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JP2012015466A - 発光装置 - Google Patents

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JP2012015466A
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Ryoji Yokoya
良二 横谷
Keiji Kiba
啓嗣 騎馬
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Panasonic Electric Works Co Ltd
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Abstract

【課題】 発光部での輝度むらと色むらとを軽減でき、均一で連続した発光面を形成できる発光装置を提供する。
【解決手段】 発光装置10は、長尺の配線基板11上に実装された複数の固体発光素子12と、複数の固体発光素子12の光出射面を覆うように共通して設けられ、断面形状が半円あるいは半楕円形状でかつ長手方向に樋状の光学部材13と、光学部材13の光導出面に被覆され、固体発光素子12から導出された光で励起され、波長変換された光を出射する波長変換部材14とを備える。
【選択図】 図1

Description

本発明は、複数の固体発光素子を光源として照明装置等に適用される発光装置に関する。
従来より、配線基板上に複数の固体発光素子を実装した発光装置が知られている(例えば、特許文献1参照)。
前述した特許文献1に記載された発光装置は、各々の青色固体発光素子に黄色蛍光体を被覆することにより白色光を生成できる。
特開2010−123918号公報(図1、請求項1)
通常、発光装置は固体発光素子が点在して設けられている。ところが、固体発光素子の蛍光体は必ずしも均一ではないので全体として色むらを生じる。また、固体発光素子の発光部が小さいために、発光部の輝度が高くなってグレアを生ずる。
前述した特許文献1に記載された発光装置は、これらの課題を解決するために提案されたものであり、固体発光素子列から離間して共通して設けられた蛍光体層および拡散層を通して光を導出する。
ところが、前述した特許文献1に記載された発光装置は、以下に記載する二つの課題を有する。
課題の一つ目は、蛍光体層が固体発光素子から離間して配置されてはいるものの、封止部材が接着層を介して蛍光体層に密着されているために、固体発光素子からの出射光が蛍光体層に直接入射して、蛍光体層への入射密度が固体発光素子の配光や固体発光素子間の距離に依存して不均一となって輝度むらが生ずることである。また、蛍光体層への各部位への入射角度分布も不均一となって色むらが生ずることである。
課題の二つ目は、蛍光体層が平板状であるために、固体発光素子から蛍光体層への入射角度が大きい成分が反射されやすく、光取出し効率が低下することである。
本発明は、従来の課題を解決するためになされたもので、発光部での輝度むらと色むらとを軽減でき、均一で連続した発光面を形成できる発光装置を提供することを目的とする。
本発明に係る発光装置は、長尺の配線基板上に実装された複数の固体発光素子と、複数の固体発光素子の光出射面を覆うように共通して設けられ、断面形状が半円あるいは半楕円形状でかつ長手方向に樋状の光学部材と、光学部材の光導出面に被覆され、固体発光素子から導出された光で励起され、波長変換された光を出射する波長変換部材とを備える。
本発明に係る発光装置は、配線基板の表面の少なくとも光学部材の下面を含む領域が高い反射率を有する。
本発明に係る発光装置は、光学部材と波長変換部材との間に空気層を有する。
本発明に係る発光装置は、光学部材が、固体発光素子を載置した配線基板との間で、複数の固体発光素子を収納してなる凹部を有し、凹部に固体発光素子を収納した状態で凹部に一部が埋設する。
本発明に係る発光装置は、配線基板と波長変換部材との同一の側の端辺の少なくとも一方が略一致する。
本発明に係る発光装置は、光学部材は、複数の光学パーツから構成され、一体として略長尺状に形成される。
本発明に係る発光装置は、波長変換部材は、複数の波長変換パーツから構成され、一体として略長尺状に形成される。
