JP2012004420A - 発光装置及び照明装置 - Google Patents

Abstract

【課題】弾性的押圧力によって給電端子に接続される電気的接続手段と、基板を取付部材に固定する機械的押圧手段との双方を備え、電気的接続手段の接点機能の信頼性を保つことができる発光装置及び照明装置を提供することを目的とする。
【解決手段】本発明は、裏面側が取付部材７に配設される基板２と、この基板２の表面側に実装された複数の発光素子３と、前記基板２の表面側に設けられ、前記発光素子３と電気的に接続された給電端子４と、前記基板２の表面側から取付部材７側へ向かう方向の弾性的押圧力によって前記給電端子４に接続される電気的接続手段５と、前記基板２の表面側に接触する押圧部６ａを有し、この押圧部６ａの前記基板２の表面側から取付部材７側へ向かう方向の弾性的押圧力によって前記基板２を取付部材７に固定する機械的固定手段６とを備える発光装置１である。
【選択図】図５

Description

本発明の実施形態は、ＬＥＤ等の発光素子を用いた発光装置及び照明装置に関する。

近時、照明装置の光源としてＬＥＤが用いられるようになってきている。この光源は、基板に多数のＬＥＤのベアチップを実装し、各ＬＥＤチップをボンディングワイヤで電気的に接続して発光装置として構成するものである。このような発光装置においては、一般的には、ＬＥＤに電気的に接続される給電端子に給電コネクタがはんだ付けされて電力が供給されるようになっている。

一方、発光装置の高出力化が求められてきており、この高出力化を実現するには、ＬＥＤに供給する電流を大きなものとする必要がある。しかし、供給する電流を大きなものとすると、ＬＥＤの温度が上昇し、高温下で動作するようになるため、それに従い基板の温度も上昇し、ＬＥＤの点灯、消灯のヒートサイクルで基板の熱膨張、収縮の差が大きくなり、給電コネクタのはんだ部分に応力がかかりクラックが生じて信頼性が低下する虞がある。

そこで、いわゆる接圧式の給電コネクタを給電端子に接続するようにして、はんだを用いない方法が行われる。この場合、給電端子に接触圧力、すなわち、弾性的押圧力を加えるコンタクト部材によって電気的接続を行うとともに、基板を固定状態に保持することが考えられる。

特許第３９８９７９４号公報（段落［０１６９］から［０１７１］、図１４））

しかしながら、上記接圧式の給電コネクタを使用して電気的接続を行うとともに、基板を固定状態に保持する場合、弾性的押圧力を所定の大きさに保つ必要がある。このため、コンタクト部材の変位量が大きくなり、高温下で長期間使用されると、弾性的押圧力が低下しやすく、ひいては接点機能の低下を招く可能性がある。

また、例えば、発光装置が振動を受けやすい道路灯や車両用の照明装置に用いられると、給電コネクタに負荷がかかり、弾性的押圧力が低下し、前記接点機能の低下が助長される虞がある。加えて、振動や基板の熱膨張、収縮の影響によって給電端子におけるコンタクト部材との接点部分が摩耗する可能性がある。

本発明は、上記課題に鑑みなされたもので、弾性的押圧力によって給電端子に接続される電気的接続手段と、基板を取付部材に固定する機械的固定手段との双方を備え、電気的接続手段の接点機能の信頼性を保つことができる発光装置及び照明装置を提供することを目的とする。

本発明の発光装置は、裏面側が取付部材に配設される基板と、この基板の表面側に実装された複数の発光素子と、前記基板の表面側に設けられ、前記発光素子と電気的に接続された給電端子とを備えている。この給電端子には、前記基板の表面側から取付部材側へ向かう方向の弾性的押圧力によって電気的接続手段が接続されている。機械的固定手段は、前記基板の表面側に接触する押圧部を有している。前記基板は、取付部材に基板の表面側から取付部材側へ向かう方向の押圧部の弾性的押圧力によって機械的固定手段で固定されている。

