JP2010021006A - 照明装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 従来の光源装置では、大幅な色調整や自在な分光成分の制御を行うことが困難である。
【解決手段】 本発明の照明装置において、光源からの光路上に、蛍光体を分散した蛍光層を部分的に設けた色変換体を配置した。色変換体を移動することにより、光路上に存在する蛍光層の面積を変え、照明装置の色調制御を行うことができる。また、色変換体の蛍光層の存在しないエリアに透過領域を設けることで、照明装置の出光効率を上げることができる。さらに、光源の実装された基板上に指向性変換層を設けて、光源からの光を直上へ方向変換することにより、色調制御の変化幅を大きくしている。
【選択図】 図２

Description

本発明は、照明用光源装置に関する。主に、展示品や写真撮影時の被写体等の照明用光源装置に関する。

照明装置用の光源として、従来から白熱灯や冷陰極管が知られているが、発光効率や寿命等の問題から、将来的には発光ダイオード（ＬＥＤ）が期待されている。しかし、発光ダイオードの発光光自体は青や緑の単色光であるため、照明として使用するためには、白色化することが必要である。かねてより、赤色発光ダイオードと青色発光ダイオードと緑色発光ダイオードの発光光の混色により白色化する方法が知られているが、色度調整の困難さとコスト面から一般に普及するまではいたっていない。

一般的には、青色発光ダイオードとＹＡＧに代表される黄色の蛍光体を組み合わせて擬似白色化する手法が広く知られており、現在白色ＬＥＤと呼ばれている光源はこの方式が主流である（例えば、特許文献１を参照）。しかしながら、この白色ＬＥＤでは、緑色と赤色成分が非常に少なく、演色性に欠けるという問題と、色度の調整が困難という問題がある。近紫外ＬＥＤを使用すれば、演色性の問題は解決するが、現段階ではパッケージの信頼性の問題と、発光効率の問題があり、普及には時間がかかるとみられている。

また、蛍光体と発光ダイオードを使用したＬＥＤパッケージの場合、樹脂に蛍光体を混合する際に、その混合量によって色度を調整できるものの、樹脂が固まる前に蛍光体が沈降してしまうために、狙いの色度と異なる製品が出来上がってしまう問題点があった。そこで、蛍光体を含有する部分を複数の部材に展開し、蛍光体が部分的に存在する第一の蛍光体含有部材と同じ蛍光体が部分的に存在する第二の蛍光体含有部材を重ねて配置し、光源から見える蛍光体の面積比率を変更し、色度を調整する手法が公開されている（例えば特許文献２を参照）。しかしながら、この手法は基本的に製品の直行率を上げることを念頭においており、微妙な色調の調整はできても、大幅な色調整や自在な分光成分の制御はできないという問題がある。

また、ＬＥＤパッケージ単体と比較して、複数の蛍光層をＬＥＤパッケージから離れた位置に設けて色変換を行う照明モジュールは、発光効率が劣るという問題があった。
特開平５−１５２６０９号公報（１頁、第１図） 特開２００６−３３２３８４号公報（１頁、第１図）

本発明が解決しようとする課題は、従来の光源装置では、大幅な色調整や自在な分光成分の制御を行うことが困難な点である。

また、色調整を行うために外部蛍光層を配置するような構成の場合、発光効率が低くなるという問題があった。

本発明の照明装置は、基板に実装された光源からの出光光の光路上に、蛍光体を散乱した蛍光層を透明体に設けた色変換体を配置し、蛍光層の面積を変化させる構成とした。

さらに、色変換体の蛍光層を除く領域に透過領域を設けることとした。

また、基板に指向性変換層を設けて光源からの出光光を直上方向へ偏向させることとした。

さらに、色変換体に複数の種類の蛍光層を配置することとした。あるいはまた、色変換体を円形とし、部分的に蛍光層を配置することとした。

部分的に蛍光層が存在する部材を用いて、光路上に蛍光体が存在する面積を変えることで、発光効率を落とすことなく大幅な色度変更が可能となり、自在な分光成分の制御ができる照明装置の提供が可能となる。

