JP2007109837A

JP2007109837A - 照明装置

Info

Publication number: JP2007109837A
Application number: JP2005298312A
Authority: JP
Inventors: Yoshinori Aono; 義則青野; Masatoshi Shiiki; 正敏椎木; Kenji Okishiro; 賢次沖代; Akira Inoue; 亮井上; Hitotsugu Oaku; 仁嗣大阿久; Shin Imamura; 伸今村
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2005-10-13
Filing date: 2005-10-13
Publication date: 2007-04-26

Abstract

【課題】色純度の高い単色光を発する発光体を複数白色光源において、演色性に優れ、かつ任意の相関色温度に調整できる光源を有する照明装置を提供する。
【解決手段】平均演色評価数Ｒａ８０以上で、かつ一般蛍光ランプと同程度の特殊演色評価数（Ｒ９〜Ｒ１５）を示す白色光源を有し、波長４６０〜４８０ｎｍで青色を示す光を発する第１の発光体の最大強度に対する、波長４８１〜５２０ｎｍで青緑色を示す光を発する第２の発光体の最大強度比が１．２から０．４である照明装置とする。
【選択図】図１

Description

本発明は一般用光源の演色性および相関色温度を向上した白色光を生成する光源を有する照明装置に関する。

発光ダイオード（Light Emitting Diode；ＬＥＤ）は、無機材料で作製された発光層の両側に設けられた金属電極部に直流電圧を印加することにより、両電極間に電流が流れ、所望の発光が得られる発光体である。そのため電圧印加による経時劣化がほとんど無いことや、発光スペクトル分布が急峻であるため、極めて色純度が高いという特徴を有する。また照明器具を構成する場合においては、発光体自身の占有面積が小さくて済むため、複数の発光体を使用する場合、配置の制限を受けない。そのため複数の発光体の発光出力を合成して所望の明るさに近づけることができる。

このことから、近年、信号機を始めとし、警告灯、自動車用後退灯などの比較的小型の光源として用いられている。他の用途としては、Ｒ、Ｇ、Ｂ、３色の発光体を用いて個々の発光出力を光学的に合成した白色光源がある。合成の際には個々の発光体の発光出力比を適切に調節することにより、暖か味のある光や、涼しさを感じられる光を帯びた白色光源を実現することができる。このことから蛍光ランプに替わる一般照明用光源としてその普及が期待されている。

一般照明用光源としてＬＥＤを用いた白色光源に求められる性能としては、目的の対象物を照らすのに十分な光量を有すること、点灯寿命が長く、低価格であることである。また人物や印刷物など、対象物を照らしたときの色合いも光源にとって重要な性能である。対象物を照らした時の色合いが、自然光下で観察した時の色合いから大きく離れていると視覚的、心理的な影響を受けることがある。そのため光源の品質として自然光下での色合いを基準とした、演色評価数を用いる。

演色評価数は一般的によく目にする色合い（中間色）をサンプルとして定めた基準色票を、試験光源および標準光源で照らして得られた、それぞれの反射スペクトル特性を数値化した工業規格である。演色評価数には、上記の中間色に対する平均演色評価数Ｒａと、Ｒ、Ｇ、Ｂなどの代表的な原色を色票に定めた特殊演色評価数Ｒ９〜Ｒ１５で評価される。一般に光源の演色評価数を指す場合は前者の平均演色評価数Ｒａを指すことが多い。様々な光源のうち白熱電球の平均演色評価数Ｒａは１００と最も自然光に近く、一般用蛍光ランプの場合は７０〜９０とされる。

これに対し、Ｒ、Ｇ、Ｂ３色のＬＥＤで構成した白色光源の平均演色評価数Ｒａは６０〜７０で上記の蛍光ランプに比べて低いとされている。近年、色純度の良好な３原色ＬＥＤが開発されており、平均演色評価数Ｒａ８０を達成する白色光源が登場している。しかし特殊演色評価数（Ｒ９〜Ｒ１５）の内、蛍光ランプに比べて著しく低いものが見受けられ、照明用光源として十分な性能を示しているとは言えない。これは蛍光ランプの発光特性は可視波長領域において広い範囲に渡り発光強度を有するブロードな特性を示すのに対し、ＬＥＤの発光特性は波長の変化に対して急峻であるためである。３色のＬＥＤの発光スペクトルを同時に表してみると、発光強度が低い波長が存在する。そのため物体を照らした場合の反射スペクトルにおいても、反射強度の低い波長領域が存在するため、自然光下で観察する場合とは異なった見え方となる。

