JP6805897B2

JP6805897B2 - 発光装置

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Publication number: JP6805897B2
Application number: JP2017043303A
Authority: JP
Inventors: 朋弘三輪; 下西　正太; 正太下西; 聡美関; 加藤　大典; 大典加藤; 重郎武田
Original assignee: Toyoda Gosei Co Ltd
Current assignee: Toyoda Gosei Co Ltd
Priority date: 2017-03-07
Filing date: 2017-03-07
Publication date: 2020-12-23
Anticipated expiration: 2037-03-07
Also published as: US20180261733A1; US10381530B2; JP2018148101A

Description

本発明は、発光装置に関する。

従来、４００ｎｍ以上４６０ｎｍ以下の波長範囲に発光ピークを有する発光素子と蛍光体とを有し、発光素子からの光と蛍光体の蛍光との混色光を発する発光装置であって、混色光の平均演色評価数Ｒａが８５より大きく、特殊演色評価数Ｒ９（赤色）が５０より大きい発光装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。

また、従来、近紫外乃至青色領域にピーク発光波長を有する光を放射する発光素子と蛍光体とを有し、平均演色評価数Ｒａが９０≦Ｒａ≦９７である発光装置が知られている（例えば、特許文献２参照）。

ここで、平均演色評価数Ｒａ、特殊演色評価数Ｒ９は、演色性を数値として評価するためのパラメータであり、これらの数値が１００に近いほど基準光（太陽光等）に近いことになる。

特開２０１６−１１１１９０号公報特開２０１６−１５７９６５号公報

本発明の目的は、従来の発光装置よりも太陽光に近い演色性に優れた光を発する発光装置を提供することにある。

本発明の一態様は、上記目的を達成するために、下記［１］〜［６］の発光装置を提供する。

［１］ピーク波長が４１１ｎｍ以上かつ４２１ｎｍ以下の光を発する発光素子と、前記発光素子の発する光の前記ピーク波長よりも長波長側にピーク波長を有する蛍光を発する蛍光体と、を有し、前記発光素子のみの発光スペクトルと前記蛍光体のみの発光スペクトルが、７１ｎｍ以上かつ８１ｎｍ以下の重なり代を有して重なり、前記重なり代は、前記発光素子のみの発光スペクトルにおけるピークの高さの０．１％の高さの点のうちの長波長側の点と、前記蛍光体のみの発光スペクトルにおける最も高いピークの高さの０．１％の高さの点のうちの短波長側の点との波長の差である、発光装置。

［２］前記重なり代が７１ｎｍ以上かつ７９ｎｍ以下である、上記［１］に記載の発光装置。

［３］前記重なり代が７３ｎｍ以上かつ７５ｎｍ以下である、上記［２］に記載の発光装置。

［４］色温度が５０００〜６５００Ｋの光を基準光としたときの演色評価数Ｒｆ、ＲｇがそれぞれＲｆ≧９７、９９≦Ｒｇ≦１０２を満たす光を発する、上記［１］〜［３］のいずれか１項に記載の発光装置。

［５］前記蛍光体が、４４５ｎｍ以上かつ４９０ｎｍ以下のピーク波長を有する蛍光を発する第１の蛍光体、４９１ｎｍ以上かつ６００ｎｍ以下のピーク波長を有する蛍光を発する第２の蛍光体、及び６０１ｎｍ以上かつ６７０ｎｍ以下のピーク波長を有する蛍光を発する第３の蛍光体を含む、上記［１］〜［４］のいずれか１項に記載の発光装置。

［６］前記第１の蛍光体として、２種のアルカリ土類ハロリン酸塩蛍光体を含み、前記第２の蛍光体として、β−サイアロン蛍光体及びＣａ固溶α−サイアロン蛍光体を含み、前記第３の蛍光体として、ＣＡＳＯＮ蛍光体及びＣＡＳＮ蛍光体を含む、上記［５］に記載の発光装置。

