JP2010182724A

JP2010182724A - 発光装置

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Publication number: JP2010182724A
Application number: JP2009022446A
Authority: JP
Inventors: Takuo Murai; 卓生村井; Asumi Yoshizawa; 明日美吉澤
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2009-02-03
Filing date: 2009-02-03
Publication date: 2010-08-19
Anticipated expiration: 2029-02-03
Also published as: JP5005712B2

Abstract

【課題】少なくともJIS 照明白色領域で高い演色性を維持し、色温度可変とする発光効率のよいＬＥＤ白色色温度の可変が可能な発光装置を提供する。
【解決手段】パッケージ基板１に、青色光を発する青色ＬＥＤチップ４と、青色光、近紫外光、あるいは紫外光を発する２つの短波長ＬＥＤチップ２と、赤色光を発する赤色ＬＥＤチップ３とが実装され、青色ＬＥＤチップ４及び赤色ＬＥＤチップ３は透光性樹脂６で封止され、２つの短波長ＬＥＤチップ２は青色波長と赤色波長との中間波長領域の発光色を呈する黄〜緑系蛍光体樹脂５で封止されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、発光ダイオード（ＬＥＤ；Lighting Emitting Diode）を用いた照明器具や表示器具に適用可能な発光装置に関するものである。

これまでＬＥＤを用いた白色光源や色可変光源に係わる手法が多く提案されており、その中で白色領域での色温度を変えることを目的としたものも少なくない。代表的なものとしては、ＲＧＢの単色３種ＬＥＤチップを用い、各々のチップ出力を変えることで色可変とする構成のものがよく知られている。ただし、この場合には、各チップが狭波長域での発光となるため、連続的波長分布を得ることが難しく演色性は良好とは言えなかった。また、演色性をあげるために、複数の単色光のＬＥＤチップを用いた複数色の混合をとる照明光源が提案されているが（例えば、特許文献１参照）、調色や光色安定性の面で制御回路が複雑化し、また空間的に色分離しやすく混色性（色均一性）で課題があった。

一方、そのような課題に対して、白色ＬＥＤ（青色ＬＥＤと、青色ＬＥＤに励起発光する黄色系蛍光体を組合せた構成のもの）を用い、ある程度幅広い連続波長を持たせ、それに緑ＬＥＤや赤ＬＥＤを加える方式のものも提案されている（例えば、特許文献２、３参照）。特許文献２では、簡単な構成により、発光色の異なるＬＥＤの光束比を変化させて混色し、相関色温度を任意に変化させることができ、完全放射体の色温度軌跡、またはＣＩＥ昼光の軌跡とほぼ等しい色温度可変ＬＥＤ光源モジュールを提供するとしている。また、特許文献３では、黒体放射軌跡との偏差が大きくなることを抑制し、色温度を変化させることが可能な可変色の照明装置を提供するとしている。

特開２００６−２６１７０２号公報（第８−９頁、図４，図５）特開２００２−２７０８９９号公報（第２−３頁、図１，図５）特開２００８−１６００６１号公報（第５−７頁、図１）

前述した特許文献２、３に記載の従来技術では、目的とする白色の色温度に光色を変えようとする場合に、構成要素である白色ＬＥＤの調光が必要となる。しかしながら、その際、白色ＬＥＤは青色ＬＥＤチップ上にそれに励起発光する黄色系蛍光体混合材用を被覆した構成であるため、青色ＬＥＤチップの発光強度に比例し蛍光体の発光強度が変化する。したがって、青色ＬＥＤチップの調光により青色ＬＥＤチップのピーク波長が変動し、若干、分光スペクトルの形状や色度変化を与えるものの、白色ＬＥＤの発光が極端な青色光や黄色光を呈することはない。

一方、白色光の高演色化にはJIS 規格により白色合成光の分光波形を、完全放射体の分光波形（5000K以下の低色温度白色）、あるいは国際照明委員会の定めたCIE昼光の分光波形（5000K以上の高色温度白色）に近似させることが不可欠である。即ち、およそのところ、低色温度では短波長から長波長にかけ連続的に相対分光強度を高めること、また、高色温度では短波長から長波長にかけ連続的に相対分光強度を弱くする必要がある。それに対して、この従来技術によれば白色ＬＥＤの青色領域の発光成分と黄色系の中間波長領域の発光成分との強度を個別に制御できず、色温度変更時に色温度の高低に応じた理想の高演色の白色光に近づけるための分光波形を作り出すことができなかった。