本発明に係る発光装置によれば、発光部での輝度むらと色むらとを軽減でき、均一で連続した発光面を形成できるという効果を奏する。
本発明に係る第1実施形態の発光装置の分解斜視図 図1の発光装置の長尺方向の垂直断面図 図1の発光装置の短尺方向の垂直断面図 図1の発光装置における光学部材の外観斜視図 図1の発光装置の波長変換部材の外観斜視図 図1の発光装置の光学的な特性を説明する短尺方向の垂直断面図 本発明に係る第2実施形態の発光装置の長尺方向の垂直断面図 図7の発光装置の短尺方向の垂直断面図 図7の発光装置の平面図 図7の発光装置の内部構造を示す平面図 図7の発光装置の光学的な特性を説明する長尺方向の垂直断面図 図7の発光装置の変形例の平面図 本発明に係る第3実施形態の発光装置の平面図 図13の発光装置の短尺方向の垂直断面図 図13の発光装置を適用した照明装置の垂直断面図 図13の発光装置の変形例の短尺方向の垂直断面図 本発明に係る第4実施形態の発光装置の外観斜視図 図17の発光装置の長尺方向の垂直断面図 図17の発光装置の短尺方向の垂直断面図 本発明に係る第5実施形態の発光装置の外観斜視図 図20の発光装置の長尺方向の垂直断面図 図20の発光装置の短尺方向の垂直断面図 本発明に係る第6実施形態の発光装置の外観斜視図 図23の発光装置の平面図 図23の発光装置の変形例の外観斜視図 本発明に係る第7実施形態の発光装置の長尺方向の垂直断面図 図26の発光装置の短尺方向の垂直断面図
以下、本発明に係る複数の実施形態の発光装置について、図面を用いて説明する。
(第1実施形態)
図1に示すように、本発明に係る第1実施形態の発光装置10は、長尺の配線基板11と、配線基板11上に実装された複数の固体発光素子12と、複数の固体発光素子12の光出射面を覆うように共通して設けられた光学部材13と、光学部材13の光導出面に被覆され、固体発光素子12から導出された光で励起され、波長変換された光を出射する波長変換部材14とを備える。
図2および図3に示すように、配線基板11は、アルミニウム等の金属やガラスエポキシあるいはセラミックスを母材として成形されている。配線基板11は、その上面に固体発光素子12に給電するための配線パターン15が設けられている。配線パターン15の上面には白色レジスト16が設けられている。配線基板11は、例えば長さ寸法200mm×幅寸法20mmの長尺形状である。
固体発光素子12は、窒化物半導体(LED)であり、発光ピーク波長が460nmの青色光を発光する。固体発光素子12は、その大きさが0.3mmサイズである。固体発光素子12は、配線基板11上に複数が長手方向に等間隔で一列に実装されている。固体発光素子12は、その実装方法がダイボンド実装とワイヤーボンド実装との組み合わせである。実装方法としては、フリップチップ実装でもよい。固体発光素子12の種類や大きさはこの限りではない。
なお、固体発光素子12群は、一列に限らず、複数列でもよい。その際、光学部材13の横断面のサイズが断面内の固体発光素子12群の外接円の光学部材13の屈折率倍以上となればよい。
図4に示すように、光学部材13は、透明のシリコーン樹脂製であって、外形の断面が半円で長手方向に樋状で固体発光素子12群を覆うようなサイズである。光学部材13は、その断面の外形の直径が固体発光素子12の外接円直径の光学部材13の屈折率倍(シリコーン樹脂の場合は1.41倍である。)以上となっている。光学部材13は、断面の中心を含む内側に凹部17が形成されており、固体発光素子12群を内包するサイズになっている。光学部材13は、両端部に凹部17を有さない蓋部18が形成されている。光学部材13は、内側の凹部17に光学部材13と同じ屈折率を有するシリコーン樹脂が充填され、固体発光素子12群を覆うように配線基板11上に搭載されることにより封止および実装されて固定される。光学部材13は、硬化後に封止樹脂と一体構造となるために界面が生じない。光学部材13は、その中心軸が固体発光素子12群の実装軸に一致している。
なお、光学部材13は、シリコーン樹脂に限らず、例えば、エポキシ樹脂やガラス等の無機材でもよい。また、光学部材13は、外形の断面が半円に限らずに半楕円形状であってもよい。
