JP2019114630A - 発光装置及び発光装置の製造方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】発光装置の発光部中心輝度を維持しながら周辺部の黄色光を減少させることで色度指向性を改善させる。【解決手段】基板(10)と、基板(10)上に配置される複数の発光素子(20)と、基板(10)上であって、複数の発光素子(20)の周囲に配置される枠体(40)と、蛍光体を含有し、複数の発光素子(20)を封止するために枠体(40)の内側に配置される封止部材(50)と、枠体(40)の表面の一部及び封止部材(50)の上部表面の一部を覆う様に配置される反射部材(60)と、を有し、反射部材(60)は、枠体(40)と封止部材(50)の上部表面とが接する箇所から内側の封止部材(50)の上部表面を覆い、且つ、複数の発光素子(20)の上面の上方は覆わない様に配置される。【選択図】図1

Description

本発明は、発光装置及び発光装置の製造方法に関する。
LED(light-emitting diode)素子等の発光素子を利用した発光装置が、照明等に広く利用されている。
例えば、特許文献1には、封止樹脂に混入した蛍光体によってLED素子が出射した青色光を黄色光に波長変換し、青色光と波長変換された黄色光を混合することで白色光を得る発光装置が記載されている。
国際公開第2016/194876号
図16(A)は従来の発光装置の一例を示す図であり、図16(B)に図16(A)のIB−IB線断面図であり、図16(C)は図16(B)の部分拡大図である。
発光装置90は、LED素子91と、樹脂枠92と、封止樹脂93とを有する。青色LEDであるLED素子91からの青色光と、青色光によって封止樹脂93中に含有される黄色蛍光体を励起させて得られる黄色光とを混合させることで得られる白色光が、発光装置90から出射する。黄色蛍光体を使用する場合、LED素子91が出射した青色光が封止樹脂93内を長く通過すると、光が黄色蛍光体を照射する確率が増加し、発光装置90から出射される光はより黄色くなる。LED素子91から斜めに出射した光L1は、LED素子91の上面から垂直に出射した光に比べて、封止樹脂93内を長く通過する。LED素子91から斜めに出射した光L1が樹脂枠92の近傍から発光装置90の外部に出射すると、白色光の周囲に黄色いリング状の光(以下、イエローリングと称することがある)が発生する。イエローリングの発生によって、発光装置90から出射される光の色の均一性が損なわれる。
本発明の目的は、発光装置の発光部中心輝度を維持しながら周辺部の黄色光を減少させることで色度指向性を改善させることである。
本発明に係る発光装置は、基板と、基板上に配置される複数の発光素子と、基板上であって、複数の発光素子の周囲に配置される枠体と、蛍光体を含有し、複数の発光素子を封止する為に枠体の内側に配置される封止部材と、枠体の表面の一部及び封止部材の上部表面の一部を覆う様に配置される反射部材と、を有し、反射部材は、枠体と封止部材の上部表面とが接する箇所から内側の封止部材の上部表面を覆い、且つ、複数の発光素子の上面の上方は覆わない様に配置される。
本発明に係る発光装置では、反射部材は、さらに枠体の外側を覆わない様に配置されることが好ましい。
本発明に係る発光装置では、反射部材は、さらに枠体の頂点及び枠体の外側の一部を覆う様に配置されることが好ましい。
本発明に係る発光装置では、基板は、発光素子の配線パターンが形成された回路基板を有し、回路基板の表面は、レジストによって覆われ、反射部材の端部は、レジストに固定されることが好ましい。
本発明に係る発光装置の製造方法は、複数の発光素子を基板に備える工程と、基板上であって、複数の発光素子の周囲に枠体を形成する工程と、基板上であって、枠体の内側に蛍光体を含有する封止部材を充填する工程と、枠体の表面の一部及び封止部材の上部表面の一部を覆う様に反射部材を配置する工程と、を有し、反射部材は、枠体と封止部材の上部表面とが接する箇所から内側の封止部材の上部表面を覆い、且つ、複数の発光素子の上面の上方は覆わない様に配置される。
