JP2018056406A

JP2018056406A - 発光モジュールおよび照明装置

Info

Publication number: JP2018056406A
Application number: JP2016192458A
Authority: JP
Inventors: 渡邊　美保; Miho Watanabe; 美保渡邊; 優佐々木; Masaru Sasaki
Original assignee: Toshiba Lighting and Technology Corp
Current assignee: Toshiba Lighting and Technology Corp
Priority date: 2016-09-30
Filing date: 2016-09-30
Publication date: 2018-04-05
Anticipated expiration: 2036-09-30
Also published as: CN206496229U; JP6823800B2; KR20180036493A

Abstract

【課題】各種類の発光素子を同一仕様の電源で駆動することができ、色むらを抑制できる発光モジュール、および照明装置を提供する。【解決手段】発光モジュール１は、基板１０と、３種類以上の波長の異なる複数の主発光素子２０ｒ〜２０ｏと、ｘ、ｙ色度図において、主発光素子で再現される色度範囲に含まれない光を照射する副発光素子２０ｉを有する。副発光素子は、主発光素子よりも上面の表面積が小さく、かつ、主発光素子に印加される電圧と同等の印加電圧になるように個数が選定される。【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この発光モジュールを用いた照明装置に関する。

放射する光の色が異なる複数種類の発光素子を備えた発光モジュールがある。この様な発光モジュールは、発光色毎に発光素子の点灯と消灯の制御を行うことで、あらゆる色（フルカラー）の光を照射することができる。

フルカラーとはｘ、ｙ色度図上で、三原色を使って再現できる色のことであり、少なくとも３種類以上の波長の異なる発光素子、例えば、赤色の光を放射する発光素子、緑色の光を放射する発光素子、および青色の光を放射する発光素子が必要となる。また、多種の光の色を得るためには、例えば、黄色の光を放射する発光素子、橙色の光を放射する発光素子や藍色の光を放射する発光素子などがさらに必要となる。

しかしながら、発光素子は各々電気的特性が異なるため、光の色毎に発光素子の点灯と消灯の制御を行うためには、発光素子が実装された基板上に、発光素子の種類の数だけ独立した配線パターン及び発光素子の種類毎に異なる仕様の電源が必要となる。そのため、電気的特性が異なる各々の発光素子に対し同一仕様の電源を用いた場合には、電源効率が低下するという問題が生じる。

特開平８−１２５２２９号公報

本発明が解決しようとする課題は、放射する光の色が異なる各種類の発光素子を同一仕様の電源で駆動することができ、色むらを抑制できる発光モジュールおよび照明装置を提供することである。

実施形態の発光モジュールは、基板と、３種類以上の波長の異なる複数の主発光素子と、ｘ、ｙ色度図において、前記主発光素子で再現される色度範囲に含まれない光を照射する副発光素子を有する。副発光素子は、主発光素子よりも上面の表面積が小さく、かつ、前記主発光素子に印加される電圧と同等の印加電圧になるように個数が選定される。

本発明の実施形態によれば、複数種類の発光素子を用いた発光モジュールにおいて、各種類の発光素子に用いる電源を同一仕様にできるとともに色むらを抑制することが期待できる。

実施形態の発光モジュールを示す平面図である。図１におけるＡ−Ａ線断面図である。実施形態の発光モジュールのｘ、ｙ色度図を示す図である。３種類の主発光素子と副発光素子を用いた発光モジュールのｘ、ｙ色度図を示す図である。実施形態の発光モジュールの発光素子の使用個数と印加電圧との関係を示す図表である。実施形態の発光モジュールの変形例を示す平面図である。実施形態に係る照明装置を示す断面図である。

以下、実施形態の構成を図面を参照して説明する。

図１は、実施の形態に係る発光モジュール１を例示するための平面図である。なお、説明上、煩雑となるのを避けるために、図１においては封止部４０、配線パターン１２などを省略して示している。

図２は、図１におけるＡ−Ａ線断面図である。

図１および図２に示すように、発光モジュール１には、基板１０、発光部２０、枠部３０および封止部４０が設けられている。

基板１０は、基体１１および配線パターン１２を有する。

基体１１は、板状を呈している。基体１１は、熱伝導率の高い材料を用いて形成するのが好ましい。熱伝導率の高い材料としては、例えば、セラミックスなどの無機材料や金属板の表面を絶縁性材料で被覆したものなどを用いることができる。なお、セラミックとしては、酸化アルミニウムや窒化アルミニウムなどを用いることができる。金属板の表面を絶縁性材料で被覆する場合には、絶縁性材料は、有機材料からなるものであってもよいし、無機材料からなるものであってもよい。

