JP2013187052A

JP2013187052A - 面発光体

Info

Publication number: JP2013187052A
Application number: JP2012051494A
Authority: JP
Inventors: Koichi Nakamura; 浩一中村; Masato Gomi; 正人五味; Daisuke Ikeda; 大介池田
Original assignee: AMCREW CO Ltd; Koito Manufacturing Co Ltd
Current assignee: AMCREW CO Ltd; Koito Manufacturing Co Ltd
Priority date: 2012-03-08
Filing date: 2012-03-08
Publication date: 2013-09-19

Abstract

【課題】面発光体の発光素子からの光を配光制御する技術を提供する。
【解決手段】少なくとも一面に電気配線が印刷された屈曲可能である基板２０上に、複数の発光素子３０が配置される。発光素子３０の少なくとも一部に被せるようにして、発光素子から発せられる光を配光制御するレンズ３２が配置される。発光素子３０およびレンズ３２を基板２０との間に封入するように、カバーフィルム２２が基板上に張設される。レンズ３２の外周をシーリング剤でポッティング３４した後に、カバーフィルム２２が張設されてもよい。
【選択図】図２

Description

本発明は、可撓性を有する基板上に複数の発光素子を設けた面発光体の構造に関する。

屈曲自在な基板上に複数の発光素子を取り付けた面発光体が実用化されている。このような面発光体は薄型軽量であり、種々の形状に変形させて使用できるという特徴を有しており、主に内照式看板の光源として使用されている。特許文献１には、電気配線を有した基板と、この基板に対して配置された複数のＬＥＤ素子とを備える面発光体において、電気配線がインクジェット印刷によって基板に形成された面発光体が記載されている。

特開２０１１−５９２９４号公報

面発光体は屈曲が容易かつ軽量であることから、面発光体を天井灯、間接照明、装飾照明などとして利用することが考えられている。面発光体を照明として用いる場合、ＬＥＤの指向性のために、面発光体を観察したときにＬＥＤが粒状に見えてしまい見映えが悪いという問題がある。また、カバーなどを使用せずに面発光体を直接屋外などに設置する場合、ＬＥＤの耐久性が問題になる。

本発明はこうした状況に鑑みてなされたものであり、その目的は、面発光体の発光素子からの光を配光制御する技術を提供することにある。

本発明のある態様の面発光体は、少なくとも一面に電気配線が印刷された屈曲可能な基板と、基板上に配置された複数の発光素子と、複数の発光素子の少なくとも一部に被せてそれぞれ配置され、発光素子から発せられる光を配光制御する複数のレンズと、発光素子およびレンズを基板との間に封入するように基板上に張設されるカバーフィルムと、を備える。

この態様によると、発光素子とカバーフィルムの間にレンズを挟むことで、発光素子からの光の配光制御が可能になる。また、発光素子がレンズで覆われるかたちとなるので、発光素子を外部衝撃から保護することができる。

複数のレンズの外周がシーリング剤でポッティングされた後に、カバーフィルムが張設されてもよい。これによると、レンズ周囲のエッジ部がポッティングで覆われるため、カバーフィルムを張設したときにカバーフィルムとレンズとの密着性が向上する。

複数のレンズのカバーフィルムに面する側が、角のない滑らかな曲面に成形されてもよい。これによると、レンズのエッジ部によるカバーフィルムの破断が防止される。

電気配線を基板に印刷するとき、各レンズを位置決めするためのマーキングが同時に印刷されてもよい。これによると、マーキングを印刷する工程を省略することができる。

複数のレンズの少なくとも一部に蛍光体が混合または塗布されてもよい。発光素子からの光が蛍光体で散乱されるので、レンズ全体から光が発せられるようになる。

本発明によれば、面発光体の発光素子からの光を配光制御することができる。

（ａ）は本発明の一実施形態に係る面発光体の平面図であり、（ｂ）は面発光体の側面図である。一つの発光素子の近傍を拡大した側面図である。別の実施例に係る面発光体の発光素子近傍の拡大側面図である。さらに別の実施例に係る面発光体の発光素子近傍の拡大側面図である。さらに別の実施例に係る面発光体の平面図である。さらに別の実施例に係る面発光体の平面図である。面発光体の簡略回路図である。図６の回路における電圧降下を説明する図である。

