JP2015005524A - 発光モジュール及び照明装置 - Google Patents

Abstract

【課題】発光効率及び配光特性が良好な発光モジュール並びにこの発光モジュールを用いた照明装置を提供することを目的とする。【解決手段】本発明は、表面側２ａを部品実装面とし、裏面側２ｂを平坦な放熱面とする基板２と、基板２の部品実装面の中央部に配設された点灯回路部品４と、前記基板２に設けられた配線パターンによって前記点灯回路部品４と電気的に接続されるとともに、前記基板２の部品実装面２ａであって、前記点灯回路部品４の周囲に配設された発光素子３とを備える発光モジュール１である。【選択図】図１

Description

本発明は、ＬＥＤ等の発光素子を配設した発光モジュール及びこの発光モジュールを用いた照明装置に関する。

従来、給電端子部を有してＬＥＤチップを搭載したＬＥＤモジュールと、このＬＥＤモジュールを着脱自在に保持する保持部材を設けた器具本体を備える照明器具が提案されている（特許文献１参照）。また、ＬＥＤモジュールを容易に交換したり、様々な器具に流用するため、ＬＥＤモジュールへ給電電線を直接接続するための端子部を設けたものが提案されている（特許文献２参照）。

特開２００３−６８１２９号公報 特開２００３−５９３３０号公報

しかしながら、特許文献１に示されたものは、明確には示されてはいないが、ＬＥＤモジュール面に少なくともＬＥＤチップと回路部品とを混在して配置したものである。したがって、ここにはＬＥＤチップから放射される光の配光を良好にするというような技術的思想の開示はない。また、ＬＥＤモジュールの裏面を放熱面として積極的に利用するものでもない。さらに、給電端子部と保持部材の構成からして、このＬＥＤモジュールは、特定の装着・接続構造を有するものであり、専用のアダプタを必要としているので、汎用性を有するものではない。

また、特許文献２に示されたものは、同様に、ＬＥＤモジュール面にＬＥＤチップと回路部品とを混在して配置したものである。したがって、ここにはＬＥＤチップから放射される光の配光を良好にするという具体的な技術的思想の開示はない。

本発明は、上記状況に鑑みなされたもので、発光効率及び配光特性が良好な発光モジュール並びにこの発光モジュールを用いた照明装置を提供することを目的とする。

請求項１記載の発光モジュールは、表面側を部品実装面とし、裏面側を平坦な放熱面とする基板と；基板の部品実装面の中央部に配設された点灯回路部品と；前記基板に設けられた配線パターンによって前記点灯回路部品と電気的に接続されるとともに、前記基板の部品実装面であって、前記点灯回路部品の周囲に配設された発光素子と；を具備することを特徴とする。発光素子とは、ＬＥＤや有機ＥＬ等であり、この発光素子の配設個数には特段制限はない。

請求項２記載の照明装置は、装置本体と；この装置本体に組込まれた請求項１記載の発光モジュールと；を具備したことを特徴とする。照明装置は、口金を有する光源や屋内、屋外用の照明器具等を含む概念である。

請求項１記載の発明によれば、適用範囲の広い発光モジュールを提供できるとともに、発光素子から放射される光の配光を良好に、かつ最適化することが可能である。また、放熱効果を促進することができる。

請求項２記載の発明によれば、請求項１記載の発光モジュールを備えているので、これら発光モジュールの効果を奏する照明装置を提供することができる。

本発明の発光モジュールの第１の実施形態を示す平面図である。 同発光素子を拡大して示す一部側面図である。 同発光モジュールの回路図である。 本発明の照明装置の第１の実施形態を示す概略の構成図である。 同照明装置の第２の実施形態を示す概略の構成図である。 同照明装置の第３の実施形態を示す概略の構成図である。 第１の実施形態の発光モジュールの変形例を示す平面図である。 発光モジュールの第１の実施形態における発光素子（ＬＥＤパッケージ）を示す平面図及び側面図である。 発光素子の放射光の指向特性を示すグラフである。 発光素子の配設状態を示す平面図である。 発光モジュールを点灯した場合の床面における照度分布を示す模式図である。 発光素子の間隔に基づく輝度むら及び効率を示すグラフである。 発光素子の他の適用例を示す説明図である。

