JP2015164216A - Ｌｅｄ発光装置 - Google Patents

Abstract

【課題】拡散性が良く点光源に近い微小面積の面光源を作りだすと同時に、イエローリングを解消し、レンズ等の光学系による効率の良い出射光のコントロールを可能にするＬＥＤ発光装置を提供する。【解決手段】ＬＥＤ発光装置１００の構成は、回路基板８０上にフリップチップ実装されたＬＥＤ素子１０の発光面上に、このＬＥＤ素子からの出射光に励起されて光源の発光色と異なる色相の光を放出できる蛍光体板２０を積層し、さらに発光面と同じサイズの拡散板３０を透明接着剤にて積層して接着し、ＬＥＤ素子の側面と蛍光体板及び拡散板の側面を反射性の白色部材４０で充填封止したことを特徴とする。さらに、レンズ等の光学系を付加することにより、レンズに対して一定の範囲内に照射できる。【選択図】図１

Description

本発明は、ＬＥＤ素子の発光面上に、蛍光体板を積層し、さらに拡散板を透明接着剤にて積層して接着し、ＬＥＤ素子の側面と蛍光体板及び拡散板の側面を反射性の白色部材で充填封止したＬＥＤ発光装置に関するものであり、詳しくは波長変換粒子を混入した波長変換部材（以降蛍光体板と記す）と光を一様に拡散する拡散板をＬＥＤ発光素子に組合せてイエローリングを解消したＬＥＤ発光装置に関する。

従来、光源と、この光源からの出射光に励起されて光源の発光色と異なる色相の光を放出できる蛍光体板とを組み合わせることで、光の混色の原理により多様な発光色の発光装置が提案されている。また、光源としてＬＥＤ素子を利用した発光装置は、低消費電力で長寿命であるため蛍光灯に代わる次世代照明として、また、液晶ディスプレイのバックライト用途として、また自動車のヘッドライトのような瞬時に高輝度に達する用途として、その他、実用化され普及の段階に入り、さらなる出力の向上や配光における均一な発光色及び輝度が要望されている。

以下、従来技術について、特許文献１に示すＬＥＤ発光装置について図１３を参照して説明する。図１３において、ＬＥＤ素子１０の側面に第１の光反射部材４０を充填し、また、蛍光体板２０の側面を第２の光反射部材５０で充填してＬＥＤ素子１０および蛍光体板２０の側面からの漏洩光を再度ＬＥＤ素子１０および蛍光体板２０内へ戻すＬＥＤ発光装置７００が開示されている。また、特許文献２にはＬＥＤ素子１０の側面に光反射性部材４０を充填し、蛍光体板２０の側面には光反射性部材を充填していない場合のＬＥＤ発光装置およびその製造方法が開示されている。

上記の構造であれば、ＬＥＤ素子１０の発光面へ均一な厚みに制御された蛍光体板２０を接着し、ＬＥＤ素子１０の側面と蛍光体板２０の側面を光反射性部材４０または光反射性部材５０で充填したために、側面方向への光の漏洩が著しく減少し、その分明るい発光装置とすることができる。

特開２０１０−１９２６２９ 特開２００７−１９０９６

しかしながら、ＬＥＤ発光装置の各応用分野への普及が進むにつれて、より光の横方向への漏れがなく、より均一な発光色でイエローリングの発生がなく、さらに、光学系により効率よく光をコントロールできるＬＥＤ発光装置が望まれるようになった。例えば、写真撮影用の照明用途の場合では、撮影用レンズの視野角に合わせた照明の配光と明るさが必要であるし、カラー写真にはイエローリングや色ムラのない、均一な発光色が求められる。

