JP5842147B2

JP5842147B2 - 発光装置及びそれを用いた照明器具

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Publication number: JP5842147B2
Application number: JP2011034899A
Authority: JP
Inventors: 高明片岡
Original assignee: Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd
Current assignee: Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd
Priority date: 2011-02-21
Filing date: 2011-02-21
Publication date: 2016-01-13
Anticipated expiration: 2031-02-21
Also published as: CN102644864B; CN102644864A; JP2012174867A

Description

本発明は、発光色の異なる複数のＬＥＤ（Light Emitting Diode）を混色させて照射する発光装置及びそれを用いた照明器具に関する。

発光色の異なる複数のＬＥＤを混色させて照射する発光装置の例を図８（ａ）乃至（ｄ）に示す。図８（ａ）（ｂ）において、発光装置１００は、基板１０１上に、異なる色度の光を出射するＬＥＤ１０２、１０３が複数、それぞれ交互に距離ｄｘの等間隔に直線状に実装配列されて構成されている。この発光装置１００は、例えばＲ、Ｇ、Ｂのいずれかの色を出射するＬＥＤ１０２、１０３からの２色の光が、基板１０１上のカバー用の透光パネルなどが位置される所定の距離ｈで交差し、混合照射される。

また、この種の発光装置として、ＬＥＤと蛍光体から成る複数の固体発光装置が基板上に集積配置され、各固体発光装置から発光色の異なる光を出射し、それらの光を混合して出射する発光装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。この発光装置はＲ、Ｇ、Ｂの３色の光を出射する各ＬＥＤを基板上にマトリックス状に交互に等間隔に配置して、混合光を得ている。

ところで、近年、ＬＥＤ素子単体からの光束の増大に伴い、基板に配列実装されるＬＥＤパッケージ数を少なくしても、必要な光量を得ることができるようになった。一方、ＬＥＤの放熱のため、ＬＥＤが実装される基板面積がある程度必要とされるという条件は変わっていない。このため、図８（ｃ）（ｄ）に示されるように、図８（ａ）（ｂ）に示したもの比べて、ＬＥＤ１０２、１０３の数を少なくして、同じサイズの基板に等間隔に配置した場合、各ＬＥＤはその間隔ｄｙが間隔ｄｘより拡がって配置される。

特開２００９−２３８７２９号公報

しかしながら、図８（ｃ）（ｄ）に示されるように、各ＬＥＤの間隔ｄｙが広くなると、ＬＥＤ１０２、１０３からの光は、基板１０１上で上記と同様の所定の距離ｈでは、互に交差しなくなる。このため、各ＬＥＤが等間隔配置される発光装置においては、複数の異なる色光を発光するＬＥＤからの光が混色され難く、照射光に色むらが生じ易くなる。しかも、上記特許文献１に示されるようなＲ、Ｇ、Ｂの３色を混色させる発光装置を照明器具に用いる場合、それら３色がむらなく混色されなければ、白色の光を照射することができない。

本発明は、上記問題を解決するためになされたものであり、発光色の異なる複数のＬＥＤからの光を混色させて照射する発光装置において、その出射光の色むらが生じ難くなり、かつ、色むらのない白色を得ることができる発光装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために本発明の発光装置は、基板に配列実装され互に異なる色度の光を出射する複数の固体発光素子が１つのグループを構成し、このグループを複数備え、前記グループの各々は、少なくとも白色の光を出射する固体発光素子を含み、前記各グループ間の距離が、グループ内の固体発光素子間の距離よりも大きく設定され、前記基板の中央部に位置する前記グループの前記固体発光素子は、前記基板の周縁部に位置する前記グループの前記固体発光素子と比べ互いの間隔を拡げて配置されていることを特徴とする。

