JP5333771B2 - 発光装置及び照明装置 - Google Patents

Description

本発明は、ＬＥＤ等の発光素子を用いた発光装置及び照明装置に関する。

近時、光源としてＬＥＤ等の発光素子を基板に複数配設して所定の光量を得るようにする照明装置が開発されている。この照明装置は、例えば、天井面等に直接的に取付けられる、いわゆる直付タイプのベース照明として用いられている（例えば、特許文献１参照）。

ＬＥＤ等の発光素子は、その温度が上昇するに従い、光出力の低下とともに寿命にも影響を与える。このため、ＬＥＤやＥＬ素子等の固体発光素子を光源とする照明装置では、寿命、効率の諸特性を改善するために発光素子の温度上昇を抑制する必要がある。
上記のような従来の照明装置においては、光源から発生する熱を照明装置のケース本体の天井面側、すなわち、背面側に伝導させて放熱するようにしている。

特開２００９−５４９８９号公報

しかしながら、一般的には、天井面等は、石膏ボードや木材のような熱を伝導し難い材料で形成されている場合が多く、照明装置のケース本体の背面側に伝導された熱を天井面等に伝導させて放熱することが期待できない。そのため、照明装置のケース本体の背面側と天井面側との間に空間距離を設け、ケース本体の背面側に伝導された熱を対流作用等によって放熱させる必要がある。また、天井面等は、安全上の温度制限を考慮する必要がある。

したがって、従来の照明装置では、前記空間距離を設ける等の放熱対策を講ずる必要があり、照明装置を薄型化するのが困難となり、光源としてＬＥＤ等の発光素子を用いたことによる照明装置を薄型化できるという利点を十分に生かすことができない。

本発明は、上記課題に鑑みなされたもので、発光素子から発生する熱を前面側に伝導させることにより、薄型化が可能で安全性を向上できる発光装置及びその発光装置を用いた照明装置を提供することを目的とする。

請求項１の発光装置は、基板と；この基板の表面側に実装された複数の発光素子と；各発光素子を覆うとともに前記基板の表面側に部分的に密着して設けられ、蛍光体が含有された複数の蛍光体層と；この複数の蛍光体層を含め基板の表面側の全域を覆う透光性の保護カバーと；前記基板と保護カバーとの間に、前記複数の蛍光体層を含め基板の表面側のほほ全域に亘って密着して空気層を形成することなく連続して介在された透光性を有し、かつ弾性を有する中間層と；前記基板の裏面側に設けられ、被取付部との間に断熱層を形成する断熱層形成手段と；を具備することを特徴とする。

本発明及び以下の発明において、特に指定しない限り用語の技術的意味及び解釈は次による。基板は熱伝導性の低い、例えば、ガラスエポキシ樹脂やセラミックス等の材料で形成されたものを用いるのが好ましいが、アルミニウム製等の熱伝導性の良好な基板の適用を妨げるものではない。発光素子とは、ＬＥＤ等の固体発光素子である。また、発光素子の実装個数には特段制限はない

蛍光体層には、所望とする発光色を得るために適宜蛍光体を含有した例えば、透明シリコーン樹脂を用いることができる。また、保護カバーは、透光性を有する例えば、アクリル樹脂やポリカーボネート樹脂によって形成できる。

中間層は、透光性を有し、かつ弾性を有して、蛍光体層と保護カバーとの間に密着して介在するものであり、例えば、ゲル状であって高い粘性、柔軟性及び所定の流動性を備える透明シリコーン樹脂が適用できる。但し、蛍光体層と保護カバーとの間に密着して介在できれば、格別中間層の材料は限定されるものではない。また、空気層を形成することなく介在とは、断熱空間を形成するような空気層が存在しないことを意味しており、例えば、中間層に微小な気泡等が存在することは許容される。

断熱層は、例えば、空気層であっても断熱材を配設して形成してもよい。また、断熱層形成手段は、断熱層を形成するのに機能する部材や部分を意味しており、単一の部材や複数の部材で構成される場合がある。

