JP5465943B2 - 照明装置 - Google Patents

Description

本発明は、発光素子（LED)を光源とする照明装置に関し、特に、蛍光体を用いて発光色を変換する照明装置に関する。

LEDチップと蛍光体を組み合わせ、LEDチップの発光色と異なる色の発光、例えば白色光を得る発光装置が製品化されている。蛍光体を発光装置内に配置する構成としては、蛍光体を分散した樹脂によりLEDチップをモールドする構成や、シート状の蛍光体をLEDチップの上または下に接着する構成が知られている。また、特許文献１には、LEDチップの周囲に配置した枠の上に、シート状の蛍光体を接着剤で固定する構造が開示されている。特許文献２には、格子状の型枠の格子ごとにLEDを配置し、各格子の開口に多結晶蛍光体等の蛍光体フィルター板をはめ込んだ構成の照明装置が提案されている。型枠と蛍光体フィルターとは、低融点ガラス等の無機材料で接合している。

特開２００７−３１７８１１号公報 特開２００９−１３４９６５号公報

車両用ヘッドライトのように高出力のLED照明装置は、光量の大きな1mm角程度の大きなLEDチップを一列に並べ、大電流を供給するため、発熱量も大きい。一方、蛍光体は、LEDチップからの光を長波長の蛍光に変換する際にストークスシフトロスによる発熱を生じる。このため、高出力のLED照明装置は、LEDチップの発熱と、蛍光体の発熱とを効果的に放熱する必要がある。

しかも、車両用ヘッドライトは、配光特性や光強度分布や色ムラ等の規格を満たす必要があるため、LEDチップの配置は、蛍光体プレートの支持構造に左右されることなく決定できることが望ましい。

上記特許文献１に記載の構造のように、LEDチップの周囲に配置した枠の上に、シート状の蛍光体を樹脂製接着剤で固定する構造は、LEDチップおよび蛍光体の発熱やLEDチップからの光照射により、接着剤が劣化すると、蛍光体シートが枠から外れる可能性がある。一方、特許文献２に記載の構造のように、格子状の型枠にそれぞれ蛍光体フィルター板を低融点ガラス等無機材料で接合する構成は、熱や光による接合強度の低下は防止できるが、発熱量が大きい場合には、型枠と蛍光体フィルター板との熱膨張係数が大きく異なると歪を生じる。このため、熱膨張係数の設計が必要になる。また、個々のLEDチップの周囲に格子状の型枠が存在するため、隣接するLEDチップを型枠の幅以下に接近させることができない。

本発明の目的は、発光素子および蛍光体の発熱を効率よく冷却でき、かつ、隣接する発光素子を接近して配置することができる照明装置を提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明では、以下のような照明装置を提供する。すなわち、基板と、基板上に搭載された発光素子と、基板上の発光素子を挟んだ両脇に配置された一対のスペーサーと、一対のスペーサーによって両端が支持された支持板とを有し、支持板は２以上の部材からなり、２以上の部材間に蛍光体含有プレートを狭持することにより、発光素子と重なる位置に、発光素子と非接触に蛍光体含有プレートを支持する照明装置である。このように２以上の部材間に蛍光体含有プレートを狭持する構成とすることにより、蛍光体の発熱によって蛍光体含有プレートを支持する構造に劣化や歪を生じにくい。また、蛍光体の発熱を発光素子を介さずに、支持板とスペーサーから放熱基板に効率よく熱伝導させることができる。

スペーサーが配置されていない支持板の端部と基板との間の空間は、開放されていることが好ましい。これにより、スペーサーが配置されていない端部から、支持板と基板との間の空間への空気の流入、流出が可能であり、蛍光体および発光素子を空冷することが可能である。

発光素子が複数で、基板上に列状に配置されている場合、スペーサーは、発光素子の列の両脇に配置することが望ましい。この場合、蛍光体含有プレートも複数とし、発光素子とそれぞれ重なる位置に支持板によって支持する構成とすることができる。もしくは、蛍光体含有プレートは、複数の発光素子を覆うように１枚のプレートを支持板によって支持する構成とすることも可能である。

支持板とスペーサーは、例えば、固定具により放熱基板に固定する。

蛍光体含有プレートとしては、例えば、蛍光体セラミックを用いる。

本発明の照明装置は、蛍光体の発熱を支持板およびスペーサーを介して放熱基板に効率よく熱伝導させることができ、かつ、発光素子の熱は、直接放熱基板に伝導できるため、冷却効率がよい。また、複数の発光素子を配列する場合であっても、蛍光体含有プレートの支持構造を、複数の発光素子の間に配置する必要がないため、隣接する発光素子を接近して配置することができる。

