(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
リード電極およびモールド部材を有する複数の発光ダイオードと、それらの発光ダイオードがそれぞれ異なる傾斜角で配された基板と、前記基板を配する筐体と、を有するＬＥＤ表示器の形成方法であって、
前記基板の開口部に前記発光ダイオードのリード電極を配置させる工程と、
前記基板に対する傾斜角がそれぞれ調整された複数の孔を有する治具に、前記モールド部材を前記孔に挿入させることにより、前記発光ダイオードを固定する工程と、
前記治具が付された状態で、前記発光ダイオードのリード電極を前記基板に固定する工程と、を有することを特徴とするＬＥＤ表示器の形成方法。
【請求項２】
前記リード電極を前記基板に固定した後、前記治具を取り外す工程を有する請求項１に記載のＬＥＤ表示器の形成方法。
【請求項３】
前記発光ダイオードが固定された複数の基板を、それぞれ異なる角度で筐体に配する工程を有する請求項１または２に記載のＬＥＤ表示器の形成方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本願発明は、発光ダイオードを２個以上用いたＬＥＤ表示器に関し、特に発光ダイオード劣化を防止しつつ発光特性、視認性及び生産性に優れたＬＥＤ表示器に関する。
【０００２】
【従来の技術】
今日、ＲＧＢ（赤色、緑色、青色）三原色をそれぞれ高輝度に発光できる発光ダイオードが開発されたことにともない、寿命が長く信頼性の高い発光ダイオードの特性を利用したランプ用、信号用や文字、画像情報がフルカラー表示可能なディスプレイ用などとしてＬＥＤ表示器が利用され始めている。このような集合ランプであるＬＥＤ表示器は、一般的に壁などに一定角度で固定される。一方、視認者の位置、外来光の照射角度などは、時々刻々と変化する。ＬＥＤ表示器はこのような変化に対しても視認性が大きく変化しないことが望まれる。
しかし、正面輝度向上のために発光ダイオードはレンズ加工した樹脂などでＬＥＤチップを覆うことにより周囲に拡散しようとする発光を正面に集光させ輝度を引き上げている。そのため、発光ダイオードの正面（指向方向）から外れた方向の発光輝度は低く視認者の移動などにともなって視認性が大幅に低下するという問題があった。
【０００３】
そこで、視認範囲を広げるために、種々の集合ランプが開発されている。
具体的には特開平７−３０２９３１号公報や実用新案登録番号第３０１９８４５号が挙げられる。特開平７−３０２９３１号公報には、ＲＧＢ三原色を有するＬＥＤの発光面を複数設けると共に発光面の配光方向が異なる構成とする。あるいは、ＬＥＤをフレキシブル基板上に配置しフレキシブル基板に角度を付けた構成とすることによって視認性を向上させることが開示されている。しかしながら、実質的に野外などでのより広い視認性には十分に対応させることができない。即ち、より広い視認性に対応させるためには発光面である基板をそれぞれの角度ごとに複数用いて構成させなければならず配線や取り付けなど機器が複雑化し生産性よく形成できない。また、フレキシブル基板上にＬＥＤを実装することが難しい上、常に応力がかかったフレキシブル基板においては発光ダイオードの発熱による昇温や野外などの温湿度サイクルの激しい環境下では一定の角度以上で曲げるとハンダ付けなどの電気的接続に不良をきたすという問題が生ずる。
【０００４】
