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JP5216858B2 - 照明用光源 - Google Patents

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Description

本発明は、ＬＥＤ等の発光素子を用いた照明用光源に関し、特に、発光素子から出射された光の取出し効率を改善する技術に関する。
近年、地球環境に対する配慮から、ＬＥＤ等の発光素子を照明用光源に適用する技術が提案されている。照明に用いる白色光源としては、現在のところ、実装基板に青色ＬＥＤを実装し、黄色蛍光体を含有するシリコーン樹脂でその青色ＬＥＤを被覆したＬＥＤモジュールが想定されている。ＬＥＤを実装する実装基板としては、樹脂基板またはセラミックス基板が採用されることがほとんどである。なお樹脂基板およびセラミックス基板のいずれにしても、ＬＥＤから出射された光をできるだけ外部に取り出すため、基板表面の光反射率が高いものを用いることが好ましいとされている。
特開２００３−２７７４７９号公報
ところが樹脂基板は、カメラのフラッシュ光源などの短時間発光用途には適しているが、照明用光源などの長時間発光用途には適していない。その理由としては、樹脂基板は放熱特性が悪く、ＬＥＤに流せる電流が制限されて長時間高輝度で発光させることが困難なこと、および、ＬＥＤの発熱等の影響により基板表面が黄変し、基板表面の光反射率が低下することが挙げられる。
一方、セラミックス基板は、ＬＥＤの発熱等の影響による光反射率低下の問題はないが、機械的な衝撃に弱いため取り扱いに注意を要するという欠点をもつ。またセラミックス基板の放熱特性は樹脂基板の放熱特性に比べて高いものの、照明用光源のような長時間かつ高輝度で発光させる用途には十分とは言いがたい。さらには樹脂基板と比較してコストが約５倍かかる。
そこで、本発明は、良好な放熱特性をもち、良好な光取出し効率を維持することができる照明用光源を提供することを目的とする。
本発明に係る照明用光源は、実装基板と、前記実装基板に実装された発光素子と、前記発光素子から出射された光の波長を変換する波長変換部材とを備え、前記実装基板は、金属基板を、透光性セラミックス粒子あるいは高反射セラミックス粒子を含むセラミックス層で被覆してなる。
上記構成によれば、金属基板を基材としているので良好な放熱特性を得ることができる。また金属基板には透光性セラミックス粒子あるいは高反射セラミックス粒子を含むセラミックス層が被覆されており、このセラミックス層が光の反射層として機能する。そのため発光素子の発熱等の影響により基板表面が黄変して光反射率が低下するということはなく、良好な光取出し効率を維持することができる。さらには、金属基板上にセラミックス層を被覆することで、絶縁性を確保するとともに、コストもセラミックス基板に比べて約１／５に低減することができる。
本発明の実施形態に係る照明用光源の構成を示す図 本発明の実施形態に係るＬＥＤモジュールの構成を示す断面図 本発明の実施形態に係る実装基板の一部を拡大して模式的に示す断面図 反射材材質別（アルミナ）の分光反射率を示すグラフ 反射材材質別（白レジスト）の分光反射率を示すグラフ 反射材材質別（ＢＴ基板）の分光反射率を示すグラフ 反射材材質別（Ａｌ表面粗化無）の分光反射率を示すグラフ 反射材材質別（Ａｌ表面粗化有）の分光反射率を示すグラフ 反射材材質別（Ａｇメッキ，Ｃｕ−Ｎｉ−Ａｇ）の分光反射率を示すグラフ 反射材材質別（Ａｇメッキ，Ｃｕ−Ａｇ）の分光反射率を示すグラフ 反射材材質別（Ａｕメッキ）の分光反射率を示すグラフ 反射材材質別の初期時および熱劣化後の分光反射率を示すテーブル 本発明の第１の変形例に係るＬＥＤモジュールの構成を示す断面図 本発明の第２の変形例に係るＬＥＤモジュールの構成を示す断面図 本発明の第３の変形例に係るＬＥＤモジュールの構成を示す断面図 本発明の第４の変形例に係るＬＥＤモジュールの構成を示す図であり、（ａ）はＡ−Ａ断面図、（ｂ）はＬＥＤモジュールを裏面からみた図
