JP2017034119A

JP2017034119A - Ｌｅｄ発光素子

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Publication number: JP2017034119A
Application number: JP2015153355A
Authority: JP
Inventors: 良安原; Makoto Yasuhara; 雄亮渡邊; Yusuke Watanabe
Original assignee: Citizen Electronics Co Ltd; Citizen Watch Co Ltd
Current assignee: Citizen Electronics Co Ltd; Citizen Watch Co Ltd
Priority date: 2015-08-03
Filing date: 2015-08-03
Publication date: 2017-02-09
Anticipated expiration: 2035-08-03
Also published as: US9786826B2; JP6590579B2; US20170040514A1

Abstract

【課題】照度ムラの発生が低減されたＬＥＤ発光素子を提供する。【解決手段】基板７と、基板７上に実装されたＬＥＤ素子１と、ＬＥＤ素子１を封止するように基板７上に配置され、ＬＥＤ素子１からの出射光に基づく光を出射する出射面２ａを有する蛍光体樹脂２と、蛍光体樹脂２の周囲に配置された反射性樹脂３と、開口部９ｃを有し、少なくとも一部が反射性樹脂３の上に配置された反射枠９と、を有し、反射枠９の内側領域９ｂの面積に対する出射面２ａの面積が、８０％以上となるように設定されている、ことを特徴とするＬＥＤ発光素子１０。【選択図】図１

Description

本発明は、ＬＥＤ発光素子に関する。

近年、半導体素子であるＬＥＤ素子は、長寿命で優れた駆動特性を有し、さらに小型で発光効率が良く鮮やかな発光色を有することから、フラッシュ装置や照明等に広く利用されるようになってきた。

図５は、特許文献１に示されたＬＥＤ発光素子１００の断面図である。ＬＥＤ発光素子１００は、基板１１５と、基板１１５上に設置され開口部１２３を有する貼合せ部１２０と、開口部１２３内に設置されたＬＥＤ素子１１６及び蛍光体含有樹脂１１８と、貼合せ部１２０上に設置された反射枠１１９とを備える。基板１１５上には、反射枠１１９の内側領域１１９ｂが設けられており、内側領域１１９ｂでは、貼合せ部１２０の一部及び蛍光体含有樹脂１１８の上面が露出している。蛍光体含有樹脂１１８の上面は、ＬＥＤ素子１１６及び蛍光体含有樹脂１１８が発する光の出射面１１８ａとなっている。

ＬＥＤ発光素子１００では、光源を点光源に近づけることで集光効果を高めるために、蛍光体含有樹脂１１８の出射面の寸法を反射枠１１９の内側領域１１９ｂに対して小さくしている。

特開２００９−２８３９８８号公報

しかしながら、上述の様に出射面を反射枠の内側領域に対して小さくすると、出射面から出射された光の一部は反射枠の反射面によって反射されてから照射対象物に照射される。したがって、反射面の様々な部分で反射された光同士が照射対象物上で重なり合う範囲が狭くなり、その結果、照射対象物上で照度ムラが発生し易くなる。

そこで本発明は、上述した問題点を解消することを可能としたＬＥＤ発光素子を提供することを目的とする。

また、本発明は、照度ムラの発生が低減されたＬＥＤ発光素子を提供することを目的とする。

本発明に係るＬＥＤ発光素子は、基板と、基板上に実装されたＬＥＤ素子と、ＬＥＤ素子を封止するように基板上に配置され、ＬＥＤ素子からの出射光に基づく光を出射する出射面を有する蛍光体樹脂と、蛍光体樹脂の周囲に配置された反射性樹脂と、開口部を有し、少なくとも一部が反射性樹脂の上に配置された反射枠と、を有し、反射枠の内側領域の面積に対する出射面の面積が、８０％以上となるように設定されていることを特徴とする。

