JP2005158963A - 発光装置 - Google Patents

Abstract

【課題】光制御用のレンズを備えたＬＥＤ発光装置において、配線基板の実装面に対するレンズ保持部が占有する面積を小さくして、ＬＥＤパッケージ近傍にも電子部品を配置でき、配線基板サイズをコンパクトにでき、しかも、レンズとＬＥＤとの位置決め精度の向上を図る。
【解決手段】配線基板３上に実装されたＬＥＤパッケージ２の上方にＬＥＤと光軸を略一致させてレンズ４が配置され、このレンズ４をレンズ保持部６により保持し、配線基板３又はＬＥＤパッケージ２に固定する。このレンズ保持部６は、ＬＥＤパッケージ２に向かって先細りした形状とされ、その固定部がレンズ外径より内側に位置する。これにより、配線基板３上でレンズ保持具６下方のＬＥＤパッケージ２近傍に、電子部品８を実装することができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、照明、表示等を行うための光源としてのＬＥＤチップを用いた発光装置に関する。

従来のＬＥＤチップを用いた照明用の発光装置としては、図１６に示すように、ＬＥＤチップを有するＬＥＤパッケージ２を複数個、配線基板３上に搭載し、それを照明装置筐体１０内に配置し、ＬＥＤチップに対応して光制御用レンズ４０を配置したものがある。ここに、光制御用レンズ４０は、照明装置筐体１０に止め蓋１２により保持させている。

また、ドーム状レンズが設けられてＬＥＤチップからの光に適宜な照射角を与えると共に、発光面の輝度の均一化を図るようにした発光装置が知られている（特許文献１参照）。

上記特許文献１に示された発光装置に比較的構成が近いものとして、図１７（ａ）に示すように、光制御用のハイブリッド（複合非球面）のレンズ４１を、ＬＥＤチップ１を搭載したＬＥＤパッケージ２の上方に配置したものがある。ここに、レンズ４１は、樹脂製円筒形の保持具６０により配線基板３上に固定される。保持具６０は、光制御用レンズ４１の外形と略同等の径を持ち、保持具６０の上端溝部６０ａにレンズ４１の上面端部周囲の突出部４１ｂを嵌め込んでレンズ４１を保持している。この保持具６０は、その底面中央部にＬＥＤパッケージ２の外形と略同等形状の孔を有し、これをパッケージ２の外郭に嵌め込むことで、レンズ４１とパッケージ２が位置決め固定される。レンズ４１は、ＬＥＤ発光部を焦点位置近傍に配置され、レンズの光軸をＬＥＤの光軸と一致させる（Lumileds社の商品名Luxeon Star/0参照）。

上記構成においては、ＬＥＤチップ１から発した光の大部分が光制御用レンズ４１に入射する。そのうち、レンズ下面の下に凸の部分に入射した光は、レンズ上面の上に凸の部分に入射し、両者の界面で屈折して狭角配光で出射される。また、レンズ下面の凸部の周囲の内壁面に入射した光はその界面で屈折し、かつレンズ側面で全反射して狭角配光となった後、レンズ上面の凸部周辺部でさらに屈折して、レンズ上面の凸部からの出射光と同様の配光で出射される。
特開２０００−５８９２５号公報

しかしながら、上記特許文献１に示されるような発光装置においては、一般のランプに比べて光束が小さいことから、集光制御して用いる場合が多く、かつハイブリッドレンズの光入射部はＬＥＤ発光サイズと略同サイズとなっている。このような光学系においては、ＬＥＤとレンズとの位置関係が精度良く保持される必要があり、取り付け精度が悪くなる（即ち両者の光軸がずれる、あるいは両者の間隔が大きくなる）と、ハイブリッドレンズへの光の入射効率が低下し、又は、出射配光がいびつになる問題がある。