請求項２に記載の発光装置は、請求項１に記載の発光装置において、前記蛍光体層は、各発光素子を個別に覆って凸状をなしており、保護カバーには、この凸状と対向して凹状部が形成されていることを特徴とする。
これらの構成により、蛍光体層や中間層を形成する材料の量を少なくすることが可能となる。
請求項３に記載の照明装置は、装置本体と；装置本体に配設された請求項１又は請求項２に記載の発光装置と；を具備することを特徴とする。
照明装置には、屋内又は屋外で使用される照明器具、ディスプレイ装置等が含まれる。

請求項１に記載の発明によれば、発光素子から発生する熱を発光装置の前面側へ伝導することができ、薄型化が可能で安全性を向上できる発光装置を提供することができる。
また、断熱層を形成するので、発光装置の背面側への熱伝導の抑制効果を高めることができる。
請求項２に記載の発明によれば、請求項１に記載の発明の効果に加え、蛍光体層や中間層を形成する材料の量を削減することが可能となる。
請求項３に記載の発明によれば、上記請求項の発明の効果を奏する照明装置を提供することができる。

本発明の第１の実施形態の発光装置を示す斜視図である。 図１におけるＡ−Ａ線に沿う断面図である。 同拡大して示す断面図である。 基板における配線パターンを示す平面図である。 図４における基板の配線パターンに発光素子を実装し、蛍光体層を塗布した状態を示す平面図である。 基板と保護カバーを組合せ、中間層を形成する工程を示す断面図である。 照明装置を示す側面図である。 同下方から見た状態を示す平面図である。 本発明の第２の実施形態の照明装置を示す斜視図である。 本発明の第３の実施形態（実施例１）の発光装置を示す断面図である。 同第３の実施形態（実施例２）の発光装置を示す断面図である。 本発明の第４の実施形態の発光装置を示す断面図である。 同拡大して示す断面図である。

以下、本発明の第１の実施形態について図１乃至図８を参照して説明する。図１乃至図６は、発光装置１を示しており、図７及び図８は、この発光装置１を用いた照明装置２０を示している。なお、各図において同一部分には同一符号を付し重複した説明は省略する。

発光装置１は、図１乃至図３に示すように、基板１０と、複数の発光素子１１と、各発光素子１１を覆う蛍光体層１２と、この蛍光体層１２を覆う保護カバー１３と、蛍光体層１２と保護カバー１３との間に介在された中間層１４とを備えている。

基板１０は、略四角形状に形成されている。基板１０は、絶縁材であり、熱伝導性の低い合成樹脂材料のガラスエポキシ樹脂等で形成されている。基板１０には、セラミック材料又は他の合成樹脂材料を適用できる。

基板１０の表面側には、詳細を後述する配線パターン１５が形成されている。図１に示すように、配線パターン１５は、各発光素子１１が配設されるほぼ六角形状の実装パッド１５ａと、これら実装パッド１５ａを電気的に接続する所定パターンの給電導体１５ｂと、給電端子１５ｃとから構成されている。実装パッド１５ａは、基板１０の表面上にマトリクス状に並べられて複数の列、例えば、６列をなして形成されている。

図３に代表して示すように、配線パターン１５は、三層構成であり、基板１０の表面上に第一層１５１として銅パターンがエッチングにより設けられている。この銅パターン層の上には、第二層１５２としてニッケル（Ｎｉ）が電解めっき処理されており、第三層１５３には、銀（Ａｇ）が電解めっき処理されている。配線パターン１５の第三層１５３、すなわち、表層は、いずれも銀（Ａｇ）めっきが施されており、全光線反射率は、９０％と高いものとなっている。

複数の発光素子１１は、ＬＥＤのベアチップからなる。ＬＥＤのベアチップには、例えば、白色系の光を発光部で発光させるために、青色の光を発するものが用いられている。このＬＥＤのベアチップは、シリコーン樹脂系の絶縁性接着剤１６を用いて、実装パッド１５ａ上に接着されている。これら複数の発光素子１１は、複数の発光素子列を形成し、マトリクス状に並べられて、具体的には、８個×６列で合計４８個が実装されている。

