JP2015126021A - 発光装置及び照明装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】本願発明は、光取り出し効率が高い発光装置を提供する。【解決手段】発光装置1は、基板2と、基板2の表面に設けられ、基板2よりも熱伝導率が高い熱伝導部材3と、熱伝導部材3に放熱するように基板2の表面側に載置された発光素子5と、を備える発光装置1であって、熱伝導部材3の少なくとも一部を覆うように設けられた光反射部材4を備え、光反射部材4は、発光素子5の発光波長における反射率が熱伝導部材3よりも高いことを特徴とする。【選択図】図3

Description

本願発明は、LED(Light Emitting Diode)等の発光素子が載置された発光装置及び照明装置に関する。
従来の発光装置において、発光素子の熱劣化防止を目的として、放熱効率を向上させた発明が提案されている。例えば、特許文献1に記載の発光装置は、グラファイトを支持基板上に形成し、発光素子を高熱伝導接着剤でグラファイトに接着したものである。これにより、特許文献1に記載の発光装置は、発光素子で発生した熱がグラファイトに伝わり、支持基板の外部に放熱される。
特開2012−253073号公報
しかし、特許文献1に記載の発光装置では、発光素子で発光した光が黒色のグラファイトに吸収されてしまい、発光効率が低下するという問題がある。
そこで、本願発明は、前記した問題に鑑みて創案されたものであり、熱劣化を抑制すると共に、発光効率が高い発光装置及び照明装置を提供することを課題とする。
前記した課題を解決するため、本願発明に係る発光装置は、基板と、基板の表面に設けられ、基板よりも熱伝導率が高い熱伝導部材と、熱伝導部材に放熱するように基板の表面側に載置された発光素子と、を備える発光装置であって、熱伝導部材は、グラファイトを含み、熱伝導部材の少なくとも一部を覆うように設けられた光反射部材を備え、光反射部材は、発光素子の発光波長における反射率が熱伝導部材よりも高いことを特徴とする。
このような構成によれば、発光装置は、発光素子で発生した熱を熱伝導部材が放熱する。さらに、発光装置は、発光素子からの光を、熱伝導部材を覆った光反射部材で反射するため、この光が熱伝導部材に吸収されにくくなる。
本願発明によれば、発光素子で発生した熱を熱伝導部材が放熱すると共に、発光素子からの光を、熱伝導部材を覆った光反射部材で反射するので、発光素子で発生させた光が熱伝導部材に吸収されにくくなる。これによって、本願発明によれば、熱劣化を抑制すると共に、発光効率を高くすることができる。
本願発明の実施形態に係る発光装置の外観図である。 (a)は図1の発光装置の上面図であり、(b)は図1の発光装置の断面図である。 (a)及び(b)は、図2の一点鎖線部分の拡大図である。 図1の発光装置を用いた照明装置の外観図である。 図4の照明装置の断面図である。 (a)は図1の発光装置を用いた別の照明装置の外観図であり、(b)は(a)の上面図である。 (a)及び(b)は、本願発明の変形例に係る発光装置の断面図である。
以下、本願発明の実施形態について、適宜図面を参照しながら詳細に説明する。なお、各実施形態において、同一の機能を有する部材には同一の符号を付し、説明を省略した。また、各図面では、各部材の寸法を変えて見易く図示した。
<発光装置>
[発光装置の構成]
本実施形態に係る発光装置を図1〜図3に示す。図1は発光装置1の外観図、図2は図1に示す発光装置1の上面図及び断面図、図3は図2の一点鎖線部分の拡大図である。図1に示すように、発光装置1は、棒状にパッケージ化されたものである。この発光装置1は、封止部材9の両端から給電端子8の一部が突出しており、給電端子8に給電線11が接続されている。なお、図1では、封止部材9に封止されている部材を二点鎖線で図示した。