つまり、従来技術においては、色温度調整しようとする場合、白色ＬＥＤの特性で決まる青色領域の発光強度と中間領域の発光強度との比がおよそ一定のまま、その他の緑ＬＥＤや赤色ＬＥＤなどの調光によって所望の光色を得ていた。そのような手法でも中間波長の領域を有しているため極端に光質（演色性）が悪くならないにせよ、昼光色〜電球色領域の幅広い白色領域で色温度可変とする場合、前述した演色性評価の基準光の少なくとも完全放射体分光、あるいはCIE 昼光分光の一方との波形の差異が大きくなり、広い白色範囲全般で高演色性を維持できないという課題があった。

本発明は、前記のような課題を解決するためになされたもので、少なくともJIS 照明白色領域で高い演色性を維持し、色温度可変とする発光効率のよいＬＥＤ白色色温度の可変が可能な発光装置を得ることを目的とする。

本発明に係る発光装置は、青色光を発する青色発光素子と、長波長の光を発する長波長発光素子と、短波長の光を発する短波長発光素子と、短波長発光素子の光により励起し、青色波長と赤色波長との中間波長領域の発光色を呈する蛍光材料とを備えたものである。

本発明によれば、青色発光素子の発光強度と、短波長発光素子及び蛍光部材による中間波長の発光強度とを独立して制御可能であるため、高演色性を維持して低色温度〜高色温度までの広い範囲で発光効率のよい色可変が可能な発光装置を得ることができる。

本発明の実施の形態１に係る発光装置の構成を示す平面図及び断面図である。実施の形態１の他の形態を示す発光装置の平面図及び断面図である。実施の形態１に係る発光装置の発光スペクトルと低・高色温度領域のJIS標準光源スペクトルを示す図である。実施の形態１に用いる短波長ＬＥＤチップの励起蛍光体の色度範囲を示す図である。図３の発光スペクトルによる合成白色例（3000K，6500K）を示す図である。実施の形態１の他の形態を示す発光装置の平面図及び断面図である。実施の形態１の他の形態を示す発光装置の断面図である。実施の形態１の他の形態における発光装置の発光スペクトルを示す図である。図８の発光スペクトルによる合成白色例（3000K ）を示す図である。実施の形態１の他の形態を示す発光装置の断面図である。実施の形態１の発光装置におけるセンシング及び調光制御のブロック図である。ＬＥＤパッケージを複数個配列して示す発光装置の平面図である。本発明の実施の形態２に係る発光装置の構成を示す平面図及び断面図である。実施の形態２における発光装置の発光スペクトルを示す図である（青色ＬＥＤチップ励起の狭帯域発光の赤色蛍光体を利用）。実施の形態２における発光装置の発光スペクトルを示す図である（青色ＬＥＤチップ励起の広帯域発光の赤色蛍光体を利用）。実施の形態２の他の形態における発光装置の発光スペクトルを示す図である（近紫外ＬＥＤチップ励起の狭帯域発光の赤色蛍光体を利用）。実施の形態２の発光装置におけるセンシング及び調光制御のブロック図である。本発明の実施の形態３に係る発光装置の構成を示す平面図及び断面図である。実施の形態３における発光装置の発光スペクトルを示す図である。実施の形態３の他の形態における発光装置の発光スペクトルを示す図である。実施の形態３の発光装置におけるセンシング及び調光制御のブロック図である。

実施の形態１．
以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら説明する。
図１は本発明の実施の形態１に係る発光装置の構成を示す平面図及び断面図である。
図１において、パッケージ基板１には、青色光を発する青色ＬＥＤチップ４（青色発光素子）と、青色光、近紫外光、あるいは紫外光を発する２つの短波長ＬＥＤチップ２（短波長発光素子）と、赤色光を発する赤色ＬＥＤチップ３（長波長発光素子）とが実装されている。このパッケージ基板１は、セラミックス、金属などの高熱伝導材料、あるいはチップ発熱に耐えられる耐熱性樹脂材料などで構成されている。なお、ＬＥＤの自己発熱による発光効率の低下防止、及びその熱を効率よくパッケージ外部へ伝達するために、それら材料を組み合わせた構成としてもよい。また、パッケージ基板１は、ＬＥＤを実装するＬＥＤ実装基板であり、その内側表面には、光反射効率を高めるために、塗装、メッキ、蒸着などにより拡散あるいは鏡面性の高反射面が形成されている。

