(57)【要約】【課題】面発光源を特徴とする発光ダイオードはダウンライトの灯具には適しているが、フロアスタンドやリフレクターを用いている灯具には適していない。また、発光ダイオード部の発熱が大きく発光ダイオード部での発熱を分散させたいニーズがある。【解決手段】発光ダイオードから発光される面発光の第１の光源の光を光ファイバーのような導光手段により球状の蛍光体へ導き、発光ダイオードで発光された光でもって励起され波長の長い光を発生する第２の光源の光により点光源とし、同時に、蛍光体で発生する発熱を分離でき、発光ダイオードでの発熱を分散できることを特徴とする灯具の発明である。【選択図】図７
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
波長の短い第１の発光源である発光ダイオードと光を導く導光の手段と第１の光源から到来する光で励起されて波長の長い光を発生する蛍光体からなる第２の光源からなる灯具装置。
【請求項２】
請求項１の構成において、第１の光源は波長の短い光を発する発光ダイオードであり、光を導く手段としては例えばスリーブの内側に光を反射する機能を有したスリーブ、或いは光ファイバー、或いは該スリーブと光ファイバーとの組み合わせからなる光の導光手段であり、それにより導かれた第１の光により波長の長い光を励起する第２の光源である蛍光体からなる灯具装置
【請求項３】
請求項１の構成において第１の光源は波長の短い光を発する発光ダイオードであり、光を導く手段としては例えば、スリーブの内側に光を反射する機能を有したスリーブ、或いは光ファイバー、或いは該スリーブと光ファイバーとの組み合わせからなる光の導光手段であり、それにより導かれた第１の光により波長の長い光を励起する第２の光源である蛍光体からなる構造において、灯具の光源としては、第２の光源の光、或いは第１の光源の光と第２の光源の光の組み合わせからなる装置
【請求項４】
請求項１、２、３において第１の光源である発光素子は一つであり、第２の光源である蛍光体が複数からなる構成のもの。
【請求項５】
請求項１、２、３において第１の光源である発光素子は複数個であり、第２の光源である蛍光体が少なくとも一つからなる構成のもの。
【請求項６】
請求項１、２、３、４、５において第２の光源である蛍光体への入力光がその入力時に反射されないように蛍光体への光の入力面をなし地にすることを特徴とする構成のもの。
【請求項７】
請求項１、２、３、４、５、６において第１の光源を第２の光の励起光としてだけではなく、第１の光と第２の光の合成を照明光として用いる構成において、第２の光源である蛍光体内部で第１の光が散乱しやすいように、ビーズ或いは散乱補助の物質を混ぜ合わせる事を特徴とする構成のもの。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】本発明は波長の短い光を発する第１の光源である発光素子と、その光を導く光スリーブ、光フード、光ファイバーなどの光ガイドの手段と、その光を蛍光体に照射して波長の長い光を励起する第２の光源との手段を有する灯具に関するものである。
【背景技術】
【０００２】従来の発光ダイオードは図１−ａに示すような構造を有している。ＧａＮなどよりなる発光素子をパッケージ基板上に実装してボンディングポストへのワイヤのボンディングを通して電極を取り出し、発光した青色光、紫外光などを蛍光体にあてて波長の長い光を励起する構造である。（特許文献１）。【０００３】図において主たる構成は発光素子を実装するパッケージの基板１、パッケージから外部へ電極を取り出すリード２、カバーガラス３、発光素子４、ボンディングワイア５、蛍光体６からなる。発光素子４の平面図を図１−ｂ、断面図を１−ｃに示す。発光素子から放出される波長の短い光により蛍光体６で励起されて波長の長い光を発光するものである。これらの光はカバーガラス３を経て外部に放出される。【０００４】図１−ｂにおいて、実線７はサファイア基板９の上に形成されたＧａＮなどよりなる半導体の境界を示し、実線８はその半導体のＰ型半導体層とＮ型半導体層の境界を示す。