ダイオードと連結している端部を備えた導波路とを含む、発光ダイオードデバイスを提供する。上記導波路は、光抽出／再配光領域を含む別の端部を有し、上記導波路は、上記少なくとも一つの発光ダイオードからの光を、上記ヒートシンクシャーシから離れて、上記光抽出／再配光領域へと導くために設けられる。上記光抽出／再配光領域は、上記導波路からの上記光を抽出および再配光するために設けられる。
【００１４】
別の特定の様態に基づいて、上記発光ダイオードデバイスは、上記ヒートシンクシャーシの上記面に取り付けられた複数の発光ダイオードと、上記発光ダイオードからの光を受光するための、上記複数の発光ダイオードのうちの少なくとも一つとそれぞれ連結している端部と、光抽出／再配光領域を含む別の端部とをそれぞれ備えた、複数の導波路とを含む。上記複数の導波路のそれぞれは、上記それぞれの少なくとも一つの発光ダイオードから受光した光を、上記ヒートシンクシャーシから離れて、上記光抽出／再配光領域へと導くために設けられる。上記光抽出／再配光領域は、上記導波路からの上記光を抽出および再配光するために設けられる。
【００１５】
上述の関連する目的を達成するために、本発明は、以降で詳述され、特許請求の範囲において個別に指し示されている特徴を備える。以下の記述および添付図面は、本発明を説明するための実施形態を詳細に示す。これらの実施形態は、本発明の原則が適用される様々な方法のうちのいくつかを示すものである。本発明における他の目的、利点、新しい特徴は、図面とともに考察されたとき、本発明の以下の詳細な記述から明らかになる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１Ａ】公知のＬＥＤ電球の極座標図を示す図である。
【図１Ｂ】公知のＣＦＬ電球の極座標図を示す図である。
【図２Ａ】従来のドーム形ＬＥＤ電球を示す概略図である。
【図２Ｂ】従来のドーム形ＬＥＤ電球に対応する極座標図を示す概略図である。
【図３】円盤状の球分布で構成されたＬＥＤを使用する、公知のＬＥＤ電球を示す図である。
【図４】等角に取り付けられたＬＥＤを備えた、公知のＬＥＤ電球を示す図である。
【図５】横方向に光を照射するようデザインされた、別の公知のＬＥＤデバイスを示す図である。
【図６】上昇光源を備えた、公知のＬＥＤ電球を示す図である。
【図７】別の公知の光学デバイスを示す図である。
【図８】本発明に基づくＬＥＤデバイス構成の一般的な概略図である。
【図９Ａ】本発明の実施形態１に記載のＬＥＤデバイスの概略図であり、部分断面図である。
【図９Ｂ】本発明の実施形態１に記載のＬＥＤデバイスの概略図である。
【図９Ｃ】本発明の実施形態１に記載のＬＥＤデバイスの光度分布の例の極座標図である。
【図１０Ａ】本発明の実施形態２に記載のＬＥＤデバイス構成の概略図である。
【図１０Ｂ】本発明の実施形態２に記載のＬＥＤデバイス構成の概略図である。
【図１０Ｃ】本発明の実施形態２に記載のＬＥＤデバイス構成の概略図である。
【図１０Ｄ】本発明の実施形態２に記載のＬＥＤデバイス構成の概略図である。
【図１１】本発明の実施形態３に記載の、部分透過ミラーを使用するＬＥＤデバイス構成の概略図である。
【図１２】本発明の実施形態４に記載の、放熱経路として機能する上記導波路の一部を使用するＬＥＤデバイス構成の概略図である。
【図１３Ａ】本発明に基づくＬＥＤ電球における単独ＬＥＤ構成を示す平面図である。
【図１３Ｂ】本発明に基づくＬＥＤ電球における複数ＬＥＤ構成を示す平面図である。
【図１４Ａ】本発明の実施形態５に記載の、複数の導波路を使用するＬＥＤデバイス構成の概略図である。
【図１４Ｂ】本発明の実施形態５に記載の、複数の導波路を使用するＬＥＤデバイス構成の概略図である。
【図１５】本発明の実施形態６に記載の、リモート蛍光体を使用するＬＥＤデバイス構成の概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
本発明は、低損失、広ビーム角、良好な放熱特性を備えたＬＥＤデバイスを提供する。さらに、本発明は、安価な大量生産の方法を提供する。上記ＬＥＤデバイスは、導波路、および、上記導波路の頂点に位置する上記金属製ヒートシンクシャーシからの上昇高さにおいて配置される光抽出／再配光領域を含む。上記ＬＥＤデバイスは、この場合、透明なガラスケーシングを使用することが好ましい。
