JP2007088060A - 発光装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】製造性に優れ、色むらの発生が抑制された発光装置を提供すること。
【解決手段】凹部が設けられてなる基体と;前記凹部内に設けられた発光素子と;一体に成形され、前記凹部上に配置されたレンズ部とその周囲に形成された非レンズ部とを有し、前記レンズ部の蛍光体含有量が前記非レンズ部の蛍光体含有量よりも多くなるように構成された光制御手段と;を有することを特徴とする発光装置。
【選択図】図1
【解決手段】凹部が設けられてなる基体と;前記凹部内に設けられた発光素子と;一体に成形され、前記凹部上に配置されたレンズ部とその周囲に形成された非レンズ部とを有し、前記レンズ部の蛍光体含有量が前記非レンズ部の蛍光体含有量よりも多くなるように構成された光制御手段と;を有することを特徴とする発光装置。
【選択図】図1
Description
本発明は発光ダイオード(LED:Light Emitting Diode)ランプ等の発光装置に関する。
発光ダイオード(LED:Light Emitting Diode)を用いたLEDランプは、液晶ディスプレイ、携帯電話、情報端末等のバックライト、屋内外広告等、多方面への展開が飛躍的に進んでいる。さらに、LEDランプは長寿命で信頼性が高く、また低消費電力、耐衝撃性、高純度表示色、軽薄短小化の実現等の特徴を有することから、産業用途のみならず一般照明用途への適用も試みられている。このようなLEDランプを種々の各種用途に適用する場合、白色発光を得ることが重要となる。
LEDランプで白色発光を実現する代表的な方式としては、(1)青、緑および赤の各色に発光する3つのLEDチップを使用する方式、(2)青色発光のLEDチップと黄色ないし橙色光を発光する黄色系蛍光体とを組み合わせる方式、(3)紫外線発光のLEDチップと青色、緑色および赤色の三色混合蛍光体(以下、RGB蛍光体と記す)とを組み合わせる方式の3つが挙げられる。これらのうち、一般的には(2)の方式が広く実用化されている。また、(3)の方式で発光効率8.2lm/W、平均演色評価数Ra86〜90が得られたことが報告されている。さらに、(2)の方式においても黄色系蛍光体に加えて赤色光を発光する赤色蛍光体を使用することで、平均演色評価数Raの増加が期待されている。
上記した(2)および(3)の方式を適用したLEDランプは、例えば基体の凹部内にLEDチップを実装した後、この凹部内に蛍光体を含有する液状透明樹脂を注入、固化させて蛍光体層を形成することにより製造されている。(例えば特許文献1参照。)。
さらに、このようなLEDランプには必要に応じて凹部上に光の指向性を調整するためのレンズが設けられる。LEDランプにレンズを設ける方法としては、例えば基体の凹部内にLEDチップを実装した後、液状透明樹脂を注入、半硬化させると共に、別途、レンズの凸部となる凹部が形成された金型に液状透明樹脂を注入しておき、この金型内に上記基体の凹部を押しつける方法が知られている(例えば、特許文献2参照。)。
特開2001−148516号公報
特開2004−193357号公報(例えば、図2、6、段落番号0023〜0025参照。)
ところで、LEDランプとしては、上記したようなLEDチップが実装された凹部内に蛍光体を含有する液状透明樹脂を注入、固化させて蛍光体層を形成するものの他に、LEDチップが実装された凹部上に、ドクターブレード法を用いて製造される蛍光体が分散された蛍光体シートを配置するものが検討されている。このような蛍光体シートにレンズを設ける場合、例えば、レンズの凸部となる凹部が形成された金型に液状透明樹脂を注入しておき、この金型内の液状透明樹脂上に蛍光体シートを被せて硬化させることが考えられる。
しかしながら、このような方法では製造工程が増え、製造に要する時間も長くなる。また、このような方法では、蛍光体シートにレンズシートを完全に密着させることが困難であり、両者の間には少なからず隙間が発生する。蛍光体シートとレンズシートとの間に隙間が存在すると、この隙間部分によって光が反射され色むらが発生する可能性もある。
