JP2013118235A - Luminaire - Google Patents
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Abstract
【課題】レンズを形成することで光取り出し効率を向上することが考えられる。従来技術では、光取り出し効率を向上するレンズ形状とその形成方法および構成部材の濃度比率に関して具体的な記載がない。本発明では、LEDを用いた光源において、光取り出し効率を向上させることを目的としたレンズを光源に形成することを課題とする。
【解決手段】基板と、前記基板上に実装されたLEDと、前記LEDが発光した光の少なくとも一部を吸収して長波長の光に変換する蛍光体と、前記蛍光体を含有する樹脂で構成する蛍光体層と、前記蛍光体層より蛍光体の濃度が低い樹脂、または蛍光体が無い樹脂で構成するレンズと、を有する照明装置において、前記蛍光体層と前記レンズにフィラーが含有され、前記蛍光体層に含まれるフィラーの重量濃度よりも、前記レンズに含まれるフィラーの重量濃度の方が大きい。
【選択図】 図1It is conceivable to improve light extraction efficiency by forming a lens. In the prior art, there is no specific description regarding the lens shape that improves the light extraction efficiency, the formation method thereof, and the concentration ratio of the constituent members. An object of the present invention is to form a lens in a light source using an LED for the purpose of improving light extraction efficiency.
A substrate, an LED mounted on the substrate, a phosphor that absorbs at least part of light emitted from the LED and converts it into light having a long wavelength, and a resin containing the phosphor. In a lighting device having a phosphor layer to be configured and a lens made of a resin having a lower phosphor concentration than the phosphor layer, or a resin having no phosphor, the phosphor layer and the lens contain a filler. The weight concentration of the filler contained in the lens is larger than the weight concentration of the filler contained in the phosphor layer.
[Selection] Figure 1
Description
本発明は、照明装置に関するものである。 The present invention relates to a lighting device.
近年、照明装置の光源として、LED(Light Emmitting Diode、発光ダイオード)の使用が多くなっている。LEDは白熱電球や蛍光灯に比較して低消費電力であることが特徴であり、環境を配慮した光源である。 In recent years, LEDs (Light Emitting Diodes) have been increasingly used as light sources for lighting devices. LEDs are characterized by lower power consumption than incandescent bulbs and fluorescent lamps, and are light sources that are environmentally friendly.
LEDを用いた光源は、レンズを形成することにより、光学特性を改良することがある。特許文献1にLEDを用いた装置に関して開示されている。特許文献2にレンズに関して開示されている。 A light source using an LED may improve optical characteristics by forming a lens. Patent Document 1 discloses an apparatus using LEDs. Patent Document 2 discloses a lens.
レンズを形成することで光取り出し効率を向上することが考えられる。特許文献1および特許文献2は光取り出し効率を向上するレンズ形状とその形成方法および構成部材の濃度比率に関して具体的な記載がない。本発明では、LEDを用いた光源において、光取り出し効率を向上させることを目的としたレンズを光源に形成することを課題とする。 It is conceivable to improve the light extraction efficiency by forming a lens. In Patent Document 1 and Patent Document 2, there is no specific description regarding the lens shape that improves the light extraction efficiency, the formation method thereof, and the concentration ratio of the constituent members. An object of the present invention is to form a lens in a light source using an LED for the purpose of improving light extraction efficiency.
基板と、前記基板上に実装されたLEDと、前記LEDが発光した光の少なくとも一部を吸収して長波長の光に変換する蛍光体と、前記蛍光体を含有する樹脂で構成する蛍光体層と、前記蛍光体層より蛍光体の濃度が低い樹脂、または蛍光体が無い樹脂で構成するレンズと、を有する照明装置において、前記蛍光体層と前記レンズにフィラーが含有され、前記蛍光体層に含まれるフィラーの重量濃度よりも、前記レンズに含まれるフィラーの重量濃度の方が大きい。 A phosphor composed of a substrate, an LED mounted on the substrate, a phosphor that absorbs at least part of light emitted by the LED and converts it into long-wavelength light, and a resin containing the phosphor In a lighting device having a layer and a lens made of a resin having a phosphor concentration lower than that of the phosphor layer or a resin having no phosphor, the phosphor layer and the lens contain a filler, and the phosphor The weight concentration of the filler contained in the lens is larger than the weight concentration of the filler contained in the layer.
本発明の構成によれば、LEDを用いた光源において、光取り出し効率を向上し得るレンズを前記光源に形成した照明装置を提供することが可能となる。 According to the configuration of the present invention, it is possible to provide an illuminating device in which a lens capable of improving light extraction efficiency is formed on the light source using the LED.
<第1の実施形態>
図1(a)は、本発明の第1の実施形態に係る照明装置の構成を説明するための正面図であって、LED3を実装する基板2の法線方向から見た図である。図1(b)は、図1(a)記載のA−A′の断面図である。以下、基板2において、LED3が実装されている面を実装面と呼ぶことにする。
<First Embodiment>
Fig.1 (a) is a front view for demonstrating the structure of the illuminating device based on the 1st Embodiment of this invention, Comprising: It is the figure seen from the normal line direction of the board | substrate 2 which mounts LED3. FIG.1 (b) is sectional drawing of AA 'of Fig.1 (a) description. Hereinafter, the surface of the substrate 2 on which the LEDs 3 are mounted is referred to as a mounting surface.
LED3が発光した光の少なくとも一部を吸収して長波長の光に変換する蛍光体5を含有する樹脂12Aである蛍光体層7がLED3を外側から覆って封止している。蛍光体層7は、蛍光体5の沈降を抑制することを目的として蛍光体層7の粘度を高くするためにフィラー6Aを含有する。 A phosphor layer 7 that is a resin 12A containing a phosphor 5 that absorbs at least part of the light emitted by the LED 3 and converts it into light having a long wavelength covers the LED 3 from the outside and seals it. The phosphor layer 7 contains a filler 6 </ b> A in order to increase the viscosity of the phosphor layer 7 for the purpose of suppressing sedimentation of the phosphor 5.
基板2の長手方向と略平行に線状に配置されたLED3に沿って線状のレンズ8が配置され、線状に配置されたLED3と線状のレンズ8がセットとなって、4本のレンズが基板2の短辺と略平行方向に並んで配置されている。図1(b)に示すようにある断面で見た場合に、レンズ8は略半楕円状または略半円状の形状をしている。 A linear lens 8 is arranged along the LED 3 arranged in a line substantially parallel to the longitudinal direction of the substrate 2, and the LED 3 arranged in a line and the linear lens 8 are set as four sets. A lens is arranged side by side in a direction substantially parallel to the short side of the substrate 2. When viewed in a cross section as shown in FIG. 1B, the lens 8 has a substantially semi-elliptical or semi-circular shape.
レンズ8は、フィラー6Bを含有する樹脂12Bで形成されている。レンズ8にフィラー6Bを含有させるのは、レンズを形成する樹脂の粘性をある程度高くしなければならないためである。一般的な大きさ(1μm〜10μm程度の大きさ)のフィラーを樹脂に含有させて樹脂の粘性を高くすると、フィラーの散乱によりレンズが所望の性能を出せなくなるという課題が発生する。後述するように、本発明ではフィラー6Bの平均粒径を小さくして当該課題を解決する。 The lens 8 is formed of a resin 12B containing a filler 6B. The reason why the filler 6B is contained in the lens 8 is that the viscosity of the resin forming the lens must be increased to some extent. When a resin having a general size (a size of about 1 μm to 10 μm) is added to the resin to increase the viscosity of the resin, there arises a problem that the lens cannot exhibit desired performance due to scattering of the filler. As will be described later, in the present invention, the problem is solved by reducing the average particle diameter of the filler 6B.
なお、フィラー6A、6Bは、透過性のあるフィラーである。本発明では、フィラー6A、6Bに、可視光の波長範囲、または、LEDの発光ピークと視感度(比視感度、555nmにピーク)のピークをおおよそ含む範囲である440nmから600nmの範囲においてシリカ(SiO2)と同程度以上の透過率があることが望ましい。例えば、透過率(または全光線透過率)が90%以上あることが望ましい。透過率が高いと、フィラーで反射された戻り光による損失が低減される。 The fillers 6A and 6B are permeable fillers. In the present invention, silica ( It is desirable that the transmittance be equal to or higher than that of SiO 2 ). For example, the transmittance (or total light transmittance) is desirably 90% or more. When the transmittance is high, the loss due to the return light reflected by the filler is reduced.
図1(c)は、図1(b)に示す断面の一部を拡大した図である。基板2とLED3を接着するため、接着剤(接着材)22を用いる。接着剤22は接着の際に広がるため、基板2とLED3の間だけでなく、LED3の側面にも張り付いて接着剤層を形成する。この接着剤はフィラー6Cを含むこともあるが、フィラー6Cは接着剤を構成するために必要な材料であって(接着剤の一部であって)、接着剤層内のフィラーである。また、熱伝導率を高めるため、フィラー6Cは不透明(透過性のない)な物を使うこともある。また、多くの場合、平均粒径はμmオーダーである。なお、接着剤22は非常に薄い層として存在するため、この図以外では説明を省略する。 FIG.1 (c) is the figure which expanded a part of cross section shown in FIG.1 (b). An adhesive (adhesive) 22 is used to bond the substrate 2 and the LED 3 together. Since the adhesive 22 spreads at the time of bonding, it adheres not only between the substrate 2 and the LED 3 but also on the side surface of the LED 3 to form an adhesive layer. Although this adhesive may contain the filler 6C, the filler 6C is a material necessary for constituting the adhesive (part of the adhesive) and is a filler in the adhesive layer. In order to increase the thermal conductivity, the filler 6C may be opaque (not permeable). In many cases, the average particle size is on the order of μm. Since the adhesive 22 exists as a very thin layer, the description is omitted except for this figure.
また、簡便のためレンズ8の樹脂12を硬化する前の状態であるフィラー6Bを含む樹脂12Bをレンズ樹脂と呼ぶことにする。本実施形態では、蛍光体層7とレンズ8に含まれるフィラー6A、6Bは同じ材料とした。同じ材料とすることで、材料点数を増やすこと無くレンズ8を形成できるという効果を奏する。材料点数を増やすとコスト増や製造工程の煩雑化などのデメリットがある。フィラー6A、6Bとしては、シリカ(SiO2)、アルミナ(Al2O3)、窒化アルミニウム(AlN)など様々な微粒子が考えられる。
本実施形態では、シリカ(SiO2)をフィラー6A、6Bとして用い、平均粒径が10nmの粒子を用いた場合について説明する。フィラー6A、6Bの平均粒径をナノオーダーとしたのは、散乱断面積を小さくして、散乱による損失を減らすためである。詳細は後述する。
For convenience, the resin 12B including the filler 6B in a state before the resin 12 of the lens 8 is cured is referred to as a lens resin. In the present embodiment, the fillers 6A and 6B included in the phosphor layer 7 and the lens 8 are made of the same material. By using the same material, the lens 8 can be formed without increasing the number of materials. Increasing the number of materials has disadvantages such as increased costs and complicated manufacturing processes. As the fillers 6A and 6B, various fine particles such as silica (SiO 2 ), alumina (Al 2 O 3 ), aluminum nitride (AlN) can be considered.
In the present embodiment, a case where silica (SiO 2 ) is used as the fillers 6A and 6B and particles having an average particle diameter of 10 nm will be described. The reason why the average particle size of the fillers 6A and 6B is nano-order is to reduce the scattering cross section and reduce the loss due to scattering. Details will be described later.
また、蛍光体層7とレンズ8で樹脂12A、12Bを同種のものとしている(本実施形態では、シリコーン樹脂としている。)。その理由は、部品点数の低減だけではなく、蛍光体層7とレンズ8の接着が容易であるという理由からである。 Further, the phosphor 12 and the lens 8 are made of the same type of resin 12A and 12B (in this embodiment, a silicone resin is used). The reason is that not only the number of parts is reduced, but also the phosphor layer 7 and the lens 8 can be easily bonded.
