JP6185987B2 - 発光装置 - Google Patents

Description

本発明は、固体光源と、波長変換素子とを有する発光装置、並びにこのような発光装置を有するランプ及び照明器具に関する。

発光ダイオード（ＬＥＤ）をベースにした照明装置が、多種多様な照明及び信号伝達アプリケーションにおいてますます用いられるようになっている。ＬＥＤは、白熱灯及び蛍光灯などの従来の光源に勝る、長い寿命、高いルーメン効率、低い動作電圧、及びルーメン出力の高速変調を含む利点を提供する。効率的なハイパワーＬＥＤは、多くの場合、青色発光InGaN材料をベースにしている。所望の色（例えば白色）の出力を持つＬＥＤをベースにした照明装置又は別の固体照明装置を製造するため、所望のスペクトル特性を持つ光の組み合わせを生成するようにＬＥＤによって発される光の一部をより長い波長の光に変換する、一般に蛍光体として知られている適切な波長変換材料が、設けられ得る。白色光を発するための青色ＬＥＤをベースにした装置用の適切な波長変換材料の例は、セリウムをドープしたイットリウムアルミニウムガーネット（YAG:Ce）である。

ＬＥＤ−蛍光体をベースにした照明装置の不利な点は、オフ状態において、蛍光体の色がはっきり見に見え得ることである。例えば、YAG:Ceは、目立つ、黄色っぽい又はオレンジ色の見た目を持つ。このような見た目は、審美的な理由で望ましくないかもしれず、顧客に受けないかもしれない。それ故、オフ状態において、ニュートラルな、例えば、白色又は白っぽい見た目を持つ固体照明装置を製造する技術が開発されている。このような技術の１つは、US 2005/0201109に開示されており、US 2005/0201109は、光源と、光源の発光面に面するよう配置されるレンズと、レンズの少なくとも表面に設けられるハーフミラーフィルムとを有する照明装置を記載している。ハーフミラーフィルムは、金属材料を有する薄いフィルムであり、遮光機構であって、照明装置がオフ状態にあるときに、照明装置の内部又は構造が、前記遮光機構を通して外部から見られることができない遮光装置を供給する。しかしながら、前記装置は、効率が低いという欠点があり、レンズの存在のため、かさばる。従って、当業界には、機能オフ状態においてニュートラルな見た目を持つ改善された発光装置のニーズがある。

本発明の目的は、この問題を解決し、所望のオフ状態見た目を持つ改善された発光装置を提供することである。

本発明の第１の態様によれば、この及び他の目的は、
− 一次光を発するよう適応される固体光源と、
− 前記一次光を受け取るよう配設され、前記一次光を二次光に変換することが可能な波長変換部材であって、前記波長変換部材及び前記固体光源が互いに間隔をおいて配置される波長変換部材と、
− 前記波長変換部材の光出力側に配設される無吸収部分透明反射器とを有する発光装置によって達成される。

前記反射器は、前記波長変換部材の色を隠し、多くのアプリケーションにとってより望ましい銀色又は金色の金属的な見た目を前記装置に与え得る。無吸収反射器を用いることによって、効率は高くなり、必要とされる蛍光体も少なくなり、これは、改善された外観に更に寄与する（蛍光体の色が、より見えにくくなる）。前記波長変換部材が前記光源と直接接触する装置と比べて遠隔又は近傍配置を用いることの利点は、過熱による蛍光体の劣化の低減、従って、蛍光体の寿命の増加、及び色の経時安定性の改善を含む。前記遠隔配置は、とりわけ、下記のような光混合チャンバとの組み合わせにおいて、コリメートレンズなどを必要としないコンパクトな設計を可能にする発光面も供給し得る。

本発明の実施例においては、前記無吸収部分透明反射器は、400nmから800nmまでの波長範囲にわたって一様な光反射率を持つ。

一般に、無吸収は、吸収が1%未満であることを意味する。従って、本発明の実施例においては、前記無吸収部分透明反射器は、入射光の1%未満の吸収しかしない。金属製反射器は、望ましくない高い光吸収を持つ傾向があるので、前記無吸収部分透明反射器は、一般に、非金属製のものである。