上記のような用途のように、より均一な発光色で、配光のコントロールのしやすさを求められる分野においては、図１３に示すＬＥＤ発光装置７００ではその要求にこたえることが出来ていない。図１４、図１５を用いてその理由を説明する。図１４は図１３のＡ部拡大図であり、図１５は図１３に示すＬＥＤ発光装置７００から出射された光が照射面に照射された状態を示し、イエローリングが発生している状態を示す平面図である。図１４において、例えば青色光を発光するＬＥＤ１０から上方に出射される出射光Ｐｈは蛍光体板２０を通過する際、通過する距離が短いので、青色の放射光と、たとえば蛍光体板２０内に分散されたＹＡＧ系蛍光粒子によって波長変換された黄色の放射光とは混色の原理により白色光を得る。これに対し、ＬＥＤ１０から斜め横方向に出射される出射光Ｐｙは蛍光体板２０を通過する距離が長くなるのでＹＡＧ系蛍光粒子との衝突回数が多くなり、黄色に変換される量が多くなり出射光は黄色味を帯びたものとなる。この状態を示したのが図１５である。すなわち、その中央部分は適切な混色が行われ、白色光７１０を得るが、周囲にはＹＡＧ系蛍光粒子との衝突回数が多い黄色味を帯びた光が配光され、イエローリング７２０が発生する。

つまり、従来例において、ＬＥＤ素子１０の側面方向および蛍光体板２０の側面方向を光反射性部材３０または光反射性部材４０で覆うことにより、側面方向への漏洩光は著しく減少させ明るい発光装置を作ることができたが、蛍光体板２０から斜め横方向に出射するＹＡＧ系蛍光粒子との衝突回数が多い光は解消できずに残っており、イエローリングが解消できない。また、一次光源の配光にイエローリングや側面方向への漏洩光などの負の要因が有る場合、レンズ等の光学系によるコントロールをしても、その光特性が強調されてしまい、満足のいく結果は得られない。結果として、光学系による効率の良い配光のコントロールが困難であった。

（発明の目的）
本発明の目的は上記問題点を解決しようとするものであり、拡散性が良く点光源に近い微小面積の面光源を作りだすと同時にイエローリングを解消したＬＥＤ発光装置を提供することであり、また、レンズ等の光学系による効率の良い出射光のコントロールを可能にするＬＥＤ発光装置を提供することである。

上記目的を達成するための本発明におけるＬＥＤ発光装置の構成は、回路基板上にフリップチップ実装されたＬＥＤ素子の発光面上に、前記発光面と同じサイズの蛍光体板を積層し、さらに前記発光面と同じサイズの拡散板を透明接着剤にて積層して接着し、前記ＬＥＤ素子の側面と前記蛍光体板及び拡散板の側面と、を反射性の白色部材で充填封止したことを特徴とする。

上記構成によれば、蛍光体板から斜めに出射する蛍光粒子との衝突回数が多い光を反射性の白色部材で戻し、同時に、光を一様に拡散し、且つ混色できる拡散板を通すことにより、点光源に近い微小面積の面光源を作りだすことができ、同時にイエローリングを解消できる。

前記蛍光体板と前記拡散板を積層した前記ＬＥＤ素子を、前記回路基板上に複数個配列し、前記複数個のＬＥＤ素子の側面と蛍光体板の側面と拡散板の側面と、を反射性の白色部材で充填封止したことを特徴とする。

上記構成によれば、複数のＬＥＤ素子の各々の蛍光体板から斜めに出射する蛍光粒子との衝突回数が多い光を反射性の白色部材で戻し、同時に光を一様に拡散しかつ混色できる。
更に、各々の拡散板を通すことにより、各々のＬＥＤ素子において点光源に近い微小面積の面光源を各々作りだすことができ同時にイエローリングを解消できる。また、蛍光体板と拡散板が各々のＬＥＤ素子において独立しているので、各蛍光体板内と各拡散板内で各出射光が互いに影響を与えないようにすることができ配光を可能にすることができる。

蛍光体板と拡散板を積層したＬＥＤ素子の光出射面に対応する位置に、レンズを備えたレンズカバーを装着すると良い。

上記構成によれば、点光源に近い微小面積の面光源を作りだすことができ、同時にイエローリングを解消できる。さらにレンズ等の光学系により出射光を効率良くコントロールしたＬＥＤ発光装置を提供することができる。

