JP2010073592A - 照明装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】本発明の目的は、半導体発光素子を基板の一面に配設したものであっても他方の面からも同等の光を得ることのできる照明装置を提供することにある。
【解決手段】請求項1の発明は、第1の面及びこの面に平行な第2の面とこれら両面にわたる周面を有した電気絶縁性・透光性を有する基板部3を備える基板2と;素子電極を有して前記第1の面に配設された複数の半導体発光素子7と;前記複数の半導体発光素子を覆うように設けられた第1の蛍光体層18と;前記第1の蛍光体層の厚さよりも厚くなるように前記第2の面に設けられた第2の蛍光体層20と;を具備したことを特徴とする。
【選択図】図2

Description

本発明は、複数のLED(発光ダイオード)チップ等の半導体発光素子を有して、例えば照明器具やディスプレイ等に使用される照明装置に関する。
例えば、複数のLED(発光ダイオード)チップ等を平面状に配設して構成した面状の発光装置は、特開2004−140185号公報等に記載されている。この発光装置では、複数のチップは金属基板上に配設されており、一方向に光を放射するように構成されている。しかしながら、照明器具に適用すること等を考慮すると、一方向からだけではなく、両方向から光が放射されるものが望ましい場合がある。このような場合には、複数のチップを配設する金属基板が透光性を有するものがよい。
特開2004−140185号公報(段落0017−0021、図2)
特許文献1に記載の発光装置は、一方向からだけではなく、背面側も含めて両方向から光が放射されるものではない。また、特許文献1の発光装置に使用されている金属基板をガラス基板等の透光性基板に変更しただけでは、両方向から均等に光を放射することはできない。
本発明の目的は、半導体発光素子を基板の一面に配設したものであっても他方の面からも同等の光を得ることのできる照明装置を提供することにある。
請求項1の発明は、第1の面及びこの面に平行な第2の面とこれら両面にわたる周面を有した電気絶縁性・透光性を有する基板部を備える基板と;素子電極を有して前記第1の面に配設された複数の半導体発光素子と;前記複数の半導体発光素子を覆うように設けられた第1の蛍光体層と;前記第1の蛍光体層の厚さよりも厚くなるように前記第2の面に設けられた第2の蛍光体層と;を具備したことを特徴とする。
請求項1の発明で、基板部の電気絶縁性・透光性の絶縁材料としては透明ガラスや透明アクリル樹脂又は透光性セラミック等を挙げることができる。複数の半導体発光素子は、例えば青色光を発光するが、第1の面側に発光する強度と比較して第2の面側に発光する強度の方が強い。また、例えば、第1及び第2の蛍光体層は、前記青色光の励起によって黄色光を発光し、この黄色光と前記青色光が加色されて白色発光するが、上述したように第1及び第2の蛍光体層に入射する青色光の強度が異なり第2の蛍光体層の方の強度が強いため、その分、第2の蛍光体層の厚みを厚くして前記青色光を低減させるものである。その結果、基板の第1の面側及び第2の面側から放射される白色光は、その質及び量ともほぼ同等になるものである。
請求項2の発明は、請求項1に記載の照明装置において、前記基板は、前記基板部より熱伝導率が高い材料で形成された放熱部を備え、前記放熱部は、前記第2の面又は前記基板部の内部に配設された複数の排熱部材であることを特徴とする。
基板部の内部又は半導体発光素子が実装されない面に排熱部材を設けた基板を採用した場合、複数の半導体発光素子が発光した状態で、各半導体発光素子から基板に伝導される熱を、排熱部材で導いて、これら排熱部材の端部から基板の外部に排出できる。それにより、基板部を有した基板の温度上昇を抑制できるに伴い、この基板への半導体発光素子からの放熱が維持されて、各半導体発光素子の温度過昇を抑制できる。
請求項1の発明によれば、半導体発光素子を基板の一面に配設したものであっても他方の面からも同等の光を得ることができる。
請求項2の発明によれば、各半導体発光素子から基板に伝導される熱を、排熱部材で導いて、これら排熱部材の端部から基板の外部に排出でき、発光効率を向上させることができる。
図1及び図2を参照して本発明の第1実施形態を説明する。図1及び図2中符号1はLEDパッケージを形成する照明装置を示している。この照明装置1は、基板2、複数の半導体発光素子例えばLEDチップ(以下LEDと略称する。)7、ボンディングワイヤ11,12、第1の枠体14、第2の枠体16、第1の蛍光体層18、及び第2の蛍光体層20を備えて形成されている。
基板2の平面視形状は例えば図1に示すように四角形である。この基板2は、基板部3と、放熱部としての複数の排熱部材4と、一対の電極パターン5とを有している。
