JP2008306013A

JP2008306013A - 照明装置

Info

Publication number: JP2008306013A
Application number: JP2007152319A
Authority: JP
Inventors: Kaoru Nakamura; 薫中村
Original assignee: Ushio Denki KK; Ushio Inc
Current assignee: Ushio Denki KK; Ushio Inc
Priority date: 2007-06-08
Filing date: 2007-06-08
Publication date: 2008-12-18

Abstract

【課題】半導体発光素子からの紫外線照射による劣化や熱的劣化が生ずることがなく、高輝度の白色光を安定的に放射することができると共に、寿命維持率等に対して高信頼性を有するものとして構成することのできる照明装置を提供すること。
【解決手段】上記課題は、紫外線及び青色可視光を放射する半導体発光素子を光源として具えた照明装置において、当該半導体発光素子からの紫外線及び青色可視光を波長変換する蛍光体材料を含む蛍光体層により構成された波長変換層が当該半導体発光素子と離間して設けられると共に、当該波長変換層の受光面側に、ＳｉＯ₂を主体とした酸化物からなる保護層が形成された構成とすることにより、達成することができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、例えば発光ダイオード素子（以下、「ＬＥＤ素子」と呼ぶ。）などの半導体発光素子を光源として備えた照明装置に関する。

現在、例えばＬＥＤ素子を光源として備えた照明装置が提案され始めており、このような照明装置のある種のものにおいては、図３に示すように、ＬＥＤ素子５０からの光を効率よく利用するために、蛍光体（図示せず）が混合されたエポキシ樹脂５１がＬＥＤ素子５０に直接接触した構造、すなわち、樹脂よりなる接着剤５２によって基板５５に接合されたＬＥＤ素子５０がエポキシ樹脂５１によって封止（モールド）された構造が採用されている。

一般に、樹脂製の接着剤は熱伝導性が悪いために、ＬＥＤ点灯時において温度上昇が増進されやすく、ＬＥＤ素子の発熱によって、これに接触するエポキシ樹脂５１および接着剤５２は５０〜３００℃の温度にまで上昇する。
特に、ＬＥＤ素子が複数個搭載された構成のものにおいては、温度上昇が著しいため、エポキシ樹脂および蛍光体の変質や改質、並びにクラックが発生しやすくなる結果、放射される白色光の強度が弱まるばかりか、放射される光の色自体も樹脂の黄変等に伴って変化する、という問題がある。

さらにまた、上記構成においては、エポキシ樹脂５１の熱膨張に伴って生ずる応力によってＬＥＤ素子５０の電極に接続されているワイヤー５３が切断され、これにより、電気接続が失われて不灯に至ることがある、という問題があった。

一方、ＬＥＤ素子を光源として備えた照明装置には、一層の高輝度化が要請されているが、樹脂材料の更なる温度上昇による熱的な劣化が生じて性能低下につながるため、樹脂材料の使用は高輝度化および高信頼性への障害となっている。

このような問題を解決するための一手段として、例えば蛍光体をＬＥＤ素子と空間を介して配置することが考えられ、例えば図４に示すように、例えばシリコーン系エラストマーよりなる被覆材６２に蛍光粒子６３が混成されてなる層６１をＬＥＤ素子６０と離間して配置した構造（特許文献１参照）や、例えば蛍光体に酸化リンや酸化ボロンなどの結着剤、エチルセルロースなどの増結剤等々を焼成した蛍光体層をＬＥＤ素子と離間して配置した構造（特許文献２参照）が提案されている。
また、特許文献３には、ＣＶＤ法で形成した例えばＳｉＯ₂などの無機材料により蛍光体粒子を被覆した蛍光体層と発光ダイオードとを有する発光装置が開示されている。
しかしながら、いずれの構造のものにおいても、被覆材を構成する材料が、熱伝導性が低く、耐熱性が低いものであるために、ＬＥＤ素子の発光に伴う熱的劣化等によって、所期の性能を安定的に得られるものとして構成することができない。

