発光粒子、発光装置及びそれらの製造方法
【課題】出射される光の出射方向に指向性を持たせることができる発光粒子を提供する。
【解決手段】粒状の透明材料２１と、透明材料２１の中心からずれた位置に内包される蛍光体２２とを備える。
【解決手段】粒状の透明材料２１と、透明材料２１の中心からずれた位置に内包される蛍光体２２とを備える。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、蛍光体を用いた発光素子、発光装置及びそれらの製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
発光装置として、ＬＥＤ(Light Emitting Diode)と蛍光体とを組み合わせたものが考えられている。この発光装置は、ＬＥＤにおいて発せられた光を蛍光体にあてることでこの蛍光体を発光させるものである。
【０００３】
この発光装置においては、蛍光体をＬＥＤの発光部上に堆積させることにより、蛍光体同士でその発光した光を吸収し合う結果、発光装置から出射される光の強度が低下する問題があった。
【０００４】
この問題点を解決するための一つの方策として、各蛍光体の表面を透明な材質で被覆した発光粒子を用いることにより、隣接する蛍光体の間隔を広げて再吸収を起こり難くすることが考えられている（特許文献１参照）。
【０００５】
しかしながら、単に蛍光体を透明な材質で被覆した場合、蛍光体は、該蛍光体を透明な材質で被覆してなる発光粒子の中心に配置されることにより、蛍光体において発光した光は、発光粒子から放射状に出射することになる。
【特許文献１】特開２００３−４６１４１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
このように、発光素子から光が放射状に出射すると、この光を出射すべき所定の方向以外にも出射されることになり、出射すべき所定の方向への光の強度が低下する問題があった。
【０００７】
このような技術的課題を解決するためになされた本発明の目的は、出射される光の出射方向に指向性を持たせることができる発光粒子、発光装置及びそれらの製造方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の実施の形態に係る特徴は、発光粒子において、粒状の透明材料と、透明材料の中心からずれた位置に内包される蛍光体とを備えることである。
【０００９】
また本発明の実施の形態に係る特徴は、発光装置において、発光素子と、発光素子において発光した光を吸収して発光する蛍光体及び中心からずれた位置に蛍光体を内包する粒状の透明材料を有する発光粒子とを備えることである。
【００１０】
また本発明の実施の形態に係る特徴は、発光粒子の製造方法において、蛍光体及び液状の熱硬化性の透明材料を混合して透明材料に蛍光体を内包させるステップと、蛍光体を内包する透明材料を落下させるステップと、落下中に透明材料を加熱して該透明材料の表面を硬化させるステップと、落下の後に、透明材料に内包される蛍光体をその重みによって透明材料の中心からずれた位置に沈降させるステップと、蛍光体が沈降した透明材料を加熱して該透明材料の内部を硬化させるステップとを備えることである。
【００１１】
また本発明の実施の形態に係る特徴は、発光装置の製造方法において、蛍光体及び液状の熱硬化性の透明材料を混合して透明材料に蛍光体を内包させるステップと、蛍光体を内包する透明材料を発光素子上に落下させるステップと、落下中に透明材料を加熱して該透明材料の表面を硬化させるステップと、落下の後に、透明材料に内包される蛍光体をその重みによって透明材料の中心からずれた位置に沈降させるステップと、蛍光体が沈降した透明材料を加熱して該透明材料の内部を硬化させるステップとを備えることである。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、発光粒子から出射される光の出射方向に指向性を持たせることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。以下の図面の記載において、同一の部分には同一の符号を付し、重複する記載は省略する。また、図面は模式的なものであり、厚みと平面寸法との関係、各層の厚みの比率等は現実のものと異なる。更に、図面相互間においても互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれている。
【００１４】
（第１の実施の形態）
図１に示すように、本発明の第１の実施の形態に係る発光装置１０は、発光素子（ＬＥＤ１２）と、発光素子において発光した光を吸収して発光する蛍光体２２及び中心からずれた位置に蛍光体２２を内包する粒状の透明材料２１を有する発光粒子２０とを備える。
【００１５】
発光装置１０において、カップ１１は、底面部１１Ａとその周縁部に沿って設けられた側面部１１Ｂによって容器形状に構成され、底面部１１Ａに対向する部分は開口されている（開口部１１Ｃ）。
【００１６】
カップ１１においては、底面部１１Ａから開口部１１Ｃにかけて開口面積が次第に大きくなるように側面部１１Ｂの内壁が傾斜している。このカップ１１の底面部１１Ａに発光素子としてＬＥＤ１２が配置されるとともに、このＬＥＤ１２上に発光粒子２０が堆積されている。
【００１７】
図２に示すように、発光粒子２０は、蛍光体２２を、樹脂、ガラス又は誘電体でなる透明材料２１によって被覆した構成を有する。透明材料２１は、略球体形状に形成されており、蛍光体２２は、この球体形状の中心からずれた位置に配置されている。すなわち、発光粒子２０においては、蛍光体２２を覆った透明材料２１の厚みが厚い厚膜部分Ａ１と、透明材料２１の厚みが薄い薄膜部分Ａ２とを有する。また、発光粒子２０の透明材料２１においては、隣接する発光粒子２０が接する他は、空隙が接するようになされている。この空隙の屈折率は、発光粒子２０の透明材料２１の屈折率よりも小さいことにより、蛍光体２２において発光した光は、この屈折率差によって透明材料２１と空隙との境界において屈折する。
【００１８】
このように、透明材料２１の厚膜部分Ａ１では、蛍光体２２において発光した光は、透明材料２１とそれに隣接する空隙との屈折率差によって屈折することにより、蛍光体２２から厚膜部分Ａ１が設けられた側に指向性をもって出射することになる。なお、複数の発光粒子２０を封止剤で封止する場合には、各発光粒子２０間の空隙に封止剤が満たされることにより、空隙の場合と同様にして、透明材料２１の屈折率よりも低い屈折率を有する封止剤を用いる必要がある。この場合、封止剤と透明材料２１との屈折率差を0.05以上とする。屈折率差が0.05以下の場合には、蛍光体２２からの光がそのまま透過することになり、指向性を与えることが困難になる。
【００１９】
また、発光装置１０において、各発光粒子２０は、その薄膜部分Ａ２が、ＬＥＤ１２側（底面部１１Ａ側）を向くように配置されている。すなわち、各発光粒子２０の光の出射側となる厚膜部分Ａ１がカップ１１の開口部１１Ｃの方向に向くように構成されている。これにより、蛍光体１２の励起により発光した光の多くは、カップ１１の開口部１１Ｃ方向に向かって出射する。すなわち、ＬＥＤ１２から発せられた光が蛍光体２２を励起し、この結果発光した光が発光粒子２０から開口部１１Ｃ方向に出射することになる。
【００２０】
なお、カップ１１における発光粒子２０の配置は、蛍光体２２による自己吸収を低減するために細密構造で層数を少なくすることが有効である。このような構成例を図３に示す。図３においては、発光粒子２０を２層に設け、下層の発光粒子２０ａ（図中、破線で示す）に対して、上層の発光粒子２０ｂ（図中実線で示す）は、上方から見てその中心が下層において隣接する３つの発光粒子２０の間に位置するようになされている。このように配置することにより、均一な白色光を得ることができる。
【００２１】