基板部3は、図2に示すように第1の面3a及びこの面に平行な第2の面3bと、これら両面にわたる周面3cを有している。この基板部3は、電気絶縁性及び透光性を有し、例えば透明なガラス板で作られている。具体的には、蛍光体層としての第1の蛍光体層18及び第2の蛍光体層20を100℃〜150℃で硬化処理するのに耐えるように、厚み0.5mm〜1.5mmの透明な石英ガラスで基板部3が作られている。石英ガラスの基板部3の第2の面には、フロスト処理を施して光拡散部(光拡散層)を設けてもよいし、プリズムカットを施してもよい。そうすると、LED7から発光される青色光の残像(つぶつぶ感)が緩和される。
複数の排熱部材4は、断面が円形や角形の金属線からなり、図2に示されるように基板部3の内部に縦横に一定間隔で並べて埋められていて、井桁格子状に組み合わされて配設されている。したがって、縦横に並べられた排熱部材4が作る井桁格子の目、言い換えれば、隣り合った排熱部材4間は図1に示すように正方形をなしている。各排熱部材4の端部4aは周面3cに対して突出されている。
排熱部材4と基板部3とが剥がれないようにするために、これら排熱部材4と基板部3との線膨張係数は略同じとしてある。具体的には、排熱部材4として表面を酸化させたタングステン線が採用されている。
後述のようにLED7が第1の面3aに実装される関係で、基板部3に対して図1において横(左右)方向に延びて配設された複数本の排熱部材4は、好ましくは図2に示すように基板部3に対してその厚み方向略1/2の位置に埋設されている。これとともに、基板部3に対して図1において縦(上下)方向に延びて配設された複数本の排熱部材4は、図2に示すように前記横方向に延びた排熱部材4と第2の面3bとの間に埋設されている。
したがって、第1の面3aと各排熱部材4との間の距離は、第2の面3bと排熱部材4との間の距離より大きい。それにより、第1の面3aの排熱部材4の真上に対応する部位が、排熱部材4を原因として膨れることを抑制して、LED7が実装される第1の面3aが平坦となるようにしてある。
一対の電極パターン5は、基板部3の第1の面3aの左右両端部に夫々設けられている。これらの電極パターン5は、銅箔等からなり、図1に示すように櫛歯状に作られていて、左右対称である。一方の電極パターン5は正極用であり、他方の電極パターン5は負極用である。これらの電極パターン5には図示しない電源回路から供給される直流の電流を導く図示しない電線が接続される。
各LED7には例えば窒化物半導体を用いてなるダブルワイヤー型のものが採用されている。これらLED7は、サファイア等からなる透光性の素子基板の一面に半導体発光層を設けて形成されている。半導体発光層は例えば青色の光を発する。又、これら青色発光をするLED7は、その半導体発光層側に図示しないが正極用及び負極用の一対の素子電極を有している。
図1に示すように各LED7は、基板部3の第1の面3aに縦横に列をなして二次元的に配設されている。各LED7の基板部3への実装は、半導体発光層が積層された一面と平行でかつ半導体発光層が積層されていない素子基板の他面を、図示しない透光性のダイボンド材を用いて第1の面3aに接着することでなされている。
これらLED7は、既述のように井桁格子状に配設された排熱部材4との位置関係において、図1に示すように井桁格子の目の好ましくはこの目の中央部に対向して配設されている。なお、各排熱部材4とLED7との距離L(図2において下側の排熱部材4とLED7との距離で代表する。)は0.2mm以上であることが好ましい。このようにすることで、仮に、基板部3に埋め込まれた排熱部材4を原因として第1の面3aに膨れを生じていたとしても、この膨れから外れた位置にLED7を実装できる。これにより、実装されたLED7が前記膨れに従って傾くことがないので、所望とする配光を得ることができる。
ボンディングワイヤ11,12は金属細線例えばAuの線材からなる。前記電極パターン5間に配設されて基板2の左右方向に列をなした並べられたLED7同士は、その素子電極にワイヤボンディングにより接続されるボンディングワイヤ11で電気的に直列に接続されている。
このようにボンディングワイヤ11で直列接続された複数のLED7がなすLED列の一端に位置されたLED7の素子電極と一方の電極パターン5の櫛歯部分は、ボンディングワイヤ12により電気的に接続されている。同様に、各LED列の他端に位置されたLED7の素子電極と他方の電極パターン5の櫛歯部分も、ボンディングワイヤ12により電気的に接続されている。
