JP2006147851A - 発光装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 熱膨張による故障が生じにくくなるとともに、より光放射性を向上させることの可能な発光装置を提供する。
【解決手段】 本発明に係る発光装置は、基板１２上のＬＥＤチップ１１とケース１４との間に、略真円の断面を有する中空の円筒形状の透光部材１５Ａを設け、透光部材１５Ａ内に透光性の封止樹脂１６を充填してＬＥＤチップ１１を封止する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、新規な発光装置に関し、特に、封止樹脂の熱膨張によっても故障が生じにくく、かつ、ＬＥＤの配光制御性を向上させた発光装置に関するものである。

従来の面実装型ＬＥＤランプとしては、例えば、銅張ガラスエポキシ積層板等を用いて、適宜、ＬＥＤチップ実装パターン部分を内層とした３層板等を作製し、実装部分をエッチング等によって露出させて、ＬＥＤチップを実装し、適宜、樹脂封止し、個々のＬＥＤランプに切断分離して製造されるものがある。

図９は、フリップチップ型のＬＥＤチップを搭載したＬＥＤランプを示し、（ａ）は平面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ部で切断した断面図である。このＬＥＤランプ１０１では、ＬＥＤチップ１１１は基板１１２の上面に搭載され、ＬＥＤチップ１１１の搭載された基板１１２の同一平面上に、発光方向を制御するための反射面１１３を備えたケース１１４が接合されている。そして、ケース１１４の空孔部１１７をエポキシ、シリコン樹脂等の封止樹脂１１６で封止されている。

図１０は、従来の他の面実装型ＬＥＤランプを示し、（ａ）は平面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ部で切断した断面図である。このＬＥＤランプ１０１では、光源として光取り出し面に電極を有するフェイスアップ型のＬＥＤチップ１１１を搭載して形成されている。

また、これらのタイプのＬＥＤランプに対し、より多くの発光光を上方に放射させるようにしたＬＥＤランプも開示されている（例えば、特許文献１参照）。
特開平６−６２１８５号公報

しかしながら、図９、１０に示すような従来のＬＥＤランプ１０１によると、ＬＥＤランプ１０１の発光時に、ＬＥＤチップ１１１が発熱し、その熱が封止樹脂１６、基板１２、ケース１４などに伝播する。これらの部材の材質はそれぞれ異なるため、熱膨張率が異なる。特に、エポキシ、シリコン樹脂等の封止樹脂１１６は基板１１２、ケース１１４に比べて熱膨張率が大であるため、発光による発熱が持続すると、封止樹脂１１６とケース１１４との体積膨張の差が大きくなり、その結果、封止樹脂１１６は反射面１１３に沿うように押し上げられ、基板１１２から剥離する。

フリップチップ型のＬＥＤチップを用いたＬＥＤランプでは、上記した封止樹脂１１６の剥離によってＬＥＤチップが基板から引き剥がされて断線を生じる。また、フェイスアップ型のＬＥＤチップを用いたＬＥＤランプでは、封止樹脂１１６に包囲されたワイヤ１１９に引っ張り応力が作用し、その結果、断線を生じるという問題がある。

また、特許文献１記載のＬＥＤランプにおいては、レンズ方向に照射されず、ケース方向へ照射された発光光については考慮されていないため、光放射性の向上に限界がある。

従って、本発明の目的は、熱膨張による故障が生じにくくなると共に、より光放射性を向上させることの可能な発光装置を提供することにある。

本発明は、上記目的を達成するため、発光素子と、前記発光素子を搭載する基板と、前記基板上に搭載された前記発光素子の発光光を照射方向へ反射させる反射板と、前記発光素子と前記反射板との間に設けられた透光性の筒状体と、前記筒状体の内側において前記発光素子を封止する封止樹脂とを有することを特徴とする発光装置を提供する。

このような構成を採ることにより、反射板と封止樹脂とが直接に接することがないので、発光素子の発熱により封止樹脂や放熱板が熱膨張し、それぞれの体積増加の差が大きくなったとしても、破断が生じることはなく、発光装置の故障を生じさせることはない。