図2に示すように、発光装置1は、基板2と、熱伝導部材3と、発光素子5とを備えている。熱伝導部材3が基板2の上面側に設けられており、さらにその上に発光素子5が載置されている。そして、図3に示すように、熱伝導部材3は、光反射部材4によって覆われており、この上に発光素子5が載置されている。この光反射部材4は、発光素子5の発光波長における反射率が熱伝導部材3よりも高いものである。このような構成により、発光素子5から生じる光が熱伝導部材3によって吸収されることを抑制すると共に、発光素子5から生じる熱を効率よく外部に放出できる。
以下、各部材について詳説する。
(基板)
基板2は、発光素子5等の電子部品を載置させるものであり、ある程度の強度を有するリジット基板や、可撓性を有するフレキシブル基板を用いることができる。また、基板2としては、発光素子5からの光に対して透光性を有する透光性基板や、光を通さない遮光性基板のいずれでも用いることができる。さらに、基板2の母材としては、導電性基板、絶縁性基板のいずれでも用いることができ、その表面に配線パターンや絶縁膜、反射膜等の機能膜を設けてもよい。
基板2の母材の材料としては、例えば、金属、セラミック、樹脂、ガラス又はこれらの複合材料を用いることができる。金属としては、銅、鉄、ニッケル、クロム、アルミニウム、銀、金、チタン又はこれらの合金を含むものが挙げられる。セラミックとしては、酸化アルミニウム、窒化アルミニウム、酸化ジルコニウム、窒化ジルコニウム、酸化チタン、窒化チタン又はこれらの混合物を含むものが挙げられる。樹脂としては、エポキシ樹脂、ビスマレイミドトリアジン(BT)樹脂、ポリイミド樹脂、シアネート樹脂、ポリビニルアセタール樹脂、フェノキシ樹脂、アクリル樹脂、アルキッド樹脂、ウレタン樹脂等が挙げられる。また、例えば、特開2013−35960号公報、WO2011/132674、WO2012/121224、WO2012/165423等に記載されている樹脂、ナフタレン系のエポキシ樹脂が含有されたBT樹脂及びそれらの組成物、市販品(例えば、三菱瓦斯化学社製:Hl832NS、HL832NSF typeLCA、日立化成社製:MCL−E−700G、MCL−E−705G等)、特開2010−114427号公報等に記載されている液晶ポリマー及びそれらの組成物を利用してもよい。なお、これらには、当該分野で公知の添加剤、モノマー、オリゴマー、プレポシマー等が含有されていてもよい。複合樹脂としては、ガラスエポキシ樹脂等が挙げられる。
また、フレキシブル基板としては、ポリイミド、PET、PEN、PES等の樹脂フィルム(厚さ10〜400μm)が挙げられる。
基板2の大きさや形状は特に限定されるものではなく、目的や用途に応じて種々選択することができ、例えば、四角形、三角形、多角形、円形、楕円形、さらにはこれらを組み合わせた形状とすることができ、それらの一部に切り欠きや孔、凹部等を有していてもよい。
基板2の母材を透光性基板とする場合、例えば、ガラスや樹脂を用いる場合、発光素子5が載置された側(上面側)のみに光を放出させたいとき、透光性基板に、機能膜として、光を反射する反射膜を設けるなどにより、上面と対向する下面側(裏面側)から光が抜けるのを防止することができる。このような反射膜として、光沢度や反射率の高い金属膜や、DBR(Distributed Bragg Reflector)膜等が挙げられる。例えば、図2(b)に示すように、反射膜6は、基板2の裏面に形成されている。ここでは、反射膜6は、基板2を透過して裏面側に到達した光を、基板2の表面側に反射するので、光の取り出し効率を向上させることができる。
なお、透光性基板を用いて、上面側及び下面側から光を放出させたい場合、このような反射膜6を設ける必要はない。
また、基板2を遮光性基板とする場合、例えば、金属を用いる場合、その表面(発光素子5からの光が照射される領域)には、前記した反射膜6を設けることが好ましい。
(熱伝導部材)
熱伝導部材3は、基板2の表面に設けられており、基板2よりも熱伝導率が高い部材である。そして、熱伝導部材3は、発光素子5からの熱を、効率よく外部に放熱するために、発光素子5に近接して設けられる。例えば、熱伝導部材3は、発光素子5をその上に接着剤等を介して実装するなど、熱的に近い位置に設けられると共に、発光素子5から離れた位置にまで延在するように設けられる。つまり、熱伝導部材3は、発光素子5の近傍のみに設けられるだけでは外部までの放熱経路とはならないため、好ましくは、発光装置1の外面に達する位置にまで延在して設ける。