また、パッケージ基板１の内側には、図１には示していないが、パッケージ基板１の外側に通じる複数種のＬＥＤを各々独立に制御可能な導電路が形成されており、フェースアップＬＥＤチップがダイボンドされた後、ＬＥＤチップに通電可能となるようにワイヤボンド接続されている。各ＬＥＤチップ２、３、４は、フリップチップタイプでもよい。その場合、金属バンプなどで導電路と接続、またはサブマウントに一度実装した後、それをワイヤボンドで接続した構成とする。なお、これ以降、パッケージ基板１に各ＬＥＤチップを実装し、ＬＥＤチップを樹脂封止した構成のものをＬＥＤパッケージ７と呼ぶこととする。

図１に示すＬＥＤパッケージ７では、各ＬＥＤチップ２、３、４を囲むようにリブ８が設けられており、隣り合うＬＥＤチップの発光が互いに干渉することのないように配慮している。なお、リブ８で囲まれた各領域をキャビティと呼ぶことにする。短波長ＬＥＤチップ２が実装されたキャビティ内を黄〜緑系蛍光体樹脂５で封止し、その他のＬＥＤチップ３、４を透光性樹脂６で封止する構成としている。透光性樹脂６は、例えばエポキシやシリコーンなどの樹脂とし、黄〜緑系蛍光体樹脂５もそれらの樹脂に蛍光体を適当量混合させたような材料で構成されている。

本実施の形態の場合、青色領域の強度を制御する目的の青色ＬＥＤチップ４の光が、目的の中間波長を得る黄〜緑系蛍光体樹脂５の領域に入射すると、短波長ＬＥＤチップ２の青色ＬＥＤチップ４の光によっても黄〜緑系蛍光体樹脂５が励起発光してしまう。このような場合、色温度に応じた高演色の白色光を得ることに影響を与える可能性があるため、少なくとも青色ＬＥＤチップ４の実装キャビティと、短波長ＬＥＤチップ２の実装キャビティとの境界に、特に後者領域への前者の光の入射を防止するためにリブ８を設けて演色性の質を落とさないようにしている。

一方、黄〜緑系蛍光体樹脂５は、赤色ＬＥＤチップ３に対しては励起感度を殆ど持たないため、赤色ＬＥＤチップ３の配置されたキャビティのリブ８は無くても目的の白色スペクトルの生成にさほど支障を与えない。そこで、例えば図２の（ａ）、（ｂ）に示すように、同一のキャビティ内に２つの短波長ＬＥＤチップ２と赤色ＬＥＤチップ３を配置し、それを黄〜緑系蛍光体樹脂５で封止する構成としても、特に赤色光が蛍光体の発光強度に影響を与えることなく封止樹脂内での混光（混色）作用を高めることができる。

なお、蛍光変換機能を与える別の構成として、短波長ＬＥＤチップ２の表面に蛍光体をコーティングして透明樹脂材料で封止するような構成としてもよい。また、短波長ＬＥＤチップ２の表面を透明樹脂材料で封止し、そのキャビティ上部に蛍光体を樹脂バインドしたような薄い蛍光シートを配置するような構成でも構わない。

ここで、短波長ＬＥＤチップ２に青色ＬＥＤチップを用いた場合の白色合成例について説明する。
蛍光体は、青色ＬＥＤチップにより励起する材料であって、目的とする合成白色のおよそ青色光と赤色光との中間に位置する黄〜緑色の中間波長を補う波長域で連続的に広帯域発光（発光半値幅50〜100nm 程度の蛍光体を単一、または複数種合成とする）するものを選定する。このとき青色ＬＥＤチップ２、赤色ＬＥＤチップ３の発光要素、及び短波長（青色）ＬＥＤチップ２＋蛍光体の発光要素の発光スペクトルを同時に表現すると、図３に示すように、短波長領域発光スペクトル１１（青色ＬＥＤチップ２）、長波長領域発光スペクトル１３（赤色ＬＥＤチップ３）、波長軸（横軸）で青と赤との中間で連続的な発光波長成分を有する中間波長領域発光スペクトル１２（短波長（青色）ＬＥＤチップ２＋蛍光体）となる。なお、図中の縦軸は任意の相対強度である。

それらの発光強度は個別に制御可能であるため、従来例の白色ＬＥＤとは異なり、可視光の短波長領域である青色領域、及び広い中間波長領域である黄色〜緑色をそれぞれ独立に調整可能であるため、目的の色温度に応じて長波長光量（赤色光）を調整して与え合成白色を得ることができる。なお、青色ＬＥＤチップに励起する前記蛍光体として、例えば緑色発光でSrGa₂S₄：Eu、黄色発光で(Y,Gd)₃Al₅O₁₂:Ceの組成により黄〜緑色発光の(Sr,Ba)₂SiO₄ :Eu²⁺などがある。これまでの例では長波長発光要素を赤色ＬＥＤチップ３として示したが、蛍光体種類によって発光波形が異なる中間波長領域の波形に応じて、色温度可変時に広い色温度領域で高演色性を保つような単一種の橙色や真紅のＬＥＤチップでもよいし、あるいはそれら複数の長波長ＬＥＤチップを用いた構成としてもよい。