配線パターン１２は、実装パッド１２ａ、配線部１２ｂ、導電ビア１２ｃおよび入力端子１２ｄを有する。実装パッド１２ａは、基体１１の一方の面に設けられており、枠部３０の内側に設けられている。

配線部１２ｂは、基体１１において、実装パッド１２ａが設けられる面とは反対側の他方の面に設けられている。配線部１２ｂは、導電ビア１２ｃおよび入力端子１２ｄと電気的に接続されている。

導電ビア１２ｃは、基体１１を厚み方向に貫通している。導電ビア１２ｃの一方の端部は、実装パッド１２ａと電気的に接続されている。導電ビア１２ｃの他方の端部は、配線部１２ｂと電気的に接続されている。

これにより、基板１１の実装パッド１２aが設けられる面での配線が簡略化でき、発光素子の高密度実装が可能となる。

入力端子１２ｄは、配線部１２ｂと同様に、基体１１において、実装パッド１２ａが設けられる面とは反対側の他方の面に設けられている。入力端子１２ｄの配設位置には特に限定されない。入力端子１２ｄは、例えば、基体１１の周縁近傍に設けることができる。

なお、配線部１２ｂおよび入力端子１２ｄは、基体１１における実装パッド１２ａが設けられる面に設けることもできる。この場合、導電ビア１２ｃは形成する必要はない。

また、入力端子１２ｄは、枠部３０の外側に設けることができる。

さらに、実装パッド１２ａ、配線部１２ｂ、導電ビア１２ｃおよび入力端子１２ｄは、発光素子の種類毎（後述する発光素子２０ｒ〜２０i毎）に１組設けられる。

加えて、基体１１は、図２に例示をしたような単層構造とすることもできるし、多層構造とすることもできる。

配線パターン１２の材料は、導電性材料であれば特に限定されない。配線パターン１２の材料は、例えば、銀、銅、金、タングステンなどの金属を適用することができる。基体１１の材料をセラミックスとする場合には、基板１０は、例えば、ＬＴＣＣ（Low TemperatureCo-fired Ceramics）法を用いて形成することができる。例えば、基板１０は、基体１１と配線パターン１２を９００℃以下の温度で同時に焼成することで形成することができる。

また、基板１０における、発光部２０が設けられる面とは反対側の面に、図示しないヒートスプレッタを設けることもできる。ヒートスプレッタは、熱伝導性グリースや半田などを介して基板１０と接続することができる。ヒートスプレッタを設けるようにすれば、発光部２０において発生した熱の伝導や分散を図ることができる。そのため、発光部２０に印加する電力を増加させることができるようになるので、発光モジュール１から照射される光の光量を増加させることができる。また、熱伝導経路を確保することが容易となるので、封止部４０の温度、ひいては発光部２０の温度が上昇するのを抑制することができる。

発光部２０は、主発光素子２０ｒ、２０ｇ、２０ｂ、２０ｃ、２０ｙ、２０oと、副発光素子２０iを有する。発光素子２０ｒ、２０ｇ、２０ｂ、２０ｃ、２０ｙ、２０o、２０iは基板１０の一方の面に設けられている。

発光素子２０ｒは、赤色系の光を放射する。発光素子２０ｒは、光のピーク波長が６１０ｎｍ以上、６６０ｎｍ以下の光を放射する発光素子である。発光素子２０ｇは、緑色系の光を放射する。発光素子２０ｇは、光のピーク波長が５００ｎｍ以上、５４０ｎｍ以下の光を放射する発光素子である。発光素子２０ｂは、青色系の光を放射する。発光素子２０ｂは、光のピーク波長が４７０ｎｍ以上、４８５ｎｍ以下の光を放射する発光素子である。発光素子２０ｃは、シアンの光を放射する。発光素子２０ｃは、光のピーク波長が４９０ｎｍ以上、５００ｎｍ以下の光を放射する発光素子である。

発光素子２０ｙは、黄色系の光を放射する。発光素子２０ｙは、光のピーク波長が５７０ｎｍ以上、５９０ｎｍ以下の光を放射する。発光素子２０ｙは、青色系の光を放射する発光素子と、発光素子の光の放射面に設けられ黄色系の蛍光を発する蛍光体とを備えたものである。発光素子２０ｏは、橙色系の光を放射する。発光素子２０ｏは、光のピーク波長が５９０ｎｍ以上、６２０ｎｍ以下の光を放射する。発光素子２０ｏは、青色系の光を放射する発光素子と、発光素子の光の放射面に設けられアンバーの蛍光を発する蛍光体とを備えたものである。

