JP5994258B2 - 発光装置及びその製造方法及びそれを用いた照明器具及び発光装置の透光基板 - Google Patents

Description

本発明は発光ダイオード（ＬＥＤ：Ｌｉｇｈｔ Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｄｉｏｄｅ）等の半導体発光素子を光源とした発光装置とその製造方法、及びそれを用いた照明器具に関するものであり、詳しくは光源波長を変換する波長変換部材を備えた発光装置とその製造方法、それを用いた照明器具、及びその発光装置の透光基板に関するものである。

窒化ガリウム系化合物半導体を用いた青色ＬＥＤ素子等の半導体発光素子を用い、蛍光体を含む波長変換部材により波長を変換して、白色等の色合いの光を出す発光装置が開発されている。この発光装置は、小型、軽量、省電力等の特長を有し、種々の用途に広く用いられている。

この発光装置に用いるＬＥＤ等の半導体発光素子の発光寿命は長いが、蛍光体又は蛍光体を含む波長変換部材を構成する樹脂材料の劣化が起こり、蛍光体又は波長変換部材の寿命により発光装置の寿命が決まってしまうという問題がある。

そこで蛍光体又は波長変換部材を交換可能な構成とすることによって、発光装置の寿命を延ばすことのできる半導体発光素子を用いた発光装置が提案されている。当該発光装置は、予め凹部を形成し、凹部内にＬＥＤ等の発光素子を実装した発光素子基板と、当該発光素子基板と対向し波長変換部材を備えた対向基板とからなり、発光素子基板に形成された突起により対向基板が交換可能な状態で嵌合保持される構造となっている（例えば、特許文献１を参照）。

特開２００３−１１０１４６号公報

特許文献１の発光装置は、発光素子が発した光が発光素子基板と対向基板からなる発光装置内で多重反射するため反射の度に光量が減衰し、光の利用効率が低下するという問題がある。

本発明はこのような課題を解決するためになされたものであり、発光装置内での多重反射を低減した光の利用効率が高い発光装置とその製造方法とそれを用いた照明器具とを得ることを目的とする。

本発明の発光装置は、発光素子が実装された発光素子基板と、波長変換部材と波長変換部材の周囲に透光性の介在部材とが設けられており、発光素子基板と対向して配された透光基板と、を有し、介在部材は、断面が台形で、断面視において台形のお互いに平行な一組の辺のうち、短い辺が発光素子基板側で、長い辺が透光基板側となるように設けられており、介在部材の発光素子側側面のテーパー角が０°より大きく、かつ反発光素子側側面のテーパー角よりも小さく、複数並べられた前記発光素子の間で一部が重なり合うように形成されているものである。

また、本発明の発光装置の製造方法は、透明基板上に透光性の介在部材を形成する工程と、介在部材の内側に波長変換部材を形成する工程と、発光素子基板上に発光素子を実装する工程と、透光基板と発光素子基板とを対向して重ね合わせる工程とを有し、介在部材は、断面が台形で、断面視において前記台形のお互いに平行な一組の辺のうち、短い辺が前記発光素子基板側で、長い辺が前記透光基板側となるように設けられ、介在部材の発光素子側側面のテーパー角が０°より大きく、かつ反発光素子側側面のテーパー角よりも小さく、複数並べられた前記発光素子の間で一部が重なり合うように形成されているものである。

本発明の発光装置は、介在部材に入射した光が反発光素子側側面の面内で反射して、発光装置から直接出射するため多重反射を低減することができ、光の利用効率の高い発光装置を得ることができる。

本発明の発光装置の製造方法は、介在部材に入射した光が反発光素子側側面で反射して、発光装置から直接出射するため多重反射を低減することができ、光の利用効率の高い照明装置を製造することができる。

本発明の実施の形態１に係る発光装置の断面模式図である。 本発明の実施の形態１に係る発光装置の上面図である。 本発明の実施の形態１に係る透光基板の断面模式図である。 図１の破線丸で囲んだ部分の部分拡大図である。 本発明の実施の形態１に係る発光装置の製造方法を示す工程図である。 本発明の実施の形態２に係る狭ピッチＬＥＤ素子に対応した透光基板の平面模式図である。 図６に示した透光基板のＡ−Ａ断面の断面模式図である。 図６に示した透光基板のＢ−Ｂ断面の断面模式図である。

