JP2015176720A - Ｌｅｄ光源ユニット - Google Patents

Abstract

【課題】励起光による蛍光体の温度上昇を抑制できる構成を有するＬＥＤ光源ユニットを提供することにある。【解決手段】ガラス基板３１の中央側に蛍光体を分散してなる第１の層３２を形成し、第１の層３２の周縁部を覆って重なるようにガラス基板３１の周縁部に蛍光体と無機材料からなる結着材を混合した第２の層３５を形成し、第２の層３５の表面上に金属材料からなる第３の層３６を形成して蛍光体塗布プレート３０を構成した。この蛍光体塗布プレート３０を、内部の下部にＬＥＤ２を収容すると共に上部に開口部を有する金属製の略筒状の外殻２０の前記開口部に該開口部を覆うように配置し、第３の層３６と外殻２０とを金属接合した。【選択図】図１

Description

本発明は、ＬＥＤ光源ユニットに関するものであり、詳しくは、ＬＥＤの出射光で蛍光体を励起する構成からなるＬＥＤ光源ユニットに関する。

従来、この種のＬＥＤ光源ユニットとしては、例えば、特許文献１の「半導体素子実装用回路基板」にＬＥＤ搭載パッケージとして開示されたものがある。

ＬＥＤ搭載パッケージの構成は、図９にあるように、凹部８０を有する金属基板８１の該凹部８０を含めた全面にセラミックス膜８２を被覆して絶縁層を形成すると共に絶縁層（セラミックス膜）８２の表面に金属材料からなる回路８３を設けて半導体素子実装用基板８４を構成し、凹部８０内に収容したＬＥＤ８５をバンプ８６を介して回路８３に電気的に接続している。

ＬＥＤ８５には、光出射面を覆うようにレンズ８７が装着されており、レンズ８７の上方の、凹部８０の開口部には、周縁部を半導体素子実装用基板８４の凹段部８８に接着剤８９で固定した蛍光体フィルター９０が取り付けられている。

上記構成のＬＥＤ搭載パッケージは、ＬＥＤ８５から出射してレンズ８７で集光した光が蛍光体フィルター９０に照射され、蛍光体フィルター９０に含有された蛍光体を励起して励起光とは異なる波長の光を放出するものである。

例えば、ＬＥＤ８５に青色光を発光する青色ＬＥＤを用い、蛍光体フィルター９０に含有される蛍光体に青色光に励起されて青色光の補色となる黄色光に波長変換する黄色蛍光体を用いた場合、蛍光体フィルター９０からは、青色ＬＥＤから出射された青色光の一部と、青色ＬＥＤから出射された青色光の一部が黄色蛍光体を励起することにより波長変換された黄色光との加法混色で疑似白色光を放出される。

その場合、ＬＥＤ８５と蛍光体フィルター９０を離して配置することにより、以下のような利点がある。

（１）蛍光体フィルター９０に含有された蛍光体が、ＬＥＤ８５の点灯時のＬＥＤ８５自体の発熱を直接受けることがない。そのため、熱による励起効率の低下及び熱による劣化に起因する変色（黄変）が抑制される。
（２）ＬＥＤ８５が、蛍光体の励起に伴う発熱を直接受けることがない。そのため、ＬＥＤ８５の発光源である半導体発光素子の温度上昇に起因する半導体発光素子の発光効率の低減による発光光量の減少を抑えると共に、同様に半導体発光素子の温度上昇に起因する半導体発光素子の劣化による素子寿命の短縮を抑制することができる。
（３）ＬＥＤ８５からの出射光を受けて波長変換光を放出する蛍光体フィルター９０がＬＥＤ搭載パケージの発光面となる。そのため、光源のＬＥＤ８５が有する輝度ムラや多重影が生じにくい。また、蛍光体フィルター９０の形状を変えることにより、発光面の形状を変えることができる。

特開２００６−３３２３８２号公報

ところで、上記構成のＬＥＤ搭載パッケージは、ＬＥＤ８５からの出射光の一部とＬＥＤ８５からの出射光の一部で励起された蛍光体が放出する波長変換光との加法混色により、ＬＥＤ８５の出射光（励起光）とは異なる色相の光を出射する。

