JP2010010523A - 発光装置 - Google Patents

Abstract

【課題】十分な放熱性能を発揮させ、装置の小型化を図ることのできる発光装置を提供する。
【解決手段】セラミック基板にて各発光素子を一括して封止する直方体状のガラス封止部を有する光源部と、光源部の放熱パターンと接続される接続領域３４を上面３１ａに有し側面３１ｂから接続領域３４の下方まで延びる穴３５が形成される放熱部材３と、放熱部材３の上面３１ａに載置され光源部のガラス封止部の側方から出射された光を上方へ反射させる反射部４１及び放熱部材３の側面に沿って下方へ延び当該側面と締結される被締結部４２を有する反射部材４と、放熱部材３と反射部材４との間に接続領域３４を避けて配置される実装基板５と、放熱部材３の穴３５に挿入されるヒートパイプ６と、を備え、放熱効率が良好でコンパクトな発光装置を実現した。
【選択図】図３

Description

本発明は、セラミック基板の上面にて複数の発光素子を一括して封止する直方体状のガラス封止部を有する光源部を備えた発光装置に関する。

従来、液晶バックライトの光源として、複数個の発光ダイオードを実装した第１配線基板と第１ヒートパイプとを組み合わせた第１発光モジュール体と、複数個の発光ダイオードを実装した第２配線基板と第２ヒートパイプとを組み合わせた第２発光モジュール体とを、液晶パネルのサイズに応じて適宜に組み合わせて発光アレイを構成したものが知られている（特許文献１参照）。

第１発光モジュール体は、各発光ダイオードの発光バルブが樹脂ホルダによって保持され、樹脂ホルダから一対の端子が突出される。第１配線基板には、２５個の発光ダイオードが、同一軸線上に位置して互いに等間隔を以って長さ方向に配列されて実装される。第１放熱プレートは、第１主面に第１配線基板を嵌合して取り付けるための基板嵌合凹部が形成され、嵌合された第１配線基板の底面と幅方向の両側縁部とを保持する。第１放熱プレートには、第１主面と対向する第２主面側に第１ヒートパイプが嵌合されるヒートパイプ嵌合凹部が形成されている。ヒートパイプ嵌合凹部は、幅方向の略中央部に位置して長さ方向の全域に亘って開口する断面が略アーチ型形状の凹溝からなる。
特開２００６−５３３４０号公報

しかしながら、特許文献１に記載された第１発光モジュール体では、放熱プレート及びヒートパイプと比べて熱伝導率が劣る配線基板を介してから、各発光ダイオードにて生じた熱が放熱プレート及びヒートパイプへ伝達されるため、十分な放熱性能を発揮させることができない。また、特許文献１の第１発光モジュール体は、複数の発光ダイオードを、別個に樹脂により封止するとともに、別個に配線基板に実装しているため装置が大型となる。

本発明は前記事情に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、十分な放熱性能を発揮させ、装置の小型化を図ることのできる発光装置を提供することにある。

本発明によれば、複数の発光素子と、前記各発光素子を上面に搭載し下面に放熱パターンが形成されるセラミック基板と、前記セラミック基板の前記上面にて前記各発光素子を一括して封止するガラス封止部と、を有する光源部と、前記光源部の前記放熱パターンと接続される接続領域を上面に有し、側面から前記接続領域の下方まで延びる穴が形成される放熱部材と、前記放熱部材の前記上面に載置され前記光源部の前記ガラス封止部の側方から出射された光を上方へ反射させる反射部と、前記反射部から前記放熱部材の側面に沿って下方へ延び当該側面と締結される被締結部と、を有する反射部材と、前記放熱部材と前記反射部材との間に前記接続領域を避けて配置され、前記光源部と電気的に接続される実装基板と、前記放熱部材の前記穴に一端側が挿入され、他端側が前記放熱部材から突出するヒートパイプと、を備える発光装置が提供される。

上記発光装置において、前記放熱部材は、前記上面に形成され上方へ突出する突出部と、前記突出部に形成された係合孔と、を有し、前記反射部材は、前記反射部に形成され前記係合孔と係合する係合部を有することが好ましい。

上記発光装置において、前記実装基板は、前記係合孔を挿通して前記放熱部材及び前記反射部材から突出することが好ましい。

上記発光装置において、前記実装基板は、前記放熱部材の前記上面に形成された凹部に配置され、前記反射部材は、前記放熱部材の前記上面と面接触することが好ましい。

上記発光装置において、前記反射部材の前記反射部は、前記放熱部材の前記突出部と当接し、前記反射部材の前記被締結部は、前記反射部における前記突出部との当接部分と所定方向について反対側に形成されていることが好ましい。

上記発光装置において、前記ヒートパイプは、外周面に形成された雄ねじ部を有し、前記反射部材の前記被締結部に前記雄ねじ部と螺合する雌ねじが形成されることが好ましい。

本発明によれば、十分な放熱性能を発揮させ、装置の小型化を図ることができる。

図１から図１１は本発明の一実施形態を示し、図１は発光装置の全体斜視図である。
図１に示すように、発光装置１は、ＬＥＤ装置２（図１中不図示）が搭載される放熱ブロック３と、放熱ブロック３の上面に載置される反射ブロック４と、放熱ブロック３及び反射ブロック４の間に配置されＬＥＤ装置２と電気的に接続されるフレキシブル基板５と、放熱ブロック３に接続されるヒートパイプ６と、を備えている。ヒートパイプ６は、両端を閉塞した長尺な円筒状に形成され、放熱ブロック３から所定方向へ大きく突出している。

図２はヒートパイプの先端を切り欠いて図示した発光装置の一部斜視図である。
図２に示すように、放熱ブロック３と反射ブロック４は、互いに密着して一体的に直方体形状をなしている。この直方体の寸法は、長手寸法（前後寸法）が２３ｍｍ、幅寸法（左右寸法）が５ｍｍ、高さ寸法（上下寸法）が７ｍｍである。側面視にて、放熱ブロック３は後端が上方へ突出したＬ字形状をなし、反射ブロック４は前端が下方へ突出した逆Ｌ字型形状をなしている。また、フレキシブル基板５は、放熱ブロック３及び反射ブロック４からヒートパイプ６と同方向へ突出する延出部５１と、延出部５１の先端に形成されたアノード電極５２及びカソード電極５３を有している。ヒートパイプ６は、熱伝導率が良好な金属からなる円筒部６１と、円筒部６１内に充填される冷媒６２と、を有する。本実施形態においては、円筒部６１は銅からなり、冷媒６２は水である。ここで、ヒートパイプ６の外径寸法は３ｍｍである。

