JP2010272536A - 照明器具 - Google Patents

Abstract

【課題】色温度の低い発光ダイオード（ＬＥＤ）と色温度の高いＬＥＤとの簡単な組み合わせからなり、少なくとも片方の明るさを変化させることで、電球色・温白色・白色・昼白色・昼光色の白色５色が実現可能な照明器具の提供。
【解決手段】ＬＥＤ素子とその発光により励起され異なる波長の光を発する蛍光体とを有するＬＥＤ、又はＬＥＤ素子のみを発光源とするＬＥＤを回路基材に複数個実装してなる照明器具において、色温度の高いＬＥＤ１１と、それよりも色温度の低いＬＥＤ１０とを対として組み合わせて回路基材１３に実装し、且つ少なくとも片方のＬＥＤの光出力を変更する電源回路を有し、前記光出力を変更することで、昼光色、昼白色、白色、温白色及び電球色からなる群から選択される複数の白色を発光可能としたことを特徴とする照明器具。
【選択図】図２

Description

本発明は、発光ダイオード（以下、ＬＥＤと記す。）を用い、照明用光源として好適な白色光（昼光色、昼白色、白色、温白色及び電球色）を照射することができる照明器具に関する。

従来、複数のＬＥＤ素子を基材に実装し、電球色・温白色・白色・昼白色・昼光色の白色５色のいずれかの白色光を発する照明器具が種々検討されている。例えば、３波長ＬＥＤ（赤色ＬＥＤ＋緑色ＬＥＤ＋青色ＬＥＤ）を用いることで白色５色を得ることができる。しかし、この場合には、３色ＬＥＤがそれぞれ別な材料を用いて形成されていることから、各ＬＥＤの駆動電力が異なり、個々に所定の電圧を印加する必要があるために、駆動回路が複雑になるという問題点があった。また、ＬＥＤが半導体であるために、個々に温度特性や経時変化が異なり、色調が使用環境（主として周囲温度）により変化するという問題があった。これを防ぐためには、それぞれのＬＥＤの明るさをモニタし、それによりそれぞれの明るさをコントロールする制御回路が必要になる。また、３波長ＬＥＤでは、それぞれが単色性のピーク波長を持つため演色性が乏しいという欠点もある。

特許文献１には、複数光色の光源を内蔵し、光照射開口面に拡散透光板を有し、全光量を略一定に保ちつつ、各光色の光源を連動調光して色温度を変化させる光色変化モードと、各光色の光源の光量比を略一定に保って各光色の光源の光量を変化させる調光モードを有する色温度可変照明装置において、各光源を光源の光色配列が対称で且つ同色の光源が相隣接しないように一様に分布させて配置し、光色変化モードにおける光量の変化量の最も大きい光源を配列両端と中心部に配置し、当該色の光源を一斉に調光するモードと、少なくとも中心部に配置した光源を残して対称的に消灯し、残点灯させた光源のみを調光するモードとを有することを特徴とする色温度可変照明装置が開示されている。しかしながら、特許文献１記載の装置は、Ｒ・Ｇ・Ｂ三色の混色タイプであるため、制御回路が非常に複雑になっている。

特開平５−２１１６９号公報

本発明は、前記事情に鑑みてなされ、色温度の低いＬＥＤと色温度の高いＬＥＤとの簡単な組み合わせからなり、少なくとも片方の明るさを変化させることで、電球色・温白色・白色・昼白色・昼光色の白色５色が実現可能な照明器具の提供を目的とする。

前記目的を達成するため、本発明は、ＬＥＤ素子とその発光により励起され異なる波長の光を発する蛍光体とを有するＬＥＤ、又はＬＥＤ素子のみを発光源とするＬＥＤを回路基材に複数個実装してなる照明器具において、色温度の高いＬＥＤと、それよりも色温度の低いＬＥＤとを対として組み合わせて回路基材に実装し、且つ少なくとも片方のＬＥＤの光出力を変更する電源回路を有し、前記光出力を変更することで、昼光色、昼白色、白色、温白色及び電球色からなる群から選択される複数の白色を発光可能としたことを特徴とする照明器具を提供する。

本発明の照明器具において、色温度の高いＬＥＤの色度が、ＣＩＥ１９３１ｘｙ色度図上の昼光色範囲上端の座標０．３２７４，０．３６７３と電球色範囲下端の座標０．４５９４，０．３９７１の２点を通る第１の直線と、昼光色範囲下端の座標０．３０６４，０．３０９１と電球色範囲上端の座標０．４３３８，０．４１８５の２点を通る第２の直線との間の領域であって、且つ昼光色範囲と該色度図における昼光色よりも左側の領域に存在することが好ましい。

本発明の照明器具において、色温度の低いＬＥＤの色度が、ＣＩＥ１９３１ｘｙ色度図上の昼光色範囲上端の座標０．３２７４，０．３６７３と電球色範囲下端の座標０．４５９４，０．３９７１の２点を通る第１の直線と、昼光色範囲下端の座標０．３０６４，０．３０９１と電球色範囲上端の座標０．４３３８，０．４１８５の２点を通る第２の直線との間の領域であって、且つ電球色範囲と該色度図における電球色よりも右側の領域に存在することが好ましい。

本発明の照明器具において、色温度の低いＬＥＤと色温度の高いＬＥＤとが、それぞれ青色ＬＥＤ素子とその発光により励起され異なる波長の光を発する蛍光体とを組み合わせたＬＥＤであることが好ましい。

