(57)【要約】  遠隔オブジェクトを照射する照明器具は、反射ベース面３８及び反射側壁４０をもつキャビティと、前記キャビティ内に取り付けられた複数の発光ダイオード１０とを有し、前記キャビティ３６は、ＬＥＤよりも多い複数の光放射孔４４を含む、前記反射ベース面３８と向かい合う平面反射光出力面４２をもち、前記孔４４は、前記キャビティ３６の上面の全表面エリアの少なくとも１０％を占め、実質的な各孔４４の近くの当該照明器具により放射された光は、光輝度が角度内のピーク輝度の２分の１となる角度の尺度で、約４５〜９０度の制御された分散角をもち、前記キャビティが５ｃｍよりも小さい深さをもち、当該照明器具により放射された光は、当該照明器具の前記平面反射光出力面から離れた特定の距離の平面オブジェクトの実質的に均一な照射を供給する。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
遠隔オブジェクトを照射する照明器具であって、
反射ベース面及び反射側壁をもつキャビティと、
前記キャビティ内に取り付けられた複数の発光ダイオード（ＬＥＤ）とを有し、
前記キャビティは、ＬＥＤよりも多い複数の光放射孔を含む、前記反射ベース面と向かい合う平面反射光出力面をもち、
これらの前記孔は、前記キャビティの上面の全表面エリアの少なくとも１０％を占め、
実質的な各孔の近くで当該照明器具により放射された光は、光輝度が角度内のピーク輝度の２分の１となる尺度で、約４５〜９０度の制御された分散角をもち、
前記キャビティが５ｃｍよりも小さい深さをもち、
当該照明器具により放射された光は、当該照明器具の前記平面反射光出力面から離れた特定の距離の平面オブジェクトの実質的に均一な照射を供給する、照明器具。
【請求項２】
当該照明器具の前記平面反射光出力面から離れた特定の距離の平面オブジェクトの実質的に均一な照射は、
当該照明器具が、当該照明器具の前記光出力面の面積と同等の面積をもつオブジェクトの平面を照射し、
前記オブジェクトの前記平面は、当該照明器具の光出力面から１フィート離れ、
前記オブジェクトの平面の各エリアの照射は、前記オブジェクトの平面の照射の前記ピーク輝度の７５％の範囲内にある、請求項１に記載の照明器具。
【請求項３】
実質的に各孔は、光輝度が前記角度内のピーク輝度の２分の１となる角度の尺度で、約６０度よりも小さい制御された分散角をもつ、請求項１に記載の照明器具。
【請求項４】
前記複数のＬＥＤを支持する回路基板を更に有する、請求項１に記載の照明器具。
【請求項５】
前記ＬＥＤが、前記キャビティのベース面の上に取り付けられる、請求項１に記載の照明器具。
【請求項６】
前記ＬＥＤが、前記キャビティの前記平面反射光出力面の上に取り付けられる、請求項１に記載の照明器具。
【請求項７】
前記ＬＥＤのピッチは、少なくとも約２．５ｃｍである、請求項１に記載の照明器具。
【請求項８】
前記ＬＥＤは、前記キャビティ内に単一直線で設けられる、請求項１に記載の照明器具。
【請求項９】
前記ＬＥＤは、前記キャビティ内に二次元アレイで設けられる、請求項１に記載の照明器具。
【請求項１０】
前記制御された分散角を提供するために各孔を覆うレンズを更に有する、請求項１に記載の照明器具。
【請求項１１】
実質的に各孔は、前記制御された分散角を提供するために円筒以外で形成される、請求項１に記載の照明器具。
【請求項１２】
実質的に各孔は、円筒以外で形成される、請求項１に記載の照明器具。
【請求項１３】
前記キャビティは、前記キャビティ内の一のＬＥＤの高さの１０倍より小さい深さをもつ、請求項１に記載の照明器具。
【請求項１４】
前記キャビティは、前記キャビティ内の一のＬＥＤの高さの５倍より小さい深さをもつ、請求項１に記載の照明器具。
【請求項１５】
前記キャビティは、約３ｃｍよりも小さい深さをもつ、請求項１に記載の照明器具。
【請求項１６】
