JP2018029031A

JP2018029031A - Led illumination device

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Publication number: JP2018029031A
Application number: JP2016161097A
Authority: JP
Inventors: 芳憲田中; Yoshinori Tanaka; 仁室伏; Hitoshi Murofushi; 昌人澁谷; Masato Shibuya
Original assignee: Sanken Electric Co Ltd
Current assignee: Sanken Electric Co Ltd
Priority date: 2016-08-19
Filing date: 2016-08-19
Publication date: 2018-02-22

Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To obtain an LED illumination device that uniformly emits light with strong directivity from a wide area.SOLUTION: An LED illumination device 100 has a plurality of LED chips 10 arrayed in one-dimensionally. So as to cover all the LED chips 10, provided is a light scattering layer 30. The light scattering layer 30 is provided so that a gap to the LED chips 10 in vertical direction is X. Over the light scattering layer 30, provided is a light collection layer 40 so as to cover the light scattering layer 30 from above. The light collection layer 40 is provided so that a gap to the light scattering layer 30 in vertical direction is Y. The light collection layer 40 has multiple structures (light collection structures) that collect scattered light incident from the lower side to improve directivity to the upper side.SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

本発明は、複数の発光ダイオード（ＬＥＤ）が発光源として用いられたＬＥＤ照明装置の構造に関する。 The present invention relates to a structure of an LED lighting device in which a plurality of light emitting diodes (LEDs) are used as a light source.

蛍光灯や白熱電球等に代わり、より低消費電力で耐久性の高い発光ダイオード（ＬＥＤ）が、様々な光源において用いられている。ＬＥＤは原理的に単色の（一定の波長の）光、例えば青色や赤色の光しか発することができない。また、ＬＥＤは例えば窒化物半導体の単結晶で構成された半導体層で構成され、その単体の大きさは数ｍｍ程度と小さなものしか実質的に製造できないため、実際にはＬＥＤは点光源のような形態となる。 Instead of fluorescent lamps and incandescent lamps, light-emitting diodes (LEDs) with lower power consumption and higher durability are used in various light sources. In principle, LEDs can only emit monochromatic (constant wavelength) light, such as blue or red light. In addition, an LED is composed of a semiconductor layer composed of, for example, a single crystal of a nitride semiconductor, and since the size of the single body can be substantially manufactured only as small as several millimeters, the LED is actually a point light source. Form.

一方、例えば照明用の光源としては、点状ではなく広がりをもった領域から一様に光を発するものが好ましい。ここで要求される一様性とは、光強度や、光のスペクトルに関する一様性である。また、照明用としては、上記のような単色の光ではなく、白色光（発光スペクトルに広がりがある光）が好ましい。このため、照明用としてＬＥＤが用いられる際には、ＬＥＤが発した光を吸収してＬＥＤが発した光と異なる波長の光（蛍光）を発する蛍光体が併せて用いられ、ＬＥＤが発した光とこの蛍光が発した光が混合されるような構成とされる。具体的には、青色光を発するＬＥＤと、黄色の蛍光を発する蛍光体が用いられ、ＬＥＤが発した青色光と蛍光体が発した蛍光光とが混合された白色光（擬似白色光）が発せられる。 On the other hand, as a light source for illumination, for example, a light source that emits light uniformly from a wide area rather than a point shape is preferable. The uniformity required here is uniformity regarding the light intensity and the spectrum of light. In addition, for illumination, white light (light having a broad emission spectrum) is preferable instead of monochromatic light as described above. For this reason, when an LED is used for illumination, a phosphor that absorbs light emitted from the LED and emits light (fluorescence) having a wavelength different from that of the LED emits light. The light and the light emitted by the fluorescence are mixed. Specifically, an LED that emits blue light and a phosphor that emits yellow fluorescence are used, and white light (pseudo white light) in which blue light emitted from the LED and fluorescent light emitted from the phosphor are mixed is used. Be emitted.

また、光源の広がりを確保するためには、複数個のＬＥＤが配列されて用いられる。この際、実際の発光源は個々の小さなＬＥＤであるが、見かけ上の発光源は複数のＬＥＤが連結されて大きな広がりをもつように、すなわち、広い範囲でムラなく一様に発光しているように見えるような構成とされる。ここで、一般的には、発せられる光の指向性を高めて進行方向を特定の方向に集中させる、すなわち、集光をさせることが好ましく、これによって、照度を高くすることもできる。 Moreover, in order to ensure the breadth of a light source, several LED is arranged and used. At this time, the actual light source is an individual small LED, but the apparent light source has a large spread by connecting a plurality of LEDs, that is, emits light uniformly over a wide range. It looks like this. Here, in general, it is preferable to increase the directivity of the emitted light so that the traveling direction is concentrated in a specific direction, that is, to collect light, thereby increasing the illuminance.