以下、本発明の発光モジュールの第１の実施形態について図１乃至図３を参照して説明する。図１は、発光モジュールを示す平面図、図２は、発光素子を拡大して示す一部側面図、図３は、発光モジュールの回路図である。図１において、発光モジュール１は、円板状の基板２と、この基板２上に実装された発光素子３・・・、点灯回路部品４及び電源接続用のコネクタ５とから構成されている。

基板２は、アルミニウム製で円板状に形成され、板厚約１．５ｍｍ、直径約７０ｍｍである。基板２は、表面側２ａを部品実装面とし、裏面側２ｂを平坦状をなす放熱面として構成している。部品実装面には、その中央部に集中して８個の発光素子３・・・が各々所定の間隔を空けて実装されている。なお、基板２を金属製とする場合は、アルミニウムや銅等の熱伝導性が良好で放熱性に優れた材料を適用するのが好ましい。絶縁材とする場合には、放熱特性が比較的良好で、耐久性に優れた熱伝導フィラー入りのセラミック材料又は合成樹脂材料を適用できる。合成樹脂材料を用いる場合には、例えば、ガラスエポキシ樹脂等で形成できる。基板２の形状は、円形状に限らない。四角形、多角形状であってもよい。

発光素子３・・・は、表面実装型のＬＥＤパッケージであり、概略的にはセラミックスで形成された本体３ａと、この本体に実装されたＬＥＤチップと、このＬＥＤチップを封止するエポキシ系樹脂やシリコーン樹脂等のモールド用の透光性樹脂３ｂとから構成されている（図２参照）。この本体３ａからはＬＥＤチップに接続された図示しない一対のリード端子が水平方向に突出している。ＬＥＤパッケージには、ＬＥＤチップが４個実装されており、各ＬＥＤチップがパッケージの電極間に直列に接続されている。したがって、４個のＬＥＤチップを有するＬＥＤパッケージが８個配設されているので、ＬＥＤチップとしては、３２個配設されていることになる。なお、勿論、ＬＥＤパッケージにＬＥＤチップ１個実装されているタイプのものも適用可能である。

ＬＥＤチップは、青色光を発光する青色のＬＥＤチップである。モールド用の透光性樹脂３ｂは、ＬＥＤチップの発光を吸収して黄色系の光を発生する蛍光体を含有しており、本体３ａの上面から平板状をなすように所定の厚さをもってモールドされている。よって、ＬＥＤチップからの光は、結果的にＬＥＤパッケージの透光性樹脂３ｂの上面及び側面から白色や電球色等の白色系の発光色となって広範な配光特性で外部へ放射されるようになっている。すなわち、発光素子３・・からはその上面方向及び部品実装面に沿った方向に光が放射される。因みに、ＬＥＤパッケージの外形寸法は、縦３．５ｍｍ、横３．５ｍｍ、高さ１．５ｍｍ程度であり、略直方体形状をなしている。