前記無吸収部分透明反射器は、例えば、一般に、誘電材料、ガラス及びプラスチック材料から選択される材料を有する無吸収層を少なくとも１つ有する前記プラスチック材料は、ポリカーボネート(PC)、ポリメチルメタクリレート(PMMA)、ポリエチレンテレフタレート(PET)及びポリエチレンナフタレート(PEN)から選択され得る。

本発明の実施例においては、前記無吸収部分透明反射器は、無吸収層のスタックを有する。一般に、前記無吸収層のスタックの各層は、400nmから800nmまでの波長範囲にわたって一様な反射率を持ち得る。

幾つかの実施例においては、前記無吸収部分透明反射器は、鏡面反射器であり得る。

本発明の実施例においては、前記部分透明反射器は、20%から60%までの、好ましくは、30%から45%までの、より好ましくは、35%から、又は35%より高くから、45%までの範囲内の反射率を持つ。

幾つかの実施例においては、前記発光装置は、反射性底部及び少なくとも１つの反射性側壁によって規定される光混合チャンバを有する。前記固体光源は、前記底部又は前記側壁に配設され得る。前記光混合チャンバは、オン状態において、高い効率、光の良好な混合を供給し、遠隔蛍光体との組み合わせにおいて、コリメートレンズなどを必要としないコンパクトな設計を可能にする。

幾つかの実施例においては、前記無吸収部分透明反射器は、光出射窓であって、光が前記光出射窓を通して前記光混合チャンバを出て行き得る光出射窓を形成する。

前記波長変換部材は、前記無吸収部分透明反射器の、前記固体光源に面する面に配設され得る。他の例においては、又は更に、前記波長変換部材は、前記反射性底部に配設されてもよく、前記固体光源は、前記反射性側壁に配設されてもよい。

別の態様においては、本発明は、本願明細書に記載されているような発光装置を有するランプ、例えばレトロフィットランプを提供する。

他の態様においては、本発明は、本願明細書に記載されているような発光装置を少なくとも１つ有する照明器具も提供する。

本発明は、請求項において列挙されている特徴の全てのあり得る組み合わせに関することに注意されたい。

ここで、本発明の実施例を示す添付の図面を参照して、本発明のこの及び他の態様についてより詳細に記載する。

本発明の実施例による発光装置の側断面図である。 本発明の実施例による発光装置の側断面図であり、オフ状態の発光装置を見る観察者を概略的に図示する。 本発明の別の実施例による発光装置の側断面図である。 本発明の別の実施例による発光装置の側断面図である。 本発明の別の実施例による発光装置の側断面図である。 本発明の実施例によるランプの、一部が断面図である、側面図である。 本発明の実施例による照明器具の斜視図である。

図に図示されているように、層及び領域のサイズは、説明の目的のために、誇張されており、従って、本発明の実施例の一般的な構造を図示するために示されている。同様の参照符号は、全体を通して、同様の要素を指す。

以下、本発明の現在好ましい実施例が示されている添付図面を参照して、本発明をより詳細に説明する。しかしながら、本発明は、多くの異なる形態で実施されてもよく、本願明細書に記載されている実施例に限定されるものとして解釈されるべきではない。もっと正確に言えば、これらの実施例は、完全及び完璧を期すために示されており、当業者に本発明の範囲を十分に伝える。

本発明者は、蛍光体のそのままの色を隠し、その代わりに、蛍光体を含む発光装置に、よい望ましい金属的な見た目を与えるのに、半透明反射器が有利に用いられ得ることを見出した。

