JP4479624B2

JP4479624B2 - 発光装置

Info

Publication number: JP4479624B2
Application number: JP2005243525A
Authority: JP
Inventors: 英士阿部
Original assignee: Nichia Corp
Current assignee: Nichia Corp
Priority date: 2005-08-25
Filing date: 2005-08-25
Publication date: 2010-06-09
Anticipated expiration: 2025-08-25
Also published as: JP2007059216A

Description

本発明は照光式スイッチ、液晶のバックライト、各種照明などに利用される半導体発光装置にかかわり、特に、信頼性高く高出力の発光を行う半導体発光装置を提供することにある。

今日、小型化、低消費電力、振動などに強い利点を活かして液晶のバックライトなどに発光ダイオード（以下、ＬＥＤとも呼ぶことがある。）を利用した面状光源などの半導体発光装置が利用されている。特に、フルカラー液晶に利用可能な１チップ２端子で白色を含む混色光を発するＬＥＤが開発されたことから携帯電話や車載用光源として急速に浸透している。

このような光半導体装置の一例として、特開２００１−３１２９１９号公報に開示される半導体発光装置が挙げられる。この半導体発光装置は、発光ダイオードが配置された基板と、入射された発光ダイオードの光を所定の方向に導光する導光体と、基板および導光体を収納する凹部を有する筐体と、を備える。

このような半導体発光装置は、発光ダイオードからの光を漏れなく導光板に導入すべく、発光ダイオードの発光面を導光板の端面に当接させるための弾性部材を有する。例えば、発光ダイオードが配置された基板と、その基板の主面が対面される筐体の内壁面との間に弾性部材を設ける。この弾性部材は、その弾性力により基板、そして、その基板に配置された発光ダイオードの発光面を導光板の端面に向かって押圧する。なお、発光面が当接された導光板の端面とは反対側の端面は、基板が沿って配置された筐体の側壁とは別の側壁に当接されている。このような弾性部材は、例えば、筐体の凹部の内壁面を形成する金属平板の一部を基板の方向に突出させ、バネ片とすることにより形成させることができる。

このような弾性部材により、発光ダイオードの発光面と、導光板の端面とを当接させることにより、発光ダイオードからの光を漏れなく、導光板に入射させることができる。さらに、弾性部材に所定の弾性力を持たせることにより、発光ダイオードが配置された基板や導光板が筐体から脱落することがないようにすることができる。

特開２００１−３１２９１９号公報。

しかしながら、発光ダイオードが配置された基板は、導光板を介して押圧を筐体の側壁に伝達するため、上述したような弾性部材は、基板に押圧を十分に加えることができない。したがって、発光ダイオードが配置された基板と、その基板が沿って配置される筐体の内壁面との間の密着性が低下する。さらに、基板と、筐体の側壁との間に弾性部材が介されると、基板から筐体に放熱させることが十分でない。そのため、従来の発光装置は、発光ダイオードからの放熱性が低下してしまう。

また、筐体の一部を弾性部材とすると、長時間の使用においてその弾性力が低下することがある。例えば、発光装置を軽量化するため、筐体の材料をアルミニウムとすると、発光ダイオードから筐体に放出された熱により、徐々に押圧が低下する。そのため、その基板が沿って配置される筐体の内壁面との間の密着性が低下し、発光ダイオードから基板を介しての放熱性が徐々に低下してしまう。

また、発光ダイオードの高出力化に伴う発熱により、発光面に当接された導光体の端面が溶けてしまうことも考えられる。仮に、高出力、長時間の使用により導光体の光入射端面が熱による損傷を受けると、色ズレや色ムラの発生など、光学特性に悪影響を及ぼし、信頼性の高い発光装置とすることができない。

そこで、本発明は、発光ダイオードからの放熱性を向上させ、高出力発光させることができる信頼性の高い発光装置を提供することを目的とする。

以上の目的を達成するために本発明に係る発光装置は、発光部材が配置された基板と、上記発光部材の光を導光する導光体と、上記基板および上記導光体を収納する凹部を有する筐体と、上記凹部の側壁に沿って配置された基板を、その側壁に押圧する弾性部材と、を備えたことを特徴とする。

