WO2011037184A1 - 発光装置 - Google Patents

Abstract

　発光装置１であって、中央領域Ｒ１と中央領域Ｒ１に隣接する領域に位置する素子実装領域Ｒ２を有する基板２と、基板２上に設けられ、中央領域Ｒ１および素子実装領域Ｒ２を取り囲む枠体４と、枠体４上に支持されるとともに、基板２と間を空けて対向配置される波長変換部５と、を備えている。さらに、発光装置１は、枠体４で囲まれる領域に中央領域Ｒ１から素子実装領域Ｒ２にかけて凹部Ｐが設けられており、素子実装領域Ｒ２に位置する凹部Ｐには発光素子３が実装されるとともに、素子実装領域Ｒ２に位置する凹部Ｐは発光素子３から発せられる光を波長変換部５に向かって反射する反射面ＲＦを有している。

Description

発光装置

　本発明は、発光素子を含む発光装置に関するものである。

　近年、発光素子を含む光源を有している発光装置の開発が進められている。発光素子を有する発光装置は、消費電力または製品寿命に関して注目されている。この発光素子を有する発光装置は、例えば住宅用照明分野などにおいて、複数の色温度の光を選択的に放射する機能を求められている。

　なお、発光装置として、発光素子から発せられる光を波長変換部で特定の波長帯の光に変換して、外部に取り出すものがある（例えば、特開２００７－２９４８６７号公報、特開２００８－２５１６８５号公報）。発光装置は、発光装置から取り出される光の方向性の調整が求められている。

　本発明の一実施形態に係る発光装置１は、中央領域Ｒ１と中央領域Ｒ１に隣接する領域に位置する素子実装領域Ｒ２を有する基板２と、基板２上に設けられ、中央領域Ｒ１および素子実装領域Ｒ２を取り囲む枠体４と、枠体４上に支持されるとともに、基板２と間を空けて対向配置される波長変換部５と、を備えている。さらに、発光装置１は、枠体４で囲まれる領域に中央領域Ｒ１から素子実装領域Ｒ２にかけて凹部Ｐが設けられており、素子実装領域Ｒ２に位置する凹部Ｐには発光素子３が実装されるとともに、素子実装領域Ｒ２に位置する凹部Ｐは発光素子３から発せられる光を波長変換部５に向かって反射する反射面ＲＦを有している。

本実施形態に係る発光装置の概観を示す断面斜視図である。 本実施形態に係る発光装置の断面図である。 図２に示す発光装置の平面図である。 発光素子から発せられる光が反射面にて反射している状態を示す発光装置の断面図である。 一つの発光素子から発せられる光が反射面にて反射している状態を示す発光装置の平面図である。 複数の発光素子から発せられる光が反射面にて反射している状態を示す発光装置の平面図である。 一変形例に係る発光装置の平面図である。 一変形例に係る発光装置の断面図である。 一変形例に係る発光装置の断面図である。

　以下に添付図面を参照して、本発明にかかる発光装置の実施形態を説明する。なお、本発明は以下の実施形態に限定されないものとする。

　　＜光電装置の概略構成＞
　図１は、本実施形態に係る発光装置１の概観斜視図であって、その一部を断面視している。また、図２は、図１に示す発光装置の断面図である。また、図３は、図２に示す発光装置の平面図である。なお、図３は、波長変換部および封止樹脂を取り除いた状態を示している。

　本実施形態に係る発光装置１は、基板２と、基板２上に設けられる発光素子３と、基板２上に設けられ、発光素子３を取り囲む枠体４と、枠体４上に支持されるとともに、発光素子３と間を空けて対向する波長変換部５と、を含んでいる。なお、発光素子３は、例えば、発光ダイオードであって、半導体を用いたｐｎ接合中の電子と正孔が再結合することによって、外部に向かって光が放出される。

　基板２は、中央領域Ｒ１と中央領域Ｒ１に隣接する領域に位置する素子実装領域Ｒ２を有している。なお、中央領域Ｒ１とは、基板２上であって、枠体４で囲まれる領域の中央部分に位置する領域をいう。また、素子実装領域Ｒ２とは、基板２上であって、枠体４で囲まれる領域における中央領域Ｒ１と枠体４とで挟まれる領域のうち、発光素子３を実装するための領域をいう。

