JP5451091B2

JP5451091B2 - 発光装置および照明装置

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Publication number: JP5451091B2
Application number: JP2009017606A
Authority: JP
Inventors: 大輔作本
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2008-05-28
Filing date: 2009-01-29
Publication date: 2014-03-26
Anticipated expiration: 2029-01-29
Also published as: JP2010010651A

Description

本発明は、例えば発光ダイオードなどの発光素子を有する発光装置および照明装置に関するものである。

近年、例えば照明分野などにおいて、発光素子を有する発光装置の開発が進められている。発光素子を有する発光装置は、低消費電力の観点などにおいて期待されている。発光装置は、発光素子から放射された光によって励起される波長変換部材を含んでいる。

特開２００７−１１６０７５号公報

発光装置は、光出力の増大という観点においてさらなる改善が求められている。発光装置における光出力を増大させる一つの方法として、発光素子から下方へ放射された光の損失を低減させることがあげられる。発光素子から下方へ放射された光は、周辺部材によって減衰されることがある。発光装置の光出力を増大させるためには、発光素子から下方へ放射された光における波長変換の効率を向上させる必要がある。

本発明の一つの態様によれば、発光装置は、基体、プレート形状の光学部材および発光素子を含んでいる。発光装置は、波長変換部材をさらに含んでいる。基体は、第１段差部および第１段差部の上方に設けられた第２段差部を有する凸部を含む上面を有している。光学部材は、基体の凸部の第１段差部に固定されているとともに、透光性材料を含んでいる。発光素子は、基体の凸部の第２段差部に実装されており、光学部材より上方に設けられている。波長変換部材は、光学部材および発光素子を覆っている。

本発明の他の態様によれば、照明装置は、基板、基板に実装された複数の発光装置、および、複数の発光装置を囲んでいる反射部材を含んでいる。複数の発光装置の各々は、基体、プレート形状の光学部材、発光素子および波長変換部材を含んでいる。基体は、第１段差部および第１段差部の上方に設けられた第２段差部を有する凸部を含む上面を有している。光学部材は、基体の凸部の第１段差部に固定されているとともに、透光性材料を含んでいる。発光素子は、基体の凸部の第２段差部に実装されているとともに、光学部材より上方に設けられている。波長変換部材は、光学部材および発光素子を覆っている。

本発明の一つの態様によれば、発光装置は、光学部材および発光素子を有している。光学部材は、基体の凸部に固定されている。発光素子は、基体の凸部に実装されているとともに、光学部材より上方に設けられている。発光装置は、このような構成により、光出力の観点において改善されている。

本発明の他の態様によれば、照明装置は、複数の発光装置を有している。複数の発光装置の各々は、光学部材および発光素子を有している。光学部材は、基体の凸部に固定されている。発光素子は、基体の凸部に実装されており、光学部材より上方に設けられている。照明装置は、このような構成により、光出力の観点において改善されている。

本発明の一つの実施形態における照明装置１を示す。図１に示された発光装置２２を示す。発光装置２２の裏面を示す。発光装置２２の分解構造を示す。発光装置２２の断面図を示す。発光素子２００の実装構造を示す。発光装置２２の発光構造を示す。発光装置２２の発光構造を示す。発光装置２２の放熱構造を示す。発光装置２２の放熱構造を示す。本発明の一つの実施形態における発光装置２２の製造方法を示す。製造段階Ｂにおいて得られる構造を示す。製造段階Ｃにおいて得られる構造を示す。本発明の他の実施形態における発光装置２２を示す。本発明の他の実施形態における発光装置２２を示す。本発明の他の実施形態における発光装置２２を示す。本発明の他の実施形態における発光装置２２を示す。本発明の他の実施形態における発光装置２２の分解図を示す。図１８に示された発光素子２００の実装構造を示す。

以下、本発明のいくつかの例示的な実施形態について図面を参照して説明する。本発明の一つの実施形態における照明装置１は、図１に示されているように、プレート部材１０、照明モジュール２０および反射部材３０を有している。照明装置１は、カバー部材４０をさらに有している。

照明モジュール２０は、プレート部材１０の上に設けられている。照明モジュール２０は、プリント基板２１および複数の発光装置２２を有している。複数の発光装置２２は、プリント基板２１に実装されている。発光装置２２は、表面実装型の発光ランプである。反射部材３０は、プレート部材１０の上に設けられており、複数の発光装置２２を囲んでいる。カバー部材４０は、反射部材３０の上に設けられており、透光性を有している。カバー部材４０の“透光性”とは、複数の発光装置２２から放射された光の少なくとも一部が透過できることをいう。

