JP2022070972A

JP2022070972A - 照明装置および照明モジュール

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Publication number: JP2022070972A
Application number: JP2022021784A
Authority: JP
Inventors: 秀崇加藤; Hidetaka Kato
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2017-12-27
Filing date: 2022-02-16
Publication date: 2022-05-13
Anticipated expiration: 2037-12-27
Also published as: JP7274013B2

Abstract

【課題】より演色性の高い光を放射することができる小型化した照明装置および照明モジュールを提供する。【解決手段】本発明の一実施形態に係る照明装置１０は、第１発光装置１１と、第２発光装置１２とを備えている。第１発光装置１１は、内部に実装された第１発光素子３１と、第１発光素子３１を覆った第１蛍光体３１とを有するとともに、可視光域の光を発光する。第２発光装置１２は、第１発光装置１１と同電位で発光し、内部に実装された第２発光素子３２と、第２発光素子３２を覆った第２蛍光体３２とを有するとともに、可視光域の光を発光する。【選択図】図６

Description

本発明は、ＬＥＤ等を使用した照明装置および照明モジュールに関する。

近年、蛍光灯や電球に代わってＬＥＤ（Laser Emitting Diode）などの半導体発光素子を光源とする照明装置が用いられている。また、例えば、家電製品や乗用自動車などの塗装面の外観検査用光源としても発光素子を光源とする照明装置が用いられている。このとき、照明モジュールとしては、照明装置と、照明装置を制御する制御回路とを有している。

半導体発光素子は、放射光の波長帯域が狭く、単一色の光しか放射できない。照明光を白色光としたい場合は、放射光の波長帯域が異なる複数の半導体発光素子または発光装置を準備し、複数の放射光の混色によって白色光を実現している。このような混色の手法を用いれば、白色光以外にも目的に応じたスペクトルを有する光源を作製することができる（特許文献１参照）。

特開２０１５－１２６１６０号公報

しかしながら、特許文献１に開示された技術は、異なる光を発する発光素子に対しては、電圧変換装置が必要になる。このため、電圧変換される分だけ、消費電力のロスがあるおそれがあった。また、電圧変換装置の分だけ照明装置が大型化するおそれがあった。

本発明の一実施形態に係る照明装置は、第１発光装置と、第２発光装置とを備えている。第１発光装置は、内部に実装された第１発光素子と、第１発光素子を覆った第１蛍光体とを有するとともに、可視光域の光を発光する。第２発光装置は、第１発光装置と同電位で発光し、内部に実装された第２発光素子と、第２発光素子を覆った第２蛍光体とを有するとともに、可視光域の光を発光する。

本発明の一実施形態に係る照明モジュールは、上記の照明装置と、照明装置と電気的に接続された制御回路とを備えている。

本発明の一実施形態に係る照明装置によれば、電圧変換装置がいらない。その分だけ小型化させることができる。また、消費電力のロスを低減させることができる。そして、本発明の一実施形態に係る照明モジュールによれば、上記の照明装置を有することで、小型化することができる。

本発明の実施形態に係る照明装置のうち発光装置の外観斜視図である。図１に示す発光装置を仮想線で示す平面で切断したときの断面図である。図２に示す発光装置の拡大図である。本発明の実施形態に係る照明装置のうち発光装置で用いられる蛍光体それぞれの蛍光スペクトルの一例を示す図である。本発明の実施形態に係る照明装置のうち発光装置で用いられる発光素子の発光スペクトルの一例を示す図である。本発明の実施形態に係る照明装置および照明モジュールを示す回路図である。本発明の実施形態に係る照明装置の外観斜視図である。本発明の実施形態に係る照明装置の分解斜視図である。本発明の実施形態に係る照明装置の筐体から透光性基板を取り外した状態を示す斜視図である。

