JP5342867B2 - 半導体発光装置及び駆動方法 - Google Patents

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Description

本発明は半導体発光装置及び駆動方法に関するものであり、詳しくは、複数の半導体発光素子と蛍光体の組み合わせからなる半導体発光装置、及び該半導体発光装置からの出射光の色調を制御するための駆動方法に関する。
ＬＥＤ素子を発光源とし、照射光を白色光とする半導体発光装置は、一般的に可視光領域の短波長側あるいは紫外線領域に発光ピーク波長を有するＬＥＤ素子と一種以上の蛍光体との組み合わせによりＬＥＤランプを形成し、複数の該ＬＥＤランプによってＬＥＤモジュールが構成される。
その場合、各ＬＥＤランプにおいては、透光性樹脂に蛍光体が分散されてなる封止樹脂によってＬＥＤ素子が樹脂封止されるが、このとき透光性樹脂中の蛍光体の分散濃度及びＬＥＤ素子の上面（封止樹脂に対する光出射面）から封止樹脂の表面（封止樹脂外に対する光出射面）までの距離（ＬＥＤ素子の上面から出射した光が封止樹脂の表面に至るまでの光路長）のバラツキに起因して、封止樹脂の表面から外部に出射される光の色調（スペクトル分布）及び輝度等の光学特性にバラツキが生じる。
そのため、半導体発光装置の製造時に、透光性樹脂と蛍光体の調合が厳密な濃度管理の下で行われると共にＬＥＤ素子に対する樹脂封止が厳密な量管理の下で行われるが、封止樹脂の調合作業上及び封止樹脂による樹脂封止作業上の精度範囲内において、透光性樹脂中の蛍光体の分散濃度及び封止樹脂の樹脂量にバラツキが生じることは避けられない。そのため、個々のＬＥＤランプ毎に出射光のスペクトル分布及び輝度等の光学特性についてバラツキが生じることになる。
その結果、半導体発光装置の光源部となるＬＥＤモジュールを外部から直接観視すると、個々のＬＥＤランプ間の色調及び輝度等の光学特性のバラツキが目立ち、発光装置としての見栄えが悪く商品性に乏しいものとなってしまう。
またＬＥＤモジュールからの照射光にも色調ムラ及び輝度ムラ等が生じ、照光品位の悪い発光装置となってしまう。
そこで、ＬＥＤモジュールを組み上げるにあたって、波長選別及び輝度選別されたＬＥＤランプを用いて色調バラツキ及び輝度バラツキを抑制することが考えられるが、選別により使用不可とされるものが生じてＬＥＤランプの歩留まりが悪化し、製造コストの上昇を招くことになる。
そこで、このような問題を解決するために、図８に示す構成とする照明装置の提案がなされている。それは、青色光を発光する青色ＬＥＤ素子５０と蛍光体との組み合わせからなる白色光出射部５１と色度補正用ＬＥＤ素子（例えば、黄色光を発光する黄色ＬＥＤ素子）５２が互いに近接して配置され、青色ＬＥＤ素子５０及び色度補正用ＬＥＤ素子５２には夫々の素子に対する通電電流の電流値を設定する抵抗器ｒ及び抵抗器Ｒが直列に接続されている。
そして、青色ＬＥＤ素子５０と抵抗器ｒの直列接続回路及び色度補正用ＬＥＤ素子５２と抵抗器Ｒの直列接続回路による並列接続回路が形成され、これにより１つの発光部５３が構成されている。更に、前記構成の複数の発光部５３が互いに並列に接続されている。
そこで、並列接続された複数の発光部５３の両端に電源電圧を印加した状態で夫々の発光部５３からの出射光の色度を測定しながら、夫々の発光部５３の色度補正用ＬＥＤ素子５２に接続された抵抗器Ｒの抵抗値を調整して該色度補正用ＬＥＤ素子５２の発光光量を制御することにより、すべての発光部５３から出射される光（白色光出射部５１と色度補正用ＬＥＤ素子５２の夫々からの出射光の混合光）の色度を所望する同一色度とするものである（例えば、特許文献１参照。）。
特開２００１−２０９０４９号公報
ところで、このような構成の照明装置は各発光部５３において上述したように、白色光出射部５１からの白色光の光量を一定とし、色度補正用ＬＥＤ素子５２からの単色光（例えば、黄色光）のみの光量を制御することにより、白色光と単色光との混合光の色度を制御するものである。
