JP2009123758A - 照明装置 - Google Patents

Abstract

【課題】照射面における色や輝度のムラやリング、発光の均一性、演色性を改善するための配光制御用レンズを設けた照明装置であって、配光制御用レンズによる光量の損失が小さく、高輝度な照明装置を提供する。
【解決手段】配線基板１と、配線基板１上に設けられた複数の表面実装型ＬＥＤ１０と、ＬＥＤ１０の１／２指向角を小さくするための配光制御用レンズ２０とを備える照明装置。ＬＥＤ１０は、半導体発光素子と、半導体発光素子からの発光で励起されて発光する発光部と、発光部の外周面を囲むリフレクタ１３とを有する。発光部の発光面１４Ａは、リフレクタ１３の前縁と面一の平面となっている。配光制御用レンズ２０は、ＬＥＤからの発光光が凸面状受光面２１Ａから入射する入射凹部２１を裏面側に有し、前面側に発光光の平面状出射面２２を有した形状である。
【選択図】図４

Description

本発明は、発光ダイオード（ＬＥＤ）を用いた照明装置に関する。詳しくは、表面実装型ＬＥＤを複数個集積化してなる白色系（白色ないしパステル色）の照明装置に関する。

半導体発光素子を用いたＬＥＤランプなどの照明装置においては、半導体発光素子の表面に蛍光体を塗布したり、ＬＥＤランプを構成する樹脂中に蛍光体粉末を含有させることによって、半導体発光素子本来の発光色以外の発光色、例えば白色光を得ることが実用化されている。このような照明装置では、中心波長が約４６０ｎｍ付近の青色を発光するＧａＮ系半導体発光素子用いるのが一般的である。すなわち、青色発光のＧａＮ系半導体発光素子の表面に黄色発光のセリウム付活アルミン酸イットリウム（ＹＡＧ）蛍光体で変換して、白色光を得るようにしている。

このような半導体発光素子を用いた照明装置では、励起光である青色が突き抜けてしまうため、照射面の中央部が青色になり、また、その周囲に黄色のリングが生じる等、照射面に色ムラが生じ、均一な白色にならないという問題があった。

この問題を解決するため、特許文献１、特許文献２においては、発光光を外部に放出する凸レンズ形状の中央放射面を有するレンズを設ける方法や、発光光の周辺部分をカットする遮光部材を設ける等の方法が提案されている。

また、特許文献３においては、紫外光を発光する半導体発光素子（ＬＥＤチップ）を用いて、ＬＥＤチップ上に紫外光を吸収して青色光を発光する青色発光蛍光体を含む第１の蛍光体層と、その上に青色光を吸収して黄橙色光を発光する黄橙色発光蛍光体を含む第２の蛍光体層を形成する方法が提案されている。
特開２００５−２１６７８２号公報 特開２００５−２４３６０８号公報 特開２０００−１８３４０８号公報

しかしながら、上記特許文献１、２の方法では、前面側に突出する厚肉の凸レンズや遮光部材を設けるために、レンズや遮光部材により発光光量の損失が大きく、このために輝度が低下してしまうという欠点がある。また、上記特許文献３の方法では、赤色成分が不足するため、照射面の演色性が低い。

本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、照射面における色や輝度のムラやリング、発光の均一性、演色性を改善するための配光制御用レンズを設けた照明装置であって、配光制御用レンズによる光量の損失が小さく、高輝度な照明装置を提供することを目的とする。

本発明は上記課題を解決するものであり、以下を要旨とするものである。

［１］ 配線基板と、該配線基板上に複数個設けられた表面実装型ＬＥＤと、該表面実装型ＬＥＤの１／２指向角を小さくするための配光制御用レンズとを備える照明装置であって、
前記表面実装型ＬＥＤは、
３８０ｎｍ〜４２０ｎｍの波長範囲に発光のピークを有する半導体発光素子と、
該半導体発光素子からの発光で励起されて青、緑、赤の領域に波長変換する３種類の蛍光体がシリコーン樹脂中に分散された発光部であって、前面側の発光面から発光光を発する、略円盤形状の発光部と、
該発光部の外周面を囲むリフレクタとを有し、
該発光部の外周面及びリフレクタは、前記発生面側ほど径が大きくなるテーパ形状であり、該発光部の発光面は、該リフレクタの前縁と面一の平面となっており、
前記配光制御用レンズは、前記表面実装型ＬＥＤからの発光光が入射する入射凹部を裏面側に有すると共に、前面側に該発光光の出射面を有しており、
前記表面実装型ＬＥＤは、該入射凹部内に配置され、該ＬＥＤの前記発光面が該入射凹部の底面に対面し、該入射凹部の該底面は、ＬＥＤの前記発光面に向って凸に湾曲しており、かつ、前記発光光の出射面は平面となっており、
該出射面から出射される発光色がＣＩＥ１９７６ＵＣＳ色度座標（ｕ’,ｖ’）で（０．２１，０．４７）を中心とする半径０．０５以内領域の色であることを特徴とする照明装置。

［２］ 前記半導体発光素子からの発光で励起されて青、緑、赤の領域に波長変換する３種類の蛍光体として、以下の蛍光体を含有することを特徴とする［１］に記載の照明装置。
（１）３８０ｎｍ〜４２０ｎｍの波長範囲で励起可能であり、主発光ピークのピーク波長が４５０ｎｍ〜４６０ｎｍであり、重量メジアン径が１０μｍ〜１２μｍである青色蛍光体。
（２）３８０ｎｍ〜４２０ｎｍの波長範囲で励起可能であり、主発光ピークのピーク波長が５２０ｎｍ〜５３０ｎｍであり、重量メジアン径が１８μｍ〜２２μｍである緑色蛍光体。
（３）３８０ｎｍ〜４２０ｎｍの波長範囲で励起可能であり、主発光ピークのピーク波長が６２５ｎｍ〜６３０ｎｍであり、重量メジアン径が８μｍ〜１０μｍである赤色蛍光体。

［３］ 前記表面実装型ＬＥＤの構造軸及び前記配光制御用レンズの構造軸が前記配線基板面に対して垂直になるように配列されていることを特徴とする［１］又は［２］に記載の照明装置。

［４］ 前記半導体発光素子が、表面に凹凸が加工されたサファイア基板上にＧａＮ系結晶層が該凹凸を覆うように形成されており、該ＧａＮ系結晶相の上に発光層が形成された構造を有するものであることを特徴とする［１］ないし［３］のいずれかに記載の照明装置。