実施の形態の説明及び各図において、同一の符号を付した部分は、同一又は相当する部分を示すものである。また、実施の形態において、発光素子とは、半導体基板から切り出された半導体チップをパッケージ加工して、単独で照明用電子部品として用いることができる状態としたものを言い、発光装置とは、１個又は複数の発光素子をプリント配線板等の回路基板上に実装し、必要に応じて波長変換層等を備え、動作、機能する状態としたものを言う。さらに照明器具とは、１個又は複数の発光装置を組み合わせ、物品を照らす目的で、単独で操作、使用できるようにしたものを言う。

実施の形態１．
＜発光装置の構成＞
図１〜３を用いて本発明の発光装置１の構成を説明する。図１は本発明の実施の形態１に係る発光装置１の断面模式図である。また、図２は本発明の実施の形態１に係る発光装置１の上面図であり、図３は本発明の実施の形態１に係る透光基板１０ａの断面模式図である。

図１に示すように、プリント配線板２上に発光素子３が実装されており、発光素子基板４が構成されている。発光素子３は、例えばＩｎＧａＮ系の青色ＬＥＤである。この発光素子基板４と対向して、壁状の介在部材５ａと波長変換部材６ａを透明基板７ａ上に形成した透光基板１０ａを、発光素子３の中心と波長変換部材６ａの中心とが略一致するように重ね合わせる。発光素子基板４と透光基板１０ａとは上下から挟み込まれ、基板端で冶具により固定される。

この透明基板７ａ上に形成した壁状の介在部材５ａは、透明であり、さらに図２の上面図に示したようにリング形状をしており、波長変換部材６ａがその内部に形成されている。本実施の形態においては、壁状の介在部材５ａの内径は５ｍｍとした。

本実施の形態においては、発光素子３はＩｎＧａＮ系の青色ＬＥＤが用いられており、この青色ＬＥＤの出射光の一部が蛍光体により黄色に変換され、出射光の残りがそのまま青色として用いられる、いわゆる疑似白色方式を用いて発光装置１を形成する。従って、本実施の形態において、波長変換部材６ａには、青色を黄色に変換するＹＡＧ（イットリウム・アルミニウム・ガーネット）系蛍光体を付加型シリコーン樹脂中に分散させて用いた。なお、波長変換部材６ａの厚みは０．３ｍｍであり、詳細な波長変換部材の形成方法は後述する。

図３を用いて、本実施の形態の透光基板１０ａをさらに詳細に説明する。透光基板１０ａは、前述のように、透明基板７ａ上に、リング形状の壁状の介在部材５ａと、その内部に波長変換部材６ａが形成された構成をしている。壁状の介在部材５ａは、その形成時の抜型をスムーズにするために、断面はほぼ台形となるように形成されている。

透明基板７ａは厚み０．１８８ｍｍのポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）フィルム（東レ社製、ルミラー）を用いた。また壁状の介在部材５ａは、紫外線硬化型のポリウレタン樹脂を用いて形成し、本実施の形態においては、壁状の介在部材５ａの断面は台形の形状で、高さは約１．５ｍｍとし、台形のお互いに平行な一組の辺のうち短い辺の長さは約１ｍｍとした。

本実施の形態においては、壁状の介在部材５ａは、透明で弾力性を有するポリウレタン樹脂を用いて形成している。そのため、発光素子基板４と透光基板１０ａを重ね合わせ、冶具（図示せず）により固定される時、壁状の介在部材５ａはややつぶれた形状となり、発光素子基板４と透光基板１０ａを安定して固定することができる。

本実施の形態において、透明基板７ａは厚み０．１８８ｍｍのＰＥＴフィルムを用いたが、特に限定するものではない。厚みは自己支持可能な厚みで、かつ重量があまり重くならない範囲であれば良く、０．０５ｍｍ以上５ｍｍ以下、好ましくは０．１ｍｍ以上１ｍｍ以下であれば、用いることができる。また透明基板７ａの材料は、透明であればよく、ポリカーボネート樹脂、アクリル樹脂、ＡＢＳ樹脂、ＡＳ樹脂等のプラスチック材料を用いることができる。

