JP5683625B2 - 発光装置、それを用いた車両用灯具、およびヘッドランプ - Google Patents

Description

本発明は、半導体発光素子（ＬＥＤ）と新規な蛍光体を組み合わせた発光装置及びそれを利用した照明装置に関し、特に発光色がアンバー色である車両用灯具およびヘッドランプに関する。

従来、アンバー色を発光する車両用灯具、例えば方向指示器には、アンバー色を着色した電球を内蔵したものが用いられてきたが、電球のもつ欠点、すなわち多大な消費電力や小型化の制限を解決するものとして、ＬＥＤを利用したものが提案され、実用化されている。

アンバー色のＬＥＤとして、約５８０〜６１０ｎｍに発光スペクトルを有するAlGaInP半導体やGaAsP半導体が知られている。しかし、これらＬＥＤは周囲温度が高くなると発光強度は大きく低下するという問題がある。このためリアコンビネーションランプなどの周囲温度が高温になるような用途では、必要な光量を満たすために、数多くのアンバーＬＥＤを用意する必要があり、高コスト化と設置場所確保による灯具デザインの制限を引き起こしていた。またヘッドランプに組み込まれたターンシグナルランプは、エンジンに距離が近く、特に周囲温度が高いため、上記アンバーＬＥＤでは必要な光量を確保できなかった。

これに対し、青色ＬＥＤとＬＥＤの発光により長波長光を発光する蛍光体とを組み合わせてアンバー色を実現する灯具も提案されている（特許文献１）。特許文献１には、青色ＬＥＤと組み合わせる長波長用蛍光体として、（Ca,Sr）₂Si₅N₈:Euを用いることが記載されている。

しかしこの蛍光体は、半値幅が約１００ｎｍと広く、視感度の低い長波長成分が多いため、効率が低いという問題がある。また残光特性を持つため、点滅させて使用する用途では、非発光時の残光が視認性を低下させるという問題がある。さらに特許文献１に記載されたアンバー色の灯具では、ＬＥＤからの発光を遮断するための光学フィルタが必須である。

特開２００５−１２３１６５号公報

本発明は、温度の高い環境で使用されても温度変化に伴う色の変化が少なく、効率よく発光する発光装置を提供することを課題とする。また本発明は、上記発光装置を利用して、視認性に優れた車両用灯具を提供することを課題とする。

本発明は、ＬＥＤと蛍光体を組み合わせた発光装置において、新規な蛍光体を用いることにより上記課題を解決したものである。

即ち、本発明の発光装置は、励起光を発する光源と、その励起光を吸収して光を発する蛍光体を組み合わせてなる発光装置であって、環境温度が−２０℃から８５℃の範囲において、全光束の変化量が±３０%以内であり、発する光の色度が色度座標(ＣＩＥ1931)上でｘ≧０．５４５、ｙ≧０．３９、ｙ≦ｘ−０．１２であることを特徴とする。
蛍光体として一般式：（Ｃａ _α 、Ｅｕ _β ）（Ｓｉ、Ａｌ） _１２ （Ｏ、Ｎ） _１６ （但し、１．５＜α＋β＜２．２、かつ０＜β＜０．２、Ｏ／Ｎ
≦０．０４）で示されるα型サイアロンを主成分とし比表面積が０．１〜０．３５ｍ ^２ ／ｇである蛍光体を用いる。

また本発明の車両用灯具は、上記発光装置を用いたものである。

本発明の発光装置の一実施形態を示す図。 本発明の車両用灯具の一実施形態を示す図。 本発明の発光装置を用いたヘッドランプの一実施形態を示す図。 実施例の発光装置の発光スペクトルを示す図。 実施例の発光装置の光束の温度依存性を示す図。 実施例の発光装置の色度の温度依存性を示す図。

