JP2002216525A - 面照明装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】高密度で実装されたチップ型ＬＥＤを点灯した
際の発熱を、強制冷却手段を用いることなく、効率よく
装置外部に放熱させることにより、長寿命かつ大光束を
有する経済的な面照明装置を提供すること。 【解決手段】透光性板材からなり伝搬光の一部を拡散さ
せる拡散パタンを有する導光板と、導光板の一端部に配
された複数のチップ型ＬＥＤからなる光源部とを有す面
照明装置において、チップ型ＬＥＤがサイド発光タイプ
であって、絶縁性を有する、もしくは絶縁層を表面に形
成した高熱伝導性材料からなる回路基板に、実装される
ように構成する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、誘導表示照明灯、
避難口照明灯、広告灯、液晶ディスプレイ用バックライ
トなどに用いられる面発光型の照明装置に関するもので
ある。

【０００２】

【従来の技術】これまで発光ダイオード素子（Ｌｉｇｈ
ｔ Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｄｉｏｄｅ：以下、ＬＥＤと呼
称する）を用いた面発光型の照明装置として、例えば特
開平８-１６０８９２公報に記載された表示装置が知ら
れている。

【０００３】図７（ａ）、（ｂ）はそれぞれこの公報に
開示されている従来の面発光型表示装置の側断面図と平
面図である。図において１はアクリル樹脂等の透光性材
料からなる導光板、２７は導光板１の表面上に配された
発光層、２８は発光層２７に設けられたドットパターン
状の光反射部、２９は発光チップの前段に砲弾形状の樹
脂レンズをモールドし、放熱効果を有する長いリード電
極が取り付けられたＬＥＤである（以下、本文中では砲
弾型ＬＥＤと呼称する）。

【０００４】また、３０は砲弾型ＬＥＤ２９を固定する
ためのＬＥＤ固定ホルダ、３１は砲弾型ＬＥＤを駆動す
るためのＬＥＤ基板、３２は文字やデザインなどのパタ
ーンが描かれているパターンフィルム、３３はフレーム
である。

【０００５】次に、図をもとに動作を説明する。砲弾型
ＬＥＤ２９は、導光板１の端面に近接してアレイ状に配
されている。砲弾型ＬＥＤ２９から発した光は、この端
面より導光板１の内部へ結合し、導光板１の界面（表面
もしくは裏面）においてスネルの法則に従う。即ち、界
面の前後における屈折率によって決まる全反射臨界角よ
り小さな入射角で進入した光は、導光板の外部へ放射さ
れる。また大きな入射角で進入した光は鏡面反射され、
導光板１内の界面で繰り返し反射されながら、面方向に
沿って伝搬する。

【０００６】一方、発光層２７には光を乱反射する光反
射部が設けてあり、面方向に沿って伝搬する光が発光層
２７の光反射部に当たると、光はここで乱反射される。
乱反射された光の一部は、対向面に全反射臨界角より小
さな入射角で進入し、外部へ放射される。放射されなか
った光は、対向面で反射され、再び光反射部へ進入し、
同じ行程を繰り返す。この結果、発光層２７の対向面か
ら見ると面全体から光が放射されている状態となる。こ
の放射光は発光層２７上のパターンフィルム３２に描か
れている文字やデザインなどを浮かび上がらせる。

【０００７】このような光反射部は、反射率の高い白色
塗料をドット状にシルク印刷する方法や、サンドブラス
ト等により表面を凹凸に加工する方法や、射出成形によ
って予め表面に凹凸を形成する方法などによって得るこ
とができる。また、面放射光を略均一にするため、光反
射部におけるドットパターンや表面凹凸の空間周波数は
光源である砲弾型ＬＥＤ２９から離れるに従って大きく
なるように設定されている。

【０００８】従来の砲弾型ＬＥＤ２９を用いた面照明装
置は、以上のように構成されており、予め決められた光
源スペースに対して、アレイ状に並べることのできるＬ
ＥＤの数はレンズ径によって制限されていた。その結
果、光源部から得られる単位面積当たりの放射輝度は制
限され、面照明用光源として必ずしも満足できるもので
はなかった。また、光源基板へのリード電極取付け部か
ら砲弾型ＬＥＤ２９のレンズ頂点までの距離が大きいた
め、コンパクトな光源部を構成することが難しかった。

