特許第6646969号(P6646969)IP Force 特許公報掲載プロジェクト 2022.1.31 β版

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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B2)
(11)【特許番号】6646969
(24)【登録日】2020年1月16日
(45)【発行日】2020年2月14日
(54)【発明の名称】発光装置
(51)【国際特許分類】
   H01L 33/48 20100101AFI20200203BHJP
   F21V 3/00 20150101ALI20200203BHJP
   F21S 2/00 20160101ALI20200203BHJP
   F21Y 115/10 20160101ALN20200203BHJP
【FI】
   H01L33/48
   F21V3/00 510
   F21S2/00 311
   F21S2/00 340
   F21Y115:10
【請求項の数】4
【全頁数】11
(21)【出願番号】特願2015-153403(P2015-153403)
(22)【出願日】2015年8月3日
(65)【公開番号】特開2017-34122(P2017-34122A)
(43)【公開日】2017年2月9日
【審査請求日】2018年7月4日
(73)【特許権者】
【識別番号】000131430
【氏名又は名称】シチズン電子株式会社
(73)【特許権者】
【識別番号】000001960
【氏名又は名称】シチズン時計株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】100099759
【弁理士】
【氏名又は名称】青木 篤
(74)【代理人】
【識別番号】100092624
【弁理士】
【氏名又は名称】鶴田 準一
(74)【代理人】
【識別番号】100114018
【弁理士】
【氏名又は名称】南山 知広
(74)【代理人】
【識別番号】100165191
【弁理士】
【氏名又は名称】河合 章
(74)【代理人】
【識別番号】100160716
【弁理士】
【氏名又は名称】遠藤 力
(72)【発明者】
【氏名】深沢 孝一
【審査官】 大西 孝宣
(56)【参考文献】
【文献】 特開2013−137986(JP,A)
【文献】 特開2005−159262(JP,A)
【文献】 特開2010−049865(JP,A)
【文献】 特開2012−094401(JP,A)
【文献】 特表2012−504342(JP,A)
【文献】 特開2001−356720(JP,A)
【文献】 特表2013−526016(JP,A)
【文献】 特開2010−015700(JP,A)
【文献】 特開2011−238902(JP,A)
【文献】 米国特許出願公開第2014/0084809(US,A1)
(58)【調査した分野】(Int.Cl.,DB名)
H01L 33/00 − 33/64
F21K 9/00 − 9/90
F21S 2/00 − 45/70
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
正方形状の平面形状を有すると共に、正方形状の平面形状を有する実装領域を有する実装基板と、
正方形状の平面形状を有すると共に、前記実装領域に対応する開口部が形成され、裏面が前記実装基板の表面に接合された回路基板と、
前記開口部の外周部分に固定された矩形の枠体と、
前記実装領域に実装された正方形状の平面形状を有する複数の発光素子と、
前記複数の発光素子を封止する封止樹脂と、
前記実装基板上に配置されたレンズと、を有し、
前記複数の発光素子は、前記実装領域の中心部を含む第1実装領域に実装された発光素子と、前記第1実装領域の周囲を囲む第2実装領域に実装された発光素子とを含み、
前記第1実装領域に実装された前記発光素子の実装密度は、前記第2実装領域に実装された前記発光素子の実装密度よりも高く
前記レンズの光軸は、前記実装領域の中心と一致し、