また、実用新案登録番号第３０１９８４５号には、裏面にプリント基板を重ね合わせた方形状の基台面に、多数個の発光ダイオードを縦横列に配設し、一方列の発光ダイオードの取り付け角度を中心線から端部に至るにわたって徐々に変化させて取り付けたものが開示されている。発光ダイオードの取付角度を徐々に変化させることによって、比較的広い視認性にも十分対応させることができる。しなしながら、発光ダイオードの取付角度をそれぞれ基板に対して変化させて取り付けるためには個々の発光ダイオードを正確に基板に対して変化させなければならず混色性を高めるために密集させた発光ダイオードの配置では困難であり、指向特性にむらが生じる。また、発光ダイオードと基板とを所定の角度以上に保持させたままハンダ付けすると、半田付による昇温が曲げ応力のかかったリード端子を部分的に移動させる場合があり発光ダイオードとリード端子とを接続させる電気的接続部材が部分的に解離するという問題も生ずる。さらに、一度所望の角度に正確に折り曲げた発光ダイオードをそれぞれ基板上に正確に配置しその角度を保持したままハンダ等で固定することは実際上困難であり実用的ではない。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
したがって、より厳しい環境下で広い視認性が求められる今日においては上記構成の集合ランプでは十分ではなく、更なる特性向上が求められる。本願発明はかかる問題に鑑み、発光特性劣化を防止しつつ、視認性及び生産性に優れたＬＥＤ表示器を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本願発明は、リード電極およびモールド部材を有する複数の発光ダイオードと、それらの発光ダイオードがそれぞれ異なる傾斜角で配された基板と、上記基板を配する筐体と、を有するＬＥＤ表示器の形成方法であって、上記基板の開口部に上記発光ダイオードのリード電極を配置させる工程と、上記基板に対する傾斜角がそれぞれ調整された複数の孔を有する治具に、上記モールド部材を上記孔に挿入させることにより、上記発光ダイオードを固定する工程と、上記治具が付された状態で、上記発光ダイオードのリード電極を上記基板に固定する工程とを有することを特徴とするＬＥＤ表示器の形成方法である。
【０００７】
また、上記リード電極を上記基板に固定した後、上記治具を取り外す工程を有する。また、上記発光ダイオードが固定された複数の基板を、それぞれ異なる角度で筐体に配する工程を有する。
【０００８】
【発明の実施の形態】
本願発明者は、種々の実験の結果、視認性を向上させるための発光ダイオードの傾斜をリード端子の折り曲げではなく基板に対する直線状リード端子の傾斜によって行うことで発光特性を損なうことなく広い視野角のＬＥＤ表示器とすることができることを見出し、本願発明をするに至った。
【０００９】
即ち、本願発明の如く基板に対して直線状リード端子を傾斜させて貫通させると、外力や温度変化による応力などの影響を受けにくいと考えられる。具体的にはリード端子自体が直線状であるために曲げ応力に対して強く金属疲労にともなう劣化、リードメッキの損傷などや曲げバラツキにともなう混色性の低下が生じにくい。また、開口部が大きく直線状リード端子と基板上に設けられた導電パターンとのハンダ量などが多いため導電パターン、リード端子などとの密着性がよく且つ、放熱性も高くでき発光特性が安定化できる。したがって、本願発明のＬＥＤ表示器は、発光ダイオード指向角の調整を基板に対する直線状リード端子の傾斜角によって行うことにより基板とリード端子との発光特性を劣化させることなく視認性に優れたＬＥＤ表示器とすることができる。以下本願発明の光電変換装置を図を用いて説明する。
【００１０】
