JP4998540B2

JP4998540B2 - 発光装置

Info

Publication number: JP4998540B2
Application number: JP2009274473A
Authority: JP
Inventors: 明日美吉澤; 卓生村井
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2009-12-02
Filing date: 2009-12-02
Publication date: 2012-08-15
Anticipated expiration: 2029-12-02
Also published as: JP2011119390A

Description

この発明は、高演色性を保ちつつ光色（相関色温度）を可変とする発光ダイオードの効率の良い発光装置に関するものである。

ＬＥＤ（Light-emitting Diode：発光ダイオード）の照明利用は、青色ＬＥＤの登場に伴い、光の三原色がそろったことにより、白色ＬＥＤとして照明への普及が加速しようとしている。
ＬＥＤ照明の特長としては、省エネルギー：省電力は同じ明るさの電球の約１／１０、蛍光灯の約１／２である。省スペース：一つのＬＥＤは直径５ｍｍ、これをたくさん並べたＬＥＤの明かりは電球を使ったものより、より薄く小さく作ることができる。長寿命：普通の電球の寿命は数１００時間、ＬＥＤは半永久的であり、ランプ交換の手間が省け、ガラス等の資源の節約にもなる。熱の発生が少ない：電球に比べて発熱が少なく、冷房費の節約にもなる、といった特徴点がある。

日本工業規格ＪＩＳ：Ｚ９１１２によって定められている白色範囲（昼光色、昼白色、白色、温白色、電球色）において光色を可変とする場合、従来のＬＥＤ発光装置では、異なる発光波長域をもつ複数種類のＬＥＤを有する構成にて、その調光により白色を得るようにしている（例えば、特許文献１参照）。

また、短波長光を発する単一種ＬＥＤと短波長光源光とを励起光として、異なる分光強度分布の光に変換する波長変換材を用いることで白色を得るようにしたＬＥＤ発光装置もある（例えば、特許文献２参照。）。

特開２００７−２００７２３号公報（第２―３頁、第１図）特開２００５−２４４０７６号公報（第５−７頁、第１図）

このような従来のＬＥＤ発光装置である特許文献１では、複数種類のＬＥＤの順電圧がそれぞれ異なるため、調光時にそれぞれの順電圧特性に合わせてＬＥＤ光出力制御を行う必要があり、駆動回路が複雑になってしまい、コストが高くなるという問題点があった。

また、特許文献２のＬＥＤ発光装置では、単純な構成で異なる光色が提供できるが、従来の青色ＬＥＤ＋蛍光体方式では、長波長成分の不足による赤色の色再現の悪さ、あるいは演色性の悪さという問題点がある。特許文献２のように色のバリエーションを持たせるために蛍光体層を増やすと、発光効率が落ちてしまう。また、様々な光色を出すためには、蛍光体層を変える必要があり、ＬＥＤパッケージ開口部から蛍光シート層を剥がして取り替えるという、使い勝手の悪いものであった。

この発明は、上記のような課題を解決するためになされたもので、色再現性がよく高演色性を保ったまま、小型・軽量、省電力、省資源、高機能化、高い発光効率で色可変することができる簡単な構成のＬＥＤ発光装置を得るものである。

この発明に係る発光装置は、それぞれ調光可能な短波長光ＬＥＤと長波長光ＬＥＤとを発光要素とし、前記短波長光ＬＥＤの光を励起光として、その短波長光ＬＥＤが放射する光と異なる分光強度分布の光に変換する少なくとも２種類以上の異なる波長変換材料をシート状に形成した波長変換部材を前記各ＬＥＤ素子実装部であるキャビティ上に配置し、前記シート状の波長変換部材は、幅広の輪状に形成し、複数種の波長変換領域を並列に並べて、前記キャビティ上を水平方向に可動させるものであり、前記複数種の波長変換領域のいずれか１つがキャビティ上に配置されるよう、前記輪状の波長変換部材を回転させる回転駆動を備えたものである。

