WO2011021436A1 - 発光装置 - Google Patents

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led chip
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由紀 直井
小林　大介
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コニカミノルタオプト株式会社
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    • H01L33/507—Wavelength conversion elements the elements being in intimate contact with parts other than the semiconductor body or integrated with parts other than the semiconductor body

Definitions

  • the present invention relates to a light-emitting device, and more particularly to a technique capable of forming a line light source or a surface light source by arranging a plurality of LED chips.
  • a white light emitting device for example, a phosphor material that outputs blue light, a fluorescent material that outputs red light, a fluorescent material that outputs red light, and a green light from an LED chip that outputs light in the ultraviolet region.
  • a method of creating white light by mixing red, blue, and green light generated by applying light to a fluorescent material that emits light, or outputting yellow light by applying light from a blue LED chip to a phosphor material The method of creating white light by mixing the blue light from the LED chip and the yellow light from the phosphor material, applying the light of the blue LED chip to the fluorescent material emitting red light and the phosphor material emitting green light
  • the invention of the GaN-based blue LED since the invention of the GaN-based blue LED, the progress of the technology of the white light emitting device using the blue LED chip has been remarkable.
  • the output of LEDs has been increasing mainly for illumination applications, and there is a technology for increasing the output of LED chips themselves and increasing the output area by arranging a plurality of LED chips. Realized. These have already been put into practical use, for example, in automobile headlights and room lamps. Moreover, the use as a backlight of image display apparatuses, such as a liquid crystal display device, is also examined by arranging a several LED chip in planar shape.
  • the light from the fluorescent material becomes weaker in the region where the light intensity of the LED chip is weak, and the LED chip. In the region where the intensity of the light is high, the light from the phosphor material also becomes strong, so that the problem of color shift on the light emitting surface should not occur.
  • Patent Document 1 A technique for suppressing such a problem of uneven color has also been studied (for example, see Patent Document 1).
  • an LED chip a mounting substrate that is a base member on which the LED chip is mounted, and an LED chip that is excited by light emitted from the LED chip that surrounds the LED chip on the mounting surface side of the LED chip on the mounting substrate.
  • a white light emitting device includes a dome-shaped color conversion member made of a molded product obtained by molding a fluorescent material that emits light of a color different from the light emission color together with a transparent material.
  • Patent Document 1 depending on the intensity distribution of the light emitted from the LED chip, the concentration distribution of the fluorescent material in the color conversion member or the thickness distribution of the color conversion member is given. We are trying to eliminate unevenness.
  • Patent Document 1 when the technique of Patent Document 1 is adopted for the use of a white light emitting device in which a plurality of LED chips are arranged to form a line light source or a surface light source, the concentration of the fluorescent material with respect to each of the plurality of LED chips. Further, since it is necessary to provide a color conversion member whose thickness is precisely controlled, the manufacturing cost is increased, which is not realistic.
  • a white light emitting device provided with a color conversion member that functions in common for a plurality of LED chips.
  • a white light emitting device that functions as a linear or planar light source is provided by providing a plate-like color conversion member in which a fluorescent material is dispersed on a linear or planar LED chip.
  • the distance from the center of any LED chip to the color conversion member immediately above the center, the incident surface of the color conversion member at the position displaced from the center of the arbitrary LED chip, and the center of the LED chip The distance between the LED chip and the distance from which the light emitted from the LED chip passes through the color conversion member immediately above the center of the LED chip, and the position where the LED chip is shifted from the center of the LED chip It is necessary to consider the relationship with the distance that the light emitted from the light passes through the color conversion member. Considering these factors, optimizing the amount of phosphor in the color conversion member can eliminate uneven color even when a line light source or a surface light source is configured using a plurality of LED chips. It turns out that you can.
  • the present invention has been made in view of the above, and a main object of the present invention is to suppress the occurrence of color unevenness when a linear or planar white light emitting device is configured using a plurality of LED chips. There is.
  • the present invention has been made with respect to the above-described problems, and relates to a linear or planar white light emitting device using a plurality of LED chips, in which occurrence of color unevenness is suppressed.
  • the embodiment according to the present invention has the following configuration.
  • a plurality of LED chips that emit light of a first predetermined wavelength;
  • a plate-like color conversion member containing a phosphor that is used in common for the plurality of LED chips and converts the light of the first predetermined wavelength into light of the second predetermined wavelength,
  • a light emitting device that emits white light by superimposing the light of the first predetermined wavelength transmitted through the color conversion member and the light of the second predetermined wavelength generated in the phosphor,
  • the phosphor amount in the color conversion member immediately above the center of any LED chip is ⁇ m, and the phosphor amount in the color conversion member at a position shifted by a predetermined distance from directly above the center of the LED chip ⁇ , D is the distance from the center of the light emitting surface of the LED chip to the incident surface of the closest color conversion member, and the color at a position shifted from the center of the light emitting surface of the LED chip by a predetermined distance from directly above the center of the LED chip.
  • the distance to the incident surface of the conversion member is ri
  • the intensity of light emitted directly from the LED chip is Yi
  • the intensity is Y ⁇ i
  • Fi Y ⁇ i / Yi.
  • i is the number of each LED chip
  • ⁇ represents the sum related to i.
  • the phosphor amount in the color conversion member preferably satisfies the above formulas (1) and (2) in the entire color conversion member, but includes the case where a part of the color conversion member is satisfied.
  • the plurality of LED chips are divided into a plurality of regions, and the color conversion member of the color conversion member is satisfied so as to satisfy the above expressions (1) and (2) at the position of the color conversion member immediately above the center of each region.
  • the effect of the present invention can be obtained by adjusting the amount of phosphor in each region.
