JP4484554B2 - 照明装置 - Google Patents

Description

本発明は、発光ダイオード等の発光素子を用いた表示装置等に用いられる照明装置に関する。

従来、発光ダイオード等の発光素子を収容するための発光素子収納用パッケージ（以下、単にパッケージともいう）として、セラミックス製のパッケージが用いられている。従来のセラミックス製のパッケージは、図９に断面図で示すように、上面の中央部に発光素子１３を搭載するための導体層から成る搭載部１１ａを有し、搭載部１１ａおよびその周辺から下面に導出された一対のメタライズ配線導体１４を有する直方体状や四角形平板状のセラミック製の基体１１と、その上面に積層され、中央部に発光素子１３を収容するための貫通穴１２ａを有する四角枠状のセラミックス製の枠体１２とから主に構成されている（例えば、下記の特許文献１参照）。また、枠体１２の貫通穴１２ａの内周面は、光を外部に良好に放射させるため、基体１の上面に対して、外側に広がるように形成されている。

そして、基体１１の上面の一方のメタライズ配線導体１４が接続された搭載部１１ａ上に発光素子１３を導電性接合材を介して固着するとともに発光素子１３の電極と他方のメタライズ配線導体１４とをボンディングワイヤ１５を介して電気的に接続し、しかる後、枠体１２の貫通穴１２ａ内に透明樹脂（図示せず）を充填して発光素子１３を封止することによって、発光装置が作製される。これにより、発光素子１３の発する光をパッケージの外部（図９では上方）に放射することができる。

また、枠体１２の貫通穴１２ａの内周面で発光素子１３の光を反射させてパッケージの上方に光を放射させるために、枠体１２の貫通穴１２ａの内周面にニッケル（Ｎｉ）めっき層や金（Ａｕ）めっき層等のめっき金属層を表面に有するメタライズ層からなる反射層１６を被着させていることもある。

また、上記のパッケージは、セラミックグリーンシート積層法により以下のように製作される。まず、基体１１となるセラミックグリーンシートと枠体１２となるセラミックグリーンシートとを準備し、これらのセラミックグリーンシートに配線導体１４を導出させるための貫通孔や貫通穴１２ａとなる貫通孔を打ち抜き法で形成する。

次に、基体１１となるセラミックグリーンシートの積層体（以下、基体１１となるセラミックグリーンシートの積層体を単に積層体Ａという）の貫通孔および所定の部位に、メタライズ層からなる配線導体１４となる導体ペーストをスクリーン印刷法等で印刷塗布する。また、枠体１２となるセラミックグリーンシートの積層体（以下、枠体１２となるセラミックグリーンシートの積層体を単に積層体Ｂという）の貫通穴１２ａとなる貫通孔の内周面にメタライズ層となる導体ペーストをスクリーン印刷法等で印刷塗布する。

次に、積層体Ａ，Ｂを重ねて接着してパッケージを形成するための積層体とし、これを所定寸法に切断して成形体とし、高温（１６００℃程度）で焼成して、焼結体となす。その後、配線導体１４およびメタライズ層の露出表面に、Ｎｉ、Ａｕ、パラジウム（Ｐｄ）、白金（Ｐｔ）等のめっき金属層を無電解めっき法やに電解めっき法により被着させることによって、パッケージが製作される。
特開２００２−２３２０１７号公報

しかしながら、上記従来のパッケージにおいては、枠体１２の貫通穴１２ａの内周面が基体１１の上面に対して外側に広がるように形成されているため、枠体１２の貫通穴１２ａの上面の開口より、発光素子１３が発光する光が広範囲にわたって放射されやすく、発光素子13の光の正面方向への指向性が低くなるという問題点があった。そのため、正面方向の輝度が低くなるとともに、枠体１２の貫通穴１２ａの開口付近の輪郭がぼやけ、正面方向からの視認性が低下するという問題点を有していた。

