JP2014524117A - 波長変換を具備する小型の光出力装置 - Google Patents

Abstract

少なくとも１つの半導体光源１０２を有する光生成ユニットと、波長変換材料１１０をそれぞれ封入している少なくとも２つの密封された透明管１０８であって、透明管の間に細長いキャビティが形成されるように、互いに隣接して配置される透明管と、を有し、光生成ユニットは、細長いキャビティの中に光を発する、光出力装置１００。

Description

本発明は、波長変換材料を有する光出力装置及び光出力装置を製造するための方法に関する。

管状照明（ＴＬ：Tubular Lighting）のための既存のモジュール及び治具において、発光ダイオード（ＬＥＤ）の使用を可能とするレトロフィットソリューションが、既存の照明システムの電力効率を改善するために、益々魅力的な代替案となっている。

レトロフィット照明装置を実現するために、密封されたガラス管の内側にＬＥＤモジュールを配置することが知られている。かかる装置では、ガラス管の内側表面は、一般的に、可視スペクトルの青色領域に向かっている傾向にあるＬＥＤ装置から発せられる光の波長変換のための蛍光体材料で被覆されている。さらに、従前用いられてきた波長変換材料に比して、長寿命を示すことが分かっている有機蛍光体材料を用いることが好適であることが分かっている。しかしながら、有機蛍光体は、周囲の空気に敏感であり、密封された環境にある有機蛍光体が、著しく長寿命を有することが分かっている。従って、ガラス管は、適切に密封されることが重要である。

管状照明アプリケーションのためのガラス管を密封するための既知の方法は、アニールステップを必要とする標準的ランプ密封技術を含む。かかるアニールステップは、ランプの表面が広い領域に亘って加熱されることにつながり得る。しかしながら、高温処理は、有機蛍光体に対して不適合である。代替的なアプローチでは、ガラス管は、ガラス管の端部にキャップを接着することによって密封され得る。接着による密封の欠点は、ガラス密封ほど気密性が高くなく、かかる製造方法の複雑さは、大量生産には適さないということである。

従って、管状照明ＬＥＤレトロフィット装置及び有機蛍光体材料の使用を促進しているかかる装置の改善された製造方法の必要性がある。

本発明の目的は、改善された光出力装置を供給すること、及び、上述の欠点を克服することである。

本発明の第１の態様によれば、上記目的及び他の目的が、少なくとも１つの半導体光源を有する光生成ユニットと、波長変換材料をそれぞれ封入している少なくとも２つの密封された透明管であって、透明管の間に細長いキャビティが形成されるように、互いに隣接して配置される透明管と、を有し、光生成ユニットは、細長いキャビティの中に光を発する、光出力装置によって達成される。

本発明は、波長変換材料を有する透明管の外側に光生成ユニットを配置することが、管の端部に配置されたフランジを用いることなく管が密封されることができるように、十分に小さい径を持つ管の使用を可能とするという理解に基づいている。管の外側から内側へ通過する電気的なフィードスルーが必要とされないので、フランジの使用が、回避されることができる。フランジの使用を回避することによって、管を密封するために一般的に必要とされる高温のアニールステップが回避されることができる。アニールステップにおいて用いられる高温に不適合な有機蛍光体材料の使用を可能とするので、これは、特に好適である。さらに、光生成ユニットを管の外側に配置することは、管が、他の態様で可能な大きさよりも小さく作られることができるため、小型の光出力装置を可能とする。

フランジを用いずに管を密封できる特定の直径は、管の材料及び管壁の厚みなどの製造パラメータに依存するであろう。

波長変換材料は、半導体光源によって発せられる光の波長を、例えば、オフィス照明、ムード照明、又は、カラー照明などの身近な特定のアプリケーションのための所望の波長に変換する。

本発明の一実施形態では、少なくとも２つの密封された透明管は、好ましくは、略真っ直ぐであり、互いに平行に配置される。光生成ユニットによって発せられる光が中を通るキャビティを形成する真っ直ぐな方向の態様は、２つの細長い略円形状の同じ長さの透明管を平行に、互いに隣接して配置することである。キャビティなる用語は、本願明細書において、互いに隣接した少なくとも２つの管を配置することによって形成される任意の凹部、窪み、溝、堀などとして理解されるべきである。しかしながら、３つ以上の管が、少なくとも１つのキャビティを形成するため、同様に用いられてもよい。さらに、幾つかの光生成ユニットが、複数の管及びキャビティを有する配置において、異なるキャビティの中に光を発するために用いられてもよい。さらに、透明管は、真っ直ぐである必要はなく、例えば、ドーナツ型であってもよく、Ｓ字形状であってもよく、又は、他の湾曲形状であってもよい。また、少なくとも２つの管を互いに近接して配置することによって形成される凹部が、同様に可能である。

