発光装置
【課題】装置の使用時に発光効率が低下することがなく、ＬＥＤ素子へ大きな電流を流して光量を増大させることができ、かつ、良好な演色性の白色光を得ることのできる発光装置を提供する。
【解決手段】紫外、青色、緑色及び赤色の各ＬＥＤ素子が搭載され、ＢとＡｌの少なくとも一方及びＮがドープされたＳｉＣ蛍光基板１０と、この搭載基板１０を収容し無機材料からなる筐体２と、を備え、発光装置１の各部材を無機材料とすることにより耐熱性を向上させるとともに、ＳｉＣ蛍光基板１０のブロードな発光と青色、緑色及び赤色の各ＬＥＤ素子の発光の組合せにより良好な演色性の白色光を得ることができる。
【解決手段】紫外、青色、緑色及び赤色の各ＬＥＤ素子が搭載され、ＢとＡｌの少なくとも一方及びＮがドープされたＳｉＣ蛍光基板１０と、この搭載基板１０を収容し無機材料からなる筐体２と、を備え、発光装置１の各部材を無機材料とすることにより耐熱性を向上させるとともに、ＳｉＣ蛍光基板１０のブロードな発光と青色、緑色及び赤色の各ＬＥＤ素子の発光の組合せにより良好な演色性の白色光を得ることができる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ＬＥＤ素子を備え、白色光を発する発光装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、ＬＥＤ素子と蛍光体との組合せにより、白色光を発する発光装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。特許文献１に記載の発光装置は、３００〜４７０ｎｍの光を発するＬＥＤ素子を備え、この光により励起される蛍光体によって部分的に又は完全により長波長の光に変換されることにより、白色光を生成している。尚、蛍光体は、ＬＥＤ素子を封止する封止樹脂に分散されている。
また、赤色ＬＥＤ素子、緑色ＬＥＤ素子及び青色ＬＥＤ素子の組合せにより、白色光を生成可能な発光装置も知られている（例えば、特許文献２参照）。
【特許文献１】特表２００３−５３５４７８号公報
【特許文献２】特開２００８−０８５３２４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、特許文献１に記載の発光装置では、封止樹脂中の蛍光体の耐熱性が低く、装置の使用時に発光装置の温度が上昇すると発光効率が低下する。また、ＬＥＤ素子の発熱量が制限されるので、ＬＥＤ素子へ大きな電流を流して光量を増大させることは困難である。
ここで、特許文献２に記載の発光装置のように、蛍光体を用いずに赤色、緑色及び青色の各ＬＥＤ素子により白色光を得ることが考えられる。しかしながら、各ＬＥＤ素子の半値幅は蛍光体と比べて極めて小さく、得られる白色光の演色性が低くなってしまう。
【０００４】
本発明は、前記事情に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、装置の使用時に発光効率が低下することがなく、ＬＥＤ素子へ大きな電流を流して光量を増大させることができ、かつ、良好な演色性の白色光を得ることのできる発光装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
前記目的を達成するため、本発明では、
紫外光を発する第１ＬＥＤ素子と、
可視光を発する第２ＬＥＤ素子と、
前記第１ＬＥＤ素子及び前記第２ＬＥＤ素子が搭載され、ＢとＡｌの少なくとも一方及びＮがドープされたＳｉＣからなり、前記第１ＬＥＤ素子から発せられる光により励起されると可視光を発するＳｉＣ蛍光基板と、
前記ＳｉＣ蛍光基板を収容し、無機材料からなる筐体と、を備えた発光装置が提供される。
【０００６】
上記発光装置において、
前記第１ＬＥＤ素子のピーク波長は、４０８ｎｍ以下であり、
前記第２ＬＥＤ素子のピーク波長は、４０８ｎｍを超えることが好ましい。
【０００７】
上記発光装置において、
前記ＳｉＣ蛍光基板は、前記第１ＬＥＤ素子及び前記第２ＬＥＤ素子の搭載面に、前記第１ＬＥＤ素子の発光波長より小さな周期で形成された周期構造を有することが好ましい。
【０００８】
上記発光装置において、
前記筐体は、開口を有し、
前記開口に設けられ、前記第２ＬＥＤ素子及び前記ＳｉＣ蛍光基板から発せられる光に対して透明な無機材料からなる透明部材を備える構成としてもよい。
【０００９】
上記発光装置において、
前記透明部材は、紫外成分の少なくとも一部をカットすることが好ましい。
【００１０】
上記発光装置において、
前記透明部材は、ＢとＡｌの少なくとも一方及びＮがドープされたＳｉＣからなり、前記第１ＬＥＤ素子から発せられる光を吸収して可視光を発する構成としてもよい。
【００１１】
また、前記目的を達成するため、本発明では、
紫外光を発する紫外ＬＥＤ素子と、
青色光を発する青色ＬＥＤ素子と、
緑色光を発する緑色ＬＥＤ素子と、
赤色光を発する赤色ＬＥＤ素子と、
前記紫外ＬＥＤ素子、前記青色ＬＥＤ素子、前記緑色ＬＥＤ素子及び前記赤色ＬＥＤ素子が搭載され、ＢとＡｌの少なくとも一方及びＮがドープされたＳｉＣからなり、前記紫外ＬＥＤ素子から発せられる光により励起されると可視光を発するＳｉＣ蛍光基板と、
前記ＳｉＣ蛍光基板を収容し、無機材料からなる筐体と、を備えた発光装置を提供する。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、ＳｉＣ蛍光板は高い耐熱性を有するので、装置の使用時に従来のように発光効率が低下することはないし、装置自体の耐熱性が向上するので、ＬＥＤ素子へ大きな電流を流して光量を増大させることが可能となる。さらにまた、ＳｉＣ蛍光板は、第１ＬＥＤ素子から発せられた光により励起されると、ＬＥＤ素子等と比べて半値幅の大きな光を発するので、良好な演色性の白色光を得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
図１は、本発明の一実施形態を示す発光装置の外観斜視図である。
図１に示すように、発光装置１は、一端に開口２ａが形成された円筒状の筐体２と、この開口２ａを閉塞するレンズ３と、筐体２の他端に形成される端子部４と、筐体２内に配置され紫外ＬＥＤ素子と可視ＬＥＤ素子を搭載したＳｉＣ製のＳｉＣ蛍光基板１０と、を有している。本実施形態においては、筐体２の一端側を上方向、他端側を下方向として説明する。筐体２には、端子部４から電力が供給される複数種類のＬＥＤ素子が収容されており、ＬＥＤ素子から発せられる紫外光によりＳｉＣ蛍光基板１０が励起されて発光するようになっている。尚、ＬＥＤ素子から発せられた青色光、緑色光及び赤色光は、波長変換されることなくレンズ３を透過する。
【００１４】
図２は、発光装置の概略縦断面図である。
図２に示すように、筐体２は、無機材料からなり、下端が閉塞され、この閉塞部分が底部２ｂをなしている。筐体２は、セラミックからなり、本実施形態においてＡｌＮである。底部２ｂには、紫外ＬＥＤ素子１１、青色ＬＥＤ素子１２、緑色ＬＥＤ素子１３及び赤色ＬＥＤ素子１４を搭載するＳｉＣ蛍光基板１０が固定される。ＳｉＣ蛍光基板１０の固定方法は任意であるが、本実施形態においては、ＳｉＣ蛍光基板１０は底部２ｂと螺合するねじ５により固定されている。本実施形態においては、ＳｉＣ蛍光体基板１０は、底部２ｂと離隔して設けられ、底部２ｂと対抗する面に各ＬＥＤ素子１１，１２，１３，１４が搭載されている。筐体２の開口２ａの部分は、段状に形成されており、レンズ３が段状部に固定されている。また、筐体２は、底部２ｂから下方へ突出するフランジ２ｃを有している。本実施形態においては、フランジ２ｃは、周方向に亘って形成されている。
【００１５】