従って、本発明は上記従来の問題点に鑑みて完成されたものであり、その目的は、発光素子が発光する光を効率良く放射することができるとともに、視認性の高いものとすることができる発光素子収納用パッケージおよび発光装置ならびに照明装置を提供することにある。

本発明の照明装置は、上面に発光素子の搭載部を有する基体と、該基体の上面に前記搭載部を取り囲むように接合された枠体と、前記基体の上面の前記枠体の内側に形成された、前記発光素子の電極が電気的に接続される配線導体とを具備しており、前記枠体は、下側開口から上側開口に向かうに伴って内寸法が漸次小さくなるとともに内周面が内側に凸とされている発光素子収納用パッケージと、前記搭載部に搭載されるとともに前記配線導体に電気的に接続された発光素子と、該発光素子を覆う透光性部材とを具備している発光装置を所定の配置となるように設置したことを特徴とする。

本発明の照明装置は、好ましくは、前記基体は、上面の前記枠体の内側に露出した部位が光反射面とされていることを特徴とする。

本発明における発光素子収納用パッケージは、上面に発光素子の搭載部を有する基体と、基体の上面に搭載部を取り囲むように接合された枠体と、基体の上面の枠体の内側に形成された、発光素子の電極が電気的に接続される配線導体とを具備しており、枠体は、下側開口から上側開口に向かうに伴って内寸法が漸次小さくなるとともに内周面が内側に凸とされていることをから、発光素子から真上方向に発光される光を枠体の上側開口から良好に放射することができるとともに、発光素子から小さな放射角度で発光された、真上方向よりも多少斜め上方向に進む光を、枠体の上側の内周面に対して入射角の小さい光として反射させることによって真上方向に集約して放射することができる。さらに、発光素子から大きな放射角度で発光された、真上方向対して斜めに大きな角度で進む光を、枠体の内周面で反射させて枠体の内側に閉じ込め、枠体の上側の開口より真上方向に非常に小さい放射角度で進む光のみを枠体の外側に放射させて高密度に光を集約することができる。その結果、光が集約された方向に対する輝度も向上するとともに、枠体上側の開口の輪郭が明るく鮮明になり、視認性の高いものとなる。

また、斜め上方に発光された光が枠体で遮られた後、枠体の内側において枠体と基体との間で高い反射率で反射が繰り変えされて枠体の内側に光がある程度閉じ込められ、放射角度が搭載部に対して直角に近くなったところで枠体の上側の開口より正面方向に放射することができる。よって、光の漏れや減衰を抑えることができるとともに発光素子から発光された光をきわめて効率よく放射でき、指向性および放射光強度が高いものとすることができる。

また、下側開口から上側開口に向かうに伴って内寸法が漸次小さくなるので、発光素子の搭載部を広く形成し、大きな発光素子を搭載したり、複数の発光素子を搭載することができるので、より輝度が高く集約したものとすることができる。

本発明における発光装置は、本発明における発光素子収納用パッケージと、搭載部に搭載されるとともに配線導体に電気的に接続された発光素子と、発光素子を覆う透光性部材とを具備していることから、上記本発明の発光素子収納用パッケージの特徴を有する、発光素子が発光する光を効率良く放射することができるとともに、視認性の高いものとすることができる。

本発明の照明装置は、上記本発明における発光装置を所定の配置となるように設置したことから、半導体から成る発光素子の電子の再結合による発光を利用しているため、従来の放電を用いた照明装置よりも低消費電力かつ長寿命とすることが可能な小型の照明装置とすることができる。その結果、発光素子から発生する光の中心波長の変動を抑制することができ、長期間にわたり安定した放射光強度かつ放射光角度（配光分布）で光を照射することができるとともに、照射面における色むらや照度分布の偏りが抑制された照明装置とすることができる。また、本発明の照明装置は、好ましくは、基体は、上面の枠体の内側に露出した部位が光反射面とされていることから、発光素子から発光された光や枠体の内周面で反射された光を低損失で反射させることができ、発光効率の優れたものとすることができる。

