JP5119705B2 - 発光装置およびそれを用いた面状発光装置 - Google Patents

Description

本発明は、発光装置およびそれを用いた面状発光装置に関する。

近年、発光ダイオードの発光効率が向上し、ＣＣＦＬ（冷陰極管）に置き換わっている。点状光源である発光ダイオードを線状光源であるＣＣＦＬの置き換えに利用するために以下の技術が提案されている。例えば、長尺方向に分離して形成された長尺なフレームと、分離したフレーム上に各々載置され長尺方向に整列した複数の発光ダイオードと、発光ダイオードを囲む長尺な反射面を有しフレームの周辺に形成された反射枠とを備え、反射枠は発光ダイオードの近傍に於いて発光ダイオードの列に斜交して近接するように、部分的な反射面を持つ突起部を設ける構成により、輝度ムラを改善する技術が開示されている（特許文献１参照）。

また、発光ダイオードを複数使用する場合は、発熱量が多くなるため、放熱効率が高い光源装置が必要になり、以下の技術が提案されている。例えば、略直方体形状の絶縁基板において、断面が凹形状の溝部を長手方向に形成し、この溝部の断面幅を上部から下部に沿って狭くし、複数の発光ダイオードを溝部の底面に長手方向に設け、電極を絶縁基板の溝部における発光ダイオードの両側に長手方向に沿って連続して設け、ワイヤにより各発光ダイオードを電極に並列接続し、透明または半透明の樹脂を発光ダイオード、電極、ワイヤを包み込むように溝部に充填する構成が開示されている。これにより照明装置や表示装置などに組み込む場合に、単一部品として簡単に取り扱うことができ、放熱効率が高く、安定した発光を行うことができる光源装置を提供する技術が開示されている（特許文献２参照）。

特開平０８−０９５５０３号公報。

特開２０００−２６１０３９号公報。

しかし上記特許文献１の構成では、当該文献における照度特性図（図７）に記載のように輝度ムラが改善はしているものの十分ではない。

また上記特許文献２の構成では、確かに放熱性は高いが、基板の長手方向には制御する機能を有さないため、発光素子から長手方向に臨界角以上の角度で出射された光は封止樹脂の長手方向を封止樹脂上面と絶縁基板の間で多重反射してしまい、光の取り出し効率が低下する。

そこで本発明は、光の取り出し効率が高く、輝度ムラの少ない発光装置とそれを用いて面状発光装置を得ることを目的とする。

以上の目的を達成するため、本発明にかかる発光装置は、長方形状であって、長手方向に延伸して形成される凹部を有する実装基板と、前記凹部の底面の長手方向に実装された複数の発光素子と、前記実装基板の長手方向の略中央部に長手方向へ進行する光に対して反射機能を有する壁部と、前記複数の発光素子と前記壁部とを一体的に覆い、短手方向に光を集光するレンズ機能を有する封止樹脂と、を有する。

この構成により、光の取り出し効率の高く、輝度ムラの少ない発光装置を得ることができる。

また本発明にかかる発光装置は、前記壁部が上面を有する。

また本発明にかかる発光装置は、前記壁部の上面に光吸収物質を実装する。

この構成により、発光装置全体の発光強度をそれほど低下させず、中央部の発光強度を調整することが可能となる。

また本発明にかかる発光装置は、前記光吸収物質が保護素子である。保護素子を実装することで静電耐圧を向上することが可能となる。

また本発明にかかる発光装置は、前記凹部が、前記実装基板の長手方向の側面で開口している。これにより長手方向に広配光の光学特性が得られる。

また本発明にかかる発光装置は、前記凹部にのみ蛍光体層を有する。これにより蛍光体層が壁部により分断して形成されることになる。

このように複数の発光素子に対して、それらを覆うように蛍光体層を形成することにより、発光素子だけでなく、蛍光体層も発光する。また、輝度が高くなりがちな壁部の上面には光源となる蛍光体層を形成しない。そのため輝度ムラの少ない発光装置の実現が可能となる。