以下、本発明の発光装置および車両用灯具の実施の形態を説明する。
まず本発明の発光装置を構成する蛍光体について詳述する。

本発明の発光装置が用いるα型サイアロンは、一般式：Ｍ_ｚ（Ｓｉ，Ａｌ）_１２（Ｏ，Ｎ）_１６で表され、元素Ｍとして、Ｃａを使用し、その一部に発光中心となるＥｕを導入したＥｕ付活Ｃａ−α−サイアロン蛍光体である。一般に、Ｅｕ付活Ｃａ−α−サイアロン蛍光体は、紫外〜青色の幅広い波長域の光で励起され、黄〜橙色の可視発光を示すが、本発明で用いるサイアロン蛍光体は、サイアロン結晶内の酸素含有率を低くするとともに、Ｃａ（Ｅｕを含む）の固溶濃度を高かめることにより、橙〜赤色の長波長発光を実現したものである。具体的には波長範囲４２０〜４８０ｎｍの励起によってアンバー色の発光を示す。

上述したα型サイアロン蛍光体は、例えば、（ａ）窒化ケイ素と、（ｂ）窒化アルミニウムと、（ｃ）Ｃａ含有化合物と、（ｄ）Ｅｕ含有化合物と、（ｅ）α型サイアロンとからなる原料混合粉末を窒素雰囲気中、１６５０〜１８５０℃で加熱処理することによりα型サイアロンを得て、分級処理のみにより、平均粒径が１５〜２５μｍの粉末を得ることにより製造することができる。この方法は、原料混合粉末中にα型サイアロン（ｅ）を含有させるとともに、分級処理のみで平均粒径１５〜２５μｍの粉末を得ることが特徴であり、この方法により得られる蛍光体は、比表面積が小さく、発光効率に優れ、且つ発光色の温度依存性が小さく、高温の環境においても色の変化が少ない。

蛍光体中のＣａとＥｕのモル比（α＋β）は、１．５を超え、２．２以下である。α＋βが１．５以下では、ピーク波長が５９５ｎｍ以上の蛍光が得難い。また（α＋β）が２．２を越えると、蛍光特性に悪影響を及ぼす第二相が生成しやすくなる。またＥｕの固溶量（βの値）は、０．２未満である。０．２以上では、蛍光ピーク波長がシフトし、アンバー色が得にくく、また発光効率が低下する。

酸素と窒素の比率Ｏ/Ｎ比は０．０４以下である。０．０４を超えると、ピーク波長が５９５ｎｍ以上の蛍光が得にくいだけでなく、Ｃａ及びＥｕの固溶限界量が少なくなり、α＋β＞１．５を実現することが困難になる。

比表面積は０．１〜０．３５ｍ^２／ｇである。０．３５ｍ²/ｇより大きい場合は、一次粒子が十分に発達しておらず、あるいは、蛍光体粒子表面に凹凸があり、その結果として、６０％以上の高い発光効率が得られない。また、比表面積が０．１ｍ²/ｇより小さいと、粒径が大きくなり過ぎて、発光装置の組み立て時に用いるディスペンサー用ノズルが詰まるなどの不都合が起きる場合がある。
なお本発明において、比表面積は、ＢＥＴ法に基き測定し、ＢＥＴ多点解析により求めた値である。

本発明の発光装置は、蛍光体として上記α型サイアロン蛍光体を用いたことを除き、公知の発光装置と同様であり、構造や型は特に限定されない。
図１に第１の実施の形態として、本発明が適用される典型的な発光装置を示す。この発光装置は、ガラス繊維、エポキシ樹脂などの絶縁物により構成されているランプハウス３にアノード／カソード両極用の電極４、５が設置されており、ＬＥＤ２はエポキシ樹脂等の接着剤によりランプハウス３上に固定されている。ＬＥＤ２のアノード／カソード各電極は、対応する引き出し電極４、５と導電性ワイヤー６によって電気的接合がなされている。ランプハウス３にはほぼ中央に凹部が形成ており、その凹部内に橙色蛍光体と樹脂1を充填し発光素子を構成している。

青色ＬＥＤ２としては、ピーク波長が４２０〜４８０ｎｍの範囲にある公知の青色ＬＥＤを用いることができる。具体的には、ＧａＮ系化合物半導体、ＩｎＧａＮ系化合物半導体、ＺｎＯ系化合物半導体、ＺｎＳｅ系化合物半導体などが例示できる。

凹部を充填する封止材である樹脂としては、ＬＥＤ２からの発光ピーク波長よりも短波長領域まで透明であり、蛍光体を混合できる材料であればよい。具体的には熱硬化樹脂、光硬化性樹脂や低融点ガラスなどが挙げられる。特にエポキシ樹脂、シリコーン樹脂、エポキシ基を有するポリジメチルシロキサン誘導体、オキセタン樹脂、アクリル樹脂、シクロオレフィン樹脂等の熱硬化樹脂が好ましい。これら樹脂は、１種または２種以上を混合して用いることができる。