　枠体４で囲まれる領域には、中央領域Ｒ１から素子実装領域Ｒ２にかけて凹部Ｐが設けられている。凹部Ｐは、中央領域Ｒ１に位置する箇所から素子実装領域Ｒ２に位置する箇所にかけて連続して形成されている。なお、本実施形態では、凹部Ｐは、基板２に設けられている。

　凹部Ｐの素子実装領域Ｒ２には、発光素子３が実装される。ここで、枠体４内には、複数の発光素子３が設けられている。

　素子実装領域Ｒ２に位置する凹部Ｐは、平面視して湾曲線と、湾曲線から伸びる一対の対向線とが設けられている。そして、発光素子３は、平面視して湾曲線と一対の対向線で囲まれる領域に配置される。

　基板２の凹部Ｐには、反射面ＲＦが設けられている。反射面ＲＦは、平面視した湾曲線に対応するものであって、凹部Ｐの内壁面の一部である。反射面ＲＦは、発光素子３で発せられる光を反射する機能を備えている。

　凹部Ｐの深さは、例えば０．１ｍｍ以上１ｍｍ以下に設定されている。ここで、凹部Ｐの深さとは、基板２の厚み方向であって、凹部Ｐの底面と凹部Ｐが形成されていない基板２の上面との間の長さである。発光素子３は、凹部Ｐの底面に実装され、発光素子３の厚みは、例えば０．０５ｍｍ以上０．１ｍｍ以下であって、凹部Ｐ内に収まる大きさに設定されている。なお、発光素子３を凹部Ｐ内に実装した状態では、平面視して発光素子３と凹部Ｐの湾曲した湾曲線との間の距離は、例えば０．１ｍｍ以上０．５ｍｍ以下に設定されている。

　基板２は、絶縁性の基板であって、例えば酸化アルミニウム、酸化チタン、酸化ジルコニウムまたは酸化イットリウム等の多孔質材料からなる。基板２が多孔質材料からなるため、基板２の表面は微細な孔が多数形成される。そして、発光素子３から発せられる光が、基板２の表面、例えば凹部Ｐの反射面に照射されて乱反射する。そして、発光素子３が発する光を反射面にて乱反射し、多方向に放射し、発光素子３から発せられる光が特定箇所に集中するのを抑制することができる。

　また、基板２は、例えばアルミナ、ムライトまたはガラスセラミック等のセラミック材料、あるいはこれらの材料のうち複数の材料を混合した複合系材料から構成することができる。また、基板２は、金属酸化物微粒子を分散させた高分子樹脂を用いることができる。

　基板２は、基板２の内外を電気的に導通する配線導体が形成されている。配線導体は、例えばタングステン、モリブデン、マンガンまたは銅等の導電材料からなる。配線導体は、例えば、タングステン等の粉末に有機溶剤を添加して得た金属ペーストを、基板２となるセラミックグリーンシートに所定パターンで印刷し、セラミックグリーンシートを複数積層したものを一体焼成することにより形成することができる。なお、基板２の内外に露出する配線導体の表面には、酸化防止のためにニッケルまたは金等の鍍金層が被着されている。

　発光素子３は、基板２上であって凹部Ｐ内に実装される。具体的には、基板２上の凹部Ｐ内に形成される配線導体上に、例えばロウ材または半田を介して電気的に接続される。

　ここで、発光素子３の発光素子基板表面に、半導体材料からなる発光層を備えている。半導体材料としては、例えばセレン化亜鉛または窒化ガリウム等の半導体を用いることができる。発光層、例えば有機金属気相成長法または分子線エピタキシャル成長法等の結晶成長法により形成することができる。なお、発光素子３は、例えば３７０ｎｍ以上４２０ｎｍ以下の波長範囲の励起光を発する素子を用いることができる。

