WO2009102003A1 - 発光モジュール及び照明装置 - Google Patents

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Abstract

 本発明は、発光効率及び配光特性が良好な発光モジュール並びにこの発光モジュールを用いた照明装置を提供することを目的とする。本発明は、表面側2aを部品実装面とし、裏面側2bを平坦な放熱面とする基板2と、基板2の部品実装面の中央部に突出して複数配設されるとともに、少なくとも上面方向及び部品実装面に沿った方向に光を放射する発光素子3と、基板2に設けられた配線パターンによって発光素子3と電気的に接続されるとともに、基板2の部品実装面であって、前記発光素子3よりも基板の周縁側に配設された点灯回路部品4と、基板2の部品実装面であって、前記発光素子3よりも基板2の周縁側に配設され、点灯回路部品4に電気的に接続された電源接続用のコネクタ5とを備える発光モジュール1である。

Description

発光モジュール及び照明装置
 本発明は、LED等の発光素子を配設した発光モジュール及びこの発光モジュールを用いた照明装置に関する。
 従来、給電端子部を有してLEDチップを搭載したLEDモジュールと、このLEDモジュールを着脱自在に保持する保持部材を設けた器具本体を備える照明器具が提案されている(特許文献1参照)。また、LEDモジュールを容易に交換したり、様々な器具に流用するため、LEDモジュールへ給電電線を直接接続するための端子部を設けたものが提案されている(特許文献2参照)。
特開2003-68129号公報 特開2003-59330号公報
発明の開示
 しかしながら、特許文献1に示されたものは、明確には示されてはいないが、LEDモジュール面に少なくともLEDチップと回路部品とを混在して配置したものである。したがって、ここにはLEDチップから放射される光の配光を良好にするというような技術的思想の開示はない。また、LEDモジュールの裏面を放熱面として積極的に利用するものでもない。さらに、給電端子部と保持部材の構成からして、このLEDモジュールは、特定の装着・接続構造を有するものであり、専用のアダプタを必要としているので、汎用性を有するものではない。
 また、特許文献2に示されたものは、同様に、LEDモジュール面にLEDチップと回路部品とを混在して配置したものである。したがって、ここにはLEDチップから放射される光の配光を良好にするという具体的な技術的思想の開示はない。
 本発明は、上記状況に鑑みなされたもので、発光効率及び配光特性が良好な発光モジュール並びにこの発光モジュールを用いた照明装置を提供することを目的とする。
 本発明の発光モジュールは、表面側を部品実装面とし、裏面側を平坦な放熱面とする基板と;基板の部品実装面の中央部に突出して複数配設されるとともに、少なくとも上面方向及び部品実装面に沿った方向に光を放射する発光素子と;基板に設けられた配線パターンによって発光素子と電気的に接続されるとともに、基板の部品実装面であって、前記発光素子よりも基板の周縁側に配設された点灯回路部品と;基板の部品実装面であって、前記発光素子よりも基板の周縁側に配設され、点灯回路部品に電気的に接続された電源接続用のコネクタと;を具備することを特徴とする。発光素子とは、LEDや有機EL等であり、この発光素子の配設個数には特段制限はない。
 本発明によれば、適用範囲の広い発光モジュールを提供できるとともに、発光素子から放射される光の配光を良好に、かつ最適化することが可能である。また、放熱効果を促進することができ、さらに、基板の配線パターンを短く、簡素化できる効果を奏する。
 また、前記発明において、前記発光素子は、基板の部品実装面の中央部の中心点を除き、回転対称となるように等間隔で複数個配設されていることが望ましい。こうすることにより、発光素子を複数個配設したので、基板の中心点付近から集中的に基板裏面側へ放熱することができ、水平方向に略均等な配光特性を得ることが可能となる。