本発明を実施するための最良の形態を、図面を参照して詳細に説明する。
＜構成＞
図１は、本発明の実施形態に係る照明用光源の構成を示す図である。本実施形態では、Ｅ型口金をもつ電球代替の照明用光源を例にして説明する。
照明用光源１は、Ｅ型口金１５を突設したケース１１、ケース１１に収容された電源回路１２、ケース１１に固定されたヒートシンク１６、ヒートシンク１６の上面に配設された実装基板２１、実装基板２１の上面に実装された発光部２２、ヒートシンク１６に固定され実装基板２１の上方を覆うグローブ１７を具備している。電源回路１２は、プリント配線板１３に各種の電子部品１４が実装されており、Ｅ型口金１５を通じて供給された商用電力を発光部２２に供給する機能をもつ。電源回路１２および発光部２２は、例えばヒートシンク１６の貫通孔に導入された配線を通じて電気的に接続されている。ヒートシンク１６は、例えばアルミニウムをアルマイト加工したものであり、実装基板２１に面接触している。実装基板２１および発光部２２はＬＥＤモジュールを構成している。
図２は、本発明の実施形態に係るＬＥＤモジュールの構成を示す断面図である。
実装基板２１は、金属基板２３およびセラミックス層２４から構成されている。発光部２２は、発光素子であるＬＥＤ２５および波長変換部材であるシリコーン樹脂成形体２６から構成されている。ＬＥＤ２５は青色光（ピーク波長が４６０ｎｍ±１０ｎｍ程度）を出射する、いわゆる青色ＬＥＤである。シリコーン樹脂成形体２６は、青色光を吸収して黄色光を放出する黄色蛍光体を含有している。ＬＥＤ２５はセラミックス層２４の上面に配置されて接合材３１により固着されている。なおＬＥＤ２５とセラミックス層２４とは直接接触させることとしてもよいし、熱伝導性ペースト等を介在させて接触させることとしてもよい。セラミックス層２４の上面には、ＬＥＤ２５以外に配線パターン３２が配設されており、ＬＥＤ２５上面のパッド３３と配線パターン３２とがワイヤ３４により電気的に接続されている。
図３は、本発明の実施形態に係る実装基板の一部を拡大して模式的に示す断面図である。
金属基板２３は、例えばアルミニウムや銅などの金属材料、あるいは金属材料を主たる成分とする複合材料からなり、基板の厚みは０．１ｍｍ以上５．０ｍｍ以下である。
セラミックス層２４は、透光性あるいは高反射のセラミックス粒子２７の集合体から構成され、層厚は１０μｍ以上２００μｍ以下である。またセラミックス粒子の粒径は０．５μｍ以上５０μｍ以下である。透光性あるいは高反射のセラミックス材料としては、例えば、酸化アルミニウム（アルミナ：Al2O3）、酸化シリコン（SiO2, SiO）、酸化スズ（SnO, SnO2）、酸化タンタル（Ta2O5）、酸化イットリウム（Y2O3）などの酸化物が挙げられる。これらを１種類だけ用いてもよく、２種類以上混合して用いても構わない。セラミックス粒子２７は、単体では透光性を有し、集合体では粒子による光の散乱により良好な光反射特性を有する。セラミックス層２４はセラミックス粒子２７の集合体であるため良好な反射特性を有する。ＬＥＤ２５から出射された光のうち実装基板２１に向かう光は、ほとんどが金属基板２３まで到達せずにセラミックス層２４で反射される。
なお金属基板２３およびセラミックス層２４は、接着剤などの物質を介在させずに、結晶粒どうしの原子間力により結合している。このような構成は、金属基板に透光性のセラミックス粒子を溶射して金属基板表面にセラミックス溶射皮膜を形成する方法や、金属基板にセラミックス薄板を圧接した状態で金属基板の溶融温度未満の熱処理を施す方法などにより実現することができる。
上記の実装基板２１では熱伝導率の高い金属基板２３を基材としているので、従来の樹脂基板やセラミックス基板に比べて良好な放熱特性をもつ。例えば、金属基板の熱伝導率は２３６Ｗ／ｍ・Ｋ（アルミニウム）や３９０Ｗ／ｍ・Ｋ（銅）であるのに対し、従来の樹脂基板およびセラミックス基板の熱伝導率はそれぞれ０．５Ｗ／ｍ・Ｋ（ＢＴ基板：ビスマレイミド・トリアジン）、３３Ｗ／ｍ・Ｋ（アルミナ）である。