図１（ａ）は、本発明の一実施形態に係る面発光体１０の平面図であり、図１（ｂ）は面発光体１０の側面図である。

面発光体１０は、可撓性を有し屈曲自在な基板２０と、基板２０上に配置された複数の発光素子３０とを備える。発光素子３０は、典型的にはＬＥＤ（Light Emitting Device）などの半導体発光素子である。発光素子３０から発せられる光は、可視光であってもよいし、赤外光または紫外光であってもよい。各発光素子３０にはそれぞれレンズ３２が被せられる。発光素子３０およびレンズ３２の詳細な構成は図２を参照して説明する。

基板２０は、発光素子３０がマウントされるベースとなる部材であり、フィルム状またはシート状に構成される。基板２０は、絶縁性および屈曲性を有する種々の素材で構成することができる。最も好ましくは、基板２０はポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）製フィルムであるが、ポリエステル、ポリイミド、塩化ビニル、エポキシ樹脂などのプラスチック樹脂であってもよい。

基板２０上には、発光素子３０に電力を供給するプリント配線１４、１６、１８が形成されている。これらのプリント配線は、導電性銀ペーストなどの導電性インクをノズルから噴出して基板表面に付着させるインクジェット印刷によって形成されることが好ましいが、スクリーン印刷などの他の印刷方法を用いてもよい。

インクジェット印刷は、スクリーン印刷などと比較して配線パターンの配置自由度が高い上、スクリーンなどの版型が不要であるという利点がある。また、インクジェット印刷では、一つの配線を複数回の印刷の重ね合わせで形成することで、銅エッチングなどの従来手法による配線パターンよりも配線の厚みを増やして（例えば、二回の印刷で１００パーセント厚みを増大する）抵抗を下げ電圧降下を小さくすることができる。例えば、一回の印刷による配線の厚みが４μｍであれば、二回の印刷によって厚みが８μｍになるので、抵抗を二分の一にすることができる。

プリント配線パターンの上に銅メッキを施したり銅箔を貼ったりしてもよい。こうすると、プリント配線パターンの印刷上部に銅層が形成され抵抗が下がり、電圧降下が小さくなるとともに、放熱性も高まる。

図１では、プリント配線パターンは、基板２０の上部で左右方向に延びる配線（以下、「第１コモンライン」と呼ぶ）１４と、基板左上から左下を通り右下に延びるＬ字状の配線（以下、「第２コモンライン」と呼ぶ）１８と、それ以外の多数（図１では１２個）の同形状の部分配線１６とで構成される。図示するように、第１コモンライン１４と隣接する部分配線１６との間、部分配線１６同士の間、および部分配線１６と第２コモンライン１８との間に、それぞれ発光素子３０が配置される。

図１では、部分配線１６は四列に並列配置され、各列に四つずつの発光素子３０が配置されている。以下、一列分の部分配線１６をまとめて「素子ライン」と呼ぶ。したがって、図１に示すプリント配線パターンは、四列の素子ライン１６Ａ〜１６Ｄが、第１コモンライン１４と第２コモンライン１８との間で並列接続された回路となる。各素子ライン１６Ａ〜１６Ｄは、発光素子３０との接続箇所で配線が分断されたかたちとなる。

図示するように、第１コモンライン１４と第２コモンライン１８の配線幅は、素子ライン１６Ａ〜１６Ｄの配線幅よりも広く形成されることが好ましい。例えば、コモンラインの配線幅を素子ラインの配線幅よりも３００パーセント広くしてもよい。一つのコモンラインには四列の素子ライン分の電流が流れるので、コモンラインの幅を広く形成して抵抗を下げることで、コモンラインでの発熱と電圧降下を抑える効果がある。