このとき、単色光の発光光量の制御は色度補正用ＬＥＤ素子５２に対する通電電流を調整することにより行われるが、単色光を発光するＬＥＤ素子の場合、通電電流の電流値の変化に対する発光光量の調整感度が高く、電流制御によって発光部５３からの白色光の微少な色度制御を行うことは難しい。
また、発光部５３にはスペクトル分布の異なる２種類のＬＥＤ素子が実装されており、各発光部５３から出射される光は夫々のＬＥＤ素子の発光光のスペクトル分布のバラツキを含んでいる。そのため、発光部５３から出射される光の色度制御は、各ＬＥＤ素子からの出射光のスペクトル分布のバラツキの複合化により複雑化して難しくなる。
また、照明装置からの照射光を、ＣＩＥ色度図上における色度座標が黒体放射軌跡上もしくは黒体放射軌跡近傍に相当する白色光としたい場合、色度補正用ＬＥＤ素子５２からの単色光の色度座標が黒体放射軌跡から離れた位置にあるため、各発光部５３から出射される光の色度座標が黒体放射軌跡上に相当する位置は、白色光出射部５１と色度補正用ＬＥＤ素子５２の夫々から出射される光の色度座標を結ぶ線分が黒体放射軌跡と交差する位置に相当する色度座標のみである。つまり、各発光部５３から出射される白色光が黒体放射軌跡上に位置するのは、黒体放射軌跡上の極めて限定された領域のみである。そのため、上記照明装置によって、黒体放射軌跡上もしくは黒体放射軌跡近傍の広範囲の領域に亘る色温度に相当する色度座標の照射光を得ることは不可能である。
そこで、本発明は上記問題に鑑みて創案なされたもので、その目的とするところは、夫々半導体発光素子と蛍光体の組み合わせからなり、異なる色温度の光を出射する複数の発光部を有する半導体発光装置において、各発光部から出射された光の混合光からなる照射光の光学特性について良好な再現性を確保し、それにより所望する色温度を安定して得ることが可能な半導体発光装置を実現することにある。
上記課題を解決するために、本発明の請求項１に記載された発明は、同一平面上に発光スペクトル分布が略同一の複数個の半導体発光素子が配置され、前記複数個の半導体発光素子は光出射面となる上面に透光性樹脂が配置されてなる１個以上の第１の半導体発光素子と光出射面となる上面に透光性樹脂が配置されていない１個以上の第２の半導体発光素子とが混在して配置され、すべての前記第１の半導体発光素子及び前記第２の半導体発光素子は透光性樹脂に蛍光体を分散した封止樹脂で樹脂封止されていることを特徴とするものである。
また、本発明の請求項２に記載された発明は、請求項１において、前記第１の半導体発光素子と前記第２の半導体発光素子とは所定の間隔で均等に分散配置されていることを特徴とするものである。
また、本発明の請求項３に記載された発明は、請求項１または２のいずれか１項において、前記第１の半導体発光素子及び前記第２の半導体発光素子はいずれもサイズが０．５ｍｍ□以上であり、隣接する前記第１の半導体発光素子と前記第２の半導体発光素子の間隔は０．３ｍｍから２．０ｍｍの範囲であることを特徴とするものである。
また、本発明の請求項４に記載された発明は、請求項１から３のいずれか１項において、前記半導体発光素子と前記蛍光体とは、青色系の光を発光する青色半導体発光素子と前記青色半導体発光素子の発光光で励起されて黄色系の光を発光する黄色蛍光体の組み合わせ、青色系の光を発光する青色半導体発光素子と前記青色半導体発光素子の発光光で励起されて夫々赤色系及び緑色系の光を発光する赤色蛍光体及び緑色蛍光体の混合蛍光体との組み合わせ、及び、紫外光を発光する紫外半導体発光素子と前記紫外半導体発光素子の発光光で励起されて夫々赤色系、緑色系及び青色系の光を発光する赤色蛍光体、緑色蛍光体及び青色蛍光体の混合蛍光体との組み合わせ、のうち一つの組み合わせであることを特徴とすものである。
また、本発明の請求項５に記載された発明は、請求項１から４のいずれか１項に記載された半導体発光装置において、前記第１の半導体発光素子には第１の抵抗が直列に接続されて第１の直列回路が形成され、前記第２の半導体発光素子には第２の抵抗が直列に接続されて第２の直列回路が形成され、且つ互いに隣接する第１の半導体発光素子及び第２の半導体発光素子を有する第１の直列回路及び第２の直列回路が並列に接続されて複数の並列回路が形成され、前記複数の並列回路の夫々が定電圧源又は定電流源に接続されており、前記並列回路の第１の抵抗の抵抗値又は前記第２の抵抗の抵抗値のいずれかを可変することにより前記第１の半導体発光素子と第２の半導体発光素子の発光光量比を変えるようにしたことを特徴とするものである。