実施形態１のLED照明装置の断面図。 実施形態１のLED照明装置の上面図。 実施形態１のLED照明装置で大きな蛍光体プレートを用いた構成の断面図。 実施形態１のLED照明装置で大きな蛍光体プレートを用いた構成の上面図。 実施形態２のLED照明装置の断面図。 比較例のLED照明装置の断面図。 比較例のLED照明装置の上面図。

本発明の一実施の形態のLED照明装置について図面を用いて説明する。

本発明は、蛍光体プレートの端部のみを熱伝導性の高い支持板に挟み込み、支持板の対向する２辺を、所定の高さを有する熱伝導性の高いスペーサーを介して、放熱基板にねじ止め等により固定する。これにより、接着剤を用いることなく、蛍光体プレートを固定することができるため、接着剤の劣化、熱膨張係数の差による歪の問題を生じない。また、放熱基板への熱伝導をスペーサーを介してスムーズに行うことができる。一方、LEDチップは、蛍光体プレートの下部の放熱基板上に搭載する。蛍光体プレートとLEDチップとの間には間隙を設ける。支持板のうちスペーサーが配置されていない２辺は開放されているため、LEDチップの発熱は、放熱基板に伝導する他、支持板の開放された２辺から流入、流出する空気によっても冷却することができる。

（実施形態１）
実施形態１として、４つのLEDチップを一列に配列するLED照明装置について図１の断面図および図２の上面図を用いて説明する。このLED照明装置は、例えば車両用ヘッドランプの光源として好適に用いることができる。

図１および図２のように、４つのLEDチップ1は、例えばセラミック等の熱伝導性の高い基板4上に一列に配列され、基板4上の所定パターンの電極5に接合されている。接合には、例えば、金バンプを用いる。基板4は、放熱基板6に半田等の接合層10により接合されている。

基板4の両脇の放熱基板6上には、LEDチップの配列方向に沿ってスペーサー11が配置されている。スペーサー11の高さは、LEDチップ1の上面よりも所定の高さだけ高くなるように設計されている。スペーサー11は、熱伝導性のよい材料、例えば銅等の金属からなる。

４つのLEDチップ1の上方にはそれぞれ蛍光体プレート2が支持板8によって支持されている。支持板8も熱伝導性のよい材料、例えば銅等の金属からなる。

蛍光体プレート2は、蛍光体の多結晶セラミックからなるプレートである。蛍光体は、LEDチップ1の出射光を吸収し、所定の波長の蛍光を発する材料が選択されている。例えば、Y₃Al₅O₁₂:Ce³⁺の多結晶からなるセラミックを用いることができる。

支持板8は、２枚の板状部材8a,8bを重ねた構造であり、蛍光体プレート2の主平面の大きさよりもわずかに小さい４つの開口がそれぞれ、LEDチップ1と対応する位置に形成され、開口の縁は肉薄に加工されている。これにより、板状部材8a,8bの開口部分に蛍光体プレート2を配置することにより、開口の縁によって蛍光体プレート2を挟持することができる。

支持板8およびスペーサー11には、ねじ9を通すための貫通孔が、放熱基板6には、ねじ穴が形成されている。ねじ9は、支持板8およびスペーサー11の貫通孔に挿入され、放熱基板6のねじ穴に結合している。これにより、支持板8とスペーサー11とが放熱基板6に固定される。支持板8に狭持されている蛍光体プレート2は、LEDチップ1から所定の間隔、例えば0.1mmの間隔に配置される。ねじ9による固定を行うことで、支持板8による蛍光体プレートの固定、および、支持板8とスペーサの放熱基板6に対する固定を一度に行うことが可能になる。また、ねじ9は、接合層10を貫通し放熱基板6に達するため、ねじ9を通じ放熱部材（放熱基板6）への伝熱を直接行うことが可能になる。

上述してきた本実施形態１のLED照明装置の各部の作用について説明する。電極5に外部から所定の電流を供給すると、LEDチップ1は所定の波長の光を発する。LEDチップ1の出射光は蛍光体プレート2に入射し、一部が蛍光体プレート2に吸収されることにより、所定波長の蛍光が発せられる。LEDチップ1の出射光のうち蛍光体プレート2を通過した光と蛍光は混合され、蛍光体プレート2から出射される。

このとき、LEDチップ1で生じる発熱は、基板4から放熱基板6に伝導し、放熱される。蛍光体プレート2においてストークスシフトロスによって生じる発熱は、熱伝導性の高い支持板8およびスペーサー11を通って、放熱基板6に伝導する。LEDチップ1の列の両脇にスペーサーを配置したことにより、スペーサー11は、幅広に設計することができるため、放熱基板6に接する面積が大きく、効率よく蛍光体プレート2の発熱を放熱基板6に伝導することができる。

