JP2012113959A

JP2012113959A - 発光装置

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Publication number: JP2012113959A
Application number: JP2010261802A
Authority: JP
Inventors: Takaaki Kataoka; 高明片岡
Original assignee: Panasonic Corp
Current assignee: Panasonic Corp
Priority date: 2010-11-24
Filing date: 2010-11-24
Publication date: 2012-06-14

Abstract

【課題】個体発光素子（ＬＥＤ）を用いた発光装置において、色温度を可変としながらも、各色温度における色度が黒体放射軌跡に沿った自然な光色を実現する。
【解決手段】発光装置１は、異なる色度の光を出射する複数のＬＥＤ２と、このＬＥＤ２の光出力を夫々調光制御する制御部４と、を備える。複数のＬＥＤ２のうち、最も低い色温度と最も高い色温度を有するＬＥＤ２ａ，２ｂの色度を結ぶ色度図上の線が、黒体放射軌跡上に沿うように、夫々のＬＥＤの色度が設定される。また、ＬＥＤ２ａ及びＬＥＤ２ｂのうち、黒体放射軌跡から色度が離れている方のＬＥＤ２ｂは、その偏差ｄｕｖが離れている度合いが少ない方のＬＥＤ２ａの偏差ｄｕｖよりも大きくなるように、且つ発光時における色度が黒体放射軌跡に近接するように設定されている。これにより、色温度を可変としながらも、各色温度における色度が黒体放射軌跡に沿った自然な光色を実現できる。
【選択図】図５

Description

本発明は、光源として複数の固体発光素子を用いた発光装置に関する。

発光ダイオード（以下、ＬＥＤ）は、低電力で高輝度の発光が可能であり、表示等や照明器具等の様々な電気機器の光源として使用されている。近年では、赤色ＬＥＤ及び緑色ＬＥＤに加えて、青色ＬＥＤが実用化され、これらＲＧＢ３色のＬＥＤを組み合わせることにより、様々な光色を発光することができるようになった。また、ＬＥＤの出射光の波長を変換する蛍光体を組み合わせることにより、出射光の色温度を任意に設定することができる。

この種のものとして、２種又は３種の異なる色温度を有する複数のＬＥＤ群を備え、各ＬＥＤの発光色の偏差ｄｕｖを−０．０２≦ｄｕｖ≦０．０２の範囲内に収まるようにした発光装置が知られている（例えば、特許文献１又は特許文献２参照）。これらの特許文献には、黒体放射軌跡に対して偏差ｄｕｖが＋０．０２の範囲であり、色温度の異なる２種類のＬＥＤを用いた構成が記載されている。

特開２００９−２３１５２５号公報特開２００９−２３８７２９号公報

しかしながら、白色及び電球色といった色温度の離れた２色の光を混色させる場合、色度の可変範囲が黒体放射軌跡を大きく逸れ、自然な色合いの光を生成することが困難である。例えば、図８に示すように、５０００Ｋの色温度を有するＬＥＤ（ａ）と、２０００Ｋの色温度を有するＬＥＤ（ｂ）を用いた発光装置においては、これら２色の出力割合を制御することによって、５０００Ｋと２０００Ｋの色度を直線で結んだ範囲で混色光の色度が変化する。一般に、白熱灯や太陽の光は、黒体放射軌跡の色度曲線上で変化していくとされ、この黒体放射軌跡近傍での色度がもっとも自然で違和感のない光となることが知られている。ところが、上記の混色光は、色度の変化範囲が黒体放射軌跡から大きく逸脱しており、違和感のあるピンクがかった光色となることがある。

また、色温度の異なる複数のＬＥＤは、夫々特性の異なる半導体であり、出力に応じてＬＥＤ毎に発光色度がばらつくので、それらを組み込んだ装置毎に色温度を合わせ、その色温度を自然な発光色で可変とすることは難しい。ところが、上記特許文献１及び特許文献２に記載の発光装置は、定常出力におけるＬＥＤの色度を基準としているので、出力を大きくした場合には、照射光の色度が黒体放射軌跡から逸れてしまい、自然な光色とならないことがある。

