JP2007227678A - 発光ダイオードを用いた白色照明装置 - Google Patents

Abstract

【課題】３色の発光ダイオードからの光を混色させることにより２色の混色よりも演色性を高め、かつ２色を混色させる場合と同様の簡単な調節のみで色度を変化させる。
【解決手段】可視光域の発光色を有する３種類の発光ダイオード２ａ，２ｂ，２ｃが混色するように配置される。発光ダイオード２ｂ，２ｃの混色光の光色は発光ダイオード２ａの発光色とは補色関係に設定される。光色制限部６は、発光ダイオード２ｂ，２ｃの混色光が発光ダイオード２ａの発光色の補色になるように発光ダイオード２ｂ，２ｃの光出力の比率を制限する。色調演算部７は、色度設定器８ａに指示された色度と明度設定器８ｂに指示された明度とを満足するように電圧信号を出力し、各発光ダイオード２ａ，２ｂ，２ｃの光出力を決定する。
【選択図】図１

Description

本発明は、発光ダイオードを用いた白色照明装置に関するものである。

近年、省エネルギー、長寿命、低発熱などの利点を有することから発光ダイオードを光源に用いた照明装置が種々提案されている。無影灯、化粧灯、リビング室内灯に適する照明装置としては、白色の主光源ＬＥＤとともに１種類または２種類の光色の補助光源ＬＥＤを設けたもの、３色のＬＥＤからの発光色を混色させるもの、ＬＥＤからの光により励起される蛍光体を設けＬＥＤからの光と蛍光体からの光とを混色させるもの、複数個のＬＥＤからの光によりそれぞれ励起される複数色の蛍光体を設け各蛍光体からの光を混色させるものなどが知られている（たとえば、特許文献１参照）。
国際公開第０３／０１９０７２号パンフレット

ところで、特許文献１には、発光ダイオード（ＬＥＤ）から放射された光のみを用いて混色光を得る技術と、発光ダイオードから放射した光を蛍光体の励起に用い蛍光体から得られた光のみを用いて混色光を得る技術とが記載されている。また、いずれの構成も混色させる複数色の光を異なる発光ダイオードを用いて生成しているから、発光ダイオードの光出力を調節することにより、色度を変化させることが可能になっている。

演色性を高めるには、スペクトルに様々な波長を含むことが望ましく蛍光体を用いるほうが演色性を高めやすいが、蛍光体を用いて光色を変化すると光の一部が熱エネルギに変換されて損失が生じ、また蛍光体内での散乱によって光のエネルギの一部が利用されずに消失するから、供給電力に対して取り出すことのできる光出力が低下するという問題を生じる。

この問題を回避するには、複数の発光色の発光ダイオードからの光を混色させることが考えられるが、発光色が単色である発光ダイオードのスペクトル分布はそれぞれ比較的狭いものであるから、２色の発光ダイオードの発光色を混色させて白色系の光を生成しても、混色光に含まれる波長成分が少なく高い演色性を得ることは難しい。この問題は３色以上の発光色の発光ダイオードを用いることによりある程度は解消されるが、３色以上の発光ダイオードを用いて白色系の混色光を得る場合に、各色ごとに発光ダイオードの光出力を調節していたのでは、調節に手間がかかるという問題がある。

本発明は上記事由に鑑みて為されたものであり、その目的は、３色の発光ダイオードからの光を混色させることにより蛍光体を用いる場合よりも電力利用効率を高めるとともに２色の混色よりは演色性を高めるようにし、しかも、２色を混色させる場合と同様の簡単な調節のみで色度を変化させることが可能な発光ダイオードを用いた白色照明装置を提供することにある。

請求項１の発明は、可視光域の発光色を有する第１の発光ダイオードと、第１の発光ダイオードとは異なる可視光域の発光色であって互いに異なる発光色を有する第２の発光ダイオードおよび第３の発光ダイオードと、第２の発光ダイオードおよび第３の発光ダイオードの混色光の光色を第１の発光ダイオードの発光色と補色関係に維持した状態で第２の発光ダイオードおよび第３の発光ダイオードを合わせた光出力と第１の発光ダイオードの光出力とを個別に調節する制御回路とを備え、第１の発光ダイオードと第２の発光ダイオードと第３の発光ダイオードとからの光の混色光を取り出すことを特徴とする。

この構成によれば、３色の発光ダイオードの混色光として白色を得るから２色を混色させる場合に比較すると演色性の高い白色を得ることができる。しかも、第２の発光ダイオードと第３の発光ダイオードとの混色光の光色は、制御回路によって第１の発光ダイオードの発光色と補色関係に保たれているから、２色を混色させる場合と同様に色度図上のほぼ一直線上で色度が変化するのであって、色度を調節するパラメータが２色の混合比のみに制限されていることになり、色度の調節が容易になる。

