JP2009076684A - 発光装置および灯具 - Google Patents

Abstract

【課題】光出力や波長の温度変化を補償し、温度変化に対して安定な特性を示す発光装置を提供する。
【解決手段】並列に接続された第１の半導体発光素子と第２の半導体発光素子とを備え、前記第１の半導体発光素子は、前記第２の半導体発光素子よりも高い発光効率を有し、前記第１の半導体発光素子の直列抵抗の温度係数は負であり、前記第１の半導体発光素子の前記直列抵抗の前記温度係数の絶対値は、前記第２の半導体発光素子の直列抵抗の温度係数の絶対値よりも大きいことを特徴とする発光装置が提供される。
【選択図】図１

Description

本発明は、発光装置および灯具に関し、特に、構成要素である発光ダイオード（ＬＥＤ：Light Emitting Diode）等の半導体発光素子の温度特性を補償するマルチチップタイプの発光装置、およびこれを搭載した灯具に関する。

半導体発光素子の代表例として、発光ダイオード（ＬＥＤ：Light Emitting Diode）がある。ＬＥＤチップ（LED die）は、ｐ型クラッド層とｎ型クラッド層に挟まれ、この両クラッド層より小さなバンドギャップを有する発光層（活性層）を有する。この三層構造を基本構造とし、クラッド層の上下に電極を設けてこのＬＥＤチップの基本層構造に順方向電流を流すことで活性層が発光する。ＬＥＤチップは、そのままでは実用上使用しにくいため、パッケージ（外囲器）に実装して通電させる。ＬＥＤパッケージには、砲弾型やＳＭＤ（Surface Mount Device）型等がある。

単一チップを用いたＬＥＤでは、ＬＥＤ自身の発熱または環境温度の変化によるＬＥＤ周囲の温度上昇に伴って発光効率（電流に対する出力効率）が低下する。このため、温度上昇に伴って発光出力も低下する。また、温度上昇に従って発光ピーク波長が長波長側にシフトするため、色度が変化する。例えば、室温で黄色のものが、高温ではオレンジ色に動く（レッドシフト：red-shift）。

図２５は、ＬＥＤの発光スペクトルの温度変化の一例を表す図である。なお、発光強度は、ピーク値が１となるように規格化した相対強度で示してある。２５℃でのスペクトルピーク（５９２ｎｍの黄色）は、８５℃になると、約８ｎｍ長波長側にシフトし（スペクトルピークは６００ｎｍ）、ピークの強度も低くなる。

ＡｌＩｎＧａＰ系ＬＥＤの場合、この混晶の組成により赤から黄緑の範囲で発光スペクトルのピーク波長を選択できる。ピーク波長の温度変化は、概ね０．１４ｎｍ／℃前後である。ただし、色度は人間の眼の視感度に関係する。赤色帯では、波長が長いほど人間の視感度が落ちる。通常、三原色に対する人間の眼の刺激を考慮したドミナント波長に換算して議論する。緑（５５５ｎｍ）より長波長側では、実波長が長いほど、ドミナント波長は実波長より短くなる。

スペクトルピークが温度上昇で長波長側に動いても、赤色帯では、ドミナント波長換算では、あまり大きくシフトしないように見える。つまり、レッドシフトが視感度によって実効的に補償される。しかし、波長が５５５ｎｍに近づくほど、温度変化による実際のピーク波長変化を反映する。図２５の黄色の例では、ドミナント波長として、２５℃から８５℃の変化で、５８９ｎｍから５９４ｎｍまで動くことになる。

図２６は、ＬＥＤのドミナント波長の温度変化の一例を表す図であり、室温の値を０となるように規格化してプロットしたものである。ドミナント波長の温度変化では、黄緑色、黄色、アンバー色の波長帯（図２６の例では５８６ｎｍ）は、−２０℃〜１００℃の温度変化で５８２ｎｍ〜５９３ｎｍ変化し、赤色の波長帯（図２６の例では６３０ｎｍ）においての−２０℃〜１００℃の温度変化での６２８ｎｍ〜６３３ｎｍの変化に比べて、２倍程度大きくなる。

図２７は、ＬＥＤの光度の温度変化の一例を表す図であり、室温の値を１となるように規格化してプロットしたものである。光度／光束の温度変化に関しても、人間の視感度の影響を受ける。物理的な光出力（光パワー）は、一般的に温度上昇によって低下する。

ドミナント波長で６１０ｎｍ〜６４０ｎｍの赤色帯（図２７の例では６３０ｎｍ）は、波長が長波長側にシフトするため、光度／光束では、視感度の低下によって、より顕著な低下となる。この場合、２５℃から８５℃の変化で、光度が３５％低下する。ただし、赤色帯のＡｌＩｎＧａＰ系ＬＥＤは、材料／構造の特性的に活性層の効率が良いため、光パワーでは１０％程度の低下で済んでいる。

これに対し、ドミナント波長で５８６ｎｍの黄色帯では、視感度の低下は少ないものの、活性層の特性が劣るために光パワーが低下し、２５℃から８５℃の変化で、４０％以上の光パワーの低下を示す。結果として、赤色帯より大きく、５５％も光度が低下する。

ＬＥＤを屋外で使用する場合は、上記のような温度特性が問題になる。例えば、温度変化の少ない赤色ＬＥＤは、自動車の後方ランプ（リアコンビネーション）等の灯具に使用され、応用の幅が広がっている。しかし、ターンシグナルの色であるアンバー色（黄色）のＬＥＤは、その大きな温度変化のために普及が期待以上に進んでおらず、依然として寿命の短い電球が使われている。灯具として、ＬＥＤと電球の両方を実装することは、トータルコストの上昇を招くので、自動車の外装照明もＬＥＤに統一されることが望ましい。なお、他の応用範囲においても、その温度特性が悪いことが、普及の障害となるケースが多い。

また、上記のような単色のＬＥＤではなく、混色や白色（疑似白色）のＬＥＤでは、複数のＬＥＤや蛍光体等の波長変換材料と組み合わせる（例えば特許文献１参照）。この場合は、色の混ざり具合や、蛍光体の励起効率などが、温度で複雑に変化する。

