JP5459623B2 - 照明装置 - Google Patents

Description

本発明の実施形態は、発光ダイオード等の発光素子を光源とする照明装置に関する。

近年、発光素子、特に、発光ダイオード（以下「ＬＥＤ」と称す）を用いた照明装置は、白熱電球に代替可能な電球形のＬＥＤランプ、さらにはダウンライト、スポットライト等の各種照明器具の光源として、また、薄型テレビ、液晶ディスプレイ、携帯電話、各種情報端末のバックライト、さらには屋内外の看板広告等の光源として、多方面への展開が進んでいる。また、その長寿命、低消費電力、耐衝撃性、高速応答性、高純度表示色、軽薄短小化等を実現できることから、一般照明用のみならず、各種産業分野での応用が進んでいる。

特開２００８−２５１６６３号公報

これらＬＥＤを光源とする照明装置は、大光量化、高効率化が進み、これらを得るための技術として、ＬＥＤを実装する基板の発光ロスを軽減するため、基板におけるより一層の反射特性が求められている。同時に、基板と装置本体との間の熱抵抗を低減して発光効率を向上させるために、より一層の放熱性が求められ、これら基板における反射特性と放熱性を如何にして実現するかが重要な課題となっている。

本発明は、上記課題に鑑みてなされたもので、基板における良好な反射特性および放熱性を得ることが可能な照明装置を提供しようとするものである。

本発明の実施形態における照明装置は、発光装置、白色層、装置本体を有し、発光装置は、発光素子と、一面側に発光素子が配設され、他面側に凹凸部を有するセラミックスからなる基板とを備える。白色層は、基板の他面側の凹凸部を埋め込み、フィラーを含む樹脂で構成され放熱性能を有する。装置本体は、白色層を介して発光装置が設けられる。

本発明の実施形態によれば、良好な反射特性および放熱性を得るとともに、セラミックスからなる基板の割れ等を防止することが可能な照明装置を提供することができる。

本発明の実施形態である照明装置を模式的に示す断面図。 同じく照明装置を示す斜視図。 同じく照明装置を装着した口金付ランプを示す縦断面図。 同じく口金付ランプを装着した照明器具を概略的に示す断面図。 同じく照明装置を装着した照明器具を示し、（ａ）は道路灯の斜視図、 （ｂ）は照明装置を装着した光学ユニットの断面図。 従来の照明装置を模式的に示す断面図。

以下、本発明に係る照明装置の実施形態について説明する。

実施形態１

先ず、照明装置の構成につき説明する。本実施形態の照明装置は、一般照明用の白熱電球に代替可能な口金付ランプの光源として用いられるもので、図１、図２に示すように、照明装置１０は、発光素子１１ａと基板１１ｂとを備える発光装置１１と、放熱性能を有する白色層１２と、白色層を介して発光装置が設けられる装置本体１３で構成する。

発光装置１１は、発光素子１１ａと基板１１ｂからなり、発光素子１１ａは、本実施形態では発光ダイオード（以下「ＬＥＤ」と称す）で構成する。本実施形態のＬＥＤは、高輝度、高出力の青色ＬＥＤチップで構成し、その構成は、透光性のサファイア素子基板に発光層が積層され、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略直方体をなすように形成されている。

基板１１ｂは、電気絶縁性を有し、熱伝導性の良好な酸化アルミニウム（アルミナ）や窒化アルミニウム等からなるセラミックスで構成され、厚さ約０．５ｍｍの薄い平板で四隅をカットした略正方形をなすように構成する。基板１１ｂの一面側（表面側）には、図１の模式的な断面図で示すように、内周面が略正方形をなす土手部１１ｂ１を形成することにより、浅い略正方形の収容凹部１１ｂ２を形成する。土手部は、白色の合成樹脂製で基板の一面側に塗布されることにより構成される。この収容凹部１１ｂ２の底面、すなわち、基板１１ｂの表面に銀、銀パラジウム、金、銅などの金属ペーストをスクリーン印刷して配線パターン１１ｃを形成する。この際、基板１１ｂはセラミックスで構成されており電気絶縁性を有しているので、配線パターンとの間にはエポキシ系の有機材からなる電気絶縁処理を施す必要がなくなり、ガスの放出がなく長期ライフでの光束維持率が低下することがない。また、コスト的に有利となる。

この基板１１ｂには、ＣＯＢ技術を使用して基板の収容凹部１１ｂ２における配線パターン１１ｃに対して、複数のＬＥＤ１１ａを略マトリックス状にボンディングして実装する。また、略マトリックス状に規則的に配置された各ＬＥＤ１１ａは、隣接する配線パターン１１ｃとボンディングワイヤによって直列に接続される。

