JP2011192704A - 発光装置及び照明装置 - Google Patents

Abstract

【課題】発光効率を向上できるとともに、青色発光ＬＥＤ素子及び赤色発光ＬＥＤ素子の特性に応じて、複数の青色発光ＬＥＤ素子と、複数の赤色発光ＬＥＤ素子とを同一電源で個別に制御することが可能な発光装置及びこの発光装置を用いた照明装置を提供することを目的とする。
【解決手段】本発明は、基板２と、基板２に実装された複数の青色発光ＬＥＤ素子３が直列に接続された直列回路と、基板２に実装された複数の赤色発光ＬＥＤ素子４が直列に接続された直列回路と、前記青色発光ＬＥＤ素子３から出射される光に励起されて、その光を５００ｎｍ〜６００ｎｍの波長にピークを有する光に変換する波長変換手段６とを備え、前記青色発光ＬＥＤ素子３の直列回路と赤色発光ＬＥＤ素子４の直列回路とが電源に対して並列に接続されている発光装置１である。
【選択図】図４

Description

本発明は、光源としてＬＥＤを用いた発光装置及び照明装置に関する。

近時、照明装置の光源としてＬＥＤが用いられるようになってきている。この光源は、基板に多数のＬＥＤのベアチップを実装し、各ＬＥＤチップをボンディングワイヤで電気的に接続して、蛍光体を含有した封止体で封止するものである（例えば、特許文献１参照）。そして、白色、昼光色、電球色等の光を得ようとするものである。
しかし、これらで生成される光は赤み成分が少なく、演色性の高い例えば、電球色の光を得るのは困難な状況にある。

このため、青色発光ＬＥＤに黄色蛍光体及び赤色蛍光体を含有する封止体を設けて赤み成分を補うことが考えられる。ところが、赤色蛍光体は、エネルギー変換効率が悪く、効率の低下を招く虞がある。

従来、青色発光ＬＥＤ素子と、赤色発光ＬＥＤ素子と、青色発光ＬＥＤ素子によって励起され、青色発光ＬＥＤ素子と赤色発光ＬＥＤ素子との間の波長帯域の発光スペクトルで発光する蛍光体とを備えたＬＥＤランプが提案されている（特許文献２参照）。特許文献２に示されたものは、赤色発光ＬＥＤ素子を用い、このＬＥＤ素子から直接赤色光を発光させるもので、これにより発光効率が低下することがないとするものである。また、特許文献２には、青色発光ＬＥＤ素子と赤色発光ＬＥＤ素子とを並列に接続し、それぞれに発光強度調節手段を設け、発光強度を調節する旨の記載がある。

特開２００８−２２７４１２号公報 特開２００２−５７３７６号公報（段落［００４８］、［００４９］、図６）

しかしながら、特許文献２に示されたものは、基板に複数の青色発光ＬＥＤ素子及び赤色発光ＬＥＤ素子を設けるものではない。したがって、これら複数の青色発光ＬＥＤ素子及び赤色発光ＬＥＤ素子をその特性に応じて素子列ごとに一括して制御するものでもない。

本発明は、上記事情に基づきなされたもので、発光効率を向上できるとともに、青色発光ＬＥＤ素子及び赤色発光ＬＥＤ素子の特性に応じて、複数の青色発光ＬＥＤ素子と、複数の赤色発光ＬＥＤ素子とを同一電源で個別に制御することが可能な発光装置及びこの発光装置を用いた照明装置を提供することを目的とする。

請求項１に記載の発光装置は、基板と；基板に実装された複数の青色発光ＬＥＤ素子が直列に接続された直列回路と；基板に実装された複数の赤色発光ＬＥＤ素子が直列に接続された直列回路と；前記青色発光ＬＥＤ素子から出射される光に励起されて、その光を５００ｎｍ〜６００ｎｍの波長にピークを有する光に変換する波長変換手段と；を備え、前記青色発光ＬＥＤ素子の直列回路と赤色発光ＬＥＤ素子の直列回路とが電源に対して並列に接続されていることを特徴とする。

