JP6696129B2 - 発光装置 - Google Patents

Description

本発明は複数の半導体発光素子を用いた発光装置に関する。

白色光を発する発光装置として、窒化ガリウム等を用いた半導体発光素子と、蛍光体とを組み合わせた発光装置がある。このような発光装置の例として、一つの発光装置内に複数の半導体発光素子を備えた例も存在する。

特許文献１には、複数の半導体発光素子と、複数の蛍光体層とを備え、前記複数の発光素子および蛍光体層の全体を一つのレンズで覆った発光装置の形態が記載されている。

特開２０１２−１４２３２６号公報

発光装置から特定方向に取り出される光の強度を向上させるには、レンズ等の光学素子が必要である。そして、複数の半導体発光素子等を一つのレンズで覆った発光装置の場合、発光装置全体の大きさはレンズの大きさに影響される。

本発明の目的は、複数の半導体発光素子を有する発光装置において、特定方向に取り出される光の強度が向上し、且つ発光装置全体の大きさがより小さい発光装置を提供することである。

本発明の実施形態に係る発光装置は、第一の半導体発光素子と、前記第一の半導体発光素子の上に設けられた第一の蛍光体層と、前記第一の蛍光体層の上に設けられた第一のレンズとを含む第一の光源と、第二の半導体発光素子と、前記第二の半導体発光素子の上に設けられた第二の蛍光体層と、前記第二の蛍光体層の上に設けられた第二のレンズとを含む第二の光源とを含む。

本発明の実施形態に係る発光装置により、発光装置全体の大きさを小さくし、且つ特定方向に取り出される光の強度を向上させることができる。

図１は本発明の実施形態の概略の一例である。 図２は本発明の実施形態の概略の別の一例である。 図３は本発明の実施形態の概略のさらに別の一例である。

図１は、本発明の一実施形態に係る発光装置１の概略を示したものである。図１の（ｃ）に、実装面に垂直な方向における発光装置１の一断面を示している。図１の（ａ）における線分Ａ−Ｂの断面を図１の（ｃ）に示している。また、図１の（ｃ）における線分Ａ’−Ｂ’間の断面を図１の（ａ）に示している。また、図１の（ｃ）における線分Ａ’’−Ｂ’’間の断面を図１の（ｂ）に示している。図１において、第一のレンズ１５および第二のレンズ１６はフレネルレンズである。第一のレンズがフレネルレンズであると、レンズが薄くできるので、第一の光源に係る領域の光取り出し方向の長さを短くすることが可能になる。第ニのレンズがフレネルレンズであると、レンズが薄くできるので、第ニの光源に係る領域の光取り出し方向の長さを短くすることが可能になる。また、レンズが薄くなり、光取り出し方向の設計に係る自由度が高くなるので、図１のように第一のレンズ１５および第ニのレンズ１６を、それぞれ第一の蛍光体層１３および第二の蛍光体層１４から離間して配置する余裕も出てくる。第一の蛍光体層１３および第二の蛍光体層１４と、第一のレンズ１５および第二のレンズ１６とを適宜離間することで、第一の光源および第二の光源の光の広がりをそれぞれ調節することが可能になる。

図１に示すように、発光装置１は第一の光源および第二の光源の周辺に周辺部１７を有し、さらに周辺部１７およびを囲う外周部２０を有している。周辺部１７は可視光に対して透光性を有する材料で構成され、外周部２０は可視光に対して反射率の高い材料で構成される。また、外周部２０は第一のレンズ１５および第二のレンズ１６と接しており、第一の蛍光体層および第二の蛍光体層１５と、第一のレンズ１５および第二のレンズ１６とを離間させている。

図２は、本発明の他の実施形態に係る発光装置２の概略を示したものである。図２の（ｃ）に、実装面に垂直な方向における発光装置２の一断面を示している。図２の（ａ）における線分Ａ−Ｂ間の断面を図２の（ｃ）に示している。また、図２の（ｃ）における線分Ａ’−Ｂ’間の断面を図２の（ａ）に示している。また、図２の（ｃ）における線分Ａ’’−Ｂ’’間の断面を図２の（ｂ）に示している。図２において、第一のレンズ２５および第二のレンズ２６は凸レンズである。光取り出し方向の設計に余裕があれば、このようにフレネルレンズ以外のレンズを第一のレンズ、第二のレンズ、あるいはそれら両方に採用してもよい。

