JP2011228403A - 波長変換部材及びそれを用いた照明装置 - Google Patents

Abstract

【課題】入射光の色温度を連続的に変更可能な波長変換部材、及び、この波長変換部材を用いた小型の照明装置を提供する。
【解決手段】波長変換部材１０は、入射光の少なくとも一部を異なる波長の光に変換する蛍光体５、及び、蛍光体５を保持するバインダ６を具備した蛍光体層４と、光の入射方向における蛍光体層４の厚みを変化させる厚み変更手段とを備える。厚み変更手段は、蛍光体層４を挟持する２枚の透明基板３，３を有しており、両透明基板３，３の間隔を駆動回路７により変化させることで、光の入射方向における蛍光体層４の厚みを変化させる。その結果、蛍光体層４の厚みに応じて、入射光の色温度が連続的に変化するのである。
【選択図】図１

Description

本発明は、波長変換部材及びそれを用いた照明装置に関するものである。

例えばＬＥＤ（発光ダイオード）などの発光素子と、発光素子から放射された光により励起されて異なる波長の光を放射する蛍光体とを組み合わせることで白色光を実現させた照明装置が普及する中、多様化する生活シーンに合わせて、同一空間における照明光の色温度を変化させたいという要望が強まっている。

このような要望に対して、発光素子の発光面に対向する形で光学フィルタを配置した照明装置が提案されている（例えば特許文献１参照）。この照明装置では、フィルタ特性が異なる複数種類のフィルタ機能部が上記の光学フィルタに設けられており、発光素子に対向させるフィルタ機能部を切り替えることによって、照射光の色温度を変化させることができるようになっている。

特開２００５−３４７２８０号公報（段落［００３１］−段落［００３２］、及び、第３，４図）

上述の特許文献１に示した照明装置では、フィルタ機能部を切り替えることで照射光の色温度を変化させることができるものの、フィルタ機能部間の部位によって照射光が遮光されて利用者が違和感を感じる場合があり、また色温度を変化させるパターン数が多くなるに従ってフィルタ機能部の数を増やす必要があることから、光学フィルタが大型化し、それに伴って照明装置が大型化するものであった。

本発明は上記問題点に鑑みて為されたものであり、その目的とするところは、入射光の色温度を連続的に変更可能な波長変換部材、及び、この波長変換部材を用いた小型の照明装置を提供することにある。

本発明の波長変換部材は、入射光の少なくとも一部を異なる波長の光に変換する蛍光体、及び、蛍光体を保持するバインダを具備した蛍光体層と、光の入射方向における蛍光体層の厚みを変化させる厚み変更手段とを備えることを特徴とする。

この波長変換部材において、蛍光体が蛍光体層の内部に均一に分散されているのが好ましい。

また、この波長変換部材において、厚み変更手段は、蛍光体層を挟持する複数の基板を有し、基板の間隔を変化させることで入射方向における蛍光体層の厚みを変化させるのも好ましい。

さらに、この波長変換部材において、蛍光体層を複数備え、複数の蛍光体層が入射方向において重なるように配置されるのも好ましい。

また、この波長変換部材において、蛍光体層を複数備え、複数の蛍光体層が入射方向において重ならないように配置されるのも好ましい。

さらに、この波長変換部材において、入射面に近い位置に配置された蛍光体層から放射される光の一部が、入射面から遠い位置に配置された蛍光体層に吸収され、当該蛍光体層から異なる波長の光が放射されるのも好ましい。

本発明の照明装置は、発光ダイオードと、発光ダイオードからの入射光の少なくとも一部を異なる波長の光に変換する上記の波長変換部材とを備えたことを特徴とする。

波長変換部材によって入射光の色温度を連続的に変化させることができ、さらにこの波長変換部材を用いることによって照明装置の小型化を図ることができるという効果がある。

実施形態１の波長変換部材を用いた照明装置の一部省略せる概略構成図である。 （ａ），（ｂ）は同上の動作を説明するための説明図である。 同上の動作を説明するためのグラフである。 （ａ），（ｂ）は実施形態２の波長変換部材を用いた照明装置の動作を説明するための説明図である。 同上の動作を説明するためのグラフである。

