(57)【要約】    【課題】  ＬＥＤチップの背面側へ放射される光を効果的に発光ダイオードの配光に寄与させるようにした発光ダイオードおよびこれを用いた照明装置を提供する。    【解決手段】  発光ダイオードは、発光ダイオードチップ１と、この発光ダイオードチップ１が上面にマウントされ、発光ダイオードチップ１からその背面側へ放射した光が上面から入射して内面で全反射し、側方へ出射する全反射プリズム２と、全反射プリズム２から側方へ出射した光を発光ダイオードチップ１の前方へ投射させる光前方投射手段３とを具備している。【選択図】    図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
発光ダイオードチップと；
発光ダイオードチップが上面にマウントされ、発光ダイオードチップからその背面側へ放射した光が上面から入射して内面で全反射し、側方へ出射する全反射プリズムと；
全反射プリズムから側方へ出射した光を発光ダイオードチップの前方へ投射させる光前方投射手段と；
を具備していることを特徴とする発光ダイオード。
【請求項２】
照明装置本体と；
照明装置本体に配設された請求項１記載の発光ダイオードと；
を具備していることを特徴とする照明装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、発光ダイオードおよびこれを備えた照明装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
白色発光ダイオードとして以下の構成を備えたものが知られている（特許文献１参照。）。この発光ダイオードは、青色ＬＥＤチップを透明樹脂のマウントを介して一方のメタルステムに形成された反射鏡の機能を有するカップの内部に配設している。そして、ボンディングワイヤを介して青色ＬＥＤチップの一方の電極を一方のメタルステムに接続し、ボンディングワイヤを介して他方の電極を他方のメタルステムに接続している。また、黄色光を発光する蛍光体を分散した内部樹脂およびこの内部樹脂を上側から包囲する透明な外側樹脂により二重に封止されている。透明樹脂の上記マウントは、青色ＬＥＤチップから等方的に発せられる光を透過してカップの表面の反射鏡で反射させＬＥＤランプの上方に放出させる旨上記特許文献１に記載されている。
【０００３】
【特許文献１】再公表特許ＷＯ２００２／０５４５０３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上記従来既知の白色発光ダイオードにおいては、透明樹脂の上記マウントを用いて青色ＬＥＤチップを反射鏡内に取り付けるため、青色ＬＥＤチップの背面方向へ放射される光のうちマウント内で反射を繰り返しながら反射鏡内へ出射した一部の光は反射鏡に入射し、かつ反射して白色発光ダイオードの前方へ投射される。
【０００５】
一般的にＬＥＤチップの背面側へ放射される光は全放射量の約１／３程度である。特許文献１に記載されている既知の白色発光ダイオードの場合、青色ＬＥＤチップから背面方向へ放射した光はマウント内において反射を繰り返すうちに反射率の逓倍で反射光が減少していくので、反射鏡に入射する光は既に著しく少なくなってしまっている。このため、背面方向へ放射される光のうち、発光ダイオードの配光に寄与し得る割合はせいぜい１０ないし３０％程度に止まる。すなわち、透明樹脂のマウントの採用は、その意図にもかかわらず思ったほどの効果を奏することができない。
【０００６】
本発明は、ＬＥＤチップの背面側へ放射される光を効果的に発光ダイオードの配光に寄与させるようにした発光ダイオードおよびこれを用いた照明装置を提供することを目的とする。
【０００７】
また、本発明は、蛍光体を用いて色変換を行う場合に、色むらを低減した発光ダイオードおよびこれを用いた照明装置を提供することを他の目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の発光ダイオードは、発光ダイオードチップと；発光ダイオードチップが上面にマウントされ、発光ダイオードチップからその背面側へ放射した光が上面から入射して内面で全反射し、側方へ出射する全反射プリズムと；全反射プリズムから側方へ出射した光を発光ダイオードチップの前方へ投射させる光前方投射手段と；を具備していることを特徴としている。
【０００９】
本発明において、発光ダイオードチップは、発光の一部が背面側へ放射する。したがって、発光の一部が背面側へ放射するのであればその余のチップ構造は問わない。また、発光ダイオードチップの発光色は特段限定されない。
【００１０】
全反射プリズムは、発光ダイオードチップをマウントする手段であるとともに、発光ダイオードチップからその背面側へ放射された光を側方へ反射させる手段として機能する。発光ダイオードチップを全反射プリズムの上面にマウントするために、透明質の接着剤、例えばシリコーン樹脂を用いることができるが、接着剤を用いないで全反射プリズムに直接マウントすることもできる。例えば全反射プリズムの少なくとも上面の溶融状態のときに発光ダイオードチップをマウントする。また、全反射プリズムとは別に接着剤を用いる場合であっても、全反射プリズムの屈折率と同一または近似の接着剤を用いることにより、光入射損失を低減することができる。
