JP2009021418A - 発光装置 - Google Patents

Abstract

【課題】投影パターンにおける色むらが低減された発光装置を提供する。
【解決手段】凹部を有する支持体と、半導体からなる発光層を含み、前記凹部の内部に配置され、第１の波長光を放射する発光素子と、前記第１の波長光を吸収し、励起され、波長変換された第２の波長光を放射する蛍光体と、前記発光素子を覆うように前記凹部を充填し、前記蛍光体が分散配置された封止樹脂層と、中心が前記発光素子の略光軸上に位置し前記光軸に対して略平行な方向からみた平面寸法が前記発光素子よりも大きいアレイレンズを有し、前記支持体の上方に配置された光学部材と、前記光学部材の上方に配置され、中心軸が前記光軸と略一致したドーム状レンズと、を備えたことを特徴とする発光装置が提供される。
【選択図】図１

Description

本発明は、発光装置に関する。

窒化物系半導体発光素子からの放射光と、この放射光を吸収し励起された蛍光体からの波長変換光と、により混合色を得ることができる。例えば、窒化物系半導体発光素子からの青色光と、黄色蛍光体からの黄色光と、が混合されて白色光が得られる。
傾斜したリフレクタを有する凹部の内部に発光素子を配置し、発光素子を覆うように蛍光体を分散配置すると、 発光素子からの放射光及び蛍光体からの波長変換光を制御し高輝度を得ることができる。一般には、発光素子からの放射光と波長変換光との放射パターンが異なるので、発光素子の光軸に対して広い角度範囲にわたり色むらを抑制することが必要となる。
照射面における色むらを低減する発光装置の技術開示例がある（特許文献１）。この開示例においては、波長変換部材の光取り出し面側に、出射制御部材である光学部材を設け、外側周縁部からの光を抑制し、色むらが低減される。
特開２００５−１６６７３４号公報

投影パターンにおける色むらが低減された発光装置を提供する。

本発明の一態様によれば、凹部を有する支持体と、半導体からなる発光層を含み、前記凹部の内部に配置され、第１の波長光を放射する発光素子と、前記第１の波長光を吸収し、励起され、波長変換された第２の波長光を放射する蛍光体と、前記発光素子を覆うように前記凹部を充填し、前記蛍光体が分散配置された封止樹脂層と、中心が前記発光素子の略光軸上に位置し前記光軸に対して略平行な方向からみた平面寸法が前記発光素子よりも大きいアレイレンズを有し、前記支持体の上方に配置された光学部材と、前記光学部材の上方に配置され、中心軸が前記光軸と略一致したドーム状レンズと、を備えたことを特徴とする発光装置が提供される。

投影パターンにおける色むらが低減された発光装置が提供される。

以下、図面を参照しつつ本発明の実施の形態について説明する。
図１は、本発明の実施形態にかかる発光装置を表し、図１（ａ）は模式断面図、図１（ｂ）は模式平面図、図１（ｃ）及び図１（ｄ）はアレイレンズの模式底面図である。絶縁体１０に設けられた凹部２０の底面には、絶縁体などからなる支持体１０の外部まで延在した第１及び第２の端子１２、１４が露出している。

図１（ａ）は、図１（ｂ）のＢ−Ｂ線に沿った断面であり、第１の端子１２の上面に、発光素子１６がマウントされ、発光素子１６の一方の電極は第２の端子１４とボンディングワイヤ１８で接続される。第１及び第２の端子１２、１４は、例えば金属のリードやメタライズなどによる導電部からなる。凹部２０の側壁は傾斜しており、反射率の高いリフレクタ２１として作用する。このリフレクタ２１は、凹部２０の側壁に設けられたＡｇ（銀）やＡｌ（アルミニウム）のような高い反射率の金属膜や反射性フィラーが混合された樹脂などからなる。

凹部２０には蛍光体が混合された透明樹脂層２２が、少なくとも発光素子１６を覆うように充填される。支持体１０の上方及び凹部２０を充填する透明樹脂層２２の上方にはアレイレンズ３０ａを有する光学部材３０が設けられ、さらにその上方にはドーム状レンズ４０が設けられる。凹部２０の底面の中心近傍に位置する発光素子１６の発光中心１７を通り発光面に略垂直な軸をＡ−Ａ線で表し、発光素子１６の光軸５０と呼ぶ。図１（ｃ）に表すアレイレンズ３０ａの中心３１は光軸５０上に略位置し、ドーム状レンズ４０の中心軸は光軸５０と略一致する。ドーム状レンズ４０は、光学部材３０を挟んで、例えば支持体１０の側面にかしめて固定される。

