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JP2013214735A - 発光装置、これを用いた照明装置及び照明器具 - Google Patents

発光装置、これを用いた照明装置及び照明器具 Download PDF

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JP2013214735A JP2013044509A JP2013044509A JP2013214735A JP 2013214735 A JP2013214735 A JP 2013214735A JP 2013044509 A JP2013044509 A JP 2013044509A JP 2013044509 A JP2013044509 A JP 2013044509A JP 2013214735 A JP2013214735 A JP 2013214735A
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健一郎 田中
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尚子 竹井
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Abstract

【課題】発光装置において、照射光の色温度をスムーズに可変とする。
【解決手段】発光装置1は、ピーク波長が異なる2種のLED2a,2bと、LED2a,2bの出射光の波長を変換する蛍光体9を含む波長変換部22と、を備え、波長変換部22は、LED2a,2bを併せて被覆するよう設置され、蛍光体9は、長波長側にピーク波長を有するLED2aの出射光により励起される第1の蛍光体91と、短波長側にピーク波長を有するLED2bの出射光によって励起される第2の蛍光体92と、両LED2a,2bの出射光によって励起される第3の蛍光体93と、のうち2つ以上の組み合せから成る。この構成によれば、各蛍光体91,92,93のうち少なくとも2つ以上が、各LED2a,2bの夫々によって励起されて発光することによって、中間波長域の色光が補われるので、照射光の色温度をスムーズに可変とすることができる。
【選択図】図3

Description

本発明は、光源として固体発光素子を用いた発光装置、これを用いた照明装置及び照明器具に関する。
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、表示等や照明器具等の様々な電気機器の光源として使用されている。近年では、赤色LED及び緑色LEDに加えて、青色LEDが実用化され、これらRGB3色のLEDを組み合わせることにより、様々な光色を発光することができる。また、LEDの出射光の波長を変換する蛍光体を組み合わせることにより、出射光の色温度を任意に設定することができる。
この種のものとして、青色光を発する青色LEDと、赤色光を発する赤色LEDと、これらのLEDを被覆すると共に青色LEDの発光により励起して発光する複数の蛍光体を含有する封止樹脂と、を備えた発光装置が知られている(例えば、日本特開2010−147306号公報参照)。この発光装置において、複数の蛍光体は、青色LEDからの出射光のピーク波長と赤色LEDからの出射光のピーク波長の間の波長領域に、発光ピーク波長を有するものが用いられている。この構成によれば、青色LEDからの出射光と赤色LEDからの出射光との中間の波長領域を蛍光体の発光成分で広く補うことができ、これらの混色光の演色性を高めることができる。
特開2010−147306号公報
上記特開2010−147306号公報に記載の発光装置においては、複数の蛍光体は、いずれも可視光の短波長側に出射光のピーク波長を有する青色LEDによって励起されて発光する。ここで、各LEDの点灯パワーを制御して各出射光の混色光の色温度を変化させる場合、青色LEDの点灯パワーを変化させると、これに伴って各蛍光体による中間の波長領域(例えば緑〜橙色光)の点灯パワーも変化する。そのため、青色LEDの点灯パワーを高めても、青色光によって励起されて蛍光体の発光も増えるので、十分に高い色温度の照射光が得られず、色温度の可変領域が狭くなる。また、赤色LEDの点灯パワーの制御により比較的色温度の低い領域では色温度を調整できるが、青色LEDの点灯パワーの制御による色温度の高い領域の色温度の調整が難しいので、照射光の色温度をスムーズに可変とすることが容易でない。