この発光装置において、前記グループの各々は、電球色の光を出射する固体発光素子を含むことが好ましい。

この発光装置において、前記グループの各々は、赤、青、緑のうちの、少なくとも２色の色度の光をそれぞれ出射する各固体発光素子を含むことが好ましい。

この発光装置において、前記グループの各々は、各固体発光素子からの光を混色する光学部材を備えることが好ましい。

この発光装置において、前記光学部材は、前記固体発光素子から導出された光を反射する反射部材であることが好ましい。

この発光装置において、前記光学部材は、前記固体発光素子から導出された光を混色するレンズであることが好ましい。

この発光装置において、前記グループ内の最も近く隣接する固体発光素子の発光中心間距離は１５ｍｍ以内であって、前記各固体発光素子の光束は、１００％点灯時に、１０〜６００ルーメンであることが好ましい。

この発光装置において、前記各グループから出射された光を共通して拡散する拡散部材を、さらに備え、前記各グループ間の距離又は該グループから導出される光の立体角度は、当該固体発光素子から導出された光の、当該拡散部材における投影部分の周囲が互いに隣接又は重複するように構成されていることが好ましい。

また、本発明は、請求項１乃至請求項８の何れか一項に記載の発光装置を具備した照明器具である。

本発明の発光装置によれば、所定数の固体発光素子を等間隔に配置する場合に比べ、グループ毎に各発光素子からの光が交わり混色され易くなるので、異なる色度の照射光が低減され色むらを生じ難くすることができる。また、グループ内に白色光を出射する固体発光素子を含むので、色むらのない白色の色を照射することができる。

本発明の第１の実施形態に係る発光装置の構成図。同上発光装置の各ＬＥＤからの光の照射状態を示す断面図。同上発光装置の発光グループ間でＬＥＤの配置間隔を変えたときの構成図。同上発光装置における変形例の構成図。本発明の第２の実施形態に係る発光装置の断面構成図。同上発光装置の変形例の断面構成図。（ａ）は本発明の第３の実施形態に係る発光装置の断面構成図、（ｂ）は（ａ）の発光装置からの照射光による拡散部材上の投影パターンを示す図。（ａ）は従来の発光装置の構成図、（ｂ）は（ａ）の発光装置の各ＬＥＤからの光の照射状態を示す断面図、（ｃ）は（ａ）の発光装置の各ＬＥＤの間隔を拡げた場合の構成図、（ｄ）は（ｃ）の発光装置の各ＬＥＤからの光の照射状態を示す断面図。

（第１の実施形態）
本発明の第１の実施形態に係る発光装置について、図１及び図２を参照して説明する。図１に示されるように、発光装置１は、基板２と、基板２に配列実装され互に異なる色度の光を出射する複数のＬＥＤ３１、３２（固体発光素子、総称して３）とを有する。また、発光装置１においては、ＬＥＤ３１、３２が１つの発光グループ４ａ、４ｂ、４ｃ（グループ、総称して４）を構成し、これら発光グループ４の各々は、少なくとも白色の光を出射するＬＥＤ３を含んでいる。なお、発光装置１は、例えば取付治具（不図示）により、天井面に取り付けられる照明器具として、また天井壁面に埋め込まれるダウンライトとして使用される。

本実施形態において、ＬＥＤ３１、３２は、それぞれ白色の光を出射する固体発光素子と、電球色の光を出射する固体発光素子とから成り、基板２の長手方向の中心線２０に沿って交互に配置され基板２のＬＥＤ実装面から上方向に照射光を出射する。なお、白色の光を出射する固体発光素子は、例えば青色光を発光する青色ＬＥＤ素子と、青色ＬＥＤ素子からの光で励起され黄色光を発光する黄色蛍光体と形成される白色ＬＥＤなどにより構成できる。また、電球色の光を出射する固体発光素子は、青色ＬＥＤ素子の光を蛍光体で電球色に変換するものが用いられる。また、各ＬＥＤ及び蛍光体は、互にセラミック等のパッケージに内蔵され、基板２に実装されていてもよい。また、各固体発光素子はセラミックやアルミ基材上にＬＥＤ素子を実装し、蛍光体で覆ったもので構成されてもよい。このとき、各素子の上に異なる種類の蛍光体を塗布することにより、複数の光色を出せる。

