JP2015153815A - 発光モジュールおよび照明装置 - Google Patents

Abstract

【課題】実施形態は、発光強度および発光色が均一で広い配向を有する発光モジュールおよび照明装置を提供する。
【解決手段】実施形態に係る発光モジュールは、第１面と、前記第１面とは反対側の第２面と、を有する透光性基板と、前記第１面上にマウントされる第１発光素子と、前記第２面上にマウントされる第２発光素子と、蛍光体を含む第１〜第４樹脂体と、を備える。第１樹脂体は、前記第１発光素子を覆い、第２樹脂体は、前記第２面内において、前記透光性基板を透過した前記第１発光素子の１次光が放射される第２領域上に設けられる。第３樹脂体は、前記第２発光素子を覆い、第４樹脂体は、前記第１面内において前記透光性基板を透過した前記第２発光素子の１次光が放射される第４領域上に設けられる。
【選択図】図１

Description

本発明の実施形態は、発光モジュールおよび照明装置に関する。

照明装置の配向を広くすることを目的として、立体的に発光するモジュールの開発が進められている。これらの発光モジュールには、導光部材やフレキシブル基板もしくは透光性基板が用いられる。例えば、ガラスやセラミックス基板は、可視光を透過するため、立体発光モジュールに適する。しかしながら、これらの基板には、光強度や発光色のばらつきが発生し易いという欠点がある。また、これらの基板は熱伝導率が低く、熱歪みにより破損する恐れもある。

特開２０１２−８４２７４号公報

実施形態は、発光強度および発光色が均一で広い配向を有する発光モジュールおよび照明装置を提供する。

実施形態に係る発光モジュールは、第１面と、前記第１面とは反対側の第２面と、を有する透光性基板と、前記第１面上にマウントされる第１発光素子と、前記第２面上にマウントされる第２発光素子と、第１〜第４樹脂体と、を備える。前記第１発光素子は、前記第１面内の第１領域上にマウントされ、前記第１面側から１次光を放射すると共に前記透光性基板を透過して前記第２面側からも１次光を放射する。第１樹脂体は、前記第１発光素子を覆い、前記第１発光素子の１次光とは波長の異なる２次光を放射する蛍光体を含む。第２樹脂体は、前記第２面内において、前記透光性基板を透過した前記第１発光素子の１次光が放射される第２領域上に設けられ、前記第１発光素子の１次光とは波長の異なる２次光を放射する蛍光体を含む。前記第２発光素子は、前記第２面内において前記第２領域とは異なる第３領域上にマウントされ、前記第２面側から１次光を放射すると共に前記透光性基板を透過して前記第１面側からも１次光を放射する。第３樹脂体は、前記第２発光素子を覆い、前記第２発光素子の１次光とは波長の異なる２次光を放射する蛍光体を含む。第４樹脂体は、前記第１面内において前記透光性基板を透過した前記第２発光素子の１次光が放射され、前記第１領域とは異なる第４領域上に設けられる。前記第４樹脂体は、前記第２発光素子の１次光とは波長の異なる２次光を放射する蛍光体を含む。

実施形態は、発光強度および発光色が均一で広い配向を有する発光モジュールおよび照明装置を実現する。

実施形態に係る発光モジュールを表す模式断面図。 実施形態に係る発光モジュールを表す模式平面図。 実施形態の変形例に係る発光モジュールを表す模式断面図。 実施形態に係る照明装置を表す模式断面図である。

以下、実施の形態について図面を参照しながら説明する。図面中の同一部分には、同一番号を付してその詳しい説明は適宜省略し、異なる部分について説明する。なお、図面は模式的または概念的なものであり、各部分の厚みと幅との関係、部分間の大きさの比率などは、必ずしも現実のものと同一とは限らない。また、同じ部分を表す場合であっても、図面により互いの寸法や比率が異なって表される場合もある。

図１は、実施形態に係る発光モジュール１を表す模式断面図である。
図２は、実施形態に係る発光モジュール１を表す模式平面図である。
図１は、図２中に示すＡ−Ａ線に沿った断面を表している。

