JP5883662B2

JP5883662B2 - 発光装置

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Publication number: JP5883662B2
Application number: JP2012013760A
Authority: JP
Inventors: 美香望月
Original assignee: Stanley Electric Co Ltd
Current assignee: Stanley Electric Co Ltd
Priority date: 2012-01-26
Filing date: 2012-01-26
Publication date: 2016-03-15
Anticipated expiration: 2032-01-26
Also published as: EP2620989B1; US20130193458A1; US9224925B2; EP2620989A3; JP2013153094A; EP2620989A2

Description

本発明は、発光素子を有する発光装置に関する。

発光ダイオード等の発光素子上に蛍光体粒子を含む樹脂層からなる波長変換層を形成し、発光素子からの光の一部を波長変換層中の蛍光体粒子で異なる波長の光に変換し、蛍光体粒子による変換後の光を発光素子からの波長変換層を通過する光と混合して放出する発光装置が知られている。

例えば、発光素子が青色発光し、その青色光の一部を波長変換層の蛍光体粒子で黄色光に変化させ、その黄色光と、波長変換層をそのまま通過する青色光と混合させることにより発光装置としては白色光が出射される。

このような発光装置においては、波長変換層で混合された光を透過する透明板状部材が波長変換層上に配置され、更に、発光素子、波長変換層及び透明板状部材の各々の側面を反射樹脂等の材料からなる反射部材で覆って発光素子からの出射光を効率よく外部に取り出す構成がとられている（例えば、特許文献１参照）。

特開２０１０−２１９３２４号公報

しかしながら、かかる従来の発光装置においては、装置から出射される光に色ムラが生じるという問題があった。例えば、上記したように発光素子が青色発光し、その青色光の一部を波長変換層の蛍光体粒子で黄色光に変化させる発光装置では、透明板状部材の光出射面の中央部では出射光が青白くなり、外周部では出射光は逆に黄色味がかる。

一方、波長変換層に含有される蛍光体粒子の混和率に応じて色温度が変化することが分かっている。すなわち、波長変換層に含有される蛍光体粒子の量に応じて波長変換される光の量が変化する。そこで、従来から出射光のうちの発光素子の元来の発光色を抑制するためには蛍光体粒子の混和率を高くしたり、波長変換層の層厚を厚くすることが考えられている。しかしながら、蛍光体粒子の混和率を高くしたり、波長変換層の層厚を厚くすることは波長変換層での光損失が大きくなり、発光装置としての光出射効率が低下することを意味する。

そこで、本発明の目的は、かかる点を鑑みてなされたものであり、発光装置の光出射効率を低下させることなく出射される発光色の色ムラを抑制することができる発光装置を提供することである。

本発明の発光装置は、基板と、前記基板上に配置された発光素子、前記発光素子上に配置されて蛍光体粒子を含有する波長変換層、及び前記波長変換層上に配置された透光性プレートからなる発光構造体と、を備え、前記波長変換層は、前記発光素子の側面の少なくとも一部と前記透光性プレートの側面の少なくとも一部とを覆って外側に湾曲に突出した凸部を含み、前記発光装置は、前記凸部の湾曲面を覆う反射層を備えることを特徴としている。

本発明の発光装置によれば、発光素子と透光性プレートとの間に設けられた波長変換層が発光素子の側面の少なくとも一部と透光性プレートの側面の少なくとも一部とを覆って外側に湾曲に突出した凸部を含むので、発光素子の側面から出射した光線のうちの凸部中の蛍光体粒子で波長変換された光線成分は凸部の湾曲面で反射して透光性プレートの光出射面の中央部に向かうことになる。よって、透光性プレートの光出射面の中央部における発光素子の本来の発光色に凸部で反射された波長変換後の光線成分が加わり、一方、透光性プレートの光出射面の外周部に進む波長変換後の光線成分が減少するので、発光装置の光出射効率を低下させることなく出射される発光色の色ムラを抑制することができる。