本発明に係る発光装置によれば、発光装置の発光部中心輝度を維持しながら周辺部の黄色光を減少させることで色度指向性を改善可能である。
(A)は発光装置1の一例の平面図であり、(B)は(A)のA−A´線断面図であり、(C)は(B)の部分拡大図である。 (A)は発光装置1の第1製造工程を示す平面図であり、(B)は(A)のA−A´線に沿う断面図である。 (A)は発光装置1の第2製造工程を示す平面図であり、(B)は(A)のA−A´線に沿う断面図である。 (A)は発光装置1の第3製造工程を示す平面図であり、(B)は(A)のA−A´線に沿う断面図である。 (A)は発光装置1の第4製造工程を示す平面図であり、(B)は(A)のA−A´線に沿う断面図である。 (A)は発光装置1の第5製造工程を示す平面図であり、(B)は(A)のA−A´線に沿う断面図である。 (A)は発光装置1の第6製造工程を示す平面図であり、(B)は(A)のA−A´線に沿う断面図である。 発光装置1における光の反射の一例を示す図である。 (A)は発光装置の第1変形例の断面図であり、(B)は(A)の部分拡大図である。 (A)は発光装置の第2変形例の断面図であり、(B)は(A)の部分拡大図である。 発光装置の第3変形例の平面図である。 発光装置の第4変形例の平面図である。 (A)は実施形態に係る発光装置1を用いたスポットライト10の使用形態の一例を表す図であり、(B)はスポットライト10の一例の概略図である。 発光装置から出射される光の輝度を測定する方法の一例を示す図である。 (A)〜(C)は発光装置から出射される光の輝度のファーフィールド測定のシミュレーション結果の一例を示す図である。 (A)は従来の発光装置の一例を示す図であり、(B)は(A)のIB−IB線断面図であり、(C)は(B)の部分拡大図である。
以下、添付図面を参照して、本発明に係る発光装置について詳細に説明する。ただし、本発明の技術的範囲はそれらの実施の形態に限定されず、特許請求の範囲に記載された発明とその均等物に及ぶ点に留意されたい。
<実施形態に係る発光装置の概要>
実施形態に係る発光装置では、反射部材は、枠体と蛍光体を含有する封止部材の上部表面とが接する箇所から内側の封止部材の上部表面を覆い、且つ、複数の発光素子の上面の上方は覆わない様に配置される。実施形態に係る発光装置では、反射部材は複数の発光素子の上面の上方は覆わないため、発光素子から上方に出射した光は遮断されない。一方、反射部材は枠体と蛍光体を含有する封止部材の上部表面とが接する箇所から内側の封止部材の上部表面を覆うので、発光素子から斜めに出射した光を遮断する。実施形態に係る発光装置は、発光素子から上方に出射した光を遮断せずに発光素子から斜めに出射した光を遮断することによって、発光装置の発光部中心輝度を維持しながら周辺部の黄色光を減少させることで色度指向性を改善させる。
<実施形態>
図1(A)は発光装置1の一例の平面図であり、図1(B)は図1(A)のA−A´線断面図であり、図1(C)は図1(B)において矢印Bで示される部分の部分拡大図である。図1(A)においては、封止部材の表示を省略している。図1(B)及び図1(C)においては、発光素子とワイヤとの接続関係を示す為に、A−A´断面には含まれないワイヤも表示している。
発光装置1は、基板10と、発光素子20と、枠体40と、封止部材50と、反射部材60とを有する。
基板10は、実装基板11と、回路基板12とを有する。実装基板11は、一例として正方形の形状を有し、回路基板12及び発光素子20が表面上に配置されるアルミ製の導電性基板である。回路基板12及び発光素子20が配置される実装基板11の表面は平面である。