図３は発光装置の分解斜視図である。
図３に示すように、放熱部材としての放熱ブロック３は、前後へ延びる直方体状のブロック本体３１と、ブロック本体３１の上面３１ａの後端から上方へ突出する突出部３２と、を有している。放熱ブロック３は、熱伝導率が良好な金属からなり、本実施形態においては銅からなる。

ブロック本体３１の上面３１ａには、フレキシブル基板５が配置される凹部３３が形成される。また、ブロック本体３１の上面３１ａには、ＬＥＤ装置２を搭載する接続領域３４が形成される。本実施形態においては、接続領域３４は、前後へ延び、凹部３３により取り囲まれている。

また、ブロック本体３１には、その背面３１ｂから接続領域３４の下方まで延び、ヒートパイプ６の前端側を受容する受容穴３５が形成されている。受容穴３５は、前後方向へ延び、背面視にて円形に形成される。

また、突出部３２には、前後に貫通し反射ブロック４の係合部４３と係合する係合孔３６が形成されている。係合孔３６は、凹部３３と一体的に形成され、係合部４３とともにフレキシブル基板５が挿通される。係合孔３６は、正面視にて横長の矩形状に形成されている。

反射部材としての反射ブロック４は、放熱ブロック３のブロック本体３１の上面３１ａに載置され直方体状の反射部４１と、反射部４１の前端からブロック本体３１の前面３１ｃに沿って下方へ延びる直方体状の被締結部４２と、を有している。反射ブロック４は、反射率が良好な金属からなり、本実施形態においてはアルミニウムからなる。また、反射ブロック４の表面を、例えばアクリル等の透明樹脂によりコーティングすることが好ましい。

反射部４１は、上下を開口した四角筒状に形成され、内面がＬＥＤ装置２から出射した光の反射面４４をなしている。反射部４１は、下面にて放熱ブロック３のブロック本体３１の上面３１ａと面接触している。反射部４１の背面４１ａには、後方へ突出する係合部４３が形成される。係合部４３は、直方体状に形成され、放熱ブロック３の係合孔３６に対して挿脱自在となっている。

実装基板としのてフレキシブル基板５は、放熱ブロック３と反射ブロック４との間に接続領域３４を避けて配置されている。本実施形態においては、フレキシブル基板５は、接続領域３４を挿通し前後へ延びる孔部５４が形成され、孔部５４に前後に隣接してアノード電極５５及びカソード電極５６が形成されている。フレキシブル基板５は、樹脂材をベースとした可撓性を有するフィルム状の基板であり、本実施形態においてはポリイミドをベースとしている。尚、実装基板として可撓性を有さない基板を用いることもできるし、実装基板を金属をベースとした基板としてもよい。

図４はヒートパイプの先端を切り欠いて図示した発光装置の一部断面図である。
図４に示すように、放熱ブロック３と反射ブロック４は、ねじ７により締結されている。放熱ブロック３の前面３１ｃには、ねじ７と螺合し前後へ延びる雌ねじ穴３７が形成され、反射ブロック４の被締結部４２には、前後に貫通しねじ７を挿通するねじ孔４４が形成されている。被締結部４２は、反射部４１における放熱ブロック３の突出部３２との当接部分と前後方向について反対側に形成されている。

光源部としてのＬＥＤ装置２は、前後へ延びる直方体状に形成される。ＬＥＤ装置２は、放熱ブロック３の接続領域３４に搭載され、前後両端にてフレキシブル基板５と電気的に接続される。ＬＥＤ装置２は側方が反射ブロック４の反射面４４に取り囲まれ、ＬＥＤ装置２から反射面４４へ入射した光は上方へ反射する。

放熱ブロック３の受容穴３５は、ＬＥＤ装置２の下方にてＬＥＤ装置２と平行に延び、ヒートパイプ６を受容する。ヒートパイプ６は、受容穴３５に一端側が挿入され、他端側が放熱ブロック３から突出し、図示しない接着剤により放熱ブロック３に固定されている。

図５は図４のＡ−Ａ断面図である。
図５に示すように、反射面４４は、ブロック本体３１から上方へ向かって拡開し、ＬＥＤ装置２のガラス封止部２３から側方へ出射した光を上方へ反射させる。本実施形態においては、反射面４４は、傾斜角（ＬＥＤ装置２の光軸とのなす角）が比較的大きい断面直線状の第１傾斜区間４４ａと、第１傾斜区間の上側に連続的に形成され第１傾斜部４４ａよりも傾斜角が小さい第２傾斜区間４４ｂと、を有している。

図６は発光装置におけるＬＥＤ装置付近の模式拡大断面図である。尚、図６中では、説明のために、各ＬＥＤ素子のアノード電極及びカソード電極がＬＥＤ装置の長手方向について対向配置される図としているが、実際には各ＬＥＤ素子のアノード電極及びカソード電極はＬＥＤ装置の幅方向について対向配置されている。
図６に示すように、ＬＥＤ装置２は、フリップチップ型のＧａＮ系半導体材料からなるＬＥＤ素子２２と、ＬＥＤ素子２２を搭載するセラミック基板２１と、セラミック基板２１に形成されＬＥＤ素子２２へ電力へ供給するための回路パターン２４と、ＬＥＤ素子２２をセラミック基板２１上にて封止するガラス封止部２３と、を備えている。

ＬＥＤ素子２２は、ＧａＮからなる成長基板の表面に、III族窒化物系半導体をエピタキシャル成長させることにより、ｎ型層と、ＭＱＷ層と、ｐ型層とがこの順で形成されている。このＬＥＤ素子２２は、７００℃以上でエピタキシャル成長され、その耐熱温度は６００℃以上であり、低融点の熱融着ガラスを用いた封止加工における加工温度に対して安定である。また、ＬＥＤ素子２２は、ｐ型層の表面に設けられるｐ側電極２２ａを有するとともに、ｐ型層からｎ型層にわたって一部をエッチングすることにより露出したｎ型層に形成されるｎ側電極２２ｂを有する。ｐ側電極２２ａとｎ側電極２２ｂには、それぞれバンプが形成される。本実施形態においては、ＬＥＤ素子２２は、厚さ２５０μｍで３４６μｍ角に形成される。

