JP5509333B2 - Led電球 - Google Patents

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Description

本発明の実施形態は、LED電球に関する。
発光ダイオード(LED)を用いた発光装置は、液晶表示装置のバックライト、信号装置、各種スイッチ類、車載用ランプ、一般照明等の照明装置に幅広く利用されている。LEDと蛍光体とを組合せた白色発光型のLEDランプは、白熱電球の代替品として注目されており、その開発が急速に進められている。LEDランプを適用した電球(以下、LED電球と記す)としては、例えば電球口金が設けられた基体部にグローブを取り付けると共に、グローブ内にLEDチップを配置し、さらに基体部内にLEDチップの点灯回路を設けた一体型のランプ構造を有するものが知られている。
従来のLED電球においては、青色発光のLEDチップ(青色LED)と、青色LEDから出射された青色光を吸収して黄色光を発光する黄色蛍光体(YAG蛍光体等)との組合せが適用されており、青色LEDから出射された青色光とそれを吸収して黄色蛍光体が発光する黄色光との混色により白色光を得ている。青色LEDと黄色蛍光体とを組合せたLED電球は、明るさを確保しやすいというような特徴を有する。しかしながら、青色LEDからの青色光と黄色蛍光体からの黄色光との混色に基づく白色光は、平均演色評価数(Ra)等で評価される演色性に劣っている。
従来の青色LEDと黄色蛍光体とを組合せたLED電球は、光の分布が青色成分と黄色成分とに偏っており、赤色成分の光が不足しているため、LED電球からの光で物体を見たときの反射光が太陽光の下で見る自然色とは異なる。従来のLED電球では、青色LEDから出射された光が白色光の生成に使用されるため、電球全体の輝度が不均一になりやすい。このため、電球のぎらつきや局所的なまぶしさ、いわゆるグレアを低減することが難しい。青色LEDと黄色蛍光体とを組合せたLED電球においては、グローブの内面に蛍光膜を形成することが提案されているが、この場合には非点灯時の外観色が蛍光膜(黄色蛍光体)の体色に近い色に限定されてしまう。
特開2005−005546号公報 特開2009−170114号公報
本発明が解決しようとする課題は、演色性の向上とグレアの低減とを実現すると共に、非点灯時の外観色を白色もしくはそれに近い色とすることを可能にしたLED電球を提供することにある。
実施形態のLED電球は、LEDモジュールと、LEDモジュールが設置された基体部と、LEDモジュールを覆うように基体部に取り付けられたグローブとを具備する。LEDモジュールは、基板上に実装された紫外乃至紫色発光のLEDチップを備える。基体部には、LEDチップを点灯させる点灯回路と、点灯回路と電気的に接続された口金とが設けられている。グローブの内側には、LEDチップから離間させて設けられ、LEDチップから出射された紫外乃至紫色光を吸収して、平均演色評価数Raが85以上の白色光を発光する蛍光膜が設けられている。蛍光膜は2層以上の蛍光体層を有し、かつグローブの内壁面上に設けられた第1の蛍光体層は白色系の体色を有する蛍光体を含有している。
第1の実施形態によるLED電球を一部断面で示す図である。 第2の実施形態によるLED電球を示す正面図である。 実施形態のLED電球の配光角の一例を示す図である。 蛍光体を含有する樹脂層でLEDチップを覆ったLED電球の配光角の一例を示す図である。 実施形態のLED電球における蛍光膜の構成例を示す断面図である。 実施形態のLED電球における蛍光膜の他の構成例を示す断面図である。
以下、実施形態のLED電球について、図面を参照して説明する。図1は第1の実施形態によるLED電球の構成を一部断面で示す図である。図2は第2の実施形態によるLED電球を示す図である。これらの図に示すLED電球1は、LEDモジュール2と、LEDモジュール2が設置された基体部3と、LEDモジュール2を覆うように基体部3上に取り付けられたグローブ4と、基体部3の下端部に絶縁部材5を介して取り付けられた口金6と、基体部3内に設けられた点灯回路(図示せず)とを具備する。
LEDモジュール2は、基板7上に実装された紫外乃至紫色発光のLEDチップ8を備えている。基板7上には複数のLEDチップ8が面実装されている。紫外乃至紫色発光のLEDチップ8には、InGaN系、GaN系、AlGaN系等の発光ダイオードが用いられる。基板7の表面(さらに必要に応じて内部)には、配線網(図示せず)が設けられており、LEDチップ8の電極は基板7の配線網と電気的に接続されている。LEDモジュール2の側面もしくは底面には、図示を省略した配線が引き出されており、この配線が基体部3内に設けられた点灯回路(図示せず)と電気的に接続されている。LEDチップ8は、点灯回路を介して印加される直流電圧により点灯する。
グローブ4の内面には、LEDチップ8から出射された紫外乃至紫色光を吸収して白色光を発光する蛍光膜9が設けられている。LED電球1の発光色は、LEDチップ8の発光波長と蛍光膜9を構成する蛍光体との組合せにより決定される。紫外乃至紫色光のLEDチップ8と組合せて白色光を得るにあたって、蛍光膜9は青色蛍光体、緑色乃至黄色蛍光体、及び赤色蛍光体を含有する混合蛍光体(BGR又はBYR蛍光体)で構成することが好ましい。混合蛍光体は、さらに青緑色蛍光体及び深赤色蛍光体から選ばれる少なくとも1種の蛍光体を含有していてもよい。蛍光膜9はそれからの発光のみ(LEDチップ8から出射された光を含まない)で白色光を得ることが可能な混合蛍光体を含んでいる。
