JP2007234639A

JP2007234639A - 発光装置および照明装置

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Publication number: JP2007234639A
Application number: JP2006050723A
Authority: JP
Inventors: Kosuke Katabe; 浩介形部; Shingo Matsuura; 真吾松浦
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2006-02-27
Filing date: 2006-02-27
Publication date: 2007-09-13
Anticipated expiration: 2026-02-27
Also published as: JP5025143B2

Abstract

【課題】配線基板や反射部材に吸収される光を有効に利用して、発光効率の高い発光装置および照明装置を提供すること。
【解決手段】上面に発光素子２が搭載された配線基板１と、配線基板１の上面に、発光素子２を取り囲むように設けられた反射部材４と、発光素子２を覆うとともに、反射部材４の内側に配された、発光素子からの光を波長変換する波長変換部材３とを具備している発光装置において、配線基板１および反射部材４の少なくとも一方は、蛍光性のアルミナセラミックスから成る。
【選択図】図１

Description

本発明は、発光素子が発する光を外部に効率よく放射する発光装置および照明装置に関する。

従来の発光ダイオード（ＬＥＤ）等の発光素子から発光される近紫外光や、青色，赤色，緑色，青色，黄色等の可視領域波長の光を発光する発光装置を図８に示す。図８において、１１は配線基板、１２は発光素子、１３は波長変換部材、１４は反射部材を示す。

従来の発光装置は、上面に発光素子１２を搭載するための搭載部１１ａを有し、搭載部１１ａまたはその周辺から発光装置の内外を電気的に導通接続する配線導体１１ｂが形成された絶縁体からなる配線基板１１と、搭載部１１ａに配線導体１１ｂと導電性部材１５を介してフリップチップ実装され電気的に接続固定された発光素子１２と、配線基板１１上面に発光素子１２を取り囲むように配置された反射部材１４と、反射部材１４の開口部を覆うように取着された波長変換部材１３から主に構成される。

この発光装置は、発光装置駆動回路基板（図示せず）から供給される駆動電流により、発光素子１２を発光させ、発光素子１２から放射された可視光や近紫外光を波長変換部材１３によって波長変換させ、所望の波長スペクトルに変換して可視光を放射することができる発光装置である。近年、この様な発光装置は、照明用光源として利用され始めており、特に発光装置の発光効率や放射される光の色再現性や色安定性，環境性に対する要求が高まってきている。
特開２００３−１１０１４６号公報特開２０００−１５６５２８号公報

上記従来の発光装置においては、配線基板１１および反射部材１４は発光素子が発する光に対する反射率が高い材料で形成した方が発光効率の高い発光装置を得ることができるため、反射率の高い材料として酸化チタニウムから成るフィラーが含有された樹脂やアルミナセラミックスが、発光装置の配線基板１１および反射部材１４として用いられていた。しかしながら、これらの材料は、発光素子１２から発せられる光のすべてを反射できるわけではなく、反射率の高い材料でも発光素子１２が発する光のうち３〜３０％程度の光を吸収し、熱に変換してしまっていた。その結果、発光装置の発光効率および光出力が低下するという問題点を有していた。

本発明は上記問題点に鑑み完成されたものであり、その目的は、配線基板や反射部材に吸収される光を発光装置から放射される光として有効に利用するとともに、配線基板や反射部材に吸収される光を熱ではなく、光に再変換して発光装置の外部に放射することにより、発光効率および光出力の良好な発光性能を有する発光装置および照明装置を提供することにある。

本発明の発光装置は、発光素子が搭載された配線基板と、該配線基板上に、前記発光素子を取り囲むように設けられた反射部材と、前記発光素子を覆うとともに、前記反射部材の内側に配された、前記発光素子からの光を波長変換する波長変換部材とを具備して成る発光装置において、前記配線基板および反射部材の少なくとも一方は、蛍光性のアルミナセラミックスから成ることを特徴とする。

また、本発明の発光装置において好ましくは、前記アルミナセラミックスに賦活材としてのマンガンが含まれており、前記発光素子は、３６０ｎｍ〜４１０ｎｍの波長範囲に含まれる光を発生させることを特徴とする。

本発明の照明装置は、上記本発明の発光装置と、前記発光装置が搭載され、前記発光装置を駆動する電気配線を有する駆動部と、前記発光装置から出射される光を反射する光反射手段とを含む。

本発明の発光装置は、配線基板および反射部材の少なくとも一方に蛍光性のアルミナセラミックスが用いられることにより、発光素子から発せられる光を効率よく反射できるとともに、配線基板および反射部材に入射された発光素子からの光の一部を蛍光として放射させ、発光装置の光出力として再利用することができる。このため、より高効率な発光装置を得ることができる。

