(57)【要約】【課題】  従来の発光ダイオード素子と蛍光体とを組み合わせた発光デバイスにおいて、量産に適した簡易な構成でありながら、発光色又は発光強度が方向によって均一な発光ダイオード灯具を提供することができなかった。【解決手段】  略一定の厚さの波長変換層の立体的形状を、発光ダイオード素子からの発光の放射照度が略一定である面に沿って形成し、発光ダイオード素子と組み合わせる。一定の放射照度と一定の蛍光体層厚からは一定の色又は強度の発光を観測できる。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも一つの発光ダイオード素子を含む光源と、
前記光源の発光ダイオード素子を覆う樹脂製の透光性カバーと、
前記発光ダイオード素子からの発光によって励起されて前記発光ダイオード素子の発光波長より長波長の光を蛍光として発する波長変換層と、を有し、
前記波長変換層は、前記透光性カバーの内面に形成されてなり、かつ、
略一定の厚さを持ち、かつ、
前記光源からの発光の放射照度が略一定である面に沿って形成された形状であること、
を特徴とする発光ダイオード灯具。
【請求項２】
少なくとも一つの発光ダイオード素子を含む光源と、
前記光源の発光ダイオード素子を覆う樹脂製の透光性カバーと、
前記発光ダイオード素子からの発光によって励起されて前記発光ダイオード素子の発光波長より長波長の光を蛍光として発する波長変換層と、を有し、
前記波長変換層は、前記透光性カバーの外面に形成されてなり、かつ、
略一定の厚さを持ち、かつ、
前記光源からの発光の放射照度が略一定である面に沿って形成された形状であること、
を特徴とする発光ダイオード灯具。
【請求項３】
少なくとも一つの発光ダイオード素子を含む光源と、
前記光源の発光ダイオード素子を覆う樹脂製の透光性カバーと、
前記発光ダイオード素子からの発光によって励起されて前記発光ダイオード素子の発光波長より長波長の光を蛍光として発する波長変換層と、を有し、
前記波長変換層は、前記透光性カバーを構成する材料の内部に含まれており、かつ、
略一定の厚さを持ち、かつ、
前記光源からの発光の放射照度が略一定である面に沿って形成された形状であること、
を特徴とする発光ダイオード灯具。
【請求項４】
少なくとも一つの発光ダイオード素子を含む光源と、
前記発光ダイオード素子からの発光によって励起されて前記発光ダイオード素子の発光波長より長波長の光を蛍光として発する蛍光性樹脂製の波長変換層と、を有し、
前記波長変換層は、略一定の厚さを持ち、かつ、
前記光源からの発光の放射照度が略一定である面に沿って形成された形状であること、
を特徴とする発光ダイオード灯具。
【請求項５】
前記発光ダイオード素子の放射照度は、ランバーシアン特性をとること、
を特徴とする請求項１から請求項４に記載の発光ダイオード灯具。
【請求項６】
前記光源が、更に、前記発光ダイオード素子に、所定の指向特性を与えるための光学要素が光学的に結合したものによって形成されていること、
を特徴とする請求項１から請求項４に記載の発光ダイオード灯具。
【請求項７】
前記光学要素は、レンズ又はプリズムのいずれかであること、
を特徴とする請求項６に記載の発光ダイオード灯具。
【請求項８】
前記発光ダイオード素子は樹脂で封止されていること、
を特徴とする請求項１又から請求項５に記載の発光ダイオード灯具。
【請求項９】
前記発光ダイオード素子は複数あり、かつ、拡散材を含む樹脂で封止されていること、
を特徴とする請求項１から請求項４に記載の発光ダイオード灯具。
【請求項１０】
前記透光性カバーは、外面が粗面化されていること、
を特徴とする請求項１又は請求項３に記載の発光ダイオード灯具。
【請求項１１】
前記波長変換層と、前記光源の間に、着脱自在の構造が含まれること、
を特徴とする請求項１から請求項１０に記載の発光ダイオード灯具。
【請求項１２】
樹脂製の透光性カバーと、
所定の発光ダイオード素子からの発光によって励起されて前記発光ダイオード素子の発光波長より長波長の光を蛍光として発する波長変換層と、を有し、
