JP2013004739A - 発光装置及びそれを用いた照明器具 - Google Patents
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Abstract
【課題】基板上に複数の固体発光素子を実装した発光装置において、均一な照射パターンを得る。
【解決手段】発光装置1は、複数の固体発光素子2と、これらが実装された基板3と、これらを被覆する波長変換部4と、を備える。複数の固体発光素子2は、基板3の中央寄りに配された内側LED21と、内側LED21よりも外周寄りに配された外側LED22と、を含む。波長変換部4は、蛍光体5を含み、外側LED22の外周方向の側面を被覆する第1の波長変換部41と、他の部分を被覆する第2の波長変換部42と、から構成される。第1の波長変換部41の蛍光体5の濃度は、他の部分よりも小さいので、外周方向に対し、外側LED22の出射光は波長変換され難く、内側LED21の出射光は波長変換され易い。これら出射光が合わさり、照射されるので、色ムラが生じ難く、均一な照射パターンを得ることができる。
【選択図】図1
【解決手段】発光装置1は、複数の固体発光素子2と、これらが実装された基板3と、これらを被覆する波長変換部4と、を備える。複数の固体発光素子2は、基板3の中央寄りに配された内側LED21と、内側LED21よりも外周寄りに配された外側LED22と、を含む。波長変換部4は、蛍光体5を含み、外側LED22の外周方向の側面を被覆する第1の波長変換部41と、他の部分を被覆する第2の波長変換部42と、から構成される。第1の波長変換部41の蛍光体5の濃度は、他の部分よりも小さいので、外周方向に対し、外側LED22の出射光は波長変換され難く、内側LED21の出射光は波長変換され易い。これら出射光が合わさり、照射されるので、色ムラが生じ難く、均一な照射パターンを得ることができる。
【選択図】図1
Description
本発明は、基板上に複数の固体発光素子を実装した発光装置及びそれを用いた照明器具に関する。
従来より、照明器具として、白熱電球、蛍光ランプ、高圧放電ランプ等の光源が用いられているが、近年では、消費電力が少なく、寿命が長いという点から、LED(発光ダイオード)照明光源が普及している。LED照明光源は、1個のLED素子では、光束が小さくなるので、従来の光源と同程度の光束を得るために、複数のLED素子が用いられる。高出力なLED照明光源を実現するために、LED素子の基板への実装は、高密度化される傾向にある。
この種のLED照明光源には、基板上の青色光を出射するLED素子に、青色光を黄色光に変換する蛍光体を含有する樹脂層を被覆させることにより、青色光と黄色光とを混光させて白色光を生成する白色LED光源が用いられる。このようなLED基板に対する蛍光体の配置構成としては、作製の容易性と蛍光体の使用量の少なさから、様々な配置が提案されている。そのような蛍光体層の配置例を図6(a)乃至(f)に示す。
図6(a),(b)に示すLED照明光源101は、基板102上に形成された円形状の凹部104上に複数のLED素子103を実装し、凹部104内に蛍光体層105を設けたものである。また、図6(c),(d)に示すLED照明光源101は、複数のLED素子103上に蛍光体層105をライン状に塗布したものである。また、図6(e),(f)に示すLED照明光源101は、LED素子103の各々に蛍光体層105をポッティングしたものである。
上記のような構成のLED照明光源の照射パターンの例を、図7に示す。LED照明光源101から照射面106に照射される照射パターンは、中心部の光の色温度TAが、周縁部の光の色温度TBよりも高くなり、また、中心部から周縁部に向かって、色温度が低くなることがある。この原因について、図8(a),(b)を参照して説明する。図8(a)に示すLED照明光源101は、固体発光素子103を実装した基板102上に蛍光体層105を形成したものである。また、図8(b)に示すLED照明光源101は、基板102上の2つの隣り合う固体発光素子103に蛍光体層105をポッティングしたものである。図8(a)に示すように、LED素子103から出射される光が青色光であるとしたとき、基板102の実装面に対して垂直方向への出射光と、斜め方向への出射光とで、蛍光体層105を伝播する距離が異なる。すなわち、斜め方向への出射光の伝播距離LBは、垂直方向の出射光の伝播距離LAよりも長くなるので、斜め方向への出射光は、垂直方向への出射光よりも、蛍光体107に照射されて波長変換される割合が多くなる。従って、この斜め方向への出射光は、青色光成分よりも波長変換された黄色光成分が多くなるので、低い色温度の光となり、結果として、色むらが生じ易くなる。
