JP6562343B2 - 波長制御フィルタ及びそれを用いた発光装置並びに照明装置 - Google Patents

Description

本発明は、発光ダイオード（ＬＥＤ）から出射された光の波長を制御する波長制御フィルタ及びそれを用いた発光装置並びに照明装置に関する。

発光ダイオード（以下、ＬＥＤ）は、低電力で高輝度の発光が可能であり、しかも長寿命であることから、白熱灯や蛍光灯等に代替する照明装置用の光源として利用されている。また、青色ＬＥＤが出射する青色光を蛍光体に当てて黄色光を出力し、青色光と黄色光とを混色させて白色光を作り出す、いわゆる白色ＬＥＤがある。白色ＬＥＤは、発光強度及び発光効率において優れ、これを用いた照明装置が、シーリングライト及びベースライトといった光を拡散させる照明器具や、ダウンライト及びスポットライトといった光を集光させる照明器具等に利用されている。

しかしながら、上述したような一般的な白色ＬＥＤは、演色性が低いので、食品や衣類等を照明する照明器具には適していなかった。そこで、ＬＥＤ光源の前面に、５７５〜６００ｎｍの波長域に吸収ピークを有する可視光選択吸収材料（以下、色素）を含有するフィルタ層を設けた照明装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。この特許文献１に記載の発明によれば、フィルタ層が、照明光の５７５〜６００ｎｍの波長域の強度を低下させて、黄色光成分を低減する。その結果、赤色の見え方が良好で、照明光の演色性を高めることができる。

特開２０１０−２６７５７１号公報

ところで、上述したフィルタ層において、色素は、フィルタ層の母材となる透光性樹脂に対して均一に分散されており、同じ波長吸収量を有するフィルタ層を比較した場合、フィルタ層の厚みが厚ければ、色素の含有濃度は低く設定され、フィルタ層の厚みが薄ければ、色素の含有濃度は高く設定される。しかしながら、上記のようなフィルタ層は、色素の対母材濃度が低い程、波長制御機能の低下が早い傾向がある。そのため、例えば、ＬＥＤ光源の保護カバー等の構造部材をフィルタとする場合には、フィルタには一定以上の厚みが必要となる一方で、色素の含有濃度が低くなり、フィルタの耐光性が低下する虞がある。また、上記のようなフィルタ層は、厚みが薄い程、色素の波長制御機能の低下が早い傾向がある。そのため、保護カバー等に貼付できるように、色素濃度が高いフィルタ層を薄いシート状に形成した場合には、色素濃度を高く設定できる一方で、厚みが薄いので、フィルタの耐光性が低下する虞がある。

本発明は、上記課題を解決するものであり、高い演色性を得ることができ、しかも耐光性の高い波長制御フィルタ及びそれを用いた発光装置並びに照明装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するため、本発明は、透光性樹脂と、前記透光性樹脂に添加されて光の波長を制御する色素と、を有する照明用の波長制御フィルタであって、該波長制御フィルタは、前記透光性樹脂に対する前記色素の濃度が異なる又は前記色素を含有しない複数種類の樹脂層が積層されており、前記色素は、特定波長の光を選択的に吸収するものであり、前記色素の濃度が相対的に高い樹脂層は、前記色素の濃度が相対的に低い又は前記色素を含有しない樹脂層により挟まれ、前記複数種類の樹脂層のうち、前記色素の濃度が相対的に高い樹脂層の厚みが、前記色素の濃度が相対的に低い又は前記色素を含有しない樹脂層の厚みよりも厚いことを特徴とする。

本発明によれば、波長制御フィルタを色素を含有する樹脂層で形成することにより、高い演色性を得ることができる。また、色素の濃度が異なる複数種類の樹脂層のうち、ある樹脂層の色素濃度を相対的に高くする一方で、色素の濃度が低い又はそれを含まない樹脂を積層させて波長制御フィルタ全体の厚みを持たせることで、色素の波長制御機能の低下を抑制し、耐光性を高めることができる。