前記波長変換層は、前記透光性カバーの内面に形成されてなり、かつ、
略一定の厚さを持ち、かつ、
前記発光ダイオード素子からの発光の放射照度が略一定である面に沿って形成された形状であること、
を特徴とする発光ダイオード素子を含む光源を覆うための波長変換カバー。
【請求項１３】
樹脂製の透光性カバーと、
所定の発光ダイオード素子からの発光によって励起されて前記発光ダイオード素子の発光波長より長波長の光を蛍光として発する波長変換層と、を有し、
前記波長変換層は、前記透光性カバーの外面に形成されてなり、かつ、
略一定の厚さを持ち、かつ、
前記光源からの発光の放射照度が略一定である面に沿って形成された形状であること、
を特徴とする発光ダイオード素子を含む光源を覆うための波長変換カバー。
【請求項１４】
樹脂製の透光性カバーと、
所定の発光ダイオード素子からの発光によって励起されて前記発光ダイオード素子の発光波長より長波長の光を蛍光として発する波長変換層と、を有し、
前記波長変換層は、前記透光性カバーを構成する材料の内部に含まれており、かつ、
略一定の厚さを持ち、かつ、
前記光源からの発光の放射照度が略一定である面に沿って形成された形状であること、
を特徴とする発光ダイオード素子を含む光源を覆うための波長変換カバー。
【請求項１５】
蛍光性樹脂製の透光性カバーであって、
前記透光性カバーは、所定の発光ダイオード素子からの発光によって励起されて前記発光ダイオード素子の発光波長より長波長の光を蛍光として発し、かつ、
略一定の厚さを持ち、かつ、
前記光源からの発光の放射照度が略一定である面に沿って形成された形状であること、
を特徴とする発光ダイオード素子を含む光源を覆うための波長変換カバー。
【請求項１６】
前記透光性カバーの外面が粗面化されていること、
を特徴とする請求項１２又は請求項１４に記載の発光ダイオード素子を含む光源を覆うための波長変換カバー。
【請求項１７】
更に、前記波長変換カバーを前記発光ダイオード素子を含む光源が戴置された基体に設置するための着脱可能構造を有すること、
を特徴とする請求項１２から請求項１６に記載の波長変換カバー。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、発光ダイオードに関する。より詳しくは、発光ダイオードと、発光ダイオードの発する光によって励起される蛍光体とを組み合わせた灯具に関する。
【背景技術】
【０００２】
発光ダイオードは、素子単体では赤、橙、緑、青等の、半導体材料によって決定される単色の光を発する。しかし、近年の発光ダイオード関連技術の進展によって高出力化が進み、照明用光源として期待されるようになった。この場合、白色発光ダイオードが求められる。
【０００３】
白色発光ダイオードは、一般に青色光または近紫外光を発光する発光ダイオード素子と、これに組み合わされる蛍光体によって構成される。即ち、発光ダイオード素子を被覆するモールド樹脂中に蛍光体を含有させ、発光ダイオード素子より発する光の一部又は全部を吸収してより長波長の蛍光に変換する。この蛍光と発光ダイオード素子からの発光との混色によって、又は蛍光単体で白色を発することができる。また、蛍光体の材料の選択によって、白色以外の光を発することもできる。
【０００４】
白色発光ダイオードを照明用光源として用いる場合、見る方向によって発光色又は発光強度が違うことは問題である。従って、この問題を解消し、発光色又は発光強度が方向によらず均一となるように、いくつかの技術が開発されている。
【０００５】
特許文献１には、発光ダイオード素子と、ガラス等の無機封止材料と、その外面に形成された蛍光体層とによって構成された白色発光ダイオードが開示されている。この蛍光体層の形状は、概ね半球状であり、かつ一定の膜厚である。
【０００６】
特許文献２には、樹脂レンズでモールドされた発光ダイオード素子と、樹脂レンズを覆う蛍光体カバーとによって構成された白色発光ダイオードが開示されている。この蛍光体カバーは、発光ダイオードの指向特性に合致するように、樹脂レンズの頂上付近を厚く、側面を薄くしている。