図１及び図２の如く発光ダイオード１０２のリード端子２０１は直線状で基板１０１の開口に差し込まれそれぞれ基板の一端部から他方の端部にかけて徐々に傾斜角がついている。発光ダイオード１０２は、基板１０１の導電パターン２０２とハンダ２０３により電気的に接続されると共に固定されている。この発光ダイオード１０２が形成された同一基板を向きを変えて線対称となるよう筐体内にそれぞれ配置してある。発光ダイオード１０２と筐体１０４との間には、外部からの水分、塵芥及び外力から基板などを保護する目的で充填材１０３が配置されている。また外来光を遮光すべく遮光部材１０５が筐体にはめ込まれている。こうして形成されたＬＥＤ表示器は左右方向からの視認性を向上させることができる。以下本願発明の各構成について詳述する。
【００１１】
（基板１０１）
本願発明に用いられる基板１０１としては、各発光ダイオード１０２を所望の配置及び所望の角度にそれぞれ配置し電気的に接続するために用いられる。また、駆動回路用の基板と兼用してもよい。発光ダイオードの配置はディスプレイ用として使用する場合はマトリックス形状などとすることができる。また、矢印信号など所望の用途に流用する場合は、その形状に応じて発光ダイオードを配置すれば良い。
【００１２】
本願発明の基板１０１としては、機械的強度が高く熱変形の少ないものが好ましい。具体的には銅箔などの導電体が形成されたセラミックス、ガラス、アルミなどのメタル基板、各種樹脂等を用いたプリント基板が好適に利用できる。発光ダイオードが実装される基板表面はＬＥＤ表示面と一致するためコントラスト向上のために着色してあることが好ましい。また、充填材との密着性向上のためにサンドブラスト処理し凹凸を形成させても良い。さらに、リード端子を曲げることなく各々の発光ダイオードが所望の角度で実装された基板を方向を変え筐体内に線対称配置させることによってそれぞれの異なった傾斜角を有する基板とできる。これにより量産性を上げることができる。
【００１３】
（基板の開口部）
本願発明の基板の開口部とは、基板に設けられた直線状リード端子２０１貫通用の孔である。通常、貫通孔は発光ダイオードのリード端子２０１が基板に対して垂直に固定しやすいようまた、電子部品自動挿入機の実装工程上のためにリード端子径よりも僅かに大きく開口させてある。一方、本願発明の開口は、リード端子２０２に付けられたストッパーよりも小さいがリード端子径よりも大きく発光ダイオードが基板に対して所望の傾斜を形成できるような大きさに積極的に開口させている。この開口径の違いが結果的に内部応力を形成させることなくＬＥＤ表示器の視野角を増やすことができる。また、リード端子と基板との接続面積を増やし密着性を向上させることもできる。開口径はリード端子に設けられたストッパーの大きさ、基板の厚みや実装機器の性能によって種々選択できる。開口径とリード端子径によって決定できるリード端子の傾斜角は、ハンダ実装においても接触不良をおこすことがなく好適に固定させるために基板に対する最大傾斜角が４０度から１４０度が好ましい。また、基板の開口部が従来のものより大いためにリード端子を斜めにさせることを考慮して基板を貫通させたリード端子を長めに切断させる必要がある。これにより基板との密着性や発光ダイオードの発熱を効率よく放熱させることもできる。
【００１４】
（発光ダイオード１０２）
本願発明に用いられる発光ダイオード１０２としては、種々の光半導体素子を樹脂でモールドし形成した発光素子が用いられる。発光ダイオード中の半導体素子は一種類で単色発光させても良いし複数用いて単色或いは多色発光させても良い。具体的には、液相成長法やＭＯＣＶＤ法により基体上にＧａＡｌＮ、ＺｎＳ、ＺｎＳｅ、ＳｉＣ、ＧａＰ、ＧａＡｌＡｓ、ＡｌＩｎＧａＰ、ＩｎＧａＮ、ＧａＮ、ＡｌＩｎＧａＮ等の半導体を発光層として形成させた物が好適に用いられる。半導体素子の構造としては、ＭＩＳ接合やＰＮ接合を有したホモ構造、ヘテロ構造あるいはダブルへテロ構成のものが挙げられる。半導体層の材料やその混晶度によって発光波長を紫外光から赤外光まで種種選択することができる。さらに、量子効果を持たせるため発光層を単一量子井戸構造、多重量子井戸構造とさせても良い。こうしてできた半導体に、蒸着法、スパッタ法やＣＶＤ法などにより所望の電極を形成させＬＥＤチップを形成させる。このようなＬＥＤチップの各電極をリード端子などと金線や銀ペーストなどの電気的接続部材を用い電気的に接続した後、モールド部材で覆うことによって発光ダイオードを形成させることができる。