セラミック基板２１は、例えばアルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）の多結晶焼結材料からなり、厚さ方向（上下方向）寸法が０．２５ｍｍ、長手方向（前後方向）寸法が１４．０ｍｍ、幅方向（左右方向）寸法が０．７５ｍｍに形成される。回路パターン２４は、セラミック基板２１の上面に形成されてＬＥＤ素子２２と電気的に接続される上面パターン２４ａと、セラミック基板２１の下面に形成されてフレキシブル基板５と電気的に接続される電極パターン２４ｂと、上面パターン２４ａと電極パターン２４ｂを電気的に接続するビアパターン２４ｃと、を有している。また、セラミック基板２１の下面における各電極パターン２４ｂの間には、放熱パターン２６が形成される。上面パターン２４ａ、電極パターン２４ｂ及び放熱パターン２６は、セラミック基板２１の表面に形成されるＷ層と、Ｗ層の表面を覆う薄膜状のＮｉメッキ層と、Ｎｉメッキ層の表面を覆う薄膜状のＡｇメッキ層と、を含んでいる。ビアパターン２４ｃは、Ｗからなり、セラミック基板２１を厚さ方向に貫通するビアホールに設けられる。電極パターン２４ｂはセラミック基板２１の長手方向両端に形成され、一方がアノード電極、他方がカソード電極をなす。

ガラス封止部２３は、ＺｎＯ−Ｂ_２Ｏ_３−ＳｉＯ_２−Ｎｂ_２Ｏ_５−Ｎａ_２Ｏ−Ｌｉ_２Ｏ系の熱融着ガラスからなる。尚、ガラスの組成はこれに限定されるものではなく、例えば、熱融着ガラスは、Ｌｉ_２Ｏを含有していなくてもよいし、任意成分としてＺｒＯ_２、ＴｉＯ_２等を含んでいてもよい。さらに、ガラス封止部２３は、熱融着ガラスに限らず、金属アルコキシドを出発原料としたゾルゲルガラスであってもよい。図６に示すように、ガラス封止部２３は、セラミック基板２１上に直方体状に形成され、セラミック基板２１の上面にて各ＬＥＤ素子２２を一括して封止する。本実施形態においては、ガラス封止部２３におけるセラミック基板２１の上面からの高さは０．５ｍｍとなっている。ガラス封止部２３の側面は、ホットプレス加工によってセラミック基板２１と接着された板ガラスが、セラミック基板２１とともにダイサー(dicer)でカットされることにより形成される。また、ガラス封止部２３の上面は、ホットプレス加工によってセラミック基板２１と接着された板ガラスの一面である。この熱融着ガラスは、ガラス転移温度（Ｔｇ）が４９０℃、屈伏点（Ａｔ）が５２０℃、１００℃〜３００℃における熱膨張率（α）が６×１０^−６／℃、屈折率が１．７となっている。

また、ガラス封止部２３には蛍光体２３ａが分散されている。蛍光体２３ａは、ＭＱＷ層から発せられる青色光により励起されると、黄色領域にピーク波長を有する黄色光を発する黄色蛍光体である。本実施形態においては、蛍光体２３ａとしてＹＡＧ(Yttrium Aluminum Garnet)蛍光体が用いられる。尚、蛍光体２３ａは、珪酸塩蛍光体や、ＹＡＧと珪酸塩蛍光体を所定の割合で混合したもの等であってもよい。

図７は、ＬＥＤ装置の模式断面図であり、図６と異なる方向の縦断面である。
封止材としてのガラス封止部２３は、ＬＥＤ素子２２から上面までの第１距離ａが、ＬＥＤ素子２２から最も近接する側面までの第２距離ｂよりも大きい直方体状をなしている。ガラス封止部２３の上面からは黄色の割合が多い光が発せられ、ガラス封止部２３の側面からは青色の割合が多い光が発せられる。封止材が直方体状に形成される場合、第１距離ａと第２距離ｂとの関係が、
√２≦ａ／ｂ
の関係を満たすと、ＬＥＤ素子２２の発光時に、ガラス封止部２３における上面と側面との色度や輝度の違いが明確に視認されるようになる。本実施形態においては、第１距離ａが０．４８ｍｍであり、第２距離ｂが０．１８ｍｍであることから、上記式の関係を満たしている。尚、
２≦ａ／ｂ
の関係を満たすと、上面と側面との輝度の違いが顕著となる。

フレキシブル基板５は、第１ポリイミド層５７、回路パターン層５８、第２ポリイミド層５９を下側からこの順に有している。第１ポリイミド層５７は、放熱ブロック３の凹部３３の上面と接触する。回路パターン層５８は、例えば銅からなり、ＬＥＤ装置２の電極パターン２４ｂとはんだ材７１を介して接続される。尚、ＬＥＤ装置２の放熱パターン２６は、フレキシブル基板５の孔部５４を通じて放熱ブロック３の接続領域３４とはんだ材７２を介して接続されている。第２ポリイミド層５９は、回路パターン層５８が露出する各電極５２，５３，５５，５６を除き、回路パターン層５８を被覆する。

図８はＬＥＤ装置のセラミック基板を示し、（ａ）は平面図、（ｂ）は下面図である。
図８（ａ）に示すように、セラミック基板２１は、上面パターン２４ａが複数のＬＥＤ素子２２を電気的に直列に接続するよう形成されている。本実施形態においては、計２４のＬＥＤ装置２が電気的に直列に実装されている。各ＬＥＤ素子２２は、順方向電圧が４．０Ｖ、順方向電流が１００ｍＡの場合に、ピーク波長が４６０ｎｍの光を発する。このように、計２４個のＬＥＤ素子２２が直列に接続されていることから、家庭用のＡＣ１００Ｖの電源を利用すると、各ＬＥＤ素子２２に約４．０Ｖの順方向電圧が印加され、各ＬＥＤ素子２２が所期の動作をするようになっている。