さらに、本実施形態では、蛍光体層7とレンズ8において樹脂12A、12Bおよびフィラー6A、6Bを同種の物とし、かつ、フィラー6A、6Bの平均粒径は等しい物とした。その理由は、蛍光体層7とレンズ8の界面で材料の屈折率の違いにより不要な反射が起きないようにするためである。光が蛍光体層7からレンズ8に出射する際に、蛍光体層7とレンズ8との界面で、蛍光体層7側とレンズ8側で屈折率に差があると反射が起こり、一部の光が蛍光体層7に戻り、その一部は蛍光体層7内に存在する蛍光体5や反射材などの光を吸収して損失する物質により損失される。したがって、蛍光体層7とレンズ8との界面における屈折率の差を低減することは、光損失を抑制して効率を向上させることになる。フィラーとして、一般的な大きさ(1μm〜10μm程度の大きさ)のフィラーを用いる場合には、蛍光体層7とレンズ8において樹脂12A、12Bを同じものとすれば、蛍光体層7とレンズ8との界面の両側で屈折率は等しくなり、不要な反射は起こらない。しかしながら、本実施形態のように、平均粒径がナノオーダーのフィラーを用いる場合は、蛍光体層7とレンズ8とでフィラー6A、6Bも同種の物とし、さらに、それらフィラー6A、6Bの平均粒径を略等しくしなければ、蛍光体層7とレンズ8の界面で屈折率差が生じ、不要な反射が起きてしまう。なぜならば、光の波長よりも小さいフィラーを含む樹脂の屈折率は、樹脂単体の屈折率に加えてフィラーの屈折率の影響を受けるためである。 Further, in the present embodiment, in the phosphor layer 7 and the lens 8, the resins 12A and 12B and the fillers 6A and 6B are made of the same kind, and the fillers 6A and 6B have the same average particle diameter. The reason is to prevent unnecessary reflection from occurring due to the difference in the refractive index of the material at the interface between the phosphor layer 7 and the lens 8. When light is emitted from the phosphor layer 7 to the lens 8, reflection occurs at the interface between the phosphor layer 7 and the lens 8 and there is a difference in refractive index between the phosphor layer 7 side and the lens 8 side. Is returned to the phosphor layer 7, and a part of the light is lost by a substance that absorbs and loses light, such as the phosphor 5 and the reflector, existing in the phosphor layer 7. Therefore, reducing the difference in refractive index at the interface between the phosphor layer 7 and the lens 8 suppresses light loss and improves efficiency. When a filler having a general size (a size of about 1 μm to 10 μm) is used as the filler, the phosphor layer 7 and the lens can be obtained by using the same resin 12A and 12B in the phosphor layer 7 and the lens 8. The refractive indexes are equal on both sides of the interface with 8, and unnecessary reflection does not occur. However, when a filler having an average particle size of nano-order is used as in the present embodiment, the fillers 6A and 6B are also of the same kind in the phosphor layer 7 and the lens 8, and furthermore, the average of the fillers 6A and 6B. If the particle diameters are not substantially equal, a difference in refractive index occurs at the interface between the phosphor layer 7 and the lens 8, and unnecessary reflection occurs. This is because the refractive index of a resin containing a filler smaller than the wavelength of light is affected by the refractive index of the filler in addition to the refractive index of the resin itself.
図2に、現象を簡単に説明するための概念図を示す。図2はフィラーの体積濃度[vol%]とフィラーを含む樹脂の屈折率の関係を示す図である。このとき、フィラーの平均粒径は光の波長よりも小さいとする。LEDを用いた照明装置の発光光の波長は、概ね400nmから800nmの範囲の波長である。したがって、平均粒径400nmよりも小さなフィラーを樹脂に含有させた場合、LEDを用いた照明装置の発光光の概ね全ての波長に対して、図2に示す現象が起こる。図2の横軸はフィラーの体積濃度[vol%]を示し、縦軸はフィラーを含む樹脂の屈折率を示す。図2中の実線は、フィラーの屈折率が樹脂単体の屈折率よりも高い場合のフィラーの体積濃度とフィラーを含む樹脂の屈折率の関係を示している。フィラーの屈折率が樹脂単体の屈折率よりも高い場合は、フィラーの体積濃度に対してフィラーを含む樹脂の屈折率は単調増加する。一方、フィラーの屈折率が樹脂単体の屈折率よりも低い場合は、図2中の破線で示すように、フィラーの体積濃度に対してフィラーを含む樹脂の屈折率は単調減少する。本実施形態では、フィラー6A、6Bとしてシリカを用いる。シリカの屈折率は、視感度の高い光の波長550nm付近で1.46程度である。また、樹脂12A、12Bとして用いているシリコーン樹脂の屈折率は、おおよそ1.41から1.51程度である。それゆえ、シリコーン樹脂の選択次第で、シリカの体積濃度に対してシリカを含むシリコーン樹脂の屈折率は単調増加にも単調減少にもなる。 FIG. 2 is a conceptual diagram for briefly explaining the phenomenon. FIG. 2 is a graph showing the relationship between the volume concentration [vol%] of the filler and the refractive index of the resin containing the filler. At this time, the average particle diameter of the filler is assumed to be smaller than the wavelength of light. The wavelength of the emitted light of the illuminating device using LED is a wavelength in the range of approximately 400 nm to 800 nm. Therefore, when a filler smaller than the average particle diameter of 400 nm is contained in the resin, the phenomenon shown in FIG. 2 occurs for almost all wavelengths of the emitted light of the illumination device using the LED. The horizontal axis of FIG. 2 shows the volume concentration [vol%] of the filler, and the vertical axis shows the refractive index of the resin containing the filler. The solid line in FIG. 2 shows the relationship between the volume concentration of the filler and the refractive index of the resin containing the filler when the refractive index of the filler is higher than the refractive index of the resin alone. When the refractive index of the filler is higher than the refractive index of the resin alone, the refractive index of the resin containing the filler monotonously increases with respect to the volume concentration of the filler. On the other hand, when the refractive index of the filler is lower than the refractive index of the resin alone, the refractive index of the resin containing the filler monotonously decreases with respect to the volume concentration of the filler, as shown by the broken line in FIG. In this embodiment, silica is used as the fillers 6A and 6B. The refractive index of silica is about 1.46 around a wavelength of light having a high visibility of 550 nm. Further, the refractive index of the silicone resin used as the resins 12A and 12B is about 1.41 to 1.51. Therefore, depending on the selection of the silicone resin, the refractive index of the silicone resin containing silica increases monotonously or decreases monotonously with respect to the volume concentration of silica.
ここで、図2中の実線および破線で示されるフィラーの体積濃度[vol%]とフィラーを含む樹脂の屈折率の関係は直線で示されているが、これに限らず曲線の場合もある。図2は現象を定性的に説明するための図である。 Here, the relationship between the volume concentration [vol%] of the filler shown by the solid line and the broken line in FIG. 2 and the refractive index of the resin containing the filler is shown by a straight line, but it is not limited to this and may be a curve. FIG. 2 is a diagram for qualitatively explaining the phenomenon.
図2を用いて説明したように、光の波長よりも小さいフィラーを含む樹脂の屈折率は、樹脂単体の屈折率に加えてフィラーの屈折率の影響を受ける。それゆえ、蛍光体層7とレンズ8内におけるフィラー6A、6Bの屈折率も等しくした方が良い。例えば、それらフィラー6A、6Bの屈折率を異なるものとした場合、図2に実線または破線で示されるフィラーを含む樹脂の屈折率の体積濃度依存性が、蛍光体層7とレンズ8で異なってしまうため、蛍光体層7とレンズ8で屈折率を等しくするのが難しくなる。さらに、体積濃度を等しくして屈折率を等しくするために、蛍光体層7とレンズ8内におけるフィラーの平均粒径を等しくした方が良い。現実的には、第一には、蛍光体層7とレンズ8とでフィラーを同種のものとしてフィラーの屈折率を等しくし、さらにフィラーの平均粒径を略等しくして、フィラーを含む樹脂としてのおおよその屈折率を等しくする。その上で、添加するフィラーの重量濃度を調整してフィラーを含む樹脂の屈折率を微調整することが簡易で望ましい。したがって、蛍光体層7とレンズ8において樹脂12A、12Bおよびフィラー6A、6Bを同種の物とし、かつ、フィラー6A、6Bの平均粒径は概ね等しい物とすることによって、蛍光体層7とレンズ8との界面における屈折率の差を低減することにより、光損失を抑制して効率を向上させるという効果を奏する。 As described with reference to FIG. 2, the refractive index of a resin including a filler smaller than the wavelength of light is affected by the refractive index of the filler in addition to the refractive index of the resin alone. Therefore, it is preferable to make the refractive indexes of the fillers 6A and 6B in the phosphor layer 7 and the lens 8 equal. For example, when the refractive indexes of the fillers 6A and 6B are different, the volume concentration dependency of the refractive index of the resin containing the filler shown by the solid line or the broken line in FIG. Therefore, it is difficult to make the refractive index equal between the phosphor layer 7 and the lens 8. Furthermore, in order to equalize the volume concentration and the refractive index, it is better to make the average particle diameters of the fillers in the phosphor layer 7 and the lens 8 equal. In reality, first, the phosphor layer 7 and the lens 8 are the same type of filler, the refractive index of the filler is made equal, and the average particle diameter of the filler is made substantially equal to make the resin containing the filler. Are approximately equal in refractive index. On that basis, it is simple and desirable to finely adjust the refractive index of the resin containing the filler by adjusting the weight concentration of the filler to be added. Therefore, the phosphor layer 7 and the lens 8 are made of the same kind of the resin 12A, 12B and the fillers 6A, 6B, and the average particle diameters of the fillers 6A, 6B are substantially equal. By reducing the difference in the refractive index at the interface with FIG. 8, there is an effect of suppressing the optical loss and improving the efficiency.
なお、屈折率も波長依存性を示すので、例えば、視感度の高い光の波長550nmに対する屈折率や、D線(589nm)、F線(486nm)、C線(656nm)、照明用に用いる青色LEDの概ねピーク波長である450nmなど照明として使われる波長範囲の波長に対する屈折率をフィラー6A、6Bと樹脂12A、12Bの屈折率の代表値として扱えば良い。視感度の高い光の波長550nm付近の波長、例えば、D線(589nm)に対する屈折率を代表値として扱うことが、一般的に多いので、視感度の高い光の波長550nm付近の波長に対する屈折率を代表値として扱うと便利である。 In addition, since the refractive index also shows wavelength dependence, for example, the refractive index with respect to the wavelength 550 nm of light having high visibility, the D line (589 nm), the F line (486 nm), the C line (656 nm), and blue used for illumination. The refractive index with respect to the wavelength in the wavelength range used for illumination, such as 450 nm, which is approximately the peak wavelength of the LED, may be treated as a representative value of the refractive index of the fillers 6A and 6B and the resins 12A and 12B. Since the refractive index with respect to the wavelength near 550 nm of light having high visibility, for example, the refractive index with respect to the D-line (589 nm) is generally used as a representative value, the refractive index with respect to the wavelength near 550 nm of light having high visibility It is convenient to treat as a representative value.