【００１８】
本発明は、広ビーム角、良好な放熱特性、低光学損失を備えたＬＥＤ電球のようなＬＥＤデバイス、および、こうしたＬＥＤデバイスの安価な大量生産の方法を提供する。本発明は、実施形態の記載を通じて詳細に説明され、同じ参照番号は、同じ部材を一貫して参照するために使用される。
【００１９】
本発明に基づいて、広ビーム角ＬＥＤデバイスは、上記従来のヒートシンク構造を使用して実現されてもよい。図８に示されているように、導波路５が、一つ以上のＬＥＤ１が取り付けられている上記他の従来の金属製ヒートシンクシャーシ２より上部に位置する光抽出／再配光領域７へ、光源の点を上昇させるように、ＬＥＤ電球は提供される。ＬＥＤ１の導波路５への連結は、導波路５の内側の上記ＬＥＤチップ、または導波路５の外側に取り付けられた上記ＬＥＤチップのいずれかを含むことによって実現されてよい。両方の場合において、当業者であれば理解されるように、上記ＬＥＤチップと導波路５の間において、屈折率が整合している材料が使用されることが好ましい。
【００２０】
光源上昇の高さは、方程式１で表される。
【００２１】
ｔａｎθ＝ａ／ｂ                                                        （１）
ここで、ａは、光源７の中点が上昇する位置を示す、導波路５の長さである。ｂは、金属製ヒートシンクシャーシ２のエッジ間距離であり、ここで上記ＬＥＤチップが導波路５に取り付けられる。ｄは、導波路５の長さである。上記光源の上昇点が、長さｃの再配光領域７から成る場合、ａは和ａ＝ｄ＋（ｃ／２）に等しくなる。θは、金属製ヒートシンクシャーシ２の平面によって定義されるｘ平面を超えて、下方向に照射される光の角度である。
【００２２】
例として、２７０°までの角度に対して、均一な光度分布が必要とされる場合、上記ｘ平面を超えて下方向に照射される光は、両側で少なくとも４５°であることが求められる。この場合、ｔａｎ４５°＝１であり、従って、方程式１における比ａ／ｂは、１に等しい必要がある。これにより、光が等方的に配光されることが可能となり、下方向へ向かう光は、上記ヒートシンクシャーシによって遮蔽されず、より広いビーム角を本質的に生成する。
【００２３】
ＬＥＤ１は、特に高出力ＬＥＤデバイスにおいて、良好な放熱を維持するために、金属製ヒートシンクシャーシ２に直接取り付けられてよい。ＬＥＤ１をヒートシンクシャーシ２に取り付けるための公知の方法が使用されてもよく、この公知の方法は、簡潔化のためにここでは詳述されない。
【００２４】
従って、上述の方法は、図２Ａの上記公知の構成のような、上記従来の散乱性コーティングのドームケーシングを必要とせずに、より広い角度分布を備えた広ビーム角ＬＥＤデバイスを可能とする。
【００２５】
［実施形態１］
本発明に基づくＬＥＤデバイスの第一の個別の実施形態は、図９Ａに示されている。上記ＬＥＤデバイスは、一つ以上のＬＥＤ１と、金属製ヒートシンクシャーシ２と、導波路５の頂点に作成されたポケット領域６を備えた導波路５と、光抽出／再配光領域７とを含む。下方向に照射される光が、金属製ヒートシンクシャーシ２に遮蔽されるのを解決するため、導波路ユニット５は、上記光源の点を、ＬＥＤ１から光抽出／再配光領域７まで上昇させる役割を担う。導波路５は、最少の光吸収を伴う任意の公知の光導体材料で作られてよく、この例では、透明な研磨されたアクリルが使用されている。ここで記載されている典型的な実施例では、市販の照明器具等に含まれるタイプの従来のねじ型ソケットに上記電球を取り付けるために、上記ＬＥＤデバイスは、従来のねじ型マウント２５を含むＬＥＤ電球である。しかし、上記ＬＥＤデバイスは、特殊用途または汎用の照明に用いられる様々な他のタイプの電球のうちのいずれのものであってもよく、対応するソケット等に取り付けるための様々な公知のタイプのマウントのいずれを含んでもよいことがわかる。電力は、上記対応するソケット等から受電され、上記ＬＥＤデバイスのマウント２５を介して、適切な回路構成による従来技術を用いて、一つ以上のＬＥＤ１に供給されることもわかる。
【００２６】
