JP7315858B2

JP7315858B2 - 発光装置

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Publication number: JP7315858B2
Application number: JP2021022963A
Authority: JP
Inventors: 貴紀有賀; 正裕今井
Original assignee: Nichia Corp
Current assignee: Nichia Corp
Priority date: 2021-02-17
Filing date: 2021-02-17
Publication date: 2023-07-27
Anticipated expiration: 2041-02-17
Also published as: US20220260758A1; JP2023156290A; US20250067906A1; JP2025020241A; US12169287B2; JP7583313B2; CN114944446A; JP2022125391A

Description

本発明は、発光モジュールに関する。

特許文献１には、発光ダイオードチップと、発光ダイオードチップから放出された光の光束を分散させるレンズを含む発光モジュールが開示されている。

特表２０１０－５２４１７０号公報

発光モジュールにおいて、レンズ等の光学部材の長軸方向に光の配光が広がり、長軸方向により広い配光を有する特性が望まれる。本発明は、光学部材の長軸方向に光の配光が広がり、長軸方向により広い配光を有する発光モジュールを提供することを目的とする。

本発明の一実施形態に係る発光モジュールは、光源と、前記光源から出射された光の配光を制御する光学部材と、を有する発光モジュールであって、前記光学部材は、前記光源から出射された光が入射される入射面と、前記入射面に入射された光が出射される出射面と、を含み、平面視において、前記光学部材は、長軸と、前記長軸に直交する短軸と、を有する形状を有し、前記光学部材の中心軸は、前記光源の中心と、前記入射面と、前記出射面とを通り、かつ前記長軸に平行な長軸方向及び前記短軸に平行な短軸方向に直交し、前記長軸及び前記中心軸を含む面における前記光学部材の長軸断面において、前記入射面の形状は、凹形状であり、前記入射面は、前記中心軸と交差する曲面部を有し、前記出射面は、前記中心軸を含む領域に位置する凹状部と、前記凹状部の両外側に位置し前記凹状部に連続する凸状部と、を有し、前記短軸及び前記中心軸を含む面における前記光学部材の短軸断面において、前記入射面の形状は、凹形状であり、前記入射面は、前記中心軸と交差し前記短軸方向と平行な平面部を有し、前記平面部の長さは、前記短軸方向における前記光源の長さの２倍以上３倍以下であり、前記出射面の形状は、凸形状であり、平面視において、前記光源は、前記入射面が位置する領域内に設けられ、前記長軸断面における前記光源と前記入射面との間の最短距離は、前記短軸断面における前記光源と前記入射面との間の最短距離よりも短い。

本発明の一実施形態に係る発光モジュールによれば、光学部材の長軸方向に光の配光が広がり、長軸方向により広い配光が得られる発光モジュールを提供することができる。

本発明の一実施形態にかかる発光モジュールを模式的に示す模式斜視図である。本発明の一実施形態にかかる発光モジュールの光源及び光学部材の配置を説明するための模式斜視図である。本発明の一実施形態にかかる発光モジュールの模式上面図である。図３ＡのＩＩＩＢ－ＩＩＩＢ線における模式断面図である。図３ＡのＩＩＩＣ－ＩＩＩＣ線における模式断面図である。本発明の一実施形態の光線経路を示す模式図である。本発明の一実施形態の光線経路を示す模式図である。本発明の変形例にかかる発光モジュールの模式上面図である。本発明の一実施形態にかかる発光モジュールを用いた応用例を説明するための模式上面図である。本発明の一実施形態にかかる発光モジュールを用いた応用例を説明するための模式上面図である。

以下、本発明に係る発光モジュールの実施形態について説明する。なお、以下の説明において参照する図面は、本発明を概略的に示したものであるため、各部材のスケールや間隔、位置関係などが誇張、あるいは、部材の一部の図示が省略されている場合がある。また、上面図、断面図の間において、各部材のスケールや間隔が一致しない場合もある。また、以下の説明では、同一の名称及び符号については原則として同一又は同質の部材を示しており、詳細な説明を適宜省略することとする。

