JP2005197423A - Ｌｅｄ光源 - Google Patents

Abstract

【課題】蛍光物質を含んだ樹脂部６０の形状を規定することによって、ＬＥＤおよび蛍光物質からの光の取り出し効率を飛躍的に改善し、かつ色ムラを低減したＬＥＤ光源を提供すること。
【解決手段】本発明は、実装基板に実装されたＬＥＤ素子と、蛍光物質を含み前記ＬＥＤ素子を覆う第１樹脂部と、前記第１樹脂部を覆う第２樹脂部とを備えるＬＥＤ光源であって、前記実装基板に対向する前記第１樹脂部の面を上面とし、当該上面から前記実装基板へと繋がる面を側面とした場合に、当該上面と当該側面とが、前記ＬＥＤ素子の配置方向とは反対方向に膨らんだ凸形状である構成により、光取り出し効率の改善され色ムラが低減されたＬＥＤ光源を得ることができる。
【選択図】図１

Description

本発明はＬＥＤ素子からの放射光の少なくとも一部を蛍光物質によって波長変換したＬＥＤ光源に関する。

従来のＬＥＤ光源としては、照明に適した白色を得るために、青色ＬＥＤ素子の周りを黄色に光る蛍光物質で覆い、ＬＥＤからの放射光の一部を蛍光物質で波長変換し、合成光として白色の光を取り出す技術があった（例えば、特許文献１）。しかし従来ＬＥＤ照明光源では、前述のように合成光を照明光として利用するため、蛍光物質を含む樹脂部の形状によって照明光に色ムラが発生し易いという課題があった。
特許第２９９８６９６号明細書

本願発明者は、従来ＬＥＤ光源で課題となっている色ムラの低減ができるＬＥＤ照明光源を開発し、出願した（未公開自社出願の特願２００２−３２４３１３号）。上記出願におけるＬＥＤ照明光源３００の断面図を図３に示す。このＬＥＤ照明光源では、基板１１上に設けられたＬＥＤ素子１２は、蛍光物質を含む円筒状樹脂部６０によって覆われており、前記円筒状樹脂部６０と反射板５１を離間させることにより色ムラを低減することができた。

本願発明者が更に検討を進めていくと、蛍光物質を含んだ樹脂部の表面形状を変化させることで、ＬＥＤ素子１２と円筒状樹脂部６０との実装精度のばらつきがあっても、ＬＥＤ素子１２から放射される光束を減少させるとともに、従来の蛍光物質を充填させる特許文献１よりも色ムラの少なくさせることができることわかった。

本発明の目的とするところは、蛍光物質を含んだ樹脂部の形状を規定することによって、ＬＥＤおよび蛍光物質からの光の取り出し効率を飛躍的に改善し、かつ色ムラが低減されたＬＥＤ光源を提供することにある。

上記従来の課題を解決するため、本発明に係わるＬＥＤ光源は、実装基板に実装されたＬＥＤ素子と、蛍光物質を含み前記ＬＥＤ素子を覆う第１樹脂部と、前記第１樹脂部を覆う第２樹脂部とを備えるＬＥＤ光源であって、前記実装基板に対向する前記第１樹脂部の面を上面とし、当該上面から前記実装基板へと繋がる面を側面とした場合に、少なくとも当該側面が、前記ＬＥＤ素子の配置方向とは反対方向に膨らんだ凸形状である。

また好適な実施形態において、前記ＬＥＤ光源は、前記第１樹脂部の屈折率をｎ１とし前記第２樹脂部を覆う樹脂部の屈折率をｎ２とした場合、ｎ１＜ｎ２の関係を満たす。

また好適な実施形態において、前記第１樹脂部は、前記実装基板を底面とする略円柱形状である。

また好適な実施形態において、前記第１樹脂部は、前記実装基板を底面とする略円錐台形状である。

また好適な実施形態において、前記第２樹脂部は、凸レンズ形状である。

また好適な実施形態において、前記第１樹脂部の周りには、反射板が取り付けられている。

また好適な実施形態において、前記第１樹脂部は、シリコーン樹脂を主成分とする。

また好適な実施形態において、前記第２樹脂部は、エポキシ樹脂が主成分である。

また好適な実施形態において、前記凸形状は、球面状である。

以上のように、本発明は、実装基板に実装されたＬＥＤ素子と、蛍光物質を含み前記ＬＥＤ素子を覆う第１樹脂部と、前記第１樹脂部を覆う第２樹脂部とを備えるＬＥＤ光源であって、前記実装基板に対向する前記第１樹脂部の面を上面とし、当該上面から前記実装基板へと繋がる面を側面とした場合に、少なくとも当該側面が、前記ＬＥＤ素子の配置方向とは反対方向に膨らんだ凸形状である構成により、光取り出し効率の改善され色ムラが低減されたＬＥＤ光源を得ることができる。