また、本実施の形態においては、壁状の介在部材５ａは紫外線硬化型のポリウレタン樹脂を用いたが、特に限定するものではなく、透明の材料であれば用いることができ、本実施の形態で用いたポリウレタン樹脂の他に、アクリル樹脂、シリコーン樹脂、エポキシ樹脂等を用いることができる。

透光基板１０ａ上に壁状の介在部材５ａを形成した時に、基板の反りが生じることが考えられる。この観点からは、壁状の介在部材５ａは使用温度においてゴム状態を維持したシリコーン系樹脂を用いることが有効である。

この壁状の介在部材５ａは、発光素子基板４と透光基板１０ａを重ね合わせ発光装置１とした時、前述のようにややつぶれた形状となり、両基板の重ね合わせを安定化する機能も有する。この観点からは、壁状の介在部材５ａは柔軟性を有するゴム状樹脂であることが好ましい。ただし、壁状の介在部材５ａ全体をゴム状樹脂で形成する必要は必ずしもなく、透明基板７ａ面にポリウレタン樹脂等のゴム状の樹脂層を形成し、その上にゴム状の性質を示さないアクリル樹脂等で壁状の介在部材５ａを形成しても、発光素子基板４と透光基板１０ａの重ね合わせを安定化することができる。

また、本実施の形態において、壁状の介在部材５ａの高さは約１．５ｍｍとしたが、特に限定するものではない。つまり、壁状の介在部材５ａの高さは、発光装置１とした時の発光素子基板４と透光基板１０ａに必要な間隙に合わせて決めることができ、一般的な発光素子３の大きさを考慮すると、およそ１ｍｍから５ｍｍの範囲で適した値を用いる。

本実施の形態においては、波長変換部材６ａは、蛍光体を分散した付加型シリコーン樹脂を用いたが、特に樹脂の種類は限定するものではなく、塗布時液状で、硬化によりフィルム状等の固体化することができる樹脂であれば用いることができる。たとえば、液状付加型シリコーン樹脂以外に、縮合型シリコーン樹脂、アクリルシリコーン樹脂、エポキシ樹脂、メチルシリコーン樹脂等を用いることができる。特にシリコーン系樹脂は、耐熱性が高く、低弾性率であるため透明基板に無理な応力を与えることがなく、反り等を生じる心配がない点で適している。

また、本実施の形態において、波長変換部材６ａの厚みは０．３ｍｍとしたが、特に限定するものではなく、分散した蛍光体の種類、濃度等によって、波長変換の効率、波長変換部材６ａでの光の吸収による効率低下等を考慮し、波長変換部材６ａの厚みを調整して用いることができる。

＜壁状の介在部材の断面形状＞
図３の図中に破線丸で示した部分を拡大した、図４を用いて壁状の介在部材５ａの断面形状を詳細に説明する。図４は壁状の介在部材５ａの断面図で、壁状の介在部材５ａは上面から観察するとリング形状であるが、前述したようにその断面は台形の形状をしている。

図４に示した壁状の介在部材５ａの右側（リング形状の介在部材５ａの内側に相当）に波長変換部材６ａが設けられており、発光装置１を形成した時に発光素子基板４上に実装した発光素子３が波長変換部材６ａに対向した位置、つまり、図４に示した壁状の介在部材５ａの右側に配置される。そこで、壁状の介在部材５ａの右面を発光素子側側面１１、左面を反発光素子側側面１２と呼び、それぞれの面が透明基板７ａの垂線方向より内側に傾いた角度をそれぞれ発光素子側側面１１のテーパー角１３ａ及び反発光素子側側面１２のテーパー角１４ａと呼ぶこととする。

図４において、壁状の介在部材５ａの断面形状は、直線で形成された台形として示しているが、実際の壁状の介在部材５ａは、それぞれの面及び角が丸みを帯びている。この場合、発光素子側側面１１のテーパー角１３ａ、反発光素子側側面１２のテーパー角１４ａは、それぞれの面全体の平均角度と定義する。

＜発光素子から出射した光の経路＞
本実施の形態において、高い光の利用効率を得るための、発光素子３（図示せず）から出射された光の経路を説明する。図４に直線からなる折れ線を用いて光の経路１７の一例を示している。

