JP4922555B2 - Led装置 - Google Patents

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Description

本発明はLED装置に関するものであり、詳しくは光源色の互いに異なる2種類以上のLEDチップを組み合わせて光源とし、夫々のLEDチップから発せられる光を混合して所望する色調の光を得ることができるLED装置に関する。
LEDチップの発光スペクトルは急峻な立ち上がり及び立ち下りを有しており、概略スペクトル分布のピーク発光波長に相当する色調の光源色となる。このような光学特性を有するLED光源から光源色とは異なる色調の光を得るには、一般的には、光源色の互いに異なる2種類以上のLEDチップを組み合わせて光源とし、夫々のLEDチップから発せられる光を混合して所望する色調の光を得る方法が採られる。
上述のLED装置の従来例としては、図9に示すものがある。これは砲弾型とも呼ばれるものであって、先端部に内周面を反射面とする凹形状のカップが形成された3本のリードフレーム51R、51G、51Bと先端部が平面の3本のリードフレーム52R、52G、52Bとが相互に所定の間隔を保って平行に配置されている。
3本のリードフレーム51R、51G、51Bの夫々のカップの底面には光源色が夫々赤色、緑色及び青色の赤色LEDチップ53R、緑色LEDチップ53G及び青色LEDチップ53Bが搭載され、赤色LEDチップ53Rの下側電極と赤色LEDチップ53Rを搭載したリードフレーム51Rとが電気的に導通されている。一方、赤色LEDチップ53Rの上側電極は先端部が平面のリードフレーム52Rの前記先端部とボンディングワイヤを介して接続され、電気的に導通されている。
また、緑色LEDチップ53G及び青色LEDチップ53Bの夫々のLEDチップの上側に形成された一対の電極の一方は夫々のLEDチップが搭載されたリードフレーム51G、51Bにボンディングワイヤを介して接続され、電気的に導通されている。一方、緑色LEDチップ53G及び青色LEDチップ53Bの夫々のLEDチップの上側に形成された一対の電極の他方は夫々の先端部が平面のリードフレーム52G、52Bの前記先端部とボンディングワイヤを介して接続され、電気的に導通されている。
そして、全てのリードフレーム51R、51G、51B、52R、52G、52Bの先端部が透光性樹脂によって封止され、赤色LEDチップ53R、緑色LEDチップ53G及び青色LEDチップ53B並びにボンディングワイヤが封止樹脂54によって保護されている。このとき、封止樹脂54の光出射面には赤色LEDチップ53R、緑色LEDチップ53G及び青色LEDチップ53Bと実質的に光軸を一致させた3つの半橢球形状の凸レンズ55が形成されている。
このとき、各LEDチップから発せられた赤色光、緑色光及び青色光の夫々について、一部は封止樹脂の透光性樹脂内を導光されて光出射面である半橢球形状の凸レンズに直接向かい、一部はLEDチップが搭載されたリードフレームのカップの内周面で反射されて反射光が透光性樹脂内を導光されて凸レンズに向かう。これら2つの光路を辿って凸レンズに至った光は、光出射面の凸レンズで所定の指向性が得られるように配光されて外部(大気中)に出射される。
そして、各凸レンズの光出射面から出射された、光の3原色である赤色光、緑色光及び青色光は混合されて白色光を形成するものである。なお、赤色LEDチップ、緑色LEDチップ及び青色LEDチップの各LEDチップから出射される光の量を選択的に制御(滅灯を含む)して混合することにより、各LEDチップの光源色及び白色光を含む実質的に全色の光を得ることができる(例えば、特許文献1参照。)。
特開平10−173242号公報
ところで、近年の電子機器の小型・薄型化及び低価格化に伴なって、電子機器に内蔵される電子部品搭載基板に対しても同様の要件が求められるようになってきた。そのために、電子機器搭載基板に使用されるプリント基板は、配線パターンをプリント基板の一方の面にのみ形成した片面基板とされ、搭載部品を片面に集約して配置するようになっている。そして、表面実装型電子部品を片面基板の配線パターンが形成された同一の面に実装することによって、電子部品搭載基板の高さの低下及び低コスト化を実現しようとするものである。