本発明の半導体発光装置を、光出射面となる上面に透光性樹脂が配置されてなる第１の半導体発光素子と光出射面となる上面に透光性樹脂が配置されていない第２の半導体発光素子とを混在して配置し、すべての第１の半導体発光素子及び第２の半導体発光素子を透光性樹脂に蛍光体を分散した封止樹脂で樹脂封止した。
半導体発光装置をこのような構成とすることにより、封止樹脂の、第１の半導体発光素子上の領域からの出射光の色温度と第２の半導体発光素子上の領域からの出射光の色温度を異なるものとし、両出射光の光量比を制御することにより混合光の色温度を変えるようにした。
その結果、各混合光の色調及び輝度のバラツキを少なくすることができたため、照射光の光学特性について良好な再現性を確保し、それにより所望する色温度を安定して得ることが可能な半導体発光装置を実現することができた。
以下、この発明の好適な実施形態を図１〜図７を参照しながら、詳細に説明する（同一部分については同じ符号を付す）。尚、以下に述べる実施形態は、本発明の好適な具体例であるから、技術的に好ましい種々の限定が付されているが、本発明の範囲は、以下の説明において特に本発明を限定する旨の記載がない限り、これらの実施形態に限られるものではない。
図１は本発明の半導体発光装置に係る実施形態を説明する上面図、図２は図１のＡ−Ａ断面図である。
半導体発光装置１はパッケージ２、複数の半導体発光素子（以下、半導体発光素子の具体例としてＬＥＤ素子を採用する）３、及び封止樹脂４を備えている。
パッケージ２は、酸化アルミニウム質焼結体、窒化アルミニウム質焼結体、ガラスセラミックス等のセラミックス材料で形成され、中央部に凹部５が設けられている。
凹部５の、同一平面からなる底面６上には複数個（本実施形態においては４個）のＬＥＤ素子３が所定の間隔で近接配置されている。この場合、ＬＥＤ素子３は、種々の蛍光体の励起に対応できるように、可視光領域の短波長側あるいは紫外線領域に発光ピーク波長を有するものが用いられ、具体的には、例えば青色系の光を発光する青色ＬＥＤ素子あるいは紫外光を発光する紫外ＬＥＤ素子等が用いられる。本実施形態においては、青色ＬＥＤ素子が採用されている。
それと同時に、すべてのＬＥＤ素子（青色ＬＥＤ素子）３は、少なくとも同一材料による同一構造からなる略同一の発光スペクトル分布を有する同一種類のものが用いられる。但し、ＬＥＤ素子３の形状、サイズ、及び電極の取り出し構造、配置、サイズ等については必ずしも同一である必要はない。
近接配置された４個すべてのＬＥＤ素子３は、２個ずつで構成された２つのＬＥＤ素子群７に分けられ、夫々のＬＥＤ素子群７の一方のＬＥＤ素子３ａには該ＬＥＤ素子３ａの光出射面（上面）上に該光出射面全面を覆うように透光性樹脂によるトップコート８が設けられている。トップコート８を形成する透光性樹脂は少なくとも可視光領域の短波長側あるいは紫外線領域の波長領域の光を透過する材料からなっている。
トップコート８を形成する方法は、一般的なポッティング法で行われ、ディスペンサ等の液体定量吐出装置を用いて一定量の透光性樹脂がＬＥＤ素子３ａの光出射面上の全面に滴下され、必要に応じて樹脂硬化のために加熱処理が行われる。
そのため、トップコート８を形成する透光性樹脂はエポキシ樹脂等のように硬化前に粘度が低下するような材料はＬＥＤ素子３ａの光出射面から側面側に垂れ落ちるために好ましくなく、シリコーン樹脂等のように粘度低下のないものが好ましい。粘度とチクソ性を考慮した樹脂の選択をすることにより、光出射面上で表面張力によって安定した形状を保持しながら硬化を行うことができ、形状寸法の再現性の良いトップコート８を形成することができる。
ＬＥＤ素子３ａは、光出射面のサイズと液体定量吐出装置のノズル径との関係から、光出射面のサイズが小さくなるとノズルから吐出した樹脂が光出射面から垂れ落ちて歩留まりが悪くなる。そのため、ＬＥＤ素子３ａのサイズは５００μｍ□以上であることが好ましい。同時に、ＬＥＤ素子３ａのサイズを５００μｍ□以上とすることにより、大電流駆動による発光光量の増大化が可能となる。