また、このような構成を採ることにより、筒状体の側面に達した発光光は筒状体と空気の屈折率差により屈折率の高い筒状体側へ屈折するので、発光光をより効率よく所望の方向へ照射させることができる。

また、本発明は、上記目的を達成するため、発光素子と、前記発光素子を搭載する基板と、前記基板上に搭載された前記発光素子を囲むように設けられた透光性の筒状体と、前記筒状体の内側において前記発光素子を封止する封止樹脂とを有することを特徴とする発光装置を提供する。

このような構成を採ることによっても、筒状体の側面に達した発光光は筒状体と空気の屈折率差により屈折率の高い筒状体側へ屈折するので、発光光をより効率よく所望の方向へ照射させることができる。

発光素子は、ＬＥＤチップであることが望ましい。

筒状体は、円筒形状あるいは円筒形を変形させた形状であっても良い。

封止樹脂は、前記発光素子から放射される光を色変換する蛍光体を含むものであっても良い。

筒状体は、内側から外側にかけて屈折率が段階的に変化するものであっても良い。

また、筒状体は、内側から外側にかけて前記屈折率が段階的に増加、もしくは減少するものであっても良い。

また、筒状体は、基板方向から発光光照射方向にかけて屈折率が段階的に変化するものであっても良い。

また、筒状体は、基板方向から発光光照射方向にかけて前記屈折率が段階的に増加、もしくは減少するものであっても良い。

また、筒状体は、内側から外側にかけて屈折率が傾斜的に変化するものであっても良い。

また、筒状体は、内側から外側にかけて前記屈折率が傾斜的に増加、もしくは減少するものであっても良い。

また、筒状体は、基板方向から発光光照射方向にかけて屈折率が傾斜的に変化するものであっても良い。

また、筒状体は、基板方向から発光光照射方向にかけて前記屈折率が傾斜的に増加、もしくは減少するものであっても良い。

本発明によれば、熱膨張による発光装置の故障を防止することができる。また、発光ロスを防ぎより多くの発光光を所望の方向へ照射することができる。

以下、本発明の構成を、図面を参考にしつつ説明する。

（第１の実施の形態）
図１は、本発明の第１の実施の形態に係る発光装置としてのＬＥＤランプの構成を示し、（ａ）はフリップチップ型のＬＥＤチップを使用したＬＥＤランプ全体の平面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ部における断面図である。

このＬＥＤランプ１は、ＬＥＤチップ１１と、銅箔からなる配線パターン１８を有する基板１２と、反射面１３を備えるケース１４と、ＬＥＤチップ１１とケース１４との間に設けられた筒状の透光部材１５Ａと、透光部材１５Ａ内にＬＥＤチップ１１を封止する透光性の封止樹脂１６からなる。

ケース１４は、基板１２の外周と略同一幅を有し、上面から下面にかけて略中央に位置するように断面略真円状の空孔１７が設けられている。空孔１７の直径は上面側から下面側にかけて狭まるように設けられており、その壁面の断面は図１に示すように直線状となる。この壁面が反射面１３となる。

透光部材１５Ａは、略真円の断面を有する中空の円筒形状の部材であって、透光性の物質よりなる。具体的には、石英ガラス、エポキシ樹脂などが用いられる。

封止樹脂１６は、透光部材１５Ａの中空部に充填され、これによりＬＥＤチップ１１を封止する。一方、透光部材１５Ａの外側には、封止樹脂１６は充填されない。そのため、空孔１７の内側であっても、ケース１４と透光部材１５Ａの間には空間が生じ、ケース１４と封止樹脂１６とが直接に接することはない。この点について、図９に示す従来のＬＥＤランプ１０１とは異なる。

なお、封止樹脂１６は、蛍光体を含有しても良く、例えば、ＧａＮ系半導体材料からなる青色光を放射するＧａＮ系ＬＥＤチップ１１と、ＹＡＧ(Yttrium Aluminum Garnet)蛍光体を含有した封止樹脂１６とを有するＬＥＤランプ１とすることで、上記した構成の好ましい効果を奏する白色ＬＥＤランプ１を実現できる。