例えば、ＹＡＧ蛍光体と青色ＬＥＤとを用いた疑似白色ＬＥＤの場合、青色ＬＥＤの波長が温度上昇によってレッドシフトしたり、出力が低下する。つまり、ＹＡＧの励起効率や青色光の吸収および透過の割合が変化することで、色度や光束が複雑に変化する。三原色（ＲＧＢ）のＬＥＤの発光を混ぜる方式の白色ＬＥＤにおいても、それぞれのＬＥＤの温度特性が異なるために、合成された白色光の色度や光束が複雑に変化する。このような変化は、ＬＣＤのバックライトへの応用には大きな問題となる。

これらの問題を解決するには、ＬＥＤ等の半導体発光素子や、それらを搭載した灯具の温度を一定にするように制御すればよい。しかし、コストと省エネルギーの観点からは現実的でない。白色ＬＥＤにおいても、色度や波長をモニタして、それぞれのＬＥＤを調整する方式は複雑であり、高価なものとなる。

以上のようにＬＥＤ等の半導体発光素子の上記のような温度特性は、半導体発光素子の実用化や普及を進める上での問題となっている。
特開２００５−２３５８４７号公報

本発明は、光出力や波長の温度変化を補償し、温度変化に対して安定な特性を示す発光装置を提供する。

本発明の一態様によれば、並列に接続された第１の半導体発光素子と第２の半導体発光素子とを備え、前記第１の半導体発光素子は、前記第２の半導体発光素子よりも高い発光効率を有し、前記第１の半導体発光素子の直列抵抗の温度係数は負であり、前記第１の半導体発光素子の前記直列抵抗の前記温度係数の絶対値は、前記第２の半導体発光素子の直列抵抗の温度係数の絶対値よりも大きいことを特徴とする発光装置が提供される。

また、本発明の他の一態様によれば、低温時よりも高温時における発光ピーク波長が第１の波長に近い第１の半導体発光素子と、高温時よりも低温時における発光ピーク波長が前記第１の波長に近い第２の半導体発光素子と、前記第１及び第２の半導体発光素子の少なくともいずれかまたはその周囲の温度を直接または間接的に検知する温度検知手段と、前記温度検知手段による検知結果をもとに、高温時には前記第１の半導体発光素子を強く発光させ、低温時には前記第２の半導体発光素子を発光させる駆動制御手段と、を備え、前記第１の半導体発光素子と前記第２の半導体発光素子の出力光との合成スペクトルを出力することを特徴とする発光装置が提供される。

本発明により、光出力や波長の温度変化を補償し、温度変化に対して安定な特性を示す発光装置が提供される。

以下、図面を参照しつつ本発明の実施の形態について説明する。
本発明の第１の実施の形態では、第１のＬＥＤと第２のＬＥＤとを近接して配置して並列に接続し、第１のＬＥＤの発光効率（電流に対する光出力効率）、および負の温度係数の絶対値を、第２のＬＥＤよりも大きくすることにより、光出力の温度補償を実現する。

具体的には、第１のＬＥＤと第２のＬＥＤにおいて、光を取り出す表面の電極網の密度を異なるものとすることにより、発光効率および温度係数を異なる値に設定する。
さらに、第１のＬＥＤの発光ピーク波長を、第２のＬＥＤよりも若干短く設定することにより、波長の温度補償を実現する。
このように、互いに異なる温度特性と波長を有する複数のＬＥＤを備え、それぞれのＬＥＤからの出力光の合成スペクトルを出力することにより、温度変化に対して安定な特性を有する発光装置を提供する。

図１は、本発明の第１の実施の形態かかる発光装置の回路構成図である。この発光装置は、発光ダイオード（ＬＥＤ）Ｄ１と、発光ダイオード（ＬＥＤ）Ｄ２とを並列に接続した回路構成となっている。なお、発光ダイオードに付した記号Ｄ１，Ｄ２は、ＬＥＤチップを意味することもでき、ＬＥＤチップを実装したＬＥＤパッケージを意味することもできる。また、図１以降の各図面については、既出の図面に関して説明したものと同様の要素には同一の符号を付して詳細な説明は省略する。

図２は、本発明の第１の実施の形態かかる発光ダイオードＤ１とＤ２の順方向電圧（順方向電流の立上がり電圧）Ｖｆの温度特性を表す図である。図２に示すように、２５℃では発光ダイオードＤ１の方が高い順方向電圧値を有するが、８５℃では発光ダイオードＤ２の方が高い順方向電圧値を有する。

図３は、本発明の第１の実施の形態かかるＬＥＤチップの具体例を表す図であり、（ａ）は発光ダイオードＤ１に相当するＬＥＤチップ１ａ、（ｂ）は発光ダイオードＤ２に相当するＬＥＤチップ１ｂである。この具体例では、ＬＥＤチップの直列抵抗（ＬＥＤチップ自体が有する直列抵抗成分）が異なるものとなるようにしている。ＬＥＤチップの直列抵抗は、光を取り出す面の電極網の密度を異なるものとすることによって、異なる直列抵抗値とすることができる。

図３（ａ）に示すように、ＬＥＤチップ１ａの光を取り出す面（上面）には、電極パッド２ａが設けられており、電極網４ａは、この電極パッド２ａから延びており、これら電極パッド２ａおよび電極網４ａは、ＬＥＤチップ１ａの上側電極を構成する。

同様に、図３（ｂ）に示すように、ＬＥＤチップ１ｂの光を取り出す面（上面）には、電極パッド２ｂが設けられており、電極網４ｂは、この電極パッド２ｂから延びており、これら電極パッド２ｂおよび電極網４ｂは、ＬＥＤチップ１ｂの上側電極を構成する。