図２に示すように、発光装置２は第一の光源および第二の光源の周辺に周辺部２７を有し、さらに周辺部２７およびを囲う外周部３０を有している。周辺部２７は可視光に対して透明な材料で構成され、外周部３０は可視光に対して反射率の高い材料で構成される。

図３は、本発明の他の実施形態に係る発光装置３の概略を示したものである。図３の（ｃ）に、実装面に垂直な方向における発光装置３の一断面を示している。図３の（ａ）における線分Ａ−Ｂ間の断面を図３の（ｃ）に示している。また、図３の（ｃ）における線分Ａ‘−Ｂ’間の断面を図３の（ａ）に示している。あた、図３の（ｃ）における線分Ａ’’−Ｂ’’間の断面を図３の（ｂ）に示している。図３において、第一のレンズ３５および第二のレンズ３６はフレネルレンズであり、それぞれ第一の蛍光体層３３および第二の蛍光体層３４と接している。

図３に示すように、発光装置３は第一の光源および第二の光源の周辺に周辺部３７を有している。周辺部３７は可視光に対して反射率の高い材料で構成される。

以下、発光装置を構成する各部材について説明する。

＜第一の光源＞
第一の光源は、第一の半導体発光素子、第一の蛍光体層および第一のレンズを含む。第一の光源から取り出される第一の光源光は、発光装置に求められる機能によって適宜選択可能である。例えば発光装置を局所的な照明として用いる場合、第一の光源光を、相関色温度５０００Ｋ以上５７００Ｋ以下の白色光とすることが可能である。

［第一の半導体発光素子］
第一の半導体発光素子は、窒化ガリウム系の窒化物半導体を用いた紫外〜青色に発光する半導体発光素子、ガリウムヒ素を用いた赤外に発光する半導体レーザ等を、目的に応じて選択できる。図１における第一の半導体発光素子１１は、光取り出し側を上側とした場合、透光性基板１２１の下に半導体層１２２、電極１２３を形成し、バンプ１２４を通じて外部と電気的に接続される。図１における第一の半導体発光素子の形態は電極が半導体層の下側に位置するフェイスダウン構造の形態であるが、電極が半導体層の上側に位置するフェイスアップ構造の形態であってもよい。また、透光性基板１２１は第一の光源を形成する際に除去してもよい。図２、図３における第一の半導体発光素子の形態も、フェイスダウン構造であるが、こちらもフェイスアップ構造の形態であってもよい。また、透光性基板２２１、３２１は第一の光源を形成する際に除去してもよい。

［第一の蛍光体層］
第一の蛍光体層は、第一の半導体発光素子から発せられる第一の発光の少なくとも一部を吸収し、第一の蛍光を発することが可能な蛍光体を含む。第一の蛍光体層に含まれる蛍光体は、第一の発光と、第一の光源から取り出される光とに応じて適宜選択すればよい。

第一の蛍光体層に含まれる蛍光体は一種類でもよいし、複数種存在してもよい。例えば第一の半導体発光素子が、活性層に窒化インジウムガリウムを用いた青色発光の窒化物半導体発光素子の場合、セリウム付活のイットリウムアルミニウムガーネット蛍光体と、ユーロピウム付活の窒化珪素ストロンチウム蛍光体とを用いることができる。具体的には、２種の蛍光体を混合してエポキシ樹脂に分散し、エポキシ樹脂を硬化後、目的の形状に整形する。そして、それを第一の半導体発光素子と組み合わせることで、相関色温度が５０００Ｋ〜５７００Ｋ程度の光が取り出される第一の光源を得ることができる。なお、第一の蛍光体層として、所望の蛍光体の焼結板を用いてもよい。