第１コモンライン１４、第２コモンライン１８および各部分配線１６の発光素子３０との接続部分（そのうちの一つを２４ａ、２４ｂで示す）は、山形またはハの字形に形成される。このため、隣接する発光素子との接続部２４ａ、２４ｂ間の距離が、発光素子３０との接続箇所で最も接近し、外側に向かうにつれて遠くなる。こうすることで、隣接するプリント配線の間で、印刷時の導電性インクの飛散やにじみによる絶縁劣化を予防し、また絶縁体である基板の上を配線成分の銀イオンが移動するマイグレーション現象の発生確率を低減することができる。

端子部４０は、外部から面発光体に電流を流出入させるための入力端子４２と出力端子４４とを含む。入力端子４２は第１コモンライン１４に接続され、出力端子４４は第２コモンライン１８に接続される。入力端子には、例えば４８Ｖの直流電流が給電される。

図１の例では、端子部４０として一箇所に入力端子４２と出力端子４４が並んでいるが、入力端子と出力端子を別にして基板の縁部に対向して配置されるようにしてもよい。例えば、図１にＥで示す箇所に出力端子を設けてもよい。こうすると、第２コモンライン１８の配線長が短縮されるので、第２コモンライン１８の抵抗が小さくなり、電圧降下および発熱を低減することができる。また、発光素子間の設置間隔を短くすることで、部分配線の電圧降下および発熱を低下させることができる。

また、基板の片面に第１コモンラインを、裏面に第２コモンラインを形成し、表裏のコモンラインを接続するように素子ラインを形成してもよい。

コモンラインをプリント配線とする代わりに、通常の銅線で形成したり、従来のガラスエポキシプリント基板を使用したりしてもよい。これらは、一般に導電性インクによるプリント配線よりも抵抗が小さいため、コモンラインでの電圧降下および発熱を抑えることができる。

図２は、一つの発光素子３０の近傍を拡大した側面断面図である。図示するように、基板２０とカバーフィルム２２との間に、発光素子３０とレンズ３２が挟まれている。レンズ３２の主目的は、発光素子３０から発せられる光の配光制御であり、所望の配光、例えば照射角の狭い配光、広角の配光、円形の配光などに応じて、種々の形状のレンズを使用することができる。レンズ３２の裏側に相当する基板上に反射膜を形成して、レンズ３２からの光束を増大してもよい。

面発光体１０の用途に応じて、レンズ３２を透明、乳白色、青、赤などに着色してもよい。また、レンズ３２の樹脂内に蛍光体を混合したり、レンズ３２の上面に蛍光体入りの塗料を塗布してもよい。これにより、レンズ内またはレンズ表面での内部反射を増やしてレンズ全体から光を出射させたり、柔らかな印象の光にしたりすることができる。

カバーフィルム２２は、基板２０上に発光素子３０およびレンズ３２を配置した後に、空気が入り込まない状態でこれらを基板２０との間に封入するように基板上に張設される。カバーフィルムを設けることで、面発光体１０の防水性、防塵性、機械的強度が高まり、プラスチック製のカバー等を設けることなく面発光体単独で屋外での使用が可能になる。

カバーフィルムの材質は例えば塩化ビニルであるが、透過性、機械的強度、耐候性、加工性に優れた任意の材料、例えばポリスチレン、ポリエステル、アクリル樹脂、ＡＢＳ（acrylonitrile butadiene styrene）樹脂、テフロン（登録商標）などのフッ素樹脂であってもよい。特に、カバーフィルムをフッ素樹脂で形成すると、発光素子およびプリント配線からの発熱によるカバーフィルムの変色を軽減することができる。カバーフィルムの変色は、発光素子からの光の透過率を低下させ面発光体の光束維持時間すなわち寿命を低下させるため、一般に好ましくない。

