JP2009088374A - 発光装置 - Google Patents

Abstract

【課題】任意の発光スペクトルが得られる発光装置を実現すること。
【解決手段】発光装置１は、ＬＥＤパッケージ１０と発光強度制御装置２０からなる。ＬＥＤパッケージ１０は、基板１００と、基板１００上にフリップチップ実装されたピーク波長が互いに異なる１６個のＬＥＤチップ１２０からなる。１６個のＬＥＤチップ１２０は、４×４マトリクス状に配置されている。また、１６個のＬＥＤチップ１２０は、ピーク波長が４００〜７００ｎｍであり、ピーク波長の間隔が２０ｎｍずつ異なっている。さらに、隣接するＬＥＤチップ１２０間では、ピーク波長が４０ｎｍ以上離れているように、１６個のＬＥＤチップ１２０が配置されている。１６個のＬＥＤチップ１２０の発光強度をそれぞれ制御することで、発光装置の発光スペクトルを所望のものとすることができる。
【選択図】図７

Description

本発明は、ＬＥＤを用いた発光装置に関するものであり、特に、発光スペクトルの制御が可能なものに関する。

近年、ＬＥＤは一般照明用光源としても用いられ始めている。このような一般照明の用途では、高い演色性が求められる。高い演色性を得る方法として、たとえば特許文献１、２などのように、発光色の異なる複数のＬＥＤを組み合わせて用いる方法がある。

特許文献１では、赤色、緑色、青色の各発光色のＬＥＤを３個と、それらとは互いに異なる発光色（たとえば、橙色や黄色）のＬＥＤを３個の計６個のＬＥＤを用いることで、演色性の高い照明装置を実現できることが示されている。つまり、赤色、緑色、青色の３色だけではスペクトル強度が弱い、緑色から赤色の領域を、橙色や黄色などの発光色のＬＥＤを用いて補強することで、高い演色性を得ている。

また、特許文献２では、特許文献１の場合よりも少ない、青色、青緑色、橙色、赤色の発光色の４個のＬＥＤを用いる場合であっても、各ＬＥＤの発光強度を適切に設定することで、演色性の高い照明装置を実現できることが示されている。
特開平１１−１７７１４３ 特開２００３−４５２０６

しかし、特許文献１、２に記載の照明装置において、所望の発光スペクトルを得ようとすると、適切なピーク波長のＬＥＤを４ないし６個選択し、かつ発光強度の制御を行う必要がある。そのため、製造工程が複雑となり、また、品質および歩留りが低減し、各照明装置間に性能のばらつきが生じてしまう。

そこで本発明の目的は、任意の発光スペクトルが容易に得られる発光装置を実現することである。また、他の目的は、混色性がよく、色むらのない発光装置を実現することである。

第１の発明は、ピーク波長が可視光領域で、そのピーク波長が互いに異なる１６個のＬＥＤと、１６個のＬＥＤが実装された基板と、１６個のＬＥＤを封止する封止材と、で構成され、各ＬＥＤのピーク波長は、２０〜３０ｎｍの間隔で並んでいて、隣接するＬＥＤ間では、ピーク波長が少なくとも４０〜６０ｎｍ離れているように、１６個のＬＥＤが配置されていることを特徴とする発光装置である。

各ＬＥＤのピーク波長の間隔が２０〜３０ｎｍであれば、それぞれの間隔が等しい必要はないが、間隔が揃っているほうが制御が容易となり望ましい。また、各ＬＥＤの発光スペクトルの半値幅は、１０〜４０ｎｍであることが望ましい。発光装置の発光スペクトルの制御がより容易となるからである。

封止材は、シリコーン樹脂やエポキシ樹脂を用いる。封止材には、拡散材を混入させてもよい。

第２の発明は、第１の発明において、各ＬＥＤの発光強度を制御する発光強度制御装置を有することを特徴とする発光装置である。

第３の発明は、第１の発明または第２の発明において、ＬＥＤは、４×４マトリクス状に配置されていることを特徴とする発光装置である。

第４の発明は、第３の発明において、４×４マトリクス状に配置されたＬＥＤの、各行・各列の４個のＬＥＤは、互いのピーク波長が少なくとも、６０〜９０ｎｍ離れているように配置されていることを特徴とする発光装置である。

第５の発明は、第３の発明において、４×４マトリクス状に配置されたＬＥＤの、任意の２×２マトリクスの４個のＬＥＤは、互いのピーク波長が少なくとも、６０〜９０ｎｍ離れているように配置されていることを特徴とする発光装置である。