ＬＥＤチップ１ａ（Ｄ１）の電極網４ａの密度は、ＬＥＤチップ１ｂ（Ｄ２）の電極網４ｂの密度よりも低く（粗く）なっている。電極網の密度を低くすることにより、電極から離れた活性層の領域への拡がり抵抗が高くなるため、ＬＥＤチップ１ａの直列抵抗値は、ＬＥＤチップ１ｂよりも高くなる。また、ＬＥＤチップ１ａは、発光の光取り出しを阻害する電極網４ａがＬＥＤチップ１ｂよりも粗いため、光取り出し効率（発光効率）がＬＥＤチップ１ｂよりも大きくなる。さらに、その分、ＬＥＤチップ１ａの直列抵抗の負の温度係数の絶対値は、ＬＥＤチップ１ｂよりも大きくなる。

また、発光ダイオードＤ１の発光スペクトルを、発光ダイオードＤ２の発光スペクトルよりも若干短く設定する。これにより、発光ダイオードＤ１の発光層のバンドギャップが発光ダイオードＤ２よりも若干大きくなるので、発光ダイオードＤ１の順方向電圧Ｖｆ（図２参照）を、さらに高い値に設定できる。

図４は、本発明の第１の実施の形態かかる発光ダイオードＤ１とＤ２の発光スペクトルおよびこれらの合成スペクトルを表す図である。この図４において、（ａ）は２５℃の場合の発光ダイオードＤ１、Ｄ２からのスペクトルおよびこれらの合成スペクトルであり、（ｂ）は８５℃の場合の発光ダイオードＤ１、Ｄ２からのスペクトルおよびこれらの合成スペクトルである。

図４（ａ）に示す２５℃では、発光ダイオードＤ１は短波長側にピークを有し、発光効率は高いが、直列抵抗による順方向電圧が高いため、発光ダイオードＤ１の分岐に流れる電流Ｉ１は小さくなる。逆に、発光ダイオードＤ２の分岐に流れる電流Ｉ２は大きくなり、長波長側の発光ダイオードＤ２の光出力は、発光ダイオードＤ１よりも大きくなる。その結果、合成スペクトルのピーク（波長λｐ（２５））は、長波長側の発光ダイオードＤ２の影響を強く受ける。

図４（ｂ）に示す８５℃では、発光ダイオードＤ１の直列抵抗の負の温度係数の絶対値が発光ダイオードＤ２のそれよりも大きいため、発光ダイオードＤ２よりも発光効率が高くて発光波長の短い発光ダイオードＤ１に流れる電流Ｉ１は、上記２５℃の場合よりも増加する。そのため、高温条件下での光出力の低下を補償できる。また、合成スペクトルにおいては、短波長側の発光ダイオードＤ１のピークが支配的になるため、合成スペクトルのピーク（波長λｐ（８５））は、２５℃のときのピーク（波長λｐ（２５））とあまり変わらず、波長のシフトを補償できる。

図５〜図７は、本発明の第１の実施の形態にかかる発光装置の第１の具体例を表す模式斜視図である。図５はＬＥＤチップをＳＭＤ（Surface Mount Device）型パッケージ（ＬＥＤパッケージ）としたもの、図６は図５のパッケージの上半分を除去してリードフレームの構造を判りやすくしたもの、図７は図５のパッケージを基板に実装して光モジュールとしたものである。

カソード側リードフレーム１１上に、ＬＥＤチップ１ａ（Ｄ１），１ｂ（Ｄ２）を銀ペースト等の導電材料でマウントする。ＬＥＤチップ１ａ（Ｄ１）と１ｂ（Ｄ２）とは、近接してマウントされる。次に、ＬＥＤチップ１ａ（Ｄ１），１ｂ（Ｄ２）の上側の電極パッド２ａ，２ｂを、それぞれアノード側リード１２に金ワイヤ３ａ，３ｂによって接続する。

リードフレーム１１，１２と、ＬＥＤチップ１ａ，１ｂの外側には、完全拡散反射に近い条件で反射する白色のＰＰＡ（ポリフタルアミド）樹脂からなる外囲器２０が配されている。この外囲器２０の上面開口部２１からＬＥＤチップ１ａ，１ｂがマウントされている凹部に、エポキシ樹脂等からなる透明樹脂材料３０を充填し、ＬＥＤチップ１ａ，１ｂを封止して、ＳＭＤ型ＬＥＤパッケージ４０とする。
そして、このＬＥＤパッケージ４０は、ＰＣＢ（polychlorinated biphenyl）等からなる基板１００上に実装される。基板１００上のカソード側半田パターン１１０とＬＥＤパッケージ４０のカソード側リードフレーム１１が半田１１１によって接続され、アノード側半田パターン１２０とアノード側リードフレーム１２とが半田１２１によって接続される。

この第１の具体例では、２つのＬＥＤチップを１つのパッケージ（外囲器）に設けることにより、コンパクトな構成にできる。また、ＬＥＤチップ同士が近いため、色が混ざりやすく均一な発光色が得られやすい。

図８〜図１０は、本発明の第１の実施の形態にかかる発光装置の構造の一例を表す模式斜視図である。図８はＬＥＤチップをＳＭＤ型ＬＥＤパッケージとしたもの、図９は図８のパッケージの上半分を除去してリードフレームの構造を判りやすくしたもの、図１０は図８のパッケージを基板に実装して光モジュールとしたものである。

上記第１の具体例では、それぞれ発光ダイオードＤ１，Ｄ２に相当する２つのＬＥＤチップ１ａ，１ｂを、１つのＳＭＤ型パッケージのリードフレームにマウントした。これに対して、この第２の具体例では、ＬＥＤチップ１ａはＳＭＤ型パッケージ（ＬＥＤパッケージ）４０ａに搭載され、ＬＥＤチップ１ｂはＳＭＤ型パッケージ（ＬＥＤパッケージ）４０ｂに搭載されており、これら２つのＳＭＤ型パッケージ４０ａ，４０ｂを、ＰＣＢ基板１００に、上記第１の具体例と同様、並列接続となるように実装している。ＳＭＤ方パッケージ４０ａ、４０ｂの製作方法は、第１の具体例において説明したＳＭＤ型ＬＥＤパッケージ４０の製作方法と同様であるため、ここでは省略する。

