WO2012063842A1 - 照明装置 - Google Patents

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WO2012063842A1
WO2012063842A1 PCT/JP2011/075765 JP2011075765W WO2012063842A1 WO 2012063842 A1 WO2012063842 A1 WO 2012063842A1 JP 2011075765 W JP2011075765 W JP 2011075765W WO 2012063842 A1 WO2012063842 A1 WO 2012063842A1
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WO
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light emitting
light
fresnel lens
lens
substrate
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PCT/JP2011/075765
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重利 小宮山
光三 小川
豊 本田
一斎 樋口
真一 神代
森山 厳與
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東芝ライテック株式会社
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    • F21VFUNCTIONAL FEATURES OR DETAILS OF LIGHTING DEVICES OR SYSTEMS THEREOF; STRUCTURAL COMBINATIONS OF LIGHTING DEVICES WITH OTHER ARTICLES, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F21V5/00Refractors for light sources
    • F21V5/04Refractors for light sources of lens shape
    • F21V5/045Refractors for light sources of lens shape the lens having discontinuous faces, e.g. Fresnel lenses
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F21LIGHTING
    • F21KNON-ELECTRIC LIGHT SOURCES USING LUMINESCENCE; LIGHT SOURCES USING ELECTROCHEMILUMINESCENCE; LIGHT SOURCES USING CHARGES OF COMBUSTIBLE MATERIAL; LIGHT SOURCES USING SEMICONDUCTOR DEVICES AS LIGHT-GENERATING ELEMENTS; LIGHT SOURCES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F21K9/00Light sources using semiconductor devices as light-generating elements, e.g. using light-emitting diodes [LED] or lasers
    • F21K9/20Light sources comprising attachment means
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    • F21K9/233Retrofit light sources for lighting devices with a single fitting for each light source, e.g. for substitution of incandescent lamps with bayonet or threaded fittings specially adapted for generating a spot light distribution, e.g. for substitution of reflector lamps
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    • F21V29/70Cooling arrangements characterised by passive heat-dissipating elements, e.g. heat-sinks
    • F21V29/74Cooling arrangements characterised by passive heat-dissipating elements, e.g. heat-sinks with fins or blades
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    • F21LIGHTING
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    • F21Y2105/00Planar light sources
    • F21Y2105/10Planar light sources comprising a two-dimensional array of point-like light-generating elements
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F21YINDEXING SCHEME ASSOCIATED WITH SUBCLASSES F21K, F21L, F21S and F21V, RELATING TO THE FORM OR THE KIND OF THE LIGHT SOURCES OR OF THE COLOUR OF THE LIGHT EMITTED
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    • F21Y2115/10Light-emitting diodes [LED]
    • HELECTRICITY
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    • H01L2924/0002Not covered by any one of groups H01L24/00, H01L24/00 and H01L2224/00

Definitions

  • Embodiment of this invention is related with the illuminating device which uses a LED element as a light source.
  • a blue light emitting LED element is accommodated in a package and covered with a phosphor layer mixed with a phosphor that emits yellow light by being excited by part of blue light from the LED element.
  • a surface-mount SMD (Surface Mount Device) package that emits white light from a light emitting surface, which is the surface of the substrate, is used.
  • a plurality of blue light emitting LED elements are mounted on the substrate, and the plurality of LED elements are covered with a phosphor layer mixed with a phosphor that emits yellow light by being excited by part of the blue light from the LED elements.
  • a COB (Chip On Board) module which is a light emitting module that forms a planar light emitting portion and emits white light from the light emitting surface that is the surface of the light emitting portion, is used.
  • an optical component such as a reflector or a total reflection lens is used for each SMD package for light distribution control.
  • a total reflection type lens used in the SMD package is not used, and only a reflector is often used as an optical component.
  • the distance from the LED element is short at the center of the light emitting surface that is perpendicular to the LED element, the distance that the blue light from the LED element passes through the phosphor layer is shortened. More blue light is emitted from the center of the surface than yellow light from the phosphor.
  • the peripheral portion of the light emitting surface diagonally facing the LED element has a long distance to the LED element, the distance that the blue light from the LED element passes through the phosphor layer becomes long, and the peripheral portion direction of the light emitting surface Blue light radiated to the surface is relatively less than in the vertical direction.
  • the amount of blue light that passes through toward the center of the light emitting surface is greater than that of blue light that passes through toward the periphery. For this reason, when a narrow-angle light distribution is controlled by a total reflection lens, the center of the light emitting surface is projected in a blue state as compared with the peripheral portion, and the central portion of the light irradiated on the irradiation surface is compared with the peripheral portion. It becomes blue and the phenomenon of so-called color fading tends to occur.
  • the problem to be solved by the present invention is to provide a lighting device capable of controlling the light distribution from the light emitting part of the light emitting module by a lens and reducing the occurrence of color shading even when the light distribution is narrow. is there.
  • the lighting device of the embodiment includes a light emitting module and a Fresnel lens facing the light emitting module.
  • the light emitting module includes a substrate and a light emitting portion formed by mounting a plurality of LED elements on the substrate and covering the plurality of LED elements with a phosphor layer.
  • the interval between the plurality of LED elements is 1.5 mm or less, and the width of the mounting area of the plurality of LED elements at the position where the width of the light emitting part is the widest is 80% or more with respect to the width of the phosphor layer forming area. is there.
  • luminance uniformity which shows the simulation result of an illuminating device same as the above.
  • the lighting device 11 includes a light emitting module 12 that is a COB (Chip (On Board) module, and a Fresnel lens 13 provided so as to face the front surface that is one surface of the light emitting module 12. .
  • This illuminating device 11 is used, for example, as a spotlight having a large light amount with a luminous flux exceeding 2000 lm.
  • the light emitting module 12 includes a substrate 15 and a planar light emitting portion 16 formed in a central region of the front surface which is one surface of the substrate 15.
  • the substrate 15 is made of a material having excellent thermal conductivity, such as a metal such as aluminum or ceramics, and is formed in a rectangular shape and a rectangular shape.
  • the front surface of the substrate 15 is a mounting surface, and a wiring pattern (not shown) is formed on the mounting surface.
  • an insulating layer is formed on the mounting surface of the substrate 15 with, for example, an epoxy organic material, and a wiring pattern is formed on the insulating layer.
  • the light emitting unit 16 has a rectangular shape when viewed from the mounting surface side of the substrate 15 and is rectangular, and a plurality of LED elements 18 are arranged in each side of the light emitting unit 16 in a mounting region 17 smaller than the outer region of the light emitting unit 16. Are arranged and mounted at predetermined intervals in the vertical and horizontal directions, that is, arranged in a matrix.
  • the plurality of LED elements 18 are mounted by being bonded onto the substrate 15 with an adhesive, for example, and the plurality of LED elements 18 are electrically connected in series along either the vertical or horizontal arrangement direction by a bonding wire formed by a wire bonding process. It is electrically connected to the wiring pattern of the substrate 15.
  • the LED element 18 is configured by a rectangular parallelepiped bare chip, and terminals to which bonding wires are electrically connected are formed at both ends in the longitudinal direction.
  • the plurality of LED elements 18 and the bonding wires connecting them are integrally covered and sealed with a phosphor layer 19 made of a transparent resin such as silicone resin mixed with the phosphor.
  • the formation region of the phosphor layer 19 is formed larger than the mounting region 17 of the plurality of LED elements 18.
  • an LED element 18 that emits blue light is used as the LED element 18, and a phosphor that emits yellow light when excited by a part of the blue light from the LED element 18 is used as the phosphor of the phosphor layer 19.
  • the light emitting unit 16 is formed by the LED element 18 and the phosphor layer 19, and the front surface of the phosphor layer 19 which is the front surface of the light emitting unit 16 becomes the light emitting surface 20, and white illumination light is emitted from the light emitting surface 20. Radiated.
  • the light emitting module 12 is connected to a wiring for supplying lighting power from a lighting device (not shown) to the LED element 18.
  • the longitudinal dimension of the LED elements 18 is 0.5 mm
  • the mounting pitch of the LED elements 18 is 2 mm
  • the spacing between the LED elements 18 is Is set to 1.5 mm, preferably 1.5 mm or less.
  • the interval in the short direction perpendicular to the longitudinal direction of the LED element 18 is set to 1.5 mm or less.
  • the light emitting module 12 of the present embodiment has a light emitting unit 16 having the widest width W1 (the width W1 of the region where the phosphor layer 19 is formed) (in the arrangement direction of the plurality of LED elements 18).
  • the width W2 of the mounting region 17 of the plurality of LED elements 18 is formed in the phosphor layer 19 at a location along the long side of the rectangular light emitting portion 16). It is formed to be 80% or more with respect to the width W1 of the region.
  • the width of the light emitting unit 16 means the width in the direction along the side of the light emitting unit 16 when the light emitting unit 16 is square.
  • the Fresnel lens 13 is made of, for example, a transparent resin such as polycarbonate and is larger than the outer shape of the light emitting portion 16 of the light emitting module 12, and is formed in, for example, a disk shape or a quadrangular shape.
  • the Fresnel lens 13 has a flat lens body 22, and a lens surface 23 that is also an incident surface on which light from the light emitting section 16 is incident is formed on the surface of the lens body 22 facing the light emitting section 16.
  • a flat emission surface 24 from which light is emitted is formed on the surface opposite to the lens surface 23.
  • the lens surface 23 is formed with a plurality of lens protrusions 25 having a sawtooth cross section in the radial direction in a concentric manner.
  • a refractive lens protrusion 25a that refracts light incident from the light emitting part 16 and emits it in a predetermined emission direction is formed on the center side of the Fresnel lens 13.
  • a reflection-type lens protrusion 25b that reflects the light incident from the light emitting unit 16 and emits the light in a predetermined emission direction is formed on the peripheral side.
  • the emission direction of the light emitted from the emission surface 24 is, for example, a 1 ⁇ 2 beam angle of 15 ° or less with respect to the optical axis direction perpendicular to the emission surface 24 of the Fresnel lens 13. Control to narrow-angle light distribution.
  • the reflection-type lens protrusion 25b is incident on the lens protrusion 25b from the inner peripheral surface of the lens protrusion 25b facing the center side of the Fresnel lens 13, where the light from the light emitting section 16 is incident.
  • the light that has entered the lens protrusion 25b is totally reflected in the predetermined emission direction on the outer peripheral surface of the lens protrusion 25b that faces the outer diameter side of the Fresnel lens 13.
  • the trough 26 between the reflective lens protrusions 25b and the crest 27 at the tip of the reflective lens protrusion 25b are each formed with a curved surface, and the radius of the curved surface of the trough 26 is greater than the radius of the curved surface of the peak 27. .
  • the two-dot chain line in FIG. 4 shows the state of the valleys 26 and the peaks 27 that are acute angles when the valleys 26 and the peaks 27 are not formed on the curved surface.
  • the reflection-type lens protrusion 25b formed on the peripheral side of the Fresnel lens 13 is larger in shape than the refraction-type lens protrusion 25a formed on the center side, but the valley 26 of the reflection-type lens protrusion 25b and Since the peaks 27 are each formed on a curved surface, the height dimension H1 between the valley 26 and the peak 27 of the lens projection 25b is smaller than the height dimension H2 when not formed on the curved surface.