以上説明した発光粒子２０においては、透明材料２１を用いて蛍光体２２を被覆していることにより、この発光粒子２０をカップ１１内に堆積させた場合に、隣り合う発光粒子２０の蛍光体２２同士が透明材料２１の厚みの分だけ離れて配置されることになる。蛍光体２２同士が透明材料２１の厚みの分だけ離れて配置されると、蛍光体２２の自己吸収や複数色を用いた場合の他の色の蛍光体による吸収が少なくなり、発光効率を向上させることができるとともに、平均演色評価数Ｒａを向上させることができる。図４（Ａ）は、本実施の形態に係る発光粒子（蛍光体内包粒子）２０を用いた場合の発光強度と、透明材料による被覆を行っていない蛍光体を用いた場合の発光強度との相対関係を示し、被覆を行っていない蛍光体を用いた場合（蛍光体塗布）の発光強度を１とした場合における発光粒子２０を用いた場合（発光粒子使用）の発光強度の比率（相対強度）を表すものである。また、図４（Ｂ）は、本実施の形態に係る発光粒子（蛍光体内包粒子）２０を用いた場合の平均演色評価数Ｒａと、透明材料による被覆を行っていない蛍光体を用いた場合の平均演色評価数Ｒａとの相対関係を示す。すなわち、被覆を行っていない蛍光体を用いた場合（蛍光体塗布）の平均演色評価数Ｒａを１とした場合における発光粒子２０を用いた場合（発光粒子使用）の平均演色評価数Ｒａの比率（相対Ｒａ）を表すものである。図４（Ａ）、（Ｂ）に示すように、発光粒子（蛍光体内包粒子）２０を用いると、発光効率及び平均演色評価数が向上することが分かる。
【００２２】
また、透明材料２１の中心からずれた位置に蛍光体２２を配置した発光粒子２０において、薄膜部分Ａ２がＬＥＤ１２側を向き、厚膜部分Ａ１がカップ１１の開口部１１Ｃ側を向くように配置することにより、蛍光体２２において発光した光は、発光粒子２０から開口部１１Ｃ側に指向性をもって出射することとなる。発光粒子２０からの光が開口部１１Ｃ側に指向性をもって出射されると、ＬＥＤ１２側に戻る光が少なくなることにより、開口部１１Ｃから光を出射する発光装置１０として、発光効率が向上する。
【００２３】
図５は、発光粒子２０の中心と該発光粒子２０に内包される蛍光体２２の位置とのずれ量（中心のずれ）と、発光強度との相対関係を、発光粒子２０の径が20μｍ、60μｍ及び100μｍのそれぞれについて表し、中心のずれが０である場合の発光強度を１とした場合の各ずれ量における相対強度を表す。図５に示すように、いずれの径においても、ずれ量が大きいほど発光強度が大きくなることが分かる。
【００２４】
また図６は、発光粒子（蛍光体内包粒子）２０の大きさと発光強度との関係を示す。これは、各大きさの発光粒子（蛍光体内包粒子）２０に対して、下方から励起光を照射し、上方より蛍光体により変換された光の発光強度を測定した結果である。この場合、５μｍ、１０μｍ、３０μｍ、５０μｍ、１００μｍ、２００μｍの各粗さのふるいにかけた発光粒子２０毎にその発光強度を求めた結果である。すなわち、１〜５μｍ、５〜１０μｍ、１０〜３０μｍ、３０〜５０μｍ、５０〜１００μｍ、１００〜２００μｍの大きさの発光粒子（蛍光体内包粒子）２０ごとの発光強度を表すものである。発光強度は、１００〜２００μｍの大きさの発光粒子２０の発光強度を１として場合の相対強度を表している。
【００２５】
この図６に示すように、発光粒子（蛍光体内包粒子）２０の大きさ（径）として、５μｍ〜１００μｍの場合に強い発光強度を得ることができる。
【００２６】
なお、上述の実施の形態においては、同じ大きさの発光粒子２０を複数堆積させる場合について述べたが、本発明はこれに限られるものではなく、図７に示すように、異なる大きさの発光粒子２０を用いるようにしてもよい。この場合、例えば、粒子径の大きな発光粒子２０Ｌを最下層に配置し、その上層に粒子径の小さな発光粒子２０Ｓを配置することにより、ＬＥＤ１２からの光が上層の発光粒子２０Ｓに届き易くなる。
【００２７】
また、異なる色（赤色、黄色、緑色、青色）の蛍光体２２を用いる場合、緑色の蛍光体は視感度が高く、発光効率も高いため緑色の蛍光体を用いた発光粒子２０の数を少なくし、赤色及び青色の蛍光体を用いた発光粒子２０の数を多く配置する。この場合、発光粒子２０を大きく形成することにより、該発光粒子２０の数を少なくすることができ、発光粒子２０を小さく形成することにより、該発光粒子２０の数を多くすることができる。
【００２８】
従って、図８に示すように、緑色の蛍光体２２Ｇを用いた発光粒子２０Ｇを、赤色及び青色の蛍光体２２Ｒ、２２Ｂを用いた発光粒子２０Ｒ、２０Ｂに比べて大きく形成することにより、該緑色の発光粒子２０Ｇの数を少なく配置することができる。なお、図８に示すように、赤色の発光粒子２０Ｒを配列してなる層Ｌ１、緑色の発光粒子２０Ｇを配列してなる層Ｌ２及び青色の発光粒子２０Ｂを配列してなる層Ｌ３によって３層構造とする場合、赤色の発光粒子２０Ｒを構成する赤色の蛍光体２２Ｒとして、青色の蛍光体２２Ｂにおいて発光した光を吸収しない種類のもの（La2O2S:Eu）を用いた場合には、赤色の発光粒子２０Ｒを最上層に配置する。これに対して、赤色の発光粒子２０Ｒを構成する赤色の蛍光体２２Ｒとして、青色の蛍光体２２Ｂにおいて発光した光を吸収する種類のもの（CaAlSiN3:Eu）を用いた場合には、図９に示すように、赤色の発光粒子２０Ｒを配列してなる層Ｌ１を最下層に配置することにより、青色の蛍光体２２Ｂにおいて発光した光が吸収されることを防止することができる。
【００２９】
なお、図１０（Ａ）は、３種類の蛍光体を混ぜ合わせた後、ＬＥＤ上部へ塗布した場合の配光角と発光強度との相対関係を示し、配光角が０°の場合の波長４４０ｎｍの光の発光強度を１とした場合における各配光角での波長４４０ｎｍ及び５３０ｎｍの光の発光強度の比率（相対強度）を表す。また、図１０（Ｂ）は、本実施の形態に係る発光素子２０を用いた場合の配光角と発光強度との相対関係を示し、配光角が０°の場合の波長４４０ｎｍの光の発光強度を１とした場合における各配光角での波長４４０ｎｍ及び５３０ｎｍの光の発光強度の比率（相対強度）を表す。すなわち、光の波長430nm及び530nmについて、ある角度を基準にした配光角（０〜９０°）での相対強度をプロットすることにより配光特性を示したものである。図１０（Ａ）では、ある角度では発光強度が逆転する領域が生じるが、図１０（Ｂ）の場合には、設計による最適化で角度による発光強度の比はほぼ同じ値が得られた。
【００３０】
（実施例１）
蛍光体及び液状の樹脂を混合してヒータ内を落下させることで発光粒子２０及び発光装置１０を製造する製造装置について説明する。
【００３１】
図１１は、発光粒子２０を製造するための製造装置３０を示し、蛍光体２２を被覆する透明材料２１としての液状の熱硬化性の樹脂３１を貯留するための樹脂タンク３２及び蛍光体２２を貯留するための蛍光体タンク３３を有する材料供給部３４と、材料供給部３４から供給された樹脂３１及び蛍光体２２を混合する混合部３５と、混合部３５において混合された樹脂３１及び蛍光体２２を落下させながら加熱する加熱部３９とを備える。
【００３２】
樹脂３１は、エポキシ樹脂、シリコン樹脂等を用いることができるが、耐熱性の高いシリコン樹脂が望ましい。また、蛍光体２２は、酸化物系、窒化物系、硫化物系のいずれかを用いることができるが、耐熱性の高い窒化物系又は酸化物系が望ましい。蛍光体２２は、赤色の蛍光体、緑色の蛍光体、青色の蛍光体を用いることができる。赤色の蛍光体としては、La2O2S:Eu,Sm（記号「：」以下は付活元素を表す）等を用いることができ、緑色の蛍光体としては、lnGaN又はBaMgAl27O17:Eu,Mn等を用いることができ、青色の蛍光体としては、lnGaN又は(Sr,Ca,Ba)10(PO4)6Cl2:Eu等を用いることができる。これら３原色の蛍光体２２を用いることにより、ＬＥＤ１２から発光される光によってこれらの色の蛍光体２２が励起されて発光を生じ、各色の蛍光体２２による発光が重ね合わされることにより白色光を得ることができる。なお、緑色の蛍光体２２に代えて、または緑色の蛍光体２２と併せて黄色の蛍光体（例えば、(Sr,Ca,Ba)2SiO4:Eu等）を用いることができる。なお、図８又は図９に示すように、赤色の蛍光体を２２Ｒを内包した発光粒子２０Ｒ、緑色の蛍光体２２Ｇを内包した発光粒子２０Ｇ及び青色の蛍光体２２Ｂを内包した発光粒子２０Ｂを層毎に分けて配置する場合には、各色ごとに蛍光体タンク３３を用意すればよい。
【００３３】
樹脂タンク３２及び蛍光体タンク３３は、外部から供給されるエアーによって樹脂３１及び蛍光体２２を混合部３５に供給するようになされている。混合部３５は、樹脂タンク３２から樹脂３１を導入させるための樹脂供給用の配管３７Ａと、蛍光体タンク３３から蛍光体２２を導入させるための蛍光体供給用の配管３７Ｂと、これらを合流させるための合流部３７Ｃと、合流部３７Ｃにおいて合流した樹脂３１及び蛍光体２２を同一経路で排出させる配管３７Ｄとを備える。配管３７Ｄの先端部には、ノズル３７Ｅが設けられている。
