JP5487396B2 - 発光装置及び照明装置 - Google Patents

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Description

本発明の実施形態は、ＬＥＤ等の発光素子を用いた発光装置及びこれを備えた照明装置に関する。
照明装置の光源としてＬＥＤが用いられるようになってきている。この光源は、基板に多数のＬＥＤのベアチップを実装し、各ＬＥＤチップをボンディングワイヤで電気的に接続するとともに、基板を取付部材にねじ等の固定手段で固定して発光装置として構成するものである。
近時、このような発光装置において、高出力化が求められてきており、この高出力化を実現するには、ＬＥＤに供給する電流を大きなものとする必要がある。しかし、供給する電流を大きなものとすると、ＬＥＤの温度が上昇し、高温下で動作するようになるため、それに従い基板の温度も上昇し、ＬＥＤの点灯、消灯のヒートサイクルで基板の熱膨張、収縮の差が大きくなる。
特開２００８−２２７４１２号公報（段落［００５８］）
上記のような構成において、基板が取付部材にねじ等の固定手段で固定されている場合には、基板と取付部材との熱膨張率の相違を始めとする熱特性の差に起因して基板に応力がかかり、基板が変形したり、割れが生じたりして、損傷する虞がある。
本発明は、上記課題に鑑みなされたもので、基板の損傷を抑制することができる発光装置及びこの発光装置を備え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、複数の発光素子が第一面側に実装された基板と、前記基板の側周囲に面し、前記基板の側周囲の全周の周りに間隙を有して配設された側面と、前記基板の前記第一面と対向する第二面側に熱的に接触する底面と、を有する凹部を備えた取付部材とを具備している。また、前記取付部材の前記凹部の前記底面よりも高い位置である前記取付部材の表面に固定されたベース部と、前記ベース部から前記凹部の前記底面に向けて傾斜して設けられた押圧部と、を備えた機械的固定手段を備え、前記押圧部の先端は、前記取付部材の前記表面よりも前記凹部の前記底面側の位置で前記基板の前記第一面側に接触し、前記機械的固定手段は、弾性的押圧力によって前記基板を前記取付部材の前記凹部に保持する。
本発明によれば、基板の損傷を抑制することができる発光装置及びこの発光装置を備えた照明装置を提供することができる。
本発明の実施形態に係る発光装置を示す斜視図である。 同発光装置の基板における配線パターンを示す平面図である。 同発光装置の基板において発光素子を実装した状態を示す平面図である。 同発光装置の基板の完成状態において一部を切欠いて示す平面図である。 同発光装置の取付部材を示す斜視図である。 同機械的固定手段を示す斜視図である。 図１中、Ｘ−Ｘ線に沿って示す断面図である。 基板の固定状態における変形例を示す一部断面図である。 同じく、基板の固定状態における変形例を示す一部断面図である。 本発明の実施形態に係る照明装置を示す斜視図である。
以下、本発明の実施形態に係る発光装置について図１乃至図９を参照して説明する。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。
図１及び図７に代表して示すように、発光装置１は、基板２と、この基板２の一面側、すなわち、表面側に実装された複数の発光素子３と、この基板２が配設される取付部材４と、基板２を取付部材４に保持する機械的固定手段５とを備えている。
基板２は、絶縁性を有し、白色系の酸化アルミニウムや窒化アルミニウム等のセラミックス材料から形成されている。基板２は、略四角形状の多角形状に形成されており、各角部は、Ｒ形状をなしている。
なお、基板２の材料は、ボロンナイトライド、窒化ケイ素、酸化マグネシウム、フォルステライト、ステアタイト、低温焼結セラミックス等が適用でき、格別特定の材料に限定されるものではない。また、基板２の形状は、四角形状に限らず、円形や六角形等の多角形であってもよく、設計に応じて適宜選択が可能である。
図２に示すように基板２の表面側には、配線パターンが形成されており、この配線パターンは、給電導体２１及び給電端子２２から構成されている。給電導体２１は、正極側給電導体２１ａ及び負極側給電導体２１ｂから構成されており、給電端子２２は、正極側給電端子２２ａ及び負極側給電端子２２ｂから構成されている。
