DE102005008775B4

DE102005008775B4 - Lichtemittierende Vorrichtung und Beleuchtungs-Vorrichtung

Info

Publication number: DE102005008775B4
Application number: DE102005008775A
Authority: DE
Inventors: Shingo Kawai Matsuura
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2004-02-26
Filing date: 2005-02-25
Publication date: 2010-03-18
Anticipated expiration: 2025-02-26
Also published as: CN1661825A; US7192164B2; KR100620844B1; TW200603435A; JP2005243973A; CN100359708C; KR20060042215A; DE102005008775A1; US20050236628A1; TWI261937B

Abstract

Lichtemittierende Vorrichtung mit:
einem lichtemittierenden Element (3);
einem Basiskörper (1) mit einem Vorsprung (1a), der auf seiner oberen Hauptoberfläche ausgebildet ist, um darauf das lichtemittierende Element (3) zu platzieren;
einem Reflexionsbauteil (2), das auf der oberen Hauptoberfläche des Basiskörpers (1) so angeordnet ist, dass es den Vorsprung (1a) umgibt, mit einer Innenfläche (2a), die als Reflexionsfläche zum Reflektieren von Licht ausgebildet ist, das aus dem auf dem Vorsprung (1a) gelagerten lichtemittierenden Element (3) emittiert wird; und
einer Fluoreszenzmaterialschicht (4), die auf einer oberen Oberfläche des Reflexionsbauteils (2) so angeordnet ist, dass sie das lichtemittierende Element (3) abdeckt, wobei ein Abstand zwischen der Fluoreszenzmaterialschicht (4) und dem lichtemittierenden Element (3) gesichert ist und die Fluoreszenzmaterialschicht (4) aus einem lichtübertragenden Bauteil besteht, das ein fluoreszierendes Material zum Durchführen einer Wellenlängenumwandlung an dem Licht, das aus dem lichtemittierenden Element (3) emittiert wird, enthält,
in der ein Querschnitt der...

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
1. Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft eine lichtemittierende Vorrichtung, in der ein lichtemittierendes Element untergebracht ist, und eine die lichtemittierende Vorrichtung verwendende Beleuchtungsvorrichtung.
2. Beschreibung des Standes der Technik
4 ist eine Schnittansicht, die eine lichtemittierende Vorrichtung nach konventionellem Entwurf zeigt. In 4 besteht die lichtemittierende Vorrichtung hauptsächlich aus einem Basiskörper 11, einem Reflexionsbauteil 12, einem lichtemittierenden Element 13 und einer Schicht 14 aus fluoreszierendem Material. Der Basiskörper 11 besteht aus einem Isolator und weist in der Mitte seiner oberen Oberfläche einen Platzierungsabschnitt 11a auf, um darauf das lichtemittierende Element 13 zu lagern. Der Basiskörper 11 ist ebenfalls mit einem (nicht gezeigten) Verdrahtungsleiter versehen, der beispielsweise aus einer metallisierten Verdrahtungsleitung und einem Hauptanschluss für eine elektrisch leitende Verbindung innerhalb und außerhalb der lichtemittierenden Vorrichtung durch den Platzierungsabschnitt 11a und seine Umgebung ausgebildet ist. Das Reflexionsbauteil 12 besitzt eine rahmenartige Form und ist mit der oberen Oberfläche des Basiskörpers 11 fest verbunden. Eine Innenfläche 12a des Reflexionsbauteils 12 ist so geneigt, dass sie sich allmählich nach außen in eine aufwärts gerichtete Richtung erstreckt, und sie ist zu einer Reflexionsfläche zum Reflektieren von aus dem lichtemittierenden Element 13 emittiertem Licht geformt. Die Schicht 14 aus fluoreszierendem Material besteht aus einem lichtübertragenden Bauteil, das ein (nicht gezeigtes) fluoreszierendes Material enthält, um an dem aus dem lichtemitterenden Element emittierten Licht eine Wellenlängenumwandlung durchzuführen.
Der Basiskörper 11 besteht aus einem keramischen Material, wie zum Beispiel gesintertem Aluminiumoxid (Aluminiumoxidkeramik), gesintertem Aluminiumnitrid, gesintertem Mullit oder Glaskeramik, oder einem Harzmaterial wie etwa Epoxidharz. Wenn der Basiskörper 11 aus einem Keramikmaterial hergestellt ist, wird auf seiner oberen Oberfläche ein Verdrahtungsleiter ausgebildet, indem eine Metallpaste aus Wolfram (W) oder Molybdän(Mo)-Mangan (Mn) bei hoher Temperatur gebrannt wird. Andererseits ist, wenn der Basiskörper 11 aus einem Harzmaterial hergestellt ist, ein geformter Hauptanschluss aus Kupfer (Cu) oder einer Eisen(Fe)-Nickel(Ni)-Legierung fest in dem Basiskörper 11 angeordnet.
Das Reflexionsbauteil 12 ist aus einem Metallmaterial, wie zum Beispiel Aluminium (Al) oder einer Fe-Ni-Cobalt(Co)-Legierung, oder einem Keramikmaterial, wie zum Beispiel Aluminiumoxidkeramik, oder einem Harzmaterial, wie zum Beispiel Epoxidharz, durch einen Schneidevorgang oder einen Formungsvorgang, wie etwa Gesenkformen oder Extrusion, ausgebildet.
Des Weiteren ist bei dem Reflexionsbauteil 12 die Innenfläche 12a zu einer Reflexionsfläche zum Reflektieren von aus dem lichtemittierenden Element 13 oder der Fluoreszenzmaterialschicht 14 emittiertem Licht geformt. Die Innenfläche 12a wird endbearbeitet, indem sie mit einem Metall, wie zum Beispiel Al, durch Dampfabscheidung oder Galvanisieren beschichtet wird. Das Reflexionsbauteil 12 wird schließlich mit der oberen Oberfläche des Basiskörpers 11 unter Verwendung eines Binde- bzw. Bondingmaterials wie etwa Lot, einem Hartlotmaterial wie etwa Silber(Ag)-Hartlot oder einem Harzklebemittel so verbunden, dass der Platzierungsbereich 11a von der Innenfläche 12a umgeben ist.
Das lichtemittierende Element 13 entsteht durch Ausbilden einer lichtemittierenden Schicht auf einem monokristallinen Substrat, wie zum Beispiel einem Saphirsubstrat, mittels dem Flüssigkeits-Phasen-Wachstums-Verfahren oder dem MOCVD-Verfahren. Zu den Beispielen für die Materialien, die für die lichtemittierende Schicht verwendet werden, gehören: eine Gallium(Ga)-Al-Nitrid(N)-Verbindung; eine Zink(Zn)-Schwefel(S)-Verbindung; eine Zn-Selen(Se)-Verbindung; eine Silicium(Si)-Kohlenstoff(C)-Verbindung; eine Ga-Phosphor(P)-Verbindung; eine Ga-Al-Arsen(As)-Verbindung; eine Al-Indium(In)-Ga-P-Verbindung; eine In-Ga-N-Verbindung; eine Ga-N-Verbindung und eine Al-In-Ga-N-Verbindung. Das lichtemittierende Element 13 kann eine gleichartige Struktur = (Homo-Struktur), eine verschiedenartige Struktur = (Hetero-Struktur) oder eine doppel-verschiedenartige Struktur = (Doppel-Hetero-Struktur) einschließlich eines MIS-Übergangs oder eines PN-Übergangs aufweisen. Die Lumineszenz-Wellenlänge des lichtemittierenden Elements 13 wird nach Maßgabe des Materials, das für die lichtemittierende Schicht verwendet wird, und dessen Mischkristallverhältnis beispielsweise in einem Spektrum vom Ultraviolett- bis zum Infrarotbereich ausgewählt. Das lichtemittierende Element 13 ist an seiner Elektrode mit dem Verdrahtungsleiter, der nahe dem Platzierungsbereich 11a unter Verwendung eines (nicht gezeigten) Verbindungsdrahts oder unter Anwendung eines Flip-Chip-Bindungsverfahrens angeordnet ist, elektrisch verbunden. Bezüglich des Flip-Chip-Bindungsverfahrens ist das lichtemittierende Element 13 mit der Elektrodenseite nach unten angeordnet und die Verbindung wird durch eine Lötperle hergestellt.
Die Fluoreszenzmaterialschicht 14 wird in Form einer Platte ausgebildet, indem ein lichtübertragendes Bauteil, wie zum Beispiel Epo xidharz oder Silikonharz, das mit einem fluoreszierenden Material geladen ist, einem Wärmehärtungsvorgang unterzogen wird. Indem die Fluoreszenzmaterialschicht 14 so angeordnet wird, dass sie die Öffnung des Reflexionsbauteils 12 abdeckt, kann aus dem lichtemittierenden Element 13 emittiertes sichtbares oder ultraviolettes Licht mit der Lumineszenzwellenlänge absorbiert und in Licht mit einer längeren Wellenlänge umgewandelt werden. Somit können verschiedene Materialien für die Fluoreszenzmaterialschicht 14 unter Berücksichtigung der Lumineszenzwellenlänge des aus dem lichtemittierenden Element 13 emittierten Lichts sowie von aus der lichtemittierenden Vorrichtung emittiertem gewünschten Licht verwendet werden, wodurch es ermöglicht wird, eine lichtemittierende Vorrichtung zu realisieren, mit der Licht eines gewünschten Wellenlängenspektrums herausgenommen werden kann. Des Weiteren wird die lichtemittierende Vorrichtung weißes Licht unter Bedingungen emittieren gelassen, bei denen das aus dem lichtemittierenden Element 13 emittierte Licht und das aus dem Fluoreszenzmaterial emittierte Licht in einer Komplementärfarben-Beziehung zueinander stehen.
Die bevorzugten Beispiele für das verwendete fluoreszierende Material umfassen: ein Cerium(Ce)-aktiviertes fluoreszierendes Material auf Yttrium-Aluminium-Granatbasis; ein Perylenderivat; ein Kupfer(Cu)-Aluminium-aktiviertes Zink-Cadmium-Sulfid; Mangan(Mn)-aktiviertes Magnesiumoxid und Titanoxid. Das fluoreszierende Material kann entweder aus einer einzigen Substanz oder aus einem Gemisch aus zwei oder mehr unterschiedlichen Substanzen bestehen.
Der Stand der Technik ist in der ungeprüften japanischen Patentveröffentlichung JP 2000-349 346 A offenbart.
Jedoch weist die vorstehend beschriebene konventionelle lichtemittierende Vorrichtung eine einfache Struktur auf, bei der die Innenfläche 12a geradlinig geneigt ist, so dass sie sich allmählich nach außen in einer aufwärts gerichteten Richtung erstreckt. Leider wird bei dieser Struktur ein Teil des aus dem lichtemittierenden Element 13 emittierten Lichts von der Innenfläche 12a immer wieder reflektiert, bis es auf die Fluoreszenzmaterialschicht 14 scheint. Als Ergebnis hiervon ist die Intensität des aus dem lichtemittierenden Element 13 emittierten Lichts aufgrund der Lichtabsorption durch das Reflexionsbauteil 12 verringert. Dadurch entsteht das Problem, dass die Strahlungslichtintensität und -helligkeit in der lichtemittierenden Vorrichtung beträchtlich verschlechtert werden.
