JP2010225791A

JP2010225791A - 半導体発光装置

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Publication number: JP2010225791A
Application number: JP2009070652A
Authority: JP
Inventors: Masatsuna Sawada; 正綱澤田
Original assignee: Stanley Electric Co Ltd
Current assignee: Stanley Electric Co Ltd
Priority date: 2009-03-23
Filing date: 2009-03-23
Publication date: 2010-10-07

Abstract

【課題】配向を制御でき、均一な色度と輝度の光を広範囲に出射することができる半導体発光装置を提供する。
【解決手段】LED1を含むLEDパッケージ3と、LEDパッケージ3を覆うレンズ部8とを有する。レンズ部8は、第１レンズ5と、その外側を覆う第２レンズ6と、第１レンズ5と第２レンズ6との間の空間を充填する蛍光体含有樹脂層7とを有する。このようにレンズ部8を配置することにより、発光部3からの光を配光制御しながら、蛍光体含有樹脂層7により波長変換することができる。蛍光体含有樹脂層7の厚みは、LEDパッケージ3の光軸11方向においてもっとも厚く、端部に近づくにつれ薄くなっていることが望ましい。色ムラを抑制できるからである。
【選択図】図１

Description

本発明は、ＬＥＤまたはＬＥＤパッケージに、蛍光体を含むレンズ部を被せた半導体発光装置に関する。

ＬＥＤを封止する樹脂をレンズ形状にした、いわゆる砲弾型のＬＥＤパッケージが知られている。一方、ＬＥＤからの発光を色変換するために、蛍光体含有樹脂によりＬＥＤを封止したＬＥＤパッケージも知られている。

特許文献１では、砲弾型のＬＥＤパッケージの発光を色変換するために、封止樹脂に蛍光体を分散させた場合、封止樹脂内で蛍光体による光散乱が生じ、発光輝度が著しく低下すると指摘している。そのため、砲弾型のＬＥＤパッケージのレンズ形状の封止樹脂に、樹脂性のキャップを被せ、樹脂性のキャップに蛍光体を混合した構造（蛍光体カバー）を開示している。

このように、樹脂性のキャップに蛍光体を混合する構造としたことにより、蛍光体の発光輝度の低下を防止し、波長変換された高輝度で所望の混合色または中間色の光を取り出すことができると特許文献１には開示されている。

特開２００４−２３５６６８号公報

特許文献１に開示されている蛍光体カバーは、均一な厚みのキャップ状の部材であるため、レンズのように光の向きを制御する作用はほとんどなく、ＬＥＤパッケージの封止樹脂からの出射光の強度分布（配光）を、蛍光体カバーを通過させることにより所望の配光に制御することは難しい。このため、従来はＬＥＤの封止樹脂からの配光特性のまま利用している。

また、ＬＥＤパッケージは、光軸からの角度が大きくなるにつれ、出射光の強度が小さくなるのに対し、蛍光カバーは均一な厚みであるために、蛍光体の励起光の強度に分布が生じる。このため、出射角にかかわらず均一な色変換を行うことが困難である。

蛍光カバーは、ＬＥＤパッケージに接触しているため、ＬＥＤの熱が伝導しやすく、樹脂を劣化させやすい。このため、蛍光カバーの寿命を長く保つことができない。

本発明の目的は、配向を制御でき、均一な色度と輝度の光を広範囲に出射することができる半導体発光装置を提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明では以下のような半導体発光装置が提供される。すなわち、半導体発光素子を含む発光部と、発光部を覆うレンズ部とを有する半導体発光装置であって、レンズ部は、発光部側に配置された第１レンズと、その外側を覆う第２レンズと、第１レンズと第２レンズとの間の空間を充填する蛍光体含有樹脂層とを有する。このような構造のレンズ部を配置することにより、発光部からの光を配光制御しながら、蛍光体含有樹脂層により波長変換することができる。

蛍光体含有樹脂層の厚みは、半導体発光素子の光軸方向においてもっとも厚く、端部に近づくにつれ薄くなっていることが望ましい。発光部からの光量に対応して蛍光体量を低減し、色ムラを抑制できるからである。蛍光体含有樹脂層の端部の厚みは、半導体発光素子の光軸方向における厚みの１／２以下であることがさらに好ましい。

例えば、第１レンズは、発光部側の入射面が、外向きに凸の球面である構成とする。この場合、該球面の径は、発光部の径以上とすることが好ましい。これにより、発光部から出射する光が第１レンズの入射面で全反射されるのを低減することができるからである。