上記に構成された基板１１ｂの収容凹部１１ｂ２には、光変換手段、本実施形態では蛍光体層１１ｄが配設される。この蛍光体層は蛍光体含有樹脂、本実施形態では、透明なシリコーン樹脂に黄色蛍光体を分散・混合した封止部材で形成され、収容凹部１１ｂ２に塗布または充填されて蛍光体層１１ｄが構成される。

蛍光体層１１ｄは、上述した青色ＬＥＤチップから放射される青色光を透過させると共に、青色光によって黄色蛍光体を励起して黄色光に変換し、透過した青色光と黄色光が混光して白色の光を放射する。なお、蛍光体層１１ｄを形成する手法としては、次のものがある。すなわち、土手部１１ｂ１の中に蛍光体樹脂を流し込む方法、さらに他の方法として、成型機によって蛍光体層を形成する方法、ディッピングによって形成する方法がある。

また、図２に示すように、配線パターン１１ｃから基板１１ｂの側縁部に、それぞれ延長して入力端子部を構成する一対の給電端子１１ｅが設けられる。この各給電端子は、セラミックス製の基板１１ｂ上に銀（Ａｇ）層が形成される。一方が＋側の給電端子、他方が−側の給電端子を構成する。なお、基板１１ｂには、各給電端子１１ｅに接続されたコネクタ１１ｆが設けられる。

また、基板１１ｂは、その他面側に多数の凹凸部１１ｇを有する。これは、セラミックス基材は、多孔質材であり若干の光を透過させるとともに、表面に微小な凹凸部が多数存在しているためである。

上記により、発光素子であるＬＥＤ１１ａと、一面側にＬＥＤ１１ａが実装されて配設され、他面側に凹凸部１１ｇを有するセラミックスからなる基板１１ｂとを備える発光装置１１が構成される。発光装置は、光軸をｘ−ｘ線とした略正方形の発光面Ａを有して構成される。

そして、発光装置１１には、図１に示すように、基板１１ｂの他面側（裏面側）の凹凸部１１ｇを埋め込む白色層１２が配設される。白色層は、光の反射率が高く、放熱性能を有する熱伝導性の良好な部材、本実施形態では、アルミナフィラー入りのシリコーン樹脂で構成され、セラミックスからなる基板１１ｂの他面側の微小な凹凸部１１ｇに対し、その凹凸を埋め込むように塗布して形成される。

白色層１２の厚さは、本実施形態では、約０．１ｍｍに形成した。なお、白色層１２の厚さの下限値は、数十μｍ程度が好ましい値である。数十μｍより薄い場合は、塗装によって凹凸部を埋めることが困難となり、また反射層としても機能し難くなる。したがって、製造性を考慮し、できるだけ均一に塗布できる範囲として、数十μｍ程度、例えば２０μｍ程度が好ましい値である。

また、白色層１２は、シリコーン樹脂に替えてエポキシ樹脂で構成してもよい。さらに、酸化亜鉛入りのシリコーン樹脂やエポキシ樹脂であってもよく、さらには、銀（Ａｇ）ペーストを塗布することによって形成してもよい。また、白色層１２はシート状に構成し、基板１１ｂの他面側に貼付するようにしてもよい。上記により、基板１１ｂの他面側の凹凸部１１ｇを埋め込み、放熱性能を有する白色層１２が構成される。

装置本体１３は、放熱部材を兼ねた熱伝導性の良好な銅やアルミニウム等の金属で構成された筐体であり、白色層１２を介して発光装置１０が設けられる。すなわち、基板１１ｂが装置本体１３にネジ等の固定手段により取り付けられることによって、白色層１２が装置本体１３の表面に対し、熱的に密着されるように固定される。

上記により照明装置１０が構成される。照明装置は、図１に示すように、青色ＬＥＤチップ１１ａにおける発光層から一面側（表面側）に光ａが放射されるとともに、チップの他面側（裏面側）の透光性サファイア素子基板を透過して放射される光ｂ（図１中下方に向かう光）が、セラミックス製の基板１１ｂを透過し、光の反射率が高い白色層１２で反射されて一面側に導かれ、ＬＥＤ１１ａで発光されるチップ背面側の光を一面側、すなわち、外部に効率よく取り出すことが可能になる。因みに、白色層１２が存在しない場合には、図６に模式的に示すように、ＬＥＤチップ１１ａの背面側に向かう光ｂは、セラミックス製の基板１１ｂを透過し、セラミックス基材の凹凸部１１ｇ内で乱反射を起こし、外部に取り出されることなく減衰するため光ロスが発生する。