本発明の発光装置の発する光の色度は、好ましくは、色度座標(ＣＩＥ1931)上でｘ≧０．５４５、ｙ≧０．３９、ｙ≦ｘ−０．１２である。このような色度は、ピーク波長が４２０〜４８０ｎｍの範囲にある青色ＬＥＤと上述したα型サイアロン蛍光体とを組み合わせることにより実現できるが、この色度範囲から逸脱しない範囲で、上述したアンバー色蛍光体以外の蛍光体を含んでいてもよい。

他の蛍光体としては、ユーロピウム付活のＭ₂ＳｉＯ₄（Ｍ＝Ｍｇ、Ｃａ、Ｓｒ、Ｂａ）、ユーロピウム付活のＭ₂Ｓｉ₅Ｎ₈（Ｍ＝Ｍｇ、Ｃａ、Ｓｒ、Ｂａ）、ユーロピウム付活のＭ₃ＳｉＯ₅（Ｍ＝Ｍｇ、Ｃａ、Ｓｒ、Ｂａ）、ユーロピウム付活のＭＡｌＳｉＮ₃（Ｍ＝Ｍｇ、Ｃａ、Ｓｒ、Ｂａ）、セリウム付活のＡ₃Ｂ₅Ｏ₁₂（Ａ＝Ｙ、Ｇｄ、Ｌｕ、Ｔｂ、Ｂ＝Ａｌ、Ｇａ）などの一般的に知られている蛍光体を１種または２種以上を混合して用いることができる。また必要に応じて各波長変換材用材料に、励起光および波長変換された光の反射を補助するために硫酸バリウム、酸化マグネシウム、酸化ケイ素などの散乱剤を混在させてもよい。

蛍光体は、上述した樹脂に適量混合させて用いることができる。樹脂に混合する場合の混合量は、特に限定されないが、通常樹脂の１〜５０重量％程度である。また蛍光体を、ランプハウス３中に分散させることも可能である。

ランプハウス３と青色ＬＥＤ２および電極４、５は、ランプハウス３上に青色ＬＥＤ２が固定され、かつ、アノード／カソード用の各引き出し電極とＬＥＤ２のアノード／カソード電極とが対応して電気的接合がなされていればよく、図１に示す形態のほか、種々の形態を取ることができる。例えば、図示しないが、ＬＥＤ２のアノード／カソード電極と対応する各引き出し電極とを、Au-Snなどの共晶材料やAuバンプ、異方性を有する導電性シート、Agペーストに代表されるような導電性樹脂等により、電気的に接合するとともにランプハウス３に固定する形態や、上記した材料によりＬＥＤ２の片極のみを対応する引き出し電極に対し電気的に接合すると共にランプハウス３へ固定し、他方の極と対応する引き出し電極とを導電性ワイヤーにて電気的接合をとる形態などを取りえる。さらに、ランプハウス３がＬＥＤ２の放熱性を向上させるために金属等の導電性材料で構成され、片極の引き出し電極５を兼ねるようにしてもよい。

ランプハウス３に形成された凹部の内側には、塗布、メッキ、または蒸着等により高反射率材を形成してもよい。凹部の形状は概円錐台形であることが望ましいが、概四角錐台形でもよい。凹部の側壁は傾斜していることが望ましいが、用途によっては、ほぼ垂直であってもよい。

本発明の発光装置は、青色ＬＥＤの励起により発光する蛍光体として、特定のＥｕ付活Ｃａ−α型サイアロン蛍光体を用いたことにより、高温の環境においても色の変化が少なく、発光効率がよい。本発明の発光装置は、発光ピーク波長が４２０〜４８０ｎｍであるＬＥＤと上記α型サイアロン蛍光体を用いたことにより、その発光スペクトルにおいて波長５００ｎｍ以下の領域の面積を発光スペクトルの面積の５％以下とすることができる。これにより、波長５００ｎｍ以下の光を遮断するための光学フィルター等がなくても、色度座標(ＣＩＥ1931)上でｘ≧０．５４５、ｙ≧０．３９、ｙ≦ｘ−０．１２の色度を実現できる。