また上記の実装基板２１では金属基板２３およびセラミックス層２４は結晶粒どうしの原子間力により結合されているので、接着剤などの物質を介在させた場合に比べて金属基板２３とセラミックス層２４との界面での熱抵抗を低減することができる。さらに実装基板２１では、熱伝導率の比較的低いセラミックス層２４の厚みを熱伝導率の比較的高い金属基板２３の厚みよりも薄くしているので、実装基板２１の熱抵抗をできるだけ低減することができる。
また上記の実装基板２１ではセラミックス層２４を光反射層としているので、ＬＥＤ２５の発熱等の影響により黄変して光反射率が低下するということはなく、良好な光取出し効率を維持することができる。また実装基板２１の波長域４６０ｎｍ±１０ｎｍにおける分光反射率は７０％以上であることが好ましい。実装基板２１の分光反射率は、セラミックス層２４の厚み、セラミックス粒子２７の材質や粒径等を適宜調整することにより実現することができる。以下に実装基板の光反射率について検証する。
＜検証＞
図４乃至図１１は、反射材材質別の分光反射率を示すグラフである。また図１２は、反射材材質別の初期時および熱劣化後の分光反射率を示すテーブルである。
図４乃至図１１の反射材材質は、それぞれ、順番に、アルミナ、白レジスト（大洋インキ製造株式会社製，ＰＳＲ−４０００ＬＥＷ１）、ＢＴ樹脂（三菱ガス化学株式会社製，ＣＣＬ−Ｌ８２０ＷＤＩ）、アルミニウム（Ａ５０５２，表面粗化無）、アルミニウム（Ａ５０５２，表面粗化有）、Ａｇメッキ（Ｃｕ−Ｎｉ−Ａｇ）、Ａｇメッキ（Ｃｕ−Ａｇ）、Ａｕメッキ（Ａｌ−Ａｕ）である。これらの反射材材質のうちアルミナが本発明の実施例に相当し、これ以外の反射材材質は比較例に相当する。なお図４乃至図１１の各図には複数のデータがプロットされている。これらは複数のサンプルの測定結果である。
図１２のテーブルを参照すると、本発明の実施例であるアルミナの分光反射率（波長４６０ｎｍ）は、初期時に約８３％と高く、しかも熱劣化後でも約８３％を維持している。波長４６０ｎｍにおける分光反射率を評価しているのは、ＬＥＤの出射光のピーク波長が４６０ｎｍ近辺だからである。一方、比較例であるＢＴ樹脂の分光反射率は、初期時に上記反射材材質のなかで最も高い約８７％であるが熱劣化後には約７８％あるいは約５８％まで低下する。また白レジストの分光反射率も、初期時に約７７％であるが熱劣化後には約６０％まで低下する。比較例であるＡｇメッキ（Ｃｕ−Ｎｉ−Ａｇ）の分光反射率は、初期時に約８０％であるが熱劣化後には約５８％、約５６％あるいは約５０％まで低下する。なお図１２のテーブル中、１８０℃／１ｈなどの表記は、サンプルに与えた温度（℃）と時間（ｈｏｕｒ）とを示している。
図４、図５および図６のグラフから、アルミナ、白レジストおよびＢＴ樹脂のいずれも可視光の波長域において８０％以上の高い分光反射率を有していることがわかる。しかしながら、図１２のテーブルからは、アルミナは分光反射率が熱により劣化しないのに対し、白レジストおよびＢＴ樹脂は分光反射率が熱により劣化してしまうことがわかる。これは、セラミックスの一種であるアルミナが熱に対して変質しにくく、一方、樹脂の一種である白レジストやＢＴ樹脂が熱に対して変質しやすいことに起因すると考えられる。
上記の測定結果から、実装基板の反射材材質にセラミックスを採用することで、初期時に高い光取出し効率を得、さらに熱劣化後でも光取出し効率を高く維持できることがわかる。
以上、本発明に係る照明用光源について、実施形態に基づいて説明したが、本発明は上記実施形態に限られない。例えば、以下のような変形例が考えられる。
（１）実施形態では実装基板上面に配線パターンを形成しているが、配線パターンを極力削減することにより光取出し効率を向上させることとしてもよい。例えば図１３に示すＬＥＤモジュールでは、隣接するＬＥＤ２５どうしを直接ワイヤ３４で接続している。これによりセラミックス層２４を被覆する配線パターンの面積を削減することができ、光取出し効率を向上させることができる。