それに対し、上述の従来のLED装置は、片面基板上に実装された表面実装型電子部品と同一面に搭載させることはできない。そのため、従来のLED装置と表面実装型電子部品とを混在させてプリント基板に搭載するためには、プリント基板の両面に配線パターンを形成した両面基板を使用し、両面基板の表面実装型電子部品が搭載された面とは反対の面にLED装置を搭載しなければならない。
よって、電子部品搭載基板の高さが高くなると共に、プリント基板のコストアップによって電子部品搭載基板のコストも上昇し、上記要件に対して逆行する結果を生じるものである。
そこで、電子機器の小型・薄型化及び低価格化を実現させるために、上記従来の砲弾型LED装置と同様の光学作用を有する図10及び図11に示すような表面実装型のLED装置が一般的に用いられている。
図10で示す従来の表面実装型のLED装置は、LEDチップ61を搭載する複数の凹形状のカップ62が形成されたリードフレーム63が高反射率を有する白色樹脂でインサート成形されており、前記カップの上方には内周面が上方に向かって開いた凹形状のキャビティ66が設けられた反射枠64を有するパッケージを構成している。
そして、各カップ62内に図示しない導電性部材を介してLEDチップ61が固定され、LEDチップ61の下側電極とLEDチップ61を搭載したリードフレーム63とが電気的に導通されている。また、LEDチップ61の上側電極はカップ62が形成されたリードフレーム63とは分離したリードフレーム63′とボンディングワイヤ65を介して接続され、電気的に導通されている。
更に、キャビティ66内及び各カップ62とLEDチップ61との隙間に透光性樹脂67が充填され、LEDチップ61とボンディングワイヤ65とが封止樹脂によって保護されている。また同時に、封止樹脂の光出射面には各LEDチップ61と実質的に光軸を一致させた凸形状のレンズ68が一体に形成されている。
また、図11で示す従来の他の表面実装型のLED装置は、上記図10で示したLED装置のリードフレーム63の下方にある白色樹脂を取り除いた構成となっている。つまり、リードフレーム63より上方は図10に示すLED装置と同様の構成、同様の光学作用を示すものである。
ところで、上記の表面実装型LED装置に使用されるリードフレームは、一般的には金属の平板をプレス金型でプレス抜きして作成されるものである。そのとき、金型の構造上、隣接するカップ間の最短の間隔はリードフレームの厚みによって決まる。よって、各カップに搭載された互いに隣接するLEDチップの最短距離にはリードフレームの厚みによる限界が存在する。
従って、各カップに光源色の互いに異なる複数のLEDチップを搭載して各LEDチップの夫々から発せられる光を混合する場合、LEDチップの相互の距離を十分に近づけることができないために、光の混合が不十分で混色性に劣るLED装置となってしまう。
また、カップ間の間隔に対する一定の制約がLED装置の小型化にも影響を与え、小型化が不十分なものとなってしまう。
また、リードフレームが金属平板のプレス抜きによって作製されるために、金属板の硬さ等の物性や厚み等の特性によってカップの内径や深さ等を含めたリードフレームの形状に制約が加えられる。そのため、LED装置に関する光学設計の自由度が妨げられ、光学的及び構造的に理想とする最良の製品を作り上げることができないことになる。
更に、金属平板からなる極めて幅の狭い回路パターンにカップを一体に形成することは非常に困難な作業であり、複雑なプレス金型による金型製作費の上昇及び不十分な寸法精度によって製造コストの上昇及び品質の低下を招くことになる。
そこで、本発明は上記問題に鑑みて創案なされたもので、混色性が良好で、外部(大気中)に対する光取り出し効率が良好で光度が高く、小型化が可能なLED装置を提供する。
