JP5264836B2 - 発光ユニット及び発光装置 - Google Patents
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基板に配置され、所定の発光色を有する少なくとも一つの第一光源と、
前記基板に前記第一光源に隣接して配置されると共に前記第一光源と異なる発光色を有する第二光源であって、前記基板表面に対する垂直方向よりも前記基板表面に対する平行方向に近い方向に光放射量の大きい偏角配光特性を有する第二光源と、
前記基板において前記第一光源と第二光源とが配置された領域を示す光源配置領域の周囲の少なくとも一部から起立する反射面を有する起立反射部と
を備えたことを特徴とする。
図1〜図7を参照して、実施の形態1を説明する。実施の形態1は、サイドエミット特性のLEDを用いた発光装置に関する。サイドエミットLEDを用いることで混色性を向上する。以下では、LEDを光源とする発光ユニットと、この発光ユニットを使用する装置(例えば照明装置)とを説明する。発光ユニットを使用する装置を「使用装置」という場合がある。
図1は、実施の形態1の発光ユニット110の構成図である。図1の(a)は、発光ユニット110の上面図である。図1の(b)は、(a)のA−A断面である。発光ユニット110は、LED実装基板3(単に基板3ともいう場合もある)と、その上に実装された第一LED(1)と、LED実装基板3の上に設けられた第二LED取付台4の上部に配置された第二LED(2)と、第一LED(1)の外側に、第一LED(1)を囲むように配置された反射板5とを備えている。第二LED(2)は、第二LED取付台4を介して基板3に配置されている。第一LED(1)(第1光源)と第二LED(2)(第2光源)とは発光色が異なる。なお、「基板3に配置される」とは、LEDが直接に基板3に配置される場合と、第二LED取付台4を介して基板3に取り付けられる場合の両方を含む。また、図1の(a)、(b)では、基板3上の電気配線等は省略している。
ここで第二LED(2)は、「サイドエミット」と呼ばれる側方への相対的光放射量の大きいLEDである。第二LED(2)の特徴は、配光特性(サイドエミット特性)にある。第二LED(2)は、光を発するチップと、チップの発した光を透過及び反射させて前記偏角配光特性を生じさせるレンズとを備えている。図1の(a),(b)のように、第二LED(2)は、基板3に第一LED(1)に隣接して配置される。第一LED(1)は、基板3の表面に対する垂直方向(X方向)よりも基板3の表面に対する平行方向(Y方向)に近い方向に光放射量の大きい偏角配光特性(サイドエミット特性)を有する。
図2の(a),(b),(c)は、サイドエミット特性を有する既存LED製品の配光特性(角度光放射分布特性特性)を示す。
(a)は、サンケン電気製(SELT1WA13CM)LEDの配光特性を示す。(a)では、LEDの放射中心を0度方向(LEDの真上方向)として、それより側方の放射角度でどれくらいの割合の光が放射されているかを示している。
(b)は、Philips Lumiled社製(Luxeon Emitter)のLEDの特性を示している。(b)では横軸の放射角度に対して、縦軸に相対強度がとられている。
(c)は、オスラム製(LW W5KM)のLED特性を示す。この(c)では、(a)及び(b)の両形式のグラフで配光特性が示されている。
(b)及び(c)も、(a)と同様に、側方放射比率が非常に大きい。
発光ユニット110を照明器具などの目的で使用するような場合には、使用装置の前面側へ放射する、ある一定の光量が必要である。サイドエミット特性の第二LED(2)は、光制御機能(サイドエミット特性)を有する一方で、発光効率損実を招く傾向にある。そのため、発光ユニット110の発光効率を重視したい際には、構成上(構造上)から数量を多くできる第一LED(1)は、第二LED仕様(サイドエミット特性)のものではなく、発光効率低下の少ない拡散面発光型LEDや、それより照射角度を狭めたような砲弾型LEDを用いることが好ましい。
