JP2010199513A - 発光装置及びこの発光装置を備えた照明装置 - Google Patents

Abstract

【課題】耐熱性に優れかつＬＥＤ素子の故障が生じ難い発光装置及びこの発光装置を備えた照明装置を提供する。
【解決手段】基台１１と、前記基台１１上に実装された発光素子１２と、フッ素成分を含有する透光性材料からなり前記発光素子１２を封止する封止部材１４とを備えた発光装置１０において、フッ素成分を含有しない透光性材料からなり、前記封止部材１４と前記発光素子１２との間に前記発光素子１２を被覆する状態で介在し、前記封止部材１４側から前記発光素子１２側へのフッ素化合物の透過を抑制する透過抑制膜１５を設ける。
【選択図】図２

Description

本発明は、発光装置及びこの発光装置を備えた照明装置に関し、特にＬＥＤ(Ｌｉｇｈｔ Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｄｉｏｄｅ）素子等の発光素子を備えた発光装置及び照明装置に関する。

近年、省電力化、長寿命化を図るべく、従来からの放電灯に替えて、ＬＥＤ素子等の発光素子を光源として用いた発光装置の研究、開発が進んでいる。
上記発光装置は、基台に実装されたＬＥＤ素子を例えばエポキシ樹脂などの封止樹脂で封止した構成を有しているが、ＬＥＤ素子の高出力化が進み発熱量が増大すると、封止樹脂がその発熱量に耐えられず変色してしまい発光装置の輝度が低下するおそれがある。そのため、より耐熱性に優れ、高温でも変色しない封止樹脂の実用化が望まれている。また、発光装置の用途が拡大し、例えば車両用前照灯として利用するなど高温下での用途も増えてきたため、それに対応する必要もある。

そこで、従来、耐熱性に優れたフッ素樹脂を封止樹脂として用いることが提案されている（特許文献１）。
また、同じく耐熱性に優れたシリコーン樹脂を用いつつ、シリコーン樹脂とＬＥＤ素子との間に耐透湿性の高い例えばフッ素樹脂等を介在させて、シリコーン樹脂の耐透湿性の低さを補った構造も提案されている（特許文献２）。
国際公開第２００５／０８５３０３号パンフレット 特開２００８−１０５９１号公報

しかしながら、ＬＥＤ素子をフッ素樹脂によって封止した場合、発光装置が長時間高温になるとフッ素樹脂が熱分解してフッ素成分を含有するガスが発生し、そのガスによりＬＥＤ素子が腐食されて、発光装置が故障するおそれがある。
本発明は、上記の課題に鑑み、長時間高温になっても輝度低下や故障がおこり難い発光装置及びこの発光装置を備えた照明装置を提供することを目的とする。

本発明に係る発光装置は、基台上に実装された発光素子がフッ素成分を含有する透光性材料からなる封止部材によって封止された発光装置であって、フッ素成分を含有しない透光性材料からなり、前記封止部材と前記発光素子との間に前記発光素子を被覆する状態で介在し、前記封止部材に由来するフッ素化合物が前記発光素子側へ透過することを抑制する透過抑制膜を備えることを特徴とする。

本発明に係る照明装置は、光源として上記発光装置を備えることを特徴とする。

本発明に係る発光装置は、封止部材がフッ素成分を含有する透光性樹脂からなり、耐熱性が高く変色し難いため、長時間高温になっても発光装置の輝度低下がおこり難い。また、フッ素化合物の透過を抑制する透過抑制膜が封止部材と発光素子との間に発光素子を被覆するように介在しているため、フッ素成分を含有する透光性樹脂が熱分解してフッ素成分を含有するガスが発生したとしても、そのガスが発光素子に接することがないため、発光素子の腐食による発光装置の故障がおこり難い。