以下、本発明の実施形態を、図面を参照しながら説明する。なお本願発明は以下の実施の形態のみに限定されるものではない。

（実施の形態１）
図１は、本発明の第１の実施の形態におけるＬＥＤ光源１００の断面図を示すものである。図１において、１１は実装基板である。１２は青色のＬＥＤ素子でありフリップチップ状態で実装基板１１に実装されている。実装基板１１には図には示していないが、配線がありＬＥＤ素子は実装基板上の配線と電気的に接続されている。

１３は蛍光物質を含む第１樹脂部であり、ＬＥＤ素子１２を覆っている。蛍光物質として例えば（Ｙ・Ｓｍ）_３（Ａｌ・Ｇａ）_５Ｏ_１２：Ｃｅや（Ｙ_０．３９Ｇｄ_０．５７Ｃｅ_０．０３Ｓｍ_０．０１）_３Ａｌ_５Ｏ_１２などを用いることが出来る。また第１樹脂部１３はシリコーン樹脂を主成分とし、屈折率ｎ１は約１．４である。

１４は反射板であり、第１樹脂部の周りに配置されている。また、反射板１４は、Ａｌの材料から構成されている。反射板１４の表面は放物面形状である。

第１樹脂部は透明性の第２樹脂部１５で覆われている。第２樹脂部は凸レンズであり主にエポキシ樹脂を主成分としている。第２樹脂部の屈折率ｎ２は約１．６である。なお本実施の形態のＬＥＤ光源のうちＬＥＤ素子１２以外はすべて線Ａに対して軸対象の形状である。

ＬＥＤ素子１２がフリップチップ実装してあるために、リードワイヤが不要となり上記のような蛍光物質を含んだ第１樹脂部１３を容易に形成できる。

ＬＥＤ素子１２から放射された光は蛍光物質を含む第１樹脂部１３中で一部波長変換され黄色の発光を示す。この黄色光と蛍光物質で波長変換されず第１樹脂部１３を通り抜けた青色光とが混ざった形で白色となり第１樹脂部１３表面から放射される。この白色光は第２樹脂部１５を通り一部の光は反射板１４で反射され第２樹脂部１５のレンズ形状で集光されて外部に放射される。

ここで第１樹脂部１３の形状を拡大して詳しく示した断面図を図２に示す。なお第２樹脂部と反射板１４は簡略化のため図示していない。実装基板１１上にＬＥＤ素子１２が実装されおりＬＥＤ素子１２は第１樹脂部１３で覆われている構成である。第１樹脂部１３は実装基板１１を底面とする略円錐台形状である。実装基板１１面を底面とした場合、上面１３１（実装基板１１に対向する第１樹脂部の面）と側面１３２（上面１３１から実装基板１１へ繋がる面）がともに凸形状となっている。ここで「凸形状」とは第１樹脂部１３がＬＥＤ素子１２方向とは反対方向に向かって膨らんでいる凸形状のことをいう。第１樹脂部の大きさは上面が直径約０．７ｍｍ、底面が直径約０．８ｍｍである。また上面および側面の凸部の膨らみの大きさは図中の点線で示す仮想円錐台面からそれぞれ約０．０５ｍｍ膨らんでいる。また凸形状はおよそ球面状でありＲのついたなだらかな凸形状となっており、側面は凸形状が円周上にすべて形成された形状となっている。

本実施の形態のＬＥＤ光源に対して従来のＬＥＤ光源の構成を以下に説明する。

図３に示す従来のＬＥＤ照明光源は３００、図１に示す本実施の形態の実装基板１１、ＬＥＤ素子１２、反射板１４、第２樹脂部１５は同じ構成である。一方、従来のＬＥＤ照明光源は図１の第１樹脂部１３にあたる樹脂部６０の形状のみが異なる。すなわち樹脂部６０の形状は円筒形状であって実装基板１１を底面とした場合、上面と側面の両面に凸形状がない。