本実施形態においては、上面パターン２４ａは、セラミック基板２１の長手方向両端で、ビアパターン２４ｃと接続される。上面パターン２４ａは、セラミック基板２１の幅方向一方で所定のＬＥＤ素子２２のｐ側電極２２ａと接続され、セラミック基板２１の幅方向他方で当該ＬＥＤ素子２２と隣接するＬＥＤ素子２２のｎ側電極２２ｂと接続される。従って、上面パターン２４ａは、各ＬＥＤ素子２２間で、セラミック基板２１の長手方向に対して幅方向に傾斜して斜めに形成されている。

また、図８（ｂ）に示すように、電極パターン２４ｂは、カソード電極とアノード電極とが左右方向に離隔して配置され、セラミック基板２１の前後方向両側に左右方向へ延びるよう形成されている。本実施形態においては、電極パターン２４ｂ及び放熱パターン２６は、平面視にて矩形状に形成される。各電極パターン２４ｂは、セラミック基板２１の長手方向に０．４ｍｍ、セラミック基板２１の幅方向に０．６５ｍｍの寸法となるよう形成される。また、放熱パターン２６は、セラミック基板２１の長手方向に１．８ｍｍ、セラミック基板２１の幅方向に０．６５ｍｍの寸法となるよう形成される。各電極パターン２４ｂと放熱パターン２６は、セラミック基板２１の長手方向に０．２ｍｍ離れて形成されている。本実施形態においては、放熱パターン２６は、平面視にて各ＬＥＤ素子２２と重なるように、各ＬＥＤ素子２２の真下に形成されている。

以上のように構成された発光装置１の製造方法を図９から図１１を参照して説明する。図９は放熱ブロックにフレキシブル基板を取り付けた状態を示す説明図である。
図９に示すように、まず、各電極５２，５３，５５，５６及び孔部５４が形成されたフレキシブル基板５を、放熱ブロック３の係合孔３６に挿通させる。そして、孔部５４に接続領域３４を挿通させてフレキシブル基板５を放熱ブロック３に対して位置決めし、フレキシブル基板５を凹部３３上に載置させる。本実施形態においては、フレキシブル基板５と放熱ブロック３とは接着されていないが、接着剤を用いて両者を固定してもよい。

図１０は放熱ブロックに反射ブロックを取り付けた状態を示す説明図である。
次いで、図１０に示すように、フレキシブル基板５が載置された放熱ブロック３に対して反射ブロック４を面接触させた状態で後方へ移動させて、係合部４３を係合孔３６に挿入させる。そして、反射部４１の背面４１ａを突出部３２と当接させ、ねじ７を用いて放熱ブロック３と反射ブロック４とを締結する。

図１１は放熱ブロックにＬＥＤ装置を取り付ける状態を示す説明図である。
次いで、図１１に示すように、はんだ材７１，７２を用いて、ＬＥＤ装置２を放熱ブロック３及びフレキシブル基板５に実装する。このとき、フレキシブル基板５の各電極５５，５６と、放熱ブロック３の接続領域３４とは、フレキシブル基板５の第２ポリイミド層５９を介して形成されているので、はんだ溶融時に電極パターン２４ｂと放熱パターン２６とが短絡することはない。ＬＥＤ装置２を実装した後、ヒートパイプ６を受容穴３５に挿入して発光装置１が完成する。尚、ヒートパイプ６と放熱ブロック３との間にもはんだ材を配置して、ＬＥＤ装置２の実装とヒートパイプ６の固定をリフローにより一括して行うようにしてもよい。リフローを用いる場合、反射ブロック４にアクリル等の透明樹脂によるコーティングが施されていると、透明樹脂を軟化させて反射ブロック４と放熱ブロック３との接着剤として機能させることができる。

以上のように構成された発光装置１によれば、セラミック基板２１、ＬＥＤ素子２２及びガラス封止部２３が同等の熱膨張率であり、ＬＥＤ素子２２を一列に複数配列しているので、ＬＥＤ装置２を幅方向に狭くしてＬＥＤ装置２の小型化を図ることができる。これに加え、直径５ｍｍ以下の比較的細い径の目立たないヒートパイプ６を採用することにより、ＬＥＤ装置２の小型化を効果的に行うことができる。例えば、シリコン樹脂を封止部材とした場合には、セラミック基板２１やＬＥＤ素子２２に対して封止部材の熱膨張率が１０倍以上となるので、封止部材のセラミック基板２１からの剥離が生じやすくなる。また、封止部材が軟らかく変形しやすいので保持用の枠等が必要となり、装置の幅がＬＥＤ素子サイズのおよそ３倍以上となって小型化は困難である。そして、本実施形態のＬＥＤ装置２を用いるとともに、ＬＥＤ装置２の放熱に必要な放熱ブロック３と、ＬＥＤ装置２の光学制御に必要な反射ブロック４とを一体的に形成したので、従来のものと比べて装置を格段に小型とすることができる。

これまで、樹脂封止の大光量のＬＥＤ装置は、光源部については白熱電球及び蛍光体より小さくすることが可能であるが、放熱フィンなどの放熱部が大型となるのでデザイン性を損なっていた。このようなＬＥＤ装置に対し、本実施形態のＬＥＤ装置２は、ヒートパイプ６の先端を他の放熱部材に接続し、他の放熱部材を目立たない場所に設置することも可能となり、デザイン性を損なうことがない。特に、本実施形態のＬＥＤ装置はガラス封止であるので、樹脂封止のＬＥＤ装置よりも光源部自体を小型とし、放熱経路となるヒートパイプとして比較的細い径のものを選択することができる。また、比較的割れや欠けが生じやすいセラミック基板２１を用い、比較的曲がりやすい細径のヒートパイプ６を用いているにも拘わらず、セラミック基板２１とヒートパイプ６の間に放熱ブロック３が介在しているので、セラミック基板２１の破損を防ぐことができる。

本実施形態の発光装置１では、フレキシブル基板５の各電極５２，５３を通じてＬＥＤ装置２に電圧を印加すると、ＬＥＤ装置２から青色及び黄色の混合光が発せられる。ＬＥＤ装置２は、ＬＥＤ素子２２がガラスにより封止されることから、従来の樹脂封止のように封止材の劣化を考慮することなく、ＬＥＤ素子２２の発光量を大きくすることができる。一方、ＬＥＤ素子２２の発光量が大きくなれば、ＬＥＤ素子２２の発熱量も大きくなるので、放熱に関して新たな課題が生じ、ＬＥＤ装置２にて生じた熱を的確に放熱させる必要がある。特に、本実施形態では、ＬＥＤ装置２には複数のＬＥＤ素子２２が一括して搭載されているので、従来と比較して、ＬＥＤ装置２の大きさの割に発熱量が大きい。