本発明の照明装置では、光源からの光路上に、蛍光体を分散させた蛍光層を透明板上に部分的に形成した色変換体を配置した。この色変換体を移動させて光路上に存在する蛍光層の面積を変えることにより照明装置の色調制御を行うことができる。さらに、この色変換体の蛍光層の存在しないエリアに透過領域を設けることで、光源からの出光光がそのまま出射されるため照明装置の出光効率を上げることができる。また、光源が実装された基板上に指向性変換層を設けることにより、光源からの光を直上に放射させ、色調制御の変化幅を大きくすることができる。

図１〜図５をもとに実施例１を説明する。図１は本発明の照明装置の機能について説明する模式図である。複数の光源１は基板２の上に表面実装されている。光源１はＩｎＧａＮからなる発光層を有する半導体素子上に、ＹＡＧ等の黄色蛍光体を封止樹脂に分散したものを配置した２波長の白色ＬＥＤパッケージである。光源１は、白色の発光波長をもつ光に限定されず、紫外から赤外までの波長領域をもつ光であってもよい。

基板２の上面には指向性変換層４が形成されている。指向性変換層４は光源１からの発光光５の指向性を変換させる機能をもつ。本実施例では、指向性変換層４は、光源１の周りを囲む内壁として構成されている。すなわち、平板状の指向性変換層に光源１と対応する位置に孔部を設け、これを光源１が実装された基板２の上に配置している。図示するように、この孔部は光源１を格納するために設けられており、結果的に、光源１の周囲に指向性変換層４が形成されることになる。このような構成により、光源１からの発光光５のうち、斜め方向に配光特性をもつ光は光源１の周囲に形成された指向性変換層の内壁にあたり直上に放射される。孔部の開口形状は光源１の発光面の正面形状とほぼ同じであり、例えば光源１の正面形状が円形の場合、開口形状は円形となる。指向性変換層４には白色ポリカーボネート等の反射率の高い材料を使用することが好ましい。このとき、指向性変換層４の孔部は抜き加工により形成することができる。

さらに、光源１の上部には、色変換体３が配置されている。色変換体３は光源１からの光の色度を制御する機能をもつ。図３は色変換体３を模式的に示す正面図である。色変換体３には、ＰＥＴやアクリル等の透明のベースフィルム３ａ上に蛍光層３ｂが部分的に印刷されている。ベースフィルム３ａに必要な条件は透明であり、更に抜き加工等が施しやすい材料が好ましい。望ましくは耐光性、耐温性が高い材料であれば更に良い。したがって、日本ゼオン社製のゼオノアフィルム（登録商標）やガラス等も考えられる。またフィルムではなく、射出成形品も考えられる。蛍光層３ｂは蛍光体粒子を分散した透明樹脂をスクリーン印刷やインクジェット等の印刷方式により、ベースフィルム３ａに印刷して形成される。蛍光層３ｂの形状は指向性変換層４の孔部の開口形状にあわせてある。本実施例においては、蛍光層３ｂに、６００ｎｍ以上にピーク波長を有する赤色蛍光体を使用する。赤色蛍光体としては、ＣａＳやＳｒＳ等の硫化物と希土類ドーパントとからなるカルコゲナイド化合物蛍光体や、（Ｃａ、Ｓｒ）₂Ｓｉ₅Ｎ₈やＣａＳｉＮ₂やＣａＡｌＳｉＮ₃Ｏ₁₂等と希土類ドーパントとからなる蛍光材料がある。また、場合によっては、演色性や色調の調整が必要な場合はシリケート等の緑蛍光体やＹＡＧ等の黄色蛍光体を更に混合することもある。さらに、色変換体３には、複数の蛍光層３ｂに挟まれるように複数の透過領域３ｃが設けられている。透過領域３ｃには蛍光層は設けられていないため、光源１からの光は色を変換されることなくそのまま色変換体３を透過する。透過領域３ｃは指向性変換層４に設けられた孔部の開口形状よりも一回り大きいほうが好ましい。透過領域３ｃは色変換体３に孔を設けることにより形成されると光源１からの出光効率を最も上げることができるが、単に透明な領域であってもよい。

