JP2007042681A - 発光ダイオード装置 - Google Patents

Abstract

【課題】光取出し効率と輝度均斉度とを共に向上させることができる発光ダイオード装置を提供する。
【解決手段】基板２と；基板上に配設されて底面開口８ａおよびこれに対向する投光開口を有し内側面が反射面８ｂに形成された凹部８を備え、底面中心Ｏと投光開口の側端とを結ぶ線と、底面中心の垂直線Ｖとがなす角度である投光開口８ａの開口角θが５０°以上６５°以下に形成された反射部材９と；カップに配設された導電層と；カップ凹部内にて底面中心に同心状に配設され、導電層に電気的に接続される発光ダイオードチップ６と；を具備している。
【選択図】 図１

Description

本発明は発光ダイオードチップ（ＬＥＤ）チップを具備した発光ダイオード装置に関する。

従来の発光ダイオード装置の一例としては、ケース（カップ）の凹部の内底面上に、発光ダイオードチップを配設し、凹部側面を反射面に形成し、さらに、このケース内に合成樹脂を充填して発光ダイオードチップをケース内に封止する面実装タイプのものが知られている（例えば特許文献１，２参照）。

そして、これら従来の発光ダイオード装置では、ケースの凹部を、発光ダイオードチップを配設する底面から投光開口に向けて漸次拡開する逆円錐台状に形成し、投光開口から外部へ放射される光の放射範囲を拡大させている。このために、投光開口から取り出す光の取出し効率を向上させることができる。
特開２００２−４３６２５号公報 特開２００２−２３２０１７号公報

しかしながら、このような従来の発光ダイオード装置では、光の取出し効率が向上する反面、投光開口から外部へ放射される光が広範囲に拡散されるために、輝度均斉度が低下すると共に、投光開口付近の輪郭が不鮮明になり、視認性が低下するという課題がある。

本発明はこのような事情を考慮してなされたもので、その目的は、光取出し効率と輝度均斉度とを共に向上させることができる発光ダイオード装置を提供することにある。

請求項１に係る発明は、基板と；直径略２〜３ｍｍの底部開口およびこれに対向する上部開口を有し内側面が反射面に形成された凹部を備え、底部中心と上部開口の側端とを結ぶ線と、底部中心の垂線とがなす角度である開口角が５０°以上６５°以下に形成され、前記基板上に配設された反射部材と；基板上に配設された導電層と；凹部内の導電層に電気的に接続された発光ダイオードチップと；を具備していることを特徴とする発光ダイオード装置である。

なお、基板は、どのような形状でもよい。反射部材の底部開口直径は略２〜３ｍｍであるが、製造誤差程度（上下限値２または３ｍｍに対して５％程度）は許容する。底部開口直径を略２〜３ｍｍとしたのは、図５に示すように光取出し効率と輝度均斉度が、この径にあまり依存しない範囲である。また、開口角は５０°〜６５°としているが、上述したように上下限値とも５０％程度の誤差は許容される。開口角を５０°〜６５°としたのは、図６に示すように、光取出し効率を維持しつつ、輝度均斉度の低下を抑制できる範囲だからである。

請求項２に係る発明は、発光ダイオードチップの発光色は青色光であり、青色光により励起されて黄色光に蛍光発光する黄色発光蛍光体層を具備していることを特徴とする請求項１記載の発光ダイオード装置である。

請求項１に係る発明によれば、反射部材内に配設された発光ダイオードチップを中心とした投光開口の開口角が５０°以上６５°以下であるので、光取出し効率を向上させつつ輝度均斉度の低下を抑制できる。

すなわち、投光開口の開口角が５０°以下の場合には、カップ凹部の側面の反射面が垂直方向に次第に起立するようになり、直胴に近くなっていく。このために、発光ダイオードチップからの光は垂直状の反射面に沿って投光開口から外部へ放射される。このために、投光が拡散されずに絞られるので、光の輝度均斉度が向上して行く。

その反面、投光開口の平面積が縮小するので、その分、投光開口から取り出される光の取出し効率は低下する。

一方、投光開口の開口角が６５°以上の場合には、投光開口の平面積が拡大するので、その分、光取出し効率が向上する。

その反面、カップ凹部の側面の反射面の傾斜角が次第に水平方向へ傾斜して行くので、投光開口からの光は広範囲に拡散され、輝度均斉度が低下する。

したがって、上述したように、請求項１に係る発明のようにカップの投光開口の開口角を５０°以上６５°以下にすることにより、光取出し効率と輝度均斉度を共に向上させることができる。

請求項２に係る発明によれば、発光ダイオードチップからの青色光の一部が黄色発光蛍光体層を透過する一方、残りの青色光が黄色発光蛍光体層の黄色発光蛍光体を励起して黄色光を蛍光発光するので、光取出し側ではこの青色光と黄色光との加法混色である白色光を取り出すことができる。

