説明

発光装置

【課題】波長変換部材を接続個所に対して良好に固着し続けることが可能な発光装置を提供することを目的とする。
【解決手段】発光装置1であって、基板2と、基板2上に設けられた発光素子3と、基板2上に設けられた、発光素子3を取り囲む枠体4と、枠体4上に支持されるとともに発光素子3と間を空けて設けられた、蛍光体7を含有する波長変換部材5とを備え、波長変換部材5は、枠体4に当接する端部が二層構造であって、端部の下層5a内には蛍光体7が含有されていないことを特徴とする。

【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、発光素子を有する発光装置の開発が進められている。当該発光装置は、消費電力または製品寿命に関して注目されている。なお、発光装置として、発光素子から発せられる光を波長変換部で特定の波長帯の光に変換して、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】
【0003】
【特許文献1】特開2004−343149号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0004】
発光素子の開発において、発光素子の発光する光に起因して発生する熱が、波長変換部材の端部に集中すると、端部が接続個所から剥離する虞がある。
【0005】
本発明は、波長変換部材を接続個所に対して良好に固着し続けることが可能な発光装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0006】
本発明の実施形態に係る発光装置は、基板と、前記基板上に設けられた発光素子と、前記基板上に設けられた、前記発光素子を取り囲む枠体と、前記枠体上に支持されるとともに前記発光素子と間を空けて設けられた、蛍光体を含有する波長変換部材とを備え、前記波長変換部材は、前記枠体に当接する端部が二層構造であって、前記端部の下層内には前記蛍光体が含有されていないことを特徴とする。
【発明の効果】
【0007】
本発明によれば、波長変換部材を接続個所に対して良好に固着し続け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断面斜視図である。
【図2】本実施形態に係る発光装置の断面図である。
【図3】図2に示す発光装置の一部を拡大した拡大断面図である。
【図4】本実施形態に係る発光装置の透過平面図である。
【図5】一変形例に係る発光装置の断面図である。
【図6】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である。
【0010】
<発光装置の概略構成>
図1は、本実施形態に係る発光装置1の概観斜視図であって、その一部を断面視している。図2は、図1に示す発光装置の断面図である。図3は、図2に示す発光装置の一部A
を拡大した拡大断面図である。図4は、発光装置の透過平面図であって、波長変換部材および樹脂を取り除いた状態を示している。
【0011】
発光装置1は、基板2と、基板2上に設けられた発光素子3と、基板2上に設けられた、発光素子3を取り囲む枠体4と、枠体4上に支持されるとともに発光素子3と間を空けて設けられた波長変換部材5とを備えている。なお、発光素子3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、外部に向かって光を放出する。
【0012】
基板2は、絶縁性の基板であって、例えば、アルミナまたはムライト等のセラミック材料、或いはガラスセラミック材料等から成る。または、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成る。また、基板2は、基板2の熱膨張を調整することが可能な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。
【0013】
基板2は、基板2の内外を電気的に導通する配線導体が形成されている。配線導体は、例えば、タングステン、モリブデン、マンガンまたは銅等の導電材料からなる。配線導体は、例えば、タングステン等の粉末に有機溶剤を添加して得た金属ペーストを、基板2となるセラミックグリーンシートに所定パターンで印刷し、複数のセラミックグリーンシートを積層して、焼成することにより得られる。なお、配線導体の表面には、酸化防止のために、例えば、ニッケルまたは金等の鍍金層が被着されている。
【0014】
また、基板2の上面には、基板2上方に効率良く光を反射させるために、配線導体および鍍金層と間を空けて、例えば、アルミニウム、銀、金、銅またはプラチナ等の金属反射層を形成する。
【0015】
発光素子3は、基板2上に実装される。発光素子3は、基板2上に形成される配線導体の表面に被着する鍍金層上に、例えば、ろう材または半田を介して電気的に接続される。
【0016】
発光素子3は、透光性基体と、透光性基体上に形成される光半導体層とを有している。透光性基体は、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。透光性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、セレン化亜鉛、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、透光性基体の厚みは、例えば50μm以上1000μm以下である。
【0017】
光半導体層は、透光性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。
【0018】
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、或いは、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3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。
