JP6982489B2 - 発光装置及び発光装置の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、発光装置及び発光装置の製造方法に関する。

ＬＥＤ（light-emitting diode）素子等の発光素子を利用した発光装置が、照明等に広く利用されている。

例えば、特許文献１には、封止樹脂に混入した蛍光体によってＬＥＤ素子が出射した青色光を黄色光に波長変換し、青色光と波長変換された黄色光を混合することで白色光を得る発光装置が記載されている。

国際公開第２０１６／１９４８７６号

図１６（Ａ）は従来の発光装置の一例を示す図であり、図１６（Ｂ）に図１６（Ａ）のＩＢ−ＩＢ線断面図であり、図１６（Ｃ）は図１６（Ｂ）の部分拡大図である。

発光装置９０は、ＬＥＤ素子９１と、樹脂枠９２と、封止樹脂９３とを有する。青色ＬＥＤであるＬＥＤ素子９１からの青色光と、青色光によって封止樹脂９３中に含有される黄色蛍光体を励起させて得られる黄色光とを混合させることで得られる白色光が、発光装置９０から出射する。黄色蛍光体を使用する場合、ＬＥＤ素子９１が出射した青色光が封止樹脂９３内を長く通過すると、光が黄色蛍光体を照射する確率が増加し、発光装置９０から出射される光はより黄色くなる。ＬＥＤ素子９１から斜めに出射した光Ｌ１は、ＬＥＤ素子９１の上面から垂直に出射した光に比べて、封止樹脂９３内を長く通過する。ＬＥＤ素子９１から斜めに出射した光Ｌ１が樹脂枠９２の近傍から発光装置９０の外部に出射すると、白色光の周囲に黄色いリング状の光（以下、イエローリングと称することがある）が発生する。イエローリングの発生によって、発光装置９０から出射される光の色の均一性が損なわれる。

本発明の目的は、発光装置の発光部中心輝度を維持しながら周辺部の黄色光を減少させることで色度指向性を改善させることである。

本発明に係る発光装置は、基板と、基板上に配置される複数の発光素子と、基板上であって、複数の発光素子の周囲に配置される枠体と、蛍光体を含有し、複数の発光素子を封止する為に枠体の内側に配置される封止部材と、枠体の表面の一部及び封止部材の上部表面の一部を覆う様に配置される反射部材と、を有し、反射部材は、枠体と封止部材の上部表面とが接する箇所から内側の封止部材の上部表面を覆い、且つ、複数の発光素子の上面の上方は覆わない様に配置される。

本発明に係る発光装置では、反射部材は、さらに枠体の外側を覆わない様に配置されることが好ましい。

本発明に係る発光装置では、反射部材は、さらに枠体の頂点及び枠体の外側の一部を覆う様に配置されることが好ましい。

本発明に係る発光装置では、基板は、発光素子の配線パターンが形成された回路基板を有し、回路基板の表面は、レジストによって覆われ、反射部材の端部は、レジストに固定されることが好ましい。

本発明に係る発光装置の製造方法は、複数の発光素子を基板に備える工程と、基板上であって、複数の発光素子の周囲に枠体を形成する工程と、基板上であって、枠体の内側に蛍光体を含有する封止部材を充填する工程と、枠体の表面の一部及び封止部材の上部表面の一部を覆う様に反射部材を配置する工程と、を有し、反射部材は、枠体と封止部材の上部表面とが接する箇所から内側の封止部材の上部表面を覆い、且つ、複数の発光素子の上面の上方は覆わない様に配置される。