この場合、ＬＥＤ搭載パッケージからの出射光の色相は、蛍光体フィルター９０に含有される蛍光体の濃度によって変わる。

具体的には、例えば、上述のようにＬＥＤ８５に青色ＬＥＤを用い、蛍光体フィルター９０に含有される蛍光体に黄色蛍光体を用いると、蛍光体フィルター９０からは、青色ＬＥＤから出射された青色光の一部と、青色ＬＥＤから出射された青色光の一部が黄色蛍光体を励起することにより波長変換された黄色光との加法混色により疑似白色光が放出される。

この疑似白色光は、蛍光体フィルター９０に含有される蛍光体の濃度を変えることにより、励起光（青色光）と波長変換光（黄色光）との比率が変わって色温度が変わる。例えば、黄色蛍光体の濃度が増すと、青色光に対する黄色光の比率が増して黄色みがかった白色光となり、色温度が低くなる。

同時に、黄色蛍光体の濃度が増すと黄色蛍光体からの自己発熱量が多くなり、波長変換効率が低下する。そのため、ＬＥＤ搭載パッケージからの出射光の色温度が低くなるほど、ＬＥＤ８５からの出射光に対するＬＥＤ搭載パッケージからの出射光の比率（効率）が低下する。

ところで、近年、ＬＥＤは高出力化が進み、大電流駆動を行うことにより車両用灯具の光源や街灯等の屋外用照明装置の光源といった、大きな光量が必要とされる光源として対応できるように考えられている。但し、蛍光体に高出力の励起光を照射すると発熱によって熱密度が高くなり、中央部がホットスポットとなって上述のように波長変換効率が低下することになる。そこで、蛍光体の温度上昇を抑制して波長変換効率の低下を抑制するための放熱手段を施す必要がある。

上記構成のＬＥＤ搭載パッケージにおいては、蛍光体を含有する蛍光体フィルター９０自体による放熱及び蛍光体フィルター９０が取り付けられた半導体素子実装用基板８４による放熱が行われ、半導体素子実装用基板８４をマザーボード９１に搭載した状態においては、更に放熱部９２を介してマザーボード９１による放熱も行われる。

但し、この場合、蛍光体フィルター９０は接着剤８９を介して半導体素子実装用基板８４に固定されており、接着剤８９によって半導体素子実装用基板８４への熱伝導率が低下して放熱効果が妨げられる。

そこで、本発明は上記問題に鑑みて創案されたものであり、その目的とするところは、励起光による蛍光体の温度上昇を抑制できる構成を有するＬＥＤ光源ユニットを提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明の請求項１に記載された発明は、金属製又は表面に金属膜が設けられた略筒状の外殻と、前記外殻の内部の下部に配置されたＬＥＤと、前記外殻の上部の開口部に該開口部を塞ぐように配置された蛍光体塗布プレートと、を有し、前記蛍光体塗布プレートは、ガラス基板の中央側に蛍光体を分散した透光性樹脂による第１の層が形成され、前記第１の層の周縁部を覆って重なるように前記ガラス基板の周縁部に前記蛍光体と結着材の混合物による第２の層が形成され、前記第２の層の表面上に金属材料からなる第３の層が形成され、前記第１の層と前記ＬＥＤの光出射面とが所定の距離を置いて対向すると共に前記第３の層が前記外殻に金属接合されていることを特徴とするものである。

また、本発明の請求項２に記載された発明は、請求項１において、前記結着材は、ホウ酸塩又はリン酸カルシウムを含むことを特徴とするものである。

また、本発明の請求項３に記載された発明は、請求項１又は請求項２において、前記透光性樹脂は、シリコーン樹脂又はエポキシ樹脂であることを特徴とするものである。

また、本発明の請求項４に記載された発明は、請求項１〜請求項３のいずれかにおいて、前記ＬＥＤは、青色光又は青色光よりも短波長の光を発することを特徴とするものである。

また、本発明の請求項５に記載された発明は、請求項１〜請求項４のいずれかにおいて、前記外殻は前記開口部に段差部を有しており、該段差部に前記蛍光体プレートが嵌め込まれていることを特徴とするものである。

