JP5026968B2 - Ｌｅｄランプシステム - Google Patents

Description

本発明は、光の放射のための少なくとも１つのＬＥＤを有するＬＥＤランプシステム、及びこのようなＬＥＤランプシステムを複数備えるＬＥＤランプアレイに関する。

近年、無機固体ＬＥＤの設計及び製造に関する技術は、効率が４０ルーメン／ワットより高い無機白色発光ＬＥＤが製造され得る開発段階まで急速に進歩している。この効率は、疑いようもなく、従来の白色白熱灯の効率(１６ルーメン／ワット)及び大抵のハロゲンランプの効率(３０乃至３５ルーメン／ワット)を上回る。こうしている間にも、単一のＬＥＤ素子の効率は、１００ルーメン／ワットよりずっと高くまで増大している。

現在と将来との両方において照明用途のためのＬＥＤの幅広い使い勝手に影響を及ぼすであろう問題は、相対的には依然として限られているＬＥＤ素子１つ当たりの光量である。このようなＬＥＤランプシステムの性能の向上は、複数のＬＥＤ素子の光量が組み合わされ得る場合にしか達成され得ない。これは原則的には可能であるが、とりわけ高い輝度を持つ光源が必要とされる場合には、例えば、放射される光が、大きさの小さい反射器において集束されなければならないことから、依然として問題がある。

ＬＥＤを用いて白色光を生成するためには、とりわけ、所謂蛍光体コートＬＥＤ(phosphor-coated LED)（ＰＣ−ＬＥＤ）が使用される。このような蛍光体コートＬＥＤは、その放射面の上に蛍光体コーティングを持つＬＥＤである。蛍光体は、元素としてはっきり限定して理解されるべきではなく、むしろより広く、或る波長の光放射の作用の下で別の波長の光を放射する蛍光材料と理解されるべきである。青色光を照射されると黄色光を放射する蛍光材料がある。それらは、放射光の色に合わせて黄色蛍光体と呼ばれる。このようなＬＥＤを用いることにより、青色光を放射するＬＥＤに黄色蛍光体層を塗布することによって白色光が得られる。前記蛍光体層は、ＬＥＤからの青色光の一部は妨害されずに蛍光体層を通過し、蛍光体層の別の部分が黄色光に変換されるような大きさにされるべきである。青色光及び黄色光の同時放射は、ユーザに白色光と知覚される。他の例においては、紫外線光を放射する、白色蛍光体層でコーティングされているＬＥＤ素子がある。蛍光体層のタイプ及び厚さの適切な選択によって、他の色も放射するＰＣ−ＬＥＤが製造され得る。

米国特許公報第US 6 547 400 B1号から、ＬＥＤ素子などの点光源のマトリックス状配列及び反射内壁部を備える中空体の形のライトガイドブロックを有する光源装置が既知である。点光源によって放射される光ビームの大部分は、ガイドブロック内へ案内され、そこでコリメートされる。しかしながら、点光源によって放射される光ビームの少なからぬ部分が、ライトガイドブロックによって集められない。これは、装置の光出力をかなり低減させる。

米国特許公報第US 6,402,347号は、別個のＬＥＤ素子が共通の板の上に配設され、各素子がコリメート用アタッチメントを具備する装置を記載している。各々のＬＥＤ素子に接続されたフレネルレンズは、各々のＬＥＤからの放射線ビームが共通の二次光学系(common secondary optical system)内に案内されることを可能にする。このシステムの不利な点は、様々な光学界面(optical interface)における反射によってもたらされる約６０％に達する高い損失である。

それ故、本発明の目的は、装置であって、該装置によってＬＥＤ毎の光出力が高められ得る装置を提供することにある。

この目的は、光の放射のための少なくとも１つのＬＥＤ素子と、チャンバと、コリメータとを持つ提案ＬＥＤランプシステムによって達成される。以下、ＬＥＤは無機固形物であるとみなされる。なぜなら、現在、十分な強度を備えるこのようなＬＥＤが利用可能であるからである。それにもかかわらず、前記ＬＥＤはまた、十分に高い性能値を持つ限り、当然、例えば、レーザーダイオード、他の発光半導体素子又は有機ＬＥＤといった他のエレクトロルミネッセント素子であり得る。それ故、この明細書においては、ＬＥＤ又はＬＥＤ素子という用語は、あらゆる種類の対応するエレクトロルミネッセント素子と同義語として理解されるべきである。前記光は、可視光に加えて、赤外線又は紫外線光であり得る。