赤崎勇著、青色発光デバイスの魅力、工業調査会、１９９７年

解決しようとする問題点は、Ｒ、Ｇ、Ｂ３色のＬＥＤが示す発光波長領域以外の波長において、発光特性を示す光源を提供することにある。すなわち平均演色評価数Ｒａ８０以上で、かつ一般蛍光ランプと同程度の特殊演色評価数（Ｒ９〜Ｒ１５）を示す白色光源を実現することにある。加えて白色光源が出力する発光色の色合い（相関色温度）を変えて、様々な雰囲気を作りだすことにある。

上記課題を解決するため本発明は、波長４６０〜４８０ｎｍで青色を示す光を発する第１の発光体と、波長４８１〜５２０ｎｍで青緑色を示す光を発する第２の発光体と、前記第１の発光体の光出力で励起されて波長５６０〜５７０ｎｍで黄色を示す光を発する第３の発光体と、前記第１の発光体の光出力で励起されて波長５７１〜６１０ｎｍで橙色を示す光を発する第４の発光体とを有し、前記１〜４の発光体から発する光を合成して白色光を生成する。また、前記第１の発光体が示す発光スペクトルの最大強度に対して、前記第２の発光体が示す発光スペクトルの最大強度の比率を、１．２〜０．４の範囲で連続的に変える電流制御手段を設けた構成とする。

もしくは波長４６０〜４８０ｎｍで青色を示す光を発する第１の発光体と、波長４８１〜５２０ｎｍで青緑色を示す光を発する第２の発光体と、前記第１の発光体の光出力で励起されて波長５６０〜５７０ｎｍで黄色を示す光を発する第３の発光体と、前記第１の発光体の光出力で励起されて波長５７１〜６１０ｎｍで橙色を示す光を発する第４の発光体と、波長６１０〜６３０ｎｍで赤色を示す光を発する第５の発光体と、波長６３０〜６５０ｎｍで赤色を示す光を発する第６の発光体とを有し、前記１〜６の発光体から発する光を合成して白色光を生成する。また、前記第１の発光体が示す発光スペクトルの最大強度に対して、前記第２の発光体が示す発光スペクトルの最大強度の比率を、１．２〜０．４ｍの範囲で連続的に変える電流制御手段を設けた構成とする。

もしくは、波長４６０〜４８０ｎｍで青色を示す光を発する第１の発光体と、波長４８１〜５２０ｎｍで青緑色を示す光を発する第２の発光体と、前記第１の発光体の光出力で励起されて波長５６０〜５７０ｎｍで黄色を示す光を発する第３の発光体と、前記第１の発光体の光出力で励起されて波長５７１〜６１０ｎｍで橙色を示す光を発する第４の発光体と、波長６１０〜６３０ｎｍで赤色を示す光を発する第５の発光体と、波長６３０〜６５０ｎｍで赤色を示す光を発する第６の発光体と、波長５２０〜５５０ｎｍで緑色を示す光を発する第７の発光体とを有し、前記１〜７の発光体から発する光を合成して白色光を生成する。また、前記第１の発光体が示す発光スペクトルの最大強度に対して、前記第２の発光体が示す発光スペクトルの最大強度の比率を、１．２〜０．４の範囲で連続的に変える電流制御手段を設けた構成とする。

本発明によれば、青色発光体と黄色発光体と橙色発光体と青緑色発光体とで構成した照明装置により照らされた対象物は、自然光下で観察した場合と同様な見え方が得られ、かつ光源の色温度を変えて様々な雰囲気を持つ空間を演出することが可能となる。

本発明は高い演色評価数を示す白色光源の設計を目的として、単色の光を示す複数の発光体からの発光を、加法混色することに得られる白色光の演色評価数の検討結果から見出された。平均演色評価数（Ｒａ）、特殊演色評価数（Ｒ９〜Ｒ１５）の算出には発光スペクトルの分布形態を正規分布と仮定し、算出方法は日本工業規格Ｚ８７２６に準拠する。以下、図を参照しながら本発明の実施の形態を詳細に説明する。

本実施例の白色光源の構成を図１に示す。基板５上の中心部には、青色発光体１および青緑色蛍光体２が形成されている。前記青色発光体１、青緑色発光体２の上側端部には図示しない一対の正電極と負電極が接続されている。電極対はそれぞれ、図示しない直流電圧電源に接続されている。また黄色発光体３、橙色発光体４が、透明樹脂部材中に分散されている。透明樹脂部材は砲弾型に形成されて、光源モジュール１０となる。