【００１１】
また、全反射プリズムは、その構成材料が特段限定されない。例えばアクリル樹脂などのプラスチックス、ガラスおよびセラミックスなどの透明質材料を用いて構成することができる。
【００１２】
さらに、全反射プリズムは、その全反射面の形状が特段限定されない。例えば円錐状、四角錐状、切妻屋根状などの形状を有する全反射面を所望の配光特性を得るために適宜採用することができる。
【００１３】
光前方投射手段は、全反射プリズムで側方へ出射した光を発光ダイオードチップの前方へ投射させて発光ダイオードとしての配光に寄与させるための手段であり、その具体的な構成は特段限定されない。例えば反射体、プリズム、拡散層およびレンズなど既知の制光手段の１種または複数種を組み合わせて用いることができる。反射体の場合、全反射プリズムから側方へ出射した光を前方へ投射するだけでなく、発光ダイオードチップから側方および前方へ出射した光をも反射し得るように当該反射体を構成することができる。プリズムの場合、当該プリズムを全反射プリズムと一体または別体に形成することができる。拡散層の場合、全反射プリズムの側方へ出射した光を拡散させることによって前方へ投射されるように光路を変更することができる。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、全反射プリズムを用いて発光ダイオードチップをマウントしていることにより、発光ダイオードチップから背方へ放射される発光を極めて高い割合で前方へ投射できるので、発光効率が向上した発光ダイオードおよびこれを用いた照明装置を提供することができる。
【００１５】
また、本発明によれば、発光ダイオードチップから背方へ放射される発光を前方へ投射する際に、全反射プリズムおよび／または光前方投射手段の光学特性を予め調整しておくことにより、その投射方向を制御できるので、所望の配光特性を有する発光ダイオードおよびこれを用いた照明装置を提供することができる。
【００１６】
さらに、本発明によれば、発光ダイオードチップから放射される例えば青色発光を蛍光体による波長変換を利用して白色発光を得るなどの場合において、発光ダイオードチップから背方へ放射され、かつ全反射プリズムから側方へ出射される光が増加するので、この光が蛍光体層により波長変換されてから前方へ投射されるようにすれば、波長変換される光量が増加するので、結果として発光ダイオードからの光出射部の面積が大きくなって、輝度が均整化し、色むらも低減した発光ダイオードおよびこれを用いた照明装置を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
以下、図面を参照して本発明を実施するための形態を説明する。
【００１８】
図１ないし図４は、本発明の発光ダイオードを実施するための第１の形態を示し、図１は正面断面図、図２は平面図、図３は要部の拡大一部断面正面図、図４は要部の拡大平面図である。
【００１９】
本形態において、発光ダイオードＬＥＤは、発光ダイオードチップ１、全反射プリズム２および光前方投射手段３を具備している。また、所要により付加される構成として配線基板４、一対のボンディングワイヤ５ａ、５ｂ、拡散層６および蛍光体層７を具備している。
【００２０】
発光ダイオードチップ１は、既知の構成であることが許容され、例えばサファイヤ基板上に形成された青色光を発生する窒化ガリウム（ＧａＮ）系半導体などからなる。また、発光ダイオードチップ１は、前方および側方への放射に加えてサファイヤ基板を透過して放射される背方への放射を有している。なお、背方への放射比率は特段限定されないが、例えば一般的であるところの全体の約１／３程度である。
【００２１】
全反射プリズム２は、図３および図４に拡大して示すように、発光ダイオードチップ１がその上面にマウントするように構成されている。そして、全反射面２ａを備えていて、マウントされた発光ダイオードチップ１からその背面側へ放射した光が全反射プリズム２内に入射し、全反射面２ａにおいて全反射するため、全反射プリズム２から側方へ出射する。全反射光が出射する方向は、全反射面２ａの形状に応じて決定される。本形態において、全反射面２ａは、円錐形状を有しているので、全反射した光が全反射プリズム２の全周から側方へ分散して出射する。
【００２２】
また、本形態において、全反射プリズム２は、例えば透明アクリル樹脂により形成されている。発光ダイオードチップ１が上面にマウントされるので、全反射プリズム２が発光ダイオードのマウントを兼ねていることが許容されている。発光ダイオードチップ１をマウントする際に適当な接着剤、例えばシリコーン樹脂９で接着することができる。
【００２３】