ここで、高演色の白色光を合成する場合は、国際照明委員会（CIE ）が規定した照明標準光の分光波形との差異を少なくすることが必要となる。そこで例えば、目的の色温度が電球色の場合は、図３（ａ）に示すように、低色温度の標準光源スペクトル１４（完全放射体光、5000K 以下の場合）の形状に近くなるように各ＬＥＤチップ１１、１２、１３の発光強度を調整して白色合成を行う必要がある。また、目的の色温度が昼光色の場合には、同図（ｂ）に示すように、高色温度の標準光源スペクトル１５（CIE昼光、5000K以上の場合）の形状に近くなるように各ＬＥＤチップ１１、１２、１３の発光強度を調整して白色合成する必要がある。図３（ａ）（ｂ）に示す本実施の形態の発光要素による合成光は、連続的な中間波長を有するので、発光効率が良好であるとともに、各ＬＥＤチップ１１、１２、１３の強度調整により、理想とする標準光の分光波形に近くなるように相対分光強度を制御できるため、波形に幅広い色度で目的の設定色温度に応じた演色性の高い発光装置を得ることができる。

短波長ＬＥＤチップ２を青色ＬＥＤチップとした場合の、青色ＬＥＤチップ＋蛍光体の発光要素は、青色ＬＥＤチップ自体が可視光であり色味を大きく与える。そこで、励起発光する蛍光体の混光比が大きくなるように蛍光体使用量などを調整し、青色ＬＥＤチップの強度に対して蛍光体の波長変換光強度が十分大きくなるように構成する。この場合、図４のｘｙ色度図上で示すように、蛍光体の色度点、青色ＬＥＤ色度点、赤色ＬＥＤ色度点の３点を直線で結んだ場合にできる三角形領域内に、目的とする色温度の可変白色領域（6700〜2800K 程度）を含むように、蛍光体の色度点を設定する。即ち、その色度を実現する蛍光体の材料構成として単一種、または複数の蛍光体の調合により実現する。例えば、蛍光体の色度として黒体軌跡上の昼光色（Ｄ）〜電球色（Ｌ）を可変とする場合には、図４の太い点線Ａ内に色度点を与える蛍光体の材料、また、黒体軌跡上の温白（ＷＷ）〜電球色（Ｌ）を可変とする場合には、一点鎖線Ｂ内に色度点を与える蛍光体の材料を適用する。

混色原理によれば、前述の三角形領域内では、各発光要素の発光強度比を調整することで任意の光色を作り出すことができる。以下に青色ＬＥＤチップ４、及び赤色ＬＥＤチップ３、及び短波長ＬＥＤチップ２＋複数の蛍光体の混光比を調整し、色度図上の蛍光ランプ光源色の色度範囲（日本工業規格JIS：Z9112）において最も高色温度の領域である昼白色、最も低色温度の領域である電球色に白色合成した例を示す。

このようにして得られる分光例を図５に示す。図１の構成で青色ＬＥＤチップ４と短波長ＬＥＤチップ２とを同じ波長（発光強度が最大となるピーク波長）の素子として、蛍光体を調整して合成白色を生成した。青色ＬＥＤチップ４はピーク波長を450nm 、赤色ＬＥＤチップ３はピーク波長を630nm 、蛍光体は何れも紫外光〜青色光に対し励起発光する２種のシリケート蛍光体の混合（黄色系のピーク波長570nm ：半値幅100nm 、緑色系のピーク波長525nm ：半値幅70nmの混合）とした。

図５はこれらの発光要素を黒体軌跡上で白色合成した合成光の発光スペクトルの例である。実線は高色温度（6500K ）であり、平均演色評価数はRa＝85、また、点線の低色温度（3000K ）でもRa＝85と高い演色性を示す。なお、演色性とは、日本工業規格（JIS：Z8726）で規定されるとおり、基準光で物体を照明した場合に対する、試験光で照明した場合の色再現性である。特殊演色評価数、平均演色評価数とも100 点満点で数値化された指標である。このように合成白色の青みに直接寄与する、蛍光体を用いないキャビティの青色ＬＥＤチップ４の発光強度と、他のキャビティの短波長（青色）ＬＥＤチップ２＋蛍光体混合樹脂６による中間波長の発光強度とを独立して制御可能であるため、図５のように高演色性を維持して低色温度〜高色温度までの広い範囲で発光効率のよい色可変の発光装置を得ることができる。