次に本発明の車両用灯具およびそれを組み込んだヘッドランプについて説明する。

図２は、本発明の車両用灯具の一例を示す図である。この灯具は、発光素子２１と、発光素子２１を支持する支持部２２と、略円弧状の形状を有するリフレクタ２３と、リフレクタ２３と対向して配置されたアウターレンズ２４とを備えている。発光素子２１は、図１に示す発光装置と同様の構造を持つ発光素子２１で、外側からの光が直接発光素子２１に当たらないようにするために、蛍光体を充填した発光素子の上面が、発光素子２１とレンズ２４とを結ぶ直線に対しほぼ直交する方向を向くように、支持部２２に固定されている。発光素子２１は、図示しない電源部に接続されている。リフレクタ２３は、発光素子２１が発光する光をレンズ２４側に反射させるもので、少なくとも発光素子２１に対向する表面が金属或いは白色の材料からなる。例えば、表面に蒸着、塗布等によりアルミニウムなどの金属膜や白色顔料の膜が形成されている。また図示しないが、必要に応じて色味を調整するための光学フィルターがアウターレンズと発光素子との間に配置される場合がある。

このような構造により、発光素子２１の非発光時には光学フィルターやアウターレンズの色が外部から見えない。発光時には、リフレクタ２３で反射された光は、レンズ２４を介して外部へ照射される。従って点灯時と非点灯時とで、色（見栄え）が全く異なり、視認性が良好である。

本発明の車両用灯具は、例えば、車載用ターンシグナルランプ、リアコンビネーションランプ、車内照明灯、メーター照明、スイッチ類照明など種々の車両用灯具に適用することができる。図３に、本発明が適用されるヘッドランプの一例を示す。図３（a）はその正面図、（b）はA−A断面図である。このヘッドランプは、ハイビームランプ３１、ロービームランプ３２、３３、ポジションランプ３４、ターンシグナルランプ３５など複数の灯具から構成される。本発明の発光装置は、これら灯具のいずれにも適用することが可能であるが、特に、各国でアンバー色の色範囲が規格化されている車載用ターンシグナルランプに好適である。車載用ターンシグナルランプ用いられるアンバー色の色範囲は、日本では、ＪＩＳ Ｄ５５００において橙色範囲として、０．４２９≧ｙ≧０．３９８、ｚ≦０．００７（但しｚ＝１−ｘ−ｙ、ｘｙｚは色度座標)と規格化され、欧州では、ＥＣＥ規則で、ｙ≧０．３９、ｙ≧０．７９−０．６７ｘ、ｙ≦ｘ−０．１２と規格化されている。米国では、ＳＡＥ Ｊ５７８ｃ，Ｊ５７８ｄにおいて、ｙ＝０．３９、ｙ＝０．７９−０．６７ｘ、ｙ≦ｘ−０．１２と規格化されている。

本発明の車両用灯具が用いる発光素子２１は、色度座標(CIE1931)上でｘ≧０．５４５、ｙ≧０．３９、ｙ≦ｘ−０．１２の色度範囲を実現できるので、上記規格を満たす車載用ターンシグナルランプを提供することができる。

また本発明の車両用灯具は、光源である発光装置（発光素子２１）自体が車載用ターンシグナルランプの色度規格範囲内であるため、光学フィルターを用いなくともターンシグナルランプを製造することが可能となる。光学フィルターを用いないため、発光ロスも少なくなり、効率も向上する。

以下、本発明の実施例を説明する。

１．α型サイアロン蛍光体の製造
窒化ケイ素粉末６１．２質量％、窒化アルミニウム粉末２２．１質量％、窒化カルシウム粉末９．５質量％、フッ化カルシウム粉末５．０質量％、酸化ユーロピウム粉末２．２質量％を、乳鉢を用いて混合して、窒化ホウ素質坩堝に充填し、カーボンヒーターの電気炉で大気圧窒素中、１７５０℃で１６時間の加熱処理を行った。加熱処理により得られた粉末は、粉末Ｘ線回折測定の結果、α型サイアロンであることが確認された。