正極側給電導体２１ａは、基板２の表面上の中央部に直線状に延びて形成されていて、その一端部（図示上、左側）には、正極側給電端子２２ａが一体に連続して形成されている。
負極側給電導体２１ｂは、正極側給電導体２１ａを中央部に位置してこれを囲むように四角形状に形成されていて、その一端部（図示上、左下側）には、正極側給電端子２２ａが一体に連続して形成されている。
なお、詳細な説明は省略するが、基板２の表面上には、点灯確認試験用の点灯検査導体２３や温度測定用の温度検査導体２４等が形成されている。
給電導体２１及び給電端子２２は、基板２上に例えば、銀（Ａｇ）又は銀（Ａｇ）を主成分とする合金をスクリーン印刷することによって形成されている。なお、スクリーン印刷に代えてめっき処理によって形成することもできる。また、この形成材料には、銅（Ｃｕ）、金（Ａｕ）等の導電性に優れた金属を適用できる。
図３に代表して示すように配線パターンには、部分的（図示上、左右両側）に、ガラスペースト等からなる電気絶縁材料の保護層２５が形成されている。この保護層２５は、スクリーン印刷によって形成されていて、後述する封止部材２７で封止されない給電導体２１及び給電端子２２の部分を主に被覆するようになっている。これによって、給電導体２１及び給電端子２２の劣化を抑制することが可能となる。
基板２の表面上には、複数の発光素子３が実装されている。発光素子３は、ＬＥＤのベアチップからなり、基板２の表面上に直に接着されている。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。
図３に示すように、これら複数の発光素子３は、正極側給電導体２１ａを境にしてマトリクス状に並べられて複数の列（発光素子列）を形成している。
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略直方体形状に形成されている。そして、発光層に電流を流すための電極は、上面側に設けられており、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３１により電気的に接続されている。ボンディングワイヤ３１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。なお、ボンディングワイヤ３１には、例えば、銅線、アルミニウム線及び白金線等の金属細線を適用することができる。
具体的には、ＬＥＤのベアチップは、正極側給電導体２１ａを境にして、これと対向する負極側給電導体２１ｂへ向かう方向の複数の発光素子列を形成している。したがって、図示上、上側のマトリクス状ブロックと下側のマトリクス状ブロックとからなっている。
個々の発光素子列において、その列が延びる方向に隣接された発光素子３の異極の電極同士、つまり、隣接された発光素子３の内で一方の発光素子３のプラス側電極と、隣接された発光素子３の内で他方の発光素子３のマイナス側電極とがボンディングワイヤ３１で順次接続されている。これによって、個々の発光素子列を構成する複数の発光素子３は電気的に直列に接続される。
さらに、個々の発光素子列において、特定の発光素子、すなわち、列の端に配置された発光素子３ａの電極は、正極側給電導体２１ａ又は負極側給電導体２１ｂにボンディングワイヤ３１で接続されている。したがって、一つの発光素子列には、７個の発光素子３が直列に接続されており、上側のマトリクス状ブロックには、この発光素子列が１２列、また、同様に下側のマトリクス状ブロックには、発光素子列が１２列形成されていて、７個の発光素子３が直列に接続された直列回路が２４個並列に接続されて、複数の発光素子３は通電状態で一斉に発光されるようになっている。そのため、各発光素子列の内のいずれか一列がボンディング不良等に起因して発光できなくなることがあっても発光装置１全体の発光が停止することはない。
図４に示すように基板２の表面上には、枠部材２６が設けられている。この枠部材２６は、白色の合成樹脂製であり略四角形状に塗布され、内周面で囲まれた枠部材２６の内側に、各発光素子３が配設されている。つまり、発光素子３の実装領域は、枠部材２６によって囲まれた状態となっている。
枠部材２６の内側には、封止部材２７が充填されて基板２上に設けられている。封止部材２７は、透光性合成樹脂、例えば、透明シリコーン樹脂製であり、発光素子３の実装領域を封止している。