図1に示すように第1の枠体14は、合成樹脂等の電気絶縁材料により全てのLED7を内側に収める大きさの四角枠形状をなしていて、基板部3の第1の面3aに接着剤を用いて装着されている。この第1の枠体14は、一対の電極パターン5の櫛歯部分を横切って第1の面3aに接着されている。
第2の枠体16も合成樹脂等の電気絶縁材料で作られている。第2の枠体16は、第1の枠体14と同じ大きさであるが、その厚みは第1の枠体14と比較して薄い。この第2の枠体16は基板部3の第2の面3bに接着剤を用いて装着されている。
第1の蛍光体層18は、第1の枠体14内に略満杯状態に充填されていて、この第1の枠体14に収容された全てのLED7及びボンディングワイヤ11,12等を封止して、これらを湿気や外気等から保護して照明装置1の寿命低下を防止している。第1の蛍光体層18は、透光性材料、例えば透光性樹脂、具体的には熱硬化性のシリコーン樹脂からなる。この第1の蛍光体層18は未硬化の液状状態で第1の枠体14内に所定量注入された後に加熱炉で加熱されることにより硬化される。
この第1の蛍光体層18内には図示しない蛍光体が好ましくは均一に分散された状態に混入されている。蛍光体は、各LED7から放出された光の一部により励起されてLED7から放出された光の色とは異なる色の光を放射し、それによって、照明装置1から出射される照明光の色を規定するために用いられている。本実施形態では、照明装置1から出射される照明光の色を白色光とするために、各LED7が放出する青色の光に対して補色の関係にある黄色の光を放射する蛍光体が使用されている。
また、透光性基板30は石英ガラスで形成され、第1の蛍光体層18を覆うように設けられる。また、石英ガラス30の表面側(外側)には、フロスト処理を施して光拡散部(光拡散層)を設けてもよいし、プリズムカットを施してもよい。そうすると、LED7から発光される青色光の残像(つぶつぶ感)が緩和され、また、水分等が前記LED7および第1の蛍光体層18に付着するのを防止するものである。
第2の蛍光体層20は、第2の枠体16内に略満杯状態に充填されている。第2の蛍光体層20は、透光性材料、例えば透光性樹脂、具体的には熱硬化性のシリコーン樹脂からなる。この第2の蛍光体層20は未硬化の液状状態で第2の枠体16内に所定量注入された後に加熱炉で加熱されることにより硬化される。
この第2の蛍光体層20内にも図示しない蛍光体が好ましくは均一に分散された状態に混入されている。蛍光体には、第1の蛍光体層18に混ぜられた蛍光体と同様に照明装置1から出射される照明光の色を白色光とするために、各LED7が放出する青色の光に対して補色の関係にある黄色の光を放射する蛍光体が使用されている。また、第2の蛍光体層20の厚さは、第1の蛍光体層18の厚さよりも厚くなるように第2の面3bに設けられている。この理由としては、LED7は、青色光を発光するが、第1の面3a側に発光する強度と比較して第2の面3b側に発光する強度の方が強いため、その分、第2の蛍光体層20の厚みを厚くして前記青色光を低減させるものである。その結果、基板部3の第1の面3a側及び第2の面3b側から放射される白色光は、その質及び量ともほぼ同等になるものである。さらに、この第2の蛍光体層20を覆うように、透光性基板30である石英ガラスを設けてもよく、この場合には、水分等が第2の蛍光体層20に付着するのを防止できるものである。なお、基板部3と第1及び第2の蛍光体層の屈折率は近似している方が、それぞれの界面での光のロスを抑制できるので、好ましい。
又、図1及び図2中符号22は基板2より大きい枠状に形成された金属製の放熱部材を示している。放熱部材22の内周側部位は第2の面3bに接着されているとともに、放熱部材22の外周側部位は基板2の周面に対して突出されている。この突出された部位には前記排熱部材4の端部4aが夫々接した状態に接続されている。なお、放熱部材22を介して照明装置1を取付け支持することができる。
前記構成の照明装置1の各LED列に電極パターン5を通じて給電することにより、これらLED列に含まれる複数のLED7が一斉に発光する。そのため、各LED7から図2中上方向に放出された青色の光と、その一部により第1の蛍光体層18内で励起された蛍光体から放射された黄色の光とが混合されることにより生成された白色光が、図2中、上下方向に出射される。
これと同時に、各LED7から図2中下方向に放出された青色の光が、透明なダイボンド材及び同じく透明な基板部3を透過するので、青色光と、その一部により第2の蛍光体層20内で励起された蛍光体から放射された黄色の光とが混合されることにより生成された白色光が、図2中下方向に出射される。
以上のように照明装置1は、基板2の両面から白色光を取出すことができるので、こうした両面発光が必要な照明用途に好適に使用できる。
