JP6793111B2 - 自動車アプリケーションのためのled光源 - Google Patents

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Description

本発明は、光源に関する。そして、より特定的には、複数の半導体光源を有する光源に関する。
発光ダイオード(LED)、高出力LED、有機LED(OLED)、およびレーザダイオードといった、半導体光源は、エネルギ効率がよく、かつ、小さく/低いエタンデュ(etendue)(つまり、光が発せられる立体角を伴う発光領域の成果)として知られている。このことは、これらの半導体光源が、比較的に小さい面積(area)から制限された角度範囲の中へ光を発することを意味している。
そうした半導体光源は、従って、明るい光源が必要とされるアプリケーションのために役に立つものであり得る。典型的なアプリケーション例は、プロジェクションシステム、自動車照明、カメラフラッシュ光、およびスポットライトを含んでいる。これらの例については、しばしば改善された小型化が望ましい。しかしながら、半導体光源のサイズを単に削減することは、生成される光束(light flux)を低減してしまう。
光がそこから外に出られる小さい開口部(つまり、光出力部)を伴う混合ボックス(mix box)によって半導体光源から増加された輝度(luminance)を獲得することが知られている。図1Aと図1Bは、このコンセプトを採用している既知のLEDベース光源10を図示している。ここで、LED12(ダイサブストレート14の上)によって生成された光は、小さい開口部18を介して外に出るまで、高い反射性を有する混合ボックス16の中でリサイクル/再反射される。「小さい」開口部18によって、LED12よりも小さいことが単純に意味される。開口面積A(つまり、幅W×L)が、LED12のLED面積ALED(つまり、幅WLED×LLED)より小さくなるようにである。
発光セラミック材料または他のリン光性材料から開口部18が形成されることが知られている。
本発明は、請求項によって定められる。
本発明の一つの態様に従って、第1LED光源および第2LED光源と含む光源が提供される。第1LED光源および第2LED光源のそれぞれは、光を生成するように適合された半導体ダイオード構造体と、光出力方向において半導体ダイオード構造体から光を出力するように適合された半導体ダイオード構造体の上の光出力部を含み、光出力部の面積は半導体ダイオード構造体の面積よりも小さい。そして、第2LED光源は、光出力方向に関して光出力部が一列に並ばないように、第1LED光源の上で、かつ、第1LED光源と少なくとも部分的にオーバーラップしているように配置されている。
実施例は、LED光源を垂直方向に積み重ねること、および、光出力部を垂直方向に整列させない一方でLED光源をお互いにオーバーラップするように配置することによって、省スペースを達成し得る。従って、光源の光生成部分よりも小さい面積の光出力部を有する高輝度LED光源を使用するためのコンセプトが提案される。そうした光源が別のそうした光源の領域(例えば、非光出力部)とオーバーラップするように配置することによって、オーバーラップされた面積(光を出力しないもの)が、2つの光源のフットプリントのサイズの節約/削減を提供するために使用され得る。
別の言葉で言えば、実施例は、垂直方向に積み重ねられ、かつ、部分的にオーバーラップしているサブ光源を含む高輝度光源を提供し得る。光出力部の位置及び/又は形状は、(上から見たときに)光出力部のエッジが接近して整列され得るように、サブ光源を傾けられるように変更またはデザインされ得る。
複数のLED光源は、従って、光出力方向(例えば、垂直軸)に沿って光出力部を一列に並べることなくオーバーラップするように、垂直軸において戦略的に配置され得る。例えば、複数のLED光源は、垂直方向に相互にオフセットされ、そして、直接的に上から見たときに(つまり、平面図)LED光源が少なくとも部分的にオーバーラップし、かつ、各光出力部が(横方向に)少なくとも一つの他の光出力部と隣接するように配置され得る。LED光源をオーバーラップするように配置することによって、省スペース(例えば、フットプリントサイズの削減)が達成され得る。