  • the color of light emitted from the color conversion member becomes uniform regardless of the location, and uneven color can be eliminated.
  • the light emitting device 1 mainly includes a mounting substrate 10, a plurality of LED chips 20, and a plate-like color conversion member 30.
  • a certain conductive wire pattern is formed on the mounting substrate 10 (not shown).
  • Each LED chip 20 is mounted on the mounting substrate 10 by a wire bonding method, a flip chip method, or the like, and is electrically connected to the conductive pattern of the mounting substrate 10.
  • Each LED chip 20 is arranged and mounted in a matrix (lattice form) at equal intervals on the mounting substrate 10, and the mounting substrate 10 is a base member in the light emitting device 1.
  • Each LED chip 20 of the present embodiment is a GaN blue LED chip that emits blue light.
  • Various known LED chips can be used as the LED chip 20, and in particular, when obtaining white light, a blue LED chip or an ultraviolet LED chip can be preferably used, but visible light such as a blue LED chip can be used. The effect of the present invention can be remarkably obtained when an emitted light source is used.
  • the blue LED chip in addition to a GaN-based blue LED chip, any existing one such as an In X Ga 1-X N system can be used.
  • the blue LED chip preferably has an emission peak wavelength of 440 to 480 nm.
  • the ultraviolet LED chip preferably has an emission peak wavelength of 140 to 420 nm.
  • the color conversion member 30 is a fluorescent material composed of a light transmissive transparent material such as silicone resin and a particulate yellow phosphor that emits broad yellow light when excited by the blue light emitted from the LED chip 20.
  • the material is constituted by a molded product of a mixture obtained by mixing the materials.
  • mixed color light of the blue light emitted from the LED chip 20 and the light emitted from the yellow phosphor of the color conversion member 30 is emitted from the color conversion member 30 to obtain white light. be able to.
  • the light emitting device 1 light having a predetermined wavelength is emitted from each LED chip 20, and the light is converted into light having a different predetermined wavelength by the phosphor in the color conversion member 30. And the light of the predetermined wavelength of the LED chip 20 which permeate
  • the transparent material constituting the color conversion member 30 is not limited to a silicone resin, and may be, for example, an acrylic resin, an epoxy resin, glass, a material in which an organic material and an inorganic material are combined, or the like.
  • fluorescent materials can be used in combination with materials that emit red light and materials that emit green light, and are mixed with blue light from the light source.
  • White light can also be used.
  • the plurality of LED chips 20 of the light emitting device 1 are laterally covered with a casing and a reflecting mirror, and the upper side (light emission direction) is sealed with a color conversion member 30.
  • the white light emitting device is commonly used for a plurality of LED chips that emit light having a first predetermined wavelength and the plurality of LED chips, and has a first predetermined wavelength.
  • a plate-shaped color conversion member containing a phosphor that converts light into light having a second predetermined wavelength, the light having the first predetermined wavelength that has passed through the color conversion member, and the phosphor generated in the phosphor In the light emitting device that emits white light by superimposing the light with the second predetermined wavelength, the light emitting device satisfies the conditions of the following formulas (1) and (2).
  • the phosphor amount in the color conversion member immediately above the center of any LED chip is ⁇ m, and the color conversion at a position shifted by a predetermined distance from the center right of the LED chip.
  • ⁇ is the amount of phosphor in the member
  • D is the distance from the center of the light emitting surface of the LED chip to the incident surface of the closest color conversion member, and the predetermined distance from the center of the light emitting surface of the LED chip is directly above the center of the LED chip.
  • the distance from the LED chip to the incident surface of the color conversion member at the shifted position is denoted by ri
  • the intensity of the light emitted directly from the LED chip is directed to Yi
  • the position shifted from the LED chip by a predetermined distance from directly above the center of the LED chip is Y ⁇ i
  • Fi Y ⁇ i / Yi.
  • i is the position number of each LED chip
  • ⁇ represents the sum related to i.
  • the intensity of the light emitted from the LED chip 20 is sufficiently strong, the light emitted from the phosphor per unit amount of the phosphor is constant regardless of the intensity of the light. In order to mix light from the body into white light, it is necessary to adjust the amount of phosphor so that the ratio between the intensity of light from the LED chip 20 and the amount of phosphor is constant.
  • the amount of phosphor in the member 30 is optimized.
  • the phosphor amount is adjusted as follows. .
  • the intensity of light emitted from the light emitting surface center of the LED chip 20 directly above (point A) is Yi, and is emitted toward a position (point B) shifted by a predetermined distance from directly above the center of the LED chip 20.
  • the intensity of light is Y ⁇ i
  • the amount of phosphor at the position (point B) shifted by the predetermined distance is the LED chip.
  • the distance from the center of the light emitting surface of the LED chip 20 to the incident surface (point A) of the closest color conversion member 30 is D, and the position is shifted from the center of the light emitting surface of the LED chip 20 by the predetermined distance.
  • the distance to the incident surface (point B) of the color conversion member 30 is ri
  • the intensity of light from the LED chip that reaches the incident surface (point B) of the color conversion member 30 at a position shifted by the predetermined distance is (D / ri) proportional to 2 . Therefore, the phosphor amount at the position (point B) shifted by the predetermined distance needs to be multiplied by (D / ri) 2 to the phosphor amount just above the center of the LED chip 20 (point A). That is, by multiplying by (D / ri) 2 , it is possible to cancel the difference in intensity of light incident on the color conversion member 30 due to the difference in distance due to the deviation from the center of the LED chip 20.