また、紫外光を放射するＬＥＤチップ１１を使用し、ＲＧＢの各色を放射する蛍光体を封止樹脂１６に含有させることで、緑色、青色、赤色の光の混合に基づいて白色を生じる白色ＬＥＤランプ１としても良い。

このような構成を採ることにより、ＬＥＤランプ１を発光させた際に、ＬＥＤチップ１１が発熱し、その熱が封止樹脂１６、基板１２、ケース１４などに伝播するが、ケース１４と封止樹脂１６とが直接に接してはいないので、それぞれの体積増加の差が大きくなったとしても、上述したような破断は生じず、ＬＥＤランプの故障を生じさせることはない。

なお、上述した第１の実施の形態では、ＬＥＤランプ１は、透光部材１５Ａの断面形状が略真円形状のものであったが、本発明はこれに限定されず、楕円形状や、矩形状の断面形状を有するものであってもよく、これら以外の形状であっても、上記効果の得られるものであれば、いかなる形状であっても良い。

また、第１の実施の形態では、透光部材１５Ａの周囲に反射面１３を有するケース１４が配置された構成を説明したが、ケース１４および反射面１３を設けず、透光部材１５Ａの内側に設けられたＬＥＤチップ１１が封止樹脂１６によって封止されて基板１２上に設けられる構成としても良い。このような構成によれば反射面１３での反射によらず、透光部材１５Ａおよび封止樹脂１６による配光制御性の向上を図ることができる。

図２に、上記変形例のＬＥＤランプ１の上方平面図を示す。図２（ａ）は、透光部材１５Ａの断面形状が楕円形状の場合である変形例を、図２（ｂ）は、透光部材１５Ａの断面形状が矩形状の場合である変形例を、それぞれ示している。いずれの形状の場合であっても、ケース１４と封止樹脂１６とが直接に接することはないので、熱膨張による故障を防止することができる。

また、第１の実施の形態に係るＬＥＤランプ１は、ケース１４と透光部材１５Ａの間には空間が生じることにより、より多くの発光光を、照射方向へ送り出すことも可能となる。従来のＬＥＤランプにおける発光光の経路と、本発明に係るＬＥＤランプにおける発光光の経路との比較を、図３により説明する。

図３は、ＬＥＤランプにおける発光光の経路を示す図であり、（ａ）は従来の型のＬＥＤランプの断面部分拡大図、（ｂ）は本発明に係るＬＥＤランプ１の断面部分拡大図である。

図３（ａ）に示す従来の型のＬＥＤランプにおいては、ＬＥＤチップ１１から発せられた発光光は、２１、２２、２３に示すような経路を経る。発光光２１は、封止樹脂１６と外気との界面に対して垂直に発せられているので、そのままの方向に照射されるが、ＬＥＤランプの中心方向より外側へ向けて発せられた発光光２２は、封止樹脂１６から外部に達した際には、封止樹脂１６と外気との界面において屈折することとなる。その際、封止樹脂１６の屈折率が空気の屈折率より高いことから、図に示すように封止樹脂１７寄りに屈折する。

このため、ＬＥＤランプの法線方向に対して拡散するように照射してしまう。ケース１４に向けて発せられた発光光２３ついても、反射面１３で反射して方向が変化するが、発光光２２と同様に封止樹脂１６と外気との界面において屈折し、ＬＥＤランプの法線方向に対して拡散するように照射してしまう。

一方、図３（ｂ）に示す本発明に係るＬＥＤランプ１においては、ＬＥＤチップ１１から発せられた発光光は、２４、２５に示すような経路を経る。発光光２４は、上述の発光光２１と同様に、封止樹脂１６と外気との界面に対して垂直に発せられているので、そのままの方向に照射される。ＬＥＤランプの中心方向より外側へ向けて発せられた発光光２５は、封止樹脂１６から外部に達した際には、透光部材１５Ａに達したところで一旦屈折し、更に透光部材１５Ａの側面部から外気へ達した際に更に屈折する。