また、本実施形態の発光装置１では、各ＬＥＤ素子２２のｐ側電極２２ａ及びｎ側電極２２ｂが幅方向に並べられ、セラミック基板２１に対して幅方向の２点で接触するようにしたので、長手方向の２点で接触する場合に比べて、各ＬＥＤ素子２２からセラミック基板２１へ効率良く熱を伝達することができる。また、ＬＥＤ装置２の各ＬＥＤ素子２２は、放熱パターン２６の形成部位の真上に位置するとともに、熱抵抗が大きなフレキシブル基板５を介さず放熱ブロック３と接合されているので、各ＬＥＤ素子２２にて生じた熱は的確に放熱パターン２６から放熱ブロック３へ伝達される。また、熱によるフレキシブル基板５の劣化を抑制することができる。放熱ブロック３へ伝達された熱は、ヒートパイプ６へ伝達され、円柱部６１の表面から空気中に放散されるとともに、気化する冷媒６２により吸収される。ここで、ヒートパイプ６は、放熱パターン２６の真下に形成されているので、放熱パターン２６からヒートパイプ６へ熱を的確に伝達することができる。本実施形態においては、ヒートパイプ６が放熱ブロック３から突出しているので、ヒートパイプ６の表面積を大きくするとともに、冷媒６２の容量を大きくして、ヒートパイプ６における放熱性能を向上させることができ、実用に際して極めて有利である。

ここで、本実施形態の発光装置１では、ガラス封止部２３の側方から出射された光を上方へ反射させる反射ブロック４を設けたので、ガラス封止部２３が直方体形状であるにもかかわらず、ＬＥＤ装置２から発せられた光を上方向へ光学制御することができる。すなわち、本実施形態の発光装置１は、ガラス封止部２３を直方体形状としホットプレス加工及びダイシングにより歩留まりよく製造されるＬＥＤ装置２の課題を解決したものである。

また、反射ブロック４に係合部４３を形成し、放熱ブロック３の係合孔３６と係合するようにしたので、放熱ブロック３と反射ブロック４の位置決めを的確に行うことができる。さらに、反射ブロック４の反射部４１から被締結部４２を下方へ延びるよう形成し、放熱ブロック３の前面３１ｃと締結したので、反射部４１を利用して放熱ブロック３と締結する場合と比べ、ねじ孔４４の形成領域の確保が容易であるし、反射ブロック４のねじ孔４４の深さを短くして装置をコンパクトにすることができる。さらにまた、係合部４３と係合孔３６との係脱方向と、ねじ７の螺合方向とを一致させたので、放熱ブロック３と反射ブロック４の締結時に係合部４３に剪断方向の力が加わることはない。

また、ねじ７用の雌ねじ穴３７と、ヒートパイプ６用の受容穴３５を、放熱ブロック３の反対側に配置したので、ねじ７及びヒートパイプ６が互いに干渉することはない。本実施形態においては、雌ねじ穴３７を前面３１ｃに前後へ延びるよう形成し、受容穴３５を背面３１ｂに前後へ延びるよう形成したので、前後へ長尺な放熱ブロック３を有効に利用することができる。

また、本実施形態の発光装置１によれば、ＬＥＤ装置２に電圧を印加すると、ＬＥＤ装置２から青色及び黄色の混合光が発せられる。このとき、ＬＥＤ素子２２から出射した光のうち、ガラス封止部２３の表面に対して垂直な成分を除いては、ガラス封止部２３の表面と空気との界面で屈折する。本実施形態のＬＥＤ装置２では、ガラス封止部２３が直方体状に形成されていることから、ＬＥＤ素子２２から出射した光の殆どがガラス封止部２３の表面にて屈折することとなる。

ＬＥＤ素子２２から側方へ放射される光は、第２距離ｂが第１距離ａよりも小さく、さらに散乱距離が短く光の散乱度も大きくならないことから、セラミック基板２１及び回路パターン２４へは殆ど入射せず、高い確率でガラス封止部２３の側面に直接的に達する。これにより、光の吸収要因となるセラミック基板２１及び回路パターン２４へ入射する光が減じられ、ＬＥＤ装置２から放射される光量が格段に向上する。

一方、第１距離ａが第２距離ｂよりも大きいため、ガラス封止部２３の側面から出射する光は蛍光体２３ａによる波長変換割合が低く青みがかり、ガラス封止部２３の上面から出射する光は波長変換割合が高く黄みがかる。また、ガラス封止部２３の側面から出射する光は輝度が比較的小さく、ガラス封止部２３の上面から出射する光は単位面積あたりの輝度が比較的大きくなる。光エネルギーとしては側面から出射する光の方が大きいが、上面から出射する光の方が蛍光体により青色から黄色に変換される割合が高く、視感度がより大きくなるためである。従って、ＬＥＤ装置２から光接続部材４へ放射される光は、放射角度によって色度及び輝度にムラが生じる。

しかしながら、平面視にてＬＥＤ装置２側を見ると、ＬＥＤ装置２の実光源とともに、反射面４４に映り込んだＬＥＤ装置２の鏡映光源が存在している。これにより、ＬＥＤ装置２の実光源では光軸側（本実施形態では上側）で黄色光の成分が多く光軸に垂直な側（本実施形態では左右側）で青色成分が多くなっているが、反射面４４に映り込んだ鏡映光源では、逆に、光軸側で青色光の成分が多く光軸に垂直な側で黄色光の成分が多くなる。

尚、光軸とは、図７中のＬＥＤ装置２の中心軸を指している。また、ここでいう光軸側とは光軸に対するなす角が０°〜４５°の範囲を指し、光軸に垂直な側とは光軸に対するなす角が４５°〜９０°の範囲を指す。厳密には、光軸に垂直な方向はＬＥＤ素子２２からの放射配光が小さいのに対し、蛍光体２３ａによる散乱光の割合が大きいため、光軸に垂直な側にて青色成分が多くなる角度が限られる場合がある。本実施形態においては、光軸に垂直な側で実際に青色成分が多くなるのは、光軸に対し４５°〜７５°の方向である。そして、発光装置１から出射する光は、実光源と、反射面４４によって光軸側へ反射する鏡映光源と、の重ね合わせとなることから、ガラス封止部２３の上面から出射される光の配光特性と、ガラス封止部２３の側面から出射される光の配光特性が重ね合わせられ、両者の光がよく混合された状態となる。