また、上記したような蛍光体シートを配置するものにおいて、青色発光のLEDチップと黄色ないし橙色発光の蛍光体とを組み合わせる方式を採用した場合、蛍光体シートのうちLEDチップの直上部分が青色がかって見え、その周辺部、特に凹部からはずれた部分が黄色がかって見え、全体として見た場合に色むらが発生することがある。
これは、LEDチップの直上部分はLEDチップからの青色光が多く、蛍光体シートを透過する青色光も多くなり、それから遠ざかるにつれてLEDチップからの青色光が少なくなり、蛍光体シートを透過する青色光も少なくなることによる。特に、凹部からはずれた部分はLEDチップからの青色光がほとんど届かず、他の部分で発光された黄色光のみが入射し反射されるため、より黄色がかって見える。このような色むらは照明装置等としての品質や特性を低下させるため、抑制されることが求められる。
本発明は上記したような課題を解決するためになされたものであって、製造性に優れると共に、色むらの発生が抑制された発光装置を提供することを目的としている。
請求項1に係る発光装置は、凹部が設けられてなる基体と;前記凹部内に設けられた発光素子と;一体に成形され、前記凹部上に配置されたレンズ部とその周囲に形成された非レンズ部とを有し、前記レンズ部の蛍光体含有量が前記非レンズ部の蛍光体含有量よりも多くなるように構成された光制御手段と;を有することを特徴とする。
請求項2に係る発光装置は、請求項1に係る発光装置において、前記発光素子が青色光を発光する発光素子であり、前記蛍光体が前記発光素子から発せられた青色光により励起され、黄色光ないし橙色光を発光する黄色系蛍光体であることを特徴とする。
請求項3に係る発光装置は、請求項1または2に係る発光装置において、前記蛍光体が前記光制御手段中に均一に分散されていることを特徴とする。
請求項4に係る発光装置は、請求項1または2に係る発光装置において、前記蛍光体が前記光制御手段のうち前記基体とは反対側の部分に主として含有されていることを特徴とする。
請求項5に係る発光装置は、請求項1または2に係る発光装置において、前記蛍光体が前記光制御手段のうち前記基体側の部分に主として含有されていることを特徴とする。
請求項6に係る発光装置は、請求項1ないし5のいずれかに係る発光装置において、前記レンズ部の中心部の蛍光体含有量が前記非レンズ部の蛍光体含有量の2倍以上であることを特徴とする。
なお、本発明における用語の定義および技術的意味は、特に指定しない限り以下の通りである。
基体は、例えば回路パターンやリード端子のような配線部を有する基板と、この基板上に設けられ外部に開口した凹部を有するフレームとから構成されるものである。この凹部内には、発光素子が実装される。なお、基体は、フレームを使用せずに基板上に凹部を形成したものであってもよい。
光制御手段は、蛍光体と透明樹脂とからなるものであり、レンズ部とその周囲に形成された非レンズ部とを有するものである。光制御手段は、そのレンズ部が基体の凹部上となるように配置される。この光制御手段は、レンズ部の蛍光体含有量が非レンズ部の蛍光体含有量よりも多くなるように構成されている。レンズ部は、通常、光学設計されているが、蛍光体の含有の程度または外形形状等により、光学設計から外れるようなものであってもよい。
なお、蛍光体含有量とは、光制御手段における単位面積あたりの厚さ方向に含まれる蛍光体の量のことをいう。通常、レンズ部の中心部の蛍光体含有量が最も多く、それから遠ざかるにつれて徐々に少なくなり、非レンズ部では最も少なくなることから、レンズ部の中心部の蛍光体含有量と非レンズ部の蛍光体含有量とを比較し、前者が後者よりも多くなっていればよい。また、レンズ部の中心部の蛍光体含有量が非レンズ部の蛍光体含有量の2倍以上であれば、より色むらの発生を抑制することができるため好ましい。
請求項1に係る発光装置によれば、レンズ部とその周囲に形成された非レンズ部とを有する光制御手段を一体に成形されたものとし、さらにレンズ部の蛍光体含有量が非レンズ部の蛍光体含有量よりも多くなるように構成されたものとすることで、蛍光体シートにレンズシートを貼り合わせるような場合に発生する隙間反射による色むらや、発光素子からの距離が異なることによる色むらの発生を抑制することができる。