上記弾性部材は、上記凹部の底面に沿った形状を有する板材であり、上記基板を押圧する第一の端部と異なる方位に設けられた第二の端部は、上記基板が押圧される第一の側壁と異なる方位に設けられた第二の側壁を押圧することが好ましい。

上記第二の端部と、上記第二の側壁との間に、発光部材が配置された基板をさらに備え、その基板は、上記弾性部材により上記第二の側壁に押圧されることが好ましい。

上記他方の端部と、上記第二の側壁との間に、発光部材が配置された基板をさらに備え、その基板は、上記弾性部材により上記第二の側壁に押圧されることが好ましい。

上記弾性部材は、その断面がコの字型に折り曲げられた板材であり、上記基板およびその基板に沿った筐体の側壁は、上記弾性部材により狭持されていることが好ましい。

上記発光部材の発光面と、その発光面に対面される上記導光体の端面との間に間隔を有することが好ましい。

上記弾性部材の端部は、当接される上記基板の主面あるいは上記凹部の内壁面の形状に沿うように折り曲げられていることが好ましい。

本発明は、発光部材が配置された基板と、筐体との密着性を向上させることができるため、発光部材の放熱性が向上し、高出力発光可能な信頼性の高い発光装置とすることができる。

本発明を実施するための最良の形態を、以下に図面を参照しながら説明する。ただし、以下に示す形態は、本発明の技術思想を具体化するための発光装置を例示するものであって、本発明は発光装置を以下に限定するものではない。

また、本明細書は特許請求の範囲に示される部材を、実施の形態の部材に特定するものでは決してない。特に、実施の形態に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対的配置等は特に特定的な記載がない限りは、本発明の範囲をそれのみに限定する趣旨ではなく、単なる説明例にすぎない。なお、各図面が示す部材の大きさや位置関係等は、説明を明確にするため誇張していることがある。さらに以下の説明において、同一の名称、符号については同一もしくは同質の部材を示しており、詳細説明を適宜省略する。さらに、本発明を構成する各要素は、複数の要素を同一の部材で構成して一の部材で複数の要素を兼用する態様としてもよいし、逆に一の部材の機能を複数の部材で分担して実現することもできる。

図１から図３は、本形態の発光装置の断面図を示す。発光部材が配置された基板と、発光部材の光を導光する導光体と、基板および導光体を収納する凹部を有する筐体と、基板に押圧を加える弾性部材と、を備えた発光装置において、基板の筐体への十分な押圧を得、放熱性が向上された発光装置とするため、本発明者は種々の検討を行った。その結果、上記弾性部材の一方の端部を、上記凹部の側壁に沿って配置された基板を、上記凹部の側から側壁の方向に押圧することを特徴とすることにより、上述の課題を解決するに至った。すなわち、本発明にかかる弾性部材は、筐体の一部に弾性力を付与して形成させたものではなく、独立した部材であり、基板と筐体の側壁との間に導光体などを介して押圧を伝達させる必要がない。そのため、凹部の側から筐体の側壁の方向へ基板を直接的に押圧することにより、筐体の側壁に基板を従来よりも強固に固定することができる。

図１あるいは図２に示されるように、本形態の弾性部材は、筐体の凹部の底面に沿った形状を有する板材である。弾性部材は、基板の発光部材が配置された側の主面を、当接して、あるいは他の部材を介して押圧する第一の端部と、それと異なる方位に形成された第二の端部とを有する。第二の端部は、上記基板が配置された第一の側壁と向かい合う第二の側壁を、当接して、あるいは他の部材を介して押圧する。これにより、弾性部材は、導光体を介することなく、筐体の凹部の側壁を利用して、基板を筐体の側壁に押し付けることが容易にできる。