本発明及び以下の発明において、特に指定しない限り用語の技術的意味及び解釈は次による。本発明は、演色性の高い電球色の光を放射することを狙いとしている。基板は、セラミックス材料やガラスエポキシ樹脂等の合成樹脂材料を適用できる。また、アルミニウム等の熱伝導性が良好で放熱性に優れた金属材料をベース板として、その一面に絶縁層が積層された金属製のべース基板を適用することができる。

青色発光ＬＥＤ素子は、例えば、ＩｎＧａＮ系又はＧａＮ系等の４５０ｎｍ〜４７０ｎｍの波長の青色光を発光するＬＥＤチップで構成できる。また、赤色発光ＬＥＤ素子は、ＧａＰ系又はＧａＡｌＡｓ混晶系等の５８０ｎｍ〜６２０ｎｍの波長の赤色光を発光するＬＥＤチップで構成できる。但し、これらの構成が特定のものに限定されるものではない。
また、青色発光ＬＥＤ素子及び赤色発光ＬＥＤ素子の実装個数、各直列回路の数は、格別限定されるものではない。
波長変換手段は、例えば、透明シリコーン樹脂等に蛍光体を含有させた封止部材であることが好ましい。しかし、蛍光フィルタ等を適用してもよい。

この発明により、同一電源に接続された複数の青色発光ＬＥＤ素子が直列に接続された直列回路と、複数の赤色発光ＬＥＤ素子が直列に接続された直列回路とを、その特性に応じて個別に制御することが可能となる。

請求項２に記載の発光装置は、請求項１に記載の発光装置において、前記青色発光ＬＥＤ素子が直列に接続された直列回路と、赤色発光ＬＥＤ素子が直列に接続された直列回路とは、青色発光ＬＥＤ素子の直列回路における青色発光ＬＥＤ素子の順電圧の和と、赤色発光ＬＥＤ素子の直列回路における赤色発光ＬＥＤ素子の順電圧の和とが略等しくなるように、青色発光ＬＥＤ素子と赤色発光ＬＥＤ素子との数を設定して直列に接続されていることを特徴とする。

青色発光ＬＥＤ素子と赤色発光ＬＥＤ素子との数は、順電圧の和が略等しくなれば、特段に限定されるものではない。この発明により、同一電源を用いて、回路構成の簡素化が可能となる。

請求項３に記載の発光装置は、前記請求項１又は請求項２に記載の発光装置は、温度検出手段を備えており、この温度検出手段の出力により、少なくとも前記赤色発光ＬＥＤ素子が直列に接続された直列回路に流れる電流が制御されることを特徴とする。
温度検出手段は、サーミスタ等の温度検出素子を用いることができる。

この発明によって、温度変化による光色の変化が大きい赤色発光ＬＥＤ素子の温度変化による光色の変動を抑制できる。なお、青色発光ＬＥＤ素子が直列に接続された直列回路に流れる電流を制御することを妨げるものではない。
請求項４に記載の照明装置は、装置本体と；装置本体に配設された請求項１乃至請求項３のいずれか一に記載の発光装置と；を具備することを特徴とする。
照明装置には、光源や屋内又は屋外で使用される照明器具、ディスプレイ装置等が含まれる。

請求項１に記載の発明によれば、演色性が良好で、発光効率を向上できるとともに、同一電源に接続された複数の青色発光ＬＥＤ素子が直列に接続された直列回路及び複数の赤色発光ＬＥＤ素子が直列に接続された直列回路をその特性に応じて個別に制御することが可能な発光装置を提供できる。
請求項２に記載の発明によれば、請求項１に記載の発明の効果に加え、回路構成の簡素化を図ることができる。
請求項３に記載の発明によれば、上記各請求項に記載の発明の効果に加え、温度変化による光色の変動を抑制できる。
請求項４に記載の発明によれば、上記各請求項の発明の効果を奏する照明装置を提供することができる。

本発明の第１の実施形態に係る発光装置を示す斜視図である。 発光装置において、枠部材及び封止部材を形成する前の状態で、青色発光ＬＥＤ素子及び赤色発光ＬＥＤ素子の実装状態を示す平面図である。 青色発光ＬＥＤ素子及び赤色発光ＬＥＤ素子の接続状態を示す結線図である。 照明装置を示すブロック構成図である。 青色発光ＬＥＤ素子及び赤色発光ＬＥＤ素子の周囲温度と相対光度特性を示すグラフである。 本発明の第２の実施形態に係る照明装置を示すブロック構成図である。

