JP2012039000A

JP2012039000A - 光源装置

Info

Publication number: JP2012039000A
Application number: JP2010179517A
Authority: JP
Inventors: Daisuke Nakayama; 大輔中山; Hideki Kato; 英樹加藤; Satoshi Shimaoka; 怜史島岡
Original assignee: Minebea Co Ltd
Current assignee: Minebea Co Ltd
Priority date: 2010-08-10
Filing date: 2010-08-10
Publication date: 2012-02-23

Abstract

【課題】発光素子を有する光源装置の色むらをより効果的に抑制する。
【解決手段】ＬＥＤチップ３（発光素子）の配光分布が蛍光体の配光分布に一致するように、光路長、すなわち、ＬＥＤチップ３から出射された光が封止体４を通過する距離を、光軸を基準とする全方位角度に亘って調整したので、光源装置１の配光色度分布を、光軸を基準とする全方位角度に亘って均一化することができ、その結果、光源装置１の色むらをより効果的に抑制することができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、発光素子を光源とする光源装置に関する。

従来、青色の光を発光する発光素子（青色ＬＥＤチップ）と、該発光素子から出射された青色の光を吸収して波長変換する蛍光体（黄色蛍光体）と、を備え、発光素子から出射された青色の光と、蛍光体から出射された黄色の光と、の混色を利用して白色（擬似白色）の光を発光する光源装置が知られている。このような光源装置においては、発光素子が発光する光の配光特性に起因する色むら、いわゆる、イエローリングをなくすことが技術的課題のひとつになっている。

そこで、特許文献１には、支持基板上に実装された半導体発光素子を透明な第１の封止材によって封止し、さらに、この第１の封止材を、蛍光体を含有する第２の封止材によって外側から封止し、半導体発光素子から出射される光の発光強度の指向特性（配光特性または配向分布）に応じて、蛍光体を含有する第２の封止材の厚さを設定する半導体発光装置、言い換えると、第２の封止材を通過する光の量に応じて、蛍光体を発光装置の各部に分配／配置した半導体発光装置が開示されている。

特開２０１０−６２２８６号公報

しかしながら、本発明者（出願人）の詳細な検討によれば、特許文献１が開示する構成の発光装置をもってしても、色むらが十分に抑制されるものではなく、未だ改善の余地が残されていた。そこで本発明は、このような事情に鑑みてなされたもので、新規な発想により、発光素子を有する光源装置の色むらをより効果的に抑制することを課題としてなされたものである。

ところで、本願出願人は、青色ＬＥＤチップを半径が一定の半球状の蛍光体層（散乱体を含まず）で覆い、その蛍光体層を外形が半球状のレンズで覆った発光装置（光源装置）の配光分布を、光学フィルタを使用して測定した。その結果、図３に示すように、蛍光体が発光した光（λ＞５００ｎｍ）の配光分布は、光軸を基準（方位角度０°）とする全方位角度（±９０°の範囲）について略均一であった。つまり、蛍光体が発光する光は、方位角度依存性が小さく、広い角度範囲にわたって一様な配向分布となることが分かった。

これに対して、青色ＬＥＤチップが発光し発光装置から出射された光（λ＜４６０ｎｍ）の配光分布は、明瞭な三峰性を示し、青色ＬＥＤチップが発光した光（蛍光体層を透過することなく直接出射された光、図示せず）の配光分布と略一致した。つまり、蛍光体による光の散乱効果は小さく、青色ＬＥＤチップが発光した光は、蛍光体層を通過しても配向分布が維持されることが分かった。

本発明は、上記知見に基づき発案され、種々の検討を更に重ねて完成されたものである。そこで、本発明の光源装置は、発光素子と、散乱体および蛍光体を含有して実装基板上に実装された前記発光素子を覆う封止体と、を備え、前記封止体は、前記発光素子から出射されて前記封止体を通過した後の光の配光分布が、前記蛍光体から出射されて前記封止体を通過した後の光の配光分布に一致するように構成されることを特徴とする。