本発明に係る照明装置は、光源として上記発光装置を備えているため、長時間高温になっても輝度低下や故障がおこり難い。

以下、本実施の形態に係る発光装置及び照明装置について、図面を参照しながら説明する。なお、各図面における部材の縮尺は実際のものとは異なる。
［発光装置］
図１は、本発明の実施の形態に係る発光装置を示す平面図である。図２は、図１に示す発光装置のＡ−Ａ線に沿った断面矢視図である。

図１及び図２に示すように、本実施の形態に係る発光装置１０は、基台１１、発光素子１２、蛍光体層１３、封止部材１４及び透過抑制膜１５を備えたＬＥＤモジュールである。
基台１１は、例えば略矩形の基板であって、上面には配線パターン１６が形成されている。配線パターン１６は、Ａｇペーストによって直接発光素子１２が接続される第１電極（不図示）と、Ａｕワイヤ１７によって発光素子１２が接続される第２電極（不図示）と、基台１１を電源に接続するための一対の外部端子１８とを備え、第１電極及び第２電極は、各１つずつを１組として各発光素子１２に対して１組ずつ、発光素子１２の位置に合わせて配置されている。

発光素子１２は、例えば青色光を出射するＬＥＤ素子であって、基台１１上に当該基台１１の長手方向に沿って一列に複数個配置されている。なお、発光素子１２は、ＬＥＤ素子に限定されず、半導体レーザー素子、無機ＥＬ（Ｅｌｅｃｔｒｏ Ｌｕｍｉｎｅｓｃｅｎｃｅ）素子、有機ＥＬ素子等の電気エネルギーを光エネルギーに変換する電光変換素子であれば良い。また、発光素子１２の配列や個数は上記に限定されず、例えば配列はマトリックス状、同心円状、放射状又はランダム状などであっても良く、個数は１個であっても良い。

蛍光体層１３は、例えば各発光素子１２の主光取り出し面となる上面上に形成されており、発光素子１２から出射される青色波長の光を補色関係にある緑黄色波長の光に変換する特性の蛍光体を含んだ樹脂で形成されている。発光素子１２の発光による青色光と蛍光体層１３で変換された緑黄色光とが混ざり合って白色光が得られる。なお、上記は青色発光の発光素子１２が用いられた場合であり、蛍光体層１３に用いる蛍光体の特性は発光素子１２の発光色にあわせて種々変更することが考えられる。

封止部材１４は、例えば略四角錐台形状であって、発光素子１２、蛍光体層１３、及び配線パターン１６（外部端子１８の部分を除く）を覆うようにして基台１１上に形成されており、発光素子１２や配線パターン１６を水分、塵芥、外力等から保護する役割を果たす。
封止部材１４は、フッ素成分を含有する透光性材料で形成されている。フッ素成分を含有する材料としては、フッ素樹脂、フッ化物ガラス、フッ素ゴム等が挙げられるが、これら材料を用いれば長時間高温になっても茶色に変色しない（退色しない）耐熱性の高い封止部材１４を形成することができる。封止部材１４の耐熱性が高ければ、高出力で発熱量の大きい発光素子１２を封止したとしても変色により透光性が低下することがないため、長時間高温になっても輝度低下がおこり難い寿命の長い発光装置１０を得ることができる。なお、封止部材１４は、成形の容易なフッ素樹脂で形成することが好ましい。

封止部材１４は、発光素子１２の上面上に相当する領域の厚み、具体的には、発光素子１２の上面上に相当する領域における発光素子１２の上面と直交する方向の厚みＴ１（厚みＴ１が均一でない場合は最も薄い部分の厚み）が厚いほど、外力から発光素子１２を保護する機能が高いため、外力に対する耐久性の高い発光装置１０を得られる点において好ましい。例えば、封止部材１４がフッ素樹脂からなる場合は、厚みＴ１を５０μｍ以上とすれば従来のシリコーン樹脂で封止した発光装置と同等以上の耐久性を得ることができる。