実施形態の動作を説明する。青色発光体１に直流電圧を印加すると、一対の正負電極間には電流が流れ青色を示して発光する。青色発光体１の出力光の一部は、黄色発光体３、橙色発光体４に吸収されるが、他の出力光は光源モジュール１０の外部へ透過する。黄色発光体３は、青色発光体１の出力光の一部を、黄色発光のための励起源として受取り、黄色を示して発光して、光源モジュール１０の外部へ透過する。同様に橙色発光体４も青色光を励起源として受取り、橙色を示して発光し、光源モジュール１０の外部へ透過する。これらの光は光源１０の外部で、加法混色され白色となる。

青緑色発光体２に直流電圧を印加すると、一対の正負電極間に電流が流れ青緑色を示して発光する。青緑色発光体２の出力光の一部は、黄色発光体３、橙色発光体４に吸収されるが、励起するまでには至らない。

ここで演色評価数Ｒａ、特殊演色評価数（Ｒ９〜Ｒ１５）、相関色温度を調べるため以下の手順で評価を進めた。青色発光体１に接続された一対の正負電極に、直流電圧電源に接続した直流電圧を印加し、光源モジュール１０の光軸線上に設けた分光輝度計により発光スペクトルを観察した。次に青緑色発光体２に接続された一対の正負電極に、直流電圧電源に接続した直流電圧を印加した。そして青緑色発光体２の発光スペクトルの最大強度比が、青色発光体１の発光スペクトルの最大強度に対しておよそ１．０倍となるように、青緑色発光体２に接続された直流電圧値を調整した。

図２は本発明の一実施例になる、光源モジュール１０の発光スペクトル特性を示すものである。青色発光体１、青緑色発光体２、黄色発光体３、および橙色発光体４の出力光が合成され、これにより複数のピークを持ち可視波長領域に渡って、幅広い発光スペクトルが得られた。

表１に実施例１の構成での平均演色評価数Ｒａ、特殊演色評価数Ｒ９〜Ｒ１５、基準光源に対する相関色温度を示す。比較のため、従来構成となるＲ、Ｇ、Ｂの３色のＬＥＤで構成される白色光源と、一般的な３波長型蛍光ランプの場合を示す。平均演色評価数Ｒａ、特殊演色評価数Ｒ９〜Ｒ１５ともに一般の蛍光ランプと遜色のない演色性が得られているのが分かる。

次に、青緑色発光体の発光強度と相関色温度との関連を調べるため青緑色発光体２の最大強度を１．２、０．８５、０．６６、０．４７と変えて光源モジュール１０の出力光を調べた結果を図３に示す。青緑色発光体の最大強度比が増大するに従い、相対的に短波長成分を多く含むため相関色温度は高くなる。これにより相関色温度を３５００〜５０００Ｋと調整できることが分かった。なお、青緑色発光体の強度比を変化することによる平均演色評価数Ｒａおよび特殊演色評価数Ｒ９〜Ｒ１５への影響は無く良好な光源を実現できることを確認した。
本実施例で使用する発光材料を表２に示す。青色発光体１にはＩｎ、Ｇａ、Ｎ等のIII−Ｖ族系元素で構成される窒化化合物系材料、同様に青緑色発光体２も窒化化合物系材料が好適である。黄色発光体３にはＹ、Ａｌ、Ｇｄ、Ｇａ、Ｃｅで形成される酸化物系材料を用いることができ、橙色発光体４には、Ｉｎ、Ｇａ、Ａｌ、Ａｓ、Ｐで形成される材料が好適である。

図４に、本発明の別の実施例となる構成を示す。基板５の表面側には赤色発光体６、および７が光源モジュール１０の光軸を中心とする同心円状に配置した。実施例１と同じく、赤色発光体６および７の端部には、直流電圧源を結ぶ、一対の正負電極がそれぞれ接続されている。

図５は実施例２の構成において、青色発光体１に対する各発光体の最大強度比を調整して実現した光源モジュール１０の発光スペクトルである。まず青緑色発光体２に接続された電極間に流れる電流を調整した。次に赤色発光体６、および７の最大強度比を０．２５倍とした。このときの平均演色評価数Ｒａ、特殊演色評価数Ｒ９〜Ｒ１５、相関色温度を表３に示した。なお、本実施例で示した赤色発光体６および７の最大強度比以外とした場合においても、強度比が大きくなるに従い、長波長成分が相対的に多く含まれるため相関色温度が低くなり、任意の相関色温度に調整可能である。この場合も演色評価数を低下させるような影響がないことを確認した。

各発光体に用いる材料は表２に示す材料群の中から好適なものを選択する。なお、実施例では赤色発光体６、および７は青色発光体１、青緑色発光体２と同一の基盤５上に配置されているが、黄色発光体３、橙色発光体４と同様に透明樹脂部材中に分散させても良い。ただしこの場合は、励起源が直流電圧源から、青色発光体１に変更となるため、短波長を励起源波長とする材料を選定することが望ましいが、いずれも表２に示す材料群の中から選ぶことが可能である。

