JP5807195B2 - 発光装置 - Google Patents

Description

本発明は、ＬＥＤ（発光ダイオード）を光源として備えた発光装置に関するものである。

近年では低消費電力、長寿命のＬＥＤが光源として注目されており、既存の白熱電球用の照明器具等において白熱電球に代えてＬＥＤが光源として用いられることがある。ＬＥＤを光源とする発光装置の中には、発光色の異なる複数種類のＬＥＤを備え、これらのＬＥＤの混色光を出射光として取り出すようにしたものがある（たとえば特許文献１参照）。

特許文献１記載の発光装置（照明装置）においては、各色のＬＥＤに供給する電流の比率を設定し、各色のＬＥＤの出力光の光強度比を変えることにより色温度を任意に設定できるようにしてある。さらに、特許文献１には、設定された電流比率を維持することにより、設定された色温度を維持したまま明るさを調節することが記載されている。

特開２００４−３６３０６１号公報（第００２０−００２２段落）

ところで、ＬＥＤと白熱電球とでは光束の変化に対する色温度の変化特性（光束−色温度特性）が異なっている。つまり、ＬＥＤは光束が変化しても色温度が略一定であるのに対し、一般的な白熱電球は光束が大きくなるほど色温度も高くなる。

しかし、特許文献１記載の構成においては、色温度を自由に設定可能ではあるものの、光束が変化しても色温度は略一定である。そのため、同一空間で白熱電球とＬＥＤを用いた発光装置とを共用する場合、同じ光束に設定しても白熱電球の場合とは色温度が異なることとなり、違和感を生じることがある。特に、明るさを調節可能な調光機能を持つ点灯装置にて発光装置を点灯させる場合、ＬＥＤと白熱電球とでは調光時に光束−色温度特性の違いが顕著なものとなる。

本発明は上記事由に鑑みて為されたものであって、ＬＥＤを光源に用いながらも、白熱電球のように光束が変化すると色温度も変化する光束−色温度特性を実現することができる発光装置を提供することを目的とする。

本発明の発光装置は、互いに発光色が異なり並列に接続された第１および第２の２種類の発光ダイオードを有し、両端間に駆動電圧が印加されると前記第１の発光ダイオードおよび前記第２の発光ダイオードの混色光が出射光として取り出される光源部を備え、前記光源部は、前記駆動電圧が印加され前記発光ダイオードがそれぞれ点灯した状態で前記出射光が明るくなるほど前記出射光の色温度が高くなるように、前記第１の発光ダイオードおよび前記第２の発光ダイオードのうち前記第１の発光ダイオードにのみ直列に接続された抵抗を有し、当該抵抗により前記駆動電圧の変化に対する順方向電流の変化特性を前記第１の発光ダイオードと前記第２の発光ダイオードとで異ならせており、ｘｙ色度図において前記第１の発光ダイオードから出力される光の色を表す点Ｐ１と、前記ｘｙ色度図において前記第２の発光ダイオードから出力される光の色を表す点Ｐ２とを結ぶ直線が、前記ｘｙ色度図上で黒体軌跡に近似するように、前記第１の発光ダイオードおよび前記第２の発光ダイオードの各光色が決定されており、前記光源部は、前記駆動電圧を徐々に上げた場合に、前記２種類の前記発光ダイオードのうち色温度が低い方の前記発光ダイオードが、色温度が高い方の前記発光ダイオードに比べて前記駆動電圧が低い状態で点灯を開始するように、互いに順方向電圧が異なる発光ダイオードが前記第１の発光ダイオードおよび前記第２の発光ダイオードとして選択されていることを特徴とする。

この発光装置において、前記光源部は、前記第１の発光ダイオードに比べて色温度が高い発光ダイオードを前記第２の発光ダイオードとして用いていることが望ましい。

この発光装置において、前記光源部は、前記第１の発光ダイオードとして発光色が赤色系の発光ダイオードを用い、前記第２の発光ダイオードとして発光色が白色系の発光ダイオードを用いていることがより望ましい。

本発明は、ＬＥＤを光源に用いながらも、白熱電球のように光束が変化すると色温度も変化する光束−色温度特性を実現することができるという利点がある。

実施形態１の構成を示す概略回路図である。 同上の動作説明に用いるｘｙ色度図である。 （ａ）は第１のＬＥＤの電圧−電流特性を示すグラフ、（ｂ）は第２のＬＥＤの電圧−電流特性を示すグラフである。 同上の出射光の光束−色温度特性を示すグラフである。