また、本発明の発光装置においては、アルミナセラミックスに賦活材としてのマンガンが含まれており、発光素子は、３６０ｎｍ〜４１０ｎｍの波長範囲に含まれる光を発生させるときには、マンガンにより賦活されたアルミナが人間の視感覚における赤領域である波長６５０ｎｍの蛍光を発する。そして、６５０ｎｍの蛍光を発することで発光装置の演色評価指数が改善される。

本発明の発光装置について以下に詳細に説明する。図１または図２はそれぞれ本発明の発光装置の実施の形態の一例を示す断面図である。それぞれの図において、１は配線基板、２は配線基板１の上面に搭載された発光素子、３は反射部材の内側に配された発光素子２からの光を波長変換する波長変換部材、４は発光素子２を取り囲むように設けられた反射部材であり、主としてこれらで本発明の発光装置が構成される。

なお、４ａは反射部材４の内周面であり、１ａは発光素子２が搭載される配線基板１の搭載部、１ｂは搭載部１ａまたはその周囲から発光装置の外側へかけて形成された配線導体、３は発光素子２からの光を波長変換する波長変換部材、５は配線導体１ｂの一端と発光素子２の電極（図示せず）とを接続する導電性部材であり、必要に応じて発光装置に用いられる。

そして、配線基板１および反射部材４の少なくとも一方は、アルミナセラミックスから成り、かつアルミナセラミックスには賦活材としてのマンガン（Ｍｎ），ユウロピウム（Ｅｕ），セリウム（Ｃｅ），テルビウム（Ｔｂ），ネオジム（Ｎｄ）が添加（ドープ）されて蛍光性のアルミナセラミックスとされている。すなわち、配線基板１のみがアルミナセラミックスから成り、または反射部材4のみがアルミナセラミックスから成り、または配線基板１および反射部材４双方がアルミナセラミックスから成り、このアルミナセラミックスに賦活材が添加されている。この賦活剤は、発光素子２の発する光によって励起されるとともに蛍光を発生させるためのものである。

Ｍｎが添加されたアルミナセラミックスは、発光波長が６５０ｎｍ付近の赤色の蛍光を発生する。青色領域の光を発生させる発光素子２と、波長変換部材３に黄色の蛍光を発生するＹＡＧ（イットリウムアルミニウムガーネット）を含有して成り、これら青色領域の光と黄色の蛍光とを混色することによって白色光を発光する発光装置の場合、発光色に赤色成分が含まれておらず、被照射物の赤色の再現性が悪いことが知られている。そこで、賦活材としてのＭｎを含有させたアルミナセラミックスを配線基板１および反射部材４の少なくとも一方に用いることにより、発光装置から発せられる発光色に赤色成分が含まれることと成り、発光装置の演色性が向上する。

また、アルミナセラミックスは白色であり、発光素子２からの光の一部が配線基板１または反射部材４によって良好に反射される。発光素子２からの光の残りの一部は、アルミナセラミックス内に入射するとともに内部に含まれた賦活材に吸収され、賦活材が励起されて蛍光を発生する。この蛍光は、配線基板１または反射部材４から放射されることになり、この蛍光の光エネルギーが発光装置の光出力に付加されるので、発光装置の光出力が向上する。すなわち、配線基板１または反射部材４によって良好に反射される発光素子２からの光は発光装置の外部に放射され、配線基板１または反射部材４に吸収される光の一部は、配線基板１または反射部材４に含有した賦活剤を励起させることによって蛍光を発生させるので、配線基板１または反射部材４に吸収されて熱として消費されてしまっていた光を再利用でき、発光装置の光出力を向上させることができる。

このような蛍光性のアルミナセラミックスは、アルミナセラミックスとなるグリーンシートの原料に酸化マンガン（ＭｎＯ_２）を０．０１〜１ｐｐｍ添加し、１１００〜１６００℃で焼成することによって得ることができる。なお、必要に応じて１ｐｐｍより多くの酸化マンガンを添加してもよい。

本発明の発光装置の配線基板１は、配線基板１上面に発光素子２が搭載されることによって、発光素子２を支持する支持部材として機能する。また、配線基板１は、蛍光性のアルミナセラミックス（Ａｌ_２Ｏ_３）から成る。

なお、発光素子２から発せられる光エネルギーを効率よく利用するためには、配線基板１の反射率はより高いことが好ましく、白色のアルミナセラミックスは好適である。また、配線基板１によって反射されずに吸収された光も賦活剤を励起することで蛍光を発生させて再利用することができるため、発光装置の光出力を向上できる。