蛍光体板は、素子と同サイズであるとよい。

拡散板は、少なくとも蛍光体板と同サイズまたはそれ以上であるとよい。

本発明によるＬＥＤ発光装置によれば、ＬＥＤ素子から出射される出射光のうち、蛍光体板から斜め横方向に出射され蛍光粒子との衝突回数が多い出射光を反射性の白色部材で戻すと同時に、拡散板の作用により光を一様に拡散させ、且つ混色させることにより、点光源に近い微小面積の面光源を得られ、同時にイエローリングを解消したＬＥＤ発光装置を提供することができる。さらに、レンズ等の光学系を組み合わせたときは、一様の拡散角度で照射することが可能なため、照射角度を広げすぎることがなく照度を保ったままレンズの一定の範囲内に照射ができる。そのため、エネルギーロスの少ない効率的な照明光のコントロールが可能なＬＥＤ発光装置を提供することができる。

本発明の第１の実施形態における断面図および光観測方面からの平面図である。 本発明における拡散板の作用に関する原理図である。 本発明の第２の実施形態における断面図および光観測方面からの平面図である。 本発明の第３の実施形態における断面図および光観測方面からの平面図である。 本発明の第３の実施形態における斜視図である。 本発明の第４の実施形態における断面図および光観測方面からの平面図である。 本発明の第５の実施形態における断面図および光観測方面からの平面図である。 本発明の第６の実施形態における断面図およびＡ−Ａ断面図である。 本発明の第７の実施形態における断面図およびＢ−Ｂ断面図である。 本発明の第８の実施形態における断面図およびＣ−Ｃ断面図である。 本発明の第９の実施形態における断面図およびＤ−Ｄ断面図である。 本発明の第１０の実施形態における断面図およびＥ−Ｅ断面図である。 従来のＬＥＤ発光装置の断面図である。 従来のＬＥＤ発光装置における発光状態を示す拡大断面図である。 従来のＬＥＤ発光装置における照射面のイエローリングを示す平面図である。

（第１実施形態）
以下、本発明の好適な実施形態として、第１実施形態を図１（ａ）、（ｂ）および図２を参照して説明する。図１（ａ）はＬＥＤ発光装置１００の断面図を、図１（ｂ）はＬＥＤ発光装置１００の光観測方向からの平面図をそれぞれ示す。図２は拡散板３０の作用を表わす原理図を示す。

図１（ａ）において、ＬＥＤ素子１０の光出射面には蛍光体板２０が積層され、さらに蛍光体板２０からの出射光が入射する拡散板３０が透明接着剤にて積層して接着されている。ＬＥＤ素子１０の一方の面には電極が設けられており、バンプ９０により回路基板８０の配線電極７０上にフリップチップ実装され導通可能となっている。ＬＥＤ素子１０と蛍光体板２０および拡散板３０の側面は反射性の白色部材４０が充填されている。また、ＬＥＤ素子１０の下面側もバンプ９０など接続部を除いた空間は反射性の白色部材４０が充填されている。図１（ｂ）はＬＥＤ発光装置１００を光観測方向から見た平面図であるが、拡散板３０の光出射面を除いて周囲が反射性の白色部材４０にて覆われている。

次に、図２を参照して拡散板３０の光学的な作用について原理的に説明する。発光体８００から出射される光８１０は平行光線とする。平行光線８１０は拡散板３０に入射すると拡散作用により、一様に同じ角度で拡散され拡散光８２０を得る。拡散光８２０は一様に同じ角度で拡散されると同時に混色も行われるので、例えば黄色味を帯びた光があると他の色の光とは混色の原理により混色し白色光に近づくことができる。つまり拡散板３０はイエローリングを解消する作用も持つ。

拡散板３０はその表面に凹凸が形成されており、マイクロレンズアレイとなっている。このマイクロレンズアレイの屈折作用により光を拡散できる。マイクロレンズのパワーによりその拡散角を例えば５°〜８０°位まで選択できる。レンズのパワーが大きいほど拡散角は大きく、レンズのパワーが小さいほど拡散角は小さくなる。つまり、一定距離において必要とする照射範囲を定め、照射面で必要とする照度と均一性を定め、拡散板３０の拡散角度を選択することができる。

本実施形態では比較的拡散角の小さなもの例えば５°〜１０°のものを選ぶことにより、拡散角を広げすぎることがなく、一定の範囲内に照射でき、エネルギーロスの少ない均一な照明光を得ることができる。また、通常、ＬＥＤ素子１０と蛍光体板２０との位置ズレや接着剤のはみ出しなどのマイナス要因があるとその影響が照明光に反映され、照射面にはその写り込みが発生するが、蛍光体板２０の光出射面に拡散板３０を積層することでその拡散作用により解消できる。