また、本実施形態に発光装置１によれば、第２距離ｂが第１距離ａよりも小さいことから、発光装置１を左右方向に小さくすることができる。つまり、光源に対し集光光学系を備える場合、集光光学系は光源とのサイズの比が一定であるときに同一の放射特性を得ることができ、本実施形態においては、光源であるＬＥＤ装置２のサイズを小さくできた分だけ、反射面４４のサイズを小さくすることができる。ここで、第１距離ａを第２距離ｂよりも大きくすることで、ＬＥＤ装置２は、光軸方向と光軸に垂直な方向との色度が異なるという問題点を生じるが、外部放射効率が高く、かつ、光軸に垂直な方向の寸法が小さくなっている。従って、小型化により色度差が生じるという問題点を克服した高効率で小型の発光装置１とすることができる。

また、封止材として熱膨張率がＬＥＤ素子２２の２倍以内の無機材料（本実施形態ではガラス）を用い、さらに、基板として熱膨張率がＬＥＤ素子２２の２倍以内の多結晶材を用いたことから、封止材として熱膨張率がＬＥＤ素子２２の１０倍以上の樹脂材料を用いた場合のように、封止材と基板の間で熱膨張率差に起因する剥離、クラック等が生じることはない。また、基板における多結晶の粒界の凹凸に封止材が入り込み、アンカー効果をもって、封止材と基板は強固に接合される。本実施形態においては、封止材として熱融着ガラスを用いているので、セラミック基板２１との化学結合力も生じ、さらに結合力が高くなっている。これにより、第２距離ｂを０．３ｍｍ以下としても、熱ストレスによって、ＬＥＤ素子２２とガラス封止部２３、あるいは、ガラス封止部２３とセラミック基板２１との接合面の剥離が生じない高信頼性パッケージが実現されている。
尚、本実施形態で例示した無機封止材料やセラミック基板に限らず、熱膨張率がＬＥＤ素子２２の７×１０^−６／℃に対して、ガラス封止部２３に熱膨張率が１２×１０^−６／℃のリン酸系ガラスを用いたり、セラミック基板２１に熱膨張率が１３×１０^−６／℃のガラス含有アルミナを用いたりしてもよい。このとき、封止材の熱膨張率がＬＥＤ素子２２の２倍を超えると、封止材の剥離、クラック等が生じやすくなるため、ＬＥＤ素子２２と封止材との熱膨張率の差は２倍以内とすることが望ましい。

また、前記実施形態においては、ガラス封止ＬＥＤ２としてガラス封止部２３の内部に蛍光体２３ａが分散されたものを示したが、例えば図１２に示すように、ガラス封止部２３の内部に蛍光体２３ａを分散させず、ガラス封止部２３の上面に蛍光体２３ａが分散された樹脂、ガラス等の透明材からなる蛍光層２５を形成してもよい。この蛍光層２５は、アルコキシドを出発原料とするゾルゲルガラスに蛍光体２３ａを分散させたものであり、熱を利用してガラス封止部２３の上面に焼き付けることにより作製される。このとき、例えば、蛍光体２３ａをホットプレスのガラス封止にて生じる熱を利用して焼き付けたものであってもよい。これにより、作業性が向上することは勿論、プレスにより蛍光体２３ａの粒子がガラス封止部２３に半ば埋まった状態となり、蛍光体２３ａとガラス封止部２３との接合を強固にすることができる。

さらには、ガラス封止部２３の内部に蛍光体を分散させるとともに、ガラス封止部２３の上面に蛍光体と異なる発光波長の蛍光体が分散された透明材からなる蛍光層を形成してもよい。この場合、ＬＥＤ素子２２の発光波長を紫外領域とし、ガラス封止部２３の内部の蛍光体を紫外光により励起される青色蛍光体及び赤色蛍光体とし、蛍光層の蛍光体を紫外光により励起される緑色蛍光体とすることができる。

尚、発光装置１は、導光板を取り付けられたものであってもよい。この場合、導光板へ入射した光は、導光板内で多重反射することから、ガラス封止部２３の上面から出射した光と側面から出射した光の混合が促進される。ここで、ガラス封止部２３の側面から出射される光についても、セラミック基板２１に近い下側では青色成分が多くなり、セラミック基板２１から遠くガラス封止部２３の上面に近い上側では黄色成分が多くなる。これについても、導光板内で多重反射することから、青色成分が多い光と黄色成分が多い光の混合が促進される。従って、導光板の発光面においては色度及び輝度にムラが生じず、均一な色度及び輝度による面発光が実現される。

尚、前記実施形態においては、ねじ７により放熱ブロック３と反射ブロック４を締結するものを示したが、例えば図１３の発光装置１０１のように、ブロック本体３１の前面３１ｃに被締結部４２のかしめ孔１４４を挿通するかしめ部１０７を設けることにより放熱ブロック３と反射ブロック４を締結してもよく、放熱ブロック３と反射ブロック４の締結機構は任意に変更することができる。

また、例えば図１４の発光装置３０１のように、ヒートパイプ６の外周面に雄ねじ部３６３を形成し、ヒートパイプ６により放熱ブロック３と反射ブロック４を締結するようにしてもよい。この発光装置３０１では、受容穴３３５がブロック本体３１を前後に貫通し、受容穴３３５の内周面に雄ねじ部３６３と螺合可能な雌ねじが形成されている。また、被締結部４２には、ヒートパイプ６の雄ねじ部３６３と螺合する雌ねじ穴３４４が形成されている。

また、前記実施形態においては、反射面４４が断面直線状を呈するものを示したが、例えば図１５に示すように、反射面２４４が断面曲線状を呈するものであってもよい。図１５の発光装置２０１では、反射面２４４は、ＬＥＤ装置２を頂点とした放物線形状を呈している。

