JP2006344617A - 発光装置ユニット - Google Patents

Abstract

【解決手段】 複数の半導体発光素子チップ１２ａ，１２ｂ，１２ｃが互いに近接して１つの基体上に保持された光源ユニット１に、可視光を発光する蛍光体を有する半導体発光素子チップと同数の透光性蛍光部材２２ａ，２２ｂ，２２ｃが１つのフレーム部材に保持された蛍光ユニット２を、半導体発光素子チップの発光方向前方に着脱可能に取り付け、透光性蛍光部材を半導体発光素子チップの各々に対して１つずつ対向するように配置して、透光性蛍光部材を対向する半導体発光素子チップから発光した紫外光又は近紫外光によって発光させて、発光方向前方で透光性蛍光部材から発光した可視光が混合するように構成する。
【効果】 紫外光又は近紫外光を発光する半導体発光素子チップ自体の発光波長や強度の微妙なバラツキや、可視光を発光する蛍光体の各々の劣化速度の差による影響を可及的に回避して、均一な発光色を安定して得ることができる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、紫外光又は近紫外光を発光する半導体発光素子と紫外光又は近紫外光により可視光を発光する蛍光体とを用いた可視光を発光する発光装置ユニットに関する。

従来、赤色、緑色及び青色の３色の光源を互いに近接して配置し、それらの光を混合して混合色を得る照明装置が知られている（特開平５−２１１７３号公報（特許文献１）参照）。この照明装置は、赤色、緑色及び青色の３色を、ランプとカラーフィルタとを組み合わせて光源により発光させてこれらを混合して所望の混合色を生成するものである。

近年、紫外光又は近紫外光（例えば、３５０〜４５０ｎｍ）を発光するＧａＮ系などの半導体発光素子チップを用いて紫外光又は近紫外光により可視光を発光する蛍光体を発光させる発光装置が、このような半導体発光素子チップが発光する光のエネルギーの高さから高輝度発光が期待できるため注目されており、特に光量が要求される照明装置などへの適用が検討されている。

このような発光装置によって、照明などに用いる白色光を得る場合は、通常、半導体発光素子チップを備える砲弾型やチップ型（平面実装型）などの発光ダイオード（ＬＥＤ）に対して、赤色、緑色、青色などを発光する蛍光体を、半導体発光素子チップを封止する封止材に分散させたり、蛍光体を封止材上に塗布したり、蛍光体を分散又は塗布した蛍光部材を別体として形成して発光ダイオードに接合したりして所望の白色光を得る方法が採用されている。

ところが、赤色、緑色、青色などを発光する蛍光体は紫外光又は近紫外光の照射により経時的に劣化して輝度が低下することが知られており、この寿命は光源である半導体発光素子チップの寿命に比べて短いため、例えば、半導体発光素子チップの封止材に蛍光体を分散した発光ダイオードでは、半導体発光素子チップの寿命は尽きていないのに、蛍光体が発光しなくなるため使用不能になってしまう。この場合、半導体発光素子チップの発光が低下していない状態で蛍光体の発光量が低下するため、紫外光が可視光に変換されずに発光装置の外部に抜けてしまう量が増加することも懸念される。更に、各色を発光する蛍光体も各々劣化速度が異なるため、発光装置を使用するにつれて各色の発光強度のバランスが徐々に崩れて色調が変化してしまい、求める色調の白色が維持できないという問題もある。

また、紫外光又は近紫外光を発光する半導体発光素子チップ自体の発光波長や発光強度の微妙なバラツキが発光色に与える影響も大きいため、発光色を均一に揃えるためには煩雑な調整が必要であり、特に、半導体発光素子チップを多数配列して使用する発光装置において、全体を均一な発光色に調整するのは多くの労力が必要である。

