JP5606178B2

JP5606178B2 - 発光装置

Info

Publication number: JP5606178B2
Application number: JP2010145192A
Authority: JP
Inventors: 徹三宅; 大輔作本
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2010-06-25
Filing date: 2010-06-25
Publication date: 2014-10-15
Anticipated expiration: 2030-06-25
Also published as: JP2012009682A

Description

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広く求められている。

なお、発光装置として、発光素子から発せられる光の波長を蛍光体を含有するドーム状の透光性キャップにて変換して、外部に取り出すものがある（下記特許文献１参照）。

特開２００８−１５３４６６号公報

発光装置は、取り出される光の色ムラを抑制する技術が求められている。

本発明の一実施形態に係る発光装置は、基板と、該基板上に設けられた、一方向に並んで配列される複数の溝を有する第１枠体部と、前記第１枠体部上に設けられた第２枠体部とを有する枠体と、前記溝のそれぞれにライン状に複数設けられた発光素子と、前記基板上に設けられて前記枠体内に位置する全ての前記発光素子を被覆する、蛍光体を含有したドーム状の透光性キャップと、前記溝の複数にわたって連続して、前記発光素子を被覆するように設けられた透光性樹脂と、を備え、前記溝のいずれもが、二つの半円を一対の平行線で繋げた形状であって、前記透光性樹脂は、前記第１枠体部の上面の高さ位置よりも
上方であって、前記第２枠体部の上面の高さ位置よりも下方におさまるように充填されている。

本発明によれば、取り出される光の色ムラを抑制することが可能な発光装置を提供することができる。

本実施形態に係る発光装置の概観を示す概観斜視図であって、透光性キャップ内を透過した状態を示している。本実施形態に係る発光装置の平面図であって、透光性キャップ内を透過した状態を示している。図２に示すＡ−Ａ’に沿った発光装置の断面図である。図２に示すＢ−Ｂ’に沿った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。なお、図１では、透光性キャップの凹部は省略して示していない。

＜発光装置の構成＞
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、一方向Ｄ１に並んで配列される複数の溝ｔを有する枠体３と、溝ｔのそれぞれに複数設けられた発光素子４と、基板２上に設けられ、枠体３内に位置する全ての発光素子４を被覆する蛍光体５を含有
したドーム状の透光性キャップ６を含んでいる。なお、発光素子４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、外部に向かって励起光として放出される。

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焼結体、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。また、基板２がセラミック材料から成る焼結体である場合には、基板２の表面には微細な凹凸部が形成される。そして、発光素子４から発せられる励起光が、基板２の表面に照射されて拡散反射する。そして、発光素子４が発する励起光を拡散反射によって多方向に放射し、発光素子４から発せられる励起光が特定箇所に集中するのを抑制することができる。なお、基板２の熱伝導率は、例えば、１［Ｗ／ｍ・Ｋ］以上２５０［Ｗ／ｍ・Ｋ］以下に設定されている。

枠体３は、基板２上に例えば半田または接着剤を介して接続される。枠体３は、第１枠体部３ａおよび第２枠体部３ｂから成り、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のセラミック材料からなる。

枠体３は、多孔質のセラミック材料からなるため、枠体３の表面は微細な孔が多数形成される。そして、発光素子４から発せられる励起光が、枠体３の表面に照射されて拡散反射する。さらに、発光素子４が発する励起光を拡散反射によって多方向に放射し、発光素子４から発せられる励起光が特定箇所に集中するのを抑制することができる。第１枠体部３ａは枠体３の下部に位置し、第２枠体部３ｂは枠体３の上部に位置する。第１枠体部３ａは、円板状に形成されているとともに、円板状に複数の楕円状に形成された溝ｔが設けられた構造である。また、第２枠体部３ｂは、第１枠体部３ａの上面に設けられているとともに、第１枠体部３ａの端部に沿って円筒状に形成されている。

枠体３は、基板２の中央部に位置するように配置されている。また、溝ｔは、枠体３の中央部に位置するように配置されている。さらに、溝ｔ内に配置される複数の発光素子４は、溝ｔ内にライン状に配置されている。そして、発光素子４の発する光が透光性キャップ６に放射されるように設定されている。