このようなＬＥＤを光源とする照明装置（ＬＥＤ照明装置）の構造は、例えば特許文献１に記載されている。この構造においては、複数の小さなＬＥＤが配列された上に、これらを覆うように大きな蛍光体（色温度変換層）、内部粗面化プリズムシートが順次設けられる。各ＬＥＤが発した単色光は、その上側の蛍光体が発した光と混合された擬似白色光となって上側に発せられ、内部粗面化プリズムシートに入射する。内部プリズムシートは有機材料で構成され、その下側（ＬＥＤに近い側）には、多数の粒状体が分散され、入射した光を様々な方向に散乱させる光散乱層として機能する。これにより、上記のように見かけの発光源は大きな広がりをもつように見える。光散乱層によって光は様々な方向に分散して発せられるため、光の指向性を高めるために、内部粗面化シートの上側表面には、多数の凸形状（プリズム要素）が配置されている。個々のプリズム要素によって、光が発せられる方向を特に上側に集中させることができる。 The structure of such an illumination device (LED illumination device) using an LED as a light source is described in Patent Document 1, for example. In this structure, a plurality of small LEDs are arranged, and a large phosphor (color temperature conversion layer) and an internal roughening prism sheet are sequentially provided so as to cover them. The monochromatic light emitted from each LED becomes pseudo white light mixed with the light emitted from the phosphor on the upper side, is emitted to the upper side, and is incident on the internal roughened prism sheet. The internal prism sheet is made of an organic material, and on the lower side (side closer to the LED), a large number of granular materials are dispersed, and functions as a light scattering layer that scatters incident light in various directions. As a result, the apparent light source appears to have a large spread as described above. Since light is dispersed and emitted in various directions by the light scattering layer, a large number of convex shapes (prism elements) are arranged on the upper surface of the internal roughened sheet in order to improve the directivity of light. . By means of the individual prism elements, the direction in which light is emitted can be concentrated in particular on the upper side.

また、特許文献２に記載のＬＥＤ照明装置においては、蛍光体がＬＥＤと一体化されて構成されたＬＥＤチップが複数配列され、その上側においてＬＥＤチップから離間してプリズムシートが設けられる。プリズムシートは、前記のようなプリズム要素が表面に形成されたシートであり、プリズム要素をＬＥＤチップ側（下側）に設けることによって、ＬＥＤチップが発した光を拡散させることができ、プリズム要素をＬＥＤチップと反対側（上側）に設けることによって、光を集光させることができる。このため、プリズムシートを上下の両側に設ければ、特許文献１に記載の技術と同様に、ＬＥＤチップに近い側で光の拡散を、ＬＥＤチップから遠い側で集光を行うことができる。 Further, in the LED lighting device described in Patent Document 2, a plurality of LED chips each formed by integrating a phosphor with an LED are arranged, and a prism sheet is provided on the upper side thereof apart from the LED chip. The prism sheet is a sheet on which a prism element as described above is formed. By providing the prism element on the LED chip side (lower side), light emitted from the LED chip can be diffused. Is provided on the opposite side (upper side) of the LED chip, so that light can be condensed. For this reason, if prism sheets are provided on both the upper and lower sides, light diffusion can be performed on the side closer to the LED chip and light can be condensed on the side far from the LED chip, as in the technique described in Patent Document 1.

このようにして、ＬＥＤを用いて、例えば室内の天井灯等、一般的な照明用に好ましく用いられる照明装置を得ることができる。 In this way, an illumination device that is preferably used for general illumination, such as an indoor ceiling lamp, can be obtained using the LED.

特開２０１１−１２４０２３号公報JP 2011-1224023 A ＷＯ２０１２／０６３７５９Ａ１号公報WO2012 / 063759A1

上記のようなＬＥＤ照明装置は、室内の一般的な照明用以外にも、様々な用途で用いられ、例えば、金属や樹脂材料等の表面の傷の検査を行うための検査装置における照明用にも用いられる。こうした場合には、細かな傷を高コントラストで認識しやすくするためには、特に光の指向性を高める、すなわち、集光の度合いを強くすることが好ましい。この際、広い範囲でムラなく一様に発光させることは、上記と同様に要求される。 The LED lighting device as described above is used for various purposes in addition to general indoor lighting. For example, for lighting in an inspection device for inspecting a surface scratch such as a metal or a resin material. Is also used. In such a case, in order to make it easy to recognize fine scratches with high contrast, it is particularly preferable to increase the directivity of light, that is, to increase the degree of light collection. At this time, uniform light emission over a wide range is required as described above.

特許文献１に記載の構成においては、内部粗面化プリズムシートの下側で光が拡散（散乱）され、その上側で集光される。この場合、光が散乱されてから集光されるまでの距離が短いために、光の拡散の効果が不十分となり、光源となる各ＬＥＤが見かけ上分離されて発光にムラが生じ、広い範囲で一様な発光をさせることが困難であった。 In the configuration described in Patent Document 1, light is diffused (scattered) below the internal roughened prism sheet, and condensed on the upper side. In this case, since the distance from when the light is scattered to when it is collected is short, the effect of light diffusion becomes insufficient, and each LED as a light source is apparently separated to cause unevenness in light emission, resulting in a wide range. It was difficult to make uniform light emission.

特許文献２に記載の技術においては、光源に広がりをもたせ、かつ集光も行うことができる。しかしながら、プリズムシートの下面のプリズム要素によって光を散乱させる場合には、プリズムシートを透過せずにＬＥＤ側（下側）に全反射する成分が無視できず、これによって実質的な発光強度が低下した。また、この全反射した成分の光の一部は再びＬＥＤ側の蛍光体に入射してから再び反射し、再度上側に発せられる。この際に、再び蛍光が発せられるため、最終的に発せられる光のスペクトルが、所望のものから変化する。このため、やはり発せられる光の強度や色（スペクトル）にムラが生じる場合があった。 In the technique described in Patent Document 2, the light source can be spread and condensed. However, when light is scattered by the prism element on the lower surface of the prism sheet, the component that does not pass through the prism sheet and totally reflects to the LED side (lower side) cannot be ignored, thereby reducing the substantial emission intensity. did. Further, a part of the light of the totally reflected component is again incident on the phosphor on the LED side, is reflected again, and is emitted to the upper side again. At this time, since fluorescence is emitted again, the spectrum of the finally emitted light changes from the desired one. For this reason, unevenness may occur in the intensity and color (spectrum) of the emitted light.