以下、本発明の実施形態を添付図面に基づいて説明する。なお、複数の添付図面中、同一または相当部分には同一符号を付している。

図１は本発明の一実施形態に係る発光ダイオード装置の要部拡大模式図、図２はこの発光ダイオード装置を複数具備した発光ダイオードモジュール１の平面図、図３は図２のＩＩＩ−ＩＩＩ線断面図、図４は図３のＩＶ部拡大図である。

図２〜図４に示すように発光ダイオードモジュール１は、基板２上に、複数の発光ダイオード装置３，３，…を例えば３行３列のマトリクス状に配設し、かつ一体に連成している。

基板２は放熱性と剛性を有するアルミニウム（Ａｌ）やニッケル（Ｎｉ）、ガラスエポキシ等の平板からなり、複数の発光ダイオード装置３，３，…の各基板を一体に連成してなる一体基板であり、この基板２上には、電気絶縁層４を介して回転パターン５が配設されている。

図４に示すように回転パターン５は、各発光ダイオード装置３毎に、ＣｕとＮｉの合金やＡｕ等により、陰極側と陽極側の回路パターン（配線パターン）５ａ，５ｂを形成しており、この回転パターン５上には、各発光ダイオード装置３毎に、青色発光の発光ダイオードチップ６をそれぞれ搭載している。各青色発光の発光ダイオードチップ６は、青色の光を発光する例えば窒化ガリウム（ＧａＮ）系半導体等からなる。各ダイオードチップ６は、その底面電極を回路パターン５ａ，５ｂの一方上に載置して電気的に接続する一方、上面電極を回路パターン５ａ，５ｂの他方にボンディングワイヤ７により接続している。

そして、基板２上には、各発光ダイオードチップ６の周囲を所要の間隔を置いて取り囲み、基板２の反対側（図３，図４では上方）に向けて漸次拡開する逆円錐台状の凹部８をそれぞれ同心状に形成した反射部材９を各発光ダイオード装置３毎に形成すると共に、これら反射部材９を一体に連結形成している。反射部材９は例えばＰＢＴ（ポリブチレンテレフタレート）やＰＰＡ（ポリフタルアミド）、ＰＣ（ポリカーボネート）等の合成樹脂よりなり、各凹部８は外部に開口する上部開口の一例である投光開口８ａと底部開口の一例である底面開口８ｃとをそれぞれ有する。

各凹部８は、その内部側面を反射面８ｂに形成し、凹部８内には封止樹脂層１０を形成している。封止樹脂層１０は、透光性を有するシリコーン樹脂やエポキシ樹脂等の熱硬化性透明樹脂を発光ダイオードチップ６よりも高い投光開口８ａ端まで注入充填して熱硬化させることにより形成され、発光ダイオードチップ６を凹部８内に封止している。

そして、図１に示すように、各反射部材９は発光ダイオードチップ６を中心とした投光開口８ａの開口角θを５０°〜６５°に形成している。すなわち、反射部材９は上部開口である投光開口８ａに垂直方向下方で対向する内底面中央部に、底面開口８ｃを形成し、図４に示すようにこの底面開口８ｃに一部が露出するように配設された回転パターン５の該当露出部上に、発光ダイオードチップ６を底面開口８ｃの中心Ｏと同心状に配設している。

そして、この底面中心Ｏを垂直方向に通る垂直線Ｖと、底面中心Ｏと投光開口８ａの一端とを結ぶ線とでなす角度を、投光開口８ａの開口角θとして５０°〜６５°に形成している。この開口角θは次の実験により求めた。

すなわち、反射部材９の底面開口径をａ、高さ（厚さ）をｂ、投光開口８ａの開口径をｃとし、これらａ，ｂ，ｃをパラメータとしたときの光取出し効率（全光束）と輝度均斉度について実験を行なった。

その結果は次の通りである。

（１）投光開口８ａの開口径ｃと高さｂを一定とし、底面開口径ａの寸法のみを順次増大させていくと、逆円錐台状の凹部８の側面反射面８ｂが漸次垂直に近くなっていくので、光取出し効率は若干低下するが、輝度均斉度は殆ど変化がなかった。図５はこのときの実験データを示す。なお、ここで輝度均斉度（均一性）とは光出力分布の平均値と最大値の比（すなわち、平均値／最大値）をいう。

（２）底面開口径ａと投光開口径ｃを一定とし、高さｂの寸法のみを変えると、発光ダイオードチップ６と投光開口８ａとの距離が縮小するので、輝度均斉度が上がるが、光取出し効率は低下した。

（３）底面開口径ａと高さｂを一定とし、投光開口径ｃを大きくしていくと、投光開口８ａの平面積が拡大していくので、投光範囲が拡大し光取出し効率が向上するが輝度均斉度は殆ど変化しなかった。

