JP5742629B2 - 発光装置及びこれを備えた照明器具 - Google Patents
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Description
本実施形態は、ＬＥＤチップ等の発光素子を備える発光装置及びこの発光装置を光源として備える照明器具に関する。
近年、発光素子、特に発光ダイオード（以下「ＬＥＤチップ」と称す。）を用いた発光装置は、白熱電球に代替可能な電球形のＬＥＤランプ等の光源体、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多方面への展開が進んでいる。そして、さらに高出力を目的として、例えばハイパワーと称されるＬＥＤチップを点灯させるものも知られている。
このような大きな光出力の得られるいわゆるハイパワー系のＬＥＤチップを複数実装してモジュール化した場合、チップ面積が大きいことや放熱性の観点などから、小さい光出力のチＬＥＤチップ（面積の小さいチップ）よりも実装間隔を広く設計することが好適であった。
しかしながら、実装間隔が大きくなると、例えば青色のＬＥＤチップからの光を変換するための蛍光体を含有した封止部材から放射される光は、ＬＥＤチップ周辺の蛍光体に対する青色光の強度と、各チップ間への蛍光体に対する青色光の強度が異なるため、封止部材の放射面での色ムラが生じやすくなる問題があった。
そこで、色ムラを解決する方法として封止部材の放射面上に拡散部を備えたものも知られている（例えば、特許文献１参照）
しかしながら、従来の方法では、色ムラを解消するため拡散層を封止部材の表面に設けるだけでは、充分な表面積が得らないため可視光へ変換する際に生じる熱を放熱することができず、光出力が低下してしまうことがあった。特にハイパワー系のＬＥＤチップを用いる場合には発光時の熱も大きくなるため、光出力が高いままで効率的に光を取り出すことが重要である。
また、従来の構成であっても色ムラは軽減することができるが、封止部材の側面方向からも光が放射されるため、配光が広がりすぎてしまうこともあり、投光器やスポットライト等の投光器などのビーム角を必要とする器具では器具効率の低下を招くものであった。
本発明は、上記に鑑みなされたものであり、色ムラを抑制するとともに光束の低下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器具を提供することを目的とする。
本発明の本実施形態における発光装置は、基板と；基板上に形成された導電部と；導電部と電気接続されるとともに基板上に実装された複数の発光素子と；発光素子を覆うように設けられた蛍光体含有の封止部材と；封止部材からの出射する光が入射するように封止部材を覆って設けられているとともに、封止部材の表面側に対して垂直な円柱部を複数有する拡散層と；とからなる。
本発明の実施形態によれば、封止部材とは別体で円柱部を有する拡散層を備えたため、色ムラを抑制できるとともに光束の低下も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器具を提供できる。
実施形態に係る発光装置において、基板には、金属ベース基板やセラミックベース基板及びガラエポからなる樹脂製材料基板等のいずれでも実施可能である。また、例えばＤＣＢ（Direct Copper Bonding）基板、ＤＢＡ（Direct Brazing Aluminum）基板、ＡＭＣ（Active Metal Brazed Copper）基板等を用いることもできる。また、実施形態において、セラミックス基材には、Ａｌ２Ｏ３、ＡＬＮ、ＳｉＮ等の材料を用いることができる。
また、実施形態において、半導体発光素子には、例えばＬＥＤチップや有機ＥＬ等を用いることができる。