このため、ＬＥＤを光源として用いる際に、広がりをもった領域から指向性の強い光を一様に発することは困難であった。 For this reason, when using LED as a light source, it was difficult to emit light with strong directivity from a wide area.

本発明は、かかる問題点に鑑みてなされたものであり、上記問題点を解決する発明を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of such problems, and an object thereof is to provide an invention that solves the above problems.

本発明は、上記課題を解決すべく、以下に掲げる構成とした。
本発明のＬＥＤ照明装置は、発光ダイオード（ＬＥＤ）と、前記発光ダイオードとの間に空隙が形成されるように前記発光ダイオードを上側から覆い、光を散乱させる光散乱層と、前記光散乱層との間に空隙が形成されるように前記光散乱層を上側から覆い、前記光散乱層から出た光を集光する集光層と、を具備することを特徴とする。
本発明のＬＥＤ照明装置は、前記光散乱層の下側で、前記発光ダイオードが発した光を吸収し前記発光ダイオードが発した光と異なる波長の蛍光を発する蛍光層を具備することを特徴とする。
本発明のＬＥＤ照明装置は、前記発光ダイオードが複数配置され、前記発光ダイオード毎に前記蛍光層が前記発光ダイオードと一体化された構成を具備する発光ダイオードチップが用いられたことを特徴とする。
本発明のＬＥＤ照明装置において、前記発光ダイオードチップと前記光散乱層との間の上下方向における間隔は、水平方向において隣接する前記発光ダイオードチップ間の間隔の５倍以上であることを特徴とする。
本発明のＬＥＤ照明装置は、前記集光層との間に空隙が形成されるように前記集光層を上側から覆う保護層を具備することを特徴とする。
本発明のＬＥＤ照明装置において、前記光散乱層は、透明な有機材料中に、粒状体が分散された構造を具備することを特徴とする。
本発明のＬＥＤ照明装置において、前記粒状体を構成する材料は、透明であり、前記有機材料と異なる屈折率を有することを特徴とする。
本発明のＬＥＤ照明装置において、前記集光層は、上面側に形成された凹凸を具備することを特徴とする。 In order to solve the above problems, the present invention has the following configurations.
The LED lighting device according to the present invention includes a light scattering layer that scatters light by covering the light emitting diode from above so that a gap is formed between the light emitting diode (LED) and the light emitting diode, and the light scattering layer. A light condensing layer that covers the light scattering layer from above so as to form a gap between the light scattering layer and the light emitted from the light scattering layer.
The LED lighting device according to the present invention includes a fluorescent layer that absorbs light emitted from the light emitting diode and emits fluorescence having a wavelength different from that of the light emitted from the light emitting diode, below the light scattering layer. To do.
The LED lighting device of the present invention is characterized in that a plurality of the light emitting diodes are arranged, and a light emitting diode chip having a configuration in which the fluorescent layer is integrated with the light emitting diode for each light emitting diode is used.
In the LED lighting device of the present invention, the vertical distance between the light emitting diode chip and the light scattering layer is at least five times the distance between the light emitting diode chips adjacent in the horizontal direction. .
The LED lighting device according to the present invention includes a protective layer that covers the light collecting layer from above so that a gap is formed between the LED lighting device and the light collecting layer.
In the LED lighting device of the present invention, the light scattering layer has a structure in which granular materials are dispersed in a transparent organic material.
In the LED lighting device according to the present invention, the material constituting the granular material is transparent and has a refractive index different from that of the organic material.
In the LED lighting device according to the present invention, the light condensing layer includes irregularities formed on the upper surface side.

本発明は以上のように構成されているので、広がりをもった領域から指向性の強い光を一様に発するＬＥＤ照明装置を得ることができる。 Since this invention is comprised as mentioned above, the LED illuminating device which emits light with a strong directivity uniformly from the area | region which spreads can be obtained.

本発明の実施の形態に係るＬＥＤ照明装置の、互いに垂直な二方向に沿った断面図である。It is sectional drawing along two mutually perpendicular directions of the LED lighting apparatus which concerns on embodiment of this invention. 本発明の実施の形態に係るＬＥＤ照明装置に用いられるＬＥＤチップの断面図である。It is sectional drawing of the LED chip used for the LED lighting apparatus which concerns on embodiment of this invention. 本発明の実施例となるＬＥＤ照明装置と、集光層を具備しない比較例における光強度の角度依存性を測定した結果である。It is the result of having measured the angle dependence of the light intensity in the LED lighting apparatus used as the Example of this invention, and the comparative example which does not comprise a condensing layer.