本発明の第１の実施形態に係る発光装置及び照明装置について図１乃至図５を参照して説明する。なお、各図において同一部分には同一符号を付し重複した説明は省略する。図１乃至図３は、発光装置１を示し、図４及び図５は、この発光装置１を用いた照明装置２０に関して示している。

発光装置１は、図１及び図２に示すように、基板２と、この基板２に複数実装された青色発光ＬＥＤ素子（以下、青色ＬＥＤという。）３及び赤色発光ＬＥＤ素子（以下、赤色ＬＥＤという。図示上、網掛けして表わしている。）４と、枠部材５と、波長変換手段としての封止部材６とを備えている。また、基板２上には、サーミスタ等の温度検出素子からなる温度検出手段７が設けられている。

基板２は、基材２１と、この基材２１の表面側に設けられた実装パッド２２及び給電端子２３と、基材２１の裏面側に設けられた金属板部材２４とから構成されている。この実装パッド２２、給電端子２３及び金属板部材２４は、銅板材料からなり、基材２１に直接接合されている。

基材２１は、例えば、白色系の酸化アルミニウム、窒化アルミニウムや窒化ケイ素等のセラミックス材料の平板で略四角形状に形成されている。この基材２１の表面側中央には、青色ＬＥＤ３及び赤色ＬＥＤ４が実装される四角形状の実装パッド２２が配設されている。また、この実装パッド２２の両側には、所定間隔離間して一対の給電端子２３が配設されている。
一方、基材２１の裏面側には、その略全面に亘って平板状の金属板部材が接合されている。この金属板部材は、基板２の放熱や変形防止の機能を有している。

なお、基板には、アルミニウム等の熱伝導性が良好で放熱性に優れた金属材料をベース板として、その一面に絶縁層が積層された金属製のべース基板を適用することができる。また、ベース板の材料を絶縁材とする場合には、ガラスエポキシ樹脂等の合成樹脂材料を適用できる。

前記実装パッド２２、給電端子２３は、三層構成であり、基材２１の表面上に接合された銅板を第一層として、この銅板の表面上には、第二層としてニッケル（Ｎｉ）がめっき処理されており、第三層には、銀（Ａｇ）がめっき処理されている。実装パッド２２の第三層、すなわち、表層は、銀（Ａｇ）めっきが施されており、全光線反射率は、９０％と高いものとなっている。

青色ＬＥＤ３及び赤色ＬＥＤ４は、ＬＥＤのベアチップであり、基板２に直接実装されている。具体的には、シリコーン樹脂系の絶縁性接着剤を用いて、実装パッド２２上に接着されている。青色ＬＥＤ３は、ＩｎＧａＮ系又はＧａＮ系等の４５０ｎｍ〜４７０ｎｍの波長の青色光を発光するＬＥＤチップで構成されている。青色ＬＥＤ３は、透光性のサファイア等の素子基板上に青色発光をする発光層が積層され、この発光層に電流を流す正負一対の素子電極を有している。赤色ＬＥＤ４は、ＧａＰ系又はＧａＡｌＡｓ混晶系等の５８０ｎｍ〜６２０ｎｍの波長の赤色光を発光するＬＥＤチップで構成されている。赤色ＬＥＤ４は、同様に、透光性のサファイア等の素子基板上に赤色発光をする発光層が積層され、この発光層に電流を流す正負一対の素子電極を有している。

これら各電極は、ボンディングワイヤ８により電気的に接続されている。ボンディングワイヤ８は、金（Ａｕ）の細線からなっており、実装強度の向上とＬＥＤのベアチップの損傷低減のため金（Ａｕ）を主成分とするバンプを介して接続されている。