また、配線基板１は、複数のグリーンシートに発光装置の内外を電気的に導通接続するために、タングステン（Ｗ），モリブデン（Ｍｏ），Ｍｎ，銅（Ｃｕ）等の金属ペーストから成る配線導体１ｂを形成するのが好ましい。この金属ペーストは、配線基板１を焼成すると同時に焼成されることにより、配線導体１ｂとなる。

そして、発光素子２は、配線導体１ｂの一端に導電性部材５を介して電気的に接続され、配線基板１の側面や下面などに導出された配線導体１ｂが発光装置駆動回路基板（図示せず）に電気的に接続されることにより、発光装置駆動回路基板と発光素子２とが電気的に接続される。

また、配線導体１ｂは、配線基板１から露出する表面に厚さ０．５〜９μｍのＮｉ層や厚さ０，５〜５μｍのＡｕ層等の耐食性に優れる金属層が被着されているのがよく、これにより配線導体１ｂが酸化腐食するのを有効に防止できるとともに、半田等の導電性部材５による発光素子２との接合を強固にすることができる。

なお、配線基板１は、配線導体１ｂとなる金属およびこれを絶縁する絶縁体とを組み合わせ、発光素子２を搭載する機能を有しておればよく、上記構成はその一例であって、これに限ることはない。

導電性部材５は、配線導体１ｂ上にペースト状の金（Ａｕ）−錫（Ｓｎ）や鉛（Ｐｂ）−Ｓｎ等の半田材や銀（Ａｇ）ペーストがディスペンサー等を用いて載置され、発光素子２の電極と導電性部材５の上面が接触するように発光素子２が載置され、その後、全体を１５０〜３５０℃程度で加熱した後に冷却することにより、発光素子２の電極と配線導体１ｂとを電気的に接続するものである。また、発光素子２を搭載部１ａに搭載し、発光素子２の電極と搭載部１ａの周囲に導出された配線導体１ｂの一端とを、ＡｕやＡｌから成るワイヤ状の導電性部材５によってワイヤボンディング（図示せず）することによって、発光素子２と配線導体１ｂとを電気的に接続してもよい。

配線基板１の上面には、発光素子２を取り囲むように配置された反射部材４が設けられている。反射部材４は、発光素子２から側方に放射される光を、図１または図２に示す反射部材４の内側もしくは反射部材４の上端開口部に配置された波長変換部材３に向けて、内周面４ａで反射させるように設けられる。本発明の発光装置において反射部材４は、配線基板１とともに蛍光性のアルミナセラミックス（Ａｌ_２Ｏ_３）から成ることが好ましい。

また、反射部材４は、配線基板１とともに蛍光性のアルミナセラミックスから成る場合、一体に形成されてもよく、配線基板１となるセラミックグリーンシートと反射部材４となるセラミックグリーンシートとを積層し、同時に焼成することにより形成できる。

また、反射部材４が配線基板１と一体に形成されない場合は、配線基板１上面に発光素子２を取り囲むようにして、銀（Ａｇ）−銅（Ｃｕ），Ｐｂ−Ｓｎ，Ａｕ−Ｓｎ，Ａｕ−ケイ素（Ｓｉ）,Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ等の合金ロウ材（図示せず）、または、シリコーン樹脂やエポキシ樹脂、アクリル樹脂等の樹脂接合材（図示せず）で取着される。なお、これらの接合材は、配線基板１および反射部材４の材質や熱膨張係数等を考慮して適宜選定すればよく、特に限定されるものではない。配線基板１と反射部材４との接合に高信頼性が要求される場合、金属ロウ材や半田を用いるとよい。

また、内周面４ａは、図１，図２，図３に示すように、発光素子２からの光を上方に効率よく反射させるため、上側に向かうに伴って外側に広がるように傾斜しているのがよい。これにより、内周面４ａは、発光素子２から側方に放射された光を効率よく発光装置の上方に反射することができる。

なお、発光素子２からの光が配線基板１および反射部材４で全反射される場合は、損失は発生しない。しかしながら、通常は発光素子２からの光が配線基板１および反射部材４に吸収または透過されて損失が生じるので、配線基板１および反射部材４の反射率は高いことが好ましく、かつ配線基板１および反射部材４によって反射されずに吸収された光を賦活材によって蛍光として再利用することが好ましい。

波長変換部材３は、例えば発光素子２の発する光を波長変換する蛍光体等の波長変換粒子（図示せず）が透明部材に含有されて成る。この波長変換粒子によって波長変換された各波長スペクトルの光同士、または発光素子２からの光と波長変換粒子によって波長変換された光とを混合することによって、所望の波長スペクトルを有する光を発光装置から放射できる。

