JP4442536B2 - Ｌｅｄ照明装置 - Google Patents

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Description

本発明は、ＬＥＤチップ（発光ダイオードチップ）を利用したＬＥＤ照明装置に関するものである。
従来から、ＬＥＤチップと、ＬＥＤチップが実装された回路基板と、当該回路基板におけるＬＥＤチップの実装面側でＬＥＤチップを囲む金属製（例えば、アルミニウム製）の枠体と、枠体の内側に充填されＬＥＤチップおよび当該ＬＥＤチップに接続されたボンディングワイヤを封止した透明樹脂（例えば、エポキシ樹脂、シリコーン樹脂など）からなる封止部とを備えた発光装置が提案されている（例えば、特許文献１，２参照）。ここにおいて、上記特許文献１，２に記載された枠体は、回路基板から離れるにつれて開口面積が徐々に大きくなる形状に形成されるとともに内側面が鏡面となっており、ＬＥＤチップから放射された光を反射するリフレクタを兼ねている。
また、上述の発光装置の応用例として、図２に示すように、青色光を放射するＬＥＤチップ１０と、ＬＥＤチップ１０がサブマウント部材３０を介して実装された金属基板２０と、当該金属基板２０におけるＬＥＤチップ１０の実装面側でＬＥＤチップ１０を囲む枠状のリフレクタ４０と、リフレクタ４０の内側に充填されＬＥＤチップ１０および当該ＬＥＤチップ１０に接続されたボンディングワイヤ１４，１４を封止した封止樹脂からなる封止部５０と、封止部５０に重ねて配置される凸レンズ６０と、ＬＥＤチップ１０から放射された光によって励起されて発光する黄色蛍光体を含有し凸レンズ６０を覆う形でリフレクタ４０に固着されるドーム状の色変換部材７０’と、色変換部材７０’から出射される光の配光を制御する配光レンズであってリフレクタ４０側に色変換部材７０’を収納する凹所９１を有して凸レンズ６０に光軸が一致する形でリフレクタ４０に重ねて配置された配光レンズ９０とを備えたＬＥＤ照明装置が提案されている。ここにおいて、図２における配光レンズ９０は、凹所９１の内側面９１ｂから入射した光を外側面９０ｂで全反射して当該配光レンズ９０の光出射面９０ａに導く機能および凹所９１の内底面９１ａから入射した光を光出射面９０ａに直接導く機能を有するハイブリッドレンズにより構成されている。なお、図２の構成では、色変換部材７０’とレンズ６０とは密着している。また、金属基板２０は、金属板２１上に絶縁層２２を介して対となる導体パターン２３，２３が形成されている。
特開２００１−８５７４８号公報 特開２００１−１４８５１４号公報
図２に示したＬＥＤ照明装置では、色変換部材７０’を通して放射される光のうち配光レンズ９０の凹所９１の内側面９１ｂから入射した光の一部が外側面９０ｂで全反射されずに光出射面９０ａ側へ反射されないという不具合があった。
本発明は上記事由に鑑みて為されたものであり、その目的は、配光レンズの光出射面からの光取り出し効率を高めることができるＬＥＤ照明装置を提供することにある。
請求項１の発明は、ＬＥＤチップと、ＬＥＤチップが実装されたベース部材と、ベース部材におけるＬＥＤチップの実装面側でＬＥＤチップを囲みＬＥＤチップから放射された光を反射する枠状のリフレクタであって前記実装面から離れるにつれて開口面積が徐々に大きくなる形状に形成されたリフレクタと、リフレクタの内側に充填されＬＥＤチップを封止した封止樹脂からなる封止部と、封止部に重ねて配置された凸レンズと、ＬＥＤチップから放射された光によって励起されてＬＥＤチップの発光色とは異なる色の光を放射する蛍光体を透明材料とともに成形した成形品であって凸レンズの出射面側に凸レンズを覆い出射面との間に空気層が形成される形で配設されたドーム状の色変換部材と、色変換部材から出射される光の配光を制御する配光レンズであってリフレクタ側に色変換部材を収納する凹所を有して凸レンズに光軸が一致する形でリフレクタに重ねて配置された配光レンズとを備え、配光レンズは、前記凹所の内側面から入射した光を外側面で全反射して当該配光レンズの光出射面に導く機能および前記凹所の内底面から入射した光を当該配光レンズの光出射面に直接導く機能を有し、外側面のうち色変換部材の側方に位置する部位に金属材料からなる反射膜が被着されてなることを特徴とする。
この発明によれば、配光レンズの外側面のうち色変換部材の側方に位置する部位に金属材料からなる反射膜が被着されているので、別部材を用いることなく、色変換部材の側方から放射され配光レンズの凹所の内側面から入射した光が反射膜によって配光レンズの光出射面側へ反射されるから、配光レンズの光出射面からの光取り出し効率を高めることができる。
請求項１の発明では、配光レンズの光出射面からの光取り出し効率を高めることができるという効果がある。
本実施形態のＬＥＤ照明装置は、図１に示すように、ＬＥＤチップ１０と、ＬＥＤチップ１０が実装された実装基板２０と、実装基板２０におけるＬＥＤチップ１０の実装面側でＬＥＤチップ１０を囲みＬＥＤチップ１０から放射された光を反射する枠状のリフレクタ４０と、リフレクタ４０の内側に充填されＬＥＤチップ１０を封止した透明な封止樹脂（例えば、シリコーン樹脂など）からなる封止部５０と、封止部５０に重ねて配置される凸レンズ６０と、ＬＥＤチップ１０から放射された光によって励起されてＬＥＤチップ１０の発光色とは異なる色の光を放射する蛍光体を透明材料（例えば、シリコーン樹脂など）とともに成形した成形品であって凸レンズ６０の出射面６０ｂ側に凸レンズ６０を覆い出射面６０ｂとの間に空気層８０が形成される形で配設されるドーム状の色変換部材７０と、色変換部材７０から出射される光の配光を制御する配光レンズであってリフレクタ４０側に色変換部材７０を収納する凹所９１を有して凸レンズ６０に光軸が一致する形でリフレクタ４０に重ねて配置される配光レンズ９０とを備えている。
実装基板２０は、金属板２１上に絶縁層２２を介して対となる導体パターン２３，２３が形成された金属基板を採用しており、ＬＥＤチップ１０で発生した熱が金属板２１に伝熱されるようになっている。なお、金属板２１の材料としてはＣｕを採用しているが、熱伝導率の比較的高い金属材料であればよく、Ｃｕに限らず、Ａｌなどを採用してもよい。
ＬＥＤチップ１０は、青色光を放射するＧａＮ系青色ＬＥＤチップであり、結晶成長用基板としてサファイア基板に比べて格子定数や結晶構造がＧａＮに近く且つ導電性を有するｎ形のＳｉＣ基板からなる導電性基板１１を用いており、導電性基板１１の主表面側にＧａＮ系化合物半導体材料により形成されて例えばダブルへテロ構造を有する積層構造部からなる発光部１２がエピタキシャル成長法（例えば、ＭＯＶＰＥ法など）により成長され、導電性基板１１の裏面に図示しないカソード側の電極であるカソード電極（ｎ電極）が形成され、発光部１２の表面（導電性基板１１の主表面側の最表面）に図示しないアノード側の電極であるアノード電極（ｐ電極）が形成されている。要するに、ＬＥＤチップ１０は、一表面側にアノード電極が形成されるとともに他表面側にカソード電極が形成されている。上記カソード電極および上記アノード電極は、Ｎｉ膜とＡｕ膜との積層膜により構成してあるが、上記カソード電極および上記アノード電極の材料は特に限定するものではなく、良好なオーミック特性が得られる材料であればよく、例えば、Ａｌなどを採用してもよい。