その点に関し、上記構成の発光装置においては、図１７（ｂ）に示すように、ＬＥＤ素子近傍の配線基板３（ユニット）にパターン３Ｐ等の凹凸があると、保持具６０が傾き、ＬＥＤ光軸Ａがハイブリッドレンズの光軸Ｂと食い違って、上記不具合を発生させる。また、一般的にハイブリッドレンズのサイズは、ＬＥＤの発光部サイズに比べて極めて大きく（例えばＬＥＤ発光部径Φ５ｍｍに対し、レンズ径Φ２０ｍｍ）、保持具６０の形状がレンズ４１と略同サイズの円筒形であって、かつ、その底面が配線基板３に密接することから、配線基板３上の保持具６０が占有する部分には、電子部品を実装することが出来ない。このため、電子部品実装のために配線基板３のサイズを大きくする必要があり、結果的に、レンズ４１と保持具６０を納めた発光装置のサイズが大きくなる。

本発明は、上記の問題を解決するために成されたものであり、光制御用のレンズを備えたＬＥＤ発光装置において、配線基板の実装面に対するレンズ保持部が占有する面積を小さくして、ＬＥＤパッケージ近傍にも電子部品を配置でき、配線基板サイズをコンパクトにでき、装置を小型にできる発光装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために請求項１の発明は、ＬＥＤチップと、このＬＥＤチップを実装し、ＬＥＤへ電力供給するための配線部を有するＬＥＤパッケージと、前記ＬＥＤパッケージの上方に配置され、ＬＥＤパッケージと異なる部材で形成され、位置決め固定のためのレンズ保持部を有するレンズと、前記ＬＥＤパッケージを固定し、ＬＥＤチップに電力を供給するための配線部を有する配線基板とからなる発光装置において、前記レンズ保持部の保持部分がレンズ外径より内側に位置するものである。

請求項２の発明は、請求項１記載の発光装置において、レンズ保持部は、ＬＥＤパッケージに向かって先細りする形状であることを特徴とする。

請求項３の発明は、請求項１記載の発光装置において、レンズがハイブリッドレンズから成ることを特徴とする。

請求項４の発明は、請求項１記載の発光装置において、ＬＥＤパッケージ上面とレンズ保持部とが嵌合することを特徴とする。

請求項５の発明は、請求項１記載の発光装置において、ＬＥＤパッケージ側面とレンズ保持部とが嵌合することを特徴とする。

請求項６の発明は、請求項１記載の発光装置において、配線基板上に設けた溝部又は貫通孔部と前記レンズ保持部とが嵌合することを特徴とする。

請求項７の発明は、請求項６記載の発光装置において、ＬＥＤパッケージとレンズとをそれぞれ同一の固定手段を用いて配線基板に位置決め固定することを特徴とする。

請求項８の発明は、請求項７記載の発光装置において、レンズ保持部の固定部の下面に半田接合用の金属箔が設けられ、配線基板上に前記レンズ保持部材の固定部と略同一形状のランドが設けられ、金属箔とランドとを半田にて接続し、ＬＥＤパッケージに配線基板の配線部に接続するための引出し電極部が設けられ、配線基板上の配線部に引出し電極部と略同一形状のランドが設けられ、引出し電極部とランドとを半田にて接続することを特徴とする。

請求項９の発明は、請求項７記載の発光装置において、レンズ保持部下面に設けられた突起と、配線基板に設けられた貫通孔又は溝とを嵌合させ、ＬＥＤパッケージ下面に設けられた突起と、配線基板に設けられた貫通孔又は溝とを嵌合させることを特徴とする。

請求項１の発明によれば、レンズ保持部の配線基板上でのサイズが小さくなるので、パッケージ近傍の配線基板上に電子部品を配置でき、配線基板を小型化できる。

請求項２の発明によれば、レンズ保持部がＬＥＤパッケージに向かって先細りしているので、部品高さの高い部品でも実装することができる。

請求項３の発明によれば、ＬＥＤの発光部付近をコンパクトにでき、ＬＥＤパッケージ近傍に他の電子部品を設置できる。

請求項４の発明によれば、ＬＥＤパッケージに対するレンズ保持部の位置決め精度がより一層向上し、また、接着剤を使わないでレンズ保持部を固定することができるので、材料費が削減でき、量産効率が向上する。

請求項５の発明によれば、ＬＥＤパッケージに対するレンズ保持部の位置決め精度がより一層向上し、また、接着剤を使わないでレンズ保持部を固定することができるので、材料費が削減でき、量産効率が向上する。