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、リードフレームが樹脂材料によりインサート成形された反射枠と、前記反射枠に形成されたキャビティと、前記キャビティ内に形成された、複数のLEDチップを夫々に独立して前記LEDチップの厚みよりも高く包囲し前記LEDチップが搭載される空間形状は略円柱形状である複数のカップとを有し、前記カップの外壁は前記反射枠と同一樹脂材料によって前記反射枠と一体に形成され、前記キャビティ内は透光性樹脂が充填されていることを特徴とするものである。
また、本発明の請求項に記載された発明は、請求項において、前記樹脂材料は高反射率を有する白色樹脂であることを特徴とするものである。
また、本発明の請求項に記載された発明は、請求項1又は2の何れか1項において、前記LEDチップは、光源色が互いに異なる2種類以上のLEDチップの組み合わせであることを特徴とするものである。
また、本発明の請求項に記載された発明は、請求項1〜の何れか1項において、前記各LEDチップの上方には該LEDチップの光軸を実質的に一致させて凸形状のレンズが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装置では、反射枠に形成されたキャビティの内部に反射枠を形成する樹脂と同一の樹脂で反射枠と一体に複数のカップを形成し、前記夫々のカップ内に光源色の異なるLEDチップを搭載してLEDチップから発せられる光を狭い空間内に閉じ込め、そしてこの光が大きく拡散する前に光出射面となる凸レンズに至るようにしている。
従って、凸レンズに至った光は狭い範囲内に存在するために比較的緩やかな集光で外部に出射される光を効率的に集めることができる。そのため、凸レンズの曲率が小さくても集光効果が十分発揮されることになり、高さの低いLED装置を実現することができる。
また、隣接するカップ間の距離を従来よりも短くできるためにLED装置の小型化が可能となり、LED装置を実装する機器の小型化に寄与するものである。
また同様に、隣接するLEDチップの間隔を短くできるために、互いに異なる複数の光源色のLEDチップを搭載して光源とする場合、各LEDチップから発せられる光の混合が良好に行なわれ、混色性に優れたLED装置となるものである。
また、各LEDチップの上方に形成される凸レンズの形状を制御することにより、レンズの出射面から出射される光の集光度を自由に設定することができる。これは、LED装置から出射される光の配光を自由に制御することが可能であることを意味する。
更に、カップを構成する外壁は成形時に形成する。そのため、成形金型に加工を施すことによってカップの形状を制約なく自由に設定することができる。従って、カップの形状による配光設定の自由度が大きく、LEDチップから発せられて凸レンズに至る光の配光を理想的な形で実現することができる。
その結果、LED装置を観視する距離や方向、LED装置で照明する物体の形状や大きさ等、LED装置の使用条件、使用環境を考慮した最適の配光特性を簡単に実現することができる。などの利点を有する。
以下、この発明の好適な実施形態を図1から図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は本発明に係わるLED装置の実施形態を示す上面図、図2は図1のA−A断面図である。本実施形態は表面実装型と呼ばれるLED装置であり、その構成は反射枠1、リードフレーム2、赤色LEDチップ3、緑色LEDチップ4、ボンディングワイヤ5、透光性樹脂6からなっている。
そしてこれら構成要素からなるLED装置の構造は以下の通りである。複数の分離したリードフレーム2が白色で高反射率を有する白色樹脂からなる反射枠1にインサート成形されて表面実装型LED装置のパッケージが形成されている。このとき、反射枠1には上方に向かって開いた内周面7を有するキャビティ8と、前記キャビティ8内に、分離した2つのリードフレーム2の夫々を底面とする円筒形状の外壁9部を有するカップ11が形成されている。
そして、各円筒形状の外壁9内の底面に位置するリードフレーム2上に赤色LEDチップ3と緑色LEDチップ4とが図示止しない導電性部材を介して接着固定され、各LEDチップ3、4の下側電極とリードフレーム2とが1対1で電気的に導通されている。