第１の発明のように、ピーク波長が互いに異なる１６個の各ＬＥＤの発光スペクトルが、半値幅程度ずつずれて重なるようにすると、可視光領域を幅広くカバーすることのできる発光装置を実現することができる。したがって、各ＬＥＤの発光強度を任意の値に設定することで、所望の発光スペクトルを得ることができる。たとえば、所望の色温度、演色性を有した白色光源とすることも可能であり、紫、青、緑、黄、赤などの各色の光源とすることもできる。また、隣接するＬＥＤ間のピーク波長は少なくとも４０〜６０ｎｍ、つまり、ピーク波長の間隔の２倍程度離れるように１６個のＬＥＤを配置しているため、混色性にも優れている。

また第２の発明によると、各ＬＥＤの発光強度を制御して調整することで所望の発光スペクトルを容易に得ることができる。また、明るさも容易に制御することができる。

また、第３の発明のように、ＬＥＤを４×４マトリクス状に配置すると、発光装置の小型化を図ることができる。

また、第４、５の発明のようにＬＥＤを配置すると、より混色性を高めることができ、色むらを少なくすることができる。

以下、本発明の具体的な実施例について図を参照しながら説明するが、本発明は実施例に限定されるものではない。

実施例１の発光装置１は、ＬＥＤパッケージ１０と発光強度制御装置２０とからなる。図１は、ＬＥＤパッケージ１０の構成を示した平面図であり、図２は断面図である。また、図３は発光装置１の回路構成を模式的に示した図である。

ＬＥＤパッケージ１０は、基板１００と、その基板１００に、４×４マトリクス状に配列されて実装された１６個のＬＥＤチップ１２０と、１６個のＬＥＤチップ１２０を封止する封止材１３０とで構成されている。このＬＥＤパッケージ１０は、１６個のＬＥＤチップ１２０のアノード電極をコモンとする１の端子と、カソード電極と接続する１６の端子とする１７端子の装置である。カソード電極と接続する１６の端子は、それぞれ可変抵抗器２００と接続している。したがって図３のように、１６個のＬＥＤチップ１２０がそれぞれ可変抵抗器２００を介して並列に接続した回路構成となっている。この１６個の可変抵抗器２００が発光強度制御装置２０である。この可変抵抗器２００を調整することで、各ＬＥＤチップ１２０の発光強度を調整することができる。

次に、ＬＥＤパッケージ１０の構成について、図１、図２を参照に詳細に説明する。

ＬＥＤパッケージ１０の基板１００は、放熱性の高いＡｌＮからなる長方形状であり、上層１０１と下層１０２の２層構造である。基板１００の上面（上層１０１の上面）には、１６個のＬＥＤチップ１２０がフリップチップ実装されている。

１６個のＬＥＤチップ１２０は、正方形状に配列された４個のＬＥＤチップ１２０を１単位とし、さらに正方形状に４単位が配列された、４×４マトリクス状に配置されている。１単位を構成する４個のＬＥＤチップ１２０は、互いのＬＥＤチップのｎ電極が隣接するようにして配列されていて、正方形の中央部に４つのｎ電極が配置されている。

図４は、上層１０１の上面にＡｕメッキによって形成された配線パターンの平面図である。１６個のＬＥＤチップ１２０の１６個のｎ電極を接続するカソード電極パターン１０４は、ＬＥＤチップのｎ電極に対応する位置に１６個形成され、それを囲むように、１６個のＬＥＤチップ１２０の１６個のｐ電極を並列に接続するアノード電極パターン１０５が形成されている。このアノード電極パターン１０５は、上層１０１上面の長手方向側部にまで伸びている。また、アノード電極パターン１０５が伸びる方向とは逆の側部には、アノード電極パターン１０５と離間して、１６個のカソード端子１０９が形成されている。

図５は、下層１０２の上面にＡｕメッキによって形成されたカソード電極パターン１０６の平面図である。カソード電極パターン１０６は、１６本の線状に形成されていて、１６個のスルーホール１０７によってカソード電極パターン１０４と接続していて、スルーホール１０８によって、カソード端子１０９に接続している。

また、放熱性を高めるために、基板１００を厚さ方向に貫通するスルーホール１１０が１６個設けられ、基板１００の下層１０２裏面の全面には、Ａｇメッキによって放熱板１１１が設けられている。Ａｇのほかには、ＡｕやＣｕを用いてもよい。また、メッキではなく、蒸着によって放熱板１１３を形成してもよい。