本発明は、上記課題を解決するものであり、色温度を可変としながらも、各色温度における色度が黒体放射軌跡に沿った自然な光色を実現できる発光装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するため、本発明に係る発光装置は、異なる色度の光を出射する複数の固体発光素子と、該固体発光素子の光出力を夫々調光制御する制御部と、を備えた発光装置において、前記固体発光素子は、前記複数の固体発光素子のうち、最も低い色温度と最も高い色温度を有する固体発光素子の色度を結ぶ色度図上の線が、黒体放射軌跡上又は黒体放射軌跡に近接して当該黒体放射軌跡に沿うように、夫々の固体発光素子の色度が設定されると共に、最も低い色温度を有する固体発光素子及び最も高い色温度を有する固体発光素子のうち、黒体放射軌跡から色度が離れている方の固体発光素子は、その偏差ｄｕｖが、離れている度合いが少ない方の固体発光素子の偏差ｄｕｖよりも大きくなるように、且つ発光時における色度が、黒体放射軌跡に近接するように設定されていることを特徴とする。

上記発光装置において、前記複数の固体発光素子は、電球色の光を出射する固体発光素子及び白色の光を出射する固体発光素子を含み、前記白色の光を出射する固体発光素子の偏差ｄｕｖが、前記電球色の光を出射する固体発光素子の偏差ｄｕｖよりも大きく設定されていることが好ましい。

上記発光装置において、前記電球色の光を出射する固体発光素子の色温度は２５００〜３５００Ｋであり、前記白色の光を出射する固体発光素子の色温度は４５００〜６５００Ｋであることが好ましい。

上記発光装置において、前記固体発光素子は、光出力が小さい時の出射光の色度のｘ値又はｙ値が、黒体放射軌跡の色度よりも小さな値となるように設定されていることが好ましい。

上記発光装置において、前記固体発光素子は、発光部が発光した光を蛍光体又はフィルタを用いて波長変換した光を出射するものであることが好ましい。

本発明によれば、色温度を可変としながらも、各色温度における色度が黒体放射軌跡に沿った自然な光色を実現できる。

本発明の一実施形態に係る発光装置の構成図。（ａ）は同発光装置を組み込んだ照明器具の斜視図、（ｂ）は同照明器具の分解斜視図、（ｃ）は同発光装置に用いられる固体発光素子及び基板の上面図。同発光装置に用いられる固体発光素子の側断面図。（ａ）（ｂ）は電流値又は周囲温度が変化することによる固体発光素子の色度の変化を説明するための図。同発光装置に用いられる固体発光素子の色度を示す色度図。同発光装置における２つの固体発光素子の色温度と電流量の制御パターンを示す図。上記実施形態の変形例に係る発光装置に用いられる固体発光素子の色度を示す色度図。従来の発光装置に用いられる固体発光素子の色度を示す色度図。

本発明の一実施形態に係る発光装置について、図１〜図６を参照して説明する。本実施形態の発光装置１は、図１に示されるように、光源である固体発光素子としての発光ダイオード（以下、ＬＥＤ）２と、所定の色度を設定する色度設定部３と、ＬＥＤ２の光出力を色度設定部３によって設定された色度に調光制御する制御部４と、を備える。本実施形態においては、ＬＥＤ２は、夫々色度の異なる光を出射するように構成された少なくとも２つ、ここでは２種のＬＥＤ２ａ，２ｂが用いられた構成を示す。発光装置１には、ＬＥＤ２ａ，２ｂ以外のＬＥＤ２が設けられていてもよく、ここで示すＬＥＤ２ａは、色度の異なる複数のＬＥＤ２のうち、最も低い色温度を有するものであり、ＬＥＤ２ｂは、最も高い色温度を有するものである。以下、ＬＥＤ２ａ，２ｂ以外のＬＥＤ２についての説明は省略する。ＬＥＤ２ａ，２ｂは、夫々複数個がパッケージとして基板５に実装される。図例では、ＬＥＤ２ａ，２ｂが夫々８つ用いられた構成を示すが、ＬＥＤ２ａ，２ｂの個数はこの例に限られない。基板５には、同種のＬＥＤ２が１つのパッケージとして直列に接続されるように、配線回路５１（図例では配線回路５１ａ，５１ｂ）が形成されている。