第一の蛍光体層は、第一の発光の一部を吸収するのでもよいし、全部を吸収するのでもよい。第一の蛍光体層が第一の発光の一部を吸収する場合、第一の光源光は、第一の発光と第一の蛍光とを合成した光となる。第一の蛍光体層が第一の発光の全部を吸収する場合、第一の光源光は、第一の蛍光となる。

第一の蛍光体層の形状は、上側から見た平面形状が略円形であることが好ましい。このように形状を調整すると、第一の光源光の照射方向、照射立体角等が調整しやすく、被写体の照度分布を調整しやすい。

［第一のレンズ］
第一のレンズは、第一の光源光にある程度の指向性を持たせる機能を有する。第一のレンズは、上側から見たとき、第一の蛍光体層の全体を覆っていることが好ましい。また、第一のレンズの上側から見た平面形状は、第一の蛍光体層の上側から見た平面形状と相似していることが好ましい。このように形状を調整すると、第一の光源光の光束分布をより均一にしやすい。

第一のレンズと第一の蛍光体層は、図１のように離間して配置されていると、配向特性が良くなり好ましい。

第一のレンズの材質としては、第一の光源光における波長範囲において、透過率が高いものを選択することができる。図１における第一の蛍光体層１３および第一のレンズ１５は、特に好ましい形態の一例である。図１において第一の蛍光体層１３を上側から見た形状は略円形であり、第一のレンズ１５を上側から見た形状は、略円形のフレネルレンズ領域を含んだ四角形である。さらに、第一の蛍光体層１３の中心と、第一のレンズ１５の中心は、上側からみて第一の中心１８で一致している。このように第一の蛍光体層１３の中心と第一のレンズの中心を一致させると、配光の制御が容易となる。

図２において第一の蛍光体層２３を上側から見た形状が略円形であり、第一のレンズ２５の上側から見た形状も略円形である。さらに、第一の蛍光体層２３の中心と、第一のレンズ２５の中心は、上側からみて第一の中心２８で一致している。このように第一の蛍光体層２３の中心と第一のレンズの中心を一致させると、配光の制御が容易となる。

図３において第一の蛍光体層３３を上側から見た形状が略円形であり、第一のレンズ３５を上側から見た形状も略円形である。さらに、第一の蛍光体層３３の中心と、第一のレンズ３５の中心は、上側からみて第一の中心３８で一致している。このように第一の蛍光体層３３の中心と第一のレンズの中心を一致させると、配光の制御が容易となる。

＜第ニの光源＞
第ニの光源は、第ニの半導体発光素子、第ニの蛍光体層および第ニのレンズを含む。第ニの光源から取り出される光は、発光装置に求められる機能によって適宜選択可能である。例えば発光装置全体から取り出される光を、低色温度の黒体放射光に調節する場合、ＣＩＥ色度座標（ｘ，ｙ）において、０．５５０≦ｘ≦０．５６０且つ０．４１５≦ｙ≦０．４２５で表される範囲のアンバー色光とすることが可能である。

［第ニの半導体発光素子］
第二の半導体発光素子は、第一の半導体発光素子同様、目的に応じてその組成、構造等を選択可能である。

［第一の半導体発光素子と第ニの半導体発光素子の関係］
第一の半導体発光素子と第二の半導体発光素子は、離間していてもよい。第一の半導体発光素子と第二の半導体発光素子との距離は、短ければ短いほどよく、ゼロである、すなわち互いに接触していることが特に好ましい。

［第ニの蛍光体層］
第二の蛍光体層は、第一の蛍光体層同様、目的に応じて選択する蛍光体の組成、蛍光体層の構造等を適宜選択、組み合わせ可能である。

［第ニのレンズ］
第二のレンズは、第一のレンズ同様、目的に応じてその構造、材質等を適宜選択、組み合わせ可能である。

第ニのレンズと第ニの蛍光体層は、図１のように離間して配置されていると、配向特性が良くなり好ましい。

［第一のレンズと第ニのレンズの関係］
第一のレンズと第二のレンズは離間していてもよい。第一のレンズと第二のレンズとの距離は、短ければ短いほどよく、ゼロである、すなわち互いに接触していることが特に好ましい。第一のレンズと第二のレンズが互いに接触している場合の形態として、第一のレンズと第二のレンズが一体化した形態となってもよい。