なお、ＬＥＤ素子群７の他方のＬＥＤ素子３ｂの光出射面にはなにも設けられていない。そして、ＬＥＤ素子群７のトップコート８が設けられたＬＥＤ素子３ａとトップコートが設けられていないＬＥＤ素子３ｂ同士は凹部５内で互いに偏在することなく所定の間隔で均一に分散配置されている。
隣接するＬＥＤ素子３ａ、３ｂ間の間隔は０．３ｍｍから２ｍｍの範囲が好ましい。間隔が０．３ｍｍよりも狭まると作業性、信頼性が低下し、２ｍｍよりも広がるとＬＥＤ素子３ａ、３ｂによる出射光の混色性が悪くなり、ＬＥＤ素子群７内の色調ムラが顕著になる。
更に、凹部５内には、透光性樹脂に蛍光体を分散した封止樹脂４が充填され、ＬＥＤ素子３ａ、３ｂが封止樹脂４で樹脂封止されている。封止樹脂４の表面４ａはパッケージ２の底面６と略平行となっている。蛍光体は青色ＬＥＤ素子の青色光で励起されて青色の補色となる黄色系の光を発する黄色蛍光体である。但し、黄色蛍光体の替わりに青色ＬＥＤ素子の青色光で励起されて夫々赤色系及び緑色系の光を発する赤色蛍光体及び緑色蛍光体の混合蛍光体を用いることも可能である。
なお、ＬＥＤ素子が紫外ＬＥＤ素子の場合は、紫外ＬＥＤ素子の紫外光で励起されて夫々赤色系、緑色系及び青色系の光を発する赤色蛍光体、緑色蛍光体及び青色蛍光体の混合蛍光体を用いることも可能である。
そこで上記構成の半導体発光装置１において、各ＬＥＤ素子３ａ、３ｂに通電すると図３に示すように、各青色ＬＥＤ素子３ａ、３ｂが発光して青色光（Ｂ）を出射する。このうち、青色ＬＥＤ素子３ｂから出射された光はその一部が封止樹脂４に分散された黄色蛍光体９を励起することによって波長変換された黄色光（Ｙ）となって封止樹脂４外に出射され、その一部はそのまま青色光（Ｂ）として封止樹脂４外に出射され、封止樹脂４外において黄色光（Ｙ）と青色光（Ｂ）の混合光によって白色光（Ｗ１）が形成される。つまり、封止樹脂４の青色ＬＥＤ素子３ｂ上の領域からは白色光（Ｗ１）が出射される。
一方、青色ＬＥＤ素子３ａから出射された光はトップコート８内に入射し、トップコート８内を導光されて封止樹脂４内に出射する。そして、トップコート８内から封止樹脂４内に出射した光りはその一部が封止樹脂４に分散された黄色蛍光体９を励起することによって波長変換された黄色光（Ｙ）となって封止樹脂４外に出射され、その一部はそのまま青色光（Ｂ）として封止樹脂４外に出射され、封止樹脂４外において黄色光（Ｙ）と青色光（Ｂ）の混合光によって白色光（Ｗ２）が形成される。つまり、封止樹脂４の青色ＬＥＤ素子３ａ上の領域からは白色光（Ｗ２）が出射される。
このとき、青色ＬＥＤ素子３ｂ上の領域から出射される白色光（Ｗ１）と青色ＬＥＤ素子３ａ上の領域から出射される白色光（Ｗ２）は色度座標（色温度）が異なるものとなる。
それは、青色ＬＥＤ素子３ａと青色ＬＥＤ素子３ｂの夫々から同一方向に出射された青色光が封止樹脂４内を導光される距離（封止樹脂４内の光路長）が互いに異なるためである。具体的に、ＬＥＤ素子３ａ、３ｂの光軸Ｘ方向に出射された光同士を比較した場合、ＬＥＤ素子３ａから出射された光Ｌａの封止樹脂４内の光路長は、トップコート８の表面８ａから封止樹脂４の表面（光出射面）４ａまでの距離でありこれをＬ１とし、ＬＥＤ素子３ｂから出射された光Ｌｂの封止樹脂４内の光路長は、ＬＥＤ素子３ｂの光出射面３ｃから封止樹脂４の表面（光出射面）４ａまでの距離でありこれをＬ２とすると、封止樹脂４内の光路長は光Ｌｂの光路長が光Ｌａの光路長よりも（Ｌ２−Ｌ１）の距離だけ長い。
そのため、ＬＥＤ素子３ｂから出射された光が蛍光体９を励起する割合が、ＬＥＤ素子３ａから出射された光が蛍光体９を励起する割合よりも光路長差（Ｌ２−Ｌ１）の距離分だけ高くなる。
その結果、封止樹脂４の青色ＬＥＤ素子３ａ上の領域から出射される黄色光（Ｙ）と青色光（Ｂ）の比率と、青色ＬＥＤ素子３ｂ上の領域から出射される黄色光（Ｙ）と青色光（Ｂ）の比率が異なるものとなり、且つ青色ＬＥＤ素子３ｂ上の領域から出射される光は青色ＬＥＤ素子３ａ上の領域から出射される光に対して黄色光（Ｙ）の比率が高く、青色ＬＥＤ素子３ａから出射される光は青色ＬＥＤ素子３ｂから出射される光に対して青色光（Ｂ）の比率が高くなる。