【0019】
枠体4は、基板2と同一組成のセラミック材料から成り、基板2上面に積層されて一体焼成されている。枠体4は、基板2上の発光素子3を取り囲むように設けられている。なお、平面視して、枠体4の内壁面の形状を円形とすると、発光素子3が発光する光を全方
向に反射させて外部に放出することができる。また、枠体4は、基板2の上面に別体として接着されてもよい。
【0020】
また、枠体4は、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セラミック材料を所望の形状に形成して焼結された多孔質材料から構成されてもよい。その結果、枠体4は、発光素子3から発せられる光エネルギーによる反射率の低下や、機械的な強度劣化が抑制される。さらに、発光素子3からの光が、多孔質材料から成る枠体4の表面で拡散して反射される。よって、発光素子3から発せられる光は、波長変換部材5の一部に集中することなく、波長変換部材5に入射される。その結果、波長変換部材5は、波長変換部材5の一部が温度上昇することによる波長変換効率の低下や、波長変換部材5の一部が温度上昇することによる透過率や機械的強度の劣化が抑制される。
【0021】
また、枠体4で囲まれる領域は、下部から上部に向かって幅広に傾斜するとともに、枠体4の上端内側には段差4aが設けられている。また、枠体4の傾斜する内壁面には、例えば、タングステン、モリブデン、銅または銀等から成る金属層と、金属層を被覆するニッケルまたは金等から成る鍍金金属層が形成されてもよい。この鍍金金属層は、発光素子3の発する光を反射させる機能を有する。
【0022】
また、枠体4の内壁面の傾斜角度は、基板2の上面に対して例えば55度以上70度以下の角度に設定されている。また、鍍金金属層の表面粗さは、算術平均粗さRaが例えば、1μm以上3μm以下に設定されている。
【0023】
枠体4の段差4aは、波長変換部材5を支持するためのものである。段差4aは、枠体4の上部の一部を内側に向けて切欠いたものであって、波長変換部材5の端部を支持することができる。なお、段差4aの表面にまで、鍍金金属層が形成されてもよい。
【0024】
枠体4で囲まれる領域に、光透過性の樹脂6が充填されている。樹脂6は、発光素子3を封止するとともに、発光素子3から発せられる光が透過する機能を備えている。樹脂6は、枠体4の内方に発光素子3を収容した状態で、枠体4で囲まれる領域であって、波長変換部材5が樹脂6によって枠体4に傾いて接合されないよう、段差4aの高さ位置よりも低い位置まで充填される。なお、樹脂6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。なお、樹脂6の熱伝導率は、例えば、0.14W/(m・K)以上0.21W/(m・K)以下に設定されている。
【0025】
波長変換部材5は、発光素子3の発する光の波長を変換する機能を有している。波長変換部材5は、枠体4と当接する端部が、下層5aと上層5bの二層構造に形成されている。また、波長変換部材5の中央部5cは、波長変換部材5の端部の上層5bと同じ材料から構成されている。
【0026】
波長変換部材5は、発光素子3から発せられる光が内部に入射して、内部に含有される蛍光体7が励起されて、光を発するものである。しかし、波長変換部材5の端部の下層5a内には、発光素子3の発する光の波長を変換する蛍光体7が含有されていない。
【0027】
波長変換部材5の端部の下層5aは、例えば、フッ素樹脂、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なる。また、波長変換部材5の端部の上層5b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。
【0028】
また、蛍光体7は、端部の下層5aを除いた波長変換部材5中に均一に分散するようにしている。なお、波長変換部材5の端部の下層5bの熱伝導率は、例えば、0.10W/(m・K)以上0.30W/(m・K)以下に設定されている。また、波長変換部材5の中央部5cおよび波長変換部材5の端部の上層5bの熱伝導率は、例えば、0.10W/(m・K)以上0.30W/(m・K)以下に設定されている。
【0029】
また、波長変換部材5の端部の下層5aにおける屈折率は、例えば、1.3以上1.5以下に設定されている。また、波長変換部材5の端部の上層5bにおける屈折率は、例えば、1.4以上1.6以下に設定されている。そして、波長変換部材5は、下層5aの屈折率が、上層5bの屈折率よりも小さく設定されている。例えば、波長変換部材5の下層5aと上層5bとの材料を異ならせたり、材料の組成比を調整することで、波長変換部材5の端部の屈折率を調整することができる。
【0030】
波長変換部材5は、枠体4上に支持されるとともに、発光素子3と間を空けて設けられている。また、波長変換部材5の端部は、枠体4の段差4a上に位置しており、枠体4によって波長変換部材5の端部側面が囲まれている。
【0031】
また、波長変換部材5の全体の厚みは、例えば、0.7mm以上3mm以下に設定されており、且つ一定に設定されている。なお、波長変換部材5の端部は、下層5aの厚みが、例えば、0.1mm以上0.5mm以下に設定されている。また、上層5bの厚みが、例えば、0.2mm以上2.9mm以下に設定されている。そして、波長変換部材5の端部は、下層5aの厚みと上層5bの厚みを足し合わせた厚みが、波長変換部材5の全体の厚みとなる。
【0032】
ここで、厚みが一定とは、厚みの誤差が0.5μm以下のものを含む。波長変換部材5の厚みを一定にすることにより、波長変換部材5内で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、波長変換部材5における輝度ムラを抑制することができる。
