JP2001036149A

JP2001036149A - 光源装置

Info

Publication number: JP2001036149A
Application number: JP20990399A
Authority: JP
Inventors: Masaru Sugimoto; 勝杉本; Eiji Shiohama; 英二塩浜; Hideyoshi Kimura; 秀吉木村; Jiro Hashizume; 二郎橋爪
Original assignee: Matsushita Electric Works Ltd
Current assignee: Panasonic Electric Works Co Ltd
Priority date: 1999-07-23
Filing date: 1999-07-23
Publication date: 2001-02-09

Abstract

(57)【要約】【課題】発光素子を液体に浸漬した光源装置において、
所望の配光特性を得ることができ、しかも、外部量子効
率が高い構造を提供する。【解決手段】発光素子が絶縁性かつ不活性で透光性を有
する液体に浸漬されたランプモジュールにおいて、モジ
ュールの透光性筐体の封入液体と接する部分を曲面とし
た。曲面部分は発光素子を囲繞する形状とする。発光素
子の実装部分は曲面部分の内側へ突き出していることが
好ましい。モジュールの透光性筐体には例えばガラスを
用いる。封入液体には透光性筐体と屈折率の異なる液体
を用いる。モジュールの透光性筐体の封入液体と接する
部分または発光素子の表面には反射防止膜を設けても良
い。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は発光ダイオードのよ
うな固体発光素子を用いた照明用の光源装置に関するも
のである。

【０００２】

【従来の技術】通常の発光ダイオード（ＬＥＤ）は、金
属製リードフレーム上に実装されており、発光素子の実
装部分をエポキシ樹脂にて埋め込んだ構造になってい
る。表面実装用のＬＥＤも、セラミックまたはエポキシ
べースの配線基板に実装し、エポキシ樹脂や射出成形用
の樹脂で覆われている。

【０００３】ＬＥＤ素子は赤色、即ち光子のエネルギー
が小さいものから実用化されてきた。光子のエネルギー
が小さいときには、エポキシ樹脂の光化学反応による劣
化は問題にならなかった。しかし、近年、青色に発光す
るＬＥＤ素子が開発され、その光子が大きなエネルギー
を持つため、光化学反応が促進され、エポキシ樹脂が変
質、着色し、外部量子効率が下がるという問題が生じて
いる。ここで言う外部量子効率とは、ＬＥＤ素子内部で
発生した光が、ＬＥＤ素子外部へ効率よく取り出され、
それが、更に、液体や樹脂などのレンズといった透光性
材料を透過して、外部へどれだけ損失なく取り出せるか
ということである。

【０００４】また、ＬＥＤ素子は点光源に近いが、素子
からは略全方位に向けて光が放射されるので、反射鏡や
レンズを用いて、所望の照射角度を得るような構造が採
られてきた。所望の方向へ放射される光の割合を高めよ
うとすると、レンズの直径を大きくしなくてはならな
い。また、照射角度を絞ろうとすると、レンズの曲率を
大きくしなくてはならない。その結果、ＬＥＤ素子自体
は１ｍｍにも満たない非常に小さなものであるにもかか
わらず、高効率、狭照射角度を狙ったＬＥＤランプは５
〜１０ｍｍといった大きなサイズにならざるを得ない。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】上記課題のうち、光に
よる劣化の問題は、ＬＥＤ素子を液体に浸漬することに
よって解決される。しかしながら、レンズ形状にかかる
問題に関しては、依然、同様の問題を抱えている。そこ
で、本発明は液体に浸漬したＬＥＤ素子を用いたランプ
モジュールにおいて、所望の配光特性を得ることがで
き、しかも、外部量子効率が高い構造を提供することを
課題とする。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明にあっては、上記
の課題を解決するために、発光素子が絶縁性かつ不活性
で透光性を有する流動性液体に浸漬されたランプモジュ
ールにおいて、モジュールの透光性筐体の封入液体と接
する部分が曲面となっていることを特徴とするものであ
る。すなわち、発光素子が液体に浸漬されたランプモジ
ュールでは、封入する液体と、透光性筐体の間には、通
常、屈折率の違いがある。そこで、透光性筐体と液体の
境界が発光素子を中心とした円弧に近くなるような形状
にする。これによって、大部分の光は境界を、境界面に
対して垂直に横切ることとなり、反射や屈折による損失
が生じにくくなる。また、屈折率の違いを積極的に利用
して、レンズ構造を作れば、所望の配光特性を有する光
源装置をコンパクトに実現することができる。さらに、
発光素子と液体、液体と透光性筐体の屈折率の違いによ
る光の損失を減少させるために、反射防止膜を発光素子
又は透光性筐体の何れか又は両方に設けることが好まし
い。