以下に本発明の実施形態に係る発光装置および照明装置の実施形態を、図面を参照しながら説明する。

＜発光装置の構成＞
図１は、本発明の一実施形態に係る発光装置の外観斜視図である。図２は、図１に示す発光装置を仮想線で示す平面で切断したときの断面図である。図３は、図２に示す発光装置の拡大図である。図４は、本実施形態の発光装置で用いられる蛍光体それぞれの蛍光スペクトルの一例を示す図である。図５は、本実施形態の発光装置で用いられる発光素子の発光スペクトルの一例を示す図である。これらの図において、発光装置１は、基板２と、発光素子３と、枠体４と、封止部材５と、波長変換部材６とを備えている。発光装置１は、後述する第１発光装置１１と、第２発光装置１２と、第３発光装置１３とのことを示しており、便宜上、共通の項目に関しては以下では発光装置１として説明する。また、発光素子３は、それぞれ第１発光装置１１に実装される第１発光素子３１と、第２発光装置１２に実装される第２発光素子３２と、第３発光装置１３に実装される第３発光素子３３のことを示しており、便宜上、共通の項目に関しては以下では発光素子３として説明する。

発光装置１は、基板２と、基板２上に設けられた発光素子３と、基板２上に発光素子３を取り囲むように設けられた枠体４と、枠体４で囲まれた内側の空間内に、枠体４で囲まれる空間の上部の一部を残して充填された封止部材５と、枠体４で囲まれた内側の空間の上部の一部に、封止部材５の上面に沿って枠体４内に収まるように設けられた波長変換部材６と、を備えている。なお、発光素子３は、例えば、ＬＥＤであって、半導体を用いたｐｎ接合中の電子と正孔が再結合することによって、外部に向かって光を放出する。

基板２は、絶縁性の基板であって、例えば、アルミナまたはムライト等のセラミック材料、あるいはガラスセラミック材料等からなる。または、これらの材料のうち複数の材料を混合した複合系材料から成る。また、基板２は、基板２の熱膨張を調整することが可能な金属酸化物微粒子を分散させた高分子樹脂を用いることができる。

少なくとも基板２の主面または基板２の内部には、基板２の内外を電気的に導通する配線導体が設けられている。配線導体は、例えば、タングステン、モリブデン、マンガンまたは銅等の導電材料からなる。基板２がセラミック材料から成る場合は、例えば、タングステン等の粉末に有機溶剤を添加して得た金属ペーストを、基板２となるセラミックグリーンシートに所定パターンで印刷し、複数のセラミックグリーンシートを積層して、焼成することにより得られる。なお、配線導体の表面には、酸化防止のために、例えば、ニッケルまたは金等のめっき層が形成されている。また、基板２の上面には、基板２上方に効率良く光を反射させるために、配線導体およびめっき層と間隔を空けて、例えば、アルミニウム、銀、金、銅またはプラチナ等の金属反射層を形成してもよい。

発光素子３は、基板２の主面上に実装される。発光素子３は、基板２主面上に形成される配線導体の表面に被着するめっき層上に、例えば、ろう材または半田を介して電気的に接続される。発光素子３は、透光性基体と、透光性基体上に形成される光半導体層とを有している。透光性基体は、有機金属気相成長法または分子線エピタキシャル成長法等の化学気相成長法を用いて、光半導体層を成長させることが可能なものであればよい。透光性基体に用いられる材料としては、例えば、サファイア、窒化ガリウム、窒化アルミニウム、酸化亜鉛、セレン化亜鉛、シリコンカーバイド、シリコンまたは二ホウ化ジルコニウム等を用いることができる。なお、透光性基体の厚みは、例えば５０μｍ以上１０００μｍ以下である。

光半導体層は、透光性基体上に形成される第１半導体層と、第１半導体層上に形成される発光層と、発光層上に形成される第２半導体層とから構成されている。第１半導体層、発光層および第２半導体層は、例えば、ＩＩＩ族窒化物半導体、ガリウム燐またはガリウムヒ素等のＩＩＩ－Ｖ族半導体、あるいは、窒化ガリウム、窒化アルミニウムまたは窒化インジウム等のＩＩＩ族窒化物半導体等を用いることができる。なお、第１半導体層の厚みは、例えば１μｍ以上５μｍ以下であって、発光層の厚みは、例えば２５ｎｍ以上１５０ｎｍ以下であって、第２半導体層の厚みは、例えば５０ｎｍ以上６００ｎｍ以下である。また、このように構成された発光素子３は、例えば３７０ｎｍ以上４２０ｎｍ以下の波長範囲の励起光を発することができる。