また、図8(b)に示すように、隣り合うLED素子103の一方から斜め方向に出射された光は、そのLED素子103を被覆する蛍光体層105、及び他方のLED素子103を被覆する蛍光体層105を伝播する。特に、複数のLED素子が高密度で配された発光装置においては、このような伝播が生じ易い。このため、ポッティングにおいても、斜め方向への出射光の伝播距離LBは、垂直方向への出射光の伝播距離LAよりも長くなり、上記と同様の現象が生じる。
そこで、色ムラを抑制するために、複数のLED素子を備え、蛍光体層の表面に、LED素子の端面に沿ってV字状の溝部を形成した照明装置がある(例えば、特許文献1参照)。この照明装置では、V字状の溝部が形成されていない場合に比べて、斜め方向への出射光の伝播距離が小さくなって、垂直方向と斜め方向とで出射光の伝播距離が等しくなっている。
しかしながら、特許文献1に示されたようなLED照明光源においても、一のLED素子からの光が、一のLED素子を被覆する蛍光体層、及び他のLED素子を被覆する蛍光体層を伝播することがあり、上記のポッティングと同様の現象が生じるものと考えられる。
本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、複数の固体発光素子が高密度に基板上に実装された照明光源において、均一な照射パターンを得ることができる発光装置及びそれを用いた照明器具を提供することを目的とする。
本発明の発光装置は、基板上に実装された複数の固体発光素子と、これら固体発光素子を被覆し、蛍光体を含有する波長変換部と、を備えた発光装置であって、前記複数の固体発光素子は、前記基板の中央寄りの位置に配置された固体発光素子と、該固体発光素子よりも外周寄りの位置に配置された固体発光素子と、を含み、前記波長変換部は、前記基板の外周寄りの位置に配置された固体発光素子を被覆する部分の蛍光体の存在割合が、他の部分の蛍光体の存在割合よりも低くなるように構成されていることを特徴とする。
この発光装置において、前記波長変換部は、前記基板の外周寄りの位置に配置された固体発光素子を被覆する部分の蛍光体の濃度が、他の部分の濃度よりも低くなるように構成されていることが好ましい。
この発光装置において、前記波長変換部は、前記基板の外周寄りの位置に配置された固体発光素子の外周方向の側面を被覆する部分の蛍光体の濃度が、他の部分の濃度よりも低くなるように構成されていることが好ましい。
この発光装置において、前記波長変換部は、前記基板の外周寄りの位置に配置された固体発光素子を被覆する部分の厚みが、他の部分の厚みよりも薄くなるように構成されていることが好ましい。
この発光装置において、前記波長変換部は、前記基板の外周寄りの位置に配置された固体発光素子の外周方向の側面を被覆する部分の厚みが、他の部分の厚みよりも薄くなるように構成されていることが好ましい。
この発光装置において、前記基板の外周寄りの位置に配置された固体発光素子の配置間隔が、前記中央寄りの位置に配置された固体発光素子の配置間隔よりも小さいことが好ましい。
この発光装置は、照明器具に用いられることが好ましい。
本発明に係る発光装置によれば、基板の外周寄りの位置に配置された固体発光素子からの外周方向への出射光は、波長変換部の蛍光体の存在割合が低いため、波長変換され難い。また、基板の中央寄りに配置された固体発光素子からの外周方向への出射光は、波長変換部の蛍光体の存在割合が高いため、波長変換され易い。この結果、基板の外周方向へは、これらの出射光が合わさって、照射されるので、色ムラが生じ難くなり、均一な照射パターンを得ることができる。