なお、支持体１０は、例えば熱可塑性樹脂やセラミックなどの絶縁体材料とすることができる。また、支持体１０は光の反射率が高い金属材料を含んでいてもよい。封止樹脂層となる透明樹脂層２２の材質は、エポキシ樹脂、アクリル樹脂、シリコーン樹脂などである。アレイレンズ３０の材質はポリカーボネート、アクリル樹脂などであり、ドーム状レンズ４０の材質はエポキシ樹脂やアクリル樹脂であり、それぞれトランスファーモールド法などを用いて形成される。

発光素子１６は、半導体からなる発光層を有する。発光素子１６としては、例えば窒化物系半導体発光素子を用いると４４０〜４９０ｎｍの波長範囲の青色光や、これより短い波長の紫外光を得ることができる。本実施形態では、蛍光体としてＥｕ賦活アルカリ土類金属珪酸塩からなる黄色蛍光体を用いた場合について説明を行うが、本発明はこれに限定されるものではない。

黄色蛍光体は、発光素子１６の青色光を吸収し、励起されて、波長変換された約５６０ｎｍの黄色光を放射する。青色光と黄色光とが混合されて、照射面において混合光を得ることができる。混合色の色温度を、例えば３５００〜１５０００Ｋの範囲で制御することができる。

なお、本明細書において、「窒化物系半導体」とは、（Ａｌ_ｘＢ_１−ｘ）_ｙＧａ_ｚＩｎ_{１−ｙ−ｚ}Ｎ（０≦ｘ≦１、０＜ｙ＜１、０＜ｚ＜１、ｙ＋ｚ≦１）からなる半導体をいい、さらにＶ族元素としてＡｓやＰなどを含むものや、ｐ型あるいはｎ型の不純物を含むものも「窒化物系半導体」に包含されるものとする。

図１（ｃ）は、図１（ａ）アレイレンズ３０ａを下方から見たものであり、一辺がＪの正方形の中に小レンズ３０ｂが９つアレイ状に配列されている。また、図１（ｄ）のように、アレイレンズ３０ａを円状とすると発光素子１６からの放射光が略円形断面状に広がって放射され、ドーム状レンズ４０へ効率よく入射させることができる。

光軸５０に対して略平行な方向からみたアレイレンズ３０ａの平面寸法Ｆは、発光素子１６の平面寸法Ｅよりも大きく、発光素子１６からの放射光をそれぞれの小レンズ３０ｂにより集光方向を分散する。発光素子１６の平面寸法Ｅとは、チップの縦及び横の寸法である。また、アレイレンズ３０ａの平面寸法Ｆとは、その平面形状が矩形であれば平面図における縦及び横の寸法であり、円形であれば直径である（図１（ｄ））。なお、図１（ｃ）のアレイレンズ３０ａは正方形であり、縦及び横の平面寸法は共にＦとする。また、例えば、発光素子１６が矩形の場合、アレイレンズ３０ａは、発光素子１６の縦及び横のうち長い方の寸法よりも大きくする。発光素子１６の放射光強度は光軸５０の近傍で大きいので、アレイレンズ３０ａをドーム状レンズ４０の下方の全体に配置しなくとも集光方向を分散することができる。さらに、小レンズ３０ｂが配置される正方形の一辺Ｊを発光素子１６の平面寸法Ｅよりも小さくすると、集光方向の分散が容易となる。このように光学部材３０の中央部分をアレイレンズ３０ａとし、その周囲を非レンズ領域とすると、光学部材３０の機械的強度が改善され、発光装置の組立工程が容易となる。
またさらに、光軸５０に対して略平行な方向にみたアレイレンズ３０の平面寸法は、光軸５０に対して略平行な方向にみたドーム状レンズ４０の平面寸法よりも小さい。このようにすれば、発光素子１６から放出されアレイレンズ３０を介した光を、ドーム状レンズ４０において確実に集光させることができる。

図２はアレイレンズ３０ａ及びドーム状レンズ４０の作用を説明する図であり、図２（ａ）は発光装置の模式断面図、図２（ｂ）はＤ部近傍の拡大図である。アレイレンズ３０ａがない比較例では、発光素子１６からの青色光及びリフレクタ２１などからの青色光の反射光はドーム状レンズ４０により光軸５０の中心近傍に集中して集光されている。

