JP2017199454A - 発光ダイオードを利用した照明装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】 発光ダイオードを利用した照明装置において、できるだけ簡便な構造で、光量と均一性を確保しつつ、色味の変更が可能な装置を提供する。
【解決手段】 導光板の光入射面に不連続な蛍光体群を配置するとともに、これらに対応させて発光ダイオード群を配置し、相互の位置関係を変更可能とすることにより、導光板に入射させる発光ダイオード群からの直接光と蛍光スポット群からの発光の比率を変更し、色味の異なる均一な照明光を得る。
【選択図】 図１

Description

本発明は、発光ダイオードを利用した照明装置に関し、特に、ダイオードおよびそれによって励起され発光する性質を有する蛍光体を組み合わせて実現される照明装置に関する。
近年、室内照明用の光源としては、消費電力が従来の蛍光灯よりも少なく、環境に有害な重金属を使用しないという長所を有する発光ダイオードへの移行が急速に進行している。
発光ダイオードを利用して白色照明光を実現させる方法としては、主に２つの方式が利用されている。１つは青色、緑色、赤色の各発光ダイオードをパッケージ化し、同時に発光させることで疑似白色光を作る方法で、各色の発光強度を制御することにより白色光の色味を自在に変化させることができる反面、構造が複雑で低コスト化しにくいという欠点もある。もう１つは青色発光ダイオードの上層に黄色蛍光体を配置する方法で、青色成分と黄色成分の合成により疑似白色光を作るため構造が単純で低コスト化できる反面、緑色や赤色の成分が不足し、演色性に乏しいという欠点がある。より広範囲の応用に適した長所を有する後者の方式が現在は主流になっており、この演色性を補う方法が課題となっている。
上記の演色性の課題を克服するため、さまざまな関連技術が開発されているが、とくに蛍光体の改良は進んできており、暖色系の発光成分を多く有する蛍光体の利用により、高い演色性を謳う照明も普及しつつある。このように蛍光体の改良が進み、さまざまな特性を有するものが実用化されたことにより、今度は照明の用途に応じて光源の色味を変化させられる商品も生み出されるようになった。
発光ダイオードを利用した白色照明において、色味を制御する方法として第一に考えられたのは、三原色をパッケージ化した発光ダイオードの各発光成分を用途に応じて調整する方法であるが、前述のとおりこの発光ダイオードは構造的に高コストであるため、なかなか普及は進んでいない。同様の考え方により、三原色の発光ダイオードを基板上に数多く配置し、各成分を調整する方式も採用されているが、やはり構造は単純ではなく、照明色の均一性にも問題があるため、やはり一般的に普及しているとは言い難い状況になっている。
発光ダイオードを利用した白色照明において、色味を制御する方法として次に考えられる方法も、やはり改良が進んだ蛍光体を有効に利用する方法である。例えば、特許文献１、２において、光源として青色発光ダイオードを配置し、その上層に蛍光体を一体化させるのではなく、別の支持体に蛍光体を配置することにより、光源と蛍光体の相対位置を変更できるような構造を実現させ、照明光の色味を調整する方法が提案されている。この方法によれば、色味を調整するために電気的な制御は必要なく、簡便に調整ができるという利点がある。
また、特許文献３においては、光源と蛍光体の相対位置を変化させるのではなく、面照明として必要な導光板の反射シートの各色成分に対する反射率を局所的に変化させておき、これを移動させることにより色味を調整する方法が提案されている。この方法でも、やはり色味の調整のために電気的な制御は必要なく、比較的単純な構造で色味を変化させることができる。
特開２００８−１８６７７７号公報 特開２０１２−９１５５号公報 特開２０１３−２５８８６号公報
