JP2010277952A - 照明用光源 - Google Patents

Abstract

【課題】
相関色温度が２０００〜４７００Ｋの範囲内にあり、視感効率が高い白色光を合成する照明用光源を提供する。
【解決手段】
照明用光源ＬＳは、発光スペクトルのピーク波長が４３２〜４６８ｎｍの範囲内にある第１の色光を発生する第１の発光ダイオード１Ａと、発光スペクトルのピーク波長が５７８〜５８９ｎｍの範囲内にある第２の色光を発生する第２の発光ダイオード１Ｂと、第１および第２の色光を加法混光して相関色温度２０００〜４４００Ｋの白色光を合成する混光手段２とを具備している。
【選択図】図１

Description

本発明は、発光ダイオードを用いて白色光を合成する照明用光源に関する。
に関する。

発光ダイオードを用いた照明用光源において、現状では複数の色光を混光して白色光を得ている。白色光を得る方式として、以下が知られている（例えば、非特許文献１参照。）。なお、以下の混光方式において、蛍光体は、発光ダイオードの発光の一部により励起されて所望波長の可視光を発生して混光対象の式光を得るために用いられる。
（ａ）青色青色発光LED＋緑色発光LED＋赤色発光LED
（ｂ）近紫外LEDまたは紫色発光LED＋赤・緑・青発光蛍光体
（ｃ）青色発光LED＋黄色発光蛍光体
（ｄ）青色発光LED＋黄(緑)・赤色発光蛍光体

従来、照明用としての発光ダイオードを用いた白色光の照明用光源は、電気−可視光の変換効率である発光効率（ｌｍ／Ｗ）と、自然光で照明された場合と比較して色の見え方が再現されているかを表す指標である演色性とが重視されていている。

２００５年８月発行「照明学会誌 年報号」の年報ズームアップ「白色ＬＥＤはどの方式を選ぶべきか」

しかしながら、主として屋外用の照明、例えば道路照明やトンネル内照明などにおいては、視感効率が高くて物体の識別性が良好であることを重視する場合が多く、従来このような場合に有用な視感効率の高い白色光を合成する発光ダイオードを用いた照明用光源はなかった。

本発明は、相関色温度が２０００〜４７００Ｋの範囲内にあり、視感効率が高い白色光を合成する照明用光源を提供することを目的とする。

上記の課題を解決するために、請求項１の発明の照明用光源は、発光スペクトルのピーク波長が４３２〜４６８ｎｍの範囲内にある第１の色光を発生する第１の発光ダイオードと；発光スペクトルのピーク波長が５７８〜５８９ｎｍの範囲内にある第２の色光を発生する第２の発光ダイオードと；第１および第２の色光を加法混光して相関色温度２０００〜４４００Ｋの白色光を合成する混光手段と；を具備していることを特徴としている。

請求項２の発明の照明用光源は、発光スペクトルのピーク波長が４３５〜４６８ｎｍの範囲内にある第１の色光を発生する第１の発光ダイオードと；発光スペクトルのピーク波長が５３４〜５４７ｎｍの範囲内にある第２の色光を発生する第２の発光ダイオードと；発光スペクトルのピーク波長が５９４〜６０７ｎｍの範囲内にある第３の色光を発生する第３の発光ダイオードと；第１ないし第３の色光を加法混光して相関色温度２０００〜４７００Ｋの白色光を合成する混光手段と；を具備していることを特徴としている。

請求項３の発明の照明用光源は、発光スペクトルのピーク波長が４３２〜４６８ｎｍの範囲内にある第１の色光を発生する第１の発光ダイオードと；第１の発光ダイオードの色光によって励起されてピーク波長が５７８〜５８９ｎｍの範囲内にある第２の色光を発生する蛍光体と；第１および第２の色光を加法混光して相関色温度２０００〜４４００Ｋの白色光を合成する混光手段と；を具備していることを特徴としている。

請求項４の発明の照明用光源は、発光スペクトルのピーク波長が４３５〜４６８ｎｍの範囲内にある第１の色光を発生する第１の発光ダイオードと；第１の発光ダイオードの色光で励起されて発光スペクトルのピーク波長が５３４〜５４７ｎｍの範囲内にある第２の色光を発生する蛍光体と；発光スペクトルのピーク波長が５９４〜６０７ｎｍの範囲内にある第３の色光を発生する第３の発光ダイオードと；第１ないし第３の色光を加法混光して相関色温度２０００〜４７００Ｋの白色光を合成する混光手段と；を具備していることを特徴とている。

請求項５の発明の照明用光源は、混光手段は、請求項４記載の照明用光源において、第１および第３の発光ダイオードならびに蛍光体を収容するとともに、蛍光体が第１および第３の発光ダイオードを共通する空間内に閉じ込めるように配設されている共通のパッケージであることを特徴としている。