【０００９】このような課題を解決するために、チップ
型ＬＥＤを高密度で実装し、大光束を得るという方法に
よる面照明装置も提案されている。しかしながら、この
方法も、放熱効果を有する長いリード電極を持たないチ
ップ型ＬＥＤを高密度で実装するため、素子及び素子周
辺の温度が著しく高くなり、素子の発光効率や寿命の低
下を招いていた。

【００１０】この点に関して、例えば、チップ型ＬＥＤ
８の周囲環境温度が２５℃と５０℃の場合における点灯
時間と相対輝度との関係を、図８に示す。図より相対輝
度が１０％ダウンするまでの点灯時間を比較すると、周
囲環境温度が２５℃では約７０００時間であるのに対
し、５０℃では約２０００時間しかなく、周囲環境温度
の上昇に伴って、発光効率の低下が始まる時間が短くな
ることが分かる。

【００１１】このように、チップ型ＬＥＤの実装では、
放熱を充分図り、素子及び素子周辺の温度を低く抑えな
ければならず、特に、高密度で実装する場合には、素子
近傍に強制冷却手段を配設しなければならないという課
題があった。

【００１２】

【発明が解決しようとする課題】本発明は係る課題を解
決するためになされたもので、高密度で実装されたチッ
プ型ＬＥＤを点灯した際の発熱を、強制冷却手段を用い
ることなく、効率よく装置外部に放熱させることによ
り、長寿命かつ大光束を有する経済的な面照明装置を提
供することを目的としたものである。また、併せて駆動
回路を含めたコンパクトな面照明装置を提供することを
目的としたものである。

【００１３】

【課題を解決するための手段】本発明に係る面照明装置
は、透光性板材からなり伝搬光の一部を拡散させる拡散
パタンを有する導光板と、導光板の一端部に配された複
数のチップ型ＬＥＤからなる光源部とを有す面照明装置
において、チップ型ＬＥＤがサイド発光タイプであっ
て、絶縁性を有する、もしくは絶縁層を表面に形成した
高熱伝導性材料からなる回路基板に、実装されるように
構成したものである。

【００１４】また、導光板の光放射面以外を覆う導光板
収納ケースの一部を回路基板としたものである。

【００１５】

【発明の実施の形態】実施の形態1.図１（ａ）、（ｂ）
はそれぞれ本発明の実施の形態１に係る面発光装置の側
断面図と、導光板収納ケースを外して真上から見た平面
図である。従来例と同一もしくは同一相当部分には同じ
符号を付して説明を省略する。図において、２は導光板
１の一面に設けられ、伝搬光を拡散する拡散パタン、３
は高い反射率を有する白色の拡散反射板、４は導光板１
を収納する樹脂あるいは金属などで構成された導光板収
納ケース、５は拡散パタン２が設けられた面と対向する
導光板１の表面に取り付けられ、乳半のアクリル板や半
透明のＰＥＴシート等を主材料とする表面カバー、６は
絶縁金属基板、７は導電パタン、８は導光板１の端面に
隣接して配設されたサイド発光タイプのチップ型ＬＥ
Ｄ、９はリード電極、１０は駆動回路、１１はチップ抵
抗である。

【００１６】また、図２は、チップ型ＬＥＤ８と絶縁金
属基板６とのコンタクトの様子を示す要部拡大図であ
る。図において１２は例えば１ｍｍ程度の厚みを有する
アルミニウム、銅、鉄、ステンレス、ニッケルなどから
なる金属基板、１３は金属基板１２の上に形成された厚
みが１００μｍ程度のエポキシ樹脂、ガラス繊維入りエ
ポキシ樹脂、ポリエチレン、架橋ポリエチレン、ポリイ
ミド、ポリアミドイミド、ポリエステル、ポリウレタン
などからなる絶縁層である。このような絶縁層は、絶縁
材料を塗布する方法などによって形成されている。

