JP2012134306A - 発光装置及びそれを用いた照明装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】複数の固体発光素子（ＬＥＤ）を用いた発光装置において、開放モードにあるＬＥＤが故障等した場合であっても、輝度ムラを生じ難くする。
【解決手段】発光装置１は、複数のＬＥＤ２が互いに近接して配置されると共に夫々直列に接続されたＬＥＤ群２Ｇを複数備え、各ＬＥＤ群２ＧにおけるＬＥＤ２の素子間電位差が等しくなるように構成され、ＬＥＤ群２Ｇの各々が、互いに並列に接続されて、それら群間の電位差が等しくなるように構成されている。この構成によれば、開放モードにあるＬＥＤ２が故障等した場合であっても、それ以外のＬＥＤ２に電流が流れるので、ＬＥＤ群２Ｇは、群単位として不点灯とはならず、輝度ムラを抑制することができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、光源として複数の固体発光素子を用いた発光装置、及びこの発光装置を用いた照明装置に関する。
発光ダイオード（以下、ＬＥＤ）は、低電力で高輝度の発光が可能であり、しかも長寿命であることから、白熱灯や蛍光灯に代替する照明装置用の光源として注目されている。しかし、ＬＥＤ単体では、蛍光灯に比べて光量が少ないので、ＬＥＤを光源とする一般的な照明装置では、複数のＬＥＤを備えた発光装置が用いられている。
複数のＬＥＤチップを接続する方法は種々あるが、例えば、特許文献１には、ＬＥＤチップをアレイ状に並列回路で接続した技術が開示されている。この技術では、１粒単位でチップを配置しているため、チップ性能のバラツキにとる各電流のバラツキがそのまま並列回路を構成するＬＥＤモジュールの発光部の輝度ムラに直結することとなる。そこで、例えば、特許文献２に開示されているように、複数のＬＥＤを直列接続してなる素子群を複数、並列に接続して、群相互間の電流バラツキを小さくする技術が知られている。この技術によれば、素子群間のバラツキが小さくなるため、発光部の輝度ムラを小さくすることが期待できる。
特開２００６−２９５０８５号公報 特開平９−２４６６０２号公報
しかしながら、上記特許文献２に開示されている技術は、素子群が直列接続で構成されているので、素子群の輝度ムラを抑制できたとしても、開放モードにあるＬＥＤが故障等したときには、そのＬＥＤだけでなく、他のＬＥＤも点灯しなくなる。すなわち、素子群全体が消えるため、不点を招くこととなる。
本発明は、上記課題を解決するものであり、複数のＬＥＤを用い、開放モードにあるＬＥＤが故障等した場合であっても、それ以外のＬＥＤが不点灯とならず、輝度ムラを生じ難い発光装置及びこの発光装置を用いた照明装置を提供することを目的とする。
上記課題を解決するため、本発明に係る発光装置は、複数の固体発光素子が互いに近接して配置されると共に夫々直列に接続された発光素子群を複数備え、前記各発光素子群における固体発光素子の素子間電位差が等しくなるように構成され、前記発光素子群の各々が、互いに並列に接続されて、それら群間の電位差が等しくなるように構成されていることを特徴とする。
上記発光装置において、前記複数の発光素子群は、アレイ状に配置されて、発光素子アレイを成すことが好ましい。
上記発光装置において、前記発光素子アレイは、環状に配置されていることが好ましい。
上記発光装置において、前記発光素子アレイは、マトリクス状に配置されていることが好ましい。
上記発光装置は照明器具に用いられることが好ましい。
本発明によれば、直列に接続された各発光素子群における固体発光素子の素子間電位差が等しくなるように構成され、開放モードにある固体発光素子が故障等した場合であっても、それ以外の固体発光素子に電流が流れるので、発光素子群は、群単位として不点灯とはならず、輝度ムラを抑制することができる。
