JP2005135983A - 発光装置 - Google Patents

Abstract

【課題】蛍光体などの光色変換材料又は光色変換材料が混入された樹脂がＬＥＤチップなどの発光素子の周囲に配置された発光装置において、劣化の早い光色変換材料の寿命を延ばしつつ、配光制御を可能とする。
【解決手段】凹部２ａを有する実装基板２と、凹部２ａの底面に配置された発光素子３を有し、凹部２ａの内部に、粒状部材４と粒状部材４を保持する保持部材５とが配置され、粒状部材４は、発光素子３の発光波長の少なくとも一部を吸収する光吸収体、又は、発光素子３からの放射光により励起されて発光素子３の発光波長とは異なる波長の光を放射する光色変換材料を含有する。
【選択図】図１

Description

本発明は、ＬＥＤチップなどの発光素子を利用した発光装置に関する。

近年、窒化ガリウム系化合物半導体により、青色光や紫外線を放射するＬＥＤチップが開発されている。また、これらＬＥＤチップなどの発光素子と、発光素子の発光波長の少なくとも一部を吸収する光吸収体又は発光素子の発光により励起されて発光素子の発光波長とは異なる波長の光を放射する蛍光体などの光色変換材料を組み合わせて、白色を含む発光素子の発光色とは異なる色合いの光を出力する発光装置が実用化されている。ＬＥＤチップなどの発光素子を用いた発光装置（以下、「発光装置」と略称する）は、小型、軽量、省電力といった長所を有するため、表示用光源、小型電球の代替光源、液晶パネル用光源などに用いられている。

一般的な発光装置では、蛍光体などの光色変換材料又は光色変換材料が混入された樹脂がＬＥＤチップの周囲に配置され、少なくともその一部分は、直接ＬＥＤチップに接触する構成となっている。そのため、光色変換材料が発光素子からの光及び熱の影響を受け、劣化が早く進行し、発光装置の寿命はＬＥＤチップそのものではなく、光色変換材料の寿命により決定されてしまうため、一般的に色変換材料を用いないＬＥＤ素子よりも寿命が短い。

この問題に対しては、例えば特許文献１に示された従来のＬＥＤ照明装置では、図４に示すように、例えば蛍光体などの色変換材料を含む樹脂でキャップ２０を形成し、このキャップをＬＥＤ素子２１に着脱自在に被せるように構成されている。このような構成によれば、ＬＥＤ素子２１よりも先に蛍光体などの色変換材料が劣化したときには、キャップを交換することにより、発光装置の寿命を延ばすことができる。しかしながら、レンズなどの光学部材を用いた配光制御ができないため、キャップを用いないＬＥＤ素子に比べて効率良く光を照射することができない。

特許文献２には、蛍光材料を粒子状に形成し、その表面に透光性を有するガラスやセラミックなどの被覆層を形成して、耐環境性及び耐紫外線性を向上させる技術が示されている。また、粒子状の蛍光材料は、発光素子を覆う樹脂成形による保護層又はレンズ部分に混入されている。このような構成によれば、蛍光材料自体の劣化の度合いを低減でき、発光素子の超寿命化をはかることができるけれども、蛍光材料自体がガラスなどで被覆され、蛍光材料に到達する光の量が少なくなり、発光効率が低下する。また、耐紫外線性により、紫外線ＬＥＤに対しては、特に発光効率が低くなる。
特開２０００−１０１１４８号公報（図１） 特開２００２−１７３６７５号公報（請求項１、段落００１７）

本発明は上記の点を鑑みてなされたものであり、劣化の早い光色変換材料の寿命を延ばしつつ、配光制御が可能である発光装置を提供することを目的とするものである。

上記目的を達成するために請求項１の発明は、凹部を有する実装基板と、前記凹部の底面に配置された発光素子を有する発光装置において、前記凹部の内部に粒状部材と前記粒状部材を保持する保持部材とが配置され、前記粒状部材は、発光素子の発光波長の少なくとも一部を吸収する光吸収体、又は、発光素子からの放射光により励起されて発光素子の発光波長とは異なる波長の光を放射する光色変換材料を含有することを特徴とする。