本発明に係る波長変換部材、及び、この波長変換部材を用いた照明装置の実施形態を図面に基づいて説明する。本発明に係る波長変換部材は、例えばＬＥＤ（発光ダイオード）などの発光素子からの入射光の色温度を変化させるために用いられるものであり、この波長変換部材と発光素子とを組み合わせることで本発明に係る照明装置が構成される。なお、以下の説明では、発光素子を光源とした場合について説明するが、光源は発光素子に限定されるものではなく、蛍光灯や白熱灯など他の光源であってもよい。また、図２及び図４では、図示を簡略化するために駆動回路の図示を省略している。

（実施形態１）
図１は本実施形態の照明装置Ａの一部省略せる概略構成図であり、本照明装置Ａは、発光素子２と、発光素子２からの入射光の色温度を変化させる波長変換部材１０とを備える。

発光素子２は、例えばピーク波長が４３０〜４９０ｎｍの青色光を放射する青色発光ダイオード（例えばＧａＮ系半導体など）であって、例えばＮｉ膜やＡｕ膜などが積層された積層膜からなる。また、発光素子２の表面にはアノード電極及びカソード電極が形成されており、それぞれＡｕバンプを用いて基板１に電気的に接続される。なお、発光素子２の材料は上記のＮｉ膜やＡｕ膜に限定されるものではなく、良好なオーミック特性が得られるものであれば他のものでもよい。

一方、基板１は、最表面がＡｕメッキされた配線パターンを有するアルミナセラミック基板からなり、上記配線パターンは基板側面にも連続して形成され、さらに基板裏面にもリフロー用のパターンが形成されている。この基板１は、はんだリフロー工程において図示しない配線板に実装される。ここにおいて、発光素子２は、図１に示すように基板１の表面に実装してもいいが、例えば基板表面に設けた凹部内に実装するようにしてもよい。また、基板１は、例えばＡｌＮ（窒化アルミニウム）製であってもよい。

波長変換部材１０は、蛍光体層４と、蛍光体層４を上下方向両側から挟持する複数（図１では２枚）の透明基板３，３と、一方（図１中の上側）の透明基板３を他方の透明基板３に対して上下方向に進退自在に移動させる駆動回路７とを備える。

蛍光体層４は、発光素子２からの入射光（本実施形態では青色光）を異なる波長の光（後述するピーク波長の長い黄色光、又は、緑色光及び赤色光）に変換する蛍光体５と、蛍光体５を保持するバインダ６とを具備する。

蛍光体５は、例えばピーク波長が４３０〜４９０ｎｍの青色光を吸収し、緑色光や黄色光、赤色光のように、青色光に比べてピーク波長の長い光を放射する。例えば、白色光を得るためには黄色光を放射する黄色蛍光体を蛍光体５として選択すればよく、より演色性の高い白色光を得るためには緑色光を放射する緑色蛍光体と赤色光を放射する赤色蛍光体とを組み合わせて用いればよい。その際、本実施形態のように蛍光体層が単層の場合には緑色蛍光体と赤色蛍光体とを混合して用いればよく、後述する実施形態２のように蛍光体層が複数層の場合には各蛍光体層の緑色蛍光体と赤色蛍光体の混合比を変えて用いてもいいし、緑色蛍光体の蛍光体層と赤色蛍光体の蛍光体層とに分離して用いてもよい。なお、蛍光体層４内に分散させる蛍光体５の量は、蛍光体層４の厚みが厚い状態で、色温度の調整範囲における最も低い色温度が得られるように濃度を調整し、又、複数種類の蛍光体を混合させる場合にはその混合比を調整する。

