JP6189217B2 - 白色光源およびそれを用いた白色光源システム - Google Patents

白色光源およびそれを用いた白色光源システム Download PDF

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Description

本発明は、白色光源およびそれを用いた白色光源システムに係り、特に被照射物の色合いが太陽光と同等に見える白色光源およびそれを用いた白色光源システムに関する。
近年、省エネルギー対策や二酸化炭素の排出量削減の観点からLED(発光ダイオード)を使用した白色光源が注目されている。タングステンフィラメントを使った従来の白熱電球と比較して、LEDは長寿命で、かつ省エネルギーが可能である。従来の白色LEDは、特開平10−242513号公報(特許文献1)に示されているように、発光ピーク波長が400〜530nmの範囲にある青色LEDを使用してYAG蛍光体を励起させ、LEDの青色光とYAG蛍光体の黄色光とを混合して白色光を実現していた。
LEDを使用した白色光源は、信号機や液晶表示装置のバックライト、さらには室内灯などの一般用照明機器としても広く使用されている。従来の青色LEDを使った白色光源は、その発光スペクトルは青色LEDから発する青色光のピーク高さが蛍光体からの黄色光のピーク高さの1.5倍以上と高く、青色光の影響が強い傾向があった。なお、図1に特許文献1の白色光源の発光スペクトルを示す。
一方、LEDを使用した白色光源の普及に伴って、白色光源に求められる要求も様々なものになってきている。特許文献1のような青色発光ダイオードとYAG蛍光体を組み合わせたものは、見る方向によっては黄色っぽく見えたり、青色や黄色の色むらが発生したりするという問題点があった。
このような問題点を解決するために、例えば国際公開WO2007/037120号パンフレット(特許文献2)では、紫外発光ダイオードと蛍光体とを組み合わせた白色光源を開示している。紫外発光ダイオードと、青色蛍光体、緑色蛍光体および赤色蛍光体の3種の蛍光体とを組み合わせることにより、演色性が高い白色光源を実現している。なお、図2に特許文献2の白色光源の発光スペクトルを示す。
特許文献2に記載された白色光源は、高演色性を実現するために、図2に示すように赤色領域の発光ピークが高くなるように設定されている。このような発光スペクトルを持つ白色光源で照明を行うと、照射対象物(光が照らされた物)はその色合いが鮮明に見える。一方で、洋服などに照明を施した場合には、演色性が高い白色光源で照射された時の色合いと太陽光の照射下で感じる色合いとが大きく異なるように感じられることがある。つまり、演色性が高い白色光源と太陽光とで照射した場合に、同じ照射対象物であるにも拘わらず色の違いを大きく感じてしまうという問題点が生じていた。
特開平10−242513号公報 国際公開WO2007/037120号パンフレット
人間が物体の色を知覚するということは、光源からの光が物体に照射され、そこからの反射光を感じるということである。反射光のスペクトル成分は、光源の発光スペクトルと物体の反射スペクトルとの積で表すことができる。太陽光は黒体輻射とも呼ばれている。黒体輻射は色温度に応じた発光スペクトルを有しており、凹凸のない発光スペクトルを有している。
一方、図1(特許文献1)や図2(特許文献2)に示すスペクトル分布を有する白色光源は、その発光スペクトルの凹凸が大きかった。そのため、物体に照射した際の反射光においても、白色光源の発光スペクトルの凹凸に応じて反射光も凹凸を有するスペクトルとなっていた。反射光の凹凸が大きいと、反射光は可視光領域における特定の波長が不足することになり、物体の色の見え方が違ってくるのである。つまり、白色光源の発光スペクトルの凹凸が大きいことにより、黒体輻射のスペクトルとの乖離が大きくなり、その結果、色合いの感じ方が異なるという不具合が生じていたのである。
本発明はこのような問題に対処するためのものであり、照射物の色合いが太陽光と同等に見える白色光源を提供することを目的とするものである。
上記目的を達成するために本発明に係る白色光源は、350nm以上490nm以下に発光ピーク波長を有する発光ダイオードと、発光ダイオードの光による励起によって可視光を発する蛍光体を具備する白色光源において、上記白色光源から出射される白色光の色温度が2500〜7000Kであり、かつ上記蛍光体の発光スペクトルの半値幅が50〜100nmであり、青色,青緑色,緑色,黄色,赤色発光蛍光体うち、発光ピーク波長が異なる3種以上の蛍光体を具備するものであって、白色光源の発光スペクトルの350〜780nmにおける任意の発光強度の極大値に対して、長波長側の最近接する発光強度の極小値の比率が、極大値を1としたとき、極小値が0.7以上であり、かつ発光スペクトル全域における最大ピーク強度が491nm〜780nmの範囲にあることを特徴とするものである。
また、白色光源の発光スペクトルの350〜780nmにおける任意の発光強度極大値に対し、長波長側の最近接する発光強度極小値の比率が、極大値を1としたとき、極小値が0.7以上であることが好ましい。また、 白色光の色温度が2500〜7000Kであることが好ましい。
また、白色光源の発光スペクトルの最大ピーク強度が491〜780nmの範囲にあることが好ましい。また、発光ピーク波長の異なる蛍光体を3種以上具備していることが好ましい。また、発光ダイオードおよび発光ピーク波長が異なる3種以上の蛍光体の発光スペクトルが重なる領域を少なくとも1か所以上具備することが好ましい。また、発光スペクトルの半値幅が50nm以上である蛍光体を具備することが好ましい。
また、白色光源がタスク照明用白色光源であることが好ましい。また、印刷物、食材、人物のいずれか1種以上を照らすための照明に用いることが好ましい。また、白色光源と照射対象物との距離が1.5m以下であることが好ましい。