本発明の一実施形態では、少なくとも１つの半導体光源は、好ましくは、光源保持体上に配置される。

さらに、光源保持体は、好適には、光源保持体上に配置された光源が、光源保持体と少なくとも２つの透明管とによって囲まれるように、少なくとも２つの密封された透明管に隣接して配置されてもよい。さらに、光源が、透明管と保持体とによって形成される囲み部分に閉じ込められるように、光源保持体を用いるとともに、透明管に隣接して保持体を配置することは、光源と波長変換材料との間の短い光路を供給するため、好適である。保持体は、例えば、プリント回路基板（ＰＣＢ：Printed Circuit Board）、又は、金属フォイルであってもよい。さらに、保持体は、好適には、柔軟であってもよく、これにより、例えば、円形状の透明管に隣接して保持体を配置することが容易になる。

本発明の一実施形態によれば、複数の半導体光源は、好ましくは、密封された透明管の長さ方向に沿って配置されてもよい。これにより、従来の管状光源からの出力に似た均一な光出力が、達成され得る。

さらに、光源保持体と少なくとも２つの透明管とによって形成される囲み部分は、好適には、光学的結合材で満たされていてもよい。光学的結合材は、光生成ユニットと透明管との間に存在し得る空気のギャップを除去することによって、光源からの光の波長変換材料への透過における損失を低減する。当該光学的結合材は、好ましくは、発光ダイオードから波長変換材料への遷移において屈折が最小となるような屈折率を持っていてもよい。

本発明の一実施形態では、透明管及び波長変換材料のうちの少なくとも１つが、発光ダイオードによって発せられる光を散乱するように構成される。光の散乱は、例えば、発せられる光の分布がより均一になるという点で、光抽出を改善し得る。散乱は、例えば、波長変換材料に含まれる散乱要素、又は、透明管の粗面としての形で供給されてもよい。反射器、レンズ、及び、拡散器などの更なる光学素子が、勿論、発せられる光の振る舞いを変えるために可能である。

本発明の一実施形態では、波長変換材料は、好ましくは、有機蛍光体ポリマーを有していてもよい。有機蛍光体は、位置及びバンド幅に関して、発光スペクトルが容易に調整可能であるという利点を持つ。さらに、有機蛍光体材料は、大抵の場合、高い透明度を持ち、これは、光吸収性及び／又は光反射性の高い無機蛍光体材料を用いるシステムに比して、光抽出効率が改善されるため、好適である。さらに、有機波長変換材料の安定性及び寿命は、ポリマー材料に分子を組み込むことによって改善され得る。さらに、有機蛍光体は、一般的に、無機蛍光体よりも安価である。

さらに、波長変換材料は、好適には、固体棒の形で設けられてもよい。棒を用いる利点は、体積中に波長変換材料を供給することによって、有機蛍光体材料の濃度が低下されることであり、これにより、蛍光体の寿命が延長されることが知られている。しかしながら、波長変換材料は、代替的に、密封された透明管の内側表面上のフォイル又は被覆の形で設けられてもよい。

本発明の実施形態では、半導体光源は、好ましくは、発光ダイオード（ＬＥＤ：Light Emitting Diode）であってもよい。しかしながら、レーザダイオードなどの他の半導体光源が用いられてもよい。

本発明の一実施形態によれば、透明管は、好適には、ガラス管であってもよい。ガラスは、安価且つ豊富であり、ガラスの製造及び処理方法は、特に、照明産業において、確立されており、よく知られているため、好適に用いられる。ガラス管の使用は、管を密封するために管の端部を溶かす加熱ステップを通じた管の密封を助ける。

さらに、本発明の実施形態に従った光出力装置は、好適には、透明管の内部に少なくとも部分的に配置されてもよく、これにより、ＴＬレトロフィット照明モジュールとして使用するのに安定した照明器具を形成することができる。光出力装置を管の中に配置することによって、更なる電気的保護がもたらされる。さらに、透明管は、例えば、レトロフィットＴＬ配置を供給するための管状照明のための既存の治具と適合する直径を有するポリマー管又はガラス管であってもよい。