特開平５−２１１７３号公報

本発明は、上記問題点を解決するためになされたものであり、紫外光又は近紫外光を発光する半導体発光素子チップ自体の発光波長や強度の微妙なバラツキや、赤色、黄色、緑色、青色等の可視光を発光する蛍光体の各々の劣化速度の差による影響を可及的に回避して、均一な発光色を安定して発光することができる発光装置ユニットを提供することを目的とする。

本発明は、上記目的を達成するため、紫外光又は近紫外光を発光する複数の半導体発光素子チップが互いに近接して該半導体発光素子チップに通電するためのリード配線と共に封止材で封止されて１つの基体上に保持された光源ユニットと、紫外光又は近紫外光により励起されて可視光を発光する蛍光体を透光性材料に分散した又は透光性材料表面に塗布した上記半導体発光素子チップと同数の透光性蛍光部材が１つのフレーム部材に保持された蛍光ユニットとを備え、上記蛍光ユニットが上記半導体発光素子チップの発光方向前方に着脱可能に取り付けられた発光装置ユニットであって、上記透光性蛍光部材を上記半導体発光素子チップの各々に対して１つずつ対向するように配置し、上記透光性蛍光部材を各々透光性蛍光部材に対向する半導体発光素子チップから発光した紫外光又は近紫外光によって発光させて、発光方向前方で上記各々の透光性蛍光部材から発光した可視光が混合するように構成したことを特徴とする発光装置ユニットを提供する。

即ち、本発明の発光装置ユニットは、紫外光又は近紫外光を発光する複数の半導体発光素子チップが封止材で封止されて１つの基体上に保持された光源ユニットと、紫外光又は近紫外光により励起されて可視光を発光する蛍光体を有する透光性蛍光部材が１つのフレーム部材に保持された蛍光ユニットとを備え、半導体発光素子チップと透光性蛍光部材とが各々１つずつ組をなして対向するように配置されており、半導体発光素子チップと透光性蛍光部材との組毎に発光色を設定することができる。従って、例えば、３つの半導体発光素子チップを備える光源ユニットと３つの透光性蛍光部材を備える蛍光ユニットとにより発光装置ユニットを構成し、３つの透光性蛍光部材に赤色、緑色及び青色を発光する蛍光体を各々用いれば、半導体発光素子チップと透光性蛍光部材との組毎に赤色、緑色及び青色を各々発光させることができ、この発光した可視光が発光方向前方で混合して白色光や中間色光となる。

そのため、半導体発光素子チップの発光波長や強度の微妙なバラツキや、透光性蛍光部材に用いる蛍光体の各々の劣化速度の差に応じて、半導体発光素子チップと透光性蛍光部材との組毎に、半導体発光素子チップの種類、透光性蛍光部材に用いる蛍光体の種類や量を変えて発光色や発光強度を設定、調整することが可能であり、設計の自由度が高く、半導体発光素子チップのバラツキや蛍光体の劣化速度の影響を可及的に回避して、均一な発光色を安定して得ることができ、発光装置ユニットから得られる可視光の発光色や発光強度の発光装置ユニット間のバラツキを抑えることができる。

また、本発明の発光装置ユニットは、光源ユニット蛍光ユニットとが着脱可能に取り付けられているので、半導体発光素子チップや蛍光体が劣化して発光量が低下した場合に、光源ユニット又は蛍光ユニットの一方のみを簡単に交換して他方を継続して使用することが可能であり、発光装置の交換が簡便で、省資源化に寄与し、更には、発光装置ユニットからの資源分別回収効率も向上する。

この場合、半導体発光素子チップに通電するためのリード配線が、半導体発光素子チップ毎に電流及び／又は電圧を個別に設定可能に配線されていることが好ましく、これによって発光色や発光強度の厳密な設定が可能となり、例えば、使用中の蛍光体の劣化等による変化に応じて、電流及び／又は電圧の調整によって発光色や発光強度を調整することが可能となる。