本開示に係るLED光源は、あらゆるタイプのLEDであってよい。フリップチップタイプ(Thin Film Flip Chip)、パターン化されたサファイア製サブストレート、上接続/上発光(top connected/top emission)、上下接続(top−bottom connected)、といったものである。また、光源は、裸のダイ(die)、またはパッケージされたものであってよい。
LED光源の光出力部(または発光領域)は、LEDからの光が、そこに向かって又はそこを通って出力(または発光)される領域を参照している。LED光源のキャビティ(a cavity or cavities)は、従って、光出力部に向かって延びてよい。光出力部は、例えば、サファイアといった、成長サブストレートの領域であってよい。また、光出力方向は、それに沿って光出力領域から光が出力される一つの方向に(例えば、図面において垂直に)なるよう総合される。しかしながら、光出力部からの光出力の必ずしも全てが厳密に出力方向に沿って出力されるものではないことが理解されよう。従って、光出力方向は、それに沿って光出力部から光が出力される一般的な方向を参照するものと理解されるべきである。例えば、光出力部の表面から遠くに延びているものである。
LED光源の光出力部は、オーバーラップしないように配置されてよい。さらに、光出力部は、光出力部の隣接したエッジ間で実質的に分離がゼロである(zero separation)ように配置されてよい。実際には、しかしながら、横方向の分離またはオーバーラップがゼロになるように隣接するエッジを完璧に整列させることは難しいだろう。従って、実施例において、光出力部は、無視できる又は少しの量だけ、僅かにオーバーラップ、または、横方向に分離されてよい。例えば、2つのLED光源の光出力部の隣接するエッジ間に横方向の分離またはオーバーラップが存在してよく、そして、この横方向の分離またはオーバーラップは、光出力部の横方向の幅の10%より小さくてよい。実施例においては、そうした横方向の分離またはオーバーラップを最小値まで(例えば、光出力部の横方向の幅の5%より小さく、そして、さらに望ましくは、光出力部の横方向の幅の1%より小さく)低減することが望ましいであろう。
一つの実施例において、LED光源は、さらに、半導体ダイオード構造体の側面を少なくとも部分的に取り囲んでおり、かつ、半導体ダイオード構造体からの光を光出力部に向かって反射するように適合されている光反射構造体を含んでよい。さらに、光反射構造体を有するLED光源の光出力部は、光反射構造体の中に形成された開口部を含んでよい。また、光反射構造体の中に形成された開口部を有する光源の半導体ダイオード構造体は、光強化材料を含んでよい。
一つの実施例において、第1LED光源および第2LED光源のうち少なくとも一つの光出力部は、光強化材料を含んでよい。
光強化材料は、発光セラミック材料またはリン光性材料といった、「色変換充填剤(”color conversion fill”)」であってよい。このことは、さらに、横方向発光領域のエタンデュを維持することに役立ち得る。
一つの実施例において、第1LED光源は、さらに、第1LED光源の光出力部の上面に置かれた複数の上方投射光ファイバーを含んでよい。LED光源を垂直方向に積み重ねることは、第1LED光源が、第2LED光源よりも光排出平面(第2LED光源の上面または上に置かれているもの)からさらに遠くにあることを結果として生じる。第1LED光源の光出力部の上に置かれているぎっしり詰められた光ファイバーのアレイを使用し、かつ、光排出平面に向かって上方に延ばすことで、例えば、第1LED光源からの光は、光ファイバーに沿って送られ、そして、光排出平面に近い光ファイバーから出力され得る。
さらに、一つの実施例が複数のキャビティを含む場合に、キャビティのうちいくつか又は全ては、異なる材料を含んでよい(例えば、それを用いて充填される)。一つの例として、所定のキャビティが、第1タイプのリン光体(例えば、青を白に変換するもの)で満たされ、そして、他のキャビティが、別のタイプのリン光体(例えば、青を赤に変換するもの)で満たされてよい。
実施例は、自動車照明の分野において、および、高輝度照明が望ましい他の分野/アプリケーションにおいて使用され得る。