本発明の一の実施形態に係る発光装置の分解斜視図。 同発光装置に用いられるＬＥＤ光源の側断面図。 同ＬＥＤ光源の発光スペクトルを示す図。 同発光装置に用いられる波長制御フィルタ（実施例１）の斜視図及び部分側面図。 上記発光装置の波長制御部に用いられるテトラアザポルフィリン化合物の構造式を示す図。 波長制御部に用いられるテトラアザポルフィリン化合物の光吸収スペクトルを示す図。 上記発光装置の出射光のスペクトルを示す図。 上記波長制御フィルタの色素濃度と耐光性との関係を説明するための図。 一般的な波長制御フィルタ（比較例）の斜視図及び部分側面図。 上記発光装置に用いられる波長制御フィルタ（実施例２）の斜視図及び部分側面図。 上記発光装置に用いられる波長制御フィルタ（実施例３）の斜視図及び部分側面図。 上記発光装置に用いられる波長制御フィルタ（実施例４）の斜視図及び部分側面図。 上記波長制御フィルタの厚みと耐光性との関係を説明するための図。 上記発光装置に用いられる波長制御フィルタ（変形例）の斜視図及び部分側面図。 上記発光装置を用いた照明装置の斜視図。

本発明の一実施形態に係る発光装置について、図１乃至図９を参照して説明する。図１に示すように、本実施形態の発光装置１は、ＬＥＤ光源２と、ＬＥＤ光源２の前面に設けられた波長制御フィルタ３と、を備える。なお、ＬＥＤ光源２の前面とは、ＬＥＤ光源２から光が出射される方向に対向する面を言う。

ＬＥＤ光源２は、一方の面に発光部４を有するＬＥＤモジュールが用いられ、このＬＥＤモジュールが基板５に実装されている。ＬＥＤ光源２には、例えば、発光ピーク波長が４６０ｎｍの青色光を放射するＧａＮ系青色ＬＥＤチップにＹＡＧ系黄色蛍光体を被覆され、青色光と黄色光との混光により白色光を出射するＬＥＤモジュールが用いられる。本実施形態のように、ＬＥＤ光源２が単体である場合には、汎用のチップオンボード（ＣＯＢ）型のＬＥＤパッケージが好適に用いられる。

具体的には、図２に示すように、ＬＥＤ光源２は、アルミニウム又はセラミック等から成る断面矩形状の基板２０と、基板２０上に実装されたＬＥＤチップ２１と、ＬＥＤチップ２１を取り囲むバンク２２と、バンク２２に充填される封止部材２３と、を備える。なお、図例では、ＬＥＤチップ２１を２個用いた構成を示すが、これに限定されない。封止部材２３には、例えば、シリコーン樹脂等が用いられ、ＬＥＤチップ２１からの出射光の波長を変換する蛍光体２４が含有される。基板２０の上面にはカソード電極２５及びアノード電極２６が夫々設けられ、これらカソード電極２５及びアノード電極２６は、ワイヤ２７によってＬＥＤチップ２１の各電極端子に夫々接続される。

バンク２２の内周は、上面視で円形状であり、この円周内に蛍光体２４を含有する封止部材２３が充填されることにより、バンク２２の開口から露出した封止部材２３の表面が、光を出射する発光部４となる。

本実施形態のＬＥＤ光源２では、ＬＥＤチップ２１が、例えば、図３に示すように、波長４６０ｎｍ付近に発光ピーク波長を有する光を出射し、蛍光体２４は、波長６１０ｎｍ付近に発光ピーク波長を有する光を発光する。ＬＥＤ光源２は、これらの光を混色することで得た白色光を出射することができる。

図４に示すように、波長制御フィルタ３は、透光性樹脂から成る母材３１と、母材３１に添加されて光の波長を制御する色素３２と、を有する（図４の拡大図参照）。また、波長制御フィルタ３は、母材３１に対する色素３２の濃度が異なる複数種類の樹脂層が積層されている。ここで言う色素３２の濃度が異なる複数種類の樹脂層には、色素３２を含有しない樹脂層を含む。また、波長制御フィルタ３は、色素３２の濃度が相対的に高い樹脂層が、色素３２の濃度が相対的に低い又は色素３２を含有しない樹脂層により挟まれている。

