JP2005276976A - Led source and led lighting device - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an LED lighting device which uses only one kind of LED chip. <P>SOLUTION: The LED source is provided with an LED chip which emits a first light, and a wavelength converter which includes a phosphor for absorbing at least one part of the first light and emitting a second light whose wavelength is longer than that of the first light. The dominant wavelength of the first light is set, so that the absolute value of the gradient (ΔK/Δλ) of the curve which represents the wavelength dependency of the internal quantum efficiency of a phosphor may be included in the wavelength range which becomes 1%/nm or more. <P>COPYRIGHT: (C)2006,JPO&NCIPI

Description

本発明は、入力電流の制御により光色可変を可能としたLED(Light Emitting Diode)光源およびLED照明装置に関する。   The present invention relates to an LED (Light Emitting Diode) light source and an LED illumination device that can change the light color by controlling an input current.

LED照明装置には、(1)異なる発光波長域を有する複数種類のLEDを組み合わせて白色光照明光を得るタイプの装置と、(2)1種類のLEDと蛍光体とを組み合わせて白色光を得るタイプの装置とに大別することができる。   In the LED illumination device, (1) a type of device that obtains white illumination light by combining a plurality of types of LEDs having different emission wavelength ranges, and (2) a white light is obtained by combining one type of LED and a phosphor. It can be roughly divided into types of devices.

第1の色を発光する第1LEDチップと第2の色(第1の色とは異なる色)を発光する第2LEDチップとを備えたLED照明光源の場合、各LEDチップを駆動する電流の大きさを変化させたり、発光させるLEDチップを切り替えることにより、光色を変化させることができる。このような照明装置は、例えば特許文献1に開示されている。   In the case of an LED illumination light source including a first LED chip that emits a first color and a second LED chip that emits a second color (a color different from the first color), the magnitude of the current that drives each LED chip The light color can be changed by changing the length or switching the LED chip to emit light. Such an illuminating device is disclosed in Patent Document 1, for example.

以下、図1を参照しながら特許文献1に記載された従来のLED照明装置を説明する。この装置は、図1に示す等価回路から明らかなように、第1の色を発光する第1LEDチップ301a、301bおよび第2の色を発光する第2LEDチップ302a、302bを備えており、4つのLEDチップ301a、301b、302a、302bが対向配置のダイオードブリッジを構成している。   Hereinafter, a conventional LED lighting device described in Patent Document 1 will be described with reference to FIG. As is apparent from the equivalent circuit shown in FIG. 1, this device includes first LED chips 301a and 301b that emit light of a first color and second LED chips 302a and 302b that emit light of a second color. The LED chips 301a, 301b, 302a, and 302b constitute a diode bridge that is opposed to each other.

第1LEDチップ301aのアノードと第2LEDチップ302bのカソードとを接続する部分が電源入力端子303Aに接続され、第2LEDチップ302aのアノードと第1LEDチップ301bのカソードとを接続する部分が電源入力端子303Bに接続されている。また、第1LEDチップ301aのカソードと第1LEDチップ301bのアノードとは、抵抗Rを介して接続されている。   A portion connecting the anode of the first LED chip 301a and the cathode of the second LED chip 302b is connected to the power input terminal 303A, and a portion connecting the anode of the second LED chip 302a and the cathode of the first LED chip 301b is the power input terminal 303B. It is connected to the. The cathode of the first LED chip 301a and the anode of the first LED chip 301b are connected via a resistor R.

このような構成を有するLED照明装置において、電源入力端子303Aに正の電位を与え、電源入力端子303Bに負の電位を与えると、抵抗Rを介して直列的に接続された2つの第1LEDチップ301a、301bを電流が流れるため、第1LEDチップ301a、301bが発光する。   In the LED lighting device having such a configuration, when a positive potential is applied to the power input terminal 303A and a negative potential is applied to the power input terminal 303B, two first LED chips connected in series via the resistor R Since current flows through 301a and 301b, the first LED chips 301a and 301b emit light.

次に、電源入力端子303Aに負電位を与え、電源入力端子303Bに正電位を与えると、抵抗Rを介して直列的に接続された2つの第2LEDチップ302a、302bを電流が流れるため、第2LEDチップ302a、302bが発光する。   Next, when a negative potential is applied to the power input terminal 303A and a positive potential is applied to the power input terminal 303B, current flows through the two second LED chips 302a and 302b connected in series via the resistor R. 2LED chips 302a and 302b emit light.

図1の構成を有する従来のLED照明装置では、上記のようにして2種類のLEDチップを選択的に発光させることにより、照明光の光色を変化させることが可能になる。
特開平6−188457号公報(段落番号0011〜0014、図1を参照)
In the conventional LED lighting device having the configuration of FIG. 1, it is possible to change the light color of the illumination light by selectively emitting light of the two types of LED chips as described above.
Japanese Patent Laid-Open No. 6-188457 (see paragraph numbers 0011 to 0014, FIG. 1)

しかしながら、図1に示す回路構成を有する従来のLED照明装置では、第1の色を発光する第1LEDチップ301a、301bと第2の色を発光する第2LEDチップ302a、302bの2種類(複数個)のLEDチップを使用しなければ、光色を変化させることができない。そのため、このタイプのLED照明装置には、価格が高く、小型化が困難であり、しかも駆動回路が複雑になるという課題がある。   However, in the conventional LED lighting device having the circuit configuration shown in FIG. 1, there are two types (a plurality of first LED chips 301a and 301b that emit a first color and second LED chips 302a and 302b that emit a second color). If the LED chip is not used, the light color cannot be changed. For this reason, this type of LED lighting device has the problems of high cost, difficulty in miniaturization, and a complicated driving circuit.

本発明は、上記課題を解決するためになされためものであり、その目的とするところは、1種類のLEDチップを使用して、駆動電流の制御によって簡単に光色を変化させることができるLED照明装置を提供することにある。   The present invention is made in order to solve the above-mentioned problems, and an object of the present invention is to use one type of LED chip and easily change the light color by controlling the drive current. The object is to provide a lighting device.

本発明のLED光源は、第1の光を放射するLEDチップと、前記第1の光の少なくも一部を吸収して前記第1の光よりも波長の長い第2の光を発する蛍光体を含む波長変換部とを備えたLED光源であって、前記蛍光体の内部量子効率の波長依存性を示す曲線の勾配の絶対値が1[%/nm]以上となる波長範囲に含まれるように前記第1の光の主波長が設定されている。   The LED light source of the present invention includes an LED chip that emits first light, and a phosphor that emits second light having a wavelength longer than that of the first light by absorbing at least a part of the first light. An LED light source including a wavelength conversion unit including a wavelength conversion unit including a wavelength conversion unit that includes an absolute value of a slope of a curve indicating the wavelength dependence of the internal quantum efficiency of the phosphor so as to be included in a wavelength range of 1 [% / nm] or more. The primary wavelength of the first light is set.

好ましい実施形態において、前記LEDチップは、入力電流に応じて前記第1の光の主波長を5nm以上変化させる。   In a preferred embodiment, the LED chip changes the dominant wavelength of the first light by 5 nm or more according to an input current.

好ましい実施形態において、前記波長変換部は、前記蛍光体を含む2種以上の蛍光体を含有している。   In preferable embodiment, the said wavelength conversion part contains 2 or more types of fluorescent substance containing the said fluorescent substance.

好ましい実施形態において、前記LEDチップは、基板上にフリップチップ状態で実装されている。   In a preferred embodiment, the LED chip is mounted on a substrate in a flip chip state.

好ましい実施形態において、前記基板は、前記LEDチップのアノードおよびカソードに接続された配線パターンを有している。   In a preferred embodiment, the substrate has a wiring pattern connected to the anode and cathode of the LED chip.

本発明のLED照明装置は、上記いずれかのLED光源と、前記LED光源から放射される光の色温度を変化させる色温度可変手段とを備えたLED照明装置であって、前記色温度可変手段は、前記LEDチップが放射する光の主波長をシフトさせ、前記LED光源から放射される光の色温度を変化させる。   The LED illumination device according to the present invention is an LED illumination device including any one of the LED light sources described above and a color temperature variable unit that changes a color temperature of light emitted from the LED light source, and the color temperature variable unit. Shifts the dominant wavelength of the light emitted by the LED chip, and changes the color temperature of the light emitted from the LED light source.

好ましい実施形態において、前記色温度可変手段は、前記LED光源のLEDチップを駆動する電流を前記LEDチップに供給する回路を有しており、前記電流の大きさを変えることによって前記LEDチップが放射する光の主波長をシフトさせる。   In a preferred embodiment, the color temperature varying means has a circuit that supplies a current for driving the LED chip of the LED light source to the LED chip, and the LED chip emits light by changing the magnitude of the current. Shift the dominant wavelength of the light to be transmitted.

好ましい実施形態において、前記色温度可変手段は、前記LEDチップの温度を変化させる温度調節素子を有しており、前記温度を変えることによって前記LEDチップが放射する光の主波長をシフトさせる。   In a preferred embodiment, the color temperature variable means has a temperature adjusting element that changes the temperature of the LED chip, and shifts the dominant wavelength of light emitted by the LED chip by changing the temperature.