以下、本発明の実施の形態となるＬＥＤ照明装置について説明する。図１は、このＬＥＤ照明装置１００の断面図である。このＬＥＤ照明装置１００においては、例えば特開２０１２−６９８８５号公報に記載されるような発光ダイオードチップ（ＬＥＤチップ）１０が、水平面を構成する基板２０上面に１次元配列されている。図１（ａ）は、ＬＥＤチップがある箇所におけるその配列方向に垂直な断面図であり、図１（ｂ）は、その配列方向に沿った断面図である。図１（ｂ）において、ＬＥＤチップの水平方向における間隔はＬである。ここでは、集光は配列方向と垂直な方向においてなされている、すなわち、図１（ａ）中において、特に上向きへの指向性が高くなるように設定される。一方、図１（ｂ）においては、発光源となるのは各ＬＥＤチップ１０であるが、上側から見て、発光源となる各ＬＥＤ１０を分離して認識することはできず、図１（ｂ）の左右方向にわたり広い範囲で一様に発光しているように見える構成とされる。 Hereinafter, an LED lighting apparatus according to an embodiment of the present invention will be described. FIG. 1 is a cross-sectional view of the LED lighting device 100. In this LED lighting device 100, for example, light emitting diode chips (LED chips) 10 as described in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2012-69885 are arranged one-dimensionally on the upper surface of a substrate 20 constituting a horizontal plane. Fig.1 (a) is sectional drawing perpendicular | vertical to the arrangement direction in the location with a LED chip, FIG.1 (b) is sectional drawing along the arrangement direction. In FIG. 1B, the horizontal interval between the LED chips is L. Here, the light is condensed in a direction perpendicular to the arrangement direction, that is, in FIG. 1A, the light is set to have a particularly high upward directivity. On the other hand, in FIG. 1B, each LED chip 10 is a light emitting source, but when viewed from above, each LED 10 that is a light emitting source cannot be separately recognized, and FIG. ) In the left-right direction over a wide range.

図２は、このＬＥＤチップ１０の構造を模式的に示す断面図である。ここでは、例えば特開２０１２−６９８８５号公報に記載された構造が簡略化されて示されている。ここでは、窒化物半導体で構成され短波長（青色）の発光をする半導体層（発光ダイオード）１１が、金属製のリードフレーム１２上に搭載され、リードフレーム１２上においては、反射層１３が半導体層１１を囲んで設けられている。反射層１３は、半導体層１１が発した光を周囲で上向きに反射させるように設けられている。このため、半導体層１１が発した光は図２において上側に向かって発せられる。ただし、この光の進行方向を制限するのは反射層１３とリードフレーム１２だけであるため、その指向性は高くない。 FIG. 2 is a cross-sectional view schematically showing the structure of the LED chip 10. Here, for example, the structure described in JP 2012-69885 A is simplified and shown. Here, a semiconductor layer (light emitting diode) 11 made of a nitride semiconductor and emitting light of a short wavelength (blue) is mounted on a metal lead frame 12, and the reflection layer 13 is a semiconductor on the lead frame 12. Surrounding the layer 11 is provided. The reflection layer 13 is provided so as to reflect the light emitted from the semiconductor layer 11 upward in the surroundings. For this reason, the light emitted from the semiconductor layer 11 is emitted upward in FIG. However, since only the reflective layer 13 and the lead frame 12 limit the traveling direction of the light, the directivity is not high.

また、リードフレーム１２の上側で反射層１３で囲まれた内部には、樹脂材料に蛍光材料が添加された蛍光層１４が、半導体層１１をその内部に封止して形成される。この蛍光材料は、半導体層１１が発した青色の光を吸収し、これよりも長波長かつスペクトル帯域の広い黄色の光を発する。このため、このＬＥＤチップ１０から上側に向かって、発光ダイオード（半導体層１１）が発した光と蛍光層１４が発した光が混合して発せられ、この光は、そのスペクトルが青色側から長波長側にわたる広がりをもつ白色光（擬似白色光）となる。なお、実際には半導体層１１やリードフレーム１２には半導体層１１に電流を流すために各種の配線が接続されているが、その記載は図２では省略されている。 In addition, a fluorescent layer 14 in which a fluorescent material is added to a resin material is formed in the interior surrounded by the reflective layer 13 on the upper side of the lead frame 12 by sealing the semiconductor layer 11 therein. This fluorescent material absorbs blue light emitted from the semiconductor layer 11 and emits yellow light having a longer wavelength and a wider spectral band. Therefore, the light emitted from the light emitting diode (semiconductor layer 11) and the light emitted from the fluorescent layer 14 are mixed and emitted upward from the LED chip 10, and this light has a long spectrum from the blue side. It becomes white light (pseudo white light) having a spread over the wavelength side. Actually, various wirings are connected to the semiconductor layer 11 and the lead frame 12 in order to flow current to the semiconductor layer 11, but the description thereof is omitted in FIG.

図２におけるＬＥＤチップ１０の幅Ｄは例えば５ｍｍ程度であり、図１（ｂ）におけるＬＥＤ照明装置１００全体の幅と比べて小さい。図２の構造において光は下側に向けて発せられることはなく、かつ発光の源となる半導体層１１は、幅Ｄよりも更に小さい。また、半導体層１１の厚さＴは、Ｄよりも小さい。このため、実際には光は小さな半導体層１１を中心として上側に向けて放射状に発せられる。 The width D of the LED chip 10 in FIG. 2 is about 5 mm, for example, and is smaller than the entire width of the LED lighting device 100 in FIG. In the structure of FIG. 2, no light is emitted downward, and the semiconductor layer 11 serving as a light emission source is smaller than the width D. Further, the thickness T of the semiconductor layer 11 is smaller than D. For this reason, light is actually emitted radially upward with the small semiconductor layer 11 as the center.

