JP2009065137A

JP2009065137A - 発光装置

Info

Publication number: JP2009065137A
Application number: JP2008203746A
Authority: JP
Inventors: Yumiko Hayashida; 裕美子林田; Kiyoko Kawashima; 淨子川島; Akiko Takahashi; 晶子高橋; Masami Iwamoto; 正己岩本
Original assignee: Toshiba Lighting and Technology Corp
Current assignee: Toshiba Lighting and Technology Corp
Priority date: 2007-08-09
Filing date: 2008-08-07
Publication date: 2009-03-26

Abstract

【課題】赤色蛍光体を使う場合に比べて発光効率を向上させつつ、平均演色評価数Ｒａを向上させることが可能な発光装置を提供する。
【解決手段】本発明の発光装置は、発光素子として、青色ＬＥＤチップ２と主波長の異なる２種以上の赤色ＬＥＤチップ３ａ，３ｂを有する。赤色ＬＥＤチップ３ａ，３ｂからの赤色光を混合した光の半値幅が４０〜８０ｎｍとなっている。またこれらのＬＥＤチップ２，３ａ，３ｂは、波長４９０〜５１０ｎｍと５３０〜５８０ｎｍにそれぞれ発光ピークを有する蛍光体（緑色蛍光体）を透明樹脂に混合・分散させた蛍光体含有樹脂層１０により覆われている。蛍光体含有樹脂層１０から出射される光における波長５５０ｎｍの発光強度に対する波長５００ｎｍの発光強度の割合が０．４以上である。
【選択図】図１

Description

本発明は、発光ダイオードランプなどの発光装置に関する。

発光ダイオード（ＬＥＤ：Light Emitting Diode）を用いたＬＥＤランプは、液晶ディスプレイ、携帯電話、情報端末などのバックライト、屋内外広告など、多方面への展開が飛躍的に進んでいる。さらに、ＬＥＤランプは、長寿命で信頼性が高く、また低消費電力、耐衝撃性、高純度表示色、軽薄短小化の実現などの特徴を有することから、産業用途のみならず一般照明用途への適用も試みられている。このようなＬＥＤランプを種々の用途に適用する場合、白色発光を得ることが重要となる。

ＬＥＤランプで白色発光を実現する代表的な方式としては、（１）青、緑および赤の各色に発光する３つのＬＥＤチップを使用する方式、（２）青色発光のＬＥＤチップと黄色発光の蛍光体とを組合せる方式、（３）紫外線発光のＬＥＤチップと青色、緑色および赤色発光の三色混合蛍光体とを組合せる方式、の３つが挙げられる。これらのうち、一般には（２）の方式が広く実用化されている（例えば、特許文献１参照）。

このようなＬＥＤランプの構造としては、表面実装型（ＳＭＤ）や砲弾型のようなカップ形状の中にＬＥＤチップを配置し、所望の色を発する蛍光体を混合した透明樹脂を流し込み、これを固化させて蛍光体を含有する蛍光体層を形成した構造が一般的である。

ところで、一般照明用の発光装置に求められている特性として、高い発光効率に加え、演色性と呼ばれる色の見え方が重視されている。演色性は、太陽光や白熱灯に近い白色光を基準光として、その基準光の色彩を忠実に再現しているかを評価したものである。演色性を評価するための指標として、ＪＩＳＺ８７２６で定められた演色評価数がある。演色評価数は、ＪＩＳに定められている試験色を試料光源と基準光とでそれぞれ照明したときの色ずれの大きさを、基準光で見たときを１００とし、色ずれが大きくなるにしたがって数値が小さくなるように数値化したものである。演色評価数には、平均演色評価数Ｒａと特殊演色評価数Ｒｉがあり、平均演色評価数Ｒａは、試験Ｎｏ．１〜８の演色評価数（Ｒ1〜Ｒ8）の平均値として表される。原則として１００に近いほど演色性がよく、一般照明用としては、平均演色評価数Ｒａが８３以上であることが好ましいとされている。

現在主流となっている白色ＬＥＤは上記（２）の方式であるが、この方式では、赤み成分が不足し演色性が十分ではない。平均演色評価数Ｒａを向上させるために、黄色発光の蛍光体に加えて、窒化物系や硫化物系などの赤色発光の蛍光体を配合することが行われている。

しかしながら、赤色蛍光体が窒化物系などの場合には、青色ＬＥＤチップからの青色発光（波長４６０ｎｍ）だけでなく、黄色系蛍光体から発光される緑色ないし黄色の光も吸収して励起に使用するため、赤色蛍光体を使用するとＬＥＤランプの発光効率が約半減と大幅に下がるという問題を抱えている。

ＬＥＤランプの発光効率を低下させずに、赤み成分を補って演色性を向上させる対策として、赤色蛍光体ではなく赤色ＬＥＤチップを用いる策が考えられる（例えば、特許文献２参照）。
特開２００１−１４８５１６公報特開２００２−５７３７６公報

しかし、赤色ＬＥＤチップからの発光スペクトルは、赤色蛍光体からの発光スペクトルに比べて半値幅が３０ｎｍ程度と狭いので、赤みは増すものの十分に演色性を高めることができなかった。

本発明はこのような問題を解決するためになされたもので、赤色蛍光体を使う場合に比べて発光効率を向上させつつ、平均演色評価数を向上させることが可能な発光装置を提供することを目的としている。

請求項１記載の発光装置は、青色光を放射する青色発光素子と；主波長の異なる赤色光を放射する２種以上の赤色発光素子から成り、各赤色発光素子から放射される赤色光を混合した光の半値幅が４０〜８０ｎｍである赤色発光素子体と；前記青色発光素子から放射される青色光により励起されて可視光を発する蛍光体を含有する蛍光体層と；を具備することを特徴としている。

請求項２記載の発光装置は、請求項１記載の発光装置において、前記蛍光体が、波長４９０〜５１０ｎｍと波長５３０〜５８０ｎｍにそれぞれ発光ピークを有し、かつ波長５３０〜５８０ｎｍの発光ピークの強度に対する波長４９０〜５１０ｎｍの発光ピークの強度の割合が０．４以上である可視光を発することを特徴としている。