好ましい実施形態において、前記温度調節素子は、ヒートシンクを有している。   In a preferred embodiment, the temperature adjustment element has a heat sink.

好ましい実施形態において、前記温度調節素子は、ペルチェ素子を有している。   In a preferred embodiment, the temperature adjusting element has a Peltier element.

好ましい実施形態において、前記色温度可変手段は、前記LED素子の主波長を5nm以上シフトさせることができるLED照明装置。   In a preferred embodiment, the color temperature varying means is an LED lighting device capable of shifting the main wavelength of the LED element by 5 nm or more.

本発明によれば、蛍光体の内部量子効率の波長依存性を利用し、励起光の主波長を制御することによって蛍光体の発光効率を変化させ、LED照明光源から放射される照明光の分光分布を変化させることができる。このため、主波長が異なる複数種類のLEDチップを用いることなく、簡単な駆動回路で色温度を変化させられる小型のLED照明装置を安価に提供することが可能になる。   According to the present invention, by utilizing the wavelength dependence of the internal quantum efficiency of the phosphor, the luminous efficiency of the phosphor is changed by controlling the dominant wavelength of the excitation light, and the spectrum of the illumination light emitted from the LED illumination light source The distribution can be changed. For this reason, it is possible to provide a small LED lighting device that can change the color temperature with a simple drive circuit at low cost without using a plurality of types of LED chips having different main wavelengths.

まず、図2(a)および(b)を参照しながら、本発明によるLED照明光源の基本的構成を説明する。図2(a)は、本発明によるLED照明装置の断面構成例を示しており、図2(b)は、その平面構成例を示している。   First, the basic configuration of the LED illumination light source according to the present invention will be described with reference to FIGS. 2 (a) and 2 (b). Fig.2 (a) has shown the cross-sectional structural example of the LED illuminating device by this invention, and FIG.2 (b) has shown the planar structural example.

図示されているLED照明装置は、電流を光に変換するLEDチップ101と、LEDチップ101から放射された光の一部を吸収して吸収光の波長よりも長い波長の光を放出する波長変換部102と、LEDチップ101および波長変換部102を支持する基板103とを備えている。基板103は、LEDチップ101に電流を与える電源入力端子303A、303Bを有している。電源入力端子303A、303Bは、駆動回路(点灯回路)に接続される。   The LED lighting apparatus shown in the figure is an LED chip 101 that converts current into light, and wavelength conversion that absorbs part of the light emitted from the LED chip 101 and emits light having a wavelength longer than the wavelength of the absorbed light. And a substrate 103 that supports the LED chip 101 and the wavelength conversion unit 102. The substrate 103 has power input terminals 303 </ b> A and 303 </ b> B that apply current to the LED chip 101. The power input terminals 303A and 303B are connected to a drive circuit (lighting circuit).

基板103上に搭載されたLEDチップ101は、蛍光体を含む樹脂などから形成された波長変換部102によって被覆されている。LEDチップ101は、典型的には、例えば数mm角の略直方体の形状を有する化合物半導体素子から構成されている。波長変換部102は、例えば図2(b)に示すようにLEDチップ101の側面を完全に被覆する円柱形状を有している。   The LED chip 101 mounted on the substrate 103 is covered with a wavelength conversion unit 102 formed from a resin containing phosphor. The LED chip 101 is typically composed of a compound semiconductor element having a substantially rectangular parallelepiped shape, for example, several mm square. The wavelength converter 102 has a cylindrical shape that completely covers the side surface of the LED chip 101, for example, as shown in FIG.

LEDチップ101は、好ましくはフリップチップ実装により基板103上に搭載されている。この場合、LEDチップ101のアノードおよびカソードの電極(不図示)は基板103上の電極と接触し、接着層を介して基板103の主面に固着している。   The LED chip 101 is preferably mounted on the substrate 103 by flip chip mounting. In this case, the anode and cathode electrodes (not shown) of the LED chip 101 are in contact with the electrodes on the substrate 103 and are fixed to the main surface of the substrate 103 via an adhesive layer.

基板103は、例えば配線パターン層が形成された基板であり、ガラスエポキシ基板や放熱性の高い金属ベースを用いて作製される。   The substrate 103 is a substrate on which, for example, a wiring pattern layer is formed, and is manufactured using a glass epoxy substrate or a metal base having high heat dissipation.

なお、図2(a)および(b)に示す例では、1つの基板103上に1つのLEDチップ101が配置されているが、複数のLEDチップ101が1つの基板103上に集積されていても良い。その場合、波長変換部101は、個々のLEDチップを別々に被覆するように設けられていても良いし、また複数のLEDチップを1つの波長変換部が覆っていてもよい。   In the example shown in FIGS. 2A and 2B, one LED chip 101 is arranged on one substrate 103, but a plurality of LED chips 101 are integrated on one substrate 103. Also good. In that case, the wavelength conversion unit 101 may be provided so as to cover each LED chip separately, or one wavelength conversion unit may cover a plurality of LED chips.

本発明の好ましい実施形態では、図2(b)に示す回路により、電源入力端子303Aに正電位を、電源入力端子303Bに負電位を与えることにより、例えば5mAの入力電流でLEDチップ101を発光させる。すると、LEDチップ101は例えば500nm以下に主波長を有する光を放射する。このとき、LEDチップ101を覆っている波長変換部102の蛍光体は、LEDチップ101から放射された光の少なくとも一部によって励起され、主波長よりも長波長側の光に変換して放射する。この結果、LEDチップ101から放射された光と蛍光体から生じる光(蛍光)とが混合して照明光が構成されることになる。   In a preferred embodiment of the present invention, by applying a positive potential to the power input terminal 303A and a negative potential to the power input terminal 303B by the circuit shown in FIG. 2B, the LED chip 101 emits light with an input current of 5 mA, for example. Let Then, LED chip 101 radiates | emits the light which has a dominant wavelength in 500 nm or less, for example. At this time, the phosphor of the wavelength conversion unit 102 covering the LED chip 101 is excited by at least a part of the light emitted from the LED chip 101, converted into light having a wavelength longer than the main wavelength, and emitted. . As a result, the light emitted from the LED chip 101 and the light (fluorescence) generated from the phosphor are mixed to form illumination light.

次に、本発明のLED照明装置における色温度の可変原理を説明する。   Next, the variable principle of the color temperature in the LED lighting device of the present invention will be described.

図3は、典型的なYAG蛍光体((Y,Gd)3Al512:Ce、セリウム添加イットリウム・アルミニウム・ガーネット)における内部量子効率の励起波長依存性を示すグラフである。図3の横軸は励起光の波長、縦軸は内部量子効率を示す。なお、「内部量子効率」とは、蛍光体に吸収された励起光の光量子数に対する蛍光の光量子数の割合を示す値である。ある波長に対する内部量子効率が高い場合、その波長の励起光の強度が同じでも、蛍光の強度が高まる。 FIG. 3 is a graph showing the excitation wavelength dependence of internal quantum efficiency in a typical YAG phosphor ((Y, Gd) 3 Al 5 O 12 : Ce, cerium-doped yttrium / aluminum / garnet). The horizontal axis of FIG. 3 indicates the wavelength of the excitation light, and the vertical axis indicates the internal quantum efficiency. The “internal quantum efficiency” is a value indicating the ratio of the photon number of fluorescence to the photon number of excitation light absorbed by the phosphor. When the internal quantum efficiency for a certain wavelength is high, the intensity of fluorescence increases even if the intensity of the excitation light of that wavelength is the same.

図3からわかるように、励起光の波長に応じて内部量子効率の大きく変化する領域が存在している。ここで、ある波長λから波長を僅かに変化させた場合の内部量子効率の変化を考える。波長の変化量をΔλ、この変化に対応する内部量子効率の変化をΔKとすると
き、S=ΔK/Δλは、波長λにおける内部量子効率の「勾配」を示している。
As can be seen from FIG. 3, there is a region in which the internal quantum efficiency varies greatly depending on the wavelength of the excitation light. Here, consider the change in internal quantum efficiency when the wavelength is slightly changed from a certain wavelength λ. S = ΔK / Δλ indicates the “gradient” of the internal quantum efficiency at the wavelength λ, where Δλ is the amount of change in wavelength and ΔK is the change in internal quantum efficiency corresponding to this change.

図3の領域I(波長:380〜410nm)における勾配Sは正であるが、領域II(波長:350〜370nm)における勾配Sは負である。本発明では、領域Iや領域IIのように勾配Sの絶対値が大きな領域に主波長を有する光で蛍光体を励起する。すなわち、図3に示すような特性を有する蛍光体で波長変換部102を形成した場合、LEDチップ101の主波長を数nmだけ変化させることができれば、蛍光体によって波長変換される光量子数が大きく変化するため、照明光の光色を広い範囲で変化させることが可能になる。   The gradient S in the region I (wavelength: 380 to 410 nm) in FIG. 3 is positive, but the gradient S in the region II (wavelength: 350 to 370 nm) is negative. In the present invention, the phosphor is excited with light having a dominant wavelength in a region where the absolute value of the gradient S is large, such as the region I or region II. That is, when the wavelength conversion unit 102 is formed of a phosphor having the characteristics shown in FIG. 3, if the main wavelength of the LED chip 101 can be changed by several nm, the photon number that is wavelength-converted by the phosphor increases. Since it changes, it becomes possible to change the light color of illumination light in a wide range.