また、発光素子２０iは、副発光素子であり、藍色の光を放射する。発光素子２０iは、主発光素子よりも光のピーク波長が短い４４５ｎｍ以上、４６０ｎｍ以下の光を放射する発光素子である。

発光素子２０ｒ〜２０iは、ＣＯＢ（Chip on Board）方式を用いて、実装パッド１２ａの上に実装されている。発光素子２０ｒ〜２０iは、銀ペーストや銀ナノペーストなどを介して実装パッド１２ａ上に接合されている。発光素子２０ｒ〜２０iは、上下電極型の発光素子やフリップチップ型の発光素子などを用いることができる。

発光素子２０ｒ〜２０iが上下電極型の発光素子である場合には、発光素子２０ｒ〜２０iの基板１０側の電極（下側電極）は、鉛フリー半田（ＳＡＣ：ＳｎＡｇＣｕなど）、金錫（ＡｕＳｎ）合金ペースト、銀ペースト、銀ナノペーストなどの導電性の接合材を介して、実装パッド１２ａと電気的に接続される。発光素子２０ｒ〜２０iの基板１０側とは反対側の電極（上側電極）は、配線２１を介して、実装パッド１２ａと電気的に接続される。配線２１は、例えば、ワイヤーボンディング法を用いて接続することができる。

発光素子２０ｒ〜２０iがフリップチップ型の発光素子である場合には、発光素子２０ｒ〜２０iの電極は、鉛フリー半田、金錫合金ペースト、銀ペースト、銀ナノペーストなどの導電性の接合材を介して、実装パッド１２ａと電気的に接続される。

枠部３０は、略円形状に形成されている。枠部３０は、基板１０の発光素子２０ｒ〜２０iが設けられる面に発光素子２０ｒ〜２０iを囲むように設けられている。枠部３０は、例えば、ＰＢＴ（polybutylene terephthalate）やＰＣ（polycarbonate）などの樹脂やセラミックスなどから形成することができる。

また、枠部３０は必ずしも必要ではなく省くこともできる。なお、枠部３０が設けられない場合には、封止部４０の形状は、例えば、ドーム状などに形成される。

封止部４０は、透光性を有する材料から形成されている。封止部４０は、例えば、シリコーン系樹脂などの透明樹脂から形成することができる。

この発光モジュール１は、発光素子の種類毎に設けられた入力端子１２ｄに、発光モジュール１の外部に設けられた図示しない電源や制御装置などが電気的に接続される。そのため、発光モジュール１は、発光素子の放射光の色が異なる種類毎に点灯回路を設け、点灯と消灯の制御を行うことで、全ての色（フルカラー）の光を照射することができるようになっている。

次に、実施形態における発光モジュール１のｘ、ｙ色度図を、図３を参照して説明する。

実施形態では、主発光素子に２０ｒ、２０ｇ、２０ｂ、２０ｃ、２０ｙ、２０oを用いて、副発光素子に２０iを用いている。そのため、ｘ、ｙ色度図では図３に示すように、主発光素子で再現される範囲は図中の斜線部であり、副発光素子２０iは、主発光素子で再現される色度範囲に含まれない位置にある。

実施形態として、６種類の主発光素子２０ｒ、２０ｇ、２０ｂ、２０ｃ、２０ｙ、２０oと副発光素子２０iを設ける場合を例示したが、少なくとも３種類以上の波長の異なる複数の発光素子、例えば、緑色の光を放射する発光素子２０ｇ、青色の光を放射する発光素子２０ｂ、赤色の光を放射する発光素子２０ｒと副発光素子、例えば、藍色の光を照射する発光素子２０iが設けられている場合であってもよい。この場合のｘ、ｙ色度図は図４に示すように、主発光素子２０ｒ、２０g、２０ｂで再現される色度範囲は図内の斜線部であり、副発光素子２０iは色度範囲に含まれない位置にある。このように、主発光素子で再現される色度範囲に含まれない位置に副発光素子を設けることで、再現できる色度範囲が広がり、多種の光の色を得ることが可能となる。

