(57)【要約】  複数の発光ダイオード３を有する、光出力面２をもつ光源と、ベース４と、前記光源をカバーするエンベロープ５であって前記ベース及び前記エンベロープを介して延在する仮想軸を横切る方向に最大直径２×Ｒをもち前記仮想軸の周りで対称性をもつ前記エンベロープ５と、前記光出力面からの光の経路中に設けられる光散乱材料６とを有し、前記光出力面は、前記エンベロープが前記仮想軸を横切る方向に直径Ｄをもつ位置にあり、前記仮想軸からの距離ｒの範囲内に配置され、ｒは、Ｄ／４に等しいか又はこれよりも小さい、発光デバイスが提供される。本発光デバイスは、光源からの全光束に対して、前方方向の光束に関して高い効率を提供する。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の発光ダイオードを有する、光出力面をもつ光源と、
ベースと、
前記光源をカバーするエンベロープであって前記ベース及び前記エンベロープを介して延在する仮想軸を横切る方向に最大直径２×Ｒをもち前記仮想軸の周りで対称性をもつ前記エンベロープと、
前記光出力面からの光の経路中に設けられる光散乱材料とを有し、
前記光出力面は、前記エンベロープが前記仮想軸を横切る方向に直径Ｄをもつ位置にあり、前記仮想軸からの距離ｒ（ｒ≦Ｄ／４）の範囲内に配置される、発光デバイス。
【請求項２】
Ｄ≦２×Ｒである、請求項１に記載の発光デバイス。
【請求項３】
Ｄは、Ｒ／１０〜２×Ｒの範囲内にある、請求項１又は請求項２に記載の発光デバイス。
【請求項４】
前記光出力面は、前記エンベロープの遠位端よりも前記ベースの近くに配置される、請求項１〜３のうちいずれか一項に記載の発光デバイス。
【請求項５】
点Ｏが、前記エンベロープがその最大直径をもつ位置の前記仮想軸上に配置され、
前記光出力面は、点Ｏと前記ベースとの間において、前記仮想軸に沿って点Ｏから距離ｄに配置され、
ｄは、Ｒ／２〜４×Ｒの範囲内にある、請求項１〜４のうちいずれか一項に記載の発光デバイス。
【請求項６】
ｄは、Ｒ／２〜２×Ｒの範囲内にある、請求項５に記載の発光デバイス。
【請求項７】
ｄは、Ｒ／２〜３×Ｒ／２の範囲内にある、請求項５に記載の発光デバイス。
【請求項８】
前記複数の発光ダイオードは青色光を放射する、請求項１〜７のうちいずれか一項に記載の発光デバイス。
【請求項９】
前記光散乱材料は波長変換材料である、請求項１〜８のうちいずれか一項に記載の発光デバイス。
【請求項１０】
前記光散乱材料は、前記エンベロープに一体化される、請求項１〜９のうちいずれか一項に記載の発光デバイス。
【請求項１１】
前記光散乱材料は、前記エンベロープの表面上に設けられる、請求項１〜１０のうちいずれか一項に記載の発光デバイス。
【請求項１２】
前記エンベロープの前記表面は、前記光源と向かい合う、請求項１１に記載の発光デバイス。
【請求項１３】
前記エンベロープに向かって光を指向するように設けられた反射材料を更に有する、請求項１〜１２のうちいずれか一項に記載の発光デバイス。
【請求項１４】
前記反射材料は前記ベース上に設けられる、請求項１３に記載の発光デバイス。
【請求項１５】
前記光源は反射層を有する、請求項１３又は請求項１４に記載の発光デバイス。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、複数の発光ダイオードを有する、光出力面をもつ光源と、ベースと、前記光源をカバーするエンベロープと、前記光出力面からの光の経路中に設けられた光散乱材料とを有する発光デバイスに関する。
【背景技術】
【０００２】
現在、環境問題の理由のための白熱ランプの交換が省エネ型の蛍光ランプにより行われている。斯様な蛍光ランプは、約６倍よりも大きいワット当たりの光を抽出し、白熱ランプよりも１０倍長い、最大で１０，０００時間の寿命をもつ。また、近年、様々な半導体ソリューション、特に発光ダイオード（ＬＥＤ）により代替手段が実現されている。ＬＥＤランプは、白熱ランプよりも９０％も低く、省エネ型の蛍光ランプよりも５０％も低いエネルギだけを必要とし、最大で５０，０００時間まで点灯することができる。蛍光ランプに対するＬＥＤランプの他の利点は、オンにしている間において調光可能であること、及び、水銀が存在しないので一般廃棄物として処分され得る環境に優しい部品を使用することである。
【０００３】