本発明によれば、従来の発光装置よりも太陽光に近い演色性に優れた光を発する発光装置を提供することができる。

図１は、実施の形態に係る発光装置１の垂直断面図である。図２（ａ）は、発光素子のみの発光スペクトル、蛍光体のみの発光スペクトル、及び混合光のスペクトルの例を示す。図２（ｂ）は、図２（ａ）における、発光素子のみの発光スペクトルと蛍光体のみの発光スペクトルの重なり部分を拡大した図である。図３（ａ）、（ｂ）、（ｃ）は、それぞれ発光素子のピーク波長が４０５ｎｍ、４１４ｎｍ、４３０ｎｍであるときの発光スペクトルを示す。図４は、表５、６の混合光の演色評価数Ｒｆ及びＲｇをプロットしたグラフである。

〔実施の形態〕
（発光装置の構成）
図１は、実施の形態に係る発光装置１の垂直断面図である。発光装置１は、凹部１０ａを有するケース１０と、凹部１０ａの底部に露出するようにケース１０に含まれるリードフレーム１１と、リードフレーム１１上に搭載された発光素子１２と、リードフレーム１１と発光素子１２の電極を電気的に接続するボンディングワイヤー１３と、凹部１０ａ内に充填され、発光素子１２を封止する封止樹脂１４と、封止樹脂１４中に含まれる粒子状の蛍光体１５とを有する。

ケース１０は、例えば、ポリフタルアミド樹脂、ＬＣＰ（Liquid Crystal Polymer）、ＰＣＴ（Polycyclohexylene Dimethylene Terephalate）等の熱可塑性樹脂、シリコーン樹脂、変性シリコーン樹脂、エポキシ樹脂、変性エポキシ樹脂等の熱硬化性樹脂からなり、射出成形又はトランスファー成形により形成される。ケース１０は、光反射率を向上させるための二酸化チタン等からなる光反射粒子を含んでもよい。

リードフレーム１１は、例えば、全体またはその表面がＡｇ、Ｃｕ、Ａｌ等の導電材料からなる。

発光素子１２は、典型的にはＬＥＤ素子やレーザーダイオード素子である。図１に示される例では、発光素子１２はボンディングワイヤー１３によりリードフレーム１１に接続されるフェイスアップ型の素子であるが、フェイスダウン型の素子であってもよいし、導電バンプ等のボンディングワイヤー以外の接続部材によってリードフレームに接続されてもよい。

発光素子１２の発する光のピーク波長が長すぎると、発光装置１の発光スペクトルの短波長域（紫の波長域）の発光強度が弱くなるため、発光装置１の発光スペクトルを太陽光に近づけることが困難になる。このため、発光素子１２の発する光のピーク波長が４２１ｎｍ以下であることが好ましい。

一方、発光素子１２の発する光のピーク波長が短すぎると、発光素子１２の発光スペクトルのピークと蛍光体１５の発光スペクトルのピークとの間のスペクトルの谷が大きくなって発光装置１の発光スペクトルを太陽光に近づけることが困難になる。このため、発光素子１２の発する光のピーク波長が４１１ｎｍ以上であることが好ましい。

封止樹脂１４は、例えば、シリコーン系樹脂やエポキシ系樹脂等の樹脂材料からなる。

蛍光体１５は、発光素子１２の発する光を励起源として蛍光を発する蛍光体であり、発光素子１２の発する光のピーク波長よりも長波長側にピーク波長を有する蛍光体から構成される。蛍光体１５は、発光装置１が発する光の演色性を高めるため、異なる波長域の蛍光を発する複数種の蛍光体から構成されることが好ましい。

例えば、蛍光体１５は、４４５ｎｍ以上かつ４９０ｎｍ以下のピーク波長を有する蛍光を発する青色系の蛍光体、４９１ｎｍ以上かつ６００ｎｍ以下のピーク波長を有する蛍光を発する黄色〜緑色系の蛍光体、及び６０１ｎｍ以上かつ６７０ｎｍ以下のピーク波長を有する蛍光を発する赤色系の蛍光体を含むことが好ましい。