上記のＬＥＤ発光素子により、照度ムラの発生が低減されたＬＥＤ発光素子を提供することが可能となる。

（ａ）はＬＥＤ発光素子１０の上面図であり、（ｂ）はＬＥＤ発光素子１０の（ａ）に示すＡＡ’線断面図であり、（ｃ）はＬＥＤ発光素子１０の斜視図である。（ａ）はＬＥＤ発光素子１の上面図であり、（ｂ）は他のＬＥＤ発光素子２０の上面図であり、（ｃ）は比較のためのＬＥＤ発光素子３０の上面図である。（ａ）及び（ｂ）はＬＥＤ発光素子１０による照度ムラについて説明するための図であり、（ｃ）及び（ｄ）はＬＥＤ発光素子２０による照度ムラについて説明するための図であり、（ｅ）及び（ｆ）はＬＥＤ発光素子３０による照度ムラについて説明するための図である。（ａ）はＬＥＤ発光素子１０による照射の様子を説明するための図であり、（ｂ）はＬＥＤ発光素子２０による照射の様子を説明するための図であり、（ｃ）は、ＬＥＤ発光素子３０による照射の様子を説明するための図である。特許文献１に示されたＬＥＤ発光素子１００の断面図である。

以下、添付図面を参照して、本発明の様々な実施形態について詳細に説明する。ただし、本発明の技術的範囲はそれらの実施形態に限定されず、特許請求の範囲に記載された発明とその均等物に及ぶ点に留意されたい。

図１（ａ）はＬＥＤ発光素子１０の上面図であり、図１（ｂ）はＬＥＤ発光素子１０の図１（ａ）に示すＡＡ線’断面図であり、図１（ｃ）はＬＥＤ発光素子１０の斜視図である。

ＬＥＤ発光素子１０は、基板７、反射性樹脂３、ＬＥＤ素子１、蛍光体樹脂２及び反射枠９等を有する。基板７の上面には配線電極５ａ及び５ｂが設けられており、基板７の下面には配線電極５ｃ及び５ｄが設けられている。配線電極５ａは基板７内に設けられたスルーホール５ｅを介して電源電極５ｃに接続されている。配線電極５ｂは基板７内に設けられたスルーホール５ｆを介して電源電極５ｄに接続されている。

基板７上には、基板７よりも寸法の小さい反射性樹脂３が積層されている。反射性樹脂３の中心付近には略矩形の開口部３ｂが形成されている。

ＬＥＤ素子１は、反射性樹脂３の開口部３ｂ内において、導電部材６ａ及び６ｂによって基板７上にフリップチップ実装されている。導電部材６ａは配線電極５ａに導通し、且つ、導電部材６ｂは配線電極５ｂに導通している。

反射性樹脂３の開口部３ｂ内には、ＬＥＤ素子１を封止するように蛍光体樹脂２が充填されている。蛍光体樹脂２は、後述する様にＬＥＤ素子１が発する光により励起されて発光する蛍光体粒子を含有している。蛍光体樹脂２の上面は、後述する様にＬＥＤ素子１からの出射光に基づく光を出射する出射面２ａとなっている。

反射枠９は、側面外周に設けられた段差凸部９ａが反射性樹脂３の側面に配置される様にして、基板７上にエポキシ樹脂４によって固定されている。なお、図１（ａ）では、反射枠９及び反射性樹脂３の間に配置されたエポキシ樹脂４の図示を省略している。

反射枠９の反射性樹脂３側には略矩形の内側領域９ｂが形成され、反射枠９の反射性樹脂３とは反対側には八角形の開口部９ｃが形成されている。なお、内側領域９ｂの形状及び開口部９ｃの形状はそれぞれ、上述の形状に限らず、三角形、六角形、八角形等の多角形や、楕円形、円形等の任意の形状であっても良い。

内側領域９ｂ及び開口部９ｃの間には、８つの滑らかな曲面から成る反射面９ｄが形成されている。なお、反射面９ｄの面の数は８つに限らず、内側領域９ｂ及び開口部９ｃの形状に合わせて任意に設定することができる。反射面９ｄの形状は、曲面に限らず、平面であっても、一部が曲面であっても良い。