本実施形態によれば、ＬＥＤ素子１０および蛍光体板２０の側面方向を覆った反射性の白色部材４０の光もどし作用により側面方向への漏洩光が著しく減少する。さらに蛍光体板２０の光出射面から斜め横方向に出射され蛍光粒子との衝突回数多い出射光Ｐｙ（黄色味を帯びた光）は拡散板３０の側面方向を覆った反射性の白色部材４０の光もどし作用により、さらに減少することができる。また、拡散板３０の拡散作用と混色作用により、拡散板３０の光出射面では一様な角度で拡散された均一な光を得ることができる。つまり、点光源に近い微小面積の面光源を得ることができ、同時にイエローリングを解消したＬＥＤ発光装置１００を提供できる。

なお、本発明に係るＬＥＤ発光装置１００は上記実施形態に限定されるものではない。例えば、ＬＥＤ素子１０は公知のものであるが、特にＧａＮ系半導体であれば良い。蛍光体板２０は通過する光の少なくとも一部を波長変換可能な波長変換材料を有することが好ましい。また、その母材は樹脂、ガラス、無機物を用いることができ、成形体、結晶体でも良い。拡散板３０については、その母材は樹脂、ガラス、無機物を用いることができ、フィルム状あるいは板状で光透過率が高い素材が好ましい。反射性の白色部材４０は樹脂材料等の基材に光反射性材料を含有したもので良く、対光性、耐熱性に優れ熱伝導性にも優れたものが好ましい。回路基板８０は少なくとも表面がＬＥＤ素子１０の電極と接続される配線電極７０を形成したもので良く、基材は熱伝導性が高いものが好ましい。

（第２実施形態）
以下、本発明の好適な実施形態として、第２実施形態を図３（ａ）、（ｂ）を参照して説明する。図１（ａ）はＬＥＤ発光装置２００の断面図を、図１（ｂ）はＬＥＤ発光装置２００の光観測方向からの平面図をそれぞれ示す。図３において、図１と同じ構成要素には同一番号を付し、重複する説明を省略する。図３に示すＬＥＤ発光装置２００が図１に示すＬＥＤ発光装置１００と異なるところは、拡散板３０の外形が蛍光体板２０の外形より少し大きいことである。

拡散板３０の外形を蛍光体板２０の外形より少し大きくすることにより、図示しない透明接着剤のはみ出しを拡散板３０の下面側に収めることができる。それにより拡散板３０の側面方向または上面方向へのはみ出しをなくすことができ、光の漏れを防止できる。この形態においても、反射性の白色部材４０の光もどし作用および拡散板３０の拡散作用と混色作用により、点光源に近い微小面積の面光源を得ることができ、同時にイエローリングを解消したＬＥＤ発光装置２００を提供できる。なお、拡散板３０の外形が蛍光体板２０の外形より大きくなると、拡散板３０の出射面から斜め横方向に出射する成分が増加するが、実用上問題のない範囲に設定することができる。

（第３実施形態）
以下、本発明の好適な実施形態として、第３実施形態を図４（ａ）、（ｂ）および図５を参照して説明する。図４（ａ）はＬＥＤ発光装置３００の断面図を、（ｂ）はＬＥＤ発光装置３００の光観測方向からの平面図をそれぞれ示す。図５はＬＥＤ発光装置３００の斜視図を示す。図４、図５において、図１と同じ構成要素には同一番号を付し、重複する説明を省略する。図４および図５に示すＬＥＤ発光装置３００が図１に示すＬＥＤ発光装置１００と異なるところは、ＬＥＤ素子１０が上面電極構成の素子であり、蛍光体板２０、拡散板３０のそれぞれに切り欠き部９２を設け、ワイヤーボンディングが可能とした点である。

上記の構成とすることにより、上面電極タイプのＬＥＤ素子１０を採用しても点光源に近い微小面積の面光源を得ることができ、同時にイエローリングを解消したＬＥＤ発光装置３００を提供できる。できる。なお、切り欠き部９２の形状については、拡散板３０の拡散作用により切り欠き形状が拡散され、照射面では見えなくなり、実用上の問題はない。