バインダ６は、例えばシリコーン樹脂やエポキシ樹脂などの透明な弾性材料からなり、外部から加えられる圧力によって弾性変形する。このバインダ６の透過率は高いほどよく、好ましくは９０％以上あるものがよい。また、バインダ６の弾性は硬度として測定することができ、硬度０から硬度１００の間で数値化され、値が小さいほど柔らかい（つまり弾性が高い）性質を示す。バインダ６の材料としては硬度６０以下が好ましく、より好ましくは硬度５０以下であるものがよい。

ここにおいて、本実施形態では、バインダ６により形成された蛍光体層４の内部に蛍光体５を略均一に分散させているため、光の入射方向（図１中の上下方向）における蛍光体層４の厚みと、同方向における蛍光体５の量とが線形となっている。したがって、蛍光体層４の厚みを変化させることによって、波長変換される光の量を連続的に変化させることができ、その結果、波長変換部材１０を透過して外部に放射される光の色温度を連続的に変化させることができる。なお、光の拡散性を高めたい場合には、蛍光体層４の内部に拡散材（例えば酸化アルミニウムやシリカなどの無機材料、フッ素系樹脂などの有機材料で構成されたもの）を分散させてもよい。

透明基板３は、例えばシリコーン樹脂やアクリル樹脂、ガラスなどの透明材料からなり、厚みの薄い板状に形成される。この透明基板３の厚みは透過率の点からできるだけ薄くするのが好ましいが、本実施形態では外部から圧力が加えられる構造であるため、この圧力に対して割れない程度の厚みに設定している。また、透明基板３の透過率は高いほどよく、好ましくは９０％以上あるものがよい。なお、本実施形態では、外部からの圧力が駆動回路７によって一方（図１中の上側）の透明基板３に加えられるようになっており、その結果、他方（図１中の下側）の透明基板３に対して一方の透明基板３が上下方向に移動することで、両透明基板３，３の間隔を変更できるようになっている。ここに、本実施形態では、両透明基板３，３と、駆動回路７とで上下方向（光の入射方向）における蛍光体層４の厚みを変化させる厚み変更手段が構成されている。

ここで、図３は本実施形態の照明装置Ａの色温度変化を示すグラフであり、波長変換部材１０を透過する光は、発光素子２の発光色の色温度と蛍光体５のピーク波長の色温度とを結んだ線分ｃ上をシフトするのであるが、実際には蛍光体層４の厚みに応じて線分ｄの範囲をシフトすることになる。なお、図３中の曲線ｂは黒体軌跡を示しており、本実施形態の照明装置Ａでは、波長変換部材１０を透過する光の色温度が黒体軌跡ｂからずれて変化することになる。

次に、本実施形態の照明装置Ａの動作について、図２を参照しながら説明する。発光素子２から放射された青色光が下側の透明基板３を透過して蛍光体層４内に入射されると、蛍光体層４内に入射した青色光の一部が蛍光体５に吸収され、ピーク波長の長い黄色光、又は緑色光及び赤色光に変換される。そして、ピーク波長の長い黄色光、又は緑色光及び赤色光と、残りの青色光とが蛍光体層４内で混色されて白色光となり、上側の透明基板３を透過して外部に放射される。

ここで、図２（ａ）は、駆動回路７によって透明基板３，３の間隔が拡げられた状態を示し、この場合、上下方向（光の入射方向）における蛍光体層４の厚みが厚くなることで、発光素子２の光軸上に位置する蛍光体５の量が多くなる。つまり、蛍光体５によって波長が変換される青色光の割合が多くなることから、黄色光に近い白色光が外部に照射される。

一方、図２（ｂ）は、駆動回路７によって透明基板３，３の間隔が狭められた状態を示し、この場合、上下方向における蛍光体層４の厚みが薄くなることで、発光素子２の光軸上に位置する蛍光体５の量が少なくなる。つまり、蛍光体４ａによって波長が変換される青色光の割合が少なくなることから、青色光に近い白色光が外部に照射される。なお、駆動回路７によって加えられた圧力が解除された場合には、バインダ６の弾性力によって元の状態に戻ることになる。ここに、図２（ａ）（ｂ）中の領域ａは、発光素子２による光の放射範囲を示している。