回路基板12は、一例として、実装基板11と同じ大きさの正方形の形状を有し、その中心部に円形の開口部12Aが形成される。回路基板12は、裏面が接着シート等の接着部材によって実装基板11の上に貼り付けられて固定される。回路基板12の表面には、開口部12Aを取り囲むように、一対の配線パターン13A、13Bが形成される。また、回路基板12の表面で対角に位置する2つの角部には、発光装置1を外部電源に接続するための一対の接続電極17A及び17Bが形成される。一方の接続電極17Aはアノードであり、他方の接続電極17Bはカソードである。一対の接続電極17A及び17Bに不図示の外部電源から直流電圧が印加されることによって、発光素子20は発光する。回路基板12、及び一対の配線パターン13A、13Bは、絶縁性の膜であるレジスト14によって覆われ、保護される。
発光素子20は、矩形上に形成された青色系の半導体発光素子(以下、青色LED素子とも称する)であり、実装基板11上に複数個配置される。発光素子20の上面は、実装基板11の表面と平行に配置されることが好ましい。発光素子20には、例えば発光波長域が440〜455nmのInGaN系化合物半導体などが用いられる。
発光素子20は表面に一対の素子電極(不図示)を有し、隣接する発光素子20の素子電極は、ワイヤ30によって電気的に接続される。開口部12Aの外周側に位置する発光素子20の素子電極に一端が接続されたワイヤ30の他端は、回路基板12の配線パターン13A又は13Bに接続される。複数の発光素子20の素子電極は、一対の接続電極17A及び17Bの間に直列接続することによって、一対の配線パターン13A、13B及びワイヤ30を介して直流電流が供給される。
枠体40は、白色の成形樹脂で形成される枠状の部材であり、基板10上に、複数の発光素子20の周囲を囲む様に配置される。枠体40の断面形状は中央が高く周辺が低い凸形状である。発光素子20から枠体40に向けて出射された光は、枠体40の内側、即ち発光素子20側の表面で反射されて発光装置1の上方に出射される。
封止部材50は、透光性を有するエポキシ樹脂に蛍光体が含有された部材であり、複数の発光素子20を封止する為に枠体40の内側に配置される。封止部材50の上部表面50Aは、枠体40の頂点より低い位置に設けられる。蛍光体は、発光素子20が出射した青色光を吸収して黄色光に波長変換する、例えばYAG(yttrium aluminum garnet)などの粒子状の蛍光体材料であり、青色光と蛍光体により波長変換された黄色光とが混合されることにより白色光が得られる。封止部材50は、エポキシ樹脂に代えてシリコン樹脂など他の樹脂に蛍光体が含有された部材であってもよい。
反射部材60は、樹脂で形成される枠状の部材であり、枠体40と封止部材50の上部表面50Aとが接する箇所Pから内側の封止部材50の上部表面50Aを覆い、且つ、箇所Pから枠体40の凸形状の頂点及び枠体40の外側の一部を覆う様に配置される。さらに、反射部材60は、発光素子20の上面の上方を覆わない様に配置される。即ち、反射部材60は、反射部材60の左端と一番右の発光素子20の右端との距離Dが0より大きくなる様に配置される。
<実施形態に係る発光装置の製造工程>
図2〜図7は、発光装置1の製造工程の一例を示す図である。図2は第1製造工程を示し、図3は第1製造工程の次の第2製造工程を示し、図4は第2製造工程の次の第3製造工程を示す。図5は第3製造工程の次の第4製造工程を示し、図6は第4製造工程の次の第5製造工程を示し、図7は第5製造工程の次の第6製造工程を示す。
図2(A)は発光装置1の第1製造工程を示す平面図であり、図2(B)は図2(A)のA−A´線に沿う断面図である。図3(A)は発光装置1の第2製造工程を示す平面図であり、図3(B)は図3(A)のA−A´線に沿う断面図である。図4(A)は発光装置1の第3製造工程を示す平面図であり、図4(B)は図4(A)のA−A´線に沿う断面図である。図5(A)は発光装置1の第4製造工程を示す平面図であり、図5(B)は(A)のA−A´線に沿う断面図である。図6(A)は発光装置1の第5製造工程を示す平面図であり、図6(B)は図6(A)のA−A´線に沿う断面図である。図7(A)は発光装置1の第6製造工程を示す平面図であり、図7(B)は図7(A)のA−A´線に沿う断面図である。
