JP6053621B2

JP6053621B2 - 発光デバイス

Info

Publication number: JP6053621B2
Application number: JP2013130230A
Authority: JP
Inventors: 浩之塚田; 福田　匡広; 福田　　匡広; 康生中西; 豪一郎広瀬
Original assignee: Citizen Electronics Co Ltd; Citizen Watch Co Ltd
Current assignee: Citizen Electronics Co Ltd; Citizen Watch Co Ltd
Priority date: 2013-06-21
Filing date: 2013-06-21
Publication date: 2016-12-27
Anticipated expiration: 2033-06-21
Also published as: JP2015005633A

Description

本発明は、発光ダイオード（以下ＬＥＤという）を用いた発光デバイスに関し、特にＬＥＤの光を蛍光体により波長変換して、白色光を発光する発光デバイスに関する。

ＬＥＤは長寿命で、小型で発光効率がよく、発光色が鮮やかであるから、照明用の小型の電子部品として広く利用されてきた。更に、ＬＥＤと蛍光体を組み合わせて白色光を発光する発光デバイスは、小型化に適しており照明装置、液晶ディスプレイ、携帯電話や携帯端末のバックライトとして、広く利用されている。

蛍光体がＬＥＤの発光した光を吸収し、吸収した波長の光と異なる波長の光に波長変換して発光する原理を利用して、ＬＥＤの発光光路に蛍光体を含有する蛍光体層を配置し、例えば、青色発光ＬＥＤは、ＹＡＧ系の黄色蛍光体で波長変換し、青色光と黄色光を混合して白色光を発光する発光デバイスを実現している。

この発光デバイスにおいて、蛍光体層を支持部材上部へ配置して蛍光体層とＬＥＤの間に断熱層としての空気層を形成し、さらに蛍光体層の上面に放熱層が形成された発光デバイスが知られている。（特許文献１参照）

ところで、蛍光体は、温度の上昇に応じて内部量子効率が低下し、変換した光の発光量が低下することが知られている。そこで特許文献１に示す従来の発光デバイスは、蛍光体層とＬＥＤの間に断熱層としての空気層を形成することで、ＬＥＤから発生する熱が蛍光体層に伝わりにくくなるため、ＬＥＤの熱に由来する蛍光体の内部量子効率の低下が低減される。また、蛍光体自身も吸収した光を波長変換して放出する際に熱を出すが、蛍光体層の上面に形成された放熱層が熱を奪い、外気へと熱を放出するため内部量子効率の低下が低減される。この様に、特許文献１によれば、蛍光体の内部量子効率は低下量を減らすことができるため、効率よく蛍光体から光を取り出すことが可能となり、結果として発光デバイス全体の輝度を向上することができる。

特許第５１００７４４号公報（第５頁、図５、図７）

しかしながら、特許文献１に示す従来の発光デバイスは、蛍光体層を薄い放熱層が覆っているだけであって、特段効率的に放熱層表面から熱を逃がせるような構造ではなく、蛍光体層の発熱に対する放熱が不十分であった。つまり、従来の発光デバイスは、十分な放熱性能を有していないので、蛍光体の励起発熱が最大で２５０℃の高温となってしまい、効率的に外部に光を取り出すことができる発光デバイスとすることができなかった。

本発明の目的は、蛍光体層とＬＥＤの間に空気層を有する発光デバイスにおいて、蛍光体が波長変換する際に発生する熱をより効果的に放熱することによって、蛍光体の内部量子効率を向上させることで蛍光体層からより効率的に光を取り出すことのできる発光デバイスを提供するものである。

本発明の発光デバイスは、上記目的を達成するために、下記記載の構成を採用するものである。

基板上のＬＥＤ実装部に実装したＬＥＤと、ＬＥＤ実装部を取り囲む枠体と、枠体の上部にあって、ＬＥＤとの間に空気層を介して配置された蛍光体層と、を有する発光デバイスにおいて、蛍光体層の上に配置されたフィンを有し、フィンは支持部材によって前記枠体に固定され、前記支持部材は、金属の梁部材又は透光性部材からなる梁部材であることを特徴とする。