図１は、本発明の一実施形態の発光モジュール１００の模式斜視図である。発光モジュール１００は、光源１０と、光源１０から出射された光の配光を制御する光学部材２０と、を有する。筐体５０は凹部を有し、光源１０及び光学部材２０は、筐体５０の凹部内に配置されている。

光源１０には、発光ダイオード等の発光素子、パッケージ等に発光素子が載置された発光装置等を用いることができる。発光装置に用いるパッケージの材料としては、セラミックスや樹脂を用いることができる。光源１０からの光の発光ピーク波長は、例えば、２５０ｎｍ以上６００ｎｍ以下である。例えば、紫外線を発する光源１０を用いることで、殺菌用又は除菌用の発光モジュール１００として用いることができる。紫外線を発する光源１０の発光ピーク波長は、例えば、３１０ｎｍ以下である。平面視において、光源１０の形状は、例えば略矩形状である。本実施形態では、平面視において、光源１０の形状は略正方形である。平面視において、光源１０は、例えば、一辺が０．５ｍｍ以上４ｍｍ以下の正方形とすることができる。光源１０の中心は、平面視における光源１０の形状の中心に位置する。

図２は、本発明の一実施形態の光源１０及び光学部材２０の配置を説明するための模式斜視図である。図３Ａは、本発明の一実施形態の発光モジュール１００の模式上面図である。図３Ｂは、図３ＡのＩＩＩＢ－ＩＩＩＢ線における模式断面図である。図３Ｂは、光学部材２０の長軸及び中心軸を含む面における光学部材２０の長軸断面である。図３Ｃは、図３ＡのＩＩＩＣ－ＩＩＩＣ線における模式断面図である。図３Ｃは、光学部材２０の短軸及び中心軸を含む面における光学部材２０の短軸断面である。

図２に示すように、光学部材２０は、光源１０を覆って設けられる。図３Ａに示すように、光学部材２０は、平面視において、長軸と、長軸に直交する短軸と、を有する形状を有している。光学部材２０の中心軸は、光源１０の中心と、入射面２１と、出射面２２とを通り、かつ長軸及び短軸に直交する。光学部材２０の長軸に平行な方向を長軸方向Ｘとする。光学部材２０の短軸に平行な方向を短軸方向Ｙとする。また、長軸方向Ｘ及び短軸方向Ｙに直交する方向を中心軸方向Ｚとする。光学部材２０の中心軸は、中心軸方向Ｚに平行な方向である。

光学部材２０は、長軸方向Ｘにおける長さが短軸方向Ｙにおける長さよりも長い形状を有している。長軸方向Ｘにおける光学部材２０の長さＬ１は、短軸方向Ｙにおける光学部材２０の長さＬ２の１５０％以上２００％以下とすることができる。光学部材２０の長さＬ１を光学部材２０の長さＬ２の１５０％以上とすることで、後述する凸状部２７をより広く配置することができ、長軸方向Ｘに広い配光としやすい。光学部材２０の長さＬ１を光学部材２０の長さＬ２の２００％以下とすることで、光学部材２０の強度を保ちつつ、後述する平面部２４をより広く配置しやすい。長軸方向Ｘにおける光学部材２０の長さは、例えば、１５ｍｍ以上２０ｍｍ以下とすることできる。光学部材２０の短軸方向Ｙにおける長さは、例えば、５ｍｍ以上１０ｍｍ以下とすることできる。ここで、長軸方向Ｘにおける光学部材２０の長さとは、平面視において、長軸方向Ｘに沿う後述する出射面２２の最長の長さである。また、上述した短軸方向Ｙにおける光学部材２０の長さとは、平面視において、短軸方向Ｙに沿う後述する出射面２２の最長の長さである。

図２及び図３Ａに示すように、光学部材２０は、出射面２２が配置された領域の外周に外周部２３を有している。外周部２３は、光源１０から出射された光が通過しにくく、光源１０からの光の配光制御にはほとんど影響しない部分である。外周部２３は、長軸方向Ｘの長さが短軸方向Ｙの長さよりも長い。外周部２３の長軸方向Ｘにおける端部に隣り合う位置に、光学部材２０の外縁から出射面２２側に窪んだ形状の窪み部を有している。外周部２３の表面は、入射面２１及び出射面２２を含まない。