通常のLED照明光源では、光の発光効率(lm/W)を最も重視するため、蛍光体は、その内部量子効率が最も高くなるように開発・調整される。したがって、図3に示すような内部量子効率特性を持つYAG蛍光体((Y,Gd)3Al512:Ce)を使用してLED照明装置を作製する場合は、主波長が例えば470nmになるようなLEDチップが採用される。 In a normal LED illumination light source, since the light emission efficiency (lm / W) is most important, the phosphor is developed and adjusted so that its internal quantum efficiency is the highest. Therefore, when an LED illumination device is manufactured using a YAG phosphor ((Y, Gd) 3 Al 5 O 12 : Ce) having an internal quantum efficiency characteristic as shown in FIG. 3, the main wavelength is set to 470 nm, for example. Such LED chip is adopted.

このような従来の技術常識に反して、本発明では、蛍光体の内部量子効率が波長に依存して大きく変化する励起波長範囲をあえて積極的に利用する。より具体的には、5nmの励起波長変化に対して、蛍光体の内部量子効率が5%以上変化する励起波長領域を利用する。すなわち、内部量子効率の励起波長依存性を示す曲線の勾配S[単位:%/nm]の絶対値が1[%/nm]以上となる領域を利用する。この勾配Sの絶対値が大きいほど、LEDチップから放射される光の主波長を僅かに変化させるだけで内部量子効率の大きな変化を引き起こすことができる。このため、勾配Sの絶対値の好ましい下限値は2[%/nm]であり、より好ましい下限値は、3[%/nm]である。   Contrary to such conventional technical common sense, in the present invention, an excitation wavelength range in which the internal quantum efficiency of the phosphor greatly varies depending on the wavelength is used positively. More specifically, an excitation wavelength region in which the internal quantum efficiency of the phosphor changes by 5% or more with respect to an excitation wavelength change of 5 nm is used. That is, a region where the absolute value of the slope S [unit:% / nm] of the curve indicating the excitation wavelength dependence of the internal quantum efficiency is 1 [% / nm] or more is used. The larger the absolute value of the gradient S, the greater the change in internal quantum efficiency can be caused by slightly changing the dominant wavelength of light emitted from the LED chip. For this reason, the preferable lower limit of the absolute value of the gradient S is 2 [% / nm], and the more preferable lower limit is 3 [% / nm].

次に、図4および図5を参照しながら、蛍光体に与える励起光の波長変化方法を説明する。   Next, a method for changing the wavelength of excitation light applied to the phosphor will be described with reference to FIGS.

図4は、InxGa1-xN系の青色LEDチップから放射される光のスペクトルが入力電流に依存性してどのように変化するかを示すグラフである。グラフの縦軸は光の強度、横軸は波長である。入力電流は10μA(マイクロアンペア)から50mA(ミリアンペア)まで12段階で変化させている。入力電流の変化によってLEDチップの温度が変化しないようにLEDチップの表面温度を25℃に保持している。すなわち、図4のグラフは、LEDチップの温度を一定にした場合における主波長の電流依存性を示している。 FIG. 4 is a graph showing how the spectrum of light emitted from an In x Ga 1-x N-based blue LED chip changes depending on the input current. The vertical axis of the graph is the light intensity, and the horizontal axis is the wavelength. The input current is changed in 12 steps from 10 μA (microampere) to 50 mA (milliampere). The surface temperature of the LED chip is kept at 25 ° C. so that the temperature of the LED chip does not change due to the change of the input current. That is, the graph of FIG. 4 shows the current dependence of the dominant wavelength when the temperature of the LED chip is constant.

図4からわかるように、入力電流が10μm〜5mAの範囲では、LEDチップの主波長はほとんど変化しないが、入力電流を5mAから50mAに増加させると、LEDチップの主波長を5nm程度短くすることができる。このようにチップ温度が一定に保たれている場合は、注入電流の増加によって主波長が短波長側にシフトする。   As can be seen from FIG. 4, when the input current is in the range of 10 μm to 5 mA, the main wavelength of the LED chip hardly changes, but when the input current is increased from 5 mA to 50 mA, the main wavelength of the LED chip is shortened by about 5 nm. Can do. In this way, when the chip temperature is kept constant, the dominant wavelength shifts to the short wavelength side due to the increase of the injection current.

一方、図5は、LEDチップ温度を一定に保持しない状態で入力電流が20mAおよび80mAのときの放射光スペクトを示すグラフである。LEDチップの主波長は、注入電流を20mAから80mAに増加させることによって長波長側に5nm程度シフトしている。このシフト方向は、図4に示す場合とは逆である。このシフトは、電流を20mAから80mAに増加させることによってチップ温度が上昇したために生じ、図4に示すシフトとは原因が異なっている。   On the other hand, FIG. 5 is a graph showing a synchrotron radiation spectrum when the input current is 20 mA and 80 mA without keeping the LED chip temperature constant. The main wavelength of the LED chip is shifted to the long wavelength side by about 5 nm by increasing the injection current from 20 mA to 80 mA. This shift direction is opposite to that shown in FIG. This shift occurs because the chip temperature is increased by increasing the current from 20 mA to 80 mA, and the cause is different from the shift shown in FIG.

以上の説明から明らかなように、LEDチップの入力電流および温度を調節することにより、LEDチップから放射される光の主波長を5nm以上増減することができる。そして、LEDチップの放射する光の分光分布を僅かに変化させるだけでも、前述した蛍光体の内部量子効率変化の勾配が大きな波長域を利用すれば、照明光の光色を広い範囲で制御することが可能となる。   As is clear from the above description, the main wavelength of light emitted from the LED chip can be increased or decreased by 5 nm or more by adjusting the input current and temperature of the LED chip. Even if the spectral distribution of the light emitted from the LED chip is slightly changed, the light color of the illumination light can be controlled in a wide range by using the wavelength range in which the gradient of the internal quantum efficiency change of the phosphor is large. It becomes possible.

以下、図面を参照しながら、本発明の実施形態を詳細に説明する。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.

(実施形態1)
まず図6を参照する。図6は、本発明によるLED照明装置の第1の実施形態の断面構成を示している。
(Embodiment 1)
Reference is first made to FIG. FIG. 6 shows a cross-sectional configuration of the first embodiment of the LED lighting device according to the present invention.

図示されているLED光源は、電流を光に変換するLEDチップ101と、LEDチップ101から放射された光の一部を吸収して励起光波長よりも長い波長の光を放出する波長変換部102と、LEDチップ101および波長変換部102を支持する基板103とを備えている。基板103は、LEDチップ101に電流を供給するための電源入力端子303A、303Bを有している。また、本実施形態では、基板103上にLEDチップ101および波長変換部102を取り囲む開口部を有する反射板601が設けられている。この反射板601の開口部は、凹面状に傾斜した内壁面を有しており、この内壁面が反射面として機能する。電源入力端子303A、303Bは、LEDチップ101を流れる電流を調節する回路(不図示)に接続されている。   The illustrated LED light source includes an LED chip 101 that converts current into light, and a wavelength conversion unit 102 that absorbs part of the light emitted from the LED chip 101 and emits light having a wavelength longer than the excitation light wavelength. And a substrate 103 that supports the LED chip 101 and the wavelength conversion unit 102. The substrate 103 has power input terminals 303A and 303B for supplying current to the LED chip 101. In the present embodiment, a reflector 601 having an opening surrounding the LED chip 101 and the wavelength conversion unit 102 is provided on the substrate 103. The opening of the reflecting plate 601 has an inner wall surface that is inclined in a concave shape, and this inner wall surface functions as a reflecting surface. The power input terminals 303A and 303B are connected to a circuit (not shown) that adjusts the current flowing through the LED chip 101.

LEDチップ101としては、フリップチップ方式で実装しやすい小型矩形形状のものを用いることが好ましい。具体的には、一辺の長さが0.3mm〜2mm程度のチップを使用することが好ましい。本実施形態で用いるLEDチップ101のサイズは、例えば0.3mm×0.3mm×厚さ1mmである。このLEDチップ101は、後述するように、入力電流5mAにおいて390nmに主波長を有する青紫色LED素子である。   As the LED chip 101, it is preferable to use a small rectangular shape that can be easily mounted by a flip chip method. Specifically, it is preferable to use a chip having a side length of about 0.3 mm to 2 mm. The size of the LED chip 101 used in this embodiment is, for example, 0.3 mm × 0.3 mm × thickness 1 mm. As will be described later, the LED chip 101 is a blue-violet LED element having a dominant wavelength of 390 nm at an input current of 5 mA.