また、本発明における発光装置を光源として所定の配置に設置するとともに、これらの発光装置の周囲に任意の形状に光学設計した反射治具や光学レンズ、光拡散板等を設置することにより、任意の配光分布の光を放射する照明装置とすることができる。

本発明における発光素子収納用パッケージを以下に詳細に説明する。図１は本発明におけるパッケージについて実施の形態の一例を示す断面図であり、図２は図１におけるパッケージの平面図であり、これらの図において、１は基体、２は枠体であり、主としてこれらで発光素子３を収容するためのパッケージが構成されている。

本発明における発光素子収納用パッケージは、上面に発光素子３の搭載部１ａを有する基体１と、基体１の上面に搭載部１ａを取り囲むように接合された枠体２と、基体１の上面の枠体２の内側に形成された、発光素子３の電極が電気的に接続される配線導体４ａ，４ｂとを具備しており、枠体２は、下側開口から上側開口に向かうに伴って内寸法が漸次小さくなるとともに内周面が内側に凸とされている。

本発明における基体１は、セラミックスから成り、例えば酸化アルミニウム質焼結体（アルミナセラミックス），窒化アルミニウム質焼結体，ムライト質焼結体，ガラスセラミックス等のセラミックスから成る平板状のものであり、発光素子３を支持するため、その上面に発光素子３を搭載するための搭載部１ａを有している。

この基体１は、例えば酸化アルミニウム質焼結体から成る場合、酸化アルミニウム、酸化珪素、酸化マグネシウム、酸化カルシウム等の原料粉末に適当な有機バインダー、溶剤等を添加混合して泥漿状となし、これを従来周知のドクターブレード法やカレンダーロール法等によりシート状に成形してセラミックグリーンシート（セラミック生シート）を得、しかる後、セラミックグリーンシートに適当な打ち抜き加工を施すとともにこれを複数枚積層し、高温（約１６００℃）で焼成することによって製作される。

また、基体１は、上面の搭載部１ａから下面や側面にかけて導出される配線導体４ａおよび搭載部１ａの周辺から下面や側面にかけて導出される配線導体４ｂが被着形成されている。なお、配線導体４ａ，４ｂの一部を用いて搭載部１ａを形成していてもよい。

配線導体４ａ，４ｂは、タングステン（Ｗ）やモリブデン（Ｍｏ），マンガン（Ｍｎ）等の金属粉末のメタライズから成り、配線導体４ａ，４ｂはパッケージ内部に収容する発光素子３を外部電気回路基板に電気的に接続する導電路である。そして、搭載部１ａには発光ダイオード（ＬＥＤ），半導体レーザ（ＬＤ）等の発光素子３がＡｕ−シリコン（Ｓｉ）合金や銀（Ａｇ）−エポキシ樹脂等の導電性接合材により固着されるとともに、配線導体４ｂには発光素子３の電極がボンディングワイヤ５を介して電気的に接続される。そして、基体１の下面や側面の配線導体４ａ，４ｂが外部電気回路基板の配線導体に接続されることで発光素子３の各電極と外部電気回路基板とが電気的に接続され、発光素子３へ電力や駆動信号が供給される。また、発光素子３は配線導体４ａおよび配線導体４ｂにフリップチップ実装により接続されても構わない。

なお、配線導体４ａ，４ｂは、例えばＷやＭｏ等の金属粉末に適当な有機溶剤、溶媒を添加混合して得た金属ペーストを基体１となるセラミックグリーンシートに予めスクリーン印刷法により所定パターンに印刷塗布しておくことによって、基体１の所定位置に被着形成される。

