JP2009038202A - 発光素子実装用基板、発光素子モジュール、照明装置、表示装置及び交通信号機 - Google Patents

Abstract

【課題】発光点の面積が大きく、小さな面積で大きな全光束を得ることができる発光素子モジュールの提供。
【解決手段】実装した発光素子から発する光を、所定方向に向けて反射する反射カップが設けられたコア金属と、その上に被覆された厚さが５０μｍ〜２００μｍの範囲のホーロー層からなるホーロー基板であり、導体によって発光素子を実装するためおよび電力を供給するための回路パターンが基板の表面と裏面との両方に構成されており、且つこれら表裏の回路パターンが基板内に設けられた少なくとも１つ以上のスルーホールにて接続されていることを特徴とする発光素子実装用基板。
【選択図】図２

Description

本発明は、発光ダイオード（以下、ＬＥＤと記す。）などの発光素子を実装するための発光素子実装用ホーロー基板、そのホーロー基板にＬＥＤ等の発光素子を実装した発光素子モジュール、この発光素子モジュールを用いた照明装置、表示装置及び交通信号機に関する。

ＬＥＤを照明装置、表示装置、交通信号機などに適用するには、多数のＬＥＤを基板上に高密度で実装する技術が必要である。
従来、ＬＥＤを照明装置、表示装置、交通信号機などに適用するための実装技術としては、例えば、非特許文献１，特許文献１〜２に開示された技術が知られている。
非特許文献１には、大光量の発光素子を点在させる構造が開示されている。
特許文献１には、基板にＬＥＤ素子が実装される上面部の面積よりも基板に接触する下面部の面積の方が大きい鏡面仕上げされた凸構造体が取り付けられており、反射板の開口部が基板の接触部の開口部の面積よりもＬＥＤ素子からの光が放出される開口部の面積の方が小さい構成を有するＬＥＤ照明光源が開示されている。
特許文献２には、実装した発光素子から発する光を所定方向に向けて反射する反射カップ部が設けられたコア金属の表面に、厚さが５０μｍ〜２００μｍの範囲のホーロー層が設けられたことを特徴とする発光素子実装用基板が開示されている。
http://www.tlt.co.jp/tlt/new/led/line/line.htm 特開２００６−４１３２３号公報 特開２００６−１４７８６５号公報

しかしながら、前述した従来技術には、次のような問題があった。
非特許文献１に開示されたモジュールに用いる大光量の素子は、発光効率の点で小出力の発光素子に劣る。さらに各素子の投入電力が大きくなるため、素子の温度上昇が高く、適切な冷却器を搭載しないと寿命が非常に短くなる。また大光量の素子は、放熱性や素子の単価、光源全体の光量の個数との関係より、発光素子モジュール内において素子が点在した状態で実装されることが多く、一様な発光状態が得られない問題があった。
特許文献１に開示された構造は、光源の外形に対して、発光素子がなす光点の大きさが小さくなってしまうため、発光面が、ドットマトリクス状ないしは点線状となり、一様な発光状態が得られない。
特許文献２に開示された発光素子実装用基板は、反射カップ構造の開口径が光点の大きさになるため、光源（＝モジュール基板）の外形に対して、発光面積を大きくする事が可能である。ただし発光素子を多数使用する場合、点灯させる回路構造が複雑なものとなる。それだけではなく各発光素子を均等に発光させるために順方向電流を制御したい場合や、定電圧電源用の駆動回路で発光素子の順方向電圧のばらつきを補償する場合などに、調整用の抵抗体をはじめとする電子部品を実装する必要があり、更に複雑な回路が要求されるが、それに対応するためにはサイズが大きくなってしまう。

本発明は、前記事情に鑑みてなされ、発光点の面積が大きく、小さな面積で大きな全光束を得ることができる発光素子モジュールの提供を目的とする。

前記目的を達成するため、本発明は、実装した発光素子から発する光を、所定方向に向けて反射する反射カップが設けられたコア金属と、その上に被覆された厚さが５０μｍ〜２００μｍの範囲のホーロー層からなるホーロー基板であり、導体によって発光素子を実装するためおよび電力を供給するための回路パターンが基板の表面と裏面との両方に構成されており、且つこれら表裏の回路パターンが基板内に設けられた少なくとも１つ以上のスルーホールにて接続されていることを特徴とする発光素子実装用基板を提供する。