本発明によれば、発光素子を有する光源装置の色むらをより効果的に抑制することができる。

第１実施形態の構成を説明するための概略図である。第１実施形態の説明図であって、従来技術の一光源装置の配光色度分布（改善前）と、第１実施形態を適用した光源装置の配光色度分布（改善後）と、を示す図である。第１実施形態の説明図であって、従来技術の一光源装置における、フィルタを利用した発光素子ならびに蛍光体の各配光分布と、フィルタを使用していない配光分布とを示す図である。第１実施形態および第２実施形態の説明図であって、発光素子から出射された光が封止体および散乱体層を通過する距離を、光軸を基準とする全方位角度に亘って調整した後の、フィルタを利用した発光素子ならびに蛍光体の各配光分布を示す図である。第１実施形態の光源装置の一部分（実装面から上の部分）の断面図である。図５の光源装置の光軸を基準とする全方位角度における光路長を示す図である。第２実施形態の構成を説明するための概略図である。

（第１実施形態）
本発明の第１実施形態を添付した図を参照して説明する。図１に示されるように、第１実施形態の光源装置１は、実装基板２と、該実装基板２に実装されて青色の光を発光するＬＥＤチップ３（発光素子）と、該ＬＥＤチップ３を覆うようにして実装基板２上に形成される封止体４と、該封止体４を覆うようにして実装基板２上に設けられる半球形の透明なレンズ５と、を有する。実装基板２は、本実施形態では、セラミックス製の基板が採用され、その実装面２ａの略全面には、電極としての機能と反射材としての機能とを兼備する銀メッキが施されている。なお、ＬＥＤチップ３ならびに該ＬＥＤチップ３の駆動方式は従来技術をそのまま利用するものとし、ここでは、その詳細な説明を省く。

封止体４は、封止材としてシリコーン樹脂が使用される。また、封止体４は、例えば、アルミナ等の散乱体を所定濃度で含有する。このように、封止体４は、シリコーン樹脂（封止材）に散乱体を均一に分布させた散乱体層６によって構成される。また、散乱体層６は、ＬＥＤチップ３から出射された青色の光の一部を吸収して波長変換するフォトルミネッセンス蛍光体（黄色蛍光体、以下、蛍光体という）を、本実施形態では、散乱体の体積濃度よりも低い体積濃度で含有する。なお、蛍光体は、散乱体同様、封止体４（あるいは封止材）中に均一に分布されている。そして、光源装置１は、ＬＥＤチップ３から出射された青色の光と、蛍光体から出射された黄色の光と、の混色を利用して白色（擬似白色）の光を発光するように構成されている。

レンズ５は、封止体４が点光源のように見えるように、封止体４に対して十分に大きく形成されているのが好ましい（なお、図１では、図を見やすくするために、レンズ５を比較的小さく示してある）。さらに、封止体４においても、ＬＥＤチップ３に対して十分に大きく形成されているのが好ましい。また、封止体４は、ＬＥＤチップ３から出射された光が封止体４を通過する距離（図１におけるＬ、以下、光路長という）が、ＬＥＤチップ３の光軸を基準（方位角度θ＝０°）とする方位角度（第１実施形態では、図１においてθが±９０°の範囲）ごとに調整される。より詳しくは、光路長Ｌは、当該光源装置１の配光色度（色味）が均一となるように、方位角度ごとに調整される。具体的には、光路長Ｌは、ＬＥＤチップ３から出射されて封止体４を通過した後の光の配光分布（以下、ＬＥＤチップ３の配向分布ともいう）が、蛍光体から出射されて封止体４を通過した後の光の配光分布（以下、蛍光体の配向分布ともいう）に一致するように、方位角度ごとに調整される。

次に、第１実施形態の作用を説明する。図２に示されるのは、現在市販されている一般的な一光源装置（ランプハウスを有するトップビュー型のＬＥＤ）の配光色度分布（以下、改善前の配光色度分布という）と、第１実施形態の技術を適用した光源装置の配光色度分布（以下、改善後の配光色度分布という）と、を比較したものである。この図に示されるように、改善前の配光色度分布は、光軸を基準（方位角度θ＝０°）とする方位角度θが６０°以上（および−６０°以下）の領域において、色度変化量が顕著に大きくなっている。言い換えると、改善前の光源装置においては、方位角度θが６０°以上（および−６０°以下）の領域において色むらが生じている。

