JP2015225910A - 発光モジュール及び照明装置 - Google Patents

Abstract

【課題】色むらを抑制して光取り出し率が向上した発光モジュール及び照明装置を提供する。【解決手段】実施形態によれば、積層体と、枠体と、封止部材と、レンズと、を具備した発光モジュールが提供される。前記積層体は、発光素子と、蛍光体層と、を有する。前記積層体は、前記発光素子から前記蛍光体層に向かう第１方向の厚みＷ１を有する。前記蛍光体層は、前記発光素子の少なくとも上面に設けられる。前記枠体は、前記積層体の周囲に設けられる。前記枠体は、前記厚みＷ１より大きい前記第１方向の厚みＷ２を有する。前記封止部材は、前記枠体の内部に前記積層体を全て覆うように充填される。前記レンズは、前記封止部材の上に設けられる。前記レンズの屈折率は、前記封止部材の屈折率と等しい、若しくは、前記封止部材の屈折率より小さい。【選択図】図１

Description

本発明の実施形態は、発光モジュール及び照明装置に関する。

光源としてＬＥＤ（Light Emitting Diode）を用いた発光モジュールがある。このような発光モジュールは、照明装置等に利用されており、少ない消費電力でより高い輝度を得ることができる。

発光モジュールにおいて、発光素子及び蛍光体層が同一の基板上に設けられている。発光素子と蛍光体層は、樹脂等の封止体により封止される。発光モジュールは、発光素子からの光と、発光素子からの光が蛍光体に入射することで生じた光と、を混合することにより目的とする色の光を放射する。このような発光モジュールにおいて、色むらを抑制すると共に光取り出し率の向上が望まれる。

特開２０１３−２３９７１２号公報

本発明の実施形態は、色むらが抑制されると共に光取り出し率が向上した発光モジュール及び照明装置を提供する。

本発明の実施形態によれば、積層体と、枠体と、封止部材と、レンズと、を具備した発光モジュールが提供される。前記積層体は、発光素子と、蛍光体層と、を有する。前記積層体は、前記発光素子から前記蛍光体層に向かう第１方向の厚みＷ１を有する。前記蛍光体層は、前記発光素子の少なくとも上面に設けられる。前記枠体は、前記積層体の周囲に設けられる。前記枠体は、前記厚みＷ１より大きい前記第１方向の厚みＷ２を有する。前記封止部材は、前記枠体の内部に前記積層体を全て覆うように充填される。前記レンズは、前記封止部材の上に設けられる。前記レンズの屈折率は、前記封止部材の屈折率と等しい、若しくは、前記封止部材の屈折率より小さい。

本発明の実施形態によれば、色むらが抑制されると共に光取り出し率が向上した発光モジュール及び照明装置を提供することができる。

第１実施形態に係る発光モジュールを示す模式平面図である。 第１実施形態に係る発光モジュールを示す模式断面図である。 第１実施形態に係る別の発光モジュール示す模式断面図である。 第１実施形態に係る発光モジュールを取り付けた照明装置を示す模式断面図である。 第２実施形態に係る発光モジュールを示す模式断面図である。 図６（ａ）及び図６（ｂ）は、第２実施形態に係る封止部材とレンズとの接着を説明する模式断面図である。

実施形態に係る発明は、発光素子と、前記発光素子の少なくとも上面に設けられた蛍光体層と、を有し、前記発光素子から前記蛍光体層に向かう第１方向の厚みＷ１を有する積層体と；前記積層体の周囲に設けられ、前記厚みＷ１より大きい前記第１方向の厚みＷ２を有する枠体と；前記枠体の内部に前記積層体を全て覆うように充填された封止部材と；前記封止部材の上に設けられたレンズと；を具備し、前記レンズの屈折率は、前記封止部材の屈折率と等しい、若しくは、前記封止部材の屈折率より小さいことを特徴とする発光モジュールである。
この発光モジュールによれば、色むらを抑制すると共に光取り出し率を向上させることができる。