本発明の発光素子実装用基板において、基板外寸法と反射カップ上面の外径、反射カップが設置される間隔について、下式（Ａ）

（式中、Ｙは基板幅、ｔは基板厚み、Ｄ_ＬＥＤは発光素子を実装する反射カップの外径、Ｐ_ＬＥＤは発光素子を実装する反射カップ同士のピッチ、Ｄ_ＴＨはスルーホール径、ａは反射カップ縁部とスルーホール縁部との距離、ｂはスルーホール縁と基板周縁との距離、ｎは発光素子列が配列されている行数をそれぞれ表す。）で定められた範囲で限定されることが好ましい。

前記発光素子実装用基板において、スルーホール径Ｄ_Ｔｈは、下限が基板厚みｔの６０％、上限が基板厚みｔ＋０．１ｍｍであり、反射カップ同士の距離が１ｍｍ以上反射カップの外径Ｄ_ＬＥＤの２倍以下であり、スルーホールと反射カップとの距離ａが１ｍｍ以上で反射カップ同士の距離以下であり、スルーホール縁部の電極露出部と基板外縁との距離ｂが１ｍｍ以上、反射カップ同士の距離以下であることが好ましい。

また本発明は、前述した本発明に係る発光素子実装用基板に、発光素子が実装され、その発光素子が透明な封止樹脂によって封止されていることを特徴とする発光素子モジュールを提供する。

前記発光素子モジュールにおいて、発光素子が、封止樹脂内に蛍光体を混ぜて白色光を発する白色発光ダイオードであることが好ましい。

また本発明は、前述した本発明に係る発光素子モジュールを光源として用いたことを特徴とする照明装置、表示装置及び交通信号機を提供する。

本発明によれば、発光点の面積が大きく、小さな面積で大きな全光束を得ることができる発光素子実装用基板を提供することができる。
本発明によれば、前記発光素子実装用基板に発光素子を実装し、小さな面積で大きな全光束を得ることができる発光素子モジュールを提供することができる。

以下、図面を参照して本発明の実施形態を説明する。
図１は、本発明の発光素子モジュールの一実施形態を示す図であり、（ａ）は発光素子モジュール１の平面図、（ｂ）は正面図、（ｃ）は底面図、（ｄ）は側面図、（ｅ）は回路図である。図２は、この発光素子モジュールの発光素子実装用基板２Ａの要部拡大平面図である。図３（ａ）は、この発光素子モジュールの発光素子実装用基板２Ａの平面図、（ｂ）は正面図、（ｃ）は底面図である。これらの図中、符号１は発光素子モジュール、２Ａは発光素子実装用基板、３は反射カップ、４はスルーホール、５はチップ抵抗体、６及び７は電源供給用の電線、６Ａ及び７Ａは電源入力端子、１０Ａは表側の回路パターン、１１Ａは裏側の回路パターンである。

本実施形態の発光素子モジュール１は、図３に示す発光素子実装用基板２Ａに一列に設けられた多数の（図１及び図３の例示では６個×５ユニットの合計３０個）反射カップ３にそれぞれＬＥＤ等の発光素子を実装し、各発光素子を透明な封止樹脂によって封止した構造になっている。反射カップに実装された発光素子は、発光素子実装用基板２Ａの表側の回路パターン１０Ａと電気的に接続され、図１（ｅ）に示す回路を構成している。

図３に示す発光素子実装用基板２Ａ（以下、基板と略記する場合がある。）は、実装した発光素子から発する光を、所定方向に向けて反射する反射カップ３が設けられたコア金属と、その上に被覆された厚さが５０μｍ〜２００μｍの範囲のホーロー層からなるホーロー基板であり、導体によって発光素子を実装するためおよび電力を供給するための回路パターン１０Ａ，１１Ａが基板の表面と裏面との両方に構成されており、且つこれら表裏の回路パターン１０Ａ，１１Ａが基板内に設けられた少なくとも１つ以上のスルーホール４にて電気的に接続された構成になっている。

前記のように、本実施形態の発光素子実装用基板２Ａは、ホーロー基板の片面側（表面）に多数の反射カップ３を一列に設けるとともに、表裏２面に回路パターン１０Ａ，１１Ａを形成し、これらをスルーホール４で接続した構造であり、基板の表面にＬＥＤ等の発光素子を実装し、透明な樹脂又は蛍光体を分散させた透明樹脂で封止する（以下、発光素子が実装済みの反射カップを「光点」と記す。）。基板のもう一方の面（裏面）には、発光素子を動作させるときの順方向電圧の差を調整するチップ抵抗体５などの電子部品および外部の電源供給用の電線６，７が実装される。このように表面と裏面とに実装する部分を区別することにより、基板の面積の中で光点が占める面積を大きくすることが可能となる。