而して、本実施形態によれば、光の入射方向（図１中の上下方向）における蛍光体層４の厚みを変化させることで、同方向における蛍光体５の量を連続的に変化させることができるので、蛍光体５によって波長が変更される光の割合を連続的に変化させることができ、その結果、入射光（発光素子２から放射される光）の色温度を連続的に変化させることができる。また、従来例のようにフィルタ機能部を切り替えることで色温度を変化させる場合に比べて、光の入射方向と直交する方向の拡がりを抑えることができ、その結果、コンパクトな波長変換部材１０を提供することができる。

さらに、本実施形態のように透明基板３，３と駆動回路７とで厚み変更手段を構成することによって、光の入射方向における蛍光体層４の厚みを変更させる厚み変更手段を簡単な構成で実現することができる。また、上記の波長変換部材１０を用いることによって、発光素子２からの入射光の色温度を連続的に変化させることができる小型の照明装置Ａを提供することができる。

（実施形態２）
本発明に係る照明装置Ａの実施形態２について以下に説明する。実施形態１では蛍光体層が単層の場合について説明したが、本実施形態では蛍光体層が複数層の場合について説明する。なお、以下の説明において、実施形態１と同様の構成については同一の符号を付して説明は省略する。また、以下の説明において蛍光体層４Ａ，４Ｂを区別する必要がないときは蛍光体層４と表記する。

本実施形態の照明装置Ａは、発光素子２と、波長変換部材１０とを備える。

波長変換部材１０は、図４（ａ）に示すように、複数（図４（ａ）では３枚）の透明基板３と、透明基板３，３間に配置された複数（図４（ａ）では２個）の蛍光体層４Ａ，４Ｂとを備える。図４（ａ）中の上段と中段に配置された透明基板３，３は、それぞれ図示しない駆動回路によって上下方向に移動自在となっており、上下方向における各蛍光体層４Ａ，４Ｂの厚みを個別に調整できるようになっている。なお、本実施形態では、各蛍光体層４Ａ，４Ｂが上下方向（光の入射方向）において重なるように配置されている。また、一方（例えば図４（ａ）中の上側）の蛍光体層４Ａの内部には緑色蛍光体５Ａが略均一に分散され、他方の蛍光体層４Ｂの内部には赤色蛍光体５Ｂが略均一に分散されている。

ここで、図５は本実施形態の照明装置Ａの色温度変化を示すグラフであり、波長変換部材１０を透過する光は、緑色蛍光体５Ａを含む蛍光体層４Ａ単体では線分ｅ上をシフトし、赤色蛍光体５Ｂを含む蛍光体層４Ｂ単体では線分ｆ上をシフトすることになる。したがって、各蛍光体層４Ａ，４Ｂの厚みを同じ割合で変化させた場合には、波長変換部材１０を透過する光は線分ｅと線分ｆの間の線分ｇ上をシフトすることになり、この場合黒体軌跡ｂからずれて変化することになる。そこで、本実施形態では、図４（ｂ）に示すように一方の蛍光体層４Ａの厚みを一定に保持し、他方の蛍光体層４Ｂの厚みのみを変化させている。その結果、本照明装置Ａによる色温度は線分ｍ上をシフトすることになり、黒体軌跡ｂに近づけた色温度変化を実現することができる。なお、図５中の線分ｈ，ｋは、色温度変化の軌跡を求めるために便宜上設けた補助線である。また、照明装置Ａの動作については実施形態１と同様であるため、ここでは説明を省略する。

而して、本実施形態によれば、複数の蛍光体層４Ａ，４Ｂを備えていることから、蛍光体層４が単層の場合に比べてカラーバリエーションを拡げることができ、さらに各蛍光体層４Ａ，４Ｂの厚みを個別に調節することによって、黒体軌跡ｂに近い色温度変化を実現することができる。また、上記の波長変換部材１０を用いることによって、発光素子２から放射される光の色温度を連続的に変化させることができる小型の照明装置Ａを提供することができる。