以下、本発明の一実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。本実施形態の図１に示す照明器具１００は、発光装置１０を２つ有したスポットライトである。この照明器具１００は、２つの発光装置１０と、被取付部材３と、凹面反射鏡４と、鏡支持部材５とを含む。発光装置１０は、ＣＯＢ（chip on board）型である。
凹面反射鏡４は、アルミニウムで作られた一対の凹面鏡部材４１で構成される。各凹面鏡部材４１の反射面は、放物面に形成されているとともに、鏡面に仕上げられている。凹面鏡部材４１は、光出射側に位置する半円弧状の縁４１ａと、ヒートシンク３１のベース３２側に位置する座部４１ｂを有している。座部４１ｂは、ベース３２に沿う平らに形成されている。凹面鏡部材４１は、座部４１ｂをヒートシンク３１のベース３２の正面に接触させて装着されるネジ４２によってに装着される。
ヒートシンク３１の正面側に固定された一対の凹面鏡部材４１は、受熱部３５の両側に発光装置１０に面しており、この受熱部３５を境に面対称に配置されている。発光装置１０の発光部は、凹面鏡部材４１の放物面によって構成される反射面に対向する。この発光装置１０の発光部中心部Ｐは、凹面鏡部材４１の焦点に位置するように配置されている。
照明器具１００から放射される光束の中心から半径方向に離れた受熱部３５の端部は正面側から鏡押え４５がビスで固定される。鏡押え４５は、受熱部３５に当接される取付片部４５ａと、反射面に沿って折れ曲がった塞ぎ片部４５ｂとを一体に有している。一対の凹面鏡部材４１は、間に受熱部３５が挿入されている分だけ、反射面が離れている。取付片部４５ａが受熱部３５にネジ止めされると、塞ぎ片部４５ｂが凹面鏡部材４１の間の隙間を塞ぐように配置される。これにより、凹面鏡部材４１の縁４１ａと塞ぎ片部４５ｂの先端縁４５ｃとは、円形に近似した形を形成する。
凹面反射鏡４のカバーを兼ねる鏡支持部材５は、円筒形の基部５ａと、この一端からラッパ状に拡がった支え部５ｂとで構成される。支え部５ｂは、基部５ａより大径なテーパー形状であり、正面側から見ると円形である。鏡支持部材５は、基部５ａをベース３２の正面に突き当て、かつ、支え部５ｂを凹面反射鏡４の外周部裏面に接触させることによって、ベース３２と凹面反射鏡４の周部との間に保持される。鏡支持部材５は、凹面反射鏡４を裏側から支持する。
鏡支持部材５は、予めベース３２の正面側に配置されたのち、ベース３２に固定される凹面鏡部材４１よって、保持される。鏡支持部材５の支え部５ｂに形成される開口縁５ｃは、凹面鏡部材４１の縁４１ａ及び鏡押さえ４５の先端縁４５ｃよりも前側、つまり、光出射側に位置されている。凹面反射鏡４及び鏡押え４５は、鏡支持部材５内に収納される。ケーブル孔５ｄは、給電端子に接続される絶縁被覆電線を通すために設けられている。
次に発光装置１０について図２、３を参照して説明する。
発光装置１０は、ＣＯＢ（chip on
board）型のものであって、図２，３に示すように基板１１と、複数の半導体発光素子例えばＬＥＤチップ２１と、枠部２５と、透光性の封止部材２７、拡散層６を具備している。
board）型のものであって、図２，３に示すように基板１１と、複数の半導体発光素子例えばＬＥＤチップ２１と、枠部２５と、透光性の封止部材２７、拡散層６を具備している。
基板１１は例えばＤＣＢ基板からなる。具体的には、図３等に示すように基材１２と、正面金属部材１４と、給電部１６と、裏面金属部材１８を備えている。
基材１２は、Ａｌ２Ｏ３、ＡＬＮ、ＳｉＮ等のセラミックス材料の平板で形成されている。
図３に示すように基材１２の正面をなす一面はＬＥＤチップ２１が実装される実装面１２ｂであり、基材１２の裏面１２ｃは実装面１２ｂと反対側の他面からなり、これら両面は平行である。
正面金属部材１４及び給電部１６は基材１２に対してその正面側に配置されている。詳しくは、基材１２の実装面１２ｂにＤＣＢ法により正面金属部材１４及び給電部１６が直接接合されている。正面金属部材１４はＬＥＤチップ２１の放熱及びこのチップの光りを反射するために設けられている。