請求項１の発明は、発光スペクトルのピーク波長が４３５〜４６８ｎｍの第１の発光ダイオードおよび発光スペクトルのピーク波長が５７３〜５８７ｎｍの範囲内にある第２の発光ダイオードの発光を混光手段により混光することにより、視感効率が４６０〜５１１ｌｍ／Ｗで、相関色温度が２０００〜４４００Ｋの白色光を合成することができ、高圧ナトリウムランプに代替可能な照明用光源が得られる効果を奏する。

請求項２の発明は、発光スペクトルのピーク波長が４３５〜４６８ｎｍの第１の発光ダイオード、発光スペクトルのピーク波長が５３４〜５４７ｎｍの第２の発光ダイオードおよび発光スペクトルのピーク波長が５９４〜６０７ｎｍの第３の発光ダイオードの発光を混光手段により混光することにより、視感効率が４０６〜４５１ｌｍ／Ｗで、相関色温度２０００〜４７００Ｋの白色光が合成されるとともに、平均演色評価数が６０以上であり、屋内外照明用として利用可能な照明用光源が得られる効果を奏する。

請求項３の発明は、発光スペクトルのピーク波長が４３５〜４６８ｎｍの第１の発光ダイオードおよび第１の発光ダイオードの色光によって励起されてピーク波長が５７８〜５８９ｎｍの蛍光体の発光を混光手段により混光することにより、視感効率が４６０〜５１１ｌｍ／Ｗで、相関色温度が２０００〜４４００Ｋの白色光が合成されるので、高圧ナトリウムランプに代替可能な照明用光源が得られる効果を奏する。

請求項４の発明は、発光スペクトルのピーク波長が４３５〜４６８ｎｍの第１の発光ダイオード、第１の発光ダイオードの色光で励起されて発光スペクトルのピーク波長が５３４〜５４７ｎｍの蛍光体および発光スペクトルのピーク波長が５９４〜６０７ｎｍの第３の発光ダイオードの発光を混光手段により混光することにより、視感効率が４０６〜４５１ｌｍ／Ｗ、相関色温度２０００〜４７００Ｋの白色光で、平均演色評価数が６０以上であり、屋内外照明用として利用可能な照明用光源が得られる効果を奏する。

請求項５の発明は、請求項４の効果に加えて、混光手段が共通のパッケージであり、第１および第３の発光ダイオードならびに蛍光体を収容するとともに、蛍光体が第１および第３の発光ダイオードを共通する空間内に閉じ込めるように配設されているので、蛍光体が第１および第３の発光ダイオードの色光に対する光拡散手段としても作用して良好な混光が得られるとともに単一のデバイスとして取り扱いが容易になる効果を奏する。

本発明の照明用光源を実施するための第１の形態を示す内部透視平面図である。 同じく拡大要部断面図である。 同じく最高の視感効率が得られる条件を説明するためのグラフである。 本発明の照明用光源を実施するための第２の形態を示す要部平面図および要部断面図である。 同じく最高の視感効率が得られる条件を説明するためのグラフである。 本発明の照明用光源を実施するための第３の形態を示す内部透視平面図である。 同じく拡大要部断面図である。 本発明の照明用光源を実施するための第４の形態を示す内部透視平面図である。 同じく拡大要部断面図である。 本発明の照明用光源を実施するための第５の形態を示す平面図である。

図１ないし図３に本発明の照明光源を実施するための第１の形態を示す。本形態は、請求項１に係わる発明に対応する。すなわち、本形態の照明用光源ＬＳは、図１および図２に示すように、第１および第２の発光ダイオード１Ａ、１Ｂおよび混光手段２を具備し、パッケージ３により１パッケージ化されている。

第１の発光ダイオード１Ａは、そのＬＥＤチップ１ａが発光スペクトルのピーク波長が４３２〜４６８ｎｍの範囲内にある第１の色光を発生する。第１の色光は、青色光である。また、好適にはピーク波長が４４７〜４４９ｎｍであり、この波長範囲内で後述する第２の色光との混光により最高視感効率を含む高い視感効率が得られる。

青色発光を行う発光ダイオードのＬＥＤチップ１ａを構成するｐｎ接合形成部材としては、既知の各種半導体材料を選択的に用いることができる。例えば、ＧａＮ系化合物としてＩｎＧａＮ、ＧａＮ、ＡｌＧａＮおよびＺｎＳｅなどの材料である。なお、チップ基板には、ＳｉＣ、Ａｌ_２Ｏ_３（サファイア）およびＳｉなどの既知の材料を選択的に用いることができる。