一方、赤色LEDチップ3と緑色LEDチップ4との夫々の上側電極はボンディングワイヤ5を介してリードフレーム2と1対1で電気的に導通されている。
更に、キャビティ8内に透光性樹脂6が充填され、赤色LEDチップ3及び緑色LEDチップ4並びにボンディングワイヤ5が樹脂封止によって保護されている。このとき、封止樹脂の光出射面には各LEDチップ3、4と光軸を実質的に一致させた2つの凸レンズ10が形成されている。
このような構造のLED装置における光学系は次のようになる。各LEDチップ3、4から発せられた緑色光及び赤色光の夫々について、一部は透光性樹脂6内を導光されて光出射面である凸レンズ10に直接向かい、一部はキャビティ8の内周面7で反射されて反射光が透光性樹脂6内を導光されて凸レンズ10に向かう。これら2つの光路を辿って凸レンズ10に至った光は、光出射面の凸レンズ10で所定の指向性が得られるように配光されて外部(大気中)に出射される。
この場合、各LEDチップ3、4から発せられた光の多くは夫々の円筒形状の外壁9で包囲された狭いカップ11内に閉じ込められ、その狭い範囲に閉じ込められた光が大きく拡散する前に光出射面となる凸レンズ10に達するようになっている。
その結果、各LEDチップ3、4から発せられた光のうちの多くは直接凸レンズ10に至り、凸レンズ10で所定の指向性が得られるように配光されて外部に出射される。従って、LEDチップから発せられた光の外部への光取り出し効率が良好で、光度の高いLED装置が実現できる。
図3は本実施形態の製造プロセスを示した工程図である。金属の平板をプレス金型でプレス抜きしたリードフレームを準備し、(a)のように前記リードフレーム2を白色で高反射率を有する白色樹脂からなる反射枠1にインサート成形してLED装置のパッケージを形成する。その時、反射枠1には上方に向かって開いた内周面7を有するキャビティ8が設けられ、前記キャビティ8内にはリードフレーム2を底面とする円筒形状の外壁9部を有するカップ11が形成されている。
次に、(b)のようにそして、各円筒形状の外壁9内の底面に位置するリードフレーム2上に赤色LEDチップ3と緑色LEDチップ4とを図示止しない導電性部材を介して接着固定し、各LEDチップ3、4の下側電極とリードフレーム2とを1対1で電気的に導通させる。
次に(c)のように一方の端部を赤色LEDチップ3と緑色LEDチップ4の夫々の上側電極に接続したボンディングワイヤ5の他の端部をリードフレーム2に接続し、各LEDチップ3、4の上側電極とリードフレーム2とを1対1で電気的に導通させる。
更に、(d)のように、キャビティ8内及び円筒形状の外壁9で囲まれたカップ11内に透光性樹脂6を充填して各LEDチップ3、4及びボンディングワイヤ5を封止し、同時に封止樹脂の光出射面には各LEDチップ3、4と実質的に光軸を一致させた2つの凸レンズ10を一体に形成する。
図4は図3(c)の上面図であり、本実施形態のLED装置の製造工程において、キャビティ内に透光性樹脂を充填する直前の状態を示すものである。赤色LEDチップ3及び緑色LEDチップ4が夫々円筒形状の外壁9で囲まれたカップ11内部に搭載され、各LEDチップ3、4の上側電極及び下側電極と電気的に導通されたリードフレーム2が反射枠を通して外部に導出されている。
なお、成形樹脂で形成するカップの外壁の形状は種々のものが考えられるが、他の実施形態として図5に示すものがある。これは、赤色LEDチップ3及び緑色LEDチップ4を独立して包囲する外壁9を一体に形成したものであり、その他の構造については上記実施形態と同様である。但し、外壁9は本発明の実施形態の詳細を表す図6(a)、(b)の形状に限られるものではなく、各LEDチップ3、4を独立して包囲し、且つ隣接するLEDチップ3、4間を所望する距離に設定できれば、LED装置の小型化に支障を来さない限り形状に制限はない。