グローブ4の形状は特に限定されるものではなく、図1に示すようなドーム型形状や図2に示すようなナス型形状を適用することができる。図2ではグローブ4内の構成の図示を省略したが、グローブ4の形状が異なることを除いて、図2に示すLED電球1は図1に示すLED電球1と同様な構成を備えている。グローブ4は可視光の透過率が90%以上の透明又は白色の体色を有する材料、例えばガラスや樹脂で形成することが好ましい。これによって、蛍光膜9から発光された白色光を電球外部に効率よく取り出すことができる。また、後述するLED電球1の非点灯時の外観色を良好にすることができる。グローブ4は、例えば白熱電球と同等の大きさを有している。
この実施形態のLED電球1における蛍光膜9は、従来の蛍光体粒子をLEDチップの封止樹脂中に分散させたLEDモジュールとは異なり、LEDチップ8から離間するようにグローブ4の内面に設けられている。LED電球1に印加された電気エネルギーは、LEDチップ8で紫外乃至紫色光に変換され、さらに蛍光膜9でより長波長の光に変換されて白色光として放出される。LED電球1から放出される白色光は、従来の青色LEDと黄色蛍光体とを組合せたLED電球とは異なり、蛍光膜9の発光のみにより構成される。
LED電球1は、グローブ4の内面全体に設けられた蛍光膜9が発光するため、従来の蛍光体粒子を封止樹脂中に分散させたLEDモジュールとは異なり、蛍光膜9全体を面発光させることができ、蛍光膜9から全方位に白色光が広がる。さらに、従来の青色LEDと黄色蛍光体とを組合せたLED電球とは異なり、蛍光膜9からの発光のみで白色光を得ているため、局所的な輝度ムラ等を抑制することができる。これらによって、ぎらつきが無く、均一で柔らかい白色光が得られる。すなわち、LED電球1のグレアを従来の青色LEDと黄色蛍光体とを組合せたLED電球に比べて大幅に低減することが可能となる。
LED電球1の励起源として紫外乃至紫色発光のLEDチップ8を使用した場合には、従来の青色LEDと黄色蛍光体とを組合せたLED電球とは異なり、蛍光膜9を種々の蛍光体で構成することができる。すなわち、蛍光膜9の構成する蛍光体種の選択幅が広がるため、LED電球1から放出される白色光の演色性等を高めることができる。具体的には、相関色温度が6500K以下で、平均演色評価数Raが85以上の白色光を容易に得ることができる。このような白色光を得ることによって、白熱電球の代替品としてのLED電球1の実用性等を向上させることが可能となる。
LEDチップ8は紫外乃至紫色発光タイプ(発光ピーク波長が350〜430nm)のLEDであればよいが、発光ピーク波長が370〜415nmの範囲であると共に、発光スペクトルの半値幅が10〜15nmのLEDチップ8を使用することが好ましい。このようなLEDチップ8と上述した混合蛍光体(BGR又はBYR蛍光体、さらに必要に応じて青緑色蛍光体や深赤色蛍光体を加えた混合蛍光体)で構成した蛍光膜9とを組合せて使用した場合、相関色温度(発光色)についてはLEDチップ8の出力バラツキにかかわらず安定した白色光を得ることができ、LED電球1の歩留りを高めることが可能となる。従来の青色LEDと黄色蛍光体との組合せは、LEDチップの出力バラツキが直接相関色温度(発光色)に影響するため、LED電球の歩留りが低下しやすい。
基板7上に実装された複数のLEDチップ8は、透明樹脂層10で覆われていることが好ましい。すなわち、LEDモジュール2は、基板7上に実装された複数のLEDチップ8と、複数のLEDチップ8を覆うように基板7上に設けられた透明樹脂層10とを備えていることが好ましい。透明樹脂層10には、例えばシリコーン樹脂やエポキシ樹脂等が用いられ、耐紫外線性に優れるシリコーン樹脂を使用することが好ましい。このように、複数のLEDチップ8を透明樹脂層10で覆うことによって、各LEDチップ8から出射された光が互いに伝播し、グレアの一因となる局所的な光の強弱が緩和されると共に、光の取出し効率を高めることができる。
さらに、グローブ4の内面に白色発光する蛍光膜9を設けることによって、LED電球1の配光角を大きくすることができる。加えて、蛍光膜9の温度上昇等に起因する経時的な輝度低下を抑制することができる。ここで、配光角とは電球の周囲への光の広がりを示すものであり、配光角が小さいと電球直下の輝度が高くても電球全体として明るさが不足しているように感じられるものである。この実施形態における配光角は、電球の中心輝度に対して輝度が1/2になる角度を左右両側に求め、両者の角度を合計したものである。左右対称の場合には、片側角度の2倍の値となる。
すなわち、従来の蛍光体を含有する樹脂層でLEDチップを覆った構造において、LEDチップから放射されたエネルギーは樹脂層中の蛍光体で可視光に変換され、この可視光は樹脂層から様々な方向に拡散する。ただし、LEDチップが実装された基板の表面と水平に進んだ光はそのまま直進し、基板の裏側(基板より下方)には光が広がらない。このため、図4に示すように、従来の蛍光体を含有する樹脂層でLEDチップを覆ったLED電球の配光角は120度程度である。
従来の青色LEDと黄色蛍光体等とを組合せたLED電球において、黄色蛍光体等からなる蛍光膜をグローブの内面に形成した場合、蛍光膜からの発光が周囲に拡散するため、蛍光体を含有する樹脂層でLEDチップを覆ったLED電球より配光角が大きくなる。しかしながら、白色光の一部を構成する青色LEDから放射された光は直進性が高く、その状態でグローブを透過して外部に放出されるため、基板の裏側(基板より下方)には広がらない。従って、LED電球の配光角の改善には限界がある。