導波路５およびポケット領域６の詳細な構成は、図９Ｂに示されている。上記光源の点は導波路５によって上昇し、導波路５の頂点は、ポケット領域６を形成するために、その内側が中空に作られている。図９Ａに示されているように、実施形態１における光抽出／再配光領域７を作るために、１０〜４００マイクロメートル（μｍ）の様々なサイズの微細なガラスビーズが樹脂に埋め込まれ、ポケット領域６の内部に含まれている。ここで用いられている例では、２７０°までの均一な光度を備えたＬＥＤデバイスを作成するために、パラメータａおよびｂは、それぞれ３センチメートル（ｃｍ）に等しい。
【００２７】
ここで記載されているこうした構成方法は、安価であり、広ビーム角を備えたＬＥＤ電球において再配光領域７を作成するための簡潔な方法を提供する。上記ＬＥＤデバイスは、保護のために透明なガラスケーシング８を備えることによって完成される。
【００２８】
図９Ｃは、実施形態１における上記ＬＥＤデバイスの極座標図を示す。上記ビーム角は、図１ＡのＬＥＤチップの１２０°から、図９Ｃの２９０°まで増大されている。光抽出／再配光領域７という形で上記光源は上昇するので、図９Ｃの極座標図は、図２Ｂの散乱性ドームを備えた従来のＬＥＤ電球の極座標図に比べて、図１Ｂの対応するＣＦＬ電球の極座標図に似ている。導波路５、および、光抽出／再配光領域７を有しない同様のＬＥＤデバイスの６０ｌｍ／Ｗに比べて、この例における上記ＬＥＤデバイスの性能は、５４．４ｌｍ／Ｗ（ｌｕｍｅｎ／Ｗａｔｔ）である。これは、９０％を超える効率をもたらす。これは光学損失１０％未満に相当する。さらに、ＬＥＤ１が、８６°および２８００°ケルビン（°Ｋ）にそれぞれ等しい演色評価数（ＣＲＩ）および色温度（ＣＣＴ）を備えた白色ＬＥＤであったとき、本発明に基づく上記ＬＥＤデバイスは、これらの特性に影響を及ぼさない。
【００２９】
［実施形態２］
この実施形態に基づいて、図８における一般的な構造は、図１０Ａに示される構造へと変更されてもよい。この構造に対して、アクリルの導波路５は、上記光源の点を上昇させるのに同様に用いられる。しかし、この実施形態において、上記光抽出／再配光領域は、導波路５の頂点領域に形成された穴１０で構成されている（図１０Ａの挿入画に、例が示されている）。穴１０は、上記光を全ての方向に反射および屈折させる。実際に、上記導波路の材料と空気との間の屈折率の差は十分大きく、光が導波路５と空気との間の境界面に当たるとき、光は反射される。当業者であれば理解されるように、穴１０が導波路５内に配置される方法は、様々なタイプの角度光分布パターンを実現するように調整されてよい。導波路５全体、および穴１０で構成される再配光領域は、特にプラスチック射出成形法を使用すれば、製造が容易であるため、この方法は有益である。上記穴を用いる方法は、実施形態１で記述された上記方法に比べて、光損失が少ないという利益をも享受し、従ってシステム効率を向上させる。
【００３０】
この実施形態は、再配光のために、導波路５の頂点に穴１０を形成することに限定されない。上記再配光領域は、図１０Ｂに示されているように、導波路５の頂点におけるプリズム状の構造１０’によって代わりに構成されてもよい。ｙ軸と対向する各プリズム構造１０’の角度は、９０度が望ましいが、それより大きくても小さくてもよい。ＬＥＤ１由来の導波路５内から来る光は、損失なしで全反射されるさらに多くの機会を有し、所望の出力角度分布を備えて、導波路５の外面を通過する。上記プリズムの角度は、上記導波路の材料の屈折率ｎによって決定される。例として、屈折率１．５を備えたガラスプリズムの場合、全反射が起こる臨界角は、４１．３°である。図１０Ｃにおいて、およそ４１．３°〜４８°の角度θ１でのプリズムへの入射光は、全反射（ＴＩＲ）され、これにより、下方向に配光される光の量は増加し、ビーム角が増加する。角度４１．３°を下回る入射光は、上記プリズムから外部へと屈折し、矢印Ａ１で示される。角度４８°を上回る入射光は、角度θ１で全反射されるが、角度θ２で全反射されず（θ２＝９０°−θ１であり、４１．３°より小さいθ２の値は全反射されないため）、上記プリズムから外部へ屈折する光をもたらし、横方向に照射される光を増加させる（矢印Ａ２で示される）。上記プリズムのエッジは、必ずしも直線である必要はなく、異なる強度分布パターンを実現するために、曲線状としてもよい（図１０Ｄ）。ＬＥＤデバイスの上記光分布の等方性は、この構成を使用することによって、増加する。
【００３１】
［実施形態３］