　枠体４は、基板２と同一組成のセラミック材料から成り、基板２の上面に接着剤を介して積層する。枠体４は、基板２上の発光素子３を取り囲むように設けられており、その内方には、発光素子３を収容するための円形または四角形の貫通孔４ａが設けられている。

　枠体４は、基板２と同様に多孔質材料からなり、枠体４の表面は微細な孔が多数形成される。そして、発光素子３から発せられる光が、枠体４の内壁面にて乱反射する。そして、発光素子３から発せられる光が特定箇所に集中するのを抑制することができる。

　また、断面視して枠体４の内壁面は、下部から上部に向かって外方に傾斜するとともに、枠体４の上端内側には段差４ｂが設けられている。なお、段差４ｂは、枠体４の上部の内周面に沿って形成されている。

　また、枠体４の傾斜する内壁面には、例えばタングステン、モリブデン、銅または銀等から成る金属層と、金属層を被覆するニッケルまたは金等から成る鍍金金属層を形成してもよい。この鍍金金属層は、発光素子３の発する光を反射させる機能を有する。なお、枠体４の内壁面の傾斜角度は、基板２の上面に対して例えば５５度以上７０度以下の角度に設定されている。

　枠体４の段差４ｂは、波長変換部５を支持するためのものである。段差４ｂは、枠体４の上部の内側の高さ位置を、枠体４の上部の高さ位置よりも低くしたものであって、波長変換部５の端部を支持することができる。波長変換部５は、枠体４の上部の内側に設けられる。波長変換部５は、枠体４の上部の内側におさまるように設けられている。

　枠体４で囲まれる領域には、封止樹脂６が充填されている。封止樹脂６は、発光素子３を封止するとともに、発光素子３から発せられる光が透過する機能を備えている。封止樹脂６は、枠体４の内方に発光素子３を収容した状態で、枠体４で囲まれる領域であって、段差４ｂの高さ位置よりも低い位置まで充填される。なお、封止樹脂６は、例えばシリコーン樹脂、アクリル樹脂またはエポキシ樹脂等の透光性の絶縁樹脂が用いられる。

　波長変換部５は、枠体４上に支持されるとともに、発光素子３と間を空けて対向するように設けられる。つまり、波長変換部５は、発光素子３を封止する封止樹脂６と空隙を介して枠体４上に設けられている。接着部７は、波長変換部５の下面の端部から波長変換部５の側面、そして波長変換部５の上面の端部にかけて被着している。接着部７は、波長変換部５の外周を取り囲むように形成されている。

　接着部７は、例えば、ポリイミド樹脂、アクリル樹脂、エポキシ樹脂、ウレタン樹脂、シアネート樹脂、シリコーン樹脂またはビスマレイミドトリアジン樹脂等の熱硬化性樹脂を使用することができる。また、接着部７は、例えば、ポリエーテルケトン樹脂、ポリエチレンテレフタレート樹脂またはポリフェニレンエーテル樹脂等の熱可塑性樹脂を使用することができる。

　接着部７の材料は、枠体４の熱膨張率と波長変換部５の熱膨張率との間の大きさの熱膨張率の材料を選択することができる。接着部７の材料として、このような材料を選択することで、枠体４と波長変換部５とが熱膨張するときに、両者の熱膨張率の差に起因して、両者が剥離しようとするのを抑制することができ、両者を良好に繋ぎ止めることができる。

　接着部７が、波長変換部５の下面の端部にまで被着することで、接着部７が被着する面積を大きくし、枠体４と波長変換部５とを強固に接続することができる。その結果、枠体４と波長変換部５との接続強度を向上させることができ、波長変換部５の撓みが抑制される。そして、発光素子３と波長変換部５との間の光学距離が変動するのを効果的に抑制することができる。その結果、発光素子３から波長変換部５を介して外部に取り出される光は、長期に渡って色温度が変化しにくくすることができ、長期に渡って視認性を良好にすることができる。