【００３４】
合流部３７Ｃを介して配管３７Ｄに供給される液体３１及び蛍光体２２の供給量によって、樹脂球４０（発光粒子２０）の大きさ及びその中に含まれる蛍光体２２の個数を制御するようになされている。すなわち、樹脂球４０の大きさは、配管３７Ａを移動する樹脂３１の移動速度とその粘性によって制御することができる。また、樹脂球４０に含まれる蛍光体２２の個数は、配管３７Ｂを移動する蛍光体２２の移動速度と、配管３７Ａを移動する樹脂３１の移動速度とによって制御することができる。
【００３５】
具体的には、樹脂３１の流速を0.001ml/sとし、蛍光体２２の流速を2個/sとする。この状態で径が0.3mmの配管３７Ｄ内でこれらを混合し、500msごとに先端のノズル３７Ｅから吐出させる。
【００３６】
樹脂３１と蛍光体２２との混合物は、ノズル４１から離れると、蛍光体２２を中心としてこれを樹脂３１によって被覆してなる球状となって配管４１内を落下する。配管４１内において、樹脂球４０の落下経路の一部には、加熱部３９が設けられている。この加熱部３９においては、樹脂球４０の落下経路の所定の落下長に渡って、その落下経路の周囲を取り囲むようにヒータ３８が配置されている。このヒータ３８によって、配管４１内を落下する樹脂球４０を加熱する。
【００３７】
すなわち、樹脂球４０は、落下によって所定長のヒータ３８を通過し、その通過時間に応じて加熱される。ヒータ３８は、200℃に加熱されており、このヒータ３８を通過した樹脂球４０は、その表面側から硬化を開始する。このように、200℃程度の高温で短時間に樹脂球４０を加熱することにより、樹脂球４０においては、まずその表面のみが硬化した状態で配管３７の下端部に設けられたカップ１１内に落下する。配管４１内での樹脂球４０の落下速度は、配管４１の下方から気体供給部４５によって配管４１内を上昇する酸素Ｏ２の風速により制御することができる。このように樹脂球４０の落下速度を制御して樹脂球４０がヒータ３８内を通過する時間を300ms程度とすることにより、樹脂球４０は、熱による劣化を生じることなくその表面が硬化する。
【００３８】
落下中の樹脂球４０は、表面が硬化した状態でカップ１１内に落下する。このカップ１１がセットされた落下位置は、ヒータ４４によって200℃程度に保たれており、ここに落下した樹脂球４０は、その環境下において60秒程度で内部まで完全に硬化する。
【００３９】
かかる製造装置３０においては、樹脂球４０が落下中に加熱部３９のヒータ３８内に存在する時間によって樹脂球４０内での蛍光体２２の位置が決まる。すなわち、ヒータ３８内に存在する時間が短い場合、樹脂球はその表面が硬化し内部がほとんど硬化していない状態（内部の粘性が低い状態）でカップ１１内に落下する。この場合、カップ１１内に落下した樹脂球内部では、樹脂の粘性が低いことにより、蛍光体２２が最も低い位置まで沈降した状態で全体が完全に硬化する。これに対して、ヒータ３８内に存在する時間が長い場合、樹脂球はその表面が硬化するとともに内部もある程度硬化した状態でカップ１１内に落下する。この場合、カップ１１内に落下した樹脂球内部では、樹脂の粘性が高くなっていることにより、蛍光体２２が最も低い位置まで沈降する前に全体が完全に硬化することになる。このように、樹脂球４０がヒータ３８内に存在する時間によって、樹脂球４０内での蛍光体２２の位置を制御することができる。しかして、製造装置４０においては、配管４１の下方から送りこまれる酸素の量（風量）を制御することで、配管４１内での樹脂球４０の落下速度を制御することができ、この結果、樹脂球４０がヒータ３８内に存在する時間を制御することができる。
【００４０】
かくして、蛍光体２２が樹脂球４０の中心からずれた位置に移動した状態で樹脂球４０全体を完全に硬化させることにより、樹脂球４０の中心からずれた位置に蛍光体２２を配置した発光粒子２０を得る。
【００４１】
なお、上述の実施例においては、樹脂３１を用いた樹脂球４０の内部に蛍光体２２を含ませて発光粒子２０を形成する場合について述べたが、本発明はこれに限られるものではなく、例えば、樹脂タンク３２に貯留する樹脂３１に代えて、スピンオンガラスを貯留することにより、蛍光体２２をガラスで包んだ構造の蛍光体内包ガラス粒子を作成することができる。スピンオンガラスを用いる場合、ヒータ３８の温度を800℃に設定することが望ましい。このような蛍光体内包ガラス粒子を発光素子として用いることもできる。スピンオンガラスとしては、シリケート系、シラノール系、シロキサン系があり、それぞれの粘性やガラス化温度が異なるため、蛍光体内包粒子の径に応じて使い分ける。例えば、ハネウエル製ACCUGLASS（登録商標）を用いた場合には、滴下後に通過するヒータ３８の温度を500℃に設定することが望ましい。この場合は、蛍光体２２と被覆ガラスの位置の調整は、ヒータ３８内での気流により制御する。すなわち、ヒータ３８内に酸素を５m/sで下から上に流し、この中を蛍光体２２とスピンオンガラスを混ぜたものを滴下することにより、粒子は、落下しながら気流の影響で蛍光体２２がスピンオンガラスの中心から偏心した位置でガラス化する。
【００４２】
（実施例２）
ホットプレート上で蛍光体２２に樹脂を被覆させて発光粒子２０を製造する製造装置について説明する。
【００４３】
図１２（Ａ）は、ホットプレート５１を用いて発光粒子２０を製造するための製造装置５０を示し、ホットプレート５１は、駆動部５５によってｘ−ｙ平面内で円運動するようになされ、また、ヒータ５４によって加熱可能となっている。ホットプレート５１の上方には、液状の樹脂３１をホットプレート５１上に噴霧するための噴霧装置５６が設けられており、噴霧制御部５３によって噴霧量及び噴霧時間を制御し得るようになされている。
【００４４】
製造装置５０全体の動作を制御するための制御部５２は、駆動部５５、ヒータ５４及び噴霧制御部５３をそれぞれ制御することにより、蛍光体２２を樹脂３１によって被覆してなる発光粒子２０を製造する。
【００４５】
すなわち、制御部５２は、図１３に示す製造処理手順を実行することにより、発光粒子２０を製造する。ホットプレート５１上に蛍光体２２を配置した状態において（図１２（Ａ））、制御部５２は、ステップＳ１１において、駆動部５５を制御することにより、ホットプレート５１をｘ−ｙ平面内において円運動開始させるとともに、ステップＳ１２において、ヒータ５４を制御することにより、ホットプレート５１を加熱する。この状態において、制御部５２は、ステップＳ１３に移って、噴霧制御部５３を制御することにより、噴霧装置５６から液状の樹脂３１をホットプレート５１上に噴霧する。これによりホットプレート５１上の蛍光体２２に樹脂３１が付着する。噴霧量及び噴霧時間は予め噴霧制御部５３に設定されているものとする。
【００４６】
この状態において、ホットプレート５１は、上述のステップＳ１１において開始された円運動が続けられていることにより、蛍光体２２においては、その表面に樹脂３１を付着させながらホットプレート５１上を転がる。これにより、図１２（Ｂ）に示すように、樹脂３１が蛍光体２２の表面を雪だるま式に包んでなる樹脂球４０が出来上がる。樹脂球４０の径は、予め噴霧制御部５３に設定される噴霧量及び噴霧時間によって決定することができる。
【００４７】
ホットプレート５１を加熱するヒータ５４の温度は、樹脂３１が完全に固化する温度よりも低い温度に設定する。
【００４８】
樹脂３１の噴霧後、制御部５２は、ステップＳ１４に移って、駆動部５５を制御することにより、ホットプレート５１の円運動を停止させる。これにより、図１２（Ｃ）に示すように、蛍光体２２が中心にある樹脂球４０が得られる。この状態において、ホットプレート５１は、ヒータ５４によって、樹脂３１が完全に固化しない程度の温度で加熱されていることにより、樹脂球４０の内部は固化していない状態となっている。従って、ホットプレート５１の円運動の停止により、樹脂球４０の中心にある蛍光体２２は、その重みによって樹脂球４０内を沈降する。
【００４９】
