JP4552798B2

JP4552798B2 - Ｌｅｄ照明装置

Info

Publication number: JP4552798B2
Application number: JP2005216384A
Authority: JP
Inventors: 卓也中谷; 洋二浦野
Original assignee: Panasonic Corp; Matsushita Electric Works Ltd
Current assignee: Panasonic Corp; Panasonic Electric Works Co Ltd
Priority date: 2005-07-26
Filing date: 2005-07-26
Publication date: 2010-09-29
Anticipated expiration: 2025-07-26
Also published as: JP2007035882A

Description

本発明は、ＬＥＤチップ（発光ダイオードチップ）を利用したＬＥＤ照明装置に関するものである。

従来から、ＬＥＤチップとＬＥＤチップから放射された光によって励起されてＬＥＤチップとは異なる発光色の光を放射する波長変換材料としての蛍光材料とを組み合わせてＬＥＤチップの発光色とは異なる色合いの光を出す発光装置の研究開発が各所で行われている（例えば、特許文献１）。なお、この種の発光装置としては、例えば、青色光あるいは紫外光を放射するＬＥＤチップと蛍光体とを組み合わせて白色の光（白色光の発光スペクトル）を得る白色発光装置（一般的に白色ＬＥＤと呼ばれている）の商品化がなされている。

上記特許文献１には、例えば、図５に示すように、青色の光を放射するＬＥＤチップ１０’と、ＬＥＤチップ１０’が実装される実装基板２０’であって厚み方向の一面側にＬＥＤチップ１０’を収納する収納凹所２０ａ’が形成された実装基板２０’と、収納凹所２０ａ’に充填されＬＥＤチップ１０’を封止した封止樹脂からなる封止部３０’と、黄色蛍光体を樹脂とともに成形した成形品であって封止部３０’を覆う形で実装基板２０’に固着されたシート状の色変換部材１４０’とを備えた発光装置１’が開示されている。なお、図５の発光装置１’では、実装基板２０’と色変換部材１４０’とでパッケージを構成している。

ところで、図５に示すような発光装置１’を用いたＬＥＤ照明装置としては、例えば、図６に示すように、回路基板５０’上に発光装置１’を実装し、発光装置１’から放射された光の配光を制御するレンズ６０’を発光装置１’に光軸が一致する形で配置したものが提案されている。
特開２００３−４６１３３号公報

ところで、図６に示したＬＥＤ照明装置においては、ＬＥＤチップ１０’がパッケージングされた発光装置１’により白色の照明色を得ているので、照明色が青色のＬＥＤ照明装置を他品種として展開するには、色変換部材１４０’を用いることなくＬＥＤチップ１０’がパッケージングされた発光装置を用意する必要があり、照明色が白色の品種と青色の品種とで異なる発光装置が必要となって、コストが高くなるという不具合があった。

本発明は上記事由に鑑みて為されたものであり、その目的は、従来に比べて低コスト化を図れるＬＥＤ照明装置を提供することにある。

請求項１の発明は、可視光を放射するＬＥＤチップと、該ＬＥＤチップが実装された回路基板と、前記ＬＥＤチップを封止する封止部と、少なくとも前記ＬＥＤチップから放射された光の配光を制御するレンズであって前記回路基板との間で前記ＬＥＤチップを封止する前記封止部を囲む形で前記回路基板に封着されたレンズとを備え、前記レンズは、透明材料と前記ＬＥＤチップから放射された光によって励起されて前記ＬＥＤチップの発光色とは異なる色の光を放射する蛍光材料とで構成されるドーム状の色変換部が一体化されてなり、前記色変換部と前記封止部との間に空気層を備えてなることを特徴とする。

この発明によれば、レンズが回路基板との間でＬＥＤチップを囲む形で回路基板に封着され、しかも、透明材料とＬＥＤチップから放射された光によって励起されてＬＥＤチップの発光色とは異なる色の光を放射する蛍光材料とで構成される色変換部がレンズに一体化されているので、回路基板とレンズとでＬＥＤチップのパッケージが構成されるから、パッケージングされたＬＥＤチップを用意する必要がなく低コスト化を図れ、あらかじめ色変換部が一体化されたレンズと色変換部が一体化されていないレンズとを用意しておくことで、ＬＥＤチップから放射される光と色変換部の蛍光材料から放射される光との混色光を照明光とするＬＥＤ照明装置と、ＬＥＤチップから放射される光を照明光とするＬＥＤ照明装置とで、パッケージングされていないＬＥＤチップを共用でき、低コスト化を図れる。また、ＬＥＤチップを封止する封止部と、色変換部との間に空気層が形成されていることにより、封止部と色変換部とを密着させる場合に比べて組立性を向上させることもできる。

