JP2018037241A - 照明器具の製造方法、および、照明器具 - Google Patents

照明器具の製造方法、および、照明器具 Download PDF

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Abstract

【課題】照明器具の色度の個体差によるバラツキを抑制する。
【解決手段】レーザー光Ｌに基づきレーザー光Ｌとは異なる波長の光を放射する波長変換部材１０４を備える照明器具１００の製造方法であって、複数のレーザー素子のそれぞれについて発振するレーザー光Ｌの波長を測定（Ｓ１０１）して主波長を特定（Ｓ１０２）し、特定された主波長を示す主波長情報と、測定対象のレーザー素子を識別する素子情報とをそれぞれ関連づけ（Ｓ１０３）て記憶し、関連づけられた主波長情報と素子情報とに基づき、合成波長が所定の第一範囲内に収まるレーザー素子の組み合わせを複数のレーザー素子中から選出し（Ｓ１０４）、選出されたレーザー素子のレーザー光が波長変換部材１０４の同一箇所に照射されるように光路を配置する（Ｓ１０５）照明器具１００の製造方法。
【選択図】図３

Description

本発明は、レーザー光を光源とする照明器具の製造方法、および、照明器具に関する。
従来、レーザー光を励起光として波長変換部材に分散配置される蛍光体を発光させ、例えば白色光などの所望の光色の可視光に変換して照明する照明器具が知られている。このような照明器具において発光輝度を高めるためには、複数のレーザーダイオードから出力されたレーザー光を一つの波長変換部材に重畳的に照射することが行われている（例えば、特許文献１参照）。
特開２０１４−１１０３４号公報
ところが、レーザー光を励起光として波長変換部材を発光させる照明器具の場合、同一種類の照明器具であったとしても個体差により発光色が異なる場合がある。この照明器具の発光色の個体差は、レーザーダイオードから放射されるレーザー光の波長幅がＬＥＤなどに比べて狭いため、各照明器具が備えるレーザーダイオードの個体差によるレーザー光の主波長の僅かなずれが照明器具の発光色に強く影響している。従って、発光色（色温度）のバラツキを抑制して安定した照明器具を製造することが課題となっている。
本発明は、上記従来の課題を考慮し、レーザー光を光源とする照明器具の製造方法、および、照明器具であって、製品間で発光色のバラツキが少ない照明器具の製造方法、および、照明器具を提供することを目的とする。
本発明の一態様に係る照明器具の製造方法は、レーザー素子が発振するレーザー光に基づき前記レーザー光とは異なる波長の光を放射する波長変換部材を備える照明器具の製造方法であって、複数の前記レーザー素子のそれぞれについて発振するレーザー光の波長を測定して主波長を特定し、特定された主波長を示す主波長情報と、測定対象のレーザー素子を識別する素子情報とをそれぞれ関連づけて記憶し、関連づけられた主波長情報と素子情報とに基づき、合成波長が所定の第一範囲内に収まる前記レーザー素子の組み合わせを複数の前記レーザー素子中から選出し、選出された前記レーザー素子のレーザー光が前記波長変換部材の同一箇所に照射されるように光路を配置する。
本発明によれば、レーザー光を光源とする照明器具であって、個体差による発光色のバラツキを抑えた照明器具を製造し、当該照明器具を提供することが可能である。
実施の形態に係る照明器具の概要を示す図である。 実施の形態に係る波長変換部材を示す断面図である。 実施の形態に係る照明器具の製造工程の流れを示す図である。 一のレーザー素子が発振したレーザー光の測定結果を示すグラフである。 他のレーザー素子が発振したレーザー光の測定結果を示すグラフである。 関連づけられた素子情報と主波長との記憶状態を示す図である。 照明器具の色度の測定結果を示すｘｙ色度図である。 実施の形態の変形例に係る照明器具の製造工程の流れを示す図である。 実施の形態の変形例に係る照明器具の構成概要を示す図である。