本実施形態においては、レンズ樹脂をディスペンサで線状に塗布することでレンズ8を形成する例について説明する。ディスペンサでレンズ樹脂を線状に塗布する際に、塗布を開始する位置(塗布始点18)のレンズ形状は太くなる。また、塗布を終了する位置(塗布終点19)のレンズ形状は太くなることもあれば、細くなる場合もある(大抵は太くなる)。レンズ端部20は蛍光体層7よりも外側にあり、蛍光体層7とレンズ8が重なる領域ではレンズ8の太さは略一定となるように形成している。 In the present embodiment, an example will be described in which the lens 8 is formed by applying lens resin in a linear shape with a dispenser. When the lens resin is applied linearly with the dispenser, the lens shape at the position where application starts (application start point 18) becomes thicker. Further, the lens shape at the position where the application is finished (application end point 19) may be thick or thin (usually thick). The lens end portion 20 is located outside the phosphor layer 7, and the thickness of the lens 8 is formed to be substantially constant in the region where the phosphor layer 7 and the lens 8 overlap.
ダム材17は、白色の樹脂である。ダム材17は、生産工程において、熱硬化の際に、硬化されていない蛍光体層7がLED3の外側を覆う所望の状態を保つために、蛍光体層7が流れて広がるのを抑制するために存在する。つまり、ダム材17は蛍光体層7が流れて広がるのを防ぐダムの役割をする。 The dam material 17 is a white resin. In the production process, the dam material 17 is used to prevent the phosphor layer 7 from flowing and spreading in order to keep the uncured phosphor layer 7 covering the outside of the LED 3 during thermosetting. Exists. That is, the dam material 17 serves as a dam that prevents the phosphor layer 7 from flowing and spreading.
便宜上、基板2と、基板2上に実装されるLED3、蛍光体層7、レンズ8などからなる系をLED基板4と呼ぶことにする。 For convenience, a system composed of the substrate 2, the LED 3 mounted on the substrate 2, the phosphor layer 7, and the lens 8 will be referred to as an LED substrate 4.
本技術による光取り出し効率向上に関して、図3を用いて説明する。図3(a)は、レンズがない場合の図で、図3(b)は、レンズがある場合の図である。図3(a)に示すように、レンズが無い場合、蛍光体層7の樹脂12Aの空気との界面は平らな平面であり、平面の法線方向に対して臨界角より広角で界面に入射した光は全反射により反射される。 The improvement of light extraction efficiency according to the present technology will be described with reference to FIG. FIG. 3A is a diagram when there is no lens, and FIG. 3B is a diagram when there is a lens. As shown in FIG. 3A, when there is no lens, the interface of the phosphor layer 7 with the resin 12A is a flat plane and is incident on the interface at a wider angle than the critical angle with respect to the normal direction of the plane. The reflected light is reflected by total reflection.
蛍光体5は、入射した光の一部を長波長の光に変換して発光し、その他の一部を熱として損失し、残りを散乱する。それゆえ、蛍光体5に入射した光の一部は熱として損失される。光線追跡例Ray1は、蛍光体層7の樹脂12Aと空気との界面で反射され、蛍光体5で吸収されて損失する例を示している。 The phosphor 5 emits light by converting a part of the incident light into light having a long wavelength, the other part is lost as heat, and the rest is scattered. Therefore, a part of the light incident on the phosphor 5 is lost as heat. The ray tracing example Ray1 shows an example in which the light is reflected at the interface between the resin 12A of the phosphor layer 7 and the air and absorbed by the phosphor 5 and lost.
また、その他の吸収部材の一つとして基板2が考えられる。基板2のLED3を実装する面がアルミの場合、反射率は85〜95%程度である。それゆえ、一部の光が吸収されて損失する。光線追跡例Ray2は、蛍光体層7の樹脂12Aと空気との界面で反射され、基板2で吸収されて損失する例を示している。 Moreover, the board | substrate 2 can be considered as one of the other absorption members. When the surface of the substrate 2 on which the LED 3 is mounted is aluminum, the reflectance is about 85 to 95%. Therefore, some light is absorbed and lost. The ray tracing example Ray2 is an example in which the light is reflected at the interface between the resin 12A of the phosphor layer 7 and the air and absorbed by the substrate 2 and lost.
図3(a)に示すレンズの無い構成の場合、蛍光体層7の樹脂12Aと空気との界面で反射されて蛍光体層7内に光が戻され、当該反射光が蛍光体層7内で光を吸収して損失する物質に当たることで光取り出し効率が低下する。 In the case of the configuration without the lens shown in FIG. 3A, the light is reflected at the interface between the resin 12A of the phosphor layer 7 and the air and returned to the phosphor layer 7, and the reflected light is reflected in the phosphor layer 7. The light extraction efficiency is reduced by hitting a substance that absorbs and loses light.
この課題を解決するためには、図3(b)に示すレンズを実装する構造が効果的である。レンズ8は、LED3に対応して配置されており、図3(b)に示すように、ある断面で見た場合に略半楕円状または略半円状の形状をしている。レンズ8は塗布で作るため、レンズ樹脂の粘性と重力と表面張力の関係で、その形状が決まる。形状を簡単に特徴づけるために、レンズ8の幅WLと高さHLを導入する。図3(b)では、半円状の場合を示している。図3(b)の場合、光線追跡例Ray1およびRay2に示すように、LED3から出射した光は、本実施形態では蛍光体層7とレンズ8の屈折率を等しくしているので(前述したように、蛍光体層7とレンズ8において樹脂12A、12Bおよびフィラー6A、6Bを同種の物とし、かつ、フィラー6A、6Bの平均粒径を等しくすることで、蛍光体層7とレンズ8との界面における屈折率の差を低減している)、蛍光体層7とレンズ8の界面で不要な反射がほとんど起こらず、レンズ8と空気の界面に到達して屈折して空気中に出射する。したがって、レンズ8を実装することにより蛍光体層7に戻る反射光を抑制して、光取り出し効率を向上させられる。 In order to solve this problem, a structure for mounting a lens shown in FIG. 3B is effective. The lens 8 is disposed corresponding to the LED 3 and has a substantially semi-elliptical or semi-circular shape when viewed in a certain cross section, as shown in FIG. Since the lens 8 is made by coating, its shape is determined by the relationship between the viscosity of the lens resin, gravity, and surface tension. In order to easily characterize the shape, the width W L and height H L of the lens 8 are introduced. FIG. 3B shows a semicircular case. In the case of FIG. 3B, as shown in ray tracing examples Ray1 and Ray2, the light emitted from the LED 3 has the same refractive index of the phosphor layer 7 and the lens 8 in this embodiment (as described above). In addition, the resin 12A, 12B and the fillers 6A, 6B in the phosphor layer 7 and the lens 8 are of the same type, and the average particle diameters of the fillers 6A, 6B are made equal so that the phosphor layer 7 and the lens 8 The difference in refractive index at the interface is reduced), and unnecessary reflection hardly occurs at the interface between the phosphor layer 7 and the lens 8, and the light reaches the interface between the lens 8 and the air and is refracted and emitted into the air. Therefore, by mounting the lens 8, the reflected light returning to the phosphor layer 7 can be suppressed, and the light extraction efficiency can be improved.
図3(b)に示すように、ある断面において、LED3の中心とレンズ8の中心を一致するようにするのが望ましい。ただし、LED3とレンズの位置は、特に対応してなくても効率向上効果は有る。 As shown in FIG. 3B, it is desirable that the center of the LED 3 and the center of the lens 8 coincide with each other in a certain cross section. However, even if the positions of the LED 3 and the lens do not correspond to each other, there is an efficiency improvement effect.
また、図3(b)に示すように、ある断面において、LED3とレンズ8の数は一致することが望ましいが、異なっていても効果を有する。例えば、図3(c)に示すように、レンズ8の数の整数倍だけLEDがある場合、1つのレンズ8に対して整数個ずつLEDを対応させれば良い。 Further, as shown in FIG. 3B, it is desirable that the number of the LEDs 3 and the lenses 8 be the same in a certain cross section, but it is effective even if they are different. For example, as shown in FIG. 3C, when there are LEDs corresponding to an integer multiple of the number of lenses 8, an integer number of LEDs may be associated with one lens 8.
また、実験とシミュレーションによれば、レンズ8の高さHLは、レンズ形状が略半円となる程度の高さまでは高い方が良い。 Further, according to experiments and simulations, the height HL of the lens 8 is preferably high at a height that allows the lens shape to be approximately a semicircle.
また、幅WLに関しては、レンズ8は光源を点光源と見なせたときにレンズとしての所望の性能を発揮できるので、光源に対してレンズ8が大きければ大きいほど良い。したがって、幅WLは大きいほど良い。 Regarding the width W L , the lens 8 can exhibit a desired performance as a lens when the light source can be regarded as a point light source. Therefore, the larger the lens 8 with respect to the light source, the better. Therefore, the width W L, the better large.
また、レンズ内部の光学特性としては、散乱が起きない方が良い。なぜならば、レンズ8に入射してきた光を散乱して蛍光体層7に戻すようなことがある場合、一部の光が損失し、レンズ8による効率向上効果が低減するためである。本実施形態でフィラー6Bをシリカとし、平均粒径をナノオーダーの10nmとしたのは、散乱を抑制するためである。
シリカとしたのは、樹脂12Bのシリコーン樹脂の屈折率(おおよそ1.4〜1.5)とシリカの屈折率(略1.46)が近い値であり、散乱が起きにくいためである。また、平均粒径を、汎用的に使われるシリカのミクロンオーダーの粒径ではなく、ナノオーダーと小さくしたのは散乱断面積を小さくして光線の平均自由行程を大きくするためである。平均自由行程の大きさの目安はレンズ8の大きさである。レンズ8の大きさよりも平均自由行程を大きくしてレンズ内のフィラー6Bによる散乱を低減することを目的とする。ディスペンサなどでレンズ樹脂を塗布してレンズ8を作成する場合、レンズ8の高さHLは大きくて数mm程度である。我々の実験で作成したレンズ8の高さHLは1mm未満である。したがって、おおよそ1mmよりも平均自由行程が大きくなるように平均粒径を決定すれば良い。
Further, as the optical characteristics inside the lens, it is better that no scattering occurs. This is because when light incident on the lens 8 is scattered and returned to the phosphor layer 7, part of the light is lost and the efficiency improvement effect by the lens 8 is reduced. In the present embodiment, the filler 6B is made of silica and the average particle size is made 10 nm in the nano order in order to suppress scattering.
Silica was used because the refractive index of the silicone resin of the resin 12B (approximately 1.4 to 1.5) and the refractive index of silica (approximately 1.46) are close to each other, and scattering is unlikely to occur. The reason why the average particle size is made smaller than the micron-order particle size of silica, which is used for general purposes, is nano-order is to reduce the scattering cross section and increase the mean free path of light. A measure of the size of the mean free path is the size of the lens 8. The object is to reduce the scattering by the filler 6B in the lens by making the mean free path larger than the size of the lens 8. When the lens 8 is formed by applying a lens resin with a dispenser or the like, the height HL of the lens 8 is about several millimeters at most. The height HL of the lens 8 created in our experiment is less than 1 mm. Therefore, the average particle diameter may be determined so that the average free path is larger than about 1 mm.
図4に、シリコーン樹脂に、シリカを略6.5wt%混ぜたときの平均自由行程の計算値を示す。重量濃度を一定として、粒径を変化させた時の平均自由行程を示している。横軸は粒径[nm]で、縦軸は平均自由行程[mm]である。平均自由行程は1/(数密度×散乱断面積)で与えられる。数密度は単位体積当たりの粒子数である。計算にあたっては、シリカの形状を球で仮定した。数密度[1/mm3]は、シリコーン樹脂の比重を1.03g/cm3とし、シリカの比重を2.2g/cm3として、上記シリカの重量濃度6.5wt%で計算した値である。散乱断面積[mm2]は、ミー散乱理論(MIE THEORY)で計算した値を用いた。このとき、シリカの屈折率を1.45、シリコーン樹脂の屈折率を1.41、光の波長を550nmとして計算した。 FIG. 4 shows the calculated value of the mean free path when silica resin is mixed with about 6.5 wt% of silica. The mean free path is shown when the particle size is changed while the weight concentration is constant. The horizontal axis is the particle size [nm], and the vertical axis is the mean free path [mm]. The mean free path is given by 1 / (number density × scattering cross section). Number density is the number of particles per unit volume. In the calculation, the shape of silica was assumed to be a sphere. The number density [1 / mm 3 ] is a value calculated with a specific gravity of the silicone resin of 1.03 g / cm 3 and a specific gravity of silica of 2.2 g / cm 3 and a weight concentration of the silica of 6.5 wt%. . As the scattering cross section [mm 2 ], a value calculated by the Mie scattering theory (MIE THEORY) was used. At this time, the calculation was performed assuming that the refractive index of silica is 1.45, the refractive index of silicone resin is 1.41, and the wavelength of light is 550 nm.