請求項３記載の発光装置は、請求項１記載の発光装置において、前記蛍光体が、少なくとも波長４９０〜５１０ｎｍに発光ピークを有するとともに、前記青色光との混色により、波長４７０〜４９０ｎｍに発光強度の谷部を有し、かつ前記青色光のピーク波長の発光強度に対する前記谷部の波長の発光強度の割合が０．７〜０．９である可視光を発することを特徴としている。

請求項４記載の発光装置は、請求項１乃至３のいずれか１項記載の発光装置において、前記蛍光体層がシート状であることを特徴としている。

請求項５記載の発光装置は、請求項１乃至４のいずれか１項記載の発光装置において、前記青色発光素子と前記２種以上の赤色発光素子に供給する電流を調整し、これらの発光素子からの発光の出力をそれぞれ調整することにより演色性を制御する手段を備えることを特徴としている。

本発明における用語の定義および技術的意味は、特に指定しない限り以下の通りである。

青色光を放射する青色発光素子は、青色光を放射し、放射した青色光により蛍光体を励起して可視光を発光させるものである。本発明に用いられる青色発光素子としては、例えば、青色発光タイプのＬＥＤチップなどが挙げられるが、これに限定されるものではない。本発明において、青色発光素子から放射される青色光の主波長（ピーク波長）は特に限定されないが、例えば４２０〜４８０ｎｍである。

赤色光を放射する赤色発光素子は、赤色光を放射するものであり、例えば赤色発光タイプのＬＥＤチップなどが挙げられるが、これに限定されるものではない。本発明においては、主波長の異なる２種以上の赤色発光素子が用いられる。それぞれの赤色発光素子から放射される赤色光の主波長（ピーク波長）は特に限定されないが、例えば６００〜７００ｎｍである。そして、これらの赤色発光素子から放射される赤色光を混合し合成した光の半値幅は、４０〜８０ｎｍとする。なお、半値幅は、発光ピークにおける強度（ピーク強度）の１／２の強度におけるスペクトルの広がり幅（波長）をいう。本発明において、赤色発光素子から放射される赤色光を混合した光の発光ピークが完全に１つの山にならない場合には、２つの山の間に発光ピークを想定し、この発光ピークに対して半値幅を求める。２種以上の赤色発光素子の主波長の差が１０〜４０ｎｍの範囲にある場合に、これらの赤色発光素子からの赤色光を混合した光の半値幅が、４０〜８０ｎｍの範囲に調整される。

蛍光体は、青色発光素子から放射される青色光により励起されて可視光を発し、この可視光と、青色発光素子から放射される青色光と、赤色発光素子から放射される赤色光との混色によって、発光装置として所望の発光色を得るものである。

本発明において、蛍光体としては、波長４９０〜５１０ｎｍの範囲と波長５３０〜５８０ｎｍの範囲にそれぞれ発光ピークを有する計１種類の蛍光体を使用することができる。また、各波長範囲にそれぞれ１つの発光ピークを有する２種類の蛍光体を混合して使用してもよい。すなわち、主波長が４９０〜５１０ｎｍの緑色蛍光体と、主波長が５３０〜５８０ｎｍの黄色蛍光体との計２種類の蛍光体を混合した蛍光体を使用することができる。

これら１種類または２種類の蛍光体の透明樹脂に対する配合割合は、発光装置からの発光の平均演色評価数Ｒａが高く、かつ高い発光効率が得られるように調整される。

本発明では、蛍光体層から出射される光において、波長４９０〜５１０ｎｍの発光ピーク（第１の発光ピーク）の強度の波長５３０〜５８０ｎｍの発光ピーク（第２の発光ピーク）の強度に対する割合が、０．４以上になるように構成することが好ましい。これにより、太陽光、白熱灯の発光スペクトルに近づけることができるので、平均演色評価数Ｒａを向上させることができる。

また、蛍光体として、少なくとも波長４９０〜５１０ｎｍの範囲に発光ピークを有する蛍光体を使用し、青色発光素子から放射された青色光との混色により、波長４７０ｎｍ〜４９０ｎｍに発光強度の谷部を有し、この谷部の発光強度の波長４９０ｎｍ〜５１０ｎｍの発光ピークの強度に対する割合が０．７〜０．９５になるようなスペクトルの光が発せられるように構成することができる。さらに、この蛍光体を、波長４９０〜５１０ｎｍの範囲の発光ピーク（第１の発光ピーク）とともに波長５３０〜５８０ｎｍの範囲にも発光ピーク（第２の発光ピーク）を有し、かつ第１の発光ピークの強度の第２の発光ピークの強度に対する割合が０．４以上になるものとすることができる。

蛍光体を含む蛍光体層は、前記１種類または２種類の蛍光体を、シリコーン樹脂やエポキシ樹脂のような透明樹脂に加えて混合・分散させた層として形成される。発光素子の外側を覆うように形成することができるが、発光素子を直接覆うようにして透明樹脂層を形成し、その上に前記した１種類または２種類の蛍光体を含む層を設けることも可能である。さらに、前記蛍光体含有樹脂をシート状に成形し加熱硬化させた蛍光体シートを、発光素子を直接覆うように形成された透明樹脂層の上に配置することもできる。

制御手段は、青色発光素子と２種以上の赤色発光素子のそれぞれに供給する電流を調整し、これらの発光素子からの発光の出力をそれぞれ調整することにより、装置全体の演色性を色温度ごとに調整するものである。

請求項１記載の発明によれば、主波長の異なる２種以上の赤色発光素子を用いて赤色領域の発光を得ており、これらの赤色発光素子は赤色蛍光体のように励起のために黄色光を吸収することがないので、発光効率を向上させることができる。また、これらの赤色発光素子から放射される赤色光を混合した光の半値幅が４０〜８０ｎｍとなっているので、演色性の高い発光を得ることができる。

請求項２記載の発明によれば、蛍光体層から出射される光における波長５３０〜５８０ｎｍの発光ピークの強度に対する波長４９０〜５１０ｎｍの発光ピークの強度の割合が０．４以上となっているので、波長５００ｎｍ付近の発光強度の低下が緩和されており、さらに平均演色評価数Ｒａを向上させることができる。この値が０．４未満の場合には、高い色温度において平均演色評価数Ｒａの低下が大きく、平均演色評価数Ｒａが７０付近になると物体の色再現性が劣るようになり、好ましくない。