請求項２の発明では、請求項１の発明において、前記第１の発光ダイオードの発光色は３８０〜５００ｎｍにドミナント波長を有し、前記制御回路は前記第２の発光ダイオードおよび前記第３の発光ダイオードの混色光の光色が５６０〜６００ｎｍにドミナント波長を有するように制御することを特徴とする。

この構成によれば、第１の発光ダイオードとして発光効率が高く光出力の大きい青色系の発光ダイオードを用いるから、第２の発光ダイオードおよび第３の発光ダイオードの光出力をあまり低下させずに点灯させることができ、結果的に高光出力の白色照明装置を提供することができる。また、第２の発光ダイオードと第３の発光ダイオードとの混色光の光色のドミナント波長が５６０〜６００ｎｍに設定されるから、発光色のドミナント波長が６００ｎｍ付近である赤色系の発光ダイオードと発光色のドミナント波長が５４０ｎｍ付近である緑色系との発光ダイオードとを第２の発光ダイオードおよび第３の発光ダイオードとして用いることができ、しかも混色光の光色のドミナント波長が赤色寄りであるから、光出力が青色系や赤色系の発光ダイオードに比較すると低い緑色系の発光ダイオードを含んでいるにもかかわらず、青色系や赤色系の発光ダイオードの光出力を低下させることなく白色系の混色光を得ることができる。

請求項３の発明では、請求項１の発明において、前記第１の発光ダイオードの発光色は４７０〜４９０ｎｍにドミナント波長を有し、前記制御回路は前記第２の発光ダイオードおよび前記第３の発光ダイオードの混色光の光色が５７０〜５９０ｎｍにドミナント波長を有するように制御することを特徴とする。

この構成は、請求項２の発明における波長範囲内のより望ましい範囲であって、色度図上で４７０〜４９０ｎｍと５７０〜５９０ｎｍとの間の光色を得ることができるから、白色の変化範囲として青味がかった白色から黄味がかった白色までを含むことができ、蛍光灯において実現されている白色、昼光色、電球色に相当する混色光を得ることができる。

請求項４の発明では、請求項１ないし請求項３のいずれかの発明において、前記第１の発光ダイオードと前記第２の発光ダイオードと前記第３の発光ダイオードとへの給電経路にそれぞれスイッチング素子が直列接続され、前記制御回路は、第１の発光ダイオードの光出力を変化させるように第１の発光ダイオードに直列接続されたスイッチング素子のオンデューティを変化させる第１のＰＷＭ信号と、第２の発光ダイオードと第３の発光ダイオードとの混色光の光色のドミナント波長を一定に保つとともに第２の発光ダイオードと第３の発光ダイオードとを合わせた光出力を変化させるように第２の発光ダイオードおよび第３の発光ダイオードにそれぞれ直列接続されたスイッチング素子のオンデューティを変化させる第２のＰＷＭ信号および第３のＰＷＭ信号とを出力することを特徴とする。

この構成によれば、第１の発光ダイオードと第２の発光ダイオードと第３の発光ダイオードとにそれぞれスイッチング素子を直列接続し、スイッチング素子のオンデューティを制御することによって、各発光ダイオードの光出力を変化させるので、各発光ダイオードの光出力を広範囲に渡って変化させることができ、混色光の色度の変化範囲を広くとることができる。また、第２の発光ダイオードと第３の発光ダイオードとの混色光の光色のドミナント波長を一定に保つように、第２のＰＷＭ信号と第３のＰＷＭ信号とをスイッチング素子に与えているから、第２の発光ダイオードと第３の発光ダイオードとを合わせた光出力に応じて第２のＰＷＭ信号と第３のＰＷＭ信号とのオンデューティを設定しておけばよいのであって、第２のＰＷＭ信号と第３のＰＷＭ信号とのオンデューティの設定が容易である。

請求項５の発明では、請求項４の発明において、前記第２のＰＷＭ信号と前記第３のＰＷＭ信号とのオンデューティの比率は一方のオンデューティと線形関係である
ことを特徴とする。

この構成によれば、第２のＰＷＭ信号と第３のＰＷＭ信号との一方のオンデューティが決まれば他方のオンデューティが自動的に決まり、しかもオンデューティの比率が一方のオンデューティと線形関係であることによって、両オンデューティを簡単に決定することができる。