この発明は、長波長成分を有する赤色ＬＥＤ＋青色ＬＥＤ＋波長変換部材の構成により、赤色の色再現性を高く、高演色性を保ったまま、色可変を行うことができる。

この発明の実施の形態１を示す発光装置の模式的斜視図である。（ａ）この発明の実施の形態１を示す発光装置の図１のＡ−Ａ断面図である。（ｂ）この発明の実施の形態１を示す発光装置の図１のＢ−Ｂ断面図である。この発明の実施の形態１を示す発光装置の電気的な構成を説明するブロック図である。この発明の実施の形態１を示す発光装置の第１の波長変換領域の分光分布図である。この発明の実施の形態１を示す発光装置の第２の波長変換領域の分光分布図である。（ａ）この発明の実施の形態２を示す発光装置の概略斜視図である。（ｂ）この発明の実施の形態２を示す発光装置の概略斜視図である。（ａ）この発明の実施の形態２を示す発光装置のＬＥＤ素子の配置説明図である。（ｂ）この発明の実施の形態２を示す発光装置のＬＥＤ素子の配置説明図である。（ａ）この発明の実施の形態３を示す発光装置の模式的斜視図である。（ｂ）この発明の実施の形態３を示す発光装置の図８（ａ）のＣ−Ｃ断面図である。この発明の実施の形態４を示す発光装置の模式的斜視図である。この発明の実施の形態５を示す発光装置の電気的な構成を説明するブロック図である。この発明の実施の形態６を示す発光装置の模式的断面図である。

実施の形態１．
図１〜図３は、この発明を実施するための実施の形態１における発光装置を示すもので、図１は実施の形態１の発光装置の模式的斜視図、図２は（ａ）図１のＡ−Ａ断面図（ｂ）図１のｂ−ｂ断面図、図３は実施の形態１の発光装置の電気的な構成を説明するブロック図である。図において、発光装置であるＬＥＤパッケージ１は、セラミック、金属、樹脂などから形成され、上面に開口部２ａを有する凹部からなるＬＥＤ素子実装部２（特許請求の範囲でいうキャビティ）を備え、その内側は可視光に対して高い反射率を持つ銀などで形成し、青色ＬＥＤ素子３と赤色ＬＥＤ素子４とを設けている。この青色ＬＥＤ素子３と赤色ＬＥＤ素子４とは、ＬＥＤ素子実装部２内にワイヤーで実装され、ＬＥＤ素子実装部２の凹部内に透光性のある、例えばエポキシやシリコーンなどの封止樹脂５を満たしてシールする。

波長変換部材６は、封止樹脂５によりシールされたＬＥＤ素子実装部２の凹部の上方に、青色ＬＥＤ素子３と赤色ＬＥＤ素子４とからの光と対向するように配置されている。この波長変換部材６は、シート状に形成されており、そのシート面が青色ＬＥＤ素子３と赤色ＬＥＤ素子４とからの光に対して対向位置するように配置される。
このシート状の波長変換部材６は、例えば、シリコーン樹脂とシリコーン系の蛍光体とを所定量混合してシート型に流し込み、水平に保ちながら所定時間経過後にそのシート型を加熱してシリコーン樹脂を硬化させて作製される。このようにして、第１の波長変換領域６ａと第２の波長変換領域６ｂとをそれぞれ別部材としてシート形状に作成した後に、ＬＥＤパッケージ実装部２の開口部２ａ上方に各々並べるように配置される。そして、このように構成された波長変換部材６は、可動部７により図１および図２のＣ方向にスライド移動させる。
なお、第１の波長変換領域６ａと第２の波長変換領域６ｂとを別部材としてシート形状に作成しているが、第１の波長変換領域６ａと第２の波長変換領域６ｂとを一枚のシート上に形成する構成としてもよい。

次に、波長変換部材６の詳細について説明する。上述のようにして作製されるシート状の波長変換部材６は、異なる分光波長の光を出す複数種の波長変換領域がシート状に連結されて形成されている。本実施の形態１では、第１の波長変換領域６ａと第２の波長変換領域６ｂとを、青色ＬＥＤ素子の近紫外〜青色領域の発光波長（３５０〜４７０ｎｍ）程度の光によって励起されるそれぞれ異なる分光波長の光を出すように構成する。なお、波長変換材料としては、近紫外〜青色領域の発光波長によって励起される、例えばユーロピウム付活シリケート系の緑色〜黄色の蛍光体を用いる。なお、波長変換材料はこれに限らず、ＹＡＧ系蛍光体やサイアロン系蛍光体であっても、同様に近紫外〜青色領域の発光波長によって励起されるものである。