請求項２の発明は、請求項１の発光装置において、前記粒状部材は、前記凹部開口を略覆うように配置されていることを特徴とする。

請求項３の発明は、請求項１の発光装置において、前記粒状部材は、前記凹部内に充填されていることを特徴とする。

請求項４の発明は、請求項１乃至請求項３のいずれかの発光装置において、前記粒状部材の形状は略多面体であることを特徴とする。

請求項５の発明は、請求項１乃至請求項３のいずれかの発光装置において、前記粒状部材の形状は略楕円体又は略球形であることを特徴とする。

請求項６の発明は、請求項１乃至請求項５のいずれかの発光装置において、前記粒状部材を構成する母材と、粒状部材を保持する保持部材は、略同一の屈折率の材料で形成されていることを特徴とする。

請求項７の発明は、請求項１乃至請求項６のいずれかの発光装置において、光取出し面側に光学部材を設けたことを特徴とする。

請求項８の発明は、請求項１乃至請求項７のいずれかの発光装置において、前記実装基板の凹部が形成された面とは反対側の面に、放熱基板を設置したことを特徴とする。

請求項１の発明によれば、光色変換材料が発光素子に直接的に接触しにくい構造であるため、発光素子からの光や熱による光色変換材料の劣化が抑えられ、発光装置の寿命を向上させることができる。

請求項２の発明によれば、基板開口部における空気相との界面が平坦ではなく、凹凸を生じているため、発光素子から出射された光のうち空気相との界面で全反射する成分割合が減少する。その結果、発光装置の光出力を向上させることができる。

請求項３の発明によれば、発光素子から出射された光が凹部内で充分に拡散されるので、観察方向に基づく光量むらや色むらが緩和される。

請求項４の発明によれば、個々の粒状部材が略多面体であることにより、粒状部材の形状が不定形であったり、あるいは単なる平板状である場合に較べて、粒状部材内を進む光が粒状部材の表面で全反射してしまう割合が小さくなる。その結果、発光装置の光出力を向上させることができる。

請求項５の発明によれば、個々の粒状部材の形状が略楕円又は略球形であることにより、粒状部材内を進む光が粒状部材の表面で全反射してしまう割合がさらに小さくなるので、発光装置の光出力を向上させることができる。

請求項６の発明によれば、粒状部材の屈折率と、粒状部材を保持する保持材料の屈折率を略同一としたので、粒状部材内を進む光が粒状部材の表面で全反射されることがない。そのため、発光装置の光出力をさらに向上させることができる。

請求項７の発明によれば、発光装置の光取出し面側に光学部材を設けることにより、発光装置の防汚や配光制御が可能となる。

請求項８の発明によれば、実装基板の凹部が形成された面とは反対側の面に放熱基板を設置したので、発光素子の温度を低下させることができる。その結果、発光装置の寿命を延ばしたり、光出力を向上させたりすることができる。

本発明を実施するための最良の形態について図面を参照して説明する。まず、以下に述べる各実施の形態に共通する事項として、青色発光する窒化ガリウム系化合物半導体からなる発光ダイオードチップ（ＬＥＤチップ）を発光素子に用いた。光色変換材料としては、青色の光により励起されて黄色の光を放射する、セリウムで付活されたイットリウム・アルミニウム・ガーネット（ＹＡＧ）系蛍光体を用いた。

但し、発光素子の種類や発光色はこの例示に限定されるものではなく、蛍光体又は光吸収体などの光色変換材料が機能し得る波長域の電磁波を放射するものであればよい。また、光色変換材料の種類も特にＹＡＧ系蛍光体に限定されるものではなく、発光素子の発光波長の少なくとも一部を吸収する光吸収体、又は、発光素子からの放射光により励起されて発光素子の発光波長とは異なる波長の光を放射する蛍光体であればよい。