【特許文献１】特開２００６−２０２９６２
【特許文献２】特開２０００−０２２２１６
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
特許文献１の技術は、発光ダイオードの指向特性が全方向に対して均一であることを前提にして蛍光体層を半球状に、かつ、均一の膜厚で形成している。しかし、実際の発光ダイオードは、一般的にはランバーシアン等の指向特性を有し、全方向に対して均一ではない。従って、この構成によって発光色又は発光強度の不均一性は解消されない。
【０００８】
特許文献２の技術は、発光ダイオードの指向特性に合うように蛍光体層の形状を調整するものである。しかし、蛍光体層の厚さを、発光ダイオードの指向特性に合わせて調整することは少なくとも量産を行う際には困難である。従って、この技術は、量産品に適用するには適切ではない。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明は、略一定の厚さの波長変換層の立体的形状を、発光ダイオード素子からの発光の放射照度が略一定である面に沿って形成し、発光ダイオード素子と組み合わせるという構成によって、上記の課題を解決するものである。
【００１０】
また、別の本発明は、略一定の厚さの波長変換層の立体的形状を、所定の発光ダイオード素子からの発光の放射照度が略一定の面に沿って形成した波長変換カバーを提供することによって、上記の課題を解決するものである。
【発明の効果】
【００１１】
上記の構成により、量産に適した簡易な構成でありながら、発光色又は発光強度が方向によって不均一ではない発光ダイオード灯具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】
【００１２】
以下、本発明を図を参照して説明する。
【００１３】
図１は本発明の実施態様の一部断面等を示した概略図である。光源１００は、発光ダイオード素子１を適切に発光させるための構成である。図１においては、光源１００は、例えば、発光ダイオード素子１、基板３、配線４Ａ、４Ｂ、ワイヤ５Ａ、５Ｂ、枠部６によって構成される。発光ダイオード素子１は、基板３の上にダイボンドされている。また、発光ダイオード素子１は、基板３の上に予め形成された配線４Ａ、４ＢにＡｕワイヤ５Ａ，５Ｂを通じて電気的に接続されている。更に、発光ダイオード素子１の周囲には、枠部６が設置されている。
【００１４】
透光性カバー７は枠部６の上に固定されている。また、透光性カバー７の形状は、発光ダイオード素子１の指向特性に合致する形状、例えば略球形となっている。透明カバー７の内面には、波長変換層８が形成されている。
【００１５】
発光ダイオード素子１に、配線４Ａ、４Ｂを通じて電流を印加した場合、発光ダイオード素子１は発光する。発光ダイオード素子１から発した光は、波長変換層８に到達し、その一部又は全部が波長変換材料に吸収される。光を吸収した波長変換材料は、吸収した光の波長より長い波長の光を蛍光として放出する。この結果、この蛍光又はこの蛍光と発光ダイオード素子１からの発光の混色光が、透光性カバー７を通して外部へ放出される。
【００１６】
光源１００は、発光ダイオード素子１の放熱を促すため、発光ダイオード素子１が高熱伝導性の素子配置部２上にダイボンドされた構造を含んでもよい。この場合、発光ダイオード素子１から発生した熱は、素子配置部２を通じて基板３下部へ伝えられる。特に、発光ダイオード素子１を大電流で駆動することを目的とする場合、素子配置部２の下部に放熱用ヒートシンクを備えた構造とすることは好適である。
【００１７】
発光ダイオード素子１は、波長変換層８を励起し得る波長の光を発する必要がある。この波長は、例えば３５０〜４９０ｎｍ程度、即ち近紫外〜青色の領域の光を発する発光ダイオードである。このような光を発する発光ダイオードとして、ＧａＮ系ないしＩｎＧａＮ系発光ダイオード、ＺｎＯ系発光ダイオード、ＺｎＳｅ系発光ダイオード等を好適に使用できる。