つまり、青色ＬＥＤ素子３ａ上の領域からは青みがかった色温度の高い白色光（Ｗ２）が出射され、青色ＬＥＤ素子３ｂ上の領域からは黄色がかった色温度の低い白色光（Ｗ１）が出射される。このように、凹部５内に略同一の発光スペクトル分布を有する一種類からなる複数個のＬＥＤ素子を配置し、光出射面上に透光性樹脂からなるトップコート８を有するＬＥＤ素子３ａと、トップコートを有しないＬＥＤ素子３ｂを設けることにより、トップコート８の有無によって色度座標（色温度）の異なる光（白色光）を出射する領域を設けることができる。
また、トップコート８の高さを制御することにより封止樹脂４内の光路長Ｌ１を変えることができ、それによって封止樹脂４の青色ＬＥＤ素子３ａ上の領域から出射される白色光（Ｗ２）の色度座標（色温度）を設定することができる。
なお、トップコート８の最高点の位置は少なくともＬＥＤ素子３ｂの光出射面の高さと異なる位置にあることが好ましい。言い換えると、トップコート８の最高点の位置から封止樹脂４の表面４ａまでの距離がＬＥＤ素子３ｂの光出射面から封止樹脂４の表面４ａまでの距離と異なることが好ましい。この距離が同一であるとトップコート８を設けた意味がほとんどなくなる。この意味からも、青色ＬＥＤ素子３ａ、３ｂがすべて略同一の高さであることが好ましい。
そこで、封止樹脂４の青色ＬＥＤ素子３ａ上の領域から出射される白色光（Ｗ２）と青色ＬＥＤ素子３ｂ上の領域から出射される白色光（Ｗ１）を図４のＣＩＥ色度図上で示すと、トップコートを設けない青色ＬＥＤ素子３ｂ上の領域から出射される白色光（Ｗ１）の色度座標がＡ点の相関色温度に相当する位置を狙い値として透光性樹脂中の蛍光体の分散濃度が決められたとすると、トップコート８が設けられた青色ＬＥＤ素子３ａ上の領域から出射される白色光（Ｗ２）の色度座標は点Ａの位置よりも相対色温度が高い点Ｂの位置に位置することになる。
そこで、青色ＬＥＤ素子３ａと青色ＬＥＤ素子３ｂの夫々の通電電流の電流比を変えることにより半導体発光装置の照射光となる、白色光（Ｗ２）と白色光（Ｗ１）の混光比率を変えることができ、混合光が点Ａの色度座標と点Ｂの色度座標を結ぶ線分ＡＢ上の任意の点Ｃの色度座標の位置をとることができる。
この線分ＡＢの長さはトップコート８の高さにより変わり、高さが高くなると封止樹脂４内の光路長が短くなるために白色光（Ｗ２）の相対色温度が高くなり、色度座標の位置Ｂが固定された白色光（Ｗ１）の色度座標の位置Ａから遠ざかり、線分ＡＢの距離が長くなる。
反対に、トップコート８の高さが低くなると封止樹脂４内の光路長が長くなるために白色光（Ｗ２）の相対色温度が低くなり、色度座標の位置Ｂが固定された白色光（Ｗ１）の色度座標の位置Ａに近づき、線分ＡＢの距離が短くなる。
いずれにしても、この線分ＡＢは黒体放射軌跡に近似した直線であるので、半導体発光装置としては黒体放射軌跡近傍の広範囲の領域に亘る色温度に相当する色度座標の照射光を出射すること可能となる。
以上、本発明の半導体発光装置に係る実施形態の構成について説明したが、次に、青色ＬＥＤ素子３ａ、３ｂの駆動方法及び色度座標（色温度）調整方法について、該半導体発光装置の内部結線を含めた実装状態における回路構成を示す図５及び図６を参照して説明する。
図５の回路構成は、半導体発光装置の内部結線については、２個のＬＥＤ素子３ａ及び２個のＬＥＤ素子３ｂがパッケージ２の内部においてアノード同士が接続され、図１及び図２では図示されていないが導体パターン１０ａを介してパッケージ２外に導出されている。一方、４個のＬＥＤ素子３ａ、３ｂのカソードは夫々個別に、同様に図１及び図２では図示されていないが導体パターン１０ａｃ、１０ｂｃを介してパッケージ２外に導出されている。
そして、半導体発光装置を部品実装基板等の基板に実装した状態において、パッケージ２外に導出された導体パターン１０ａは電源部の高電圧側（＋側）に接続され、導体パターン１０ｂｃは夫々抵抗Ｒ１、導体パターン１０ａｃは夫々抵抗Ｒ２の一方の端子に接続され、抵抗Ｒ１、Ｒ２の他方の端子同士が接続されて電源部の低電圧側（ＧＮＤ側）に接続されている。つまり、この駆動方式は定電圧駆動方式となっている。