国際公開第２００４／１００２１３号は、標準的な白熱電球の形状を有するエンクロージャ及び光エンジンを有するＬＥＤをベースにした光源を開示している。ＬＥＤにより放射された光は、エンクロージャの内側に被覆され得るか又はエンクロージャ内に含まれ得る波長変換材料により変換される。しかしながら、この光源の欠点は、光束のかなりの部分が、これが吸収されるランプベースに向かって指向され、低い適用効率をもたらすことである。追加的に、高い輝度値が得られ、これは不快なほどまぶしいレベルをもたらす。
【０００４】
それ故、従来の白熱ランプを交換するための改良された省エネ型ランプの必要性が当該技術分野において存在する。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明の目的は、白熱ランプを交換するための既知のＬＥＤをベースにした光源の前述した問題を少なくとも部分的に克服することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、複数の発光ダイオードを有する、光出力面をもつ光源と、ベースと、前記光源をカバーするエンベロープであって前記ベース及び前記エンベロープを介して延在する仮想軸を横切る方向に最大直径２×Ｒをもち前記仮想軸の周りで対称性をもつ前記エンベロープと、前記光出力面からの光の経路中に設けられる光散乱材料とを有し、前記光出力面は、前記エンベロープが前記仮想軸を横切る方向に直径Ｄをもつ位置にあり、前記仮想軸からの距離ｒの範囲内に配置され、ｒは、Ｄ／４に等しいか又はこれよりも小さい（ｒ≦Ｄ／４）、発光デバイスに関する。
【０００７】
中心軸からの前述した距離の範囲内に光出力面を配置することにより、光源からの全光束に対して、（適用領域とも呼ばれる、照射されるべき領域に向かう）前方方向の光束に関して高効率が得られる。更に、光出力面からの光の経路中に散乱材料を設けることにより、ＬＥＤの初期の極めて高い輝度が、散乱材料により適度な輝度に変換され得る。
【０００８】
エンベロープが、典型的にはそのベースに向かって延在する小さな長尺部分を有する従来の準球状の電球と同様の形状をもつときには、発光デバイスは、特に有益な光分布を生成する。それ故、本発明の実施形態において、Ｄは、Ｒ／１０〜２×Ｒの範囲内のような、２×Ｒに等しいか又はこれよりも小さい。
【０００９】
本発明の実施形態において、光源の光出力面は、エンベロープの遠位端よりも前記ベースの近くに配置される。前述されたように軸の近くでありランプベースにも近くに光出力面を配置することにより、エンベロープの均一な照射が、最大輝度を制限しながら得られ、それ故、不快なまぶしさを妨げる。好ましくは、光出力面は、エンベロープがその最大直径をもつ位置の仮想軸上に配置された点Ｏと前記ベースとの間において、仮想軸に沿って点Ｏから距離ｄに配置され、ｄは、Ｒ／２〜２×Ｒ又はＲ／２〜３×Ｒ／２の範囲内のような、Ｒ／２〜４×Ｒの範囲内にある。
【００１０】
本発明の実施形態において、複数の発光ダイオードは青色光を放射する。
【００１１】
更に、光散乱材料は波長変換材料である。発光デバイスにおける波長変換材料の使用は、所望のスペクトル分布をもつ光の効率的な生成を可能にする。例えば、適切な波長変換材料と組み合わせて青色光を放射する光源を用いることにより、白色光が得られる。光散乱材料は、エンベロープに一体化され、及び／又は、エンベロープの表面上に設けられ得る。光源から離れて光散乱材料を設けることにより、ＬＥＤの劣化が低減され得る。それ故、光源と光散乱材料との間の距離は、好ましくは、最大化又はほぼ最大化される。光散乱材料は、エンベロープの外側に配置されたときよりもエンベロープの内側に配置されたときに外部の損傷から概ね良好に保護されるので、エンベロープの表面は、好ましくは、光源と向かい合う。
【００１２】
更に、発光デバイスは、エンベロープに向かって光を指向するように設けられた反射材料を有し得る。例えば、反射材料がベース上に設けられてもよく、及び／又は、光源が反射層を有してもよい。反射材料は、光源により放射された光を、波長変換材料に向かって、光出力方向に、及び／又は、エンベロープに向かって、指向することにより発光デバイスの効力及び効率を更に向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の一実施形態の発光デバイスの概略図である。
【図２】本発明の一実施形態の発光デバイスの輝度分布、強度分布及びエネルギ束を概略的に示す。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
本発明の好ましい実施形態は、添付図面を参照して説明されるだろう。
【００１５】