【００１７】絶縁金属基板６は、金属基板１２と、絶縁
層１３から構成されており、絶縁層１３の上には、厚み
が３０μｍ程度の銅箔などからなる導電パタン７が形成
されている。図示していないが、チップ型ＬＥＤ８は、
絶縁層１３上に熱伝導性の接着剤や半田などでマウント
されている。また、チップ型ＬＥＤ８は、サイド発光タ
イプであるので、光が射出される方向は、マウント面で
ある絶縁金属基板６と平行な（矢印Ａで示した）方向で
ある。

【００１８】図２をもとに放熱動作について説明する。
チップ型ＬＥＤ８を点灯した際、素子から発生する熱
は、リード電極９を介して導電パタン７へと流れ込む。
発生する熱は、陽極側よりも陰極側の方が大きいため、
熱の流路となる導電パタン７のパタン幅は、陰極側の方
が広く設定されている。

【００１９】リード電極９を介して導電パタン７へと流
れ込んだ熱は導電パタン７に沿って伝導するとともに、
厚み方向（絶縁層１３）へと拡散する。ここで絶縁層１
３の厚みは高々１００μｍであるので、絶縁層１３へ拡
散した熱は、速やかにその下に続く金属基板１２へと伝
わる。金属基板１２へ伝わった熱は、絶縁層１３と反対
側の外気と接している面より放熱される。

【００２０】ここで、絶縁金属基板６による放熱効果
を、実験データを基に説明する。

【００２１】図３は絶縁アルミニウム基板に実装された
チップ型ＬＥＤと、ガラスエポキシ基板に実装された直
径５ｍｍの砲弾型ＬＥＤをパルス駆動した時の過渡熱特
性を比較したものである。図において横軸、縦軸はそれ
ぞれパルス時間（秒）、熱抵抗（℃／Ｗ）である。実験
条件は、室温２５℃のもと、ＧａＡｓＰ系のＬＥＤを用
い、（パルス時間の間だけ）０．１１Ｗの電力で駆動し
た。

【００２２】図から明らかなように熱抵抗はパルス時間
が数百秒を越えたあたりから飽和しており、連続使用時
の熱抵抗はこの飽和値として求まる。したがって図より
砲弾型ＬＥＤと、絶縁アルミニウム基板にマウントされ
たチップ型ＬＥＤの連続使用時の熱抵抗は、それぞれ３
９５℃／Ｗ、２６０℃／Ｗと求まる。

【００２３】この熱抵抗値より連続使用時におけるＬＥ
Ｄの発光部位であるジャンクション温度の上昇分は、砲
弾型ＬＥＤの場合で４３℃（＝３９５℃／Ｗ×０．１１
Ｗ）、絶縁アルミニウム基板にマウントされたチップ型
ＬＥＤの場合で２９℃（＝２６０℃／Ｗ×０．１１Ｗ）
と求まる。この結果は、絶縁アルミニウム基板を用いた
方がＬＥＤのジャンクション温度は１４℃（＝４３℃―
２９℃）も低く、放熱面で格段に優れていることを示し
ている。なお、ここでは絶縁アルミニウム基板について
説明したが、アルミニウムに近い熱伝導率を有する金属
材料による金属基板であれば同様な効果が得られること
は明らかである。

【００２４】次に、典型的な砲弾型ＬＥＤとチップ型Ｌ
ＥＤが、実装基板上で占める形状寸法をそれぞれ直径３
ｍｍの円、１ｍｍ×２ｍｍの長方形として、実装密度を
比較すると、前者の場合、６ｍｍ×６ｍｍのスクウェア
において、最大４個の素子しか実装できないのに対し
て、後者の場合、同じ面積で、最大１８個の素子が可能
である。このようにチップ型ＬＥＤは、従来の砲弾型Ｌ
ＥＤと比べて、数倍の密度で実装が可能であり、また発
熱面についても前述の絶縁金属基板を使用することによ
って大幅に放熱効果が改善される。この結果、強制冷却
手段を用いることなく、砲弾型ＬＥＤよりも数倍の密度
でＬＥＤを実装することができ、長寿命かつ高い放射輝
度を有する面照明用光源を得ることが出来る。

