JP5630663B2 - 発光装置 - Google Patents
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Description
本発明は、白色光の色温度を良好に制御することができる発光装置に関するものである。
従来、赤色ＬＥＤ素子、緑色ＬＥＤ素子、青色ＬＥＤ素子の３種類のＬＥＤ素子を用いて白色光を発する発光装置が知られている。当該発光装置を室内照明として使用する場合、使用状況に応じて、冷白色、温白色、暖白色というように白色光の色温度を変化させたいという要望がある。
この場合、白色光はできるだけ自然な色を維持したまま変化させることが好ましい。そこで、３種類のＬＥＤ素子への供給電流を調整することによって、白色光の色温度を黒体軌跡又はこの近傍に沿って変化させることが試みられている（特許文献１）。
しかし、３種類のＬＥＤ素子はそれぞれ順方向降下電圧（Ｖｆ）が異なり、赤色ＬＥＤ素子では２．０Ｖ程度であり、緑色ＬＥＤ素子では３．３Ｖ程度であり、青色ＬＥＤ素子では３．４Ｖ程度であるため、各ＬＥＤ素子にそれぞれ異なる電圧を印加した上で、光量のバランスを調節するために、各ＬＥＤ素子に供給する電流量を調節する複雑な演算処理が必要であり、このため、白色光の色温度を制御することが難しいという問題がある。
また、赤色ＬＥＤ素子、緑色ＬＥＤ素子、青色ＬＥＤ素子はいずれも射出光の波長の幅が狭いため、冷白色から、温白色、暖白色へ、滑らかに変化する演色性の高い制御が困難である。
本発明はかかる問題点に鑑みなされたものであって、白色光の色温度を良好に制御することができ、演色性に優れた発光装置を提供することをその主たる所期課題としたものである。
すなわち本発明に係る発光装置は、異なる波長の紫外線又は短波長の可視光線を発する複数種類のＬＥＤ素子と、蛍光体を含有し、前記複数種類のＬＥＤ素子から発した紫外線又は短波長の可視光線を変換して白色光を導出する単一の波長変換部材と、前記複数種類のＬＥＤ素子へ供給する電流値を変化させる電流制御部と、を備えていることを特徴とする。なお、短波長の可視光線としては、例えば、紫色光、青色光、緑色光等が挙げられ、紫外線には近紫外線が含まれる。
このようなものであれば、複数種類のＬＥＤ素子から発せられた異なる波長の紫外線又は短波長の可視光線が、同一の波長変換部材で変換されるので、色温度の異なる複数の白色光が同一の波長変換部材内で良好に混ざり合って、黒体軌跡又はこの近傍に沿って色温度が変化しうる自然な白色光を得ることができる。
また、本発明に係る発光装置によれば、複数種類のＬＥＤ素子を収容した１個のパッケージで白色光の色温度を調整することができるので、それぞれ蛍光体の分布を異ならせた複数種類のパッケージを用いて白色光の色温度を調整する従来の発光装置に比べて、小型化が可能となり、これに伴い製造コストの低減を図ることもできる。
前記ＬＥＤ素子としては、具体的には、２００〜４３０ｎｍに放射ピークを有するものが好適に用いられ、より好ましくは３６０〜４３０ｎｍの波長領域に放射ピークを有するものが挙げられる。
前記複数種類のＬＥＤ素子は、同一基材上に交互（互い違い）に配置されていることが好ましい。このように交互に配置することにより、各種類のＬＥＤ素子により励起された波長変換部材の発する白色光が混ざりやすくなり、それら白色光の色温度の中間の色温度の白色光を良好に得ることができる。また、このようなものであれば、光源位置を均一化することもできる。
前記蛍光体としては、赤色光を発する蛍光体（以下、赤色蛍光体という。）、緑色光を発する蛍光体（以下、緑色蛍光体という。）、及び、青色光を発する蛍光体（以下、青色蛍光体という。）が好適に用いられる。青色蛍光体の励起効率（青色光への変換効率）は、励起光である紫外線又は短波長の可視光線の波長によって異なり、また、緑色蛍光体は紫外線又は短波長の可視光線に加えて青色光によっても励起され、赤色蛍光体は紫外線又は短波長の可視光線に加えて青色光及び緑色光によっても励起される。このため、青色蛍光体と緑色蛍光体と赤色蛍光体とを併用すると、青色蛍光体から発した青色光の光強度が変わることにより、緑色蛍光体及び赤色蛍光体から発する緑色光及び赤色光の光強度も変化するので、色温度が異なる自然な白色光が得られる。そして、これらを混合することにより、黒体軌跡又はこの近傍に沿って色温度が変化する白色光を得ることができる。なお、青色光の光強度だけを変化させても黒体軌跡又はこの近傍に沿って色温度が変化する白色光を得ることはできない。
