JP5235648B2 - 発光装置及びこれを用いた照明装置 - Google Patents

Description

本発明は、発光素子を備えた発光装置及び照明装置に関するものである。発光装置及び照明装置は、例えば、電子ディスプレイ用のバックライト電源、蛍光ランプに好適に用いることができる。

従来から、発光素子を備えた発光装置は、発光効率の向上が求められている。そこで、特許文献１に記載されているように、主面を有する基体と、該基体の主面上に配設された発光素子と、基体及び発光素子上に配設された透光性部材とを備えた発光装置が提案されている。特許文献１においては、透光性部材により発光素子が封止されていることにより発光素子が外気に触れて劣化することを抑制している。
特開２００１−２１０９３６号公報

特許文献１に記載されているように、透光性部材を備えることにより発光素子が変性することを抑制できるので、発光効率の向上を図ることができる。一方、発光装置の使用時においては、発光素子が発熱するため基体及び透光性部材が熱膨張する。そして、基体と透光性部材の熱膨張係数が異なるため、基体と透光性部材との界面に反りが生じて、発光装置が変形する可能性がある。特に、基体と透光性部材の側端部に近いほど上記の反りに起因して大きな応力が加わる可能性があった。

本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、発光装置の変形を抑制して、発光効率を向上させた発光装置及びこれを用いた照明装置を提供することを目的とする。

本発明の発光装置は、主面を有する基体と、該基体の主面上に配設された発光素子と、前記基体の主面上に位置して前記発光素子を被覆する透光性部材とを備えている。そして、前記基体の主面に対して垂直な前記透光性部材の断面において、前記透光性部材は、前記主面と平行な方向の中心領域に空隙を有し、前記透光性部材の側端部領域の空隙率が前記中心領域の空隙率よりも大きくなっている。

本発明の発光装置によれば、基体の主面に対して垂直な透光性部材の断面において、透光性部材は、基板の主面と平行な方向の中心から側端部に向かって空隙率が大きくなる形状である。空隙を有していることによって熱が流れにくくなる。そして、中心における空隙率よりも側端部における空隙率が大きいため、透光性部材の中心から側端部へ向かって熱が流れにくくなっている。このため、基体と透光性部材の側端部に大きな応力が加わることを抑制できる。結果として、発光装置の変形を抑制できるので、発光装置の耐久性を向上させることができる。

以下、本発明の発光装置について図面を用いて詳細に説明する。

図１〜３に示すように、本発明の第１の実施形態にかかる発光装置１は、主面を有する基体３と、基体３の主面上に配設された発光素子５と、基体３の主面上に位置して発光素子５を被覆する透光性部材７とを備えている。

そして、基体３の主面に対して垂直な透光性部材７の断面において、透光性部材７は、主面と平行な方向の中心から側端部に向かって空隙率が大きくなっている。特に、本実施形態にかかる発光装置１では、基体３の主面に対して垂直な透光性部材７の断面において、透光性部材７が、中心領域７ａにおける空隙率が側端部領域７ｂにおける空隙率よりも小さい形状となっている。

このように、中心における空隙率よりも側端部における空隙率が大きいため、透光性部材７の中心から側端部へ向かって熱が流れにくくなっている。そのため、基体３と透光性部材７の側端部に大きな応力が加わることを抑制できる。結果として、発光装置１の変形を抑制できるので、発光装置１の耐久性を向上させることができる。なお、本実施形態において、基体３の主面に対して垂直な透光性部材７の断面における透光性部材７の中心とは、主面と平行な方向における透光性部材７の幅の中心を意味している。

基体３としては、例えば、アルミナセラミックス、窒化アルミニウム焼結体、ムライト質焼結体、ガラスセラミックスのようなセラミックス、又は、エポキシ樹脂のような樹脂を用いることができる。また、セラミックスの上に樹脂を重ねた積層体であってもよい。セラミックスの上に樹脂を積層した積層体を用いることにより、発光装置１の耐久性を向上させることができる。発光素子５に通電すると、発光素子５は、発光すると同時に発熱する。また、樹脂は、セラミックスと比較して弾性変形しやすい。そのため、セラミックスにより基体３の強度を向上させつつ、樹脂により発光素子５の発熱により生じる熱応力を吸収することができるからである。