本発明の実施形態３に基づいて、図８の構造は、図１１に示されるように変更されてよい。この構造に対して、アクリルの導波路５は、上記光源の点を上記再配光領域に上昇させるために、同様に使用される。この場合、上記配光領域は、部分透過ミラー１１で構成される。部分透過ミラー１１は、導波路５の頂点において形成され、これにより、上記光の所定の割合または部分を透過させ、部分透過ミラー１１に向けられた光の所定の割合または部分を、反射／屈折させることで、部分透過ミラー１１は、様々な方向に光を再配光する。この場合、部分透過ミラー１１は一部の光を下方向および横方向に、反射および屈折するが、一部の光を上方向に配光することも可能である。
【００３２】
部分透過ミラー１１は、導波路５の上面に設けられた薄い金属層で構成されてもよく、損失／吸収を低減するために、異なる屈折率を備えた材料で構成されることがより好ましい。図１１に示されているように、部分透過ミラー１１は、所望の角度分布を提供するために調整された、湾曲部または他の水平でない面を備えてもよい。
【００３３】
［実施形態４］
実施形態４に基づいて、図８の構造は、図１２に示されている構造に変更される。この構造に対して、上記光源の点を上昇させるために用いられている導波路５は、二つの部分、すなわち下部１２と上部１３に分割されている。上部１３はさらに、透明な研磨されたアクリルのような、最少の光吸収を伴う任意の公知の光導体材料で作られる。下部１２は、窒化アルミニウムのような、高い熱伝導率を備えた光学的に透明な材料で作られる。下部１２の熱伝導率は上部１３の熱伝導率よりも十分に高いという意味で、下部１２の熱伝導率は高いといえる（例：アクリルの熱伝導率と比較しての窒化アルミニウムの熱伝導率）。下部１２は、数百ナノメートルから数百ミクロンの厚みで作成されてよい。ＬＥＤ１は、モジュールにおいて、ｐ側上部またはｐ側下部で取り付けられてよい（一つ以上のＬＥＤチップで表される）。ｐ側上部取り付けＬＥＤ１は生産がより容易であるが、大部分の熱が抵抗性のｐ領域で発生し、熱は、厚いチップ基板を経由して放出される必要があるため、放熱特性はより悪くなる。窒化ガリウムＬＥＤ１の場合、上記基板の材料は一般的にはサファイアであり、熱特性は悪い。ｐ側下部ＬＥＤ１は、上記抵抗性のｐ層が金属製ヒートシンクシャーシ２と直接接触するため、ジャンクション温度はより低くなるが、生産はより困難である。ＬＥＤの性能は、その動作温度と強く関係する。一般的に、ＬＥＤの全ルーメン出力は、２５℃と１００℃の間で約２０％低下し、ＬＥＤは、通常、８０℃から１１０℃の間のジャンクション温度で動作する。
【００３４】
ｐ側上部取り付けＬＥＤ１の場合、大部分の熱は青色ＬＥＤ１の抵抗性のｐ型ＧａＮ層で発生するため、下部１２はＬＥＤ１の上記ｐ型領域と接触するよう作成される。従って、下部１２を経由してＬＥＤ１の上部からの熱を、金属製ヒートシンクシャーシ２を経由してＬＥＤ１の下部からの熱を、同時に取り出すことで、放熱が実現される。下部１２を経由して取り出された上記熱は、下部１２の周辺に連結されている熱伝導カラー１４に放出される。次に、カラー１４は、上記熱を金属製ヒートシンクシャーシ２へ放出する。カラー１４は、銅やセラミックのような、熱伝導率の高い材料で作成される。この構造における下部１２およびカラー１４からの付加的な放熱領域によって、金属製ヒートシンクシャーシ２は、ＬＥＤ電球デバイスに対して、より小さく作成されることが可能となる。ＬＥＤ電球デバイスにおいて金属シャーシ２が大型であると、製品デザインの魅力を減じさせるため、このことは好ましい。図１２における破線１５および点線１６は、結果として金属シャーシ２およびガラスケーシング８のサイズが低減される度合いを、それぞれ示す。実施形態４は、小型の製品サイズを実現するために特に有益であり、良好な放熱特性を維持しつつ、製品デザインを向上させる。
【００３５】
この実施形態の別の様態において、下部１２は光学的に透明な液体を封入している。上記ＬＥＤデバイスによって発生した熱は、上記液体を経由して対流によって放出される。
【００３６】
この実施形態における光抽出／再配光領域７は、ここで記載されたもののいずれであってもよい。
【００３７】