 さらに、前記発明において、前記複数個配設された発光素子は、その発光部間の最小寸法をc、この最小寸法c線上の発光部の幅寸法をa、基板の実装面から発光部の上面までの高さ寸法をbとした場合、b<c<4aの寸法関係となるように配設されていることが望ましい。こうすることにより、輝度むらを抑制し、効率が良好な発光モジュールを提供できる。
 また、前記発明において、装置本体と;この装置本体に組込まれた請求項1乃至請求項3記載のいずれか一記載の発光モジュールと;を具備することが望ましい。ここで、照明装置は、口金を有する光源や屋内、屋外用の照明器具等を含む概念である。
 こうすることにより、前記発光モジュールを備えているので、これら発光モジュールの効果を奏する照明装置を提供することができる。
本発明の発光モジュールの第1の実施形態を示す平面図である。 同発光素子を拡大して示す一部側面図である。 同発光モジュールの回路図である。 本発明の照明装置の第1の実施形態を示す概略の構成図である。 同照明装置の第2の実施形態を示す概略の構成図である。 同照明装置の第3の実施形態を示す概略の構成図である。 第1の実施形態の発光モジュールの変形例を示す平面図である。 発光モジュールの第1の実施形態における発光素子(LEDパッケージ)を示す平面図及び側面図である。 発光素子の放射光の指向特性を示すグラフである。 発光素子の配設状態を示す平面図である。 発光モジュールを点灯した場合の床面における照度分布を示す模式図である。 発光素子の間隔に基づく輝度むら及び効率を示すグラフである。 発光素子の他の適用例を示す説明図である。
 以下、本発明の発光モジュールの第1の実施形態について図1乃至図3を参照して説明する。図1は、発光モジュールを示す平面図、図2は、発光素子を拡大して示す一部側面図、図3は、発光モジュールの回路図である。図1において、発光モジュール1は、円板状の基板2と、この基板2上に実装された発光素子3…、点灯回路部品4及び電源接続用のコネクタ5とから構成されている。
 基板2は、アルミニウム製で円板状に形成され、板厚約1.5mm、直径約70mmである。基板2は、表面側2aを部品実装面とし、裏面側2bを平坦状をなす放熱面として構成している。部品実装面には、その中央部に集中して8個の発光素子3…が各々所定の間隔を空けて実装されている。なお、基板2を金属製とする場合は、アルミニウムや銅等の熱伝導性が良好で放熱性に優れた材料を適用するのが好ましい。絶縁材とする場合には、放熱特性が比較的良好で、耐久性に優れた熱伝導フィラー入りのセラミック材料又は合成樹脂材料を適用できる。合成樹脂材料を用いる場合には、例えば、ガラスエポキシ樹脂等で形成できる。基板2の形状は、円形状に限らない。四角形、多角形状であってもよい。
 発光素子3…は、表面実装型のLEDパッケージであり、概略的にはセラミックスで形成された本体3aと、この本体に実装されたLEDチップと、このLEDチップを封止するエポキシ系樹脂やシリコーン樹脂等のモールド用の透光性樹脂3bとから構成されている(図2参照)。この本体3aからはLEDチップに接続された図示しない一対のリード端子が水平方向に突出している。LEDパッケージには、LEDチップが4個実装されており、各LEDチップがパッケージの電極間に直列に接続されている。したがって、4個のLEDチップを有するLEDパッケージが8個配設されているので、LEDチップとしては、32個配設されていることになる。なお、勿論、LEDパッケージにLEDチップ1個実装されているタイプのものも適用可能である。
 LEDチップは、青色光を発光する青色のLEDチップである。モールド用の透光性樹脂3bは、LEDチップの発光を吸収して黄色系の光を発生する蛍光体を含有しており、本体3aの上面から平板状をなすように所定の厚さをもってモールドされている。よって、LEDチップからの光は、結果的にLEDパッケージの透光性樹脂3bの上面及び側面から白色や電球色等の白色系の発光色となって広範な配光特性で外部へ放射されるようになっている。すなわち、発光素子3…からはその上面方向及び部品実装面に沿った方向に光が放射される。因みに、LEDパッケージの外形寸法は、縦3.5mm、横3.5mm、高さ1.5mm程度であり、略直方体形状をなしている。