枠体４は、例えば、酸化アルミニウム、酸化チタン、酸化ジルコニウムまたは酸化イットリウム等のセラミック材料、あるいは多孔質材料、あるいは酸化アルミニウム、酸化チタン、酸化ジルコニウムまたは酸化イットリウム等の金属酸化物からなる粉末を混合させた樹脂材料から成る。枠体４は、基板２の主面に、例えば樹脂、ろう材または半田等を介して接続されている。枠体４は、発光素子３と間隔を空けて、発光素子３を取り囲むように基板２の主面上に設けられている。また、枠体４は、傾斜する内壁面が、基板２の主面から遠ざかるに従い、外方に向かって広がるように形成されている。そして、枠体４の内壁面が、発光素子３から発せられる励起光の反射面として機能する。なお、平面視して、枠体４の内壁面の形状を円形とすると、発光素子３が放射する光を一様に反射面にて外方に向かって反射させることができる。

また、枠体４の傾斜する内壁面は、例えば、焼結材料からなる枠体４の内周面にタングステン、モリブデン、マンガン等から成る金属層と、金属層を被覆するニッケルまたは金等から成るめっき層を形成してもよい。このめっき層は、発光素子３の発する光を反射させる機能を有する。なお、枠体４の内壁面の傾斜角度は、基板２の主面に対して例えば５５度以上７０度以下の角度に設定されている。

基板２および枠体４で囲まれる内側の空間には、光透過性の封止部材５が充填されている。封止部材５は、発光素子３を封止するとともに、発光素子３の内部から発せられる光を外部に光を取り出す。さらに、発光素子３の外部に取り出された光が透過する機能を備えている。封止部材５は、基板２および枠体４で囲まれる内側の空間内に、枠体４で囲まれる空間の一部を残して充填されている。封止部材５は、例えば、シリコーン樹脂、アクリル樹脂またはエポキシ樹脂等の透光性の絶縁樹脂や透光性のガラス材料が用いられる。封止部材５の屈折率は、例えば１．４以上１．６以下に設定されている。

波長変換部材６は、基板２および枠体４で囲まれた内側の空間の上部に、封止部材５の上面に沿って設けられている。波長変換部材６は、枠体４内に収まるように形成されている。波長変換部材６は、発光素子３の発する光の波長を変換する機能を有している。すなわち、波長変換部材６は、発光素子３から発せられる光が封止部材５を介して内部に入射して、内部に含有される蛍光体が発光素子３から発せられる光によって励起されて、蛍光体からの蛍光を発するとともに、発光素子３からの光の一部を透過させて放射するものである。波長変換部材６は、例えば、フッ素樹脂、シリコーン樹脂、アクリル樹脂またはエポキシ樹脂等の透光性の絶縁樹脂、または透光性のガラス材料からなり、その絶縁樹脂、ガラス材料中に、蛍光体が含有されている。蛍光体は、波長変換部材６中に均一に分散するようにしている。

発光素子３および波長変換部材６中に含有される蛍光体としては、発光装置１から発せられる光の発光スペクトルが、可視光域の光を示すような発光スペクトルとなるように選ばれる。

本発明の実施形態に係る発光装置１は、蛍光体を調整することで、太陽光のスペクトルに近似する、演色性の高い光を放射することができる。即ち、太陽光のスペクトルにおける相対光強度と、本発明の実施形態に係る発光装置１の発光スペクトルにおける相対光強度との差を小さくすることができ、太陽光に近似した発光装置１を作製することもできる。なお、蛍光体の組合せや、異なる領域の光を発光する複数の発光装置１を組み合わせることで、後述する照明装置１０においては、太陽光に近似した光以外にも様々な光を発光することができる。たとえば、ＲＧＢの３種類はそれぞれ異なる発光装置１から発光させることも可能である。このＲＧＢとは、いわゆる光の三原色のことであり、Ｒ（赤）、Ｇ（緑）、Ｂ（青）が合わさることで白色光になる。このときも、発光素子３は同じなので、それぞれの発光装置１の蛍光体の種類を制御するのみである。このため、照明装置１０においては、電圧変換装置が不要になる。このため、照明装置１０としては、小型化することができ、消費電力低減に効果的である。なお、以下に添付図面を参照して、本実施形態に係る発光装置１を備える照明装置１０の一例を説明する。