図4(A)、図5(A)、図6(A)及び図7(A)においては、封止部材50の表示を省略している。図4(B)、図5(B)、図6(B)及び図7(B)においては、発光素子20とワイヤ30との接続関係を示す為に、A−A´断面には含まれないワイヤ30も表示している。
まず、第1製造工程において、実装基板11と開口部12Aを有する回路基板12とを接着し、回路基板12上に印刷等の方法によって一対の配線パターン13A、13B、及び一対の接続電極17A、17Bを形成する。そして、形成した一対の配線パターン13A、13B、及び一対の接続電極17A、17B上からレジスト14を塗布する。
次に、第2製造工程において、回路基板12の開口部12Aから露出している実装基板11上に、複数の発光素子20を接着する。
次に、第3製造工程において、近接する発光素子20同士をワイヤ30で互いに電気的に接続し、開口部12Aの外周側の発光素子20に接続されたワイヤ30を、回路基板12の配線パターン13A又は13Bに接続する。一例では、ワイヤ30は、超音波溶着によって発光素子20に接続される。第3製造工程において、複数の発光素子20は、一対の配線パターン13A、13Bの間で8個ずつ直列接続されるとともに4列に並列接続される。
次に、第4製造工程において、回路基板12、一対の配線パターン13A、13B、及びレジスト14の上に、枠体40を形成する。枠体40は、ワイヤ30と配線パターン13A又は13Bとの接点を覆う。
次に、第5製造工程において、枠体40の内側に蛍光体を含有する樹脂を充填し、封止部材50を形成する。
次に、第6製造工程において、枠体40の表面の一部及び封止部材50の上部表面の一部を覆う様に反射部材60を形成する。反射部材60は、枠体40と封止部材50の上部表面とが接する箇所Pから内側の封止部材50の上部表面を覆い、且つ、複数の発光素子20の上面の上方は覆わない様に配置される。反射部材60は枠体40及び封止部材50に固定され、本実施形態の発光装置1が完成する。
<実施形態の効果>
図8は図1(B)において矢印Cで示される部分の部分拡大図を用いて、実施形態に係る発光装置1における光の反射の一例を示す図である。
枠体40と封止部材50の上部表面50Aとが接する箇所Pから内側の封止部材50の上部表面50Aを覆うように反射部材60を配置することによって、発光素子20から出射した光L1は発光装置1の外部への出射を遮られる。光L1は反射部材60によって反射して反射光L2となる。反射光L2が枠体40等に反射して最終的に発光装置1の外部に出射しても、その光は反射によって弱められ、且つ、発光素子20から上方に出射する光と混合するため、黄色光の相対的な輝度は弱くなる。本実施形態に係る発光装置は、枠体と封止部材の上部表面とが接する箇所から内側の封止部材の上部表面を覆い且つ発光素子の上面の上方は覆わない様に反射部材を配置することによって、発光装置の発光部中心輝度を維持しながら周辺部の黄色光を減少させることで色度指向性を改善させる。
反射部材60が、箇所Pから枠体40の頂点及び枠体40の外側の一部を覆う様に配置されることによって、図7に示す第6製造工程において、枠体40の頂点近傍の反射部材60には、重力によって枠体40の内側への力及び外側への力がかかる。枠体40の内側への力及び外側への力がかかることによって、反射部材60は、枠体40の内側又は外側に滑り落ちにくくなり、枠体40と封止部材50の上部表面50Aとが接する箇所Pから内側の封止部材50の上部表面をより確実に覆うことができる。
また、反射部材60が枠体40の外側の一部を覆う様に配置されることによって、発光素子20から枠体40の方向に出射し、枠体40を通過して発光装置1の外部に漏れる光を減少させることができる。