基板２の表面には絶縁層が形成されており、この絶縁層上に図示しない配線パターン及び面実装部品のリード端子が接続される接続ランドが形成されている。基板２の中心点を除く中央部には、発光素子３・・・が中心点を回転軸として基板２の表面方向に沿って回転対称（本実施形態では発光素子３の発光中心を基準として４５°対称）となるように所定の間隔（３ｍｍ〜１５ｍｍ、好ましくは５ｍｍ〜１０ｍｍ）をおいて配置されている。また、基板２の外周縁側には点灯回路部品４が実装配設されている。なお、発光素子３、３の間には点灯回路部品４が実装されることはない。点灯回路部品４は、ＬＥＤチップを点灯制御するものであり、ヒューズF、コンデンサC、整流器REC、定電圧ダイオードZD、抵抗素子R1、R2及びトランジスタQを備えている。また、同様に発光素子３・・・の周囲に位置して、電源接続用のコネクタ５が配設されている。このコネクタ５は、その接続口５ａが基板２の外周縁に向き、かつ外周縁近傍に位置するように配設されている。商用電源の電源線との接続をし易くするためである。なお、これら点灯回路部品４及びコネクタ５は、発光素子３・・・よりも基板２の周縁側に位置しており、基板２の配線パターンを短くするため、分散せずに、ある程度集約（図示上、基板２の外周約１／３の領域）して配設されている。なお、基板３の実装面には、反射率の高い白色レジストが印刷されており、また、装置等への取付用のねじ貫通孔６が３箇所に形成されている。

発光素子３・・・は、基板２の実装面から高さ方向に突出しており、図２で示すように透光性樹脂３ｂの突出部分から図示矢印で示すように光を放射状に出射するようになっている。したがって、実装面に対して、垂直方向（上面方向）に出射される光ＬVばかりでなく、ＬＥＤパッケージの透光性樹脂３ｂの側面から部品実装面に沿って出射される光ＬHも利用できるようになっている。

図３の回路図において、商用電源ACの両端にヒューズFを介して、コンデンサCが接続されている。このコンデンサCの両端には全波整流器RECが接続され、全波整流器RECの出力端には、抵抗素子R1、定電圧ダイオードZDの直列回路と、複数個のＬＥＤチップLED、ＮＰＮトランジスタQ、抵抗素子R2の直列回路とが並列に接続されている。また抵抗素子R1と定電圧ダイオードZDとの接続点には、トランジスタQのベースが接続されている。なお、上述のように、ＬＥＤパッケージは、４個のＬＥＤチップが直列に接続されているので、ＬＥＤパッケージごとにトランジスタQ、抵抗素子R2の直列回路を構成し、互いに並列に接続するようにしてもよい。

上記のような回路により定電流回路を構成しており、商用電源ACから供給された電流が直流に変換され、この直流電流がＬＥＤチップLED、トランジスタQ、抵抗素子R2の直列回路に一定電流IFとして流れる。具体的には、定電圧ダイオードZDによりトランジスタQのベース電圧ＶBを一定にしておきトランジスタQのコレクタに流れ込む電流ICを一定にし、結果的にＬＥＤチップに流れる電流IFを一定にする。

以上のように本実施形態によれば、基板２の部品実装面の中央部に発光素子３・・・を配設し、その周囲に点灯回路部品４及び電源接続用のコネクタ５を配設したので、発光素子３・・・、すなわち、ＬＥＤパッケージの側面から出射される光ＬHを有効に利用することができ、配光を良好に、かつ最適化することができる。つまり、発光素子３・・・と点灯回路部品４及び電源接続用のコネクタ５とが混在して配置された場合には、特に、ＬＥＤパッケージの側面から出射される光ＬHは、点灯回路部品４等に遮られ、出射光の光取出し率の低下が高まり、出射光を有効に利用することができず、照明効率が低下し、配光の最適化にも支障をきたすこととなる。本実施形態では、点灯回路部品４等による出射光の光取出し率の低下が軽減されるので、側面から出射される光ＬHを有効に活用でき、例えば、反射体を利用して、出射光ＬHを被照射面方向に照射することが可能となる。加えて、発光素子３・・・と点灯回路部品４及び電源接続用のコネクタ５とをそれぞれ集約したので、基板２の配線パターンを短く、簡素化できる。また、基板２中心点には熱源である発光素子３・・を配置せず、裏面側は平坦な放熱面としたので、放熱面を他の放熱体に接触させて基板２の中央部から裏面側に効率よく伝熱することができ放熱効果を促進する構成を容易に達成することができる。さらに、電源接続用のコネクタ５を含めてモジュール化したので、基板モジュール１を装置本体等に組込んで、あとはコネクタ５に商用電源を接続するだけで照明装置として構成でき、単一の共通部品として取扱うことが可能で、適用範囲の広い発光モジュール１を提供できる。また、コネクタ５は、その接続口５ａが基板２の外周縁近傍に位置するように配設されているので、商用電源の電源線との接続がし易く、さらに、基板２の実装面には白色レジストが印刷されているので、反射効率が良好である。

