JP5835799B2

JP5835799B2 - 発光モジュール

Info

Publication number: JP5835799B2
Application number: JP2011246288A
Authority: JP
Inventors: 孝一深沢; 石井　廣彦; 廣彦石井
Original assignee: Citizen Holdings Co Ltd; Citizen Electronics Co Ltd; Citizen Watch Co Ltd
Current assignee: Citizen Holdings Co Ltd; Citizen Electronics Co Ltd; Citizen Watch Co Ltd
Priority date: 2011-11-10
Filing date: 2011-11-10
Publication date: 2015-12-24
Anticipated expiration: 2031-11-10
Also published as: JP2013105762A

Description

本発明は、多面体からなる基板の外周面に発光体を実装して構成される発光モジュールに関するものである。

従来、基板上に複数の発光体を実装することによって、広範囲且つ高輝度な発光を得るように構成された発光モジュールが知られている。このような発光モジュールは、一対の電極パターンが複数形成されてなる平板状の基板と、ＰＮ接合構造による複数の発光ダイオード（ＬＥＤ）とで構成されている。前記基板は、平面的な実装スペースが限られているので、多数のＬＥＤを実装するには、間隔を詰めて高密度に配置する必要があった。

上記構成による発光モジュールによれば、平面的な発光効果は得られるものの、電球のように立体空間を照明するための光源としては不向きであった。このため、立体的な発光を得るために、電極パターンが形成された多面体形状のベース体の各面にＬＥＤを実装して構成された照明装置が開示されている（特許文献１）。

また、前記ＬＥＤが実装される電極パターンは、アノード及びカソードからなる二極の電極面で構成されるため、一対の金属材料を接着剤等の絶縁部材で挟んだ構造の基板を用いる場合がある。例えば、特許文献２に開示されている発光ダイオードは、絶縁材料を挟んで一対の柱状の電極体を貼り合わせ、この貼り合わせた上面にＬＥＤを実装し、それぞれの電極体とボンディングワイヤで電気的に接続して形成されている。この発光ダイオードでは、ＬＥＤを実装する平面の小型化を図るため、貼り合わせた一対の電極体の上面を発光面として構成されている。

特開２００８−００４４１５号公報特開２００２−２８９９２４号公報

上記特許文献１に開示されている発光装置にあっては、所定の発光方向に面した実装面を複数有したベース体を形成し、このベース体の表面に電極パターンをエッチング等によって形成する必要がある。このため、ＬＥＤの実装形態に適合するように、電極パターンを形成できるが、ベース体を形成する工程と、電極パターンを形成する工程が必要となるため、製造工数やコストが嵩むといった問題があった。

一方、特許文献２に開示されている発光ダイオードにあっては、一対の電極体を貼り合わせた上面が発光面となっているため、発光範囲が狭く反射効果も十分なものとはいえない。この発光面を広くするには、電極体そのものを大きく形成しなければならず、製造及び製品コストが高くなるといった問題がある。また、ＬＥＤを実装する面が一箇所であるため、複数のＬＥＤを立体的に配置する構造とはなっていない。

そこで、本発明の目的は、複数の発光体が実装可能な二以上の電極面からなる実装面を多面体形状の基板の外周面及び端面に設けることによって、立体空間を均等な明るさで照明することができると共に、放熱性にも優れた発光モジュールを提供することである。

上記課題を解決するために、本発明の発光モジュールは、複数の発光体と、前記複数の発光体を実装する実装面を複数の外周面及び外周面の両端面に有する多面体からなる基板とを備え、前記各実装面を二以上の電極面に分離する絶縁層が複数の外周面及び両端面にそれぞれ形成されると共に、この絶縁層が一の外周面から対向する他の外周面に少なくとも一方の端面を介して延び、前記基板の複数の外周面に形成される各実装面は両端面を繋ぐ単一の絶縁層によって一対の電極面に分離され、前記基板の両端面に形成される実装面は複数の外周面から延びる各絶縁層が交差することによって複数対の電極面に分離されることを特徴とする。

本発明に係る発光モジュールによれば、発光体が実装可能な実装面を複数の外周面及び両端面に有する多面体からなる基板によって形成されているため、各実装面に実装された発光体から周囲の立体空間を均等な明るさで照明することができる。また、各実装面を二以上の電極面に分離する絶縁層が複数の外周面及び両端面にそれぞれ形成されると共に、この絶縁層が一の外周面から対向する他の外周面に少なくとも一方の端面を介して延びているので、各発光体との電気的接続が容易となり、照明用途に合わせて発光体の配置数や配置位置を設定することができる。