また本発明にかかる発光装置は、前記短手方向に光を集光するレンズ機能を有する封止樹脂上面側の表面形状が半円柱状である。

さらにまた本発明にかかる面状発光装置は、出射面に対して略直交する端面に入光部を有する導光板と、該導光板に光学的に接続された請求項１乃至７のいずれか１項に記載の発光装置と、を備えることを特徴とする。この場合、輝度ムラの少ない面状発光装置の実現が可能となる。

さらにまた本発明にかかる面状発光装置は、前記導光板の入光部が凹部を有し、該凹部と前記封止樹脂とが勘合する。これにより、発光装置と導光板の位置あわせが容易になる。

さらにまた本発明にかかる面状発光装置は、前記凹部が半円柱状である。これにより発光装置と導光板との勘合性が向上し、光学的損失を減少させることが可能となる。

本発明により、点状光源である発光素子を使用して光の取り出し効率が高く、輝度ムラの少ない発光装置およびそれを用いた面状発光装置の実現が可能となる。

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および面状発光装置を例示するものであって、本発明は発光装置および面状発光装置を以下に限定するものではない。また、各図面に示す部材の大きさや位置関係などは説明を明確にするために誇張しているところがある。

＜第１の実施の形態＞
図１は、本発明の実施の形態１に係る発光装置１００を示す斜視図である。実装基板１０３の凹部１１３の底面１１３ａに複数の発光素子１０１が長手方向に列状に実装されている。実装基板１０３には極性の異なる電極１１１ａと１１１ｂが形成されている。発光素子１０１の負電極と実装基板の負電極とが、正電極と実装基板の正電極とが、各々ワイヤによって接続されている。発光装置１００において、壁部１１７が実装基板１０３の長手方向の略中央部に形成されている。

また封止樹脂１０７は複数の発光素子１０１と壁部１１７とを覆うように形成されている。封止樹脂１０７の形状は実装基板１０３の短手方向に光を集光するレンズ機能を持たせる形状に形成されている。短手方向に光を集光するレンズ機能を持たせる形状としては、封止樹脂上側の表面形状が半円柱状であることが好ましい。

このような第１の実施の形態に係る発光装置１００においては、発光素子から実装基板の長手方向に出射された光を壁部１１７の側面１１３ｄにより封止樹脂上面側に反射させることにより、光の取り出し効率が向上する。また、複数の発光素子１０１と壁部１０７とを封止樹脂で一体的に覆うことにより封止樹脂内で光を導光させ、発光部たる発光素子と非発光部の壁部との輝度を平均化することにより、輝度ムラを抑制する。

このように第1の実施の形態の発光装置では、輝度ムラを抑制して、装置全体としては光の取り出し効率を上げることが実現可能となる。

また、第１の実施の形態に係る発光装置では、壁部の上面として実装基板の長手方向に厚みを有することが好ましい。この厚みを最適化することにより、発光装置の中心部の輝度を制御して、輝度ムラを抑制することが可能となる。この厚みが厚すぎると発光装置１００の中心輝度が下がりすぎ、薄すぎると中心輝度が高くなりすぎる。この壁部の厚みは、長方形状の実装基板の長手方向の長さに対して、１／１０〜１／２倍であることが好ましい。この範囲の厚みにすることにより、輝度ムラをさらに抑制することが可能となる。

また、第１の実施の形態に係る発光装置では、壁部１１７の凹部の底面１１３ａからの高さは、高すぎると壁部上面での封止樹脂内を導光する光が減少して、発光装置１００の中心輝度が下がりすぎ、低すぎると壁部の側面１１３ｄで反射する光が減少して、光の取り出し効率が減少する。よって壁部の凹部の底面からの高さは、発光素子１００の厚みに対して、１〜５倍であることが好ましい。

また、第１の実施の形態に係る発光装置では、短手方向に光を集光するレンズ機能を持たせる形状としては、表面形状が半円柱状であることが好ましい。これにより光を短手方向に集光する効果を有する。すなわち、光を集光するレンズ機能を有する半円柱状部１０７ａのみでなく、平坦部１０７ｂを有しても良い。