外部電源によって電源電極５ｃ及び５ｄに電圧を付加すると、スルーホール５ｅ、５ｆ及び配線電極５ａ、５ｂを介してＬＥＤ素子１に電圧が付加され、ＬＥＤ素子１が発光する。ＬＥＤ素子１が発した光の一部は蛍光体樹脂２に含まれる蛍光体粒子を励起し、蛍光体樹脂２が発光する。ＬＥＤ素子１が発した光及び蛍光体樹脂２が発した光は、直接又は反射面９ｄにより反射されて、開口部９ｃから出射される。なお、蛍光体樹脂２側から反射性樹脂３に向かう光は、反射性樹脂３で反射されて、蛍光体樹脂２側に戻る。

図２（ａ）は、ＬＥＤ発光素子１の上面図である。

蛍光体樹脂２の出射面２ａは、横方向長さＷ１が約１．３８ｍｍであり、縦方向長さＨ１が約１．３８ｍｍである。反射枠９の内側領域９ｂは、横方向長さＷ２が約１．４５ｍｍであり、縦方向長さＨ２が約１．４５ｍｍである。反射枠９の開口部９ｃは、横方向長さＷ３が約２．３ｍｍであり、縦方向長さＨ３が約２．１ｍｍである。

以上より、蛍光体樹脂２の出射面２ａの面積は約１．９０ｍｍ²であり、反射枠９の内側領域９ｂの面積は約２．１０ｍｍ²である。したがって、蛍光体樹脂２の出射面２ａの面積は反射枠９の内側領域９ｂの面積の約９０％である。

図２（ｂ）は、他のＬＥＤ発光素子２０の上面図である。

ＬＥＤ発光素子２０では、後述する様に、蛍光体樹脂２２の寸法がＬＥＤ発光素子１０の蛍光体樹脂２の寸法とは異なっている。また、反射性樹脂２３の開口部２３ａの寸法は、反射性樹脂２３が蛍光体樹脂２２に密着するように、蛍光体樹脂２２の寸法と同一に設定されている。ＬＥＤ発光素子２０のその他の構成はＬＥＤ発光素子１０と同様であるため説明を省略する。

蛍光体樹脂２２の出射面２２ａは、横方向長さＷ１’が約１．３０ｍｍであり、縦方向長さＨ１’が約１．３０ｍｍである。したがって、蛍光体樹脂２２の出射面２２ａの面積は約１．６９ｍｍ²である。以上より、蛍光体樹脂２２の出射面２２ａの面積は反射枠９の内側領域の面積の約８０％である。

図２（ｃ）は、比較のためのＬＥＤ発光素子３０の上面図である。

ＬＥＤ発光素子３０では、後述する様に、蛍光体樹脂３２の寸法がＬＥＤ発光素子１０の蛍光体樹脂２の寸法とは異なっている。また、反射性樹脂３３の開口部３３ａの寸法は、反射性樹脂３３が蛍光体樹脂３２に密着するように、蛍光体樹脂３２の寸法と同一に設定されている。ＬＥＤ発光素子３０のその他の構成はＬＥＤ発光素子１０と同様であるため説明を省略する。

蛍光体樹脂３２の出射面３２ａは、横方向長さＷ１’’が約１．００ｍｍであり、縦方向長さＨ１’’が約１．００ｍｍである。したがって、蛍光体樹脂３２の出射面３２ａの面積は約１．００ｍｍ²である。以上より、蛍光体樹脂３２の出射面３２ａの面積は反射枠９の内側領域の面積の約５０％である。

図３（ａ）及び（ｂ）を用いて、ＬＥＤ発光素子１０による照度ムラについて説明する。

図３（ａ）は、ＬＥＤ発光素子１０により照射されたスクリーンＳ上の照度分布を示す図である。なお、スクリーンＳは、ＬＥＤ発光素子１０から約１ｍ離れた地点に、出射面２ａの光軸Ａ１（図４（ａ）参照）と垂直になるように設置されている。点Ｏ１は光軸Ａ１とスクリーンＳとの接点である。

図３（ａ）に示す様に、スクリーンＳでは点Ｏ１を中心とする略円形の範囲が照射されている。点Ｏ１からの距離が大きくなるほど略同心円状に所定の割合で照度が減少しており、スジや影などが目立たない。