加熱処理により得られた粉末（α型サイアロン）１５質量％、窒化ケイ素粉末５３質量％、窒化アルミニウム粉末１９．１質量％、窒化カルシウム粉末１１質量％、酸化ユーロピウム粉末１．９質量％を混合して、窒化ホウ素質坩堝に充填し、カーボンヒーターの電気炉で、窒素雰囲気中、１７５０℃で１６時間の加熱処理を行った。得られた試料を篩分級し、４５μｍの篩を通過した粉末を発光装置作成用の蛍光体とした。

この蛍光体について、粉末Ｘ線回折測定により結晶相を調べた結果、存在する結晶相はα型サイアロンのみであった。蛍光分光光度計で蛍光スペクトルを測定したところ、ピーク波長が６００ｎｍで、半値幅が８５ｎｍであった。比表面積は０．２４ｍ²/ｇであった。

蛍光体組成式、(Ｃａ_α、Ｅｕ_β)(Ｓi、Ａｌ)₁₂(Ｏ、Ｎ)₁₆でおけるα+β、Ｏ/Ｎ比を表１に示すように変えて、上記と同様の製造方法により、複数種類の蛍光体（実施例１〜３、比較例１〜５）を作製した。但し、比較例５の蛍光体は、原料粉末としてα型サイアロンを除いた原料粉末を化学量論的比率で混合して用いた。

２．蛍光体の発光特性測定
実施例１〜３および比較例１〜５の蛍光体について、４５５ｎｍの励起光で励起した場合の蛍光特性を測定した。結果を表１に示す。

実施例３(α+β=1.71)と、比較例１(α+β=1）および比較例２(α+β＝2.5)との比較から、α+βが１．５以下では、ピーク波長が５９５ｎｍ以上の蛍光が得難く、２．２を越えるα型サイアロンを製造しようとすると、蛍光特性に悪影響を及ぼす第二相が生成しやすくなることがわかる。

また実施例２（β=0.04)と比較例３（β=0.25)との比較から、α+βが同じであっても、Ｅｕの固溶量（β値）が０．２を超えると、蛍光ピーク波長もシフトし、発光効率が低下することがわかる。
実施例３(Ｏ/Ｎ=0.02)と比較例４(Ｏ/Ｎ比=0.06)の比較より、ピーク波長および発光効率のいずれについても、酸素と窒素の比率は０．０４以下であることが好ましいことがわかる。

比表面積に関しては、実施例１(0.24ｍ²/ｇ)と比較例５(0.42ｍ²/ｇ)との比較から、比表面積が０．３５ｍ²/ｇより大きいと、６０％以上の高い発光効率が得られないことがわかる。

３．発光装置の作製
実施例１の蛍光体を、熱硬化型シリコーン樹脂１００重量部に対し２０重量部配合し、均一に撹拌した後、電極５及び青色ＬＥＤ（窒化ガリウム系化合物半導体ＬＥＤ、発光波長のピーク：約４６０ｎｍ）が固定されたランプハンス３に注入機で注入した。その後、１５０℃で１〜４時間加熱して樹脂を硬化し固定化し、図１に示すような発光装置を作製した。

この発光装置の青色ＬＥＤに電流３５０ｍＡを流し、積分球で全光束を測定するとともに、周囲温度２５℃における発光スペクトルを測定した。発光スペクトルを図４に示す。その結果、全光束は約２９ルーメン（ｌｍ）、ピーク波長は６０３ｎｍ、発光スペクトルの半値幅は８６ｎｍであった。また５００ｎｍ以下の積分値は、全体の積分値に対して０．３３％であった。発光時の色度座標はｘ、ｙ＝０．５７９８、０．４１６９であり、車載用ターンシグナルランプに用いられるアンバー色の範囲内にあることが確認された。

４．温度特性の評価
３．で作製した発光装置及び従来のAIGalnP半導体ＬＥＤについて、周囲温度を制御した状態で、３５０ｍＡの電流を通電し、積分球で全光束及び色度を測定した。その結果を図５及び図６に示す。図５中、光束の強度は、周囲温度が２５℃のときの光束に対する相対強度を表している。図６中、点線で囲った領域は、ＥＣＥ方向指示器色度領域を示し、一点鎖線はＣＩＥ1971 Spectrum Locus （単色光軌跡）を示す。