＜シミュレーション結果＞
これらのＬＥＤ光源１００から放射される光束を以下の条件で計算機シミュレーションした。

（シミュレーション条件）
・実装基板１１の反射率は０．５。

・反射板１４の反射率は０．８２。

・第１樹脂部１３内に仮想的な発光点を規定し、発光点から等方的に光束が放射される。

・樹脂部１３の形状は、
形状番号１ ：略円錐台形状の上面と側面の両方に凸形状（図２に相当）
形状番号２ ：略円錐台形状の上面１３１だけが凸形状（不図示）
形状番号３ ：略円錐台形状の側面１３２だけが凸形状（不図示）
形状番号４（従来例） ：凸無しの円錐台形状（図３の樹脂部６０を円錐台形状にしたものに相当）。
の４つの形状である。

・第１樹脂部１３の屈折率ｎ１は１．４。

・第２樹脂部１５の屈折率ｎ２は１．６。

・第２樹脂部１５は半球形状。

・第２樹脂部１５の透過率は９６％／ｍｍ。

・光線数は各発光点で２０万本。

・計算した発光点は、図４に示すように、第１樹脂部１３の中心と第１樹脂部１３の側面側近傍と上面側近傍の３箇所。

・ＬＥＤ光源１００から放射される光束を計算。

以上の条件で計算し、第１樹脂部１３の形状が従来例（形状番号４）の光束を１００％として、光束を換算した結果を表１に示す。

表１の結果から、発光点が第１樹脂部１３の側面近傍にある場合（発光点２）には、第１樹脂部１３の側面が凸形状であると、従来の形状に比べて光束が１．１３倍に向上していることが分かる。このことは実際の製造過程において実装精度の問題から第１樹脂部１３の形成位置がＬＥＤ素子１２に対して水平方向にばらつくことを考えると非常に有効である。なぜなら、実装精度による僅かなばらつきならば色ムラの改善には影響がなく（色ムラは従来の蛍光物質を充填する方式よりも良く）、かつ光束の向上が見込めるためである。なお、第１樹脂部１３の上面も凸形状にすることで光束は従来の１．１５倍となって、より光束の向上が見込める。

以上のように、本実施の形態のＬＥＤ光源では、実装基板１１に対向する第１樹脂部１３の面を上面とし、この上面から実装基板１１へと繋がる面を側面とした場合に、少なくとも側面が、ＬＥＤ素子１２の配置方向とは反対方向に膨らんだ凸形状とすることにより、特にＬＥＤ素子１２が第１樹脂部１３の端に存在した場合において、光取り出し効率を向上できる。なお、第１樹脂部１３を反射板１４から離隔させているので、色ムラも同時に低減することもできる。

なお、本実施の形態では、屈折率が、ｎ１＜ｎ２の場合について記載した。しかし、ｎ１＞ｎ２の場合についても光の取り出し効率が改善される。なぜなら、ｎ１＞ｎ２の場合には臨界角が存在するが、第１樹脂部１３と第２樹脂部１５の界面が第２樹脂部１５に向かって凸形状となっているために、第１樹脂部１３と第２樹脂部１５の界面で光の全反射が少なくなり、第１樹脂部１３内での迷光が減ると考えられるからである。

また、本実施の形態は、第１樹脂部１３の形状が略円錐台形状で凸構造を設けたものについて記載したが、第１樹脂部１３の形状の側面が少なくとも凸形状であれば光取り出し効率が向上する。なお、側面だけでなく上面にも凸形状を有することによって、より光取り出し効率が向上する。

加えて、実装基板１１に略平行な蛍光物質を含んだ第１樹脂部１３の端とＬＥＤ素子１２の中心との距離がおおよそ等しい構造であれば、第１樹脂部１３内での蛍光材料による波長変換がおよそ均一に出来るため、蛍光物質からの放射光が均一となり、ＬＥＤ光源１００からの放射光の色ムラが少なく、かつ光取り出し効率の高い光源を得ることができる。このような第１樹脂部１３の形状の例を図５、図６に示す。なお、図５，図６と図１とは、第１樹脂部１３の形状のみが異なり、他の構成要素は同一符号を記して説明を省略する。また、図５，６とは、第２樹脂部１５と反射板１４とは簡略化のため省略して図示している。

図５（ａ）はＬＥＤ光源５００の上面から見た概略図であり、図５（ｂ）はＬＥＤ光源５００の側面からみた断面概略図である。第１樹脂部１３は、略円柱形状において上面と側面とが凸形状を有している。