各発光グループ４は、それぞれＬＥＤ３１、３２を含んで、基板２の長手方向に沿って順次隣接して構成され、隣接する各発光グループ４間の距離ｄ１が、各グループ４内のＬＥＤ３間の最短となる距離ｄ２よりも大きくなるように設定されている。ここで、各発光グループ４間の距離ｄ１は、各グループ４毎に各ＬＥＤ３１、３２からの光により形成される照射光の発光中心間の距離としている。また、各発光グループ４内のＬＥＤ３１、３２間の距離ｄ２は、各ＬＥＤ３の照射光の発光中心間の距離としている。なお、各グループ間距離ｄ１は等間隔でなくてよく、距離ｄ２についても同様であり、それら距離ｄ１、ｄ２は、基板２を設置する設置部の形状やＬＥＤ３を覆う透過カバーの形状により、任意に設定することができる。

このＬＥＤ配置においては、基板２上のＬＥＤ３１、３２間の距離ｄ２は、前述の図８（ｃ）に示される同じサイズの基板に等間隔に配置されたＬＥＤ間の距離ｄｙに比べて短くなり、各ＬＥＤ３１、３２が互に接近されるようになる。従って、各発光グループ４は、ＬＥＤ３１、３２からの各色光（ここでは、白色と電球色）の組み合わせによるカテゴリ毎に密集されて基板２上に配置される。

また、各ＬＥＤ３１、３２間の距離ｄ２は１５ｍｍ以内とし、かつ、それらＬＥＤ３１、３２の光束は１００％点灯時に１０〜６００ルーメンとしている。なお、基板２は、ＬＥＤ等を実装するためのプリント基板やセラミック基板等が使用され、その形状は図示の矩形に限らず、円形や多角形等としてもよい。また、各ＬＥＤ３は、例えば基板２上に形成される電源回路（不図示）により、その基板２上の配線パターンを介して給電される。また、各ＬＥＤ３１、３２は、その出射光が電源回路によりそれぞれ制御され、それらの色光の混合比率の調整が可能となっている。

図２は、発光装置１を基板２の側面側から見たときの、発光グループ４ａ、４ｂの各ＬＥＤ３１、３２からの光の照射状態を示す。各発光グループ４においては、各ＬＥＤ３１、３２はそれらの間隔が距離ｄ２となって、互に接近されているので、各ＬＥＤ３１、３２からの白色及び電球色の光が基板２上から所定の距離ｈで交わるようになり、それらの色光による混合光が形成され照射される。なお、所定の距離ｈは、各ＬＥＤ３１、３２の照射光の各発光中心から見た立体角度φ１を互に同じとし、例えば発光装置１を覆う拡散用の乳白パネルやカバーパネルなどを混合光の等価的な出射面とし、この出射面と基板２との距離を基に定めてもよい。

本実施形態によれば、所定数のＬＥＤ３を等間隔に配置する場合に比べ、グループ４毎に各ＬＥＤ３からの光が交わり混色され易くなるので、異なる色度の照射光が低減され色むらを生じ難くすることができる。また、各グループ４内に白色光を出射するＬＥＤ３を含むので、色むらのない白色の色を照射することができる。

また、各ＬＥＤ３の発光中心間距離（ｄ２）は、１５ｍｍ以内としているので、例えば立体角度φ１を９０度以上とすれば、ＬＥＤ３１、３２からの光の交差位置の距離ｈを７．５ｍｍ以内に近づけることができ、比較的低い高さで混合光を形成することができる。また、ＬＥＤ３１、３２の光束は、１００％点灯時に１０〜６００ルーメンとされていることにより、点灯時に、１０ルーメン以下とならないので、照射が暗くなって色光の混合ができなくなることはない。また、点灯時に、６００ルーメンを越えないので、照射が明る過ぎて眩しさのため、混合色が判別できなくなることを避けることができる。

なお、本実施形態においては、１つの発光グループに各々白色の光及び電球色の光を出射するＬＥＤ３１、３２をそれぞれ１つ含む構成を示したが、各グループ４内の複数のＬＥＤ３のうち、少なくとも１つが白色の光を出射するＬＥＤ３１であればよい。例えば、各グループ４内に、ＬＥＤ３１が２個以上、または電球色の光を出射するＬＥＤ３２が２個以上であってもよい。