前記キャビティは、約１ｃｍよりも小さい深さをもつ、請求項１に記載の照明器具。
【請求項１７】
前記孔は、規則的なパターンで設けられる、請求項１に記載の照明器具。
【請求項１８】
各ＬＥＤの実質的に上の孔の密度は、各ＬＥＤの上から離れた孔の密度よりも小さい、請求項１に記載の照明器具。
【請求項１９】
前記キャビティの内壁は、実質的に正反射性である、請求項１に記載の照明器具。
【請求項２０】
前記キャビティの内壁は、拡散性である、請求項１に記載の照明器具。
【請求項２１】
前記キャビティは、矩形で細長である、請求項１に記載の照明器具。
【請求項２２】
前記ＬＥＤは、青色光を放射するＬＥＤダイと、青色光と組み合わせられたときに白色光を生成する光を放射する、各ＬＥＤダイの少なくとも一部を覆う蛍光体とを有する、請求項１に記載の照明器具。
【請求項２３】
前記ＬＥＤは、青色光を放射するＬＥＤダイと、青色光と組み合わせられたときに白色光を生成する光を放射する、前記キャビティの少なくとも１つの内面の上に蛍光体コーティングとを有する、請求項１に記載の照明器具。
【請求項２４】
前記ＬＥＤは、側面発光ＬＥＤである、請求項１に記載の照明器具。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、高出力発光ダイオード（ＬＥＤ）を用いた汎用照明に関し、特に、汎用照明のためにＬＥＤを用いた非常に薄型の照明器具（即ち、光源を伴う照明器具）に関する。
【背景技術】
【０００２】
蛍光灯照明器具は、オフィス及び店舗の照明のための最も一般的な形式の照明器具である。また、蛍光灯照明器具は、棚の下、キャビネットの中若しくは下、又は、比較的浅く細長い光が望まれる他の場所にも用いられる。蛍光電球は、典型的には、無蓋の上部をもつ拡散的に反射する矩形キャビティ内に収容される。モールドプリズムパターンをもつ透明プラスチックシートが開口部を覆うように取り付けられる。プラスチックシートは、光を若干拡散し、光放射を、照射されるべき表面へ下向きに向かわせる。蛍光電球は、一般的に、直径が２分の１インチよりも大きいので、斯様な器具は、典型的に、深さが１インチを超える。小さなエリアが照射されるためには、蛍光灯照明器具の深さは見苦しくなる。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
斯様な蛍光灯照明器具に取って代わるために白色光源の厚さを大幅に削減することが望まれるだろう。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
高出力の白色光ＬＥＤのアレイは、ＬＥＤのアレイよりも僅かに大きな長さ及び幅の寸法をもつ薄型の反射キャビティの基体表面上に配置される。ＬＥＤのアレイは、直線アレイ、二次元アレイ、又は、任意の他のパターンであってもよい。ＬＥＤは、ＬＥＤを電源端子に電気的に結合する１又はそれ以上の薄型の回路基板ストリップ上に取り付けられ得る。各ＬＥＤは、典型的には、高さが２〜７ｍｍである。キャビティの深さは、約０．５〜３ｃｍのような、ＬＥＤの厚さの約２〜５倍になるように作られる。
【０００５】
キャビティの光出力面は、ＬＥＤの数よりもはるかに多くの開口部をもつ反射体である（例えば、ＬＥＤの数の４〜２５倍）。開口部は、一次元アレイであってもよく、二次元アレイであってもよく、又は、均一な光放射パターンを最も良く形成するように分布されてもよい。各開口部を覆うように、開口部を介して放射された光に、約５０〜７５度の間、及び好ましくは６０度の円錐を形成させるための小さなプラスチックレンズがある。角度は、前記角度の範囲内において、光がピーク輝度の半分の輝度である所で決定される。
【０００６】
キャビティ内の各ＬＥＤにより放射された光は、一般的に、ランバートパターン（Lambertian pattern）である。放射された光は、キャビティの６つ全ての反射壁に反射することによりキャビティ内で混合される。光は、多くの穴を介して最終的に脱出し、照明器具により照射されるべき表面に対して比較的均一なパターンの光を形成する。
