(57)【要約】【課題】構造が簡易であり、照射面において色や輝度にムラやリングを生じることなく、発光の均一性に優れ、演色性に優れる照明装置を提供する。【解決手段】３８０ｎｍ〜４２０ｎｍの発光ピークを有する半導体発光素子と、該半導体発光素子からの発光を青、緑、赤の領域に波長変換する３種類の蛍光体とシリコーン樹脂とを含む発光部とを有し、該発光部の周囲をエポキシ樹脂でモールドした砲弾型ＬＥＤを複数個集積してなる照明装置。該ＬＥＤの構造軸上での発光色が、ＣＩＥ１９７６ＵＣＳ色度座標（ｕ’，ｖ’）で（０．２１，０．４７）を中心とする半径０．１以内領域の色。該ＬＥＤの先端部から構造軸方向で１（ｍ）離した該軸に垂直に立てた白色スクリーンにおいて、構造軸から距離（半径）ｓｉｎ（ＬＥＤの１／２指向角θ１／２／２）（ｍ）以内の円内における色度座標と構造軸上の色度座標との色差が０．０１以内。【選択図】図１
2008010470.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
３８０ｎｍ〜４２０ｎｍの波長範囲に発光のピークを有する半導体発光素子と、該半導体発光素子からの発光で励起されて青、緑、赤の領域にそれぞれ波長変換する３種類の蛍光体とシリコーン樹脂とを含む発光部とを有し、該発光部の周囲をエポキシ樹脂でモールドした砲弾型ＬＥＤを複数個集積してなる照明装置において、
該ＬＥＤが、
該ＬＥＤの構造軸上での発光色が、ＣＩＥ１９７６ＵＣＳ色度座標（ｕ’，ｖ’）で（０．２１，０．４７）を中心とする半径０．１以内領域の色であって、
該ＬＥＤの１／２指向角をθ１／２とし、ＬＥＤの先端部から構造軸方向で１（ｍ）離した該軸に垂直に立てた白色スクリーンにおいて、構造軸から距離（半径）ｓｉｎ（θ１／２／２）（ｍ）以内の円内における色度座標と前記構造軸上の色度座標との色差ΔＥｕ’ｖ’が０．０１以内である
ことを特徴とする照明装置。
【請求項２】
半導体発光素子からの発光で励起されて青、緑、赤の領域にそれぞれ波長変換する３種類の蛍光体として、以下の（１）〜（３）の蛍光体を含有することを特徴とする請求項１に記載の照明装置。
（１）３８０ｎｍ〜４２０ｎｍの波長範囲で励起可能であり、主発光ピークのピーク波長が４５０ｎｍ〜４６０ｎｍであり、重量メジアン径が１０μｍ〜１２μｍである青色蛍光体。
（２）３８０ｎｍ〜４２０ｎｍの波長範囲で励起可能であり、主発光ピークのピーク波長が５２０ｎｍ〜５３０ｎｍであり、重量メジアン径が１８μｍ〜２２μｍである緑色蛍光体。
（３）３８０ｎｍ〜４２０ｎｍの波長範囲で励起可能であり、主発光ピークのピーク波長が６２５ｎｍ〜６３０ｎｍであり、重量メジアン径が８μｍ〜１０μｍである赤色蛍光体。
【請求項３】
複数の砲弾型ＬＥＤが配線基板上に実装されており、かつ該複数の砲弾型ＬＥＤの構造軸が該配線基板面に対して垂直になるように配列されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の照明装置。
【請求項４】
半導体発光素子が、表面に凹凸が加工されたサファイア基板上にＧａＮ系結晶層が該凹凸を覆うように形成されており、該ＧａＮ系結晶相の上に発光層が形成された構造を有するものであることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか一項に記載の照明装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、発光ダイオード（ＬＥＤ）を用いた照明装置に関する。詳しくは、ＬＥＤを複数個集積化してなる白色系（白色ないしパステル色）の照明装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体発光素子を用いたＬＥＤランプなどの照明装置においては、半導体発光素子の表面に蛍光体を塗布したり、ＬＥＤランプを構成する樹脂中に蛍光体粉末を含有させることによって、半導体発光素子本来の発光色以外の発光色、例えば白色光を得ることが実用化されている。このような照明装置では、中心波長が約４６０ｎｍ付近の青色を発光するＧａＮ系半導体発光素子用いるのが一般的である。すなわち、青色発光のＧａＮ系半導体発光素子の表面に黄色発光のセリウム付活アルミン酸イットリウム（ＹＡＧ）蛍光体で変換して、白色光を得るようにしている。
【０００３】
このような半導体発光素子を用いた照明装置では、励起光である青色が突き抜けてしまうため、照射面の中央部が青色になり、また、その周囲に黄色のリングが生じる等、照射面に色ムラが生じ、均一な白色にならないという問題があった。
【０００４】
この問題を解決するため、特許文献１、特許文献２においては、発光光を外部に放出する凸レンズ形状の中央放射面を有するレンズを設ける方法や、発光光の周辺部分をカットする遮光部材を設ける等の方法が提案されている。
【０００５】
また、特許文献３においては、紫外光を発光する半導体発光素子（ＬＥＤチップ）を用いて、ＬＥＤチップ上に紫外光を吸収して青色光を発光する青色発光蛍光体を含む第１の蛍光体層と、その上に青色光を吸収して黄橙色光を発光する黄橙色光蛍光体を含む第２の蛍光体層を形成する方法が提案されている。
【特許文献１】特開２００５−２１６７８２号公報
【特許文献２】特開２００５−２４３６０８号公報