４４５ｎｍ以上かつ４９０ｎｍ以下のピーク波長を有する蛍光を発する青色系の蛍光体としては、例えば、アルカリ土類ハロリン酸塩蛍光体を用いることができる。アルカリ土類ハロリン酸塩蛍光体の主な組成を以下の表１に示す。

アルカリ土類ハロリン酸塩蛍光体は、付活剤であるＥｕやアルカリ土類金属であるＣａ、Ｓｒ、ＢａやＭｇの濃度を変えることにより発光スペクトルを変化させることができる。

また、４９１ｎｍ以上かつ６００ｎｍ以下のピーク波長を有する蛍光を発する黄色〜緑色系の蛍光体としては、例えば、Ｃａ固溶α−サイアロン蛍光体、β−サイアロン蛍光体、ケイ酸塩蛍光体、窒化物蛍光体、ＬＳＮ蛍光体、ＹＡＧ蛍光体、又はＬｕＡＧ蛍光体を用いることができる。これらの蛍光体の主な組成を以下の表２に示す。

ＹＡＧ蛍光体、ＬｕＡＧ蛍光体は、Ｇｄ、Ｇａや付活剤であるＣｅの濃度を変えることにより発光スペクトルを変化させることができる。

また、６０１ｎｍ以上かつ６７０ｎｍ以下のピーク波長を有する赤色系の蛍光体としては、ＣＡＳＮ蛍光体、ＳＣＡＳＮ蛍光体、又はＣＡＳＯＮ蛍光体を用いることができる。これらの蛍光体の主な組成を以下の表３に示す。

ＣＡＳＮ蛍光体、ＳＣＡＳＮ蛍光体、ＣＡＳＯＮ蛍光体は、付活剤であるＥｕやアルカリ土類金属であるＳｒ、Ｃａの濃度を変えることにより発光スペクトルを変化させることができる。

蛍光体１５を構成する蛍光体の組み合わせやそれらの濃度比は、発光装置１の発光スペクトルが太陽光に近くなるように、例えば色温度が５０００〜６５００Ｋである朝から昼までの太陽光を基準光としたときの演色評価数Ｒｆ、Ｒｇが１００に近くなるように調整される。

後述するように、発光装置１においては、発光素子１２のみの発光スペクトルと蛍光体１５のみの発光スペクトルが、７１ｎｍ以上かつ８１ｎｍ以下の重なり代を有して重なる。この場合に、色温度が５０００〜６５００Ｋの光を基準光としたときの発光装置１の発する光の演色評価数Ｒｆ、ＲｇがそれぞれＲｆ≧９７、９９≦Ｒｇ≦１０２を満たすように、蛍光体１５を構成する蛍光体の組み合わせやそれらの濃度比が調整されることが好ましい。

上記の演色評価数Ｒｆ、Ｒｇは、北米照明学会（ＩＥＳ）によって定められた光の演色性の新しい評価方法「ＴＭ−３０−１５」において用いられる演色評価数である。

Ｒｆは色の忠実度を表すパラメータであり、９９種の色についての試験により得られるため、国際照明委員会（ＣＩＥ）によって定められた演色評価数（ＣＲＩ）で用いられる平均演色評価数Ｒａよりも高い精度で色の忠実度を評価することができる。Ｒｆの上限は１００であり、１００に近いほどテスト光の色が基準光（太陽光等）の色に近いことを示す。

Ｒｇは従来の評価方法にはなかった色の鮮やかさを表すパラメータである。Ｒｇが１００に近いほど、テスト光の色の鮮やかさが基準光（太陽光等）の色の鮮やかさに近いことを示す。Ｒｇは１００より小さい値も大きい値もとり得る。

発光素子１２のみの発光スペクトルと蛍光体１５のみの発光スペクトルは、７１ｎｍ以上かつ８１ｎｍ以下の重なり代を有して重なる。ここで、重なり代は、発光素子１２のみの発光スペクトルにおけるピークの高さの０．１％の高さの点のうちの長波長側の点と、蛍光体１５のみの発光スペクトルにおける最も高いピークの高さの０．１％の高さの点のうちの短波長側の点との波長の差である。