  • the height of the reflective lens protrusion 25b can be made the same as the height of the refractive lens protrusion 25a. For this reason, the Fresnel lens 13 can be thinned while ensuring a thickness dimension necessary for the strength of the lens body 22 which is a flat plate portion, and the working material can be reduced and the weight can be reduced.
  • the width W1 of the light emitting portion 16 is in the range of 8 to 15% of the width W3 of the effective region where the lens protrusion 25 of the Fresnel lens 13 is formed.
  • the light emitting area of the light emitting portion 16 is in the range of 2.8 to 3.8% of the light emitting area of the effective area of the Fresnel lens 13.
  • FIG. 6 shows a graph of the result of measuring the correlated color temperature with respect to the emission angle of light from the Fresnel lens 13 when the light emitting module 12 and the Fresnel lens 13 of the present embodiment are used.
  • SMD Surface Mount Device
  • the SMD package houses a blue light emitting LED element in the package and covers it with a phosphor layer mixed with a phosphor that is excited by a part of blue light from the LED element and emits yellow light. Light is emitted from the light emitting surface which is the surface. In either case, the light distribution is controlled to a narrow-angle light distribution with a 1/2 beam angle of 15 ° or less by a Fresnel lens.
  • the distance between the center of the light emitting surface perpendicular to the LED element and the LED element is short, and thus the distance that the blue light from the LED element passes through the phosphor layer is short.
  • the emission angle is within a range of about 5 ° or less
  • the peripheral portion of the light emitting surface diagonally facing the LED element Since the distance from the LED element is long, the distance that the blue light from the LED element passes through the phosphor layer becomes long, and a lot of yellow light from the phosphor is emitted from the periphery of the light emitting surface together with the blue light.
  • the central portion of the light irradiated on the irradiation surface does not become blue compared to the peripheral portion, and the color temperature is substantially constant in a wide emission angle range. As a result, the color cracking could be reduced.
  • a lot of yellow light from the phosphor is emitted together with the light, which is similar to the SMD package.
  • the light emitting module 12 has a plurality of LED elements 18 mounted on the substrate 15 and the interval between the plurality of LED elements 18 is 1.5 mm or less, as shown in FIG.
  • the vertically opposed region of the light emitting surface 20 that is perpendicularly opposed to 18 is an obliquely opposed region that is obliquely opposed to the adjacent LED elements 18 and is a region that emits a lot of yellow light.
  • a large amount of yellow light as well as blue light is emitted from the vertically opposed region of the light emitting surface 20 that faces vertically, and as a result, light having a white color temperature is emitted.
  • the light of the adjacent LED elements 18 can interact with the light emitting surface 20 to suppress color unevenness, but from 1.5 mm If it is large, the light of the adjacent LED elements 18 will not easily act on the light emitting surface 20, and the vertically opposed areas of the light emitting surfaces 20 that face each LED element 18 perpendicularly will tend to be blue with respect to the surroundings. Color unevenness is likely to occur. Moreover, since the light emitted from each LED element 18 acts by setting the interval between the plurality of LED elements 18 to 1.5 mm or less, the mounting region 17 can be regarded as one light source.
  • the blue light emitted from the phosphor layer 19 is easier to escape in a direction perpendicular to the LED element 18 than from the LED element 18 toward the periphery.
  • the dimension between the plurality of LED elements 18 is set to a predetermined value or less, blue light is mixed to such an extent that the mounting area 17 can be regarded as one light source, and thus emitted from the light emitting surface 20 facing the mounting area 17.
  • the angle dependency of the amount of blue light is reduced.
  • the lower limit value of the interval between the plurality of LED elements 18 is determined by a mounting technique for fixing the LED elements 18 to the substrate 15 or electrically connecting them.
  • the light emitting section 16 has the widest width W1 (the width W1 of the region where the phosphor layer 19 is formed) (the length of the light emitting section 16 along the arrangement direction of the plurality of LED elements 18).
  • W1 the width W1 of the region where the phosphor layer 19 is formed
  • the width W2 of the mounting region 17 of the plurality of LED elements 18 is formed to be 80% or more with respect to the width W1 of the formation region of the phosphor layer 19 in the longest portion). is there.
  • the width W2 of the mounting region 17 is set to 80% or more with respect to the width W1 of the formation region of the phosphor layer 19, and the width of the phosphor layer 19 around the mounting region 17 is set to a certain level or less to thereby reduce the phosphor layer.
  • Color difference can be reduced by reducing the difference between the blue light passing in the direction perpendicular to the LED element 18 positioned in the peripheral part at the peripheral part of 19 and the blue light passing through in the peripheral part direction.
  • a wiring pattern is formed around the LED element 18 mounted on the substrate 15 so as to be electrically connected to the LED element 18 with a bonding wire, and the phosphor layer including the wiring pattern and the bonding wire is formed. In order to cover and protect with 19, it is preferably 100% or less, more preferably 95% or less.
  • the illuminating device 11 uses the Fresnel lens 13, and the plurality of LED elements 18 at a place where the interval between the plurality of LED elements 18 of the light emitting module 12 is 1.5 mm or less and the width of the light emitting unit 16 is the widest.
  • the width W2 of the mounting area 80% or more with respect to the width W1 of the formation area of the phosphor layer 19
  • light distribution control of light from the light emitting part 16 of the light emitting module 12 by the Fresnel lens 13 is possible. Even in the case of a narrow-angle light distribution, the occurrence of color shading can be reduced.
  • the relationship between the Fresnel lens 13 and the light emitting unit 16 is such that the width W1 of the light emitting unit 16 is the width W3 of the effective region where the lens protrusion 25 of the Fresnel lens 13 is formed. 8 to 15% of the range. Thereby, the occurrence of uneven brightness on the exit surface 24 of the Fresnel lens 13 can be reduced, and the occurrence of color shading can be prevented.
  • FIG. 7 shows a graph showing the result of measuring the luminance uniformity with respect to the light source diameter / Fresnel lens diameter
  • FIG. 8 shows the result of measuring the 1/2 beam angle with respect to the light source diameter / Fresnel lens diameter.
  • a graph is shown. Here, the measurement was performed in the case where both the light emitting unit 16 and the Fresnel lens 13 were circular.
  • the Fresnel lens diameter is a diameter of an effective region where the lens protrusion 25 of the Fresnel lens 13 is formed.
  • the brightness uniformity is the ratio between the darkest and brightest areas when the exit surface 24 of the Fresnel lens 13 is viewed from the front. If the brightness uniformity is 1, there is no difference in brightness, and the brightness uniformity. The smaller the value is, the larger the difference in brightness. In addition, the brightness uniformity when a downlight using an incandescent bulb is viewed from the lower surface is generally about 0.1.
  • Narrow-angle light distribution is generally called narrow-angle light distribution when the 1/2 beam angle is 15 ° or less.
  • the luminance uniformity 0.1 of the lighting fixture As shown in FIG. 7, when considering the luminance uniformity 0.1 of the lighting fixture as a reference, if the light source diameter is a ratio of 8% or more with respect to the Fresnel lens diameter, the luminance uniformity 0.1 is exceeded. The brightness uniformity was obtained.
  • the light source diameter is 14.5% or less with respect to the Fresnel lens diameter.
  • the ratio is set to 15% or less.
  • the Fresnel lens 13 can provide a narrow angle light distribution. Further, it is possible to reduce the occurrence of uneven brightness on the exit surface 24 of the Fresnel lens 13 and to prevent the occurrence of color shading.
  • the length ratio has been described here, if the length ratio is converted into an area ratio, the light emitting area of the light emitting portion 16 is 2.8 to 3.8 of the light emitting area of the effective region of the Fresnel lens 13.
  • the shape of the light emitting unit 16 is not limited to a rectangle, but may be any shape such as a square or a circle. Even when the light emitting unit 16 is circular, a plurality of LED elements 18 are arranged along the vertical and horizontal directions within a circular range. In addition, when the light emitting unit 16 is circular, a portion where the width of the light emitting unit 16 is the widest is a portion where the diameter of the light emitting unit 16 is the largest.
  • the light emitting module 12 is composed of a remote phosphor LED module. That is, the substrate 15 on which the LED element 18 is mounted and the phosphor layer 19 disposed so as to be opposed to the LED element 18 are accommodated in the cavity 30.
  • the substrate 15 is formed in a circular shape.
  • the phosphor layer 19 converts the wavelength of light emitted from the LED element 18, and is composed of a phosphor-containing resin, in this embodiment, a resin in which a yellow phosphor is dispersed and mixed in a transparent silicone resin. And formed into a circular plate shape.
  • the substrate 15 and the phosphor layer 19 are disposed in the cavity 30 so as to face the LED elements 18 disposed on the substrate 15 and have a predetermined interval.
  • the phosphor layer 19 forms a circular light emitting surface 20 having a diameter ⁇ 1.
  • the cavity 30 is configured in a ring shape with a metal having good thermal conductivity, in this embodiment, aluminum.
  • the remote phosphor LED module configured as described above can irradiate light from a wide area.
  • the light distribution angle is approximately Lambertian (light distribution angle 120 °), it can be used for downlights and the like. In order to apply, it is necessary to control the light distribution angle.
  • the light emitting surface 20 is preferably formed in the entire area of the phosphor layer 19 from the viewpoint of improving the luminous efficiency, for example, in order to support the phosphor layer 19 in the opening of the cavity 30,
  • the portion irradiated with light from the phosphor layer 19 is the light emitting surface 20 and defines the aperture ⁇ 1 of the light emitting portion 16.
  • the light emitting unit 16 may have a configuration in which it is difficult to clearly identify the light emitting portion.
  • the diameter of the phosphor layer 19 may be the diameter ⁇ 1 of the light emitting unit 16.
  • the phosphor layer 19 transmits the blue light emitted from the LED element 18 and converts the blue light into yellow light by the yellow phosphor.
  • the transmitted blue light and yellow light are mixed, and white light is emitted from the light emitting surface 20.
  • the white light is emitted by a Lambertian light distribution in which the phosphor layer 19 forms a circular wide light emitting surface 20 and the 1/2 beam angle is 120 °.
  • the Fresnel lens 13 controls light emitted at a wide angle from the circular light emitting surface 20 of the phosphor layer 19 to a light distribution angle suitable for a downlight-type lighting fixture or the like. It is composed of a transparent circular acrylic resin plate having a diameter ⁇ 2. In addition, you may comprise with transparent glass.
  • the Fresnel lens 13 is opposed to the light emitting unit 16 and has a predetermined interval h1, and the center o of the Fresnel lens 13 is arranged to coincide with the optical axis xx line of the light emitting module 12.
  • the aperture ⁇ 2 of the Fresnel lens 13 means the aperture of a lens portion having a saw blade-like cross section that performs a lens action.
  • the Fresnel lens 13 may have a configuration in which it is difficult to clearly specify whether or not the outer peripheral portion has a lens action depending on the configuration.
  • the outer diameter of the Fresnel lens 13 is set as the aperture ⁇ 2 of the Fresnel lens 13. There is no problem.
  • the predetermined distance h1 between the Fresnel lens 13 and the light emitting module 12 means a distance dimension between the back side of the Fresnel lens 13 and the surface of the light emitting surface 20 (the surface of the phosphor layer 19).