本実施形態にかかる発光装置１は、基体３の主面上であって、透光性部材７の中心と接するように配設された発光素子５を備えている。発光素子５としては、駆動電力により光を発生させることのできる素子を用いればよい。例えば、半導体材料からなる発光ダイオードを用いることができる。具体的には、ＧａＡｓ、ＧａＮ或いはＡｌＮを主成分とする発光ダイオードを用いることができる。発光素子５は通電部材８を介して外部電源より通電されることにより発光することができる。通電部材８は、基体３の主面上に配設すればよい。また、基体３に主面から裏面にかけて孔部を形成し、この孔部を介して基体３の裏面上に通電部材８を配設してもよい。

本実施形態にかかる発光装置１は、基体３の主面上に位置して発光素子５を被覆する透光性部材７を備えている。透光性部材７を備えていることにより、発光素子５が外気に触れることが抑制されるので、発光素子５の劣化を抑制することができる。透光性部材７としては、光透過性の高いものを用いることが好ましく、例えば、エポキシ樹脂、シリコーン樹脂のような透明樹脂を用いることができる。

本実施形態における透光性部材７は、複数の空隙９を有しており、基体３の主面に対して垂直な透光性部材７の断面において、透光性部材７は、基体３の主面と平行な方向の中心から側端部に向かって空隙率が大きくなっている。具体的には、本実施形態にかかる発光装置１では、基体３の主面に対して垂直な透光性部材７の断面において、透光性部材７が、中心領域７ａにおける空隙率が側端部領域７ｂにおける空隙率よりも小さい形状となっている。

なお、本実施形態にかかる発光装置１においては、図２に示すように、基体３の主面に対して平行な方向における透光性部材７の幅の中心１／２に位置する透光性部材７の部分を中心領域７ａとし、この中心領域７ａを除く部分を側端部領域７ｂとしている。

また、本実施形態における空隙率は、基体３の主面に対して垂直な透光性部材７の断面における断面積全体に対する空隙９の面積の総和の比率を意味している。そのため、例えば、中心領域７ａにおける空隙率とは、基体３の主面に対して垂直な透光性部材７の断面における中心領域７ａの面積に対する空隙９の面積の総和の比率を意味している。また、側端部領域７ｂにおける空隙率とは、基体３の主面に対して垂直な透光性部材７の断面における側端部領域７ｂの面積に対する空隙９の面積の総和に比率を意味している。

また、本実施形態にかかる発光装置１のように、基体３の主面に対して垂直な透光性部材７の断面において、中心領域７ａにおける空隙９の平均径が、側端部領域７ｂにおける空隙９の平均径よりも小さいことが好ましい。これは、以下の理由によって、熱伝達のばらつきを小さくすることができると同時に、熱応力を緩和する効果を高めることができるからである。

中心領域７ａ及び側端部領域７ｂにおける空隙９の平均径は、例えば、以下のようにして評価することができる。まず、中心領域７ａ及び側端部領域７ｂのそれぞれにおいて無作為に部分領域を抽出する。次に、抽出された部分領域内に位置する空隙９における基体３の主面に対して平行な方向における幅を測定する。そして、中心領域７ａにおける各空隙９の幅の平均値及び側端部領域７ｂにおけるにおける各空隙９の幅の平均値を算出する。このようにして中心領域７ａ及び側端部領域７ｂにおける空隙９の平均径を評価することができる。

中心領域７ａにおいては発光素子５から放出される熱の伝達のばらつきを小さくすることが好ましいため、空隙９を小さくすることが好ましい。一方、中心領域７ａと比較して側端部領域７ｂには大きな熱応力が加わるため、側端部領域７ｂには局所的に大きな熱応力が加わる可能性がある。従って、応力を吸収する効果を高めるため、空隙９のサイズを大きくすることが好ましい。本実施形態における透光性部材７は、側端部領域７ｂにおける空隙９の平均径が中心領域７ａにおける空隙９の平均径よりも大きいため、発光素子５から放出される熱の伝達のばらつきを小さくすることができると同時に、局所的に大きな熱応力が加わった場合であっても、透光性部材７が損傷する可能性を小さくできる。