請求項３記載の発明によれば、青色発光素子から放射された青色光と、赤色発光素子から放射された赤色光、および青色発光素子から放射された青色光により励起されて蛍光体から発せられた少なくとも波長４９０〜５１０ｎｍに発光ピークを有する可視光（緑色光）とにより、平均演色評価数Ｒａを向上させることができる。そして、これらの光の混色により発せられる光が、波長４７０ｎｍ〜４９０ｎｍの範囲に発光強度の谷部を有し、この谷部における発光強度の前記青色光のピーク波長の発光強度に対する割合が０．７〜０．９となるスペクトルを有しているので、平均演色評価数Ｒａの低下を抑制しつつ、エネルギー効率の向上を図ることができる。

請求項４記載の発光装置によれば、蛍光体層をシート状にすることで、蛍光体層を所定の位置に配置する作業を容易にかつ確実に行うことができ、作業性の向上を図ることができる。また、蛍光体を含む樹脂をシート状に成形することによって、製造歩留まりを低下させることなく粒径の大きな蛍光体粒子を使用することができ、発光効率を向上させることが可能となる。

請求項５記載の発光装置によれば、制御手段により、平均演色評価数Ｒａを低下させることなく、色温度を変えることができる。また、青色発光素子からの出力は変えず、２種以上の赤色発光素子のそれぞれからの出力を調整してこれらの出力の比を変えることにより、平均演色評価数Ｒａおよび特殊演色評価数Ｒ9をより高めることができる。

したがって、本発明によれば、従来に比べて発光効率を向上させつつ、演色性を向上させることが可能な発光装置を提供することができる。

以下、本発明を実施するための形態について、図面を参照して説明する。図１は、本発明の発光装置をＬＥＤランプ１に適用した第１の実施形態の構成を示す平面図、図２は図１のＡ−Ａ´線断面図、図３は、図１に示すＬＥＤランプ１の複数個を、例えば一平面上に３行３列のマトリックス状に配置したＬＥＤモジュール２１の一例を示す平面図、図４は図３のＢ−Ｂ´線断面図である。

これらの図に示すＬＥＤランプ１は、発光素子として、青色ＬＥＤチップ２と、主波長の異なる２種の赤色ＬＥＤチップ（第１の赤色ＬＥＤチップ３ａおよび第２の赤色ＬＥＤチップ３ｂ）とを有している。ここで、主波長が小さい方の赤色ＬＥＤチップを、第１の赤色ＬＥＤチップ３ａとする。２種の赤色ＬＥＤチップ３ａ，３ｂの主波長の差は１０〜４０ｎｍの範囲にあり、これらの赤色ＬＥＤチップ３ａ，３ｂからの赤色光を混合した光（赤色光）の半値幅は、４０〜８０ｎｍの範囲にある。

２種の赤色ＬＥＤチップ３ａ，３ｂからの赤色光を混合した光の半値幅が４０ｎｍ未満の場合には、ＬＥＤランプ１の発光が十分に高い演色性（平均演色評価数Ｒａ）を有することができず、好ましくない。半値幅が８０ｎｍを超える場合には、２種の赤色ＬＥＤチップ３ａ，３ｂから放射された赤色光のピークが統合されず、混合光の発光スペクトルが完全に分離した２山のピークとなり、演色性の向上効果が小さい。

青色ＬＥＤチップ２と２種の赤色ＬＥＤチップ３ａ，３ｂは、回路パターン４を有する基板５上に搭載されている。基板５としては、放熱性と剛性を有するアルミニウム（Ａｌ）やニッケル（Ｎｉ）、ガラスエポキシ樹脂などから成る平板が用いられ、この基板５上に、青色ＬＥＤチップ接続用、第１の赤色ＬＥＤチップ接続用および第２の赤色ＬＥＤチップ接続用の回路パターン４が、それぞれ形成されている。回路パターン４は、ＣｕとＮｉの合金やＡｕなどの導電性物質から構成されており、基板５が絶縁性を呈する場合は基板５上に直接形成され、基板５が電気導電性を呈する場合は、電気絶縁層（図示を省略。）を介して形成されている。

青色ＬＥＤチップ２および２種の赤色ＬＥＤチップ３ａ，３ｂは、それぞれ接着層６を介して基板５上に接着され、各々の上面電極が前記した回路パターン４に、金線などのボンディングワイヤ７を介して電気的に接続されている。青色ＬＥＤチップ２の電極接続構造としては、フリップチップ接続構造を適用することもできる。フリップチップ接続構造によれば、青色ＬＥＤチップ２の前面への光取出し効率が向上する。２種の赤色ＬＥＤチップ３ａ，３ｂの接続についても同様である。

基板５上には、凹部８を有する樹脂製などのフレーム９が設けられている。凹部８を有するフレーム９は、例えばＰＢＴ（ポリブチレンテレフタレート）、ＰＰＡ（ポリフタルアミド）、ＰＣ（ポリカーボネート）などの合成樹脂から構成され、凹部８内に青色ＬＥＤチップ２と２種の赤色ＬＥＤチップ３ａ，３ｂが配置され、収容されている。なお、これら３個のＬＥＤチップの配置順は、青色ＬＥＤチップ２を凹部８の中央部に配置し、その両側に第１の赤色ＬＥＤチップ３ａと第２の赤色ＬＥＤチップ３ｂをそれぞれ配置することが好ましい。このように配置することで、凹部８内の蛍光体を均等にバランスよく発光させ、高効率の光を得ることができる。

青色ＬＥＤチップ２と２種の赤色ＬＥＤチップ３ａ，３ｂが収容された凹部８内には、青色ＬＥＤチップ２から放射された光の一部を吸収して励起され可視光を発する蛍光体を含有する透明樹脂が塗布・充填されている。そして、青色ＬＥＤチップ２と２種の赤色ＬＥＤチップ３ａ，３ｂは、このような蛍光体含有樹脂層１０により覆われている。透明樹脂としては、例えばシリコーン樹脂やエポキシ樹脂などが用いられる。