図２（ｂ）のＤ部拡大図において、蛍光体２４が分散された透明樹脂層２２に入射した青色光の一部分は、蛍光体２４に吸収され、励起された黄色の波長変換光２５（黒矢印）を放射させる。発光素子１６からの青色光１９（ブロック矢印）は波長変換光２５（黒矢印）よりも光軸５０の周りに強く集光されやすい。このため放射パターンが青色光１９と波長変換光２５とで異なる。

本実施形態において、光学部材３０が有するアレイレンズ３０ａにより発光素子１６からの放射光及びリフレクタ２１による反射光の集光方向を図２（ａ）のように分散させる。すなわち、光軸５０に対して放射角度θが大きく外方に向かう青色光７０は、小レンズ３０ｂにより破線で表す集光方向７１に放射され、小レンズ３０ｂが無い場合よりも放射角度θが大きい方向により強く放射され、光軸５０近傍への光の集中を緩和する。また、光軸５０に対して放射角度θが大きく外方に向かうリフレクタ２１からの青色光の反射光７２は、小レンズ３０ｂにより破線で表す集光方向７３に放射され、小レンズ３０ｂが無い場合よりも放射角度θが大きい方向により強く放射され、光軸５０近傍への光の集中を緩和する。屈折率は、例えばアレイレンズ３０ａで１．５８、ドーム状レンズ４０で１．５１、透明樹脂層２２で１．４である。アレイレンズ３０ａと透明樹脂層２２との屈折率差は０．１８と小さく、アレイレンズ３０ａと透明樹脂層２２との間に空隙が無く充填されるとレンズ効果が小さくなる。このために、アレイレンズ３０ａと透明樹脂層２２の表面との間の空隙３３を空気層とする方がより好ましい。

図３は色温度の放射角度θ依存性を表すグラフ図であり、実線はアレイレンズ３０ａを備えた本実施形態、ドット線はアレイレンズ３０ａを備えていない比較例をそれぞれ表す。横軸に表す放射角度θ（°）は図１（ａ）において、光軸５０と放射光とのなす角度である。ここで本実施形態のパラメータを例示する。発光素子１６は、例えば１ｍｍ×１ｍｍの正方形である。光学部材３０の全体は２ｍｍ×２ｍｍの正方形であり、その中央部は０．５ｍｍ×０．５ｍｍの正方形、レンズ曲率が０．２（曲率半径が５ｍｍ）、厚みが０．１ｍｍの小レンズ３０ｂが３×３＝９つ配置されたアレイレンズ３０ａである。また、ドーム状レンズ４０は、レンズ直径が２．５ｍｍφ、レンズ曲率が２．５（曲率半径が０．４ｍｍ）、レンズ厚さが２．７５ｍｍである。

まず、アレイレンズ３０ａが無い比較例の色温度は、放射角度θがマイナス９０度〜９０度の範囲において約４０００〜１４０００Ｋであり、変化幅Δ２は約１００００Ｋと大きい。色温度が１００００Ｋよりも大きいと、青みを帯びた色調の白色となる。また、放射角度θがマイナス９０度または９０度に近づくと色温度が急激に低下する。例えば放射角度θがマイナス８５〜マイナス９０度において色温度は４０００Ｋ近くまで低下し、黄みを帯びた色調の白色に近づく。すなわち、比較例においては、光軸５０の近傍において青みを帯びた色調の白色、マイナス９０度近傍で黄みを帯びた色調の白色となり、投影パターンにおける色むらを生じる。

これに対して、本実施形態の色温度は、放射角度θがマイナス９０度〜９０度の範囲において約５４００〜８９００Ｋであり、変化幅Δ１は約３５００Ｋである。すなわち、光軸５０の近傍における青色光の集中を緩和し、青色光と波長変換光との放射パターンを近づけている。このため、光軸５０の近傍において白色光の青みを抑制できる。また放射角度θが９０度またはマイナス９度の近傍において、色温度は約５４００Ｋ以上であり、黄みが抑制できている。このようにして、投影パターンの色むらを改善できる。

他方、レンズに光拡散材を分散し投影パターンの色むらを改善することができる。しかしながら、この構造ではレンズからの光取り出し効率が低下し、本実施形態のような明るさを得ることが困難である。

