(57)【要約】【課題】発光素子ユニットにおいて、照射面を高輝度とし、出射光の配光を広角にする。【解決手段】発光素子ユニット１は、発光素子（ＬＥＤ２）と、ＬＥＤ２からの光を配光制御するレンズ部５と、を備え、レンズ部５は、ＬＥＤ２からの光を入射する入射面５１と、入射面５１から入射した光を拡散出射する出射面５３とを有する。出射面５３は発光面中心Ｐ０よりも外側を中心とする円Ｃ１を、中心Ｐ０を通る法線Ｘを軸として回転させた凸型回転体の外郭形状５３ａと、発光面より上方の法線Ｘ上の点を中心とした半球型凹形状５３ｂとの組み合わせから成る。入射面５１は発光面中心Ｐ０を中心とする半球型凹形状から成る。ＬＥＤ２からの光は入射面５１において全反射されることなくレンズ部５内に入射するので、光利用効率が高くなり、照射面を高輝度にすることができる。また、入射面５１及び出射面５３において屈折した出射光は広角配光となる。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
発光素子と、前記発光素子を実装するパッケージと、前記パッケージを搭載する基板と、前記発光素子から出射された光を配光制御するレンズ部と、を備えた発光素子ユニットであって、
前記レンズ部は、前記発光素子からの光を入射する入射面と、前記入射面の周囲に設けられ、前記基板と接する底面と、前記入射面から入射した光を拡散出射する出射面と、を有し、
前記出射面は、前記発光素子の発光面中心よりも外側を中心とする円を、前記発光面中心を通る法線を軸として回転させた凸型回転体の外郭形状と、前記発光面より上方であって、前記発光面中心を通る法線上の点を中心とした半球型凹形状との組み合わせから成る概半球形状から成り、
前記入射面は、前記発光面中心を中心とする半球型凹形状から成ることを特徴とする発光素子ユニット。
【請求項２】
前記パッケージは、前記発光素子を実装させる母体と、前記発光素子を電気的に連結させるリード線と、前記発光素子が生じる熱を放熱するための金属材及び樹脂材から成る放熱材と、を備えることを特徴とする請求項１に記載の発光素子ユニット。
【請求項３】
前記入射面と前記パッケージとの間には樹脂材料が充填されることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の発光素子ユニット。
【請求項４】
請求項１乃至請求項３のいずれか一項に記載の発光素子ユニットを複数個並べて設置したことを特徴とする面発光ユニット。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、広告、案内、店舗等の看板を標示する表示装置等の内部に設置される発光素子ユニット及びこれを複数備えた面発光ユニットに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、広告、標識又は店舗等の看板を標示する表示装置等の内部には、光源の発光素子としてＬＥＤが用いられている。しかし、ＬＥＤが出射する光は指向性が高いので、この種の表示装置の光源としてＬＥＤが用いられると、その発光面に対して垂直な方向にのみ光が照射され、表示装置の照射面において光ムラが生じる。特に、近年はＬＥＤの高輝度出力型が普及したことに伴い、照射面における光ムラが顕著になり易い。
【０００３】
そこで、ＬＥＤを用いた表示装置等には、ＬＥＤからの光の配光を広角にするレンズ部を備え、表示装置の照射面に均質な光が照射されるように構成された発光素子ユニットが用いられる（例えば、特許文献１参照）。この種の発光素子ユニットの例を図９（ａ）に示す。発光素子ユニット１０１は、ＬＥＤ１０２が実装されたパッケージボディ１０３と、ＬＥＤ１０２から出射される光を屈折させて外部に出射する略凸型のレンズ部１０５とを備え、レンズ部１０５は、パッケージボディ１０３の上部が凹型部に形成される。なお、図中の二点鎖線は、ＬＥＤ１０２の発光面の略中心を通る法線Ｘを示す。凹型部に入射した光は、レンズ部１０５の外方へ屈折してレンズ外へ出射されるので、発光素子ユニット１０１は出射光の配向を広角にすることができる。
【特許文献１】特開２００７−９６３１８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、特許文献１に示される発光素子ユニット１０１では、ＬＥＤ１０２からの光は、レンズ部１０５の内側面（入射面）で反射されてレンズ外へ出射されないことがあり、その一部は損失してしまう。特に、レンズ上部に形成された凹型部周辺における屈折によって光が中央部に集中し、光の利用効率が悪くなる。そのため、この発光素子ユニット１０１が表示装置等に用いられても、照射面の輝度を十分に高くすることはできない。