また、本発明の白色光源システムは、本発明の白色光源を複数個用いたことを特徴とするものである。
本発明に係る白色光源によれば、発光スペクトルの凹凸を小さくしているので、物体の色合いが太陽光を照射したときと同様に感じ取ることができる。
特許文献1の白色光源の発光スペクトルを示すグラフである。 特許文献2の白色光源の発光スペクトルを示すグラフである。 実施例1に係る白色光源の発光スペクトルを示すグラフである。 実施例2に係る白色光源の発光スペクトルを示すグラフである。 実施例3に係る白色光源の発光スペクトルを示すグラフである。 実施例4に係る白色光源の発光スペクトルを示すグラフである。 実施例5に係る白色光源の発光スペクトルを示すグラフである。 実施例6に係る白色光源の発光スペクトルを示すグラフである。 実施例7に係る白色光源の発光スペクトルを示すグラフである。 実施例8に係る白色光源の発光スペクトルを示すグラフである。 実施例9に係る白色光源の発光スペクトルを示すグラフである。 本発明の白色光源の一構成例を示す断面図である。 本発明の白色光源の他の構成例を示す断面図である。
本発明に係る白色光源は、350nm以上490nm以下に発光ピーク波長を有する発光ダイオードと、発光ダイオードの光による励起によって可視光を発する蛍光体を具備する白色光源において、白色光源の発光スペクトルの350〜780nmにおける任意の発光強度極大値に対し、長波長側の最近接する発光強度極小値の比率が、極大値を1としたとき、極小値が0.5以上であることを特徴とするものである。
まず、発光ダイオードとして発光ピーク波長が350nm以上490nm以下のものを用いる。いわゆる紫外線発光、紫色発光または青色発光の発光ダイオード(LED)を用いるものである。この領域に発光ピークのある発光ダイオードであれば、蛍光体を励起するのに好適であると共に、後述する様々な蛍光体を使用して白色光を得ることができる。
また、白色光源の発光スペクトルの350〜780nmにおける任意の発光強度極大値に対し、長波長側の最近接する発光強度極小値の比率が、極大値を1としたとき、極小値が0.5以上であることを特徴とするものである。なお、白色光源の発光スペクトルの測定は、JIS−C−8152に準じた積分球を使った全光束測定により実施する。
次に、白色光源の発光スペクトルにおいて波長350〜780nmの中で最大ピーク強度を1とした発光スペクトルを示す。本発明では、白色光源の発光スペクトルにおいて、発光強度極大値とその発光強度極大値に最近接する発光強度極小値が存在する場合、発光強度極大値を1とし、極大値と極小値の比=(発光強度極小値のピーク高さ/発光強度極大値のピーク高さ)が0.5以上であることを特徴とするものである。
発光強度極大値(以下、極大値という)とは、発光スペクトルが山形状を示す部分の最大値である。つまり、極大値は、上がって下がる山形状における最大値を示すことになる。また、発光強度極小値(以下、極小値という)は、発光スペクトルが谷形状を示す部分の最小値を示す。つまり、極小値は、下がって上がる谷形状における最小値になる。そのため、なだらかに上がり続ける場合(平行も含む)、つまりは下がる部分が無い部分は極大値とは言わない。また、なだらかに下がり続ける場合(平行も含む)、つまりは上がる部分が無い部分は極小値とは言わない。
本発明では、任意の極大値のピーク高さを1としたとき、その極大値の長波長側に最近接する極小値に関して、極大値と極小値の比(極小値のピーク高さ/極大値のピーク高さ)が0.5以上であることを特徴とするものである。任意の極大値とその長波長側に最近接する極小値の強度比を0.5以上と大きくすること、つまりは発光スペクトルの凹凸を小さくすることにより、可視光領域において不足する波長領域を無くし、物体の色の見え方を太陽光(自然光)と同等のものとすることができる。
また、本発明では発光スペクトルにおいて極大値と極小値が最近接する部分についての強度比を規定したものであり、極大値があっても長波長側に最近接する極小値がない部分に関して強度比は限定されるものではない。言い換えれば、発光スペクトルにおいて極大値とそれに最近接する極小値がある部分に関しては、すべて強度比(極小値/極大値)が0.5以上になることを意味する。
また、発光スペクトルの凹凸を小さくする観点から、白色光源の発光スペクトルの350〜780nmにおける任意の発光強度極大値に対し、長波長側の最近接する発光強度極小値の比率が、極大値を1としたとき、極小値が0.7以上であることが好ましい。なお、極大値と長波長側に最近接する極小値の比の上限は1であるが、製造性を考慮すると0.95以下が好ましい。
ここで図3を用いて極大値と極小値の測定例を示す。図3は後述する実施例1の発光スペクトルを示すものである。図3において、最大ピーク強度は、波長635nmに存在する。また、極大値とその長波長側に最近接する極小値は、極大値P1(409nm)と極小値P2(429nm)の部分だけになる。この極大値P1と極小値P2の強度比は0.54(=極小値P2の強度0.12/極大値P1の強度0.22)となる。
また、白色光の色温度が2500〜7000Kであることが好ましい。この色温度が2500K未満または7000Kを超えると、太陽光にない色温度となってしまうおそれがある。色温度の好ましい範囲は2700〜6700Kである。色温度の調整は、各色の蛍光体の混合比によって調整可能である。また、色温度は、発光スペクトルから計算により求めるものである。なお、色温度の単位はケルビン(K)である。