以下では、本発明の実施の形態に係る照明器具の製造方法、および、照明器具について、図面を用いて説明する。なお、以下に説明する実施の形態及びその変形例は、いずれも本発明の一具体例を示すものである。従って、以下の実施の形態及び変形例で示される数値、形状、材料、構成要素、構成要素の配置及び接続形態等は、一例であり、本発明を限定する趣旨ではない。よって、以下の実施の形態及び変形例における構成要素のうち、本発明の最上位概念を示す独立請求項に記載されていない構成要素については、任意の構成要素として説明される。
また、各図は、模式図であり、必ずしも厳密に図示されたものではない。また、各図において、同じ構成部材については同じ符号を付し、その説明が省略される場合がある。
（実施の形態）
［照明器具の構成概要］
図１は、実施の形態に係る照明器具の概要を示す図である。
同図に示す照明器具１００は、複数のレーザー素子が発振するレーザー光Ｌを波長変換部材１０４の同一箇所に照射し、レーザー光Ｌとは異なる波長の光を含む可視光Ｖを放射する装置であり、例えば、室内または屋外の所定の場所を照らす装置である。照明器具１００は、レーザー素子（第一レーザー素子１１１、第二レーザー素子１１２）、導光部材（第一導光部材１２１、第二導光部材１２２）、基体１０３、波長変換部材１０４とを備えている。
本実施の形態の場合、照明器具１００は、波長変換部材１０４の一方の面にレーザー光Ｌを照射し、反対側の面から白色光が放射される透過型の器具である。具体的には、散乱したレーザー光Ｌの一部と、波長変換部材１０４から放射されたレーザー光Ｌとは異なる波長の光が混ざり合うことで白色光を放射する。
第一レーザー素子１１１、および、第二レーザー素子１１２を含むレーザー素子は、半導体の再結合発光を利用したいわゆるレーザーダイオードを備える素子である。本実施の形態の場合、第一レーザー素子１１１、および、第二レーザー素子１１２は主波長が同一となるように製造されたレーザー素子であり、レーザー素子が発振するレーザー光Ｌの主波長は、白色光を得るための励起光として用いられる４００ｎｍ以上、４９０ｎｍ（青紫〜青色）から選定されている。なお、波長変換部材１０４との組み合わせ、および、レーザー素子の製造の容易さ等を考慮すると、レーザー素子が発振するレーザー光Ｌの主波長は、４４０ｎｍ以上、４７０ｎｍから選定されることが好ましい。
第一導光部材１２１、および、第二導光部材１２２を含む導光部材は、レーザー素子のレーザー光Ｌが波長変換部材１０４の同一箇所に照射されるような光路を形成する部材である。本実施の形態の場合、導光部材は、フレキシブルな（可撓性を有する）コアとクラッドとを備えたいわゆる光ファイバーであり、クラッドよりもコアの屈折率を高くすることで、全反射によりレーザー光Ｌをコア内に止め、高い効率でレーザー光を導光することができる部材である。コア、および、クラッドは、レーザー光に対して透過率が高い石英ガラスや樹脂などの素材で構成されている。
なお、導光部材は、ミラー、レンズ、プリズムなどを含んでいても構わない。
基体１０３は、波長変換部材１０４を保持するとともに、複数のレーザー光Ｌが波長変換部材１０４の同一箇所に照射できるように導光部材を保持する部材である。本実施の形態の場合、基体１０３には、波長変換部材１０４から放射される光を所定の方向に反射させる反射面１３１を備えている。
図２は、波長変換部材を示す断面図である。