Des Weiteren tritt ein Teil des aus dem lichtemittierenden Element 13 emittierten und von der Innenfläche 12a reflektierten Lichts in die Fluoreszenzmaterialschicht 14 in einem Einfallswinkel ein, der größer als der kritische Reflexionswinkel ist. Dies bewirkt eine Totalreflexion des Lichts in einer unteren Fläche der Fluoreszenzmaterialschicht 14 und somit wird keine Wellenlängenumwandlung mehr durch das Fluoreszenzmaterial bewirkt. Als Ergebnis hiervon entsteht das Problem, dass die Strahlungslichtintensität und -helligkeit in der lichtemittierenden Vorrichtung beträchtlich verschlechtert werden.
Zusätzlich tritt etwas aus dem lichtemittierenden Element 13 in einer Aufwärtsrichtung emittiertes Licht in die Fluoreszenzmaterialschicht 14 ein, ohne auf die Innenfläche 12a zu fallen. Ein Teil dieses Lichts erfährt eine Totalreflexion auf der unteren Oberfläche der Fluoreszenzmaterialschicht 14 in einem Winkel, der größer ist als der kritische Winkel. Als Ergebnis hiervon ist die Effizienz der durch das fluoreszierende Material bewirkten Wellenlängenumwandlung verringert, was zu dem Problem führt, dass die Strahlungslichtintensität und -helligkeit in der lichtemittierenden Vorrichtung beträchtlich verschlechtert sind.
Die DE 101 05 802 A1 beschreibt ein reflektorbehaftetes Halbleiterbauelement, das eine strahlungsemittierende LED umfasst und in einem Gehäuse sitzt, das zumindest ein Basisteil und einen Reflektor für die Strahlung der LED umfasst, wobei die LED im Scheitel des Reflektors an einem Podest befestigt ist.
Die US 3 821 775 A beschreibt eine Kantenemmisions-GaAs-Lichtaussendestruktur. Die Struktur ist eine planare zylindrische Einheit mit einem N-dotierten Hauptkörper, in den eine P-Region mit geringerem Durchmesser eindepondiert ist. Die Aussendestruktur kann sich auf einem Podest innerhalb eines Reflektors befinden.
Die DE 196 38 667 C2 beschreibt ein mischfarbiges Licht abstrahlendes Halbleiterbauelement mit Lumineszenzkonversionselement. Der Halbleiterkörper kann sich in einem Grundgehäuse befinden. Ein Reflektor kann vorgesehen sein.
Die JP 2000-349 346 A beschreibt eine Halbleiterlichtaussendeeinrichtung. Das lichtaussendende Element ist in einer Vertiefung eines Grundkörpers angebracht.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Die Erfindung ist im Hinblick auf die vorstehend beschriebenen Probleme mit der herkömmlichen Technik gemacht wurden und daher ist es ihr Ziel, eine lichtemittierende Vorrichtung und eine Beleuchtungsvorrichtung zur Verfügung zu stellen, denen es gelingt, eine hohe Strahlungslichtintensität und große Helligkeit durch Reduzierung der Anzahl der Reflexionen von aus einem lichtemittierenden Element emittiertem Licht zu bieten, die auf der Innenfläche eines Reflexionsbauteils auftreten, und indem wirksam verhindert wird, dass das aus dem lichtemittierenden Element emittierte Licht eine Totalreflexion an der Grenzfläche einer Fluoreszenzmaterialschicht erfährt.
Die Erfindung stellt eine lichtemittierende Vorrichtung zur Verfügung, mit:
einem lichtemittierenden Element;
einem Basiskörper mit einem Vorsprung, die auf seiner oberen Hauptoberfläche ausgebildet ist, um darauf das lichtemittierende Licht zu platzieren;
einem Reflexionsbauteil, das auf der oberen Hauptoberfläche des Basiskörpers so angeordnet ist, dass es den Vorsprung umgibt, mit einer Innenfläche, die als Reflexionsfläche zum Reflektieren von Licht ausgebildet ist, das aus dem auf dem Vorsprung gelagerten lichtemittierenden Element emittiert wird; und
einer Fluoreszenzmaterialschicht, die auf einer oberen Oberfläche des Reflexionsbauteils so angeordnet ist, dass sie das lichtemittierende Element abdeckt, wobei ein Abstand zwischen der Fluoreszenzmaterialschicht und dem lichtemittierenden Licht gesichert ist und die Fluoreszenzmaterialschicht aus einem lichtübertragenden Bauteil besteht, das ein fluoreszierendes Material zum Durchführen einer Wellenlängenumwandlung an dem Licht, das aus dem lichtemittierenden Element emittiert wird, enthält,
in der ein Querschnitt der Innenfläche des Reflexionsbauteils, das durch eine virtuelle Ebene einschließlich einer virtuellen Achse geschnitten wird, die die Mitte der Innenfläche durchdringt und senkrecht zur oberen Hauptoberfläche des Basiskörpers ist, ein Schnittprofil aufweist, das durch eine gekrümmte Linie begrenzt ist, die durch die folgende Formel ausgedrückt wird, und die Innenfläche des Reflexionsbauteils eine gekrümmte Oberfläche ist, die durch Rotieren der gekrümmten Linie um die virtuelle Achse erhalten wird: Z = (cr2)/[1 + {1 – (1 + k)c2r2}1/2], (wobei –10 ≤ k ≤ –0,001, 0,001 mm–1 ≤ c ≤ 10 mm–1),wobei r für einen Radius von der virtuellen Achse zur Innenfläche steht; Z für eine Höhe von einer untersten Position der Innenfläche zu einer Position mit einem Radius r der Innenfläche steht, und wobei ein Winkel θ₁, der durch eine obere Oberfläche der Fluoreszenzmaterialschicht und eine Linie gebildet wird, die eine Ecke eines lichtemittierenden Abschnitts des lichtemittierenden Elements mit einer obersten Position der Innenfläche verbindet und diese eine Ecke berührt, angegeben ist als: θ1 ≥ 90° – sin–1 (1/n1),worin n₁ für einen Brechungsindex der Fluoreszenzmaterialschicht steht.
Die Erfindung stellt eine lichtemittierende Vorrichtung zur Verfügung, mit:
einem lichtemittierenden Element;
einem plattenförmigen Basiskörper;
einem Reflexionsbauteil, das mit einer oberen Hauptoberfläche des Basiskörpers verbunden ist, wobei das Reflexionsbauteil einen Basisabschnitt, einen auf dem Basisabschnitt gebildeten Vorsprung, um darauf das lichtemittierende Element zu lagern, und einen Seitenwandabschnitt aufweist, der an einer Peripherie des Basisabschnitts so ausgebildet ist, dass er den Vorsprung umgibt, wobei der Seitenwandabschnitt eine Innenfläche aufweist, die als Reflexionsoberfläche zum Reflektieren von Licht ausgebildet ist, das aus dem auf dem Vorsprung gelagerten lichtemittierenden Element emittiert wird; und
einer auf einer oberen Oberfläche der Seitenwandabschnitts so angeordneten Fluoreszenzmaterialschicht, dass sie das lichtemittierende Element abdeckt, wobei ein Abstand zwischen der Fluoreszenzmaterialschicht und dem lichtemittierenden Element gesichert ist und die Fluoreszenzmaterialschicht aus einem lichtübertragenden Bauteil besteht, das ein fluoreszierendes Material zum Durchführen einer Wellenlängenumwandlung an dem aus dem lichtemittierenden Element emittierten Licht enthält,
in der ein Querschnitt des Seitenwandabschnitts, der durch eine virtuelle Ebene einschließlich einer virtuellen Achse geschnitten wird, die die Mitte der Innenfläche durchdringt und senkrecht zur oberen Hauptoberfläche des Basiskörpers ist, ein Schnittprofil aufweist, das durch eine gekrümmte Linie begrenzt ist, die durch die folgende Formel ausgedrückt wird, und die Innenfläche des Reflexionsbauteils ei ne gekrümmte Oberfläche ist, die durch Rotieren der gekrümmten Linie um die virtuelle Achse erhalten wird: Z = (cr2)/[1 + {1 – (1 + k)c2r2}1/2], (wobei –10 ≤ k ≤ –0,001, 0,001 mm–1 ≤ c ≤ 10 mm–1),wobei r für einen Radius von der virtuellen Achse zur Innenfläche steht; Z für eine Höhe von einer untersten Position der Innenfläche zu einer Position mit einem Radius r der Innenfläche steht,
und wobei ein Winkel θ₁, der durch eine obere Oberfläche der Fluoreszenzmaterialschicht und eine Linie gebildet wird, die eine Ecke eines lichtemittierenden Abschnitts des lichtemittierenden Elements mit einer obersten Position der Innenfläche verbindet und diese eine Ecke berührt, angegeben ist als: θ1 ≥ 90° – sin–1 (1/n1),worin n₁ für einen Brechungsindex der Fluoreszenzmaterialschicht steht.
In der Erfindung liegt eine arithmetische Durchschnittsrauigkeit Ra der Innenfläche in einem Bereich von 0,004 bis 4 μm.
In der Erfindung ist ein durch die Innenfläche des Reflexionsbauteils und einer unteren Oberfläche der Fluoreszenzmaterialschicht begrenzter Abstand mit einem lichtübertragenden Bauteil gefüllt, das aus demselben Material besteht wie das lichtübertragende Bauteil, aus dem die Fluoreszenzmaterialschicht besteht.
Die Erfindung stellt eine Beleuchtungsvorrichtung zur Verfügung, die durch Einsetzen mehrerer der vorbeschriebenen lichtemittierenden Vorrichtungen in einer vorgegebenen Anordnung aufgebaut ist.
In der Erfindung ist die vorgegebene Anordnung eine gestaffelte Anordnung.
In der Erfindung ist die vorgegebene Anordnung eine konzentrische Anordnung von Gruppen lichtemittierender Vorrichtungen, welche Gruppen lichtemittierender Vorrichtungen kreisförmig oder polygonal angeordnet sind, und die Zahl der lichtemittierenden Vorrichtungen der jeweiligen Gruppen nimmt vom Mittelpunkt zum Außenrand der Beleuchtungsvorrichtung allmählich zu.