なお、ここで用いた短波長（青色）ＬＥＤチップ４は、別のキャビティの青色を与える目的の短波長（青色）ＬＥＤチップ２と同じ仕様のチップである。このように青色ＬＥＤチップとして同じ仕様であっても、あるいは若干波長や出力強度が異なるものであっても構わず、同様の混色及び色可変効果が得られる。同じ仕様の青色ＬＥＤチップで構成すれば、青色発光成分の強度だけを考慮した調光となるので制御しやすくなる利点がある。

また、図１のＬＥＤパッケージ７は、２×２の４キャビティを有する構成とした例であり、特に可視効率の高い中間波長領域のキャビティを対角線上に２つ配置している。当然、発光効率は各ＬＥＤチップ２、３、４への投入電力にも依存するが、少なくとも本構成では中間波長領域の発光を行う面積を広くするとともに、それを励起させる短波長ＬＥＤチップ２の数も多くした大光束を得るために適した配列である。この構成以外にも例えば図６（ａ）、（ｂ）に示すように、３種のＬＥＤチップ４、２、３を波長の順（短波長、中間波長、長波長）に配列するなど発光要素の配列形態は多様であり、何れも本装置の目的とする高演色の色温度可変を実現することができ、発光要素の配列によって本実施の形態の主概念が失われるものではない。

なお、キャビティ単位で形成されたＬＥＤパッケージ７においては、図７に示すように、全キャビティを透光性樹脂などのパッケージ表面樹脂９で覆って封止する構成としてもよい。このようにすることで各キャビティから放射された光がその表面樹脂９内で広がり、ＬＥＤパッケージ７内の光色の違う発光要素の配列による空間的な色むらが低減し、ＬＥＤパッケージ７内での色均斉化を高める効果を生じる。この場合、ＬＥＤパッケージ７の上面を覆う樹脂９内に例えば酸化チタンなどの光拡散フィラーを混合封入することで、さらに拡散を高めることができる。また、このようなフィラーは、前述の樹脂９を形成する前の、各発光要素の封止樹脂内に混合しても同様の光拡散効果を得ることができる。

また、短波長ＬＥＤチップ２を紫外または近紫外ＬＥＤチップとして構成してもよい。紫外または近紫外ＬＥＤチップの場合には、その発光に対する可視感度が無いか、あるいは低いため、発光色は励起される黄〜緑系蛍光体樹脂５の発光スペクトル（色度）によりほぼ決定される。また、図８は短波長ＬＥＤチップ２としてピーク波長約400nm の近紫外ＬＥＤチップを用いた場合の各ＬＥＤチップの発光スペクトルを示したもので、目標の色温度が低色温度の場合は（ａ）に示すような強度比で混色し、高色温度の場合は（ｂ）に示すような強度比で混色する。図中の点線１６は、近紫外線励起の発光スペクトルを示している。

図９は黒体軌跡上の低色温度点（3000K ）になるように白色合成した場合の一例である。この場合は、短波長から３つ目の山に相当する領域が400nm の近紫外光によって励起発光している一種の蛍光体（黄色系ピーク波長約570nm 、半値幅100nm ）による発光領域であるが、二種の蛍光体適用のときに比較すれば発光帯域が若干狭くなっているが、それでもRa＝80の高い演色性を示している。このような蛍光体として例えば緑色発光でZnS：Cu,Al 、BaMgAl₁₀O₁₇:Eu,Mnの組成により緑〜黄色発光の(Sr,Ba)₂SiO₄:Eu²⁺ などがある。

以上のように、中間波長領域の発光を短波長（紫外または近紫外）ＬＥＤチップ２と蛍光体により実現した場合においても、短波長ＬＥＤチップ２の発光領域に強い色味を持たないため（近紫外ＬＥＤチップでは柔らかい青紫光を発する）、中間波長領域の調光時の強度変化のみを混色対象とした制御で色可変を行うことができる。また、この場合もやはり混色白色光の青色領域を与える青色ＬＥＤチップ４の発光強度と、中間波長領域の発光強度にほぼ比例する短波長（紫外あるいは近紫外）ＬＥＤチップ２とを独立して調整可能であるため、幅広い色温度領域の白色光を実現することができる。