次に、青色ＬＥＤチップを半径が一定の半球状の蛍光体層（散乱体を含まず）で覆い、その蛍光体層を外形が半球状のレンズで覆った光源装置の配光分布をフィルタを使用して測定した結果、図３に示されるように、蛍光体の配光分布（λ＞５００ｎｍ）は、光軸を基準（方位角度θ＝０°）とする全方位角度について均一であったのに対して、ＬＥＤチップ３（発光素子）の配光分布（λ＜４６０ｎｍ）は、フィルタを使用していない場合の配光分布（図示せず）と略同一であり、３峰性（複雑な特性）を示すものであった。そこで、第１実施形態では、図４に示されるように、ＬＥＤチップ３の配光分布を、蛍光体の配光分布に一致させた。具体的には、図５に示されるように、外径が相違する２つの円柱体（円板）を光軸方向（図５における上下方向）へ重ねた段形状、言い換えると、ＬＥＤチップ３を覆う円柱体（円板）に、該円柱体よりも外径が小さい円柱体を同軸上に重ねた形状に、封止体４を形成した。ここで、このように形成された封止体４における、光軸を基準とする全方位角度の光路長、すなわち、ＬＥＤチップ３から出射された光が封止体４を通過する距離Ｌを、図６に示す。なお、ここでいう光路長Ｌとは、光の拡散による変位を考慮していないＬＥＤチップ３の中心位置から封止体４の外形面までの直線距離である。

ここで、封止体４の形状は、試行錯誤によって導出されたものであるが、データを蓄積することにより、その配光分布から、封止体４をどのような形状に形成すればよいのか、容易に分かるようになる。つまり、図３に示される配光分布と図６に示される光路長との対応をデータとして蓄積することにより、該蓄積されたデータに基づき、封止体４の形状を決定することができる。なお、封止体４は、一体に形成されたものであり、図５における下の段の円柱体と上の段の円柱体との間に境界はない。また、第１実施形態において、封止体４は、封止材として、樹脂の屈折率が１．４０〜１．５５のシリコーン樹脂が使用されている。さらに、封止体４は、屈折率が１．７７、粒径が５μｍのアルミナ（散乱体）を、３％の体積濃度で含有したものが使用されている。

そして、第１実施形態では、ＬＥＤチップ３の配光分布が蛍光体の配光分布に一致するように（図４参照）、光路長を光軸を基準とする全方位角度に亘って調整し（図６参照）、結果的に、封止体４を図５に示される段形状に形成した。これにより、図２に示されるように、光源装置１の配光色度分布を、光軸を基準とする全方位角度に亘って均一化することができ、その結果、従来技術（改善前）と比較して色むらが大幅に改善された光源装置１を得ることができる。

第１実施形態によれば、ＬＥＤチップ３（発光素子）の配光分布が蛍光体の配光分布に一致するように、光路長、すなわち、ＬＥＤチップ３から出射された光が封止体４を通過する距離を、光軸を基準とする全方位角度に亘って調整したので、光源装置１の配光色度分布を、光軸を基準とする全方位角度に亘って均一化することができ、その結果、光源装置１の色むらをより効果的に抑制することができる。また、副次的に、白色光としての配向分布を、広い角度範囲にわたって均一にすることができる。

なお、実施形態は上記に限定されるものではなく、例えば、次のように構成することができる。
封止体４の形状は、ＬＥＤチップ３（発光素子）の配光分布が蛍光体の配光分布に一致するように決定されたものである。したがって、封止体４の形状は、段形状に限定されるものではない。例えば、封止体４における散乱体（アルミナ）の体積濃度が０．３％である場合、封止体４を截頭円錐形に形成することがよりこのましい。
第１実施形態では、封止体４を半球形の透明なレンズ５で覆って光源装置１を構成したが、レンズ５は必須の構成ではなく、レンズ５を用いずに光源装置１を構成することもできる。
また、複数個のＬＥＤチップ３（発光素子）を実装基板２上に配置して光源装置１を構成することができる。この場合には、各ＬＥＤチップ３の配光分布を合成した配向分布が蛍光体の配光分布に一致するように、光路長Ｌ、すなわち、各ＬＥＤチップ３の対称中心から封止体４の外形面までの直線距離Ｌを、光軸を基準とする全方位角度に亘って調整すればよい。

（第２実施形態）
本発明の第２実施形態を添付した図を参照して説明する。なお、上述した第１実施形態と同一あるいは相当の構成については、同一の名称および符号を付与するとともにその詳細な説明を省く。
図７に示されるように、第２実施形態では、封止体４は、実装基板２に実装されたＬＥＤチップ３（発光素子）を覆う散乱体層６と、該散乱体層６を覆う蛍光体層７と、によって構成される。散乱体層６は、封止材としてシリコーン樹脂が用いられ、散乱体としてのアルミナが所定体積濃度で均一に含有されている。蛍光体層７は、本実施形態では、封止材として散乱体層６と同一のシリコーン樹脂が用いられ、フォトルミネッセンス蛍光体（黄色蛍光体）が、散乱体層６における散乱体の体積濃度よりも低い濃度で均一に含有されている。