　また、波長変換部５は、接着部７を介して枠体４の段差４ｂに固定されている。波長変換部５の端部は、枠体４の段差上に位置しており、枠体４によって波長変換部５の端部側面が囲まれている。そのため、発光素子３から波長変換部５の内部に進入した光が、波長変換部５の内部で、蛍光体によって励起されずに、波長変換部５の端部にまで達することがある。その波長変換部５の端部から枠体４に向かって進行する光を枠体４にて反射することで、反射された光を再び波長変換部５内に戻すことができる。その結果、波長変換部５内に再び戻った光によって蛍光体が励起され、発光装置１の光出力を向上させることができる。

　波長変換部５は、発光素子３から発せられる光が内部に入射して、内部に含有される蛍光体が励起されて、光を発するものである。ここで、波長変換部５は、例えばシリコーン樹脂、アクリル樹脂またはエポキシ樹脂等から成る。そして、その樹脂中に、例えば４３０ｎｍ以上４９０ｎｍ以下の蛍光を発する青色蛍光体、例えば５００ｎｍ以上５６０ｎｍ以下の蛍光を発する緑色蛍光体、例えば５４０ｎｍ以上６００ｎｍ以下の蛍光を発する黄色蛍光体、例えば５９０ｎｍ以上７００ｎｍ以下の蛍光を発する赤色蛍光体が含有されている。なお、蛍光体は、波長変換部５中に均一に分散している。なお、波長変換部５の厚みは、例えば０．３以上１ｍｍ以下に設定されている。

　また、波長変換部５の端部の厚みは一定に設定されている。なお、波長変換部５の厚みは、例えば０．７ｍｍ以上３ｍｍ以下に設定されている。ここで、厚みが一定とは、厚みの誤差が０．１ｍｍ以下のものを含む。波長変換部５の厚みを一定にすることにより、波長変換部５にて励起される光の量を一様になるように調整することができ、波長変換部５における輝度ムラを抑制することができる。

　図４は、発光装置の断面図であって、発光素子から発せられる光を示している。なお、図４の矢印は、後述する多くの光の進行方向を示したものである。また、図４は、波長変換部５および封止樹脂６を取り除いた状態を示している。

　本実施形態によれば、凹部Ｐのなかで、発光素子３を凹部Ｐの中心位置からずらして配置している。かかる凹部Ｐの中心位置からずらした発光素子３は、発光素子３をずらした方向の近傍に位置する凹部Ｐの内壁面に向かって光が、図４に示すように、凹部Ｐの内壁面にて反射して、波長変換部５に進行する傾向にある。そして、波長変換部５に進行する光は、発光素子３をずらした方向とは、反対の方向に向かって多く進行する傾向にある。そのため、凹部Ｐ中に複数の発光素子を設け、凹部Ｐの中心位置からずらして配置し、発光素子から発せられる光を凹部Ｐの内壁面にて反射することで、発光素子から発せられる光の進行方向を調整する。

　仮に、発光素子を枠体で囲まれる領域の中心に一つ配置した場合、発光素子から発せられる光は、放射状に進行するため、枠体で反射する反射光を含めると、波長変換部の中心に光が集中する傾向にある。そのため、波長変換部に光が集中することによって、平面視して波長変換部の中央と端部との輝度バラツキが発生しやすく、視認性が悪くなる。

　一方、本実施形態では、図４に示すように、発光素子３を凹部Ｐの中心位置よりずらして凹部Ｐの端部に設けて、発光素子３から発する光を隣接する凹部Ｐの内壁面ＲＦに対して照射する。そして、凹部Ｐの内壁面ＲＦにて反射した光が、凹部Ｐの発光素子３をずらした側とは反対方向に進行させる。その結果、図５に示すように、発光素子３から発する光が発光素子３を設けた側とは反対側に多く光が進行する。

　図５は、発光装置の平面図であって、波長変換部および封止樹脂を取り除いた状態を示している。また、図５は、平面視したときに１つの発光素子から主に光が進行する領域Ａ１を示すために、発光素子３を１つだけ設けたものを示している。なお、領域Ａ１は、図５において、発光素子３を枠体４内で左側にずらして配置したときに、枠体４内では右側に多く光が進行することを示している。