（実施形態１）
本実施形態の発光装置１は、図１に示すように直流電圧を出力する電源装置２の出力端に接続される光源部１０を備えている。

光源部１０は、互いに発光色が異なる第１および第２の２種類のＬＥＤ（発光ダイオード）１１，１２を有している。光源部１０は、第１および第２の両ＬＥＤ１１，１２が互いに近接配置されることにより、第１および第２の両ＬＥＤ１１，１２からの混色光が出射光として取り出される。なお、両ＬＥＤ１１，１２からの光を合成するためにライトガイドなどを用いるようにしてもよい。

第１および第２のＬＥＤ１１，１２は、電源装置２の出力端間に並列に接続される。さらに、第１および第２のＬＥＤ１１，１２の並列回路と電源装置２の出力端との間には、電流制限抵抗Ｒ１が挿入されている。これにより、電源装置２が光源部１０に所定の直流電圧（駆動電圧）を印加すると、電流制限抵抗Ｒ１を介して第１および第２の両ＬＥＤ１１，１２にそれぞれ順方向電流が流れて両ＬＥＤ１１，１２が点灯する。本実施形態では、光源部１０は第１および第２の各ＬＥＤ１１，１２を１個ずつ有するものとして説明するが、光源部１０は第１および第２の各ＬＥＤ１１，１２を複数個ずつ有していてもよい。

第１および第２の各ＬＥＤ１１，１２は、それぞれ基板（図示せず）にＬＥＤチップ（図示せず）を実装したＬＥＤパッケージからなる。第１のＬＥＤ１１は、約５９０ｎｍに主波長を持つ橙色系のＬＥＤチップを用いることで、色温度が１６００Ｋ程度の赤色系の光を出力する。

第２のＬＥＤ１２は、約４６０ｎｍに主波長を持つ青色系のＬＥＤチップと、ＬＥＤチップからの光の一部を主波長が約５８０ｎｍの黄色光に変換する黄色蛍光体（図示せず）とを有し、色温度が３３００Ｋ程度の白色系の光を出力する。黄色蛍光体は、青色光が透過する透光性樹脂中に青色光を吸収することにより励起され黄色に発光する蛍光体を分散させたものである。この黄色蛍光体に入射した光（青色光）のうち、一部の光は蛍光体で黄色光に変換されて出射され、その他の光は蛍光体に吸収されることなく黄色蛍光体を透過して青色光として出射される。そのため、第２のＬＥＤ１２からは、青色光と黄色光との混色である白色光（色温度＝３３００Ｋ程度）が得られることになる。

これにより、図２に示すｘｙ色度図においては、第１のＬＥＤ１１からはＰ１｛＝（ｘ，ｙ）＝（０．６０，０．４１）｝で表される色の光が出力され、第２のＬＥＤ１２からはＰ２｛＝（ｘ，ｙ）＝（０．４１，０．４０）｝で表される色の光が出力される。図２のｘｙ色度図中、３８０〜７８０の数字は波長（ｎｍ）を表し、１５００〜１００００の数字は色温度（Ｋ）を表している。したがって、第１および第２の両ＬＥＤ１１，１２の混色光は、ｘｙ色度図上でＰ１，Ｐ２の２点を結ぶ直線上にある光色となる。本実施形態では、第１のＬＥＤ１１を１６００Ｋ程度とし、第２のＬＥＤ１２を３３００Ｋ程度としたことにより、Ｐ１，Ｐ２の２点を結ぶ直線がｘｙ色度図上で黒体軌跡αと近似する。なお、Ｐ１，Ｐ２の２点はいずれもｘｙ色度図上で黒体軌跡αの上側に位置する。

電源装置２は、光源部１０に印加する直流電圧（駆動電圧）の大きさが、調光レベルを表す外部からの調光信号により調節可能に構成されている。電源装置２の出力電圧の大きさが変化すると、電流制限抵抗Ｒ１を流れる電流が変化し、これに伴い第１および第２の各ＬＥＤ１１，１２を流れる順方向電流が変化するため、各ＬＥＤ１１，１２の出力光の光束も変化する。要するに、電源装置２の出力電圧が大きくなる程、ＬＥＤ１１，１２を流れる順方向電流が大きくなって、ＬＥＤ１１，１２の出力光は明るくなる。

ところで、光源部１０から実際に出射光として取り出される光の色温度は、第１のＬＥＤ１１の光束と第２のＬＥＤ１２の光束との比によって、Ｐ１，Ｐ２間で変動する。ここで、電源装置２の出力電圧の変化に対する順方向電流の変化特性（電圧−電流特性）が第１のＬＥＤ１１と第２のＬＥＤ１２とで同一であると仮定する。そうすると、第１のＬＥＤ１１の光束と第２のＬＥＤ１２の光束との比が常に一定となって、第１のＬＥＤ１１と第２のＬＥＤ１２との混色光からなる出射光は調光レベルに依らずに色温度が一定となる。これでは、白熱電球のように明るくなるほど色温度が高くなるような、出力光の光束の変化に対する色温度の変化特性（光束−色温度特性）を実現することはできない。