本発明の実施例の発光装置を示す断面図である。比較例及び実施例について各々、発光素子の上面に垂直な軸を０°として、各指向角度の色温度を測定し、指向角度０°の色温度と各指向角度の色温度との色温度差を示す図である。比較例の発光装置を示す断面図である。比較例の発光装置を光源としてビーム状の照明のために光学レンズと組み合わせた場合の被照射面上での照射パターンを示す図である。実施例の発光装置における発光素子の側面から出射した光成分の進行経路を示す断面図である。実施例の発光装置の製造方法を示す断面図である。自動調心作用を説明するための実施例の発光装置の製造工程中の上面図である。

以下、本発明の実施例を図面を参照しつつ詳細に説明する。

図１は本発明の実施例として発光装置の断面図を示している。この発光装置において、ハウジング１１は開口部を有する立体形状を有し、その断面は図１の断面図から分かるように凹型である。ハウジング１１の材料としてはセラミックや樹脂からなる。ハウジング１１は基板１１ａと枠体１１ｂとが一体に形成されたものである。基板１１ａはハウジング１１の底部分であり、枠体１１ｂは基板１１ａ上に四角形の環状に形成された壁である。ハウジング１１の内部（キャビティ）の底面、すなわち基板１１ａ上には後述の半導体発光素子１２との接続のために導電パターン（図示せず）が形成されている。また、基板１１ａの裏面には、上記の導電パターンと接続した電極（図示せず）が外部接続のために形成されている。

また、基板１１ａ上には、フリップチップタイプの半導体発光素子（以下、単に発光素子と称す）１２が複数のバンプ１３により上記の導電パターンに接合されることにより実装されている。発光素子１２は青色ＬＥＤ（発光ダイオード）からなる。発光素子１２の上面（主発光面）には、波長変換層１４が設けられ、波長変換層１４の上には透明板状部材（透光性プレート）１５が設けられている。透明板状部材１５の主面である上面（表面）及び下面（裏面）各々の大きさは発光素子１２の上面の大きさより若干小さい。透明板状部材１５はその下面が発光素子１２の上面に波長変換層１４を介して対向する位置に配置されている。なお、本実施例では、透明板状部材１５の上面及び下面の大きさが、発光素子の上面の大きさより小さいものを用いているが、本発明はこれに限定されず、透明板状部材の上面及び下面の大きさが、発光素子の上面の大きさと同じもの、あるいは、発光素子の上面の大きさより大きいものを用いてもよい。

波長変換層１４の基材には、蛍光体粒子（図示せず）が高濃度で分散されている。その蛍光体粒子は発光素子１２の発する光により励起され黄色蛍光を発する、例えば、ＹＡＧ蛍光体粒子である。波長変換層１４の基材としては、発光素子１２の発する光及び蛍光体粒子が発する蛍光に対して透光性を有する材料が用いられる。波長変換層１４の基材（バインダ）は、透明樹脂等の有機材料であっても、ガラス等の無機材料であっても良い。例えば、シリコーン樹脂、エポキシ樹脂等の透明樹脂を用いることができる。

また、波長変換層１４には、上記の蛍光体粒子の他に、所定の粒径（例えば、４０μｍ）を有する粒子状の複数のスペーサー（間隔保持部材）１６が混入されている。スペーサー１６は発光素子１２上面と透明板状部材１５との間に所定の層厚が得られるようにするためのものである。スペーサー１６の材料としては、例えば、ガラスビーズ等の耐熱性を有し光化学劣化がなく、透光性（透明及び半透明を含む）を有するものが好ましい。また、スペーサー１６の数としては３以上であれば良い。

更に、波長変換層１４は、発光素子１２の側面と透明板状部材１５の側面とを覆って外側に湾曲に突出した凸部１４０を含んでいる。この実施例では発光素子１２の側面については基板１１ａ側の端部までが凸部１４０によって覆われ、透明板状部材１５の側面については下面近傍の一部が凸部１４０で覆われているが、発光素子１２及び透明板状部材１５の双方の側面の一部だけが凸部１４０で覆われても良い。

