福岡県工業技術センター 研究報告 No.25 (2015) 光学シミュレーションによるLED照明設計手法の開発 －LEDパッケージ詳細モデル作成手法の開発－ 田中 雅敏 *1 古賀 文隆 *1 西村 圭一 *1 Development of LED Lighting Equipment Design Method Using an Optical Engineering Software - Development of LED Package’s Detail Models Design Method Masatoshi Tanaka, Fumitaka Koga and Keiichi Nishimura LED照明器具の設計には光学シミュレーションソフトの活用が有効である。しかし，低い精度のLEDパッケージな どの光源モデルを使用して解析を行い，LED照明器具を設計・製作すると，配光特性などの誤差が設計時と比べて 大きくなるという問題がある。そこで，LED照明器具に使用されるLEDパッケージの高精度モデルを作成するために， 外観や内部断面の寸法測定を行い，指向特性を測定した。本研究では，これらの実測した寸法や形状，波長分布， 指向特性，入手可能な材料光学特性の情報を用いることにより，実測値と解析値の最大誤差が約12%以内に収まる LEDパッケージモデルを作成した。 1 はじめに 2 実験方法 近年，LED照明器具開発の効率化や高付加価値化の LED パッケージの外観寸法を測定するためにマイク ために光学シミュレーションソフトを用いた設計が注 ロスコープ（（株）キーエンス，VH-8000）を用い，内 目されている。しかし，データシートに記載されてい 部断面寸法を測定するために X 線 CT システム（（株） る指向特性を用いて，光学シミュレーションソフトで ニコンインステック，MCT225K）を用いた。また，LED LEDパッケージモデルを作成し，LED照明器具の設計を パッケージの封止樹脂形状を測定には，微細形状測定 行った場合，配光特性などの解析値と実測値の誤差が 装置（三鷹光器（株），NH-3SP）を用いた。 大きくなるという問題がある。これはLEDパッケージ LED パッケージの指向特性と発光波長分布を測定す が点光源と見なせる遠い距離（ファーフィールド）で るために山口県産業技術センター所有の配光（指向特 測定した指向特性を用いて光学設計を行ったことに原 性）測定装置（（株）スぺクトラ・コープ）を使用し 因がある。LED照明器具の設計には，LEDパッケージが た。JIS C8152-1 の CIE 平均化 LED 光度測定条件であ 面光源と見なせる近い距離（ニアフィールド）で測定 るコンディション B で，LED パッケージ単体の場合及 した指向特性を用いる必要がある。今回は，ニアフィ び LED パッケージ近傍にレンズを配置した場合の指向 ールドでの指向特性を測定せず，LEDパッケージ近傍 特性を測定した。レンズはエドモンドの TS 平凸レン にレンズを配置し，ニアフィールドの影響を含んだフ ズ 25.4×50.8（コーティングなし）を TS ケージ用レ ァーフィールドでの指向特性を測定することで，ニア ンズマウント 25/25.4MM 5MMD に固定したものを使用 フィールドでの指向特性と同等の光線情報を得ること した。 を試みた。 照 明 設 計 解 析 ソ フ ト ウ ェ ア LightTools 8.1.0 本研究では，実測した寸法や形状，波長分布，指向 （Synopsys 社）を用いて LED パッケージモデル及び 特性，入手可能な材料光学特性パラメータを基にニア 指向特性測定系モデルを作成し，解析を行った。LED フィールドに対応したLEDパッケージモデルを作成す パッケージを構成する部品は微小（0.1～5 mm）であ る手法を開発した。本稿では，市販されている表面実 り，反射率や透過率等の材料光学特性の実測が困難で 装型LEDパッケージ（LEDチップ+透明樹脂，以下「LED あったため，LED パッケージモデルの材料光学特性パ パッケージ」という。）のうち1例を挙げて報告する。 ラメータの一部は指向特性の解析値と実測値を比較検 証することにより探索した。 *1 機械電子研究所 - 77 - 福岡県工業技術センター 研究報告 No.25 (2015) 3 結果と考察 フィールドでの指向特性を測定した。図 5 に指向特性 3-1 LEDパッケージ詳細モデリング手法 の測定結果を示す。LED パッケージ近傍にレンズを配 3-1-1 LEDパッケージの形状・寸法測定 置した場合，LED パッケージから放射された光がレン 市販されている LED パッケージ A の外観を図 1 に示 ズで屈折された直接的な光とレンズで反射された光が す。図内に表示したスケールを基に寸法を測定した。 LED パッケージや台座で反射して再びレンズへ向かう 内部断面を図 2 に示す。X 線 CT システム測定時に出 間接的な光が生じる。したがって，LED パッケージ近 力されるボクセルサイズ値を基に画像処理ソフトウェ 傍にレンズを配置した場合は，ニアフィールドの影響 ア ImageJ（オープンソース）を用いて測定した。LED を含んだファーフィールドでの指向特性測定である。 パッケージの封止樹脂形状は一般に全反射損失を軽減 指向特性の測定と同時に測定した発光波長分布は波長 するために凹形状である 1) 。図 3 に封止樹脂形状を示 660 nm 付近をピークに半値幅約 10 nm となる赤色の す。封止樹脂の凹形状は滑らかな曲線であり，中心は 光であった。 約 50 μm 凹んでいた。測定時に三次元データを得た。 図4 図1 図2 レンズ配置 マイクロスコープによる外観撮影 X 線 CT システムによる内部断面撮影 図5 指向特性（実測値） 3-1-3 LEDパッケージモデルの作成 LED パッケージの形状・寸法測定及び光学特性測定 結果を基に LightTools 8.1.0 を用いて， LED パッケ ージモデル及び指向特性測定系モデルを作成した。ま ず，LED パッケージのケースや LED チップ，金ワイヤ ー，電極等のモデルを作成し，配置することで，図 6 に示す LED パッケージモデルを作成した。LED チップ の放射パターンをランバート分布とし 図3 封止樹脂形状 2)-7) ，発光波長 分布には実測値を設定した。LED パッケージのケース や電極等の材料光学特性パラメータの設定は表 1 に示 3-1-2 LEDパッケージの光学特性測定 す代表値 8)-11) や事前にパラメータ探索した結果を使 LED パッケージ単体の場合及び図 4 に示すように 用した。また，カップの側面やリードフレームの表面 LED パッケージ近傍にレンズを配置した場合のファー は図 7 のように梨地加工が施されており，光は散乱す - 78 - 福岡県工業技術センター 研究報告 No.25 (2015) ると推測できる。次に，配光測定装置の台座及び電極， 3-2 LEDパッケージ詳細モデリング手法の検証 測定時に使用したレンズのモデルを作成し，図 8 に示 3-2-1 LEDパッケージ単体の場合の解析結果 す指向特性測定系モデルを作成した。 本手法の有効性を検証するためにLEDパッケージの 指向特性の解析値を図 2 の実測値に一致させれば， 指向特性の実測値と解析値を比較し，LEDパッケージ ニアフィールドに対応した LED パッケージモデルが作 モデルの精度及びパラメータを検証した。図9にLEDパ 成できたと考えられる。 ッケージ単体の場合の指向特性の比較を示す。角度60deg～60degでは最大誤差が約4%以内に収まっている が，角度80degでは最大誤差が約11.5%となった。角度 80deg付近では放射強度が低いため，LED照明器具設計 に適用可能であると考えられる。しかし，このLEDパ ッケージモデルを複数個使用する場合には誤差が累積 することが考えられる。したがって，より精度の高い 解析を行うためには更なるパラメータの検証を行い， 図6 表1 LEDパッケージモデル LEDパッケージモデルを高精度化する必要がある。 材料光学特性（代表値：斜体表示） リード ワイヤー 部品 ケース フレーム 封止樹脂 ，電極 ，電極 Ag 材質 PPA シリコー Au メッキ 屈折率 1.53 透過/ 0.8/ ン樹脂 - - - - 1.50 1.0/ 図9 1.0 LEDパッケージ単体の場合の指向特性の比較 長さ[mm] 0.5 反射率[%] 60 80 95 4 透過率[%] 30 0 0 95 3-2-2 LEDパッケージ近傍にレンズを配置した場合の解 吸収率[%] 10 20 5 1 析結果 面特性[%] 散乱 散乱 - - 図10にLEDパッケージ近傍にレンズを配置した場合 の指向特性の比較を示す。