ホーロー基板において２面の回路を構成する場合、スルーホール４内部においても、コア金属と表面の電極層との絶縁が十分確保されている必要がある。そのためには、穴の内部でもホーロー被覆が十分に行われなければならない。このホーロー被覆は、コア金属を電着槽に浸漬させて行われるため、基板厚みが厚くなるに伴い、穴の内部まで被覆を浸透させることが困難になる。効果的に穴の内部にホーロー被覆を行うためには、スルーホール穴径は、少なくとも基板厚みの６０％以上を確保する必要がある。また、反射カップ３とスルーホール４との間の距離が近接しすぎている場合、コア金属を加工する時点でスルーホール４と反射カップ３との間の肉厚が薄くなってしまい、スルーホール４および反射カップ３の形状が崩れてしまい、精度高く製造できなくなるため、この距離は１ｍｍ以上とすることが好適である。同様の加工上の理由より、反射カップ３同士の距離も、１ｍｍ以上の間隔を開けることが好適である。

また電極が露出している箇所と基板外形との距離を短くした場合、基板の外縁を露出した電極との沿面距離が短くなり、発光素子モジュール１を金属製の照明器具などに直接取り付けた場合に、発光素子モジュール１の回路から、ケースにバイパスの回路が形成されショートを起こしてしまう危険性がある。この危険を回避するためには、電極が露出する箇所は基板外縁から１ｍｍ以上離れた位置にあることが望ましい。特に、本発明のような基板において、保護ガラスによって電極の保護が困難になる箇所としては、反射カップ３やスルーホール４のように、基板の上面と高さ方向が大きく異なる箇所が挙げられる。

図１のような帯状の発光素子モジュール１を作製する場合に、外形形状を細く抑えるためには、図２のように、反射カップ３を幅方向の中心線に沿って配置し（この中心線の方向を、ｘ方向とする）、そして基板の表面と裏面を接続するためのスルーホール４を、任意の隣接する反射カップ同士の垂直二等分線上（この線の方向をｙ方向とする）であり、かつ中心線からすこし離れた箇所に設けることが望ましい。スルーホール４の設置位置のｙ座標が、反射カップ３のｙ座標と近すぎた場合、反射カップ３とスルーホール４との距離を確保するために、ｘ方向の距離を長くしなくてはならず、反射カップ３同士のピッチが長くなってしまう。そのため出来上がったモジュールの発光状態は、均一な発光ではなく光源が点在したような状態となるだけでなく、基板外形面積に対し発光点面積が小さくなってしまう問題がある。発光点面積を大きくするためには、ｘ方向のピッチを、スルーホール４の隣接する反射カップ３のみ大きくして全体の光源のｘ方向長さを抑える方法も考えられるが、光点同士のピッチがスルーホール４の設置されている箇所とそれ以外の箇所とで大きく異なり、アンバランスな配置となってしまう。さらに発光素子モジュール１の回路構成が複雑になるほど、要求されるスルーホール４の必要個数が多くなるため、それに伴ってピッチが変化する箇所が多くなり、結果として線状の発光体ではなく、破線状の発光体と見えてしまう問題が生じてしまう。

本実施形態では、基板外寸法と反射カップ３上面の外径、反射カップ３が設置される間隔について、基板幅をＹ、基板厚みをｔ、発光素子を実装する反射カップ３の外径をＤ_ＬＥＤ、発光素子を実装する反射カップ３同士のピッチをＰ_ＬＥＤ、スルーホール径をＤ_ＴＨ、反射カップ縁部とスルーホール縁部との距離をａ、スルーホール縁と基板周縁との距離をｂとした場合に、前述した式（Ａ）で定められた範囲で限定されることが好ましい。

さらに本実施形態の発光素子実装用基板２Ａにおいて、スルーホール径Ｄ_Ｔｈが基板厚みｔの６０％以上であり、反射カップ同士の距離が１ｍｍ以上反射カップの外径Ｄ_ＬＥＤの２倍以下であり、スルーホールと反射カップとの距離ａが１ｍｍ以上で反射カップ同士の距離以下であり、スルーホール縁部の電極露出部と基板外縁との距離ｂが１ｍｍ以上、反射カップ同士の距離以下であることが好ましい。