透明板状部材１５の上面が本発光装置の光取り出し面、すなわち光出射面１５ａである。透明板状部材１５としては、発光素子１２の発する光、及び蛍光体粒子の発する蛍光に対して透光性を有するものを用いるが、所望の光学特性を有する透光性プレートであっても良い。例えば、特定の波長をカットする板状フィルターを透光性プレートとして用いることも可能である。また、発光素子１２からの光を所望の波長光に変換する蛍光体成分を含有する蛍光ガラスプレートや、蛍光体原料を焼結して作製した蛍光セラミックスのプレート(例えば、ＹＡＧプレート)を用いることも可能である。更に、例えば、透過率が高く屈折率が小さいクラウンガラスを用いることができる。

また、透明板状部材１５の下面及び上面は平坦であるが、この平坦形状に限定されない。例えば、下面及び上面に光を拡散・配光等させるための微細な凹凸が形成されても良い。また、透明板状部材１５の上面は、光出射面１５ａとなるため、光の取り出し効率を向上させるために表面処理を施し加工しても良い。また、透明板状部材１５の上面はレンズ形状に加工されていても良い。

また、ハウジング１１内部においては、発光素子１２、バンプ１３、波長変換層１４及び透明板状部材１５からなる発光構造体以外の空間を埋めるように反射層１７が形成されている。反射層１７としては、シリコーン樹脂や無機バインダを含む樹脂からなるベース部材に、白色の顔料と共に、酸化チタン、酸化亜鉛、酸化タンタル、酸化ニオブ、酸化ジルコニア、酸化アルミニウム、窒化アルミニウム等のフィラーを含んだ材料が用いられている。反射層１７は透明板状部材１５の上面である光出射面１５ａが露出するようにハウジング１１内に充填されている。

なお、本実施例では、透明板状部材１５の上面を反射層１７が覆うことがないように、反射層１７の表面位置が透明板状部材１５の上面位置より低くなるように反射層１７が充填されているが、本発明はこれに限定されるものではない。透明板状部材１５の上面を覆わなければ、反射層１７は、透明板状部材１５の側面全体を覆うように、つまり、透明板状部材１５との接触位置において、透明板状部材１５の上面と同じ位置まで充填されることが好ましい。

かかる構成の実施例の発光装置において、発光素子１２から上方に放射された青色光は、波長変換層１４に入射し、一部が蛍光体粒子によって黄色光に変換され、蛍光体粒子によって変換されなかった青色光と混合されて白色光として透明板状部材１５の上面から出射される。発光素子１２の側面から出射される青色光は、波長変換層１４に入射し、一部が蛍光体粒子によって黄色光に変換され、波長変換層１４の凸部１４０の湾曲面（反射層１７との界面）に向かう。その凸部１４０の湾曲面に向かった光（青色光及び黄色光）のうちの一部がその湾曲面によって反射されて透明板状部材１５を通過して白色光として出射される。

また、実施例の発光装置の色ムラ抑制効果を確かめるために比較例及び実施例の色温度の指向角分布を測定した。比較例の発光装置として、図３に示すように、透明板状部材１５が発光素子１２を完全に覆うように波長変換層１４上に配置されており、透明板状部材１５の上面及び下面各々の大きさは発光素子１２の上面の大きさより若干大きい。また、波長変換層１４は、発光素子１２の側面を覆ってその側面と透明板状部材１５の下面との間で表面張力により内側に湾曲して窪んだ湾曲部１４０ａを含んでいる。

なお、比較例と実施例とにおいて、上記した湾曲部１４０ａと凸部１４０の形状の違いを形成するために、波長変換層１４を構成する蛍光体含有樹脂の量を変化させた（具体的には、実施例のサンプルは、比較例のサンプルより、蛍光体含有樹脂の量が多い）が、それ以外の材料、層厚、形状、ガラス板の大きさ、発光素子の大きさ等の条件は同一であり、次のようにサンプル作成した。

発光装置の発光素子１２の正方形の上面の各辺長を０．８０mmとし、透明板状部材１５としてはホウケイ酸ガラスを用いて、その厚みを０．１〜０．３mm、その正方形の上面及び下面の辺長を０．８６mmとした。また、波長変換層１４のバインダとしてはシリコーン系樹脂の基準粘度３．５〜５．０Pa・sのものを使用し、波長変換層１４の含有蛍光体粒子としてはＹＡＧ系のもので、その混和率は５０wt%である。また、波長変換層１４の層厚である発光素子１２の上面から透明板状部材１５の下面までの間隔は０．０４０mmである。