このような構成により、光源１からでた発光光５は、指向性変換層４の孔部から直上に照射され、色変換体３に配置された蛍光層３ｂにあたり、発光光５と蛍光光６の混色光となって出光する。混色性を高めるために、色変換体３の上に拡散板やレンズを配置しても良い。図４と図５は分光スペクトルを表すグラフである。光源１は、青色ＬＥＤに黄色蛍光体をポッティングした２波長ＬＥＤを想定しているため、図５のような、ピーク波長４５０ｎｍ〜４７０ｎｍ程度の青色光と５７０〜５９０ｎｍ程度の黄色光の混色光を発光する。このような分光スペクトルをもつ光は、６０００〜８０００ｋ程度の色温度を有し、平均演色指数であるＲａも７０−８０程度であるため、かなり青白い光となる。発光光５が蛍光層３ｂを通ることで５２０〜５５０ｎｍ程度の緑成分と６００ｎｍ以上の赤色成分が混合して、図４のような青、緑、黄、赤の４つのピーク波長を持つような分光スペクトルになる。このようなスペクトルの場合、色温度は２０００〜４０００ｋ程度であり、Ｒａは８５〜９５となる。

図２は本発明の照明装置について図１とは別の機能を説明する模式図である。図１と異なる点は、色変換体３の位置である。図１では、光源１からの発光光５の光路上に蛍光層３ｂが配置されていたため、光源からの発光光５と蛍光層３ｂからの蛍光光６の混色光が出光していた。図２においては色変換体３の位置がスライドしており、光源１の直上には透過領域３ｃが設けてある。つまり、光源１から２波長の発光光５がベースフィルム３ａを透過し出光しているため、出光効率をあげることができる。このように、色変換体３の位置を移動させることにより、ひとつの照明装置で色温度やＲａを変化させることが可能となる。また、このような構成によると、発光光５が複数の蛍光層を通ることがなく、かつ透過領域３ｃを通る際にはそのまま出光するため光のロスが少ない。

また、透過領域３ｃと蛍光層３ｂのいずれかが光源１の直上に存在する場合、前述のように色温度を２０００ｋもしくは８０００ｋに切り替えることが可能となるが、蛍光層３ｂの位置を直上から少しだけずらした場合は、２０００ｋ〜８０００ｋの範囲内で色温度を調節することが可能となる。インクジェット等の印刷によって、蛍光層３ｂの濃度分布を変更すると、微妙な色温度の調整も可能となる。例えば、蛍光層３ｂの蛍光体の濃度の高い領域が光源１の直上にある場合に色温度が２０００ｋであっても、蛍光層３ｂの蛍光体濃度の高い領域から低い領域へ色変換体３をスライドさせることにより、光源１の直上にある蛍光層３ｂの色温度を徐々にあげることができる。

図６をもとに実施例２を説明する。図６は本実施例による照明装置の部品を模式的に示す正面図である。実施例１では、光源１は一直線上に配置されており、色変換フィルム３及び蛍光層３ｂも直線的配置であったが、本実施例では光源をリング状に配置している。ベースフィルム３ａは円形状をしており、外周に沿う形で複数の蛍光層３ｂ及び透過領域３ｃが配置されている。ここでは蛍光層３ｂ及び透過領域３ｃは円形状をしているが、四角形や多角形や異形状であってもかまわない。色変換体３は複数の光源１を実装した基板上に配置するが、実施例１同様、基板上には指向性変換層４が設けられている。光源は蛍光層３ｂとそれぞれ対応して配置されるように設計されている。蛍光層３ｂが元々あった位置に透過領域３ｃがくるまで色変換フィルム３を回転させることにより、実施例1と同様に色温度を変化させることができる。なお、蛍光層３ｂと透過領域３ｃがそれぞれ光源と完全に一致するように色変換体３を回転すると、光源からの発光効率を上げることができる。

図７を用いて本実施例の照明装置を説明する。図７は本実施例の照明装置の部品を模式的に示す正面図である。実施例２と異なる点は、蛍光層が一種類ではなく、第一の蛍光層３ｄと第二の蛍光層３ｅが存在する点である。第一の蛍光層３ｄと第二の蛍光層３ｅは隣接しており、それらの蛍光層に隣接して更に透過領域３ｃが配置されている。第一の蛍光層３ｄに赤色蛍光体を、第二の蛍光層３ｅに緑色蛍光体を設け、色変換体３を回転することにより、光源の直上に第一の蛍光層３ｄが配置されると暖色系の白色光が発光し、光源１の直上に第二の蛍光層３ｅが配置されると青緑に近い色が発光し、透過領域３ｃが光源１の直上に配置されると寒色系の白色光が発光する。また、第一の蛍光層３ｄと第二の蛍光層３ｅにそれぞれ異なる濃度の赤色蛍光体を設けて色変換体３を回転すると、発光光５は暖色系から寒色系の白色光に変化する。