色度設定部３は、ＬＥＤ２ａ，２ｂの出射光を混色した混色光、すなわち発光装置１の照射光の色温度を所定の値に設定するためのボリュームコントローラ３１を備える。ボリュームコントローラ３１は、ユーザによる摘みの回転操作によって、発光装置１をオフ状態からオン状態へ切り替え、回転範囲に応じて発光装置１の光出力を変化させる。また、ボリュームコントローラ３１は、発光装置１がオン状態となって光出力が小さい間は低い色温度の光を照射し、摘みを更に回転させることによって、光出力を大きくすると共に、漸次的に低い色温度から高い色温度の光を照射する調光操作を可能とする。

ボリュームコントローラ３１によって所定の色温度が入力されると、色度設定部３は、入力された色温度における黒体放射軌跡上の色度、つまり、この色温度における色度図上の等色温度線と黒体放射軌跡との交点座標を、設定された色度（以下、設定色度）とする。また、色度設定部３は、設定色度の制御情報を含むｄｕｔｙ信号を制御部４へ出力する。

制御部４は、発光装置１を点灯させる電源ユニット（不図示）に組み込まれており、ＬＥＤ２ａ，２ｂのパッケージの種類に応じた複数の出力端子（図例では、出力ａ，ｂ）を備える。また、制御部４は、商用電源（不図示）からの給電を受けてこれを所定の直流電流に変換すると共に、色度設定部３からのｄｕｔｙ信号に対応するよう各ＬＥＤ２ａ，２ｂを調光制御するための印加電圧を制御する整流変圧回路（不図示）を有する。各出力（端子）ａ，ｂは、配線４１ａ，４１ｂによって夫々配線回路５１ａ，５１ｂに接続される。

発光装置１は、図２（ａ）に示すように、好ましくは、天井、壁面等に埋め込まれる埋込型の照明器具１０に組み込まれる。照明器具１０は、発光装置１を保持すると共に、発光装置１を点灯させる電源ユニット（不図示）を収容する本体部１１を備える。また、天井等に形成された開口部に嵌め込まれ、光源等を保持する枠体部１２と、商用電源から電源供給を受けるための電源線が接続される端子台１３と、枠体部１２を天井等に固定するための取付バネ１４と、を備える。

また、照明器具１０は、図２（ｂ）に示すように、上述した基板５と、ＬＥＤ２の熱を放熱するためのヒートシンク部材６と、基板５とＬＥヒートシンク部材６との間に設けられる保持部材７と、を備える。また、照明器具１０は、ＬＥＤ２を保護する保護カバー８を備える。この保護カバー８の裏面側にはネジホルダ（不図示）が設けられており、ヒートシンク部材６（本体部１１）内側から挿通されたネジ（不図示）によって保護カバー８とヒートシンク部材６とが固定される。

ＬＥＤ２は、図２（ｃ）に示すように、基板５の略中央領域及びその周辺にＬＥＤ２ａ，２ｂが、好ましくは、同種のものが隣り合わないように互い違いに配される。なお、ＬＥＤ２ａ，２ｂの配置は、図例の構成に限られない。

基板５は、汎用の発光モジュール用の基板であり、例えば、酸化アルミニウム（Ａｌ_２Ｏ_３）や窒化アルミニウム（ＡｌＮ）等の電気絶縁性を有する金属酸化物（セラミックスを含む）、金属窒化物、又は金属、樹脂、ガラス繊維等の材料から構成される。基板５に形成された配線回路５１（図１参照）は、絶縁材料によって被覆され、ＬＥＤ２ａ，２ｂの各正負電極と接続される箇所及び配線４１ａ，４１ｂと接続される箇所が夫々電極端子として露出している（不図示）。