【特許文献３】特開２０００−１８３４０８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、上記特許文献１、２の方法では、特定構造のレンズや遮光部材を別途設ける等、照明装置の構成が複雑になる。また、上記特許文献３の方法では、赤色成分が不足するため、照射面の演色性が低い。
【０００７】
本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、特定構造のレンズや遮光部材を等の特別な光学部材を用いることがなく構造が簡易であり、照射面において色や輝度にムラやリングを生じることなく、発光の均一性に優れ、かつ、演色性に優れる照明装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は上記課題を解決するものであり、以下を要旨とするものである。
【０００９】
［１］  ３８０ｎｍ〜４２０ｎｍの波長範囲に発光のピークを有する半導体発光素子と、該半導体発光素子からの発光で励起されて青、緑、赤の領域にそれぞれ波長変換する３種類の蛍光体とシリコーン樹脂とを含む発光部とを有し、該発光部の周囲をエポキシ樹脂でモールドした砲弾型ＬＥＤを複数個集積してなる照明装置において、
該ＬＥＤが、
該ＬＥＤの構造軸上での発光色が、ＣＩＥ１９７６ＵＣＳ色度座標（ｕ’，ｖ’）で（０．２１，０．４７）を中心とする半径０．１以内領域の色であって、
該ＬＥＤの１／２指向角をθ１／２とし、ＬＥＤの先端部から構造軸方向で１（ｍ）離した該軸に垂直に立てた白色スクリーンにおいて、構造軸から距離（半径）ｓｉｎ（θ１／２／２）（ｍ）以内の円内における色度座標と前記構造軸上の色度座標との色差ΔＥｕ’ｖ’が０．０１以内である
ことを特徴とする照明装置。
【００１０】
［２］  半導体発光素子からの発光で励起されて青、緑、赤の領域にそれぞれ波長変換する３種類の蛍光体として、以下の（１）〜（３）の蛍光体を含有することを特徴とする［１］に記載の照明装置。
（１）３８０ｎｍ〜４２０ｎｍの波長範囲で励起可能であり、主発光ピークのピーク波長が４５０ｎｍ〜４６０ｎｍであり、重量メジアン径が１０μｍ〜１２μｍである青色蛍光体。
（２）３８０ｎｍ〜４２０ｎｍの波長範囲で励起可能であり、主発光ピークのピーク波長が５２０ｎｍ〜５３０ｎｍであり、重量メジアン径が１８μｍ〜２２μｍである緑色蛍光体。
（３）３８０ｎｍ〜４２０ｎｍの波長範囲で励起可能であり、主発光ピークのピーク波長が６２５ｎｍ〜６３０ｎｍであり、重量メジアン径が８μｍ〜１０μｍである赤色蛍光体。
【００１１】
［３］  複数の砲弾型ＬＥＤが配線基板上に実装されており、かつ該複数の砲弾型ＬＥＤの構造軸が該配線基板面に対して垂直になるように配列されていることを特徴とする［１］又は［２］に記載の照明装置。  
【００１２】
［４］  半導体発光素子が、表面に凹凸が加工されたサファイア基板上にＧａＮ系結晶層が該凹凸を覆うように形成されており、該ＧａＮ系結晶相の上に発光層が形成された構造を有するものであることを特徴とする［１］ないし［３］のいずれかに記載の照明装置。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、構造が簡易であり、照射面において色や輝度にムラやリングを生じることなく、発光の均一性に優れ、かつ、演色性に優れる照明装置を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下、本発明の各要素について詳細に説明するが、本発明は以下の説明に限定されるものではなく、その要旨の範囲内において種々に変更して実施することができる。
【００１５】
本発明の照明装置は、３８０ｎｍ〜４２０ｎｍの波長範囲に発光のピークを有する半導体発光素子と、該半導体発光素子からの発光で励起されて青、緑、赤の領域にそれぞれ波長変換する３種類の蛍光体と、シリコーン樹脂とを含む発光部とを有し、該発光部の周囲をエポキシ樹脂でモールドした砲弾型ＬＥＤを複数個集積してなるものである。
【００１６】
［半導体発光素子］
半導体発光素子の発光ピーク波長は、蛍光体の励起効率、延いては蛍光体の励起光から蛍光への変換効率と関係する重要な要素であり、本発明においては、３８０ｎｍ〜４２０ｎｍ、好ましくは４００ｎｍ〜４１０ｎｍの波長範囲に発光のピークを有する半導体発光素子を用いる。この発光ピーク波長を選択して使用するのは、ＩｎＧａＮを発光層に用いた半導体発光素子において、発光効率が高く、かつ一般的に蛍光体の励起効率が高い波長域であることによる。
【００１７】
本発明では、外部量子効率が５％以上、特に７％以上のＧａＮ系半導体発光素子を用いることが好ましい。
【００１８】
上記の発光ピーク波長を有するＧａＮ系半導体発光素子としては、ＩｎＧａＮ系材料からなる発光層を含んで構成された発光部を有するものが挙げられる。この発光部は、例えば（ｎ型クラッド層／量子井戸構造／ｐ型クラッド層）など、電流注入によって光を発生し得るようにｐ型層とｎ型層とを有して構成され、発光に係る層（発光層）を持つ。発光層は、量子井戸構造における井戸層である。好ましい発光部の構造としては、単一量子井戸（ＳＱＷ）構造、多重量子井戸（ＭＱＷ）構造、またはダブルヘテロ（ＤＨ）構造が挙げられ、なかでもＭＱＷ構造が、高出力、高効率の点で特に好ましい。
【００１９】