 基板2の表面には絶縁層が形成されており、この絶縁層上に図示しない配線パターン及び面実装部品のリード端子が接続される接続ランドが形成されている。基板2の中心点を除く中央部には、発光素子3…が中心点を回転軸として基板2の表面方向に沿って回転対称(本実施形態では発光素子3…の発光中心を基準として45°対称)となるように所定の間隔(3mm~15mm、好ましくは5mm~10mm)をおいて配置されている。また、基板2の外周縁側には点灯回路部品4が実装配設されている。なお、発光素子3、3の間には点灯回路部品4が実装されることはない。点灯回路部品4は、LEDチップを点灯制御するものであり、ヒューズF、コンデンサC、整流器REC、定電圧ダイオードZD、抵抗素子R1、R2及びトランジスタQを備えている。また、同様に発光素子3…の周囲に位置して、電源接続用のコネクタ5が配設されている。このコネクタ5は、その接続口5aが基板2の外周縁に向き、かつ外周縁近傍に位置するように配設されている。商用電源の電源線との接続をし易くするためである。なお、これら点灯回路部品4及びコネクタ5は、発光素子3…よりも基板2の周縁側に位置しており、基板2の配線パターンを短くするため、分散せずに、ある程度集約(図示上、基板2の外周約1/3の領域)して配設されている。なお、基板3の実装面には、反射率の高い白色レジストが印刷されており、また、装置等への取付用のねじ貫通孔6が3箇所に形成されている。
 発光素子3…は、基板2の実装面から高さ方向に突出しており、図2で示すように透光性樹脂3bの突出部分から図示矢印で示すように光を放射状に出射するようになっている。したがって、実装面に対して、垂直方向(上面方向)に出射される光LVばかりでなく、LEDパッケージの透光性樹脂3bの側面から部品実装面に沿って出射される光LHも利用できるようになっている。
 図3の回路図において、商用電源ACの両端にヒューズFを介して、コンデンサCが接続されている。このコンデンサCの両端には全波整流器RECが接続され、全波整流器RECの出力端には、抵抗素子R1、定電圧ダイオードZDの直列回路と、複数個のLEDチップLED、NPNトランジスタQ、抵抗素子R2の直列回路とが並列に接続されている。また抵抗素子R1と定電圧ダイオードZDとの接続点には、トランジスタQのベースが接続されている。なお、上述のように、LEDパッケージは、4個のLEDチップが直列に接続されているので、LEDパッケージごとにトランジスタQ、抵抗素子R2の直列回路を構成し、互いに並列に接続するようにしてもよい。
 上記のような回路により定電流回路を構成しており、商用電源ACから供給された電流が直流に変換され、この直流電流がLEDチップLED、トランジスタQ、抵抗素子R2の直列回路に一定電流IFとして流れる。具体的には、定電圧ダイオードZDによりトランジスタQのベース電圧VBを一定にしておきトランジスタQのコレクタに流れ込む電流ICを一定にし、結果的にLEDチップに流れる電流IFを一定にする。
 以上のように本実施形態によれば、基板2の部品実装面の中央部に発光素子3…を配設し、その周囲に点灯回路部品4及び電源接続用のコネクタ5を配設したので、発光素子3…、すなわち、LEDパッケージの側面から出射される光LHを有効に利用することができ、配光を良好に、かつ最適化することができる。つまり、発光素子3…と点灯回路部品4及び電源接続用のコネクタ5とが混在して配置された場合には、特に、LEDパッケージの側面から出射される光LHは、点灯回路部品4等に遮られ、出射光の光取出し率の低下が高まり、出射光を有効に利用することができず、照明効率が低下し、配光の最適化にも支障をきたすこととなる。本実施形態では、点灯回路部品4等による出射光の光取出し率の低下が軽減されるので、側面から出射される光LHを有効に活用でき、例えば、反射体を利用して、出射光LHを被照射面方向に照射することが可能となる。加えて、発光素子3…と点灯回路部品4及び電源接続用のコネクタ5とをそれぞれ集約したので、基板2の配線パターンを短く、簡素化できる。