ＬＥＤ２は、図３に示すように、断面矩形状の基材２０と、基材２０上に実装された発光部（ＬＥＤチップ）２１と、ＬＥＤチップ２１を取り囲む凹部を有する枠体２２と、枠体２２に充填される充填材２３と、を備える。充填材２３には、シリコン等が用いられ、ＬＥＤチップ２１からの出射光の波長を変換する蛍光体２４が含有される。基材２０の一側面にはカソード電極２５が、他側面にはアノード電極２６が設けられ、基材２０の下面両端部に形成された外部接続電極２７，２８に夫々接続される。また、カソード電極２５及びアノード電極２６は、ワイヤ２９によってＬＥＤチップ２１の各電極端子（不図示）に夫々接続される。枠体２２の内周面は、光の導出方向に開口した円錐面として形成されており、円錐面の表面は光反射機能を有する。ＬＥＤチップ２１には、好ましくは、青色光を出射する青色ＬＥＤ素子又は緑色光を出射する緑色ＬＥＤ素子が用いられ、蛍光体２４の種類又は含有量を調整することによって、所望の色度の光を出射するＬＥＤ２が得られる。なお、蛍光体２４に加えて、又はそれに換えて所定の波長の光を選択的に透過させることによってＬＥＤ２の出射光の波長を変換するフィルタ（不図示）が用いられてもよい。このフィルタは、照明器具１０の保護カバー８（図２（ｂ）参照）に設けられたものであってもよい。また、ＬＥＤ２には、適宜に出射光の配光を制御するためのレンズ部材（不図示）が設けられ、上述した蛍光体２４又はフィルタは、このレンズ部材に、又はＬＥＤ２とレンズ部材との間に組み込まれていてもよい。なお、実質的な世界標準となっている、米国で規定されたＬＥＤ色度規定（ＡＮＳＩ規格）に準じたＬＥＤは、色度のバラツキが黒体放射軌跡から所定の範囲内となっていることから、これらの汎用のＬＥＤを用いてもよい。

ところで、ＬＥＤは、一般的に、電流値（光出力）や周囲温度によって発光特性が異なる。図４（ａ）に示すように、ＬＥＤは、電流値が大きくなると、出射光の色度座標上のｘ値及びｙ値は小さくなる傾向がある。これに対して、図４（ｂ）に示すように、周囲温度が高くなると、色度座標上のｘ値及びｙ値は大きくなる。しかし、ＬＥＤの実使用域においては、周囲温度の変化は、電流値の変化に比べれば影響が少ない。なお、この傾向は、ＬＥＤに内臓されるチップや蛍光体の種類等によって違いがある。

一般的に、空間を明るく照明したいときには、色温度の高い昼白色の光源が好まれ、空間をやや暗く照明したいときには、色温度の低い電球色の光源が好まれる。そのため、色温度を可変とした発光装置１の使用においては、高い色温度で使用される場合には、光出力が大きく、一方、低い色温度で使用される場合には、光出力が小さくされる傾向がある。また、高い色温度での使用時は、ＬＥＤ２の電流値が大きく、周囲温度も高くなる。この場合、上述したように、周囲温度は電流値に比べれば影響が少ないので、色度座標上のｘ値及びｙ値は小さくなる。すなわち、色温度が高いＬＥＤにおいては、電流値（光出力）が大きくなると、色度（色度座標上のｘ値及びｙ値）が定常電流での使用時よりもマイナス方向にシフトする。

ここで、発光装置１に用いられるＬＥＤ２ａ，２ｂの色度の設定について、図５を参照して説明する。同図において、ＬＥＤ２ａ，２ｂの色度点を２ａ，２ｂで示す。ＬＥＤ２ａの色度は黒体放射軌跡上にあり、ＬＥＤ２ｂの色度は、設定色温度の黒体放射軌跡上の座標に対してｘ値及びｙ値ともにプラス方向にある。本実施形態においては、ＬＥＤ２ａ，２ｂの設定色温度は、夫々２５００Ｋ，５０００Ｋとする。すなわち、ＬＥＤ２ａは電球色の光を、ＬＥＤ２ｂは白色の光を出射するものとして設定される。電球色の光を出射するＬＥＤ２ａの色温度は２５００〜３５００Ｋ（図中の範囲Ｒａ）であればよく、白色の光を出射するＬＥＤ２ｂの色温度は４５００〜６５００Ｋ（図中の範囲Ｒｂ）であればよい。なお、頻用される照明の色温度帯は上記範囲によってカバーされるが、例えば、白熱灯の微小点灯やろうそくの色温度を再現する場合には、最低色温度は２０００Ｋ程度に設定される。