第２レンズは、出射面が外向きに凸の球面であって、出射面の径は、第１レンズの入射面の径より大きいことが好ましい。第２レンズから出射される光の色ムラを低減することができるからである。特に、第２レンズの出射面の径が、第１レンズの入射面の径の１．５倍以上２倍以下であることが好ましい。

半導体発光素子の光軸方向における第１レンズの厚さは、第２レンズの厚さに対して、１／４以上１／２以下であることが好ましい。これにより、所定の白色光を得ることが可能になるためである。特に、半導体発光素子の光軸方向における第１レンズの厚さは、第２レンズの厚さに対して、１／３であることが好ましい。

第１レンズの外形形状は、第１レンズの入射面の径中心から半導体発光素子の光軸に対して９０度方向における第１レンズの厚さが、当該方向における第２レンズの厚さよりも大きくなる形状の曲面により形成されていることが好ましく、特に、２倍以上３倍以下であることが好ましい。配光（配向）角による色むらを低減することができるからである。

レンズ部の厚み、すなわち第１レンズ、蛍光体含有樹脂層および第２レンズの厚みの和は、いずれの方向（配光角）においても一定の値であることが好ましい。これにより半導体発光素子の配向特性に影響を与えることを低減し、色ムラを低減することができる。

第１レンズおよび第２レンズは、端部につば部を有する構成にすることも可能である。

半導体発光素子の配光特性は、光軸方向の出射光強度の半値が、光軸方向から４５度より大きい角度に位置することが好ましい。配光角による色度ムラを低減できるためである。特に、６０度より大きい角度に位置することが好ましい。

発光部と第１レンズとの間の空間が、樹脂により封止されていることが好ましい。第１レンズへの入射効率を高めるためである。

第１レンズと第２レンズは、蛍光体含有樹脂層により接着され一体化されている構成にすることができる。

発光部から前記第２レンズの出射面までの間にある各部材を構成する材料は、第２レンズの出射面側に位置にする部材の屈折率が、それに隣接して発光部側に位置する部材の屈折率と同等もしくはそれ以下となるように構成されていることが好ましい。界面ごとに屈折率を段階的に小さくすることにより、光の取り出し効率が向上するためである。

本実施形態の半導体発光装置のレンズ部の概念図。（ａ），（ｂ）本実施形態の半導体発光装置の断面図。本実施形態の半導体発光装置の配光特性と、ＬＥＤ1の配光特性を示すグラフ。実施例１で色度分布をシミュレーションした半導体発光装置の第１及び第２レンズ5,6および蛍光体含有樹脂層7の構成を示す説明図。実施例２で色度分布をシミュレーションした半導体発光装置の第１及び第２レンズ5,6および蛍光体層7の構成を示す説明図。（ａ），（ｂ）および（ｃ）実施例２のシミュレーションに用いた蛍光体含有樹脂層７の形状を示す断面図。実施例２においてタイプ１の蛍光体含有樹脂層7を用い、A2:B2を５種類に異ならせた場合の、（ａ）配光（配向）角による色度ｘの分布を示すグラフ、（ｂ）配光角による色度ｙの分布を示すグラフ。実施例２においてタイプ２の蛍光体含有樹脂層7を用い、A2:B2を５種類に異ならせた場合の、（ａ）配光角による色度ｘの分布を示すグラフ、（ｂ）配光角による色度ｙの分布を示すグラフ。実施例２においてタイプ３の蛍光体含有樹脂層7を用い、A2:B2を５種類に異ならせた場合の、（ａ）配光角による色度ｘの分布を示すグラフ、（ｂ）配光角による色度ｙの分布を示すグラフ。実施例３においてタイプ１の蛍光体含有樹脂層7を用い、第２レンズ６の外径（出射面の径）を４種類に異ならせた場合の、（ａ）配光角による色度ｘの分布を示すグラフ、（ｂ）配光角による色度ｙの分布を示すグラフ。実施例３においてタイプ２の蛍光体含有樹脂層7を用い、第２レンズ６の外径（出射面の径）を４種類に異ならせた場合の、（ａ）配光角による色度ｘの分布を示すグラフ、（ｂ）配光角による色度ｙの分布を示すグラフ。実施例３においてタイプ３の蛍光体含有樹脂層7を用い、第２レンズ６の外径（出射面の径）を４種類に異ならせた場合の、（ａ）配光角による色度ｘの分布を示すグラフ、（ｂ）配光角による色度ｙの分布を示すグラフ。実施例４においてタイプ１の蛍光体含有樹脂層7を用い、ＬＥＤ１の配光特性を５種類に異ならせた場合の、（ａ）配光角による色度ｘの分布を示すグラフ、（ｂ）配光角による色度ｙの分布を示すグラフ。実施例４においてタイプ２の蛍光体含有樹脂層7を用い、ＬＥＤ１の配光特性を５種類に異ならせた場合の、（ａ）配光角による色度ｘの分布を示すグラフ、（ｂ）配光角による色度ｙの分布を示すグラフ。実施例４においてタイプ３の蛍光体含有樹脂層7を用い、ＬＥＤ１の配光特性を５種類に異ならせた場合の、（ａ）配光角による色度ｘの分布を示すグラフ、（ｂ）配光角による色度ｙの分布を示すグラフ。