このような熱伝導部材3の材料としては、グラファイトを含むものが挙げられ、グラファイト単体のほか、アルミニウム、銅、金又は銀から選択される少なくとも1つを含むことが好ましい。この場合、グラファイトシートを基板2に貼り付ける、又はグラファイト樹脂を基板2に塗布するなどの方法で設けることができる。熱伝導部材3の形状や厚みは、基板2の形状や、発光素子5の数、位置等に応じて、種々選択することができる。
図2(a)では、熱伝導部材3は、長尺の四角形の基板2の一方の長辺に沿って帯状部が設けられている。そして、熱伝導部材3は、発光素子5の載置位置に向けて、すなわち、基板2の中央に向けて、帯状部から延在するように設けられた延在部が設けられている。帯状部は、その端部が、給電端子8にまで達している。給電端子8は外部電力と接続される部材であり、ここに熱伝導部材3も接続させることで、給電端子8を介して熱を外部に放出することができる。なお、熱伝導部材3は、必ずしも給電端子8に接続させる必要はなく、外部の放熱部材等に接続できればよい。
(光反射部材)
光反射部材4は、熱伝導部材3の少なくとも一部を覆うように設けられるものであり、発光素子5の発光波長における反射率が、熱伝導部材3よりも高い部材である。前記のように、熱伝導部材3が、発光素子5の近傍に設けられる必要があるため、グラファイトのような光を吸収しやすい色の場合、光の取り出し効率を低下させてしまう。そのため、光反射部材4は、熱伝導部材3を被覆することで、光の吸収を抑制し、発光装置1の光の取り出し効率の低下を抑制することができる。
光反射部材4は、発光素子5からの光が直接的又は間接的に照射される領域に設けられた熱伝導部材3の少なくとも一部を被覆すればよく、全面を被覆してもよい。また、光反射部材4は、熱伝導部材3よりも反射率が高くなるように設けるため、好ましくは、発光素子5からの光の60%以上を反射するような膜厚とする。より好ましくは、光反射部材4は、発光素子5からの光の70%以上、80%以上又は90%以上を反射するような膜厚とする。光反射部材4は、厚くすることで、熱伝導部材3による光の吸収を低減することができるが、熱伝導部材3への熱の伝わりが低下していくため、それらを阻害しない程度の厚みとするのがよい。
光反射部材4の材料としては、白色のものが好ましく、具体的には、Al、TiO、ZrO等の白色フィラーが挙げられる。これらの材料は、電着で直接設けてもよく、あるいは、樹脂等に混合させて印刷、スプレー、ポッティング等の方法で形成することもできる。
光反射部材4は、熱伝導部材3を基板2に設ける前に設けてもよく、あるいは、基板2に熱伝導部材3を設けた後に設けてもよい。例えば、熱伝導部材3としてグラファイトシートを用いる場合、所望の形状にカットする前又は後に、光反射部材4を設ける。この場合、光反射部材4は、熱伝導部材3の表面(上面)、裏面(下面)又は側面に設けることができる。また、基板2に熱伝導部材3としてグラファイトシートを貼り付けた後に光反射部材4を設ける場合、光反射部材4は、上面のみ、又は、上面と側面とに設けることができる。透光性基板を用いる場合、光反射部材4は、熱伝導部材3の全部(表面の全域)を覆うように設けることで、透光性基板の内部で反射される光の吸収を低減することができる。
(発光素子)
発光素子5は、基板2の表側に載置され、熱伝導部材3に熱的に近接して設けられる。発光素子5は、任意の発光波長のものを用いることができる。例えば、青色、緑色の発光素子5として、ZnSeや窒化物系半導体発光素子(InXAlYGa1−X−YN、0≦X、0≦Y、X+Y≦1)が挙げられる。また、赤色の発光素子5として、GaAs、InP等の半導体発光素子が挙げられる。また、発光素子5に加え、紫外線や赤外線を出力する半導体発光素子を用いることもできる。