請求項2に係る発光装置によれば、発光素子を青色光を発光する発光素子とし、蛍光体をこの発光素子から発せられた青色光により励起されて黄色光ないし橙色光を発光する黄色系蛍光体とすることで、色むらの発生をより有効に抑制することができる。
請求項3に係る発光装置によれば、蛍光体を光制御手段中に均一に分散させることで、容易に色むらの発生を抑制することができる。
請求項4に係る発光装置によれば、蛍光体を光制御手段のうち基体とは反対側の部分に主として含有させることで、上記したような蛍光体粒子を光制御手段中に均一に分散させたものに比べ、光の指向性を向上させることができる。
請求項5に係る発光装置によれば、蛍光体を光制御手段のうち基体側の部分に主として含有させることで、上記したような基体とは反対側の部分に主として含有させたものに比べ、光の指向性をさらに向上させることができる。
請求項6に係る発光装置によれば、レンズ部の中心部の蛍光体含有量を非レンズ部の蛍光体含有量よりも2倍以上多くすることで、色むらの発生をさらに有効に抑制することができる。
以下、本発明を実施するための形態について、図面を参照して説明する。図1は、本発明の発光装置の一例としてのLEDランプ1を示した断面図である。本発明のLEDランプ1は、基体2に凹部3が設けられており、この凹部3内に発光素子であるLEDチップ4が実装されている。
基体2は、例えば基板5上に電気絶縁層6、回路パターン7、フレーム8が順に形成されたものであり、凹部3はフレーム8に形成されている。LEDチップ4は回路パターン7上に実装され、LEDチップ4の下部電極が回路パターン7と電気的に接続されると共に、上部電極は導電性ワイヤ9により他の回路パターン7に電気的に接続されている。LEDチップ4が実装された凹部3内には、透明樹脂10が充填されており、LEDチップ4はこの透明樹脂10により封止されている。
基体2(フレーム8)上には、さらに光制御手段11が配置される。光制御手段11は、基体2とは反対側に形成された凸部を有するレンズ部11aと、その周囲に形成された一様な厚さの非レンズ部11bとからなり、レンズ部11aが凹部3上に配置されており、非レンズ部11bは凹部3の周辺部12上に配置されている。光制御手段11は蛍光体13と透明樹脂14とからなるものであり、図1に示す光制御手段11においては、透明樹脂14中に蛍光体13が均一に分散されている。
基板5は、例えば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るものである。回路パターン7は、例えばCuとNiの合金やAu等からなるものである。また、凹部3が形成されるフレーム8は、例えばPBT(ポリブチレンテレフタラート)、PPA(ポリフタルアミド)、PC(ポリカーボネート)等の合成樹脂からなるものである。
LEDチップ4は、例えば印加された電気エネルギーにより青色光を発光するものである。また、光制御手段11を構成する透明樹脂14はエポキシ樹脂やシリコーン樹脂等であり、蛍光体13は、LEDチップ4から発せられた青色光により励起されて黄色光ないし橙色光を発光する黄色系蛍光体である。
青色光により励起されて黄色光ないし橙色光を発光する黄色系蛍光体としては、例えばRE3(Al,Ga)5O12:Ce蛍光体(REはY、GdおよびLaから選ばれる少なくとも1種を示す。以下同じ)等のYAG蛍光体、AE2SiO4:Eu蛍光体(AEはSr、Ba、Ca等のアルカリ土類元素である。以下同じ)等の珪酸塩蛍光体が用いられる。また、演色性等の向上を図るために、黄色系蛍光体に加えて赤色発光蛍光体を使用してもよい。
このLEDランプ1では、LEDチップ4から発せられた青色光と、その青色光により蛍光体13が励起されて発する黄色光ないし橙色光との混色により、白色光が発せられる。そして、このLEDランプ1では、光制御手段11中に蛍光体13を均一に分散させると共に、そのレンズ部11aを凹部3上に配置し、非レンズ部11bを凹部3の周辺部12上に配置することで色むらの発生を有効に抑制することができる。