また、各発光グループ４の各ＬＥＤ３の配置は、全てが規則的である必要はない。このことから、例えば図３に示されるように、各発光グループ４のＬＥＤ間隔は、基板２内で熱の篭り易い中央部においては、ある程度間隔を広く取って均一に配置し、基板２の周辺部においては、各ＬＥＤ３をカテゴリ毎に密集させて配置してもよい。この場合、発光グループ４ａ、４ｃは、それらのＬＥＤ３１、３２がカテゴリを成し基板２の周辺部に密集して配置され、基板２の中央部のグループ４ｂは、その中のＬＥＤ３１、３２が発光グループ４ａ、４ｃと比べ互いの間隔を拡げて配置されている。

（変形例）
上記実施形態の発光装置の変形例について、図４を参照して説明する。本変形例の発光装置１は、各発光グループ４の各々が、白色に加え、赤、青、緑色のうちの、少なくとも２色の色度の光をそれぞれ出射するＬＥＤを含む。この発光装置１においては、発光グループ４ｄ〜４ｆの各々が、白色（Ｗ）の光を出射するＬＥＤ３１と共に、赤（Ｒ）、緑（Ｇ）、青（Ｂ）色の各色度の光をそれぞれ出射するＬＥＤ３３、３４、及び３５を含んでいる。

これらＬＥＤ３１、及び３３〜３５は、各発光グループ４毎に、基板２上の中心線２０に沿う正方形の４頂点にそれぞれ配置され、最も近く隣接するＬＥＤ間の距離ｄ２は１５ｍｍ以内とされ、各発光グループ４（４ｄ〜４ｆ）間の距離ｄ１より短くなっている。ここでは、発光装置１は、各グループ４内に、白、赤、緑、及び青色からなるカテゴリ毎に、４つのＬＥＤ３１、３３〜３５がそれぞれ密集される構成となっている。各発光グループ４は、白色光と、赤、緑、及び青色光のそれぞれの混合比率が制御されることにより、様々な混合光を得ることができる。例えば、各グループ４で白色の光を得る際、ＬＥＤ３３〜３５からのＲ、Ｇ、Ｂの各色光を抑え、ＬＥＤ３１からの白色光の混合比率を高くする。このとき、各グループ４は、白色の光を、色バランスのずれによる色むらが発生し易いＲ、Ｇ、Ｂの３色光により生成せず、ＬＥＤ３１からの白色光のみで構成するようにできるので、色むらのない白色の光を得ることができる。また、ＬＥＤ３３〜３５でＲ、Ｇ、Ｂの３色光の色バランスが良く、色むらの少ない白色の光が得られた場合には、ＬＥＤ３１からの白色光と相乗して、より明るい白色の光を得ることができる。特に、ＲＧＢによる白色の生成は、各ＬＥＤパッケージのばらつきと各パッケージに流れる電流のばらつきとにより、色度のばらつきが大きくなるため、１パッケージで白色を出すものを加えることにより、ばらつき抑制の効果が大きい。また、ＲＧＢの単色が透光カバーを通して見えてしまうことがあり、特に出力が小さいときはその懸念が大きいが、白色パッケージを加えることにより、各単色が見え難くなるので、意匠的効果も大きい。

（第２の実施形態）
本発明の第２の実施形態に係る発光装置について、図５を参照して説明する。図５に示されるように、本実施形態の発光装置１は、前記実施形態において、発光グループ４（４ａ、４ｂ）の各々は、各ＬＥＤ３（３１、３２）の光を混色する光学部材を備え、その光学部材として、反射板５を用いたものである。

反射板５は、基板２上に配置され樽形状の中空の回転体から成る凹面反射鏡５１を有し、各発光グループ４（４ａ、４ｂ）毎に、それぞれ凹面反射鏡５１内に各ＬＥＤ３を取り囲むように設けられる。この反射板５は、発光グループ４内の各ＬＥＤ３から等距離となる中心点を通り基板２に垂直な中心軸２１を回転体の回転軸とする。また、中心軸２１は凹面反射鏡５１の光軸となっている。