<変形例及びその効果>
図9(A)は発光装置の第1変形例の断面図であり、図9(B)は図9(A)において矢印Eで示される部分の部分拡大図である。図10(A)は発光装置の第2変形例の断面図であり、図10(B)は図10(A)において矢印Fで示される部分の部分拡大図である。図11は発光装置の第3変形例の平面図であり、図12は発光装置の第4変形例の平面図である。実施形態と同じ構成要素については同じ名称及び符号を付し、説明を省略する。なお、図11及び図12においては、封止部材50の表示を省略している。
第1変形例は、反射部材61が枠体40の外側を覆わない様に配置されている点が実施形態と異なる。反射部材61の全体が枠体40の頂点又は頂点より内側に配置されている為、第6製造工程において、反射部材61は実施形態1に係る反射部材60より枠体40の外側に滑り落ちにくくなる。
第2変形例は、枠体40に接する側の反射部材62の端部が、枠体40を越えて基板10上のレジスト14に接する様に配置されている点が実施形態と異なる。反射部材62が枠体40の外側全体を覆う為、発光素子20が発光し、枠体40を通過して発光装置1の外部に出射する光の量を実施形態の発光装置より減少させることができる。また、反射部材62と基板10上のレジスト14とを固定することによって、枠体40と基板10との固定が不十分な場合でも、枠体40が基板10から剥離することを防止できる。
第3変形例に係る発光装置4は、複数の発光素子20から成る直列接続を1つだけ有する点が実施形態と異なる。即ち、全ての発光素子20は直列接続される。
第4変形例に係る発光装置5は、内側、即ち発光素子20側の形状65Iが凹凸を有する反射部材65を有する点が実施形態と異なる。反射部材65は、回路基板12の開口部12Aの外周側に位置する発光素子20Aの最遠部20AFの近傍65Aより、開口部12Aの中心12Cの近くに配置される発光素子20Bの最遠部20BFの近傍65Bにおいて中心12Cに近くなる様な凹凸を有する。反射部材65が、最遠部20AFの近傍65Aより最遠部20BFの近傍65Bにおいて中心12Cに近くなる様な凹凸を有することによって、発光素子20Bと反射部材65との距離が短くなる。発光素子20Bと反射部材65との距離が短くなることによって、発光素子20Bから斜めに出射した光の発光装置1の外部への出射が反射部材65によってより遮られるため、発光装置5から出射される光のうち周辺部の黄色光がより減少する。
<適用例>
図13(A)は、は実施形態に係る発光装置1を用いたスポットライト110の使用形態の一例を表す図であり、図13(B)はスポットライト110の一例の概略図である。
スポットライトシステム100は、スポットライト110と、部屋の天井120とを有する。スポットライト110は、発光素子20からの光を集光して出射する照明器具であり、部屋の天井120に埋め込まれて配置される。スポットライト110は、実施形態に係る発光装置1と、発光装置1の射出する光を集光するレンズ111と、発光装置1及びレンズ111を収納する筐体112とを有する。
<輝度の測定方法及びシミュレーション結果>
図14は、発光装置から出射される光の輝度を測定する方法を示す図である。ここではファーフィールド(Far-field)測定の例を示す。ファーフィールド測定において、輝度を測定する為に光検出器130を用いる。ファーフィールド測定は、封止部材50の上部表面50Aの中心50B(以下、測定中心と称することがある)から、500mm以上の一定距離離れた位置に光検出器130を配置して行われる。輝度の測定は、光検出器130を、測定中心を通る法線N上だけではなく、法線Nに対し角度θの位置に測定中心からの距離を変えることなく配置することによって行われる。角度θを変えながら測定を繰り返すことによって、発光装置1の配光分布が明らかになる。