ＬＥＤのベアチップは、例えば、ＩｎＧａＮ系の素子であり、透光性のサファイア素子基板に発光層が積層されており、発光層は、ｎ型窒化物半導体層と、ＩｎＧａＮ発光層と、ｐ型窒化物半導体層とが順次積層されて形成されている。そして、発光層に電流を流すための電極は、ｐ型窒化物半導体層上にｐ型電極パッドで形成されたプラス側電極と、ｎ型窒化物半導体層上にｎ型電極パッドで形成されたマイナス側電極とで構成されている。これら、電極は、ボンディングワイヤ１７によって配線パターン１５上に電気的に接続されている。ボンディングワイヤ１７は、金（Ａｕ）の細線からなっており、実装強度の向上とＬＥＤのベアチップの損傷低減のため金（Ａｕ）を主成分とするバンプを介して接続されている。

蛍光体層１２は、透光性合成樹脂、例えば、透明シリコーン樹脂製であり、蛍光体を適量含有している。蛍光体層１２は、側面形状が山形で円弧状の凸状をなし、各発光素子１１、ボンディングワイヤ１７を個別に覆い封止している。蛍光体は、発光素子１１が発する光で励起されて、発光素子１１が発する光の色とは異なる色の光を放射する。発光素子１１が青色光を発する本実施形態では、白色光を出射できるようにするために、蛍光体には青色の光とは補色の関係にある黄色系の光を放射する黄色蛍光体が使用されている。そして、蛍光体層１２は、未硬化の状態で各発光素子１１、ボンディングワイヤ１７に対応して塗布され、その後に加熱硬化又は所定時間放置して硬化されて設けられている。

保護カバー１３は、蛍光体層１２を含めて基板１０の表面側の全域を覆うようになっている。保護カバー１３は、透光性を有し、アクリル樹脂やポリカーボネート樹脂によって形成され、背面側に基板１０の収納凹所１３ａを有してほぼ四角形の皿状に成型されている。図示上、収納凹所１３ａの上面側には蛍光体層１２と対向するように、蛍光体層１２の円弧状の凸状とほぼ相似形をなす凹状部１３ｂが形成されている。また、収納凹所１３ａ内周側には、内側に突出する複数の係止突起１３ｃ及びガイド突起１３ｄが形成されている。このガイド突起１３ｄは、楔状に傾斜する傾斜面を有している。これら係止突起１３ｃ及びガイド突起１３ｄによって基板１０は所定位置に係止されるようになっている。

さらに、保護カバー１３の側周面には、外周に突出するフランジ１３ｅが形成されている。このフランジ１３ｅは、発光装置１を被取付部、すなわち、照明装置２０の本体やベースに固定手段としてのねじ等によって取付ける場合の取付部として機能する。

さらにまた、基板１０の裏面側には、断熱層１８が形成されるようになっている。この断熱層１８は、基板１０の裏面側と被取付部との間に空気層を形成するように構成されるものである。つまり、基板１０の裏面側と被取付部との間は、所定の間隔が空くように構成されている。具体的には、収納凹所１３ａの深さ寸法や基板１０を所定位置に係止する前記係止突起１３ｃ及びガイド突起１３ｄによって、基板１０の裏面側と被取付部との間に所定の間隔が設けられ断熱層１８が形成されるようになっている。したがって、本実施形態においては、収納凹所１３ａや係止突起１３ｃ及びガイド突起１３ｄが断熱層形成手段を構成しているものである。なお、この断熱層１８は、空気層によらず、例えば、この空気層の部分に断熱材を配設して構成するようにしてもよい。

中間層１４は、蛍光体層１２と保護カバー１３との間に介在されている。中間層１４は、基板１０の表面側のほぼ全域に亘って塗布されて連続して介在しており、透明シリコーン樹脂製であり、透光性を有し、かつ弾性を有している。具体的には、ゲル状であって高い粘性、柔軟性及び所定の流動性を備える材料からなっている。したがって、中間層１４は、蛍光体層１２と保護カバー１３との間に隙間なく密着して、空気層を形成することなく介在している。ここで、空気層を形成することなく介在とは、断熱空間を形成するような空気層が存在しないことを意味しており、例えば、中間層１４に微小な気泡等が存在することは許容される。