実線９はサファイア基板の境界を示す。１０はＮ型半導体層、１１はＰ型半導体層を示し、１２、１３はそれぞれＮ型半導体層のボンディングパッド部、Ｐ型半導体層のボンディングパッド部を示す。【０００５】図１−ｃは図１−ｂのＸ−Ｘ｀の断面図を示す。１４はサファイア基板、１５はＮ型半導体層であり、１２はその電極を示す。１６は半導体の活性層であり、１７はＰ型半導体層であり、１３はその電極を示す。１８は反射膜層を示す。【０００６】発光素子の光はカバーガラス３の方向である集光方向、その反対方向、その直角方向に発光されるが、集光方向の光はそのまま集光方向へ集まり、反対方向の光は反射膜層１８で反射されて集光方向に集まる。集光方向と直角方向の光の多くは減衰してその残りであるごく一部の光をパッケージの内部側面などで傾斜させて集光方向に反射させることにより利用されている。第１の光源である発光素子の光は活性層の面全体で発光する面発光である。図１において、波長の短い光を発光する第１の光源である発光素子４とその光により波長の長い光を励起する第２の光源である蛍光体６とからなる構造を示している。この図のように光は集光方向へ集められるため、灯具に使用する場合には、ダウンライトのように一方向に光を集めたい場合には好都合である。しかしながら、フロアスタンドの用途なように全方向に向けた光が欲しい場合には不向きである。【０００７】これを是正できるのが従来から存在する図２のような砲弾型パッケージである。この形式のパッケージにおいては発光方向が広いという特徴がある。図において発光素子２１はステム２２に搭載され、ステム２２とポスト２３にボンディングされ電気的接続をされ、発光素子２１からの１次発光の光で蛍光体２４が励起され２次発光する。また、蛍光体を含む内部はカバー２５により保護されている。一方で、この様な構造では熱抵抗が大きく、灯具に用いる３〜４ワットの発熱する発光素子のパッケージとしては不適である。【０００８】この様にフロアスタンドや照明の方向に自由度を持たせる灯具の用途には何れのパッケージ構造も不適である。また、発光ダイオードは従来の白熱灯と比べて効率は１桁程度良いものの、それでも発熱が発光素子と蛍光体に集中するための熱の処理に困るのが一般的である。すなわち、一般的にはＥ２６の口金に放熱が集中する傾向にある。６０ワットの白熱灯相当ＬＥＤ電球では約６ワットとなるため口金部の放熱構造が複雑になってしまうという課題がある。この様に、発光ダイオードを用いた発光素子の普及のためには、放熱の分散が必要である。しかしながら、発光素子の構造面からの制約、発熱が発光素子とそれに附帯されている蛍光体により素子近傍に集中するのが一般的である。【０００９】
【特許文献１】  特開平１０−９３１４６  号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】この様に面実装のパッケージに入れられた発光ダイオードは表面方向を集光方向として、第１の光源である素子の発光面からの光と表面に設けられた蛍光体による発光する２次発光の光を集光方向にできるだけ多く取りだす構造となっている。また砲弾型のパッケージでは熱抵抗が小さすぎ、灯具用途には不適ある。すなわち、多方向へ光を発する照明用の発光素子には発光の方向に自由度を持たせるための課題がある。【００１１】また、発光ダイオードの発熱は素子を実装する口金近傍に集中するため、その発熱を分散させるための新たな課題がある。
【課題を解決するための手段】
【００１２】本発明の新規点は、発光ダイオードは素子の表面で発光する面光源であるが蛍光体が球状あるいは小さな形状の蛍光体であれば全方向に発光する点光源になり得るものであることに注目して、第１の光源である発光ダイオードから発生する光のできるだけ多くを集光して、その光を光スリーブ、光フード、光ファイバーなどの光ガイドにより、球状あるいは小さい形状の蛍光体に照射して、この蛍光体で励起された波長の長い光を第２の光源として照明に使用するものである。この構成によれば、第１の発光源である発光素子は面発光であるが、第２の発光源である蛍光体は点光源、あるいは自由な形状の光源とすることができる。