すなわち、光制御手段11中には蛍光体13が均一に分散されているため、レンズ部11aの中心部の蛍光体13の含有量が最も多くなり、それから遠ざかるにつれて蛍光体13の含有量が徐々に少なくなる。また、非レンズ部11bではその厚さが薄いため蛍光体13の含有量が少なくなる。
このように、LEDチップ4の直上部分であり最も青色光が多くあたる中心部の蛍光体13の含有量を多くすることで、その部分を透過する青色光を抑制することができる。また、非レンズ部11bの蛍光体13の含有量を少なくすることで、黄色ないし橙色光の発生を抑制することができる。これにより全体として見た場合に、色むらの発生が抑制される。
なお、蛍光体13の含有量とは、図2示すように、光制御手段11における単位面積sあたりの厚さ方向に含まれる蛍光体の量のことをいう。なお、図2は、光制御手段11の非レンズ部11bを示したものであり、レンズ部11aについても同様である。
レンズ部11aの中心部における蛍光体13の含有量は、非レンズ部11bにおける蛍光体13の含有量の2倍以上となっていれば好ましく、5倍以上であればより好ましい。レンズ部11aの中心部における蛍光体13の含有量が、非レンズ部11bにおける蛍光体13の含有量の少なくとも2倍あれば、色むらの発生を有効に抑制することができる。
図1に示すLEDランプ1は、光制御手段11を除いて通常のLEDランプと同様にして製造することができる。光制御手段11は、例えば図3に示すように、レンズ部11aの凸部となる凹部20aが形成された金型20に、蛍光体13と透明樹脂(液状透明樹脂)14との混合物を注入し、蛍光体13が沈降する前に硬化させることにより一体に成形することができる。レンズ部11a、非レンズ部11bの蛍光体13の含有量はそれら部分の厚さに比例することから、それらの厚さを適宜調整することに含有量を調整することができる。
このような光制御手段11は、例えば図1に示すように、基体2の凹部3内にLEDチップ4が実装され、さらに透明樹脂10が注入され半硬化状態とされたものに密着させ、半硬化状態の透明樹脂10を硬化させることにより接着することができる。
図4は、本発明のLEDランプ1の他の例を示した断面図である。図4に示すLEDランプ1は、図1に示すLEDランプ1の光制御手段11の構成を変更したものである。図4に示す光制御手段11は、蛍光体13が光制御手段11のうち基体2とは反対側の部分に主として含有されるようにしたものである。また、蛍光体13の含有量をレンズ部11aの中心部で最も多く、それから遠ざかるにつれて徐々に少なくし、非レンズ部11bで最も少なくなるようにしたものである。
このLEDランプ1についても、図1に示すLEDランプ1と同様の理由により色むらの発生を抑制することができる。また、このLEDランプ1では、蛍光体13を光制御手段11のうち基体2とは反対側の部分に主として含有されるようにしたことで、光の拡散が抑制され、指向性に優れたものとすることができる。
このLEDランプ1についても、レンズ部11aの中心部における蛍光体13の含有量が非レンズ部11bにおける蛍光体13の含有量の2倍以上となっていれば好ましく、5倍以上であればより好ましい。
図4に示す光制御手段11は、例えば図5に示すように、レンズ部11aの凸部となる凹部20aが形成された金型20に、蛍光体13と透明樹脂(液状透明樹脂)14との混合物を注入し、図6に示すように、蛍光体13を沈降、堆積させた後、硬化させることにより一体に成形することができる。
レンズ部11a、非レンズ部11bの蛍光体13の含有量はそれら部分の厚さに比例することから、それらの厚さを適宜変更することにより調整することができる。すなわち、この光制御手段11では蛍光体13を沈降、堆積させているものの、金型20への注入時には蛍光体13が均一に分散されており、それがそのまま下方へ沈降、堆積したものであるので、厚さが厚いほど沈降、堆積する量も増え、結果として含有量も多くなる。