ここで記載されている任意の実施形態に基づいて、ＬＥＤ１の上にある導波路５の構造は、ＬＥＤモジュールの自然の保護層としても機能しうる。ＬＥＤモジュール（ＬＥＤ１を形成する一つ以上のＬＥＤチップで構成されている）において、湿気のような周囲環境からの保護の目的で、ＬＥＤチップを封入するために、エポキシ樹脂がこれまで使用されている。しかし、上記エポキシは、日光からの紫外線放射のような、長期に渡る紫外光への露光によって劣化しうる。これは、エポキシの着色または「黄変」をもたらし、ＬＥＤの性能を低下させる。ここで記載されているように、導波路５を用いて上記ＬＥＤモジュールを密閉することにより、ＬＥＤ１は導波路５に封入され、このようにして上記エポキシ劣化の問題を緩和する。こうした実施形態において、導波路５として使用される典型的な材料は、ＬＥＤ１の紫外（ＵＶ）光への露光を遮断／低減するポリメタクリル酸メチル樹脂（ＰＭＭＡ）である。
【００３８】
［実施形態５］
実施形態５に基づいて、複数のＬＥＤモジュール１が上記ＬＥＤデバイスに使用される場合、図８の構造は、図１４Ａに示される構造に変更されてよい。これまでの実施形態における記載は、“ＬＥＤ”と称される単独のＬＥＤモジュール１８に主眼が置かれており、上記ＬＥＤ構成の平面図は、図１３Ａにおいて示されている。単独のＬＥＤモジュール１８は、金属製ヒートシンクシャーシ２の上に配置されている。単独のＬＥＤモジュール１８は、複数のＬＥＤチップ１９を含んでもよい。しかし、例えば、単独モジュールＬＥＤ１８におけるＬＥＤチップの熱的接近によってもたらされる熱的な効果を低減するための、代替構成を使用することが望ましいことがある。図１３Ｂは、ＬＥＤが円状に配置されている、電球内における複数のＬＥＤを構成するための代替手段を示す。上記熱的近傍効果は、この方法で低減される。図１４Ａは、複数のＬＥＤまたはＬＥＤモジュール構成に適応するために、本発明がいかに変更されうるかを示す側面図である。図１４Ａにおいて、複数の導波路５が提供されている。導波路は、各ＬＥＤまたはＬＥＤモジュール１８の頂点に取り付けられており、各導波路５は、頂点２２において、それぞれの光抽出／再配光領域を備える。頂点２２における上記光抽出／再配光領域は、例えば、上述の任意の実施形態に基づいて作成されてもよい。例えば、各導波路５の頂点２２における上記光抽出／再配光領域は、微細なガラスビーズで満たされたポケット領域６、穴１０、部分透過ミラー１１などを含んでよい。
【００３９】
図１４Ｂにおいて、単独または共通の光抽出／再配光領域２３が、複数の導波路５の頂点において使用されている。この方法により、異なる温度または色特性を備えたＬＥＤ間で、光混合を起こすことが可能となる。例えば、暖色白色温度のＬＥＤモジュール２４と、寒色白色温度のＬＥＤモジュール２５とが、上記ＬＥＤデバイスにおいて使用されている。これらのＬＥＤからの光は、それぞれの導波路５によって導かれ、光抽出／再配光領域２３において混合される。これにより、様々な色温度のＬＥＤデバイスが設けられることが可能となる。この考え方は、ＲＧＢのＬＥＤに対しても、同様に用いられる。各ＬＥＤは異なる発光波長を有し、図１４Ｂにおいて示されるように、導波路に連結される。色混合は、領域２３において行われる。光抽出／再配光領域２３は、例えば、その他の実施形態に関係する上述の任意の技術を用いて作成されてよい。
【００４０】
従って、この実施形態は、色混合特性、広ビーム角、低損失、良好な放熱を備えたＬＥＤデバイスを作成するために使用されてよい。
【００４１】
［実施形態６］
実施形態６に基づいて、リモート蛍光体ＬＥＤデバイスは、例えば、図９の構造で構成されてもよい。ある例において、ＬＥＤ１からの光放出スペクトルを異なる光スペクトルに変換するために、ＬＥＤは蛍光体で覆われている。これは、蛍光体によるＬＥＤ１の光散乱の原因であり、これにより光吸収が増加し、従って上記ＬＥＤ効率は低減される。蛍光体を導波路５の頂点において離して（ｒｅｍｏｔｅｌｙ）配置することで、上記ＬＥＤ内の散乱は低減され、これにより効率は向上する。図１５において、例えば、上記蛍光体は、光抽出／再配光領域７の中に組み込まれている。上記蛍光体材料は、様々な蛍光体またはナノ蛍光体のうちの任意のものから構成されてよく、ここで記載されている任意の実施形態において、利用されてよい。
【００４２】