本発明の照明器具において、複数のＬＥＤから発せられる混色光の色温度が高くなるに従い該混色光の光量が増す構成としたことが好ましい。

本発明の照明器具は、色温度の高いＬＥＤと、それよりも色温度の低いＬＥＤとを対として組み合わせて回路基材に実装し、且つ少なくとも片方のＬＥＤの光出力を変更する電源回路を有し、前記光出力を変更することで、昼光色、昼白色、白色、温白色及び電球色からなる群から選択される複数の白色を発光可能としたものなので、照明に適している白色光を一つの器具で実現可能となる。例えば、住居用照明であれば、夏は涼しげな色温度の高い昼光色などを使用し、冬は暖かみのある電球色での照明が可能となり、心理的作用により冷暖房費節減も期待でき、省エネ効果が期待できる。また、夜の食事時などは昼白色を使用し、深夜に電球色に変化させることなどの使い方も可能となる。これらを最低限１系統の明るさ（電流値もしくは電圧）を変化させる機能をもつ照明器具で実現可能となる。

本発明の照明器具に用いるＬＥＤの構造の一例を示す断面図である。 本発明の照明器具の実施形態を示し、（ａ）は２種類のＬＥＤの斜視図、（ｂ）は照明器具の一例を示す斜視図、（ｃ）は照明器具の他の例を示す斜視図である。 本発明の照明器具に用いる電源回路の一例を示す回路図である。 本発明の照明器具における白色５色の色度範囲を示すＣＩＥ１９３１ｘｙ色度図である。 本発明の照明器具における２つのＬＥＤの色度の領域を示すＣＩＥ１９３１ｘｙ色度図である。 本発明に係る実施例１で用いた電球色ＬＥＤと緑色ＬＥＤとのそれぞれの色度を示すＣＩＥ１９３１ｘｙ色度図である。 実施例１で作製した照明器具における色度変化の測定結果を示すＣＩＥ１９３１ｘｙ色度図である。 実施例１で作製した照明器具における緑色ＬＥＤ電流と光量比との関係を示すグラフである。 本発明に係る実施例２で用いた電球色ＬＥＤと昼光色ＬＥＤとのそれぞれの色度を示すＣＩＥ１９３１ｘｙ色度図である。 実施例２で作製した電球色ＬＥＤと昼光色ＬＥＤが１対１の照明器具における色度変化の測定結果を示すＣＩＥ１９３１ｘｙ色度図である。 実施例２で作製した電球色ＬＥＤと昼光色ＬＥＤが１対２の照明器具における色度変化の測定結果を示すＣＩＥ１９３１ｘｙ色度図である。 実施例２で作製した照明器具の斜視図である。

本発明の照明器具は、ＬＥＤ素子とその発光により励起され異なる波長の光を発する蛍光体とを有するＬＥＤ、又はＬＥＤ素子のみを発光源とするＬＥＤを回路基材に複数個実装してなり、色温度の高いＬＥＤと、それよりも色温度の低いＬＥＤとを対として組み合わせて回路基材に実装し、且つ少なくとも片方のＬＥＤの光出力を変更する電源回路を有し、前記光出力を変更することで、昼光色、昼白色、白色、温白色及び電球色からなる群から選択される複数の白色を発光可能としたことを特徴としている。

本発明において、照明器具に使用する色温度の高いＬＥＤ及び色温度の低いＬＥＤは、種々のＬＥＤの組み合わせを採用でき、例えば、色温度の高いＬＥＤとして青色ＬＥＤを用い、色温度の低いＬＥＤとして黄色ＬＥＤを用いることができ、以下の実施形態ではこれら青色ＬＥＤと黄色ＬＥＤとを組み合わせた照明器具に沿って説明する。

本発明において、色温度を変化させる場合には、大きく分けて二つの方法がある。ひとつは、黄色ＬＥＤを光量一定として、青色ＬＥＤの光量を変化させる方式（以下、青変化方式と記す。）であり、もうひとつは青色ＬＥＤを光量一定として、黄色ＬＥＤの光量を変化させる方式（以下、黄変化方式と記す。）である。

青変化方式の場合は、青色ＬＥＤの光が徐々に増加するに従って、色温度が上昇し、さらに照明器具から出る光量も増加することになる。これは心理的に非常に有効である。
蛍光灯のように青白い光（色温度が高い）は、暗いと陰気で寒々しく感じ、白熱灯のように赤っぽい光（色温度が低い光）は、明るすぎると暑苦しく感じる。このように色温度による心理効果をクルーゾフ効果という。これは、日の出と共に活動を始め、夕方から夜にかけて休息をとる一般的な人の生活のリズムによるものである。人を活動的にして勉強や仕事を行う日中は、色温度が高くかつ光量が必要となり、夜になると安らぎが感じられる色温度が低くかつ光量も低い照明が望ましい。このため、本発明には、青変化方式が非常に適している。
一方、黄変化方式は、前述した心理効果と逆行するために、非常に心理的に不愉快な照明となってしまう。
これは、心理効果であることから、具体的な数値での光量差は明確ではないが、例えば、新照明教室・光源（照明学会普及部）によれば、色温度が３３００Ｋ以下では、２０００ｌｘから５００ｌｘが快適であり、色温度５３００Ｋでは２０００ｌｘ以上が快適とある。
また、人間の目は、明るさが１．５倍程度変化しないと明るさを感じないため、色温度の低い照明と色温度の高い照明では２倍程度の変化を与えることで、心理的に良好な照明が実現できる。これにより、さらに省エネルギー効果が期待できるとともに、一般的な生活リズムにあった照明が実現できるために、寝つきがよくなるなど健康への効果も期待できる。