レンズ３２のうち、カバーフィルム２２と接触する部分は、滑らかな曲面に成形されるか、面取りなどの加工が施されることが好ましい。これにより、カバーフィルム２２とレンズ３２との密着性が高まるとともに、レンズのエッジ部によってカバーフィルムが破断するのを防止することができる。

レンズ３２の外周は、シリコーンなどのシーリング剤でポッティング（樹脂盛り）されている。ポッティング３４によってレンズ周囲のエッジ部が覆われるので、カバーフィルム２２とレンズ３２の密着性が向上する。

面発光体１０は、例えば以下の手順で形成される。まず、シート状の基板２０の一面に、導電性銀ペーストを用いたインクジェット印刷などによって予め定められた配線パターンを印刷する。プリント配線パターンは焼成によって硬化される。配線パターンの印刷時に、発光素子に被せる各レンズを位置決めするためのマーキングも同時に印刷される。こうすると、レンズの位置決めが容易になるとともに、マーキングを印刷する工程を省くことができる。

焼成後、プリント配線の所定の箇所に発光素子を接着剤等で接着する。続いて、印刷されたマーキングを基準にして各発光素子３０にレンズ３２を被せ、接着剤で仮固定する。続いて、レンズの外周をシリコーンなどのシーリング剤でポッティングする。その後、レンズ３２とカバーフィルム２２との間を真空状態にして圧着することで、カバーフィルム２２が基板２０上に張設される。この方法はいわゆる真空ラミネート成形として周知のものなので、本明細書では詳細な説明を省略する。

図１および２には示していないが、基板２０の下層にアルミシート、カーボンシートなどの放熱性に優れたシート状材料を接着してもよい。これにより、面発光体１０の強度が高まるとともに、発光素子およびプリント配線から発生する熱の放熱性が高まる。カーボンシートの場合、アルミシートよりも放熱性、軽量性が優れるとともに、柔軟性も得られる。

以上説明したように、基板上に配列された発光素子の上にレンズを配置することで、発光素子からの光をレンズで配光制御することができる。また、発光素子がレンズで覆われるかたちとなるので、面発光体に外部衝撃が加わったときに発光素子に直接力が伝わらず、発光素子を保護することができる。

また、基板とカバーフィルムの間にレンズを挟むことで、発光素子からカバーフィルムまでの距離を確保することができ、発光素子の発熱がカバーフィルムに直接伝達しなくなる。これによりカバーフィルムの表面温度が低下し、人が表面を触ったときに熱さを感じにくくなる。また、長時間高温に晒されることによるカバーフィルムの変色を抑制することができる。

なお、配光制御が不要の場合、レンズ機能を有さない透明な樹脂キャップを発光素子に被せるようにしてもよい。この場合も、外部衝撃からの保護、カバーフィルムの表面温度の低下の効果を得ることができる。また、図１では、全ての発光素子にレンズが被せられている、必要に応じて一部の発光素子にのみレンズが被せられてもよい。

図３は、別の実施例に係る面発光体５０の発光素子近傍の拡大側面図である。この例では、発光素子３０にレンズを被せる代わりに、発光素子３０の上から透明シーリング剤を滴下し、シーリング剤の固化後にその上からカバーフィルムを２２を被せている。透明シーリング剤を表面張力によって図示のように半球形５２で固化させることで、光を拡散させるレンズの代用とすることができる。

図４は、さらに別の実施例に係る面発光体６０の発光素子近傍の拡大側面図である。この例では、発光素子３０の上から透明シーリング剤を滴下した後、所定の型を用いて発光素子３０の真上に当たる部分を凹ませた形状６２に成形する。このようにシーリング剤を成形することで、ある程度の配光制御が可能となる。