透光性部材７における熱の伝達を抑制するため、空隙９には、透光性部材７を構成する部材よりも熱伝導性の低い部材が充填されていても良い。しかしながら、応力を緩和させる効果を高めるため、空隙９には透光性部材７とは別の部材が充填されていない気孔とすることが好ましい。本実施形態における透光性部材７は、平板形状であるが、特にこれに限定されるものではない。例えば、半球形状であってもよい。

次に、本発明の第２の実施形態にかかる発光装置１について説明をする。

図４に示すように、本実施形態にかかる発光装置１は、第１の実施形態にかかる発光装置１と比較して、基体３の主面に対して垂直な透光性部材７の断面において、中心領域７ａにおける単位面積あたりの空隙９の数が、側端部領域７ｂにおける単位面積あたりの空隙９の数よりも少ないことを特徴としている。

本実施形態にかかる透光性部材７は、側端部領域７ｂにおける単位面積あたりの空隙９の数が、中心領域７ａにおける単位面積あたりの空隙９の数よりも多いため、透光性部材７の中心から側端部へ向かって熱を流れにくくすることができると同時に、側端部領域７ｂにおける熱の伝達のばらつきを小さくすることができる。そのため、側端部領域７ｂに局所的に大きな熱応力が加わる可能性を小さくすることができる。

中心領域７ａ及び側端部領域７ｂにおける単位面積あたりの空隙９の数は、例えば、以下のようにして評価することができる。まず、中心領域７ａ及び側端部領域７ｂのそれぞれにおいて無作為に複数の部分領域を抽出する。次に、各部分領域における空隙９の数を測定する。そして、中心領域７ａにおける各部分領域での空隙９の数の平均値及び側端部領域７ｂにおける各部分領域での空隙９の数の平均値を算出する。このようにして中心領域７ａ及び側端部領域７ｂにおける単位面積あたりの空隙９の数を評価することができる。

次に、本発明の第３の実施形態にかかる発光装置１について説明をする。

図５に示すように、本実施形態にかかる発光装置１は、第１の実施形態にかかる発光装置１と比較して、基体３の主面に対して垂直な透光性部材７の断面において、中心領域７ａにおける基体３と対向する面の表面粗さが、側端部領域７ｂにおける基体３と対向する面の表面粗さよりも小さいことを特徴としている。

これにより、側端部領域７ｂに加わる応力をより小さくすることができる。中心領域７ａにおける上記の表面粗さが、側端部領域７ｂにおける上記の表面粗さよりも小さいため、中心領域７ａにおいて発光素子５から生じた熱を素早く基体３に伝達させることができるからである。

特に、側端部領域７ｂにおける透光性部材７と基体３との界面に位置する空隙９の数が、中心領域７ａにおける透光性部材７と基体３との界面に位置する空隙９の数よりも多いことが好ましい。透光性部材７と基体３との界面に位置する空隙９により、透光性部材７と基体３の接合面に加わる応力を緩和させることができる。そして、このような空隙９が中心領域７ａにおける上記の界面よりも側端部領域７ｂにおける上記の界面に多く位置していることにより、側端部領域７ｂにおける透光性部材７と基体３の接合面に加わる応力を緩和させることができるからである。

次に、本発明の第４の実施形態にかかる発光装置１について説明をする。

図６に示すように、本実施形態にかかる発光装置１は、第１の実施形態にかかる発光装置１と比較して、透光性部材７が、基体３の主面上に位置する下方透光性部材１１と、下方透光性部材１１の上に位置し、下方透光性部材１１の空隙率よりも空隙率が小さい上方透光性部材１３とを具備している。そして、下方透光性部材１１と上方透光性部材１３との界面が発光素子５の上面よりも基体３側に位置している。これにより、発光素子５から上方へ放射される光の散乱を抑制しつつも、基体３と透光性部材７の側端部に大きな応力が加わることを抑制できる。そのため、透光性部材７において吸収される光の量を抑制することができるので、発光装置１の発光効率を更に高めることができる。