反射板５は、各発光グループ４でＬＥＤ３１、３２からの光の一部をそれぞれ凹面反射鏡５１の内面で反射し、それら反射光を互に交差させるようにして、凹面反射鏡５１の開口から照射する。ここで、ＬＥＤ３１、３２は、それらの発光中心位置から広角に光を出射し、それらの出射光のうち、基板２に沿って略平行に発光中心位置から互に逆方向に出射された光が、凹面反射鏡５１で反射されて交差するようになる。このとき、ＬＥＤ３１、３２間の間隔は、それらからの出射光の立体角度や凹面反射鏡５１の反射面の曲率等を基に、各出射光による混合光が、より出射し易いように設定される。これにより、ＬＥＤ３１、３２からの色光の混合が容易に行われる。

（変形例）
上記実施形態の変形例を図６に示す。本変形例の発光装置１は、前記実施形態において、発光グループ４（４ａ、４ｂ）の各々は、各ＬＥＤ３１、３２の光を混色する光学部材として、レンズ６を備えたものである。

レンズ６は、各発光グループ４内の各ＬＥＤ３１、３２を覆うように基板２上に配置され、逆円錐台形状の回転体からなるレンズ本体６０を有する。レンズ本体６０は、前記と同様に基板２に垂直な中心軸２１を回転軸とし、中心軸２１はレンズ６の光軸となっている。

レンズ本体６０は、その底面に形成されＬＥＤ３１、３２をそれぞれ覆う２つ半球形空洞の入射面６１と、基板２から離れるに連れて中心軸２１との傾斜角が拡大する側面６２と、レンズ上面で形成される凹面状の凹出射面６３及び凸面状の凸出射面６４とを有する。凸出射面６４は、凹出射面６３の中央部から突出する形で形成される。

レンズ６においては、発光グループ４内のＬＥＤ３１、３２から出た光は、それぞれ各入射面６１からレンズ本体５０内に入射され、その入射光のうち、中心軸２１近くに沿う光は凸出射面６４で中心軸２１から離れるように拡散されて出射される。また、入射面６１からの入射光のうち、中心軸２１から離れて凹出射面６３に向う光は、凹出射面６３により中心軸２１に集光されて出射され、入射面６１から側面６２に向う光は、側面６２で反射されて凹出射面６３又は凸出射面６４で屈折されて出射される。これにより、入射面６１から入射した光は、レンズ６の通過することにより拡散及び集光、及び多重反射等により、互に交差するようになる。従って、各発光グループ４内の各ＬＥＤ３から出た光の混合光が容易に得られる。

（第３の実施形態）
本発明の第３の実施形態に係る発光装置について、図７を参照して説明する。図７（ａ）に示されるように、本実施形態の発光装置１は、前記実施形態において、各発光グループ４から出射された光を共通して拡散する拡散部材７を、さらに備える。発光装置１は、各発光グループ４間の距離ｄ１又は各グループ４から導出される光の立体角度φ２が、各グループ４のＬＥＤ３から導出された光の、拡散部材７における投影パターン７１〜７３（投影部分）の周囲が互いに隣接又は重複するように構成されている。拡散部材７は、例えば、光拡散剤を含んだ透明樹脂やガラス材等を用いることができる。

発光装置１は、基板２に板状の拡散部材７を支持するための枠体８を備え、枠体８は基板２からの距離ｈの位置に拡散部材７を保持するように構成されている。ここでは、各発光グループ４（４ａ〜４ｃ）の立体角度φ２は、それらの各ＬＥＤ３（３１、３２）から出射される光を総合した照射光の、各グループ４の中心から見た立体角度を言う。この立体角度φ２は、例えばＬＥＤ個々の照射光の立体角度φ１と、各ＬＥＤ間の距離ｄ２と、拡散部材７への距離ｈとにより、各ＬＥＤ３の照射光による拡散部材７上の各投影パターンを求め、それらを包含する投影パターンを得る照射角から等価的に求められる。