図5に示すように、波長変換部材14は、屈折率が、1.2〜1.5の透明耐熱性樹脂(例えばシリコーン樹脂)に固体発光素子12から放射された青色光によって励起されて黄色光を放射する粒子状の黄色蛍光体を分散させた混合材料である。波長変換部材14は、透光性材料に分散させる蛍光体として、黄色に限らず、色調整や演色性を高める等の目的で複数色の蛍光体を混色させて用いてもよく、例えば、赤色蛍光体と緑色蛍光体を用いることにより、演色性の高い白色光が得られる。波長変換部材14は、光学部材13に密着する形状に成形された、厚み0.5〜1mmのシート状に形成されており、両端部に曲面部分の厚みに比べて薄い厚みの蓋部19が形成されている。波長変換部材14は、光学部材13に相似する形状であるために、シリコーン樹脂を介して光学部材13を覆うように密着して搭載されている。
なお、波長変換部材14は、光学部材13の表面に塗布されることにより形成されてもよい。
次に、発光装置10の光学的な特性について説明する。
図6に示すように、固体発光素子12群から発した青色光は光学部材13を介して波長変換部材14に入射され、その一部が波長変換部材14の内部の蛍光体によって波長変換された光を発し、波長変換されずに出射した青色光と混ざって白色光として波長変換部材14の表面から出射される。単一の固体発光素子12から発された光は波長変換部材14が固体発光素子12を中心とした半円状であり、かつ固体発光素子12の発光面に対して十分に大きいサイズであるために、波長変換部材14の断面の任意の入射点A,入射点B,入射点Cに入射される光成分の角度分布が小さくなって揃う。そのため、波長変換部材14の出射面の界面での表面反射成分が軽減される。これにより、発光装置10は、効率よく光を取り出せる。さらに、波長変換部材14の内部での光路長の分布も波長変換部材14の任意の点で均一化されるために、色むらおよび輝度むらを軽減できる。
以上、説明した本発明に係る第1実施形態の発光装置10によれば、任意の固体発光素子12を含む光学部材13および波長変換部材14の断面形状が固体発光素子12を中心とする半円であるために、固体発光素子12から光学部材13の断面方向に出射した光が波長変換部材14に全て小さい角度分布で入射する。
従って、本発明に係る第1実施形態の発光装置10によれば、色むらや輝度むらを軽減できる。また、本発明に係る第1実施形態の発光装置10によれば、固体発光素子12を並べた構造と比べて波長変換部材14の表面積が大きくなるので、発光部の輝度が低下してグレアを緩和できる。
(第2実施形態)
次に、本発明に係る第2実施形態の発光装置について説明する。なお、以下の各実施形態において、上述した第1実施形態と重複する構成要素や機能的に同様な構成要素については、図中に同一符号あるいは相当符号を付することによって説明を簡略化あるいは省略する。
図7および図8に示すように、本発明に係る第2実施形態の発光装置20は、配線基板11の表面において光学部材13の下面を含む領域が高い反射率を有し、光学部材13と波長変換部材14との間に空気層21を有する。波長変換部材14は、例えば厚みが0.5〜1mmを有しており、波長変換部材14の下面と配線基板11とがシリコーン樹脂を介して接合されている。
また、発光装置20は、図9に示すように、配線基板11の表面において、固体発光素子12の実装部およびワイヤボンディング部以外の領域に高反射の白色レジスト膜22を有することにより高い反射率が実現される。光学部材13の下面は拡散反射率の高い性状になっている。
図10に示すように、発光装置20は、光学部材13が搭載される光学部材搭載部23において固体発光素子12のダイボンド用のパターン24と通電用のパターン25とが分離されており、ダイボンド用のパターン24が光学部材13の下面と略一致されており、通電用のパターン25が、ダイボンド用のパターン24の外側から固体発光素子12の近傍まで細線で伸びるパターン構成になっている。ダイボンド用のパターン24は、白色レジスト膜22に被覆されておらず、パターンとして外部に露出している。
ダイボンド用のパターン24は、銀メッキあるいはアルミ蒸着の高反射処理が施されていてもよい。
図11に示すように、発光装置20の変形例は、高反射のセラミック製の配線基板11が適用されており、この配線基板11上に形成された通電用のパターン25の必要最小限だけが光学部材13の下面内に形成されている。