図１（ｂ）において、このＬＥＤチップ１０は、基板２０上に間隔Ｌで１次元配列されており、ＬはＤと同程度である。図１（ａ）（ｂ）において、光は、各ＬＥＤチップ１０から上側にそれぞれ矢印Ａ１、Ｂ１のように各ＬＥＤチップ１０から個別にそれぞれ放射状に発せられる。 In FIG. 1B, the LED chips 10 are one-dimensionally arranged on the substrate 20 with an interval L, and L is about the same as D. 1A and 1B, light is emitted radially from each LED chip 10 individually as indicated by arrows A1 and B1 above each LED chip 10, respectively.

ＬＥＤチップ１０の上側には、全てのＬＥＤチップ１０を覆うように、光散乱層３０が設けられる。光散乱層３０は、端部において基板２０との間にスペーサ２１を挟むことによって、ＬＥＤチップ１０との間の上下方向における間隔がＸとなるように設けられる。ここで、Ｘ＞＞Ｔである。光散乱層３０は、特許文献１に記載の内部粗面化プリズムシートにおける下側の部分と同様に、透明な有機材料中に透明かつ小さな粒状体（散乱構造）が多数分散されて構成され、有機材料と粒状体との屈折率の違いに起因して、有機材料と粒状体との界面で入射した光が散乱される。この際、粒状体はランダムに分散しているため、ＬＥＤチップ１０から発せられた光は、光散乱層３０によって拡散され、かつ、この拡散は光散乱層３０における面内方向の各点で起こる。このため、光散乱層３０を通過後は、図１（ａ）（ｂ）におけるそれぞれ矢印Ａ２、Ｂ２で示されるように、光は光散乱層３０の面内の各点から発散して発せられる。この状態を上側から見ると、光散乱層３０の上面が均一に発光しているように見え、個々のＬＥＤチップ１０を認識することが困難となる。すなわち、特に図１（ｂ）においては、分断されて設けられた複数の小さなＬＥＤチップ１０が用いられているにも関わらず、光散乱層３０の全面で一様に発光しているように見える。 A light scattering layer 30 is provided on the upper side of the LED chip 10 so as to cover all the LED chips 10. The light scattering layer 30 is provided so that the distance in the vertical direction from the LED chip 10 is X by sandwiching the spacer 21 between the light scattering layer 30 and the substrate 20 at the end. Here, X >> T. The light scattering layer 30 is configured by dispersing a large number of transparent and small granular materials (scattering structures) in a transparent organic material, similarly to the lower portion of the internally roughened prism sheet described in Patent Document 1, Due to the difference in refractive index between the organic material and the granular material, light incident on the interface between the organic material and the granular material is scattered. At this time, since the particles are randomly dispersed, the light emitted from the LED chip 10 is diffused by the light scattering layer 30, and this diffusion occurs at each point in the in-plane direction of the light scattering layer 30. . For this reason, after passing through the light scattering layer 30, light is emitted from each point in the plane of the light scattering layer 30 as indicated by arrows A2 and B2 in FIGS. . When this state is viewed from above, the upper surface of the light scattering layer 30 appears to emit light uniformly, making it difficult to recognize individual LED chips 10. That is, particularly in FIG. 1B, it appears that light is emitted uniformly over the entire surface of the light scattering layer 30 even though a plurality of small LED chips 10 provided in a divided manner are used. .

光散乱層３０の上側には、上側から光散乱層３０を覆うように、集光層４０が設けられる。集光層４０は、端部において光散乱層３０との間にスペーサ２２を挟むことによって、光散乱層３０との間の上下方向の間隔がＹとなるように設けられる。集光層４０は、特許文献１に記載の内部粗面化プリズムシートにおける上側、あるいは特許文献２における、プリズム要素を上側に設けたプリズムシートと同様であり、下側から入射した散乱光を集光して上側への指向性を高める構造（集光構造）が集光層４０に多数設けられている。ＬＥＤチップ１０の配列方向と垂直な方向における集光をするために，集光層４０においては、プリズム要素（集光構造）となる凹凸は、この配列方向に沿って設けられている。このため、ＬＥＤチップ１０の配列方向と垂直な図１（ａ）においてのみこの集光構造となる凹凸形状が示されている。これにより、図１（ａ）においては、集光層４０通過後における光の向きは矢印Ａ３で示されるように主に上側となるように集光される。一方、配列方向では集光されないため、この配列方向に沿った図１（ｂ）においては、この光は、その向きが矢印Ｂ３で示されるように、矢印Ｂ２の向きと変わりがない発散光となる。 On the upper side of the light scattering layer 30, a light collecting layer 40 is provided so as to cover the light scattering layer 30 from above. The condensing layer 40 is provided so that the vertical distance between the light-scattering layer 30 and the light-scattering layer 30 is Y by sandwiching the spacer 22 between the light-scattering layer 30 at the end. The condensing layer 40 is the same as the upper side of the internally roughened prism sheet described in Patent Document 1 or the prism sheet provided with the prism element on the upper side in Patent Document 2, and collects scattered light incident from the lower side. A large number of structures (light condensing structures) that emit light and increase the directivity toward the upper side are provided in the light condensing layer 40. In order to collect light in a direction perpendicular to the arrangement direction of the LED chips 10, the condensing layer 40 is provided with irregularities serving as prism elements (condensing structures) along the arrangement direction. For this reason, the uneven | corrugated shape used as this condensing structure is shown only in Fig.1 (a) perpendicular | vertical to the arrangement direction of LED chip 10. FIG. Thereby, in FIG. 1A, the light is focused so that the direction of the light after passing through the condensing layer 40 is mainly on the upper side as indicated by an arrow A3. On the other hand, since the light is not condensed in the arrangement direction, in FIG. 1B along this arrangement direction, this light is divergent light whose direction is the same as that of the arrow B2, as indicated by the arrow B3. Become.