本発明の実施例による発光装置が、図示に示されている。発光装置１００は、光混合チャンバ１０３の底部１０２に配設される複数の光源１０１、ここでは、ＬＥＤを有する。光混合チャンバ１０３は、環状側壁１０４によって囲まれる。波長変換部材１０５は、光源１０１から間隔をおいて配設される、所謂、遠隔蛍光体形式である。光源及び波長変換部材からの光出力方向において見られるように、波長変換部材１０５の他の面には、部分的に反射性であり、部分的に透明である部材１０６が設けられる。部分的に反射性であり、部分的に透明である部材を、以下では、部分透明反射器と呼ぶ。部分透明反射器は、吸収が少ない又は実質的にないだろう。「吸収がない」又は「無吸収」とは、ここでは、反射器又は対象となっている層が、好ましくは全可視波長範囲にわたって、入射光の1%以下の吸収しかしないことを意味する。部分透明反射器は、単一の層又は多数の層のスタックで形成される、プレート、フィルム又はフォイルであり得る。多数の層のスタックの場合には、これらの層は、材料組成及び光学（例えば、反射及び／又は透過）特性に関して同じもの又は異なるものであり得る。

動作中、光源１０１によって発された一次光は、場合によっては側壁及び／又は底部によって反射された後に、波長変換素子によって受け取られる。側壁及び底部の両方とも、反射性であり得る。波長変換部材は、一次光の少なくとも一部を、より長い波長の二次光に変換する。変換二次光は、一部は、（観察者１０７の方へ）光出力方向に放射され、一部は、光混合チャンバ内へ後方放射され、それは、光混合チャンバにおいて、光出力方向に反射され、向け直され得る。二次光及びあらゆる変換されていない一次光は、部分透明反射器１０６によって透過され、従って、発光装置を出る。好ましくは、光混合チャンバの側壁は、随意に、底部も、高反射性であり、従って、光の良好な混合、良好な光分布、並びに光の再利用及び最小限に抑えられた吸収による高い効率を確実にする。

側壁は、任意の適切な幾何学的形状をしていてもよく、従って、反射性チャンバは、任意の適切な幾何学的形状をしていてもよいことが、考えられる。例えば、発光装置は、環状側壁の代わりに、正方形、長方形又は他の多角形のチャンバを規定する１つ以上の側壁を含んでもよい。

部分透明反射器１０６は、主として、発光装置が、オフ状態にあるとき、即ち、動作中ではないときに、波長変換部材の色が外部から見えるのを防止する役割を果たす。オフ状態においては、図２に図示されているように、外部から発光装置に入射する光は、部分的に反射され、部分的に透過される。この光の反射により、波長変換素子の色は、外部から見えにくくなり、その代わりに、反射器の厚さ及び／又は屈折率を適応させることによって、金属的な、例えば、銀色又は金色の見た目が、発光装置に与えられ得る。

部分透明反射器１０６は、一般に、全ての波長の光を同程度まで反射するように、全可視スペクトルにわたって一様な反射率を持つ。一般に、部分透明反射器は、30乃至45%又は35乃至45%などの、20乃至60%の反射率を持つ。幾つかの実施例においては、反射率は、35%より高く、例えば、45%までであり得る。

幾つかの実施例においては、部分透明反射器は、鏡面反射器である。

図３は、部分透明反射器１０６が、多数の無吸収層１０６ａ、１０６ｂ、１０６ｃのスタックを有する発光装置の実施例を図示している。このような層のスタックは、少なくとも２つの層、例えば３つの層を含み得る。或る例においては、部分透明反射器１０６は、２枚のガラスプレートのスタックであり得る。別の例においては、部分透明反射器１０６は、３枚のプラスチックプレートのスタックであり得る。更に別の例においては、部分透明反射器１０６は、多数のプラスチックフォイルのスタックであり得る。

部分透明反射器は、任意の適切な、無吸収の、十分に透過性及び反射性の材料で形成され得る。一般に、層１０６ａ、１０６ｂ、１０６ｃのために、誘電材料が用いられ得る。適切な誘電材料の例は、
− チタン酸バリウム、チタン酸バリウムストロンチウム、チタン酸ストロンチウム、チタン酸マグネシウム、チタン酸カルシウム、チタン酸ビスマス、チタン酸ネオジム、チタン酸マグネシウムカルシウウムシリコン及びチタン酸鉛などのチタン酸塩、
− ジルコン酸カルシウム、ジルコン酸バリウム及び酸化ジルコニウムなどのジルコン酸塩、
− 二酸化チタン、酸化スズ、スズ酸カルシウム、三酸化ビスマス、マグネシウム亜鉛ニオブ酸マグネシウムフッ化物、二酸化ケイ素、五酸化タンタル及び硫化亜鉛などの酸化材料を含む。