前記第1実装領域に実装された前記発光素子のそれぞれは、隣接する発光素子との間の間隔が均等な第1間隔になるように格子状に配置され、
前記第2実装領域に実装された前記発光素子は、前記実装領域の辺のそれぞれに平行に配列される、ことを特徴とする発光装置。
【請求項2】
前記第2実装領域に実装された前記発光素子のそれぞれは、隣接する発光素子との間の間隔が前記第1間隔よりも広い第間隔となるように配置される、請求項1に記載の発光装置。
【請求項3】
前記実装基板は、金属基板である、請求項1又は2に記載の発光装置。
【請求項4】
前記第1実装領域に実装された前記発光素子の実装間隔は、前記発光素子の一辺の長さの0.25倍よりも狭く、
前記第2実装領域に実装された前記発光素子の実装間隔は、前記発光素子の一辺の長さの0.25倍よりも広く、
前記第1実装領域に実装された前記発光素子の実装間隔は、5μm以上50μm以下である、請求項1〜3の何れか一項に記載の発光装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、発光装置に関する。
【背景技術】
【0002】
セラミック基板や金属基板などの汎用基板の上にLED(発光ダイオード)素子などの発光素子が実装されたCOB(Chip On Board)とも称される発光装置が知られている。こうした発光装置では、蛍光体を含有する樹脂により例えば青色光を発光するLED素子を封止し、LED素子からの光により蛍光体を励起させて得られる光を混合させることにより、用途に応じて白色光などを得ている。また、LED素子などの発光素子が実装された発光装置の上にレンズなどの光学素子を搭載して出射光を集光することが知られる。
【0003】
例えば、特許文献1には、実装基板の表面に実装された複数の発光素子と、発光素子から放射された光を波長変換する波長変換部を備えた発光装置の上にレンズを配置することが記載される。特許文献1に記載される発光装置では、発光装置の上に配置されるレンズを発光装置から放射された光を所定の方向に配光制御する配光制御部として機能させて、発光装置とレンズとにより照明装置を形成する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0004】
【特許文献1】特開2011−114094号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0005】
特許文献1に記載される発光装置では、実装基板に実装された複数の発光素子は、等間隔で実装されることにより、必要な発光強度を確保しつつ装置の小型化を図ることができる。しかしながら、蛍光体を分散させた封止樹脂により発光素子を封止した場合、発光素子からの光により蛍光体が発熱し、その熱によって発光素子の発光強度が低下するおそれがある。特に、発光強度をより大きくするために、発光素子の実装間隔を狭くして発光素子の実装密度を大きくすると、発光装置の発熱量の増加することにより発光素子の温度が上昇して発光素子の発光強度が低下するおそれがある。一方、発光装置の発熱量の増加を抑制するために、発光素子の実装間隔を広くした場合、レンズの光軸に近い位置に配置される発光素子の数が減少して、発光装置の発光強度が低下するおそれがある。
【0006】
そこで、本発明は、大きな発光強度を有し且つ発熱量の増加を抑制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】
【0007】
上記目的を達成するために、本発明に係る発光装置は、実装領域を有する実装基板と、実装領域に実装された複数の発光素子と、複数の発光素子を封止する封止樹脂と、を有し、複数の発光素子は、実装領域の中心部を含む第1実装領域に実装された発光素子と、第1実装領域の周囲を囲む第2実装領域に実装された発光素子とを含み、第1実装領域に実装された発光素子の実装密度は、第2実装領域に実装された発光素子の実装密度よりも高い。
【0008】
さらに、本発明に係る発光装置では、第1実装領域に実装された発光素子のそれぞれは、隣接する発光素子との間の間隔が第1間隔になるように格子状に配置され、第2実装領域に実装された発光素子のそれぞれは、隣接する発光素子との間の間隔が第1間隔よりも広い第二間隔となるように配置されることが好ましい。