図３（ｂ）は、図３（ａ）に示すＤ１−Ｄ１’線に沿ったスクリーンＳの照度分布Ｇ１１及び図３（ａ）に示すＤ２−Ｄ２’線に沿ったスクリーンＳの照度分布Ｇ１２を示すグラフである。図３（ｂ）に示すグラフでは、横軸は点Ｏ１からのＤ１−Ｄ１’線又はＤ２−Ｄ２’線に沿った距離を示しており、縦軸はスクリーンＳ上の照度を示している。

図３（ｂ）に示す様に、照度分布Ｇ１１は点Ｏ１付近に極大値を有し且つ点Ｏ１について略対称的な上に凸の曲線である。同様に、照度分布Ｇ１２は点Ｏ１付近に極大値を有し且つ点Ｏ１について略対称的な上に凸の曲線である。照度分布Ｇ１１及び照度分布Ｇ１２は概ね重なり合っている。照度分布Ｇ１１及びＧ１２は、点Ｏ１からの距離が大きくなるにつれて、所定の割合で照度が減少している。したがって、図３（ａ）に示す様に、スクリーンＳ上ではスジや影などが目立たないので、ＬＥＤ発光素子１０では照度ムラがかなり小さいと言える。

図３（ｃ）及び（ｄ）を用いて、ＬＥＤ発光素子２０による照度ムラについて説明する。

図３（ｃ）は、ＬＥＤ発光素子２０により照射されたスクリーンＳ上の照度分布を示す図である。なお、スクリーンＳは、ＬＥＤ発光素子２０から約１ｍ離れた地点に、出射面２２ａの光軸Ａ２（図４（ｂ）参照）と垂直になるように設置されている。点Ｏ２は光軸Ａ２とスクリーンＳとの接点である。

図３（ｃ）に示す様に、スクリーンＳでは点Ｏ２を中心とする略円形の範囲が照射されている。当該照度分布では、点線Ｌ２１及びＬ２２で囲った領域それぞれにスジ又は影が観察されるものの、点Ｏ２からの距離が大きくなるほど略同心円状にほぼ所定の割合で照度が減少している。

図３（ｄ）は、図３（ｃ）に示すＥ１−Ｅ１’線に沿ったスクリーンＳの照度分布Ｇ２１及び図３（ｃ）に示すＥ２−Ｅ２’線に沿ったスクリーンＳの照度分布Ｇ２２を示すグラフである。図３（ｄ）に示すグラフでは、横軸は点Ｏ２からのＥ１−Ｅ１’線又はＥ２−Ｅ２’線に沿った距離を示しており、縦軸はスクリーンＳ上の照度を示している。

図３（ｄ）に示す様に、照度分布Ｇ２１は、点Ｏ２付近に極大値を有し且つ点Ｏ２について略対称的な上に凸の曲線である。照度分布Ｇ２１は、点Ｏ２からの距離が大きくなるにつれて所定の割合で照度が減少している。照度分布Ｇ２２は、点Ｏ２付近に照度分布Ｇ１の極大値と等しい極大値を有し且つ点Ｏ２について略対称的な上に凸の曲線である。照度分布Ｇ２２は、点Ｏ２からの距離が大きくなるにつれて、初め照度分布Ｇ２１よりも大きな割合で減少するが、やがて減少の割合は小さくなり、さらに点Ｏ２からの距離が大きくなると照度分布Ｇ２１とほぼ重なり合うようになる。したがって、図３（ｃ）に示す様に、スクリーンＳ上では多少のスジ又は影が見られるが（点線Ｌ２１及びＬ２２参照）、ＬＥＤ発光素子２０では照度ムラが小さいと言える。

図３（ｅ）及び（ｆ）を用いて、ＬＥＤ発光素子３０による照度ムラについて説明する。

図３（ｅ）は、ＬＥＤ発光素子３０により照射されたスクリーンＳ上の照度分布を示す図である。なお、スクリーンＳは、ＬＥＤ発光素子３０から約１ｍ離れた地点に、出射面３２ａの光軸Ａ３（図４（ｃ）参照）と垂直になるように設置されている。点Ｏ３は光軸Ａ３とスクリーンＳとの接点である。