本発明に好ましい半導体発光素子の素構造例としては、サファイア基板上に、ＧａＮ系低温成長バッファ層を介して、順に、ｎ型コンタクト層、発光部（ｎ型クラッド層／ＭＱＷ／ｐ型クラッド層）、ｐ型コンタクト層が気相成長によって積層され、各コンタクト層に、ｎ−電極、ｐ−電極が設けられたものである。また、さらに、サファイア基板の上面に、後述のＬＥＰＳ法を実施するための凹凸が形成されていることが特に好ましい。
【００２０】
発光層の材料として用いるＩｎＧａＮ系とは、上記したＧａＮ系のなかでも、Ｉｎ組成、Ｇａ組成を必須に含む化合物半導体であって、ＩｎＡＧａ１−ＡＮ（０＜Ａ＜１）で示されるものが挙げられ、その他、これにさらにＡｌ組成が加えられたものであってもよい。ＩｎＡＧａ１−ＡＮの組成は、上記発光ピーク波長が得られるように決定すればよいが、ＩｎＡＧａ１−ＡＮ（０．００５≦Ａ≦０．２２）は、出力が大きく好ましい材料である。
【００２１】
以上のことから、本発明の照明装置で用いる半導体発光素子としては、発光ピーク波長が３８０ｎｍ〜４２０ｎｍとなるように決定されたＩｎＡＧａ１−ＡＮを井戸層とするＭＱＷ構造の半導体発光素子（ＩｎＧａＮ紫外半導体発光素子）が、好ましい。さらに、ＩｎＡＧａ１−ＡＮを井戸層とするＭＱＷ構造のなかでも、ＩｎＡＧａ１−ＡＮ井戸層とＧａＮ障壁層とからなるＭＱＷ構造は、高出力、高効率が得られる構造であり、好ましい。
【００２２】
ＧａＮ系半導体発光素子を形成するためのＧａＮ系結晶層の成長方法としては、ＨＶＰＥ法、ＭＯＶＰＥ法、ＭＢＥ法などが挙げられる。厚膜を作製する場合はＨＶＰＥ法が好ましいが、薄膜を形成する場合はＭＯＶＰＥ法やＭＢＥ法が好ましい。
【００２３】
ＧａＮ系系半導体発光素子の素子構造のべースとして用いられる結晶基板は、ＧａＮ系結晶が成長可能なものであればよい。好ましい結晶基板としては、例えば、サファイア（Ｃ面、Ａ面、Ｒ面）、ＳｉＣ（６Ｈ、４Ｈ、３Ｃ）、ＧａＮ、ＡｌＮ、Ｓｉ、スピネル、ＺｎＯ、ＧａＡｓ、ＮＧＯなどが挙げられる。また、これらの結晶を表層として有する基材であってもよい。なお、基板の面方位は特に限定されず、更にジャスト基板でも良いしオフ角を付与した基板であっても良い。
【００２４】
結晶基板上にＧａＮ系結晶層からなる素子構造を成長させるに際しては、必要に応じてバッファ層を介在させてよい。好ましいバッファ層としては、ＧａＮ、ＡｌＮ、ＩｎＮなどによるＧａＮ系低温成長バッファ層が挙げられる。
【００２５】
ＧａＮ系半導体発光素子のさらなる高出力化・高効率化のために、これらの結晶基板上に成長するＧａＮ系結晶層の転位密度を低減させる構造を適宜導入してよい。転位密度低減のための構造としては、例えば次のものが挙げられる。
（ｉ）従来公知の選択成長法（ＥＬＯ法）を実施し得るように、結晶基板上にマスク層（ＳｉＯ２などが用いられる）をストライプパターンなどとして形成した構造。
（ii）ＧａＮ系結晶がラテラル成長やファセット成長をし得るように、結晶基板上に、ドット状、ストライプ状の凹凸加工を施した構造。
これらの構造とバッファ層とは、適宜組合せて採用することができる。
【００２６】
上記転位密度低減のための構造のなかでも、上記（ii）の凹凸加工を施した構造は、マスク層を用いない好ましい構造であって、ＧａＮ系半導体発光素子のさらなる高出力化・高効率化に寄与し、より好ましい照明装置を得ることができる。
以下、上記（ii）の転位密度低減化構造について説明する。
【００２７】
結晶基板に対する凹凸の加工方法としては、例えば、通常のフォトリソグラフイ技術を用いて、目的の凹凸の態様に応じてパターン化し、ＲＩＥ技術等を使ってエッチング加工を施して目的の凹凸を得る方法などが例示される。
【００２８】
凹凸の配置パターンは、ドット状の凹部（または凸部）が配列されたパターン、直線状または曲線状の凹溝（または凸条（凸尾根））が一定間隔・不定の間隔で配列された、ストライプ状や同心状のパターンなどが挙げられる。凸条が格子状に交差したパターンは、ドット状（角穴状）の凹部が規則的に配列されたパターンとみることができる。また、凹凸の断面形状は、矩形（台形を含む）波状、三角波状、サインカーブ状などが挙げられる。
【００２９】
これら種々の凹凸態様の中でも、直線状の凹溝（または凸条）が一定間隔で配列された、ストライプ状の凹凸パターン（断面矩形波状）は、その作製工程を簡略化できると共に、パターンの作製が容易であり好ましい。
【００３０】
ストライプの長手方向を、これを埋め込んで成長するＧａＮ系結晶にとって〈１−１００〉方向とした場合、凸部の上部から成長を開始したＧａＮ系結晶は、横方向に高速成長し、凹部を空洞として残した状態でＧａＮ系結晶層となりやすい。このような〈１−１００〉方向の凹凸を用いた手法は、ＬＥＰＳ法（Lateral  Epitaxy  on  the  Patterned  Substrate）とも呼ばれる。ただし、ファセット面が形成されやすい成長条件を選ぶ事により、下記の〈１１−２０〉方向の場合と同様の効果を得ることができる。
【００３１】
一方、ストライプの長手方向を、成長するＧａＮ系結晶にとって〈１１−２０〉方向とした場合、横方向成長が抑制され、｛１−１０１｝面などの斜めファセットが形成され易くなり先ず、断面三角形を呈した稜線状の結晶に成長し、凹部に空洞を残さずＧａＮ系結晶層となりやすい。この結果、基板側からＣ軸方向に伝搬した転位がこのファセット面で横方向に曲げられ、上方に伝搬し難くなり、低転位密度領域を形成できる点で特に好ましい。このような〈１１−２０〉方向の凹凸を用いた手法は、上記ＬＥＰＳ法に対して、ファセットＬＥＰＳ法とも呼ぶことができる。