また、前記基板の一の端面をマザーボード上の所定の電極パターン上に載置することで、複数の外周面及び他の端面に実装されている発光体を発光させることができる。さらに、前記電極パターンに対する電圧の印加パターンを変えることで、特定の実装面に実装されている発光体を選択的に発光させることができる。

前記各実装面を分割して設けられるそれぞれの電極面の面積を略等しくすることによって、基板における電気抵抗のバラツキが抑えられる。これによって、各実装面に実装されている発光体ごとの発光バラツキが低減し、多方面の空間をムラなく均一に照明することができる。

さらに、前記各実装面は、絶縁層を除いた平面全体が金属部材による電極面となっているため、高い放熱性を有する。これによって、前記基板に熱がこもることなく、各実装面に実装されている発光体から発する熱を効率よく外部に放出させることができる。

第１実施形態の発光モジュールの斜視図である。上記発光モジュールを構成する基板の斜視図である。上記発光モジュールの実装形態を示す平面図である。上記発光モジュールの実装形態を示す側面図である。ＰＮ構造の発光素子が実装された上記発光モジュールの側面図である。ＬＥＤが実装された上記発光モジュールの側面図である。発光素子を２個有した発光体を用いて構成された上記発光モジュールの斜視図である。発光素子を２個備えたＬＥＤが実装された上記発光モジュールの側面図である。第２実施形態の発光モジュールの斜視図（ａ）及び平面図（ｂ）である。第３実施形態の発光モジュールの斜視図（ａ）及び平面図（ｂ）である。上記発光モジュールの電気接続図である。第４実施形態の発光モジュールの平面図である。本発明の発光モジュールを搭載した電球型の照明装置の斜視図である。

以下、添付図面に基づいて本発明に係る発光モジュールの実施形態を詳細に説明する。図１乃至図６には、本発明の第１実施形態に係る発光モジュール１１の構造が示されている。この発光モジュール１１は、多面体形状の基板１２と、この基板１２の外周面及び端面からなる複数の実装面に実装される複数の発光体１３とで構成されている。

前記基板１２は、図２に示したように、縦方向に十字状に交差するようにして設けられる第１絶縁層１４及び第２絶縁層１５と、この第１絶縁層１４及び第２絶縁層１５によって電気的に分離されるブロック状の金属部材からなる４つの電極部Ｐ１〜Ｐ４とを備え、この４つの電極部Ｐ１〜Ｐ４が前記第１絶縁層１４及び第２絶縁層１５を挟んで組み合わされることによって一体形成されている。このようにして形成された基板１２は、略直角となる四方向に面した外周面２１〜２４とこれら外周面の上下方向に対向する一対の端面２５，２６とを有した六面体形状となっている。なお、前記基板１２の他の形成方法としては、外周面２１〜２４及び端面２５，２６を備えた樹脂部材からなる六面体形状のベース体を形成し、このベース体の表面に図２に示したような４つの電極部Ｐ１〜Ｐ４を金属メッキによって設けることができる。このような電極部Ｐ１〜Ｐ４は、前記一対の端面２５，２６の中央部を交差して各外周面２１〜２４を二分するようにして帯状に延びる第１絶縁層１４及び第２絶縁層１５によって電気的に分離させることができる。したがって、複数の外周面及び両端面からなる実装面を二以上の電極面に分離する絶縁層が複数の外周面及び両端面にそれぞれ形成されると共に、この絶縁層が一の外周面から対向する他の外周面に少なくとも一方の端面を介して延びているように構成されている。

前記外周面２１，２３は第１絶縁層１４によってそれぞれ一対の電極面（２１ａ，２１ｂ）、（２３ａ，２３ｂ）に分離され、外周面２２，２４は第２絶縁層１５によってそれぞれ一対の電極面（２２ａ，２２ｂ）、（２４ａ，２４ｂ）に分離される。また、端面２５，２６は前記第１絶縁層１４と第２絶縁層１５とが十字状に交差することによって、二対の電極面に分離される。したがって、複数の外周面及び端面を有した基板に形成される実装面は、両端面を繋ぐ単一の絶縁層によって一対の電極面に分離され、前記両端面に形成される実装面は複数の外周面から延びる各絶縁層が交差することによって複数対の電極面に分離されることとなる。このため、前記両端面に形成される複数対の電極面の数は、前記基板の外周面の数に対応する。また、前記第１絶縁層１４及び第２絶縁層１５は、各外周面及び端面を等分するように横断して設けられるため、分離された各電極面の面積は略同一となる。これによって、各電極面に実装される発光体１３から生じる熱を偏りなく均等に放熱させることができる。