本発明によれば、特定構造の配光制御用レンズを設けることにより、照射面において色や輝度にムラやリングを生じることなく、発光の均一性に優れ、かつ、演色性に優れ、しかも高輝度な照明装置を提供することができる。

以下、図面を参照して本発明の各要素について詳細に説明するが、本発明は以下の説明に限定されるものではなく、その要旨の範囲内において種々に変更して実施することができる。

図1は、本発明の照明装置の実施の形態を示す全体構成の断面の模式図であり、図２は、表面実装型ＬＥＤの構成を示す断面図、図３は配光制御用レンズの形状を示す断面図、図４は、配光制御用レンズによる表面実装型ＬＥＤの配光制御機構を説明する模式図である。

本発明の照明装置は、図１に示す如く、配線基板１と、配線基板１上に複数個設けられた表面実装型ＬＥＤ１０と、この表面実装型ＬＥＤ１０の１／２指向角を小さくするための配光制御用レンズ２０とを備えるものである。

なお、本発明の照明装置における、後述の表面実装型ＬＥＤの発光部の発光面、及び、配光制御用レンズの出射面の「平面」とは、通常、視認できる凹凸がなく、粗面化加工などがなされていないような平坦面をさす。また、表面実装型ＬＥＤの発光部の発光面とリフレクタの前縁が面一であるとは、例えば、後述の蛍光体を含有するシリコーン樹脂がリフレクタで囲まれた空間部に実質的に過不足なく充填され、リフレクタの前縁にすりきれである状態をさす。
また、後述の表面実装型ＬＥＤの構造軸及び配光制御用レンズの構造軸が配線基板面に対して垂直である場合の「垂直」とは、これらの構造軸と配線基板面との交叉角度が９０°±５°、特に９０°であることを指す。

［表面実装型ＬＥＤ］
表面実装型ＬＥＤは、３８０ｎｍ〜４２０ｎｍの波長範囲に発光のピークを有する半導体発光素子と、該半導体発光素子からの発光で励起されて青、緑、赤の領域に波長変換する３種類の蛍光体がシリコーン樹脂中に分散された略円盤形状の発光部と、該発光部の外周面を囲むリフレクタとを有し、発光部は前面側の発光面から発光光を発し、発光部の外周面及びリフレクタは、発生面側ほど径が大きくなるテーパ形状であり、発光部の発光面は、リフレクタの前縁と面一の平面となっている。

より具体的には、図２に示す如く、表面実装型ＬＥＤ１０は、実装基板１１上に半導体発光素子１２が実装かつ電気的接続されており、この半導体発光素子１２を取り囲むように、実装基板１１上にリフレクタ１３が設けられ、リフレクタ１３で囲まれた空間部に発光部１４が形成されている。

この表面実装型ＬＥＤ１０は、ＣＩＥ１９７６ＵＣＳ色度座標（ｕ’,ｖ’）で（０．２１，０．４７）を中心とする半径０．０５以内領域の色となるように前記青色蛍光体、緑色蛍光体及び赤色蛍光体が配合されたものである。

＜実装基板＞
実装基板１１は、絶縁性の基板であれば良く、特に制限はなく、例えばガラス基板、エポキシ基板などが挙げられるが、半導体発光素子１２での発熱を効率よく放熱するため、高放熱性基板が好ましく、例えばアルミナや窒化アルミニウムなどのセラミック基板などを好適に用いることができる。

＜半導体発光素子＞
半導体発光素子１２の発光ピーク波長は、蛍光体の励起効率、延いては蛍光体の励起光から蛍光への変換効率と関係する重要な要素であり、本発明においては、３８０ｎｍ〜４２０ｎｍ、好ましくは４００ｎｍ〜４１０ｎｍの波長範囲に発光のピークを有する半導体発光素子を用いる。この発光ピーク波長を選択して使用するのは、ＩｎＧａＮを発光層に用いた半導体発光素子において、発光効率が高く、かつ一般的に蛍光体の励起効率が高い波長域であることによる。

本発明では、外部量子効率が５％以上、特に７％以上のＧａＮ系半導体発光素子を用いることが好ましい。

上記の発光ピーク波長を有するＧａＮ系半導体発光素子としては、ＩｎＧａＮ系材料からなる発光層を含んで構成された発光部を有するものが挙げられる。この発光部は、例えば（ｎ型クラッド層／量子井戸構造／ｐ型クラッド層）など、電流注入によって光を発生し得るようにｐ型層とｎ型層とを有して構成され、発光に係る層（発光層）を持つ。発光層は、量子井戸構造における井戸層である。好ましい発光部の構造としては、単一量子井戸（ＳＱＷ）構造、多重量子井戸（ＭＱＷ）構造、またはダブルヘテロ（ＤＨ）構造が挙げられ、なかでもＭＱＷ構造が、高出力、高効率の点で特に好ましい。

本発明に好ましい半導体発光素子の素構造例としては、サファイア基板上に、ＧａＮ系低温成長バッファ層を介して、順に、ｎ型コンタクト層、発光部（ｎ型クラッド層／ＭＱＷ／ｐ型クラッド層）、ｐ型コンタクト層が気相成長によって積層され、各コンタクト層に、ｎ−電極、ｐ−電極が設けられたものである。また、さらに、サファイア基板の上面に、後述のＬＥＰＳ法を実施するための凹凸が形成されていることが特に好ましい。

発光層の材料として用いるＩｎＧａＮ系とは、上記したＧａＮ系のなかでも、Ｉｎ組成、Ｇａ組成を必須に含む化合物半導体であって、Ｉｎ_ＡＧａ_１−ＡＮ（０＜Ａ＜１）で示されるものが挙げられ、その他、これにさらにＡｌ組成が加えられたものであってもよい。Ｉｎ_ＡＧａ_１−ＡＮの組成は、上記発光ピーク波長が得られるように決定すればよいが、Ｉｎ_ＡＧａ_１−ＡＮ（０．００５≦Ａ≦０．２２）は、出力が大きく好ましい材料である。