透明部材は、紫外光領域から可視光領域の光に対して透過率の高いシリコーン樹脂，エポキシ樹脂，ユリア樹脂，フッ素系樹脂等の透明樹脂や、低融点ガラス，ゾル−ゲルガラス等の透明ガラスから成る。

波長変換粒子は、様々な材料が用いられ、例えば赤はＬａ_２Ｏ_２Ｓ：Ｅｕ（ＥｕドープＬａ_２Ｏ_２Ｓ）やＬｉＥｕＷ_２Ｏ_８、緑はＺｎＳ：Ｃｕ，ＡｌやＳｒＡｌ_２Ｏ_４：Ｅｕ、青は（ＢａＭｇＡｌ）_１０Ｏ_１２：ＥｕやＢａＭｇＡｌ_１０Ｏ_１７：Ｅｕ等の粒子状の蛍光体から成る。このような蛍光体は１種類に限らず、複数のものを任意の割合で配合してもよく、所望の発光スペクトルを有する蛍光を出力することができる。なお、コロンの左側に書かれているのが母結晶であり、波長変換粒子においては、母結晶が照射される光エネルギーを吸収し、コロンの右側の発光イオンがこのエネルギーを受けて励起されることにより蛍光を発すると言われている。

また、波長変換部材３は、図２に示すように発光素子２より離間させて、例えば反射部材４の上端開口部に配置されるのが好ましく、これによって、発光素子２から全方向に放射された光が波長変換部材３に効率よく、かつ一様に入射される。その結果、波長変換部材３によって波長変換される発光素子２からの光が増加し、発光装置の光出力や発光効率が向上されるとともに発光装置より放射される光の色ムラや色バラツキが抑制される。

なお、波長変換部材３は、波長変換粒子が含有された未硬化の透明部材を、平滑面または粗面のガラス板等の平板または曲面板上に塗布し、加熱または大気中に放置したり、光照射したりすることによって硬化させ、任意の形状を有する板状の波長変換部３が形成される。そして、波長変換部材３は、発光素子２を覆うように反射部材４に設置されることにより、発光装置を作製できる。また、図１に示すような、反射部材４の内側に波長変換部材３を配置する場合は、未硬化の波長変換部材３を反射部材４の内側に注入してから硬化させればよい。

また、発光装置において発光素子２内からの光取り出し効率を向上させるため、図３に示すように、反射部材４の内側に発光素子２を被覆するように透光性部材６を形成することが好ましい。これにより、発光素子２の内部と外部との屈折率差が小さくなり、スネルの法則に従った発光素子２の内部と外部との界面における反射損失が抑制され、効率よく発光素子２の外部に光が取り出されるとともに、発光装置の光出力および発光効率が向上する。透光性部材６は、紫外光領域から可視光領域の光に対して透過率の高いシリコーン樹脂，エポキシ樹脂，ユリア樹脂，フッ素系樹脂等の透明樹脂や、低融点ガラス，ゾル−ゲルガラス等の透明ガラスから成る。

本発明の照明装置は、上記本発明の発光装置と、発光装置が搭載され、発光装置を駆動する電気配線を有する駆動部と、発光装置から出射される光を反射する光反射手段とを含むことにより、発光装置の輝度が向上し、放射される光の波長等の変動およびそれぞれの発光装置の強度むらが抑制され、それらを集めて照明装置とした本発明の照明装置の強度むらも抑制され、輝度の高いものとなる。

また、本発明の照明装置において、図４，図５，図６，図７に示されるように、一個の発光装置から成る光源１０１を所定の配置となるように設置したり、または、複数個を、例えば、格子状や千鳥状、放射状等の所定の配置となるように設置したりしてもよい。あるいは、複数の光源１０１から成る円形状や多角形状の光源１０１群を同心状に複数群形成したもの等を所定の配置となるように設置してもよい。

例えば、図４の平面図およびその断面図を示す図５のように複数個の光源１０１が光源１０１を駆動するための電気配線を有する駆動部１０２上に複数列に配置され、光源１０１の周囲に任意の形状に光学設計された反射板等の光反射手段１０３が設置されてなる発光装置の場合、隣り合う光源１０１との間隔が最短にならない配置、例えば一列に配置された複数個の光源１０１の間に隣り合う列の光源１０１が配置された配置、いわゆる千鳥状の配置とすることが好ましい。即ち、光源１０１が格子状に配置される場合には、光源１０１が縦横直線状の格子に配列されることによりグレアが強くなり、このような光源１０１が人の視覚に入ってくることにより、不快感を起こしやすくなるのに対し、千鳥状とすることにより、グレアが抑制され人の眼に対する不快感を低減することができる。さらに、隣り合う光源１０１間の距離が長くなることにより、隣接する光源１０１間の熱的な干渉が有効に抑制され、光源１０１が実装された駆動部１０２内における熱のこもりが抑制され、光源１０１の外部に効率よく熱が放散される。その結果、人の眼に対して不快感が小さく、長期間にわたって光学特性の安定した長寿命の発光装置を作製することができる。