本発明の構成によれば、３色の発光ダイオードの混色光として白色を得るから蛍光体を用いる場合よりも電力の利用効率が高く、しかも２色を混色させる場合に比較すると演色性の高い白色を得ることができるという利点がある。また、第２の発光ダイオードと第３の発光ダイオードとの混色光の光色は、制御回路によって第１の発光ダイオードの発光色と補色関係に保たれているから、２色を混色させる場合と同様に色度図上のほぼ一直線上で色度を変化させることができる。つまり、色度を調節するパラメータが２色の混合比のみに制限されているから、色度の調節が容易になるという利点がある。

本実施形態は、図２に示すように、基板１に実装した３種類の発光色の発光ダイオード２ａ，２ｂ，２ｃを備える。発光ダイオード２ａ，２ｂ，２ｃは、半導体チップあるいはチップ部品であって、基板１にはフェイスアップ実装またはフェイスダウン実装により実装される。図示例では、３種類の発光ダイオード２ａ，２ｂ，２ｃが一括してドーム状に形成された１個のカバー３により覆われている。カバー３は発光ダイオード２ａ，２ｂ，２ｃから放射された光が混色しやすいように拡散透過性材料で形成するのが望ましい。なお、基板１に多数個の発光ダイオード２ａ，２ｂ，２ｃを配列しておき、基板１の全体を覆う形で、拡散透過性材料により板状に形成した拡散パネルを基板１に対向する形で配置し、発光ダイオード２ａ，２ｂ，２ｃから放射された光を拡散パネルによって混色させるようにしてもよい。

発光ダイオード２ａ，２ｂ，２ｃから放射された光は混色させて照明に利用するから、隣接する発光ダイオード２ａ，２ｂ，２ｃの距離は短いほうがよいが、照明する対象物までの距離や拡散透過板のような混色を促進する光学要素の有無などによって、発光ダイオード２ａ，２ｂ，２ｃの配列ピッチは適宜に調節される。

各発光ダイオード２ａ，２ｂ，２ｃは可視光域の発光色を有しており、たとえば、発光ダイオード２ａの発光色は３８０〜５００ｎｍ、さらに望ましくは４７０〜４９０ｎｍにドミナント波長を有する青色系、発光ダイオード２ｂの発光色は５９０〜６１０ｎｍにドミナント波長を有する赤色系、発光ダイオード２ｃの発光色は５４０〜５５０ｎｍにドミナント波長を有する緑色系が選択される。発光ダイオード２ａ，２ｂ，２ｃのこの組み合わせは、ＲＧＢの組み合わせに相当するから、各発光ダイオード２ａ，２ｂ，２ｃをそれぞれ定格の光出力で点灯させて混色光を得ると、一応は白色系の光色を得ることができると考えられる。

ただし、緑色系の発光ダイオード２ｃは青色系や赤色系の発光ダイオード２ａ，２ｂに比較して光出力が低いから、白色系ではあっても色度図（図３参照）における白色点Ｃ（ｗ）からのずれは大きくなる。各発光ダイオード２ａ，２ｂ，２ｃの光出力を調節すれば色度図における白色の中心付近の色度を得ることが可能であるが、目的とする色度になるように混色光を調節するには手間がかかる。

ところで、図３に示す色度図（ＸＹＺ表色系におけるｘｙ色度図）上で各発光ダイオード２ａ，２ｂ，２ｃの発光色について考察すると、青色系の発光ダイオード２ａの発光色の補色関係になる色Ｃ（ｃ）は、赤色系の発光ダイオード２ｂの発光色と緑色系の発光ダイオード２ｃの発光色との間に存在することがわかる。すなわち、発光ダイオード２ａの発光色である３８０〜５００ｎｍ（望ましくは４７０〜４９０ｎｍ）の波長に対して補色関係になる波長は５６０〜６００ｎｍ（望ましくは５７０〜５９０ｎｍ）であるから、発光ダイオード２ｂ，２ｃの混色により、発光ダイオード２ａの発光色に対して補色関係になる光色を得ることができる。しかも、発光ダイオード２ａの発光色に対して補色関係になる波長は、緑色系の発光ダイオード２ｃの発光色に対して赤色系の発光ダイオード２ｂの発光色に近いから、定格の光出力は発光ダイオード２ｃのほうが発光ダイオード２ｂよりも低いものの、発光ダイオード２ａの発光色に対して補色関係になるドミナント波長を有する混色光は、発光ダイオード２ｂ，２ｃの混色光として容易に得ることができる。