以上のことから、本発明の照明装置で用いる半導体発光素子としては、発光ピーク波長が３８０ｎｍ〜４２０ｎｍ、好ましくは４００ｎｍ〜４１０ｎｍとなるように決定されたＩｎ_ＡＧａ_１−ＡＮを井戸層とするＭＱＷ構造の半導体発光素子（ＩｎＧａＮ紫外半導体発光素子）が、好ましい。さらに、Ｉｎ_ＡＧａ_１−ＡＮを井戸層とするＭＱＷ構造のなかでも、Ｉｎ_ＡＧａ_１−ＡＮ井戸層とＧａＮ障壁層とからなるＭＱＷ構造は、高出力、高効率が得られる構造であり、好ましい。

ＧａＮ系半導体発光素子を形成するためのＧａＮ系結晶層の成長方法としては、ＨＶＰＥ法、ＭＯＶＰＥ法、ＭＢＥ法などが挙げられる。厚膜を作製する場合はＨＶＰＥ法が好ましいが、薄膜を形成する場合はＭＯＶＰＥ法やＭＢＥ法が好ましい。

ＧａＮ系系半導体発光素子の素子構造のべースとして用いられる結晶基板は、ＧａＮ系結晶が成長可能なものであればよい。好ましい結晶基板としては、例えば、サファイア（Ｃ面、Ａ面、Ｒ面）、ＳｉＣ（６Ｈ、４Ｈ、３Ｃ）、ＧａＮ、ＡｌＮ、Ｓｉ、スピネル、ＺｎＯ、ＧａＡｓ、ＮＧＯなどが挙げられる。また、これらの結晶を表層として有する基材であってもよい。なお、基板の面方位は特に限定されず、更にジャスト基板でも良いしオフ角を付与した基板であっても良い。

結晶基板上にＧａＮ系結晶層からなる素子構造を成長させるに際しては、必要に応じてバッファ層を介在させてよい。好ましいバッファ層としては、ＧａＮ、ＡｌＮ、ＩｎＮなどによるＧａＮ系低温成長バッファ層が挙げられる。

ＧａＮ系半導体発光素子のさらなる高出力化・高効率化のために、これらの結晶基板上に成長するＧａＮ系結晶層の転位密度を低減させる構造を適宜導入してよい。転位密度低減のための構造としては、例えば次のものが挙げられる。
（ｉ）従来公知の選択成長法（ＥＬＯ法）を実施し得るように、結晶基板上にマスク層（ＳｉＯ_２などが用いられる）をストライプパターンなどとして形成した構造。
（ii）ＧａＮ系結晶がラテラル成長やファセット成長をし得るように、結晶基板上に、ドット状、ストライプ状の凹凸加工を施した構造。
これらの構造とバッファ層とは、適宜組合せて採用することができる。

上記転位密度低減のための構造のなかでも、上記（ii）の凹凸加工を施した構造は、マスク層を用いない好ましい構造であって、ＧａＮ系半導体発光素子のさらなる高出力化・高効率化に寄与し、より好ましい照明装置を得ることができる。
以下、上記（ii）の転位密度低減化構造について説明する。

結晶基板に対する凹凸の加工方法としては、例えば、通常のフォトリソグラフイ技術を用いて、目的の凹凸の態様に応じてパターン化し、ＲＩＥ技術等を使ってエッチング加工を施して目的の凹凸を得る方法などが例示される。

凹凸の配置パターンは、ドット状の凹部（または凸部）が配列されたパターン、直線状または曲線状の凹溝（または凸条（凸尾根））が一定間隔・不定の間隔で配列された、ストライプ状や同心状のパターンなどが挙げられる。凸条が格子状に交差したパターンは、ドット状（角穴状）の凹部が規則的に配列されたパターンとみることができる。また、凹凸の断面形状は、矩形（台形を含む）波状、三角波状、サインカーブ状などが挙げられる。

これら種々の凹凸態様の中でも、直線状の凹溝（または凸条）が一定間隔で配列された、ストライプ状の凹凸パターン（断面矩形波状）は、その作製工程を簡略化できると共に、パターンの作製が容易であり好ましい。

ストライプの長手方向を、これを埋め込んで成長するＧａＮ系結晶にとって〈１−１００〉方向とした場合、凸部の上部から成長を開始したＧａＮ系結晶は、横方向に高速成長し、凹部を空洞として残した状態でＧａＮ系結晶層となりやすい。このような〈１−１００〉方向の凹凸を用いた手法は、ＬＥＰＳ法（Lateral Epitaxy on the Patterned Substrate）とも呼ばれる。ただし、ファセット面が形成されやすい成長条件を選ぶ事により、下記の〈１１−２０〉方向の場合と同様の効果を得ることができる。

一方、ストライプの長手方向を、成長するＧａＮ系結晶にとって〈１１−２０〉方向とした場合、横方向成長が抑制され、｛１−１０１｝面などの斜めファセットが形成され易くなり先ず、断面三角形を呈した稜線状の結晶に成長し、凹部に空洞を残さずＧａＮ系結晶層となりやすい。この結果、基板側からＣ軸方向に伝搬した転位がこのファセット面で横方向に曲げられ、上方に伝搬し難くなり、低転位密度領域を形成できる点で特に好ましい。このような〈１１−２０〉方向の凹凸を用いた手法は、上記ＬＥＰＳ法に対して、ファセットＬＥＰＳ法とも呼ぶことができる。

凹凸の断面を矩形波状とする場合の好ましい寸法は次のとおりである。凹溝の幅は、１μｍ〜２０μｍ、特に２μｍ〜２０μｍが好ましい。凸部の幅は、１μｍ〜２０μｍ、特に１μｍ〜１０μｍが好ましい。凹凸の振幅（凹溝の深さ）は、０．２μｍ以上の深さがあれば良い。これらの寸法やそこから計算されるピッチ等は、他の断面形状の凹凸においても同様である。

上記のような転位密度低減化の構造に加えて、発光層で発生した光をより多く外部に取り出すための種々の構造（電極構造、反射層構造、上下を逆に実装し得るフリップチップ構造など）などを適宜設けることが好ましい。

＜発光部＞
発光部１４は、半導体発光素子１２からの発光で励起されて青、緑、赤の領域に波長変換する３種類の蛍光体１５Ａ，１５Ｂ，１５Ｃが封止材としてのシリコーン樹脂１６中に分散されて構成される。封止材としてのシリコーン樹脂には、蛍光体を均一に分散させるために、チキソトロープ剤としてアエロジル（登録商標）などの無機粒子を添加しても良い。