このとき、封止樹脂１６の屈折率と空気の屈折率の差により、図に示すように封止樹脂１６寄りに屈折する。その結果、図３（ａ）の場合と比較して、基板１２に対する垂直方向により多くの発光光が集まるように照射されることとなる。

このような構成を採ることにより、本発明に係るＬＥＤランプ１１は、発光光をより効率よく所望の方向へ照射させることができる。

図４は、本発明の第１の実施の形態に係るＬＥＤランプの他の構成を示し、（ａ）はフェイスアップ型のＬＥＤチップを使用したＬＥＤランプの全体図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ部における断面図である。

この実施例では、フェイスアップ型のＬＥＤチップ１１を基板１２に搭載し、ワイヤ１９で配線パターン１８に電気的に接続している構成において、図１に示す構成と相違している。このような構成としても同様の効果が得られる。

また、上述したＬＥＤランプ１は、いずれも基板１２に搭載されたＬＥＤチップ１１が１のみのものであったが、本発明はこれに限らず、複数個のＬＥＤチップを同時に搭載したものであっても良い。

図５は、３つのＬＥＤチップが同時に搭載されたＬＥＤランプ１の構成を示し、（ａ）はＬＥＤランプの全体図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ部における断面図である。なお、図５においては、いずれのＬＥＤチップもフェイスアップ型のＬＥＤチップを用いたものであるが、その組合せは制限されるものではない。

図６は、本発明に係るＬＥＤランプの第２の実施の形態を示す図であり、（ａ）は透光部材１５Ｂの外観図、（ｂ）は透光部材１５Ｂの屈折率の変化を示すグラフ、（ｃ）はＬＥＤチップ１１から発せられた発光光の経路を示すＬＥＤチップ１の部分断面図である。

図６（ａ）に示すように、透光部材１５Ｂは円筒形状を有しているが、その外観は、第１の実施の形態における透光部材１５Ａと相違ない。しかし、第１の実施形態においては、透光部材１５Ａのどの部分においても屈折率は一定であったが、本実施の形態における透光部材１５Ｂでは、円筒形の内側から外側にかけて屈折率が変化する構成を有する。

図６（ｂ）に、透光部材１５Ｂの厚みをＬとした際の、内側から外側にかけての屈折率の変化の様子の一例を示す。ここで、Ｎ_０は封止樹脂１６の屈折率である。

図６（ｂ）に示す例においては、透光部材１５Ｂの内側部分の屈折率は封止樹脂１６の屈折率と同一であるので、封止樹脂１６と透光部材１５Ｂとの界面における屈折率の差がなく、発光光はその界面においては屈折することなく直進する。しかし、進行するにつれて屈折率が傾斜的に変化するので、屈折率の高い方向、即ち内側方向に曲がりながら進行することになる。この様子を、図６（ｃ）に示す。

図６（ｃ）に示すように、ＬＥＤチップ１１から発せられた発光光３１は、封止樹脂１６と透光部材１５Ｂとの界面においては直進するが、進行するにつれて徐々に内側方向に進路を変える。そして、透光部材１５Ｂの外側面と外気との界面において、更に内側方向に屈折する。

また、発光光３２においては、透光部材１５Ｂ中の進行中における進行方向の変化により、最終的には基板搭載面に対して垂直の方向を向くことになる。そして、外気との界面においては入射角が０°となり、そのまま外気中へ直進する。

以上のような構成を採ることにより、より多くの発光光を所望の方向へ照射させることができるので、発光ロスの少ないＬＥＤチップを提供することができる。

また、図６に示した実施例は、透光部材１５Ｂの屈折率が内側から外側にかけて傾斜的に減少するものであるが、本発明はこれに限らない。例えば、内側から外側にかけて屈折率の異なる複数の層を配置し、屈折率を段階的に変化させたものでもよい。図６の例のように連続的な屈折率の変化はないが、同様の効果が得られる。

また、透光部材１５Ｂの屈折率が内側から外側にかけて傾斜的に増加するものであってもよい。この場合、発光光は、透光部材１５Ｂにおいて拡散されることになるが、発光光をより拡散させたいような場合に有効な方法である。