このような本発明によれば、白色光の色温度を黒体軌跡又はこの近傍に沿って変化させうるので、演色性に優れた発光装置を得ることができる。
以下に本発明の一実施形態について図面を参照して説明する。
本実施形態に係る発光装置１は、図１に示すように、電源２と、第１のＬＥＤ素子３２１及び第２のＬＥＤ素子３２２を具備するＬＥＤパッケージ３と、これらのＬＥＤ素子３２１、３２２それぞれに接続された可変抵抗４１、４２と、制御装置５と、を備えたものである。
以下に各部を詳述する。
電源２は、その電圧が第１のＬＥＤ素子３２１及び第２のＬＥＤ素子３２２の降下電圧より大きいものである。
電源２は、その電圧が第１のＬＥＤ素子３２１及び第２のＬＥＤ素子３２２の降下電圧より大きいものである。
ＬＥＤパッケージ３は、図２及び図３に示すように、上端面３１１に開口する凹部３１２を有した基体３１と、凹部３１２の底面３１３に実装された第１のＬＥＤ素子３２１及び第２のＬＥＤ素子３２２と、これらＬＥＤ素子３２１、３２２を封止する透光性部材３４と、蛍光体を含有する波長変換部材３５と、を備えたものである。
基体３１は、上端面３１１に開口する凹部３１２を有するものであり、例えば、アルミナや窒化アルミニウム等の熱伝導率が高い絶縁材料を成型してなるものである。
このような基体３１は、その凹部３１２の底面３１３に後述するＬＥＤ素子３を実装するものであるが、当該底面３１３には、ＬＥＤ素子３が電気的に接続されるための配線導体（図示しない。）が形成されている。この配線導体が基体３１内部に形成された配線層（図示しない。）を介して発光装置１の外表面に導出されて外部電気回路基板に接続されることにより、ＬＥＤ素子３と外部電気回路基板とが電気的に接続される。
また、基体３１の凹部３１２の側面３１４及び底面３１３を含む内面には、銀、アルミニウム、金等の金属メッキ等が施されることにより高反射率の金属薄膜が形成されており、リフレクタとして機能している。
ＬＥＤ素子３２１、３２２は、紫外線や短波長の可視光線を発するものであり、例えば２００〜４３０ｎｍに放射ピークを有するものである。このようなＬＥＤ素子３は、例えば、サファイア基板や窒化ガリウム基板の上に窒化ガリウム系化合物半導体がｎ型層、発光層及びｐ型層の順に積層したものである。
第１のＬＥＤ素子３２１及び第２のＬＥＤ素子３２２は、互いに異なる放射ピークを有するものであり、例えば、３９５ｎｍに放射ピークを有するＬＥＤ素子と４１０ｎｍに放射ピークを有するＬＥＤ素子とを組み合わせて使用したり、３６５ｎｍに放射ピークを有するＬＥＤ素子と４０５ｎｍに放射ピークを有するＬＥＤ素子とを組み合わせて使用したりする。本実施形態では各ＬＥＤ素子３２１、３２２とも３個ずつ使用して、同一基体３１の凹部３１２底面３１３上に交互（互い違い）に配置してある。
これらＬＥＤ素子３２１、３２２は、窒化ガリウム系化合物半導体を下（凹部３１２の底面３１３側）にして凹部３１２の底面３１３に半田バンプや金バンプ等（図示しない。）を用いてフリップチップ実装されている。そして、波長が異なるＬＥＤ素子３２１、３２２は、それぞれ独立な回路を有している。
透光性部材３４は、凹部３１２に充実されてＬＥＤ素子３２１、３２２を封止しており、例えば、透光性及び耐熱性に優れ、ＬＥＤ素子３との屈折率差が小さいシリコーン樹脂等からなるものである。このような透光性部材３４が備わっていると、ＬＥＤ素子３２１、３２２からの光の取り出し効率が向上し、また、蛍光体の熱劣化を防止することができる。
波長変換部材３５は、透光性部材３４の上に設けられており、内部に赤色蛍光体、緑色蛍光体及び青色蛍光体を含有しているものである。前記赤色蛍光体としては、例えば、発光ピーク波長が６４０ｎｍであるユーロピウム賦活シリコン酸窒化物蛍光体が挙げられ、前記緑色蛍光体としては、例えば、発光ピーク波長が５３０ｎｍであるユーロピウム賦活シリケート蛍光体が挙げられ、前記青色蛍光体としては、例えば、発光ピーク波長が４６０ｎｍであるユーロピウム賦活アルミネート蛍光体が挙げられる。