第２の発光ダイオード１Ｂは、そのＬＥＤチップ１ｂが発光スペクトルのピーク波長が５７３〜５８７ｎｍの範囲内にある第２の色光を発生する。第２の色光は、黄（赤）色光である。また、この色光は、赤色がかった黄色であるが、好適にはピーク波長が５７８〜５８９ｎｍであって、この波長範囲内で第１の色光の好適範囲と組み合わせれば最高視感効率を含む高い視感効率が得られる。

黄（赤）色発光を行う発光ダイオードのＬＥＤチップ１ｂを構成するｐｎ接合形成部材としては、既知の各種半導体材料を選択的に用いることができる。例えば、ＡｌＧａＩｎＰおよびＧａＰなどの材料である。なお、チップ基板については、第１の発光ダイオードにおけるのと同様である。

なお、発光ダイオードは、一般にドープ剤の量や種類を変化させることでその発光波長を所望に調整することができ、本発明においてもこれらの手段を用いて発光波長を調整することができる。

混光手段２は、第１および第２の発光ダイオード１Ａ、１Ｂから放射された色光を加法混光する手段であり、この混光により相関色温度２０００〜４４００Ｋの白色光を合成することができる。すなわち、混光手段２は、上記の加法混色を行うのであれば、その具体的構成は問わない。例えば、上記色光を反射および／または媒質中での拡散により混光を行うことができる。

本発明において、第１および第２の発光ダイオード１Ａ、１Ｂは、それぞれパッケージを備えた個別のデバイスとして構成されていてもよい。本形態においては、図１および図２に示すように第１および第２の発光ダイオード１Ａ、１Ｂが単一のパッケージ３内に集積されて単一化されたデバイスを構成している。

本形態において、パッケージ３は、ＬＥＤチップ１ａ、１ｂと協働して第１および第２の発光ダイオード１Ａ、１Ｂを構成する１部分であり、樹脂モールドタイプとして構成されている。そして、基板３ａ、絶縁層３ｂ、一対のリードフレーム３ｃＡ、３ｃＢ、モールドリフレクタ３ｄ、カバー部３ｅおよび透光性樹脂封止体３ｆを備えている。

基板３ａは、放熱性と剛性を有するアルミニウム（Ａｌ）、ニッケル（Ｎｉ）などの熱伝導性金属またはガラスエポキシ、セラミックスなどの比較的熱伝導性の良好な絶縁物質の平板からなる。

絶縁層３ｂは、電気的絶縁性または／および付着性の良好な絶縁物質からなり、基板３ａと後述するリードフレーム３ｃＡ、３ｃＢとの間に介在して、それらとの間を絶縁している。

一対のリードフレーム３ｃＡ、３ｃＢは、絶縁層３ｂの上に互いに離間して被着して形成され、かつ中間部でアノード側部分ａＡ、ｂＡおよびカソード側部分ａＫ、ｂＫに分離している。そして、銅（Ｃｕ）とニッケル（Ｎｉ）の合金や金（Ａｕ）などからこれらを形成することができる。例えば、ＬＥＤチップ１ａは、リードフレーム３ｃＡの一方のカソード側部分ａＫにマウントされ、そのカソードとカソード側部分ａＫの間、およびアノードとアノード側部分ａＡとの間がそれぞれ導電ワイヤ３ｆで導電的に接続されている。同様に、ＬＥＤチップ１ｂは、リードフレーム３ｃＢの一方のカソード側部分ｂＫにマウントされ、そのカソードとカソード側部分ｂＫの間、およびアノードとアノード側部分ｂＡとの間がそれぞれ導電ワイヤ３ｇで導電的に接続されている。

モールドリフレクタ３ｄは、光反射性の良好な白色系のプラスチックス、例えばＰＢＴ（ポリブチレンテレフタレート）やＰＰＡ（ポリフタルアミド）、ＰＣ（ポリカーボネート）などを成形して形成されていて、絶縁層３ｂおよびリードフレーム３ｃＡ、３ｃＢの上面に上記プラスチックスで凹形をなす反射面形状を形成し、第１および第２の発光ダイオード１Ａ、１Ｂからの発光を所望の方向へ混光しながら反射する。その意味において、モールドリフレクタ３ｄは、混光手段２の少なくとも一部を構成する。

カバー部３ｅは、絶縁層３ｂおよびリードフレーム３ｃＡ、３ｃＢをカバーする部位で、モールドリフレクタ３ｄと一体で、かつ板状をなしていて、光反射性の良好な白色系のプラスチックスによって成形されている。

