JP2012503334A - 照明モジュール用の光ディスク - Google Patents
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Abstract
発光ダイオードチップからの放射光を白色光に変換するための光ディスクが提供される。光ディスクは、該光ディスクの中央部分が同外側部分よりも幅広になるように傾斜した表面を含む。光ディスクは、蛍光体を少なくとも１重量パーセント混合したシリコーンから形成される。一般に説明される当該光ディスクの種々の実施例も提供される。
Description
本発明は照明モジュール用の光ディスクを指向し、詳しくは、発光ダイオードチップからの照射光に影響を与えるための光ディスクを指向する。
発光ダイオード（ＬＥＤ)は電気エネルギーにより励起及び発光する半導体デバイスである。ＬＥＤは一般に、パッケージ内に配置したＬＥＤチップを含む。ＬＥＤチップはｐ−ｎ接合を形成する不純物を含浸またはドープ処理した半導体材料(または組み合わせ材料)である。ＬＥＤチップに順バイアス電流を通すと電子がｐ−ｎ接合部を横断して“飛び越え”且つ発光する。ＬＥＤパッケージは通常プラスチックまたはセラミック材料製で、ＬＥＤチップを電源に連結する電気的接続部を有する。ＬＥＤパッケージの最大の欠点は、熱抵抗が非常に大きく（即ち、１００℃／Ｗ以上）なるためにＬＥＤチップの寿命や性能が低下することである。“発光ダイオードチップ”、“ＬＥＤチップ”または“ＬＥＤダイ”とは、半導体Ｐ−ｎ接合に対して参照され、一般にチップ及びそのパッケージングを共に含む用語“ＬＥＤ”とは区別される。
ＬＥＤは白熱光源よりも効率の良い光源である。しかしながら、ＬＥＤを一般照明用途の光源として使用する場合、各ＬＥＤチップを十分に発光させる点が問題となる。つまり、個々のＬＥＤチップからの光量はその他光源、たとえば、タングステンフィラメント等のそれと比較して十分ではない。しかし、幾つかのＬＥＤを纏めて１つのＬＥＤ配列体とすれば、配列体内の全ＬＥＤチップの組合わせ及び累積効果により十分な光量が得られる。
照明用途でのＬＥＤ使用は増えつつある。当初、照明機材のＬＥＤは、高出力型（代表的には１ワットチップ）ＬＥＤを一般に照明モジュールと称する形態に纏めた形で使用される傾向があった。１つ以上の照明モジュールが１つの照明機材で使用され得る。光源一様化のため、各ＬＥＤをディフューザー通過光が“混合”するに十分接近配置する必要がある。更に、照明機材厚の最小化に対する要望が多く、それには各ＬＥＤを相互に一層接近させて配置する必要がある。各ＬＥＤが相互接近するに従い、新たな熱管理対策（たとえば、ファン、冷却フィン、ヒートパイプ等）の必要性が高くなる。
ＬＥＤ使用型の照明モジュールはその設計上、熱的問題に加え、色ムラやビニング等の光学的問題に対処すべきである。例えば、使用する半導体材料により、ＬＥＤチップからの発光色は異なり得る。白色光を得るには一般に２つの技法を用いる。その第１技法では３個のＬＥＤチップ（赤、青、緑各１個）を、その累積的出力が白色光源となるように纏められる。第２技法では蛍光体をコーティングまたはパッケージしたＵＶ／青色ＬＥＤチップを使用する。ＬＥＤチップからは特定波長（ＵＶまたは青色帯域での）光が放射される。当該放射光が蛍光体を励起させ、かくして白色光が放射される。しかしながらその製造時において、一つの半導体ウェハーから製造される各ＬＥＤチップの波長は多様化され得る。ＬＥＤ照明モジュールの一様性を保証するためには、製造業者はビンの狭い範囲からＬＥＤチップを製造する必要がある。
従って、ＬＥＤ製造業者は費用を要するビニングを経てＬＥＤチップの波長を整理（またはビン）する必要がある。
従って、ＬＥＤ製造業者は費用を要するビニングを経てＬＥＤチップの波長を整理（またはビン）する必要がある。
発光ダイオードからの照射光を白色光に変換するために使用する光ディスクが提供される。一般に、光ディスクは、その中心領域部分の幅がその外側領域部分の幅よりも大きくなるような傾斜表面を含む。光ディスクは全体に、蛍光体の少なくとも１重量パーセント混合物を有するシリコーンから形成される。一般に説明されるこれら光ディスクの種々の実施例も提供される。
発光ダイオードからの照射光を白色光に変換するために使用する光ディスクが提供される。
本発明の照明モジュールは一般に、ベースパネルと、このベースパネルに実装した複数の発光ダイオード（ＬＥＤ）チップとを含む。当該一般概念の種々の実施例が提示される。更には、照明モジュール及びこの照明モジュールのシステム構成部品の調製法が提示される。各実施例は、同じ参照番号が同じまたは機能的に類似の各要素を一般に表す図面を参照して説明される。各参照番号の最初の数字は当該数字を最初に使用した図面に一般に相当する。議論される特定構造及び構成は例示目的のみのためのものであり、当業者には本発明の精神及び範囲を逸脱することなくその他構造及び構成を使用し得ることを理解されよう。