上記のように、レンズの代わりにポッティングした透明シーリング剤を用いることで、部品点数を削減することができる。また、発光素子とシーリング剤とが密着し間に空気層が存在しないので、発光素子からの放熱性を高めることができる。シーリング剤に蛍光体や顔料を混合して演色効果を出してもよい。また、シーリング剤に拡散剤、気泡、ビーズを混合したり、ポッティングの表面に微細な凹凸を形成するなどして、光を拡散させるととも発光表面積を大きくするようにしてもよい。

図５は、さらに別の実施例に係る面発光体１００の平面図である。図１の面発光体１０は、それぞれ同数の発光素子を有する素子ライン１６Ａ〜１６Ｄが並列に配置された回路構成であるのに対し、この実施例では、全ての発光素子１５０が直列に配置された回路構成となっている。すなわち、入力端子１４２に部分配線１０２が接続され、部分配線１０２〜１２６が基板１３０の右上から左上、左下から右下へとジグザグに配置され、隣接する部分配線の間にそれぞれ発光素子１５０が配置される。各発光素子１５０には、レンズ１５２がそれぞれ被せられている。最後の部分配線１２６は、基板の外周を通る細長い配線１２８と接続される。細長い配線１２８は定電流回路１６０に接続され、定電流回路１６０は出力端子１４４に接続される。

図１のように素子ラインを並列配置すると、部分配線の形状のばらつきなどによって素子ラインの抵抗が互いに異なり、その結果、素子ライン間で発光素子の明るさに差が生じることがある。本実施例のように全ての発光素子直列に配置することで、発光素子毎の明るさのばらつきを抑えることができる。

図６は、さらに別の実施例に係る面発光体２００の平面図である。この実施例では、図１と同様に、それぞれ同数の発光素子を有する三つの素子ライン３００Ａ〜Ｃが並列に配置されるが、図１のように入力側にコモンラインを有さず、三つの素子ライン３００Ａ〜Ｃが直接入力端子２９２から分岐している。素子ライン３００Ａは部分配線２０４〜２２６で構成され、素子ライン３００Ｂは部分配線２０２、２２８〜２５０で構成され、素子ライン３００Ｃは部分配線２０２、２５２〜２７４で構成される。各素子ラインの最後の部分配線２２６、２５０、２７４はそれぞれ定電流回路２８０、２８２、２８４に接続される。定電流回路２８０、２８２、２８４は、基板３２０の縁を通る細長いコモンライン２７８を介して出力端子２９４に接続される。隣接する部分配線の間にそれぞれ発光素子２８８が配置され、各発光素子２８８にはレンズ２８９が被せられる。

面発光体２００では、各素子ライン３００Ａ〜Ｃのプリント配線の経路がそれぞれ異なるが、各部分配線の幅および厚さを略同一にした上、各素子ライン３００Ａ〜Ｃの合計配線長が略等しくなるように配線パターンが設計されている。したがって、各素子ライン３００Ａ〜Ｃの抵抗がそれぞれ略等しくなり、各素子ライン３００Ａ〜Ｃを流れる電流も略等しくなる。よって、各素子ライン３００Ａ〜Ｃ上にある発光素子の明るさが略等しくなり、各素子ライン３００Ａ〜Ｃからの発熱量も略等しくなる。このように、図１に示した面発光体１０のように基板を横切るコモンラインを設けなくても、並列された素子ラインの抵抗を揃えることができる。

以上、いくつかの実施例をもとに本実施形態に係る面発光体について説明した。

面発光体の種々の特徴を活かして、面発光体を照明器具として用いることが検討されている。照明器具に必要な照度を確保するためには、従来の内照式看板の光源として用いる場合よりも数倍の光束が必要になるので、面発光体の配線に大電流を流す必要がある。配線がインクジェット印刷によって形成された場合、インクの抵抗率が大きく配線の断面積が小さいことから抵抗が比較的大きくなるため、電気配線の発熱および電圧降下が非常に大きくなる。大きな発熱は、ＬＥＤ寿命の低下やフィルムの早期劣化などの問題を引き起こしうる。さらに、電圧降下による電力損失のために、従来の光源に比べると電力効率が不利な場合がある。本実施形態では、既に述べた種々の工夫によってプリント配線パターンの抵抗値を低下させて配線の発熱および電圧降下を抑制している。