  • the distance that the light from the LED chip 20 passes through the color conversion member 30 at the position shifted by the predetermined distance (point B) is It is (ri / D) times the distance that the light from the LED chip 20 passes through the color conversion member 30 just above the center. That is, since the light from the LED chip 20 is incident on the color conversion member 30 at a predetermined angle at the position shifted by the predetermined distance (point B), the light passes through the color conversion member 30 immediately above the LED chip 20. Also increases the passing distance. If the distance passing through the color conversion member 30 is increased, the amount of the phosphor with respect to the light from the LED chip 20 is substantially increased.
  • the ratio between the intensity of the light from the LED chip 20 and the amount of the phosphor is constant. Therefore, the amount of phosphor at the position shifted by the predetermined distance should be an amount obtained by multiplying the amount of phosphor just above the center of the LED chip 20 by D / ri. That is, by further multiplying D / ri, it is possible to cancel the color shift due to the difference in the passing distance of the color conversion member 30.
  • the method for adjusting the amount of the phosphor in the color conversion member 30 is not particularly limited, but typically, the fluorescence in the color conversion member 30 is based on the formulas (1) and (2).
  • a method for varying the density (density) of the body for each region, a method for varying the thickness of the color conversion member 30 while keeping the density constant, or a method for adjusting the amount of phosphor by adjusting both the density and the thickness Etc. are preferably used.
  • the color conversion member 30 is formed of a molded product of a mixture of a translucent transparent material and a fluorescent material, and the transparent material and the phosphor in the color conversion member 30 are integrally formed.
  • the transparent material and the phosphor in the color conversion member 30 are integrally formed.
  • FIG. 3A there is a method of adjusting the amount of phosphor for each region by forming a phosphor density pattern in the color conversion member 30 (phosphor). Is unevenly distributed).
  • irregularities having different depths are formed on the surface of the translucent transparent material 32 made of resin, glass, etc. And a method of adjusting the amount of phosphor in each region of the color conversion member 30 can also be used.
  • the phosphor is printed on the surface of the color conversion member 30 by printing the phosphor in a predetermined pattern on the flat and translucent transparent material 32 made of resin or glass.
  • the amount of phosphor in each region may be adjusted by forming a light and shade pattern.
  • the phosphor may be ejected to the transparent material 32 by an ink jet method, or the phosphor may be printed using a general printing technique using a plate.
  • a printing mode using a plate for example, screen printing (a composition containing a phosphor is filled in an opening of a printing plate, a squeegee is slid from the printing plate, and the composition is discharged from the opening. Printing).
  • the phosphor in the color conversion member 30 is held in contact with the transparent material 32.
  • the light emitting device 1 satisfies the following expression (3) from the viewpoint of suppressing the difference in luminance of the white light emitted from the color conversion member 30 for each region. Is preferred.
  • This expression (3) is a condition for limiting the distance between the LED chips so as not to open too much.
  • the surface light source is configured by arranging a plurality of LED chips 20 in a grid pattern, but instead, a plurality of LED chips 20 are arranged in a line pattern as shown in FIG. A light source may be configured.
  • the above-described embodiment is most suitable for a surface light source such as a backlight of an image display device having a relatively short distance to the object to be illuminated, but the white light emitting device that illuminates a longer distance than this is suitable.
  • the lens may be arranged so that the LED chip and the light conversion member are positioned in the vicinity of the focal length of the lens, and the lens may be a single lens, a multi-lens array, a Fresnel lens, or the like.
  • the effect of the present invention was verified by determining the color distribution of light emitted from the phosphor layer by simulation when the phosphor density was changed from place to place.
  • 25 LED chips are arranged in rows and columns of 25 in a grid pattern, a light transmission layer is disposed thereon, and a flat color conversion member containing a phosphor having an n-value density distribution, which will be described later, on the light transmission layer.
  • a flat color conversion member containing a phosphor having an n-value density distribution which will be described later, on the light transmission layer.
  • the light intensity emitted from the LED chip is sufficiently strong, and the light power emitted from the phosphor per unit amount is saturated regardless of the light intensity.
  • the density of the phosphor is ⁇ , the phosphor position directly above the LED chip light emitting surface center is A, and the phosphor position just above the center between adjacent LED chips is B.
  • the blue light reaching the point A has the highest intensity
  • the blue light reaching the point B has a low intensity and the color conversion member (phosphor layer).
  • the light emitted from the phosphor layer has a large difference in color between point A and point B. Therefore, the colors of light emitted from these two points were compared.
  • [Comparative Example 1] When n 0 (when the phosphor density is constant), the deviation of CIEx is 0.115, the deviation of CIEy is 0.134, and the deviation from the point A is larger than 0.05. Color deviation occurs at point B deviated from the emission center.