【０００７】
キャビティ内で混合する追加の光のため、又は、キャビティが極薄に作られる場合には、側面発光ＬＥＤが用いられてもよい。側面発光は、側面発光レンズ用いて、又は、ＬＥＤダイの上面を覆うように小さな反射体を配置することにより得られる。
【０００８】
各開口部を覆うレンズの代わりに、各開口部は、光の出口に向かって拡大する円錐台として形成されてもよい。円錐の入力と比較した円錐の出力のエリアは、約６０度の角度で光を出力するように設定される。４５〜９０度の間の任意の角度は、アプリケーションによっては十分であり得る。
【０００９】
白色光ＬＥＤは、黄色の蛍光体コーティングをもつ青色光ＬＥＤであってもよく、これにより、黄色の光と蛍光体を介して漏れる青色の光との組み合わせが白色光を作り出す。また、白色光は、青色ＬＥＤとこれを囲む赤色及び緑色の蛍光体とを用いて作り出されてもよい。ＬＥＤを覆う蛍光体を付与する多くの手法が存在する。
【００１０】
他の実施形態において、ＬＥＤは、開口部間のキャビティの反射光出力面に取り付けられる。このようにして、ＬＥＤからの光は、何れかの開口部に直接入ることができず、開口部を介して出る前にキャビティの内面に最初に反射しなければならない。これは、光出力の混合及び均一性を向上させる。反射光出力面は、ＬＥＤのためのヒートシンクとしても機能するために反射型のアルミニウムで形成され得る。一実施形態において、ＬＥＤは、ＬＥＤを覆う蛍光体を用いて白色光を出力する。他の実施形態において、ＬＥＤは、青色光を出力し、キャビティの少なくともベース面は、蛍光体放射が、青色成分とともに、開口部を通過する白色光を生成するように、蛍光体でコーティングされる。これは、青色ＬＥＤ光が開口部を介して直接放射しないことから可能である。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】白色光を放射する従来の高出力ＬＥＤの断面図である。
【図２】本発明の一実施形態による、キャビティの表面に光出口孔をもつ反射キャビティに取り付けられたＬＥＤの断面図である。
【図３Ａ】ここで述べられた反射キャビティに取り付けられ得る側面発光ＬＥＤのタイプを示す。
【図３Ｂ】ここで述べられた反射キャビティに取り付けられ得る側面発光ＬＥＤのタイプを示す。
【図４】本発明の他の実施形態による、キャビティの反射光出力面に取り付けられたＬＥＤの断面図である。
【図５】円錐台形状をもつ穴の断面図である。
【図６】ＬＥＤの直線アレイを備えた照明器具の一実施形態のトップダウン図である。
【図７】ＬＥＤの二次元アレイを備えた照明器具の一実施形態のトップダウン図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
図１は、ＬＥＤダイにより生成された青色光とＹＡＧ蛍光体のような蛍光体により生成された黄色光とを組み合わせることにより白色光を生成する従来のＬＥＤ１０の断面図である。照明用の斯様なＬＥＤは、約１０〜１００ルーメンの光出力で商業的に利用可能である。
【００１３】
用いられた例において、ＬＥＤダイは、青色光を生成するための、AlInGaN ＬＥＤのようなGaNベースのＬＥＤである。また、ＵＶ光を生成するＬＥＤが、適切な蛍光体を伴って用いられてもよい。ＬＥＤダイは、金属電極２０の上に形成される、ｎ型のクラウド層１２、活性層１４、ｐ型のクラウド層１６、及び、ｐ型の接触層１８をもつ。ｎ型の層１２は、ｐ層及び活性層１４の開口部を介して延在する金属電極２２により接触される。ＬＥＤダイは、ＬＥＤダイ電極に熱的に（thermosonically）結合される上部電極をもつセラミックサブマウント２４上に取り付けられる。サブマウント２４は、サブマウント２４を介して導電性バイアス（図示省略）により上部電極と接続された底部電極をもつ。