特開２００４−１１９７４３号公報特開２００４−１４０１８５号公報特開２００６−２６５３２６号公報

本発明は、以上のような事情に基づいてなされたものであって、半導体発光素子からの紫外線照射による劣化や熱的劣化が生ずることがなく、高輝度の白色光を安定的に放射することができると共に、寿命維持率等に対して高信頼性を有するものとして構成することのできる照明装置を提供することを目的とする。

本発明の照明装置は、紫外線及び青色可視光を放射する半導体発光素子を光源として具えてなり、当該半導体発光素子からの紫外線及び青色可視光を波長変換する蛍光体材料を含む蛍光体層により構成された波長変換層が当該半導体発光素子と離間して設けられていると共に、当該波長変換層の受光面側に、ＳｉＯ₂を主体とした酸化物からなる保護層が形成されていることを特徴とする。

本発明の照明装置は、紫外線及び青色可視光を放射する半導体発光素子を光源として具えてなり、当該半導体発光素子からの紫外線及び青色可視光を波長変換する蛍光体材料とＳｉＯ₂を主体とした酸化物との混合層により構成された波長変換層が当該半導体発光素子と離間して設けられていることを特徴とする。

本発明の照明装置においては、複数個の半導体発光素子が平板状の基板上に並んで配置されてなり、当該半導体発光素子と前記保護層または混合層との間に、可視光線を反射すると共に紫外線を透過する板状の光学部材が基板と平行に伸びるよう配設された構成とされていることが好ましい。

また、本発明の照明装置においては、半導体発光素子から放射される光を波長変換層に向かって反射する、金属からなる枠状の反射部材が半導体発光素子の周囲を囲むよう設けられた構成とされていることが好ましい。

ＳｉＯ₂を主体とした酸化物からなる保護層が波長変換層の受光面側に形成されてなる本発明の照明装置によれば、保護層を構成する材料それ自体が優れた熱伝導性および耐熱性を有するものであるので、波長変換層の、半導体発光素子からの紫外線照射による劣化および熱的劣化が生ずることが確実に防止されて所期の性能が安定的に発揮され、従って、高輝度の白色光を安定的に放射することができると共に、寿命維持率等に対して高信頼性を有するものとなる。

また、蛍光物質とＳｉＯ₂を主体とした酸化物との混合層からなる波長変換層を備えてなる本発明の照明装置によれば、ＳｉＯ₂を主体とした酸化物それ自体の特性により、蛍光物質が保護されると共に紫外線照射や熱によって劣化することが防止されるので、所期の性能が安定的に発揮され、従って、高輝度の白色光を安定的に放射することができると共に、寿命維持率等に対して高信頼性を有するものとなる。

また、半導体発光素子と、保護層または混合層との間に、可視光を反射すると共に紫外光を透過する光学部材が配置されていることにより、蛍光体材料によって波長変換されて得られた可視光が、当該光学部材によって反射されて外部に放射されるので、光の利用効率（光の取り出し効率）が高まり、更に高輝度の照明装置を提供することができる。

さらにまた、半導体発光素子の周囲に金属からなる反射部材が配置されていることにより、放射される光に一定の指向性を持たせることができると共に、反射部材を備えていない構成のものであれば、迷光等になって利用することのできない光を、本発明の照明装置によれば、有効に活用することができるので、発光効率を上げることができ、更に高輝度の照明装置を提供することができる。

以下、本発明について、図面を参照して説明する。
図１は、本発明の照明装置の一例における構成の概略を示す断面図である。
この照明装置（以下、「ＬＥＤランプ」という。）１０は、一端が開口する有底筒状のハウジング１１を備えてなり、このハウジング１１内において、電力が供給されることにより紫外線を放射する、例えばＬＥＤやレーザーダイオードなどの半導体発光素子１６の複数個が並んで実装された平板状の基板１５が、ハウジング１１の中心軸に直交して伸びるよう配設されると共に、半導体発光素子１６からの紫外線を可視光線に波長変換する波長変換層２０が形成された、集光用のキャップレンズ１８がハウジング１１の開口部を塞ぐよう設けられている。また、ハウジング１１の内部空間内には、例えばＮ₂ガスが封入されている。図１において、１２は電気回路基板，１３は口金である。