なお、重なり代を、発光素子１２のみの発光スペクトルの高さがゼロになる点のうちの長波長側の点と、蛍光体１５のみの発光スペクトルの高さがゼロになる点のうちの短波長側の点との波長の差と定義せず、上記のように定義したのは、バックグラウンドノイズの影響を抑えるためである。

発光素子の発光スペクトルと蛍光体の発光スペクトルの波長域が近いと、蛍光体が発した蛍光を発光素子が吸収してしまうため、通常は、発光素子の発光スペクトルと蛍光体の発光スペクトルの波長域は、ある程度離される。しかしながら、本実施の形態では、演色性を向上させるため、重なり代が７１ｎｍ以上かつ８１ｎｍ以下となるまで発光素子１２の発光スペクトルと蛍光体１５の発光スペクトルの波長域を敢えて近付けている。

発光素子１２が蛍光体１５の蛍光を吸収することによる発光スペクトルの変化を考慮して、例えば、蛍光が吸収されやすい青色系の蛍光体（例えば４４５ｎｍ以上かつ４９０ｎｍ以下のピーク波長を有する蛍光を発する蛍光体）の蛍光体１５における配合比を大きくすることができる。

図２（ａ）は、発光素子１２のみの発光スペクトルＡ、蛍光体１５のみの発光スペクトルＢ、及び発光素子１２の発する光と蛍光体１５の発する蛍光の混合光のスペクトルＣの例を示す。

図２（ａ）に係る発光素子１２はピーク波長が４０５ｎｍの光を発する発光素子であり、蛍光体１５は、組成の異なる２種のアルカリ土類ハロリン酸塩蛍光体、Ｃａ固溶α−サイアロン蛍光体、β−サイアロン蛍光体、ＣＡＳＯＮ蛍光体、及びＣＡＳＮ蛍光体で構成される。

ここで、図２（ａ）に示されるように、発光素子１２の発する光のピークの高さ、蛍光体１５の発する蛍光の最も波長の短いピークの高さ、発光素子１２の発する光のピークと蛍光体１５の発する蛍光の最も波長の短いピークとの間に形成される混合光のスペクトルの谷の高さをそれぞれI１、I２、I３とする。

I１とI３の比の値であるI１／I３、及びI２とI３の比の値であるI２／I３が小さいほど、発光素子１２の光と蛍光体１５の蛍光の混合光のスペクトルにおける、発光素子１２の発する光のピークと蛍光体１５の発する蛍光の最も波長の短いピークとの間に形成される谷が浅くなる。

図２（ｂ）は、図２（ａ）における、発光素子１２のみの発光スペクトルＡと蛍光体１５のみの発光スペクトルＢの重なり部分を拡大した図である。

図２（ｂ）中の点Ｐ１は、発光素子１２のみの発光スペクトルＡにおけるピークの高さＩ１の０．１％の高さ（点線Ｌ１）の点のうちの長波長側の点であり、その波長は４７２ｎｍである。

図２（ｂ）中の点Ｐ２は、蛍光体１５のみの発光スペクトルＢにおける最も高いピークの高さＩ２の０．１％の高さ（点線Ｌ２）の点のうちの長波長側の点であり、その波長は４０７ｎｍである。

このため、図２（ａ）、（ｂ）の発光素子１２のみの発光スペクトルＡと蛍光体１５のみの発光スペクトルＢの重なり代は６５ｎｍである。

なお、発光装置１の構成は、発光素子１２と蛍光体１５を有するものであれば、上述の図１に示される構成に限られない。

（実施の形態の効果）
上記の実施の形態によれば、従来の発光装置よりも太陽光に近い演色性に優れた光を発する発光装置を提供することができる。

演色性が高くなる発光装置１の構成を求めるためのシミュレーションの結果を以下に示す。本実施例における演色評価数はいずれも色温度が５０００〜６５００Ｋの光を基準光としたときの値とする。