これらに対して、実施形態のLED電球1はグローブ4の内面に設けられた蛍光膜9全体を面発光させ、この蛍光膜9からの発光のみで白色光を得ている。このため、蛍光膜9から全方位に白色光が広がる。すなわち、白色光を構成する発光成分の全てをグローブ4の内側で発光させ、蛍光膜9の全面から周囲に白色光を拡散させているため、電球背面への白色光自体の広がりが大きくなる。従って、LED電球1の白色光の配光角をより効果的に大きくすることが可能となる。図3に示すように、LED電球1の配光角は200度もしくはそれ以上となる。
蛍光膜9の温度上昇に起因する経時的な輝度低下に関して、従来の蛍光体含有の樹脂層でLEDチップを覆った構造では、LED電球を連続点灯させた際にLEDチップの温度上昇に基づいて蛍光体の温度も上昇しやすい。このため、蛍光体の温度上昇による輝度劣化が生じやすい。これに対して、蛍光膜9をLEDチップ8から離間するようにグローブ4の内面に設けることによって、LEDチップ8が温度上昇した場合においても蛍光膜9の温度上昇を抑制することができる。蛍光膜9とLEDチップ8との間には十分な距離があるとき、例えば蛍光膜9の温度は60℃前後までしか上昇しない。従って、LED電球1の点灯中の経時的な輝度低下を抑制することができる。
前述したように、蛍光膜9は青色蛍光体、緑色乃至黄色蛍光体、及び赤色蛍光体を含有する混合蛍光体(BGR又はBYR蛍光体)、さらに必要に応じて青緑色蛍光体及び深赤色蛍光体から選ばれる少なくとも1種を含有する混合蛍光体で構成されている。混合蛍光体を構成する各蛍光体は、LEDチップ8からの紫外乃至紫色光との組合せ、得られる白色光の色温度や演色性(平均演色評価数Ra等)、LED電球1の非点灯時の外観色等の観点から以下に示す蛍光体を使用することが好ましい。
青色蛍光体としては、発光のピーク波長が430〜460nmの範囲の蛍光体が用いられ、例えば式(1)で表される組成を有するユーロピウム(Eu)付活アルカリ土類クロロ燐酸塩蛍光体を使用することが好ましい。
一般式:(Sr1-x-y-zBaxCayEuz5(PO43・Cl …(1)
(式中、x、y、及びzは0≦x<0.5、0≦y<0.1、0.005≦z<0.1を満足する数である)
緑色乃至黄色蛍光体としては、発光のピーク波長が490〜580nmの範囲の蛍光体が用いられ、例えば式(2)で表される組成を有するユーロピウム(Eu)及びマンガン(Mn)付活アルカリ土類アルミン酸塩蛍光体、式(3)で表される組成を有するユーロピウム(Eu)及びマンガン(Mn)付活アルカリ土類珪酸塩蛍光体、式(4)で表される組成を有するセリウム(Ce)付活希土類アルミン酸塩蛍光体、式(5)で表される組成を有するユーロピウム(Eu)付活サイアロン蛍光体、及び式(6)で表される組成を有するユーロピウム(Eu)付活サイアロン蛍光体から選ばれる少なくとも1種を使用することが好ましい。
一般式:(Ba1-x-y-zSrxCayEuz)(Mg1-uMnu)Al1017 …(2)
(式中、x、y、z、及びuは0≦x<0.2、0≦y<0.1、0.005<z<0.5、0.1<u<0.5を満足する数である)
一般式:(Sr1-x-y-z-uBaxMgyEuzMnu2SiO4 …(3)
(式中、x、y、z、及びuは0.1≦x≦0.35、0.025≦y≦0.105、0.025≦z≦0.25、0.0005≦u≦0.02を満足する数である)
一般式:RE3xAl5-x-yy12:Cez …(4)
(式中、REはY、Lu、及びGdから選ばれる少なくとも1種の元素を示し、A及びBは対をなす元素であって、(A,B)が(Mg,Si)、(B,Sc)、(B,In)のいずれかであり、x、y、及びzはx<2、y<2、0.9≦x/y≦1.1、0.05≦z≦0.5 を満足する数である)
一般式:(Si,Al)6(O,N)8:Eux …(5)
(式中、xは0<x<0.3を満足する数である)
一般式:(Sr1-xEuxαSiβAlγδω …(6)
(式中、x、α、β、γ、δ、及びωは0<x<1、0<α≦3、12≦β≦14、2≦γ≦3.5、1≦δ≦3、20≦ω≦22を満足する数である)
赤色蛍光体としては、発光のピーク波長が580〜630nmの範囲の蛍光体が用いられ、例えば式(7)で表される組成を有するユーロピウム(Eu)付活酸硫化ランタン蛍光体、式(8)で表される組成を有するユーロピウム(Eu)及びビスマス(Bi)付活酸化イットリウム蛍光体、式(9)で表される組成を有するユーロピウム(Eu)付活カズン蛍光体、及び式(10)で表される組成を有するユーロピウム(Eu)付活サイアロン蛍光体から選ばれる少なくとも1種を使用することが好ましい。
一般式:(La1-x-yEuxy22S …(7)
(式中、MはSm、Ga、Sb、及びSnから選ばれる少なくとも1種の元素を示し、x及びyは0.08≦x<0.16、0.000001≦y<0.003を満足する数である)
一般式:(Y1-x-yEuxBiy23 …(8)
(式中、x及びyは0.01≦x<0.15、0.001≦y<0.05を満足する数である)
一般式:(Ca1-x-ySrxEuy)SiAlN3 …(9)
(式中、x及びyは0≦x<0.4、0<y<0.5を満足する数である)
一般式:(Sr1-xEuxαSiβAlγδω …(10)
(式中、x、α、β、γ、δ、及びωは0<x<1、0<α≦3、5≦β≦9、1≦γ≦5、0.5≦δ≦2、5≦ω≦15を満足する数である)
青緑色蛍光体としては、発光のピーク波長が460〜490nmの範囲の蛍光体が用いられ、例えば式(11)で表される組成を有するユーロピウム(Eu)及びマンガン(Mn)付活アルカリ土類珪酸塩蛍光体を使用することが好ましい。