［第３の実施の形態］
第３の実施の形態は、円筒形の透光部材１５の屈折率が、基板方向から発光光照射方向にかけて変化するものである。

図７は、本発明に係るＬＥＤランプの第３の実施の形態を示す図であり、（ａ）は透光部材１５Ｃの外観図、（ｂ）は透光部材１５Ｃの屈折率の変化を示すグラフ、（ｃ）はＬＥＤチップ１１から発せられた発光光の経路を示すＬＥＤチップ１の部分断面図である。

図７（ａ）に示すように、透光部材１５Ｃの外観は、第１の実施の形態における透光部材１５Ａ等と相違ない。しかし、本実施の形態における透光部材１５Ｂでは、基板方向から発光光照射方向にかけて屈折率が変化する構成を有する。

図７（ｂ）に、透光部材１５Ｃの高さをＬとした際の、基板方向から発光光照射方向にかけての屈折率の変化の様子の一例を示す。ここで、Ｎ_０は封止樹脂１６の屈折率である。

図７（ｂ）に示す例においては、透光部材１５Ｃの基板方向末端の屈折率が封止樹脂１６の屈折率と同一であるので、透光部材１５Ｃの基板寄りでは封止樹脂１６と透光部材１５Ｃとの界面における屈折率の差が小さく、発光光はその界面における屈折は小さい。しかし、進行するにつれて傾斜的に屈折率が変化するので、屈折率の高い方向、即ち内側方向に曲がりながら進行することになる。この様子を、図７（ｃ）に示す。

図７（ｃ）に示すように、ＬＥＤチップ１１から発せられた発光光３３は、封止樹脂１６と透光部材１５Ｂとの界面においては僅かに外側に屈折するが、進行するにつれて徐々に内側方向に進路を変える。そして、透光部材１５Ｃの外側面と外気との界面において、更に内側方向に屈折する。

また、発光光３４においては、透光部材１５Ｂ中の進行中における進行方向の変化により、最終的には基板搭載面に対して垂直の方向を向くことになる。そして、外気との界面においては入射角が０°となり、そのまま外気中へ直進する。

以上のような構成を採ることにより、より多くの発光光を所望の方向へ照射させることができるので、発光ロスの少ないＬＥＤチップを提供することができる。

また、図７に示した実施例は、透光部材１５Ｃの屈折率が基板方向から発光光照射方向にかけて傾斜的に減少するものであるが、本発明はこれに限らない。例えば、基板方向から発光光照射方向にかけて屈折率の異なる複数の層を配置し、屈折率を段階的に変化させたものでもよい。図７の例のように連続的な屈折率の変化はないが、同様の効果が得られる。

また、透光部材１５Ｃの屈折率が基板方向から発光光照射方向にかけて傾斜的に減少させるものであってもよい。この場合、発光光は、透光部材１５Ｃにおいて拡散されることになるが、発光光をより拡散させたいような場合に有効な方法である。

（第４の実施の形態）
第４の実施の形態は、封止樹脂の発光光照射方向側の形状を、レンズ状に加工したものである。

図８は、第４の実施の形態におけるＬＥＤランプ１の構成を示す断面図であり、（ａ）は通常のレンズ状、（ｂ）はフレネルレンズ状の形状を有する場合の実施例である。

いずれの場合も、ＬＥＤチップ１１から発せられ、封止樹脂１６と外気界面に達した発光光は、レンズ効果によって光軸方向に屈折されるので、ある一点に収束、或いは同一方向に制御されて進行することとなる。また、透光部材１５Ａに達した発光光は、上述したように内側方向へ屈折されて進行する。

以上のような構成を採ることにより、より多くの発光光を所望の方向へ照射させることができるので、発光ロスの少ないＬＥＤチップを提供することができる。なお、レンズ状に形成される封止樹脂１６に先の実施の形態で説明した蛍光体を含有させて波長変換型のＬＥＤランプ１としても良い。