＜照明装置の構成＞
図６は、本実施形態の照明装置および照明モジュールを示す回路図である。図７は、本実施形態に係る発光装置を備える照明装置の外観斜視図であり、図８は、図７に示す照明装置の分解斜視図である。図９は、図７に示す照明装置の筐体から透光性基板を取り外した状態を示す斜視図である。

照明装置１０は、上方に開口している長尺の筐体３０と、筐体３０内に長手方向に沿ってライン状に複数個配列された発光装置１（第１発光装置１１および第２発光装置１２）と、複数の発光装置１が実装される長尺の配線基板４０と、筐体３０によって支持され、筐体３０の開口を閉塞する長尺の透光性基板５０とを備えている。

筐体３０は、透光性基板５０を保持する機能と、発光装置１の発する熱を外部に放散させる機能とを有している。筐体３０は、例えば、アルミニウム、銅またはステンレス等の金属、プラスチックまたは樹脂等から構成される。筐体３０は、長手方向に延びる底部６１ａ、および底部６１ａの幅方向の両端部から立設し、長手方向に延びる一対の支持部６１ｂを有し、上方および長手方向の両側で開口している長尺の本体部６１と、本体部６１における長手方向一方側および他方側の開口をそれぞれ閉塞する２つの蓋部６２とから成っている。各支持部６１ｂの筐体３０の内側における上部には、長手方向に沿って透光性基板５０を保持するための凹所が互いに対向するように形成された保持部が設けられている。筐体３０は、長手方向の長さが、例えば、１００ｍｍ以上２０００ｍｍ以下に設定されている。

配線基板４０は、筐体３０内の底面に固定される。配線基板４０は、例えば、リジッド基板、フレキシブル基板またはリジッドフレキシブル基板等のプリント基板が用いられる。配線基板４０の配線パターンと発光装置１における基板２の配線パターンとが、半田または導電性接着剤を介して電気的に接続される。そして、配線基板４０からの信号が基板２を介して発光素子３に伝わり、発光素子３が発光する。なお、配線基板４０には、外部に設けられた電源から配線を介して電力が供給される。

透光性基板５０は、発光装置１から発せられる光が透過する材料からなり、例えば、アクリル樹脂またはガラス等の光透過性材料から構成される。透光性基板５０は、矩形状の板体であって、長手方向の長さが、例えば、９８ｍｍ以上１９９８ｍｍ以下に設定されている。透光性基板５０は、本体部６１における長手方向一方側または他方側の開口から、上述の各支持部６１ｂに形成されている凹所内に挿し込み、長手方向に沿ってスライドさせることにより、複数の発光装置１から離間した位置で、一対の支持部６１ｂによって支持される。そして、本体部６１における長手方向一方側および他方側の開口を蓋部６２で閉塞することにより、照明装置１０は構成される。

なお、上記の照明装置１０は、複数の発光装置１を直線状に配列した線発光の照明装置であるが、これに限らず複数の発光装置１をマトリクス状や千鳥格子状に配列した面発光の照明装置であってもよい。

発光装置１は、１つの波長変換部材６中に含まれる蛍光体として、例えば青色の蛍光を放射する蛍光体、青緑色の蛍光を放射する蛍光体、緑色の蛍光を放射する蛍光体、からなる３種類の蛍光体を含む構成としてもよいし、これに限らず、１種類の蛍光体のみを備えるようにしてもよい。波長変換部材に配置する蛍光体の種類を組み合わせることにより、放射される光の色彩をコントロールすることができる。

本発明の実施形態に係る照明装置１０では、発光装置１として、上記のような構成であり、第１発光素子３１を有する第１発光装置１１と、第２発光素子３２を有する第２発光装置１２とを備えている。第１発光装置１１は、例えば内部に実装された第１発光素子３１と、第１発光素子３１を覆った波長変換部材６内に位置した第１蛍光体２１とを有している。また、可視光域の光を発光する。第２発光装置１２は、内部に実装された第２発光素子３２と、第２発光素子３２を覆った波長変換部材６内に位置した第２蛍光体２２とを有している。また、可視光域の光を発光する。

