JP5106761B2

JP5106761B2 - 高演色性発光ダイオードランプユニット

Info

Publication number: JP5106761B2
Application number: JP2005205543A
Authority: JP
Inventors: 直樹木村; 正和大橋
Original assignee: Fujikura Ltd
Current assignee: Fujikura Ltd
Priority date: 2005-07-14
Filing date: 2005-07-14
Publication date: 2012-12-26
Anticipated expiration: 2025-07-14
Also published as: JP2007027310A

Description

本発明は、高演色性発光ダイオードランプユニット、さらに詳しくは、発光中心波長にばらつきを有する発光ダイオード素子を用いた発光ダイオードランプを複数集合させた高演色性発光ダイオードランプユニットに関する。

本明細書において「高演色性」とは、物の色を自然光で見た状態により近似した色で見ることができる性能を意味する。

従来、青色等の短波長で発光する発光ダイオード（以下、発光ダイオードをＬＥＤと記載する場合がある。）素子及びＬＥＤの発光の一部又は全部を吸収することにより励起され、より長波長の黄色等の蛍光を発する蛍光体を使用した白色ＬＥＤが知られている。例えば、青色ＬＥＤ素子及び青色の光を吸収し、青色の補色である黄色の蛍光を発するセリウムで付活されたイットリウム・アルミニウム・ガーネット系蛍光体からなる白色ＬＥＤが開示されている（特許文献１を参照。）。

しかしながら、従来、混色により得られるスペクトルは、赤色領域の光成分が少なく、かつＬＥＤの発光波長帯域が狭いので、ＬＥＤの発光波長帯域と蛍光体からの発光波長帯域との間に光強度が低い波長帯域が存在するため、演色性に劣る欠点があった。

この欠点を解消するために青色ＬＥＤと青色光を吸収して黄色光を発光する蛍光体に、更に赤色ＬＥＤ素子及び緑色ＬＥＤ素子からなる白色ＬＥＤ発光装置が開示されている（特許文献２を参照。）。また、赤色、緑色、青色の各色を発光する３種類のＬＥＤ素子により白色光を得る方式と青色ＬＥＤ素子と青色光を吸収して黄色光を発光する蛍光体により白色光を得る方式等の複数の方式による白色ＬＥＤとを組合わせた装置が開示されている（特許文献３を参照。）。

一方、複数の種類のＬＥＤ素子を使用せず、赤色領域の光成分を増加させる方式として、化合物半導体青色ＬＥＤ素子、並びに青色光を吸収して黄色の蛍光を発するセリウムで付活されたイットリウム・アルミニウム・ガーネット系蛍光体及び化合物半導体青色ＬＥＤ素子からの青色光を吸収して赤色光を発光する蛍光体を混在させたＬＥＤも開示されている（特許文献４を参照。）。
特許第２９２７２７９号公報特開２００５−５４８２号公報実用新案登録第３１０２８９４号公報特開２００３−１０１０８１号公報

しかしながら、特許文献１の技術には前記のとおりの欠点があり、特許文献２及び特許文献３の技術には、複数の種類のＬＥＤ素子を使用するために、各種ＬＥＤ素子の駆動電圧に適合するように複数の種類の電圧を付加する必要があり、電子回路が複雑になる欠点があった。

また、特許文献４の技術には、ＬＥＤの発光波長帯域が狭いので、存在するＬＥＤの発光波長帯域と蛍光体からの蛍光波長帯域との間の光強度が低い波長帯域を補うことができないため、演色性が不十分であるという欠点があった。

本発明の目的は、高演色性を有し、電子回路の複雑さのないＬＥＤランプユニットを提供することである。

ＬＥＤ素子は、同一種類においても、同一の作動電圧で発生する発光中心波長がある範囲にわたって存在する。このため、複数のＬＥＤ素子を使用する場合、各白色ＬＥＤの特性をそろえるために、可能な限り同じ発光中心波長を持つＬＥＤ素子を選別するか、あるいは素子メーカーが波長毎にクラス分けした素子を使用している。
一方、ＬＥＤ発光波長帯域と蛍光波長帯域との間の帯域の格差を低減するための方法として、ＬＥＤ素子の中心波長をより長波長にする方法も考えられるが、得られる白色ＬＥＤの色度あるいは蛍光体の励起効率等の観点から、発光中心波長を変えるのは困難である。
本発明者らは、前記従来技術に鑑みて鋭意研究を行った結果、複数個のＬＥＤ素子を使用した場合、同一種類のＬＥＤ素子のみを使用した場合であっても、発光中心波長の異なる同種の素子を使用することにより、発光波長帯域を広くし、ユニット全体としての発光中心波長を保ったまま、ＬＥＤ素子の発光波長帯域と蛍光体からの蛍光波長帯域との間の波長帯域の格差を低減して高演色性が得られることを見出し、本発明を完成した。