配光特性の異なる2種類のLEDである第一LED(1)と第二LED(2)とを隣接配置させた場合、第一LED(1)を拡散配光特性とした場合には、第一LED(1)の光はあらゆる方向に広がる。しかし第二LED(2)の光は、側方放射特性により、第一LED(1)側に向けて照射される。そのため、とくに第一LED(1)表面付近で、第一LED(1)の光色と第二LEDの光色とが混色されやすくなる。
図3は、第二LED(2)を用いることで混色されやすくなることを模式的に示した図である。図3の(a)は、すべてを非サイドエミット特性のLEDとした場合の配光特性を示し、図3の(b)は、図1の(b)の場合の配光特性を示している。図3の(b)は、すべてを非サイドエミット特性のLEDとした場合の(a)に比べ、サイドエミット特性の第二LED(2)を使用することで、第二LED(2)と第一LED(1)との放射範囲の重なる領域が増加するため、混色性が向上する。
さらに第一LED(1)、第二LED(2)から放射された各々の光は、図3の(b)(及び図1の(b))に示すように、それらを囲む高反射性の反射板5内で、主に発光ユニット110の前面方向(図1に示す矢印Xの方向)に反射されるのであるが、図1の(b)において範囲51として示す発光ユニット110の空間内では、第二LED(2)と第一LED(1)との2つのLEDの相当量の発光光が交差する。そして反射板5によって反射された発光光が発光ユニット110の前面方向(図1(b)のX方向)に照射されることとなる。このため、結果として、第一LED(1)及び第二LED(2)の放射した2色の混色性を高めることができる。ここでは、第一LED(1)は第二LED(2)のような発光効率低減へ影響する偏角レンズ(サイドエミット特性を出すためのレンズ)を備えていないことを想定している。すなわち、ここでは第一LED(1)はサイドエミット特性でないことを想定している(なお、第一LED(1)もサイドエミット特性の場合は、図4で後述する)。このため、結果的に混色性、発光効率がともに良好な発光ユニット、あるいは発光装置(使用装置)を得ることができる。
反射板5(起立反射部)は、図1に示すように、基板3において第一LED(1)と第二LED(2)とが配置された光源配置領域55の周囲の少なくとも一部から起立する反射面5−1を有する。以下の説明では反射面5−1を単に「反射板5」という。反射板5は鏡面性でもよいし拡散性でもよい。反射板5の反射特性及び形状は、使用用途に合わせて選定すればよい。また反射板5は、構成上必ずしもユニット側に備える必要はない。発光ユニット110を図1の反射板5を除く部分に限定して、発光ユニット110を組み込む使用装置側に反射板5を備えるような構成としてもかまわない。なおこの場合は、使用装置側の反射板も含めて、第一LED(1)、第二LED(2)で広い意味での発光ユニットとみることができる。
図1では反射板形状をその底面(実線)がおよそ4つの半円をつなげたような形をしている。すなわち、第1LED間での反射領域を広げているため、各第1LED上部での第2LED光との混色性を高め、さらに、ユニットの利用効率も高めることができる。
図1の構成では、第二LED(2)を第二LED取付台4の上面に配置することで第二LED(2)の発光面を、第一LED(1)を発光面よりも高い位置とした。このように、第二LED取付台4を用いることで、第二LED(2)の側方発光領域が、第一LED(1)の発光面位置に対して上側になるように構成している。このような構成により、図1に示すように、第二LED(2)の放射光のうち第一LED(1)の側面(パッケージ筐体部)に直接照射され、直接混色に寄与しない光成分(発光効率ロスの要因)を抑えることができる。図1の(b)では第二LED取付台4を使用する場合を示したが、上記の理由により、第二LED取付台4の有無によらず、第二LED(2)の発光領域が相対的に第一LED(1)の発光面位置より高い位置にあることが望ましいが、同じ位置でも構わない。