（第１の実施の形態）
本発明の第１の実施の形態に係る発光装置の構成を図１に示す。図１において、（ａ）光学部材を外した状態での正面図、（ｂ）は側部断面図である。図１に示すように、照明装置１は、略中央部に凹部２ａを有する実装基板２と、凹部２ａの底面の略中央に配置された発光素子３を有する。凹部２ａの内部には、粒状部材４と、粒状部材４を保持する保持部材５とが充填されている。

粒状部材４は、母材として透光性セラミックスを用い、燒結前のセラミックス原材料中に光色変換材料としてＹＡＧ蛍光体を分散混合し、燒結固化させた後、粉砕、粒状化することにより作製した。そして、粒状化部材４を保持部材５としての樹脂と混合して、実装基板２の凹部２ａに充填した。第１の実施の形態の場合、粒状部材４は、形状やサイズが不規則な多面体であり、特に限定されるものではない。このように、光色変換材料を粒状部材４の内部に含有させることにより、光色変換材料が発光素子３に直接的に接触する可能性がほとんどなくなり、熱による蛍光体などの光色変換材料の劣化を抑えることができる。

また、発光素子３から光が放射されてから発光装置１の光取り出し面側から出射されるまでの間に、粒状部材４の表面での散乱が多数回繰り返されるため、発光素子３から直接出射された光と光色変換材料により変換された光とが充分に混色される。その結果、観察方向による色むらが緩和される効果を奏する。

発光装置１の実装基板２は、放熱性に優れたアルミナセラミックスで構成されている。また、実装基板２の裏面は金属化され、プリント配線板６が貼り合わされた金属製の放熱基板７上の金属部が露出した部位に、はんだ付け９などにより接合されている。このように、実装基板２の凹部２ａが形成された面とは反対側の面に、放熱基板７を設置することにより、発光素子３からの熱を放出させることができる。そのため、従来の発光装置と同等の電力を本実施の形態の発光装置１に供給しても、発光素子３の温度は、従来の発光装置の発光素子の温度ほどは上昇しない。そのため、光色変換材料の劣化がさらに低減され、その寿命を向上させることができる。また、発光装置１の光出力を向上させることも可能である。

また、図１の（ｂ）に示すように、発光装置１の光取出し面側に光学部材８として、例えば凸レンズなどを配置してもよい。このように、発光装置１の光取出し面側に光学部材８を設けることにより、発光装置１から出射される光の配光特性を制御することが可能となる。発光装置１の光取出し面側に配置される光学部材８としては、凸レンズのような光学レンズの他に、例えば透光性のカバーなどであってもよい。その場合、発光装置１の光取出し面の汚れ防止などが可能となる。

なお、粒状部材４の母材として透光性セラミックスを用いたが、母体の材料はセラミックスに限定されるものではなく、他に例えば樹脂やガラスなどであっても良い。

（第２の実施の形態）
次に、本発明の第２の実施の形態に係る発光装置の構成を図２に示す。なお、上記第１の実施の形態と共通する部分についてはその説明を省略する。

第２の実施の形態では、粒状部材４として、母体が樹脂から成り、内部にＹＡＧ蛍光体が分散された直径約０．３ｍｍの球状物を用いた。このような粒状部材４の作製方法としては、硬化させる前の樹脂にＹＡＧ蛍光体などの光色変換材料を混合して注射器に詰め、少量滴下して粒状としてから硬化させる方法や、金型を用いて粒状物に成形する方法などを用いることができる。

さらに、実装基板２の凹部２ａの内部に、保持部材５として透光性を有する樹脂を充填し、凹部２ａの開口面の近傍にのみ、その開口面のほぼ全域を覆うように、かつ略均等な厚さとなるように、粒状部材４を層状に配置した。なお、粒状部材４の層の厚さは、必ずしも均等である必要はなく、凹部２ａの開口面上における発光素子３からの光の強度に応じて、例えば図３に示すように、中央付近を厚く、周辺部を薄くしてもよい。その場合、観測方向に基づく色むらを抑制することも可能である。