前記課題を解決する本発明は、青色発光ダイオード素子から発せられる励起光と、該励起光を吸収した蛍光体が発する光との混色合によって、白色発光が可能な発光ダイオードランプを、複数集合させた高演色性発光ダイオードランプユニットであって、各発光ダイオード素子の励起光の発光中心波長にばらつきを設け、各青色発光ダイオード素子の励起光の中心光波長の最大値と最小値の差が、２０ｎｍ以上であることを特徴とする高演色性発光ダイオードランプユニットである。また、蛍光体が、青色発光ダイオード素子からの励起光を吸収して黄色光を放出する蛍光体、青色発光ダイオード素子からの励起光を吸収して赤色光を放出する蛍光体、又は青色発光ダイオード素子からの励起光を吸収して緑色光を放出する蛍光体であることが好ましい。また、青色発光ダイオード素子が、窒化物系化合物半導体であることが好ましい。

本発明の高演色性発光ダイオードランプユニットは、発光中心波長が異なる同種のＬＥＤ素子を意図的に使用することにより、ユニット全体として所望の発光中心波長を保ったまま発光波長帯域が拡大され、その結果蛍光波長帯域も拡大されて、ＬＥＤ素子の発光波長帯域と蛍光体からの蛍光波長帯域との間の波長帯域の格差が低減され、高演色性の白色を発光することができる。

次に、本発明について詳細に記載する。本発明に使用するＬＥＤ素子は市販品である。多くの光量を必要とする照明装置等に使用する場合には、複数の同一ＬＥＤ素子を使用するが、ＬＥＤ素子の種類が同一で、かつ同一の動作電圧で発光させた場合であっても発光中心波長にばらつきがある。例えば、Ｃｒｅｅ社製ＭｅｇａＢｒｉｇｈｔの場合、４５５．０ｎｍから４７５．０ｎｍの２０ｎｍにわたる発光中心波長をもったＩｎＧａＮ系青色ＬＥＤ素子が、波長毎にクラス分けされて、ラインナップされている。本発明においては、発光中心波長にばらつきを有する青色ＬＥＤ素子、好ましくは発光中心波長に１ｎｍ以上、より好ましくは３ｎｍ以上、特に好ましくは５ｎｍ以上、さらに特に好ましくは１０ｎｍ以上、最も好ましくは２０ｎｍ以上のばらつきを有する青色ＬＥＤ素子を複数個使用する。

本発明のＬＥＤランプユニットは、発光中心波長が異なる同種の複数の青色ＬＥＤ素子からの励起光と該励起光を吸収した蛍光体が発する光との混色により、高演色性を有する白色発光を可能にするものである。また、本発明において使用する蛍光体としては、青色ＬＥＤ素子からの励起光を吸収して黄色光を放出する蛍光体、青色ＬＥＤ素子からの励起光を吸収して赤色光を放出する蛍光体、又は青色ＬＥＤ素子からの励起光を吸収して緑色光を放出する蛍光体が望ましい。また、青色ＬＥＤ素子としては窒化物系半導体、例えば、ＩｎＧａＮ、ＡｌＧａＮ、ＡｌＧａＩｎＮｂＮ等を使用するのが望ましい。黄色光を放出する蛍光体としては、例えばＹＡＧ系、リン酸塩系、ケイ酸塩系、アルミン酸塩系、テレビウム系、ストロンチウム系蛍光体等が挙げられる。赤色光を放出する蛍光体としては、例えばＥｕが固溶したＣａＡｌＳｉＮ_３、Ｙ_２Ｏ_３：Ｅｕ^３＋等が挙げられる。緑色光を放出する蛍光体としては、例えばＺｎＳｉＯ_４、Ｅｕを含むβ−サイアロン結晶体等が挙げられる。