本発明によるＬＥＤランプシステムのチャンバは、少なくとも一部分は高反射型であるよう設計される内側側壁面と、前記ＬＥＤ素子によって前記チャンバ内へ放射される光のための光入射面と、前記チャンバ内へ放射される光及び場合により前記内側側壁面によって反射される光のための出射開口部とを有する。前記コリメータは、前記チャンバの前記出射開口部に配設され、該出射開口部に対向するアウトカップリング開口部(outcoupling opening)を持つ。前記ＬＥＤ素子によって放射された前記光は、前記入射開口部において、拡散された形で前記チャンバ内へ放射される。従って、本発明は、前記コリメータを用いることにより、前記放射線を、適切に方向づけられているようにして二次光学系(secondary optics)内へつなぐ(couple)ために、前記ＬＥＤ素子によって放射された前記光を可能な限り完全にとらえ、前記光をコリメートされた形で前記コリメータ内へ案内する原理に従う。従って、拡散放射光をとらえ、前記拡散放射光を前記出射開口部において実質的に損失なしに放射するのに前記チャンバが用いられる。それ故、通常、前記チャンバの前記出射開口部は、前記放射光の大部分が、反射なしに、直接、前記チャンバの外へ放射され得るように前記光入射面に対向して配置されるであろう。

前記チャンバの前記光入射面は、前記ＬＥＤ素子の出射面、又はＬＥＤからの光放射により励起される蛍光材料の層である、発光面によって形成され得る。本発明の有利な実施例によれば、前記チャンバの前記光入射面は、ＬＥＤ素子の放射面によって形成される。従って、前記ＬＥＤ素子によって放射される前記光は、損失なしに、直接、前記チャンバ内へつなげられる。前記チャンバの前記光入射面は、互いに隣接して配設された複数のＬＥＤ素子の放射面によっても形成され得るのは明らかである。

しかしながら、他の例においては、前記チャンバの前記光入射面がＬＥＤ放射面から空間的に分離される場合も有利であり得る。これは、或る光色を生成するために蛍光材料が設けられなければならない場合にとりわけ有利である。その場合、前記蛍光材料が前記光入射面を形成し得る。前記光入射面は、少なくとも１つのＬＥＤ素子によって、前記チャンバとは反対を向いている該光入射面の後側から照射される。

前記ＬＥＤ素子の光の印象(light impression)は、塗布される蛍光材料の一様性及び層厚に依存する。前記蛍光材料の所要層厚が一様であれば一様であるほど、前記ＬＥＤ素子によって放射される光の効果は均一であるであろう。本発明の別の有利な実施例は、担持体であって、波長フィルタ、とりわけダイクロイックフィルタ及び／又は該担持体の上及び／又は中に設けられる蛍光材料を有する担持体が、前記チャンバの前記光入射面と、前記ＬＥＤ放射面との間の空間内に配置されることを提案する。前記蛍光材料を担持体上に設けることは、ＬＥＤの製造を前記蛍光材料の塗布から独立させる、即ち、ＬＥＤ素子製造プロセスを蛍光材料によるコーティングから切り離す。前記蛍光材料は、分離した担持体上に、より一様に、層厚の面においてより高い精度で塗布され得る。これは、前記ＬＥＤ素子の光の印象のために有利である。更に、前記蛍光材料を備える前記担持体は、前記チャンバの任意の所望の位置に配設され得る。これは、前記ＬＥＤ放射面と、前記チャンバの前記放射開口部との間のどこかであり得る。