請求項６の発明によれば、レンズの傾き精度を上げることが容易となる。

請求項７の発明によれば、固定手段を同一とすることで、量産効率が向上する。

請求項８の発明によれば、リフロー工程を用いてレンズ、パッケージを一度に実装できるので、量産性が向上する。

請求項９の発明によれば、上記と同程度の量産性を確保しつつ、さらに位置決め精度が向上する。

以下、本発明の各種実施形態に係る発光装置について図面を参照して説明する。
（実施例１）
図１は、実施例１による発光装置を示す。発光装置は、ＬＥＤチップ１を実装したＬＥＤパッケージ２と、このＬＥＤパッケージ２が実装される配線パターンを有したユニット基板である配線基板３と、ＬＥＤパッケージ２の上方にＬＥＤと光軸Ａを略一致させて配置されるハイブリッドレンズ４（以下、レンズと略記する）と、波長変換部材５と、レンズ４を保持し配線基板３及び／又はＬＥＤパッケージ２に固定されるレンズ保持具６とを有している。ここに、レンズ保持具６は、ＬＥＤパッケージ２に向かって先細りした形状とされ、その配線基板３への固定部がガイド部６１と屈曲部６２とから成り、レンズ外径より内側に位置する。このガイド部６１は、ＬＥＤパッケージ２の外郭に嵌合され、屈曲部６２の下面は配線基板３に接着剤７で固定される。配線基板３上のＬＥＤパッケージ２近傍には抵抗等の電子部品８が実装されている。

より詳細には、レンズ４は、その略焦点位置にＬＥＤパッケージ２に固定され発光部となる波長変換部材５が設置されている。レンズ保持具６は、アルミ、銅等の金属、又はアクリル、ポリカーボネイド等の樹脂で構成され、レンズ保持具６の内面はレンズ側面と略同一形状とされ、ＬＥＤパッケージ２に近づく程、横断面径が小さくなっている。レンズ保持具６の上端に突起状の爪６３があり、これによりレンズ４が固定される。レンズ保持具６の内面とレンズ４の側面は、機械的に接触しているだけであり（複数箇所での点接触）、両者の間には大部分空気が介在している。従って、レンズ保持具６はレンズ４の機能を損なわない。

レンズ保持具６の下側に設けられたガイド部６１は、ＬＥＤパッケージ２と略同サイズの開口を形成し、かつパッケージ外郭を挟み込む。このガイド部６１の先端側に設けられた屈曲部６２は、配線基板３の面に沿って外側に折れ曲がった形状とされ、これにより、レンズ保持具６が配線基板３に対して垂直上向きに自立できるようにしている。屈曲部６２の外径はレンズ４の外径よりも小さくなっている。配線基板３はレンズ４の外径と略同等サイズである。

本実施例１においては、レンズ保持具６のレンズ保持部にレンズ４を挿入し、レンズ保持具６の上端の爪６３を折り返すことでレンズ保持具６にレンズ４が固定される。レンズ保持具６のガイド部６１をＬＥＤパッケージ２の外郭に沿って差し込み、屈曲部６２を配線基板３面に接着剤７を用いて固定することで、レンズ４がＬＥＤパッケージ２の発光部に対して位置決め固定される。かくして、レンズ保持具６の屈曲部６２の外径はレンズ４の外径よりも小さいため、配線基板３上でレンズ保持具６下方のＬＥＤパッケージ２近傍に抵抗等の電子部品８を実装することができる。

かくして、レンズ保持具６の保持部分がレンズ外径より内側に位置するので、配線基板３のサイズをコンパクトにできると共に、レンズ保持具６の配線基板３への固定部が狭小なサイズとなり、ひいては、配線基板３に電子部品８を実装するためのスペースが十分に取れる。また、レンズ保持具６がＬＥＤパッケージ２に向かって先細りしているので、背高さの高い部品でも実装することができる。また、レンズ保持具６のレンズ保持部内面を鏡面としても同様の効果を示し、さらには、レンズ４の側面で全反射されずに透過した漏れ光を正反射させてレンズ４内に再入射させることができるので、光利用効率が一層向上する。

図２は実施例１の変形例を示す。ここでは、上記ハイブリッドレンズ４に代えて、凸レンズ４Ａが搭載されている。レンズ保持具６を含め、その他の構成は上記と同等であり、同等の作用効果を有する。