本発明の一様態は、上記光源の点を、上記金属製ヒートシンクシャーシから離れて、表面実装ＬＥＤより上の位置に上昇させるためのものである。これにより、光が等方的に配光されることが可能となり、下方向に向かう光は上記ヒートシンクシャーシに遮蔽されず、本質的により広いビーム角を生成する。
【００４３】
本発明の一様態において、上記導波路の頂点領域における小型ポケットが作成され、樹脂に埋め込まれたガラス粒子／ビーズは、上記ポケットが光抽出／再配光領域として機能するように、上記ポケット内に配置される。
【００４４】
本発明の別の様態において、上記光抽出／再配光領域は、等方性の光抽出／再配光領域を生成するために、上記導波路の上記頂点領域に穴を形成することで作成されてもよい。上記導波路の頂点に形成された穴は、光を全方向に再配光し、従って、広ビーム角デバイスを生成する。この方法は、従来の散乱性コーティング法に比べて、製造の容易さおよびさらなる低吸収という利益をも享受する。
【００４５】
本発明の別の様態に基づいて、光抽出／再配光領域は、上記導波路の頂点に配置または形成された部分ミラーを用いて作成されてもよい。この場合、上記部分ミラーは、一部の光を下方向および横方向に、反射および屈折するが、一部の光を上方向に配光することも可能である。
【００４６】
本発明の特定の様態に基づいて、上記導波路は二つの部分に分割される。上記下部は、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）のような高い熱伝導率を有し光学的に透明な材料、または上記ＬＥＤの上側および下側の両方からの放熱を可能とするその他の好適な材料によって作成される。上記付加的に作成された放熱経路は、上記ヒートシンクシャーシのサイズ低減を可能とし、上記ＬＥＤデバイスのサイズを低減させ、そのデザインを向上させる。
【００４７】
本発明の別の様態に基づいて、上記導波路の上記底部は、二つの部分に分割される。上記下部は、透明な液体を封入している。この場合、上記ＬＥＤの上側及び下側の両方で、放熱が実現される。上記上側において、透明な液体の対流は、放熱特性の向上に寄与する。
【００４８】
本発明のさらに別の様態に関して、上記導波路は、上記ＬＥＤの紫外（ＵＶ）光への露光を遮断／低減する材料（すなわちＰＭＭＡ）によって作成されてよい。これは、ＬＥＤチップにおけるエポキシ樹脂のような封入材料を紫外光から保護し、上記樹脂の「黄変」を低減する。
【００４９】
本発明の別の様態に基づいて、一つ以上のＬＥＤをそれぞれ含んだ、複数のモジュールＬＥＤが、ＬＥＤデバイスにおいて使用される場合、上記デバイスは、広ビーム角ＬＥＤデバイスを生成するために、複数の導波路および複数の再配光領域を用いて構成されてよい。
【００５０】
本発明のさらに別の様態において、様々な色温度のデバイスを製作するために、ＬＥＤデバイスは、寒色および暖色の両方の色温度のＬＥＤモジュールを含む。続いて、上記デバイスは、広ビーム角ＬＥＤデバイスを製作するために、上記導波路の頂点において単独のディフューザーに向かう、複数の導波路で構成される。同様に、この考え方は、赤、緑、青、およびその他の発光波長の組み合わせのような、様々な発光波長のＬＥＤを備えたＬＥＤデバイスにも適用可能である。この考え方に従って、複数の導波路は使用され、上記再配光領域に向かう光は、その再配光領域の頂点において混合される。
【００５１】
本発明の別の様態において、上記ＬＥＤデバイスは、上記導波路の頂点の上記再配光領域において、蛍光体またはナノ蛍光体を離して配置することで構成される。以降、この構成は、リモート蛍光体と呼ばれる。
【００５２】
本発明の別の特定の様態に基づいて、上記光抽出／再配光領域は、上記ヒートシンクシャーシに遮蔽されることなく、上記ヒートシンクシャーシの方向に少なくとも一部の光を再配光するために設けられる。
【００５３】
本発明のさらに別の特定の様態において、上記光抽出／再配光領域は、上記導波路の頂点部分に、ポケット内に配置されたガラスビーズを備えたポケット領域を含む。
【００５４】
本発明の別の特定の様態に基づいて、上記ガラスビーズは、上記ポケット領域内で、樹脂に埋め込まれる。
【００５５】
本発明のさらに別の特定の様態に基づいて、上記光抽出／再配光領域は、上記導波路内に形成された穴を含む。
【００５６】
本発明の別の特定の様態に基づいて、上記光抽出／再配光領域は、上記導波路内に形成されたプリズム状の構造を含む。
【００５７】