まず、組成の異なる２種のアルカリ土類ハロリン酸塩蛍光体、Ｃａ固溶α−サイアロン蛍光体、β−サイアロン蛍光体、ＣＡＳＯＮ蛍光体、及びＣＡＳＮ蛍光体で構成される蛍光体１５を用意した。次の表４に、蛍光体１５に含まれる蛍光体の配合比（質量比）を示す。各蛍光体の配合比は、全ての合計が１００質量％になるように選択される。

次に、ピーク波長が３８５ｎｍの光を発する発光素子１２の発光スペクトルと、蛍光体１５の発光スペクトルをそれぞれ測定した。

次に、測定により得られた発光素子１２の発光スペクトルをピーク波長が３９５〜４３０ｎｍとなる範囲でシフトさせることにより、発光素子１２の発光スペクトルと蛍光体１５の発光スペクトルの重なり代を変化させ、発光素子１２の発する光と蛍光体１５の発する光の混合光である発光装置１の発する光の演色評価数Ｒ１〜Ｒ８、Ｒ１〜Ｒ８の平均値である平均演色評価数Ｒａ、特殊演色評価数Ｒ９〜Ｒ１５、及び演色評価数Ｒｆｈ，１〜Ｒｆｈ，１６、Ｒｆ、Ｒｇ、相関色温度（ＣＣＴ）、色度座標Ｃｘ、Ｃｙの値を算出した。

ここで、演色評価数Ｒ１〜Ｒ８、平均演色評価数Ｒａ、及び特殊演色評価数Ｒ９〜Ｒ１４はＣＩＥ及びＪＩＳ（日本工業規格）により定められた値であり、特殊演色評価数Ｒ１５はＪＩＳにより定められている。また、演色評価数Ｒｆｈ，１〜Ｒｆｈ，１６、Ｒｆ、及びＲｇは、ＩＥＳにより定められた値であり、色度座標Ｃｘ、ＣｙはＣＩＥにより定められた値である。

図３（ａ）、（ｂ）、（ｃ）に、例として、それぞれ発光素子１２のピーク波長が４０５ｎｍ、４１４ｎｍ、４３０ｎｍであるときの発光スペクトルを示す。

以下の表５、６に、シミュレーションにより算出した、発光素子１２のピーク波長ごとの発光素子１２の発光スペクトルと蛍光体１５の発光スペクトルの重なり代、混合光のスペクトルの演色評価数Ｒｆ、Ｒｇ、Ｒｆｈ，１〜Ｒｆｈ，１６、分光放射束比I１／I３、I２／I３の値を示す。

表５、６の「波長」は発光素子１２のピーク波長を意味し、「なし」は、発光素子１２の発光スペクトルを含まず、蛍光体１５の発光スペクトルのみを含むことを示す。

図４は、発光素子１２の発光スペクトルと蛍光体１５の発光スペクトルの重なり代と混合光の演色評価数Ｒｆ及びＲｇの関係をプロットしたグラフである。発光素子１２の発光スペクトルと蛍光体１５の発光スペクトルの重なり代が７１ｎｍ以上かつ８１ｎｍ以下の範囲で混合光の演色評価数Ｒｆ、ＲｇがそれぞれＲｆ≧９７、９９≦Ｒｇ≦１０２を満たす。

また、発光素子１２の発光スペクトルと蛍光体１５の発光スペクトルの重なり代が７１ｎｍ以上かつ７９ｎｍ以下の範囲で混合光の演色評価数Ｒｆ、ＲｇがそれぞれＲｆ≧９７、９９≦Ｒｇ≦１０１を満たす。

また、発光素子１２の発光スペクトルと蛍光体１５の発光スペクトルの重なり代が７３ｎｍ以上かつ７５ｎｍ以下の範囲で混合光の演色評価数Ｒｆ、ＲｇがそれぞれＲｆ≧９７、Ｒｇ＝１００を満たす。