弾性部材は、放熱部材や緩衝材などの他の部材を介して、筐体の側壁に押圧を加えることができる。緩衝材とは、例えば、樹脂、弾性ゴムのような絶縁性の材料であり、導電性の材料からなる弾性部材を、基板の導体配線などから絶縁させることができる。また、発光ダイオードの光や、導光体から漏れる光の迷走を抑制することができる。このとき、緩衝材は、シリカやアルミナなどの光拡散材を含有させたり、反射率の高い材料としたりすることにより、光反射機能を有することが好ましい。

ところで、本発明にかかる発光装置の弾性部材は、凹部の側から凹部を形成する側壁の方向に向かって押圧を加えている。これにより、筐体の凹部の開口部を板バネにして、開口部側から基板を挟んで固定する従来の発光装置と比較して、弾性部材の厚み程度、発光装置を薄型化することができる。

なお、本形態の弾性部材は、上記第二の端部が筐体の側壁を押圧するものに限定されない。すなわち、第二の端部を筐体の底面などに固定させることもできる。例えば、鈎状にした第二の端部を底面に形成させた孔に引っ掛けたり、接着材や溶接などの方法により固定することができる。また、本形態の弾性部材は、基板の主面を押圧するものに限定されることなく、基板に配置させた発光部材のパッケージなどを押圧することにより、基板に押圧を加えるように配置してもよい。

図２に示されるように、別の形態にかかる発光装置は、筐体の一方の側壁に沿って配置された第一の基板に対向して、上記側壁と向かい合う他方の側壁に配置された第二の基板を備える。これらの基板は、発光部材が配置された側から、弾性部材８の端部８ａおよび端部８ｂにより、筐体１の側壁に押圧される。これにより、弾性部材は、対向して配置された複数の基板の主面を利用して、一つの弾性部材で複数の基板に対し押圧を加えることが容易にできる。すなわち、本発明にかかる発光装置は、弾性部材の端部と、筐体の側壁との間に基板を挟むだけで基板が固定されるため、さらに基板を追加するとき、特に大きな設計変更をする必要なく、基板を筐体に装着することができる。

本発明の別の形態にかかる発光装置は、上記弾性部材の断面がコの字型に折り曲げられた板材であり、上記基板およびその基板に沿った凹部の側壁は、上記弾性部材により狭持されていることが好ましい。これにより、弾性部材の端部の間隔を、筐体の底面に沿って配置させる弾性部材より小さくすることができ、より大きな押圧を得ることができる。したがって、発光部材が配置された基板は、筐体の側壁により強固に固定され、発光装置の放熱性を向上させることができる。

図１あるいは図３に示されるように、上記発光部材の発光面と、その発光面に対面される導光体の端面との間に間隔を有することが好ましい。これにより、発光部材の放熱により導光体の端面が溶解することがなくなり、信頼性の高い発光装置とすることができる。

図１あるいは図３に示されるように、弾性部材の端部は、当接される基板の主面あるいは凹部の側壁の形状に沿うように折り曲げられていることが好ましい。これにより、十分な弾性力を得ることができ、さらに効果的に押圧を各部材へ加えることができる。以下、本形態の各構成について詳述する。

（発光部材）
本形態における発光部材とは、発光ダイオードや半導体レーザなどの半導体発光素子、冷陰極線管あるいはそれらから種々選択して組み合わせた光源など、導光体に入射させることができる光を発するものをいう。本明細書中では、発光ダイオードについて説明するがこれに限定されない。発光ダイオードは、半導体層から放出される光の主波長によって種々選択させることができる。特に、白色系の混色光を発する発光ダイオードは、好適に利用される。このような発光ダイオードは、ＲＧＢ各色を発する発光ダイオードを組み合わせたものや、半導体発光素子と、その半導体発光素子から放出された光により励起された光を発する蛍光体と、を備えた発光ダイオードなど種々のものが挙げられる。青色系が発光可能な半導体発光素子は、例えば、窒化ガリウム系化合物半導体を利用することによって高輝度に発光させることができる。