また、基板2中心点には熱源である発光素子3…を配置せず、裏面側は平坦な放熱面としたので、放熱面を他の放熱体に接触させて基板2の中央部から裏面側に効率よく伝熱することができ放熱効果を促進する構成を容易に達成することができる。さらに、電源接続用のコネクタ5を含めてモジュール化したので、基板モジュール1を装置本体等に組込んで、あとはコネクタ5に商用電源を接続するだけで照明装置として構成でき、単一の共通部品として取扱うことが可能で、適用範囲の広い発光モジュール1を提供できる。また、コネクタ5は、その接続口5aが基板2の外周縁近傍に位置するように配設されているので、商用電源の電源線との接続がし易く、さらに、基板2の実装面には白色レジストが印刷されているので、反射効率が良好である。
 次に、本発明の照明装置の第1の実施形態について、図4を参照して説明する。図4は、照明装置の概略の構成図である。この照明装置10は、例えば、ダウンライトであり、器具本体11を有し、器具本体11内には、放熱フィンを有する金属製の放熱体12、この放熱体12に取付けられた発光モジュール1及び反射体13が収納されている。発光モジュール1は、基板2の裏面側2bの放熱面がシリコーンラバーシートを介して放熱体12に密着するようにねじ止めによって取付けられている。勿論、この取付けは、ねじ止めによらず、接着等の手段によってもよい。反射体13は緩やかな曲面をなす椀状に形成されており、上下端縁を開口し、上端縁を取付開口部13aとし、下端縁を照射開口部13bとしている。
 ここで、反射体13の取付開口部13aは、発光モジュール1との位置的関係、すなわち、基板2の部品実装面との位置的関係では、基板2の中央部に配設された発光素子3…と、その周囲に配設された点灯回路部品4及び電源接続用のコネクタ5との間を分けるように介在している。つまり、発光素子3…と点灯回路部品4等は、反射体13により仕切られているので、発光素子3…から出射された光は、点灯回路部品4等が障害となることなく、反射体13に反射されて、下方に照射される。また、反射体13の表面側からは点灯回路部品4が見えないので、照明装置10の外観性も向上する。
 本実施形態によれば、上述の発光モジュール1の奏する効果に加え、発光素子3…からの出射光を一層効率的に配光することが可能な照明装置10を提供することができる。
 なお、照明装置は、上記実施形態に限らず、発光モジュール1を口金を有する光源に組込んで構成してもよく、また、屋内、屋外用の照明器具に組込んで構成してもよい。
 続いて、本発明の照明装置の第2の実施形態について、図5を参照して説明する。本実施形態では、光源として電球形のLEDランプを用いるダウンライト式の照明装置を示している。
 図5において、天井面に設置された照明装置は、装置本体10と、この装置本体10に取付けられた電球形の光源20とを備えている。この光源20には、発光素子3…が実装された第1の実施形態の発光モジュール1、この発光モジュール1と熱的に結合された放熱部材としての本体21、この本体21に絶縁部材を介して取付けられた例えば、E26型の口金及び発光モジュール1を覆って本体21に取付けられたグローブ22を備えて構成されている。
 装置本体10は、下面に開口部を有する金属製の箱状をなしたケース15と、このケース15の開口部に嵌合される金属製の反射体16とから構成されている。反射体16は、例えば、アルミニウム等の金属板で形成され、下面周囲には飾り枠16aが形成されている。反射体16の上面板の中央には、光源20の口金をねじ込むソケット17が配設されている。このソケット17は、ケース15の内側に固定された支持板18を介してケース15に取付けられている。
 本実施形態によれば、上述の発光モジュール1の効果を奏する電球形のLEDランプを備えた照明装置を提供することができる。