【００１３】蛍光体を用いて白色光を発生させるには通常二つの方式がある。一つは青色の光を発光ダイオードで発生させ、蛍光体で波長の長い補色を発生させて、これらの二つを合成することにより疑似白色を発生させる方式である。この場合には、２次発光と１次発光との光の混ざりあいに注意を要する。もうひとつは紫外光を発光ダイオードで発光させ、この光により、蛍光体で赤、緑、青（ＲＧＢ）の３原色を発生させる方式である。この場合には光の強度バランスが重要になる。本発明は、いずれの方式にも適用できる構成である。【００１４】また、発光素子部と蛍光体により２次発光する部分を分離することにより、発熱を分散することができる。一般的には発光素子による発熱と蛍光体による発熱がほぼ同程度であるため、この分離により、口金部分における発熱は半減することになり、放熱フィンの小型化に寄与することができる。また、蛍光体からの発熱は輻射などにより全方位に分散させることができる。この様に、発光部を分散させることにより発熱も分散できるというメリットがある。【００１５】この様な着想を現実化するために、本発明は第１の光源である発光ダイオードにて発光する波長の短い面発光の光を、光ファイバーあるいは内部が空洞で鏡面のスリーブのような光ガイド用いて第２の光源である蛍光体部へ導き、第２の光源である球状あるいは小さな片の蛍光体部にて波長の長い第２の光を光源として発光せしめる構造である。【００１６】また、多くの光量を必要とする用途では第１の光源として複数の発光ダイオードにより構成して、各々の発光ダイオードから光ファイバーのような光ガイドにより蛍光体部へ光を導き蛍光体部で光ファイバーを束ねて第２の光源となる蛍光体に照射して波長の長い光を発光させるものである。【００１７】また発光ダイオードから発生する光のできるだけ多くを集光して一本あるいは複数本の光ファイバーに導き、これらの光ファイバーを通してこの集光した光をガイドして複数の球状の蛍光体に照射して、この複数の球状の蛍光体を第２の光源として照明に使用することができる。この構成において光ファイバーを複数本用いて蛍光体も複数個にすることによりデザイン灯具を構成することができる。【００１８】点光源ではなく線光源が必要な用途に対しては第１の発光ダイオードからの波長の短い光を光ガイドを用い、或いは直接に細長い蛍光体に光を導き波長の長い光を励起して  細長い第２の発光源とすることができる。【００１９】電球用途では、具体的には、口金部あるいはその近傍に実装���れた第１の光源である発光ダイオードにて波長の短い光を発光させて、第１の光源で発光した光を光ファイバーあるいはスリーブを通じて球状あるいは小さな片の蛍光体部に導き、この蛍光体部に発光ダイオードにて発光した波長の短い光を照射して波長の長い光を励起せしめて白色光を発光するものである。蛍光体が小さな形状である為に光源は点光源となり、励起した光は全方向に放出される構造のものである。【００２０】投光器用途では凹面鏡の外部に第１の発光部を設けて凹面鏡の焦点部に第２の光源である蛍光体を配置し、第１の光源からの光を光ガイドにより第２の光源に導き第２の光源である蛍光体で波長の長い光を発生させ、凹面鏡で反射させることにより平行度の高い光を出すことができる。また、ヘッドライト用途では外部に第１の発光部の発光ダイオードを設けて変形の凹面鏡の焦点部に第２の発光部である蛍光体を配置することにより平行度が高く、従来のヘッドライトと同様な光特性を有する灯具を実現できる。【００２１】デザイン性の高い灯具用途では面発光する発光ダイオードの光を光ファイバーで配策して所望の位置に第２の蛍光体を置くことによりデザイン性に優れた灯具を実現できる。
【発明の効果】