特に、下方透光性部材１１の屈折率が上方透光性部材１３の屈折率よりも小さいことが好ましい。発光素子５から放射され、上方透光性部材１３中を通って上方透光性部材１３と下方透光性部材１１の界面に入射する光を、この界面においてより確実に反射させることができるため、下方透光性部材１１に入射する光の量をより少なくすることができる。そのため、下方透光性部材１１中に位置する空隙９で光が散乱されることを抑制できる。結果として、透光性部材７において吸収される光の量を抑制することができるので、発光装置１の発光効率を更に高めることができる。

次に、本発明の第５の実施形態にかかる発光装置１について説明をする。

図７に示すように、本実施形態にかかる発光装置１は、第１の実施形態にかかる発光装置１と比較して、透光性部材７上に配設された蛍光体層１５を更に備えている。そして、透光性部材７が、蛍光体層１５と対向する面における表面粗さが基体３と対向する面における表面粗さよりも小さいことを特徴としている。

透光性部材７の基体３と対向する面における表面粗さが相対的に大きいため、透光性部材７と基体３との間に生じる応力を緩和させる効果を高めることができる。また、透光性部材７の蛍光体層１５と対向する面における表面粗さが相対的に小さいため、透光性部材７と蛍光体層１５との界面における光の散乱を抑制することができる。そのため、基体３と透光性部材７の側端部に大きな応力が加わることを抑制しつつ、さらに、発光装置１の輝度ムラが生じることを抑制することができる。

次に、本発明の第６の実施形態にかかる発光装置１について説明をする。

図８、９に示すように、本実施形態にかかる発光装置１は、透光性部材７として、主面を有する基体３と、基体３の主面上に配設された発光素子５と、基体３の主面上に位置して発光素子５を被覆する第１の透光性部材１７と、基体３の主面上であって第１の透光性部材１７の側面を取り囲むように位置し、第１の透光性部材１７の空隙率よりも大きい空隙率を有する第２の透光性部材１９とを備えている。

このように、相対的に端部側に位置する第２の透光性部材１９の空隙率が、相対的に中心側に位置する第１の透光性部材１７の空隙率よりも大きいため、第１の透光性部材１７から第２の透光性部材１９へ向かって熱が流れにくくなっている。言い換えれば、第１の透光性部材１７及び第２の透光性部材１９からなる透光性部材７において、透光性部材７の中心から側端部へ向かって熱が流れにくくなっている。そのため、基体３と透光性部材７の側端部に大きな応力が加わることを抑制できる。結果として、発光装置１の変形を抑制できるので、発光装置１の耐久性を向上させることができる。

つまり、本実施形態における第１の透光性部材１７が、第１の実施形態における透光性部材７の中心領域７ａに対応し、本実施形態における第２の透光性部材１９が、第１の実施形態における透光性部材７の側端部領域７ｂに対応するものであると考えることができる。

そのため、第２の実施形態と同様に、基体３の主面に対して垂直な第１の透光性部材１７及び第２の透光性部材１９の断面において、第１の透光性部材１７における単位面積あたりの空隙９の数が、第２の透光性部材１９における単位面積あたりの空隙９の数よりも少ないことが好ましい。

また、第３の実施形態と同様に、基体３の主面に対して垂直な第１の透光性部材１７及び第２の透光性部材１９の断面において、第１の透光性部材１７における基体３と対向する面の表面粗さが、第２の透光性部材１９における基体３と対向する面の表面粗さよりも小さいことが好ましい。

ただし、第１の実施形態においては、基体３の主面に対して平行な方向における透光性部材７の幅の中心１／２に位置する透光性部材７の部分を中心領域７ａとし、この中心領域７ａを除く部分を側端部領域７ｂとしているが、本実施形態においては、第１の透光性部材１７及び第２の透光性部材１９はこれに限られるものではない。