図６（ａ）はＬＥＤ光源６００の上面から見た概略図であり、図６（ｂ）はＬＥＤ光源６００の側面からみた断面概略図である。第１樹脂部１３は略四角錘台であって、斜辺の角を丸めた形状である。また、略四角錐台形の上面かつ側面に凸形状が形成されている。このような形状以外にも、同様に略五角錘台、略六角錐台でも可能である。

なお、本実施の形態では、第２樹脂部１５は凸レンズ構造のものを示したが、凸レンズ構造によって、より指向性の高い光束を得るためであって、この形状のみに規定されるものではない。

また、本実施の形態では、反射板１４をもつ構造のものを示したが、反射板構造によって、より指向性の高い光束を得るためであって、この形状のみに規定されるものではない。

また、本実施の形態では、第１樹脂部１３としてシリコーン樹脂を主成分とし、第２樹脂部１５としてエポキシ樹脂を主成分とするものを示したが、この樹脂種に限定されるものではない。

また、色ムラを少なくするためには、ＬＥＤ素子１２の軸と第１樹脂部１３の軸とをおおよそ一致させることが好ましい。また、ＬＥＤ素子１２の軸と第１樹脂部１３の軸と反射板１４の軸と第２樹脂部１５の軸とを一致させることによって、ＬＥＤ光源からの放射光のムラが少なくすることができる。

本実施の形態は、凸部がＲのついた球面状の場合を説明したが、この形状のみに限定されない。尚、本明細書中の球面とは、球をある平面で２つの領域に分けた時に、球の中心を含まない領域の曲面部分のことである。逆に球の中心を含む領域の曲面部分とした場合には、色ムラの発生が起こるために本実施形態には適さない。

本発明のＬＥＤ光源は光取り出し効率が高いので、照明分野やＬＥＤを光源として使用したデバイス等として有用である。

本発明の実施の形態１におけるＬＥＤ光源１００の概略断面図 本発明の第１樹脂部１３を拡大した概略断面図 従来のＬＥＤ光源３００の概略断面図 シミュレーションの際の各発光点の位置を示す概略図 第１樹脂部１３の形状の一例を示す概略断面図 第１樹脂部１３の形状の一例を示す概略断面図

符号の説明

１１ 実装基板
１２ ＬＥＤ素子
１３ 第１樹脂部
１４ 反射板
１５ 第２樹脂部
６０ 円筒形樹脂部

Claims (9)

1. 実装基板に実装されたＬＥＤ素子と、
   蛍光物質を含み前記ＬＥＤ素子を覆う第１樹脂部と、
   前記第１樹脂部を覆う第２樹脂部とを備えるＬＥＤ光源であって、
   前記実装基板に対向する前記第１樹脂部の面を上面とし、当該上面から前記実装基板へと繋がる面を側面とした場合に、少なくとも当該側面が、前記ＬＥＤ素子の配置方向とは反対方向に膨らんだ凸形状である、ＬＥＤ光源。
2. 前記第１樹脂部の屈折率をｎ１とし、前記第２樹脂部を覆う樹脂部の屈折率をｎ２とした場合、
   ｎ１ ＜ ｎ２ ・・・（式１）
   の関係を満たす、請求項１に記載のＬＥＤ光源。
3. 前記第１樹脂部は、前記実装基板を底面とする略円柱形状において前記上面と前記側面とが前記凸形状を有している、請求項１から２に記載のＬＥＤ光源。
4. 前記第１樹脂部は、前記実装基板を底面とする略円錐台形状において前記上面と前記側面とが前記凸形状を有している、請求項１から２に記載のＬＥＤ光源。
5. 前記第２樹脂部は、凸レンズ形状である、請求項１から４までの何れか一つに記載のＬＥＤ光源。
6. 前記第１樹脂部の周りには、反射板が取り付けられている、請求項１から５までの何れか一つに記載のＬＥＤ光源。
7. 前記第１樹脂部は、シリコーン樹脂を主成分とする、請求項１から６までの何れか一つに記載のＬＥＤ光源。
8. 前記第２樹脂部は、エポキシ樹脂が主成分である、請求項１から７までの何れか一つに記載のＬＥＤ光源。
9. 前記凸形状は、球面状である、請求項１から８までの何れか一つに記載のＬＥＤ光源。

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