JP2015038939A

JP2015038939A - 発光装置

Info

Publication number: JP2015038939A
Application number: JP2013169680A
Authority: JP
Inventors: 和小山田; Kazu Oyamada
Original assignee: Citizen Holdings Co Ltd; Citizen Electronics Co Ltd
Current assignee: Citizen Holdings Co Ltd; Citizen Electronics Co Ltd
Priority date: 2013-08-19
Filing date: 2013-08-19
Publication date: 2015-02-26

Abstract

【課題】発光素子から発せられる光を均等に波長変換することができると共に、波長変換された光を均等且つ効率よく集光させることのできる発光装置を提供することである。【解決手段】基板１２と、該基板１２上に実装される発光素子１３と、該発光素子１３の少なくとも上面側に設けられ、蛍光体粒子２２を含有する蛍光体層１４と、該蛍光体層１４の上面側に設けられるレンズ体層１５とを備える発光装置１１において、前記レンズ体層１５は、前記蛍光体層１４の上面から突出する微小レンズ２３の集合体によって形成され、それぞれの微小レンズ２３の最大径が前記蛍光体粒子２２の粒径よりも小さくなるように設定した。【選択図】図１

Description

本発明は、レンズ機能を有する蛍光体層を備えた発光装置に関するものである。

近年、電球や蛍光灯に代わる照明用の光源として、複数の発光素子（ＬＥＤ）を用いた発光装置が採用されるようになってきている。ＬＥＤは電球等に比べて低消費電力であるが、指向性が狭いため、発光側に光拡散面や光反射面を設けるなどして指向性を広く、また、発光量を高めるような工夫がなされている。

特許文献１では、複数のＬＥＤと対向する位置に配光レンズシートを設け、この配光レンズシートに形成されている凸状のレンズ部を介してＬＥＤから発せられる光の拡散や集光作用を得るＬＥＤ照明装置が開示されている。引用文献２には、ＬＥＤの色度のバラツキを低減させるためのＬＥＤの製造方法が開示されている。ここでは、発光素子を封止する封止体の表面をトリミング加工することによって、発光素子から発せられる光の色度が調整できるようになっている。

また、特許文献３には、発光素子の発光面側に集光機能を有したマイクロレンズ群が形成された蛍光体板を配置してなる発光装置が開示されている。

特開２０１１−１１９０８６号公報特開２００９−１５８５４１号公報特開２００７−１２３４３７号公報

特許文献１に開示されている配光レンズシートは、主に集光を目的とするものであって、指向性に関しては限定される場合がある。特許文献２は封止体をトリミング加工しながら色度を調整するものであり、特定の方向に対して指向性や光量を定めたりするものではない。このように、光拡散効果を高めると発光のバラツキが生じやすく、集光効果を高めると発光の範囲が狭まりやすいといった問題があり、両者の作用をバランスよく兼ね備えた発光装置が望まれていた。

また、特許文献３に開示されている発光装置は、マイクロレンズ群が蛍光体板の上面に一体形成されているため、このマイクロレンズ群自体も光波長変換機能を有したものとなっている。このため、前記蛍光体板から発せられる光は、所定の発光色に波長変換され、それが集光したものとなる。しかしながら、前記蛍光体板に含有される蛍光体粒子は微細であり、前記マイクロレンズ群に浸透する量にばらつきが生じる場合がある。このようなマイクロレンズ群における蛍光体粒子のばらつきによって、集光性にムラが生じるおそれがあった。また、前記マイクロレンズ群のようなレンズ体にあっては、無色透明なものの方が集光効果を高める上で有効である。

そこで、本発明の目的は、発光素子から発せられる光を均等に波長変換することができると共に、波長変換された光を均等且つ効率よく集光させることのできる発光装置を提供することである。

上記課題を解決するために、本発明の発光装置は、基板と、該基板上に実装される発光素子と、該発光素子の少なくとも上面側に設けられ、蛍光体粒子を含有する蛍光体層と、該蛍光体層の上面側に設けられるレンズ体層とを備える発光装置において、前記レンズ体層は、前記蛍光体層の上面から突出する微小レンズの集合体によって形成され、それぞれの微小レンズの最大径が前記蛍光体粒子の粒径よりも小さいことを特徴とする。

本発明に係る発光装置によれば、微小レンズの最大径が蛍光部に含有されている蛍光体粒子の粒径よりも小さいため、それぞれの微小レンズ内に蛍光体粒子が入り込むことがない。このため、前記微小レンズは、透光性を有した樹脂材で均一に形成されることとなり、前記蛍光部を通して波長変換された光を均一に集光させることが可能となる。

また、前記微小レンズが蛍光部と一体に形成されているため、発光素子から発せられる光を直接且つムラなく所定の発光色に波長変換させることができる。

本発明に係る第１実施形態の発光装置の断面図である。蛍光体層の拡大断面図である。上記第１実施形態の発光装置の内部構造を示す斜視図である。本発明に係る第２実施形態の発光装置の断面図である。上記第２実施形態の発光装置の内部構造を示す斜視図である。本発明に係る第３実施形態の発光装置の断面図である。上記第３実施形態の発光装置の内部構造を示す斜視図である。