波長変換層２０は、例えば、異なる波長の光を励起する複数の蛍光体層、具体的には、半導体発光素子１６の光を赤色可視光に変換する赤色発光用の蛍光体層，半導体発光素子１６の光を緑色可視光に変換する緑色発光用の蛍光体層および半導体発光素子１６の光を青色可視光に変換する青色発光用の蛍光体層の３つの蛍光体層がキャップレンズ１８の底面上に例えばこの順で積層されて、構成されている。
また、波長変換層２０は、例えばＹＡＧなどを混合した混合型の蛍光体からなる層が更に積層された構成とされていても、当該混合型の蛍光体からなる単一の層あるいは用いられる半導体発光素子１６との関係において例えば白色光が得られるよう組み合わせられる各色発光用の単一の蛍光体層からなる構成とされていてもよい。
蛍光体材料としては、従来より好適に用いられているものを用いることができ、具体的には、例えば、赤色発光用の蛍光体材料としては、Ｙ₂Ｏ₃Ｓ：Ｅｕ、緑色発光用の蛍光体材料としては、ＺｎＳ：Ｃｕ，Ａｌ、青色発光用の蛍光体材料としては、（Ｓｒ，Ｃａ，Ｂａ，Ｍｇ）₁₀（ＰＯ₄）₆Ｃｌ₂：Ｅｕなどを例示することができる。

波長変換層２０を構成する蛍光体層は、所定の色を発光する蛍光体材料を酢酸ブチルなどの有機溶剤に溶かした溶液を、例えば半導体装置用の塗布機により、キャップレンズ１８の底面に所定の厚みで均一に塗布し、その後、焼成することにより得られる。
波長変換層２０の厚みは、所期の明るさおよび色が得られるよう調整することができ、具体的には、例えば１〜２０μｍであることが好ましい。

このＬＥＤランプ１０においては、ＳｉＯ₂を主体とした酸化物からなる保護層２５が半導体発光素子１６の発光面から空間を介して光放射方向前方に離間した位置、具体的には、波長変換層２０の受光面側の全面に形成されている。ここに、半導体発光素子１６の発光面と保護層２５との間の離間距離の大きさは、例えば４ｍｍ程度である。

保護層２５は、例えば一般式がＲ_nＳｉ（ＯＨ）_4-n〔Ｒは、ＣＨ₃、その他の低級アルキル基であり、ｎは１〜３の整数である。〕で表されるケイ素化合物を、例えばアルコール、エステル、ケトンなどの有機溶剤に溶解させ、さらに、適宜の添加剤（有機物）を添加して反応させることにより得られる、下記構造式（１）で示される、はしご状構造のＳｉと結合しているＯと、Ｓｉと結合しているメチル基ＣＨ₃との混合生成物である、液状のＳＯＧ（ＳｐｉｎＯｎＧｌａｓｓ）材料を、例えば半導体製造工程において使用される回転塗布機により、波長変換層２０上に所定の厚みで均一に塗布し、例えば３００〜５００℃の不活性ガスあるいはＨ₂／Ｎ₂ガス雰囲気において焼成することにより得られるものであることが好ましい。
このようにして得られる、ＳｉＯ₂（ケイ酸ガラス）が主成分の固形酸化物からなる保護層２５は、高温高湿に強く、信頼性に優れたものとなる。

保護層２５の厚みは、例えば１〜３０μｍであることが好ましく、これにより、半導体発光素子１６からの紫外線を十分に波長変換層２０に照射することができ、波長変換された白色光を効率よく外部に取り出すことができる。