本発明の第２の態様によれば、少なくとも１つの半導体光源を有する光生成ユニットを供給するステップと、少なくとも２つの透明管を供給するステップと、前記少なくとも２つの透明管の中に波長変換材料を挿入するステップと、前記透明管から空気を排出するステップと、前記透明管の端部を加熱することによって、前記少なくとも２つの透明管を密封するステップと、前記透明管の間に細長いキャビティが形成されるように、前記少なくとも２つの密封された透明管を互いに隣接して配置するステップと、前記少なくとも１つの半導体光源からの光が前記細長いキャビティの中に発せられるように、前記光生成ユニットを配置するステップと、を有する、光出力装置を製造するための方法が供給される。

上述の製造方法を用いることによって、管状光源の製造の複雑さが、当該技術分野において既知の方法に比して、低減される。例えば、金属フランジの使用が回避されることができ、これにより、必要なコンポーネント数が低減される。さらに、高温で管をアニールすることなく、気密性の高い密封が達成され、これにより、有機蛍光体ベースの波長変換材料の使用が促進される。

本発明の上記第２の態様の他の効果及び特徴は、本発明の第１の態様に関して説明済みの効果及び特徴と大きく類似している。

本発明は、請求項に記載の特徴の全ての可能な組み合わせに関することに留意すべきである。

本発明の、上記態様及び他の態様が、本発明の実施形態を示す添付の図面を参照して、より詳細に説明されるであろう。
図１は、本発明の一実施形態に従った光出力装置を概略的に図示している。 図２は、本発明の一実施形態に従った照明器具を概略的に示している。 図３は、本発明の一実施形態に従った照明器具の断面を概略的に示している。 図４は、本発明の一実施形態に従った光出力装置を製造するための方法の生成ステップの概要を示すフローチャートである。

本発明の詳細な説明では、本発明に従った光出力装置の様々な実施形態が、主に、発光ダイオード（ＬＥＤｓ）を有する細長い光出力装置を参照して、議論されている。このことは、他の形状を持つ光出力装置、及び、レーザダイオードなどの代替的な光源の使用が同様に適用可能であり、本発明の範囲を必ずしも限定するものでないことに留意すべきである。

図１は、本発明の一実施形態に従った光出力装置１００の断面図を概略的に図示している。ここでは発光ダイオード（ＬＥＤ）ダイ１０２の形である半導体光源が、ＬＥＤ保持体１０４上に配置されている。小型のＬＥＤ配置が好ましいため、好ましくは、ＬＥＤダイ１０２がＬＥＤ保持体１０４に接続されるとともにワイヤボンディングされるチップオンボード技術が、ＬＥＤのために用いられてもよい。ＬＥＤ保持体１０４は、例えば、ＰＣＢであってもよく、あるいは、金属フォイル、フレキシブル基板、又は、フレキシブルＰＣＢなどのフレキシブル材料に基づいていてもよい。ＬＥＤダイ１０２は、透明なグロブトップ１０６によって保護されていてもよい。波長変換材料１１０を有する固体ポリマー棒をそれぞれ封入している、２つの密封された略円形状のガラス管１０８が、２つのガラス管１０８の間に細長いキャビティが形成されるように、互いに隣接して平行に配置されている。ＬＥＤ保持体１０４は、ＬＥＤが、キャビティの中に、ガラス管１０８に向かって光を発するように、ガラス管１０８に隣接して配置されている。必要であれば、チップ１１２などの機械的な組み立て部品が追加されてもよい。さらに、細長いキャビティは、ＬＥＤと波長変換材料１１０との間に良好な光学的コンタクトを供給するために、光学的結合材１１４で満たされている。光学的結合材は、光学的に透明なシリコーンであってもよいし、又は、適切な屈折率を有するとともに、高温に耐え得る、任意の他の種類の光学的結合材であってもよい。

ＬＥＤは、一般的に、可視スペクトルにおいて青色領域の光を発し、当該青色光を一般的な照明目的により適した波長に変換するために、有機蛍光体の形の波長変換材料が用いられる。青色光は、蛍光体を励起し、その後、蛍光体は、より長い波長の光を発し、これにより、より白色／黄色の光を供給する。

