説明

発光装置

【課題】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。
【解決手段】発光装置1であって、基板2と、基板2上に設けられ、一方向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上に設けられて枠体3内に位置する全ての発光素子4を被覆する、蛍光体を含有したドーム状の透光性キャップ6とを備えている。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、発光素子を含む発光装置に関するものである。
【背景技術】
【0002】
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。
【0003】
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)。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0004】
【特許文献1】特開2008−153466号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0005】
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。
【課題を解決するための手段】
【0006】
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枠体と、前記溝のそれぞれ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を備える。
【発明の効果】
【0007】
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。
【図面の簡単な説明】
【0008】
【図1】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。
【図2】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3】図2に示すA−A’に沿った発光装置の断面図である。
【図4】図2に示すB−B’に沿った発光装置の断面図である。
【図5】一変形例に係る発光装置の断面図である。
【発明を実施するための形態】
【0009】
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。
【0010】
<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。
【0011】
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。
【0012】
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。
【0013】
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。
【0014】
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。
【0015】
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。
【0016】
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。
【0017】
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。
【0018】
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。
【0019】
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。
【0020】
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。
【0021】
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。
【0022】
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。
【0023】
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。
【0024】
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。
【0025】
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。
【0026】
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。
【0027】
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。
【0028】
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。
【0029】
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。
【0030】
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。
【0031】
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。
【0032】
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。
【0033】
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。
【0034】
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。
【0035】
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。
【0036】
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。
【0037】
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。
【0038】
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。
【0039】
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。
【0040】
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。
【0041】
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。
【0042】
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。
【0043】
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。
【0044】
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。
【0045】
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。
【0046】
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。
【0047】
<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。
【0048】
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。
【0049】
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。
【0050】
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。
【0051】
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。
【0052】
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。
【0053】
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。
【0054】
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。
【符号の説明】
【0055】
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

【特許請求の範囲】
【請求項1】
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枠体と、
前記溝のそれぞれ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を備えた発光装置。
【請求項2】
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3】
請求項1または請求項2に記載の発光装置であって、
前記溝内に位置する前記発光素子同士の間の距離は、前記溝の中央部から前記溝の端部に近づくにつれて短くなっていることを特徴とする発光装置。
【請求項4】
請求項1ないし請求項3のいずれかに記載の発光装置であって、
前記溝同士の間の距離は、前記枠体の中央部から前記枠体の端部に近づくにつれて短くなっていることを特徴とする発光装置。
【請求項5】
請求項1ないし請求項4のいずれかに記載の発光装置であって、
前記溝のそれぞれは楕円形状に形成されており、前記溝のそれぞれの楕円形状の長軸が前記一方向と直交することを特徴とする発光装置。
【請求項6】
請求項1ないし請求項5のいずれか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。
【請求項7】
請求項1ないし請求項6のいずれかに記載の発光装置であって、
前記溝内に透光性樹脂が前記発光素子を被覆するように設けられていることを特徴とする発光装置。
【請求項8】
請求項7に記載の発光装置であって、
前記透光性樹脂が、前記溝の複数にわたって連続して設けられていることを特徴とする発光装置。

【図1】
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【図2】
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【図3】
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【図4】
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【図5】
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【公開番号】特開2012−9682(P2012−9682A)
【公開日】平成24年1月12日(2012.1.12)
【国際特許分類】
【出願番号】特願2010−145192(P2010−145192)
【出願日】平成22年6月25日(2010.6.25)
【出願人】(000006633)京セラ株式会社 (13,660)
【Fターム(参考)】