本発明の一実施の形態の半導体発光装置について図面を用いて説明する。

本発明では、図１の概念図を示したように、ＬＥＤまたはＬＥＤパッケージに被せるレンズ部を、第１レンズ5と第２レンズ6の２層構造とし、その間に蛍光体含有樹脂層7を挟んだ構造とした。

蛍光体含有樹脂層7の厚みは均一ではなく、第１及び第２のレンズ5,6の中央部（光軸の部分）で最も厚く、光軸から離れるにつれ徐々に薄くなるように構成している。

具体的な本実施形態の半導体発光装置の構成について、図２（ａ）を用いて説明する。

本実施形態の半導体発光装置は、図２（ａ）にその全体構造の断面図を示すように、ＬＥＤパッケージ3と、その上に被せるように配置されたレンズ部8とを有する。この他にＬＥＤパッケージ3に給電するためのリード線を備える構成とすることも可能である。

ＬＥＤパッケージ3は、発光部10となる所定の開口を備える基板（パッケージ部）2と、開口の底面に配置されたＬＥＤ1とを含む。

レンズ部8は、ＬＥＤパッケージ3側に配置された第１レンズ5と、その上を覆う第２レンズ6と、第１レンズ5と第２レンズ6との間に挟まれた蛍光体含有樹脂層7とを含む。第１レンズ5と第２レンズ6は、蛍光体含有樹脂層7により接着されて、一体となっている。

第１レンズ5は、球面部5ａと、球面部5ａの縁に設けられたつば部5ｂからなる。球面部5ａは、入射面（ＬＥＤパッケージ3側の面）が外向きに凸の球面形状であり、出射面（第２レンズ6側の面）が外向きに凸の球面形状または曲面形状である。つば部5ｂは、底面および上面が、いずれもＬＥＤパッケージ3の開口底面と平行であり、外周面が光軸１１に平行な円筒状の面である。

第２レンズ6は、球面部6ａと、球面部6ａの縁に設けられたつば部6ｂからなる。球面部6ａは、入射面（第１レンズ5側の面）が外向きに凸の球面形状または曲面形状であり、出射面（外部側の面）が外向きに凸の球面形状である。つば部6ｂは、底面および上面が、いずれもＬＥＤパッケージ3の開口底面と平行であり、外周面が光軸１１に平行な円筒状の面である。

第１レンズ5を構成する材料、第２レンズ6を構成する材料、蛍光体含有樹脂層7の樹脂、および、充填樹脂4は、いずれもＬＥＤ1の発光する光、および、蛍光体含有樹脂層7の蛍光体の発する蛍光に対して透明である。

蛍光体含有樹脂層7の厚みは、均一ではなく、第１及び第２レンズ5,6の球面部5ａ、6ａの中央部（光軸11の部分）で最も厚く、光軸11から離れるにつれ（光軸11からの開き角θが大きくなるにつれ）徐々に薄くなっている。具体的には、第1レンズ5の出射面の外径および第2レンズ6の内径を設計することにより蛍光体含有樹脂層7の形状を定めている。このように、光軸11から離れるにつれ、蛍光体含有樹脂層7の厚さを徐々に薄くすることにより、含有される蛍光体量も徐々に少なくなる。一般的なＬＥＤ1の配光は、図３に示すように、光軸からの開き角が大きくなるほど出射光強度が小さくなる分布である。これに合わせて蛍光体含有樹脂層7の膜厚を徐々に薄くし、蛍光体量を低減することにより、均一な色変換を行うことが可能になり、色ムラを防止できる。

例えば、球面部5ａ,6ａの端部（θ＝９０°付近）における蛍光体含有樹脂層7の厚みは、中央部（θ＝０°付近）の厚みの１／２以下であることが好ましい。なお、球面部５ａ，６ａの端部（θ＝９０°付近）につば部５ｂ，６ｂを設けた場合、球面部５ａ，６ａの端部での入射面及び出射面の形状が、上述した球面または曲面形状にはならないが、このような場合には、つば部５ｂ，６ｂが無い場合を想定して、球面部５ａ，６ａの入射面及び出射面の形状を上述した条件で設定し、その後、球面部５ａ，６ａの端部につば部５ｂ，６ｂを形成すれば良い。また、本実施形態では、つば部５ｂ，６ｂを光軸１１から９０°以上の部分に設けているが、これに限らず必要に応じて９０°付近の９０°以下になる部分に設けても良く、この場合も球面部５ａ，６ａの形状は、上記と同様な方法で設計すれば良い。