（実施例２）
図３は、実施例２による発光装置を示す。この実施例２では、実施例１におけるレンズ保持具６の屈曲部がない代わりに、レンズ保持部外郭側面からレンズ保持具固定用のガイド部６１が等間隔で３箇所、配線基板３側に突出して設けられている。レンズ保持具固定用のガイド部６１の直下にある配線基板３面に貫通孔３１が設けられており、ガイド部６１の先端をこの貫通孔３１に挿入接着することで、配線基板３にレンズ保持具６が固定される。本実施例２においては、ハイブリッドレンズ４の傾き精度を向上することができる。なお、ガイド部６１が、請求項でいうレンズ保持部に相当する。

図４は、実施例２の変形例を示す。ここでは、上記ハイブリッドレンズ４に代えて、凸レンズ４Ａが搭載されている。その他の構成は上記と同等であり、同等の作用効果を有する。

（実施例３）
図５は、実施例３による発光装置を示す。この実施例３では、実施例１におけるＬＥＤパッケージ２の側面下方が内側に段差２１の付いた形状とされ、レンズ保持具６のガイド部６１の先端には内側に突出したカギ状の爪６４が設けられている。本実施例３においては、レンズ保持具６のガイド部６１を爪６４の分だけ押し開きながら、ＬＥＤパッケージ２の外郭側面に沿って押し込むと、ＬＥＤパッケージ２の下方の段差２１に爪６４が引っ掛かって、ＬＥＤパッケージ２にレンズ保持具６が固定される。こうして、レンズ保持具６のガイド部６１がＬＥＤパッケージ２の側面を挟み込む形で位置決め固定される。このとき、爪６４の下端は配線基板３の上面に略接している。

このように、レンズ保持具６がＬＥＤパッケージ２に固定されるため、ＬＥＤパッケージ２が傾いて実装されていても、ハイブリッドレンズ４とＬＥＤパッケージ２の位置関係は変わらず、位置決め精度がさらに向上する。また、レンズ保持具６のガイド部６１が配線基板３に固定されないため、配線基板３のスペースがさらに大きくなり、配線基板３のサイズをさらに小さくできる。また、レンズ保持具６の固定に固定部材を必要としないため、材料費が低減し、かつ取り付けが容易なため、量産効果が向上する。

図６は、実施例３の変形例を示す。ここでは、上記ハイブリッドレンズ４に代えて、フレネルレンズ４Ｃが搭載されている。その他の構成は上記と同等であり、同等の作用効果を有する。

（実施例４）
図７は、実施例４による発光装置を示す。この実施例４では、ハイブリッドレンズ４の下端を延長してガイド部６１を設けてある。ＬＥＤパッケージ２の上面外周に段差２１を設けてある。ハイブリッドレンズ４のガイド部６１がＬＥＤパッケージ２の段差２１に嵌合し、接着剤７により固定される。本実施例４においては、ハイブリッドレンズ４（特にガイド部６１）がレンズ保持部を兼ねるため、材料費を低減できる。また、ハイブリッドレンズ４がＬＥＤパッケージ２に直接接合されるので、位置決め精度がさらに向上する。

図８は、実施例４の変形例を示す。ここでは、上記ハイブリッドレンズ４に代えて、凸レンズ４Ａが搭載され、レンズ保持具６がＬＥＤパッケージ２に直接固定されている。この例においても、上記と同等の作用効果を有する。

（実施例５）
図９は、実施例５による発光装置を示す。この実施例５は、ＬＥＤパッケージ２を複数個実装した配線基板３を持つ場合である。ハイブリッドレンズ４は上面周囲の外側に突出したガイド部４ｄを有し、ガイド部４ｄの上面に段差４ｅが設けられている。ハイブリッドレンズ４は、各ＬＥＤパッケージ２に設置され、それらは照明装置筐体１０内に設置されて照明装置を形成している。この筐体１０の上部開口面を覆うように蓋１１が設置され、この蓋１１にはハイブリッドレンズ４の上面が露出するように孔が設けられ、かつその孔の周囲に段差が設けられていて、レンズ４のガイド部４ｄの段差４ｅに嵌合するようになっている。蓋１１は、その上からリング状の止め蓋１２によって筐体１０にネジ止め固定される。蓋１１の孔の周囲段差には弾性の高い樹脂が設置される。