透過抑制膜１５は、フッ素成分を含有しない透光性材料で形成されており、発光素子１２を被覆する状態で封止部材１４と発光素子１２との間に介在しており、この透過抑制膜１５によって、発光素子１２と封止部材１４とは完全に非接触状態となっている。
フッ素成分を含有する透光性材料は、長時間高温になるとフッ素成分を含有するガスを発生させる懸念がある。例えば、発生ガスとしてはフッ化水素（ＨＦ）等のフッ素化合物（フッ素単体及びフッ素イオンを含む）が考えられる。上記のように封止部材１４がフッ素成分を含有する透光性材料からなる場合では、発光装置１０が長時間高温になると封止部材１４に由来するフッ素成分を含有するガスが封止部材１４から発生する。しかしながら、本実施の形態に係る発光装置１０は透過抑制膜１５を備えており、当該透過抑制膜１５が封止部材１４側から発光素子１２側へのフッ素化合物の透過を抑制するため、発生したフッ素成分を含有するガスが発光素子１２に接することがなく、当該ガスによって発光素子１２が腐食されることがない。なお、発光素子１２の腐食の態様としては、例えば発光素子１２のパッシベーション膜がフッ化水素により溶解してしまうことが挙げられる。

なお、フッ素成分を含有するガスは、発光装置１０の製造工程において、封止部材１４の成形時の仮硬化や本硬化での熱処理によっても発生することが懸念されるし、発光装置１０完成後も、点灯時の発光素子１２の発熱によっても発生する可能性がある。しかしながら、透過抑制膜１５は、封止部材１４が形成される前に形成されるため、上記いずれの局面においてもフッ素成分を含有するガスから発光素子１２を保護する。

透過抑制膜１５は、封止部材１４がフッ素樹脂からなる場合、例えばシロキサン系の樹脂材料で形成することが考えられる。シロキサン系の樹脂からなる透過抑制膜１５は、発光素子１２との接着性が良く、フッ素樹脂からなる封止部材１４との接着性も良いため、信頼性の高い発光装置１０を製造するのに適している。透過抑制膜１５及び封止部材１４が樹脂からなる場合において、透過抑制膜１５は、ＪＩＳ Ｋ６２５３（ショアＡ、ショアＤ、ショアＥ）に準じて測定したデュロメータ硬度が封止部材１４よりも低いことが好ましい。フッ素樹脂からなる封止部材１４は長時間高温になると硬化する特性を有し、この硬化により封止部材１４から発光素子１２への応力が高まる可能性があるが、透過抑制膜１５の硬度が封止部材１４の硬度よりも低いと、その応力が透過抑制膜１５で緩和され発光素子１２への負荷が減少する。

また、透過抑制膜１５は、封止部材１４がフッ素樹脂からなる場合、シロキサン系の無機材料で形成することも考えられる。シロキサン系の無機材料からなる透過抑制膜１５は、耐ガス透過性が高く（ガスを通し難く）、耐熱性も高いため、信頼性の高い発光装置を製造するのに適している。なお、透過抑制膜１５をシロキサン系の無機材料で形成した場合は、シロキサン系の樹脂で形成した場合よりも発光素子１２との接着性が悪い。したがって、その接着性を補うために発光素子１２と透過抑制膜１５との間にプライマー層を介在させることが好ましい。プライマー層は、例えばシリコンレジン系、シラン系のカップリング材料で形成することが考えられる。なお、プライマー層を介在させることにより発光装置１０の耐ガス透過性はさらに向上する。

また、透過抑制膜１５は、封止部材１４がフッ素樹脂からなる場合、パラキシリレン系のポリマー材料で形成することも考えられる。パラキシリレン系のポリマー材料で形成された透過抑制膜１５は、耐ガス透過性及び耐熱性に優れているため、信頼性の高い発光装置を製造するのに適している。
なお、透過抑制膜１５の形成に用いる材料は、上記に限定されず、例えば、ＳｉＯ_２、Ａｌ_２Ｏ_３、ＭｇＯ、Ｉｎ_２Ｏ_３、ＺｎＯ、ＴａＯ_５、ＴｉＯ_２等の金属酸化物であっても良い。