請求項２の発明は、請求項１の発明において、前記色変換部は、前記レンズに埋設され該レンズに一体化されてなることを特徴とする。

この発明によれば、前記色変換部と前記レンズとが別部品である場合に比べて部品点数を削減でき、部品の管理コストを低減できる。

請求項３の発明は、前記色変換部は、前記レンズに接着することで前記レンズに一体化されてなることを特徴とする。

この発明によれば、所望の照明色にかかわらず前記レンズの共通化を図れコストを低減できる。

請求項１の発明では、従来に比べて低コスト化を図れるという効果がある。

（参考例１）
本参考例のＬＥＤ照明装置は、図１に示すように、可視光を放射するＬＥＤチップ１０と、ＬＥＤチップ１０が実装された回路基板５０と、透明材料とＬＥＤチップ１０から放射された光によって励起されてＬＥＤチップ１０の発光色とは異なる色の光を放射する蛍光材料とで構成される色変換部４０と、ＬＥＤチップ１０から放射された光および上記蛍光材料から放射された光の配光を制御するレンズ６０とを備えている。

回路基板５０は、金属板５１上に絶縁層５２を介して対となる導体パターン５３，５３が形成された金属基板を採用しており、ＬＥＤチップ１０で発生した熱が金属板５１に伝熱されるようになっている。なお、金属板５１の材料としてはＣｕを採用しているが、熱伝導率の比較的高い金属材料であればよく、Ｃｕに限らず、Ａｌなどを採用してもよい。

ＬＥＤチップ１０は、青色光を放射するＧａＮ系青色ＬＥＤチップであり、結晶成長用基板としてサファイア基板に比べて格子定数や結晶構造がＧａＮに近く且つ導電性を有するｎ形のＳｉＣ基板からなる導電性基板１１を用いており、導電性基板１１の主表面側にＧａＮ系化合物半導体材料により形成されて例えばダブルへテロ構造を有する積層構造部からなる発光部１２がエピタキシャル成長法（例えば、ＭＯＶＰＥ法など）により成長され、導電性基板１１の裏面に図示しないカソード側の電極であるカソード電極（ｎ電極）が形成され、発光部１２の表面（導電性基板１１の主表面側の最表面）に図示しないアノード側の電極であるアノード電極（ｐ電極）が形成されている。要するに、ＬＥＤチップ１０は、一表面側にアノード電極が形成されるとともに他表面側にカソード電極が形成されている。上記カソード電極および上記アノード電極は、Ｎｉ膜とＡｕ膜との積層膜により構成してあるが、上記カソード電極および上記アノード電極の材料は特に限定するものではなく、良好なオーミック特性が得られる材料であればよく、例えば、Ａｌなどを採用してもよい。なお、本参考例では、ＬＥＤチップ１０の発光部１２が導電性基板１１よりも金属板５１から離れた側となるように金属板５１に実装されているが、ＬＥＤチップ１０の発光部１２が導電性基板１１よりも金属板５１に近い側となるように金属板５１に実装するようにしてもよい。

また、ＬＥＤチップ１０は、上述の金属板５１に、ＬＥＤチップ１０のチップサイズよりも大きなサイズの矩形板状に形成されＬＥＤチップ１０と金属板５１との線膨張率の差に起因してＬＥＤチップ１０に働く応力を緩和するサブマウント部材８０を介して実装されている。サブマウント部材８０は、上記応力を緩和する機能だけでなく、ＬＥＤチップ１０で発生した熱を金属板５１においてＬＥＤチップ１０のチップサイズよりも広い範囲に伝熱させる熱伝導機能を有している。本参考例では、サブマウント部材８０の材料として熱伝導率が比較的高く且つ絶縁性を有するＡｌＮを採用しており、ＬＥＤチップ１０は、上記カソード電極がサブマウント部材８０におけるＬＥＤチップ１０側の表面に設けられ上記カソード電極と接続される電極パターン（図示せず）および金属細線（例えば、金細線、アルミニウム細線など）からなるボンディングワイヤ１４を介して一方の導体パターン５３と電気的に接続され、上記アノード電極がボンディングワイヤ１４を介して他方の導体パターン５３と電気的に接続されている。なお、ＬＥＤチップ１０とサブマウント部材８０とは、ＡｕＳｎ、ＳｎＡｇＣｕなどの鉛フリー半田を用いて接合されている。

サブマウント部材８０の材料はＡｌＮに限らず、線膨張率が導電性基板１１の材料である６Ｈ−ＳｉＣに比較的近く且つ熱伝導率が比較的高い材料であればよく、例えば、複合ＳｉＣなどを採用してもよい。