波長変換部102は、好適には円柱状の樹脂から形成され、LEDチップ101の周りを覆っている。本実施形態では、波長変換部102の蛍光体は、YAG蛍光体((Y,Gd)3Al512:Ce)であり、その内部量子効率の波長依存性は図3に示すとおりである。本実施形態の波長変化部102は、例えばスクリーン印刷方式によって形成することができる。この場合、樹脂材料などからなる蛍光体ペーストをスキージなどの部材によってメタルマスク(孔版)上に塗布し、メタルマスクに設けた孔によって規定される形状を有する樹脂部を基板上103上の任意の位置に形成することができる。樹脂ペーストに含まれる蛍光体の重量比率は、例えば15〜85%程度に調節される。 The wavelength conversion unit 102 is preferably formed of a columnar resin and covers the periphery of the LED chip 101. In the present embodiment, the phosphor of the wavelength conversion unit 102 is a YAG phosphor ((Y, Gd) 3 Al 5 O 12 : Ce), and the wavelength dependence of the internal quantum efficiency is as shown in FIG. . The wavelength changing unit 102 of this embodiment can be formed by, for example, a screen printing method. In this case, a phosphor paste made of a resin material or the like is applied onto a metal mask (stencil plate) by a member such as a squeegee, and a resin portion having a shape defined by a hole provided in the metal mask is formed on an arbitrary surface on the substrate 103. Can be formed in position. The weight ratio of the phosphor contained in the resin paste is adjusted to, for example, about 15 to 85%.

本実施形態の基板103は、ガラスエポキシ基板から形成されている。この基板103のサイズは、例えば厚さが1mmで平面サイズは5mm角である。基板103のサイズは用途によって任意の大きさに設定される。多数のLEDチップを搭載できるように数cm角〜数十cm角の基板を用いても良い。   The substrate 103 of this embodiment is formed from a glass epoxy substrate. For example, the substrate 103 has a thickness of 1 mm and a planar size of 5 mm square. The size of the substrate 103 is set to an arbitrary size depending on the application. A substrate of several centimeters to several tens of centimeters may be used so that a large number of LED chips can be mounted.

反射板601は、例えばアルミニウムなどの金属プレート(厚さ1mm程度)から形成され、基板103の主面に接着される。反射板601は、LEDチップ101及び蛍光体102から放射された光のうち、横方向に出た光を反射し、照明対象物の位置する方向へ偏向する。これにより、光の取出し効率が向上する。なお、反射板601の開口部を他の樹脂で埋めても良い。その樹脂にレンズ形状を付与すれば、光の集光率を更に高めることができる。   The reflection plate 601 is formed from a metal plate (thickness of about 1 mm) such as aluminum and bonded to the main surface of the substrate 103. The reflection plate 601 reflects light emitted in the horizontal direction out of the light emitted from the LED chip 101 and the phosphor 102 and deflects it in the direction in which the illumination object is located. Thereby, the light extraction efficiency is improved. Note that the opening of the reflecting plate 601 may be filled with another resin. If a lens shape is given to the resin, the light collection rate can be further increased.

基板103上の電源入力端子303A、303Bは、それぞれ、図7に示すように、LEDチップ101のアノードおよびカソードに接続されている。また、電源入力端子303A、303Bは、それぞれ、駆動回路(色温度可変手段)に接続されている。LEDチップ101を流れる電流の大きさは、駆動回路が電源入力端子303A、303Bに与える電位差を調節することにより、所定範囲で任意のレベルに制御される。   The power input terminals 303A and 303B on the substrate 103 are respectively connected to the anode and cathode of the LED chip 101 as shown in FIG. The power input terminals 303A and 303B are each connected to a drive circuit (color temperature varying means). The magnitude of the current flowing through the LED chip 101 is controlled to an arbitrary level within a predetermined range by adjusting the potential difference applied to the power input terminals 303A and 303B by the drive circuit.

以下、図6に示すLED照明装置の動作を説明する。   Hereinafter, the operation of the LED lighting device shown in FIG. 6 will be described.

駆動回路によって電源入力端子303Aに正電位、電源入力端子303Bに負電位を付与すると、LEDチップ101のアノード−カソード間に電流が流れる。この電流により、LEDチップ101の活性層に電荷(電子・正孔)が注入されるため、再結合によって生じた光がLEDチップ101から発せられる。本実施形態で使用するLEDチップ101からは、図8に示すスペクトルを持つ光が放射される。図8のグラフの縦軸は放射光の相対エネルギー(%)、横軸は波長(nm)である。図8からわかるようにLEDチップ101から出る光は390mmに主波長を有している(入力電流:5mA)。   When a positive potential is applied to the power input terminal 303A and a negative potential is applied to the power input terminal 303B by the drive circuit, a current flows between the anode and the cathode of the LED chip 101. Due to this current, charges (electrons and holes) are injected into the active layer of the LED chip 101, so that light generated by recombination is emitted from the LED chip 101. Light having a spectrum shown in FIG. 8 is emitted from the LED chip 101 used in this embodiment. The vertical axis of the graph of FIG. 8 is the relative energy (%) of the emitted light, and the horizontal axis is the wavelength (nm). As can be seen from FIG. 8, the light emitted from the LED chip 101 has a dominant wavelength at 390 mm (input current: 5 mA).

LEDチップ101から出る光が図8に示すようなスペクトルを有しているため、波長変換部102の蛍光体は、主として波長390mmの光によって励起され、LEDチップ101の主波長よりも波長の長い蛍光を発する。本実施形態における蛍光体の内部量子効率は、図3に示すように波長390nm及びその近傍で、30%程度の内部量子効率を示し、その勾配Sは、+3[%/nm]程度である。この蛍光体からは、570nmにピークを有する黄色光が発せられる。   Since the light emitted from the LED chip 101 has a spectrum as shown in FIG. 8, the phosphor of the wavelength conversion unit 102 is mainly excited by light having a wavelength of 390 mm and has a wavelength longer than the main wavelength of the LED chip 101. Fluoresce. As shown in FIG. 3, the internal quantum efficiency of the phosphor in the present embodiment exhibits an internal quantum efficiency of about 30% at and around the wavelength of 390 nm, and the gradient S is about +3 [% / nm]. From this phosphor, yellow light having a peak at 570 nm is emitted.

このようなLEDチップ101および蛍光体102の各々から出た光が混合する結果、照明光は図9に示すように2つのピークを有する分光分布を示す。図9のグラフの縦軸は照明光の相対エネルギー(%)、横軸は波長(nm)である。   As a result of mixing of the light emitted from each of the LED chip 101 and the phosphor 102, the illumination light has a spectral distribution having two peaks as shown in FIG. The vertical axis of the graph of FIG. 9 is the relative energy (%) of the illumination light, and the horizontal axis is the wavelength (nm).

次に、電源入力端子303Aに正電位、電源入力端子303Bに負電位を与えながら、入力電流の大きさを5mAから40mAへ上昇させる。すると、LEDチップ101を流れる電流の大きさが増加し、発光波長の変化が引き起こされる。図10は、入力電流が40mAのときにLEDチップ101から放射される光のスペクトルを示している。図9からわかるように、主波長は395nmであり、入力電流が5mAのときの主波長(390nm、図8)に比べて5nm増大している。   Next, the magnitude of the input current is increased from 5 mA to 40 mA while applying a positive potential to the power input terminal 303A and a negative potential to the power input terminal 303B. Then, the magnitude of the current flowing through the LED chip 101 increases, causing a change in the emission wavelength. FIG. 10 shows a spectrum of light emitted from the LED chip 101 when the input current is 40 mA. As can be seen from FIG. 9, the dominant wavelength is 395 nm, an increase of 5 nm compared to the dominant wavelength (390 nm, FIG. 8) when the input current is 5 mA.

波長変換部102の蛍光体は、主として波長395mmの光によって励起され、LEDチップ101の主波長よりも波長の長い蛍光を発する。本実施形態の蛍光体の内部量子効率は、図3に示すように、波長395nm及びその近傍で、45%程度の内部量子効率を示す。   The phosphor of the wavelength conversion unit 102 is excited mainly by light having a wavelength of 395 mm, and emits fluorescence having a longer wavelength than the main wavelength of the LED chip 101. As shown in FIG. 3, the internal quantum efficiency of the phosphor of the present embodiment exhibits an internal quantum efficiency of about 45% at a wavelength of 395 nm and in the vicinity thereof.

このようなLEDチップ101および蛍光体102の各々から出た光が混合する結果、照明光は図11に示すように2つのピークを有する分光分布を示す。図11の分光分布と図9の分光分布とを比較すると、入力電流が5mAから40mAに増加するに伴って波長570nmの発光の相対エネルギーが10%程度増加することがわかる。その結果、照明光の色温度は大幅に変化する。すなわち、入力電流を5mAから40mAに変化させることにより、黄色蛍光体の内部量子効率が高い波長域の光成分が増加するため、蛍光体から放射される黄色の光の割合が増加し、色温度が低下することになる。   As a result of mixing the light emitted from each of the LED chip 101 and the phosphor 102, the illumination light has a spectral distribution having two peaks as shown in FIG. Comparing the spectral distribution of FIG. 11 with the spectral distribution of FIG. 9, it can be seen that as the input current increases from 5 mA to 40 mA, the relative energy of emission at a wavelength of 570 nm increases by about 10%. As a result, the color temperature of the illumination light changes significantly. That is, by changing the input current from 5 mA to 40 mA, the light component in the wavelength region where the internal quantum efficiency of the yellow phosphor is high increases, so the proportion of yellow light emitted from the phosphor increases, and the color temperature Will drop.