図１には本発明の１実施例に従う照明モジュール１００の概略図が示される。照明モジュール１００は、基材またはベースパネル１１１上に配列したＬＥＤチップ１１０を含む。各ＬＥＤチップ１１０はベースパネル１１１上に実装される。ここで、“実装”または“直付け装着”とは、広い意味で、ＬＥＤチップを下側パッケージ無しで基材に接着またはそうでなければ取り付けることを言うものとする。１実施例ではＬＥＤチップ１１０は、銀入り接着剤を用いてベースパネル１１１に接着される。その他技法を用いてベースパネル１１１にＬＥＤチップを直付け装着できる。例えば、ＬＥＤチップを共晶ハンダを使用してベースパネル１１１に実装し得る。
図示実施例ではＬＥＤチップ１１０は平行回路において第１導電線１１２及び第２導電線１１４に電気的に連結される。ＬＥＤチップ１１０は平行回路で示されるが、当業者には同等の直列回路へのＬＥＤチップ１１０配列を理解されよう。図１に示すようにＬＥＤチップ１１０は第１導電線１１２に接触する状態下にベースパネル１１１に実装され、ワイヤボンド１２０により第２導電線１１４に電気的に連結される。次いで第１及び第２の各導電線１１２、１１４が、電源１４０から電力を受ける電流調整器１３０に連結される。電源１４０は代表的にはＡＣ電源である。電源１４０からのＡＣ電力は電流調整器１３０でＤＣ電流に変換される。ここで、“電源”とは、広い意味で、必要電流または電圧をＬＥＤチップに送る任意手段に対して参照されるものとする。従って、適宜の電源とは、単独のＤＣ電源、またはＡＣ／ＤＣコンバータ及びまたは電流調整器と組み合わせたＡＣ電源であり得る。
電流調整器１３０、電源１４０、導電線１１２、１１４及び同等構造は、照明モジュール１００への送達電流をキャッピングしてＬＥＤチップ１１０への送達電流を軽減し、信頼性を有する低ノイズ電流を提供する手段として作用する。例えば、１実施例では電流調整器１３０は、ノイズ変動量が約０．０１０アンペアに過ぎない状態下での０．０５０アンペアもの低い電流を提供する設計とされる。最終的に、複数のＬＥＤチップ１１０を電源の陰陽の各極端子に電気的に連結した回路となる同等の代替構造を使用できる。
ＬＥＤチップ１１０は一般に小型で低出力のＬＥＤチップである。例えば、ＬＥＤチップ１１０は幅約２６０μｍ、長さ約４５０μｍもの小ささであり、定格電流約２０ｍＡ、順電圧は約３．２Ｖであり得る。他の実施例ではＬＥＤチップ１１０は幅約５００μｍ、長さ約５００μｍもの大きさであり、定格電流約８８ｍＡ、順電圧は約３．２Ｖであり得る。
１実施例において、ベースパネル１１１は導電線１１２及び１１４を備えた印刷回路基板（ＰＣＢ）である。複数のＬＥＤチップを保持するための手段としての種々基材が使用され得る。それら基材は部分的には、照明モジュールの要求特性、詳しくは、照明用途及びまたは照明モジュールを格納する照明器具の構造条件に基づき選択される。例えば、ある照明用途では電気絶縁性のセラミック基材が要求され得、他の照明用途では伝熱性の金属またはセラミック基材が要求され得る。また、基材厚は特定用途向けに調整され得る。基材例には、アルミニュー箔、陽極処理アルミニューム、金属クラッド印刷回路基板、窒化アルミニューム、及びその他種々の金属またはセラミック基材が含まれ得る。他の実施例では基盤をコーティングする。例えば、１実施例では基材は上面に誘電体層を被覆した陽極処理アルミニュームから形成され得る。誘電体層はＡｌ2Ｏ3からなる陽極処理層であり得る。他の実施例では基材はポリマー誘電体でコーティングされ得る。ポリマー誘電体は、Ａｌ2Ｏ3、ＳＩＯ2またはＴiＯ2等のセラミック粒子を充填したシリコーンであり得る。他の実施例では基材はＴiＯ2埋め込み型シリコーンでコーティングされ得る。
１実施例ではベースパネル１１１に所定の充填密度に従いＬＥＤチップ１１０を密集させる。本明細書において開示する照明モジュールは、高出力パッケージＬＥＤを小数使用する傾向のある、一般に使用されるＬＥＤ照明モジュールとは対照的に、低出力ＬＥＤチップを比較的多く用いることで熱及び光学的問題に対処するものである。ＬＥＤチップはベースパネルに直付け装着され、各ＬＥＤチップを駆動させる“軽減された”電流がこれらＬＥＤチップに送達される。かくして、各ＬＥＤチップの定格が軽減されることで運転温度全体が全体に低く維持されると共に、各ＬＥＤチップの出力効率が増大される。
熱が対流及び放射によってのみ損失すると考えられる場合、照明モジュール１００のパッケージ密度は、所定面積（及び温度上昇）に関する熱入力に限度が有ることを考慮する。つまり、ベースパネル１１１に、最大熱流速、または単位面積当たりの熱入力の関数としてＬＥＤチップを充填し得る。例えば、ある実施例ではパック密度は以下の数学式に従う。
（Ｑ／Ａ）MAX＝σε（Ｔb 4−ＴO 4）＋ｈ空気（Ｔb−ＴO）
（Ｑ／Ａ）MAX＝σε（Ｔb 4−ＴO 4）＋ｈ空気（Ｔb−ＴO）
前記式によれば、最大基盤温度（Ｔb）が例えば６０℃、一定周囲温度（ＴO）が例えば２０℃である場合の、左側の単位面積（Ｑ／Ａ）当たりの熱入力と、右側の放射及び対流とが平衡化される。式の放射部分の各記号はσ（Ｓｔｅｆａｎ−Ｂｏｌｔｚｍａｎ定数）とε（放射率：一定且つ任意仮定値として０．５または、黒体に関し１に設定）とである。式の対流部分では記号ｈ空気が対流係数であり、当該係数は一定であると仮定され且つ任意選択値として１５Ｗ／ｍ2Ｋ（しかし１０−１００Ｗ／ｍ2Ｋで変化し得る）である。
