JP4221649B2 - 波長変換素子並びにその製造方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、波長変換素子に関し、特に家庭用照明や灯体等の光源に使用される例えば白色ＬＥＤ等の波長変換素子に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、このような波長変換素子は、例えば図７に示すように構成されている。図７において、波長変換素子１は、二つのリードフレーム２，３と、一方のリードフレーム２の上端に形成された凹陥部２ａ内に取り付けられたＬＥＤチップ４と、上記凹陥部２ａ内にＬＥＤチップ４を包囲するように充填された透明スペーサ層５と、透明スペーサ層５の上面に形成された波長変換層６と、上記二つのリードフレーム２，３の上端及びＬＥＤチップ４を覆うように樹脂モールドにより形成されたレンズ７と、から構成されている。
【０００３】
上記リードフレーム２，３は、例えば鉄に銀メッキをほどこしたものから形成されており、一方のリードフレーム２の上端に形成された凹陥部２ａは、図８に詳細に示すように、底面から上方に向かって拡大するように、一定の傾斜角を備えており、さらに内面が反射面として構成されている。
【０００４】
上記ＬＥＤチップ４は、例えば窒化ガリウム系のＬＥＤチップとして構成されており、その発光部から後述する波長変換層に対する励起光、例えば３００乃至５００ｎｍの波長の光を出射するようになっている。
尚、ＬＥＤチップ４は、そのｐｎ構造を構成するｐ層及びｎ層が、それぞれボンディングワイヤ４ａ，４ｂにより、リードフレーム２，３の上端にそれぞれ電気的に接続されている。
【０００５】
上記透明スペーサ層５は、例えばＬＥＤチップ４からの励起光に対して透明な材料、例えばシリコーン樹脂から構成されており、リードフレーム２の凹陥部２ａ内に充填された後、硬化されることにより、図８に示すように、その上面が、ＬＥＤチップ４の上面から所定距離に位置するようになっている。
【０００６】
上記波長変換層６は、蛍光体から構成されており、上記透明スペーサ層５の上面に形成されている。
そして、上記波長変換層６は、上記ＬＥＤチップ４からの光が励起光として入射したとき、この励起光とは異なる波長の蛍光を発生させ、外部に向かって出射するようになっている。
【０００７】
上記レンズ７は、例えば透明エポキシ樹脂から構成されており、その形状に基づいて、波長変換層６からの蛍光を外部に適宜の配光特性で導くようになっている。
【０００８】
このような構成の波長変換素子１によれば、二つのリードフレーム２，３からＬＥＤチップ４のｐ層及びｎ層間に駆動電圧を印加することにより、ＬＥＤチップ４のｐ層及びｎ層の接合部にて、励起光が発生して、この励起光が、凹陥部２ａの内面即ち反射面により反射され、透明スペーサ層５を通って、波長変換層６に入射する。これにより、波長変換層６は、入射する励起光によって、異なる波長の光を発生させ、上方に向かって出射させる。
かくして、波長変換素子１は、例えば白色光を出射するようになっている。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、このような構成の波長変換素子１においては、ＬＥＤチップ４の高さが１００μｍ程度であると想定されており、これにより、凹陥部２ａの形状と相まって、波長変換層６からの蛍光の色むらが発生しないように設計されている。
しかしながら、近年、ＬＥＤチップにおける光取出し効率を向上させるために、チップの一部を傾斜させるようにしたＬＥＤチップが開発されており、このようなＬＥＤチップは、その高さが１５０μｍ以上のものもある。
【００１０】
このため、前述した構成の波長変換素子１にて、ＬＥＤチップの高さが１５０μｍ以上になると、以下のような問題が生ずる。
即ち、励起光源であるＬＥＤチップ４の上端と下端から波長変換層６までの光路差が大きくなってしまうので、波長変換層６に入射する励起光の光量にむらが発生することになる。
これにより、波長変換層６から出射する蛍光の光量にもむらが発生することから、励起光と蛍光の混合による外部への出射光は、ＬＥＤチップ４の中心と周辺部とで、色が異なってしまい、色むらが発生することになる。
従って、このような波長変換素子は、例えば家庭用照明や灯体等の色むらや色のばらつきが問題視されるような光源として使用するには、不適であった。
【００１１】
本発明は、以上の点から、色むらや色のばらつきが低減され得るようにした、波長変換素子を提供することを目的としている。
【００１２】
上記目的は、本発明の構成によれば、少なくとも１つ以上のＬＥＤチップと、このＬＥＤチップの周囲にて上方に向かって拡大するように形成された反射面と、この反射面内にてＬＥＤチップを包囲するように充填された透明スペーサ層と、透明スペーサ層の表面に形成された、波長変換層と、を含む波長変換素子であって、上記反射面が、下方からＬＥＤチップの上面より高い位置まで延びる第一の部分と、第一の部分から上方に延びる第二の部分とから構成されており、上記第二の部分が、上記第一の部分より小さい傾斜角を有し、上記透明スペーサ層は、上記第一の部分と上記第二の部分との境界まで充填され、上記透明スペーサ層の上面が、上方に向かって凸状に形成されていることを特徴とする、波長変換素子により、達成される。
【００１３】
本発明による波長変換素子は、好ましくは、上記波長変換層の上面が、上方に向かって凸状に形成されている。
【００１４】
本発明による波長変換素子は、好ましくは、上記波長変換層は、上記第二の部分の上端まで充填されている。
【００１５】
上記目的は、本発明の構成によれば、ＬＥＤチップを、該ＬＥＤチップの上面より高い位置まで延びる第一の部分と該第一の部分から該第一の部分より小さい傾斜角で上方に延びる第二の部分とからなる反射面を有する凹陥部内の底面に配置する工程と、透明樹脂を上記第一の部分と上記第二の部分の境界まで充填して硬化させ、上面が凸状の透明スペーサ層を形成する工程と、上記凹陥部内の上記透明スペーサ層上に、蛍光体を含有した樹脂により波長変換層を形成する工程と、を含む波長変換素子の製造方法により、達成される。
【００１６】
本発明による波長変換素子の製造方法は、好ましくは、上記波長変換層を形成する工程は、蛍光体を含有した樹脂を上記第二の部分の上端まで充填して、上面が凸状の上記波長変換層を形成する。
【００１８】
上記第一の構成によれば、ＬＥＤチップに駆動電圧を印加することにより、ＬＥＤチップから励起光が発生し、この励起光の一部が、波長変換層に入射する。
そして、励起光が波長変換層に入射することになり、波長変換層は、入射する励起光によって、異なる波長の光を発生させ、上方に向かって出射させる。
【００１９】
この場合、波長変換層が上方に向かって凸状に形成されているので、ＬＥＤチップの上面から上方に出射する光は、凸状の波長変換層の中央付近に入射すると共に、ＬＥＤチップの周縁の側面から出射する光は、凸状の波長変換層の周縁付近に入射する。これにより、ＬＥＤチップの上端及び下端から出射する光の波長変換層までの光路差が低減されることになる。
従って、ＬＥＤチップの高さが高くても、波長変換層に入射するＬＥＤチップからの励起光の光量のむらが低減されるので、波長変換層から出射する蛍光の光量のむらも低減され、より均一で色のばらつきの少ない蛍光光源が得られることになる。
【００２０】
また、上記第二の構成によれば、ＬＥＤチップに駆動電圧を印加することにより、ＬＥＤチップから励起光が発生し、この励起光の一部が、透明スペーサ層を通って、反射面の第一の部分及び第二の部分で反射され、他の一部が透明スペーサ層を通って直接に波長変換層に入射する。