図２から図４までに示されているように、発光装置２２は、基体１００、発光素子２００および光学部材３００を有している。発光装置２２は、波長変換部材４００をさらに有している。図５に示されているように、発光装置２２は、封入部材５００をさらに有している。図２から図５までにおいて、発光装置２２は、仮想のｘｙｚ空間におけるｘｙ平面に実装されている。図２から図５において、上方向とは、仮想のｚ軸の正方向のことをいう。

図３および図４を参照して、基体１００は、第１層１０１、第２層１０２および凸部１０３を含んでいる。凸部１０３は、基体１００の上面の一部分である。基体１００は、導体パターン１０４および端子パターン１０５をさらに有している。

第１層１０１、第２層１０２および凸部１０３は、実質的に絶縁材料からなる。絶縁材料の例は、セラミックスである。第２層１０２は、第１層１０１の上に設けられている。凸部１０３は、第２層１０２の上に設けられている。

導体パターン１０４は、基体１００の内部に設けられている。導体パターン１０４は、第１層１０１の上面に形成されている。端子パターン１０５は、基体１００の下面に形成されている。“端子パターン”とは、発光装置２２に駆動電力を供給するためのパターンのことをいう。端子パターン１０５は、第１層１０１の下面に形成されている。端子パターン１０５は、導体パターン１０４に電気的に接続されている。

例示的な基体１００は、光散乱面を含む上面を有している。基体１００の上面が光散乱面を含んでいることにより、基体１００の上面において上方へ反射される光が散乱される。光散乱面は、微小な起伏のある表面性状を有している。例示的な光散乱面は、０．４μｍから０．６μｍまでの範囲に含まれる算術平均粗さＲａを有している。基体１００の上面が光散乱面を含んでいることにより、波長変換部材４００に届く光の強度分布における偏りが低減されている。従って、発光装置は、発光分布に関して改善されている。

発光素子２００は、基体１００の凸部１０３に実装されており、導体パターン１０４に電気的に接続されている。例示的な発光素子２００は、実質的に半導体材料からなる発光ダイオードである。発光素子２００は、端子パターン１０５に供給される駆動電力に応じて第１次光を放射する。第１次光は、青色領域または紫外領域に含まれる波長を有している。発光素子２００は、光学部材３００より上方に設けられている。

図６に示されているように、発光素子２００は、凸部１０３にフリップチップ実装（すなわち、フェースダウン実装）されている。発光素子２００は、複数のビア導体１０６を介して、複数の導体パターン１０４に電気的に接続されているとともに、複数の導体パターン１０４に熱的結合されている。“熱的結合”とは、発光素子２００によって発生された熱が伝導する経路が形成されていることをいう。

凸部１０３は、第２層１０２の上面を基準に、第１段差部１０３−１および第２段差部１０３−２を有している。第２段差部１０３−２は、第１段差部１０３−１の上方に設けられている。発光素子２００は、第２段差部１０３−２に実装されている。

光学部材３００は、基体１００の凸部１０３に固定されている。光学部材３００は、第１段差部１０３−１に固定されている。光学部材３００は、凸部１０３が挿入される開口３０１を有している。光学部材３００は、透光性を有している。光学部材３００の“透光性”とは、発光素子２００から放射された光の少なくとも一部が透過できることをいう。光学部材３００の材料例は、ガラスである。光学部材３００の他の材料例は、樹脂である。光学部材３００は、プレート形状を有している。

波長変換部材４００は、発光素子２００および光学部材３００を覆っており、基体１００の上に設けられている。波長変換部材４００は、ドーム形状を有している。

波長変換部材４００は、マトリクス部材および複数の蛍光粒子を含んでいる。マトリクス部材は、透光性を有している。マトリクス材料の“透光性”とは、発光素子２００から放射された第１次光の少なくとも一部が透過できることをいう。マトリクス部材の材料例は、シリコーン樹脂である。

複数の蛍光粒子は、発光素子２００から放射された第１次光によって励起される。複数の蛍光粒子から放射された光の少なくとも一部はマトリクス部材を透過する。波長変換部材４００は、発光素子２００から放射された第１次光に応じて第２次光を放射する。

封入部材５００は、発光素子２００に付着している。封入部材５００は、発光素子２００の上端および側面を囲んでいる。封入部材５００は、透光性を有している。封入部材５００の“透光性”とは、発光素子２００から放射された光の少なくとも一部が透過できることをいう。封入部材５００の材料例は、シリコーン樹脂である。