実施例４の照明装置を図８と図９を用いて説明する。図８は本実施例による照明装置を模式的に示す正面図である。光源１は基板２上に実装されており、光源１の上部に色変換体３がある。本実施例の色変換体３は蛍光層３ｂが全面に形成されており透過領域３ｃは存在しない。色変換体３はカメラで使用される２枚羽根のシャッターのような構造をしており、色変換体３が回転をすることで、光源１からの光が直接出光したり、色変換体３を通して出光したりする。図８は、色変換体３が光源１の直上に存在せず、シャッターとしては開いている状態であり、図９は色変換体３が光源１上に存在し、シャッターとしては閉じている状態である。例えば、蛍光層３ｂに赤色蛍光体を設け、光源１を擬似白色のＬＥＤとすると、シャッターが開いていれば、寒色系の光が出光し、シャッターが閉じれば暖色系の光が出光する照明装置となる。また、本実施例においては、２枚羽根のシャッター構造としたが、羽根の数は３枚以上であっても１枚であっても２枚羽根と同様の色調整機能を達成することができる。

本実施例の機能を説明するための断面図である。 本実施例の機能を説明するための断面図である。 本実施例の色変換体を示す模式図である。 本実施例の分光スペクトルを示すグラフである。 本実施例の分光スペクトルを示すグラフである。 本実施例の色変換体を示す模式図である。 本実施例の色変換体を示す模式図である。 本実施例の模式図である。 本実施例の模式図である。

符号の説明

１ 光源
２ 基板
３ 色変換体
３ａ ベースフィルム
３ｂ 蛍光層
３ｃ 透過領域
３ｄ 第１の蛍光層
３ｅ 第２の蛍光層
４ 指向性変換層
５ 発光光
６ 蛍光光

Claims (8)

1. 光源と、
   前記光源が実装された基板と、
   前記基板上に設けられ、前記光源からの光を直上方向へ変換する指向性変換層と、
   前記光源の上部に配置された色変換体と、を備える照明装置であって、
   前記色変換体には前記光源からの光の色を変換する蛍光体を含む蛍光層が設けられ、
   前記色変換体を水平方向に移動させることにより、色度が制御されることを特徴とする照明装置。
2. 前記色変換体には前記蛍光層に隣接して前記光源からの光を透過する透過領域が設けられ、
   前記光源上に前記蛍光層と前記透過領域のどちらかが配置されるように前記色変換体を水平方向に移動させることにより、色度が制御されることを特徴とする請求項１に記載の照明装置。
3. 前記基板と前記指向性変換層と前記色変換体はともに円形状であり、
   前記色変換体には前記蛍光層と前記透過領域とが隣接して配置され、
   前記色変換体を回転させ前記光源上に位置する前記蛍光層の面積を変えることにより、色度が制御されることを特徴とする請求項２に記載の照明装置。
4. 前記色変換体には異なる種類の蛍光体を含む複数の種類の蛍光層が配置されていることを特徴とする請求項３に記載の照明装置。
5. 前記色変換体には同種類の蛍光体を含む複数の種類の蛍光層が配置され、
   前記蛍光層は濃度が異なることを特徴とする請求項３に記載の照明装置。
6. 前記透過領域が前記色変換体に設けられた孔であることを特徴とする請求項２〜５のいずれか一項に記載の照明装置。
7. 前記蛍光層は領域によって前記蛍光体の濃度分布が異なることを特徴とする請求項１に記載の照明装置。
8. 光源と、
   前記光源が実装された基板と、
   前記基板上に設けられ、前記光源の周囲に壁を形成し前記光源からの光を直上方向へ変換する指向性変換層と、
   前記指向性変換層の上部に配置された色変換体と、を備える照明装置であって、
   前記色変換体は、前記光源からの光の色を変換する蛍光体を含む蛍光層を全面に設けた二枚羽根のシャッターで構成され、前記シャッターを開閉することにより色度制御をおこなうことを特徴とする照明装置。

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