(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
セラミックスからなる基板と；
基板の表面に分散して設けられた、銅を含む板状の金属パターンと；
金属パターンの表面側に実装された半導体発光素子と；
金属パターンと電気的および機械的に非接続状態となるようにして、基板の裏面に設けられた、銅を含み金属パターンと略同じ厚さの板状の金属部材と；を具備し、
金属パターンは、第１の金属パターンと第２の金属パターンを含み、第１の金属パターンは半導体発光素子に電流を供給し、第２の金属パターンはその少なくとも一部が基板の外周部に位置するように、かつ第１の金属パターンに対して電気絶縁されるように間隔をおいて設けられ、第２の金属パターンには電流は流れないことを特徴とする発光モジュール。
【請求項２】
第２の金属パターンは、第１の金属パターンを挟むように基板の表面に設けられた帯状の補強フレームを含むことを特徴とする請求項１記載の発光モジュール。
【請求項３】
基板表面の金属パターンに対する基板裏面の金属部材の体積比は、５０％以上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。
【請求項４】
請求項１ないし３いずれか一記載の発光モジュールと；
発光モジュールを配設した器具本体と；
発光モジュールを点灯する点灯装置と；
を具備していることを特徴とする照明装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、発光ダイオード等の半導体発光素子を光源とした発光モジュールおよび照明装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、発光ダイオードは、その発光効率の向上により、オフィスや一般照明用などの比較的大きな照明装置の光源として採用され、さらなる高出力化が要求されている。高出力化を達成するためには、発光ダイオードの発光時に発生する熱を如何に効率よく放熱させるかが重要な課題となっている。例えば、特許文献１には、特に厚い銅層を有する基板を含む半導体発光装置のためのパッケージ、すなわち、ＤＣＢ（Ｄｉｒｅｃｔ  Ｃｏｐｐｅｒ  Ｂｏｎｄｉｎｇ）基板を用いた発光モジュールが示され、特に段落番号［００２６］には、このパッケージが高導熱性材料を使用していることにより、効率的に発光ダイオードからの熱を伝達して放熱することができ、この効率的に発光ダイオードから熱を導いて放出する能力は、潜在的に、発光ダイオードに対する損傷の危険性を有することなく、より高い電流密度での作動を可能にする。さらに、パッケージの全ての要素は、緊密に符合する熱膨張率を有しており、発光ダイオードに対する損傷に危険性を有することなく、潜在的に、より高い温度での作動を可能にする半導体発光装置のためのパッケージが示されている。
【０００３】
また、特許文献２には、発光ダイオードの大電力化に対する放熱手段の一つとして、発光ダイオードを実装する基板に熱伝導率の高いセラミックス回路基板を使用し（段落番号［０００４］）、このセラミックス回路基板と放熱部材の鉛フリー半田接合によるモジュール化において、半田クラックがモジュールの緒性能に影響を与えることのない放熱構造を有する半導体発光装置が示されている（段落番号［００１７］）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００５−７９５９３号公報
【特許文献２】特開２００９−２１２３６７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
一方、この種のＤＣＢ基板、または、活性化蝋着（ＡＭＢ）を用いた発光モジュールは、基板となるセラミックスの表面には、発光ダイオード配線用の金属パターンが形成され、裏面には放熱部材に接合させるための金属部材がそれぞれ形成され、発光ダイオードの熱を効果的に放熱させるように構成されている。配線用の金属パターンは、一般的には電気的導電性の良好な銅やアルミニウムが用いられ、裏面の金属部材は、通常は電気的な接続機能はもたせずに放熱機能を発揮させることから、一体的な形状の平板状からなる銅若しくはアルミニウム等の金属で構成され、これら金属パターンや裏面側の金属部材は、セラミックス基板に半田等で接合する手段、または、銅箔を直接セラミックス基板に溶着させる手段等で接合されている。
【０００６】
このようにＤＣＢ基板、または、ＡＭＢ基板には、セラミックスとは材質が異なり熱膨張率も異なる金属を接合して構成され、しかも、表裏で金属パターンの形状が異なることから、製造段階において高温の雰囲気にさらされると基板全体に顕著な反りが生じる。
【０００７】
基板全体に反りが生じた場合、発光モジュールの製造段階において、ハンドリング性が悪くなる問題が発生すると同時に、製造後においては、放熱のためのケース部材やヒートシンク等の放熱部材との接触性が悪くなり、発光ダイオードの熱を効果的に放熱させることができなくなる。これにより、発光効率が低下し、所定の光束が得られない問題が生じる。また、基板の反りにより基板とケース部材や放熱部材との間に隙間が形成されることから、ねじ止め等の手段で基板を固定する際に、基板自体にクラックが発生し破損する虞もある。
【０００８】
このため、特許文献１においては、パッケージの全ての要素は、緊密に符合する熱膨張率を有するように構成されることが示されている。しかしながら、上述したように、セラミックスからなる基板の表面は、配線パターンを形成するために金属が部分的に接合されている。一方、裏面は、放熱作用を発揮させるために略全面にわたり一体的な形状の平板状となるように金属が接合されている。このため、表側の金属は少なく、裏側の金属が多くなり、基板の表裏両面で金属の量、換言すれば、その熱容量が異なる。このため、全ての要素の熱膨張率を符号させるようにしたとしても、熱容量の差による基板の反りを防止することはできない。