第１の透光性部材１７と第２の透光性部材１９とは、接着材層（非図示）を介して接合することができる。このとき、接着材層としては、第１の透光性部材１７及び第２の透光性部材１９を構成する主成分の屈折率と略同等の成分を主成分とすることが好ましい。これにより、第１の透光性部材１７と第２の透光性部材１９との間で光が反射することを抑制できるからである。

また、透光性部材７が半球形状である場合には、透光性部材７が、基体３の主面上に位置して発光素子５を被覆する第１の透光性部材１７と、この第１の透光性部材１７を被覆し、第１の透光性部材１７の空隙率よりも大きい空隙率を有する第２の透光性部材１９とを備えていることが好ましい。透光性部材７の中心から側端部へ向かって熱を流れにくくすることができると同時に、基体３の主面に対して垂直な方向に加わる応力と基体３の主面に対して平行な方向に加わる応力とのばらつきを小さくすることができるからである。これにより、透光性部材７の外表面に局所的に大きな熱応力が加わる可能性を小さくできる。

なお、本実施形態においては、透光性部材７が、第１の透光性部材１７と第２の透光性部材１９からなるが、第１の透光性部材１７と第２の透光性部材１９との間に位置し、第１の透光性部材１７の空隙率よりも大きく、第２の透光性部材１９の空隙率よりも小さい空隙率を有する第３の透光性部材７を更に備えていてもよい。

次に、本発明の第７の実施形態にかかる発光装置１について説明をする。

図１０に示すように、本実施形態の発光装置１は、基体３の主面上であって発光素子５を取り囲むように位置し、内周面が発光素子５から発光される光を反射する反射面である枠状の反射部材２１を備えている。上記のような反射部材２１を備えることにより、発光素子５から放出された光を集光して、所望の光出射方向へ放出することができる。

反射部材２１としては、発光素子５と対抗する面（図１０では内側面）における光の反射率が高いものであれば良く、例えば、Ａｌ，Ｆｅ−Ｎｉ−Ｃｏ合金などの金属を用いることができる。また、アルミナセラミックスなどのセラミックス及びエポキシ樹脂などの樹脂の表面に、Ａｌ，Ａｇ，Ａｕ，Ｐｔ，Ｔｉ，Ｃｒ，Ｃｕなどの反射率の高い金属薄膜が配設されたものを反射部材２１として用いることもできる。さらに、金属薄膜としてＡｇ，Ｃｕのように腐食しやすい部材を用いる場合には、金属薄膜の表面をＮｉのような腐食しにくい部材で被覆することが好ましい。

次に、本発明の一実施形態にかかる照明装置について説明する。

図１１に示すように、本実施形態の照明装置２３は、上記の実施形態に代表される発光装置１と、発光装置１が搭載される搭載板２５と、発光装置１に通電する電気配線２７と、発光装置１から出射される光を反射する光反射手段２９とを備えている。

本実施形態の照明装置２３における発光装置１は搭載板２５上に載置される。このとき、図１１に示すように、本実施形態の照明装置２３は、下方を照明するように形成されているため、発光装置１は発光素子５が基体３よりも下方に位置するようにして、搭載板２５上に載置される。本実施形態の照明装置２３においては、電気配線２７を通じて発光装置１に通電することにより、発光素子５が光を射出する。そして、光反射手段２９により、上記射出された光を反射させることで所望の方向を照らす照明装置２３として機能する。

照明装置２３は、発光装置１を一つのみ備えていてもよく、また、図１１に示すように、複数備えていても良い。また、発光装置１を複数備えている場合には、各発光装置１を電気配線２７により、直列配置としても、並列配置としても良い。

なお、本発明は、上記の実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内で種々の変更を行うことは何ら差し支えない。