また、封止部材２７は、蛍光体を適量含有している。蛍光体は、発光素子３が発する光で励起されて、発光素子３が発する光の色とは異なる色の光を放射する。発光素子３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。封止部材２７は、未硬化の状態で枠部材２６の内側に所定量注入された後に加熱硬化させて設けられている。
また、基板２の表面上には、コネクタ６及びコンデンサ７が実装されている。コネクタ６は、光の吸収性の少ない白色の合成樹脂製のケースを有し、その一側面から一対の端子ピンが突出されている。この端子ピンは、正極側給電端子２２ａ及び負極側給電端子２２ｂに半田付けされて電気的に接続されている。そして、このコネクタ６には、電源側に接続されたリード線が接続されるようになっており、これにより、コネクタ６を経由して各発光素子３に電力が供給されるようになっている。
コンデンサ７は、２個実装されており、電源にノイズが重畳してこれが各発光素子３に印加されるのを防止する役目を果たしている。
上記のように構成された基板２は、図５に示す取付部材４に取付けられる。取付部材４は、熱伝導が良好なアルミニウム材料等から形成されており、角部をＲ形状とし四角形状、すなわち、多角形状をなして中央部にやや傾斜した基板２の配設面４１を有し、この配設面４１には、基板２が載置される略四角形状の凹部４２が形成されている。この凹部４２は、底面４２ａが平坦状に形成されていて、側面４２ｂが底面の周囲から立設するように形成されている。凹部４２は、基板２の外形と略相似形であり、基板２よりやや大きく形成されている。また、凹部４２の対角線上には、後述する機械的固定手段５が配設される略Ｕ字状の位置決め突出部４３及びねじ穴４４が形成されている。
さらに、取付部材４の両側には、この取付部材４を照明装置の本体等に固定するために用いられるねじ貫通孔が形成されている。なお、この取付部材４は、ヒートシンク、装置の本体、ケースあるいはカバー等と称されるものであってもよい。要は、基板２が取付けられる部材を意味している。
図１及び図７に示すように、基板２は、取付部材４の凹部４２をガイドとして位置決めされて配置され、他面側、すなわち、裏面側が凹部４２の底面４２ａに密着するように取付けられている。すなわち、機械的固定手段５によって、基板２の表面側から裏面側へ向かう方向の弾性押圧力が付与されて取付けられている。なお、凹部４２は、基板２の外形と略相似形で基板２よりやや大きく形成されているので、基板２の位置決めが容易となる。
機械的固定手段５は、板ばね状の固定部材であり、取付部材４の表面（上面）であって、位置決め突出部４３に位置決めされて、表面側からねじ等の固定手段によって取付部材４の表面上に固定されるようになっている。したがって、機械的固定手段５は、基板２の略対角線上に一対配設されるようになっている。
図６に代表して示すように固定部材は、金属製の板状材料から形成され、弾性を有するステンレス鋼からなり、ベース部５１と、押圧部５２と、保護部５３とを備えている。ベース部５１は、所定の幅寸法を有し、ねじ等の固定手段が貫通する貫通孔が形成されている。このベース部５１の略中央部からは、細幅の押圧部５２が延出しており、この押圧部５２は、図示上、紙面方向の弾性押圧力を付与するために折曲して形成されていて、その先端側が基板２の表面側に接触するようになっている。
また、押圧部５２と並設するように保護部５３が延出されている。保護部５３は、押圧部５２よりも幅広で直線状に延出している。この保護部５３は、固定部材を組立作業等において取り扱う場合に、把持できるようになっていて、押圧部５２に外力がかかって変形等を生じるのを回避し押圧部５２を保護する機能を有している。仮に、保護部５３を設けない場合には、押圧部５２を把持して取り扱われる可能性があり、押圧部５２の変形等の不具合が発生する。
なお、保護部５３の延出長さ寸法は、押圧部５２の延出長さ寸法と同等又はそれより長く形成するのが好ましい。これにより押圧部５２の保護が確実となる。
図７に示すように、基板２が凹部４２に配設されて機械的固定手段５によって保持された状態においては、基板２の側周囲と凹部４２の側面４２ｂとの間には、間隙Ｇが形成されるようになっている。具体的には、基板２の全周に亘って約１ｍｍの間隙Ｇが形成されるようになっている。