本発明に係る発光デバイスは、上記構成に加えて、フィンは金属、又は白色セラミクスであると良い。

本発明に係る発光デバイスは、上記構成に加えて、フィンは透明セラミクスであると良い。

以上のように本発明の発光デバイスによれば、蛍光体層の上に配置されたフィンによって蛍光体の波長変換時に発生する熱を放熱することができるから、蛍光体の温度上昇を抑制でき、結果的に蛍光体の内部量子効率を向上することができる。これにより、蛍光体層からより効率的に波長変換された光を取り出すことができる発光デバイスの提供が可能となる。

また、フィンが支持部材に支持され、その支持部材が枠体に固定されていることによって、フィンの重さが蛍光体層に影響を及ぼすことがなくなる。この様な構成とすることにより、例えシリコン等で形成された強度の弱い蛍光体層の上であっても、問題なくその表面にフィンを載せることが可能となる。

また、上述したフィンの向きを制御することによって、光の配光特性を容易に変えることが可能であるため、出射光を集光させたり、逆に広角に配光を変更することも可能となる。

本発明の実施形態１における発光デバイスの外観を示す斜視図である。本発明の実施形態１における発光デバイスの図１のＸ−Ｘ断面で、構成を説明するための断面図である。本発明の実施形態２における発光デバイスの外観を示す斜視図である。本発明の実施形態２における発光デバイスの分解斜視図である。本発明の実施形態３における発光デバイスの外観を示す斜視図である。本発明の実施形態３における発光デバイスの分解斜視図である。本発明の実施形態４における発光デバイスの、図２と同様断面の、断面図である。

以下、本発明の発光デバイスの実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、以下に説明する実施形態において、いわゆる、青色発光ＬＥＤをＹＡＧ系の黄色蛍光体で波
長変換し、青色光と黄色光を混合して白色光を発光する発光デバイスの例で説明する。

［実施形態１］
本発明の実施形態１の発光デバイスの構成を図１〜図３を用いて説明する。

［実施形態１の発光デバイスの全体構成：図１〜図３］
図１に示すように、実施形態１の発光デバイス１の外観は、基板１２と枠体１３と支持部材１６とフィン２０からなり、フィン２０は、内側から第１フィン２１，第２フィン２２、第３フィン２３が上に向かって拡径した円筒形状で、同心円で３重構造を形成し、支持部材１６の表面側に載置接着されている。以下、第１〜第３フィン２１、２２、２３を総称する場合は、フィン２０と称す。

図２に示すように、発光デバイス１の内部は、青色光を発光するＬＥＤ１１が基板１２のＬＥＤ実装部に実装されている。また、ＬＥＤ１１を中心として取り囲むように設けられた枠体１３が配置され、蛍光体を含有するシート状の蛍光体層１４が枠体１３の上部に配置されている。更に、発光源のＬＥＤ１１とその蛍光体層１４の間に空気層１５を有する上述のリモートフォスファ構造を形成している。

枠体１３は、例えば、白色顔料が混合されたシリコン（登録商標）からなる樹脂で形成されている。蛍光体層１４は、例えば、透光性の樹脂に黄色蛍光体が分散混合されて、厚さ０．５ｍｍ以下のシート状に形成されている。

支持部材１６は、板部材であって、枠体１３の上面と同じ寸法の外形形状であり、その裏面側と、枠体１３と蛍光体層１４の上面が、熱伝導性の良好な接着剤で固着され、その表面側にフィン２０が接着固定されている。そして、支持部材１６の材質は、フィン２０を搭載しても撓むことのない剛性を有し、透光性であって熱伝導性の良好な部材により構成されている。例えば、サファイヤ基板や透光性アルミナセラミクスが望ましい。これにより、フィン２０の重量が蛍光体層１４に直接負荷を与えることが無いため、フィン２０の重量や外部からの衝撃によって蛍光体層１４が破損することを防ぐことができる。

フィン２０の第１〜第３フィン２１、２２、２３のそれぞれの拡径の角度は、ＬＥＤ１１からあらゆる方向に出射する白色の出射光Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３の方向に合わせて設定される。フィン２０の材質は、白色の出射光Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３の光路を妨げることのない、薄い熱伝導性の良好な剛性を有する材料が望ましい。例えば、アルミやスチール等の金属製の薄板、或いは、白色や透明なセラミクスが望ましい。