一般式:(Ba1-x-y-z-uSrxMgyEuzMnu2SiO4 …(11)
(式中、x、y、z、及びuは0.1≦x≦0.35、0.025≦y≦0.105、0.025≦z≦0.25、0.0005≦u≦0.02を満足する数である)
深赤色蛍光体としては、発光のピーク波長が630〜780nmの範囲の蛍光体が用いられ、例えば式(12)で表される組成を有するマンガン(Mn)付活マグネシウムフロロジャーマネート蛍光体を使用することが好ましい。
一般式:αMgO・βMgF2・(Ge1-xMnx)O2 …(12)
(式中、α、β、及びxは3.0≦α≦4.0、0.4≦β≦0.6、0.001≦x≦0.5を満足する数である)
混合蛍光体を構成する各蛍光体の比率は、LED電球1の発光色等に応じて適宜に設定されるものであるが、例えば混合蛍光体は10〜60質量%の範囲の青色蛍光体、0〜10質量%の範囲の青緑色蛍光体、1〜30質量%の範囲の緑色乃至黄色蛍光体、30〜90質量%の範囲の赤色蛍光体、及び0〜35質量%の範囲の深赤色蛍光体を、各蛍光体の合計量が100質量%となるように含有することが好ましい。このような混合蛍光体によれば、相関色温度が6500K〜2500Kというような広範囲の白色光を同一蛍光種で得ることができる。従来の青色LEDと黄色蛍光体との組合せの場合、2色の組合せのみでは2800Kの電球色を、偏差を含めて調整することは困難であり、青色励起で発光する赤色蛍光体を追加することが必要となる。
ところで、従来の白熱電球ではグローブの素材に透明ガラスや乳白色ガラス等が使用されており、使用者にとって電球グローブの外観は透明又は白色であることが通念上の常識であり、長年親しまれた外観色である。これに対して、LED電球では蛍光体の種類によっては非点灯時の外観色が黄色やオレンジ色等になる場合がある。特に、従来の青色LEDと黄色蛍光体等とを組合せたLED電球において、蛍光膜をグローブの内面に形成すると蛍光膜を構成する蛍光体(黄色蛍光体等)の体色に近い外観色となりやすい。
LED電球の非点灯時の外観色は、ランプの発光特性と直接の関係はないが、非点灯時の外観色が電球の発光色と同一であるかのような誤解を与えたり、また特定色に限定されるとLED電球に対する様々な要求に答えることができず、商品価値が低下してしまう。このようなことから、LED電球の非点灯時の外観色は白色又は透明であることが好ましく、また着色される場合であってもなるべく白色に近いものが望まれる。
この実施形態のLED電極1おいて、蛍光膜9は2層以上の蛍光体層を有している。例えば、図5に示すように、蛍光膜9はグローブ4の内壁面上に設けられた第1の蛍光体層11Aと、その上に設けられた第2の蛍光体層11Bとを有している。あるいは、図6に示すように、蛍光膜9はグローブ4の内壁面上に設けられた第1の蛍光体層11Aと、その上に順に設けられた第2及び第3の蛍光体層11B、11Cとを有している。なお、蛍光膜9は4層以上の蛍光体層11を有していてもよい。
上記した蛍光体層11のうち、グローブ4の内壁面上に直接設けられた第1の蛍光体層11A、言い換えると最外層に位置する第1の蛍光体層11Aは、白色系の体色を有する1種又は2種以上の蛍光体を含有している。第1の蛍光体層11Aに含有される蛍光体の発光色は、特に限定されるものではなく、体色(蛍光体粉末自体の色)が白色系の蛍光体であればよい。第1の蛍光体層11A以外の蛍光体層(11B、11C)に含有される蛍光体の体色は、特に限定されるものではなく、第1の蛍光体層11Aに含有される蛍光体と組合せて白色発光を得ることが可能な1種又は2種以上の蛍光体であればよい。
例えば、第2の蛍光体層11Bや第3の蛍光体層11Cに含有される蛍光体の体色が濃色や暗色であっても、最外層の第1の蛍光体層11Aを体色が白色系の蛍光体で構成することによって、非点灯時におけるグローブ4の外観色は第1の蛍光体層11Aの色調が支配的になる。従って、非点灯時の外観色が白色乃至薄緑又は薄黄色の色相を有するLED電球1を実現することができる。このように、LED電球1の非点灯時の外観色を白熱電球に近付けることで、LED電球1の商品価値を高めることが可能となる。
第1の蛍光体層11Aに含有させる蛍光体は、その体色をL*a*b*表色系で表したとき、a*が−35以上+15以下、b*が−10以上+30以下、L*が+40以上の体色を有することが好ましい。このような体色を有する蛍光体で第1の蛍光体層11Aを構成することによって、LED電球1の非点灯時の外観色を白色乃至薄緑又は薄黄色とすることができる。L*a*b*表色系(エルスター・エースター・ビースター表色系)は物体色を表すのに用いられる方法で、1976年に国際照明委員会(CIE)で規格化され、JIS Z−8729に規定されている。L*は明度を表し、a*とb*とで色相と彩度を表すものである。L*が大きいほど明るいことを示す。a*とb*は色の方向を示しており、a*は赤方向、−a*は緑方向を示し、b*は黄方向、−b*は青方向を示す。
第1の蛍光体層11Aに含有させる蛍光体の体色を表すL*a*b*表色系の各数値のうち、a*が−35未満であると緑の強い体色となり、+15を超えると赤みが強い体色となる。b*が−10未満であると青みの強い体色となり、+15を超えると黄色みの強い体色となる。L*が+40未満であると明度が劣った体色となる。いずれの場合にもLED電球1の非点灯時の外観色が商品価値の低い濃色や暗色となる。第1の蛍光体層11Aに含有させる蛍光体の体色はa*が−5以上+5以下、b*が−8以上+15以下、L*が70以上であることがより好ましい。このL*a*b*は蛍光体の体色がより白色に近いことを意味する。従って、このような蛍光体で第1の蛍光体層11Aを構成することによって、LED電球1の非点灯時の外観色をより白色に近付けることができる。