【００１４】
ＹＡＧ蛍光体２６の層は、電気泳動（電解質を用いためっきプロセスの一種）又は任意の他種のプロセスのような任意の適切なプロセスによりＬＥＤを覆うように形成される。ＬＥＤの上面の上に配置された予め形成された蛍光板が代わりに用いられてもよい。
【００１５】
シリコン又はプラスチックのレンズ２８は、ＬＥＤダイを封入する。ＬＥＤダイ、サブマウント、及び、レンズは、この開示の目的に対してＬＥＤ１０であると考えられる。
【００１６】
レンズ２８及びサブマウント２４を含むＬＥＤの全体高さは、典型的には、２〜７ｍｍの範囲にある。ＬＥＤ１０がプラスチック本体及びリードフレームを備えた表面マウントパッケージに収容された場合には、高さは７ｍｍを超え得る。極薄ＬＥＤのため、成長基板（典型的にはサファイア）が除去され、レンズが無く、サブマウントを含む厚さは、１ｍｍよりも小さくなり得る。斯様な極薄ＬＥＤが本発明で用いられ得る。パッケージ化されたＬＥＤの幅は、約５ｍｍである。
【００１７】
複数のＬＥＤのサブマウントは、複数のＬＥＤを相互接続するため、及び、電源に結合するための金属配線３２をもつ回路基板３０に半田付けされる。回路基板３０は、好ましくは、細いストリップとして形成される。ＬＥＤは、直列及び並列の組み合わせで接続され得る。回路基板３０本体は、ＬＥＤから遠くへ熱を伝導するための絶縁されたアルミニウムストリップであり得る。回路基板３０は、典型的には、２ｍｍよりも小さい厚さをもつ。
【００１８】
ＬＥＤを形成する例は、米国特許第６，６４９，４４０号明細書及び米国特許第６，２７４，３９９号明細書に開示されており、双方は、Philips Lumileds Lighting 社に譲渡され、参照により組み込まれる。
【００１９】
形成された特定のＬＥＤ、及び、これらがサブマウントに取り付けられるか否かは、本発明を理解する目的のためには重要ではない。
【００２０】
図２は、反射キャビティ３６内において、回路基板３０のストリップ上に取り付けられた３つのＬＥＤ１０の断面図である。様々なＬＥＤ１０が、所望の寸法及び照明器具の光出力に依存して用いられ得る。高輝度ＬＥＤによれば、ピッチは、蛍光電球の光電力を再現するために、約１インチ又はそれよりも大きくなり得る。キャビティの長さは、典型的には、４インチから数フィートに及ぶだろう。複数の回路基板ストリップは、所望の長さ及び幅を一緒に実現するために接続され得る。電流源（図示省略）は、回路基板ストリップの電力リード線に結合される。
【００２１】
キャビティ３６のベース面３８及び側壁４０は反射体である。反射体は、（鏡のような）正反射性又は拡散性であり得る。例えば、壁の材料は、研磨されたアルミニウムであり得るか、反射フィルムコーティングをもち得るか、又は、反射拡散性の白色塗料でコーティングされ得る。回路基板３０は、相当に反射する上面をもち、回路基板３０は、キャビティ３６の底面の比較的小さな部分を構成し得る。回路基板が比較的大きなエリアを有する場合には、回路基板は、キャビティ３６の底面を形成すると見なされる。
【００２２】
ＬＥＤ搭載面と向かい合うキャビティ３６の光出力面は、ＬＥＤの数よりも多い孔４４をもつ反射シート４２で形成される。均一な照射のために間隔を空けて、ＬＥＤ当たり４〜２５又はそれよりも多い孔が存在し得る。反射シート４２は、反射フィルムを伴う剛性のプラスチックであってもよく、又は、薄型の金属であってもよい。孔のエリアは、シート４２の全体エリアの好ましくは１０％〜５０％を占める。各孔は、好ましくは約１〜２ｍｍであり、これは、平均的なＬＥＤレンズの直径の約１／５〜１／３である。各孔の直径は、照明器具の所望の全体的な輝度を供給するための反射シート４２における十分な全体開口部を供給するために、孔の数に依存するだろう。各孔の直径は、０．５ｍｍ〜３ｍｍに及んでもよい。
【００２３】