光前方投射手段３は、全反射プリズムから側方へ出射した光を発光ダイオードから前方へ投射するための手段である。本形態においては、図１に示すように逆切頭円錐状をなす凹状反射体によって光前方投射手段３を構成している。光前方投射手段３を構成する凹状反射体は、例えばＰＢＴ（ポリブチレンテレフタレート）、ＰＰＡ（ポリフタルアミド）およびＰＣ（ポリカーボネート）などからなり、後述する配線基板４の表面に配設された白色系樹脂層５の一部を凹状に成形して形成され、その底部中心部に発光ダイオードチップ１が配設される。なお、後述する拡散層６も光前方投射手段３としての一部を構成する。
【００２４】
配線基板４は、そこに発光ダイオードチップ１を実装して支持するとともに、発光ダイオードチップ１に対して所要の配線を形成する手段である。そして、支持基板４ａ、白色絶縁層４ｂ、回路パターン４ｃを備えている。
【００２５】
支持基板４ａは、発光ダイオードチップ１および配線基板４の支持基板４ａ以外の構成要素を支持する手段であり、その構成材料は絶縁性および導電性のいずれの材料でもよい。なお、絶縁性の支持基板４ａとしては例えばガラス−エポキシ樹脂などを用いることができる。また、導電性の支持基板４ａとしては例えばアルミニウムなどの金属板を用いることができる。
【００２６】
白色絶縁層４ｂは、支持基板４ａの表面に形成されていて、光前方投射手段３を構成する凹状反射体の反射性底面となる。
【００２７】
回路パターン４ｃは、発光ダイオードチップ１を電源に接続するための手段であり、白色絶縁層４ｂの表面に形成されている。なお、回路パターン４ｃの発光ダイオードチップ１への接続端は、光前方投射手段３の内部に露出しており、後述する一対のボンディングワイヤ５ａ、５ｂの当該部分への接続を容易にしている。
【００２８】
一対のボンディングワイヤ５ａ、５ｂは、発光ダイオードチップ１と回路パターン４ｃとの間を接続する手段である。そして、一方が発光ダイオードチップ１のアノードと駆動電源の正極に、他方が発光ダイオードチップ１のカソードと駆動電源の負極に、それぞれ接続する。
【００２９】
白色樹脂層６は、回路パターン４ｃのボンディングワイヤ接続部を除いて配線基板４の表面を被覆している。そして、白色樹脂を成形することによって形成されている。この成形時に光前方投射手段である凹状反射体を形成している。
【００３０】
拡散層７は、発光ダイオードチップ１から放射されて前方へ投射される光を適度に拡散させる手段であり、前方投射手段３の凹状反射体の内部の下側すなわち発光ダイオードチップ１を包囲するように底部側に充填されている。この拡散層７は、例えばシリコーン樹脂やエポキシ樹脂などの好ましくは熱硬化性の透明性樹脂に金属酸化物微粒子を適量分散させることによって構成されている。なお、金属酸化物微粒子としては、例えばＡｌ２Ｏ３、ＴｉＯ２、ＢａＳＯ４、ＳｉＯ２およびＹ２Ｏ３などの微粒子を適宜選択して用いることができる。
【００３１】
蛍光体層８は、発光ダイオードチップ１から放射されて前方へ投射される光の一部または全部を所望波長へ変換するための手段であり、前方投射手段３の凹状反射体内部において拡散層７の上部すなわち凹状反射体の開口端側に充填されている。例えば発光ダイオードチップ１が青色発光で、しかも補色関係の加法混光によって白色発光形の発光ダイオードを得ようとする場合には、例えばシリコーン樹脂やエポキシ樹脂などの好ましくは熱硬化性の透明性樹脂に黄色発光を行う蛍光体粒子を分散させて蛍光体層７を形成することができる。
【００３２】
そうして、本発明の発光ダイオードにおいては、発光ダイオードチップ１から背方へ放射された光は、その殆どが全反射プリズム２の上面からその内部に入射する。そして、全反射プリズム２の内部に入射した光の殆どが全反射面２ａで全反射され、全反射プリズム２の側面から側方へ出射する。全反射プリズム２から側方へ出射した光の一部は、光前方投射手段３を構成している凹状反射体に入射し、かつ反射して発光ダイオードから前方へ投射されるように拡散層６内を進む。
【００３３】
また、本形態においては、発光ダイオードチップ１が拡散層７により包囲されているので、全反射プリズム２から側方へ出射した光の他の一部は、拡散層７によって拡散されて光前方投射手段３を構成する凹状反射体に入射することなく前方へ投射されるように光路が変更される。
【００３４】
一方、発光ダイオードチップ１から前方および側方へ出射した光は、従来の発光ダイオードにおけるのと同様なプロセスによって前方へ投射されるように構成することができる。すなわち、前方へ出射した光は、その一部が拡散層７で拡散され、残部が発光ダイオードから前方へ投射されるように拡散層７を拡散されないで通過する。発光ダイオードチップ１から側方へ出射した光は、同様に拡散層７に入射し、その一部が拡散されて発光ダイオードから前方へ投射されるように光路が変更され、また他の一部部が光前方投射手段３を構成する凹状反射体に入射し、かつ反射して発光ダイオードから前方へ投射されるように再度拡散層７に入射し、その一部が拡散層７で拡散されながら拡散層７を前方へ向けて通過する。
【００３５】