以上の分析は、過度に簡略化され且つ放射率及び対流係数に関して任意値に依拠して例示されたに過ぎない。しかしながら、当該分析によれば、設計指針としての単位面積当たりの最大熱入力値を推定可能となる。例えば、単位面積当たりの熱入力（Ｑ／Ａ）は約０．５Ｗ／６．４５ｃｍ2（ｉｎ2）となる。他の実施例では単位面積当たりの熱入力（Ｑ／Ａ）は約０．１〜約０．７Ｗ／６．４５ｃｍ2（ｉｎ2）の範囲であり得る。この推定値により、定格電流で駆動されるものとしての、単位面積当たりの最大ＬＥＤチップ数が“固定”される。使用ＬＥＤチップ数を減らし、各ＬＥＤチップの駆動電流を低減させれば、基盤温度上昇を伴わずに所定面積当たりのＬＥＤ配置数を増やせる。例えば、代表的な１ｍｍの“高出力型”ＬＥＤチップは、定格順電流３５０ｍＡ、順電圧（Ｖf）約３．２Ｖ、従って入力電力１．１２Ｗで動作する。代表的に、当該順電流での１ｍｍ型ＬＥＤチップの効率は約２０％であり、約０．９Ｗ分が熱として消散される。上記分析によれば、当該ＬＥＤチップの、対流及び放射による熱消散及びそれによる基盤温度を約６０℃に制限するための必要面積は約１１．６ｃｍ2（約１．８ｉｎ2）である。（余談になるが、基盤からＬＥＤチップへの熱による約１０〜２０℃の追加的温度上昇が存在するため、ＬＥＤチップ温度は実際は約７０〜８０℃（以下、接合部温度（Ｔｊ））に上昇する）。そのため、１ｍｍ型ＬＥＤチップの充填密度は約１１．６ｃｍ2（約１．８ｉｎ2）当たり１個となる。０．５ｍｍの“低出力”型ＬＥＤチップを使用し、順電流を約４５ｍＡに低減させると、ＬＥＤチップ当たりの熱入力は約０．１４Ｗとなる。低出力型のＬＥＤチップを使用すると低出力型ＬＥＤチップを使用すれば６．４５ｃｍ2（ｉｎ2）当たりの許容充填密度は約４個となる。１つの照明モジュールにより多くの（２カ所の約６．４５ｃｍ2（ｉｎ2）の面積部分につきＬＥＤチップ１個に対し同８個）個別光源が装備される効果がある。しかも、当該照明モジュールでは補助的な放熱技術を必要としない。
前記分析は、例えば、図１３に示す方法で用い得る。図１３にはベースパネルと複数のＬＥＤチップとを有し、その運転温度が６０℃以下である照明モジュールの調製方法１３００が例示される。当該調製方法１３００はその開始ステップ１３０１において単位面積当たりの熱入力を放射及び対流の関数として算出する。ステップ１３０３で、ＬＥＤチップへの熱入力をＬＥＤチップの定格順電流に基づき算出する。ステップ１３０５で、ＬＥＤチップをベースパネルに直付け装着する。ステップ１３０７で軽減した定格電流を複数のＬＥＤチップに送達する。
他の実施例では、特定のルーメン−密度メトリックに従いベースパネル１１１にＬＥＤチップ１１０を充填する。ここで、“ルーメン−密度”は“ＬＤ”として参照され、以下のごとく定義する。
ＬＤ＝（Ａb／Ａh）（Ａb／Ａem）（Ｌ／Ａem）（ＬＰＷ）
ここで、Ａbはベースパネルの面積、Ａhは全対流面積、Ａemは照射面積（即ち、ＬＥＤチップ数倍したＬＥＤチップ寸法）、Ｌはルーメン、ＬＰＷはワット当たりのルーメン値である。１実施例では、約１０ｃｍ×約１０ｃｍ（約４インチ×約４インチ）のベースパネルに２５個のＬＥＤチップを実装した照明モジュールが提供される。各ＬＥＤチップは約５００μｍ×５００μｍの大きさを有し、順電圧は約３．２±０．３ボルト、定格電流約０．００８±０．０１０アンペアである。この照明モジュールのＬＤ評価値は約２．９×１０6ｌｍ2／ｍｍ2Ｗであった。対照的に、本件発明者による従来型照明モジュールのＬＤ評価値は約１．０×１０6ｌｍ2／ｍｍ2Ｗであった。例えば、ＬＣＤバックライトモジュールのＬＤ評価値は約７．０×１０5−８．１×１０5ｌｍ2／ｍｍ2Ｗである。ＯＳＲＡＭ社のＯｐｔｏ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒｓ ＧｍｂＨの販売するＯＳＴＡＲ（商標名）ＬＥ Ｗ Ｅ３Ｂ型照明モジュールのＬＤ評価値は約１５００ｌｍ2／ｍｍ2Ｗである。比較目的上、以下の表で先の各実施例のＬＤ評価値と、いろいろの従来型照明モジュールのそれとを比較する。
ＬＤ＝（Ａb／Ａh）（Ａb／Ａem）（Ｌ／Ａem）（ＬＰＷ）
ここで、Ａbはベースパネルの面積、Ａhは全対流面積、Ａemは照射面積（即ち、ＬＥＤチップ数倍したＬＥＤチップ寸法）、Ｌはルーメン、ＬＰＷはワット当たりのルーメン値である。１実施例では、約１０ｃｍ×約１０ｃｍ（約４インチ×約４インチ）のベースパネルに２５個のＬＥＤチップを実装した照明モジュールが提供される。各ＬＥＤチップは約５００μｍ×５００μｍの大きさを有し、順電圧は約３．２±０．３ボルト、定格電流約０．００８±０．０１０アンペアである。この照明モジュールのＬＤ評価値は約２．９×１０6ｌｍ2／ｍｍ2Ｗであった。対照的に、本件発明者による従来型照明モジュールのＬＤ評価値は約１．０×１０6ｌｍ2／ｍｍ2Ｗであった。例えば、ＬＣＤバックライトモジュールのＬＤ評価値は約７．０×１０5−８．１×１０5ｌｍ2／ｍｍ2Ｗである。ＯＳＲＡＭ社のＯｐｔｏ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒｓ ＧｍｂＨの販売するＯＳＴＡＲ（商標名）ＬＥ Ｗ Ｅ３Ｂ型照明モジュールのＬＤ評価値は約１５００ｌｍ2／ｍｍ2Ｗである。比較目的上、以下の表で先の各実施例のＬＤ評価値と、いろいろの従来型照明モジュールのそれとを比較する。