次に、本発明の照明装置の第１の実施形態について、図４を参照して説明する。図４は、照明装置の概略の構成図である。この照明装置１０は、例えば、ダウンライトであり、器具本体１１を有し、器具本体１１内には、放熱フィンを有する金属製の放熱体１２、この放熱体１２に取付けられた発光モジュール１及び反射体１３が収納されている。発光モジュール１は、基板２の裏面側２ｂの放熱面がシリコーンラバーシートを介して放熱体１２に密着するようにねじ止めによって取付けられている。勿論、この取付けは、ねじ止めによらず、接着等の手段によってもよい。反射体１３は緩やかな曲面をなす椀状に形成されており、上下端縁を開口し、上端縁を取付開口部１３ａとし、下端縁を照射開口部１３ｂとしている。

ここで、反射体１３の取付開口部１３ａは、発光モジュール１との位置的関係、すなわち、基板２の部品実装面との位置的関係では、基板２の中央部に配設された発光素子３・・・と、その周囲に配設された点灯回路部品４及び電源接続用のコネクタ５との間を分けるように介在している。つまり、発光素子３・・・と点灯回路部品４等は、反射体１３により仕切られているので、発光素子３・・・から出射された光は、点灯回路部品４等が障害となることなく、反射体１３に反射されて、下方に照射される。また、反射体１３の表面側からは点灯回路部品４が見えないので、照明装置１０の外観性も向上する。

本実施形態によれば、上述の発光モジュール１の奏する効果に加え、発光素子３・・・からの出射光を一層効率的に配光することが可能な照明装置１０を提供することができる。

なお、照明装置は、上記実施形態に限らず、発光モジュール１を口金を有する光源に組込んで構成してもよく、また、屋内、屋外用の照明器具に組込んで構成してもよい。

続いて、本発明の照明装置の第２の実施形態について、図５を参照して説明する。本実施形態では、光源として電球形のＬＥＤランプを用いるダウンライト式の照明装置を示している。

図５において、天井面に設置された照明装置は、装置本体１０と、この装置本体１０に取付けられた電球形の光源２０とを備えている。この光源２０には、発光素子３・・・が実装された第１の実施形態の発光モジュール１、この発光モジュール１と熱的に結合された放熱部材としての本体２１、この本体２１に絶縁部材を介して取付けられた例えば、Ｅ２６型の口金及び発光モジュール１を覆って本体２１に取付けられたグローブ２２を備えて構成されている。

装置本体１０は、下面に開口部を有する金属製の箱状をなしたケース１５と、このケース１５の開口部に嵌合される金属製の反射体１６とから構成されている。反射体１６は、例えば、アルミニウム等の金属板で形成され、下面周囲には飾り枠１６ａが形成されている。反射体１６の上面板の中央には、光源２０の口金をねじ込むソケット１７が配設されている。このソケット１７は、ケース１５の内側に固定された支持板１８を介してケース１５に取付けられている。

本実施形態によれば、上述の発光モジュール１の効果を奏する電球形のＬＥＤランプを備えた照明装置を提供することができる。

さらに、本発明の照明装置の第３の実施形態について、図６を参照して説明する。なお、第２の実施形態と同一又は同一又は相当部分には同一符号を付し、重複した説明は省略する。本実施形態は、光源２０として高さ方向の寸法が小さい薄形に形成されたＬＥＤランプを用いるダウンライト式の照明装置を示している。また、同様に、前記光源２０には、第１の実施形態の発光モジュール１が組込まれており、この発光モジュール１には、放熱部材としての本体２１が熱的に結合されている。また、口金には、接続ピン２５が備えられており、ＧＸ５３形に形成されている。一方、ケース１５側には、口金の接続ピン２５が電気的及び機械的に接続されるソケット１７が配設されている。