次に、このように構成された発光装置１の製造工程の概略を図４乃至図６を参照して説明する。図４に示すように、基板１０の表面側には配線パターン１５が形成されている。配線パターン１５は、実装パッド１５ａと、給電導体１５ｂと、給電端子１５ｃとから構成されている。実装パッド１５ａの六角形状の一辺側には、この辺と直交する方向にボンディングワイヤ接続用の細幅の給電導体１５ｂ1が延出している。また、他辺側には、隣接する実装パッド１５ａのボンディングワイヤ接続用の給電導体１５ｂ1が挿入するように配置される絶縁用の切欠部１５ａ1が形成されている。このボンディングワイヤ接続用の給電導体１５ｂ1と切欠部１５ａ1とは、接触しないような位置関係となっており、給電導体１５ｂ1と隣接する実装パッド１５ａとは、電気的には絶縁される状態となっている。このような位置関係で隣接する実装パッド１５ａ同士が配置され、マトリクス状に並べられる。

実装パッド１５ａは、基板１０の表面上に複数列（６列）をなして形成され、この列の相互は給電導体１５ｂによって電気的に接続されている。なお、隣接する実装パッド１５ａの角部間は給電導体１５ｂによって接続されているような状態となっているが、その中間部には、貫通孔１５ｄが形成されており、この貫通孔１５ｄによって給電導体１５ｂは切断されており、隣接する実装パッド１５ａ間は電気的に遮断されている。

給電端子１５ｃは、正極及び負極側の給電端子であり、左右両端側の給電導体１５ｂに接続されている。この給電端子１５ｃには、リード線が半田等によって接続され、図示しない電源回路から電力が供給されるようになっている。

このように形成された配線パターン１５の実装パッド１５ａ上に、図５に示すように、複数の発光素子１１を実装し、その上を蛍光体層１２で覆うように封止する。複数の発光素子列のうち、個々の発光素子列における発光素子１１のプラス側電極、マイナス側電極は、ボンディングワイヤ１７によって、それぞれ実装パッド１５ａ、隣接する実装パッド１５ａの給電導体１５ｂ1に順次接続されている。したがって、正極及び負極側の給電端子１５ｃを接続点として複数の発光素子１１が接続された２つの直列回路が並列に接続されるようになっている。つまり、図示上、上側の３列の発光素子列が直列に接続され、下側の３列の発光素子列が直列に接続され、これらが電源に対して並列に接続されるようになっている。

蛍光体層１２は、各発光素子１１及びボンディングワイヤ１７に対応して個別に覆うように塗布される。この塗布にあたっては、未硬化の状態で塗布され、その後に加熱硬化又は所定時間放置して硬化される。

続いて、図６に示すように、保護カバー１３の収納凹所１３ａを下側にして、収納凹所１３ａ内に中間層１４を形成するゲル状の透明シリコーン樹脂を適量入れる。次いで、図５で示した発光素子１１を蛍光体層１２で封止した基板１０を上方から収納凹所１３ａ内に配置する。この配置にあたっては、図示矢印の方向に基板１０を押し込むことにより、基板１０側面で楔状のガイド突起１３ｄが弾性変形され、スナップアクションを伴って基板１０の表面側が係止突起１３ｃに当接されることによって行われる。基板１０が収納凹所１３ａに配置された状態では、中間層１４は、蛍光体層１２と保護カバー１３との間に隙間なく密着して介在する。

なお、基板１０を収納凹所１３ａ内に配置するに際しては、ガイド突起１３ｄや係止突起１３ｃを設けることは、必須ではない。他の部材によって係止し配置するようにしてもよい。また、例えば、収納凹所１３ａ内に中間層１４を形成するゲル状の透明シリコーン樹脂を多めに入れ、基板１０を収納凹所１３ａに配置したときに、透明シリコーン樹脂が基板１０の側面と収納凹所１３ａの内壁の隙間から基板１０の裏面側に回って、裏面側をも覆うようにすることもできる。この場合、透明シリコーン樹脂の粘性によって基板１０を収納凹所１３ａの所定位置に配置することが可能となる。