そして、励起光が波長変換層に入射することになり、波長変換層は、入射する励起光によって、異なる波長の光を発生させ、上方に向かって出射させる。
【００２１】
この場合、波長変換層が上方に向かって凸状に形成されていると共に、反射面が第一の部分と第二の部分とから構成されているので、ＬＥＤチップの上面から上方に出射する光は、直接に凸状の波長変換層の中央付近に入射すると共に、ＬＥＤチップの周縁の上端付近から出射する光は、反射面の第二の部分で反射され、より拡散されて、凸状の波長変換層の周縁付近に入射し、またＬＥＤチップの周縁の下端付近から出射する光は、反射面の第一の部分で反射され、より狭い範囲で、凸状の波長変換層の周縁付近に入射する。
【００２２】
これにより、ＬＥＤチップの上端及び下端から出射する光の波長変換層までの光路差が低減されることになる。
従って、ＬＥＤチップの高さが高くても、波長変換層に入射するＬＥＤチップからの励起光の光量のむらが低減されるので、波長変換層から出射する蛍光の光量のむらも低減され、より均一で色のばらつきの少ない蛍光光源が得られることになる。
【００２３】
上記ＬＥＤチップの上面が、１５０μｍ以上の高さ位置に在る場合には、波長変換層が上方に向かって凸状に形成され、さらに好ましくは反射面が第一の部分と第二の部分とから構成されていることにより、波長変換層に入射するＬＥＤチップからの励起光の光量のむらが低減されるので、波長変換層から出射する蛍光の光量のむらも低減され、より均一で色のばらつきの少ない蛍光光源が得られる。
【００２４】
上記ＬＥＤチップが、サブマウントを介して実装されている場合には、サブマウントによりＬＥＤチップの高さが実質的に１５０μｍ以上になったとしても、波長変換層が上方に向かって凸状に形成され、さらに好ましくは反射面が第一の部分と第二の部分とから構成されていることにより、波長変換層に入射するＬＥＤチップからの励起光の光量のむらが低減されるので、波長変換層から出射する蛍光の光量のむらも低減され、より均一で色のばらつきの少ない蛍光光源が得られる。
【００２５】
上記ＬＥＤチップが、波長３００乃至５００ｎｍの波長の光を出射する場合には、ＬＥＤチップからの光が励起光として波長変換層に入射し、波長変換層から蛍光が発生することにより、励起光と蛍光の混合により、例えば白色光が外部出射することになる。
【００２６】
上記反射面が、放熱材上に形成されており、この放熱材が、１５０Ｗ／ｍｋ以上の熱伝導率を有する材料から構成されている場合には、このような放熱材により波長変換層の放熱が確実に行なわれることになるので、波長変換層が熱膨張により変形してしまうようなことがない。
【００２７】
【発明の実施の形態】
以下、この発明の好適な実施形態を図１乃至図６を参照しながら、詳細に説明する。
尚、以下に述べる実施形態は、本発明の好適な具体例であるから、技術的に好ましい種々の限定が付されているが、本発明の範囲は、以下の説明において特に本発明を限定する旨の記載がない限り、これらの態様に限られるものではない。
【００２８】
図１は、本発明による波長変換素子の第一の実施形態の構成を示している。
図１において、波長変換素子１０は、放熱材１１と、放熱材１１の上面中央付近に設けられた凹陥部１２内に取り付けられたＬＥＤチップ１３と、この凹陥部１２内にてＬＥＤチップ１３を包囲するように充填された透明スペーサ層１４と、透明スペーサ層１４の表面に形成された上方に向かって凸状の波長変換層１５と、凹陥部１２付近の上方全体を覆うように形成されたレンズ１６と、から構成されている。
【００２９】
上記放熱材１１は、凸状の波長変換層１５の熱膨張による変形を生じさせないように、熱伝導率が１５０Ｗ／ｍＫ以上の材料から構成されている。尚、この材料は、絶縁性材料でも金属製材料でもよく、例えばベリリア（熱伝導率２７２Ｗ／ｍＫ）や窒化アルミニウムＡｌＮ（熱伝導率１７０Ｗ／ｍＫ）等のセラミックス材料や、銅（熱伝導率３９８Ｗ／ｍＫ）やアルミニウム（熱伝導率２３７Ｗ／ｍＫ）等が使用され得る。
【００３０】
さらに、上記放熱材１１の上面に形成された凹陥部１２は、上方に向かって拡大するように形成されており、その内面が反射面として使用され得る。
尚、放熱材１１は、凹陥部１２の内面の光学的特性を改善するために、少なくとも凹陥部１２の内面に高反射率の薄膜を形成してもよい。
【００３１】
ここで、凹陥部１２は、図２に詳細に示すように、二段構成になっており、下部（第一の部分）１２ａと上部（第二の部分）１２ｂから構成されている。
下部１２ａは、その高さｈ１が後述するＬＥＤチップ１３の高さより高く、好ましくはＬＥＤチップ１３の高さに二倍以下に選定されており、傾斜角θ１を備えている。
また、上部１２ｂは、波長変換層１５の最適化の観点から、その高さｈ２が下部１２ａの高さｈ１より低く選定されており、さらに波長変換層１５を凸状にするために、下部１２ａの傾斜角θ１より小さい傾斜角θ２を備えている。
ここで、下部１２ａの傾斜角θ１は、透明スペーサ層１４が凸状であることから、任意に設定され得、例えば９０乃至３０度、好ましくは６０乃至４５度に選定されている。
【００３２】
上記ＬＥＤチップ１３は、上記凹陥部１２の底面１２ｃ上にダイボンディング等により取り付けられており、その上面にｎ層及びｐ層の電極部（図示せず）が形成されている。そして、これらの電極部が例えば金線から成るボンディングワイヤ１３ａ，１３ｂにより、前記放熱材１１の上面にて凹陥部１２に隣接して形成された引出し電極１１ａ，１１ｂと電気的に接続されている。
尚、上記ＬＥＤチップ１３は、基板側（下面）から光を取り出す所謂フリップチップ型素子として構成され、サブマウントを介して凹陥部１２の底面１２ｃ上に取り付けられていてもよい。
また、上記ＬＥＤチップ１３は、その基板側に形成された電極部がワイヤボンディングによらずに直接に凹陥部１２の底面１２ｃに露出した引出し電極に接続されるようにしてもよい。
【００３３】
ここで、上記ＬＥＤチップ１３は、その発光波長が後述する波長変換層１５に対して励起光となるような波長であればよく、具体的には例えば３００乃至５００ｎｍ程度の波長である。
さらに、上記ＬＥＤチップ１３は、その上面の高さが、サブマウントの有無にかかわらず、例えば１００μｍ以上、好ましくは１５０μｍ以上に選定されている。
【００３４】
上記透明スペーサ層１４は、凹陥部１２の内面及びＬＥＤチップ１３と波長変換層１５とを分離するためのものであり、ＬＥＤチップ１３から出射する励起光に対して透明であればよく、好ましくは、短波長光源による樹脂の黄色化を考察して、例えばシリコーン樹脂等から構成されている。
この場合、透明スペーサ層１４は、その上面が上方に向かって凸状に形成されている。
【００３５】
上記波長変換層１５は、例えばＹＡＧ系蛍光体やＺｎＳ系蛍光体とを組み合わせることにより構成されており、ＬＥＤチップ１３からの励起光が入射したとき、この励起光とは異なる波長の蛍光を発生させ、外部に向かって出射するようになっており、透明スペーサ層１４の上面に凸状に成形されている。
このような凸状の波長変換層１５は、例えば成形樹脂の表面張力を利用したり、あるいは金型による樹脂成形により、容易に成形され得る。
【００３６】
上記レンズ１６は、例えば透明エポキシ樹脂から構成されており、その形状に基づいて、波長変換層１５からの蛍光を外部に適宜の配光特性で導くようになっている。
ここで、レンズ１６は、放熱材１１と一体に形成されてもよく、また放熱材１１と別体に構成され、嵌合，接着等の適宜の方法により放熱材１１に固定されてもよい。