端子部４は、無機材料からなり、電力を供給する所定のソケットに対して螺合可能に構成される。端子部４は、筐体２のフランジ２ｃの内周面に固定される円筒部４ａと、円筒部４ａの下端と連続的に形成され下方へ向かって窄む傾斜部４ｂと、傾斜部４ｂの下端に設けられ外面に雄ねじが形成される第１電極部４ｃと、第１電極部４ｃの下端と連続的に形成され径方向内側へ延びる絶縁部４ｄと、絶縁部４ｄの径方向内側を閉塞する第２電極４ｅと、を有している。円筒部４ａ、傾斜部４ｂ及び絶縁部４ｄは絶縁性を有するセラミックからなり、第１電極４ｃ及び第２電極４ｅは導電性を有する金属からなる。円筒部４ａ、傾斜部４ｂ及び絶縁部４ｄは、筐体２と同じ材料とすることが好ましい。第１電極４ｃ及び第２電極４ｅは、内部導線６によりねじ５と電気的に接続されている。本実施形態においては、ねじ５は、導電性の金属からなり、ＳｉＣ蛍光基板１０と螺合すると、ＳｉＣ蛍光基板１０の配線パターンと電気的に接続されるようになっている。
【００１６】
レンズ３は、ガラスからなり、出射面が上方へ凸の形状を呈して筐体２から出射される光を集光する。ここで、ガラスは、透過する光に紫外光が含まれる場合、単体で例えば７０％以上の紫外光をカットする。また、本実施形態においては、レンズ３の筐体２の内側の面に、後述する紫外ＬＥＤ素子１１から発せられた光を反射し無機材料からなる多層反射膜（ＤＢＲ膜）が形成されている。多層反射膜は、例えばＳｉＯ２／ＴｉＯ２の構成とすることができる。尚、多層反射膜でなく、紫外光に対してガラスよりも反射率の高い無機材料を、レンズ３のガラスの内側の面に塗布してもよい。
【００１７】
ＳｉＣ蛍光基板１０は、６層ごとに周期的な構造をとる６Ｈ型のＳｉＣ結晶からなる。ＳｉＣ蛍光基板１０は、ドナー不純物としてＮを含むとともに、アクセプタ不純物としてＡｌ及びＢを含んでいる。ＳｉＣ蛍光基板１０には、Ａｌが例えば２×１０１８ｃｍ−３、Ｂが例えば１×１０１９ｃｍ−３、Ｎが例えば１．５×１０１９ｃｍ−３の濃度でドープされている。尚、Ａｌ、Ｂ及びＮの濃度は任意であるが、ＳｉＣ蛍光基板１０を励起させて発光させるには、ＡｌとＢの濃度の和が、Ｎの濃度よりも小さくなければならない。ＳｉＣ蛍光基板１０は、紫外光により励起されると、ドナーとアクセプタの再結合により蛍光を生じる。この蛍光は、ＬＥＤ素子から発せられる光と比べると、極めて大きな半値幅を有している。ＳｉＣ蛍光基板１０の製造方法は任意であるが、例えば昇華法、化学気相成長法によってＳｉＣ結晶を成長させて製造することができる。このとき、結晶成長中の雰囲気における窒素ガス（Ｎ２）の分圧を適度に調整することにより、ＳｉＣ蛍光基板１０における窒素濃度を任意に設定することができる。一方、Ａｌ及びＢを単体で、または、Ａｌ化合物及びＢ化合物を原料に対して適量混合させることにより、ＳｉＣ蛍光基板１０におけるＡｌ濃度及びＢ濃度を任意に設定することができる。
【００１８】
図３はＳｉＣ蛍光基板の拡大図であり、（ａ）は一部縦断面図、（ｂ）は一部平面図である。
図３（ａ）に示すように、ＳｉＣ蛍光基板３は、各ＬＥＤ素子の搭載面及び搭載面と反対側の面に所定の周期構造が形成されている。周期構造は多数の略円錐状の凸部１０ｅによって構成されており、各凸部１０ｅがＳｉＣ蛍光基板３の搭載面に沿った方向に周期的に配列されている。尚、各凸部１０ｅを三角錐、四角錐のような多角錘形状としてもよいし、周期構造を設けるか否かも任意である。
【００１９】
図３（ｂ）に示すように、各凸部１０ｅは、平面視にて、所定の周期で三角格子状に整列して形成される。各凸部１０ｅの平均周期は、任意であるが、本実施形態では２００ｎｍとされている。なお、平均周期は、互いに隣接する凸部１０ｅの平均ピーク間距離で定義される。各凸部１０ｅは、略円錐状に形成され、平均的なボトム直径が１５０ｎｍであり、平均高さが４００ｎｍとなっている。このように、紫外ＬＥＤ素子１１が発する光の光学波長に対して十分に小さな周期構造を形成することにより、ＳｉＣ蛍光基板１０の表面にて光が反射することが防止できる。従って、各紫外ＬＥＤ素子１１から発せられる近紫外光をＳｉＣ蛍光基板１０へ効率よく入射させるとともに、近紫外光が波長変換された白色光をＳｉＣ蛍光基板１０から効率よく出射させることができる。
【００２０】
図４は、ＳｉＣ蛍光基板の模式平面図である。
図４に示すように、ＳｉＣ蛍光基板１０は、平面視にて正方形状に形成され、各ＬＥＤ素子１１，１２，１３，１４が前後方向及び左右方向に所定の間隔をおいて搭載されている。本実施形態においては、各ＬＥＤ素子１１，１２，１３，１４は、平面視にて約３５０μｍ角に形成され、各ＬＥＤ素子１１，１２，１３，１４同士の間隔は約２０μｍとなっている。本実施形態においては、各ＬＥＤ素子１１，１２，１３，１４は、封止されていない。また、本実施形態においては、ＳｉＣ蛍光基板１０には、７列及び７行で計４９個の各ＬＥＤ素子１１，１２，１３，１４が搭載される。詳しくは、紫外ＬＥＤ素子１１が４１個、青色ＬＥＤ素子１２が２個、緑色ＬＥＤ素子１３が４個、赤色ＬＥＤ素子１４が２個となっている。
【００２１】
第１ＬＥＤ素子としての紫外ＬＥＤ素子１１は例えばピーク波長が３８０ｎｍの光を発し、第２ＬＥＤ素子としての青色ＬＥＤ素子１２は例えばピーク波長が４５０ｎｍの光を発し、第２ＬＥＤ素子としての緑色ＬＥＤ素子１３は例えばピーク波長が５５０ｎｍの光を発し、第２ＬＥＤ素子としての赤色ＬＥＤ素子１４は例えばピーク波長が６５０ｎｍの光を発する。尚、各ＬＥＤ素子１１，１２，１３，１４は、材質が特に限定されることはなく、例えば、ＡｌＩＮＧａＮ、ＡｌＧａＮ、ＩｎＧａＮ、ＧａＮ、ＺｎＳｅ、ＧａＰ、ＧａＡｓＰ、ＡｌＧａＩｎＰ、ＡｌＧａＡｓ等の材料を用いることができる。
【００２２】
ＳｉＣ蛍光基板１０は、絶縁性の無機材料からなり、表面に配線パターン１０ａが形成されている。また、ＳｉＣ蛍光基板１０は、４つの角部にてねじ５により筐体２に締結されている。４つのねじ５のうち、対角に位置する２つのねじ５に配線パターン１０ａが電気的に接続されている。
【００２３】
図５は、ＬＥＤ素子のＳｉＣ蛍光基板への搭載方法の一例を示す説明図であり、（ａ）はＬＥＤ素子を搭載する前のＳｉＣ蛍光基板の平面図、（ｂ）はＬＥＤ素子を搭載する際のＳｉＣ蛍光基板の側面図、（ｃ）はＬＥＤ素子を搭載した後のＳｉＣ蛍光基板の側面図である。
図５（ａ）に示すように、ＳｉＣ蛍光基板１０には、例えばＡｕからなる配線パターン１０ａが形成され、各ＬＥＤ素子１１との電気接続位置にはＳｎ膜１０ｂが形成されている。尚、図５（ａ）においては、フリップチップ型の各ＬＥＤ素子１１を図示している。
一方、図５（ｂ）に示すように、各ＬＥＤ素子１１の一対の電極には、Ａｕ膜１１ａが形成されている。そして、図５（ｂ）中の矢印に示すように、ＳｉＣ蛍光基板１０のＳｎ膜１０ｂ上に、Ａｕ膜１１ａを下方として各ＬＥＤ素子１１を載置する。
この状態で、ＳｉＣ蛍光基板１０を、水素ガスと窒素ガスの混合ガスよりなるフォーミングガスが流動する雰囲気において加熱して、各ＬＥＤチップ１１をＳｉＣ蛍光基板１０に接合する。これにより、図５（ｃ）に示すように、各ＬＥＤチップ１１は、ＡｕＳｎ合金１０ｃによりＳｉＣ蛍光基板１０の配線パターン１０ａに接続される。
【００２４】
このように各ＬＥＤ素子１１，１２，１３，１４をＳｉＣ蛍光基板１０に接合する場合、ＳｉＣ蛍光基板１０及び各ＬＥＤチップ１１，１２，１３，１４にＡｕＳｎ合金による合金膜を予め形成する必要はない。また、各ＬＥＤ素子１１，１２，１３，１４が自重によりＳｉＣ蛍光基板１０に接合されることになるので、各ＬＥＤ素子１１，１２，１３，１４を必ずしも加圧する必要はないし、加圧の不均一性に起因する弊害を抑制することができる。さらには、ＡｕＳｎ合金１０ｃには柱状結晶が形成されるようになるので、各ＬＥＤ素子１１，１２，１３，１４は電流に対する高い発光効率を得ることができ、ＡｕＳｎ合金１０ｃによる接合部に優れた耐熱性及び熱伝導性が付与される。
【００２５】
以上のように構成された発光装置１では、端子部４を外部のソケットへ螺合することにより、各ＬＥＤ素子１１，１２，１３，１４へ電力を供給可能な状態となる。そして、各ＬＥＤ素子１１，１２，１３，１４に電流を印加すると、各ＬＥＤ素子１１，１２，１３，１４から所定波長の光が発せられる。
【００２６】