また、透光性蛍光部材の発光方向前方に更にレンズを設けることも好ましい。透光性蛍光部材から発光した可視光は拡がりをもっているため、近接した複数の透光性蛍光部材から発光した可視光はその発光方向前方で多くが混ざり合うが、発光装置ユニットの用途に応じ必要に応じてレンズを設けることが可能であり、これにより各々の透光性蛍光部材から発光した光を確実に混合することができる。

更に、透光性蛍光部材の発光方向前方に更に紫外線吸収体を設けること又は上記レンズに紫外線吸収剤を分散することも好ましく、これにより発光装置ユニットからの紫外光や近紫外光の漏洩を確実に防止することができる。

本発明によれば、紫外光又は近紫外光を発光する半導体発光素子チップ自体の発光波長や強度の微妙なバラツキや、赤色、黄色、緑色、青色等の可視光を発光する蛍光体の各々の劣化速度の差による影響を可及的に回避して、均一な発光色を安定して得ることができる。

発明を実施するための最良の形態及び実施例

以下、実施例を示し、本発明の発光装置ユニットをより具体的に説明する。
図１は、本発明の一実施例に係る発光装置ユニットを示す斜視図であり、（Ｂ）は（Ａ）の分解斜視図である。この発光装置ユニットは、着脱可能に取り付けられた光源ユニット１と蛍光ユニット２とを備える。

光源ユニット１は、紫外光又は近紫外光を発光する複数（この例の場合３つ）の半導体発光素子チップ１２ａ，１２ｂ，１２ｃを備え、これらはトレー状の基体１１の内側に互いに近接して、これら半導体発光素子チップ１２ａ，１２ｂ，１２ｃに通電するための４系統のリード配線１３１，１３２，１３２，１３２と共に透光性の封止材１４で封止されて基体１１上に保持されている。なお、図中、１５１，１５２は端子配線であり、４つの端子配線１５１，１５２，１５２，１５２は、各々基体１１を貫通して一端が基体１１の内側で各々リード配線１３１，１３２，１３２，１３２と電気的に接続し、他端は基体１１外側に露呈している。

半導体発光素子チップとしては、紫外光又は近紫外光（例えば、波長３５０〜４２０ｎｍの光）を発光するＧａＮ系、ＺｎＯ系、ＡｌＮ系、ＺｎＳ系等の半導体発光素子チップを用いることができる。なお、複数の半導体発光素子チップは、全て同種のものを用いても、それぞれ異種のものを用いてもよい。

基体には熱を発生する半導体発光素子チップの放熱を確保するため、セラミックや必要に応じて絶縁した金属などの材質を用いることが好適であるが、通常、この基体は遮光性の材料とし、特に、半導体発光素子チップから発光した紫外光及び近紫外光を反射するように構成することが好ましい。

封止材の材質は、半導体発光素子チップの封止材として用いられている従来公知のものが適用可能であるが、特に、紫外光耐性に優れたものが好ましく、例えばシリコーン樹脂、シリコーンゴム等のオルガノポリシロキサンポリマー、フッ素樹脂、フッ素ゴムなどが好ましい。

一方、蛍光ユニット２は、光源ユニット１に保持された半導体発光素子チップと同数（即ち、この例の場合は３つ）の透光性蛍光部材２２ａ，２２ｂ，２２ｃを備え、これらはフレーム部材２１に形成された透光性蛍光部材２２ａ，２２ｂ，２２ｃと各々同形状の孔２３ａ，２３ｂ，２３ｃに填め込まれてフレーム部材２１に保持されている。

そして、蛍光ユニット２の３つの透光性蛍光部材２２ａ，２２ｂ，２２ｃは、光源ユニット１の３つの半導体発光素子チップ１２ａ，１２ｂ，１２ｃ各々に対して１つずつ対向するように配置されており、半導体発光素子チップと透光性蛍光部材とで３つの組（即ち、半導体発光素子チップ１２ａと透光性部材２２ａ、半導体発光素子チップ１２ｂと透光性部材２２ｂ、半導体発光素子チップ１２ｃと透光性部材２２ｃの３組）をなしている。