また、前記発光素子は、シリコン基板を有し、前記発光素子の屈折率は、前記蛍光体層の屈折率より大きく、前記蛍光体層の屈折率は、前記封止部材の屈折率と等しい、もしくは前記封止部材の屈折率よりも大きいことを特徴とする発光モジュールである。
この発光モジュールによれば、光取り出し率を向上させることができる。

また、前記レンズは、蛍光体を有する透過性樹脂によって形成され、前記蛍光体層は、赤色蛍光体を有し、前記蛍光体は、緑色蛍光体及び黄色蛍光体の少なくともいずれか１つであることを特徴とする発光モジュールである。
この発光モジュールによれば、色むらを抑制すると共に光取り出し率を向上させることができる。

また、前記封止部材は、前記レンズと接合し、前記封止部材および前記レンズのいずれかの接合面に凹凸部が設けられていることを特徴とする発光モジュールである。
この発光モジュールによれば、色むらを抑制すると共に前記封止部材と前記レンズとの接合強度を上げることができる。

実施形態に係る発明は、上記のいずれか１つに記載の発光モジュールと；前記発光モジュールに電力を供給する点灯回路と；を具備することを特徴とする照明装置である。
この照明装置によれば、色むらを抑制すると共に光取り出し率を向上させることができる。

以下に、本発明の各実施の形態について図面を参照しつつ説明する。
なお、図面は模式的または概念的なものであり、各部分の厚みと幅との関係、部分間の大きさの比率などは、必ずしも現実のものと同一とは限らない。また、同じ部分を表す場合であっても、図面により互いの寸法や比率が異なって表される場合もある。
なお、本願明細書と各図において、既出の図に関して前述したものと同様の要素には同一の符号を付して詳細な説明は適宜省略する。

（第１実施形態）
図１は、第１実施形態に係る発光モジュール１００を例示する模式平面図である。
図２は、第１実施形態に係る発光モジュール１００を例示する模式断面図である。
図３は、第１実施形態に係る別の発光モジュール１００を例示する模式断面図である。
図２は、図１におけるＡ１−Ａ２線の模式断面図である。

発光モジュール１００は、基板１０と、基板１０上に設けられた発光素子１１と、少なくとも発光素子１１上に設けられた蛍光体層１２と、発光素子１１及び蛍光体層１２を囲むように基板１０上に設けられた枠体１３と、封止部材１４と、枠体１３及び封止部材１４上に設けられたレンズ１５と、を備える。

基板１０からレンズ１５に向かう方向をＺ軸方向とする。Ｚ軸方向に対して垂直な１つの方向をＸ軸方向とする。Ｘ軸方向に対して垂直でＺ軸方向に対して垂直な方向をＹ軸方向とする。Ｚ軸方向が第１方向である。

基板１０は、セラミックスによって形成することができる。セラミックスは、可視光の反射率が高いため、発光モジュール１００の発光効率を向上できる。また、多結晶アルミナ、サファイア、窒化アルミニウム、窒化ケイ素、酸化ケイ素等を用いて基板１０を形成しても良い。ガラス、シリコン等を用いて基板１０を形成しても良い。

基板１０に複数の発光素子１１を設ける場合、発光素子１１は、基板１０のＸ軸方向に所定の間隔で並列に配置される。例えば、セラミックスにより形成された基板１０は、放熱性が良いので、基板１０上に設けられる発光素子１１間の熱影響を抑制できる。このため、発光素子１１間の離間距離を短くして、発光モジュール１００の小型化が可能になる。

基板１０は、例えば、略矩形状を有する。基板１０の表面側には、金属等のペーストをスクリーン印刷して配線パターンが形成され、発光素子１１と配線パターンとが電気的に接続される。基板１０の端部には給電端子を設けることができる。このような給電端子を用いて発光モジュール１００を照明装置の要素（例えば、点灯回路）に電気的に接続することができる。なお、基板１０上に配線パターンが無くても良い。シリコン（Ｓｉ）等の成長基板を実装して発光素子１１上に設けられた電極にワイヤー接続しても良い。