本発明は、上記課題を解決するものであり、照射光における色温度の可変領域が広く、しかも、照射光の色温度をスムーズに可変とすることができる発光装置、これを用いた照明装置及び照明器具を提供することを目的とする。
本発明の第1側面に係る発光装置は、互いに出射光のピーク波長が異なる複数種の固体発光素子と、前記固体発光素子からの出射光の波長を変換する蛍光体を含む波長変換部と、を備え、前記波長変換部は、前記複数種の固体発光素子を併せて被覆するように設置され、前記蛍光体は、前記複数種の固体発光素子のうち長波長側に出射光のピーク波長を有する固体発光素子からの出射光により励起される第1の蛍光体と、前記複数種の固体発光素子のうち短波長側に出射光のピーク波長を有する固体発光素子からの出射光によって励起される第2の蛍光体と、前記複数種の固体発光素子のいずれの固体発光素子からの出射光によっても励起される第3の蛍光体と、のうち2つ以上の組み合せから成ることを特徴とする。
上記発光装置において、前記第1の蛍光体、第2の蛍光体又は第3蛍光体は、励起波長が共通で発光ピーク波長が互いに異なる複数の蛍光材料の組み合わせから成ることが好ましい。
上記発光装置において、前記波長変換部は、前記第1の蛍光体、第2の蛍光体又は第3の蛍光体のうち、相対的に長波長側に励起波長を有する蛍光体を含有する封止樹脂から成る第1層と、上記第1層に比べて相対的に短波長側に励起波長を有する蛍光体を含有する封止樹脂から成る第2層と、を備え、前記第1層は、前記固体発光素子を覆うように設けられ、前記第2層は、前記第1層上に設けられていることが好ましい。
上記発光装置において、前記複数種の固体発光素子は、相対的に長波長側に出射光のピーク波長を有する少なくとも一つの第1の固体発光素子と、相対的に短波長側に出射光のピーク波長を有する少なくとも一つの第2の固体発光素子と、を備えることが好ましい。
上記発光装置において、前記第1の蛍光体は、前記第2の個体発光素子の出射光を散乱させ、前記第2の蛍光体は前記第1の個体発光素子の出射光を散乱させることが好ましい。
上記発光装置において、前記第1の固体発光素子及び第2の固体発光素子は、種類の異なるものが隣り合うように交互に配置されることが好ましい。
上記発光装置において、前記第1の固体発光素子及び第2の固体発光素子は、夫々グループとして分離配置されることが好ましい。
本発明の第2側面によれば、上記の発光装置を用いる照明装置が提供される。上記照明装置は、上記の発光装置と、前記複数種の固体発光素子の点灯パワーを夫々制御することにより、前記固体発光素子の各出射光の混色光の色温度を変化させる制御部と、を備えることが好ましい。
上記照明装置において、前記制御部は、前記第1の固体発光素子及び第2の固体発光素子の両方の点灯パワーを可変とすることにより、各出射光の混色光の色温度を変化させることが好ましい。
上記照明装置において、前記制御部は、前記第1の固体発光素子又は第2の固体発光素子のいずれか一方の点灯パワーを所定値に固定して点灯させ、他方の点灯パワーを可変とすることにより、各出射光の混色光の色温度を変化させることが好ましい。
本発明の第3側面によれば、上記の発光装置又は照明装置を用いる照明器具が提供される。上記照明器具は、上記の発光装置と、前記複数種の固体発光素子の点灯パワーを夫々制御することにより、前記固体発光素子の各出射光の混色光の色温度を変化させる制御部と、を備えることが好ましい。
本発明によれば、複数種の固体発光素子の点灯パワーを制御することにより、色温度の可変領域を広くすることができる。また、波長変換部の第1の蛍光体、第2の蛍光体及び第3の蛍光体の少なくとも2つが、複数種の固体発光素子の夫々によって励起されて発光して中間波長域の色光が補われるので、照射光の色温度をスムーズに可変とすることができる。
