JP2011023560A - Light emitting device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、LEDチップを用いた発光装置に関するものである。 The present invention relates to a light emitting device using an LED chip.
従来から、LEDチップと、LEDチップの光取り出し面上に形成されLEDチップから放射された光の一部をLEDチップよりも長波長の光に変換する波長変換部であるガラス蛍光体層とを備え、所望の混色光(例えば、白色光)を得るようにした発光装置が提案されている(例えば、特許文献1参照)。なお、上記特許文献1に開示された発光装置は、LEDチップとガラス蛍光体層との積層体や各リードの一部などを覆うモールド部を砲弾型の形状に形成してあるので、モールド部のレンズ効果により指向性を強めることができる。
Conventionally, an LED chip and a glass phosphor layer that is a wavelength conversion unit that is formed on the light extraction surface of the LED chip and converts part of the light emitted from the LED chip into light having a longer wavelength than the LED chip. There has been proposed a light emitting device that includes a desired color mixture light (for example, white light) (see, for example, Patent Document 1). In the light emitting device disclosed in
ところで、上記特許文献1に開示された発光装置では、LEDチップの光取り出し面上に形成されたガラス蛍光体層により波長変換を行っているが、ガラス蛍光体層の波長変換効率が低く、波長変換効率の向上が望まれている。特に、LEDチップを用いた発光装置を光源として照明器具に組み込んで使用する場合、より大きな光出力が必要となるが、LEDチップのチップサイズを大きくするのはハイブリッドレンズのような配光レンズや反射鏡などの配光制御部材での配光制御性が低下してしまうので、波長変換部での波長変換効率の向上が望まれている。
By the way, in the light emitting device disclosed in
本発明は上記事由に鑑みて為されたものであり、その目的は、波長変換部の波長変換効率の向上を図れる発光装置を提供することにある。 This invention is made | formed in view of the said reason, The objective is to provide the light-emitting device which can aim at the improvement of the wavelength conversion efficiency of a wavelength conversion part.
請求項1の発明は、LEDチップと、LEDチップの光取り出し面側に配設されLEDチップから放射される光の一部をLEDチップよりも長波長の光に変換する波長変換部とを備え、波長変換部は、LEDチップから放射される光によって励起されてLEDチップよりも長波長の光を放射する希土類元素を添加したガラスである蛍光ガラスを用いた複数の波長変換要素部が組み合わせて配列された構造体からなることを特徴とする。
The invention of
この発明によれば、LEDチップの光取り出し面側に配設された波長変換部が、LEDチップから放射される光によって励起されてLEDチップよりも長波長の光を放射する希土類元素を添加したガラスである蛍光ガラスを用いた複数の波長変換要素部が組み合わせて配列された構造体からなるので、LEDチップから放射される光の波長変換部中での光路長を長くすることができ、波長変換部の波長変換効率の向上を図れる。 According to this invention, the wavelength conversion unit disposed on the light extraction surface side of the LED chip is added with a rare earth element that is excited by light emitted from the LED chip and emits light having a longer wavelength than the LED chip. Since it consists of a structure in which multiple wavelength conversion elements using fluorescent glass, which is glass, are combined and arranged, the optical path length in the wavelength converter of the light emitted from the LED chip can be increased, and the wavelength The wavelength conversion efficiency of the conversion unit can be improved.
請求項2の発明は、請求項1の発明において、前記波長変換部は、前記波長変換要素部が前記蛍光ガラスをコアとする光ファイバであり、各光ファイバの光軸方向が前記LEDチップの光軸方向に一致する形で配列されてなることを特徴とする。 According to a second aspect of the present invention, in the first aspect of the invention, the wavelength conversion unit is an optical fiber in which the wavelength conversion element unit has the fluorescent glass as a core, and an optical axis direction of each optical fiber is the LED chip. It is characterized by being arranged so as to coincide with the optical axis direction.
この発明によれば、前記波長変換部の前記波長変換要素部が光ファイバであり、各光ファイバの光軸方向が前記LEDチップの光軸方向に一致する形で配列されているので、横方向への光の伝搬を抑制することができ、指向性を強めることができる。 According to this invention, the wavelength conversion element part of the wavelength conversion part is an optical fiber, and the optical axis direction of each optical fiber is arranged in a form that matches the optical axis direction of the LED chip. Propagation of light can be suppressed, and directivity can be enhanced.
