JP6745471B2

JP6745471B2 - 発光装置及びそれを用いた照明装置

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Publication number: JP6745471B2
Application number: JP2015051371A
Authority: JP
Inventors: 佐智子土井; 哲山内; 英樹和田; 由合香椿野
Original assignee: Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd
Current assignee: Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd
Priority date: 2015-03-13
Filing date: 2015-03-13
Publication date: 2020-08-26
Anticipated expiration: 2035-03-13
Also published as: JP2016171255A

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部を有する発光装置及びそれを用いた照明装置に関する。

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、波長制御部として機能して照明光の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

しかしながら、上述した波長制御用のフィルタは、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、複数のＬＥＤに対して、色素が低濃度で均一に分散された波長制御部が共通して用いられると、色素の波長制御機能が低下し、波長制御部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、しかも高い耐光性を有する波長制御部を備えた発光装置及びそれを用いた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、ＬＥＤ光源と、前記ＬＥＤ光源から出射された光の波長を制御する色素を含有する波長制御部と、を有するＬＥＤモジュールを３種以上の複数種類、備えた発光装置であって、前記ＬＥＤモジュールは、発光特性が同一の前記ＬＥＤ光源に対して、前記色素の濃度が種類毎に異なる前記波長制御部が設けられたものであり、前記複数種類のＬＥＤモジュールは、前記色素の平均濃度がｃであるとき、該平均濃度ｃ以上の濃度で前記色素を含有する波長制御部を有するＬＥＤモジュールと、前記平均濃度ｃ以下の濃度で前記色素を含有する又は前記色素を含有しない波長制御部を有するＬＥＤモジュールと、を含むことを特徴とする。

本発明によれば、波長制御部全体の光の吸収量は、色素を平均濃度ｃで含有する波長制御部の個数倍の吸収量と概ね等しくなり、高い演色性を有する照明光を照射することができる。また、少なくとも１種の波長制御部は高い濃度で色素を含有しているので、色素の波長制御機能が低下し難くなる。その結果、全体での色素の波長制御機能の低下を抑制することができ、波長制御部の耐光性を発光装置全体として高めることができる。

本発明の一実施形態に係る発光装置の側断面図。同発光装置に用いられるＬＥＤモジュールの側断面図。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。上記波長制御部の光吸収スペクトルを示す図。上記波長制御部の色素濃度と耐光性との関係を説明するための図。上記発光装置の側面図。実施例１，２及び比較例の発光装置におけるＬＥＤモジュールの構成と、出射光の特性、及び耐光性を示す図。実施例１，２及び比較例の発光装置における対象波長の光の吸収量の変化を示す図。

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８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、リビングや店舗等に設けられて空間に演色性の高い照明光を照射するダウンライト等の照明装置１０に用いられる。発光装置１は、複数種類、本例では３種のＬＥＤモジュール２Ａ，２Ｂ，２Ｃ（総称してＬＥＤモジュール２）を備える。

各ＬＥＤモジュール２Ａ，２Ｂ，２Ｃは、ＬＥＤ光源３と、ＬＥＤ光源３から出射された光の波長を制御する色素を含有する波長制御部４Ａ，４Ｂ、４Ｃ（総称して波長制御部４）と、を夫々有する。また、発光装置１は、ＬＥＤモジュール２Ａ，２Ｂ，２Ｃを夫々実装するための基板５を有する。波長制御部４Ａ，４Ｂ、４Ｃは、ＬＥＤモジュール２Ａ，２Ｂ，２Ｃの種類毎に設けられ、夫々含有される色素の濃度が異なる。なお、以下に説明する実施形態では、夫々波長制御部の色素濃度が異なる３個のＬＥＤモジュール２を用いた構成を例示するが、ＬＥＤモジュール２の種類や個数は、２種又は２個以上あればよく、図例の種類数や個数に限られない。

照明装置１０は、本体部１１と、発光装置１を本体部１１に固定するための取付板１２と、発光装置１の光導出方向に設けられる光拡散透過用のカバー１３と、発光装置１から放射される光をカバー１３の方向へ反射させる反射板１４と、を備える。なお、ここでは、照明装置１０がダウンライトであることを想定した構成を示しているが、例えば、ベースライト等であってもよく、照明装置の種類や形状等は図例に限定されない。