【００１８】
波長変換層８は、発光ダイオード素子１からの発光によって励起され、この発光より長波長の光を蛍光として発する機能を持つ。波長変換層８は、例えば、蛍光体を含有した樹脂を透光性カバー７表面に塗布することで形成できる。
【００１９】
発光ダイオード素子１の発する励起光の波長と所望の発光色によって、使用する蛍光体等は様々に選択できる。例えば、励起光の波長が４６０ｎｍ前後の青色光であって、白色光を得たい場合、ＹＡＧ：Ｃｅ、（Ｂａ，Ｃａ，Ｓｒ）２ＳｉＯ４：Ｅｕ等の黄色蛍光体が好適に使用できる。この場合、波長変換層８において吸収されなかった発光ダイオード素子１からの青色光と、上記黄色蛍光体由来の黄色光とが混じり、白色光が外部に放出される。
【００２０】
また、上記黄色蛍光体の代わりに緑色蛍光体と、赤色蛍光体との混合させたものであっても良い。かかる混合蛍光体を用いる場合、赤色光の成分を多く含む演色性の良い白色を得ることができる。この目的に用いる場合、緑色蛍光体としてはＢａ２ＳｉＯ４：Ｅｕ、Ｂａ２ＭｇＳｉ２Ｏ７：Ｅｕや(Ｓｒ，Ｃａ，Ｂａ)(Ａｌ，Ｇａ)２Ｓ４：Ｅｕ等、赤色蛍光体としてはＬａ２Ｏ２Ｓ：Ｅｕ，ＳｍやＣａ−ＳｉＡｌＯＮ等の酸窒化物系蛍光体を好適に使用できる。
【００２１】
また、励起光の波長が４６０ｎｍ前後の青色光であって、赤色の蛍光を発する蛍光体のみで波長変換層８を構成した場合、外部には発光ダイオード素子１由来の青色光と波長変換層８からの赤色の蛍光の混色光、即ち紫色の発光が放出される。同様に、緑色の蛍光を発する蛍光体のみで波長変換層８を構成した場合、青緑色の発光が外部に放出される。更に、白色以外の他の色調の発光色を得るために、蛍光体の成分または混合比等を調整することも可能である。
【００２２】
励起光として、例えば３９０ｎｍ前後の近紫外光を用いても良い。このような波長の光によって励起される蛍光体としては、ＢａＭｇＡｌ１０Ｏ１７：Ｅｕ，Ｍｎ等のＢＡＭ蛍光体、Ｙ２Ｏ２Ｓ：Ｅｕや（Ｍｇ，Ｃａ，Ｓｒ，Ｂａ）１０（ＰＯ４）６Ｃｌ２：Ｅｕ等を用いることができる。
【００２３】
波長変換層８は、略一定の厚さで形成されている。ここで「略一定の厚さ」とは、波長変換層８のある地点の厚さが、波長変換層８全体における平均の厚さに対して±１０％以内の相違でしかない場合、一定であるとみなす意である。波長変換層８の厚さ１０％違っても、外部に放出される光を観察する人間の目には概ね同じ明るさに見えるからである。
【００２４】
放射照度とは、受光面に入射する放射束を受光面の面積で割った、いわゆる受光面における放射束密度である。波長変換層８の形状は、この放射照度が略一定の面に沿って形成される。ここで、「放射照度が略一定」とは、波長変換層８表面上のある地点における放射照度が、波長変換層８全表面における平均値に対して±１０％以内の相違でしかない場合、一定であるとみなす意である。波長変換層８表面上における放射照度が１０％違っても、外部に放出される光を観察する人間の目には概ね同じ明るさに見えるからである。
【００２５】
発光ダイオード素子１は、典型的にはランバーシアンの指向特性で発光する。ランバーシアンの指向特性とは、発光ダイオード素子１の上面中央を原点とし、この点を通る垂線と成す角度方向から見た放射照度がコサインカーブを描くことをいう。具体的には、図２に示す指向特性である。図１の透光性カバー７及び波長変換層８の形状も、上記ランバーシアンの指向特性に合致するように略球形としている。
【００２６】
光源１００は、更に発光ダイオード素子１に所定の指向特性を与えるために光学的に結合した光学要素、典型的にはレンズ又はプリズムを含んでも良い。例えば、図３Ａに示すように発光ダイオード素子１はレンズ９と結合することで、その指向特性を図３Ｂのように細長くすることができる。この場合、発光ダイオード素子１を覆う透光性カバー７、波長変換層８の形状は、上記指向特性に合致するものとする。即ち、光学要素を結合して所定の指向特性を与えることによって、波長変換層８の形状は、発光ダイオード素子１の指向特性に関わらず決定される。