  • the holding portion 31 constitutes the main body 32 together with the cavity 30, and has a shape that forms a truncated cone with a synthetic resin space inside so as to form an optical path from the light emitting module 12 to the Fresnel lens 13.
  • the Fresnel lens 13 is held on one opening end side, and the other opening end side is connected to the cavity 30.
  • the holding unit 31 may be cylindrical as long as it can hold the Fresnel lens 13.
  • the illuminating device 11 including the light emitting module 12 using the LED element 18 as a light source and the Fresnel lens 13 disposed to face the light emitting module 12 is configured.
  • the illuminating device 11 includes a downlight, a spotlight, and the like. It is used as a light source body of a lighting fixture.
  • FIG. 11 shows the configuration of the lighting device in each simulation.
  • the predetermined distance h1 between the Fresnel lens 13 and the light emitting module 12 is set to about 10 mm.
  • the aperture ⁇ 1 of the light emitting surface 20 is about 60 mm
  • the aperture ⁇ 2 of the Fresnel lens 13 is about 80 mm
  • ⁇ 2 / ⁇ 1 1.3 times.
  • a predetermined distance h1 between the light emitting module 12 and the light emitting module 12 is about 13.6 mm.
  • the aperture ⁇ 1 of the light emitting surface 20 is about 60 mm
  • the aperture ⁇ 2 of the Fresnel lens 13 is about 120 mm
  • ⁇ 2 / ⁇ 1 2 times.
  • the predetermined distance h1 from the module 12 is about 20 mm.
  • the aperture ⁇ 1 of the light emitting surface 20 is set to about 60 mm
  • the aperture ⁇ 2 of the Fresnel lens 13 is set to about 162 mm
  • ⁇ 2 / ⁇ 1 2.7 times.
  • the predetermined distance h1 between 13 and the light emitting module 12 is configured to be about 27 mm.
  • the lighting device 11 of each simulation is configured as a light source body of a downlight type lighting fixture, and the luminous flux of the light emitting module 12 is 1000 to 2000 lm. In this simulation, a 1000 lm light emitting module 12 was used.
  • FIG. 12A is a light distribution curve diagram in simulation No. 1, and has a light distribution characteristic with a 1/2 beam angle of approximately 100 °.
  • FIG. 12B is a light distribution curve diagram in simulation No. 2 and has a light distribution characteristic with a 1 ⁇ 2 beam angle of approximately 80 °.
  • FIG. 12C is a light distribution curve in simulation No. 3 and has a light distribution characteristic with a 1 ⁇ 2 beam angle of approximately 60 °.
  • FIG. 12 (d) is a light distribution curve diagram in simulation No. 4, and has a light distribution characteristic with a 1 ⁇ 2 beam angle of approximately 45 °.
  • This graph is a graph showing the relationship between the light source diameter with respect to the aperture ⁇ 2 of the Fresnel lens 13, that is, the ratio of the aperture ⁇ 1 of the light emitting portion 16 (the ratio of the light source diameter / Fresnel lens diameter) and the luminance uniformity (min / max). It is.
  • This luminance distribution diagram shows the central luminance viewed from the vertical angle 0 ° direction and the state of the luminance distribution around the center.
  • the luminance gradually increases from the central portion having the highest luminance toward the periphery when the ratio of the light source diameter / Fresnel lens diameter is 37%, 46%, 56%, 65%, and 74%. It was found that the low part of was uniformly distributed, and it was confirmed that the luminance from the center toward the periphery was evenly distributed.
  • the region of the central portion with the highest luminance (about 480000 Nit) is narrow, and the luminance gradually increases toward the periphery. It was confirmed that the brightness directly under the downlight-type lighting fixture can be distributed substantially evenly.
  • the Fresnel lens 13 and setting the aperture ⁇ 2 of the Fresnel lens 13 to be 1.0 to 2.7 times the aperture ⁇ 1 of the light emitting portion 16 it has a good luminance distribution as a lighting fixture. Was confirmed.
  • the illumination device 11 in the present embodiment by using a simple means for changing only the aperture of the Fresnel lens 13 without using a reflector that is a source of glare and hinders downsizing of the instrument, It became possible to easily create the desired light distribution characteristics. In other words, it has become possible to easily create the desired light distribution characteristics while achieving downsizing and glare-free devices. At the same time, it is possible to provide a lighting device 11 that has a good brightness uniformity and a good brightness distribution, and is capable of providing a substantially uniform brightness with little change in brightness toward the surroundings. It became possible to provide.
  • the light emitting surface 20 and the Fresnel lens 13 of the light emitting module 12 are configured to have a circular shape, but are not limited to a circular shape, and may be a rectangular shape such as a square, or a polygonal shape such as a hexagon or an octagon. Further, it may be oval.
  • the aperture ⁇ 1 of the non-circular light emitting surface 20 and the aperture ⁇ 2 of the Fresnel lens 13 are preferably calculated as follows. That is, the non-circular area is converted into a circle having the same area, and the diameter in the converted area of the circle is set as the aperture dimensions ⁇ 1 and ⁇ 2.
  • the light emitting surface 20 and the Fresnel lens 13 of the light emitting module 12 are both configured to be circular, they may be configured to have different shapes.
  • the light emitting surface 20 may be circular and the Fresnel lens 13 may be square. According to this, for example, it is possible to provide a lighting device suitable as a light source body of a spotlight for a television studio or a theater.
  • the light emitting module 12 is constituted by a remote phosphor LED module, it may be constituted by a COB type LED module. That is, as in the third embodiment shown in FIG. 15, a ceramic substrate is used as the substrate 15, and a circular bank portion 35 is formed by applying a white synthetic resin to the surface of the substrate 15. A circular accommodation recess 36 is formed. A wiring pattern is formed on the bottom surface of the housing recess 36 by screen printing, and a plurality of LED elements 18 are bonded and mounted on the wiring pattern in a substantially matrix shape by COB technology.
  • a phosphor layer 19 is formed by applying or filling a sealing member 37 in which a yellow phosphor is dispersed and mixed in a transparent silicone resin in the housing recess 36 of the substrate 15.
  • the light emitting surface 20 is formed by the phosphor layer 19 surrounded by the bank portion 35, and white light can be emitted from the entire phosphor layer 19.
  • the entire phosphor layer 19 is the light emitting surface 20, and the aperture ⁇ 1 of the light emitting portion 16 means the entire aperture of the phosphor layer 19.
  • the aperture ⁇ 2 of the Fresnel lens 13 means the aperture of the lens portion having a saw blade-like cross section that performs the lens action.
  • the predetermined distance h1 between the Fresnel lens 13 and the light emitting module 12 means a distance dimension between the back side of the Fresnel lens 13 and the surface of the light emitting surface 20 (the surface of the phosphor layer 19).
  • the LED element 18 is preferably composed of, for example, an LED chip made of a gallium nitride (GaN) semiconductor that emits blue light.
  • GaN gallium nitride
  • a semiconductor laser, an organic EL, or the like is used as a light source.
  • the solid-state light emitting device is acceptable.
  • you may comprise red, blue, green, etc., and also combining various colors.
  • the illuminating device 11 configured as described above can be used as a light source body of a downlight type luminaire as in the fourth embodiment shown in FIG.
  • the downlight-type lighting fixture 40 includes a fixture main body 41 and a lighting device 11 built in and arranged in the fixture main body 41.
  • the instrument body 41 is made of aluminum with good thermal conductivity, which has a light source part 42 at one end and a terminal block 43 at the other end, and has a cylindrical body with both ends open to accommodate the power supply part 44 inside. Constitute.
  • the instrument body 41 is located on the side of the opening 41a at one end portion inside, and is formed with a partition plate 41b integrally, and includes a recess for accommodating the light source unit 42 between the opening 41a and the partition plate 41b.
  • the storage part 41c is integrally formed.
  • 41d is a plurality of heat radiation holes formed penetrating around the side wall of the storage portion 41c.
  • the light source unit 42 is configured by incorporating the lighting device 11 described above. That is, the bottom surface of the substrate 15 made of aluminum of the light emitting module 12 is brought into close contact with the surface of the partition plate 41b via an insulating sheet made of a silicone resin having thermal conductivity and electrical insulation, etc.
  • the lighting device 11 is supported on the fixture body 41 by the fixing means. Accordingly, the light emitting module 12 and the partition plate 41b are thermally connected, and the lighting device 11 is disposed in the fixture body 41.
  • the Fresnel lens 13 is fitted into the decorative frame 45 and supported.
  • the optical axis xx line of the illuminating device 11 matches the central axis yy line of the instrument body 41 made of a cylindrical body, and the instrument body 41 as a whole has a substantially circular light emitting surface in plan view.
  • a light source unit 42 is configured.
  • the power supply unit 44 has a lighting circuit for lighting the lighting device 11 housed in the light source unit 42 of the fixture body 41, is connected to the lighting device 11 by a lead wire, and is connected to the commercial device of 100 V via the terminal block 43. Power is supplied.
  • reference numeral 46 denotes a support for installing the downlight on the ceiling or the like, which is composed of two substantially L-shaped leaf springs formed by pressing a stainless steel plate material, and the L-shaped vertical portion is the instrument body.
  • the outer surface of 41 is fixed so as to face the radial direction.
  • the lighting fixture 40 configured in this manner can be configured more compactly because it does not use a reflector for performing light distribution control. At the same time, a downlight-type lighting fixture 40 with less glare is configured.
  • the luminaire 40 is installed by connecting a single or a plurality of lighting fixtures 40 to a ceiling or the like that is a surface to be installed using a feeding cable.
  • the lighting device 11 When turned on, the lighting device 11 has a light distribution characteristic necessary as a downlight, as described above, in this embodiment, a 1/2 beam angle selected in a range of about 100 ° to about 45 °. Illumination having optical characteristics, for example, a 1/2 beam angle of 80 °, with little change in brightness toward the periphery, and substantially uniform brightness can be performed.
  • the heat generated from each LED element 18 of the light emitting module 12 is effectively transferred from the aluminum substrate 15 of the light emitting module 12 to the fixture body 41 made of aluminum having a large area through the partition plate 41b, and is efficiently externally supplied. Heat is dissipated.
  • the 1 ⁇ 2 beam angle is about 100 by replacing the Fresnel lens 13 with a different aperture while leaving the light emitting module 12 as it is.
  • Downlight-type luminaires having the required light distribution characteristics selected in the range of ° to about 45 ° can be constructed.
  • the downlight type lighting fixture is configured by the lighting device 11 of the present embodiment, but various lighting fixtures such as a spotlight, a residential use, a facility such as an office, and a business use are configured. May be.
  • an LED bulb 50 using an LED that can be replaced with an incandescent bulb for general illumination may be configured. That is, the LED bulb 50 includes a light source unit 51 incorporating the lighting device 11, a cover 53 housing the lighting device 52, and a base 54.
  • the base 54 is formed of, for example, an E26 type base that can be mounted on a socket for an incandescent light bulb for general illumination.
  • LED bulb 50 it is possible to provide the LED bulb 50 having various light distribution characteristics by simply changing the aperture of the Fresnel lens 13 while keeping the light emitting module 12 in the light source unit 51 as it is.