表1に前述した各蛍光体の体色を示す。表1に示す体色は、各蛍光体を単独でグローブの内面に塗布し、それぞれの蛍光膜の体色をL*a*b*表色系で表したものである。体色(L*a*b*)はコニカミノルタ社製スペクトロフォトメータCM2500dを用いて測定し、蛍光膜表面の任意の3点に測色部を直接接触させて測定した値の平均値である。各蛍光体の体色は、それぞれの蛍光体に許容される組成範囲のうち、任意の代表組成の蛍光体を用いて測定した。蛍光体の体色は許容組成範囲のうちでも微妙な組成ずれにより異なるものの、許容範囲内の組成差による体色の違いよりも、蛍光体種や発光色の違いによる体色の差異の方が大きい。このため、表1ではそれぞれの代表組成で比較評価している。
Figure 0005509333
表1に示す12種類の蛍光膜の体色は大きく3つのグループに分かれる。表中に◎印と○印を付した蛍光体は白色又は白色に準ずる体色(薄緑色や薄黄色等)を有し、上述した第1の蛍光体層11Aに含有させる蛍光体として使用可能なものである。特に、◎印を付した蛍光体は白色に近い体色を有することから、第1の蛍光体層11Aに含有させる蛍光体として好適なものである。×印を付した蛍光体は濃い黄色、濃い緑色、濃いピンク色等の体色を有することから、第1の蛍光体層11Aに含有させる蛍光体としては使用できない。このため、×印を付した蛍光体は第2の蛍光体層11Bや第3の蛍光体層11Cに含有させる蛍光体として使用される。
第1の蛍光体層11Aは、Eu付活アルカリ土類クロロ燐酸塩蛍光体、Eu及びMn付活アルカリ土類アルミン酸塩蛍光体、Eu付活酸硫化ランタン蛍光体、Eu及びBi付活酸化イットリウム蛍光体、及びMn付活マグネシウムフロロジャーマネート蛍光体から選ばれる少なくとも1種を含有することが好ましく、さらにEu付活アルカリ土類クロロ燐酸塩蛍光体、Eu及びBi付活酸化イットリウム蛍光体、及びMn付活マグネシウムフロロジャーマネート蛍光体から選ばれる少なくとも1種を含有することがより好ましい。
第1の蛍光体層11Aは上述したような白色系の体色を有する蛍光体のみを含有することが好ましいが、第1の蛍光体層11Aの色に影響を与えない程度の量(第1の蛍光体層11Aに含有させる蛍光体の総量の1質量%以下程度)であれば、他の体色の蛍光体を含有していてもよい。また、第1の蛍光体層11Aと他の蛍光体層(11B、11C)には、種々の組合せを適用することができる。他の蛍光体層(11B、11C)は第1の蛍光体層11Aとの組合せで白色発光を得ることが可能であればよく、他の蛍光体層(11B、11C)に含有させる蛍光体の発光色や種類等は特に限定されるものではない。
例えば、第1の蛍光体層11Aを青色蛍光体であるEu付活アルカリ土類クロロ燐酸塩蛍光体で構成した場合、他の蛍光体層(11B、11C)は青色以外の発光色を有する蛍光体で構成してもよいし、また青色蛍光体を含む混合蛍光体で構成してもよい。第1の蛍光体層11Aを赤色蛍光体であるEu及びBi付活酸化イットリウム蛍光体で構成した場合、他の蛍光体層(11B、11C)は赤色以外の発光色を有する蛍光体で構成してもよいし、またEu及びBi付活酸化イットリウム蛍光体以外の赤色蛍光体を含む混合蛍光体で構成してもよい。このように、他の蛍光体層(11B、11C)に含有させる蛍光体は、白色発光を得ることが可能な範囲で適宜に選択可能である。
蛍光膜9の膜厚は80〜800μmの範囲とすることが好ましい。蛍光膜9の励起源として紫外乃至紫色発光のLEDチップ8を用いた場合、グローブ4からの紫外線の漏出を抑制することが好ましい。グローブ4から漏出した紫外線は、LED電球1の近傍や配置空間に存在する印刷物、食品、薬品、人体等に悪影響を及ぼすおそれがある。蛍光膜9の膜厚が80μm未満の場合、紫外線の漏出量が多くなる。蛍光膜9の膜厚が800μmを超えるとLED電球1の明るさが低下する。
膜厚が80〜800μmの蛍光膜9によれば、グローブ4から漏出する紫外線量(紫外線のエネルギー量)を例えば0.3mW/nm/lm以下まで低減しつつ、LED電球1の明るさの低下を抑制することができる。蛍光膜9の膜厚は150〜600μmの範囲とすることがより好ましい。蛍光膜9中の第1の蛍光体層11Aの厚さは、非点灯時のグローブ4の外観色を第1の蛍光体層11Aの体色に準じた色とするために40μm以上とすることが好ましい。第1の蛍光体層11Aの厚さが40μm未満であると、他の蛍光体層(11B、11C)の体色を反映し、非点灯時のグローブ4の外観色に対して他の蛍光体層(11B、11C)の体色が支配的になるおそれがある。
この実施形態のLED電球1は、例えば以下のようにして作製される。まず、第1の蛍光体層11Aの形成に用いられる蛍光体スラリーと他の蛍光体層(11B、11C)の形成に用いられる蛍光体スラリーとを調製する。蛍光体スラリーは、例えば蛍光体粉末をシリコーン樹脂、エポキシ樹脂、ウレタン樹脂等のバインダ樹脂やアルミナ、シリカ等の充填材と混合して調製される。蛍光体とバインダ樹脂との混合比は、蛍光体の種類や粒子径により適宜に選択されるが、例えば蛍光体を100質量部としたとき、バインタ樹脂を20〜1000質量部の範囲とすることが好ましい。蛍光体の種類、平均粒子径、混合比等は目的とする白色光に応じて、前述した条件範囲から適宜に設定することが好ましい。