【００２５】なお、図１においてチップ型ＬＥＤ８から
発した光が、導光板１の端面より結合し、界面で反射を
繰り返しながら伝搬し、拡散パタン２と対向する面（以
下、光放射面と呼称する）全体から放射される動作は従
来例と同じであるので省略する。

【００２６】また、同図（ａ）において光放射面以外の
界面を通って外部に放射された光を、導光板１の内部に
戻すために、ＬＥＤからの光が進入する端面と光放射面
を除く、残り全ての面を囲むように拡散反射板３が配さ
れ、導光板収納ケース４の内側も高反射率の反射面にな
っている。このような構成によって導光板１の内部に戻
された光は、内部で反射を繰り返し、拡散パタン２まで
達した後、前述と同じ行程を辿り、光放射面から放射さ
れる。この結果、照明に活用される光量は増大し、照明
効率は高められる。

【００２７】また、同図（ｂ）においてチップ型ＬＥＤ
８は、複数のＬＥＤ及び電流安定化用のチップ抵抗１１
を直列接続し、さらにそれら直列接続されたユニットが
並列接続される構成となっている。このような接続によ
り、各チップ型ＬＥＤ８の抵抗のバラツキに関係なく、
各ＬＥＤに流れる電流をほぼ一定にできる。また、いず
れか一つのＬＥＤが不点灯状態になった場合でも、装置
としての点灯状態は保たれるようになる。ここでチップ
抵抗１１はチップ型ＬＥＤと同じ方法により絶縁金属基
板６にマウントされている。

【００２８】さらに、駆動回路部１０の構成要素につい
てもチップ型ＬＥＤ８やチップ抵抗１１と同じように実
装してもよい。例えば、外部から入力される電圧が交流
の場合には、駆動回路部１０は、入力された交流電圧
を、降圧（もしくは昇圧）するトランスと、この降圧
（もしくは昇圧）された電圧を全波整流するダイオード
ブリッジやツェーナダイオード等から構成される。

【００２９】したがって絶縁金属基板６上に駆動回路部
１０に対応する導電パタンを配設し、駆動回路部１０の
構成要素をチップ部品、もしくはこれに準ずる部品を用
いて、チップ型ＬＥＤ８と同じ様にマウントすれば、発
生した熱を、絶縁金属基板６を介して外部へ逃がすこと
ができる。このようにすれば、駆動回路部１０と光源部
を同じ基板上に高密度で実装することが可能となり、省
スペース化が図れる。

【００３０】なお、この駆動回路部１０にはＬＥＤの点
消灯や調光を行うための制御回路が含れていても構わな
い。さらに回路実装面の背面に溝や凹凸を形成したり、
フィン等の突起物を設けることで、放熱特性を向上させ
てもよい。

【００３１】さらにまた絶縁金属基板６上には駆動用バ
ッテリーとバッテリー駆動回路部を設けてもよい。この
ようにすれば装置内光源部、回路部を小面積としながら
も、コードレスで常時点灯、あるいは停電を検知しての
緊急補助点灯等を行うことが可能となる。なお、ここで
は絶縁金属基板６を用いた場合について説明したが、表
面に絶縁層が形成された高熱伝導性基板、もしくは絶縁
性を有する高熱伝導性基板であっても同様である。ま
た、光放射面が拡散パタンと対向する面以外であっても
同様である。

【００３２】以上のように本発明では、絶縁金属基板６
上に、チップ型ＬＥＤやその駆動回路の構成要素を高密
度実装するようにしたので、充分な放熱が可能となり、
強制冷却装置を使うことなく、コンパクト、長寿命かつ
大光束を有する面照明装置を得ることができる。

【００３３】実施の形態２.図４は、本発明に係る実施
の形態２における面発光装置の側断面図を示す。従来例
もしくは実施の形態１と同一もしくは同一相当部分には
同じ符号を付し、説明を省略する。基本動作は実施の形
態１と同じであり、異なる部分について説明する。