本発明に係る発光装置によれば、発光装置の発光部中心輝度を維持しながら周辺部の黄色光を減少させることで色度指向性を改善可能である。

（Ａ）は発光装置１の一例の平面図であり、（Ｂ）は（Ａ）のＡ−Ａ´線断面図であり、（Ｃ）は（Ｂ）の部分拡大図である。 （Ａ）は発光装置１の第１製造工程を示す平面図であり、（Ｂ）は（Ａ）のＡ−Ａ´線に沿う断面図である。 （Ａ）は発光装置１の第２製造工程を示す平面図であり、（Ｂ）は（Ａ）のＡ−Ａ´線に沿う断面図である。 （Ａ）は発光装置１の第３製造工程を示す平面図であり、（Ｂ）は（Ａ）のＡ−Ａ´線に沿う断面図である。 （Ａ）は発光装置１の第４製造工程を示す平面図であり、（Ｂ）は（Ａ）のＡ−Ａ´線に沿う断面図である。 （Ａ）は発光装置１の第５製造工程を示す平面図であり、（Ｂ）は（Ａ）のＡ−Ａ´線に沿う断面図である。 （Ａ）は発光装置１の第６製造工程を示す平面図であり、（Ｂ）は（Ａ）のＡ−Ａ´線に沿う断面図である。 発光装置１における光の反射の一例を示す図である。 （Ａ）は発光装置の第１変形例の断面図であり、（Ｂ）は（Ａ）の部分拡大図である。 （Ａ）は発光装置の第２変形例の断面図であり、（Ｂ）は（Ａ）の部分拡大図である。 発光装置の第３変形例の平面図である。 発光装置の第４変形例の平面図である。 （Ａ）は実施形態に係る発光装置１を用いたスポットライト１０の使用形態の一例を表す図であり、（Ｂ）はスポットライト１０の一例の概略図である。 発光装置から出射される光の輝度を測定する方法の一例を示す図である。 （Ａ）〜（Ｃ）は発光装置から出射される光の輝度のファーフィールド測定のシミュレーション結果の一例を示す図である。 （Ａ）は従来の発光装置の一例を示す図であり、（Ｂ）は（Ａ）のＩＢ−ＩＢ線断面図であり、（Ｃ）は（Ｂ）の部分拡大図である。

以下、添付図面を参照して、本発明に係る発光装置について詳細に説明する。ただし、本発明の技術的範囲はそれらの実施の形態に限定されず、特許請求の範囲に記載された発明とその均等物に及ぶ点に留意されたい。

＜実施形態に係る発光装置の概要＞
実施形態に係る発光装置では、反射部材は、枠体と蛍光体を含有する封止部材の上部表面とが接する箇所から内側の封止部材の上部表面を覆い、且つ、複数の発光素子の上面の上方は覆わない様に配置される。実施形態に係る発光装置では、反射部材は複数の発光素子の上面の上方は覆わないため、発光素子から上方に出射した光は遮断されない。一方、反射部材は枠体と蛍光体を含有する封止部材の上部表面とが接する箇所から内側の封止部材の上部表面を覆うので、発光素子から斜めに出射した光を遮断する。実施形態に係る発光装置は、発光素子から上方に出射した光を遮断せずに発光素子から斜めに出射した光を遮断することによって、発光装置の発光部中心輝度を維持しながら周辺部の黄色光を減少させることで色度指向性を改善させる。

＜実施形態＞
図１（Ａ）は発光装置１の一例の平面図であり、図１（Ｂ）は図１（Ａ）のＡ−Ａ´線断面図であり、図１（Ｃ）は図１（Ｂ）において矢印Ｂで示される部分の部分拡大図である。図１（Ａ）においては、封止部材の表示を省略している。図１（Ｂ）及び図１（Ｃ）においては、発光素子とワイヤとの接続関係を示す為に、Ａ−Ａ´断面には含まれないワイヤも表示している。

発光装置１は、基板１０と、発光素子２０と、枠体４０と、封止部材５０と、反射部材６０とを有する。

基板１０は、実装基板１１と、回路基板１２とを有する。実装基板１１は、一例として正方形の形状を有し、回路基板１２及び発光素子２０が表面上に配置されるアルミ製の導電性基板である。回路基板１２及び発光素子２０が配置される実装基板１１の表面は平面である。

回路基板１２は、一例として、実装基板１１と同じ大きさの正方形の形状を有し、その中心部に円形の開口部１２Ａが形成される。回路基板１２は、裏面が接着シート等の接着部材によって実装基板１１の上に貼り付けられて固定される。回路基板１２の表面には、開口部１２Ａを取り囲むように、一対の配線パターン１３Ａ、１３Ｂが形成される。また、回路基板１２の表面で対角に位置する２つの角部には、発光装置１を外部電源に接続するための一対の接続電極１７Ａ及び１７Ｂが形成される。一方の接続電極１７Ａはアノードであり、他方の接続電極１７Ｂはカソードである。一対の接続電極１７Ａ及び１７Ｂに不図示の外部電源から直流電圧が印加されることによって、発光素子２０は発光する。回路基板１２、及び一対の配線パターン１３Ａ、１３Ｂは、絶縁性の膜であるレジスト１４によって覆われ、保護される。