【０００９】
さらに、特許文献２に示されるものは、接合パターン（裏面の金属部材）が半田層を介して放熱基板（モジュールを設置するための放熱部材）に接合される際における半田クラックの発生を防止することを目的とし、放熱基板と接合パターンを、同一材料または熱膨張率が略同一の材料により形成し、半田層には接合パターンと放熱基板との間に開放領域を設けることによって、クラックの進行をメイン接合部まで至らせないようにしたものであり、セラミックス基板からなる基板全体の反りを防止することに対しては開示されていない。
【００１０】
本発明は、上記の問題を解決するためになされたもので、セラミックスを使用した基板における反りを防止することが可能な発光モジュールおよび照明装置を提供しようとするものである。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
請求項１に記載の発光モジュールの発明は、セラミックスからなる基板と；基板の表面に分散して設けられた、銅を含む板状の金属パターンと；金属パターンの表面側に実装された半導体発光素子と；金属パターンと電気的および機械的に非接続状態となるようにして、基板の裏面に設けられた、銅を含み金属パターンと略同じ厚さの板状の金属部材と；を具備し、金属パターンは、第１の金属パターンと第２の金属パターンを含み、第１の金属パターンは半導体発光素子に電流を供給し、第２の金属パターンはその少なくとも一部が基板の外周部に位置するように、かつ第１の金属パターンに対して電気絶縁されるように間隔をおいて設けられ、第２の金属パターンには電流は流れないことを特徴とする。
請求項２に記載の発明は、請求項１記載の発光モジュールにおいて、第２の金属パターンは、第１の金属パターンを挟むように基板の表面に設けられた帯状の補強フレームを含むことを特徴とする。
【００１２】
請求項３に記載の発明は、請求項１または２記載の発光モジュールにおいて、基板表面の金属パターンに対する基板裏面の金属部材の体積比は、５０％以上であることを特徴とする。本発明によれば、基板表面の金属パターンに対する基板裏面の金属部材の体積比を５０％以上としたことにより、セラミックスを使用した基板における反りを防止することが可能な発光モジュールを提供することができる。
【００１３】
本発明において、発光モジュールは、天井等から全般照明を行うオフィス等、施設・業務用などの比較的大きな照明装置に適用されることが好適であるが、住宅用など一般照明用の小型の照明装置、さらには、発光ダイオードを光源とした口金付ランプ等に適用されるものであってもよい。
【００１４】
基板は、光源としての発光ダイオードチップ等の半導体発光素子を配設するための部材で、窒化アルミニウム、窒化珪素、アルミナ、アルミナとジルコニア等の化合物等からなる焼結体が許容される。また、形状は、複数の、例えば、発光ダイオードチップを所定の間隔を有して配設するために必要な面モジュールを構成する正方形や長方形に形成することが好ましいが、六角形や四角形の四隅をカットした八角形などの多角形状、さらには円形や楕円形状等をなすものでも、線モジュールを構成する長尺なライン状をなしていてもよく、目的とする配光特性を得るための全ての形状が許容される。
【００１５】
基板の表面に設けられた金属パターンは、配線パターンを形成するもので、この配線パターン上に、発光ダイオードチップ等の半導体発光素子が実装して配設されることが好ましいが、基板の構成および実装等をするための手段は特定のものに限定されない。また、材質は導電性の良好な銅で構成されていることが好適であるが、銅合金、アルミニウムやアルミニウム合金等、導電性の良好な全ての金属が許容される。
【００１６】
また、金属パターンは、これら金属によって、基板に所定の間隔を有してマトリックス状に一部または全体が配置されていることが好ましいが、千鳥状または放射状など、規則的に一定の順序をもって一部または全体が配置されたもの、さらには、ランダムに配置されたものであってもよく、特定された配置構成には限定されない。
【００１７】
金属パターンの表面に実装される半導体発光素子は、発光ダイオードチップで構成されることが好適であるが、半導体レーザ、有機ＥＬなどを発光源とした発光素子が許容される。半導体発光素子は、１個の金属パターンに複数個の半導体発光素子を実装したものが好ましいが、照明の用途に応じて必要な個数は選択され、例えば、１個の金属パターンに１個の素子を実装したものであってもよい。半導体発光素子は、白色で発光するように構成することが好ましいが、照明装置の用途に応じ、赤色、青色、緑色等でも、さらには各種の色を組み合わせて構成してもよい。
【００１８】
基板の裏面に設けられ、金属パターンの厚みより薄い金属部材は、発光モジュールをケース部材やヒートシンク等の放熱部材に設置するための部材で、通常は電気的な接続機能はもたせずに放熱機能を発揮させることから銅で構成されることが好ましいが、銅合金、アルミニウムやアルミニウム合金等、熱伝導性の良好な全ての金属が許容される。また、これら金属で構成された金属部材は、放熱性を良好にするために、一体的な形状の平板状で構成されることが好ましいが、必ずしも全てが一体的に連続していることが必要条件ではなく、一部に切り欠いた部分が形成されたものでも、分離され分散されたものであってよい。
【００１９】
上述した金属パターンおよび金属部材は、セラミックスからなる基板に対して、薄い板状の金属板を半田等の蝋着手段で接合されることが好ましいが、例えば、銅の場合、銅箔のシートを酸化し銅箔をセラミックス基板上に配置して約１０５０℃程度に加熱することによって、銅箔を直接セラミックス基板に溶着させる手段等で接合されるものであってもよく、特定された接合手段には限定されない。また、金属パターンおよび金属部材は、エッチングによって形成された薄い金属層で構成されるものであってもよい。