裏面金属部材１８は基材１２に対してその裏面１２ｃ側に配置されている。詳しくは、基材１２の裏面１２ｃにＤＣＢ法により裏面金属部材１８が直接接合されている。正面金属部材１４、給電部１６、及び裏面金属部材１８はいずれも銅板である。
ＤＣＢ法による直接接合では、銅板の一面に酸化銅被膜を形成し、この酸化銅被膜をセラミックス製の基材１２に向けて基材１２に前記銅板を配置し、加熱炉において銅板の溶融温度より低く酸化銅被膜の溶融温度より高い温度で加熱することにより、銅板とセラミックス製の基材１２の接合界面に共晶溶融物を形成して、この共晶溶融物により前記銅板を基材１２の実装面１２ｂ又は裏面１２ｃに接合する。
実装面１２ｂに直接接合された正面金属部材１４は、マトリクス状に分割された複数のパターン部１４ａからなる。各パターン部１４ａは複数のＬＥＤチップ２１の実装位置に対応して縦横に間隔的に並べられ既述のようにマトリクス状に配設されている。
実装面１２ｂに直接接合された給電部１６は、パターン部１４ａの配列方向（例えば図５において左右方向）にこれらパターン部１４ａを間に置いて、これらパターン部１４ａの両側に隣接して配置されている。これら一対の給電部１６の一端部が実装面１２ｂに直接接合されていて、パターン部１４ａの配列方向の端に配置されたパターン部１４ａに夫々隣接して設けられている。
正面金属部材１４及び給電部１６の表面には、これら正面金属部材１４及び給電部１６より遥かに薄い図示しない金属層が積層されている。この金属層は、前記表面に例えば略３μｍの厚みでメッキされたニッケルメッキ層等からなる下地メッキ層と、この上に例えば略０.３μｍの厚みでメッキされた表層メッキ層とからなり、表層メッキ層は例えば銅又は銀或いは金等のメッキ層からなる。表層メッキ層を銀メッキ層で形成することは、正面金属部材１４をなす各パターン部１４ａでの光反射性能を高く確保できる点で好ましい。
基材１２の裏面１２ｃにＤＣＢ法により直接接合された裏面金属部材１８は、基板１１の反り防止及び放熱等のために設けられていて、好ましくは図３に示すように基材１２の裏面１２ｃの略全域を覆っている。この裏面金属部材１８は、平板であるとともに、図１〜図３に示すように複数例えば２箇所に固定部１８ａを一体に有している。
固定部１８ａは、基材１２の周部より突出されている。この固定部１８ａにねじ通し部例えばねじ通孔１９が形成されている。ねじ通し部は切り欠き状の凹みで形成することもできる。
板状の金属素材を材料として基材１２に接合された正面金属部材１４、給電部１６、及び裏面金属部材１８の厚みは、これらが基材１２に直接接合して設けられることにより所望の厚みとすることができ、例えば２００μｍ〜５００μｍの範囲で選択される。
各ＬＥＤチップ２１には例えば青色発光をするＬＥＤチップが用いられている。これらのＬＥＤチップ２１は、サファイア等からなる素子基板上に単色の青色発光をする半導体発光層が積層され、この半導体発光層上に正負一対の素子電極が互いに配置された半導体ベアチップである。
ＬＥＤチップ２１は、その半導体発光層２１ｂと反対側に位置する素子基板２１ａの裏面をダイボンド材２２で各パターン部１４ａに夫々固定することによって基材１２の実装面１２ｂ上に実装されている。ダイボンド材２２は、銀ベースト又は樹脂接着剤例えば透明シリコーン樹脂等からなる。
各ＬＥＤチップ２１の実装は約３００℃の温度をかけながら行われる。この場合、正面金属部材１４及び給電部１６が基材１２の実装面１２ｂに占める面積と、裏面金属部材１８が基材１２の裏面１２ｃに占める面積との差、言い換えれば、これらの面積と厚みを元に換算が可能な基材表裏面での金属材のボリューム差に基づいて、基材１２の実装面１２ｂ側が凸となり裏面１２ｃ側が凹となるように基材１２が反ることを、正面金属部材１４及び給電部１６の厚みより裏面金属部材１８の厚みが薄いことにより抑制できる。
枠部２５は、複数のＬＥＤチップ２１、ＬＥＤチップ２１が実装されている正面金属部材１４及び給電部１６の周囲を覆うように基材１２上に設けられている。そして、この枠部２５は、光反射率が高くなるように形成されているものであって、本実施形態では、白色のシリコーン樹脂及びフィラーを備えて形成されており、可視光反射率が８０％以上となっている。