図１に示すように、発光モジュール１は、透光性基板１０と、第１発光素子２１と、第２発光素子２３と、第１〜第４樹脂体３１、３３、３５、３７と、を備える。

透光性基板１０は、例えば、ガラス基板またはセラミック基板であり、可視光を透過する。ここで「透過」とは、入射する光を１００％透過することに限らず、その一部を吸収する場合も含む。透光性基板１０には、例えば、サファイア基板を用いても良い。透光性基板１０は、第１面１０ａと、第１面１０ａとは反対側の第２面１０ｂと、を有する。

第１発光素子２１は、例えば、窒化ガリウム系半導体を材料とする青色発光ダイオード（ＬＥＤ）であり、第１面１０ａ内の第１領域１３の上にマウントされる。第１発光素子２１は、例えば、サファイア上に形成された発光構造を有し、第１面１０ａに向き合う裏面、および、その裏面とは反対側の表面の両方から青色光を放射する。そして、第１発光素子２１は、第１面１０ａ側に１次光を放射すると共に、透光性基板１０を透過した１次光を第２面１０ｂ側にも放射する。

第１樹脂体３１は、第１面１０ａ上に設けられ、第１発光素子２１を覆う。第１樹脂体３１は、蛍光体４１を含む。蛍光体４１は、第１発光素子２１から放射される１次光により励起され、その１次光とは波長の異なる２次光を放射する。蛍光体４１は、例えば、黄色光を放射するＹＡＧ蛍光体、または、緑色光、赤色光を放射する窒化物蛍光体、もしくは、その混合体である。ここで、「波長」とは、それぞれの発光体の光スペクトルにおけるピーク波長を言う。

第２樹脂体３３は、第２面１０ｂ内において、透光性基板１０を透過した第１発光素子２１の１次光が放出される第２領域１５上に設けられる。第２樹脂体３３は、蛍光体４３を含む。蛍光体４３は、第１発光素子２１の１次光とは波長の異なる２次光を放射する。蛍光体４３は、例えば、黄色光を放射するＹＡＧ蛍光体、または、緑色光、赤色光を放射する窒化物蛍光体、もしくは、その混合体である。蛍光体４３は、蛍光体４１と同じ組成を有しても良い。

第２発光素子２３は、例えば、窒化ガリウム系半導体を材料とする青色発光ダイオード（ＬＥＤ）である。第２発光素子２３は、第２面１０ｂ内において第２領域１５とは異なる第３領域１７上にマウントされる。第２発光素子２３は、例えば、第２面１０ｂに向き合う裏面、および、その裏面とは反対側の表面の両方から青色光を放射する。そして、第２発光素子２３は、第２面１０ｂ側に１次光を放射すると共に、透光性基板１０を透過した１次光を第１面１０ａ側にも放射する。

第１発光素子２１および第２発光素子２３は、透光性の接着材、例えば、エポキシ樹脂を主成分とする接着材を用いて透光性基板１０上に固着される。

第３樹脂体３５は、第２面１０ｂ上において第２発光素子２３を覆う。第３樹脂体３５は、蛍光体４５を含む。蛍光体４５は、第２発光素子２３の１次光により励起され、その１次光とは波長の異なる２次光を放射する。蛍光体４５は、例えば、黄色光を放射するＹＡＧ蛍光体、または、緑色光、赤色光を放射する窒化物蛍光体、もしくは、その混合体である。蛍光体４５は、蛍光体４１、４３と同じ組成を有しても良い。

第４樹脂体３７は、第１面１０ａ内において、第１領域１３とは異なる領域であって、透光性基板１０を透過した第２発光素子２３の１次光が放射される第４領域１９上に設けられる。第４樹脂体３７は、蛍光体４７を含む。蛍光体４７は、第２発光素子２３の１次光により励起され、その１次光とは波長の異なる２次光を放射する。蛍光体４７は、例えば、黄色光を放射するＹＡＧ蛍光体、または、緑色光、赤色光を放射する窒化物蛍光体、もしくは、その混合体である。蛍光体４７は、蛍光体４１、４３、４５と同じ組成を有しても良い。