【００２０】
基板表面の金属パターンに対する基板裏面の金属部材の体積比は、基板表面の金属パターンの体積を固定し、基板裏面の金属部材の厚さ寸法を適宜選択することにより基板表面の金属パターンに対する体積比を５０％以上になるようにすることが好ましいが、逆に、裏面の金属部材の体積を固定し、基板表面の金属パターンの厚さ寸法を適宜選択することにより基板表面の金属パターンに対する体積比を５０％以上になるようにしてもよい。
【００２１】
これら、表面の金属パターンおよび裏面の金属部材の体積の調整は、厚さ寸法を一定とし、表面積の値を適宜選択して体積比を設定するようにしても、さらには、厚さ寸法と表面積の値を組み合わせて設定するようにしてもよい。また、基板表面の金属パターンと基板裏面の金属部材との両方の厚さ寸法や表面積の値を組み合わせて設定するようにしてもよい。
【００２２】
また、基板表面の金属パターンの体積は、半導体発光素子を実装した金属パターンのみにより設定されるものであっても、半導体発光素子を実装していない、例えば、端子部を構成する部材や基板補強用のフレームを構成する部材と共に、金属パターンを構成し、これら部材を含めて基板表面の金属パターンの体積が設定されるものであってもよい。また、基板裏面の金属部材の体積は、例えば、端子部を構成する部材や基板補強用のフレームを構成する部材と共に金属部材を構成し、これら部材を含めて基板裏面の金属部材の体積が設定されるものであってもよい。
【００２３】
これら、半導体発光素子を実装していない、例えば、端子部を構成する部材や基板補強用のフレームを構成する部材は、半導体発光素子を実装した金属パターンや金属部材と同一の材料で構成されることが好ましいが、異なる材質で構成されたものであってもよい。
【００２４】
さらに、体積比は、５０％以上で極力１００％に近づけることが許容されが、５０〜１２０％程度にすることが好ましい。５０％未満であると表面側と裏面側の金属の熱容量の差が大きく、セラミックス基板の反りを防止することが難しくなる。また、１２０％を越えると、接合時の温度が高い（約１０５０℃）ため、除冷した後である常温では、反り形状が凸形に湾曲されやすくなり、基板とケース体との密着性が悪化する。
なお、本発明において、「表面」とは、発光モジュールにおける発光部側の面を意味し、「裏面」は発光部側と反対側の面を意味している。
【００２５】
また、前記基板の表面に設けられた金属パターンは、その一部が基板の外周部に長尺状に設けられていてもよい。この発明によれば、金属パターンは、その一部が基板の外周部に長尺状に設けられていることにより、基板の外周部に設けられた金属パターンが基板外周部における補強フレームの作用をなし、基板の反りを防止することができると共に、外周部におけるクラックの発生を防止することができる。
【００２６】
この発明において、一部が基板の外周部に長尺状に設けられている金属パターンは、基板の外周部に設けられる端子部分を避けて設けられること、例えば、長方形をなす基板の短辺側に端子板が設けられている場合には、端子板を避けて長辺側に、それぞれが対向するように外周部に沿って長尺状に設けられることが、基板におけるデッドスペースを有効に利用し、基板の大型化を招かないことから好ましいが、基板の全周囲に連続して、若しくは、一部不連続にして設けたものであってもよい。
【００２７】
また、補強フレームをなす金属パターンは、半導体発光素子を実装するための金属パターンと同時に、同一の金属材料によって設けられることが好ましいが、別材質のもので別の工程によって設けられるものであってもよい。
【００２８】
また、前記基板はねじ締め用の取付孔を有し、表面に設けられた金属パターンの一部が取付孔の周囲に設けられていてもよい。この発明によれば、金属パターンは、その一部が取付孔の周囲に設けられていることにより、取付孔の周囲に設けられた金属パターンがねじ締め用の取付孔における補強フレームの作用をなし、ねじ締め部におけるクラックの発生を防止することができる。
【００２９】
この発明において、一部が取付孔の周囲に設けられ金属パターンは、取付孔の周囲に連続して設けられることが好適であるが、一部不連続にして設けたものであってもよい。また、取付孔の補強フレームをなす金属パターンは、半導体発光素子を実装するための金属パターンや外周部の補強フレームをなす金属パターンと同時に、同一の金属材料によって設けられることが好ましいが、別材質のもので別の工程によって設けられるものであってもよい。
【００３０】
請求項４に記載の照明装置の発明は、請求項１ないし３いずれか一記載の発光モジュールと；発光モジュールを配設した器具本体と；発光モジュールを点灯する点灯装置と；を具備していることを特徴とする。本発明によれば、請求項１ないし３いずれか一記載の発光モジュールを用いることにより、発光効率の低下を防止した所定の光束を有する照明装置が構成される。
【００３１】
本発明において、照明装置は、発光モジュールを複数個組み合わせて長尺なオフィス等、施設・業務用の比較的長い大きな照明器具を構成することが好適であるが、発光モジュール１個を用いて住宅用など一般照明用の小型の照明装置を構成するようにしてもよい。
【００３２】
器具本体は、熱伝導性の良好な鋼板、ステンレス、アルミニウム等の金属で構成するのが好ましいが、例えば、ＰＢＴ（ポリブチレンテレフタレート）などの耐熱性、耐光性で、電気絶縁性を有する合成樹脂で構成されたものであってもよい。
【００３３】
点灯装置は、例えば、交流電圧１００Ｖを直流電圧２４Ｖに変換して発光ダイオードチップに供給する点灯回路で構成され、器具本体内に内蔵させて設けても、器具本体と別置きで構成してもよい。また調光機能を有するように構成してもよい。