上記条件の下で、比較例および実施例について各々、発光素子の上面に垂直な軸を０°として、指向角度が０°、１０°、２０°、３０°、４０°、５０°、６０°、７０°、８０°、８５°の色温度を測定し、指向角度０°の色温度と各指向角度の色温度との色温度差を求め、図２に示した。なお、比較例と実施例の指向角度０°における色温度は、ほぼ同じである。

比較例および実施例のいずれにおいても、高角度側では、低角度側と比較して、黄色みを帯びていることが確認できた。高角度側になるに従い、発光素子からの放射光が発光面に到達するまでの距離が長くなるため、波長変換される割合が高くなることによるものと考えられる。

そして、比較例では、指向角８５°における指向角０°との色温度差が、３９７４Kであるのに対し、実施例では、指向角８５°における指向角０°との色温度差が、２２５０Kとなり、指向角度による色温度差を低減することができた。つまり、実施例においては、比較例において高角度域に放出されていた光路長の長い放射光の一部を、凸部１４０の湾曲面で反射することにより、より低角度側に放出することができるため、指向角度による色温度差を低減することができたと考えられる。

近視野色温度分布は比較例の発光装置の場合には、光出射面１５ａの中央部と外周部とでの色温度差が大きい。よって、この比較例の発光装置を光源としてビーム状の照明のために光学レンズと組み合わせた場合にそれによる被照射面上での照射パターンは図４に示すように中央部の色温度が高い領域（符号Ａ）は比較的青白い照明色となり、環状の外周部の色温度の低い領域（符号Ｂ）は中央部と比べて黄色みを帯びた照明色となる。このことは比較例の発光装置では色ムラが大きいことを表している。

比較例の発光装置においては、発光素子１２から出射された光線のうちの光軸（発光素子１２の上面に垂直な軸）上から傾きを有する光線成分についてはその傾き角が大きくなるほど波長変換層１４を通過する光線パス長が長くなるので、波長変換層１４中の蛍光体粒子による光吸収及び励起光としての割合が高くなる。また、発光素子１２から出射された光線のうちの光軸上に沿って出射される光線については波長変換層１４を通過する光線パス長が短いために、波長変換層１４中の蛍光体粒子による光吸収は傾きを有する光線成分の場合に比べて低く、発光素子１２からの出射光が波長変換されずにそのまま光出射面１５ａから装置外に出射される割合が高くなる。更に、発光素子１２の側面から出射した光線のうちの湾曲部１４０ａ中の蛍光体粒子で生じた黄色光線成分が湾曲部１４０ａの湾曲面で反射しても図３に矢印Ｃで示すように、上方（基板垂直方向）に直進して光出射面１５ａの外周部に向かってそのまま装置外に出射される。このような理由によりに比較例の発光装置では、光出射面１５ａの中央部で青色光が強く（色温度が高い）、外周部で黄色光が強くなり（色温度が低い）、従って、色ムラが大きくなる。

これに対し、実施例の発光装置の場合には、発光素子１２の側面から出射した光線のうちの凸部１４０中の蛍光体粒子で生じた黄色光線は凸部１４０の湾曲面で反射すると、図５に矢印Ｄで示すように、光出射面１５ａの中央部に向かうことになる。その中央部に向かう黄色光線は、発光素子１２から出射された光線のうちの光軸上に沿って出射される青色が強い光線と混じり合うので、光出射面１５ａの中央部の色温度が低下し、逆に光出射面１５ａの外周部の色温度が上昇することとなり、この結果、光出射面１５ａの中央部と外周部とでの色温度差が小さくなる。よって、実施例の発光装置では光出射面１５ａにおける色ムラを小さくすることができる。

次に、実施例の発光装置の製造方法について図６(a)〜(d)を用いて説明する。

先ず、図６(a)に示すように、ハウジング１１の内部底面（基板１１ａ上）の配線パターンに、フリップチップタイプの発光素子１２の素子電極をバンプ１３を用いて各々接合して発光素子１２が実装される。