図６にもう一つの実施例となる白色光源の構成を示す。基板５の中央部には緑色発光体８が配置されている他は、実施例２と同様な構成である。基板５の表面側には青色発光体１、青緑色発光体２、赤色発光体６、および７が光源モジュール１０の光軸を中心とする同心円状に配置されている。これらの発光体一つ一つの表面側の端部には、直流電圧源とを結ぶ一対の正負の電極が電気的に接続されており、各発光体に接続された電極間には任意の直流電流を流すことができる。

図７は実施例３の構成において青色発光体１、青緑色発光体２、赤色発光体６、７に接続された電極間に流れる電流を調整し、かつ青色発光体１の最大強度に対する、緑色発光体８の最大強度比を１．０倍としたときのモジュール１０の発光スペクトルを示す。表４には平均演色評価数、特殊演色評価数、相関色温度を示す。本実施例において緑色発光体８の最大強度比を１．０倍以外の場合でも相関色温度を調整することができ、かつ演色性への影響が少ないことを確認した。

緑色発光体８に用いた材料もまた表２に示す材料群から選択できる。なお、実施例では赤色発光体６、および７は青色発光体１、青緑色発光体２と同一の基盤５上に配置されているが、黄色発光体３、橙色発光体４と同様に透明樹脂部材中に分散させても良い。ただしこの場合は、励起源が直流電圧源から、青色発光体１に変更となるため、短波長を励起源波長とする材料を選定することが望ましいが、いずれも表２に示す材料群の中から選ぶことが可能である。

本発明で述べた光源は、携帯電話、ＰＤＡ等のモバイル用途機器、家庭用電化製品、インテリア照明器具、ショーウインドウ用光源として、用途を問わずあらゆる場所、シーンで使用される。本発明は特に、屋内あるいは夜間においても自然光下と同じ品質を要求する用途に最適である。

本発明の一つの実施例となる、４種類の発光体を用いた白色光源の概略構成図。本発明の一つの実施例となる、４種類の発光体を用いた白色光源の分光スペクトル。青色発光体の最大強度に対する青緑色発光体の最大強度比率を増加した場合の相関色温度の特性。本発明の第二の実施例となる、６種類の発光体を用いた白色光源の概略構成図。本発明の第二の実施例となる、６種類の発光体を用いた白色光源の分光スペクトル。本発明の第三の実施例となる、７種類の発光体を用いた白色光源の概略構成図。本発明の第三の実施例となる、７種類の発光体を用いた白色光源の分光スペクトル。

符号の説明

１…青色発光体、２…青緑色発光体、３…黄色発光体、４…橙色発光体、５…基板、６…赤色発光体、７…赤色発光体、８…緑色発光体、１０…光源モジュール。

Claims

平均演色評価数Ｒａ８０以上で、かつ一般蛍光ランプと同程度の特殊演色評価数（Ｒ９〜Ｒ１５）を示す白色光源を有し、波長４６０〜４８０ｎｍで青色を示す光を発する第１の発光体の最大強度に対する、波長４８１〜５２０ｎｍで青緑色を示す光を発する第２の発光体の最大強度比が１．２から０．４であることを特徴とする照明装置。
波長４６０〜４８０ｎｍで青色を示す光を発する第１の発光体と、波長４８１〜５２０ｎｍで青緑色を示す光を発する第２の発光体と、前記第１の発光体の光出力で励起されて波長５６０〜５７０ｎｍで黄色を示す光を発する第３の発光体と、前記第１の発光体の光出力で励起されて波長５７１〜６１０ｎｍで橙色を示す光を発する第４の発光体とを備え、前記第１〜４の発光体より発する光を合成して白色光を生成する光源を備え、前記第１の発光体の最大強度に対する、前記第２の発光体の最大強度比が１．２から０．４であることを特徴とする照明装置。
波長６１０〜６３０ｎｍで赤色を示す光を発する第５の発光体と、波長６３０〜６５０ｎｍで赤色を示す光を発する第６の発光体とをさらに備え、前記第１〜４及び５〜６の発光体より発する光を合成して白色光を生成する光源を有することを特徴とする請求項２記載の照明装置。
波長５２０〜５５０ｎｍで緑色を示す光を発する第７の発光体をさらに備え、前記第１〜４、５〜６及び７の発光体より発する光を合成して白色光を生成する光源を有することを特徴とする請求項３記載の照明装置。