Abstract

　本発明は、複数のＬＥＤチップを用いて線状または面状の光源を構成する場合に、色むらの発生を抑制することを課題とする。この課題は、第１の所定波長の光を出射する複数のＬＥＤチップ２０と、複数のＬＥＤチップ２０に対して共通に用いられ、前記第１の所定波長の光を第２の所定波長の光に変換する蛍光体を含有する板状の色変換部材３０を備え、色変換部材３０を透過した前記第１の所定波長の光と、前記蛍光体で生じた前記第２の所定波長の光とを重ね合わせて白色光を出射する発光装置１において、色変換部材３０中の蛍光体量が一定の条件で調整されることで達成される。

Description

発光装置
　本発明は発光装置に関し、特に複数のＬＥＤチップを並べて線光源または面光源を構成することができる技術に関する。
　近年、ＬＥＤ（Ｌｉｇｈｔ　ｅｍｉｔｔｉｎｇ　ｄｉｏｄｅ）を利用した白色発光装置は、高効率、高信頼性の白色照明光源として、蛍光灯や白熱電灯に替わる技術であると注目されている。
　このような白色発光装置としては、例えば、紫外領域の光を出力するＬＥＤチップからの光を、紫外光により、青色の光を出力する蛍光体材料、赤色の光を出力する蛍光材料及び緑色の光を出力する蛍光材料に当てることで発生させた赤、青、緑色の光を混色させることで白色光を作り出す手法や、青色ＬＥＤチップの光を蛍光体材料に当てて黄色の光を出力し、ＬＥＤチップからの青色光と蛍光体材料からの黄色光の混色で白色光を作り出すという手法、青色ＬＥＤチップの光を赤色光を出射する蛍光材料及び緑色光を出射する蛍光体材料に当てて、ＬＥＤチップからの青色光、蛍光材料からの赤色光と緑色光とを混色させることで白色光とする手法等がある。特に、ＧａＮ系青色ＬＥＤの発明以来、青色ＬＥＤチップを利用した白色発光装置の技術の進展が目覚しい。
　更に、近年では主に照明用途としてＬＥＤの高出力化が進行しており、ＬＥＤチップ自体の高出力化や、複数のＬＥＤチップを配列することで高出力化や発光面積の増加を図る技術が実現している。これらは例えば自動車のヘッドライトやルームランプなどにおいて既に実用に供されている。また、複数のＬＥＤチップを面状に配列することで、液晶表示装置等の画像表示装置のバックライトとしての用途も検討されつつある。
　ところが、青色等の可視光を出力するＬＥＤチップを光源として使用した場合に、色むら（白色の色分布が不均一になる現象）が発生するという問題が発生している。
　理論上、ＬＥＤチップからの光に対し、蛍光材料から一定の比率で光が出射される場合は、ＬＥＤチップの光の強度が弱い領域では、その分蛍光材料からの光も弱くなり、ＬＥＤチップの光の強度が強い領域では蛍光体材料からの光も強くなる為、発光面での色ずれの問題は発生しないはずである。
　しかしながら、近年ではＬＥＤチップの高出力化に伴い、ＬＥＤチップから放出される青色光が強くなり、蛍光材料から放出される蛍光のパワーが飽和する場合がある。すなわち、青色光の強度が増加した場合に蛍光材料からの蛍光の強度の増加がこれに追いつかなくなる為、蛍光材料に入射する青色光のパワーが領域毎に異なった場合に、蛍光の強度が十分に変化せず、その為発光面の領域毎に色ずれが発生するという問題が発生する。
　このような色むらの問題を抑制する技術も検討されている（例えば、特許文献１参照）。
　特許文献１には、ＬＥＤチップと、ＬＥＤチップが実装されるベース部材たる実装基板と、実装基板におけるＬＥＤチップの実装面側でＬＥＤチップを囲みＬＥＤチップから放射された光によって励起されてＬＥＤチップの発光色とは異なる色の光を放射する蛍光材料を透明材料とともに成形した成形品からなるドーム状の色変換部材とを、備えた白色発光装置が開示されている。
　更に特許文献１では、ＬＥＤチップから放射される光の強度分布に応じて、色変換部材中の蛍光材料の濃度分布を付与したり、色変換部材の厚み分布を付与したりすることで、色むらの解消を図っている。
　ところが、上述のように、白色発光装置の更なる高出力化への要望が高まっていることに加え、画像表示装置のバックライトのような面光源としての利用等の用途の拡大が検討されるにあたり、ＬＥＤチップを複数配列させた白色発光装置が必要とされており、特に、画像表示装置のバックライト等の用途においては、色むらの問題が画像性能に顕著に影響を与えるため更なる改善が求められている。
特開２００７－０３５８０２号公報
　特許文献１のように蛍光材料を含有する色変換部材を、ＬＥＤチップをドーム状に囲むように設ければ、ＬＥＤチップの光の強度分布に応じて蛍光材料の濃度分布や色変換部材の厚み分布を付与することで色むらの解消をある程度抑制できると思われる。
　しかしながら、複数のＬＥＤチップを配列させて線光源や面光源とした白色発光装置の用途に特許文献１の技術を採用した場合には、複数のＬＥＤチップ一つ一つに対し、蛍光材料の濃度や厚みを精密に制御した色変換部材を設ける必要があるため、製造コストの増大を招くことになり現実的ではない。
　このような問題に対し、本発明者らは、複数のＬＥＤチップに対して、共通的に機能する色変換部材を設けた白色発光装置を検討した。例えば、線状や面状に配列されたＬＥＤチップ上に、蛍光材料が分散された板状の色変換部材を設けることで、線状または面状の光源として機能する白色発光装置が挙げられる。