本実施例５においては、ハイブリッドレンズ４は蓋１１によってＬＥＤパッケージ２上に適度な力で圧接固定される。この場合、ハイブリッドレンズ４とＬＥＤパッケージ２は接着剤にて固定する必要がなく、製造コストが低減する。また、ハイブリッドレンズ４の傾きに対する精度が向上する。

図１０は、実施例５の変形例を示す。ここでは、上記ハイブリッドレンズ４に代えて、凸レンズ４Ａが搭載され、レンズ保持具６がＬＥＤパッケージ２に直接固定されている。この例においても、上記と同等の作用効果を有する。

（実施例６）
図１１は、実施例６による発光装置を示す。この実施例６では、レンズ保持具６の外郭側面から配線基板３への固定用のガイド部６１が配線基板方向に突出して形成されている。ガイド部６１の下面は金メッキ１３の処理を施してある。配線基板３のレンズ保持具固定部には、当該ガイド部下面と同形状の金メッキのランド３１を施してある。レンズ保持具６は配線基板３に半田付けにより接合される。ＬＥＤパッケージ２も、パッケージに設けた引出し電極部２２を配線基板３上に設けた該電極部２２と略同形状のランド３１上に半田付けすることで実装される。

本実施例６において、配線基板３におけるパターンは、一般に、±０．１ｍｍの位置精度で作成できるので、同様の処理で形成したランド３１を介して実装されたＬＥＤパッケージ２、及びレンズ保持具６も上記の高精度で位置決め固定される。また、レンズ保持具６が半田リフローによって、パッケージ２と同時に実装できるため、製造コストが低減する。さらには、レンズ４とＬＥＤパッケージ２が配線基板３を介して位置決め固定されるため、ＬＥＤパッケージ２に荷重がかからず、ＬＥＤパッケージ２の接合部の信頼性が向上し、ＬＥＤパッケージ２とレンズ保持具６の位置決め精度が一層向上する。

図１２は、実施例６の変形例を示す。ここでは、上記ハイブリッドレンズ４に代えて、凸レンズ４Ａが搭載されている。この例においても、上記と同等の作用効果を有する。

（実施例７）
図１３は、実施例７による発光装置を示す。この実施例７では、レンズ保持具６はアクリル又はポリカーボネイド、ＡＢＳ等の樹脂で構成され、その固定用のガイド部６１の先端部は、ガイド部上部よりも細径の突起６１ａが設けられ、配線基板３を貫通する長さを有する。ＬＥＤパッケージ２の底面中央には、円筒状の突起２ｂが設けられている。配線基板３上で、レンズ保持具６の固定用のガイド部６１、及び、ＬＥＤパッケージ２の底面の突起２ｂが配される部分には、両者を挿入できる貫通孔３ａ，３ｂが同じ処理で施されている。ＬＥＤパッケージ２は、その底面の突起２ｂを配線基板３に設けた貫通孔３ｂに挿入して位置決めし、パッケージ側電極２２と配線基板側ランド３１とは、半田を用いて固定される。レンズ保持具６は、ガイド部６１の細径の突起６１ａを配線基板３に設けた貫通孔３ａに挿入した後、裏面への突出部を熱溶着（６５）することで固定される。

本実施例７において、配線基板３に同様のマシン（工作機械）を用いて設けた貫通孔の精度は±０．１ｍｍ程度と非常に高い。ＬＥＤパッケージ２及びレンズ保持具６を、配線基板３に同じ手段で設けた貫通孔３ｂ，３ａを介して固定するので、ＬＥＤパッケージ２とレンズ保持具６の位置関係は極めて高精度となる。従って、ＬＥＤパッケージ２とハイブリッドレンズ４も極めて高精度で位置決め固定される。なお、貫通孔３ａ，３ｂが溝であって、突起６１ａ，突起２ｂをそこに挿入しても同様の作用効果を示す。このとき、レンズ保持具６は接着剤にて固定する。

本実施例７においては、レンズ４とＬＥＤパッケージ２が配線基板３を介して位置決め固定されるため、ＬＥＤパッケージ２に荷重がかからず、ＬＥＤパッケージ２の接合部の信頼性が向上し、また、ＬＥＤパッケージ２とレンズ保持具６の位置決め精度がさらに向上する。