以下、図４に示す構成例を、実施例１に係る波長制御フィルタ３ｉとする。この実施例１に係る波長制御フィルタ３ｉは、後述する比較例の波長制御フィルタ３ｒ（色素濃度ｘ、図９参照）に比べて、２倍の濃度（色素濃度２ｘ）で色素３２が添加された樹脂層３Ａと、色素３２が添加されていない樹脂層３Ｂと、から成る。また、色素３２の濃度が相対的に高い樹脂層３Ａが、色素３２を含有しない２層の樹脂層３Ｂにより挟まれている。この実施例１に係る波長制御フィルタ３ｉは、３０ｍｍ平方、厚さ２ｍｍの板材として作成され、色素濃度２ｘの樹脂層３Ａの厚みが１ｍｍ、色素３２を含まない樹脂層３Ｂの厚みが夫々０．５ｍｍとなっている。

母材３１は、透光性を有する任意の樹脂材料又はガラス等により構成される。例えば、光学的に透明な材料としては、ポリメタクリル酸メチル、ポリカーボネート、環状ポリオレフィン、環状ポリオレフィンコポリマ、ポリメチルペンテン等の熱可塑性樹脂が挙げられる。また、乳白色半透明な材料としては、ポリエチレン、ポリプロピレン等の熱可塑性樹脂が挙げられる。更に、メタクリル酸樹脂やシリコーン樹脂に架橋成分を加えた後に、熱又は電子線、紫外線等のエネルギーを与えて硬化させる熱硬化性樹脂等も挙げられる。また、母材３１には、用途に応じて、紫外線吸収剤、光安定剤、酸化防止剤、加水分解防止剤等が母材となる樹脂材料に対して適宜に添加されてもよい。なお、本実施形態では、波長制御フィルタ３として、平坦な板状部材を図示しているが、ＬＥＤ光源からの出射光を拡散又は集光する形状に形成加工された配光制御部材であってもよい。

色素３２は、特定波長の光を選択的に吸収する性質を有する化合物である。例えば、テトラアザポルフィリン、テトラフェニルポルフィリン、オクタエチルポルフィリン、フタロシアニン、シアニン、ピロメテン、スクアリリウム、キサンテン、ジオキサン、オキソノール等の有機化合物を主体とする色素が挙げられる。特に、図５に示すような、テトラアザポルフィリン化合物は、光源からの光照射に対しても堅牢性が高いので、好適に用いられる。なお、図中のＭは中心金属となる元素を、Ｒ１〜Ｒ８は置換基を示す。

本実施形態においては、色素３２として、波長４５０〜６５０ｎｍの範囲に最大吸光波長を有する色素が用いられる。特に、波長５７０〜５９０ｎｍの範囲に最大吸光波長を有する色素であるテトラアザポルフィリンが好適に用いられる。図６は、母材３１のアクリル樹脂（ＶＨ００１（三菱レイヨン（株）製））に、中心金属に銅を有するテトラアザポルフィリン化合物を３０ｐｐｍの濃度で添加して作製された波長制御フィルタ３の吸光特性を、自記分光光度計（Ｕ４１００，（株）日立ハイテクノロジー製）に測定した結果を示す。

ＬＥＤ光源２は、図３に示した発光特性を有するＬＥＤ光源２からの出射光が、図６に示した吸収特性を有する色素を含有する波長制御部６を透過し、波長制御された白色光を出射する。図７は、発光装置１が出射する白色光の分光特性を示す。なお、同図の分光スペクトルは、瞬間マルチ測光システム（ＭＣＰＤ−７７００（大塚電子製））により計測された。ＬＥＤ光源２が出射する白色光は、波長５７０〜５９０ｎｍの範囲の波長が吸収されているので、黄色光成分が低減されており、高い演色性を得ることができる。