発光素子5は、基板2の上に、フェイスアップ実装又はフリップチップ実装されるものの、何れでも用いることができる。また、発光素子5は、1つ又は複数個を用いることができる。発光素子5は、複数個用いる場合、直列、並列、直並列、平直列の何れの接続方法でもよく、その配置も、直線状、マトリクス状、千鳥状、ランダム等、種々選択することができる。例えば、図2(a)では、発光素子5が、基板2の中心軸上に等間隔で4個、直線状に載置されている。また、ここでは、発光素子5は、ワイヤ7を介して、隣接する発光素子5と接続しており、端に位置する発光素子5が、給電端子8と接続されるように、直列接続されている。また、発光素子5の間は、基板2に設けられた配線を介して、電気的に接続されてもよい。
(ワイヤ)
ワイヤ7は、発光素子5に給電するために用いられる。ワイヤ7の材料としては、金、銅、白金、アルミニウム等の金属、及び、これらの合金があげられる。図2に示すように、ワイヤ7は、各発光素子5を接続してもよいし、基板2に配線パターンを設ける場合、それらの配線パターンと各発光素子5とを接続してもよい。
(給電端子)
給電端子8は、基板2に実装される発光素子5等の電子部品に外部から給電するための端子である。例えば、図2(b)に示すように、長尺の基板2を用いる場合、給電端子8は、長手方向の端部にそれぞれ正極用の端子と負極用の端子とを設けてもよく、あるいは、正負一対の端子を基板2の同じ側の端部に設けてもよい。また、給電端子8の形状については、目的や用途に応じて種々選択することができる。例えば、図2(b)では、給電端子8は、基板2の上方向に一部が突出した凸状部を有する形状で、基板2の表面両端にそれぞれ設けられる。この凸状部は、後記する封止部材9を設ける際のダムとしても機能させることができるものである。このような凸状部は、必ずしも必要ではない。給電端子8の材料として、例えば、銅、アルミニウム、金、銀、タングステン、鉄、ニッケル等の金属、又は、ニッケル合金、燐青銅等の合金が挙げられる。
(封止部材)
封止部材9は、発光素子5やワイヤ7等、基板2に実装される電子部品を、塵芥、水分、外力から保護するための部材である。例えば、図1に示すように、封止部材9は、給電端子8の一部を除き、基板2の残り全表面を覆うように形成される。また、封止部材9は、発光素子5からの光を透光する透光性を有することが好ましい。具体的には、封止部材9の材料として、シリコン樹脂、エポキシ樹脂、ユリア樹脂等の樹脂があげられる。また、封止部材9には、蛍光体、着色剤、光拡散剤、フィラー等を含有させてもよい。
封止部材9が含有する蛍光体(不図示)は、発光素子5からの光を、異なる波長の光に波長変換するものである。この蛍光体としては、例えば、セリウムで賦活されたイットリウム・アルミニウム・ガーネット(YAG)系蛍光体、セリウムで賦活されたルテチウム・アルミニウム・ガーネット(LAG)、ユウロピウム及び/又はクロムで賦活された窒素含有アルミノ珪酸カルシウム(CaO−Al−SiO)系蛍光体、ユウロピウムで賦活されたシリケート((Sr,Ba)SiO)系蛍光体、βサイアロン蛍光体、KSF系蛍光体(KSiF:Mn)、量子ドット蛍光体などが挙げられる。
(ダイボンド材)
ダイボンド材10は、発光素子5を基板2の載置位置に固定するものである。このダイボンド材10は、発光素子5の放熱効率を向上させるため、熱伝導率が高いことが好ましい。具体的には、ダイボンド材10として、Agペースト入りエポキシ樹脂、Agペースト入りシリコン樹脂等の高熱伝導接着剤が挙げられる。
<発光装置の製造方法>
図3を参照し、発光装置1の製造方法について、簡単に説明する(適宜図2参照)。
グラファイトシート等の熱伝導部材3の表面に、例えば電着法によって白色フィラーなどの光反射部材4を形成する。ここで、所望の形状に光反射部材4をカットしてもよく、あるいは、カットした後に光反射部材4を形成してもよい。その後、熱伝導部材3及び光反射部材4は、基板2に貼り付けられる。あるいは、熱伝導部材(グラファイト)3を基板2に貼り付けた後に光反射部材4を設けてもよい。
続いて、図3(a)に示すように、発光素子5は、後記するダイボンド材10により、基板2の表面側であって、熱伝導部材3及び光反射部材4の上に固定される。図3(b)に示すように、熱伝導部材3及び光反射部材4は、発光素子5の載置位置に近い先端部の幅が、延在部の幅よりも狭くなっている。そして、発光素子5は、熱伝導部材3及び光反射部材4の先端部が発光素子5の中央部分の下となるように、ダイボンド材10で固定される。このとき、熱伝導部材3及び光反射部材4の先端部分は、発光素子5の底面からはみ出していない。