発光素子１１は、基板１０の上面に配置される。発光素子１１は、半導体発光素子である。発光素子１１は、例えば、ｎ型窒化物半導体層と、ＩｎＧａＮ発光層と、ｐ型窒化物半導体層とが順に積層された多層構造を有する。発光素子１１は、シリコン基板から形成しても良い。発光素子１１は、例えば、電流供給によって青色を発光する青色ＬＥＤである。

以下、発光素子１１を青色ＬＥＤとして説明するが、有機ＥＬ（Organic Light Emitting Diode）、半導体レーザ等、電流供給により所定の色を発光するその他の発光素子であっても良い。

蛍光体層１２は、青色ＬＥＤから発光した青色光の一部を波長変換する。つまり、蛍光体層１２は、青色ＬＥＤから照射される青色光を透過させると共に、青色光によって黄色蛍光体を励起して黄色光に変換し、透過した青色光と黄色光が混ざることで白色の光を放射する。波長変換によって白色光Ｌが蛍光体層１２から照射される。

蛍光体層１２は、透明樹脂に黄色蛍光体を分散・混合して青色ＬＥＤに塗布して形成される。透明樹脂は、例えば、シリコーン樹脂である。また、蛍光体層１２は、成型機またはディッピングによって形成されても良い。例えば、蛍光体層１２と発光素子１１との間に接着材を設けて、蛍光体層１２と発光素子１１とが接着される。蛍光体層１２は、少なくとも発光素子１１の直上に設けられている。蛍光体層１２は、例えば、発光素子１１の種類等に基づいて、発光素子１１の上面及び側面を覆うように設けられても良い。

枠体１３は、発光素子１１及び蛍光体層１２が積層された積層体を囲む。枠体１３は、セラミックまたは樹脂等で形成する。枠体１３は、例えば、反射度が高い材料を含む。枠体１３の表面に反射膜を設けても良い。積層体のＺ軸方向の寸法（厚み）Ｗ１は、枠体１３のＺ軸方向の寸法Ｗ２より小さい。枠体１３の形状は、平面視において略円状（円形状または楕円形状を含む）であり、断面視において略半円状（半円形状または半楕円形状を含む）である。

封止部材１４は、基板１０と、枠体１３と、レンズ１５との間に囲まれた領域に樹脂を充填することで形成することができる。封止部材は、エポキシ樹脂、ユリア樹脂、シリコーン樹脂等の樹脂によって形成される。封止部材１４は、蛍光体層１２から照射された光を透過する部材が充填されて固化することにより形成される。封止部材１４のＺ軸方向の寸法Ｗ３は、枠体１３の寸法Ｗ２と略同一である。

レンズ１５は、封止部材１４の上面に貼り合わせられている。レンズ１５は、所定のレンズ径及び曲率半径を有する。レンズ１５と封止部材１４とは、例えば、同径である。レンズ１５は、樹脂等によって形成される。レンズ１５の形状は、平面視において略円状であり、断面視において略半円状である。レンズ１５と封止部材１４とは、透明性の接着剤等によって接合される。レンズ１５を封止部材１４の上面に設けることで、蛍光体層１２から照射された光の取り出し効率が向上する。

発光素子１１、蛍光体層１２、封止部材１４及びレンズ１５の屈折率をそれぞれｎ１、ｎ２、ｎ３及びｎ４とすると、以下の関係式（１）を満たすことが望ましい。

ｎ１＞ｎ２≧ｎ３≧ｎ４・・・（１）

例えば、発光素子１１がシリコン基板から形成される場合、青色ＬＥＤの直上にのみ蛍光体層１２が配置される。封止部材１４とレンズ１５との界面で全反射した光は、封止部材１４内で反射等を繰り返して発光素子１１の側面で光が吸収される場合がある。関係式（１）のように、発光素子１１からの光が通る順に屈折率が低下することで光を効率良く取り出すことができる。