第１レンズ5の球面部5ａの内径（入射面（ＬＥＤパッケージ3側の面）の直径）は、ＬＥＤパッケージ3の発光部10（すなわち基板2の開口）の径以上であることが望ましい。ＬＥＤ1からの光が、第１レンズ5の入射面によって全反射される現象を抑制し、ＬＥＤ1からの光をすべて第１レンズ5内に取り込める。球面部5ａの入射面の球面の中心は、発光部10の中心と一致する位置にあることが望ましい。このようにすることにより、ＬＥＤ1から出射するどの方向の光も、第１レンズ5の入射面に入射する角度が略等しくなるため効率良く光を取り込める。

第２レンズ6の球面部6ａの外径（出射面（外部側の面）の直径）は、第１レンズ5の入射面の径より大きいことが好ましく、１．５倍以上２倍以下であることがさらに好ましい。このように設定することにより、第２レンズ6から出射される光の色ムラを低減することができる。球面部6ａの出射面の球面形状の中心は、発光部10の中心と一致する位置にあることが望ましい。これにより、第２レンズ６内の光を効率良く外部に取り出すことができる。

光軸11方向における第１レンズ5の厚み（A1）および第２レンズ6の厚み（B1）の比、すなわち光軸11方向における第１レンズ5および第２レンズ6内の蛍光体含有樹脂層7の位置は、A1：B1＝１：２〜１：４であることが好ましく、A1：B1＝１：３付近であることが特に好ましい。このようにA1：B1を設定することにより、第２レンズ６からの出射光を白色（色度ｘ＝ｙ＝0.31付近）にすることができる。このように設定することにより、以降に説明する蛍光体含有樹脂層の厚み及び形状を適度なものとすることができる。

一方、光軸11から９０°方向における第１レンズ5の厚み（A2）を第２レンズ6の厚み（B2）よりも厚く設定している。特に、第１レンズ5の厚み（A2）と第２レンズ6の厚み（B2）の比が、図２に示すようにA2：B2＝２：１〜３：１であることが好ましい。すなわち光軸11から９０°方向における第１レンズ5および第２レンズ6内の蛍光体含有樹脂層7は、外側寄りに位置する。

このように設定することにより、外側に位置する第２レンズ6の厚さが、光軸11から離れるに従って肉薄となり、第２レンズ6から出射する光の配光を制御し、光軸11からの角度θの大きな方向における出射光量を増すことができるとともに、光の取り出し効率を向上させることができる。また、配光角による色ムラを低減することが可能である。

また、本実施形態では、つば部6ｂを設けたことにより、第２レンズ6の内部を全反射しながら伝搬する光を、つば部6ｂから水平方向（すなわち光軸11から９０°の方向）へ出射することができる。これにより、第２レンズ6の出射光の配向を制御し、光軸11から９０度の方向への出射光量を増すことができるとともに、光の取り出し効率を向上させることができる。

ＬＥＤ1の配光は、光軸11方向の出射光強度の半値が、図３に示すように光軸から４５度よりも大きい角度に位置することが望ましい。特に、出射強度の半値が６０度以上に位置することが望ましい。

ＬＥＤパッケージ3と第１レンズ5との間の空間は、封止樹脂4により充填されていることが望ましい。この空間を空気よりも屈折率の高い封止樹脂4により充填することにより、第１レンズ5との境界における全反射光が減少し、光の取り出し効率を向上させることができる。

第１レンズ5および第２レンズ6の材料としては、樹脂全般およびガラスを好適に用いることができる。

蛍光体含有樹脂層7の基材樹脂は、例えば、紫外線硬化樹脂を用いることが好ましい。第１レンズ5と第２レンズ6との接着を容易に行うことができるためである。例えば、シリコーン樹脂、エポキシ樹脂、ガラス及び透過性樹脂を好適に用いることができる。

また、ＬＥＤパッケージ3の発光部10から外部に向かって順に位置する、封止樹脂4、第１レンズ5、蛍光体含有樹脂層7、第２レンズ6を構成する材料の屈折率は、この順に高い値から低い値となっていることが望ましい。各界面における全反射を低減し、光の取り出し効率を向上させるためである。