ＰＣＢ基板１００において、ＰＣＢ基板１００上のカソード側半田パターン１１０とＳＭＤ型パッケージ４０ａのカソード側リードフレーム１１ａが半田１１１ａによって接続され、アノード側半田パターン１２０とアノード側リードフレーム１２ａとが半田１２１ａによって接続される。同様に、カソード側半田パターン１１０とＳＭＤ型パッケージ４０ｂのカソード側リードフレーム１１ｂが半田１１１ｂによって接続され、アノード側半田パターン１２０とアノード側リードフレーム１２ａとが半田１２１ａによって接続される。
この第２の具体例では、２つのＬＥＤチップを個別のパッケージとすることにより、パッケージの構成を簡易なものとすることができる。

図１１は、本発明の第１の実施の形態にかかる発光装置の第３の具体例を表す模式斜視図である。また、図１２は、本発明の第１の実施の形態にかかる発光装置の第３の具体例を表す回路構成図である。

この第３の具体例は、上記第２の具体例（図８〜図１０参照）において、ＬＥＤチップ１ａと１ｂの直列抵抗の温度係数差を強調するための補助的な抵抗素子（外部抵抗素子）１３０を、ＬＥＤチップ１ａを搭載したＳＭＤ型パッケージ４０ａに直列に設けたものである。
図１１に示すように、ＰＣＢ基板１００において、ＳＭＤ型パッケージ４０ａのカソード側リードフレーム１１ａに接続されたカソード側半田パターン１１０ａと抵抗素子１３０の一方の電極とが、半田１２１ａよって接続されている。また、ＳＭＤ型パッケージ４０ｂのカソード側リードフレーム１１ｂに接続されたカソード側半田パターン１１０ｂと、抵抗素子１３０の他方の電極とが、半田１１２ｂよって接続されている。

図１２に示すように、この第３の具体例では、発光ダイオードＤ１と抵抗素子１３０の直列回路と、発光ダイオードＤ２とが並列接続された回路構成となっている。なお、ＬＥＤチップ１ａと１ｂの直列抵抗の温度係数差を強調するための補助的な抵抗素子と発光ダイオードＤ２とを直列に設けることも可能である。
この第３の具体例では、２つのＬＥＤの温度係数の差を強調するための抵抗素子を設けることにより、高精度な温度補償ができる。

以上説明したように本発明の第１の実施の形態によれば、光出力や波長の温度変化を補償し、温度変化に対して安定な特性を示す発光装置が得られる。さらに、温度補償のための特別な外部回路を省略できるために、発光モジュール全体としてのコストを大幅に低減できる。
なお、本発明は、上記第１の実施の形態に限定されるものではなく、発光ダイオードＤ１，Ｄ２の並列分岐回路に、複数のＬＥＤチップまたはＬＥＤパッケージを直列に接続した構成も含まれる。また、並列の分岐回路も、発光ダイオードＤ１，Ｄ２の２つに限ることなく、３つ以上を並列接続したものも含まれる。さらに、波長の組合せも種々適用可能である。

次に、本発明の第２の実施の形態について説明する。
本発明の第２の実施の形態では、補償温度範囲において、低温時よりも高温時における発光ピーク波長が第１の波長に近い第１のＬＥＤと、高温時よりも低温時における発光ピーク波長が第１の波長に近い第２のＬＥＤと、ＬＥＤの温度を直接または間接的に検知する温度モニタ（温度センサ）と、検知されたＬＥＤの温度をもとに、第１のＬＥＤおよび第２のＬＥＤに流す電流を独立に制御する駆動制御回路とを設ける。例えば、第１のＬＥＤの発光ピーク波長を第２のＬＥＤよりも若干短く設定し、高温時には短波長側の第１のＬＥＤを強く発光させ、低温時には長波長側の第２のＬＥＤを強く発光させ、第１のＬＥＤと第２のＬＥＤの合成スペクトルを出力させることにより、安価な構成で、光出力や波長の温度補償を実現する。

特に、ＬＥＤが可視光を発光するＬＥＤであり、その波長が、人間の視感度を考慮したドミナント波長であり、駆動制御回路により制御される光出力が、人間の視感度を考慮した光度または光束等で表現される場合に、極めて大きな効果を生じる。

具体的には、ＬＥＤの活性層がＡｌＩｎＧａＰ系の材料からなり、上記所望の発光ピーク波長が、ドミナント波長に換算して５６０ｎｍ〜６１０ｎｍの波長帯にある場合に顕著な温度補償効果を生じる。
また、ＬＥＤ自体の発光ピーク波長が５５５ｎｍより短く、このＬＥＤによって励起される波長変換材料を備えた混色または白色（疑似白色）のＬＥＤの場合にも、温度補償効果が大きい。

図１３は、本発明の第２の実施の形態にかかる発光装置を表す回路構成図である。この発光装置は、発光ダイオード（ＬＥＤ）Ｄ３と、発光ダイオード（ＬＥＤ）Ｄ４とを備えている。発光ダイオードＤ３とＤ４は、駆動制御回路５００とアース間に並列に接続されている。
また、発光ダイオードＤ３とＤ４は、近接して配置され、必要に応じて光学系も工夫して、両ＬＥＤの合成スペクトルを出力させる構成とする。なお、発光ダイオードに付した記号Ｄ３，Ｄ４は、ＬＥＤチップを意味することもでき、ＬＥＤチップを実装したＬＥＤパッケージを意味することもできる。

発光ダイオードＤ３の発光スペクトルを、発光ダイオードＤ４よりも若干短く設定する。例えば、温度変化の大きい黄色のＡｌＩｎＧａＰ系ＬＥＤを用い、発光ダイオードＤ３のスペクトルピーク波長を２５℃で５８４ｎｍ（ドミナント波長で５８２ｎｍ）、発光ダイオードＤ４のスペクトルピーク波長を２５℃で５９４ｎｍ（ドミナント波長で５９１ｎｍ）に設定する。

さらに、この発光装置は、ＬＥＤ自体またはその周囲の温度を検知する温度モニタ６００と、温度モニタ６００からの検知出力に応じて、並列する２つのＬＥＤにそれぞれに流す電流Ｉ３，Ｉ４の値および電流比を制御する駆動制御回路５００とを備えている。温度モニタ６００には、サーミスタ等を用いる。
この第２の実施の形態にかかる発光装置では、温度モニタ６００からの温度検知の出力に従って、駆動制御回路５００によって、並列に接続された複数のＬＥＤの合成スペクトルにおける色度や光束を制御補償する。