ＬＥＤ素子によって放射される光、例えば青色光が、蛍光材料の層に入り、そこで黄色光に変換される場合には、それは、ランバート放射線(Lambert radiation)のように無指向拡散される(non-directional, scattered)ようにして前記層から放射される。黄色光が、前記ＬＥＤランプシステムの所望の放射方向に反して、前記ＬＥＤ素子の方向に放射し戻されるのを防止するのは不可能であり、その後、前記黄色光は、前記ＬＥＤ素子において吸収される。これは光出力の損失をもたらす。それ故、前記ＬＥＤ放射面と、前記蛍光材料との間に波長フィルタ、好ましくはダイクロイックフィルタが配設される場合には有利である。このフィルタは、例えば、前記ＬＥＤ素子からの放射青色光に対しては透過性があるが、黄色光に対しては透過性がない。この場合、青色光が、前記ＬＥＤ素子から出て、前記蛍光体層に入り、蛍光材料の本体と衝突し、前記蛍光材料の本体が、前記青色光を黄色光に変換し、前記黄色光を前記ＬＥＤ素子の方向に反射する場合には、前記黄色光は、そこで吸収される前に、前記波長フィルタによってもう一度反射され、前記蛍光材料の層を透過した後、前記チャンバの前記放射開口部を通って出る。これは、既に黄色光に変換された青色放射線が、前記チャンバ内で早くも吸収され、斯くして、光として失われるのを防止する。有利なことには、前記波長フィルタは、同時に、担持体であって、該担持体上に前記蛍光材料が設けられる担持体として用いられ得る。これは、前記チャンバの非常にコンパクトな設計を達成することを可能にする。

コリメータ及びチャンバは、前記ＬＥＤによって放射される前記放射線から高い光出力を達成するのに役立つ形状及び寸法である限り、原則的に、任意の形状及び寸法を持ち得る。前記高い光出力は、前記チャンバ内への前記入射開口部において、直接、前記放射線をコリメートすることによって達成され、前記放射線は、その後、前記出射開口部において高輝度放射線として放射される。それ故、本発明の有利な実施例においては、前記光入射面は、前記チャンバの前記出射開口部より大きいよう設計される。前記光入射面と、前記チャンバの前記出射開口部との間のこのサイズ比は、高い輝度を達成するのに役立つ。なぜなら、前記入射開口部の略々全発光出力(entire luminous power)が、より小さい面積の前記出射開口部において集束された形で再放射されるからである。

前記チャンバは、該チャンバの出射開口部において可能な限り高い輝度を生成する役割を果たす。この目的のため、一方では、前記光入射面から放射される光は、例えば吸収のために失われてはならず、他方では、前記光は、何回も反射されてはならない。なぜなら、各反射も光出力の損失を伴うからである。それ故、本発明の有利な実施例によれば、前記内側側壁面は、前記光入射面の方に傾斜しているように配設される。実験は、約３０°の前記内側側壁面の傾斜で最大光出力が達成されることを明らかにした。前記傾斜は、前記放射光が、前記光入射面に反射し戻され、少なくとも一部分の更なる反射によってそこから前記出射開口部を通して放射されることを可能にする。このようにして、前記チャンバ内の前記光は、該チャンバを出る前に複数回反射され得る。それ故、このコンセプトは、前記チャンバの全構成要素の高い反射率を必要とする。

ＬＥＤ素子の光出力の損失は、先ず第一に、生成された光が、厚い材料から薄い材料への好ましくない屈折率のために前記ＬＥＤ素子の本体縁端部において完全に反射されることから、前記ＬＥＤ本体を出ることが出来ない場合に、前記ＬＥＤ素子自体においてもたらされ得る。それ故、前記放射面と、前記蛍光材料との間に、略々透明な材料であって、前記ＬＥＤ素子の屈折率と、前記蛍光材料の層の屈折率との間の差を低減又は調節する略々透明な材料を配置することは有利であろう。このような所謂光学接着剤(optical cement)は、シリコーンから形成されることができ、前記ＬＥＤ素子において生成される光を完全に外部とつなぐ(couple out)ことを可能にする。前記透明な材料の縁端部は、効率を高めるために反射型にされ得る。

更に、前記蛍光材料は、前記透明な材料内に収容又は分散され得る。これは、よりコンパクトなチャンバ構造を可能にするであろう。前記透明な材料が前記チャンバ又は前記コリメータを少なくとも部分的に満たす場合にも、有利である。前記透明な材料は、例えば、より高い安定性を前記チャンバに与える。