Gemäß der Erfindung umfasst die lichtemittierende Vorrichtung ein lichtemittierendes Element; einen Basiskörper mit einem Vorsprung, die auf seiner oberen Hauptoberfläche ausgebildet ist, um darauf das lichtemittierende Licht zu platzieren; ein Reflexionsbauteil, das auf der oberen Hauptoberfläche des Basiskörpers so angeordnet ist, dass es den Vorsprung umgibt, mit einer Innenfläche, die als Reflexionsfläche zum Reflektieren von Licht ausgebildet ist, das aus dem auf dem Vorsprung gelagerten lichtemittierenden Element emittiert wird; und eine Fluoreszenzmaterialschicht, die auf einer oberen Oberfläche des Reflexionsbauteils so angeordnet ist, dass sie das lichtemittierende Element abdeckt, wobei ein Abstand zwischen der Fluoreszenzmaterialschicht und dem lichtemittierenden Element gesichert ist und die Fluoreszenzmaterialschicht aus einem lichtübertragenden Bauteil besteht, das ein fluoreszierendes Material zum Durchführen einer Wellenlängenumwandlung an dem Licht, das aus dem lichtemittierenden Element emittiert wird, enthält. Der Querschnitt der Innenfläche des Reflexionsbauteils, das durch eine virtuelle Ebene einschließlich einer virtuellen Achse geschnitten wird, die die Mitte der Innen fläche durchdringt und senkrecht zur oberen Hauptoberfläche des Basiskörpers ist, weist ein Schnittprofil auf, das durch eine gekrümmte Linie begrenzt ist, die durch die folgende Formel ausgedrückt wird, und die Innenfläche des Reflexionsbauteils ist eine gekrümmte Oberfläche, die durch Rotieren der gekrümmten Linie um die virtuelle Achse erhalten wird: Z = (cr2)/[1 + {1 – (1 + k)c2r2}1/2], (wobei –10 ≤ k ≤ –0,001, 0,001 mm–1 ≤ c ≤ 10 mm–1),wobei r für einen Radius von der virtuellen Achse zur Innenfläche steht; Z für eine Höhe von einer untersten Position der Innenfläche zu einer Position mit einem Radius r der Innenfläche steht und der Winkel θ₁, der durch eine obere Oberfläche der Fluoreszenzmaterialschicht und eine Linie gebildet wird, die eine Ecke eines lichtemittierenden Abschnitts des lichtemittierenden Elements mit einer obersten Position der Innenfläche verbindet und diese eine Ecke berührt, angegeben ist als: θ1 ≥ 90° – sin–1 (1/n1),worin n₁ für einen Brechungsindex der Fluoreszenzmaterialschicht steht. Auf diese Weise wird das aus dem lichtemittierenden Element emittierte Licht in Bezug auf die Fluoreszenzmaterialschicht senkrecht von der Innenfläche reflektiert und tritt in die Fluoreszenzschicht ein. Als Ergebnis hiervon kann in der lichtemittierenden Vorrichtung die Anzahl der Reflektionen des aus dem lichtemittierenden Element emittierten Lichts, die auf der Innenfläche auftreten, reduziert werden. Des Weiteren kann verhindert werden, dass das von der Innenfläche reflektierte Licht eine Totalreflexion auf einer unteren Fläche der Fluoreszenzmaterialschicht erfährt. Dementsprechend kann in der lichtemittierenden Vorrichtung der Absorptionsverlust des aus dem lichtemittierenden Element emittierten Lichts auf der Innenfläche reduziert werden. Ferner kann ein Lichteinschluss in der lichtemittierenden Vorrichtung vermieden werden. Dies ermöglicht es, die Strahlungslichtintensität in der lichtemittierenden Vorrichtung zu erhöhen.
Da der Winkel θ₁ als: θ₁ ≥ 90° – sin^–1 (1/n₁) angegeben ist, folgt des Weiteren daraus, dass bei jedem Licht, das aus dem lichtemittierenden Element in eine Aufwärtsrichtung emittiert worden ist und direkt in die Fluoreszenzmaterialschicht eindringt, ohne von dem Reflexionsbauteil reflektiert zu werden, der Einfallswinkel kleiner als der kritische Winkel gemacht werden kann. Dies trägt dazu bei, das Auftreten einer Totalreflexion in der Fluoreszenzmaterialschicht wirksam zu verhindern.
Gemäß der Erfindung umfasst eine lichtemittierende Vorrichtung ein lichtemittierendes Element; einen plattenartigen Basiskörper; ein Reflexionsbauteil, das mit einer oberen Hauptoberfläche des Basiskörpers verbunden ist, wobei das Reflexionsbauteil einen Basisabschnitt, einen auf dem Basisabschnitt ausgebildeten Vorsprung, um darauf das lichtemittierende Element zu platzieren, und einen Seitenwandabschnitt aufweist, der am Umfang des Basisabschnitts so ausgebildet ist, dass er den Vorsprung umgibt, wobei der Seitenwandabschnitt eine Innenfläche aufweist, die als Reflexionsfläche ausgebildet ist, um Licht zu reflektieren, das aus dem auf dem Vorsprung gelagerten lichtemittierenden Element emittiert wird; und eine Fluoreszenzmaterialschicht, die auf einer oberen Oberfläche des Seitenwandabschnitts so angeordnet ist, dass sie das lichtemittierende Element abdeckt, wobei ein Abstand zwischen der Fluoreszenzmaterialschicht und dem lichtemittierenden Element gesichert ist und die Fluoreszenzmaterialschicht aus einem lichtübertragenden Bauteil besteht, das ein fluoreszierendes Material zum Durchführen einer Wel lenlängenumwandlung an dem Licht, das aus dem lichtemittierenden Element emittiert wird, enthält. Der Querschnitt des Seitenwandabschnitts, der durch eine virtuelle Ebene einschließlich einer virtuellen Achse geschnitten wird, die die Mitte der Innenfläche durchdringt und senkrecht zur oberen Hauptoberfläche des Basiskörpers ist, weist ein Schnittprofil auf, das durch eine gekrümmte Linie begrenzt ist, die durch die folgende Formel ausgedrückt wird, und die Innenfläche des Reflexionsbauteils ist eine gekrümmte Oberfläche, die durch Rotieren der gekrümmten Linie um die virtuelle Achse erhalten wird: Z = (cr2)/[1 + {1 – (1 + k)c2r2}1/2], (wobei –10 ≤ k ≤ –0,001, 0,001 mm–1 ≤ c ≤ 10 mm–1),wobei r für einen Radius von der virtuellen Achse zur Innenfläche steht; Z für eine Höhe von einer untersten Position der Innenfläche zu einer Position mit einem Radius r der Innenfläche steht und der Winkel θ₁, der durch eine obere Oberfläche der Fluoreszenzmaterialschicht und eine Linie gebildet wird, die eine Ecke eines lichtemittierenden Abschnitts des lichtemittierenden Elements mit einer obersten Position der Innenfläche verbindet und diese eine Ecke berührt, angegeben ist als: θ1 ≥ 90° – sin–1 (1/n1),worin n₁ für einen Brechungsindex der Fluoreszenzmaterialschicht steht. Auf diese Weise wird das aus dem lichtemittierenden Element emittierte Licht in Bezug auf die Fluoreszenzmaterialschicht senkrecht von der Innenfläche reflektiert und tritt in die Fluoreszenzschicht ein. Als Ergebnis hiervon kann in der lichtemittierenden Vorrichtung die Anzahl der Reflektionen des aus dem lichtemittierenden Element emittierten Lichts, die auf der Innenfläche auftreten, redu ziert werden. Des Weiteren kann verhindert werden, dass das von der Innenfläche reflektierte Licht eine Totalreflexion auf einer unteren Fläche der Fluoreszenzmaterialschicht erfährt. Dementsprechend kann in der lichtemittierenden Vorrichtung der Absorptionsverlust des aus dem lichtemittierenden Element emittierten Lichts auf der Innenfläche reduziert werden. Ferner kann ein Lichteinschluss in der lichtemittierenden Vorrichtung vermieden werden. Dies ermöglicht es, die Strahlungslichtintensität in der lichtemittierenden Vorrichtung zu erhöhen.
Des Weiteren wird Wärme, die aus dem lichtemittierenden Element strömt, leicht aus dem Vorsprung, die mit dem Reflexionsbauteil integral ausgebildet ist, zum Seitenwandabschnitt übertragen. Insbesondere wird, wenn das Reflexionsbauteil aus Metall hergestellt ist, die Wärme schnell an den Seitenwandabschnitt übertragen, so dass sie von der Außenseite des Seitenwandabschnitts zufrieden stellend nach außen zerstreut werden kann.
Ferner ist das lichtemittierende Element mit seiner gesamten unteren Oberfläche mit dem Vorsprung des Reflexionsbauteils verbunden. Dies ermöglicht es, die aus dem lichtemittierenden Element zum Reflexionsbauteil strömende Wärme zufrieden stellend zu übertragen und dadurch die Wärmezerstreuungseigenschaft zu verbessern. Als Ergebnis hiervon kann verhindert werden, dass in dem lichtemittierenden Element ein Temperaturanstieg auftritt, wodurch es ermöglicht wird, die Entwicklung eines Risses in dem Verbindungsabschnitt zu vermeiden, der sich aus der unterschiedlichen Wärmeausdehnung zwischen dem lichtemittierenden Element und dem Reflexionsbauteil ergibt. Des Weiteren wird die aus dem lichtemittierenden Element austretende Wärme nicht nur in Richtung der Höhe des Reflexionsbauteils, sondern auch in Richtung seines Umfangs strömen gelassen. Daher kann die Wärme von der gesamten unteren Oberflä che des Reflexionsbauteils mit hoher Effizienz zum Basiskörper übertragen werden, wodurch wirksamer verhindert wird, dass ein Temperaturanstieg im lichtemittierenden Element und im Reflexionsbauteil auftritt. Somit kann ein stabiler Betrieb des lichtemittierenden Elements aufrechterhalten werden und die Innenfläche vor einer Wärmeverformung geschützt werden. Als Ergebnis hiervon kann die lichtemittierende Vorrichtung während einer längeren Zeitdauer betrieben werden, wobei es gelingt, stabile optische Eigenschaften zu bewahren.
Gemäß der Erfindung gelingt es, da eine arithmetische Durchschnittsrauigkeit Ra oben auf der Innenfläche so eingestellt ist, dass sie in einen Bereich von 0,004 bis 4 μm fällt, das aus dem lichtemittierenden Element emittierte Licht erfolgreich von der Innenfläche als Reflexionsfläche zu reflektieren.
Gemäß der Erfindung ist ein Abstand, der durch die Innenfläche des Reflexionsbauteils und eine untere Oberfläche der Fluoreszenzmaterialschicht begrenzt wird, mit einem lichtübertragenden Bauteil gefüllt, das aus demselben Material besteht wie jenes des lichtübertragenden Bauteils, aus dem die Fluoreszenzmaterialschicht besteht. Dies trägt dazu bei, den Unterschied im Brechungsindex zwischen dem inneren und äußeren Teil des lichtemittierenden Elements zu verringern und dadurch kann soviel Licht wie möglich aus dem lichtemittierenden Element genommen werden. Somit gelingt es der lichtemittierenden Vorrichtung, eine Lichtemission zufrieden stellender zu bewirken, und die Strahlungslichtintensität und -helligkeit können bemerkenswert verbessert werden.
Gemäß der Erfindung wird die Beleuchtungsvorrichtung aufgebaut, indem mehrere der vorbeschriebenen lichtemittierenden Vorrichtungen der Erfindung in einer vorgegebenen Anordnung eingesetzt wer den. In einer solchen Beleuchtungsvorrichtung wird die Lichtemission durch Ausschöpfen der Rekombination von Elektronen in dem aus einem Halbleiter gebildeten lichtemittierenden Element bewirkt. Somit wird eine kompakte Beleuchtungsvorrichtung zur Verfügung gestellt, die hinsichtlich der Energieersparnis und langen Betriebsdauer gegenüber einer konventionellen Beleuchtungsvorrichtung den Vorteil bietet, die Lichtemission durch elektrische Entladung zu bewirken. Als Ergebnis hiervon kann eine Schwankung in der mittleren Wellenlänge des aus dem lichtemittierenden Element emittierten Lichts unterdrückt werden; daher gelingt es der Beleuchtungsvorrichtung, Licht mit stabiler Strahlungslichtintensität und stabilem Strahlungslichtwinkel (Lichtstärkeverteilung) während einer längeren Zeitdauer auszustrahlen und eine Farbungleichmäßigkeit und unausgeglichene Beleuchtungsverteilung auf einer zu bestrahlenden Oberfläche zu vermeiden.