【0033】
枠体4の段差4a上に、波長変換部材5の端部が接合材8を介して固定されている。接合材8の熱伝導率は、波長変換部材5の熱伝導率よりも大きく設定されている。接合材8は、枠体4から波長変換部材5の端部上にかけて設けられている。そして、接合材8は、波長変換部材5の上面の端部位置から波長変換部材5の下面の端部位置にかけて形成される。また、接合材8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。なお、接合材8の熱伝導率は、例えば、0.14W/(m・K)以上4.0W/(m・K)以下に設定されている。接合材8の屈折率は、例えば、1.4以上1.6以下に設定されている。なお、接合材8の屈折率は、上層5bの屈折率より小さくてもよく、発光素子3や蛍光体7からの光が上層5bと接合材8との界面における屈折率差によって反射されることにより、段差4aにおける反射損失の影響を小さくすることができる。
【0034】
接合材8が波長変換部材5の下面のうち、断面視して、波長変換部材5の端部から枠体4の段差4aより枠体4の中心側に向かって被着することで、接合材8が被着する面積を大きくし、枠体4と波長変換部材5とを強固に接続することができる。その結果、枠体4と波長変換部材5の接続強度を向上させることができ、波長変換部材5の撓みが抑制される。そして、発光素子3と波長変換部材5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。
【0035】
また、接合材8の熱伝導率は、波長変換部材5の熱伝導率よりも大きく設定されている
。接合材8の熱伝導率を、波長変換部材5の熱伝導率よりも大きくすることで、波長変換部材5から枠体4に伝わる熱を接合材8を介して伝達しやすくすることができる。波長変換部材5には、発光素子3が発する光を蛍光体7によって波長変換する際の変換損失に起因した熱が発生し、この熱によって波長変換部材5の温度が上昇する。その熱を波長変換部材5から接合材8に吸収しやすくすることで、波長変換部材5が高温になるのを抑制することができる。波長変換部材5が高温になると、発光素子3の発する励起光によって励起される光の色温度が変化し、所望する色温度の光色になりにくくなるが、波長変換部材5の温度が高温になるのを抑制することで、所望する光色を取り出すことができる。
【0036】
また、波長変換部材5は、端部の下層5aには蛍光体7が含有されていないため、温度が上昇しにくくなっている。一方、端部の上層5bには蛍光体7が含有されているため、温度が端部の下層5bよりも上昇しやすいが、上層5bは発光装置1の外部に露出されているため、上層5bで発生した熱を外部に放散することができる。また、接合材8の熱伝導率が波長変換部材5の端部よりも大きいため、端部の上層5bで発生する熱を集中的に接合材8に吸収することができる。その結果、波長変換部材5の端部が高温になりにくくすることができ、波長変換部材5の端部が接合材8または枠体4から剥離するのを抑制することができる。そして、波長変換部材5を接続個所に対して良好に固着し続けることが可能な発光装置1を提供することができる。
【0037】
発光素子3からの光や波長変換部材5内で蛍光体7によって波長変換された光は、進行する方向によっては波長変換部材5の上面または下面にて内部に向かって繰り返し反射されて、波長変換部材5の端部に向かって進行することがある。波長変換部材5の端部の下層5aの屈折率は、端部の上層5bの屈折率および中央部5cの屈折率よりも小さく設定されているため、波長変換部材5の端部の下層5aには光が進入しにくくなる。波長変換部材5内では、光の一部が熱になって、波長変換部材5の温度が上昇するが、波長変換部材5の端部の下層5a内には光が進入しにくく、また、下層5aには蛍光体7が含有されていないため、波長変換部材5の端部の下層5aの温度が上昇するのを抑制することができる。その結果、枠体4の段差4aと当接することがある下層5aが熱膨張することで、接合材8または枠体4から剥離するのを効果的に抑制することができる。
【0038】
接合材8の屈折率を波長変換部材5の屈折率よりも小さく設定した場合は、波長変換部材5から接合材8内にむかって光が進入しにくくすることができる。波長変換部材5から接合材8に向かって進行する光は、波長変換部材5と接合材8の界面にて反射されて、波長変換部材5に向かって反射される。その結果、波長変換部材5の中央部5cにて蛍光体7によって波長変換される光の量を多くすることができ、発光輝度を向上させることができる。
【0039】
また、接合材8の屈折率を波長変換部材5の屈折率よりも大きく設定した場合は、接合材8が波長変換部材5の端部上に設けられることにより、波長変換部材5から接合材8内に向かって光が進行しやすくなり、波長変換部材5の端部上から接合材8を介して外部に放射される光の量を多くすることができ、発光輝度を向上させることができる。
【0040】
また、波長変換部材5で波長変換された光は、波長変換部材5の上方に向かって進行させて外部に取り出される。そのため、波長変換部材5の下層5aでなく、波長変換部材5の下層5aよりも外部との距離が近い、波長変換部材5の端部の上層5bに蛍光体7を含有することで、波長変換部材5の端部の上層5bにて波長変換された光をすぐに外部に取り出すことができる。
【0041】
また、波長変換部材5は、中央部5cを単層として、中央部5cに蛍光体7を万遍なく混入されている。中央部5cを単層として多くの蛍光体7を含有させることができ、中央
部5cを複数層として、その一層にのみ蛍光体7を含有させる場合に比べて、波長変換部材5の中央部5cでの波長変換効率を向上させることができる。
【0042】