発光装置２２の発光構造が、図７および図８を参照して説明されている。発光素子２００から放射された第１次光の一部Ｌ２００−１は、光学部材３００に入射される。光Ｌ２００−１は、発光素子２００から下方へ放射された光である。光Ｌ２００−１は、光学部材３００の下面３０２において全反射される。光Ｌ２００−１の全反射は、下面３０２および空気６００の界面に対する入射角θ_１が臨界角θ_３０２より大きい場合に起こる。全反射は、スネルの法則によって示される。

光学部材３００の屈折率をｎ_３００としたとき、臨界角θ_３０２は次の式で表される。
ｓｉｎθ_３０２＝１／ｎ_３００
但し、空気６００の屈折率ｎ_６００を１とする。

上方へ反射された光Ｌ２００−１は、波長変換部材４００に入射される。波長変換部材４００は、光Ｌ２００−１に応じて第２次光を放射する。

光学部材３００の下面３０２において光Ｌ２００−１が反射されることにより、光Ｌ２００−１の損失が低減されている。従って、発光装置２２は、光出力の観点において改善されている。

光学部材３００の下面３０２において光Ｌ２００−１が反射されることにより、光Ｌ２００−１による基体１００の劣化が低減されている。特に、光Ｌ２００−１が紫外領域の波長を含んでいる場合、基体１００における紫外線による劣化が低減されている。

発光素子２００から放射された光の他の一部は、光学部材３００の上面３０３において反射される。光学部材３００の上面３０３における反射は、フレネル反射によって示される。フレネル反射とは、異なった屈折率を持つ物質どうしが接触する境界面に対し光が入射する際、その光の一部に対して反射が生じることである。その反射は、屈折率の差と入射角に依存する。光学部材３００の上面３０３において光が反射されることにより、光の損失が低減されている。従って、発光装置２２は、光出力の観点において改善されている。

光学部材３００の上面３０３において光が反射されることにより、光による基体１００
の劣化が低減されている。特に、光が紫外領域の波長を含んでいる場合、基体１００における紫外線による劣化が低減されている。

例示的な光学部材３００は、光散乱面を含む上面３０３を有している。光学部材３００の上面３０３が光散乱面を含んでいることにより、フレネル反射によって上方へ反射される光が散乱される。光散乱面は、微小な起伏のある表面性状を有している。例示的な光散乱面は、０．４μｍから０．６μｍまでの範囲に含まれる算術平均粗さＲａを有している。光学部材３００の上面３０３が光散乱面を含んでいることにより、波長変換部材４００に届く光の強度分布における偏りが低減されている。従って、発光装置は、発光分布に関して改善されている。

発光装置２２の放熱構造が、図９および図１０を参照して説明されている。発光素子２００によって発生された熱は、発光素子２００に熱的結合されている導体パターン１０４に伝わる。熱は、導体パターン４００に熱的結合されている端子パターン１０５に伝わる。熱は、端子パターン１０５から放散される。発光装置２２は、放熱性の観点において改善されている。

光学部材３００は、基体１００から離れて配置されている。すなわち、基体１００および光学部材３００の間に空隙６００がある。基体１００に伝わった熱は、空隙６００によって、光学部材３００へ伝わりにくくなっている。従って、光学部材３００または封入部材５００の熱による劣化が低減されている。

発光装置２２の例示的な製造方法が、図１１を参照して説明されている。製造段階Ａにおいて、基体１００が準備される。製造段階Ｂにおいて、光学部材３００が、基体１００に固定される。製造段階Ｂにおいて得られる構造が、図１２に示されている。光学部材３００は、基体１００の凸部１０３に固定されている。光学部材３００は、予め成形されている。

製造段階Ｃにおいて、発光素子２００が、基体１００上に実装される。製造段階Ｃにおいて得られる構造が、図１３に示されている。発光素子２００は、凸部１０３の上端に実装されている。発光素子２００は、光学部材３００より上方に位置する。

製造段階Ｄにおいて、発光素子２００が、封入部材５００によって覆われる。封入部材５００は、発光素子２００の上端および側面に付着されている。製造段階Ｅにおいて、発光素子２００および光学部材３００が、波長変換部材４００によって覆われる。波長変換部材４００は、基体１００上に設けられる。製造段階Ｄにおいて得られる構造が、図２に示されている構造である。発光装置２２は、光出力の観点において改善されつつ、部品点数および製造工程の観点において改善されている。

本発明の他の実施形態における発光装置について図１４を参照して説明する。他の実施形態における発光装置２２は、溝部４０１を有している波長変換部材４００を含んでいる。波長変換部材４００は、光学部材３００に固定されている。その他の構成は、図２などに示された発光装置２２と同様である。