請求項3の発明は、請求項1の発明において、前記波長変換部は、前記波長変換要素部が前記蛍光ガラスからなるビーズであり、3次元周期構造を有するように配列されてなることを特徴とする。 According to a third aspect of the present invention, in the first aspect of the invention, the wavelength conversion unit is a bead made of the fluorescent glass, and the wavelength conversion element unit is arranged so as to have a three-dimensional periodic structure. And
この発明によれば、前記波長変換部の前記波長変換要素部がビーズであり、3次元周期構造を有するように配列されているので、LEDチップから放射される光を前記波長変換部内の多重反射により閉じ込めやすくなり、前記波長変換部の波長変換効率を高めることができる。 According to this invention, since the wavelength conversion element part of the wavelength conversion part is a bead and is arranged so as to have a three-dimensional periodic structure, the light radiated from the LED chip is multiplexed and reflected in the wavelength conversion part. Therefore, it becomes easier to confine, and the wavelength conversion efficiency of the wavelength conversion unit can be increased.
請求項4の発明は、請求項1の発明において、前記波長変換部は、前記波長変換要素部が前記蛍光ガラスを用いてシート状に形成され且つ少なくとも前記LEDチップ側とは反対側に多数の微小な凸状部が形成されたシート状部材であり、前記LEDチップの光軸方向に重ねて配列されてなることを特徴とする。 According to a fourth aspect of the present invention, in the first aspect of the present invention, the wavelength conversion section includes a plurality of the wavelength conversion element sections formed in a sheet shape using the fluorescent glass and at least on the side opposite to the LED chip side. It is a sheet-like member in which minute convex portions are formed, and is arranged so as to overlap in the optical axis direction of the LED chip.
この発明によれば、前記波長変換部が、前記波長変換要素部が前記蛍光ガラスを用いてシート状に形成され且つ少なくとも前記LEDチップ側とは反対側に多数の微小な凸状部が形成されたシート状部材であり、前記LEDチップの光軸方向に重ねて配列されているので、LEDチップから放射される光を前記波長変換部内の多重反射により閉じ込めやすくなり、前記波長変換部の波長変換効率を高めることができる。 According to this invention, the wavelength conversion part is formed in a sheet shape with the wavelength conversion element part using the fluorescent glass, and a plurality of minute convex parts are formed at least on the side opposite to the LED chip side. Sheet-like members, which are arranged so as to overlap in the optical axis direction of the LED chip, so that the light emitted from the LED chip can be easily confined by multiple reflection in the wavelength conversion unit, and the wavelength conversion of the wavelength conversion unit Efficiency can be increased.
請求項5の発明は、請求項1ないし請求項4の発明において、前記LEDチップの光軸方向に直交する面内で前記波長変換部を囲み前記LEDチップおよび前記希土類元素それぞれからの光を反射するフォトニック結晶が設けられてなることを特徴とする。 According to a fifth aspect of the present invention, in the first to fourth aspects of the present invention, the wavelength conversion unit is enclosed in a plane orthogonal to the optical axis direction of the LED chip and light from each of the LED chip and the rare earth element is reflected. A photonic crystal is provided.
この発明によれば、前記LEDチップの光軸方向に直交する面内で前記波長変換部を囲み前記LEDチップおよび前記希土類元素それぞれからの光を反射するフォトニック結晶が設けられていることにより、指向性を強めることができる。 According to this invention, by providing a photonic crystal that surrounds the wavelength conversion unit in a plane orthogonal to the optical axis direction of the LED chip and reflects light from each of the LED chip and the rare earth element, Directivity can be strengthened.