従って、本発明の一つの態様に応じて、一つの実施例に従った光源を含む自動車照明が提供され得る。
本発明の別の態様に応じて、一つの実施例に従った光源を含むプロジェクター照明が提供され得る。
本発明のさらに別の態様に従って、第1LED光源および第2LED光源を含む光源を製造する方法が提供される。第1LED光源および第2LED光源のそれぞれは、光を生成するように適合された半導体ダイオード構造体と、光出力方向において半導体ダイオード構造体から光を出力するように適合された半導体ダイオード構造体の上の光出力部とを含み、光出力部の面積は半導体ダイオード構造体の面積よりも小さい。本方法は、第2LED光源を、光出力方向に関して光出力部が一列に並ばないように、第1LED光源の上で、かつ、第1LED光源と少なくとも部分的にオーバーラップするように配置するステップを含む。
配置するステップは、第1LED光源および第2LED光源の光出力部がオーバーラップしないように配置するステップを含んでよい。
配置するステップは、第1LED光源および第2LED光源の光出力部の隣接するエッジ間に横方向の分離が存在するように、第1LED光源および第2LED光源を配置するステップを含んでよく、横方向の分離は、光出力部の横方向の幅の10%より小さい。
添付の図面を参照して、これから本発明の実施例が詳細に説明される。
図1Aは、既知のLED光源の断面図である。 図1Bは、既知のLED光源の断面図である。 図2は、傾けられ、オーバーラップしない構成に配置された4つのLED光源の平面図である。 図3Aは、一つの実施例に従って、4つのLED光源の構成を示している。 図3Bは、図3Aに示された構成の平面図である。 図4は、図3Aと図3Bに係る構成と同一のフットプリントを有する一つのLED光源の平面図である。 図5は、各LED光源の光出力に対する相対的な貢献を説明している一つの実施例に係る3次元モデルである。 図6は、図5に係る実施例に対する変更を示しており、光出力に対する各LED光源の相対的な貢献を説明している。
本発明は、複数のLED光源を有する光源、および、その製造方法を提供する。実施例は、比較的に小さい及び/又は効率的な光源からの高い若しくは増加された輝度の光を要求するアプリケーションについて特に関連し得るものである。
実施例は、LED光源(LEDサイズと比較して削減されたサイズの光出力部を有しているもの)を垂直に積み重ねる(stacking)コンセプトを採用している。それらはお互いにオーバーラップしているが、一方で、それらの光出力部が(垂直に)整列されること、または、完全にオーバーラップすることはない。このようにして、光を出力しないLED光源の部分をオーバーラップさせることによって、省スペースが達成され得る。
用語、垂直(vertical)は、ここにおいて使用されるように、サブストレートの表面に対して実質的に直交していることを意味するものである。用語、横方向(lateral)は、ここにおいて使用されるように、サブストレートの表面に対して実質的に平行であることを意味する。位置決め又は場所を記述する用語(上、下、トップ、ボトム、等といったもの)も、また、ダイヤグラムの中に図示された構造体の向きと併せて解釈されるべきである。
ダイヤグラムは、まったくの模式的なものであり、かつ、そのため、特徴の寸法は縮尺どおりに描かれているものではないことが理解されるべきである。従って、あらゆるレイヤの図示された厚さは、制限的なものであると捉えられるべきではない。例えば、第2レイヤより厚く描かれた第1レイヤは、実際には、第2レイヤよりも薄いものである。
図2は、傾けられ、オーバーラップしない構成に配置された4つのLED光源(それぞれが図1Aと図1Bに示されたものと類似している)の平面図である。LEDベース光源は、LED12よりも小さい面積の開口部18(または光出力部18)を有する混合ボックスの中にLED(見えない)を含むことにおいて、図1Aと図1Bに示されたものと類似している。上記の背景技術において既に詳しく述べたように、そうしたLEDベース光源は、増加された輝度を示し、そして、「高輝度LED光源」として参照されてよい。