次に、実施形態における発光素子の使用数と印加電圧について図５を参照して説明する。

発光モジュール１から白色系の光を照射することを考慮すると、発光素子の上面の表面積が縦×横＝１．０ｍｍ×１．０ｍｍ＝１．０ｍｍ^２を使用した場合、発光素子２０ｙ、２０o、２０ｒは各２８〜３２個程度であり、発光素子２０ｂ、２０ｇ、２０ｃは各１２個程度である。対して、発光素子２０iは６個程度で足りる。発光素子２０ｒの印加電圧は３１〜３５Ｖ程度であり、発光素子２０ｙ、２０oの印加電圧は４２〜４８Ｖ程度、発光素子２０ｂ、２０ｇ、２０ｃの印加電圧は３６Ｖ程度、２０iの印加電圧は１８Ｖ程度となる。発光素子２０iは使用個数が他の発光素子よりも少ないため、印加電圧が低くなる。そのため、他の発光素子と同仕様の電源を使用した場合電源効率が悪く、発光素子２０i用の電源が特別に必要となる。

そこで、発光素子２０iの上面の表面積を上記の半分程度の縦×横＝０．５ｍｍ×１．０ｍｍ＝０．５ｍｍ^２にすることにより、発光素子１個あたりの光出力が半分程度になるため発光素子２０iの必要数が１２個となる。上面の表面積が変わっても発光素子１個あたりの印加電圧は変わらないので発光素子２０iの印加電圧は、上記１８Ｖの２倍の３６Ｖ程度となる。これにより、副発光素子２０ｉの印加電圧が、主発光素子の印加電圧の半分以上、最大印加電圧以下の範囲となることから、副発光素子は主発光素子と同等の印加電圧とすることができる。

また、発光素子２０iの上面の表面積を小さくし、使用個数を増加させることで発光面内に発光素子２０iを広く分散配置することができる。

この実施形態の発光モジュール１は、発光素子２０iの上面の表面積を小さくし、他の発光素子の印加電圧と同等になるよう使用個数を選定することで、同一仕様の電源を使用できる。

また、発光素子の上面の表面積を小さくし、個数を増やすことで、発光面内に広く分散配置をしやすくなるため、混色時の色むらを抑制することができる。

次に、図６を参照して、変形例の発光モジュール１Ａについて説明する。なお、図６において図１と同一部分には同一符号を付し重複する説明は省略する。発光モジュール１Ａは、基板１０に、波長の異なる複数の主発光素子２０ｒ、２０ｇ、２０ｂ、２０ｃと複数の副発光素子２０iを実装しており、白色光を照射する複数の発光素子２０ｗをさらに実装している。

発光素子２０wは、青色系の光を放射する発光素子と、発光素子の光の放射面に設けられ黄色系の蛍光を発する蛍光体とを備えたものである。発光素子２０wのように、青色発光素子に黄色蛍光体を備え白色光を照射する方式は発光効率が高い。そのため、発光モジュール１Ａは、発光素子２０wを有することにより、発光効率が向上する。

この実施形態の発光モジュールにおいても、発光素子２０iの上面の表面積を小さくし、他の発光素子の印加電圧と同等になるよう使用個数を選定することで、同一仕様の電源を使用できる。

なお、実施形態および変形例において、発光素子２０iの上面の表面積を小さくし他の発光素子の印加電圧と同等になるよう使用個数を選定する場合に、発光素子の使用個数を選定することに加えて、抵抗を追加し印加電圧を調整しても良い。

次に、上述した発光モジュール１が設けられている照明装置１００について図７を参照し例示して説明する。

図７は、本実施形態に係る照明装置１００を例示するための模式断面図である。

図７に例示をした照明装置１００は、建造物や競技場などに設置される投光器である。

なお、本実施形態に係る照明装置１００は、投光器に限定されるものではない。照明装置１００は、フルカラーの光を照射することができるものであればよい。

図７に示すように、照明装置１００には、照射部１１０および光源部１２０が設けられている。照射部１１０は、筐体１１１およびリフレクタ１１２を有する。

筐体１１１は、箱状を呈している。筐体１１１は、例えば、アルミニウム合金などから形成することができる。筐体１１１の、光源部１２０側とは反対側の端部は開口している。この開口は、図示しない透光カバーにより塞がれている。筐体１１１における光源部１２０側の端部には、孔部１１１ａが設けられている。