本発明の発光モジュールでは、アノードとカソードからなる二極の端子電極を有する発光体１３を実装するため、前記第１絶縁層１４及び第２絶縁層１５を介して対角線上に位置している電極部同士が同一極性となり、縦横方向に並ぶ電極部同士は異極性となるように電気的に接続される。本実施形態では、図３に示したように、電極部Ｐ１，Ｐ３をアノード（Ａ）、電極部Ｐ２，Ｐ４をカソード（Ｋ）として説明する。

前記各外周面２１〜２４は、前記第１絶縁層１４又は第２絶縁層１５のいずれかを挟んだアノードとカソードとからなる一対の電極面Ａ（アノード側），Ｋ（カソード側）を有した実装面となっている。また、前記各端面２５，２６は、前記第１絶縁層１４と第２絶縁層１５とが交差することによって、一対のアノードと一対のカソードからなる桝目状の電極面Ａ，Ｋを二対有した実装面となっている。

前記第１絶縁層１４及び第２絶縁層１５を除いた外周面２１〜２４及び端面２５，２６は、金属面となっているため、後述するように、発光体１３を実装した際には有効な放熱面（ヒートシンク）となる。特に、前記外周面２１〜２４及び端面２５，２６を導電性に優れた銅材又は銅メッキによって形成することによって、より高い放熱効果を得ることができる。

上記構成による基板１２は、全ての外周面２１〜２４及び端面２５，２６が発光体１３の実装可能な実装面となっているが、図３に示したように、マザーボード等の外部基板１９に載置する際には、下側の端面２６が前記外部基板１９に設けた電極パターンＱ１〜Ｑ４との電気的な当接面となる。

本実施形態では、前述したように、前記端面２６を外部基板１９への当接面としているため、４つの外周面２１〜２４及び上側の端面２５に発光体１３を実装している。図４に示したように、前記発光体１３には、下面側に一対の端子電極１３ａ，１３ｂが設けられ、この一対の端子電極１３ａ，１３ｂと対応する外周面の一対の電極面Ａ，Ｋとが電気的に接続される。そして、前記端面２６の各電極面Ａ，Ｋを前記外部基板１９上に正方配置されている電極パターンＱ１〜Ｑ４にハンダ２０を介して載置することで、外部基板１９との電気的接続が図られる。

前記発光体１３には、図５に示すようなＰＮ接合構造の発光素子３１、又は図６に示すような前記発光素子３１をチップ基板３３上に透光性の樹脂体３５によって封止してなる発光デバイス（ＬＥＤ）３２を利用することができる。前記発光素子３１としては、一例として窒化ガリウム系化合物半導体やアルミニウムガリウムヒ素あるいはガリウムヒ素リン系の半導体が用いられる。これらの半導体は、サファイアガラスからなるサブストレートと、このサブストレートの上にＰ型半導体、Ｎ型半導体を拡散成長させた拡散層（Ｐ層及びＮ層）とからなっている。前記Ｐ型半導体及びＮ型半導体はそれぞれＰ型電極，Ｎ型電極を備えており、このＰ型電極，Ｎ型電極の露出する部分が一対の素子電極３１ａ，３１ｂとなる。

前記発光素子３１を各実装面に直接実装する際は、図５に示したように、一対の電極面Ａ，Ｋに対応するように各素子電極３１ａ，３１ｂを位置決めして載置される。そして、一対の電極面と各素子電極３１ａ，３１ｂとの間にバンプ状のハンダ２０を載せ、発光モジュール１１全体をリフロー処理することによって電気的接続が図られる。また、発光素子３１の上面を蛍光性プレートやシートで被覆することで発光色の色合を調整できる。

一方、図６に示したように、前記発光体１３が一対のチップ電極３４ａ，３４ｂを両端に有したチップ基板３３と、このチップ基板３３上に実装される発光素子３１及びこの発光素子３１を封止する樹脂体３５とからなる表面実装型のＬＥＤ３２として構成されている場合は、一の外周面の一対の電極面Ａ，Ｋ上に一対のチップ電極３４ａ，３４ｂを対応させて載置した後、ハンダ２０あるいは導電性接着剤等を介して電気的に接続される。なお、本実施形態では、前記発光素子３１と一対のチップ電極３４ａ，３４ｂとをワイヤで接続したが、ハンダバンプを介して表面実装するタイプのＬＥＤであってもよく、前記基板１２の各実装面に形成されている一対の電極面に電気的に接続可能な発光体であればよい。また、前記樹脂体３５に蛍光剤を含有させることで発光色の色合調整が可能である。