また、最大ピーク強度が491〜780mの範囲にあることが好ましい。最大ピーク強度が491〜780nmにあるということは、350〜490nmの領域に最大ピークがないことを意味するものである。最近の研究では、アジア(日本含む)や欧州の人は、比較的、青色光を眩しく感じすることが報告されている。また、長時間青色光を浴びることによる身体への悪影響についての報告もなされている。例えば、網膜障害やメラトニン分泌抑制による睡眠障害等の問題である。また、紫外光を長時間浴びていることに関しても、同様に人体への悪影響がいくつか報告されている。そのため、紫外から青色領域に最大ピークがないことにより、人体への悪影響を抑制することができる。
紫外から青色領域の発光成分は、可及的に少ないことが望まれるが、具体的には黒体輻射のスペクトルに含まれる青色光等の成分と同程度であることが望ましい。何故なら人は太陽光や炎の下で長年生活してきた。人工光が人の生活に取り入れられたのは、たかだか100年余りであり、人にとって慣れ親しんだ光は太陽光である。従って、人の健康にとって最も望ましい光は太陽光であり、太陽光に相当する黒体輻射の連続スペクトルが人工光源にも望まれるのである。
本発明では、紫外から青色領域の発光成分について、望ましい強度を以下のように定義する。本発明の白色光源は、前記白色光源と同一の色温度の黒体輻射スペクトルにおいて、前記白色光源と視感輝度を同一にした場合の黒体輻射スペクトルと、前記白色光源の発光スペクトルとを比較した場合に、前記白色光源における紫乃至青色領域(380〜490nm)の発光スペクトルの最大発光強度が、前記最大発光強度を示す波長と同一波長の黒体輻射スペクトルの発光強度に対して1.5倍以下とするものである。
前記強度比が1.5倍以下であると、ほぼ太陽光に近いスペクトル分布と看做すことができ、この光源を人が不快に感じることはない。なお前記強度比は、値が小さいほど望ましいものであるが、極端に小さ過ぎると、光源中の青色成分が少なくなり、物の見え方が不自然になるとの問題が生じる。従って、青色光も一定強度以上含まれていることが望ましく、前記強度比のより望ましい範囲は、0.8〜1.2である。
また、蛍光体の材質は、発光ダイオードの光によって可視光を発するものであれば、特に限定されるものではないが、蛍光体のピーク波長が420〜700nmの範囲にあるものが好ましい。
また、発光ピーク波長の異なる蛍光体を3種以上、さらには4種以上具備していることが好ましい。特に、発光ダイオードの発光ピークが350〜420nmの範囲にある場合は、ピーク波長の異なる4種以上の蛍光体を使うことが好ましい。また、発光ダイオードのピーク波長が421〜490nmの範囲にある場合は、ピーク波長の異なる3種以上の蛍光体を使うことが好ましい。蛍光体は、青色蛍光体、緑色蛍光体、黄色蛍光体、赤色蛍光体の中から3種以上、さらには4種以上を選択することが好ましい。
また、発光スペクトルの半値幅が50nm以上である蛍光体を具備することが好ましい。発光スペクトルの半値幅が50nm以上となるようにブロードな発光スペクトルを持つ蛍光体を用いることにより、長波長側に最近接する極大値と極小値の強度比(極小値/極大値)を0.5以上に調整し易くなる。また、ピーク波長が異なる3種以上の蛍光体を用いる場合、少なくとも1種の蛍光体が、発光スペクトルの半値幅が50nm以上であればよいが、2種、さらには3種以上の蛍光体が、全て半値幅が50nm以上である方が好ましい。また、半値幅の上限は100nm以下が好ましい。
また、発光ダイオードおよび発光ピーク波長が異なる3種以上の蛍光体の発光スペクトルが重なる領域を少なくとも1か所以上具備することが好ましい。白色光源の発光スペクトルの長波長側に最近接する極大値と極小値の比(極小値/極大値)を0.5以上にするには、可視光領域、特に420〜700nmにおいて単独で突出した発光強度領域を形成しないことが有効である。そのためには、発光ダイオードの発光、ピーク波長の異なる3種以上の蛍光体のそれぞれの発光、つまりは4つの発光スペクトルの中で、少なくとも1か所は発光スペクトルが重なる領域が存在することが好ましい。また、発光スペクトルが重なる領域は2か所、さらには3か所と多い方が好ましい。
また、蛍光体の材質は、特に限定されるものではないが、前述の条件を満たすものとして以下のものが挙げられる。
青色蛍光体(B)の具体例としては、ユーロピウム付活アルカリ土類リン酸塩蛍光体(ピーク波長440〜455nm)やユーロピウム付活バリウムマグネシウムアルミン酸塩蛍光体(ピーク波長450〜460nm)などが挙げられる。
また青緑色蛍光体(BG)の具体例として、ユーロピウム付活ストロンチウムアルミン酸塩蛍光体(ピーク波長480〜500nm)や、ユーロピウム、マンガン付活バリウムマグネシウムアルミン酸塩蛍光体(ピーク波長510〜520nm)などが挙げられる。
さらに緑色蛍光体(G)の具体例としては、ユーロピウム付活オルソ珪酸塩蛍光体(ピーク波長520〜550nm)、ユーロピウム付活βサイアロン蛍光体(ピーク波長535〜545nm)、ユーロピウム付活ストロンチウムサイアロン蛍光体(ピーク波長510〜530nm)などが挙げられる。
また黄色蛍光体(Y)の具体例としては、ユーロピウム付活オルソ珪酸塩蛍光体(ピーク波長550〜580nm)やセリウム付活希土類アルミニウムガーネット蛍光体(ピーク波長550〜580nm)などが挙げられる。
また、赤色蛍光体(R)の具体例としては、ユーロピウム付活ストロンチウムサイアロン蛍光体(ピーク波長600〜650nm)、ユーロピウム付活カルシウムストロンチウム窒化物蛍光体(ピーク波長610〜650nm)、ユーロピウム付活酸硫化ランタン蛍光体(ピーク波長620〜630nm)、マンガン付活マグネシウムフロロジャーマネート(ピーク波長640〜660nm)やユーロピウム付活アルカリ土類窒化物蛍光体(ピーク波長600〜650nm)などが挙げられる。