図１４は、本発明の第２の実施の形態にかかる発光ダイオードＤ３とＤ４の発光スペクトルおよびこれらの合成スペクトルを表す図であり、（ａ）は２５℃の場合の発光ダイオードＤ３（発光ピーク波長５８４ｎｍ）とＤ４（発光ピーク波長５９４ｎｍ）の発光スペクトルおよびこれらの発光の合成スペクトル、（ｂ）は８５℃の場合の発光ダイオードＤ３（発光ピーク波長５９２ｎｍ）とＤ４（発光ピーク波長６０２ｎｍ）の発光スペクトルおよびこれらの発光の合成スペクトルである。

図１４（ａ）に示す２５℃の場合では、スペクトルのパワー比が、Ｄ３：Ｄ４＝１：２になるように、温度モニタ６００の出力に従って、駆動制御回路５００が、トータル電流Ｉと、分岐電流Ｉ３，Ｉ４を制御している。この２５℃の場合では、合成スペクトルの色度は、発光波長の長い発光ダイオードＤ４の影響が強く、（Ｃｘ，Ｃｙ）＝（０．５６３，０．４３６）であり、合成スペクトルのピーク波長は、ドミナント波長で５８８ｎｍである。

図１４（ｂ）に示す８５℃の場合では、温度が上昇するので、それぞれのＬＥＤのピーク波長が、８ｎｍほど長波長側にシフトしている。また、電流を制御しなければ、光出力（光束）も約半分以上に低下する。この８５℃では、スペクトルのパワー比が、Ｄ３：Ｄ４＝５：１になるように、温度モニタ６００の出力に従って、駆動制御回路５００が、トータル電流Ｉと、分岐電流Ｉ３，Ｉ４を制御する。この８５℃の場合では、合成スペクトルの色度は、発光波長の長いＬＥＤ１ｄ（Ｄ４）の影響が強く、（Ｃｘ，Ｃｙ）＝（０．５６０，０．４３１）であり、合成スペクトルのピーク波長は、ドミナント波長で５８９ｎｍである。

ドミナント波長としては、２５℃と８５℃とで、１ｎｍしか変化しておらず、色度もあまり変化しない。単一チップの黄色のＬＥＤが、ドミナント波長で５ｎｍ以上、レッドシフトすることと比較すれば、色の変化が十分に抑制されており、実用的に問題がない。これは、合成スペクトルにおいて、高温では、短波長側の発光ダイオードＤ３を支配的にするように制御しているからである。

光束の低下は、発光ダイオードＤ３に流す電流をより多くすることによって補うことができる。出力比の１：２（２５℃）および５：１（８５℃）を考えると、発光ダイオードＤ４に流す電流Ｉ３を変化させなくとも、温度上昇により自ずと光束が半減するため、発光ダイオードＤ３に流す電流Ｉ３を、２５℃のときの１０倍とすれば、温度上昇による発光ダイオードＤ３の出力自然減を補って、トータルの光束を２５℃のときとほぼ同じにすることができる。
このように、波長の短い発光ダイオードＤ３のほうに、より高い性能が要求される。このため、例えば、発光ダイオードＤ３として、発光効率の高い、やや高価なＬＥＤを配し、発光ダイオードＤ４としては、廉価なＬＥＤを配することにより、総コストの上昇を抑えることができる。

図１５は、本発明の第２の実施の形態かかる発光装置の第１の具体例を表す模式斜視図である。また、図１６は、本発明の第２の実施の形態かかる発光装置の第１の具体例を表す回路構成図である。
図１５に示すように、この第１の具体例は、第２の実施の形態かかる発光装置をＳＭＤ型パッケージにより具現化したものである。発光ダイオードＤ３に相当するＬＥＤチップ１ｃと、発光ダイオードＤ４に相当するＬＥＤチップ１ｄの２つのＬＥＤチップを、並列に、リードフレーム１１ｃ，１１ｄにそれぞれマウントし、金ワイヤ３ｃ，３ｄでリードフレーム１２に接続して、ＳＭＤ型ＬＥＤパッケージ４０を構成したものである。ＬＥＤチップ１ｃ（Ｄ３）の端子であるリードフレーム１１ｃに、ＮＴＣ（Negative Temperature Coefficient）サーミスタ６０１を接続している。

図１６に示すように、この第１の具体例は、発光ダイオードＤ３（ＬＥＤチップ１ｃ）とＮＴＣサーミスタ６０１の直列接続回路と、発光ダイオードＤ４（ＬＥＤチップ１ｄ）とを並列に接続したものである。なお、図１６において、ＲｓはそれぞれのＬＥＤチップの有する直列抵抗であり、Ｒ０，Ｒ２はＮＴＣサーミスタ６０１の特性の補助や電流Ｉ，Ｉ３，Ｉ４の調整等のために挿入される抵抗である。

ＮＴＣサーミスタ６０１は、低温で抵抗値が高く、高温で抵抗値が低くなる特性を示すものであり、負の温度係数を有する抵抗素子である。このＮＴＣサーミスタ６０１は、上記図１３の駆動制御回路５００および温度モニタ６００として機能するものであり、温度に応じてＬＥＤチップ１ｃ（Ｄ３）に流れる電流Ｉ３を制御し、合成スペクトルの温度変化を補償する。
この第１の具体例の回路構成は、極めてシンプルであり、低コストである。また、２つのＬＥＤチップを１つのパッケージに実装しているため、コンパクトな構成とできる。

なお、ＮＴＣサーミスタ６０１は、図１５ではＬＥＤチップ１ｃのカソード側に設けられており、図１６ではＬＥＤチップ１ｃのアノード側に設けられているが、いずれの側に設けることも可能である。