蛍光体層１２の光の屈折率ｎ２と、封止部材１４の光の屈折率ｎ３とは、略同一でも良い。封止部材１４の光の屈折率ｎ３と、レンズ１５の光の屈折率ｎ４とは、略同一でも良い。また、屈折率ｎ３と、屈折率ｎ４と、は、封止部材１４及びレンズ１５を接着する接着剤の屈折率と略同一であることが望ましい。発光素子１１から蛍光体層１２を介して照射された光は、封止部材１４を通ってレンズ１５から外部に取り出される。

図３に表すように、複数の蛍光体が基板１０に設けられても良い。基板１０上に、シリコン基板１１ａ及び青色ＬＥＤ１１ｂから成る発光素子１１を形成し、発光素子１１の直上に第１蛍光体を含む蛍光体層１２ａが設けられている。発光素子１１及び蛍光体層１２ａは、透過性樹脂からなる封止部材１４によって囲まれている。また、第２蛍光体を含む透過性樹脂からなるレンズ１５が封止部材１４上に設けられている。

第１蛍光体は、波長６２０〜６５０ｎｍに発光ピークを有する赤色蛍光体である。第２蛍光体は、波長５１０〜５７０ｎｍに発光ピークを有する黄色蛍光体または緑色蛍光体である。この場合、黄色蛍光体及び緑色蛍光体の少なくともいずれかを含むレンズ１５が封止部材１４上に設けられても良い。

例えば、赤色蛍光体の層と、緑色蛍光体の層または黄色蛍光体の層と、を積層すると、波長５００〜６００ｎｍの光が赤色の蛍光体層によって吸収され易い。つまり、緑色蛍光体の層または黄色蛍光体の層からの光が赤色蛍光体の層によって吸収されると、緑色蛍光体の層または黄色蛍光体の層による発光ロスが生じる。図３のように、発光素子１１の直上に第１蛍光体を含む蛍光体層１２ａを設けて、第２蛍光体を含む樹脂からなるレンズ１５が封止部材１４上に設けられている。このような構成によって、緑色蛍光体の層または黄色蛍光体の層からの光が赤色蛍光体の層に吸収されることを抑制する。また、色むらも抑制される。

図４は、第１実施形態に係る発光モジュールを取り付けた照明装置を示す模式断面図である。なお、図４において、照明装置１５０の下部の具体的な構成を省略している。

図４に示すように、照明装置１５０は、発光モジュール１００と、器具本体２０と、点灯回路３０と、を備える。器具本体２０は、基板１０の縁部を固定する固定部材２１を有する。また、発光モジュール１００を収容する凹部２２が器具本体２０に設けられている。つまり、基板１０が器具本体２０の凹部２２に収容される。照明器具１５０の上部は、カバー等で覆われても良い。

固定部材２１の下方（−Ｚ軸方向）の押圧力によって基板１０の縁部が固定され、発光モジュール１００は、器具本体２０に固定される。発光モジュール１００は、照明装置１５０に取り付けられる。発光モジュール１００を照明装置１５０に取り付ける方法は、図４に示す方法に限定されず、接着、嵌合、螺合、係止等、何れの方法であっても良い。

また、発光モジュール１００は、照明装置１５０の点灯回路３０と電気的に接続されている。発光モジュール１００と点灯回路３０との電気的接続によって、発光モジュール１００に電力が供給される。

ここで、封止部材の形状を半球状等にすれば、光取り出し効率を向上させることができる。ところが、封止部材が樹脂を固化して形成する場合、封止部材を所定の形状に加工することは困難である。