透過抑制膜１５は、長時間高温になると茶色に変色して光線透過率が減少し、発光装置１０の輝度を低下させてしまうおそれがあるため、極力薄膜であることが好ましい。また、発光素子１２の上面上に相当する領域における発光素子１２の上面と直交する方向の厚みＴ２（厚みＴ２が均一でない場合は最も厚い部分の厚み）が封止部材１４の厚みＴ１以下であることが好ましい。さらに、厚みＴ２は、厚みＴ１の半分以下であることが好ましい。

一般的に、膜に対するガスの透過速度Ｑは、膜材料のガス透過性ｋに比例し、膜厚Ｌに反比例することが知られている（膜にかかる圧力差をΔＰとすると、Ｑ＝ｋ・ΔＰ／Ｌで表すことができる）。したがって、ガスの透過を防ぐ目的で要望される透過抑制膜１５の最小膜厚は膜材料の物性値により異なる。
透過抑制膜１５は、酸素ガス透過度が５００ｃｃ／ｍ^２・ｄａｙ以下となるように膜厚を選択することが好ましい。そのためには、例えば、透過抑制膜１５がシロキサン系の樹脂材料からなる場合は膜厚が１０μｍ以上、シロキサン系の無機材料からなる場合は膜厚が０．１μｍ以上であることが好ましい。

［発光装置の変形例］
以上、本実施の形態に係る発光装置を実施の形態に基づいて具体的に説明してきたが、本発明に係る発光装置は上記の実施の形態に限定されず、例えば以下のような変形例が考えられる。なお、変形例の説明では、本実施の形態と異なる点について重点的に説明し、本実施の形態と同様の点ついては重複を避けるため説明を簡略若しくは省略する。

＜変形例１＞
図３は、変形例１に係る発光装置を示す断面図である。図３に示すように、変形例１に係る発光装置２０では、基台２１上に実装された発光素子２２がフッ素成分を含有しない透光性材料からなる透過抑制膜２５で被覆されているのに対し、蛍光体層２３は透過抑制膜２５で被覆されておらず透過抑制膜２５上における発光素子２２の上方に相当する領域に積層されている。そして、発光素子２２、透過抑制膜２５及び蛍光体層２３は、フッ素成分を含有する透光性材料からなる封止部材２４で封止されている。

このように、蛍光体層２３は必ずしも透過抑制膜２５に被覆されている必要はなく、透過抑制膜２５との関係においてはどのように配置されていても良い。但し、変形例１に係る発光装置２０のような構成とすれば、例えば蛍光体層２３が蛍光体を分散させたフッ素成分を含有する透光性材料からなる場合に、蛍光体層２３で発生したフッ素成分を含有するガスから発光素子２２を保護することができる。

＜変形例２＞
図４は、変形例２に係る発光装置を示す断面図である。図４に示すように、変形例２に係る発光装置３０では、蛍光体層が設けられておらず、その代わりに、基台３１上に実装された発光素子３２と、フッ素成分を含有しない透光性材料からなり発光素子３２を被覆する透過抑制膜３５とが、蛍光体を分散させたフッ素成分を含有する透光性材料からなる封止部材３４で封止されている。このように、封止部材３４に蛍光体を含有させる構成とすれば、蛍光体層を設ける必要がない。なお、発光装置１０の発光色が青色や赤色などの白色以外の色である場合は蛍光体を必ずしも必要としないため、変形例２に係る発光装置において封止部材３４に蛍光体を含有させない構成とすることもできる。