図4より、粒径が概ね200nmよりも小さくなると、平均自由行程は1mmよりも大きくなる。さらに、粒径100nmで約10mmとレンズ8の大きさの約10倍となり、十分に散乱が抑制される。これは、粒径が100nmよりも小さい領域で散乱断面積が急峻に小さくなるためである。平均自由行程は、粒径が100nmより小さくなると急激に大きくなり、粒径20nm以下でさらに飛躍的に大きな平均自由行程となっていることが分かる。したがって、平均粒径は200nm以下とし、好ましくは100nm以下とし、さらに20nm以下とするのが好ましい。本構成によれば、フィラーを添加してレンズ樹脂の粘度を向上して所望のレンズ形成を実現させると同時に、光の散乱を低減して、レンズの性能を向上して効率を向上するという効果を奏する。 From FIG. 4, when the particle size is smaller than about 200 nm, the mean free path becomes larger than 1 mm. Further, when the particle size is 100 nm, the size is about 10 mm, which is about 10 times the size of the lens 8, and scattering is sufficiently suppressed. This is because the scattering cross section sharply decreases in the region where the particle diameter is smaller than 100 nm. It can be seen that the mean free path increases rapidly when the particle size is smaller than 100 nm, and the mean free path is much larger when the particle size is 20 nm or less. Therefore, the average particle diameter is 200 nm or less, preferably 100 nm or less, and more preferably 20 nm or less. According to this configuration, the filler is added to improve the viscosity of the lens resin to realize the desired lens formation, and at the same time, the light scattering is reduced, the lens performance is improved, and the efficiency is improved. Play.
本平均自由行程の計算は、簡単化のため粒子を球と仮定しているが(言うまでもなく、球に近い形状であれば適用可能である。)、球でない場合であっても、平均自由行程と粒径の傾向としては大きさの問題であるため同様の傾向を示すと考えられる。また、図4では、粒径20nmのときの平均自由行程は、粒径100nmのときの約100倍になっているが、20nmの粒子は100nmの粒子に比較して凝集しやすいので、100倍よりは小さな値になることもある。但し、粒径が100nmよりも小さい領域での平均自由行程の急峻な変化は散乱断面積の変化によるので、粒径が100nmより小さくなると平均自由行程が急激に大きくなるという傾向は大きくは変わらないと考えられる。 In this calculation of mean free path, the particle is assumed to be a sphere for the sake of simplicity (it goes without saying that it is applicable if the shape is close to a sphere), but even if it is not a sphere, the mean free path is calculated. Since the particle size is a problem of size, it is considered that the same tendency is shown. In FIG. 4, the mean free path when the particle size is 20 nm is about 100 times that when the particle size is 100 nm, but the 20 nm particles are more likely to aggregate than the 100 nm particles. It may be a smaller value. However, since the steep change in the mean free path in the region where the particle diameter is smaller than 100 nm is due to the change in the scattering cross section, the tendency that the mean free path suddenly increases when the particle diameter becomes smaller than 100 nm does not change significantly. it is conceivable that.
また、蛍光体層7に充填するフィラーとしても、上述した平均自由行程と粒径の理由により、平均粒径を200nm以下とし、好ましくは100nm以下とし、さらに20nm以下とするのが好ましい。蛍光体層7であっても多重散乱による効率低下を抑制することが望ましい。とりわけ、レンズ8を有する光学系では、レンズ8によって光が取り出されるので、散乱による光取り出しは不要であり、蛍光体層7での光散乱は抑制することが望ましい。 Further, the filler filled in the phosphor layer 7 also has an average particle diameter of 200 nm or less, preferably 100 nm or less, and more preferably 20 nm or less, for the reasons of the above average free path and particle diameter. Even for the phosphor layer 7, it is desirable to suppress a decrease in efficiency due to multiple scattering. In particular, in an optical system having the lens 8, light is extracted by the lens 8, so light extraction by scattering is unnecessary, and it is desirable to suppress light scattering at the phosphor layer 7.
蛍光体層7の厚さは通常0.5〜1mm程度である。厚さの下限はLED3の大きさによる。したがって、平均自由行程が1mmよりも大きいと蛍光体層7の厚さよりも大きくなり、蛍光体層7でフィラー6Aに散乱されずに蛍光体層から出射する光が増え、効率が向上する。 The thickness of the phosphor layer 7 is usually about 0.5 to 1 mm. The lower limit of the thickness depends on the size of the LED 3. Therefore, if the mean free path is larger than 1 mm, the thickness becomes larger than the thickness of the phosphor layer 7, and the light emitted from the phosphor layer without being scattered by the filler 6A in the phosphor layer 7 increases, thereby improving the efficiency.
さらに、レンズ8と同様に蛍光体層7に充填するフィラー6Aとして大きさがナノオーダーのフィラーを用いて蛍光体層内での散乱を抑制することは、図2に関する現象の説明の際に述べたが、蛍光体層7とレンズ8において樹脂12A、12Bおよびフィラー6A、6Bを同種の物とし、かつ、フィラー6A、6Bの平均粒径を等しい物とすることによって、蛍光体層7とレンズ8との界面における屈折率の差を低減することにより、蛍光体層7とレンズ8の界面における反射を低減して効率を向上させることにも適合している。
それゆえ、蛍光体層7とレンズ8のフィラーとして大きさがナノオーダーのフィラーを使うことは、それぞれの部材の中での散乱を抑制するだけではなく、部材間の界面での反射も抑制し、さらなる効率向上の効果を奏する。
Further, the suppression of scattering in the phosphor layer by using a nano-order filler as the filler 6A filled in the phosphor layer 7 in the same manner as the lens 8 will be described in the explanation of the phenomenon related to FIG. However, in the phosphor layer 7 and the lens 8, the resins 12A and 12B and the fillers 6A and 6B are made of the same kind, and the average particle diameters of the fillers 6A and 6B are made equal to each other. By reducing the difference in the refractive index at the interface with the lens 8, the reflection at the interface between the phosphor layer 7 and the lens 8 is reduced to improve the efficiency.
Therefore, using a nano-order filler as the filler of the phosphor layer 7 and the lens 8 not only suppresses scattering in each member but also suppresses reflection at the interface between the members. There is an effect of further improving efficiency.
次に、レンズ内のフィラー6の濃度と効率の関係に関して説明する。表1にフィラー濃度、平均自由行程、レンズ高さ、レンズ幅および効率の関係を示す。平均粒径が約10nmのフィラー6を用いて実験を行った。平均自由行程は粒径10nmでの値である。実際には粒度分布があるが、平均粒径で代表させた。効率はフィラー濃度4.8wt%のときの値を基準の1として、相対的な値を示した。蛍光体層7の厚さは約1mmである。 Next, the relationship between the density of the filler 6 in the lens and the efficiency will be described. Table 1 shows the relationship between filler concentration, mean free path, lens height, lens width and efficiency. The experiment was performed using the filler 6 having an average particle diameter of about 10 nm. The mean free path is a value at a particle size of 10 nm. Although there is actually a particle size distribution, it is represented by the average particle size. The efficiency was shown as a relative value, with the value at the filler concentration of 4.8 wt% being 1 as the standard. The thickness of the phosphor layer 7 is about 1 mm.
表1から、フィラー濃度を、4.8wt%から6.5wt%とすることでレンズ高さを約2.4倍にできていることが分かる。これは、4.8wt%程度とフィラー濃度が低い場合、レンズ幅WLに対して高さHLが1/10程度と扁平なレンズしか形成できないのに対し、6.5wt%と数%フィラー濃度を高めることで粘性がレンズ形成に対しては十分な領域となってきて、高いレンズ形状が得られたと考えられる。 From Table 1, it can be seen that the lens height can be increased about 2.4 times by changing the filler concentration from 4.8 wt% to 6.5 wt%. This is because when the filler concentration is as low as about 4.8 wt%, only a flat lens having a height H L of about 1/10 with respect to the lens width W L can be formed, whereas it is 6.5 wt% and several percent filler. By increasing the concentration, the viscosity becomes a sufficient region for lens formation, and it is considered that a high lens shape was obtained.
一方、平均自由行程は、4.8wt%の場合の方が良い。しかしながら、何れの濃度の場合も、平均自由行程は7376mmおよび5317mmと、レンズの高さ(<1mm)より十分に大きいので、フィラーの散乱が効率に及ぼす影響は両者でほとんど変わらないと考えられる。それを反映して、効率はより高いレンズ形状が得られている6.5wt%の場合の方が良いという結果が得られた。 On the other hand, the mean free path is better at 4.8 wt%. However, at any concentration, the mean free path is 7376 mm and 5317 mm, which is sufficiently larger than the lens height (<1 mm), so that the influence of filler scattering on the efficiency is considered to be almost the same in both cases. Reflecting this, a result that the efficiency was better in the case of 6.5 wt% where a lens shape with higher efficiency was obtained was obtained.
なお、表1の結果を得た実験においては、LED3とレンズ8の配置は、図3(b)に示すように、ある断面において、LED3の中心とレンズ8の中心を一致するようには配置していない。LED3とレンズの位置は、特に対応していない状態での結果である。LED3の中心とレンズ8の中心を一致させると、レンズ8としての効果がより大きくなる。それゆえ、レンズ8の性能差が効率向上により大きく反映されるようになる。したがって、LED3に対応してレンズ8を形成した場合は、6.5wt%の場合の方が4.8wt%の場合よりもレンズの性能が高いので、6.5wt%の場合の効率比(フィラー濃度4.8wt%のときの効率を基準の1として規格化した効率の相対的な値)は、さらに大きくなる。 In the experiment in which the results shown in Table 1 are obtained, the LED 3 and the lens 8 are arranged so that the center of the LED 3 and the center of the lens 8 coincide with each other in a certain cross section as shown in FIG. Not done. The positions of the LED 3 and the lens are the results in a state where they do not particularly correspond. When the center of the LED 3 and the center of the lens 8 are matched, the effect as the lens 8 is further increased. Therefore, the performance difference of the lens 8 is greatly reflected by the efficiency improvement. Therefore, when the lens 8 is formed corresponding to the LED 3, the lens performance is higher in the case of 6.5 wt% than in the case of 4.8 wt%. Therefore, the efficiency ratio in the case of 6.5 wt% (filler) The relative value of the efficiency normalized with the efficiency at the concentration of 4.8 wt% as the standard 1) is further increased.
一方、フィラー濃度を4.8wt%としても、扁平ではあるがレンズを形成できて効率が向上する。しかしながら、フィラー濃度が4.8wt%の場合のレンズが有る場合と無い場合での効率向上幅は1%未満であって、フィラー濃度4.8wt%よりも濃度を低減すると効率向上効果がほとんどなくなる。それゆえ、効率向上を考えた場合のフィラー濃度の下限は、概ね4.8wt%と考えられる。 On the other hand, even if the filler concentration is 4.8 wt%, the lens can be formed although it is flat, and the efficiency is improved. However, the efficiency improvement range with and without the lens when the filler concentration is 4.8 wt% is less than 1%, and if the concentration is reduced below the filler concentration of 4.8 wt%, the efficiency improvement effect is almost lost. . Therefore, the lower limit of the filler concentration when efficiency improvement is considered is considered to be approximately 4.8 wt%.