以下の表７、８に、シミュレーションにより算出した、発光素子１２のピーク波長ごとの混合光のスペクトルの平均演色評価数Ｒａ、演色評価数Ｒ１〜Ｒ８、特殊演色評価数Ｒ９〜Ｒ１５、相関色温度（ＣＣＴ）、色度座標Ｃｘ、Ｃｙの値を示す。

なお、本実施例では、発光素子１２の発光スペクトルと蛍光体１５の発光スペクトルの重なり代を変化させるため、発光素子１２の発光スペクトルをシフトさせたが、発光素子１２の発する光のピーク波長が４１１ｎｍ以上４２１ｎｍ以下の範囲にあれば、蛍光体１５の発光スペクトルをシフトさせた場合及び発光素子１２の発光スペクトルと蛍光体１５の発光スペクトルの両方をシフトさせた場合であっても、発光素子１２の発光スペクトルと蛍光体１５の発光スペクトルの重なり代と発光装置１の発する光の演色評価数の関係は同様である。

すなわち、発光素子１２の発する光のピーク波長が４１１ｎｍ以上４２１ｎｍ以下の範囲にあるならば、発光素子１２の発する光の波長や蛍光体１５の発する蛍光の波長に依らず、演色評価数Ｒｆ、Ｒｇを大きくするためには、重なり代が７１ｎｍ以上かつ８１ｎｍ以下であることが好ましく、７１ｎｍ以上かつ７９ｎｍ以下であることがより好ましく、７３ｎｍ以上かつ７５ｎｍ以下であることがさらに好ましいと言える。

以上、本発明の実施の形態及び実施例を説明したが、本発明は、上記の実施の形態及び実施例に限定されず、発明の主旨を逸脱しない範囲内において種々変形実施が可能である。

また、上記の実施の形態及び実施例は特許請求の範囲に係る発明を限定するものではない。また、実施の形態及び実施例の中で説明した特徴の組合せの全てが発明の課題を解決するための手段に必須であるとは限らない点に留意すべきである。

１発光装置
１０ケース
１１リードフレーム
１２発光素子
１３ボンディングワイヤー
１４封止樹脂
１５蛍光体

Claims

ピーク波長が４１１ｎｍ以上かつ４２１ｎｍ以下の光を発する発光素子と、
４４５ｎｍ以上かつ４９０ｎｍ以下のピーク波長を有する蛍光を発する第１の蛍光体、４９１ｎｍ以上かつ６００ｎｍ以下のピーク波長を有する蛍光を発する第２の蛍光体、及び６０１ｎｍ以上かつ６７０ｎｍ以下のピーク波長を有する蛍光を発する第３の蛍光体を含む蛍光体と、
を有し、
前記発光素子のみの発光スペクトルと前記蛍光体のみの発光スペクトルが、７１ｎｍ以上かつ８１ｎｍ以下の重なり代を有して重なり、
前記重なり代は、前記発光素子のみの発光スペクトルにおけるピークの高さの０．１％の高さの点のうちの長波長側の点と、前記蛍光体のみの発光スペクトルにおける最も高いピークの高さの０．１％の高さの点のうちの短波長側の点との波長の差である、
発光装置。
前記重なり代が７１ｎｍ以上かつ７９ｎｍ以下である、
請求項１に記載の発光装置。
前記重なり代が７３ｎｍ以上かつ７５ｎｍ以下である、
請求項２に記載の発光装置。
色温度が５０００〜６５００Ｋの光を基準光としたときの演色評価数Ｒｆ、ＲｇがそれぞれＲｆ≧９７、９９≦Ｒｇ≦１０２を満たす光を発する、
請求項１〜３のいずれか１項に記載の発光装置。
前記第１の蛍光体として、２種のアルカリ土類ハロリン酸塩蛍光体を含み、
前記第２の蛍光体として、β−サイアロン蛍光体及びＣａ固溶α−サイアロン蛍光体を含み、
前記第３の蛍光体として、ＣＡＳＯＮ蛍光体及びＣＡＳＮ蛍光体を含む、
請求項１〜４のいずれか１項に記載の発光装置。