以下、本発明の第1の実施形態に係る発光装置について、図1を参照して説明する。発光装置1は、複数の固体発光素子2と、これら固体発光素子2が実装された基板3と、固体発光素子2を被覆する波長変換部4と、を備える。図例では、固体発光素子2がマトリクス状に5行5列で配置された例を示すが、これに限られない。波長変換部4は、例えば青色LEDから出射された青色光を波長変換する黄色蛍光体等の蛍光体5と、この蛍光体5を保持するバインダ6と、から構成される。
基板3の表面には、円形の凹部7が形成されており、この凹部7の底面上に配線パターン(図示せず)が形成されている。複数の固体発光素子2は、電極部(図示せず)をその配線パターンと電気的に接続させることにより、凹部7の底部上に実装される。
複数の固体発光素子2は、基板3の中央寄りの位置に配置された固体発光素子(以下、内側LEDという)21と、固体発光素子21よりも外周寄りの位置に配置された固体発光素子(以下、外側LEDという)22と、を含む。本実施形態では、例えば、内側LED21は、基板3の中央寄りの位置に配置されて、周囲を他の固体発光素子によって囲まれた固体発光素子を示し、外側LED22は、外周寄りの周囲に固体発光素子が存在しない固体発光素子を示す。ここで言う「中央寄りの位置」又は「外周寄りの位置」とは、基板3に対する絶対的な位置関係ではなく、複数の固体発光素子2同士の相対的な位置関係をいう。従って、例えば固体発光素子2の実装面積に対して、基板3が大きい場合、「外周寄りの位置に配置された固体発光素子」が基板3の外周縁から離れており、基板3全体としては中央寄りに配されることもあり得る。
図例によれば、内側LED21は、凹部7の底面上に格子状に3行3列で配置されている。また、外側LED22は、これら内側LED21を囲むように枠状に配置されている。この配置において、内側LED21の基板3の外周方向への出射光は、外側LED22に比べ、波長変換部4内の伝播距離が長く、蛍光体5によって波長変換され易いので、黄色光成分が多くなり、低い色温度の白色光となり易い。また、内側LED21の基板3の外周方向への出射光は、外側LED22に比べて、多数の出射光が重畳するので、発光装置1の外周方向への照射光の光色に大きく影響する。
固体発光素子2として、青色光(ピーク波長が430nm〜470nm)のいずれかの帯域の波長を含む光を発する発光ダイオードを用いることができる。また、発光ダイオードの代わりに、例えば有機エレクトロルミネッセンス(OLED)を用いることができる。固体発光素子2には、出射光を広範囲に配光させることができる光学制御部材等が用いられてもよい。
基板3として、例えばセラミック、又はガラスエポキシ等から形成された平面基板を用いることができる。凹部7の内面及び底面上には、例えば銀又はアルミニウム等の反射率の高い材料を用いた反射膜が形成されてもよい。こうすれば、固体発光素子2からの出射光を効果的に拡散させることができる。また、複数の固体発光素子2の配置は、マトリクス状に限定されず、例えばライン状、又は千鳥状等であってもよい。ライン状に配置すれば、固体発光素子2の実装工程が簡易となり、千鳥状に配置すれば、固体発光素子2の発熱を効果的に発散させることができる。また、隣り合う固体発光素子2の配置間隔は、小さいほど高い発光効率を得ることができるが、放熱性を考慮して適宜設定される。
波長変換部4は、基板3の凹部7に充填されて、内側LED21及び外側LED22を被覆する。このうち、本例においては、外側LED22の外周方向の側面を被覆する部分を第1の波長変換部41といい、他の部分を第2の波長変換部42という。また、波長変換部4は、外側LED22を被覆する部分の蛍光体5の存在割合(波長変換部を伝播する光が蛍光体に当たる確率)Xが、他の部分の蛍光体5の存在割合Xよりも低くなるように構成される。本実施形態では、第1の波長変換部41の蛍光体5の存在割合XAは、第2の波長変換部42の蛍光体5の存在割合XBよりも小さくなるように、第1の波長変換部41及び第2の波長変換部42が構成されている。つまり、基板3の外周方向への第1の波長変換部41内の伝播光は、第2の波長変換部42内の伝播光に比べ、蛍光体5に当たり波長変換される割合が少なく、青色光成分が多いので、高い色温度の白色光になる。また、基板3の外周方向への第2の波長変換部42内の伝播光は、第1の波長変換部41内の伝播光に比べ、波長変換される割合が多く、黄色光成分が多いので、低い色温度の白色光になる。