請求項1の発明では、波長変換部の波長変換効率の向上を図れるという効果がある。
In the invention of
(実施形態1)
本実施形態の発光装置は、図1に示すように、LEDチップ1と、LEDチップ1の光取り出し面側に配設されLEDチップ1から放射される光の一部をLEDチップ1よりも長波長の光に変換する波長変換部2とを備えている。
(Embodiment 1)
As shown in FIG. 1, the light emitting device according to the present embodiment has an
上述のLEDチップ1は、青色の光を放射するGaN系の青色LEDチップであって、厚み方向の一表面側に、図示しない各電極(アノード電極、カソード電極)が形成されており、例えば、図示しない実装基板などにフリップチップ実装して用いる。なお、LEDチップ1は、青色LEDチップに限定するものではなく、例えば、紫色の光を放射する紫色LEDチップや、紫外光を放射する紫外LEDチップや、緑色の光を放射する緑色LEDチップなどでもよい。また、本実施形態では、LEDチップ1としてチップサイズが1mm□のものを用いているが、LEDチップ1のチップサイズは特に限定するものではない。また、LEDチップ1は、厚み方向の上記一表面側に各電極が形成されているが、厚み方向の上記一表面側に一方の電極が形成され、他表面側に他方の電極が形成されたものを用いてもよく、実装基板に実装する際の実装構造は特に限定するものではない。
The above-described
波長変換部2は、LEDチップ1から放射される光によって励起されてLEDチップ1よりも長波長の光を放射する希土類元素を添加したガラスである蛍光ガラスを用いた複数の波長変換要素部21が組み合わせて配列された構造体により構成されている。
The
ここにおいて、本実施形態の発光装置では、波長変換部2の波長変換要素部21が上述の蛍光ガラスをコア121とする光ファイバ120であり、各光ファイバ120の光軸方向がLEDチップ1の光軸方向に一致する形で配列されている。要するに、波長変換部2は、LEDチップ1から放射された光によって励起されてLEDチップ1よりも長波長の光を放射する希土類元素がコア121に添加されてなりLEDチップ1に光結合する複数の直線状の光ファイバ120を備えている。
Here, in the light emitting device of the present embodiment, the wavelength
光ファイバ120は、上述のように希土類元素がコア121に添加されているが、上述のようにLEDチップ1の発光色が青色の場合、希土類元素としては、例えば、Pr(緑色〜赤色の光を放射する)、Sm(橙色〜赤色の光を放射する)、Eu(赤色の光を放射する)、Er(緑色〜赤色の光を放射する)、Ho(緑色〜赤色の光を放射する)、Dy(黄色の光を放射する)、Tb(緑色の光を放射する)などから適宜採用すればよい。
In the
また、光ファイバ120としては、シングルモードファイバを採用しているが、シングルモードファイバに限らず、ステップインデックス型(SI型)マルチモードファイバや、グレーデッドインデックス型(GI型)マルチモードファイバなどを採用してもよい。また、光ファイバ120は、コア121のみを備えたもの(空気がクラッドのもの)でもよい。
The
ところで、光ファイバ120は、上述のように当該光ファイバ120の光軸方向がLEDチップ1の光軸方向に一致する形(平行となる形)でLEDチップ1の光取り出し面側で配列されており、且つ、LEDチップ1側とは反対側の端面(光出射面)から増幅自然放出光(Amplified Spontaneous Emission)が出射される長さに形成されている。なお、光ファイバ120の長さは、コア121の直径にもよるが、コア121の直径が0.05mm(50μm)の場合には、例えば、コア121の全長(両端面間の距離)が4mm〜10mm程度の範囲内となるように適宜設定すればよい。
By the way, the
以上説明した本実施形態の発光装置では、波長変換部2が、LEDチップ1から放射される光によって励起されてLEDチップ1よりも長波長の光を放射する希土類元素を添加した蛍光ガラスを用いた複数の波長変換要素部21が組み合わせて配列された構造体からなるので、LEDチップ1から放射される光の波長変換部2中での光路長を長くすることができ、波長変換部2の波長変換効率の向上を図れる。
In the light emitting device of the present embodiment described above, the
また、本実施形態の発光装置では、波長変換部2の波長変換要素部21が上述の蛍光ガラスをコア121とする光ファイバ120であり、各光ファイバ120の光軸方向がLEDチップ1の光軸方向に一致する形で配列されているので、横方向への光の伝搬を抑制することができ、指向性を強めることができる。しかして、本実施形態の発光装置は、指向性が強いので、レンズや反射鏡などの配光制御部材による配光制御の自由度が高く、しかも、光出力も大きいので、例えば、照明用途(照明器具など)の光源や、自動車のヘッドライト用の光源などとしても適用可能である。