レンズのパラメータは上記の例に限定されない。例えば、ドーム状レンズ４０の曲率は放射距離などに応じて適正に選択することができる。また、アレイレンズ３０ａを構成する小レンズ３０ｂの曲率は、色むらを低減したい放射角度範囲などに応じて適正に選択できる。

図４はアレイレンズ３０ａの変形例を表す模式図である。 アレイレンズ３０ａをドーム状レンズ４０の下方全面に配置してもよい。 図４（ａ）はドーム状レンズ４０の発光素子１６側の面の略全領域がアレイレンズ３０ａである模式断面図、図４（ｂ）はアレイレンズの模式底面図である。この場合にも正方形の領域内に小レンズ３０ｂが設けられ、複数の小レンズ３０ｂによりアレイレンズ３０ａが構成されている。このようにすると発光素子１６の発光面積が広い場合には効率よく光を取り出すことが容易となる。

また、図４（ｃ）は角部に小レンズ３０ｂを設けないアレイレンズ３０ａである。この場合、小レンズ３０ｂを分断することがないので放射パターン及び投影パターンをなめらかに変化させることができる。

また、小レンズ３０ｂの断面は凸な曲線でなくともよい。図４（ｄ）は略三角形断面を有する小レンズ３０ｂであり、このようにしても集光方向を分散することができる。図４（ｅ）及び図４（ｆ）は模式底面図であるが、立体的には円錐状または角錐状とすることにより集光が容易にできる。

さらに、ドーム状レンズ４０は、蛍光体２４が分散された透明樹脂であってもよい。この場合、蛍光体２４による吸収によりドーム状レンズ４０から取り出される発光素子１６の放射光を光軸５０近傍で低下させ、蛍光体２４による波長変換光をドーム状レンズ４０内で広げ、投影パターンにおける色むら改善をより容易にする。

蛍光体としてＹＡＧ（Yttrium Aluminum Garnet)を材料とした赤色蛍光体、緑色蛍光体などであってもよい。この場合、３つ以上の波長光を混合させ、演色性の改善が容易となる。

以上、図面を参照しつつ本発明の実施の形態について説明した。しかしながら本発明は、発光装置を構成する発光素子、蛍光体、アレイレンズ、ドーム状レンズ、透明樹脂層、凹部、光軸、リフレクタの形状、サイズ、材質、配置などに関して当業者が設計変更を行ったものであっても、本発明の主旨を逸脱しない限り本発明の範囲に包含される。

実施形態にかかる発光装置の模式図 レンズの作用を説明する図 色温度の放射角度依存性を表す図 アレイレンズの変形例を表す模式図

符号の説明

１０ 支持体、１６ 発光素子、１７ 発光中心、２０ 凹部、２１ リフレクタ、２２ 透明樹脂層、２４ 蛍光体、３０ 光学部材、３０ａ アレイレンズ、３０ｂ 小レンズ、３１ アレイレンズ中心、３３ 空隙、４０ ドーム状レンズ、５０ 光軸

Claims (5)

1. 凹部を有する支持体と、
   半導体からなる発光層を含み、前記凹部の内部に配置され、第１の波長光を放射する発光素子と、
   前記第１の波長光を吸収し、励起され、波長変換された第２の波長光を放射する蛍光体と、
   前記発光素子を覆うように前記凹部を充填し、前記蛍光体が分散配置された封止樹脂層と、
   中心が前記発光素子の略光軸上に位置し前記光軸に対して略平行な方向からみた平面寸法が前記発光素子よりも大きいアレイレンズを有し、前記支持体の上方に配置された光学部材と、
   前記光学部材の上方に配置され、中心軸が前記光軸と略一致したドーム状レンズと、
   を備えたことを特徴とする発光装置。
2. 前記光軸に対して略平行な方向からみた前記アレイレンズの平面寸法は、前記光軸に対して略平行な方向からみた前記ドーム状レンズの平面寸法よりも小さいことを特徴とする請求項１記載の発光装置。
3. 前記アレイレンズを構成する小レンズ及び前記ドーム状レンズは、凸レンズ部をそれぞれ含むことを特徴とする請求項１または２に記載の発光装置。
4. 前記アレイレンズと前記封止樹脂層との空隙は、空気層であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１つに記載の発光装置。
5. 前記ドーム状レンズは、前記蛍光体が分散配置された樹脂層を含むことを特徴とする請求項１〜４のいずれか１つに記載の発光装置。

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