第１および第２レンズ5,6には、必要に応じて散乱材を分散することが可能である。同様に、蛍光体含有樹脂層7に散乱材を分散することも可能である。また、第１レンズ5および第２レンズ6の出射面の一部または全面に微細なドット形状を形成することも可能である。これらにより、出射光を散乱させ、強度ムラを低減することができる。

蛍光体含有樹脂層7の基材樹脂に分散させる蛍光体としては、ＬＥＤ1の発光波長により励起され、所望の波長の蛍光を発するものを選択する。たとえば、ＬＥＤ1が青色光を発する場合、青色光を励起光として黄色光を発するYAG蛍光体を用いることにより、青色光と黄色光を混合した白色光を出射する半導体発光装置を構成することができる。なお、蛍光体は、単一の種類のものに限定されず、２種類以上のものを混合して用いることができる。

図２の半導体発光装置の製造方法を簡単に説明する。第１レンズ5、第２レンズ6は、公知のレンズ製造方法により上記条件を満たす形状に予め製造しておく。ＬＥＤ1を基板3に搭載し、ダイボンディングやワイヤボンディングを施すことによりＬＥＤパッケージ3を製造する。蛍光体含有樹脂層7の基材樹脂に、所定の蛍光体を所定量混合することにより蛍光体を樹脂中に分散させる。この樹脂を第１レンズ5と第２レンズ6との間に塗布した後、両者を位置合わせして接着する。紫外線を照射する等、所定の硬化方法により樹脂を硬化させる。これにより、蛍光体含有樹脂層7により第１レンズ5と第２レンズ6とが接着されたレンズ部8が作製される。

第１レンズ5の入射面側の空間に封止樹脂4を充填し、ＬＥＤパッケージ3を第１レンズ5の内側空間の開口部に挿入する。封止樹脂4を、所定温度での加熱、もしくは、紫外線照射等、所定の硬化方法により硬化させる。必要に応じて、ＬＥＤパッケージにリード線等を取り付ける。以上により、半導体発光装置を製造することができる。

このような構造の本実施形態の半導体発光装置の各部の作用について説明する。ここでは、ＬＥＤ1の発光波長４６０ｎｍもしくは、４５０〜４７０ｎｍの青色光、蛍光体含有樹脂層7に含有される蛍光体はＹＡＧ蛍光体とし、蛍光体量が重量比３０％の例について説明する。

ＬＥＤ1から図３のような配光で出射された青色光は、封止樹脂4を通過し、第１レンズ5に入射する。このとき、第１レンズ5の入射面の内径は、発光部10とほぼ同等であるとともに、封止樹脂4と第１レンズ5との界面の屈折率差が小さいため、ＬＥＤ1からの光の全反射を抑制することができる。なお、ここで発光部１０の径とは、発光部１０が円形である場合には、当然、この円の直径を示すものであるが、発光部１０が長方形等の矩形、又は、他の多角形である場合には、最も長い直線距離を有する対角線等を、発光部１０の径と見做すものである。

また、図２（ａ）の実施形態では、LEDパッケージ３は基板に開口部を備え開口の底面にＬＥＤ１が配置されたものとしたが、図２（ｂ）に示すように、基板上にＬＥＤ１を搭載し、このＬＥＤ１を光透過性の樹脂により封止した封止部１ａを有するタイプのＬＥＤパッケージ３も利用可能である。この場合、発光部１０の径とは、封止部１ａの最長となる直線距離（例えば、対角線）とするものである。そして、この場合にも、第１レンズ５の入射面及び第２レンズ６の出射面の球面の中心は、ＬＥＤ１の上面中心に略一致させるものである。

第１レンズ5に入射した光は、そのレンズ効果により、広がりながら蛍光体含有樹脂層7に入射し、その一部の光は、ＹＡＧ蛍光体を励起する。蛍光体は、所定波長の黄色の蛍光を発する。蛍光体から発せられた黄色光および蛍光体含有樹脂層7を通過した青色光は、第２レンズ6に入射する。このとき、光軸11方向における第１レンズ5の厚み（A1）と第２レンズ6の厚み（B1）を１：２〜１：４に設定することにより、白色（色度ｘ＝ｙ＝0.31付近）を達成することができる。

また、蛍光体含有樹脂層7の厚みが、光軸11から離れるにつれ薄くなるように設計されているため、ＬＥＤ1から出射される光の強度分布が、光軸からの開き角が大きくなるほど出射光強度が小さくなるように配向していても、それに対応して蛍光体量も減少しているため、均一な色変換を行うことができ、色ムラを低減できる。