続いて、基板2は、給電端子8が設けられ、ワイヤ7がワイヤボンディングされる。そして、基板2は、封止部材9により封止される。この封止部材9には、必要に応じて、蛍光体が充填されてもよい。
この光反射部材4は、熱伝導部材3に白色フィラーを電着させたものであるため、熱伝導部材3と同様、熱伝導率が高くなっている。従って、図3のように発光素子5を載置することで、発光素子5の熱は、光反射部材4及びダイボンド材10を介して、熱伝導部材3に伝わり、効率良く放熱される。
[作用・効果]
発光装置1は、光反射部材4が発光素子5からの光を反射するため、この光が熱伝導部材3に吸収されにくくなり、発光効率を高くすることができる。さらに、発光装置1は、熱伝導部材3が、発光素子5で発生した熱を発光装置1の外部に放熱するため、発光装置1の熱劣化を抑制し、信頼性を高くすることができる。
<照明装置>
次に、図4,図5を参照し、発光装置1を用いた照明装置100について説明する。
図4に示すように、照明装置100は、電球型の照明装置である。なお、図4では、透光性カバー120に収容されている部材を二点鎖線で図示した(図6も同様)。
図5に示すように、照明装置100は、発光装置1と、台座110と、透光性カバー120と、ヒートシンク130と、基台140と、口金150とで構成される。
熱伝導部材3Bは、垂直方向に基台140まで垂下して内側に折り曲げられ、脚部の先端部付近まで延長された状態で基台140に当接して接合されている。このようにして、熱伝導部材3Bは、発光素子5の熱を基台140に伝えることができる。なお、図5の発光装置1は、熱伝導部材3B以外の構成が図2と同様のため、断面構造の図示を省略した。
台座110は、その内部に回路など電子部品などが載置されており、台座110の上面に基台140が設けられている。また、台座110は、外部に熱を放出しやすいよう、外周に凹凸を設けて表面積を大きくしたフィン構造を有している。台座110の材料として、例えば、銅、アルミニウム、金、銀、タングステン、鉄、ニッケル等の金属、又は、アルミニウム合金、ニッケル合金、燐青銅等の合金が挙げられる。
透光性カバー120は、その内部に載置される発光装置1からの光が外部に放出されるよう、樹脂やガラスなど透光性の部材が用いられる。透光性カバー120は、全体として一体型のものや、複数のパーツを組み合わせたものでもよい。また、透光性カバー120の形状は、図4に示すような断面視が楕円体状の一部をなすような形状のほか、半球状の一部、球状の一部などとすることができるほか、照射方向や設置位置等に応じて種々選択することができる。ここでは、ヒートシンク130を介して発光装置1の位置を台座よりも高い位置としており、下方向(口金150が取り付けられた方向)にも光が照射される構造である。このため、透光性カバー120は、発光装置1の下側に位置するような形状で設けられている。
また、透光性カバー120として、内部が視認できる透明のものや、拡散材等によって内部構造が視認できないようにした白色系の透光性のものを用いることができる。さらに、透光性カバー120は、発光装置1からの光を異なる波長に変換する蛍光体などを有していてもよい。
ヒートシンク130は、基台140に接続された脚部130aと、発光装置1が載置される実装部130bとを有する。図5では、脚部130aは、実装部130bの中央から、実装部130bより小さい径で1つ設けられているが、これに限らず、脚部130aの数や位置は、適宜選択することができる。また、実装部130bの形状や大きさも、用いる発光装置1に応じて適宜選択することができる、
また、ヒートシンク130は、放熱部材としての機能だけでなく、その内部に配線を設けるなどにより導電部材としての機能を有していてもよい。1つの脚部130aが、これら2つの機能を兼用してもよく、あるいは、放熱部材としての脚部130aと、導電部材としての脚部130aとを、それぞれ設けていてもよい。