透光性樹脂封止体３ｆは、透光性、好ましくは透明質の封止用プラスチックス、例えばシリコーン樹脂などを主体として構成されていて、モールドリフレクタ３ｄの凹部内に充填されている。そして、ＬＥＤチップ１ａ、１ｂ、リードフレーム３ｃＡ、３ｃＢおよびモールドリフレクタ３ｄの間を気密に封止する。また、所望により光拡散性の微粒子、例えば酸化チタン（ＴｉＯ_２）、酸化アルミニウム（Ａｌ_２Ｏ_３）、酸化ケイ素（ＳｉＯ_２）、酸化カルシウム（ＣａＯ）および酸化イットリウム（Ｙ_２Ｏ_３）などの金属酸化物微粒子のグループから選択された１種または複数種の微粒子を分散状態にして添加することにより、光拡散性を高めた合成光を得ることができる。この態様の場合、透光性樹脂封止体３ｅは、混光手段２の一部を構成する。

次に、第１および第２の発光ダイオード１Ａ、１Ｂからの発光を加法混光したときに高い視感効率が得られる組み合わせ条件を求める方法について以下説明する。

（１）日本工業規格 ＪＩＳ Ｚ ８７２６ 「光源の演色性評価方法」の計算手順にしたがい、分光特性から演色評価数を計算するプログラムを用意する。

（２）上記プログラムは、ピーク波長、半値幅を自由度とする光源スペクトルを入力できるように構成される。

（３）（１）のプログラムに従って所定の色温度（例えば２４００Ｋ）の色度（ｘ、ｙ）座標と等色になるように、スペクトルの波長と強度を求める。

この操作は、例えば、表計算ソフトに備わっている数値解析ツール等を使い、色差がゼロに近づけるように条件を指定することで実行できる。

（４）等色にするためには、入力パラメータに（ｘ、ｙ）の２変数に対応する自由度が２あれば足りる。

これに対して、ピーク波長の異なる２つの光源スペクトルを混光して等色になる条件を求める場合、半値幅を一定値（２０ｎｍ）としたとき、それぞれのピーク波長と、強度比で合計３の自由度が存在する。なお、半値幅の２０ｎｍは、一般的なＬＥＤにおける代表値である。

求める色度点の自由度に対して、入力パラメータの自由度の方が大きいので、解は一意には定まらない。

そこで、効率が最大になるという条件を加えることにより、解を一意に決定できる。また同時に、２波長の光源スペクトルを混光して得られる光源において、理論的に最も効率が高いスペクトルを求めることができる。

図３は、請求項１に係わる発明において、以上の方法を用いて等色になる条件を２０００〜６５００Ｋの範囲で変化させて順次計算して、最高効率になる範囲を含む波長の組み合わせを理論的に求めた結果をプロットしたものである。

図３から理解でき、かつ表１に示すように、ピーク波長の異なる色光を発生する２種の発光ダイオードの組み合わせのときに、相関色温度２０００〜４４００Ｋの範囲において好適なとりわけ高い範囲の視感効率が得られることが分かった。その中でも相関色温度が２０００〜３２００Ｋの範囲内であれば、より好適な一層高い範囲の視感効率が得られることも分かった。

［表１］
相関色温度（K） 第１の色光（nm） 第２の色光（nm） 視感効率（lm/W）
2000〜4400 447〜450 573〜587 460〜511
2000〜3200 448〜450 578〜587 498〜511

なお、相関色温度が２０００Ｋ未満になる範囲は、照明用光源としては不適当になるので、本発明においては、相関色温度の下限値を２０００Ｋとする。また、相関色温度２３００〜２５００Ｋのときに最大視感効率５１１lm/Wが得られる。

また、最大視感効率５１１lm/Wが得られる２４００Kにおいて、視感効率が５００lm/W以上得られる波長の範囲は、第１の色光が４３２〜４６８ｎｍ、第２の色光が５７８〜５８９ｎｍとなる。

すなわち、上記とりわけ高い視感効率が得られる表１に示す波長範囲および相関色温度の範囲だけでなく、これに隣接する範囲である第１の色光が４３２〜４６８ｎｍ、第２の色光が５７８〜５８９ｎｍの組み合わせで、かつ相関色温度２０００〜４４００Ｋの範囲は、請求項１に係わる発明の一般的な範囲であり、この範囲においても高い範囲の視感効率４６０〜５１１ｌｍ／Ｗを得ることができる。しかし、この範囲から逸脱すると、上記の高い視感効率を得ることができなくなるので、不可である。

次に、最大視感効率が得られる第１および第２の発光ダイオード１Ａ、１Ｂの実施例１を表２に示す。

図１に示す構造であり、内容を表２に示す。なお、実施例１の平均演色評価数Ｒａは−３４であった。実施例１は、最大視感効率が得られる例である。

［表２］
ピーク波長 相対パワー 相関色温度 光束 視感効率
第１の発光ダイオード１Ａ： 448nm 0.1005W
第２の発光ダイオード１Ｂ： 583nm 0.8995W
加法混光後の照明光 ： 1.0000W 2400K 511lm 511lm/W