したがって、フィラーの平均粒径が10nm程度とナノオーダーの場合は、レンズのフィラー濃度は、4.8wt%より大きいことが好ましく、6.5wt%程度以上がより好ましい。但し、製造の観点からは、6.5wt%のフィラーを含有した樹脂は、ほとんど流動性がないため扱い難く、6.5wt%より大きい濃度、例えば、倍の13wt%などは取り扱いの限界と考えられる。したがって、製造の観点も加味すると濃度の上限は13wt%程度で、最適な濃度は6.5〜10wt%程度であると考えられる。 Therefore, when the average particle size of the filler is about 10 nm and nano-order, the filler concentration of the lens is preferably larger than 4.8 wt%, more preferably about 6.5 wt% or more. However, from the viewpoint of production, a resin containing 6.5 wt% filler is difficult to handle because it has almost no fluidity, and a concentration higher than 6.5 wt%, for example, 13 wt% of double is considered a handling limit. It is done. Therefore, considering the manufacturing viewpoint, the upper limit of the concentration is about 13 wt%, and the optimum concentration is considered to be about 6.5 to 10 wt%.
一方で、蛍光体層7においてもフィラーの平均粒径を10nm程度とナノオーダーにした場合、蛍光体層7内のフィラー6Aの濃度に関しては、レンズを形成する場合ほど高濃度にするとディスペンサで塗布した場合に、ダム材17で囲った領域内に蛍光体5を含む樹脂が均一に広がらないという課題がある。したがって、蛍光体層7のフィラー6Aの濃度は、蛍光体5の沈降を抑制する最小限の濃度とすることが好ましい。我々の実験によれば、フィラーの平均粒径がナノオーダーの場合は、蛍光体層7のフィラー6Aの濃度としては0.5wt%〜3wt%程度であれば良いことが分かっている。したがって、フィラーの平均粒径がナノオーダーの場合は、蛍光体層7のフィラー6Aの濃度は、レンズのフィラー濃度よりも小さくする必要があり、約半分未満が望ましい。 On the other hand, when the average particle diameter of the filler in the phosphor layer 7 is set to the nano order of about 10 nm, the concentration of the filler 6A in the phosphor layer 7 is applied with a dispenser when the concentration is increased as the lens is formed. In this case, there is a problem that the resin containing the phosphor 5 does not spread uniformly in the region surrounded by the dam material 17. Therefore, it is preferable that the concentration of the filler 6 </ b> A in the phosphor layer 7 is a minimum concentration that suppresses the sedimentation of the phosphor 5. According to our experiments, it is known that when the average particle size of the filler is nano-order, the concentration of the filler 6A in the phosphor layer 7 may be about 0.5 wt% to 3 wt%. Therefore, when the average particle diameter of the filler is nano-order, the concentration of the filler 6A in the phosphor layer 7 needs to be smaller than the filler concentration of the lens, and is preferably less than about half.
また、別の言い方をすれば、フィラーの平均粒径がナノオーダーの場合に、レンズを形成するのに必要なフィラーの濃度は、蛍光体の沈降を抑制するのに必要なフィラーの濃度よりも、高いということである。 In other words, when the average particle size of the filler is nano-order, the concentration of the filler necessary to form the lens is higher than the concentration of the filler necessary to suppress the sedimentation of the phosphor. That's expensive.
さらに、蛍光体層7のフィラー濃度を低下することは、蛍光体層内におけるフィラー6Aによる散乱を低減することになり、効率向上の効果を奏する。 Furthermore, reducing the filler concentration of the phosphor layer 7 reduces scattering by the filler 6A in the phosphor layer, and has an effect of improving efficiency.
ここで、図2に関する現象の説明の際に述べたが、蛍光体層7とレンズ8との界面における屈折率の差を低減することにより、蛍光体層7とレンズ8の界面における反射を低減して効率を向上させるには、蛍光体層7とレンズ8において樹脂12A、12Bおよびフィラー6A、6Bを同種の物とし、かつ、フィラー6A、6Bの平均粒径は等しい物とし、その上で、添加するフィラーの重量濃度を等しくすることで、おおよそ蛍光体層7とレンズ8との界面における屈折率の差はなくなる。しかしながら、実用上は、当該重量濃度は多少異なっていても、当該重量濃度の差異が効率に及ぼす影響はレンズの効果と比較すると小さい。 Here, as described in the explanation of the phenomenon related to FIG. 2, the reflection at the interface between the phosphor layer 7 and the lens 8 is reduced by reducing the difference in refractive index at the interface between the phosphor layer 7 and the lens 8. In order to improve the efficiency, the resins 12A and 12B and the fillers 6A and 6B in the phosphor layer 7 and the lens 8 are made of the same kind, and the average particle diameters of the fillers 6A and 6B are made equal. By making the weight concentration of the filler to be added equal, the difference in refractive index at the interface between the phosphor layer 7 and the lens 8 is eliminated. However, in practice, even if the weight concentration is slightly different, the effect of the weight concentration difference on the efficiency is small compared to the effect of the lens.
また、蛍光体層7とレンズ8において、樹脂12A、12Bの屈折率が、フィラー6A、6Bの屈折率よりも小さく、レンズ8内のフィラーの濃度が蛍光体層7内のフィラーの濃度よりも濃い場合は、蛍光体層7よりもレンズ8の方が、屈折率が高くなる(図2参照)。光は屈折率が低い側から高い側に入射する場合には全反射が起こらない。したがって、樹脂12A、12Bの屈折率が、フィラー6A、6Bの屈折率よりも小さく、レンズ8内のフィラーの濃度が蛍光体層7内のフィラーの濃度よりも濃い場合は、光が蛍光体層7からレンズ8に入射するさいに全反射が起こらず、反射による効率低下を抑制するという効果を奏する。例えば、フィラー6A、6Bとしてシリカを用い、シリカよりも屈折率の低いシリコーン樹脂を樹脂12A、12Bとして用いれば良い。 Further, in the phosphor layer 7 and the lens 8, the refractive indexes of the resins 12 </ b> A and 12 </ b> B are smaller than those of the fillers 6 </ b> A and 6 </ b> B, and the filler concentration in the lens 8 is higher than the filler concentration in the phosphor layer 7. When it is dark, the lens 8 has a higher refractive index than the phosphor layer 7 (see FIG. 2). When light enters from a low refractive index side to a high side, total reflection does not occur. Therefore, when the refractive indexes of the resins 12A and 12B are smaller than the refractive indexes of the fillers 6A and 6B and the concentration of the filler in the lens 8 is higher than the concentration of the filler in the phosphor layer 7, light is emitted from the phosphor layer. When the light enters the lens 8 from 7, total reflection does not occur, and an effect of suppressing the efficiency reduction due to reflection is achieved. For example, silica may be used as the fillers 6A and 6B, and a silicone resin having a lower refractive index than silica may be used as the resins 12A and 12B.
ここで、別の場合として、レンズ8を形成する樹脂12Bと蛍光体層7を形成する樹脂12Aが異なる樹脂である場合についても言及する。レンズ8を形成する樹脂12Bの屈折率が、蛍光体層7を形成する樹脂12Aの屈折率よりも大きい場合は、レンズ8に含まれるフィラーの屈折率を、レンズ8を形成する樹脂12Bの屈折率よりも小さくした方が良い。この場合、実効的にレンズ8の屈折率が低下して、蛍光体層7の屈折率に近づき、蛍光体層7とレンズ8の屈折率差が起因して起こる、光が蛍光体層7からレンズ8に入射する際の反射による効率低下を抑制するという効果を奏する。 Here, as another case, a case where the resin 12B forming the lens 8 and the resin 12A forming the phosphor layer 7 are different resins will be described. When the refractive index of the resin 12B forming the lens 8 is larger than the refractive index of the resin 12A forming the phosphor layer 7, the refractive index of the filler contained in the lens 8 is set to the refractive index of the resin 12B forming the lens 8. It is better to make it smaller than the rate. In this case, the refractive index of the lens 8 is effectively lowered to approach the refractive index of the phosphor layer 7, and light is generated from the phosphor layer 7 due to a difference in refractive index between the phosphor layer 7 and the lens 8. There is an effect of suppressing a decrease in efficiency due to reflection when entering the lens 8.
また、レンズ8を形成する樹脂12Bの屈折率が、蛍光体層7を形成する樹脂12Aの屈折率よりも大きい場合に、レンズ8に含まれるフィラーの屈折率を、レンズ8を形成する樹脂12Bの屈折率よりも小さくするだけよりは、レンズ8のフィラー濃度を蛍光体層7のフィラー濃度よりも大きくした場合の方が、レンズ8と蛍光体層7の屈折率差はより少なくなる。 Further, when the refractive index of the resin 12B forming the lens 8 is larger than the refractive index of the resin 12A forming the phosphor layer 7, the refractive index of the filler contained in the lens 8 is set to the resin 12B forming the lens 8. The difference in refractive index between the lens 8 and the phosphor layer 7 becomes smaller when the filler concentration of the lens 8 is made larger than the filler concentration of the phosphor layer 7 than when the refractive index of the lens 8 is made smaller.
ここで、さらに別の場合について説明する。レンズ8を形成する樹脂12Bの屈折率が、蛍光体層7を形成する樹脂12Aの屈折率よりも小さい場合は、レンズ8に含まれるフィラーの屈折率をレンズ8を形成する樹脂12Bの屈折率よりも大きくした方が良い。この場合、実効的にレンズ8の屈折率が上がって、蛍光体層7の屈折率に近づき、蛍光体層7とレンズ8の屈折率差が起因して起こる、光が蛍光体層7からレンズ8に入射する際の反射による効率低下を抑制するという効果を奏する。 Here, another case will be described. When the refractive index of the resin 12B forming the lens 8 is smaller than the refractive index of the resin 12A forming the phosphor layer 7, the refractive index of the filler included in the lens 8 is set to the refractive index of the resin 12B forming the lens 8. It is better to make it larger. In this case, the refractive index of the lens 8 is effectively increased to approach the refractive index of the phosphor layer 7, and light is generated from the phosphor layer 7 to the lens due to a difference in refractive index between the phosphor layer 7 and the lens 8. 8 has an effect of suppressing a decrease in efficiency due to reflection when the light enters the lens 8.
また、レンズ8を形成する樹脂12Bの屈折率が、蛍光体層7を形成する樹脂12Aの屈折率よりも小さい場合に、レンズ8に含まれるフィラーの屈折率を、レンズ8を形成する樹脂12Bの屈折率よりも大きくするだけよりは、レンズ8のフィラー濃度を蛍光体層7のフィラー濃度よりも大きくした場合の方が、レンズ8と蛍光体層7の屈折率差はより少なくなる。 Further, when the refractive index of the resin 12B forming the lens 8 is smaller than the refractive index of the resin 12A forming the phosphor layer 7, the refractive index of the filler contained in the lens 8 is set to the resin 12B forming the lens 8. The difference in refractive index between the lens 8 and the phosphor layer 7 becomes smaller when the filler concentration of the lens 8 is made larger than the filler concentration of the phosphor layer 7 than when the refractive index of the lens 8 is made larger.
本検討によれば、フィラーの平均粒径がナノオーダーの場合は、蛍光体層7のフィラーの濃度は0.5wt%〜3wt%で、レンズ8内のフィラー濃度は、4.8wt%より大きく、13wt%より小さく、6.5wt%程度の場合が最も良い条件である。 According to this study, when the average particle size of the filler is nano-order, the concentration of the filler in the phosphor layer 7 is 0.5 wt% to 3 wt%, and the filler concentration in the lens 8 is larger than 4.8 wt%. The condition is less than 13 wt% and about 6.5 wt%.