（蛍光体）
本発明の照明装置は、上述のような半導体発光素子からの発光で励起されてそれぞれ青、緑、赤の領域に波長変換する３種類の蛍光体として、好ましくは以下の蛍光体を含有する。

青色蛍光体としては、３８０ｎｍ〜４２０ｎｍの波長範囲で励起可能であり、主発光ピークのピーク波長が４５０ｎｍ〜４６０ｎｍであり、重量メジアン径が１０μｍ〜１２μｍである青色蛍光体を用いることが好ましい。

緑色蛍光体としては、３８０ｎｍ〜４２０ｎｍの波長範囲で励起可能であり、主発光ピークのピーク波長が５２０ｎｍ〜５３０ｎｍであり、重量メジアン径が１８μｍ〜２２μｍである緑色蛍光体を用いることが好ましい。

赤色蛍光体としては、３８０ｎｍ〜４２０ｎｍの波長範囲で励起可能であり、主発光ピークのピーク波長が６２５ｎｍ〜６３０ｎｍであり、重量メジアン径が８μｍ〜１０μｍである赤色蛍光体を用いることが好ましい。

これらの蛍光体が励起可能な波長が、上記範囲より短い場合は表面実装型ＬＥＤや照明装置の劣化程度が大きくなる虞があり、また、長い場合は蛍光体が励起し難くなる虞がある。

蛍光体の重量メジアン径（Ｄ_５０）が、上記範囲にある場合は、半導体発光素子から発する光が充分に散乱される。また、半導体発光素子から発する光が充分に蛍光体粒子に吸収されるため、波長変換が高効率に行われると共に、蛍光体から発せられる光が全方向に照射される。これにより、３種類の蛍光体からの光を混色して白色にすることができると共に、均一な白色が得られるため、本発明の照明装置による照射面において、均一な白色光と照度が得られる。

蛍光体の重量メジアン径（Ｄ_５０）が、上記範囲より大きい場合は、蛍光体が発光部の空間を充分に埋めることができないため、半導体発光素子からの光が充分に蛍光体に吸収されない虞がある。また、蛍光体の重量メジアン径（Ｄ_５０）が、上記範囲より小さい場合は、蛍光体の発光効率が低下するため、表面実装型ＬＥＤや照明装置の照度が低下する虞がある。

また、青色蛍光体の主発光ピークのピーク波長が、４５０ｎｍより短い場合は視感度が低下するため照明装置の照度が低下する（暗くなる）虞があり、４６０ｎｍより長い場合は照明装置の演色性が低下する虞がある。緑色蛍光体の主発光ピークのピーク波長が、５２０ｎｍより短い場合は視感度が低下するため照明装置の照度が低下する（暗くなる）虞があり、５３０ｎｍより長い場合は照明装置の演色性が低下する虞がある。赤色蛍光体の主発光ピークのピーク波長が、６２５ｎｍより短い場合は照明装置の演色性が低下する虞があり、６３０ｎｍより長い場合は視感度が低下するため照明装置の照度が低下する（暗くなる）虞がある。

本発明に用いられる蛍光体は、上記の特性を満足するものであれば特に限定されないが、酸化物蛍光体又は窒化物蛍光体が化学的に安定であるため、半導体発光素子および照明装置の寿命が長くなるので好ましい。

本発明の照明装置に用いられるこれらの蛍光体の量は、本発明の照明装置の特性を満足するよう適宜選択することができるが、発光部に含まれる蛍光体の全量を１００重量部とした場合、通常、青色蛍光体：緑色蛍光体：赤色蛍光体＝５重量部〜９５重量部：５重量部〜９５重量部：５重量部〜９５重量部、好ましくは青色蛍光体：緑色蛍光体：赤色蛍光体＝１０重量部〜９０重量部：１０重量部〜９０重量部：１０重量部〜９０重量部であることが望ましい。この範囲を外れた場合は、充分な照度が得られない虞がある。

（封止材）
本発明の照明装置の発光部は、上記蛍光体と封止材としてのシリコーン樹脂を含有するものである。即ち、封止部材としては、半導体発光素子からの励起光（ピーク波長３８０ｎｍ〜４２０ｎｍ）に対して充分な透明性と耐久性のある樹脂が好ましく、従って、本発明では封止材としてシリコーン樹脂を用いる。

発光部に含まれる蛍光体の量は、発光部の総重量に対して２０重量％〜３０重量％であることが好ましい。ここで、発光部の重量とは、発光部に含まれる蛍光体の総重量、封止材であるシリコーン樹脂の重量、必要に応じて添加される粘度調整剤等の添加剤の重量の総和をいう。

（形状）
本発明の照明装置の発光部１４は、略円盤形状であり、半導体発光素子１２からの発光で励起されて発光する蛍光が発せられる発光面１４Ａがリフレクタ１３の前縁１３Ａと面一の平面となっている。
また、リフレクタ１３及び発光部１４は、前面の発光面１４Ａ側ほど径が大きくなるテーパ形状であり、そのテーパ角θ_ｘは９０°より大きく１５０°以下であることが好ましい。このテーパ角θ_ｘが適切な範囲外であると、発光部からの光取出し効率が低下する。

＜リフレクタ＞
リフレクタ１３は、実装基板１１の板面からの距離が遠ざかるに従って内径が大きくなる円筒形状であり、リフレクタ１３で囲まれた空間内に発光部１４が形成されている。リフレクタ１３は、半導体発光素子１２から発せられた光の取り出し効率を向上させる役割の他に、発光部１４を保持するハウジングとしての役割も果たしている。

半導体発光素子１２および発光部１４で発せられた光を、効率よく取り出すために、リフレクタ１３の内周面は高反射材料で形成されていることが好ましく、従ってリフレクタとしては、例えば樹脂製本体の内周面を銀でメタライズしたものや金属など任意の材料で形成したものとすることが好ましい。