蛍光体5は、バインダ6内に分散されており、バインダ6に導光された青色光を、長波長側の緑色光から赤色光領域に発光ピークを有する光へと波長変換する。白色光を得るためには、黄色蛍光体を、より演色性の高い白色光を得るためには、緑色蛍光体と赤色蛍光体とを適宜組み合わせて用いることが好ましい。
バインダ6は、波長変換部4の主体を成す。このバインダ6には、必要に応じて拡散材を混合させてもよい。こうすれば、バインダ6内で固体発光素子2からの出射光を効果的に拡散させることができる。拡散材として、例えば酸化アルミニウム、若しくはシリカ等の無機材料、又は例えばフッ素系樹脂等の有機材料から形成される平均粒径1μmの材料を用いることができる。バインダ6は、例えば固体発光素子2の配列に沿って、その固体発光素子2上にライン状に、又は各固体発光素子2にポッティングされて所定形状に形成される。
内側LED21及び外側LED22からは、基板3の実装面に対して垂直方向に出射される光LAを中心として放射状に光が出射されるが、通常、上記垂直方向に出射される光LAの光束が最も多くなる。そして、これらの光LAは第2の波長変換部42を透過及び波長変換されて、発光装置1からの主たる照射光となる。そこで、本実施形態においては、第2の波長変換部42の蛍光体5の濃度、厚み及び複数種を混合する場合の配合比は、上記垂直に出射される光LAが、所望の色温度の白色光となるように適宜調整される。
また、本実施形態において、第2の波長変換部42よりも小さい第1の波長変換部41の蛍光体5の存在割合XAは、この蛍光体5の濃度を調整することにより設定されている。具体的には、第1の波長変換部41内の蛍光体5の存在割合XAを小さくするため、第1の波長変換部41の蛍光体5の濃度が、第2の波長変換部42の蛍光体5の濃度よりも小さくなっている。こうすることで、第1の波長変換部41の形状を変更させることなく、第1の波長変換部41の蛍光体5の存在割合XAを、他の部分よりも低くすることができる。この構成は、波長変換部41の形成スペースが限定されている場合に好適に用いられる。
蛍光体5の存在割合XAを小さくする方法は、上記のように蛍光体5の濃度を調整する方法の他、波長変換部4の厚みを調整する方法、具体的には第1の波長変換部41の厚みを第2の波長変換部42よりも薄くする方法が挙げられる。この方法によれば、基板3の外周方向に対する第1の波長変換部41の蛍光体5の絶対量が、第2の波長変換部42よりも小さくなるので、第1の波長変換部41の蛍光体5の存在割合XAを、他の部分よりも低くすることができる。上記の方法は、波長変換部41の形成スペースが限定されない場合に好適に用いられる。
次に、発光装置1の動作について図2を参照して説明する。内側LED21及び外側LED22から基板3の実装面に対して垂直方向へ出射された光LAは、第2の波長変換部42が上述のように構成されているので、所望の色温度の白色光として、照射される。
内側LED21から基板3の外周方向への出射光LBは、第2の波長変換部42を斜め方向に伝播し、凹部7の内面で反射される。このとき、この出射光LBは、外側LED22から外周方向への出射光LCよりも、伝播距離が長く、蛍光体5によって波長変換される割合が多いので、青色光成分が多く、低い色温度の白色光となる。
外側LED22から基板3の外周方向への出射光LCは、第1の波長変換部41を伝播し、凹部7の内面で反射される。このとき、この出射光LCは、内側LED21から外周方向への出射光LBよりも、伝播距離が短く、蛍光体5によって波長変換される割合が少ないので、青色光成分が多く、高い色温度の白色光となる。
上記の低い色温度の白色光LBと高い色温度の白色光LCとが混光されて、いずれの色温度にも偏らない白色光LAと色温度がほぼ等しくなって、発光装置1外へ導光される。