Durch Einstellen mehrerer lichtemittierender Vorrichtungen der Erfindung in einer vorgegebenen Anordnung, wobei das Licht aus dem lichtemittierenden Element emittiert wird oder das Licht aus der oberen Oberfläche der als Lichtquelle dienenden Fluoreszenzmaterialschicht emittiert wird, gefolgt von einem Anordnen optischer Komponenten, die optisch in einer gegebenen Konfiguration, wie zum Beispiel einer Reflexionsvorrichtung, entworfen sind, oder einer Lichtdiffusionsplatte rund um die lichtemittierenden Vorrichtungen wird es des Weiteren möglich, eine Beleuchtungsvorrichtung zu realisieren, die Licht mit einer gegebenen Lichtstärkeverteilung emittieren kann.
Gemäß der Erfindung ist es, da die vorgegebene Anordnung eine gestaffelte Anordnung ist, möglich, ein Blenden zu unterdrücken und dadurch ein Unbehagen oder Problem für das menschliche Auge zu verringern. Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass, da der Abstand zwischen den benachbarten lichtemittierenden Vorrichtungen so lan ge wie möglich gehalten werden kann, eine Wärmeinterferenz zwischen den benachbarten lichtemittierenden Vorrichtungen wirksam unterdrückt werden kann. Daher kann ein Wärmeeinschluss rund um den unteren Teil der lichtemittierenden Vorrichtung vermieden werden, weshalb Wärme aus der lichtemittierenden Vorrichtung mit hoher Effizienz nach außen zerstreut werden kann. Als Ergebnis hiervon kann eine langlebige Beleuchtungsvorrichtung zur Verfügung gestellt werden, die wenig nachteilige Wirkung auf das menschliche Auge hat und stabile optische Eigenschaften während einer längeren Zeitdauer bietet.
Gemäß der Erfindung ist die vorgegebene Anordnung eine konzentrische Anordnung von Gruppen lichtemittierender Vorrichtungen, welche Gruppen lichtemittierender Vorrichtungen kreisförmig oder polygonal angeordnet sind, und die Anzahl der lichtemittierenden Vorrichtungen nimmt von einem Mittelpunkt bis zum Außenrand der Beleuchtungsvorrichtung allmählich zu. Dies ermöglicht es, so viele lichtemittierende Vorrichtungen wie möglich anzuordnen, wobei der Abstand zwischen den benachbarten lichtemittierenden Vorrichtungen entsprechend gesichert wird, und dadurch das Beleuchtungsniveau der Beleuchtungsvorrichtung zu verbessern. Des Weiteren kann durch Verringern der Dichte der lichtemittierenden Vorrichtungen im Mittelabschnitt der Beleuchtungsvorrichtung ein Wärmeeinschluss im Mittelabschnitt der Beleuchtungsvorrichtung vermieden werden. Daher zeigt die Beleuchtungsvorrichtung, in der die lichtemittierenden Vorrichtungen angebracht sind, eine gleichmäßige Temperaturverteilung. Somit kann Wärme mit hoher Effizienz an eine externe elektrische Leiterplatte oder eine Wärmesenke mit der Beleuchtungsvorrichtung mit großer Effizienz übertragen werden, wodurch verhindert wird, dass in den lichtemittierenden Vorrichtungen ein Temperaturanstieg auftritt. Als Ergebnis hiervon kann eine langlebige Beleuchtungsvorrichtung zur Verfügung gestellt werden, in der die lichtemittierenden Vorrichtungen während einer längeren Zeitdauer mit Stabilität betrieben werden können.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Andere und weitere Ziele, Merkmale und Vorteile der Erfindung werden aus der folgenden detaillierten Beschreibung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen besser verständlich, worin:
1 eine Schnittansicht ist, die eine lichtemittierende Vorrichtung gemäß der ersten Ausführungsform der Erfindung zeigt;
2 eine Schnittansicht ist, die eine lichtemittierende Vorrichtung gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung zeigt;
3 eine Schnittansicht ist, die eine lichtemittierende Vorrichtung gemäß einer dritten Ausführungsform der Erfindung zeigt;
4 eine Schnittansicht ist, die eine konventionelle lichtemittierende Vorrichtung zeigt; und
5A bis 5E Draufsichten sind, die Anordnungsbeispiele der lichtemittierenden Vorrichtungen zeigen, die in einer Beleuchtungsvorrichtung eingesetzt werden.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
Nun werden nachstehend unter Bezugnahme auf die Zeichnungen bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung beschrieben.
Es folgt nun eine detaillierte Beschreibung einer lichtemittierenden Vorrichtung gemäß der Erfindung. 1 ist eine Schnittansicht, die die lichtemittierende Vorrichtung gemäß der ersten Ausführungsform der Erfindung zeigt. In der Figur umfasst die lichtemittierende Vorrichtung einen Basiskörper 1, ein Reflexionsbauteil 2, ein lichtemittierendes Element 3 und eine Fluoreszenzmaterialschicht 4. Auf dem oberen Teil des Reflexionsbauteils 2 ist die Fluoreszenzmaterialschicht 4 zur Durchführung einer Wellenlängenumwandlung an Licht, das aus einem lichtemittierenden Element 3 emittiert wird, angeordnet.
Der Basiskörper 1 weist einen Vorsprung, auch Ausbauchung genannt, auf, der auf seiner Hauptoberfläche ausgebildet ist, um darauf das lichtemittierende Element 3 zu lagern. Der Basiskörper 1 ist mit einem (nicht gezeigten) Verdrahtungsleiter versehen, der aus beispielsweise einer metallisierten Verdrahtungsleitung und einem Hauptanschluss für eine elektrisch leitende Verbindung innerhalb und außerhalb der lichtemittierenden Vorrichtung durch den Platzierungsabschnitt 1b und dessen Umgebung ausgebildet ist. Das Reflexionsbauteil 2 ist am Rand der oberen Hauptoberfläche des Basiskörper 1 so angeordnet, dass es die Ausbauchung 1a umgibt, und hat eine Innenfläche 2a, die als Reflexionsfläche zum Reflektieren von aus dem lichtemittierenden Element 3 emittiertem Licht ausgebildet ist. Die Fluoreszenzmaterialschicht 4 ist auf einer oberen Oberfläche des Reflexionsbauteils 2 so angeordnet, dass sie das lichtemittierende Element 3 abdeckt, wobei ein Abstand zwischen der Fluoreszenzmaterialschicht 4 und dem lichtemittierenden Element 3 sichergestellt ist. Die Fluoreszenzmaterialschicht 4 besteht auch aus einem lichtübertragenden Bauteil, das ein fluoreszierendes Material enthält, um an dem aus dem lichtemitterenden Element 3 emittierten Licht eine Wellenlängenumwandlung durchzuführen.
Der Basiskörper 1 besteht aus einem keramischen Material, wie zum Beispiel Aluminiumoxidkeramik, gesintertem Aluminiumnitrid, gesintertem Mullit oder Glaskeramik, oder einem Metallmaterial, wie zum Beispiel einer Fe-Ni-Co-Legierung oder einer Cu-W-Legierung, oder einem Harzmaterial, wie etwa Epoxidharz. Bei dem Basiskörper 1 ist die Ausbauchung 1a auf einer oberen Oberfläche als seiner oberen Hauptoberfläche ausgebildet, um darauf das lichtemittierende Element 3 zu lagern.
Auf der oberen Oberfläche des Basiskörpers 1 ist das Reflexionsbauteil 2 so angebracht, dass es die Ausbauchung 1a mittels eines Bindematerials, wie zum Beispiel Lot, einem Hartlotmaterial, wie zum Beispiel einem Ag-Hartlot, oder einem Epoxidharz-Klebemittel, umgibt. Das Reflexionsbauteil 2 ist rund um das lichtemittierende Element 3 angebracht, wobei seine Innenfläche 2a mit einer gewünschten Oberflächengenauigkeit angeordnet ist (insbesondere ist das Reflexionsbauteil 2 zum Beispiel so angebracht, dass seine Innenfläche 2a als Reflexionsflächen, die auf beiden Seiten des lichtemittierenden Elements 3 angeordnet sind, miteinander symmetrisch sind, wenn sie im Vertikalschnitt der lichtemittierenden Vorrichtung gesehen werden). Dies ermöglicht es zu gestatten, dass das aus dem lichtemittierenden Element 3 emittierte Licht gleichmäßig von der Innenfläche 2a reflektiert wird. Die Strahlungslichtintensität und -helligkeit können dementsprechend wirksam verbessert werden. Eine Öffnung des Reflexionsbauteils 2, die die Innenfläche 2a freilegt, bildet einen runden Kreis.
Ein Querschnitt der Innenfläche 2a des Reflexionsbauteils 2, das durch eine virtuelle Ebene einschließlich einer virtuellen Achse L geschnitten wird, die die Mitte der Innenfläche 2a durchdringt und senkrecht zur oberen Hauptoberfläche des Basiskörpers 1 ist, weist ein Schnittprofil auf, das durch eine gekrümmte Linie begrenzt ist, die durch die folgende Formel ausgedrückt wird, und die Innenfläche des Reflexionsbauteils 2 ist eine gekrümmte Oberfläche, die durch Rotieren der gekrümmten Linie um die virtuelle Achse erhalten wird: Z = (cr2)/[1 + {1 – (1 + k)c2r2}1/2], (wobei –10 ≤ k ≤ –0,001, 0,001 mm–1 ≤ c ≤ 10 mm–1),wobei r für einen Radius von der virtuellen Achse L zur Innenfläche 2a. d. h. einen Radius einer Innendimension, steht; Z für eine Höhe von einer untersten Position der Innenfläche 2a zu einer Position mit einem Radius r der Innenfläche 2a steht und ein Winkel θ₁, der durch eine obere Oberfläche der Fluoreszenzmaterialschicht 4 und eine Linie gebildet wird, die eine Ecke eines lichtemittierenden Bereichs des lichtemittierenden Elements 3 mit einer obersten Position der Innenfläche 2a verbindet und diese eine Ecke berührt, angegeben ist als: θ1 ≥ 90° – sin–1 (1/n1),worin n₁ für einen Brechungsindex der Fluoreszenzmaterialschicht 4 steht. Auf diese Weise wird das Reflexionsbauteil 2 das aus dem lichtemittierenden Element 3 emittierte Licht in Bezug auf die Fluoreszenzmaterialschicht 4 senkrecht reflektieren gelassen. Somit kann die Anzahl der Reflektionen des aus dem lichtemittierenden Element 3 emittierten Lichts, die auf der Innenfläche 2a auftreten, reduziert werden. Des Weiteren kann verhindert werden, dass das von der Innenfläche 2a reflektierte Licht eine Totalreflexion auf einer unteren Fläche der Fluoreszenzmaterialschicht 4 erfährt. Des Weiteren kann verhindert werden, dass das Licht, das aus dem lichtemittierenden Element 3 in Aufwärtsrichtung emittiert worden und in die Fluoreszenzmaterialschicht 4 eingetreten ist, ohne von der Innenfläche 2a reflektiert zu werden, an der Grenzfläche der Fluoreszenzmaterialschicht 4 eine Totalreflexion erfährt. Dementsprechend kann der Ab sorptionsverlust des aus dem lichtemittierenden Element 3 emittierten Lichts in der Innenfläche 2a verringert werden. Weiterhin kann ein Lichteinschluss im Reflexionsbauteil 2 vermieden werden. Als Ergebnis hiervon kann Licht aus der lichtemittierenden Vorrichtung mit hoher Effizienz ausstrahlen gelassen werden und es kann die Strahlungslichtintensität erhöht werden.