色変換部４０は、シリコーン樹脂のような透明材料とＬＥＤチップ１０から放射された青色光によって励起されてブロードな黄色系の光を放射する粒子状の黄色蛍光体からなる蛍光材料とを混合した混合物によりドーム状に形成されている。したがって、本参考例のＬＥＤ照明装置では、ＬＥＤチップに図示しない電源部から電力を供給することにより、ＬＥＤチップ１０から青色光が放射されるとともに色変換部４０の黄色蛍光体からブロードな黄色系の光が放射されるので、ＬＥＤチップ１０からの光と黄色蛍光体からの光との混色光が色変換部４０から出射されレンズ６０を通して外部へ出射される。ここにおいて、電源部としては、例えば、交流電源を整流平滑するダイオードブリッジからなる整流回路と、整流回路の出力を平滑する平滑コンデンサとを備えた構成のものを採用すればよい。

色変換部４０の材料として用いる透明材料は、シリコーン樹脂に限らず、例えば、アクリル樹脂、エポキシ樹脂、ガラス、有機材料と無機材料とを複合化した材料などを採用してもよい。また、色変換部４０の材料として用いる透明材料に混合する蛍光材料も黄色蛍光体に限らず、例えば、ＬＥＤチップ１０が青色ＬＥＤチップである場合には、赤色蛍光体と緑色蛍光体とを混合しても白色光を得ることができる。また、色変換部４０における蛍光材料は、ＬＥＤチップ１０が紫〜近紫外ＬＥＤチップである場合には、赤色蛍光体と緑色蛍光体と青色蛍光体とを混合しても白色光を得ることができる。

ところで、本参考例では、レンズ６０の材料として色変換部４０の透明材料と同じ材料を採用しており、色変換部４０がレンズ６０と同時成形されることでレンズ６０に一体化され、レンズ６０が、回路基板５０との間でＬＥＤチップ１０を囲む形で回路基板５０に封着されている。ここにおいて、レンズ６０は、平凹型のレンズであり、ＬＥＤチップ１０から放射された光が凹曲面状の光入射面６０ａから入射され平面状の光出射面６０ｂから出射されるようになっており、光入射面６０ａの周縁を全周に亘って回路基板５０に対して、例えば接着剤（例えば、シリコーン樹脂、エポキシ樹脂など）を用いて封着してある。ここで、上述の色変換部４０は、レンズ６０における光入射面６０ａ近傍に埋設されている。なお、レンズ６０は、回路基板５０から離れるにつれてレンズ径が徐々に大きくなる形状に形成されている。

しかして、本参考例のＬＥＤ照明装置では、レンズ６０が回路基板５０との間でＬＥＤチップ１０を囲む形で回路基板５０に封着され、しかも、透明材料とＬＥＤチップ１０から放射された光によって励起されてＬＥＤチップ１０の発光色とは異なる色の光を放射する蛍光材料とで構成される色変換部４０がレンズ６０に一体化されているので、回路基板５０とレンズ６０とでＬＥＤチップ１０のパッケージが構成されるから、図６に示した従来例のようなパッケージングされたＬＥＤチップ１０’を用意する必要がなく低コスト化を図れ、あらかじめ色変換部４０が一体化されたレンズ６０と色変換部４０が一体化されていないレンズとを用意しておくことで、ＬＥＤチップ１０から放射される光と蛍光材料から放射される光との混色光を照明光とするＬＥＤ照明装置と、ＬＥＤチップ１０から放射される光を照明光とするＬＥＤ照明装置とで、パッケージングされていないＬＥＤチップ１０を共用でき、低コスト化を図れる。また、本参考例では、色変換部４０がレンズ６０と同時成形することでレンズ６０に一体化されているので、色変換部４０とレンズ６０とが別部品である場合に比べて、部品点数を削減でき、部品の管理コストを低減できる。

（実施形態１）
本実施形態のＬＥＤ照明装置の基本構成は参考例１と略同じであって、図２に示すように、ＬＥＤチップ１０から放射された青色の光によって励起されてＬＥＤチップ１０の発光色とは異なる色の光を放射する蛍光材料（例えば、黄色蛍光体など）を透明材料（例えば、シリコーン樹脂など）とともに成形した成形品からなるドーム状の色変換部４０をレンズ６０の光入射面６０ａに接着することで色変換部４０をレンズ６０に一体化してある構成を基本として用いる点が相違する。ここで、色変換部４０は、レンズ６０の光入射面６０ａに沿った形状に形成されている。なお、参考例１と同様の構成要素には同一の符号を付して説明を省略する。