以上のように、本実施形態のLED照明装置では、入力電流を調節してLEDチップの発光波長を僅かにシフトさせるだけで、蛍光体から出る蛍光の相対エネルギーを大きく変化させることが可能になる。これは、蛍光体の内部量子効率が波長に応じて大きく変化する領域を積極的に利用することによって始めて実現することである。   As described above, in the LED lighting device of the present embodiment, the relative energy of the fluorescence emitted from the phosphor can be greatly changed by adjusting the input current and slightly shifting the emission wavelength of the LED chip. . This is realized for the first time by actively using a region in which the internal quantum efficiency of the phosphor greatly varies depending on the wavelength.

なお、本実施形態では、LEDチップ101として、主波長が390nmのLEDを用いているが、本発明は、これに限定されず、主波長が310nm〜440nmの範囲内にあるLED素子を用いることができる。ただし、青色光を発するLEDチップ101を用いる場合は、発光の主波長が440nm程度のLEDチップを用いることが好ましい。一方、青色を蛍光で補う場合は、LEDチップ101の主波長は紫外域、例えば310nm〜420nmの範囲内にあってもよい。   In this embodiment, an LED having a dominant wavelength of 390 nm is used as the LED chip 101. However, the present invention is not limited to this, and an LED element having a dominant wavelength in the range of 310 nm to 440 nm is used. Can do. However, when the LED chip 101 that emits blue light is used, it is preferable to use an LED chip having a dominant wavelength of light emission of about 440 nm. On the other hand, when blue is supplemented with fluorescence, the dominant wavelength of the LED chip 101 may be in the ultraviolet region, for example, in the range of 310 nm to 420 nm.

なお、蛍光体102も、主波長570nmのYAG蛍光体である必要はなく、主波長が540〜600nmの範囲内にある他の蛍光体であってもよい。   The phosphor 102 is not necessarily a YAG phosphor having a main wavelength of 570 nm, and may be another phosphor having a main wavelength in the range of 540 to 600 nm.

本発明では、LEDチップから放射される光の主波長を5nmシフトさせることにより蛍光体から放射される光の相対エネルギーを大きく変化させる。このために、上記の主波長近傍において蛍光体の内部量子効率の勾配(波長依存性)が大きいことが好ましい。本実施形態では、5[%/nm]の勾配を有する波長域にLEDチップの主波長を合わせているが、この勾配は、7[%/nm]以上であることが好ましく、10[%/nm]以上であることが更に好ましい。   In the present invention, the relative energy of the light emitted from the phosphor is greatly changed by shifting the main wavelength of the light emitted from the LED chip by 5 nm. For this reason, it is preferable that the gradient (wavelength dependence) of the internal quantum efficiency of the phosphor is large in the vicinity of the main wavelength. In the present embodiment, the main wavelength of the LED chip is adjusted to a wavelength region having a gradient of 5 [% / nm], and this gradient is preferably 7 [% / nm] or more, and 10 [% / nm]. nm] or more.

なお、上記の実施形態では、入力電流を増加する場合についての光色変化を説明しているが、入力電流を減少させることによっても光色を逆に変化させることができる。また、図3に示す曲線の勾配が正ではなく、負の波長域に主波長を持つLEDチップを用いる場合は、電流の増加によって主波長を増加させると、蛍光体から放射される黄色光の割合が減少するため、前述した実施形態とは反対の光色変化を実現することができる。このように入力電流を増加させてLEDチップから出る光の主波長を長くするときに、波長変換部の蛍光体から出る黄色光の割合が減少するLED照明光源によれば、入力電流の増加によって発光効率が増加する領域で色温度を高くすることができる。   In the above embodiment, the light color change in the case where the input current is increased has been described. However, the light color can be changed in reverse by decreasing the input current. In addition, when an LED chip having a dominant wavelength in the negative wavelength range is used instead of the slope of the curve shown in FIG. 3, if the dominant wavelength is increased by increasing the current, the yellow light emitted from the phosphor is increased. Since the ratio decreases, it is possible to realize a light color change opposite to that of the above-described embodiment. In this way, when the main wavelength of the light emitted from the LED chip is increased by increasing the input current, the ratio of the yellow light emitted from the phosphor of the wavelength conversion unit is reduced. The color temperature can be increased in a region where the luminous efficiency increases.

(実施形態2)
図12を参照しながら、本発明によるLED照明装置の第2の実施形態を説明する。図12は、図3に示す特性とは異なる特性を有する蛍光体の内部量子効率を示している。
(Embodiment 2)
A second embodiment of the LED lighting device according to the present invention will be described with reference to FIG. FIG. 12 shows the internal quantum efficiency of a phosphor having characteristics different from those shown in FIG.

本実施形態のLED照明装置は、図6に示す構成と同様の構成を有しており、本実施形態と実施形態1との間にある差異は、本実施形態では、主波長が490nm(入力電流5mA)の青色LEDチップ101を使用している点と、波長変換部102の蛍光体が、図12に示す内部量子効率特性を有している点にある。図12のグラフから明らかなように、励起波長が490nm以上になると、この蛍光体の内部量子効率は急激に減少する。   The LED lighting device of the present embodiment has a configuration similar to the configuration shown in FIG. 6. The difference between the present embodiment and the first embodiment is that the main wavelength is 490 nm (input) in this embodiment. The blue LED chip 101 having a current of 5 mA) is used, and the phosphor of the wavelength conversion unit 102 has the internal quantum efficiency characteristics shown in FIG. As is apparent from the graph of FIG. 12, when the excitation wavelength is 490 nm or more, the internal quantum efficiency of this phosphor decreases rapidly.

本実施形態では、入力電流が5mAのとき、LEDチップ101から490mmに主波長をもつ光が発せられる。LEDチップ101の周りを覆っている波長変換部102は、主に490mmの光に励起されて570nmにピークを有する蛍光を発する。   In the present embodiment, when the input current is 5 mA, light having a dominant wavelength is emitted from the LED chip 101 to 490 mm. The wavelength converter 102 covering the periphery of the LED chip 101 emits fluorescence having a peak at 570 nm when excited mainly by light of 490 mm.

入力電流が40mAに増加すると、LEDチップ101が放射する光の主波長が490nmから495mmにシフトする。入力電流が5mAのときに照明光に比べると、入力電流が40mAのときの照明光では、波長570nmの光の相対エネルギーが15%減少する。この結果、照明光の色温度は大幅に上昇することになる。すなわち、入力電流を5mAから40mAに増加させることにより、黄色の蛍光が少なくなるため、色温度が上昇する。   When the input current increases to 40 mA, the dominant wavelength of the light emitted from the LED chip 101 is shifted from 490 nm to 495 mm. Compared to illumination light when the input current is 5 mA, the relative energy of light having a wavelength of 570 nm is reduced by 15% in the illumination light when the input current is 40 mA. As a result, the color temperature of the illumination light is significantly increased. That is, by increasing the input current from 5 mA to 40 mA, the yellow fluorescence is reduced and the color temperature is increased.

このように本実施形態のLED照明装置によれば、図12に示すような内部量子効率特性を示す蛍光体を用い、しかも内部量子効率に大きな勾配が生じている部分に主波長を有するLEDチップを採用することにより、入力電流の変化のみによって光色の調節を行なうことができる。本実施形態では、LEDチップを駆動する電流を増加させるときに色温度を上昇させることができ、LED照明光源として好ましい利用が可能になる。すなわち、低電流時(暗いとき)には黄白であった照明光が、高電流時(明るいとき)には青白になるため、人間が照明に感じる快不快の傾向(クリニコフの快・不快曲線)に従った光色の変化を実現することができる。   As described above, according to the LED illumination device of the present embodiment, the LED chip using the phosphor having the internal quantum efficiency characteristics as shown in FIG. 12 and having the main wavelength in the portion where the internal quantum efficiency has a large gradient. By adopting, the light color can be adjusted only by the change of the input current. In the present embodiment, the color temperature can be increased when the current for driving the LED chip is increased, and it can be preferably used as an LED illumination light source. That is, the illumination light that was yellow and white at low currents (when dark), and bluish white at high currents (when bright), the tendency of humans to feel uncomfortable (Klinnikov's pleasant / uncomfortable curve) The change of the light color according to the above can be realized.

