JP2008091448A

JP2008091448A - 光源装置

Info

Publication number: JP2008091448A
Application number: JP2006268271A
Authority: JP
Inventors: Shizuo Seki; 静男関
Original assignee: Mimaki Electronic Component Co Ltd
Current assignee: Mimaki Electronic Component Co Ltd
Priority date: 2006-09-29
Filing date: 2006-09-29
Publication date: 2008-04-17

Abstract

【課題】予め順方向電圧や光度の選別を必要とせずに発光エリア全体の光量を一定に調整する。
【解決手段】光源装置１は、一対の電極９（アノード電極９ａ、カソード電極９ｂ）間に半導体発光素子１１とトリミング抵抗部１０とを配線接続した素子基板３を、一対の電極９とトリミング抵抗部１０が窓部８から外部に表出した状態でケース２に収容固設し、半導体発光素子１１の実装後に発光エリア６を密閉して発光エリア６の光量をモニタし、このモニタした光量に応じてトリミング抵抗部１０をトリミングして抵抗値を可変することにより、発光エリア６全体の光量を一定に調整する。
【選択図】図１

Description

本発明は、半導体発光素子を実装し、この半導体発光素子からの光を外部に出射する光源装置に関し、特に半導体発光素子実装後に発光エリア全体の光量を一定に調整することができる光源装置に関するものである。

従来より半導体発光素子（ＬＥＤ）を用いた光源装置は、表示用電球や蛍光灯に比べ、余分な熱を消費せず、寿命も圧倒的に長いという特徴から次世代の照明として注目されており、例えば携帯電話やデジタルビデオカメラ、ＰＤＡなどの電子機器のバックライト、大型ディスプレイ、道路表示器などの電子機器の表示用として幅広く普及している。

ところで、この種の光源装置に使用されるチップ状の半導体発光素子は、全てが同じウェハから切り出されたものとは限らず、順方向電圧がそれぞれ異なることの方が一般的である。このため、各半導体発光素子に同一電圧を印加した場合でも発光量が異なる可能性があった。

そこで、上記問題を解決するため、下記特許文献１に開示されるように、複数の半導体発光素子チップ群に対し、固定値の光量調整用抵抗を共通に直列接続し、半導体発光素子チップ群に印加される電圧を調整して各半導体発光素子チップ群の光量を所定量に調整していた。
特開平５−２９９６９４号公報

しかしながら、上述した特許文献１に開示される構成では、複数の半導体発光素子チップ群に共通の光量調整用抵抗（固定値）を用いているので、各半導体発光素子チップの順方向電圧（ＶＦ）をほぼ一定にする必要があった。このため、均一な特性を有する半導体発光素子チップを予め選別しておかなければならないという問題があった。

本発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、予め順方向電圧や光度の選別を必要とせずに発光エリア全体の光量を一定に調整することができる光源装置を提供することを目的としている。

本発明の請求項１に係る光源装置は、半導体発光素子を実装し、該半導体発光素子からの光を外部に出射する光源装置において、
前記半導体発光素子が一対の電極間に配線接続された素子実装基板と、
前記一対の電極を外部に表出させるとともに、所定の発光エリアを形成するように前記素子実装基板を収容するケースと、
前記ケースから外部に表出するように前記素子実装基板上に形成され、前記発光エリアから光が漏れないように密閉した状態でモニタされる該発光エリアの光量に応じてトリミングされるトリミング抵抗部と備えたことを特徴とする。

請求項２に係る光源装置は、請求項１の光源装置において、
前記一対の電極及び前記トリミング抵抗部は、前記発光エリアと分離して前記ケースから外部に表出することを特徴とする

本発明の光源装置によれば、予め順方向電圧や光度の選別を必要とせず、半導体発光素子の実装後に一対の電極に電圧を印加して発光エリアの光量をモニタし、このモニタした光量に応じてトリミング抵抗部をトリミングすることにより発光エリア全体の光量を一定に調整することができる。

以下、本発明の最良の形態について、添付した図面を参照しながら詳細に説明する。
図１は本発明に係る光源装置の第１形態の平面図、図２は図１の光源装置の長手方向の側面図、図３は図１の光源装置の短手方向の側面図、図４は図１の光源装置のＡ−Ａ線断面図、図５は図１の光源装置のＢ−Ｂ線断面図、図６は図１の光源装置の等価回路図、図７は本発明に係る光源装置の第２形態の平面図、図８は図７の光源装置の等価回路図、図９は本発明に係る光源装置の第３形態の平面図、図１０は図９の光源装置の等価回路図である。