本発明の一実施形態に係る発光装置を備える照明装置の概略構成図。 (a)は本発明の一実施形態に係る発光装置を備える照明器具の横外部斜視図、(b)は同照明器具の分解斜視図。 同発光装置の第1の構成例の主要部の側断面図。 同発光装置に用いられる蛍光体の励起波長特性を示す図。 (a)(b)は上記第1の構成例の発光装置からの出射光の分光スペクトルを示す図。 (a)(b)は上記第1の構成例の他の例の発光装置からの出射光の分光スペクトルを示す図。 同発光装置の照射光の色度及び色温度の変化領域を示す色度図。 上記第1の構成例の変形例に基づく発光装置の横断面図。 第2の構成例に基づく発光装置の主要部の横断面図。 (a)(b)は上記第2の構成例に基づく発光装置からの出射光の分光スペクトルを示す図。 第3の構成例に基づく発光装置の主要部の横断面図。 (a)(b)は上記第3の構成例に基づく発光装置からの出射光の分光スペクトルを示す図。 (a)(b)は上記いずれかの構成例において、複数の固体発光素子の配置パターン例を示す図。 (a)(b)は本発明の発光装置又は照明装置を用いる照明装置の他の例を示す図。 (a)(b)は本発明の発光装置又は照明装置を用いる照明器具の例を示す図。
以下、本発明の一の実施形態に係る発光装置、これを用いた照明装置及び照明器具について、図面を参照して説明する。図1は本発明の発光装置1を含む照明装置100の概略的な構成を示す。図1に示すように、本実施形態の照明装置100は、光源として複数個の発光ダイオード(以下、LED)を備える発光装置1と、所定の色温度を設定する色温度設定部3と、光源2の光出力を色温度設定部3によって設定された色温度に制御する制御部4と、を備える。発光装置1においては、光源2として、出射光の分光放射強度が最大となる波長(以下、ピーク波長)が互いに異なる複数種(本例では2種)のLED2a,2bが用いられる。光源2は、LED2a,2bを夫々少なくとも1個づつ含むパッケージとして基板5に実装される。また、基板5には、LED2a,2bの同種のもの同士が直列に接続されるように、配線回路5a,5bが形成されている。
ここで、LED2a(第1の固体発光素子)は、相対的に長波長側に出射光のピーク波長を有するものであり、LED2b(第2の固体発光素子)は、相対的に短波長側に出射光のピーク波長を有するものである。
色温度設定部3は、LED2a,2bの出射光を混色した混色光、すなわち発光装置1の照射光の色温度を所定の値に設定するためのボリュームコントローラ31を備える。ボリュームコントローラ31が、ユーザにより回転操作されると、発光装置1がオフ状態からオン状態へ切り替わり、ボリュームコントローラ31の回転量に応じて発光装置1の点灯パワーが変化される。例えば、発光装置1がオン状態となってから点灯パワーが小さい間は高い色温度の光が照射され、ボリュームコントローラ31を更に回転させることによって、点灯パワーが大きくなると共に、照射光の色温度が漸次的に高い色温度から低い色温度に変化可能となる。色温度設定部3はユーザにより利用できるように、例えば、壁面に取り付けられた操作部又はリモコン形態で提供され、ユーザによる操作信号を有線又は無線で制御部4に伝送することができるようになっている。
制御部4は、発光装置1に電源を供給する電源ユニット(不図示)に組み込まれており、光源2のパッケージの種類に応じた複数の出力端子(図例では、出力端子a,b)を備える。また、制御部4は、商用電源(不図示)からの給電を受けてこれを所定の直流電流に変換すると共に、色温度設定部3からの設定色温度の制御情報を含むduty信号に対応して各LED2a,2bに対する印加電圧を制御する整流変圧回路(不図示)を有する。各出力端子a,bは、配線41a,41bによって夫々配線回路5a,5bに接続される。
図2(a)は、例えば、天井、壁面等に埋め込まれる埋込型照明器具10の外観を示す。照明器具10は、発光装置1を保持すると共に、発光装置1を点灯制御する制御部4が内蔵される電源ユニット(不図示)を収容する本体部11を備える。また、天井等に形成された開口部に嵌め込まれ、光源等を保持する枠体部12と、商用電源から電源供給を受けるための電源線が接続される端子台13と、枠体部12を天井等に固定するための取付バネ14と、を備える。