本発明によるＬＥＤランプシステムは、ＬＥＤ素子からの放射線によって蛍光材料が励起される構成だけに適している訳ではない。それどころか、前記ＬＥＤランプシステムにおいては、既に所望の色で光を放射しているＬＥＤ素子も用いられ得る。しかしながら、観察者にとってより感じの良い光の印象を作成するためには、前記ＬＥＤから放射される光は拡散される方が望ましいかもしれない。それ故、前記ＬＥＤによって放射される光を散乱させるために、前記蛍光材料の代わりに、非常に透明な無発光粉末(highly transparent non-luminescent powder)が有利に用いられ得る。前記蛍光材料がなくてもいいＬＥＤ素子、例えば赤色又は琥珀色の光のためのAlInGaP素子の場合、又は裸のInGaNのＬＥＤ素子の場合には、TiO₂などの前記非常に透明な無発光粉末は、（この場合には）十二分の蛍光物質の拡散効果を与え、それ故、より均一の光の印象を与える。

本発明の別の有利な実施例によれば、ＬＥＤランプアレイにおいて、多数のＬＥＤランプシステムが互いに隣接して配設される。前記ＬＥＤランプシステムは、一列に、即ち一次元的に配設されることができ、又は該ＬＥＤランプシステムの配列がマトリックス若しくはハニカムパターンを形成するように二次元的に配設されることが出来る。これは、或る照明パターンが実現されるようにして行なわれ得る。その目的のため、前記コリメータの全アウトカップリング開口部の焦点が、共通の場所、例えば、レンズのカップリング開口部に合わせられる配列が選択され得る。この目的のため、前記コリメータの長手方向軸は、関連チャンバの光入射面に対する垂線に対して傾斜しているように構成され得る、又は複数のＬＥＤランプシステムは、該ＬＥＤランプシステムの光入射面若しくは少なくとも該ＬＥＤランプシステムのアウトカップリング開口部が曲面を形成するようにして互いに隣接して配設され得る。

互いに隣接する複数のランプシステムのマトリックス又はハニカムパターン配列から得られる機械的な利点もある。例えば、幾つかのＬＥＤランプシステムが、蛍光材料及び／又は波長フィルタのための共通の途切れのない担持体を持つことは有利である。これは、前記ＬＥＤランプアレイの設計及び製造の簡単にするだけでなく、より高い安定性ももたらす。

本発明の別の有利な実施例によれば、幾つかのランプシステムの前記ＬＥＤ素子は、このような共通ベースプレート上に配列される。これは、例えば、前記ＬＥＤ素子へのエネルギ供給のための電気的接続部のより合理的な使用と、前記ＬＥＤの動作中に生成される熱の消散を確実にする必要がある冷却素子のより経済的な構成と、前記ＬＥＤランプアレイの安定性の向上とを可能にする。

本発明の別の有利な実施例は、前記アウトカップリング開口部及び光入射面のサイズ比を含む。従って、前記アウトカップリング開口部の表面を前記光入射面より特定の係数だけ大きい又は小さいように構成することは有利であり得る。前記アウトカップリング開口部が、前記光入射面より大きい場合には、前記ＬＥＤ素子間のより大きい間隔を補償することが可能であろう。前記より大きい間隔は、前記共通ベースプレートにおける面積当たりの熱負荷が、並置ＬＥＤ素子の周期的配列において高くなり過ぎ得る場合に必要となり得る。前記光入射面より小さなアウトカップリング開口部は、ディスプレイ用途に有利であり得る。前記アウトカップリング開口部間の間隔は、照明されず、観察者には前記アウトカップリング開口部の周囲の黒い枠のように見える。各ＬＥＤランプシステムの前記出射開口部のこのフラグメンテーションによって、前記ディスプレイの目に見えるラスタライゼーションを作成することが可能である。