また、発光モジュールにレンズを設ける場合、蛍光体層から照射された光をレンズから外部に取り出すために、蛍光体層は、発光素子の近傍、例えば、発光素子の表面に形成される。このような場合、蛍光体層の鉛直方向（Ｚ軸方向）の厚さにばらつきがあると、蛍光体層から放射される光の色について、色ばらつきや角度毎の色の差（以下、角度色差とも呼ぶ場合がある）が発生する。発光素子の鉛直方向（Ｚ軸方向）と側面方向（Ｘ軸方向）について、角度色差が発生する。

本実施形態では、枠体の寸法Ｗ２が発光素子１１及び蛍光体層１２を有する積層体の寸法Ｗ１より大きく、かつ、枠体１３が積層体を囲むように基板１０上に設けられている。また、封止部材１４が、基板１０と、枠体１３と、レンズ１５との間に囲まれた領域に設けられ、レンズ１５が封止部材１４の上面に設けられている。このような発光モジュール１００の構成によると、発光素子１１の側面方向に照射される光の一部が枠体１３に遮断される。また、発光素子１１の鉛直方向に照射される色温度が高く、側面方向に照射される色温度が低い。発光素子１１の側面方向に照射される光の一部が枠体１３に遮断されると、角度色差を低減できる。

本発明の実施形態によれば、色むらが抑制されると共に光取り出し率が向上した発光モジュール及び照明装置を提供することができる。

（第２実施形態）
図５は、第２実施形態に係る発光モジュール１１０を例示する模式断面図である。
図６（ａ）及び図６（ｂ）は、第２実施形態に係る封止部材とレンズとの接着を説明する模式断面図である。
図５において、発光モジュール１１０の断面図が示されている。図６（ａ）及び図６（ｂ）において、封止部材１４とレンズ１５とを接着する拡大断面図が示されている。

図５に表すように、発光モジュール１１０は、基板１０と、基板１０上に設けられた発光素子１１と、発光素子１１上に設けられた蛍光体層１２と、発光素子１１及び蛍光体層１２を囲むように基板１０上に設けられた枠体１３と、封止部材１４と、封止部材１４の上面に設けられたレンズ１５と、を備える。

発光モジュール１１０において、レンズ１５と封止部材１４とは、接着部１６によって接合されている。例えば、接着部１６は、透明性の接着剤である。レンズ１５は、封止部材１４の上面に貼り合わせられている。また、封止部材１４に凹凸部１７が設けられている。

封止部材１４は、基板１０と、枠体１３と、レンズ１５との間に囲まれた領域に設けられている。封止部材１４のＺ軸方向の寸法Ｗ３は、枠体１３のＺ軸方向の寸法Ｗ１と略同一である。枠体１３のＺ軸方向の寸法Ｗ２は、積層体のＺ軸方向の寸法Ｗ１より大きい。

図６（ａ）に表すように、凹凸部１７は、封止部材１４のレンズ１５との接合面に設けられている。例えば、封止部材１４の表面を加工することで凹凸部１７が封止部材１４に設けられる。凹凸部１７は、接着部１６を介してレンズ１５と接合する。微細な凹凸部１７を封止部材１４上に設けることで、蛍光体層１２から放射された白色光Ｌが封止部材１４とレンズ１５との境界面で散乱して、散乱光Ｌ１が発生する。

封止部材１４に凹凸部１７を設ける方法として、例えば、封止部材１４が樹脂で形成される場合、射出成形またはプレス成形後に微細凹凸構造を転写する方法がある。また、封止部材１４の表面にレーザを照射して微細凹凸構造を設けても良い。

封止部材１４の材料とレンズ１５の材料とが異なる場合、２つの材料の膨張係数が異なることで、封止部材１４とレンズ１５とが剥離し易い。本実施形態のように、凹凸部１７が封止部材１４に設けられているので、封止部材１４とレンズ１５との接触面積が増加する。また、アンカー効果も生じる。このため、封止部材１４とレンズ１５とを剥離することが抑制される。また、凹凸部１７によって、蛍光体層１２から放射された白色光Ｌを散乱させて混色する。混色されると色むらが低減される。