波長変換部材１０４は、照射されたレーザー光Ｌを励起光としてレーザー光Ｌとは波長の異なる可視光Ｖに波長を変換する部材であり、波長変換材１４１と、封止材１４２と、保持板１４３とを備えている。
波長変換材１４１は、レーザー光Ｌを励起光として蛍光を放射する物質である。本実施の形態の場合、波長変換部材１０４は、青色のレーザー光Ｌにより黄色の蛍光を放射する黄色蛍光体を備えている。具体的に黄色蛍光体としては、イットリウム・アルミニウム・ガーネット（ＹＡＧ）系の蛍光体を例示することができる。
なお、波長変換部材１０４は、複数の波長変換材１４１を備えても構わない。例えば、緑色に発光するセリウムで賦活されたルテチウム・アルミニウム・ガーネット（ＬＡＧ）系蛍光体と、赤色に発光する（Ｓｒ，Ｃａ）ＡｌＳｉＮ３：Ｅｕで表されるＳＣＡＳＮ系蛍光体とを備えていてもよい。
本実施の形態において、青色であるレーザー光Ｌの一部は、波長変換部材１０４に含まれる波長変換材１４１によって黄色光に波長変換される。そして、波長変換材１４１に吸収されなかった青色光と、黄色蛍光体によって波長変換された黄色光とは、波長変換部材１０４中で拡散及び混合される。これにより、波長変換部材１０４からは白色光が出射される。
封止材１４２は、波長変換材１４１を分散状態で保持し、レーザー光Ｌおよび波長変換材１４１から放射される蛍光を透過させることができる部材である。封止材１４２の材料としては特に限定されるものではないが、例えば、メチル系のシリコーン樹脂、エポキシ樹脂、ユリア樹脂などの有機材料、また、ガラスまたはセラミックス等の無機材料を例示することができる。特に、耐熱性が要求される場合は無機材料が選定される。
保持板１４３は、レーザー光Ｌが透過すると共に、波長変換部材１０４を保持することができる構造部材である。保持板１４３を構成する材料は特に限定されるものではないが、酸化アルミニウムの結晶やガラスなどを例示することができる。
なお本実施の形態の場合、保持板１４３の一表面に、白色光の取り出し効率を向上させるため、レーザー光Ｌを透過し、波長変換材１４１から放射される蛍光を反射するダイクロイックコートが形成されており、その上に、波長変換材１４１を含有した基材１４２が塗布または印刷等されることで、波長変換部材１０４が形成されている。
［照明器具の製造方法］
つぎに照明器具１００の製造方法について説明する。
図３は、照明器具の製造工程の流れを示す図である。
複数のレーザー素子のそれぞれについて発振するレーザー光の波長をそれぞれ測定する（波長測定工程：Ｓ１０１）。これらレーザー素子は、発振するレーザー光が同一の主波長となるように製造されるものである。具体的に例えば、レーザー素子は、主波長が４５５ｎｍとなるように設計されて製造されている。しかしながら、個々のレーザー素子が発振するレーザー光の主波長は、個体差により±２０ｎｍ程度の範囲でバラツキが生じる。
図４、および、図５は、異なるレーザー素子が発振したレーザー光の測定結果をそれぞれ示すグラフである。
つぎに、測定結果に基づきレーザー素子毎に主波長を特定する（主波長特定工程：Ｓ１０２）。具体的に例えば、測定結果が図４に示すグラフであった場合、主波長は４５０．９ｎｍであり、図５に示すグラフであった場合、主波長は４５８．２ｎｍである。
以上のようにしてレーザー素子について特定された主波長を主波長情報とし、図６に示すように、測定対象のレーザー素子を識別する素子情報と主波長情報とをそれぞれ関連づけて記憶する（関連づけ工程：Ｓ１０３）。関連づけられた素子情報と主波長情報との記憶方法は、特に限定されるものではないが、例えば、製造管理ソフトウエアを用い、これらをデジタル情報としてコンピュータが備える記憶装置に記憶させる方法を例示することができる。