図２には１実施例に従う照明モジュール２００の側面図が示される。図２に示すように、複数のＬＥＤチップ１１０が標準ＬＥＤパッケージングを使用せずにベースパネル１１１に実装されている。各ＬＥＤチップ１１０はワイヤボンド１２０を介して導電線（図示せず）と電気的に連通される。ワイヤボンド法を示したが、その他手段を使用してＬＥＤチップ１１０を陽極／陰極の各接点に電気的に接続することが可能である。例えば、他の実施例では“フリップチップ”法を使用してＬＥＤチップに送電させ得る。
照明モジュール２００は、ベースプレート１１１を拡散パネル２４０から離間させるセパレータユニット２３０を含み得る。拡散パネル２４０は複数のＬＥＤチップ１１０からの放射光を拡散させる手段として作用する。かくして、照明モジュール２００を見ても風変わりなＬＥＤチップ配列は見えずに一様な光源が見える。拡散パネル２４０は、青色／ＵＶ ＬＥＤチップ使用時に青色／ＵＶ光を白色光に変換する埋め込み型蛍光体も有する。１実施例では拡散パネル２４０は蛍光体または蛍光体混合物でコーティングされ得る。あるいは拡散パネル２４０には、蛍光体または蛍光体混合物を添加（ドープ）し得る。
図３には別態様構成の照明モジュール３００の部分側面図が示される。図３に示すように、ＬＥＤチップ１１０はベースパネル１１１に直付け装着される。ＬＥＤチップ１１０は青色／ＵＶ ＬＥＤチップであり得る。ＬＥＤチップ１１０を、蛍光体ドープ処理したコーティング／材料３０１で被覆することで、ＬＥＤチップ１１０からの放射光を白色光に変換させ得る。図示実施例ではコーティング３０１はＬＥＤチップ１１０を被覆する“気泡”の携帯を取っている。他の実施例ではコーティング３０１はＬＥＤチップ１１０の表面または一部のみを被覆し得る。
図４には別態様構成の照明モジュール４００の部分側面図が示される。図４に示すように、ＬＥＤチップ１１０はベースパネル１１１に直付け装着される。ＬＥＤチップ１１０は青色／ＵＶ ＬＥＤチップであり得る。蛍光体ドープ処理したドーム４０１を、ＬＥＤチップ１１０を直接覆う状態でベースパネル１１１に装着することで、ＬＥＤチップ１１０からの放射光を白色光に変換させ得る。
図４には別態様構成の照明モジュール４００の部分側面図が示される。図４に示すように、ＬＥＤチップ１１０はベースパネル１１１に直付け装着される。ＬＥＤチップ１１０は青色／ＵＶ ＬＥＤチップであり得る。蛍光体ドープ処理したドーム４０１を、ＬＥＤチップ１１０を直接覆う状態でベースパネル１１１に装着することで、ＬＥＤチップ１１０からの放射光を白色光に変換させ得る。
図５には別態様構成の照明モジュール５００の部分側面図が示される。図６には照明モジュール５００の平面図が示される。ＬＥＤチップ１１０はベースパネル１１１に直付け装着され、各ＬＥＤチップがワイヤボンド１２０を介して第１及び第２の導電線１１２、１１４と電気的に連結される。次いで、ベースパネル１１１に、ＬＥＤチップ１１０を取り巻く光コップ５０１を装着する。光コップ５０１は上方に伸びる周囲壁５０４と、傾斜内側表面５０５とから構成される。１実施例では光コップ５０１の傾斜内側表面５０５は反射性コーティングでコーティングされる。別態様では光コップ５０１は、反射性コーティングの必要性を回避するべく、それ自体を反射性材料から形成し得る。光コップ５０１はリップ領域５３０をも含む。光コップ５０１及びその同等構造はＬＥＤチップ１１０からの放射光の再配向手段として作用する。以下に議論する如く、図１０、１１Ａ及び図１１Ｂには光コップ５０１及び１１０１の種々の別態様が示される。
図７には別態様構成の照明モジュール７００が示される。ＬＥＤチップ１１０はベースパネル１１１に直付け装着される。光コップ５０１はＬＥＤチップ１１０を取り巻くようにベースパネル１１１に取り付けられる。図７に示す実施例では少なくとも１つの透明材料層が光コップ５０１の内部に配置される。例えば、第１シリコーン層７０２をＬＥＤチップ１１０を覆って配置する。次いで、図示の如く第２シリコーン層７０４を第１シリコーン層７０２を覆って被着する。青色／ＵＶ ＬＥＤを使用する場合、蛍光体を用いるそれら各層を使用してＬＥＤチップ１１０からの放射光を白色光に変換させ得る。
図８には別態様構成の照明モジュール８００が示される。図８に示す如く、ＬＥＤチップ１１０はベースパネル１１１に直付け装着される。光コップ５０１がＬＥＤチップ１１０を包囲する。光ディスク８０１が光コップ５０１内に配置される。光ディスク８０１はＬＥＤチップ１１０からの放射光を白色光に変換するために使用され得る。例えば、光ディスク８０１に蛍光体を添加し、青色／ＵＶ ＬＥＤチップ１１０からの放射光を白色光に変換させ得る。かくして、光ディスク８０１及び同等構造は、ＬＥＤチップからの放射光の遠隔蛍光体変換手段として作用する。随意的にはシリコーンまたは接着剤が、光ディスク８０１とＬＥＤチップ１１０との間の領域８０２内に配置される。