発光素子２０は、矩形上に形成された青色系の半導体発光素子（以下、青色ＬＥＤ素子とも称する）であり、実装基板１１上に複数個配置される。発光素子２０の上面は、実装基板１１の表面と平行に配置されることが好ましい。発光素子２０には、例えば発光波長域が４４０〜４５５ｎｍのＩｎＧａＮ系化合物半導体などが用いられる。

発光素子２０は表面に一対の素子電極（不図示）を有し、隣接する発光素子２０の素子電極は、ワイヤ３０によって電気的に接続される。開口部１２Ａの外周側に位置する発光素子２０の素子電極に一端が接続されたワイヤ３０の他端は、回路基板１２の配線パターン１３Ａ又は１３Ｂに接続される。複数の発光素子２０の素子電極は、一対の接続電極１７Ａ及び１７Ｂの間に直列接続することによって、一対の配線パターン１３Ａ、１３Ｂ及びワイヤ３０を介して直流電流が供給される。

枠体４０は、白色の成形樹脂で形成される枠状の部材であり、基板１０上に、複数の発光素子２０の周囲を囲む様に配置される。枠体４０の断面形状は中央が高く周辺が低い凸形状である。発光素子２０から枠体４０に向けて出射された光は、枠体４０の内側、即ち発光素子２０側の表面で反射されて発光装置１の上方に出射される。

封止部材５０は、透光性を有するエポキシ樹脂に蛍光体が含有された部材であり、複数の発光素子２０を封止する為に枠体４０の内側に配置される。封止部材５０の上部表面５０Ａは、枠体４０の頂点より低い位置に設けられる。蛍光体は、発光素子２０が出射した青色光を吸収して黄色光に波長変換する、例えばＹＡＧ（yttrium aluminum garnet）などの粒子状の蛍光体材料であり、青色光と蛍光体により波長変換された黄色光とが混合されることにより白色光が得られる。封止部材５０は、エポキシ樹脂に代えてシリコン樹脂など他の樹脂に蛍光体が含有された部材であってもよい。

反射部材６０は、樹脂で形成される枠状の部材であり、枠体４０と封止部材５０の上部表面５０Ａとが接する箇所Ｐから内側の封止部材５０の上部表面５０Ａを覆い、且つ、箇所Ｐから枠体４０の凸形状の頂点及び枠体４０の外側の一部を覆う様に配置される。さらに、反射部材６０は、発光素子２０の上面の上方を覆わない様に配置される。即ち、反射部材６０は、反射部材６０の左端と一番右の発光素子２０の右端との距離Ｄが０より大きくなる様に配置される。

＜実施形態に係る発光装置の製造工程＞
図２〜図７は、発光装置１の製造工程の一例を示す図である。図２は第１製造工程を示し、図３は第１製造工程の次の第２製造工程を示し、図４は第２製造工程の次の第３製造工程を示す。図５は第３製造工程の次の第４製造工程を示し、図６は第４製造工程の次の第５製造工程を示し、図７は第５製造工程の次の第６製造工程を示す。

図２（Ａ）は発光装置１の第１製造工程を示す平面図であり、図２（Ｂ）は図２（Ａ）のＡ−Ａ´線に沿う断面図である。図３（Ａ）は発光装置１の第２製造工程を示す平面図であり、図３（Ｂ）は図３（Ａ）のＡ−Ａ´線に沿う断面図である。図４（Ａ）は発光装置１の第３製造工程を示す平面図であり、図４（Ｂ）は図４（Ａ）のＡ−Ａ´線に沿う断面図である。図５（Ａ）は発光装置１の第４製造工程を示す平面図であり、図５（Ｂ）は（Ａ）のＡ−Ａ´線に沿う断面図である。図６（Ａ）は発光装置１の第５製造工程を示す平面図であり、図６（Ｂ）は図６（Ａ）のＡ−Ａ´線に沿う断面図である。図７（Ａ）は発光装置１の第６製造工程を示す平面図であり、図７（Ｂ）は図７（Ａ）のＡ−Ａ´線に沿う断面図である。