図2(b)に示すように、照明器具10は、上述した基板5と、光源2の熱を放熱するためのヒートシンク部材6と、基板5とヒートシンク部材6との間に設けられる保持部材7と、光源2を保護する保護カバー8と、を備える。保護カバー8の裏面側にはネジ孔(不図示)が設けられており、ヒートシンク部材6(本体部11)内側から挿通されたネジ(不図示)によって保護カバー8とヒートシンク部材6とが固定される。
基板5は、汎用の発光モジュール用の基板であり、電気絶縁性を有する材料、例えば、酸化アルミニウム(Al)等の金属酸化物(セラミックスを含む)や窒化アルミニウム(AlN)等の金属窒化物、又は金属、樹脂、ガラス繊維等の材料から構成される。基板5の平面外形は、本体部11の内部形状に合わせた形状、例えば、略円形であり、ヒートシンク部材6に取り付けるための切欠き穴51が周囲に形成されている。光源2は、基板5において保護カバー8に向いて開口した開口部に接合され、保護カバー8に向かう開口部から露出している。基板5には、配線回路5a,5bとして導電パターン(図示せず)が形成されており、各光源2の各LEDがこの導電パターンに接続される。導電パターンは、配線41a,41bにより本体部11に収容された電源ユニットに接続される。この配線41a,41bは、基板5に設けられたスルーホール(不図示)に挿通されて、導電パターンに電気的に接続される。
ヒートシンク部材6は、本体部11と一体的に又は本体部11の一部として、例えば、アルミニウム合金等から形成されており、好ましくは、汎用のアルミダイキャストが用いられる。ヒートシンク部材6において保持部材7がインサートされる方面には、基板5を固定するためのネジ等の固定部材を挿通させるための固定孔(不図示)や、リード線41を本体部11内に挿通させるための挿通孔(不図示)が形成されている。また、外気に触れる表面積を大きくして放熱性を高めるため、複数の放熱ピン61が形成されている。
保持部材7は、絶縁性を有すると共に、高い熱伝導性を有する樹脂材料から形成される。好ましくは、耐絶縁電圧が4kV程度、熱伝導性が5〜10W/mkである樹脂材料が用いられる。この樹脂材料には、好ましくは、適宜にフィラーを含有させる。フィラーの種類、添加量等を調整することにより、保持部材7の絶縁性と熱伝導性を任意に制御することができる。このものとしては、例えば、セラミック微粒子等をフィラーとして混入したABS樹脂又はPBT樹脂等が挙げられる。また、フィラーとして、絶縁性を有し、且つ熱伝導性が高い、例えば、酸化アルミニウム(Al)、窒化アルミニウム(AlN)又は酸化チタン(TiO)等の金属酸化物の粒子が用いられてもよい。また、保持部材7に用いられる樹脂材料は、低硬度でクッション性が良く、表面にゲル特有のタック性(粘着性)を有するものが望ましい。また、保持部材7には、基板5をヒートシンク部材6に固定するためのネジ等の固定部材を挿通させるための固定孔71や、リード線41を本体部11内に挿通させるための挿通孔72が、夫々ヒートシンク部材6の固定孔及び挿通孔(不図示)と対応する位置に形成されている。
保護カバー8は、例えば、透明アクリル等の光透過材料を有底円筒形状に射出成型したものである。保護カバー8は、光源2の設置位置に対応するように複数の出射口81が設けられており、この出射口81には、光源2からの光を配光制御するためのレンズ82が嵌め込まれる。レンズ82は、保護カバー8と一体的に成形されていてもよい。出射口81の内周面は、反射面として形成されていてもよい。また、好ましくは、保護カバー8の底部表面、すなわち、基板5と対向する面には、シボ加工が施される。こうすれば、基板5等の発光装置1側の内部構造を外部から見え難くすることができる。
図3に示すように、発光装置1は光源2としての、LED2a,2bと、底面にLED2a,2bの実装面を有しLED2a,2bを囲う凹状の枠体21と、LED2a,2bからの出射光の波長を変換する蛍光体9を含む波長変換部22と、を備える。波長変換部22は、蛍光体9を含有するシリコーン樹脂等の透光性樹脂から成る封止樹脂23が、枠体21に充填されることにより形成される。つまり、波長変換部22は、LED2a,2bを併せて被覆するように設置され、これらLED2a,2bからの出射光の波長を変換すると共に、LED2a,2bの封止部材として機能する。