【０００５】
図９（ｂ）は、図９（ａ）に示した発光素子ユニット１０１の配光曲線Ａを示す。同図に示されるように、レンズ部１０５は、ＬＥＤ１０２の法線Ｘ方向よりも広い範囲に光を照射できるが、表示装置等に要求される広角配向を実現しているとは言えない。表示装置等には、通常、複数の発光ユニットが所定間隔で配置されるが、各発光ユニットの配光が狭角であると、夫々の発光ユニットの前方にスポット的な光が出射され、照射面全体として光ムラが生じる。
【０００６】
本発明は、上記課題を解決するものであり、表示装置等に用いられたとき、光の利用効率が高く、照射面の輝度を高くすることができ、しかも出射光の配光を広角にすることができる発光素子ユニット及びこれを複数備えた面発光ユニットを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記課題を解決するため、請求項１の発明は、発光素子と、前記発光素子を実装するパッケージと、前記パッケージを搭載する基板と、前記発光素子から出射された光を配光制御するレンズ部と、を備えた発光素子ユニットであって、前記レンズ部は、前記発光素子からの光を入射する入射面と、前記入射面の周囲に設けられ、前記基板と接する底面と、前記入射面から入射した光を拡散出射する出射面と、を有し、前記出射面は、前記発光素子の発光面中心よりも外側を中心とする円を、前記発光面中心を通る法線を軸として回転させた凸型回転体の外郭形状と、前記発光面より上方であって、前記発光面中心を通る法線上の点を中心とした半球型凹形状との組み合わせから成る概半球形状から成り、前記入射面は、前記発光面中心を中心とする半球型凹形状から成るものである。
【０００８】
請求項２の発明は、請求項１に記載の発光素子ユニットにおいて、前記パッケージは、前記発光素子を実装させる母体と、前記発光素子を電気的に連結させるリード線と、前記発光素子が生じる熱を放熱するための金属材及び樹脂材から成る放熱材と、を備えるものである。
【０００９】
請求項３の発明は、請求項１又は請求項２に記載の発光素子ユニットにおいて、前記入射面と前記パッケージとの間には樹脂材料が充填されるものである。
【００１０】
請求項４の発明は、請求項１に記載の請求項１乃至請求項３のいずれか一項に記載の発光素子ユニットを複数個並べて設置した面発光ユニットである。
【発明の効果】
【００１１】
請求項１の発明によれば、ＬＥＤから出射した光は、入射面において全反射されることなく、レンズ部内に入射するので、光の利用効率が高く、照射面の輝度を高くすることができる。また、ＬＥＤからの光はレンズ部に入射するときに入射面において屈折され、出射面から出射するときに発光面上部に形成された半球型凹形状、及びその周囲に形成された凸型回転体の外郭形状によって更に屈折させるので、出射光の配光を広角にすることができる。
【００１２】
請求項２の発明によれば、ＬＥＤを直接的に基板に実装させるよりも安定なＬＥＤの動作環境が得られる。
【００１３】
請求項３の発明によれば、発光素子が実装されたパッケージとレンズ部との位置決めを確実に行うことができる。
【００１４】
請求項４の発明によれば、単体の発光素子ユニットの正面方向に光が出射されなくても、その発光素子ユニットの周囲に配置された他の発光素子ユニットから広角配光の光が出射されるので、光ムラのない均一な照射面を実現することができる。また、発光素子ユニットは、高輝度かつ広角配光が可能であるので、少数の発光素子ユニットを用いて、広い面積を均一に照射することができるので、製造コストを抑え、省エネ化を実現した面発光ユニットが得られる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
本発明の第１の実施形態に係る発光素子ユニットについて、図１（ａ）（ｂ）及び図２を参照して説明する。本実施形態の発光素子ユニット１（以下、発光ユニットという）は、発光素子としてのＬＥＤ２と、このＬＥＤ２を実装するパッケージ３と、パッケージ３を搭載する基板４と、ＬＥＤ２から出射された光を配光制御するレンズ部５と、を備える。レンズ部５は、ＬＥＤ２からの光を入射する入射面５１と、入射面５１の周囲に設けられて基板４と接する底面５２と、入射面５１から入射した光を拡散出射する出射面５３と、を有する。また、発光ユニット１は、基板４及びレンズ部５等を収納するケース６を適宜に備える。なお、図２ではケース６の図示を省略している。
【００１６】