以上のように、発光ダイオードを利用した白色照明装置において、簡便な方法で色味を変化させる方法が考案されているが、実用的にはまだ課題が残されている。例えば、光源と蛍光体を分離させて位置調整する方法では、実用上重要となる均一な面照明を実現させるためには光源を二次元的に多数配列させる必要があるうえ、蛍光体の配置パターンも複雑になる。さらに、面内の色の均一性をどのように確保するかも難しい課題である。
また、導光板を利用する方法では色の均一性については対策しやすいが、反射率を変えることにより色の波長成分を変化させるため、光エネルギーを十分に活用できず、照明の明るさに問題が生じる可能性がある。
本発明は、このような状況を鑑みてなされたものであり、発光ダイオードを利用した照明装置において、できるだけ簡便な構造で、色味の均一性と明るさを十分に有する色味変更機能を実現させた装置を提供することを課題とするものである。
本発明者らは、上記課題を解決すべく検討した結果、導光板の光入射面に不連続な蛍光体群を配置するとともに、これらに対応させて発光ダイオード群を配置し、相互の位置関係を変更可能とすることにより、導光板に入射させる発光ダイオード群からの直接光と蛍光スポット群からの発光の比率を変更し、色味の異なる均一な照明光を得ることができるという知見を得た。
以下、本発明の発光ダイオードを利用した照明装置における、前記課題を解決するための手段について、図１を用いて説明する。
図１(ａ)は、一般的な導光板を利用した面照明装置の断面を模式的に示したものである。一般的には導光板１０１の側面側に光源が配置される。導光板１０１は配置する予定の光源からの距離に応じて照射面側に放出される光量が調整されるように形状あるいは拡散パターンが連続的に変化するように形成され、照光面内で光量分布が均一になるように工夫されているものである。光源が発光ダイオードの場合、基板１０２上に発光ダイオード１０３が配置される。前述のとおり、最近では青色の発光ダイオード１０３の発光面上に黄色の蛍光体１０４が一体化され、青色と黄色の合成で疑似白色光が作られる方式が一般的になっている。このように作られた疑似白色光は、導光板１０１の側面から導光板内に侵入し、導光板１０１の背面に配置された反射板１０５によって背面側に漏出することを防止される。導光板１０１の照明面側には拡散板１０６が配置され、導光板１０１によってある程度均一化された光量分布が、さらに拡散されて均一性が高められるようになっている。
一方、図１(ｂ)は、本発明の発光ダイオードを利用した照明装置の断面を模式的に示したものである。この場合も導光板１１１の背面側に反射板１１２、照明側に拡散板１１３が配置される一般的な構造を採用する。反射板１１２および／または拡散版１１３は、導光板１１１と一体化している、あるいは印刷等の方法により導光板１１１上に直接形成されていてもよい。導光板１１１の側面から、基板１１４上に配置された青色などの発光ダイオード１１５からの放出光を入射させるが、蛍光体１１６は発光ダイオード１１５と一体化させるのではなく、導光板１１１の側面上に配置することが本発明の発光ダイオードを利用した照明装置の特徴である。
蛍光体１１６は、導光板１１１の側面に不連続に配置され、発光ダイオードの基板１１４または導光板１１１の少なくとも一方に可動手段が備えられている。これにより、蛍光体１１６による発光ダイオード１１５の被覆領域が変化する。したがって、発光ダイオード１１５からの直接光と蛍光体１１６によって波長変換された光の比率が変化するため、これらの光が導光板１１１内で均一に混合され、色味の異なる照明色が実現される。蛍光体１１６はテープなどの透明支持体上に配置されたものを導光板１１１の側面に貼り付ける方法や、導光板１１１の側面に多数の窪みを設けてその内部に蛍光体１１６を充填する方法等を用いて、導光板側面の所定の位置に固定される。なお、発光ダイオード１１５はそれ自体が蛍光体と一体化した白色発光ダイオードであってもよく、この場合は蛍光体１１６は黄色蛍光体ではなく、白色光の色味を多少変化させるオレンジ色、赤色等の蛍光体や、あるいは波長帯ごとに光線透過率を変化させるカラーフィルタのようなものであってもよい。
以上のとおり、本発明は、以下の発光ダイオードを利用した照明装置を提供するものである。