また、スペーサー11は、LEDチップ1の列の両脇にのみ配置され、LEDチップ1の列の両端には配置されていないため、支持板8と基板4との間隙から外部に空気が流れ込み、流れ出すことができる。この空気の流れによりLEDチップ1および蛍光体プレート2を冷却することが可能である。

また、LEDチップ1を基板4に固定する際や、基板４を放熱基板6に固定する際に位置ずれを起こしてしまう場合があるが、支持板8のねじ9を通すための貫通孔に遊びを持たせておくことにより、LEDチップ1の位置に合わせて支持板8をずらして放熱基板6に固定することができる。これにより、LEDチップ1と蛍光体プレート2とを位置合わせすることが可能である。また、LEDチップ1はバンプによって基板4に固定しているため、厚み方向にもずれが生じる場合があるが、スペーサー11の厚みを調整したり、ワッシャを用いることにより、厚み方向へのずれにも対応することが可能でなる。

また、蛍光体プレート2は、支持板8に挟み込まれているだけであり、接着剤等で固着されていないため、蛍光体プレート2と支持板8との熱膨張係数が異なり、伸縮を生じても、構造上のクリアランスによりそれを許容することができる。また、支持板8は、２以上の部材から成っており、それぞれの部材は金属板加工技術により安価に製造することができる。

また、本実施形態のLED照明装置は、隣接するLEDチップ1の間に枠を配置する必要がないため、所望の間隔にLEDチップを配置することができる。

なお、図１、図２のLED照明装置の構成では、4個の蛍光体プレートを用いたが、本発明はこの構成に限定されるものではなく、図３および図４に示したように、図２の蛍光体プレート2の４枚分の大きさを有する蛍光体プレート12を用いることも可能である。この場合、支持板8の４か所の開口からは、大きな蛍光体プレート12がそれぞれ露出される。

図４の構造では、支持板8の４か所に開口を設けているが、４か所の開口を連結した一つの大きな開口を設けることも可能である。このようにすることで、４か所の開口を設けたものに比べて、支持板8の構造がより簡素化されるため、支持板8の製造コストを低減することができる。この場合、開口から露出されたプレート12の表面の、図４における４つの開口の隣接する開口と開口との間の部分に該当する領域に、遮光板を配置することが好ましい。遮光板は、蛍光体プレート12の下面（LEDチップ1側の面）および上面の少なくとも一方に配置する。これにより、一つの大きな開口の支持板8であっても、４つの開口を有する支持板８と同様の配向制御を行うことができる。

（実施形態２）
次に、本発明の実施形態２のLED照明装置について説明する。

実施形態１では、４つのLEDチップ1を一列に配置した構造であったが、本発明は複数のLEDチップ1を用いるものに限定されない。実施形態２のLED照明装置は、図５に示すように、単一のLEDチップ1を搭載する。支持板8の板状部材8a,8bには、それぞれ開口を一つのみ設け、蛍光体セラミックからなる蛍光体プレート2を挟み込む。放熱基板6上のLEDチップ1の両脇には、一対のスペーサー11を配置する。支持板8およびスペーサー11をねじ９で放熱基板6に固定する。

各部の作用と効果は、実施形態１と同様であり、効率よく蛍光体プレート2およびLEDチップ1の発熱を放熱基板に伝導することができる。

以下、本発明の実施例について説明する。
（実施例１）
実施例１として、実施形態１のLED照明装置を作製した。

LEDチップ1は、450nmに発光主波長を持つInGaN系であり、1mm角のものを4つ用意した。基板4としてセラミック基板を用意し、LEDチップ1をセラミック基板4上の電極5に金バンプにより電気的に接合した。LEDチップ1を搭載したセラミック基板4は、放熱基板6の所定の位置に半田接合し固定した。

蛍光体プレート2は、Y₃Al₅O₁₂:Ce³⁺を主成分とするセラミックス板材を1.1mm角、t=0.1ｍｍの外形で加工した物を4つ用意した。

4つの蛍光体プレート2は、支持板8の2枚の板状部材8a,8bの４つの開口位置にそれぞれ挟み込んだ。支持板8およびスペーサー11は、銅製のものを用いた。ねじ9により、支持板８およびスペーサー11を放熱基板6に固定した。蛍光体プレート2とLEDチップ1の距離は、0.1mm以下になるようにスペーサー11の厚さを設定した。

（実施例２）
実施例２として、実施形態２のLED照明装置を作製した。

LEDチップ1は、実施例１と同じものを1つ用意し、実施例１同様にセラミック基板4に搭載し、セラミック基板4は、放熱基板の所定の位置に半田接合し固定した。

蛍光体プレート2は、実施例１と同じものを一つ用意し、支持板8の一つの開口位置に挟み込んだ。支持板8およびスペーサー11は、銅製のものを用いた。ねじ9により、支持板８およびスペーサー11を放熱基板6に固定した。蛍光体プレート2とLEDチップ1の距離は、0.1mm以下になるようにスペーサー11の厚さを設定した。