　図６は、発光装置の平面図であって、波長変換部および封止樹脂を取り除いた状態を示している。図６は、凹部Ｐ中に四つの発光素子３を設けたものであって、領域Ａ１は発光素子３を枠体４内で左側にずらして配置したときに、枠体４内では右側に多く光が進行することを示し、領域Ａ２は発光素子３を枠体４内で上側にずらして配置したときに、枠体４内で下側に多く光が進行することを示し、領域Ａ３は発光素子３を枠体４内で右側にずらして配置したときに、枠体４内で左側に多く光が進行することを示し、領域Ａ４は発光素子３を枠体４内で下側にずらして配置したときに、枠体４内で上側に多く光が進行することを示している。

　本実施形態によれば、図６に示すように、発光素子３を枠体４で囲まれる領域の中心位置からずらして設け、その外周を連続した凹部Ｐで囲むことで、平面視して各発光素子３から発せられる光を枠体４の全面に進行するようにすることができる。その結果、発光素子３上に位置する波長変換部５の全面に進行させることができる。そして、発光素子３から発せられる光によって波長変換部５内で蛍光体を励起する量を、平面視して波長変換部５の全面で略均一になるように調整することができる。その結果、波長変換部５から取り出される光の均一性を向上させることができる。このように、本実施形態によれば、取り出される光の方向性を良好に調整することが可能な発光装置１を提供することができる。

　なお、本発明は上述の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々の変更、改良等が可能である。

　上述した実施形態においては、枠体４で囲まれる領域に発光素子３を４つ配置したものを示したが、発光素子３の数は４つに限られない。例えば、図７に示すように、発光素子３の数を４つ以外に調整してもよい。

　図７では、枠体４内に発光素子３を３つ設け、発光素子３同士を枠体４の中心位置に対して同心円状に位置するとともに、各発光素子３同士の距離を等間隔になるように配置する。そして、凹部Ｐで各発光素子３を取り囲むとともに、各発光素子３と中央領域Ｒ１とを結ぶ線分の外周を取り囲む。これにより、各発光素子から発せられる光の多くの進行方向を調整することができ、枠体４内で波長変換部５に向かって進行する光を波長変換部５の下面全体に照射することができる。

　上述した実施形態では、波長変換部５の厚みを一様にしたものであるが、これに限られない。例えば、図８に示すように、波長変換部５の下面に凹部を形成してもよい。なお、図８は、波長変換部５の下面に凹部を形成した発光装置の断面図である。

　上述した実施形態では、枠体４内に複数の発光素子３を配置するため、発光素子３が照らし出す領域が重なり合い、波長変換部５に進行する光が集中する箇所も存在する。つまり、複数の発光素子３から発せられる光は、波長変換部５に到達するときに、波長変換部５の端部に比べて波長変換部５の中央に集中しやすい。そのため、仮に、波長変換部５の厚みが一様であれば、波長変換部５にて変換される光が、波長変換部５の端部に比べて波長変換部の中央から多く発せられる。かかる場合、波長変換部５中で励起される光の多くが、波長変換部５の中央から多く放射されるため、平面視して波長変換部５の中央と端部とで輝度バラツキが大きくなる。一方、本変形例に係る発光装置１は、波長変換部５の厚みを、波長変換部５の端部側から波長変換部５の中央側に向かって薄くなるように設定することにより、発光素子３から発せられる光によって励起する光の量を、波長変換部５の中央で少なくすることにより、平面視して波長変換部５の中央と端部との輝度バラツキを抑制することができる。

　上述した実施形態では、基板２に凹部Ｐを設け、その凹部Ｐ内に発光素子３を配置したが、これに限られない。例えば、図９に示すように、枠体４の内壁面の下端部を基板２上面に沿って延在させるようにしてもよい。なお、図９は、枠体４の内壁面の下端部に突出部４ｃを設けた発光装置の断面図である。

　枠体４の傾斜する内壁面の下端部を基板２の上面に沿って、基板２の中央領域に向かって延在するように突出部４ｃを形成する。また、突出部４ｃは、基板２の中央領域Ｒ１および素子実装領域Ｒ２を露出するように設定する。さらに、露出する素子実装領域Ｒ２に発光素子３を実装する。そして、発光素子３の発する光を突出部４ｃの側面にて反射させて、波長変換部５に光を進行させるように調整する。