ここで、色素濃度が波長制御フィルタの耐熱耐光性に与える影響について、図８を参照して説明する。具体的には、夫々作成されたサンプルを耐熱耐光試験槽に投入し、試験前後での主吸収ピークの維持率に基づいて評価する耐熱耐光試験を行った。耐熱耐光試験の概要は下記の通りである。
・試験槽： ダイプラウィンテス（株）製メタルウェザー試験機
・試験条件：７５℃
・分光光度計：（株）日立ハイテクノロジー製Ｕ４１００
・残存率の導出法：分光光度計にて試験サンプルの全光線透過率を測定し、色素の最大吸収波長（ここでは５９５ｎｍ）の初期透過率（Ｔ０）及び試験後の透過率（Ｔ１）を測定し、下記計算式（１）から残存率を計算した。
（数１）
残存率＝（ＴＢ−Ｔ１））／（ＴＢ−Ｔ０）×１００・・・・式（１）
ただし、ＴＢは基材の透過率

図８は、フィルタ厚が同じで、色素濃度を１〜３倍に変化させた場合における波長制御フィルタ３の耐熱耐光性試験の結果を示す。この結果から、色素濃度が異なる場合、色素濃度が高いものの方が、耐熱耐光性が高いことが示された。

図９は、比較例に係る波長制御フィルタ３ｒの構成例を示している。この比較例に係る波長制御フィルタ３ｒは、上記第１の実施例の波長制御フィルタ３ｉの樹脂層３Ａ（色素濃度２ｘ、図４参照）と同じ外形寸法であるが、色素濃度が半分（色素濃度ｘ）である。このように、母材３１に対して色素３２が均一に分散されていると、色素濃度が低くなるので、波長制御機能が低下し易くなり、フィルタの耐光性が低下する虞がある。

これに対して、第１の実施例に係る波長制御フィルタ３ｉによれば、樹脂層３Ａの色素濃度が高く、その一方で、色素３２を含有しない樹脂層３Ｂを設けて、フィルタの全厚、及び全体での色素含有量を、比較例に係る波長制御フィルタ３ｒと同じにしている。従って、第１の実施例に係る波長制御フィルタ３ｉによれば、比較例に係る波長制御フィルタ３ｒと同じ波長制御性能を持つことで、照明光の高い演色性を実現ながらも、フィルタの耐光性を向上させることができる。

図１０は、実施例２に係る波長制御フィルタ３ｉｉの構成例を示している。この実施例２に係る波長制御フィルタ３ｉｉは、比較例の波長制御フィルタ３ｒ（色素濃度ｘとする、図９参照）に比べて、２．８８倍の濃度（色素濃度２．８８ｘ）で色素３２が添加された樹脂層３Ｃと、色素３２が添加されていない樹脂層３Ｂと、から成る。また、色素３２の濃度が相対的に高い樹脂層（本例では樹脂層３Ｃ）の正面視寸法が、フィルタ寸法よりも小さく、樹脂層３Ｃの周縁が、色素３２の濃度が相対的に低い又は色素３２を含有しない樹脂層（本例では樹脂層３Ｂ）により覆われている。具体的には、樹脂層３Ｃは、２５ｍｍ平方、厚さ１ｍｍの層状に形成され、色素３２を含まない２．５ｍｍ幅の樹脂層３Ｂが、樹脂層３Ｃの４方を覆っている。この実施例２に係る波長制御フィルタ３ｉｉによれば、樹脂層３Ｃが外部に露出していないので、色素３２が外気中の水分や酸素と接触することがないと考えられる。従って、比較例に係る波長制御フィルタ３ｒと同じ波長制御性能を持ちながらも、フィルタの耐光性を特に向上させることができる。