【0009】
さらに、本発明に係る発光装置出では、実装基板は金属基板であることが好ましい。
【0010】
さらに、本発明に係る発光装置出は、記封止樹脂を覆うように実装基板上に載置され、複数の発光素子から出射された光を集光する光学素子を更に有することが好ましい。
【発明の効果】
【0011】
本発明では、大きな発光強度を有し且つ発熱量の増加を抑制可能な発光装置を提供することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【0012】
図1】(A)は実施形態に係る発光装置の平面図であり、(B)は(A)に示す発光装置の断面図である。
図2図1に示す発光装置の拡大平面図である。
図3】レンズを付けた図1に示す発光装置の断面図である。
図4】(A)は図1(A)に示す発光装置の第1製造工程を示す平面図であり、(B)は(A)に対応する断面図である。
図5】(A)は図1(A)に示す発光装置の第2製造工程を示す平面図であり、(B)は(A)に対応する断面図である。
図6】(A)は図1(A)に示す発光装置の第3製造工程を示す平面図であり、(B)は(A)に対応する断面図である。
図7】(A)は図1(A)に示す発光装置の第4製造工程を示す平面図であり、(B)は(A)に対応する断面図である。
図8】第1変形例に係る発光装置の実装領域の部分拡大平面図である。
図9】第2変形例に係る発光装置の実装領域の部分拡大平面図である。
【発明を実施するための形態】
【0013】
以下、図面を参照しつつ、発光装置について説明する。ただし、本発明は図面又は以下に記載される実施形態には限定されないことを理解されたい。
【0014】
(実施形態に係る発光装置の概要)
実施形態に係る発光装置では、複数の発光素子は、実装領域の中心部を含む第1実装領域に密集して実装される発光素子と、第1実装領域の周囲を囲む第2実装領域に、第1実装領域の発光素子より粗に実装される発光素子とに分けて配置される。実施形態に係る発光装置では、実装領域の中心部に実装される発光素子を密集して配置し且つ中心部から離れた位置に実装される発光素子を比較的粗に配置することにより、大きな発光強度と発熱量の抑制との両立を実現する。
【0015】
(実施形態に係る発光装置の構成)
図1(A)は完成品としての第1実施形態に係る発光装置の平面図であり、図1(B)は図1(A)のIA-IB線に沿った断面図である。
【0016】
発光装置1は、発光素子として複数のLED素子を含み、例えば照明用LED、LED電球などの種々の照明装置として利用される。発光装置1は、実装基板10と、回路基板20と、複数のLED素子30と、樹脂枠40と、封止樹脂50とを有する。
【0017】
実装基板10は、一例として略正方形の形状を有し、その上面の中央にLED素子30が実装される実装領域11を有する金属基板である。実装基板10は、LED素子30及び後述する蛍光体の粒子により発生した熱を放熱させる放熱基板としても機能するため、例えば、耐熱性及び放熱性に優れたアルミニウムで構成される。ただし、実装基板10の材質は、耐熱性と放熱性に優れたものであれば、例えば銅など、別の金属でもよい。
【0018】
回路基板20は、一例として、実装基板10と同じ大きさの略正方形の形状を有し、その中心部に略矩形の開口部21を有する。回路基板20は、その下面が例えば接着シートにより実装基板10の上に貼り付けられて固定される。回路基板20の上面には、+電極側の配線パターン22Aと−電極側の配線パターン22Bが形成されている。また、回路基板20の上面で対角に位置する2つの角部には、発光装置1を外部電源に接続するための接続電極23A及び23Bが形成されている。接続電極23Aは、+電極、すなわちアノードであり、接続電極23Bは、−電極、すなわちカソードである。発光装置1は、接続電極23A及び23Bが不図示の外部電源に接続されて電圧が印加されることによって、発光する。また、回路基板20の上面には、開口部21の外周部分及び接続電極23A、23Bの部分を除いて配線パターン22A、22Bを覆う白色レジスト24が形成されている。