図15(A)〜(C)は発光装置から出射される光の輝度のファーフィールド測定のシミュレーション結果の一例を示す図である。図15(A)は、各角度について、角度θ=0度における全光束の輝度を1とした際の全光束の輝度を表す図である。図15(B)は、各角度について、角度θ=0度におけるCIE表色系のxy色度図上の座標に対するx方向の変位量を表す図であり、図15(C)は、各角度について、角度θ=0度におけるCIE表色系のxy色度図上の座標に対するy方向の変位量を表す図である。各図中のRefは比較例、すなわち反射部材60が存在しない場合を示し、Whiteは反射部材60が白色の場合(以下、白色例と称することがある)を示し、Blackは反射部材60が黒色の場合(以下、黒色例と称することがある)を示す。シミュレーションの条件を表1に示す。
Figure 2019114630
シミュレーションの結果、全光束の輝度に関しては、全ての角度を通じて比較例、白色例及び黒色例の間に大差はない。しかし、x方向及びy方向の変位量に関しては、比較例ではθ=±90度近傍において大きく増加しているのに対し、白色例、黒色例ではθ=±90度近傍において大きく減少している。この結果から、比較例の発光装置から出射される光は中心部に比べて周辺部に黄色光が多いが、白色例及び黒色例の発光装置から出射される光は中心部に比べて周辺部に黄色光が多くないことが分かる。即ち、白色例及び黒色例の発光装置から出射される光は、比較例の発光装置から出射される光に比べて黄色光が減少したことが分かる。
以上説明してきた様に、反射部材が枠体と蛍光体を含有する封止部材の上部表面とが接する箇所から内側の封止部材の上部表面を覆うことによって、発光装置の発光部中心輝度を維持しながら周辺部の黄色光を減少させることで色度指向性を改善させることができる。
1、2、3、4、5 発光装置
10 基板
14 レジスト
20、20A、20B 発光素子
40 枠体
50 封止部材
50A 封止部材の上部表面
60、61、62、63、64、65 反射部材

Claims (5)

  1. 基板と、
    前記基板上に配置される複数の発光素子と、
    前記基板上であって、前記複数の発光素子の周囲に配置される枠体と、
    蛍光体を含有し、前記複数の発光素子を封止する為に前記枠体の内側に配置される封止部材と、
    前記枠体の表面の一部及び前記封止部材の上部表面の一部を覆う様に配置される反射部材と、を有し、
    前記反射部材は、前記枠体と前記封止部材の上部表面とが接する箇所から内側の前記封止部材の上部表面を覆い、且つ、前記複数の発光素子の上面の上方は覆わない様に配置される、
    ことを特徴とする発光装置。
  2. 前記反射部材は、さらに前記枠体の外側を覆わない様に配置される、請求項1に記載の発光装置。
  3. 前記反射部材は、さらに前記枠体の頂点及び前記枠体の外側の一部を覆う様に配置される、請求項1に記載の発光装置。
  4. 前記基板は、前記発光素子の配線パターンが形成された回路基板を有し、
    前記回路基板の表面は、レジストによって覆われ、
    前記反射部材の端部は、前記レジストに固定される、請求項2又は3に記載の発光装置。
  5. 複数の発光素子を基板に備える工程と、
    前記基板上であって、前記複数の発光素子の周囲に枠体を形成する工程と、
    前記基板上であって、前記枠体の内側に蛍光体を含有する封止部材を充填する工程と、
    前記枠体の表面の一部及び前記封止部材の上部表面の一部を覆う様に反射部材を配置する工程と、を有し、
    前記反射部材は、前記枠体と前記封止部材の上部表面とが接する箇所から内側の前記封止部材の上部表面を覆い、且つ、前記複数の発光素子の上面の上方は覆わない様に配置される、
    ことを特徴とする発光装置の製造方法。
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