つぎに、関連づけられて記憶された主波長情報と素子情報とに基づき、合成波長が所定の第一範囲内に収まるレーザー素子の組み合わせを選出する（組み合わせ選出工程：Ｓ１０４）。
ここで、合成波長とは、選出されたレーザー素子のそれぞれの主波長に基づき決定される値であり、選出されたレーザー素子の出力光強度が同一の場合、例えば、主波長の平均値である。あるいは、選出されたレーザー素子のそれぞれの出力光強度が異なる場合、その出力光強度で重み付けされた主波長の重心値を採用してもよい。
また、第一範囲は、４００ｎｍ以上、４９０ｎｍ以下の範囲に含まれる３ｎｍの範囲とすることが好ましい。これによれば、照明器具１００を実使用する状況において、ほとんどの人が同じ色で光っていると看取されるからである。さらに、第一範囲を４００ｎｍ以上、４９０ｎｍ以下の範囲に含まれる２ｎｍの範囲に制限しても構わない。これによれば、複数の照明器具１００を比較実験した場合でも、ほぼ同一の色度として認識される。
本実施の形態の場合、第一範囲を４５５±１．５ｎｍとしている。この場合、例えば素子情報００２と、素子情報０３８のレーザー素子を選出すれば、（４５０．９＋４５８．２）／２＝４５４．５５となって、合成波長が第一範囲内に収まる。
なお、選出されるレーザー素子が３以上の場合、合成波長は、選出されたレーザー素子全ての主波長の平均値でもよく、また、主波長の最大値と最小値との平均値でも構わない。
また、選出されるレーザー素子は、主波長が第一範囲の中央値に対して±１０ｎｍの範囲内で選定することが好ましい。中央値±１０ｎｍの範囲から外れたレーザー素子を用いた場合、合成波長が第一範囲内に収まっても所望の色温度の照明器具１００とすることが困難になるためである。
つぎに、選出されたレーザー素子が発振するレーザー光が波長変換部材１０４の同一箇所に照射されるように導光部材により光路を配置して照明器具１００を組み立てる。
本実施の形態の場合、選出された二つのレーザー素子が第一レーザー素子１１１と第二レーザー素子１１２であり、図１に示すように、同一種類で同一長さの光ファイバーである第一導光部材１２１と第二導光部材１２２にそれぞれ接続される。
以上によれば、複数のレーザー素子を備えた照明器具１００の発光色の個体差によるバラツキを抑制することができ、安定した照明器具１００を製造することが可能となる。
つぎに、複数の組み合わせのレーザー素子を用いて照明器具１００のバラツキを観察した結果を示す。
レーザー素子として以下の組み合わせを選出した。それぞれのレーザー素子の光出力は、すべてほぼ同一である。
Ａ：（素子情報０７３、主波長４４８．４ｎｍ）、（素子情報０７２、主波長４５８．３ｎｍ）、合成波長４５３．４ｎｍ
Ｂ：（素子情報０３９、主波長４５１．３ｎｍ）、（素子情報０７６、主波長４５８．０ｎｍ）、合成波長４５４．７ｎｍ
Ｃ：（素子情報００１、主波長４４８．３ｎｍ）、（素子情報０７４、主波長４６２．８ｎｍ）、合成波長４５５．６ｎｍ
Ｄ：（素子情報０４０、主波長４５１．０ｎｍ）、（素子情報０７５、主波長４６２．４ｎｍ）、合成波長４５６．７ｎｍ
レーザー素子の組み合わせＡ、Ｂ、Ｃ、Ｄを用い、目標色温度３５００Ｋの同一種類の照明器具１００をそれぞれ作成し、それぞれの照明器具１００について色温度を測定した。
図７は、照明器具の色温度の測定結果を示すｘｙ色度図である。
同図中、４４８ｎｍ、４５１ｎｍ、４５５ｎｍ、４５８ｎｍ、４６２ｎｍの各プロットは、その波長のレーザー素子２個を用いた場合の照明器具１００の色度の結果である。また、同図の中央近傍に記載される太線の平行四辺形は、その内側が照明器具１００として目標とする色度の範囲を示している。このように、合成波長が４５５±１．５ｎｍの範囲に収まっているレーザー素子の組み合わせＢとＣとは、目標色度範囲内であり、かつ、許容できる色度の差、つまり、人間の目には同一の発光色と感じるものであった。一方、レーザー素子の組み合わせＡとＤとは、許容できない色度の差、つまり、人間の目にはＢやＣの発光色とは、異なる発光色と感じるものであった。
