JP2006310112A

JP2006310112A - 白色光源

Info

Publication number: JP2006310112A
Application number: JP2005131855A
Authority: JP
Inventors: Tatsuji Suzuki; 龍次鈴木
Original assignee: Fujikura Ltd
Current assignee: Fujikura Ltd
Priority date: 2005-04-28
Filing date: 2005-04-28
Publication date: 2006-11-09

Abstract

【課題】ＬＥＤ使用個数が少なくても照度分布が均一で軽量の線状又は面状の白色光源の提供。
【解決手段】透明シートの一端側に、複数の切込によって該透明シートが短冊状に分断され且つそれら短冊状導光体が積層されてなる積層導光部が設けられ、他部がシート状部とされ、前記積層導光部の入射端面から入射した光をシート状部から出射するシート状導光体と、前記入射端面からシート状導光体内に青色光又は青色光よりも短波長の光を入射する光源と、前記光源からの光で励起してその光と異なる波長の可視光を発する蛍光体を含み、前記シート状部の出射端面又は出射面と接して設けられた蛍光体含有発光部とを有してなり、前記蛍光体含有発光部からは前記光源から入射した光と前記蛍光体から発した光とが混ざった白色光が出射されるように構成されたことを特徴とする白色光源。
【選択図】図１

Description

本発明は、シート状導光体と、青色光又は青色光よりも短波長の光を発する発光ダイオード（以下、ＬＥＤと記す。）などの光源と、その光で励起してその光と異なる波長の可視光を発する蛍光体とを組み合わせた線状又は面状の白色光源に関する。本発明の白色光源は、照明用白色光源や液晶表示装置用バックライトなどとして利用可能である。

近年、照明用光源として、その発光効率の高さ、寿命の長さの点からＬＥＤが頻繁に使用されつつある。照明用光源としては、ＬＥＤの中でも白色光を発するものが用いられている。ＬＥＤを用いて白色光を得るためには、次の（１）又は（２）の方式が知られている。
（１）赤色ＬＥＤ、緑色ＬＥＤ、青色ＬＥＤなど複数色のＬＥＤを同時点灯して白色光を得る方式、
（２）青色ＬＥＤ、紫色ＬＥＤ、紫外ＬＥＤを励起光源として蛍光体を励起し、ＬＥＤの発光と蛍光体発光とで白色光を得る方式。
（１）の複数色のＬＥＤを同時点灯する方式は、各色のＬＥＤ毎に駆動電圧や発光出力に違いがあり、駆動回路等の設計も必要になる。一方、（２）のＬＥＤと蛍光体を組み合わせる方式では、ＬＥＤが一種類で済むために、駆動回路を簡略化できるメリットがある。

また、シート状の導光体に関する従来技術として、シート状の導光性材料の一端面が入射端面を形成し、シート状の導光性材料は入射端面から離れた位置から入射端面と垂直な方向に短冊状に切断され、この短冊状部分はシート状の導光性材料の片面側に向かって曲折され、その厚さ方向に重なるように束ねられ、束ねられた短冊状部分の端面となる導光性材料の他端面が出射端面を形成するように構成された集光ガイドが特許文献１に開示されている。
特開平５−３４６５０９号公報

照明用の光源は、点状、線状、面状のものがある。例えば、照明用の線状白色光源を考えた場合、ＬＥＤは点状光源であるため、多数個を一列に配置する必要がある。少ない個数で配置すると線状の光源には見えず、輝度むら、色むら等を起こしてしまう。逆に、多数のＬＥＤを使用するとコストアップとなり、輝度むらや色むらを起こしてしまう。
また、面状光源を考えた場合、少ないＬＥＤ個数で均一な照度を得ようとすると、拡散板等の光学部材の設計が煩雑になってしまい、逆に多数のＬＥＤを使用すると、コストアップとなり、色むらを生じやすいという欠点がある。
さらに、ＬＥＤは発光領域が通常数百μｍから数ｍｍ角の面積を持っており、拡散板等の光学部材に側面から光を入射させようとすると、どうしても入射面の厚みが必要となり、必然的に拡散板等の全体の厚みも前記発光領域の寸法に近いものとする必要があることから、重量増加の要因となっていた。