【００３７】
本発明実施形態による波長変換素子１０は、以上のように構成されており、引出し電極１１ａ，１１ｂ間に駆動電圧を印加することにより、ボンディングワイヤ１３ａ，１３ｂを介して、ＬＥＤチップ１３のｐｎ接合にて、励起光が発生して、この励起光が、凹陥部１２の内面により反射され、透明スペーサ層１４を介して、その上方の波長変換層１５に入射する。
これにより、波長変換層１５は、入射する励起光によって、異なる波長の光を発生させ、上方に向かって出射させる。このようにして、波長変換素子１０は、例えば白色光を出射するようになっている。
【００３８】
この場合、放熱材１１の凹陥部１２が二段構成になっていると共に、透明スペーサ層１４及び波長変換層１５の上面が凸状に形成されていることから、ＬＥＤチップ１３の上面から上方に出射する光は、直接に凸状の波長変換層１５の中央付近に入射すると共に、ＬＥＤチップ１３の周縁の上端付近から出射する光は、凹陥部１２の上部１２ｂで反射されるので、傾斜角θ２で比較的広い範囲に拡散されて、凸状の波長変換層１５の周縁付近に入射し、またＬＥＤチップ１３の周縁の下端付近から出射する光は、凹陥部１２の下部１２ａで反射されるので傾斜角θ１で比較的狭い範囲で、凸状の波長変換層１５の周縁付近に入射する。
【００３９】
従って、ＬＥＤチップ１３の上端及び下端から出射する光の波長変換層１５までの光路差が小さくなるので、ＬＥＤチップの高さが例えば１５０μｍ以上と比較的高くても、波長変換層１５に入射するＬＥＤチップ１３からの励起光の光量のむらが低減される。これにより、波長変換層１５から出射する蛍光の光量のむらも低減される。
【００４０】
図３は、本発明による波長変換素子の第二の実施形態の構成を示している。
図３において、波長変換素子２０は、基本的に図１に示した波長変換素子１０とほぼ同じ構成であるので、同じ構成要素には同じ符号を付して、その説明を省略する。
波長変換素子２０は、放熱材１１の凹陥部１２が二段構成ではなく、全体として同じ傾斜角θを備えていると共に、透明スペーサ層１４の上面が平坦に形成されており、透明スペーサ層１４の上面に形成される波長変換層１５のみが凸状に形成されている点で、図１に示した波長変換素子１０とは異なる構成になっている。
ここで、波長変換層１５は、凸状に形成されていればよく、具体的には中央部と端部との厚さの差が、ＬＥＤチップ１３の高さに対して、０．５乃至２．０倍の範囲が最適である。
【００４１】
このような構成の波長変換素子２０によれば、引出し電極１１ａ，１１ｂ間に駆動電圧を印加することにより、ボンディングワイヤ１３ａ，１３ｂを介して、ＬＥＤチップ１３のｐｎ接合にて、励起光が発生して、この励起光が、凹陥部１２の内面により反射され、透明スペーサ層１４を介して、その上方の波長変換層１５に入射する。
これにより、波長変換層１５は、入射する励起光によって、異なる波長の光を発生させ、上方に向かって出射させる。このようにして、波長変換素子１０は、例えば白色光を出射するようになっている。
【００４２】
この場合、波長変換層１５が上方に向かって凸状に形成されていることから、ＬＥＤチップ１３の上面から上方に出射する光は、直接に凸状の波長変換層１５の中央付近に入射すると共に、ＬＥＤチップ１３の周縁の側面から出射する光は、波長変換層１５の周縁付近に入射する。
従って、ＬＥＤチップ１３の上端及び下端から出射する光の波長変換層１５までの光路差が小さくなるので、ＬＥＤチップの高さが例えば１５０μｍ以上と比較的高くても、波長変換層１５に入射するＬＥＤチップ１３からの励起光の光量のむらが低減される。これにより、波長変換層１５から出射する蛍光の光量のむらも低減される。
【００４３】
次に、上記波長変換素子１０，２０の具体的な実験例について説明する。
先づ、上記波長変換素子２０及び従来の波長変換素子として、図４（Ａ）及び（Ｂ）に示す白色ＬＥＤ３１，３２を作製して、その色むらの発生を比較した。
各白色ＬＥＤ３１，３２としては、それぞれ銅製放熱材内に形成された底面１２ｃの直径１．５ｍｍ，深さ０．５ｍｍ，端面傾斜角６０度の凹陥部１２内に、厚さ１００μｍのサブマウント４３を介して、チップ高さ７５μｍの窒化ガリウム系青色ＬＥＤチップ１３（発光波長４５０ｎｍ）を搭載した。ここで、このＬＥＤチップ１３は、サファイア基板上にｎ型ＧａＮ系層，ｐ型ＧａＮ系層を順次に成長させることにより形成されている。
ここで、上記サブマウント３３には、ｐ層／ｎ層の各電極用の配線が備えられており、ボンディングワイヤにより引出し電極１１ａ，１１ｂと電気的に接続され得るようになっている。
また、各ＧａＮ系層に形成された電極とサブマウントとは、Ａｕ／Ｓｎ系共晶材料により電気的接続が行なわれると共に、固定され得るようになっている。
その後、ＬＥＤチップ１３の高さ付近まで、凹陥部１２内に透明シリコーン樹脂を充填して硬化させ、透明スペーサ層１４を形成した。
【００４４】
続いて、この透明スペーサ層１４の上に、ＬＥＤチップ１３からの青色励起光が入射したとき、補色である黄色光の蛍光を発生させるＣｅを添加したＹＡＧ系蛍光体を含有したシリコーン樹脂を用意する。
そして、白色ＬＥＤ３１については、上記シリコーン樹脂を凹陥部１２内に、塗布量を制御しながら、凹陥部１２の端面と中央部分との高さが０．２ｍｍになるように調整して充填し、硬化させることにより、凸状の波長変換層１５を形成した。
また、白色ＬＥＤ３２については、上記シリコーン樹脂を凹陥部１２内にて平坦になるように充填し、硬化させて、平坦な波長変換層１５’を形成した。
何れの白色ＬＥＤ３１，３２も、ＬＥＤチップ１３からの青色励起光と波長変換層１５，１５’からの黄色蛍光とが適宜の割合で混合されて、レンズ１６から白色光が照射されるようになっている。
最後に、銅製放熱材１１に対して、嵌め込み式レンズ１６を圧入して、白色ＬＥＤ３１，３２を作製した。
【００４５】
このようにして作製された本発明実施形態による波長変換素子としての白色ＬＥＤ３１と、従来の白色ＬＥＤ３２について、駆動して得られた白色光を比較したところ、どちらも色座標Ｘ＝０．３，Ｙ＝０．３であった。そして、各白色ＬＥＤ３１，３２から１ｍ離れた位置に置かれた白色板に対して、各白色ＬＥＤ３１，３２からの光を照射して、励起光源である青色ＬＥＤチップ１３からの青色と、ＹＡＧ系波長変換層１５からの蛍光の黄色が分離して見えるか否かを目視により観測したところ、本発明実施形態による白色ＬＥＤ３１の色むら発生は５０個中０個であったのに対して、従来の白色ＬＥＤ３２の色むら発生は５０個中３５個であった。
これにより、本発明による白色ＬＥＤ３１では、凸状の波長変換層１５の作用により、色むらの発生が効果的に抑制されていることが確認された。
【００４６】
次に、上記波長変換素子１０及び従来の波長変換素子として、図５（Ａ）及び（Ｂ）に示す白色ＬＥＤ４１，４２を作製して、その色むらの発生を比較した。
各白色ＬＥＤ４１，４２としては、それぞれ銅製放熱材内に形成された底面１２ｃの直径１．５ｍｍ，深さ０．５ｍｍ，端面傾斜角４５度の凹陥部１２内に、チップ高さ２５０μｍの端面傾斜型窒化ガリウム系青色ＬＥＤチップ１３（発光波長４６０ｎｍ）をＡｕ／Ｓｎ共晶材料により固定した。ここで、このＬＥＤチップ１３は、ＳｉＣ基板上にｎ型ＧａＮ系層，ｐ型ＧａＮ系層を順次に成長させることにより形成されている。
ここで、ＬＥＤチップ１３は、ｐｎ接合部が凹陥部１２の底面１２ｃに接近するように配置され、ｐ型電極は凹陥部１２の底面１２ｃに対して共晶材料により電気的に接続され、またｎ型電極は、ボンディングワイヤにより引出し電極１１ａと電気的に接続され得るようになっている。