ＬＥＤ２には、汎用の発光ダイオード（ＬＥＤ）が用いられる。可視光を発生させ、レンズ部５の全体の容量と比較して十分に小さければ、必ずしもＬＥＤに限られず、例えば、小型白熱灯、小型のハロゲン電球等も適用可能である。基板４は、汎用のプリント基板であり、寸法安定性に優れ、反りやねじれ等のバラツキの少ない基板が用いられる。基板４の材料としては、例えば、フェノール樹脂を含浸させた紙基材に銅を積層した紙基材銅張積層板が用いられる。レンズ部５は、アクリル樹脂、ポリカーボネート又はガラス等の透光性材料から形成される。ケース６は、金属又は樹脂から成る材料をレンズ部５の外周に適合するように形成される。好ましくは、ケース６のうち、レンズ部５と向かい合う面は、反射面又は拡散反射面として形成される。
【００１７】
基板４は、支持体７によってケース６及び発光ユニット１が適用される機器の取付面（図示せず）に固定される。また、発光ユニット１は、外部からの給電を受けるための電極８が、基板４及び支持体７を貫通するように設けられる。電極８は、基板４に設けられた配線（図示せず）を介してパッケージ３に実装されたＬＥＤ２へ給電する。支持体７には適宜に放熱材７０が用いられる。
【００１８】
好ましくは、レンズ部５の入射面５１とパッケージ３との間には透光性の樹脂材料９が充填される。こうすれば、ＬＥＤ２が実装されたパッケージ３とレンズ部５との位置決めを確実に行うことができる。
【００１９】
次に、パッケージ３の具体的な構成について、図３を参照して説明する。パッケージ３は、ＬＥＤ２を実装させる母体３１と、ＬＥＤ２を電気的に連結させるリード線３２と、ＬＥＤ２が生じる熱を放熱するための金属材料及び樹脂材料から成る放熱材３３と、これらを収納し、上面に凹部を有するカップ３４とを備える。また、カップ３４の凹部にはシリコーン樹脂等の透明樹脂３５が充填される。母体３１は、カップ３４及び放熱材３３と一体的に形成されていてもよい。リード線３２は、母体３１上にプリントされていてもよく、少なくとも、基板４に設けられた配線を介してＬＥＤ２に給電可能なように構成されていればよい。ＬＥＤ２は、直接的に基板４に実装されてもよいが、パッケージ３を介することにより、より安定な動作環境が得られる。
【００２０】
レンズ部５の出射面５３及び入射面５１の具体的な構成について、図４を参照して説明する。出射面５３は、ＬＥＤ２の発光面中心Ｐ０よりも外側の点Ｐａを中心とする円Ｃａを、発光面中心Ｐ０を通る法線Ｘを軸として回転させた凸型回転体の外郭形状５３ａと、発光面中心Ｐ０より上方であって、法線Ｘ上の点Ｐｂを中心とする円Ｃｂに沿う半球型凹形状５３ｂとの組み合わせから成る概半球形状から成る。円Ｃａの半径ｒａは、発光面中心Ｐ０と外側を中心Ｐａとする円Ｃａの中心Ｐａとの距離ｄａよりも大きく設定される。また、入射面５１は、発光面中心Ｐ０を起点とする円Ｃ０を回転させた半球型凹状から成る。この入射面５１は、ＬＥＤ２の近傍に形成され、入射面５１から出射面５３にかけてのレンズ部５の厚みは、従来例のレンズ部（図９（ａ）参照）に比べて厚くなるよう形成される。
【００２１】
上述したレンズ部５を備えた発光ユニット１の作用について、上述した図４に加え図５及び図６を参照して説明する。まず、光の屈折現象について簡単に説明する。光が屈折率の高い材質から低い材質へ伝播するとき、光の入射角度によって透過する場合と全反射する場合とがあり、この光が透過するか全反射するかの境になる入射角度を臨界角という。入射角度が臨界角に満たない場合、屈折率の高い材質と低い材質との接面において、光は透過屈折し、一方、臨界角を超える場合には全反射する。例えば、入射側物質が空気（ｎ＝１）であり、レンズ部５の材質がアクリル（ｎ＝１．４９）であるとき、臨界角は４２．１６°となる。
【００２２】
本実施形態においては、レンズ部５の入射面５１は、ＬＥＤ２の発光面中心Ｐ０を起点とする半球型凹形状に形成されるので、ＬＥＤ２から出射光は、入射面５１のいずれの面に対しても、ほぼ垂直に入射面５１に入射する。すなわち、入射角は０°に近く、ＬＥＤ２から出射された光は、入射面５１において全反射されることなく、レンズ部５内に入射する。従来のレンズでは、入射面において光が反射され、この光が外部に出射されないことにより、利用効率が低下することがあった。これに対して、本実施形態のレンズ部５は、ＬＥＤ２からの光を反射しないので、光の利用効率が高く、照射面の輝度を高くすることができる。
【００２３】