【００１５】
また、野外など比較的外来光が強い環境下でＬＥＤ表示器の使用する場合、緑色系及び青色系として窒化ガリウム系化合物半導体を用いることが好ましく、また、赤色系ではガリウム・アルミニウム・砒素系の半導体やアルミニウム・インジュウム・ガリウム・燐系の半導体を用いることが好ましい。また、所望によって波長の異なるＬＥＤチップをリード端子に設けられたカップ上に複数配置した多色発光素子とすることもできる。例えば青色を２個、緑色及び赤色をそれぞれ１個ずつのＬＥＤチップをリード端子上に設置する構成である。なお、フルカラーＬＥＤ表示器として発光ダイオードを利用するためには赤色の発光波長が６００ｎｍから７００ｎｍ、緑色が４９５ｎｍから５６５ｎｍ、青色の発光波長が４３０ｎｍから４９０ｎｍの半導体を用いた発光ダイオードを使用することが好ましい。
【００１６】
発光ダイオードのモールドは、各ＬＥＤチップや電気的接続部材等を外部から保護すると共に指向性を高めるために設ける。一般的にはエポキシ樹脂を用いて構成する。また、樹脂モールドを所望の形状にすることによってレンズ効果を持たせることができる。樹脂モールドは複数種の樹脂を用い、凸レンズ形状、凹レンズ形状やそれらを複数組み合わせた積層構造とすることもできる。さらにモールド自体に塗料を付着させたり染料及び顔料をモールド部材中に含有させることにより着色させ所望外の波長をカットするフィルターの役目をもたすこともできる。また、モールド部材中に拡散剤を含有させることで指向性を緩和させることもできる。この様な拡散剤としては、チタン酸バリウム、酸化チタン、酸化アルミニウム、酸化珪素等が好適に用いられる。樹脂モールドの材料としては、エポキシ樹脂、ユリア樹脂、シリコーン樹脂、フッ素樹脂、ポリカーボネート樹脂などの強度があり耐候性に優れた透明樹脂が好適に用いられる。
【００１７】
（筐体１０４）
筐体１０４は、基板上にマトリックス状など所望の形状に配置した発光ダイオードを外部から機械的に保護する物であって、所望の大きさに形成させることができる。筐体としては、充填材との密着性を考慮して熱膨張率の小さい物が好ましい。また、筐体は、発光ダイオードの傾斜を補うものとして所望に応じて基板が傾斜できるような傾斜角を持つことが好ましい。さらに、筐体の材料としては成形のしやすさ耐候性などの観点からポリカーボネート樹脂、ＡＢＳ樹脂、エポキシ樹脂、フェノール樹脂、ポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）、液晶ポリマー（ＬＣＰ）、アクリル樹脂、ＰＢＴ樹脂等が好ましい。さらに、筐体の内部表面をエンボス加工させて接着面積を増やしたり、プラズマ処理して充填材との密着性を向上させても良い。
【００１８】
（充填材１０３）
充填材１０３としては、ＬＥＤ表示器の内部回路を水分、塵芥や外力から保護するため設けられる。したがって、充填材１０３には、機械的強度及び耐候性が要求される。また、発光ダイオード１０２、筐体、発光ダイオードが配置された基板及び遮光部材などとの密着性がよいことも求められる。この様な充填材１０３として具体的には、エポキシ樹脂、ウレタン樹脂、シリコーン樹脂などが挙げられる。また、コントラスト向上のために充填材中に暗色系の着色染料を含有させても良い。さらに、熱伝導を向上させる目的で熱伝導部材を含有させてもよく、また放熱性の高い樹脂を用いても良い。熱伝導部材としては発光ダイオード間にも配されることから電気導通しないことが求められる。具体的には酸化銅、酸化銀が好適に挙げられる。放熱性の高い樹脂としては放熱シリコーン等が挙げられる。