発光素子３から出射された光は、図４の右下方向から壁状の介在部材５ａの発光素子側側面１１に入射される。その後、最終的に透明基板７ａを透過して、図４の上方向に抜けていくことができれば、発光素子３から出射された光は発光装置１の明るさに寄与することができ、光の利用効率を高くすることができる。

まず、発光素子３から出射し（図示せず）、壁状の介在部材５ａの発光素子側側面１１に右下方向から入射する光は、下方向から入射するほど図４の上方向に容易に抜けることができる。つまり、発光素子３から出射した光で、最も図４の上方向に抜けにくく、有効に利用することが困難な光は、透光基板１０ａ面に平行（図４では横方向）に、壁状の介在部材５ａの発光素子側側面１１に入射する光である考えられる。それに対し、壁状の介在部材５ａの断面形状が図４に示すような台形となっているので、この透光基板１０ａ面に平行な光でさえ図４の上方向に抜けさせることができる。このような壁状の介在部材５ａの形状を適用すれば、光の利用効率に優れた発光装置１を得ることができる。

そこで、透光基板１０ａ面に平行な光が壁状の介在部材５ａの発光素子側側面１１に入射する場合を検討する。本検討では、壁状の介在部材５ａの発光素子側側面１１のテーパー角１３ａは５°とした。また、壁状の介在部材５ａと透明基板７ａの屈折率は１．４と仮定した。壁状の介在部材５ａの屈折率と透明基板７ａの屈折率とを一致もしくは極力近づけることで、壁状の介在部材５ａと透明基板７ａとの界面での光の反射を抑制することができる。

発光素子側側面１１に入射した透光基板１０ａ面に平行な光は、テーパー角１３ａ及び壁状の介在部材５ａの屈折率に応じて、一定の屈折角１５で屈折する。次に、壁状の介在部材５ａの中を透過して、内部から壁状の介在部材５ａの反発光素子側側面１２に到達する。

この光は、反発光素子側側面１２の垂線から所定の入射角度１６で入射し、反発光素子側側面１２の垂線に対し、反対方向に入射角度１６と同一角度で出射し、透明基板７ａを透過して図４の上方向に出射する。

この時、反発光素子側側面１２での内部反射が全反射条件を満たし、透明基板７ａから空気層に透過する時の界面での反射を小さくすることができれば、多重反射が抑制されて効率よく上方向に光を抜けさせることができ、光の利用効率の高い発光装置１を得ることができる。

反発光素子側側面１２のテーパー角１４ａを変えて、種々検討すると、テーパー角１４ａを０°から徐々に大きくしていくとテーパー角１４ａが０°から２１°までは、透明基板７ａと空気層界面で壁状の介在部材５ａに入射した光は全て反射され、上方向に光が抜けることができない。さらにテーパー角１４ａを大きくしていくと、テーパー角１４ａが約４５°の時、反発光素子側側面１２の内部反射が全反射となり、上方向に抜ける光は最大となる。

さらにテーパー角１４ａを大きくすると、透明基板７ａと空気界面での内部反射が徐々に大きくなり、テーパー角１４ａが約６８°の時、再び全反射となった。

壁状の介在部材５ａに入射した、透光基板１０ａに平行な光の、少なくとも５０％が、透明基板７ａから空気層へ出射することができれば、光の利用効率は高いと考えられ、そのためには、以上の検討から、壁状の介在部材５ａの反発光素子側側面１２のテーパー角１４ａは３５°以上５５°以下とすることが必要であり、さらに好ましくは、４０°以上５０°以下と４５°に近い角度に設定することで、高い光の利用効率を確保することができる。

同様の検討を、壁状の介在部材５ａの発光素子側側面１１のテーパー角１３ａについて行なうと、壁状の介在部材５ａに入射した光の５０％以上を利用するためには、０°以上、１０°以下にすることが必要であり、さらに０°以上５°以下と０°に近い方がより光の利用効率を高くすることができ、好ましいことがわかった。

発光素子３から出射し、介在部材５ａに入射した光が反発光素子側側面１２の内面で反射して、発光装置１から直接出射することができるため、多重反射を低減でき、光の利用効率の高い発光装置１を得ることができる。