紫外ＬＥＤ素子１１からＳｉＣ蛍光基板１０側へ発せられた紫外光は、搭載面からＳｉＣ蛍光基板１０へ入射し、ＳｉＣ蛍光基板１０に吸収されて白色に変換された後、ＳｉＣ蛍光基板１０から出射する。ＳｉＣ蛍光基板１０から出射した白色光は、レンズ３を透過して筐体２の外部へ放射される。尚、紫外ＬＥＤ素子１１から波長変換されることなくレンズ３へ入射した紫外光は、レンズ３の多層反射膜によりＳｉＣ蛍光基板１０側へ反射された後、ＳｉＣ蛍光基板１０へ入射し、ＳｉＣ蛍光基板１０に吸収されて白色に変換された後、ＳｉＣ蛍光基板１０から出射する。
【００２７】
ここで、ＳｉＣ蛍光基板１０の搭載面及び搭載面と反対側の面に周期構造が形成されていることから、ＳｉＣ蛍光基板１０内へ紫外光が効率よく入射するとともに、白色光がＳｉＣ蛍光基板１０から効率よく出射する。また、ＳｉＣ蛍光基板１０内においては、紫外光を励起光としてドナー・アクセプタ・ペアによって発光している。本実施形態においては、アクセプタとしてＡｌとＢがドープされており、緑色領域にピーク波長を有する青色領域から赤色領域にかけてのブロードな波長の発光により純白色の発光が得られることになる。この純白色の発光のみであっても、青色ＬＥＤ素子と黄色蛍光体を組み合わせた従来の発光装置よりも高い演色性の白色光を得ることができる。本実施形態の発光装置１は、ＬＥＤ素子を用いて、従来のハロゲンランプの代替品の照明装置として利用することができる。
【００２８】
また、紫外ＬＥＤ素子１１を除く各ＬＥＤ素子１２，１３，１４から発せられた可視光（本実施形態においては、青色光、緑色光及び赤色光）は、ＳｉＣ蛍光基板１０へ入射し、波長変換されることなくＳｉＣ蛍光基板１０の表面から出射する。これは、ＳｉＣ蛍光基板１０は、４０８ｎｍ以下の波長の光で励起され、４０８ｎｍを超える波長の光に対しては透明であることによる。ＳｉＣ蛍光基板１０から出射した可視光は、レンズ３を透過して筐体２の外部へ放射される。
【００２９】
このように、各ＬＥＤ素子１１，１２，１３，１４へ通電すると、ＳｉＣ蛍光板３の蛍光による白色光と、ＳｉＣ蛍光板３を透過した青色光、緑色光及び赤色光と、の混合光が外部へ放出される。従って、ＳｉＣ蛍光板３の純白色の蛍光に加えて、青色成分、緑色成分及び赤色成分を青色ＬＥＤ素子１２、緑色ＬＥＤ素子１３及び赤色ＬＥＤ素子１４で補うことができ、極めて高い演色性を有する白色光を得ることができる。
【００３０】
また、レンズ３が紫外光をカットするようにしたので、紫外光が筐体２の外へ放射されることはない。さらに、レンズ３により紫外光が筐体２内へ反射されるようにしたので、紫外光を筐体２内へ閉じ込めて、ＳｉＣ蛍光基板１０の励起を効率良く行うことができる。
【００３１】
また、本実施形態においては、可視光を発する各ＬＥＤ素子１２，１３，１４のうち、緑色ＬＥＤ素子１３の数を、青色ＬＥＤ素子１２及び赤色ＬＥＤ素子１４の数よりも多くしたので、出射する白色光を利用者に対してより明るく感じさせることができる。これは、人間の視感度は、緑色領域で最も高いからである。
【００３２】
また、各ＬＥＤ素子１１，１２，１３，１４が発光した際には、各ＬＥＤ素子１１，１２，１３，１４が発熱する。本実施形態の発光装置１では、筐体２、レンズ３、端子部４、ＳｉＣ蛍光基板１０等が無機材料により構成されているので、ＬＥＤ素子を蛍光体含有樹脂で封止したり、樹脂製のレンズを有する従来の発光装置と比べ、耐熱性を飛躍的に向上することができる。従って、従来必要とされていた放熱機構を省略したり、各ＬＥＤ素子１１，１２，１３，１４へ流す電流を増大させて発光量を増大させたりすることができ、実用に際して極めて有利である。尚、耐熱性の観点からは、発光装置１に樹脂を一切使わない構成とすることが好ましい。
【００３３】
尚、前記実施形態においては、レンズ３が紫外光を反射する反射膜を形成したものを示したが、レンズ３は紫外カット膜を有するものであってもよい。紫外カット膜は、例えば無機ポリマーに無機紫外吸収剤を含有させてなり、レンズ３の少なくとも一方の面に形成してもよいし、合わせガラスの中間の膜としてもよい。尚、レンズ３は、筐体２から発せられる可視光に対して透過性を有していれば、ガラス以外の無機材料から形成してもよい。この場合も、レンズ３を、紫外成分を吸収する材料、紫外成分を反射する構造等を用いることにより、紫外光の少なくとも一部をカットすることが望ましい。
【００３４】
例えば、レンズ３を、ドナー不純物としてＮを含むとともに、アクセプタ不純物としてＡｌ及びＢを含むＳｉＣ蛍光板としてもよい。レンズ３をＳｉＣ蛍光板とすることにより、レンズ３により紫外光を吸収しつつ、レンズ３から可視光を放出することができる。この場合、レンズ３のＳｉＣ蛍光板の両面に、ＳｉＣ蛍光基板１０と同様に周期構造を形成することが望ましい。また、例えば、ＳｉＣ蛍光基板１０にはＢ及びＮをドープして黄色光を生じさせるとともにレンズ３のＳｉＣ蛍光板にはＡｌ及びＮをドープして青色光を生じさせたり、この逆に、ＳｉＣ蛍光基板１０にＡｌ及びＮをドープしてレンズ３のＳｉＣ蛍光板にはＢ及びＮをドープするなど、ＳｉＣ蛍光基板１０とレンズ３とが異なる波長で発光するようにしてもよい。
【００３５】
また、前記実施形態においては、ソケットに端子部４を螺合させる発光装置１を示したが、例えば図６から図８に示すように、車両２００用のヘッドライト２００ａの発光装置２０１とすることもできる。図６の車両２００は、自動車車両であり、前部にヘッドライト２００ａを備えている。図７に示すヘッドライト２００ａ用の発光装置２０１は、筐体２の下部に端子部が設けられておらず、筐体２の底部２ｂにヒートシンク８が接続されている。また、筐体２の上部には、開口２ａから出射した光を反射させる反射鏡９が設けられている。図８に示すように、反射鏡９にて反射された白色光は、レンズ２２０によって所定方向へ集光されるようになっている。この発光装置２０１では、耐熱温度が高いことから、従来の樹脂封止タイプのＬＥＤヘッドライトと比較して、ヒートシンク８を小型とすることができる。また、ヒートシンク８を設けない構成としても支障はないし、自動車車体の所定箇所に発光装置２０１を接続して車体自体を放熱部材として利用することも可能である。
【００３６】
また、前記実施形態においては、筐体２及び端子部４をＡｌＮから形成したものを示したが、無機材料であれば材質は任意であり、例えば、Ｓｉ、ＳｉＣ等を用いてもよいし、アクセプタ不純物及びドナー不純物がドープされた波長変換ＳｉＣを用いることも可能である。また、例えば、図９及び図１０に示すように、筐体３０２，４０２が可視光に対して透明なガラスからなる発光装置３０１，４０１としてもよい。
【００３７】
図９の発光装置３０１は、ＬＥＤランプであり、ガラスの筐体３０２が略球形に形成されるとともに、端子部４が従来の白熱電球と同様に構成され、端子部４とＳｉＣ蛍光基板１０とは内部導線３０６により電気的に接続されている。この発光装置３０１では、ＳｉＣ蛍光基板１０は、筐体３０２の中心側に配置され、各ＬＥＤ素子１１，１２，１３，１４の搭載面及び搭載面と反対側の面に前述の周期構造が形成されている。また、ＳｉＣ蛍光基板１０は、端子部４から延び無機材料からなる支持部３０５により支持されている。
【００３８】
図１０の発光装置４０１は、ＬＥＤランプであり、ガラスの筐体４０２が略半球形に形成されるとともに筐体４０２の開口を閉塞する平板状のガラスのレンズ４０３が設けられ、端子部４が従来のハロゲンランプと同様に構成され、端子部４とＳｉＣ蛍光基板１０とは内部導線４０６により電気的に接続されている。この発光装置４０１では、ＳｉＣ蛍光基板１０は、筐体４０２の中心側に配置され、各ＬＥＤ素子１１，１２，１３，１４の搭載面及び搭載面と反対側の面に前述の周期構造が形成されている。
【００３９】