次に、グローブ4の内面に第1の蛍光体層11A用の蛍光体スラリーと他の蛍光体層(11B、11C)用の蛍光体スラリーとを順に塗布する。これら蛍光体スラリーの塗布は、例えばスプレー法やディップ法、あるいはグローブ4を回転させる方法等により実施され、グローブ4の内面に均一に塗布する。次いで、各蛍光体スラリーの塗布膜の積層膜を、ドライヤやオーブン等の加熱装置を用いて加熱乾燥させることによって、グローブ4の内面側に第1の蛍光体層11Aと他の蛍光体層(11B、11C)とを順に形成する。この後、LEDモジュール2や口金6等を設置した基体部3に、蛍光膜9を有するグローブ4を取り付けることによって、目的とするLED電球1を作製する。
次に、具体的な実施例及びその評価結果について述べる。
(実施例1〜7)
まず、青色(B)蛍光体として平均粒子径が40μmのEu付活アルカリ土類クロロ燐酸塩((Sr0.604Ba0.394Eu0.0025(PO43Cl)蛍光体、青緑色(BG)蛍光体として平均粒子径が20μmのEu及びMn付活アルカリ土類珪酸塩((Sr0.225Ba0.65Mg0.0235Eu0.1Mn0.00152SiO4)蛍光体、緑色乃至黄色(GY)蛍光体として平均粒子径が17μmのEu及びMn付活アルカリ土類珪酸塩((Sr0.675Ba0.25Mg0.0235Eu0.05Mn0.00152SiO4)蛍光体(GY2)を用意した。
また、赤色(R)蛍光体として平均粒子径が45μmのEu付活酸硫化ランタン((La0.9Eu0.122S)蛍光体(R1)、平均粒子径が4μmのEu及びBi付活酸化イットリウム((Y0.89Eu0.1Bi0.0123)蛍光体(R2)、平均粒子径が11μmのEu付活サイアロン((Sr0.6Eu0.42Si7Al4ON14)蛍光体(R4)、深赤色(DR)蛍光体として平均粒子径が12μmのMn付活マグネシウムフロロジャーマネート(3.5MgO・0.5MgF2・(Ge0.75Mn0.25)O2)蛍光体を用意した。
表2に示す蛍光体の組合せを適用して、グローブの内面に第1の蛍光体層と第2の蛍光体層とを以下のようにして形成した。まず、第1の蛍光体層用の蛍光体粉末をバインダ樹脂としてのシリコーン樹脂に分散させ、次いで脱泡して第1の蛍光体スラリーを調製した。同様に、第2の蛍光体層用の蛍光体粉末をバインダ樹脂としてのシリコーン樹脂に分散させ、次いで脱泡して第2の蛍光体スラリーを調製した。
次に、グローブ内に所望の膜厚となる量の第1の蛍光体スラリーを投入し、グローブの内面に均一に広がるように角度を変化させながらグローブを回転させた。赤外線ヒータやドライヤ等を用いて、第1の蛍光体スラリーが硬化し始めて塗膜が流れなくなるまで加熱した。次いで、グローブ内に所望の膜厚となる量の第2の蛍光体スラリーを投入し、同様に角度を変化させながらグローブを回転させた。また同様に、蛍光体スラリーが硬化し始めて塗膜が流れなくなるまで加熱した。この後、オーブン等を用いて100℃×5時間程度の条件で熱処理し、第1及び第2の蛍光体スラリーの塗膜を完全に硬化させた。蛍光膜の膜厚は300〜600μmとし、第1の蛍光体層の厚さは80〜300μmとした。
LEDモジュールは、発光ピーク波長が405nm、発光スペクトルの半値幅が15nmのLEDチップを112個使用し、これらLEDチップを基板上に面実装し、さらにシリコーン樹脂で被覆して構成したものである。また、グローブは半透明で可視光の透過率が88%のポリカーボネートからなり、厚さが約1mmのドーム型形状を有するものを使用した。これらの構成部品を用いてLED電球をそれぞれ組み立てた。このようにして得たLED電球を後述する特性評価に供した。
(比較例1〜5)
表3に示すように、実施例1〜5と同一の蛍光体を使用し、これら蛍光体を混合して蛍光膜(1層構造の混合蛍光体層)を形成する以外は、実施例1と同様にしてLED電球を作製した。これらLED電球を後述する特性評価に供した。
(比較例6)
青色発光のLEDチップ(発光ピーク波長:450nm)を使用すると共に、黄色蛍光体(YAG蛍光体)のみを含む蛍光膜をグローブの内面に形成する以外は、実施例1と同様にしてLED電球を作製した。これを後述する特性評価に供した。
(比較例7)
外観色の基準として蛍光灯を用意した。
次に、実施例1〜7及び比較例1〜6の各LED電球、さらに比較例7の蛍光灯について、非点灯時の外観色(L*a*b*)をコニカミノルタ社製スペクトロフォトメータCM2500dで測定した。また、各LED電球を点灯させ、各LED電球から放出される白色光の明るさと平均演色評価数Raを測定した。これらの特性はラブズフェア社製SLMS全光束測定システムにより測定した。なお、白色光の明るさはいずれも実用レベルにあるが、特性比較のために明るさを三段階(◎、○、△)で評価した。
Figure 0005509333
Figure 0005509333
表2〜3から明らかなように、実施例1〜7によるLED電球は非点灯時の外観色が良好であることが分かる。すなわち、実施例と比較例とで色度b*を比べると、実施例の方が比較例より小さな値となっている。つまり、実施例の方が非点灯時の外観色が白くなっていることが分かる。比較例3、4のように1層構造の混合蛍光体層でも着色レベルが薄いものは、実施例3、4のように2層化することで、従来の蛍光灯(比較例7)に近い外観色(白色)まで改善することができる。一方、比較例5のように1層構造の混合蛍光体層では濃色に着色されるものでも、実施例5〜7に示すように薄い着色レベルまで改善することができる。また、両者の中間の比較例についても、2層化により着色レベルが改善されることが分かる。さらに、各実施例によるLED電球は白色光の演色性に優れ、グレアも低減されていることが確認された。
(実施例8〜9)