＜発光装置の製造方法＞
図５に従って、本実施の形態の発光装置１の製造方法を説明する。図５は、本発明の実施の形態１に係る発光装置１の製造方法を示す工程図である。

まず透明基板７ａ上に連続した壁状の介在部材５ａを形成する（図５（ａ）、（ｂ））。壁状の介在部材５ａの形成は、モールドプリント法を用いて行なった。次に、蛍光体粉末を液状付加型シリコーン樹脂（モメンティブ・パフォーマンス・マテリアル・ジャパン製 ＴＳＥ３０３３）に分散して、それをディスペンサを用いて連続した壁状の介在部材５ａの内側に一定量流し込み、室温に放置して０．３ｍｍの厚みにレベリングした。この時、壁状の介在部材５ａは、蛍光体粉末が分散された液状付加型シリコーン樹脂を内側に溜め込む壁（ダム）の役割をする。これをオーブンで硬化して、波長変換部材６ａを形成した（図５（ｃ））。

次にプリント配線板２に発光素子３を実装した。発光素子３は、前述のように青色ＬＥＤが用いられる。発光素子３を実装した発光素子基板４と、壁状の介在部材５ａと波長変換部材６ａを形成した透光基板１０ａを、発光素子３と波長変換部材６ａのそれぞれの中央が一致するように重ねわせ（図５（ｄ））、基板端で冶具（図示せず）によって固定して、発光装置１が得られた（図５（ｅ））。

以上のように、製造した発光装置１は工程が簡単であるため低コストで製造することができ、また発光素子３から発した光の利用効率が高いため、明るい発光装置１を得ることができた。

本実施の形態においては、壁状の介在部材５ａはモールドプリント法を用いて形成したが、特に限定するものではなく、インサート成形法、接着による貼り付け法等の成形方法を用いることができ、また、透明基板７ａと壁状の介在部材５ａとをインジェクション成形法を用いて一体に成形することもできる。

本実施の形態で説明した発光装置１をアレイ状に複数配置して筐体に固定し、照明器具として用いることができる。この照明器具は、使用する発光装置１の製造工程が容易であるため安価に、また光の利用効率が高いため低消費電力の優れた特性を示した。

また、本実施の形態で説明した発光装置１を構成する透光基板１０ａは、発光素子基板４と基板端で冶具を用いて固定しているので、冶具をはずすだけで取り外すことができ、本実施の形態の発光装置１は、透光基板１０ａを容易に交換できる。

実施の形態２．
実施の形態１では、複数の発光素子に対して複数の壁状の介在部材５ａは離れて設けられていたが、実施の形態２では、複数の発光素子３を狭ピッチで並べ、複数の壁状の介在部材がそれぞれの一部が重なり合うように形成されている点が実施の形態１と相違し、それ以外は実施の形態１と同様である。複数の壁状の介在部材はそれぞれ一部が重なり合うように形成されているので、発光装置１の出射光の輝度を上げることができる。

図６〜８を用いて、複数の発光素子３を並べて用い、狭ピッチで実装された発光装置１の構成例を示す。図６は本発明の実施の形態２に係る狭ピッチで並べられた発光素子３に対応した透光基板１０ｂの平面模式図である。図７は、図６に示した透光基板１０ｂのＡ−Ａ断面の断面模式図である。図８は、図６に示した透光基板１０ｂのＢ−Ｂ断面の断面模式図である。

本実施の形態においては、発光素子３として、青色ＬＥＤを用い（図示せず）、青色ＬＥＤが狭ギャップで３個連続して実装された例を示したが、青色ＬＥＤの数は特に限定するものではなく、複数であれば用いることができる。

透明基板７ｂ上に形成された壁状の介在部材５ｂは、発光装置１を組み立てた時に青色ＬＥＤに対向する位置に形成された波長変換部材６ｂの周囲にリング形状に形成され、また、青色ＬＥＤが狭ピッチで実装されているため、リング形状の壁状の介在部材５ｂはそれぞれの一部が重なりあった形状に形成された。

リング形状の壁状の介在部材５ｂが重なりあった部分では、その断面形状が図７に示したように左右対象となるため、壁状の介在部材５ｂに入射した光は、必ずしも効率よく反射することができない。しかし、重なりあった壁状の介在部材５ｂの外周部分では、実施の形態１の図４等で説明したように、発光素子側側面１１のテーパー角１３ｂを小さく、反発光素子側側面１２のテーパー角１４ｂを大きくすることができ、実施の形態１と同様のテーパー角とすることで光の利用効率の高い発光装置１を得ることができる。