図７（ｂ）に示されるように、拡散部材７は、その平面上に各発光グループ４ａ〜４ｃからの照射光が投影され、それぞれの投影パターン７１〜７３が形成される。ここでは、各ＬＥＤ３を、その照射光が立体角度φ２を成す点光源とし、各投影パターン７１〜７３は、それらＬＥＤ３からの光が投影され略円形状を成し、それらの外径は立体角度φ２と距離ｈとにより算出される。また、それら投影パターン７１〜７３は、例えば立体角度φ２が小さいときは、各発光グループ４間の距離ｄ１を狭めて互に重なるようにできる。また、距離ｄ１が長いときは、立体角度φ２を大きくし、投影パターンを拡大して各投影パターン７１〜７３が互に重なるようにすればよい。なお、ＬＥＤ３は点光源に限定されない。

本実施形態によれば、隣接する各発光グループ４からの出射光は、拡散部材７上で互い交差されると共に、拡散部材７内で拡散されて出射されるので、光の混色範囲が増大され、色度むらのより少ない混合光を得ることができる。

なお、本発明は、上記の実施形態の構成に限られず、発明の要旨を変更しない範囲で種々の変形が可能である。例えば、上記各実施形態で、発光グループ４が２つ又は３つの場合を示したが、３グループ以上あってもよい。また、発光グループ４に含まれるＬＥＤは、白色、電球色、赤、緑、青色の光以外の色を発光する固体発光素子や蛍光体を含んでもよい。また、複数のＬＥＤの基板上での配置形状は、直線状や矩形状以外に、多角形状や円形状としてもよい。

１発光装置
２基板
３１、３２、３３、３４、３５ＬＥＤ（固体発光素子）
４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄ、４ｅ、４ｆ発光グループ（グループ）
５反射板（光学部材）
６レンズ（光学部材）
７拡散部材
７１、７２、７３投影パターン（投影部分）
φ２立体角度
ｄ１グループ間距離
ｄ２ＬＥＤ間距離

Claims

基板に配列実装され互に異なる色度の光を出射する複数の固体発光素子が１つのグループを構成し、
このグループを複数備え、
前記グループの各々は、少なくとも白色の光を出射する固体発光素子を含み、
前記各グループ間の距離が、グループ内の固体発光素子間の距離よりも大きく設定され、
前記基板の中央部に位置する前記グループの前記固体発光素子は、前記基板の周縁部に位置する前記グループの前記固体発光素子と比べ互いの間隔を拡げて配置されていることを特徴とする発光装置。
前記グループの各々は、電球色の光を出射する固体発光素子を含むことを特徴とする請求項１に記載の発光装置。
前記グループの各々は、赤、青、緑色のうちの、少なくとも２色の色度の光をそれぞれ出射する固体発光素子を含むことを特徴とする請求項１に記載の発光装置。
前記グループの各々は、各固体発光素子の光を混色する光学部材を備えることを特徴とする請求項１乃至請求項３の何れか一項に記載の発光装置。
前記光学部材は、前記固体発光素子から導出された光を反射する反射部材であることを特徴とする請求項４に記載の発光装置。
前記光学部材は、前記固体発光素子から導出された光を混色するレンズであることを特徴とする請求項４に記載の発光装置。
前記グループ内の最も近く隣接する固体発光素子の発光中心間距離は１５ｍｍ以内であって、
前記各固体発光素子の光束は、１００％点灯時に、１０〜６００ルーメンであることを特徴とする請求項１乃至請求項６の何れか一項に記載の発光装置。
前記各グループから出射された光を共通して拡散する拡散部材を、さらに備え、
前記各グループ間の距離又は該グループから導出される光の立体角度は、当該固体発光素子から導出された光の、当該拡散部材における投影部分の周囲が互いに隣接又は重複するように構成されていることを特徴とする請求項１乃至請求項７の何れか一項に記載の発光装置。
請求項１乃至請求項８の何れか一項に記載の発光装置を備えたことを特徴とする照明器具。