ＬＥＤランプ１から所望の光量を得るために、蛍光体含有樹脂層１０に含有させる蛍光体は、透明樹脂に対して５〜４０質量％（重量％）の割合で含有されていることが好ましく、１０〜３０重量％の割合で含有されていることがより好ましい。蛍光体としては、波長４９０〜５１０ｎｍの範囲に１つ以上の発光ピークを有する緑色蛍光体を使用することができる。また、波長４９０〜５１０ｎｍの範囲に１つ以上の発光ピークを有する緑色蛍光体と、波長５３０〜５８０ｎｍの範囲に１つ以上の発光ピークを有する黄色蛍光体とを混合して用いることができる。さらに、波長４９０〜５１０ｎｍの範囲と波長５３０〜５８０ｎｍの範囲にそれぞれ発光ピークを有する１種類の緑色蛍光体を用いてもよい。

波長４９０〜５１０ｎｍの範囲に半値幅の広い第１の発光ピークを有するとともに、波長５３０〜５８０ｎｍの範囲に半値幅の広い第２の発光ピークを有し、かつ第１の発光ピーク（波長５００ｎｍ近傍）から第２の発光ピーク（波長５５０ｎｍ近傍）の範囲の発光強度の低下が少ない連続スペクトルを有する緑色蛍光体を用いることがより好ましい。このように、５００ｎｍ近傍から５５０ｎｍ近傍まで連続したスペクトルを有する緑色蛍光体を含有する場合には、黄色蛍光体を別途含有させる必要がない。

緑色蛍光体としては、例えば、（ＡＥ_ｘ（Ｓｉ，Ａｌ）_１２（Ｎ，Ｏ）_１６：Ｅｕ蛍光体等のサイアロン蛍光体（ＡＥは、Ｓｒ、Ｂａ、Ｃａなどのアルカリ土類元素を示す。）、ＲＥ_３（Ａｌ，Ｇａ）_５Ｏ_１２：Ｃｅ蛍光体（ＲＥは、Ｙ、ＧｄおよびＬａから選ばれる少なくとも1種を示す。）などのＹＡＧ蛍光体、（Ｃａ_ｘ，Ｃｅ_ｙ）Ｓｃ_ｚ（Ｓｉ_ｎＧｅ_ｍ）Ｏ_１２蛍光体（ただし３≧ｘ，ｙ，ｚ，ｎ，ｍ≧０）、（Ｓｒ，Ｂａ，Ｃａ）ＳｉＯ_４：Ｅｕ_ｘＣｅ_ｙ蛍光体（ただし１≧ｘ，ｙ≧０、１≧ｘｙ≧０）、Ｓｒ_３ＳｉＯ_５：Ｅｕ^２＋蛍光体等の珪酸塩蛍光体が用いられる。

黄色蛍光体としては、例えばＲＥ_３（Ａｌ，Ｇａ）_５Ｏ_１２：Ｃｅ蛍光体（ＲＥはＹ、ＧｄおよびＬａから選ばれる少なくとも１種を示す。）等のＹＡＧ蛍光体、ＡＥ_２ＳｉＯ_４：Ｅｕ蛍光体（ＡＥはＳｒ、Ｂａ、Ｃａ等のアルカリ土類元素である。）、Ｓｒ_３ＳｉＯ_５：Ｅｕ^２＋蛍光体等の珪酸塩蛍光体、ｎ−ＵＶＬＥＤＢＧＲ、窒化物蛍光体、酸窒化物蛍光体等が用いられる。

そして、このような蛍光体が配合された蛍光体層から出射される光のスペクトル（発光スペクトル）において、波長４９０〜５１０ｎｍの範囲の発光ピーク（第１の発光ピーク）の強度の、波長５３０〜５８０ｎｍの範囲の発光ピーク（第２の発光ピーク）の強度に対する割合が０．４以上となるようにする。このとき、波長４６０ｎｍの発光強度に対する波長５５０ｎｍの発光強度の割合を１以上とすることができる。また、青色ＬＥＤチップ２から放射された青色光と蛍光体から発せられた少なくとも波長４９０〜５１０ｎｍに発光ピークを有する緑色光との混色により発せられる光が、波長４７０〜４９０ｎｍの範囲に発光強度の谷部を有し、かつこの谷部における強度が青色光の発光ピークの強度に対して、０．７〜０．９の割合となるようなスペクトルを有することができる。

さらに、第１の実施形態においては、蛍光体層をシート状にすることができる。すなわち、青色ＬＥＤチップ２と２種の赤色ＬＥＤチップ３ａ，３ｂを覆うように透明樹脂層を形成し、その上に、前記蛍光体を含有する透明樹脂をシート状に成形し加熱硬化させた蛍光体シートを配置することもできる。シート状蛍光体層は、０．５〜１．０ｍｍの厚さのものが好ましく、凹部８を被覆するようにして固定することが好ましい。シート状蛍光体層の厚さが０．５ｍｍ未満であると十分な量の蛍光体を含有させることができず、１．０ｍｍを超えると光の透過率が低下し所望の光量を得られにくくなる。このように蛍光体を含む樹脂をシート状に成形することによって、製造歩留まりを低下させることなく粒径の大きな蛍光体粒子を使用することができ、発光効率を向上させることができるという利点もある。

第１の実施形態のＬＥＤランプ１においては、青色ＬＥＤチップ２に印加された電気エネルギーが、主波長が４２０〜４８０ｎｍ（例えば４６０ｎｍ）の青色光に変換されて放射される。放射された青色光は、蛍光体含有樹脂層１０中に含有された前記緑色蛍光体を含む蛍光体により、より長波長の光に変換される。また、２種の赤色ＬＥＤチップ３ａ，３ｂに印加された電気エネルギーが、これらの赤色ＬＥＤチップ３ａ，３ｂにより、主波長がいずれも６００〜７００ｎｍの範囲にありかつ主波長の差が１０〜４０ｎｍの赤色光に変換され、それぞれの赤色ＬＥＤチップ３ａ，３ｂから放射される。そして、これらの赤色ＬＥＤチップ３ａ，３ｂから放射される赤色光を混合した光（赤色光）の半値幅は、４０〜８０ｎｍとなっている。このような赤色光の混合光と、前記青色ＬＥＤチップ２から放射される青色光、および上記蛍光体の発光色とが交じり合った色である白色光（混色光）が、ＬＥＤランプ１から放出される。