【００２７】
光源１００は、発光ダイオード素子１を封止する樹脂を含んでも良い。封止する場合、発光ダイオード素子１の発光を吸収しない、実質的に透明な樹脂が選択される。好適には、エポキシ樹脂又はシリコーン樹脂が使用される。樹脂封止により、発光ダイオード素子１の内部と外部の屈折率差が緩和され、外部光取り出し効率が上昇する。また、発光ダイオード素子１の物理的保護に資する。
【００２８】
光源１００は、発光ダイオード素子１を複数個含んでも良い。複数個の発光ダイオード素子１の発光の指向特性は、拡散材を含む樹脂で封止することにより、封止樹脂表面を発光面とするランバーシアン特性を示す。この構成により、複数の発光ダイオード素子１を用いた高出力の灯具を得られる。
【００２９】
透光性カバー７は、本実施形態において、波長変換層８をその内面に塗布することと、発光ダイオード素子１を物理的に保護することを目的として用いている。透光性カバー７は、ある程度の剛性と、光源１００又は波長変換層８からの蛍光を透過する透光性とを要する。また、波長変換層８を透光性カバー７の内面に塗布するために、この内面は光源１００の指向特性に合致した形状に形成される。この要求を満足するため、透光性カバー７はアクリルやポリカーボネート等の成型性のよい樹脂によって構成される。なお、波長変換層８は、透光性カバー７を形成する材料の内部に含まれても良い。
【００３０】
波長変換層８が透光性カバー７内面に塗布されているか、透光性カバー７を形成する材料の内部に含まれる場合、透光性カバー７外面を粗面化しても良い。波長変換層８は、発光ダイオード素子１の発する光によって励起され、蛍光を発する際、一部のエネルギーを熱として放出する。即ち、波長変換層８及びその周囲の温度が上昇する。一般に、波長変換層８が蛍光を発する効率は温度の上昇に伴って低下する。従って、波長変換層８の温度を低下を図ることは、灯具から安定した発光を得るために好ましい。透光性カバー７外面の粗面化によって、空気との接触面積を増やし、波長変換層８から透光性カバー７を介しての放熱を促進し、上記効果を得ることができる。
【００３１】
波長変換層８は、透光性カバー７の外面に塗布されても良い。かかる場合、波長変換層８は直接空気と接触するため、一層放熱が促進される。なお、その際には透光性カバー７の外面は光源１００の指向特性に合致した形状に形成される。
【００３２】
波長変換層８のみで自立できる程度の剛性がある場合、図４の変形例のように透光性カバー７はなくても良い。例えば、波長変換層８として蛍光性を示す樹脂を用いた場合、かかる形態をとることが可能となる。このような樹脂も成型等公知の手段によって比較的自由に所定の形状を得ることが可能であり、波長変換層８として蛍光体層を塗布する場合と比較して塗布する工程を省くことができ、好適である。
【００３３】
図５は、波長変換層８及び透光性カバー７と、枠部６との間を着脱可能とした構造とした変形例である。波長変換層８及び透光性カバー７と、枠部６との間は、例えば磁石と位置合わせのための凹部を組み合わせた着脱可能構造１０Ａ、１０Ｂであっても良い。また、ネジ止めや爪による係止構造であっても良い。このような着脱可能な構造にすることにより、波長変換層８及び透光性カバー７とを合わせた波長変換カバーを自在に変更できるため、本発明になる灯具の発光色を、使用者が自由に変更することができる。
【実施例】
【００３４】
次に、本発明の実施例を図に基づいて示す。図６は、本実施例で透光性カバーとして使用した透明アクリル樹脂製の略球殻構造の断面を示す図である。この略球殻構造の直径は１２．５ｍｍ、切り欠かれた下辺部から球殻上部までの高さは１０ｍｍ、厚みは１．２５ｍｍとした。透光性カバーを成型によって形成した後、透光性カバーの外側に略均一に波長変換層として蛍光体層を形成した。この蛍光体層は、（Ｂａ０．７５Ｓｒ０．２５）２ＳｉＯ４：Ｅｕ蛍光体を分散したエナメル樹脂を、吹き付けることによって形成した。厚みは約３００μｍとした。
【００３５】