集光層４０の更に上側には、一様に形成された透明な保護層５０が、集光層４０を覆うように、集光層４０から離間して設けられる。保護層５０においては光に対する散乱や集光はなされず、保護層５０は、その下側にある集光層４０、光散乱層３０、ＬＥＤチップ１０等の保護や、光の取り出し用の窓として保護層５０は機能する。保護層５０は、特許文献２における保護カバーに対応する。このため、図１（ａ）において保護層５０を透過後の光の向きを示す矢印Ａ４は、その下層の矢印Ａ３と同様の向きであり、図１（ｂ）において保護層５０を透過後の光の向きを示す矢印Ｂ４も、その下層の矢印Ｂ３と同様の向きである。保護層５０は、例えば透明で均一、かつ平坦な有機材料等で構成される。 On the upper side of the light collecting layer 40, a uniformly formed transparent protective layer 50 is provided so as to be separated from the light collecting layer 40 so as to cover the light collecting layer 40. The protective layer 50 does not scatter or condense light, and the protective layer 50 serves as a window for protecting the condensing layer 40, the light scattering layer 30, the LED chip 10 and the like below and for extracting light. The protective layer 50 functions. The protective layer 50 corresponds to the protective cover in Patent Document 2. For this reason, the arrow A4 indicating the direction of light after passing through the protective layer 50 in FIG. 1A is the same direction as the arrow A3 in the lower layer, and after passing through the protective layer 50 in FIG. The arrow B4 indicating the direction of light is also the same direction as the arrow B3 below it. The protective layer 50 is made of, for example, a transparent, uniform, and flat organic material.

上記の構成においては、ＬＥＤチップ１０から上側に放射状に発せられた光（矢印Ａ１、Ｂ１）は、平坦な光散乱層３０に入射する。この際、光散乱層３０の上側から見て、個々のＬＥＤチップ１０が分離して発光しているのではなく、光散乱層３０が全体として発光しているように見えることが好ましい。このためには、Ｘを十分に大きくして、個々のＬＥＤチップ１０が発した光が十分に発散した状態で光散乱層３０に下側から入射することが好ましい。この際、ＬＥＤチップ１０の間隔Ｌが大きい場合には、Ｘもこれに応じて大きくすることが必要となる。このため、ＸはＬの５倍以上とすることが好ましい。前記の通り、Ｘの設定はスペーサ２１によって行うことができる。また、Ｘ＞＞Ｔであるため、実際には、基板２０と光散乱層３０との間の間隔をＸとすることができる。なお、図１、２においては、便宜上Ｄ、Ｔ、Ｘ、Ｙ、Ｌの関係は実際とは異なって示されている。 In the above configuration, light (arrows A1 and B1) emitted radially upward from the LED chip 10 is incident on the flat light scattering layer 30. At this time, it is preferable that the individual LED chips 10 do not emit light separately from each other when viewed from the upper side of the light scattering layer 30, but the light scattering layer 30 seems to emit light as a whole. For this purpose, it is preferable that X is made sufficiently large so that light emitted from each LED chip 10 is incident on the light scattering layer 30 from the lower side in a sufficiently diffused state. At this time, if the distance L between the LED chips 10 is large, X must be increased accordingly. For this reason, it is preferable that X is 5 times or more of L. As described above, X can be set by the spacer 21. In addition, since X >> T, the distance between the substrate 20 and the light scattering layer 30 can be actually set to X. In FIGS. 1 and 2, for convenience, the relationship between D, T, X, Y, and L is shown differently from the actual one.

この際、特許文献２に記載のようにプリズムシートを用いて光を散乱させる場合とは異なり、下側に全反射する成分は少ない。更に、Ｘが小さな場合には、全反射した成分がＬＥＤチップ１０内の蛍光層１４に再入射する可能性が高くなるが、Ｘを大きくすることにより、仮に全反射する成分が存在しても、この成分の光が蛍光層１４に再入射する可能性は低くなり、この光は基板２０側で反射されて再び光散乱層３０に入射する、あるいはこの光は光散乱層３０を通過せずにそのまま外部に発せられる。このため、光散乱層３０から集光層４０に向かう光のスペクトルが、この全反射した光によって悪影響を受ける可能性は低い。ただし、Ｘが大きくなるとＬＥＤ照明装置１００が大型化するため、ＬＥＤ照明装置１００全体の大きさを考慮した上で、Ｘは設定される。 At this time, unlike the case where light is scattered using a prism sheet as described in Patent Document 2, there are few components that totally reflect downward. Furthermore, when X is small, there is a high possibility that the totally reflected component will re-enter the fluorescent layer 14 in the LED chip 10, but even if there is a component that totally reflects by increasing X, The possibility that the light of this component will re-enter the fluorescent layer 14 is low, and this light is reflected on the substrate 20 side and enters the light scattering layer 30 again, or this light does not pass through the light scattering layer 30. It is emitted to the outside as it is. For this reason, it is unlikely that the spectrum of light traveling from the light scattering layer 30 toward the light collecting layer 40 is adversely affected by the totally reflected light. However, since the LED lighting device 100 increases in size when X increases, X is set in consideration of the overall size of the LED lighting device 100.