制御部５２は、ステップＳ１４における円運動の停止制御を行った後、ステップＳ１５において、内部タイマをスタートさせ、さらにステップＳ１６において、内部タイマのカウント結果が予め設定されているカウント値に至ったか否かを判断する。内部タイマの設定カウント値は、樹脂球４０内において蛍光体２２が沈降するのに必要な時間に設定されている。従って、ステップＳ１６において否定結果が得られると、このことは、樹脂球４０内において蛍光体２２が完全に沈降していないことを意味しており、制御部５２は肯定結果が得られるまで当該ステップＳ１６の判断を繰り返す。ステップＳ１６において肯定結果が得られると、このことは、樹脂球４０内において蛍光体２２が完全に沈降したことを意味しており、制御部５２は、ステップＳ１６からステップＳ１７に移って、ヒータ５４を制御することにより、ホットプレート５１の温度を、樹脂３１が完全に硬化する温度に上昇させる。これにより、図１２（Ｄ）に示すように、樹脂球４０内において蛍光体２２が沈降した状態で硬化する。かくして、蛍光体２２が中心からずれた位置にある発光粒子２０が完成する。
【００５０】
完成した発光粒子２０は、ふるいにかけ、粒径ごとに分けておき、ＬＥＤの周りに配置する。
【００５１】
（実施例３）
ＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）法により、SiO2で蛍光体を被覆する方法について説明する。
【００５２】
蛍光体は、準備槽で500℃程度に加熱しておき、反応槽内部にその上部から導入する。反応槽の内部には、原料ガスとしてSiH4と酸素が予め導入されており、蛍光体がこの中を落下することにより、この落下中に蛍光体表面にSiO2が形成される。
【００５３】
原料ガスは、反応槽の下側から導入され、蛍光体は、導入ガスにより落下速度が減少し、比較的短い落下距離で厚いSiO2膜が形成される。この際に、SiO2は、成膜中でのガスの流れの異方性により下側が上側より厚くなるように非対称に形成される。透明なSiO2を形成するためには、蛍光体をSiO2で被覆する前に、蛍光体表面を洗浄する必要がある。
【００５４】
なお蛍光体をSiO2膜で被覆する前の処理として、焼結形成した後の蛍光体を砕いて粒体にし、粒体の表面を均質化するために、酸化物系では、オゾン雰囲気中で処理を行い、窒化物系では、窒素ラジカル中で処理を行うと良好な結果が得られた。この際に、表面のみならず、粒体内部まで処理が及ぶと発光効率に変化が生じるため、粒体内部まで処理が及ばないようにする。
【００５５】
また、蛍光体を炉内に設置した石英盤上に分散させて配置し、炉内にSiH4と酸素を導入して炉内の温度を400℃に３分間保つことにより、蛍光体の上部にSiO2が形成され、偏心した蛍光体内包SiO2を形成することができる。
【００５６】
（実施例４）
メタルマスクを用いて発光素子を作成する方法を説明する。
【００５７】
規則的に100μｍの穴が開いたメタルマスクを剥離剤を塗った下メタル上に設置し、10μｍ径の蛍光体をメタルマスクの穴の中に滴下する。その後、樹脂を塗布し、穴の中が樹脂で覆われるようにする。そして、ブレードですり切った後、加熱して樹脂を硬化させる。加熱は、100℃で１時間行う。蛍光体は、樹脂の内部で沈降しており、この状態で樹脂が加熱により硬化する。
【００５８】
下メタルには剥離液が塗布されており、樹脂がメタルマスクの穴に付着したままの状態で該メタルマスクを下メタルから引き離すことにより、樹脂を下メタルから剥離させることができる。そして、下メタルから引き離されたメタルマスクの両面に気圧差を生じさせることにより、メタルマスクから樹脂を離脱させることができ、これにより、蛍光体を内包した粒子が得られる。
【００５９】
（実施例５）
上述の実施例２〜実施例４のいずれかにおいて作成された発光粒子を、モールド法によりカップ１１（図１）内に固定する方法について説明する。
【００６０】
ＬＥＤ１２を底面上に固定したカップ１１（図１）をエタノール中に設置し、蛍光体内包粒子である発光粒子２０をエタノール中に沈降させる。この際、各カップ１１上にはロート状の絞りが設けられて選択的にカップ１１の中のみに蛍光体内包粒子を沈降させる。
【００６１】
各材料の典型的な密度（比重）は、蛍光体が5.2、樹脂が1.2、エタノールが0.79であるため、沈降とともに蛍光体内包粒子は蛍光体が偏っている側を下にしてカップ１１の底面に設置することができる。
【００６２】
なお、エタノール以外には、プロパノール又は液体窒素を用いることができる。プロパノールの密度は0.86、液体窒素の密度は0.83であり、また、粘性が温度により変化するため、蛍光体内包粒子の沈降の速度を温度により制御することができる。
【００６３】
かくして、蛍光体内包粒子をカップ１１の底面部に沈降させた後、エタノール、プロパノール又は液体窒素を蒸発させ、封止剤により蛍光体内包粒子をカップ１１内に固定する。固定するための封止剤（樹脂）は、蛍光体内包粒子（発光粒子）の屈折率よりも屈折率が低いシリコン系のものを用いる。これにより、蛍光体において発光した光は、蛍光体内包粒子とその周囲の封止剤との境界において反射し、指向性を持った光となってカップ１１の開口方向に出射することとなる。
【図面の簡単な説明】
【００６４】
【図１】本発明の実施の形態に係る発光装置を示す断面図である。
【図２】図１の発光粒子の構成を示す断面図である。
【図３】発光粒子の配置例を示す平面図である。
【図４】発光効率及び平均演色評価数を示すグラフである。
【図５】発光粒子の中心と蛍光体の位置とのずれ量と発光強度との関係を示すグラフである。
【図６】発光粒子（蛍光体内包粒子）と相対発光強度との関係を示すグラフである。
【図７】発光粒子の配置例を示す断面図である。
【図８】赤色、緑色及び青色の発光粒子の配置例を示す側面図である。
【図９】赤色、緑色及び青色の発光粒子の他の配置例を示す側面図である。
【図１０】配向角と光強度との関係を示すグラフである。
【図１１】発光装置の製造装置を示す概略図である。
【図１２】ホットプレートを用いた発光粒子の製造方法の説明に供する概略図である。
【図１３】ホットプレートを用いた発光粒子の製造方法を示すフローチャートである。
【符号の説明】
【００６５】
１０ 発光装置
１１ カップ
１２ ＬＥＤ
２０、２０Ｒ、２０Ｇ、２０Ｂ、２０Ｌ、２０Ｓ 発光粒子
２１ 透明材料
２２、２２Ｒ、２２Ｇ、２２Ｂ 蛍光体
３０ 製造装置
３１ 樹脂
３２ 樹脂タンク
３３ 蛍光体タンク
３４ 材料供給部
３５ 混合部
３８、４４ ヒータ
３９ 加熱部
４０ 樹脂球
【技術分野】
【０００１】
本発明は、蛍光体を用いた発光素子、発光装置及びそれらの製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
発光装置として、ＬＥＤ(Light Emitting Diode)と蛍光体とを組み合わせたものが考えられている。この発光装置は、ＬＥＤにおいて発せられた光を蛍光体にあてることでこの蛍光体を発光させるものである。
【０００３】
この発光装置においては、蛍光体をＬＥＤの発光部上に堆積させることにより、蛍光体同士でその発光した光を吸収し合う結果、発光装置から出射される光の強度が低下する問題があった。
【０００４】
この問題点を解決するための一つの方策として、各蛍光体の表面を透明な材質で被覆した発光粒子を用いることにより、隣接する蛍光体の間隔を広げて再吸収を起こり難くすることが考えられている（特許文献１参照）。
【０００５】
しかしながら、単に蛍光体を透明な材質で被覆した場合、蛍光体は、該蛍光体を透明な材質で被覆してなる発光粒子の中心に配置されることにより、蛍光体において発光した光は、発光粒子から放射状に出射することになる。
【特許文献１】特開２００３−４６１４１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
このように、発光素子から光が放射状に出射すると、この光を出射すべき所定の方向以外にも出射されることになり、出射すべき所定の方向への光の強度が低下する問題があった。
【０００７】
このような技術的課題を解決するためになされた本発明の目的は、出射される光の出射方向に指向性を持たせることができる発光粒子、発光装置及びそれらの製造方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の実施の形態に係る特徴は、発光粒子において、粒状の透明材料と、透明材料の中心からずれた位置に内包される蛍光体とを備えることである。
【０００９】
また本発明の実施の形態に係る特徴は、発光装置において、発光素子と、発光素子において発光した光を吸収して発光する蛍光体及び中心からずれた位置に蛍光体を内包する粒状の透明材料を有する発光粒子とを備えることである。
【００１０】