本発明によれば、電気的接続手段の接点機能の信頼性を保つことができる発光装置及び照明装置を提供することができる。

本発明の第１の実施形態に係る発光装置を示す斜視図である。 同発光装置の基板における給電端子、給電導体のパターンを示す平面図である。 同発光装置を一部切欠いた状態で示す平面図である。 同発光装置の取付部材を示す斜視図である。 同発光装置を示す平面図である。 図５中、Ｘ−Ｘ線に沿って示す断面図である。 同発光装置の電気的接続手段を示す正面図である。 本発明の第２の実施形態に係る発光装置を示す平面図である。 図８中、Ｘ−Ｘ線に沿って示す断面図である。 実験試料としての発光装置を示す平面図である。 給電端子の変形量を測定した結果を示す表である。

以下、本発明の第１の実施形態に係る発光装置について図１乃至図７を参照して説明する。なお、各図において同一部分には同一符号を付し重複した説明は省略する。

図１及び図５に代表して示すように、発光装置１は、基板２と、この基板２の表面側に実装された複数の発光素子３と、同じく基板２の表面側に設けられた給電端子４と、この給電端子４に電気的に接続される電気的接続手段５と、基板２を固定する機械的固定手段６とを備えている。

基板２は、絶縁性を有し、白色系の酸化アルミニウムや窒化アルミニウム等のセラミックス材料から形成されている。基板２は、略四角形状に形成されており、各角部は、Ｒ形状をなしている。

図２に示すように、基板２の表面上には、配線パターンが形成されており、この配線パターンは、給電端子４及び給電導体４１から構成されている。また、給電端子４は、正極側給電端子４ａ及び負極側給電端子４ｂから構成されており、給電導体４１は、正極側給電導体４１ａ及び負極側給電導体４１ｂから構成されている。

正極側給電導体４１ａ及び負極側給電導体４１ｂは、図示上、上下方向に所定の間隔を空けて平行に、対をなして形成されている。正極側給電端子４ａ及び負極側給電端子４ｂは、それぞれ正極側給電導体４１ａ及び負極側給電導体４１ｂの中間部から、これらと直交する方向に外側に向かって略Ｔ字状に形成されている。また、正極側給電端子４ａと負極側給電端子４ｂとは、１８０度点対称的位置に配置されている。

図６に示すように、給電端子４及び給電導体４１は、三層構成であり、基板２上に、第一層Ａとして銀（Ａｇ）がスクリーン印刷によって形成されている。この焼成後、第一層Ａの上には、第二層Ｂとしてニッケル（Ｎｉ）が無電解めっき処理されており、第三層Ｃには、金（Ａｕ）が無電解めっき処理されている。各厚さ寸法は、銀（Ａｇ）が１０μｍ、ニッケル（Ｎｉ）が２μｍ、金（Ａｕ）が０．５μｍである。金（Ａｕ）は導電性に優れ、耐腐食性であることから、給電端子４の表層に形成されることは有効である。

基板２の表面上には、複数の発光素子３が実装されている。発光素子３は、ＬＥＤのベアチップからなる。ＬＥＤのベアチップには、例えば、白色系の光を発光部で発光させるために、青色の光を発するものが用いられている。
図１及び図３に示すように、これら複数の発光素子３は、マトリクス状に並べられて複数の列、例えば、６列の発光素子列を形成している。

ＬＥＤのベアチップは、例えば、ＩｎＧａＮ系の素子であり、透光性のサファイア素子基板に発光層が積層されており、発光層は、ｎ型窒化物半導体層と、ＩｎＧａＮ発光層と、ｐ型窒化物半導体層とが順次積層されて略直方体形状に形成されている。そして、発光層に電流を流すための電極は、上面側に設けられており、ｐ型窒化物半導体層上にｐ型電極パッドで形成されたプラス側電極と、ｎ型窒化物半導体層上にｎ型電極パッドで形成されたマイナス側電極とで構成されている。これら、電極は、ボンディングワイヤ４２により電気的に接続されている。ボンディングワイヤは、金（Ａｕ）の細線からなっており、実装強度の向上とＬＥＤのベアチップの損傷低減のため金（Ａｕ）を主成分とするバンプを介して接続されている。

具体的には、個々の発光素子列において、その列が延びる方向に隣接された発光素子３の異極の電極同士、つまり、隣接された発光素子３の内で一方の発光素子３のプラス側電極と、隣接された発光素子３の内で他方の発光素子３のマイナス側電極とがボンディングワイヤ４２で順次接続されている。これによって、個々の発光素子列を構成する複数の発光素子３は電気的に直列に接続される。したがって、複数の発光素子３は通電状態で一斉に発光される。