なお、本実施形態では、ＬＥＤチップ１０の発光部１２が導電性基板１１よりも金属板２１から離れた側となるように金属板２１に実装されているが、ＬＥＤチップ１０の発光部１２が導電性基板１１よりも金属板２１に近い側となるように金属板２１に実装するようにしてもよい。光取り出し効率を考えた場合には、発光部１２を金属板２１から離れた側に配置することが望ましいが、本実施形態では導電性基板１１と発光部１２とが同程度の屈折率を有しているので、発光部１２を金属板２１に近い側に配置しても光の取り出し損失が大きくなりすぎることはない。
また、ＬＥＤチップ１０は、上述の金属板２１に、ＬＥＤチップ１０のチップサイズよりも大きなサイズの矩形板状に形成されＬＥＤチップ１０と金属板２１との線膨張率の差に起因してＬＥＤチップ１０に働く応力を緩和するサブマウント部材３０を介して実装されている。サブマウント部材３０は、上記応力を緩和する機能だけでなく、ＬＥＤチップ１０で発生した熱を金属板２１においてＬＥＤチップ１０のチップサイズよりも広い範囲に伝熱させる熱伝導機能を有している。本実施形態では、サブマウント部材３０の材料として熱伝導率が比較的高く且つ絶縁性を有するＡｌＮを採用しており、ＬＥＤチップ１０は、上記カソード電極がサブマウント部材３０におけるＬＥＤチップ１０側の表面に設けられ上記カソード電極と接続される電極パターン（図示せず）および金属細線（例えば、金細線、アルミニウム細線など）からなるボンディングワイヤ１４を介して一方の導体パターン２３と電気的に接続され、上記アノード電極がボンディングワイヤ１４を介して他方の導体パターン２３と電気的に接続されている。なお、ＬＥＤチップ１０とサブマウント部材３０とは、ＡｕＳｎ、ＳｎＡｇＣｕなどの鉛フリー半田を用いて接合されている。
サブマウント部材３０の材料はＡｌＮに限らず、線膨張率が導電性基板１１の材料である６Ｈ−ＳｉＣに比較的近く且つ熱伝導率が比較的高い材料であればよく、例えば、複合ＳｉＣ、Ｓｉなどを採用してもよい。
リフレクタ４０は、円形状に開口した枠状の形状であって、ＬＥＤチップ１０の側面から放射された光が凸レンズ６０側へ反射されるように内側面４０ａの形状が設計されている。すなわち、リフレクタ４０は、ＬＥＤチップ１０の厚み方向においてＬＥＤチップ１０から離れるに従って開口面積が大きくなる形状（つまり、上記実装面から離れるにつれて開口面積が徐々に大きくなる形状）に形成されている。ここにおいて、リフレクタ４０の材料としては、ＬＥＤチップ１０から放射される光（ここでは、青色光）に対する反射率が比較的大きな材料（例えば、Ａｌなど）を採用し、リフレクタ４０の内側面４０ａを鏡面とすればよく、リフレクタ４０は例えばアルミニウムの基材を絞り加工して形成すればよい。なお、本実施形態では、リフレクタ４０を実装基板２０に固着した後でリフレクタ４０の内側にＬＥＤチップ１０を封止する上述の封止樹脂をポッティングしている。
凸レンズ６０は、封止部５０側の入射面６０ａが平面状に形成されるとともに出射面６０ｂが凸曲面状に形成されている。ここにおいて、凸レンズ６０は、シリコーン樹脂の成形品により構成してあり、上記封止樹脂と屈折率が同じ値となっているが、凸レンズ６０は、上記封止樹脂の屈折率以上の屈折率を有する透明材料であれば、シリコーン樹脂以外の材料を用いてもよい。