本発明の第１の実施形態に係る発光装置の上面図。 同発光装置の別の構成を示す上面図。 上記別の構成の変形例を示す上面図。 本発明の第２の実施形態に係る発光装置の上面図。 上記第２の実施形態の変形例に係る発光装置の上面図。 本発明の第３の実施形態に係る発光装置の上面図。 同発光装置の別の構成を示す上面図。 本発明の第４の実施形態に係る発光装置の上面図。 本発明の第５の実施形態に係る発光装置の上面図。
本発明の第１の実施形態に係る発光装置について、図１を参照して説明する。本実施形態の発光装置１は、複数の固体発光素子（以下、ＬＥＤ）２が、配線基板（以下、基板）３に互いに近接して配置され、それらが直列に接続された発光素子群（以下、ＬＥＤ群）２Ｇを複数備える。また、複数のＬＥＤ群２Ｇが、基板３上にアレイ状に配置されて、発光素子アレイ（以下、ＬＥＤアレイ）２Ａを構成する。なお、本実施形態においては、同一基板３上に１０個のＬＥＤ２が実装され、２個が近接して配置されて１つのＬＥＤ群２Ｇを構成し、５つのＬＥＤ群２Ｇが１つのＬＥＤアレイ２Ａを構成する例に基いて説明する。
１つの基板３あたりのＬＥＤ２の個数は、必ずしも上記の例に限定されず、近接配置される個数も２個に限定されない。ただし、１つのＬＥＤ群２Ｇのサイズが大きくなり過ぎないように、近接配置されるＬＥＤ２の個数は、９個以内であることが望ましい。また、ＬＥＤ群２Ｇ内のＬＥＤ２同士は、できる限り近接して配置され、その間隔は、好ましくは、１μｍ〜０．１ｍｍである。このとき、１つのＬＥＤ群２Ｇが、正方形に近づくように、１つのＬＥＤ群２ＧあたりのＬＥＤ２の個数及びそれらの配置が設定される。
基板３上には、一対の電極パターン部４と、複数のＬＥＤ２が実装される実装パターン部５と、この実装パターン部５を囲う等電位パターン部６とがパターニング形成されている。ＬＥＤ２は、実装パターン部５上に配置され、等電位パターン部６を介して、ボンディングワイヤ（以下、ワイヤ）７によって直列に接続される。また、１つのＬＥＤ群２Ｇは、群単位としての正極及び負極が、夫々電極パターン部４に、ワイヤ７によって接続される。これにより、各ＬＥＤ群２ＧにおけるＬＥＤ２の素子間電位差が等しくなるように構成され、かつＬＥＤ群２Ｇの各々が、互いに並列に接続されて、それら群間の電位差が等しくなるように構成される。なお、以下の説明において、ＬＥＤアレイ２Ａには、上記各パターン部が含まれるものとする。
ＬＥＤ２は、好ましくは、ＧａＮベースの青色ＬＥＤ等といった汎用の窒化物半導体が用いられるが、発光色（発光波長）は任意である。ＬＥＤ２の形状は、図例では、上面形状が長方形のものを示しているが、正方形であってもよく、特に限定されない。また、本実施形態においては、ＬＥＤ２として、実装面と対向する上面側に陽極及び陰極の各電極が設けられた、上面実装タイプ（いわゆるフェイスアップ型）の素子を用いた例に基いて説明するが、これに限定されない。例えば、実装面とその対向面に夫々正負電極を有する上下電極タイプ、又は実装面にのみ正負電極を持つ下面実装タイプであってもよい。
ＬＥＤ２の実装方法としては、ＬＥＤ２を実装パターン部５上に、例えば、シリコーン系のダイボンド材（不図示）で接合し、素子上面の各電極から、ワイヤ７を用い、電極パターン部４及び等電位パターン部６にボンディング接合される。ダイボンド材は、上記のものに限られず、例えば、銀ペースト、その他高耐熱のエポキシ系樹脂材等であってもよい。また、ＬＥＤ２の電極の位置等によって、パターン形成やワイヤボンディング方法は適宜に変更される。
基板３の母材には、例えば、ガラスエポキシ樹脂等の汎用の絶縁性基板が用いられる。また、アルミナや窒化アルミ等のセラミック基板、表面に絶縁層が設けられた金属基板であってもよい。基板３の形状は、長尺矩形状であり、そのサイズは、例えば、１０ｍｍ×３０ｍｍ×ｔ１．０である。