【００３２】
凹凸の断面を矩形波状とする場合の好ましい寸法は次のとおりである。凹溝の幅は、１μｍ〜２０μｍ、特に２μｍ〜２０μｍが好ましい。凸部の幅は、１μｍ〜２０μｍ、特に１μｍ〜１０μｍが好ましい。凹凸の振幅（凹溝の深さ）は、０．２μｍ以上の深さがあれば良い。これらの寸法やそこから計算されるピッチ等は、他の断面形状の凹凸においても同様である。
【００３３】
上記のような転位密度低減化の構造に加えて、発光層で発生した光をより多く外部に取り出すための種々の構造（電極構造、反射層構造、上下を逆に実装し得るフリップチップ構造など）などを適宜設けることが好ましい。
【００３４】
［蛍光体］
本発明の照明装置は、上述のような半導体発光素子からの発光で励起されてそれぞれ青、緑、赤の領域に波長変換する３種類の蛍光体として、好ましくは以下の蛍光体を含有する。
【００３５】
青色蛍光体としては、３８０ｎｍ〜４２０ｎｍの波長範囲で励起可能であり、主発光ピークのピーク波長が４５０ｎｍ〜４６０ｎｍであり、重量メジアン径が１０μｍ〜１２μｍである青色蛍光体を用いることが好ましい。
【００３６】
緑色蛍光体としては、３８０ｎｍ〜４２０ｎｍの波長範囲で励起可能であり、主発光ピークのピーク波長が５２０ｎｍ〜５３０ｎｍであり、重量メジアン径が１８μｍ〜２２μｍである緑色蛍光体を用いることが好ましい。
【００３７】
赤色蛍光体としては、３８０ｎｍ〜４２０ｎｍの波長範囲で励起可能であり、主発光ピークのピーク波長が６２５ｎｍ〜６３０ｎｍであり、重量メジアン径が８μｍ〜１０μｍである赤色蛍光体を用いることが好ましい。
【００３８】
これらの蛍光体が励起可能な波長が、上記範囲より長い場合は砲弾型ＬＥＤや照明装置が暗くなる虞があり、また、短い場合は蛍光体が励起し難くなる虞がある。
【００３９】
蛍光体の重量メジアン径（Ｄ５０）が、上記範囲にある場合は、半導体発光素子から発する光が充分に散乱される。また、半導体発光素子から発する光が充分に蛍光体粒子に吸収されるため、波長変換が高効率に行われると共に、蛍光体から発せられる光が全方向に照射される。これにより、３種類の蛍光体からの光を混色して白色にすることができると共に、均一な白色が得られるため、本発明の照明装置による照射面において、均一な白色光と照度が得られる。
【００４０】
蛍光体の重量メジアン径（Ｄ５０）が、上記範囲より大きい場合は、蛍光体が発光部の空間を充分に埋めることができないため、半導体発光素子からの光が充分に蛍光体に吸収されない虞がある。また、  蛍光体の重量メジアン径（Ｄ５０）が、上記範囲より小さい場合は、蛍光体の発光効率が低下するため、砲弾型ＬＥＤや照明装置の照度が低下する虞がある。
【００４１】
また、青色蛍光体の主発光ピークのピーク波長が、４５０ｎｍより短い場合は視感度が低下するため照明装置の照度が低下する（暗くなる）虞があり、４６０ｎｍより長い場合は照明装置の演色性が低下する虞がある。緑色蛍光体の主発光ピークのピーク波長が、５２０ｎｍより短い場合は視感度が低下するため照明装置の照度が低下する（暗くなる）虞があり、５３０ｎｍより長い場合は照明装置の演色性が低下する虞がある。赤色蛍光体の主発光ピークのピーク波長が、６２５ｎｍより短い場合は照明装置の演色性が低下する虞があり、６３０ｎｍより長い場合は視感度が低下するため照明装置の照度が低下する（暗くなる）虞がある。
【００４２】
本発明に用いられる蛍光体は、上記の特性を満足するものであれば特に限定されないが、酸化物蛍光体又は窒化物蛍光体が化学的に安定であるため、半導体発光素子および照明装置の寿命が長くなるので好ましい。
【００４３】
本発明の照明装置に用いられるこれらの蛍光体の量は、本発明の照明装置の特性を満足するよう適宜選択することができるが、発光部に含まれる蛍光体の全量を１００重量部とした場合、通常、青色蛍光体：緑色蛍光体：赤色蛍光体＝５重量部〜９５重量部：５重量部〜９５重量部：５重量部〜９５重量部、好ましくは青色蛍光体：緑色蛍光体：赤色蛍光体＝１０重量部〜９０重量部：１０重量部〜９０重量部：１０重量部〜９０重量部であることが望ましい。この範囲を外れた場合は、充分な照度が得られない虞がある。
【００４４】
［発光部］
本発明の照明装置の発光部は、上記蛍光体と封止材としてのシリコーン樹脂を含有するものである。即ち、封止部材としては、半導体発光素子からの励起光（ピーク波長３８０ｎｍ〜４２０ｎｍ）に対して充分な透明性と耐久性のある樹脂が好ましく、従って、本発明では封止材としてシリコーン樹脂を用いる。
【００４５】
発光部に含まれる蛍光体の量は、発光部の総重量に対して２０重量％〜３０重量％であることが好ましい。ここで、発光部の重量とは、発光部に含まれる蛍光体の総重量、封止材であるシリコーン樹脂の重量、必要に応じて添加される粘度調整剤等の添加剤の重量の総和をいう。
【００４６】
［砲弾型ＬＥＤ］
本発明の照明装置は、発光部の周囲を、エポキシ樹脂で砲弾型にモールドした砲弾型ＬＥＤを複数個集積してなるものである。
【００４７】
発光部の周囲を砲弾型にモールドする樹脂としては、可視光透光性の樹脂が好ましく、従って、本発明ではエポキシ樹脂を用いる。
【００４８】
本発明における砲弾型ＬＥＤは、後述の如く、ＣＩＥ１９７６ＵＣＳ色度座標（ｕ’，ｖ’）で（０．２１，０．４７）を中心とする半径０．１以内領域の色となるように前記青色蛍光体、緑色蛍光体及び赤色蛍光体が配合されたものである。