このような波長変換部材３５としては、例えば、透光性及び耐熱性に優れ、透光性部材３４との屈折率差が小さいシリコーン樹脂中に蛍光体が分散しているものが挙げられるが、蛍光体が分散された未硬化のシリコーン樹脂を凹部３１２に充填してなるものであってもよく、シート状に加工されたものを所定の寸法にカットして用いてもよい。
可変抵抗４１、４２は、３つの端子を有し、両端の端子間の抵抗は一定で、軸を回すことにより、中央の端子と両端の端子間の抵抗値が変わるように構成してあるものであり、これにより、ＬＥＤ素子３２１、３２２に流れる電流量Ｉ１、Ｉ２を可逆的に調節するものである。
制御装置５は、ＣＰＵやメモリ、Ａ／Ｄ変換器、Ｄ／Ａ変換器等を有したデジタル乃至アナログ電気回路で構成されたもので、専用のものであってもよいし、一部又は全部にパソコン等の汎用コンピュータを利用するようにしたものであってもよい。また、ＣＰＵを用いず、アナログ回路のみで前記各部としての機能を果たすように構成してもよいし、物理的に一体である必要はなく、有線乃至無線によって互いに接続された複数の機器からなるものであってもよい。そして前記メモリに所定のプログラムを格納し、そのプログラムにしたがってＣＰＵやその周辺機器を協働動作させることによって、少なくとも、色温度受付部５１、光量受付部５２、電流制御部５３としての機能を発揮するように構成してある。
色温度受付部５１は、例えば、ダイヤルを備えていて、ダイヤルを回すことにより１８００〜１６０００Ｋの間で選択された色温度値を有する色温度データを受け付けるものである。
光量受付部５２は、例えば、ダイヤルを備えていて、ダイヤルを回すことにより選択された光量値（明るさ）を有する光量データを受け付けるものである。
電流制御部５３は、色温度受付部５１から色温度データを、光量受付部５２から光量データを、それぞれ取得して、当該色温度データ及び光量データに基づき制御信号を生成し、当該制御信号を各可変抵抗４１、４２に出力して抵抗値を調節するものである。
次に発光装置１を用いてＬＥＤパッケージ３が発する白色光の色温度及び光量を調節する方法を図４のフローチャートを参照して説明する。
まず、オペレータがダイヤルを回すことにより所定の色温度値を有する色温度データを入力し（ステップＳ１）、当該色温度データを色温度受付部５１が受け付ける（ステップＳ２）。
同様に、オペレータがダイヤルを回すことにより所定の光量値を有する光量データを入力し（ステップＳ３）、当該光量データを光量受付部５２が受け付ける（ステップＳ４）。
電流制御部５３は、色温度受付部５１から色温度データを、光量受付部５２から光量データを、それぞれ取得して、当該色温度データ及び光量データに基づき、所定の演算処理を行うことにより、各ＬＥＤ素子３２１、３２２に流れる電流値の比Ｉ１：Ｉ２と、各ＬＥＤ素子３２１、３２２に流れる電流の総流量値Ｉ１＋Ｉ２を算出し、更にこれより各可変抵抗４１、４２の抵抗値Ｖ１、Ｖ２を算出し、当該抵抗値Ｖ１、Ｖ２を有する制御信号を生成し、各可変抵抗４１、４２に出力する（ステップＳ５）。
各可変抵抗４１、４２は制御信号を受信し、その抵抗値Ｖ１、Ｖ２を制御信号に従い変更する（ステップＳ６）。
各可変抵抗４１、４２の抵抗値Ｖ１、Ｖ２が変更されると、各ＬＥＤ素子３２１、３２２に流れる電流値Ｉ１、Ｉ２が変動し、各ＬＥＤ素子３２１、３２２が発する光量値が変動する（ステップＳ７）。
この結果、ＬＥＤパッケージ３が発する白色光の色温度及び光量が制御される。
このような実施形態に係る発光装置１であれば、同一基体３１に実装された２種類のＬＥＤ素子３２１、３２２から発せられた異なる波長の紫外線又は短波長の可視光線が、同一の波長変換部材３５で変換されるので、色温度の異なる２種類の白色光が同一パッケージ３内で良好に混ざり合って、黒体軌跡又はこの近傍に沿って色温度が変化しうる自然な白色光を得ることができる。
すなわち、青色蛍光体の励起効率（青色光への変換効率）は、励起光である紫外線又は短波長の可視光線の波長によって異なり、また、緑色蛍光体は紫外線又は短波長の可視光線に加えて青色光によっても励起され、赤色蛍光体は紫外線又は短波長の可視光線に加えて青色光及び緑色光によっても励起される。このため、青色蛍光体と緑色蛍光体と赤色蛍光体とを併用すると、青色蛍光体から発した青色光の光強度が変わることにより、緑色蛍光体及び赤色蛍光体から発する緑色光及び赤色光の光強度も変化するので、色温度が異なる自然な白色光が得られる。そして、これらを混合することにより、黒体軌跡又はこの近傍に沿って色温度が変化する白色光を得ることができる。