また、本形態における発光ダイオードは、凹部を有するパッケージを備える。その凹部内に露出された電極と、凹部に配置されたＬＥＤチップとは、金線などの導電性ワイヤーや、Ａｇ含有エポキシ樹脂などの導電性ペーストなどにより電気的に接続される。パッケージ内はエポキシ樹脂などの透光性樹脂によって封止された表面実装型発光ダイオードが形成される。

本形態に用いられるパッケージは、凹部の底部にＬＥＤチップが配置されうるものが好ましく、エポキシ樹脂、シリコーン樹脂、アクリル樹脂、ＰＢＴ（ポリブチレンテレフタレート）、液晶ポリマー、芳香族ナイロンなどの各種樹脂を用いて好適に形成される。特に、ＬＥＤチップからの光を効率よく取り出すために、パッケージは、上記各種樹脂中に炭酸カルシウム、酸化アルミニウムや酸化チタンを適宜混入させることが好ましい。これにより反射率の高いパッケージを構成させることができるからである。

また、パッケージは、セラミックグリーンシートを積層させ、焼成することにより得られるセラミックパッケージとすることができる。セラミックパッケージは、樹脂材料からなるパッケージと比較して耐熱性および耐光性に優れるため、高出力かつ信頼性の高い半導体発光装置とすることができる。また、凹部を有するセラミックパッケージは、その凹部の内壁面は、光反射率の高い金属材料からなる反射面とされていることが好ましい。これにより、発光素子からの光がセラミックスに吸収されることがなくなるため、光取り出し効率に優れた発光ダイオードとすることができる。

パッケージ内にはリード電極と電気的に接続されたＬＥＤチップ及び透光性樹脂が好適に充填されている。ここで、ＬＥＤチップを被覆する透光性樹脂には、必要に応じて蛍光物質が含有されても良い。

本形態に用いられる蛍光物質は、ＬＥＤチップの光を波長変換するものである。すなわち、蛍光物質は、ＬＥＤチップの光の少なくとも一部を吸収し、異なる波長を有する光を発するものである。ここで、蛍光物質は、ＬＥＤチップからの光を、より長波長側に変換させる蛍光体が好ましい。ＬＥＤチップからの光がエネルギーの高い短波長の可視光の場合、有機蛍光体であるペリレン系誘導体やＺｎＣｄＳ：Ｃｕ、アルミニウム酸化物系蛍光体の一種であるＹＡＧ：Ｃｅ（例えば、ＹＡｌＯ_３：Ｃｅ、Ｙ_３Ａｌ_５Ｏ_１２：Ｃｅ等）やＥｕ及び／又はＣｒで付活された窒素含有ＣａＯ−Ａｌ₂Ｏ₃−ＳｉＯ₂などの無機蛍光体など種々好適に用いられる。特に、ＹＡＧ：Ｃｅ蛍光体は、その含有量によってＬＥＤチップからの青色系の光を一部吸収して補色となる黄色系の光を発するため、白色系の混色光を発する高出力な発光ダイオードを、比較的簡単に形成することができる。

（基板）
基板は、発光部材を実装して固定、配置するためのものであり、発光部材に電力を供給するための導体配線が施されている。例えば、銅箔などからなる導電性パターンが形成されたガラスエポキシ基板や絶縁性樹脂で結合された金属体などによって好適に形成することができる。あるいは、アルミニウムや銅からなる金属材料に絶縁性材料を介して導体配線が施された放熱性が高い基板とすることができる。なお、本形態おいて、弾性部材からの弾性力が基板に均一に掛かるようにするため、比較的強度があるものが好ましく、金属材料からなる板材がこのましい。また、実装基板は、放熱シートのような熱良導性部材を介して筺体に密着して配置されることが好ましい。