そして、第２実施形態では、封止体４は、ＬＥＤチップ３から出射された光が蛍光体層７を通過する距離Ｗ（光路長）が、ＬＥＤチップ３の光軸を基準（方位角度θ＝０°）とする全方位角度（第２実施形態では、図７においてθが±９０°の範囲）に亘って一定である。また、散乱体層６は、ＬＥＤチップ３から出射された光が散乱体層６を通過する距離Ｌ（光路長）が、ＬＥＤチップ３の光軸を基準とする方位角度ごとに調整される。より詳しくは、散乱体層６を通過する光の光路長Ｌは、当該光源装置１の配光色度（色味）が均一となるように、方位角度ごとに調整される。具体的には、散乱体層６を通過する光の光路長Ｌは、ＬＥＤチップ３から出射されて散乱体層６を通過した後の光の配光分布が、蛍光体が発光して蛍光体層７から出射された光の配光分布に一致するように、光軸を基準とする方位角度ごとに調整される。

なお、図７は、第２実施形態の構成の概略を説明するためのものである。したがって、図７においては、ＬＥＤチップ３から出射された光が蛍光体層７を通過する距離Ｗ（光路長）は、ＬＥＤチップ３の光軸を基準とする全方位角度に亘って一定に記載されていない。

次に、第２実施形態の作用を説明する。第２実施形態では、図４に示されるように、ＬＥＤチップ３の配光分布が蛍光体の配光分布に一致するように、ＬＥＤチップ３から出射されて散乱体層６を通過する光の光路長Ｌを、光軸を基準とする全方位角度に亘って調整することにより、光源装置１の配光色度分布を、光軸を基準とする全方位角度に亘って均一化することができ、その結果、従来技術（改善前）と比較して色むらが大幅に改善された光源装置１１を得ることができる。なお、散乱体層６の形状、すなわち、ＬＥＤチップ３から出射されて散乱体層６を通過する光の光路長Ｌの調整は、第１実施形態同様、試行錯誤によって導出することができる。

第２実施形態によれば、ＬＥＤチップ３（発光素子）の配光分布を蛍光体の配光分布に一致させるため、ＬＥＤチップ３から出射された光が蛍光体層７を通過する距離Ｗ（光路長）を、ＬＥＤチップ３の光軸を基準とする全方位角度に亘って一定にし、ＬＥＤチップ３から出射されて散乱体層６を通過する光の距離Ｌ（光路長）を、光軸を基準とする全方位角度に亘って調整したので、光源装置１１の配光色度分布を、光軸を基準とする全方位角度に亘って均一化することができ、その結果、光源装置１１の色むらをより効果的に抑制することができる。

１光源装置、２実装基板、３ＬＥＤチップ（発光素子）、４封止体、５レンズ、６散乱体層、７蛍光体層

Claims

発光素子と、散乱体および蛍光体を含有して実装基板上に実装された前記発光素子を覆う封止体と、を備え、
前記封止体は、前記発光素子から出射されて前記封止体を通過した後の光の配光分布が、前記蛍光体から出射されて前記封止体を通過した後の光の配光分布に一致するように構成されることを特徴とする光源装置。
前記封止体は、前記散乱体を含有して前記発光素子を覆う散乱体層に前記蛍光体を分布させて構成されることを特徴とする請求項１に記載の光源装置。
前記封止体は、前記発光素子から出射された光が前記封止体を通過する距離が、光軸を基準とする方位角度に応じて設定されることを特徴とする請求項２に記載の光源装置。
前記封止体は、外径が相違する複数個の円柱体が光軸方向へ重ねられた段形状に形成されることを特徴とする請求項２または３に記載の光源装置。
前記封止体は、前記散乱体を含有して前記発光素子を覆う散乱体層と、前記蛍光体を含有して前記散乱体層を覆う蛍光体層と、から構成されることを特徴とする請求項１に記載の光源装置。
前記蛍光体層は、前記発光素子から出射された光の出射方向の厚さが、光軸を基準とする全方位角度に亘って一定となるように形成され、
前記散乱体層は、前記発光素子から出射された光が前記散乱体層を通過する距離が、前記光軸を基準とする方位角度に応じて設定されることを特徴とする請求項５に記載の光源装置。
前記封止体を通過した後の光が入射されるレンズを備えることを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の光源装置。