以上のように本発明においては、頗る高い視感効率を得ることができるが、平均演色評価数Ｒａについては高い値を期待できない。したがって、本発明によれば、屋外照明用として識別性に優れるとともに省エネルギーに効果的な照明用光源が得られる。

次に、請求項１に係る発明における発光効率について説明する。発光ダイオードの発光効率は、〔視感効率〕×〔量子効率〕＝〔発光効率〕の数式により求めることができる。なお、発光ダイオードにおける現状の量子効率は、３０〜６０％程度である。

すなわち、本発明における発光効率は、視感効率が最大の５１１ｌｍ／Wの場合、１５３〜３０６ｌｍ／Ｗである。また、相関色温度が２０００〜４４００Kの範囲では１３８〜３０６ｌｍ／Ｗであり、より好適な範囲としては相関色温度２０００〜３２００Kの範囲で１５０〜３０６ｌｍ／Ｗである。なお、実用上到達し得る変換効率の限度を５０％と見積もると、２色ＬＥＤを使ったときの理論的最高効率は５１１ｌｍ／Ｗであるから、この場合実際に到達しうると予想される最高効率は２５５ｌｍ／Ｗとなる。仮に、発光ダイオードの量子効率がさらに改善されて７０％程度向上した場合には、最大の発光効率は２３００〜２５００Kの範囲で３５８ｌｍ／Ｗまで向上し、２０００〜４４００Kの範囲で３２２〜３５８ｌｍ／Ｗとなり、より好適な範囲が３５０〜３５８ｌｍ／Ｗとなる。要するに本発明において、発光ダイオードの発光効率は、その量子効率に応じて変化する。

図４および図５に本発明の照明光源を実施するための第２の形態を示す。本形態は、請求項２に係わる発明に対応する。すなわち、本形態の照明用光源ＬＳは、図４（ａ）要部平面図および（ｂ）要部断面図に示すように第１ないし第３の発光ダイオード１Ａ、１Ｃ、１Ｄおよび混光手段２を具備し、発光ダイオードの形態は特段限定されない。例えば、図示のように、それぞれ個別デバイスの一例として砲弾形を用いて構成され、それらの組の所要数が一定間隔で配列されている。なお、点線で示す発光ダイオードは隣接する組の発光ダイオードである。

第１の発光ダイオード１Ａは、発光スペクトルのピーク波長が４３５〜４６８ｎｍの範囲内にある第１の色光を発生する。第１の色光は、青色光である。そして、第１の色光の好適な波長範囲、ＬＥＤチップ１ａを構成するｐｎ接合部材およびチップ基板については前述の第１の形態における第１の発光ダイオードと同様な構成であることを許容する。

第２の発光ダイオード１Ｃは、発光スペクトルのピーク波長が５３４〜５４７ｎｍの範囲内にある第２の色光を発生する。第２の色光は、緑色光である。また、好適にはピーク波長が５３９〜５４２ｎｍであり、この波長範囲内で第１および第３の色光の好適範囲とを組み合わせると最高視感効率を含むとりわけ高い視感効率が得られる。

緑色発光を行う第２の発光ダイオード１ＣのＬＥＤチップ１ｂを構成するｐｎ接合形成部材としては、既知の各種半導体材料を用いることができる。例えば、ＧａＰ、ＩｎＧａＮ、ＧａＮ、ＡｌＧａＮ、ＺｎＳｅ、ＡｌＧａＩｎＰなどの材料である。なお、チップ基板については、第１の発光ダイオード１Ａと同様である。

第３の発光ダイオード１Ｄは、発光スペクトルのピーク波長が５９４〜６０７ｎｍの範囲内にある第３の色光を発生する。第３の色光は、赤色光である。また、好適にはピーク波長が５９７〜６０３ｎｍであり、この波長範囲内で第１および第３の色光の好適範囲とを組み合わせると最高視感効率を含むとりわけ高い視感効率が得られる。

赤色発光を行う第３の発光ダイオード１ＤのＬＥＤチップ１ｂを構成するｐｎ接合形成部材としては、既知の各種半導体材料を用いることができる。例えば、ＧａＰ、ＩｎＧａＮ、ＧａＮ、ＡｌＧａＮ、ＺｎＳｅ、ＡｌＧａＩｎＰなどの材料である。なお、チップ基板については、上記と同様である。