本実施形態の発光装置1によれば、外側LED22からの出射光LBは、第1の波長変換部41によって、波長変換され難く、内側LED21から基板3の外周方向への出射光LCは、外側LED22の出射光LBに比べて、第2の波長変換部42によって、波長変換され易い。基板3の外周方向へは、これらの出射光LB,LCが合わさって照射され、この照射光LB+LCの色温度は、外周方向以外の出射光(主として白色光LA)の色温度との差が小さくなるので、色ムラが生じ難く、均一な照射パターンを得ることができる。また、このような発光装置1が照明器具として用いられることにより、均一な照射パターンの光を照射することができる。
次に、第2の実施形態に係る発光装置について、図3を参照して説明する。本実施形態に係る発光装置1aは、複数の固体発光素子2(21,22)が一つの波長変換部4によって一括に被覆されているのではなく、固体発光素子2の夫々が波長変換部4によって被覆されているものである。夫々の波長変換部4は、ポッティングにより形成されている。また、外側LED22を被覆する波長変換部4の蛍光体5の濃度が、他の部分の濃度よりも低くなっている。具体的には、蛍光体5の濃度がNAである第1の波長変換部41が、外側LED22を被覆し、蛍光体5の濃度がNB(NA<NB)である第2の波長変換部42が、第1の波長変換部41上及び内側LED21を被覆している。他の構成は、上記第1の実施形態と同様である。なお、図中には、基板3上の外側LED22、これよりも1つ内周寄りの内側LED21、及びこれらを覆う波長変換部4のみが図示されている。
この構成によれば、外側LED22の外周方向への出射光は、第1の波長変換部41の蛍光体5の濃度が、内側LED21を被覆する波長変換部4よりも低く、蛍光体5によって波長変換され難いので、青色光成分が多くなり、高い色温度の白色光となる。また、内側LED21の外周方向への出射光は、内側の第2の波長変換部42の蛍光体5の濃度が第1の波長変換部41よりも高く、更に外側LED22の波長変換部4を伝播するので、波長変換され易く、黄色光成分が多くなり、低い色温度の白色光となる。そして、これらの白色光が合わさって、発光装置1a外へ照射される。従って、本実施形態においても、上記第1の実施形態と同様に、色ムラが生じ難く、均一な照射パターンを得ることができる。
次に、第3の実施形態に係る発光装置について、図4を参照して説明する。本実施形態に係る発光装置1bでは、外側LED22を被覆する部分の厚みが、他の部分の厚みよりも薄くなっている。本例においては、外側LED22の水平方向の厚みは、LAであり、垂直方向の厚みはLB(>LA)であり、内側LED21の水平方向及び垂直方向の厚みはL(>LB)である。内側LED21及び外側LED22を被覆する波長変換部4の蛍光体5の濃度は一定である。つまり、本実施形態においては、上述した蛍光体5の存在割合Xが波長変換部4の厚みを調整することによって設定される。他の構成は、上記第2の実施形態と同様である。
この構成によれば、外側LED22の外周方向への出射光は、内側LED21よりも、伝播距離が短く、蛍光体5によって波長変換され難いので、青色光成分が多くなり、高い色温度の白色光となる。また、内側LED21の外周方向への出射光は、外側LED22より伝播距離が長く、さらに、外側LED22を被覆する波長変換部4を伝播するので、蛍光体5によって波長変換され易く、黄色光成分が多くなり、低い色温度の白色光となる。そして、これらの白色光が合わさって、発光装置1b外へ照射される。従って、本実施形態においても、上記第2の実施形態と同様に、色ムラが生じ難く、均一な照射パターンを得ることができる。