Further, in the light emitting device of the present embodiment, the wavelength
ここで、本実施形態の発光装置では、蛍光ガラスの希土類元素を適宜選択することにより、光ファイバ120におけるLEDチップ1側とは反対側の端面から、LEDチップ1からの光と希土類元素からの光の混色光として白色光を放射させることができる。
Here, in the light emitting device of the present embodiment, by appropriately selecting the rare earth element of the fluorescent glass, the light from the
ところで、本実施形態の発光装置では、波長変換部2を、互いに変換波長の異なる複数種の波長変換要素部21が組み合わせて配列された構造体により構成するようにすれば、構造体に用いる波長変換要素部21の組み合わせで発光色を調整することが可能になるとともに色ばらつきを低減可能となり、また、演色性の高い白色光を得ることも可能となる。
By the way, in the light emitting device of the present embodiment, if the
ここにおいて、例えば、互いに変換波長の異なる7種類の波長変換要素部21を組み合わせる場合、それぞれの変換波長をλ1,λ2,λ3,λ4,λ5,λ6,λ7,λ8とすれば、波長変換要素部21をLEDチップ1の光軸方向に直交する面内で、図2(a)に示すように、仮想三角格子の各格子点それぞれに波長変換要素部21の中心が一致する形で複数の波長変換要素部21を2次元アレイ状に配置するようにし、且つ、隣接する波長変換要素部21同士の変換波長が異なるように配置すればよい。同様に、互いに変換波長の異なる4種類の波長変換要素部21を組み合わせる場合、それぞれの変換波長をλ1,λ2,λ3,λ4とすれば、波長変換要素部21を図2(b)のように配置すればよい。
Here, for example, when combining seven types of wavelength
(実施形態2)
本実施形態の発光装置の基本構成は実施形態1と略同じであり、図3に示すように、波長変換部2の構造が相違する。なお、実施形態1と同様の構成要素には同一の符合を付して説明を省略する。
(Embodiment 2)
The basic configuration of the light emitting device of this embodiment is substantially the same as that of the first embodiment, and the structure of the
本実施形態における波長変換部2は、波長変換要素部21が蛍光ガラスからなるビーズ321であり、3次元周期構造を有するように配列されている。本実施形態では、ビーズ321の配置時の安定性を高めるために、ビーズ321の形状を、半球状の形状としてあるが、半球状に限らず、希土類元素による変換光が閉じ込められないように非真球状の形状であればよく、例えば、半楕円球状や楕円球状でもよい。また、ビーズ321の形状を楕円球状として、LEDチップ1の光軸方向に沿った方向が長径方向となるように配置するようにし、長径を長くしていけば、長手方向(長径方向)への増幅自然放出光を得ることも可能となる。なお、ビーズ321のサイズは数μm程度に設定すればよい。
In the
しかして、本実施形態の発光装置では、波長変換部2の波長変換要素部21が蛍光ガラスからなるビーズ321であり、3次元周期構造を有するように配列されているので、横方向への光の伝搬を抑制することができ、指向性を強めることができる。
Therefore, in the light emitting device of the present embodiment, the wavelength
(実施形態3)
本実施形態の発光装置の基本構成は実施形態1と略同じであり、図4に示すように、波長変換部2の構造が相違する。なお、実施形態1と同様の構成要素には同一の符号を付して説明を省略する。
(Embodiment 3)
The basic configuration of the light emitting device of this embodiment is substantially the same as that of the first embodiment, and the structure of the
本実施形態における波長変換部2は、波長変換要素部21が、蛍光ガラスを用いてシート状に形成され且つLEDチップ1側とは反対側およびLEDチップ1側それぞれに多数の凸状部322,323が形成されたシート状部材321であり、複数のシート状部材321がLEDチップ1の光軸方向に重ねて配列されている。要するに、各シート状部材321は、各シート状部材321の厚み方向がLEDチップ1の光軸方向に一致する形で配列されている。なお、LEDチップ1の光軸方向は、当該LEDチップ1の厚み方向に一致している。