以上にように本実施形態によれば、発光モジュール１の効果を奏する薄形のＬＥＤランプを備えた照明装置を提供することができる。

次に、第１の実施形態の発光モジュールの変形例について図７を参照して説明する。図７は、発光モジュールを示す平面図である。なお、第１の実施形態と同一又は相当部分には同一符号を付し、重複した説明は省略する。

基板２の部品実装面には、その中央部に集中して点灯回路部品４が実装されている。点灯回路部品４は、ヒューズF、コンデンサC、整流器REC、定電圧ダイオードZD、抵抗素子R1、R2及びトランジスタQである。一方、発光素子３・・・は、点灯回路部品４の周囲に所定間隔を空けて実装されている。なお、電源接続用のコネクタ５は、その接続口５ａが基板２の外周縁近傍に位置するように配設されている。電源接続用のコネクタ５は、電源線との接続を考慮すると、基板２の外周縁近傍が望ましいが、基板２の中央部に点灯回路部品４とともに配設してもよい。この変形例は、第１の実施形態の発光素子３・・・と点灯回路部品４との配置関係が逆であり、発光素子３・・の実装間隔が第１の実施形態よりも大きいので、ＬＥＤパッケージの側面から出射される光LHを有効に利用できるという点で第１の実施形態と共通しており、発光素子３・・・の間隔を大きくすることによって発光素子３・・・の熱を基板２全体を利用して基板２の裏側へ伝熱し放熱をすることができる。

次に、上述の第１の実施形態における発光モジュール１において、基板２に複数個実装された各発光素子３・・・ の間隔と、その間隔に基づく輝度むらの程度及び発光効率の変化を検討した実施例について図８乃至図１３を参照して説明する。

図８において、発光素子３・・・は、表面実装型のＬＥＤパッケージであり、本体３ａと、この本体３ａに実装されたＬＥＤチップと、このＬＥＤチップを封止する透光性樹脂３ｂとから構成され、透光性樹脂３ｂの部分は発光部Ｌとして機能するようになっている。図８（ａ）に示すように、発光部Ｌは、一辺の寸法Ｗが２．８ｍｍの略正方形状に形成されており、対角線上の寸法ａは、約４ｍｍとなっている。また、図８（ｂ）に示すように、基板２に実装された発光素子３・・・は、基板２の実装面から発光部Ｌの上面までの高さ寸法ｂが１．５ｍｍであり、加えて、発光部Ｌの高さ寸法ｈは、０．７ｍｍとなっている。

図９は、発光素子３・・・の指向特性を示すグラフである。発光素子３は、直上面方向、すなわち、放射角度０°で最大の照度であり、側面方向、例えば、放射角度８０°で最大照度の４０％以上、放射角度７０°で最大照度の５０％以上の照度を有しており、部品実装面に沿った方向に所定の光が放射されている。

このような形態と特性を有する発光素子３・・・を図１０に示すように所定の間隔を置いて配置する。そして、この間隔を変え、輝度むら及び発光効率を評価、測定した。

ここで、図示のように、隣接する発光素子３・・・の発光部Ｌ１、Ｌ２間の最小寸法をｃとし、この最小寸法ｃの線上における発光部Ｌ１、Ｌ２の幅寸法をａとする。また、輝度むらの評価方法は、発光モジュール１を床面から２．５ｍの高さで点灯し、床面を照射したときの床面の照明状態を観察して、視覚的評価に基づいて行なった。この視覚的評価は、図１１に示すように床面の照度分布を観察したものである。因みに、図は、照度の差が生じている境界、具体的には、発光素子３・・・の発光パターン（発光素子３・・・の実装パターンイメージ）の見え具合を実線で模式的に表したものである。したがって、Ａは、輝度むらが全く見えない、Ｂは、輝度むらがほとんど気にならない、Ｃは、輝度むらが気になる、Ｄは、輝度むらがはっきり見える、とランク付けされるものである。概略的には、発光素子３・・・の発光部Ｌ間の間隔が狭いと輝度むらは解消されるが、隣接する発光素子３・・・が放射光の障害となり、効率が低下し、また、発光部Ｌ間の間隔が広いと効率は高くなるが、輝度むらが発生する傾向がある。