図2に示されるように、各LED光源は、(図1Aと図1BのようにLED光源の中央ではなく)光出力部がLED光源のコーナー(corner)に置かれていることにおいて、図1Aと図1Bに示されたものと異なっている。光出力部の一つのコーナーと2つのエッジ(edge)が、LEDベース光源の一つのコーナーと2つのエッジに対応しているようにである。ここで、それぞれのLED光源の光出力部は、傾けられ、オーバーラップしない構成に配置されたときに、光出力部18がお互いに隣接するように、異なるコーナーに置かれている。
各LED光源の幅と長さが1単位(1)であるとすれば、示された構成の全体面積は4単位(4)であること((1+1)×(1+1))が容易に理解されよう。
また、各LED光源が、それぞれの光出力部から100ルーメン(lumen)を発しているとすれば、本構成から発せられる光は400ルーメン(4×100ルーメン)であることも容易に理解されよう。
図3にこれから移ると、一つの実施例に従って、4つのLED光源の構成が示されている。より特定的に、図3Aは、本構成のアイソメ図(isometric view)であり、そして、図3Bは、本構成の平面図である。
第1から第4LED光源それぞれは、LED(見えない)、および、(垂直な)光出力方向にLEDから光を出力するように適合された半導体ダイオード構造体の上の光出力部18を含んでいる。ここで、各光出力部18は、LEDを取り囲む光反射構造体16におけるホール(hole)または開口部から形成されている。各ホールは、ルミラミック(lumiramic)材料またはリン光性材料といった、光強化材料(optical enhancement material)で満たされている。光反射構造体16は、LEDからの光を光出力部に向かって反射するように適合されている。また、各LED光源について、光出力部18は、上に置かれているLEDより小さい面積である。
第1から第4LED光源は、光出力部18がオーバーラップすることなく、それらが部分的にオーバーラップするように垂直に積み重ねられている。
より特定的に、第1LED光源は、ボトム(または最下位置)として配置される。第2LED光源が、そして、第1LED光源の光反射構造体16の部分とオーバーラップするが、第1LED光源の光出力部18とはオーバーラップしないように、第1光源の上に配置される。次に、第3LED光源が、そして、第1および第2LED光源の光反射構造体16と16の部分とオーバーラップするが、第1および第2LED光源の光出力部18と18とはオーバーラップしないように、第2光源の上に配置される。最後に、第4LED光源が、そして、第1、第2および第3LED光源の光反射構造体16、16および16の部分とオーバーラップするが、第1、第2および第3LED光源の光出力部18、18および18とはオーバーラップしないように、第3光源の上に配置される。
従って、上から見たときに、4つのLED光源の光出力部は、それらが(垂直な)光出力方向に沿って一列に並ばないように、横方向に隣接し、かつ、オーバーラップしていない。別の言葉で言えば、光出力部から垂直に発せられる光は、上に置かれた別のLED光源によって遮られることはない。
ここで、光出力部の隣接するエッジ間は実質的に分離されていない(zero separation)。図3Bは、光出力部を容易に特定するために隣接するエッジ間に小さな分離を描いているだけであり、かつ、図3Bは、そのようにガイダンスとしてだけ捉えられるべきである。実際には、横方向の分離またはオーバーラップがゼロになるように隣接するエッジを完璧に整列させることは難しいことが正しく理解される。従って、いくつかの実施例において、光出力部は、無視できる又は少しの量だけ、僅かにオーバーラップ、または、横方向に分離されてよい。
各LED光源の幅と長さは、図2におけるものと同一であり、つまり、1単位(1)である。図3の構造の幅と長さは、従って、1.5単位である。このように、示された構成の全体面積は、2.25単位(1.5×1.5)であることが容易に理解されよう。
また、光出力部は、全て同じサイズであり、図2におけるものと同一のサイズである。これに応じて、図2のものと同様に、各LED光源は、その光出力部から100ルーメンを発する。従って、本構成から発せられる全体の光は400ルーメン(4×100ルーメン)であることが容易に理解されよう。