角度-40～40degで誤差が3 ～18%と非常に大きくなった。この原因として，配光 測定装置の台座と電極の反射の影響が考えられること から，これらの材料光学特性パラメータの反射率及び 図7 面特性を変化させて指向特性を解析した。表2及び図 カップの側面及びリードフレーム拡大 11にその一例を示す。配光測定装置の台座と電極の反 射率及び面特性を変化させると，指向特性が変化した。 したがって，図10の誤差が大きい原因は配光測定装置 の台座と電極の反射率及び面特性の精度が低いことが 考えられる。 以上から，測定系モデルの精度が低いと，レンズを 図8 用いた解析が行えないということが判明した。今後， 指向特性測定系モデル 測定系モデルの材料光学特性パラメータの検証を行う。 - 79 - 福岡県工業技術センター 研究報告 No.25 (2015) パッケージ単体の場合の指向特性（ファーフィールド での指向特性）及びLEDパッケージ近傍にレンズを配 置した指向特性（ニアフィールドの影響を含んだファ ーフィールドでの指向特性）を基に材料光学特性パラ メータの特定を行った。現時点では，LEDパッケージ モデルの材料光学特性パラメータの精度及び測定系モ デルの精度は不十分である。 今後，LEDパッケージモデルの高精度化のため，LED 図10 レンズを配置した場合の指向特性の比較 パッケージモデル及び測定系モデルの材料光学特性パ ラメータの検証を引き続き行う。 表2 台座と電極の材料光学特性 台座 パタ 電極 5 参考文献 ーン 反射率[%] 面特性 反射率[%] 面特性 ① 60 鏡面 97 鏡面 ② 80 鏡面 97 鏡面 ③ 60 散乱 97 鏡面 ④ 80 散乱 97 鏡面 ⑤ 80 散乱 97 散乱 1) 出向井幸弘，田嶌博幸：豊田合成技報，Vol.53， pp.22-29(2011) 2) E ・ フ レ ッ ド ・ シ ュ ー ベ ル ト ： 発 光 ダ イ オ ー ド pp.118-157，朝倉書店(2012) 3) 秋元克弥，飯塚和幸，渡邊優洋，横山康祐，藤生 真二郎：工業技術研究誌 日立電線，No.29，pp.1- 4(2010) 4) 飯塚和幸，新井優洋，北野延明，秋元克弥，藤生 真二郎：工業技術研究誌 日立電線，No.28，pp.9- 12(2009) 5) 横山康祐，新井優洋，飯塚和幸，秋元克弥，国武 栄一：工業技術研究誌 日立電線，No.27，pp.23- 26(2008) 6) 一ノ瀬昇，中西洋一郎：次世代のための白色LED材 料，pp.22-27，日刊工業新聞社(2010) 図11 7) 一ノ瀬昇，田中裕，島村清史：高輝度LED材料のは 測定系モデルの精度が指向特性に与える影響 なし，pp.39-43，日刊工業新聞社(2005) 8) LED照明推進協議会：LED照明ハンドブック， 4 まとめ pp.52-56，62-66，オーム社(2011) 本研究所で測定したLEDパッケージ内外の形状・寸 9) LED照明推進協議会：LED照明信頼性ハンドブック， 法及び山口県産業技術センターで測定した指向特性， pp.75-108，日刊工業新聞社(2010) 入手可能な材料光学特性の情報を基にLEDパッケージ 10) 浦崎直人，小谷勇人，水谷真人，湯浅加奈子：日 詳細モデル作成手法の開発を行った。本稿では，開発 立化成テクニカルレポート，No.50，pp.7-10(2008) 手法の検証として，市販されているLEDパッケージを1 11) 横田省二：シャープ技報，第99号，pp.17- 例にして，モデル作成手順や実測値と解析値の比較， 19(2009) 材料光学特性について述べた。本稿の検証において， 実測値と解析値の最大誤差が約12%以内に収まるLEDパ ッケージ詳細モデルを作成した。 本手法では，LEDパッケージ部品が微小であり，材 料光学特性の測定が非常に困難であることから，LED - 80 -
© Copyright 2025 ExpyDoc