表4に示す蛍光体の組合せを適用して、グローブの内面に第1の蛍光体層と第2の蛍光体層と第3の蛍光体層とを順に形成する以外は、実施例1と同様にしてLED電球を作製した。これらLED電球の特性を実施例1と同様にして測定・評価した。これらの測定・評価結果を表4に示す。なお、実施例8〜9は比較例2、4と同一の蛍光体を用いたものであるため、表4には比較例2、4の測定・評価結果を併せて示す。3層構造の蛍光体層を用いた場合にも、外観色の着色レベルを改善することができる。
Figure 0005509333
なお、本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施し得るものであり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると共に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

Claims (18)

  1. 基板と、前記基板上に実装された紫外乃至紫色発光のLEDチップとを備えるLEDモジュールと、
    前記LEDモジュールが設置された基体部と、
    前記LEDモジュールを覆うように、前記基体部に取り付けられたグローブと、
    前記グローブの内側に前記LEDチップから離間させて設けられ、前記LEDチップから出射された紫外乃至紫色光を吸収して、平均演色評価数Raが85以上の白色光を発光する蛍光膜と、
    前記基体部内に設けられ、前記LEDチップを点灯させる点灯回路と、
    前記点灯回路と電気的に接続された口金とを具備し、
    前記蛍光膜は2層以上の蛍光体層を有し、かつ前記グローブの内壁面上に設けられた第1の蛍光体層は白色系の体色を有する蛍光体を含有することを特徴とするLED電球。
  2. 請求項1記載のLED電球において、
    前記第1の蛍光体層に含有される前記蛍光体は、その体色をL*a*b*表色系で表したとき、a*が−35以上+15以下、b*が−10以上+30以下、L*が+40以上の色を有することを特徴とするLED電球。
  3. 請求項1記載のLED電球において、
    前記蛍光膜は、前記グローブの内壁面上に直接設けられた前記第1の蛍光体層と、前記第1の蛍光体層上に設けられた第2の蛍光体層とを有し、
    前記第1の蛍光体層は、ユーロピウム付活アルカリ土類クロロ燐酸塩蛍光体、ユーロピウム及びマンガン付活アルカリ土類アルミン酸塩蛍光体、ユーロピウム付活酸硫化ランタン蛍光体、ユーロピウム及びビスマス付活酸化イットリウム蛍光体、及びマンガン付活マグネシウムフロロジャーマネート蛍光体から選ばれる少なくとも1種からなる第1の蛍光体を含有し、
    前記第2の蛍光体層は、第1の蛍光体と組合せて白色発光を得ることが可能な1種又は2種以上の蛍光体からなる第2の蛍光体を含有することを特徴とするLED電球。
  4. 請求項1記載のLED電球において、
    前記蛍光膜は80μm以上800μm以下の範囲の膜厚を有し、前記第1の蛍光体層は40μm以上の厚さを有することを特徴とするLED電球。
  5. 請求項1記載のLED電球において、
    前記蛍光膜は、青色蛍光体、緑色乃至黄色蛍光体、及び赤色蛍光体を含むことを特徴とするLED電球。
  6. 請求項5記載のLED電球において、
    前記青色蛍光体は
    一般式:(Sr1-x-y-zBaxCayEuz5(PO43Cl …(1)
    (式中、x、y、及びzは0≦x<0.5、0≦y<0.1、0.005≦z<0.1を満足する数である)
    で表される組成を有するユーロピウム付活アルカリ土類クロロ燐酸塩蛍光体であり、
    前記緑色乃至黄色蛍光体は
    一般式:(Ba1-x-y-zSrxCayEuz)(Mg1-uMnu)Al1017 …(2)
    (式中、x、y、z、及びuは0≦x<0.2、0≦y<0.1、0.005<z<0.5、0.1<u<0.5を満足する数である)
    で表される組成を有するユーロピウム及びマンガン付活アルカリ土類アルミン酸塩蛍光体、
    一般式:(Sr1-x-y-z-uBaxMgyEuzMnu2SiO4 …(3)
    (式中、x、y、z、及びuは0.1≦x≦0.35、0.025≦y≦0.105、0.025≦z≦0.25、0.0005≦u≦0.02を満足する数である)
    で表される組成を有するユーロピウム及びマンガン付活アルカリ土類珪酸塩蛍光体、
    一般式:RE3xAl5-x-yy12:Cez …(4)
    (式中、REはY、Lu、及びGdから選ばれる少なくとも1種の元素を示し、A及びBは対をなす元素であって、(A,B)が(Mg,Si)、(B,Sc)、(B,In)のいずれかであり、x、y、及びzはx<2、y<2、0.9≦x/y≦1.1、0.05≦z≦0.5を満足する数である)
    で表される組成を有するセリウム付活希土類アルミン酸塩蛍光体、
    一般式:(Si,Al)6(O,N)8:Eux …(5)
    (式中、xは0<x<0.3を満足する数である)
    で表される組成を有するユーロピウム付活サイアロン蛍光体、及び
    一般式:(Sr1-xEuxαSiβAlγδω …(6)
    (式中、x、α、β、γ、δ、及びωは0<x<1、0<α≦3、12≦β≦14、2≦γ≦3.5、1≦δ≦3、20≦ω≦22を満足する数である)
    で表される組成を有するユーロピウム付活サイアロン蛍光体から選ばれる少なくとも1種であり、
    前記赤色蛍光体は
    一般式:(La1-x-yEuxy22S …(7)
    (式中、MはSm、Ga、Sb、及びSnから選ばれる少なくとも1種の元素を示し、x及びyは0.08≦x<0.16、0.000001≦y<0.003を満足する数である)