溝部４０１は、波長変換部材４００の内側表面に設けられている。光学部材３００は、波長変換部材４００の溝部４０１にはめ込まれている。波長変換部材４００は、光学部材３００によって保持されている。従って、発光装置２２は、信頼性の観点において改善されている。

光学部材３００の上面または下面において光が反射されることにより、光の損失が低減されている。従って、発光装置２２は、光出力の観点において改善されている。

本発明の他の実施形態における発光装置について図１５を参照して説明する。他の実施形態における発光装置２２は、下側へ傾斜している形状を有する光学部材３００を含んでいる。その他の構成は、図２などに示された発光装置２２と同様である。

図１６に示されているように、光学部材３００の下面３０２において全反射される光Ｌ２００−１の量が増える。従って、発光装置２２は、光出力の観点において改善されている。

本発明の他の実施形態における発光装置について図１７を参照して説明する。他の実施形態における発光装置２２は、ポーラス状に形成された凸部１０３を有している。凸部１０３はセラミックスからなる。その他の構成は、図２などに示された発光装置２２と同様である。

光学部材３００の下面において全反射されない光Ｌ２００−２が、ポーラス状の凸部１０３において反射される。従って、発光装置２２は、光出力の観点において改善されている。

本発明の他の実施形態における発光装置について図１８を参照して説明する。他の実施形態における発光装置２２は、サブマウント基板１１４を有している。基体１００の凸部は、サブマウント基板１１４を含んでいる。例示的なサブマウント基板１１４は、実質的にシリコンからなる。基体１００は、サブ基体１１２と、サブマウント基体１１２の上に設けられたサブマウント基板１１４とを含んでいる。

図１９に示されているように、サブマウント基板１１４は、複数の導体パターン１１４２を有している。複数の導体パターン１１４２は、サブ基体１１２の複数のビア導体１１２２に電気的に接続されている。発光素子２００は、サブマウント基板１１４に実装されており、複数の導体パターン１１４２に電気的に接続されている。

本実施形態における発光装置は、サブマウント基板１１４を有していることにより、放熱特性に関して改善されている。特に、サブマウント基体１１４が実質的にシリコンからなる場合、発光装置は、熱制御に関して向上されている。

１００基体
２００発光素子
３００光学部材
４００波長変換部材

Claims

第１段差部および前記第１段差部の上方に設けられた第２段差部を有する凸部を含む上面を有する基体と、
透光性材料を含んでおり、前記凸部の前記第１段差部に固定されたプレート形状の光学部材と、
前記光学部材より上方に設けられており、前記凸部の前記第２段差部に実装された発光素子と、
前記光学部材および前記発光素子を覆っている波長変換部材と、
を備えた発光装置。
前記波長変換部材が、ドーム形状を有していることを特徴とする請求項１記載の発光装置。
前記波長変換部材が、前記光学部材に固定されていることを特徴とする請求項２記載の発光装置。
前記光学部材が、前記波長変換部材の溝部にはめ込まれていることを特徴とする請求項３記載の発光装置。
前記光学部材が、下方へ傾斜している形状を有していることを特徴とする請求項２記載の発光装置。
前記凸部が、セラミックスを含んでいることを特徴とする請求項１記載の発光装置。
前記凸部が、ポーラス状に形成されていることを特徴とする請求項６記載の発光装置。
前記光学部材が、前記基体の前記上面における前記凸部の周囲の部分から離間されていることを特徴とする請求項１記載の発光装置。
前記凸部が、シリコンを含むサブマウント基板を有していることを特徴とする請求項１記載の発光装置。
前記基体の前記上面が、光散乱面を含んでいることを特徴とする請求項１記載の発光装
置。
前記光学部材の上面が、光散乱面を含んでいることを特徴とする請求項１記載の発光装置。
基板と、
前記基板に実装された複数の発光装置と、
前記複数の発光装置を囲んでいる反射部材と、
を備えており、
前記複数の発光装置の各々が、基体と、プレート形状の光学部材と、発光素子と、波長変換部材とを備えており、
前記基体が、第１段差部および前記第１段差部の上方に設けられた第２段差部を有する凸部を含む上面を有しており、
前記光学部材が、前記凸部の前記第１段差部に固定されているとともに、透光性材料を含んでおり、
前記発光素子が、前記凸部の前記第２段差部に実装されているとともに、前記光学部材より上方に設けられており、
前記波長変換部材が、前記光学部材および前記発光素子を覆っている、照明装置。