以上説明したように、発光ダイオードチップ１の全ての方向へ放射された光は、効率よく拡散層７を通過して蛍光体層８に入射し、かつそこを通過する過程で、その一部が波長変換され、残部が直接蛍光体層８を波長変換されることなくそのままで通過する。その結果、発光ダイオードから前方へ投射される光は、蛍光体層８で波長変換された光と発光ダイオードチップ１から放射されたままの光とが加法混光された状態となる。したがって、発光ダイオードチップ１から放射された光が青色光で、蛍光体層８に波長変換された光が黄色光であれば、青色光と黄色光とは補色関係にあるから、加法混光されて白色光が得られる。
【００３６】
以上の説明から理解できるように、本発明においては、発光ダイオードチップ１から背方へ放射される光が全反射プリズム２により有効に光路変更されて発光ダイオードから前方へ投射されるので、発光ダイオードの発光効率が向上する。発光ダイオードチップ１から背方へ放射される光が多くても発光効率が高くなり、一般的な発光ダイオードチップの場合、約３０％程度が背方へ放射されるので、そのうちのかなりの部分が発光効率向上に寄与する。
【００３７】
図５は、本発明の発光ダイオードを実施するための第２および第３の形態における全反射プリズムの平面図および正面断面図を示し、（ａ）は第２の形態、（ｂ）は第３の形態である。なお、紙面の上側が平面図、下側が正面断面図である。また、図において、図３と同一部分には同一符号を付して説明は省略する。
【００３８】
第２の形態は、全反射面２ａが四角錐形状すなわちピラミッド状である。
【００３９】
第３の形態は、全反射面２ａが切り妻屋根状である。
【００４０】
図６は、本発明の発光ダイオードを実施するための第４の形態を主な光路とともに示す一部断面正面図である。なお、図において、図１および図３と同一部分には同一符号を付して説明は省略する。
【００４１】
本形態は、光前方投射手段３が全反射プリズム２と一体化されたプリズムによって構成されている。すなわち、光前方投射手段３は、全反射プリズム２の側面を楔状に一体的に延長して下面が傾斜した全反射面を形成している。
【００４２】
そうして、発光ダイオードチップから背方へ放射した光は、全反射プリズム２の上面から入射し、全反射して側方へ向かった光は、光前方投射手段３のプリズム部分に進み、その全反射面で全反射して上面から上方へ出射する。この出射した光を直接または拡散したり、蛍光体層で波長変換したりして間接的に発光ダイオードから前方へ投射させることができる。
【００４３】
また、本形態において、光前方投射手段３は、上記プリズムだけでなく、所望により図１に示すような凹状反射体などの光学要素を併用することができる。
【００４４】
図７および図８は、本発明の発光ダイオードを実施するための第５の形態を示す平面図および拡大要部断面図である。なお、各図において、図１と同一部分には同一符号を付して説明は省略する。
【００４５】
本形態は、本発明の第１の形態と同様な構造を有する複数の発光ダイオードを例えば縦横３個づつのマトリクス状に配列し、かつ配線基板４を共通にして集合的に配置することにより、発光ダイオード照明モジュールを構成したものである。
【００４６】
図９は、本発明の照明装置を実施するための一形態を示すダウンライトの断面図である。
【００４７】
図において、４１は照明装置本体であり、照明装置から発光ダイオード照明モジュールＬＭを除外した残余の部分であり、内部に発光ダイオード照明モジュールＬＭを収納している。
【００４８】
照明装置本体４１は、額縁状をなしていて、背面の周段部４１ａに発光ダイオード照明モジュールＬＭを載置している。なお、１点鎖線は光軸ＬＸである。
【００４９】
発光ダイオード照明モジュールＬＭは、図７および図８に示す第５の形態と同一構造である。
【図面の簡単な説明】
【００５０】
【図１】本発明の発光ダイオードを実施するための第１の形態を示す正面断面図
【図２】同じく平面図
【図３】同じく要部の拡大一部断面正面図
【図４】同じく要部の拡大平面図
【図５】本発明の発光ダイオードを実施するための第２および第３の形態における全反射プリズムの平面図および正面断面図
【図６】本発明の発光ダイオードを実施するための第４の形態を主な光路とともに示す一部断面正面図
【図７】本発明の発光ダイオードを実施するための第５の形態を示す平面図
【図８】同じく拡大要部断面図
【図９】本発明の照明装置を実施するための一形態を示すダウンライトの断面図
【符号の説明】
【００５１】
１…発光ダイオードチップ、２…全反射プリズム、２ａ…全反射面、３…光前方投射手段、４…配線基板、５ａ、５ｂ…ボンディングワイヤ、６…白色樹脂層、７…拡散層、８…蛍光体層
【図１】
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【図２】
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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９】
2007258387.tif 000011