ところで、凸レンズ６０とリフレクタ４０とは互いの光軸が一致し且つ各光軸がＬＥＤチップ１０を通るように配置されており、凸レンズ６０は、出射面６０ｂが、入射面６０ａから入射した光を出射面６０ｂと上述の空気層８０との境界で全反射させない凸曲面状に形成されている。ここで、凸レンズ６０は、出射面６０ｂが球面の一部により形成されており、当該球面の中心がＬＥＤチップ１０の厚み方向に沿った発光部１２の中心線上に位置するように配置されている。したがって、ＬＥＤチップ１０から放射された光（ＬＥＤチップ１０から放射されリフレクタ４０に反射されることなく凸レンズ６０の入射面６０ａに入射された光およびＬＥＤチップ１０から放射されリフレクタ４０の内側面４０ａで反射されて凸レンズ６０の入射面６０ａに入射した光）が出射面６０ｂと空気層８０との境界で全反射されることなく色変換部材７０まで到達しやすくなり、全光束を高めることができる。
色変換部材７０は、シリコーン樹脂のような透明材料とＬＥＤチップ１０から放射された青色光によって励起されてブロードな黄色系の光を放射する粒子状の黄色蛍光体とを混合した混合物の成形品により構成されている。したがって、本実施形態のＬＥＤ照明装置は、ＬＥＤチップ１０から放射された青色光と黄色蛍光体から放射された光とが色変換部材７０の外面７０ｂを通して放射されることとなり、白色光を得ることができる。なお、色変換部材７０の材料として用いる透明材料は、シリコーン樹脂に限らず、例えば、アクリル樹脂、エポキシ樹脂、ガラスなどを採用してもよい。また、色変換部材７０の材料として用いる透明材料に混合する蛍光体も黄色蛍光体に限らず、例えば、赤色蛍光体と緑色蛍光体とを混合しても白色光を得ることができる。
ここで、色変換部材７０は、内面７０ａが凸レンズ６０の出射面６０ｂに沿った形状（つまり、凸レンズ６０の出射面６０ｂに対応した上記球面よりも直径が大きな球面の一部からなる形状）に形成されている。したがって、凸レンズ６０の出射面６０ｂの位置によらず法線方向における出射面６０ｂと色変換部材７０の内面７０ａとの間の距離が略一定値となっている。なお、色変換部材７０は、位置によらず法線方向に沿った肉厚が一様となるように成形されている。色変換部材７０は、開口部の周縁をリフレクタ４０に対して、例えば接着剤（例えば、シリコーン樹脂、エポキシ樹脂など）を用いて接着すればよい。
また、配光レンズ９０は、凹所９１の内側面９１ｂから入射した光を外側面９０ｂで全反射して当該配光レンズ９０の光出射面９０ａに導く機能および凹所９１の内底面９１ａから入射した光を光出射面９０ａに直接導く機能を有するハイブリッドレンズであり、外側面９０ｂのうち色変換部材７０の側方に位置する部位に金属材料（例えば、銀、アルミニウムなど）からなる反射膜１００が被着されている。ここにおいて、配光レンズ９０における凹所９１の内底面９１ａは色変換部材７０側に凸となる凸曲面状に形成されている。また、配光レンズ９０の外径はリフレクタ４０から離れるにつれて徐々に大きくなっており、配光レンズ９０の外側面９０ｂにおける反射膜１００は、凸レンズ６０の光軸に直交し且つ色変換部材７０の頂点を含む平面よりもリフレクタ４０側の部位に上記金属材料を蒸着することにより形成されている。
以上説明した本実施形態のＬＥＤ照明装置では、配光レンズ９０の外側面９０ｂのうち色変換部材７０の側方に位置する部位に金属材料からなる反射膜１００が被着されているので、別部材を用いることなく、色変換部材７０の側方から放射され配光レンズ９０の凹所９１の内側面９１ｂから入射した光が反射膜１００によって配光レンズ９０の光出射面９０ａ側へ反射されるから、配光レンズ９０の光出射面９０ａからの光取り出し効率を高めることができる。
また、本実施形態のＬＥＤ照明装置では、色変換部材７０と凸レンズ６０との間に上記空気層８０が形成されていることにより、ＬＥＤチップ１０から放射され封止部５０および凸レンズ６０を通して色変換部材７０に入射し当該色変換部材７０中の黄色蛍光体の粒子により散乱された光のうち凸レンズ６０側へ散乱されて凸レンズ６０を透過する光の光量を低減できて装置全体としての外部への光取り出し効率を向上できるという利点がある。