【0019】
LED素子30は、発光素子の一例であり、例えば発光波長帯域が450〜460nm程度の青色光を発光する略正方形の青色LEDである。LED素子30の下面は、例えば透明な絶縁性の接着剤などにより、実装領域11の上面に固定される。また、LED素子30は上面に一対の素子電極を有し、図1(A)に示すように、隣接するLED素子30の素子電極は、ワイヤ33により相互に電気的に接続される。開口部21の外周側に位置するLED素子30から出たワイヤ33は、回路基板20の配線パターン22A、22Bに接続される。これにより、各LED素子30にはワイヤ33を介して電流が供給される。
【0020】
図2は、発光装置1の実装領域11の部分拡大平面図である。
【0021】
発光装置1では、複数のLED素子30は、図2において一点鎖線で示される第1実装領域31に実装されたLED素子30と、図2において二点鎖線で示される第2実装領域32に実装されたLED素子30とに分けて、実装領域11に実装される。
【0022】
第1実装領域31に実装されたLED素子30は、実装領域11の中心部を含む領域に、格子状に等間隔に配列して実装される。第1実装領域31には、25個のLED素子30が実装される。第1実装領域31に実装されたLED素子30の間の間隔である第1実装間隔は、LED素子30の一辺の長さの0.25倍よりも狭い。
【0023】
第2実装領域32に実装されたLED素子30は、第1実装領域31の周囲を囲むように実装領域11の外縁部に実装される。第2実装領域32に実装されたLED素子30は、縦方向に隣接するLED素子30との間の実装間隔及び横方向に隣接するLED素子30との間の実装間隔の少なくとも一方の実装間隔が等間隔になるように実装される。第2実装領域32には、38個のLED素子30が実装される。第2実装領域32に実装されたLED素子30の間の最小間隔である第2実装間隔は、LED素子30の一辺の長さの0.25倍よりも広い。すなわち、第2実装領域32に実装されたLED素子30の間の第2実装間隔は、第1実装領域31に実装されたLED素子30の間の第1実装間隔よりも広い。
【0024】
樹脂枠40は、回路基板20の開口部21の大きさに合わせて例えば白色の樹脂で構成された略矩形の枠体であり、回路基板20の上面における開口部21の外周部分に固定される。樹脂枠40は、封止樹脂50の流出しを防止するためのダム材であり、また、LED素子30から側方に出射された光を、発光装置1の上方(LED素子30から見て実装基板10とは反対側)に向けて反射させる。
【0025】
封止樹脂50は、開口部21内に注入されて、複数のLED素子30及びワイヤ33の全体を一体にして、保護し且つ封止する。例えば、封止樹脂50としては、エポキシ樹脂又はシリコーン樹脂などの無色かつ透明な樹脂を、特に250℃程度の耐熱性がある樹脂を使用するとよい。
【0026】
また、封止樹脂50には、黄色蛍光体などの蛍光体が分散混入される。黄色蛍光体は、LED素子30が出射した青色光を吸収して黄色光に波長変換する、例えばYAG(yttrium aluminum garnet)などの粒子状の蛍光体材料である。発光装置1は、青色LEDであるLED素子30からの青色光と、それによって黄色蛍光体を励起させて得られる黄色光とを混合させることで得られる白色光を出射する。
【0027】
また、封止樹脂50は、例えば緑色蛍光体と赤色蛍光体などの複数種類の蛍光体を含有してもよい。緑色蛍光体は、LED素子30が出射した青色光を吸収して緑色光に波長変換する、例えば(BaSr)SiO:Eu2+などの粒子状の蛍光体材料である。赤色蛍光体は、LED素子30が出射した青色光を吸収して赤色光に波長変換する、例えばCaAlSiN:Eu2+などの粒子状の蛍光体材料である。この場合、発光装置1は、青色LEDであるLED素子30からの青色光と、それによって緑色蛍光体及び赤色蛍光体を励起させて得られる緑色光及び赤色光とを混合させることで得られる白色光を出射する。
【0028】