なお、実施の形態１及び実施の形態２のいずれにおいても、壁状の介在部材の形状はリング形状の場合を示したが、円形、長円形、楕円形であれば同様の効果が得られることは言うまでもない。さらに、矩形枠形状や三角枠形状等の多角形枠形状であってもほぼ同様の効果が得られる。その場合は、壁状の介在部材の発光素子側側面１１及び反発光素子側側面１２と光との角度関係が特に枠の角部分ではばらつくこととなり、光の利用効率は幾分低下するが、本発明を適用しない場合に比べると十分に高い光の利用効率を得ることができる。

１ 発光装置、２ プリント配線板、３ 発光素子、４ 発光素子基板、５ａ 介在部材、５ｂ 介在部材、６ａ 波長変換部材、６ｂ 波長変換部材、７ａ 透明基板、７ｂ 透明基板、１０ａ 透光基板、１０ｂ 透光基板、１１ 発光素子側側面、１２ 反発光素子側側面、１３ａ 発光素子側側面のテーパー角、１３ｂ 発光素子側側面のテーパー角、１４ａ 反発光素子側側面のテーパー角、１４ｂ 反発光素子側側面のテーパー角、１５ 入射光の屈折角、１６ 反発光素子側側面の内部反射角、１７ 光の経路。

Claims (9)

1. 発光素子が実装された発光素子基板と、
   波長変換部材と前記波長変換部材の周囲に透光性の介在部材とが設けられており、前記発光素子基板と対向して配された透光基板と、
   を有し、
   前記介在部材は、断面が台形で、断面視において前記台形のお互いに平行な一組の辺のうち、短い辺が前記発光素子基板側で、長い辺が前記透光基板側となるように設けられており、前記介在部材の発光素子側側面のテーパー角が０°より大きく、かつ反発光素子側側面のテーパー角よりも小さく、複数並べられた前記発光素子の間で一部が重なり合うように形成されていること
   を特徴とする発光装置。
2. 発光素子基板に平行方向へ進行して介在部材に入射した光が、前記介在部材の反発光素子側側面の内面で全反射するように、前記介在部材の発光素子側側面のテーパー角及び前記反発光素子側側面のテーパー角が設定されていること
   を特徴とする請求項１に記載の発光装置。
3. 介在部材の発光素子側側面のテーパー角が、０°より大きくかつ１０°以下であり、前記介在部材の反発光素子側側面のテーパー角が３５°以上かつ５５°以下であること
   を特徴とする請求項１乃至２のいずれか１項に記載の発光装置。
4. 透光基板上に透光性の介在部材を形成する工程と、
   前記介在部材の内側に波長変換部材を形成する工程と、
   発光素子基板上に発光素子を実装する工程と、
   前記透光基板と前記発光素子基板とを、対向して重ね合わせる工程と、
   を有し、
   前記介在部材は、断面が台形で、断面視において前記台形のお互いに平行な一組の辺のうち、短い辺が前記発光素子基板側で、長い辺が前記透光基板側となるように設けられ、前記介在部材の発光素子側側面のテーパー角が０°より大きく、かつ反発光素子側側面のテーパー角よりも小さく、複数並べられた前記発光素子の間で一部が重なり合うように形成されること
   を特徴とする発光装置の製造方法。
5. 透明基板上に透光性の介在部材を形成する工程が、モールドプリント法、インサート成型法、又は接着による貼り付け法のいずれかの工程であること
   を特徴とする請求項４に記載の発光装置の製造方法。
6. 透明基板上に透光性の介在部材を形成する工程が、インジェクション成型法を用いて一体成型する工程であること
   を特徴とする請求項４に記載の発光装置の製造方法。
7. 介在部材の内部に波長変換部材を形成する工程が、蛍光体粉末を分散した液状樹脂を前記介在部材内側に流し込み、レベリング後硬化させる工程であること
   を特徴とする請求項４乃至６のいずれか１項に記載の発光装置の製造方法。
8. 請求項１乃至３のいずれか１項に示した発光装置を、１個又は複数個を備えたこと
   を特徴とする照明器具。
9. 請求項１乃至３のいずれか１項に示した発光装置の透光基板。

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