【００４９】
なお、本発明の照明装置は、砲弾型ＬＥＤを複数個集積することにより構成されるものであるが、集積する砲弾型ＬＥＤの数及び配置は、設計される照明装置の大きさ、要求される照度に応じて適宜選択することができる。
【００５０】
［照明装置］
本発明の照明装置は、砲弾型ＬＥＤの構造軸上での発光色が、ＣＩＥ１９７６ＵＣＳ色度座標（ｕ’，ｖ’）で（０．２１，０．４７）を中心とする半径０．１以内領域の色であって、該ＬＥＤの１／２指向角をθ１／２とした場合、ＬＥＤの先端部から構造軸方向で１（ｍ）離した該軸に垂直に立てた白色スクリーンにおいて、構造軸から距離（半径）ｓｉｎ（θ１／２／２）（ｍ）以内の円内における色度座標と前記構造軸上の色度座標との色差ΔＥｕ’ｖ’が０．０１以内であることを特徴とするものである。
【００５１】
＜１／２指向角θ１／２＞
本発明における、１／２指向角θ１／２とは、以下の通り定義されるものである。
【００５２】
まず、θとは図１に示したとおり、ＬＥＤ１の設計上の構造軸Ｌからの傾斜角を現す。
この構造軸Ｌは、ＬＥＤの構造や寸法により決定される軸であり、厳密には図１に示した最大光度軸（光度が最大となる方向）Ｌ１や光軸（光学的軸：ＬＥＤの配向パターンの中心方向）Ｌ２とはずれている場合が多いが、本発明においてはこの最大光度軸Ｌ１や光軸Ｌ２と構造軸Ｌとの差が小さいことが好ましい。
また、φは、図１に示したとおり、構造軸回りの角度と定義する。
【００５３】
１／２指向角θ１／２とは、釣鐘状の配光を持つ光源において、光源の配光特性を、中央（θ，φ）＝（０，０）からθの絶対値が増加するに従って円対称に凸型に減衰する配光として近似し、中央（θ，φ）＝（０，０）を最大光度とした場合に、−１８０＜θ＜１８０（度）の範囲、好ましくは−９０＜θ＜９０（度）の範囲において、最大光度より１／２となる光度角−θｈａｌｆと光度角＋θｈａｌｆまでの角度のことであり、
θ１／２＝２×｜±θｈａｌｆ｜
と定義する。
【００５４】
光源としては、光度のθに対する分布において、θ＝０が最大値ではないもの、例えば中央部にくぼみがあるダブルポーラ型配光のものが存在するが、本発明においては、このようなダブルポーラ型配光のＬＥＤは対象外とする。
【００５５】
また、本発明においては、光源の配光特性は、構造軸に対して「円対称性」があることがさらに好ましい。
【００５６】
＜照明の色及び照射面における色分離の程度＞
次に、本発明における照明の色及び照射面における色分離の程度に関して説明する。
【００５７】
一般的に照明においては物体の色を正しく観測者が知覚できるように、できるだけ白色でかつ演色性が高いものが求められる。例えば赤色灯や黄色灯、あるいはナトリウムランプ灯下では物体の色が正しくは知覚され得ない。そこで、本発明の照明装置の照明の色としては、白色あるいは白色周辺色であるパステル色が好ましい。白色あるいは白色周辺色とは漠としているため、本発明ではＬＥＤの構造軸上、すなわち（θ、φ）＝（０，０）上で、ＣＩＥ１９７６ＵＣＳ色度座標（ｕ’，ｖ’）＝（０．２１，０．４７）を白色として、また白色周辺色として、前記色度座標変面において（ｕ’，ｖ’）＝（０．２１，０．４７）を中心とする半径０．１以内領域の色、好ましくは（ｕ’，ｖ’）＝（０．２１０５，０．４７３７）を中心とする半径０．１以内領域の色、好ましくは半径０．０５以内領域の色とする。
【００５８】
この照明色は、前述の青色、緑色、赤色の蛍光体の混合の比率を調整することにより実現される。例えば、赤色の蛍光体の分量を多くすれば白色周辺色の赤色味を帯びた色となる。
【００５９】
また、白色を照射された面内において照明側の色が分離してしまうと、物体色を正しく知覚できなくなる。とりわけこの色分離は、波長４３０ｎｍ以上の青色の半導体発光素子からの光と、この光で励起され黄色あるいは緑色と赤色に発光する蛍光体を用い、励起光の青色と蛍光体の発光色とを混色させることで得られる、いわゆる白色ＬＥＤで生じやすい。なぜならば、励起光である青色と蛍光体の発光の配光特性が異なるため混色の程度が悪いからである。本発明での白色ないし白色周辺色であるパステル色は、励起光との混色でなされるのではなく、すべて前述した半導体発光素子からの励起光によって、青色、緑色、赤色に発光する蛍光体からの発光で混色されてなる。そのため、色毎の配光が概ね同一となるため混色の程度が良好となる。
【００６０】
本発明の色分離のなさ、あるいは混色の程度を現す指標として、前述した１／２指向角をθ１／２、ＬＥＤの先端部から構造軸方向（θ＝０）で１（ｍ）離した該軸に垂直に立てた白色スクリーンにおいて、構造軸（θ＝０）から距離（半径）ｓｉｎ（θ１／２／２）（ｍ）以内の円内における前記構造軸上の色度座標との色差ΔＥｕ’ｖ’を用いる。
【００６１】