そこで、本実施形態では、第１のＬＥＤ１１の光束と第２のＬＥＤ１２の光束との比が一定とならないように、第１のＬＥＤ１１と直列に接続された抵抗Ｒ２を光源部１０に付加している。これにより、電源装置２の出力電圧の変化に対する順方向電流の変化特性を第１のＬＥＤ１１と第２のＬＥＤ１２とで異ならせることができ、出射光の光束−色温度特性を所望の特性とすることが可能になる。

すなわち、第１のＬＥＤ１１と直列に抵抗Ｒ２を接続したことにより、電源装置２の出力電圧が同じでも、第１のＬＥＤ１１にかかる電圧は抵抗Ｒ２で生じる電圧降下の分だけ低くなる。そのため、第１のＬＥＤ１１においては、抵抗Ｒ２がない場合に比べ、抵抗Ｒ２で生じる電圧降下分だけ高い電圧を印加して初めて同値の順方向電流が流れることになる。抵抗Ｒ２で生じる電圧降下の大きさはＬＥＤ１１の順方向電流と抵抗Ｒ２の抵抗値との積で求まるので、第１のＬＥＤ１１においては、抵抗Ｒ２を付加したことで電源装置２の出力電圧の変化に対する順方向電流の変化特性（電圧−電流特性）の傾きが小さくなる。あるいは、ＬＥＤ１１またはＬＥＤ１２と並列に抵抗を接続して、ＬＥＤに印加される電流を調整することを行ってもよい。

したがって、電源装置２の出力電圧の変化に対する順方向電流の変化特性（電圧−電流特性）は、図３（ａ），（ｂ）に示すように第１のＬＥＤ１１の方が第２のＬＥＤ１２よりも傾きが小さくなる。第１のＬＥＤ１１における電圧−電流特性の傾きの大きさは、使用する抵抗Ｒ２の抵抗値によって任意に調節することが可能である。なお、図３（ａ）には電源装置２の出力電圧を横軸として、第１のＬＥＤ１１の順方向電流を示し、図３（ｂ）には電源装置２の出力電圧を横軸として、第２のＬＥＤ１２の順方向電流を示している。

このように、第１のＬＥＤ１１と第２のＬＥＤ１２とで電圧−電流特性を異ならせたことにより、光源部１０から取り出される出射光は、図４に示すように光束の変化に伴って色温度が変化する光束−色温度特性を実現する。図４では、色温度を横軸、光束を縦軸として出射光の光束−色温度特性を示す。要するに、電源装置２の出力電圧が低い領域では、第１のＬＥＤ１１と第２のＬＥＤ１２とで順方向電流の大きさが略同じであるため、出射光の全光束に占める光束の比率は第１のＬＥＤ１１と第２のＬＥＤ１２とで略同一になる。この状態から、電源装置２の出力電圧を徐々に上げていくと、電圧−電流特性の違いから出射光の全光束に占める第２のＬＥＤ１２の光束の比率が徐々に大きくなる。

その結果、光源部１０の出射光の光色は、電源装置２の出力電圧が上昇するに従って、第２のＬＥＤ１２の光色が強調された色へと変化することになる。本実施形態では、第１のＬＥＤ１１よりも第２のＬＥＤ１２の方が色温度の高いＬＥＤを用いているので、図４に示すように出射光の光束が大きくなるほど（明るくなるほど）色温度も高くなる。つまり、出射光の光色は、出射光が明るくなるに従って、図２におけるＰ１，Ｐ２の２点を結ぶ直線上をＰ２側に移動することになる。特に、本実施形態ではＰ１，Ｐ２の２点を結ぶ直線がｘｙ色度図上で黒体軌跡αと近似するように、第１および第２の各ＬＥＤ１１，１２の光色を決定しているので、出射光の光束−色温度特性は白熱電球の特性に近似する。

以上説明した構成の発光装置１によれば、第１のＬＥＤ１１と直列に抵抗Ｒ２を接続するという簡単な構成によって、ＬＥＤを光源に用いながらも、白熱電球のように光束が変化すると色温度も変化する光束−色温度特性を実現することができるという利点がある。しかも、本実施形態では、第２のＬＥＤ１２に第１のＬＥＤ１１よりも色温度が高いものを用いて、出射光の光束−色温度特性を出射光が明るくなるほど色温度が高くなる白熱電球の特性に近似させている。さらに、第１のＬＥＤ１１に１６００Ｋ、第２のＬＥＤ１２に３３００ＫのＬＥＤを用いたことにより、出射光の光色は黒体軌跡αに沿って２０００〜３０００Ｋの間で変化するので、出射光の光束−色温度特性は白熱電球の特性により近いものとなる。