そして、ＬＥＤ素子実装部２の開口部２ａの上面に、上述したシート状の波長変換部材６の第１の波長変換領域６ａまたは第２の波長変換領域６ｂのいずれかを位置させるために、可動部７によって波長変換部材６を図２のＡ方向にスライド移動させる。
なお、青色ＬＥＤ素子３と赤色ＬＥＤ素子４の駆動電流値および可動部７の動作は、図３のブロック図に示すとおり、制御部８により制御されており、そして、青色ＬＥＤ素子３と赤色ＬＥＤ素子４は各々独立に制御できるような導電パターンが形成され、絶縁処理面は可視光に対して高い反射率を持つ銀などで形成し、発光装置の発光効率を高めるようにしている。

次に、このように構成された発光装置であるＬＥＤパッケージ１の動作について説明する。まず、昼光色を放射する場合について説明する。昼光色は、青色ＬＥＤ光と赤色ＬＥＤ光と波長変換光の合成光により昼光色（色温度約６５００Ｋ）を得ることができる。
まず、波長変換部材６の第１の波長変換領域６ａを、ＬＥＤパッケージ実装部２の凹部の上面に位置するように可動部７を制御する。そして、ＬＥＤパッケージ実装部２の凹部の上面に配置された第１の波長変換領域６ａに、ＬＥＤパッケージ実装部２内に実装された青色ＬＥＤ素子３と赤色ＬＥＤ素子４とから光を放射する。放射された光は、第１の波長変換領域６ａに入射し、入射された青色ＬＥＤ素子３の光の一部は、第１の波長変換領域６ａに含まれる二種のシリケイト系蛍光体（二種の波長変換材料）による波長変換作用を受け、異なる分光強度分布（スペクトル）の光として第１の波長変換領域６ａからＬＥＤパッケージ実装部２外に放射される。同時に、青色ＬＥＤ素子３の光の一部は、シリケイト系蛍光体による波長変換作用は受けず、第１の波長変換領域６ａをそのまま透過してＬＥＤパッケージ実装部２外に放射される。なお、赤色ＬＥＤ素子４からの光は、第１の波長変換領域６ａの波長変換作用を受けずにそのまま透過する。

このように、第１の波長変換領域６ａの波長変換作用を受けた青色ＬＥＤ素子３からの光と、波長変換作用を受けずにそのまま透過した青色ＬＥＤ素子３および赤色ＬＥＤ素子４の光との合成光により、図４に示すような分光分布図（平均演色評価指数Ｒａ=８６、特殊演色評価指数Ｒ９（赤色の色再現性を示す値）＝９７）の光が放射され、発光特性がＲａが８０以上と高く、さらに系蛍光体などによる従来の白色ＬＥＤが苦手としていた、赤色に対する演色評価数Ｒ９も大変高い昼光色の光を得ることができる。

次に、食事などをする場所の照明として一般的である温かみのある光色の電球色（色温度約２８００Ｋ）を得る場合について説明する。
波長変換部材６の第２の波長変換領域６ｂを、可動部７により波長変換部材６をスライド移動させてＬＥＤパッケージ実装部２の凹部の上面に位置させる。そして、ＬＥＤパッケージ実装部２の凹部の上面に配置された第２の波長変換領域６ｂに、ＬＥＤパッケージ実装部２内に実装された青色ＬＥＤ素子３と赤色ＬＥＤ素子４とから光を放射する。放射された光は、第２の波長変換領域６ｂに入射する。
第２の波長変換領域６ｂに入射した光のうち、青色ＬＥＤ素子３の光は、その一部が第２の波長変換領域６ｂに含まれるシリケイト系蛍光体（波長変換材料）による波長変換作用を受け、異なる分光強度分布（スペクトル）の光として、第２の波長変換領域６ｂから放射される。そして、第２の波長変換領域６ｂに入射した光の残りの一部は、シリケイト系蛍光体による波長変換作用を受けることなく、第２の波長変換領域６ｂを透過してＬＥＤパッケージ実装部２外に放射される。なお、赤色ＬＥＤ素子４からの光は、第２の波長変換領域６ｂの波長変換作用を受けずにそのまま透過する。

その結果、第２の波長変換領域６ｂからは、図５のような分光分布図（平均演色評価指数Ｒａ=９０、特殊演色評価指数Ｒ９（赤色の色再現性を示す値）＝９８）の光が放射される。このように、発光特性がＲａが８０以上と高く、さらに従来の白色ＬＥＤが苦手としていた赤色に対する演色評価指数Ｒ９も大変高い電球色の光を得ることができる。