そして、第１の実施形態のＬＥＤランプ１では、赤色ＬＥＤチップ３ａ，３ｂから放射される赤色光を混合した光の半値幅が４０〜８０ｎｍとなっているので、十分に高い平均演色評価数Ｒａの値（例えば、Ｒａ８３以上）を確保することができるうえに、好ましい演色性を有している。

また、第１の実施形態のＬＥＤランプ１では、上記蛍光体が配合された蛍光体層から出射される光のスペクトルにおける波長４９０〜５１０ｎｍの発光ピーク（第１の発光ピーク）の強度の、波長５３０〜５８０ｎｍの発光ピーク（第２の発光ピーク）の強度に対する割合が、０．４以上となっており、従来の白色光ＬＥＤランプからの発光スペクトルにおける当該割合よりも大きくなっている。このような分光分布は、蛍光体含有樹脂層１０に波長４９０〜５１０ｎｍに発光ピークを有する緑色蛍光体を所定量含有させることにより得ることができる。また、波長４６０ｎｍの発光強度に対する波長５５０ｎｍの発光強度の割合が１以上となっている。このような分光分布は、蛍光体層に、波長５３０〜５８０ｎｍの範囲に発光ピークを有する緑色ないし黄色蛍光体を所定量含有させることにより得ることができる。

また、第１の実施形態においては、青色ＬＥＤチップ２から放射された青色光と、蛍光体から発せられた少なくとも波長４９０〜５１０ｎｍに発光ピークを有する緑色光との混色により発せられる光が、波長４７０ｎｍ〜４９０ｎｍの範囲に発光強度の谷部を有しており、かつこの谷部における強度が青色光の発光ピークの強度に対して、０．７〜０．９の割合となるようなスペクトルを有している。このように、より視感度が高い波長（例えば４９０〜５１０ｎｍ）範囲への光変換がなされ、視感度が悪い波長範囲に発光強度の谷部が形成された発光スペクトルとなっているので、平均演色評価数Ｒａの低下が抑制されるとともに、エネルギー効率が向上している。なお、青色光の発光ピークの強度に対する発光谷部の強度の割合が０．７未満では、平均演色評価数Ｒａの大幅な低下が生じるため好ましくない。また、谷部の波長（４７０ｎｍ〜４９０ｎｍ）の光は視感度が悪く、発光強度が高くても視覚的効果が小さいので、谷部の強度の発光ピークの強度に対する割合が０．９を超える場合には、エネルギー効率の点で好ましくない。

このように、第１の実施形態のＬＥＤランプ１においては、従来のＬＥＤランプの発光スペクトルには存在しなかった、主波長が４９０〜５１０ｎｍの発光が加えられているので、波長５００ｎｍ近傍の発光強度の低下を十分に緩和することができる。したがって、本発明においては、太陽光、白熱灯の発光スペクトルに近づけることができ、それにより、平均演色評価数Ｒａを向上させることができる。

また、第１の実施形態のＬＥＤランプ１においては、２種の赤色ＬＥＤチップ３ａ，３ｂを用いることで赤み成分を得ており、励起のために他の色成分の光を吸収することがないので、光を有効に取り出すことができる。

さらに、第１の実施形態のＬＥＤランプ１においては、青色ＬＥＤチップ２と２種の赤色ＬＥＤチップ３ａ，３ｂのそれぞれに供給する電流を調整し、これらのＬＥＤチップからの発光の出力をそれぞれ制御することにより、ＬＥＤランプ１としての発光の色温度を調整することができ、平均演色評価数Ｒａを低下させることなく色温度を変えることができる。また、各ＬＥＤチップからの発光の出力制御については、青色ＬＥＤチップ２からの発光の出力は一定とし、第１の赤色ＬＥＤチップ３ａからの発光の出力と第２の赤色ＬＥＤチップ３ｂからの発光の出力をそれぞれ別々に（独立して）増減させて、出力の比率を変えることにより、平均演色評価数Ｒａをより高めることができる。

色温度の調整についてより詳しく説明すると、青色ＬＥＤチップ２からの出力は一定にして、第１の赤色ＬＥＤチップ３ａからの出力と第２の赤色ＬＥＤチップ３ｂからの出力をそれぞれ上げることにより、ＬＥＤランプ１からの発光の色温度を下げることができる。また、青色ＬＥＤチップ２からの出力は一定で、第１の赤色ＬＥＤチップ３ａからの出力と第２の赤色ＬＥＤチップ３ｂからの出力をそれぞれ下げることにより、ＬＥＤランプ１からの発光の色温度を上げることができる。さらに、これらの色温度の変更において、第１の赤色ＬＥＤチップ３ａからの出力と第２の赤色ＬＥＤチップ３ｂからの出力との比を、以下に示すように色温度に対応して調整することで、平均演色評価数Ｒａをより向上させることができる。

すなわち、第１の赤色ＬＥＤチップ３ａからの出力と第２の赤色ＬＥＤチップ３ｂからの出力との比は、ＣＩＥ標準イルミナントの発光スペクトルにおける各波長の発光強度の比に合うように調整することが好ましい。例えば、色温度６５００ＫのＣＩＥ標準イルミナントは、図５に示すように、波長６００〜７００ｎｍの赤色発光領域で発光強度が連続的に低下する発光スペクトルを有するので、主波長がより小さい（例えば６３０ｎｍ）第１の赤色ＬＥＤチップ３ａの出力に比べて、主波長がより大きい（例えば６７５ｎｍ）第２の赤色ＬＥＤチップ３ｂの出力を低く調整することで、平均演色評価数Ｒａを極めて高くすることができる。