本形態において、混光手段２は、光拡散板からなり、第１ないし第３の発光ダイオード１Ａ、１Ｃ、１Ｄの組の前面側に配置されている。光拡散板としては、例えば透明質のプラスチックスに光拡散性微粒子を分散状態で添加した構成を採用することができる。なお、光拡散性微粒子は、例えば酸化チタン、酸化アルミニウム、酸化ケイ素、酸化イットリウムおよび酸化カルシウムなどの金属酸化物のグループから選択された１種または複数種を用いることができる。

また、光拡散板としては、透明質のプラスチックスまたはガラス板に光拡散性のプリズムを形成したり、板面を粗面化したりしたものを採用することもできる。

そうして、それぞれ所定範囲内のピーク波長を有する第１ないし第３の発光ダイオード１Ａ、１Ｃ、１Ｄの発光を混光手段２により加法混光したときに４０６〜４５１ｌｍ／Ｗの視感効率を得ることができる。

図５は、請求項２に係わる発明において、前述の方法を用いて等色になる条件を２０００〜６５００Ｋの範囲で変化させて順次計算して、最高効率を含む波長の組み合わせを理論的に求めた結果をプロットしたグラフである。

図５から理解でき、かつ表３に示すように、表３に示すピーク波長の異なる色光を発生する３種の発光ダイオードの組み合わせのときに、相関色温度２０００〜４７００Ｋの範囲において最大の視感効率４５１ｌｍ／Wの９０％、つまり４０６ｌｍ／W以上の高い視感効率が得られることが分かった。さらに、相関色温度が２０００〜３１００Ｋの範囲内の組み合わせであれば、最大の視感効率４５１ｌｍ／Wの９８％、つまり４４２ｌｍ／W以上のより好適で一層高い視感効率が得られることも分かった。なお、表中Ｒａは平均演色評価数である。

［表３］
相関色温度 第１の色光 第２の色光 第３の色光 視感効率 Ｒａ
2000〜4700K 450〜453nm 539〜542nm 598〜602nm 406〜451lm/W 60
2000〜3100K 450〜452nm 539〜540nm 599〜602nm 442〜451lm/W 60

なお、相関色温度が２０００Ｋ未満になると、照明用光源としては不適当になるので、本発明においては、相関色温度の下限値を２０００Ｋとする。また、相関色温度２４００Ｋのときに最大視感効率４５１ｌｍ／Ｗが得られる。

しかし、請求項２に係わる発明は、とりわけ高い視感効率が得られる表３に示す波長範囲および相関色温度の範囲に隣接する範囲を包含する第１の色光が４３５〜４６８ｎｍ、第２の色光が５３４〜５４７ｎｍ、第３の色光が５９４〜６０７ｎｍの組み合わせで、かつ相関色温度２０００〜５０００Ｋの範囲であるが、この範囲においても比較的高い視感効率４０６〜４５０ｌｍ／Ｗを得ることができる。しかし、上記の範囲を逸脱すると、上記の高い視感効率を得ることができなくなるので、不可である。

次に、最大視感効率が得られる第１ないし第３の発光ダイオード１Ａ、１Ｃ、１Ｄの実施例２を表２に示す。

図４に示す構造であり、結果を表４に示す。なお、相関色温度Ｒａは６０である。実施例２は、ほぼ最大視感効率が得られる例である。

［表４］
ピーク波長 相対パワー 相関色温度 光束 視感効率
第１の発光ダイオード１Ａ： 451nm 0.0852W
第２の発光ダイオード１Ｃ： 539nm 0.2687W
第３の発光ダイオード１Ｄ： 600nm 0.6461W
加法混光後の照明光 ： 1.0000W 2400K 451lm 451lm/W

以上のように本発明においては、頗る高い視感効率を有する白色光を合成できるとともに、平均演色評価数Ｒａが６０である。それゆえ、本発明は、識別性および省エネルギー性が良好で、しかも平均演色評価数Ｒａが６０なので、屋内外両用の照明光源として効果的である。

次に、第１ないし第３の発光ダイオード１Ａ、１Ｃ、１Ｄの上述の組み合わせにおいて得られる発光効率について説明する。発光ダイオードの発光効率は、前述のように〔視感効率〕×〔量子効率〕＝〔発光効率〕の数式により求めることができるとともに、発光ダイオードにおける現状の量子効率は、３０〜６０％程度とすると、以下のようになる。

すなわち、本発明における発光効率は、１３５〜２７０ｌｍ／Ｗであり、また好適な範囲としては１２１〜２７０ｌｍ／Ｗであり、さらにより好適な範囲としては１３３〜２７０ｌｍ／Ｗである。