このＬＥＤランプ１０においては、半導体発光素子１６と保護層２５との間の位置に、可視光線を反射し、かつ、紫外線を透過する光学部材である、板状のダイクロイックミラー２８が基板１５と平行に伸びるよう配置されている。このような構成であることにより、蛍光体材料の発光によって内方側に放射される可視光線をダイクロイックミラー２８により反射してキャップレンズ１８を介して外部に放射することができ、半導体発光素子１６からの光の取り出し効率の向上を図ることができる。

また、このＬＥＤランプ１０においては、金属例えばＡｌよりなり、光放射方向前方に向かってテーパ状に広がる反射面を有する枠状の反射部材３０が、複数個の半導体発光素子１６が中央に位置された状態で、半導体発光素子１６の周囲を囲むよう基板１５上に設けられている。
このような構成とされていることにより、反射部材を有さない構成であれば例えば迷光となって利用することのできない光も含めて、半導体発光素子１６から発せられる光を有効に利用することができ、半導体発光素子１６からの光の取り出し効率を一層の向上を図ることができる。

以下、上記ＬＥＤランプ１０の動作について説明する。
各半導体発光素子１６に電圧が印加されて半導体発光素子１６が発光することにより例えば紫外光が放射され、当該半導体発光素子１６から直接的にあるいは反射部材３０によって反射される光がダイクロイックミラー２８および保護層２５を透過して波長変換層２０に照射され、これにより、半導体発光素子１６からの光が励起されて所定波長の可視光に波長変換される。具体的には、例えば、主発光ピークが約３６５ｎｍにあるＬＥＤ素子を用いると共に、それぞれ、約６２５ｎｍ、約５３０ｎｍおよび約４５０ｎｍに主発光ピークを有するＹ₂Ｏ₃Ｓ：Ｅｕを含む蛍光体層、ＺｎＳ：Ｃｕ，Ａｌを含む蛍光体層および（Ｓｒ，Ｃａ，Ｂａ，Ｍｇ）₁₀（ＰＯ₄）₆Ｃｌ₂：Ｅｕを含む蛍光体層の３層構造の波長変換層２０を構成した場合には、ＬＥＤ素子からの光は各蛍光体層に順次到達し、それぞれの場所で赤、緑、青色波長を有する光に励起され、最終的に例えば白色光とされて、キャップレンズ１８を介して外部へ放射される。ここに、波長変換層２０によって波長変換された可視光のうち内方側に向かって反射される光は、ダイクロイックミラー２８によって外方に向かって反射されて、キャップレンズ１８を介して外部へ放射される。

而して、上記構成のＬＥＤランプ１０によれば、ＳｉＯ₂を主体とした酸化物からなる保護層２５が波長変換層２０の受光面側の全面に形成されていることにより、保護層２５を構成する材料それ自体が優れた熱伝導性および耐熱性を有するものであるので、波長変換層２０、特には蛍光体材料の、半導体発光素子１６からのＵＶ光照射による劣化および熱的劣化が生ずることが確実に防止されて所期の性能が安定的に発揮され、従って、高輝度の白色光を安定的に放射することができると共に、寿命維持率等に対して高信頼性を有するものとなる。
本実施例では、３個の半導体発光素子１６を具えてなるものについて示したが、１個の半導体発光素子を具えてなるものであっても有用となる。

以上、本発明の一実施形態について説明したが、本発明は上記の実施形態に限定されるものではなく、以下に説明する構成のものにおいても、上記実施形態に係るものと実質的に同一の効果が奏される。
図２は、本発明の照明装置の他の例における構成の概略を示す断面図である。
この照明装置（ＬＥＤランプ）４０は、半導体発光素子１６からの紫外線を可視光線に波長変換する所定の蛍光体材料がＳｉＯ₂を主体とする酸化物よりなる保護物質中に分散されてなる波長変換層４５が、半導体発光素子１６と空間を介して離間した位置に配置されている点に特長を有し、その他の基本的な構成は、図１に示す構成のものと同一であって、図１に示す構成部材と同一のものについては、便宜上、同一の符号が付してある。