さらに、個々の発光素子列において、特定の発光素子、すなわち、列の端に配置された発光素子３ａの電極は、正極側給電導体４１ａ又は負極側給電導体４１ｂにボンディングワイヤ４２で接続されている。したがって、前記各発光素子列は電気的には並列に設けられていて、給電端子４から正極側給電導体４１ａ及び負極側給電導体４１ｂを通じて給電されるようになっている。そのため、各発光素子列の内のいずれか一列がボンディング不良等に起因して発光できなくなることがあっても発光装置１全体の発光が停止することはない。

基板２の表面上には、枠部材２１が設けられている。この枠部材２１は、略四角形状に塗布され、内周面で囲まれた枠部材２１の内側に、各発光素子３が配設されている。つまり、発光素子３の実装領域は、枠部材２１によって囲まれた状態となっている。

枠部材２１の内側には、封止部材２２が充填されて基板２上に設けられている。封止部材２２は、透光性合成樹脂、例えば、透明シリコーン樹脂製であり、発光素子３の実装領域を封止している。

また、封止部材２２は、蛍光体を適量含有している。蛍光体は、発光素子３が発する光で励起されて、発光素子３が発する光の色とは異なる色の光を放射する。発光素子３が青色光を発する本実施形態では、白色光を出射できるようにするために、蛍光体には青色の光とは補色の関係にある黄色系の光を放射する黄色蛍光体が使用されている。封止部材２２は、未硬化の状態で枠部材２１の内側に所定量注入された後に加熱硬化させて設けられている。

上記のように構成された基板２は、図４に示す取付部材７に取付けられる。取付部材７は、熱伝導が良好なアルミニウム材料等から形成されており、四角形状をなして中央部に基板２が載置される凹部７１が形成されている。また、取付部材７の角部には、この取付部材７を照明装置の本体等に固定するために用いられるねじ貫通孔が形成されている。なお、この取付部材７は、ヒートシンク、装置の本体、ケースあるいはカバー等と称されるものであってもよい。要は、基板２が取付けられる部材を意味している。

図５及び図６に示すように、基板２は、取付部材７の凹部７１をガイドとして位置決めされて配置され、裏面側が凹部７１の底面に密着するように取付けられている。すなわち、電気的接続手段５及び機械的固定手段６によって、基板２の表面側から取付部材７側へ向かう方向の弾性押圧力が付与されて取付けられている。

電気的接続手段５は、図７の参照を加えて示すように、接圧式の給電コネクタであり、給電端子４に電気的に接続されて、基板２に対し略対角線上に一対配設されている。給電コネクタは、光の吸収性の少ない白色の合成樹脂製のケース５１と、このケース５１内に配設された先端側に湾曲状の接触部を有するコンタクト部材５２とを備えている。コンタクト部材５２は、弾性を有し、りん青銅やコルソン系合金によって形成されており、表面に金（Ａｕ）めっきが施されている。このコンタクト部材５２と接触する前記給電端子４の表層は、金（Ａｕ）がめっき処理されており、これにより、異種金属接触腐食を防止することが可能となる。

この給電コネクタは、基板２の表面側からねじ等の固定手段によって取付部材７の凹部７１に固定されるようになっている。これによって、コンタクト部材５２の基板２の表面側から取付部材７側へ向かう方向の弾性押圧力、すなわち、接触圧が給電端子４に加わり、コンタクト部材５２が給電端子４に電気的に接続される。

機械的固定手段６は、略長方形状の固定部材であり、取付部材７の上面であって、基板２の略対角線上に一対配設されている。この固定部材は、先端側に湾曲状の押圧部６ａを有し、弾性を有するステンレス鋼からなり、基板２の表面側からねじ等の固定手段によって取付部材７の上面に固定されるようになっている。この固定部材の固定状態においては、押圧部６ａは、取付部材７の上面よりも下側（基板２側）で基板２の表面に接触している。したがって、固定部材のねじ等による固定部分に過度な応力がかかるのを軽減できる。