第２の実施の形態の構成によれば、ＹＡＧ蛍光体などの光色変換材料を含有する粒状部材４が、ＬＥＤチップなどの発光素子３から離れた位置に設けられているため、発光素子３からの熱による光色変換材料の劣化が抑制される効果を奏する。また、実装基板２の凹部２ａの開口面における空気層との界面に、粒状部材４の表面が形作る凹凸が生じているため、凹部２ａの内部を光取出し面側へ進行する、光が空気層との界面で全反射される割合が減少する。そのため、発光装置１からの光取出し率を向上させることが可能である。

なお、粒状部材４の直径約０．３ｍｍの球状物としたが、粒状部材４の粒径及び形状はこれに限定されるものではない。また、粒状部材４の粒径は揃っていた方が好ましいが、粒状部材４の粒径に多少のばらつきがあっても同様の効果が得られる。さらに、粒状部材４の形状は、略球状に限定されず、略楕円体や他の略多面体形状であっても同様に、高い光取り出し率が得られる。特に、例えば金型を用いることにより、球状以外にも種々の形状及び種々のサイズの粒状部材４が作製可能である。さらに、粒状部材４の母材として樹脂を用いたが、これに限定されるものではなく、例えばガラスを母材とした場合は、ガラス溶融時に光色変換材料を混合し、一旦固化させた後、ガラスビーズを作製するのと同様の工程を用いて粉砕、粒状化することにより、粒状部材４を作製することができる。

（第３の実施の形態）
次に、本発明の第３の実施の形態に係る発光装置について説明する。第３の実施の形態の発光装置１では、保持部材５の材料として、その屈折率が粒状部材４を構成する母材の屈折率と略等しいものを用いている。その他の点は、上記第１又は第２の実施の形態の発光装置と形状は同一であるため、図示を省略する。

具体的には、粒状部材４の母材の材料と、保持部材５の材料を同一種のシリコーン樹脂とした。ただし、粒状部材４の母材の材料と保持部材５の材料は、常に同一材料である必要はなく、屈折率が略等しければ、異種材料の組み合わせであってもよい。このように、粒状部材４の母材の材料と保持部材５の材料を略同じ屈折率の材料としたことにより、粒状部材４と保持部材５の界面での光の散乱が抑制される。そのため、発光装置１の光取り出し効率をさらに向上させることが可能となる。

本発明の第１の実施の形態に係る発光装置の構成を示す図であり、（ａ）は正面図、（ｂ）は側部断面図である。 本発明の第２の実施の形態に係る発光装置の構成を示す側部断面図である。 本発明の第２の実施の形態に係る発光装置の他の構成を示す側部断面図である。 従来例の発光装置の構成を示す側部断面図である。

符号の説明

１ 発光装置
２ 実装基板
２ａ 凹部
３ 発光素子
４ 粒状部材
５ 保持部材
６ プリント配線板
７ 放熱基板
８ 光学部材

Claims (8)

1. 凹部を有する実装基板と、前記凹部の底面に配置された発光素子を有する発光装置において、
   前記凹部の内部に、粒状部材と前記粒状部材を保持する保持部材とが配置され、
   前記粒状部材は、発光素子の発光波長の少なくとも一部を吸収する光吸収体、又は、発光素子からの放射光により励起されて発光素子の発光波長とは異なる波長の光を放射する光色変換材料を含有することを特徴とする発光装置。
2. 前記粒状部材は、前記凹部開口を略覆うように配置されていることを特徴とする請求項１に記載の発光装置。
3. 前記粒状部材は、前記凹部内に充填されていることを特徴とする請求項１に記載の発光装置。
4. 前記粒状部材の形状は略多面体であることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の発光装置。
5. 前記粒状部材の形状は略楕円体又は略球形であることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の発光装置。
6. 前記粒状部材を構成する母材と、粒状部材を保持する保持部材は、略同一の屈折率の材料で形成されていることを特徴とする請求項１乃至請求項５のいずれかに記載の発光装置。
7. 光取出し面側に光学部材を設けたことを特徴とする請求項１乃至請求項６のいずれかに記載の発光装置。
8. 前記実装基板の凹部が形成された面とは反対側の面に、放熱基板を設置したことを特徴とする請求項１乃至請求項７のいずれかに記載の発光装置。
   

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