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JP2008186777A - 照明装置及びこれを備える表示装置 - Google Patents

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慎 栗原
Masafumi Ono
雅史 小野
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Abstract

【課題】 従来の光源装置では、大幅な色調整や自在な分光成分の制御を行うことが困難である。
【解決手段】 光源からの光路上に、第一の蛍光体が分散した蛍光層を第一の透明板上に部分的に形成した。第一の透明板上に、前記蛍光体とは異なる第二の蛍光体を部分的に形成した第二の透明板を重ねて配置し、各蛍光層の重なる面積を制御することで、照明装置の色調制御を行うことができる。特に、光源として青色光源、第一の蛍光体として緑色蛍光体、第二の蛍光体として赤色蛍光体を用いて、緑色蛍光体と赤色蛍光体の重なり合う面積を変えることで、赤色蛍光体による緑色光の吸収量を調整し、狙いの色度が出せるようになっている。
【選択図】 図１

Description

本発明は、照明用光源装置に関する。主に、展示品や写真撮影時の被写体等の照明用光源装置に関する。また、液晶表示装置、及び表示素子を照明するバックライト等の照明装置にも関する。
従来の照明装置用の光源としては、白熱灯や冷陰極管がある。しかし、発光効率や寿命等の問題から、将来的には発光ダイオード（ＬＥＤ）が光源として期待されている。しかしながら、発光ダイオードの発光光は青や緑の短色光であるため、照明として使用するためには、白色化する必要がある。かねてより、赤色発光ダイオードと青色発光ダイオードと緑色発光ダイオードの発光光の混色により白色化する方法が知られているが、色度調整の困難さとコスト面から一般に普及するまではいたっていない。
一般的には、青色発光ダイオードとＹＡＧに代表される黄色の蛍光体を組み合わせて擬似白色化する手法が広く知られており、現在白色ＬＥＤと呼ばれている光源はこの方式が主流である（例えば、特許文献１を参照）。しかしながら、この白色ＬＥＤでは、緑色と赤色成分が非常に少なく、演色性に欠けるという問題と、色度の調整が困難という問題がある。近紫外ＬＥＤを使用すれば、演色性の問題は解決するが、現段階ではパッケージの信頼性の問題と、発光効率の問題があり、普及には時間がかかるとみられている。
また、蛍光体と発光ダイオードを使用したＬＥＤパッケージの場合、樹脂に蛍光体を混合する際に、その混合量によって色度を調整できるのであるが、樹脂が固まる前に蛍光体が沈降してしまうという現象から、狙いの色度と異なる製品が出来上がる問題点があった。そこで、蛍光体含有部分を複数の部材に展開し、蛍光体が部分的に存在する第一の蛍光体含有部材と同じ蛍光体が部分的に存在する第二の蛍光体含有部材を重ねておき、光源から見える蛍光体の面積比率を変更し、色度を調整する手法が公開されている（例えば、特許文献２を参照）。しかしながら、このような手法は基本的に製品の直行率を上げることを念頭においており、微妙な色調の調整はできても、大幅な色調整や自在な分光成分の制御はできないという問題がある。
特開平５−１５２６０９（１頁、第１図） 特開２００６−３３２３８４（１頁、第１図）
本発明が解決しようとする課題は、従来の光源装置では、大幅な色調整や自在な分光成分の制御を行うことが困難な点である。
本発明の照明装置は、発光素子で発光した光の光路中に、第一の蛍光体が存在する領域と存在しない領域を持つ第一の部材と、第二の蛍光体が存在する領域と存在しない領域を持つ第二の部材を配置し、光路中において、第一の蛍光体と第二の蛍光体の重なり面積を変更できる構成とした。