図4は、発光ユニット110において、第一LED(1)もサイドエミット特性LEDとした構成を示す図である。図4は図1に対応する。すなわち、図4の(a)、(b)は、図1の(a)、(b)に対応する。図4に示したように、第一LED(1)を第二LED(2)と同様にサイドエミットLEDとしてもよい。その場合には、第一LED(1)、第二LED(2)とも、側方放射成分が強いことになる。このような場合には、第一LED(1)がサイドエミットレンズを備えている分、レンズ損失により発光効率がやや低減するが、図1よりもさらに重複する領域が増すため、周囲のリフレクタ(反射板5)の反射機能と合わせ、さらに混色性を高めることが可能となる。
ここで第一LED(1)と第二LED(2)との光色について説明する。例えば実装面積比率(あるいは投入電力または使用個数)の大きい第一LED(1)は、JIS(Japanese Industrial Standards )規格(所定の規格の一例)の白色範囲内にあるLEDを用いて構成する。これにより、第二LED(2)との混色を行わない場合(第二LED(2)が消灯状態の場合)にも、白色照明装置として使用することが可能である。
発光ユニット110においては、第一LED(1)の発光色と第二LED(2)の発光色との合成色を作りだすことができる。第一LED(1)、第二LED(2)とも光色をJIS(所定の規格の一例)の照明色範囲とする。そして、さらに、第一LED(1)よりも第二LED(2)の方を低色温度の色光にする。
すなわち、
「第一LED(1)の色温度>第二LED(2)の色温度」
とする。このような構成にすれば、例えば第一LED(1)の光色による照明を標準として、それよりも赤みのある第二LED(2)の光を連続的に調光して加えることができる。混色光の色度としては、第二LED(2)の調光量増加に応じてxy色度座標上でそれら2種類のLEDの色度点を結ぶ直線上で、低色温度側にシフトする形で相関色温度を可変させることが可能である。例えば第一LED(1)を昼光色、第二LED(2)を電球色とした場合は、その間の昼光色、白色、温白色、あるいはその領域と同じ相関色温度の発光色を作り出すことができる。また、色合いによっては、その演色性も改善することが可能である。この際、制御する色度幅、あるいは色温度幅に応じて、2種LED(第一LED、第二LED)の入力電力仕様などの設定を行えばよい。したがって2種LEDの入力電力仕様は同じものでなくてもかまわない。
図5は、図1の発光ユニット110と同様の構成を持つ発光ユニット120を示す図である。図1の発光ユニット110は円形ユニットの構成であるのに対し、図5の発光ユニット120は長方形ユニットの構成である。このような長方形の構成の場合にも、第二LED(2)はLED取付台4の上部に配置される構成としている。また発光ユニット120では、4辺に反射板5を設ける形としているが、これは一例である。目的に応じて対向する2辺に設ける構成としても構わないし、4辺の一部に設けても構わない。なお、LED取付台4はあった方が好ましいがなくても構わない。
図6は、図1の発光ユニット110を用いた発光装置1010(使用装置)である。
図7は、図5の発光ユニット120を用いた発光装置1020(使用装置)である。
図6、図7の(a)、(b)とも、上側が装置上面図、下側は装置上面図におけるD−D断面図、E−E断面図である。図6、図7の例では複数の発光ユニットを用いているが、一つの発光ユニットのみを用いてもよい。この場合は装置構成によっては発光ユニット自体を発光装置して取り扱うこともできる。なお発光ユニットで用いるLEDの数や入力電力にはとくに制限を与えるものではない。
図6に示す発光装置1010では、円形装置筐体8に4つの発光ユニット110が組み込みこまれている。また、円形装置筐体8の背面には放熱用のフィン9が配置されている。また、装置発光面側には、それぞれの発光ユニット110の照射位置に対応して配光制御レンズ10が外付けされている。発光装置(使用装置)を図6のような構成にすることで、LEDの放熱性を高めて安定した光出力を得ながら、目的に応じた配光制御レンズ10(凹面、凸面、フレネルレンズなど)を用いることにより、照明光の照射方向の制御を行うことができる。