１６個のＬＥＤチップ１２０は、エポキシ樹脂もしくはシリコーン樹脂からなる封止材１３０によって覆われている。この封止材１３０は、カソード端子１０９およびアノード電極パターン１０５の一部を覆わないように形成されている。封止材１３０に覆われていないアノード電極パターン１０５の部分は、アノード端子とする。封止材１３０には拡散材を混合させて、指向性が広くなるようにしてもよい。

次に、１６個のＬＥＤチップ１２０の特性について説明する。

１６個のＬＥＤチップ１２０は、ピーク波長が４００ｎｍ〜７００ｎｍまで２０ｎｍずつ異なっている。ピーク波長が４００ｎｍ、４２０ｎｍ、４４０ｎｍのＬＥＤチップについては、発光スペクトルの半値幅は約２０ｎｍである。ピーク波長が４６０ｎｍ、４８０ｎｍ、５００ｎｍのＬＥＤチップについては、発光スペクトルの半値幅は約２５ｎｍである。ピーク波長が５２０ｎｍ、５４０ｎｍのＬＥＤチップについては、発光スペクトルの半値幅は約３７ｎｍである。ピーク波長が５６０ｎｍ、５８０ｎｍ、６００ｎｍのＬＥＤチップについては、発光スペクトルの半値幅は約１３ｎｍである。ピーク波長が６２０ｎｍ、６４０ｎｍ、６６０ｎｍ、６８０ｎｍ、７００ｎｍのＬＥＤチップについては、発光スペクトルの半値幅は約１７ｎｍである。

ピーク波長が４００〜５３０ｎｍのＬＥＤは、たとえば、ＧａＮ、ＡｌＧａＮ、ＩｎＧａＮなどのIII 族窒化物半導体からなるＬＥＤを用いる。また、ピーク波長が５３０ｎｍ〜７００ｎｍのＬＥＤは、たとえばＡｌＧａＩｎＰ系の材料からなるＬＥＤを用いる。

１６個のＬＥＤチップ１２０の発光スペクトルは、半値幅程度ずれて重なり合う。そのため、各ＬＥＤチップのピーク波長の間の波長領域も、発光スペクトルの重なりにより、ピーク波長と同程度の発光強度が得られ、これにより発光装置１は４００〜７００ｎｍの可視光領域をカバーすることができる。発光強度制御装置２０によって、これら１６個のＬＥＤチップ１２０の発光強度を制御することによって、さまざまな発光スペクトルを得ることができる。したがって、電球色、昼白色、昼光色などさまざまな色温度で、かつ演色性の高い照明光源として利用することができる。また、紫、青、緑、黄、赤などのさまざまな発光色とすることもできる。たとえば青色の発光色は、４４０ｎｍと４６０ｎｍのピーク波長以外のＬＥＤチップを発光強度制御装置２０によってオフにすることで得られる。

次に、１６個のＬＥＤチップ１２０の配置の仕方について説明する。４×４マトリクス状に配置された１６個のＬＥＤチップ１２０は、各列・各行の４個のＬＥＤチップ１２０を観たときに、その４個のＬＥＤチップ１２０のピーク波長が互いに６０ｎｍ以上、つまり、１６個のＬＥＤチップ１２０のピーク波長の間隔である２０ｎｍの３倍以上、となるように配置する。図６は、そのような配置の１例を示す。図６における数字は、４００ｎｍが１、４２０ｎｍが２、・・・、７００ｎｍが１６、というように、ピーク波長の小さい順にＬＥＤチップ１２０と数字を対応させている。たとえば３行目は、３、１５、１２、８であるが、これはそれぞれ、４４０ｎｍ、６８０ｎｍ、６２０ｎｍ、５４０ｎｍのピーク波長のＬＥＤチップ１２０に対応している。図６では、どの行、列をみても、数字の差が３以上となっていて、これはつまり、ピーク波長が互いに６０ｎｍ以上離れているということである。

以上のように１６個のＬＥＤチップ１２０を４×４マトリクス状に配置することで、混色性を高め、色むらを少なくすることができる。

図７は、これら１６個のＬＥＤチップ１２０のピーク波長における発光強度がいずれも等しいとした場合の、発光装置１の発光スペクトルをシミュレーションにより求めた結果である。点線は各ＬＥＤチップ１２０の発光スペクトル、実線は発光装置１の発光スペクトルである。４００〜７００ｎｍの範囲で幅広いスペクトルとなっていることがわかる。