図５からも明らかなように、AIGalnP半導体ＬＥＤは、高温領域で光束が低下するのに対し、本発明の発光装置は高温領域でも光束の低下が少なかった。
また図６に示すように、AIGalnP半導体ＬＥＤは、周囲の温度変化に対する色度変化が大きく、方向指示器の色度領域から外れてしまうのに対し、本発明による発光装置では、周囲環境が１００℃となっても色度変化は少なかった。

これらの結果から本発明の発光装置は、使用環境が高温であっても安定に光束を維持でき、色度変化が少ないことが確認された。

本発明によれば、高温下でも安定に光束が維持でき色度変化の少ないアンバー色の発光装置が提供される。この発光装置は、車両用灯具、一般のアンバー色光源に適用することができ、特に周囲温度の高い車両用灯具に好適である。

１・・・樹脂、２・・・青色ＬＥＤ、３・・・ランプハウス、４，５・・・電極、６・・・導電性ワイヤー、２１・・・発光素子、２３・・・リフレクタ、２４・・・アウターレンズ。

Claims (6)

1. 励起光を発する光源と、その励起光を吸収して光を発する蛍光体を組み合わせてなる発光装置であって、
   前記蛍光体が、一般式:(Ｃａ_α，Ｅｕ_β)(Ｓｉ，Ａｌ)₁₂(Ｏ，Ｎ)₁₆（但し、１．５＜α+β＜２．２、０＜β＜０．２、Ｏ/Ｎ≦０．０４）（但し、Ｏ/Ｎ＜０．０１６を除く）で示されるα型サイアロンを主成分とし、比表面積が０．１〜０．３５ｍ ^２ ／ｇの蛍光体と、
   ユーロピウム付活のＭ ₂ ＳｉＯ ₄ （Ｍ＝Ｍｇ、Ｃａ、Ｓｒ、Ｂａ）、ユーロピウム付活のＭ ₂ Ｓｉ ₅ Ｎ ₈ （Ｍ＝Ｍｇ、Ｃａ、Ｓｒ、Ｂａ）、ユーロピウム付活のＭ ₃ ＳｉＯ ₅ （Ｍ＝Ｍｇ、Ｃａ、Ｓｒ、Ｂａ）、ユーロピウム付活のＭＡｌＳｉＮ ₃ （Ｍ＝Ｍｇ、Ｃａ、Ｓｒ、Ｂａ）、セリウム付活のＡ ₃ Ｂ ₅ Ｏ ₁₂ （Ａ＝Ｙ、Ｇｄ、Ｌｕ、Ｔｂ、Ｂ＝Ａｌ、Ｇａ）から選択される少なくとも１種の蛍光体とが混合されたものであり、
   前記光源が、ＧａＮ系化合物半導体、ＩｎＧａＮ系化合物半導体、ＺｎＯ系化合物半導体、ＺｎＳｅ系化合物半導体の何れかからなる発光ピーク波長が４２０〜４８０ｎｍの化合物半導体であり、
   前記発光装置の発光スペクトルにおける５００ｎｍ以下の面積が、発光スペクトル全体の面積の５％以下であり、
   前記発光装置が発する光の全光束の変化量が、環境温度が−２０℃から８５℃の範囲において、±３０%以内であり、発する光の色度が色度座標(ＣＩＥ1931)上でｘ≧０．５４５、ｙ≧０．３９、ｙ≦ｘ−０．１２であることを特徴とする発光装置。
2. 請求項１に記載の発光装置であって、環境温度が−２０℃から８５℃の範囲において、色度の変化量が色度座標(ＣＩＥ1931)上でΔx≦０．０３、Δｙ≦０．０３であることを特徴とする発光装置。
3. 請求項１または２に記載の発光装置を用いた車両用灯具。
4. 発光素子と、前記発光素子からの光を受け、反射するリフレクタと、リフレクタで反射された光を外部に照射するためのレンズとを備えた車両用灯具であって、発光素子として請求項１又は２に記載の発光装置を用いたことを特徴とする車両用灯具。
5. 請求項４項に記載の車両用灯具であって、カラーフィルターを用いずに測定した発光スペクトルにおける５００ｎｍ以下の領域の面積が、発光スペクトル全体の面積の５％以下であることを特徴とする車両用灯具。
6. 請求項３ないし５いずれか1項記載の灯具を組み込んだヘッドランプ。

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