図９及び図１０の発光装置３０１，４０１では、各ＬＥＤ素子１１，１２，１３，１４をＳｉＣ蛍光基板１０に片面実装したものを図示しているが、両面実装としてもよい。また、図９及び図１０の発光装置３０１，４０１においても、筐体３０２，４０２やレンズ４０３に紫外光を反射させる反射膜を設けたり、紫外光を吸収する紫外カット膜を設けることが好ましい。さらに、筐体３０２，４０２やレンズ４０３を、アクセプタ不純物及びドナー不純物がドープされた波長変換ＳｉＣとしてもよい。
【００４０】
また、前記実施形態においては、各ＬＥＤ素子１１にＡｕ膜１１ａを形成し、ＳｉＣ蛍光基板１０にＳｎ膜１０ｂと接合されるものを示したが、例えば図１１に示すように、ＳｉＣ蛍光基板１０にＡｕＳｎはんだ１０ｄを形成しておいて各ＬＥＤ素子１１をＳｉＣ蛍光基板１０にはんだ接合するようにしてもよい。また、前記実施形態のおいては、各ＬＥＤ素子１１がフリップチップ接合されるものを示したが、例えば図１１に示すようにワイヤ１１ｂを用いたフェイスアップ接合であってもよく、各ＬＥＤ素子１１，１２，１３，１４の実装形態は任意である。
【００４１】
また、例えば、図１２（ａ）及び（ｂ）に示すように、ＳｉＣ蛍光基板５１０に、主回路パターン５１０ａとともに、交流を直流に整流する整流回路５１０ｂを設けてもよい。図１２（ａ）に示すＳｉＣ蛍光基板５１０と、図１２（ｂ）に示すＳｉＣ蛍光基板５１０は、それぞれＬＥＤランプに用いられる。
図１２（ａ）では、計２１個のＬＥＤ素子がＳｉＣ蛍光基板５１０に搭載され、ワイヤボンディングを用いて直列に接続された３つのＬＥＤ素子を単位とする回路が、７つ並列に設けられている。電源として交流１２Ｖが用いられ、各ＬＥＤ素子には約４Ｖの電圧が印加される。
図１２（ｂ）では、計３３個のＬＥＤ素子がＳｉＣ蛍光基板５１０に搭載され、全ＬＥＤ素子がワイヤボンディングを用いて直列に接続されている。電源として交流１００Ｖが用いられ、各ＬＥＤ素子には約３Ｖの電圧が印加される。
【００４２】
また、前記実施形態においては、紫外ＬＥＤ素子１１が４１個、青色ＬＥＤ素子１２が２個、緑色ＬＥＤ素子１３が４個、赤色ＬＥＤ素子１４が２個の例を示したが、各ＬＥＤ素子１１，１２，１３，１４の数は任意に設定できる。また、青色ＬＥＤ素子１２、緑色ＬＥＤ素子１３及び赤色ＬＥＤ素子１４を全て備える必要はなく、例えば、暖色系の白色を得るのであれば青色ＬＥＤ素子１２を設けずに赤色ＬＥＤ１４の割合を多くし、寒色系の白色を得るのであれば赤色ＬＥＤ素子１４を設けずに青色ＬＥＤ１４の割合を多くすればよい。すなわち、第１ＬＥＤ素子として紫外光を発するＬＥＤ素子を用い、第２ＬＥＤ素子として可視光を発するＬＥＤ素子を用いれば、各ＬＥＤ素子の発光波長は任意である。ただし、ＳｉＣ蛍光板３が４０８ｎｍ以下の光により励起されるので、第１ＬＥＤ素子のピーク波長は４０８ｎｍ以下で、第２ＬＥＤ素子のピーク波長が４０８ｎｍを超えるようにすることが望ましい。
【００４３】
また、前記実施形態においては、各ＬＥＤ素子１１，１２，１３，１４が封止されていないものを示したが、透明ガラス等の無機材料で封止されるようにしてもよい。この場合も、封止材の無機材料であるので、発光装置１の耐熱性が損なわれることはない。
【００４４】
また、前記実施形態においては、ＳｉＣ蛍光基板１０にアクセプタとしてＡｌ及びＢをドープしたものを示したが、アクセプタとしてＡｌとＢの一方をドープしたものであってもよい。アクセプタがＡｌのみでドナーがＮの場合は、青色領域にピーク波長を有する蛍光を発し、アクセプタがＢのみでドナーがＮの場合は、黄色領域にピーク波長を有する蛍光を発することになる。すなわち、暖色系の白色を得るのであれば、アクセプタをＢのみとすると好適であり、寒色系の白色を得るのであれば、アクセプタをＡｌのみとすると好適である。その他、具体的な細部構造等についても適宜に変更可能であることは勿論である。
【図面の簡単な説明】
【００４５】
【図１】図１は、本発明の一実施形態を示す発光装置の外観斜視図である。
【図２】図２は、発光装置の概略縦断面図である。
【図３】図３はＳｉＣ蛍光基板の拡大図であり、（ａ）は一部縦断面図、（ｂ）は一部平面図である。
【図４】図４は、ＳｉＣ蛍光基板の模式平面図である。
【図５】図５はＬＥＤ素子のＳｉＣ蛍光基板への搭載方法の一例を示す説明図であり、（ａ）はＬＥＤ素子を搭載する前のＳｉＣ蛍光基板の平面図、（ｂ）はＬＥＤ素子を搭載する際のＳｉＣ蛍光基板の側面図、（ｃ）はＬＥＤ素子を搭載した後のＳｉＣ蛍光基板の側面図である。
【図６】図６は、自動車車両の前部の外観図である。
【図７】図７は、変形例を示す発光装置の概略縦断面図である。
【図８】図８は、変形例を示すヘッドライトの内部構造を示す説明図である。
【図９】図９は、変形例を示す発光装置の概略側面図である。
【図１０】図１０は、変形例を示す発光装置の概略側面図である。
【図１１】図１１はＬＥＤ素子のＳｉＣ蛍光基板への搭載方法の他の例を示す説明図であり、（ａ）はＬＥＤ素子を搭載する前のＳｉＣ蛍光基板の平面図、（ｂ）はＬＥＤ素子を搭載する際のＳｉＣ蛍光基板の側面図、（ｃ）はＬＥＤ素子を搭載した後のＳｉＣ蛍光基板の側面図である。
【図１２】図１２は、変形例を示す搭載基板の平面図であり、（ａ）は３つのＬＥＤ素子が直列に接続された回路が７つ並列に接続されているもの、（ｂ）は全てのＬＥＤ素子が直列に接続されているものである。
【符号の説明】
【００４６】
１ 発光装置
２ 筐体
２ａ 開口
２ｂ 底部
２ｃ フランジ
３ レンズ
４ 端子部
４ａ 円筒部
４ｂ 傾斜部
４ｃ 第１電極
４ｄ 絶縁部
４ｅ 第２電極
５ ねじ
６ 内部導線
７ レンズ
８ ヒートシンク
９ 反射鏡
１０ ＳｉＣ蛍光基板
１０ｅ 凸部
１１ 紫外ＬＥＤ素子
１２ 青色ＬＥＤ素子
１３ 緑色ＬＥＤ素子
１４ 赤色ＬＥＤ素子
１０１ 発光装置
２００ 車両
２００ａ ヘッドライト
２０１ 発光装置
２２０ レンズ
３０１ 発光装置
３０２ 筐体
３０５ 支持部
３０６ 内部導線
４０１ 発光装置
４０２ 筐体
４０３ レンズ
４０５ 支持部
４０６ 内部導線
５１０ ＳｉＣ蛍光基板
５１０ａ 主回路パターン
５１０ｂ 整流回路
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ＬＥＤ素子を備え、白色光を発する発光装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、ＬＥＤ素子と蛍光体との組合せにより、白色光を発する発光装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。特許文献１に記載の発光装置は、３００〜４７０ｎｍの光を発するＬＥＤ素子を備え、この光により励起される蛍光体によって部分的に又は完全により長波長の光に変換されることにより、白色光を生成している。尚、蛍光体は、ＬＥＤ素子を封止する封止樹脂に分散されている。
また、赤色ＬＥＤ素子、緑色ＬＥＤ素子及び青色ＬＥＤ素子の組合せにより、白色光を生成可能な発光装置も知られている（例えば、特許文献２参照）。
【特許文献１】特表２００３−５３５４７８号公報
【特許文献２】特開２００８−０８５３２４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、特許文献１に記載の発光装置では、封止樹脂中の蛍光体の耐熱性が低く、装置の使用時に発光装置の温度が上昇すると発光効率が低下する。また、ＬＥＤ素子の発熱量が制限されるので、ＬＥＤ素子へ大きな電流を流して光量を増大させることは困難である。
ここで、特許文献２に記載の発光装置のように、蛍光体を用いずに赤色、緑色及び青色の各ＬＥＤ素子により白色光を得ることが考えられる。しかしながら、各ＬＥＤ素子の半値幅は蛍光体と比べて極めて小さく、得られる白色光の演色性が低くなってしまう。
【０００４】
本発明は、前記事情に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、装置の使用時に発光効率が低下することがなく、ＬＥＤ素子へ大きな電流を流して光量を増大させることができ、かつ、良好な演色性の白色光を得ることのできる発光装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