この枠部２５の内側には、複数のＬＥＤチップ２１を覆うように封止部材２７が充填されて設けられている。この封止部材２７はガス透過性を有する透光性合成樹脂例えば透明シリコーン樹脂で作られている。そして、
封止部材２７には図示しない蛍光体が適量混ぜられている。蛍光体は、ＬＥＤチップ２１が発する光で励起されて、ＬＥＤチップ２１が発する光の色とは異なる色の光を放射する。ＬＥＤチップ２１が青色光を発する本実施例１では、発光装置１０が白色光を出射できるようにするために、蛍光体に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。このように蛍光体が混ぜられた封止部材２７は、その蛍光体が発光するので、発光装置１０の発光部をなす。
封止部材２７には図示しない蛍光体が適量混ぜられている。蛍光体は、ＬＥＤチップ２１が発する光で励起されて、ＬＥＤチップ２１が発する光の色とは異なる色の光を放射する。ＬＥＤチップ２１が青色光を発する本実施例１では、発光装置１０が白色光を出射できるようにするために、蛍光体に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。このように蛍光体が混ぜられた封止部材２７は、その蛍光体が発光するので、発光装置１０の発光部をなす。
また、封止部材２７の表面側２７ａは、枠部２５の頂部２５ａよりも低い位置となるように形成されている。
拡散層６は、封止部材２７の表面側２７ａを覆うように設けられており、さらに枠部２５の外側に露出する部分である外面全体及び枠部２５の外側の基材１２の一部を覆うような周囲拡散部６２が設けられている。
この拡散層６は、透明樹脂であるシリコーン樹脂から成り、内部にはセラミックスからなるフィラーを添加して形成されている。このフィラーは、シリカ、炭酸カルシウム、中空シリカなどを用いることができるが、本実施形態においては、粒子中央に空気層をもつ平均粒径３μｍの中空SiO2を15wt%添加したジメチルシリコーンを用いた。
さらに、拡散層６には、複数の柱状である円柱部６１が一体で形成されている。この円柱部６１は、その中心部分が個々のＬＥＤチップ２１の直上に位置するように設けられていることが望ましい。この円柱部６１は、トランスファモールドにより１６個が形成されており、これら各円柱部６１の側面には約５度のテーパーを設けてある。
本実施形態の照明装置１００の動作について説明する。照明器具１００が点灯されると、発光装置１０の各ＬＥＤチップ２１が発光する。蛍光体入りの封止部材２７は、ＬＥＤチップ２１の光に励起されて白色発光する。封止部材２７が放射する光は、この封止部材２７に対向している凹面鏡部材４１によって反射されて、照明器具１００の光放射方向へ出射される。この一対の凹面鏡部材４１で反射された光の投射パターンは、略円形であり、かつ、これらのパターンは、照明器具１００に対して十分遠方の照射対象上においてほぼ合致してスポットライトのような照射光を実現することができる。
そして、本実施形態の発光装置１０は、封止部材２７の表面側２７ａを覆うように拡散層６を備えているとともに、この拡散層６には円柱部６１が形成されているため、拡散層６のフィラーによる拡散作用に加えて、円柱部６１内で蛍光体からの可視光と蛍光体では変換されなかった青色光との混色が図られるとともに、円柱形状による集光作用によって各円柱部６１から出射する出射光の配光が広がり過ぎないように抑制することができる。さらに、蛍光体によって変換されなかった青色光が円柱部６１で散乱して再び封止部材内に戻ることにもなり、目的とする相関色温度にするための蛍光体量を抑制することもできる。したがって、封止部材２７と別体に円柱部６１を有する拡散層６を有することによって容易に色ムラを抑制できると共に光束の低下の抑制を実現することができる。