基板３上に形成された各パターン部（電極パターン部４、実装パターン部５及び等電位パターン部６）は、例えば、Ａｕ表面でメッキ法により形成される。メッキ法は、Ａｕに限られず、例えば、Ａｇ、Ｃｕ、Ｎｉ等であってもよい。また、各パターン部の表面のＡｕは、基板３との接着力を向上させるために、例えば、Ａｕ／Ｎｉ／Ａｇといった積層構造とされてもよい。なお、実装パターン部５は、その表面に光反射処理が施され、ＬＥＤ２からの基板３側へ出射された光を反射するように構成されることが望ましい。
電極パターン部４は、基板３の長手方向に沿ってその両縁に夫々形成され、電極パターン部４の左右両側、又はどちらか一方に、リード線８を接続するための電極パッド部４１が設けられる。なお、リード線８は、発光装置１の給電部（不図示）又は他の発光装置１に接続される。実装パターン部５は、基板３の中央領域に帯状に形成される。等電位パターン部６は、実装パターン部５を囲うように、かつ電極パターン部４と所定の間隔を空けて形成される。なお、等電位パターン部６は、連続したパターンとして形成されていればよく、実装パターン部５を囲っていなくてもよい。また、例えば、３個以上のＬＥＤ２によって１つのＬＥＤ群２Ｇが構成される場合、等電位パターン部６は複数設けられてもよい。この場合、各等電位パターン部６は、互いの絶縁性を確保するための間隔をあけて、例えば、図示した等電位パターン部６の内側又は外側に形成される。
ワイヤ７には、例えば、汎用のＡｕワイヤが用いられる。また、Ａｌワイヤ又はＣｕワイヤ等であってもよい。ワイヤ７は、熱接合又は超音波接合等の公知の接合方法により、ＬＥＤ２の各電極及び各パターン部に接合される。
リード線８を介して給電部（不図示）から電流が供給され、電極パターン部４及びワイヤ７を通じてＬＥＤ２へ電流が注入されると、ＬＥＤ２が発光する。一般的に、ＬＥＤには、固体差による性能バラツキがあるので、複数のＬＥＤに対して同じ電圧が印加された場合でも、各ＬＥＤの発光輝度は一致しないことがある。これに対して、本実施形態の発光装置１によれば、直列に接続された複数のＬＥＤ２一群として発光することにより、ＬＥＤ毎の性能バラツキが平準化される。また、複数のＬＥＤ群２Ｇが、夫々並列に接続されているので、各ＬＥＤ群２Ｇは、電位差が等しくなり、群単位における発光輝度が均一化される。その結果、発光装置１は、輝度ムラがほとんど無い光を照射することができる。また、ＬＥＤ群２Ｇにおいて、短絡モードでいずれかのＬＥＤ２が故障した場合でも、同じＬＥＤ群２Ｇ内の他のＬＥＤ２が正常であれば、そのＬＥＤ２は点灯するので、群単位として不点灯とはならず、発光装置１全体としての輝度ムラを抑制することができる。
また、本実施形態の発光装置１においては、各ＬＥＤ２は、等電位パターン部６を介して直列に接続されることにより、各ＬＥＤ群２ＧにおけるＬＥＤ２間の電位差が等しくなるように構成されている。この構成によれば、一方の電極パターン部４からＬＥＤ群２Ｇ内の１つＬＥＤ２へ電流が流れ、このＬＥＤ２から等電位パターン部６を介して、他のＬＥＤ群２Ｇ内のＬＥＤ２を含め、他のＬＥＤ２へ電流が流れた後、他方の電極パターン部４へ流れる。従って、基板３上の設けられたＬＥＤ２が、開放モードで故障した場合であっても、故障したＬＥＤ２を含むＬＥＤ群２Ｇの残りのＬＥＤ２には等電位パターン部６より電流が供給される。従って、その残りのＬＥＤ２が点灯することにより、故障したＬＥＤ２を含むＬＥＤ群２Ｇは群単位として不点灯とはならず、発光装置１全体として輝度ムラを抑制することができる。また、ワイヤ７の一部が断線した場合でも、等電位パターン部６に接続された他のワイヤ７によって各ＬＥＤ２に電流が流れ、それらＬＥＤ２が発光するので、発光装置１を組み込んだ照明装置の信頼性を向上させることができる。