本発明に係る光源装置は、一対の電極（アノード電極、カソード電極）間に半導体発光素子とトリミング抵抗部とを配線接続した素子実装基板を、一対の電極とトリミング抵抗部が外部に表出した状態でケースに固設し、この半導体発光素子の実装後に発光エリアを密閉して発光エリアの光量をモニタし、このモニタした光量に応じてトリミング抵抗部をトリミングして抵抗値を可変することにより、発光エリア全体の光量を一定に調整するものである。

まず、図１〜図６を参照しながら第１形態の光源装置１（１Ａ）の構成について説明する。第１形態の光源装置１Ａは、図１〜図５に示すように、本体をなすケース２、素子実装基板３、出射窓板４とを備えて概略構成される。

ケース２は、例えば銅（Ｃｕ）、アルミニウム（Ａｌ）、ステンレスなどの熱伝導性の良好な金属材料からなる。尚、ケース２の金属材料として、銅（Ｃｕ）を選択した場合には、少なくとも後述する開口部５の壁面部分にＡｇメッキ処理を施して反射率を向上させる。ケース２は、例えばプレス加工、ダイカスト鋳造、拡散接合などの周知の手法を用いて所定形状に形成される。

図４や図５に示すように、ケース２には、底部２ａから表面２ｂに貫通した開口部５が形成される。この開口部５は、底部２ａ側および表面２ｂ側が矩形状に開口し、これらの間が底部２ａから表面２ｂに向けてテーパを有して開口している。そして、開口部５の表面２ｂ側の矩形部分が発光エリア６を形成している。また、開口部５の底部２ａ側の矩形部分は、素子実装基板３を収容固定するための基板収容凹部７を形成している。

また、図１や図２に示すように、ケース２の長手方向の端部には、矩形状の窓穴８が開口形成されている。この窓穴８からは、素子実装基板３をケース２の基板収容凹部７に収容固定した状態で後述する一対の電極９（アノード電極９ａ、カソード電極９ｂ）及びトリミング抵抗部１０が表出している。

素子実装基板３は、例えば窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、ガラス成分を多く含むＬＴＣＣ、アルミナ系セラミックス（Ａｌ₂Ｏ₃）などの熱伝導性の良好な材料からなる。素子実装基板３の表面３ａには、回路構成に応じて所定形状の配線パターン（不図示）が形成されている。この配線パターンは、例えばチタン（Ｔｉ）、白金（Ｐｔ）、金（Ａｕ）の順に蒸着により積層形成される。

また、図１に示すように、素子実装基板３の表面３ａの長手方向の手前側両端部には、一対の電極９をなすアノード電極９ａとカソード電極９ｂとが不図示の配線パターンと接続して形成されている。さらに、素子実装基板３の表面３ａには、一対の電極９間（図１の例では、カソード電極９ｂ寄り）にトリミング抵抗部１０が不図示の配線パターンと接続して形成されている。このトリミング抵抗部１０は、例えば窒化タンタル（ＴａＮ）や窒化アルミニウム（ＡｌＮ）などで形成される。

さらに、不図示の配線パターン上には、回路構成に応じた数の半導体発光素子（ＬＥＤ）１１が実装される。図１の例では、素子実装基板３の長手方向に１２個の半導体発光素子１１（１１ａ，１１ｂ，１１ｃ，１１ｄ，１１ｅ，１１ｆ，１１ｇ，１１ｈ，１１ｉ，１１ｊ，１１ｋ，１１ｌ）が千鳥状に載置固定されている。そして、１２個の半導体発光素子１１ａ〜１１ｌは、図６に示す回路を構成するように、不図示の配線パターンを介してアノード電極９ａとカソード電極９ｂとの間に直列に配線接続される。また、カソード電極９ｂ寄りの半導体発光素子１１ｌとカソード電極９ｂとの間には、トリミング抵抗部１０が不図示の配線パターンを介して直列に配線接続される。

尚、本例の光源装置１は、半導体発光素子１１の端子と配線パターンとの間をワイヤーボンディングを用いて配線接続するフェイスアップ実装、半導体発光素子１１の裏面のアレイ状に並んだバンプ（突起状の端子）によって配線パターンと接続するフリップチップ実装の何れにも対応している。

また、図６の回路図では、アノード電極９ａとカソード電極９ｂとの間の１２個の半導体発光素子１１ａ〜１１ｌに対して１つのツェナーダイオードを並列接続しているが、ツェナーダイオードを各半導体発光素子１１毎に並列接続しても良い。