また本発明の実施の形態に係る特徴は、発光粒子の製造方法において、蛍光体及び液状の熱硬化性の透明材料を混合して透明材料に蛍光体を内包させるステップと、蛍光体を内包する透明材料を落下させるステップと、落下中に透明材料を加熱して該透明材料の表面を硬化させるステップと、落下の後に、透明材料に内包される蛍光体をその重みによって透明材料の中心からずれた位置に沈降させるステップと、蛍光体が沈降した透明材料を加熱して該透明材料の内部を硬化させるステップとを備えることである。
【００１１】
また本発明の実施の形態に係る特徴は、発光装置の製造方法において、蛍光体及び液状の熱硬化性の透明材料を混合して透明材料に蛍光体を内包させるステップと、蛍光体を内包する透明材料を発光素子上に落下させるステップと、落下中に透明材料を加熱して該透明材料の表面を硬化させるステップと、落下の後に、透明材料に内包される蛍光体をその重みによって透明材料の中心からずれた位置に沈降させるステップと、蛍光体が沈降した透明材料を加熱して該透明材料の内部を硬化させるステップとを備えることである。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、発光粒子から出射される光の出射方向に指向性を持たせることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。以下の図面の記載において、同一の部分には同一の符号を付し、重複する記載は省略する。また、図面は模式的なものであり、厚みと平面寸法との関係、各層の厚みの比率等は現実のものと異なる。更に、図面相互間においても互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれている。
【００１４】
（第１の実施の形態）
図１に示すように、本発明の第１の実施の形態に係る発光装置１０は、発光素子（ＬＥＤ１２）と、発光素子において発光した光を吸収して発光する蛍光体２２及び中心からずれた位置に蛍光体２２を内包する粒状の透明材料２１を有する発光粒子２０とを備える。
【００１５】
発光装置１０において、カップ１１は、底面部１１Ａとその周縁部に沿って設けられた側面部１１Ｂによって容器形状に構成され、底面部１１Ａに対向する部分は開口されている（開口部１１Ｃ）。
【００１６】
カップ１１においては、底面部１１Ａから開口部１１Ｃにかけて開口面積が次第に大きくなるように側面部１１Ｂの内壁が傾斜している。このカップ１１の底面部１１Ａに発光素子としてＬＥＤ１２が配置されるとともに、このＬＥＤ１２上に発光粒子２０が堆積されている。
【００１７】
図２に示すように、発光粒子２０は、蛍光体２２を、樹脂、ガラス又は誘電体でなる透明材料２１によって被覆した構成を有する。透明材料２１は、略球体形状に形成されており、蛍光体２２は、この球体形状の中心からずれた位置に配置されている。すなわち、発光粒子２０においては、蛍光体２２を覆った透明材料２１の厚みが厚い厚膜部分Ａ１と、透明材料２１の厚みが薄い薄膜部分Ａ２とを有する。また、発光粒子２０の透明材料２１においては、隣接する発光粒子２０が接する他は、空隙が接するようになされている。この空隙の屈折率は、発光粒子２０の透明材料２１の屈折率よりも小さいことにより、蛍光体２２において発光した光は、この屈折率差によって透明材料２１と空隙との境界において屈折する。
【００１８】
このように、透明材料２１の厚膜部分Ａ１では、蛍光体２２において発光した光は、透明材料２１とそれに隣接する空隙との屈折率差によって屈折することにより、蛍光体２２から厚膜部分Ａ１が設けられた側に指向性をもって出射することになる。なお、複数の発光粒子２０を封止剤で封止する場合には、各発光粒子２０間の空隙に封止剤が満たされることにより、空隙の場合と同様にして、透明材料２１の屈折率よりも低い屈折率を有する封止剤を用いる必要がある。この場合、封止剤と透明材料２１との屈折率差を0.05以上とする。屈折率差が0.05以下の場合には、蛍光体２２からの光がそのまま透過することになり、指向性を与えることが困難になる。
【００１９】
また、発光装置１０において、各発光粒子２０は、その薄膜部分Ａ２が、ＬＥＤ１２側（底面部１１Ａ側）を向くように配置されている。すなわち、各発光粒子２０の光の出射側となる厚膜部分Ａ１がカップ１１の開口部１１Ｃの方向に向くように構成されている。これにより、蛍光体１２の励起により発光した光の多くは、カップ１１の開口部１１Ｃ方向に向かって出射する。すなわち、ＬＥＤ１２から発せられた光が蛍光体２２を励起し、この結果発光した光が発光粒子２０から開口部１１Ｃ方向に出射することになる。
【００２０】
なお、カップ１１における発光粒子２０の配置は、蛍光体２２による自己吸収を低減するために細密構造で層数を少なくすることが有効である。このような構成例を図３に示す。図３においては、発光粒子２０を２層に設け、下層の発光粒子２０ａ（図中、破線で示す）に対して、上層の発光粒子２０ｂ（図中実線で示す）は、上方から見てその中心が下層において隣接する３つの発光粒子２０の間に位置するようになされている。このように配置することにより、均一な白色光を得ることができる。
【００２１】
以上説明した発光粒子２０においては、透明材料２１を用いて蛍光体２２を被覆していることにより、この発光粒子２０をカップ１１内に堆積させた場合に、隣り合う発光粒子２０の蛍光体２２同士が透明材料２１の厚みの分だけ離れて配置されることになる。蛍光体２２同士が透明材料２１の厚みの分だけ離れて配置されると、蛍光体２２の自己吸収や複数色を用いた場合の他の色の蛍光体による吸収が少なくなり、発光効率を向上させることができるとともに、平均演色評価数Ｒａを向上させることができる。図４（Ａ）は、本実施の形態に係る発光粒子（蛍光体内包粒子）２０を用いた場合の発光強度と、透明材料による被覆を行っていない蛍光体を用いた場合の発光強度との相対関係を示し、被覆を行っていない蛍光体を用いた場合（蛍光体塗布）の発光強度を１とした場合における発光粒子２０を用いた場合（発光粒子使用）の発光強度の比率（相対強度）を表すものである。また、図４（Ｂ）は、本実施の形態に係る発光粒子（蛍光体内包粒子）２０を用いた場合の平均演色評価数Ｒａと、透明材料による被覆を行っていない蛍光体を用いた場合の平均演色評価数Ｒａとの相対関係を示す。すなわち、被覆を行っていない蛍光体を用いた場合（蛍光体塗布）の平均演色評価数Ｒａを１とした場合における発光粒子２０を用いた場合（発光粒子使用）の平均演色評価数Ｒａの比率（相対Ｒａ）を表すものである。図４（Ａ）、（Ｂ）に示すように、発光粒子（蛍光体内包粒子）２０を用いると、発光効率及び平均演色評価数が向上することが分かる。
【００２２】
また、透明材料２１の中心からずれた位置に蛍光体２２を配置した発光粒子２０において、薄膜部分Ａ２がＬＥＤ１２側を向き、厚膜部分Ａ１がカップ１１の開口部１１Ｃ側を向くように配置することにより、蛍光体２２において発光した光は、発光粒子２０から開口部１１Ｃ側に指向性をもって出射することとなる。発光粒子２０からの光が開口部１１Ｃ側に指向性をもって出射されると、ＬＥＤ１２側に戻る光が少なくなることにより、開口部１１Ｃから光を出射する発光装置１０として、発光効率が向上する。
【００２３】
図５は、発光粒子２０の中心と該発光粒子２０に内包される蛍光体２２の位置とのずれ量（中心のずれ）と、発光強度との相対関係を、発光粒子２０の径が20μｍ、60μｍ及び100μｍのそれぞれについて表し、中心のずれが０である場合の発光強度を１とした場合の各ずれ量における相対強度を表す。図５に示すように、いずれの径においても、ずれ量が大きいほど発光強度が大きくなることが分かる。
【００２４】
また図６は、発光粒子（蛍光体内包粒子）２０の大きさと発光強度との関係を示す。これは、各大きさの発光粒子（蛍光体内包粒子）２０に対して、下方から励起光を照射し、上方より蛍光体により変換された光の発光強度を測定した結果である。この場合、５μｍ、１０μｍ、３０μｍ、５０μｍ、１００μｍ、２００μｍの各粗さのふるいにかけた発光粒子２０毎にその発光強度を求めた結果である。すなわち、１〜５μｍ、５〜１０μｍ、１０〜３０μｍ、３０〜５０μｍ、５０〜１００μｍ、１００〜２００μｍの大きさの発光粒子（蛍光体内包粒子）２０ごとの発光強度を表すものである。発光強度は、１００〜２００μｍの大きさの発光粒子２０の発光強度を１として場合の相対強度を表している。
【００２５】