以下、図面を参照して本発明の照明器具の実施形態を説明する。
図１は、本発明の照明器具に用いるＬＥＤの一例である表面実装型パッケージ（ＳＭＤ）の構造を示す断面図である。図１中、符号１はＬＥＤ、２はカップ部材、３はＬＥＤ素子、４は金細線、５Ａ及び５Ｂはパッケージ電極、６は蛍光体入り透明樹脂、７は蛍光体である。このＬＥＤ１は、擂り鉢状の凹部を有し、かつ裏面側から凹部底面に延設された一対のパッケージ電極５Ａ，５Ｂを有するカップ部材２と、このカップ部材２の凹部底面の一方のパッケージ電極５Ａ上に載置されたＬＥＤ素子３と、ＬＥＤ素子３の上部電極と他方のパッケージ電極５Ｂとを電気的に接続する金細線４と、このＬＥＤ素子３を封止するようにカップ部材２の凹部内に充填・硬化された蛍光体入り透明樹脂６とを備えて構成されている。ＬＥＤ素子３の下部電極と一方のパッケージ電極５Ａとは、導電性ペーストによって電気的に接続されている。蛍光体７を分散した樹脂は透明であり、ＬＥＤ素子３の全体を被覆している。

このＬＥＤ素子３と蛍光体７とを有するＬＥＤの製造手順の概略を説明する。
第１の工程では、カップ部材２の凹部底面に露出しているＬＥＤ素子載置用（中央まで延びている）のパッケージ電極５Ａ上にＬＥＤ素子３を導電性ペーストを用いてダイボンディングする。
第２の工程では、ＬＥＤ素子３ともう一方のパッケージ電極５Ｂとを金細線４でワイヤボンディングする。
第３の工程では、粉末状の蛍光体７を混合分散させた樹脂（例えば、エポキシ樹脂など）を、ＬＥＤ素子３及び金細線４を覆うように、カップ部材２の凹部に適量塗布し、樹脂を硬化させる。この時、それぞれの蛍光体について、予め実験によって決定した適切な濃度及び塗布量に調整する。

図２は、本発明の照明器具の実施形態を示す図であり、図２（ａ）は、本実施形態で用いる色温度の低いＬＥＤとしての黄色ＬＥＤ１０と、色温度の高いＬＥＤとしての青色ＬＥＤ１１を示す斜視図、（ｂ）は黄色ＬＥＤ１０と青色ＬＥＤ１１をそれぞれ１０個（合計２０個）用いて構成した照明器具１２の一例を示す斜視図、（ｃ）は黄色ＬＥＤ１０と青色ＬＥＤ１１をそれぞれ４個（合計８個）用いて構成した照明器具１４の他の例を示す斜視図である。

図２に例示したそれぞれの照明器具１２，１４は、青色ＬＥＤ１１と黄色ＬＥＤ１０とを１対１の組とし、青色ＬＥＤ１１と黄色ＬＥＤ１０からの混色した光を外部に出す照明器具であり、青色ＬＥＤ１１の明るさを変化させる（駆動電流を変化させる）ことで、外部に出す光の色温度が変化するようになっている。なお、詳細は略しているが、青色ＬＥＤ１１と黄色ＬＥＤ１０とが実装されている回路基材１３は、実装された多数のＬＥＤに電流を印加するための配線と、黄色ＬＥＤ１０は電流一定とし、青色ＬＥＤ１１の電流値を任意に変化させることが可能な図示していない電源回路とを有している。この回路基材１３の形状は、平板状の基板に限定されず、照明器具の使用形態に応じて、曲面板状、円筒状などの任意の形状とすることができる。

図２（ｂ）に例示した照明器具１２では、５個一列の黄色ＬＥＤ１０と５個一列の青色ＬＥＤ１１とを、黄色−青色−青色−黄色の列配置で並べた構造であり、これらのＬＥＤを点灯させることで、黄色光と青色光との混色光、すなわち白色光が出力されるようになっている。
図２（ｃ）に例示した照明器具１４では、黄色ＬＥＤ１０と青色ＬＥＤ１１とを四角形枠上に沿って交互に合計８個並べた構造であり、これらのＬＥＤを点灯させることで、黄色光と青色光の混色光が出力されるようになっている。
なお、各ＬＥＤの配列形態は、これらの例示にのみ限定されず、多数の黄色ＬＥＤ１０と青色ＬＥＤ１１とを交互に、又はランダムに配置する各種の配列形態を採用し得る。
また、これらの照明器具において、混色のために拡散板を配置したり、集光等のための光学部材を配置することもある。

本実施形態の照明器具１２，１４は、色温度の高い青色ＬＥＤ１１と、それよりも色温度の低い黄色ＬＥＤ１０とを対として組み合わせて回路基材１３に実装し、且つ青色ＬＥＤ１１の光出力を変更する電源回路を有し、前記光出力を変更することで、昼光色、昼白色、白色、温白色及び電球色からなる群から選択される複数の白色を発光可能としたものなので、照明に適している白色光を一つの器具で実現可能となる。例えば、住居用照明であれば、夏は涼しげな色温度の高い昼光色などを使用し、冬は暖かみのある電球色での照明が可能となり、心理的作用により冷暖房費節減も期待でき、省エネ効果が期待できる。また、夜の食事時などは昼白色を使用し、深夜に電球色に変化させることなどの使い方も可能となる。これらを最低限１系統の明るさ（電流値もしくは電圧）を変化させる機能をもつ照明器具で実現可能となる。