Vorliegend kann dann unter der Voraussetzung, dass die Konstante k weniger als –10 beträgt oder die Konstante c weniger als 0,002 beträgt, die Konfiguration der Innenfläche 2a nahe einer geraden Linie vorgenommen werden. In diesem Fall tritt ein Teil des Lichts, das aus dem lichtemittierenden Element 3 emittiert und dann von der Innenfläche 2a reflektiert worden ist, in die untere Fläche der Fluoreszenzmaterialschicht 4 in einem größeren Einfallswinkel ein, was zu einer unerwünschten Erhöhung des Reflexionsverlustes führt. Des Weiteren tritt ein Teil des Lichts, das aus dem lichtemittierenden Element 3 emittiert und dann von der Innenfläche 2a reflektiert worden ist, in die untere Fläche der Fluoreszenzmaterialschicht 4 in einem Einfallswinkel ein, der größer als der kritische Reflexionswinkel ist. Dies führt zu einer Totalreflexion und somit ist das Licht in der lichtemittierenden Vorrichtung eingeschlossen, ohne einer Wellenlängenumwandlung, die durch die Fluoreszenzmaterialschicht 4 bewirkt wird, unterworfen zu werden. Als Ergebnis hiervon wird die Lichtstrahlung nach außen unzureichend und auch die Strahlungslichtintensität in der lichtemittierenden Vorrichtung ist verringert.
Andererseits wird dann unter der Annahme, dass die Konstante k größer als –0,001 oder die Konstante c größer als 10 mm^–1 ist, die Krümmung des Schnittprofils der Innenfläche 2a erhöht. Dies erschwert es, das aus dem lichtemittierenden Element 3 emittierte Licht in vertikaler Richtung zu reflektieren und verursacht auch eine beträchtliche Zunahme der diffusen Lichtreflexion innerhalb des Reflexions bauteils 2. Des Weiteren ist die Öffnung des Reflexionsbauteils 2 von kleinerer Größe und dementsprechend ist der Oberflächenbereich der Fluoreszenzmaterialschicht 4 verringert. Dies führt zu einer unerwünschten Reduzierung des Anteils der (nicht gezeigten) fluoreszierenden Materialien, die durch das aus dem lichtemittierenden Element 3 emittierte Licht anzuregen sind. Als Ergebnis hiervon ist die Wirksamkeit der Wellenlängenumwandlung, die an dem aus dem lichtemittierenden Element 3 emittierten Licht durch die Fluoreszenzmaterialschicht 4 durchgeführt wird, bedeutend verringert. Dies führt zu einer unerwünschten Reduzierung der Strahlungslichtintensität in der lichtemittierenden Vorrichtung.
Die bevorzugten Beispiele für Materialien, die für die Ausbauchung 1a verwendet werden, umfassen: ein Keramikmaterial, wie zum Beispiel Aluminiumoxidkeramiken, gesintertes Aluminiumnitrid, gesintertes Mullit oder Glaskeramiken; ein Metallmaterial, wie zum Beispiel eine Fe-Ni-Co-Legierung oder eine Cu-W-Legierung; und ein Harzmaterial, wie zum Beispiel Epoxidharz. Die Ausbauchung 1a kann ausgebildet werden, indem ein Strukturelement aus dem vorgenannten Keramik-, Metall- oder Harzmaterial auf der oberen Oberfläche des Basiskörpers 1 unter Verwendung eines Bindematerials, wie etwa einem Hartlotmaterial oder einem Klebemittel, angebracht wird, oder sie kann ausgebildet werden, indem das Strukturelement in ein Durchloch eingepasst wird, das in der Mitte des Basiskörpers 1 so gebohrt ist, dass sein oberer Teil aus der oberen Oberfläche des Basiskörpers 1 hervorsteht.
Vorzugsweise sind die Ausbauchung 1a und der Basiskörper 1 aus demselben Material hergestellt. Dies ermöglicht es, den Unterschied in der Wärmeausdehnung zwischen der Ausbauchung 1a und dem Basiskörper 1 zu minimieren. Somit geschieht es nie, dass das lichtemittierende Element 3 aufgrund des Auftretens einer Verzerrung in der Ausbauchung 1a von seiner Position abweicht und die Verringerung der Lichtemissionsintensität kann wirksam vermieden werden.
Die Ausbauchung 1a kann integral mit dem Basiskörper 1 ausgebildet sein. In diesem Fall kann zum Beispiel die einteilige Struktur der Ausbauchung 1a und des Basiskörpers 1 ausgebildet werden, indem keramische Grünfolien, die zu der Ausbauchung 1a und dem Basiskörper 1 geformt werden sollen, zusammengestapelt werden, worauf sie gleichzeitig gebrannt werden, oder sie werden durch Durchführen eines Metallverarbeitungsvorgangs, wie zum Beispiel einem Schneidevorgang, ausgebildet, oder sie werden durch Formen eines Harzmaterials mittels Spritzgießen oder dergleichen Verfahren ausgebildet.
Auf der Ausbauchung 1a ist ein (nicht gezeigtes) elektrisches Verbindungsmuster zum Vorsehen einer elektrischen Verbindung des lichtemittierenden Elements 3 ausgebildet. Das elektrische Verbindungsmuster wird durch eine (nicht gezeigte) Verdrahtungsschicht, die in dem Basiskörper 1 ausgebildet ist, zur Außenfläche der lichtemittierenden Vorrichtung hinausgeführt. An diesem elektrischen Verbindungsmuster, das mit einer externen elektrischen Leiterplatte verbunden ist, wird eine elektrische Verbindung zwischen dem lichtemittierenden Element 3 und der externen elektrischen Schaltung eingerichtet.
Das lichtemittierende Element 3 wird durch Ausbilden einer lichtemittierenden Schicht auf einem monokristallinen Substrat, wie zum Beispiel einem Saphirsubstrat, mittels eines Verfahrens des Wachstums in flüssiger Phase oder des MOCVD-Verfahrens hergestellt. Die Beispiele für Materialien, die für die lichtemittierende Schicht verwendet werden, umfassen: eine Gallium(Ga)-Al-Nitrid(N)-Verbindung; eine Zink(Zn)-Schwefel(S)-Verbindung; eine Zn-Selen(Se)-Verbindung; eine Silicium(Si)-Kohlenstoff(C)-Verbindung; eine Ga- Phosphor(P)-Verbindung; eine Ga-Al-Arsen(As)-Verbindung; eine Al-Indium(In)-Ga-P-Verbindung; eine In-Ga-N-Verbindung; eine Ga-N-Verbindung und eine Al-In-Ga-N-Verbindung. Das lichtemittierende Element 3 kann eine gleichartige Struktur, eine verschiedenartige Struktur oder eine doppel-verschiedenartige Struktur einschließlich eines MIS-Übergangs oder PN-Übergangs aufweisen. Die Lumineszenz-Wellenlänge des lichtemittierenden Elements 3 ist nach Maßgabe des Materials, das für die lichtemittierende Schicht verwendet wird, und ihr Mischkristallverhältnis beispielsweise in einem Spektrum vom Ultraviolett- bis zum Infrarotbereich zu wählen.
Die Fluoreszenzmaterialschicht 4 besteht aus einem fluoreszierenden Material, das eine Wellenlängenumwandlung an dem Licht durchführen kann, das aus dem lichtemittierenden Element 3 emittiert wird, und einem lichtübertragenden Bauteil, wie zum Beispiel Epoxidharz oder Silikonharz. Die Fluoreszenzmaterialschicht 4 wird durch Formen des Materials in Gestalt eines Films oder einer Platte ausgebildet, gefolgt von der Durchführung einer Wärmehärtung in einem Ofen oder dergleichen Ausstattung. Die Fluoreszenzmaterialschicht 4 ist über dem Reflexionsbauteil 2 angeordnet. Durch die Durchführung einer Wellenlängenumwandlung an dem aus dem lichtemittierenden Element 3 emittierten Licht durch das fluoreszierende Material, das in der Fluoreszenzmaterialschicht 4 enthalten ist, kann Licht mit einem gewünschten Wellenlängenspektrum herausgenommen werden.
2 ist eine Schnittansicht, die eine lichtemittierende Vorrichtung gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung zeigt. In der Ausführungsform sind die entsprechenden Komponenten mit demselben Bezugszeichen bezeichnet und auf ihre Beschreibung wird verzichtet. Die lichtemittierende Vorrichtung umfasst einen plattenarti gen Basiskörper 1A, ein Reflexionsbauteil 2A, ein lichtemittierendes Element 3 und eine Fluoreszenzmaterialschicht 4.
Das Reflexionsbauteil 2A ist mit einer oberen Hauptoberfläche des Basiskörpers 1A verbunden und auf einem Basisabschnitt des Reflexionsbauteils 2A ist eine Ausbauchung 2b ausgebildet, um darauf das lichtemittierende Element 3 zu lagern. Das Reflexionsbauteil 2A weist einen Seitenwandabschnitt 2c auf, der auf dem Umfang des Basisabschnitts ausgebildet ist, um die Ausbauchung 2b zu umgeben, und es besitzt eine Innenfläche 2d, die als Reflexionsfläche zum Reflektieren von Licht ausgebildet ist, das aus dem lichtemittierenden Element 3, das auf der Ausbauchung 2b gelagert ist, emittiert wird. In der Ausführungsform ist die Fluoreszenzmaterialschicht 4 auf einer oberen Oberfläche des Seitenwandabschnitts 2c so angeordnet, dass sie das lichtemittierende Element 3 abdeckt, wobei ein Abstand zwischen der Fluoreszenzmaterialschicht 4 und dem lichtemittierenden Element 3 sichergestellt ist. Eine Öffnung des Reflexionsbauteils 2A, die die Innenfläche 2d freilegt, bildet einen runden Kreis.
Des Weiteren weist, wie in 2 gezeigt ist, ein Querschnitt des Seitenwandabschnitts 2c des Reflexionsbauteils 2A, das durch eine virtuelle Ebene einschließlich einer virtuellen Achse L geschnitten wird, die die Mitte der Innenfläche 2d durchdringt und senkrecht zur oberen Hauptoberfläche des Basiskörpers 1A ist, ein Schnittprofil auf, das durch eine gekrümmte Linie begrenzt ist, die durch die folgende Formel ausgedrückt wird, und die Innenfläche 2d des Reflexionsbauteils 2A ist eine gekrümmte Oberfläche, die durch Rotieren der gekrümmten Linie um die virtuelle Achse erhalten wird: Z = (cr2)/[1 + {1 – (1 + k)c2r2}1/2], (wobei –10 ≤ k ≤ –0,001, 0,001 mm–1 ≤ c ≤ 10 mm–1), wobei r für einen Radius von der virtuellen Achse L zur Innenfläche 2d,. d. h. einen Radius einer Innendimension, steht; Z für eine Höhe von einer untersten Position der Innenfläche 2d zu einer Position mit einem Radius r der Innenfläche 2d steht und ein Winkel θ₁, der durch eine obere Oberfläche der Fluoreszenzmaterialschicht 4 und eine Linie gebildet wird, die eine Ecke eines lichtemittierenden Abschnitts des lichtemittierenden Elements 3 mit einer obersten Position der Innenfläche 2d verbindet und diese eine Ecke berührt, angegeben ist als: θ1 ≥ 90° (1/n1),worin n₁ für einen Brechungsindex der Fluoreszenzmaterialschicht 4 steht.