［第一の光源と第二の光源の関係］
第一の光源と第二の光源は、同一の回路上の受動素子としてもよいが、互いに電気的に独立していてもよい。つまり、第１の光源と第２の光源を独立して制御可能となるように構成することで、それぞれから取り出される光の強度を任意に制御することができる。

＜他の部材＞
第一の光源および第二の光源以外に目的に応じて他の部材を組み合わせる。以下、いくつかの部材について説明する

［周辺部］
第一の光源および第二の光源を含む部材の周辺に周辺部を設け、第一の光源および第二の光源を含む部材を一体化させる。周辺部は、必要に応じて可視光に対して反射率の高い部材で構成されることもできるし、可視光に対して透光性を有する部材で構成することもできる。図３における周辺部３７は、可視光に対して反射率の高い材料で構成された例である。図１、２における周辺部１７、２７は、可視光に対して透光性を有する材料で構成された例である。

可視光に対して反射率の高い材料の例として、白色顔料を含有させた樹脂がある。このような例における白色顔料としては、酸化チタン、酸化亜鉛等がある。また、このような例における樹脂としては、エポキシ樹脂、シリコーン樹脂、ナイロン樹脂等がある。

可視光に対して透光性を有する材料の例として、エポキシ樹脂、シリコーン樹脂等がある。

［外周部］
第一のレンズと第一の蛍光体層とを離間して配置する場合、または第二のレンズと第二の蛍光体層とを離間する場合、周辺部の周辺にさらに外周部を設けることが好ましい。図１は、第一の蛍光体層１３および第二の蛍光体層１４と、第一のレンズ１５および第二のレンズ１６とを、外周部１７を用いて離間させた例である。

周辺部が可視光に対して透光性を有する材料で構成される場合、周辺部の周辺に、可視光に対して反射率の高い材料で構成された外周部を設けることが好ましい。図１、図２は、可視光に対して透明な材料で構成された周辺部１７、２７それぞれの周辺に、可視光に対して反射率の高い材料で構成された外周部２０、３０を設けた例である。周辺部および外周部の少なくとも一方が、可視光に対して反射率の高い材料で構成されると、第一の光源および第二の光源の光取り出し効率が向上する。

可視光に対して反射率の高い材料の例として、ナイロン樹脂、ガラスエポキシ、アルミナセラミックス、ジルコニアセラミックス等がある。あるいは適当な材料の表面に、銀等の可視光に対して反射率の高い材料をメッキして用いてもよい。

実施例を以下に説明する。

［実施例１］
＜第一の半導体発光素子＞
透光性基板１１１としてサファイア基板を用い、ＩｎＧａＮからなる発光層を含む窒化物半導体からなる半導体層１１２を、ＭＯＣＶＤ法（有機金属気相化学成長法）によって形成する。

半導体層１１２にＡｕ／Ｔｉ合金からなる電極１１３を形成し、配線基板と、電極１１３とを、バンプ１１４を通じて接続する。こうして第一の半導体発光素子１１を得る。

＜第一の蛍光体層＞
セリウム付活のイットリウムアルミニウムガーネット（ＹＡＧ：Ｃｅ）蛍光体をエポキシ樹脂に分散する。分散後、硬化剤を追加し、蛍光体含有エポキシ樹脂を円柱状の型に流し、数時間静置する。静置後、型から円柱状の硬化した蛍光体含有エポキシ樹脂を透光性基板１１１の上に設置し、第一の蛍光体層１３とする。ＹＡＧ：Ｃｅ蛍光体の量は、第一の光源光が色相関温度５５００Ｋの光となるよう調整する。

＜第ニの半導体発光素子＞
第一の半導体発光素子と同様の半導体発光素子を第二の半導体発光素子１２として用いる。

＜第ニの蛍光体層＞
使用する蛍光体がユーロピウム付活の窒化珪素アルミニウムカルシウム（ＣＡＳＮ：Ｅｕ）蛍光体である以外第一の蛍光体層１３と同様に行い、第二の蛍光体層１４を形成する。ＣＡＳＮ：Ｅｕ蛍光体の量は、第ニの光源光がＣＩＥ色度座標において（０．５５５，０．４２０）近辺の光となるよう調整する。