図３Ａから図３Ｃに示すように、光学部材２０は、光源１０から出射された光が入射される入射面２１と、入射面２１に入射された光が出射される出射面２２と、を含んでいる。光源１０から出射された光は、入射面２１と出射面２２を通過して外部に取り出される。

図３Ａに示すように、平面視において、入射面２１が配置された領域の長軸方向Ｘに沿った長さＤ１は、入射面２１が配置された領域の短軸方向Ｙに沿った長さＤ２よりも短くなっている。入射面２１が配置された領域の長軸方向Ｘに沿った長さＤ１は、入射面２１が配置された領域の短軸方向Ｙに沿った長さＤ２の５０％以上７０％以下とすることができる。これにより、後述する第１入射面２１Ａにおいて光源１０からの光を効率よく集光させつつ、後述する第２入射面２１Ｂに平面部２４を広く配置させ光を光源１０の中心軸側に屈折させやすくすることができる。入射面２１が配置された領域の長軸方向Ｘに沿った長さＤ１は、例えば、３ｍｍ以上７ｍｍ以下とすることできる。入射面２１が配置された領域の短軸方向Ｙに沿った長さＤ２は、例えば、７ｍｍ以上１５ｍｍ以下とすることできる。ここで、入射面２１が配置された領域の長軸方向Ｘ又は短軸方向Ｙに沿った長さとは、長軸方向Ｘ又は短軸方向Ｙに沿った長さのうち最長の長さである。平面視において、入射面２１が配置された領域は、短軸方向Ｙに沿った長辺を有する長方形状である。平面視において、光源１０は、入射面２１が位置する領域内に設けられている。平面視において、光源１０の大きさは、入射面２１が位置する領域の大きさよりも小さい。

図３Ｂに示すように、光学部材２０の長軸断面における入射面２１の形状は、凹形状である。以下、光学部材２０の長軸断面における入射面２１を第１入射面２１Ａと称することがある。第１入射面２１Ａは、光源１０の中心軸と交差する曲面部２６を有している。光源１０の直上に曲面部２６を配置することで、光源１０の中心軸近傍における光が長軸方向Ｘに狭くなって出射されることを抑制することができる。光源１０からの光を長軸方向Ｘに狭く出射させやすくするという観点から、第１入射面２１Ａは、曲面のみであることが好ましい。

図３Ｂに示すように、光学部材２０の長軸断面における出射面２２は、光源１０の中心軸を含む領域に位置する凹状部２８と、凹状部２８の両外側に位置し凹状部２８に連続する凸状部２７と、を有している。以下、光学部材２０の長軸断面における出射面２２を第１出射面２２Ａと称することがある。第１出射面２２Ａは、長軸断面において、凸状部２７と凹状部２８とが曲面で接続された連続曲面である。光源１０の直上に位置する凹状部２８により、光源１０の中心軸近傍における光を長軸方向Ｘに広がる方向に屈折させることができる。また、凹状部２８の両外側に位置する凸状部２７により、光源１０からの光を長軸方向Ｘに広げることができる。つまり、第１出射面２２Ａを上述した形状とすることで、第１出射面２２Ａに入射した光源１０からの光を長軸方向Ｘに広げ、発光モジュール１００の配光を長軸方向Ｘに広いバットウィング状の配光とすることができる。

中心軸方向Ｚにおいて、凹状部２８の高さは、凸状部２７の高さよりも低い。凹状部２８の高さと凸状部２７の高さとの差は、例えば、０．７ｍｍ以上１ｍｍ以下とすることできる。凸状部２７の最大高さは、例えば、５ｍｍ以上７ｍｍ以下とすることができる。凹状部２８の高さは、例えば、４ｍｍ以上６ｍｍ以下とすることができる。