また、この第１の具体例とは逆に、ＬＥＤチップ１ｄの端子であるリードフレーム１１ｄに、ＰＴＣ（Positive Temperature Coefficient）サーミスタを接続することも可能である。このＰＴＣサーミスタは、低温で抵抗値が小さく、高温で抵抗値が大きくなる特性を示すものであり、正の温度係数を有する抵抗素子である。さらには、ＮＴＣサーミスタとＰＴＣサーミスタの両方を設けることも可能である。また、これらのサーミスタを、図１５に示すＳＭＤ型パッケージ４０の外囲器２０内に収納することも可能である。

図１７は、本発明の第２の実施の形態かかる発光装置の第２の具体例を表す模式斜視図である。この第２の具体例は、上記第１の具体例（図１５参照）の変形例である。
上記第１の具体例では、２つのＬＥＤチップを１つのＳＭＤ型パッケージ内に並列に実装したが、この第２の具体例では、外囲器２０ｃの上面開口部にＬＥＤチップ１ｃをマウントしたＳＭＤ型ＬＥＤパッケージ４０ｃと、外囲器２０ｄの上面開口分にＬＥＤチップ１ｄをマウントしたＳＭＤ型ＬＥＤパッケージ４０ｄとを、基板１００に実装している。ただし、この場合、やや離れた２つのＬＥＤパッケージからの出力光を混合するための光学系を備えることが望ましい。
この第２の具体例では、互いに発光波長の異なる２つのＬＥＤパッケージとして市販のものを用いることもできるので、この点で低コストとなる。

図１８は、本発明の第２の実施の形態かかる発光装置の第３の具体例を表す模式斜視図である。この第３の具体例は、上記第２の具体例（図１７参照）の変形例である。
この第３の具体例では、発光ダイオードＤ３に相当する複数のピラニア型ＬＥＤパッケージ４５ｃと、発光ダイオードＤ４に相当する複数のピラニア型ＬＥＤパッケージ４５ｄとを、基板１００に実装している。つまり、互いに発光波長の異なる２群の複数のピラニア型ＬＥＤパッケージを、１つの基板上に近接して実装している。ただし、この場合にも、やや離れた２群のＬＥＤパッケージからの出力光を混合するための光学系を備えることが望ましい。
この第３の具体例では、ＮＴＣサーミスタ６０１を複数のＬＥＤパッケージで共通に使用しているので、経済的である。

図１９は、本発明の第２の実施の形態かかる発光装置の第４の具体例を表す回路構成図である。この第４の具体例は、上記第１の具体例（図１６参照）において、発光ダイオードＤ３（ＬＥＤチップ１ｃ）を２つ直列に接続したものである。
本発明の第２の実施の形態では、波長の短いＬＥＤチップ１ｃの方に、より高い性能が要求される。このため、例えば、発光ダイオードＤ３として、効率の高いやや高価なＬＥＤを配し、発光ダイオードＤ４の方は、廉価なＬＥＤを配することにより、総コストの上昇を抑えることができる。

しかしながら、全体の効率を最大限とするためには限界がある。そこで、この第４の具体例では、発光ダイオードＤ３側とＤ４側の双方に、高効率のＬＥＤチップを用い、発光ダイオードＤ３を２つ直列に設ける。これによって、発光ダイオードＤ３側とＤ４側の分岐の電圧は上昇するが、同じ電流値では、発光ダイオードＤ３が１つの場合よりも発光出力を増やすことができる。上記分岐の電圧は、発光ダイオードＤ３側のサーミスタ６０１の特性や、発光ダイオードＤ４側の抵抗Ｒ２の抵抗値を適正に選んで調整することができる。
この第４の具体例のように、発光ダイオードＤ３側の分岐とＤ４側の分岐のそれぞれには、複数のＬＥＤや抵抗素子等の各種の電子素子を配置することが可能である。

図２０は、本発明の第２の実施の形態かかる発光装置の第５の具体例を表す回路構成図である。この第５の具体例では、温度モニタ６００（図１３参照）として、フォトダイオード（ＰＤ：Photo Diode）６５０を用いる。
上記それぞれの具体例（図１５〜図１９参照）では、温度モニタ６００として、サーミスタ等の直接的に温度を感知する素子を用いていたが、フォトダイオード等の間接的に温度特性を反映できるセンサを用いることも可能である。

発光ダイオードＤ３，Ｄ４自身の光出力は温度上昇によって低下するので、その光出力を検知するフォトダイオード６５０を温度モニタ６００として用いることができ、フォトダイオード６５０の出力電流により温度を間接的にモニタできる。
駆動制御回路５００は、フォトダイオード６５０の出力電流と、事前に求めた発光ダイオードＤ３，Ｄ４の光出力の温度係数とをもとに、分岐回路に流す電流Ｉ３，Ｉ４を制御する。

この第５の具体例では、発光ダイオードＤ３，Ｄ４の光出力から温度を検知するが、ＬＥＤ自身の特性（光出力特性）は、接合温度を反映するものなので、より現実的で正確な制御ができるという効果もある。なお、他の間接的な温度モニタ方式を用いることも可能である。

図２１は、本発明の第２の実施の形態かかる発光装置の第６の具体例を表す模式斜視図である。この第６の具体例では、発光ダイオードＤ３に相当するＬＥＤチップとしてＩｎＧａＮ系の青色ＬＥＤチップ１ｅを用い、発光ダイオードＤ４に相当するＬＥＤチップとしてＩｎＧａＮ系の青色ＬＥＤチップ１ｇを用いる。青色ＬＥＤチップ１ｅ（Ｄ３）のスペクトルピーク波長は２５℃で４６０ｎｍとし、青色ＬＥＤチップ１ｆ（Ｄ４）のスペクトルピーク波長はこれから若干ずれた波長とする。

これまでのそれぞれの具体例（図１５〜図２０参照）では、本発明の第２の実施の形態を単波長のＬＥＤに適用した例を説明してきた。しかし、本発明の第２の実施の形態は、蛍光体を用いた白色（疑似白色）ＬＥＤに適用することも可能である。この第６の具体例では、上記白色ＬＥＤに適用した具体例について説明する。