図３に図示されているような多層反射器は、層１０６ａ、１０６ｂ、１０６ｃの厚さ及び屈折率を調節することによって、任意の望ましい見た目、例えば、ニュートラルな若しくは銀色の見た目、又は金色の見た目を持つよう設計され得る。

全体として部分透明反射器の適切な材料、又は部分透明反射器の１つ以上の層の適切な材料の他の例は、ガラス、又はポリカーボネート(PC)、ポリメチルメタクリレート(PMMA)、ポリエチレンテレフタレート(PET)及びポリエチレンナフタレート(PEN)などのプラスチックの材料を含む、

図４は、波長変換部材１０５と部分透明反射器１０６とが互いに間隔をおいて配置される発光装置の別の実施例を図示している。波長変換部材はまた、引き続き、光源１０１から間隔をおいて配置され、例えば、空隙によって分離される。幾つかの実施例においては、光源と波長変換部材との間の距離は、相対的に小さくてもよく、所謂、近傍蛍光体形式であり得る。しかしながら、このような実施例においては、波長変換部材は、引き続き、光源と接触しない。このような近傍蛍光体形式の実施例においては、波長変換部材は、部分透明反射器から図３に示されているような距離のところに配設されてもよく、又は図１及び２に示されている実施例と同様に、部分透明反射器と接触して配設されてもよい。近傍蛍光体形式は、従って、発光装置のコンパクトな設計を可能にする。

光源は、光混合チャンバ内の任意の適切な位置に配置されることができ、例えば、底部１０２の中央位置に対称的に配置され得る。図面は、複数の光源を用いる発光装置を示しているが、単一のＬＥＤ又は単一のレーザダイオードなどの単一の固体光源も用いられ得ることは考えられる。単一の光源が用いられる場合、単一の光源は、一般に、底部１０２の中央に配設される。

図５は、２つの光源１０１が側壁１０４の内面に取り付けられる発光装置１００の別の実施例を示している。複数の光源は、例えば、側壁の周囲に沿って、全て、互いから規則正しい距離のところに取り付けられ得る。２つの光源の場合には、これらの光源は、一般に、互いの反対側に取り付けられる。図５は、更に、光混合チャンバ１０３の底部１０２に配設される波長変換部材１０５を示している。この実施例においては、底部は、好ましくは、波長変換部材によって発された（変換された）又は透過された全ての光が、部分透明反射器１０６によって形成される光出射窓の方へ向けられるような、反射性である。このような発光装置は、蛍光体又は波長変換部材に関して「反射形式」と呼ばれ得る。

上述のように、固体光源は、発光ダイオード（ＬＥＤ）又はレーザダイオードであり得る。他の例においては、光源は、有機発光ダイオード（ＯＬＥＤ）であり得る。幾つかの実施例においては、固体光源は、例えば440nmから460nmまでの波長範囲の一次光を発する、GaN又はInGaNをベースにしたＬＥＤなどの青色発光ＬＥＤであり得る。他の例においては、固体光源は、後に１つ以上の波長変換材料によってより長い波長の光に変換されるＵＶ又は青紫色光を発し得る。

二次光は、一般に、一次光より長い波長のものである。例えば、二次光は、400nm乃至800nm、例えば、570nmから620nmまでなどの500nm乃至800nmの波長範囲のものであり得る。一次青色光と、青色光を黄色光に変換することが可能である波長変換部材を組み合わせることで、トータルで白色の光出力が得られ得る。従って、波長変換部材の波長変換材料は、一般に、用いられる光源、及び出力光の望ましいスペクトル組成に関して、選択される。