【００２２】以上のように開示した発明で点光源を可能にすることによりこれまで面発光の為に実現できなかったような灯具に応用することが可能になる。また、点光源となることで凹面鏡のみならず多焦点凹面鏡の焦点に配置することにより光学的に設計の自由度が大きくなる。【００２３】また以上のように開示した発明で、２次光源となる蛍光体を色々な形状とすることによりデザイン性に優れた灯武具の実現が可能になる。【００２４】また以上のように開示した発明で、第１の光源である発光ダイオードで発生する熱を減らすことができ、構造の簡素化と小型化が可能になる。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】従来の発光ダイオードのパッケージ断面図と素子の図
【図２】従来の発光ダイオードの別の構造のパッケージ図
【図３】従来の発光ダイオードを用いる灯具の断面図
【図４】蛍光体を有しない従来の発光ダイオードのパッケージ断面図
【図５】本発明の構成図（スリーブを用いた構造）
【図６】本発明の構成図（光ファイバーを用いた構造）
【図７】本発明の構成図（口金への直結構造）
【図８】本発明の構成図（リフレクタを用いた構造）
【図９】本発明の構成図（拡散板を用いた構造）
【図１０】本発明の構成図（細い、或いは棒状の拡散板を用いた構造）
【発明を実施するための形態】
【００２６】図４は本発明において用いる発光ダイオードの一つの事例である。図４は図１の構成事例において蛍光体６を用いない構造である。
【００２７】図５はスリーブにより発光ダイオードで発光した光を先端の蛍光体部に導光する構造を示している。図５−ａにおいて発光ダイオード１００は第１の光源となるものであり、図４に示したものであるが、他の構造の発光ダイオードも同様に使用することができる。図５−ａにおいて，発光ダイオード１００により発生する１次発光は内面に反射膜を有したスリーブ１２０により集光されて、光ファイバー１３０に光を導入して光を蛍光体１４０へ導かれる構成である。蛍光体１４０は発光ダイオードにより発光される波長の短い光により励起されて波長の長い光を発光するものである。この構造により第１の光源である発光素子１００と第２の光源である蛍光体１４０とは物理的に独立となる。これにより発光ダイオードにて必要な駆動回路や、発生する発熱のための放熱構造の実装位置が第２の光源の実装位置と独立になり自由に設定できるようになる。図５−ｂは同様な構成で光ガイドとして内面に反射膜を有した長いスリーブ１２１を用いて、直接蛍光体を実装する構成の事例である。光ガイドとしてスリーブだけを使用する構成では光ファイバーと比べてフレキシビリティは少ないが蛍光体１４０がスリーブの先端に固定できるという特徴を持つ。図５−ｃはチップサイズパッケージの発光ダイオード１０１を使用する構成の事例である、チップサイズパッケージの発光ダイオード１０１にスリーブを経由することなく直接光ファイバーを取り付けて、光を蛍光体へ導入している構成である。パッケージの為に第１の発光部が大きさくなってしまうことを避け、発光部が小さな寸法となることにより光ファイバーの直径と同じレベルとなりこの様に直結できる事例である。
【００２８】図において、蛍光体は第１次発光の光を照明光としても用いる場合と励起光だけとして用いる場合で多少特徴が異なる。前者の例としては第一次の光源を青色発光ダイオードとして、蛍光体で波長の長い光を青色の補色を発生させて、これらの二つを合成することにより疑似白色を発生させる方式においては、第一の光が各方向へ散乱することが望ましく、蛍光体内部にマイクロビーズなどの散乱物質を混入することが好ましい。後者の例として紫外光を発光ダイオードで発光させ、この光により、蛍光体で赤、緑、青（ＲＧＢ）の３原色を励起させる方式においては、励起光が各方向へ等方的に発光するため余分な散乱物質は不要である。この蛍光体の選択は、以降の事例である、図６、図７、図８、図９、図１０ともに共通であり、それぞれの図においては説明を省略する。
【００２９】図６において複数本の光ファイバーを用いる本発明の別の事例を示す。図６−ａは光ファイバーにより複数の光を一つの、あるいは一か所の蛍光体に導光する例を示している。図は複数個の面発光の発光ダイオード１００を用いて各発光ダイオードから光ファイバー１３０を用いて集光して蛍光体１４０の近傍で１か所に束ねて蛍光体に光を照射する構造である。高出力の第２の発光源を必要とする目的の場合には有効である。図６−ｂは複数個の蛍光体を設定する事例である。一つの発光ダイオードから複数本の光ファイバーで光を取り出し、光ファイバー１３０の蛍光体側に各々一つずつの蛍光体１４０を配置する構造である。図６−ｃは複数個の発光ダイオードと複数個の蛍光体の組み合わせである。用途はともにデザイン灯具などに有効である。