図１及び図３は本発明の第１実施形態における発光装置１１の断面構造を示したものである。この発光装置１１は、一対の電極部１６，１７が形成された基板１２と、前記電極部１６，１７上にハンダバンプ１８を介して実装される発光素子１３と、該発光素子１３の上面側に設けられる蛍光体層１４と、この蛍光体層１４の上面に形成されるレンズ体層１５とによって構成されている。

基板１２は、ガラスエポキシやＢＴレジン等によって、中央部に前記発光素子１３が実装可能な平面サイズを有して形成される。

発光素子１３は、一対の素子電極（図示せず）を下面に備えた微小な四角形状のシリコンチップであり、前記素子電極と基板１２上に形成されている一対の電極部１６，１７と電気的に接続される。この発光素子１３は、青色発光，赤色発光，黄色発光等の各種の発光色を有する素子群の中から選択して使用することができる。例えば、一般照明用として白色系の発光色を出すための青色発光素子の場合には、主に窒化ガリウム系化合物半導体が用いられる。このような青色素子は、サファイアガラスからなるサブストレートと、このサブストレートの上にＰ型半導体、Ｎ型半導体を拡散成長させた拡散層（Ｐ層及びＮ層）とからなっている。前記Ｐ型半導体及びＮ型半導体はそれぞれＰ型電極、Ｎ型電極を備えており、このＰ型電極、Ｎ型電極の露出する部分が前記各電極となっている。赤色素子の場合には、ＰＮ構造は前記青色素子と同様であるが、アルミニウムガリウムヒ素あるいはガリウムヒ素リン系の半導体を用いて形成される。

蛍光体層１４は、発光素子１３から発せられる光の波長を変化させることによって、様々な発光色を出させるものであり、エポキシ等の透明樹脂基材２１に蛍光体粒子２２を一定の割合で含有させている。前記蛍光体粒子２２は、イットリウム・アルミニウム・ガーネット（ＹＡＧ）が用いられる。なお、このような蛍光色を出すためには、前記蛍光体粒子２２以外にも、透明インクに顔料と蛍光体を混合した混合インクを用いて透光性の樹脂板に印刷することにより形成される場合もある。顔料は、発色を良好にするものであり、蛍光体励起波長に近い発色のものが混合される。

図２に示すように、レンズ体層１５は、前記蛍光体層１４の上面に突出するように一体形成される多数の微小レンズ２３の集合体からなっている。この多数の微小レンズ２３は、略均一形状となっており、その最大径αは５μｍ以下に設定されている。このため、５〜３０μｍの粒径βを有する蛍光体粒子２２が微小レンズ２３に侵入しないようになっている。

その結果、多数の微小レンズ２３からなるレンズ体層１５は、蛍光体粒子２２が含有されている蛍光体層１４とは分離したように、無色透明となっている。

前記多数の微小レンズ２３は、図２（ａ），（ｂ）に示したように、蛍光体層１４の上面からそれぞれ半球形状に一体に突出している。それぞれの微小レンズ２３の最大径αは微小レンズ２３の円形の底面２３ａの直径寸法φに対応している。この微小レンズ２３の底面２３ａの中心からその頂上部まで高さｈは、集光範囲によって規定されるが、低いほど平面に近い発光効果が得られ、高くなるにしたがって立体的な発光効果を得ることができる。また、この多数の微小レンズ２３は、蛍光体層１４の上面に前記最大径αを有する円形の底面２３ａが隣接し合うように、あるいは、前記底面２３ａが一定の平面部を隔てて等間隔となるように規則的に配列されている。このような多数の微小レンズ２３を有するレンズ体層１５を設けたことによって、蛍光体層１４を介して波長変換された光を均一に上方に向けて集光させることができる。

本実施形態では、各微小レンズ２３を半球形状に形成した場合について説明したが、この微小レンズ２３の形状は半球形状に限定されるものではなく、円錐台形状、角錐台形状、円錐形状、角錐形状など様々な形の突起形状によって形成することもできる。前記円錐台形状又は円錐形状とした場合の各微小レンズ２３の最大径αは、前記半球形状の場合と同様に、円形の底面２３ａの直径寸法φと対応する。また、前記角錐台形状又は角錐形状とした場合の各微小レンズ２３の最大径αは、多角形状の底面の最も長い対角線の長さに対応させて小さくすることで、蛍光体粒子２２の侵入を確実に阻止することができる。

上記構成による蛍光体層１４によれば、発光素子１３から上方に向けて発せられた光が蛍光体層１４を通過することによって均等に波長変換され、この波長変換された光が無色透明なレンズ体層１５を通ることによって集光される。このため、レンズ体層１５を構成する複数の微小レンズ２３のそれぞれから発せられる光は波長変換された発光色となり、この発光色が集光することによって、より明るく且つ鮮やかな発光効果を得ることができる。一方、前記微小レンズ２３が形成されていない四方向に面した側面側からは、波長変換された発光色によって均等な明るさによって発光する。