次に、第4の実施形態に係る発光装置について、図5(a),(b)を参照して説明する。図5(a)に示すように、本実施形態に係る発光装置1cは、基板3上の外側LED22の配置間隔が、内側LED21の配置間隔よりも小さくなるように構成されているものである。波長変換部4の形状は、特に制限されることなく、例えば上記第1の実施形態で示したように、複数の固体発光素子を一括して被覆するものであってもよいし、また、上記第2の実施形態で示したようなポッティングにより形成されたものであってもよい。更に、上記第3の実施形態で示したように、内側LED21と外側LED22とで厚みが異なるものであってもよい。他の構成は、上述した実施形態と同様である。なお、図中には、基板3上に実装された複数の固体発光素子2のみが図示されている。
ここで、本実施形態の参考例を図5(b)に示す。この参考例の発光装置1dは、複数の固体発光素子2が、基板3上に等間隔で配置されているものである。この構成によれば、内側LED21の基板3の外周方向の出射光は、外側LED22に比べて、多数の出射光が重畳する。そのため、図示したように、内側LED21から出射された光束Bが、外側LED22から出射された光束Cよりも多くなることがある。
これに対して、本実施形態の構成によれば、外側LED22の数を増やしたことにより、外側LED22の外周方向へ出射された光束Cを内側LED21の外周方向へ出射された光束Bと等しくすることができる。つまり、内側LED21からの低い色温度の白色光の光束Bと、外側LED22からの高い色温度の白色光の光束Cとが、等しくなっている。従って、発光装置1cの外周方向へ照射される光が、高い色温度の白色光成分、又は低い色温度の白色光成分に偏ることがなくなるので、発光装置1cの照射パターンの均一性をより向上させることができる。
本発明は上記実施形態の構成に限られず、発明の趣旨を変更しない範囲で種々の変更が可能である。例えば、上記では、外側LED22は、基板3の最外周よりの位置に配置された固体発光素子を示したが、基板3の中央寄りの位置に配置された固体発光素子よりも外周寄りのものであれば、特に限定されない。
1 発光装置
2 固体発光素子
21 内側LED
22 外側LED
3 基板
4 波長変換部
41 第1の波長変換部
42 第2の波長変換部
5 蛍光体
2 固体発光素子
21 内側LED
22 外側LED
3 基板
4 波長変換部
41 第1の波長変換部
42 第2の波長変換部
5 蛍光体
Claims (7)
- 基板上に実装された複数の固体発光素子と、これら固体発光素子を被覆し、蛍光体を含有する波長変換部と、を備えた発光装置であって、
前記複数の固体発光素子は、前記基板の中央寄りの位置に配置された固体発光素子と、該固体発光素子よりも外周寄りの位置に配置された固体発光素子と、を含み、
前記波長変換部は、前記基板の外周寄りの位置に配置された固体発光素子を被覆する部分の蛍光体の存在割合が、他の部分の蛍光体の存在割合よりも低くなるように構成されていることを特徴とする発光装置。 - 前記波長変換部は、前記基板の外周寄りの位置に配置された固体発光素子を被覆する部分の蛍光体の濃度が、他の部分の濃度よりも低くなるように構成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。
- 前記波長変換部は、前記基板の外周寄りの位置に配置された固体発光素子の外周方向の側面を被覆する部分の蛍光体の濃度が、他の部分の濃度よりも低くなるように構成されていることを特徴とする請求項2に記載の発光装置。
- 前記波長変換部は、前記基板の外周寄りの位置に配置された固体発光素子を被覆する部分の厚みが、他の部分の厚みよりも薄くなるように構成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。
- 前記波長変換部は、前記基板の外周寄りの位置に配置された固体発光素子の外周方向の
側面を被覆する部分の厚みが、他の部分の厚みよりも薄くなるように構成されていることを特徴とする請求項4に記載の発光装置。 - 前記基板の外周寄りの位置に配置された固体発光素子の配置間隔が、前記中央寄りの位置に配置された固体発光素子の配置間隔よりも小さいことを特徴とする請求項1乃至請求項5のいずれか一項に記載の発光装置。
- 請求項1乃至請求項6のいずれか一項に記載の発光装置を用いたことを特徴とする照明器具。
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