一方、特許文献１に開示された集光ガイドは、シート端面を入射端面とし、発光位置に近接させて配置し、短冊状の端面を束ねられた部分からの出射光を光検出器等で検出するものであり、照明用光源などに利用される光源とは利用分野が全く異なっている。勿論、特許文献１には、集光ガイドを光源として利用することに関しては全く記載されていない。従って、特許文献１の集光ガイドを照明用光源の導光体に適用することは従来技術からは予想できず、特許文献１の集光ガイドとＬＥＤとの組み合わせを想到することは困難である。
また、特許文献１には、ＬＥＤの発光と蛍光体発光とで白色光を得ることに関して全く記載されていない。従って、特許文献１の集光ガイドと、ＬＥＤなどの光源と、蛍光体とを組み合わせて白色光源を構成することは、従来技術では極めて困難である。さらに、特許文献１の集光ガイドに蛍光体をどのように配置すれば白色光源が構成できるのかについても予測することは困難である。

本発明は前記事情に鑑みてなされ、光源の個数が少なくても照度分布が均一で軽量の線状又は面状の白色光源の提供を目的とする。

前記目的を達成するため、本発明は、透明シートの一端側に、複数の切込によって該透明シートが短冊状に分断され且つそれら短冊状導光体が積層されてなる積層導光部が設けられ、他部がシート状部とされ、前記積層導光部の入射端面から入射した光をシート状部から出射するシート状導光体と、前記入射端面からシート状導光体内に青色光又は青色光よりも短波長の光を入射する光源と、前記光源からの光で励起してその光と異なる波長の可視光を発する蛍光体を含み、前記シート状部の出射端面又は出射面と接して設けられた蛍光体含有発光部とを有してなり、前記蛍光体含有発光部から白色光が出射されるように構成されたことを特徴とする白色光源を提供する。

本発明の白色光源において、前記蛍光体含有発光部が、前記シート状部の前記入射端面と対向する側の出射端面に沿って設けられ、この線状に設けられた蛍光体含有発光部から白色光を発する線状白色光源とされたことが好ましい。

本発明の白色光源において、前記シート状部の少なくとも一部に、該シート状部内を伝搬する光をシート状部外に取り出す光散乱処理が施された出射面が設けられ、該出射面の外側に前記蛍光体含有発光部が積層され、この面状に積層された蛍光体含有発光部から白色光を発する面状白色光源とされたことが好ましい。

本発明の白色光源において、前記シート状部の厚みが１０〜１０００μｍの範囲であることが好ましい。

本発明の白色光源において、前記シート状導光体が複数枚積層されてなる構成としてもよい。

本発明の白色光源において、前記シート状導光体の表面の少なくとも一部に金属反射膜が設けられていてもよい。

本発明の白色光源において、前記蛍光体含有発光部に出射光の少なくとも一部を所望の方向に反射させる反射部材が設けられていてもよい。

本発明の白色光源において、前記積層導光部の入射端面が、積層した前記短冊状導光体の端面を表面熱処理によって端面一体化し、１つの平坦な入射端面とされていることが好ましい。

本発明の白色光源において、前記光源は、青色ＬＥＤ、紫色ＬＥＤ又は紫外ＬＥＤのいずれかであることが好ましい。

本発明の白色光源は、光源から発した青色光又は青色光よりも短波長の光を入射端面からシート状導光体に入射することによって、シート状部の出射端面又は出射面から蛍光体含有発光部にこの光が出射され、蛍光体含有発光部から白色光が出射されるように構成したので、光源の個数が少なくても照度分布が均一で軽量の線状又は面状の白色光源を提供することができる。
また、薄いシート状導光体を使用しているため、変形が可能で、例えばＳ字形のような任意の形の線状白色光源とすることができる。

以下、図面を参照して本発明の実施形態を説明する。
図１は、本発明に係る白色光源の第１実施形態を示す斜視図である。本実施形態の白色光源１は、透明シートの一端側に、複数の切込によって該透明シートが短冊状に分断され且つそれら短冊状導光体４が積層されてなる積層導光部４Ａが設けられ、他部がシート状部６とされ、前記積層導光部４Ａの入射端面５から入射した光をシート状部６から出射するシート状導光体２と、入射端面５からシート状導光体２内に青色光又は青色光よりも短波長の光を入射する光源３と、光源３からの光で励起してその光と異なる波長の可視光を発する蛍光体を含み、シート状部６の出射端面７と接して設けられた蛍光体含有発光部８とを有してなり、蛍光体含有発光部８から白色光が出射される構成になっている。