また、本実施形態によれば、２個のＬＥＤ素子３２１、３２２を収容した１個のパッケージ３で白色光の色温度を調整することができるので、それぞれ蛍光体の分布を異ならしめた複数種類のパッケージを用いて白色光の色温度を調整する従来の発光装置に比べて、小型化が可能となり、これに伴い製造コストの低減を図ることもできる。
なお、本発明は前記実施形態に限られるものではない。
例えば、ＬＥＤパッケージ３は、図５（ａ）（ｂ）に示すように、長尺な同一基板上にＬＥＤ素子３２１、３２２が交互に配置されているものであってもよく、このようなものであれば、調光機能を有する蛍光管の代替物として用いることができる。
また、電流制御方法（調光方式）としては特に限定されず、例えば、（１）可変電流源による定電流調光、（２）可変電圧源と制限抵抗による定電圧調光、（３）一定又は可変電圧源と制限抵抗を用いたパルス幅調光やＰＷＭ調光、（４）一定又は可変電流源と制限抵抗を用いたパルス幅調光やＰＷＭ調光等であってもよい。
波長変換部材３５が含有する蛍光体としては、青色蛍光体、緑色蛍光体及び赤色蛍光体特に限定されず、青色蛍光体及び黄色蛍光体の組み合わせであってもよい。
ＬＥＤパッケージ３に用いられるＬＥＤ素子は２種類に限定されず、３種類以上であってもよく、また、各種類のＬＥＤ素子の設置数は、それぞれ、１個ずつであっても、２個以上ずつであってもよい。
また、同種のＬＥＤ素子同士は、互いに直列に接続されていなくともよく、例えば、並列に接続されていてもよく、直列と並列とが併用されていてもよい。
ＬＥＤ素子３２１、３２２は基体３１に設けられた配線導体にワイヤボンディングを用いて接続されていてもよい。
本発明に係る発光装置は可変抵抗を備えていなくともよく、例えば、より簡便な形態として、異なる波長の光を発する複数種類の各ＬＥＤ素子に対し、それぞれＯＮ／ＯＦＦ制御ができるような制御回路が設けてあってもよい。このようなものであれば励起された波長変換部材の発する白色光の色温度がそれぞれＡであるＬＥＤ素子とＢであるＬＥＤ素子とが用いられる場合、ＯＮ／ＯＦＦの組み合わせにより、各ＬＥＤ素子由来の色温度Ａ、Ｂの白色光と、Ａ、Ｂの中間の色温度Ｃの白色光を出力でき、発光装置が発する白色光の色温度を３通りに変化させることができる。この場合、スイッチは、色温度がＡのＬＥＤ素子のみＯＮ、色温度がＢのＬＥＤ素子のみＯＮ、両方ＯＮ、両方ＯＦＦが切り替えられるものであればよい。このように各ＬＥＤ素子のＯＮ／ＯＦＦ制御ができるような制御回路が電流制御部として用いられた場合、ｎ種類のＬＥＤ素子が用いられると、色温度の種類は最大で以下の式のとおりに制御できる。
ここで、ｎＣｉは、異なるｎ個のものから異なるｉ個のものを選ぶ組合せを表す記号である。
その他、本発明は上記の各実施形態に限られず、本発明の趣旨を逸脱しない限り、前述した種々の構成の一部又は全部を適宜組み合わせて構成してもよい。
本発明に係る発光装置は、白色光の色温度を黒体軌跡又はこの近傍に沿って変化させうるので、演色性に優れた光を得ることができる。
１・・・発光装置
３１・・・基体
３２１、３２２・・・ＬＥＤ素子
３５・・・波長変換部材
５３・・・電流制御部
３１・・・基体
３２１、３２２・・・ＬＥＤ素子
３５・・・波長変換部材
５３・・・電流制御部
Claims (5)
- 互いに異なる波長の紫外線又は紫色光を励起光として発する複数種類のＬＥＤ素子と、
前記複数種類のＬＥＤ素子から発された励起光をそれぞれ色温度の異なる白色光に変換するための共通の蛍光体を含有した単一の波長変換部材と、
前記複数種類のＬＥＤ素子へ供給する電流値を変化させ、該発光装置から出力される白色光の色温度を変化させる電流制御部と、を備えていることを特徴とする発光装置。 - 前記ＬＥＤ素子が、２００〜４３０ｎｍに放射ピークを有するものである請求項１記載の発光装置。
- 前記複数種類のＬＥＤ素子が、同一基材上に交互に配置されている請求項１記載の発光装置。
- 前記蛍光体は、赤色光を発する蛍光体、緑色光を発する蛍光体、及び、青色光を発する蛍光体である請求項１記載の発光装置。
- 黒体軌跡又はこの近傍に沿って色温度が変化する白色光を発する請求項１記載の発光装置。
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