なお、リフレクタ１３のテーパ角θ_ｘは、前述の通り、９０°より大きく１５０°以下であることが好ましい。

＜実装・電気的接続＞
半導体発光素子１２の実装基板１１への実装及び電気的接続の方法には特に制限はなく、半導体発光素子１２の電極位置により様々な方法をとりうる。例えば、半導体発光素子１１の電極が半導体発光素子１１の上面にある場合は、図２に示す如く、半導体発光素子１２を実装基板１１に樹脂ペーストなどのダイボンド剤１７で実装接着し、実装基板１１の配線１１Ａ，１１Ｂと半導体発光素子１２の電極間を金線などのワイヤー１８Ａ，１８Ｂで接続する。また、半導体発光素子の電極が上下に存在する場合は、実装基板の配線の片側に導電性のペーストで実装接着した上、半導体発光素子の上側の電極と他の配線間を金線などのワイヤーで接続する。さらにまた、半導体発光素子の電極が下面にある場合はサブマウントを用いて実装することもできるし、直接、実装基板の配線上に半導体発光素子を取り付けて、半導体発光素子の電極と実装基板の配線とを電気的接続することも可能である。

［配光制御用レンズ］
本発明の照明装置では、簡易な配光制御用レンズを用いるために、前述の如く、発光部１４の発光面１４Ａを平面にしている。そのため、一般的にこの発光部１４から出射される光の１／２指向角θ_1/2は９０°近くなり、時として９０°を超える場合ですらあり得る。このような大きな角度のままでは、照明用の光源とするには好適といえない。そこで、この１／２指向角を小さくする配光制御用レンズを用いることにより、本発明の照明装置を形成する。

配光制御用レンズ２０は、表面実装型ＬＥＤ１０の１／２指向角を小さくするためのものであり、図３に示す如く、表面実装型ＬＥＤからの発光光が入射する入射凹部２１を裏面側に有すると共に、前面側に該発光光の出射面２２を有した凸レンズ形状（即ち、一方の面が平面で他方の面が凸曲面となっている凸レンズの、凸曲面に凹部（入射凹部２１）を形成した形状）であり、前記表面実装型ＬＥＤ１０は、図４に示す如く、配光制御用レンズ２０の入射凹部２１内に配置され、このＬＥＤ１０の発光面１４Ａが入射凹部２１の底面（以下「受光面」と称す）２１Ａに対面する。

この入射凹部２１の受光面２１Ａは、ＬＥＤ１０の発光面１４Ａに向って凸に湾曲しており、かつ、発光光の出射面２２は平面となっている。本実施例の配光制御用レンズ２０は、略逆円錐台形状の本体部に入射凹部２１を凹設した形状であり、この入射凹部２１の周囲部分が表面実装型ＬＥＤ１０のリフレクタ１３の覆い部分２３となっている。

＜１／２指向角θ_１／２＞
本発明における、１／２指向角θ_１／２とは、以下の通り定義されるものである。

まず、１／２指向角θ_１／２は、ＬＥＤ１０又は配光制御用レンズ２０の設計上の構造軸Ｌからの傾斜角を表す。
この構造軸Ｌは、厳密には最大光度軸（光度が最大となる方向）や光軸（光学的軸：ＬＥＤの配向パターンの中心方向）とはずれている場合が多いが、本発明においてはこの最大光度軸や光軸と構造軸Ｌとの差が小さいことが好ましい。
また、φは、図４に示したとおり、構造軸回りの角度と定義する。

指向角θ_１／２とは、釣鐘状の配光を持つ光源において、光源の配光特性を、中央（θ，φ）＝（０，０）からθの絶対値が増加するに従って円対称に凸型に減衰する配光として近似し、中央（θ，φ）＝（０，０）を最大光度とした場合に、−１８０＜θ＜１８０（度）の範囲、好ましくは−９０＜θ＜９０（度）の範囲において、最大光度より１／２となる光度角−θ_ｈａｌｆと光度角＋θ_ｈａｌｆまでの角度のことであり、
θ_１／２＝２×｜±θ_ｈａｌｆ｜
と定義する。本発明の１／２指向角θ_１／２とは、上記式の角度の半分、即ち、
１／２θ_１／２＝｜±θ_ｈａｌｆ｜
である。

光源としては、光度のθに対する分布において、θ＝０が最大値ではないもの、例えば中央部にくぼみがあるダブルポーラ型配光のものが存在する。

また、本発明においては、光源の配光特性は、構造軸に対して「円対称性」があることがさらに好ましい。

配光制御用レンズ２０は前述した表面実装型ＬＥＤの１／２指向角θ_１／２を小さくするためのものであり、この配光制御用レンズ２０は、表面実装型ＬＥＤ１０の発光面１４Ａに対向して設けられた入射凹部２１の凸状の受光面２１Ａを有し、出射面２２側が平面である。また、表面実装型ＬＥＤ１０の発光面１４Ａを完全に覆い、かつリフレクタ１３側面の一部または全部を覆うように形成、配置されてなるものである。

表面実装型ＬＥＤ１０の１／２指向角は、発光部１４の発光面１４Ａを平面にしているため、９０°近くなり、時として９０°を超える場合ですらあり得る。配光制御用レンズ２０は照明装置として好ましい配光を実現させるために、配光制御用レンズ２０から出射される光の１／２指向角が８０°以下にすることが好ましく、より好ましくはこの１／２指向角は６０°以下である。

これらの角度は照明装置の用途によって選ばれるものであり、例えば照明装置の全面のみを照射するようなスポットライト的用途においては、照明装置の１／２指向角である配光制御用レンズ２０の出射面２２からの光の１／２指向角は４５°以下が好ましい。本発明の照明装置の１／２指向角の下限は通常１°程度である。

＜形状＞
上述のような１／２指向角を実現し、かつ受光面２１Ａ側が凸状であり出射面２２側が平面であり、表面実装型ＬＥＤ１０の発光面１４Ａを完全に覆い、かつリフレクタ１３の側面の一部または全部を覆うように形成された形状であれば、配光制御用レンズ２０の形は特に限定されるものではない。しかし、輝度低下を少なくし、かつ、照明装置のサイズ的制約などを考えると、受光面２１Ａの大きさ（直径）は、好ましくは表面実装型ＬＥＤ１０の発光面１４Ａの直径の２倍以内、さらに好ましくは１．５倍以内である。また、出射面２２の直径は受光面２１Ａの直径の６倍以内、好ましくは４倍以内である。また受光面２１Ａの凸形状は曲面が好ましく、その場合の曲率半径は出射光の１／２指向角に応じて、また配光制御用レンズ２０の構成材料の屈折率等により決定されるが、配光制御レンズの受光面２１Ａの直径、即ち、入射凹部２１の直径の１／５から５倍以内が好ましい。