また、第２レンズ６の球面部6ａの外径を発光部10（基板2の開口）の径以上、好ましくは、１．５倍以上２倍以下に設定しているため、第２レンズ6から出射される光の色ムラを低減することができる。

さらに、光軸11から９０°方向における第１レンズ5の厚み（A2）を第２レンズ6の厚み（B2）よりも大きく設定している。特に、第１レンズ5の厚み（A2）と第２レンズ6の厚み（B2）との比をA2：B2＝２〜３：１に設定し、第２レンズ6の厚さが光軸11から離れるに従って肉薄となっている。よって、光軸11からの角度θの大きな方向における出射光量を増すことができ、配光を制御できる。また、配光角による色むらを低減することができる。

さらに、第２レンズ6の内部で反射を繰り返す光は、つば部6ｂから出射することができる。これにより、光軸11からの角度θの大きな方向における出射光量を増すことができ、出射光の配向を制御できる。また、光の取り出し効率が向上する。

第１レンズ5や第２レンズ6に散乱材が分散されている場合には、光を散乱する作用により、光の強度ムラを低減できる。

このように、本実施の形態の半導体発光装置は、ＬＥＤ1の発光をレンズ型のレンズ部により、所望の白色光に色変換するとともに、色度ムラを低減し、図３のように、光軸11から角度θの大きな領域に広げて出射することができる。また、光の取り出し効率を向上させることもできる。

これにより、従来のＬＥＤよりも配光が広がり、電球に近い配光の半導体発光装置を提供することができる。

本発明の半導体発光装置は、例えば一般照明の用途に好適であり、特に街路灯や洗面台用照明のように、横方向からも光を出射することが望まれる用途に適している。

本発明の実施例として実施形態の半導体発光装置の色度分布をシミュレーションにより求めた。

（実施例１）
実施例１では、光軸11方向における第１レンズ5の厚み（A1）と第２レンズ6の厚み（B1）の比の最適範囲を求めるシミュレーションを行った。

ここでは、図４に示すように、第１レンズ5および第２レンズ6の厚みは、光軸からの角度にかかわらず、それぞれA1,B1でそれぞれ一定とし、蛍光体含有層７の厚みは、第１レンズ5の厚みの７％で一定とした。ここでは、第１レンズ5および第２レンズ6は、つば部5ａ、6ａを備えていない構成としている。

ＬＥＤ1の発光波長は、４６０ｎｍもしくは４５０〜４７０ｎｍであり、配光は、図３に示した分布であるとした。蛍光体は、YAG蛍光体とし、その含有量は重量比３０％とした。第１レンズ5および第２レンズ6の屈折率は、１．４９とした。

A1:B1を表１のように、1：5〜4：1まで7種類に変化させた場合について、色度ｘ、ｙを計算により求めた。その結果を表１に示す。

表１から明らかなように、A1:B1＝1：2〜1：4である場合に、色度ｘ、ｙはいずれも0.30以上0.32未満の値をとり、良好な白色光を得ることができる。特に、A1:B1＝1：3の場合、色度ｘ＝0.31、ｙ＝0.315となり、より望ましいことが明らかになった。

（実施例２）
実施例２として、図５に示すように光軸方向の第１レンズ5の厚み（A1）と第２レンズ6の厚み（B1）の比を1：3に固定し、光軸11から９０°方向における第１レンズ5の厚み（A2）と第２レンズ6の厚み（B2）の比の最適範囲を求めるシミュレーションを行った。

ここでは、第１レンズ5と第２レンズ6の厚みの合計は、図５のように光軸11からの角度にかかわらず一定とした。この場合も、つば部5ｂ、6ｂは、設けていない。

また、光軸11から９０°方向における第１レンズ5の厚み（A2）と第２レンズ6の厚み（B2）の比は、A2：B2＝１：３〜３：１の５種類に変化させた。

A2：B2の比のそれぞれについて、蛍光体含有樹脂層７の厚みの変化は、図６（ａ）、（ｂ）、（ｃ）のように、タイプ１，２，３の３種類とした。タイプ１は、図６（ａ）のように、光軸11方向の厚さ１に対し、光軸11から90°の方向の厚さがゼロ、すなわち端部が尖った形状である。タイプ２は、図６（ｂ）のように、光軸11方向の厚さ１に対し、光軸11から90°の方向の厚さが０．５の形状である。タイプ３は、図６（ｃ）のように、光軸11からの方向にかかわらず一定の厚さである。いずれも光軸方向の蛍光体含有樹脂層7の厚みは、レンズ5の１５％とした。他の条件は、実施例１と同様にした。