　　＜発光装置の製造方法＞
　ここで、図１または図２に示す発光装置の製造方法を説明する。

　まず、基板２および枠体４を準備する。基板２および枠体４が、例えば酸化アルミニウム質焼結体から成る場合、酸化アルミニウムの原料粉末に、有機バインダー、可塑剤または溶剤等を添加混合して混合物を得る。

　そして、基板２および枠体４の型枠内に、混合物を充填して乾燥させた後、焼結前の基板２および枠体４を取り出す。

　また、タングステンまたはモリブデン等の高融点金属粉末を準備し、この粉末に有機バインダー、可塑剤または溶剤等を添加混合して金属ペーストを得る。そして、取り出した基板２となるセラミックグリーンシートに所定パターンで印刷し、複数のセラミックグリーンシートを積層する。そして、積層した基板２となるセラミックグリーンシートおよび枠体４となる混合物を焼成する。

　また、基板２の凹部内に位置する配線導体の表面にロウ材との濡れ性が良い金属を被着する。具体的には、配線導体の表面に、０．５μｍ以上９μｍ以下の厚みを有するニッケルメッキ層および０．５μｍ以上５μｍ以下の厚みを有する金メッキ層を順次メッキ形成法により被着する。

　次に、基板２の凹部内に位置する配線導体上に、発光素子３を半田を介して電気的に接続する。そして、基板２上の配線パターンに発光素子３を実装した後、発光素子３を取囲むように枠体４を基板２上に接着剤を介して接着する。

　そして、枠体４で囲まれた領域に、例えばシリコーン樹脂を充填して、シリコーン樹脂を硬化させることで、封止樹脂６を形成する。

　次に、波長変換部５を準備する。波長変換部５は、未硬化の樹脂に蛍光体を混合して、例えば、ドクターブレード法、ダイコーター法、押し出し法、スピンコート法またはディップ法等のシート成形技術を用いて、作製することができる。例えば、波長変換部５は、未硬化の波長変換部５を型枠に充填し、硬化して取り出すことによって、得ることができる。

　そして、準備した波長変換部５を枠体４の段差４ｂ上に、樹脂を介して接着することで、発光装置１を作製することができる。

Claims (7)

1. 　中央領域と前記中央領域に隣接する領域に位置する素子実装領域を有する基板と、
   前記基板上に設けられ、前記中央領域および前記素子実装領域を取り囲む枠体と、
   前記枠体上に支持されるとともに、前記基板と間を空けて対向配置される波長変換部と、を備え、
   前記枠体で囲まれる領域に前記中央領域から前記素子実装領域にかけて放射状に広がる凹部が設けられており、
   前記素子実装領域に位置する凹部には発光素子が実装されるとともに、前記素子実装領域に位置する凹部は前記発光素子から発せられる光を波長変換部に向かって反射する反射面を有していることを特徴とする発光装置。
2. 　請求項１に記載の発光装置であって、
   前記凹部は、前記基板に設けられることを特徴とする発光装置。
3. 　請求項１に記載の発光装置であって、
   前記枠体は、前記枠体の内壁面の下端部が前記基板の上面に沿って突出し、前記中央領域および前記素子実装領域を露出することを特徴とする発光装置。
4. 　請求項１に記載の発光装置であって、
   平面視して前記素子実装領域にまで延在される凹部のそれぞれに発光素子が実装されていることを特徴とする発光装置。
5. 　請求項４に記載の発光装置であって、
   前記発光素子のうち、２つの発光素子は、平面視して前記中央領域に対して対称位置に配置されていることを特徴とする発光装置。
6. 　請求項１乃至請求項５のいずれかに記載の発光装置であって、
   前記反射面は、平面視して湾曲していることを特徴とする発光装置。
7. 　請求項１乃至請求項６のいずれかに記載の発光装置であって、
   前記基板または前記枠体は、多孔質材料からなることを特徴とする発光装置。

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