また、第1の実施の形態に係る発光装置では、実装基板の凹部は、凹部の側面１１３ｂ、１１３ｃと壁部の側面１１３ｄから構成される。これらの面は光の取り出し効率の観点からは、実装基板に対して垂直より上向きになるのが好ましい。また、凹部は、実装基板の長手方向の側面で開口している方がより好ましい。長手方向に、より広配光の光学特性を得ることが可能となる。

さらに、封止樹脂上面側から見た場合、壁部の側面１１３ｄの形状は、円弧状であることが好ましい。また、壁部の側面１１３ｄと凹部の側面１１３ｂ、１１３ｃとの接点が面取りされていることが好ましい。これにより、さらに輝度ムラを抑制することが可能となる。

さらに、第1の実施の形態に係る発光装置では、壁部の上面１１７ａ、凹部の底面１１３ａ、凹部の側面１１３ｂ、１１３ｃ、壁部の側面１１３ｄの表面状態は鏡面でも粗面でも良い。これらの面は、光の取り出し効率の観点からは反射率を高めるため鏡面が好ましく、実装基板と封止樹脂との接着強度の観点からは接触面積を増加させるため粗面加工が好ましい。特に実装基板の壁部の上面１１７ａは目的に応じて光学設計される。実装基板の長手方向に対して壁部の上面１１７ａは厚みを有する。壁部の上面１１７ａの反射率を高める場合は上述同様に鏡面であることが望ましい。逆に中心輝度を抑える配光特性を得るためには、壁部の上面１１７ａ側を粗面にすることが望ましい。粗面にすることにより光の吸収が促進されるためである。

壁部の側面１１３ｄを含め凹部の側面１１３ｂ、１１３ｃは、上述のように光の取り出し効率の観点からは、反射機能を高めるため鏡面であることが望ましい。さらには反射促進部材を形成することが望ましい。

以下に、各構成部材について述べる。

（実装基板１０３）
実装基板とは、発光素子を実装するための基板を言う。

実装基板としては、長方形状であり、かつ、実装される発光素子に対して電力を供給できるように電極１１１ａ、１１１ｂを有するものであれば特に材質は問わない。基板の種類としては、セラミックス基板、ガラスエポキシ基板、アルミベース基板、銅ベース基板、プリント基板、フレキシブル基板等がある。放熱性や信頼性の観点からセラミックス基板が好適に用いられる。

（反射促進部材）
反射促進部材とは、発光素子等からの光の反射を促進して、発光装置からの光の取り出し効率を高める部材を言う。
反射促進部材の材料としては、金属、白色部材、金属酸化膜等が使用される。金属としては、Ａｇ，Ａｌ，Ｎｉ，Ａｕ，Ｃｕ等が使用される。白色部材としては、白色の塗料（例えば硫酸バリウム等）や白色のメッキ（例えば白色アルマイト等）、白色のシート（例えばポリプロピレン等）が好適に使用される。金属酸化膜としては、ＳｉＯ_２／ＺｒＯ_２、若しくは、ＳｉＯ_２／ＴｉＯ_２等のが好適に使用される。

（電極１１１ａ，１１１ｂ）
電極とは、発光素子に電流を流すために、対であり、電気的に異なる極性を持つものを言う。

実装基板に形成される電極の材料は、金属が一般的に用いられる。銅が好適に使用され、銅の表面に銀を形成したものも好適に使用される。金属以外ではITO等も使用される。

電極の形成方法としては、電解メッキ、無電解メッキ、蒸着、スパッタ等で形成可能である。

（発光素子１０１）
発光素子とは、基板上にＧａＡｌＮ，ＺｎＯ，ＺｎＳｅ，ＳｉＣ，ＧａＰ，ＧａＡｌＡｓ，ＡｌＮ，ＩｎＮ，ＡｌＩｎＧａＰ，ＩｎＧａＮ，ＧａＮ，ＡｌＩｎＧａＮ等の半導体を発光層として形成されたものをいう。