このように、実施形態では、透光性基板１０の第１面１０ａおよび第２面１０ｂにそれぞれ第１発光素子２１および第２発光素子２３を配設する。これにより、配向角を広げることが可能な発光モジュール１を実現する。それぞれの発光素子は、蛍光体を含む樹脂体により封じられ、所望の発光色を得ることができる。さらに、発光素子から放射された１次光が透光性基板を透過し放出される部分にも、蛍光体を含む樹脂体を配置する。これにより、第１面１０ａ側および第２面１０ｂ側の両方において、光強度を向上させると共に、均一な発光色を得ることができる。

図１に示すように、第１樹脂体３１の第１面１０ａに垂直な方向の厚さＴ_１は、第４樹脂体３７の第１面１０ａに垂直な方向の厚さＴ_４よりも厚い。また、第３樹脂体３５の第２面１０ｂに垂直な方向の厚さＴ_３は、第２樹脂体３３の第２面１０ｂに垂直な方向の厚さＴ_２よりも厚い。ここで、樹脂体の「厚さ」とは、その最大厚を言う。例えば、凸上の樹脂体であれば、凸面のピークにおける厚さである。

透光性基板１０には、第１発光素子２１および第２発光素子２３から放射される１次光に対する透過率のより高い材料、例えば、石英ガラス、高純度アルミナもしくはサファイアなどを用いることが好ましい。しかしながら、これらの材料は高価であり、製品コストを増加させる。そこで、透光性基板１０には、これらの材料よりも透過率が低い材料、例えば、ソーダガラス等が用いられる。そして、透光性基板１０の厚さｄ_Ｓを薄くすることにより、透過率を向上させる工夫がなされる。

しかしながら、透光性基板１０の光吸収率はゼロではない。したがって、第１発光素子２１から放射される１次光のうちの透光性基板１０を透過して第２領域１５から放出される光の強度は、第２発光素子２３から放射される１次光の強度に比べて低くなる。さらに、第２領域１５上に設けられる第２樹脂体３３の光吸収率もゼロではない。このため、第２樹脂体３３の厚さＴ_２は、第２発光素子２３を覆う第３樹脂体３５の厚さＴ_３よりも薄くすることが好ましい。これにより、第２樹脂体３３における光吸収を抑制し、第２面１０ｂ側に放射される光の強度を向上させることができる。

第１発光素子２１を覆う第１樹脂体３１と、第２発光素子２３から放射される１次光が第１面１０ａ側に放出される第４領域１９上の第４樹脂体と、についても同様の関係を有するように設けられる。すなわち、第４樹脂体３７の厚さＴ_４は、第１発光素子２３を覆う第１樹脂体３１の厚さＴ_１よりも薄くすることが好ましい。

図２は、透光性基板１０の第１面１０ａ上に配置された第１発光素子２１、および、第２面１０ｂ側に配置された第２発光素子２３を例示する模式平面図である。

図２に示すように、発光モジュール１は、第１面１０ａ上に配置された複数の第１発光素子２１と、第２面１０ｂ上に配置された複数の第２発光素子２３と、を備える。そして、第１面１０ａを見た平面視において、第１発光素子２１および第２発光素子２３は、相互に重ならないように配置される。

第１面１０ａもしくは第２面１０ｂに平行な方向（例えば、図２中のＸ方向およびＹ方向のいずれか）における第１発光素子２１と、第２発光素子２３と、の間の最小間隔Ｗ_Ｃは、透光性基板１０の厚さｄ_Ｓよりも広いことが望ましい。

Ｘ方向もしくはＹ方向において、第１発光素子２１と第２発光素子２３とを近接して配置すると、透光性基板１０の温度上昇を招き、熱応力による透光性基板１０の破損を生じる場合がある。すなわち、透光性基板１０からの放熱量よりも第１発光素子２１および第２発光素子２３の発熱量が多くならないように、第１発光素子２１と第２発光素子２３との間隔を広げることが好ましい。