さらに、ＬＥＤ１１ａから発生する熱は、熱伝導性の良好なセラミックス製の基板１１ｂから、放熱性能を有する熱伝導性の良好な白色層１２を介して、熱伝導性の良好な銅やアルミニウム等の金属からなる装置本体１３に伝達され外部に放熱される。この際、白色層１２は、光の反射率が高く、放熱性能を有する熱伝導性が良好なアルミナフィラー入りのシリコーン樹脂で構成されているので、基板１１ｂの他面側と装置本体１３との間の熱抵抗が低減され、熱ロスの少ない熱伝導を行うことができ効果的な放熱性を発揮させることが可能になる。

また、同時に、セラミックスからなる基板１１ｂとアルミニウム等の金属からなる装置本体１３との間にアルミナフィラー入りのシリコーン樹脂である白色層１２が設けられることによって、セラミックスと金属の熱膨張差を吸収することができ、セラミックスからなる基板１１ｂのワレを防止することも可能になる。

次に、上記に構成された照明装置１０を光源として用いた電球形の口金付ランプの構成につき説明する。図３に示すように、口金付ランプ２０は、ランプ本体２１、ランプ本体に装着される上記構成の照明装置１０、照明装置を点灯する点灯装置２２、点灯装置に電力を供給する電気接続部２３、グローブを構成するカバー部材２４で構成する。

ランプ本体２１は、熱伝導性の良好な銅やアルミニウム等の金属、本実施形態ではアルミニウムで構成された横断面形状が略円形の円柱状をなし、一端部に径の大きな開口部２１ａを他端部に径の小さな開口部２１ｂを有する収納凹部２１ｃを一体に形成する。また、外周面は一端部から他端部に向かい順次直径が小さくなる略円錐状のテーパー面をなすように形成し、外観が一般照明用の白熱電球におけるネック部のシルエットに近似させた形状に構成する。外周面には一端部から他端部に向かい放射状に突出する多数の放熱フィン２１ｄを一体に形成する。ランプ本体２１の一端部の開口部２１ａには、円形の凹部が形成されるように表面を平坦な面に形成した段部からなる基板支持部２１ｅが一体に形成され、この凹部の周囲にリング状をなす凸条部２１ｆを一体に形成する。

また、上記に構成された照明装置１０は、予め発光装置１１の基板１１ｂを、白色層１２を介して装置本体１３に取り付けることによって、基板１１ｂと装置本体１３が一体化され、基板１１ｂは、一体化された装置本体１３を介して、ランプ本体２１の基板支持部２１ｅに密着するように装着される。すなわち、基板１１ｂの発光面Ａとなる一面側（表面側）が外側に面するようにして、装置本体１３の裏面側を平坦な面からなる基板支持部２１ｅに載置し、ネジ（図示せず）によって固定する。なお、装置本体１３を省略して、ランプ本体２１の基板支持部２１ｅ自体を放熱部材となし、換言すれば、ランプ本体２１を照明装置１０における装置本体１３となし、基板１１ｂをランプ本体２１に、白色層１２を介して直接支持するように構成してもよい。

上記により、基板１１ｂが基板支持部２１ｅに確実に密着され、基板１１ｂが熱伝導性の良好なセラミックスで構成され、白色層１２が放熱性能を有する熱伝導性の良好なシリコーン樹脂で構成されていることと相まって、ＬＥＤ１１ａから発生する熱が装置本体１３を介して効果的にアルミニウム製のランプ本体２１に伝達され、外部に放熱させることができる。

照明装置１０を点灯する点灯装置２２は、基板１１ｂに実装されたＬＥＤ１１ａの点灯回路を構成する回路部品を実装した平板状の回路基板２２ａからなる。点灯回路は、交流電圧１００Ｖを直流電圧に変換してＬＥＤ１１ａに供給するように構成される。上記に構成された回路基板２２ａが、ランプ本体２１の収納凹部２１ｃに対し、絶縁ケース２５等によって電気絶縁をなすようにして収容される。また、回路基板２２ａの出力端子にはＬＥＤ１１ａへ給電するための給電用の電線ｗ１が接続され、入力端子には入力線（図示せず）が接続される。