図１４は、実施例７の変形例を示す。ここでは、上記ハイブリッドレンズ４に代えて、凸レンズ４Ａが搭載されている。この例においても、上記と同等の作用効果を有する。

（実施例８）
図１５は、実施例８による発光装置を示す。この実施例８では、レンズは、ハイブリッドレンズではなく、凸レンズ４Ｃを用いている。凸レンズ４Ｃは、それよりも小径のレンズ保持具６により保持されている。このような構成においても、上述と同等の効果が得られる。なお、本発明は、上記実施形態に限られるものではなく、様々な変形が可能である。

本発明の実施例１による発光装置の断面図。 実施例１の変形例による発光装置の断面図。 本発明の実施例２による発光装置の断面図。 実施例２の変形例による発光装置の断面図。 本発明の実施例３による発光装置の断面図。 実施例３の変形例による発光装置の断面図。 本発明の実施例４による発光装置の断面図。 実施例４の変形例による発光装置の断面図。 （ａ）は本発明の実施例５による発光装置の断面図、（ｂ）はその斜視図。 実施例５の変形例による発光装置の断面図。 本発明の実施例６による発光装置の断面図。 実施例６の変形例による発光装置の断面図。 本発明の実施例７による発光装置の断面図。 実施例７の変形例による発光装置の断面図。 （ａ）は本発明の実施例８による発光装置の側面図、（ｂ）はその平面図。 従来の発光装置の断面図。 （ａ）は従来の発光装置の断面図、（ｂ）は同装置におけるレンズ保持具の固定状態を示す断面図。

符号の説明

１ ＬＥＤチップ
２ ＬＥＤパッケージ
２２ パッケージの電極部
２ｂ パッケージの突起
３ 配線基板
３ａ，３ｂ 配線基板の貫通孔
３１ ランド
４，４Ａ，４Ｃ レンズ
６ レンズ保持具（レンズ保持部）
６１ 固定用のガイド部
６１ａ ガイド部の突起
６２ 屈曲部
８ 電子部品

Claims (9)

1. ＬＥＤチップと、
   このＬＥＤチップを実装し、ＬＥＤへ電力供給するための配線部を有するＬＥＤパッケージと、
   前記ＬＥＤパッケージの上方に配置され、ＬＥＤパッケージと異なる部材で形成され、位置決め固定のためのレンズ保持部を有するレンズと、
   前記ＬＥＤパッケージを固定し、ＬＥＤチップに電力を供給するための配線部を有する配線基板とからなる発光装置において、
   前記レンズ保持部の保持部分がレンズ外径より内側に位置することを特徴とする発光装置。
2. 前記レンズ保持部は、前記ＬＥＤパッケージに向かって先細りする形状であることを特徴とする請求項１記載の発光装置。
3. 前記レンズがハイブリッドレンズから成ることを特徴とする請求項１記載の発光装置。
4. 前記ＬＥＤパッケージ上面とレンズ保持部とが嵌合することを特徴とする請求項１記載の発光装置。
5. 前記ＬＥＤパッケージ側面とレンズ保持部とが嵌合することを特徴とする請求項１記載の発光装置。
6. 配線基板上に設けた溝部又は貫通孔部と前記レンズ保持部とが嵌合することを特徴とする請求項１記載の発光装置。
7. 前記ＬＥＤパッケージとレンズとをそれぞれ同一の固定手段を用いて配線基板に位置決め固定することを特徴とする請求項６記載の発光装置。
8. 前記レンズ保持部の固定部の下面に半田接合用の金属箔が設けられ、
   配線基板上に前記レンズ保持部材の固定部と略同一形状のランドが設けられ、
   前記金属箔とランドとを半田にて接続し、
   前記ＬＥＤパッケージに配線基板の配線部に接続するための引出し電極部が設けられ、 配線基板上の配線部に前記引出し電極部と略同一形状のランドが設けられ、
   前記引出し電極部とランドとを半田にて接続することを特徴とする請求項７記載の発光装置。
9. 前記レンズ保持部下面に設けられた突起と、配線基板に設けられた貫通孔又は溝とを嵌合させ、
   前記ＬＥＤパッケージ下面に設けられた突起と、配線基板に設けられた貫通孔又は溝とを嵌合させることを特徴とする請求項７記載の発光装置。

Images