なお、この間隙Ｇの寸法は、特段限定されるものではない。また、間隙Ｇは、基板２の全周に亘って均等であることが好ましいが、必ずしも均等である必要はない。例えば、基板２の側周囲の一部が凹部４２の側面４２ｂと接触状態にあってもよい。要するに、後述するように基板２が水平方向へ動き得る場合、基板２の熱膨張を吸収できる間隙Ｇが存在していればよい。さらに、この間隙Ｇには、例えば、クッション部材等の弾性材が介在していてもよい。この場合にも基板２の熱膨張の吸収が可能となる。
また、機械的固定手段５は、取付部材４の凹部４２の底面４２ａよりも高い位置である表面側に取付けられており、押圧部５２は、取付部材４の表面側よりも凹部４２の底面４２ａ側の位置で基板２の一面側に接触している。すなわち、固定部材の取付部材４への固定状態においては、押圧部５２の先端側は、取付部材４の上面よりも下側（凹部４２側）で段差Ｓを有して基板２の表面に接触している。したがって、押圧部５２の弾性押圧力が有効に基板２の表面に作用するとともに、経年によっても所定の弾性押圧力の維持が可能となる。加えて、固定部材のねじ等による固定部分に過度な応力がかかるのを軽減できる。これによって、固定部材における押圧部５２の基板２の表面側から裏面側へ向かう方向の弾性押圧力が基板２に加わり、基板２が取付部材４に保持される。
機械的固定手段５の弾性押圧力（弾性荷重）は、１８０ｇ〜３５０ｇに設定するのが好ましく、この場合、前記段差Ｓを０．１ｍｍ〜０．６ｍｍに設定することにより実現できる。つまり、段差Ｓが小さい場合には、弾性押圧力（弾性荷重）は大きくなり、段差Ｓが大きい場合には、弾性押圧力（弾性荷重）は小さくなる。
図８及び図９は、段差Ｓの寸法を調整して弾性押圧力（弾性荷重）を設定した場合を示している。図８は、段差Ｓの寸法を小さくして、例えば、０．１ｍｍに調整して弾性押圧力（弾性荷重）を３５０ｇに設定している。図９は、段差Ｓの寸法を大きくして、例えば、０．６ｍｍに調整して弾性押圧力（弾性荷重）を１８０ｇに設定している。
これらの場合、凹部４２の深さ寸法を調整して段差Ｓの寸法を調整しているが、この態様に限るものではない。例えば、基板２の厚さ寸法を調整することによっても段差Ｓの寸法の調整が可能である。このように段差Ｓの寸法を調整することによって設計に応じて適宜弾性押圧力（弾性荷重）を適切に設定できる。
また、基板２の裏面側と凹部４２の底面４２ａとの間には、熱伝導部材８が介在されている。これによって、基板２と凹部４２の底面４２ａとの密着性が高まり、基板２からの熱を取付部材４に伝導して放熱を促進することができる。具体的には、熱伝導部材８は、所定の粘度と流動性を有するグリースであり、凹部４２の底面４２ａに塗布されて設けられている。
上記構成の発光装置１に点灯回路により電力が供給されると、コネクタ６から正極側給電端子２２ａ、正極側給電導体４２ａからボンディングワイヤ３１、複数の発光素子３を経て、負極側給電導体２１ｂ、負極側給電端子２２ｂからコネクタ６へと通電され、封止部材２７で覆われた各発光素子３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。
この点灯中において、各発光素子３が発した熱は、主として基板２の裏面側から熱伝導部材８を介して取付部材４に伝導されて放熱される。また、発光装置１の点灯中、発光素子３が放射した光のうちで基板２側に向かった光は、白色系の基板２の表面で主として光の利用方向に反射される。
また、発光素子３の点灯、消灯のヒートサイクルで基板２は、熱膨張、収縮を繰り返すが、基板２の取付部材４への保持は、ねじ止め等による固定ではなく、機械的固定手段５によって弾性的押圧力で保持されていて、基板２の側周囲と凹部４２の側面４２ｂとの間には、間隙Ｇが形成されているので、基板２の熱膨張をこの間隙Ｇで吸収することができ、基板２に応力がかかってセラミックス製の基板２に割れが発生するのを抑制できる。加えて、例えば、ねじ等による締め付け力が基板２に直接作用して、基板２に割れが発生するのを抑制できる。
さらに、基板２の熱膨張や振動等によって、基板２に加わる垂直方向及び水平方向の応力を吸収することが可能となる。これは、基板２がねじ止め等による固定ではなく、垂直方向及び水平方向へ動き得ること（遊動）を許容する構成を採っているためである。これによって基板２の割れ等の損傷を抑制することが可能となる。