LED2a,2bには、汎用の化合物半導体等が用いられ、その発光波長は任意であるが、発光ピーク波長が350〜470nmの波長領域に存在するものが好ましい。LED2a,2bからの出射光による蛍光体9の発光制御の精度を高めるには、夫々の出射光のピーク波長の差が大きいほうが望ましく、40nm以上の差があることが望ましい。
蛍光体9は、LED2a,2bのうち、長波長側に出射光のピーク波長を有するLED2aからの出射光によって励起される第1の蛍光体91と、短波長側に出射光のピーク波長を有するLED2bからの出射光によって励起される第2の蛍光体92と、LED2a,2bのいずれの出射光によっても励起される第3の蛍光体93と、のうち2つ以上の組み合せから成る。図4は、例えば、LED2aの出射光のピーク波長が450nmであり、LED2bの出射光のピーク波長が400nmであるとき、第1の蛍光体91、第2の蛍光体92及び第3の蛍光体93の各励起波長の例を示す。
蛍光体9の組み合せとして、上記3種のうち2つを組み合わせる場合には、第1の蛍光体91及び第2の蛍光体92、第2の蛍光体92及び第3の蛍光体93、第1の蛍光体91及び第3の蛍光体93、の組み合せが挙げられる。また、上記3種を全て組み合わせてもよい。
第1の蛍光体91は、励起波長が共通で発光波長が互いに異なる複数の蛍光材料91a,91bの組み合わせから構成される。同様に、第2の蛍光体92及び第3の蛍光体93も、励起波長が共通で発光波長が互いに異なる夫々複数の蛍光材料92a,92b、及び蛍光材料93a,93b(後述する図9参照)の組み合わせから構成される。以下に、発光装置1の構成例を3つ説明する。第1の構成例は、蛍光体9として、第1の蛍光体91(蛍光材料91a,91b)及び第2の蛍光体92(蛍光材料92a,92b)を用いた例である。第2の構成例は、第2の蛍光体92(蛍光材料92a,92b)及び第3の蛍光体93(蛍光材料93a,93b)を用いた例である。第3の構成例は、第1の蛍光体91(蛍光材料91a,91b)、第2の蛍光体92(蛍光材料92a)及び第3の蛍光体93(蛍光材料93a,93b)を用いた例である。
(第1の構成例)
上述した図3、及び図5、図6は、発光装置1の第1の構成例を示す。ここで、LED2a(第1の固体発光素子)としてピーク波長450nmの青色光を出射する青色LEDを用い、LED2b(第2の固体発光素子)としてピーク波長400nmの紫色光を出射する紫色LEDを用いるものとする。そして、第1の蛍光体91の蛍光材料91a,91bとして、夫々CSO蛍光体(例えば、CaScCe)及びCaS蛍光体が用いられる。これら蛍光材料91a,91bは、共に励起波長が450nm付近であり、夫々緑色及び橙〜赤色に発光する。また、第2の蛍光体92の蛍光材料92a,92bとして、夫々BAM:Eu,Mn蛍光体及びLOS蛍光体(例えば、LaOS:Eu)が用いられる。これら蛍光材料92a,92bは、共に励起波長が400nm付近であり、夫々青色及び赤色に発光する。これら各蛍光材料91a,91b,92a,92bは、変換光の分光スペクトルが、複数のピーク波長を示すことがあるが、ここでは、最大ピーク波長をその蛍光材料の変換光の光色とする。また、上述した蛍光体は、例示であり、同様の波長変換特性を有する他の蛍光体が用いられてもよい。後述する蛍光体も同様である。
上記構成によれば、LED2a,2bは、いずれも可視光領域のうち短波長側の波長領域に出射光のピーク波長を有し、可視光領域のうち長波長側の光は、LED2a,2bの出射光によって励起される各蛍光材料の発光に基づく。また、以下の第1〜第3の構成例において、蛍光材料92a,92bは、波長変換効率が高く、400nm付近の波長域の光を殆ど他波長域の光に変換するものが用いられる。