その後、ＬＥＤチップ１３の高さ付近まで、凹陥部１２内に透明シリコーン樹脂を充填して硬化させ、透明スペーサ層１４を形成した。
【００４７】
続いて、この透明スペーサ層１４の上に、ＬＥＤチップ１３からの青色励起光が入射したとき、補色である黄色光の蛍光を発生させるＣｅを添加したＹＡＧ系蛍光体を含有したシリコーン樹脂を用意する。
そして、白色ＬＥＤ４１については、上記シリコーン樹脂を凹陥部１２内に、塗布量を制御しながら、凹陥部１２の端面と中央部分との高さが０．２ｍｍになるように調整して充填し、硬化させることにより、凸状の波長変換層１５を形成した。
また、白色ＬＥＤ４２については、上記シリコーン樹脂を凹陥部１２内にて平坦になるように充填し、硬化させて、平坦な波長変換層１５’を形成した。
何れの白色ＬＥＤ４１，４２も、ＬＥＤチップ１３からの青色励起光と波長変換層１５，１５’からの黄色蛍光とが適宜の割合で混合されて、レンズ１６から白色光が照射されるようになっている。
最後に、銅製放熱材１１に対して、嵌め込み式レンズ１６を圧入して、白色ＬＥＤ４１，４２を作製した。
【００４８】
このようにして作製された本発明実施形態による波長変換素子としての白色ＬＥＤ４１と、従来の白色ＬＥＤ４２について、駆動して得られた白色光を比較したところ、どちらも色座標Ｘ＝０．３，Ｙ＝０．３であった。そして、各白色ＬＥＤ４１，４２から１ｍ離れた位置に置かれた白色板に対して、各白色ＬＥＤ４１，４２からの光を照射して、励起光源である青色ＬＥＤチップ１３からの青色と、ＹＡＧ系波長変換層１５からの蛍光の黄色が分離して見えるか否かを目視により観測したところ、本発明実施形態による白色ＬＥＤ４１の色むら発生は５０個中５個であったのに対して、従来の白色ＬＥＤ４２の色むら発生は５０個中４０個であった。
これにより、本発明による白色ＬＥＤ４１では、凸状の波長変換層１５の作用により、色むらの発生が効果的に抑制されていることが確認された。
【００４９】
次に、上記波長変換素子１０として、図６に示す白色ＬＥＤ５１を作製して、その色むらの発生を比較した。
白色ＬＥＤ５１としては、銅製放熱材内に形成された底面１２ｃの直径１．１ｍｍ，深さ０．５ｍｍ，端面傾斜角９０度の下部１２ａと、深さ０．３ｍｍ，端面傾斜角４５度の上部１２ｂから成る凹陥部１２内に、チップ高さ２５０μｍの窒化ガリウム系青色ＬＥＤチップ１３（発光波長４６０ｎｍ）をＡｕ／Ｓｎ共晶材料により固定した。ここで、このＬＥＤチップ１３は、ＳｉＣ基板上にｎ型ＧａＮ系層，ｐ型ＧａＮ系層を順次に成長させることにより形成されている。
ここで、ＬＥＤチップ１３は、ｐｎ接合部が凹陥部１２の底面１２ｃに接近するように配置され、ｐ型電極は凹陥部１２の底面１２ｃに対して共晶材料により電気的に接続され、またｎ型電極は、ボンディングワイヤにより引出し電極１１ａと電気的に接続され得るようになっている。
その後、凹陥部１２の下部１２ａ及び上部１２ｂの界面まで、凹陥部１２内に透明シリコーン樹脂を凸状になるように充填して硬化させ、透明スペーサ層１４を形成した。
【００５０】
続いて、この透明スペーサ層１４の上に、ＬＥＤチップ１３からの青色励起光が入射したとき、補色である黄色光の蛍光を発生させるＣｅを添加したＹＡＧ系蛍光体を含有したシリコーン樹脂を凹陥部１２内に、塗布量を制御しながら、凹陥部１２の上端面と中央部分との高さが０．２ｍｍになるように調整して充填し、硬化させることにより、凸状の波長変換層１５を形成した。
その際、ＬＥＤチップ１３からの青色励起光と波長変換層１５からの黄色蛍光とが適宜の割合で混合されて、レンズ１６から白色光が照射されるようになっている。
最後に、銅製放熱材１１に対して、嵌め込み式レンズ１６を圧入して、白色ＬＥＤ５１を作製した。
【００５１】
このようにして作製された本発明実施形態による波長変換素子としての白色ＬＥＤ５１と、前記白色ＬＥＤ４１について、駆動して得られた白色光を比較したところ、どちらも色座標Ｘ＝０．３，Ｙ＝０．３であった。そして、各白色ＬＥＤ５１，４２から１ｍ離れた位置に置かれた白色板に対して、各白色ＬＥＤ５１，４２からの光を照射して、励起光源である青色ＬＥＤチップ１３からの青色と、ＹＡＧ系波長変換層１５からの蛍光の黄色が分離して見えるか否かを目視により観測したところ、本発明実施形態による白色ＬＥＤ５１の色むら発生は５０個中０個であったのに対して、前記白色ＬＥＤ４１の色むら発生は５０個中５個であった。
これにより、本発明による白色ＬＥＤ５１では、凸状の波長変換層１５の作用により、色むらの発生がより一層効果的に抑制されていることが確認された。
【００５２】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明によれば、波長変換層が上方に向かって凸状に形成され、さらに好ましくは反射面が第一の部分と第二の部分とから構成されているので、ＬＥＤチップの上面から上方に出射する光は、凸状の波長変換層の中央付近に入射すると共に、ＬＥＤチップの周縁の側面から出射する光は、反射面の第一の部分及び第二の部分で反射されて、凸状の波長変換層の周縁付近に入射する。これにより、ＬＥＤチップの上端及び下端から出射する光の波長変換層までの光路差が低減されることになる。
従って、ＬＥＤチップの高さが高くても、波長変換層に入射するＬＥＤチップからの励起光の光量のむらが低減されるので、波長変換層から出射する蛍光の光量のむらも低減され、より均一で色のばらつきの少ない蛍光光源が得られることになる。
このようにして、本発明によれば、色むらや色のばらつきが低減され得るようにした、極めて優れた波長変換素子が提供され得る。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による波長変換素子の第一の実施形態の構成を示す概略断面図である。
【図２】図１の波長変換素子における要部の詳細な構成を示す部分拡大断面図である。
【図３】本発明による波長変換素子の第二の実施形態の構成を示す概略断面図である。
【図４】図３の波長変換素子の第一の具体的構成例と従来の構成例を示す概略断面図である。
【図５】図３の波長変換素子の第二の具体的構成例と従来の構成例を示す概略断面図である。
【図６】図１の波長変換素子の具体的構成例を示す概略断面図である。
【図７】従来の波長変換素子の一例の構成を示す概略断面図である。
【図８】図７の波長変換素子の要部を示す部分拡大断面図である。
【符号の説明】
１０，２０ 波長変換素子
１１ 放熱材
１２ 凹陥部
１２ａ 下部（第一の部分）
１２ｂ 上部（第二の部分）
１３ ＬＥＤチップ
１４ 透明スペーサ層
１５ 波長変換層
１６ レンズ
３１，３２，４１，４２，５１ 白色ＬＥＤ
【発明の属する技術分野】
本発明は、波長変換素子に関し、特に家庭用照明や灯体等の光源に使用される例えば白色ＬＥＤ等の波長変換素子に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、このような波長変換素子は、例えば図７に示すように構成されている。図７において、波長変換素子１は、二つのリードフレーム２，３と、一方のリードフレーム２の上端に形成された凹陥部２ａ内に取り付けられたＬＥＤチップ４と、上記凹陥部２ａ内にＬＥＤチップ４を包囲するように充填された透明スペーサ層５と、透明スペーサ層５の上面に形成された波長変換層６と、上記二つのリードフレーム２，３の上端及びＬＥＤチップ４を覆うように樹脂モールドにより形成されたレンズ７と、から構成されている。
【０００３】