本体部１１は、発光装置１が固定される底面を有する取付枠１１ａと、この取付枠１１ａの開口側に取り付けされ、カバー１３を保持する開口枠１１ｂとを備える。取付枠１１ａは、前面が開口した筒形状の構造部材であり、発光装置１を収納可能となるように構成されている。開口枠１１ｂは、光を放射するために中央が開口した枠状部材であり、カバー１３を保持するため、開口部の周縁部が内側に突出している。

取付板１２は、発光装置１の基板５と取付枠１１ａの底面との間に隙間ができるように、発光装置１を保持する部材である。取付板１２は、発光装置１からの熱を効率的に放熱できるように、熱伝導性のよい材料から構成されていることが望ましく、また、取付枠１１ａの底面と対向する面に放熱フィンが形成されていてもよい。基板５と取付枠１１ａの底面との間には、発光装置１を点灯駆動するための電源部や配線等（不図示）が収納される。なお、電源別置の場合、発光装置１の取付構造は、この限りではなく、取付板１２を介さず取付枠１１ａの底面に発光装置１を直接的に固定することもできる。

カバー１３は、アクリル樹脂等の透光性樹脂に酸化チタン等の拡散粒子を添加した乳白色材料を、開口枠１１ｂの内寸形状と略同形状に形成加工した矩形板状部材である。なお、カバー１３は、透明なガラス板又は樹脂板の表面又は裏面に、サンドブラスト処理を施して粗面としたもの、又はシボ加工を施したもの等であってもよい。

反射板１４は、反射性を有する屈曲した板材が、基板５上に配置されたＬＥＤ光源３及び波長制御部４の四方を囲うように、且つ開口枠１１ｂに向けて傾斜するように配置されたものである。この反射板１４は、例えば、記形状に形成された樹脂構造体に、高反射性の白色塗料を塗装して作製された光拡散反射板が好適に用いられる。このように構成された照明装置１０において、発光装置１から放射された光は、直接又は反射板１４で反射されてカバー１３に入射し、照明装置１０外に出射される。

ＬＥＤ光源３は、汎用の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３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。

図２に示すように、本実施形態では、ＬＥＤ光源３は、汎用のＳＭＤ型のＬＥＤモジュールが好適に用いられる。具体的には、ＬＥＤ光源３は、断面矩形状の基材３０と、基材３０上に実装された発光部（ＬＥＤチップ）３１と、ＬＥＤチップ３１を取り囲む凹部を有する枠体３２と、枠体３２に充填される封止部材３３と、を備える。封止部材３３には、例えば、シリコーン樹脂等の透光性樹脂が用いられ、ＬＥＤチップ３１からの出射光の波長を変換する蛍光体３４が含有される。基材３０の一側面にはカソード電極３５が、他側面にはアノード電極３６がリードフレーム状に夫々設けられ、基材３０の下面両端部に形成された外部接続電極３７，３８に夫々接続される。また、カソード電極３５及びアノード電極３６は、ワイヤ３９によってＬＥＤチップ３１の各電極端子（不図示）に夫々接続される。なお、ＬＥＤ光源３は、例示したＳＭＤ型に限らず、ＣＯＢ型であってもよい。

枠体３２の凹部は、上面視で円形状であり、ＬＥＤチップ３１が実装される底面と、光を導出する開口部と、底面から開口部に向けて円錐状に広がるように形成された側面と、を有する。側面は、ＬＥＤチップ３１から出射する光を高効率で反射するように光反射処理が施されている。

ＬＥＤモジュール２は、上記のように構成されたＬＥＤ光源３に、波長制御部４が設けられて構成される。波長制御部４は、透光性材料から成る母材４１に、ＬＥＤ光源３から出射された光の波長を制御する色素４２を含有させた樹脂組成物により形成される。波長制御部４には、母材４１に対する色素４２の濃度が異なる複数種類の樹脂組成物がＬＥＤモジュール２毎に用いられる。ここで言う色素４２の濃度が異なる複数種類の樹脂組成物には、色素４２を含有しないものを含む。

母材４１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４１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。母材４１は、ＬＥＤ光源３の封止部材３３との界面での全反射や屈折を抑制するため、封止部材３３と同じ材料又は同じ屈折率を有する材料であることが望ましい。