また、第一の蛍光体を緑色蛍光体とし、第二の蛍光体を赤色蛍光体とした。緑色蛍光体として、希土類を付活したストロンチウム・チオガレートやバリウム・ストロンチウム・シリケートやＣａ３Ｓｃ２Ｓｉ３Ｏ１２：Ｃｅのいずれかを用いた。また、赤色蛍光体にはＣａＳやＳｒＳ等の硫化物と希土類ドーパントとからなるカルコゲナイド化合物蛍光体や、（Ｃａ、Ｓｒ）２Ｓｉ５Ｎ８やＣａＳｉＮ２やＣａＡｌＳｉＮ３Ｏ１２等と希土類ドーパントとからなる蛍光材料を用いた。これらの蛍光体をエポキシ樹脂に混合させて第一または第二の部材とした。また、蛍光体を部材上にドットマトリクス状に配置した。
また、蛍光体及び蛍光体を塗布する部材の種類が二種類以上であることとした。
また、発光素子として、青色発光ダイオード、紫外発光ダイオード、ＥＬ素子を用いることができる。
また、本発明の照明装置は、ドットマトリクスを構成する各ドットの長辺が、第二の部材の移動方向に平行であるようにした。また、ドットマトリクスを構成する各ドットが完全に独立しているわけではなく、部分的に連続であるようにした。また、第一及び第二の部材を円形とし、円形部材に蛍光体を部分的に配置した。
また、本発明の照明装置は、蛍光体を部分的に配置した円形部材の一部を回転し、第一の蛍光体及び第二の蛍光体の重なる面積が変化するタイミングに合わせて、発光素子の発光のタイミングを調整することとした。また、部分的にカラーフィルター層が存在する部材を設けることとした。
また、本発明の表示装置は、上述のいずれかの構成の照明装置に非自発光型の表示素子を設けることとした。
複数種類の蛍光体を用いて、異なる蛍光体の重なり合う面積を変えることで、大幅な色度変更が可能となり、自在な分光成分の制御ができる照明装置の提供が可能となる。
本発明の照明装置において、光源からの光路上に、第一の蛍光体が分散した蛍光層を第一の透明板上に部分的に形成した。第一の透明板上に、第一の蛍光体とは異なる第二の蛍光体を部分的に形成した第二の透明板を重ねて配置し、各蛍光層の重なる面積を制御することで、照明装置の色調制御を行うことができる。特に、光源として青色光源、第一の蛍光体として緑色蛍光体、第二の蛍光体として赤色蛍光体を用いて、緑色蛍光体と赤色蛍光体の重なり合う面積を変えることで、赤色蛍光体による緑色光の吸収量を調整し、狙いの色度が出せるようになっている。
本発明の第一の実施例の照明装置を図１〜図５を用いて説明する。図１は、本発明による照明装置の光源部の構成を模式的に示す斜視図である。発光源１は基板２の上に表面実装されている。発光源１は本実施例においては青色発光ダイオードを想定している。ただし、青色に光る光源であれば冷陰極間やＥＬ素子等であってもかまわない。基板２はＰＣＢ等のガラエポ基板やＦＰＣ等のフレキシブル基板が考えられる。
発光源１上に第一の透明板３を配置する。第一の透明板３には深さ０．１ｍｍ〜０．５ｍｍ、幅０．５ｍｍ〜５ｍｍ程度の溝が一定のピッチで設けられている。透明板の材質としては、アクリルやポリカーボネートを切削や射出成型にて加工した材料が考えられる。また、光学特性や耐候性のみを考慮すると、ガラス材料が理想的である。前記溝に、蛍光体粒子を分散した透明樹脂を充填硬化して第一の蛍光層４を形成する。本実施例においては、第一の蛍光層４に使用する蛍光体として、OLE_LINK1５００ｎｍ〜５５０ｎｍにピーク波長を持つ緑色OLE_LINK1蛍光体を使用する。緑色蛍光体としては、希土類を付活したストロンチウム・チオガレートやバリウム・ストロンチウム・シリケートやＣａ３Ｓｃ２Ｓｉ３Ｏ１２：Ｃｅ等が広く知られており、適している。また、光源が紫外光に近い場合はＢａＭｇＡｌ１０Ｏ１７：Ｅｕ、ＭｎやＺｎＳが適している。蛍光体を分散する透明樹脂としては、シリコンやエポキシやアクリル系の透明材料が考えられるが、チオガレートを使用する場合は、水分に弱い性質を補うための湿気対策が必要であり、エポキシ樹脂を使用することが望ましい。