また、本実施形態では赤色LEDチップと緑色LEDチップの2つのLEDチップを実装する構成について説明したが、実装するLEDチップ数は2つに限られるものではなく、本実施形態の基本構造に基づいて3つ以上の、任意に選択された光源色のLEDチップを実装する構成も可能である。従って、外壁によって形成されるカップも2つに限られるものではなく、3つ以上であっても問題はない。この場合、各LEDチップから出射される光の量を選択的に制御(滅灯を含む)して混合することによって、各LEDチップの光源色及び白色光を含む実質的に全色の光を得ることができる
また、リードフレームが反射枠にインサート成形されたパッケージにLEDチップを搭載する表面実装型LED装置において、LEDチップを包囲するカップを形成するには、図7(a)、(b)に示す従来の方法と図8(a)、(b)に示す本発明の形成方法がある。従来の方法はリードフレームをインサート成形する前に予めリードフレームにカップを形成しておく方法であり、本発明の方法はフラットな形状のリードフレームを樹脂でインサート成形するときに同時に成形樹脂によってカップを形成するものである。
そこで、両者のカップ間の寸法を比較すると、以下のようになる。隣接するカップの内径をA、肉厚をB、カップ間の距離をC、カップの中心間の距離(LEDチップを実装したときのLEDチップ間の距離)をDとすると、隣接するLEDチップ間の距離Dは、D=A+(B×2)+Cの式で表される。
このとき、寸法A、B及びCに係わる条件を挙げると、A及びBについては両者共に所望する任意の寸法で実現できる。ところが、Cの寸法については、従来のリードフレームにカップを形成する方法では、リードフレームの板厚×(0.8以上)となるのに対し、本発明の成形樹脂によってカップを形成する方法では、リードフレームの板厚×(0.8以上)−(B×2)となる。
そこで、この条件を満足する隣接するLEDチップ間の最短距離Dを比較してみると、従来の方法では、D=A+(B×2)+リードフレームの板厚×0.8となり、本発明の方法では、D=A+リードフレームの板厚×0.8となる。
従って、従来の方法に対して本発明の方が(B×2)だけ、つまり、隣接するLEDチップの間隔をカップの肉厚の2倍の距離分近づけて搭載できるようにカップを形成することができることになる。
また、各LEDチップから発せられる光の混色性の向上のみを目的とするならば、必ずしも上記実施形態のようなレンズを形成する必要はなく、各LEDチップ間の距離を縮めることで十分な効果を得ることができる。
ここで、上記結果を踏まえて本発明のLED装置に係わる実施形態の効果について説明する。LED装置の用法としては、照明用として使用される場合と、表示用として使用される場合に大別される。照明用として使用される場合に求められる要件は、明るいこと、演色性(色の忠実度)に優れていることなどが挙げられる。一方、表示用としては色調の均一性、再現性などが挙げられる。
光源色の互いに異なる複数のLEDチップを光源とするLED装置は、光源と表示素子の両方の目的に使用されるものであり、更に、比較的小型機器に使用する場合には小型化も重要な要件の一つとなるものである。
そこで、光源色の互いに異なる複数のLEDチップを光源とする本実施例のLED装置では、上方に向かって開いた内周面を有するキャビティ内に形成された2つの円筒形状の外壁で包囲したカップ内にLEDチップを実装することにより、夫々のLEDチップから発せられてカップ内の狭い範囲内に閉じ込められた光が周囲に大きく拡散する前に光出射面となるレンズに到達するようにしている。
従って、各LEDチップの上方に形成された凸レンズに到達した光は狭い範囲内に存在するために比較的緩やかな集光で外部に出射される光を効率的に集めることができる。その結果、凸レンズの曲率が小さくても集光効果が十分発揮されることになり、高さの低いLED装置を実現することができる。
また、隣接するカップ間の距離を従来よりも短くできるためにLED装置の小型化が可能となり、LED装置を実装する機器の小型化に寄与するものである。
また同様に、隣接するLEDチップの間隔を短くできるために、互いに異なる複数の光源色のLEDチップを搭載して光源とする場合、各LEDチップから発せられる光の混合が良好に行なわれ、混色性に優れたLED装置となるものである。