【発明の効果】
【００３４】
請求項１記載の発明によれば、セラミックスを使用した基板における反りを防止することが可能な発光モジュールを提供することができる。
【００３５】
請求項３記載の発明によれば、基板表面の金属パターンに対する基板裏面の金属部材の体積比を５０％以上としたことにより、セラミックスを使用した基板における反りを防止することが可能な発光モジュールを提供することができる。
【００３６】
請求項４記載の発明によれば、請求項１ないし３いずれか一記載の発光モジュールを用いることにより、発光効率の低下を防止した所定の光束を有する照明装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る発光モジュールを模式的に拡大して示す図で、（ａ）は正面図、（ｂ）は（ａ）図のｂ−ｂ線に沿う断面図、（ｃ）は背面図。
【図２】同じく発光モジュールを使用した照明装置を示し、（ａ）は縦断面図、（ｂ）は底面図。
【図３】同じく発光モジュールにおける第１の変形例を模式的に拡大して示す図で、（ａ）は正面図、（ｂ）は（ａ）図のｂ−ｂ線に沿う断面図、（ｃ）は背面図。
【図４】同じく発光モジュールにおける第２の変形例を模式的に拡大して示す図で、（ａ）は正面図、（ｂ）は（ａ）図のｂ−ｂ線に沿う断面図。
【図５】同じく第２の変形例における発光モジュールを模式的に拡大し、一部を切り欠いて示す図で、（ａ）は図４（ｂ）に相当する断面図、（ｂ）は従来における図４（ｂ）に相当する断面図。
【図６】本発明の第２の実施形態に係る発光モジュールを模式的に拡大して示す図で、（ａ）は正面図、（ｂ）は（ａ）図のｂ−ｂ線に沿う断面図、（ｃ）は背面図。
【発明を実施するための形態】
【００３８】
以下、本発明に係る発光モジュールおよびこの発光モジュールを用いた照明装置の実施形態について説明する。
【実施例１】
【００３９】
先ず、発光モジュールの構成につき説明する。図１に示すように、本実施例の発光モジュール１０は、ＤＣＢ基板に半導体発光素子である発光ダイオードを実装して構成するもので、セラミックスからなる基板１１、基板の表面に設けられた銅板からなる金属パターン１２、金属パターンの表面に実装された発光ダイオードからなる半導体発光素子１３、基板の裏面に設けられた銅板かなる金属部材１４で構成する。
【００４０】
基板１１は、半導体発光素子１３を配設するための部材で、セラミックスからなる長方形の平板、本実施例では窒化アルミニウムからなる長方形の平板で構成する。この基板の表面には配線パターンを形成するための金属パターン１２が形成される。図１（ａ）において、１１ａは、発光モジュールを照明装置のケース体等に設置するためのねじ締め用の取付孔である。
【００４１】
金属パターン１２は、セラミックスからなる基板１１の表面に対して２箇所に分離して分散され、かつ基板の長手方向に沿って設けられる。これら分散され、図１（ａ）において、左右に位置する金属パターン１２ａ、１２ｂは、基板１１の中央領域に長手方向に沿って、電気絶縁用の所定の間隔ｓを有するように隣接して配置し、半田によって基板１１の表面（図１（ｂ）中、上面）に接合する。この各金属パターン１２ａ、１２ｂの表面には、酸化を防止するためにニッケル（Ｎｉ）をメッキする。金（Ａｕ）や銀（Ａｇ）などをメッキしてもよい。これらの金属は金属パターン１２ａ、１２ｂの表面を覆ってメッキされることから、半導体発光素子から放射された光を効果的に反射させることができ、光ロスを少なくして効率を向上させることができる。因みに、メッキしない銅の反射率は約６０％であるが、銀メッキをすることによって反射率を約９５％に向上させることができる。
【００４２】
上記に構成された金属パターン１２の表面に半導体発光素子１３が実装される。半導体発光素子は、発光ダイオードチップ（以下「ＬＥＤチップ」と称する）で構成し、ＬＥＤチップ１３は、同一性能を有する複数個のＬＥＤチップが用意され、この各ＬＥＤチップは、本実施例では高輝度、高出力の青色ＬＥＤチップで構成する。この複数個の青色ＬＥＤチップ１３が各金属パターン１２ａ、１２ｂに、それぞれ２個ずつが略均等の間隔を有してマトリックス状に配置され実装される。本実施例においては、基板をＤＣＢ基板で構成したことから、ＬＥＤチップはチップ角が約１ｍｍ程度（１．１〜１．５Ｗ）の大容量のチップを設けることができる。
【００４３】
上記により金属パターン１２に実装された、それぞれの青色ＬＥＤチップ１３には、透明なシリコーン樹脂に黄色蛍光体を混合した封止部材１５が充填され、青色ＬＥＤチップ１３により黄色蛍光体を励起して黄色光を発光させ、この黄色光と青色光とを混光させて白色を発光するように構成される。ＬＥＤチップ１３は金線からなるボンディングワイヤｗによって各金属パターン１２ａ、１２ｂに接続され、４個の各ＬＥＤチップ１３が直列に接続される。
【００４４】
また、セラミックス基板１１の裏面に設けられる銅板からなる金属部材１４は、基板１１の表面に設けられる金属パターン１２の板厚より薄い銅板からなる金属板で構成される。この金属部材１４は、セラミックスからなる基板１１の裏面に対して半田によって接合し、基板裏面に対して一体的な形状の平板状となるように構成する（図１（ｃ））。
【００４５】
上記により、ＤＣＢ基板からなる発光モジュール１０が構成され、この発光モジュール１０は、セラミックス基板１１表面の銅板からなる金属パターン１２に対する基板１１裏面の銅板からなる金属部材１４の体積比が５０％以上となるように構成される。本実施例において、基板１１、金属パターン１２、金属部材１４は下記のような寸法・体積に構成した。
【００４６】