また、本発明の請求項６に記載された発明は、請求項１〜請求項５のいずれかにおいて、前記外殻は、金属製の場合はアルミニウム、鉄及び銅のいずれかで形成され、表面に金属膜が設けられている場合はマグネシウム及び熱伝導プラスチックのいずれかで形成されていることを特徴とするものである。

本発明のＬＥＤ灯具ユニットは、ガラス基板の中央側に蛍光体を分散した透光性樹脂による第１の層が形成され、前記第１の層の周縁部を覆って重なるように前記ガラス基板の周縁部に前記蛍光体と結着材の混合物による第２の層が形成され、前記第２の層の表面上に金属材料からなる第３の層が形成されてなる蛍光体塗布プレートを有し、該蛍光体塗布プレートを内部の下部にＬＥＤを配置した略筒状の外殻の上部の開口部に該開口部を塞ぐように配置すると共に、第３の層を外殻に金属接合した。

そのため、ＬＥＤの出射光による蛍光体の励起に伴う発熱が、第１の層から熱伝導が良好な第２の層及び第３の層を順次伝導されて外殻を介して外部に放散され、蛍光体の自己発熱による温度上昇が抑制されて温度上昇に起因する波長変換効率の低下が抑制されると共に蛍光体寿命の低下も抑制される。

その結果、励起光と蛍光体からの波長変換光との加法混色光の色相及び色温度の変化が少なく、光量の低下も少なく、蛍光体寿命の長寿命化が図られたＬＥＤ光源ユニットが実現する。

実施形態のＬＥＤ光源ユニットの断面図である。 ＬＥＤ光源ユニットに係わる外殻の断面図である。 ＬＥＤ光源ユニットに係わる蛍光体塗布プレートの製造工程図である。 ＬＥＤ光源ユニットの伝熱経路の説明図である。 伝熱及び放熱性能の評価用試作品の説明図である。 同じく、伝熱及び放熱性能の評価用試作品の説明図である。 同じく、伝熱及び放熱性能の評価用試作品の説明図である。 同じく、伝熱及び放熱性能の評価用試作品の説明図である。 従来例の説明図である。

以下、この発明の好適な実施形態を図１〜図８を参照しながら、詳細に説明する（同一部分については同じ符号を付す）。尚、以下に述べる実施形態は、本発明の好適な具体例であるから、技術的に好ましい種々の限定が付されているが、本発明の範囲は、以下の説明において特に本発明を限定する旨の記載がない限り、これらの実施形態に限られるものではない。

図１は実施形態のＬＥＤ光源ユニットの断面図、図２はＬＥＤ光源ユニットに係わる外殻の断面図、図３はＬＥＤ光源ユニットに係わる蛍光体塗布プレートの製造工程の説明図である。

ＬＥＤ光源ユニット(図１参照)１は、光源のＬＥＤ２と、ＬＥＤ２を実装したＬＥＤ実装基板１０と、ＬＥＤ実装基板１０のＬＥＤ実装面上に配設された金属製の外殻２０と、外殻２０に取り付けられた蛍光体塗布プレート３０を有している。

ＬＥＤ２は、青色光又は青色光よりも短波長の紫色光あるいは紫外光等の光を発する半導体発光素子（図示せず）を収容している。本実施形態においてはＬＥＤ２として、青色光を発光する青色半導体発光素子を収容した青色ＬＥＤを用いている。

ＬＥＤ実装基板１０は円盤状を呈しており、中央部に複数のＬＥＤ２が光出射方向を上方に向けて実装されている。

ＬＥＤ実装基板１０のＬＥＤ実装面上には、内部の下部に複数のＬＥＤ２を収容するように略円筒状の外殻２０が配設されている。外殻２０（図２参照）はアルミニウム、鉄、銅等の金属部材で形成され、上部に開口２１を有すると共に開口端部は内周縁部を、内周縁２２から幅方向に所定の幅（Ｗ）で所定の深さ（Ｈ）で周方向に沿って円環状に切り欠いた段差部２３を有している。

なお、外殻２０を形成する材料は金属材料に限られるものではなく、金属材料以外の材料、例えば、マグネシウム、熱伝導プラスチック等を用いることができる。但し、その場合には、外面に金属膜を設ける必要がある。