前記目的を達成するため、本発明では、
紫外光を発する第１ＬＥＤ素子と、
可視光を発する第２ＬＥＤ素子と、
前記第１ＬＥＤ素子及び前記第２ＬＥＤ素子が搭載され、ＢとＡｌの少なくとも一方及びＮがドープされたＳｉＣからなり、前記第１ＬＥＤ素子から発せられる光により励起されると可視光を発するＳｉＣ蛍光基板と、
前記ＳｉＣ蛍光基板を収容し、無機材料からなる筐体と、を備えた発光装置が提供される。
【０００６】
上記発光装置において、
前記第１ＬＥＤ素子のピーク波長は、４０８ｎｍ以下であり、
前記第２ＬＥＤ素子のピーク波長は、４０８ｎｍを超えることが好ましい。
【０００７】
上記発光装置において、
前記ＳｉＣ蛍光基板は、前記第１ＬＥＤ素子及び前記第２ＬＥＤ素子の搭載面に、前記第１ＬＥＤ素子の発光波長より小さな周期で形成された周期構造を有することが好ましい。
【０００８】
上記発光装置において、
前記筐体は、開口を有し、
前記開口に設けられ、前記第２ＬＥＤ素子及び前記ＳｉＣ蛍光基板から発せられる光に対して透明な無機材料からなる透明部材を備える構成としてもよい。
【０００９】
上記発光装置において、
前記透明部材は、紫外成分の少なくとも一部をカットすることが好ましい。
【００１０】
上記発光装置において、
前記透明部材は、ＢとＡｌの少なくとも一方及びＮがドープされたＳｉＣからなり、前記第１ＬＥＤ素子から発せられる光を吸収して可視光を発する構成としてもよい。
【００１１】
また、前記目的を達成するため、本発明では、
紫外光を発する紫外ＬＥＤ素子と、
青色光を発する青色ＬＥＤ素子と、
緑色光を発する緑色ＬＥＤ素子と、
赤色光を発する赤色ＬＥＤ素子と、
前記紫外ＬＥＤ素子、前記青色ＬＥＤ素子、前記緑色ＬＥＤ素子及び前記赤色ＬＥＤ素子が搭載され、ＢとＡｌの少なくとも一方及びＮがドープされたＳｉＣからなり、前記紫外ＬＥＤ素子から発せられる光により励起されると可視光を発するＳｉＣ蛍光基板と、
前記ＳｉＣ蛍光基板を収容し、無機材料からなる筐体と、を備えた発光装置を提供する。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、ＳｉＣ蛍光板は高い耐熱性を有するので、装置の使用時に従来のように発光効率が低下することはないし、装置自体の耐熱性が向上するので、ＬＥＤ素子へ大きな電流を流して光量を増大させることが可能となる。さらにまた、ＳｉＣ蛍光板は、第１ＬＥＤ素子から発せられた光により励起されると、ＬＥＤ素子等と比べて半値幅の大きな光を発するので、良好な演色性の白色光を得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
図１は、本発明の一実施形態を示す発光装置の外観斜視図である。
図１に示すように、発光装置１は、一端に開口２ａが形成された円筒状の筐体２と、この開口２ａを閉塞するレンズ３と、筐体２の他端に形成される端子部４と、筐体２内に配置され紫外ＬＥＤ素子と可視ＬＥＤ素子を搭載したＳｉＣ製のＳｉＣ蛍光基板１０と、を有している。本実施形態においては、筐体２の一端側を上方向、他端側を下方向として説明する。筐体２には、端子部４から電力が供給される複数種類のＬＥＤ素子が収容されており、ＬＥＤ素子から発せられる紫外光によりＳｉＣ蛍光基板１０が励起されて発光するようになっている。尚、ＬＥＤ素子から発せられた青色光、緑色光及び赤色光は、波長変換されることなくレンズ３を透過する。
【００１４】
図２は、発光装置の概略縦断面図である。
図２に示すように、筐体２は、無機材料からなり、下端が閉塞され、この閉塞部分が底部２ｂをなしている。筐体２は、セラミックからなり、本実施形態においてＡｌＮである。底部２ｂには、紫外ＬＥＤ素子１１、青色ＬＥＤ素子１２、緑色ＬＥＤ素子１３及び赤色ＬＥＤ素子１４を搭載するＳｉＣ蛍光基板１０が固定される。ＳｉＣ蛍光基板１０の固定方法は任意であるが、本実施形態においては、ＳｉＣ蛍光基板１０は底部２ｂと螺合するねじ５により固定されている。本実施形態においては、ＳｉＣ蛍光体基板１０は、底部２ｂと離隔して設けられ、底部２ｂと対抗する面に各ＬＥＤ素子１１，１２，１３，１４が搭載されている。筐体２の開口２ａの部分は、段状に形成されており、レンズ３が段状部に固定されている。また、筐体２は、底部２ｂから下方へ突出するフランジ２ｃを有している。本実施形態においては、フランジ２ｃは、周方向に亘って形成されている。
【００１５】
端子部４は、無機材料からなり、電力を供給する所定のソケットに対して螺合可能に構成される。端子部４は、筐体２のフランジ２ｃの内周面に固定される円筒部４ａと、円筒部４ａの下端と連続的に形成され下方へ向かって窄む傾斜部４ｂと、傾斜部４ｂの下端に設けられ外面に雄ねじが形成される第１電極部４ｃと、第１電極部４ｃの下端と連続的に形成され径方向内側へ延びる絶縁部４ｄと、絶縁部４ｄの径方向内側を閉塞する第２電極４ｅと、を有している。円筒部４ａ、傾斜部４ｂ及び絶縁部４ｄは絶縁性を有するセラミックからなり、第１電極４ｃ及び第２電極４ｅは導電性を有する金属からなる。円筒部４ａ、傾斜部４ｂ及び絶縁部４ｄは、筐体２と同じ材料とすることが好ましい。第１電極４ｃ及び第２電極４ｅは、内部導線６によりねじ５と電気的に接続されている。本実施形態においては、ねじ５は、導電性の金属からなり、ＳｉＣ蛍光基板１０と螺合すると、ＳｉＣ蛍光基板１０の配線パターンと電気的に接続されるようになっている。
【００１６】
レンズ３は、ガラスからなり、出射面が上方へ凸の形状を呈して筐体２から出射される光を集光する。ここで、ガラスは、透過する光に紫外光が含まれる場合、単体で例えば７０％以上の紫外光をカットする。また、本実施形態においては、レンズ３の筐体２の内側の面に、後述する紫外ＬＥＤ素子１１から発せられた光を反射し無機材料からなる多層反射膜（ＤＢＲ膜）が形成されている。多層反射膜は、例えばＳｉＯ２／ＴｉＯ２の構成とすることができる。尚、多層反射膜でなく、紫外光に対してガラスよりも反射率の高い無機材料を、レンズ３のガラスの内側の面に塗布してもよい。
【００１７】
ＳｉＣ蛍光基板１０は、６層ごとに周期的な構造をとる６Ｈ型のＳｉＣ結晶からなる。ＳｉＣ蛍光基板１０は、ドナー不純物としてＮを含むとともに、アクセプタ不純物としてＡｌ及びＢを含んでいる。ＳｉＣ蛍光基板１０には、Ａｌが例えば２×１０１８ｃｍ−３、Ｂが例えば１×１０１９ｃｍ−３、Ｎが例えば１．５×１０１９ｃｍ−３の濃度でドープされている。尚、Ａｌ、Ｂ及びＮの濃度は任意であるが、ＳｉＣ蛍光基板１０を励起させて発光させるには、ＡｌとＢの濃度の和が、Ｎの濃度よりも小さくなければならない。ＳｉＣ蛍光基板１０は、紫外光により励起されると、ドナーとアクセプタの再結合により蛍光を生じる。この蛍光は、ＬＥＤ素子から発せられる光と比べると、極めて大きな半値幅を有している。ＳｉＣ蛍光基板１０の製造方法は任意であるが、例えば昇華法、化学気相成長法によってＳｉＣ結晶を成長させて製造することができる。このとき、結晶成長中の雰囲気における窒素ガス（Ｎ２）の分圧を適度に調整することにより、ＳｉＣ蛍光基板１０における窒素濃度を任意に設定することができる。一方、Ａｌ及びＢを単体で、または、Ａｌ化合物及びＢ化合物を原料に対して適量混合させることにより、ＳｉＣ蛍光基板１０におけるＡｌ濃度及びＢ濃度を任意に設定することができる。
【００１８】
図３はＳｉＣ蛍光基板の拡大図であり、（ａ）は一部縦断面図、（ｂ）は一部平面図である。
図３（ａ）に示すように、ＳｉＣ蛍光基板３は、各ＬＥＤ素子の搭載面及び搭載面と反対側の面に所定の周期構造が形成されている。周期構造は多数の略円錐状の凸部１０ｅによって構成されており、各凸部１０ｅがＳｉＣ蛍光基板３の搭載面に沿った方向に周期的に配列されている。尚、各凸部１０ｅを三角錐、四角錐のような多角錘形状としてもよいし、周期構造を設けるか否かも任意である。