また、蛍光体は平均粒径が1〜100μmであるもの、さらには5〜50μmであるものが好ましい。3種以上のピーク波長の異なる蛍光体を用いる場合、各蛍光体を均一に混合する必要があるため、平均粒径は1〜100μmである必要があり、さらには5〜50μmの範囲であることが好ましい。
次に白色光源の構造について説明する。図12に本発明の白色光源の一実施形態例としての電球型白色光源を示した。図中、符号1はLED電球(白色光源)、2はLEDモジュール、3は基体部、4はグローブ、5は絶縁部材、6は口金、7は基板、8はLEDチップ、9は蛍光体層、10は透明樹脂層である。図12は蛍光体層と発光ダイオードとの間に空間を設けた構造の一例を示すものである。
すなわち、図12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11とを具備する。
LEDモジュール2は、基板7上に実装された発光ピーク波長350〜490nm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。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、配線12が引き出されており、この配線12が基体部3内に設けられた点灯回路11と電気的に接続されている。LEDチップ8は、点灯回路11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から出射された光を吸収して白色光を発光する蛍光体層9が設けられている。蛍光体層9は、必要に応じて3種以上、さらには4種以上のピーク波長の異なる蛍光体を組合せて形成される。また、樹脂と混合して蛍光体層9を形成するものである。また、各種蛍光体は、すべて混合して混合蛍光体層としてもよいし、1〜3種類程度ずつ混合した蛍光体層を多層化した多層蛍光体層としてもよい。
また、図12ではグローブ4の内面に蛍光体層を設けた構造としたが、グローブ4の外面や樹脂製グローブ4自体に蛍光体を混合する構造でもよい。また、本発明に係る白色光源は、上記電球型に限らず、蛍光灯タイプ(長細いもの)、シャンデリアタイプなどにも適用でき、その形状も限定されるものではない。
また、図13に示すように、LEDチップ8aおよび蛍光体層9aと、LEDチップ8bおよび蛍光体層9bと、LEDチップ8cおよび蛍光体層9cとを共通した基板7上に配置し、これらのLEDチップ8a,8b,8cを同一の共通するグローブ4内に収容して白色光源システム1aを構成することも可能である。また、LEDチップ8と蛍光体層10の間に透明樹脂層を設けてもよい。
各LEDチップ8a,8b,8cは、配線12aによって点灯回路11aに接続されている。使用者は必要に応じて点灯回路11aに内蔵された図示しない切替機構によって適宜点灯させるLEDチップを選択できるように構成されている。また、蛍光体層は発光ダイオード上に設けられている構造や、蛍光体層が透明樹脂層を介して発光ダイオード上に設けられている構造にも適用可能である。透明樹脂層は厚さ0.01〜0.1mmの範囲であることが好ましい。また、図13では一つのLEDチップに一つの蛍光体層を設けた構造(ワンチップ型白色光源)となっているが、複数のLEDチップを蛍光体層で覆った構造(マルチチップ型白色光源)であってもよい。また、電球型、ワンチップ型、マルチチップ型いずれの場合も蛍光体層の厚さは0.01〜3mmの範囲であることが好ましい。また、複数個の白色光源を並べてユニット化して、白色光源システムとして使用することも可能である。
以上のような本発明に係る白色光源は、タスク照明用白色光源に有効である。一般的に室内全体などの広い範囲を明るくするための照明をアンビエント照明、パソコンなどの事務作業を行う際に手元などの比較的狭い範囲を明るくするための照明をタスク照明と定義されている。事務作業の場合、JIS−Z−9110の照度基準では500〜750ルクス程度が推奨されている。
事務作業の場合、長時間作業も想定されることから、特定の波長が突出した白色光源(極大値とその長波長側に差近接する極小値の比が0.5未満のもの)であると、目に負担がかかる。一方、本発明のように、極大値とその長波長側に差近接する極小値の比が0.5以上に制御することにより、物体を太陽光(自然光)で照らされたときと同等の色に感じ取ることができるため、目にかかる負担を抑制することができる。
また、印刷物、食材、人物のいずれか1種以上を照らすための照明に用いることも効果的である。印刷物とは、新聞や雑誌などである。食材は、食べ物、飲み物すべてを含むものである。また、人物は主に人の顔である。本発明に係る白色光源であれば、太陽光で照らしたときと同等の色合いで見えることから、印刷物を長時間読む際の目の負担を抑制し、食材や人物の色合いを太陽光で照らしたときと同等の色合いで感じ取ることができる。
また、照射対象物(物体)との距離が1.5m以下であること照明にも効果的である。前述のタスク照明のように、事務作業の手元を照らす電気スタンドや洋服や食材などを照らした場合に太陽光で照らした場合と同等の色合いで物体の色合いを感じ取ることができる。また、特定の波長が突出した発光スペクトルを具備しないように制御しているため、照射対象物との距離を1.5m以下、さらには1m以下と近づけたとしても目の負担を抑制することができる。
以上のように本発明の白色光源の効果的な使い方を説明したが、本発明はこれに限定されることなく、様々な照明に使うことが可能である。
(実施例)
(実施例1)
LEDチップとして発光ピーク波長400nmのものを用意した。次に、400nmの電磁波を照射することにより発光する蛍光体として、ピーク波長が445nmであるユーロピウム付活アルカリ土類燐酸塩青色蛍光体と、ピーク波長が490nmであるユーロピウム付活ストロンチウムアルミン酸塩青緑色蛍光体と、ピーク波長が530nmであるユーロピウム付活オルソ珪酸塩緑色蛍光体と、ピーク波長が555nmであるユーロピウム付活オルソ珪酸塩黄色蛍光体と、ピーク波長が630nmであるユーロピウム付活ストロンチウムサイアロン赤色蛍光体との混合物を用意した。