本発明において用いられる波長変換材料は、無機波長変換材料又は有機波長変換材料であり得る。無機波長変換材料の例は、セリウム(Ce)をドープしたイットリウムアルミニウムガーネット（YAG:Ce若しくはCeをドープしたYAGとも呼ばれるY₃Al₅O₁₂:Ce³⁺）又はルテチウムアルミニウムガーネット（LuAG、Lu₃Al₅O₁₂）、α-SiAlON:Eu²⁺（黄色）、及びMが、Ca、Sr及びBaから選択される少なくとも１つの元素であるM₂Si₅N₈:Eu²⁺（赤色） を含み得るが、これらに限定されない。更に、YAG:Ceのアルミニウムの一部は、ガドリニウム(Gd)又はガリウム(Ga)と置換されてもよく、ここで、より多くのGdは、黄色発光の赤色シフトをもたらす。他の適切な材料は、赤色範囲内の光を発する、Sr₂Si₅N₈:Eu²⁺などの(Sr_1-x-yBa_xCa_y)_2-zSi_5-aAl_aN_8-aO_a:Eu_z ²⁺を含んでもよく、ここで、0≦a<5、0≦x≦1、0≦y≦1、0<z≦1且つ(x+y)≦1である。適切な有機波長変換材料の例は、ペリレン誘導体をベースにした有機ルミネッセンス材料、例えば、BASF社によってLumogen（登録商標）という名前で販売されている化合物である。市販されている適切な化合物の例は、 Lumogen（登録商標）Red F305、Lumogen（登録商標）Orange F240、Lumogen（登録商標）Yellow F083、及びLumogen（登録商標）F170、並びにそれらの組み合わせを含むが、これらに限定されない。 有利なことには、有機ルミネッセンス材料は、透明且つ非散乱性であり得る。

更に、幾つかの実施例においては、波長変換材料は、量子ドット又は量子ロッドであり得る。量子ドットは、一般に数ナノメートルの幅又は直径しか持たない半導体材料の小さな結晶である。量子ドットは、入射光によって励起されるとき、結晶のサイズ及び材料によって決定される色の光を発する。それ故、ドットのサイズを適応させることによって、特定の色の光が生成され得る。最も知られている、可視範囲内の発光を持つ量子ドットは、硫化カドミウム(CdS)及び硫化亜鉛(ZnS)などのシェルを備えるセレン化カドミウム(CdSe)をベースにしたものである。リン化インジウム(InP)、硫化銅インジウム(CuInS₂)及び／又は硫化銀インジウム(AgInS₂)などのカドミウムを含まない量子ドットも用いられ得る。量子ドットは、非常に狭い発光帯を示し、従って、飽和色を示す。更に、量子ドットのサイズを適応させることによって、発光の色が容易に調整され得る。本発明においては、当業界で知られているあらゆるタイプの量子ドットが用いられ得る。しかしながら、環境安全性及び環境問題の理由で、カドミウムを含まない、又は少なくともカドミウム含有量が非常に少ない量子ドットを用いることが、好ましいかもしれない。

随意に、波長変換部材は、散乱素子を含み得る。散乱素子の例は、細孔、及びTiO₂又はAl₂O₃の粒子などの散乱粒子を含む。散乱素子は、波長変換材料と混ぜ合わされてもよく、又は別の層として設けられてもよい。

本発明の発光装置は、あらゆるタイプの照明アプリケーションにおいて用いられることができ、とりわけ、発光装置が外部から見えるランプ及び照明器具、即ち、部分透明反射器がなければ波長変換部材の色が見え得るランプ及び照明器具において用いられ得る。本発明の実施例による発光装置を有するランプの例が、図６に図示されている。ランプ２００は、従来の白熱電球を置き換えるよう意図されている所謂レトロフィットランプである。ランプ２００は、ねじ込みソケットに適しているねじ込み継手２０７を具備する口金部２０２を有する。口金部２０２は、反射性であり得る平らな上面２０４を持つ。上面２０４の中央に複数の光源２０１が配設される。好ましくは、口金部２０２の上面２０４全体を覆う、光源の上のカバーとして、球体の一部又はドームの形をしている部分透明反射器２０６が配設される。部分透明反射器２０６の、光源２０１に面する面上に、部分透明反射器２０６と接触して、波長変換部材２０５が設けられる。