この図６に示すように、発光粒子（蛍光体内包粒子）２０の大きさ（径）として、５μｍ〜１００μｍの場合に強い発光強度を得ることができる。
【００２６】
なお、上述の実施の形態においては、同じ大きさの発光粒子２０を複数堆積させる場合について述べたが、本発明はこれに限られるものではなく、図７に示すように、異なる大きさの発光粒子２０を用いるようにしてもよい。この場合、例えば、粒子径の大きな発光粒子２０Ｌを最下層に配置し、その上層に粒子径の小さな発光粒子２０Ｓを配置することにより、ＬＥＤ１２からの光が上層の発光粒子２０Ｓに届き易くなる。
【００２７】
また、異なる色（赤色、黄色、緑色、青色）の蛍光体２２を用いる場合、緑色の蛍光体は視感度が高く、発光効率も高いため緑色の蛍光体を用いた発光粒子２０の数を少なくし、赤色及び青色の蛍光体を用いた発光粒子２０の数を多く配置する。この場合、発光粒子２０を大きく形成することにより、該発光粒子２０の数を少なくすることができ、発光粒子２０を小さく形成することにより、該発光粒子２０の数を多くすることができる。
【００２８】
従って、図８に示すように、緑色の蛍光体２２Ｇを用いた発光粒子２０Ｇを、赤色及び青色の蛍光体２２Ｒ、２２Ｂを用いた発光粒子２０Ｒ、２０Ｂに比べて大きく形成することにより、該緑色の発光粒子２０Ｇの数を少なく配置することができる。なお、図８に示すように、赤色の発光粒子２０Ｒを配列してなる層Ｌ１、緑色の発光粒子２０Ｇを配列してなる層Ｌ２及び青色の発光粒子２０Ｂを配列してなる層Ｌ３によって３層構造とする場合、赤色の発光粒子２０Ｒを構成する赤色の蛍光体２２Ｒとして、青色の蛍光体２２Ｂにおいて発光した光を吸収しない種類のもの（La2O2S:Eu）を用いた場合には、赤色の発光粒子２０Ｒを最上層に配置する。これに対して、赤色の発光粒子２０Ｒを構成する赤色の蛍光体２２Ｒとして、青色の蛍光体２２Ｂにおいて発光した光を吸収する種類のもの（CaAlSiN3:Eu）を用いた場合には、図９に示すように、赤色の発光粒子２０Ｒを配列してなる層Ｌ１を最下層に配置することにより、青色の蛍光体２２Ｂにおいて発光した光が吸収されることを防止することができる。
【００２９】
なお、図１０（Ａ）は、３種類の蛍光体を混ぜ合わせた後、ＬＥＤ上部へ塗布した場合の配光角と発光強度との相対関係を示し、配光角が０°の場合の波長４４０ｎｍの光の発光強度を１とした場合における各配光角での波長４４０ｎｍ及び５３０ｎｍの光の発光強度の比率（相対強度）を表す。また、図１０（Ｂ）は、本実施の形態に係る発光素子２０を用いた場合の配光角と発光強度との相対関係を示し、配光角が０°の場合の波長４４０ｎｍの光の発光強度を１とした場合における各配光角での波長４４０ｎｍ及び５３０ｎｍの光の発光強度の比率（相対強度）を表す。すなわち、光の波長430nm及び530nmについて、ある角度を基準にした配光角（０〜９０°）での相対強度をプロットすることにより配光特性を示したものである。図１０（Ａ）では、ある角度では発光強度が逆転する領域が生じるが、図１０（Ｂ）の場合には、設計による最適化で角度による発光強度の比はほぼ同じ値が得られた。
【００３０】
（実施例１）
蛍光体及び液状の樹脂を混合してヒータ内を落下させることで発光粒子２０及び発光装置１０を製造する製造装置について説明する。
【００３１】
図１１は、発光粒子２０を製造するための製造装置３０を示し、蛍光体２２を被覆する透明材料２１としての液状の熱硬化性の樹脂３１を貯留するための樹脂タンク３２及び蛍光体２２を貯留するための蛍光体タンク３３を有する材料供給部３４と、材料供給部３４から供給された樹脂３１及び蛍光体２２を混合する混合部３５と、混合部３５において混合された樹脂３１及び蛍光体２２を落下させながら加熱する加熱部３９とを備える。
【００３２】
樹脂３１は、エポキシ樹脂、シリコン樹脂等を用いることができるが、耐熱性の高いシリコン樹脂が望ましい。また、蛍光体２２は、酸化物系、窒化物系、硫化物系のいずれかを用いることができるが、耐熱性の高い窒化物系又は酸化物系が望ましい。蛍光体２２は、赤色の蛍光体、緑色の蛍光体、青色の蛍光体を用いることができる。赤色の蛍光体としては、La2O2S:Eu,Sm（記号「：」以下は付活元素を表す）等を用いることができ、緑色の蛍光体としては、lnGaN又はBaMgAl27O17:Eu,Mn等を用いることができ、青色の蛍光体としては、lnGaN又は(Sr,Ca,Ba)10(PO4)6Cl2:Eu等を用いることができる。これら３原色の蛍光体２２を用いることにより、ＬＥＤ１２から発光される光によってこれらの色の蛍光体２２が励起されて発光を生じ、各色の蛍光体２２による発光が重ね合わされることにより白色光を得ることができる。なお、緑色の蛍光体２２に代えて、または緑色の蛍光体２２と併せて黄色の蛍光体（例えば、(Sr,Ca,Ba)2SiO4:Eu等）を用いることができる。なお、図８又は図９に示すように、赤色の蛍光体を２２Ｒを内包した発光粒子２０Ｒ、緑色の蛍光体２２Ｇを内包した発光粒子２０Ｇ及び青色の蛍光体２２Ｂを内包した発光粒子２０Ｂを層毎に分けて配置する場合には、各色ごとに蛍光体タンク３３を用意すればよい。
【００３３】
樹脂タンク３２及び蛍光体タンク３３は、外部から供給されるエアーによって樹脂３１及び蛍光体２２を混合部３５に供給するようになされている。混合部３５は、樹脂タンク３２から樹脂３１を導入させるための樹脂供給用の配管３７Ａと、蛍光体タンク３３から蛍光体２２を導入させるための蛍光体供給用の配管３７Ｂと、これらを合流させるための合流部３７Ｃと、合流部３７Ｃにおいて合流した樹脂３１及び蛍光体２２を同一経路で排出させる配管３７Ｄとを備える。配管３７Ｄの先端部には、ノズル３７Ｅが設けられている。
【００３４】
合流部３７Ｃを介して配管３７Ｄに供給される液体３１及び蛍光体２２の供給量によって、樹脂球４０（発光粒子２０）の大きさ及びその中に含まれる蛍光体２２の個数を制御するようになされている。すなわち、樹脂球４０の大きさは、配管３７Ａを移動する樹脂３１の移動速度とその粘性によって制御することができる。また、樹脂球４０に含まれる蛍光体２２の個数は、配管３７Ｂを移動する蛍光体２２の移動速度と、配管３７Ａを移動する樹脂３１の移動速度とによって制御することができる。
【００３５】
具体的には、樹脂３１の流速を0.001ml/sとし、蛍光体２２の流速を2個/sとする。この状態で径が0.3mmの配管３７Ｄ内でこれらを混合し、500msごとに先端のノズル３７Ｅから吐出させる。
【００３６】
樹脂３１と蛍光体２２との混合物は、ノズル４１から離れると、蛍光体２２を中心としてこれを樹脂３１によって被覆してなる球状となって配管４１内を落下する。配管４１内において、樹脂球４０の落下経路の一部には、加熱部３９が設けられている。この加熱部３９においては、樹脂球４０の落下経路の所定の落下長に渡って、その落下経路の周囲を取り囲むようにヒータ３８が配置されている。このヒータ３８によって、配管４１内を落下する樹脂球４０を加熱する。
【００３７】
すなわち、樹脂球４０は、落下によって所定長のヒータ３８を通過し、その通過時間に応じて加熱される。ヒータ３８は、200℃に加熱されており、このヒータ３８を通過した樹脂球４０は、その表面側から硬化を開始する。このように、200℃程度の高温で短時間に樹脂球４０を加熱することにより、樹脂球４０においては、まずその表面のみが硬化した状態で配管３７の下端部に設けられたカップ１１内に落下する。配管４１内での樹脂球４０の落下速度は、配管４１の下方から気体供給部４５によって配管４１内を上昇する酸素Ｏ２の風速により制御することができる。このように樹脂球４０の落下速度を制御して樹脂球４０がヒータ３８内を通過する時間を300ms程度とすることにより、樹脂球４０は、熱による劣化を生じることなくその表面が硬化する。
【００３８】
落下中の樹脂球４０は、表面が硬化した状態でカップ１１内に落下する。このカップ１１がセットされた落下位置は、ヒータ４４によって200℃程度に保たれており、ここに落下した樹脂球４０は、その環境下において60秒程度で内部まで完全に硬化する。
【００３９】