枠体３には、第１枠体部３ａを貫通する、対向した内周面が一方向Ｄ１と直交する方向Ｄ２に沿った溝ｔが複数形成されている。ここで、方向Ｄ２は、溝ｔのそれぞれの楕円形の長軸に沿った方向と対応している。溝ｔは、平面視して一方向Ｄ１に沿って配列されている。また、溝ｔの長軸と短軸との比率は、例えば０．１（短軸／長軸）となるように設定されている。溝ｔの深さは、例えば０．２ｍｍ以上１．０ｍｍに設定されている。なお、ここで、溝ｔの深さとは、第１枠体部３ａの厚みに相当する。

溝ｔの内壁面の上端の高さ位置ｐｔ１は、発光素子４の上面の高さ位置ｐｔ２よりも上方に位置するように設定されている。溝ｔは、発光素子４と間を空けて、発光素子４の周りを取り囲むように形成されている。そして、溝ｔの内壁面が、発光素子４から発せられる励起光の反射面として機能する。なお、ここで、溝ｔの内壁面の上端の高さ位置ｐｔ１とは、第１枠体部３ａの上面の高さ位置に相当する。ここで、ｐｔ１とｐｔ２との間の距離は、例えば０．１ｍｍ以上０．９ｍｍ以下に設定されている。

図２に示すように、溝ｔは基板２上に発光素子４を取り囲むように設けられ、そして、溝ｔの内壁面の上端の高さ位置ｐｔ１が発光素子４の上面の高さ位置ｐｔ２よりも高く設定されることで、発光素子４が上方に向かって発する励起光を溝ｔの内壁面にて拡散反射
させることができ、励起光の進行する方向を拡散させることができる。その結果、発光素子４が発する励起光が、透光性キャップ６の下面全面に向かって照射される。

また、図４に示すように、断面視したときの発光素子４の中心位置から溝ｔの内壁面までの長さをａとする。また、発光素子４の下面の高さ位置ｐｂ１と溝ｔの内壁面の上端の高さ位置ｐｔ１との間の長さをｂとする。

そして、発光素子４の配向分布における半値角をθとし、そのピーク値の９０％となる角度をβとする場合、ａ・ｔａｎθ≦ｂ≦ａ・ｔａｎβの条件がなりたつように、長さａ、ｂを設定する。ここで、半値角は、発光素子が光を発する点と、その発光素子が発する光の輝度が半分になる点とを結んでできる角度のことである。なお、半角値θの一例としては、例えば５°以上１５°以下とし、角度βを例えば２０°以上３０°以下に設定した場合、長さａは、例えば０．５ｍｍ以上１．０ｍｍ以下となり、長さｂは、例えば０．１ｍｍ以上１．０ｍｍ以下に設定されている。

ｂ＜ａ・ｔａｎθの場合は、溝ｔの内壁面で反射される光が少なく、溝ｔの内壁面に光を照射して、拡散反射させる光が少なくなる。また、ｂ＞ａ・ｔａｎβの場合は、溝ｔの内部に光が閉じ込められやすくなる。

そこで、発光素子４と溝ｔとの関係を、ａ・ｔａｎθ≦ｂ≦ａ・ｔａｎβの条件がなりたつようにすることで、発光素子４から側方に放射される光は溝ｔの内壁面で拡散反射され、透光性キャップ６の下面全体にムラが抑制されて入射される。その結果、発光素子４から側方に放射された光が、透光性キャップ６の外表面まで到達するとともに、透光性キャップ６全体で波長変換されることから、発光装置の光出力とともに発光効率が向上する。すなわち、透光性キャップ６全体を有効に波長変換部として利用できるという作用効果を奏する。

また、溝ｔの内壁面は、基板２の上面に対して、垂直に立ち上がるように設けられている。なお、ここで垂直とは、断面視したときに、基板２の上面に沿った平行線と、溝ｔの内壁面に沿った直線とのなす角が、８５°以上９５°以下となる状態をいう。発光素子４から溝ｔの内壁面に向かって進行する光は、発光素子４の上面の高さ位置が溝ｔの内壁面の上端部よりも低い位置に位置しているため、内壁面の下方に当たった光を内壁面の上方に向かって進行させることができる。