図１１は、実施例３に係る波長制御フィルタ３ｉｉｉの構成例を示している。この実施例３に係る波長制御フィルタ３ｉｉｉは、比較例の波長制御フィルタ３ｒ（色素濃度ｘとする、図９参照）に比べて、０．２倍の濃度（色素濃度０．２ｘ）で色素３２が添加された樹脂層３Ｄと、１．８倍の濃度（色素濃度１．８ｘ）で色素３２が添加された樹脂層３Ｅと、から成る。また、色素３２の濃度が相対的に高い樹脂層３Ｅが、色素３２の濃度が相対的に低い２層の樹脂層３Ｄにより挟まれている。

図１２は、実施例４に係る波長制御フィルタ３ｉｖの構成例を示している。この実施例４に係る波長制御フィルタ３ｉｖは、比較例の波長制御フィルタ３ｒ（色素濃度ｘとする、図９参照）に比べて、０．９倍の濃度（色素濃度０．９ｘ）で色素３２が添加された樹脂層３Ｆと、１．２倍の濃度（色素濃度１．２ｘ）で色素３２が添加された樹脂層３Ｇと、０．７倍の濃度（色素濃度０．７ｘ）で色素３２が添加された樹脂層３Ｈと、から成る。また、色素３２の濃度が相対的に高い樹脂層３Ｇが、色素３２の濃度が相対的に低い２層の樹脂層３Ｆ、Ｈにより挟まれている。

下記表１は、上述した実施例１〜実施例４、及び比較例に係る波長制御フィルタ３ｉ〜３ｉｖ、３ｒについて、耐光性試験を行った結果を示す。試験は、上記図８を用いて説明した耐熱耐光試験と手順と同様に行い、残存率８０％へ到達する日数で耐光性を評価した。

表１の結果より、実施例１〜実施例４において、比較例よりも高い耐光性が得られることが示された。また、実施例１及び実施例３のように、色素３２の濃度が相対的に高い樹脂層３Ａ、３Ｅが、色素３２の濃度が相対的に低い又は色素３２を含有しない樹脂層２Ｂ，３Ｄで挟まれた構成において、特に高い耐光性が得られることが示された。また、実施例２では、樹脂層３Ｃの色素３２の濃度が最も高く、しかも色素３２を含有しない樹脂層２Ｂによってその周縁まで覆われているので、極めて高い耐光性が得られることが示された。

このように、本実施形態の波長制御フィルタ１によれば、色素３２を含有する樹脂層３Ａにより、高い演色性を得ることができる。また、樹脂層３Ａの色素濃度を相対的に高くする一方で、色素３２を含まない樹脂層３Ｂにより波長制御フィルタ１全体の厚みを持たせることで、色素３２の波長制御機能の低下を抑制し、耐光性を高めることができる。

フィルタの厚みが波長制御フィルタの耐熱耐光性に与える影響について、図１３を参照して説明する。ここでも、作成されたサンプルを耐熱耐光試験槽に投入し、試験前後での主吸収ピークの維持率に基づいて評価する耐熱耐光試験を行った。耐熱耐光試験の概要は上記図８で説明した手順と同様である。図１３は、色素濃度が同じで、フィルタ厚を１、２倍に変化させた場合における波長制御フィルタ３の耐熱耐光性試験の結果を示す。この結果から、フィルタ厚が異なる場合、フィルタ厚が厚いものの方が、耐熱耐光性が高いことが示された。

上述したいずれの実施例においても、複数種類の樹脂層のうち、色素３２の濃度が相対的に高い樹脂層３Ａ，３Ｃ，３Ｅ，３Ｇの厚みが、色素３２の濃度が相対的に低い又は含有しない樹脂層３Ｂ，３Ｄ，３Ｆ，３Ｈの厚みよりも厚くなるように形成されている。すなわち、色素３２の濃度が低い樹脂層よりも、色素３２の濃度が高い樹脂層の厚みを厚くすることで、より高い耐光性を得ることができる。