図１（ａ）において、左方の金属パターン１２ａの銅板は、板厚を約０．２５ｍｍ、面積を約４０ｍｍ2に構成し、右方の金属パターン１２ｂの銅板は、板厚を左方と同様に約０．２５ｍｍとし、面積を約８０ｍｍ2に構成し、表面全体の金属パターン１２における銅板の板厚は０．２５ｍｍで、合計の面積を約１２０ｍｍ2に構成した。
また、裏面の金属部材１４の銅板は、板厚を表面の金属パターン１２の板厚より薄い約０．２ｍｍとし、面積を約１４０ｍｍ2にして構成した。
【００４７】
基板１１は、板厚が約０．２５ｍｍ、面積は裏面の金属部材１４の銅板より大きい約３２２ｍｍ2の窒化アルミニウムで構成し、基板の裏面に金属部材１４を、全周に余白を設けるようにして接合した。
【００４８】
上記により、表面の金属パターン１２の体積が約３０ｍｍ3、裏面の金属部材１４の体積が約２８ｍｍ3となり、基板１１表面の金属パターン１２に対する基板１１裏面の金属部材１４の体積比は約９３％となり、目的とする５０％以上で１００％に近くなるように構成された。
【００４９】
本実施例では、上記のように、セラミックスからなる基板１１の裏面に設けられる金属部材１４の板厚を、金属パターン１２の板厚より薄く形成して、すなわち、表面の金属パターン１２を固定して、裏面の金属部材１４の板厚と表面積を調整し、基板表面の金属パターン１２に対する基板裏面の金属部材１４の体積比を１００％に近くなるように構成して基板の反りをコントロールした。
【００５０】
これによって、基板表面の金属パターン１２と基板裏面の金属部材１４とを同一の材料からなる銅板を使用してセラミックス基板１１の表裏両面における金属の熱膨張率の差をなくし、かつ、基板表面の金属パターン１２に対する基板裏面の金属部材１４の体積比を約９３％にして、表裏両面における熱容量の差を極力無くすように構成した。これによって、セラミックスを使用した基板１１の熱による反りを防止することが可能な発光モジュール１０が構成された。
【００５１】
この発光モジュール１０によれば、製造段階において、金属パターン１２にＬＥＤチップ１３をダイボンディングによって実装する際に、約３００℃程度の高温の雰囲気にさらされても基板に反りが生じ難くなる。また、製造段階においてハンドリング性が悪くなる問題も改善することができる。
【００５２】
上記により、ＤＣＢ基板を有し外形が長方形で薄い板状をなす発光モジュール１０が構成される。この発光モジュールは、図２に示すように、器具本体に組み込まれて照明装置が構成される。
【００５３】
本実施例の照明装置２０は、ＬＥＤを光源とした小形のダウンライトを構成したもので、上述した発光モジュール１０、発光モジュールを配設した器具本体２１、発光モジュールを点灯する点灯装置２２で構成される。
【００５４】
器具本体２１は、図２（ａ）に示すように、アルミダイカスト製で、両端部に開口を有する断面略円形の円筒状のケース部材として構成する。円筒体内部の一端部（図２（ａ）中、下方）の開口側に位置して、発光モジュール１０を配設するための仕切り板２１ａを一体に形成する。仕切り板２１ａは、発光モジュール１０を器具本体に支持するための支持部であり、かつ放熱部となる平坦な表面（図２（ａ）中、下側の面）を有する。
【００５５】
発光モジュール１０は、この仕切り板２１ａの平坦な表面上に載置され、基板１１に設けた取付孔１１ａを用いて、周囲４箇所をねじによって仕切り板２１ａに対して締め付け、基板１１裏面の銅板からなる金属部材１４をアルミニウムからなる仕切り板２１ａに確実に密着させて固定する。
【００５６】
この際、発光モジュール１０の基板には反りが生じていないので、基板１１と仕切り板２１ａとの間に隙間が形成されることがないので、ねじ締めの際に、基板１１にクラックが発生する虞がない。また、放熱のための仕切り板２１ａとの接触性も悪くなることがなく発光ダイオードの熱を効果的に放熱させることができる。
【００５７】
また、仮に仕切り板２１ａの平坦度が悪く、基板１１が反って固定された場合でも、金属パターン１２が左右の長手方向に沿い分散して配置されているので、反りに対して柔軟に対応させることができクラック等が発生し難くなると共に、密着して固定させることも可能となる。
【００５８】
上記のように仕切り板２１ａに固定された発光モジュール１０の表面側には、各ＬＥＤチップ１３を囲むようにして反射体２３が設けられる。反射体２３は、耐光性、耐熱性および電気絶縁性を有する白色の合成樹脂、例えば、ＰＢＴ（ポリブチレンテレフタレート）等で構成され、発光モジュール１０の各金属パターン１２ａ、１２ｂに実装された４個のＬＥＤチップ１３を囲むことができる直径の円形の光取込口２３ａおよび４個のＬＥＤチップ１３を囲むように対向して位置した回転放物面状をなす「すり鉢状」の反射面２３ｂが一体に形成されている。これにより、発光モジュール１０の光軸ｘ−ｘと反射体２３の光軸ｙ−ｙが略一致した発光部Ａが構成される。
【００５９】
ＬＥＤチップ１３を点灯する点灯装置２２は、発光モジュール１０の４個のＬＥＤチップの点灯回路を構成する回路部品からなり、交流電圧１００Ｖを直流電圧２４Ｖに変換して各ＬＥＤチップ１３に定電流の直流電流を供給するように構成される。上記に構成された点灯装置２２は、器具本体２１の内部に収納され、他端部側の開口には点灯装置に商用電源を供給するための電源端子台２４が設けられる。
【００６０】
図中２５は、器具本体２１の発光部Ａに面する一端部に設けられた化粧枠、２５ａは化粧枠に設けられた透明なカバー部材、２６は器具本体２１を天井Ｘに支持するための板ばねからなる支持具である。
【００６１】