なお、各蛍光体の平均粒径は18μmとした。各蛍光体の混合比は重量比(質量比)として青色蛍光体:青緑色蛍光体:緑色蛍光体:黄色蛍光体:赤色蛍光体=5:10:15:20:50の比率で混合し、透明樹脂(シリコーン樹脂)と混合して、グローブ内面に塗布することにより、図12に示す電球型白色光源を作製した。得られた白色光源は、発光色の相関色温度が2800Kであった。
なお、発光スペクトルの半値幅が50nm以上の蛍光体は青緑色蛍光体、緑色蛍光体、黄色蛍光体、赤色蛍光体である。また、青色蛍光体、青緑色蛍光体、緑色蛍光体、黄色蛍光体、赤色蛍光体の発光スペクトルに関して、それぞれピーク波長が隣り合う蛍光体の発光スペクトルには重なる部分があった。また、蛍光体層の厚さは0.4mmとした。
次に、JIS−C−8152に準じて積分球を使った全光束測定により、実施例1の電球型白色光源の発光スペクトルを測定した結果を図3に示す。図3から明らかなように、長波長側に隣接する極大値P1と極小値P2の比(極小値/極大値)はいずれも0.5以上であった。
(実施例2)
LEDチップとして発光ピーク波長が400nmのものを用意した。次に、400nmの電磁波を照射することにより発光する蛍光体として、ピーク波長が445nmであるユーロピウム付活アルカリ土類燐酸塩青色蛍光体と、ピーク波長が490nmであるユーロピウム付活ストロンチウムアルミン酸塩青緑色蛍光体と、ピーク波長が540nmであるユーロピウム付活βサイアロン緑色蛍光体と、ピーク波長が555nmであるユーロピウム付活オルソ珪酸塩黄色蛍光体と、ピーク波長が630nmであるユーロピウム付活ストロンチウムサイアロン赤色蛍光体との混合物を用意した。
なお、各蛍光体の平均粒径は13μmとした。各蛍光体の混合比は重量比(質量比)として、青色蛍光体:青緑色蛍光体:緑色蛍光体:黄色蛍光体:赤色蛍光体=10:5:15:20:50の比率で混合し、透明樹脂(シリコーン樹脂)と混合して、グローブ内面に塗布することにより、図12に示す電球型白色光源を作製した。得られた白色光源は、発光色の相関色温度が2800Kであった。
なお、発光スペクトルの半値幅が50nm以上の蛍光体は青緑色蛍光体、緑色蛍光体、黄色蛍光体、赤色蛍光体である。また、青色蛍光体、青緑色蛍光体、緑色蛍光体、黄色蛍光体、赤色蛍光体の発光スペクトルに関して、それぞれピーク波長が隣り合う蛍光体の発光スペクトルには重なる部分があった。また、蛍光体層の厚さは0.2mmとした。
実施例1と同様に積分球を使用した全光束測定により、実施例2に係る白色光源の発光スペクトルを調査した。その結果を図4に示す。図4から明らかなように、長波長側に隣接する極大値と極小値の比(極小値/極大値)はいずれも0.5以上であった。
(実施例3)
LEDチップとして発光ピーク波長が400nmのものを用意した。この400nmの電磁波により発光する蛍光体は、ピーク波長が445nmであるユーロピウム付活アルカリ土類燐酸塩青色蛍光体と、ピーク波長が490nmであるユーロピウム付活ストロンチウムアルミン酸塩青緑色蛍光体と、ピーク波長が530nmであるユーロピウム付活オルソ珪酸塩緑色蛍光体と、ピーク波長が555nmであるユーロピウム付活オルソ珪酸塩黄色蛍光体と、ピーク波長が635nmであるユーロピウム付活アルカリ土類窒化物赤色蛍光体との混合物を用意した。また、各蛍光体の平均粒径は28μmとした。
蛍光体の混合比は重量比(質量比)として青色蛍光体:青緑色蛍光体:緑色蛍光体:黄色蛍光体:赤色蛍光体=5:5:15:25:50の比率で混合し、さらに透明樹脂(シリコーン樹脂)と混合して、グローブ内面に塗布することにより、図12に示す電球型白色光源を作製した。得られた白色光源の発光色の色温度は相関色温度2700Kであった。
なお、発光スペクトルの半値幅が50nm以上の蛍光体は青緑色蛍光体、緑色蛍光体、黄色蛍光体、赤色蛍光体である。また、青色蛍光体、青緑色蛍光体、緑色蛍光体、黄色蛍光体、赤色蛍光体の発光スペクトルに関して、それぞれピーク波長が隣り合う蛍光体の発光スペクトルには重なる部分があった。また、蛍光体層の厚さは1.0mmとした。
次に実施例1と同様に、積分球を使った全光束測定により、実施例3に係る白色光源の発光スペクトルを調査した。その結果を図5に示す。図5から明らかなように、大きく変化する極大値および極小値は観察されないが、長波長側に隣接する極大値と極小値の比(極小値/極大値)はいずれも0.5以上であった。
(実施例4)
LEDチップとして発光ピーク波長400nmのものを用意した。次に、400nmの電磁波を照射することにより発光する蛍光体として、ピーク波長が445nmであるユーロピウム付活アルカリ土類燐酸塩青色蛍光体と、ピーク波長が490nmであるユーロピウム付活ストロンチウムアルミン酸塩青緑色蛍光体と、ピーク波長が530nmであるユーロピウム付活オルソ珪酸塩緑色蛍光体と、ピーク波長が555nmであるユーロピウム付活オルソ珪酸塩黄色蛍光体と、ピーク波長が630nmであるユーロピウム付活ストロンチウムサイアロン赤色蛍光体との混合物を用意した。
なお、各蛍光体の平均粒径は18μmとした。各蛍光体の混合比は重量比(質量比)として青色蛍光体:青緑色蛍光体:緑色蛍光体:黄色蛍光体:赤色蛍光体=10:15:25:20:50の比率で混合し、透明樹脂(シリコーン樹脂)と混合して、グローブ内面に塗布することにより、図12に示す電球型白色光源を作製した。得られた白色光源は、発光色の相関色温度が3800Kであった。