発光素子４は、基板２上であって溝ｔ内に実装される。具体的には、発光素子４は、基板２上に形成される配線導体上に、例えば半田または接着剤を介して電気的に接続される。

発光素子４は、サファイア、窒化ガリウム、窒化アルミニウム、酸化亜鉛、シリコンカーバイド、シリコンまたは二ホウ化ジルコニウム等の基体と、基体上に形成される光半導体層とを有している。基体は、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化学気相成長法を用いて、光半導体層を成長させることが可能なものであればよい。基体に用いられる材料としては、例えば、サファイア、窒化ガリウム、窒化アルミニウム、酸化亜鉛、シリコンカーバイド、シリコンまたは二ホウ化ジルコニウム等を用いることができる。なお、基体の厚みは、例えば５０μｍ以上１０００μｍ以下である。

光半導体層は、基体上に形成される第１半導体層と、第１半導体層上に形成される発光層と、発光層上に形成される第２半導体層と、から構成されている。

第１半導体層、発光層および第２半導体層は、例えば、III族窒化物半導体、ガリウム
燐またはガリウムヒ素等のIII−Ｖ族半導体、あるいは、窒化ガリウム、窒化アルミニウ
ムまたは窒化インジウム等のIII族窒化物半導体などを用いることができる。なお、第１
半導体層の厚みは、例えば１μｍ以上５μｍ以下であって、発光層の厚みは、例えば２５ｎｍ以上１５０ｎｍ以下であって、第２半導体層の厚みは、例えば５０ｎｍ以上６００ｎｍ以下である。また、このように構成された発光素子４では、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。

溝ｔのそれぞれには、複数の発光素子４が設けられている。溝ｔ内に位置する発光素子４同士の間の距離は、溝ｔの中央部から溝ｔの端部に近づくにつれて短くなるように設定されている。また、溝ｔ同士の間の距離は、枠体３の中央部から枠体３の端部に近づくにつれて短くなるように設定されている。

溝ｔ内に位置する複数の発光素子４同士の間の距離が、溝ｔの中央部で疎となるように設定されることで、溝ｔの中央部に発光素子４の発する光が集中するのを抑制することができる。そして、溝ｔの中央部に発光素子４の発光時の熱が集中するのを緩和することで、基板２の中央部に熱が過度に集中するのを抑制することができ、発光装置１の放熱性を良好に維持することができる。なお、ここで発光素子４同士の間の距離が、溝ｔの中央部で疎となるとは、例えば、溝ｔの中央部に位置する発光素子４同士の間の距離が、例えば０．４ｍｍ以上２．０ｍｍ以下であって、溝ｔの端部に位置する発光素子４同士の間の距離よりも長く設定されていることをいう。

また、溝ｔ同士の間の距離が、枠体３の中央部で疎となるように設定されることで、枠体３の中央部に発光素子４の発する光が集中するのを抑制することができる。そして、枠体３の中央部に発光素子４の発光時の熱が集中するのを緩和することで、基板２の中央部に熱が過度に集中するのを抑制することができ、発光素子４から基板２全体に伝わる熱を均一に設計することが可能となり、発光装置１の放熱性を良好に維持することができる。なお、ここで溝ｔ同士の間の距離が、枠体３の中央部で疎となるとは、例えば、枠体３の中央部に位置する溝ｔ同士の間の距離が、例えば０．５ｍｍ以上１．０ｍｍ以下であって、枠体３の端部に位置する溝ｔ同士の間の距離よりも長く設定されていることをいう。

枠体３で囲まれる領域には、透光性樹脂７が充填されている。透光性樹脂７は、発光素子４を封止するとともに、発光素子４から発せられる光が透過する機能を備えている。なお、透光性樹脂７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。

透光性樹脂７は、溝ｔ内に発光素子４を収容した状態で、発光素子４を被覆するように設けられている。発光素子４を溝ｔ内に設けた上で、透光性樹脂７にて発光素子４を被覆することで、発光素子４の剥離を抑制することができ、発光素子４の接着強度を向上させることができる。

透光性樹脂７は、複数の溝ｔにわたって連続して設けられている。透光性樹脂７は、第１枠体部３ａおよび第２枠体部３ｂで囲まれる領域に設けられている。そして、透光性樹脂７は、第１枠体部３ａの上面の高さ位置よりも上方であって、第２枠体部３ｂの上面の高さ位置よりも下方におさまるように充填されている。透光性樹脂７が複数の溝ｔにわたって連続して設けられることで、第１枠体部３ａの上面を被覆して形成される。そのため、発光素子４から上方に向かって進行する光は、透光性樹脂７の上面にて反射して下方に向かって進行しても、第１枠体部３ａの上面にて再度反射して、上方に向かって進行させることができ、外部取り出し効率を向上させることができる。