図２は、本発明の一実施形態に従った照明器具２００の概略的な図であり、図３は、より大きな直径の透明管２０２の中に光出力装置１００が封入された照明器具２００の概略的な断面図である。囲んでいる透明管２０２は、。照明器具を管状照明アセンブリにレトロフィットする場合に必要となり得る追加的な電気的且つ熱的絶縁を供給する。この囲んでいる透明管２０２は、例えば、プラスティック、ポリマー、又は、ガラス管であってもよい。光出力装置の比較的小さいサイズのために、例えば、光出力装置は、ＴＬＤ又はＴ５照明システムに適した封入管２０２に一体化され得る。あるいは、光出力装置は、そのまま用いられてもよく、これにより、極めて小型の照明器具が付与される。

ガラス管１０８の直径は、残留空気が管から排除される間又は排除された後の加熱工程によって管が密封されることができるほど、比較的小さい。この種類の密封は、任意の他のアニールを必要とせず、これにより、温度に敏感な蛍光体材料の使用が促進される。さらに、かかる密封方法に必要な機器は、フランジの使用が必要なほど大きい直径を有するガラス管の密封に必要な機器よりも複雑でない。ガラス管１０８が管２０２内に封入される場合では、２つの管の各々が、封入管２０２の内径の半分よりも大きくない直径を有していなければならない。例えば、１５．８７５ｍｍの直径及び１ｍｍのガラス厚みが想定されるＴ５管の大きさの封入管２０２の場合、ガラス管１０８の直径は、約７ｍｍよりも小さくあるべきである。

代替的な手法では、より大きな直径を有するガラス管１０８が用いられてもよい。上述のように、より大きな直径を持つガラス管は、密封されるためにフランジを必要とし得る。しかしながら、フランジは、伝統的に、ガス放電ランプにおける電極のための金属フィードスルーを含んでいる。本発明の管は、ガス放電ランプを意図していないため、金属フィードスルーは、省略されてもよく、フランジのガラス厚さは、容易に、ガラス管の厚みに適合するように作られることができる。ガラス厚さをマッチングさせながらフランジと管とを密封する場合、密封における残留応力は、より低く、アニールステップは、より限定され、省略されてもよく、これにより、温度に敏感な有機蛍光体材料の使用が促進される。ガラス管が、３８．１ｍｍの直径を持つＴ１２治具に適した封入管２０２と一体化される場合、封入管２０２の厚みが１ｍｍであると仮定すると、管１０８の直径は、約１８ｍｍよりも大きくてはいけない。しかしながら、封入管２０２が用いられない場合、管１０８の直径は、任意の選択されてもよい。

図４は、本発明の一実施形態に従った光出力装置１００を製造するための方法の生成ステップの概要を示すフローチャートである。まず、ステップ４０１において、上述の光生成ユニットの実施形態に従った光生成ユニットが供給される。光生成ユニットは、細長く、フレキシブル材料から作られた保持体１０４にワイヤボンディングされた発光ダイオード１０２を有する。ステップ４０２において、少なくとも２つの透明管１０８が供給され、ある実施形態では、透明管は、ガラス管である。次に、ステップ４０３において、ポリマー棒に含まれる有機蛍光体材料の形の波長変換材料１１０が、ガラス管１０８の各々へ挿入される。棒の挿入後、ステップ４０４において、管１０８は、フランジなどの追加的なコンポーネントを用いることなく「自らにおいて」密封されるように、管の端部を局所的に加熱することによって密封される。管１０８が密封されるため、管の中に残留している任意の空気が、効率を改善し、波長変換材料の寿命を増加させるために、排除される。空気は、管の密封に先行して、又は、密封工程の間において、排除されてもよい。最後に、ステップ４０５において、２つの管１０８は、細長いキャビティが２つの管１０８の間に形成されるように、平行に、且つ、互いに隣接して配置される。細長い光生成ユニットは、発光ダイオード１０２がキャビティの中に光を発するように配置される。好ましくは、光生成ユニットは、発光ダイオード１０２から波長変換材料１１０まで透過する光の損失を低減するために、発光ダイオード１０２から管１０８までの距離が最小化されるように配置される。更に光損失を低減するために、発光ダイオードと管との間の任意の空間は、光学的結合材と隣接する材料との間の界面における屈折が最小に保持されるような屈折率を持つ光学的結合材１１４によって満たされる。さらに、光出力装置１００は、追加的な電気的保護及び熱的保護のための、又は、照明器具を既存の管状照明治具に適合させるための、図２及び図３に図示されるように比較的大きな直径の透明な管状スリーブ２０２内に配置されてもよい。