  • the Fresnel lens 13 includes a front surface portion 60 that faces the light emitting portion 16 and a side surface portion 61 that is a mounting leg portion that faces the periphery of the light emitting portion 16.
  • the front surface portion 60 is formed to be substantially equal to the shape and size of the mounting surface of the substrate 15, and the lens surface 23 is also formed on the inner surface of the front surface portion 60 facing the light emitting portion 16 and is also an incident surface on which light from the light emitting portion 16 is incident.
  • an emission surface 24 from which light is emitted is formed on the outer surface of the front surface portion 60 opposite to the lens surface 23.
  • the lens surface 23 is a lens in which a normal lens is divided into concentric regions and the thickness is reduced, and has a saw-tooth cross section in the radial direction, and can be made thinner as the number of divisions is increased. Can also be reduced in weight.
  • the lens surface 23 emits the light incident from the light emitting unit 16 in a predetermined emission direction, and the emission direction of the light emitted from the emission surface 24 is, for example, the optical axis direction perpendicular to the front surface of the light emitting unit 16 And control to be parallel.
  • the side surface portion 61 is formed, for example, in an annular shape from the entire periphery of the front surface portion 60, and is open toward the rear on the opposite side with respect to the front surface portion 60.
  • An attachment portion 62 attached to the peripheral portion of the substrate 15 is formed.
  • the mounting portion 62 is formed with an annular fitting groove 63 that fits in the peripheral portion of the substrate 15 on the inner peripheral surface of the side surface portion 61, and the rear surface that is the other surface of the substrate 15 fitted in the fitting groove 63.
  • a claw portion 64 is formed that is hooked and held by the.
  • an elastic body, an adhesive, or the like may be interposed between the substrate 15 and the fitting groove 63.
  • the illuminating device 11 comprisesd in this way, by supplying a lighting power supply from the lighting device to the plurality of LED elements 18 of the light emitting module 12, the plurality of LED elements 18 are lit and the light emitting surface 20 of the light emitting unit 16 is illuminated.
  • the light is emitted from the light, and the light enters the Fresnel lens 13 and is emitted from the Fresnel lens 13 to the outside.
  • the light from the light emitting portion 16 that has entered the front surface portion 60 on which the lens surface 23 of the Fresnel lens 13 is formed is emitted from the emission surface 24 of the front surface portion 60, for example, in a direction parallel to the optical axis direction.
  • light traveling from the light emitting unit 16 to the periphery of the light emitting unit 16 is incident on the side surface portion 61, passes through the side surface portion 61, and is emitted to the outside.
  • a Fresnel lens 13 that is thinner and can be reduced in weight by using less material than a normal lens is used, and the Fresnel lens 13 is directly attached to the substrate 15 of the light emitting module 12 to obtain a special
  • a simple support component is not required, and the light distribution from the light emitting unit 16 can be controlled by the Fresnel lens 13, but the structure is simple and the size can be reduced.
  • the Fresnel lens 13 is directly attached to the substrate 15 of the light emitting module 12, the center of the lens surface 23 coincides with the center of the light emitting unit 16, and the distance between the lens surface 23 and the light emitting unit 16 is constant.
  • the positional relationship between the lens surface 23 and the light emitting unit 16 can be accurately matched, and the optical characteristics can be stabilized.
  • the light is directed to the side surface portion 61 of the Fresnel lens 13 around the light emitting portion 16 of the light emitting module 12, and the light traveling from the light emitting portion 16 toward the surrounding direction is directed in a direction parallel to the optical axis direction that is a predetermined emission direction.
  • a total reflection surface 65 for total reflection is integrally formed.
  • the Fresnel lens 13 has a meniscus lens structure in which an inner surface facing the light emitting portion 16 of the light emitting module 12 is a concave curved surface, and an outer surface opposite to the inner surface is a convex curved surface, and a lens surface 23 is formed on the inner surface.
  • the curved Fresnel lens 13 can improve the light collecting property.
  • a Fresnel lens it is necessary to make the Fresnel lens large.
  • the Fresnel lens is made large, concentric shades appear in the emitted light, or the imaging performance deteriorates due to the effects of diffraction.
  • the curved Fresnel lens 13 does not become large, and there is no adverse effect caused by the large size, and the light collecting property can be improved.
  • the curved Fresnel lens 13 secures the distance between the lens surface 23 and the light emitting unit 16 of the light emitting module 12 to enable light distribution control, and transmits light from the light emitting unit 16 toward the surroundings to the lens surface 23. It is possible to improve the light extraction efficiency in which the light is incident on the peripheral region of the light and is emitted from the emission surface 24 and the light is extracted from the emission surface 24.
  • a plurality of light emitting portions 16 are formed on the mounting surface of the substrate 15 of the light emitting module 12.
  • the substrate 15 has a disk shape and is formed at three or more locations on the same circumference of the substrate 15.
  • An insertion hole 67 is formed at the center of the substrate 15.
  • a lens surface 23 (illustration of the lens surface 23 is omitted in FIG. 21) is formed in each region facing the light emitting portions 16 on the inner surface of the front surface portion 60 of the Fresnel lens 13.
  • a boss 69 in which a nut 68 is insert-molded is projected.