また、LEDチップを実装するカップの周囲に内周面をLEDチップの光軸を対してLEDチップの発光方向に向かって開いた傾斜面とするキャビティを設けている。その結果、円筒形状の外壁で包囲されたLEDチップから発せられた光のうち、キャビティの内周面に向かった光を反射して光出射面となるレンズ方向に向けるようにしている。これにより、LEDチップから発せられた光が効率良く外部に出射されるため、光取り出し効率の高い、明るいLED装置を実現することができる。
また、各LEDチップの上方に形成される凸レンズの形状を制御することにより、レンズの出射面から出射される光の集光度を自由に設定することができる。これは、LED装置の配光を自由に制御することが可能であることを意味する。
更に、カップを構成する外壁は成形時に形成する。そのため、成形金型に加工を施すことによってカップの形状を制約なく自由に設定することができる。従って、カップの形状による配光設定の自由度が大きく、LEDチップから発せられて凸レンズに至る光の配光を理想的な形で実現することができる。
その結果、LED装置を観視する距離や方向、LED装置で照明する物体の形状や大きさ等、LED装置の使用条件、使用環境を考慮した最適の配光特性を簡単に実現することができる。
上述のように、光源色の互いに異なる複数のLEDチップを光源とした本発明のLED装置は、照明用及び表示用の両方の用件を満たすものであり、幅広い応用分野に適応可能なものである。
従って、本発明のLED装置は、民生機器の分野においては、携帯電話、デジタルカメラ、デジタルビデオカメラ、PDA、などの比較的小型機器に表示装置として使用される液晶パネルのバックライト光源、携帯電話等の携帯機器のストロボ光源、各種情報表示板用光源、各種インジケータ用光源として、車載用機器の分野においては、車載用機器に表示装置として使用される液晶パネルのバックライト光源、各種インジケータ用光源として
広範囲の分野に活用できる。
本発明のLED装置に係わる実施形態を示す上面図である。 図1のA−A断面図である。 本発明のLED装置に係わる実施形態の製造工程図である。 本発明のLED装置に係わる実施形態の製造工程途中の状態を示す上面図である。 本発明のLED装置に係わる他の実施形態を示す上面図である。 (a)は本発明のLED装置に係わる実施形態の外壁部を示す部分上面図、(b)は本発明のLED装置に係わる他の実施形態の外壁部を示す部分上面図である。 (a)は従来のLED装置のリードフレームに形成されたカップ部を示す部分上面図、(b)は(a)のA−A断面図である。 (a)は本発明のLED装置に係わる実施形態の外壁部を示す部分上面図、(b)は(a)のA−A断面図である。 従来のLED装置を示す斜視図である。 従来の他のLED装置を示す断面図である。 同じく、従来の他のLED装置を示す断面図である。
符号の説明
1 反射枠
2 リードフレーム
3 赤色LEDチップ
4 緑色LEDチップ
5 ボンディングワイヤ
6 透光性樹脂
7 内周面
8 キャビティ
9 外壁
10 レンズ
11 カップ

Claims (4)

  1. リードフレームが樹脂材料によりインサート成形された反射枠と、
    前記反射枠に形成されたキャビティと、
    前記キャビティ内に形成された、複数のLEDチップを夫々に独立して前記LEDチップの厚みよりも高く包囲し前記LEDチップが搭載される空間形状は略円柱形状である複数のカップとを有し、
    前記カップの外壁は前記反射枠と同一樹脂材料によって前記反射枠と一体に形成され、前記キャビティ内は透光性樹脂が充填されていることを特徴とするLED装置。
  2. 前記樹脂材料は高反射率を有する白色樹脂であることを特徴とする請求項に記載のLED装置。
  3. 前記LEDチップは、光源色が互いに異なる2種類以上のLEDチップの組み合わせであることを特徴とする請求項1又は2の何れか1項に記載のLED装置。
  4. 前記各LEDチップの上方には該LEDチップの光軸を実質的に一致させて凸形状のレンズが形成されていることを特徴とする請求項1〜の何れか1項に記載のLED装置。
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