前記発光体１３が発光素子３１の場合とＬＥＤ３２の場合とで、実装スペースが異なるので、各態様に合わせて基板１２のサイズや各実装面に設けられる一対の電極面Ａ，Ｋのサイズが規定される。なお、前記各実装面には、それぞれ一つの発光体１３を配置したが、同一実装面に複数の発光素子２１やＬＥＤ２２からなる発光体１３を複数並列に配置することができる。

また、前記発光体１３は、図７に示すように、２個以上の発光素子３１によって構成することで全体的な発光量を増やすことができる。図８に示す発光モジュール１１は、２個の発光素子３１を含んでパッケージ化したＬＥＤ３２ａを用いて構成されたものである。さらに、３個以上の発光素子３１を用いて並列接続あるいは直列接続することで、更なる発光量のアップを図ることができる。このように、発光素子の配列数や接続形態の異なるＬＥＤを適宜選択することによって、消費電力や明るさに応じた各種タイプの発光モジュールを得ることができる。

本実施形態の発光モジュール１１によれば、図１に示したように、四方向に面した外周面２１〜２４及び上側の端面２５の全てに発光体１３を実装できるので、この発光モジュール１１を中心とした空間をムラなく均一な明るさで照明することができる。また、前記基板１２の各外周面を高さ方向に延長して形成することで、発光体１３を高さ方向に複数実装することが可能となる。このように前記基板１２のサイズを変更することによって、照明範囲を広げることができると共に全体的な光量や輝度の向上を図ることができる。

図９及び図１０は、第２及び第３実施形態における発光モジュール４１，５１を示したものである。この発光モジュール４１，５１は、基板４２，５２が上記第１実施形態の発光モジュール１１と同様に第１及び第２の絶縁層１４，１５を介した４つの電極部Ｐ１〜Ｐ４を有して形成されているが、外周面４２ａ〜４２ｄが縦方向に長く延びている。そして、この外周面の上側の端面４３ａに近い位置に発光体１３を複数実装して形成したものである。このため、図３に示したような外部基板１９に実装される下側の端面４３ｂからある一定の高さを有した位置の周囲を明るくするための照明用途に適した構成となっている。図９は各外周面４２ａ〜４２ｄの上方位置にそれぞれ２つの発光体１３を等間隔に実装したものであり、上側の端面４３ａには発光体が実装されていないので、下側の端面４３ｂから一定の高さ位置の四方向に面した範囲を照明するのに適したものとなる。

図１０に示した発光モジュール５１は、外周面５２ａ〜５２ｄに実装する発光体の数を一部変えて構成したものである。この実施形態では、前方側の外周面５２ａに発光体を３つ並列に配置し、外周面５２ｂ，５２ｄと上方の端面５３ａにそれぞれ２つの発光体を配置している。この場合の発光範囲は、外部基板上に配置される下側の端面５３ｂから一定の高さを有した空間全体となるが、特に外周面５２ａ側を他の外周面５２ｂ，５２ｄよりも光量や輝度が高いものとなる。ここでは、４つの電極部Ｐ１〜Ｐ４のうち、Ｐ１とＰ３がアノード（Ａ）で、Ｐ２とＰ４がカソード（Ｋ）に設定されている。また、上方の端面５３ａには発光体１３ａと発光体１３ｂとが互いに逆方向に実装され、外周面５２ａには３つの発光体１３ｃ１〜１３ｃ３が同一方向に並列実装され、外周面５２ｂには２つの発光体１３ｄ１，１３ｄ２が同一方向に並列実装され、外周面５２ｄには２つの発光体１３ｅ１，１３ｅ２が同一方向に並列実装されているものとする。なお、外周面５２ｃには発光体が実装されていないものとする。

図１１は前記発光モジュール５１の発光パターンを示したものである。以下に選択した電極部と発光体とにおける発光パターンの組み合わせを示す。
発光パターン（１）：電極部（Ｐ１−Ｐ２）間の電圧印加によって、発光体１３ｃ１〜１３ｃ３が発光。
発光パターン（２）：電極部（Ｐ１−Ｐ４）間の電圧印加によって、発光体１３ａと発光体１３ｅ１，１３ｅ２が発光。
発光パターン（３）：電極部（Ｐ３−Ｐ２）間の電圧印加によって、発光体１３ｂと発光体１３ｄ１，１３ｄ２が発光。
発光パターン（４）：電極部（Ｐ１−Ｐ２）、（Ｐ３−Ｐ４）間の電圧印加によって、全ての発光体が発光。
このように、前記各電極部Ｐ１〜Ｐ４に対する電圧の印加パターンによって、所定の外周面及び端面に実装した発光体を選択して発光させることができる。