ＬＥＤ１１ａへ給電するための電線ｗ１は、ランプ本体２１に形成された貫通孔２１ｇおよびガイド溝２１ｈを介してランプ本体２１の一端部の開口部２１ａに導出され、コネクタ１１ｆに接続される。なお、点灯装置２２は、上記のように、電球内に内蔵させて、一般照明用の白熱電球とそのまま代替ができるように構成することが好適であるが、コンパクト形蛍光ランプのように点灯装置はランプを装着する器具側に別置きにして設け、電球側には内蔵させないように構成してもよい。

電気接続部２３は、図３に示すように、エジソンタイプのＥ２６形を構成する口金部材で構成され、ねじ山を備えた銅板製の筒状のシェル部２３ａと、このシェル部の下端の頂部に電気絶縁部２３ｂを介して設けられた導電性のアイレット部２３ｃを備えている。シェル部２３ａの開口部が、ランプ本体２１の他端側の開口部２１ｂに電気絶縁をなして固定される。シェル部２３ａおよびアイレット部２３ｃには、点灯装置２２における回路基板２２ａの入力端子から導出された入力線（図示せず）が接続される。

カバー部材２４は、グローブを構成するもので、乳白色のポリカーボネイトで一端部に開口２４ａを有する一般照明用の白熱電球のシルエットに近似させた滑らかな球面状に形成する。カバー部材２４は開口２４ａの開口端部を、照明装置１０の発光面Ａを覆うようにして基板支持部２１ｅの凸条部２１ｆに嵌め込み、接着剤等の固定手段によって固定される。これにより、一端部にカバー部材２４であるグローブを有し、他端部にＥ２６形の口金部材２３が設けられ、全体の外観形状が一般照明用の白熱電球のシルエットに近似し、白熱電球に代替が可能な電球形の口金付ランプが構成される。

上記に構成された口金付ランプ２０に電源を投入すると、口金部材２３を介して電源が供給され、点灯装置２２が動作し直流電圧が出力される。この直流電圧は点灯装置２２の出力端子に接続された給電用の電線ｗ１から、コネクタ１１ｆ、給電端子１１ｅを介してＬＥＤ１１ａに印加される。これにより、全てのＬＥＤが同時に点灯して照明装置１０から白色の光が放射される。

この際、照明装置１０における青色ＬＥＤチップの一面側からカバー部材２４の内面に向かって光ａが放射される。同時に、上述したように、本実施形態の照明装置１０は、セラミックスからなる基板他面側の凹凸部１１ｇを埋め込むための放熱性能を有する白色層１２が設けられているので、ＬＥＤ１１ａの他面側（裏面側）から放射される光ｂが、セラミックスからなる基板１１ｂを透過し、光の反射率が高い白色層１２で反射されて一面側に導かれ、カバー部材２４の内面に向かって効率よく取り出すことができる。

同時に、口金付ランプ２０が点灯すると、ＬＥＤ１１ａの温度が上昇し熱が発生する。その熱は、熱伝導性の良好なセラミックスからなる基板１１ｂから、放熱性能を有する熱伝導性の良好な白色層１２を介して、熱伝導性の良好な銅やアルミニウム等の金属からなる装置本体１３に伝達され、装置本体が密着して固定されたランプ本体２１の放熱フィン２１ｄから外部に効果的に放熱される。

次に、上記に構成された電球形の口金付ランプ２０を光源とした照明器具の構成を説明する。図４に示すように、３０は店舗等の天井面Ｘに埋め込み設置され、Ｅ２６形の口金を有する一般照明用の白熱電球を光源としたダウンライト式の既存の照明器具で、下面に開口部３１ａを有する金属製の箱状をなした器具本体３１と、開口部に嵌合される金属製の反射体３２と、一般照明用の白熱電球のＥ２６形の口金をねじ込むことが可能なソケット３３で構成されている。反射体３２は、例えばステンレス等の金属板で構成し、反射体３２の上面板の中央部にソケット３３が設置される。

上記に構成された白熱電球用の既存の照明器具３０において、省エネや長寿命化などのために白熱電球に替えて、上述したＬＥＤを光源とする電球形の口金付ランプ２０を装着する。すなわち、電球形の口金付ランプは、口金部材２３をＥ２６形に構成してあるので、上記照明器具３０の白熱電球用のソケット３３にそのまま差し込むことができる。