本発明のさらに別の特定の様態に基づいて、上記光抽出／再配光領域は、部分透過ミラーを含む。
【００５８】
本発明の別の特定の様態に基づいて、上記部分透過ミラーは、一部の光を透過させ、別の一部の光を反射させることで、上記光を様々な方向に再配光するために設けられる。
【００５９】
本発明のさらに別の特定の様態において、上記導波路は、少なくとも一つの発光ダイオードと近接している下部、および上記光抽出／再配光領域と近接している上部を含む。上記下部は、上記上部よりも高い熱伝導率を備える。上記発光ダイオードデバイスは、上記下部で取り出される上記少なくとも一つの発光ダイオードからの熱を、上記ヒートシンクシャーシへ放出するために設けられた、熱伝導カラーをさらに含む。
【００６０】
本発明の別の特定の様態に基づいて、上記下部は、窒化アルミニウムを含む。
【００６１】
本発明のさらに別の特定の様態において、上記下部は、光学的に透明な液体を封入している。上記少なくとも一つの発光ダイオードからの熱は、この液体を経由して対流によって取り出される。
【００６２】
本発明のさらに別の特定の様態に基づいて、上記導波路は、上記少なくとも一つの発光ダイオードの紫外（ＵＶ）光への露光を遮断または低減する材料を含む。
【００６３】
本発明のさらに別の特定の様態に関して、上記材料はポリメタクリル酸メチル樹脂（ＰＭＭＡ）を含む。
【００６４】
本発明の別の特定の様態に基づいて、上記複数の導波路のそれぞれの上記光抽出／再配光領域は、共通の光抽出／再配光領域を形成するために連結している。
【００６５】
本発明のさらに別の特定の様態に基づいて、上記複数の発光ダイオードは、異なる温度または色特性を備える。
【００６６】
本発明の別の特定の様態に基づいて、上記光抽出／再配光領域は、蛍光体またはナノ蛍光体を含む。
【００６７】
本発明は、好適な実施形態に関して図示および記載されているが、当業者であれば、本明細書を読み、理解することにより、同等物および修正物を発想することは明白である。本発明は、そうした同等物および修正物の全てを含み、以下の特許請求の範囲によってのみ制限される。
【産業上の利用可能性】
【００６８】
本発明は、広ビーム角、良好な放熱特性、広ビーム角を生成する際の最小の光損失を備えたＬＥＤデバイスを提供する。本発明は、ＬＥＤデバイスが従来の白熱照明やＣＦＬ照明に対して競合することを可能とする低コスト大量生産のための方法をさらに提供する。
【図１Ａ】
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【図１Ｂ】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９Ａ】
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【図９Ｂ】
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【図９Ｃ】
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【図１０Ｂ】
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【図１０Ｃ】
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【図１０Ｄ】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３Ａ】
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【図１３Ｂ】
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【図１４Ａ】
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【図１４Ｂ】
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【図１５】
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【図１０Ａ】
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