なお、本実施形態では、LEDチップ101として、主波長が490nmのLEDを用いているが、本発明は、これに限定されない。図12に示すような内部量子効率を示す蛍光体を使用する場合、主波長が480nm〜520nmの範囲内にあるLEDチップを用いることができる。また、蛍光体も、図12に示すような内部量子効率を示すものに限定されず、主波長が540〜600nmの蛍光体であれば、他の蛍光体材料を用いてもよい。   In the present embodiment, an LED having a dominant wavelength of 490 nm is used as the LED chip 101, but the present invention is not limited to this. When using the phosphor showing the internal quantum efficiency as shown in FIG. 12, an LED chip having a dominant wavelength in the range of 480 nm to 520 nm can be used. Further, the phosphor is not limited to the phosphor showing the internal quantum efficiency as shown in FIG. 12, and other phosphor materials may be used as long as the phosphor has a main wavelength of 540 to 600 nm.

(実施形態3)
図13は、本発明によるLED照明装置の第3の実施形態を示している。
(Embodiment 3)
FIG. 13 shows a third embodiment of the LED lighting device according to the present invention.

本実施形態では、LEDチップ101が通常のチップであり、電源入力端子303A、303Bがリードフレームによって構成されている。また、電源入力端子303BとLEDチップ101とは、ワイヤー1201によって電気的に接続されている。更に、LEDチップ101は、カップ状の反射板601の内部に固定されており、蛍光体を含有する樹脂からなる波長変換部102によって覆われている。LEDチップ101およびカップ状の反射板601は、レンズ機能を有するモールド樹脂1202によって完全に覆われている。   In this embodiment, the LED chip 101 is a normal chip, and the power input terminals 303A and 303B are constituted by lead frames. The power input terminal 303B and the LED chip 101 are electrically connected by a wire 1201. Furthermore, the LED chip 101 is fixed inside a cup-shaped reflector 601 and is covered with a wavelength conversion unit 102 made of a resin containing a phosphor. The LED chip 101 and the cup-shaped reflector 601 are completely covered with a mold resin 1202 having a lens function.

本実施形態のLED照明装置は砲弾型であるが、実施形態1と同様に入力電流の増加によって放射する光の主波長をシフトさせることができる。ただし、リードフレームを有する構成であるため、放熱性が悪く、LEDチップ101で発する熱は、外部に速やかに逃されない。その結果、入力電流を増加させると、LEDチップ101の温度は上昇しやすく、その分、LEDチップから放射される光の主波長は長波長側にシフトしやすい。こうして、本実施形態でも実施形態1と同様に照明光の色温度を変化させることができる。   Although the LED lighting device of this embodiment is a bullet type, the main wavelength of the light radiated | emitted can be shifted by the increase in input current similarly to Embodiment 1. FIG. However, since the structure has a lead frame, heat dissipation is poor, and heat generated by the LED chip 101 is not quickly released to the outside. As a result, when the input current is increased, the temperature of the LED chip 101 is likely to rise, and the main wavelength of the light emitted from the LED chip is easily shifted to the longer wavelength side. Thus, the color temperature of the illumination light can be changed in the present embodiment as in the first embodiment.

(実施形態4)
図14は、本発明によるLED照明装置の第4の実施形態を示している。
(Embodiment 4)
FIG. 14 shows a fourth embodiment of the LED lighting device according to the present invention.

本実施形態の構成が実施形態2の構成と異なる点は、LEDチップ101の温度を調節する手段を備えている点にある。すなわち、本実施形態のLED光源は、図14に示すように基板103の裏面に接するヒートシンク1301を備え、また、冷風(室温程度の大気雰囲気)によってヒートシンク1301の放熱を促進する機構を有している。基板103も、熱伝導性に優れたメタルコンポジット基板から形成されている。   The configuration of the present embodiment is different from the configuration of the second embodiment in that a means for adjusting the temperature of the LED chip 101 is provided. That is, the LED light source of the present embodiment includes a heat sink 1301 that is in contact with the back surface of the substrate 103 as shown in FIG. 14, and has a mechanism that promotes heat dissipation of the heat sink 1301 by cold air (atmospheric atmosphere at room temperature). Yes. The substrate 103 is also formed from a metal composite substrate having excellent thermal conductivity.

本実施形態におけるLEDチップ101および波長変換部102は、実施形態1におけるLEDチップ101および波長変換部102と同一の構成を有している。   The LED chip 101 and the wavelength conversion unit 102 in the present embodiment have the same configuration as the LED chip 101 and the wavelength conversion unit 102 in the first embodiment.

本実施形態の構成によれば、LEDチップ101が入力電流の増加に伴って発熱しても、その熱は熱伝導性の高いメタルコンポジット基板103を介してヒートシンク1301へ流れ、速やかに放熱される。ヒートシンク1301は冷風によって冷却され、LEDチップ101の温度は常温(25℃)に保たれる。   According to the configuration of the present embodiment, even if the LED chip 101 generates heat as the input current increases, the heat flows to the heat sink 1301 via the metal composite substrate 103 having high thermal conductivity and is quickly dissipated. . The heat sink 1301 is cooled by cold air, and the temperature of the LED chip 101 is kept at room temperature (25 ° C.).

このような構成を有するLED照明装置によれば、LEDチップ103の発光スペクトルは、熱による影響をほとんど受けず、入力電流の大きさのみに依存して変化することになる。LEDチップの放射する光の主波長は、チップ温度を一定にした状態で入力電流を増加させると、前述したように短波長側にシフトする傾向がある。   According to the LED illumination device having such a configuration, the emission spectrum of the LED chip 103 is hardly affected by heat and changes depending only on the magnitude of the input current. When the input current is increased with the chip temperature kept constant, the dominant wavelength of light emitted from the LED chip tends to shift to the short wavelength side as described above.

本実施形態では、電源入力端子Aに正電位を与え、電源入力端子Bに負電位を与えることより、入力電流を5mAに設定すると、LEDチップ101からは390mmに主波長を有する光が放射されるが、入力電流を5mAから40mAに上昇させると、LEDチップから放射される光の主波長は、図5に示すように、390nmから385mmへ短くなる。   In this embodiment, when a positive potential is applied to the power input terminal A and a negative potential is applied to the power input terminal B, when the input current is set to 5 mA, the LED chip 101 emits light having a dominant wavelength at 390 mm. However, when the input current is increased from 5 mA to 40 mA, the dominant wavelength of the light emitted from the LED chip is shortened from 390 nm to 385 mm as shown in FIG.

このため、入力電流が5mAのとき、波長変換部102の蛍光体は主に390mmの光に励起されて主波長570nmの黄色光を発するが、入力電流を5mAから40mAに上昇させると、波長変換部102の蛍光体は、主に385mmの光に励起されて主波長570nmの黄色光を発することになる。波長が390nmのときの蛍光体の内部量子効率は30%程度であるの対して、波長が385nmのときの蛍光体の内部量子効率は10%程度である。主波長のシフトにより、蛍光体から発する蛍光の強さが変化する。LEDチップ101から出た光と蛍光体102から出た光が重畳されて照明光が形成されるため、蛍光の割合が変化することにより、照明光の光色が変化する。   For this reason, when the input current is 5 mA, the phosphor of the wavelength converter 102 is mainly excited by light of 390 mm and emits yellow light having a main wavelength of 570 nm. However, when the input current is increased from 5 mA to 40 mA, the wavelength conversion is performed. The phosphor of the unit 102 is mainly excited by light of 385 mm and emits yellow light having a main wavelength of 570 nm. The internal quantum efficiency of the phosphor when the wavelength is 390 nm is about 30%, whereas the internal quantum efficiency of the phosphor when the wavelength is 385 nm is about 10%. The intensity of fluorescence emitted from the phosphor changes due to the shift of the dominant wavelength. Since the light emitted from the LED chip 101 and the light emitted from the phosphor 102 are superimposed to form illumination light, the light color of the illumination light changes due to the change in the ratio of fluorescence.

本実施形態では、入力電流の上昇により波長570nmにおける光の相対エネルギーを10%程度も減少させ、色温度を大きく上昇させることができる。このように本実施形態では、実施形態1におけるLEDチップおよび蛍光体を使用しながら、入力電流のみならずチップ温度の制御も行なうことにより、クリニコフの快・不快曲線に従った照明光を提供することができる。   In this embodiment, the relative energy of light at a wavelength of 570 nm is reduced by about 10% by increasing the input current, and the color temperature can be greatly increased. As described above, in the present embodiment, while using the LED chip and the phosphor in the first embodiment, not only the input current but also the chip temperature is controlled to provide illumination light according to the Krynikov comfort / discomfort curve. be able to.

LEDチップ101の温度を制御する方法は、上記の方法に限定されない。ペルチェ素子を用いてLEDチップ101および/または基板103の温度を高い精度で調節してもよい。   The method for controlling the temperature of the LED chip 101 is not limited to the above method. The temperature of the LED chip 101 and / or the substrate 103 may be adjusted with high accuracy using a Peltier element.

(実施形態5)
図15は、本発明によるLED照明装置の第5の実施形態を示している。
(Embodiment 5)
FIG. 15 shows a fifth embodiment of the LED lighting device according to the present invention.