レンズ部５は、ＬＥＤ２からの光を、入射面５１の界面で屈折させた後、出射面５３の発光面上部に形成された半球型凹形状５３ｂ、及びその周囲に形成された凸型回転体の外郭形状５３ａによって更に屈折させるので、図５の矢印線で示したように、出射光の配光を広角にすることができる。図６は、上述のレンズ部５による配光曲線Ｂを示す。この配光パターンは、浅く広く、いわゆるバットウィング形状と呼ばれ、ＬＥＤ２の正面方向にはほとんど光が出ない一方で、その周囲に多くの光が出るので、照射面においては、リング状の光が照射される。
【００２４】
比較例として、半球型凹形状の入射面５１が形成されていないレンズ部２０５及びこのレンズ部２０５を備えた発光ユニット２０１による配光曲線Ｃを図７（ａ）（ｂ）に示す。この比較例においては、ほとんどの光がＬＥＤ２０２の中心を通る軸Ｘの近くに配光され、本実施形態の発光ユニット１のような広角配光が得られない。この結果は、半球型凹形状に形成された入射面５１が、ＬＥＤ２からの光の利用効率を向上させるだけでなく、配光の広角化にも寄与することを示す。
【００２５】
次に、上述した発光ユニット１を複数備えた面発光ユニットについて、図８（ａ）（ｂ）を参照して説明する。面発光ユニット１０は、複数個の発光ユニット１が取付板１１に等間隔に配置され、夫々の発光ユニット１が配線１２を介して電気制御装置１３に接続される。これら取付板１１等は筐体１４に収納される。各発光ユニット１は、電気制御装置１３からの制御信号に基づいて点灯動作する。
【００２６】
単体の発光ユニット１は、広範囲に光を照射できるが、正面方向への光量が少ないので、例えば、照射面がレンズ部５から近いと、光ムラを生じることがある。しかし、複数個の発光ユニット１が等間隔に配置されると、単体の発光ユニット１の正面方向に光が出射されなくても、その発光ユニット１の周囲に配置された他の発光ユニット１から広角配光の光が出射されるので、光ムラのない均一な照射面を実現することができる。また、本実施形態の発光ユニット１は、高輝度かつ広角配光が可能であり、少数の発光ユニット１を用いて、広い面積を均一に照射することができるので、面発光ユニット１０の製造コストを抑えることができ、また、省エネ化を実現することもできる。
【００２７】
なお、本発明は、図４に示したように、レンズ部５の入射面５１がＬＥＤ２の発光面中心Ｐ０を起点とする半球型凹形状に形成されていることにより、ＬＥＤ２からの光を全反射させることなくレンズ部５内に導入して、光利用効率を高めるように構成されていれば、他の部分の形状は必ずしも上記実施形態で示した構成に限られない。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】（ａ）は本発明の一実施形態に係る発光素子ユニットの斜視図、（ｂ）は同側断面図。
【図２】同発光素子ユニットの側断面図。
【図３】同発光素子ユニットに備えられるパッケージの側断面図。
【図４】同発光素子ユニットに備えられるレンズ部の側断面図。
【図５】同発光素子ユニットの動作を示す側断面図。
【図６】同発光素子ユニットの配光曲線を示す図。
【図７】（ａ）は比較例の発光素子ユニットの側断面図、（ｂ）は同発光素子ユニットに用いられるレンズ部による配光曲線を示す図。
【図８】（ａ）は本発明の発光素子ユニットを備えた面発光ユニットの斜視図、（ｂ）は同側断面図。
【図９】（ａ）は従来の発光素子ユニットの側断面図、（ｂ）は同発光素子ユニットに用いられるレンズ部による配光曲線を示す図。
【符号の説明】
【００２９】
１    発光ユニット（発光素子ユニット）
２    ＬＥＤ（発光素子）
３    パッケージ
４    基板
５    レンズ部
５１    入射面
５２    底面
５３    出射面
９    樹脂材料
１０    面発光ユニット
Ｐ０    発光素子の発光面中心
Ｐａ    発光面中心よりも外側の点
Ｐｂ    発光面中心より上方であって、その法線上の点
Ｃａ    Ｐａを中心とする円
Ｃｂ    Ｐｂを中心とする円
Ｘ    Ｐ０を通る法線
【図１】
2009152142.tif 000003
【図２】
2009152142.tif 000004
【図３】
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【図４】
2009152142.tif 000006
【図５】
2009152142.tif 000007
【図６】
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【図７】
2009152142.tif 000009
【図８】
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【図９】
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