図９には光コップ５０１内に配置した光ディスク８０１の側面図が示される。光ディスク８０１は下方表面９０４と上方表面９０５とから成る。下方表面９０４及びまたは上方表面９０５は、光ディスク８０１の中心部の幅が光ディスク８０１の周囲表面９０９の幅、即ち端部厚９１０よりも大きくなるよう傾斜される。各表面９０４、９０５は、凸状、平凸状、またはメニスカス状となるように改変し得る。光ディスク８０１に蛍光体を添加し、ＬＥＤチップからの放射光の沿革蛍光体変換手段としても作用させ得る。動作上、ＬＥＤチップ１１０からの光線は、光ディスク８０１を貫く実施的に類似する通路長を有するよう光ディスク８０１を通して送られ、各通路長の相違は１％以上相違しないことが好ましい。
光ディスク８０１は、当該光ディスクの表面領域に渡り青色／ＵＶ ＬＥＤ光を一様に変換するべく設計される。青色／ＵＶ ＬＥＤ光を、一般に蛍光体を使用して白色光に変換する。変換プロセス、特には青色／ＵＶ ＬＥＤ光が相互作用するところの蛍光体量が光の抽出効率を決定する。蛍光体使用量が過小であると生成光束量は低下し、未変換の有意量の青色／ＵＶ ＬＥＤ光が変換プロセスの全体効率を低下させる。蛍光体使用量が過大であると変換校が過度に黄色くなる。また、標準的な表面放射型青色／ＵＶ ＬＥＤチップからの放射光は全方向において同じではない。例えば、照度は前方向においてピーク値となる。ＬＥＤチップを一様厚の蛍光体で包囲すると、生成光は一様な白色ではなくなる。この結果は市販入手可能なパッケージＬＥＤに於て一般に見られるものである。この問題は光ディスク８０１の形状により対処する。
例えば、光ディスク８０１の形状を青色／ＵＶ ＬＥＤ光の吸収通路長が全方向においてほぼ同じになるよう構成し得る。光ディスク８０１の厚さが非一様であることにより、白色光が比較的一様に配分され、色制御が良好化され、及びまたはＬＥＤチップ１１０の全体効率が高くなる。図９を参照するに、考慮対象となる寸法構成は、光ディスク８０１の端部厚９１０、光コップ５０１の内側高さ９２０、光ディスク８０１の直径９３０、光コップ５０１の中央開口径９４０、ＬＥＤチップ高さ（数値表示無し）、ＬＥＤチップ幅（数値表示無し）及びまたは光ディスク８０１の曲率半径（数値表示無し）、である。光ディスク８０１の蛍光体は、０．５〜１０重量パーセントの間で負荷され得る。１実施例では光ディスク８０１の内側表面は例えば、ＬＳＲ−７０等の、ドープ処理した液体シリコーンラバーである。
図１０には光コップ５０１の斜視図が示される。図１０に示す如く、光コップ５０１は中央開口１００７を有する。光コップ５０１をベースパネル１１１に接着すると光コップ５０１の底面１０１１に気泡が形成され得る。図１１Ａには別態様の光コップ１１０１の上方からの斜視図が示される。図１１Ｂには光コップ１１０１の底面からの斜視図が示される。光コップ１１０１の周囲壁１１０４に沿って少なくとも一カ所の切り欠き１１１２が形成され、当該切り欠きが脚部１１０３を形成する。切り欠き１１１２は光コップ１１０１への空気流れ及び換気を生じさせる。かくして、気泡は光コップ１１０１の下方に補足されることがない。光コップ１１０１はその構造上、光コップの底面側での気泡形成を最小化する手段として作用する。
蛍光体：
上述した如く、一般的な照明用途において要求される如く白色光を生成させる上で青色／ＵＶ ＬＥＤチップを、ＬＥＤチップの光路に配置した蛍光体と組み合わせて使用し得る。ＬＥＤチップからの青色／ＵＶ光が蛍光体を励起させ、放射光と蛍光体励起との相乗効果により白色光が生成される。幾つかの青色／ＵＶ ＬＥＤチップ及び蛍光体組み合わせを使用できる。以下に、ここで提供される任意の実施例で使用し得るＬＥＤチップ／蛍光体組み合わせを示す。各組み合わせは例示的なものであって網羅的なものではない。その他組み合わせは当業者の知る範囲内のものである。例えば、ここに参照することにより本明細書の一部とする米国特許番号第７，２２４，０００号及び同第７，１７６，５０２号にはその他のＬＥＤチップ及び蛍光体組み合わせが開示される。
上述した如く、一般的な照明用途において要求される如く白色光を生成させる上で青色／ＵＶ ＬＥＤチップを、ＬＥＤチップの光路に配置した蛍光体と組み合わせて使用し得る。ＬＥＤチップからの青色／ＵＶ光が蛍光体を励起させ、放射光と蛍光体励起との相乗効果により白色光が生成される。幾つかの青色／ＵＶ ＬＥＤチップ及び蛍光体組み合わせを使用できる。以下に、ここで提供される任意の実施例で使用し得るＬＥＤチップ／蛍光体組み合わせを示す。各組み合わせは例示的なものであって網羅的なものではない。その他組み合わせは当業者の知る範囲内のものである。例えば、ここに参照することにより本明細書の一部とする米国特許番号第７，２２４，０００号及び同第７，１７６，５０２号にはその他のＬＥＤチップ及び蛍光体組み合わせが開示される。
１実施例では例えば、青色ＬＥＤと、黄色のＹＡＧ：Ｃｅ発光蛍光体とを使用できる。他の実施例では以下の組み合わせ、即ち、ＬＥＤチップとＴＡＧ：Ｃｅ蛍光体、深ＵＶ発光ＬＥＤチップ（約２３０−２７０ｎｍの発光）とＹ2Ｏ3：Ｅu蛍光体、深ＵＶ発光ＬＥＤチップと緑色発光Ｌａ（ＰＯ4）：Ｃｅまたは（Ｃｅ，Ｔｂ）ＭｇＡｌxＯy：Ｃｅ、ＴｂまたはＺｎＳiＯ4：Ｍｎ蛍光体、深ＵＶ発光ＬＥＤチップと青色発光ＢａＭｇxＡｌyＯ2：ＥｕまたはＳｒ（Ｃｌ）（ＰＯ4）3：Ｅｕ蛍光体蛍光体、を用い得る。他の実施例では青色ＬＥＤチップからの青色光を緑、黄色及び赤の蛍光体発光と混合して白色光を生じさせる。所望の色温度の白色光を生じさせる発光スペクトルが、蛍光体層の黄色及び赤の各成分により完成される。