次に、本発明において関係する用語、及び各構成要素の詳細について説明する。

（演色性）
演色とは照明される光源の違いによって色の見え方が異なる現象を言い、その特性を演色性と言う。一般に演色性とは自然光と対比させた光源の性質を表すものであり、光源の演色性評価方法は、ＪＩＳ Ｚ８７２６により決まっている。

（平均演色評価数（Ｒａ））
演色性は、一般的には、自然光のような光を基準にして、「よい」、「わるい」と表現するが、その自然光に近い照明を基準光として、ＪＩＳ Ｚ ８７２６に規定された方法で試験光を調べ、照明光の演色性を評価する。演色評価数には、平均演色評価数と特殊演色評価数がある。平均演色評価数とは、試験色を、試料光源と基準光で照明したときの色ずれの大きさを数値化したもので、基準光で見た時を１００とし、色ずれが大きくなるに従って数値が小さくなる。平均演色評価数（Ｒａ）は、基準光Ｎｏ．１〜８の演色評価数値の平均値として表される。
ＣＩＥ（国際照明委員会）による演色評価数の基準において、望ましい平均演色評価数は、次の通りである。
Ｒａ≧９０・・・色比較・検査、臨床試験、美術館。
９０＞Ｒａ≧８０・・・住宅、ホテル、レストラン、店舗、オフィス、学校、病院など。
８０＞Ｒａ≧６０・・・一般的作業の工場。

（主波長）
主波長とは、特定の無彩色刺激と適当な比率で加法混色することによって、試料色刺激に等色するような単色光刺激の波長（ＪＩＳ Ｚ８１０５）とする。

（ＬＥＤ素子）
本発明に使用するＬＥＤ素子としては、樹脂（蛍光体を混合した透明樹脂）を劣化させる紫外光を発光するものより、可視光を発光するものを用いる方が望ましい。視感効率（人間の目の感度）は、５５０ｎｍ程度にピークがあるため、ＬＥＤ素子の主ピークも５５０ｎｍに近いほうが視覚効率が良くなる。このため、本発明に使用するＬＥＤ素子としては、照明器具に使われるＬＥＤの長寿命化、また発光効率のために、ＬＥＤ素子の発光スペクトルの主ピークを可視光の範囲内とすることが望ましい。

特に、ＬＥＤ素子に４８０ｎｍ〜４９０ｎｍ程度の範囲の主ピークを持つＬＥＤ素子を使用すると、５つの白色領域（昼光色、昼白色、白色、温白色、電球色）を実現できる色変化が可能な照明器具用の青色ＬＥＤを蛍光体等を使用せずに実現が可能となるためさらに望ましい。ただし、黄色ＬＥＤが所定の色度範囲にあることが必要である。

なお、５つの白色領域すべてを実現させる必要がない場合には、それに応じた主発光波長のＬＥＤ素子を選択することが可能となり、例えば、発光効率の向上やコストの低減が可能となる。例えば、白色と温白色と電球色の３つの領域の発光が可能な照明器具の青色ＬＥＤの場合には、４７０ｎｍ〜５００ｎｍ程度の範囲の主ピークを持つＬＥＤ素子で実現が可能となるため、ＬＥＤ素子の選択の幅が広がる（ただし、黄色ＬＥＤが所定の色度範囲にあることが必要である。）。

ＬＥＤ素子と蛍光体を使用して青色ＬＥＤを作製する場合には、一般的に蛍光体は、短波長の光を吸収して長波長の光を発光するものの方が、長波長の光を吸収して短波長の光を発光するものに比較して効率が良いため、ＬＥＤ素子からの光の少なくとも一部の光を吸収し、吸収した光の波長よりも長波長の主ピークを持つ光を発光する蛍光体を用いることが望ましい。

なお、上述のように５つの白色領域（昼光色、昼白色、白色、温白色、電球色）を実現させるためには、ＬＥＤ素子と蛍光体からの混色された光の主波長が４９０ｎｍから４８０ｎｍに調整することで対応できる（ただし、黄色ＬＥＤが所定の色度範囲にあることが必要である。）。波長の調整は、青色ＬＥＤに使用する蛍光体の量を変化させることで可能であり、図１に例示しているようなカップ部材２に蛍光体入り透明樹脂６を塗布する場合には、透明樹脂に分散混合させる蛍光体７の量を変化させることで波長の調整が可能となる。なお、この際に効率向上のために、４８０ｎｍ以下の主ピークを持つＬＥＤ素子と、それよりも長波長側に主発光波長を持つ蛍光体を使用することが望ましく、使用する蛍光体によって、励起光率の良い波長が変化するために、青色ＬＥＤに使用するＬＥＤ素子は、４８０ｎｍ以下でかつ使用する蛍光体の励起効率の良い波長を選択することがさらに望ましい。蛍光体の励起効率は、蛍光分光光度計（例えば、日本分光社製ＦＰ６５００）で測定することができる。