図１に戻って、外殻２０の開口２１には該開口２１を塞ぐように、段差部２３に落とし込んで嵌め込まれた蛍光体塗布プレート３０が取り付けられている。

蛍光体塗布プレート３０（図３（ａ〜ｄ）参照）は、以下の工程を経て作製される。

まず、（ａ）にあるように、円盤状のガラス基板３１を準備する。

次に、（ｂ）にあるように、ガラス基板３１の一方の面に、例えば、シリコーン樹脂あるいはエポキシ樹脂等の透光性樹脂に蛍光体（図示せず）を分散したものを印刷等の方法で均一に塗布して加熱硬化させることにより第１の層３２が形成される。本実施形態においては透光性樹脂にシリコーン樹脂が用いられ、シリコーン樹脂は流動性が良好なため蛍光体を均一に分散させることができる。そのため、第１の層３２をガラス基板３１上に均一な厚みに形成することにより蛍光体を均一に配置することができる。第１の層３２の形成領域３３は、ガラス基板３１の外周縁３１ａから中央側に所定の幅（Ｄ１）で周方向に沿う円環状の領域（第１の層の非形成領域）３４を除く中央側の円状領域である。

本実施形態においては蛍光体として、ＬＥＤ２からの青色光で励起されて青色光の補色となる黄色光を放出する黄色蛍光体を用いる。

次に、（ｃ）にあるように、ガラス基板３１上に、ガラス基板３１の外周縁３１ａから中央側に所定の幅（Ｄ２）で周方向に沿う円環状に、第１の層３２の周縁部３２ａを覆って重なるように第２の層３５が形成される。第２の層３５は、蛍光体と無機材料（例えば、ホウ酸塩、リン酸カルシウム等を含む）からなる結着材を混合したものを印刷等の方法で均一に塗布して焼結・焼成させることにより形成される。

この結着材は、第１の層３２が形成されたガラス基板３１に対する強力な結着力を有するものであると同時に、後述する第３の層３６の形成時の加熱及び第３の層３６と外殻２０との金属接合時の加熱に対して耐熱性を有するものである。

最後に、（ｄ）にあるように、第２の層３５の表面上に、ガラス基板３１の外周縁３１ａから中央側に所定の幅（Ｄ３）で周方向に沿う円環状に第３の層３６が形成される。第３の層３６は、アルミニウム等の金属材料を蒸着法等の方法によって成膜することにより形成された金属膜である。

第１の層３２の非形成領域３４の幅（Ｄ１）、第２の層３５の幅（Ｄ２）及び第３の層３６の幅（Ｄ３）は、Ｄ１＜Ｄ２、且つ、Ｄ３≦Ｄ２の関係にあることが好ましい。

図１に戻って、上記工程を経て作製された蛍光体塗布プレート３０は、外殻２０の段差部２３に落とし込まれて嵌合状態とされており、蛍光体塗布プレート３０の第１の層３２とＬＥＤ２の光出射面（図示せず）とが所定の距離を置いて互いに対向している。

また、蛍光体塗布プレート３０の第３の層３６と外殻２０の段差部２３の底面２４とが全周に亘って金属接合されている。金属接合は、例えば、ろう付けや溶接等の方法が用いられるが、接合方法によっては金属に弾かれる場合があるので、その場合はフラックス等の溶剤が使用される。蛍光体塗布プレート３０の第３の層３６と外殻２０の段差部２３の底面２４との溶接面積を大きく取ることにより、後述する放熱効果を高めることができる。

そこで、上記構成のＬＥＤ光源ユニットにおける、ＬＥＤの点灯時の熱に対する伝熱経路及び放熱効果について図４を用いて説明する。

ＬＥＤ２が点灯すると、該ＬＥＤ２からは上方の蛍光体塗布プレート３０に向けて青色光が発せられて蛍光体塗布プレート３０の第１の層３２に照射され、該第１の層３２に分散された黄色蛍光体が青色光の一部に励起されて黄色光を放出し、放出された黄色光はガラス基板３１を透過して外部に出射される。また、青色光の一部は、青色光のまま第１の層３２を通過してガラス基板３１を透過して外部に出射される。