ここで、本実施形態の発光装置１の別構成について、図２及び図３を参照して説明する。この構成は、図２に示すように、実装パターン部５を大きく形成し、この実装パターン部５を、上述した等電位パターン部６としての機能を兼ねさせたものである。この場合、ＬＥＤ群２Ｇ内のＬＥＤ２を電気的に接続するための２本のワイヤ７は、夫々実装パターン部５へ接続される。
この構成によれば、基板３上に実装パターン部５の面積を大きく形成することができ、これにより、ＬＥＤ２からの熱が実装パターン部５を介して基板３全体に伝熱されるので、放熱性を向上させることができる。また、この実装パターン部５に、高反射処理を施すことにより、ＬＥＤ２から基板３側へ出射された光を、発光装置１の光導出方向へ反射することができ、光取出し効率を向上させることができる。
基板３上の各パターン部は、図３に示すように、ワイヤ７の結線やＬＥＤ２の実装に必要な領域を除き、白色レジスト９によって覆われていてもよい。白色レジスト９は、例えば、リフトオフ法等により形成される。白色レジスト９によって各パターン部が保護されるので、配線の安定性が向上し、しかも、発光装置１を照明装置に組み込む際の取り扱いが容易となり、装置の製造効率が良くなる。
次に、本発明の第２の実施形態に係る発光装置について、図４を参照して説明する。本実施形態の発光装置１は、電極パターン部４から、各ＬＥＤ群２Ｇの近傍まで延びる引出し電極部４ａを備えたものである。また、実装パターン部５は、引出し電極部４ａを含む電極パターン部４との間で絶縁性を確保できる程度の間隔を空けて形成されている。また、本実施形態では、上記第１の実施形態で示したものに比べて、基板３が幅広となっている。なお、引出し電極部４ａは、ＬＥＤ群２Ａの実装位置から０．５〜１．０ｍｍ離れた位置まで引き出されることが好ましいが、それらの位置関係は上記に限られない。引出し電極部４ａの幅は、ワイヤ７の接合に十分な幅があればよく、好ましくは、０．５ｍｍとされる。このように形成された引出し電極部４ａは、その先端部がＬＥＤ群２Ｇの群単位における正極及び負極と、夫々ワイヤ７によって電気的に接続される。
この構成によれば、引出し電極部４ａが、ＬＥＤ群２Ｇの近傍まで延びているので、ＬＥＤ２と電極パターン部４とをワイヤボンディングする際に、ワイヤ７の使用量を削減することができ、製造コストを安価とすることができる。また、結線されるワイヤ７の長さが短くなる分、ワイヤ７の断線が生じ難くなり、発光装置１の信頼性を向上させることができる。また、幅広の基板３を用いた場合でも、ワイヤ７の使用量を増やす必要がなくなる。幅広の基板３を用いれば、実装パターン部５の面積を大きく形成することができ、これにより、ＬＥＤ２からの熱が実装パターン部５を介して基板３全体に伝熱されるので、放熱性を向上させることができる。
次に、上記第２の実施形態の変形例に係る発光装置について、図５を参照して説明する。この変形例に係る発光装置１は、上面の形状が正方形のＬＥＤ２を４個（２×２）を用いて１つのＬＥＤ群２Ｇを構成し、これらを４個のＬＥＤを直列に接続すると共に、２番目及び３番目のＬＥＤ２を実装パターン部５を介して接続させたものである。この構成によれば、１つのＬＥＤ群２Ｇに含まれる４個のＬＥＤ２うち、いずれか１個が開放モードで故障した場合であっても、ＬＥＤ群２Ｇに含まれる少なくとも２個のＬＥＤ２には等電位パターン部６より電流が供給される。そのため、それらのＬＥＤ２が点灯することにより、ＬＥＤ群２Ｇが群単位として不点灯とはならず、発光装置１全体として輝度ムラを抑制することができる。また、１つのＬＥＤ群２ＧあたりのＬＥＤ２の数が多くなるので、全体として光量が多くなり、高出力の照明装置に対応することができる。