ここで、白色スクリーンとは平面であり面内で概ね白色のスクリーンであり、本発明においては、光源から得られるスペクトルと、該光源をスクリーンに向けて照射した時にスクリーンからの反射で得られたスペクトルの形状が、実用上一致しているものであれば特に限定されない。従って、例えば蛍光増白剤などをスクリーン内に含有させ、光源からの短波長成分を吸収して青色成分に蛍光を持たせるようにし見た目の白色度を向上させたものなどは不適である。また、市販の映像用のスクリーンなどには、完全拡散に近い拡散型スクリーン（ホワイト系）、入射光と同一方向に反射する回帰型スクリーン（ビーズ系）、入射光に対して反対方向に反射する反射型スクリーン（パール・シルバー系）などあり、さらに反射防止や表面に微細なレンズ加工などを施した物等があるが、本発明においては、入射角０°での照射面の色差が重要であるため、前述したようにスペクトルに歪みを生じさせない限りにおいては反射特性は限定されない。また、スクリーンの表面粗さは照射面に影が生じなければ特に限定されない。また、スクリーンのサイズと平面性としては、前述のθ１／２を用いてｓｉｎ（θ１／２／２）（ｍ）の円が充分に収まるサイズであり、また少なくともこの円の直径に対して１％程度までの歪みや曲りは許容されるものとする。
【００６２】
本発明に係る白色スクリーンとしては、具体的には、蛍光増白剤などを使用していないスクリーン、例えば蛍光増白剤無添加のＰＰＣ用紙などを用いることができる。
【００６３】
また、ΔＥｕ’ｖ’は下記（１）式で与えられる。
ΔＥｕ’ｖ’＝√{（ｕ０−ｕ１）２＋（ｖ０−ｖｘ）２}              式（１）
式（１）中、ｕ０，ｖ０は、照射面でのθ＝０の点におけるＵＣＳ色度座標、ｕｘ，ｖｘは、照射面内でのある点Ｘ（θ、φ）θ≠０，φ≠０におけるＵＣＳ色度座標である。
【００６４】
本発明においては、この色差ΔＥｕ’ｖ’が構造軸（θ＝０）から距離ｓｉｎ（θ１／２／２）（ｍ）以内の円内において０．０１０以内であることが好ましく、さらに好ましくは０．００９以内である。
【００６５】
また、本発明の照明の照度に関しても、照射されている物体の色や形を正しく観測者が知覚できるように、照射されている一定範囲において照度がより均一であることが求められる。ここで一定の範囲とは、前述した色分離が少ない範囲、つまり１／２指向角をθ１／２、ＬＥＤの先端部から構造軸方向（θ＝０）で１（ｍ）離した該軸に垂直に立てた白色スクリーンにおいて、構造軸（θ＝０）から距離（半径）ｓｉｎ（θ１／２／２）（ｍ）以内の円内とする。
【００６６】
本発明において、好ましい照度の均一性としては、前述の範囲内における照度の（最小値／最大値）が０．９以上であり、さらに好ましくは０．９１以上である。
【００６７】
＜ＬＥＤの配列＞
以上のＬＥＤを複数用いた光源モジュールを照明として用いることで、本発明の効果が実現されるが、本発明の照明装置に集積された複数の砲弾型ＬＥＤ間の構造軸が不揃いであると、複数の砲弾型ＬＥＤからの発光の合成光が当たる照射面において照度の均一性が得られ難くなる。特に、ＬＥＤ間の距離が離れた場合は照度の均一性を得ることが困難となる。そこで、本発明においては、複数の砲弾型ＬＥＤの構造軸が、いずれもＬＥＤを実装する配線基板面に対し垂直になるように配列されていることが好ましい。
【００６８】
なお、前述の如く、本発明の照明装置は、砲弾型ＬＥＤを複数個集積することにより構成されるものであるが、集積する砲弾型ＬＥＤの数及び配置は、設計される照明装置の大きさ、要求される照度に応じて適宜選択することができる。
【実施例】
【００６９】
以下、実施例を用いて本発明をより具体的に詳説明するが、本発明はその要旨を超えない限り、以下の実施例に限定されるものではない。
【００７０】
［実施例及び比較例］
半導体発光素子、封止部材、蛍光体として以下のものを用いて、以下のＬＥＤを作製し、このＬＥＤ及びこれを複数集積した照明装置の評価を行った。
【００７１】
＜半導体発光素子＞
半導体発光素子（以下、ベアチップ或いはチップと言う）としては、ピーク波長が４０５ｎｍ、半値幅３０ｎｍのＩｎＧａＮ半導体を発光層にしたものを用いた。このベアチップの主な仕様は次のとおりであり、以下のようにして作製した。
発光部の構造：ＩｎＧａＮ井戸層／ＧａＮ障壁層を６ペア積層したＭＱＷ構造
転位密度低減化の手法：ファセットＬＥＰＳ法
ベアチップの外形：３５０μｍ×３５０μｍ方形
【００７２】
Ｃ面サファイア基板上にフォトレジストによるストライプ状のパターニングを行い、ＲＩＥ装置で１．５μｍの深さまで断面方形となるようエッチングし、表面がストライプ状パターンの凹凸となった基板を得た。該パターンの仕様は、凸部幅３μｍ、周期６μｍ、ストライプの長手方向は、基板上に成長するＧａＮ系結晶にとって〈１１−２０〉方向とした。
【００７３】
フォトレジストを除去後、通常の横型常圧の有機金属気相成長装置（ＭＯＶＰＥ）に基板を装着し、窒素ガス主成分雰囲気下で１１００℃まで昇温し、サーマルクリーニングを行った。温度を５００℃まで下げ、ＩＩＩ族原料としてトリメチルガリウム（以下、ＴＭＧと言う。）を、Ｎ原料としてアンモニアを流し、表面凹凸を形成したＣ面サファイア基板上に厚さ３０ｎｍのＧａＮ低温成長バッファ層を成長させた。
【００７４】
続いて、温度を１０００℃に昇温し、原料（ＴＭＧ、アンモニア）、ドーパント（シラン）を流し、ＧａＮ低温成長バッファ層上にｎ型ＧａＮ層（コンタクト層）を成長させた。このときのＧａＮ層の成長は、凸部の上面、凹部の底面から、断面山形でファセット面を含む尾根状の結晶として発生した後、凹部内に空洞を形成することなく、全体を埋め込む成長であった。
【００７５】