本実施形態の白色光源１は、蛍光体含有発光部８が、シート状部６の入射端面５と対向する側の出射端面７に沿って設けられ、この線状に設けられた蛍光体含有発光部８から白色光を発する線状白色光源を例示している。

シート状導光体２は、コア−クラッド構造を有し、コアと、コアよりも屈折率の低いクラッドとの境界面で全反射を繰り返して導光する構造が望ましい。本発明にあっては、透明シートを単一の材料で構成してコアとし、雰囲気である空気との境界面で全反射を繰り返して導光するエアークラッド構造とすることが望ましい。

シート状導光体２のコア材料としては、アクリル系樹脂、メタクリル系樹脂、ポリカーボネート系樹脂、ポリイミド系樹脂、シリコーン系樹脂、フッ素系樹脂、ノルボルネン系樹脂、ガラスからなる群から選択される１種又は２種以上の材料が望ましい。クラッド材料としては、シリコーン系樹脂、フッ素系樹脂、空気からなる群から選択される１種又は２種以上の材料が望ましいが、特にフッ素系樹脂又は空気が望ましい。

シート状導光体２のシートの厚さと材質を適当に設定することにより、任意の形の白色光源とすることが可能である。シート状部６の厚みは、材質にもよるが、１０〜１０００μｍの範囲が好ましい。

積層導光部４Ａの入射端面５は、積層した短冊状導光体４の端面を表面熱処理によって端面一体化し、１つの平坦な入射端面とされている。積層された短冊状導光体４の端面を熱処理して平滑な端面とすることで、光源３とシート状導光体２との結合効率を上げることができる。積層した短冊状導光体４の端面は、レーザカット加工、超音波カット加工、ホットカッターなどで処理されることが望ましい。

光源３としては、青色光又は青色光よりも短波長の光を発する光源であればよいが、青色ＬＥＤ、紫色ＬＥＤ又は紫外ＬＥＤのいずれかであることが好ましい。光源３は、入射端面５に直接光を入射できるように接触して或いは近接して配置してもよいし、レンズやミラーなどの光学手段を介して入射端面と結合させてもよい。

蛍光体含有発光部８に用いられる蛍光体は、光源３の種類に応じて、蛍光体含有発光部８から白色光が出射されるようなものを適宜選択して用いている。すなわち、光源３として青色ＬＥＤ又は紫色ＬＥＤを用いた場合は、青色光又は紫色光で励起されて黄色光を発する黄色発光蛍光体、或いは黄色発光蛍光体と赤色発光蛍光体などの複数の蛍光体を用い、それを含む蛍光体含有発光部８からは、光源３から入射した光と前記蛍光体から発した光とが混ざった白色光が出射されるように構成することが望ましい。また、光源３として紫外ＬＥＤを用いた場合は、紫外光励起によって、青色、緑色、赤色などに発光する複数の蛍光体を用い、それを含む蛍光体含有発光部８からは、前記蛍光体から発した光が混ざった白色光が出射されるように構成することが望ましい。

前記蛍光体は、透明樹脂に分散させた状態で、蛍光体含有発光部８としてシート状部６の出射端面７に接して設けられる。蛍光体含有発光部８を出射端面７に接続して設ける方法は特に限定されず、例えば、蛍光体を分散した未硬化樹脂を出射端７に塗布して硬化させる方法、蛍光体含有樹脂薄板材を所定幅に裁断して出射端面７に接着することなどによって設けることが望ましい。蛍光体含有発光部８の寸法や断面形状は、作製した蛍光体含有発光部８から白色光が出射できればよく、特に限定されない。また樹脂中の蛍光体濃度についても、作製した蛍光体含有発光部８から効率よく白色光が出射されるように設定され、また目的とする出射光の色度、色温度、平均演色評価数に合致するように適宜調整することが望ましい。