【０００７】

【発明の実施の形態】（実施例１）図１は本発明の実施
例１の要部断面図である。図中、１は発光素子、２は基
板、３は透光性材料で出来た筐体、４は液体である。発
光素子１は基板２に設けられた凹部に実装されており、
その基板２に透光性材料で出来た筐体３が密着して接着
されている。基板２と透光性材料で出来た筐体３の間に
生じる空隙、即ち、発光素子１が実装されている部分は
液体４で満たされている。透光性材料で出来た筐体３
は、所望の配光特性を得るために所定の曲率を持ってお
り、レンズになっている。筐体３を構成する透光性材料
として樹脂を用いた場合、例えばエポキシ系では、屈折
率が１．４〜１．５である。液体４は、絶縁性、不活
性、透光性、流動性を有している。例えば、フッ素系不
活性液体（商品名：フロリナート）を用いた場合、その
屈折率は１．２〜１．３である。両者の屈折率の差によ
る屈折や反射を抑制するために、透光性筐体３と液体４
との界面部分の形状は球面にする。この球面は、中心が
発光素子１の位置となるのが最も良い。しかし、屈折率
が極端に大きく変わらないので、曲率は大き目でも効果
は得られる。

【０００８】ここでは、発光素子１が実装されている基
板２に凹部が設けられている場合を例示したが、凹部の
代わりに、穴の空いた枠が基板に載せられているような
構造でもよい。なお、レンズを構成する透光性筐体３
が、実際に筐体の（物理的強度に関する）構造的な要素
である必要はなく、単に光学的部材としての機能のみを
有しており、筐体が別に存在していても構わない。しか
しながら、モジュール全体のサイズを小さく収めようと
するならば、この光学的な部材を構造的な用途と兼ねる
のが好ましく、一般的である。

【０００９】（実施例２）図２は本発明の実施例２の要
部断面図である。上述の実施例１では、基板２に凹部を
設けたり、穴の空いた枠を被せて、これを反射板とし、
発光素子１から出た光を一旦、上向きにしたのちに、レ
ンズ３に入射させていた。一方、図２に示す本実施例で
は、加工する部材数が少ないことに特徴が有る。即ち、
基板２に被せる枠も必要が無いし、基板２に特殊な加工
を施す必要も無い。加工するのはレンズ部分だけで済
む。すなわち、レンズ３の下部を基板２の近傍まで伸ば
し、発光素子１を中心とした半球状の隙間を設け、そこ
に発光素子１が収まるようにする。ここで、半球状にす
るのは、発光素子１から放出された光が、レンズ３と液
体４の境界面を出来るだけ垂直に通過するようにするた
めである。液体４に出来るだけ粘度の低いものを用いれ
ば、レンズ３と基板２の間隙が狭くとも液体４は適度に
行き来するので、発光素子１の冷却に支障はない。

【００１０】（実施例３）図３は本発明の実施例３の要
部断面図である。上述の実施例２で、粘性が十分に低い
液体を用いることが出来ない場合、或いは、冷却効率を
更に高める必要のある場合には、基板２に発光素子１の
底面積と同じくらいの小さな凸部を設け、その凸部に発
光素子１を実装する。通常のＬＥＤ素子は、発光層の下
部に反射層が設けられており、斜め下方向への光の放射
割合は非常に少ない。従って、このような構造を用いれ
ば、レンズ３へ入射する光を減らすこと無く、基板２と
レンズ３の間隙を広げ、液体４の行き来を良くすること
ができる。

【００１１】ここでいう、通常のＬＥＤ素子とは、現段
階では、ＧａＡｓ基板を用いたＬＥＤ素子のことであ
る。しかしながら、ＧａＰやサファイアなどの透明基板
を用いたＬＥＤ素子でも、発光層よりも下部になんらか
の反射構造が設けられていれば、本実施例のような構成
に用いることが可能である。

【００１２】（実施例４）図４は本発明の実施例４の要
部断面図である。上述の実施例２及び３において、液体
４とレンズ３の材質の屈折率の差が適度に大きければ、
レンズ３に入射した光は、再び液体４へ抜けることな
く、外部へ放射される。しかしながら、レンズ３の屈折
率が不十分な場合には、再び、液体４内に放射されるも
のの割合が多くなる。この場合、発光素子１を囲繞する
半球の部分以外のレンズ３と液体４が接している面に反
射膜５（反射板）を設けることが有効である。この反射
板は、レンズ部の外側から、アルミ皮膜などを蒸着すれ
ばよい。