このように、複数種の波長変換領域を有するシート状の波長変換部材６を青色ＬＥＤ素子３および赤色ＬＥＤ素子４の上方でスライド移動させることで、１つの発光装置で容易に相関色温度（色温度）を変えることができ、子供部屋など勉強をするような部屋では晴天の正午の日光近いすがすがしいさわやかな光の昼光色を、食事をする際には落ち着いた温かみのある電球色（白熱電球（平均演色評価数Ra＝１００）を選択する、というように使用するシーンに合わせた様々な色合いを選択でき、かつ演色性の高い高効率のＬＥＤパッケージの発光装置を得られる。

また、波長変換領域の波長変換部材６の蛍光体の配合比率を変え、蛍光体の量などを使用目的に合わせて適切にすることにより、「昼光色」から「電球色」にわたる様々な色合いの白色のＬＥＤを実現することも可能であり、さらに、配合によって、青みががった寒色系の白色から赤みががった暖色系の白色まで様々な色合いの白色が実現できたり、同じ色度においてもより演色性が高い白色ＬＥＤを実現することも可能である。

また、上記実施の形態では、波長変換部材６の波長変換領域を２種の場合を示しているが、これに限るものではなく、２種以上例えば図６に示すように、第３の波長変換領域６ｃや第４の波長変換領域６ｄなどを並列に水平方向に配列して青色ＬＥＤ素子３および赤色ＬＥＤ素子４の上方でスライド移動させるようにしても良く、第３および第４の波長変換領域のように蛍光体の配合比率や蛍光体の量などを変えて使用目的に合わせた多くの種類の波長変換領域を設けることで、様々なシーンに合わせたＬＥＤパッケージの発光装置を提供することができる。

実施の形態２．
上記実施の形態１では、励起光である青色ＬＥＤ素子３と赤色ＬＥＤ素子４の数や配置については特に言及していないが、ＬＥＤパッケージ１の青色ＬＥＤ素子３と赤色ＬＥＤ素子４は、図７に示すように、市販の表面実装型ＬＥＤ（図７（ａ）参照、青色表面実装ＬＥＤ３ａ、赤色表面実装ＬＥＤ４ａ）や砲弾型パッケージＬＥＤ（図７（ｂ）参照、青色砲弾型ＬＥＤ３ｂ、赤色砲弾型ＬＥＤ４ｂ）を使用しても良く、青色ＬＥＤ素子３と赤色ＬＥＤ素子４を、複数（例えば２つずつ）セットで並べたり、パッケージの形も正方形に限らず、長方形でもライン状でもよい。さらに、青色ＬＥＤ素子３と赤色ＬＥＤ素子４とを複数設ける場合には、数が均等の場合は、図８（ａ）に示すように、青色ＬＥＤ素子３と赤色ＬＥＤ素子４とを千鳥格子状に配置することで混色性を高めることができる。混色性を高めることにより、演色性が増すようになる。また、青色ＬＥＤ３と赤色ＬＥＤ４とを複数設ける場合の混色性を高めるためには、千鳥格子状の配置に限ることはなく、数にばらつきがあっても大きさによって青色ＬＥＤ素子３と赤色ＬＥＤ素子４との混色性を維持するようにしても良い（図８（ｂ）参照）。

実施の形態３．
図９はこの発明を実施するための実施の形態３における発光装置であり、（ａ）発光装置の模式的斜視図（ｂ）図９（ａ）のＤ−Ｄ断面図である。図において、上記実施の形態１〜３と同様の部分には同一符号を付し、その説明は省略する。
上記実施の形態１では、波長変換部材６の可動方式として、第１の波長変換領域６ａと第２の波長変換領域６ｂとが同一平面上に並んでスライドする方式としたが、複数種の波長変換領域を連続的にスライドする方式として、第１の波長変換領域６ａと第２の波長変換領域６ｂとを帯状に配列して輪状に形成し、２つの回転軸９を回転手段としてＬＥＤ素子実装部２の開口部２ａ上を移動させる構造としても良い。

これは、例えば、ダウンライトなどは、天井内に埋め込んで取り付けるため天井内に設置するための空間が必要であり、埋め込む幅が浅い方が良い。したがって、発光装置の縦方向（奥行き方向）の寸法を極力短く（浅く）するために、図９（ｂ）に示すように、ＬＥＤパッケージ１を輪状の波長変換部材６で囲うような構造とすることで、発光装置を大型化することなく、薄型のダウンライトを実現することができる。
このような構造にすることで、場所を取ることなく波長変換部材６をスライドさせることができ、装置自体を大型化せずに光の相関色温度（色温度）を適宜変更することができ、様々な色合いをもつダウンライトを得ることができる。