また、色温度５０００ＫのＣＩＥ標準イルミナントは、図６に示すように、波長６００〜７００ｎｍの赤色発光領域で発光強度がほとんど変わらない発光スペクトルを有するので、第１の赤色ＬＥＤチップ３ａの出力と第２の赤色ＬＥＤチップ３ｂの出力が同程度になるように調整（例えば、出力比５０：５０）することで、平均演色評価数Ｒａを高めることができる。さらに、色温度４０００ＫのＣＩＥ標準イルミナントは、図７に示すように、波長６００〜７００ｎｍの赤色発光領域で発光強度が連続的に上昇する発光スペクトルを有するので、第１の赤色ＬＥＤチップ３ａの出力に比べて第２の赤色ＬＥＤチップ３ｂの出力を高めることで、平均演色評価数Ｒａを向上させることができる。さらに、色温度３０００ＫのＣＩＥ標準イルミナントは、図８に示すように、波長６００〜７００ｎｍの赤色発光領域で発光強度が比例的に上昇する発光スペクトルを有するので、その発光スペクトルの上昇率に合わせて第２の赤色ＬＥＤチップ３ｂの出力を高めることで、平均演色評価数Ｒａを極めて高くすることができる。

なお、上記実施形態では、ＬＥＤランプ１をマトリックス状に複数個配置したＬＥＤモジュール２１について説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、例えば複数個のＬＥＤランプ１を１列状に配置して形成してもよい。

図９および図１０は、本発明の第２の実施形態に係わるＬＥＤパッケージを形成する発光装置を示している。図９は、この発光装置の平面図であり、図１０は、図９に示す発光装置をＦ−Ｆ線に沿って切断した縦断面図である。なお、図９および図１０おいて、第１の実施形態に関する図面と同様の構成要素については同じ参照数字を用いて、その説明を簡略化または省略する。

図９および図１０に示す発光装置（ＬＥＤランプ）１は、パッケージ基板例えば装置基板５と、反射層３１と、回路パターン４と、複数対好ましくは多数対の半導体発光素子（青色ＬＥＤチップ２の対と第１の赤色ＬＥＤチップ３ａの対および第２の赤色ＬＥＤチップ３ｂの対）と、接着層３２と、リフレクタ３４と、蛍光体含有樹脂層１０と、光拡散部材３３とを備えて形成されている。蛍光体含有樹脂層１０は封止部材としても機能する。青色ＬＥＤチップ２の対はリフレクタ３４内の中央部に配置され、その外側すなわち周辺側に第１の赤色ＬＥＤチップ３ａの対と第２の赤色ＬＥＤチップ３ｂの対がそれぞれ配置されている。このような配置では、リフレクタ３４内で蛍光体含有樹脂層１０をバランスよく均等にかつ効率的に発光させることができる。

装置基板５は、金属または絶縁材、例えば合成樹脂製の平板からなり、発光装置１に必要とされる発光面積を得るために、所定形状例えば長方形状をなしている。装置基板５を合成樹脂製とする場合、例えば、ガラス粉末入りのエポキシ樹脂等で形成することができる。装置基板５を金属製とする場合は、この装置基板５の裏面からの放熱性が向上し、装置基板５の各部温度を均一にすることができ、同じ波長域の光を発する半導体発光素子２，３ａ，３ｂの発光色のばらつきを抑制することができる。なお、このような作用効果を奏する金属材料としては、１０Ｗ／ｍ・Ｋ以上の熱伝導性に優れた材料、具体的にはアルミニウムまたはその合金を例示することができる。

反射層３１は、所定数の半導体発光素子２，３ａ，３ｂを配設し得る大きさであって、例えば、装置基板５の表面全体に被着されている。反射層３１は、４００〜７４０ｎｍの波長領域で８５％以上の反射率を有する白色の絶縁材料により構成することができる。このような白色絶縁材料としては、接着シートからなるプリプレグ（pre-preg）を使用することができる。このようなプリプレグは、例えば、酸化アルミニウム等の白色粉末が混入された熱硬化性樹脂をシート基材に含浸させて形成することができる。反射層３１はそれ自体の接着性により、装置基板５の表面となる一面に接着される。

回路パターン４は、各半導体発光素子２，３ａ，３ｂへの通電要素として、反射層３１の装置基板５が接着された面とは反対側の面に接着されている。この回路パターン４は、例えば各半導体発光素子２，３ａ，３ｂを直列に接続するために、装置基板５および反射層３１の長手方向に所定間隔ごとに点在して６列に形成されている。一方の回路パターン４の列の一端側に位置する端側回路パターン４ａには、給電パターン部４ｃが一体に連続して形成され、同様に他方の回路パターン４の列の一端側に位置する端側回路パターン４ａには、給電パターン部４ｄが一体に連続して形成されている。

給電パターン部４ｃ，４ｄは反射層３１の長手方向一端部に並べて設けられ、互いに離間して反射層３１により絶縁されている。これらの給電パターン部４ｃ，４ｄのそれぞれに、電源に至る図示しない電線が個別に半田付け等で接続されるようになっている。

回路パターン４は以下に説明する手順で形成される。まず、未硬化の前記熱硬化性樹脂が含浸されたプリプレグからなる反射層３１を装置基板５上に貼付けた後、反射層３１上にこれと同じ大きさの銅箔を貼付ける。次に、こうして得た積層体を加熱するとともに加圧して、熱硬化性樹脂を硬化させることによって、装置基板５と銅箔を反射層３１に圧着し接着を完了させる。次いで、銅箔上にレジスト層を設けて、銅箔をエッチング処理した後に、残ったレジスト層を除去することによって、回路パターン４を形成する。銅箔からなる回路パターン４の厚みは例えば３５μｍである。

図１０に示すように、半導体発光素子２は、例えば窒化物半導体を用いてなるダブルワイヤー型のＬＥＤチップからなり、透光性を有する素子基板２ｂ一面に半導体発光層２ａを積層して形成されている。素子基板２ｂは、例えばサファイア基板で作られている。この素子基板２ｂの厚みは、回路パターン４より厚く、例えば９０μｍとする。なお、青色ＬＥＤチップである半導体発光素子２について説明するが、赤色ＬＥＤチップである半導体発光素子３ａ，３ｂについても同様に構成されている。

半導体発光層２ａは、素子基板２ｂの主面上に、バッファ層、ｎ型半導体層、発光層、ｐ型クラッド層、ｐ型半導体層を順次積層して形成されている。発光層は、バリア層とウェル層を交互に積層した量子井戸構造をなしている。ｎ型半導体層にはｎ側電極が設けられ、ｐ型半導体層上にはｐ側電極が設けられている。この半導体発光層２ａは、反射膜を有しておらず、厚み方向の双方に光を放射できる。