図４（Ａ）、図５（Ａ）、図６（Ａ）及び図７（Ａ）においては、封止部材５０の表示を省略している。図４（Ｂ）、図５（Ｂ）、図６（Ｂ）及び図７（Ｂ）においては、発光素子２０とワイヤ３０との接続関係を示す為に、Ａ−Ａ´断面には含まれないワイヤ３０も表示している。

まず、第１製造工程において、実装基板１１と開口部１２Ａを有する回路基板１２とを接着し、回路基板１２上に印刷等の方法によって一対の配線パターン１３Ａ、１３Ｂ、及び一対の接続電極１７Ａ、１７Ｂを形成する。そして、形成した一対の配線パターン１３Ａ、１３Ｂ、及び一対の接続電極１７Ａ、１７Ｂ上からレジスト１４を塗布する。

次に、第２製造工程において、回路基板１２の開口部１２Ａから露出している実装基板１１上に、複数の発光素子２０を接着する。

次に、第３製造工程において、近接する発光素子２０同士をワイヤ３０で互いに電気的に接続し、開口部１２Ａの外周側の発光素子２０に接続されたワイヤ３０を、回路基板１２の配線パターン１３Ａ又は１３Ｂに接続する。一例では、ワイヤ３０は、超音波溶着によって発光素子２０に接続される。第３製造工程において、複数の発光素子２０は、一対の配線パターン１３Ａ、１３Ｂの間で８個ずつ直列接続されるとともに４列に並列接続される。

次に、第４製造工程において、回路基板１２、一対の配線パターン１３Ａ、１３Ｂ、及びレジスト１４の上に、枠体４０を形成する。枠体４０は、ワイヤ３０と配線パターン１３Ａ又は１３Ｂとの接点を覆う。

次に、第５製造工程において、枠体４０の内側に蛍光体を含有する樹脂を充填し、封止部材５０を形成する。

次に、第６製造工程において、枠体４０の表面の一部及び封止部材５０の上部表面の一部を覆う様に反射部材６０を形成する。反射部材６０は、枠体４０と封止部材５０の上部表面とが接する箇所Ｐから内側の封止部材５０の上部表面を覆い、且つ、複数の発光素子２０の上面の上方は覆わない様に配置される。反射部材６０は枠体４０及び封止部材５０に固定され、本実施形態の発光装置１が完成する。

＜実施形態の効果＞
図８は図１（Ｂ）において矢印Ｃで示される部分の部分拡大図を用いて、実施形態に係る発光装置１における光の反射の一例を示す図である。

枠体４０と封止部材５０の上部表面５０Ａとが接する箇所Ｐから内側の封止部材５０の上部表面５０Ａを覆うように反射部材６０を配置することによって、発光素子２０から出射した光Ｌ１は発光装置１の外部への出射を遮られる。光Ｌ１は反射部材６０によって反射して反射光Ｌ２となる。反射光Ｌ２が枠体４０等に反射して最終的に発光装置１の外部に出射しても、その光は反射によって弱められ、且つ、発光素子２０から上方に出射する光と混合するため、黄色光の相対的な輝度は弱くなる。本実施形態に係る発光装置は、枠体と封止部材の上部表面とが接する箇所から内側の封止部材の上部表面を覆い且つ発光素子の上面の上方は覆わない様に反射部材を配置することによって、発光装置の発光部中心輝度を維持しながら周辺部の黄色光を減少させることで色度指向性を改善させる。

反射部材６０が、箇所Ｐから枠体４０の頂点及び枠体４０の外側の一部を覆う様に配置されることによって、図７に示す第６製造工程において、枠体４０の頂点近傍の反射部材６０には、重力によって枠体４０の内側への力及び外側への力がかかる。枠体４０の内側への力及び外側への力がかかることによって、反射部材６０は、枠体４０の内側又は外側に滑り落ちにくくなり、枠体４０と封止部材５０の上部表面５０Ａとが接する箇所Ｐから内側の封止部材５０の上部表面をより確実に覆うことができる。

また、反射部材６０が枠体４０の外側の一部を覆う様に配置されることによって、発光素子２０から枠体４０の方向に出射し、枠体４０を通過して発光装置１の外部に漏れる光を減少させることができる。