次に、図７及び図８を参照して上述の発光装置１を用いた照明装置２０について説明する。照明装置２０は、天井面Ｃに取付けられて使用されるもので、ベース本体２１と、このベース本体２１に配設された複数の発光装置１とを備えている。ベース本体２１はアルミニウム製であり、ほぼ長方形状に形成されている。このベース本体２１に発光装置１がねじ止め等によって固着されており、一方、ベース本体２１は天井面Ｃにボルト等の固定手段によって取付けられている。また、この発光装置１には、図示しない電源回路を内蔵した電源ユニットが接続されるようになっている。なお、発光装置１の個数は適宜選定して配設することができる。

上述した構成の発光装置１に電源回路により通電されると、各発光素子１１が一斉に発光されて、発光装置１は白色の光を出射する面状光源として使用される。この発光中において、実装パッド１５ａは、各発光素子１１が発した熱を拡散するヒートスプレッダとして機能する。さらに、発光装置１の発光中、発光素子１１が放射した光のうちで基板１０側に向かった光は、実装パッド１５ａの表層で主として光の利用方向に反射される。

各発光素子１１の発光中においては、発光素子１１から熱が発生するが、この熱は、主として発光素子１１、蛍光体層１２、中間層１４、保護カバー１３へ伝導され、また、発光素子１１、基板１０、中間層１４、保護カバー１３へ伝導されて放熱される。つまり、発光素子１１からの熱は、前面側へ伝導され放熱されるようになっている。これは、蛍光体層１２と保護カバー１３との間及び基板１０と保護カバー１３との間に空気層が介在されることなく、中間層が密着して介在しており、熱抵抗が軽減されるようになっているからである。したがって、発光素子１１からの熱は、前面側へ伝導され、基板１０の裏面側への熱伝導は抑制され、天井面Ｃ等へ伝導される熱は低減される。

加えて、本実施形態においては、基板１０は、熱伝導性の低いガラスエポキシ樹脂等によって形成されており、また、基板１０の裏面側には、断熱層１８が形成されるようになっているので、発光装置１の背面側へ熱が伝導されることが抑制され、前面側への熱伝導を促進することが可能となる。

また、基板１０は、発光素子１１が点灯している間に熱を帯び、消灯されると放熱する。基板１０は、このヒートサイクルによって膨張、収縮を繰り返し、応力を受ける環境下にある。したがって、基板１０が熱で反ったり変形したりする虞がある。しかし、本実施形態では、中間層１４が弾性を有しているので基板１０が反ったり変形したりするのを吸収することができ、これらを抑制することが可能となる。

さらに、発光装置１として保護カバー１３を備えているので、照明装置２０としての前面カバー等を設ける必要がなく構成が簡素化できる。また、蛍光体層１２と保護カバー１３との間には、空気層が存在しないので、発光素子１１から出射された光が保護カバー１３の外方へ放射されるまでの光の反射ロス等が少なく、光出力の低下を改善できる。さらにまた、蛍光体層１２と保護カバー１３との間に塵埃が侵入することもなく、汚れにくく、防水機能を実現することも可能である。

蛍光体層１２は、各発光素子１１及びボンディングワイヤ１７に対応して個別に覆うように塗布されているので、蛍光体や透明シリコーン樹脂の量を削減することができ、コスト的に有利となる。また、保護カバー１３は、蛍光体層１２の凸状と対向するように、凹状部１３ｂを形成しているので、中間層１４形成する透明シリコーン樹脂の量を削減することができる。この点においてもコスト的に有利となる。

以上のように本実施形態によれば、発光素子１１から発生する熱を発光装置１の前面側へ伝導することができ、薄型化が可能で安全性を向上できる発光装置及びその発光装置を用いた照明装置を提供することができる。