いま、色度図上において、発光ダイオード２ａの発光色と、この発光色に対して補色関係となる光色とを結ぶ直線Ｌを設定すると、直線Ｌは中間部において黒体軌跡に沿うことになる。言い換えると、この直線Ｌの上で色度を変化させることができれば、黒体軌跡上の色温度に近い色度の変化を実現することができる。

そこで、本実施形態では、各発光ダイオード２ａ，２ｂ，２ｃの光出力を調節するために、図１に示すように、各発光ダイオード２ａ，２ｂ，２ｃへの給電経路にはそれぞれスイッチング素子４ａ，４ｂ，４ｃが直列接続してあり、各スイッチング素子４ａ，４ｂ，４ｃのオンデューティを個別に制御するＰＷＭ信号を各スイッチング素子４ａ，４ｂ，４ｃに与えるために駆動回路５ａ，５ｂ，５ｃを設けてある。駆動回路５ａ，５ｂ，５ｃは、たとえば、一定周期の三角波を発生する三角波発生回路と、入力電圧を三角波電圧と比較し三角波電圧が入力電圧よりも高い期間にオンになるパルスを出力する比較回路とからなる。この構成では、入力電圧が高くなるほど出力されるパルスの幅が短くなる。つまり、入力電圧に応じてパルス幅が変化するＰＷＭ信号を出力することができる。このようなＰＷＭ信号を用いてスイッチング素子４ａ，４ｂ，４ｃのオンデューティを変化させることにより、各発光ダイオード２ａ，２ｂ，２ｃの光出力を調節し、混色光の色度を変化させることができる。

また、上述した直線Ｌの上で色度を変化させるために、駆動回路５ｂ，５ｃへの入力電圧は光色制限部６から与えられる。光色制限部６では、発光ダイオード２ｂ，２ｃの光出力にかかわらず、発光ダイオード２ｂ，２ｃの混色光が上記直線Ｌ上で変化するように発光ダイオード２ｂ，２ｃの光出力を調節する。つまり、スイッチング素子４ｂ，４ｃのオンデューティの関係を調節する。

スイッチング素子４ｂ，４ｃのオンデューティの関係を精度よく設定するには、発光ダイオード２ｂ，２ｃの特性に応じて設定したデータテーブルを用いる。つまり、データテーブルでは、混色光の光出力と、各スイッチング素子４ｂ，４ｃのオンデューティとを対応付けておき、光出力が与えられると当該光出力に対応した上記直線Ｌ上の色度が得られるように、各スイッチング素子４ｂ，４ｃのオンデューティが決定される。

ただし、各発光ダイオード２ａ，２ｂ，２ｃの特性のばらつきなどを考慮してデータテーブルを作成するのは困難であるから、簡単な演算によってスイッチング素子４ｂ，４ｃのオンデューティを決定するようにしてもよい。たとえば、両スイッチング素子４ｂ，４ｃのオンデューティを線形関係としておき、光出力が与えられると、当該線形関係を適用してスイッチング素子４ｂ，４ｃのオンデューティを決定するようにしてもよい。たとえば、各オンデューティをｄ１，ｄ２とし、光出力がＢであるとすれば、ｋ１（ｄ１＋ｄ２）＝Ｂ（ただし、ｋ１は定数）であるから、線形関係をｄ１＝ｋ２・ｄ２＋ｋ３（ただし、ｋ２，ｋ３は定数）とすれば、光出力Ｂを与えて連立方程式を解くことによりオンデューティｄ１，ｄ２を決定することができる。

光色制限部６は、上述のように、光出力Ｂが与えられるとデータテーブルを参照することによりスイッチング素子４ｂ，４ｃのオンデューティを求める構成と、光出力Ｂが与えられると演算を行ってスイッチング素子４ｂ，４ｃのオンデューティを求める構成とのいずれかが採用される。データテーブルを採用する場合は、データの設定に手間がかかるが、光出力Ｂが与えられるとスイッチング素子４ｂ，４ｃのオンデューティをただちに決定することができる。一方、演算を行う構成を採用すると、光出力Ｂからオンデューティを求める演算には若干の処理負荷がかかるが、データテーブルの設定が不要であるから導入が容易である。

光色制限部６には、駆動回路５ａに与える入力電圧と同様に電圧信号で光出力Ｂが指示され、これらの電圧信号は光色制限部６とともに制御回路を構成する色調演算部７で生成される。色調演算部７には、色度設定器８ａと明度設定器８ｂとが接続されており、色度設定器８ａは上述した直線Ｌの上での色度を指示する。具体的には、発光ダイオード２ａの光出力と、発光ダイオード２ｂ，２ｃによる混色光の光出力との比率を指示する。また、明度設定器８ｂは色度を変化させずに明度を指示する。