図３（ｅ）に示す様に、スクリーンＳでは点Ｏ３を中心とする略円形の範囲が照射されている。しかしながら、点線Ｌ３１で囲った領域は極端に照度が低くなっている。また、Ｌ３２、Ｌ３３、Ｌ３４及びＬ３５で囲った領域も、照度が低くなっている。

図３（ｆ）は、図３（ｅ）に示すＦ１−Ｆ１’線に沿ったスクリーンＳの照度分布Ｇ３１及び図３（ｅ）に示すＦ２−Ｆ２’線に沿ったスクリーンＳの照度分布Ｇ３２を示すグラフである。図３（ｆ）に示すグラフでは、横軸は点Ｏ３からのＦ１−Ｆ１’線又はＦ２−Ｆ２’線に沿った距離を示しており、縦軸はスクリーンＳ上の照度を示している。

図３（ｆ）に示す様に、照度分布Ｇ３１は、点Ｏ３について略対称的な略Ｍ字状の曲線であって、点Ｏ３付近に極小値を有し、且つ、点Ｏ３を挟む様にして二つのほぼ等しい極大値を有している。同様に、照度分布Ｇ３２は、点Ｏ３について略対称的な略Ｍ字状の曲線であって、点Ｏ３付近に極小値を有し、且つ、点Ｏ３を挟む様にして二つのほぼ等しい極大値を有している。照度分布Ｇ３１の極小値及び照度分布Ｇ３２の極小値は等しく、且つ、点Ｏ３から任意の距離において照度分布Ｇ３２の照度は照度分布Ｇ３１の照度よりも高くなっている。したがって、図３（ｅ）に示す様に、スクリーンＳ上では明確なスジ又は影が見えるので（点線Ｌ３１、Ｌ３２、Ｌ３３、Ｌ３４及びＬ３５参照）、ＬＥＤ発光素子３０では照度ムラが大きいと言える。

図４（ａ）〜（ｃ）を用いて、ＬＥＤ発光素子１０、２０及び３０によって照度ムラが発生する機構について説明する。

出射面２ａ、２２ａ及び３２ａから発せられ且つスクリーンＳ上に直接照射される光は照度ムラの発生にほとんど寄与しない。そのため、下記の説明では、出射面２ａ、２２ａ及び３２ａから発せられ且つスクリーンＳ上に直接照射される光は考慮していない。

出射面２ａ、２２ａ及び３２ａから発せられる光の指向方向はおおよそ出射面２ａ、２２ａ及び３２ａの法線方向である。出射面２ａ、２２ａ及び３２ａから発せられる光の内、法線方向から所定の角度を有する指向方向を持つ光も存在するが、その割合は、法線方向からの角度が大きくなるにしたがって減少していく。例えば、法線方向から９０°の角度の指向方向を持つ光はほぼゼロである。そのため、下記の説明では、反射面９ｄで反射される光のうち、出射面２ａ、２２ａ及び３２ａの法線Ａ１、Ａ２及びＡ３と為す角度が最も小さい光、すなわち、反射面９ｄ上で最もスクリーンＳに近い点９Ｒ及び９Ｌで反射される光を主に考慮している。

図４（ａ）は、ＬＥＤ発光素子１０による照射の様子を説明するための図である。すなわち、図４（ａ）には、ＬＥＤ発光素子１０の図１（ｂ）に示すＡＡ’線に沿った断面図、及び、スクリーンＳの図３（ａ）に示すＤ１−Ｄ１’線に沿った断面図が示されている。

図４（ａ）に示す様に、出射面２ａから発せられた光のうち反射面９ｄの反射点９Ｒによって反射された光は、ＬＥＤ発光素子１０からスクリーンＳ上の左側照射領域１０Ｌを照射する。同様に、出射面２ａから発せられた光のうち反射面９ｄの反射点９Ｌによって反射された光は、スクリーンＳ上の右側照射領域１０Ｒを照射する。領域１０Ｌ及び１０Ｒの一部は、スクリーンＳ上の重複部分１０Ｃにおいて重なり合っている。

図４（ｂ）は、ＬＥＤ発光素子２０による照射の様子を説明するための図である。すなわち、図４（ｂ）には、ＬＥＤ発光素子２０の図２（ｂ）に示すＢＢ’線に沿った断面図、及び、スクリーンＳの図３（ｃ）に示すＥ１−Ｅ１’線に沿った断面図が示されている。