また、前記実施形態においては、ヒートパイプ６が接着剤により放熱ブロック３に固定するものを示したが、例えば図１６に示すように、固定ねじ４０７を用いてヒートパイプ６を放熱ブロック３に固定するようにしてもよい。図１６の発光装置４０１では、ブロック本体３１に下面と受容穴３５とを連通する連通孔４３８を形成し、この連通孔４３８に固定ねじ４０７を螺合させている。固定ねじ４０７を締め付けるとヒートパイプ６が放熱ブロック３に対して拘束され、固定ねじ４０７を緩めるとヒートパイプ６が放熱ブロック３に対して挿抜自在な状態となる。

また、前記実施形態においては、放熱ブロック３と反射ブロック４が一体的に直方体形状を呈するものを示したが、例えば図１７に示すように、放熱ブロック３及び反射ブロック４の下側の角部を面取りしてもよい。図１７の発光装置５０１では、ブロック本体３１の左右下側に面取り部５３９を形成するとともに、被締結部４２の左右下側に面取り部５４９を形成している。

また、前記実施形態においては、ねじ７を前方に配置してヒートパイプ６を後方に配置したものを示したが、例えば図１８に示すように、ねじ７を前方に配置してヒートパイプ６を左右側方のいずれかに配置するようにしてもよく、ヒートパイプ６が放熱ブロック６０３から突出していればヒートパイプ６の配置状態は任意である。図１９に示すように、この発光装置６０１では、放熱ブロック６０３におけるブロック本体６３１の受容穴６３５は左面６３１ｄから接続領域６３４の下方まで形成される。このように、ヒートパイプ６を受容する受容穴６３５は、放熱ブロック６０３の側面である前面（図１９中不図示）、左面６３１ｄ、右面（図１９中不図示）、背面６３１ｂのいずれかから、接続領域の下方まで延びていればよい。尚、ヒートパイプ６は、必ずしも直線状である必要はないし、内部に冷媒６２が収容されていなくともよいことは勿論である。

また、前記実施形態においては、フレキシブル基板５が放熱ブロック３の係合孔３６を挿通するものを示したが、例えば図１８に示すように、フレキシブル基板６０５を係合孔６３６と別個の部位から外部へ引き回すようにしてもよい。この発光装置６０１では、ねじ７により被締結部６４２が放熱ブロック３に固定され、係合孔６３６には反射ブロック６０４の反射部６４１の背面６４１ａに突出形成された係合部６４３が係合している。また、フレキシブル基板６０５は、放熱ブロック６０３からヒートパイプ６と同方向へ延びる２つ延出部６５１と、一方の延出部６５１の先端に形成されたアノード電極６５２と、他方の延出部６５１の先端に形成されたカソード電極６５３と、を有している。図１９に示すように、ブロック本体６３１の上面６３１ａには、フレキシブル基板６０５の形状に対応する凹部６３３が形成される。発光装置６０１は、ＬＥＤ装置６０２が前記実施形態のＬＥＤ装置２よりも幅方向に大きく、ブロック本体６３１の接続領域６３４も幅方向に大きく形成されている。これに伴い、フレキシブル基板６０５の孔部６５４も大きく形成され、この孔部６５４に隣接してアノード電極６５５及びカソード電極６５６が配置されている。

また、前記実施形態においては、ＬＥＤ装置２に計２４のＬＥＤ素子２２を搭載したものを示したが、ＬＥＤ素子２２の搭載数は任意である。図１９に示す発光装置６０１のＬＥＤ装置６０２は、前後に２４列、左右に２列で計４８のＬＥＤ素子２２を搭載している。図２０（ａ）に示すように、このＬＥＤ装置６０２は、電気的に直列に接続される計２４のＬＥＤ素子２２の組を２組有している。図２０（ｂ）に示すように、セラミック基板６２１の下面には、ＬＥＤ素子２２の各組ごとに電極パターン２４ｂが形成されており、家庭用のＡＣ１００Ｖの電源を利用すると、各ＬＥＤ素子２２に約４．０Ｖの順方向電圧が印加され、各ＬＥＤ素子２２が所期の動作をするようになっている。また、図２１（ａ）に示すように、セラミック基板７２１の上面にて計１２のＬＥＤ素子２２を２組電気的に直列に接続し、図２１（ｂ）に示すように、セラミック基板７２１の下面にて各組の電極パターン２４ｂを共通としても、ＡＣ１００Ｖの電源で各ＬＥＤ素子２２に約４．０Ｖの順方向電圧を印加することができる。

また、前記実施形態においては、ＬＥＤ装置２のセラミック基板２１の下面が平坦に形成されたものを示したが、例えば、図２２に示すように、セラミック基板２１の下面の外縁が他部分より窪むよう形成し、この窪み部分２１ａに各電極パターン２４ｂを形成し、他部分に放熱パターン２６を形成したものであってもよい。図２２のＬＥＤ装置２は、多層構造のセラミック基板２１の外縁側と中央側とを段状に形成し、放熱パターン２６と各電極パターン２４ｂとに段差がついている。これにより、ＬＥＤ装置２の放熱ブロック３への搭載等に放熱パターン２６と各電極パターン２４ｂが短絡することを的確に防止することができる。また、放熱パターン２６が各電極パターン２４ｂより下方へ突出するため、放熱パターン２６のはんだ材７２を薄くすることができ、放熱パターン２６から放熱ブロック３への熱伝達効率を向上させることができる。

また、前記実施形態においては、ＬＥＤ装置２としてガラス封止部２３の内部に蛍光体２３ａが分散されたものを示したが、ガラス封止部２３の内部に蛍光体２３ａを分散させず、ガラス封止部２３の上面に蛍光体２３ａが分散された樹脂、ガラス等の透明材からなる蛍光層を形成してもよい。また、波長変換を行う蛍光体２３ａを使用せずに、ＬＥＤ素子２２の発光色で発光するＬＥＤ装置としてもよい。前記実施形態では、青色で発光するＬＥＤ素子２２を例示しているが、紫色、緑色、赤色等で発光するＬＥＤ素子を用いてもよいことは勿論である。

また、前記実施形態においては、ポリイミドをベースとしたフレキシブル基板５を示したが、例えば液晶ポリマーをベースとしたフレキシブル基板を用いてもよい。ここで、耐熱性だけであれば、ポリイミドで対応することができるが、高温高湿度での安定性は液晶ポリマーの方が優れている。また、放熱ブロック３として銅を用い、反射ブロック４としてアルミニウムを用いたものを示したが、例えば、放熱ブロックをアルミニウム等の他の金属としたり、反射ブロックをセラミックとしてもよい。