透光性蛍光部材は、透光性材料に紫外光又は近紫外光により励起されて可視光を発光する蛍光体を分散したものであっても、透光性材料表面に上記蛍光体を塗布したものであってもよい。

透光性蛍光部材に分散又は塗布される蛍光体としては、Ｙ₂Ｏ₂Ｓ：Ｅｕ、Ｌａ₂Ｏ₂Ｓ：Ｅｕ、３．５ＭｇＯ・０．５ＭｇＦ₂・ＧｅＯ₂：Ｍｎ等の赤色発光蛍光体、ＺｎＳ：Ｃｕ，Ａｌ、ＢａＭｇ₂Ａｌ₁₆Ｏ₂₇：Ｅｕ，Ｍｎ等の緑色発光蛍光体、ＢａＭｇ₂Ａｌ₁₆Ｏ₂₇：Ｅｕ、（Ｓｒ，Ｃａ，Ｂａ）₅（ＰＯ₄）₃Ｃｌ：Ｅｕ等の青色発光蛍光体、ＣｄＺｎＳ、ＺｎＳＳｅにドナーとアクセプター不純物を添加したＩＩ-ＶＩ族混晶蛍光体等の黄色発光蛍光体などが挙げられ、蛍光体と共に希土類錯体、有機蛍光色素等を分散又は塗布することも可能である。

透光性蛍光部材の基材となる透光性材料としては、紫外光耐性に優れたものが好ましく、例えばシリコーン樹脂、シリコーンゴム等のオルガノポリシロキサンポリマー、フッ素樹脂、フッ素ゴムなどが好ましい。なお、各々の透光性蛍光部材には１種の蛍光体を用いても２種以上の蛍光体を用いてもよいが、特に、各々の透光性蛍光部材が発光する可視光の色調が異なるものとなるように、各々の透光性蛍光部材に発光色の異なる蛍光体を用いることが好ましい。具体的には、半導体発光素子チップと透光性発光部材とを２組用いる場合、透光性発光部材が発光する色を例えば青色と黄色との２色、半導体発光素子と透光性発光部材とを３組用いる場合は、透光性発光部材が発光する色を例えば赤色と緑色と青色との３色、半導体発光素子と透光性発光部材とを４組用いる場合は、透光性発光部材が発光する色を例えば赤色と緑色と青色と黄色との４色に設定することができる。

蛍光体の使用量は、多すぎても少なすぎても十分な発光強度が得られないため、適当量分散させることが好ましいが、特に、半導体発光素子チップから透光性蛍光部材を通過して発光素子ユニットの外部に漏洩する紫外光又は近紫外光の量が少なくなるように使用量を設定することが好ましい。

フレーム部材の材質は透光性又は遮光性の材料のいずれでもよいが、紫外光耐性の観点から透光性蛍光部材の基材として上述したような材料を用いることが好ましい。

なお、蛍光ユニット２は、光源ユニット１に着脱可能に取り付けられるが、この取り付け方式としては、この例において図示したような、蛍光ユニット２をキャップ状に形成して光源ユニット１に被覆する方式の他、光源ユニットに溝を形成してこの溝内に蛍光ユニットを挿入する方式、光源ユニットに蛍光ユニットを脱離可能に埋め込む方式などを適宜採用することができる。

そして、この発光装置ユニットは、蛍光ユニット２を光源ユニット１に取り付け、半導体発光素子チップ１２ａ，１２ｂ，１２ｃに通電することによって、半導体発光素子チップ１２ａ，１２ｂ，１２ｃから紫外光又は近紫外光が発光し、更に、透光性蛍光部材２２ａ，２２ｂ，２２ｃの各々に対向する半導体発光素子ユニット１２ａ，１２ｂ，１２ｃから発光した紫外光又は近紫外光により透光性蛍光部材２２ａ，２２ｂ，２２ｃが各々発光し、これら透光性蛍光部材２２ａ，２２ｂ，２２ｃの発光方向前方で各々の透光性蛍光部材２２ａ，２２ｂ，２２ｃから発光した可視光が混合するようになっている。