この照明装置1では、複数の排熱部材4がなした井桁格子の目に対向してLED7が配設されていて、LED7が発する直進性の高い光の光路上に排熱部材4が配置されていない。そのため、排熱部材4に妨げられることなく、基板2の第2の面3b側から光を効率よく取出すことができる。
以上の照明中において各LED7は発熱を伴う。これらLED7が発した熱は、電気絶縁性の基板部3に伝導するが、この基板部3には排熱部材4が格子状に埋め込まれている。そのため、各LED7から基板2に伝導された熱を、格子状の排熱部材4で導いて、これら排熱部材4の端部4aから基板2外の放熱部材22に速やかに排出できる。それにより、電気絶縁性の基板部3を有した基板2の温度上昇を抑制できるに伴い、基板2へのLED7からの放熱が維持されて、各LED7の温度過昇を抑制できる。したがって、各LED7の発光効率の低下が抑制される。
ちなみに、既述のように石英ガラス製の基板部3にタングステン線からなる複数の排熱部材4を井桁格子状に埋め込んだ照明装置1に、定格電流(20mA)を流して点灯した本実施形態では、排熱部材がない構成に比較して、基板温度を10℃〜20℃低減できることが確かめられた。
又、既述のように複数の排熱部材4がなした井桁格子の目の中央部に対向して各LED7が配設されているので、一つのLED7を囲むように位置している縦横の排熱部材4と、これが囲んだLED7までの距離は等しい。そのため、各LED7から排熱部材4への放熱のばらつきが抑制される。これに伴い、各LED7の温度のばらつきが抑制されるので、結果的に各LED7の発光輝度のばらつきも抑制できる。
次に、図3及び図4は本発明の第2実施形態を示している。第2実施形態は、以下説明する事項以外は第1実施形態と同じ構成であるので、同じ構成部分については第1実施形態と同一符号を付してその説明を省略する。
第2実施形態では、井桁格子状に組み合わされる複数の排熱部材4を基板部3に埋設するのではなく、基板部3のLED実装面(第1実装面)とは反対側の面、つまり、基板部3の第2の面3bに、排熱部材4が接着止により配設されている。そのため、排熱部材4の両方の端部4a間の部位、つまり、第2の枠体16内に位置された中間部は、第2の蛍光体層20で埋められている。
又、基板部3の周面3cに対して突出された排熱部材4の端部4aを納める溝22aが放熱部材22に形成されている。この溝22aの底面に端部4aが接した状態に固定されている。
更に、第2実施形態では、図3において上下方向に延びる排熱部材4に対向させて各LED7が基板2の第1の面3aに配設されている。なお、これに代えて、各LED7の配置は、縦横の排熱部材4の交差部に対向させて配設することもできるとともに、第1実施形態と同じに隣り合った排熱部材4間に対向させた配置とすることもできる。
第2実施形態の構成は以上説明した事項以外は第1実施形態と同じである。したがって、第2実施形態は、第1実施形態で既に説明した理由によって本発明の課題を解決できる。しかも、第2実施形態では、排熱部材4を第2の面3bに格子状に配設したことにより、第1の面3aの平坦度が保証され易い。又、排熱部材4に対向させて各LED7を配設したので、第2の面3b側からの光りの取出し性は低下するものの、各LED7から基板部3を経て排熱部材4に効率よく熱を取出して、それを排出できる点で好ましい。
本発明の第1実施形態に係る照明装置を一部切欠いた状態で示す正面図。 図1中矢印F2−F2線に沿って示す照明装置の断面図。 本発明の第2実施形態に係る照明装置を一部切欠いた状態で示す正面図。 図3中矢印F4−F4線に沿って示す照明装置の断面図。
符号の説明
1…照明装置、2…基板、3…基板部、3a…基板部の第1の面、3b…基板部の第2の面、3c…基板部の周面、4…排熱部材(放熱部)、4a…排熱部材の端部、7…LED(半導体発光素子)、11…ボンディングワイヤ、18…第1の蛍光体層、20…第2の蛍光体層、30…透光性基板。

Claims (2)

  1. 第1の面及びこの面に平行な第2の面とこれら両面にわたる周面を有した電気絶縁性・透光性を有する基板部を備える基板と;
    素子電極を有して前記第1の面に配設された複数の半導体発光素子と;
    前記複数の半導体発光素子を覆うように設けられた第1の蛍光体層と;
    前記第1の蛍光体層の厚さよりも厚くなるように前記第2の面に設けられた第2の蛍光体層と;
    を具備したことを特徴とする照明装置。
  2. 前記基板は、前記基板部より熱伝導率が高い材料で形成された放熱部を備え、前記放熱部は、前記第2の面又は前記基板部の内部に配設された複数の排熱部材であることを特徴とする請求項1に記載の照明装置。
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