図3は、レンズ80付きの発光装置1’の側面図である。発光装置1を照明装置として利用するときには、図3に示すように、例えば封止樹脂50を覆うように、レンズ80が回路基板20の上面に載置される。レンズ80の光軸は、実装領域11の中心と略一致する。レンズ80は光学素子の一例であり、発光装置1内の複数のLED素子30から出射された光を集光して、発光装置1’の上方に出射する。レンズ80を搭載し易くするためには、回路基板20上において封止樹脂50で覆われていない領域の面積を広げて、レンズ80が載置される平面領域を確保するとよい。
【0029】
なお、発光装置1の用途によっては、例えばフィルタなど、レンズ80以外の光学素子を回路基板20の上に載置してもよい。例えば、レンズ80ではなく平板形状の光学素子を通して、発光装置1内の複数のLED素子30からの光を出射させてもよい。
【0030】
第1実装領域31に実装された複数のLED素子30の間の実装間隔は、レンズ80で集光するための発光点が小さくなるので、狭いほど好ましい。しかしながら、第1実装領域31に実装された複数のLED素子30の間の実装間隔は、例えば隣接するLED素子30の間で短絡が発生しないように、最低でも5μm程度は確保する必要がある。また、第1実装領域31に実装されたLED素子30の間の実装間隔が広過ぎると、レンズ80の光軸に近い位置に配置されるLED素子30の数が減少して、発光装置1’からの出射光の強度は低下する。
【0031】
第1実装領域31及び第2実装領域32のそれぞれに実装されるLED素子30の間の間隔は、実装領域11の面積、実装するLED素子30の数、及びレンズ80の光学特性により決定される。一例では、実装領域11の面積の30%〜50%が、第1実装領域31で、残りが、第2実装領域32となる。また、第1実装領域31に実装されるLED素子30の実装間隔はMAX50μmであり、第2実装領域32に実装されるLED素子30の実装間隔は200μmである。
【0032】
(実施形態に係る発光装置の製造工程)
図4〜7は、発光装置1の製造工程を示す図である。図4(A)は第1工程の平面図であり、図5(A)は第1工程に続く第2工程の平面図であり、図6(A)は第2工程に続く第3工程の平面図であり、図7(A)は第3工程に続く第4工程の平面図である。図3(B)は図3(A)のIIA-IIB線に沿った断面であり、図4(B)は図4(A)のIIIA-IIIB線に沿った断面であり、図5(B)は図5(A)のIVA-IVB線に沿った断面であり、図6(B)は図6(A)のVA-VB線に沿った断面である。
【0033】
発光装置1の製造時には、まず、図4(A)及び4(B)に示すように、実装基板10と開口部21を有する回路基板20とが、重ね合わされて貼り合わされる。次いで、図5(A)及び5(B)に示すように、63個のLED素子30が実装される。このとき、25個のLED素子30は実装領域11の中心部の近傍の第1実装領域31に格子状に実装され、残りの38個のLED素子30は第1実装領域31の周囲を囲む第2実装領域32に実装される。第2実装領域32に実装されたLED素子30の間の第2実装間隔は、第1実装領域31に実装されたLED素子30の間の第1実装間隔よりも広い。次に、図6(A)及び6(B)に示すように、近接するLED素子30の間がワイヤ33で互いに電気的に接続され、開口部21の外周に隣接するLED素子30から出たワイヤ33が配線パターン22A、22Bに接続される。
【0034】
続いて、図7(A)及び7(B)に示すように、回路基板20の上面における開口部21の外周部分に樹脂枠40が固定される。そして、蛍光体を含有する封止樹脂50で複数のLED素子30の全体を封止する。以上の工程により、図1(A)及び1(B)に示す発光装置1が完成する。
【0035】
(実施形態に係る発光装置の作用効果)