次に、波長変換層１４の未硬化の基材が用意され、蛍光体粒子が予め定めた濃度で添加され、複数のスペーサー１６と共に十分に混練することにより、基材中に一様に分散され、未硬化のペースト１４ｂが得られる。このペースト１４ｂは図６(b)のように、発光素子１２の上面に所定量だけ塗布(または滴下)され、そのペースト１４ｂの上に透明板状部材１５を搭載する。図６(b)に矢印Ｅで示す方向に、透明板状部材１５の自重、もしくは、必要に応じて透明板状部材１５の上面に荷重をかけ、図６(c)に示すように発光素子１２上面と透明板状部材１５との間に所定の層厚でペースト１４ｂの層が形成される。

このとき、ペースト１４ｂは、発光素子１２と透明板状部材１５との間から外側にはみ出し、そのはみ出したペースト１４ｂによって発光素子１２の側面の全て及び透明板状部材１５の側面の下面近傍の一部を覆うと共に外側に湾曲に突出した凸部１４ｃ（凹部１４０に相当する）が形成される。

ペースト１４ｂを所定の硬化処理により硬化させることにより凹部１４０を有する波長変換層１４が形成される。

なお、この後の工程で波長変換層１４の形状が変わらないのであれば、ペースト１４ｂを完全に硬化させず、半硬化となる条件で硬化させても良い。

次に、ハウジング１１内の発光構造体との間の空間に、図６(d)に示すように反射層１７のための未硬化の反射材料１７０が例えば、二酸化チタン粒子を含有したシリコーン樹脂がポッティング方法により充填される。反射材料１７０の充填量は、透明板状部材１５の上面を露出させかつ凸部１４０が埋まる程度が望ましい。未硬化の反射材料１７０は所定の硬化処理により硬化されて反射層１７として形成される。以上により、実施例の発光装置が製造される。

なお、反射材料１７０の充填にはポッティング方法に限らず、印刷方法等の他の方法を用いても良い。

製造工程において、ペースト１４ｂが塗布された発光素子１２に透明板状部材１５を積層する場合に、透明板状部材１５の発光素子１２に対する位置合わせ、すなわち４辺の方向合わせが必要となる。図３に示した比較例の発光装置の場合の製造工程においては、透明板状部材１５をハウジング１１に予め設置された発光素子１２の上面にペースト１４ｂを塗布した後、気泡巻き込みに注意しながら真空ピンセットで透明板状部材１５を配設して位置合わせするという作業が実行されるが、その位置合わせには大変な労力が要求される。このことは透明板状部材１５の主面（上面及び下面）の大きさを発光素子１２の上面の大きさ以下にしても同様である。

一方、実施例の発光装置の場合の製造工程においては、上記したようにペースト１４ｂによって発光素子１２の側面の全て及び透明板状部材１５の側面の下面近傍の一部を覆うと共に外側に湾曲に突出した凸部１４ｃが形成される。この状態において発光素子１２に対して４辺が揃わない角度位置にある透明板状部材１５に図７(a)に矢印Ｆで示す方向に自動調心作用が働き、労力を要すことなく図７(b)に示すように位置合わせを完了することが可能である。

この理由としては、透明板状部材１５の側面に延在したペースト１４ｂの表面張力により発光素子１２の４辺に対して透明板状部材１５の４辺が揃うように作用することと、また、スペーサー１６によって透明板状部材１５のペースト１４ｂへの沈み込みが抑制されるために調心作用として働く側面水平方向に対して生ずる反力が抑制されることが考えられる。更に十分な調心作用を機能させるためには、凸部１４ｃのサイズを大きくして十分な張力が得られることが必要である。

なお、上記した実施例においては、単一の発光素子が配置された発光装置が示されているが、本発明はこれに限定されず、複数の発光素子が配置された発光装置にも当然適用することができる。

また、上記した実施例においては、波長変換層１４の凸部１４０が波長変換層１４の周囲全てに形成されているが、凸部１４０は波長変換層１４の周囲の一部だけに形成されても良い。例えば、波長変換層１４の周囲４辺のうちの２辺だけに凸部１４０が形成され、残りの２辺には湾曲部１４０ａが形成されても良い。