【００３４】本実施の形態では、導光板収納ケース４１
は、例えばアルミニウムや銅などの高熱伝導性を有する
材料から構成されている。この導光板収納ケース４１は
導光板１の光放射面を除く全側面と背面をカバーしてい
る。また、導光板収納ケース４１の内側には、光源部や
駆動回路部１０などが収納されるスペースが確保されて
いる。より詳しくは、導光板収納ケース４１の光源部と
駆動回路部１０が収納されるスペースには、絶縁処理が
施され、その上に印刷などの方法で導電パタン７を設け
てあり、実施の形態１における絶縁金属基板６として機
能している。さらに、導電パタン７は、導光板収納ケー
ス４１を導光板１に取付けた時、マウントされているチ
ップ型ＬＥＤ８の発光部が、導光板１の端面と近接する
ように設定されている。

【００３５】このように構成することにより、導光板収
納ケース４１自身が光源部と駆動回路部１０から発生し
た熱を外部に放熱するための放熱板の役割を果たすこと
になり、強制冷却手段は不要となり、部品点数も削減さ
れる。

【００３６】このように、光源部、駆動回路部１０など
の熱源を小面積上に高密度に実装することが可能とな
り、装置の小型化あるいは薄型化が可能となる他、回路
構成部品の点数を削減することができ、製造工程の簡素
化が実現される。

【００３７】なお本面照明装置を貼りつけ以外の方法、
例えば吊り下げて使うような場合には導光板収納ケース
４１の背面に溝や凹凸を形成したり、フィン等の突起物
を設けることで、さらに良好な放熱特性を得ることがで
きる。

【００３８】また、絶縁層を塗布方法によって形成した
場合について説明したが、絶縁層を、耐熱性と絶縁性を
有する薄い基板もしくはフィルムとして、これを、高熱
伝導性を有する基板や導光板収納ケース４１などに密着
させてもよい。

【００３９】図５（ａ）、（ｂ）はそれぞれ、耐熱性と
絶縁性を有する薄い基板もしくはフィルムの上に、光源
部または駆動回路部１０に対応する導電パタンを配し、
これら回路を構成するチップ電子部品などを高密度で実
装し、これを、高熱伝導性を有する基板や導光板収納ケ
ース４１などに取付けた面発光装置の側断面図を示した
ものである。

【００４０】図において、１４はポリイミドなどからな
る厚みが数百μｍ前後の耐熱性と絶縁性を有する薄い基
板もしくはフィルム、１５はシリコン系の熱伝導性接着
剤や熱伝導性接着シールなどからなる厚みが数十μｍ前
後の高熱伝導性を有する接着層、１６は高熱伝導性を有
する基板である。

【００４１】このような高耐熱性と絶縁性を有する薄い
基板もしくはフィルム１４は、高熱伝導性を有する接着
層１５を介して、高熱伝導性を有する基板１６や導光板
収納ケース４１に取付られ、間隙に空気層が出来ないよ
うに密着させられている。このように密着させることに
より高熱伝導性を有する基板１６や導光板収納ケース４
１と、十分な熱的コンタクトが保たれる。

【００４２】したがって光源部や駆動回路部１０で発生
した熱は、厚みが高々数百μｍの高耐熱性と絶縁性を有
する薄い基板もしくはフィルム１４、及び厚みが高々数
十μｍ前後の高熱伝導性を有する接着層１５を拡散し、
その下に続く高熱伝導性を有する基板１６や導光板収納
ケース４１へ速やかに流れ込み、外部へ効率よく放熱さ
れる。

【００４３】この場合も、高熱伝導性を有する基板１６
あるいは導光板収納ケース４１の背面に溝や凹凸を形成
したり、フィンなどの金属性突起部を設けることで更な
る放熱効果を期待することができる。なお、このような
構成は、前述の高熱伝導性を有する材料からなる基板の
表面に絶縁材料を塗布し、その上に導電路となる導電パ
タンを形成する構成と比較すると、加工面やコスト面で
大きなメリットを有している。

【００４４】さらにまた、図６に示すように、導光板１
の端面に近接してアレイ状に配された複数のＬＥＤ全て
に対し、これらを覆うように光反射板を配設してもよ
い。図において１７は光源部のＬＥＤ後部に配された高
反射率を有する鏡面状もしくは白色の光反射板である。