本発明の別の有利な実施例によれば、様々なＬＥＤランプシステムにおいて、様々な波長特性を持つＬＥＤ素子が用いられる。これは、ランプアレイにおける或る色の印象の作成、例えば、赤色、青色及び緑色のＬＥＤ素子の組み合わせによる白色光の作成を可能にする。他の例においては、個々のＬＥＤランプシステムの各々が個々の色を持つ場合に、ランプアレイ内で様々な色の印象が作成され得る。これは、ディスプレイ用途において必要とされ得る。他方で、ランプアレイ内では、例えば青色から黄色への遷移といった２つ以上の色の間の円滑な遷移も生成され得る。

本発明によるランプアレイは、自動車用途においても有利に用いられ得る。例えば、ヘッドランプの分野においては、ＬＥＤランプアレイの少なくとも個々のＬＥＤランプシステムは、例えば暗視装置をサポートするための、赤外線放射線放射ＬＥＤ素子を持ち得る。

これに限らない一例として下記の実施例を参照して、本発明のこれら及び他の面をより詳細に説明し、明らかにする。

図１は、本発明によるランプシステムを示しており、前記ランプシステムは、例えば、ベース面(base surface)に対して或る角度をなす４つの高反射型側壁部２を備えるチャンバ１を有するチャンバ兼コリメータ(chamber-collimator combination)によって形成される。ベース面は、ベースプレート５上に配設されるＬＥＤ素子４の放射面３によって形成される。放射面３は、チャンバ１の光入射面に相当する。チャンバ１の上部境界面は、放射面３に面する放射開口部６を形成する。従って、チャンバ１は、角錐台の形状をしている。放射開口部６は、コリメータ７のベース面であり、コリメータ７も角錐台の形状をしているが、上下逆にして配置されている。前記コリメータ７の４つの高反射型側壁部８は、アウトカップリング開口部９まで上方へ広がり、前記アウトカップリング開口部９は、放射面３の寸法に対応する寸法を持つ。このようにして、チャンバ兼コリメータは、一方を他方の頂部の上に配置する２つの異なる角錐台から形成され、（破線で示されている）直平行六面体に内接し得る。その長方形側面の長い方の長さは、チャンバ１及びコリメータ７の高さの合計と一致し、その正方形端面の寸法は、放射面３又はアウトカップリング開口部９の寸法である。

蛍光層１０は、ＬＥＤ素子４の放射面３上に塗布される。放射面は、チャンバ１のベース領域３を形成することから、蛍光層１０は、既にチャンバ１内である。

図２は、チャンバ１とコリメータ７との相互作用を示している。ＬＥＤ素子４によって放射される放射線は、蛍光層１０を透過し、該蛍光層によってチャンバ１内へ無指向に放射される。ＬＥＤ素子４からの光の前記無指向放射のため、ＬＥＤ素子４からの放射線は、該ＬＥＤ素子４に割り当てられたチャンバ１内だけでなく、おそらく、隣接するチャンバ１内にも放射され得る。チャンバ１においては、前記放射線は、直接、放射開口部６を通ってコリメータ７内へ放射される、又は該放射線が放射開口部６を通ってチャンバ１を出るまで反射側壁部２及び蛍光層１０によって反射される。放射開口部６は、ＬＥＤ素子４の放射面３より小さいが、前記放射開口部は、放射面３において放射される全発光出力(entire luminous power)を通さなければならないので、放射開口部６においては、ＬＥＤ素子４の放射面３より高い輝度がある。同時に、放射開口部６から出て来る光は、放射面３から放射される光よりずっと方向づけられている。それ故、チャンバ兼コリメータの拡散損失は非常に低い。

本発明のチャンバ兼コリメータは、本質的に、図１及び２に示されている形状及び寸法に限定されない。しかし、多数のチャンバ兼コリメータがグループ化される場合には、前記チャンバ兼コリメータは、とりわけ有利である。このようなグループを形成するチャンバ兼コリメータは、図３及び４に示されているように、接触線１１における非常に効率的な空間利用により、デッドスペースなしにマトリックス状に配設され得る。これの必要条件は、放射面３及びアウトカップリング開口部９の寸法が互いに一致することである。