In the
シート状部材321におけるLEDチップ1側とは反対側の凸状部322とLEDチップ1側の凸状部323とは1対1で対応するように配置されている。
The
以上説明した本実施形態の発光装置では、波長変換部2が波長変換要素部21である上述のシート状部材321をLEDチップ1の光軸方向に重ねて配列してあるので、LEDチップ1から放射される光を波長変換部2内の多重反射により閉じ込めやすくなり、波長変換部2の波長変換効率を高めることができる。ここで、本実施形態におけるシート状部材321は、LEDチップ1側とは反対側およびLEDチップ1側それぞれに多数の凸状部322,323が形成されているが、少なくともLEDチップ1側とは反対側に凸状部322が形成されていればよい。ここにおいて、シート状部材321におけるLEDチップ1側とは反対側の凸状部322は、変換光の指向性を強めるために平凸レンズ状の形状に形成することが好ましく、シート状部材321におけるLEDチップ1側の凸状部323は、LEDチップ1から放射された光の発散を抑制するために平凸レンズ状の形状に形成することが好ましい。なお、シート状部材321の厚み方向において重なる一対の凸状部322,323と両凸状部322,323の間の部位とで構成される微小構造体の形状は、希土類元素による変換光が閉じ込められないように非真球状の形状であればよくて、例えば、楕円球状の形状としてもよく、LEDチップ1の光軸方向に沿った方向を長径方向として長径を長くしていけば、長手方向(長径方向)への増幅自然放出光を得ることも可能となる。また、本実施形態では、シート状部材321の厚み方向において重なる一対の凸状部322,323と両凸状部322,323の間の部位とで構成される多数の微小構造体が、波長変換部2全体では細密構造となるように配置されているので、LEDチップ1の厚み方向において微小構造体が一直線上に連なる構造が並設されている場合に比べて、波長変換部2の波長変換効率をより高めることができる。ここで、横方向の両端の両凸状部322,323については縦割した形状(半割体)でもよい。
In the light emitting device of the present embodiment described above, the
また、本実施形態の発光装置では、波長変換部2の波長変換要素部21が上述のシート状部材321なので、互いに変換波長の異なる複数種のシート状部材321を用意しておき、適宜重ねて配列することにより、発光色の調整が容易になる。
In the light emitting device of this embodiment, since the
(実施形態4)
本実施形態の発光装置の基本構成は実施形態2と略同じであり、図5に示すように、LEDチップ1の光軸方向に直交する面内で波長変換部2を囲みLEDチップ1および波長変換部2の希土類元素それぞれからの光を反射するフォトニック結晶4が設けられている点が相違するだけである。なお、実施形態2と同様の構成要素には同一の符号を付して説明を省略する。
(Embodiment 4)
The basic configuration of the light emitting device of the present embodiment is substantially the same as that of the second embodiment. As shown in FIG. 5, the
上述のフォトニック結晶4は、第1の材料からなる微細な球体42を所定の周期で3次元的に配列し隣接する球体42間に第1の材料とは屈折率の異なる第2の材料が充填された人工オパール構造を有する3次元フォトニック結晶であるが、フォトニック結晶4の構造は特に限定するものではなく、例えば、反転オパール構造を採用してもよい。また、フォトニック結晶4は、3次元フォトニック結晶に限らず、2次元フォトニック結晶や1次元フォトニック結晶でもよい。
In the
しかして、本実施形態の発光装置では、LEDチップ1の光軸方向に直交する面内で波長変換部2を囲みLEDチップ1および希土類元素それぞれからの光を反射するフォトニック結晶4が設けられていることにより、指向性を強めることができるとともに、LEDチップ1から放射される光をより効率良く波長変換部2に入射させることができる。
Thus, in the light emitting device of the present embodiment, the
1 LEDチップ
2 波長変換部
4 フォトニック結晶
21 波長変換要素部
120 光ファイバ
121 コア
122 クラッド
221 ビーズ
321 シート状部材
322 凸状部
323 凸状部
DESCRIPTION OF
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2009
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