本実施形態の白色光源１は、前述したように透明シートの一端側に、複数の切込によって該透明シートが短冊状に分断され且つそれら短冊状導光体４が積層されてなる積層導光部４Ａが設けられ、他部がシート状部６とされ、前記積層導光部４Ａの入射端面５から入射した光をシート状部６から出射するシート状導光体２を用い、光源３から発した青色光又は青色光よりも短波長の光を入射端面５からシート状導光体２内に入射するように構成されている。複数の短冊状導光体４を積層してなる積層導光部４Ａの入射端面５は、ＬＥＤから発する光を入射し易い厚みを有しているので、この入射端面５とＬＥＤなどの光源３との結合効率を高くすることができる。さらに、この入射端面５を表面熱処理によって端面一体化し、１つの平坦な入射端面とすることによって、複数の短冊状導光体４間の反射などによる入射ロスが少なくなり、前記結合効率をより高くすることができる。

前記入射端面５から入射した光は、入射端面で複数枚の短冊状導光体４に均等に分割され、それぞれの短冊状導光体４内を伝搬し、シート状部６に導光される。シート状部６に導光された光は、シート状部６の入射端面５と対向する側の出射端面７から均一に出射されるので、このシート状導光体２は結果的に均一な線状光源として機能する。

前記シート状部６の出射端面７から出射した青色光又は青色光よりも短波長の光は、出射端面７に接して設けられている蛍光体含有発光部８に入り、前述した光源と蛍光体の組み合わせによって、蛍光と光源光との混合（例えば、青色ＬＥＤと黄色発光蛍光体の組み合わせの場合）により、或いは複数の蛍光体から発する青色、緑色及び赤色の混合（例えば、紫外ＬＥＤと青色、緑色及び赤色の各色に発光する蛍光体との組み合わせ）により、蛍光体含有発光部８から白色光が出射される。

なお、本実施形態の白色光源１において、蛍光体含有発光部８から発する白色光の照射方向を制御する必要がある場合には、蛍光体含有発光部８の周囲に、反射材料を任意の角度で配置することで、線状白色光源の配光特性を制御することも可能である。

本実施形態の白色光源１は、光源３から発した青色光又は青色光よりも短波長の光を入射端面５からシート状導光体２に入射することによって、シート状部６の出射端面７から蛍光体含有発光部８にこの光が出射され、線状に設けられた蛍光体含有発光部８から白色光が出射されるように構成したので、光源３の個数が少なくても照度分布が均一で軽量の線状白色光源を提供することができる。また、薄いシート状導光体２を使用しているため、変形が可能で、例えばＳ字形のような任意の形の線状白色光源とすることができる。

図２は、本発明に係る白色光源の第２実施形態を示す斜視図である。本実施形態の白色光源１１は、前記第１実施形態の白色光源１と同様の構成要素を備え、さらに、シート状部６の一方の面に、シート状部６内を伝搬する光をシート状部６外に取り出す光散乱処理が施された出射面９を設け、該出射面９の外側に蛍光体含有発光部１０を積層し、この面状に積層された蛍光体含有発光部１０から白色光を発する面状白色光源としたことを特徴としている。

シート状部６の一方の面に光散乱処理を施す方法としては、例えば、シート状部６の表面をサンドブラスト処理したり、アクリルビーズなどの散乱体を塗布することなどによって行うことができる。なお、この光散乱処理は、出射面５の全面にわたりほぼ均等に光が出射されるように、光の伝搬方向に沿って処理の度合を適宜変化させることが望ましい。

また、この出射面９に蛍光体含有発光部１０を積層する方法としては、蛍光体を分散した未硬化樹脂液を出射面９に塗布し、樹脂を硬化させる方法、蛍光体分散樹脂フィルムを出射面９に熱溶着する方法などが望ましい。

本実施形態の白色光源１１において、光源３から青色光又は青色光よりも短波長の光を入射端面５に入射すると、この光は、入射端面５で複数枚の短冊状導光体４に均等に分割され、それぞれの短冊状導光体４内を伝搬し、シート状部６に導光される。シート状部６に導光された光は、シート状部６の一方の面に施された前記光散乱処理によってその出射面９からシート状部６外に導出される。従って、本実施形態においてシート状導光体２は面状光源として機能する。