また、口金付ランプ２０は、外観が一般白熱電球におけるネック部のシルエットと略同様の形状に構成されているので、ネック部がソケット周辺の反射体３２等に当たることなくスムーズに差し込むことができ、電球形の口金付ランプ２０における既存照明器具への適合率が向上する。これにより、既存のダウンライトを、ＬＥＤを光源とした電球形の口金付ランプ２０が設置された省エネ形のダウンライトに簡単に変えることができる。勿論、既存の照明器具のみでなく、新規構成の照明器具も同様にして構成することができる。

また、上記に構成された照明装置１０は、図５に示すように、大型の照明器具である道路灯４０の光源として用いられてもよい。すなわち、図５（ｂ）に示すように、照明装置１０は、装置本体１３を構成するアルミニウム製のユニット支持板４１に対して、基板１１ｂが白色層１２を介して密着して支持され、さらに照明装置１０を中心にして周囲を囲むように反射板４２が設けられて光学ユニット４３が構成される。図中４１ａは、ユニット支持板４１の裏面側に一体に設けられた放熱フィンである。上記に構成された光学ユニット４３は、同様構成のものが複数台用意され、ステンレス等の熱伝導性を有する金属板からなるユニット取付板４４に設置される。ユニット取付板４４に設置された複数の照明装置１０は、道路灯４０の器具本体４５内に、目的とする配光が得られるように配設され、器具本体４５がポール４６に支持されることにより道路灯４０が構成される。

以上、本実施形態において、照明装置１０は、以下のように構成してもよい。白色層１２は、基板１１ｂの他面側に設けたが、装置本体１３の表面側に設けるように構成してもよい。さらに、基板１１ｂの他面側と装置本体１３の表面側の両方に白色層１２を設け、両方の白色層を合わせて接着することによって、より確実にセラミックスの凹凸部１１ｇを埋め込むように構成してもよい。また、照明装置１０により口金付ランプ２０を構成する場合には、白色層１２をランプ本体２１の基板支持部２１ｅの表面に設けるように構成してもよい。さらには、塗装によって基板１１ｂなどに対して一体に形成することなく、例えば、独立したシート等の形態に構成し、基板１１ｂの他面側と装置本体１３の表面側との間、若しくはランプ本体２１との間に独立した層として介在させるように構成してもよい。

さらに、本実施形態において、発光素子は、例えば、青色を発光する窒化ガリウム（ＧａＮ）系半導体からなるＬＥＤチップで構成されることが好適であるが、半導体レーザ、有機ＥＬなどを発光源とした発光素子が許容される。発光素子は、ＣＯＢ技術を用いて、マトリックス状や千鳥状または放射状など、規則的に一定の順序をもって一部または全体が配列されて実装されたものでも、ＳＭＤ形で構成されたものであってもよく、ＳＭＤ形の場合、発光素子は複数個で構成されていることが好ましいが、照明の用途に応じて必要な個数は選択され、例えば、４個程度の素子群を構成し、この群１個、若しくは複数の群をなすように構成してもよい。さらには、１個の発光素子で構成されたものであってもよい。さらに、白色で発光するように構成することが好ましいが、照明装置の用途に応じ、赤色、青色、緑色等でも、さらには各種の色を組み合わせて構成してもよい。

また、基板の形状は、点または面モジュールを構成するために板状の円形、四角形、六角形などの多角形状、さらには楕円形状等をなすものであってもよく、目的とする配光特性を得るための全ての形状が許容される。

照明装置は、電球形の口金付ランプやダウンライトに限らず、スポットライト等の住宅用など小型の照明器具、さらには、天井等から全般照明を行うオフィス等、施設・業務用などの比較的大きな照明器具、さらに、高速道路や一般道路等の道路灯、公園等屋外の照明をなす防犯灯などの大型の照明器具などの光源として、さらに、これら照明器具に限らず、薄型テレビ、液晶ディスプレイ、携帯電話、各種情報端末のバックライトさらには屋内外の看板広告用の光源等に適用することができる。

以上、本発明の好適な実施形態を説明したが、本発明は上述の実施形態に限定されることなく、例えば、薄型テレビなどのバックライトの光源を構成する等、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において、種々の設計変更を行うことができる。

１０ 照明装置
１１ 発光装置
１１ａ 発光素子
１１ｂ 基板
１１ｇ 凹凸部
１２ 白色層
１３ 装置本体

Claims (1)

1. 発光素子と、一面側に発光素子が配設され、他面側に凹凸部を有するセラミックスからなる基板とを備える発光装置と；
   基板の他面側の凹凸部を埋め込み、フィラーを含む樹脂で構成され放熱性能を有する白色層と；
   白色層を介して発光装置が設けられる装置本体と；
   を具備していることを特徴とする照明装置。

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