＜外周部＞
第一の蛍光体層１３および第二の蛍光体層１４の上面より２００μｍ程高い位置に上面を有し、ナイロン樹脂で構成される外周部２０を第一の半導体発光素子１１、第一の蛍光体層１３、第二の半導体発光素子１２および第二の蛍光体層１４の周辺に設置する。外周部２０の底面を含む面が発光装置としての底面となる。

＜周辺部＞
外周部２０の内部にシリコーン樹脂を流し込み、周辺部１７を形成する。周辺部１７の上面は、第一の蛍光体層１３および第二の蛍光体層１４の上面とほぼ同じ高さに調整する。

＜第一のレンズ・第二のレンズ＞
シリコーン樹脂からなり、略円形のフレネルレンズ領域を有し、上側から見た平面形状が正方形であるフレネルレンズが隣接して一体化された、第一のレンズ１５および第二のレンズ１６の一体化物（以下、一体化レンズと称す）を外周部２０の上に設置する。設置後、フレネルレンズの上側から加熱、加圧して外周部２０と一体化レンズを接合させる。このとき、第一のレンズ１５の中心と第一の蛍光体層１３の中心は、上側から見て一致している。また、第二のレンズ１６の中心と第二の蛍光体層１４の中心は、上側から見て一致している。

［実施例２］
実施例１と同様にして、第一の半導体発光素子２１、第一の蛍光体層２３、第二の半導体発光素子２２、第二の蛍光体層２４および外周部３０を得る。

＜第一のレンズ・第二のレンズ＞
シリコーン樹脂からなり、上側から見た略円形である凸レンズが隣接して一体化された、第一のレンズ２５および第二のレンズ２６の一体化物を第一の蛍光体層２３及び第二の蛍光体層２４の上に設置する。

＜外周部＞
実施例１と同様にして外周部３０を設置する。

＜周辺部＞
外周部３０の内部にシリコーン樹脂を流し込み、周辺部２７を形成する。周辺部２７の上面は、外周部３０の上面とほぼ同じ高さに調整する。このとき、第一のレンズ２５の中心と第一の蛍光体層２３の中心は、上側からみて第一の中心２８で一致している。また、第ニのレンズ２６の中心と第ニの蛍光体層２４の中心は、上側からみて第ニの中心２９で一致している。

［実施例３］
実施例１と同様にして第一の半導体発光素子３１、第一の蛍光体層３３、第二の半導体発光素子３２および第二の蛍光体層３４を得る。

＜周辺部＞
シリコーン樹脂に、酸化チタンからなる白色顔料と硬化剤とを混合し、周辺部形成用の型に流し込む。型に、配線基板上に形成された第一の半導体発光素子３１、第一の蛍光体層３３、第二の半導体層３２および第二の蛍光体層３４を投入し、シリコーン樹脂が硬化するまで静置する。静置後、型から第一の半導体発光素子３１、第一の蛍光体層３３、第二の半導体層３２および第二の蛍光体層３４を引き抜くと、型の形状に応じた周辺部３７が形成される。周辺部３７の上面は、第一の蛍光体層３３および第二の蛍光体層３４の上面とほぼ同じ高さとなるよう調節する。

＜第一のレンズ・第二のレンズ＞
実施例１と同様にして、第一のレンズ３５および第二のレンズ３６の一体化物と、周辺部３７とを接合させる。このとき、第一のレンズ３５の中心と第一の蛍光体層３３の中心は、上側からみて第一の中心３８で一致している。また、第二のレンズ３６の中心と第二の蛍光体層３４の中心は、上側からみて第二の中心３９で一致している。