【００３０】図７は口金からスリーブに直接導光する構造図を示ししている。図７は図５の構成の口金を用いる電球に応用した事例である。発光ダイオードの駆動回路は本発明の本質部分ではないために省略されている。電球の口金３２近傍には発光ダイオード１００がプレート２１０の上に搭載されている。発光ダイオードは図４で示したものである。光ガイドとしてはスリーブ１２１を用い、蛍光体１４０がスリーブの先端に設置されている。全体が透明カバー２２０で保護されている。図７−ｂはチップサイズパッケージの発光素子１０１が光ファイバー１３０経由で蛍光体１４０に接続されている。発熱は主として発光素子１００、あるいは発光素子１０１と蛍光体で発熱する。発光ダイオードでの発熱がプレート２１０や口金３２で放熱される。一方、蛍光体１４０での発熱は、輻射や透明カバー２２０に封入されている空気を通じて熱伝導により放熱される。この様にして、口金付近における発熱の集中が分散される。
【００３１】図８は蛍光体を焦点にしてリフレクター１５０により光を集光する構造図を示している。図８−ａにおいてプレート２１０に置かれた発光素子１００から発光する光はスリーブ１２１を経由してリフレクタ１５０の焦点に位置している蛍光体１４０に集められる、投光器の事例である。電源部などは本発明の本質部ではないため示されていない。図４で示した発光ダイオード１００を実装するプレート２１０が搭載されている。図では光ガイドとしては光スリーブ１２１が集光した光を蛍光体へ導く手段である。スリーブの先端には蛍光体１４０が実装され発光ダイオード１００により発光される波長の短い光により励起され点光源の波長の長い光を発光するものである。リフレクター１５０は凹面鏡でありリフレクター１５０の凹面の光学焦点に蛍光体１４０が位置するように配置されている。これにより、リフレクターからの光は並行光が放出される。必要に応じて蛍光体の前面、すなわち集光方向の近傍に蛍光体から集光方向へ直接放出される光を反射させるミラー２００を設けることもできる。このミラーが蛍光体からの光の全面方向の斜め成分を遮断して光の多くは凹面鏡からとなり、より平行光の成分が多くすることができる構造である。
【００３２】図８−ｂは車用ヘッドライトなどへの応用に事例である。電源部などは本発明の本質部ではないため示されていない。複数個の発光ダイオード１００を実装する基板２１０がリフレクーの外部に搭載されており、各発光ダイオードは各スリーブと光ファイバーにて集光され、蛍光体の近傍で光ファイバーは束ねられ第２の光源となる蛍光体１４０へ照射される。蛍光体で波長の長い光となり全方向へ放出される。光は集光方向への光はそのまま取り出されて、反対方向や横方向の光はリフレクター１５０により反射されて集光方向へ向かう。リフレクター１５０の凹面の光学焦点に蛍光体１４０が位置するように配置されている。これにより、リフレクターからの光は平行光が放出される。車用のヘッドライト用途の場合には完全な平行光線ではなく地面に向けた光が必要で変形の凹面鏡が使われる。必要に応じて蛍光体の前面、すなわち集光方向の近傍に蛍光体から集光方向へ直接放出される光を反射させるミラーを設けることは投光器と同様である。図８−ｃは図８−ｂと同様な構成で、スリーブ１２２の代わりに光ファイバーを用いる例である。図８−ｂ、図８−ｃともに図８−ａにて示したようなミラー２００を設けて（図示せず）、蛍光体からの直接光を反射させて、平行光を多くすることも可能である。
【００３３】図の事例では第２の発光部が複数個であり、その配置はデザイン重視で自由に配置することができる。発光源を一か所に集めて光ファイバーで光を導き、デザイン上必要な位置に第２の光源となる蛍光体を配置することにより灯具のデザイン性を高めることができる。