次に、本発明の第３の実施形態に係る発光装置について、図６及び図７を参照して説明する。本実施形態の発光装置１は、図６に示すように、上記第１及び第２の実施形態で示した基板３よりも更に長尺に形成された基板３上に、ＬＥＤアレイ２Ａ（図２示した構成）が、更にアレイ状に複数形成されているものである。各ＬＥＤアレイ２Ａの電極パターン部４は、接続パターン部１０を介して接続されている。接続パターン部１０は、あるＬＥＤアレイ２Ａの上側の電極パターン部４を、図中左側に隣り合うＬＥＤアレイ２Ａの下側の電極パターン部４に接続する。なお、配列されたＬＥＤアレイ２Ａの両端部の電極パターン部４には電極パッドが設けられ、リード線等を介して給電部へ接続される（不図示）。１つのＬＥＤアレイ２Ａ内のＬＥＤ群２Ｇ同士の間隔と、隣り合うＬＥＤアレイ２Ａの端部のＬＥＤ群２Ｇ同心も距離は、略同一となるように配置されることことが望ましい。
この構成によれば、管状蛍光灯に代替可能な長尺の発光装置１においても、上記第１及び第２の実施形態と同様に、輝度ムラがほとんど無い光を照射することができる。なお、図７に示すように、上記図４に示したＬＥＤアレイ２Ａが、更にアレイ状に複数形成されてもよい。
次に、本発明の第４の実施形態に係る発光装置について、図８を参照して説明する。本実施形態の発光装置１は、環状となるように形成された基板３上に、ＬＥＤアレイ２Ａが、複数形成されているものである。具体的には、環状となった基板３の形状に応じて、電極パターン部４及び実装パターン部５が、夫々円弧状に形成され、この実装パターン部５上に沿ってＬＥＤ群２Ｇが同間隔で配置されている。他の構成は、上記第３の実施形態と同様である。この構成によれば、環状蛍光灯に代替可能な発光装置１においても、上記第１乃至第３の実施形態と同様に、輝度ムラがほとんど無い光を照射することができる。
次に、本発明の第５の実施形態に係る発光装置について、図９を参照して説明する。本実施形態の発光装置１は、ＬＥＤアレイ２Ａが、マトリクス状に配置されているものであり、上記第３の実施形態で示した発光装置１（図６参照）が近接して配置されたものに相当する。この構成によれば、面状の発光装置１においても、上記第１乃至第４の実施形態と同様に、輝度ムラがほとんど無い光を照射することができる。しかも、接続されるＬＥＤアレイ２Ａの列数を変化させることにより、任意の大きさの面状光源（照明装置）を製造することができる。
なお、本発明は、上記実施形態に限らず、種々の変形が可能である。上述のように構成された発光装置１は、封止部材及び波長変換部材等が設けられ、更に、照明器具本体に組み込まれて、照明装置として製造される。
１ 発光装置
２ ＬＥＤ（固体発光素子）
２Ｇ ＬＥＤ群（発光素子群）
２Ａ ＬＥＤアレイ（発光素子アレイ）

Claims (5)

  1. 複数の固体発光素子が互いに近接して配置されると共に夫々直列に接続された発光素子群を複数備え、
    前記各発光素子群における固体発光素子の素子間電位差が等しくなるように構成され、
    前記発光素子群の各々が、互いに並列に接続されて、それら群間の電位差が等しくなるように構成されていることを特徴とする発光装置。
  2. 前記複数の発光素子群が、アレイ状に配置されて、発光素子アレイを成すことを特徴とする請求項１に記載の発光装置。
  3. 前記発光素子アレイが、環状に配置されていることを特徴とする請求項２に記載の発光装置。
  4. 前記発光素子アレイが、マトリクス状に配置されていることを特徴とする請求項２に記載の発光装置。
  5. 請求項１乃至請求項４のいずれか一項に記載の発光装置を用いた照明器具。
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