【００１９】
（遮光部材１０５）
遮光部材１０５としては、発光ダイオード１０２の各々が外来光によって視認しにくくなることを防止する。反射光を抑制させる目的で遮光部材を黒色などに着色させることがより好ましい。遮光部材は、視認距離に合わせてその角度を変更できることが好ましい。この場合視認角度や距離によって所望に選択できるが好ましくは、基板に対して８０度から１００度が好ましい。
【００２０】
（冶具３０１）
本願発明に用いられる冶具３０１とは、基板１０１に対する発光ダイオード１０２の傾斜を所望に応じて種々固定させるためのものであり種々のものが使用できる。具体的には、図３の如く発光ダイオードを挿入できる孔３０３を有しそれぞれ角度を調節固定させる部材をねじなど３０２などによって固定されている。このような冶具を用いて基板に対する発光ダイオードの傾斜角をそれぞれ変化させ形成させるためには、基板の開口部にそれぞれ発光ダイオードを配置させリード端子を所望の長さに切断させた後、図３に記載された冶具の孔３０３に発光ダイオード１０２を挿入し固定させる。固定させた冶具付きの状態で基板の配線パターンと発光ダイオードのそれぞれのリード端子とをハンダ付けさせることなどにより固定させる。
【００２１】
（駆動手段）
駆動手段とは、点灯回路などを有し発光ダイオードを複数個配置したＬＥＤ表示器と電気的に接続されるものである。具体的には、駆動回路からの出力パルスによってマトリックス状などに配置したＬＥＤ表示器を駆動する。駆動回路としては、入力される表示データを一時的に記憶させるＲＡＭ（Ｒａｎｄｏｍ  Ａｃｃｅｓｓ  Ｍｅｍｏｒｙ）と、該ＲＡＭに記憶されるデータから発光ダイオードを所定の明るさに点灯させるための階調信号を演算する階調制御回路と、階調制御回路の出力信号でスイッチングされて、発光ダイオードを点灯させるドライバーとを備える。この様な駆動手段はＣＰＵを用いて形成させることができる。階調制御回路は、ＲＡＭに記憶されるデータから発光ダイオードの点灯時間を演算してパルス信号を出力する。階調制御回路から出力されるパルス信号である階調信号は、発光ダイオードのドライバーに入力されてドライバーをスイッチングさせる。ドライバーがオンになると発光ダイオードが点灯され、オフになると消灯することができる。以下、本願発明の実施例について説明するが、本願発明は具体的実施例のみに限定されるものではないことは言うまでもない。
【００２２】
［実施例１］
光半導体素子としてＭＯＣＶＤ法を用いサファイヤ基板上にＰＮ接合を有する窒化ガリウム半導体を形成させる。その後半導体上にＰ型及びＮ型電極をスパッタ装置を用いてそれぞれ形成し、サファイヤ基板を個々に分割させることによってＬＥＤチップを得る。次に、リード端子径が０．５ｍｍのリード端子に設けられたカップ上にＬＥＤチップをダイボンダーを用いてダイボンドさせる。ダイボンドされたＬＥＤチップは、ＬＥＤチップの電極とリード端子とを電気的接続部材である金線でワイヤーボンドさせられる。これを、エポキシ樹脂で図１の如く砲弾型に硬化させ発光ダイオード１０２を構成させた。
【００２３】
こうして形成させた発光ダイオードを開口径が１．５ｍｍでマトリックス状に配置された１．６ｍｍ厚のプリント基板上に電子部品自動挿入機で配置させると共に余分なリード端子を長めに切断させる。このときの発光ダイオードの最大傾斜角は基板に対して３５度である。基板上に発光ダイオードが配置された基板を発光ダイオードをそれぞれ所望の角度にさせるために図３の如き冶具にはめ込み固定させる。これにより、一端部の発光ダイオードが基板に対して傾斜角７５度に固定され他方の端部の発光ダイオードが基板に対して最大傾斜角である１２５度に固定されるとともにその中間の発光ダイオードは傾斜角を１００度としている。固定させた基板は、自動ハンダ付け装置にて半田付と固定とを同時にさせる。