プラスチック、ガラス又はシリコンのレンズ４６が各孔４４を覆う。レンズ４６の形状は、各孔４４の光出力に、（ピークの半分の輝度の角度で決定された）６０度の広がりをもたせる。４５〜９０度の全体の分散角は、最も多くのアプリケーションに対して十分であり得る。
【００２４】
反射シート４２の上面が、液体レンズ材料で満たされた、各レンズを規定するくぼみをもつモールドとの接触をもたらす場合に、レンズ４６は、単純なモールドステップにより形成され得る。レンズ材料は、各孔４４を全体的又は部分的に満たし得、反射シート４２に付着する。レンズ材料は、熱、ＵＶ又は（材料に依存する）他の手段により硬化され、反射シート４２は、シート４２に取り付けられたレンズとともにモールドから除去される。
【００２５】
他の実施形態において、レンズ４６が、予め形成されて、任意の手段を用いて反射シート４２に付着されてもよい。
【００２６】
反射シート４２がＬＥＤ１０から離れるほど、より多くの光の混合がキャビティ３６内で行われ、生ずる光放出をより均一にするだろう。一実施形態において、キャビティ３６の厚さは、個々のＬＥＤの高さの２〜１０倍であるか、又は、０．５〜７ｃｍの範囲である。孔４４の配置は、等間隔であってもよく、又は、ＬＥＤを実質的に上の孔４４の密度がＬＥＤから離れている孔４４の密度よりも小さくなるように間隔が空けられてもよい。これは、反射シート４２の異なるエリアからの光の出力を均一にする。孔４４のサイズは、より良い均一性を得るために各孔からの光出力の量を調整するように変えられてもよい。
【００２７】
追加的に、ここで述べられたいずれかのキャビティに取り付けられた各ＬＥＤを覆うレンズ２８は、光パターンが、（直接照射に起因する）ＬＥＤを直接覆う孔４４からの光出力強度を削減するため、及び、キャビティからの光出力の均一性を向上させるべくキャビティにおける光混合を増大させるために、ランバートではなくより多くの側面発光となるように形成され得る。
【００２８】
図３Ａは、白色光ＬＥＤ５０を覆う側面発光レンズ４８の一形式を示している。図３Ｂは、反射膜５４がＬＥＤダイ上の蛍光層を覆うように配置される、白色光を生成する極薄型の側面発光ＬＥＤ５２を示している。斯様な側面発光ＬＥＤは、成長基板を除去し、高さが１ｍｍよりも小さくなるように作られ得る。いずれの実施形態も、反射キャビティ内に取り付けられ得る。
【００２９】
図４は、白色光ＬＥＤ５６が開口部４４間のキャビティの反射シート４２に取り付けられる、反射キャビティ５５の他の実施形態の断面図である。このようにして、ＬＥＤ５６からの光は、孔４４を介して放射される前に、キャビティの少なくともベース面３８に反射されることが保証される。これは、開口部を介して通過する光の均一性を向上させ、これは、ＬＥＤ５６の厚さの２〜４倍のような、より薄いキャビティを可能にする。反射プレート４２は、ＬＥＤ５６のためのヒートシンクとして機能するために、好ましくは、Alanod Ltd社により製造されるような光反射強化アルミニウムで作られる。そして、反射シート４２は、外気で冷却される。孔は、ドリル、パンチ又はレーザで穴が開けられ得る。
【００３０】
他の実施形態において、ＬＥＤ５６は、青色光（即ち、ＬＥＤダイを覆う蛍光体がない）を出力し、キャビティの少なくともベース面３８は、青色ＬＥＤ光と組み合わせられたときに白色光を生成する蛍光体でコーティングされる。蛍光体コーティングは、種々異なる蛍光体で、スプレーで塗られてもよく、又は、スクリーン印刷されてもよい。蛍光体は、例えば、ＹＡＧ（黄色−緑色）、又は、ＹＡＧと暖色光のための（ＣａＳ若しくはＥＣＡＳのような）赤色蛍光体との組み合わせであってもよい。キャビティの側面の内側が蛍光体でコーティングされてもよい。
【００３１】
図５は、円錐台形状をもつ反射シートで形成された孔６０の断面図である。円錐の入力部と比較した円錐の出力部のエリアが、要求された放射パターンで寸法されている。入力エリアと比較した出力エリアは、おおよそ、要求された出力円錐の半角Θを伴って、