Auf diese Weise ist das lichtemittierende Element 3 an seiner gesamten unteren Oberfläche mit der oberen Oberfläche der Ausbauchung 2b des Reflexionsbauteils 2A verbunden. Dies ermöglicht es, die Wärme, die aus dem lichtemittierenden Element 3 zum Reflexionsbauteil 2A austritt, zufrieden stellend zu übertragen und dadurch die Wärmezerstreuungseigenschaft zu verbessern. Des Weiteren wird die aus dem lichtemittierenden Element 3 austretende Wärme nicht nur in Richtung der Höhe des Reflexionsbauteils 2A, sondern auch in Richtung seines Umfangs zufrieden stellend strömen gelassen. Somit kann die Wärme von der gesamten unteren Oberfläche des Reflexionsbauteils 2A zum Basiskörper 1A mit hoher Effizienz übertragen werden, wodurch wirksamer verhindert wird, dass ein Temperaturanstieg im lichtemittierenden Element 3 und dem Reflexionsbauteil 2A auftritt. Da verhindert werden kann, dass ein Temperaturanstieg im lichtemittierenden Element auftritt, können eine Wellenlängenschwankung und Verschlechterung der optischen Energie, die durch die aus dem lichtemittierenden Element 3 austretende Wärme verur sacht werden, vermieden werden. Es ist auch möglich, die Entstehung eines Risses in dem Verbindungsabschnitt zu vermeiden, der von der Differenz der Wärmeausdehnung zwischen dem lichtemittierenden Element 3 und dem Reflexionsbauteil 2A herrührt. Des Weiteren ist es, da wirksam verhindert werden kann, dass ein Temperaturanstieg im Reflexionsbauteil 2 auftritt, möglich, die Innenfläche 2d vor Deformation zu schützen. Als Ergebnis können in der lichtemittierenden Vorrichtung eine hohe Zuverlässigkeit und stabile optische Eigenschaften während einer längeren Betriebsdauer aufrechterhalten werden.
Vorliegend kann dann unter der Voraussetzung, dass die Konstante k weniger als –10 beträgt oder die Konstante c weniger als 0,001 mm^–1 beträgt, die Konfiguration der Innenfläche 2d nahe einer geraden Linie vorgenommen werden. In diesem Fall tritt ein Teil des Lichts, das aus dem lichtemittierenden Element 3 emittiert und dann von der Innenfläche 2d reflektiert worden ist, in die untere Fläche der Fluoreszenzmaterialschicht 4 in einem größeren Einfallswinkel ein, was zu einer unerwünschten Erhöhung des Reflexionsverlustes führt. Des Weiteren tritt ein Teil des Lichts, das aus dem lichtemittierenden Element 3 emittiert und dann von der Innenfläche 2d reflektiert worden ist, in die untere Fläche der Fluoreszenzmaterialschicht 4 in einem Einfallswinkel ein, der größer als der kritische Reflexionswinkel ist. Dies führt zu einer Totalreflexion und somit ist das Licht in der lichtemittierenden Vorrichtung eingeschlossen, ohne einer Wellenlängenumwandlung, die durch die Fluoreszenzmaterialschicht 4 bewirkt wird, unterworfen zu werden. Als Ergebnis hiervon wird die Lichtstrahlung nach außen unzureichend und somit ist die Strahlungslichtintensität in der lichtemittierenden Vorrichtung verringert.
Andererseits wird dann unter der Annahme, dass die Konstante k größer als –0,001 oder die Konstante c größer als 10 mm^–1 ist, die des Schnittprofils der Innenfläche 2d erhöht. Dies erschwert es, das aus dem lichtemittierenden Element 3 emittierte Licht in vertikaler Richtung zu reflektieren und verursacht auch eine beträchtliche Zunahme der diffusen Lichtreflexion innerhalb des Reflexionsbauteils 2A. Des Weiteren ist die Öffnung des Reflexionsbauteils 2A von kleinerer Größe und dementsprechend ist der Oberflächenbereich der Fluoreszenzmaterialschicht 4 verringert. Dies führt zu einer unerwünschten Reduzierung des Anteils der fluoreszierenden Materialien, die durch das aus dem lichtemittierenden Element 3 emittierte Licht anzuregen sind. Als Ergebnis hiervon ist die Wirksamkeit der Wellenlängenumwandlung, die an dem aus dem lichtemittierenden Element 3 emittierten Licht durch die Fluoreszenzmaterialschicht 4 durchgeführt wird, bedeutend verringert. Dies führt zu einer unerwünschten Reduzierung der Strahlungslichtintensität in der lichtemittierenden Vorrichtung.
Die Ausbauchung 2b kann ausgebildet werden, indem ein Strukturelement aus einem Keramikmaterial, wie zum Beispiel Aluminiumoxidkeramiken, gesintertes Aluminiumnitrid, gesintertes Mullit oder Glaskeramik oder einem Metallmaterial, wie zum Beispiel einer Fe-Ni-Co-Legierung oder einer Cu-W-Legierung, oder einem Harzmaterial, wie zum Beispiel Epoxidharz, am unteren Ende der Innenfläche 2d des Reflexionsbauteils 2A unter Verwendung eines Bindematerials, wie etwa einem Hartlotmaterial oder einem Klebemittel, angebracht wird.
In 1 und 2 der Ausführungsformen der Erfindung ist die Innenfläche 2a, 2d zu einer Reflexionsfläche zum Reflektieren des aus dem lichtemittierenden Element 3 emittierten Lichts geformt. In einem Fall, in dem das Reflexionsbauteil 2, 2A aus einem Metall mit hohem Reflexionsvermögen, wie zum Beispiel Al, Ag, Au, Platin (Pt), Titan (Ti), Chrom (Cr) oder Cu, hergestellt ist, wird die Innenfläche 2a, 2d ausgebildet, indem am Reflexionsbauteil 2, 2A ein Schneide- oder Gesenkformungsvorgang durchgeführt wird. Andererseits kann in einem Fall, in dem das Reflexionsbauteil 2, 2A aus einem Isoliermaterial, wie zum Beispiel Keramik oder Harz, hergestellt ist, die Innenfläche 2a, 2d durch Beschichten des Reflexionsbauteils 2, 2A mit einem dünnen Film aus einem Metall mit hohem Reflexionsvermögen, wie zum Beispiel Al, Ag, Au, Platin (Pt), Titan (Ti), Chrom (Cr) oder Cu, mittels Plattieren oder Dampfabscheidung ausgebildet werden (dies gilt für den Fall, in dem das Reflexionsbauteil 2, 2A aus einem Metall hergestellt ist). Wenn die Innenfläche 2a, 2d aus einem Metall ausgebildet ist, das für eine Verfärbung, die aus Oxidation entsteht, empfänglich ist, wie zum Beispiel Ag oder Cu, wird es bevorzugt, auf ihre Oberfläche zum Beispiel eine 1 bis 10 µm dicke Ni-Plattierungsschicht und eine 0,1 bis 3 µm dicke Au-Plattierungsschicht nacheinander durch das elektrolytische Plattierungsverfahren oder das Plattierungsverfahren ohne äußere Stromquelle zu laminieren. Dadurch kann die Korrosionsbeständigkeit der Innenfläche 2a, 2d verbessert werden.
Des Weiteren wird eine arithmetische Durchschnittsrauigkeit Ra oben auf der Innenfläche 2a, 2d bevorzugt so eingestellt, dass sie in einen Bereich von 0,004 bis 4 µm fällt. Dies gestattet es der Innenumfangsfläche 2a, 2d als Reflexionsfläche, das aus dem lichtemittierenden Element 3 emittierte Licht zufrieden stellend zu reflektieren. Wenn Ra größer als 4 µm ist, kann das aus dem lichtemittierten Element 3 emittierte Licht nicht gleichmäßig reflektiert werden und somit findet eine diffuse Reflexion in dem Reflexionsbauteil 2, 2A statt. Wenn Ra im Gegensatz hierzu kleiner als 0,004 µm ist, wird es schwierig, eine solche gewünschte Reflexionsfläche zu erhalten, die korrekt mit Stabilität und hoher Effizienz funktioniert.
Des Weiteren ist das lichtemittierende Element 3 mit dem Verdrahtungsleiter, der auf dem Basiskörper 1, 1A durch ein Drahtbindungsverfahren und das Flip-Chip-Bindungsverfahren ausgebildet ist, elektrisch verbunden. Gemäß dem Flip-Chip-Bindungsverfahren ist das lichtemittierende Element 3 mit der Elektrodenseite nach unten angeordnet und die Verbindung erfolgt zwischen der Elektrode und dem Verdrahtungsleiter durch eine Lötperle. Das Flip-Chip-Bindungsverfahren ist für eine Verbindung wünschenswerter. Durch Anwenden solcher Verfahren kann der Verdrahtungsleiter direkt unter dem lichtemittierenden Element 3 angeordnet werden. Dies beseitigt die Notwendigkeit, einen Extraraum zum Anordnen des Verdrahtungsleiters rund um das lichtemittierende Element 3 auf der oberen Oberfläche des Basiskörpers 1, 1A sicherzustellen. Daher kommt es nie vor, dass das aus dem lichtemittierenden Element 3 emittierte Licht im Raum des Basiskörpers 1, 1A absorbiert wird, der für den Verdrahtungsleiter gesichert ist. Dementsprechend kann ein unerwünschtes Absinken der Strahlungslichtintensität wirksam verhindert werden.
Beispielsweise wird der Verdrahtungsleiter durch Ausbilden einer metallisierten Schicht aus dem Pulver eines Metalls wie etwa W, Mo, Cu oder Ag erhalten oder durch Vergraben eines Hauptanschlusses aus einem Metall, wie zum Beispiel einer Fe-Ni-Co-Legierung, erhalten oder durch Einpassen eines Eingabe-/Ausgabe-Anschlusses, der aus einem Isolator gebildet ist, welcher den Verdrahtungsleiter in ein Durchloch trägt, das in den Basiskörper 1, 1A gebohrt ist, erhalten werden.
Es wird bevorzugt, dass bei dem Verdrahtungsleiter die freiliegende Fläche mit einem stark korrosionsbeständigen Material wie Ni oder Au in einer Dicke von 1 bis 20 μm beschichtet ist. Dies ermöglicht es, den Verdrahtungsleiter gegen oxidative Korrosion wirksam zu schüt zen und die Verbindung zwischen dem lichtemittierenden Element 2 und dem Verdrahtungsleiter zu stärken. Dementsprechend sollte die freiliegende Oberfläche des Verdrahtungsleiters nacheinander vorzugsweise mit einer beispielsweise 1 bis 10 μm dicken Ni-Plattierungsschicht und einer 0,1 bis 3 µm dicken Au-Plattierungsschicht durch das elektrolytische Plattierungsverfahren oder das Plattierungsverfahren ohne äußere Stromquelle beschichtet werden.
3 ist eine Schnittansicht, die eine lichtemittierende Vorrichtung gemäß einer dritten Ausführungsform der Erfindung zeigt. Die lichtemittierende Vorrichtung der Erfindung ist ähnlich jener der zweiten Ausführungsform der Erfindung, daher sind die entsprechenden Komponenten durch die gleichen Bezugszeichen bezeichnet und auf ihre Beschreibung wird verzichtet.
Bevorzugter ist, wie in 3 gezeigt ist, der Bereich, der durch das Reflexionsbauteil 2A und die Fluoreszenzmaterialschicht 4 umgeben ist, d. h. ein Abstand, der durch die Innenfläche 2d eines Reflexionsbauteils 2A und die untere Oberfläche der Fluoreszenzmaterialschicht 4 begrenzt ist, mit einem lichtübertragenden Bauteil 5 aus demselben Material wie jenes des lichtübertragenden Bauteils gefüllt, aus dem die Fluoreszenzmaterialschicht 4 besteht, wie zum Beispiel Epoxidharz oder Silikonharz, und das lichtemittierende Element 3 ist abgedeckt. Dies trägt dazu bei, die Differenz im Brechungsindex zwischen dem inneren und äußeren Teil des lichtemittierenden Elements 3 zu verringern und dadurch kann soviel Licht wie möglich aus dem lichtemittierenden Element 3 herausgenommen werden. Somit gelingt es der lichtemittierenden Vorrichtung, eine Lichtemission zufrieden stellender zu bewirken und die Strahlungslichtintensität und -helligkeit können bemerkenswert verbessert werden.