発光装置1では、実装領域11の中心部を含む第1実装領域31に実装されたLED素子30の間の第1実装間隔が、第1実装領域31の周囲を囲む第2実装領域32に実装されたLED素子30の間の第2実装間隔よりも狭い。発光装置1は、実装領域11の中心部に近接する第1実装領域31に実装されるLED素子30の間の実装間隔を狭くして、レンズの光軸に近接するLED素子30の数を増加させて発光装置の発光強度を大きくする。また、発光装置1は、第2実装領域32に実装されるLED素子30の間の実装間隔を第1実装領域31に実装されるLED素子30の間の実装間隔よりも広くすることで実装密度を低くして、発光装置1の全体としての発熱量を抑制する。発光装置1は、第1実装領域31に実装されるLED素子30の間の実装間隔を第1実装領域31の周囲を囲む第2実装領域32に実装されるLED素子30の間の実装間隔よりも狭くして、大きな発光強度を有し且つ発熱量の増加を抑制可能にする。
【0036】
また、発光装置1では、実装基板は熱伝導率が大きい金属基板で形成されるので、第1実装領域31及び第2実装領域32のそれぞれに実装されるLED素子30の間の実装間隔が相違しても発光装置1内部の熱分布を比較的均一にすることができる。
【0037】
(実施形態に係る発光装置の第1変形例)
発光装置1は、第1実装領域31に実装されるLED素子30は、格子状に第1実装間隔で実装されるが、第1実装領域31及び第2実装領域32に実装されるLED素子30の間の実装間隔は全て同一でなくてもよい。実施形態に発光装置では、第1実装領域31に実装されるLED素子30の間の平均間隔が、第1実装領域31の周囲を囲む第2実装領域32に実装されるLED素子30の間の平均間隔よりも狭ければよい。
【0038】
図8は、第1変形例に係る発光装置の実装領域の部分拡大平面図である。
【0039】
第1変形例に係る発光装置では、複数のLED素子30は、一点鎖線で示される第1実装領域231に実装されたLED素子30と、二点鎖線で示される第2実装領域232に実装されたLED素子30とに分けて、実装領域211に実装される。
【0040】
第1実装領域231に実装されたLED素子30は、実装領域11の中心部を含む領域に、円形状に配列して実装される。第1実装領域231には、41個のLED素子30が実装される。第2実装領域232に実装されたLED素子30は、第1実装領域31の周囲を囲むように実装領域211の外縁部に実装される。第2実装領域232には、22個のLED素子30が実装される。
【0041】
(実施形態に係る発光装置の第2変形例)
発光装置1では、LED素子30は第1実装領域及び第2実装領域の2つの実装領域に分けて実装されるが、実施形態に発光装置では、LED素子30は3つ以上の実装領域に分けて配置されてもよい。LED素子30が3つ以上の実装領域に分けて配置される場合、実装領域が実装領域11の中心部から離れるに従って、実装領域に含まれるLED素子30の間の実装間隔は広くなるように実装される。また、実施形態に発光装置では、発光素子30の実装密度が実装領域11の中心部から離れるに従って粗になるように、発光素子30を実装してもよい。
【0042】
図9は、第2変形例に係る発光装置の実装領域の部分拡大平面図である。
【0043】
実施形態の第2変形例に係る発光装置では、複数のLED素子30は、第1実装領域331と、第2実装領域332と、第3実装領域333と分けて実装領域311に実装される。図9において、第1実装領域331は破線で示され、第2実装領域332は一点鎖線で示され、第3実装領域333は二点鎖線で示される。
【0044】
第1実装領域231に実装されたLED素子30は、実装領域11の中心部を含む領域に、格子状に等間隔に配列して実装される。第1実装領域231には、9個のLED素子30が実装される。第2実装領域232に実装されたLED素子30は、第1実装領域331の周囲を囲むように等間隔に配列して実装される。第2実装領域332には、16個のLED素子30が実装される。第3実装領域333に実装されたLED素子30は、第2実装領域332の周囲を囲むように実装領域311の外縁部に実装される。第3実装領域333には、22個のLED素子30が実装される。
【符号の説明】
【0045】
1 発光装置
10 実装基板
20 回路基板
30 LED素子(発光素子)
31、231、331 第1実装領域
32、232、332 第2実装領域
333 第3実装領域
40 樹脂枠
50 封止樹脂
80 レンズ
図1
図2
図3
図4
図5
図6
図7
図8
図9