図２に示すように、発光モジュール１は、第１発光素子２１に電気的に接続された第１配線５１と、第２発光素子２３に電気的に接続された第２配線５３と、を備える。この例では、第１発光素子２１は、第１配線５１を介して直列接続され、第２発光素子２３は、第２配線５３を介して直列接続されている。実施形態は、この例に限定される訳ではなく、例えば、第１発光素子２１および第２発光素子２３をそれぞれ並列接続しても良い。

第１配線５１は、金属ワイヤ６１を介して第１発光素子２１に電気的に接続される。第２配線５３は、金属ワイヤ６３を介して第２発光素子２３に電気的に接続される。実施形態は、金属ワイヤ６１、６３を用いたワイヤボンディングに限定される訳ではなく、例えば、半田バンプ等を介したフリップチップボンディングを用いても良い。

しかしながら、フリップチップボンディングでは、接合の信頼性を確保するために透光性基板１０の平坦性が求められる。このため、フリップチップボンディングを用いる構造では、透光性基板１０の厚さｄ_Ｓをワイヤボンディングを用いる場合よりも厚くする必要がある。一方、透光性基板１０を厚くすると、その内部を伝播する光の吸収率が高くなり光出力が低下する。したがって、フリップチップボンディングよりもワイヤボンディングを用いる構造の方が好ましいと言える。

さらに、ワイヤボンディングを用いる構造では、各発光素子と、配線と、の間の間隔を広くすることができる。これにより、透光性基板１０に向き合う各発光素子のボンディング面（裏面）からの発光を遮ることなく、光出力を向上させることができる。すなわち、フリップチップボンディングを用いる構造では、発光素子の裏面にバンプを接続する電極が設けられる。このため、裏面側に放射される光はバンプに遮られ、光出力の低下を招くデメリットがある。

また、図２に示すように、第１配線５１は、第１面１０ａ上において、第４領域１９から放射される第２発光素子２３の１次光を遮らない位置に設けることが好ましい。具体的には、例えば、第１面１０ａを見た平面視において、第１配線５１は、第２発光素子２３に重ならない位置に設けられる。別の例では、第１配線５１は、第１面１０ａを見た平面視において、第２発光素子２３の外縁から透光性基板１０の厚さｄ_Ｓ以上の間隔Ｗ_Ａ（図２参照）持って配置されることが好ましい。

また、透光性基板１０から外部（大気中）に向かう光の全反射角をθ_ｍとした場合、第１面１０ａを見た平面視において、第１配線５１は、第２発光素子２３の外縁からｄ_Ｓ×ｔａｎθ_ｍ以上の間隔Ｗ_Ａを持って配置される。これにより、第１配線５１は、第２発光素子２３から放射される１次光が第１面１０ａにおいて全反射される位置に設けられる。このため、第１配線５１が、第２発光素子２３の光路を遮ることがなくなる。

第２配線５３は、第１面１０ｂ上において、第１発光素子２１の１次光を遮らない位置に設けることが好ましい。具体的には、例えば、第２面１０ｂを見た平面視において、第２配線５３は、第１発光素子２１に重ならない位置に設けられる。別の例として、第１面１０ｂを見た平面視において、第２配線５３は、第１発光素子２１の外縁から透光性基板１０の厚さｄ_Ｓ以上の間隔Ｗ_Ａを持って配置されることが好ましい。また、透光性基板１０から外部に向かう光の全反射角をθ_ｍとすれば、第１面１０ｂを見た平面視において、第２配線５３は、第１発光素子２１の外縁からｄ_Ｓ×ｔａｎθ_ｍ以上の間隔Ｗ_Ａを持って配置される。

第１配線５１および第２配線５３は、第１発光素子２１および第２発光素子２３から放射される１次光を反射することが望ましい。第１配線５１および第２配線５３には、例えば、銀（Ａｇ）が用いられる。

図２に示すように、第１面１０ａ上において、第２発光素子２３の１次光が放出される第４領域１９上に設けられる第４樹脂体３７は、第１発光素子２１を覆う樹脂体３１から離間したドット形状に設けられる。例えば、第１面１０ａを見た平面視において、第４樹脂体３７は、少なくとも第２発光素子２３と、第２発光素子２３の外周においてｄ_Ｓ×ｔａｎθ_ｍの幅を有する領域と、を覆う。これにより、透光性基板１０を透過し第１の面１０ａ側に放射される第２発光素子２３の１次光をカバーし、その一部を蛍光体４７により波長変換して放出することができる。