第一の蛍光層４を具備した第一の透明板３の上に、第二の蛍光層５を具備した第二の透明板６を配置する。第二の透明板６にも第一の透明板３同様に溝が掘り込まれている。本実施例においては溝の深さ、幅、ピッチは第一の透明板３と同様とした。ピッチは透明板３のピッチと同様である必要があるが、深さと幅は同じである必要はない。また、透明板と透明樹脂の材質に関しても、第一の透明板３と同様である。透明樹脂に分散する蛍光体であるが、本実施例においては、６００ｎｍ以上にピーク波長を有する赤色蛍光体を使用する。赤色蛍光体としては、ＣａＳやＳｒＳ等の硫化物と希土類ドーパントとからなるカルコゲナイド化合物蛍光体や、（Ｃａ、Ｓｒ）２Ｓｉ５Ｎ８やＣａＳｉＮ２やＣａＡｌＳｉＮ３Ｏ１２等と希土類ドーパントとからなる蛍光材料がある。
図２は、本発明の照明装置の光源の機能を示す模式的な断面図である。発光源１からでた発光光７は第一の蛍光層４を通ることで発光光と蛍光光の混色光になる。本実施例においては、発光光４４０ｎｍ〜４９０ｎｍにピーク波長を持つ青色光であり、第一の蛍光光は、５００ｎｍ〜５５０ｎｍにピーク波長を持つ緑色光である。したがって、第一の蛍光層４を通った第一の混色光８は青色と緑色の混色光である。第一の混色光８は第二の蛍光層５を通ることで、第一の混色光８と第二の蛍光光の混色光となる。ここで、第二の蛍光光は６００ｎｍ以上のピーク波長を持つ赤色光である。赤色蛍光体の多くはその励起波長に緑色を含んでいる。そのため、第二の蛍光層５を通る際、青色光及び緑色光の一部を吸収し赤色光に変換する。図４に図２の場合の分光スペクトルのイメージグラフを示す。青成分、緑成分、赤成分の強度がほぼ均等に分布している。
図３も本発明の照明装置の光源の機能を示す模式的な断面図である。図２と異なる点は第二の蛍光層５のある第二の透明基板の位置である。図３は第一の混色光８の大部分が当たる位置に、第二の蛍光層５が配置されていたが、図３においては、第一の混色光の大部分は第二の蛍光層５にあたらない位置に第二の透明板６をスライドしてある。そのため、青成分と緑成分が抜けやすくなっている。図２の第一の混色光８の大部分が第二の蛍光体５にあたる場合と比較すると、全体的な色調としては青緑方向にシフトする。図５に図３の場合の分光スペクトルのイメージグラフを示す。図４と比較して、青成分、緑成分の強度が高まり、連動して赤成分の強度がやや低くなっている。このスライド量を調整することで出射光の色成分の調整をすることが可能となる。
また、本実施例においては二種類の蛍光体のみを使用しているが、二種類以上の複数の蛍光体を使用してもかまわない。また、蛍光層の数も二層のみでなく、二層以上の複数層にしてもよい。
本発明の第二の実施例の照明装置を、図６を用いて説明する。図６（ａ）は第一の透明板３に第一の蛍光層４が形成された物を模式的に示す正面図であり、図６（ｂ）は第二の透明板６に第二の蛍光層５が形成された物を模式的に示す正面図である。基本的構成は第一の実施例と同様である。第一の実施例と異なる点は、透明板３、６に塗布する蛍光層の形状である。透明板３に設けられている溝は、深さ０．１ｍｍ〜０．５ｍｍ、幅と長さが０．５ｍｍ〜１０ｍｍ程度であり、ドットマトリックス状に形成されている。第一の実施例においては、ストライプ状に蛍光層と非蛍光層がスライド方向と垂直になるように交互に形成されていたが、本実施例では、スライド方向と平行になるように蛍光層の長辺を形成したところに特徴がある。スライド方向と蛍光層の長辺を平行にすることによって、スライド量に対する色度変化量の割合を小さくすることができ、色の微調整が容易になる。また、ドットマトリクス状とした事で、混色が決め細やかになり、色われを防ぐことができる。また、各ドットは独立した溝ではなく、機構的に連続してつながっている。そのため、各ドットに透明樹脂に分散した蛍光体を流し込むわけではなく、一箇所に充填すれば蛍光層の全エリアに樹脂が流れ込む構造となっており、プロセスを簡単にし、かつ各ドット間の蛍光濃度のバラツキを抑えることができる。