＜変形例３＞
図５は、変形例３に係る発光装置を示す断面図である。図５に示すように、変形例３に係る発光装置４０では、蛍光体層が設けられておらず、その代わりに、基台４１上に実装された発光素子４２を被覆する透過抑制膜４５が蛍光体を分散させたフッ素成分を含有しない透光性材料で形成されている。このように、透過抑制膜４５に蛍光体を含有させる構成とすれば、蛍光体層を設ける必要がない。なお、このような構成とした場合は、透過抑制膜４５の発光素子４２上の領域における発光素子４２の上面と直交する方向の厚みＴ２が多少厚くならざるを得ないが、上述したのとおり透過抑制膜４５は薄膜であることが好ましい。さらに、透過抑制膜４５の厚みＴ２は、封止部材４４の厚みＴ１以下であることがより好ましく、厚みＴ１の半分以下であることがさらに好ましい。

＜変形例４＞
図６は、変形例４に係る発光装置を示す断面図である。図６に示すように、変形例４に係る発光装置５０では、蛍光体層５３が蛍光体を分散させた樹脂ではなく、透光性蛍光セラミックスなど無機蛍光体を含んでなる透光性無機成形体からなり、当該蛍光体層５３が、基台５１上に実装された発光素子５２の上面に接着剤５６により接着されている。そして、発光素子５２及び蛍光体層５３は、フッ素成分を含有しない透光性材料からなる透過抑制膜５５で被覆され、さらにフッ素成分を含有する透光性材料からなる封止部材５４で封止されている。なお、接着剤５６は、無機又は有機のいずれかの透光性材料を用いても良く、例えば樹脂系の透光性接着剤（シリコーン樹脂系接着剤など）や低融点無機接着剤（低融点ガラスなど）が利用可能である。

＜変形例５＞
図７は、変形例５に係る発光装置を示す断面図である。図７に示すように、変形例５に係る発光装置６０は、封止部材６４が略四角錐台形状ではなく略半球形状である点が本実施の形態に係る発光装置１０と異なる。その他の構成部材については本実施の形態に係る発光装置１０と同様であるため同符号を付して説明は省略する。
封止部材６４は、発光素子１２と同数の封止部材６４が独立して各発光素子１２を個別に封止しており、それぞれがレンズとして機能し、各レンズの光軸は発光素子１２の中心と一致している。このように封止部材６４にレンズ機能を付与すれば、より指向性の高い光束を得ることができる。

＜変形例６＞
図８は、変形例６に係る発光装置を示す断面図である。図８に示すように、変形例６に係る発光装置７０は、反射面７６ａを備えた反射部材７６を備える点が本実施の形態に係る発光装置１０とは大きく異なる。その他の構成については本実施の形態に係る発光装置１０と略同様であるため同様の機能を有する部材には同符号を付して説明は省略する。
反射部材７６には、各発光素子１２に対応して貫通孔７６ｂが開設されている。各貫通孔７６ｂは、水平断面（基台１１の上面と平行な断面）が円形状であって、主光取り出し方向である上方（基台１１の上面に対して垂直方向かつ基台１１から遠ざかる方向）に向かって断面積が増大するようにテーパ状（いわゆる上広がり状）に形成されており、貫通孔７６ｂの内面が反射面７６ａとなっている。貫通孔７６ｂ内には、発光素子１２及び蛍光体層１３が配置されており、それらはフッ素成分を含有しない透光性材料からなる透過抑制膜１５で被覆されており、その貫通孔７６ｂ内にフッ素成分を含有する透光性材料を充填することによって発光素子１２及び蛍光体層１３を封止する封止部材７４が形成されている。
反射部材７６は、例えば反射効率が高く放熱性の良いアルミからなる成型品とすることが考えられる。なお、反射部材７６はアルミからなる成型品に限定されず、例えば、ステンレス、銅などの他の金属、セラミックまたは樹脂などの単一材料からなる成型品であっても良い。また、アルミニウム、アルミニウム合金または銅などの金属、セラミックおよび樹脂などのうちの少なくとも２種の混合物からなる成型品であっても良い。さらには、それら成型品の表面に反射機能を有するよう光沢が形成できる材料をメッキまたはコーティングしたものであっても良い。