この回路構成による色度座標（色温度）調整は、上述したように隣接する、光出射面上にトップコート８を設けたＬＥＤ素子３ａとトップコートを設けないＬＥＤ素子３ｂの一対のＬＥＤ素子３ａ、３ｂをＬＥＤ素子群７とし、各ＬＥＤ素子群７毎にＬＥＤ素子３ａ、３ｂの混合光の色度座標を調整し、ＣＩＥ色度図上においてすべてのＬＥＤ素子群７の混合光の色度座標が略同一の位置に位置するように設定するものである。
具体的な色度座標の調整は、最初に、全てのＬＥＤ素子群７のトップコート８を設けたＬＥＤ素子３ａに接続された抵抗Ｒ２の抵抗値を最大値に設定する。このとき、夫々のＬＥＤ素子３ａの給電電流はほとんど流れない（電流値は略０Ａ）。
そして、そのときの各ＬＥＤ素子群７からの出射光の色温度を測定し、最も色温度の高い光を出射したＬＥＤ素子群７を特定してその色温度を他のＬＥＤ素子群７に対する設定基準値とする。その後、このＬＥＤ素子群７以外のＬＥＤ素子群７を順次、出射光の色温度を測定しながらトップコート８を設けたＬＥＤ素子３ａに接続された抵抗Ｒ２の抵抗値を徐々に減少させて通電電流を徐々に増加させ、出射光の色温度が設定基準値となったところで抵抗Ｒ２の抵抗値を固定する。
これにより、全てのＬＥＤ素子群７からの出射光（トップコート８を設けたＬＥＤ素子３ａとトップコートを設けないＬＥＤ素子３ｂの夫々の出射光の混合光）が略同一の色温度（設定基準値）となり、半導体発光装置を外部から直接観視しても個々のＬＥＤ素子群７間の色調のバラツキが少なく且つ半導体発光装置の照射光にも色調ムラが生じることがなく、商品性及び照光品位の高い半導体発光装置が実現できる。
この回路構成による色度座標（色温度）の調整方法は、ＣＩＥ色度図上において、トップコート８を設けたＬＥＤ素子３ａからの出射光の色度座標の位置とトップコートを設けないＬＥＤ素子３ｂからの出射光の色度座標の位置を結ぶ線分の長さが短い場合、言い換えると夫々の出射光の色度座標（相対色温度）の位置の距離が近い場合に適している。
色度座標（相対色温度）の位置の距離が互いに近い場合は、定電圧駆動方式においても、混合光の色温度調整のための、トップコート８を設けたＬＥＤ素子３ａからの出射光の光量が少なくてよく、その分通電電流の変化分が少ないために色温度調整時における各ＬＥＤ素子群７間の輝度バラツキは感知できない程度であるからである。（人間の眼は、色調の違いには敏感であるが明るさの違いには鈍感な特性を有するものである。）
これに対し、図６は定電流駆動方式の回路構成となっている。具体的には、半導体発光装置の内部結線については、上記定電圧方式と同様である。そして、半導体発光装置を部品実装基板等の基板に実装した状態において、パッケージ２外に導出された導体パターン１０ａは電源部の高電圧側（＋側）に接続され、各導体パターン１０ｂｃは夫々抵抗Ｒ１、各導体パターン１０ａｃは夫々抵抗Ｒ２の一方の端子に接続され、各ＬＥＤ素子群７の抵抗Ｒ１と抵抗Ｒ２の他方の端子同士が接続されて定電流源１１に接続されている。つまり、ＬＥＤ素子３ａと抵抗Ｒ２の直列接続回路とＬＥＤ素子３ｂと抵抗Ｒ１の直列接続回路との並列接続回路による各ＬＥＤ素子群７毎に定電流源１１が設けられた回路構成となっている。
この回路構成による色度座標（色温度）調整も上記同様に、隣接する、光出射面上にトップコート８を設けたＬＥＤ素子３ａとトップコートを設けないＬＥＤ素子３ｂの一対のＬＥＤ素子３ａ、３ｂをＬＥＤ素子群７とし、各ＬＥＤ素子群７毎にＬＥＤ素子３ａ、３ｂの混合光の色度座標を調整し、ＣＩＥ色度図上においてすべてのＬＥＤ素子群７の色度座標が略同一の位置に位置するように設定するものである。
具体的な色度座標の調整は、最初に抵抗Ｒ１とＲ２の初期値により、トップコート８を設けたＬＥＤ素子３ａとトップコートを設けないＬＥＤ素子３ｂがＣＩＥ色度図上において、両出射光の色温度を結ぶ線分上で調整後の設定基準位置をＡ点、及びＢ点座標のバラツキから回避される範囲内の位置として大凡の光量比を設定する（所定の駆動電流比）。