なお、発光スペクトルの半値幅が50nm以上の蛍光体は青緑色蛍光体、緑色蛍光体、黄色蛍光体、赤色蛍光体である。また、青色蛍光体、青緑色蛍光体、緑色蛍光体、黄色蛍光体、赤色蛍光体の発光スペクトルに関して、それぞれピーク波長が隣り合う蛍光体の発光スペクトルには重なる部分があった。また、蛍光体層の厚さは0.5mmとした。
次に実施例1と同様に、積分球を使った全光束測定により、実施例4に係る白色光源の発光スペクトルを調査した。その結果を図6に示す。図6から明らかなように、長波長側に隣接する極大値と極小値の比(極小値/極大値)はいずれも0.5以上であった。
(実施例5)
LEDチップとして発光ピーク波長400nmのものを用意した。次に、400nmの電磁波を照射することにより発光する蛍光体として、ピーク波長が445nmであるユーロピウム付活アルカリ土類燐酸塩青色蛍光体と、ピーク波長が490nmであるユーロピウム付活ストロンチウムアルミン酸塩青緑色蛍光体と、ピーク波長が540nmであるユーロピウム付活βサイアロン緑色蛍光体と、ピーク波長が555nmであるユーロピウム付活オルソ珪酸塩黄色蛍光体と、ピーク波長が630nmであるユーロピウム付活ストロンチウムサイアロン赤色蛍光体との混合物を用意した。
なお、各蛍光体の平均粒径は10μmとした。各蛍光体の混合比は重量比(質量比)として青色蛍光体:青緑色蛍光体:緑色蛍光体:黄色蛍光体:赤色蛍光体=10:15:20:25:30の比率で混合し、透明樹脂(シリコーン樹脂)と混合して、発光ダイオード上に直接蛍光体層を形成した。実施例5はワンチップ型の白色光源である。また、蛍光体層の厚さは0.3mmとした。得られた白色光源は、発光色の相関色温度が4200Kであった。
なお、発光スペクトルの半値幅が50nm以上の蛍光体は青緑色蛍光体、緑色蛍光体、黄色蛍光体、赤色蛍光体である。また、青色蛍光体、青緑色蛍光体、緑色蛍光体、黄色蛍光体、赤色蛍光体の発光スペクトルに関して、それぞれピーク波長が隣り合う蛍光体の発光スペクトルには重なる部分があった。
また、実施例5の白色光源の発光スペクトルを調査した結果、図7の通りであった。図7から明らかなように、長波長側に隣接する極大値と極小値の比(極小値/極大値)はいずれも0.5以上であった。
(実施例6)
LEDチップとして発光ピーク波長400nmのものを用意した。次に、400nmの電磁波を照射することにより発光する蛍光体として、ピーク波長が445nmであるユーロピウム付活アルカリ土類燐酸塩青色蛍光体と、ピーク波長が490nmであるユーロピウム付活ストロンチウムアルミン酸塩青緑色蛍光体と、ピーク波長が540nmであるユーロピウム付活βサイアロン緑色蛍光体と、ピーク波長が555nmであるユーロピウム付活オルソ珪酸塩黄色蛍光体と、ピーク波長が630nmであるユーロピウム付活ストロンチウムサイアロン赤色蛍光体との混合物を用意した。
なお、各蛍光体の平均粒径は10μmとした。各蛍光体の混合比は重量比(質量比)として青色蛍光体:青緑色蛍光体:緑色蛍光体:黄色蛍光体:赤色蛍光体=30:15:20:15:20の比率で混合し、透明樹脂(シリコーン樹脂)と混合して、発光ダイオード上に直接蛍光体層を形成した。実施例6はワンチップ型の白色光源である。また、蛍光体層の厚さは0.3mmとした。得られた白色光源は、発光色の相関色温度が5000Kであった。
なお、発光スペクトルの半値幅が50nm以上の蛍光体は青緑色蛍光体、緑色蛍光体、黄色蛍光体、赤色蛍光体である。また、青色蛍光体、青緑色蛍光体、緑色蛍光体、黄色蛍光体、赤色蛍光体の発光スペクトルに関して、それぞれピーク波長が隣り合う蛍光体の発光スペクトルには重なる部分があった。
また、実施例6の白色光源の発光スペクトルを調査した結果、図8の通りであった。図8から明らかなように、長波長側に隣接する極大値と極小値の比(極小値/極大値)はいずれも0.5以上であった。
(実施例7)
LEDチップとして発光ピーク波長が400nmのものを用意した。次に、400nmの電磁波を照射することにより発光する蛍光体として、ピーク波長が445nmであるユーロピウム付活アルカリ土類燐酸塩青色蛍光体と、ピーク波長が490nmであるユーロピウム付活ストロンチウムアルミン酸塩青緑色蛍光体と、ピーク波長が540nmであるユーロピウム付活βサイアロン緑色蛍光体と、ピーク波長が555nmであるユーロピウム付活オルソ珪酸塩黄色蛍光体と、ピーク波長が630nmであるユーロピウム付活ストロンチウムサイアロン赤色蛍光体との混合物を用意した。
なお、各蛍光体の平均粒径は13μmとした。各蛍光体の混合比は重量比(質量比)として、青色蛍光体:青緑色蛍光体:緑色蛍光体:黄色蛍光体:赤色蛍光体=30:15:15:20:20の比率で混合し、透明樹脂(シリコーン樹脂)と混合して、グローブ内面に塗布することにより、図12に示す電球型白色光源を作製した。得られた白色光源は、発光色の相関色温度が5000Kであった。
なお、発光スペクトルの半値幅が50nm以上の蛍光体は青緑色蛍光体、緑色蛍光体、黄色蛍光体、赤色蛍光体である。また、青色蛍光体、青緑色蛍光体、緑色蛍光体、黄色蛍光体、赤色蛍光体の発光スペクトルに関して、それぞれピーク波長が隣り合う蛍光体の発光スペクトルには重なる部分があった。また、蛍光体層の厚さは0.2mmとした。
実施例1同様に積分球を使用した全光束測定により、実施例7に係る白色光源の発光スペクトルを調査した。その結果を図9に示す。図9から明らかなように、長波長側に隣接する極大値と極小値の比(極小値/極大値)はいずれも0.5以上であった。
(実施例8)
LEDチップとして発光ピーク波長が445nmの青色発光LEDを用意した。次に、445nmの電磁波を照射することにより発光する蛍光体として、ピーク波長が530nmであるユーロピウム付活オルソ珪酸塩緑色蛍光体と、ピーク波長が530nmであるユーロピウム付活オルソ珪酸塩黄色蛍光体と、ピーク波長が630nmであるユーロピウム付活ストロンチウムサイアロン赤色蛍光体との混合物を用意した。