    で表される組成を有するユーロピウム付活酸硫化ランタン蛍光体、
    一般式:(Y1-x-yEuxBiy23 …(8)
    (式中、x及びyは0.01≦x<0.15、0.001≦y<0.05を満足する数である)
    で表される組成を有するユーロピウム及びビスマス付活酸化イットリウム蛍光体、
    一般式:(Ca1-x-ySrxEuy)SiAlN3 …(9)
    (式中、x及びyは0≦x<0.4、0<y<0.5を満足する数である)
    で表される組成を有するユーロピウム付活カズン蛍光体、及び
    一般式:(Sr1-xEuxαSiβAlγδω …(10)
    (式中、x、α、β、γ、δ、及びωは0<x<1、0<α≦3、5≦β≦9、1≦γ≦5、0.5≦δ≦2、5≦ω≦15を満足する数である)
    で表される組成を有するユーロピウム付活サイアロン蛍光体から選ばれる少なくとも1種であることを特徴とするLED電球。
  7. 請求項6記載のLED電球において、
    前記蛍光膜は、前記グローブの内壁面上に直接設けられた前記第1の蛍光体層と、前記第1の蛍光体層上に設けられた第2の蛍光体層とを有し、
    前記第1の蛍光体層は、前記青色蛍光体としての前記ユーロピウム付活アルカリ土類クロロ燐酸塩蛍光体を含有し、
    前記第2の蛍光体層は、前記緑色乃至黄色蛍光体及び前記赤色蛍光体を含有することを特徴とするLED電球。
  8. 請求項6記載のLED電球において、
    前記蛍光膜は、前記グローブの内壁面上に直接設けられた前記第1の蛍光体層と、前記第1の蛍光体層上に設けられた第2の蛍光体層とを有し、
    前記第1の蛍光体層は、前記赤色蛍光体としての前記ユーロピウム及びビスマス付活酸化イットリウム蛍光体を含有し、
    前記第2の蛍光体層は、前記青色蛍光体及び前記緑色乃至黄色蛍光体を含有することを特徴とするLED電球。
  9. 請求項5記載のLED電球において、
    前記蛍光膜は、10質量%以上60質量%以下の前記青色蛍光体、1質量%以上30質量%以下の前記緑色乃至黄色蛍光体、及び30質量%以上90質量%以下の前記赤色蛍光体を、各蛍光体の合計量が100質量%となるように含有する混合蛍光体を含むことを特徴とするLED電球。
  10. 請求項5記載のLED電球において、
    前記蛍光膜は、さらに青緑色蛍光体及び深赤色蛍光体から選ばれる少なくとも1種の蛍光体を含むことを特徴とするLED電球。
  11. 請求項10記載のLED電球において、
    前記青緑色蛍光体は
    一般式:(Ba1-x-y-z-uSrxMgyEuzMnu2SiO4 …(11)
    (式中、x、y、z、及びuは0.1≦x≦0.35、0.025≦y≦0.105、0.025≦z≦0.25、0.0005≦u≦0.02を満足する数である)
    で表される組成を有するユーロピウム及びマンガン付活アルカリ土類珪酸塩蛍光体であり、
    前記深赤色蛍光体は
    一般式:αMgO・βMgF2・(Ge1-xMnx)O2 …(12)
    (式中、α、β、及びxは3≦α≦4、0.4≦β≦0.6、0.001≦x≦0.5を満足する数である)
    で表される組成を有するマンガン付活マグネシウムフロロジャーマネート蛍光体であることを特徴とするLED電球。
  12. 請求項11記載のLED電球において、
    前記蛍光膜は、前記グローブの内壁面上に直接設けられた前記第1の蛍光体層と、前記第1の蛍光体層上に設けられた第2の蛍光体層とを有し、
    前記第1の蛍光体層は、前記深赤色蛍光体としての前記マンガン付活マグネシウムフロロジャーマネート蛍光体を含有し、
    前記第2の蛍光体層は、前記青色蛍光体、前記緑色乃至黄色蛍光体、及び前記赤色蛍光体を含有することを特徴とするLED電球。
  13. 請求項10記載のLED電球において、
    前記蛍光膜は、10質量%以上60質量%以下の前記青色蛍光体、0質量%以上10質量%以下の前記青緑色蛍光体、1質量%以上30質量%以下の前記緑色乃至黄色蛍光体、30質量%以上90質量%以下の前記赤色蛍光体、及び0質量%以上35%質量%以下の前記深赤色蛍光体を、各蛍光体の合計量が100質量%となるように含有する混合蛍光体を含むことを特徴とするLED電球。
  14. 請求項1記載のLED電球において、
    前記グローブは、透明又は白色の体色を有し、かつ可視光の透過率が90%以上の材料からなることを特徴とするLED電球。
  15. 請求項1記載のLED電球において、
    前記LEDチップから出射される紫外乃至紫色発光は、発光ピーク波長が370nm以上415nm以下の範囲であると共に、発光スペクトルの半値幅が10nm以上15nm以下の範囲であることを特徴とするLED電球。
  16. 請求項1記載のLED電球において、
    前記蛍光膜から発光される前記白色光は、相関色温度が6500K以下であることを特徴とするLED電球。
  17. 請求項1記載のLED電球において、
    前記LEDモジュールは、前記基板上に面実装された複数の前記LEDチップと、前記複数のLEDチップを被覆するように前記基板上に設けられた透明樹脂層とを備えることを特徴とするLED電球。
  18. 請求項1記載のLED電球において、
    前記グローブは、ドーム型形状又はナス型形状を有することを特徴とするLED電球。
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