図2と図3の構成を比較すると、図3の構成は、図2よりも小さい全体面積を有するが、同一量のルーメンを発することがわかる。従って、図3の実施例は、図2の構成と比較してスペース/エリアの節約を達成し、一方で、同一量の光を発している。
図4にこれから移ると、図3Aと図3Bに係る構成と同一のフットプリント、つまり2.25単位、を有する一つのLED光源の平面図が示されている。光出力部18も、また、図3Aと図3Bにおける光出力部18−18の組み合わされた全体面積と同一の面積、つまり1単位、を有している。とはいえ、図3の実施例と同じ全体/全般の寸法を有しているにもかかわらず、図4に係る一つのLED光源は225ルーメンしか出力しないことがシミュレーションで示された。従って、図3の実施例は、同等な面積の一つのLED光源より2.25倍明るいものである。
図5にこれから移ると、全体の光出力に対する各LED光源50の相対的な貢献を説明している一つの実施例に係る3次元モデルが示されている。図5から、LED光源50の垂直方向の配置は、最下位置のLED光源50が光排出平面55(最上位値の光源50の上面または上に置かれているもの)から離れていることを結果として生じることが、正しく理解されよう。従って、図5において光排出平面55の上のシェーディング(shading)によって示されるように、最下位置のLED光源50は、他の、より高いLED光源50、50、50よりも、全体の光出力に対して著しく貢献が少ない。
このことに対処するために、実施例に対する変更が、図6に示されるようになされてよい。
図6は、図5に係る実施例に対する変更を示しており、ここで、最下位置のLED光源50は、さらに、最下位置のLED光源50の上面から光排出平面55まで延びている複数の上方投射(upwardly projecting)光ファイバー60を含んでいる。光ファイバー60を使用することによって、最下位置のLED光源50からの光は、光ファイバー60に沿って送られ、そして、光排出平面55の近くで(または、そこで)光ファイバーから出力され得る。従って、図6において光排出平面55の上のシェーディングによって示されるように、全体の光出力に対する最下位置のLED光源50の貢献が、図5の構成と比較して増加され得る。
図面、明細書、および添付の特許請求の範囲を研究すれば、クレームされた本発明の実施において、当業者によって、開示された実施例に対する他の変形が理解され、もたらされ得る。請求項において、用語「含む(“comprising“」は、他のエレメントまたはステップの存在を排除するものではなく、不定冠詞「一つの(”a“または”an“)」は、複数を排除するものではない。特定の手段が、お互いに異なる従属請求項の中で引用されているという事実だけでは、これらの手段の組合せが有利に使用され得ないことを示すものではない。請求項におけるいかなる参照番号も、発明の範囲を限定するものと解釈されるべきではない。

Claims (10)

  1. 第1LED光源および第2LED光源を含む光源であって、
    前記第1LED光源および前記第2LED光源のそれぞれは、
    光を生成するように適合された半導体ダイオード構造体と、
    前記半導体ダイオード構造体の上面に垂直な光出力方向において前記半導体ダイオード構造体から光を出力するように適合されている前記半導体ダイオード構造体の前記上面に備えられた光出力部と、
    を含み、
    前記光出力部は、対応するLED光源の1つのコーナーに置かれており、前記光出力部の1つのコーナーと2つのエッジが、該LED光源の1つのコーナーと2つのエッジに対応しており、
    前記第2LED光源は、前記光出力方向から見たときに、前記第1LED光源および前記第2LED光源の前記光出力部が一列に並ばないように、かつ、前記第1LED光源および前記第2LED光源が前記光出力部以外において少なくとも部分的にオーバーラップしているように、前記光出力方向において前記第1LED光源の上方に配置されており、
    前記光出力方向から見たときに、前記光出力部の全体の面積は、前記半導体ダイオード構造体の全体の面積よりも小さく、
    前記第1LED光源および第2LED光源のうち少なくとも一つは、さらに、前記半導体ダイオード構造体の側面を少なくとも部分的に取り囲んでおり、かつ、前記半導体ダイオード構造体からの光を前記光出力部に向かって反射するように適合されている光反射構造体、を含み、