  • the attachment portion 62 of the side surface portion 61 has a fitting groove 63 into which the peripheral portion of the substrate 15 is fitted, but is not provided with a protruding portion on the back side opposite to the mounting surface of the substrate 15.
  • the light emitting module 12 to which the Fresnel lens 13 is attached is attached to the main body 71.
  • the main body 71 is made of a metal such as aluminum, for example, has a flat mounting surface 72 formed on the front surface where the back surface of the substrate 15 of the light emitting module 12 is in surface contact, and a plurality of heat radiation fins 73 formed on the back surface. .
  • An insertion hole 74 penetrating the attachment surface 72 and the back surface is formed at the center of the main body 71, and the screw 76 of the fixing means 75 is inserted into the insertion hole 74.
  • the Fresnel lens 13 is attached to the substrate 15 of the light emitting module 12, and these are arranged so that the back surface of the substrate 15 contacts the attachment surface 72 of the main body 71, and the screw 76 is attached to the main body 71.
  • the nut 68 of the boss 69 of the Fresnel lens 13 is screwed and tightened through the insertion hole 74 and the insertion hole 67 of the substrate 15.
  • the substrate 15 of the light emitting module 12 is sandwiched between the Fresnel lens 13 and the main body 71, and the back surface of the substrate 15 of the light emitting module 12 is brought into close contact with the mounting surface 72 of the main body 71.
  • the heat generated by the plurality of LED elements when the light emitting module 12 is turned on can be efficiently conducted from the substrate 15 to the main body 71, and the main body 71 can be efficiently dissipated.
  • the substrate 15 may be distorted, and an influence such as breaking the insulating layer formed on the mounting surface of the substrate 15 may occur.
  • the influence on the substrate 15 can be prevented.
  • the Fresnel lens 13 can uniformly press the peripheral portion and the central portion of the substrate 15 against the main body 71, the influence on the substrate 15 can be reliably prevented.
  • a hole may be provided in the boss 69 without using the nut 68, and the screw 76 may be screwed into the hole of the boss 69.
  • the fixing means 75 is not limited to the screw 76, and may be locked to the main body 71 using the mounting portion 62 of the Fresnel lens 13, for example.
  • a screw may be insert-molded so as to protrude from the boss 69, and this screw may be inserted into the insertion hole 74 of the main body 71, and a nut may be screwed onto the screw on the back side of the main body 71 and tightened.
  • the lighting device 11 of each embodiment can be used for, for example, spotlights, downlights, and other general lighting.
  • Lighting device 12 COB module as light emitting module 13 Fresnel lens 15 Substrate 16 Light emitting part 17 Mounting area 18 LED element 19 Phosphor layer 25b Lens protrusion 26 Valley 27 Mountain 65 Total reflection surface 71 Body 75 Fixing means

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Abstract

 照明装置は、発光モジュール12、および発光モジュール12に対向するフレネルレンズを備える。発光モジュール12は、基板15、およびこの基板15に複数のLED素子18が実装されるとともにこれら複数のLED素子18を蛍光体層19で覆って形成された発光部16を有する。複数のLED素子18間の間隔は1.5mm以下で、かつ発光部16の幅が最も広い箇所での複数のLED素子18の実装領域の幅は蛍光体層19の形成領域の幅に対して80%以上である。

Description

照明装置
 本発明の実施形態は、LED素子を光源とする照明装置に関する。
 従来、LED素子を光源とするダウンライトやスポットライトなどの照明装置がある。この照明装置では、青色発光のLED素子をパッケージ内に収容するとともにLED素子からの青色光の一部により励起されて黄色光を放射する蛍光体が混入された蛍光体層で覆い、蛍光体層の表面である発光面から白色系の光を放射する表面実装形のSMD(Surface Mount Device)パッケージが用いられている。また、基板に青色発光の複数のLED素子を実装するとともにこれら複数のLED素子をLED素子からの青色光の一部により励起されて黄色光を放射する蛍光体が混入された蛍光体層で覆って面状の発光部を形成し、この発光部の表面である発光面から白色系の光を放射する発光モジュールであるCOB(Chip On Board)モジュールが用いられている。
 SMDパッケージを用いる場合には、配光制御のために、SMDパッケージ毎に反射体や全反射形のレンズなどの光学部品を用いている。また、COBモジュールを用いる場合には、発光部が面状であることから、SMDパッケージで用いているような全反射形のレンズは用いられず、光学部品として反射体のみを用いることが多い。
特開2006-294526号公報
 大光量の照明装置を構成しようとした場合、SMDパッケージを用いるとSMDパッケージおよび光学部品の数を多くする必要があるが、照明装置の大きさの制限からあまり多くのSMDパッケージおよび光学部品を用いることができない。そのため、COBモジュールを用いる方が対応しやすい。しかし、COBモジュールを用いる場合には、発光部が面状であることから、SMDパッケージで用いているような全反射形のレンズは用いられないため、必要な配光制御が得られないことがある。
 また、SMDパッケージの場合、LED素子に垂直に対向する発光面の中心部はLED素子との距離が短いため、LED素子からの青色光が蛍光体層内を通過する距離が短くなって、発光面の中心部からは蛍光体からの黄色光よりも青色光が多く放射される。また、LED素子に斜めに対向する発光面の周辺部はLED素子との距離が長いため、LED素子からの青色光が蛍光体層内を通過する距離が長くなって、発光面の周辺部方向へ放射される青色光は垂直方向に比べて相対的に少なくなる。したがって、発光面の中心部方向に抜ける青色光が周辺部方向に抜ける青色光に比べて多くなる。そのため、全反射形のレンズによって狭角配光に制御すると、発光面の中心部が周辺部に比べて青い状態がそのまま投影されて、照射面に照射される光の中央部が周辺部に比べて青くなり、いわゆる色われという現象が生じやすくなる。
 本発明が解決しようとする課題は、レンズによる発光モジュールの発光部からの光の配光制御が可能で、狭角配光とした場合でも色われの発生を低減できる照明装置を提供することである。
 実施形態の照明装置は、発光モジュール、および発光モジュールに対向するフレネルレンズを備える。発光モジュールは、基板、およびこの基板に複数のLED素子が実装されるとともにこれら複数のLED素子を蛍光体層で覆って形成された発光部を有する。複数のLED素子間の間隔は1.5mm以下で、かつ発光部の幅が最も広い箇所での複数のLED素子の実装領域の幅は蛍光体層の形成領域の幅に対して80%以上である。
第1の実施形態を示す照明装置の発光モジュールの正面図である。 同上発光モジュールのLED素子の寸法および配置の寸法を示す説明図である。 同上照明装置のフレネルレンズの断面図である。 同上フレネルレンズの一部の拡大断面図である。 同上発光モジュールを示し、(a)は複数のLED素子からの光の放射を説明する説明図、(b)は1つのLED素子からの光の放射を説明する説明図である。 同上フレネルレンズからの光の出射角度に対する相関色温度を測定した結果を示すグラフである。 同上光源径/フレネルレンズ径に対する輝度均斉度を測定した結果を示すグラフである。 同上光源径/フレネルレンズ径に対する1/2ビーム角を測定した結果を示すグラフである。 第2の実施形態を示す照明装置の断面図である。 同上照明装置を示し、(a)は正面図、(b)は背面図である。 同上照明装置のシミュレーションの一覧を示す表である。 同上照明装置のシミュレーション結果を示す配光曲線図で、(a)はシミュレーションNo.1における配光曲線図、(b)はシミュレーションNo.2における配光曲線図、(c)はシミュレーションNo.3における配光曲線図、(d)はシミュレーションNo.4における配光曲線図である。 同上照明装置のシミュレーション結果を示す光源径/フレネルレンズ径と輝度均斉度との関係を測定した結果を示すグラフである。 同上照明装置のシミュレーション結果を示す輝度分布図で、(a)は光源径37%における輝度分布図、(b)は光源径46%における輝度分布図、(c)は光源径56%における輝度分布図、(d)は光源径65%における輝度分布図、(e)は光源径74%における輝度分布図である。 第3の実施形態を示す照明装置の断面図である。 第4の実施形態を示す照明装置を用いたダウンライト形の照明器具の断面図である。 第5の実施形態を示す照明装置を用いたLED電球の断面図である。 第6の実施形態を示す照明装置の断面図である。 第7の実施形態を示す照明装置の断面図である。 第8の実施形態を示す照明装置の断面図である。 第9の実施形態を示す照明装置の断面図である。
 以下、第1の実施形態を、図1ないし図8を参照して説明する。
 図3に示すように、照明装置11は、COB(Chip On Board)モジュールである発光モジュール12、およびこの発光モジュール12の一面である前面に対向するように設けられたフレネルレンズ13を備えている。この照明装置11は、例えば光束が2000lm超の大光量のスポットライトとして用いられる。
 図1に示すように、発光モジュール12は、基板15、この基板15の一面である前面の中央領域に形成された面状の発光部16を備えている。
 基板15は、例えば、アルミニウムなどの金属やセラミックスなど熱伝導性に優れた材料で、四角形であって長方形に形成されている。基板15の前面を実装面とし、この実装面に図示しない配線パターンが形成されている。基板15が金属製の場合には基板15の実装面に例えばエポキシ系の有機材などで絶縁層が形成され、この絶縁層上に配線パターンが形成されている。
 発光部16は、基板15の実装面側から見た形状が四角形であって長方形であり、発光部16の外形領域より小さい実装領域17内に、複数のLED素子18が発光部16の各辺に沿った縦横方向にそれぞれ所定の間隔をあけた状態に配列されて実装され、つまりマトリクス状に配列されて実装されている。