図１４は、上記実施形態の変形例に係る波長制御フィルタ３ｍを示す。波長制御フィルタ３ｍでは、色素３２の濃度が相対的に高い樹脂層３Ｉと、色素３２を含有しない樹脂層３Ｂと、から成る。また、色素３２の濃度が相対的に高い樹脂層３Ｉは、同一平面において短冊状に形成されており、各樹脂層３Ｉ間には、色素３２を含有しない樹脂層３Ｂが充填されている。

図１３で示したように、波長制御フィルタの耐光性は、色素濃度が高く、且つフィルタ厚が厚いほど高くなる。しかしながら、図６で示したような透過率を実現するためには、フィルタ全体での色素含有量は一定にする必要がある。そこで、図１４に示したように、樹脂層３Ｉを短冊状にすることで、色素濃度を高く且つ層厚を厚くする一方で、各樹脂層３Ｉ間に色素３２を含まない層を介在させることで、所望の透過率を実現することができる。なお、波長制御フィルタ３の正面視形状は、例示した正方形に限らず、円形、長方形又は任意の多角形であってもよい。

本実施形態の波長制御フィルタ３を用いた発光装置１は、例えば、図１５に示すような照明装置１０に適用される。ここでは、球形の器具筐体１１内に、ＬＥＤ光源（不図示）が内蔵され、器具筐体１１に設けられた開口に円形の波長制御フィルタ３が取り付けられた構成を示す。この照明装置１０によれば、耐光性の高い波長制御フィルタ３を用いたことにより、長期間に亘って安定的に演色性の高い照明光を照射することができる。

なお、本発明は、上述した実施形態に限らず、種々の変形が可能である。例えば、上記実施例に係る波長制御フィルタ３は、いずれも色素濃度の異なる２種又は３種の樹脂層を３層積層させた構成としたが、樹脂層は３種以上、また、４層以上積層させた構成であってもよい。また、波長制御フィルタ３を、別途の透光性部材に貼付してもよい。この場合、別途の透光性部材のうち、ＬＥＤ光源２の発光部４と対向する部分に限定的に設けてもよい。また、図１０（実施例２）で示したような、色素３２の濃度が相対的に高い樹脂層３Ｃが、ＬＥＤ光源２の発光部４と対向する部分に限定的に設けられてもよい。

１ 発光装置
１０ 照明装置
２ ＬＥＤ光源
３ 波長制御フィルタ
３Ａ〜３Ｉ 樹脂層
３１ 母材（透光性樹脂）
３２ 色素

Claims (7)

1. 透光性樹脂と、前記透光性樹脂に添加されて光の波長を制御する色素と、を有する照明用の波長制御フィルタであって、
   該波長制御フィルタは、前記透光性樹脂に対する前記色素の濃度が異なる又は前記色素を含有しない複数種類の樹脂層が積層されており、
   前記色素は、特定波長の光を選択的に吸収するものであり、
   前記色素の濃度が相対的に高い樹脂層は、前記色素の濃度が相対的に低い又は前記色素を含有しない樹脂層により挟まれ、
   前記複数種類の樹脂層のうち、前記色素の濃度が相対的に高い樹脂層の厚みが、前記色素の濃度が相対的に低い又は前記色素を含有しない樹脂層の厚みよりも厚いことを特徴とする波長制御フィルタ。
2. 前記色素の濃度が相対的に高い樹脂層の周縁が、前記色素の濃度が相対的に低い又は前記色素を含有しない樹脂層により覆われていることを特徴とする請求項１に記載の波長制御フィルタ。
3. 前記色素は、波長４５０〜６００ｎｍの範囲に最大吸光波長を有することを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の波長制御フィルタ。
4. 前記色素は、テトラアザポルフィリン化合物であることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか一項に記載の波長制御フィルタ。
5. 前記テトラアザポルフィリン化合物の中心金属が銅であることを特徴とする請求項４に記載の波長制御フィルタ。
6. 請求項１乃至請求項５のいずれか一項に記載の波長制御フィルタと、前記波長制御フィルタへ向けて光を出射するＬＥＤ光源と、を備えたことを特徴とする発光装置。
7. 請求項６に記載の発光装置を用いた照明装置。