Dieselbe Beschaffenheit trifft auch auf die lichtemittierende Vorrichtung gemäß der ersten Ausführungsform der Erfindung zu, die in 1 gezeigt ist. Das heißt, der von dem Reflexionsbauteil 2 und der Fluoreszenzmaterialschicht 4 umgebene Bereich, d. h. ein Abstand, der durch die Innenfläche 2a eines Reflexionsbauteils 2 und die untere Oberfläche der Fluoreszenzmaterialschicht 4 begrenzt ist, kann mit einem lichtübertragenden Bauteil 5 aus demselben Material wie jenes des lichtübertragenden Bauteils gefüllt sein, aus dem die Fluoreszenzmaterialschicht 4 besteht, wie zum Beispiel Epoxidharz oder Silikonharz, und das lichtemittierende Element 3 ist abgedeckt.
Die lichtemittierende Vorrichtung, die die Erfindung verkörpert, kann zur Herstellung einer Beleuchtungsvorrichtung eingesetzt werden. Wie in den 5A bis 5E gezeigt ist, kann die Beleuchtungsvorrichtung zum Beispiel durch Einsetzen mehrerer lichtemittierender Vorrichtungen in einer vorgegebenen Anordnung hergestellt werden, wie etwa einer Gitter-, gestaffelten oder radialen Anordnung, oder einer konzentrischen Anordnung von Gruppen lichtemittierender Vorrichtungen, welche Gruppen lichtemittierender Vorrichtungen kreisförmig oder polygonal angeordnet sind. In der so konstruierten Beleuchtungsvorrichtung wird die Lichtemission durch Ausnutzen der Rekombination von Elektronen in dem aus einem Halbleiter bestehenden lichtemittierenden Element 3 bewirkt. Somit bietet die Beleuchtungsvorrichtung hinsichtlich Energieersparnis und langer Betriebsdauer gegenüber einer herkömmlichen Beleuchtungsvorrichtung den Vorteil, dass die Lichtemission durch elektrische Entladung erfolgt. Dementsprechend lässt sich eine kompakte Beleuchtungsvorrichtung mit geringer Wärmeerzeugung realisieren. Als Ergebnis hiervon kann eine Schwankung in der mittleren Wellenlänge des aus dem lichtemittierenden Element 3 emittierten Lichts unterdrückt werden; weshalb die Beleuchtungsvorrichtung imstande ist, Licht mit stabiler Strahlungslichtintensität und stabilem Strahlungslichtwinkel (Licht stärkeverteilung) während einer längeren Zeitdauer auszustrahlen, und sie ist auch fähig, eine Farbungleichmäßigkeit und unausgeglichene Beleuchtungsverteilung auf einer zu bestrahlenden Oberfläche zu vermeiden.
Des Weiteren ist es durch Einsetzen mehrerer lichtemittierender Vorrichtungen der Erfindung in einer vorgegebenen Anordnung, wobei das aus dem lichtemittierenden Element 3 emittierte Licht oder das aus der oberen Oberfläche der Fluoreszenzmaterialschicht 4 emittierte Licht als Lichtquelle dient, gefolgt von einem Anordnen rund um die lichtemittierenden Vorrichtungen von optischen Komponenten, die optisch in einer gegebenen Konfiguration, wie zum Beispiel einer Reflexions-Anlage, einer optischen Linse oder einer Lichtdiffusionsplatte, entworfen sind, möglich, eine Beleuchtungsvorrichtung zu realisieren, die imstande ist, Licht mit einer gegebenen Lichtstärkeverteilung zu emittieren.
Beispielsweise sind in einer Beleuchtungsvorrichtung, die aus mehreren der lichtemittierenden Vorrichtungen zusammengesetzt ist, die in mehreren Reihen angeordnet sind, die benachbarten Anordnungen mehrerer lichtemittierender Vorrichtungen vorzugsweise so angeordnet, dass ein möglichst ausreichender Abstand zwischen den benachbarten lichtemittierenden Elementen 3 gesichert ist, d. h., die lichtemittierenden Vorrichtungen sind vorzugsweise gestaffelt. Wenn die lichtemittierenden Vorrichtungen in einer Gitteranordnung angeordnet sind, das heißt, die als Lichtquellen dienenden lichtemittierenden Vorrichtungen sind geradlinig angeordnet, verstärkt sich das Blenden. Eine Beleuchtungsvorrichtung mit einer derartigen Gitteranordnung der lichtemittierenden Vorrichtungen neigt dazu, beim menschlichen Auge Unbehagen oder Probleme zu verursachen. Angesichts des Vorstehenden werden die lichtemittierenden Vorrichtungen in einer gestaffelten Anordnung angeordnet und dadurch ist es mög lich, ein Blenden zu unterdrücken und dadurch Unbehagen und Probleme für das menschliche Auge zu verringern. Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass, da der Abstand zwischen den benachbarten lichtemittierenden Vorrichtungen so lange wie möglich gehalten werden kann, es möglich wird, eine Wärmeinterferenz zwischen den benachbarten lichtemittierenden Vorrichtungen wirksam zu unterdrücken. Daher kann ein Wärmeeinschluss rund um den unteren Teil der lichtemittierenden Vorrichtung vermieden werden, weshalb Wärme aus der lichtemittierenden Vorrichtung mit hoher Effizienz nach außen zerstreut werden kann. Als Ergebnis hiervon kann eine langlebige Beleuchtungsvorrichtung vorgesehen werden, die geringe negative Wirkungen auf das menschliche Auge hat und stabile optische Eigenschaften während einer längeren Zeitdauer bietet.
Andererseits wird es in einer Beleuchtungsvorrichtung, die durch eine konzentrische Anordnung von Gruppen lichtemittierender Vorrichtungen gebildet wird, welche Gruppen lichtemittierender Vorrichtungen kreisförmig oder polygonal angeordnet sind, bevorzugt, dass in den jeweiligen Gruppen lichtemittierender Vorrichtungen, welche Gruppe von lichtemittierenden Vorrichtungen kreisförmig oder polygonal angeordnet ist, die Zahlen lichtemittierender Vorrichtungen der jeweiligen Gruppen von der Mitte zum Außenrand der Beleuchtungsvorrichtung allmählich zunehmen. Dies ermöglicht es, so viele lichtemittierende Vorrichtungen wie möglich anzuordnen, wobei der Abstand zwischen den benachbarten lichtemittierenden Vorrichtungen entsprechend gesichert ist, und dadurch das Beleuchtungsniveau der Beleuchtungsvorrichtung zu verbessern. Des Weiteren kann durch Verringern der Dichte der lichtemittierenden Vorrichtungen im Mittelabschnitt der Beleuchtungsvorrichtung ein Wärmeeinschluss im Mittelabschnitt der Beleuchtungsvorrichtung vermieden werden. Daher zeigt die Beleuchtungsvorrichtung, in der die lichtemittierenden Vorrichtungen angebracht sind, eine gleichmäßige Wärmeverteilung.
Somit kann Wärme an eine externe elektrische Leiterplatte und eine Wärmesenke bei der Beleuchtungsvorrichtung mit hoher Effizienz übertragen werden, wodurch verhindert wird, dass ein Temperaturanstieg in den lichtemittierenden Vorrichtungen auftritt. Als Ergebnis hiervon kann eine langlebige Beleuchtungsvorrichtung vorgesehen werden, in der die lichtemittierenden Vorrichtungen während einer längeren Zeitdauer stabil betrieben werden können.
Die Beleuchtungsvorrichtung, wie sie vorliegend gezeigt ist, findet in einem breiteren Umfang Anwendung, einschließlich: Mehrzweck-Beleuchtungskörper für Innen- oder Außengebrauch: Beleuchtungslampen für Kronleuchter, Beleuchtungskörper für den Hausgebrauch; Beleuchtungskörper für Büros; Beleuchtungskörper für Geschäfte bzw. Läden, Beleuchtungskörper für Schaufenster, Straßenbeleuchtungen; Leitlampen, Signalvorrichtungen; Beleuchtungskörper für Bühnen oder Studios, Beleuchtungen in der Werbung, Beleuchtungspfosten, Unterwasser-Beleuchtungslampen, Stroboskoplichter, Scheinwerfer, in Leitungsmasten oder dergleichen eingebettete Sicherheitsbeleuchtungskörper, Notfall-Beleuchtungskörper, elektrische Anzeigetafeln, Dimmer, automatische Blinklichter, Rücklichter für Displays oder andere Zwecke, Filmvorführgeräte, Dekorationsartikel, beleuchtete Schalter, Lichtsensoren, elektrische Taschenlampen, Lampen für den medizinischen Bedarf und in Kraftfahrzeugen eingebaute Lampen.
(Beispiel)
Nachstehend folgt die Beschreibung eines Beispiels der lichtemittierenden Vorrichtung der Erfindung.
Zunächst wurde als Basiskörper 1 ein Aluminiumoxidkeramiksubstrat hergestellt. Es ist zu beachten, dass der Basiskörper 1 mit der Ausbauchung 1a integral ausgebildet ist. Die obere Oberfläche der Ausbauchung 1a ist mit der oberen Oberfläche des Basiskörpers 1 ausgerichtet, mit Ausnahme des Teils, in dem die Ausbauchung 1a ausgebildet ist.
Der Basiskörper 1 besteht aus einer rechteckigen parallelepipedischen Platte, die 8 mm breit, 8 mm tief und 0,5 mm dick ist. Der Basiskörper 1 weist in der Mitte seiner oberen Oberfläche die rechteckig-parallelepipedische Ausbauchung 1a auf, die 0,35 mm breit, 0,35 mm tief und 0,15 mm dick ist.
In jenem Teil der Ausbauchung 1a, die das lichtemittierende Element 3 trägt, wurde ein Verdrahtungsleiter zur externen elektrischen Verbindung des lichtemittierenden Elements 3 mit der elektrischen Leiterplatte durch eine im Basiskörper 1 ausgebildete interne Drahtleitung ausgebildet. Der Verdrahtungsleiter wurde zu einer kreisförmigen Fläche mit einem Durchmesser von 0,1 mm mithilfe einer metallisierten Schicht aus Mo-Mn-Pulver geformt. Die Oberfläche des Verdrahtungsleiters wird nacheinander mit einer 3 µm dicken Ni-Plattierungsschicht und einer 2 µm dicken Au-Plattierungsschicht beschichtet. Des Weiteren wurde die im Basiskörper 1 ausgebildete interne Verdrahtungsleitung durch einen elektrischen Verbindungsabschnitt, der aus einem Durchleiter, d. h. einem so genannten Durchloch, gebildet war, hergestellt. Ähnlich dem Verdrahtungsleiter war auch das Durchloch aus einer metallisierten Schicht aus Mo-Mn-Pulver ausgebildet.