同様に、第２面１０ｂの側において、第２樹脂体３３は、第２発光素子２３を覆う第３樹脂体３５から離間したドット形状に設けられる。例えば、第２面１０ｂを見た平面視において、第２樹脂体３３は、少なくとも第１発光素子２１と、第１発光素子２１の外周においてｄ_Ｓ×ｔａｎθ_ｍの幅を有する領域と、を覆う。これにより、透光性基板１０を透過し第２の面１０ｂ側に放射される第１発光素子２１の１次光をカバーし、その一部を蛍光体４３により波長変換して放出することができる。

このように、第２樹脂体３３および第４樹脂体３７をドット状に設けることにより、それぞれに含まれる蛍光体４３および４７の使用量を削減することができる。これにより、発光モジュール１の製造コストを低減することができる。

図３は、実施形態の変形例に係る発光モジュール２を表す模式断面図である。
図３に示すように、発光モジュール２は、透光性基板１０と、第１発光素子２１と、第２発光素子２３と、第１〜第４樹脂体３１、３３、３５、３７と、を備える。

この例では、第１面１０ａ上に配置される第１樹脂体３１および第４樹脂体３７は、相互につながって設けられる。すなわち、第１樹脂体３１および第４樹脂体３７を一体化した樹脂層１３１を用いても良い。樹脂層１３１のうちの第４樹脂体３７の部分の厚さＴ_４は、第１樹脂体３１の部分の厚さＴ_１よりも薄く設けられる。

第２面１０ｂ上に配置される第２樹脂体３３および第３樹脂体３５も、相互につながった樹脂層１３３として設けられる。樹脂層１３３のうちの第２樹脂体３３の部分の厚さＴ_２は、第３樹脂体３５の部分の厚さＴ_３よりも薄く設けられる。

この例では、透光性基板１０の第１面１０ａおよび第２面１０ｂの大部分が樹脂層１３１および１３３に覆われる。これにより、第１面１０ａおよび第２面１０ｂにおける全反射が抑制され、第１発光素子２１および第２発光素子２３の１次光を均一に取り出すことができる。これにより、発光モジュール２の発光強度および発光色を均一化し、その配向を広げることが可能となる。

図４は、実施形態に係る照明装置３を表す模式断面図である。
照明装置３は、例えば、白熱電球型の照明ランプである。照明装置３は、発光モジュール１と、支柱１０１と、ベース部１０３と、を備える。

支柱１０１の一端には、発光モジュール１が固定される。支柱１０１の他端は、ベース部１０３に固定される。ベース部１０３の内部には、発光モジュール１に電力を供給する点灯回路１０５が配設される。

支柱１０１は、例えば、円筒状に設けられ、発光モジュール１と、点灯回路１０５と、を電気的に接続する配線を収納する。支柱１０１には、例えば、熱伝導率の高いアルミニウムなどの金属が用いられる。発光モジュール１の熱は、支柱１０１を介してベース部１０３に伝えられ、外部に放散される。また、支柱１０１の外面には、発光モジュール１から放射される光を反射する部材、例えば、白色レジストをコートすることが望ましい。

照明装置３は、発光モジュール１および支柱１０１を覆う透光性カバー１１０と、ベース部１０３の外面に取り付けられた口金１２０と、をさらに備える。口金１２０は、点灯回路１０５に電気的に接続され、外部電源から口金１２０を介して点灯回路１０５に電力が供給される。

照明装置３は、発光モジュール１を透光性カバー１１０の中央に配置することにより、配向角θを広げた構成を有する。すなわち、発光モジュール１の第１面１０ａ側に放射される光は、図４中の上方（Ｚ方向）を照らし、第２面１０ｂから放射される光は、同図中の下方（−Ｚ方向）を照らす。これにより、例えば、３４０度以上の配向角θを実現することができる。