図３Ｃに示すように、光学部材２０の短軸断面における入射面２１の形状は、凹形状である。以下、光学部材２０の短軸断面における入射面２１を第２入射面２１Ｂと称することがある。第２入射面２１Ｂは、光源１０の中心軸と交差し短軸方向Ｙと平行な平面部２４を有している。第２入射面２１Ｂに平面部２４を配置することで、光源１０から平面部２４に入射する光を光源１０の中心軸側に屈折させ、短軸方向Ｙにおける配光を狭くすることできる。平面部２４の長さは、短軸方向Ｙにおける光源１０の長さの２倍以上３倍以下とすることが好ましい。平面部２４の長さを短軸方向Ｙにおける光源１０の長さの２倍以上３倍以下とすることで、光源１０からの光が平面部２４に入射しやすくでき、短軸方向Ｙにおける光の配光をより狭くすることができる。平面部２４の長さは、例えば、５ｍｍ以上１０ｍｍ以下とすることができる。平面部２４は、外周部２３の上面よりも上方に位置している。

第２入射面２１Ｂは、平面部２４と連続し中心軸に対して傾斜する直線状の側面部２５を有する。側面部２５は、中心軸に対して、例えば、６０度以上９５度以下傾斜している。平面部２４と側面部２５とは曲面で接続されている。

光学部材２０の短軸断面における出射面２２の形状は、凸形状である。以下、光学部材２０の短軸断面における出射面２２を第２出射面２２Ｂと称することがある。第２出射面２２Ｂは、光源１０の中心軸と交差する曲面部２９を有している。光源１０の直上に曲面部２９を配置することで、第２入射面２１Ｂを介した光を集光させ、短軸方向Ｙに広がって出射されることを抑制することができる。光源１０からの光を短軸方向Ｙに狭く出射させやすくするという観点から、第２出射面２２Ｂは、曲面のみであることが好ましい。

図３Ｂ及び図３Ｃに示すように、長軸方向Ｘに沿った光源１０と入射面２１との間の最短距離Ｄ３は、短軸方向Ｙにおいて、短軸方向Ｙに沿った光源１０と入射面２１との間の最短距離Ｄ４よりも短くなっている。これにより、長軸方向Ｘにおいては、光源２０からの光を第１入射面２１Ａに入射させやすくし、短軸方向Ｙにおいては、平面部２４を配置する面積を確保しやすくできる。長軸断面において、長軸方向Ｘに沿った光源１０と入射面２１との間の最短距離Ｄ３は、例えば、０．３ｍｍ以上１ｍｍ以下である。短軸方向Ｙにおいて、短軸方向Ｙに沿った光源１０と入射面２１との間の最短距離Ｄ４は、例えば、２ｍｍ以上４ｍｍ以下である。

中心軸方向Ｚにおいて、光源１０と入射面２１との間の距離は、例えば、１．５ｍｍ以上３ｍｍ以下とすることできる。

光学部材２０には、光源１０からの光に対して透光性を有する材料を用いる。光学部材２０の材料として、例えば、アクリル、シクロオレフィン、シクロオレフィンコポリマー、エポキシ、シリコーンの樹脂を用いることができる。

図４及び図５は、本実施形態の光学部材２０を用いたときの、光源１０の中心から出射される光が光学部材２０に入射するときの光線経路を示す模式図である。図４は、長軸断面における光線の経路を示し、図５は、短軸断面における光線の経路を示している。図４に示すように、光源１０から出射された光が第１入射面２１Ａと第１出射面２２Ａを介して外部に取り出されることで、配光が広がっていることが分かる。図５に示すように、光源１０から出射された光が第２入射面２１Ｂ及び第２出射面２２Ｂを介して外部に取り出されることで、配光が狭くなっていることが分かる。例えば、第２入射面２１Ｂの平面部２４を通過する光線が光源１０の中心軸側に屈折することで配光が狭くなっている。

図６は、本実施形態の変形例を示す模式上面図である。本実施形態の変形例は、図６に示すように、光源１０の配置が異なる以外は、発光モジュール１００の構成と実質的に同じである。