本発明においては、後記する試験例から明らかなとおり、発光中心波長が異なる同種のＬＥＤ素子を意図的に使用することにより発光波長帯域が拡大され、その結果蛍光波長帯域も拡大されて、ＬＥＤ素子の発光波長帯域と蛍光体からの蛍光波長帯域との間の波長帯域の格差が低減され、高演色性の白色ＬＥＤランプユニットが得られる。

具体例を示して記載すれば、次のとおりである。図１は、本発明の高演色性チップ型白色ＬＥＤランプの模式的断面図の一例である。可視光線反射率の高い白色の基板（１０１）に２本のリードワイヤ（１０２、１０３）が固定されており、これらのリードワイヤの一端は基板のほぼ中央に位置し、他端はそれぞれ外部の電気基板に実装時に半田付けされる電極となっている。

リードワイヤの１本は、その一端に基板中央部となるように半導体青色ＬＥＤ素子（１０４）が固定されている。青色ＬＥＤ素子の下部電極（１０７）とその下方のリードワイヤ（１０３）とは、導電性ペーストにより電気的に接続され、上部電極（１０６）ともう１本のリードワイヤ（１０２）とは金細線（１０５）により電気的に接続されている。
基板（１０１）上には中央部に穴の開いた形状の壁面部材（１０８）が固定されている。壁面部材（１０８）の中央部には、青色ＬＥＤ素子（１０４）が装着されるための穴が設けられており、中央に面した部分は斜面となっている。この斜面は、光を前方に取り出すための反射面であり、その斜面の曲面形状は光の反射方向を考慮して決定される。

また、反射面は、少なくとも白色又は金属光沢を有する可視光線反射率の高い部材となっている。図１の例では、壁面部材の中央部の穴は、基板に固定された段階では凹型であるが、ここには青色ＬＥＤ素子（１０４）を封止するため、壁面部材（１０８）には蛍光体を分散した透明な樹脂（１０９）を充填している。図１においては、透明な樹脂（１０９）の上面は平坦な形状のものを例示したが、上方に凸型の形状であってもよい。

図１に例示したチップ型ＬＥＤランプを図２に例示するように同心円状に配列し、白色ＬＥＤランブユニットを製造することができる。このように構成することにより、発光中心波長が異なる同種のＬＥＤ素子を意図的に使用してＬＥＤ素子の発光波長帯域を広くし、ＬＥＤ素子の発光波長帯域と蛍光体からの蛍光波長帯域との間の波長帯域の落ち込みを低減し、高演色性を有する白色ＬＥＤが得られるのである。尚、このチップ型ＬＥＤランプは、所望の光量により数個、数十個、数百個等、適宜の個数で使用することができる。また、この例ではチップ型ＬＥＤランプを同心円状に実装したが、使用目的により正方形、長方形、台形等種々の形状に実装することもできる。

また、本発明の高演色性発光ダイオードランプユニットは、図３に示す砲弾型ＬＥＤランプを用いることもできる。砲弾型白色ＬＥＤランプには２本のリードワイヤ（３０２、３０３）があり、そのうちの１本（３０２）は図示したように凹部があり、青色ＬＥＤ素子（３０４）が載置されている。青色ＬＥＤ素子の下部電極（３０７）と、リードワイヤ（３０２）の底面とは導電性ペーストにより電気的に接続され、青色ＬＥＤ素子の上部電極（３０６）と他のリードワイヤ（３０３）とは金細線（３０５）により電気的に接続されている。また、蛍光体を分散した透明な第１樹脂（３０８）は、青色ＬＥＤ素子の全体を被覆している。

凹部を含むリードワイヤ（３０２）の先端部、青色ＬＥＤ素子（３０４）及び蛍光体を分散した第１の透明樹脂（３０８）は、透明な第２の樹脂（３１０）により封止されている。この透明な第２樹脂（３１０）は、全体がほぼ円柱状であり、その先端部がレンズ形状の曲面となっている。