本発明の第１の実施形態にかかる発光装置を示す斜視図である。 図１に示す実施形態の断面図である。 図１に示す実施形態の平面図である。 本発明の第２の実施形態にかかる発光装置を示す断面図である。 本発明の第３の実施形態にかかる発光装置を示す断面図である。 本発明の第４の実施形態にかかる発光装置を示す断面図である。 本発明の第５の実施形態にかかる発光装置を示す断面図である。 本発明の第６の実施形態にかかる発光装置を示す斜視図である。 図８に示す実施形態の断面図である。 本発明の第７の実施形態にかかる発光装置を示す斜視図である。 本発明の一実施形態にかかる照明装置を示す斜視断面図である。

符号の説明

１・・・発光装置
３・・・基体
５・・・発光素子
７・・・透光性部材
７ａ・・・中心領域
７ｂ・・・側端部領域
８・・・通電部材
９・・・空隙
１１・・・下方透光性部材
１３・・・上方透光性部材
１５・・・蛍光体層
１７・・・第１の透光性部材
１９・・・第２の透光性部材
２１・・・反射部材
２３・・・照明装置
２５・・・搭載板
２７・・・電気配線
２９・・・光反射手段

Claims (10)

1. 主面を有する基体と、該基体の主面上に配設された発光素子と、前記基体の主面上に位置して前記発光素子を被覆する透光性部材とを備え、
   前記基体の主面に対して垂直な前記透光性部材の断面において、前記透光性部材は、前記主面と平行な方向の中心領域に空隙を有し、前記中心領域から前記透光性部材の側端部に向かって空隙率が大きくなることを特徴とする発光装置。
2. 主面を有する基体と、該基体の主面上に配設された発光素子と、前記基体の主面上に位置して前記発光素子を被覆する透光性部材とを備え、
   前記基体の主面に対して垂直な前記透光性部材の断面において、前記透光性部材は、中心領域に空隙を有し、前記中心領域における空隙率が側端部領域における空隙率よりも小さいことを特徴とする発光装置。
3. 前記透光性部材は、前記基体の主面上に位置して前記発光素子を被覆する第１の透光性部材と、前記基体の主面上であって前記第１の透光性部材の側面を取り囲むように位置し、前記第１の透光性部材の空隙率よりも大きい空隙率を有する第２の透光性部材とを具備していることを特徴とする請求項２に記載の発光装置。
4. 前記基体の主面に対して垂直な前記透光性部材の断面において、前記中心領域における空隙の平均径が、前記側端部領域における空隙の平均径よりも小さいことを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか１つに記載の発光装置。
5. 前記基体の主面に対して垂直な前記透光性部材の断面において、前記中心領域における単位面積あたりの空隙の数が、前記側端部領域における単位面積あたりの空隙の数よりも少ないことを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれか１つに記載の発光装置。
6. 前記基体の主面に対して垂直な前記透光性部材の断面において、前記中心領域における前記基体と対向する面の表面粗さが、前記側端部領域における前記基体と対向する面の表面粗さよりも小さいことを特徴とする請求項１乃至請求項５のいずれか１つに記載の発光装置。
7. 前記透光性部材は、前記基体の主面上に位置する下方透光性部材と、該下方透光性部材上に位置し、前記下方透光性部材の空隙率よりも空隙率が小さい上方透光性部材とを具備し、前記下方透光性部材と前記上方透光性部材との界面が前記発光素子の上面よりも前記
   基体側に位置することを特徴とする請求項１乃至請求項６のいずれか１つに記載の発光装置。
8. 前記下方透光性部材の屈折率が前記上方透光性部材の屈折率よりも小さいことを特徴とする請求項７に記載の発光装置。
9. 前記透光性部材上に配設された蛍光体層を更に備え、前記透光性部材は、前記蛍光体層と対向する面における表面粗さが前記基体と対向する面における表面粗さよりも小さいことを特徴とする請求項１乃至請求項８のいずれか１つに記載の発光装置。
10. 請求項１乃至９のいずれか１つに記載の発光装置と、前記発光装置が搭載される搭載板と、前記発光装置に通電する電気配線と、前記発光装置から出射される光を反射する光反射手段とを備えた照明装置。
    

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