（比較例）
比較例として図６に断面図および図７に上面図を示したLED照明装置を作製した。

LEDチップ1は、実施例１と同様のものを4つ用意した。LEDチップ1は、セラミック基板4上の電極5に金バンプにより電気的に接合した。LEDチップ1を搭載したセラミック基板4は、放熱基板6の所定の位置に半田接合し固定した。

蛍光体プレート2は、実施例１と同様のものを4つ用意した。LEDチップ1にシリコーン樹脂を滴下し、蛍光体プレート4をLEDチップに搭載し150℃の熱処理を行い、シリコーン樹脂を熱硬化させることにより、LEDチップ1上に蛍光体プレート2をそれぞれ固定した。

比較例のLED照明装置は、シリコーン系樹脂でLEDチップ1と蛍光体プレート2が接合、固定されるため、高温駆動を長時間行うと、シリコーン樹脂が劣化して着色し、透過率が低下するため、光束、輝度が低下する。樹脂が更に劣化して、接着力が低下すると蛍光体プレートの脱落の可能性もある。

また、蛍光体プレート2は短波長の青色光を吸収して長波長の黄色光を放出する際に発熱する。比較例では蛍光体プレートの発熱は、接着層のシリコーン樹脂を介してLEDチップ1に伝導する。シリコーン樹脂は熱伝導率が低いため、蛍光体の発熱は、シリコーン樹脂を介してLEDチップ1に伝導できず、放熱効率が低下する。このため、蛍光体の発光効率が低下する。

また、蛍光体プレートをLEDチップにシリコーン樹脂で接着するため、接着後の微調整は出来ない。

これに対し、実施例１、２のLED照明装置は、樹脂を用いないため、樹脂の劣化による光束や輝度の低下が生じない。また、蛍光体プレートの脱落の恐れもない。さらに、蛍光体プレート２の発する熱は、熱伝導率の高い銅製の支持板8およびスペーサー11を介して、大きな接触面積で放熱基板6に伝導できるため、放熱効率も高く、蛍光体の発光効率を維持することができる。

なお、実施例では青色を発光するＬＥＤチップと青色光に励起されて黄色光を発する蛍光体を組み合わせた白色ＬＥＤ光源で説明したが、本発明はこれに限定されるものでなく、例えば、青色を発光するＬＥＤチップと青色光に励起されて緑色光を発する蛍光体と同じく青色光に励起されて赤色光を発する蛍光体の２種類を組み合わせた白色ＬＥＤ光源や、青色を発光するＬＥＤチップと青色光に励起されて緑色光を発する蛍光体を組み合わせた水色ＬＥＤ光源など白色以外のＬＥＤ光源にも適用できることは等業者には自明のことであろう。

本発明は、蛍光体プレートとＬＥＤチップを固定具を用いて固定した高信頼性ＬＥＤ光源として利用できる。

1…LEDチップ、2…蛍光体プレート、4…基盤、5…電極、6…放熱基板、8…支持板、9…ねじ、10…接合層、11…スペーサー、12…蛍光体プレート

Claims (5)

1. 基板と、該基板上に搭載された発光素子と、前記基板上の発光素子を挟んだ両脇に配置された一対のスペーサーと、前記一対のスペーサーによって両端が支持された支持板とを有し、
   前記支持板は２以上の部材からなり、当該２以上の部材間に蛍光体含有プレートを狭持することにより、前記発光素子と重なる位置に、前記発光素子と非接触に蛍光体含有プレートを支持し、
   前記スペーサーが配置されていない前記支持板の端部と前記基板との間の空間は、開放されていることを特徴とする照明装置。
2. 請求項１に記載の照明装置において、前記発光素子は複数であり、前記基板上に列状に配置され、前記スペーサーは、前記発光素子の列の両脇に配置され、前記蛍光体含有プレートは複数であり、前記発光素子と重なる位置にそれぞれ前記支持板によって支持されていることを特徴とする照明装置。
3. 請求項１に記載の照明装置において、前記発光素子は複数であり、前記基板上に列状に配置され、前記スペーサーは、前記発光素子の列の両脇に配置され、前記蛍光体含有プレートは、前記複数の発光素子を覆うように１枚のプレートが前記支持板によって支持されていることを特徴とする照明装置。
4. 請求項１ないし３のいずれか１項に記載の照明装置において、前記支持板とスペーサーは、固定具により放熱基板に固定されていることを特徴とする照明装置。
5. 請求項１ないし４のいずれか１項に記載の照明装置において、前記蛍光体含有プレートは、蛍光体セラミックからなることを特徴とする照明装置。

Images