しかして、本実施形態のＬＥＤ照明装置においても、参考例１と同様に、図６に示した従来例のようなパッケージングされたＬＥＤチップ１０’を用意する必要がなく低コスト化を図れ、あらかじめ色変換部４０が一体化されたレンズ６０と色変換部４０が一体化されていないレンズとを用意しておくことで、ＬＥＤチップ１０から放射される光と蛍光材料から放射される光との混色光を照明光とするＬＥＤ照明装置と、ＬＥＤチップ１０から放射される光を照明光とするＬＥＤ照明装置とで、パッケージングされていないＬＥＤチップ１０を共用でき、低コスト化を図れる。また、本実施形態では、所望の照明色にかかわらずレンズ６０の共通化を図れコストを低減できる。なお、本実施形態では、色変換部４０をレンズ６０の光入射面６０ａに沿ったドーム状の形状に形成してある。色変換部４０は、シート状の形状としてレンズ６０の平面状の光出射面６０ｂに接着することでレンズ６０に一体化することもできる。

なお、本実施形態は、色変換部４０と回路基板５０とで囲まれる空間には、図３に示すように、ＬＥＤチップ１０を封止する封止樹脂（例えば、シリコーン樹脂など）からなる封止部３０を設けており、封止部３０と色変換部４０との間に空気層３５が形成することにより、封止部３０と色変換部４０とを密着させる場合に比べて組立性が向上する。また、参考例１においても、色変換部４０が一体化されたレンズ６０と回路基板５０とで囲まれる空間に、ＬＥＤチップ１０を封止する封止部を設けてもよい。

（参考例２）
本参考例のＬＥＤ照明装置の基本構成は実施形態１と略同じであって、色変換部４０におけるＬＥＤチップ１０側の光入射面に、図４に示すように、ＬＥＤチップ１０から放射された光を透過し且つ色変換部４０から放射された光を反射する波長フィルタ７０を配設してある点が相違するだけである。ここで、波長フィルタ７０は、色変換部４０の光入射面６０ａに沿った形状に形成されている。なお、参考例１と同様の構成要素には同一の符号を付して説明を省略する。

しかして、本参考例のＬＥＤ照明装置では、実施形態１のＬＥＤ照明装置に比べて、色変換部４０の蛍光材料から放射された光の外部への取り出し効率を高めることができ、演色性を高めることが可能となる。

ところで、上記各参考例や実施形態１において、回路基板５０に実装するＬＥＤチップ１０の数は特に限定するものではなく、色変換部４０が一体化されたレンズ６０をＬＥＤチップ１０ごとに囲むように回路基板５０に封着すればよい。

また、上記各参考例や実施形態１では、ＬＥＤチップ１０として、発光色が青色の青色ＬＥＤチップを採用しており、導電性基板１１としてＳｉＣ基板を採用しているが、ＳｉＣ基板の代わりにＧａＮ基板を用いてもよく、結晶成長用基板として導電性基板１１に代えてサファイア基板を用いてもよい。また、ＬＥＤチップ１０の発光色は青色に限らず、例えば、赤色、緑色などでもよい。すなわち、ＬＥＤチップ１０の発光部１２の材料はＧａＮ系化合物半導体材料に限らず、ＬＥＤチップ１０の発光色に応じて、ＧａＡｓ系化合物半導体材料やＧａＰ系化合物半導体材料などのIII−V族化合物半導体材料を採用してもよいし、II−VI族化合物半導体材料を採用してもよく、結晶成長用基板の材料も発光部１２の材料に応じて適宜変更すればよい。

参考例１を示す概略断面図である。実施形態１の基礎となる構成を示す概略断面図である。同上の具体的な構成を示す概略断面図である。参考例２を示す概略断面図である。従来の発光装置の一例を示す概略断面図である。従来例を示す概略断面図である。

１０ＬＥＤチップ
１４ボンディングワイヤ
４０色変換部
５０回路基板
５１金属板
５２絶縁層
５３導体パターン
６０レンズ
８０サブマウント部材

Claims

可視光を放射するＬＥＤチップと、該ＬＥＤチップが実装された回路基板と、前記ＬＥＤチップを封止する封止部と、少なくとも前記ＬＥＤチップから放射された光の配光を制御するレンズであって前記回路基板との間で前記ＬＥＤチップを封止する前記封止部を囲む形で前記回路基板に封着されたレンズとを備え、前記レンズは、透明材料と前記ＬＥＤチップから放射された光によって励起されて前記ＬＥＤチップの発光色とは異なる色の光を放射する蛍光材料とで構成されるドーム状の色変換部が一体化されてなり、前記色変換部と前記封止部との間に空気層を備えてなることを特徴とするＬＥＤ照明装置。
前記色変換部は、前記レンズに埋設され該レンズに一体化されてなることを特徴とする請求項１記載のＬＥＤ照明装置
前記色変換部は、前記レンズに接着することで前記レンズに一体化されてなることを特徴とする請求項１記載のＬＥＤ照明装置。