【００３４】図９は発光ダイオード１００からの一次発光光を光スリーブ１２０で集光して光ファイバー１３０などの光の導光手段を経て蛍光体１４１にて一次発光の光により励起され２次発光し、２次発光の光、或いは１次発光と２次発光の光が導光フード１２５を経て光拡散版３００にて拡散され面発光する構造のものである。図９−ｂに置いて反射板３１０は光を集光方向へ集めるための手段である。また、導光フード１２５には蛍光体１４１からの光をできるだけ多く前面に集光するために導光フード１２５の内部を三角錐形状１２６にしている。
【００３５】図１０は光拡散板を棒状にする事例である。発光ダイオード１００からの１次発光光を光スリーブ１２０で集光して光ファイバー１３０などの光の導光手段を経て蛍光体１４１にて１次発光する光により励起され２次発光し、２次発光の光、或いは１次発光と２次発光の光が導光フード１２５を経て光拡散板３０１にて拡散され線発光、或いは細い面発光する構造のものである。図１０−ｂに置いて反射板３１０は光を集光方向へ集めるための手段である。また、図１０−ｃにおいては、拡散棒の全方向へ光を放出する場合の構造である。
【００３６】以上の事例は、本発明の一例である。すなわち、第１次の発光源である発光ダイオードと第２の発光源の蛍光体を分離することにより、デザインの自由度が向上し、放熱の分散が可能になり、発光ダイオード部分での放熱が軽減され放熱フィンなどが小型化されるなど優れた大きな効果を生み出す新規な着想である。また、ヘッドライトなどの用途では蛍光体から発生する熱を輻射で放熱することにより曇りを軽減したり雪を解かすなどの効果も生み出せる。
【産業上の利用の可能性】
【００３７】発光ダイオードを用いた照明装置はいろいろな形態で実用化が進んでいる。一方で、面発光の発光ダイオードだけではその用途が限られてしまう。本発明により点光源を要する照明器具にも発光ダイオードの用途が広がり、今後必要となる省エネルギ−の用途に最適なものが可能になる。また、平行光線の必要な用途には点光源とすることにより従来のリフレターがそのままの形状で使用することができ、発光ダイオードの特徴を活かしつつ従来の用途に適用できる。また、第１の発光部と実際に光る第２の発光部とを分離することにより、発熱の大きな第１の発光部の実装が簡素化できる。
【符号の説明】１・・・パッケージの基板      ２・・・パッケージの配線部      ３・・・キャップ
４・・・発光素子      ５・・・ワイアボンディング部      ６・・・蛍光体
７・・・ＧａＮ半導体      ８・・・ＰＮの境界      ９・・・サファイア基板
１０・・・Ｎ型半導体      １１・・・Ｐ型半導体      １２・・・Ｎ電極
１３・・・Ｐ電極      １４・・・サファイア基板      １５・・・Ｎ型半導体
１６・・・活性層      １７・・・Ｐ型半導体      １８・・・反射膜
２１・・・発光素子      ２２・・・ステム      ２３・・・ポスト
２４・・・蛍光体      ２５・・・キャップ
３１・・・中心電極      ３２・・・口金        ３３・・・絶縁体部
３４・・・プレート      ３５・・・回路部      ３６・・・発光ダイオード
３７・・・カバー      ３８・・・パッケージ側壁
１００・・・発光ダイオード      １０１・・・チップサイズパッケージ発光ダイオード
１２０、１２１、１２２・・・スリーブ      １２５、１２６・・・導光フード
１３０・・・光ファイバー      １４０、１４１・・・蛍光体
１５０・・・リフレクタ      ２００・・・ミラー      ２１０・・・プレート
２２０・・・電球カバー      ３００、３０１・・・拡散板
３１０・・・反射板
【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】
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【図１０】
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