また、本実施形態においては、ＬＥＤチップ２１に対して円柱部６１の中心部位置するように設けられているため、各円柱部６１からの出射光にばらつきがないため、総合的な光ムラの抑制効果を高いレベルで得ることができる。
また、本実施形態においては、封止部材２７と拡散層６とを別体で形成していることによって、拡散層６を構成するフィラーとシリコーンが封止部材２７と比較して空気との屈折率差が小さくなることから、封止部材２７のみの場合に比較して光束を向上することができる。また、仮に蛍光体含有の封止部材と拡散層とを一体で形成する場合と比較しても屈折率差は本実施形態のような構成の方が小さくなるため、光束を向上しやすくすることができる。さらに、封止部材２７内で蛍光体に変換されなかった青色光が拡散層６を散乱した後に再び封止部材２７内に入射するため、所望の色温度を実現する場合の蛍光体量が仮に封止部材と拡散層とを一体で形成する場合と比較しても少なくてよい場合がある。いずれにしても設計及び製造において別体で構成する場合の方が効果的である。
また、本実施形態においては、拡散層６は、封止部材２７の表面側２７ａを覆うように設けられており、さらに枠部２５の外側に露出する部分である外面全体及び枠部２５の外側の基材１２の一部を覆うように周囲拡散部６２が設けられている。この構成によって、封止部材の表面側２７ａの枠部２５側から出射した光であって、枠部２５に反射せず直接外方へ出射するような光路の光であっても、周囲拡散部６２によって配光が広がることを抑制するとともに、この光が蛍光体で変換されなかった青色光であるとしても、この周囲拡散部６２によって、再び封止部材２７内に散乱されて戻ることになり、色ムラをさらに抑制することができる。
また、本実施形態においては、封止部材２７の表面側２７ａは、枠部２５の頂部２５ａよりも低い位置となるように形成されているため、封止部材２７内における側面方向又は斜め上方方向の光路となる光は、枠部２５によって内側方向に反射されるため、配光が広がりすぎることを抑制することができるとともに、円柱部６１が形成されている拡散層６に光が入射されやすくなるため、色ムラの抑制、光束の低下抑制及び配光角度の抑制化を容易に実現できることになる。
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
６…拡散層、１１…発光装置、１６…導電部、２１…発光素子であるＬＥＤチップ、２５…枠部、２７…封止部材、６１・・・円柱部
Claims (5)
- 基板と；
基板上に形成された導電部と；
導電部と電気接続されるとともに基板上に実装された複数の発光素子と；
発光素子を覆うように設けられた蛍光体含有の封止部材と；
封止部材からの出射する光が入射するように封止部材を覆って設けられているとともに、封止部材の表面側に対して垂直な円柱部を複数有する拡散層と；
を具備し、
円柱部は、直径が発光素子の外形寸法よりも大きく、円柱部の中心軸が、発光素子を通過するように配置されていることを特徴とする発光装置。 - 拡散層は、フィラーを含むシリコーン樹脂からなり、
円柱部の周面は、封止部材の表面側とは反対側の端面側に向かって直径が次第に小さくなるテーパを有することを特徴とする請求項１に記載の発光装置。 - 複数の発光素子の周囲であって、複数の発光素子を囲うように設けられた枠部を有し、
封止部材は、枠部の内側に設けらされ、
拡散層は、枠部の外面を全て覆うよう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。 - 封止部材は、枠部の上部よりも低い位置で形成されていることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１項に記載の発光装置。
- 請求項１ないし４いずれか１項に記載の発光装置と；
発光装置が設けられる器具本体と；
を具備することを特徴とする照明装置。
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