また、配線導体４ａ，４ｂおよび搭載部１ａの露出する表面に、Ｎｉ，Ａｕ，Ａｇ等の耐蝕性に優れる金属を１〜２０μｍ程度の厚みで被着させておくのがよく、配線導体４ａ，４ｂおよび搭載部１ａが酸化腐蝕するのを有効に防止できるとともに、搭載部１ａと発光素子３との固着および配線導体４ｂとボンディングワイヤ５との接合、配線導体４ａ，４ｂと外部電気回路基板の配線導体との接合を強固にすることができる。従って、配線導体４ａ，４ｂおよび搭載部１ａの露出表面には、厚さ１〜１０μｍ程度のＮｉめっき層と厚さ０．１〜３μｍ程度のＡｕめっき層またはＡｇめっき層とが、電解めっき法や無電解めっき法により順次被着されていることがより好ましい。

また、枠体２は、セラミックスや樹脂、金属等から成り、基体１の上面に接合されている。例えば、枠体２が酸化アルミニウム質燒結体から成る場合、セラミックグリーンシートに、枠体２の中央部に発光素子３を収容するための横断面形状が円形状や四角形状の貫通穴２ａを形成するための打ち抜き加工を施し、これを複数枚積層し、高温（１６００℃）で焼成することによって製作される。

また、枠体２の貫通穴２ａの内周面には、反射層６が形成されており、発光素子３より放射された光を枠体２の貫通穴２ａの内周面で良好に反射させることができる。このような反射層６は、枠体２の貫通穴２ａの内周面上に、タングステン、モリブデン、銅、銀等のメタライズから成るメタライズ層を形成し、このメタライズ層上にニッケルや金、銀等のめっき金属層を被覆させたり、枠体２の貫通穴２ａの内周面に、薄膜法等によりアルミニウム，銀，金等の金属層を蒸着させることで形成することができる。

また、枠体２が、アルミニウム，銀，金，パラジウムおよび白金等から成り、枠体２の貫通穴２ａの内周面が高い反射率を有する場合には、枠体２の貫通穴２ａの内周面に反射層６を形成していなくても構わない。

そして、本発明において、枠体２は、下側開口から上側開口に伴って内寸法が漸次小さくなるとともに内周面が内側に凸とされている。これにより、発光素子３から真上方向に発光される光を枠体２の上側開口から良好に放射することができるとともに、発光素子３から小さな放射角度で発光された、真上方向よりも多少斜め上方向に進む光を、枠体２の上側の内周面に対して入射角の小さい光として反射させることによって真上方向に集約して放射することができる。さらに、発光素子３から大きな放射角度で発光された、真上方向対して斜めに大きな角度で進む光を、枠体２の内周面で反射させて枠体２の内側に閉じ込め、枠体２の上側の開口より真上方向に非常に小さい放射角度で進む光のみを枠体の外側に放射させて高密度に光を集約することができる。その結果、光が集約された方向に対する輝度も向上するとともに、枠体２上側の開口の輪郭が明るく鮮明になり、視認性の高いものとなる。

また、斜め上方に発光された光が枠体２で遮られた後、枠体２の内側で枠体２と基体１との間で高い反射率で反射が繰り変えされて枠体の内側に光がある程度閉じ込められ、放射角度が搭載部に対して直角に近くなったところで枠体の上側の開口より正面方向に放射することができる。よって、光の漏れや減衰を抑えることができるとともに発光素子から発光された光をきわめて効率よく放射でき、指向性および放射光強度が高いものとすることができる。

また、下側開口から上側開口に向かうに伴って内寸法が漸次小さくなるので、発光素子の搭載部を広く形成し、大きな発光素子を搭載したり、複数の発光素子を搭載することができるので、より輝度が高く集約したものとすることができる。

また、枠体２に囲繞された部位において、基体１上面や枠体２の内周面が露出する部位に、蛍光材等を含有する樹脂を被着しておいても良く、光を凹部４内で良好に反射させることができるようになる。

また、枠体２の上面や貫通穴２ａの開口縁に暗色系のペースト等を被着させてもよく、これにより、正面方向から見た際に枠体２の上面や貫通穴２ａの開口縁との明暗の区別を明確にし、正面から見た際の発光装置の視認性をより高めることができる。