発光ダイオード群からなる光源からの光を導光板の側方から入射させ、該入射方向と直行する面から照明光を放出する照明装置において、
前記光源からの光を波長変換する蛍光体群を、前記導光板の少なくとも１つの光入射面に不連続に配置し、前記導光板又は前記発光ダイオード群の少なくとも一方の位置を変更することにより、照明光の波長分布を変更させることを特徴とする発光ダイオードを利用した照明装置。
本発明の発光ダイオードを利用した照明装置によれば、非常に簡単な構造と方法で、光量と均一性を十分に確保しつつ色味の変更が可能な照明を実現させることができる。
一般的な発光ダイオード照明装置の構造と本発明の発光ダイオードを利用した照明装置の構造を比較する図 本発明の発光ダイオードを利用した照明装置の一実施例を示す図 本発明の発光ダイオードを利用した照明装置の一実施例を示す図 図３の本発明の発光ダイオードを利用した照明装置の一実施例を立体的に示した図 本発明の発光ダイオードを利用した照明装置の一実施例を示す図 本発明の発光ダイオードを利用した照明装置の一実施例を示す図 本発明の発光ダイオードを利用した照明装置の一実施例を示す図
本発明の発光ダイオードを利用した照明装置について、以下図を用いて詳細に説明する。
図２は、本発明の発光ダイオードを利用した照明装置の一実施例として、導光板が長方形の形状になっている構造を示したものである。この例では、筐体２０１の内部に長方形の導光ユニット２０２が組み込み固定されている。導光ユニット２０２は図１で説明したように、導光板の照明方向側に拡散構造、その背面側に反射構造を有するものである。導光ユニット２０２の側面（入光面）には蛍光体スポット群２０３が印刷あるいは埋入等の方法により形成されている。蛍光体スポット群２０３は、発光ダイオード群２０５からの放射光によって励起され、当該放射光と混合されることにより疑似白色光を生成できるような波長帯の発光を生じるものであり、不連続な複数のスポットを有する。さらに蛍光体スポット群２０３に十分な励起光を供給できる程度に隣接する位置に、発光ダイオード群２０５を搭載した基板２０４が配置される。蛍光体スポット群２０３に対し、基板２０４が平行にスライド調整できるように基板設置溝２０６が筐体２０１内に設けられており、これによって発光ダイオード群２０５からの直接光成分と、蛍光体スポット群２０３からの発光成分の比率を変化させ、照明色を変化させることができる。光量を高める必要がある場合には、図２に示すように、導光ユニット２０２の複数の側面に同様の構造を設ければよい。
以上、図２に示す本発明の発光ダイオードを利用した照明装置の一実施例の特徴をまとめると、次のようになる。
発光ダイオード群からなる光源からの光を導光板の側方から入射させ、該入射方向と直行する面から照明光を放出する照明装置において、前記光源からの光を波長変換する蛍光体群を、前記導光板の少なくとも１つの光入射面に不連続に配置し、前記導光板又は前記発光ダイオード群の少なくとも一方の位置を変更することにより、照明光の波長分布を変更させることを特徴とする照明装置であって、前記導光板の光の入射方向に平行な断面の形状が長方形であり、前記発光ダイオード群を前記蛍光体群に平行な溝に設置し、前記発光ダイオード群がスライドできる構造を有する発光ダイオードを利用した装置。
なお、図２に示す本発明の発光ダイオードを利用した照明装置では、導光板の方をスライドしても同様の効果が得られるため、次のような特徴を有するものであってもよい。
発光ダイオード群からなる光源からの光を導光板の側方から入射させ、該入射方向と直行する面から照明光を放出する照明装置において、前記光源からの光を波長変換する蛍光体群を、前記導光板の少なくとも１つの光入射面に不連続に配置し、前記導光板又は前記発光ダイオード群の少なくとも一方の位置を変更することにより、照明光の波長分布を変更させることを特徴とする照明装置であって、前記導光板の照射光の出射方向に平行な断面の形状が長方形であり、導光板を当該断面に平行な方向にスライドできる構造を有する発光ダイオードを利用した装置。