これによって、固定部材における押圧部の６ａの基板２の表面側から取付部材７側へ向かう方向の弾性押圧力が基板２に加わり、基板２が取付部材７に固定され保持される。

このような構成の電気的接続手段５及び機械的固定手段６においては、電気的接続手段５は、主として給電端子４に電気的に接続する機能を果たし、機械的固定手段６は、主として基板２を固定する機能を果たすこととなる。したがって、電気的接続手段５の弾性押圧力は、基板２を固定する機能に寄与するが、機械的固定手段６が設けられているので、格別に大きくする必要性がない。

因みに、電気的接続手段５の弾性押圧力（弾性荷重）は、７０〜２００ｇ、機械的固定手段６の弾性押圧力（弾性荷重）は、２００〜３００ｇに設定するのが適切である。また、この場合、双方の機能を効果的に実現するためには、電気的接続手段５の弾性押圧力は、機械的固定手段６の弾性押圧力より小さくなるように設定するのが好ましい。

上記構成の発光装置１に点灯回路により電力が供給されると、電気的接続手段５から正極側給電端子４ａ、正極側給電導体４１ａからボンディングワイヤ４２、発光素子３、負極側給電導体４１ｂ、負極側給電端子４ｂから電気的接続手段５へと通電され、封止部材２６で覆われた各発光素子３が一斉に発光されて、発光装置１は白色の光を出射する面状光源として使用される。

この点灯中において、各発光素子３が発した熱は、主として基板２の裏面側から取付部材７に伝導されて放熱される。また、発光装置１の点灯中、発光素子３が放射した光のうちで基板２側に向かった光は、白色系の基板２の表面で主として光の利用方向に反射される。

また、電気的接続手段５の弾性押圧力は、格別に大きくは設定されていないので、高温の環境下で長期間使用されても、その弾性押圧力の低下を抑制することができる。さらに、発光装置１が振動を受けやすい照明装置に用いられた場合にも、同様に、弾性的押圧力の低下を抑制することができる。加えて、振動や基板２の熱膨張、収縮の影響によって給電端子４におけるコンタクト部材５２との接点部分が摩耗するのを軽減できる。

基板２の取付部材７への固定は、ねじ止め等による固定ではなく、機械的固定手段６によって弾性的押圧力で固定されるので、例えば、締め付け力が基板２に直接作用して、基板２に割れが発生するのを抑制できる。また、使用中に、基板２の熱膨張、収縮による応力を緩和でき、熱膨張、収縮によって基板２に割れが発生するのを抑制することができる。

以上のように本実施形態によれば、電気的接続手段５及び機械的固定手段６の双方を設けたので、電気的接続手段５の接点機能の信頼性を保つことができる発光装置を提供することが可能となる。

次に、本発明の第２の実施形態に係る発光装置について図８及び図９を参照して説明する。なお、第１の実施形態と同一又は相当部分には同一符号を付し重複した説明は省略する。

本実施形態では、正極側給電端子４ａ及び負極側給電端子４ｂの両者が枠部材２１の一辺側（図示上、右側）から延出するように形成されているものであり、また、電気的接続手段５及び機械的固定手段６が組合わされて構成されているものである。

電気的接続手段５は、接圧式の給電コネクタであり、正極側給電端子４ａと、負極側給電端子４ｂとに接続される一対のコンタクト部材５２を備えている。機械的固定手段６は、略コ字状に形成された固定部材であり、弾性を有するステンレス鋼によって形成されている。この固定部材と給電コネクタとは、取付部材７の凹部７１にねじ止め等によって共締めされて固定されるようになっている。

これによって、コンタクト部材５２の弾性押圧力が給電端子４に加わり、コンタクト部材５２が給電端子４に電気的に接続される。また、固定部材の弾性押圧力が基板２の上面から三辺に加わり、基板２が取付部材７に固定され保持される。

以上のように本実施形態によれば、電気的接続手段５及び機械的固定手段６が組合わされて構成されているので、第１の実施形態の効果に加え、構成及び組立工程が簡素化される効果を有する。

ところで、上記各実施形態に係る発光装置１の製作にあたり、本発明者は、図１０（ａ）、（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）に示すような４種類の発光装置を用意し実験を行った。なお、図１０中、第１の実施形態と同一又は相当部分には同一符号を付し詳細な説明は省略する。