　このような線状または面状の白色発光装置においても、色むらの問題が考えられる。そこで、特許文献１の技術のように、ＬＥＤチップから蛍光材料を設けた色変換部材に入射される光の発光強度に応じて、色変換部材に含有される蛍光材料の濃度分布を付与することを検討した。
　検討の結果、複数のＬＥＤチップを用いて線光源や面光源を構成する場合については、色むらを解消するためには、ＬＥＤチップから出射される光の角度による発光強度の違いに加え、色変換部材に入射される光の発光強度と、ＬＥＤチップからの光が色変換部材中を通過する距離の長さを考慮する必要があることが明らかになった。すなわち、任意のＬＥＤチップの中心部から、中心部の直上の色変換部材との距離と、前記任意のＬＥＤチップの中心部からずれた位置における色変換部材の入射面と前記ＬＥＤチップの中心部との距離との関係や、前記ＬＥＤチップから出射された光が、前記ＬＥＤチップの中心部直上において色変換部材中を通過する距離と、前記ＬＥＤチップの中心部からずれた位置において前記ＬＥＤチップから出射された光が前記色変換部材中を通過する距離との関係を考慮する必要がある。これらの要素を考慮して、色変換部材における蛍光体量を最適化することで、複数のＬＥＤチップを用いて線光源や面光源を構成した場合であっても、色むらを解消することができることが判明した。
　本発明は上記の観点でなされたものであり、本発明の主な目的は、複数のＬＥＤチップを用いて線状または面状の白色発光装置を構成する場合に、色むらの発生を抑制することにある。
　本発明は、上記の課題に対してなされたものであり、複数のＬＥＤチップを用いた線状や面状の白色発光装置であって、色むらの発生が抑制された白色発光装置に関する。
　本発明に係る実施の態様としては、以下の構成を有する。
　第１の所定波長の光を出射する複数のＬＥＤチップと、
　前記複数のＬＥＤチップに対して共通に用いられ、前記第１の所定波長の光を第２の所定波長の光に変換する蛍光体を含有する板状の色変換部材を備え、
　前記色変換部材を透過した前記第１の所定波長の光と、前記蛍光体で生じた前記第２の所定波長の光とを重ね合わせて白色光を出射する発光装置において、
　下記の式（１）及び式（２）を満たすことを特徴とする発光装置。
　　　ρ＝Σ｛ρｍ・Ｆｉ・（Ｄ／ｒｉ）ｎ｝　…　（１）
　　　１．８＜ｎ＜３．９　…　（２）
　但し、前記複数のＬＥＤチップの内、任意のＬＥＤチップの中心直上における色変換部材中の蛍光体量をρｍ、前記ＬＥＤチップの中心直上から所定距離ずれた位置における色変換部材中の蛍光体量をρ、前記ＬＥＤチップの発光面の中心から最も近い色変換部材の入射面までの距離をＤ、前記ＬＥＤチップの発光面の中心から、前記ＬＥＤチップの中心直上より所定距離ずれた位置における色変換部材の入射面までの距離をｒｉ、前記ＬＥＤチップから直上に出射される光の強度をＹｉ、前記ＬＥＤチップから前記ＬＥＤチップの中心直上から所定距離ずれた位置に向けて出射される光の強度をＹθｉとし、Ｆｉ＝Ｙθｉ／Ｙｉとする。但しｉは各ＬＥＤチップの番号であり、Σはｉに関する和を表している。
　上記所定距離を順次変更して各位置における蛍光体量ρを求めることにより色変換部材上の任意の位置における蛍光体量の適切な分布を得ることができる。
　また、上記の態様においては、色変換部材における蛍光体量が、色変換部材全域において上記の式（１）及び式（２）を満たすことが好ましいが、一部満たしている場合も含むものとする。例えば、複数のＬＥＤチップの間を複数の領域に分けて、各領域の中心部の直上にあたる色変換部材の位置において、上記の式（１）及び式（２）を満たすように色変換部材の各領域の蛍光体量を調整することによって、本発明の効果を得ることができる。
　本発明の実施の態様を満たした白色発光装置とすることで、色変換部材から出射する光の色が場所によらず均一となり、色むらを解消できる。
本発明の好ましい実施形態に係る発光装置の概略構成を示す斜視図である。 図１の発光装置における白色分布の様子を概略的に説明するための図面である。 本発明の好ましい実施形態に係る色変換部材（蛍光体板）の概略構成を示す図面である。 図１の発光装置の変形例を示す斜視図である。
　以下、図面を参照しながら本発明の好ましい実施形態について説明する。
　図１に示す通り、本実施形態に係る発光装置１は主には実装基板１０、複数のＬＥＤチップ２０及び板状の色変換部材３０から構成されている。
　実装基板１０には一定の導線パターンが形成されている（図示略）。各ＬＥＤチップ２０はワイヤボンディング方式やフリップチップ方式などにより実装基板１０に実装されており、実装基板１０の導線パターンと電気的に接続されている。
　各ＬＥＤチップ２０は実装基板１０に対しマトリクス状（格子状）に等間隔で配置・実装されており、発光装置１において実装基板１０がベース部材となっている。
　本実施形態の各ＬＥＤチップ２０は、青色光を放射するＧａＮ系青色ＬＥＤチップである。ＬＥＤチップ２０としては公知の様々なＬＥＤチップを用いることが可能であり、特に白色光を得る場合は青色ＬＥＤチップや紫外線ＬＥＤチップを好ましく用いることができるが、青色ＬＥＤチップのような可視光を出射する光源を用いた場合に本願発明の効果が顕著に得られる。
　青色ＬＥＤチップとしては、ＧａＮ系青色ＬＥＤチップのほか、ＩｎＸＧａ１－ＸＮ系など既存のあらゆるものを使用することができる。青色ＬＥＤチップは発光ピーク波長が４４０～４８０ｎｍのものが好ましい。