以上のように、合成波長が３ｎｍの範囲内に収まるようなレーザー素子の組み合わせを用いることで、色度のバラツキのない、人の目には同一の発光色と感じさせることのできる安定した照明器具１００を製造することが可能となる。
一方、レーザー素子をランダムに組み合わせた場合、それらの合成波長は、例えば４４８ｎｍ〜４６２ｎｍの範囲でばらつくため、図７中の平行四辺形を大きく超え、白色の色度が大きくばらつくことになる。
なお、本発明は、上記実施の形態に限定されるものではない。例えば、本明細書において記載した構成要素を任意に組み合わせて、また、構成要素のいくつかを除外して実現される別の実施の形態を本発明の実施の形態としてもよい。また、上記実施の形態に対して本発明の主旨、すなわち、請求の範囲に記載される文言が示す意味を逸脱しない範囲で当業者が思いつく各種変形を施して得られる変形例も本発明に含まれる。
例えば、基準となるレーザー素子を用いて波長変換部材１０４の変換特性を測定し、測定された変換特性を示す特性情報と、測定対象の波長変換部材１０４を識別する変換部材情報とをそれぞれ関連づけて記憶し、関連づけられた特性情報と変換部材情報とに基づき、組み合わされたレーザー素子に基づき波長変換部材から放射される光の色度が所定の第二範囲内に収まるように組み合わされた前記レーザー素子と前記波長変換部材との組み合わせを決定して照明器具１００を製造しても構わない。
具体的に例えば、図８に示すように、レーザー素子の主波長の測定し（Ｓ１０１〜Ｓ１０４）、合成波長が３ｎｍの範囲内（好ましくは２ｎｍの範囲内）に収まるレーザー素子の複数の組み合わせを長波長側と短波長側の２グループに分類する（Ｓ２０５）。一方、波長変換部材１０４の変換特性を測定し（Ｓ２０６）、波長変換部材１０４をｙ色度が低い傾向にある波長変換部材１０４と高い傾向にある波長変換部材１０４の２グループに分類する（Ｓ２０７）。そして、長波長側のグループに属するレーザー素子の組み合わせ、および、ｙ色度が高いグループに属する波長変換部材１０４を組み合わせ、また、短波長側のグループに属するレーザー素子の組み合わせ、および、ｙ色度が低いグループに属する波長変換部材１０４を組み合わせる（Ｓ２０８）。最後に前記組み合わせに基づき照明器具１００を製造する（Ｓ２０９）。以上によれば、さらに照明器具１００の発光色の個体差によるバラツキを低減することが可能となる。
また、波長変換部材１０４の変換特性は、複数の導光部材により導光され、波長変換部材１０４の同一箇所に照射されるレーザー光に基づき測定しても構わない。つまり、導光部材の特性も含めて変換特性を測定しても構わない。
これによれば照明器具１００の色度の個体差によるバラツキをさらに抑制することが可能となる。
また、照明器具１００は、波長変換部材１０４の一面からレーザー光が照射され、反対側の面から白色光を放射する透過型の照明器具１００ばかりでなく、図９に示すように、レーザー光を照射した波長変換部材１０４と同じ面から白色光を放射する反射型の照明器具１００であってもよい。
また、実施例では合成波長が４５５±１．５ｎｍの範囲に収まる者として説明したが、４４５±１．５ｎｍや４６５±１．５ｎｍなど任意の範囲でも同様の効果が得られる。