本発明の第三の実施例の照明装置を、図７を用いて説明する。図７（ａ）は第一の透明板３に第一の蛍光層４が形成された物を模式的に示す正面図であり、図７（ｂ）は第二の透明板６に第二の蛍光層５が形成された物を模式的に示す正面図である。第一、第二の実施例と異なる点は、透明板３、６の形状及び前記透明板に塗布する蛍光層の形状である。透明板３を光源上に配置する。透明板３は円形に近い形をしており、円の中心から広がるように、第一の蛍光層４が扇方形状に等ピッチで形成されている。第一の蛍光層４は部分的に存在し、存在しない部分は透明である。第二の蛍光層５がある第二の透明板６も前記透明板４と同じ形状をしている。第一の蛍光層４では緑色蛍光体を使用し、第二の蛍光層５では赤色蛍光体を使用する。第二の蛍光層５を形成した第二の透明板６は回転できるような構造になっている。回転中心の位置は、第一の蛍光層４を構成している第一の透明板３の中心と同じ位置である。したがって、第二の蛍光層５を形成した第二の透明板６を回転することによって、緑蛍光体と赤蛍光体の重なり量が変化するため、色調整が可能となる。
本発明の第四の実施例の照明装置を、図８を用いて説明する。図８（ａ）は第一の透明板３に第一の蛍光層４が形成された物を模式的に示す正面図であり、図８（ｂ）は第二の透明板６に第二の蛍光層５が形成された物を模式的に示す正面図である。第三の実施例と異なる点は、透明板に塗布する蛍光層の形状である。本実施例においては、蛍光層をドット形状とし、円の中心から外形にかけて不連続に蛍光層が存在するようにした。ドット形状とすることで、第二の実施例と同様に、混色が決め細やかになり、色われを防ぐことができる。
第一及び第二の透明板３，６の中心を同じ位置にして、第二の透明板を回転させたときに、緑蛍光体と赤蛍光体の重なり量が変化するように、ドットの形状決定と配置を行う必要がある。
本発明の第五の実施例の照明装置を、図７を用いて説明する。第三の実施例と異なる点は、第二の蛍光層５を形成した第二の透明板６を回転する機構と、その回転にあわせて発光源が点滅する構成となっている点である。第一の蛍光層４では緑色蛍光体を使用し、第二の蛍光層５では赤色蛍光体を使用する場合、緑色蛍光層と赤色蛍光層が重なっているときの点灯時間と緑色蛍光層と赤色蛍光層が重なっていないときの点灯時間の比率を制御することによって、色調整を行うことができる。具体的には、緑色蛍光層と赤色蛍光層が重なっているときの点灯時間を長くすることによって、より赤みを帯びた光となる。また、第四の実施例のようなドット形状でも、本実施例と同様の効果があることは言うまでもない。
本発明の第六の実施例の照明装置を、図９を用いて説明する。図９は、本発明による照明装置の光源部の構成を模式的に示す斜視図である。第一の実施例と異なる点は、第二の蛍光層がある第二の透明板６の上に、さらに第三の透明板１０を配置し、第三の透明板１０にはカラーフィルター層１１を部分的に形成する。本実施例においては、カラーフィルター層１１の材質は、ほとんどの可視光を吸収する黒色のフィルターを想定しているが、特定の波長のみを吸収するフィルターを使用するケースもある。狙いの色と使用する蛍光体の特性によって、フィルターの特性を選べばよい。
第一〜第五の実施例においては、複数の蛍光体の光路上の重なり面積の変化のみで色調整を行ったが、本実施例においては、更に所望しない色の排除という選択肢がある。たとえば、図３のように、緑色蛍光体と赤色蛍光体が光路上でほとんど重ならない位置に第二の透明板６を配置する。そして、緑色蛍光体上のみにカラーフィルター層１１が来るようにカラーフィルターののった第三の透明板１０の位置を調整する。そうすると、出光する光は青色と赤色の混色のみとなる。また、逆に赤色蛍光体上のみにカラーフィルター層１１が来るようにカラーフィルターののった第三の透明板１０の位置を調整する。そうすると、出光する光は青色と緑色の混色のみとなる。