光源に用いる発光ダイオード素子として、青色発光ダイオード（Ｃｒｅｅ社製・型番ＥＺＰＣ１０００）を用いた。この青色発光ダイオードの配光特性と発光スペクトルは、図７Ａ、Ｂに示す通りである。発光ダイオード素子は、基板上にダイボンドされ、基板上に形成された配線にＡｕワイヤによって電気的に接続された。
【００３６】
光源と、波長変換層を形成した透光性カバーとを組み合わせた構造を作製し、光源の発光ダイオード素子に電流を印加して測定を行った。本構造において、順方向電流を５００ｍＡ印加し、角度毎のＣＩＥ色度座標上における色度を測定した。測定には大塚電子社製のｐｈｏｔａｌ  ＭＣＰＤ−３０００を用いた。また、比較例として、透光性カバーの構造を図８に示す半径１０ｍｍ、厚さ１．２５ｍｍの半球状とした以外は同一の条件としたものについても測定した。
【００３７】
測定結果は、表１に示した。
【表１】
2008262765.tif 000003
【００３８】
表中の「測定角度」は、測定した方向が、発光ダイオード素子上面に対して鉛直方向である場合を０°とし、平行方向である場合を９０°または−９０°としたものである。また、「色度（ｘ）」、「色度（ｙ）」は、ＣＩＥ色度座標上のｘ値、ｙ値を示す。更に、「平均値」は、その上に記載された列の値の加算平均値、「ばらつき」は、その上に記載された列の値の平均絶対偏差を示す。実施例の値は、比較例に比してばらつきが小さい、即ち、色むらが少ないことが分かった。
【００３９】
実施例と比較例との全光束値をｌａｂｓｐｈｅｒｅ社製１０ｉｎｃｈ積分球で測定した結果を、図９に示す。図９において、縦軸は光束（単位：ルーメン（ｌｍ））、横軸は発光ダイオード素子に印加した順方向電流（単位：ｍＡ）である。この図から分かるように、実施例、比較例とも全光束量はほとんど変わらなかった。
【００４０】
しかし、図１０によると、実施例は波長変換層全体に渡って、均一な発光が観察された。一方で、図１１の比較例は、発光ダイオード素子上面に対して概ね平行方向において、波長変換層全周に渡って発光強度が弱い部分が観察された。この点から、発光むらの低減においても本発明は効果があることが分かった。
【図面の簡単な説明】
【００４１】
【図１】本発明の実施形態を示す概略図である。
【図２】発光ダイオード素子のランバーシアン特性を説明する図である。
【図３】発光ダイオード素子に光学要素（レンズ）を適用した図と、光学要素を適用した場合の指向特性を説明する図である。
【図４】本発明の実施形態の一変形例を示す概略図である。
【図５】本発明の実施形態の別の変形例を示す概略図である。
【図６】本発明の実施例を説明する図である。
【図７】本発明の実施例に用いた発光ダイオード素子の特性を説明する図である。
【図８】比較例を説明する図である。
【図９】本発明と比較例の全光束量を示すグラフである。
【図１０】本発明の実施例の発光状態を示す写真である。
【図１１】比較例の発光状態を示す写真である。
【００４２】
１          発光ダイオード素子
２          素子配置部
３          基板
４Ａ、Ｂ    配線
５Ａ、Ｂ    ワイヤ
６          枠部
７          透光性カバー
８          波長変換層
９          光学要素
１０Ａ、Ｂ  着脱可能構造
１００      光源
【図１】
2008262765.tif 000004
【図２】
2008262765.tif 000005
【図３】
2008262765.tif 000006
【図４】
2008262765.tif 000007
【図５】
2008262765.tif 000008
【図６】
2008262765.tif 000009
【図７】
2008262765.tif 000010
【図８】
2008262765.tif 000011
【図９】
2008262765.tif 000012
【図１０】
2008262765.tif 000013
【図１１】
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