図６（ｂ）に表すように、レンズ１５の封止部材１４との接合面を加工してレンズ１５に凹凸部１７を設けても良い。凹凸部１７は、接着部１６を介して封止部材１４と接合する。微細な凹凸部１７をレンズ１５に設けることで、封止部材１４とレンズ１５とが剥離されることを抑制し、光散乱から生じる混色によって色むらが低減される。

本実施形態によれば、色むらが抑制されると共に光取り出し率が向上した発光モジュール及び照明装置を提供することができる。

以上、具体例を参照しつつ、本発明の実施の形態について説明した。しかし、本発明は、これらの具体例に限定されるものではない。例えば、発光モジュールに含まれる基板、発光素子、蛍光体層、枠体、封止部材、レンズ、接着部、及び、照明装置に含まれる器具本体、固定部材、点灯回路などの各要素の具体的な構成に関しては、当業者が公知の範囲から適宜選択することにより本発明を同様に実施し、同様の効果を得ることができる限り、本発明の範囲に包含される。また、各具体例のいずれか２つ以上の要素を技術的に可能な範囲で組み合わせたものも、本発明の要旨を包含する限り本発明の範囲に含まれる。

その他、本発明の実施の形態として上述した発光モジュール及び照明装置を基にして、当業者が適宜設計変更して実施し得る全ての発光モジュール及び照明装置も、本発明の要旨を包含する限り、本発明の範囲に属する。その他、本発明の思想の範疇において、当業者であれば、各種の変更例及び修正例に想到し得るものであり、それら変更例及び修正例についても本発明の範囲に属するものと了解される。

１０…基板、 １１…発光素子、１１ａ…シリコン基板、 １１ｂ…青色ＬＥＤ、 １２、１２ａ…蛍光体層、 １３…枠体、 １４…封止部材、 １５…レンズ、 １６…接着部、 １７…凹凸部、 ２０…器具本体、 ２１…固定部材、 ２２…凹部、 ３０…点灯回路、 １００、１１０…発光モジュール、 １５０…照明装置、 Ｌ、Ｌ１…光

Claims (5)

1. 発光素子と、前記発光素子の少なくとも上面に設けられた蛍光体層と、を有し、前記発光素子から前記蛍光体層に向かう第１方向の厚みＷ１を有する積層体と；
   前記積層体の周囲に設けられ、前記厚みＷ１より大きい前記第１方向の厚みＷ２を有する枠体と；
   前記枠体の内部に前記積層体を全て覆うように充填された封止部材と；
   前記封止部材の上に設けられたレンズと；
   を具備し、
   前記レンズの屈折率は、前記封止部材の屈折率と等しい、若しくは、前記封止部材の屈折率より小さいことを特徴とする発光モジュール。
2. 前記発光素子は、シリコン基板を有し、
   前記発光素子の屈折率は、前記蛍光体層の屈折率より大きく、前記蛍光体層の屈折率は、前記封止部材の屈折率と等しい、もしくは前記封止部材の屈折率よりも大きいことを特徴とする請求項１記載の発光モジュール。
3. 前記レンズは、蛍光体を有する透過性樹脂によって形成され、
   前記蛍光体層は、赤色蛍光体を有し、
   前記蛍光体は、緑色蛍光体及び黄色蛍光体の少なくともいずれか１つであることを特徴とする請求項１または２に記載の発光モジュール。
4. 前記封止部材は、前記レンズと接合し、
   前記封止部材および前記レンズのいずれかの接合面に凹凸部が設けられていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１つに記載の発光モジュール。
5. 請求項１〜４のいずれか１つに記載の発光モジュールと；
   前記発光モジュールに電力を供給する点灯回路と；
   を具備することを特徴とする照明装置。

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