【００１９】
図３（ｂ）に示すように、各凸部１０ｅは、平面視にて、所定の周期で三角格子状に整列して形成される。各凸部１０ｅの平均周期は、任意であるが、本実施形態では２００ｎｍとされている。なお、平均周期は、互いに隣接する凸部１０ｅの平均ピーク間距離で定義される。各凸部１０ｅは、略円錐状に形成され、平均的なボトム直径が１５０ｎｍであり、平均高さが４００ｎｍとなっている。このように、紫外ＬＥＤ素子１１が発する光の光学波長に対して十分に小さな周期構造を形成することにより、ＳｉＣ蛍光基板１０の表面にて光が反射することが防止できる。従って、各紫外ＬＥＤ素子１１から発せられる近紫外光をＳｉＣ蛍光基板１０へ効率よく入射させるとともに、近紫外光が波長変換された白色光をＳｉＣ蛍光基板１０から効率よく出射させることができる。
【００２０】
図４は、ＳｉＣ蛍光基板の模式平面図である。
図４に示すように、ＳｉＣ蛍光基板１０は、平面視にて正方形状に形成され、各ＬＥＤ素子１１，１２，１３，１４が前後方向及び左右方向に所定の間隔をおいて搭載されている。本実施形態においては、各ＬＥＤ素子１１，１２，１３，１４は、平面視にて約３５０μｍ角に形成され、各ＬＥＤ素子１１，１２，１３，１４同士の間隔は約２０μｍとなっている。本実施形態においては、各ＬＥＤ素子１１，１２，１３，１４は、封止されていない。また、本実施形態においては、ＳｉＣ蛍光基板１０には、７列及び７行で計４９個の各ＬＥＤ素子１１，１２，１３，１４が搭載される。詳しくは、紫外ＬＥＤ素子１１が４１個、青色ＬＥＤ素子１２が２個、緑色ＬＥＤ素子１３が４個、赤色ＬＥＤ素子１４が２個となっている。
【００２１】
第１ＬＥＤ素子としての紫外ＬＥＤ素子１１は例えばピーク波長が３８０ｎｍの光を発し、第２ＬＥＤ素子としての青色ＬＥＤ素子１２は例えばピーク波長が４５０ｎｍの光を発し、第２ＬＥＤ素子としての緑色ＬＥＤ素子１３は例えばピーク波長が５５０ｎｍの光を発し、第２ＬＥＤ素子としての赤色ＬＥＤ素子１４は例えばピーク波長が６５０ｎｍの光を発する。尚、各ＬＥＤ素子１１，１２，１３，１４は、材質が特に限定されることはなく、例えば、ＡｌＩＮＧａＮ、ＡｌＧａＮ、ＩｎＧａＮ、ＧａＮ、ＺｎＳｅ、ＧａＰ、ＧａＡｓＰ、ＡｌＧａＩｎＰ、ＡｌＧａＡｓ等の材料を用いることができる。
【００２２】
ＳｉＣ蛍光基板１０は、絶縁性の無機材料からなり、表面に配線パターン１０ａが形成されている。また、ＳｉＣ蛍光基板１０は、４つの角部にてねじ５により筐体２に締結されている。４つのねじ５のうち、対角に位置する２つのねじ５に配線パターン１０ａが電気的に接続されている。
【００２３】
図５は、ＬＥＤ素子のＳｉＣ蛍光基板への搭載方法の一例を示す説明図であり、（ａ）はＬＥＤ素子を搭載する前のＳｉＣ蛍光基板の平面図、（ｂ）はＬＥＤ素子を搭載する際のＳｉＣ蛍光基板の側面図、（ｃ）はＬＥＤ素子を搭載した後のＳｉＣ蛍光基板の側面図である。
図５（ａ）に示すように、ＳｉＣ蛍光基板１０には、例えばＡｕからなる配線パターン１０ａが形成され、各ＬＥＤ素子１１との電気接続位置にはＳｎ膜１０ｂが形成されている。尚、図５（ａ）においては、フリップチップ型の各ＬＥＤ素子１１を図示している。
一方、図５（ｂ）に示すように、各ＬＥＤ素子１１の一対の電極には、Ａｕ膜１１ａが形成されている。そして、図５（ｂ）中の矢印に示すように、ＳｉＣ蛍光基板１０のＳｎ膜１０ｂ上に、Ａｕ膜１１ａを下方として各ＬＥＤ素子１１を載置する。
この状態で、ＳｉＣ蛍光基板１０を、水素ガスと窒素ガスの混合ガスよりなるフォーミングガスが流動する雰囲気において加熱して、各ＬＥＤチップ１１をＳｉＣ蛍光基板１０に接合する。これにより、図５（ｃ）に示すように、各ＬＥＤチップ１１は、ＡｕＳｎ合金１０ｃによりＳｉＣ蛍光基板１０の配線パターン１０ａに接続される。
【００２４】
このように各ＬＥＤ素子１１，１２，１３，１４をＳｉＣ蛍光基板１０に接合する場合、ＳｉＣ蛍光基板１０及び各ＬＥＤチップ１１，１２，１３，１４にＡｕＳｎ合金による合金膜を予め形成する必要はない。また、各ＬＥＤ素子１１，１２，１３，１４が自重によりＳｉＣ蛍光基板１０に接合されることになるので、各ＬＥＤ素子１１，１２，１３，１４を必ずしも加圧する必要はないし、加圧の不均一性に起因する弊害を抑制することができる。さらには、ＡｕＳｎ合金１０ｃには柱状結晶が形成されるようになるので、各ＬＥＤ素子１１，１２，１３，１４は電流に対する高い発光効率を得ることができ、ＡｕＳｎ合金１０ｃによる接合部に優れた耐熱性及び熱伝導性が付与される。
【００２５】
以上のように構成された発光装置１では、端子部４を外部のソケットへ螺合することにより、各ＬＥＤ素子１１，１２，１３，１４へ電力を供給可能な状態となる。そして、各ＬＥＤ素子１１，１２，１３，１４に電流を印加すると、各ＬＥＤ素子１１，１２，１３，１４から所定波長の光が発せられる。
【００２６】
紫外ＬＥＤ素子１１からＳｉＣ蛍光基板１０側へ発せられた紫外光は、搭載面からＳｉＣ蛍光基板１０へ入射し、ＳｉＣ蛍光基板１０に吸収されて白色に変換された後、ＳｉＣ蛍光基板１０から出射する。ＳｉＣ蛍光基板１０から出射した白色光は、レンズ３を透過して筐体２の外部へ放射される。尚、紫外ＬＥＤ素子１１から波長変換されることなくレンズ３へ入射した紫外光は、レンズ３の多層反射膜によりＳｉＣ蛍光基板１０側へ反射された後、ＳｉＣ蛍光基板１０へ入射し、ＳｉＣ蛍光基板１０に吸収されて白色に変換された後、ＳｉＣ蛍光基板１０から出射する。
【００２７】
ここで、ＳｉＣ蛍光基板１０の搭載面及び搭載面と反対側の面に周期構造が形成されていることから、ＳｉＣ蛍光基板１０内へ紫外光が効率よく入射するとともに、白色光がＳｉＣ蛍光基板１０から効率よく出射する。また、ＳｉＣ蛍光基板１０内においては、紫外光を励起光としてドナー・アクセプタ・ペアによって発光している。本実施形態においては、アクセプタとしてＡｌとＢがドープされており、緑色領域にピーク波長を有する青色領域から赤色領域にかけてのブロードな波長の発光により純白色の発光が得られることになる。この純白色の発光のみであっても、青色ＬＥＤ素子と黄色蛍光体を組み合わせた従来の発光装置よりも高い演色性の白色光を得ることができる。本実施形態の発光装置１は、ＬＥＤ素子を用いて、従来のハロゲンランプの代替品の照明装置として利用することができる。
【００２８】
また、紫外ＬＥＤ素子１１を除く各ＬＥＤ素子１２，１３，１４から発せられた可視光（本実施形態においては、青色光、緑色光及び赤色光）は、ＳｉＣ蛍光基板１０へ入射し、波長変換されることなくＳｉＣ蛍光基板１０の表面から出射する。これは、ＳｉＣ蛍光基板１０は、４０８ｎｍ以下の波長の光で励起され、４０８ｎｍを超える波長の光に対しては透明であることによる。ＳｉＣ蛍光基板１０から出射した可視光は、レンズ３を透過して筐体２の外部へ放射される。
【００２９】
このように、各ＬＥＤ素子１１，１２，１３，１４へ通電すると、ＳｉＣ蛍光板３の蛍光による白色光と、ＳｉＣ蛍光板３を透過した青色光、緑色光及び赤色光と、の混合光が外部へ放出される。従って、ＳｉＣ蛍光板３の純白色の蛍光に加えて、青色成分、緑色成分及び赤色成分を青色ＬＥＤ素子１２、緑色ＬＥＤ素子１３及び赤色ＬＥＤ素子１４で補うことができ、極めて高い演色性を有する白色光を得ることができる。
【００３０】
また、レンズ３が紫外光をカットするようにしたので、紫外光が筐体２の外へ放射されることはない。さらに、レンズ３により紫外光が筐体２内へ反射されるようにしたので、紫外光を筐体２内へ閉じ込めて、ＳｉＣ蛍光基板１０の励起を効率良く行うことができる。
【００３１】
また、本実施形態においては、可視光を発する各ＬＥＤ素子１２，１３，１４のうち、緑色ＬＥＤ素子１３の数を、青色ＬＥＤ素子１２及び赤色ＬＥＤ素子１４の数よりも多くしたので、出射する白色光を利用者に対してより明るく感じさせることができる。これは、人間の視感度は、緑色領域で最も高いからである。
【００３２】