そして、調整後の設定基準位置を目標として前記２つの発光部の光量比初期状態を確認しながら、トップコート８を設けたＬＥＤ素子３ａに接続された抵抗Ｒ２の抵抗値を徐々に増減させて通電電流を調整し、出射光の色温度が設定基準値となったところで抵抗Ｒ２の抵抗値を固定する。
このとき、各ＬＥＤ素子群７はいずれも定電流源で駆動されるため、トップコート８を設けたＬＥＤ素子３ａの通電電流の低減により出射光量が減少するにつれて、トップコート８を設ないＬＥＤ素子３ｂの通電電流は反対に増加して出射光量が増大し、ＬＥＤ素子３ａ、３ｂが互いの出射光量を補完し合う。
そのため、各ＬＥＤ素子群７からの出射光の光量を一定に保ちながら、すべてのＬＥＤ素子群７からの出射光（トップコート８を設けたＬＥＤ素子３ａとトップコートを設けないＬＥＤ素子３ｂの夫々の出射光の混合光）が略同一の色温度（設定基準値）となり、半導体発光装置を外部から直接観視しても個々のＬＥＤ素子群７間の色調及び輝度のバラツキが少なく且つ導体発光装置の照射光にも色調ムラ及び輝度ムラが生じることがなく、商品性及び照光品位の高い半導体発光装置が実現できる。
この回路構成による色度座標（色温度）の調整方法は、ＣＩＥ色度図上において、トップコート８を設けたＬＥＤ素子３ａからの出射光の色度座標の位置とトップコートを設けないＬＥＤ素子３ｂからの出射光の色度座標の位置を結ぶ線分の長さが長い場合、言い換えると夫々の出射光の色度座標（相対色温度）の位置の距離が遠い場合に適している。
色度座標（相対色温度）の位置の距離が遠い場合は、混合光の色温度調整のための、トップコート８を設けたＬＥＤ素子３ａからの出射光の光量変化が大きくなり、その分通電電流の変化分が大きくなり、定電圧駆動式では色温度調整時に各ＬＥＤ素子群７間の輝度バラツキが大きくなる。そのため、定電流駆動方式にすることにより色温度調整時の通電電流の変化分が発生せず、ＬＥＤ素子群７間の輝度バラツキを抑制することができるからである。
なお、色温度調整は、トップコート８を設けたＬＥＤ素子３ａからの出射光量を調整する替わりにトップコートが設けられていないＬＥＤ素子３ｂからの出射光量を調整することによっても可能である。この場合は抵抗Ｒ１の抵抗値を調整することにより実現できる。
定電圧駆動方式及び定電流駆動方式のいずれにおいても、抵抗値の調整はボリュウムによる抵抗可変、印刷抵抗のトリミング等の方法が可能である。
ところで上記実施形態の半導体発光装置は、トップコート８を設けた２個のＬＥＤ素子３ａとトップコートが設けられていない２個のＬＥＤ素子３ｂの４個のＬＥＤ素子３ａ、３ｂで構成されていたが、照射面積が大きくなるにつれて使用するＬＥＤ素子３ａ、３ｂの個数を増やす必要がある。
その場合の一例として、図７に示すように、トップコート８を設けたＬＥＤ素子３ａとトップコートが設けられていないＬＥＤ素子３ｂを、所定の間隔で、縦横所定の行列数で互いに一個置きに千鳥格子状に配置することもできる。これにより、広範囲に亘る輝度ムラ及び色調ムラのない照明が実現できる。
以上説明したように、本発明の半導体発光装置は、光出射面上に透光性樹脂からなるトップコートを設けたＬＥＤ素子とトップコートを設けないＬＥＤ素子を所定の間隔で均等に分散配置し、それらを覆うように、透光性樹脂に蛍光体を分散した封止樹脂で樹脂封止した。そして、トップコートを設けたＬＥＤ素子とトップコートを設けないＬＥＤ素子からなる一対のＬＥＤ素子群のすべてにおいて、いずれか一方のＬＥＤ素子の通電電流を調整することにより、封止樹脂の、トップコートを設けたＬＥＤ素子上から出射される白色光とトップコートを設けないＬＥＤ素子上から出射される白色光の混光比を調整し、すべてのＬＥＤ素子群からの出射光が略同一の色温度となるような構成とした。
このように本発明は、ＣＩＥ色度図上における黒体放射軌跡上又は黒体放射軌跡近傍に位置する色度座標を有する白色光同士による相対色温度の調整方法であるため、単色光を発光するＬＥＤ素子を用いた場合に比べて通電電流の電流値の変化に対する発光光量の調整感度が緩和され、電流制御による混合光（白色光）の微少な色調制御が可能となり、照射光の色調分布が均一な半導体発光装置が容易に実現できる。