図7は、本発明のLEDランプ1の他の例を示した断面図である。図7に示すLEDランプ1は、図4に示すLEDランプ1の光制御手段11の構成を逆転させたものであり、蛍光体13が光制御手段11のうち基体2側の部分に主として含有されるようにしたものである。また、蛍光体13の含有量は、図4に示す光制御手段11と同様に、レンズ部11aの中心部で最も多く、それから遠ざかるにつれて徐々に少なくし、非レンズ部11bで最も少なくなるようにしたものである。
このLEDランプ1についても、図1に示すLEDランプ1と同様の理由により色むらの発生を抑制することができる。また、このLEDランプ1では、蛍光体13を光制御手段11のうち基体2側の部分に主として含有されるようにしたことで、図4に示すLEDランプ1よりもさらに光の拡散が抑制され、指向性に優れたものとすることができる。
このLEDランプ1についても、レンズ部11aの中心部における蛍光体13の含有量が非レンズ部11bにおける蛍光体13の含有量の2倍以上となっていれば好ましく、5倍以上であればより好ましい。
図7に示す光制御手段11は、例えば以下のようにして製造することができる。まず、図8に示すように、レンズ部11aの凸部となる凹部20aが形成された金型20に、蛍光体13と透明樹脂(液状透明樹脂)14との混合物を注入した後、これを密閉するように金型21で蓋をする。その後、図9に示すように、金型20、21の上下を逆転して蛍光体13を沈降、堆積させた後、硬化させることにより一体に成形する。レンズ部11a、非レンズ部11bの蛍光体13の含有量の調整は、図4に示す光制御手段11の場合と同様、それらの厚さを適宜変更することにより行うことができる。
本発明の発光装置は、上記したようなLEDランプ1を平面上に複数配置したLEDモジュール30としてもよい。図10は、LEDランプ1を3行3列のマトリックス状に配置したLEDモジュール30を示す平面図である。また、図11は、図10に示すもののA−A’線断面図である。
図10、11に示すLEDモジュール30は、各LEDランプ1を構成する基体2が一体に連成されたものである。具体的には一体に練成された基板2上に電気絶縁層6、回路パターン7、フレーム8が順に形成されており、一体に練成されたフレーム8に9個の凹部3が3行3列のマトリックス状に形成されたものである。これら凹部3内にはそれぞれLEDチップ4が実装されると共に透明樹脂10が充填され、LEDチップ4はこの透明樹脂10により封止されている。
さらにフレーム8(基体2)上には、光制御手段11が配置されている。図10、11に示す光制御手段11は一体に練成されたものであり、3行3列のマトリックス状にレンズ部11aが形成されており、これらのレンズ部11aをつなぐように非レンズ部11bが形成されている。また、各レンズ部11aは、凹部3上に配置されるように形成されている。
なお、ここで用いた光制御手段11は、図11に示すように、そのフレーム8(基体2)とは反対側の部分に蛍光体13が主として存在するようにしたものであり、各LEDランプ1のレンズ部11aにおける中心部の蛍光体13の含有量が最も多く、それから遠ざかるにつれて徐々に少なくなり、非レンズ部11bで最も少なくなるようにしたものである。このようなLEDモジュール30についても、各LEDランプ1の色むらの発生が抑制されると共に、光の拡散が抑制され指向性に優れたものとなる。
以上、本発明の発光装置としてのLEDモジュール30について説明したが、LEDモジュール30はこのような例に限られず、本発明の趣旨に反しない限度において、かつ、必要に応じて、適宜その構成を変更することができる。例えば、図10、11に示すLEDモジュール30において、光制御手段11を蛍光体13を均一に分散させたものとしてもよいし、また蛍光体13を基体2側の部分に主として含有させたものとしてもよい。また、光制御手段11は必ずしも一体に連成されたものでなくともよく、各凹部3とその周辺部12ごとに設けたものであってもよい。
次に、本発明の実施の形態について実施例を参照して詳細に説明する。
(実施例1)
LEDモジュールとして、図10、11に示すようなLEDランプが3行3列のマトリックス状に配置されたものを製造した。LEDチップは青色光を発光する発光素子とし、光制御手段はシリコーン樹脂と(Y,Gd)3(Al,Ga)5O12:Ce組成のYAG蛍光体とからなるものとした。