また、青色ＬＥＤに使用する蛍光体は、複数使用してもよい。複数の蛍光体を使用した場合においても、上述したように５つの白色領域（昼光色、昼白色、白色、温白色、電球色）を実現させるためには、ＬＥＤ素子と蛍光体からの混色された光の主波長が４８０ｎｍ〜４９０ｎｍになるように、各蛍光体の配合比を変化させることで対応できる（ただし、黄色ＬＥＤが所定の色度範囲にあることが必要である。）。配合比とは、上述のように透明樹脂に分散混合するそれぞれの蛍光体の比率となる。一般的に複数種類の蛍光体を使用した場合には、青色ＬＥＤからの混色された光が太陽光のように可視光の波長範囲内においてブロードな光に近くなるために、演色性が良くなる。このため青色ＬＥＤの演色性を高くすることが重視される場合には、ＬＥＤ素子と異なる主発光波長を持つ複数の蛍光体を使用することが望ましい。また、一般的に蛍光体は、短波長の光を吸収して長波長の光を発光するものの方が、長波長の光を吸収して短波長の光を発光するものに比較して効率が良いため、可視光域に主ピークを持つＬＥＤ素子を用い、それよりも長波長側に主発光波長を持つ第１の蛍光体と、さらにそれよりも長波長側に主発光波長を持つ第２の蛍光体と、場合によっては、さらに長波長側に主発光波長を持つ第３、第４の蛍光体を使用することが望ましい。さらに、使用する蛍光体の少なくとも１種類に、赤色に主波長を持つ蛍光体（６１０ｎｍから７５０ｎｍに主発光波長を持つ蛍光体）を使用することが演色性向上の点でさらに望ましい。

黄色ＬＥＤの主波長は、青色ＬＥＤよりも長波長側になる。特に、５つの白色領域（昼光色、昼白色、白色、温白色、電球色）全てで発光する照明器具の場合、５８０ｎｍ〜５９０ｎｍ程度の主波長のＬＥＤ素子を黄色ＬＥＤに使用すると、蛍光体を使用せずに実現が可能となる（ただし、黄色ＬＥＤが所定の色度範囲にあることが必要である。）。

なお、５つの白色領域すべてを実現させる必要がない場合には、それに応じた主発光波長のＬＥＤ素子を選択することが可能となり、例えば、発光効率の向上やコストの低減が可能となる。例えば、白色と温白色と電球色の３つの領域の発光が可能な照明器具の黄色ＬＥＤの場合には、６００ｎｍ程度の範囲の主ピークを持つＬＥＤ素子でも実現が可能となるため、ＬＥＤ素子の選択の幅がさらに広がる（ただし、青色ＬＥＤが所定の色度範囲にあることが必要である。）。

また、蛍光体を使用する場合は、青色ＬＥＤと同様に蛍光体の量を調整することで実現が可能となる。一般的に蛍光体は、短波長の光を吸収して長波長の光を発光するものの方が、長波長の光を吸収して短波長の光を発光するものに比較して効率が良いため、ＬＥＤ素子の発光スペクトルの主ピークを可視光の短波長側にし、ＬＥＤ素子からの光の少なくとも一部の光を吸収し、吸収した光の波長よりも長波長の主ピークを持つ光を発光する蛍光体を用いることが望ましい。また、演色性を重視する場合などの用途には、青色ＬＥＤと同様に複数種類の蛍光体を用いることもできる。

また、電源回路の簡略化のためには、青色ＬＥＤと黄色ＬＥＤのそれぞれに使用するＬＥＤ素子を同じ電流、電圧で使用することが望ましい。この場合には、図３の回路図に示すような単純な構成で実現可能である。図３では、可変抵抗を用いているが、抵抗と切り替えスイッチを組み合わせることで、予め設定された色度に簡単に変化させることも可能になる。
一般的には、消費電力の関係から、抵抗は用いずに、パルス状に点灯と消灯を繰り返し、その点灯している時間の比率によりＬＥＤの明るさの調整を行う。その場合には、点灯と消灯の比率を変化させることにより色の変化が可能になる。しかし、あまりに消灯時間が長い場合（青色ＬＥＤと黄色ＬＥＤの点灯時間の差が大きい場合）には、混色がうまくいかなくなる。

さらに、青色ＬＥＤと黄色ＬＥＤのそれぞれに使用するＬＥＤ素子に同じ主ピークを持つ、同じメーカーのＬＥＤ素子を使用した場合には、使用していることにより生じる光強度の低下（経時変化）も同程度になるため、使用している際に生じる色ずれも最小限度に押さえることが可能となる。

（色温度（ＪＩＳ Ｚ８１１３など参照）
自然昼光や照明用の人工光源等の色度座標は、すべて黒体軌跡の近傍にある。そこで、光源の色度を黒体の色度と関連づけて表す。ある光源色の色度が絶対温度Ｔ［Ｋ］の黒体の色度に完全に一致するとき、その光源色の色温度はＴ［Ｋ］であるという。ほとんどの光源色は黒体の色度に近似していても完全には一致しない。このような場合を、色温度ではなく相関色温度という。相関色温度の計算は、ＪＩＳ Ｚ８７２５を参照。

（蛍光体）
本発明に使用する蛍光体としては、ＬＥＤ素子のごく近い部分に配置されるために、ＬＥＤ素子から光の照射に長時間耐えられる耐候性が必要である。また、ＬＥＤ素子のごく近い部分に配置されることから、ＬＥＤ素子の発熱により温度変化の影響を受けるために、温度特性（特に温度による光量と色度の変化）が小さいことが必要である。特に、実施例における青色ＬＥＤにおいては、駆動電流を変化させるため、駆動電流に応じてＬＥＤ素子の発熱が変化するために、温度特性が小さい必要がある。また、蛍光体はＬＥＤ素子によって励起されるために、ＬＥＤ素子の発光により効率よく励起されるものがよい。視感効率を上げるためには、可視光域で発光するＬＥＤ素子を用いるのがよいため、可視光域で光るＬＥＤ素子で効率よく励起される蛍光体が好ましい。さらに、複数の蛍光体を用いる場合には、それぞれの励起光率の良い波長が同様な波長域であったほうが発光効率が良くなる。