図５、６の面発光体１００、２００のように定電流回路が設けられた面発光体を照明として用いる場合、大電流化による定電流回路内のＩＣからの発熱が問題になることがある。

図７は、典型的な面発光体の簡略回路図１７０である。図７には、定電流回路１８０内のＩＣおよび抵抗Ｒ_ａｄｊと、プリント配線パターンの抵抗の合計Ｒ_ｐと、発光素子による抵抗の合計Ｒ_ｌｅｄとが示されている。

図８は、入力端子と出力端子の間に直流電圧Ｖ_ｉｎ（例えば４８Ｖ）が付与されたときの、図６の回路１７０における電圧降下を説明する図である。ＩＣ、Ｒ_ａｄｊ、Ｒ_ｐ、Ｒ_ｌｅｄにおける電圧降下をそれぞれＶ_ｉｃ、Ｖ_ａｄｊ、Ｖ_ｐ、Ｖ_ｌｅｄで表し、定電流をＩで表す。

ＩＣの表面温度を下げるには、Ｖ_ｉｃを下げてＩＣの消費電力を抑える必要があるが、ＩＣには所定の動作電圧（例えば１．７Ｖ）も必要である。そこで、Ｖ_ｉｃが動作電圧以上かつできるだけ小さくなるように、プリント配線パターンの電圧Ｖ_ｐを調節すればよい。Ｖ_ｐ＝Ｒ_ｐ×Ｉであり、Ｒ_ｐ＝（単位体積当たりの抵抗率）×（パターン長さ）／｛（パターン厚さ）×（パターン幅）｝で計算される。したがって、プリント回路パターンの長さ、厚さまたは幅を上述した種々の手法を用いて適宜変更することで、Ｖ_ｐの大きさを調整することができる。

以上、本発明を実施の形態をもとに説明した。これらの実施の形態はあくまで例示であり、実施の形態同士の任意の組み合わせ、実施の形態の各構成要素や各処理プロセスの任意の組み合わせなどの変形例もまた、本発明の範囲にあることは当業者に理解されるところである。

本発明は、上述の各実施形態に限定されるものではなく、当業者の知識に基づいて各種の設計変更等の変形を加えることも可能である。各図に示す構成は、一例を説明するためのもので、同様な機能を達成できる構成であれば、適宜変更可能である。

１０、１００、２００面発光体、１６部分配線、１６Ａ〜Ｄ、３００Ａ〜Ｃ素子ライン、１４、１８、２７８コモンライン、２０、１３０、３２０基板、２２カバーフィルム、２４レンズ、３０、１５０、２８８発光素子、３２、１５２、２８９レンズ、４０、１４０、２９０端子部、１６０、２８０〜２８４定電流回路。

Claims

少なくとも一面に電気配線が印刷された屈曲可能な基板と、
前記基板上に配置された複数の発光素子と、
前記複数の発光素子の少なくとも一部に被せてそれぞれ配置され、発光素子から発せられる光を配光制御する複数のレンズと、
前記発光素子および前記レンズを前記基板との間に封入するように前記基板上に張設されるカバーフィルムと、
を備えることを特徴とする面発光体。
前記複数のレンズの外周がシーリング剤でポッティングされた後に、前記カバーフィルムが張設されることを特徴とする請求項１に記載の面発光体。
前記複数のレンズの前記カバーフィルムに面する側が、角のない滑らかな曲面に成形されることを特徴とする請求項１または２に記載の面発光体。
前記電気配線を前記基板に印刷するとき、各レンズを位置決めするためのマーキングが同時に印刷されることを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載の面発光体。
前記複数のレンズの少なくとも一部に蛍光体が混合または塗布されることを特徴とする請求項１ないし４のいずれかに記載の面発光体。