このシート状導光体２の出射面９から出射した青色光又は青色光よりも短波長の光は、出射面９に接して積層されている蛍光体含有発光部１０に入り、前述した光源と蛍光体の組み合わせによって、蛍光と光源光との混合（例えば、青色ＬＥＤと黄色発光蛍光体の組み合わせの場合）により、或いは複数の蛍光体から発する青色、緑色及び赤色の混合（例えば、紫外ＬＥＤと青色、緑色及び赤色の各色に発光する蛍光体との組み合わせ）により、蛍光体含有発光部１０から白色光が出射される。

本実施形態の白色光源１１は、光源３から発した青色光又は青色光よりも短波長の光を入射端面５からシート状導光体２に入射することによって、シート状部６の出射面９から蛍光体含有発光部１０にこの光が出射され、面状をなす蛍光体含有発光部１０から白色光が出射されるように構成したので、光源３の個数が少なくても照度分布が均一で軽量の面状白色光源を提供することができる。また、薄いシート状導光体２を使用しているため、変形可能な面状白色光源とすることができる。

図３は、本発明に係る白色光源の第３実施形態を示す斜視図である。本実施形態の白色光源１２は、前記第１実施形態の白色光源１と同様の構成要素を備え、さらに、シート状部６と蛍光体含有発光部８との境界部外面に金属反射膜１３を設けた構成になっている。

シート状導光体２は、導光条件を満足する範囲で曲げて使用することも可能であるが、より大きい曲げ曲率で使用する場合には、本実施形態のように、曲げの加わる部分の導光する境界面に金属反射膜１３を形成すると、導光体の曲げの加わる部分の損失を抑えることができる。なお、金属反射膜１３の設置位置や範囲は本例示に限定されることなく、入射端面５と蛍光体含有発光部８の白色光出射部以外の表面のいずれにも設置可能である。また、この金属反射膜１３は、アルミ箔などの金属箔を接着する方法などによって容易に設けることができる。さらに、この金属反射膜１３を蛍光体含有発光部８の白色光出射部近傍に延設し、線状白色光源の配光特性を制御する反射部材として機能させることもできる。

なお、前述した各実施形態は、本発明の単なる例示にすぎず、本発明はこれらの実施形態に限定されるものではなく、種々の変更や修正が可能である。
例えば、シート状導光体２は、複数枚重ねて配置してもよく、複数枚配置することで、入射端面５に光を入射する光源３を多く配置できる。また、線状白色光源とした場合には発光面積を大きくした照明用光源とすることができる。また面状白色光源とした場合には最外層のシートに蛍光体を配置することで発光強度を大きくした面状の照明用光源とすることができる。

［実施例１］
縦２００ｍｍ、横６００ｍｍ、厚さ１２５μｍのアクリルシートを、２００ｍｍ×２００ｍｍの領域を残し、他の部分を幅６．５ｍｍ、長さ４００ｍｍの短冊３０枚にレーザカッターを用いて櫛状に切り抜き、片端部分を積層して厚さ３．７５ｍｍ、幅６．５ｍｍの入射端面を形成した。シート状部の出射端面に蛍光体を混ぜた樹脂を塗布して蛍光体含有発光部を形成した。入射端面には、出力２０ｍＷ、中心波長４５０ｎｍ、発光部１ｍｍ角、広がり角５０度の青色ＬＥＤ２個を出射光強度が最大となるように結合し、図１に示す線状白色光源を作製した。
得られた線状白色光源の色度を測定したところ、色度のばらつきは±２％以内であった。また、蛍光体含有発光部は一様に発光しており、位置による色むらは見られなかった。また、アクリルシートの厚さが薄いため、比較的自由な形状に変形させることができた。