　紫外線ＬＥＤチップとしては、既存のあらゆるものを使用することができる。紫外線ＬＥＤチップは発光ピーク波長が１４０～４２０ｎｍのものが好ましい。
　色変換部材３０は、シリコーン樹脂のような光透過性の透明材料と、ＬＥＤチップ２０から放射された青色光によって励起されてブロードな黄色系の光を放射する粒子状の黄色蛍光体からなる蛍光材料とを、混合した混合物の成形品により構成されている。
　発光装置１では、ＬＥＤチップ２０から放射された青色光と、色変換部材３０の黄色蛍光体から放射された光との混色光が、色変換部材３０から出射されることとなり、白色光を得ることができる。
　詳しくは、発光装置１では、各ＬＥＤチップ２０から所定波長の光が出射され、その光が色変換部材３０中の蛍光体によりこれとは異なる別の所定波長の光に変換される。そして色変換部材３０を透過したＬＥＤチップ２０の所定波長の光と、色変換部材３０中の蛍光体で変換された所定波長の光とが重ね合わされ、結果的に白色光が出射される。
　色変換部材３０を構成する透明材料は、シリコーン樹脂に限らず、例えば、アクリル樹脂、エポキシ樹脂、ガラス、有機材料と無機材料とを複合化した材料などであってもよい。
　蛍光材料としては、青色光により黄色系の光を出射するもの以外にも、赤色系の光を出射するものと緑系の光を出射するものを併用し、光源の青色光と混色することで白色光とすることも可能である。
　なお、図示しないが、発光装置１の複数のＬＥＤチップ２０は側方が筐体や反射鏡で覆われており、その上方（光の出射方向）が色変換部材３０により封止されている。
　以下、本発明の第１の形態について詳細に説明する。
　本発明の第１の形態に係る白色発光装置は、第１の所定波長の光を出射する複数のＬＥＤチップと、前記複数のＬＥＤチップに対して共通に用いられ、前記第１の所定波長の光を第２の所定波長の光に変換する蛍光体を含有する板状の色変換部材を備え、前記色変換部材を透過した前記第１の所定波長の光と、前記蛍光体で生じた前記第２の所定波長の光とを重ね合わせて白色光を出射する発光装置において、下記の式（１）及び式（２）の条件を満たすことを特徴とする発光装置である。
　　　ρ＝Σ｛ρｍ・Ｆｉ・（Ｄ／ｒｉ）ｎ｝　…　（１）
　　　１．８＜ｎ＜３．９　…　（２）
　但し、式（１）中、前記複数のＬＥＤチップの内、任意のＬＥＤチップの中心直上における色変換部材中の蛍光体量をρｍ、前記ＬＥＤチップの中心直上から所定距離ずれた位置における色変換部材中の蛍光体量をρ、前記ＬＥＤチップの発光面の中心から最も近い色変換部材の入射面までの距離をＤ、前記ＬＥＤチップの発光面の中心から、前記ＬＥＤチップの中心直上より所定距離ずれた位置における色変換部材の入射面までの距離をｒｉ、前記ＬＥＤチップから直上に出射される光の強度をＹｉ、前記ＬＥＤチップから前記ＬＥＤチップの中心直上から所定距離ずれた位置に向けて出射される光の強度をＹθｉとし、Ｆｉ＝Ｙθｉ／Ｙｉとする。但し、ｉは各ＬＥＤチップの位置番号であり、Σはｉに関する和を表している。
　上記の式（１）の条件は、以下に基づき求められたものである。これを図２を参照しながら説明する。
　ＬＥＤチップ２０から出射された光の強度が十分に強い場合、光の強度によらず蛍光体単位量あたりの蛍光体からの出射光は一定となる為、ＬＥＤチップ２０から出射される光と蛍光体からの光を混色させて白色光とするためには、ＬＥＤチップ２０からの光の強度と蛍光体の量との比が一定となるように、蛍光体量を調整する必要がある。
　まず、ＬＥＤチップ２０の中心直上（Ａ点を通過した光）においては、色変換部材３０からの出射光が白色光となるように、ＬＥＤチップ２０の中心から出射された光の強度と色変換部材３０中の蛍光体量を最適化する。
　ＬＥＤチップ２０の中心からずれた任意の位置（Ｂ点を通過した光）における色変換部材３０からの出射光を色ずれのない白色光とするために、以下のように蛍光体量を調整する。
　ＬＥＤチップ２０の発光面中心から直上（Ａ点）に向けて出射される光の強度がＹｉであり、前記ＬＥＤチップ２０の中心直上から所定距離ずれた位置（Ｂ点）に向けて出射される光の強度がＹθｉである場合、ＬＥＤチップ２０からの光の強度と蛍光体量との比を一定に保つためには、前記所定距離ずれた位置（Ｂ点）における蛍光体量は、ＬＥＤチップ２０の中心直上（Ａ点）における蛍光体量に対して、Ｆｉ＝Ｙθｉ／Ｙｉを乗じた量とすべきである。すなわち、Ｆｉを乗じることで、角度によるＬＥＤチップ２０の出射強度の違いを打ち消すことができる。
　また、前記ＬＥＤチップ２０の発光面の中心から最も近い色変換部材３０の入射面（Ａ点）までの距離をＤとし、前記ＬＥＤチップ２０の発光面の中心から、前記所定距離ずれた位置における色変換部材３０の入射面（Ｂ点）までの距離をｒｉとした場合、前記所定距離ずれた位置の色変換部材３０の入射面（Ｂ点）へ到達するＬＥＤチップからの光の強度は、（Ｄ／ｒｉ）２に比例する。従って、前記所定距離ずれた位置（Ｂ点）における蛍光体量は、ＬＥＤチップ２０の中心直上（Ａ点）における蛍光体量に対して、（Ｄ／ｒｉ）２を乗じる必要がある。すなわち、（Ｄ／ｒｉ）２を乗じることで、ＬＥＤチップ２０の中心からずれたことによる距離の違いによる色変換部材３０へ入射する光の強度の違いを打ち消すことができる。