このとき、第１発光装置１１における波長変換部材６中に分散される蛍光体は、例えば第１蛍光体２１であり、第１発光素子３１に励起されて第１蛍光体２１にて放射されて、第１発光装置１１から可視光が放射される。このとき、放射される光は可視光であればよく、複数の蛍光体を組み合わせて白色でもよいし、１種類のみ蛍光体を用いて、青色、緑色、赤色等であってもよい。また、第２発光装置１２における波長変換部材６中に分散される蛍光体は、例えば第２蛍光体２２であり、第２発光素子３２に励起されて第２蛍光体２２にて放射されて、第２発光装置１２から可視光が放射される。このとき、放射される光は可視光であればよく、複数の蛍光体を組み合わせて白色でもよいし、１種類のみ蛍光体を用いて青色、緑色、赤色等であってもよい。また、第１発光装置１１と第２発光装置１２とは同じ色の光を放射してもよく、異なる色の光を放射してもよい。

第１発光素子３１と、第２発光素子３２とは、３５０ｎｍ～４６０ｎｍにピーク波長を有している。このとき、第１発光素子３１および第２発光素子３２は同じ発光スペクトルを有しているのがよい。

また、照明装置１０は、第３発光装置１３をさらに備えていてもよい。第３発光装置１３は、内部に実装された第３発光素子３３と、第３発光素子３３を覆った波長変換部材６内に位置した第３蛍光体２３とを有している。また、可視光域の光を発光する。第３発光装置１３における波長変換部材６中に分散される蛍光体は、例えば第３蛍光体２３であり、第３発光素子３３に励起されて第３蛍光体２３にて放射されて、第３発光装置１３から可視光が放射される。このとき、放射される光は可視光であればよく、複数の蛍光体を組み合わせて白色でもよいし、１種類のみ蛍光体を用いて青色、緑色、赤色等であってもよい。また、第３発光装置１３は、可視光であれば、第１発光装置１１と第２発光装置１２と同じ色の光を放射してもよく、異なる色の光を放射してもよい。

また、第３発光素子３３は、３５０ｎｍ～４６０ｎｍにピーク波長を有している。このとき、第３発光素子３３は、第１発光素子３１および第２発光素子３２と同じ発光スペクトルを有しているのがよい。

各蛍光体は、放つ色によって異なるが、例えば、青色を示す蛍光体は、ＢａＭｇＡｌ_１０Ｏ_１７：Ｅｕ、（Ｓｒ，Ｃａ，Ｂａ）_１０（ＰＯ_４）_６Ｃｌ_２：Ｅｕ，（Ｓｒ，Ｂａ）_１０（ＰＯ_４）_６Ｃｌ_２：Ｅｕであり、青緑色を示す蛍光体は、（Ｓｒ，Ｂａ，Ｃａ）_５（ＰＯ_４）_３Ｃｌ：Ｅｕ，Ｓｒ_４Ａｌ_１４Ｏ_２５：Ｅｕである。緑色を示す第３蛍光体１３は、ＳｒＳｉ_２（Ｏ，Ｃｌ）_２Ｎ_２：Ｅｕ、（Ｓｒ，Ｂａ，Ｍｇ）_２ＳｉＯ_４：Ｅｕ^２＋、ＺｎＳ：Ｃｕ，Ａｌ、Ｚｎ_２ＳｉＯ_４：Ｍｎである。赤色を示す蛍光体としては、Ｙ_２Ｏ_２Ｓ：Ｅｕ、Ｙ_２Ｏ_３：Ｅｕ、ＳｒＣａＣｌＡｌＳｉＮ_３：Ｅｕ^２＋、ＣａＡｌＳｉＮ_３：Ｅｕ、ＣａＡｌＳｉ（ＯＮ）_３：Ｅｕである。

上述したように、第１発光素子３１と第２発光素子３２とは、同じ発光スペクトルを有するものであり、同一電圧で駆動させることができる。このため、回路構成を容易にすることができることはもちろん、第１発光素子３１と第２発光素子３２とは同電位のため、第２発光素子３２を駆動させるための電圧変換装置が不要となる。その結果、第１発光装置１１と第２発光装置１２は同電位である。電圧変換装置が不要であることによって、照明装置１０の小型化と低消費電力化を実現することができる。