［実施例２］
縦２００ｍｍ、横６００ｍｍ、厚さ１２５μｍのアクリルシートを、２００ｍｍ×２００ｍｍの領域を残し、他の部分を幅６．５ｍｍ、長さ４００ｍｍの短冊３０枚にレーザカッターを用いて櫛状に切り抜き、片端部分を積層して厚さ３．７５ｍｍ、幅６．５ｍｍの入射端面を形成した。シート状部の一方の面のうち、２００ｍｍ×２００ｍｍの部分を出射光が一様になるようにサンドブラスト処理することで出射面を形成した。この出射面に蛍光体を混ぜた樹脂を塗布し、面状の蛍光体含有発光部を形成した。入射端面には、出力２０ｍＷ、中心波長４５０ｎｍ、発光部１ｍｍ角、広がり角５０度の青色ＬＥＤ２個を出射光強度が最大となるように結合し、図２に示す面状白色光源を作製した。
得られた面状白色光源の色度を測定したところ、色度のばらつきは±２％以内であった。また、蛍光体含有発光部から発する白色光の色むらはなく、一様に発光する面状白色光源となっていた。また、アクリルシート厚さが薄いため自由な形状にすることができた。

［比較例１］
縦横２００ｍｍ、厚さ１２５μｍの端面平滑なアクリルシートを加工せずに用い、その一つの端面を入射端面とし、反対の端面を出射端面とした。この出射端面に蛍光体を混ぜた樹脂を塗布した。実施例１と同じ青色ＬＥＤ２個を線状の入射端面に出射光強度が最大となるように結合した。線状の出射端面は、一部が発光しない状態になった。アクリルシートが薄く、一部の箇所にしかＬＥＤからの光を入射できないため、線状白色光源とすることはできなかった。

［比較例２］
縦横２００ｍｍ、厚さ３．７５ｍｍの端面平滑なアクリル板を用い、その一つの端面を入射端面とし、反対の端面を出射端面とした。この出射端面に蛍光体を混ぜた樹脂を塗布した。実施例１と同じ青色ＬＥＤ２個を入射端面に出射光強度が最大となるように結合した。この光源の色度を測定したところ、色度のばらつきは±１０％であった。アクリル板が厚いため、光源の変形は困難であった。

本発明の白色光源の第１実施形態を示す斜視図である。本発明の白色光源の第２実施形態を示す斜視図である。本発明の白色光源の第３実施形態を示す斜視図である。

符号の説明

１，１１，１２…白色光源、２…シート状導光体、３…光源、４…短冊状導光体、４Ａ…積層導光体、５…入射端面、６…シート状部、７…出射端面

Claims

透明シートの一端側に、複数の切込によって該透明シートが短冊状に分断され且つそれら短冊状導光体が積層されてなる積層導光部が設けられ、他部がシート状部とされ、前記積層導光部の入射端面から入射した光をシート状部から出射するシート状導光体と、前記入射端面からシート状導光体内に青色光又は青色光よりも短波長の光を入射する光源と、前記光源からの光で励起してその光と異なる波長の可視光を発する蛍光体を含み、前記シート状部の出射端面又は出射面と接して設けられた蛍光体含有発光部とを有してなり、前記蛍光体含有発光部から白色光が出射されるように構成されたことを特徴とする白色光源。
前記蛍光体含有発光部が、前記シート状部の前記入射端面と対向する側の出射端面に沿って設けられ、この線状に設けられた蛍光体含有発光部から白色光を発する線状白色光源とされたことを特徴とする請求項１に記載の白色光源。
前記シート状部の少なくとも一部に、該シート状部内を伝搬する光をシート状部外に取り出す光散乱処理が施された出射面が設けられ、該出射面の外側に前記蛍光体含有発光部が積層され、この面状に積層された蛍光体含有発光部から白色光を発する面状白色光源とされたことを特徴とする請求項１に記載の白色光源。
前記シート状部の厚みが１０〜１０００μｍの範囲であることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の白色光源。
前記シート状導光体が複数枚積層されてなることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の白色光源。
前記シート状導光体の表面の少なくとも一部に金属反射膜が設けられていることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の白色光源。
前記蛍光体含有発光部に出射光の少なくとも一部を所望の方向に反射させる反射部材が設けられていることを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の白色光源。
前記積層導光部の入射端面が、積層した前記短冊状導光体の端面を表面熱処理によって端面一体化し、１つの平坦な入射端面とされていることを特徴とする請求項１〜７のいずれかに記載の白色光源。
前記光源が、青色発光ダイオード、紫色発光ダイオード又は紫外発光ダイオードのいずれかであることを特徴とする請求項１〜８のいずれかに記載の白色光源。