可視光帯では、５５５ｎｍ以下の波長の短い光源は、蛍光体等の波長変換材料を励起し、この励起光と波長変換された光とを混色することで白色光（疑似白色）を得ることが可能である。
図２１に示すように、互いに発光波長が若干ずれたＩｎＧａＮ系の青色ＬＥＤチップ１ｅと１ｆを、リードフレーム１１ｃ，１１ｄにそれぞれマウントし、透明樹脂材料３０中にＹＡＧ蛍光体８０を混ぜ込む。ＩｎＧａＮ系青色ＬＥＤの発光でＹＡＧ蛍光体を励起して、青色ＬＥＤとＹＡＧからの波長変換された黄色発光を混色して、疑似白色を得る。

図２２は、本発明の第２の実施の形態かかる発光装置の第６の具体例との比較例を表す模式斜視図である。また、図２３は、本発明の第２の実施の形態かかる発光装置の第６の具体例との比較例の発光スペクトルを表す図である。この比較例は、青色ＬＥＤチップ１ｅのみの単一チップによって構成されたものである。この比較例の出力光のスペクトルは、図２３に示すような疑似白色のスペクトルとなり、温度変化によるスペクトルシフトを生じる。このスペクトルシフトによってＹＧＡ蛍光体８０の励起効率が変動する。また青色光の出力自体も低下する。したがって色度や光束が複雑に変化する。

しかし、図２１に示す第６の具体例では、青色ＬＥＤチップ１ｅと１ｆの合成光を励起光源とすることにより、励起光源のピーク波長および出力の温度変化を補償することができる。その結果、ＹＡＧ蛍光体８０の励起効率や青色光の透過の温度特性も安定化できるので、全体として、白色（疑似白色）／混色の色度や光束も安定となる。
なお、同様にして、ＲＧＢの三原色をそれぞれ発光する３つのＬＥＤを用いたものでも、それぞれの色について、本発明の第２の実施の形態を適用し、互いに若干ずれた発光波長を有する２つのＬＥＤを配して、これらを制御することにより、白色／混色の色度や光束を、温度変化に対して安定化できる。

図２４は、本発明の第２の実施の形態かかる駆動制御回路の具体例を表す駆動波形図である。駆動制御回路５００（図１３等参照）は、ＤＣ駆動方式を前提としている。しかし、ＬＥＤの光出力を制御するには、単に分岐電流Ｉ３，Ｉ４（図１３等参照）のＤＣ値を制御することの他、ＰＷＭ（Pulse Width Modulation）駆動方式によっても制御できる。

図２４に示すように、ＰＷＭ駆動方式は、眼の応答よりも速いパルス駆動において、パルスの幅で明るさを制御するものである。パルス幅が広いほど明るくなる。従って、図２４（ａ）に示すパルス幅Ｐｗ１の駆動パルスで駆動する場合よりも、図２４（ｂ）に示すパルス幅Ｐｗ２（＞Ｐｗ１）の駆動パルスで駆動する場合のほうが、明るくなる。

このようなＰＷＭ駆動方式は、駆動制御回路５００を、ＰＷＭ可能なデジタル回路とすることにより実現できる。つまり、駆動制御回路５００は、発光ダイオードＤ３側とＤ４側とを、独立に異なるパルス幅で変調する。それぞれのパルス幅は、温度モニタ６００（図１３等参照）からの出力をもとに制御する。このようなＰＷＭ駆動方式では、調整用の抵抗等のロスが少なくなり、省エネルギーを実現できる。
以上のように本発明の第２の実施の形態によれば、光出力や波長の温度変化を補償し、温度変化に対して安定な特性を示す発光装置が得られる。

なお、本発明は、上記第２の実施の形態に限定されるものではなく、発光ダイオードＤ３，Ｄ４の並列分岐回路に、複数のＬＥＤチップまたはＬＥＤパッケージを直列に接続した構成も含まれる。また、並列の分岐回路も、発光ダイオードＤ３，Ｄ４の２つに限ることなく、３つ以上を並列接続したものも含まれる。さらに、波長の組合せも種々適用可能である。

また、上記本発明の実施の形態では、温度範囲を２５℃〜８５℃としたが、より広い温度範囲にも拡張することが可能である。また、色々な波長のＬＥＤの温度特性に応じて、柔軟に電流制御をすることが可能である。
上記本発明の実施の形態にかかる温度特性に優れた発光装置は、それを搭載した灯具の性能を同様に向上できる。灯具と可視光発光装置は、一体化して初めて機能するものであり、分離することが難しいものである。本発明の温度補償機能を有する発光装置を灯具に搭載することにより、温度変化に対して安定な特性が補償された灯具を安価に実現できる。

本発明の第１の実施の形態かかる発光装置の回路構成図である。 本発明の第１の実施の形態かかる発光ダイオードの順方向電圧の温度特性を表す図である。 本発明の第１の実施の形態かかるＬＥＤチップの具体例を表す図である。 本発明の第１の実施の形態かかる発光ダイオードを近接して実装した場合のスペクトルの温度変化を表す図である。 本発明の第１の実施の形態にかかる発光装置の第１の具体例を表す模式斜視図である。 本発明の第１の実施の形態にかかる発光装置の第１の具体例を表す模式斜視図である。 本発明の第１の実施の形態にかかる発光装置の第１の具体例を表す模式斜視図である。 本発明の第２の実施の形態にかかる発光装置の構造の一例を表す模式斜視図である。 本発明の第２の実施の形態にかかる発光装置の構造の一例を表す模式斜視図である。 本発明の第２の実施の形態にかかる発光装置の構造の一例を表す模式斜視図である。 本発明の第１の実施の形態にかかる発光装置の第３の具体例を表す模式斜視図である。 本発明の第１の実施の形態にかかる発光装置の第３の具体例を表す回路構成図である。 本発明の第２の実施の形態にかかる発光装置を表す回路構成図である。 本発明の第２の実施の形態にかかる発光ダイオードの発光スペクトルおよびこれらの合成スペクトルを表す図である。 本発明の第２の実施の形態かかる発光装置の第１の具体例を表す模式斜視図である。 本発明の第２の実施の形態かかる発光装置の第１の具体例を表す回路構成図である。 本発明の第２の実施の形態かかる発光装置の第２の具体例を表す模式斜視図である。 本発明の第２の実施の形態かかる発光装置の第３の具体例を表す模式斜視図である。 本発明の第２の実施の形態かかる発光装置の第４の具体例を表す回路構成図である。 本発明の第２の実施の形態かかる発光装置の第５の具体例を表す回路構成図である。 本発明の第２の実施の形態かかる発光装置の第６の具体例を表す模式斜視図である。 本発明の第２の実施の形態かかる発光装置の第６の具体例との比較例を表す模式斜視図である。 本発明の第２の実施の形態かかる発光装置の第６の具体例との比較例の発光スペクトルを表す図である。 本発明の第２の実施の形態かかる駆動制御回路の具体例を表す駆動波形図である。 ＬＥＤの発光スペクトルの温度変化の一例を表す図である。 ＬＥＤのドミナント波長の温度変化の一例を表す図である。 ＬＥＤの光度の温度変化の一例を表す図である。