基台140は、ヒートシンク130が設けられており、このヒートシンク130の上に発光装置1が載置される。基台140は、ヒートシンク130からの熱を、台座110を介して外部に放出する。
口金150は、照明装置100をソケット(不図示)に保持されると共に、照明装置100に給電するものである。この口金150は、図5に示すように、ねじ山が形成されており、ねじ山に対応する形状のソケットに挿入できる。
以上のように、発光装置1は、ヒートシンク130や基台140と、熱伝導部材3Bによって熱的に接合されている。これにより、発光装置1からの熱が、熱伝導部材3Bを介して速やかに外部に放出される。
本願発明は、前記した実施形態に限定されず、その趣旨を逸脱しない範囲で、例えば、図6及び図7に示すように、変形を加えることができる。
例えば、照明装置100は、図6(a)に示すように、図4の構成と比較して、広い面積のヒートシンク130を用いてもよい。このような場合、発光装置1からの光が主として上方向に照射されるため、透光性カバー120Bは、発光装置1の下側にまで設けない形状(例えば半球状)としてもよい。このように、照明装置100は、広い面積のヒートシンク130を用いた場合、発光装置1を複数用いることができる。例えば、図6(b)では、半球状の透光性カバー120Bの内部に、3個の発光装置1が並列に配置される例を示しており、所望の出力等に応じて、発光装置1が配置される位置や数などを選択することができる。また、台座110は、図4の構成と比較して、口金150からの距離が長くなるような外面積を有している。このため、台座110は、その表面に凹凸を形成していなくても、ヒートシンク130からの熱を外部に適切に放出することができる。
図7(a)に示すように、熱伝導部材3Cは、ヒートシンク130まで延在するように、基板2の側面に沿って垂下し、ヒートシンク130に当接してもよい。また、図7(b)に示すように、熱伝導部材3Dは、基板2から突出した後に折り曲げられ、ヒートシンク130に当接してもよい。
1 発光装置
2 基板
3,3B,3C,3D 熱伝導部材
4 光反射部材
5 発光素子
6 反射膜
7 ワイヤ
8 給電端子
9 封止部材
10 ダイボンド材
11 給電線
100 照明装置
110 台座
120,120B 透光性カバー
130 ヒートシンク
130a 脚部
130b 実装部
140 基台
150 口金

Claims (9)

  1. 基板と、前記基板の表面に設けられ、前記基板よりも熱伝導率が高い熱伝導部材と、前記熱伝導部材に放熱するように前記基板の表面側に載置された発光素子と、を備える発光装置であって、
    前記熱伝導部材は、グラファイトを含み、
    前記熱伝導部材の少なくとも一部を覆うように設けられた光反射部材を備え、
    前記光反射部材は、前記発光素子の発光波長における反射率が前記熱伝導部材よりも高いことを特徴とする発光装置。
  2. 前記光反射部材は、白色であることを特徴とする請求項1に記載の発光装置。
  3. 前記光反射部材は、前記熱伝導部材の全部を覆うように形成されたことを特徴とする請求項1又は請求項2に記載の発光装置。
  4. 前記熱伝導部材は、アルミニウム、銅、金又は銀から選択される少なくとも1つをさらに含むことを特徴とする請求項1から請求項3の何れか一項に記載の発光装置。
  5. 前記基板は、遮光性基板であることを特徴とする請求項1から請求項4の何れか一項に記載の発光装置。
  6. 前記基板は、透光性基板であることを特徴とする請求項1から請求項4の何れか一項に記載の発光装置。
  7. 前記発光素子からの光を反射する反射膜が、前記透光性基板の表面に対向する裏面に形成されていることを特徴とする請求項6に記載の発光装置。
  8. 請求項1から請求項7の何れか一項に記載の発光装置を用いた照明装置。
  9. 前記熱伝導部材に接合されたヒートシンクをさらに備えることを特徴とする請求項8に記載の照明装置。
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