各半導体発光素子２は、装置基板５の長手方向に隣接した回路パターン４間にそれぞれ配置され、白色の反射層３１の同一面上に接着層３２により接着されている。具体的には、半導体発光層２ａが積層された素子基板２ｂの一面と平行な他面が、接着層３２により反射層３１に接着されている。この接着により、回路パターン４および半導体発光素子２は反射層３１の同一面上で直線状に並べられるので、この並び方向に位置した半導体発光素子２の側面と回路パターン４とは、近接して対向するように設けられている。

接着層３２の厚みは、例えば５μｍ以下とすることができる。接着層３２には、例えば５μｍ以下の厚みで光透過率が７０％以上の透光性を有した接着剤、例えばシリコーン樹脂系の接着剤を好適に使用できる。

図９および図１０に示すように、各半導体発光素子２，３ａ，３ｂの電極と半導体発光素子２，３ａ，３ｂの両側に近接配置された回路パターン４とは、ボンディングワイヤ７で接続されている。さらに、前記６列の回路パターンの他端側に位置された端側回路パターン４ｂ同士も、ボンディングワイヤ７で接続されている。したがって、この実施形態の場合、各半導体発光素子２，３ａ，３ｂは直列に接続されている。

以上の装置基板５、反射層３１、回路パターン４、各半導体発光素子２，３ａ，３ｂ、接着層３２、およびボンディングワイヤ７により、発光装置１の面発光源が形成されている。

リフレクタ３４は、一個一個または数個の半導体発光素子２，３ａ，３ｂごとに個別に設けられるものではなく、反射層３１上の全ての半導体発光素子２，３ａ，３ｂを包囲する単一のものであり、例えば長方形の枠で形成されており、半導体発光素子２，３ａ，３ｂは前記枠で形成された凹部８内に配置されている。リフレクタ３４は反射層３１に接着止めされていて、その内部に複数の半導体発光素子２，３ａ，３ｂおよび回路パターン４が収められているとともに、前記３対の給電パターン部４ｃ、４ｄはリフレクタ３４の外部に位置されている。

リフレクタ３４は、例えば合成樹脂で成形することができ、その内周面は反射面となっている。リフレクタ３４の反射面は、ＡｌやＮｉ等の反射率の高い金属材料を蒸着またはメッキして形成することができる他、可視光の反射率の高い白色塗料を塗布して形成することができる。あるいは、リフレクタ３４の成形材料中に白色粉末を混入して、リフレクタ３４自体を可視光の反射率が高い白色にすることもできる。前記白色粉末としては、酸化アルミニウム、酸化チタン、酸化マグネシウム、硫酸バリウム等の白色フイラーを用いることができる。なお、リフレクタ３４の反射面は、発光装置１の照射方向に次第に開くように形成することが望ましい。

蛍光体含有樹脂層１０は、前記第１の実施形態と同様に、蛍光体を混合した液状の熱硬化性樹脂をディスペンサ等の注入装置を用いて、反射層３１表面および一直線上に配列された各半導体発光素子２，３ａ，３ｂおよびボンディングワイヤ７等を満遍なく埋めるようにして充填し、加熱により熱硬化性樹脂を硬化させることにより形成されている。

反射層３１表面とボンディングワイヤ７との間に流れ込んだ液状の透明樹脂は、毛細管現象等により各半導体発光素子２，３ａ，３ｂおよびボンディングワイヤ７に行きわたり、その膜厚等がほぼ均一になっており、蛍光体も透明樹脂にほぼ均一に分散している。

このように構成される第２の実施形態においても、十分に高い平均演色評価数Ｒａの値を確保することができるうえに、好ましい演色性を有している。また、エネルギー効率の向上を図ることができ、発光効率を高めることができる。さらに、青色ＬＥＤチップ２の対と第１の赤色ＬＥＤチップ３ａの対および第２の赤色ＬＥＤチップ３ｂの対に供給する電流をそれぞれ調整し、これらのＬＥＤチップからの発光の出力をそれぞれ別々に制御することにより、発光の色温度を調整することができ、平均演色評価数Ｒａを低下させることなく色温度を変えることができる。

次に、本発明の実施例およびその評価結果について、比較例と比較しながら説明する。

実施例１〜４、比較例１，２
実施例１〜４においては、以下に示す青色発光素子と主波長が異なる２種の赤色発光素子、および蛍光体をそれぞれ使用し、図１に示す構成を有するＬＥＤランプを作製した。いずれの例においても、青色発光素子としては、発光の主波長が４６０ｎｍである青色ＬＥＤチップを用いた。

実施例１および実施例３では、赤色発光素子として、主波長が６３０ｎｍの第１の赤色ＬＥＤチップ（赤色チップ１）と主波長が６４５ｎｍの第２の赤色ＬＥＤチップ（赤色チップ２）をそれぞれ用い、蛍光体として、波長５００ｎｍと波長５５０ｎｍにそれぞれ半値幅の広い発光ピークを有し、かつ波長５００ｎｍ〜５５０ｎｍまで発光強度の低下が少ない連続スペクトルを有する緑色蛍光体（ＹＡＧ蛍光体）を用いた。

実施例２および実施例４では、赤色発光素子として、主波長が６３０ｎｍの第１の赤色ＬＥＤチップ（赤色チップ１）と主波長が６７５ｎｍの第２の赤色ＬＥＤチップ（赤色チップ２）をそれぞれ用い、蛍光体としては、実施例１および実施例３と同じ緑色蛍光体（ＹＡＧ蛍光体）を用いた。

そして、この蛍光体をシリコーン樹脂中に、表１に示す配合比（シリコーン樹脂に対する配合割合；重量％）でそれぞれ混合し、分散させた。次いで、得られた蛍光体含有シリコーン樹脂を、ディスペンサを用いて深さ１．０ｍｍ、開口径３ｍｍの凹部８内に充填した後、シリコーン樹脂を硬化させ、光路長０．５ｍｍの蛍光体層（蛍光体含有樹脂層１０）を形成し、図１に示す構成を有するＬＥＤランプを得た。