符号の説明

１ ＬＥＤチップ、 ２ 電極パッド、 ３ 金ワイヤ、 ４ 電極網、 １１ カソード側リードフレーム、 １２ アノード側リードフレーム、 ２０ 外囲器、 ２１ 上面開口部、 ３０ 透明樹脂材料、 ４０ ＳＭＤ型ＬＥＤパッケージ、 ４５ ピラニア型ＬＥＤパッケージ、 ８０ ＹＡＧ蛍光体、 １００ 基板、 １１０ カソード側半田パターン、 １１１，１１２ 半田、 １２０ アノード側半田パターン、 １２１ 半田、 １３０ 抵抗素子、 ５００ 駆動制御回路、 ６００ 温度モニタ、 ６０１ ＮＴＣサーミスタ、 ６５０ フォトダイオード、 Ｄ１，Ｄ２，Ｄ３，Ｄ４ 発光ダイオード（ＬＥＤ）

Claims (14)

1. 並列に接続された第１の半導体発光素子と第２の半導体発光素子とを備え、
   前記第１の半導体発光素子は、前記第２の半導体発光素子よりも高い発光効率を有し、
   前記第１の半導体発光素子の直列抵抗の温度係数は負であり、
   前記第１の半導体発光素子の前記直列抵抗の前記温度係数の絶対値は、前記第２の半導体発光素子の直列抵抗の温度係数の絶対値よりも大きい
   ことを特徴とする発光装置。
2. 前記第１の半導体発光素子は発光ピーク波長は、前記第２の半導体発光素子の発光ピーク波長よりも短いことを特徴とする請求項１記載の発光装置。
3. 前記第１及び第２の半導体発光素子は、光を取り出す表面に形成された電極網を有し、
   前記第１の半導体発光素子の前記電極網の密度は、前記第２の半導体発光素子の前記電極網の密度よりも低いことを特徴とする請求項１または２に記載の発光装置。
4. 前記第１の半導体発光素子を収容した第１のパッケージと、
   前記第２の半導体発光素子を収容した第２のパッケージと、
   前記第１及び第２のパッケージが実装された基板と、
   をさらに備えたことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１つに記載の発光装置。
5. 前記第１の半導体発光素子の直列抵抗の温度係数と、と前記第２の半導体発光素子の直列抵抗の温度係数と、の差を大きくする抵抗素子をさらに備え、
   前記抵抗素子は、前記基板に実装され、前記第１の半導体発光素子または前記第２の半導体発光素子に直列に接続されている
   ことを特徴とする請求項４記載の発光装置。
6. 低温時よりも高温時における発光ピーク波長が第１の波長に近い第１の半導体発光素子と、
   高温時よりも低温時における発光ピーク波長が前記第１の波長に近い第２の半導体発光素子と、
   前記第１及び第２の半導体発光素子の少なくともいずれかまたはその周囲の温度を直接または間接的に検知する温度検知手段と、
   前記温度検知手段による検知結果をもとに、高温時には前記第１の半導体発光素子を強く発光させ、低温時には前記第２の半導体発光素子を発光させる駆動制御手段と、
   を備え、
   前記第１の半導体発光素子と前記第２の半導体発光素子の出力光との合成スペクトルを出力する
   ことを特徴とする発光装置。
7. 前記第１の半導体発光素子の発光効率は、前記第２の半導体発光素子の発光効率よりも大きいことを特徴とする請求項６記載の発光装置。
8. 複数の前記第１の半導体発光素子が、直列に接続されていることを特徴とする請求項６記載の発光装置。
9. 前記第１の半導体発光素子と前記第２の半導体発光素子とが並列に接続され、
   前記温度検知手段および前記駆動制御手段は、前記第１の半導体発光素子に直列に接続された負の温度係数を有する抵抗素子、もしくは前記第２の半導体発光素子に直列に接続された正の温度係数を有する抵抗素子を有する
   ことを特徴とする請求項６〜８のいずれか１つに記載の発光装置。
10. 前記温度検知手段は、前記第１の半導体発光素子または前記第２の半導体発光素子の光出力を検出することによって温度を検知することを特徴とする請求項６〜８のいずれか１つに記載の発光装置。
11. 前記駆動制御手段は、ＰＷＭ駆動方式によって前記第１の半導体発光素子および前記第２の半導体発光素子を発光させることを特徴とする請求項６〜８及び１０のいずれか１つに記載の発光装置。
12. 前記半導体発光素子は、ＡｌＩｎＧａＰ系材料からなる活性層を有する発光ダイオードであり、
    前記第１の波長は、５６０ｎｍ以上６１０ｎｍ以下である
    ことを特徴とする請求項６〜１１のいずれか１つに記載の発光装置。
13. 前記第１の波長は、５５５ｎｍより短く、
    前記第１及び第２の半導体発光素子からの出力光によって励起される波長変換材料をさらに備えたことを特徴とする請求項６〜１１のいずれか１つに記載の発光装置。
14. 請求項１〜１３のいずれか１つに記載の発光装置を備えたことを特徴とする灯具。

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