上記リードフレーム２，３は、例えば鉄に銀メッキをほどこしたものから形成されており、一方のリードフレーム２の上端に形成された凹陥部２ａは、図８に詳細に示すように、底面から上方に向かって拡大するように、一定の傾斜角を備えており、さらに内面が反射面として構成されている。
【０００４】
上記ＬＥＤチップ４は、例えば窒化ガリウム系のＬＥＤチップとして構成されており、その発光部から後述する波長変換層に対する励起光、例えば３００乃至５００ｎｍの波長の光を出射するようになっている。
尚、ＬＥＤチップ４は、そのｐｎ構造を構成するｐ層及びｎ層が、それぞれボンディングワイヤ４ａ，４ｂにより、リードフレーム２，３の上端にそれぞれ電気的に接続されている。
【０００５】
上記透明スペーサ層５は、例えばＬＥＤチップ４からの励起光に対して透明な材料、例えばシリコーン樹脂から構成されており、リードフレーム２の凹陥部２ａ内に充填された後、硬化されることにより、図８に示すように、その上面が、ＬＥＤチップ４の上面から所定距離に位置するようになっている。
【０００６】
上記波長変換層６は、蛍光体から構成されており、上記透明スペーサ層５の上面に形成されている。
そして、上記波長変換層６は、上記ＬＥＤチップ４からの光が励起光として入射したとき、この励起光とは異なる波長の蛍光を発生させ、外部に向かって出射するようになっている。
【０００７】
上記レンズ７は、例えば透明エポキシ樹脂から構成されており、その形状に基づいて、波長変換層６からの蛍光を外部に適宜の配光特性で導くようになっている。
【０００８】
このような構成の波長変換素子１によれば、二つのリードフレーム２，３からＬＥＤチップ４のｐ層及びｎ層間に駆動電圧を印加することにより、ＬＥＤチップ４のｐ層及びｎ層の接合部にて、励起光が発生して、この励起光が、凹陥部２ａの内面即ち反射面により反射され、透明スペーサ層５を通って、波長変換層６に入射する。これにより、波長変換層６は、入射する励起光によって、異なる波長の光を発生させ、上方に向かって出射させる。
かくして、波長変換素子１は、例えば白色光を出射するようになっている。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、このような構成の波長変換素子１においては、ＬＥＤチップ４の高さが１００μｍ程度であると想定されており、これにより、凹陥部２ａの形状と相まって、波長変換層６からの蛍光の色むらが発生しないように設計されている。
しかしながら、近年、ＬＥＤチップにおける光取出し効率を向上させるために、チップの一部を傾斜させるようにしたＬＥＤチップが開発されており、このようなＬＥＤチップは、その高さが１５０μｍ以上のものもある。
【００１０】
このため、前述した構成の波長変換素子１にて、ＬＥＤチップの高さが１５０μｍ以上になると、以下のような問題が生ずる。
即ち、励起光源であるＬＥＤチップ４の上端と下端から波長変換層６までの光路差が大きくなってしまうので、波長変換層６に入射する励起光の光量にむらが発生することになる。
これにより、波長変換層６から出射する蛍光の光量にもむらが発生することから、励起光と蛍光の混合による外部への出射光は、ＬＥＤチップ４の中心と周辺部とで、色が異なってしまい、色むらが発生することになる。
従って、このような波長変換素子は、例えば家庭用照明や灯体等の色むらや色のばらつきが問題視されるような光源として使用するには、不適であった。
【００１１】
本発明は、以上の点から、色むらや色のばらつきが低減され得るようにした、波長変換素子を提供することを目的としている。
【００１２】
上記目的は、本発明の構成によれば、少なくとも１つ以上のＬＥＤチップと、このＬＥＤチップの周囲にて上方に向かって拡大するように形成された反射面と、この反射面内にてＬＥＤチップを包囲するように充填された透明スペーサ層と、透明スペーサ層の表面に形成された、波長変換層と、を含む波長変換素子であって、上記反射面が、下方からＬＥＤチップの上面より高い位置まで延びる第一の部分と、第一の部分から上方に延びる第二の部分とから構成されており、上記第二の部分が、上記第一の部分より小さい傾斜角を有し、上記透明スペーサ層は、上記第一の部分と上記第二の部分との境界まで充填され、上記透明スペーサ層の上面が、上方に向かって凸状に形成されていることを特徴とする、波長変換素子により、達成される。
【００１３】
本発明による波長変換素子は、好ましくは、上記波長変換層の上面が、上方に向かって凸状に形成されている。
【００１４】
本発明による波長変換素子は、好ましくは、上記波長変換層は、上記第二の部分の上端まで充填されている。
【００１５】
上記目的は、本発明の構成によれば、ＬＥＤチップを、該ＬＥＤチップの上面より高い位置まで延びる第一の部分と該第一の部分から該第一の部分より小さい傾斜角で上方に延びる第二の部分とからなる反射面を有する凹陥部内の底面に配置する工程と、透明樹脂を上記第一の部分と上記第二の部分の境界まで充填して硬化させ、上面が凸状の透明スペーサ層を形成する工程と、上記凹陥部内の上記透明スペーサ層上に、蛍光体を含有した樹脂により波長変換層を形成する工程と、を含む波長変換素子の製造方法により、達成される。
【００１６】
本発明による波長変換素子の製造方法は、好ましくは、上記波長変換層を形成する工程は、蛍光体を含有した樹脂を上記第二の部分の上端まで充填して、上面が凸状の上記波長変換層を形成する。
【００１８】
上記第一の構成によれば、ＬＥＤチップに駆動電圧を印加することにより、ＬＥＤチップから励起光が発生し、この励起光の一部が、波長変換層に入射する。
そして、励起光が波長変換層に入射することになり、波長変換層は、入射する励起光によって、異なる波長の光を発生させ、上方に向かって出射させる。
【００１９】
この場合、波長変換層が上方に向かって凸状に形成されているので、ＬＥＤチップの上面から上方に出射する光は、凸状の波長変換層の中央付近に入射すると共に、ＬＥＤチップの周縁の側面から出射する光は、凸状の波長変換層の周縁付近に入射する。これにより、ＬＥＤチップの上端及び下端から出射する光の波長変換層までの光路差が低減されることになる。
従って、ＬＥＤチップの高さが高くても、波長変換層に入射するＬＥＤチップからの励起光の光量のむらが低減されるので、波長変換層から出射する蛍光の光量のむらも低減され、より均一で色のばらつきの少ない蛍光光源が得られることになる。
【００２０】
また、上記第二の構成によれば、ＬＥＤチップに駆動電圧を印加することにより、ＬＥＤチップから励起光が発生し、この励起光の一部が、透明スペーサ層を通って、反射面の第一の部分及び第二の部分で反射され、他の一部が透明スペーサ層を通って直接に波長変換層に入射する。
そして、励起光が波長変換層に入射することになり、波長変換層は、入射する励起光によって、異なる波長の光を発生させ、上方に向かって出射させる。
【００２１】
この場合、波長変換層が上方に向かって凸状に形成されていると共に、反射面が第一の部分と第二の部分とから構成されているので、ＬＥＤチップの上面から上方に出射する光は、直接に凸状の波長変換層の中央付近に入射すると共に、ＬＥＤチップの周縁の上端付近から出射する光は、反射面の第二の部分で反射され、より拡散されて、凸状の波長変換層の周縁付近に入射し、またＬＥＤチップの周縁の下端付近から出射する光は、反射面の第一の部分で反射され、より狭い範囲で、凸状の波長変換層の周縁付近に入射する。
【００２２】
これにより、ＬＥＤチップの上端及び下端から出射する光の波長変換層までの光路差が低減されることになる。