ＬＥＤ素子にＩｎを含む窒化ガリウム系半導体を用いる場合、駆動電流を小さくすると、ＬＥＤ素子の主ピークが短波長側にシフトするという現象が生じる。これは、主ピーク波長が短波長になるほど顕著になる。このために、ＬＥＤ素子にＩｎを含む窒化ガリウム系半導体を用いる場合には、使用する蛍光体の励起スペクトルがブロードなものが望ましい。特に光量変化を行う側のＬＥＤ（実施例における青色ＬＥＤ）に蛍光体を使用する場合には、励起スペクトルが急峻であると、電流変化による光量変化での色ずれが大きくなってしまう。

これらのＬＥＤ素子と蛍光体を組み合わせることで、本発明を実施することが可能となる。それぞれのＬＥＤの色度は、図４にＣＩＥ１９３１ｘｙ色度図中に示すように、例えば、５８４ｎｍで発光するＬＥＤと４８５ｎｍで発光するＬＥＤにおいて、それぞれの明るさの比率を変化させることで、図４の線上の色度が得られる。図４に示すように、５つの白色領域（昼光色、昼白色、白色、温白色、電球色）の全ての範囲を通ることがわかる。このことから、この線上で、昼光色（図４中一番左側の小さな四角）とそれよりも左側の領域で発光するＬＥＤと、電球色（図４中一番左側の小さな四角）とそれよりも右側の領域で発光するＬＥＤの組み合わせでも、白色５色が実現できることがわかる。

具体的なＬＥＤの色度範囲を図５に示す。白色５色を実現するためには、色度図上の両端の昼光色と電球色の端点を結ぶ直線に囲まれた領域の色度のＬＥＤの組み合わせ、すなわち図５中の領域Ａ内の色度を持つＬＥＤと領域Ｂの色度を持つＬＥＤの組み合わせになる。

領域Ａの上側の直線は、１９３１色度図上の昼光色範囲上端の座標０．３２７４，０．３６７３と電球色範囲下の０．４５９４，０．３９７１の２点を通る直線である。領域Ａの下の直線は、昼光色範囲下０．３０６４，０．３０９１と電球色範囲上端０．４３３８，０．４１８５を通る直線である。領域Ｂの上の直線は、領域Ａの下の直線であり、領域Ｂの下の直線は領域Ａの上の直線となる。各白色の領域については、ＪＩＳ Ｚ９１１２に記載されている。

（ＬＥＤの組み合わせ）
本発明における色温度の変化する照明器具は、実現できる色温度変化と光量変化が非常に重要となる。心理的には、色温度が高い場合には、明るすぎるとは感じず、暗いと不快になり、また、色温度が低い場合には、明るすぎると不快になるために、色温度変化と光量変化が同時に適切な範囲で変化しないと、心理的に不快な照明器具となってしまい、実用的なものではなくなってしまう。そのため、色温度が低い場合には暗く、色温度が高い場合に明るくなる照明器具を実現する必要がある。

例えば、白色５色を実現する場合には、黄色ＬＥＤと青色ＬＥＤが定格電流で駆動しているときに昼光色となり、青色ＬＥＤの駆動電流を変化させることで、５つの白色を実現できることが望ましい。そうした場合は、色温度が低い場合には暗く、色温度が高い場合には明るくなる照明器具となり、また、そのときの昼光色と電球色との光量の差が少なくとも２倍程度は必要となる。なお、この時の光量の基準は、光束を使用するのが良い。光束は、可視光領域での放射を考えている量であり、具体的には、光源が空間に放射する光のパワーに、人間の目の分光感度分布を乗じて積分したものである。

以下、例として、黄色ＬＥＤと青色ＬＥＤに使用しているＬＥＤ素子の定格電流が２０ｍＡとする。黄色ＬＥＤ２０ｍＡを駆動させ、青色ＬＥＤを２０ｍＡで駆動させた場合に、昼光色まで色温度が上がらす昼白色までしかならない場合には、青色ＬＥＤの駆動電流をさらに上げるか、黄色ＬＥＤの駆動電流を下げることでしか対応できない。駆動電流を定格以上にする場合には、寿命が短くなり、かつ発光効率が悪くなるなどの問題を生じる。黄色ＬＥＤの駆動電流を下げる場合には、黄色ＬＥＤと青色ＬＥＤからの合計した光量が下がってしまうことになる。これは、ＬＥＤ素子１個あたりから出る光量が下がることになるため、必要な光量の照明器具を作製した場合に必要なＬＥＤ素子数が増えることになるため、コストが上昇してしまう。また、昼光色のみを黄色ＬＥＤの電流を下げることで実現する場合には、前述の心理的な効果が生かされず、不快な照明となってしまう。

逆に黄色ＬＥＤを２０ｍＡで駆動させ、青色ＬＥＤを２０ｍＡで駆動させた場合に、昼光色以上の色温度になる場合には、黄色ＬＥＤを定格電流以上で駆動させるか、青色ＬＥＤを定格電流以下にする必要がある。黄色ＬＥＤを定格電流以上で駆動させる場合は、青色ＬＥＤのときと同様に、寿命や発光効率などで問題が生じる。また、青色ＬＥＤの駆動電流を下げて使用する場合には、黄色ＬＥＤの駆動電流を下げた場合と同様に、コストが上昇する問題が生じる。また、青色ＬＥＤの駆動電流が低い場合には、心理的な効果の面から、色温度が低い場合と高い場合での光量比が小さくなってしまう。心理的には、色温度が高い場合には、明るすぎるとは感じず、暗いと不快になり、また、色温度が低い場合には、明るすぎると不快になるために、色温度が変化する照明器具でありながら、心理的に不快な照明となってしまう。