＜変形例及びその効果＞
図９（Ａ）は発光装置の第１変形例の断面図であり、図９（Ｂ）は図９（Ａ）において矢印Ｅで示される部分の部分拡大図である。図１０（Ａ）は発光装置の第２変形例の断面図であり、図１０（Ｂ）は図１０（Ａ）において矢印Ｆで示される部分の部分拡大図である。図１１は発光装置の第３変形例の平面図であり、図１２は発光装置の第４変形例の平面図である。実施形態と同じ構成要素については同じ名称及び符号を付し、説明を省略する。なお、図１１及び図１２においては、封止部材５０の表示を省略している。

第１変形例は、反射部材６１が枠体４０の外側を覆わない様に配置されている点が実施形態と異なる。反射部材６１の全体が枠体４０の頂点又は頂点より内側に配置されている為、第６製造工程において、反射部材６１は実施形態１に係る反射部材６０より枠体４０の外側に滑り落ちにくくなる。

第２変形例は、枠体４０に接する側の反射部材６２の端部が、枠体４０を越えて基板１０上のレジスト１４に接する様に配置されている点が実施形態と異なる。反射部材６２が枠体４０の外側全体を覆う為、発光素子２０が発光し、枠体４０を通過して発光装置１の外部に出射する光の量を実施形態の発光装置より減少させることができる。また、反射部材６２と基板１０上のレジスト１４とを固定することによって、枠体４０と基板１０との固定が不十分な場合でも、枠体４０が基板１０から剥離することを防止できる。

第３変形例に係る発光装置４は、複数の発光素子２０から成る直列接続を１つだけ有する点が実施形態と異なる。即ち、全ての発光素子２０は直列接続される。

第４変形例に係る発光装置５は、内側、即ち発光素子２０側の形状６５Ｉが凹凸を有する反射部材６５を有する点が実施形態と異なる。反射部材６５は、回路基板１２の開口部１２Ａの外周側に位置する発光素子２０Ａの最遠部２０ＡＦの近傍６５Ａより、開口部１２Ａの中心１２Ｃの近くに配置される発光素子２０Ｂの最遠部２０ＢＦの近傍６５Ｂにおいて中心１２Ｃに近くなる様な凹凸を有する。反射部材６５が、最遠部２０ＡＦの近傍６５Ａより最遠部２０ＢＦの近傍６５Ｂにおいて中心１２Ｃに近くなる様な凹凸を有することによって、発光素子２０Ｂと反射部材６５との距離が短くなる。発光素子２０Ｂと反射部材６５との距離が短くなることによって、発光素子２０Ｂから斜めに出射した光の発光装置１の外部への出射が反射部材６５によってより遮られるため、発光装置５から出射される光のうち周辺部の黄色光がより減少する。

＜適用例＞
図１３（Ａ）は、は実施形態に係る発光装置１を用いたスポットライト１１０の使用形態の一例を表す図であり、図１３（Ｂ）はスポットライト１１０の一例の概略図である。

スポットライトシステム１００は、スポットライト１１０と、部屋の天井１２０とを有する。スポットライト１１０は、発光素子２０からの光を集光して出射する照明器具であり、部屋の天井１２０に埋め込まれて配置される。スポットライト１１０は、実施形態に係る発光装置１と、発光装置１の射出する光を集光するレンズ１１１と、発光装置１及びレンズ１１１を収納する筐体１１２とを有する。

＜輝度の測定方法及びシミュレーション結果＞
図１４は、発光装置から出射される光の輝度を測定する方法を示す図である。ここではファーフィールド（Far-field）測定の例を示す。ファーフィールド測定において、輝度を測定する為に光検出器１３０を用いる。ファーフィールド測定は、封止部材５０の上部表面５０Ａの中心５０Ｂ（以下、測定中心と称することがある）から、５００ｍｍ以上の一定距離離れた位置に光検出器１３０を配置して行われる。輝度の測定は、光検出器１３０を、測定中心を通る法線Ｎ上だけではなく、法線Ｎに対し角度θの位置に測定中心からの距離を変えることなく配置することによって行われる。角度θを変えながら測定を繰り返すことによって、発光装置１の配光分布が明らかになる。