また、各ＬＥＤ素子１１，１２，１３，１４が発光した際には、各ＬＥＤ素子１１，１２，１３，１４が発熱する。本実施形態の発光装置１では、筐体２、レンズ３、端子部４、ＳｉＣ蛍光基板１０等が無機材料により構成されているので、ＬＥＤ素子を蛍光体含有樹脂で封止したり、樹脂製のレンズを有する従来の発光装置と比べ、耐熱性を飛躍的に向上することができる。従って、従来必要とされていた放熱機構を省略したり、各ＬＥＤ素子１１，１２，１３，１４へ流す電流を増大させて発光量を増大させたりすることができ、実用に際して極めて有利である。尚、耐熱性の観点からは、発光装置１に樹脂を一切使わない構成とすることが好ましい。
【００３３】
尚、前記実施形態においては、レンズ３が紫外光を反射する反射膜を形成したものを示したが、レンズ３は紫外カット膜を有するものであってもよい。紫外カット膜は、例えば無機ポリマーに無機紫外吸収剤を含有させてなり、レンズ３の少なくとも一方の面に形成してもよいし、合わせガラスの中間の膜としてもよい。尚、レンズ３は、筐体２から発せられる可視光に対して透過性を有していれば、ガラス以外の無機材料から形成してもよい。この場合も、レンズ３を、紫外成分を吸収する材料、紫外成分を反射する構造等を用いることにより、紫外光の少なくとも一部をカットすることが望ましい。
【００３４】
例えば、レンズ３を、ドナー不純物としてＮを含むとともに、アクセプタ不純物としてＡｌ及びＢを含むＳｉＣ蛍光板としてもよい。レンズ３をＳｉＣ蛍光板とすることにより、レンズ３により紫外光を吸収しつつ、レンズ３から可視光を放出することができる。この場合、レンズ３のＳｉＣ蛍光板の両面に、ＳｉＣ蛍光基板１０と同様に周期構造を形成することが望ましい。また、例えば、ＳｉＣ蛍光基板１０にはＢ及びＮをドープして黄色光を生じさせるとともにレンズ３のＳｉＣ蛍光板にはＡｌ及びＮをドープして青色光を生じさせたり、この逆に、ＳｉＣ蛍光基板１０にＡｌ及びＮをドープしてレンズ３のＳｉＣ蛍光板にはＢ及びＮをドープするなど、ＳｉＣ蛍光基板１０とレンズ３とが異なる波長で発光するようにしてもよい。
【００３５】
また、前記実施形態においては、ソケットに端子部４を螺合させる発光装置１を示したが、例えば図６から図８に示すように、車両２００用のヘッドライト２００ａの発光装置２０１とすることもできる。図６の車両２００は、自動車車両であり、前部にヘッドライト２００ａを備えている。図７に示すヘッドライト２００ａ用の発光装置２０１は、筐体２の下部に端子部が設けられておらず、筐体２の底部２ｂにヒートシンク８が接続されている。また、筐体２の上部には、開口２ａから出射した光を反射させる反射鏡９が設けられている。図８に示すように、反射鏡９にて反射された白色光は、レンズ２２０によって所定方向へ集光されるようになっている。この発光装置２０１では、耐熱温度が高いことから、従来の樹脂封止タイプのＬＥＤヘッドライトと比較して、ヒートシンク８を小型とすることができる。また、ヒートシンク８を設けない構成としても支障はないし、自動車車体の所定箇所に発光装置２０１を接続して車体自体を放熱部材として利用することも可能である。
【００３６】
また、前記実施形態においては、筐体２及び端子部４をＡｌＮから形成したものを示したが、無機材料であれば材質は任意であり、例えば、Ｓｉ、ＳｉＣ等を用いてもよいし、アクセプタ不純物及びドナー不純物がドープされた波長変換ＳｉＣを用いることも可能である。また、例えば、図９及び図１０に示すように、筐体３０２，４０２が可視光に対して透明なガラスからなる発光装置３０１，４０１としてもよい。
【００３７】
図９の発光装置３０１は、ＬＥＤランプであり、ガラスの筐体３０２が略球形に形成されるとともに、端子部４が従来の白熱電球と同様に構成され、端子部４とＳｉＣ蛍光基板１０とは内部導線３０６により電気的に接続されている。この発光装置３０１では、ＳｉＣ蛍光基板１０は、筐体３０２の中心側に配置され、各ＬＥＤ素子１１，１２，１３，１４の搭載面及び搭載面と反対側の面に前述の周期構造が形成されている。また、ＳｉＣ蛍光基板１０は、端子部４から延び無機材料からなる支持部３０５により支持されている。
【００３８】
図１０の発光装置４０１は、ＬＥＤランプであり、ガラスの筐体４０２が略半球形に形成されるとともに筐体４０２の開口を閉塞する平板状のガラスのレンズ４０３が設けられ、端子部４が従来のハロゲンランプと同様に構成され、端子部４とＳｉＣ蛍光基板１０とは内部導線４０６により電気的に接続されている。この発光装置４０１では、ＳｉＣ蛍光基板１０は、筐体４０２の中心側に配置され、各ＬＥＤ素子１１，１２，１３，１４の搭載面及び搭載面と反対側の面に前述の周期構造が形成されている。
【００３９】
図９及び図１０の発光装置３０１，４０１では、各ＬＥＤ素子１１，１２，１３，１４をＳｉＣ蛍光基板１０に片面実装したものを図示しているが、両面実装としてもよい。また、図９及び図１０の発光装置３０１，４０１においても、筐体３０２，４０２やレンズ４０３に紫外光を反射させる反射膜を設けたり、紫外光を吸収する紫外カット膜を設けることが好ましい。さらに、筐体３０２，４０２やレンズ４０３を、アクセプタ不純物及びドナー不純物がドープされた波長変換ＳｉＣとしてもよい。
【００４０】
また、前記実施形態においては、各ＬＥＤ素子１１にＡｕ膜１１ａを形成し、ＳｉＣ蛍光基板１０にＳｎ膜１０ｂと接合されるものを示したが、例えば図１１に示すように、ＳｉＣ蛍光基板１０にＡｕＳｎはんだ１０ｄを形成しておいて各ＬＥＤ素子１１をＳｉＣ蛍光基板１０にはんだ接合するようにしてもよい。また、前記実施形態のおいては、各ＬＥＤ素子１１がフリップチップ接合されるものを示したが、例えば図１１に示すようにワイヤ１１ｂを用いたフェイスアップ接合であってもよく、各ＬＥＤ素子１１，１２，１３，１４の実装形態は任意である。
【００４１】
また、例えば、図１２（ａ）及び（ｂ）に示すように、ＳｉＣ蛍光基板５１０に、主回路パターン５１０ａとともに、交流を直流に整流する整流回路５１０ｂを設けてもよい。図１２（ａ）に示すＳｉＣ蛍光基板５１０と、図１２（ｂ）に示すＳｉＣ蛍光基板５１０は、それぞれＬＥＤランプに用いられる。
図１２（ａ）では、計２１個のＬＥＤ素子がＳｉＣ蛍光基板５１０に搭載され、ワイヤボンディングを用いて直列に接続された３つのＬＥＤ素子を単位とする回路が、７つ並列に設けられている。電源として交流１２Ｖが用いられ、各ＬＥＤ素子には約４Ｖの電圧が印加される。
図１２（ｂ）では、計３３個のＬＥＤ素子がＳｉＣ蛍光基板５１０に搭載され、全ＬＥＤ素子がワイヤボンディングを用いて直列に接続されている。電源として交流１００Ｖが用いられ、各ＬＥＤ素子には約３Ｖの電圧が印加される。
【００４２】
また、前記実施形態においては、紫外ＬＥＤ素子１１が４１個、青色ＬＥＤ素子１２が２個、緑色ＬＥＤ素子１３が４個、赤色ＬＥＤ素子１４が２個の例を示したが、各ＬＥＤ素子１１，１２，１３，１４の数は任意に設定できる。また、青色ＬＥＤ素子１２、緑色ＬＥＤ素子１３及び赤色ＬＥＤ素子１４を全て備える必要はなく、例えば、暖色系の白色を得るのであれば青色ＬＥＤ素子１２を設けずに赤色ＬＥＤ１４の割合を多くし、寒色系の白色を得るのであれば赤色ＬＥＤ素子１４を設けずに青色ＬＥＤ１４の割合を多くすればよい。すなわち、第１ＬＥＤ素子として紫外光を発するＬＥＤ素子を用い、第２ＬＥＤ素子として可視光を発するＬＥＤ素子を用いれば、各ＬＥＤ素子の発光波長は任意である。ただし、ＳｉＣ蛍光板３が４０８ｎｍ以下の光により励起されるので、第１ＬＥＤ素子のピーク波長は４０８ｎｍ以下で、第２ＬＥＤ素子のピーク波長が４０８ｎｍを超えるようにすることが望ましい。
【００４３】
また、前記実施形態においては、各ＬＥＤ素子１１，１２，１３，１４が封止されていないものを示したが、透明ガラス等の無機材料で封止されるようにしてもよい。この場合も、封止材の無機材料であるので、発光装置１の耐熱性が損なわれることはない。
【００４４】