このように、心理的な面からは光量の変化が大きいほどよいが、光量変化を適切にしないとコスト上昇となってしまうため、本発明では、色温度の変化とともに適切に光量の変化をさせることが非常に重要となる。これまでは、所望の色温度変化をする照明器具を実現するためには、非常に労力がかかっていた。例えば、白色５色を実現しようとした場合には、黄色ＬＥＤと青色ＬＥＤの組み合わせで色の変化はすぐ予測ができる（前述のように、色は色度図上を直線的に動くため）。

しかし、光量変化に関しては、予想ができないために、数多くの試作が必要となるためである。これは、特に蛍光体を使用する際に顕著となる。蛍光体を使用する場合には、ＬＥＤ素子の効率により光量が変化するために、所望の色度を実現したが、光量が合わないということが生じるためである。光量は蛍光体の量によって変化するために、蛍光体により色度を合わせた場合には、同じ蛍光体を用いると光量が決まってしまう。このため、使用する蛍光体により、実現できる白色範囲が決まる、もしくは、光量変化の範囲が決まるということになる。このため、蛍光体を使用する場合には、単体では使用ができず、組み合わせが必要になったり、色度を決めるなど、労力がかかる理由である。

これが、以下の簡単な試算で青色ＬＥＤと黄色ＬＥＤの組み合わせの結果が予測できる。青色ＬＥＤと黄色ＬＥＤが決まっている場合には、実現できる色温度の変化範囲と光量の変化が予測でき、また、色温度の変化範囲と光量の変化と青色ＬＥＤもしくは黄色ＬＥＤのどちらかが決まっている場合には、残りのＬＥＤの色度と光量が計算によって決まるため、その計算結果のＬＥＤを作製すればよいことになる。

以下、青色ＬＥＤと黄色ＬＥＤが決まっている場合の例を示す。
青色ＬＥＤと黄色ＬＥＤのそれぞれの分光スペクトルを測定する。それぞれの分光スペクトルから３刺激値（ＪＩＳ Ｚ８７２４参照）を求める（３刺激値ＸＹＺは、それぞれ赤、緑、青の刺激値となる）。それぞれの３刺激値のなかのＺに青色ＬＥＤと黄色ＬＥＤの放射束比を乗じた値を下記表１の範囲から実現できる範囲が求められる（ただし、黒体輻射軌跡からのずれが大きい場合には、誤差が大きくなる。）。放射束はＪＩＳ Ｚ８１１３参照。

表１に示す通り、青色ＬＥＤと黄色ＬＥＤの組み合わせの場合には、前記Ｚ値に青色ＬＥＤと黄色ＬＥＤの放射束比を乗じた値が、昼光色で１０７、昼白色で８５、白色で６８、温白色で５３、電球色で３８となり、これらの白色範囲に合致するような青色ＬＥＤと黄色ＬＥＤの組み合わせを選択し、青色ＬＥＤの電流値を制御することにより、昼光色、昼白色、白色、温白色及び電球色からなる群から選択される複数の白色が発光可能となり、照明に適している白色光を一つの器具で実現可能となる。

［実施例１］
蛍光体にアルファサイアロンを用いた色温度の低いＬＥＤ（以下、電球色ＬＥＤと記す。）と蛍光体にベータサイアロンを用いた色温度の高いＬＥＤ（以下、緑色ＬＥＤ）を用いた。これらの蛍光体は公知の材料である。
アルファサイアロン黄色蛍光体は、特許第３６６８７７０号公報（発明の名称：「希土類元素を付活させた酸窒化物蛍光体」）、及び、Rong-Jun Xie et al., Appl. Phys. Lett., Vol.84, pp-5404-5406に開示されている。
ベータサイアロン緑色蛍光体は、Naoto Hirosaki et al., Appl. Phys. Lett., Vol.86, 211905に開示されている。

それぞれのＬＥＤの色度を図６に示す。なお、緑色ＬＥＤは、青色ＬＥＤ素子に緑色蛍光体を加えて作製した。電球色ＬＥＤのＺ値は１５で、緑色ＬＥＤのＺ値は１７７である。また、放射束比は、電球色ＬＥＤを１とすると、緑色ＬＥＤは１．４であった。
昼光色にするためには、Ｚ値×放射束比＝１０７以上が必要なので（表１参照）、緑色ＬＥＤは（３０×Ａ＋１７７×Ｂ）÷（Ａ＋Ｂ）＞１０７であるから、Ｂ＞１．１Ａとなる。よって、緑色ＬＥＤの定格での放射束が電球色ＬＥＤの定格での放射束の１．１倍以上であれば、電球色ＬＥＤ１個に対して、緑色ＬＥＤが１個の組み合わせで昼光色までの範囲が実現できることになり、実際の放射束比も１．４倍程度であるので、昼光色まで実現可能と試算される。

測定結果を図７に示す。この図中、それぞれの点は、青色ＬＥＤ素子の定格電流２０ｍＡに対して、電球色ＬＥＤを２０ｍＡで駆動し、緑色ＬＥＤの電流値を０〜２０ｍＡまで変化させた結果であり、図７中の一番右の点が緑色ＬＥＤの電流が０ｍＡ（不点灯）の状態である。