また、近紫外ＬＥＤチップを用いた従来の白色合成例として、近紫外線ＬＥＤチップと青色、緑色、赤色の３種の蛍光体とを組合せる方式があるが、現在、近紫外ＬＥＤチップで励起する青色蛍光体(例えばBaMgAl₁₀O₁₇:Eu 、Sr₁₀(PO₄)₆C_l2:Eu)はその量子効率が高いとはいえず、得られる近紫外ＬＥＤチップとそれら蛍光体とを用いた青色光の発光効率は、現行の青色ＬＥＤチップ自身の発光効率と比較して波長変換時のエネルギー損失がある分、低いという欠点を有している。

したがって、本実施の形態の構成のように発光効率面では、合成光の青色領域に直接青色ＬＥＤチップの光を用いる構成が発光効率面で優れるという特徴がある。また、紫外ＬＥＤチップを用いる場合には、蛍光体の励起効率が高い反面、紫外ＬＥＤチップ自体の放射強度が高いとは言えず、やはり発光効率面が低い点、また、一般照明としての用途では安全性面から紫外線の放射防止構造が不可欠であり、コスト的負荷が大きくなる欠点を有している。以上のことからも、目的とする合成白色光の青色領域を直接青色ＬＥＤチップの光色を利用し、その調光により光色調整可能とする本発光装置は、青色強度の制御幅が広く、広い色温度領域で発効効率の高い光色を再現できる装置といえる。

さらに、少なくとも紫外や近紫外ＬＥＤチップを用いる場合は、それを配置したキャビティ領域の表面側、あるいは近紫外ＬＥＤチップを用いたＬＥＤパッケージ７の表面側に紫外線を反射あるいは吸収する機能を有するフィルターを装着する構成とする。例えば図１０は短波長(紫外、近紫外)ＬＥＤチップ２を実装したキャビティ上に紫外線カットフィルター１０を配置した構成例であるが、本構成によりＬＥＤパッケージ７からの可視光より短波長の光の放射を抑えることができ、生体（眼や皮膚など）への影響を考慮した場合に安全な発光装置を提供することができる。特に紫外ＬＥＤチップを用いる場合には、紫外線を通さないガラスで密封するなどの構成をとるようにする。

以上の発光装置は、光源要素の出力（各々のＬＥＤチップ）を固定値としても固定色の高演色の光源装置としての機能を有する。ここで、センシング機能や調光機能を持たせることで、外部からの色温度の設定値に応じて自動的な色可変調整を行うことができる。例えば図１１はそのような構成の発光装置のブロック図を簡単に示したもので、光の安定化を考慮し、センサー類を備えその状態検出値を用いて、所望の設定色温度になるように制御部２１を介して各ＬＥＤチップ２、３、４の電流値を調整するようにしたものである。

この制御は、例えば制御部２１に設けられたマイコン内でルール設定するような構成で実現するが、基本的にはＬＥＤパッケージ７周辺の物理情報を状態検出部２３でセンシングしてフィードバックをかける構成とする。各ＬＥＤチップ２、３、４に変動を与える要因として環境及び周辺部材の温度特性があり、状態検出部２３として例えばサーミスタセンサーや、各ＬＥＤチップ間の特性の違いによる経時的、あるいは調光時の光色不安定性に対してカラーセンサー等（カラーフィルターを備えたフォトダイオードなど）を用いて状態量を検出する。このような構成により色温度設定部２２での設定色温度に対して、環境条件変動や各ＬＥＤチップ２、３、４特有の調光特性に合わせ、各ＬＥＤチップ２、３、４の出力制御（電流制御）を行うことができ、光色安定性を実現することが可能である。センサー類はＬＥＤパッケージ７近傍、あるいはＬＥＤパッケージ７実装基板上などに配置するようにする。なお、理想とする高演色波形（前述のCIE照明標準光A,Cなどの波形）については、例えば制御部２１内にＲＯＭ、ＲＡＭなどのメモリーを持たせ、色温度に応じた分光波形情報をデータベース化しておく。そして、色温度の初期設定時には、その情報を利用して各ＬＥＤチップ２、３、４の強度調整を行うようにする。

以上のような発光装置の発光要素部分は、例えば図１２に示すようにＬＥＤパッケージ７を複数個配列させることで、円形、角形、あるいはライン形の発光モジュールとして扱うこともでき、また、様々な形態の照明、表示装置に対応させることが可能である。さらには、個々のＬＥＤパッケージ７や図１２のようなモジュールの表面に配光制御レンズを備えるようにして、高演色の色温度可変の狭配光照明（スポット照明）装置とすることも可能である。