また、各蛍光体の平均粒径は17μmとした。各蛍光体の混合比は重量比(質量比)として、緑色蛍光体:黄色蛍光体:赤色蛍光体=20:30:50の比率で混合し、 透明樹脂(シリコーン樹脂)と混合して、グローブ内面に塗布することにより、図12に示す電球型白色光源を作製した。得られた白色光源は、発光色の相関色温度が2700Kであった。また、蛍光体層の厚さは0.5mmとした。
なお、発光スペクトルの半値幅が50nm以上の蛍光体は緑色蛍光体、黄色蛍光体、赤色蛍光体である。また、緑色蛍光体、黄色蛍光体、赤色蛍光体の発光スペクトルに関して、それぞれピーク波長が隣り合う蛍光体の発光スペクトルには重なる部分があった。
実施例1と同様に積分球を使用した全光束測定により、実施例8の白色光源の発光スペクトルを調査した。その結果を図10に示す。図10から明らかなように、長波長側に隣接する極大値と極小値の比(極小値/極大値)はいずれも0.5以上であった。
(実施例9)
LEDチップとして発光ピーク波長が445nmの青色発光LEDを用意した。次に、445nmの電磁波を照射することにより発光する蛍光体として、ピーク波長が530nmであるユーロピウム付活オルソ珪酸塩緑色蛍光体と、ピーク波長が530nmであるユーロピウム付活オルソ珪酸塩黄色蛍光体と、ピーク波長が630nmであるユーロピウム付活ストロンチウムサイアロン赤色蛍光体との混合物を用意した。
また、各蛍光体の平均粒径は15μmとした。各蛍光体の混合比は重量比(質量比)として、緑色蛍光体:黄色蛍光体:赤色蛍光体=30:40:30の比率で混合し、 透明樹脂(シリコーン樹脂)と混合して、グローブ内面に塗布することにより、図12に示す電球型白色光源を作製した。得られた白色光源は、発光色の相関色温度が2700Kであった。また、蛍光体層の厚さは0.4mmとした。
なお、発光スペクトルの半値幅が50nm以上の蛍光体は緑色蛍光体、黄色蛍光体、赤色蛍光体である。また、緑色蛍光体、黄色蛍光体、赤色蛍光体の発光スペクトルに関して、それぞれピーク波長が隣り合う蛍光体の発光スペクトルには重なる部分があった。
実施例1と同様に積分球を使用した全光束測定により、実施例9の白色光源の発光スペクトルを調査した。その結果を図11に示す。図11から明らかなように、長波長側に隣接する極大値と極小値の比(極小値/極大値)はいずれも0.5以上であった。
なお、上記実施例1〜9において、波長350〜780nmにおいて、発光強度の極大値に対して長波長側に最近接する発光強度の極小値が存在する場合、その極大値を1としたときの極小値の比(極小値/極大値)を求めたとき、その比の最小値を表1に示す。
Figure 0006189217
(比較例1〜2)
比較例1として図1に示す発光スペクトルを有するワンチップ型の白色光源と、比較例2として図2に示す発光スペクトルを有するワンチップ型の白色光源とを用意した。比較例1および比較例2は、その発光スペクトルとして長波長側に隣接する極大値と極小値の差はいずれも0.5を超えた部分が存在する。
(実施例1A〜9Aおよび比較例1A〜2A)
実施例1〜9および比較例1〜2の白色光源を用いて、赤色光の鮮やかさを示す演色評価指数(R9)を測定した。その測定結果を表2に示す。
Figure 0006189217
太陽光と同じ色合いに見えることを確認するためには、平均演色評価指数Raのみならず、特殊評価指数Ri(i=9〜15)による評価が必要である。特殊演色評価に使用する色票は平均演色評価に使用する色票に比べ彩度が高くなっており、色再現性等の色の評価を行うには高彩度域も必要であることから、平均演色評価指数のみではなく、Riとの併用を行う必要がある。本実施例では特殊演色評価指数のうち、代表的に使用されるR9を用いた。
表2から明らかなように、本実施例に係る白色光源は優れた特性を示すことが分かった。
このようなR9を示す白色光源であれば、タスク照明用白色光源、印刷物、食材、人物のいずれか1種以上を照らすための照明、照射対象物との距離が1.5m以下の照明に好適である。
(実施例10〜20および比較例3〜4)
次に、以下のように調製した各実施例および比較例に係る発光装置(白色光源)について、得られた光源の人体への影響を確認する試験を実施した。実施例と比較例の試験光源に関し、同一照度下で人が曝露された場合に、不快に感じるか否かについて、官能試験を実施したものである。
比較例3,4に係る発光装置としては、比較例1,2と同一構成の白色光源を用いた。また実施例10〜20に係る発光装置は以下のように作成した。
すなわち、LEDチップとして、発光ピーク波長が380nmのものを用意した。次に、380nmの電磁波を照射することにより発光する蛍光体として、ピーク波長が445nmであるユーロピウム付活アルカリ土類燐酸塩青色蛍光体と、ピーク波長が490nmであるユーロピウム付活ストロンチウムアルミン酸塩青緑色蛍光体と、ピーク波長が540nmであるユーロピウム付活βサイアロン緑色蛍光体と、ピーク波長が555nmであるユーロピウム付活オルソ珪酸塩黄色蛍光体と、ピーク波長が630nmであるユーロピウム付活ストロンチウムサイアロン赤色蛍光体との混合物を用意した。
また、各蛍光体の平均粒径は13μmとした。各蛍光体混合物とシリコーン樹脂とを混合して、グローブ内面に塗布することにより、図12と同様の構造を有する電球型白色光源を作製した。なお、各蛍光体の混合比率を種々に変更することにより、発光色の相関色温度が表3に示すように、2800Kから6500Kの範囲にある種々の白色光源を調製し、実施例10〜18とした。また、実施例19は前記青色蛍光体成分の含有量を極少量にした混合蛍光体を使用した。一方、実施例20は青色領域に発光ピークを有する蛍光体成分を取り除いた混合蛍光体を使用した。また、蛍光体層の厚さは全て0.2mmとした。