図３は、本発明の発光ダイオードを利用した照明装置の別の一実施例として、導光板が円形の形状になっている構造を示したものである。この例では、筐体３０１の内部に円形の導光ユニット３０２が組み込まれている。導光ユニット３０２の側面（入光面）には蛍光体スポット群３０３が印刷あるいは埋入等の方法により形成されている。さらに蛍光体スポット群３０３に十分な励起光を供給できる程度に近接した同心円状に、発光ダイオード群３０５を搭載した基板３０４が配置される。発光ダイオード群３０５は円周上に配置されなければならないため、図３のように別々の基板を用意するか、柔軟なフレキシブル基板を利用して一枚の基板として製作される。導光ユニット３０２が円形である場合、こちらを回転させることにより発光ダイオード群と蛍光体スポット群の相対位置を変更する方が構造的に容易であるため、導光ユニット３０２の反射板側に回転軸構造を設け、筐体３０１側にこの回転軸を収容する穴を設けるのがよい。
図４は、図３に示す構造を斜視図として立体的に示したものである。筐体４０１の中央に円形の窪みが設けられ、照明方向側は拡散板４０２を有している。また、この円形の窪みの側面には発光ダイオード群４０３が設置されている。この窪みに円形の導光板４０４を収容するが、導光板４０４の側面には不連続な複数の蛍光体スポット群４０５が設置されている。さらに、導光板４０４の照射方向とは逆の面に反射板４０６が設置され、さらにその中心に回転軸４０７が設けられている。なお、導光板４０４と拡散板４０２および反射板４０６は、あらかじめ一体化されていてもよい。
以上、図３に示す本発明の発光ダイオードを利用した照明装置の一実施例の特徴をまとめると、次のようになる。
発光ダイオード群からなる光源からの光を導光板の側方から入射させ、該入射方向と直行する面から照明光を放出する照明装置において、前記光源からの光を波長変換する蛍光体群を、前記導光板の少なくとも１つの光入射面に不連続に配置し、前記導光板又は前記発光ダイオード群の少なくとも一方の位置を変更することにより、照明光の波長分布を変更させることを特徴とする照明装置であって、前記導光板の光の入射方向に平行な断面の形状が円形であり、前記蛍光体群及び前記発光ダイオード群をそれぞれ導光板と同じ中心を有する円周上に配置し、導光板が当該中心を軸として回転できる構造を有する発光ダイオードを利用した照明装置。
なお、図３のように円形の拡散板を利用する方式において、発光ダイオードを搭載する基板には強度が求められる場合には、図５のような構造を利用してもよい。図５において、円形の導光板５０１は側面が照射面に対して垂直ではなく、４５乃至６０度の角度を有しており、反射板５０２を有する面が、拡散板５０３を有する面、すなわち照射面よりも大きな半径を有している。反射板５０２は拡散板５０３と同程度の半径で形成することにより、導光板５０１の反射板側の外周は反射板に覆われない状態になるが、ここに蛍光体スポット群５０４を不連続に配置する。さらに、これらの蛍光体スポット群５０４を十分に励起できる位置に発光ダイオード群５０５を円周上に配置すれば、これらを搭載する基板５０６は平面状に形成できるため、強度のある基板材料を使用することができる。なお、このままでは発光成分が導光板５０１の周辺から漏出してしまうため、導光板５０１の外周斜面に反射リング５０７を設置する。この反射リング５０７も、印刷等の方法により拡散板に一体化させてもよい。
また、発光ダイオードとして上面が発光するのではなく、側面が発光するものを利用すれば、図５のような複雑な構造を利用しなくとも、平面状の基板を使用できる。すなわち図６に示すように、円形の拡散板６０１の側面に蛍光体スポット群６０２を配置し、その外周を囲むようにリング状基板６０４を配置する。この基板上に側面発光型発光ダイオード群６０３を設置すれば、基板６０４の側方に照射光が発生するため、拡散板６０１内への入光は実現できる。どのような構造を利用するかは、想定されるコストと強度を鑑みて選択されることになる。