ベースプレート５上に、複数のＬＥＤ素子４が配列される。ベースプレート５は、ＬＥＤ素子４を収容するのに加えて、ＬＥＤ素子の動作中に上昇する熱を消散させる役割も果たす。ベースプレート５における単位面積当たりの取り入れられる熱性能に関する配慮のため、中間間隔(intermediate distance)１２をおいてＬＥＤ素子４を配列するのが望ましい場合がある。全ＬＥＤ素子を覆って延在する担持体１３は、ベースプレート５とは反対を向いているＬＥＤ素子４の放射面３上に配設される。これを明瞭にするために、図３及び４には、担持体１３の必要寸法を必ずしも反映していない、主な厚さが示されている。蛍光層１０は、前記担持体上に塗布され、従って、最早個々のＬＥＤ素子４上に塗布される必要はない。前記蛍光層１０は、途切れのない層として構成されることができ、又は図示されているように、ＬＥＤ素子４に割り当てられる個々のセグメントとして構成されることが出来る。更に、担持体１３の中又は上に、図示されていない波長フィルタが配設され得る。図３及び４の担持体１３は、チャンバ兼コリメータも支持することが出来るような寸法にされる。更に、ＬＥＤ素子４は、担持体１３の、チャンバ兼コリメータに面する側に配設され得る。

他方で、放射開口部６及び放射面３の寸法は同じままでありながら、アウトカップリング開口部９はより大きい寸法を持つ場合には、ＬＥＤ素子４の間により大きな相互間隔がある。

これらの２つの構成要素の異なる形状のベース面、例えば六角形のベース面は、マトリックス配列の代わりに、ハニカム状配列の作成を可能にする。

要約すると、図及び明細書に示されているこれらのシステム及び方法は、当業者には、本発明の枠組みを出ることなしに大いに変更され得る実施の例でしかないことを再度指摘する。

更に、完全を期すために、単数形表記は、関連アイテムの複数の存在を除外しないことを指摘する。

本発明によるランプシステムの斜視図である。 図１に示されているランプシステムの断面図である。 ランプシステムのグループの断面図である。 図３に示されているグループの斜視図である。

Claims (10)

1. ＬＥＤランプシステムであって、
   − 光の放射のための少なくとも１つのＬＥＤ素子、
   − 少なくとも一部分は高反射型であるよう設計される内側側壁面と、放射される前記光のための光入射面と、前記チャンバ内へ放射される前記光及び前記内側側壁面から反射される前記光のための出射開口部とを備えるチャンバ、及び
   − 前記チャンバの前記出射開口部に配設され、前記出射開口部に対向するアウトカップリング開口部であって前記光入射面と同じ寸法を有するアウトカップリング開口部を持つコリメータ、
   を有するＬＥＤランプシステム。
2. 前記チャンバの前記光入射面がＬＥＤ放射面によって形成されることを特徴とする請求項１に記載のＬＥＤランプシステム。
3. 前記チャンバの前記光入射面が、ＬＥＤ放射面と間隔をあけられていることを特徴とする請求項１に記載のＬＥＤランプシステム。
4. 担持体であって、波長フィルタ及び／又は該担持体の上及び／又は中に設けられる蛍光物質を備える担持体が、前記放射面から或る距離を置いて配設されることを特徴とする請求項３に記載のＬＥＤランプシステム。
5. 前記光入射面が、前記チャンバの前記出射開口部より大きいことを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一項に記載のＬＥＤランプシステム。
6. 前記チャンバの前記内側側壁面が、前記光入射面の方に傾斜していることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか一項に記載のＬＥＤランプシステム。
7. 請求項１乃至６のいずれか一項に記載のＬＥＤランプシステムを複数備えるＬＥＤランプアレイ。
8. 複数の前記ＬＥＤランプシステムが共通の途切れのない担持体を持つことを特徴とする請求項７に記載のＬＥＤランプアレイ。
9. 複数のＬＥＤランプシステムの前記ＬＥＤ素子が共通ベースプレート上に配設されることを特徴とする請求項７又は８に記載のＬＥＤランプアレイ。
10. 前記ＬＥＤランプアレイの様々なＬＥＤランプシステムにおいて様々な波長特性のＬＥＤ素子が用いられることを特徴とする請求項７乃至９のいずれか一項に記載のＬＥＤランプアレイ。

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