【数１】
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の関係により与えられる。
【００３２】
図５において、円錐の入力部と比較した円錐の出力部のエリアは、おおよそ、６０度の角度で光を出力するように設定される。４５〜９０度のいずれかの角度でも十分であり得る。斯様な場合において、各孔を覆うレンズは必要とされない。レンズをもたない孔は、ＬＥＤの冷却を補助するために、キャビティ３６内の空気の流れを増大させる。しかしながら、成形孔を形成することは、円筒孔よりも困難である。孔は、ドリル、コイン、エッチング、レーザマシン、又は、マスクを介したサンドブラストにより作られ得る。
【００３３】
全ての実施形態における孔４４／６０は、均一発光のために概ね円形であるが、光放出角度が、一の方向では６０度で、他の方向では３０度となり得るように、光放出を更に形成するための楕円形等の他の形状であってもよい。孔は、長くて薄い光パターンを生成するためにスリットを含んでもよい。
【００３４】
各孔４４から放射する光は、照射されるべきオブジェクトが照明器具から遠くへ移動される際にますます混合するだろう。
【００３５】
図６及び図７は、ＬＥＤ１０の異なる配置を示す照明器具のトップダウン図である。ＬＥＤ１０は、ベース面上にあってもよく、又は、反射シート上にあってもよく、ＬＥＤは、側面発光であってもよく、又は、そうでなくてもよい。ＬＥＤ１０当たりに４つの均等に間隔を空けた孔４４だけが簡単に示される。図６及び７の実施形態において、各孔４４に対してキャビティ３６／５５により供給された光の平滑化の幾つかの角度を保証するために、ＬＥＤを直接的に覆う孔４４はない。例えば、１フィートの距離での照明器具の均一な光出力を生成するという目標のために、照明器具がＬＥＤの様々な列をもってもよく、ＬＥＤが均一に間隔を空けられる必要はない。照明器具の形状は、正方形、長方形、円形等のように、如何なるものでもよい。
【００３６】
一実施形態において、照明器具により供給された光の好ましい均一性は、照明器具の１フィート下に配置された照明器具サイズの平面エリア内でピーク輝度の５０％の範囲内にある。照射されたオブジェクトの輝度の好ましくない著しい遷移がないので、この品質は、実質的に均一な照射であると見なされ、観察者は、オブジェクトの縁に沿って輝度の減少に気付かない。他の実施形態において、より多くの孔が用いられる場合には、均一性は、オブジェクトの至る所で７５％となる。他の実施形態において、均一性は９０％となる。
【００３７】
本発明の特定の実施形態が示されて述べられる一方で、変更及び修正がより広い態様についてのこの発明から逸脱することなく行われ得ることが当業者により明らかになり、それ故、特許請求の範囲は、これらの範囲において、この発明の真の精神及び範囲の範囲に入るような全ての斯様な変更及び修正を包含するためにある。
【図１】
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【図２】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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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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【国際調査報告】
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2010529615.tif 000013
2010529615.tif 000014