また、上記した実施例においては、発光素子としてＬＥＤが用いられているが、本発明はＬＥＤ以外の有機ＥＬ（エレクトロルミネセンス）素子等の他の発光素子を用いることができる。更に、発光素子としてはフリップチップタイプの発光素子に限らず、本発明は上部からワイヤーボンディング等で給電する方式の発光素子を用いても良いことは勿論である。

更に、上記した実施例においては、発光素子１２の上面の大きさが透明板状部材１５の下面の大きさより大きいが、本発明は発光素子１２の上面の大きさが透明板状部材１５の下面の大きさ以下であっても良い。

また、上記した実施例においては、断面が凹型のハウジング１１が用いられ、ハウジング１１は基板１１ａと枠体１１ｂとを一体に形成したものであるが、独立した平板状の基板上に環状の枠体を接着して配置した構成にしても良い。更に、上記した実施例においては、ハウジング１１内部に反射層１７が充填されているが、本発明は少なくとも基板上に上記した発光構造体が配置され、その発光構造体の波長変換層１４の周囲の一部に凸部１４０が形成されていれば良い。また、波長変換層１４中のスペーサー１６は発光素子１２の上面と透明板状部材１５の下面との間を所定の間隔（層厚）を保つように波長変換層１４を形成することができるならば本発明において必須ではない。

上記した実施例においては、発光素子１２が青色発光し、波長変換層１４が青色光を黄色光に変換して、それらを混合して白色の出射光が得られる場合について説明したが、本発明は発光素子１２の発光色、波長変換層１４の変換色及び出射光色について限定しない。

また、透明板状部材１５を発光素子１２上に波長変換層１４を介して保持するために、透明板状部材１５の側面を、例えば、面粗さＲａ＝５０μm程度の粗面として、凸部１４０及び反射層１７の透明板状部材１５に対する保持機能を確保するようにしても良い。これは、本発明の発光装置を車載用灯具の光源として用いた場合に、走行時に車両に加わる振動によって透明板状部材１５が抜け落ちないようにするために有効である。

また、本発明の発光装置を光源として集光光学系と組み合わせた場合に、光源の配光は光軸中心から角度が振れた箇所にピークの発生があるものは好まれないので、透明板状部材１５の光出射面１５ａを擦リガラス等によって拡散作用を持たせることでブロード化を図っても良い。

本発明の発光装置は、ビーム状の照射パターンが求められる、例えば、車両用ヘッドランプ、フォグランプ、プロジェクタ装置等の照明装置の光源として用いることができる。

１１ハウジング
１１ａ基板
１１ｂ枠体
１２発光素子
１３バンプ
１４波長変換層
１５透明板状部材
１６スペーサー
１７反射層
１４０凸部
１７０反射材料

Claims

基板と、
前記基板上に配置された発光素子、前記発光素子上に配置されて蛍光体粒子を含有する波長変換層、及び前記波長変換層上に配置された透光性プレートからなる発光構造体と、を備える発光装置であって、
前記波長変換層は、前記発光素子の側面の少なくとも一部と前記透光性プレートの側面の少なくとも一部とを覆って外側に湾曲に突出した凸部を含み、
前記発光装置は、前記凸部の湾曲面を覆う反射層を備えることを特徴とする発光装置。
前記発光構造体を囲むように前記基板上に配置された環状の枠体を更に備え、
前記反射層は、前記発光構造体と前記枠体との間を埋めるように形成されていることを特徴とする請求項１記載の発光装置。
前記透光性プレートの前記波長変換層に面した裏面の大きさは前記発光素子の前記波長変換層に面した発光主面の大きさより小さいことを特徴とする請求項１又は２記載の発光装置。
前記凸部は、前記発光素子の側面全体を覆っていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１記載の発光装置。
前記波長変換層には粒子状の複数のスペーサーが混入され、前記複数のスペーサーによって前記波長変換層は所定の膜厚で形成されていることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１記載の発光装置。