上記に構成されたダウンライト形の照明装置２０は、被設置面である天井Ｘに単体若しくは複数個を送り用ケーブルにより接続させて設置される。先ず、電源端子台２４に電源線を接続し、図２（ａ）に一点鎖線でに示すように、天井Ｘの所定の位置に円形の設置孔３０を形成する。次に、器具本体２１の板ばねからなる支持具２６を手で内方に撓ませて器具本体と共に設置孔３０に挿入し、支持具２６から手を離す。これにより板ばねが自らの弾性により元の状態に復帰して設置孔３０の内面に圧接し、その圧接力により器具本体２１が天井Ｘ固定され、化粧枠２５の上面を天井面Ｘに当接させ位置を決める。この状態で、設置孔３０の切り口は化粧枠２５によって綺麗に覆われる。
【００６２】
上記に設置された照明装置２０を点灯すると、各ＬＥＤチップ１３から出射された光が反射体２３の回転放物面からなる反射面２３ｂで反射して略円形状に下向きに広がって放射されスポット的な所望の照明を行う。この際、ＬＥＤチップ１３から放射された光は、金属パターン１２ａ、１２ｂの表面にメッキされたニッケル、銀、金などの金属で反射され、また、基板１１が白色のセラミックスで構成されていることから、基板表面でも光が反射され光ロスの少ない照明を行うことができる。
【００６３】
また、各ＬＥＤチップ１３から発生する熱は、金属パターン１２→基板１１→裏面の金属部材１４へ、さらに器具本体の仕切り板２１ａ→器具本体２１に伝達され外部に放熱される。この際、金属パターン１２および金属部材１４が熱伝導性の良好な銅からなり、基板１１も熱伝導性を有するセラミックスで構成され、さらに、器具本体も熱伝導性の良好なアルミニウムで構成され、表面積の大きな本体側壁にも伝達されるので、効果的に外部に放熱される。
【００６４】
また、ＬＥＤチップ１３を実装した金属パターン１２ａ、１２ｂは、基板１１の長手方向に沿って配置されているので、ＬＥＤチップから発生する熱を、熱容量の大きな基板の長手方向に沿って伝達することができ、一層効果的に放熱させることができる。
【００６５】
また、発光モジュール１０は、反りがない状態で構成され、基板裏面の金属部材１４が、器具本体２１の仕切り板２１ａに確実に密着して固定されるので熱ロスがなく、より一層効果的に放熱される。
【００６６】
これら放熱作用によって、各ＬＥＤチップ１３における光変換効率の低下が抑制され光束の低下を防止することができ、所定照度の明るい照明を行うことができる。同時にＬＥＤチップの長寿命化も図ることがでる。
【００６７】
以上、本実施例によれば、セラミックスからなる基板表面の金属パターン１２に対する基板裏面の金属部材１４の体積比を約９３％にして、表裏両面における熱容量の差を極力無くすように構成したので、セラミックスを使用した基板１１の熱による反りを確実に防止することが可能な発光モジュール１０を提供することができる。同時に、基板表面の金属パターン１２と基板裏面の金属部材１４を同一材料からなる銅板を使用してセラミックス基板の表裏両面における金属の熱膨張率の差をなくしたので、基板１１の熱による反りを一層確実に防止することが可能な発光モジュール１０を提供することができる。
【００６８】
さらに、セラミックスからなる基板１１の裏面に設けられる金属部材１４の板厚を、表面の金属パターン１２の板厚より薄く形成し、すなわち、表面の金属パターン１２を固定して、裏面の金属部材１４の板厚と表面積を調整し、基板表面の金属パターン１２に対する基板裏面の金属部材１４の体積比を１００％に近くなるように構成して基板の反りをコントロールした。これによって、複雑な配線パターンのない、放熱用の平板状をなす単純な基板裏面でコントロールすることが可能となり、体積の調整がしやすくなると共に、所定の体積比を確実に実現することができ、製造性にも優れた発光モジュールを提供することができる。
【００６９】
セラミックスを使用した基板１１の熱による反りを確実に防止することが可能になったことにより、発光モジュール１０の製造段階において、高温の雰囲気にさらされても基板に反りが生じ難くなる。また、発光モジュールの製造段階においてハンドリング性が悪くなる問題も改善することができる。
【００７０】
また、発光モジュール１０の基板には反りが生じていないので、基板１１と仕切り板２１ａとの間に隙間が形成されることがなく、ねじ止めの際に、基板にクラックが発生する虞がない。また、放熱のための仕切り板２１ａとの接触性も悪くなることがなく発光ダイオードの熱を効果的に放熱させることができ、所定照度の明るい照明を行う照明装置を提供することができる。
【００７１】
本実施例において、基板裏面の金属部材１４は、一体的な形状の平板状で構成したが、図３に示すように、分離され分散されて設けられたものでもよい。すなわち、図３（ｂ）（ｃ）に示すように、金属部材１４は、セラミックスからなる基板１１の裏面に対して２箇所に分離し分散されて配置され、かつ基板の長手方向に沿って設けられる。これら分散され、図３（ｂ）（ｃ）において、左右に位置する金属部材１４ａ、１４ｂは、基板１１裏面の中央領域に長手方向に沿って、所定の間隔ｓを有するように隣接して配置し、半田によって基板１１の裏面に接合される。
【００７２】
この場合、左右の金属部材１４ａ、１４ｂは、表面に実装されたＬＥＤチップ１３の略直下に位置して配置する。換言すれば、所定の間隔ｓがＬＥＤチップの直下を避けて設けられる。これによってＬＥＤチップ１３から発生する熱がセラミックス基板１１を介して直下に位置する金属部材１４ａ、１４ｂに対して、熱伝導路を短くして伝達させることができ、金属部材１４を分散配置しても効率的に放熱させることが可能となる。因みに、ＬＥＤチップ１３の直下に間隔ｓが位置した場合には、ＬＥＤチップの直下に空間が形成され、熱抵抗が大となり効果的に放熱させることができない。特に、熱伝導性が高くないセラミックス基板１１と組み合わせると、ＬＥＤチップ１３からの熱はセラミックス基板１１内で左右に分散し難いことから一層熱伝導性が悪くなる。
【００７３】
また、ＬＥＤチップ１３を、左右１個の金属パターン１２ａ、１２ｂに対して、それぞれ２個のＬＥＤチップを実装し、合計４個のＬＥＤチップで発光部Ａを構成したが、１個の金属パターンに対して１個のＬＥＤチップを実装し、より多くのＬＥＤチップを配設して高出力化を図った発光部Ａを構成してもよい。