また、本発明の照明装置にあっては、このような凸状受光面２１Ａと平面状出射面２２とを有する配光制御用レンズ２０を、発光面１４Ａが平面とされた表面実装型ＬＥＤ１０と組み合わせて用いることにより、輝度の低下を防止した上で、色ムラ、輝度ムラ、リングの発生を防止して、発光の均一性、演色性の向上を図るが、この配光制御用レンズ２０を設けることによる輝度の低下をより確実に防止するために、配光制御用レンズ２０の受光面２１Ａの最も突出した部分と出射面２２との距離（即ち、図４における距離Ｒ）は５ｍｍ〜３０ｍｍ、好ましくは８ｍｍ〜２０ｍｍ程度であることが好ましい。

＜構成材料＞
配光制御用レンズの材質は可視光を透過し適度な強度があるものであれば特に限定されない。例えば、ガラス材でもよいが、重量やコストからは透明樹脂が好適であり、なかでもアクリル樹脂、メタクリル樹脂、エポキシ樹脂、ポリカーボネート、シクロオレフィン系樹脂、シリコーン樹脂などが挙げられる。

［表面実装型ＬＥＤ及び配光制御用レンズの配置］
本発明の照明装置は、上述のような表面実装型ＬＥＤ１０と配光制御用レンズ２０とを配線基板１に複数個集積及び配置してなる。通常、図１に示す如く、一つの表面実装型ＬＥＤ１０に対して一つの配光制御用レンズ２０を配置するが、複数の表面実装型ＬＥＤに対し一つの配光制御用レンズを配置するようにすることもできる。

ここで、配光制御用レンズの設置法は特に限定されるものではないが、一般的には表面実装型ＬＥＤ１０の発光面１４Ａと配光制御用レンズの受光面２１Ａはできるだけ近接していることが好ましく、この間に間隙（図４のｒ）がある場合、間隙は１０ｍｍ以下、特に５ｍｍ以下であることが好ましい。なお、この間隙を光透過性樹脂接着剤で埋めて固定しても良い。

また、配光制御用レンズ２０はＬＥＤ１０のリフレクタ１３の外周を一部又は完全に覆う構造となっており、例えば、図４に示す如く、この配光制御用レンズ２０の覆い部分２３が完全にＬＥＤ１０のリフレクタ部１３を覆う場合においては、配光制御用レンズ２０をこのＬＥＤ１０を実装している配線基板１に固定しても良い。このように配光制御用レンズ２０を配線基板１に固定することにより、配光制御用レンズ２０をＬＥＤ１０に保持させたり、照明装置の筐体に保持させる必要がなくなる。

表実装型ＬＥＤ１０の出射光をできる限り損失することなく配光制御用レンズ１０に取り込みかつ照明装置として適性な配光を得るために、図４に示したとおり、表実装型ＬＥＤ１０の構造軸及び配光制御用レンズ２０の構造軸Ｌが重なり、かつ、配線基板１面に対して垂直となるように配列されていると好ましい。

なお、前述の如く、本発明の照明装置は、表面実装型ＬＥＤを複数個集積することにより構成されるものであるが、集積する表面実装型ＬＥＤの数及び配置は、設計される照明装置の大きさ、要求される照度に応じて適宜選択することができる。

[照明の色及び照射面における色分離の程度]
次に、本発明における照明の色及び照射面における色分離の程度に関して説明する。

一般的に照明においては物体の色を正しく観測者が知覚できるように、できるだけ白色でかつ演色性が高いものが求められる。例えば赤色灯や黄色灯、あるいはナトリウムランプ灯下では物体の色が正しくは知覚され得ない。そこで、本発明の照明装置の照明の色としては、白色あるいは白色周辺色であるパステル色が好ましい。白色あるいは白色周辺色とは漠としているため、本発明ではＬＥＤの構造軸上、すなわち（θ、φ）＝（０，０）上で、ＣＩＥ１９７６ＵＣＳ色度座標（ｕ’，ｖ’）＝（０．２１，０．４７）を白色として、また白色周辺色として、前記色度座標変面において（ｕ’，ｖ’）＝（０．２１，０．４７）を中心とする半径０．０５以内領域の色、好ましくは（ｕ’，ｖ’）＝（０．２１０５，０．４７３７）を中心とする半径０．０５以内領域の色、好ましくは半径０．０４以内領域の色とする。

この照明色は、前述の青色、緑色、赤色の蛍光体の混合の比率を調整することにより実現される。例えば、赤色の蛍光体の分量を多くすれば白色周辺色の赤色味を帯びた色となる。

また、白色を照射された面内において照明側の色が分離してしまうと、物体色を正しく知覚できなくなる。とりわけこの色分離は、波長４３０ｎｍ以上の青色の半導体発光素子からの光と、この光で励起され黄色あるいは緑色と赤色に発光する蛍光体を用い、励起光の青色と蛍光体の発光色とを混色させることで得られる、いわゆる白色ＬＥＤで生じやすい。なぜならば、励起光である青色と蛍光体の発光の配光特性が異なるため混色の程度が悪いからである。本発明での白色ないし白色周辺色であるパステル色は、励起光との混色でなされるのではなく、すべて前述した半導体発光素子からの励起光によって、青色、緑色、赤色に発光する蛍光体からの発光で混色されてなる。そのため、色毎の配光が概ね同一となるため混色の程度が良好となる。

以下、実施例を用いて本発明をより具体的に詳説明するが、本発明はその要旨を超えない限り、以下の実施例に限定されるものではない。

［実施例１］
半導体発光素子、封止部材、蛍光体として以下のものを用いて、以下のＬＥＤを作製し、このＬＥＤ及びこれを複数集積した照明装置の評価を行った。

＜半導体発光素子＞
半導体発光素子（以下、ベアチップ或いはチップと言う）としては、ピーク波長が４０５ｎｍ、半値幅３０ｎｍのＩｎＧａＮ半導体を発光層にしたものを用いた。このベアチップの主な仕様は次のとおりであり、以下のようにして作製した。
発光部の構造：ＩｎＧａＮ井戸層／ＧａＮ障壁層を６ペア積層したＭＱＷ構造
転位密度低減化の手法：ファセットＬＥＰＳ法
ベアチップの外形：３５０μｍ×３５０μｍ方形