かかる製造装置３０においては、樹脂球４０が落下中に加熱部３９のヒータ３８内に存在する時間によって樹脂球４０内での蛍光体２２の位置が決まる。すなわち、ヒータ３８内に存在する時間が短い場合、樹脂球はその表面が硬化し内部がほとんど硬化していない状態（内部の粘性が低い状態）でカップ１１内に落下する。この場合、カップ１１内に落下した樹脂球内部では、樹脂の粘性が低いことにより、蛍光体２２が最も低い位置まで沈降した状態で全体が完全に硬化する。これに対して、ヒータ３８内に存在する時間が長い場合、樹脂球はその表面が硬化するとともに内部もある程度硬化した状態でカップ１１内に落下する。この場合、カップ１１内に落下した樹脂球内部では、樹脂の粘性が高くなっていることにより、蛍光体２２が最も低い位置まで沈降する前に全体が完全に硬化することになる。このように、樹脂球４０がヒータ３８内に存在する時間によって、樹脂球４０内での蛍光体２２の位置を制御することができる。しかして、製造装置４０においては、配管４１の下方から送りこまれる酸素の量（風量）を制御することで、配管４１内での樹脂球４０の落下速度を制御することができ、この結果、樹脂球４０がヒータ３８内に存在する時間を制御することができる。
【００４０】
かくして、蛍光体２２が樹脂球４０の中心からずれた位置に移動した状態で樹脂球４０全体を完全に硬化させることにより、樹脂球４０の中心からずれた位置に蛍光体２２を配置した発光粒子２０を得る。
【００４１】
なお、上述の実施例においては、樹脂３１を用いた樹脂球４０の内部に蛍光体２２を含ませて発光粒子２０を形成する場合について述べたが、本発明はこれに限られるものではなく、例えば、樹脂タンク３２に貯留する樹脂３１に代えて、スピンオンガラスを貯留することにより、蛍光体２２をガラスで包んだ構造の蛍光体内包ガラス粒子を作成することができる。スピンオンガラスを用いる場合、ヒータ３８の温度を800℃に設定することが望ましい。このような蛍光体内包ガラス粒子を発光素子として用いることもできる。スピンオンガラスとしては、シリケート系、シラノール系、シロキサン系があり、それぞれの粘性やガラス化温度が異なるため、蛍光体内包粒子の径に応じて使い分ける。例えば、ハネウエル製ACCUGLASS（登録商標）を用いた場合には、滴下後に通過するヒータ３８の温度を500℃に設定することが望ましい。この場合は、蛍光体２２と被覆ガラスの位置の調整は、ヒータ３８内での気流により制御する。すなわち、ヒータ３８内に酸素を５m/sで下から上に流し、この中を蛍光体２２とスピンオンガラスを混ぜたものを滴下することにより、粒子は、落下しながら気流の影響で蛍光体２２がスピンオンガラスの中心から偏心した位置でガラス化する。
【００４２】
（実施例２）
ホットプレート上で蛍光体２２に樹脂を被覆させて発光粒子２０を製造する製造装置について説明する。
【００４３】
図１２（Ａ）は、ホットプレート５１を用いて発光粒子２０を製造するための製造装置５０を示し、ホットプレート５１は、駆動部５５によってｘ−ｙ平面内で円運動するようになされ、また、ヒータ５４によって加熱可能となっている。ホットプレート５１の上方には、液状の樹脂３１をホットプレート５１上に噴霧するための噴霧装置５６が設けられており、噴霧制御部５３によって噴霧量及び噴霧時間を制御し得るようになされている。
【００４４】
製造装置５０全体の動作を制御するための制御部５２は、駆動部５５、ヒータ５４及び噴霧制御部５３をそれぞれ制御することにより、蛍光体２２を樹脂３１によって被覆してなる発光粒子２０を製造する。
【００４５】
すなわち、制御部５２は、図１３に示す製造処理手順を実行することにより、発光粒子２０を製造する。ホットプレート５１上に蛍光体２２を配置した状態において（図１２（Ａ））、制御部５２は、ステップＳ１１において、駆動部５５を制御することにより、ホットプレート５１をｘ−ｙ平面内において円運動開始させるとともに、ステップＳ１２において、ヒータ５４を制御することにより、ホットプレート５１を加熱する。この状態において、制御部５２は、ステップＳ１３に移って、噴霧制御部５３を制御することにより、噴霧装置５６から液状の樹脂３１をホットプレート５１上に噴霧する。これによりホットプレート５１上の蛍光体２２に樹脂３１が付着する。噴霧量及び噴霧時間は予め噴霧制御部５３に設定されているものとする。
【００４６】
この状態において、ホットプレート５１は、上述のステップＳ１１において開始された円運動が続けられていることにより、蛍光体２２においては、その表面に樹脂３１を付着させながらホットプレート５１上を転がる。これにより、図１２（Ｂ）に示すように、樹脂３１が蛍光体２２の表面を雪だるま式に包んでなる樹脂球４０が出来上がる。樹脂球４０の径は、予め噴霧制御部５３に設定される噴霧量及び噴霧時間によって決定することができる。
【００４７】
ホットプレート５１を加熱するヒータ５４の温度は、樹脂３１が完全に固化する温度よりも低い温度に設定する。
【００４８】
樹脂３１の噴霧後、制御部５２は、ステップＳ１４に移って、駆動部５５を制御することにより、ホットプレート５１の円運動を停止させる。これにより、図１２（Ｃ）に示すように、蛍光体２２が中心にある樹脂球４０が得られる。この状態において、ホットプレート５１は、ヒータ５４によって、樹脂３１が完全に固化しない程度の温度で加熱されていることにより、樹脂球４０の内部は固化していない状態となっている。従って、ホットプレート５１の円運動の停止により、樹脂球４０の中心にある蛍光体２２は、その重みによって樹脂球４０内を沈降する。
【００４９】
制御部５２は、ステップＳ１４における円運動の停止制御を行った後、ステップＳ１５において、内部タイマをスタートさせ、さらにステップＳ１６において、内部タイマのカウント結果が予め設定されているカウント値に至ったか否かを判断する。内部タイマの設定カウント値は、樹脂球４０内において蛍光体２２が沈降するのに必要な時間に設定されている。従って、ステップＳ１６において否定結果が得られると、このことは、樹脂球４０内において蛍光体２２が完全に沈降していないことを意味しており、制御部５２は肯定結果が得られるまで当該ステップＳ１６の判断を繰り返す。ステップＳ１６において肯定結果が得られると、このことは、樹脂球４０内において蛍光体２２が完全に沈降したことを意味しており、制御部５２は、ステップＳ１６からステップＳ１７に移って、ヒータ５４を制御することにより、ホットプレート５１の温度を、樹脂３１が完全に硬化する温度に上昇させる。これにより、図１２（Ｄ）に示すように、樹脂球４０内において蛍光体２２が沈降した状態で硬化する。かくして、蛍光体２２が中心からずれた位置にある発光粒子２０が完成する。
【００５０】
完成した発光粒子２０は、ふるいにかけ、粒径ごとに分けておき、ＬＥＤの周りに配置する。
【００５１】
（実施例３）
ＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）法により、SiO2で蛍光体を被覆する方法について説明する。
【００５２】
蛍光体は、準備槽で500℃程度に加熱しておき、反応槽内部にその上部から導入する。反応槽の内部には、原料ガスとしてSiH4と酸素が予め導入されており、蛍光体がこの中を落下することにより、この落下中に蛍光体表面にSiO2が形成される。
【００５３】
原料ガスは、反応槽の下側から導入され、蛍光体は、導入ガスにより落下速度が減少し、比較的短い落下距離で厚いSiO2膜が形成される。この際に、SiO2は、成膜中でのガスの流れの異方性により下側が上側より厚くなるように非対称に形成される。透明なSiO2を形成するためには、蛍光体をSiO2で被覆する前に、蛍光体表面を洗浄する必要がある。
【００５４】
なお蛍光体をSiO2膜で被覆する前の処理として、焼結形成した後の蛍光体を砕いて粒体にし、粒体の表面を均質化するために、酸化物系では、オゾン雰囲気中で処理を行い、窒化物系では、窒素ラジカル中で処理を行うと良好な結果が得られた。この際に、表面のみならず、粒体内部まで処理が及ぶと発光効率に変化が生じるため、粒体内部まで処理が及ばないようにする。
【００５５】
また、蛍光体を炉内に設置した石英盤上に分散させて配置し、炉内にSiH4と酸素を導入して炉内の温度を400℃に３分間保つことにより、蛍光体の上部にSiO2が形成され、偏心した蛍光体内包SiO2を形成することができる。
【００５６】
（実施例４）
メタルマスクを用いて発光素子を作成する方法を説明する。
【００５７】
規則的に100μｍの穴が開いたメタルマスクを剥離剤を塗った下メタル上に設置し、10μｍ径の蛍光体をメタルマスクの穴の中に滴下する。その後、樹脂を塗布し、穴の中が樹脂で覆われるようにする。そして、ブレードですり切った後、加熱して樹脂を硬化させる。加熱は、100℃で１時間行う。蛍光体は、樹脂の内部で沈降しており、この状態で樹脂が加熱により硬化する。