また、光束の変化を図８に示す。電球色から昼光色に移行するに従い明るさが増加し、昼光色領域では電球色の２倍程度になることがわかる。
この組み合わせの場合には、緑色ＬＥＤの電流値が２ｍＡ程度でも電球色範囲が実現できるために、前述のような可変抵抗を用いた回路においては、可変抵抗の最大抵抗値をそれほど大きくせずに済むというメリットがある。

［実施例２］
蛍光体にアルファサイアロンを用いた色温度の低いＬＥＤ（電球色ＬＥＤ）と、蛍光体にアルファサイアロンとベータサイアロンを用いた色温度の高いＬＥＤ（以下、昼光色ＬＥＤと記す。）を用いた。
それぞれのＬＥＤの色度を図９に示す。なお、昼光色ＬＥＤは青色ＬＥＤ素子にアルファサイアロンとベータサイアロンを使用し、各蛍光体の比率を調整して作製した。電球色ＬＥＤのＺ値は２３で、昼光色ＬＥＤのＺ値は１０１である。また、放射束比は、電球色ＬＥＤを１とすると、昼光色ＬＥＤは１．２であった。
１個対１個の場合で計算すると、（１３×１＋１０１×１．２）÷（１＋１）＝６５．５となり、表１から白色の中心までは達しない程度であることがわかる。

測定結果を図１０に示す。図１０中のそれぞれの点は、青色ＬＥＤ素子の定格電流２０ｍＡに対して、電球色ＬＥＤを２０ｍＡで駆動し、昼光色ＬＥＤの電流値を０〜２０ｍＡまで変化させた結果である。図１０の一番右の点が、昼光色ＬＥＤの電流が０ｍＡ（不点灯）の状態である。

電球色ＬＥＤ１個対昼光色ＬＥＤ２個の場合で計算すると、（２３×１＋１０１×１．２×２）÷（１＋１）＝７８．１となり、昼光色ＬＥＤを２倍に増やしても、前記表１の範囲表から、昼光色までは届かず、昼白色程度であることがわかる。
測定結果を図１１に示す。図１１中のそれぞれの点は、青色ＬＥＤ素子の定格電流２０ｍＡに対して、電球色ＬＥＤを２０ｍＡで駆動し、電球色ＬＥＤの２倍の昼光色ＬＥＤの電流値を０〜２０ｍＡまで変化させた結果である。図１１の一番右の点が、昼光色ＬＥＤの電流が０ｍＡ（不点灯）の状態である。

図１２に、本実施例の照明器具の構成例を示す。本実施例の照明器具１５は、電球色ＬＥＤ１６と昼光色ＬＥＤ１７とを１対２の対として組み合わせてなり、図１２では５個一列に並べた電球色ＬＥＤ１６の両側に、それぞれ５個の昼光色ＬＥＤ１７を隣接して配置した構成になっている。本実施例の照明器具１５は、前述したように、図１１中に昼白色から電球色までの白色範囲の色度を得ることができた。

１…ＬＥＤ、２…カップ部材、３…ＬＥＤ素子、４…金細線、５Ａ，５Ｂ…パッケージ電極、６…蛍光体入り透明樹脂、７…蛍光体、１０…黄色ＬＥＤ、１１…青色ＬＥＤ、１２，１４，１５…照明器具、１３…回路基材、１６…電球色ＬＥＤ、１７…昼光色ＬＥＤ。

Claims (5)

1. 発光ダイオード素子とその発光により励起され異なる波長の光を発する蛍光体とを有する発光ダイオード、又は発光ダイオード素子のみを発光源とする発光ダイオードを回路基材に複数個実装してなる照明器具において、
   色温度の高い発光ダイオードと、それよりも色温度の低い発光ダイオードとを対として組み合わせて回路基材に実装し、且つ前記色温度の低い発光ダイオードの光出力を一定として、前記色温度の高い発光ダイオードの光出力を変更する電源回路を有し、前記光出力を変更することで、昼光色、昼白色、白色、温白色及び電球色からなる群から選択される複数の白色を発光可能としたことを特徴とする照明器具。
2. 色温度の高い発光ダイオードの色度が、ＣＩＥ１９３１ｘｙ色度図上の昼光色範囲上端の座標０．３２７４，０．３６７３と電球色範囲下端の座標０．４５９４，０．３９７１の２点を通る第１の直線と、昼光色範囲下端の座標０．３０６４，０．３０９１と電球色範囲上端の座標０．４３３８，０．４１８５の２点を通る第２の直線との間の領域であって、且つ昼光色範囲と該色度図における昼光色よりも左側の領域に存在することを特徴とする請求項１に記載の照明器具。
3. 色温度の低い発光ダイオードの色度が、ＣＩＥ１９３１ｘｙ色度図上の昼光色範囲上端の座標０．３２７４，０．３６７３と電球色範囲下端の座標０．４５９４，０．３９７１の２点を通る第１の直線と、昼光色範囲下端の座標０．３０６４，０．３０９１と電球色範囲上端の座標０．４３３８，０．４１８５の２点を通る第２の直線との間の領域であって、且つ電球色範囲と該色度図における電球色よりも右側の領域に存在することを特徴とする請求項１又は２に記載の照明器具。
4. 色温度の低い発光ダイオードと色温度の高い発光ダイオードとが、それぞれ青色発光ダイオード素子とその発光により励起され異なる波長の光を発する蛍光体とを組み合わせた発光ダイオード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照明器具。
5. 複数の発光ダイオードから発せられる混色光の色温度が高くなるに従い該混色光の光量が増す構成としたことを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の照明器具。

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