次に、図６および図７を参照して本発明の第３の形態を説明する。本形態は、請求項３に係わる発明に対応し、第１の形態との対比において第２の発光ダイオード１Ｂに代えて蛍光体１Ｂ´を備えている点で異なる。したがって、発光ダイオードとしては第１の発光ダイオード１Ａのみが用いられる。なお、図中図１および図２と同一部分については同一符号を付して説明は省略する。また、図７の断面図は作図が図２と同様であるが、透光性樹脂封止体３ｅの内部に後述する蛍光体１Ｂ´が分散されている。

すなわち、蛍光体１Ｂ´は、第１の発光ダイオード１Ａが放射する青色光によって励起されて、ピーク波長が５７８〜５８９ｎｍの範囲内にある第２の色光の黄（赤）色光を発生する。蛍光体としては、希土類蛍光体が好適であり、例えばＬｕＣｅＡｌ系蛍光体、ＹＡＧ系蛍光体などを用いることができる。

蛍光体によって黄（赤）色光を発生させる場合、第１の形態と比較して波長変換効率および量子効率の積に相当する分の効率低下がある。ここで、波長変換効率は（第１の色光のピーク波長）／（蛍光体のピーク波長）である。量子効率は蛍光体の発光に要する変換効率である。

図６および図７に示す構造であり、結果を表５に示す。蛍光体層１Ｂ´には量子効率４０％のＬｕＣｅＡｌ系蛍光体を用いた。

［表５］
ピーク波長 相対パワー 相関色温度 光束 視感効率
第１の発光ダイオード１Ａ： 448nm 0.1005W
蛍光体層１Ｂ´ ： 583nm 0.8995W
加法混光後の照明光 ： 1.000W 2400K 551lm 511lm/W

黄赤の波長をＬＥＤではなく、４４８ｎｍの青波長を励起源として、蛍光体を使って５８３ｎｍを発光させた場合、量子効率１００％の蛍光体を使ったとしても波長変換により、４４８nm÷５８３ｎｍ＝７６．８％が最大変換効率となる。

また、１Ｗの５１１ｌｍの合成光を作る場合、５８３ｎｍの０．８９９５Ｗの光を作るための４４８ｎｍの励起光のパワーは、０．８９９５Ｗ ÷ ０．７６８＝ １．１７Ｗが必要となる。

更に、４４８ｎｍのまま放射する成分０．１００５Ｗを加え、合計パワーは１．２７Ｗ必要ということになる。

従って発光効率は ５１１ｌｍ÷１．２７Ｗ＝４０２ｌｍ／Ｗという結果になる。そして、実用上到達しうる変換効率の限度を５０％と見積もると、実際に到達しうると予想される最高効率は２０１ｌｍ／Ｗとなる。

次に、図８および図９を参照して本発明の第４の形態を説明する。本形態は、請求項４および５に係わる発明に対応し、第２の形態との対比において第２の発光ダイオード１Ｃに代えて蛍光体１Ｃ´を備えている。また、第１の形態の透光性樹脂封止体３ｅに加えて、その内部に後述する蛍光体１Ｃ´が分散されている。したがって、発光ダイオードとしては第１の発光ダイオード１Ａおよび１Ｄが用いられる。なお、図中図２と同一部分については同一符号を付して説明は省略する。

すなわち、蛍光体１Ｃ´は、第１の発光ダイオード１Ａが放射する青色光によって励起されてピーク波長が５３４〜５４７ｎｍの範囲内にある第２の色光である緑色光を発生する。蛍光体としては、希土類蛍光体が好適であり、例えばＹＴｂＣｅＡｌ系蛍光体、ＹＧａＣｅＡｌ系蛍光体、ＴｂＣｅＡｌ系蛍光体などを用いることができる。

緑色光を蛍光体により発生させる場合、前述のように第１の形態と比較して波長変換効率および量子効率の積に相当する分の効率低下がある。

蛍光体１Ｃ´は、第１および第２の発光ダイオード１Ａ、１Ｄを共通する空間内に閉じ込めているとともに、第３の色光に対して光拡散作用を奏するので、第３の色光の拡散が良好になる。

図８および図９に示す構造であり、結果を表６に示す。蛍光体１Ｃ´には量子効率３５％のＹＴｂＣｅＡｌ系蛍光体を用いた。

［表６］
ピーク波長 相対パワー 相関色温度 光束 視感効率
第１の発光ダイオード１Ａ： 451nm 0.0852W
蛍光体１Ｃ´ ： 539nm 0.2687W
第３の発光ダイオード１Ｄ： 600nm 0.6461W
加法混光後の照明光 ： 1.000W 2400K 451lm 272lm/W

緑の波長をＬＥＤではなく、４５１ｎｍの青波長を励起源として、蛍光体を使って５３９ｎｍを発光させた場合、量子効率１００％の蛍光体を使ったとしても波長変換により、４５１nm÷５３９ｎｍ＝８３．７％が 最大変換効率となる。