また、熱伝導部材８は、基板２と凹部４２の底面４２ａとの密着性を高めるのみならず、その粘度と流動性によって密着性を高めつつ、前記基板２の水平方向への動きが円滑となるように機能している。
さらに、機械的固定手段５における押圧部５２の先端側は、取付部材４の上面よりも下側で段差Ｓを有して基板２の表面に接触しているので、押圧部５２の弾性押圧力が有効に基板２の表面に作用するとともに、経年によっても所定の弾性押圧力の維持が可能となる。
さらにまた、セラミックス製の基板２は、例えば、基板２に尖頭状の角部がそのまま残っていると、衝撃等によって外力が加わった場合に、角部が割れて破損しやすい可能性があるが、本実施形態では、基板２の角部はＲ形状をなして丸みを帯びているので、外力による破損を抑制できる。例えば、組立作業等において基板２を取り扱うとき、外力による破損を効果的に防止できる。
加えて、基板２は、凹部４２内で遊動が許容されているため、振動等によって基板２が凹部４２内で遊動する場合があるが、この場合においても基板２の角部はＲ形状をなしているので破損を効果的に抑制できる。
次に、図１０は、上記発光装置１が複数配設された照明装置として道路灯１０を示している。道路灯１０は、支柱１１の上端部に灯具１２が取付けられて構成されている。支柱１１は、道路際に立設され、灯具１２から照射される光によって道路上が照明されるようになっている。灯具１２内には、上記発光装置１が配設されており、発光装置１からの光が透光性のカバー１３を透過して放射されるようになっている。
このような照明装置によれば、上記発光装置１が奏する作用効果を実現することができ、また、特に、発光装置１が振動を受けやすい環境におかれることになるが、この場合にも基板２の損傷を抑制することができる。
なお、本発明は、上記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、基板としては、アルミニウム等の熱伝導性が良好で放熱性に優れたべース板の一面に絶縁層が積層された金属製のべース基板を適用してもよい。この場合には、基板の変形を抑制する効果が期待できる。また、発光素子は、ＬＥＤ等の固体発光素子を適用できる。さらに、発光素子の実装個数には特段制限はない。
また、上記実施形態の発光装置は、道路灯や車両用の照明装置、ＬＥＤランプとしての光源や屋内又は屋外で使用される各種照明器具、ディスプレイ装置等の装置本体に組込んで照明装置として構成できる。
１・・・発光装置、２・・・基板、３・・・発光素子（ＬＥＤチップ）、
４・・・取付部材、５・・・機械的固定手段（固定部材）、８・・・熱伝導部材、
１０・・・照明装置、１２・・・装置本体（灯具）、４２・・・凹部、
５１・・・ベース部、５２・・・押圧部、５３・・・保護部、Ｇ・・・間隙、
Ｓ・・・段差

Claims (4)

  1. 複数の発光素子が第一面側に実装された基板と；
    前記基板の側周囲に面し、前記基板の側周囲の全周の周りに間隙を有して配設された側面と、前記基板の前記第一面と対向する第二面側に熱的に接触する底面と、を有する凹部を備えた取付部材と；
    前記取付部材の前記凹部の前記底面よりも高い位置である前記取付部材の表面に固定されたベース部と、前記ベース部から前記凹部の前記底面に向けて傾斜して設けられた押圧部と、を備えた機械的固定手段と；
    を具備し、
    前記押圧部の先端は、前記取付部材の前記表面よりも前記凹部の前記底面側の位置で前記基板の前記第一面側に接触し、
    前記機械的固定手段は、弾性的押圧力によって前記基板を前記取付部材の前記凹部に保持することを特徴とする発光装置。
  2. 前記機械的固定手段は、弾性を有する金属製の板状材料から形成されており、前記ベース部と、前記ベース部から延出された前記押圧部と、前記押圧部と並設するように延出された保護部とを具備することを特徴とする請求項１記載の発光装置。
  3. 前記基板は、セラミックス製で角部がＲ形状をなす多角形状に形成されていることを特徴とする請求項１または２に記載の発光装置。
  4. 装置本体と；
    装置本体に配設された請求項１乃至請求項３のいずれか一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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