これにより、蛍光体層１４の蛍光体が光を受けて発生した励起発熱の熱は、支持部材１６に伝熱し支持部材１６の表面からで起こる放熱に加え、フィン２０に伝熱し第１〜第３フィン２１〜２３の表面から放熱することによって、蛍光体層１４に蓄熱することを低減できる。

そして、従来技術においては最大で２５０℃に達していた蛍光体の励起発熱が、このフィン２０と支持部材１６の効率の良い放熱作用によって、蛍光体の使用温度範囲である１５０℃以下に保持することが可能となり、蛍光体の熱による内部量子効率の低下を少なくすることができる。また、ここでは、支持部材１６が剛性を有する形態としているので、フィン２０の自重や、外部からフィン２０へ衝撃が加えられた際においても蛍光体層１４を保護して破損することのない発光デバイスとすることができる。

［実施形態２］
以下、本発明の実施形態２の発光デバイス２を図３、図４に基づいて具体的に説明する
。実施形態２の実施形態１と異なるところは、支持部材の形状とそれに関連するフィンの形状であり、その他の構成は、実施形態１と全く同一である。従って、同一の構成部材には同じ番号を付して、重複する構成部材の説明は省略する。

［実施形態２の発光デバイスの全体構成：図３，図４］
図３に示すように、実施形態２の発光デバイス２は、十字形状の支持部材１７が発光部１０の枠体１３と蛍光体層１４の上面に配置されている。また、第５フィン３２と第６フィン３３は、支持部材１７の十字形状の梁部材の腕に係合する溝を有し、溝を支持部材１７に係合して位置決めされている。そして、支持部材１７の十字形状の交点に配置された第４フィン３１と共に３重の同心円の筒形状で上方に向かって拡径して支持部材１７の表面側に載置接着されている。以下、第４〜第６フィン３１、３２、３３を総称する場合は、フィン３０と称す。

支持部材１７の十字形状の梁部材の腕は、フィン３０を搭載しても撓まない剛性を有するので、蛍光体層１４に荷重が加わることがなく、シート状の蛍光体層１４を撓ませることや、破損することがない。

また、支持部材１７は、十字形状の腕の部分が蛍光体層１４の一部を覆うだけなので、白色光が蛍光体層１４から直接出射する面積が大きく、より強い光強度を得ることが可能となる。

図４において、フィン３０と支持部材１７の構成をより詳細に説明する。
第６フィン３３は、その拡径した円筒の円周上の底面に９０°ピッチで係合溝３３１が４箇所形成されている。第６フィン３３の係合溝３３１の幅と深さは、係合する支持部材１７の腕の幅と厚さに一致している。第５フィン３２も同様に、係合溝３２１が４箇所形成されている。

第４フィン３１は、その底面が十字形状の支持部材１７の中央部に載置接着され、第５、第６フィンはそれぞれの係合溝３２１、３３１が支持部材１７の腕の梁部材と係合して載置接着され、実施形態１のフィン２０と同様に３重のフィン３０を形成する。

そして、第５フィン３２、第６フィン３３は、その係合溝３２１、３３１以外の底面部分が直接蛍光体層１４に接着固着されている。蛍光体層１４で励起発熱した熱は、第５、第６フィンに直接伝熱して放熱可能となっている。

従って、蛍光体層１４の励起発熱を支持部材１７とフィン３０に直接伝熱し、放熱することによって、発光デバイス１と同様に蛍光体層１４の蛍光体の熱による内部量子効率の低下を減らすことができる。また、支持部材１７が剛性を有することにより、フィン３０の自重や、外部からフィン３０へ衝撃が加えられた際においても蛍光体層１４を保護して破損することのない発光デバイスを提供することができる。

［実施形態３］
以下、本発明の実施形態３の発光デバイス３を図５、図６に基づいて具体的に説明する。実施形態３の実施形態２と異なるところは、支持部材の形状とそれに関連するフィンの形状であり、その他の構成は、実施形態２と全く同一である。従って、同一の構成部材には同じ番号を付して、重複する構成部材の説明は省略する。