本実施形態の構成が、実施形態2の構成と異なる点は、波長変換部102の第2の蛍光体1401を混入している点にある。本実施形態で使用する第2の蛍光体1401が発する蛍光の主波長は420〜480nmである。   The configuration of the present embodiment is different from the configuration of the second embodiment in that the second phosphor 1401 of the wavelength conversion unit 102 is mixed. The dominant wavelength of fluorescence emitted by the second phosphor 1401 used in this embodiment is 420 to 480 nm.

LEDチップ101が放射する光の主波長は310nm〜430nmの範囲内に設定されている。したがって、青色発光はLEDチップ101の発光ではなく、第2の蛍光体1401を利用して補うことになる。   The main wavelength of light emitted from the LED chip 101 is set in the range of 310 nm to 430 nm. Therefore, the blue light emission is not the light emission of the LED chip 101 but is supplemented by using the second phosphor 1401.

波長変換部102の第1の蛍光体がYAG蛍光体である場合、YAG蛍光体から出る光には青色の光成分が少ない。このため、上記の波長範囲に主波長を有するLEDチップ101を用いる場合、YAG蛍光体だけでは、照明光の光色が黄色味を帯び、黒体軌跡から大きく外れてしまう。   When the first phosphor of the wavelength converter 102 is a YAG phosphor, the light emitted from the YAG phosphor has a small blue light component. For this reason, when the LED chip 101 having the dominant wavelength in the above wavelength range is used, the light color of the illumination light becomes yellowish and greatly deviates from the black body locus only with the YAG phosphor.

本実施形態では、第2の蛍光体1401を付加的に使用することにより、光色を調整している。第2の蛍光体1401の発する光の主波長が420〜480nmの範囲内になるように調節されることが好ましい。   In this embodiment, the light color is adjusted by additionally using the second phosphor 1401. It is preferable that the main wavelength of light emitted by the second phosphor 1401 is adjusted to be within a range of 420 to 480 nm.

なお、図16に示すように、蛍光の主波長が600〜700nmの範囲にある第3の蛍光体1501を付加することにより、更に光色の調整や演色性の調整を行う自由度が高まる。   As shown in FIG. 16, the addition of the third phosphor 1501 having a fluorescence dominant wavelength in the range of 600 to 700 nm further increases the degree of freedom in adjusting the light color and color rendering.

以上の説明からわかるように、蛍光体の種類や温度調節機構の有無によって、種々の特性を持つLED照明装置を実現することができる。   As can be seen from the above description, an LED illumination device having various characteristics can be realized depending on the type of phosphor and the presence or absence of a temperature control mechanism.

以下の表1は、本発明の実施例(サンプル1〜5)および比較例(サンプル6)について、温度制御機構の有無、主波長シフト、蛍光体の量子効率などを示している。   Table 1 below shows the presence / absence of the temperature control mechanism, the main wavelength shift, the quantum efficiency of the phosphor, and the like for the examples (samples 1 to 5) and the comparative example (sample 6) of the present invention.

表1のサンプル1〜3は、LEDチップを実装した基板が小型のヒートシンク上に搭載されたものである。これに対して、サンプル4〜6は、LEDチップを実装した基板にペルチェ素子が設けられたものである。サンプル1〜3では、入力電流を増加させたとき、LEDチップの発熱による温度上昇を防ぐことができず、チップ温度が上昇する。一方、サンプル4〜6では、ペルチェ素子の働きにより、チップ温度を略室温程度に維持することができる。このため、低電流時(5mA)における主波長に対して高電流時(40mA)における主波長が長くなるのか、短くなるのかの挙動に差が出る。低電流時および高電流時における主波長は、表1に示すとおりである。電流の増加により、サンプル1〜3では、主波長が5nm長くなるが、サンプル4〜6では、主波長が5nm短くなる。 上記のサンプル1〜6では、LEDチップを図3の内部量子効率を示す黄色蛍光体を含有する波長変換部で覆っている。サンプル1、2、4、および5では、この黄色蛍光体に加えて、図17に示す内部量子効率を有する青色蛍光体を波長変換部に添加している。青色蛍光体の内部量子効率は、図17に示すような波長依存性を有しているため、主波長のシフトにより、以下の表1に示すように増減する。なお、表1における「Up」は、表1に示す主波長シフトに伴って内部量子効率が増加することを意味し、「Down」は内部量子効率が低下することを意味する。なお、比較例であるサンプル6では、主波長が430nmであるため、この光を励起光とする黄色蛍光体の量子効率変化は実施例に比べて小さい。   Samples 1 to 3 in Table 1 are obtained by mounting a substrate on which an LED chip is mounted on a small heat sink. On the other hand, samples 4 to 6 are obtained by providing a Peltier element on a substrate on which an LED chip is mounted. In Samples 1 to 3, when the input current is increased, the temperature rise due to heat generation of the LED chip cannot be prevented, and the chip temperature rises. On the other hand, in Samples 4 to 6, the chip temperature can be maintained at about room temperature by the action of the Peltier element. For this reason, there is a difference in the behavior of whether the main wavelength at high current (40 mA) becomes longer or shorter than the main wavelength at low current (5 mA). Table 1 shows the dominant wavelengths at low current and high current. Due to the increase in current, in samples 1 to 3, the dominant wavelength is increased by 5 nm, while in samples 4 to 6, the dominant wavelength is decreased by 5 nm. In said samples 1-6, LED chip is covered with the wavelength conversion part containing the yellow fluorescent substance which shows the internal quantum efficiency of FIG. In Samples 1, 2, 4, and 5, in addition to this yellow phosphor, a blue phosphor having an internal quantum efficiency shown in FIG. 17 is added to the wavelength converter. Since the internal quantum efficiency of the blue phosphor has wavelength dependency as shown in FIG. 17, it increases or decreases as shown in Table 1 below due to the shift of the main wavelength. In Table 1, “Up” means that the internal quantum efficiency increases with the main wavelength shift shown in Table 1, and “Down” means that the internal quantum efficiency decreases. In sample 6 as a comparative example, the dominant wavelength is 430 nm, and therefore the change in quantum efficiency of the yellow phosphor using this light as excitation light is smaller than in the example.

表2は、上記の構成を有するサンプル1〜6について、注入電流を5mAから40mAへ増加させた場合、LED照明装置から放射される光(LEDチップから出る光と蛍光の混合光)の光色がどのように変化するかを示している(注入電流が5mAのときの光色を「白」とする)。表2の最右欄は、明るさおよび光色の変化に伴って人が照明光から感じる心理的な快・不快を示している。表中、「○」は快適な場合を示し、「△」は、特に快・不快のいずれでもない場合を示している。   Table 2 shows the light color of the light emitted from the LED illumination device (mixed light of the LED chip and the fluorescent light) when the injection current is increased from 5 mA to 40 mA for the samples 1 to 6 having the above-described configuration. Is shown (the light color when the injection current is 5 mA is “white”). The rightmost column of Table 2 shows the psychological pleasure and discomfort that a person feels from the illumination light with changes in brightness and light color. In the table, “◯” indicates a comfortable case, and “Δ” indicates a case that is neither pleasant nor unpleasant.

以下に示す表3は、サンプルB1〜B4について、入力電流を5mAから40mAを増加させることによってLEDチップから放射される光の主波長がシフトした場合における色温度などの変化を示している。サンプルAは、入力電流が5mAのときの色温度などを示している。入力電流が5mAのときLEDチップから出る光の主波長は310nmであり、サンプルAから得られる照明光(LED光+黄色蛍光+赤色蛍光)の色温度は5960K(光色は白色)であった。   Table 3 shown below shows changes in color temperature and the like in the case of samples B1 to B4 when the main wavelength of light emitted from the LED chip is shifted by increasing the input current from 5 mA to 40 mA. Sample A shows the color temperature and the like when the input current is 5 mA. When the input current is 5 mA, the dominant wavelength of the light emitted from the LED chip is 310 nm, and the color temperature of the illumination light (LED light + yellow fluorescence + red fluorescence) obtained from Sample A is 5960K (light color is white). .

サンプルB1は、サンプルAと同一の構造を有するLED照明光源において、入力電流を5mAから40mAに増加させたときのデータを示している。入力電流が40mAのときにLEDチップから放射される光の主波長は315nmであり、サンプルB1では、主波長315nmにおける黄色蛍光体の内部量子効率はサンプルAにおける値の91.76%に低下している。また、主波長315nmにおける青色蛍光体の内部量子効率はサンプルAにおける値の101.55%に増加している。このように主波長のシフトが生じる結果、サンプルB1の照明光の色温度は6992K(光色は青白)に上昇し、色温度差は1032Kとなる。   Sample B1 shows data when the input current is increased from 5 mA to 40 mA in the LED illumination light source having the same structure as Sample A. The main wavelength of light emitted from the LED chip when the input current is 40 mA is 315 nm. In sample B1, the internal quantum efficiency of the yellow phosphor at the main wavelength of 315 nm is reduced to 91.76% of the value in sample A. ing. Further, the internal quantum efficiency of the blue phosphor at the main wavelength of 315 nm is increased to 101.55% of the value in the sample A. As a result of the shift of the dominant wavelength in this way, the color temperature of the illumination light of the sample B1 rises to 6992K (light color is bluish white), and the color temperature difference becomes 1032K.