上記評価、測定の結果、図１２に示す評価、測定値が得られた。図において、横軸は、発光素子３・・・の発光部Ｌ間の間隔ｃであり、縦軸は、輝度むらの評価及び効率の測定値である。輝度むらは、間隔ｃが４ｍｍを超えるに従って徐々に下降し、悪化する傾向となる。また、効率は、間隔ｃが広がるに従い上昇するが、８ｍｍを超えると飽和状態となることが判明した。

以上の結果を考察し、輝度むらの許容範囲は、Ｃランク付近であり、また、効率を考慮すると、発光素子３・・・間の間隔ｃは、ｂ＜ｃ＜４ａの範囲にあるのが好ましいことが確認できた。また、上記範囲において、さらに、効率、輝度むらの評価を高め、照明効果を一層向上する最適範囲は、２ｂ≦ｃ≦３ａの範囲であるとの見解に至った。さらに、各発光素子３・・・同士の発熱の影響を抑えるためには、ａ＜ｃとすることが配置パターとして最適である。ａ＜ｃとすることで発光素子３・・・の発光中の温度の上昇を抑制できる。なお、前記間隔ｃの下限値を発光部Ｌの高さ寸法ｈを用いて表すこともできる。この高さ寸法ｈを用いて表すと、およそ、２ｈ＜ｃ、好ましくは、４ｈ≦ｃの関係となる。

なお、本実施例においては、図１０に示す発光素子３・・・の発光部Ｌ１及びＬ２の関係をとりあげて説明したが、例えば、発光部Ｌ２及びＬ３についても間隔ｃの寸法関係は同様である。また、発光素子３・・・の各寸法、指向特性等は、実施例の具体的寸法、特性に限定されるものではない。発光素子３・・・の実装パターンも図１０に示すような円周上に沿って実装されるものに限らない。各発光素子３・・・間の最小寸法ｃが上記の所定範囲であればよく、例えば、マトリクス状に実装されていてもよい。

さらに発光素子としては、図１３に示すような発光素子３０を適用することもできる。この発光素子３０は、表面実装型のＬＥＤパッケージであり、このＬＥＤパッケージは、セラミックスで形成された本体３０ａと、この本体３０ａに設けられたリフレクター３０ｄと、本体３０ａとリフレクター３０ｄとで形成された凹部に実装されたＬＥＤチップ３０ｃと、このＬＥＤチップ３０ｃを封止するシリコーン樹脂３０eとから構成されている。このシリコーン樹脂３０eの部分が発光部Ｌとして機能し、発光部Ｌから上面方向及び部品実装面に沿った方向を含んで全体として図９に示す指向特性に類似した放射状に光が出射されるようになっている。

１・・・発光モジュール、２・・・基板、２ａ・・・基板表面側、２ｂ・・・基板裏面側、３・・・発光素子（ＬＥＤパッケージ）、４・・・点灯回路部品、５・・・電源接続用のコネクタ、１０・・・照明装置

Claims (2)

1. 表面側を部品実装面とし、裏面側を平坦な放熱面とする基板と；
   基板の部品実装面の中央部に配設された点灯回路部品と；
   前記基板に設けられた配線パターンによって前記点灯回路部品と電気的に接続されるとともに、前記基板の部品実装面であって、前記点灯回路部品の周囲に配設された発光素子と；
   を具備することを特徴とする発光モジュール。
2. 装置本体と；
   この装置本体に組込まれた請求項１記載の発光モジュールと；
   を具備したことを特徴とする照明装置。
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   

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