素子実装基板３は、開口部５内に全ての半導体発光素子１１が臨み、一対の電極９（アノード電極９ａ、カソード電極９ｂ）及びトリミング抵抗部１０が窓穴８から表出した状態で、裏面３ｂがケース２の底部２ａと面一になるように基板収容凹部７に収容して固設される。

出射窓板４は、半導体発光素子１１からの光を透過して外部に出射するように、例えば矩形状の透明ガラス等の透光性を有する材料で構成され、ケース２の開口部５の表面を覆い、底部２ａから表面３ａに向けてテーパを有した空隙部１２を素子実装基板３との間の開口部５内に形成し、ケース２の表面２ｂと面一になるように素子実装基板３と対向して開口部５に固設される。

尚、ケース２と素子実装基板３の固定、ケース２と出射窓板４の固定には、特殊熱伝導性シリコーンゲルが用いられる。この特殊熱伝導性シリコーンゲルは、シリコーンゲルに所定割合でダイヤモンドパウダーを混合したものからなる。

図４や図５に示すように、空隙部１２には、半導体発光素子１１からの光を色変換する蛍光体１３が所定割合で分散混入されたシリコーンゲル１４が不図示の貫通穴（ケース２の一側面に設けられる）から封入され、空隙部１２内が蛍光体１３入りシリコーンゲル１４により満たされた状態で不図示の貫通穴が封止される。

シリコーンゲル１４に分散混入される蛍光体１３は、半導体発光素子１１との組み合わせによって所望の色変換光が得られる材料が選定される。例えば色変換光として白色光を得るべく、青色発光する材料（ＩｎＧａＮ系化合物）や近紫外発光する材料の半導体発光素子１１を使用した場合には、橙色蛍光顔料や橙色蛍光染料が蛍光体１３として選定される。

さらに説明すると、蛍光体１３は、無機蛍光体が好ましく、半導体発光素子１１から入射される光を色変換（波長変換）している。蛍光材１３を構成する無機蛍光体として好適な材料としては、例えばＡ₃Ｂ₅Ｏ₁₂：Ｍ系蛍光体（Ａ：Ｙ，Ｇｄ，Ｌｕ，Ｔｂ，Ｂ：Ａｌ，Ｇａ，Ｍ：Ｃｅ³⁺，Ｔｂ³⁺，Ｅｕ³⁺，Ｃｒ³⁺，Ｎｄ³⁺またはＥｒ³⁺）、希土類をドープしたバリウム−アルミニウム−マグネシウム系化合物蛍光体（ＢＡＭ蛍光体）、Ｙ₂Ｏ₂Ｓ：Ｅｕ³⁺やＺｎＳ：Ｃｕ，Ａｌなどに代表される硫化物系化合物蛍光体、または（Ｓｒ，Ｃａ）Ｓ：Ｅｕ²⁺，ＣａＧａ₂Ｓ₄：Ｅｕ²⁺やＳｒＧａ₂Ｓ₄：Ｅｕ²⁺などの希土類をドープしたチオガレート系蛍光体、またはＴｂＡｌＯ₃：Ｃｅ³⁺などのアルミン酸塩の少なくとも１つの組成を含有した蛍光体や、（Ｙ，Ｇｄ）₃（Ａｌ，Ｇａ）₅Ｏ₁₂等のＹＡＧ（イットリウム・アルミニウム・ガーネット）系等からなる橙色蛍光顔料や橙色蛍光染料などがある。

また、各無機蛍光体、励起光および波長変換された光の反射を補助するために、例えば硫酸バリウム、酸化マグネシウム、酸化ケイ素などの散乱材を必要に応じて混在させてもよい。さらに、複数の異なる特性を持つ無機蛍光体を混合した混合無機蛍光体を用いても良い。

次に、上記のように構成される光源装置１Ａの発光エリア６の光量を調整する場合の動作について説明する。

まず、図６の回路を構成するように、素子実装基板３の表面３ａに配線パターン、一対の電極９、トリミング抵抗部１０を各々形成して配線パターン上に半導体発光素子１１を実装する。そして、半導体発光素子１１を実装した素子実装基板３をケース２の基板収容凹部７に収容固定する。この状態で、一対の電極９（アノード電極９ａ、カソード電極９ｂ）と、トリミング抵抗部１０とは、それぞれケース２の窓部８から外部に表出している。また、開口部５には、蛍光体１３入りシリコーンゲル１４及び出射窓板４が無い状態である。この状態で、発光エリア６から光が漏れないように開口部５の表面を密閉する。その後、アノード電極９ａとカソード電極９ｂとの間に電圧を印加して半導体発光素子１１を定電圧駆動する。そして、この半導体発光素子１１を定電圧駆動したときの発光エリア６の光量を、例えばフォトダイオードやフォトトランジスタ等の光センサによってモニタする。そして、このモニタした光量に応じてトリミング抵抗部１０をレーザによりトリミングして抵抗値を可変する。このトリミング抵抗部１０のトリミングによって抵抗値が下がり、発光エリア６の光量が増加して輝度が上がる。そして、このトリミング抵抗部１０のトリミングは、発光エリア６の光量をモニタしながら発光エリア６全体から所望の光量が得られるまで繰り返される。