 複数のLED素子18は例えば接着剤で基板15上に接着されて実装され、これら複数のLED素子18がワイヤボンディング処理によるボンディングワイヤによって縦横いずれかの配列方向に沿って直列に電気接続されるとともに基板15の配線パターンに電気接続されている。LED素子18は、直方体状のベアチップにて構成され、長手方向の両端にボンディングワイヤが電気的に接続される端子が形成されている。また、複数のLED素子18およびこれらを接続するボンディングワイヤは、蛍光体が混入された例えばシリコーン樹脂などの透明樹脂で構成される蛍光体層19で一体に覆われて封止されている。蛍光体層19の形成領域は、複数のLED素子18の実装領域17よりも大きく形成されている。
 LED素子18には例えば青色光を発するLED素子18が用いられ、蛍光体層19の蛍光体にはLED素子18からの青色光の一部により励起されて黄色光を放射する蛍光体が用いられている。したがって、LED素子18および蛍光体層19などによって発光部16が形成され、この発光部16の前面である蛍光体層19の前面が発光面20となり、この発光面20から白色系の照明光が放射される。
 発光モジュール12には、図示しない点灯装置からLED素子18に対して点灯電力を供給する配線が接続される。
 そして、図2に示すように、本実施形態の発光モジュール12では、LED素子18の長手方向の寸法が0.5mmであり、このLED素子18の実装ピッチが2mmで、LED素子18間の間隔が1.5mmであって好ましくは1.5mm以下に設定されている。LED素子18の長手方向に直交する短手方向の間隔は1.5mm以下に設定されている。
 さらに、図1に示すように、本実施形態の発光モジュール12は、発光部16の幅W1(蛍光体層19の形成領域の幅W1)が最も広い箇所(複数のLED素子18の配列方向に沿った発光部16の長さが最も長い箇所)において、つまり、長方形の発光部16の長辺に沿った箇所において、複数のLED素子18の実装領域17の幅W2が蛍光体層19の形成領域の幅W1に対して80%以上となるように形成されている。なお、発光部16の幅とは、発光部16が四角形の場合にはその発光部16の辺に沿った方向の幅を意味する。
 また、図3に示すように、フレネルレンズ13は、例えば、ポリカーボネートなどの透明樹脂にて、発光モジュール12の発光部16の外形より大きく、例えば円板状や四角形状に形成されている。フレネルレンズ13は平板状のレンズ本体22を有し、発光部16に対向するレンズ本体22の面に発光部16からの光が入射する入射面でもあるレンズ面23が形成され、発光部16とは反対側であってレンズ面23とは反対側の面に光が出射する平面状の出射面24が形成されている。
 レンズ面23には径方向にのこぎり刃状の断面を有する複数のレンズ突部25が同心円状に形成されている。これら複数のレンズ突部25のうち、フレネルレンズ13の中心側には発光部16から入射する光を屈折させて所定の出射方向へ出射させる屈折形のレンズ突部25aが形成され、フレネルレンズ13の周辺側には発光部16から入射する光を反射させて所定の出射方向へ出射させる反射形のレンズ突部25bが形成されている。本実施形態のフレネルレンズ13では、出射面24から出射する光の出射方向が、フレネルレンズ13の出射面24に垂直な光軸方向に対して、例えば1/2ビーム角が15°以下となる狭角配光に制御する。
 図4に示すように、反射形のレンズ突部25bは、発光部16からの光がフレネルレンズ13の中心側に対向するレンズ突部25bの内周面からレンズ突部25b内に入射し、レンズ突部25b内に入射した光をフレネルレンズ13の外径側に対向するレンズ突部25bの外周面で所定の出射方向へ向けて全反射させる。
 反射形のレンズ突部25b間の谷26および反射形のレンズ突部25bの先端の山27はそれぞれ曲面で形成され、谷26の曲面の半径が山27の曲面の半径より大きく形成されている。なお、図4の2点鎖線には、谷26および山27を曲面に形成しなかった場合の鋭角となる谷26および山27の状態を示している。
 フレネルレンズ13の周辺側に形成される反射形のレンズ突部25bは中心側に形成される屈折形のレンズ突部25aに比べて形状が大きいが、反射形のレンズ突部25bの谷26および山27をそれぞれ曲面に形成しているため、そのレンズ突部25bの谷26と山27との間の高さ寸法H1は、曲面に形成しなかった場合の高さ寸法H2に比べて小さくなり、反射形のレンズ突部25bの高さ寸法を屈折形のレンズ突部25aの高さ寸法と同じに合わせることができる。そのため、平板部分であるレンズ本体22の強度上必要な厚み寸法を確保したうえで、フレネルレンズ13を薄形化でき、作用材料の削減や軽量化を図ることができる。
 また、フレネルレンズ13と発光部16との関係は次のようになっている。発光部16の幅W1は、フレネルレンズ13のレンズ突部25が形成されている有効領域の幅W3の8~15%の範囲である。言い換えれば、発光部16の発光面積は、フレネルレンズ13の有効領域の光出射面積の2.8~3.8%の範囲である。
 次に、図6には、本実施形態の発光モジュール12およびフレネルレンズ13を用いた場合において、フレネルレンズ13からの光の出射角度に対する相関色温度を測定した結果のグラフを示す。比較例として、SMD(Surface Mount Device)パッケージとフレネルレンズとを組み合わせた場合を示す。SMDパッケージは、青色発光のLED素子をパッケージ内に収容するとともにLED素子からの青色光の一部により励起されて黄色光を放射する蛍光体が混入された蛍光体層で覆い、蛍光体層の表面である発光面から光を放射する。また、いずれも、フレネルレンズによって1/2ビーム角が15°以下となる狭角配光に制御する。
 比較例のように、SMDパッケージの場合、LED素子に垂直に対向する発光面の中心部はLED素子との距離が短いため、LED素子からの青色光が蛍光体層内を通過する距離が短くなって、発光面の中心部からは蛍光体からの黄色光よりも青色光が多く放射され(出射角が約5°以下の範囲)、また、LED素子に斜めに対向する発光面の周辺部はLED素子との距離が長いため、LED素子からの青色光が蛍光体層内を通過する距離が長くなって、発光面の周辺部からは青色光とともに蛍光体からの黄色光が多く放射されやすく(出射角が約5°より大きい範囲)、したがって、発光面の中心部が周辺部に比べて青い状態となる。そのため、フレネルレンズによって狭角配光に制御すると、発光面の中心部が周辺部に比べて青い状態がそのまま投影されて、照射面に照射される光の中央部が周辺部に比べて青くなり、色われという現象が生じた。
 一方、本実施形態の発光モジュール12およびフレネルレンズ13を用いた場合、照射面に照射される光の中央部が周辺部に比べて青くなることがなく、広い出射角度域において略一定の色温度となり、色われを低減することができた。
 これは、図2に示すように、発光モジュール12の複数のLED素子18間の間隔を1.5mm以下としていることが第1の理由としてある。
 図5(b)に示すように、1つのLED素子18についてみれば、LED素子18に垂直に対向する発光面20の垂直対向領域はLED素子18との距離が短いため、LED素子18からの青色光が蛍光体層19内を通過する距離が短くなって、発光面20の対向領域からは蛍光体からの黄色光よりも青色光が多く放射され、また、LED素子18に斜めに対向する発光面20の斜め対向領域はLED素子18との距離が長いため、LED素子18からの青色光が蛍光体層19内を通過する距離が長くなって、発光面20の斜め対向領域からは青色光とともに蛍光体からの黄色光が多く放射され、SMDパッケージと同様である。しかしながら、基板15に複数のLED素子18を実装した発光モジュール12であり、複数のLED素子18間の間隔を1.5mm以下としているため、図5(a)に示すように、1つのLED素子18に垂直に対向する発光面20の垂直対向領域は、隣り合うLED素子18にとって斜めに対向する斜め対向領域であって、黄色光が多く放射される領域であるため、1つのLED素子18に垂直に対向する発光面20の垂直対向領域からは青色光とともに黄色光も多く放射され、結果として白色系の色温度の光が出射される。
 複数のLED素子18間の間隔が1.5mm以下の範囲では、隣り合うLED素子18の光が発光面20に対して互いに作用し合って色むらを抑制することができるが、1.5mmより大きいと、隣り合うLED素子18の光が発光面20に対して互いに作用しにくくなり、各LED素子18に垂直に対向する発光面20の垂直対向領域がその周りに対して青くなりやすく、斑点状の色むらが発生しやすくなる。また、複数のLED素子18間の間隔を1.5mm以下とすることによって各LED素子18から出射される光が作用し合うため、実装領域17を一つの発光源とみなすことができる。つまり、蛍光体層19から出射される青色光は、LED素子18から周辺部方向へ向かって抜けるものよりもLED素子18に垂直に対向する方向へ抜けやすくなる。しかしながら、複数のLED素子18間の寸法を所定値以下とすることで、実装領域17をあたかも一つの光源とみなせる程度に青色光が混ざるため、実装領域17と対向する発光面20から出射される青色光の光量の角度依存性は低減される。なお、複数のLED素子18間の間隔の下限値は、LED素子18を基板15に固定したり電気的に接続する実装技術によって決まる。
 さらに、図1に示すように、発光部16の幅W1(蛍光体層19の形成領域の幅W1)が最も広い箇所(複数のLED素子18の配列方向に沿った発光部16の長さが最も長い箇所)において、複数のLED素子18の実装領域17の幅W2が蛍光体層19の形成領域の幅W1に対して80%以上となるように形成されていることが第2の理由としてある。
 実装領域17から発光面20の周辺部方向に出射された青色光は、実装領域17に垂直に対向する発光面20から出射される青色光に比べて抜けにくくなる。そこで、実装領域17の幅W2を蛍光体層19の形成領域の幅W1に対して80%以上とし、実装領域17の周囲の蛍光体層19の幅をある程度以下にすることにより、蛍光体層19の周辺部で周辺部に位置するLED素子18に垂直に対向する方向に抜ける青色光と周辺部方向に抜ける青色光との差が小さくなるようにし、色われを低減することができる。一方、実装領域17の中央部に位置する各LED素子18に垂直に対向する発光面20の垂直対向領域には、周囲に位置する他のLED素子18の発光に伴う黄色光が多く作用するが、実装領域17の周辺部に位置する各LED素子18に垂直に対向する発光面20の垂直対向領域には、周囲に位置する他のLED素子18が少なくなるため、周囲に位置するLED素子18の発光に伴う黄色光の作用が少なくなる。そこで、実装領域17の周囲の蛍光体層19の幅をある程度以上確保することにより、蛍光体層19の周辺部で蛍光体から放射する黄色光を多くし、色むらを低減することができる。
 複数のLED素子18の実装領域17の幅W2が蛍光体層19の形成領域の幅W1に対して80%より小さいと、蛍光体層19の周辺部で蛍光体から放射する黄色光が減少するとともに、周辺部方向へ青色光が抜けにくくなるため色むらが発生しやすくなる。また、上限値については、基板15に実装されたLED素子18の周囲にはLED素子18とボンディングワイヤで電気的に接続する配線パターンが形成され、その配線パターンやボンディングワイヤを含めて蛍光体層19で覆って保護するため、100%以下とすることが好ましく、さらに好ましくは95%以下とすることが望ましい。
 したがって、照明装置11は、フレネルレンズ13を用いるとともに、発光モジュール12の複数のLED素子18間の間隔を1.5mm以下で、かつ発光部16の幅が最も広い箇所での複数のLED素子18の実装領域の幅W2を蛍光体層19の形成領域の幅W1に対して80%以上とすることにより、フレネルレンズ13による発光モジュール12の発光部16からの光の配光制御が可能で、狭角配光とした場合でも色われの発生を低減できる。
 次に、狭角配光とする場合において、フレネルレンズ13と発光部16との関係は、発光部16の幅W1が、フレネルレンズ13のレンズ突部25が形成されている有効領域の幅W3の8~15%の範囲としている。これにより、フレネルレンズ13の出射面24に輝度むらが発生するのを低減し、色われの発生を防止できる。
 図7には、光源径/フレネルレンズ径に対する輝度均斉度を測定した結果を示すグラフを示し、また、図8には、光源径/フレネルレンズ径に対する1/2ビーム角を測定した結果を示すグラフを示す。なお、ここでは、発光部16およびフレネルレンズ13とも円形の場合で測定を実施した。
 フレネルレンズ径は、フレネルレンズ13のレンズ突部25が形成されている有効領域の径である。
 輝度均斉度は、フレネルレンズ13の出射面24を正面から見た場合の最も暗いところと最も明るいところとの比であり、輝度均斉度が1であれば明るさの差がなく、輝度均斉度が1より小さくなるほど明るさの差が大きくなる。また、白熱電球を用いたダウンライトを下面から見た場合の輝度均斉度は、一般的に0.1程度である。
 狭角配光は、一般的に1/2ビーム角が15°以下となるものを狭角配光と呼んでいる。
 図7に示すように、照明器具の輝度均斉度0.1を基準として考えると、光源径がフレネルレンズ径に対して8%以上の割合であれば、輝度均斉度0.1の基準を超えた輝度均斉度が得られた。
 図8に示すように、フレネルレンズ13により1/2ビーム角が15°以下となる狭角配光に制御する場合には、光源径がフレネルレンズ径に対して14.5%以下であって誤差を考慮して15%以下の割合とすることになる。
 なお、発光部16が円形の場合の測定結果であったが、発光部16が四角形の場合にも同様の測定結果が得られる。
 したがって、発光部16の幅W1を、フレネルレンズ13のレンズ突部25が形成されている有効領域の幅W3の8~15%の範囲とすることにより、フレネルレンズ13によって狭角配光としても、フレネルレンズ13の出射面24の輝度むらの発生を低減し、色われの発生を防止できる。
 また、ここでは長さ比について述べたが、その長さ比を面積比に換算すれば、発光部16の発光面積を、フレネルレンズ13の有効領域の光出射面積の2.8~3.8%の範囲とすることにより、フレネルレンズ13によって狭角配光としても、フレネルレンズ13の出射面24の輝度むらの発生を低減し、色われの発生を防止できる。