本実施形態によれば、波長変換部材5の端部において二層に構成するとともに、下層5a内に蛍光体7を含有させず、上層5bにのみ蛍光体7を含有させることで、波長変換部材5の端部において蛍光体7が光の波長を変換する際に発生する熱を低減することができ、波長変換部材5の端部が枠体4から剥離するのを抑制することができる。その結果、波長変換部材5を枠体4に対して良好に固着し続けることが可能な発光装置1を提供することができる。
【0043】
なお、本発明は上述の形態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、上述した実施形態によれば、波長変換部材5の端部のみを二層として、その下層5aにのみ蛍光体7を含有させない構成としたが、製造工程を単純化する場合は、波長変換部材5全体を二層としてもよい。図5に示すように、波長変換部材5全体を二層として、蛍光体7が含有されない下層5aと、蛍光体7が含有される上層5bとすることで、製造歩留まりを向上させることができる。また、図6に示すように、波長変換部材5の端部が、枠体4と全周にわたって当接する構成としてもよい。波長変換部材5の端部の下面を直接枠体4と当接させることで、波長変換部材5の熱を枠体4に伝達しやすくすることができ、枠体4に伝わった熱は外部に向かって放熱し、波長変換部材5の温度が上昇するのを効果的に抑制することができる。
【0044】
また、段差4aは、表面が拡散面に形成されてもよく、接合材8を介した波長変換部材5と枠体4との接合強度が向上されるとともに、下層5aから接合材8を介して透過した発光素子3や蛍光体7からの光が段差4aの表面で拡散反射される。その結果、段差4aで拡散反射された光は下層5aに集中せず、下層5aは透過率や機械強度の低下が抑制される。
【0045】
また、波長変換部材5は、下層4aおよび上層4bの側面が上方向に広がる傾斜面に形成されてもよく、下層4aおよび上層4bの側面で上方向に反射される蛍光体7からの光が増加する。その結果、発光装置1は、接合材8や段差4aにおける光吸収や反射損失が抑制され、光出力を向上することができる。
【0046】
また、下層4aは、波長変換部材5の端部の全周にわたって形成されてもよく、発光素子3や蛍光体7からの光や、蛍光体7から発生する熱が下層4aの一部に集中することが抑制される。その結果、下層4aの一部に光や応力が集中することによる接合強度の低下や波長変換部材5の枠体4からの剥離が抑制される。
【0047】
また、波長変換部材5の端部を二層に限定せずに、波長変換部材5を一層とし、波長変換部材5に含有される蛍光体を上部から下部に向かって漸次少なくなるようにしてもよい。波長変換部材5に含有される蛍光体の含有量は、波長変換部材5を作製するときに蛍光材量の散布量を徐々に多くするか、少なくするかして調整することができる。
【0048】
<発光装置の製造方法>
ここで、図1に示す発光装置1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、酸化珪素、酸化マグネシウムおよび酸化カルシウム等の原料粉末に、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、混合物から複数のグリーンシートを作製する。
【0049】
また、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、基板2となるセラミックグリーンシートに配線導体となるメタライズパターンおよび必要に応じて枠体4を接合するためのメタライズパターンをそれぞれ所定パターンで印刷し、複数のセラミックグリーンシートを積層した状態で焼成することで、基板2を準備することができる。
【0050】
枠体4を準備する。枠体4は、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セラミック材料を準備する。そして、枠体4の型枠内に、セラミック材料を充填して乾燥させた後に、焼成することで枠体4を準備することができる。この枠体4にも、基板2を接合する面に必要に応じてメタライズパターンを形成しておく。
【0051】
次に、基板2上に、枠体4を、両者のメタライズパターン同士を例えば半田を介して接合することによって設ける。そして、基板2の上面であって枠体4で囲まれた領域に発光素子3を実装する。
【0052】
そして、基板2上の枠体4で囲まれた領域に、例えば樹脂6としてのシリコーン樹脂を充填する。その後、例えば150℃以上の温度にシリコーン樹脂を熱して、シリコーン樹脂を硬化させることで、樹脂6を形成して発光素子3を封止する。
【0053】
次に、波長変換部材5を準備する。波長変換部材5は、未硬化の樹脂に蛍光体7を混合して、例えばドクターブレード法、ダイコーター法、押し出し法、スピンコート法またはディップ法等のシート成形技術を用いて作製することができる。また、波長変換部材5は、未硬化の波長変換部材5を型枠に充填し、硬化して取り出すことによっても得ることができる。
【0054】
具体的には、波長変換部材5の端部において、下層5aがない形状の型枠を準備して、その型枠にて波長変換部材5の中央部5cと、波長変換部材5の端部の上層5bが一体となった部材を作製する。そして、この部材に対して、あいている下層5aとなる部分に、蛍光体7が含有されていない樹脂を被着させ、当該樹脂を硬化させることで、波長変換部材5の端部の下層5aを形成することができる。このようにして、端部が二層の波長変換部材5を作製することができる。
【0055】
そして、準備した波長変換部材5の端部を枠体4の段差4a上に、接合材8としてのシリコーン樹脂を介して接着する。このようにして、発光装置1を製造することができる。
【符号の説明】
【0056】
1 発光装置
2 基板
3 発光素子
4 枠体
4a 段差
5 波長変換部材
5a 端部の下層
5b 端部の上層
5c 中央部
6 樹脂
7 蛍光体
8 接合材