また、一つの照明器具１００に設けられた複数のレーザー素子のうち、主波長が最長のレーザー素子と最短のレーザー素子の発振波長帯域は、相互に重複していなくても構わない。個々で、発振波長帯域とは、例えばピークの１／１０の波長幅である。これにより、レーザー素子の組み合わせを柔軟に選定することができ、効率よくレーザー素子を照明器具１００に適用することが可能となる。
また、第一範囲は、波長変換部材１０４の励起スペクトル、または、波長変換部材１０４に含まれる波長変換材１４１の少なくとも１つの励起スペクトルのピーク波長より長波長側の範囲に制限してもよい。
また、波長変換部材１０４の前方には、透光性を有するカバー部材が配置されても構わない。カバー部材は、ガラスまたは樹脂等を素材とする部材であり、例えば、埃等の異物が波長変換部材１０４に付着することを抑制する役割を有するものでも構わない。さらに、カバー部材は、光の拡散または集光等の光学的な機能を有してもよい。
１００ 照明器具
１０４ 波長変換部材
１１１ 第一レーザー素子
１１２ 第二レーザー素子

Claims (6)

  1. レーザー素子が発振するレーザー光に基づき前記レーザー光とは異なる波長の光を放射する波長変換部材を備える照明器具の製造方法であって、
    複数の前記レーザー素子のそれぞれについて発振するレーザー光の波長を測定して主波長を特定し、
    特定された主波長を示す主波長情報と、測定対象のレーザー素子を識別する素子情報とをそれぞれ関連づけて記憶し、
    関連づけられた主波長情報と素子情報とに基づき、合成波長が所定の第一範囲内に収まる前記レーザー素子の組み合わせを複数の前記レーザー素子中から選出し、
    選出された前記レーザー素子のレーザー光が前記波長変換部材の同一箇所に照射されるように光路を配置する
    照明器具の製造方法。
  2. 前記波長変換部材の変換特性を測定し、
    測定された変換特性を示す特性情報と、測定対象の前記波長変換部材を識別する変換部材情報とをそれぞれ関連づけて記憶し、
    関連づけられた特性情報と変換部材情報とに基づき、組み合わされた前記レーザー素子に基づき前記波長変換部材から放射される光の色度が所定の第二範囲内に収まるように組み合わされた前記レーザー素子と前記波長変換部材との組み合わせを決定する
    請求項１に記載の照明器具の製造方法。
  3. 前記第一範囲は、４００ｎｍ以上、４９０ｎｍ以下の範囲に含まれる３ｎｍの範囲である
    請求項１または２に記載の照明器具の製造方法。
  4. 前記波長変換部材の変換特性は、複数の前記レーザー素子に接続される複数の導光部材により導光され、前記波長変換部材の同一箇所に照射されるレーザー光に基づき測定し、
    測定された変換特性を示す特性情報と変換部材情報とに前記導光部材を示す導光部材情報とをそれぞれ関連づけて記憶し、
    関連づけられた前記特性情報と前記変換部材情報と前記導光部材情報とに基づき、色度が所定の第二範囲内に収まるように、前記レーザー素子の組み合わせと前記波長変換部材と前記導光部材を決定する
    請求項２に記載の照明器具の製造方法。
  5. レーザー素子が発振するレーザー光に基づき前記レーザー光とは異なる波長の光を放射する波長変換部材を備える照明器具であって、
    ４４０ｎｍ以上、４７０ｎｍ以下の範囲に含まれる３ｎｍの範囲内に合成波長が収まる複数の前記レーザー素子と、
    前記レーザー素子のレーザー光が前記波長変換部材の同一箇所に照射されるような光路を形成する複数の導光部材と
    を備える照明器具。
  6. 複数の前記レーザー素子のうち、主波長が最長の前記レーザー素子と最短の前記レーザー素子の発振波長帯域は、相互に重複していない
    請求項５に記載の照明器具。
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