ＬＥＤ光で励起させる蛍光体の粒径範囲は代表的には約１〜１０ミクロンである。粒径１０ミクロン以上でも使用可能である。粒径が小さくなる程散乱度が強くなるので反射してＬＥＤチップに戻る青色光線量が増え、小サイズ（例えばナノでの）蛍光体における量子効率低減化が一層複雑化する。蛍光体のコーティング厚範囲は代表的には５〜１００ミクロン、好ましくは１０〜３０ミクロンである。当該範囲は、粒径と、使用する各成分の添加物質濃度のみならず、青色光の非吸収量により直接影響されるところのＣＣＴ及びＣＲＩに関する所望の結果とに依存する。
方法：
図１２には本発明の実施例に従う照明モジュールの製造方法１２００のフローチャートが例示される。当該方法１２００はその開始ステップ１２０１においてＬＥＤチップを、導電線と電気的に連結する状態でベースパネルに実装する。ステップ１２０３で、光コップを欠くＬＥＤチップの周囲で基盤に装着する。ステップ１２０５で、光コップにクリアシリコーンまたはシリコーン蛍光体混合物を充填する。他の実施例では光コップへのクリアシリコーン混合物充填に代えてまたは加えて、図８及び図９に示す如き光ディスクを光コップ内に配置し得る。
図１２には本発明の実施例に従う照明モジュールの製造方法１２００のフローチャートが例示される。当該方法１２００はその開始ステップ１２０１においてＬＥＤチップを、導電線と電気的に連結する状態でベースパネルに実装する。ステップ１２０３で、光コップを欠くＬＥＤチップの周囲で基盤に装着する。ステップ１２０５で、光コップにクリアシリコーンまたはシリコーン蛍光体混合物を充填する。他の実施例では光コップへのクリアシリコーン混合物充填に代えてまたは加えて、図８及び図９に示す如き光ディスクを光コップ内に配置し得る。
図１４には、ここで説明する任意の照明モジュールを使用するクライアント用のサービス方法１４００のフローチャートが例示される。ステップ１４０１で上述した構造実施例の１つに従う照明モジュールが製造される。照明モジュールは第１及び第２の各ＬＥＤチップセットが装填されている。ステップ１４０３で、第１組のＬＥＤチップを動作させる。第２ＬＥＤチップセットは当該第２ＬＥＤチップセットが第１ＬＥＤチップセットと共に起動されないように設定される。第２ＬＥＤチップセットは第１ＬＥＤチップの構成が故障または溶断した場合にのみ起動される。ステップ１４０５で、サービサーが第１ＬＥＤチップセットを停止させ、第２ＬＥＤチップセットを動作させる。これにより、当該システムを販売する製造業者は、第１ＬＥＤチップセットが故障した場合にサービサーがシステム全体を交換することなく第２ＬＥＤチップセットを動作させ得ることから、“２倍の寿命”を有効利に提供する１つのシステムの供給が可能となる。第２ＬＥＤチップセットは第１ＬＥＤチップセットが予期せず故障した場合の緊急照明システムとしても作用し得る。
工業適用性：
業務上、本件出願において開示する各照明モジュールは一般の照明用途用のＬＥＤランプとして流通及び販売され得る。ボルト、ねじ、クランプ、接着剤、リベット及びその他装着手段を使用して照明モジュールを所定の照明用途用の任意の所定の照明器具に取付け得る。
業務上、本件出願において開示する各照明モジュールは一般の照明用途用のＬＥＤランプとして流通及び販売され得る。ボルト、ねじ、クランプ、接着剤、リベット及びその他装着手段を使用して照明モジュールを所定の照明用途用の任意の所定の照明器具に取付け得る。
例：
以下に、上述した各システムの例を説明する。各例は特に断りのない限り理論実施例である。
例１：
１例では、ベースパネルに装着した複数の矩形（２６０μｍ×４５０μｍ）ＬＥＤチップを有する照明モジュールが提供される。各ＬＥＤチップは一般に定格電流が約２０ｍＡ、順電圧が約３．２Ｖである。動作時は１４ｍＡの順電力（軽減された電流）がＬＥＤチップに送られる。従って、ＬＥＤチップ当たりの入力電力は約０．０６４Ｗとなる。本例の設計パック密度は約４個／６．４５ｃｍ2（ｉｎ2）である。本例における基盤温度は約５６℃である。本例では電流軽減に伴いＬＥＤチップ効率が増大するため、低い電流でＬＥＤチップが動作する点に関わるＬＥＤチップ効率増大の利益がある。例えば、１４ｍＡの軽減電流下に動作する２６０μｍ×４５０μｍサイズのＬＥＤチップの効率は約３０％（即ち、入力電力の３０％が光に変換され、残余の７０％が熱になる）であるが、同じＬＥＤチップを２０ｍＡの定格電流で動作させた場合は前記効率は約２７％である。かくして、ＬＥＤチップを軽減電流下に動作させることで、入力電力低減により発熱量が減少し、効率は高くなる。
以下に、上述した各システムの例を説明する。各例は特に断りのない限り理論実施例である。
例１：