スルーホール径Ｄ_ＴＨ、反射カップの縁部とスルーホール縁部との距離ａ、スルーホール縁部の電極露出部と基板外縁との距離ｂ、反射カップ３同士のピッチＰ_ＬＥＤは、大きな値に設定した方が安全性や加工性の観点からは有利であるが、発光素子モジュール１の外形を小さく抑える観点より、０．６×ｔ＜Ｄ_ＴＨ＜ｔ＋０．１、１＜ａ＜２、１＜ｂ＜２という範囲に納めることが好適である。

前記の通り、反射カップ３同士のピッチＰ_ＬＥＤは反射カップ全てにおいて均等である事が望ましいが、外形形状を小さく抑える事を優先する場合には、スルーホール箇所近傍の反射カップ同士のピッチのみ一部大きくしても良い。本実施形態においては、一本の光線を成すような配列となっているが、複数行に渡った配列であっても反射カップ同士のピッチＰ_ＬＥＤやパラメータａ，ｂに関して本実施形態と同様に設定することにより、外径寸法を適正な大きさに納めることが可能となる。
行間数ｎが含まれる項については実施例４にて述べる。

本発明に係る実施例１として、図１に示す発光素子モジュールを作製した。
まず、図３に示す発光素子実装用基板２Ａを作製した。基板の表側には、反射カップ３を３０個設けた。裏面にはモジュールへの電源供給を行うための電線用の端子６Ａ，６Ｂとチップ抵抗体５が５個搭載されている。これらの構成要素は、表面・裏面に設けられた回路パターン１０Ａ，１１Ａによって、図１（ｅ）の電気回路図が示すような６直列×５並列の回路を構成している。なお本実施例の電気回路は、ＬＥＤ以外の構成要素としてチップ抵抗体５が使用されている。これは、電源電圧を６直列のＬＥＤを適切に駆動させるための順方向電圧値にまで降圧するためのものである。このチップ抵抗体５は、抵抗値が３００Ωのものを用いたが、この抵抗値は供給される電源電圧や駆動させるＬＥＤの順方向電流値などによって異なる。

また、この回路を構成するために、表面と裏面の回路パターン１０Ａ，１１Ａを６箇所のスルーホールにて導通させた。また外部からの電源を取得するための電極を基板両端に配置した。また本基板の裏面に形成されている回路パターン１１Ａの上層には、１０μｍ厚みのガラスによる保護層が被覆されている。この保護層をレジスト層として使用し、裏面の回路パターン１１Ａに電子部品や電線を実装しやすくするための端子となるフットプリント部を構成している。本実施例では、ガラスペーストを用いてレジスト層を構成したが、ソルダレジストインクなどによって構成しても良い。

本基板では、反射カップ外径Ｄ_ＬＥＤ＝３．３ｍｍ、基板厚みｔ＝１．６ｍｍ、反射カップのピッチＰ_ＬＥＤを５．６ｍｍとし、前記式（Ａ）のパラメータａを１．５ｍｍ、ｂを１ｍｍと設定し、式（Ａ）に従い、基板幅Ｙを９ｍｍと設定した。

図４に、本発明に係る実施例２の発光素子実装用基板２Ｂを示す。図４（ａ）は該基板の平面図、（ｂ）は底面図、（ｃ）は側面図、（ｄ）は発光素子実装後の回路図である。図中、符号８及び９は電源入力端子、１０Ｂは表面の回路パターン、１１Ｂは裏面の回路パターンである。
本基板の外形は、前記実施例１と同様であるが、表面・裏面に設けた回路パターンによって、図４に示すような、反射カップ内の発光素子が３０直列となる回路が構成されている。また外部からの電源を取得するための端子を基板中央に設置した。また本実施例や実施例１に限らず、配置するパターンを変更することで、前述した各実施例以外の回路に変更することも可能である。

図５に、本発明に係る実施例３の発光素子実装用基板２Ｃを示す。図５中、（ａ）は平面図、（ｂ）は側面図である。この基板の表面には、反射カップ３が３０個が配置されている。本基板では、反射カップ外径Ｄ_ＬＥＤ＝３．３ｍｍ，基板厚みｔ＝１．６ｍｍ，反射カップのピッチＰ_ＬＥＤを６．１ｍｍとし、式（Ａ）のパラメータａを１．５ｍｍ、ｂを１ｍｍと設定した。式（Ａ）に従い、基板幅Ｙを８ｍｍと設定した。また本実施例においては、スルーホール近傍の反射カップのピッチのみ６．１ｍｍとした。