［実施形態３の発光デバイスの全体構成：図５、図６］
図５に示すように、実施形態３の発光デバイス３は、実施形態２の支持部材１７が平板の十文字形状とは異なり、支持部材１８が４枚の短冊状薄板の梁部材で形成されている。
第７〜第９フィン４１、４２、４３からなるフィン４０が同心円状で上に向かって拡径して３重に形成され、梁部材の４枚の支持部材１８と連結して接合されてトラスを形成し、一体化して一つの堅固な剛性を有する枠を形成している。以下、第７〜第９フィン４１、４２、４３を総称する場合は、フィン４０と記す。

薄板でありながら一体化されて一つの堅固な枠を形成したフィン４０と４枚の支持部材１８のそれぞれの底面は、蛍光体層１４の上面に固着され伝熱が良好に形成され、支持部材１８が枠体１３の上面に位置決め載置されて接着で固着される。枠体１３で支持される構成とすることで、フィン４０と支持部材１８が一体化した枠の荷重が蛍光体層１４に荷重が加わることなく、シート状の蛍光体層１４が撓み破損することがない。

また、フィン４０と支持部材１８は、蛍光体層１４の蛍光体が光を受けて励起発熱した熱を直接吸収し伝熱して空気中に放熱する。そして、発光部１０から出射した白色光は、薄板で形成されたフィン４０と支持部材１８にほとんど遮られることなく外部に出射することができ、さらに支持部材１８の蛍光体層１４を覆う面積が非常に少ないことから、白色光が蛍光体層１４から直接出射する面積が大きく、より強い光強度を得ることが可能となる。

フィン４０と支持部材１８の構成をより詳細に説明する。
図６に示すように、第９フィン４３は、その拡径した円筒の円周上の底面に９０°ピッチで係合溝４３１が４箇所形成されている。そして、その溝の幅と深さは、係合する支持部材１８の短冊の厚さと高さに一致している。第７フィン４１と第８フィン４２も第９フィン４３と同様に、係合溝４１１、４２１がそれぞれ４箇所形成されている。そして、これらの係合溝４１１、４２１、４３１と支持部材１８を係合して接合し一体化することにより、トラスを形成して自重により撓むことのない堅固な剛性を有する１つの枠が形成される。

この枠は、フィン４０と支持部材１８の底面を枠体１３と蛍光体層１４に接着し、４本の支持部材１８の突起部１８１と、枠体１３に形成された４箇所の位置決め溝１３１を案内として係合することによって、所定の位置に位置決めされる。フィン４０と支持部材１８は、上述したように、蛍光体層１４の励起発熱を直接伝熱し放熱可能に形成され、しかも、フィン４０と支持部材１８の荷重を枠体１３で支持する構成で、シート状の蛍光体層１４が撓み破損することがない構造である。

そして、フィン４０と支持部材１８は、発光部１０の光の光路をできるだけ妨げない厚さで剛性を有する材料が好ましく、熱伝導性の良好な、例えば、アルミやスチール等の金属製の薄板が望ましく、そして、透明セラミクスであれば更に望ましい。

従って、蛍光体層１４の励起発熱をフィン４０に直接伝熱し、放熱することによって、発光デバイス１と同様に蛍光体層１４の蛍光体の熱による内部量子効率の低下を減らすことができる。また、蛍光体層を覆う支持部材１８面積が発光デバイス１、発光デバイス２よりも少ないため、蛍光体層１４を出た光が支持部材１８の影響を最小限にすることが可能である。また、支持部材１８が剛性を有することにより、フィン４０の自重や、外部からフィン４０へ衝撃が加えられた際においても蛍光体層１４を保護して破損することのない発光デバイスを提供することができる。

［実施形態４］
以下、本発明の実施形態４の発光デバイス４を図７に基づいて具体的に説明する。実施形態４の実施形態１と異なるところは、フィンの形状であり、その他の構成は、実施形態１と全く同一である。従って、同一の構成部材には同じ番号を付して、重複する構成部材
の説明は省略する。