青色ＬＥＤ３及び赤色ＬＥＤ４は、実装パッド２２上にマトリクス状に実装され、複数の青色ＬＥＤ３及び複数の赤色ＬＥＤ４ごとにＬＥＤ３、４の素子列を形成している。具体的には、図示上、左右方向に配置されて素子列が形成されており、この素子列と直交する方向、つまり、図示上、上下方向において、左右方向に配置された青色ＬＥＤ３の素子列と赤色ＬＥＤ４の素子列とが交互に配置されている。電気的には、青色ＬＥＤ３の素子列と赤色ＬＥＤ４の素子列とが、その素子列ごとに直列に接続されて４つの直列回路が構成されており、この直列回路が電源に対して相互に並列に接続されるようになっている。これらは、給電端子２３を通じて給電されるようになっている。

より詳しくは、青色ＬＥＤ３の素子列又は赤色ＬＥＤ４の素子列において、その列が延びる方向に隣接された同ＬＥＤの異極の電極同士、つまり、隣接された一方のＬＥＤの正極側の素子電極と、隣接された他方のＬＥＤの負極側の素子電極とがボンディングワイヤ８で接続されている。この接続が順次行われて、青色ＬＥＤ３の素子列と赤色ＬＥＤ４の素子列とが、その素子列ごとに直列に接続されている。本実施形態では、青色ＬＥＤ３の１つの素子列における青色ＬＥＤ３の数は、１０個であり、これが２列形成されている。一方、赤色ＬＥＤ４の１つの素子列における赤色ＬＥＤ４の数は、８個であり、これが２列形成されている。

図１に示すように、枠部材５は、例えば、ディスペンサを用いて所定の粘度を有する未硬化のシリコーン樹脂を基板２上に枠状に塗布し、その後に加熱硬化することにより、基板２上に接着されている。この枠部材５は、四角形状に塗布され、実装パッド２２と同様な略四角形状の内周面を有している。内周面で囲まれた枠部材５の内側に、実装パッド２２全体が配設され、つまり、青色ＬＥＤ３及び赤色ＬＥＤ４の実装領域は、枠部材５によって囲まれた状態となっている。

波長変換手段としての封止部材６は、透光性合成樹脂、例えば、透明シリコーン樹脂製であり、枠部材５の内側に充填されて基板２上に設けられている。封止部材６は、実装パッド２２、給電端子２３のボンディングワイヤ８の接続部分、各青色ＬＥＤ３及び赤色ＬＥＤ４を覆って封止している。

封止部材６は、蛍光体を適量含有している。蛍光体は、青色ＬＥＤ３が発する光で励起されて、青色ＬＥＤ３が発する光の色とは異なる色の光を放射する。青色ＬＥＤ３が発する青色光を白色光に変換できるようにするために、蛍光体には青色の光とは補色の関係にある黄色乃至緑色系の５００ｎｍ〜６００ｎｍの波長にピーク波長を有する光を放射する黄色蛍光体が使用されている。封止部材６は、未硬化の状態で枠部材５の内側に所定量注入された後に加熱硬化させて設けられている。そのため、封止部材６の封止面積は枠部材５で規定されている。なお、波長変換手段としては、蛍光フィルタを用いるようにしてもよい。

次に、主として図３を参照して青色ＬＥＤ３及び赤色ＬＥＤ４の接続状態について説明する。青色ＬＥＤ３と赤色ＬＥＤ４とは、一般的に、その特性が異なっている。順電圧（Ｖ_Ｆ）をとってみると、赤色ＬＥＤ４の順電圧（Ｖ_Ｆ）は、青色ＬＥＤ３の順電圧（Ｖ_Ｆ）より低い。例えば、青色ＬＥＤ３の順電圧（Ｖ_Ｆ）が３Ｖで順電流（Ｉ_Ｆ）が４０ｍＡの場合、これを８個直列に接続した直列回路の両端の電圧は、２４Ｖになる。したがって、２４Ｖの直流電圧を印加することによって、青色ＬＥＤ３は、発光駆動される。ここで、赤色ＬＥＤ４の順電圧（Ｖ_Ｆ）は、青色ＬＥＤ３の順電圧（Ｖ_Ｆ）より低いことから、例えば、順電圧（Ｖ_Ｆ）が２．４Ｖで順電流（Ｉ_Ｆ）が２０ｍＡの赤色ＬＥＤ４を用いる。この場合、この赤色ＬＥＤ４を１０個接続することにより、その直列回路の両端の電圧を２４Ｖとすることができ、青色ＬＥＤ３の直列回路の両端電圧と等しくすることができる。