従って、ＬＥＤチップの高さが高くても、波長変換層に入射するＬＥＤチップからの励起光の光量のむらが低減されるので、波長変換層から出射する蛍光の光量のむらも低減され、より均一で色のばらつきの少ない蛍光光源が得られることになる。
【００２３】
上記ＬＥＤチップの上面が、１５０μｍ以上の高さ位置に在る場合には、波長変換層が上方に向かって凸状に形成され、さらに好ましくは反射面が第一の部分と第二の部分とから構成されていることにより、波長変換層に入射するＬＥＤチップからの励起光の光量のむらが低減されるので、波長変換層から出射する蛍光の光量のむらも低減され、より均一で色のばらつきの少ない蛍光光源が得られる。
【００２４】
上記ＬＥＤチップが、サブマウントを介して実装されている場合には、サブマウントによりＬＥＤチップの高さが実質的に１５０μｍ以上になったとしても、波長変換層が上方に向かって凸状に形成され、さらに好ましくは反射面が第一の部分と第二の部分とから構成されていることにより、波長変換層に入射するＬＥＤチップからの励起光の光量のむらが低減されるので、波長変換層から出射する蛍光の光量のむらも低減され、より均一で色のばらつきの少ない蛍光光源が得られる。
【００２５】
上記ＬＥＤチップが、波長３００乃至５００ｎｍの波長の光を出射する場合には、ＬＥＤチップからの光が励起光として波長変換層に入射し、波長変換層から蛍光が発生することにより、励起光と蛍光の混合により、例えば白色光が外部出射することになる。
【００２６】
上記反射面が、放熱材上に形成されており、この放熱材が、１５０Ｗ／ｍｋ以上の熱伝導率を有する材料から構成されている場合には、このような放熱材により波長変換層の放熱が確実に行なわれることになるので、波長変換層が熱膨張により変形してしまうようなことがない。
【００２７】
【発明の実施の形態】
以下、この発明の好適な実施形態を図１乃至図６を参照しながら、詳細に説明する。
尚、以下に述べる実施形態は、本発明の好適な具体例であるから、技術的に好ましい種々の限定が付されているが、本発明の範囲は、以下の説明において特に本発明を限定する旨の記載がない限り、これらの態様に限られるものではない。
【００２８】
図１は、本発明による波長変換素子の第一の実施形態の構成を示している。
図１において、波長変換素子１０は、放熱材１１と、放熱材１１の上面中央付近に設けられた凹陥部１２内に取り付けられたＬＥＤチップ１３と、この凹陥部１２内にてＬＥＤチップ１３を包囲するように充填された透明スペーサ層１４と、透明スペーサ層１４の表面に形成された上方に向かって凸状の波長変換層１５と、凹陥部１２付近の上方全体を覆うように形成されたレンズ１６と、から構成されている。
【００２９】
上記放熱材１１は、凸状の波長変換層１５の熱膨張による変形を生じさせないように、熱伝導率が１５０Ｗ／ｍＫ以上の材料から構成されている。尚、この材料は、絶縁性材料でも金属製材料でもよく、例えばベリリア（熱伝導率２７２Ｗ／ｍＫ）や窒化アルミニウムＡｌＮ（熱伝導率１７０Ｗ／ｍＫ）等のセラミックス材料や、銅（熱伝導率３９８Ｗ／ｍＫ）やアルミニウム（熱伝導率２３７Ｗ／ｍＫ）等が使用され得る。
【００３０】
さらに、上記放熱材１１の上面に形成された凹陥部１２は、上方に向かって拡大するように形成されており、その内面が反射面として使用され得る。
尚、放熱材１１は、凹陥部１２の内面の光学的特性を改善するために、少なくとも凹陥部１２の内面に高反射率の薄膜を形成してもよい。
【００３１】
ここで、凹陥部１２は、図２に詳細に示すように、二段構成になっており、下部（第一の部分）１２ａと上部（第二の部分）１２ｂから構成されている。
下部１２ａは、その高さｈ１が後述するＬＥＤチップ１３の高さより高く、好ましくはＬＥＤチップ１３の高さに二倍以下に選定されており、傾斜角θ１を備えている。
また、上部１２ｂは、波長変換層１５の最適化の観点から、その高さｈ２が下部１２ａの高さｈ１より低く選定されており、さらに波長変換層１５を凸状にするために、下部１２ａの傾斜角θ１より小さい傾斜角θ２を備えている。
ここで、下部１２ａの傾斜角θ１は、透明スペーサ層１４が凸状であることから、任意に設定され得、例えば９０乃至３０度、好ましくは６０乃至４５度に選定されている。
【００３２】
上記ＬＥＤチップ１３は、上記凹陥部１２の底面１２ｃ上にダイボンディング等により取り付けられており、その上面にｎ層及びｐ層の電極部（図示せず）が形成されている。そして、これらの電極部が例えば金線から成るボンディングワイヤ１３ａ，１３ｂにより、前記放熱材１１の上面にて凹陥部１２に隣接して形成された引出し電極１１ａ，１１ｂと電気的に接続されている。
尚、上記ＬＥＤチップ１３は、基板側（下面）から光を取り出す所謂フリップチップ型素子として構成され、サブマウントを介して凹陥部１２の底面１２ｃ上に取り付けられていてもよい。
また、上記ＬＥＤチップ１３は、その基板側に形成された電極部がワイヤボンディングによらずに直接に凹陥部１２の底面１２ｃに露出した引出し電極に接続されるようにしてもよい。
【００３３】
ここで、上記ＬＥＤチップ１３は、その発光波長が後述する波長変換層１５に対して励起光となるような波長であればよく、具体的には例えば３００乃至５００ｎｍ程度の波長である。
さらに、上記ＬＥＤチップ１３は、その上面の高さが、サブマウントの有無にかかわらず、例えば１００μｍ以上、好ましくは１５０μｍ以上に選定されている。
【００３４】
上記透明スペーサ層１４は、凹陥部１２の内面及びＬＥＤチップ１３と波長変換層１５とを分離するためのものであり、ＬＥＤチップ１３から出射する励起光に対して透明であればよく、好ましくは、短波長光源による樹脂の黄色化を考察して、例えばシリコーン樹脂等から構成されている。
この場合、透明スペーサ層１４は、その上面が上方に向かって凸状に形成されている。
【００３５】
上記波長変換層１５は、例えばＹＡＧ系蛍光体やＺｎＳ系蛍光体とを組み合わせることにより構成されており、ＬＥＤチップ１３からの励起光が入射したとき、この励起光とは異なる波長の蛍光を発生させ、外部に向かって出射するようになっており、透明スペーサ層１４の上面に凸状に成形されている。
このような凸状の波長変換層１５は、例えば成形樹脂の表面張力を利用したり、あるいは金型による樹脂成形により、容易に成形され得る。
【００３６】
上記レンズ１６は、例えば透明エポキシ樹脂から構成されており、その形状に基づいて、波長変換層１５からの蛍光を外部に適宜の配光特性で導くようになっている。
ここで、レンズ１６は、放熱材１１と一体に形成されてもよく、また放熱材１１と別体に構成され、嵌合，接着等の適宜の方法により放熱材１１に固定されてもよい。
【００３７】
本発明実施形態による波長変換素子１０は、以上のように構成されており、引出し電極１１ａ，１１ｂ間に駆動電圧を印加することにより、ボンディングワイヤ１３ａ，１３ｂを介して、ＬＥＤチップ１３のｐｎ接合にて、励起光が発生して、この励起光が、凹陥部１２の内面により反射され、透明スペーサ層１４を介して、その上方の波長変換層１５に入射する。
これにより、波長変換層１５は、入射する励起光によって、異なる波長の光を発生させ、上方に向かって出射させる。このようにして、波長変換素子１０は、例えば白色光を出射するようになっている。
【００３８】