図３Ａに示す発光モジュール１００においては、光源１０の一辺を長軸方向Ｘ又は短軸方向Ｙに平行に配置しているのに対して、本実施形態の変形例においては、図６に示すように、光源１０の一辺を長軸方向Ｘ又は短軸方向Ｙに対して約４５度傾斜させて配置している。このような配置として光源１０における発光面の一辺を長軸方向Ｘ又は短軸方向Ｙに対して約４５度傾斜させて配置することで、長軸方向Ｘ又は短軸方向Ｙに対して約４５度傾斜した方向における光源中心から光源１０の一辺までの距離を図３Ａに示す発光モジュール１００よりも短くすることができる。そのため、長軸方向Ｘに広い配光を得るために必要な光学設計が、光源１０の一辺を長軸方向Ｘ又は短軸方向Ｙに平行に配置した場合よりも容易になる。なお、光源１０として発光装置を用いる場合、発光素子を載置するパッケージの一辺は長軸方向Ｘ又は短軸方向Ｙに平行に配置しつつ、発光素子における発光面の一辺を長軸方向Ｘ又は短軸方向Ｙに対して約４５度傾斜させて配置してもよい。

図７及び図８は、本実施形態の発光モジュール１００を用いた応用例を示す図である。本応用例では、支持基板３０上に２つの発光モジュール１００が配置され、２つの発光モジュール１００は導電性部材４０によって電気的に接続されている。平面視における支持基板３０の形状は、例えば、長方形状とすることができる。上面視において、２つの発光モジュール１００の光源１０の中心を繋ぐ直線は、支持基板３０の長辺に平行であることが好ましい。２つの発光モジュール１００間の距離は、例えば、１５０ｍｍ以上２５０ｍｍ以下とすることできる。ここで、２つの発光モジュール間の距離とは、発光モジュール１００が有する光源１０の中心間の距離である。長方形状の支持基板３０に発光モジュール１００を配列することで支持基板３０の長手方向に広がった配光を得ることができる。例えば、発光モジュール１００を用いて細長い領域を照射する場合に、本応用例を用いることで効率よく長方形状の領域を照射することができる。図８に示すように、支持体６０に支持基板３０を接合し、照射したい基体７０の表面と発光モジュール１００とを対向させて配置する。このような配置とすることで、図８中において点線で示す発光モジュール１００からの光が支持基板３０の長手方向に広がり、支持基板３０の長手方向に沿った基体７０の表面を照射することができる。

筐体５０には、例えば、ポリカーボネート、エポキシ、シリコーンの樹脂やフッ素系樹脂を用いることができる。図１及び図７に示すように、筐体５０には、長軸方向Ｘにおける光学部材２０の外側に円形の孔部５１が設けられており、この孔部５１にねじ等を挿入することで発光モジュール１００を支持基板３０に固定することができる。筐体５０の凹部内にはアルミニウム等からなる基材が接合部材を介して接合されている。基材には、ガラスエポキシ基板、ガラスコンポジット基板を用いてもよい。光源１０は、基材上に配置され、基材と電気的に接続されている。基材の一部は、上述した外周部２３の窪み部が配置された領域で露出しており、その基材の露出部に導電性部材４０が電気的に接続される。また、基材と導電部材４０とを電気的に接続した後、樹脂等により接続部を被覆することで防水構造とすることができる。

本発明の発光モジュール１００は、例えば、エアコン内部のドレンパン及び熱交換器を照射し、ドレンパンで生じるカビの発生を抑制するために使用することができる。また、製品内部に水分が残留しやすい加湿器、空気清浄機等にも本発明の発光モジュール１００を使用することでカビの発生を抑制する効果が得ることができると考えられる。

１０光源
２０光学部材
２１入射面
２１Ａ第１入射面
２１Ｂ第２入射面
２２出射面
２２Ａ第１出射面
２２Ｂ第２出射面
２３外周部
２４平面部
２５側面部
２６曲面部
２７凸状部
２８凹状部
２９曲面部
３０支持基板
４０導電性部材
５０筐体
５１孔部
６０支持体
７０基体
１００発光モジュール
Ｘ長軸方向
Ｙ短軸方向
Ｚ中心軸方向