また、図３の断面図で示すように、枠体２の上側の開口縁を枠体２の貫通穴２ａの内周面よりも狭くなるように、突出部２ａを形成しても良い。これにより、枠体２の上側の開口より放射される光を、より集約して直上方向となるようにすることができる。

また、枠体２の上側と下側で反射層となる内周面の算術平均粗さを異ならせても良い。例えば、枠体２の上側の内周面の算術平均粗さを３μｍ以下とし、下側の内周面の算術平均粗さを３μｍ以上となるようにしても構わない。これにより、透明樹脂を枠体２の下側の内周面に強固に取着することができるとともに、内周面の上側で反射される光を枠体２の上側に向けやすくすることができる。また、内周面の下側で反射される光を散乱させて上側へ進む確率を大きくすることができる。

また、図４にパッケージの断面図で示すように、枠体２を複数の部位に分割して形成しておいても良く、枠体２の内周面の形状等を形成しやすく、枠体２の寸法精度を良好なものとして形成しやすくなる。例えば、枠体２がセラミックスから成る場合、枠体２の部材２ｃ，２ｄ，２ｅ用のセラミックグリーンシートに打ち抜き金型等を用いて、それぞれ異なる傾斜角度の貫通穴を形成し、これらのセラミックグリーンシートを下側開口から上側開口に向かうに伴って内寸法が漸次小さくなるとともに内周面が内側に凸とされているこれを積層した後、高温で焼成することで、枠体２を形成することができる。

また、図５にパッケージの断面図で示すように、枠体２の内周面が弧形状の凸とされていても構わない。

また、好ましくは、基体１は、上面の枠体２の内側に露出した部位が光反射面とされているのがよい。これにより、発光素子３から発光された光や枠体２の内周面で反射された光を低損失で反射させることができ、発光効率の優れたものとすることができる。このような光反射面は、基体１の上面にメタライズやめっき等で金属層を被着させたり、蛍光材を含有する樹脂等を塗布することにより形成することができる。なお、配線導体４ａ，４ｂのそれぞれが短絡しない程度に面積を大きくして配線導体４ａ，４ｂを光反射面としてもよい。あるいは、基体１を光反射率の高い材質、例えば、白色のアルミナセラミックスなどで構成することにより基体１の露出面を光反射面とすることができる。

また、図６や図７に示すように、本発明の発光素子収納用パッケージおよび発光装置をドットマトリックス状に配列させたものとすることで、表示装置として好適なものとして使用することもできる。また、枠体２の種類や表面状態を枠体２毎に異なるものとしても構わない。

本発明における発光装置は、本発明のパッケージと、搭載部２に搭載された発光素子３と、発光素子３を覆う透光性部材とを具備している。これにより、発光素子３が発光する光を良好に反射し、均一かつ効率良く外部に放射することができる、発光効率の高い高性能のものとなる。

透光性部材はシリコーン等の透明樹脂、または、透明樹脂板やガラス板などが用いられる。透明樹脂の場合、透明樹脂は発光素子３およびその周囲のみを覆っていてもよいし、凹部４内に充填されて発光素子３を覆っていてもよい。また、透光性部材が透明樹脂板やガラス板などの場合、枠体２の上面や内周面に枠体２の貫通孔を塞ぐように取着される。

さらに、透光性部材に蛍光材を含有させたり、被着させたりすることにより、発光素子３から発光される光を波長変換して発光装置から発せられる放射光を所望の光スペクトルとしてもよい。

また、単数または複数の本発明における発光装置を縦横に所定の配置とするように設置することにより照明装置として用いることができる。このような照明装置としては、例えば、室内や室外で用いられる照明器具、電光掲示板、信号機、ディスプレイ等のバックライト（携帯電話等の液晶バックライトやタッチパネル等）、車のヘッドランプ、カメラや携帯電話等のフラッシュライト、スキャナー等の印刷機露光用光源、動画装置、装飾品等が挙げられる。