上記蛍光体層１４及びレンズ体層１５は、発光素子１３が実装された基板１２上に微小レンズ２３となる複数の微小凹部を有する金型を配置し、この金型内に透明樹脂基材２１を充填した後、蛍光体粒子２２を拡散しながらさらに充填させた後、固化させることによって形成することができる。前記金型に形成される突起の最大径を蛍光体粒子２２の粒径βよりも小さく形成することで、この突起内には蛍光体粒子２２が侵入することなく、透明樹脂基材２１のみが充填される。これによって、蛍光体層１４には蛍光体粒子２２が均等に含有され、多数の微小レンズ２３からなるレンズ体層１５は無色透明となるように形成することができる。

図４及び図５は第２実施形態の発光装置３１の構成例を示したものである。この実施形態の発光装置３１は、基板１２に実装された発光素子１３の上面に限定して蛍光体層３４及びレンズ体層３５を設け、このレンズ体層３５の上面を露出させるようにして、周囲を光反射率が高く拡散反射効果を有する白色系樹脂３６によって封止した構造となっている。前記蛍光体層３４には、第１実施形態と同様の蛍光体粒子２２が含有され、前記レンズ体層３５の上面には、前記蛍光体粒子２２より径の小さい微小レンズ３３が多数配列されている。この実施形態では、蛍光体層３４及びレンズ体層３５が発光素子１３の上面に限定して設けられ、その周囲が白色系樹脂３６で封止されているため、発光素子１３の上面から直接発せられる範囲に限定して波長変換を行うことができる。また、前記レンズ体層３５を通すことで、限定した範囲での波長変換光を集光させることができるため、フラッシュライト等のスポット的な照明効果を得ることができる。

図６及び図７は第３実施形態の発光装置４１の構成例を示したものである。この実施形態の発光装置４１は、基板１２に実装されている発光素子１３の周囲を均等な厚みの蛍光体層４４によって封止し、この蛍光体層４４の上面にレンズ体層４５を一体に形成したものである。また、前記レンズ体層４５が形成された蛍光体層４４を被覆するように、透光性樹脂４６で封止して形成されている。前記蛍光体層４４は、発光素子１３の上面、側面及びハンダバンプ１８を介して一対の電極部１６，１７に電気的に接続されている部分を完全に封止しているため、発光素子１３の上面及び側面方向から発せられる光を波長変換することができる。また、発光素子１３の上面側からは、波長変換後の発色による集光効果が得られる。さらに、前記蛍光体層４４及びレンズ体層４５を封止する透光性樹脂４６に他の蛍光体粒子を混在させることによって、様々な演色効果を得ることができる。なお、レンズ体層４５の上面に形成される微小レンズ４３は、上記第１実施形態又は第２実施形態に係る微小レンズ２３，３３と同様の構成からなり、蛍光体粒子２２の粒径等も同様であるので、ここでは詳細な説明は省略する。

以上説明したように、本発明の発光装置１１，３１，４１にあっては、発光素子１３から発せられる光を波長変換する蛍光体粒子２２が含有された蛍光体層１４，３４，４４と、集光効果を有する無色透明のレンズ体層１５，３５，４５とを一体に形成したことで、波長変換効率を高めることができた。特に、本発明のレンズ体層１５，３５，４５にあっては、蛍光体層１４，３４，４４に含有されている蛍光体粒子２２の粒径よりも小さい径を有した多数の微小レンズ２３，３３，４３の集合体となっているため、蛍光体層と一体でありながら、混色のない純粋なレンズ機能を発揮させることが可能となった。

１１発光装置
１２基板
１３発光素子
１４蛍光体層
１５レンズ体層
１６，１７電極部
１８ハンダバンプ
２１透明樹脂基材
２２蛍光体粒子
２３微小レンズ
２３ａ底面
３１発光装置
３３微小レンズ
３４蛍光体層
３５レンズ体層
３６白色系樹脂
４１発光装置
４３微小レンズ
４４蛍光体層
４５レンズ体層
４６透光性樹脂

Claims

基板と、該基板上に実装される発光素子と、該発光素子の少なくとも上面側に設けられ、蛍光体粒子を含有する蛍光体層と、該蛍光体層の上面側に設けられるレンズ体層とを備える発光装置において、
前記レンズ体層は、前記蛍光体層の上面から突出する微小レンズの集合体によって形成され、それぞれの微小レンズの最大径が前記蛍光体粒子の粒径よりも小さいことを特徴とする発光装置。
前記蛍光体層及びレンズ体層は、透明樹脂基材によって一体に形成され、前記蛍光体層のみに蛍光体粒子が含まれている請求項１に記載の発光装置。
前記レンズ体層の上面を除いて発光素子および蛍光体層が白色系樹脂によって被覆されている請求項１に記載の発光装置。
前記蛍光体層が前記発光素子の全体を被覆するように形成され、この蛍光体層の上面側に設けられたレンズ体層を含む蛍光体層の全体が透光性樹脂によって被覆されている請求項１に記載の発光装置。
前記レンズ体層は、略均一形状の多数の微小レンズが規則的に配列されたものである請求項１に記載の発光装置。
前記各微小レンズは、最大径が５μｍ以下である請求項１又は５に記載の発光装置。