（封止樹脂１０７）
封止樹脂とは、発光素子やワイヤ等を封止する樹脂を言う。

封止樹脂の材料としては、シリコーン樹脂、エポキシ樹脂、アクリル樹脂等が用いられる。

封止樹脂は、トランスファーモールド成形、圧縮成形、キャスティングモールド成形等で成形可能である。

なお、以上に示した第１の実施の形態に係る発光装置１００は、例えば次の方法により、製造することができる。

まず、基板材料を複数枚用意する。それぞれの基板材料を所定の形状に打ち抜き加工を施す。それぞれの基板材料を重ね合わせたとき、壁部や凹部に該当する部位が形成されるようにする。

次に電解メッキ若しくは無電解メッキ等で所定の形状に電極パターンを形成する。その後、各基板材料を重ね合わせて焼結させる。これにより実装基板が得られる。

得られた実装基板の凹部１１３の底面１１３ａに発光素子１０１を実装する。実装基板がセラミックス基板の場合、発光素子に対して放熱性を十分に確保するためには、発光素子をセラミックスが露出した部分よりも、電極上実装することが好ましい。この場合は、発光素子と電極を共晶金属により、共晶結合することが望ましい。またセラミックスが露出した部分に実装する場合は、ボンディング剤として樹脂を使用することが可能となるため、簡易かつ安価に実装することが可能となる。

さらに発光素子と保護素子を実装基板の電極と電気的に接続するためワイヤーボンディングする。

最後に封止樹脂を形成する。封止樹脂は、トランスファーモールド成形、圧縮成形、キャスティングモールド成形等で成形可能であるが、好適には、圧縮成形が用いられる。

＜第２の実施の形態＞
図２は、本発明の実施の形態２に係る発光装置２００を示す斜視図である。壁部の上面１１７ａに光吸収物質を有することと、凹部１１３に蛍光体層を有すること以外は、第１の実施の形態と同様である。

壁部１１７の上面１１７ａに光吸収物質を実装する。これにより、発光装置全体の発光強度をそれほど低下させず、発光装置中央部の発光強度調整することが可能である。光吸収物質として保護素子２１５を使用することにより、同時に静電耐圧を向上することが可能となる。保護素子２１５としては、ツエナーダイオード等が用いられる。

蛍光体層２０５は凹部内にのみ形成される。これにより蛍光体層が壁部により分断して形成されることになる。

以下に、各構成部材について述べる。

（光吸収物質）
光吸収物質とは、発光素子や蛍光体層から発光した光を部分的に吸収する物質を言う。

光吸収物質としては、発光素子や蛍光体から発光した光を部分的に吸収するものであれば特に限定されないが、保護素子（特にツエナーダイオード）、炭素粉、顔料等が用いられる。

（蛍光体層２０５）
蛍光体層とは、透光性樹脂に蛍光体を混ぜたものを言う。さらに好適には拡散材を含有するものを言う。蛍光体としては、発光素子からの光の少なくとも一部を吸収して異なる波長を有する光を発する蛍光体を含有するものを言う。特に発光素子からの光を、それより長波長に変換させるものの方が効率は良い。発光素子からの光がエネルギーの高い短波長の可視光の場合、アルミニウム酸化物系蛍光体の一種であるＹＡＧ：Ｃｅが好適に用いられる。特に、ＹＡＧ：Ｃｅ蛍光体は、その含有量によって発光素子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に、白色系の混色光を発する高出力の発光装置を比較的簡単に形成することができる。

透光性樹脂としては上記封止樹脂と同様に、シリコーン樹脂、エポキシ樹脂、アクリル樹脂等が用いられる。好適にはゲル状シリコーンが用いられる。劣化が少なく、ワイヤを機械的衝撃から保護できるためである。

拡散材としては、チタン酸バリウム、酸化チタン、酸化アルミニウム、酸化珪素、二酸化珪素、重質炭酸カルシウム、軽質炭酸カルシウム、及び、これらを少なくとも一種類以上含む混合物等が挙げられる。