【特許請求の範囲】
【請求項1】
基板と、
前記基板上に設けられた発光素子と、
前記基板上に設けられた、前記発光素子を取り囲む枠体と、
前記枠体上に支持されるとともに前記発光素子と間を空けて設けられた、蛍光体を含有する波長変換部材とを備え、
前記波長変換部材は、前記枠体に当接する端部が二層構造であって、前記端部の下層内には前記蛍光体が含有されていないことを特徴とする発光装置。
【請求項2】
請求項1に記載の発光装置であって、
前記下層の屈折率は、前記端部の上層の屈折率よりも小さい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、
前記枠体から前記波長変換部材の端部上にかけて、前記波長変換部材と前記枠体とを接合する接合材が設けられており、前記接合材の屈折率は、前記波長変換部材の前記端部の両層の屈折率よりも大きい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、
前記波長変換部材の前記端部は、前記枠体に全周にわたって当接していることを特徴とする発光装置。
【請求項5】
基板と、
前記基板上に設けられた発光素子と、
前記基板上に設けられた、前記発光素子を取り囲む枠体と、
前記枠体上に支持されるとともに前記発光素子と間を空けて設けられた、蛍光体を含有する波長変換部材とを備え、
前記波長変換部材は、前記枠体に当接する端部に含有された前記蛍光体が、前記端部の上部から下部に向かって漸次少なくなっていることを特徴とする発光装置。

【図1】
image rotate

【図2】
image rotate

【図3】
image rotate

【図4】
image rotate

【図5】
image rotate

【図6】
image rotate