以上のような構成とすることで、色調整の範囲が大幅に広がる。また、第一〜第五の実施例すべてにおいて、カラーフィルター層１１を付加することは可能であり、付加することによって、色調整範囲の拡大という効果が得られる。
また、第一〜第六の実施例の全ての光源を液晶ディスプレイ用の光源として使用することが可能である。
本発明による照明装置の光源部の構成を模式的に示す斜視図である。 本発明の照明装置の光源の機能を模式的に示す断面図である。 本発明の照明装置の光源の機能を模式的に示す断面図である。 本発明による照明装置の分光スペクトルのイメージグラフである。 本発明による照明装置の分光スペクトルのイメージグラフである。 本発明による照明装置の部品を模式的に示す正面図である。 本発明による照明装置の部品を模式的に示す正面図である。 本発明による照明装置の部品を模式的に示す正面図である。 本発明による照明装置の光源部の構成を模式的に示す斜視図である。
符号の説明
１ 発光源
２ 基板
３ 第一の透明板
４ 第一の蛍光層
５ 第二の蛍光層
６ 第二の透明板
７ 発光光
８ 第一の混色光
９ 第二の混色光
１０ 第三の透明板
１１ カラーフィルター層

Claims (11)

  1. 発光素子で発光した光の光路中に、第一の蛍光体が存在する領域と存在しない領域を持つ第一の部材と、第二の蛍光体が存在する領域と存在しない領域を持つ第二の部材が設けられるとともに、前記第一の蛍光体が存在する領域と前記第二の蛍光体が存在する領域の重なる面積が変更できるように、前記第一の部材と前記第二の部材が配置されたことを特徴とする照明装置。
  2. 前記第一の蛍光体が緑色蛍光体であり、前記第二の蛍光体が赤色蛍光体であることを特徴とする請求項１に記載の照明装置。
  3. 前記緑色蛍光体が希土類を付活したストロンチウム・チオガレート、バリウム・ストロンチウム・シリケート、Ｃａ３Ｓｃ２Ｓｉ３Ｏ１２：Ｃｅの少なくともひとつを含むことを特徴とする請求項２に記載の照明装置。
  4. 前記赤色蛍光体がＣａＳ、ＳｒＳ、（Ｃａ、Ｓｒ）２Ｓｉ５Ｎ８、ＣａＳｉＮ２、ＣａＡｌＳｉＮ３Ｏ１２と希土類ドーパントとからなる蛍光体の少なくともひとつを含むことを特徴とする請求項２に記載の照明装置。
  5. 前記蛍光体を前記部材上にドットマトリクス状に配置したことを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の照明装置。
  6. 前記ドットマトリクスを構成する各ドットの長辺が、前記第二の部材の移動方向に平行であることを特徴とする請求項５に記載の照明装置。
  7. 前記ドットマトリクスを構成する各ドットが部分的に連続であることを特徴とする請求項５または６に記載の照明装置。
  8. 前記部材を円形とし、前記円形部材に前記蛍光体を部分的に配置したことを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の照明装置。
  9. 前記蛍光体を部分的に配置した円形部材の一部を回転し、第一の蛍光体及び第二の蛍光体の重なる面積が変化するタイミングに合わせて、発光素子の発光のタイミングを調整することを特徴とする請求項８に記載の照明装置。
  10. 部分的にカラーフィルター層が存在する別の部材が設けられたことを特徴とする請求項１〜９のいずれか一項に記載の照明装置。
  11. 請求項１〜１０のいずれかに記載された構成の照明装置と、前記照明装置の照射面側に設けられた非自発光型の表示素子と、を備えることを特徴とする表示装置。
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