【００７４】
すなわち、図４に示すように、セラミックスからなる長方形の基板１１の表面に対して、複数個、本実施例では２０個の金属パターン１２ｇを分散して配置する。この金属パターン１２ｇは、長方形の基板１１に対し、その長手方向に沿って横に５個、縦に４個を略等間隔にマトリックス状に配置し、半田により基板１１の表面に接合する。この各金属パターン１２ｇの表面には、上述したと同様に酸化を防止するためにニッケル（Ｎｉ）をメッキする。金（Ａｕ）や銀（Ａｇ）などをメッキしてもよい。
【００７５】
上述のように分散して配置された各金属パターン１２ｇは、図４（ａ）に示すように、平面視で正方形のエッジ部分となるコーナー１２ｇ１をカットし、略Ｒ形状になるように形成した略八角形に形成する。さらに、図５（ａ）に示すように、縦断面視で略台形、すなわち、頂部１２ｇ２から底部１２ｇ３にわたって金属パターン１２ｇの高さ方向全周にテーパー１２ｇ４を形成し、底部１２ｇ３をセラミックスからなる基板１１の表面に半田で接合して構成されている。
【００７６】
上記に構成された各金属パターン１２ｇにおける頂部１２ｇ２表面の略中央部分に対して、それぞれ１個のＬＥＤチップ１３を実装し、基板１１の表面に合計２０個のＬＥＤチップ１３をマトリックス状に配設した外形が長方形をなすＤＣＢ基板からなる発光モジュール１０を構成する。
【００７７】
ＤＣＢ基板は、配線パターンを形成する銅板からなる金属パターンを厚く形成できる特徴がある。このため金属パターンのない部分、図５において、ａ部分が比較的深い溝となり、図５（ｂ）に示すように、ＬＥＤチップから放射された光の一部が溝内に取り込まれ易くなる。
【００７８】
これに対し、上記構成によれば、金属パターン１２ｇの高さ方向全周にテーパー１２ｇ４を形成したので、取り出し難くなっていた光の一部が図５（ａ）に示すように、テーパー１２ｇ４で光放射方向（図５（ａ）中、上方）に向かって反射し、溝内に取り込まれることなく効果的に取り出すことができる。これによって光ロスをなくし効率を向上させることができる。
【００７９】
また、金属パターン１２ｇは、平面視で正方形のエッジ部分となるコーナー１２ｇ１を略Ｒ形状に形成したので、鋭い角がなくなり電解集中がし難い構成とした。これにより、酸化防止のため金属パターン１２ｇの表面にメッキしたニッケルや銀等の金属によるマイグレーション現象の発生を防止することが可能となり、金属パターン１２ｇ間の絶縁抵抗が低下する虞がなくなり、安全な発光モジュールを提供することができる。また、コーナー１２ｇ１を略Ｒ形状に形成したので、隣接する金属パターン１２ｇ間の距離を長くとることができ、確実な電気絶縁を図ることもできる。
【００８０】
上記構成の金属パターン１２ｇは、基板に銅板を接合する手段で構成したが、エッチングによって構成してもよい。この場合、ＤＣＢ基板の特徴である厚い銅層をエッチングすることによって、エッチング面が垂直とならずに山形になり、自動的に金属パターン１２ｇの高さ方向全周にテーパーが形成される。このテーパーを利用して光の一部を反射させるようにしてもよい。
なお、変形例を示す図３〜図５には、図１、図２と同一部分に同一符号を付し詳細な説明は省略した。
【実施例２】
【００８１】
本実施例は、実施例１と発明の課題・目的および課題を解決するための手段を共通にし、金属パターンをさらに分散配置してＤＣＢ基板からなる発光モジュールの強度を向上させると共に、基板の反りを一層防止するようにしたものである。
【００８２】
本実施例の発光モジュール１０は、図６に示すように、セラミックス基板１１の表面に設けられた銅板からなる金属パターン１２の一部が基板１１の外周部に設けられている。すなわち、左右の金属パターン１２ａ、１２ｂ、それぞれが共通して対向する辺、図６（ａ）において上下に位置する辺に、各金属パターン１２ａ、１２ｂを跨る長さで、かつ基板１１の長手方向に沿って長尺状をなす金属パターン１２ｃ、１２ｄを、各金属パターン１２ａ、１２ｂとの間に電気絶縁用の所定の間隔を有するように隣接して配置し、半田によって基板表面に接合する。この各金属パターン１２ｃ、１２ｄの表面にも、酸化を防止するためにニッケル（Ｎｉ）等をメッキする。
【００８３】
この長尺状をなす金属パターン１２ｃ、１２ｄは、基板１１の外周部に設けられていることにより次のように作用する。すなわち、長尺状をなす金属パターン１２ｃ、１２ｄは、基板１１の長手方向に沿って設けられているので、基板自体の反りの低減化をさらに図ることができる。
【００８４】
また、セラミックスからなる基板１１をケース体等に対してねじ締めによって固定する際、ケース体側の反りまたは表面の平坦度などの影響で、基板端面に近い金属パターン１２ａ、１２ｂのエッジ部分、図６（ａ）（ｂ）におけるｃ部分に応力が集中してクラックが発生し易くなる。
【００８５】
本実施例によれば、この部分に位置して補強フレームとなる長尺状の金属パターン１２ｃ、１２ｄが設けられたことによって、局所的な応力を分散させることができ、金属パターン１２ａ、１２ｂのエッジ部におけるクラックの発生を防止することができる。
【００８６】
また、強度が比較的弱い基板の外周部、特に基板端面における補強フレームの作用をもなし、外周部におけるクラックの発生も防止することができる。また、長尺状の金属パターン１２ｃ、１２ｄは、基板１１上のデッドスペースを利用しては配置されるので、補強フレーム設置のために基板を大きくする必要がなく、モジュールの小型・薄型化を達成することができる。
【００８７】