これらの条件で、光軸11からの角度θ（配光角）による色度ｘ、ｙの変化を求めた。蛍光体含有樹脂層7のタイプ１としてA2:B2を5種類に変化させた場合の色度ｘ、ｙを図７（ａ），（ｂ）に、蛍光体含有樹脂層7をタイプ２としてA2:B2を5種類に変化させた場合の色度ｘ、ｙを図８（ａ），（ｂ）に、蛍光体含有樹脂層7をタイプ３としてA2:B2を5種類に変化させた場合の色度ｘ、ｙを図９（ａ），（ｂ）にそれぞれ示す。

これらの図から、蛍光体含有樹脂層7の厚みがどのタイプであっても、光軸11から９０度の方向の第１レンズ5の厚み（A2）および第２レンズ6の厚み（B2）が、A2：B2＝２：１〜３：１である場合が、色度ｘ、ｙの変化が小さく好ましいことがわかった。

特に、蛍光体含有樹脂層7の厚みが、タイプ１またはタイプ２（図６（ａ）、（ｂ））の端部が薄くなっている形状のものが好ましいことがわかった。

（実施例３）
実施例３として、図５と同様に、光軸方向の第１レンズ5の厚み（A1）と第２レンズ6の厚み（B1）の比を1：3に固定し、光軸11から９０°方向における第１レンズ5の厚み（A2）と第２レンズ6の厚み（B2）の比を３：１に固定し、第２レンズ6の出射面の径を、発光部10（基板2の開口）の１．５倍から３．０倍の4種類に変化させた場合の、光軸11からの角度θ（配光角）による色度ｘ、ｙの変化を求めた。

それぞれについて、蛍光体含有樹脂層７の厚みの変化は、図６（ａ）、（ｂ）、（ｃ）のように、タイプ１，２，３の３種類とした。

ＬＥＤ1の発光波長は、４６０ｎｍもしくは４５０〜４７０ｎｍであり、配光は、図３に示した分布であるとした。蛍光体は、YAG蛍光体とし、その含有量は重量比３０％とした。

この条件で、光軸11からの角度θ（配光角）による色度ｘ、ｙの変化を求めた。蛍光体含有樹脂層7のタイプ１として、第２レンズ6の出射面の径を4種類に変化させた場合の色度ｘ、ｙを図１０（ａ），（ｂ）に、蛍光体含有樹脂層7をタイプ２として、第２レンズ6の出射面の径を4種類に変化させた場合の色度ｘ、ｙを図１１（ａ），（ｂ）に、蛍光体含有樹脂層7をタイプ３として第２レンズ6の出射面の径を4種類に変化させた場合の色度ｘ、ｙを図１２（ａ），（ｂ）にそれぞれ示す。

これらの図から、蛍光体含有樹脂層7の厚みがどのタイプであっても、第２レンズ6の出射面の径は、発光部10の開口径の1.5倍以上2.0倍以下である場合に、色度の変化が低く好ましいことが明らかになった。

（実施例４）
実施例４として、ＬＥＤ1の配光（出射光の配向）の最適値をシミュレーションにより求めた。

ＬＥＤ1の光軸11方向の出射強度の半値の位置は、１５度、３０度、４５度、６０度、７５度の５種類に異なるものを用いた。配光はランバーシアン分布とした。

光軸11方向の第１レンズ5の厚み（A1）および第２レンズ6の厚み（B1）の比は、１：３とし、光軸11から９０°方向における第１レンズ5の厚み（A2）と第２レンズ6の厚み（B2）の比は、３：１とし、第２レンズ６の出射面の径は、発光部10（基板2の開口）の１．５倍とした。他の条件は、実施例２と同様にした。

蛍光体含有樹脂層7の形状をタイプ１として、ＬＥＤ１の配光を５種類に変化させた場合の色度ｘ、ｙを図１３（ａ），（ｂ）に、蛍光体含有樹脂層7をタイプ２として、ＬＥＤ１の配光を５種類に変化させた場合の色度ｘ、ｙを図１４（ａ），（ｂ）、蛍光体含有樹脂層7をタイプ３としてＬＥＤ１の配光を５種類に変化させた場合の色度ｘ、ｙを図１５（ａ），（ｂ）にそれぞれ示す。

これらの図から、蛍光体含有樹脂層7の厚みがどのタイプであっても、光軸11における光強度の半値が４５度以下の配光分布をもつＬＥＤ1を用いた場合は、半導体発光装置の色度が大きく変化している。よって、ＬＥＤ1の配光は、光軸11の光強度の半値が４５度より大きいもの、特に６０度以上が好ましいことが明らかになった。