このＬＥＤランプ４０における波長変換層４５は、所定の色を発光する蛍光体材料を上記液状のＳＯＧ材料中に分散させて混合し、これを例えば半導体装置用の塗布機により、キャップレンズ１８の底面に所定の厚みで均一に塗布し、その後、焼成することにより得られる。
波長変換層４５の厚みは、所期の明るさおよび色が得られる大きさであれば特に限定されるものではないが、例えば１０〜２５μｍであることが好ましい。これにより、半導体発光素子１６からの紫外線を十分に波長変換層４５、特に蛍光体材料に照射することができ、波長変換された白色光を効率よく外部に取り出すことができる。

上記構成のＬＥＤランプ４０によれば、蛍光体材料とＳｉＯ₂を主体とした酸化物との混合層からなる波長変換層４５を備えてなることにより、波長変換層４５を構成するＳｉＯ₂を主体とした酸化物それ自体の特性により、蛍光体材料が保護されると共に紫外線照射や熱によって劣化すること、具体的には、膜クラックの発生、変質、改質などが生ずることが確実に防止されるので、所期の性能が安定的に発揮され、従って、高輝度の白色光を安定的に放射することができると共に、寿命維持率等に対して高信頼性を有するものとなる。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上記の実施形態に限定されるものではなく、種々の変更を加えることができ、例えば、半導体発光素子の数は特に限定されるものではない。
また、半導体発光素子から放射される青色可視光を波長変換して例えば白色光として取り出す構成とされていてもよい。

本発明の照明装置の一例における構成の概略を示す断面図である。本発明の照明装置の他の例における構成の概略を示す断面図である。従来におけるＬＥＤ素子発光装置の一例における構成の概略を示す断面図である。従来におけるＬＥＤ素子発光装置の他の例における構成の概略を示す断面図である。

符号の説明

１０ＬＥＤランプ
１１ハウジング
１２電気回路基板
１３口金
１５基板
１６半導体発光素子
１８キャップレンズ
２０波長変換層
２５保護層
２８ダイクロイックミラー
３０反射部材
４０ＬＥＤランプ
４５波長変換層
５０ＬＥＤ素子
５１エポキシ樹脂
５２接着剤
５３ワイヤー
５５基板
６０ＬＥＤ素子
６１層
６２被覆材
６３蛍光粒子

Claims

紫外線及び青色可視光を放射する半導体発光素子を光源として具えてなり、当該半導体発光素子からの紫外線及び青色可視光を波長変換する蛍光体材料を含む蛍光体層により構成された波長変換層が当該半導体発光素子と離間して設けられていると共に、当該波長変換層の受光面側に、ＳｉＯ₂を主体とした酸化物からなる保護層が形成されていることを特徴とする照明装置。
紫外線及び青色可視光を放射する半導体発光素子を光源として具えてなり、当該半導体発光素子からの紫外線及び青色可視光を波長変換する蛍光体材料とＳｉＯ₂を主体とした酸化物との混合層により構成された波長変換層が当該半導体発光素子と離間して設けられていることを特徴とする照明装置。
複数個の半導体発光素子が平板状の基板上に並んで配置されてなり、当該半導体発光素子と前記保護層との間に、可視光線を反射すると共に紫外線を透過する板状の光学部材が基板と平行に伸びるよう配設されていることを特徴とする請求項１に記載の照明装置。
複数個の半導体発光素子が平板状の基板上に並んで配置されてなり、当該半導体発光素子と前記混合層との間に、可視光線を反射すると共に紫外線を透過する板状の光学部材が基板と平行に伸びるよう配設されていることを特徴とする請求項２に記載の照明装置。
半導体発光素子から放射される光を波長変換層に向かって反射する、金属からなる枠状の反射部材が半導体発光素子の周囲を囲むよう設けられていることを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれかに記載の照明装置。