ファセット構造を経由して平坦なＧａＮ埋め込み層を成長し、続いて、ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層、ＩｎＧａＮ発光層（ＭＱＷ構造）、ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層、ｐ型ＧａＮコンタクト層を順に形成し、発光波長４０５ｎｍのＬＥＤ用エピ基板とし、さらに、ｎ型コンタクト層を表出させるためのエッチング加工、電極形成、３５０μｍ×３５０μｍのチップへと素子分離を行い、ベアチップ状態のＬＥＤを得た。
【００７６】
＜封止部材＞
両末端シラノールジメチルシリコーンオイル（東芝シリコーン社製ＸＣ９６−７２３）５０ｇ、フェニルトリメトキシシラン５．０ｇ、及び、触媒としてジルコニウムテトラｎ−プロポキシド溶液（ジルコニウムテトラｎ−プロポキシドの７５重量％ｎ−プロパノール溶液５重量部をトルエン９５重量部で希釈したもの）１１ｇを、室温・大気圧下において１５分間撹拌し、初期加水分解を行なった後、５０℃に加熱しながら更に８時間撹拌を続けた。その後、反応液を室温まで冷却してから、減圧加熱条件（５０℃、１ｍＰａ）下で３０分間保持することにより、シリコーン系封止部材形成液を得た（これを以下適宜「封止部材形成液Ａ」という。また、この封止部材形成液Ａを硬化させたものを適宜「封止部材」という。）。なお、封止部材形成液Ａの加水分解率は１４８％である。
【００７７】
＜蛍光体＞
蛍光体として以下の蛍光体を用いた。
青色蛍光体：Ｂａ０．７Ｅｕ０．３ＭｇＡｌ１０Ｏ１７、主発光ピークのピーク波長４５７ｎｍ、重量メジアン径１１μｍ
緑色蛍光体：Ｂａ１．３９Ｓｒ０．４６Ｅｕ０．１５ＳｉＯ４、主発光ピークのピーク波長５２５ｎｍ、重量メジアン径２０μｍ
赤色蛍光体：Ｓｒ０．７９２Ｅｕ０．００８Ｃａ０．２ＡｌＳｉＮ３、主発光ピークのピーク波長６２８ｎｍ、重量メジアン径９μｍ
【００７８】
＜実施例用の砲弾型ＬＥＤ＞
（砲弾型ＬＥＤの作成）
銀メッキした銅製のリードフレームの先端にカップを有するマウントリードに、前述のベアチップをダイボンディングした。その後、チップの電極部のマウントリード及びインナーリードをそれぞれ直径３０ｎｍの金線でワイヤーボンドして電気的導通を取った。次に、このチップを設けたマウントリードのカップ凹部内に、マイクロピペットを用いて、下記組成となるように各色蛍光体と粘度調整のためのチクソ剤を前記封止部材形成液Ａに分散させた液体を、カップ部の上縁より約１５０μｍ盛り上がるように滴下した。次いで、１２０℃で１時間、続いて１５０℃で３時間保持して、この封止部材を硬化させて発光部を形成した。
【００７９】
｛発光部形成用液の組成（重量％：すべて固形分濃度）｝
封止部材形成液Ａ              ：６５
チクソ剤（アエロジルＲ９２８）：  ９
蛍光体総量                    ：２６
以下、前記蛍光体総量を１００とした場合の重量％
赤色蛍光体                ：  ８．７
緑色蛍光体                ：  ９．２
青色蛍光体                ：８２．１
【００８０】
さらに、この発光部と透光性のエポキシ樹脂を外径５ｍｍの砲弾型の型枠に流し込み、１５０℃で５時間保持してエポキシ樹脂を硬化させて、砲弾型ＬＥＤを作成した。なおこの砲弾型ＬＥＤの断面形状は図２の通りであり、このＬＥＤの構造軸は砲弾の円柱部の中心と出射端部の中心を結んだ直線であった。
【００８１】
（砲弾型ＬＥＤの測定）
直流定電流電源を用いて、作成された砲弾型ＬＥＤの基本的特性を測定したところ、駆動電流２０ｍＡのとき順方向電圧（Ｖｆ）＝３．４Ｖであった。
この条件のときの光束、輝度と色度をラボスフェア製の全光束分光測定システム（ＳＬＭＳ−１０２１−Ｓ。積分球の大きさ１０インチ）で測定した結果、光束は７．５（ｍＷ）、輝度は２．１（ｌｍ）、色度はｕ’＝０．２１２９，ｖ’＝０．５０７８であった。
また、計測したスペクトルから平均演色性指数Ｒａを求めたところ９５であった。
【００８２】
（１／２指向角θ１／２の測定）
１／２指向角θと構造軸回りの角度φをそれぞれを変更して光強度（照度ｌｘ）が測定できる全空間配光測定装置を用いて、作成された砲弾型ＬＥＤについて、５０ｃｍの距離で光強度の分布を求め、そこから１／２指向角θ１／２を求めた。なお、φ＝０は、装置上の水平面とした。φ＝０°、３０°、６０°、９０°の測定結果を図３に示した。
この結果から、本実施例の砲弾型ＬＥＤでは、ほぼ構造軸に対して真円対称性が確保できていることが分かる。
また、θ＝０°におけるそれぞれの角度φにおける照度を平均した値の１／２の値になる角度、つまりθｈａｌｆを求めた。その結果、θｈａｌｆは１４°であった。従って、本実施例の砲弾型ＬＥＤの１／２指向角θ１／２は２８°と求まった。
【００８３】
（照射面特性）
図４に模式的に示したように、ＬＥＤ４２の先端部から構造軸４３の方向（θ＝０）で１．０（ｍ）離した該軸４３に垂直に立てた白色スクリーン（蛍光増白剤含まないＡ３のＰＰＣ用紙）４１において、構造軸（θ＝０）４３から距離ｓｉｎ（１４°）＝０．２４（ｍ）の円内における、各曲座標で、φ＝０，３０，６０，９０でθ≦１４°以下１°刻みにおける各点の色度と照度を、各測定点（図４において、黒丸で示す。）から４５°の入射角にて分光放射輝度計（コニカミノルタ社製ＣＳ−１０００）４４で測定した結果を表１に示した。
また、θ＝０の点、つまり照射面での構造軸上の点のＵＣＳ色度座標（ｕ０，ｖ０）と各（θ、φ）におけるＵＣＳ色度座標（ｕ’，ｖ’）の色差ΔＥｕ’ｖ’も表１に記載した。