図8を参照して実施の形態2を説明する。実施の形態2は、LED間反射板13を備えた発光ユニット210を説明する。図8は、実施の形態2の発光ユニット210の構成を示す図である。発光ユニット210は、実施の形態1の発光ユニット110と同様の円形ユニットの他の構成例である。発光ユニット210は、発光ユニット110から第二LED取付台4をなくし、代わりに「LED間反射板13」を設けた。図8の(a)は、発光ユニット210の上面図であり、図8の(b)は(a)のF−F断面図である。図8の発光ユニット210は、第一LED(1)、第二LED(2)とも共通のLED実装基板3上に実装している。すなわち、発光ユニット110に対して発光ユニット210は、第2LED取付台4を持たない。さらに2種LED配置位置の間には、第二LED(2)の底面側から第一LED(1)の発光面側に向けて傾斜面を有するような表面反射率の高い「LED間反射板13」を設けている。
図9を参照して実施の形態3を説明する。実施の形態3は、第二LED(2)のレンズ上部の光学的な処理によってサイドエミット特性を高める場合を説明する。
図9は、その構成例を示す図である。
図9の(a)は、高反射材16を備えた第二LED(2)の断面図である。この図9の(a)は、第二LED光源部14の上部に、高反射材16を備えたレンズ部15が配置された状態を示している。第二LED(2)のレンズ頂点部52の近傍のレンズ側表面に、高反射性の高反射材料16を配置した例である。「矢印53と×印」は、光が透過できないことを示している。このような構成とすることで、第二LED(2)の光が直接直上に放射されることはなく、全て第二LED(2)側方から放射されるようになる。このため、第二LED(2)から放射される光は、第一LED(1)の光線とより交差しやすくなるため、混色性を高めることができる。よって外部から光源側を見込んだ際に、色むらが認識されにくくなる。
また、図9の(b)は、レンズ部15の上部表面に、直接、高反射材料17を印刷や蒸着により付加した構成を示す。
図9の(b)は、第二LED光源部14の上部に、高反射材17を備えたレンズ部15が配置された状態を示している。高反射材料17は、レンズから空気側へ抜けようとする光を鏡面反射させる機能を有する。高反射材料16、17は拡散性のものでもよいし鏡面性のものでもよい。拡散性、鏡面性の何れもLED前面への光放射を防ぐ効果を有するが、鏡面性の方が正反射に従い光線を制御できるため、拡散性のものに比較してレンズ内の光拡散を抑えることができる。
図10、図11を参照して実施の形態4を説明する。実施の形態4は、サイドエミット特性の第二LED(2)を、サイドエミット特性ではない通常の(市販の)LEDと、レンズとを用いて、所望のサイドエミット特性の第二LED(2)を構成する実施形態である。すなわち、下記のLED19は基板表面に対する平行方向よりも基板表面に対する垂直方向に近い方向に光放射量の大きい非偏角(非サイドエミット)配光特性である。また、下記の外付けレンズ18は、LED19に外付けされ、LED19から放射された光を透過させて偏角配光特性を生じさせる。
図10は、LED基板3に汎用の面実装拡散タイプのLED19を実装し、さらに光線制御効果を有する外付けレンズ18を配置したLED構成の断面図である。外付けレンズ18は、例えば表面に円錐凹部18−1を有するもので、その凹部条件により、側方照射量が制御されるものを適用する。
図11は、一般的な面実装拡散発光タイプのLED19の断面図である。図11を参照して一般的な面実装拡散発光タイプのLED19の構成を簡単に説明する。図11に示すように、一般的な面実装拡散発光タイプのLED19では、LEDパッケージ基板20にLEDチップ21を実装し、それを蛍光体の含まれるおよそ平坦な封止樹脂22あるいはドーム形の封止樹脂で封止したようなものが主流である。