その結果、ＬＥＤ光源ユニット１からは蛍光体塗布プレート３０を発光部（面発光部）とする、ＬＥＤ２からの青色光と、ＬＥＤ２からの青色光で励起された黄色蛍光体から放出された黄色光との加法混色による疑似白色光が得られる。

このとき、黄色蛍光体は青色光で励起されて黄色光を放出する際に発熱を伴う。黄色蛍光体にとって発熱による温度上昇は励起効率（波長変換効率）の低下を招き、青色光に対する黄色光の比率が低下する。その結果、加法混色による疑似白色光が青みがかった白色光となって色温度が高くなり、同時に光量が低下する。

このことより、色温度の低い光を得るために、第１の層３２に分散された黄色蛍光体の濃度を高めると、黄色蛍光体の濃度が高まるにつれて黄色蛍光体による発熱量が多くなって励起効率（波長変換効率）が低下し、ＬＥＤ光源ユニット１からの出射光量が低下する。同時に、黄色蛍光体の励起効率（波長変換効率）の低下は、青色光に対する黄色光の比率を低下させ、ＬＥＤ光源ユニット１からの出射光が所望の色温度よりも高い色温度となる。

そこで、ＬＥＤ光源ユニット１からの出射光を所望の光量、所望の色温度とすると共に該光量及び色温度を安定して得るためには、青色光で励起された黄色蛍光体の温度上昇を抑制する必要がある。

そこで、本発明の発明たちは、蛍光体塗布プレートの構成及び蛍光体塗布プレートと外殻との接合構造について設定すべく、構成の異なる４種類の試作品を作製して伝熱及び放熱の観点から性能の確認を行った。

第１の試作品〔試作品１〕（図５参照）は、蛍光体塗布プレート３０の第１の層３２の周縁部３２ａを外殻２０の段差部２３の底面２４に直接接触させた構成を有している。
第２の試作品〔試作品２〕（図６参照）は、蛍光体塗布プレート３０の第１の層３２の周縁部３２ａを外殻２０の段差部２３の底面２４に接着剤３を介して固定した構成を有している。
第３の試作品〔試作品３〕（図７参照）は、第１の層３２が塗布された蛍光体塗布プレート３０のガラス基板を３１を外殻２０の段差部２３の底面２４に直接接触させた構成を有している。
第４の試作品〔試作品４〕（図８参照）は、第１の層３２が塗布された蛍光体塗布プレート３０のガラス基板３１を外殻２０の段差部２３の底面２４に接着剤３を介して固定した構成を有している。

上記４種類の構成からなる試作品の夫々について外殻２０の温度を測定することにより、ＬＥＤ２の点灯時の蛍光体塗布プレート３０の第１の層３２における発熱が熱伝導によって外殻２０に移動した移動量の違いを検証した。

その結果、試作品１の外殻２０の温度は７０．４℃、試作品２は５６．０℃、試作品３は５２．４℃、試作品４は５１．１℃であった。

上記結果より、外殻２０の温度は、試作品１が試作品２、試作品３及び試作品４よりもはるかに高い。このことより、黄色蛍光体を分散した第１の層３２の発熱は、該第１の層３２を直接金属製の外殻２０に接触することにより、外殻２０への熱伝導が効率よく行われることがわかる。

これに対し、第１の層３２を接着剤３を介して金属製の外殻２０に固定した構成の試作品２は、上記試作品１に対して殻２０の温度がはるかに低い。これは、接着剤を構成する有機材料が熱抵抗となるため、第１の層３２と外殻２０の間の熱伝導性が低下するためである。

第１の層３２が直接あるいは接着剤を介してでも外殻２０に接触していない構成からなる試作品３及び試作品４は、外殻２０の温度が試作品２と大差がない。

以上のことより、第１の層３２と外殻２０との間の熱伝導性を高めるためには、第１の層３２と外殻２０とを直接接触させることが最良な方法であるといえる。しかしながら、ＬＥＤ光源ユニット１の実際の構成においては、蛍光体塗布プレート３０を外殻２０に固定する手段が必要である。