次に、図７〜図１０を参照しながら第２形態及び第３形態の光源装置１（１Ｂ，１Ｃ）の構成について説明する。尚、第１形態の光源装置１Ａと同一の構成要素には同一番号を付し、その説明を省略する。

第２形態の光源装置１Ｂでは、図８に示す回路を構成するように、１つのアノード電極９ａを共通として４つのカソード電極９ｂ（９ｂ１，９ｂ２，９ｂ３，９ｂ４）を有し、３個の半導体発光素子１１が直列接続されたものを１組の半導体発光素子群２１として、４組の半導体発光素子群２１Ａ，２１Ｂ，２１Ｃ，２１Ｄが各群毎に不図示の配線パターンを介してアノード電極９ａとカソード９ｂ（９ｂ１，９ｂ２，９ｂ３，９ｂ４）との間に配線接続される。また、各半導体発光素子群２１Ａ〜２１Ｄのカソード電極９ｂ（９ｂ１，９ｂ２，９ｂ３，９ｂ４）寄りの半導体発光素子１１（図８の例では、１１ｃ，１１ｆ，１１ｉ，１１ｌ）とカソード電極９ｂ（９ｂ１，９ｂ２，９ｂ３，９ｂ４）との間には、各半導体発光素子群２１Ａ〜２１Ｄ毎にトリミング抵抗部１０（１０ａ，１０ｂ，１０ｃ，１０ｄ）が不図示の配線パターンを介して直列に配線接続される。そして、上記回路構成により、第２形態の光源装置１Ｂでは、発光エリア６が４つに発光エリア６ａ，６ｂ，６ｃ，６ｄに区分される。

この第２形態の光源装置１Ｂでは、半導体発光素子１１を実装した素子実装基板３をケース２の基板収容凹部７に収容固定する。この状態で、共通のアノード電極９ａと、４つのカソード電極９ｂ１，９ｂ２，９ｂ３，９ｂ４と、４つのトリミング抵抗部１０ａ，１０ｂ，１０ｃ，１０ｄとは、それぞれケース２の窓部８から外部に表出している。この状態で、発光エリア６から光が漏れないように各発光エリア６ａ，６ｂ，６ｃ，６ｄを仕切って開口部５の表面を密閉する。その後、１つのアノード電極９ａを共通として、このアノード電極９ａと４つのカソード電極９ｂ（９ｂ１，９ｂ２，９ｂ３，９ｂ４）との間に電圧を印加して半導体発光素子１１を定電圧駆動する。そして、４つに区分された各発光エリア６ａ，６ｂ，６ｃ，６ｄ毎の光量を光センサによってモニタし、各発光エリア６ａ，６ｂ，６ｃ，６ｄの光量が同等の光量になるように各発光エリア６ａ，６ｂ，６ｃ，６ｄ毎のトリミング抵抗部１０をトリミングする。

第３形態の光源装置１Ｃでは、図１０に示す回路を構成するように、３個の半導体発光素子１１が直列接続されたものを１組の半導体発光素子群２１として、４組の半導体発光素子群２１Ａ，２１Ｂ，２１Ｃ，２１Ｄが不図示の配線パターンを介して一対の電極（アノード電極９ａ、カソード電極９ｂ）間に並列に配線接続される。また、各半導体発光素子群２１Ａ〜２１Ｄのカソード電極９ｂ寄りの半導体発光素子１１（図１０の例では、１１ｃ，１１ｆ，１１ｉ，１１ｌ）とカソード電極９ｂとの間には、各々トリミング抵抗部１０（１０ａ，１０ｂ，１０ｃ，１０ｄ）が不図示の配線パターンを介して直列に配線接続される。そして、第３形態の光源装置１Ｂでも第２形態の光源装置１Ｂと同様に、上記回路構成によって発光エリア６が４つに発光エリア６ａ，６ｂ，６ｃ，６ｄに区分される。