【００４５】このような構成により、チップ型ＬＥＤ８
から発し、導光板１の端面に結合する際、端面で反射さ
れたり、放射角の不整合などにより導光板１の内部にう
まく結合できなかった光束を、再び導光板１の端面に向
けて進行させ、一部を結合させることが可能となる。こ
れにより導光板１への結合効率が高まり、照明効率の高
い面照明装置を得ることができる。

【００４６】

【発明の効果】本発明は以上のように構成されているの
で、以下に示すような効果を奏する。

【００４７】光源部や駆動回路部などを絶縁性の高熱伝
導材料からなる回路基板に配設するようにしたので、こ
れらを高密度実装した場合であっても、強制冷却装置を
使わずに、素子及び素子周囲温度を低く抑えることが可
能となる。この結果、強制冷却装置が不要となって経済
的になるとともに、単位面積当たりの放射輝度の高い長
寿命の面照明装置を得ることができる。

【００４８】また、導光板収納ケースの一部を絶縁性の
高熱伝導材料からなる回路基板とし、ここに光源部と駆
動回路を配設し、ＬＥＤなどから発生した熱を外部に放
熱させるように構成したので、構成部品の点数が削減さ
れ、製造工程を簡素化することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 （ａ）、（ｂ）はそれぞれ本発明の実施の形
態１に係る面発光装置の側断面図と、導光板収納ケース
を外して真上から見た平面図である。

【図２】 チップ型ＬＥＤと絶縁金属基板とのコンタク
トの様子を示す要部拡大図側断面である。

【図３】 絶縁アルミニウム基板に実装されたチップ型
ＬＥＤと、ガラスエポキシ基板に実装された直径５ｍｍ
の砲弾型ＬＥＤをパルス駆動した時の過渡熱特性を示し
た図である。

【図４】 本発明の実施の形態２に係る面照明装置の側
断面図である。

【図５】 （ａ）、（ｂ）はそれぞれ、耐熱性と絶縁性
を有する薄い基板もしくはフィルムの上に、光源部また
は駆動回路部を構成するチップ電子部品などを高密度で
実装し、これを、高熱伝導性を有する基板や導光板収納
ケースなどに取付けた面発光装置の側断面図である。

【図６】 ＬＥＤ後部に光反射板を配設した本発明の実
施の形態に係る面照明装置の側断面図である。

【図７】 (ａ)、（ｂ）はそれぞれ従来の面照明装置に
係る面照明装置の側断面と平面図である。

【図８】 チップ型ＬＥＤの周囲環境温度が２５℃と５
０℃の場合における点灯時間と相対輝度との関係を示す
面である。

【符号の説明】

１ 導光板 、２ 拡散パタン、３ 拡散反射板、４,
４１ 導光板収納ケース、５ 表面カバー、６ 絶縁金
属基板、７ 導電パタン、８ チップ型ＬＥＤ、９ リ
ード電極、１０ 駆動回路部、１１ チップ抵抗、１２
金属基板、１３ 絶縁層、１４ 耐熱性と絶縁性を有
する薄い基板もしくはフィルム、１５ 高熱伝導性を有
する接着層、１６ 高熱伝導性を有する基板、１７ 光
反射板、２７ 発光層、２８ ドットパターン状の光反
射部、２９ 砲弾型ＬＥＤ、３０ ＬＥＤ固定ホルダ、
３１ ＬＥＤ基板、３２ パターンフィルム、３３ フ
レーム

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号 ＦＩ テーマコート゛(参考） Ｆ２１Ｙ 101:02 Ｆ２１Ｙ 101:02

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 透光性板材からなり伝搬光の一部を拡散
   させる拡散パタンを有する導光板と、該導光板の一端部
   に配された複数のチップ型ＬＥＤからなる光源部と、を
   有す面照明装置において前記チップ型ＬＥＤがサイド発
   光タイプであって、絶縁性を有する、もしくは絶縁層を
   表面に形成した高熱伝導性材料からなる回路基板に、実
   装されたことを特徴とする面照明装置。
2. 【請求項２】 前記導光板の光放射面以外を覆う導光板
   収納ケースの一部が前記回路基板であることを特徴とす
   る請求項１記載の面照明装置。