【００５８】
下メタルには剥離液が塗布されており、樹脂がメタルマスクの穴に付着したままの状態で該メタルマスクを下メタルから引き離すことにより、樹脂を下メタルから剥離させることができる。そして、下メタルから引き離されたメタルマスクの両面に気圧差を生じさせることにより、メタルマスクから樹脂を離脱させることができ、これにより、蛍光体を内包した粒子が得られる。
【００５９】
（実施例５）
上述の実施例２〜実施例４のいずれかにおいて作成された発光粒子を、モールド法によりカップ１１（図１）内に固定する方法について説明する。
【００６０】
ＬＥＤ１２を底面上に固定したカップ１１（図１）をエタノール中に設置し、蛍光体内包粒子である発光粒子２０をエタノール中に沈降させる。この際、各カップ１１上にはロート状の絞りが設けられて選択的にカップ１１の中のみに蛍光体内包粒子を沈降させる。
【００６１】
各材料の典型的な密度（比重）は、蛍光体が5.2、樹脂が1.2、エタノールが0.79であるため、沈降とともに蛍光体内包粒子は蛍光体が偏っている側を下にしてカップ１１の底面に設置することができる。
【００６２】
なお、エタノール以外には、プロパノール又は液体窒素を用いることができる。プロパノールの密度は0.86、液体窒素の密度は0.83であり、また、粘性が温度により変化するため、蛍光体内包粒子の沈降の速度を温度により制御することができる。
【００６３】
かくして、蛍光体内包粒子をカップ１１の底面部に沈降させた後、エタノール、プロパノール又は液体窒素を蒸発させ、封止剤により蛍光体内包粒子をカップ１１内に固定する。固定するための封止剤（樹脂）は、蛍光体内包粒子（発光粒子）の屈折率よりも屈折率が低いシリコン系のものを用いる。これにより、蛍光体において発光した光は、蛍光体内包粒子とその周囲の封止剤との境界において反射し、指向性を持った光となってカップ１１の開口方向に出射することとなる。
【図面の簡単な説明】
【００６４】
【図１】本発明の実施の形態に係る発光装置を示す断面図である。
【図２】図１の発光粒子の構成を示す断面図である。
【図３】発光粒子の配置例を示す平面図である。
【図４】発光効率及び平均演色評価数を示すグラフである。
【図５】発光粒子の中心と蛍光体の位置とのずれ量と発光強度との関係を示すグラフである。
【図６】発光粒子（蛍光体内包粒子）と相対発光強度との関係を示すグラフである。
【図７】発光粒子の配置例を示す断面図である。
【図８】赤色、緑色及び青色の発光粒子の配置例を示す側面図である。
【図９】赤色、緑色及び青色の発光粒子の他の配置例を示す側面図である。
【図１０】配向角と光強度との関係を示すグラフである。
【図１１】発光装置の製造装置を示す概略図である。
【図１２】ホットプレートを用いた発光粒子の製造方法の説明に供する概略図である。
【図１３】ホットプレートを用いた発光粒子の製造方法を示すフローチャートである。
【符号の説明】
【００６５】
１０ 発光装置
１１ カップ
１２ ＬＥＤ
２０、２０Ｒ、２０Ｇ、２０Ｂ、２０Ｌ、２０Ｓ 発光粒子
２１ 透明材料
２２、２２Ｒ、２２Ｇ、２２Ｂ 蛍光体
３０ 製造装置
３１ 樹脂
３２ 樹脂タンク
３３ 蛍光体タンク
３４ 材料供給部
３５ 混合部
３８、４４ ヒータ
３９ 加熱部
４０ 樹脂球
【特許請求の範囲】
【請求項１】
粒状の透明材料と、
前記透明材料の中心からずれた位置に内包される蛍光体と
を備えることを特徴とする発光粒子。
【請求項２】
前記透明材料の粒径は、５〜１００μｍであることを特徴とする請求項１に記載の発光粒子。
【請求項３】
前記透明材料は、樹脂、誘電体又はガラスであることを特徴とする請求項１に記載の発光粒子。
【請求項４】
発光素子と、
前記発光素子において発光した光を吸収して発光する蛍光体及び中心からずれた位置に前記蛍光体を内包する粒状の透明材料を有する発光粒子と
を備えることを特徴とする発光装置。
【請求項５】
前記内包される蛍光体の発光波長が異なる複数の発光粒子を備え、
前記発光粒子は、内包される蛍光体の発光波長ごとに異なる粒径を有し、該粒径は、前記内包された蛍光体の発光波長が短いほど小さいことを特徴とする請求項４に記載の発光装置。
【請求項６】
蛍光体及び液状の熱硬化性の透明材料を混合して前記透明材料に前記蛍光体を内包させるステップと、
前記蛍光体を内包する前記透明材料を落下させるステップと、
前記落下中に前記透明材料を加熱して該透明材料の表面を硬化させるステップと、
前記落下の後に、前記透明材料に内包される蛍光体をその重みによって前記透明材料の中心からずれた位置に沈降させるステップと、
前記蛍光体が沈降した透明材料を加熱して該透明材料の内部を硬化させるステップと
を備えることを特徴とする発光粒子の製造方法。
【請求項７】
蛍光体及び液状の熱硬化性の透明材料を混合して前記透明材料に前記蛍光体を内包させるステップと、
前記蛍光体を内包する前記透明材料を発光素子上に落下させるステップと、
前記落下中に前記透明材料を加熱して該透明材料の表面を硬化させるステップと、
前記落下の後に、前記透明材料に内包される蛍光体をその重みによって前記透明材料の中心からずれた位置に沈降させるステップと、
前記蛍光体が沈降した透明材料を加熱して該透明材料の内部を硬化させるステップと
を備えることを特徴とする発光装置の製造方法。
【請求項１】
粒状の透明材料と、
前記透明材料の中心からずれた位置に内包される蛍光体と
を備えることを特徴とする発光粒子。
【請求項２】
前記透明材料の粒径は、５〜１００μｍであることを特徴とする請求項１に記載の発光粒子。
【請求項３】
前記透明材料は、樹脂、誘電体又はガラスであることを特徴とする請求項１に記載の発光粒子。
【請求項４】
発光素子と、
前記発光素子において発光した光を吸収して発光する蛍光体及び中心からずれた位置に前記蛍光体を内包する粒状の透明材料を有する発光粒子と
を備えることを特徴とする発光装置。
【請求項５】
前記内包される蛍光体の発光波長が異なる複数の発光粒子を備え、
前記発光粒子は、内包される蛍光体の発光波長ごとに異なる粒径を有し、該粒径は、前記内包された蛍光体の発光波長が短いほど小さいことを特徴とする請求項４に記載の発光装置。
【請求項６】
蛍光体及び液状の熱硬化性の透明材料を混合して前記透明材料に前記蛍光体を内包させるステップと、
前記蛍光体を内包する前記透明材料を落下させるステップと、
前記落下中に前記透明材料を加熱して該透明材料の表面を硬化させるステップと、
前記落下の後に、前記透明材料に内包される蛍光体をその重みによって前記透明材料の中心からずれた位置に沈降させるステップと、
前記蛍光体が沈降した透明材料を加熱して該透明材料の内部を硬化させるステップと
を備えることを特徴とする発光粒子の製造方法。
【請求項７】
蛍光体及び液状の熱硬化性の透明材料を混合して前記透明材料に前記蛍光体を内包させるステップと、
前記蛍光体を内包する前記透明材料を発光素子上に落下させるステップと、
前記落下中に前記透明材料を加熱して該透明材料の表面を硬化させるステップと、
前記落下の後に、前記透明材料に内包される蛍光体をその重みによって前記透明材料の中心からずれた位置に沈降させるステップと、
前記蛍光体が沈降した透明材料を加熱して該透明材料の内部を硬化させるステップと
を備えることを特徴とする発光装置の製造方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【公開番号】特開２００８−１９３８０（Ｐ２００８−１９３８０Ａ）
【公開日】平成２０年１月３１日（２００８．１．３１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００６−１９４０７６（Ｐ２００６−１９４０７６）
【出願日】平成１８年７月１４日（２００６．７．１４）
【出願人】（０００００３０７８）株式会社東芝 (54,554)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２０年１月３１日（２００８．１．３１）
【国際特許分類】
【出願日】平成１８年７月１４日（２００６．７．１４）
【出願人】（０００００３０７８）株式会社東芝 (54,554)
【Ｆターム（参考）】
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