色調演算部７では、色度設定器８ａに指示された色度によって駆動回路５ａへの電圧信号と光色制限部６への電圧信号との比率を決め、さらに明度設定器８ｂに指示された明度に応じて両電圧信号の比率を維持したままで両電圧信号の絶対値を変化させる。色調演算部７の出力は電圧であるから、色度設定器８ａおよび明度設定器８ｂとしては可変抵抗器を用いることができる。すなわち、色度設定器８ａとして用いる可変抵抗器の抵抗分割比が上記直線Ｌの位置に対応付けられ、明度設定器８ｂとして用いる可変抵抗器の抵抗値が明度に対応付けられる。言い換えると、色調演算部７から出力される２つの電圧信号は、加算値が明度設定器８ｂで規定され、比率が色度設定器８ａで規定される。

上述した構成により、色度設定器８ａの調節により上記直線Ｌの上で色度を変化させることができるから、３色を混色させる構成で２色を混色させる場合よりも演色性を高めることができるにもかかわらず、２色の混色の場合と同様の簡単な操作で色度を変化させることができる。また、明度設定器８ｂを備えていることにより、色度を変化させることなく明度だけを変化させることも可能になっている。

なお、発光ダイオード２ａ，２ｂ，２ｃに関して上述した発光色の組み合わせは一例であって、他の発光色を用いてもよい。また、上述の例と同発光色であっても、赤色系と緑色系との混色光の色度を制限する代わりに、赤色系と青色系との混色色の色度を制限したり、青色系と緑色系との混色光の色度を制限したりしてもよい。

本発明の実施形態を示すブロック図である。 同上の概略構成図である。 同上の原理説明図である。

符号の説明

１ 基板
２ａ （第１の）発光ダイオード
２ｂ （第２の）発光ダイオード
２ｃ （第３の）発光ダイオード
３ カバー
４ａ，４ｂ，４ｃ スイッチング素子
５ａ，５ｂ，５ｃ 駆動回路
６ 光色制限部（制御回路）
７ 色調演算部（制御回路）
８ａ 色度設定器
８ｂ 明度設定器

Claims (5)

1. 可視光域の発光色を有する第１の発光ダイオードと、第１の発光ダイオードとは異なる可視光域の発光色であって互いに異なる発光色を有する第２の発光ダイオードおよび第３の発光ダイオードと、第２の発光ダイオードおよび第３の発光ダイオードの混色光の光色を第１の発光ダイオードの発光色と補色関係に維持した状態で第２の発光ダイオードおよび第３の発光ダイオードを合わせた光出力と第１の発光ダイオードの光出力とを個別に調節する制御回路とを備え、第１の発光ダイオードと第２の発光ダイオードと第３の発光ダイオードとからの光の混色光を取り出すことを特徴とする発光ダイオードを用いた白色照明装置。
2. 前記第１の発光ダイオードの発光色は３８０〜５００ｎｍにドミナント波長を有し、前記制御回路は前記第２の発光ダイオードおよび前記第３の発光ダイオードの混色光の光色が５６０〜６００ｎｍにドミナント波長を有するように制御することを特徴とする請求項１記載の発光ダイオードを用いた白色照明装置。
3. 前記第１の発光ダイオードの発光色は４７０〜４９０ｎｍにドミナント波長を有し、前記制御回路は前記第２の発光ダイオードおよび前記第３の発光ダイオードの混色光の光色が５７０〜５９０ｎｍにドミナント波長を有するように制御することを特徴とする請求項１記載の発光ダイオードを用いた白色照明装置。
4. 前記第１の発光ダイオードと前記第２の発光ダイオードと前記第３の発光ダイオードとへの給電経路にそれぞれスイッチング素子が直列接続され、前記制御回路は、第１の発光ダイオードの光出力を変化させるように第１の発光ダイオードに直列接続されたスイッチング素子のオンデューティを変化させる第１のＰＷＭ信号と、第２の発光ダイオードと第３の発光ダイオードとの混色光の光色のドミナント波長を一定に保つとともに第２の発光ダイオードと第３の発光ダイオードとを合わせた光出力を変化させるように第２の発光ダイオードおよび第３の発光ダイオードにそれぞれ直列接続されたスイッチング素子のオンデューティを変化させる第２のＰＷＭ信号および第３のＰＷＭ信号とを出力することを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載の発光ダイオードを用いた白色照明装置。
5. 前記第２のＰＷＭ信号と前記第３のＰＷＭ信号とのオンデューティの比率は一方のオンデューティと線形関係であることを特徴とする請求項４記載の発光ダイオードを用いた白色照明装置。
   

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