図中の色度点２ａ，２ｂを結ぶ色度図上の線分２ａ−２ｂは、黒体放射軌跡上又は黒体放射軌跡に近接して当該黒体放射軌跡に沿うように、夫々のＬＥＤ２ａ，２ｂの色度が設定される。また、ＬＥＤ２ａ及びＬＥＤ２ｂのうち、黒体放射軌跡から色度が離れている方、ここでは、最も高い色温度を有するＬＥＤ２ｂの偏差ｄｕｖが、離れている度合いが少ない方のＬＥＤ２ａの偏差ｄｕｖよりも大きくなるように、且つこのＬＥＤ２ｂの色度が、発光時において、黒体放射軌跡に近接するように設定されている。

すなわち、色温度が高いＬＥＤ２ｂの色度（色度座標上のｘ値及びｙ値）が、マイナス方向にシフトすることを見越して、ＬＥＤ２ｂの偏差ｄｕｖが、ＬＥＤ２ａの偏差ｄｕｖよりも大きくなるように設定する。そうすると、ＬＥＤ２ｂの色度は、実際の発光時においては、図中の色度点２ｂ’で示される色度にシフトされ、黒体放射軌跡に近接する。その結果、ＬＥＤ２ａ，２ｂの夫々の出射光を混色した混色光の色度は、図中の破線Ｗ（２ａ−２ｂ’）で示される範囲、つまり、より黒体放射軌跡に沿った範囲で変移する。

次に、発光装置１の調光制御パターンについて、上述した図１及び図５に加えて、図６を参照して説明する。図６は、発光装置１の光色に応じてＬＥＤ２ａ，２ｂへ供給される電流値の一例を示す。ユーザがボリュームコントローラ３１を操作すると、その操作に応じて、制御部４は、発光装置１はオフ状態からオン状態に切り替え、ＬＥＤ２ａ，２ｂに対する夫々の電流量を漸次大きくする。オン状態としたときの発光装置１の照射光の色温度は、ＬＥＤ２ｂの発光によって、ＬＥＤ２ａ自体の色温度（２５００Ｋ）よりもやや高い色温度となる。

続いて、ボリュームコントローラ３１が操作されると、制御部４は、光出力及び色温度を断続的に大きく、また高くするため、ＬＥＤ２ａよりもＬＥＤ２ｂへの電流量を大きくすることにより、ＬＥＤ２ｂの出力割合を高める。４０００〜５０００Ｋは、白色光として頻用される色温度帯であり、約４０００ＫにおいてＬＥＤ２ａに対する電流量が最大となる。すなわち、大出力で頻用される色温度帯では、ＬＥＤ２ａ，２ｂの両方を用いることにより、一方にのみ（ここではＬＥＤ２ｂ）恒常的な負荷がかかることを軽減する。このとき、ＬＥＤ２ａ，２ｂの混色光の色度は、図５に示す線分２ａ−２ｂ上に存在し、当該線分はいずれの点においても黒体放射軌跡に近接しているので、自然な光色が実現される。

更に、ボリュームコントローラ３１が操作されると、制御部４は、色温度を断続的に高くするため、ＬＥＤ２ｂへの電流量を減らす一方、ＬＥＤ２ａへの電流量を増加させ、最終的には、ＬＥＤ２ａを消灯して、ＬＥＤ２ｂを発光させる。このとき、上述したように、ＬＥＤ２ｂへの電流値が大きくなっているので、色度座標上のｘ値及びｙ値（色度）が定常電流での使用時よりもマイナス方向にシフトしており、照射光の色度は、黒体放射軌跡に近接した破線Ｗ（２ａ−２ｂ’）に沿って変移する。発光装置１は、上述したように構成されているので、色温度を可変としながらも、各色温度における色度が黒体放射軌跡に沿った自然な光色を実現できる。