また、レンズでの散乱はレンズの性能を劣化させるため、できるだけ小さくしたい。そこで、フィラーの平均粒径を小さくすることが考えられるが、コストおよび蛍光体5の沈降抑制との兼ね合いで、蛍光体層7とレンズ8内のフィラーを2者ともにナノオーダーにする訳にはいかないときがある。その場合は、散乱によるレンズの性能劣化の方が効率への影響が大きいので、レンズ8に含まれるフィラーの平均粒径を、蛍光体層7に含まれるフィラーの平均粒径より小さくする方が良い。 Moreover, since scattering at the lens deteriorates the performance of the lens, it is desired to make it as small as possible. Therefore, it is conceivable to reduce the average particle size of the filler, but it is not possible to make both the phosphor layer 7 and the filler in the lens 8 nano-order in view of cost and suppression of sedimentation of the phosphor 5. There are times when there is no. In that case, since the performance degradation of the lens due to scattering has a greater effect on the efficiency, the average particle size of the filler contained in the lens 8 should be made smaller than the average particle size of the filler contained in the phosphor layer 7. good.
また、本実施形態のように、レンズ樹脂をディスペンサで線状に塗布することで線状に長いレンズ8を形成する場合、塗布始点18のレンズ形状は太くなる。また、塗布終点19のレンズ形状は太くなることもあれば、細くなる場合もある(大抵は太くなる)。 Further, as in the present embodiment, when the lens 8 is formed in a linear shape by applying a lens resin in a linear shape with a dispenser, the lens shape of the application start point 18 becomes thick. Further, the lens shape of the application end point 19 may be thick or thin (usually thick).
さらに、図1(a)に示すように、レンズは複数存在し、それらレンズは略平行に配置されている。塗布始点18に対応するレンズ端部20は、太くなり中央付近の様に綺麗なレンズにはならないため、レンズとしての性能が中央部ほど得られないことが多い。また、熱硬化でレンズを硬化する場合、熱が加わった際にレンズの粘度が低下する。それゆえ、レンズの幅WLが広がることがある。その際、隣接するレンズ端部20が接触するとくっついてしまい、レンズ端部20の形状が崩れてしまう。 Furthermore, as shown in FIG. 1A, there are a plurality of lenses, and these lenses are arranged substantially in parallel. Since the lens end 20 corresponding to the application start point 18 becomes thicker and does not become a beautiful lens near the center, performance as a lens is often not obtained as much as the center. In addition, when the lens is cured by thermosetting, the viscosity of the lens decreases when heat is applied. Therefore, there is the width W L of the lens is spread. At that time, when the adjacent lens end portions 20 come into contact with each other, they stick together, and the shape of the lens end portion 20 collapses.
それゆえ、レンズ端部20は、少なくとも発光強度が高いLED3が配置されている領域よりは外側に配置され、望ましくは発光面である蛍光体層7より外側に配置される。このように配置することで、レンズ端部の影響を低減し、性能のばらつきや劣化を低減している。塗布始点18や塗布終点19は、レンズ端部20付近で膨らんでいる個所のおおよそ中心部である。この塗布始点18を、少なくとも発光強度が高いLED3が配置されている領域よりは外側にしている。 Therefore, the lens end portion 20 is disposed outside the region where at least the LED 3 having high emission intensity is disposed, and is desirably disposed outside the phosphor layer 7 which is a light emitting surface. By arranging in this way, the influence of the lens end portion is reduced, and variation and deterioration in performance are reduced. The application start point 18 and the application end point 19 are approximately the center of the portion that swells in the vicinity of the lens end 20. The application start point 18 is at least outside the region where the LED 3 having high emission intensity is disposed.
レンズ端部20が蛍光体層7より外側に配置されている場合は、例えば、レンズ端部20の一部もしくは全部がくっついて繋がっていても、少なくとも発光強度が高いLED3が配置されている領域でレンズ形状が、例えば略半円形などの、きれいな形状であれば、効率への影響は然程大きくない。 When the lens end portion 20 is disposed outside the phosphor layer 7, for example, even if a part or all of the lens end portion 20 is connected and connected, at least the region where the LED 3 having high emission intensity is disposed If the lens shape is a clean shape such as a substantially semicircular shape, the effect on the efficiency is not so great.
<第2の実施形態>
図5は、本発明の第2の実施形態に係る照明装置の構成を説明するための正面図であって、LED3を実装する基板2の法線方向から見た図である。第1の実施形態と異なる点は、レンズ8の形状である。第1の実施形態では、レンズ樹脂をディスペンサで線状に4本略平行に描画していた。本実施形態では、レンズ樹脂を、ディスペンサを用いて1筆で書いている点が異なる。発光面である蛍光体層7と重なる部分では、第1の実施形態と同様なレンズ形状であって、線状に4本略平行にレンズが並んでいる。レンズ端部20は蛍光体層7よりも外側にあり、蛍光体層7とレンズ8が重なる領域ではレンズ8の太ささは略一定となるように形成している。本実施形態では、1筆で書いているので、偶数本の線状のレンズを描いたため塗布始点18と塗布終点19が同じ側にある。奇数本の線状のレンズを描く場合は塗布始点18と塗布終点19が異なる側にある。レンズ8を1筆で描くのは、複数回に分けて書く場合よりも工程にかかる時間が短縮するためである。線状のレンズ8を複数本毎に書けば、1本毎に書く場合よりも工程にかかる時間が短縮する。本実施形態においても、レンズ端部20は太くなったり細くなったり不定形である。レンズ端部20は、中央付近の様な綺麗なレンズ8にはならない。それゆえ、何れのレンズ端部20も、少なくとも発光強度が高いLED3が配置されている領域よりは外側に配置され、望ましくは発光面である蛍光体層7より外側に配置される。このように配置することで、レンズ端部20の影響を低減し、性能のばらつきや劣化を低減している。塗布始点18や塗布終点19は、レンズ端部20付近で膨らんでいる個所のおおよそ中心部である。この塗布始点18を、少なくとも発光強度が高いLED3が配置されている領域よりは外側にしている。
<Second Embodiment>
FIG. 5 is a front view for explaining the configuration of the illumination device according to the second embodiment of the present invention, as viewed from the normal direction of the substrate 2 on which the LEDs 3 are mounted. The difference from the first embodiment is the shape of the lens 8. In the first embodiment, four lens resins are linearly drawn in a linear shape by a dispenser. This embodiment is different in that the lens resin is written with one brush using a dispenser. In the portion that overlaps the phosphor layer 7 that is the light emitting surface, the lens shape is the same as that of the first embodiment, and four lenses are arranged in a line substantially in parallel. The lens end portion 20 is outside the phosphor layer 7, and the thickness of the lens 8 is formed to be substantially constant in the region where the phosphor layer 7 and the lens 8 overlap. In this embodiment, since it is written with one brush, the coating start point 18 and the coating end point 19 are on the same side because an even number of linear lenses are drawn. When drawing an odd number of linear lenses, the application start point 18 and the application end point 19 are on different sides. The reason why the lens 8 is drawn with one brush is that the time required for the process is shortened compared with the case where the lens 8 is drawn in a plurality of times. If a plurality of linear lenses 8 are written, the time required for the process can be shortened as compared with the case where the linear lenses 8 are written one by one. Also in this embodiment, the lens end portion 20 is thick or thin, or is indefinite. The lens end portion 20 does not become a beautiful lens 8 as in the vicinity of the center. Therefore, any lens end portion 20 is disposed outside the region where at least the LED 3 having high emission intensity is disposed, and desirably disposed outside the phosphor layer 7 which is the light emitting surface. By arranging in this way, the influence of the lens end portion 20 is reduced, and variation and deterioration in performance are reduced. The application start point 18 and the application end point 19 are approximately the center of the portion that swells in the vicinity of the lens end 20. The application start point 18 is at least outside the region where the LED 3 having high emission intensity is disposed.
レンズ端部20が蛍光体層7より外側に配置されている場合は、例えば、レンズ端部20の一部もしくは全部がくっついて繋がっていても、少なくとも発光強度が高いLED3が配置されている領域でレンズ形状が、例えば略半円形などの、きれいな形状であれば、効率への影響は然程大きくない。 When the lens end portion 20 is disposed outside the phosphor layer 7, for example, even if a part or all of the lens end portion 20 is connected and connected, at least the region where the LED 3 having high emission intensity is disposed If the lens shape is a clean shape such as a substantially semicircular shape, the effect on the efficiency is not so great.
<第3の実施形態>
図6は、本発明の第3の実施形態に係る照明装置の構成を説明するための図であって、第1の実施形態で説明したLED基板4を、電球の光源として実装した例を示す。図6は斜視図であって、グローブ13に関しては内部が見えるように外形のみ描いている。照明装置1は大まかには、LED基板4、グローブ13、筐体14、口金15、電源回路16(図示なし。筐体14内に配置されている)から構成されている。
<Third Embodiment>
FIG. 6 is a diagram for explaining the configuration of the illumination device according to the third embodiment of the present invention, and shows an example in which the LED substrate 4 described in the first embodiment is mounted as a light source of a light bulb. . FIG. 6 is a perspective view, and only the outer shape of the globe 13 is drawn so that the inside can be seen. The lighting device 1 is roughly composed of an LED substrate 4, a globe 13, a housing 14, a base 15, and a power supply circuit 16 (not shown; disposed in the housing 14).
グローブ13は、ガラス材料または、透光性の樹脂などで作られ、拡散性が付与されている。グローブ13はLED基板4からの光を拡散して出射し、光ムラを抑制するという機能がある。口金15は電球を照明器具に嵌め込み電気的な接続を得る部位である。電源回路16はLED基板4に電力を供給する。複雑になるので、図6のLED基板4は略平行に並んだ4本のレンズ8、蛍光体層7と基板2のみを記載した。 The globe 13 is made of a glass material or a translucent resin, and is given diffusibility. The globe 13 has a function of diffusing and emitting light from the LED substrate 4 and suppressing light unevenness. The base 15 is a part for fitting an electric bulb into a lighting fixture to obtain electrical connection. The power supply circuit 16 supplies power to the LED substrate 4. Since the LED substrate 4 in FIG. 6 is complicated, only the four lenses 8, the phosphor layer 7, and the substrate 2 which are arranged substantially in parallel are described.
外部レンズ21は、LED基板4から出射される光(蛍光体層7またはレンズ8からの出射光)の進行方向を変更して、グローブ13からの出射光が電球として適切な配光となるようにするための部材である。外部レンズ21は、電球の仕様に応じて配置される場合と無い場合がある。本実施形態では、グローブ13からの出射光ができるだけ広角に出射されることを目的として外部レンズ21を実装した場合に関して説明する。広角に出射とは、基板2の法線方向からの角度を極角とした場合に、極角が大きい方向、例えば70〜90度方向への出射を表す。また、白熱電球が極角90度よりも大きな角度(概ね150度、配光角300度)にも光を出射しているので、LEDを用いた電球としても同様の配光特性が要求される場合もある。また、電球として重要なことは、基板2の実装面に平行な面内で等方的であるということである。 The external lens 21 changes the traveling direction of light emitted from the LED substrate 4 (emitted light from the phosphor layer 7 or the lens 8) so that the emitted light from the globe 13 has a proper light distribution as a light bulb. It is a member for making. The external lens 21 may or may not be arranged according to the specification of the light bulb. In the present embodiment, the case where the external lens 21 is mounted for the purpose of emitting the light emitted from the globe 13 as wide as possible will be described. The wide-angle emission means emission in a direction with a large polar angle, for example, a direction of 70 to 90 degrees, when the angle from the normal direction of the substrate 2 is a polar angle. Incandescent light bulbs also emit light at angles larger than 90 ° polar angle (generally 150 °, light distribution angle 300 °), so that similar light distribution characteristics are also required for light bulbs using LEDs. In some cases. What is important as a light bulb is that it is isotropic in a plane parallel to the mounting surface of the substrate 2.