＜第３の実施の形態＞
図３と図４は、第３の実施の形態における面状発光装置３０００を示す。面状発光装置３０００は、出射面３０９ａに対して略直交する端面に入光部を有する導光板と、その導光板に光学的に接続された発光装置２００と、を備えている。すなわち導光板の端部に発光装置を配置する。導光板の端部としては長手方向でも短手方向でも良い。

導光板の入光部形状は平面形状でも良いが、好ましくは発光装置の封止樹脂部分と勘合する形状が好ましい。すなわち導光板の入光部形状が半円柱状の凹部を有することが好ましい。発光装置と導光板の間に空気層を介在させてしまうと光の入光効率が低下してしまうためである。入光部における半円柱状の凹部の曲率は、発光装置の封止樹脂の半円柱状を構成する曲率と同じか、それよりも大きいことが好ましい。発光装置の封止樹脂が固い材質の樹脂を使用した場合であり、且つ、導光板の材質が固い場合は、互いの曲率を揃えることが好ましい。

一方、封止樹脂が柔らかい材質の樹脂を使用した場合、若しくは、導光板の材質が柔らかい場合は、導光板の曲率が大きくした方が好ましい。互いを接合するときに、機械的に押し当てていく過程で空気層を押し出していくことが可能になるためである。

（導光板３０９）
導光板の材料としては、アクリル樹脂、ポリカーボネート樹脂、非晶質ポリオレフィン樹脂、ポリスチレン樹脂、ノルボルネン系樹脂、シクロオレフィンポリマー（ＣＯＰ）等が挙げられる。

本発明により、従来よりも輝度ムラが少なく、光の取り出し効率の高い発光装置およびそれを用いた面状発光装置の実現が可能となる。

本発明に係る発光装置の一実施形態を示す図である。 本発明に係る発光装置の一実施形態を示す図である。 本発明に係る面状発光装置の一実施形態を示す図である。 本発明に係る面状発光装置の一実施形態を示す図である。

符号の説明

101・・・発光素子
103・・・実装基板
205・・・蛍光体層
107・・・封止樹脂
107a・・・半円柱状部
107b・・・平坦部
309・・・導光板
309a・・・出射面
111a,111b・・・電極
117・・・壁部
117a・・・壁部の上面
113・・・凹部
113a・・・凹部の底面
113b,113c・・・凹部の側面
113d・・・壁部の側面
215・・・保護素子
100,200・・・発光装置
3000・・・面状発光装置

Claims (6)

1. 長方形状であって、長手方向に延伸して形成され、長手方向の側面で開口している凹部を有する実装基板と、
   前記凹部の底面の長手方向に実装された複数の発光素子と、
   前記実装基板の長手方向の略中央部に長手方向へ進行する光に対して反射機能を有する壁部と、
   前記複数の発光素子と前記壁部とを一体的に覆い、前記実装基板の短手方向に光を集光するレンズ機能を有する封止樹脂と、を有し、
   前記壁部の側面の形状は、前記封止樹脂の上面側から見て円弧状であることを特徴とする発光装置。
2. 前記壁部の上面に保護素子を有する請求項１に記載の発光装置。
3. 前記凹部にのみ蛍光体層を有する請求項１または請求項２に記載の発光装置。
4. 前記短手方向に光を集光するレンズ機能を有する封止樹脂上側の表面形状が半円柱状である請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載の発光装置。
5. 長方形状であって、長手方向に延伸して形成され、長手方向の側面で開口している一対の凹部を有する実装基板と、
   前記凹部の底面の長手方向に実装された複数の発光素子と、
   前記凹部間であって前記実装基板の長手方向の略中央部に配置された、反射機能を有する壁部と、
   前記複数の発光素子と前記壁部とを一体的に覆い、前記実装基板の短手方向に光を集光するレンズ機能を有する封止樹脂と、を有し、
   前記壁部の側面は、前記封止樹脂の上面側から見て円弧状であることを特徴とする発光装置。
6. 出射面に対して略直交する端面に入光部を有する導光板と、
   該導光板に光学的に接続された請求項１乃至請求項５のいずれか１項に記載の発光装置と、
   を備えることを特徴とする面状発光装置。

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