本発明の発光装置ユニットでは、半導体発光素子チップと透光性蛍光部材との組毎に発光色を設定することができる。従って、例えば、この例のように３つの半導体発光素子チップ１２ａ，１２ｂ，１２ｃを備える光源ユニット１と３つの透光性蛍光部材２２ａ，２２ｂ，２２ｃを備える蛍光ユニット２とにより発光装置ユニットを構成し、３つの透光性蛍光部材２２ａ，２２ｂ，２２ｃに各々赤色、緑色及び青色を発光する蛍光体を用いれば、半導体発光素子チップと透光性蛍光部材との組毎に赤色、緑色及び青色を各々発光させることができ、この発光した可視光が発光方向前方で混合して白色光や中間色光となる。

そのため、半導体発光素子チップの発光波長や強度の微妙なバラツキや、透光性蛍光部材に用いる蛍光体の各々の劣化速度の差に応じて、半導体発光素子チップと透光性蛍光部材との組毎に、半導体発光素子チップの種類、透光性蛍光部材に用いる蛍光体の種類や量を変えて発光色や発光強度を設定、調整することが可能であり、設計の自由度が高く、半導体発光素子チップのバラツキや蛍光体の劣化速度の影響を可及的に回避して、均一な発光色を安定して得ることができ、発光装置ユニットから得られる可視光の発光色や発光強度の発光装置ユニット間のバラツキを抑えることができる。

例えば、透光性蛍光部材の発光色や発光強度を変化させた蛍光ユニットを数種類予め作製しておき、半導体発光素子チップが発光する紫外光又は近紫外光の波長や強度の検査結果に応じて上記数種類の蛍光ユニットから最適なものを選択して光源ユニットに取り付ける方法を採用でき、発光装置ユニット間の発光色や発光強度のばらつきを効率よく低減することができると共に、万一、発光色や発光強度にずれがあった場合であっても、蛍光ユニットを交換することが可能であるため、発光装置ユニット製造の歩留まりも改善できる。

また、光源ユニットと蛍光ユニットとが着脱可能に取り付けられているので、半導体発光素子チップや蛍光体が劣化して発光量が低下した場合に、光源ユニット又は蛍光ユニットの一方のみを簡単に交換して他方を継続して使用することが可能であり、発光装置の交換が簡便で、省資源化に寄与し、更には、廃棄時の発光装置ユニットからの資源分別回収効率も向上する。

なお、この例の発光装置ユニットでは、３つの半導体発光素子チップ１２ａ，１２ｂ，１２ｃの全てと電気的に接続された１本の共通リード配線１３１と、３つの半導体発光素子チップ１２ａ，１２ｂ，１２ｃの各々と電気的に接続された３本のリード配線１３２，１３２，１３２が設けられ、半導体発光素子チップ毎に電流及び／又は電圧を個別に設定が可能なように配線されている。

このように半導体発光素子チップ毎に電流及び／又は電圧を個別に設定可能となるように配線すれば、発光色や発光強度の厳密な設定が可能となり、例えば、使用中の蛍光体の劣化等による変化に応じて、電流及び／又は電圧の調整によって発光色や発光強度を調整することが可能となる。このような配線方式はこの例のような方式に限定されるものではなく、リード配線及び端子配線を半導体発光素子チップ毎に２本ずつ配設する（即ち、この例のように３つの半導体発光素子チップを有するものの場合、６本のリード配線及び端子配線を配設する）ことも可能である。