Des Weiteren wurde das Reflexionsbauteil 2 hergestellt. Das Reflexionsbauteil 2 ist so entworfen, dass der Durchmesser am obersten Ende der Innenfläche 2a 6 mm beträgt; die Höhe ist 1,5 mm und die Höhe des unteren Endes der Innenfläche 2a (der Abstand (Höhe) zwischen der unteren Fläche, die mit der oberen Oberfläche des Basis körpers 1 und der Unterkante der geneigten Fläche der Innenfläche 2a zu verbinden ist) beträgt 0,1 mm. Hier wurde die Konfiguration der Innenfläche 2a in Übereinstimmung mit dem Schnittprofil des Reflexionsbauteils 2 der Erfindung bestimmt. Insbesondere wird in der die Konfiguration definierenden Formel die Konstante k auf –1,603 gesetzt und die Krümmung c wird auf 1,538 gesetzt. Die arithmetische Durchschnittsrauigkeit Ra oben auf der Innenfläche 2a wurde auf 0,1 µm gesetzt.
Als nächstes wurde eine Au-Sn-Perle auf dem auf der oberen Oberfläche des Basiskörpers 1 ausgebildeten Verdrahtungsleiter gegenüber der Elektrode des lichtemittierenden Elements 3 angeordnet. Durch die Au-Sn-Perle wurde das lichtemittierende Element 3 mit dem Verdrahtungsleiter verbunden. Gleichzeitig wurde das Reflexionsbauteil 2 mit der Peripherie des Basiskörpers 1 so verbunden, dass es die Ausbauchung 1a unter Verwendung eines Harzklebemittels umgibt.
Ferner wurde transparentes Silikonharz durch eine Ausgabevorrichtung in das Reflexionsbauteil 2 gefüllt, worauf es in einem Ofen wärmegehärtet wurde.
Als nächstes wurde eine 0,5 mm dicke plattenartige Fluoreszenzmaterialschicht 4 so angeordnet, dass sie die Öffnung des Reflexionsbauteils 2 abdeckte. Die Fluoreszenzmaterialschicht 4 besteht aus transparentem Silikonharz, das fluoreszierende Materialien von drei unterschiedlichen Typen enthält, die einzeln rotes Licht, grünes Licht und blaues Licht emittieren.
Zu Vergleichszwecken wurde eine weitere lichtemittierende Vorrichtung hergestellt, die in 4 gezeigt ist. Die Konstruktion weist grundsätzlich denselben Aufbau wie die vorstehend erläuterte auf, mit der Ausnahme, dass die Innenfläche des Reflexionsbauteils ein Schnittprofil hat, das durch eine lineare schräge Fläche begrenzt ist, und dass das Reflexionsbauteil 12 mit transparentem Silikonharz gefüllt ist.
Dann wurde jede der so konstruierten lichtemittierenden Vorrichtungen mit einem an sie angelegten Strom von 20 mA eingeschaltet, um die Gesamtmenge der Lichtstrahlen zu messen. Die Messergebnisse betrugen 8,51 m/W für die lichtemittierende Vorrichtung des Vergleichsbeispiels, die in 4 gezeigt, gegenüber 21 m/W für die lichtemittierende Vorrichtung mit dem Aufbau, wie er in 1 gezeigt ist. Diese beiden lichtemittierenden Vorrichtungen haben dieselbe Außenabmessung. Das heißt, es wurde bestätigt, dass die erfindungsgemäße lichtemittierende Vorrichtung gegenüber dem Vergleichsbeispiel den Vorteil zeigt, dass ihre Lichtstrahlmenge insgesamt das 2,5-fache derjenigen des Vergleichsbeispiels beträgt.
Es sollte verstanden werden, dass die Anwendung der Erfindung nicht auf die hier zuvor beschriebenen besonderen Ausführungsformen beschränkt ist und dass viele Modifikationen und Variationen der Erfindung im Geist und Umfang der Erfindung möglich sind.
Die Erfindung kann in anderen besonderen Formen verkörpert werden, ohne von ihrem Geist oder ihren wesentlichen Eigenschaften abzuweichen. Die vorliegenden Ausführungsformen sind daher in jeglicher Hinsicht als veranschaulichend und nicht beschränkend zu betrachten, wobei der Umfang der Erfindung eher durch die beigefügten Ansprüche als durch die vorstehende Beschreibung angegeben wird und daher alle Änderungen, die in den Bedeutungsrahmen und den Äquivalenzbereich der Ansprüche fallen, darin mit umfasst sein sollen.

Claims

Lichtemittierende Vorrichtung mit: einem lichtemittierenden Element (3); einem Basiskörper (1) mit einem Vorsprung (1a), der auf seiner oberen Hauptoberfläche ausgebildet ist, um darauf das lichtemittierende Element (3) zu platzieren; einem Reflexionsbauteil (2), das auf der oberen Hauptoberfläche des Basiskörpers (1) so angeordnet ist, dass es den Vorsprung (1a) umgibt, mit einer Innenfläche (2a), die als Reflexionsfläche zum Reflektieren von Licht ausgebildet ist, das aus dem auf dem Vorsprung (1a) gelagerten lichtemittierenden Element (3) emittiert wird; und einer Fluoreszenzmaterialschicht (4), die auf einer oberen Oberfläche des Reflexionsbauteils (2) so angeordnet ist, dass sie das lichtemittierende Element (3) abdeckt, wobei ein Abstand zwischen der Fluoreszenzmaterialschicht (4) und dem lichtemittierenden Element (3) gesichert ist und die Fluoreszenzmaterialschicht (4) aus einem lichtübertragenden Bauteil besteht, das ein fluoreszierendes Material zum Durchführen einer Wellenlängenumwandlung an dem Licht, das aus dem lichtemittierenden Element (3) emittiert wird, enthält, in der ein Querschnitt der Innenfläche (2a) des Reflexionsbauteils (2), das durch eine virtuelle Ebene einschließlich einer virtuellen Achse (L) geschnitten wird, die die Mitte der Innenfläche (2a) durchdringt und senkrecht zur oberen Hauptoberfläche des Basiskörpers (1) ist, ein Schnittprofil aufweist, das durch eine gekrümmte Linie begrenzt ist, die durch die folgende Formel ausgedrückt ist, und die Innenfläche (2a) des Reflexionsbauteils (2) eine gekrümmte Oberfläche ist, die durch Rotieren der gekrümmten Linie um die virtuelle Achse erhalten (L) wird: Z = (cr2)/[1 + {1 – (1 + k)c2r2}1/2], (wobei –10 ≤ k ≤ –0,001, 0,001 mm–1 ≤ c ≤ 10 mm–1),wobei r für einen Radius von der virtuellen Achse (L) zur Innenfläche (2a) steht; Z für eine Höhe von einer untersten Position der Innenfläche (2a) zu einer Position mit einem Radius r der Innenfläche (2a) steht, und wobei ein Winkel θ₁, der durch eine obere Oberfläche der Fluoreszenzmaterialschicht (4) und eine Linie gebildet wird, die eine Ecke eines lichtemittierenden Abschnitts des lichtemittierenden Elements (3) mit einer obersten Position der Innenfläche (2a) verbindet und diese eine Ecke berührt, angegeben ist als: θ1 ≥ 90° – sin–1 (1/n1),worin n₁ für einen Brechungsindex der Fluoreszenzmaterialschicht (4) steht.
Lichtemittierende Vorrichtung mit: einem lichtemittierenden Element (3); einem plattenartigen Basiskörper (1A); einem Reflexionsbauteil (2A), das mit einer oberen Hauptoberfläche des Basiskörpers (1A) verbunden ist, wobei das Reflexi onsbauteil (2A) einen Basisabschnitt, einen auf dem Basisabschnitt gebildeten Vorsprung (2b), um darauf das lichtemittierende Element (3) zu lagern, und einen Seitenwandabschnitt (2c) aufweist, der am Umfang des Basisabschnitts so ausgebildet ist, dass er den Vorsprung (2b) umgibt, wobei der Seitenwandabschnitt (2c) eine Innenfläche (2d) aufweist, die als Reflexionsoberfläche zum Reflektieren von Licht ausgebildet ist, das aus dem auf dem Vorsprung (2b) gelagerten lichtemittierenden Element (3) emittiert wird; und einer auf einer oberen Oberfläche der Seitenwandabschnitts (2c) so angeordneten Fluoreszenzmaterialschicht (4), dass sie das lichtemittierende Element (3) abdeckt, wobei ein Abstand zwischen der Fluoreszenzmaterialschicht (4) und dem lichtemittierenden Element (3) gesichert ist, wobei die Fluoreszenzmaterialschicht (4) aus einem lichtübertragenden Bauteil besteht, das ein fluoreszierendes Material zum Durchführen einer Wellenlängenumwandlung an dem aus dem lichtemittierenden Element (3) emittierten Licht enthält, in der ein Querschnitt des Seitenwandabschnitts (2c), der durch eine virtuelle Ebene einschließlich einer virtuellen Achse (L) geschnitten wird, die die Mitte der Innenfläche (2d) durchdringt und senkrecht zur oberen Hauptoberfläche des Basiskörpers (1A) ist, ein Schnittprofil aufweist, das durch eine gekrümmte Linie begrenzt ist, die durch die folgende Formel ausgedrückt wird, und die Innenfläche (2d) des Reflexionsbauteils (2A) eine gekrümmte Oberfläche ist, die durch Rotieren der gekrümmten Linie um die virtuelle Achse (L) erhalten wird: Z = (cr2)/[1 + {1 – (1 + k)c2r2}1/2], (wobei –10 ≤ k ≤ –0,001, 0,001 mm–1 ≤ c ≤ 10 mm–1), wobei r für einen Radius von der virtuellen Achse (L) zur Innenfläche (2d) steht; Z für eine Höhe von einer untersten Position der Innenfläche (2d) zu einer Position mit einem Radius r der Innenfläche (2d) steht und wobei ein Winkel θ₁, der durch eine obere Oberfläche der Fluoreszenzmaterialschicht (4) und eine Linie gebildet wird, die eine Ecke eines lichtemittierenden Abschnitts des lichtemittierenden Elements (3) mit einer obersten Position der Innenfläche (2d) verbindet und diese eine Ecke berührt, angegeben ist als: θ1 ≥ 90° – sin–1 (1/n1),worin n₁ für einen Brechungsindex der Fluoreszenzmaterialschicht (4) steht.
Lichtemittierende Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, in der eine arithmetische Durchschnittsrauigkeit Ra der Innenfläche (2a, 2d) in einem Bereich von 0,004 bis 4 µm liegt.
Lichtemittierende Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, in der ein durch die Innenfläche (2a, 2d) des Reflexionsbauteils (2, 2A) und eine untere Oberfläche der Fluoreszenzmaterialschicht (4) begrenzter Abstand mit einem lichtübertragenden Bauteil (5) gefüllt ist, das aus demselben Material besteht wie das lichtübertragende Bauteil, aus dem die Fluoreszenzmaterialschicht gebildet ist.
Beleuchtungsvorrichtung, die durch Aufstellen mehrerer lichtemittierender Einrichtungen nach Anspruch 1 oder 2 in einer vorgegebenen Anordnung aufgebaut ist.
Beleuchtungsvorrichtung nach Anspruch 5, in der die vorgegebene Anordnung eine gestaffelte Anordnung ist.
Beleuchtungsvorrichtung nach Anspruch 5, in der die vorgegebene Anordnung eine konzentrische Anordnung von Gruppen lichtemittierender Vorrichtungen ist, welche Gruppen lichtemittierender Vorrichtungen kreisförmig oder polygonal angeordnet sind, und die Zahl der lichtemittierenden Vorrichtungen der jeweiligen Gruppen vom Mittelpunkt zum Außenrand der Beleuchtungsvorrichtung allmählich zunimmt.