図７は、本発明による発光装置を少なくとも１つ有する照明器具３００を示している。照明器具３００は、ハウジング３０１と、光出射窓３０２とを有する。ハウジング３０１は、反射性内面を持っていてもよく、光出射窓は、上記のような部分透明反射器であってもよい。他の例においては、光出射窓３０２は、透明なプレートであってもよく、その代わりに、照明器具３００は、ハウジング３０１及び光出射窓３０２によって規定される空間内に配置される１つ以上の部分透明反射器を有してもよい。

一般に、照明器具３００は、ハウジング３０１の内面にアレイ状に又は任意の他の適切なパターンで配設される複数の固体光源を有する。

図７に示されている照明器具は、例えば天井からつり下げられるよう意図されており、それ故、ハウジング３０１の上部に取り付けられるつり下げ手段３０３を更に有する。幾つかの実施例においては、ハウジングの上部の一部又は全てが、透明であってもよく、従って、同時二方向発光を可能にする。更に、幾つかの実施例においては、照明器具は、つり下げられる代わりに、スタンドに取り付けられてもよい。

当業者には、本発明が、決して、上記の好ましい実施例に限定されないことは分かるであろう。逆に、添付の請求項の範囲内で多くの修正及び変更が可能である。

更に、当業者は、請求項記載の発明の実施において、図面、明細及び添付の請求項の研究から、開示されている実施例に対する変形を、理解し、達成することができる。請求項において、「有する」という用語は、他の要素又はステップを除外せず、単数形表記は、複数の存在を除外しない。特定の手段が、相互に異なる従属請求項において引用されているという単なる事実は、これらの手段の組み合わせが有利になるように使用されることができないと示すものではない。

Claims (14)

1. 一次光を発するよう適応される固体光源と、
   前記一次光を受け取るよう配設され、前記一次光を二次光に変換することが可能な波長変換部材であって、前記波長変換部材及び前記固体光源が互いに間隔をおいて配置される波長変換部材と、
   前記波長変換部材の光出力側に配設される無吸収部分透明反射器とを有する発光装置であって、前記固体光源によって発された一次光、及び前記波長変換部材によって生成された二次光が、前記発光装置を出るよう前記無吸収部分透明反射器によって透過されることができ、前記無吸収部分透明反射器が、400nmから800nmまでの波長範囲にわたって一様な光反射率を持つ発光装置。
2. 前記無吸収部分透明反射器が、無吸収層のスタックを有する請求項１に記載の発光装置。
3. 前記無吸収層のスタックの各層が、400nmから800nmまでの波長範囲にわたって一様な反射率を持つ請求項２に記載の発光装置。
4. 前記無吸収部分透明反射器が、非金属製のものである請求項１に記載の発光装置。
5. 前記無吸収部分透明反射器が、誘電材料、ガラス及びプラスチック材料から選択される材料を有する無吸収層を少なくとも１つ有する請求項１に記載の発光装置。
6. 前記プラスチック材料が、ポリカーボネート、ポリメチルメタクリレート、ポリエチレンテレフタレート及びポリエチレンナフタレートから選択される請求項５に記載の発光装置。
7. 前記無吸収部分透明反射器が、鏡面反射器である請求項１に記載の発光装置。
8. 前記無吸収部分透明反射器が、20%から60%までの範囲内の反射率を持つ請求項１に記載の発光装置。
9. 反射性底部及び少なくとも１つの反射性側壁によって規定される光混合チャンバを有する請求項１に記載の発光装置。
10. 前記無吸収部分透明反射器が、光出射窓であって、光が前記光出射窓を通して前記光混合チャンバを出て行き得る光出射窓を形成する請求項９に記載の発光装置。
11. 前記波長変換部材が、前記無吸収部分透明反射器の、前記固体光源に面する面に配設される請求項１に記載の発光装置。
12. 前記波長変換部材が、前記反射性底部に配設され、前記固体光源が、前記反射性側壁に配設される請求項９に記載の発光装置。
13. 請求項１に記載の発光装置を有するランプ。
14. 請求項１に記載の発光装置を少なくとも１つ有する照明器具。

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