次に、発光装置20の光学的な特性について説明する。
図12に示すように、光学部材13と波長変換部材14との間に空気層21があるために、光学部材13の長手方向に向かう光成分は光学部材13の光出射面の界面で全反射成分が増え、長手方向への導光作用が生じる。この際、光学部材13の下面の配線基板11の反射面において拡散反射されて角度変化した光が任意の点で一様に光学部材13から出射される。これにより、波長変換部材14の任意の点に入射する光成分(入射量、入射角度分布)が、より均一となり、発光部である波長変換部材14での色むらや輝度むらが、より均一となる。また、光学部材13の成形あるいは配線基板11への実装過程で内部にボイドが生じた場合、固体発光素子12からの光がボイドによって角度変化が生じるために、光学部材13の外面からの出射光にむらが生じる。このとき、発光装置10のように、波長変換部材14が光学部材13に密着していると、出射光むらが転写された形で発光部である波長変換部材14の表面において輝度むらを生ずる。しかし、発光装置20では、波長変換部材14が光学部材13から離間しているために、その影響が軽減される。
本発明に係る第2実施形態の発光装置20によれば、波長変換部材14で反射された青色光および固体発光素子12側に出射した黄色光が配線基板11の表面で反射されて波長変換部材14に再入射し、発光装置20の外側に出射される。そのため、本発明に係る第2実施形態の発光装置20によれば、光取出しの効率を向上できる。また、本発明に係る第2実施形態の発光装置20によれば、配線基板11の表面における反射面が拡散反射面であれば、再入射成分が波長変換部材14に均一に入射されるために、長手方向の輝度むらおよび色むらを軽減できる。
また、本発明に係る第2実施形態の発光装置20によれば、光学部材13と波長変換部材14と間に空気層21を有するために、光学部材13の光導出面の界面で全反射成分が増え、長手方向への導光作用が生じる。その際、光学部材13の下面の配線基板11の反射面で拡散反射された光が光学部材13から出射されるために、波長変換部材14の任意の点に入射する光成分が、より均一となり、発光部の色むらおよび輝度むらが均一になる。また、本発明に係る第2実施形態の発光装置20によれば、波長変換部材14が光学部材13から離間しているために、光学部材13の内側に生じたボイドによる青色光出射分布むらが波長変換部材14に転写されることがないので、発光部の輝度むらを軽減できる。さらに、本発明に係る第2実施形態の発光装置20によれば、波長変換部材14への入射光および内部で発生した変換光で固体発光素子12側に出る光成分のうち、波長変換部材14の内面で全反射される成分が増えるため、光取出しの効率を向上できる。
(第3実施形態)
次に、本発明に係る第3実施形態の発光装置について説明する。
図13および図14に示すように、本発明に係る第3実施形態の発光装置30は、光学部材31が、固体発光素子12を載置した配線基板11との間で、複数の固体発光素子12を収納してなる凹部32を有する枠体33を備え、枠体33の凹部32に固体発光素子12を収納した状態で凹部32に一部が埋設されている。
枠体33は、配線基板11上の固体発光素子12群の周囲にボンディングワイヤ部を含む固体発光素子12を収納する高さを有し、かつ、その内面形状が、例えば45度で配線基板11に向かって狭くなるテーパ形状をなし、かつ、上部開口部34が光学部材31の外径に同一である。枠体33は、接着剤(シリコーン製)を介して配線基板11上に搭載されており、少なくとも内面が反射率の高いものになっている。枠体33は、高反射ポリブチレンテレフタレート製である。
なお、枠体33は、そのテーパ形状が45度に限定されない。また、枠体33は、アルミ等の金属製あるいは耐熱性に優れた樹脂や金属で内面にアルミや銀の蒸着が施されたものでもよく、高反射のセラミック製であってもよい。また、凹部32を一体に形成したセラミック基板でもよい。
光学部材31は、その一部を枠体33内に内挿して搭載されている。波長変換部材14は、その端部が枠体33上にシリコーン樹脂を介して接着固定されている。
なお、波長変換部材14は、枠体33を覆うように配線基板11に接合により固定されてもよい。
次に、発光装置30における光学部材31の形成手順について説明する。