また、各ＬＥＤ素子群において、色温度調整に伴う輝度バラツキの発生がほとんどなく、照射光の輝度分布が均一な半導体発光装置が実現できる。
また、すべてのＬＥＤ素子を発光スペクトル分布が略同一のもので構成しているため、色調バラツキ及び輝度バラツキの要因が低減され、各ＬＥＤ素子群からの出射光の色調制御が簡略化される。
更に、ＬＥＤ素子の光出射面上に透光性樹脂によるトップコートを設けるだけで、トップコートを設けないＬＥＤ素子と異なる色調の白色光を得ることができる。そのため、ＬＥＤ素子を高密度に配置することが可能となり、照射光の色調分布及び輝度分布が極めて均一な半導体発光装置を実現することができる。
以上の効果を総合すると、本発明の半導体発光装置は、照射光の光学特性について良好な再現性を確保し、それにより所望する色温度を安定して得ることが可能となるものである。
本発明の実施形態に係る上面図である。 図１のＡ−Ａ断面図である。 本発明の実施形態に係る光学系の説明図である。 本発明の実施形態に係る色度座標を示す色度図である。 本発明の実施形態に係る駆動回路図である。 同じく、本発明の実施形態に係る駆動回路図である。 本発明の実施形態に係る応用例の説明図である。 従来例の説明図である。
符号の説明
１ 半導体発光装置
２ パッケージ
３ 半導体発光素子（ＬＥＤ素子）
４ 封止樹脂
５ 凹部
６ 底面
７ ＬＥＤ素子群
８ トップコート
９ 蛍光体
１１ 定電流源

Claims (5)

  1. 同一平面上に発光スペクトル分布が略同一の複数個の半導体発光素子が配置され、前記複数個の半導体発光素子は光出射面となる上面に透光性樹脂が配置されてなる１個以上の第１の半導体発光素子と光出射面となる上面に透光性樹脂が配置されていない１個以上の第２の半導体発光素子とが混在して配置され、すべての前記第１の半導体発光素子及び前記第２の半導体発光素子は透光性樹脂に蛍光体を分散した封止樹脂で樹脂封止されていることを特徴とする半導体発光装置。
  2. 前記第１の半導体発光素子と前記第２の半導体発光素子とは所定の間隔で均等に分散配置されていることを特徴とする請求項１に記載の半導体発光装置。
  3. 前記第１の半導体発光素子及び前記第２の半導体発光素子はいずれもサイズが０．５ｍｍ□以上であり、隣接する前記第１の半導体発光素子と前記第２の半導体発光素子の間隔は０．３ｍｍから２．０ｍｍの範囲であることを特徴とする請求項１または２のいずれか１項に記載の半導体発光装置。
  4. 前記半導体発光素子と前記蛍光体とは、青色系の光を発光する青色半導体発光素子と前記青色半導体発光素子の発光光で励起されて黄色系の光を発光する黄色蛍光体の組み合わせ、青色系の光を発光する青色半導体発光素子と前記青色半導体発光素子の発光光で励起されて夫々赤色系及び緑色系の光を発光する赤色蛍光体及び緑色蛍光体の混合蛍光体との組み合わせ、及び、紫外光を発光する紫外半導体発光素子と前記紫外半導体発光素子の発光光で励起されて夫々赤色系、緑色系及び青色系の光を発光する赤色蛍光体、緑色蛍光体及び青色蛍光体の混合蛍光体との組み合わせ、のうち一つの組み合わせであることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の半導体発光装置。
  5. 前記請求項１から４のいずれか１項に記載された半導体発光装置において、前記第１の半導体発光素子には第１の抵抗が直列に接続されて第１の直列回路が形成され、前記第２の半導体発光素子には第２の抵抗が直列に接続されて第２の直列回路が形成され、且つ互いに隣接する第１の半導体発光素子及び第２の半導体発光素子を有する第１の直列回路及び第２の直列回路が並列に接続されて複数の並列回路が形成され、前記複数の並列回路の夫々が定電圧源又は定電流源に接続されており、前記並列回路の第１の抵抗の抵抗値又は前記第２の抵抗の抵抗値のいずれかを可変することにより前記第１の半導体発光素子と第２の半導体発光素子の発光光量比を変えるようにしたことを特徴とする半導体発光装置の駆動方法。
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