また、前記実施形態においては、ＳｉＣ蛍光基板１０にアクセプタとしてＡｌ及びＢをドープしたものを示したが、アクセプタとしてＡｌとＢの一方をドープしたものであってもよい。アクセプタがＡｌのみでドナーがＮの場合は、青色領域にピーク波長を有する蛍光を発し、アクセプタがＢのみでドナーがＮの場合は、黄色領域にピーク波長を有する蛍光を発することになる。すなわち、暖色系の白色を得るのであれば、アクセプタをＢのみとすると好適であり、寒色系の白色を得るのであれば、アクセプタをＡｌのみとすると好適である。その他、具体的な細部構造等についても適宜に変更可能であることは勿論である。
【図面の簡単な説明】
【００４５】
【図１】図１は、本発明の一実施形態を示す発光装置の外観斜視図である。
【図２】図２は、発光装置の概略縦断面図である。
【図３】図３はＳｉＣ蛍光基板の拡大図であり、（ａ）は一部縦断面図、（ｂ）は一部平面図である。
【図４】図４は、ＳｉＣ蛍光基板の模式平面図である。
【図５】図５はＬＥＤ素子のＳｉＣ蛍光基板への搭載方法の一例を示す説明図であり、（ａ）はＬＥＤ素子を搭載する前のＳｉＣ蛍光基板の平面図、（ｂ）はＬＥＤ素子を搭載する際のＳｉＣ蛍光基板の側面図、（ｃ）はＬＥＤ素子を搭載した後のＳｉＣ蛍光基板の側面図である。
【図６】図６は、自動車車両の前部の外観図である。
【図７】図７は、変形例を示す発光装置の概略縦断面図である。
【図８】図８は、変形例を示すヘッドライトの内部構造を示す説明図である。
【図９】図９は、変形例を示す発光装置の概略側面図である。
【図１０】図１０は、変形例を示す発光装置の概略側面図である。
【図１１】図１１はＬＥＤ素子のＳｉＣ蛍光基板への搭載方法の他の例を示す説明図であり、（ａ）はＬＥＤ素子を搭載する前のＳｉＣ蛍光基板の平面図、（ｂ）はＬＥＤ素子を搭載する際のＳｉＣ蛍光基板の側面図、（ｃ）はＬＥＤ素子を搭載した後のＳｉＣ蛍光基板の側面図である。
【図１２】図１２は、変形例を示す搭載基板の平面図であり、（ａ）は３つのＬＥＤ素子が直列に接続された回路が７つ並列に接続されているもの、（ｂ）は全てのＬＥＤ素子が直列に接続されているものである。
【符号の説明】
【００４６】
１ 発光装置
２ 筐体
２ａ 開口
２ｂ 底部
２ｃ フランジ
３ レンズ
４ 端子部
４ａ 円筒部
４ｂ 傾斜部
４ｃ 第１電極
４ｄ 絶縁部
４ｅ 第２電極
５ ねじ
６ 内部導線
７ レンズ
８ ヒートシンク
９ 反射鏡
１０ ＳｉＣ蛍光基板
１０ｅ 凸部
１１ 紫外ＬＥＤ素子
１２ 青色ＬＥＤ素子
１３ 緑色ＬＥＤ素子
１４ 赤色ＬＥＤ素子
１０１ 発光装置
２００ 車両
２００ａ ヘッドライト
２０１ 発光装置
２２０ レンズ
３０１ 発光装置
３０２ 筐体
３０５ 支持部
３０６ 内部導線
４０１ 発光装置
４０２ 筐体
４０３ レンズ
４０５ 支持部
４０６ 内部導線
５１０ ＳｉＣ蛍光基板
５１０ａ 主回路パターン
５１０ｂ 整流回路
【特許請求の範囲】
【請求項１】
紫外光を発する第１ＬＥＤ素子と、
可視光を発する第２ＬＥＤ素子と、
前記第１ＬＥＤ素子及び前記第２ＬＥＤ素子が搭載され、ＢとＡｌの少なくとも一方及びＮがドープされたＳｉＣからなり、前記第１ＬＥＤ素子から発せられる光により励起されると可視光を発するＳｉＣ蛍光基板と、
前記ＳｉＣ蛍光基板を収容し、無機材料からなる筐体と、を備えた発光装置。
【請求項２】
前記第１ＬＥＤ素子のピーク波長は、４０８ｎｍ以下であり、
前記第２ＬＥＤ素子のピーク波長は、４０８ｎｍを超える請求項１に記載の発光装置。
【請求項３】
前記ＳｉＣ蛍光基板は、前記第１ＬＥＤ素子及び前記第２ＬＥＤ素子の搭載面に、前記第１ＬＥＤ素子の発光波長より小さな周期で形成された周期構造を有する請求項２に記載の発光装置。
【請求項４】
前記筐体は、開口を有し、
前記開口に設けられ、前記第２ＬＥＤ素子及び前記ＳｉＣ蛍光基板から発せられる光に対して透明な無機材料からなる透明部材を備えた請求項２または３に記載の発光装置。
【請求項５】
前記透明部材は、紫外成分の少なくとも一部をカットする請求項４に記載の発光装置。
【請求項６】
前記透明部材は、ＢとＡｌの少なくとも一方及びＮがドープされたＳｉＣからなり、前記第１ＬＥＤ素子から発せられる光を吸収して可視光を発する請求項５に記載の発光装置。
【請求項７】
紫外光を発する紫外ＬＥＤ素子と、
青色光を発する青色ＬＥＤ素子と、
緑色光を発する緑色ＬＥＤ素子と、
赤色光を発する赤色ＬＥＤ素子と、
前記紫外ＬＥＤ素子、前記青色ＬＥＤ素子、前記緑色ＬＥＤ素子及び前記赤色ＬＥＤ素子が搭載され、ＢとＡｌの少なくとも一方及びＮがドープされたＳｉＣからなり、前記紫外ＬＥＤ素子から発せられる光により励起されると可視光を発するＳｉＣ蛍光基板と、
前記ＳｉＣ蛍光基板を収容し、無機材料からなる筐体と、を備えた発光装置。
【請求項１】
紫外光を発する第１ＬＥＤ素子と、
可視光を発する第２ＬＥＤ素子と、
前記第１ＬＥＤ素子及び前記第２ＬＥＤ素子が搭載され、ＢとＡｌの少なくとも一方及びＮがドープされたＳｉＣからなり、前記第１ＬＥＤ素子から発せられる光により励起されると可視光を発するＳｉＣ蛍光基板と、
前記ＳｉＣ蛍光基板を収容し、無機材料からなる筐体と、を備えた発光装置。
【請求項２】
前記第１ＬＥＤ素子のピーク波長は、４０８ｎｍ以下であり、
前記第２ＬＥＤ素子のピーク波長は、４０８ｎｍを超える請求項１に記載の発光装置。
【請求項３】
前記ＳｉＣ蛍光基板は、前記第１ＬＥＤ素子及び前記第２ＬＥＤ素子の搭載面に、前記第１ＬＥＤ素子の発光波長より小さな周期で形成された周期構造を有する請求項２に記載の発光装置。
【請求項４】
前記筐体は、開口を有し、
前記開口に設けられ、前記第２ＬＥＤ素子及び前記ＳｉＣ蛍光基板から発せられる光に対して透明な無機材料からなる透明部材を備えた請求項２または３に記載の発光装置。
【請求項５】
前記透明部材は、紫外成分の少なくとも一部をカットする請求項４に記載の発光装置。
【請求項６】
前記透明部材は、ＢとＡｌの少なくとも一方及びＮがドープされたＳｉＣからなり、前記第１ＬＥＤ素子から発せられる光を吸収して可視光を発する請求項５に記載の発光装置。
【請求項７】
紫外光を発する紫外ＬＥＤ素子と、
青色光を発する青色ＬＥＤ素子と、
緑色光を発する緑色ＬＥＤ素子と、
赤色光を発する赤色ＬＥＤ素子と、
前記紫外ＬＥＤ素子、前記青色ＬＥＤ素子、前記緑色ＬＥＤ素子及び前記赤色ＬＥＤ素子が搭載され、ＢとＡｌの少なくとも一方及びＮがドープされたＳｉＣからなり、前記紫外ＬＥＤ素子から発せられる光により励起されると可視光を発するＳｉＣ蛍光基板と、
前記ＳｉＣ蛍光基板を収容し、無機材料からなる筐体と、を備えた発光装置。
【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２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【公開番号】特開２０１０−２１２６８（Ｐ２０１０−２１２６８Ａ）
【公開日】平成２２年１月２８日（２０１０．１．２８）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−１７９１７２（Ｐ２００８−１７９１７２）
【出願日】平成２０年７月９日（２００８．７．９）
【出願人】（０００１０２２１２）ウシオ電機株式会社 (1,414)
【出願人】（５９９００２０４３）学校法人 名城大学 (142)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年１月２８日（２０１０．１．２８）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年７月９日（２００８．７．９）
【出願人】（０００１０２２１２）ウシオ電機株式会社 (1,414)
【出願人】（５９９００２０４３）学校法人 名城大学 (142)
【Ｆターム（参考）】
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