 なお、発光部16の形状は、長方形に限らず、正方形や円形など、どのような形状でもよい。発光部16が円形の場合にも、円形の範囲内に複数のLED素子18が縦横方向に沿って配列される。また、発光部16が円形の場合、発光部16の幅が最も広い箇所は、発光部16の直径が最も大きい箇所となる。
 次に、第2の実施形態を、図9ないし図14を参照して説明する。なお、前記実施形態と同じ構成については、同じ符号を用いてその説明を省略する。
 図9に示すように、発光モジュール12は、リモート・フォスファーLEDモジュールで構成されている。すなわち、LED素子18が実装された基板15と、LED素子18に離間対向して配設された蛍光体層19とが、キャビティ30内に収容されている。
 基板15は、円形に形成されている。また、蛍光体層19は、LED素子18から放射される光の波長を変換するもので、蛍光体含有樹脂、本実施形態では、透明なシリコーン樹脂に黄色蛍光体を分散・混合した樹脂で構成され、円形をなす板状に成型されている。
 基板15および蛍光体層19は、キャビティ30内に、基板15に配設されたLED素子18に対向し所定の間隔を有して蛍光体層19が配設される。これにより、蛍光体層19は、口径φ1を有する円形の発光面20を形成している。キャビティ30は、熱伝導性の良好な金属、本実施形態では、アルミニウムでリング状をなす形状に構成されている。
 なお、このように構成されたリモート・フォスファーLEDモジュールは、広い面積から光を照射することができるが、配光角が略ランバーシャン(配光角120°)となるため、ダウンライトなどに適用するためには、配光角を制御する必要がある。これらの問題は、リモート・フォスファーLEDモジュールに限らず、発光モジュール12において共通の問題である。
 ここで、発光面20は、蛍光体層19の全ての面積で形成されることが発光効率を向上させることから好ましいが、例えば、蛍光体層19をキャビティ30の開口部に支持するために、キャビティ30の開口部に形成される縁部材で蛍光体層19の外縁部が一部塞がれた場合には、塞がれた外縁部を除いた部分が発光面20となる。換言すれば、蛍光体層19から外方へ光が照射される部分が発光面20であり、発光部16の口径φ1を規定する。しかし、発光部16は、発光する部分が明確に特定し難い構成も考えられ、その場合には蛍光体層19の口径を発光部16の口径φ1としても差し支えない。
 そして、蛍光体層19は、LED素子18から放射される青色光を透過させるとともに、青色光を黄色蛍光体によって黄色光に変換する。透過した青色光と黄色光とが混光して、発光面20から白色の光が放射される。この白色の光は、蛍光体層19が円形の広い発光面20を形成し、1/2ビーム角が120°のランバーシャン配光で放射される。
 フレネルレンズ13は、蛍光体層19の円形の発光面20から広角に放射される光をダウンライト形の照明器具などに適した配光角に制御するもので、合成樹脂、本実施形態では、口径φ2を有する透明な円形のアクリル樹脂板で構成する。なお、透明なガラスで構成してもよい。フレネルレンズ13は、発光部16に対向し、かつ所定の間隔h1を有し、かつフレネルレンズ13の中心oを発光モジュール12の光軸x-x線に合致させて配置される。
 ここで、フレネルレンズ13の口径φ2は、レンズ作用をなす、のこぎり刃状の断面をもったレンズ部分の口径を意味する。しかし、フレネルレンズ13は、その構成により外周部分がレンズ作用をなす部分か否かが明確に特定し難い構成も考えられ、その場合にはフレネルレンズ13の外径をフレネルレンズ13の口径φ2としても差し支えない。
 フレネルレンズ13と発光モジュール12との所定の間隔h1は、フレネルレンズ13の裏面側と発光面20の表面(蛍光体層19の表面)との間の間隔寸法を意味する。
 また、保持部31は、キャビティ30とともに、本体32を構成するもので、発光モジュール12からフレネルレンズ13に向かう光路を形成するように、合成樹脂で内部を空間にした円錐台をなす形状を有し、一方の開口端側でフレネルレンズ13を保持するとともに、他方の開口端側はキャビティ30に接続される。なお、保持部31は、フレネルレンズ13を保持することができれば円筒状であってもよい。
 そして、円形のフレネルレンズ13の口径φ2は、蛍光体層19の円形の発光面20の口径φ1に対して1.0~2.7倍を有するように構成する(φ2/φ1=1.0~2.7)。これにより、蛍光体層19の円形の発光面20から広角に放射される光を、フレネルレンズ13の集光作用によって、ダウンライト形の照明器具などとして必要な配光特性、本実施形態では、1/2ビーム角を約100°~約45°の範囲に制御することが可能になった。
 これにより、LED素子18を光源とした発光モジュール12と、発光モジュール12に対向して配置されたフレネルレンズ13とからなる照明装置11が構成され、この照明装置11は、ダウンライトやスポットライトなどの照明器具の光源体として用いられる。
 次に、本実施形態における照明装置11の配光特性を確認するためのシミュレーションを行った。このシミュレーションは、器具の小形化とグレアレスを達成しつつ、ダウンライト形の照明器具として必要な配光特性すなわち必要な配光角を作り出すことが可能かという点に注目し、器具の小形化を阻害しグレアの元となる反射板による配光制御を行わずに、フレネルレンズ13の口径φ2のみを変更することによって行った。また、この種の照明装置は、蛍光体層19における蛍光体の結合剤における光の吸収や反射によって輝度むらが生じ易く、明るさに均一性を欠く問題があり、配光特性と同時に輝度均斉度と輝度分布にも着目してシミュレーションを行った。各シミュレーションにおける照明装置の構成を図11に示す。
 シミュレーションNo.1は、本実施形態における構成の照明装置11において、蛍光体層19の発光面20の口径φ1を約60mm、フレネルレンズ13の口径φ2を約60mm、φ2/φ1=1倍とし、フレネルレンズ13と発光モジュール12との所定の間隔h1を約10mmにして構成したものである。
 シミュレーションNo.2は、本実施形態における構成の照明装置11において、発光面20の口径φ1を約60mm、フレネルレンズ13の口径φ2を約80mm、φ2/φ1=1.3倍とし、フレネルレンズ13と発光モジュール12との所定の間隔h1を約13.6mmにして構成したものである。
 シミュレーションNo.3は、本実施形態における構成の照明装置11において、発光面20の口径φ1を約60mm、フレネルレンズ13の口径φ2を約120mm、φ2/φ1=2倍とし、フレネルレンズ13と発光モジュール12との所定の間隔h1を約20mmにして構成したものである。
 シミュレーションNo.4は、本実施形態における構成の照明装置11において、発光面20の口径φ1を約60mmとし、フレネルレンズ13の口径φ2を約162mm、φ2/φ1=2.7倍とし、フレネルレンズ13と発光モジュール12との所定の間隔h1を約27mmにして構成したものである。
 なお、各シミュレーションの照明装置11は、ダウンライト形の照明器具の光源体として構成されたものであり、発光モジュール12の光束は、1000~2000lmである。本シミュレーションでは、1000lmの発光モジュール12を用いた。
 上記条件により、シミュレーションNo.1~No.4における配光特性を確認した。その結果が図12に示す配光曲線図である。図12(a)は、シミュレーションNo.1における配光曲線図であり、1/2ビーム角が略100°の配光特性を有している。また、図12(b)は、シミュレーションNo.2における配光曲線図であり、1/2ビーム角が略80°の配光特性を有している。また、図12(c)は、シミュレーションNo.3における配光曲線図であり、1/2ビーム角が略60°の配光特性を有している。また、図12(d)は、シミュレーションNo.4における配光曲線図であり、1/2ビーム角が略45°の配光特性を有している。
 この結果、フレネルレンズ13を用い、かつフレネルレンズ13の口径φ2を発光部16の口径φ1の1.0~2.7倍にすることにより、ダウンライト形の照明器具において必要な配光特性、すなわち、1/2ビーム角が約100°~45°の範囲で十分に得られることが確認された(図11参照)。
 次に、シミュレーションNo.1~No.4における輝度均斉度を確認した。その結果が図13に示すグラフである。このグラフは、フレネルレンズ13の口径φ2に対する光源径、すなわち発光部16の口径φ1の比率(光源径/フレネルレンズ径の比)と、輝度均斉度(min/max)との関係を表したグラフである。
 このグラフによれば、光源径が略37%、すなわち、φ2/φ1=2.7倍(シミュレーションNo.4)を境にして、光源径が略50%(φ2/φ1=2倍:シミュレーションNo.3)、光源径が略75%(φ2/φ1=1.3倍:シミュレーションNo.2)、光源径が略100%(φ2/φ1=1倍:シミュレーションNo.1)で、輝度均斉度が0.5以上になることが判明した。輝度均斉度は、0.1以上であれば、一般的な照明器具において許容される範囲であり、0.5以上であれば、面光源となり十分に許容される範囲で、シミュレーションNo.1~No.4、すなわち、フレネルレンズ13を用い、かつフレネルレンズ13の口径φ2を発光部16の口径φ1の1.0~2.7倍にすることにより、照明器具として十分な輝度均斉度を有していることが確認された。
 次に、シミュレーションNo.1~No.4における輝度分布を確認した。その結果が図14に示す輝度分布図である。この輝度分布図は、鉛直角0°方向から見た中心輝度と中心を囲む周囲における輝度分布の状態を示したものである。
 この輝度分布図によれば、光源径/フレネルレンズ径の比が37%、46%、56%、65%、74%の状態において、最も輝度の高い中心部分から、周囲に向けて徐々に輝度の低い部分が均等に分布していることが判明し、中心から周囲に向けた輝度が均等に分布されることが確認された。
 また、特に、光源径が37%、すなわち、φ2/φ1=2.7倍(シミュレーションNo.4)においては、最も輝度の高い(約480000Nit)中心部分の領域が狭く、周囲に向け輝度が徐々に均等に低くなっており、ダウンライト形の照明器具における直下の明るさを略均等に分布させることが可能であることが確認された。この結果、フレネルレンズ13を用い、かつフレネルレンズ13の口径φ2を発光部16の口径φ1の1.0~2.7倍にすることにより、照明器具として良好な輝度分布を有していることが確認された。
 以上、シミュレーションの結果、本実施形態における照明装置11によれば、器具の小形化を阻害しグレアの元となる反射板を用いずに、フレネルレンズ13の口径のみを変更する簡易な手段によって、目的とする配光特性を容易に作り出すことが可能になった。換言すれば、器具の小形化とグレアレスを達成しつつ、目的とする配光特性を容易に作り出すことが可能になった。同時に、良好な輝度均斉度を有し、かつ輝度分布の良好な照明装置11を提供することができ、周囲に向かって明るさの変化が少なく略均等の明るさにすることが可能な照明器具を提供することが可能になった。
 本実施形態において、発光モジュール12の発光面20およびフレネルレンズ13は、円形をなすように構成したが、円形に限らず正方形などの矩形状、六角形や八角形などの多角形状であっても、さらには楕円形状であってもよい。これら非円形をなす発光面20の口径φ1およびフレネルレンズ13の口径φ2は、次のようにして算出することが好ましい。すなわち、非円形の面積を、同一面積を有する円に換算し、換算した円の面積における直径を口径寸法φ1、φ2とすることにより設定される。
 また、発光モジュール12の発光面20およびフレネルレンズ13は、共に円形をなすように構成したが、それぞれを異なる形状に構成してもよい。例えば、発光面20を円形にし、フレネルレンズ13を正方形に形成してもよい。これによれば、例えば、テレビスタジオや劇場用のスポットライトの光源体として好適な照明装置を提供することが可能になる。
 また、発光モジュール12は、リモート・フォスファーLEDモジュールで構成したが、COB形のLEDモジュールで構成してもよい。すなわち、図15に示す第3の実施形態のように、基板15としてセラミックス製の基板を用い、基板15の表面に白色の合成樹脂を塗布することによって円形をなす土手部35を形成し、浅い円形の収容凹部36を形成する。この収容凹部36の底面にスクリーン印刷によって配線パターンを形成し、配線パターンに対してCOB技術により複数のLED素子18を略マトリックス状にボンディングして実装する。そして、基板15の収容凹部36内に、透明なシリコーン樹脂に黄色蛍光体を分散・混合した封止部材37を塗布または充填して蛍光体層19を形成する。この構成によれば、土手部35によって囲まれた蛍光体層19によって発光面20が形成され、蛍光体層19の全体から白色の光を放射させることが可能になる。
 本例の場合、図15に示すように、蛍光体層19の全体が発光面20であり、発光部16の口径φ1は、蛍光体層19全体の口径を意味する。また、フレネルレンズ13の口径φ2は、レンズ作用をなす、のこぎり刃状の断面をもったレンズ部分の口径を意味する。また、フレネルレンズ13と発光モジュール12との所定の間隔h1は、フレネルレンズ13の裏面側と発光面20の表面(蛍光体層19の表面)との間の間隔寸法を意味する。
 さらに、本実施形態において、LED素子18は、例えば、青色を発光する窒化ガリウム(GaN)系半導体からなるLEDチップで構成されることが好適であるが、半導体レーザ、有機ELなどを発光源とした固体発光素子が許容される。さらに、白色で発光するようにしたが、照明装置の用途に応じ、赤色、青色、緑色等でも、さらには各種の色を組み合わせて構成してもよい。
 以上のように構成された照明装置11は、図16に示す第4の実施形態のように、ダウンライト形の照明器具の光源体として用いることができる。ダウンライト形の照明器具40は、器具本体41と、器具本体41に内蔵され配設された照明装置11で構成される。