【００８４】
【表１】
2008010470.tif 000003
【００８５】
＜比較例用の砲弾型ＬＥＤ＞
比較例の砲弾型ＬＥＤとして、市販の青色励起で黄色蛍光体（ＹＡＧ）による直径５ｍｍの砲弾型である、ＮＳＰＷ５００（日亜化学工業社製）を用いた。
このＬＥＤの配光分布を実施例のＬＥＤと同様に測定し、φ＝０，３０，６０，９０°での照度の平均値を図５に示した。この図から逆に１／２指向角θ１／２を求めたところ、１０°であった。なお、図５には、前記実施例用のＬＥＤにおけるφ＝０，３０，６０，９０°での照度の平均値も図示した。その結果、このＬＥＤのθｈａｌｆは１１°であった。従って、この砲弾型ＬＥＤの１／２指向角θ１／２は２２°と求まった。
【００８６】
表２に、このＬＥＤの照射面特性（φ＝０）を、実施例用のＬＥＤと同様に測定した結果を記載した。
また、実施例用のＬＥＤと比較例用のＬＥＤとの差異が明確に分かるように、図６に実施例用のＬＥＤと比較例用のＬＥＤにおける各θでのΔＥｕ’ｖ’をプロットしたグラフを示した。
【００８７】
【表２】
2008010470.tif 000004
【００８８】
＜集積化＞
１０ｃｍ角のユニバーサル基板上に等間隔で５×５列になるよう２５個の実施例用の砲弾型ＬＥＤを、構造軸が基板に対し垂直になるよう集積化し、照明装置を作成した。なお、配線は全て直列とした。点灯は最大３５０Ｖの直流定電流電源を用い、２０ｍＡ定電流駆動した。
比較例用の砲弾型ＬＥＤ２５個も上記と同様に集積化して照明装置を作成した。
【００８９】
＜照明装置の評価＞
実施例及び比較例の照明装置の照度分布を測定するために、照明装置の砲弾型ＬＥＤを配置させた配線板基板と平行に、すなわち各砲弾型ＬＥＤの構造軸に対しては垂直に、砲弾型ＬＥＤの先端部から１ｍ離した所にスクリーンをたて、照度計により水平面照度を測定した。
実施例、比較例とも中心での照度を１００％に規格した結果を、中心からの距離に対してプロットしたものを図７に示した。
この結果から、実施例の照明装置の方が、比較例の照明装置よりも照射面において照度が均一であることが分かった。
【００９０】
次に、同一の照射面においての色の均一性を実施例と比較例で比較した。
実施例の照明装置では、照射面において肉眼で識別できる色むらは存在しないが、比較例の照明装置では、励起光の青色がそのまま反映され青色に見える部分と、その周囲に楕円状に黄色部位が広がるのが交互に繰り返されるパターンが照射面で肉眼で識別できるほどの不均一性が存在した。
また、おもちゃの自動車（赤色２台、緑１台、水色１台）を木目の見える木の台上にのせたものを照射対象物として、実施例の照明装置及び比較例の照明装置でそれぞれ照らした時の対象物の見え方に関して評価を行った。
なお、実施例と比較例以外での照明による影響を排除するために暗室下で評価を実施した。その結果を表３に示した。
【００９１】
【表３】
2008010470.tif 000005
【００９２】
表３より、実施例の照明装置は、比較例の照明装置に比べて、照射されている物体の色や形を正しく観測者に知覚させることができる優れた照明装置であることが分かる。
【図面の簡単な説明】
【００９３】
【図１】ＬＥＤの２／１指向角θ１／２を説明する説明図である。
【図２】実施例で作成した砲弾型ＬＥＤの形状と構造軸を示す断面図である。
【図３】実施例用のＬＥＤの配光特性を示すグラフである。
【図４】ＬＥＤの照射面における色度と照度の測定方法を説明する模式図である。
【図５】実施例用のＬＥＤと比較例用のＬＥＤの配光特性を示すグラフである。
【図６】実施例用のＬＥＤと比較例用ＬＥＤの各θでのΔＥｕ’ｖ’をプロットしたグラフである。
【図７】実施例の照明装置と比較例の照明装置の水平面照度を示すグラフである。
【符号の説明】
【００９４】
１  ＬＥＤ
１１  砲弾型ＬＥＤ
Ｌ，Ｌ１１  構造軸
Ｌ１  最大光度軸
Ｌ２  光軸（光学的軸）
θ  構造軸からのビームの広がり角（傾斜角）
φ  構造軸回りの角度
４１  白色スクリーン
４２  ＬＥＤ
４３  構造軸
４４  分光放射輝度計
４５  φ
４６  θ
【図１】
2008010470.tif 000006
【図２】
2008010470.tif 000007
【図３】
2008010470.tif 000008
【図４】
2008010470.tif 000009
【図５】
2008010470.tif 000010
【図６】
2008010470.tif 000011
【図７】
2008010470.tif 000012
【手続補正書】
【提出日】平成18年6月28日(2006.6.28)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００７９
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００７９】
｛発光部形成用液の組成（重量％：すべて固形分濃度）｝
封止部材形成液Ａ              ：６５
チクソ剤（アエロジルＲＸ２００）：  ９
蛍光体総量                    ：２６
以下、前記蛍光体総量を１００とした場合の重量％
赤色蛍光体                ：  ８．７
緑色蛍光体                ：  ９．２
青色蛍光体                ：８２．１