本発明の実施形態に係る発光装置は、デジタルカメラや携帯機器等の小型機器におけるフラッシュ光源等に好適に利用可能である。

１、２、３ 発光装置
１１、２１、３１ 第一の半導体発光素子
１１１、２１１、３１１ 透光性基板
１１２、２１２、３１２ 半導体層
１１３、２１３、３１３ 電極
１１４、２１４、３１４ バンプ
１２、２２、３２ 第二の半導体発光素子
１２１、２２１、３２１ 透光性基板
１２２、２２２、３２２ 半導体層
１２３、２２３、３２３ 電極
１２４、２２４、３２４ バンプ
１３、２３、３３ 第一の蛍光体層
１４、２４、３４ 第二の蛍光体層
１５、２５、３５ 第一のレンズ
１６、２６、３６ 第二のレンズ
１７、２７、３７ 周辺部
１８、２８、３８ 第一の中心
１９、２９、３９ 第二の中心
２０、３０ 外周部

Claims (9)

1. 第一の半導体発光素子と、前記第一の半導体発光素子の上に設けられた第一の蛍光体層と、前記第一の蛍光体層の上に設けられた第一のレンズとを含む第一の光源と、
   第二の半導体発光素子と、前記第二の半導体発光素子の上に設けられた第二の蛍光体層と、前記第二の蛍光体層の上に設けられた第二のレンズとを含む第二の光源と、
   前記第一の光源および前記第二の光源の周辺に設けられた、可視光に対して透光性を有する材料で構成される周辺部と、
   前記周辺部を囲う、可視光に対して反射率の高い材料で構成される外周部と、
   を含み、
   前記周辺部の上面は、前記第一の蛍光体層および前記第二の蛍光体層の上面とほぼ同じ高さであり、
   前記外周部の上面は、前記第一の蛍光体層および前記第二の蛍光体層の上面より高く、
   前記第一のレンズおよび前記第二のレンズは、前記外周部の上面に支持され、前記第一の蛍光体層および前記第二の蛍光体層と離隔している発光装置。
2. 前記第一の蛍光体層の上側から見た平面形状が略円形であり、平面視において、第一の半導体発光素子の上面の面積は前記第一の蛍光体層の上面の面積より大きい請求項１に記載の発光装置。
3. 第一の半導体発光素子と、前記第一の半導体発光素子の上に設けられた第一の蛍光体層と、前記第一の蛍光体層の上に設けられた第一のレンズとを含む第一の光源と、
   第二の半導体発光素子と、前記第二の半導体発光素子の上に設けられた第二の蛍光体層と、前記第二の蛍光体層の上に設けられた第二のレンズとを含む第二の光源と、
   前記第一の光源および前記第二の光源の周辺に設けられた、可視光に対して透光性を有する材料で構成される周辺部と、
   前記周辺部を囲う、可視光に対して反射率の高い材料で構成される外周部と、
   を含み、
   前記第一の蛍光体層の上側から見た平面形状が略円形であり、平面視において、第一の半導体発光素子の上面の面積は前記第一の蛍光体層の上面の面積より大きく、
   前記周辺部の上面は、前記第一の蛍光体層および前記第二の蛍光体層の上面とほぼ同じ高さである発光装置。
4. 前記第二の蛍光体層の上側から見た平面形状が略円形であり、平面視において、第二の半導体発光素子の上面の面積は前記第二の蛍光体層の上面の面積より大きい請求項１乃至３のいずれか一項に記載の発光装置。
5. 前記第一のレンズがフレネルレンズである請求項１乃至４のいずれか一項に記載の発光装置。
6. 前記第二のレンズがフレネルレンズである請求項１乃至５のいずれか一項に記載の発光装置。
7. 前記第一の光源から取り出される第一の光源光が、相関色温度５０００Ｋ以上５７００Ｋ以下の白色光である、請求項１乃至６のいずれか一項に記載の発光装置。
8. 前記第二の光源から取り出される光源光が、ＣＩＥ色度座標（ｘ，ｙ）において、０．５５０≦ｘ≦０．５６０且つ０．４１５≦ｙ≦０．４２５で表される範囲のアンバー色光である、請求項１乃至７のいずれか一項に記載の発光装置。
9. 前記第一の光源および前記第二の光源が、互いに電気的に独立している、請求項１乃至８のいずれか一項に記載の発光装置。

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