　更に、色変換部材３０が平板状である場合は、前記所定距離ずれた位置（Ｂ点）においては、ＬＥＤチップ２０からの光が前記色変換部材３０中を通過する距離が、ＬＥＤチップ２０の中心直上においてＬＥＤチップ２０からの光が前記色変換部材３０中を通過する距離に対して、（ｒｉ／Ｄ）倍になる。すなわち、前記所定距離ずれた位置（Ｂ点）においては、ＬＥＤチップ２０からの光が所定の角度をもって色変換部材３０に入射するため、ＬＥＤチップ２０の直上の色変換部材３０を通過する場合よりも通過距離が長くなる。色変換部材３０中を通過する距離が長くなると、ＬＥＤチップ２０からの光に対する蛍光体量が実質的に増加することとなるため、ＬＥＤチップ２０からの光の強度と蛍光体量の比を一定に保つためには、前記所定距離ずれた位置における蛍光体量は、ＬＥＤチップ２０の中心直上における蛍光体量に対して、Ｄ／ｒｉを乗じた量とすべきである。すなわち、さらにＤ／ｒｉを乗じることで色変換部材３０の通過距離の違いによる色ずれを打ち消すことが可能となる。
　上述の観点から、ＬＥＤチップ２０の中心直上の色変換部材３０中の蛍光体量をρｍとした場合、ＬＥＤチップ２０の中心から所定距離ずれた位置における色変換部材中の蛍光体量ρは、理想的には、
ρ＝ρｍ・Ｆｉ・（Ｄ／ｒｉ）ｎ＝３
となると考えられる。
　上述の計算に基づきシミュレーションした結果、１．８＜ｎ＜３．９の範囲であれば、十分に色ずれを抑制できることが明らかになった。シミュレーションの詳細については、実施例として後述する。
　上記の態様において、色変換部材３０において、蛍光体量を調整する方法としては、特に限定されないが、代表的には、前記式（１）及び式（２）に基づき、色変換部材３０における蛍光体の濃度（密度）を領域毎に異ならせる方法や、濃度を一定に保ったまま色変換部材３０の厚みを異ならせる方法、または濃度と厚みを両方調整することで蛍光体量を調整する方法等が好ましく用いられる。
　具体的には、色変換部材３０は、上記の通り、透光性の透明材料と蛍光材料との混合物の成形品により構成され、透明材料と色変換部材３０中の蛍光体とが一体的に形成されているが、例えば、図３（ａ）に示す通り、色変換部材３０中において蛍光体の濃淡パターンを形成することで、領域毎の蛍光体量を調整する方法が挙げられる（蛍光体を偏在させている）。
　このような構成に代えて、図３（ｂ）に示す通り、樹脂やガラスなどで構成した透光性の透明材料３２の表面に対し深さの異なる凹凸を形成して各凹部３４に蛍光体を充填し、色変換部材３０の各領域における蛍光体量を調整する方法を用いることもできる。
　また、図３（ｃ）に示す通り、樹脂やガラスなどで構成した平板状でかつ透光性の透明材料３２に対し、蛍光体を所定パターンでプリントして色変換部材３０の表面に蛍光体の濃淡パターンを形成することで各領域における蛍光体量を調整してもよい。この場合、透明材料３２に対し、蛍光体をインクジェット方式により噴出してもよいし、版を用いた一般的な印刷技術を用いて蛍光体を印刷してもよい。版を用いた印刷態様としては、例えば、スクリーン印刷（蛍光体を含む組成物を印刷製版の開口部に充填し、印刷製版上からスキージを摺動させ、その開口部から当該組成物を吐出・転写するような印刷）がある。
　図３（ｂ），図３（ｃ）の構成では、色変換部材３０中の蛍光体が透明材料３２に接した状態で保持されている。
　本発明の効果が顕著に得られることに加え、色変換部材３０から出射する白色光の輝度の領域毎の差を抑制する観点で、発光装置１は以下の式（３）の条件を満たすことが好ましい。この式（３）はＬＥＤチップ間の距離が開き過ぎないように制限する条件である。
　　　（ｄ－Ｌ）／Ｄ＜１．５　…　（３）
　式（３）中、ＬＥＤチップ２０間の距離をｄ、ＬＥＤチップ２０の発光面の長さをＬとした（図２参照）。ＬＥＤチップ２０が格子状に並んでいる方向でｄまたはＬが異なる場合も、上記２方向で式（３）の条件が成立することが好ましい。
　なお、発光装置１では、複数のＬＥＤチップ２０を格子状に配置して面光源を構成したが、これに代えて、図４に示す通り、複数のＬＥＤチップ２０を線状に配置して線光源を構成してもよい。
　さらに、上述の実施形態は、被照明体への距離が比較的短い、例えば、画像表示装置のバックライトのような面光源に最も好適であるが、これより長い距離を照明する白色発光装置の場合は、光変換部材の照射方向下流にレンズを設けて黄色蛍光の散乱を抑制すると良い。レンズは、ＬＥＤチップ及び光変換部材がレンズの焦点距離付近に位置するように配置すればよく、レンズ携帯としては、単レンズでも、マルチレンズアレイでも、フレネルレンズなどでもよい。
　蛍光体密度を場所毎に変化させたときに、蛍光体層から放出する光の色分布をシミュレーションで求めることにより、本発明の効果を検証した。
　まず、ＬＥＤチップを格子状に縦横５個ずつ２５個並べ、その上に光透過層を配置し、光透過層上部に後述するｎ値の濃度分布の蛍光体を含有する平板状の色変換部材を設けた。
　ＬＥＤチップから放出される光強度は十分に強く、単位量あたりの蛍光体から放出される光パワーは光強度によらず飽和しているものとする。
　ＬＥＤチップから放射される光の配光分布はランバーシャンであり、ＬＥＤチップの大きさは１ｍｍ×１ｍｍ（Ｌ＝１ｍｍ）、ＬＥＤチップ間距離は２ｍｍ（ｄ＝２ｍｍ）、ＬＥＤチップから色変換部材までの距離は１ｍｍ（Ｄ＝１ｍｍ）、色変換部材の厚さは０．１ｍｍである。