【００２４】
冶具をはずした後、リード端子を曲げることなく各々の発光ダイオードが所望の角度で実装された２枚の基板を方向を変え筐体の略中心線に対し線対称に配置し左右の傾斜角１５度に設定された筐体中に固定させた。筐体には、発光ダイオードのモールド部先端が露出する程度に充填材を注入硬化させＬＥＤ表示器を形成させた。発光ダイオードは、左右それぞれ筐体の正面である傾斜角９０度から最大１４０度まで傾斜している。これによってＬＥＤ表示器の正面から輝度の低下を抑制しつつ視野角を増やすことができる。このようなＬＥＤ表示器を１０００個作製しそれぞれ駆動回路及び電源に接続させた。いずれも良好に発光可能である。発光ダイオードを１０分ごとに点灯及び消灯を繰り返させているＬＥＤ表示器を温度−２０℃１時間、温度８０℃１時間の温度サイクルを５００繰り返し耐候性を調べた。いずれのＬＥＤ表示器も電気的接続部材のはがれハンダの剥がれなどによる発光むらや特性劣化は確認できなかった。
【００２５】
［比較例１］
基板の開口を０．６ｍｍとしてフレキシブル基板に対して発光ダイオードを垂直に配置しハンダ付け固定後に７５度から１２５度までそれぞれ発光ダイオードを基板に対し傾斜させ図４の如く基板を配した以外は実施例１と同様にして形成させた。実施例１と同様の温度サイクル試験により発光特性を調べた。８５度から９５度までの角度で折り曲げたものは、発光むらや特性劣化が生じる平均不良発生率が３％以下であるのに対し８５度以下或いは９５度以上に折り曲げた発光ダイオードの平均不良発生率は２１％をこえている。
【００２６】
【発明の効果】
上述の如く本願発明の構成とすることによって、厳しい環境下においても発光ダイオードの発光特性を劣化させることなく上下左右視野角の広いＬＥＤ表示器を簡便に作製させることができる。
【００２７】
【図面の簡単な説明】
【図１】  本願発明のＬＥＤ表示器を示した模式図であり、図１（Ａ）は、本願発明のＬＥＤ表示器を示した概略正面図、図１（Ｂ）は図１（Ａ）のＡ−Ａ断面図である。
【図２】  本願発明に用いられる直線状リード端子が基板を貫通している部分拡大図である。
【図３】  本願発明の基板に対して各発光ダイオードを傾斜させるための冶具の模式図であり、図３（Ａ）は、冶具の概略平面図、図３（Ｂ）は、図３（Ａ）のＡ−Ａ断面図である。
【図４】  本願発明と比較のために示したＬＥＤ表示器を示した模式図であり、図４（Ａ）は、ＬＥＤ表示器を示した概略正面図、図４（Ｂ）は図４（Ａ）のＡ−Ａ断面図である。
【符号の説明】
１０１・・・傾斜配置された基板
１０２・・・リード端子が直線状の発光ダイオード
１０３・・・充填材
１０４・・・筐体
１０５・・・遮光部材
２０１・・・直線状リード端子
２０２・・・基板上に設けられたパターン配線
２０３・・・ハンダ
３０１・・・発光ダイオードを傾斜固定させるための冶具
３０２・・・発光ダイオードの傾斜角度を調整させる調整ねじ
３０３・・・発光ダイオードの挿入口
４０１・・・傾斜配置されたフレキシブル基板
４０２・・・リード端子が折り曲げられた発光ダイオード
４０３・・・充填材
４０４・・・筐体
４０５・・・遮光部材
【図１】
0003704794.tif 000002
【図２】
0003704794.tif 000003
【図３】
0003704794.tif 000004
【図４】
0003704794.tif 000005