(57)【要約】【課題】  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明るく照明することができる面状照明装置を提供する。【解決手段】  一面に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が空気層が介在しないように設けられている。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
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なる照明装置。
【請求項２】
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なる請求項１記載の面状照明装置。
【請求項３】
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放熱手段が設けられてなる請求項１または２記載の面状照明装置。
【請求項４】
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°である請求項１、２または３記載の面状照明装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
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。
【背景技術】
【０００２】
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）。
【特許文献１】特開平１０−０８３７０１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
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。
【０００４】
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。
【０００５】
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。
【０００６】
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。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
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。
【０００８】
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。
【０００９】
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。
【００１０】
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。
【００１１】
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。
【発明の効果】
【００１２】
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。
【００１３】
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。
【００１４】
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。
【００１５】
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。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
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。
【００１７】
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。
【００１８】
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。
【００１９】
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。
【００２０】
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。
【００２１】
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。
【００２２】
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。
【００２３】
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。
【００２４】
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。
【００２５】
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。
【００２６】
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。
【００２７】
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。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】本発明による照明装置の一実施形態の説明図である。
【図２】図１の例で用いられる発光素子の断面説明図と指向性の説明図である。
【図３】従来の発光素子を用いた電灯型照明装置の例を示す図である。
【符号の説明】
【００２９】
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
【図１】
2006107850.tif 000003
【図２】
2006107850.tif 000004
【図３】
2006107850.tif 000005