上述した実施形態の変形例として、ＬＥＤ２は、光出力が小さい時の出射光の色度のｘ値又はｙ値が、黒体放射軌跡の色度よりも小さな値となるように設定されていてもよい。この場合におけるＬＥＤ２の色度の設定について、図７を参照して説明する。この変形例では、最も低い色温度のＬＥＤ２ａは、その色度のｘ値及びｙ値が、黒体放射軌跡の色度よりも小さな値となるように設定されている。このときの色度点を同図の２ａ’に示す。色温度の低いＬＥＤ２ａは、やや暗い照明として使用されることが多いので、ＬＥＤ２ａに供給される電流値は、定常電流よりも小さくなる。そのため、色度座標上のｘ値及びｙ値（色度）が定常電流での使用時よりもプラス方向にシフトすると考えられる。そこで、この変形例においては、ＬＥＤ２ａの色度を、予め黒体放射軌跡より低く、すなわち偏差ｄｕｖをマイナス目に設定しておく。これにより、ＬＥＤ２ａ，２ｂの夫々の出射光を混色した混色光の色度は、図中の一点鎖線Ｗ’（２ａ’−２ｂ’）で示される範囲、つまり、より黒体放射軌跡に沿った範囲で変移するので、混色光において自然な光色が実現される。

なお、本発明は、上記実施形態に限らず、種々の変形が可能である。出射光の色度が、黒体放射軌跡上にあるＬＥＤは、汎用のものが市場に存在するが、黒体放射軌跡に対する偏差ｄｕｖが意図的に大きくなるように設定されたＬＥＤは、必ずしも所望のものが得られるとは限らない。そこで、上述したＬＥＤ２には、汎用のＬＥＤに、蛍光体キャップ又はフィルタ、シート等を被せることによって、色度を微調整したものが用いられてもよい。

１発光装置
２ＬＥＤ（固体発光素子）
４制御部
２４蛍光体

Claims

異なる色度の光を出射する複数の固体発光素子と、該固体発光素子の光出力を夫々調光制御する制御部と、を備えた発光装置において、
前記固体発光素子は、前記複数の固体発光素子のうち、最も低い色温度と最も高い色温度を有する固体発光素子の色度を結ぶ色度図上の線が、黒体放射軌跡上又は黒体放射軌跡に近接して当該黒体放射軌跡に沿うように、夫々の固体発光素子の色度が設定されると共に、最も低い色温度を有する固体発光素子及び最も高い色温度を有する固体発光素子のうち、黒体放射軌跡から色度が離れている方の固体発光素子は、その偏差ｄｕｖが、離れている度合いが少ない方の固体発光素子の偏差ｄｕｖよりも大きくなるように、且つ発光時における色度が、黒体放射軌跡に近接するように設定されていることを特徴とする発光装置。
前記複数の固体発光素子は、電球色の光を出射する固体発光素子及び白色の光を出射する固体発光素子を含み、前記白色の光を出射する固体発光素子の偏差ｄｕｖが、前記電球色の光を出射する固体発光素子の偏差ｄｕｖよりも大きく設定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。
前記電球色の光を出射する固体発光素子の色温度は２５００〜３５００Ｋであり、前記白色の光を出射する固体発光素子の色温度は４５００〜６５００Ｋであることを特徴とする請求項２に記載の発光装置。
前記固体発光素子は、光出力が小さい時の出射光の色度のｘ値又はｙ値が、黒体放射軌跡の色度よりも小さな値となるように設定されていることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか一項に記載の発光装置。
前記固体発光素子は、発光部が発光した光を蛍光体又はフィルタを用いて波長変換した光を出射するものであることを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれか一項に記載の発光装置。