各発光装置の点灯状態において、振動を与えた場合の給電コネクタの接点機能の信頼性を調べた。具体的には、コンタクト部材５２の給電端子４へのくいこみ量（変形量）を測定した。

図１０（ａ）に示す発光装置（ａ）は、電気的接続手段５として接圧式の給電コネクタを基板２の両側に設けたものである。したがって、電気的接続手段５によって、電気的な接続と基板２の機械的な固定との双方を行うものである。

図１０（ｂ）に示す発光装置（ｂ）は、基板２の周囲に金属製の枠状のホルダＨが設けられており、接圧式の給電コネクタは、正負一対のコンタクト部材５２を有するものである。したがって、前記（ａ）と同様に、電気的接続手段５によって、電気的な接続と基板２の機械的な固定との双方を行うものである。

図１０（ｃ）に示す発光装置（ｃ）は、上記第１の実施形態と略同様な構成であり、電気的接続手段５を基板２に対して略対角線上に配置し、機械的固定手段６を基板２に対して略対角線上に配置したものである。

図１０（ｄ）に示す発光装置（ｄ）は、電気的接続手段５と機械的固定手段６とを一体化したものであり、ケース５１に正負一対のコンタクト部材５２が設けられており、これらコンタクト部材５２の中間部に、機械的固定手段６としての固定部材を配置したものである。

これら４種の発光装置（ａ）〜（ｄ）のくいこみ量（変形量）（μｍ）を測定した結果、図１１に示すとおりとなった。発光装置（ａ）及び（ｂ）は、変形量が２μｍであるのに対し、発光装置（ｃ）及び（ｄ）は、０．２μｍである。発光装置（ｃ）及び（ｄ）は、電気的接続手段５と機械的固定手段６との双方を設けている例であり、このような構成を採ることにより、給電端子４の変形量を少なくすることができ、接点機能の低下が抑制できることが確認できた。

なお、図１１中、発光効率（％）は、発光装置（ａ）を１００％とした場合の相対的な値であり、発光装置（ｂ）が９７％に低下しているのは、ホルダＨが障害物となり、発光素子３からの出射光が妨げられることに起因すると考えられる。

次に、本発明の実施形態に係る照明装置について説明する。図示は省略するが、上記各実施形態の発光装置１は、道路灯や車両用の照明装置、ＬＥＤランプとしての光源や屋内又は屋外で使用される各種照明器具、ディスプレイ装置等の装置本体に組込んで照明装置として構成できる。
この照明装置によれば、上記発光装置１が奏する効果を有する照明装置を提供することができる。

なお、本発明は、上記実施形態の構成に限定されることなく、発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の変形が可能である。例えば、基板としては、アルミニウム製等の金属基板を適用してもよい。この場合には、好ましくは、給電端子は、第一層として銅（Ｃｕ）、第二層としてニッケル（Ｎｉ）めっき処理、第三層として金（Ａｕ）めっき処理が施される。
また、発光素子は、ＬＥＤ等の固体発光素子を適用できる。さらに、発光素子の実装個数には特段制限はない。

１・・・発光装置、２・・・基板、３・・・発光素子（ＬＥＤチップ）、
４・・・給電端子、４ａ・・・正極側給電端子、４ｂ・・・負極側給電端子、
５・・・電気的接続手段（接圧式の給電コネクタ）、
６・・・機械的固定手段（固定部材）、６ａ・・・押圧部

Claims (3)

1. 裏面側が取付部材に配設される基板と；
   この基板の表面側に実装された複数の発光素子と；
   前記基板の表面側に設けられ、前記発光素子と電気的に接続された給電端子と；
   前記基板の表面側から取付部材側へ向かう方向の弾性的押圧力によって前記給電端子に接続される電気的接続手段と；
   前記基板の表面側に接触する押圧部を有し、この押圧部の前記基板の表面側から取付部材側へ向かう方向の弾性的押圧力によって前記基板を取付部材に固定する機械的固定手段と；
   を具備することを特徴とする発光装置。
2. 前記電気的接続手段の弾性的押圧力は、機械的固定手段の弾性的押圧力より小さいことを特徴とする請求項１に記載の発光装置。
3. 装置本体と；
   装置本体に配設された請求項１又は請求項２に記載の発光装置と；
   を具備することを特徴とする照明装置。

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