最後に、導光板が円形であり、導光板を回転させることによって色味を調整するためのより具体的な構造の一例について、図７を用いて説明する。図７において円形の導光板７０１は拡散板７０２と接着等の方法により一体化して回転できるようになっている。この状態で筐体７０３の内部に収容されるが、このとき拡散板７０２の外周あるいはその一部、例えば中心から１２０度ずつ回転させた位置にある３点等が筐体７０３の円形の内壁に接触する。さらに、筐体７０３の照光側には拡散板７０２の外周よりも半径の小さいリブ構造７０４が設けられている。このような構造であれば、導光板７０１および拡散板７０２は筐体７０３の内部を回転することが可能であり、かつ、導光板７０１の側面に配置された蛍光体７０５と筐体７０３側に配置された発光ダイオード７０６は接触しないため、摩擦による損耗を受けない。なお、図７では導光板よりも拡散板の方が直径が大きい、あるいは一部が突出して筐体内壁に接触することにより、蛍光体と発光ダイオードの距離が一定に保たれつつ回転できるようになっているが、筐体側に同様の構造、すなわち拡散板を収容する円形の窪みや筐体内壁から拡散板を一定距離以内に近づけないための突起構造が設けられていてもよい。
さらに、筐体７０３の照明側にはつまみ穴７０７が設けられており、拡散板の照明側のつまみ７０８はこの穴を通して筐体の外部に突出している。したがって、つまみ７０８を指でつまみながら拡散板７０２およびそれと一体化して動く導光板７０１を回転させて、色味を調整することができる。なお、照明装置が壁内に埋め込まれず、吊り下げ等の方法で設置される場合には、つまみ７０８は照明側ではなく背面側にあってもよい。導光板７０１の回転可動範囲はつまみ穴７０７の円周方向の長さで決められるため、必要以上に回転させて故障させてしまう可能性をなくすことができる。
本発明の発光ダイオードを利用した照明装置は、主に屋内照明、画像処理、商品デザイン検討といった用途に利用できる。
１０１ 導光板
１０２ 基板
１０３ 発光ダイオード
１０４ 蛍光体
１０５ 反射板
１１１ 導光板
１１２ 反射板
１１３ 拡散板
１１４ 基板
１１５ 発光ダイオード
１１６ 蛍光体
２０１ 筐体
２０２ 導光ユニット
２０３ 蛍光体スポット群
２０４ 基板
２０５ 発光ダイオード群
３０１ 筐体
３０２ 導光ユニット
３０３ 蛍光体スポット群
３０４ 基板
３０５ 発光ダイオード群
４０１ 筐体
４０２ 拡散板
４０３ 発光ダイオード群
４０４ 導光板
４０５ 蛍光体スポット群
４０６ 反射板
４０７ 回転軸
５０１ 導光板
５０２ 反射板
５０３ 拡散板
５０４ 蛍光体スポット群
５０５ 発光ダイオード群
５０６ 基板
５０７ 反射リング
６０１ 拡散板
６０２ 蛍光体スポット群
６０３ 側面発光型発光ダイオード群
６０４ 基板
７０１ 導光板
７０２ 拡散板
７０３ 筐体
７０４ リブ構造
７０５ 蛍光体
７０６ 発光ダイオード
７０７ つまみ穴
７０８ つまみ

Claims (3)

  1. 発光ダイオード群からなる光源からの光を導光板の側方から入射させ、該入射方向と直行する面から照明光を放出する照明装置において、
    前記光源からの光を波長変換する蛍光体群を、前記導光板の少なくとも１つの光入射面に不連続に配置し、前記導光板又は前記発光ダイオード群の少なくとも一方の位置を変更することにより、照明光の波長分布を変更させることを特徴とする発光ダイオードを利用した照明装置。
  2. 前記導光板の光の入射方向に平行な断面の形状が長方形であり、前記発光ダイオード群を前記蛍光体群に平行に設置し、前記導光板及び前記発光ダイオード群の少なくとも一方がスライドできる構造としたことを特徴とする請求項１に記載の発光ダイオードを利用した照明装置。
  3. 前記導光板の光の入射方向に平行な断面の形状が円形であり、前記蛍光体群及び前記発光ダイオード群をそれぞれ導光板と同じ中心を有する円周上に配置し、導光板が当該中心を軸として回転できる構造としたことを特徴とする請求項１に記載の発光ダイオードを利用した照明装置。
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