当該技術分野における当業者は、本発明が、必ずしも上述の好適な実施形態に限定されないことを理解する。反対に、添付の請求項の範囲内で、多くの修正及び変形が可能である。例えば、３つ以上の管を有する照明器具が同様に用いられてもよく、管は、円形状でもなく、真っ直ぐでもない、任意の形状、及び、特定のアプリケーションに適した形状を備えていてもよい。さらに、少なくとも２つの透明管は、互いに直接セッショ行くしている必要はなく、管が中間材料又は空気のギャップによって分離される他の配置が同様に可能である。さらに、反射器、拡散器、及び、当該技術分野において既知の他の要素などの追加的な光学素子が、本発明の実施形態と一体化又は組み合わされてもよい。さらに、本発明の実施形態に従った方法のステップは、上述のような特定の順序で実行される必要はない。

開示の実施形態に対する他の変形が、図面、開示、及び、添付の請求項の研究から、本発明を実施する際に、当該技術分野における当業者によって理解及び実施され得る。請求項中、「有する」なる用語は、他の要素又はステップを除外せず、不定冠詞「ａ」又は「ａｎ」は、複数を除外しない。特定の手段が相互に異なる従属項において言及されているという単なる事実は、これらの手段の組み合わせが好適に用いられないということを示すものではない。

Claims (15)

1. 少なくとも１つの半導体光源を有する光生成ユニットと、
   波長変換材料をそれぞれ封入している少なくとも２つの密封された透明管であって、前記透明管の間に細長いキャビティが形成されるように、互いに隣接して配置される前記透明管と、
   を有し、
   前記光生成ユニットは、前記細長いキャビティの中に光を発する、光出力装置。
2. 前記少なくとも２つの密封された透明管は、略真っ直ぐであり、互いに平行に配置される、請求項１記載の光出力装置。
3. 前記少なくとも１つの半導体光源は、光源保持体上に配置される、請求項１又は２に記載の光出力装置。
4. 前記光源保持体は、前記光源保持体上に配置された前記光源が、前記光源保持体と前記少なくとも２つの透明管とによって囲まれるように、前記少なくとも２つの密封された透明管に隣接して配置される、請求項３記載の光出力装置。
5. 前記複数の半導体光源は、前記密封された透明管の長さ方向に沿って配置される、請求項１乃至４のいずれか１項に記載の光出力装置。
6. 前記光源保持体と前記少なくとも２つの透明管とによって形成される囲み部分は、光学的結合材で満たされている、請求項５記載の光出力装置。
7. 前記透明管及び前記波長変換材料のうちの少なくとも１つは、前記光源によって発せられる光を散乱させる、請求項１乃至６のいずれか１項に記載の光出力装置。
8. 前記波長変換材料は、有機蛍光体ポリマーを有する、請求項１乃至７のいずれか１項に記載の光出力装置。
9. 前記波長変換材料は、固体棒の形で設けられる、請求項１乃至８のいずれか１項に記載の光出力装置。
10. 前記半導体光源は、発光ダイオード（ＬＥＤ）である、請求項１乃至９のいずれか１項に記載の光出力装置。
11. 前記透明管の各々は、ガラス管である、請求項１乃至１０のいずれか１項に記載の光出力装置。
12. 請求項１乃至１０のいずれか１項に記載の光出力装置が、封入透明管内に少なくとも部分的に配置されている、照明器具。
13. 少なくとも１つの半導体光源を有する光生成ユニットを供給するステップと、
    少なくとも２つの透明管を供給するステップと、
    前記少なくとも２つの透明管の中に波長変換材料を挿入するステップと、
    前記透明管から空気を排出するステップと、
    前記透明管の端部を加熱することによって、前記少なくとも２つの透明管を密封するステップと、
    前記透明管の間に細長いキャビティが形成されるように、前記少なくとも２つの密封された透明管を互いに隣接して配置するステップと、
    前記少なくとも１つの半導体光源からの光が前記細長いキャビティの中に発せられるように、前記光生成ユニットを配置するステップと、
    を有する、光出力装置を製造するための方法。
14. 前記波長変換材料は、有機蛍光体ポリマーを有する固体棒の形で設けられる、請求項１３記載の方法。
15. 前記透明管は、ガラス管である、請求項１３又は１４に記載の方法。

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