したがって、青色ＬＥＤ３及び赤色ＬＥＤ４の特性を利用して、青色ＬＥＤ３の直列回路の順電圧（Ｖ_Ｆ）の和と、赤色ＬＥＤ４の直列回路の順電圧（Ｖ_Ｆ）の和とが略等しくなるように、青色ＬＥＤ３、赤色ＬＥＤ４の数を設定することにより、同一電源（電圧）で双方の直列回路を駆動できることとなる。そのため、格別に電流制限抵抗等を直列回路に挿入することなく、青色ＬＥＤ３及び赤色ＬＥＤ４を発光駆動でき、回路構成の簡素化が可能となる。

次に、図４を参照して上記発光装置１を用いた照明装置２０について説明する。照明装置本体は、発光装置１と、点灯装置２５と、制御装置２６とを備えている。点灯装置２５は、商用交流電源ＡＣに接続されており、この交流電源ＡＣを受けて直流出力を生成するものである。点灯装置２５には、全波整流回路や直流電圧変換回路等が設けられている。

制御装置２６は、演算手段や比較回路を備えており、点灯装置２５に接続されるとともに温度検出手段７に接続されており、青色ＬＥＤ３及び赤色ＬＥＤ４の発光駆動を制御する機能を有している。

このような構成の照明装置２０に交流電源ＡＣを通じて点灯装置２５へ給電する。点灯装置２５から所定の直流出力が発光装置１に供給される。そして、基板２の給電端子２３を通じて給電されると、各青色ＬＥＤ３及び赤色ＬＥＤ４が発光する。青色ＬＥＤ３から出射された青色光は、封止部材６中に含有された黄色蛍光体を励起して、黄色蛍光体から黄色乃至緑色系の蛍光に変換されて封止部材６を透過して外部に放射される。さらに、青色ＬＥＤ３から出射された青色光のうち、黄色蛍光体を励起しなかった光は、そのまま封止部材６を透過して外部に放射される。また、赤色ＬＥＤ４から出射された赤色光は、黄色蛍光体を励起することなく封止部材６を透過して外部に放射される。

また、各青色ＬＥＤ３及び赤色ＬＥＤ４の発光中において、実装パッド２２は、各ＬＥＤ３、４が発した熱を拡散するヒートスプレッダとして機能する。さらに、各ＬＥＤ３、４が放射した光のうちで基板２側に向かった光は、実装パッド２２の表層で主として光の利用方向に反射される。

したがって、発光装置１から、青色ＬＥＤ３からの青色光、黄色蛍光体からの黄色乃至緑色系の光及び赤色ＬＥＤ４からの赤色光が混色され、演色性の良好な電球色の光が放射される。この場合、赤色ＬＥＤ４から直接的に赤色光が放射されるので効率良く、赤み成分を混色でき演色性が良好となる。

しかしながら、青色ＬＥＤ３及び赤色ＬＥＤ４は、温度により特性が変化し、特に、赤色ＬＥＤ４は、温度による特性の変化が大きく、例えば、図５に示すように、周囲温度に対する光度の変化も大きい。また、このような特性に関連して温度の変化によって、大きく発光色が変わってしまう特性を有している。したがって、照明装置２０の使用中において、時間の経過とともに発光装置１から放射される光の光色が安定せずに変化してしまう不具合が生じる。

本実施形態では、温度検出手段７が設けられており、この発光色の変化を抑制するものである。温度検出手段７は、サーミスタ等の温度検出素子であり、基板２上に配設され、基板２の温度を通じて青色ＬＥＤ３及び赤色ＬＥＤ４の温度を間接的に検出するようになっている。

温度検出手段７によって温度が検出されると、その検出結果は、制御装置２６に出力される。ＬＥＤは、順電流（Ｉ_Ｆ）の変化により発光色も変化することから、制御装置２６には、赤色ＬＥＤ４の順電流（Ｉ_Ｆ）に基づく発光色の変化のデータテーブルが格納されている。そして、制御装置２６は、温度検出手段７から検出結果を受信すると、その検出結果に基づいて、赤色ＬＥＤ４の常温（Ｔａ＝２５℃）時の光色、つまり、常温時のピーク波長に補正するような最適な順電流（Ｉ_Ｆ）の値を算出し、点灯装置２１へ出力する。