実施の形態２．
図３及び図８では、長波長発光素子を橙〜赤色系ＬＥＤチップで構成したが、図１で短波長ＬＥＤチップ２として示した紫外、近紫外、あるいは青色ＬＥＤチップと、それに励起発光する橙〜赤色蛍光体とにより構成してもよい。
図１３は本発明の実施の形態２に係る発光装置の構成を示す平面図及び断面図である。
本実施の形態においては、２つの短波長ＬＥＤチップ２のうち１つの短波長ＬＥＤチップ２（紫外、近紫外、あるいは青色ＬＥＤチップ）のキャビティには、例えば赤系蛍光体樹脂１７により封止されている。例えば青色ＬＥＤチップ＋赤系蛍光体１７とする場合は、CaAlSiN₃:Eu²⁺やCaS：Eu のような比較的発光半値幅が広い蛍光体が知られており、この場合は、長波長領域で広範囲の連続波長を再現できるため、調整色温度により演色性が極端に低下するようなことはない。図１４はそのような赤色発光要素を含む発光要素を示した図で、短波長領域発光スペクトル１１（青色ＬＥＤチップ２）、中間波長領域発光スペクトル１２、長波長領域発光スペクトル１３（短波長ＬＥＤチップ２＋赤系蛍光体１７）を示している。

図１５はそのような青色ＬＥＤチップ励起の赤系蛍光体、及び中間波長として青色ＬＥＤチップ励起の緑色と黄色の混合蛍光体を適用したものである。図中の点線と実線は、それぞれ黒体軌跡上の低色温度（3000K ）と高色温度（6500K ）に調整した場合の例である。この白色光の平均演色評価数は前者がRa＝89、後者がRa＝87で色温度によらず高い演色性を示している。

また、赤色発光素子を紫外や近紫外のＬＥＤチップに励起発光する長波長蛍光体を用いることも可能である。例えば図１６に示すように、近紫外励起の特性を有するLiEu1-xSmxW₂O₈、La₂O₂S₂:Euのような蛍光体を適用することで、赤色ＬＥＤチップ３とほぼ同じ波長域で狭帯域発光する材料も存在し、そのような材料を用いることでもやはり高い演色性を再現することが可能である。また、この構成でも合成光の青色領域と中間波長領域を独立して発光強度を制御することが可能であるため、幅広い照明白色領域において高演色の色温度可変が可能な発光装置を実現することができる。

さらに、図１１の構成と同様に図１７のような制御系を構成することで、色光の安定した色温度の可変が可能な光源装置を得ることができる。

実施の形態３．
図１８は本発明の実施の形態３に係る発光装置の構成を示す平面図及び断面図である。
本実施の形態は、青色ＬＥＤチップ４、短波長ＬＥＤチップ２＋蛍光体、赤色ＬＥＤチップ３の他に、発光要素としてさらに緑色ＬＥＤチップ１９を加えて構成されるＬＥＤパッケージ７である。この場合は、中間発光領域を青色ＬＥＤチップ＋蛍光体、または紫外あるいは近紫外ＬＥＤチップ＋蛍光体とした構成で、それぞれ図１９及び図２０に示す発光要素で発光スペクトルを表すことができる。緑色ＬＥＤチップ１９は、例えば発光ピークが500〜550nm程度にあるものを用いる。この波長域か可視効率が高いため、この構成のように狭域の緑色発光スペクトル２０を加えた合成白色は、緑方向での色補正を行いたい場合、あるいは発光効率向上を目的とする場合に有効に作用する。この場合も図１１で説明した内容に沿った例えば図２１の制御系を備えることで、色光の安定した色温度の可変が可能な光源装置を得ることができる。

前述した実施の形態は、以上説明したように高演色性を維持したまま光色を変更できるＬＥＤ色温度の可変白色発光装置に係わるものであり、光束に関係なく一般照明や演出照明などの照明装置の他、美術館や医療用などの特殊照明に適用できる。また、ショーケースや冷蔵庫など機器組み込みの高演色の照明装置、さらに、サイン灯や表示用バックライトの光源装置などにも適用可能なものである。このように適用した場合には、電力消費を大幅に低減できる。