本発明の実施形態に係る照明装置１０は、上述した構成であることによって、回路構成を容易にすることができることはもちろん、第１発光素子３１と第２発光素子３２とは同電位のため、電圧変換装置が不要となる。電圧変換装置が不要であることによって、照明装置１０の小型化と低消費電力化を実現することができる。

さらに、上述したように、第３発光素子３３は、第１発光素子３１と第２発光素子３２と同じ発光スペクトルを有するものであり、第１発光素子３１および第２発光素子３２と同一電圧で駆動させることができる。このため、さらに回路構成を容易にすることができることはもちろん、第３発光素子３３は、第１発光素子３１と第２発光素子３２と同電位のため、第３発光素子３３を駆動させるための電圧変換装置が不要となる。電圧変換装置が不要であることによって、照明装置１０の小型化と低消費電力化を実現することができる。

また、３種類の発光装置の場合には、可視光がそれぞれ白色光であってもよいし、ＲＧＢの３種類であってもよい。色が異なる場合には、蛍光体の種類を調整すればよい。

上記では、照明装置１０は、３種類の発光装置について説明したが、もっと多くの種類の発光装置から構成されていてもよい。この場合にも、発光素子は全て同じ発光スペクトルを有しており、同一電圧で駆動させることができる。このため、さらに回路構成を容易にすることができることはもちろん、電圧変換装置が不要な条件は満たす。電圧変換装置が不要であることによって、照明装置１０の小型化と低消費電力化を実現することができる。

＜照明モジュールの構成＞
本発明の実施形態に係る照明モジュール１００は、上述した照明装置１０と、照明装置１０と電気的に接続されて、照明装置１０の光を制御する制御回路２０を備えている。制御回路２０は、ＣＰＵとなっており、照明装置１０の配線基板４０内に位置した、照明装置１０と一体型でもよいし、照明装置の外部に配置されていてもよい。

なお、本発明は上述の実施形態の例に限定されるものではなく、数値などの種々の変形は可能である。本実施形態における特徴部の種々の組み合わせは上述の実施形態の例に限定されるものではない。

１発光装置
１１第１発光装置
１２第２発光装置
１３第３発光装置
２１第１蛍光体
２２第２蛍光体
２３第３蛍光体
３１第１発光素子
３２第２発光素子
２３第３発光素子
２基板
３発光素子
４枠体
５封止部材
６波長変換部材
１０照明装置
２０制御回路
３０筐体
４０配線基板
５０透光性基板
１００照明モジュール

Claims

内部に実装された第１発光素子と、前記第１発光素子を覆った第１蛍光体とを有するとともに、可視光域の光を発光する第１発光装置と、
前記第１発光装置と同電位で発光し、内部に実装された第２発光素子と、前記第２発光素子を覆った第２蛍光体とを有するとともに、可視光域の光を発光する第２発光装置と、を備えたことを特徴とする照明装置。
前記第１発光素子および前記第２発光素子は、３５０ｎｍ～４６０ｎｍにピーク波長を有していることを特徴とする請求項１に記載の照明装置。
前記第１発光装置から発光される可視光域と、前記第２発光装置から発光される可視光域とは異なることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の照明装置。
前記第１発光素子および前記第２発光素子は同じ発光スペクトルを有していることを特徴とする請求項１～３のいずれか１つに記載の照明装置。
前記第１発光装置および前記第２発光装置と同電位で発光し、内部に実装された第３発光素子と、前記第３発光素子を覆った第３蛍光体とを有するとともに、可視光域の光を発光する第３発光装置をさらに備えていることを特徴とする請求項１～４のいずれか１つに記載の照明装置。
前記第３発光素子は、３５０ｎｍ～４６０ｎｍにピーク波長を有していることを特徴とする請求項５に記載の照明装置。
前記第３発光装置から発光される可視光域は、前記第１発光装置から発光される可視光域および前記第２発光装置から発光される可視光域と異なることを特徴とする請求項５または請求項６に記載の照明装置。
前記第１発光素子、前記第２発光素子および前記第３発光素子の発光スペクトルがすべて同じであることを特徴とする請求項５～７のいずれか１つに記載の照明装置。
請求項１～８のいずれか１つに記載の照明装置と、
前記照明装置と電気的に接続された制御回路とを備えたことを特徴とする照明モジュール。