［照明装置］
図９は、第１の実施形態に係る照明装置を示す断面図である。図９に示すように、第１の実施形態に係る照明装置１００は、車両用前照灯であって、本発明に係る発光装置１０、放熱フィンをもつ基台１０１、レンズ１０２およびレンズ支持部材１０３を備える。
図１０は、第２の実施形態に係る照明装置を示す斜視図である。図１０に示すように、第２の実施形態に係る照明装置２００は、いわゆる電球形照明装置であって、本発明に係る発光装置１０と、この発光装置１０が固定されるヒートシンク２０１と、発光装置１０を覆うグローブ２０２と、ヒートシンク２０１の発光装置１０とは反対側に取着されたケース２０３と、当該ケース２０３に取着された口金２０４と、ケース２０３の内部に収納された発光装置１０を点灯させるための点灯ユニット（不図示）とを備える。

口金２０４は、一般電球でも用いられているＥ型の口金、例えば、Ｅ２６である。点灯ユニットは、商業電源を利用してＬＥＤ素子を発光させる公知の回路が用いられており、例えば、商業電源から供給された交流電力を直流電力に整流する整流回路、この整流回路により整流された直流電力の電圧値を調整する電圧調整回路等を備える。
上記第１及び第２の実施形態に係る照明装置１００，２００は、いずれも光源として本発明に係る発光装置１０を備えているため、長時間高温になっても輝度低下や故障がおこり難い。

以上、本実施の形態に係る照明装置を実施の形態に基づいて具体的に説明してきたが、本発明に係る照明装置は、上記の実施の形態に限定されない。

本発明は、照明一般に広く利用することができる。特に、長時間点灯され高温になり易い発光装置及び照明装置への利用に適している。

本発明の実施の形態に係る発光装置を示す平面図 図１に示す発光装置のＡ−Ａ線に沿った断面矢視図 変形例１に係る発光装置を示す断面図 変形例２に係る発光装置を示す断面図 変形例３に係る発光装置を示す断面図 変形例４に係る発光装置を示す断面図 変形例５に係る発光装置を示す断面図 変形例６に係る発光装置を示す断面図 第１の実施形態に係る照明装置を示す断面図 第２の実施形態に係る照明装置を示す断面図

１１，２１，３１，４１，５１ 基台
１２，２２，３２，４２，５２ 発光素子
１４，２４，３４，４４，５４，６４，７４ 封止部材
１０，２０，３０，４０，５０，６０，７０ 発光装置
１５，２５，３５，４５，５５ 透過抑制膜
１００，２００ 照明装置

Claims (9)

1. 基台上に実装された発光素子がフッ素成分を含有する透光性材料からなる封止部材によって封止された発光装置であって、
   フッ素成分を含有しない透光性材料からなり、前記封止部材と前記発光素子との間に前記発光素子を被覆する状態で介在し、前記封止部材に由来するフッ素化合物が前記発光素子側へ透過することを抑制する透過抑制膜を備えることを特徴とする発光装置。
2. 前記封止部材は、フッ素樹脂からなることを特徴とする請求項１に記載の発光装置。
3. 前記封止部材は、前記発光素子の主光取り出し面上に相当する領域の厚みが５０μｍ以上であることを特徴とする請求項２記載の発光装置。
4. 前記透過抑制膜は、シロキサン系の樹脂材料からなることを特徴とする請求項２又は３に記載の発光装置。
5. 前記透過抑制膜は、ＪＩＳ Ｋ６２５３に準じて測定したデュロメータ硬度が前記封止部材よりも低いことを特徴とする請求項４記載の発光装置。
6. 前記透過抑制膜は、シロキサン系の無機材料からなることを特徴とする請求項２又は３に記載の発光装置。
7. 前記発光素子と前記透過抑制膜との間にプライマー層が介在していることを特徴する請求項６に記載の発光装置。
8. 前記透過抑制膜は、パラキシリレン系のポリマー材料からなることを特徴とする請求項２又は３に記載の発光装置。
9. 光源として請求項１〜８のいずれか１項に記載の発光装置を備えることを特徴とする照明装置。

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