１例では、ベースパネルに装着した複数の矩形（２６０μｍ×４５０μｍ）ＬＥＤチップを有する照明モジュールが提供される。各ＬＥＤチップは一般に定格電流が約２０ｍＡ、順電圧が約３．２Ｖである。動作時は１４ｍＡの順電力（軽減された電流）がＬＥＤチップに送られる。従って、ＬＥＤチップ当たりの入力電力は約０．０６４Ｗとなる。本例の設計パック密度は約４個／６．４５ｃｍ2（ｉｎ2）である。本例における基盤温度は約５６℃である。本例では電流軽減に伴いＬＥＤチップ効率が増大するため、低い電流でＬＥＤチップが動作する点に関わるＬＥＤチップ効率増大の利益がある。例えば、１４ｍＡの軽減電流下に動作する２６０μｍ×４５０μｍサイズのＬＥＤチップの効率は約３０％（即ち、入力電力の３０％が光に変換され、残余の７０％が熱になる）であるが、同じＬＥＤチップを２０ｍＡの定格電流で動作させた場合は前記効率は約２７％である。かくして、ＬＥＤチップを軽減電流下に動作させることで、入力電力低減により発熱量が減少し、効率は高くなる。
例２：
別の例では、ベースパネルに取り付けた複数の正方型ＬＥＤチップ（５００μｍ×５００μｍ）を有する照明モジュールが提供される。ＬＥＤチップは定格電流約１５０ｍＡ、順電圧約３．２Ｖである。各ＬＥＤチップは約４５ｍＡの軽減電流下に動作される。当該照明モジュールの設計パック密度は６．４５ｃｍ2（ｉｎ2）当たり約１個である。
別の例では、ベースパネルに取り付けた複数の正方型ＬＥＤチップ（５００μｍ×５００μｍ）を有する照明モジュールが提供される。ＬＥＤチップは定格電流約１５０ｍＡ、順電圧約３．２Ｖである。各ＬＥＤチップは約４５ｍＡの軽減電流下に動作される。当該照明モジュールの設計パック密度は６．４５ｃｍ2（ｉｎ2）当たり約１個である。
例３：
他の例では、印刷回路基板に６３個のＬＥＤチップをダイボンド付け（等間隔で、即ち、７個のＬＥＤチップを９列に）した照明モジュールが提供される。次いで、各ＬＥＤチップの周囲に反射性の光コップを配置し、各光コップにシリコーン（即ち、１−２重量パーセント蛍光体）をドープ処理したドープ処理した蛍光体を充填した。次いで、賦形した光ディスクを光コップの頂部上に配置した。光ディスクは光コップ内部に貫入するがしかしワイヤボンドまたはＬＥＤチップとは接触しない設計構成のものである。他の実施例では２つ以上のＬＥＤチップが各光コップ内に配置される。
この照明モジュールは、チップオンボード（ＣＯＢ）ＬＥＤ構造上の熱的利益と、２ＤＬＥＤ配列の照明モジュールを形成する個別ＬＥＤパッケージ構造上の高い光取り出し効率とを併せ持つ。この光モジュールは、光コップ、シリコーン、蛍光体変換層、各ＬＥＤチップの周囲に取り付けたオプティクス、を印刷回路基板にダイボンド付けしてなるＬＥＤチップの２Ｄ配列をその構成上有する。
他の例では、印刷回路基板に６３個のＬＥＤチップをダイボンド付け（等間隔で、即ち、７個のＬＥＤチップを９列に）した照明モジュールが提供される。次いで、各ＬＥＤチップの周囲に反射性の光コップを配置し、各光コップにシリコーン（即ち、１−２重量パーセント蛍光体）をドープ処理したドープ処理した蛍光体を充填した。次いで、賦形した光ディスクを光コップの頂部上に配置した。光ディスクは光コップ内部に貫入するがしかしワイヤボンドまたはＬＥＤチップとは接触しない設計構成のものである。他の実施例では２つ以上のＬＥＤチップが各光コップ内に配置される。
この照明モジュールは、チップオンボード（ＣＯＢ）ＬＥＤ構造上の熱的利益と、２ＤＬＥＤ配列の照明モジュールを形成する個別ＬＥＤパッケージ構造上の高い光取り出し効率とを併せ持つ。この光モジュールは、光コップ、シリコーン、蛍光体変換層、各ＬＥＤチップの周囲に取り付けたオプティクス、を印刷回路基板にダイボンド付けしてなるＬＥＤチップの２Ｄ配列をその構成上有する。
例４：
以下の表には、光ディスク８０１及び光コップ５０１のサンプル寸法及び仕様が示される。
以下の表には、光ディスク８０１及び光コップ５０１のサンプル寸法及び仕様が示される。
例５：
図１５Ａ〜図１５Ｃには本件出願において開示する他の実施例が例示される。詳しくは、図１５Ａ〜図１５Ｃには照明モジュール１５００の調製時の相互作用的ステップが例示される。まずベースパネル１５１１が提供される。ベースパネル１５１１は、一方の面に絶縁層を配置したアルミニューム基盤等の印刷回路基板で良い。前記絶縁層上に導電線１５１２が被着される。図１５Ａに示す導電線１５１２は、ＬＥＤチップ送電用の直列回路である点で、図１の導電線１１２、１１４とは異なる。導電線１５１２を表面実装端子（図示せず）に電気的に接続する導線１５３０が設けられる。次いで、表面実装端子を電源に接続して電流を導電線１５１２に送達する。電源は、ＡＣ／ＤＣコンバータ及びまたは電流調整器と組み合わせたＤＣ電源またはＡＣ電源であり得る。
図１５Ａ〜図１５Ｃには本件出願において開示する他の実施例が例示される。詳しくは、図１５Ａ〜図１５Ｃには照明モジュール１５００の調製時の相互作用的ステップが例示される。まずベースパネル１５１１が提供される。ベースパネル１５１１は、一方の面に絶縁層を配置したアルミニューム基盤等の印刷回路基板で良い。前記絶縁層上に導電線１５１２が被着される。図１５Ａに示す導電線１５１２は、ＬＥＤチップ送電用の直列回路である点で、図１の導電線１１２、１１４とは異なる。導電線１５１２を表面実装端子（図示せず）に電気的に接続する導線１５３０が設けられる。次いで、表面実装端子を電源に接続して電流を導電線１５１２に送達する。電源は、ＡＣ／ＤＣコンバータ及びまたは電流調整器と組み合わせたＤＣ電源またはＡＣ電源であり得る。