光学部材31を形成するにあたり、まず、枠体33の凹部32に透明シリコーン樹脂材料35が充填される。次に、透明シリコーン樹脂材料35と同様な透明樹脂で形成された断面形状が半円形状で、かつ長手方向に樋状の透明部材材料36が透明シリコーン樹脂材料35を介して接合される。これにより、光学部材31を容易にかつ内部にボイドを生じることなく製造できる。
図15に示すように、発光装置30を適用した照明装置40は、天井面に埋設されるベースライトであって、下方が開口された器具本体41の天板42の下面に発光装置30が取り付けられている。発光装置30の前面には配光制御用反射板43が取り付けられており、器具本体41の開口側端部に樋状の金属製の枠部材44が固定用ねじ45により取り付けられている。配線基板11からは固体発光素子12へ通電するための電源線46が引き出されており、電源線46は器具本体41の外部で不図示の電源装置に電気的に接続される。配線基板11は、ねじ47により器具本体41の天板42の下面に取り付けられている。
なお、配光制御用反射板43は、レンズであってもよい。
発光装置30を適用した照明装置40は、発光装置30において、固体発光素子12の側面から水平および下方に発した光が枠体33の内面で上方に撥ね上げられ、かつ配光制御用反射板43の下面開口部が枠体33の上端よりも下方へ配置されるために、配光制御用反射板43に光を効率よく入射できる。そして、照明装置40は、配光制御用反射板43から漏れ光が生じない。
図16に示すように、発光装置30の変形例は、枠体37を覆って波長変換部材14の端部が配線基板11に接合されている。
本変形例では、枠体37の外形を小型化できる。
本発明に係る第3実施形態の発光装置30によれば、光学部材31の形成が、枠体33,37の凹部32に透明シリコーン樹脂材料35が充填され、次に、透明シリコーン樹脂材料35と同様な透明樹脂で形成された断面形状が半円形状で、かつ長手方向に樋状の透明部材材料36が透明シリコーン樹脂材料35を介して接合される。これにより、本発明に係る第3実施形態の発光装置30によれば、光学部材31を容易にかつ内部にボイドを生じることなく製造できる。
また、本発明に係る第3実施形態の発光装置30によれば、歩留まりを向上できるとともに製造時の工程の簡素化を図れるために、製造コストを大幅に低減できる。また、照明装置40の器具効率を大幅に向上できる。
(第4実施形態)
次に、本発明に係る第4実施形態の発光装置について説明する。
図17に示すように、本発明に係る第4実施形態の発光装置50は、配線基板11と波長変換部材14との長さ方向に直交する幅方向側(短尺側)の端辺が一致している。
図18および図19に示すように、発光装置50は、配線基板11と波長変換部材14との幅方向側の端辺が一致しているために、複数個の隣り合う幅方向側の1辺を各々近接させることにより均一な面発光光源を容易に形成できる。
本発明に係る第4実施形態の発光装置50によれば、複数個を隣接して配置した際に、連続した発光面のサイズと形状の変更が容易に形成できる。
(第5実施形態)
次に、本発明に係る第5実施形態の発光装置について説明する。
図20に示すように、本発明に係る第5実施形態の発光装置60は、配線基板11と波長変換部材14との長さ方向側(長尺側)の端辺が一致している。
図21および図22に示すように、発光装置60は、配線基板11と波長変換部材14との長さ方向側の端辺が一致しているために、複数個の隣り合う長さ方向側の1辺を隙間なく各々近接させることにより均一なライン発光光源を容易に形成できる。
(第6実施形態)
次に、本発明に係る第6実施形態の発光装置について説明する。
図23および図24に示すように、本発明に係る第6実施形態の発光装置70は、分割された複数の短尺光学部材パーツ72から構成された光学部材71を備える。短尺光学部材パーツ72の端部には、固体発光素子12の実装間隔よりも薄い厚みを有する壁73が形成されている。短尺光学部材パーツ72のサイズは、壁73が特定の隣接する固体発光素子12の中間に位置するようになっている。
次に、発光装置70における光学部材71の形成手順について説明する。