［実施形態４の発光デバイスの全体構成：図７］
図７において、実施形態４の発光デバイス４は、実施形態１と同様に、発光部１０がリモートフォスファ構造であり、そして、透光性の板部材の支持部材１６の上部に同心円状で３重の第１０〜第１２フィン５１、５２、５３からなるフィン５０が配置接着されている。以下、第１０〜第１２フィン５１、５２、５３を総称する場合は、フィン５０と称す。

図７に示すように、実施形態４の発光デバイス４は、実施形態１のフィン２０と異なり反射機能を有するフィン５０が支持部材１６に接着固定されている。これにより、フィン５０の第１０〜第１２フィン５１、５２、５３は、表面が光を反射する面を形成して、発光部１０から支持部材１６を透過してきた白色光を反射する機能を有する。フィン５０の材質は、反射特性の優れた部材が好ましく、例えば、アルミ、ステンの薄板、或いは、白色セラミスクスが望ましい。

第１０フィン５１は、発光デバイス４の中央部で下に向かって拡径する円筒形状であってＬＥＤ１１の中央部分の光Ｌ４を反射する機能を有し、第１１フィン５２は、第１０フィン５１より緩やかな角度で下に向かって拡径する円筒形状であって、第１０フィン５１を同心円で囲み、ＬＥＤ１１の斜め方向の光Ｌ５を反射する機能を有している。第１２フィン５３は、第１１フィン５２を同心円で囲む円筒形状であって、発光デバイス４の最も外側の斜め方向の光Ｌ６を反射する機能を有する。

すなわち、ＬＥＤ１１からあらゆる方向に出射した青色光は、蛍光体層１４で波長変換された黄色光と混合して白色光として発光する。そして、そのほとんどがそれぞれ第１０〜第１２フィン５１、５２、５３によって反射されて発光デバイス４から出射する。

従って、実施形態１〜３の効果に加え、発光デバイス４の発光部１０から出射する光は、フィン５０で反射して発光デバイス４から出射するので、フィン５０の反射角度を設定することで、配光特性の制御が可能な発光デバイス４を提供することが可能となる。また、サファイアガラス等の透明部材でも光を屈折させることによって配光特性を制御することが可能である。

なお、本発明の実施形態においては、発光デバイスの光源は単個のＬＥＤで説明したが、ＬＥＤは複数個であってもよく、そして、フィンの形状は円筒形状だけでなく、楕円の筒状であってもよい。また、フィンの個数も３重に限定するものでなく、１個または３個以外の複数個でもよいが、複数個で構成されるのがより望ましい。

更に、支持部材の梁部材の本数は、４本で説明したが、３本以上の複数本でフィンを搭載しても撓むことのない剛性を有すればよく、その本数に限定するものではない。

なお、本発明は、上述した発光デバイスの実施形態に限定されることはなく、それらの全てを行う必要もなく、特許請求の範囲の各請求項に記載した内容の範囲で種々に変更や省略をすることが出来ることは言うまでもない。

１、２、３、４：発光デバイス
１０：発光部
１１：ＬＥＤ
１２：基板
１３：枠体
１４：蛍光体層板
１５：空気層
１６、１７、１８：支持部材
２０、３０、４０、５０：放熱用フィン
２１：第１フィン
２２：第２フィン
２３：第３フィン
３１：第４フィン
３２：第５フィン
３３：第６フィン
４１：第７フィン
４２：第８フィン
４３：第９フィン
５１：第１０フィン
５２：第１１フィン
５３：第１２フィン
１３１：位置決め溝
３２１、３３１、４１１、４２１、４３１：係合溝
１８１：突起部

Claims

基板上のＬＥＤ実装部に実装したＬＥＤと、前記ＬＥＤ実装部を取り囲む枠体と、前記枠体の上部にあって、前記ＬＥＤとの間に空気層を介して配置された蛍光体層と、を有する発光デバイスにおいて、前記蛍光体層の上に配置されたフィンを有し、前記フィンは支持部材によって前記枠体に固定され、前記支持部材は金属の梁部材又は透光性部材からなる梁部材であることを特徴とする発光デバイス。
前記フィンは金属又は白色セラミクスであることを特徴とする請求項１に記載の発光デバイス。
前記フィンは透明セラミクスであることを特徴とする請求項１に記載の発光デバイス。