この場合、放熱材１１の凹陥部１２が二段構成になっていると共に、透明スペーサ層１４及び波長変換層１５の上面が凸状に形成されていることから、ＬＥＤチップ１３の上面から上方に出射する光は、直接に凸状の波長変換層１５の中央付近に入射すると共に、ＬＥＤチップ１３の周縁の上端付近から出射する光は、凹陥部１２の上部１２ｂで反射されるので、傾斜角θ２で比較的広い範囲に拡散されて、凸状の波長変換層１５の周縁付近に入射し、またＬＥＤチップ１３の周縁の下端付近から出射する光は、凹陥部１２の下部１２ａで反射されるので傾斜角θ１で比較的狭い範囲で、凸状の波長変換層１５の周縁付近に入射する。
【００３９】
従って、ＬＥＤチップ１３の上端及び下端から出射する光の波長変換層１５までの光路差が小さくなるので、ＬＥＤチップの高さが例えば１５０μｍ以上と比較的高くても、波長変換層１５に入射するＬＥＤチップ１３からの励起光の光量のむらが低減される。これにより、波長変換層１５から出射する蛍光の光量のむらも低減される。
【００４０】
図３は、本発明による波長変換素子の第二の実施形態の構成を示している。
図３において、波長変換素子２０は、基本的に図１に示した波長変換素子１０とほぼ同じ構成であるので、同じ構成要素には同じ符号を付して、その説明を省略する。
波長変換素子２０は、放熱材１１の凹陥部１２が二段構成ではなく、全体として同じ傾斜角θを備えていると共に、透明スペーサ層１４の上面が平坦に形成されており、透明スペーサ層１４の上面に形成される波長変換層１５のみが凸状に形成されている点で、図１に示した波長変換素子１０とは異なる構成になっている。
ここで、波長変換層１５は、凸状に形成されていればよく、具体的には中央部と端部との厚さの差が、ＬＥＤチップ１３の高さに対して、０．５乃至２．０倍の範囲が最適である。
【００４１】
このような構成の波長変換素子２０によれば、引出し電極１１ａ，１１ｂ間に駆動電圧を印加することにより、ボンディングワイヤ１３ａ，１３ｂを介して、ＬＥＤチップ１３のｐｎ接合にて、励起光が発生して、この励起光が、凹陥部１２の内面により反射され、透明スペーサ層１４を介して、その上方の波長変換層１５に入射する。
これにより、波長変換層１５は、入射する励起光によって、異なる波長の光を発生させ、上方に向かって出射させる。このようにして、波長変換素子１０は、例えば白色光を出射するようになっている。
【００４２】
この場合、波長変換層１５が上方に向かって凸状に形成されていることから、ＬＥＤチップ１３の上面から上方に出射する光は、直接に凸状の波長変換層１５の中央付近に入射すると共に、ＬＥＤチップ１３の周縁の側面から出射する光は、波長変換層１５の周縁付近に入射する。
従って、ＬＥＤチップ１３の上端及び下端から出射する光の波長変換層１５までの光路差が小さくなるので、ＬＥＤチップの高さが例えば１５０μｍ以上と比較的高くても、波長変換層１５に入射するＬＥＤチップ１３からの励起光の光量のむらが低減される。これにより、波長変換層１５から出射する蛍光の光量のむらも低減される。
【００４３】
次に、上記波長変換素子１０，２０の具体的な実験例について説明する。
先づ、上記波長変換素子２０及び従来の波長変換素子として、図４（Ａ）及び（Ｂ）に示す白色ＬＥＤ３１，３２を作製して、その色むらの発生を比較した。
各白色ＬＥＤ３１，３２としては、それぞれ銅製放熱材内に形成された底面１２ｃの直径１．５ｍｍ，深さ０．５ｍｍ，端面傾斜角６０度の凹陥部１２内に、厚さ１００μｍのサブマウント４３を介して、チップ高さ７５μｍの窒化ガリウム系青色ＬＥＤチップ１３（発光波長４５０ｎｍ）を搭載した。ここで、このＬＥＤチップ１３は、サファイア基板上にｎ型ＧａＮ系層，ｐ型ＧａＮ系層を順次に成長させることにより形成されている。
ここで、上記サブマウント３３には、ｐ層／ｎ層の各電極用の配線が備えられており、ボンディングワイヤにより引出し電極１１ａ，１１ｂと電気的に接続され得るようになっている。
また、各ＧａＮ系層に形成された電極とサブマウントとは、Ａｕ／Ｓｎ系共晶材料により電気的接続が行なわれると共に、固定され得るようになっている。
その後、ＬＥＤチップ１３の高さ付近まで、凹陥部１２内に透明シリコーン樹脂を充填して硬化させ、透明スペーサ層１４を形成した。
【００４４】
続いて、この透明スペーサ層１４の上に、ＬＥＤチップ１３からの青色励起光が入射したとき、補色である黄色光の蛍光を発生させるＣｅを添加したＹＡＧ系蛍光体を含有したシリコーン樹脂を用意する。
そして、白色ＬＥＤ３１については、上記シリコーン樹脂を凹陥部１２内に、塗布量を制御しながら、凹陥部１２の端面と中央部分との高さが０．２ｍｍになるように調整して充填し、硬化させることにより、凸状の波長変換層１５を形成した。
また、白色ＬＥＤ３２については、上記シリコーン樹脂を凹陥部１２内にて平坦になるように充填し、硬化させて、平坦な波長変換層１５’を形成した。
何れの白色ＬＥＤ３１，３２も、ＬＥＤチップ１３からの青色励起光と波長変換層１５，１５’からの黄色蛍光とが適宜の割合で混合されて、レンズ１６から白色光が照射されるようになっている。
最後に、銅製放熱材１１に対して、嵌め込み式レンズ１６を圧入して、白色ＬＥＤ３１，３２を作製した。
【００４５】
このようにして作製された本発明実施形態による波長変換素子としての白色ＬＥＤ３１と、従来の白色ＬＥＤ３２について、駆動して得られた白色光を比較したところ、どちらも色座標Ｘ＝０．３，Ｙ＝０．３であった。そして、各白色ＬＥＤ３１，３２から１ｍ離れた位置に置かれた白色板に対して、各白色ＬＥＤ３１，３２からの光を照射して、励起光源である青色ＬＥＤチップ１３からの青色と、ＹＡＧ系波長変換層１５からの蛍光の黄色が分離して見えるか否かを目視により観測したところ、本発明実施形態による白色ＬＥＤ３１の色むら発生は５０個中０個であったのに対して、従来の白色ＬＥＤ３２の色むら発生は５０個中３５個であった。
これにより、本発明による白色ＬＥＤ３１では、凸状の波長変換層１５の作用により、色むらの発生が効果的に抑制されていることが確認された。
【００４６】
次に、上記波長変換素子１０及び従来の波長変換素子として、図５（Ａ）及び（Ｂ）に示す白色ＬＥＤ４１，４２を作製して、その色むらの発生を比較した。
各白色ＬＥＤ４１，４２としては、それぞれ銅製放熱材内に形成された底面１２ｃの直径１．５ｍｍ，深さ０．５ｍｍ，端面傾斜角４５度の凹陥部１２内に、チップ高さ２５０μｍの端面傾斜型窒化ガリウム系青色ＬＥＤチップ１３（発光波長４６０ｎｍ）をＡｕ／Ｓｎ共晶材料により固定した。ここで、このＬＥＤチップ１３は、ＳｉＣ基板上にｎ型ＧａＮ系層，ｐ型ＧａＮ系層を順次に成長させることにより形成されている。
ここで、ＬＥＤチップ１３は、ｐｎ接合部が凹陥部１２の底面１２ｃに接近するように配置され、ｐ型電極は凹陥部１２の底面１２ｃに対して共晶材料により電気的に接続され、またｎ型電極は、ボンディングワイヤにより引出し電極１１ａと電気的に接続され得るようになっている。
その後、ＬＥＤチップ１３の高さ付近まで、凹陥部１２内に透明シリコーン樹脂を充填して硬化させ、透明スペーサ層１４を形成した。
【００４７】
続いて、この透明スペーサ層１４の上に、ＬＥＤチップ１３からの青色励起光が入射したとき、補色である黄色光の蛍光を発生させるＣｅを添加したＹＡＧ系蛍光体を含有したシリコーン樹脂を用意する。
そして、白色ＬＥＤ４１については、上記シリコーン樹脂を凹陥部１２内に、塗布量を制御しながら、凹陥部１２の端面と中央部分との高さが０．２ｍｍになるように調整して充填し、硬化させることにより、凸状の波長変換層１５を形成した。
また、白色ＬＥＤ４２については、上記シリコーン樹脂を凹陥部１２内にて平坦になるように充填し、硬化させて、平坦な波長変換層１５’を形成した。
何れの白色ＬＥＤ４１，４２も、ＬＥＤチップ１３からの青色励起光と波長変換層１５，１５’からの黄色蛍光とが適宜の割合で混合されて、レンズ１６から白色光が照射されるようになっている。