リフレクタ１１２は、筐体１１１の内部に設けられている。リフレクタ１１２における光源部１２０側とは反対側の端部には、外方に向けて突出するフランジ１１２ａが設けられている。リフレクタ１１２の光源部１２０側の端部は、孔部１１１ａの内部に設けられている。なお、発光モジュール１の光の放射側に、例えば半球状のレンズなどを配置しても良い。また、レンズの出光面に拡散処理を施したり、拡散シートを貼り付けたりすることもできる。拡散処理を施したり、拡散シートを貼り付けたりすれば、発光素子２０ｒ〜２０iから放射された光を拡散することができるので、色むらの発生をさらに抑制することができる。

光源部１２０は、発光モジュール１、筐体１２１、取付部１２２、放熱部１２３、パッキン１２４、放熱フィン１２５およびヒートパイプ１２６を有する。

筐体１２１は、箱状を呈している。筐体１２１は、例えば、アルミニウム合金などから形成することができる。筐体１２１の照射部１１０側の端部には、孔部が設けられている。この孔部の内部には、取付部１２２に取り付けられた発光モジュール１が設けられている。すなわち、発光モジュール１は、筐体１２１に収納されている。

取付部１２２は、板状を呈している。取付部１２２は、例えば、アルミニウム合金などから形成することができる。取付部１２２は、ネジなどの締結部材を用いて、放熱部１２３に取り付けられている。取付部１２２の照射部１１０側の端面には凹部が設けられている。この凹部の内部に発光モジュール１が配設されている。

放熱部１２３は、板状を呈している。放熱部１２３は、例えば、アルミニウム合金などから形成することができる。放熱部１２３は、図示しないネジなどの締結部材を用いて、筐体１２１の内部に取り付けられている。

パッキン１２４は、環状を呈している。パッキン１２４は、放熱部１２３と筐体１２１の内壁面との間に設けられている。

放熱フィン１２５は、放熱部１２３の背面側に薄板状をなして設けられている。放熱フィン１２５は、複数設けられている。放熱フィン１２５は、例えば、アルミニウム合金などから形成することができる。放熱

フィン１２５は、放熱部１２３における部１２２が設けられる側とは反対側の面に設けられている。

ヒートパイプ１２６は、放熱部１２３と放熱フィン１２５の間に設けられている。ヒートパイプ１２６は、複数設けることができる。

その他、発光モジュール１を制御する図示しない制御装置を設けることができる。例えば、制御装置は、発光素子２０ｒ〜２０i毎に点灯と消灯を制御する。また、制御装置は、発光素子２０ｒ〜２０i毎に供給する電力を制御して、発光素子２０ｒ〜２０i毎に発光出力を制御する。また、この発光モジュール１を駆動する図示しない電源が設けられ、発光素子の放射光の色が異なる種類毎に同一仕様の電源が用いられている。

また、光源部１２０には、拡散部１２７をさらに備えることができる。拡散部１２７は、例えば、ガラスや透明樹脂などから形成された板状体とすることができる。拡散部１２７は、表面に微細な凹凸を有したものとすることができる。凹凸の大きさや形状には特に限定はなく、拡散部１２７に入射した光（発光モジュール１から放射された光）が拡散されるようになっていればよい。拡散部１２７を設けるようにすれば、発光素子２０ｒ〜２０iから放射された光を拡散することができるので、色むらの発生をさらに抑制することができる。

以上説明した実施形態によれば、放射する光の色が異なる各種類の発光素子を同一仕様の電源で駆動することができ、色むらを抑制できる発光モジュールおよび照明装置を提供できる。

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発光モジュール
１０基板
２０ｒ、２０ｇ、２０ｂ、２０ｃ、２０ｃ、２０ｙ主発光素子
２０i 副発光素子
３０枠部
２０w 白色光を照射する発光素子
１００照明装置
１１１筐体

Claims

基板と；
前記基板に実装される少なくとも３種類以上の波長の異なる複数の主発光素子と；
ｘ、ｙ色度図において、前記主発光素子で再現される色度範囲に含まれない光を照射する発光素子であり、前記主発光素子よりも上面の表面積が小さく、かつ、前記主発光素子に印加される電圧と同等の印加電圧になるように個数が選定されて前記基板に実装された複数の副発光素子と；
を具備していることを特徴とする発光モジュール。
前記副発光素子は、前記主発光素子より光のピーク波長が短いことを特徴とする請求項１記載の発光モジュール。
前記基板には、白色光を照射する複数の発光素子がさらに実装されていることを特徴とする請求項１または２記載の発光モジュール。
請求項１ないし３いずれか一記載の発光モジュールと、
前記発光モジュールを備えた筐体と、
を具備している照明装置。