直線状のレンズ8を用いた場合に課題となるのは、レンズ8長手方向とその方向に垂直な方向では出射角度分布が異なるため、LED基板4からの出射角度分布が基板2の実装面に平行な面内で、非等方的になるということである。 When the linear lens 8 is used, the problem is that the emission angle distribution is different between the longitudinal direction of the lens 8 and the direction perpendicular to the direction, so that the emission angle distribution from the LED substrate 4 is on the mounting surface of the substrate 2. It is anisotropic in parallel planes.
外部レンズ21は、当該非等方性を緩和するために、レンズ8の長手方向とその方向に垂直な方向で、外部レンズ21のレンズ形状が異なる形状となっている。つまり、レンズ8の長手方向に平行な断面でのレンズ形状と、当該長手方向に垂直な方向に平行な断面でのレンズ形状を異ならせて、LED基板4からの非等方的な出射分布を補正するというレンズである。 In order to alleviate the anisotropy, the external lens 21 has a shape in which the lens shape of the external lens 21 is different between the longitudinal direction of the lens 8 and a direction perpendicular to the longitudinal direction. That is, the lens shape in the cross section parallel to the longitudinal direction of the lens 8 is different from the lens shape in the cross section parallel to the direction perpendicular to the longitudinal direction, and the anisotropic emission distribution from the LED substrate 4 is obtained. It is a lens to correct.
また、線状のレンズ8の長手方向に垂直な方向の光の出射角度分布は、レンズ8が無い場合に比べて狭くなる傾向がある。そのような場合は、外部レンズ21は、長手方向に垂直な方向において、長手方向より広角に光を出射する形状となる。例えば、長手方向に垂直な方向の外部レンズ21の形状は、長手方向の外部レンズ21の形状よりも扁平な形状となる。その扁平な形状とは、例えば、外部レンズ21が楕円体(の半分)であるとすると、短軸は長手方向であり、長軸は長手方向に垂直な方向となるということである。なぜならば、楕円の短軸よりも長軸の方が、レンズの出射面(レンズから空気中へ光が出射する面)にレンズ内部より入射する光をより外側に(極角が大きい方に)屈折するためである。また、広角に光を出射するため、外部レンズ21の中心部は凹んだ形状となっている。その理由は、レンズ中心部の下側付近にあるLED基板4からの光は、レンズ中心部の出射面に対して、極角0度程度で入射する。極角0度で入射する光を外側に(極角が大きい方に)屈折するようにレンズの出射面を傾けると、広角に光が出射する。したがって、広角に光を出射しようとすると、レンズの中心部は、ある傾きを持つ。その傾きを中心から外側へ連続的に繋げていくと、レンズの中心部は凹んだ形状となる。 Further, the light emission angle distribution in the direction perpendicular to the longitudinal direction of the linear lens 8 tends to be narrower than that in the case where the lens 8 is not provided. In such a case, the external lens 21 has a shape that emits light at a wider angle than the longitudinal direction in a direction perpendicular to the longitudinal direction. For example, the shape of the external lens 21 in the direction perpendicular to the longitudinal direction is flatter than the shape of the external lens 21 in the longitudinal direction. The flat shape means that, for example, if the external lens 21 is an ellipsoid (half), the minor axis is the longitudinal direction and the major axis is the direction perpendicular to the longitudinal direction. This is because the long axis is longer than the short axis of the ellipse, and the light incident from the inside of the lens is more outward (to the larger polar angle) on the lens exit surface (the surface from which the light exits into the air). This is because it is refracted. Further, in order to emit light at a wide angle, the central portion of the external lens 21 has a concave shape. The reason for this is that light from the LED substrate 4 near the lower side of the center of the lens is incident on the exit surface of the center of the lens at a polar angle of about 0 degrees. If the exit surface of the lens is tilted so that light incident at a polar angle of 0 degrees is refracted outward (toward a larger polar angle), light is emitted at a wide angle. Accordingly, when light is emitted at a wide angle, the central portion of the lens has a certain inclination. When the inclination is continuously connected from the center to the outside, the center portion of the lens has a concave shape.
なお、以上説明した実施形態は、長尺の蛍光管を代替するLEDの直管型照明装置やLEDを用いたシーリングライトなど様々な照明器具への適用も可能であることは言うまでもない。 In addition, it cannot be overemphasized that embodiment described above is applicable also to various illuminating devices, such as the straight tube | pipe type illuminating device of LED which replaces a long fluorescent tube, and the ceiling light using LED.
<第4の実施形態>
図7(a)および(b)は、本発明の第4の実施形態に係る照明装置の構成を説明するための正面図であって、LED3を実装する基板2の法線方向から見た図である。図7(c)は、図7(a)および(b)に記載のA−A′の断面図である。図7(d)は、図7(c)の変形例である。
<Fourth Embodiment>
FIGS. 7A and 7B are front views for explaining the configuration of the illumination device according to the fourth embodiment of the present invention, as viewed from the normal direction of the substrate 2 on which the LEDs 3 are mounted. It is. FIG.7 (c) is sectional drawing of AA 'as described in FIG.7 (a) and (b). FIG.7 (d) is a modification of FIG.7 (c).
図7(a)および(b)は、正面方向から見たときのレンズ8および蛍光体層7の配置に関する2つの例を示している。配置を簡単に示す図であるため、蛍光体層7とダム材17および基板2だけを記している。 7A and 7B show two examples relating to the arrangement of the lens 8 and the phosphor layer 7 when viewed from the front direction. Since the arrangement is simply shown, only the phosphor layer 7, the dam material 17 and the substrate 2 are shown.
図7(a)は、正面からみて略円状にレンズ8と蛍光体層7が配置されている。図7(c)に示すように、蛍光体層7はLED3の外側に配置され、蛍光体5とフィラー6Aを含有している。レンズ8はフィラー6Bを含有している。材料の組成比など、特に説明しない限り構成は第1の実施形態で説明した通りである。 In FIG. 7A, the lens 8 and the phosphor layer 7 are arranged in a substantially circular shape when viewed from the front. As shown in FIG.7 (c), the fluorescent substance layer 7 is arrange | positioned on the outer side of LED3, and contains the fluorescent substance 5 and the filler 6A. The lens 8 contains a filler 6B. Unless otherwise specified, such as the composition ratio of materials, the configuration is the same as that described in the first embodiment.
本構成は、基板2の中心に対して、基板2の実装面に平行な面内で等方的な出射角度分布を得るための構成である。第3の実施形態で説明したように、直線状にレンズを配置すると長手方向とそれに垂直な方向で出射特性が異なり、LED基板4からの出射角度分布が基板2の実装面内で、非等方的になるということである。そこで、本実施形態では、基板2の実装面内で等方的になるように、基板2の中心を囲むようにレンズ8と蛍光体層7を形成して、基板2の実装面内での非等方性を緩和している。 This configuration is a configuration for obtaining an isotropic emission angle distribution in a plane parallel to the mounting surface of the substrate 2 with respect to the center of the substrate 2. As described in the third embodiment, when the lenses are arranged linearly, the emission characteristics are different in the longitudinal direction and the direction perpendicular thereto, and the emission angle distribution from the LED substrate 4 is unequal within the mounting surface of the substrate 2. Is to become one-way. Therefore, in the present embodiment, the lens 8 and the phosphor layer 7 are formed so as to surround the center of the substrate 2 so as to be isotropic within the mounting surface of the substrate 2, so Reduces anisotropy.
図7(a)では、略円状にレンズ8と蛍光体層7を配置したが、これに限らず、基板2の中心を囲むようなレンズ形状で有れば非等方性が改善される。例えば、四角や六角などの多角形および楕円など多様な形状が考えられる。また、一周の間、必ずしも完全に繋がってなくてもよい。コネクタなどの関係で一部切れていても良い。また、例えば、図7(b)に示すように、島状にレンズ8と蛍光体層7が形成されていても良い。点在する島状のレンズが、基板の中心を囲むように配置されている構成であって、非等方性を改善する構成である。 In FIG. 7A, the lens 8 and the phosphor layer 7 are arranged in a substantially circular shape. However, the present invention is not limited to this, and the anisotropy is improved if the lens shape surrounds the center of the substrate 2. . For example, various shapes such as a polygon such as a square or a hexagon and an ellipse are conceivable. Moreover, it does not necessarily need to be completely connected during one round. A part may be cut off due to a connector or the like. For example, as shown in FIG. 7B, the lens 8 and the phosphor layer 7 may be formed in an island shape. The dotted island-shaped lenses are arranged so as to surround the center of the substrate, and are configured to improve anisotropy.
また、本構成の特徴の一つは、例えば、図7(b)中の矢印B、Cに示されるように、基板の外側から内側(図7(b)では中心)を見たときのレンズ形状が、複数のレンズで略等しいことである。 Also, one of the features of this configuration is, for example, a lens when viewed from the outside (center in FIG. 7B) from the outside of the substrate as indicated by arrows B and C in FIG. 7B. The shape is substantially the same for a plurality of lenses.
なお、ディスペンサで塗布してレンズを形成する場合、レンズを描画するためにディスペンサを動かす描画方向に略垂直な断面では、略楕円または略円状のレンズを形成できるが、描画方向に略平行な断面ではレンズを形成できない。したがって、ディスペンサで塗布してレンズを形成する場合のように、レンズがレンズの中心に対して回転対称でない場合に、本実施形態のように、レンズを、基板の中心を囲むように配置することは、非等方性の改善に対して、とりわけ、有効である。 In addition, when forming a lens by applying with a dispenser, a substantially elliptical or substantially circular lens can be formed in a cross section substantially perpendicular to the drawing direction in which the dispenser is moved to draw the lens, but is substantially parallel to the drawing direction. A lens cannot be formed in the cross section. Therefore, when the lens is not rotationally symmetric with respect to the center of the lens as in the case of forming the lens by applying with a dispenser, the lens is disposed so as to surround the center of the substrate as in this embodiment. Is particularly effective for improving anisotropy.
また、本実施形態では、基板2の外周に沿ってレンズ8を配置している。これは、照明装置1の配光角を広げるためである。LED基板4を電球などの照明装置に配置した際に、発光面が外側にあるほど、照明装置から出射される光の配光角は広角となる。例えば、図6に示す電球で外部レンズ21が無い場合は、発光面(蛍光体層7)が外側にあるほど発光面からの光はグローブ13の側面に直接当たりやすくなる。グローブ13の側面に入射した光は、透過散乱して、LED基板4の実装面の法線方向からの角度である極角が90度程度より大きい角度方向にも光を出射する。それゆえ、配光角が広角となる。 In the present embodiment, the lens 8 is disposed along the outer periphery of the substrate 2. This is to widen the light distribution angle of the lighting device 1. When the LED substrate 4 is arranged in a lighting device such as a light bulb, the light distribution angle of light emitted from the lighting device becomes wider as the light emitting surface is on the outer side. For example, when the light bulb shown in FIG. 6 does not have the external lens 21, the light from the light emitting surface is more likely to directly hit the side surface of the globe 13 as the light emitting surface (phosphor layer 7) is on the outside. The light incident on the side surface of the globe 13 is transmitted and scattered, and the light is emitted also in an angular direction in which the polar angle that is an angle from the normal direction of the mounting surface of the LED substrate 4 is greater than about 90 degrees. Therefore, the light distribution angle becomes a wide angle.