図１２は６つの外周面６２ａ〜６２ｆを有した八面体形状の基板６２をベースにして形成した第４実施形態の発光モジュール６１の平面構成を示したものである。この基板６２は、中心部から各外周面を二分するように放射状に延びる６つの絶縁層６４ａ〜６４ｆによって電気的に分離した６つの電極部Ｐ１〜Ｐ６を有して形成されている。したがって、上側の端面６３ａには一対の電極面Ａ，Ｋが三組形成されることとなり、６個の発光体が実装可能となる。なお、１２０度の角度を有して隣接し合う外周面６２ａ〜６２ｆには、縦方向に延びる絶縁層６４ａ〜６４ｆを介して一対の電極面Ａ，Ｋが設けられるため、１個又は複数個の発光体を並列に実装可能となる。

図１３は、上記発光モジュール５１を電球型の照明装置７０の光源として組み込んだ場合の応用例を示したものである。前記発光モジュール５１は、照明装置７０に設けられている基板７２の電極パターン（図示せず）上に下側の端面５３ｂを載置することで電気的に接続され、上方を光透過性カバー７１で覆われる。このようにして組み込まれた発光モジュール５１は、四方向に面した外周面の上方に発光体１３を複数並列実装すると共に、上側の端面に２つの発光体１３を並べるようにして構成されている。前記外周面は複数の発光体が実装可能なスペースを高さ方向に有しているので、照明用途や照明場所に応じて発光体の数や配置をフレキシブルに設定することができる。このため、空間全体を均一に照明することができると共に、特定の方向に対して光量や輝度を高く設定したり低く設定したりするような照明場所や照明用途に適した発光効果を得ることができる。さらに、前記下側の端面５３ｂの電極面からは複数の発光体１３の発光によって生じる熱を照明装置７０の基板７２に逃がすことができるので、放熱性も良好となる。

Ａ電極面（アノード）
Ｋ電極面（カソード）
Ｐ１〜Ｐ４電極部
Ｑ１〜Ｑ４電極パターン
１１発光モジュール
１２基板
１３発光体
１３ａ，１３ｂ端子電極
１４第１絶縁層
１５第２絶縁層
１９外部基板
２０ハンダ
２１〜２４外周面
２５，２６端面
３１発光素子
３２ＬＥＤ
３３チップ基板
３４ａ，３４ｂチップ電極
３５樹脂体
４１，５１，６１発光モジュール
７０照明装置

Claims

複数の発光体と、
前記複数の発光体を実装する実装面を複数の外周面及び外周面の両端面に有する多面体からなる基板とを備え、
前記各実装面を二以上の電極面に分離する絶縁層が複数の外周面及び両端面にそれぞれ形成されると共に、この絶縁層が一の外周面から対向する他の外周面に少なくとも一方の端面を介して延び、
前記基板の複数の外周面に形成される各実装面は両端面を繋ぐ単一の絶縁層によって一対の電極面に分離され、前記基板の両端面に形成される実装面は複数の外周面から延びる各絶縁層が交差することによって複数対の電極面に分離されることを特徴とする発光モジュール。
複数の発光体と、
前記複数の発光体を実装する実装面を複数の外周面及び外周面の両端面に有する多面体からなる基板とを備え、
前記各実装面を二以上の電極面に分離する絶縁層が複数の外周面及び両端面にそれぞれ形成されると共に、この絶縁層が一の外周面から対向する他の外周面に少なくとも一方の端面を介して延び、
前記基板は、金属部材あるいは表面に金属メッキが施された樹脂部材によって多面体に形成されることを特徴とする発光モジュール。
前記基板は、前記絶縁層によって、所定の角度を有して隣接する電極面と分割された一対の端面とからなるブロック状の複数の電極部に電気的に分離される請求項１又は２に記載の発光モジュール。
前記複数の外周面及び両端面に形成される各電極面は、それぞれ面積が略同一である請求項１又は２に記載の発光モジュール。
前記両端面に形成される複数対の電極面の数が前記基板の外周面の数に対応している請求項１又は２に記載の発光モジュール。
前記基板は、前記外周面の両端面のいずれか一方がマザーボードに載置される当接面となり、他の実装面に発光体が実装される請求項１又は２に記載の発光モジュール。
前記各実装面の隣接する電極面間には、極性の異なる電圧が印加されるように電気的に接続される請求項１又は２に記載の発光モジュール。
前記基板は、絶縁部材と、この絶縁部材を介して多面体に組み合わせられる複数のブロック状の金属部材とによって形成される請求項１又は２に記載の発光モジュール。
前記発光体は、ＰＮ構造の発光素子又は該発光素子を素子基板上に樹脂封止して構成される発光デバイスである請求項１又は２に記載の発光モジュール。