以上のように構成された砲弾型白色ＬＥＤランプを配置した高演色性発光ダイオードランプユニットは、チップ型ＬＥＤランプを配置した場合と同様に、ＬＥＤ素子の発光波長帯域と蛍光体からの蛍光波長帯域との間の波長帯域の落ち込みを低減させることができる。

次に実施例を示して本発明をさらに詳細に説明するが、本発明は以下の実施例に限定されるものではない。

（実施例１〜４）
チップ型白色ＬＥＤランプを同心円上に２５個実装して、図２に示すような高演色性発光ダイオードランプユニットを作製した。各チップ型白色ＬＥＤランプには、４５５．０〜４７４．９ｎｍの２０ｎｍにわたる様々な発光中心波長を有する青色ＬＥＤ素子を用いた（実施例１）。実施例２は、実施例１において、４６２．５〜４６７．５ｎｍの５ｎｍにわたる様々な発光中心波長を有する青色ＬＥＤ素子を用いた以外は実施例１と同様にして高演色性発光ダイオードランプユニットを作製した。実施例３は、実施例１において、４６３．５〜４６６．５ｎｍの３ｎｍにわたる様々な発光中心波長を有する青色ＬＥＤ素子を用いた以外は実施例１と同様にして高演色性発光ダイオードランプユニットを作製した。実施例４は、実施例１において、４６４．５〜４６５．５ｎｍの１ｎｍにわたる様々な発光中心波長を有する青色ＬＥＤ素子を用いた以外は実施例１と同様にして高演色性発光ダイオードランプユニットを作製した。

（比較例1）
実施例1において、発光中心波長が４６５．０ｎｍのものを２５個選択して用いた以外は、実施例1と同様にして高演色性発光ダイオードランプユニットを作製した。

（試験例１）
上記で得られた各高演色性発光ダイオードランプユニットについて、積分球にＬＥＤをセットして発光スペクトルを測定し、そのスペクトルから平均演色評価数、色度座標を測定した。結果を表１に示す。

平均演色評価数は、本発明の白色ＬＥＤランプユニットのように発光中心波長の最大値と最小値の差が５ｎｍ以上の場合に、特に大きく増加することが認められた。更に、本発明の白色ＬＥＤランプユニットの色度座標は、殆ど変化しておらず、色度への影響は殆どないことが認められた。
尚、砲弾型ＬＥＤランプを用いた場合についても、同様の試験を行ったが、同様の結果が得られた。従って、本発明の高演色性発光ダイオードランプユニットは、従来技術よりも格段に優れた性能を有していることが判明した。

以上詳細に記載した本発明の高演色性発光ダイオードランプユニットは、白色の照明を用いるあらゆる産業分野において有用である。

本発明に用いる高演色性チップ型白色ＬＥＤランプの一例を示す模式図である。本発明の高演色性白色ＬＥＤランプユニットの外観図である。本発明に用いる高演色性砲弾型白色ＬＥＤランプの一例を示す模式図である。

符号の説明

１０１基板１０２、１０３、３０２、３０３リードワイヤ１０４、３０４青色ＬＥＤ素子１０５、３０５金細線１０６、３０６青色ＬＥＤ素子の上部電極１０７、３０７青色ＬＥＤ素子の下部電極１０８、３０８壁面部材１０９、３０９透明な第１樹脂３１０透明な第２樹脂２２０チップ型白色ＬＥＤランプ

Claims

青色発光ダイオード素子から発せられる励起光と、該励起光を吸収した蛍光体が発する光との混色によって、白色発光が可能な発光ダイオードランプを、複数集合させた高演色性発光ダイオードランプユニットであって、各青色発光ダイオード素子の励起光の発光中心波長にばらつきを設け、各青色発光ダイオード素子の励起光の発光中心波長の最大値と最小値の差が、２０ｎｍ以上であることを特徴とする高演色性発光ダイオードランプユニット。
蛍光体が、青色発光ダイオード素子からの励起光を吸収して黄色光を放出する蛍光体、青色発光ダイオード素子からの励起光を吸収して赤色光を放出する蛍光体、又は青色発光ダイオード素子からの励起光を吸収して緑色光を放出する蛍光体である請求項１に記載の高演色性発光ダイオードランプユニット。
青色発光ダイオード素子が、窒化物系化合物半導体である請求項１又は２に記載の高演色性発光ダイオードランプユニット。