 器具本体41は、一端部に光源部42を他端部に端子台43を配設し、内部に電源部44を収容するための両端が開放した円筒体をなす熱伝導性の良好なアルミニウムで構成する。また、器具本体41は、内部の一端部の開口41a側に位置して、仕切板41bを一体に形成し、開口41aと仕切板41bとの間に光源部42を収納するための凹部からなる収納部41cを一体に形成する。図16中、41dは、収納部41cの側壁周囲に貫通して形成された複数個の放熱孔である。
 光源部42は、上述した照明装置11を内蔵することにより構成される。すなわち、発光モジュール12のアルミニウムからなる基板15の底面を、熱伝導性および電気絶縁性を有するシリコーン樹脂などからなる絶縁シートなどを介して、仕切板41bの表面に密着させ、さらに、ねじなどの固定手段により照明装置11を器具本体41に支持する。これにより、発光モジュール12と仕切板41bとが熱的に接続され、器具本体41内に照明装置11が配設される。
 さらに、フレネルレンズ13を化粧枠45に嵌合させて支持する。これにより、照明装置11の光軸x-x線が、円筒体からなる器具本体41の中心軸線y-y線に合致し、器具本体41には全体として平面視で略円形の発光面を有する光源部42が構成される。
 電源部44は、器具本体41の光源部42に収納された照明装置11を点灯させるための点灯回路を有し、リード線により照明装置11に配線接続され、端子台43を介して100Vの商用電源が供給される。
 図16中、46はダウンライトを天井などへ設置するための支持具で、ステンレスの板材をプレス加工して形成した略L字形の2枚の板ばねからなり、L字の垂直部分を器具本体41の外側面に、径方向に対向して位置させて固定する。
 このように構成された照明器具40は、配光制御を行うための反射板を用いていないため、より小型に構成することができる。同時に、グレアの少ないダウンライト形の照明器具40が構成される。
 照明器具40は、被設置面である天井などに単体若しくは複数個を送り用ケーブルにより接続させて設置される。点灯されると、照明装置11によって、上述したように、ダウンライトとして必要な配光特性、本実施形態においては、1/2ビーム角が約100°~約45°の範囲で選択された配光特性、例えば、1/2ビーム角80°を有し、かつ周囲に向かって明るさの変化が少なく略均等の明るさをもった照明を行うことができる。
 また、発光モジュール12の各LED素子18から発生した熱は、発光モジュール12のアルミニウム製の基板15から仕切板41bを介して面積の広いアルミニウムからなる器具本体41に効果的に伝達され効率よく外部に放熱される。
 また、異なる配光特性が必要なダウンライト形の照明器具を構成する場合には、発光モジュール12はそのままにして、口径の異なるフレネルレンズ13に交換することによって、1/2ビーム角が約100°~約45°の範囲で選択された必要な配光特性を有するダウンライト形の照明器具を構成することができる。また、上述したように、本実施形態の照明装置11によりダウンライト形の照明器具を構成したが、スポットライトなど、住宅用、さらにはオフィスなどの施設、業務用などの各種の照明器具を構成してもよい。
 また、図17に示す第5の実施形態のように、一般照明用の白熱電球に置き換え可能なLEDを用いたLED電球50を構成してもよい。すなわち、LED電球50は、照明装置11を組み込んだ光源部51と、点灯装置52を収納したカバー53と、口金54とで構成する。口金54は一般照明用の白熱電球用のソケットに装着可能な、例えばE26形口金で構成する。
 このLED電球50によれば、光源部51における発光モジュール12は、そのままにしてフレネルレンズ13の口径を変えるのみで、各種配光特性を有するLED電球50を提供することが可能になる。
 次に、第6の実施形態を、図18を参照して説明する。なお、前記実施形態と同じ構成については、同じ符号を用いてその説明を省略する。
 フレネルレンズ13は、発光部16に対向する前面部60、および発光部16の周囲に対向する取付脚部である側面部61を備えている。
 前面部60は基板15の実装面の形状および大きさと略等しく形成され、発光部16に対向する前面部60の内面に発光部16からの光が入射する入射面でもあるレンズ面23が形成され、このレンズ面23とは反対側となる前面部60の外面に光が出射する出射面24が形成されている。レンズ面23は、通常のレンズを同心円状の領域に分割し、厚みを減らしたレンズであり、径方向にのこぎり刃状の断面を有し、分割数を多くすればするほど薄くでき、使用材料を減らして軽量化もできる。レンズ面23では、発光部16から入射した光を所定の出射方向へ向けて出射させるもので、出射面24から出射する光の出射方向が、例えば、発光部16の前面に垂直な光軸方向と平行となるように制御する。
 側面部61は、例えば、前面部60の周辺部の全域から環状に形成されていて、前面部60に対して反対側の後方へ向けて開口されており、その側面部61の開口端には基板15の周辺部に取り付けられる取付部62が形成されている。この取付部62には、側面部61の内周面に基板15の周辺部に嵌り込む環状の嵌合溝63が形成され、この嵌合溝63に嵌り込んだ基板15の他面である背面に引っ掛かって保持する爪部64が形成されている。がたつき防止のために、基板15と嵌合溝63との間に弾性体や接着剤などを介在させてもよい。
 そして、このように構成された照明装置11では、点灯装置から発光モジュール12の複数のLED素子18に点灯電源を供給することにより、複数のLED素子18が点灯して発光部16の発光面20から光が放射され、この光がフレネルレンズ13に入射し、このフレネルレンズ13から外部へ出射される。フレネルレンズ13のレンズ面23が形成された前面部60に入射した発光部16からの光は、前面部60の出射面24から例えば光軸方向と平行な方向へ向けて出射される。また、発光部16からこの発光部16の周囲へ向かう光が側面部61に入射し、この側面部61を通過して外部へ出射される。
 この照明装置11によれば、通常のレンズに比べて、薄く、使用材料を減らして軽量化できるフレネルレンズ13を用いるとともに、このフレネルレンズ13を発光モジュール12の基板15に直接取り付けることにより、特別な支持部品が必要なく、フレネルレンズ13による発光部16からの光の配光制御が可能でありながら、構造が簡単で、小形にできる。
 しかも、フレネルレンズ13を発光モジュール12の基板15に直接取り付けるため、レンズ面23の中心と発光部16の中心とが一致するとともに、レンズ面23と発光部16との距離が一定となるなど、レンズ面23と発光部16との位置関係を正確に合わせることができ、光学特性を安定させることができる。
 次に、第7の実施形態を、図19を参照して説明する。なお、前記実施形態と同じ構成については、同じ符号を用いてその説明を省略する。
 フレネルレンズ13の側面部61に、発光モジュール12の発光部16の周囲に対向され、その発光部16から周囲の方向へ向かう光を所定の出射方向である光軸方向に平行な方向へ向けて全反射させる全反射面65が一体に形成されている。
 このフレネルレンズ13により、発光部16から周囲の方向へ向かい、レンズ面23に入射しない光を、全反射面65で全反射させて出射面24から出射させることができ、出射面24から光を取り出す光取出効率を向上できる。
 次に、第8の実施形態を、図20を参照して説明する。なお、前記実施形態と同じ構成については、同じ符号を用いてその説明を省略する。
 フレネルレンズ13は、発光モジュール12の発光部16に対向する内面を凹曲面、内面に対して反対側の外面を凸曲面としたメニスカスレンズ構造とし、その内面にレンズ面23が形成されている。
 この湾曲したフレネルレンズ13により、集光性を高めることができる。通常、フレネルレンズの集光性を高めるには、フレネルレンズを大形にする必要があるが、大きくすることによって出射光に同心円状の濃淡が発生したり回析の影響による結像性能の悪化が顕著になるが、この湾曲したフレネルレンズ13により、大形になることがなく、その大形になることによる悪影響もなく、集光性を高めることができる。
 また、湾曲したフレネルレンズ13は、レンズ面23と発光モジュール12の発光部16との距離を確保して配光制御を可能とするとともに、発光部16から周囲の方向へ向かう光をレンズ面23の周辺部領域に入射させて出射面24から出射させ、出射面24から光を取り出す光取出効率を向上できる。
 次に、第9の実施形態を、図21を参照して説明する。なお、前記実施形態と同じ構成については、同じ符号を用いてその説明を省略する。
 発光モジュール12の基板15の実装面には複数の発光部16が形成されている。例えば、基板15が円板状で、この基板15の同一円周上の3箇所以上に形成されている。基板15の中心部には挿通孔67が形成されている。
 フレネルレンズ13の前面部60の内面で各発光部16に対向する各領域には、レンズ面23(図21ではレンズ面23の図示を省略している)がそれぞれ形成されている。フレネルレンズ13の前面部60の内面の中心部には、ナット68がインサート成形されたボス69が突出形成されている。側面部61の取付部62は、基板15の周辺部が嵌り込む嵌合溝63を有するが、基板15の実装面に対して反対の背面側への突出箇所は設けられていない。
 また、フレネルレンズ13が取り付けられた発光モジュール12は、本体71に取り付けられる。この本体71は、例えば、アルミニウムなどの金属製で、前面に発光モジュール12の基板15の背面が面接触する平面状の取付面72が形成され、背面に複数の放熱フィン73が形成されている。本体71の中心部には、取付面72と背面とに貫通する挿通孔74が形成され、この挿通孔74に固定手段75のねじ76が挿通される。
 そして、照明装置11を組み立てるには、フレネルレンズ13を発光モジュール12の基板15に取り付け、これらを基板15の背面が本体71の取付面72に接触するように配置し、ねじ76を本体71の挿通孔74および基板15の挿通孔67を通じてフレネルレンズ13のボス69のナット68に螺着して締め付ける。
 このねじ76の締め付けにより、発光モジュール12の基板15をフレネルレンズ13と本体71との間で挟み込み、発光モジュール12の基板15の背面を本体71の取付面72に密着させる。
 これにより、発光モジュール12の点灯時に複数のLED素子が発生する熱を、基板15から本体71に効率よく熱伝導でき、この本体71から効率よく放熱できる。
 また、例えば、基板15にねじ76を螺着するようにすると、基板15がひずみ、基板15の実装面に形成されている絶縁層などが割れてしまうなどの影響が発生する場合があるが、発光モジュール12の基板15をフレネルレンズ13と本体71との間で挟み込むようにねじ止めすることにより、基板15への影響を防止できる。特に、フレネルレンズ13で基板15の周辺部および中心部の広い範囲を本体71に対して均等に押し付けることができるため、基板15への影響を確実に防止できる。
 なお、ナット68を用いず、ボス69に孔を設けておいて、このボス69の孔にねじ76を螺着するようにしてもよい。
 また、固定手段75は、ねじ76に限らず、例えば、フレネルレンズ13の取付部62を利用して本体71に係止するようにしてもよい。
 また、ボス69から突出するようにねじをインサート成形し、このねじを本体71の挿通孔74に挿通して本体71の背面側でねじにナットを螺着して締め付けるようにしてもよい。
 また、各実施形態の照明装置11は、例えば、スポットライト、ダウンライト、その他、一般照明用に用いることができる。
 本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
 11  照明装置
 12  発光モジュールとしてのCOBモジュール
 13  フレネルレンズ
 15  基板
 16  発光部
 17  実装領域
 18  LED素子
 19  蛍光体層
 25b  レンズ突部
 26  谷
 27  山
 65  全反射面
 71  本体
 75  固定手段

Claims (9)

  1.  基板、および前記基板に複数のLED素子が実装されるとともに前記複数のLED素子を蛍光体層で覆って形成された発光部を有し、前記複数のLED素子間の間隔が1.5mm以下で、かつ前記発光部の幅が最も広い箇所での前記複数のLED素子の実装領域の幅が前記蛍光体層の形成領域の幅に対して80%以上である発光モジュールと;
     前記発光部に対向するフレネルレンズと;
     を具備していることを特徴とする照明装置。
  2.  前記発光部の幅は、前記フレネルレンズの幅の8~15%の範囲である
     ことを特徴とする請求項1記載の照明装置。
  3.  前記発光部の発光面積は、前記フレネルレンズの光出射面積の2.8~3.8%の範囲である
     ことを特徴とする請求項1または2記載の照明装置。
  4.  前記フレネルレンズの口径は、前記発光部の口径に対して1.0~2.7倍の範囲である
     ことを特徴とする請求項1記載の照明装置。
  5.  前記発光部に対向する前記フレネルレンズの面には複数のレンズ突部が同心円状に形成され、
     前記複数のレンズ突部のうち、前記フレネルレンズの周辺側に形成される前記複数のレンズ突部は反射形のレンズ突部であり、前記反射形のレンズ突部間の谷および前記レンズ突部の先端の山がそれぞれ曲面で形成され、谷の曲面の半径が山の曲面の半径より大きく形成されている
     ことを特徴とする請求項1ないし4いずれか一記載の照明装置。
  6.  前記フレネルレンズは、前記基板に取り付けられている
     ことを特徴とする請求項1ないし5いずれか一記載の照明装置。
  7.  前記フレネルレンズは、前記発光部の周囲に対向して前記発光部からの光を所定の出射方向へ全反射させる全反射面を有している
     ことを特徴とする請求項1ないし6いずれか一記載の照明装置。
  8.  前記フレネルレンズは、前記発光部に対向する面が凹曲面に形成され、前記発光部に対して反対側の面が凸曲面に形成されている
     ことを特徴とする請求項1ないし7いずれか一記載の照明装置。
  9.  本体と;
     前記基板を前記フレネルレンズと前記本体との間に挟み込み、前記基板を前記本体に接触させた状態に、前記フレネルレンズを前記本体に固定する固定手段と;
     を具備していることを特徴とする請求項1ないし8いずれか一記載の照明装置。
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