図４（ｂ）に示す様に、出射面２２ａから発せられた光のうち反射面９ｄの反射点９Ｒによって反射された光は、ＬＥＤ発光素子２０からスクリーンＳ上の左側照射領域２０Ｌを照射する。同様に、出射面２２ａから発せられた光のうち反射面９ｄの反射点９Ｌによって反射された光は、スクリーンＳ上の右側照射領域２０Ｒを照射する。領域２０Ｌ及び２０Ｒの一部は、スクリーンＳ上の重複部分２０Ｃにおいて重なり合っている。

図４（ｃ）は、ＬＥＤ発光素子３０による照射の様子を説明するための図である。すなわち、図４（ｃ）には、ＬＥＤ発光素子３０の図２（ｃ）に示すＣＣ’線に沿った断面図、及び、スクリーンＳの図３（ｅ）に示すＦ１−Ｆ１’線に沿った断面図が示されている。

図４（ｃ）に示す様に、出射面３２ａから発せられた光のうち反射面９ｄの反射点９Ｒによって反射された光は、ＬＥＤ発光素子３０からスクリーンＳ上の左側照射領域３０Ｌを照射する。同様に、出射面３２ａから発せられた光のうち反射面９ｄの反射点９Ｌによって反射された光は、スクリーンＳ上の右側照射領域３０Ｒを照射する。左側照射領域３０Ｌ及び右側照射領域３０Ｒは、互いに重なり合わず、領域３０Ｃを隔てて位置している。そのため、図３（ｅ）において、点線Ｌ３１〜Ｌ３５で囲った領域で照度が低くなるなどして、ＬＥＤ発光素子３０による照度ムラが大きくなる。

図４（ａ）〜（ｃ）より、反射枠の内側領域の面積に対する蛍光体樹脂の出射面の面積の割合が大きくなるほど、左側照射領域と右側照射領域との重複部分の範囲が大きくなり、その結果、照射対象物における照度ムラが低減されると言える。このような照度ムラの低減の効果は、図４（ｃ）に示す様に、反射枠の内側領域の面積に対する蛍光体樹脂の出射面の面積の割合が５０％の場合にはほとんど生じていないが、図４（ｂ）に示す様に、当該割合が８０％の場合には生じている。したがって、反射枠の内側領域の面積に対する蛍光体樹脂の出射面の面積の割合が８０％よりも大きい場合に、照度ムラの低減の効果が生じると言える。以上より、反射枠の内側領域の面積に対する蛍光体樹脂の出射面の面積の割合は８０％以上であることが好ましい。

ＬＥＤ発光素子１０では、精度誤差を考慮して、反射枠９の内側領域９ｂの面積に対する蛍光体樹脂２の出射面２ａの面積の割合を９０％に設定した。しかしながら、これに限らず、蛍光体樹脂の出射面を反射枠の内側領域の面積と同じ、または反射枠の内側領域の面積よりも大きくして、反射枠の内側領域の面積に対する蛍光体樹脂の出射面の面積の割合を１００％に設定しても良い。

１ＬＥＤ素子
２、２２、３２蛍光体樹脂
２ａ、２２ａ、３２ａ出射面
３、２３、３３反射性樹脂
４エポキシ樹脂
５ａ、５ｂ配線電極
５ｃ、５ｄ電源電極
５ｅ、５ｆスルーホール
６ａ、６ｂ導電部材
７基板
９反射枠
１０、２０、３０ＬＥＤ発光素子

Claims

基板と、
前記基板上に実装されたＬＥＤ素子と、
前記ＬＥＤ素子を封止するように前記基板上に配置され、前記ＬＥＤ素子からの出射光に基づく光を出射する出射面を有する蛍光体樹脂と、
前記蛍光体樹脂の周囲に配置された反射性樹脂と、
開口部を有し、少なくとも一部が前記反射性樹脂の上に配置された反射枠と、を有し、
前記反射枠の内側領域の面積に対する前記出射面の面積が、８０％以上となるように設定されている、
ことを特徴とする発光素子。