Ｃ面サファイア基板上にフォトレジストによるストライプ状のパターニングを行い、ＲＩＥ装置で１．５μｍの深さまで断面方形となるようエッチングし、表面がストライプ状パターンの凹凸となった基板を得た。該パターンの仕様は、凸部幅３μｍ、周期６μｍ、ストライプの長手方向は、基板上に成長するＧａＮ系結晶にとって〈１１−２０〉方向とした。

フォトレジストを除去後、通常の横型常圧の有機金属気相成長装置（ＭＯＶＰＥ）に基板を装着し、窒素ガス主成分雰囲気下で１１００℃まで昇温し、サーマルクリーニングを行った。温度を５００℃まで下げ、ＩＩＩ族原料としてトリメチルガリウム（以下、ＴＭＧと言う。）を、Ｎ原料としてアンモニアを流し、表面凹凸を形成したＣ面サファイア基板上に厚さ３０ｎｍのＧａＮ低温成長バッファ層を成長させた。

続いて、温度を１０００℃に昇温し、原料（ＴＭＧ、アンモニア）、ドーパント（シラン）を流し、ＧａＮ低温成長バッファ層上にｎ型ＧａＮ層（コンタクト層）を成長させた。このときのＧａＮ層の成長は、凸部の上面、凹部の底面から、断面山形でファセット面を含む尾根状の結晶として発生した後、凹部内に空洞を形成することなく、全体を埋め込む成長であった。

ファセット構造を経由して平坦なＧａＮ埋め込み層を成長し、続いて、ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層、ＩｎＧａＮ発光層（ＭＱＷ構造）、ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層、ｐ型ＧａＮコンタクト層を順に形成し、発光波長４０５ｎｍのＬＥＤ用エピ基板とし、さらに、ｎ型コンタクト層を表出させるためのエッチング加工、電極形成、３５０μｍ×３５０μｍのチップへと素子分離を行い、ベアチップ状態のＬＥＤを得た。

＜封止部材＞
両末端シラノールジメチルシリコーンオイル（東芝シリコーン社製ＸＣ９６−７２３）５０ｇ、フェニルトリメトキシシラン５．０ｇ、及び、触媒としてジルコニウムテトラｎ−プロポキシド溶液（ジルコニウムテトラｎ−プロポキシドの７５重量％ｎ−プロパノール溶液５重量部をトルエン９５重量部で希釈したもの）１１ｇを、室温・大気圧下において１５分間撹拌し、初期加水分解を行なった後、５０℃に加熱しながら更に８時間撹拌を続けた。その後、反応液を室温まで冷却してから、減圧加熱条件（５０℃、１ｍＰａ）下で３０分間保持することにより、シリコーン系封止部材形成液を得た（これを以下適宜「封止部材形成液Ａ」という。また、この封止部材形成液Ａを硬化させたものを適宜「封止部材」という。）。なお、封止部材形成液Ａの加水分解率は１４８％である。

＜蛍光体＞
蛍光体として以下の蛍光体を用いた。
青色蛍光体：ＢａＭｇＡｌ_１０Ｏ_１７：Ｅｕ、主発光ピークのピーク波長４６２ｎｍ、重量メジアン径１０μｍ
緑色蛍光体：(Ｂａ，Ｓｒ)_２ＳｉＯ_４：Ｅｕ、主発光ピークのピーク波長５２５ｎｍ、重量メジアン径２０μｍ
赤色蛍光体：（Ｓｒ，Ｃａ)ＡｌＳｉＮ_３：Ｅｕ、主発光ピークのピーク波長６２８ｎｍ、重量メジアン径９μｍ

＜表面実装型ＬＥＤ＞
（表面実装型ＬＥＤの作成）
ＬＥＤ用高耐熱白色基板（利昌工業株式会社製；ＣＳ−３９６５Ｈ）を用いて図２のような半導体発光素子の実装基板１１及び配線１１Ａ，１１Ｂを作成し、配線を銀メッキした。配線の施されていない中央部分にダイボンド剤（シリコーン樹脂）１７で前述したベアの半導体発光素子１２を一直線上に４個実装した。その後、配線１１Ａ，１１Ｂと各チップ１２の電極を直径３０ｎｍの金線１８Ａ，１８Ｂでワイヤーボンドし、電気導通を取った。
次に、リング状の樹脂表面を銀でメタライズしたリフレクタ１３を、４個のチップを取り囲むようにシリコーン樹脂で接着し、１５０℃で３時間かけて硬化させた。
この形成されたリフレクタ１３内に、ディスペンサーを用いて、下記組成となるように各色蛍光体と粘度調整のためのチクソ剤を前記封止部材形成液Ａに分散させた液体を、リフレクタ１３の上縁とほぼ同一の高さになるまで滴下した。次いで、１２０℃で１時間、続いて１５０℃で３時間保持して、この封止部材を硬化させて発光部を形成した。
なお、リフレクタ１３のテーパ角θ_ｘは１１０°であった。

｛発光部形成用液の組成（重量％：すべて固形分濃度）｝
封止部材形成液Ａ ：６５
チクソ剤（アエロジルＲ９２８）： ９
蛍光体総量 ：２６
以下、前記蛍光体総量を１００とした場合の重量％
赤色蛍光体 ： ８．７
緑色蛍光体 ： ９．２
青色蛍光体 ：８２．１

（表面実装型ＬＥＤの測定）
直流定電流電源を用いて、作成された表面実装型ＬＥＤの基本的特性を測定したところ、駆動電流８０ｍＡのとき順方向電圧（Ｖｆ）＝３．６Ｖであった。
この条件のときの光束、輝度と色度をラボスフェア製の全光束分光測定システム（ＳＬＭＳ−１０２１−Ｓ。積分球の大きさ１０インチ）で測定した結果、全放射束は１３（ｍＷ）、光束は１５（ｌｍ）、色度はｕ’＝０．２１２６，ｖ’＝０．５０８０であった。即ち、（ｕ’，ｖ’）は（０．２１，０．４７）を中心とする半径０．０５以内の領域であった。
また、計測したスペクトルから平均演色性指数Ｒａを求めたところ９３であった。

（１／２指向角θ_１／２の測定）
１／２指向角θと構造軸回りの角度φをそれぞれを変更して光強度（照度ｌｘ）が測定できる全空間配光測定装置を用いて、作成された表面実装型ＬＥＤについて、５０ｃｍの距離で光強度の分布を求め、そこから１／２指向角θ_１／２を求めたところ、この表面実装型ＬＥＤの１／２指向角θ_１／２は８６°であった。