図１５Ｂに示すように、ベースパネル１５１１はマスク１５４０（即ち、ハンダマスク）で覆われる。マスク１５４０は、導電線１５１２の必要部分を露出させる複数の開口１５４２を含む。言い換えると、マスク１５４０は導電線１５１２の露出不要部分を覆う。次いで、図１５Ｃに示す如くＬＥＤチップ１１０が導電線１５１２のダイボンド領域１５５０に固定される。次いで、各ＬＥＤチップ１１０と導電線１５１２の近位側との間部分をワイヤボンド１５６０処理して回路が閉鎖される。上述した光コップ５０１、１１０１及びまたは光学ディスク８０１を照明モジュール１５００に付設し得る。
上記例では照明モジュール１５００は、約５００μｍ×５００μｍの寸法の２５個のＬＥＤチップを含む。約５０ｍＡの電流を約８０±７．５Ｖの電圧下に照明モジュール１５００に送達する。従って、各ＬＥＤチップは約５０ｍＡの順電流及び約３．２±０．３Ｖの順電圧を受ける。照明モジュール１５００を並列構成とすると、２５個のＬＥＤチップの各々に約３．２Ｖの電圧及び約１．２５Ａの順電流を配分する必要が生じ得る。各ＬＥＤチップは一般に直近のＬＥＤチップから約１８ｍｍ離間される。
以上、本発明を実施例を参照して説明したが、本発明の内で種々の変更をなし得ることを理解されたい。
５０ 光コップ
１００ 照明モジュール
１１０ ＬＥＤチップ
１１１ ベースパネル
１１２ 第１導電線
１１４ 第２導電線
１２０ ワイヤボンド
１３０ 電流調整器
１４０ 電源
２００ 照明モジュール
２３０ セパレータユニット
２４０ 拡散パネル
３００ 照明モジュール
３０１ コーティング
４００ 照明モジュール
４０１ ドーム
５００ 照明モジュール
５０１ 光コップ
５０４ 周囲壁
５０５ 傾斜内側表面
５３０ リップ領域
７００ 照明モジュール
７０２ 第１シリコーン層
７０４ 第２シリコーン層
８００ 照明モジュール
８０１ 光ディスク
９０４ 下方表面
９０５ 上方表面
９０９ 周囲表面
９１０ 端部厚
９３０ 直径
９４０ 中央開口径
１００ 照明モジュール
１１０ ＬＥＤチップ
１１１ ベースパネル
１１２ 第１導電線
１１４ 第２導電線
１２０ ワイヤボンド
１３０ 電流調整器
１４０ 電源
２００ 照明モジュール
２３０ セパレータユニット
２４０ 拡散パネル
３００ 照明モジュール
３０１ コーティング
４００ 照明モジュール
４０１ ドーム
５００ 照明モジュール
５０１ 光コップ
５０４ 周囲壁
５０５ 傾斜内側表面
５３０ リップ領域
７００ 照明モジュール
７０２ 第１シリコーン層
７０４ 第２シリコーン層
８００ 照明モジュール
８０１ 光ディスク
９０４ 下方表面
９０５ 上方表面
９０９ 周囲表面
９１０ 端部厚
９３０ 直径
９４０ 中央開口径
Claims (12)
- 発光ダイオードチップからの放射光を白色光に変換するために使用する光ディスクであって、
該光ディスクの中央領域部分の幅が光ディスクの外側領域部分の幅よりも大きくなるような傾斜表面、
を含み、
蛍光体の少なくとも１重量パーセント混合物を有するシリコーンから形成される光ディスク。 - 前記シリコーンがＬＳＲ−７０である請求項１の光ディスク。
- 約１〜１０重量パーセントの蛍光体混合物を有する請求項１の光ディスク。
- 発光ダイオードチップからの放射光を白色光に変換するために使用する光ディスクであって、
上面、下面、周囲表面、
を含み、
前記周囲表面が、光ディスクの直径及び端部厚さを画定し、
前記端部厚さが約１．０ｍｍであり、
前記光ディスクの直径が約３．０ｍｍであり、
前記上面の曲率半径が約９．０ｍｍである光ディスク。 - 前記シリコーンがＬＳＲ−７０である請求項４の光ディスク。
- 約１〜１０重量パーセントの蛍光体混合物を有する請求項４の光ディスク。
- 発光ダイオードチップからの放射光を白色光に変換するために使用する光ディスクであって、
上面、下面、周囲表面、
を含み、
前記周囲表面が、光ディスクの直径及び端部厚さを画定し、
前記端部厚さが約０．５ｍｍであり、
前記光ディスクの直径が約３．０ｍｍであり、
前記上面の曲率半径が約１３．０ｍｍである光ディスク。 - 前記シリコーンがＬＳＲ−７０である請求項７の光ディスク。
- 約１〜１０重量パーセントの蛍光体混合物を有する請求項７の光ディスク。
- 発光ダイオードチップからの放射光を白色光に変換するための光ディスクであって、
上面、下面、周囲表面、
を含み、
前記周囲表面が、光ディスクの直径及び端部厚さを画定し、
前記端部厚さが約２．０ｍｍであり、
前記光ディスクの直径が約３．０ｍｍであり、
前記上面の曲率半径が約８．５ｍｍである光ディスク。 - 前記シリコーンがＬＳＲ−７０である請求項１０の光ディスク。
- 約１〜１０重量パーセントの蛍光体混合物を有する請求項１０の光ディスク。
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