ここにおいて、図４（ａ）に示すように、光の入射方向において重なるように配置された複数の蛍光体層４Ａ，４Ｂのうち、入射面に近い位置（図４（ａ）中の下側）に配置された蛍光体層４Ｂから放射される光の一部を、入射面から遠い位置（図４（ａ）中の上側）に配置された蛍光体層４Ａが吸収し、この光の波長と異なる波長の光を放射するようにしてもよい。この場合、入射面から遠い位置に配置された蛍光体層４Ａから放射される光によって、色温度変化をさらに黒体軌跡ｂに近づけることが可能になる。なお、この場合、入射面から遠い位置に配置された蛍光体層４Ａが吸収する光の波長によって、光の色温度が変化する軌跡が異なることは言うまでもない。

なお、本実施形態では、蛍光体層４が２個の場合について説明したが、蛍光体層４の数は本実施形態に限定されるものではなく、３個以上であってもよい。また、本実施形態では、複数の蛍光体層４Ａ，４Ｂを光の入射方向において重なるように配置した場合について説明したが、光の入射方向において重ならないように配置してもよく（例えば、光の入射方向と直交する面内に複数の蛍光体層４を並べて配置するなど）、この場合、同様にカラーバリエーションを拡げることができるとともに、各蛍光体層４の厚みを個別に調節した場合には、黒体軌跡に近い色温度変化を実現することができる。さらに、本実施形態では、緑色蛍光体５Ａを含む蛍光体層４Ａと、赤色蛍光体５Ｂを含む蛍光体層４Ｂとに分離させた場合について説明したが、各蛍光体層４Ａ，４Ｂにおいて緑色蛍光体５Ａと赤色蛍光体５Ｂの混合比を変えることで、混合比の異なる複数の蛍光体層４Ａ，４Ｂを構成してもよい。

また、上述の実施形態１，２では、駆動回路７によって透明基板３を移動させることで蛍光体層４の厚みを変化させた場合について説明したが、例えば蛍光体層４に電界を加えることで蛍光体層４の厚みが変化するように構成してもよく、蛍光体層４の厚みを変化させる方法は本実施形態に限定されるものではない。なお、電界を加えることで蛍光体層４の厚みを変化させる場合には、バインダ６として電界によって厚みが変化するものを用いる必要がある。

３ 透明基板（厚み変更手段）
４ 蛍光体層
５ 蛍光体
６ バインダ
７ 駆動回路（厚み変更手段）
１０ 波長変換部材

Claims (7)

1. 入射光の少なくとも一部を異なる波長の光に変換する蛍光体、及び、前記蛍光体を保持するバインダを具備した蛍光体層と、
   光の入射方向における前記蛍光体層の厚みを変化させる厚み変更手段とを備えることを特徴とする波長変換部材。
2. 前記蛍光体が前記蛍光体層の内部に均一に分散されていることを特徴とする請求項１記載の波長変換部材。
3. 前記厚み変更手段は、前記蛍光体層を挟持する複数の基板を有し、基板の間隔を変化させることで前記入射方向における前記蛍光体層の厚みを変化させることを特徴とする請求項１又は２記載の波長変換部材。
4. 前記蛍光体層を複数備え、複数の前記蛍光体層が前記入射方向において重なるように配置されたことを特徴とする請求項１〜３の何れか１項に記載の波長変換部材。
5. 前記蛍光体層を複数備え、複数の前記蛍光体層が前記入射方向において重ならないように配置されたことを特徴とする請求項１〜３の何れか１項に記載の波長変換部材。
6. 入射面に近い位置に配置された前記蛍光体層から放射される光の一部が、前記入射面から遠い位置に配置された前記蛍光体層に吸収され、当該蛍光体層から異なる波長の光が放射されることを特徴とする請求項４記載の波長変換部材。
7. 発光ダイオードと、前記発光ダイオードからの入射光の少なくとも一部を異なる波長の光に変換する請求項１〜６の何れか１項に記載の波長変換部材とを備えたことを特徴とする照明装置。

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