封止樹脂23に対する蛍光材料91a〜92bの濃度は、発光装置1の照射光の色温度の可変範囲に応じて適宜に調整される。例えば、図3に示した第1の構成例において、蛍光材料91a,91bの濃度を蛍光材料92a,92bより低く設定する。また、橙〜赤色に発光する蛍光材料91bの濃度が蛍光材料91aより相対的に高くなるように調整されている。また、蛍光材料92aの濃度が蛍光材料92bより相対的に低く調整されている。ここで、制御部4が、LED2aの点灯パワーのオンデューティを100%に、LED2bのオンデューティを0%に制御したとする。図5(a)は、このときのLED2a及び各蛍光材料91a,91bによる変換光の混光によって得られた白色光の分光スペクトルを示す。本例では、蛍光材料91a,91bの濃度が低いので、LED2aから出射された青色光の一部は蛍光材料91a,91bにより変換されることなく放射される。LED 2aから出射された光のピーク波長を図5aの「2a」で示す。そして、この青色光は、蛍光材料91a,91bによって変換された緑色光及び橙〜赤色光と混色される。その結果、相対的に青色光の放射強度が強く、5000Kの比較的色温度の高い照射光を得ることができる。
一方、制御部4が、LED2aのオンデューティを0%に、LED2bのオンデューティを100%に制御したとする。図5(b)は、このときのLED2b及び相対的に高い濃度の各蛍光材料92a,92bによる変換光の混光によって得られた白色光の分光スペクトルを示す。本例では、蛍光材料92a,92bの変換効率が高く、しかも濃度が高いので、LED2bから出射された紫色光は蛍光材料92a,92bにより殆ど変換されて放射されない。従って、蛍光材料92a,92bによって変換された青色光及び赤色光が混色される。また、蛍光材料92aより蛍光材料92bの濃度が高いため、相対的に赤色光の放射強度が強く、3000Kの比較的色温度の低い照射光を得ることができる。
上記分光スペクトルを得る蛍光体の配合は、LED2aの出射光をベースとして高色温度の照射光が得られ、LED2bの出射光をベースとして低色温度の照射光が得られるようにしたものであるが、蛍光体の配合は、必ずしもこの例に限られない。例えば、図5(b)で示した分光スペクトルを得る蛍光体の配合に比べて、蛍光材料92aの濃度を蛍光材料92bの濃度に対して高く設定してもよい。ここで、制御部4が、LED2aのオンデューティを0%に、LED2bのオンデューティを100%に制御したとする。図6(a)は、このときのLED2bからの出射光及び各蛍光材料92a,92bによる変換光の混光によって得られた白色光の分光スペクトルを示す。本例では、蛍光材料92a,92bの変換効率が高いので、LED2bから出射された紫色光は殆ど変換されて放射されない。そして、蛍光材料92aの濃度が高いので、蛍光材料92a,92bによって変換された青色光及び赤色光が混色された結果、相対的に青色光の放射強度が強くなるため、5000Kの比較的色温度の高い照射光を得ることができる。
また、例えば、図5(a)で示した分光スペクトルを得る蛍光体の配合に比べて、蛍光材料91a,91bの濃度を高くし、特に蛍光材料91bの濃度を高く設定してもよい。ここで、制御部4が、LED2aの光出力を100%に、LED2bのオンデューティを0%に制御したとする。図6(b)は、このときのLED2aの出射光及び各蛍光材料91a,91bによる変換光の混光によって得られた白色光の分光スペクトルを示す。本例では、蛍光材料91a,91bは濃度が高いので、LED2aから出射された青色光は図5(a)の場合より多く変換される。そして、LED2aからの出射光と蛍光材料91a,91bによって変換された緑色光及び橙〜赤色光とが混色される。蛍光材料91aより、蛍光材料91bの濃度が特に高いので、相対的に橙〜赤色光の放射強度が強く、3000Kの比較的色温度の低い照射光を得ることができる。このように、発光装置1は、LED2a,2bの種類、及び蛍光材料の種類、濃度を適宜に設定することにより、任意の色温度の光を照射することができる。また、2種のLED2a,2bの点灯パワーを制御することにより、色温度の可変領域を広くすることができる。
更に、LED2bの出射光によって励起される第2の蛍光体92は、LED2aの出射光によっては殆ど励起されないが、LED2aの出射光を散乱させる散乱材として機能する。これと同様に、第1の蛍光体91は、LED2bの出射光を散乱させる散乱材として機能する。その結果、各LED2a,2bの出射光及び各蛍光体91,92による変換光は、波長変換部22内で散乱されて外部に放射される。そのため、本発明の発光装置1は、色ムラの少ない混色光を照射することができる。