集光層４０において、見かけ上の発光を集光層４０全体で広い面内にわたり均一とするためには、光が十分に発散した状態で下側から集光層４０に入射することが好ましい。このためには、光散乱層３０と集光層４０との間に空隙を設ける、すなわち、間隔Ｙを大きくすることが好ましい。具体的には、この間隔Ｙは、光学的に十分厚く、発せられる光のスペクトルにおける短波長側端部となる青色光の波長（４６０ｎｍ程度）の１０倍以上とすることが好ましい。このため、光散乱層３０と集光層４０とは、別体で構成される。 In the condensing layer 40, in order to make apparent light emission uniform over a wide area in the entire condensing layer 40, it is preferable that the light is incident on the condensing layer 40 from the lower side in a sufficiently divergent state. For this purpose, it is preferable to provide a gap between the light scattering layer 30 and the light collecting layer 40, that is, to increase the interval Y. Specifically, the interval Y is preferably optically thick enough to be at least 10 times the wavelength of blue light (approximately 460 nm) that becomes the short wavelength side end in the spectrum of emitted light. For this reason, the light-scattering layer 30 and the condensing layer 40 are comprised separately.

また、保護層５０は単に光を透過させる機能のみを有するため、保護層５０と集光層４０との間の間隔は、保護層５０と近接する集光層４０の上面を保護できるように、適宜設定される。特に、集光層４０の上面には上記のようなプリズム形状（集光構造）が形成されているため、このプリズム形状となった部分と保護層５０とが直接接することがなく、かつプリズム構造が上側から見て保護層５０によって覆われるように、これらの間隔は設定される。 Further, since the protective layer 50 has only a function of transmitting light, the interval between the protective layer 50 and the light collecting layer 40 can protect the upper surface of the light collecting layer 40 adjacent to the protective layer 50. Set as appropriate. In particular, since the prism shape (condensing structure) as described above is formed on the upper surface of the condensing layer 40, the prism-shaped portion and the protective layer 50 are not in direct contact with each other, and the prism structure These intervals are set so that is covered with the protective layer 50 when viewed from above.

あるいは、集光層の表面が他の構造によって保護されている場合には、保護層５０は不要である。逆に、保護層にも、光散乱層３０と同様に光を散乱させる機能をもたせてもよい。ただし、集光層４０による集光の効果を維持するために、この光散乱の効果を、下側の光散乱層３０よりも弱くすることが好ましい。 Or when the surface of the condensing layer is protected by another structure, the protective layer 50 is unnecessary. Conversely, the protective layer may have a function of scattering light in the same manner as the light scattering layer 30. However, in order to maintain the light collecting effect by the light collecting layer 40, it is preferable to make the light scattering effect weaker than that of the lower light scattering layer 30.

図３は、上記の構造において、Ｌ＝４ｍｍ、Ｘ＝２０ｍｍ、Ｙ＝０．７５ｍｍとした実施例、同様の構造において集光層４０を設けなかった場合における配列方向と垂直な方向における保護層を透過後の光強度の角度分布（図１（ａ）における上方向を基準とする）を測定した結果である。ここで、上向き（角度が０°の場合）に発せられる光の強度を基準として規格化されている。集光層４０としては、図１（ａ）における周期５０μｍ、深さ２５μｍのプリズム構造を集光構造として用いたものが用いられた。この結果より、実施例では、上向きの指向性が高まった光を発することができることが確認できる。 FIG. 3 shows an example in which L = 4 mm, X = 20 mm, and Y = 0.75 mm in the above structure, and a protective layer in a direction perpendicular to the arrangement direction when the condensing layer 40 is not provided in the same structure. Is the result of measuring the angular distribution of the light intensity after passing through (based on the upward direction in FIG. 1A). Here, it is standardized with reference to the intensity of light emitted upward (when the angle is 0 °). As the light condensing layer 40, a light condensing structure using a prism structure having a period of 50 μm and a depth of 25 μm in FIG. From this result, it can be confirmed that the embodiment can emit light with improved upward directivity.

なお、上記の構成において、蛍光層は各ＬＥＤチップ内に設けられるものとしたが、各ＬＥＤチップ内には蛍光層は用いられず、ＬＥＤチップ内における発光要素は半導体層のみとしてもよい。こうした場合においては、例えば特許文献１に記載の構造と同様に、配列されたＬＥＤチップ全体を覆うように大きな蛍光層を設けることができ、この上に上記と同様に光散乱層、集光層を設けることができる。この際、蛍光層と光散乱層との間隔を上記のＸ、隣接する半導体層（発光ダイオード）の間隔を上記のＬとすれば、同様の効果を奏する。 In the above configuration, the fluorescent layer is provided in each LED chip. However, the fluorescent layer is not used in each LED chip, and the light emitting element in the LED chip may be only the semiconductor layer. In such a case, similarly to the structure described in Patent Document 1, for example, a large fluorescent layer can be provided so as to cover the entire arrayed LED chips, and a light scattering layer and a condensing layer are formed thereon as in the above. Can be provided. At this time, if the distance between the fluorescent layer and the light scattering layer is X, and the distance between adjacent semiconductor layers (light emitting diodes) is L, the same effect can be obtained.