本発明における発光装置は、１個のものを所定の配置となるように設置したことにより、または複数個を、例えば、格子状や千鳥状，放射状，複数の発光装置から成る円状や多角形状の発光装置群を同心状に複数群形成したもの等の所定の配置となるように設置したことにより、照明装置とすることができる。これにより、半導体から成る発光素子３の電子の再結合による発光を利用しているため、従来の放電を用いた照明装置よりも低消費電力かつ長寿命とすることが可能であり、発熱の小さな小型の照明装置とすることができる。その結果、発光素子３から発生する光の中心波長の変動を抑制することができ、長期間にわたり安定した放射光強度かつ放射光角度（配光分布）で光を照射することができるとともに、照射面における色むらや照度分布の偏りが抑制された照明装置とすることができる。

また、複数の本発明における発光装置を光源として所定の配置に設置するとともに、これらの発光装置の周囲に任意の形状に光学設計した反射治具や光学レンズ、光拡散板等を設置することにより、任意の配光分布の光を放射できる照明装置とすることができる。

このような照明装置としては、例えば、室内や室外で用いられる、一般照明用器具、シャンデリア用照明器具、住宅用照明器具、オフィス用照明器具、店装，展示用照明器具、街路用照明器具、誘導灯器具及び信号装置、舞台及びスタジオ用の照明器具、広告灯、照明用ポール、水中照明用ライト、ストロボ用ライト、スポットライト、電柱等に埋め込む防犯用照明、非常用照明器具、懐中電灯、電光掲示板等や、調光器、自動点滅器、ディスプレイ等のバックライト、動画装置、装飾品、照光式スイッチ、光センサ、医療用ライト、車載ライト等が挙げられる。

なお、本発明は上述の実施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内で種々の変更を施すことは何等差し支えない。例えば、図８にパッケージの断面図で示すように、搭載部１ａは、基体１上面の搭載領域として、基体１の上面に樹脂接着剤等の接合材を介して発光素子３を直接搭載するものとし、搭載部１ａの周囲に発光素子３の電極が接続される配線導体４ａ，４ｂを形成していても良い。この場合、搭載部１ａに発光素子３が搭載されるとともに、配線導体４ａ，４ｂに発光素子３の電極がボンディングワイヤ５ａ，５ｂを介して電気的に接続される。また、複数の発光素子３が搭載されたり、配線導体が形成されるものであっても良く、基体１の中央部以外に発光素子３が搭載されていても構わない。

本発明における発光素子収納用パッケージについて実施の形態の一例を示す断面図である。 図１の発光素子収納用パッケージの平面図である。 本発明における発光素子収納用パッケージについて実施の形態の他の例を示す断面図である。 本発明における発光素子収納用パッケージについて実施の形態の他の例を示す断面図である。 本発明における発光素子収納用パッケージについて実施の形態の他の例を示す断面図である。 本発明における発光素子収納用パッケージについて実施の形態の他の例を示す断面図である。 本発明における発光素子収納用パッケージについて実施の形態の他の例を示す断面図である。 本発明における発光素子収納用パッケージについて実施の形態の他の例を示す断面図である。 従来の発光素子収納用パッケージの断面図である。

符号の説明

１：基体
１ａ：搭載部
２：枠体
３：発光素子
４ａ，４ｂ：配線導体
６：反射層

Claims (2)

1. 上面に発光素子の搭載部を有する基体と、該基体の上面に前記搭載部を取り囲むように接合された枠体と、前記基体の上面の前記枠体の内側に形成された、前記発光素子の電極が電気的に接続される配線導体とを具備しており、前記枠体は、下側開口から上側開口に向かうに伴って内寸法が漸次小さくなるとともに内周面が内側に凸とされている発光素子収納用パッケージと、前記搭載部に搭載されるとともに前記配線導体に電気的に接続された発光素子と、該発光素子を覆う透光性部材とを具備している発光装置を所定の配置となるように設置したことを特徴とする照明装置。
2. 前記基体は、上面の前記枠体の内側に露出した部位が光反射面とされていることを特徴とする請求項１記載の照明装置。

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