実施例２の発光装置２は、発光装置１の１６個のＬＥＤ１２０の配置を次のように変更したものである。

４×４マトリクス状に配置された１６個のＬＥＤチップ１２０は、任意の２×２マトリクスを構成する４個のＬＥＤチップ１２０をみたときに、その４個のＬＥＤチップ１２０のピーク波長が互いに６０ｎｍ以上離れるように配置する。図８は、そのような配置の１例を示している。図８における数字は、図６の場合と同様で、ピーク波長の小さい順にＬＥＤチップ１２０と数字が対応していて、数字の差は３以上であればピーク波長が６０ｎｍ以上離れているということである。図８では、確かにどの２×２マトリクスをみても、数字の差は３以上となっている。たとえば、中心の２×２マトリクスをみると、６、２、１１、１５であり、互いの数字の差は３以上となっている。また、左下の２×２マトリクスをみると、３、１１、１６、８であり、互いの数字の差は３以上となっている。

以上のように１６個のＬＥＤチップ１２０を４×４マトリクス状に配置すると、実施例１における配置と同様に、混色性を高め、色むらを少なくすることができる。

なお、実施例では発光強度制御装置として可変抵抗器を用いているが、可変抵抗器に限るものではなく、各ＬＥＤチップへの電力を制御する手段であればよい。

また、実施例では、各ＬＥＤチップのピーク波長の間隔を２０ｎｍで一定としているが、ピーク波長の２０〜３０ｎｍの間隔であればよく、また間隔がその範囲内であれば一定でなくともよい。たとえば、ピーク波長の間隔を２５ｎｍで一定とし、最も小さいピーク波長を３８０ｎｍとすれば、３８０〜７５５ｎｍの範囲をカバーできる発光装置を得ることができる。また、各ＬＥＤチップの発光スペクトルの半値幅は、１０〜４０ｎｍであることが望ましい。１０ｎｍより小さいと隣接する発光スペクトルとの重なりが少なくなり、４０ｎｍより大きいと隣接する発光スペクトルとの重なりが大きくなるため、発光装置の発光スペクトルの制御が難しくなる。

また、実施例では１６個のＬＥＤチップを４×４マトリクス状に配置しているが、本発明はこのような配置に限るものではなく、隣接するＬＥＤ間においてピーク波長が少なくとも４０〜６０ｎｍ離れているような配置であれば、どのような形状に配置してもよい。しかし、４×４マトリクス状とすればＬＥＤパッケージの小型化を図ることができるので望ましい。

本発明の発光装置は、照明用光源などに用いることができる。

発光装置１のＬＥＤパッケージ１０の構成を示す平面図。 発光装置１のＬＥＤパッケージ１０の構成を示す断面図。 発光装置１の回路構成を模式的に示した図。 配線パターンを示す平面図。 配線パターンを示す平面図。 ＬＥＤチップ１２０配置の１例を示す図。 発光スペクトルのシミュレーション結果を示す図。 ＬＥＤチップ１２０配置の１例を示す図。

符号の説明

１０：ＬＥＤパッケージ
２０：発光強度制御装置
１００：基板
１０１：上層
１０２：下層
１０４、１０６：カソード電極パターン
１０５：アノード電極パターン
１０７、１０８、１１０：スルーホール
１０９：カソード端子
１１１：放熱板
１２０：ＬＥＤ
１３０：封止材

Claims (5)

1. ピーク波長が可視光領域で、そのピーク波長が互いに異なる１６個のＬＥＤと、
   １６個の前記ＬＥＤが実装された基板と、
   １６個の前記ＬＥＤを封止する封止材と、で構成され、
   各前記ＬＥＤの前記ピーク波長は、２０〜３０ｎｍの間隔で並んでいて、
   隣接する前記ＬＥＤ間では、前記ピーク波長が少なくとも４０〜６０ｎｍ離れているように、１６個の前記ＬＥＤが配置されている、
   ことを特徴とする発光装置。
2. 各前記ＬＥＤの発光強度を制御する発光強度制御装置を有することを特徴とする請求項１に記載の発光装置。
3. 前記ＬＥＤは、４×４マトリクス状に配置されていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の発光装置。
4. ４×４マトリクス状に配置された前記ＬＥＤの、各行・各列の４個の前記ＬＥＤは、互いの前記ピーク波長が少なくとも、６０〜９０ｎｍ離れているように配置されていることを特徴とする請求項３に記載の発光装置。
5. ４×４マトリクス状に配置された前記ＬＥＤの、任意の２×２マトリクスの４個の前記ＬＥＤは、互いの前記ピーク波長が少なくとも、６０〜９０ｎｍ離れているように配置されていることを特徴とする請求項３に記載の発光装置。

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