図１は、光出力面２をもつ光源を有する発光デバイス１を示している。光源は、複数の発光ダイオード（ＬＥＤ）３を有する。本発明によれば、光源は少なくとも２つのＬＥＤを有する。光源は、任意の従来のＬＥＤ、例えば青色ＬＥＤ（例えば、青色ＩｎＧａＮ  ＬＥＤ）を有し得る。光源は、１００から約５，０００ルーメンまでの範囲内の光出力を供給するように適合され得る。
【００１６】
光出力面２は、複数のＬＥＤの光出力面である。本発明の光出力面は、一体面であってもよく、又は、個々の光出力面の組み合わせにより構成されてもよい。例えば、光出力面２は、個々のＬＥＤの組み合わせられた光出力面であってもよい。光出力面２は、複数のＬＥＤからの光を導く光ガイドの光出力面、又は、複数のＬＥＤからの光を導く複数の光ガイドの組み合わせられた光出力面であってもよい。典型的には、複数の発光ダイオードからの光は、光出力面を介して出力される。
【００１７】
発光デバイス１はベース４を更に有する。ベース４は、ねじ込み式標準口金（Edison screw standard cap）を具備する円柱部分である。標準口金の例は、Ｅ１０，Ｅ１２，Ｅ１４，Ｅ２６及びＥ２７を有する。標準口金の他の例は、差し込み口金である。
【００１８】
更に、エンベロープ５は、光源をカバーする。エンベロープ５は、湾曲され、例えば、球状又は準球状の部分とベースに向かって延在する長尺で円柱状の部分とを有する、従来の電球の形状をもち得る。しかしながら、従来の丸い電球よりも長尺で先のとがった形状をもつエンベロープも可能であり、本質的に円柱状に形成されたエンベロープも同様である。エンベロープは、任意の適切な材料、例えばポリマ材料から作られる。
【００１９】
エンベロープは、ベース４及びエンベロープ５を介して延在する仮想軸を横切る方向に規定された最大直径２×Ｒをもつ。エンベロープ５は、仮想軸の周りで本質的に対称性をもつ。球状のエンベロープの場合において、Ｒは、その半径に対応する。
【００２０】
光源は、エンベロープ５が仮想軸を横切る方向に直径Ｄをもつ位置に配置される。直径Ｄは、Ｒ／１０〜２×Ｒの範囲内のような、最大直径２×Ｒに等しいか又はこれよりも小さい。
【００２１】
更に、光出力面２は、仮想軸からの距離ｒの範囲内に配置され、ｒは、Ｄ／４に等しいか又はこれよりも小さい（ｒ≦Ｄ／４）。仮想軸からのこの距離の範囲内に光出力面を配置することにより、光源から放射された光は、適用領域に向かって効率的に分布される。光出力面が軸からの大きな距離（ｒ＞Ｄ／４）に配置される場合には、光源の近隣におけるエンベロープの輝度は、潜在的に増大し、所望のレベルから外れ、視覚的に支障を来たす。更に、軸から更に遠くに光出力面を配置することは、エンベロープの前方部分の方向の光束が比例的に減少することをもたらし、低減された適用効率をもたらす。
【００２２】
図１を更に参照して、光源の光出力面２は、準球状のエンベロープ５のエッジの、ベース４の近傍に配置される。光源の光出力面２は、エンベロープの遠位端よりもベース４の近くに配置される。エンベロープの遠位端は、ベースから最も離れて配置されたエンベロープの部分である。本発明の実施形態において、光出力面は、エンベロープがその最大直径をもつ位置の仮想軸上に配置された点Ｏとベースとの間であって、Ｒ／２〜４×Ｒ、好ましくはＲ／２〜２×Ｒ、より好ましくはＲ／２〜３×Ｒ／２の範囲内の点Ｏから距離ｄに配置される。
【００２３】
長尺で楕円タイプのエンベロープの場合において、ｄは、典型的には、Ｒよりも大きい。ｄが２×Ｒに等しいか又はこれよりも小さいときには（ｄ≦２×Ｒ）、発光デバイスは、観察者の快適性を損なうことなく、その光のほとんどを前方方向に与える。ｄが４×Ｒよりも大きいときには（ｄ＞４×Ｒ）、しかしながら、発光デバイスの性能は、満足なものにならず、光束のほとんどを不所望な方向に与える。
【００２４】
球状に形成されたエンベロープの場合において、Ｒ／２〜３×Ｒ／２の範囲内のｄをもつことが特に好ましい。
【００２５】
本発明の実施形態において、光源は、複数のＬＥＤダイを有するマルチＬＥＤパッケージを有してもよい。本アプリケーションの目的のために、各ＬＥＤダイは、別個の発光ダイオードであるとみなされる。
【００２６】