また、蛍光ユニットの透光性蛍光部材の発光方向前方に更にレンズを設けることも好ましい。例えば、図２に示されるように、蛍光ユニット２の透光性蛍光部材２２ａ，２２ｂ，２２ｃの発光方向前方に凸レンズ３１，３１，３１が位置するように凸レンズ３１，３１，３１を設けたレンズユニット３を、蛍光ユニット２（透光性蛍光部材２２ａ，２２ｂ，２２ｃ）の発光方向前面側に接合することができる。

透光性蛍光部材から発光した可視光は拡がりをもっているため、近接した複数の透光性蛍光部材から発光した可視光はその発光方向前方で多くが混ざり合うが、必要に応じてレンズを設けることにより、各々の透光性蛍光部材から発光した光を確実に混合することができる。レンズの種類は、発光装置ユニットの用途に応じて凸レンズの他、凹レンズ、フレネルレンズ等を適宜選定できる。

更に、透光性蛍光部材の発光方向前方に更に紫外線吸収体を設けること又は上記レンズに紫外線吸収剤を分散することも好ましく、これにより発光装置ユニットからの紫外光や近紫外光の漏洩を確実に防止することができる。

紫外線吸収体を設ける場合、例えばシリコーン樹脂、シリコーンゴム等のオルガノポリシロキサンポリマー、フッ素樹脂、フッ素ゴムなどの耐紫外光性能に優れた樹脂等に紫外線吸収剤を分散させたり、塗布したりする方法を採用できる。紫外線吸収剤としては、酸化亜鉛、酸化セリウム等が挙げられる。

なお、本発明は、上記実施例に限定されるものではなく、各部の構成や形状、配置、組み合わせなどは、本発明の要旨を逸脱しない範囲で適宜変更して差し支えない。

本発明の発光装置ユニットの一例を示す斜視図であり、（Ｂ）は（Ａ）の分解斜視図を示す。 本発明の発光装置ユニットの蛍光ユニットにレンズユニットを接合した状態を示す斜視図である。

符号の説明

１ 光源ユニット
１１ 基体
１２ａ，１２ｂ，１２ｃ 半導体発光素子チップ
１３１，１３２ リード配線
１４ 封止材
１５１，１５２ 端子配線
２ 蛍光ユニット
２１ フレーム部材
２２ａ，２２ｂ，２２ｃ 透光性蛍光部材
２３ａ，２３ｂ，２３ｃ 孔
３ レンズユニット
３１ 凸レンズ

Claims (5)

1. 紫外光又は近紫外光を発光する複数の半導体発光素子チップが互いに近接して該半導体発光素子チップに通電するためのリード配線と共に封止材で封止されて１つの基体上に保持された光源ユニットと、
   紫外光又は近紫外光により励起されて可視光を発光する蛍光体を透光性材料に分散した又は透光性材料表面に塗布した上記半導体発光素子チップと同数の透光性蛍光部材が１つのフレーム部材に保持された蛍光ユニットとを備え、
   上記蛍光ユニットが上記半導体発光素子チップの発光方向前方に着脱可能に取り付けられた発光装置ユニットであって、
   上記透光性蛍光部材を上記半導体発光素子チップの各々に対して１つずつ対向するように配置し、上記透光性蛍光部材を各々透光性蛍光部材に対向する半導体発光素子チップから発光した紫外光又は近紫外光によって発光させて、発光方向前方で上記各々の透光性蛍光部材から発光した可視光が混合するように構成したことを特徴とする発光装置ユニット。
2. 上記半導体発光素子チップに通電するためのリード配線が、上記半導体発光素子チップ毎に電流及び／又は電圧を個別に設定可能に配線されていることを特徴とする請求項１記載の発光装置ユニット。
3. 上記透光性蛍光部材の発光方向前方に更にレンズを設けたことを特徴とする請求項１又は２記載の発光装置ユニット。
4. 上記透光性蛍光部材の発光方向前方に更に紫外線吸収体を設けたことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項記載の発光装置ユニット。
5. 上記レンズに紫外線吸収剤を分散したことを特徴とする請求項３記載の発光装置ユニット。
   

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