また、比較例１，２においては、赤色発光素子として赤色ＬＥＤチップ1個だけを使用してＬＥＤランプを作製した。すなわち、比較例１では、主波長が６３０ｎｍの赤色ＬＥＤチップ（赤色チップ１）のみを使用し、その他は実施例１と同様にして、ＬＥＤランプを作製した。また、比較例２では、主波長が６３０ｎｍの赤色ＬＥＤチップ（赤色チップ１）のみを使用し、その他は実施例３と同様にして、ＬＥＤランプを作製した。

次いで、実施例１〜４および比較例１，２で得られたＬＥＤランプをそれぞれ点灯した。このとき、所定の色温度の発光が得られるように、２種の赤色ＬＥＤチップのそれぞれに供給する電流を調整し、第１の赤色ＬＥＤチップ（赤色チップ１）からの発光出力と第２の赤色ＬＥＤチップ（赤色チップ２）からの発光出力との比を、表１に示すように調整した。そして、これらのＬＥＤランプの発光スペクトルを分光光度計（大塚電子製の瞬間分光度計ＭＣＰＤ−７０００）を用いて測定した。測定された分光スペクトルを図１１および図１２にそれぞれ示す。

次に、こうして測定された分光スペクトルから、色温度、平均演色評価数ＲａおよびＲ9をそれぞれ算出した。また、第１の赤色ＬＥＤチップ（赤色チップ１）からの発光と第２の赤色ＬＥＤチップ（赤色チップ２）からの発光とを混合した光の半値幅を算出するとともに、波長５５０ｎｍの発光強度に対する波長５００ｎｍの発光強度の割合（波長５００ｎｍの発光強度／波長５５０ｎｍの発光強度）を算出した。これらの結果を表１に示す。

表１からわかるように、実施例１〜４で得られたＬＥＤランプは、２種の赤色ＬＥＤチップを有し、これらのチップの発光の半値幅が４０〜８０ｎｍとなるように構成されているので、赤色ＬＥＤチップが１個だけである比較例１および比較例２で得られたＬＥＤランプに比べて、平均演色評価数Ｒａが８５以上となり、極めて演色性の高い発光が得られた。そのうえ、赤色の見え方についての演色性を示すＲ9も極めて高かった。また、２種の赤色ＬＥＤチップを混合した光の半値幅が４０ｎｍ未満のものを使用し同様にしてＬＥＤランプを作成し、点灯して得られた分光スペクトルから平均演色評価数Ｒａを算出したところ、Ｒａが８３に達することはできなかった。

また、実施例１および実施例２では、いずれも色温度４２００Ｋの発光が得られているが、実施例２においては、２種の赤色チップの出力比がその色温度のＣＩＥ標準イルミネンスのスペクトルに合うように、すなわち赤色チップ２の出力が赤色チップ１より高くなるように制御されているので、Ｒａがより高く９０以上になっていることがわかる。さらに、実施例３および実施例４では、いずれも色温度６５００Ｋの発光が得られているが、実施例４においては、２種の赤色チップの出力比がその色温度のＣＩＥ標準イルミネンスのスペクトルに合うように、すなわち赤色チップ２の出力が赤色チップ１より低くなるように制御されているので、Ｒａがより高く９０以上になっていることがわかる。

本発明は上記実施の形態の記載内容に限定されるものではなく、構造や材質、各部材の配置等は、本発明の要旨を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。

本発明の発光装置をＬＥＤランプに適用した第１の実施形態の構成を示す平面図である。図１のＡ−Ａ´線断面図である。図１に示すＬＥＤランプを複数配置したＬＥＤモジュールの一例を示す平面図である。図３のＢ−Ｂ´線断面図である。色温度６５００ＫのＣＩＥ標準イルミナントの発光スペクトルを示すグラフである。色温度５０００ＫのＣＩＥ標準イルミナントの発光スペクトルを示すグラフである。色温度４０００ＫのＣＩＥ標準イルミナントの発光スペクトルを示すグラフである。色温度３０００ＫのＣＩＥ標準イルミナントの発光スペクトルを示すグラフである。本発明の発光装置の第２の実施形態に係わる発光装置の平面図である。図９のＦ−Ｆ線断面図である。本発明の実施例１，２および比較例１で得られたＬＥＤランプの発光スペクトルを示すグラフである。本発明の実施例３，４および比較例２で得られたＬＥＤランプの発光スペクトルを示すグラフである。

符号の説明

１…ＬＥＤランプ、２…青色ＬＥＤチップ、３ａ…第１の赤色ＬＥＤチップ、３ｂ…第２の赤色ＬＥＤチップ、４…回路パターン、５…基板、６…接着層、７…ボンディングワイヤ、８…凹部、９…フレーム、１０…蛍光体含有樹脂層、２１…ＬＥＤモジュール。

Claims

青色光を放射する青色発光素子と；
主波長の異なる赤色光を放射する２種以上の赤色発光素子から成り、各赤色発光素子から放射される赤色光を混合した光の半値幅が４０〜８０ｎｍである赤色発光素子体と；
前記青色発光素子から放射される青色光により励起されて可視光を発する蛍光体を含有する蛍光体層と；
を具備することを特徴とする発光装置。
前記蛍光体が、波長４９０〜５１０ｎｍと波長５３０〜５８０ｎｍにそれぞれ発光ピークを有し、かつ波長５３０〜５８０ｎｍの発光ピークの強度に対する波長４９０〜５１０ｎｍの発光ピークの強度の割合が０．４以上である可視光を発することを特徴とする請求項１記載の発光装置。
前記蛍光体が、少なくとも波長４９０〜５１０ｎｍに発光ピークを有するとともに、前記青色光との混色により、波長４７０〜４９０ｎｍに発光強度の谷部を有し、かつ前記青色光のピーク波長の発光強度に対する前記谷部の波長の発光強度の割合が０．７〜０．９である可視光を発することを特徴とする請求項１記載の発光装置。
前記蛍光体層がシート状である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。
前記青色発光素子と前記２種以上の赤色発光素子に供給する電流を調整し、これらの発光素子からの発光の出力をそれぞれ調整することにより演色性を制御する手段を備えることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項記載の発光装置。