 さらに、本発明の照明装置の第3の実施形態について、図6を参照して説明する。なお、第2の実施形態と同一又は相当部分には同一符号を付し、重複した説明は省略する。本実施形態は、光源20として高さ方向の寸法が小さい薄形に形成されたLEDランプを用いるダウンライト式の照明装置を示している。また、同様に、前記光源20には、第1の実施形態の発光モジュール1が組込まれており、この発光モジュール1には、放熱部材としての本体21が熱的に結合されている。また、口金には、接続ピン25が備えられており、GX53形に形成されている。一方、ケース15側には、口金の接続ピン25が電気的及び機械的に接続されるソケット17が配設されている。
 以上にように本実施形態によれば、発光モジュール1の効果を奏する薄形のLEDランプを備えた照明装置を提供することができる。
 次に、第1の実施形態の発光モジュールの変形例について図7を参照して説明する。図7は、発光モジュールを示す平面図である。なお、第1の実施形態と同一又は相当部分には同一符号を付し、重複した説明は省略する。
 基板2の部品実装面には、その中央部に集中して点灯回路部品4が実装されている。点灯回路部品4は、ヒューズF、コンデンサC、整流器REC、定電圧ダイオードZD、抵抗素子R1、R2及びトランジスタQである。一方、発光素子3…は、点灯回路部品4の周囲に所定間隔を空けて実装されている。なお、電源接続用のコネクタ5は、その接続口5aが基板2の外周縁近傍に位置するように配設されている。電源接続用のコネクタ5は、電源線との接続を考慮すると、基板2の外周縁近傍が望ましいが、基板2の中央部に点灯回路部品4とともに配設してもよい。この変形例は、第1の実施形態の発光素子3…と点灯回路部品4との配置関係が逆であり、発光素子3…の実装間隔が第1の実施形態よりも大きいので、LEDパッケージの側面から出射される光LHを有効に利用できるという点で第1の実施形態と共通しており、発光素子3…の間隔を大きくすることによって発光素子3…の熱を基板2全体を利用して基板2の裏側へ伝熱し放熱をすることができる。
 次に、上述の第1の実施形態における発光モジュール1において、基板2に複数個実装された各発光素子3…の間隔と、その間隔に基づく輝度むらの程度及び発光効率の変化を検討した実施例について図8乃至図13を参照して説明する。
 図8において、発光素子3…は、表面実装型のLEDパッケージであり、本体3aと、この本体3aに実装されたLEDチップと、このLEDチップを封止する透光性樹脂3bとから構成され、透光性樹脂3bの部分は発光部Lとして機能するようになっている。図8(a)に示すように、発光部Lは、一辺の寸法Wが2.8mmの略正方形状に形成されており、対角線上の寸法aは、約4mmとなっている。また、図8(b)に示すように、基板2に実装された発光素子3…は、基板2の実装面から発光部Lの上面までの高さ寸法bが1.5mmであり、加えて、発光部Lの高さ寸法hは、0.7mmとなっている。
 図9は、発光素子3…の指向特性を示すグラフである。発光素子3は、直上面方向、すなわち、放射角度0°で最大の照度であり、側面方向、例えば、放射角度80°で最大照度の40%以上、放射角度70°で最大照度の50%以上の照度を有しており、部品実装面に沿った方向に所定の光が放射されている。
 このような形態と特性を有する発光素子3…を図10に示すように所定の間隔を置いて配置する。そして、この間隔を変え、輝度むら及び発光効率を評価、測定した。
 ここで、図示のように、隣接する発光素子3…の発光部L1、L2間の最小寸法をcとし、この最小寸法cの線上における発光部L1、L2の幅寸法をaとする。また、輝度むらの評価方法は、発光モジュール1を床面から2.5mの高さで点灯し、床面を照射したときの床面の照明状態を観察して、視覚的評価に基づいて行なった。この視覚的評価は、図11に示すように床面の照度分布を観察したものである。因みに、図は、照度の差が生じている境界、具体的には、発光素子3…の発光パターン(発光素子3…の実装パターンイメージ)の見え具合を実線で模式的に表したものである。したがって、Aは、輝度むらが全く見えない、Bは、輝度むらがほとんど気にならない、Cは、輝度むらが気になる、Dは、輝度むらがはっきり見える、とランク付けされるものである。概略的には、発光素子3…の発光部L間の間隔が狭いと輝度むらは解消されるが、隣接する発光素子3…が放射光の障害となり、効率が低下し、また、発光部L間の間隔が広いと効率は高くなるが、輝度むらが発生する傾向がある。