（２）実施形態では発光素子としてＬＥＤを挙げているが、発光トランジスタ、有機ＥＬ、無機ＥＬ等でも適用可能である。
（３）実施形態では波長変換材料として蛍光体を挙げているが、半導体、金属錯体、有機染料、顔料など、ある波長の光を吸収し吸収した光とは異なる波長の光を発する物質を含んでいる材料であれば適用可能である。
（４）実施形態では波長変換部材として蛍光体粒子を含有するシリコーン樹脂成形体を挙げているが、蛍光体粒子を焼結して得られるセラミックス成形体でも適用可能である。
（５）実施形態では青色ＬＥＤと黄色蛍光体との組み合わせにより白色光を得ることとしているが、紫外線ＬＥＤと三原色を発光する各蛍光体との組み合わせとしてもよい。
（６）実施形態では電球代替の照明用光源を挙げているが、本発明はこれに限らず、一般的な照明用光源にも適用可能である。ただし電球代替の照明用光源はヒートシンクの寸法が制限されるため、一般的な照明用光源に比べて放熱特性をより向上させる必要がある。したがって電球代替用の照明用光源に本発明を適用すると、より効果的である。
（７）実施形態では特に言及していないがセラミックス層が多孔質となる場合にはセラミックス層に封孔処理を施すこととしてもよい。
（８）金属基板の片面だけでなく両面にセラミックス層を被覆させることとしてもよい。また、金属基板の両面および側面を含む全面にセラミックス層を被覆させることとしてもよい。
（９）通常、金属とセラミックスでは熱膨張係数が異なるので、実装基板の温度がＬＥＤの点灯により上昇すると、実装基板に反りが生じることがある。これは、金属基板の温度が上昇したとき、金属基板の表面側はセラミックス層に固定されているので膨張しにくく、金属基板の裏面側は自由なので膨張しやすいからである。実装基板の反りはヒートシンクとの熱接触の劣化につながるので、温度が上昇しても反りが生じにくい構造を採用することが好ましい。
図１４に示す実装基板では、金属基板２３の表面が複数の領域に区画され、区画毎にセラミックス層２４が設けられた構造を有する。これにより、金属基板の表面側のセラミックス層による固定が軽減され、ある程度金属基板の表面側も熱膨張することができる。従って、実装基板に反りが生じるのを抑制することができる。なお、区画のサイズは、ＬＥＤを個々に区画するサイズでもよく、ＬＥＤを複数単位で区画するサイズでもよい。また、この構造は、例えば、金属基板２３の表面全域にセラミックス層を形成し、そのセラミックス層に溝４１を所定間隔で形成することにより実現することができる。溝４１は、エッチング等の化学的処理や研磨等の機械的処理により形成可能である。
図１５に示す実装基板では、金属基板２３の裏面にも所定間隔で溝４２が設けられている。この構造では、金属基板２３の裏面側の膨張が溝４２にある程度吸収される。従って、金属基板２３の表面側と裏面側との膨張の差を軽減することができ、その結果、実装基板に反りが生じるのを抑制することができる。なお、図１５に示す実装基板では、溝４１，４２の奥部が曲率を有している（すなわち溝４１，４２の断面がＵ字状である）。これにより、熱膨張と熱収縮とが繰り返されても、金属基板２３に溝４１，４２を起点とするクラックが生じるのを抑制することができる。さらに、溝４２は溝４１の対向位置からずれて配されている。これにより、仮に、溝４１，４２を起点としてクラックが生じたとしても、金属基板２３の表面側から延びたクラックと裏面側から延びたクラックとがつながる確率を低くすることができる。その結果、実装基板がクラックにより破損する確率を低減することができる。
図１６に示す実装基板では、金属基板２３の裏面に井桁状の梁構造４３が形成されている。これも、図１５の溝４２と同様に、金属基板２３の裏面側の膨張が凹部にある程度吸収されるので、実装基板に反りが生じるのを抑制することができる。また、図１６に示すように、ＬＥＤが梁に対応する位置に実装されているので、ＬＥＤからヒートシンクまでの熱の経路が最短となる。従って、梁構造を採用したとしても、放熱特性の劣化を抑制することができる。また、この構造は、例えば、エッチング等の化学的処理により金属基板２３の裏面に凹部を所定間隔で形成することにより実現することができる。