あるいは、蛍光層を用いずに単色の発光をさせる場合においても、上記のように光源の広がり及び光の指向性が要求される場合には、上記の構成が有効であることは明らかである。この場合においては、単色の発光をする半導体層（発光ダイオード）と光散乱層との間隔を上記のＸ、隣接する半導体層の間隔を上記のＬとすれば、同様の効果を奏する。この場合、発光ダイオードの発光波長は任意であり、これに応じて散乱構造や集光構造の寸法を設定することができる。 Alternatively, even in the case of emitting monochromatic light without using a fluorescent layer, it is clear that the above configuration is effective when the light source spread and the light directivity are required as described above. In this case, the same effect can be obtained if the distance between the semiconductor layer (light emitting diode) emitting monochromatic light and the light scattering layer is X and the distance between adjacent semiconductor layers is L. In this case, the light emission wavelength of the light emitting diode is arbitrary, and the dimensions of the scattering structure and the light collecting structure can be set according to this.

また、光を散乱する光散乱層の構造あるいは個々の散乱構造、その後に集光をする集光層の構造あるいは個々の集光構造についても、同様に機能させることが可能な限りにおいて、上記と異なる構造のものを用いることができる。この際、上記の構造では、ＬＥＤは一方向に沿って配列され、この配列方向に垂直な方向において集光されるものとしたが、例えばＬＥＤが二次元配列されていてもよい。この場合においても、この集光方向に応じて集光層あるいは集光構造は、適宜設定することができる。 In addition, as long as it is possible to function in the same manner, the structure of the light scattering layer or the individual scattering structure that scatters light, and the structure of the condensing layer or the individual light condensing structure that collects light thereafter, as described above. Different structures can be used. At this time, in the above structure, the LEDs are arranged along one direction and are condensed in a direction perpendicular to the arrangement direction. For example, the LEDs may be arranged two-dimensionally. Even in this case, the condensing layer or the condensing structure can be appropriately set according to the condensing direction.

１０発光ダイオードチップ（ＬＥＤチップ）
１１半導体層（発光ダイオード）
１２リードフレーム
１３反射層
１４蛍光層
２０基板
２１、２２スペーサ
３０光散乱層
４０集光層
５０保護層
１００ＬＥＤ照明装置 10 Light emitting diode chip (LED chip)
11 Semiconductor layer (light emitting diode)
12 Lead frame 13 Reflective layer 14 Fluorescent layer 20 Substrate 21, 22 Spacer 30 Light scattering layer 40 Condensing layer 50 Protective layer 100 LED lighting device

Claims

発光ダイオード（ＬＥＤ）と、
前記発光ダイオードとの間に空隙が形成されるように前記発光ダイオードを上側から覆い、光を散乱させる光散乱層と、
前記光散乱層との間に空隙が形成されるように前記光散乱層を上側から覆い、前記光散乱層から出た光を集光する集光層と、
を具備することを特徴とするＬＥＤ照明装置。 A light emitting diode (LED);
A light scattering layer that covers the light emitting diode from above so that a gap is formed between the light emitting diode and scatters light;
A light condensing layer that covers the light scattering layer from above so that a gap is formed between the light scattering layer and collects light emitted from the light scattering layer;
LED lighting device characterized by comprising.

前記光散乱層の下側で、前記発光ダイオードが発した光を吸収し前記発光ダイオードが発した光と異なる波長の蛍光を発する蛍光層を具備することを特徴とする請求項１に記載のＬＥＤ照明装置。 The LED according to claim 1, further comprising a fluorescent layer that absorbs light emitted from the light emitting diode and emits fluorescence having a wavelength different from that of the light emitted from the light emitting diode, below the light scattering layer. Lighting device.

前記発光ダイオードが複数配置され、前記発光ダイオード毎に前記蛍光層が前記発光ダイオードと一体化された構成を具備する発光ダイオードチップが用いられたことを特徴とする請求項２に記載のＬＥＤ照明装置。 The LED lighting device according to claim 2, wherein a plurality of the light emitting diodes are arranged, and a light emitting diode chip having a configuration in which the fluorescent layer is integrated with the light emitting diode for each of the light emitting diodes. .

前記発光ダイオードチップと前記光散乱層との間の上下方向における間隔は、水平方向において隣接する前記発光ダイオードチップ間の間隔の５倍以上であることを特徴とする請求項３に記載のＬＥＤ照明装置。 4. The LED illumination according to claim 3, wherein a distance in the vertical direction between the light emitting diode chip and the light scattering layer is not less than 5 times a distance between the light emitting diode chips adjacent in the horizontal direction. apparatus.

前記集光層との間に空隙が形成されるように前記集光層を上側から覆う保護層を具備することを特徴とする請求項１から請求項４までのいずれか１項に記載のＬＥＤ照明装置。 5. The LED according to claim 1, further comprising a protective layer that covers the light collecting layer from above so that a gap is formed between the light collecting layer and the light collecting layer. Lighting device.

前記光散乱層は、透明な有機材料中に、粒状体が分散された構造を具備することを特徴とする請求項１から請求項５までのいずれか１項に記載のＬＥＤ照明装置。 The LED light device according to any one of claims 1 to 5, wherein the light scattering layer has a structure in which particles are dispersed in a transparent organic material.

前記粒状体を構成する材料は、透明であり、前記有機材料と異なる屈折率を有することを特徴とする請求項６に記載のＬＥＤ照明装置。 The LED illuminating device according to claim 6, wherein the material constituting the granular material is transparent and has a refractive index different from that of the organic material.

前記集光層は、上面側に形成された凹凸を具備することを特徴とする請求項１から請求項７までのいずれか１項に記載のＬＥＤ照明装置。 8. The LED lighting device according to claim 1, wherein the condensing layer includes irregularities formed on an upper surface side. 9.