４５１ｌｍの合成光を作る場合、５３９ｎｍの０．２６８７Ｗの光を作るための４５１ｎｍの励起光のパワーは、０．２６８７Ｗ ÷ ０．８３７＝ ０．３２１Ｗ 必要である。

従って、合計パワーは、０．０８５２＋０．３２１＋０．６４６１＝１．０５２３Ｗとなり、効率は ４４９ｌｍ÷１．０５２３Ｗ＝４２７ｌｍ／Ｗという結果になる。

この値は、第１の形態よりも良い値なので、演色性、効率ともに良好であり、実用性が高いことを示している。
図１０は、本発明を実施するための第５の形態を示す。本形態は、以上説明した第１ないし第４の形態に適用できるが、以下、図１に示す第１の形態を適用した例で説明する。なお、図中図１および図２と同一部分については同一符号を付して説明は省略する。

すなわち、本形態は、照明用光源ＬＳの複数を平面的に集積して発光ダイオード照明モジュールＬＭを構成していて、例えば照明用光源ＬＳが例えば３行×３列のマトリクス状に配設されている。そして、各照明用光源ＬＳのＬＥＤモジュール基板（図示しない。）は、共通化されているとともに、各照明用光源ＬＳの第１の発光ダイオード（図示しない。）は、それぞれの図１におけるリードフレーム３ｃＡを介して複数が直列接続されている。同様に第２の発光ダイオード（図示しない。）は、それぞれの図１におけるリードフレーム３ｃＢを介して複数が直列接続されている。このため、第１および第２複数の発光ダイオードを複数一括でＬＥＤ点灯回路側において個別に制御できる。

１Ａ…第１の発光ダイオード、１ａ、１ｂ…ＬＥＤチップ、１Ｂ…第２の発光ダイオード、２…混光手段、３…パッケージ、３ｂ…絶縁層、３ｃＡ、３ｃＢ…リードフレーム、３ｄ…モールドリフレクタ、３ｅ…カバー部、３ｆ…透光性樹脂封止体、３ｇ…導電ワイヤ、ａＡ、ｂＡ…アノード側部分、ａＫ、ｂＫ…カソード側部分、ＬＳ…照明用光源

Claims (5)

1. 発光スペクトルのピーク波長が４３２〜４６８ｎｍの範囲内にある第１の色光を発生する第１の発光ダイオードと；
   発光スペクトルのピーク波長が５７８〜５８９ｎｍの範囲内にある第２の色光を発生する第２の発光ダイオードと；
   第１および第２の色光を加法混光して相関色温度２０００〜４４００Ｋの白色光を合成する混光手段と；
   を具備していることを特徴とする照明用光源。
2. 発光スペクトルのピーク波長が４３５〜４６８ｎｍの範囲内にある第１の色光を発生する第１の発光ダイオードと；
   発光スペクトルのピーク波長が５３４〜５４７ｎｍの範囲内にある第２の色光を発生する第２の発光ダイオードと；
   発光スペクトルのピーク波長が５９４〜６０７ｎｍの範囲内にある第３の色光を合成する第３の発光ダイオードと；
   第１ないし第３の色光を加法混光して相関色温度２０００〜４７００Ｋの白色光を得る混光手段と；
   を具備していることを特徴とする照明用光源。
3. 発光スペクトルのピーク波長が４３２〜４６８ｎｍの範囲内にある第１の色光を発生する第１の発光ダイオードと；
   第１の発光ダイオードの色光によって励起されてピーク波長が５７８〜５８９ｎｍの範囲内にある第２の色光を発生する蛍光体と；
   第１および第２の色光を加法混光して相関色温度２０００〜４４００Ｋの白色光を合成する混光手段と；
   を具備していることを特徴とする照明用光源。
4. 発光スペクトルのピーク波長が４３５〜４６８ｎｍの範囲内にある第１の色光を発生する第１の発光ダイオードと；
   第１の発光ダイオードの色光で励起されて発光スペクトルのピーク波長が５３４〜５４７ｎｍの範囲内にある第２の色光を発生する蛍光体と；
   発光スペクトルのピーク波長が５９４〜６０７ｎｍの範囲内にある第３の色光を発生する第３の発光ダイオードと；
   第１ないし第３の色光を加法混光して相関色温度２０００〜４７００Ｋの白色光を合成する混光手段と；
   を具備していることを特徴とする照明用光源。
5. 混光手段は、第１および第３の発光ダイオードならびに蛍光体を収容するとともに、蛍光体が第１および第３の発光ダイオードを共通する空間内に閉じ込めるように配設されている共通のパッケージであることを特徴とする請求項４記載の照明用光源。

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