実施の形態４．
図１０は、この発明を実施するための実施の形態４における発光装置の要部拡大斜視図である。図において、上記実施の形態１〜３と同様の部分には同一符号を付し、その説明は省略する。
波長変換部材６は、第１の波長変換領域６ａと第２の波長変換領域６ｂとを同一面上で円周の方向に配列し、波長変換部材６を平面の板状の円板形状に形成される。そして、円板状に形成された波長変換部材６は、回転駆動により、円周軌道に沿って第一の波長変換領域６ａと第二の波長変換領域６ｂとの入れ替わりが可能となる。このような構成にすれば、例えば、つまみの回転動作方向と波長変換部材６の回転駆動方向を連動させれば、手動にて容易に発光装置１の波長変換領域を可動させることができる。

なお、上記実施の形態４では波長変換領域が２種であるが、波長変換領域を２種以上設ける場合には、少なくとも異なる波長変換領域が対向するように配置して波長変換部材６を形成するようにすれば、同様の効果を得ることができる。

実施の形態５．
また、図１１に示すように、照度センサー１１を設けることで、発光装置１の設置場所の明るさに合わせて、自動的に光色を可変させることができる。
照度センサー１１により周囲の照度を検知し、その検知結果により制御部８によって可動部７により波長変換部材６を可動させて、「昼光色」や「電球色」にわたる様々な色合いをもたせることができる。
また、日時や時刻をカウントするタイマーを設けて、季節や時刻に合わせて自動的に光色（相関色温度）を可変させルようにしても良い。また、ユーザーにより発光時間等を設定することにより、設定時刻になると自動的に光色を可変させることもできる。また、制御部８への命令は、例えばスイッチやボタンの操作部でユーザーが操作する構成としても良い。

なお、ＬＥＤ素子は調光可能なため、ある一定の光色で照度を変えることもできる。

また、複数種の波長変換領域を有するシート状の波長変換部材の可動を自動で行うようにできるので、一般の演出照明器具や装飾照明などへの活用も容易に行うことができる。

１ＬＥＤパッケージ、２ＬＥＤ素子実装部、２ａ開口部、３青色ＬＥＤ素子、４赤色ＬＥＤ素子、５封止樹脂、６波長変換部材、６ａ第１の波長変換領域、６ｂ第２の波長変換領域、７可動部、８制御部、９回転軸、３ａ青色表面実装ＬＥＤ、４ａ赤色表面実装型ＬＥＤ、３ｂ青色砲弾型ＬＥＤ、４ｂ赤色砲弾型ＬＥＤ。

Claims

それぞれ調光可能な短波長光ＬＥＤと長波長光ＬＥＤとを発光要素とし、
前記短波長光ＬＥＤの光を励起光として、その短波長光ＬＥＤが放射する光と異なる分光強度分布の光に変換する少なくとも２種類以上の異なる波長変換材料をシート状に形成した波長変換部材を前記各ＬＥＤ素子実装部であるキャビティ上に配置し、
前記シート状の波長変換部材は、幅広の輪状に形成し、複数種の波長変換領域を並列に並べて、前記キャビティ上を水平方向に可動させるものであり、
前記複数種の波長変換領域のいずれか１つがキャビティ上に配置されるよう、前記輪状の波長変換部材を回転させる回転駆動を備えたことを特徴とする発光装置。
前記波長変換部材は、昼光色、昼白色、白色、温白色、電球色のうち少なくとも２種類の光を実現する波長変換領域を有するように形成したことを特徴とする請求項１に記載の発光装置。
前記波長変換部材の波長変換領域は、１種類または２種類の異なる波長変換材料により形成されることを特徴とする請求項１または２いずれかに記載の発光装置。
前記発光装置の周囲の照度を検知する照度センサーを備え、前記照度センサーの検知照度量に応じて、前記波長変換部材の可動または回転による調色を自動で行う制御手段を設けたことを特徴とする請求項１〜３いずれかに記載の発光装置。
日時や時刻をカウントするタイマーを設け、季節や時刻に合わせて、前記波長変換部材の可動または回転による調色を自動で行う制御手段を設けたことを特徴とする請求項１〜４いずれかに記載の発光装置。
前記発光要素はＬＥＤチップであることを特徴とする請求項１〜５いずれかに記載の発光装置。
前記発光要素は表面実装型ＬＥＤまたは砲弾型ＬＥＤであることを特徴とする請求項１〜６いずれかに記載の発光装置。