また、枠体３内に設ける透光性樹脂７の量を調整することで、溝ｔ内に設けられる透光
性樹脂７の上面の形状を湾曲するように設計することができる。溝ｔ内に設けられる透光性樹脂７の上面の形状を湾曲させることで、発光素子４から透光性樹脂７の上面に向かって進行する光の方向を湾曲した上面にて変化させやすくすることができ、発光素子４の発する光の拡散性を向上させることができる。

透光性キャップ６は、枠体３を取り囲むように基板２上に設けられている。透光性キャップ６は、例えば接着材等を介して基板２に接続されている。なお、接着材としては、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、接着材は、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。

接着材の材料は、基板２の熱膨張率と透光性キャップ６の熱膨張率との間の大きさの熱膨張率の材料を選択される。接着材の材料として、このような材料を選択することで、基板２と透光性キャップ６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。

枠体３は、多孔質のセラミック材料から構成することにより、透光性樹脂７の一部が枠体３内にまで浸み込み、枠体３と透光性樹脂７とを強固に接続することができ、両者の接合性を向上させることができる。そして、透光性樹脂７の剥がれまたは透光性樹脂７の歪みが発生するのを抑制することができ、発光素子４と透光性樹脂７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。

透光性キャップ６は、ドーム状に設定されている。そして、透光性キャップ６と透光性樹脂７との間には空隙が設けられている。

透光性キャップ６は、発光素子４から発せられる励起光が内部に入射して、内部に含有される蛍光体５が励起されて、光を発するものである。ここで、透光性キャップ６には、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り、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、透光性キャップ６中に均一に分散されている。なお、透光性キャップ６の厚みは、例えば０．３以上１ｍｍ以下に設定されている。

接着材は、シリコーン樹脂から成る透明性の接着材とすることが好ましい。その結果、例えば、接着材が発光素子４からの３５０ｎｍから４５０ｎｍの短波長の光を吸収することによる、接着材の接着強度の低下が抑制されるとともに、透光性キャップ６より放射される蛍光が接着材で吸収されずに発光装置１の外部に放射される。その結果、発光装置１は、光出力が向上されるとともに長期間にわたって正常に作動される。

また、枠体３を基板２に接着するのに用いる接着材は、透光性樹脂７、透光性キャップ６、あるいは透光性キャップ６を基板２に接着するのに用いる接着材と同一の透光性の絶縁樹脂を用いることが好ましい。少なくとも二つの樹脂構造物を同じ材料から構成した場合は、発光素子４が発光する際に生じる熱が、これらの樹脂構造物に伝わり、樹脂構造物同士の間で熱膨張を起こそうとする。そこで、樹脂構造物同士を同じ材料から構成することによって、樹脂構造物同士の間に生じる熱膨張差に起因した熱応力を緩和することができる。

また、透光性キャップ６の厚みは一定に設定されている。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。透光性キャップ６の厚みを一定にすることにより、透光性キャップ６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、透光性キャップ６における輝度ムラを抑制することができる。

透光性キャップ６は、透光性キャップ６の外表面に複数の凹部Ｃが設けられている。発光素子４から透光性キャップ６に向かって進行し、透光性キャップ６内にて波長変換された光は、透光性キャップ６の外表面に到達する。そして、透光性キャップ６の外表面の凹部Ｃにて進行する方向を変更させることができ、発光装置１から外部に取り出される光の拡散性を向上させることができる。なお、凹部Ｃの深さは、例えば０．１ｍｍ以上０．４ｍｍ以下に設定されている。

また、透光性キャップ６の外表面に凹部Ｃを設けることで、透光性キャップ６の外表面の面積を大きくすることができ、透光性キャップ６に伝わる熱を外部に向かって放熱するのに、透光性キャップ６の放熱面積を増加させることで、透光性キャップ６の放熱性を向上させることができる。その結果、発光装置１から外部に取り出される光の取出し効率が、熱によって低下するのを抑制することができる。