また、本実施例においては、基板１１の表面に設けられた金属パターン１２の一部がねじ締め用の取付孔１１ａの周囲に設けられている。すなわち、長方形のセラミックスからなる基板１１の４隅に形成された４個のねじ締め用の取付孔１１ａ、それぞれに対して孔の周囲を囲むようにして金属パターン１２ｅを、隣接する各金属パターン１２ａ、１２ｂ、１２ｃ、１２ｄとの間に電気絶縁用の所定の間隔を有するように配置し、半田によって基板表面に接合する。この各金属パターン１２ｅの表面にも、同様に酸化を防止するためのニッケル（Ｎｉ）等をメッキする。
【００８８】
この金属パターン１２ｅは、取付孔１１ａの周囲を囲むようにして設けられていることにより次のように作用する。すなわち、セラミックスからなる基板１１をケース体等にねじを締めつけて固定する際に、ねじの締めつけ部位に局所的に応力が発生しクラックが発生し易くなる。
【００８９】
本実施例によれば、この部分に位置して補強フレームとなる金属パターン１２ｅが設けられたことによって、金属パターン１２ｅが補強フレームの役目をなし、局所的にかかる応力を分散させることができ、ねじ締め部におけるクラックの発生を防止することができる。また、強度が比較的弱くなっている取付孔周囲における補強フレームの作用をもなし、取付孔周囲におけるクラックの発生も防止することができる。
【００９０】
また、本実施例においては、基板１１の表面に一対の端子部を構成する金属パターン１２ｆが設けられている。すなわち、長方形のセラミックスからなる基板１１の短辺に、それぞれ対向して略正方形の端子部をなす金属パターン１２ｆを、隣接する各金属パターン１２ａ、１２ｂ、１２ｃ、１２ｄ、１２ｅとの間に電気絶縁用の所定の間隔を有するように配置し、半田によって基板表面に接合する。この各金属パターン１２ｆの表面にも、同様に酸化を防止するためのニッケル（Ｎｉ）等をメッキする。
【００９１】
上述した基板外周部の補強フレームをなす金属パターン１２ｃ、１２ｄ、取付孔１１ａの補強フレームをなす金属パターン１２ｅおよび端子部を構成する金属パターン１２ｆは、ＬＥＤチップ１３を実装するための左右の金属パターン１２ａ、１２ｂと同様に、板厚が約０．２５ｍｍの銅によって構成する。また、左右の金属パターン１２ａ、１２ｂと同時にセラミックスからなる基板１１の表面に半田によって接合されるので製造性も良好となる。
【００９２】
また、これら金属パターンには、左右の金属パターン１２ａ、１２ｂと同様に、ニッケル、銀、金などの金属が、その表面を覆ってメッキされることから、ＬＥＤチップから放射された光を効果的に反射させることができ、光ロスを少なくして効率をより一層向上させることができる。
【００９３】
さらに、セラミックスからなる基板１１が補強されることから、セラミックスの板厚をより薄くすることも可能となり、ＬＥＤチップの熱を効果的に裏面側の金属部材１４に伝達することができると共に、コスト的に有利な発光モジュールを提供することが可能となる。
【００９４】
以上のように、本実施例によれば、金属パターンを分散配置して補強フレームを構成することによって、比較的強度の弱い基板外周部や取付孔の周囲を補強することができ、基板におけるクラックの発生を防止することができる共に、これら分散配置された補強フレームによって、基板表面の金属パターンに対する基板裏面の金属部材の体積比を５０％以上に調整することができ、基板自体の反りを一層防止することが可能な発光モジュールを提供することができる。
【００９５】
すなわち、基板表面の金属パターンが増えることにより、基板裏面の金属部材との体積比の差が小さくなり、体積比の差に起因した反りを防止することができる。これは、例えば、補強フレーム等を設けない構成であって、表側の金属パターンの方が裏側の金属部材より体積比が小さい場合に好適である。一方、例えば、補強フレーム等を設けない構成であって、表側の金属パターンの方が裏側の金属部材よりも体積比で大きい場合に、補強フレーム等を設けてしまうと、表側の体積が増えることにより裏側の金属部材の体積比が大きくなりすぎ、好適ではない虞がある。しかしながら、この場合には裏側の金属部材の厚みや配設領域大きくすればよく、特に裏側の金属部材の配設領域を大きくできることはセラミックス基板の放熱効果をより高めることができるので、好適である。
【００９６】
本実施例においては、端子部を構成する金属パターン１２ｆも有し、また、基板裏面の金属部材１４の面積を大きくして調整した（板厚は実施例１と同様で約０．２ｍｍ）ことから、体積比を約９５％にすることができ、より一層１００％に近くなるように構成することができた。これにより、基板１１の表裏両面における熱容量の差を極力少なくすることができ、セラミックスを使用した基板１１の熱による反りの発生を、より一層防止することが可能な発光モジュール１０を提供することができる。同時に、本実施例によれば、基板１１の長手方向に沿って長尺状をなす金属パターン１２ｃ、１２ｄが設けられたことにより、基板の反りをより一層防止することができる。
【００９７】
なお、本実施例を示す、図６には、実施例１の図１〜図５と同一部分に同一符号を付し詳細な説明は省略した。また、本実施例のおける他の構成、作用、作用効果、変形例等は実施例１と同様である。
【００９８】
以上、本発明の好適な実施形態を説明したが、本発明は上述の各実施例に限定されることなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において、種々の設計変更を行うことができる。
【符号の説明】
【００９９】
１０  発光モジュール
１１  基板
１１ａ  取付孔
１２  金属パターン
１３  半導体発光素子
１４  金属部材
２０  照明装置
２１  器具本体
２２  点灯装置  
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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