（第４実施形態）
以下、本発明の好適な実施形態として、第４実施形態を図６（ａ）、（ｂ）および図７（ａ）、（ｂ）を参照して説明する。図６（ａ）はＬＥＤ発光装置１００Ｌの断面図を、（ｂ）はＬＥＤ発光装置１００Ｌの光観測方向からの平面図をそれぞれ示す。図７（ａ）は別の形態のＬＥＤ発光装置１００Ｌの斜視図であり、（ｂ）は別の形態のＬＥＤ発光装置１００Ｌの光観測方向からの平面図をそれぞれ示す。図６、図７において、図１と同じ構成要素には同一番号を付し、重複する説明を省略する。図６、図７に示す形態が第１実施形態と異なるところは、ＬＥＤ素子１０の集合体となっている点である。図６は図１に示すＬＥＤ素子１０に蛍光体板２０と拡散板３０が積層されたＬＥＤ素子組立体１０Ｌが複数個（９個）配設された集合体となっている。また図７は、図１に示すＬＥＤ素子１０に蛍光体板２０が積層されたＬＥＤ素子組立体１０Ｌが複数個（９個）配設され、その上に大型の拡散板３０が１つ配設されている。

図６（ｂ）、図７（ｂ）に示すＬＥＤ発光装置１００Ｌの構成は積層したＬＥＤ組立体１０Ｌを３列に各３個配設してあり、ＬＥＤ組立体１０Ｌ相互の間隔は製造上必要とされる距離と拡散作用が反映される範囲を考慮して設定できる。このように複数個のＬＥＤ素子組立体１０Ｌを配設し集合体としても反射性の白色部材４０の光もどし作用および拡散板３０の拡散作用と混色作用により、点光源に近い微小面積の面光源を得ることができ、同時にイエローリングを解消できる。この場合は１つの素子の構成より明るい照明装置とすることができ、高効率で低コストのＬＥＤ発光装置１００Ｌを提供できる。

なお、本発明に係る素子の配列は上記実施形態に限定されるものではない。例えば、ＬＥＤ素子組立体１０Ｌの配列は円形配列でもよく、横長に一直線に並べたものでもよく、どのような配列でもできる。ＬＥＤ素子組立体１０Ｌの数は上記実施形態に限定されるものではなく、２個以上であれば良い。配列方法や数量はともにその目的に合わせて、反射性の白色部材４０の光もどし作用および拡散板３０の拡散作用と混色作用が実現できるように構成することができる。

（第５実施形態）
以下、本発明の好適な実施形態として、第５実施形態を図８（ａ）、（ｂ）を参照して説明する。図８（ａ）はＬＥＤ発光装置４００の断面図を、図８（ｂ）はＬＥＤ発光装置４００の光観測方向からの平面図をそれぞれ示す。図８において、図１と同じ構成要素には同一番号を付し、重複する説明を省略する。図８に示すＬＥＤ発光装置４００が図１に示す実施形態１と異なるところは、ＬＥＤ発光装置１００にレンズを備えたレンズカバー６０を設けた点である。反射性の白色部材４０はその平面方向で少し小さく形成され、レンズカバー６０が装着できるようになっている。

拡散板３０から出射した光は一定の角度でレンズカバー６０のレンズ部６１に入射し、レンズのパワーによりコントロールさせることができる。一定距離における必要とする照射範囲を定め、レンズパワーおよびレンズカバー６０の形状を設定することができる。上記の構成によれば、レンズカバー６０の内部では反射性の白色部材４０の光もどし作用および拡散板３０の拡散作用と混色作用により、点光源に近い微小面積の面光源を得ることができ、同時にイエローリングを解消できる。さらに、拡散板３０から出射される光は拡散角を広げすぎることがなく、レンズ部６１の一定の範囲内に照射できるため、レンズ部６１を通過してもエネルギーロスが少なく、効率的な配光コントロールがなされたＬＥＤ発光装置４００を提供できる。また、レンズカバー６０の側面方向への光の漏洩がなくなったため、レンズカバー側面６２への遮蔽を不要とし、レンズカバー全体を透明にできる。