色素４２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３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４２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４は、母材４１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部４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）で測定した結果を示す。

ＬＥＤモジュール２は、ＬＥＤ光源３からの出射光が、図４に示した吸収特性を有する色素を含有する波長制御部４を透過し、波長制御された白色光を出射する。ＬＥＤモジュール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おり、黄色光成分が低減されている。その結果、高い演色性を得ることができ、特に赤色の物体を鮮やかに見せることができる。

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５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５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部４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６に示すように、３個のＬＥＤモジュール２Ａ，２Ｂ，２Ｃの色素４２の平均濃度がｃであるとする。このとき、複数種類（本例では３個）のＬＥＤモジュール２は、平均濃度ｃ以上の濃度で色素４２を含有する波長制御部４を有するものと、平均濃度ｃ以下の濃度で色素４２を含有する又は色素４２を含有しない波長制御部４を有するものと、を含む。図６に示した構成例（実施例１）では、ＬＥＤモジュール２Ａは、平均濃度ｃの２倍の濃度で色素４２を含有する波長制御部４Ａを有し、ＬＥＤモジュール２Ｂは、平均濃度２ｃで色素４２を含有する波長制御部４Ｂを有する。また、ＬＥＤモジュール２Ｃは、色素４２を含有していない波長制御部４Ｃを有する。

すなわち、図６に示す発光装置１の構成例では、波長制御部４Ｃは色素４２を含有しておらず、波長制御部４Ａが平均濃度ｃの２倍の濃度２ｃで色素４２を含有し、３種類の波長制御部４Ａ，３Ｂ，４Ｃに含まれる色素の総量は３ｃとなる。このとき、波長制御部４Ｃを有するＬＥＤモジュール２Ｃは、ＬＥＤ光源３の光が波長制御されずに出射されるが、波長制御部４Ａを有するＬＥＤモジュール２Ａは、波長制御部４Ｂを有するＬＥＤモジュール２Ｂに比べて、対象となる波長光の吸収量が概ね２倍となる。その結果、波長制御部４Ａ，４Ｂ，４Ｃ全体の吸収量は、色素４２を平均濃度ｃで含有する波長制御部４Ｂの３倍の吸収量と概ね等しくなる。

これにより、ＬＥＤモジュール２Ａ、２Ｂ、２Ｃ全体が出射する白色光は、対象となる波長（波長５７０〜５９０ｎｍの範囲の波長）が吸収され、黄色光成分が低減される。その結果、発光装置１は、高い演色性を有する照明光を照射することができ、特に赤色の物体を鮮やかに見せることができる。

また、波長制御部４Ａは平均濃度ｃの２倍の濃度２ｃで色素４２を含有しているので、平均濃度ｃで色素を含有する波長制御部４Ｂよりも色素４２の波長制御機能が低下し難くなる。そのため、同じ色素濃度の波長制御部を３つ用いた場合に比べて、全体での色素の波長制御機能の低下を抑制することができ、波長制御部４の耐光性を発光装置１全体として高めることができる。

また、色素４２の濃度が最も高い波長制御部４Ａを有するＬＥＤモジュール２Ａと、色素４２の濃度が最も低い又は色素４２を含有しない波長制御部４、本例では色素４２を含有しない波長制御部４Ｃを有するＬＥＤモジュール２Ｃと、が隣り合うように配置される。ＬＥＤモジュール２Ａと、ＬＥＤモジュール２Ｃとは、出射光の光色が異なるので、これらが離れて配置されると、色ムラを発生させる虞がある。そこで、これらを近接配置して、互いの光色が混じり易くすることで、色ムラの発生を抑制することができる。