また、発光モジュール１の第１面１０ａに配設される第１発光素子２１の数と、第２面１０ｂ側に配設される第２発光素子２３の数と、をそれぞれ最適化することにより、所望の配向を得ることができる。

例えば、Ｚ方向を明るく照明するために、Ｚ方向を照らす第１発光素子２１の数を、−Ｚ方向を照らす第２発光素子２３の数よりも多くしても良い。また、口金１２０の周りに反射ミラーを配置して間接照明を行う場合には、第２発光素子２３の数を第１発光素子２１の数よりも多くすることができる。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

１、２・・・発光モジュール、 ３・・・照明装置、 １０・・・透光性基板、 １０ａ・・・第１面、 １０ｂ・・・第２面、 １３・・・第１領域、 １５・・・第２領域、 １７・・・第３領域、 １９・・・第４領域、 ２１・・・第１発光素子、 ２３・・・第２発光素子、 ３１・・・第１樹脂体、 ３３・・・第２樹脂体、 ３５・・・第３樹脂体、 ３７・・・第４樹脂体、 ４１、４３、４５、４７・・・蛍光体、 ５１・・・第１配線、 ５３・・・第２配線、 ６１、６３・・・金属ワイヤ、 １０１・・・支柱、 １０３・・・ベース部、 １０５・・・点灯回路、 １１０・・・透光性カバー、 １２０・・・口金、 １３１、１３３・・・樹脂層

Claims (6)

1. 第１面と、前記第１面とは反対側の第２面と、を有する透光性基板と；
   前記第１面内の第１領域上にマウントされ、前記第１面側から１次光を放射すると共に前記透光性基板を透過して前記第２面側からも１次光を放射する第１発光素子と；
   前記第１発光素子を覆い、前記第１発光素子の１次光とは波長の異なる２次光を放射する蛍光体を含む第１樹脂体と；
   前記第２面内において、前記透光性基板を透過した前記第１発光素子の１次光が照射される第２領域上に設けられ、前記第１発光素子の１次光とは波長の異なる２次光を放射する蛍光体を含む第２樹脂体と；
   前記第２面内において、前記第２領域とは異なる第３領域上にマウントされ、前記第２面側から１次光を放射すると共に前記透光性基板を透過して前記第１面側からも１次光を放射する第２発光素子と；
   前記第２発光素子を覆い、前記第２発光素子の１次光とは波長の異なる２次光を放射する蛍光体を含む第３樹脂体と；
   前記第１面内において、前記透光性基板を透過した前記第２発光素子の１次光が照射され前記第１領域とは異なる第４領域上に設けられ、前記第２発光素子の１次光とは波長の異なる２次光を放射する蛍光体を含む第４樹脂体と；
   を備えた発光モジュール。
2. 前記第１樹脂体の前記第１面に垂直な方向の厚さは、前記第４樹脂体の前記第１面に垂直な方向の厚さよりも厚く、
   前記第３樹脂体の前記第２面に垂直な方向の厚さは、前記第２樹脂体の前記第２面に垂直な方向の厚さよりも厚い請求項１記載の発光モジュール。
3. 前記第１面もしくは前記第２面に平行な方向における前記第１発光素子と、前記第２発光素子と、の間の間隔は、前記透光性基板の厚さよりも広い請求項１または２のいずれか１つに記載の発光モジュール。
4. 前記第２樹脂体は、前記第３樹脂体から離間したドット状に設けられ、
   前記第４樹脂体は、前記第１樹脂体から離間したドット状に設けられる請求項１〜３のいずれか１つに記載の発光モジュール。
5. 前記第１面上において、前記第４領域から放射される前記第２発光素子の１次光を遮らない位置に設けられ、前記第１発光素子に電気的に接続された第１配線と、
   前記第２面上において、前記第２領域から放射される前記第１発光素子の１次光を遮らない位置に設けられ、前記第２発光素子に電気的に接続された第２配線と、
   をさらに備えた請求項１〜４のいずれか１つに記載の発光モジュール。
6. 請求項１〜５のいずれか１つに記載の発光モジュールと、
   前記発光モジュールに電力を供給する点灯回路と、
   を備えた照明装置。

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