本発明は、照明一般に広く利用することができる。
１ 照明用光源
１１ ケース
１２ 電源回路
１３ プリント配線板
１４ 電子部品
１５ Ｅ型口金
１６ ヒートシンク
１７ グローブ
２１ 実装基板
２２ 発光部
２３ 金属基板
２４ セラミックス層
２５ ＬＥＤ
２６ シリコーン樹脂成形体
２７ セラミックス粒子
３１ 接合材
３２ 配線パターン
３３ パッド
３４ ワイヤ
４１，４２ 溝
４３ 梁構造

Claims (13)

  1. 実装基板と、
    前記実装基板に実装された発光素子と、
    前記発光素子から出射された光の波長を変換する波長変換部材とを備え、
    前記実装基板は、金属基板を、透光性セラミックス粒子あるいは高反射セラミックス粒子を含むセラミックス層で被覆してなり、
    前記金属基板と前記セラミックス層とが、接着剤を介さずに結晶粒どうしの原子間力により結合しており、
    前記セラミックス層の厚みは前記金属基板の厚みよりも薄く、前記セラミックス層の厚みは１０μｍ以上２００μｍ以下、前記金属基板の厚みは０．１ｍｍ以上５．０ｍｍ以下であり、
    前記セラミックス層が溝により区画されていること
    を特徴とする照明用光源。
  2. 前記セラミックス層は、前記金属基板の表面を被覆しており、
    前記金属基板の裏面に所定の間隔で溝が設けられていること
    を特徴とする請求項１に記載の照明用光源。
  3. 前記金属基板の裏面に設けられた溝は、前記セラミックス層に設けられた溝に対向する位置からずれた位置にあること
    を特徴とする請求項２に記載の照明用光源。
  4. 前記溝は断面がＵ字状であること
    を特徴とする請求項１から３の何れか一項に記載の照明用光源。
  5. 前記発光素子から出射される光の波長域における前記実装基板の分光反射率は７０％以上であること
    を特徴とする請求項１に記載の照明用光源。
  6. 前記セラミックス層は、透光性セラミックス粒子あるいは高反射セラミックス粒子の溶射皮膜、もしくはセラミックスシートであること
    を特徴とする請求項１に記載の照明用光源。
  7. 前記セラミックス層は前記金属基板の両面あるいは全面に被覆されていること
    を特徴とする請求項１に記載の照明用光源。
  8. 前記照明用光源は、さらに、
    前記実装基板に面接触しているヒートシンク部材と、
    口金を突設しており当該口金を介して供給された電力を前記発光素子に供給する電源回路を収容するとともに、前記ヒートシンク部材を固定しているケースと
    を備えることを特徴とする請求項１に記載の照明用光源。
  9. 前記実装基板の波長４２５ｎｍ以上８００ｎｍ以下における分光反射率が、初期において８０％以上であること
    を特徴とする請求項５に記載の照明用光源。
  10. 前記実装基板の前記発光素子から出射される光の波長域における分光反射率が、１８０℃の温度に１時間保つ熱劣化試験、および、２１５℃の温度に１時間保つ熱劣化試験の何れにおいても、初期値から変化しないこと
    を特徴とする請求項５に記載の照明用光源。
  11. 前記金属基板の裏面に井桁状の梁構造が設けられていること
    を特徴とする請求項１に記載の照明用光源。
  12. 前記発光素子が、前記セラミックス層上における前記金属基板裏面の梁に対応する位置に配置されていること
    を特徴とする請求項１１に記載の照明用光源。
  13. 前記発光素子の側面形状が逆テーパ状であること
    を特徴とする請求項１に記載の照明用光源。
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