また、発光装置が、図６の平面図およびその断面図を示す図７のような駆動部１０２上に複数の光源１０１からなる円形状や多角形状の光源１０１群を、同心状に複数群形成した発光装置の場合、一つの円形状や多角形状の光源１０１群における光源１０１の配置数を発光装置の中央側より外周側ほど多くすることが好ましい。これにより、光源１０１同士の間隔を適度に保ちながら光源１０１をより多く配置することができ、発光装置の照度をより向上させることができる。また、発光装置の中央部の光源１０１の密度を低くして駆動部１０２の中央部における熱のこもりを抑制することができる。その結果、駆動部１０２内における温度分布が一様となり、発光装置を設置した外部電気回路基板やヒートシンクに効率よく熱が伝達され、光源１０１の温度上昇を抑制することができ、光源１０１は長期間にわたり安定して動作することができるとともに長寿命の発光装置を作製することができる。

このような発光装置を用いた照明装置としては、例えば、室内や室外で用いられる、一般照明用器具、シャンデリア用照明器具、住宅用照明器具、オフィス用照明器具、店装、展示用照明器具、街路灯用照明器具、誘導灯器具および信号装置、舞台およびスタジオ用の照明器具、広告灯、照明用ポール、水中照明用ライト、ストロボ用ライト、スポットライト、電柱等に埋め込む防犯用照明、非常用照明器具、懐中電灯、電光掲示板等や、調光器、自動点滅器、ディスプレイ等のバックライト、動画装置、装飾品、照光式スイッチ、光センサ、医療用ライト、車載ライト等が挙げられる。

なお、本発明は上記の実施の形態に限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲内で種々の変更を行なうことは何等支障ない。例えば、反射部材４の上面に発光素子２または波長変換部材３より放射される光を所要に集光し拡散させる光学レンズや平板状の透光性の蓋体を半田や樹脂接合剤等で接合することにより、所望する放射角度で光を取り出すことができる発光装置としてもよい。これにより、発光装置内への浸水性が改善され長期信頼性および作動寿命が向上する。

また、上記実施の形態例において、反射部材４の内周面４ａが平面視において円形状である例を示して説明したが、円形状に限定されることはなく、四角形状やその他の多角形状、楕円形状、その他星型等の不定形状であってもよい。また、反射部材４および配線基板１の外周形状も円形状に限定されることはなく、その他の多角形状、四角形状や楕円形状、その他の不定形状であってもよい。また、反射部材４の断面形状が直角三角形状のブロック状に示したが、例えば板材等で錐台状に形成されたものでもよい。

また、上記実施の形態の説明において上下左右という用語は、単に図面上の位置関係を説明するために用いたものであり、実際の使用時における位置関係を意味するものではない。

本発明の発光装置の実施の形態の一例を示す断面図である。本発明の発光装置の実施の形態の他の例を示す断面図である。本発明の発光装置の実施の形態の他の例を示す断面図である。本発明の照明装置の実施の形態の一例を示す平面図である。図４の照明装置の断面図である。本発明の照明装置の実施の形態の他の例を示す平面図である。図６の照明装置の断面図である。従来の発光装置の例を示す断面図である。

符号の説明

１：配線基板
１ａ：搭載部
１ｂ：配線導体
２：発光素子
３：波長変換部材
４：反射部材
５：導電性部材
６：透光性部材

Claims

発光素子が搭載された配線基板と、該配線基板上に、前記発光素子を取り囲むように設けられた反射部材と、前記発光素子を覆うとともに、前記反射部材の内側に配された、前記発光素子からの光を波長変換する波長変換部材とを具備して成る発光装置において、前記配線基板および反射部材の少なくとも一方は、蛍光性のアルミナセラミックスから成ることを特徴とする請求項１に記載の発光装置。
前記アルミナセラミックスに賦活材としてのマンガンが含まれており、前記発光素子は、３６０ｎｍ〜４１０ｎｍの波長範囲に含まれる光を発生させることを特徴とする請求項１に記載の発光装置。
請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の発光装置と、前記発光装置が搭載され、前記発光装置を駆動する電気配線を有する駆動部と、前記発光装置から出射される光を反射する光反射手段とを含む照明装置。