なお、本発明に係る構造は上記実施形態に限定されるものではない。レンズ部６１はフレネルレンズを例に示したが、マイクロレンズなどその他のいかなる光学構造体であっても採用できる。また、フレネルレンズの場合、ＬＥＤ素子１０側に設けても良いし、照射面側に設けても良い。レンズカバー６０の材質は樹脂等で光透過率の高いものが好ましいがガラス、無機物でも良い。

（その他の実施形態）
以下、本発明のその他の好適な実施形態として、第７実施形態を図９（ａ）、（ｂ）に、第８実施形態を図１０（ａ）、（ｂ）に、第９実施形態を図１１（ａ）、（ｂ）に、第１０実施形態を図１２（ａ）、（ｂ）にそれぞれ示し、それらを参照して説明する。図９は図３に、図１０は図４に、図１１は図６に、図１２は図７にそれぞれ対応しており、同じ構成要素には同一番号を付し、重複する説明を省略する。図９、図１０、図１１、図１２のそれぞれが図３、図４、図６、図７と異なるところはレンズカバー６０を設けた点である。反射性の白色部材４０はその平面方向で少し小さく成形され、レンズカバー６０が装着できるようになっている。

上記の構成によれば、レンズカバー６０の内部では反射性の白色部材４０の光もどし作用および拡散板３０の拡散作用と混色作用により、点光源に近い微小面積の面光源を得ることができ、同時にイエローリングを解消できる。また、拡散板３０から出射される光は拡散角を広げすぎることがなく、レンズ部６１の一定の範囲内に照射でき、エネルギーロスの少ない効率的な照明光のコントロールがなされたＬＥＤ発光装置５００、ＬＥＤ発光装置６００、ＬＥＤ発光装置１００Ｌを提供できる。

なお、本発明に係る構造は上記実施形態に限定されるものではない。例えば、図１１、図１２に示す実施形態において、ＬＥＤ素子組立体１０Ｌの配列は円形配列でもよく、横長に一直線に並べたものでもよくどのような配列でもできる。ＬＥＤ素子組立体１０Ｌの数は上記実施形態に限定されるものではなく、２個以上であれば良い。配列方法や数量はともにその目的に合わせて、反射性の白色部材４０の光もどし作用および拡散板３０の拡散作用と混色作用が実現できるように構成することができる。レンズ部６１はフレネルレンズを例に示したが、マイクロレンズなどその他のいかなる光学構造体であっても採用できる。また、フレネルレンズの場合、ＬＥＤ素子１０側に設けても良いし、照射面側に設けても良い。

１０ ＬＥＤ素子
１０Ｌ ＬＥＤ素子組立体
２０ 蛍光体板
３０ 拡散板
４０、５０ 反射性の白色部材
６０ レンズカバー
６１ レンズ部
６２ レンズカバー側面
７０ 配線電極
８０ 回路基板
９０ バンプ
９１ ボンディングワイヤー
９２ 切り欠き部
１００、１００Ｌ、２００、３００、４００、５００、６００、７００ ＬＥＤ発光装置
７１０ 白色光
７２０ イエローリング
８００ 光源
８１０ 平行光
８２０ 拡散光
８３０ 照射面

Claims (3)

1. 回路基板上にフリップチップ実装されたＬＥＤ素子の発光面上に、前記発光面と同じサイズの蛍光体板を積層し、さらに前記発光面と同じサイズの拡散板を透明接着剤にて積層して接着し、前記ＬＥＤ素子の側面と前記蛍光体板及び拡散板の側面と、を反射性の白色部材で充填封止したことを特徴とするＬＥＤ発光装置。
2. 前記蛍光体板と前記拡散板を積層した前記ＬＥＤ素子を、前記回路基板上に複数個配列し、前記複数個のＬＥＤ素子の側面と蛍光体板の側面と拡散板の側面と、を反射性の白色部材で充填封止したことを特徴とする請求項１に記載のＬＥＤ発光装置。
3. 前記蛍光体板と拡散板を積層したＬＥＤ素子の光出射面に対応する位置に、レンズを備えたレンズカバーを装着したことを特徴とする請求項１または請求項２に記載のＬＥＤ発光装置。
   
   

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