（導光体）
本形態における導光体とは、端面の一部から入射された発光部材からの光をその内部の反射を利用して導光し、所定の光出射面から所望の形状に発光させることができるものである。したがって、発光面の所望形状により、メーター針の指針、液晶バックライト光源として利用可能な板状など種々の形状を取ることができる。導光体は発光ダイオードからの光或いはその光を波長変換させた光を効率よく発光面から放出するために、透光性を有している。このような導光体の材料としてはアクリル樹脂やエポキシ樹脂、ガラスなど種々の材料が好適に挙げられる。

（筐体）
本形態における筐体とは、少なくとも発光部材が配置された基板と、導光体とを収納し、保持する部材である。筐体は、各種光拡散剤を含有した樹脂や金属など種々のものが好適に挙げられる。特に、発熱を伴う発光ダイオードの放熱性や光反射などを考慮してニッケル、鉄、銅、アルミニウムなどの金属、ステンレスなどの各種合金がより好適に用いられる。筐体の大きさや形状は、導光体、発光ダイオードおよび基板の大きさや形状に合わせて種々選択できる。

（弾性部材）
本形態における弾性部材とは、発光部材を配置させた基板を、筐体の凹部の側から側壁の方向に押圧するものである。したがって、ゴム、バネ（板バネ、スプリング状のものを含む）や各種弾性を有する樹脂などの弾性体を別途設けて、弾性部材とすることができる。なお、板バネ状の弾性部材の端部は、筐体の凹部の外側に対応する向きに、所定の大きさだけ曲げておくことにより、筐体に配置する前に、所定の弾性力を付与しておくことができる。これにより、筐体の側壁と弾性部材の端部との間に、放熱部材や緩衝材を介することも容易にできる。

弾性部材自体を反射率の高い材料で形成させたり、弾性部材の表面を反射率の高い材料で被覆させたりする。このような反射率の高い材料として、例えば、銀、アルミニウム、ロジウムなどが選択される。これにより、発光装置の光取り出し効率を向上させることができる。弾性部材は、発光が観測される程度の開口部を設けるなどして、導光体の発光観測面側に配置させてもよいが、発光装置からの光取り出し効率を向上させるため、導光体の背面（発光観測面の反対側の主面）側に配置させることが好ましい。特に、弾性部材を導光体の背面側に配置させるときには、このような弾性部材を反射部材として利用することが好ましい。これにより、導光体に入射された光を発光観測面方向へ反射させる反射シートなどの部材を弾性部材で代替できる。そのため、発光装置の部品点数を削減し、量産性の高い発光装置とすることができる。

また、弾性部材は、その端部に導光体を保持する形状を設けることができる。例えば、金属平板からなる弾性部材の一部を切り欠いたバネ片として、導光体を、その弾性力により保持する。これにより、導光体は、筐体内から脱落することなく、安定して固定されることができる。

以下、本発明に係る実施例について詳述する。なお、本発明は以下に示す実施例のみに限定されないことは言うまでもない。

図１は、本実施例にかかる発光装置の断面図を示す。本実施例にかかる発光装置は、筐体１の凹部６の側壁に沿って、発光ダイオードが実装された基板３を配置しており、その基板３の発光ダイオード側の主面は、弾性部材８の端部８ａにより押圧されている。弾性部材８は、導光体５の背面側にて凹部６の底面形状に沿うように折り曲げられた金属平板である。弾性部材８の一方の端部８ａは、発光ダイオードが配置された基板３の主面に沿うように折り曲げられている。そして、弾性部材８の他方の端部８ｂは、基板３が配置された側壁の向こう側の側壁に沿うように折り曲げられて当接されている。

導光板５は、弾性部材８の上方で、その端面が発光ダイオードの発光面に対面するように、筐体１の凹部内に配置されている。なお、弾性部材８は、導光体５と、筐体１の底面との間にできる隙間に沿って配置されている。

発光ダイオードが配置された基板の主面に対して反対側の背面は、放熱部材２を介して筐体１の側壁に対面されている。このように放熱部材を介することにより、発光装置の放熱性を向上させることができる。また、弾性部材８の端部８ａと基板３の主面の間には、緩衝材７が介されている。この緩衝材７は、絶縁性の材料であり、導電性の材料からなる弾性部材８を、基板３の導体配線などから絶縁させることができる。