そこで、本発明は、蛍光体塗布プレート３０を外殻２０に固定する手段として、従来の有機材料からなる接着剤よりも熱伝導が良好な、無機材料（例えば、ホウ酸塩、リン酸カルジウム等を含む）からなる結着材と蛍光体を混合したものを用い、この混合体により第２の層３５を形成した。

そこで、図４に戻って、ＬＥＤ２からの出射光が照射されて励起された、第１の層３２に分散された黄色蛍光体による発熱は、第１の層３２の周縁部３２ａを覆って重なるように形成された第２の層３５に伝導され、第２の層３５から該第２の層３５の表面上に形成された金属材料からなる第３の層３６に伝導され、第３の層３６から該第３の層３６が金属接合した外殻２０に伝導され、外殻２０から外部に放散される。

つまり、黄色蛍光体の励起に伴う発熱が、第１の層３２から熱伝導が良好な第２の層３５及び第３の層３６を順次伝導されて外殻２０を介して外部に放散される。その結果、黄色蛍光体の自己発熱による温度上昇が抑制されて温度上昇に起因する波長変換効率の低下が抑制される。

そのため、青色光に対する黄色光の比率の低下が抑えられて加法混色による疑似白色光の色相及び色温度の変化も少なく、同時に光量の低下も少ない。これにより、光学的に信頼性のあるＬＥＤ光源ユニットが実現する。

同時に、黄色蛍光体の自己発熱による温度上昇が抑制されて温度上昇に起因する蛍光体寿命の低下が抑制され、製品寿命に対する信頼性の高いＬＥＤ光源ユニットが実現する。

また、蛍光体塗布プレート３０の第１の層３２は、第３の層３６と外殻２０の段差部２３の底面２４との金属接合時の熱が直接加わる領域には形成されておらず、蛍光体塗布プレート３０と外殻２０との固定手段の構成には係わらない。そのため、外殻２０に対する蛍光体塗布プレート３０の強固な固定が確保でき、高い固定信頼性を実現することができる。

１… ＬＥＤ光源ユニット
２… ＬＥＤ
３… 接着剤
１０… ＬＥＤ実装基板
２０… 外殻
２１… 開口
２２… 内周縁
２３… 段差部
２４… 底面
３０… 蛍光体塗布プレート
３１… ガラス基板
３１ａ… 外周縁
３２… 第１の層
３２ａ… 周縁部
３３… 第１の層の形成領域
３４… 第１の層の非形成領域
３５… 第２の層
３６… 第３の層

Claims (6)

1. 金属製又は表面に金属膜が設けられた略筒状の外殻と、
   前記外殻の内部の下部に配置されたＬＥＤと、
   前記外殻の上部の開口部に該開口部を塞ぐように配置された蛍光体塗布プレートと、を有し、
   前記蛍光体塗布プレートは、ガラス基板の中央側に蛍光体を分散した透光性樹脂による第１の層が形成され、前記第１の層の周縁部を覆って重なるように前記ガラス基板の周縁部に前記蛍光体と結着材の混合物による第２の層が形成され、前記第２の層の表面上に金属材料からなる第３の層が形成され、
   前記第１の層と前記ＬＥＤの光出射面とが所定の距離を置いて対向すると共に前記第３の層が前記外殻に金属接合されていることを特徴とするＬＥＤ光源ユニット。
2. 前記結着材は、ホウ酸塩又はリン酸カルシウムを含むことを特徴とする請求項１に記載のＬＥＤ光源ユニット。
3. 前記透光性樹脂は、シリコーン樹脂又はエポキシ樹脂であることを特徴とする請求項１又は請求項２のいずれかに記載のＬＥＤ光源ユニット。
4. 前記ＬＥＤは、青色光又は青色光よりも短波長の光を発することを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれかに記載のＬＥＤ光源ユニット。
5. 前記外殻は前記開口部に段差部を有しており、該段差部に前記蛍光体プレートが嵌め込まれていることを特徴とする請求項１〜請求項４のいずれかに記載のＬＥＤ光源ユニット。
6. 前記外殻は、金属製の場合はアルミニウム、鉄及び銅のいずれかで形成され、表面に金属膜が設けられている場合はマグネシウム及び熱伝導プラスチックのいずれかで形成されていることを特徴とする請求項１〜請求項５のいずれかに記載のＬＥＤ光源ユニット。

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