図６に、本発明に係る実施例４の発光素子実装用基板２Ｄを示す。図６は、平面図を示している。この基板の表面には、反射カップ３が４２個６列７行の平面上に配置されている。
本基板では、反射カップ外径Ｄ_ＬＥＤ＝３．４ｍｍ，基板厚みｔ＝１．６ｍｍ，反射カップのピッチＰ_ＬＥＤを６ｍｍとし、式（Ａ）のパラメータａを１．５ｍｍ、ｂを１．７ｍｍと設定した。また行数ｎを７と設定した。
本実施例においては、反射カップの各行は千鳥格子状に配列されている。これは、反射カップの密度を高くするためのもので、最近接のピッチＰ_ＬＥＤを６ｍｍとするためには、それによりｙ軸方向の行間ピッチが、ｓｉｎ６０°×Ｐ_ＬＥＤ≒５．２とする必要がある。
この基板のｙ軸方向の外形寸法は、式（Ａ）のｎを含まない項から算出した値「１０」に、行間数６とピッチの積を加算したものから導き出すことができ、４１．２ｍｍと設定した。

本発明の発光素子モジュールの一実施形態を示す図であり、（ａ）は発光素子モジュールの平面図、（ｂ）は正面図、（ｃ）は底面図、（ｄ）は側面図、（ｅ）は回路図である。 この発光素子モジュールの要部拡大平面図である。 本発明に係る発光素子実装用基板の実施例１を示し、（ａ）は平面図、（ｂ）は正面図、（ｃ）は底面図、（ｄ）は側面図である。 本発明に係る発光素子実装用基板の実施例２を示し、（ａ）は平面図、（ｂ）は底面図、（ｃ）は側面図、（ｄ）は回路図である。 本発明に係る発光素子実装用基板の実施例３を示し、（ａ）は平面図、（ｂ）は側面図である。 本発明に係る発光素子実装用基板の実施例４を示す平面図である。

符号の説明

１…発光素子モジュール、２Ａ、２Ｂ，２Ｃ，２Ｄ…発光素子実装用基板、３…反射カップ、４…スルーホール、５…チップ抵抗体、６，７…電線、６Ａ，７Ａ，８，９…電源入力端子、１０Ａ，１０Ｂ，１１Ａ，１１Ｂ…回路パターン。

Claims (8)

1. 実装した発光素子から発する光を、所定方向に向けて反射する反射カップが設けられたコア金属と、その上に被覆された厚さが５０μｍ〜２００μｍの範囲のホーロー層からなるホーロー基板であり、導体によって発光素子を実装するためおよび電力を供給するための回路パターンが基板の表面と裏面との両方に構成されており、且つこれら表裏の回路パターンが基板内に設けられた少なくとも１つ以上のスルーホールにて接続されていることを特徴とする発光素子実装用基板。
2. 発光素子実装用基板の基板外寸法と反射カップ上面の外径、反射カップが設置される間隔について、下式（Ａ）
   

   

   （式中、Ｙは基板幅、ｔは基板厚み、Ｄ_ＬＥＤは発光素子を実装する反射カップの外径、Ｐ_ＬＥＤは発光素子を実装する反射カップ同士のピッチ、Ｄ_ＴＨはスルーホール径，ａは反射カップ縁部とスルーホール縁部との距離、ｂはスルーホール縁と基板周縁との距離、ｎは発光素子列が配列されている行数をそれぞれ表す。）
   で定められた範囲で限定されることを特徴とする請求項１に記載の発光素子実装用基板。
3. スルーホール径Ｄ_Ｔｈは、下限が基板厚みｔの６０％、上限が基板厚みｔ＋０．１ｍｍであり、反射カップ同士の距離が１ｍｍ以上反射カップの外径Ｄ_ＬＥＤの２倍以下であり、スルーホールと反射カップとの距離ａが１ｍｍ以上で反射カップ同士の距離以下であり、スルーホール縁部の電極露出部と基板外縁との距離ｂが１ｍｍ以上、反射カップ同士の距離以下であることを特徴とする請求項２に記載の発光素子実装用基板。
4. 請求項１〜３のいずれかに記載の発光素子実装用基板に、発光素子が実装され、その発光素子が透明な封止樹脂によって封止されていることを特徴とする発光素子モジュール。
5. 発光素子が、封止樹脂内に蛍光体を混ぜて白色光を発する白色発光ダイオードであることを特徴とする請求項４に記載の発光素子モジュール。
6. 請求項４又は５に記載の発光素子モジュールを光源として用いたことを特徴とする照明装置。
7. 請求項４に記載の発光素子モジュールを光源として用いたことを特徴とする表示装置。
8. 請求項４に記載の発光素子モジュールを光源として用いたことを特徴とする交通信号機。

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