図７は、２種の実施例１，２に係る発光装置１と、比較例に係る発光装置の対比を示す。実施例１は、図６で説明した発光装置１と同様の構成である。この実施例１では、ＬＥＤモジュール２Ａに６０ｐｐｍの濃度で、ＬＥＤモジュール２Ｂに３０ｐｐｍの濃度で、各波長制御部４に色素４２が添加され、ＬＥＤモジュール２Ｃの波長制御部４には色素４２が添加されていない。実施例２では、ＬＥＤモジュール２Ｄに４５ｐｐｍの濃度で、ＬＥＤモジュール２Ｂに３０ｐｐｍの濃度で、ＬＥＤモジュール２Ｅに１５ｐｐｍの濃度で、各波長制御部４に色素４２が添加されている。比較例では、３０ｐｐｍの濃度で波長制御部４に色素４２が添加されたＬＥＤモジュール２Ｂが３個用いられている。実施例１，２、比較例のいずれにおいての色素４２の平均濃度は３０ｐｐｍである。なお、ここでは、耐光性について、３つのＬＥＤモジュール２が有する各波長制御部４による対象波長の光の吸収量の合計が２０％になる日数で評価した。

色素濃度が最も高いＬＥＤモジュール２Ａを有する実施例１では、比較例に比べて耐光性が大きく向上した。また、平均濃度よりも色素濃度が高いＬＥＤモジュール２Ｄを有する実施例２においても、耐光性の向上が見られた。なお、色素濃度と主吸収ピークの維持率は必ずしも比例しない。例えば、実施例２では、ＬＥＤモジュール２Ｅを低濃度化しているが、ＬＥＤモジュール２Ｄの高濃度化による色素の主吸収ピークの維持率の改善効果が、低濃度化による影響を上回っており、全体としての耐光性を向上させることができる。

波長制御部４による対象波長の光の吸収量は、色素濃度を２倍にしたら吸収量も２倍になる訳ではなく、吸収量の増加率は、色素濃度の増加率よりもやや低くなる。そのため、図８に示すように、初期吸収量においては、色素濃度が最も高いＬＥＤモジュール２Ａを有する実施例１が最も低く、平均濃度のＬＥＤモジュール２Ｂだけで構成された比較例が最も高くなる。しかしながら、実施例１，２は、吸収量の低下ペースが遅く、試験日数が１００日を越える時期には、各波長制御部４による対象波長の光の吸収量の合計では、比較例を上回るようになる。

上述した波長制御部４を用いた発光装置１は、図１に示したような照明装置１０に適用されることで、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。また、各ＬＥＤモジュール２の光色が異なっていても、カバー１３により、それらの光が拡散されて混色することで、色ムラが少ない自然な照明光を得ることができる。

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、上記実施形態では、ＬＥＤモジュール２について、蛍光体３４を含有する封止部材３３と、母材４１に色素４２を含有させた波長制御部４と、を別の構成として例示した。しかし、封止部材３３と波長制御部４とは、実質的に同じ構成であってもよく、封止部材３３に色素４２が含有されていてもよい。また、上記実施形態では、波長制御部４は、ＬＥＤ光源３の発光部を覆う構成として示したが、平坦なフィルタ状の構成であってもよい。フィルタ状の波長制御部４は、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３の発光部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
１３カバー
２、２Ａ，２Ｂ，２Ｃ，２Ｄ，２ＥＬＥＤモジュール
３ＬＥＤ光源
４、４Ａ，４Ｂ、４Ｃ波長制御部
４２色素
ｃ色素の平均濃度

Claims

ＬＥＤ光源と、前記ＬＥＤ光源から出射された光の波長を制御する色素を含有する波長制御部と、を有するＬＥＤモジュールを３種以上の複数種類、備えた発光装置であって、
前記ＬＥＤモジュールは、発光特性が同一の前記ＬＥＤ光源に対して、前記色素の濃度が種類毎に異なる前記波長制御部が設けられたものであり、
前記複数種類のＬＥＤモジュールは、前記色素の平均濃度がｃであるとき、該平均濃度ｃ以上の濃度で前記色素を含有する波長制御部を有するＬＥＤモジュールと、前記平均濃度ｃ以下の濃度で前記色素を含有する又は前記色素を含有しない波長制御部を有するＬＥＤモジュールと、を含むことを特徴とする発光装置。
前記色素の濃度が最も高い波長制御部を有するＬＥＤモジュールと、前記色素の濃度が最も低い又は前記色素を含有しない波長制御部を有するＬＥＤモジュールと、が隣り合うように配置されていることを特徴とする発光装置。
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に記載の発光装置。
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発光装置。
前記複数種類のＬＥＤモジュールから出射された光を拡散して放射するカバーを更に備えることを特徴とする発光装置。
請求項５に記載の発光装置を用いた照明装置。