図１５（Ａ）〜（Ｃ）は発光装置から出射される光の輝度のファーフィールド測定のシミュレーション結果の一例を示す図である。図１５（Ａ）は、各角度について、角度θ＝０度における全光束の輝度を１とした際の全光束の輝度を表す図である。図１５（Ｂ）は、各角度について、角度θ＝０度におけるＣＩＥ表色系のｘｙ色度図上の座標に対するｘ方向の変位量を表す図であり、図１５（Ｃ）は、各角度について、角度θ＝０度におけるＣＩＥ表色系のｘｙ色度図上の座標に対するｙ方向の変位量を表す図である。各図中のＲｅｆは比較例、すなわち反射部材６０が存在しない場合を示し、Ｗｈｉｔｅは反射部材６０が白色の場合（以下、白色例と称することがある）を示し、Ｂｌａｃｋは反射部材６０が黒色の場合（以下、黒色例と称することがある）を示す。シミュレーションの条件を表１に示す。

シミュレーションの結果、全光束の輝度に関しては、全ての角度を通じて比較例、白色例及び黒色例の間に大差はない。しかし、ｘ方向及びｙ方向の変位量に関しては、比較例ではθ＝±９０度近傍において大きく増加しているのに対し、白色例、黒色例ではθ＝±９０度近傍において大きく減少している。この結果から、比較例の発光装置から出射される光は中心部に比べて周辺部に黄色光が多いが、白色例及び黒色例の発光装置から出射される光は中心部に比べて周辺部に黄色光が多くないことが分かる。即ち、白色例及び黒色例の発光装置から出射される光は、比較例の発光装置から出射される光に比べて黄色光が減少したことが分かる。

以上説明してきた様に、反射部材が枠体と蛍光体を含有する封止部材の上部表面とが接する箇所から内側の封止部材の上部表面を覆うことによって、発光装置の発光部中心輝度を維持しながら周辺部の黄色光を減少させることで色度指向性を改善させることができる。

１、２、３、４、５ 発光装置
１０ 基板
１４ レジスト
２０、２０Ａ、２０Ｂ 発光素子
４０ 枠体
５０ 封止部材
５０Ａ 封止部材の上部表面
６０、６１、６２、６３、６４、６５ 反射部材

Claims (5)

1. 基板と、
   前記基板上に配置される複数の発光素子と、
   前記基板上であって、前記複数の発光素子の周囲に配置され、前記複数の発光素子から出射する光を反射し且つ出射する光の一部を通過させる枠体と、
   蛍光体を含有し、前記複数の発光素子を封止する為に前記枠体の内側に配置される封止部材と、
   前記枠体の表面の一部及び前記封止部材の上部表面の一部を覆う様に配置され、前記複数の発光素子から出射する光を遮断する反射部材と、を有し、
   前記反射部材は、前記枠体と前記封止部材の上部表面とが接する箇所から内側の前記封止部材の上部表面及び前記枠体の外側の一部を覆い、且つ、前記複数の発光素子の上面の上方は覆わない様に配置される、
   ことを特徴とする発光装置。
2. 前記反射部材は、さらに前記枠体の外側の他の部分を覆わない様に配置される、請求項１に記載の発光装置。
3. 前記反射部材は、さらに前記枠体の頂点を覆う様に配置される、請求項１又は２に記載の発光装置。
4. 前記基板は、前記発光素子の配線パターンが形成された回路基板を有し、
   前記回路基板の表面は、レジストによって覆われ、
   前記反射部材の端部は、前記レジストに固定される、請求項１〜３のいずれか一項に記載の発光装置。
5. 複数の発光素子を基板に備える工程と、
   前記基板上であって、前記複数の発光素子の周囲に、前記複数の発光素子から出射する光を反射し且つ出射する光の一部を通過させる枠体を形成する工程と、
   前記基板上であって、前記枠体の内側に蛍光体を含有する封止部材を充填する工程と、
   前記枠体の表面の一部及び前記封止部材の上部表面の一部を覆う様に、前記複数の発光素子から出射する光を遮断する反射部材を配置する工程と、を有し、
   前記反射部材は、前記枠体と前記封止部材の上部表面とが接する箇所から内側の前記封止部材の上部表面及び前記枠体の外側の一部を覆い、且つ、前記複数の発光素子の上面の上方は覆わない様に配置される、
   ことを特徴とする発光装置の製造方法。

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