最後に、銅製放熱材１１に対して、嵌め込み式レンズ１６を圧入して、白色ＬＥＤ４１，４２を作製した。
【００４８】
このようにして作製された本発明実施形態による波長変換素子としての白色ＬＥＤ４１と、従来の白色ＬＥＤ４２について、駆動して得られた白色光を比較したところ、どちらも色座標Ｘ＝０．３，Ｙ＝０．３であった。そして、各白色ＬＥＤ４１，４２から１ｍ離れた位置に置かれた白色板に対して、各白色ＬＥＤ４１，４２からの光を照射して、励起光源である青色ＬＥＤチップ１３からの青色と、ＹＡＧ系波長変換層１５からの蛍光の黄色が分離して見えるか否かを目視により観測したところ、本発明実施形態による白色ＬＥＤ４１の色むら発生は５０個中５個であったのに対して、従来の白色ＬＥＤ４２の色むら発生は５０個中４０個であった。
これにより、本発明による白色ＬＥＤ４１では、凸状の波長変換層１５の作用により、色むらの発生が効果的に抑制されていることが確認された。
【００４９】
次に、上記波長変換素子１０として、図６に示す白色ＬＥＤ５１を作製して、その色むらの発生を比較した。
白色ＬＥＤ５１としては、銅製放熱材内に形成された底面１２ｃの直径１．１ｍｍ，深さ０．５ｍｍ，端面傾斜角９０度の下部１２ａと、深さ０．３ｍｍ，端面傾斜角４５度の上部１２ｂから成る凹陥部１２内に、チップ高さ２５０μｍの窒化ガリウム系青色ＬＥＤチップ１３（発光波長４６０ｎｍ）をＡｕ／Ｓｎ共晶材料により固定した。ここで、このＬＥＤチップ１３は、ＳｉＣ基板上にｎ型ＧａＮ系層，ｐ型ＧａＮ系層を順次に成長させることにより形成されている。
ここで、ＬＥＤチップ１３は、ｐｎ接合部が凹陥部１２の底面１２ｃに接近するように配置され、ｐ型電極は凹陥部１２の底面１２ｃに対して共晶材料により電気的に接続され、またｎ型電極は、ボンディングワイヤにより引出し電極１１ａと電気的に接続され得るようになっている。
その後、凹陥部１２の下部１２ａ及び上部１２ｂの界面まで、凹陥部１２内に透明シリコーン樹脂を凸状になるように充填して硬化させ、透明スペーサ層１４を形成した。
【００５０】
続いて、この透明スペーサ層１４の上に、ＬＥＤチップ１３からの青色励起光が入射したとき、補色である黄色光の蛍光を発生させるＣｅを添加したＹＡＧ系蛍光体を含有したシリコーン樹脂を凹陥部１２内に、塗布量を制御しながら、凹陥部１２の上端面と中央部分との高さが０．２ｍｍになるように調整して充填し、硬化させることにより、凸状の波長変換層１５を形成した。
その際、ＬＥＤチップ１３からの青色励起光と波長変換層１５からの黄色蛍光とが適宜の割合で混合されて、レンズ１６から白色光が照射されるようになっている。
最後に、銅製放熱材１１に対して、嵌め込み式レンズ１６を圧入して、白色ＬＥＤ５１を作製した。
【００５１】
このようにして作製された本発明実施形態による波長変換素子としての白色ＬＥＤ５１と、前記白色ＬＥＤ４１について、駆動して得られた白色光を比較したところ、どちらも色座標Ｘ＝０．３，Ｙ＝０．３であった。そして、各白色ＬＥＤ５１，４２から１ｍ離れた位置に置かれた白色板に対して、各白色ＬＥＤ５１，４２からの光を照射して、励起光源である青色ＬＥＤチップ１３からの青色と、ＹＡＧ系波長変換層１５からの蛍光の黄色が分離して見えるか否かを目視により観測したところ、本発明実施形態による白色ＬＥＤ５１の色むら発生は５０個中０個であったのに対して、前記白色ＬＥＤ４１の色むら発生は５０個中５個であった。
これにより、本発明による白色ＬＥＤ５１では、凸状の波長変換層１５の作用により、色むらの発生がより一層効果的に抑制されていることが確認された。
【００５２】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明によれば、波長変換層が上方に向かって凸状に形成され、さらに好ましくは反射面が第一の部分と第二の部分とから構成されているので、ＬＥＤチップの上面から上方に出射する光は、凸状の波長変換層の中央付近に入射すると共に、ＬＥＤチップの周縁の側面から出射する光は、反射面の第一の部分及び第二の部分で反射されて、凸状の波長変換層の周縁付近に入射する。これにより、ＬＥＤチップの上端及び下端から出射する光の波長変換層までの光路差が低減されることになる。
従って、ＬＥＤチップの高さが高くても、波長変換層に入射するＬＥＤチップからの励起光の光量のむらが低減されるので、波長変換層から出射する蛍光の光量のむらも低減され、より均一で色のばらつきの少ない蛍光光源が得られることになる。
このようにして、本発明によれば、色むらや色のばらつきが低減され得るようにした、極めて優れた波長変換素子が提供され得る。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による波長変換素子の第一の実施形態の構成を示す概略断面図である。
【図２】図１の波長変換素子における要部の詳細な構成を示す部分拡大断面図である。
【図３】本発明による波長変換素子の第二の実施形態の構成を示す概略断面図である。
【図４】図３の波長変換素子の第一の具体的構成例と従来の構成例を示す概略断面図である。
【図５】図３の波長変換素子の第二の具体的構成例と従来の構成例を示す概略断面図である。
【図６】図１の波長変換素子の具体的構成例を示す概略断面図である。
【図７】従来の波長変換素子の一例の構成を示す概略断面図である。
【図８】図７の波長変換素子の要部を示す部分拡大断面図である。
【符号の説明】
１０，２０ 波長変換素子
１１ 放熱材
１２ 凹陥部
１２ａ 下部（第一の部分）
１２ｂ 上部（第二の部分）
１３ ＬＥＤチップ
１４ 透明スペーサ層
１５ 波長変換層
１６ レンズ
３１，３２，４１，４２，５１ 白色ＬＥＤ
Claims (5)
- 少なくとも１つ以上のＬＥＤチップと、このＬＥＤチップの周囲にて上方に向かって拡大するように形成された反射面と、この反射面内にてＬＥＤチップを包囲するように充填された透明スペーサ層と、透明スペーサ層の表面に形成された波長変換層と、を含む波長変換素子であって、
上記反射面が、下方からＬＥＤチップの上面より高い位置まで延びる第一の部分と、第一の部分から上方に延びる第二の部分とから構成されており、
上記第二の部分が、上記第一の部分より小さい傾斜角を有し、上記透明スペーサ層は、上記第一の部分と上記第二の部分との境界まで充填され、
上記透明スペーサ層の上面が、上方に向かって凸状に形成されていることを特徴とする、波長変換素子。 - 上記波長変換層の上面が、上方に向かって凸状に形成されていることを特徴とする請求項１に記載の波長変換素子。
- 上記波長変換層は、上記第二の部分の上端まで充填されていることを特徴とする請求項２に記載の波長変換素子。
- ＬＥＤチップを、該ＬＥＤチップの上面より高い位置まで延びる第一の部分と該第一の部分から該第一の部分より小さい傾斜角で上方に延びる第二の部分とからなる反射面を有する凹陥部内の底面に配置する工程と、
透明樹脂を上記第一の部分と上記第二の部分の境界まで充填して硬化させ、上面が凸状の透明スペーサ層を形成する工程と、
上記凹陥部内の上記透明スペーサ層上に、蛍光体を含有した樹脂により波長変換層を形成する工程と、
を含む波長変換素子の製造方法。 - 上記波長変換層を形成する工程は、蛍光体を含有した樹脂を上記第二の部分の上端まで充填して、上面が凸状の上記波長変換層を形成することを特徴とする請求項４に記載の波長変換素子の製造方法。
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