次いで、点灯装置２５では、送信された値に基づいた順電流（Ｉ_Ｆ）を赤色ＬＥＤ４の直列回路のラインに出力する。これにより、赤色ＬＥＤ４の直列回路には、補正された順電流（Ｉ_Ｆ）が流れ、赤色ＬＥＤ４の発光色は補正され、温度変化による発光色の変動を抑制できる。

青色ＬＥＤ３の直列回路及び赤色ＬＥＤ４の直列回路は、各直列回路に従い個別に制御できるようになっている。したがって、赤色ＬＥＤ４の直列回路のみではなく、青色ＬＥＤ３の直列回路も制御するようにしてもよい。なお、温度検出手段７を直接赤色ＬＥＤ４の直列回路に接続して順電流（Ｉ_Ｆ）を制御することもできる。この場合は、回路構成を簡略化できる。

次に、本発明の第２の実施形態に係る照明装置について図６を参照して説明する。なお、第１の実施形態と同一部分又は相当部分には、同一符号を付し重複した説明は省略する。

本実施形態では、電流制御手段２７を設けたものである。この電流制御手段２６は、制御装置２６に接続されており、この電流制御手段２６を調整することにより、青色ＬＥＤ３の直列回路及び赤色ＬＥＤ４の直列回路の順電流（Ｉ_Ｆ）を各別に変更できるようになっている。

例えば、順電流（Ｉ_Ｆ）を変更する青色ＬＥＤ３の直列回路又は赤色ＬＥＤ４の直列回路を選択できるようになっており、その選択後、電流を変更して所望の光色に変更できる。したがって、前記青色ＬＥＤ３の直列回路又は赤色ＬＥＤ４の直列回路の直列回路ごとに制御できるので光色の制御が容易となる。

なお、本発明は、上記各実施形態の構成に限定されることなく、発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の変形が可能である。例えば、前記実施形態においては、ＬＥＤの素子列において、その列が延びる方向に隣接されたＬＥＤの異極の電極同士をボンディングワイヤで順次接続するものについて説明したが、隣接されたＬＥＤの電極を基板に形成された配線パターンを介して接続するようにしてもよい。
また、照明装置としては、光源や屋内又は屋外で使用される照明器具、ディスプレイ装置等に適用が可能である。

１・・・発光装置、２・・・基板、３・・・青色発光ＬＥＤ素子、
４・・・赤色発光ＬＥＤ素子、６・・・波長変換手段（封止部材）、
７・・・温度検出手段、２０・・・照明装置

Claims (4)

1. 基板と；
   基板に実装された複数の青色発光ＬＥＤ素子が直列に接続された直列回路と；
   基板に実装された複数の赤色発光ＬＥＤ素子が直列に接続された直列回路と；
   前記青色発光ＬＥＤ素子から出射される光に励起されて、その光を５００ｎｍ〜６００ｎｍの波長にピークを有する光に変換する波長変換手段と；
   を備え、前記青色発光ＬＥＤ素子の直列回路と赤色発光ＬＥＤ素子の直列回路とが電源に対して並列に接続されていることを特徴とする発光装置。
2. 前記青色発光ＬＥＤ素子が直列に接続された直列回路と、赤色発光ＬＥＤ素子が直列に接続された直列回路とは、青色発光ＬＥＤ素子の直列回路における青色発光ＬＥＤ素子の順電圧の和と、赤色発光ＬＥＤ素子の直列回路における赤色発光ＬＥＤ素子の順電圧の和とが略等しくなるように、青色発光ＬＥＤ素子と赤色発光ＬＥＤ素子との数を設定して直列に接続されていることを特徴とする請求項１に記載の発光装置。
3. 前記請求項１又は請求項２に記載の発光装置は、温度検出手段を備えており、この温度検出手段の出力により、少なくとも前記赤色発光ＬＥＤ素子が直列に接続された直列回路に流れる電流が制御されることを特徴とする発光装置。
4. 装置本体と；
   装置本体に配設された請求項１乃至請求項３のいずれか一に記載の発光装置と；
   を具備することを特徴とする照明装置。

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