また、前記実施形態においては、前後、左右及び上下の方向を定めて説明しているが、発光装置１は任意の姿勢で使用することができ、例えば下方向、水平方向等に光を出射する姿勢としてもよいことは勿論である。また、放熱ブロック３と反射ブロック４の形状等も任意であり、その他、具体的な細部構造等についても適宜に変更可能であることは勿論である。

図１は本発明の一実施形態を示す発光装置の全体斜視図である。 図２はヒートパイプの先端を切り欠いて図示した発光装置の一部斜視図である。 図３は発光装置の分解斜視図である。 図４はヒートパイプの先端を切り欠いて図示した発光装置の一部断面図である。 図５は図４のＡ−Ａ断面図である。 図６は発光装置におけるＬＥＤ装置付近の模式拡大断面図である。 図７はＬＥＤ装置の模式断面図である。 図８はＬＥＤ装置のセラミック基板を示し、（ａ）は平面図、（ｂ）は下面図である。 図９は放熱ブロックにフレキシブル基板を取り付けた状態を示す説明図である。 図１０は放熱ブロックに反射ブロックを取り付けた状態を示す説明図である。 図１１は放熱ブロックにＬＥＤ装置を取り付ける状態を示す説明図である。 図１２は変形例を示すＬＥＤ装置の模式断面図である。 図１３は変形例を示す発光装置の一部断面図である。 図１４は変形例を示す発光装置の断面図である。 図１５は変形例を示す発光装置の一部断面図である。 図１６は変形例を示す発光装置の一部断面図である。 図１７は変形例を示す発光装置の一部斜視図である。 図１８は変形例を示す発光装置の一部斜視図である。 図１９は変形例を示す発光装置の分解斜視図である。 図２０は、変形例を示すものであって、ＬＥＤ装置のセラミック基板を示し、（ａ）は平面図、（ｂ）は下面図である。 図２１は、変形例を示すものであって、ＬＥＤ装置のセラミック基板を示し、（ａ）は平面図、（ｂ）は下面図である。 図２２は、変形例を示すものであって、発光装置におけるＬＥＤ装置付近の模式拡大断面図である。

符号の説明

１…発光装置、２…ＬＥＤ装置、３…放熱ブロック、４…反射ブロック、５…フレキシブル基板、６…ヒートパイプ、２１…セラミック基板、２１ａ…窪み部分、２２…ＬＥＤ素子、２２ａ…ｐ側電極、２２ｂ…ｎ側電極、２３…ガラス封止部、２３ａ…蛍光体、２４…回路パターン、２４ａ…上面パターン、２４ｂ…電極パターン、２４ｃ…ビアパターン、２６…放熱パターン、３１…ブロック本体、３１ａ…上面、３１ｂ…背面、３１ｃ…前面、３２…突出部、３３…凹部、３４…接続領域、３５…受容穴、３６…係合孔、３７…雌ねじ穴、４１…反射部、４１ａ…背面、４２…被締結部、４３…係合部、４４…反射面、４４ａ…第１傾斜区間、４４ｂ…第２傾斜区間、５１…延出部、５２…アノード電極、５３…カソード電極、５４…孔部、５５…アノード電極、５６…カソード電極、５７…第１ポリイミド層、５８…回路パターン層、５９…第２ポリイミド層、６１…円筒部、６２…冷媒、７１…はんだ材、７２…はんだ材、１０１…発光装置、１０７…かしめ部、１４４…かしめ孔、２０１…発光装置、２４４…反射面、３０１…発光装置、３３５…受容穴、３４４…雌ねじ穴、３６３…雄ねじ部、４０１…発光装置、４０７…固定ねじ、４３８…連通孔、５０１…発光装置、５３９…面取り部、５４９…面取り部、６０１…発光装置、６０２…ＬＥＤ装置、６０３…放熱ブロック、６０４…反射ブロック、６０５…フレキシブル基板、６２１…セラミック基板、６３１…ブロック本体、６３１ａ…上面、６３１ｂ…背面、６３１ｄ…左面、６３２…突出部、６３３…凹部、６３４…接続領域、６３５…受容穴、６３６…係合孔、６４１…反射部、６４１ａ…背面、６４２…被締結部、６４３…係合部、６５１…延出部、６５２…アノード電極、６５３…カソード電極、６５４…孔部、６５５…アノード電極、６５６…カソード電極、７２１…セラミック基板。

Claims (6)

1. 複数の発光素子と、前記各発光素子を上面に搭載し下面に放熱パターンが形成されるセラミック基板と、前記セラミック基板の前記上面にて前記各発光素子を一括して封止するガラス封止部と、を有する光源部と、
   前記光源部の前記放熱パターンと接続される接続領域を上面に有し、側面から前記接続領域の下方まで延びる穴が形成される放熱部材と、
   前記放熱部材の前記上面に載置され前記光源部の前記ガラス封止部の側方から出射された光を上方へ反射させる反射部と、前記反射部から前記放熱部材の側面に沿って下方へ延び当該側面と締結される被締結部と、を有する反射部材と、
   前記放熱部材と前記反射部材との間に前記接続領域を避けて配置され、前記光源部と電気的に接続される実装基板と、
   前記放熱部材の前記穴に一端側が挿入され、他端側が前記放熱部材から突出するヒートパイプと、を備える発光装置。
2. 前記放熱部材は、前記上面に形成され上方へ突出する突出部と、前記突出部に形成された係合孔と、を有し、
   前記反射部材は、前記反射部に形成され前記係合孔と係合する係合部を有する請求項１に記載の発光装置。
3. 前記実装基板は、前記係合孔を挿通して前記放熱部材及び前記反射部材から突出する請求項２に記載の発光装置。
4. 前記実装基板は、前記放熱部材の前記上面に形成された凹部に配置され、
   前記反射部材は、前記放熱部材の前記上面と面接触する請求項３に記載の発光装置。
5. 前記反射部材の前記反射部は、前記放熱部材の前記突出部と当接し、
   前記反射部材の前記被締結部は、前記反射部における前記突出部との当接部分と所定方向について反対側に形成されている請求項４に記載の発光装置。
6. 前記ヒートパイプは、外周面に形成された雄ねじ部を有し、
   前記反射部材の前記被締結部に前記雄ねじ部と螺合する雌ねじが形成される請求項５に記載の発光装置。

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