＜配光制御用レンズ＞
図３に示した配光制御用レンズ２０をアクリル樹脂で作製した。この配光制御用レンズ２０の平面状出射面２２の直径は約２０ｍｍであり、入射凹部２１の直径は約１３ｍｍであり、凸状受光部２１Ａの曲率半径は６ｍｍ、凸状受光面２１Ａの最凸部と平面状出射面２２との距離Ｒは１２ｍｍである。

この配光制御用レンズを、表面実装型ＬＥＤに対して図１，４で示したようなアライメントとなるように治具で固定し、前述した全空間配光測定装置を用いて、光源から５０ｃｍの距離で光強度の分布を求め、そこから１／２指向角θ_１／２を求めた。その結果、この配光制御用レンズを用いた時の１／２指向角θ_１／２は３１°と求まった。
なお、表面実装型ＬＥＤ１０の発光面１４Ａの直径は８ｍｍで、発光面１４Ａと配光制御用レンズ２０の凸状受光面２１Ａとの間隔ｒは２ｍｍであった。

＜照明装置＞
（照明装置の作製）
照明用途アルミベースプリント配線板（利昌工業株式会社製；ＡＣ−７００５ 厚さ２．０ｍｍ）を用いて前述の表面実装型ＬＥＤを４直列３並列で、縦３個、横４個等間隔で配置できるよう配線を組んだ。その後、配線基板の必要部位にクリームはんだを手動で塗布し、その上に作製した半導体発光素子１２個を実装し、小型リフロー（２６０°）ではんだ付けした。

この半導体発光素子１２個付の基板に、前述の配光制御用レンズを、ＬＥＤ１個に対して１個ずつ、リフレクタを完全に覆い、かつ略構造軸がＬＥＤの構造軸と一致するように、両面テープで貼り付けた。これらの配光制御用レンズの配線基板面との接着面はほぼ水平であり構造軸に対しては垂直であるため、配線基板面に対してもほぼ垂直となった。さらに、配線基板のほぼ全面を覆えるプリント配線板用のフィン型ヒートシンクを熱伝導シールを用いて配線基板のメタル面に貼り付けた。

（照明装置としての評価）
作製した前記照明装置の配線基板面の電力供給配線部に、定電流電源から１６Ｖ、３６０ｍＡを供給することにより、点灯させた。本照明装置の配線基板と平行に、距離１ｍ離した所にスクリーンをたて、照射面を観察した結果、色むらやリングもなく非常に均一な照射面を観測することができた。

本発明の照明装置の実施の形態を示す全体構成の断面の模式である。 表面実装型ＬＥＤの構成を示す断面図である。 配光制御用レンズの形状を示す断面図である。 配光制御用レンズによる表面実装型ＬＥＤの配光制御機構を説明する模式図である。

符号の説明

１ 配線基板
１０ 表面実装型ＬＥＤ
１１ 実装基板
１２ 半導体発光素子
１３ リフレクタ
１４ 発光部
１４Ａ 発光面
１５Ａ，１５Ｂ，１５Ｃ 蛍光体
１６ シリコーン樹脂
２０ 配光制御用レンズ
２１ 入射凹部
２１Ａ 受光面
２２ 出射面
２３ リフレクタ覆い部分

Claims (4)

1. 配線基板と、該配線基板上に複数個設けられた表面実装型ＬＥＤと、該表面実装型ＬＥＤの１／２指向角を小さくするための配光制御用レンズとを備える照明装置であって、
   前記表面実装型ＬＥＤは、
   ３８０ｎｍ〜４２０ｎｍの波長範囲に発光のピークを有する半導体発光素子と、
   該半導体発光素子からの発光で励起されて青、緑、赤の領域に波長変換する３種類の蛍光体がシリコーン樹脂中に分散された発光部であって、前面側の発光面から発光光を発する、略円盤形状の発光部と、
   該発光部の外周面を囲むリフレクタとを有し、
   該発光部の外周面及びリフレクタは、前記発生面側ほど径が大きくなるテーパ形状であり、該発光部の発光面は、該リフレクタの前縁と面一の平面となっており、
   前記配光制御用レンズは、前記表面実装型ＬＥＤからの発光光が入射する入射凹部を裏面側に有すると共に、前面側に該発光光の出射面を有しており、
   前記表面実装型ＬＥＤは、該入射凹部内に配置され、該ＬＥＤの前記発光面が該入射凹部の底面に対面し、該入射凹部の該底面は、ＬＥＤの前記発光面に向って凸に湾曲しており、かつ、前記発光光の出射面は平面となっており、
   該出射面から出射される発光色がＣＩＥ１９７６ＵＣＳ色度座標（ｕ’,ｖ’）で（０．２１，０．４７）を中心とする半径０．０５以内領域の色であることを特徴とする照明装置。
2. 前記半導体発光素子からの発光で励起されて青、緑、赤の領域に波長変換する３種類の蛍光体として、以下の蛍光体を含有することを特徴とする請求項１に記載の照明装置。
   （１）３８０ｎｍ〜４２０ｎｍの波長範囲で励起可能であり、主発光ピークのピーク波長が４５０ｎｍ〜４６０ｎｍであり、重量メジアン径が１０μｍ〜１２μｍである青色蛍光体。
   （２）３８０ｎｍ〜４２０ｎｍの波長範囲で励起可能であり、主発光ピークのピーク波長が５２０ｎｍ〜５３０ｎｍであり、重量メジアン径が１８μｍ〜２２μｍである緑色蛍光体。
   （３）３８０ｎｍ〜４２０ｎｍの波長範囲で励起可能であり、主発光ピークのピーク波長が６２５ｎｍ〜６３０ｎｍであり、重量メジアン径が８μｍ〜１０μｍである赤色蛍光体。
3. 前記表面実装型ＬＥＤの構造軸及び前記配光制御用レンズの構造軸が前記配線基板面に対して垂直になるように配列されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の照明装置。
4. 前記半導体発光素子が、表面に凹凸が加工されたサファイア基板上にＧａＮ系結晶層が該凹凸を覆うように形成されており、該ＧａＮ系結晶相の上に発光層が形成された構造を有するものであることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１項に記載の照明装置。

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