この第３形態の光源装置１Ｃでは、半導体発光素子１１を実装した素子実装基板３をケース２の基板収容凹部７に収容固定する。この状態で、一対の電極９（アノード電極９ａ、カソード電極９ｂ）と、４つのトリミング抵抗部１０ａ，１０ｂ，１０ｃ，１０ｄとは、それぞれケース２の窓部８から外部に表出している。この状態で、発光エリア６から光が漏れないように各発光エリア６ａ，６ｂ，６ｃ，６ｄを仕切って開口部５の表面を密閉する。その後、一対の電極９（アノード電極９ａとカソード電極９ｂ）間に電圧を印加して半導体発光素子１１を定電圧駆動する。そして、４つに区分された各発光エリア６ａ，６ｂ，６ｃ，６ｄ毎の光量を光センサによってモニタし、各発光エリア６ａ，６ｂ，６ｃ，６ｄの光量が同等の光量になるように各トリミング抵抗部１０（１０ａ，１０ｂ，１０ｃ，１０ｄ）をトリミングする。

このように、本例の光源装置１では、半導体発光素子１１とトリミング抵抗部１０とが素子実装基板３上の一対の電極９間に配線接続され、この素子実装基板３が本体をなすケース２に固設され、半導体発光素子１１の実装後に発光エリア６の光量をモニタし、このモニタした光量に応じてトリミング抵抗部１０をトリミングして抵抗値を可変することにより、発光エリア６全体の光量を一定に調整している。そして、一対の電極９と、発光エリア６の光量を調整するためのトリミング抵抗部１０とは、発光エリア６から分離して外部に表出する構成なので、半導体発光素子１１の実装後にトリミング抵抗部１０をトリミングして発光エリア６全体の光量を一定に調整することができる。

また、発光エリア６の明るさを一定にしているので、各半導体発光素子１１を定電圧駆動でき、一部の半導体発光素子１１が切れても過電流とならず、各半導体発光素子１１の光量のバラツキが出にくい。

さらに、各半導体発光素子１１の順方向電圧（ＶＦ）、光度（ＩＶ）の選別が不要となり、光源装置１の光度選別も不要になる。

ところで、上述した実施形態では、複数の半導体発光素子１１が素子実装基板３上に配線接続された場合を例にとって説明したが、半導体発光素子１１が１つのみでも同様の効果を奏する。

また、上述した実施形態では、半導体発光素子１１自身の放出光と、半導体発光素子１１の放出光を蛍光体１３によって色変換した光とを混合した所望色の光を外部に出射する構成として説明したが、シリコーンゲル１４に蛍光体１３を混入せず、単色による半導体発光素子１１自身の放出光を外部に出射する構成としても良い。

さらに、上述した実施形態では、空隙部１２に蛍光体１３入りシリコーンゲル１４を封入する構成として説明したが、空隙部１２の形状に合ったシリコーンゴムやシリコーンレジンを空隙部１２に設けることもできる。その際、シリコーンゴムやシリコーンレジンに予め蛍光体を混入させておいても良い。

本発明に係る光源装置の第１形態の平面図である。図１の光源装置の長手方向の側面図である。図１の光源装置の短手方向の側面図である。図１の光源装置のＡ−Ａ線断面図である。図１の光源装置のＢ−Ｂ線断面図である。図１の光源装置の等価回路図である。本発明に係る光源装置の第２形態の平面図である。図７の光源装置の等価回路図である。本発明に係る光源装置の第３形態の平面図である。図９の光源装置の等価回路図である。

符号の説明

１（１Ａ〜１Ｄ）光源装置
２ケース
３素子実装基板
４出射窓板
５開口部
６（６ａ，６ｂ，６ｃ，６ｄ）発光エリア
７基板収容凹部
８窓部
９一対の電極
９ａアノード電極
９ｂ（９ｂ１，９ｂ２，９ｂ３，９ｂ４）カソード電極
１０トリミング抵抗部
１１（１１ａ〜１１ｌ）半導体発光素子
１２空隙部
１３蛍光体
１４シリコーンゲル
２１（２１Ａ〜２１Ｄ）半導体発光素子群

Claims

半導体発光素子を実装し、該半導体発光素子からの光を外部に出射する光源装置において、
前記半導体発光素子が一対の電極間に配線接続された素子実装基板と、
前記一対の電極を外部に表出させるとともに、所定の発光エリアを形成するように前記素子実装基板を収容するケースと、
前記ケースから外部に表出するように前記素子実装基板上に形成され、前記発光エリアから光が漏れないように密閉した状態でモニタされる該発光エリアの光量に応じてトリミングされるトリミング抵抗部と備えたことを特徴とする光源装置。
前記一対の電極及び前記トリミング抵抗部は、前記発光エリアと分離して前記ケースから外部に表出することを特徴とする請求項１記載の光源装置。