 上記評価、測定の結果、図12に示す評価、測定値が得られた。図において、横軸は、発光素子3…の発光部L間の間隔cであり、縦軸は、輝度むらの評価及び効率の測定値である。輝度むらは、間隔cが4mmを超えるに従って徐々に下降し、悪化する傾向となる。また、効率は、間隔cが広がるに従い上昇するが、8mmを超えると飽和状態となることが判明した。
 以上の結果を考察し、輝度むらの許容範囲は、Cランク付近であり、また、効率を考慮すると、発光素子3…間の間隔cは、b<c<4aの範囲にあるのが好ましいことが確認できた。また、上記範囲において、さらに、効率、輝度むらの評価を高め、照明効果を一層向上する最適範囲は、2b≦c≦3aの範囲であるとの見解に至った。さらに、各発光素子3…同士の発熱の影響を抑えるためには、a<cとすることが配置パターとして最適である。a<cとすることで発光素子3…の発光中の温度の上昇を抑制できる。なお、前記間隔cの下限値を発光部Lの高さ寸法hを用いて表すこともできる。この高さ寸法hを用いて表すと、およそ、2h<c、好ましくは、4h≦cの関係となる。
 なお、本実施例においては、図10に示す発光素子3…の発光部L1及びL2の関係をとりあげて説明したが、例えば、発光部L2及びL3についても間隔cの寸法関係は同様である。また、発光素子3…の各寸法、指向特性等は、実施例の具体的寸法、特性に限定されるものではない。発光素子3…の実装パターンも図10に示すような円周上に沿って実装されるものに限らない。各発光素子3…間の最小寸法cが上記の所定範囲であればよく、例えば、マトリクス状に実装されていてもよい。
 さらに発光素子としては、図13に示すような発光素子30を適用することもできる。この発光素子30は、表面実装型のLEDパッケージであり、このLEDパッケージは、セラミックスで形成された本体30aと、この本体30aに設けられたリフレクター30dと、本体30aとリフレクター30dとで形成された凹部に実装されたLEDチップ30cと、このLEDチップ30cを封止するシリコーン樹脂30eとから構成されている。このシリコーン樹脂30eの部分が発光部Lとして機能し、発光部Lから上面方向及び部品実装面に沿った方向を含んで全体として図9に示す指向特性に類似した放射状に光が出射されるようになっている。
 本発明によれば、適用範囲の広い発光モジュールを提供できるとともに、発光素子から放射される光の配光を良好に、かつ最適化することが可能である。また、放熱効果を促進することができ、さらに、基板の配線パターンを短く、簡素化できる効果を奏する。

Claims (4)

  1. 表面側を部品実装面とし、裏面側を平坦な放熱面とする基板と;
     基板の部品実装面の中央部に突出して複数配設されるとともに、少なくとも上面方向及び部品実装面に沿った方向に光を放射する発光素子と;
     基板に設けられた配線パターンによって発光素子と電気的に接続されるとともに、基板の部品実装面であって、前記発光素子よりも基板の周縁側に配設された点灯回路部品と;
     基板の部品実装面であって、前記発光素子よりも基板の周縁側に配設され、点灯回路部品に電気的に接続された電源接続用のコネクタと;
     を具備することを特徴とする発光モジュール。
  2. 前記発光素子は、基板の部品実装面の中央部の中心点を除き、回転対称となるように等間隔で複数個配設されていることを特徴とする請求項1記載の発光モジュール。
  3. 前記複数個配設された発光素子は、その発光部間の最小寸法をc、この最小寸法c線上の発光部の幅寸法をa、基板の実装面から発光部の上面までの高さ寸法をbとした場合、b<c<4aの寸法関係となるように配設されていることを特徴とする請求項1記載の発光モジュール。
  4. 装置本体と;
     この装置本体に組込まれた請求項1記載の発光モジュールと;
     を具備したことを特徴とする照明装置。
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