Claims

光源と、前記光源から出射された光の配光を制御する光学部材と、を有する発光モジュールであって、
前記光学部材は、前記光源から出射された光が入射される入射面と、前記入射面に入射された光が出射される出射面と、を含み、
平面視において、前記光学部材は、長軸と、前記長軸に直交する短軸と、を有する形状を有し、前記光学部材の中心軸は、前記光源の中心と、前記入射面と、前記出射面とを通り、かつ前記長軸に平行な長軸方向及び前記短軸に平行な短軸方向に直交し、
前記長軸及び前記中心軸を含む面における前記光学部材の長軸断面において、
前記入射面の形状は、凹形状であり、前記入射面は、前記中心軸と交差する曲面部を有し、
前記出射面は、前記中心軸を含む領域に位置する凹状部と、前記凹状部の両外側に位置し前記凹状部に連続する凸状部と、を有し、
前記短軸及び前記中心軸を含む面における前記光学部材の短軸断面において、
前記入射面の形状は、凹形状であり、前記入射面は、前記中心軸と交差し前記短軸方向と平行な平面部を有し、
前記平面部の長さは、前記短軸方向における前記光源の長さの２倍以上３倍以下であり、
前記出射面の形状は、凸形状であり、
平面視において、前記光源は、前記入射面が位置する領域内に設けられ、
前記長軸断面における前記光源と前記入射面との間の最短距離は、前記短軸断面における前記光源と前記入射面との間の最短距離よりも短い発光モジュール。
光源と、前記光源から出射された光の配光を制御する光学部材と、を有する発光モジュールであって、
前記光学部材は、前記光源から出射された光が入射される入射面と、前記入射面に入射された光が出射される出射面と、を含み、
平面視において、前記光学部材は、長軸と、前記長軸に直交する短軸と、を有する形状を有し、前記光学部材の中心軸は、前記光源の中心と、前記入射面と、前記出射面とを通り、かつ前記長軸に平行な長軸方向及び前記短軸に平行な短軸方向に直交し、
前記長軸及び前記中心軸を含む面における前記光学部材の長軸断面において、
前記入射面の形状は、凹形状であり、前記入射面は、前記中心軸と交差する曲面部を有し、
前記出射面は、前記中心軸を含む領域に位置する凹状部と、前記凹状部の両外側に位置し前記凹状部に連続する凸状部と、を有し、
前記短軸及び前記中心軸を含む面における前記光学部材の短軸断面において、
前記入射面の形状は、凹形状であり、前記入射面は、前記中心軸と交差し前記短軸方向と平行な平面部を有し、
前記入射面は、前記平面部と連続し前記中心軸に対して傾斜する直線状の側面部を有し、
前記出射面の形状は、凸形状であり、
平面視において、前記光源は、前記入射面が位置する領域内に設けられ、
前記長軸断面における前記光源と前記入射面との間の最短距離は、前記短軸断面における前記光源と前記入射面との間の最短距離よりも短い発光モジュール。
前記長軸断面において、前記入射面は、曲面のみである請求項１又は２に記載の発光モジュール。
前記長軸断面において、前記長軸方向に沿った前記光源と前記入射面との間の最短距離は、０．３ｍｍ以上１ｍｍ以下であり、
前記短軸断面において、前記短軸方向に沿った前記光源と前記入射面との間の最短距離は、２ｍｍ以上４ｍｍ以下である請求項１から３のいずれか１つに記載の発光モジュール。
平面視において、前記入射面が配置された領域の前記長軸方向に沿った長さは、前記入射面が配置された領域の前記短軸方向に沿った長さよりも短い請求項１から４のいずれか１つに記載の発光モジュール。
平面視において、前記入射面が配置された領域の前記長軸方向に沿った長さは、前記入射面が配置された領域の前記短軸方向に沿った長さの５０％以上７０％以下である請求項５に記載の発光モジュール。