１パッケージ基板、２短波長ＬＥＤチップ、３赤色ＬＥＤチップ、４青色ＬＥＤチップ、５黄〜緑系蛍光体樹脂、６透光性樹脂、７ＬＥＤパッケージ、９パッケージ表面樹脂、１０紫外線カットフィルター、１１短波長領域発光スペクトル（青色ＬＥＤチップ）、１２中間波長領域発光スペクトル（青色ＬＥＤチップ＋蛍光体）、１３長波長領域発光スペクトル（橙〜赤色ＬＥＤチップ）、１４低色温度の白色JIS標準光源スペクトル(完全放射体スペクトル)、１５高色温度の白色標準光源スペクトル（CIE昼光色スペクトル）、１６中間波長領域発光スペクトル（近紫外ＬＥＤチップ＋蛍光体）、１７赤系蛍光体樹脂、１８長波長領域発光スペクトル（短波長ＬＥＤチップ＋赤系蛍光体）、１９緑色ＬＥＤチップ、２０緑色発光スペクトル。

Claims

青色光を発する青色発光素子と、
長波長の光を発する長波長発光素子と、
短波長の光を発する短波長発光素子と、
該短波長発光素子の光により励起し、青色波長と赤色波長との中間波長領域の発光色を呈する蛍光材料と
を備えたことを特徴とする発光装置。
前記短波長発光素子に、青色の光を発する青色系ＬＥＤを用いたことを特徴とする請求項１記載の発光装置。
前記短波長発光素子及び前記青色発光素子に、少なくとも発光強度が最大となる波長が同じの青色ＬＥＤを用いたことを特徴とする請求項１又は２記載の発光装置。
前記短波長発光素子に、紫外〜近紫外領域の光を発するＬＥＤを用いたことを特徴とする請求項１記載の発光装置。
前記長波長発光素子に、橙色または赤色の光を発する赤色系ＬＥＤを用いたことを特徴とする請求項１乃至４の何れかに記載の発光装置。
前記長波長発光は、短波長発光素子と、該短波長発光素子の光により励起し橙〜赤色の光を呈する蛍光部材とで得られようにしたことを特徴とする請求項１乃至５の何れかに記載の発光装置。
色度座標における前記蛍光材料の色度点と、長波長発光素子の色度点と、青色発光素子の色度点とを結んだ直線で囲まれる領域が、少なくともJIS Z9112で規定される蛍光ランプ光源色の色度範囲の５つの四辺形領域の一部を含むことを特徴とする請求項１乃至６の何れかに記載の発光装置。
少なくとも前記青色発光素子、前記蛍光材料を有する前記短波長発光素子、及び前記長波長発光素子が配置されたパッケージを備え、
該パッケージには、少なくとも前記青色発光素子の配置領域と前記蛍光材料を有する領域との間に、互いに光が入射しないようにリブが設けられていることを特徴とする請求項１乃至７の何れかに記載の発光装置。
前記青色発光素子、前記蛍光材料を有する前記短波長発光素子、及び前記長波長発光素子を互いに隣接するように配列したことを特徴とする請求項８記載の発光装置。
前記青色発光要素のみをリブで囲み、その他の発光素子を前記蛍光材料を含む樹脂で封止したことを特徴とする請求項８又は９記載の発光装置。
前記青色発光素子及び前記長波長発光素子をそれぞれ１つ、前記蛍光材料を有する前記短波長発光素子を２つ備え、前記短波長発光素子が対角線上に配置された２×２配列としたことを特徴とする請求項８乃至１０の何れかに記載の発光装置。
前記青色発光素子及び前記長波長発光素子を透光性樹脂で封止し、前記短波長発光素子を前記蛍光材料を含む樹脂で封止した後に、その上部を共通の部材で覆ったことを特徴とする請求項８乃至１０の何れかに記載の発光装置。
少なくとも前記樹脂中に光拡散フィラーを混合させたことを特徴とする請求項１２記載の発光装置。
紫外〜近紫外領域の光を発するＬＥＤの表面にその光を反射または吸収する部材を設けたことを特徴とする請求項４乃至１３の何れかに記載の発光装置。
前記青色発光素子、前記長波長発光素子、及び前記短波長発光素子の発光強度を独立に可変としたことを特徴とする請求項１乃至１４の何れかに記載の発光装置。
前記短波長発光素子に緑色ＬＥＤを使用し、当該緑色ＬＥＤの発光強度を独立に可変としたことを特徴とする請求項１５記載の発光装置。
色温度を設定する色温度設定部と、
周囲の状態を検出する状態検出部と、
前記色温度設定部により設定された色温度と前記状態検出部により検出された状態量とに基づいて前記青色発光素子、前記長波長発光素子、及び前記短波長発光素子の発光強度を調整する制御部と
を備えたことを特徴とする請求項１５又は１６記載の発光装置。