本実施形態によれば、発光素子４が発する励起光が、透光性キャップ６の全体に向かって照射されることで、透光性キャップ６の波長変換効率が向上し、発光装置１の発光効率を向上させることができる。また、透光性キャップ６にて全反射した励起光を、第１枠体部３ａの上面または第２枠体部３ｂの上面で再度反射させて、透光性キャップ６の下面全体に照射させることができ、透光性キャップ６の波長変換効率が向上し、発光装置１の発光効率を向上させることができる。

また、透光性キャップ６の全体に励起光を照射させることができ、透光性キャップ６内で蛍光体を励起する量を、平面視して透光性キャップ６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、透光性キャップ６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。

なお、本発明は上述の実施の形態の例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。例えば、図５に示すように、透光性キャップ６を第２枠体部３ｂ上に接着材を介して接続するように設けてもよい。枠体３は、多孔質のセラミック材料から構成することにより、接着材の一部が枠体３内にまで浸み込み、枠体３と透光性キャップ６とを強固に接続することができ、両者の接合性を向上させることができる。また、上述した実施形態では、枠体３に設けられる溝ｔの形状を楕円状としたが、これに限られない。例えば、二つの半円を一対の平行線で繋げた形状であってもよい。

＜発光装置の製造方法＞
ここで、図１に示す発光装置の製造方法を説明する。

まず、基板２を準備する。基板２が例えば酸化アルミニウム質焼結体から成る場合であれば、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が添加混合して混合物を得る。そして、この混合物をシート状に成形するとともに乾燥することにより、焼結前の板状の基板２を作製する。

次に、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、焼結前の板状の基板２に対して、例えば印刷法を用いて、発光素子４が電気的に接続される配線パターンを印刷するとともに焼成することにより、焼結後の基板２が作製される。

次に、枠体３を準備する。枠体３が、例えば酸化アルミニウムから成る多孔質材料である場合は、酸化アルミニウム原料粉末に、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、所望形状の枠体３が成形される型枠内に、混合物を充填するとともに乾燥させ、その後、焼結前の枠体７を取り出すとともに、所定の温度で焼成
することにより、多孔質の枠体３が作製される。

次に、発光素子４を、枠体３を基体２上に配置した際に、枠体３の溝ｔに一列に配置されるよう基板２上に金−錫半田を介して配線パターンに導通接続する。

そして、枠体３を、溝ｔに発光素子４が収納されるように基板２上にシリコーン樹脂から成る接着材を介して接着する。その後、シリコーン樹脂から成る透光性樹脂７を、溝ｔおよび枠体３ｂで囲まれる領域に充填し、発光素子４を透光性部材７で被覆する。

次に、ドーム状の透光性キャップ６を準備する。透光性キャップ６は、未硬化のシリコーン樹脂に蛍光体が混合された蛍光体混合物を、所望形状と成る透光性キャップ６の型枠に充填するとともに硬化させて取り出すことによって作製される。

そして、ドーム状の透光性キャップ６を、基板２にシリコーン樹脂から成る接着材を介して接着することで、発光装置１が作製される。

１発光装置
２基板
３枠体
４発光素子
５蛍光体
６透光性キャップ
７透光性樹脂
ｔ溝
Ｃ凹部

Claims

基板と、
該基板上に設けられた、一方向に並んで配列される複数の溝を有する第１枠体部と、前記第１枠体部上に設けられた第２枠体部とを有する枠体と、
前記溝のそれぞれにライン状に複数設けられた発光素子と、
前記基板上に設けられて前記枠体内に位置する全ての前記発光素子を被覆する、蛍光体を含有したドーム状の透光性キャップと、
前記溝の複数にわたって連続して、前記発光素子を被覆するように設けられた透光性樹脂と、を備え、
前記溝のいずれもが、二つの半円を一対の平行線で繋げた形状であって、
前記透光性樹脂は、前記第１枠体部の上面の高さ位置よりも上方であって、前記第２枠体部の上面の高さ位置よりも下方におさまるように充填されている発光装置。
請求項１に記載の発光装置であって、
前記透光性キャップの外表面に複数の凹部が設けられていることを特徴とする発光装置。
請求項１または請求項２に記載の発光装置であって、
前記溝の内壁面の上端の高さ位置は、前記発光素子の上面の高さ位置よりも上方に位置することを特徴とする発光装置。