したがって、電源装置２に与える調光信号の調光レベルを変化させ、光源部１０に印加する直流電圧の大きさを変化させる調光制御を行った場合でも、光源部１０から取り出される出射光は白熱電球と同様に色温度が変化する。そのため、同一空間で白熱電球とＬＥＤを用いた発光装置１とを共用する場合でも、白熱電球と発光装置１とで色温度を揃えることができ、違和感を生じにくくなる。

ところで、上述のように白熱電球に近い光束−色温度特性を実現するためには、第１および第２のＬＥＤ１１，１２のうち色温度が低い方のＬＥＤ１１が、他方のＬＥＤ１２より低い電圧（電源装置の出力電圧）で点灯するようにすることが望ましい。すなわち、調光制御により電源装置２の出力電圧を徐々に上昇させる場合、色温度が高い方のＬＥＤ１２が先に点灯すると、その後、色温度の低いＬＥＤ１１が遅れて点灯することによって、出射光の色温度が上昇してしまうことになる。

そこで、色温度が低い方のＬＥＤ１１がより低い順方向電圧で点灯を開始するように、互いに順方向電圧が異なるＬＥＤを第１および第２のＬＥＤ１１，１２として選択する。たとえば、図３に例示するように第１のＬＥＤ１１は電源装置２の出力電圧が２．３Ｖのときに点灯を開始し、第２のＬＥＤ１２は電源装置２の出力電圧が２．５Ｖのときに点灯を開始するようにする。その結果、調光レベルを徐々に上げた際に、色温度が低い第１のＬＥＤ１１が先に点灯を開始し、その後、第２のＬＥＤ１２が遅れて点灯し、出射光の色温度が上昇する。

なお、上記実施形態では、白熱電球に近い光束−色温度特性を実現するため、第１のＬＥＤ１１を１６００Ｋ、第２のＬＥＤ１２を３３００Ｋとして説明したが、これらの数値は一例であって上記値に限るものではない。たとえば、第１のＬＥＤ１１として第２のＬＥＤ１２よりも色温度の高いＬＥＤを用いることも可能である。また、電源装置２の出力電圧を徐々に上昇させる場合、第１のＬＥＤ１１と第２のＬＥＤ１２と同時に点灯を開始するように、両ＬＥＤ１１，１２の順方向電圧を揃えておいてもよい。

１ 発光装置
２ 電源装置
１０ 光源部
１１ 第１のＬＥＤ（第１の発光ダイオード）
１２ 第２のＬＥＤ（第２の発光ダイオード）
Ｒ２ 抵抗

Claims (3)

1. 互いに発光色が異なり並列に接続された第１および第２の２種類の発光ダイオードを有し、両端間に駆動電圧が印加されると前記第１の発光ダイオードおよび前記第２の発光ダイオードの混色光が出射光として取り出される光源部を備え、
   前記光源部は、前記駆動電圧が印加され前記発光ダイオードがそれぞれ点灯した状態で前記出射光が明るくなるほど前記出射光の色温度が高くなるように、前記第１の発光ダイオードおよび前記第２の発光ダイオードのうち前記第１の発光ダイオードにのみ直列に接続された抵抗を有し、当該抵抗により前記駆動電圧の変化に対する順方向電流の変化特性を前記第１の発光ダイオードと前記第２の発光ダイオードとで異ならせており、
   ｘｙ色度図において前記第１の発光ダイオードから出力される光の色を表す点Ｐ１と、前記ｘｙ色度図において前記第２の発光ダイオードから出力される光の色を表す点Ｐ２とを結ぶ直線が、前記ｘｙ色度図上で黒体軌跡に近似するように、前記第１の発光ダイオードおよび前記第２の発光ダイオードの各光色が決定されており、
   前記光源部は、前記駆動電圧を徐々に上げた場合に、前記２種類の前記発光ダイオードのうち色温度が低い方の前記発光ダイオードが、色温度が高い方の前記発光ダイオードに比べて前記駆動電圧が低い状態で点灯を開始するように、互いに順方向電圧が異なる発光ダイオードが前記第１の発光ダイオードおよび前記第２の発光ダイオードとして選択されている
   ことを特徴とする発光装置。
2. 前記光源部は、前記第１の発光ダイオードに比べて色温度が高い発光ダイオードを前記第２の発光ダイオードとして用いていることを特徴とする請求項１に記載の発光装置。
3. 前記光源部は、前記第１の発光ダイオードとして発光色が赤色系の発光ダイオードを用い、前記第２の発光ダイオードとして発光色が白色系の発光ダイオードを用いていることを特徴とする請求項２記載の発光装置。

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