本実施例の発光装置において、弾性部材８は、それが配置された筐体３の凹部の側から側壁に向かって基板へ押圧を加える。これにより、基板３は、放熱部材２を介して筐体３の側壁に密着するため、基板３から筐体１への放熱性が向上させることができる。

図２は、本実施例にかかる発光装置の断面図を示す。本実施例の発光装置は、上記実施例１の基板３に向かい合うように、発光ダイオード４’が配置された別の基板３’を備える。この基板３’に配置された発光ダイオード４’の発光面は、発光ダイオード４の発光面が対面する端面とは別の端面に対面させる。このように、一つの導光体５に対して複数の方位の端面から光を入射させることにより、より高出力かつ均一発光な発光装置とすることができる。

本実施例にかかる弾性部材８は、基板３および基板３’の主面をそれぞれ押圧する端部８ａおよび端部８ｂを有しており、各基板は、緩衝材７を介して、発光ダイオードが配置された側から凹部の側壁に向かう押圧を加えられる。このように、本発明にかかる弾性部材は、複数の基板を有する発光装置としたときにも特に大きな設計変更をすることなく、柔軟に対応することができる。

図３は、本実施例にかかる発光装置の断面図を示す。本実施例の弾性部材９は、基板３の側面と、筐体１の側壁上部の形状に対応するような、断面がコの字型の板材である。弾性部材９の一方の端部は、基板３の発光ダイオードが配置された側の主面を、緩衝材７を介して押圧し、他方の端部は、筐体の外壁側から側壁に当接して押圧する。つまり、弾性部材は、基板３と筐体の側壁上部を所定の弾性力で挟み込んでいる。

本実施例における弾性部材９は、筐体の凹部の底部に沿って配置される弾性部材８と比較して小型化することができる。つまり、弾性部材９は、基板あるいは筐体の側壁に当接される端部の間隔を弾性部材８よりも小さくすることができる。したがって、本実施例にかかる発光装置は、高出力かつ長時間の使用において、上記実施例よりも強い弾性力を維持することができる。これにより、基板３は、筐体１の側壁に強固に固定され、放熱性の高い発光装置とすることができる。

本発明は、振動などに強く、薄型化、小型化、低消費電力化された半導体発光装置として、液晶のバックライトなどの面状光源として利用可能である。

図１は、本発明の一実施例にかかる発光装置の断面図を示す。図２は、本発明の一実施例にかかる発光装置の断面図を示す。図３は、本発明の一実施例にかかる発光装置の断面図を示す。

符号の説明

１・・・筐体
２・・・放熱部材
３、３’・・・基板
４、４’・・・発光部材
５・・・導光体
６・・・凹部
７・・・緩衝材
８、９・・・弾性部材
８ａ、８ｂ・・・弾性部材の端部

Claims

発光部材が配置された基板と、前記発光部材の光を導光する導光体と、前記基板および前記導光体を収納する凹部を有する筐体と、前記凹部の側壁に沿って配置された基板をその側壁に押圧する弾性部材と、を備え、
前記弾性部材は、前記凹部の底面に沿った形状を有する板材であり、前記基板を押圧す
る第一の端部とは異なる方位に設けられた第二の端部は、前記基板が押圧される第一の側
壁とは異なる方位に設けられた第二の側壁を押圧することを特徴とする発光装置。
前記第二の端部と、前記第二の側壁との間に、発光部材が配置された基板をさらに備え
、その基板は、前記弾性部材により前記第二の側壁に押圧される請求項１に記載の発光装
置。
発光部材が配置された基板と、前記発光部材の光を導光する導光体と、前記基板および前記導光体を収納する凹部を有する筐体と、前記凹部の側壁に沿って配置された基板をその側壁に押圧する弾性部材と、を備え、
前記弾性部材は、前記凹部の底面に沿った形状を有する板材であり、その端部により前記基板が前記側壁に押圧されていることを特徴とする発光装置。