LEDモジュールとして、図10、11に示すようなLEDランプが3行3列のマトリックス状に配置されたものを製造した。LEDチップは青色光を発光する発光素子とし、光制御手段はシリコーン樹脂と(Y,Gd)3(Al,Ga)5O12:Ce組成のYAG蛍光体とからなるものとした。
各レンズ部の中心部の厚さは1000μmとし、非レンズ部の厚さは200μmとし、各レンズ部の中心部の蛍光体含有量が非レンズ部の蛍光体含有量の5倍となるようにした。
なお、光制御手段の製造は以下のようにして行った。まず、YAG蛍光体とシリコーン樹脂とを混合して混合物とした。なお、混合物中のYAG蛍光体の含有量は10重量%とした。
そして、図5に示すような金型(凹部が3行3列のマトリックス状に形成されたもの)に注入した後、200分間放置し、図6に示すようにYAG蛍光体を十分沈降、堆積させた後、120℃で加熱硬化させて光制御手段とした。
(比較例1)
実施例1で用いた光制御手段を、蛍光体シートとレンズシートとの接合体に代えてLEDモジュールを製造した。
実施例1で用いた光制御手段を、蛍光体シートとレンズシートとの接合体に代えてLEDモジュールを製造した。
蛍光体シートとレンズシートとの接合体は以下のようにして製造した。まず、実施例1で用いたYAG蛍光体とシリコーン樹脂との混合物を用いて、ドクターブレード法により厚さ400μmの蛍光体シートを製造した。なお、蛍光体シートは、YAG蛍光体が均一に分散されたものとした。
そして、実施例1で用いたものと同様の金型(凹部が3行3列のマトリックス状に形成されたもの)にシリコーン樹脂のみを注入した後、その上に上記蛍光体シートを被せてシリコーン樹脂を硬化させた。なお、得られた接合体は、実施例1で用いた光制御手段と同様な形状、厚さとなるようにした。
次に、上記した実施例1および比較例1のLEDモジュールについて、目視によりLEDランプの色むらの有無を確認した。その結果、実施例1のLEDモジュールについてはいずれのLEDランプについても色むらの発生が認められなかった。これに対し、比較例1のLEDモジュールについては、各LEDランプの中心部が青色ががると共に、その周辺部が黄色がかり、色むらが発生することが認められた。また、比較例1のLEDモジュールについては、蛍光体シートとレンズシートとの間の隙間による色むらの発生も認められた。
1…LEDランプ、2…基体、3…凹部、4…LEDチップ、5…基板、6…電気絶縁層、7…回路パターン、8…フレーム、9…導電性ワイヤ、10…透明樹脂、11…光制御手段(11a…レンズ部、11b…非レンズ部)、12…周辺部、13…蛍光体粒子、14…透明樹脂、20…金型(20a…凹部)、21…金型、30…LEDモジュール
Claims (6)
- 凹部が設けられてなる基体と;
前記凹部内に設けられた発光素子と;
一体に成形され、前記凹部上に配置されたレンズ部とその周囲に形成された非レンズ部とを有し、前記レンズ部の蛍光体含有量が前記非レンズ部の蛍光体含有量よりも多くなるように構成された光制御手段と;
を有することを特徴とする発光装置。 - 前記発光素子が青色光を発光する発光素子であり、前記蛍光体が前記発光素子から発せられた青色光により励起され、黄色光ないし橙色光を発光する黄色系蛍光体であることを特徴とする請求項1記載の発光装置。
- 前記蛍光体は、前記光制御手段中に均一に分散されていることを特徴とする請求項1または2記載の発光装置。
- 前記蛍光体は、前記光制御手段のうち前記基体とは反対側の部分に主として含有されていることを特徴とする請求項1または2記載の発光装置。
- 前記蛍光体は、前記光制御手段のうち前記基体側の部分に主として含有されていることを特徴とする請求項1または2記載の発光装置。
- 前記レンズ部の中心部の蛍光体含有量が前記非レンズ部の蛍光体含有量の2倍以上であることを特徴とする請求項1ないし5のいずれか1項記載の発光装置。
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