ところで、上述の実施形態では、実装基板２０に１つのＬＥＤチップ１０を実装してあるが、実装基板２０に実装するＬＥＤチップ１０の数は１つに限らず、複数でもよく、ＬＥＤチップ１０ごとにリフレクタ４０、封止部５０、凸レンズ６０、色変換部材７０、および配光レンズ９０を設ければよい。また、本実施形態では、実装基板２０がベース部材を構成しているが、ベース部材は、実装基板２０に限らず、例えば、パッケージ本体が熱伝導率の比較的高い材料により形成されたパッケージでもよいし、金属（例えば、Ａｌ、Ｃｕなどの熱伝導率の高い金属）製の器具本体などでもよく、金属製の器具本体に実装する場合には、例えばサブマウント部材３０と器具本体との間にグリーンシートなどからなる絶縁層を介在させる形で実装すればよい。
また、上述の実施形態では、ＬＥＤチップ１０として、発光色が青色の青色ＬＥＤチップを採用しており、導電性基板１１としてＳｉＣ基板を採用しているが、ＳｉＣ基板の代わりにＧａＮ基板を用いてもよく、ＳｉＣ基板やＧａＮ基板を用いた場合には上記特許文献１のように結晶成長用基板として絶縁体であるサファイア基板を用いている場合に比べて、結晶成長用基板の熱伝導率が高く結晶成長用基板の熱抵抗を小さくできる。また、ＬＥＤチップ１０の発光色は青色に限らず、例えば、赤色、緑色などでもよい。すなわち、ＬＥＤチップ１０の発光部１２の材料はＧａＮ系化合物半導体材料に限らず、ＬＥＤチップ１０の発光色に応じて、ＧａＡｓ系化合物半導体材料やＧａＰ系化合物半導体材料などを採用してもよい。また、導電性基板１１もＳｉＣ基板に限らず、発光部１２の材料に応じて、例えば、ＧａＡｓ基板、ＧｓＰ基板などから適宜選択すればよい。
実施形態を示す概略断面図である。 従来例を示す概略断面図である。
符号の説明
１０ ＬＥＤチップ
１４ ボンディングワイヤ
２０ 実装基板
３０ サブマウント部材
４０ リフレクタ
５０ 封止部
６０ 凸レンズ
６０ａ 入射面
６０ｂ 出射面
７０ 色変換部材
８０ 空気層
９０ 配光レンズ
９０ａ 光出射面
９０ｂ 外側面
９１ 凹所
９１ａ 内底面
９１ｂ 内側面
１００ 反射膜

Claims (1)

  1. ＬＥＤチップと、ＬＥＤチップが実装されたベース部材と、ベース部材におけるＬＥＤチップの実装面側でＬＥＤチップを囲みＬＥＤチップから放射された光を反射する枠状のリフレクタであって前記実装面から離れるにつれて開口面積が徐々に大きくなる形状に形成されたリフレクタと、リフレクタの内側に充填されＬＥＤチップを封止した封止樹脂からなる封止部と、封止部に重ねて配置された凸レンズと、ＬＥＤチップから放射された光によって励起されてＬＥＤチップの発光色とは異なる色の光を放射する蛍光体を透明材料とともに成形した成形品であって凸レンズの出射面側に凸レンズを覆い出射面との間に空気層が形成される形で配設されたドーム状の色変換部材と、色変換部材から出射される光の配光を制御する配光レンズであってリフレクタ側に色変換部材を収納する凹所を有して凸レンズに光軸が一致する形でリフレクタに重ねて配置された配光レンズとを備え、配光レンズは、前記凹所の内側面から入射した光を外側面で全反射して当該配光レンズの光出射面に導く機能および前記凹所の内底面から入射した光を当該配光レンズの光出射面に直接導く機能を有し、外側面のうち色変換部材の側方に位置する部位に金属材料からなる反射膜が被着されてなることを特徴とするＬＥＤ照明装置。
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