次に、本発明の第２の実施形態について図９を参照して説明する。なお、第１の実施形態と同一又は相当部分には、同一符号を付し重複した説明は省略する。本実施形態では、天井面に設置して使用される天井直付タイプの照明装置３０を示している。照明装置３０は、細長でほぼ直方体形状の本体ケース３１を備えており、この本体ケース３１内には、前記発光装置１が複数個直線状に配設されている。また、電源ユニットは、本体ケース３１に内蔵されている。なお、本体ケース３１の下方開口部には、照明装置３０としての前面カバー等は設けられていない。

以上のように本実施形態によれば、発光素子１１から発生する熱を発光装置１の前面側へ伝導することができ、薄型化が可能で安全性を向上できる照明装置を提供することができる。

続いて、本発明の第３の実施形態について図１０及び図１１を参照して説明する。なお、第１の実施形態と同一又は相当部分には、同一符号を付し重複した説明は省略する。本実施形態では、発光装置１の背面側に背面板１９を設けたものである。
（実施例１）
図１０に示すように、背面板１９を保護カバー１３の収納凹所１３ａを閉塞するように、保護カバー１３のフランジ１３ｅに取付けるものである。

（実施例２）
図１１に示すように、本実施例の保護カバー１３には、フランジは設けられていない。したがって、背面板１９は、保護カバー１３の側壁の肉厚を利用して、背面板１９側からねじ込まれるねじ等によって取付けられる。

以上のように本実施形態によれば、背面板１９が設けられているので、断熱層１８の確保が確実となり、また、発光装置１を単一のユニットとして扱いやすい効果を奏することができる。

次に、本発明の第４の実施形態について図１２及び図１３を参照して説明する。なお、第１の実施形態と同一又は相当部分には、同一符号を付し重複した説明は省略する。本実施形態では、保護カバー１３の収納凹所１３ａの図示上、上面側に凹凸部１３ｆを形成したものである。この凹凸部１３ｆは発光素子１１間に位置するように形成されている。

したがって、発光素子１１から出射された光や実装パッド１５ａに反射された光が凹凸部１３ｆに照射されると、それらの光は拡散して外方へ照射されるようになり、発光装置１の輝度むらを抑制することができる。

なお、本発明は、上記各実施形態の構成に限定されることなく、発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の変形が可能である。例えば、基板は熱伝導性の低い材料で形成されたものを用いるのが好ましいが、アルミニウム製の熱伝導性の良好な基板を適用してもよい。要は、発光装置の前面側への熱伝導、放熱を促進できる構成であればよい。また、照明装置としては、屋内又は屋外で使用される照明器具、ディスプレイ装置等に適用が可能である。

１・・・発光装置、１０・・・基板、１１・・・発光素子（ＬＥＤチップ）、
１２・・・蛍光体層、１３・・・保護カバー、１３ｂ・・・凹状部、
１４・・・中間層、１５・・・配線パターン、１７・・・ボンディングワイヤ、
１８・・・断熱層、２０、３０・・・照明装置

Claims (3)

1. 基板と；
   この基板の表面側に実装された複数の発光素子と；
   各発光素子を覆うとともに前記基板の表面側に部分的に密着して設けられ、蛍光体が含有された複数の蛍光体層と；
   この複数の蛍光体層を含め基板の表面側の全域を覆う透光性の保護カバーと；
   前記基板と保護カバーとの間に、前記複数の蛍光体層を含め基板の表面側のほほ全域に亘って密着して空気層を形成することなく連続して介在された透光性を有し、かつ弾性を有する中間層と；
   前記基板の裏面側に設けられ、被取付部との間に断熱層を形成する断熱層形成手段と；
   を具備することを特徴とする発光装置。
2. 前記蛍光体層は、各発光素子を個別に覆って凸状をなしており、保護カバーには、この凸状と対向して凹状部が形成されていることを特徴とする請求項１に記載の発光装置。
3. 装置本体と；
   装置本体に配設された請求項１又は請求項２に記載の発光装置と；
   を具備することを特徴とする照明装置。

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