本発明に係るＬＥＤランプの第１の実施形態の、（ａ）平面図および（ｂ）Ａ−Ａ部における断面図である。 本発明に係るＬＥＤランプの構成の、透光部材の形状の変形例を示す図である。 ＬＥＤチップからの発光光の経路を示す図であり、（ａ）は従来のＬＥＤランプ、（ｂ）は本発明に係るＬＥＤランプの場合である。 本発明に係るＬＥＤランプの第１の実施形態の異なる実施例の、（ａ）平面図および（ｂ）Ａ−Ａ部における断面図である。 本発明に係るＬＥＤランプの構成の、ＬＥＤチップを３個した場合の変形例を示す図である。 本発明に係るＬＥＤランプの第２の実施形態の、（ａ）透光部材の構成、（ｂ）透光部材の屈折率の変化、（ｃ）ＬＥＤチップからの発光光の経路を示す図である。 本発明に係るＬＥＤランプの第３の実施形態の、（ａ）透光部材の構成、（ｂ）透光部材の屈折率の変化、（ｃ）ＬＥＤチップからの発光光の経路を示す図である。 本発明に係るＬＥＤランプの第４の実施形態を示す図である。 従来のＬＥＤランプの、（ａ）平面図および（ｂ）Ａ−Ａ部における断面図である。 従来のＬＥＤランプの別形態の、（ａ）平面図および（ｂ）Ａ−Ａ部における断面図である。

符号の説明

１…ＬＥＤランプ、１１…ＬＥＤチップ、１２…基板、１３…反射面、１４…ケース、１５…透光部材、１６…封止樹脂、１７…空孔、１８…配線パターン、１９…ワイヤ、２１，２２，２３，２４，２５，３１，３２，３３，３４…発光光、１０１…ＬＥＤランプ、１１１…ＬＥＤチップ、１１２…基板、１１３…反射面、１１４…ケース、１１６…封止樹脂、１１７…空孔、１１８…配線パターン、１１９…ワイヤ、

Claims (13)

1. 発光素子と、
   前記発光素子を搭載する基板と、
   前記基板上に搭載された前記発光素子の発光光を照射方向へ反射させる反射板と、
   前記発光素子と前記反射板との間に設けられた透光性の筒状体と、
   前記筒状体の内側において前記発光素子を封止する封止樹脂とを有することを特徴とする発光装置。
2. 発光素子と、
   前記発光素子を搭載する基板と、
   前記基板上に搭載された前記発光素子を囲むように設けられた透光性の筒状体と、
   前記筒状体の内側において前記発光素子を封止する封止樹脂とを有することを特徴とする発光装置
3. 前記発光素子は、ＬＥＤチップであることを特徴とする請求項１又は２に記載の発光装置。
4. 前記筒状体は、円筒形状あるいは円筒形を変形させた形状であることを特徴とする請求項１又は２に記載の発光装置。
5. 前記封止樹脂は、前記発光素子から放射される光を色変換する蛍光体を含むことを特徴とする請求項１又は２に記載の発光装置。
6. 前記筒状体は、内側から外側にかけて屈折率が段階的に変化するものであることを特徴とする請求項１又は２に記載の発光装置。
7. 前記筒状体は、内側から外側にかけて前記屈折率が段階的に増加、もしくは減少することを特徴とする請求項６に記載の発光装置。
8. 前記筒状体は、基板方向から発光光照射方向にかけて屈折率が段階的に変化することを特徴とする請求項１又は２に記載の発光装置。
9. 前記筒状体は、基板方向から発光光照射方向にかけて前記屈折率が段階的に増加、もしくは減少することを特徴とする請求項８に記載の発光装置。
10. 前記筒状体は、内側から外側にかけて屈折率が傾斜的に変化するものであることを特徴とする請求項１又は２に記載の発光装置。
11. 前記筒状体は、内側から外側にかけて前記屈折率が傾斜的に増加、もしくは減少することを特徴とする請求項１０に記載の発光装置。
12. 前記筒状体は、基板方向から発光光照射方向にかけて屈折率が傾斜的に変化することを特徴とする請求項１又は２に記載の発光装置。
13. 前記筒状体は、基板方向から発光光照射方向にかけて前記屈折率が傾斜的に増加、もしくは減少することを特徴とする請求項１２に記載の発光装置。

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