サンプルB2〜B4は、サンプルA、B1とは異なり、表3に示すように大きく内部量子効率が変化した場合に色温度などがどのように変化するかを計算した結果である。表3からわかるように、LEDチップの主波長変化(5nmの変化)に応じて蛍光体の内部量子効率がサンプルAにおける値に対して±10%変化すると、色温度が基準値に対して1000K以上増減する。   Unlike the samples A and B1, the samples B2 to B4 are the results of calculating how the color temperature and the like change when the internal quantum efficiency changes greatly as shown in Table 3. As can be seen from Table 3, when the internal quantum efficiency of the phosphor changes by ± 10% with respect to the value in Sample A in accordance with the main wavelength change (5 nm change) of the LED chip, the color temperature is 1000 K with respect to the reference value. Increase or decrease.

このように、種々の特性を有する蛍光体を適切に組み合わせることにより、LEDチップから出る光の波長を5nm程度変化させるだけで照明光の光色を広範囲で制御することが可能である。なお、波長変換部102に用いる蛍光体の種類は1〜3種類に限定されず、4種類以上であってもよい。   As described above, by appropriately combining phosphors having various characteristics, it is possible to control the light color of the illumination light over a wide range only by changing the wavelength of the light emitted from the LED chip by about 5 nm. In addition, the kind of fluorescent substance used for the wavelength conversion part 102 is not limited to 1-3 types, Four or more types may be sufficient.

本発明のLED照明装置は、1種類のLEDチップを用いて照明光の光色を変化させることができるため、一般の照明用装置として有用である。   The LED illumination device of the present invention is useful as a general illumination device because it can change the light color of illumination light using one type of LED chip.

色温度の調節が可能な従来のLED照明装置の等価回路図である。It is an equivalent circuit diagram of a conventional LED lighting device capable of adjusting the color temperature. (a)は、本発明によるLED照明装置の構成を示す断面図であり、(b)は、その平面図である。(A) is sectional drawing which shows the structure of the LED lighting apparatus by this invention, (b) is the top view. YAG蛍光体の内部量子効率の波長依存性を示すグラフである。It is a graph which shows the wavelength dependence of the internal quantum efficiency of a YAG fluorescent substance. 入力電流に対するLEDチップの発光の主波長を示すグラブである。It is a grab which shows the main wavelength of light emission of the LED chip with respect to input current. 入力電流による発熱に対するLEDチップの発光の主波長を示すグラブである。It is a grab which shows the main wavelength of light emission of the LED chip with respect to the heat_generation | fever by input current. 本発明の実施形態1におけるLED照明装置を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the LED lighting apparatus in Embodiment 1 of this invention. 図6に示す実施形態の等価回路である。7 is an equivalent circuit of the embodiment shown in FIG. 6. 390nmに主波長を有するLEDチップの発光の分光分布を示すグラフである。It is a graph which shows the spectral distribution of light emission of the LED chip which has a dominant wavelength in 390 nm. 実施形態1において、入力電流が5mAのときのLED照明装置の発光の分光分布を示すグラフである。In Embodiment 1, it is a graph which shows the spectral distribution of light emission of an LED illuminating device when an input electric current is 5 mA. 395nmに主波長を有するLEDチップの発光の分光分布を示すグラフである。It is a graph which shows the spectral distribution of light emission of the LED chip which has a dominant wavelength in 395 nm. 実施形態1において、入力電流が40mAのときのLED照明装置の発光の分光分布を示すグラフである。In Embodiment 1, it is a graph which shows the spectral distribution of light emission of an LED illuminating device when input current is 40 mA. 本発明の実施形態2における蛍光体の内部量子効率の波長依存性を示すグラフである。It is a graph which shows the wavelength dependence of the internal quantum efficiency of the fluorescent substance in Embodiment 2 of this invention. 本発明の実施形態3におけるLED照明装置を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the LED lighting apparatus in Embodiment 3 of this invention. 本発明の実施形態4におけるLED照明装置を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the LED lighting apparatus in Embodiment 4 of this invention. 本発明の実施形態5におけるLED照明装置を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the LED lighting apparatus in Embodiment 5 of this invention. 本発明の実施形態6におけるLED照明装置の断面を示す図The figure which shows the cross section of the LED lighting apparatus in Embodiment 6 of this invention. 青色蛍光体の内部量子効率の波長依存性を示すグラフである。It is a graph which shows the wavelength dependence of the internal quantum efficiency of a blue fluorescent substance.

符号の説明Explanation of symbols

101 LEDチップ
102 波長変換部
103 基板
301a 第1LEDチップ
301b 第1LEDチップ
302a 第2LEDチップ
302b 第2LEDチップ
303A 電源入力端子A
303B 電源入力端子B
601 反射板
1201 ワイヤー
1202 モールド樹脂
1301 ヒートシンク
1302 冷風
1401 第2の蛍光体
1501 第3の蛍光体
101 LED chip 102 Wavelength conversion unit 103 Substrate 301a First LED chip 301b First LED chip 302a Second LED chip 302b Second LED chip 303A Power input terminal A
303B Power input terminal B
601 Reflector 1201 Wire 1202 Mold resin 1301 Heat sink 1302 Cold air 1401 Second phosphor 1501 Third phosphor

Claims (11)

第1の光を放射するLEDチップと、前記第1の光の少なくも一部を吸収して前記第1の光よりも波長の長い第2の光を発する蛍光体を含む波長変換部とを備えたLED光源であって、
前記蛍光体の内部量子効率の波長依存性を示す曲線の勾配の絶対値が1[%/nm]以上となる波長範囲に含まれるように前記第1の光の主波長が設定されているLED光源。
An LED chip that emits first light; and a wavelength conversion unit that includes a phosphor that absorbs at least a part of the first light and emits second light having a longer wavelength than the first light. An LED light source comprising:
The primary wavelength of the first light is set such that the absolute value of the slope of the curve indicating the wavelength dependence of the internal quantum efficiency of the phosphor is included in a wavelength range of 1 [% / nm] or more. light source.
前記LEDチップは、入力電流に応じて前記第1の光の主波長を5nm以上変化させる請求項1に記載のLED光源。   The LED light source according to claim 1, wherein the LED chip changes a dominant wavelength of the first light by 5 nm or more according to an input current. 前記波長変換部は、前記蛍光体を含む2種以上の蛍光体を含有している請求項1に記載のLED光源。   The LED light source according to claim 1, wherein the wavelength conversion unit contains two or more kinds of phosphors including the phosphor. 前記LEDチップは、基板上にフリップチップ状態で実装されている請求項1に記載のLED光源。   The LED light source according to claim 1, wherein the LED chip is mounted in a flip chip state on a substrate. 前記基板は、前記LEDチップのアノードおよびカソードに接続された配線パターンを有している請求項4に記載のLED光源。   The LED light source according to claim 4, wherein the substrate has a wiring pattern connected to an anode and a cathode of the LED chip. 請求項1〜5に記載のLED光源と、
前記LED光源から放射される光の色温度を変化させる色温度可変手段と、
を備えたLED照明装置であって、
前記色温度可変手段は、前記LEDチップが放射する光の主波長をシフトさせ、前記LED光源から放射される光の色温度を変化させるLED照明装置。
LED light source according to claims 1 to 5,
Color temperature variable means for changing the color temperature of light emitted from the LED light source;
An LED lighting device comprising:
The color temperature varying unit is an LED lighting device that shifts a main wavelength of light emitted from the LED chip and changes a color temperature of light emitted from the LED light source.
前記色温度可変手段は、前記LED光源のLEDチップを駆動する電流を前記LEDチップに供給する回路を有しており、
前記電流の大きさを変えることによって前記LEDチップが放射する光の主波長をシフトさせる請求項6に記載のLED照明装置。
The color temperature varying means has a circuit for supplying a current for driving the LED chip of the LED light source to the LED chip,
The LED lighting device according to claim 6, wherein a main wavelength of light emitted from the LED chip is shifted by changing a magnitude of the current.
前記色温度可変手段は、前記LEDチップの温度を変化させる温度調節素子を有しており、
前記温度を変えることによって前記LEDチップが放射する光の主波長をシフトさせる請求項6または7に記載のLED照明装置。
The color temperature variable means has a temperature adjusting element that changes the temperature of the LED chip,
The LED lighting device according to claim 6 or 7, wherein a main wavelength of light emitted from the LED chip is shifted by changing the temperature.
前記温度調節素子は、ヒートシンクを有している請求項6から8のいずれかに記載のLED照明装置。   The LED lighting device according to claim 6, wherein the temperature adjustment element has a heat sink. 前記温度調節素子は、ペルチェ素子を有している請求項6から9のいずれかに記載のLED照明装置。   The LED lighting device according to claim 6, wherein the temperature adjustment element includes a Peltier element. 前記色温度可変手段は、前記LED素子の主波長を5nm以上シフトさせることができる請求項6から10のいずれかに記載のLED照明装置。   The LED illumination device according to any one of claims 6 to 10, wherein the color temperature varying means can shift the dominant wavelength of the LED element by 5 nm or more.
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