　蛍光体の密度をρとし、ＬＥＤチップ発光面中心の真上の蛍光体位置をＡ、隣り合うＬＥＤチップ間の中心真上の蛍光体位置をＢとする。
　上記の条件のようにＬＥＤチップが密集して配置されていない場合、Ａ点に到達する青色光は強度が最も高く、Ｂ点に到達する青色光は強度が弱く色変換部材（蛍光体層）を斜めに通過するので、蛍光体層から出射した光はＡ点とＢ点で色の違いが大きくなる。そのため、この２点から出射した光の色を比較した。
　式（１）のｎの値を、ｎ＝０（密度一定）、ｎ＝１．８５、ｎ＝３、ｎ＝３．８、ｎ＝４の５通りに変化させ、Ａ点で蛍光体層から出射した色が同一白色となるように、各シミュレーションでのρｍの値を調整し、Ｂ点のＣＩＥｘ，ｙ値がＡ点からどれだけ変化するかを求めた。
　結果は表１のようになり、蛍光体密度を変化させると、ＣＩＥｘ，ｙ値のずれが密度一定の場合よりも小さくなり色むらが改善していることが分かる。ＣＩＥｘ，ｙ値のずれが共に０．０５０より小さければ、十分に色むらが改善されており、全面を白色光とみなすことができる。
［実施例１］
　ｎ＝１．８５の場合、ＣＩＥｘのずれは０．０４１で、ＣＩＥｙのずれは０．０４８で、共にＡ点からのずれが０．０５よりも小さい値とすることができ、十分に色ずれを解消することができる。
［実施例２］
　ｎ＝３．０の場合、ＣＩＥｘのずれは０．０１２で、ＣＩＥｙのずれは０．０１３で、共にＡ点からのずれが０．０５よりも小さい値とすることができ、十分に色ずれを解消することができる。
［実施例３］
　ｎ＝３．８の場合、ＣＩＥｘのずれは０．０４８で、ＣＩＥｙのずれは０．０４６で、共にＡ点からのずれが０．０５よりも小さい値とすることができ、十分に色ずれを解消することができる。
［比較例１］
　ｎ＝０のとき（蛍光体密度一定の場合）、ＣＩＥｘのずれは０．１１５で、ＣＩＥｙのずれは０．１３４で、共にＡ点からのずれが０．０５よりも大きくなっており、ＬＥＤの発光中心からずれたＢ点では色ずれが発生してしまう。
［比較例２］
　ｎ＝４のとき、ＣＩＥｘのずれは０．０５６で、ＣＩＥｙのずれは０．０５３で、共にＡ点からのずれが０．０５よりも大きくなっており、ＬＥＤの発光中心からずれたＢ点では色ずれが発生してしまう。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000001
　上記の結果から明らかなように、色変換部材中の蛍光体量を式（１）及び式（２）を満たすように調整することにより、複数のＬＥＤ光源を用いた線光源や面光源とした場合においても、領域毎の色ずれを抑制した発光装置とすることができる。
　１　発光装置
　１０　実装基板
　２０　ＬＥＤチップ
　３０　色変換部材
　３２　透明材料
　３４　凹部

Claims (6)

  1. 　第１の所定波長の光を出射する複数のＬＥＤチップと、
    　前記複数のＬＥＤチップに対して共通に用いられ、前記第１の所定波長の光を第２の所定波長の光に変換する蛍光体を含有する板状の色変換部材を備え、
    　前記色変換部材を透過した前記第１の所定波長の光と、前記蛍光体で生じた前記第２の所定波長の光とを重ね合わせて白色光を出射する発光装置において、
    　下記の式（１）及び式（２）を満たすことを特徴とする発光装置。
    　　　ρ＝Σ｛ρｍ・Ｆｉ・（Ｄ／ｒｉ）ｎ｝　…　（１）
    　　　１．８＜ｎ＜３．９　…　（２）
    　但し、前記複数のＬＥＤチップの内、任意のＬＥＤチップの中心直上における色変換部材中の蛍光体量をρｍ、前記ＬＥＤチップの中心直上から所定距離ずれた位置における色変換部材中の蛍光体量をρ、前記ＬＥＤチップの発光面の中心から最も近い色変換部材の入射面までの距離をＤ、前記ＬＥＤチップの発光面の中心から、前記ＬＥＤチップの中心直上より所定距離ずれた位置における色変換部材の入射面までの距離をｒｉ、前記ＬＥＤチップから直上に出射される光の強度をＹｉ、前記ＬＥＤチップから前記ＬＥＤチップの中心直上から所定距離ずれた位置に向けて出射される光の強度をＹθｉとし、Ｆｉ＝Ｙθｉ／Ｙｉとする。
  2. 　前記複数のＬＥＤチップが、直線状に並んでいることを特徴とする請求項１に記載の発光装置。
  3. 　前記複数のＬＥＤチップが、格子状に並んでいることを特徴とする請求項１に記載の発光装置。
  4. 　前記発光装置が式（３）を満たすことを特徴とする請求項１～３のいずれか１項に記載の発光装置。
    　　　（ｄ－Ｌ）／Ｄ＜１．５　…　（３）
    　但し、前記ＬＥＤチップの発光面の中心から最も近い色変換部材の入射面までの距離をＤ、隣り合うＬＥＤチップ間の距離をｄ、ＬＥＤチップの発光面の長さをＬとする。
  5. 　前記複数のＬＥＤチップは透光性材料で封止されており、
    　前記色変換部材中の蛍光体は、前記透光性材料と一体的に形成されていることを特徴とする請求項１～４のいずれか１項に記載の発光装置。
  6. 　前記複数のＬＥＤチップは透光性材料で封止されており、
    　前記色変換部材中の蛍光体は、前記透光性材料に接した状態で保持されていることを特徴とする請求項１～４のいずれか１項に記載の発光装置。
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