    前記光反射構造体は、前記光反射構造体の中に形成された前記光出力部としての開口部、を含み、
    前記光反射構造体の中に形成された前記開口部を有する前記第1LED光源および第2LED光源のうち少なくとも一つの前記半導体ダイオード構造体は、光強化材料を含む、
    光源。
  2. 前記第1LED光源および前記第2LED光源の前記光出力部は、前記光出力方向から見たときに、オーバーラップしていない、
    請求項1に記載の光源。
  3. 前記第1LED光源および前記第2LED光源の前記光出力部について、前記光出力方向から見たときに、隣り合うエッジ間には、前記光出力方向に対して垂直な横方向に分離が存在し、
    前記横方向の分離は、前記光出力部の横方向の幅の10%より小さい、
    請求項1または2に記載の光源。
  4. 前記第1LED光源および第2LED光源のうち少なくとも一つの前記光出力部は、光強化材料を含む、
    請求項1乃至いずれか一項に記載の光源。
  5. 前記第1LED光源は、さらに、前記第1LED光源の前記光出力部の上面に置かれた複数の上方投射光ファイバーを含む、
    請求項1乃至いずれか一項に記載の光源。
  6. 請求項1乃至いずれか一項に記載の光源を有する、自動車照明。
  7. 請求項1乃至いずれか一項に記載の光源を有する、プロジェクター照明。
  8. 第1LED光源および第2LED光源を含む光源を製造する方法であって、
    前記第1LED光源および前記第2LED光源のそれぞれは、
    光を生成するように適合された半導体ダイオード構造体と、
    前記半導体ダイオード構造体の上面に垂直な光出力方向において前記半導体ダイオード構造体から光を出力するように適合されている前記半導体ダイオード構造体の前記上面に備えられた光出力部であり、前記光出力方向から見たときに、前記光出力部の全体の面積は、前記半導体ダイオード構造体の全体の面積よりも小さい、光出力部と、
    を含み、
    前記光出力部は、対応するLED光源の1つのコーナーに置かれており、前記光出力部の1つのコーナーと2つのエッジが、該LED光源の1つのコーナーと2つのエッジに対応しており、
    前記第1LED光源および第2LED光源のうち少なくとも一つは、さらに、前記半導体ダイオード構造体の側面を少なくとも部分的に取り囲んでおり、かつ、前記半導体ダイオード構造体からの光を前記光出力部に向かって反射するように適合されている光反射構造体、を含み、
    光反射構造体を有する前記第1LED光源および第2LED光源のうち少なくとも一つの前記光出力部は、前記光反射構造体の中に形成された前記光出力部としての開口部、を含み、
    前記方法は、
    前記第2LED光源を、前記光出力方向から見たときに、前記第1LED光源および前記第2LED光源の前記光出力部が一列に並ばないように、かつ、前記第1LED光源および前記第2LED光源が前記光出力部以外において少なくとも部分的にオーバーラップするように、前記光出力方向において前記第1LED光源の上方に配置するステップ、
    を含み、
    前記光反射構造体の中に形成された前記開口部を有する前記第1LED光源および第2LED光源のうち少なくとも一つの前記半導体ダイオード構造体は、光強化材料を含む、
    方法。
  9. 前記配置するステップは、
    記第1LED光源および前記第2LED光源の前記光出力部が、前記光出力方向から見たときに、オーバーラップしていないように配置するステップ、を含む、
    請求項に記載の方法。
  10. 前記配置するステップは、
    前記第1LED光源および前記第2LED光源の前記光出力部について、前記光出力方向から見たときに、隣り合うエッジ間に、前記光出力方向に対して垂直な横方向に分離が存在するように、前記第1LED光源および前記第2LED光源を配置するステップ、を含み、
    前記横方向の分離は、前記光出力部の横方向の幅の10%より小さい、
    請求項8または9に記載の方法。
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