以上の実験から光取出し効率と輝度均斉度については、底面開口径ａがこれらに殆ど影響を与えず、高さｂと投光開口径ｃがこれらに影響を与えることが判明した。そこで、底面開口径ａを一定とし、高さｂと投光開口径ｃとを１つのパラメータとして考え、このパラメータとして上記開口角θを採用した。すなわち、１つの開口角θを変えることにより、高さｂと投光開口径ｃとを同時に変えることができる。

図６はこの開口角θと、光取出し効率および輝度均斉度との相対関係を示す実験データである。この実験データから開口角θの最適値として５０°〜６５°を求めることができた。

すなわち、投光開口の開口角が５０°以下の場合には、カップ凹部８の側面の反射面８ｂが垂直方向に次第に起立するようになり、直胴に近くなっていく。このために、発光ダイオードチップからの光は垂直状の反射面に沿って投光開口８ａから外部へ放射される。このために、投光が拡散されずに絞られるので、光の輝度均斉度が向上して行く。

その反面、投光開口８ａの平面積が縮小するので、その分、投光開口８ａから取り出される光の取出し効率は低下する。

一方、投光開口８ａの開口角が６５°以上の場合には、投光開口８ａの平面積が拡大するので、その分、光取出し効率が向上する。

その反面、カップ凹部８の側面の反射面８ｂの傾斜角が次第に水平方向へ傾斜して行くので、投光開口８ａからの光は広範囲に拡散され、投光開口８ａ付近の輪郭が不鮮明になり視認性が低下する等、輝度均斉度が低下する。

したがって、上述したように、反射部材９の投光開口８ａの開口角θを５０°以上６５°以下（５０°〜６５°）にすることにより、光取出し効率と輝度均斉度を共に向上させることができる。

次に、この発光ダイオードモジュール装置１の作用を説明する。

まず、各陰極側と陽極側の回路パターン５ａ，５ｂ間に、外部から所定の直流電圧が印加されると、各発光ダイオードチップ６が青色発光される。この青色発光は、透明の封止樹脂１０を透過して投光開口８ａから取り出される。この投光開口８ａの開口角θが５０°〜６５°であるので、上述したように光取出し効率と輝度均斉度を共に向上させることができる。

なお、上記封止樹脂１０を、シリコーン樹脂やエポキシ樹脂等の透明樹脂内に、例えば青色発光により黄色に蛍光発光する黄色蛍光体を含有させてなる黄色蛍光体層に置換してもよい。

これによれば、発光ダイオードチップ６からの青色発光の一部が黄色蛍光体層を透過する一方、残りの青色発光が黄色蛍光体層を励起して黄色光に発光し、これら青色光と黄色光の加法混色の白色系光を得ることができる。

また、反射部材９の凹部側面８ｂの反射面を金属めっき層により構成してもよい。これによれば、反射効率を向上させることができる。

さらに、前記各実施形態では、各発光ダイオード装置３の複数個をそれぞれマトリックス状に配設した発光ダイオードモジュールについて説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、例えば各発光ダイオード装置３の複数個をそれぞれ１列状等所要形状に配設してもよい。また、発光ダイオード装置３は単数でもよい。

本発明の一実施形態に係る発光ダイオード装置の要部拡大模式図。 図１，図３で示す発光ダイオード装置の複数個を具備した発光ダイオードモジュールの平面図。 図２のＩＩＩ−ＩＩＩ線断面図。 図３のＩＶ部拡大図。 図１で示す底面開口径と、光取出し効率および輝度均斉度との相対関係を示すグラフ。 図１で示す投光開口の開口角θと、光取出し効率および輝度均斉度との相対関係を示すグラフ。

符号の説明

１…発光ダイオードモジュール、３…発光ダイオード装置、５ａ，５ｂ…回路パターン、６…青色発光のダイオードチップ、８…凹部、８ａ…投光開口、８ｂ…反射面、８ｃ…底面開口、９…反射部材、１０…封止樹脂、ａ…底面開口径、ｂ…カップの高さ、ｃ…投光開口径、θ…投光開口の開口角。

Claims (2)

1. 基板と；
   直径略２〜３ｍｍの底部開口およびこれに対向する上部開口を有し内側面が反射面に形成された凹部を備え、底部中心と上部開口の側端とを結ぶ線と、底部中心の垂線とがなす角度である開口角が５０°以上６５°以下に形成され、前記基板上に配設された反射部材と；
   基板上に配設された導電層と；
   凹部内の導電層に電気的に接続された発光ダイオードチップと；
   を具備していることを特徴とする発光ダイオード装置。
2. 発光ダイオードチップの発光色は青色光であり、
   青色光により励起されて黄色光に蛍光発光する黄色発光蛍光体層を具備していることを特徴とする請求項１記載の発光ダイオード装置。

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