さらに、図7(d)に示すように、ダム材17が無い構成とすることで、配光角がさらに広角となる。なぜならば、蛍光体層の出射面7Aだけではなく、蛍光体層の側面7Bからも光を出射できるようになるからである。蛍光体層の側面7Bから出射した光は、照明装置1(例えば電球)の側面を照射する。それゆえ、照明装置1の側面から発光する光が増え、極角が90度程度より大きい角度方向により多くの光を出射するようになる。 Furthermore, as shown in FIG.7 (d), by setting it as the structure without the dam material 17, a light distribution angle becomes a wider angle. This is because light can be emitted not only from the emission surface 7A of the phosphor layer but also from the side surface 7B of the phosphor layer. The light emitted from the side surface 7B of the phosphor layer irradiates the side surface of the illumination device 1 (for example, a light bulb). Therefore, the light emitted from the side surface of the lighting device 1 is increased, and more light is emitted in the angular direction in which the polar angle is larger than about 90 degrees.
また、蛍光体層の側面7Bから光を出射する構成とすることで、ダム材17で反射して蛍光体層7に戻り、損失する光が減るので、効率も向上する。 Further, by adopting a configuration in which light is emitted from the side surface 7B of the phosphor layer, the light is reflected by the dam material 17 and returned to the phosphor layer 7, so that the loss of light is reduced, so that the efficiency is improved.
ここで、蛍光体層の側面7Bは、図7(d)に示すような実装面に垂直な面でなくても良い。例えば、傾斜が有っても良いし、曲線形状であっても配光角を広げるという効果を奏する。蛍光体層の側面7Bが空気と接していて、側面7Bからの出射光が遮られずに側面方向に出射する構成であるということが重要である。つまり、蛍光体層の側面7Bから光を出射する構成であることが重要である。 Here, the side surface 7B of the phosphor layer may not be a surface perpendicular to the mounting surface as shown in FIG. For example, there may be an inclination, and even if it is a curved shape, there is an effect of widening the light distribution angle. It is important that the side surface 7B of the phosphor layer is in contact with the air, and the emitted light from the side surface 7B is emitted in the side surface direction without being blocked. That is, it is important that the light is emitted from the side surface 7B of the phosphor layer.
本構成の場合、ダム材17の代わりに、フッ素樹脂など樹脂12が張り付き難い材料の型を用いて、蛍光体層を形成する。例えば、図1に示すようにダム材17が簡単な四角形の場合は、ダム材17の形成に然程時間が掛からないが、図7(a)などの構成では、ダム材17を略円状に塗布して作製するのに時間が掛かる。そこで、型を用い、型に蛍光体層7を流し込むことにより短時間で簡単に蛍光体層を作製することができる。したがって、とりわけ、レンズが基板の中心を囲むように配置されている場合には、ダム材17を無くした構成の方が、製造工程が簡単になる。 In the case of this configuration, the phosphor layer is formed using a mold of a material that is difficult to stick the resin 12 such as a fluororesin instead of the dam material 17. For example, when the dam material 17 has a simple square shape as shown in FIG. 1, it does not take much time to form the dam material 17, but in the configuration of FIG. It takes a long time to produce by coating. Therefore, a phosphor layer can be easily produced in a short time by using a mold and pouring the phosphor layer 7 into the mold. Therefore, in particular, when the lens is disposed so as to surround the center of the substrate, the configuration without the dam material 17 simplifies the manufacturing process.
但し、図1に示すような簡単な四角形など他の形状の場合であっても、蛍光体層の側面7Bから光を出射する構成とすることで、配光角が広角となり、効率が向上することは言うまでもない。 However, even in the case of other shapes such as a simple quadrangle as shown in FIG. 1, a configuration in which light is emitted from the side surface 7 </ b> B of the phosphor layer makes a light distribution angle wide and improves efficiency. Needless to say.
なお、本実施形態で説明した構成は、配光角の広い電球に対して最適である。 The configuration described in this embodiment is optimal for a light bulb having a wide light distribution angle.
なお、以上説明した各実施形態は、長尺の蛍光管を代替するLEDの直管型照明装置やLEDを用いたシーリングライトなど様々な照明器具への適用も可能であることは言うまでもない。 In addition, it cannot be overemphasized that each embodiment described above is applicable also to various lighting fixtures, such as the straight tube | pipe type illuminating device of LED which replaces a long fluorescent tube, and the ceiling light using LED.
なお、以上説明した各実施形態において記載した「ナノオーダー」とは、100nm未満という意味である。例えば、「平均粒径がナノオーダー」と言った場合には、「平均粒径が100nm未満」という意味である。 The “nano order” described in each of the embodiments described above means less than 100 nm. For example, the phrase “average particle size is nano-order” means “average particle size is less than 100 nm”.
なお、以上説明した各実施形態は、本発明の説明のために示した具体例であって、これらの各実施形態に本発明を限定するものではない。例えば、以上の各実施形態において図示した各部材の断面を含む形状は、当該部材が有すべき機能を満足するものであれば、必要に応じ適宜設計、最適化するべきものである。 Each embodiment described above is a specific example shown for explanation of the present invention, and the present invention is not limited to each of these embodiments. For example, the shape including the cross section of each member illustrated in each of the above embodiments should be appropriately designed and optimized as necessary as long as the function that the member should have is satisfied.
1 照明装置
2 基板
3 LED
4 LED基板
5 蛍光体
6 フィラー
7 蛍光体層
8 レンズ
9 正電極
10 負電極
11 ワイヤ
12 樹脂
13 グローブ
14 筐体
15 口金
16 電源回路
17 ダム材
18 塗布始点
19 塗布終点
20 レンズ端部
21 外部レンズ
22 接着剤
1 Lighting device 2 Substrate 3 LED
4 LED substrate 5 Phosphor 6 Filler 7 Phosphor layer 8 Lens 9 Positive electrode 10 Negative electrode 11 Wire 12 Resin 13 Globe 14 Case 15 Base 16 Power supply circuit 17 Dam material 18 Application start point 19 Application end point 20 Lens end 21 External lens 22 Adhesive
Claims (16)
前記基板上に実装されたLEDと、
前記LEDが発光した光の少なくとも一部を吸収して長波長の光に変換する蛍光体と、
前記LEDの外側に設けられ、前記蛍光体を含有する樹脂で構成する蛍光体層と、
前記蛍光体層の外側に設けられ、前記蛍光体層より蛍光体の濃度が低い樹脂、または蛍光体が無い樹脂で構成するレンズと、を有する照明装置であって、
前記蛍光体層と前記レンズにフィラーが含有され、
前記蛍光体層に含まれるフィラーの重量濃度よりも、前記レンズに含まれるフィラーの重量濃度の方が大きいことを特徴とする照明装置。 A substrate,
LEDs mounted on the substrate;
A phosphor that absorbs at least part of the light emitted by the LED and converts it into light having a long wavelength;
A phosphor layer provided on the outside of the LED and composed of a resin containing the phosphor;
A lighting device having a lens formed of a resin having a lower phosphor concentration than the phosphor layer, or a resin having no phosphor, provided outside the phosphor layer;
The phosphor layer and the lens contain a filler,
The lighting device, wherein the weight concentration of the filler contained in the lens is larger than the weight concentration of the filler contained in the phosphor layer.
前記レンズに含まれるフィラーの平均粒径が、200nmよりも小さいことを特徴とする照明装置。 The lighting device according to claim 1,
An illumination device, wherein an average particle size of a filler contained in the lens is smaller than 200 nm.
前記レンズに含まれるフィラーの平均粒径が、100nmよりも小さいことを特徴とする照明装置。 The lighting device according to claim 1,
The lighting device, wherein an average particle size of the filler contained in the lens is smaller than 100 nm.
前記レンズに含まれるフィラーと前記蛍光体層に含まれるフィラーが同種であって、
前記レンズを形成する樹脂と前記蛍光体層を形成する樹脂が同種であることを特徴とする照明装置。 It is an illuminating device in any one of Claims 1 thru | or 3, Comprising:
The filler contained in the lens and the filler contained in the phosphor layer are the same type,
The illumination device, wherein the resin forming the lens and the resin forming the phosphor layer are the same type.
前記レンズに含まれるフィラーの平均粒径は、前記蛍光体層に含まれるフィラーの平均粒径と概ね等しいことを特徴とする照明装置。 It is an illuminating device in any one of Claims 1 thru | or 4, Comprising:
The average particle diameter of the filler contained in the lens is approximately equal to the average particle diameter of the filler contained in the phosphor layer.
前記レンズに含まれるフィラーの平均粒径は、前記蛍光体層に含まれるフィラーの平均粒径以下であることを特徴とする照明装置。 It is an illuminating device in any one of Claims 1 thru | or 4, Comprising:
The average particle diameter of the filler contained in the said lens is below the average particle diameter of the filler contained in the said fluorescent substance layer, The illuminating device characterized by the above-mentioned.
前記レンズは線状に長い形状を有し、
前記レンズは略平行に複数配置され、
前記レンズの端部は前記LEDが配置されている領域より外側に配置されることを特徴とする照明装置。 The illumination device according to any one of claims 1 to 6,
The lens has a linearly long shape,
A plurality of the lenses are arranged substantially in parallel,
An end of the lens is arranged outside the area where the LED is arranged.
前記レンズに含まれるフィラーの重量濃度が、4.8wt%よりも大きいことを特徴とする照明装置。 The illumination device according to any one of claims 1 to 7,
A lighting device, wherein a weight concentration of a filler contained in the lens is larger than 4.8 wt%.
前記蛍光体層に含まれるフィラーの重量濃度が、0.5wt%から3.0wt%の範囲内にあることを特徴とする照明装置。 The illumination device according to any one of claims 1 to 8,
The lighting device, wherein the weight concentration of the filler contained in the phosphor layer is in the range of 0.5 wt% to 3.0 wt%.
前記レンズに含まれるフィラーと前記蛍光体層に含まれるフィラーの屈折率が、前記レンズを形成する樹脂と前記蛍光体層を形成する樹脂の屈折率よりも高いことを特徴とする照明装置。 The lighting device according to claim 1,
The lighting device, wherein the refractive index of the filler contained in the lens and the filler contained in the phosphor layer is higher than the refractive index of the resin forming the lens and the resin forming the phosphor layer.
前記レンズを形成する樹脂の屈折率が、前記蛍光体層を形成する樹脂の屈折率および前記レンズに含まれるフィラーの屈折率よりも大きいことを特徴とする照明装置。 The lighting device according to claim 1,
An illumination device, wherein a refractive index of a resin forming the lens is larger than a refractive index of a resin forming the phosphor layer and a refractive index of a filler included in the lens.
前記レンズを形成する樹脂の屈折率が、前記蛍光体層を形成する樹脂の屈折率および前記レンズに含まれるフィラーの屈折率よりも小さいことを特徴とする照明装置。 The lighting device according to claim 1,
An illumination device, wherein a refractive index of a resin forming the lens is smaller than a refractive index of a resin forming the phosphor layer and a refractive index of a filler included in the lens.
前記蛍光体層または前記レンズからの出射光の進行方向を変更する外部レンズを備え、
前記外部レンズは、前記レンズの長手方向とその長手方向に垂直な方向とで、形状が異なることを特徴とする照明装置。 The lighting device according to any one of claims 1 to 12,
An external lens that changes a traveling direction of light emitted from the phosphor layer or the lens;
The illumination device according to claim 1, wherein the external lens has a different shape in a longitudinal direction of the lens and a direction perpendicular to the longitudinal direction.
前記レンズが、前記基板の中心を囲むように配置されていることを特徴とする照明装置。 The lighting device according to any one of claims 1 to 13,
The illumination device, wherein the lens is disposed so as to surround a center of the substrate.
前記蛍光体層の側面から光が出射する構成であることを特徴とする照明装置。 The lighting device according to any one of claims 1 to 14,
An illumination device characterized in that light is emitted from a side surface of the phosphor layer.
前記基板と前記LEDとを接着する接着剤層を有することを特徴とする照明装置。 The lighting device according to claim 1,
An illumination device comprising an adhesive layer for bonding the substrate and the LED.
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