【００１３】（実施例５）図５は本発明の実施例５の要
部断面図である。上述の実施例１でレンズ３より屈折率
の小さい液体４を用いて、レンズ３を液体側に凸にすれ
ば、表面が平らで、かつ集光性を持った光源装置を得る
ことが出来る。

【００１４】（実施例６）図６は本発明の実施例６の要
部断面図である。本実施例は上述の実施例５とは反対
に、レンズ３より屈折率の大きな液体４を用いて、レン
ズ３を液体４側に凹にする。このようにすれば、表面が
平らで、かつ、集光性を持った光源装置を得ることが出
来る。

【００１５】（実施例７）本実施例は上述の実施例１の
構造で、レンズ３の液体４に接する部分に、反射防止膜
を設けたものである（請求項５）。単層の反射防止膜
は、屈折率の違いの平方根の屈折率を持ち、その厚さ
が、波長の４分の１のものを用いる必要がある。これに
丁度、該当するものは無いが、ガラスレンズの反射防止
膜などでも、多少の違いは無視して使用されている。こ
こでも、ＭｇＦ₂の膜を用いて、約５％の効果を得るこ
とが出来ている。

【００１６】（実施例８）本実施例は上述の実施例１の
構造で、発光素子の部分に、反射防止膜を設けたもので
ある（請求項６）。ＬＥＤ素子は屈折率が３〜４と非常
に大きい。液体の屈折率との関係から、反射防止膜の適
切な屈折率は２〜３である。この条件に当てはまるもの
の例を表１に示す。例えば２酸化チタンを用いた場合、
約６％の効率改善がなされる。

【表１】

【００１７】（実施例９）本実施例は上述の実施例１の
構造で、レンズ部分にガラスを用いたものである（請求
項７）。従来の樹脂を用いたものでは、外界からの紫外
線照射、水分の浸入などによって、劣化が引き起こされ
た。本実施例によれば、耐環境性能に優れたランプモジ
ュールを提供することができる。更に、ＴａＳＦなどの
ような高屈折率ガラス（屈折率２）を用いれば、更にレ
ンズをコンパクトにすることが可能である。

【００１８】

【発明の効果】本発明によれば、絶縁性かつ不活性で透
光性を有する液体に発光素子を浸漬することで、発光素
子の発熱が抑えられ、効率が高くなるとともに、発光素
子の光学的効率が向上し、その結果、全体としての効率
が大幅に向上した。また、モジュールの透光性筐体の封
入液体と接する部分が曲面となっていることにより、所
望の配光特性を得るための集光レンズをコンパクトに形
成できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例１の要部断面図である。

【図２】本発明の実施例２の要部断面図である。

【図３】本発明の実施例３の要部断面図である。

【図４】本発明の実施例４の要部断面図である。

【図５】本発明の実施例５の要部断面図である。

【図６】本発明の実施例６の要部断面図である。

【符号の説明】

１発光素子２基板３透光性筐体（レンズ）４液体

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者木村秀吉大阪府門真市大字門真1048番地松下電工株式会社内 (72)発明者橋爪二郎大阪府門真市大字門真1048番地松下電工株式会社内Ｆターム(参考） 5F041 AA03 AA06 AA33 DA20 DA74 DA77 DA81 EE23 EE25

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】発光素子が絶縁性かつ不活性で透光性
を有する液体に浸漬されたランプモジュールにおいて、
モジュールの透光性筐体の封入液体と接する部分が曲面
となっていることを特徴とする光源装置。
【請求項２】請求項１において、曲面部分が発光素
子を囲繞する形状であることを特徴とする光源装置。
【請求項３】請求項２において、発光素子の実装部
分が曲面部分の内側へ突き出していることを特徴とする
光源装置。
【請求項４】請求項１において、封入液体は透光性
筐体と屈折率の異なる液体を用いたことを特徴とする光
源装置。
【請求項５】発光素子が絶縁性かつ不活性で透光性
を有する液体に浸漬されたランプモジュールにおいて、
モジュールの透光性筐体の封入液体と接する部分に反射
防止膜を設けたことを特徴とする光源装置。
【請求項６】発光素子が絶縁性かつ不活性で透光性
を有する液体に浸漬されたランプモジュールにおいて、
発光素子の表面に反射防止膜を設けたことを特徴とする
光源装置。
【請求項７】発光素子が絶縁性かつ不活性で透光性
を有する液体に浸漬されたランプモジュールにおいて、
モジュールの透光性筐体にガラスを用いたことを特徴と
する光源装置。