こうして調製した実施例10〜20および比較例3〜4に係る白色光源について、実施例1と同様に積分球を使った全光束測定により、各白色光源の発光スペクトルを調査した。実施例10〜20の発光スペクトルの形状は、いずれにおいても、長波長側に隣接する極大値と極小値の比(極小値/極大値)は0.5以上であることが確認された。
次に、可視光(380nm〜780nm)中の紫乃至青色領域(380〜490nm)の発光スペクトルの最大強度を測定し、前記最大強度を示す波長と同一波長の黒体輻射スペクトルの強度とを比較した。この時、比較に用いた発光スペクトルは以下の通りである。本発明の光源の発光スペクトルをA(λ)、本発明の光源と同一色温度の黒体輻射のスペクトルをB(λ)、分光視感効率のスペクトルをV(λ)とする時、∫A(λ)・V(λ)dλ=∫B(λ)・V(λ)dλを満足するA(λ)、B(λ)のスペクトルを求め、A(λ)、B(λ)の両スペクトルの形状を比較したものである。発光スペクトルA(λ)の380〜490nm領域において、スペクトル強度が最大となる波長をλ*、最大強度をA*、そして波長λ*におけるB(λ)のスペクトル強度をB*として、強度比(A*/B*)を計算した。計算結果を表3に示す。
次に、実施例10〜20および比較例3〜4に係る電球型白色光源を、被験者100名の前方で点灯し、光源の見え方に関する官能試験を実施した。被験者には10〜25歳、26〜40歳、41〜55歳、56〜70歳、71歳以上の男女各10名を無作為に抽出し、試験を依頼した。被験者には、各光源の見え方を、■快適である、■不快でない、■不快な感じがする、■不快である、■非常に不快である、の5段階のランク付による評価をお願いした。
実施例10〜20および比較例3〜4に係る白色光源の発光特性および官能試験の結果を表3に纏めて示す。なお、官能試験の結果の記載方法は、100人の評価において、最も該当人数が多かったランクの特性を記載した。( )内は該当ランクの回答者の人数である。
Figure 0006189217
上記表3に示す結果から明らかなように、光源の見え方に関する評価では、強度比(A*/B*)が1.5を超えると、明らかに不快であるとの判定となり、1.5以下で数値が減少するにつれて徐々に不快感が低減し、強度比が1.0前後になると、快適であると評価する被験者の数が増加した。この様に、青色成分の強度が黒体輻射のスペクトルに近いか、または低い場合において、人に不快感を与えない良好な光源となることが、本実施例によって確認できた。
本発明に係る白色光源および白色光源システムによれば、発光スペクトルの凹凸を小さくしているので、物体の色合いが太陽光を照射したときと同様に感じ取ることができる。
1…LED電球(白色光源),1a…白色光源システム,2,2a…LEDモジュール,3…基体部,4…グローブ,5…絶縁部材,6…口金,7…基板,8,8a,8b,8c…LEDチップ,9…蛍光体層,10…透明樹脂層,11,11a…点灯回路,12,12a…配線。

Claims (9)

  1. 350nm以上490nm以下に発光ピーク波長を有する発光ダイオードと、発光ダイオードの光による励起によって可視光を発する蛍光体を具備する白色光源において、
    上記白色光源から出射される白色光の色温度が2500〜7000Kであり、
    かつ上記蛍光体の発光スペクトルの半値幅が50〜100nmであり、
    青色,青緑色,緑色,黄色,赤色発光蛍光体うち、発光ピーク波長が異なる3種以上の蛍光体を具備するものであって、
    白色光源の発光スペクトルの350〜780nmにおける任意の発光強度の極大値に対して、長波長側の最近接する発光強度の極小値の比率が、極大値を1としたとき、極小値が0.7以上であり、かつ発光スペクトル全域における最大ピーク強度が491nm〜780nmの範囲にあることを特徴とする白色光源。
  2. 白色光源の発光スペクトルと、前記白色光源と同一色温度の黒体輻射の発光スペクトルにおいて、視感輝度を同じにした場合の両発光スペクトルとを比較した場合に、前記白色光源の紫乃至青色領域(380〜490nm)の発光スペクトルの最大発光強度が、前記最大発光強度を示す波長と同一波長の黒体輻射スペクトルの発光強度の1.5倍以下であることを特徴とする請求項1記載の白色光源。
  3. 発光ダイオードおよび発光ピーク波長が異なる3種以上の蛍光体の発光スペクトルが重なる領域を少なくとも1か所以上具備することを特徴とする請求項1ないし請求項2のいずれか1項に記載の白色光源。
  4. 前記白色光源がタスク照明用白色光源であることを特徴とする請求項1ないし請求項3のいずれか1項に記載の白色光源。
  5. 照射対象物として印刷物、食材、人物のいずれか1種以上を照らすための照明に用いることを特徴とする請求項1ないし請求項4のいずれか1項に記載の白色光源。
  6. 前記白色光源と照射対象物との距離が1.5m以下であることを特徴とする請求項1ないし請求項5のいずれか1項に記載の白色光源。
  7. 請求項1ないし請求項6のいずれかに記載の白色光源において、前記青色蛍光体がユーロピウム付活アルカリ土類燐酸塩蛍光体およびユーロピウム付活バリウムマグネシウムアルミン酸塩蛍光体の少なくとも1種であることを特徴とする白色光源。
  8. 請求項1ないし請求項7のいずれかに記載の白色光源において、前記青緑色蛍光体がユーロピウム付活ストロンチウムアルミン酸塩蛍光体およびユーロピウム,マンガン付活バリウムマグネシウムアルミン酸塩蛍光体の少なくとも1種であることを特徴とする白色光源。
  9. 請求項1ないし請求項8のいずれか1項に記載の白色光源を複数個設けたことを特徴とする白色光源システム。
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