光学部材71を形成するにあたり、短尺光学部材パーツ72の凹部74に透明シリコーン樹脂材料が充填されて固体発光素子12の端から実装されていく。次に、隣接する短尺光学部材パーツ72間が透明シリコーン樹脂材料を介して接合される。このとき、充填される透明シリコーン樹脂材料と短尺光学部材パーツ72および透明シリコーン樹脂材料が同一材料であることにより、硬化後に界面のない一体構造となる。
図25に示すように、発光装置70の変形例は、分割された複数の短尺波長変換部材パーツ75から構成された波長変換部材76を備える。この場合、短尺波長変換部材パーツ75間の接合は波長変換部材76と同じ蛍光体を含有したシリコーン樹脂材料を介して行うのが好ましい。
本発明に係る第6実施形態の発光装置70によれば、柔軟な光学部材71または波長変換部材76を分割することにより成形が容易になる。また、ボイドが生じ難くなるために歩留まりが向上し、実装が容易になる。これにより、製造コストを低減できる。
(第7実施形態)
次に、本発明に係る第7実施形態の発光装置について説明する。
図26および図27に示すように、本発明に係る第7実施形態の発光装置80は、波長変換部材14と相似形状であって、波長変換部材14を覆うように空気層21を介して透光なアクリル製のカバー81が設けられている。カバー81は、ポリカーボネイド等の透明樹脂やガラスが選ばれる。
なお、カバー81は、波長変換部材14に密着されていると、部材間の熱膨張収縮により、界面で剥がれが生じたり、固定により波長変換部材14および光学部材13に静的負荷がかかり易く信頼性が低下したりする。しかし、カバー81は、波長変換部材14から離間して設けられているために、界面における剥がれや信頼性の低下を生じない。
本発明に係る第7実施形態の発光装置80によれば、カバー81により発光部が覆われることにより、外部からの負荷による損傷(例えば、ワイヤ断線や剥がれや傷である。)を防止できる。これにより、本発明に係る第7実施形態の発光装置80によれば、外部から固体発光素子12を保護できる。
なお、本発明の発光装置は、前述した実施形態に限定されるものでなく、適宜な変形や改良等が可能である。
前述した実施形態では、固体発光素子の数が10個の場合のみを示しているが、これに限らず、固体発光素子の数は、10個以下および10個以上の複数個であってもよい。
10,20,30,50,60,70,80 発光装置
11 配線基板
12 固体発光素子
13,31,71 光学部材
14,76 波長変換部材(発光部)
21 空気層
32 凹部
72 短尺光学部材パーツ(光学パーツ)
75 短尺波長変換部材パーツ(波長変換パーツ)

Claims (7)

  1. 長尺の配線基板上に実装された複数の固体発光素子と、
    前記複数の固体発光素子の光出射面を覆うように共通して設けられ、断面形状が半円あるいは半楕円形状でかつ長手方向に樋状の光学部材と、
    前記光学部材の光導出面に被覆され、前記固体発光素子から導出された光で励起され、波長変換された光を出射する波長変換部材とを備える発光装置。
  2. 請求項1に記載の発光装置において、
    前記配線基板の表面の少なくとも前記光学部材の下面を含む領域が高い反射率を有する発光装置。
  3. 請求項1または請求項2に記載の発光装置において、
    前記光学部材と前記波長変換部材との間に空気層を有する発光装置。
  4. 請求項1ないし請求項3のいずれか1項に記載の発光装置において、
    前記光学部材が、前記固体発光素子を載置した前記配線基板との間で、前記複数の固体発光素子を収納してなる凹部を有し、前記凹部に前記固体発光素子を収納した状態で前記凹部に一部が埋設する発光装置。
  5. 請求項1ないし請求項4のいずれか1項に記載の発光装置において、
    前記配線基板と前記波長変換部材との同一の側の端辺の少なくとも一方が略一致する発光装置。
  6. 請求項1ないし請求項5のいずれか1項に記載の発光装置において、
    前記光学部材は、複数の光学パーツから構成され、一体として略長尺状に形成される発光装置。
  7. 請求項1ないし請求項6のいずれか1項に記載の発光装置において、
    前記波長変換部材は、複数の波長変換パーツから構成され、一体として略長尺状に形成される発光装置。
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