図１に示された実施形態において、波長変換材料６は、光源と向かい合うエンベロープの面（即ちエンベロープの内側）に設けられる。波長変換材料は、光出力面からの光の経路中に設けられる。例えば、波長変換材料又は任意の光散乱材料は、光出力面２と光源から離れて向かい合うエンベロープの表面（即ち、エンベロープの外側）との間に設けられてもよい。本発明の実施形態において、光出力面２及び散乱材料は、相互に間隔をおいて設けられる。複数のＬＥＤと散乱材料との間の距離を増大することにより、散乱材料の存在によりもたらされたＬＥＤの劣化が低減され得る。例えば、波長変換材料は、エンベロープの表面上のコーティングとして設けられてもよい。前記表面は、好ましくは、光源と向かい合う。斯様な配置により、光出力面と波長変換材料との間の距離は、最大化又はほぼ最大化され得る。代わりに、波長変換材料のような散乱材料がエンベロープに一体化されてもよい。
【００２７】
特に散乱材料がエンベロープ上にコーティングされるか又はエンベロープに一体化されるように設けられるときに前述のように光出力面からの光の経路中に波長変換材料のような散乱材料を設ける１つの利点は、ランプの輝度の緩和である。青色ＬＥＤをベースにした白色発光デバイスの場合において、それ故、ＬＥＤの最初の極めて高い輝度は、追加の拡散層を使用することなく、波長変換材料により適度な輝度に変換され得る。
【００２８】
波長変換材料は、光源により放射された青色光の部分を吸収し、より長い波長、即ち、幾つかの赤色及び／又は緑色成分を伴うが主として黄色領域の光を再放射する。しかしながら、波長変換材料は、青色光以外の波長の放射線、例えば緑色光を吸収してもよい。放射波長は、主として、赤色又は赤褐色光の波長範囲のような、黄色以外の波長範囲にあってもよい。また、光源により放射された光の一部は、波長変換材料により出力され得る。
【００２９】
波長変換材料は、青色光の変換に用いられる（通常、ＹＡＧ：Ｃｅ，ＹＡＧ：Ｃｅ３＋又はＹ３Ａｌ５Ｏ１２：Ｃｅ３＋と呼ばれる）セリウム（ＩＩＩ）ドープＹＡＧ及びその変形のような、任意の従来型の蛍光材料を有し得る。例えば、Ｙ３Ａｌ５Ｏ１２：Ｃｅ３＋の少なくとも１つの要素の一部は、（例えば、セリウムの代わりにテルビウム若しくはガドリニウムを用いることにより、及び／又は、アルミニウムの代わりにガリウムを用いることにより）他の要素と交換され得る。本発明の実施形態の発光デバイスで使用する適切な波長変換材料は、当業者にとって既知である。全体において、発光デバイスは、白色光を生成し得る。
【００３０】
発光デバイスの色温度は、当業者により理解されるように、波長変換材料の濃度を変えることにより変更され得る。
【００３１】
図２は、図１と同様の本発明の実施形態の発光デバイスの輝度分布、強度分布及びエネルギ束をそれぞれ概略的に示す３つのグラフを示している。図に示すように、輝度Ｌは、球状に形成されたエンベロープの全体の範囲内においてほぼ均一である。従って、エンベロープの最も明るいポイントと平均輝度との間の差分は少しだけである。対応する強度分布Ｉ＝Ｌ×Ａ（Ａは照射された表面のエリア）は、発光デバイスの前面で最大値をもち、側面で徐々に減少し、それ故、光束Φ
【数１】
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は、約９０％が利用のための有益な領域に向かって指向される。それ故、発光デバイスは、高い効能（ルーメン／ワット）及び高い適用効率（適用に向かう束／光源からの束）を提供する。
【００３２】
発光デバイスの最も明るいスポットは、グレアレベル（glare level）を決定する。ベースの近くの電球の準球状部分の縁部に光出力面を配置することにより、輝度は、最大輝度を制限しながら、エンベロープ全体に対して均一にレンダリングされる。結果として、本発明の好ましい実施形態の発光デバイスは、それ故、観察者に対する高い快適性を提供する。
【００３３】
本発明の実施形態において、発光デバイスは、デバイスの効能を更に増大させるために、反射材料を有する。反射材料は、典型的には、不所望な方向に放射又は散乱される光を、波長変換材料及び／又はエンベロープに向かって指向するように設けられる。例えば、光源及び／又はベースは、コーティングのような反射層を備えてもよい。
【００３４】
本発明の発光デバイスは、色温度から独立した一様な淡黄色光を供給し得る。発光デバイスの光分布は、これを汎用照明アプリケーションに大いに適合させる。それ故、本発明の発光デバイスは、従来型の白熱ランプの交換に対して特に有利である。
【図１】
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【図２】
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【国際調査報告】
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