図12を参照して、実施の形態5を説明する。実施の形態5は、実施の形態1〜4で述べた発光ユニットの点灯状態を制御する発光制御装置1050に関する。実施の形態1〜4で述べた発光ユニットを使用した使用装置では、2種のLEDである第一LED(1)と第二LED(2)との光強度を調節して光色を変えることができる。その場合、図12のような制御系を構成することで自動制御を行うことが可能である。発光制御装置1050は、発光ユニット110(あるいは発光ユニット120、210)、制御部101、色温度設定部102、状態検出部103を備えている。
Claims (11)
- 基板に配置され、所定の発光色を有する少なくとも一つの第一光源と、
前記基板に前記第一光源に隣接して配置されると共に前記第一光源と異なる発光色を有する第二光源であって、前記基板表面に対する垂直方向よりも前記基板表面に対する平行方向に近い方向に光放射量の大きい偏角配光特性を有する第二光源と、
前記基板において前記第一光源と第二光源とが配置された領域を示す光源配置領域の周囲の少なくとも一部から起立する反射面を有する起立反射部と
を備えると共に、
前記第二光源は、
光を発するチップと、
前記チップの発した光を透過及び反射させて前記偏角配光特性を生じさせるレンズと、
前記レンズに配置され、前記レンズに入射した前記チップの光のうち前記基板表面に対する平行方向よりも前記基板表面に対する垂直方向に近い方向に進む光を反射する反射部材と
を備え、
前記第二光源は、
側方の発光領域が前記第一光源の発光面位置よりも高い位置に存在することを特徴とする発光ユニット。 - 前記発光ユニットは、さらに、
底面側が前記基板上に配置され、上面に前記第二光源が配置される第二光源取付台を備え、
前記第二光源は、
前記第二光源取付台の前記上面に配置されることで、
側方の発光領域が前記第一光源の発光面位置よりも高い位置に存在することを特徴とする請求項1記載の発光ユニット。 - 前記発光ユニットは、さらに、
所定の前記第一光源と所定の第二光源との間において前記基板に配置され、前記所定の第二光源から前記所定の第1光源に向かうにしたがって前記基板に対する垂直方向に高さが高くなる斜面状の反射面であって、前記所定の第二光源から放射された光のうち前記基板表面に対する垂直方向よりも前記基板表面に対する平行方向に近い方向の光を反射する反射面を有する斜面反射部
を備えたことを特徴とする請求項1または2のいずれかに記載の発光ユニット。 - 前記第一光源は、
前記偏角配光特性を有さないことを特徴とする請求項1〜3のいずれかに記載の発光ユニット。 - 前記第一光源は、
拡散面発光型のLEDと、砲弾型LEDとの少なくともいずれかであることを特徴とする請求項4記載の発光ユニット。 - 前記発光ユニットは、さらに、
前記第一光源と、前記第二光源と、前記反射部の前記反射面とを覆うように配置され、前記第一光源と前記第二光源とから放射された直接光と、前記直接光の反射光とを入射し、入射した直接光と反射光との照射方向を制御する配光制御レンズ
を備えたことを特徴とする請求項1〜5のいずれかに記載の発光ユニット。 - 前記発光ユニットは、
所定の規格における白色範囲内に含まれる複数の前記第一光源を備えたことを特徴とする請求項1〜6のいずれかに記載の発光ユニット。 - 前記第一光源と第二光源とは、
色度点が所定の規格で定められた照明色範囲に存在し、
前記第二光源は、
相関色温度が第一光源の相関色温度よりも低いことを特徴とする請求項1〜7のいずれかに記載の発光ユニット。 - 前記第一光源は
色度点が所定の規格で定められた照明色範囲に存在し、
前記第二光源は、
赤橙色、赤色、深紅色のうちのいずれかの光を発することを特徴とする請求項1〜8のいずれかに記載の発光ユニット。 - 前記発光ユニットは、さらに、
前記発光ユニットの色温度と光色との少なくともいずれかの設定情報を設定する設定部と、
前記設定部によって設定された前記設定情報に基づいて、前記発光ユニットの前記第一光源と前記第二光源とを個別に調光する制御部と
を備えたことを特徴とする1〜9のいずれかに記載の発光ユニット。 - 請求項1〜請求項10のいずれかに記載の発光ユニットを備えた発光装置。
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