蛍光体含有樹脂層７の厚みのタイプは、タイプ１またはタイプ２（図６（ａ）、（ｂ））の端部が薄くなっている形状のものが好ましいことがわかった。

１…ＬＥＤ、２…基板、３…ＬＥＤパッケージ、４…封止樹脂、５…第１レンズ、５ａ…球面部、５ｂ…つば部、６…第２レンズ、６ａ…球面図、６ｂ…つば部、７…蛍光体含有樹脂層、８…レンズ部、１０…ＬＥＤ発光部。

Claims

半導体発光素子を含む発光部と、前記発光部を覆うレンズ部とを有し、
前記レンズ部は、前記発光部側に配置された第１レンズと、その外側を覆う第２レンズと、前記第１レンズと第２レンズとの間の空間を充填する蛍光体含有樹脂層とを有することを特徴とする半導体発光装置。
請求項１に記載の半導体発光装置において、前記蛍光体含有樹脂層の厚みは、前記半導体発光素子の光軸方向においてもっとも厚く、端部に近づくにつれ薄いことを特徴とする半導体発光装置。
請求項２に記載の半導体発光装置において、前記蛍光体含有樹脂層の端部の厚みは、前記半導体発光素子の光軸方向における厚みの１／２以下であることを特徴とする半導体発光装置。
請求項１ないし３のいずれか１項に記載の半導体発光装置において、前記第１レンズは、前記発光部側の入射面が、外向きに凸の球面であり、該入射面の径は、前記発光部の径以上であることを特徴とする半導体発光装置。
請求項４に記載の半導体発光装置において、前記第２レンズは、出射面が外向きに凸の球面であり、該出射面の径は、前記第１レンズの入射面の径より大きいことを特徴とする半導体発光装置。
請求項５に記載の半導体発光装置において、前記第２レンズの前記出射面の径は、前記第１レンズの入射面の径の１．５倍以上２倍以下であることを特徴とする半導体発光装置。
請求項１ないし６のいずれか１項に記載の半導体発光装置において、前記半導体発光素子の光軸方向における前記第１レンズの厚さは、前記第２レンズの厚さに対して、１／４以上１／２以下であることを特徴とする半導体発光装置。
請求項７に記載の半導体発光装置において、前記半導体発光素子の光軸方向における前記第１レンズの厚さは、前記第２レンズの厚さに対して、１／３であることを特徴とする半導体発光装置。
請求項１ないし８のいずれか１項に記載の半導体発光装置において、前記第１レンズの外形形状は、前記第１レンズの入射面の径中心から前記半導体発光素子の光軸に対して９０度方向における前記第１レンズの厚さが、当該方向における前記第２レンズの厚さよりも大きくなる形状の曲面により形成されていることを特徴とする半導体発光装置。
請求項９に記載の半導体発光装置において、前記第１レンズの外形形状は、前記第１レンズの入射面の径中心から前記半導体発光素子の光軸に対して９０度方向における前記第１レンズの厚さが、当該方向における前記第２レンズの厚さに対して、２倍以上３倍以下であることを特徴とする半導体発光装置。
請求項１ないし１０のいずれか１項に記載の半導体発光装置において、前記第１レンズ、前記蛍光体含有樹脂層および前記第２レンズの厚みの和は、いずれの方向においても一定の値であることを特徴とする半導体発光装置。
請求項１ないし１１のいずれか１項に記載の半導体発光装置において、前記第１レンズおよび第２レンズは、端部につば部を有することを特徴とする半導体発光装置。
請求項１ないし１２のいずれか１項に記載の半導体発光装置において、前記半導体発光素子の配光特性は、光軸方向の出射光強度の半値が、光軸方向から４５度より大きい角度に位置することを特徴とする半導体発光装置。
請求項１３に記載の半導体発光装置において、前記半導体発光素子の配光特性は、光軸方向の出射光強度の半値が、光軸方向から６０度より大きい角度に位置することを特徴とする半導体発光装置。
請求項１ないし１４のいずれか１項に記載の半導体発光装置において、前記発光部と前記第１レンズとの間の空間は、樹脂により封止されていることを特徴とする半導体発光装置。
請求項１ないし１５のいずれか１項に記載の半導体発光装置において、前記第１レンズと第２レンズは、前記蛍光体含有樹脂層により接着され一体化されていることを特徴とする半導体発光装置。
請求項１ないし１６のいずれか１項に記載の半導体発光装置において、前記発光部から前記第２レンズの出射面までの間にある各部材を構成する材料は、前記第２レンズの出射面側に位置にする部材の屈折率が、それに隣接して前記発光部側に位置する部材の屈折率と同等もしくはそれ以下となるように構成されていることを特徴とする半導体発光装置。