制御部4は、このように構成された発光装置1の光源2であるLED2a,2bの点灯パワーを夫々可変とすることにより、出射光の混色光の色温度を変化させる。例えば、照射光が図5(a)(b)に示したような分光スペクトルとなる発光装置1を用いた場合、LED2aのオンデューティを100%に、LED2bのオンデューティを0%にすれば、5000Kの高い色温度の照射光が得られる。そして、LED2aの点灯パワーを下げ、LED2bの点灯パワーを上げれば、照射光の色温度をスムーズに低下させることができる。更に、LED2aのオンデューティを0%に、LED2bのオンデューティを100%にすれば、色温度3000Kの照射光が得られる。
このように、LED2a,2bの両方の点灯パワーを夫々制御することにより、図7に示すように、5000K(図中「A」)と3000K(図中「B」)の範囲で色温度を可変とすることができる。また、LED2aによって励起されて発光する第1の蛍光体91(蛍光材料91a,91b)及びLED2bによって励起されて発光する第2の蛍光体92(蛍光材料92a,92b)が、中間波長領域の緑〜赤色光を補うので、照射光の色温度を高色温度と低色温度との間でスムーズに可変とすることができる。図6(a)(b)に示したような分光スペクトルとなる照射光を放射する発光装置1を用いた場合も、同様の色温度制御が可能である。
上記実施形態の変形例について、図8を参照して説明する。この変形例は、波長変換部22は、第1の蛍光体91及び第2の蛍光体92のうち、相対的に長波長側に励起波長を有する第1の蛍光体91を含有する封止樹脂23から成る第1層22Aと、上記第1層22Aに比べて相対的に短波長側に励起波長を有する第2の蛍光体92を含有する封止樹脂23から成る第2層22Bと、を備えるものである。そして、第1層22Aは、LED2a,2bの少なくとも一部を覆うように設けられ、第2層22Bは、第1層22A上に設けられている。
短波長側にピーク波長を有するLED2bからの出射光は、第2の蛍光体92によって変換された後、第1の蛍光体91によって再変換されることがあり得る。このような再変換は、LED2bからの出射光の利用効率が低下させ、所望の色温度の照射光が得られなかったり、輝度低下の原因となることがある。しかし、この変形例によれば、LED2a,2bからの光の放射方向に、第1の蛍光体91より第2の蛍光体92を、LED2a,2bから遠い位置に設ける。従って、LED2bからの出射光が第2の蛍光体92で変換された後、そのまま外部に放射されるため、第1の蛍光体91によって再変換され難くなる。その結果、LED2bからの出射光の利用効率の低下を抑制し、所望の色温度の照射光を得ることができる。図8に示す変形例では、波長変換部が第1層に第1の蛍光体を含有し、第2層に第2の蛍光体を含有する場合を説明したが、蛍光体の組み合わせに応じて第1層又は第2層に第3の蛍光体を含有する構成にしてもよい。
(第2の構成例)
次に、発光装置1の第2の構成例について、図9及び図10を参照して説明する。ここでも、LED2a(第1の固体発光素子)としてピーク波長450nmの青色光を出射する青色LEDを用い、LED2b(第2の固体発光素子)としてピーク波長400nmの紫色光を出射する紫色LEDを用いるものとする。そして、第3の蛍光体93の蛍光材料93a,93bとして、夫々BOSE蛍光体(例えば、(Ba,Sr)SiO:Eu)、及びCASN蛍光体(例えば、CaAlSiN:Eu)が用いられる。これら蛍光材料93a,93bは、共に励起波長が400〜450nmと広く、夫々緑色及び赤色に発光する。第2の蛍光体92の蛍光材料92a,92bとして、上記第1の構成例と同様に、夫々BAM:Eu,Mn蛍光体及びLOS蛍光体(例えば、LaOS:Eu)が用いられる。ここで、第2の蛍光体92の蛍光材料の濃度は、第3の蛍光体93の蛍光材料の濃度より相対的に高く調整されている。
ここで、制御部4が、LED2aのオンデューティを20%に、LED2bのオンデューティを0%に制御したとする。図10(a)は、LED2aの出射光及び各蛍光材料93a,93bによる変換光の混光によって得られた白色光の分光スペクトルを示す。LED2aからの出射光は、そのまま放射されたり、第3の蛍光体93(蛍光材料93a,93b)によって変換されて放射される。そして、LED2aからの青色光は、蛍光材料93a,93bによって変換された緑色光及び赤色光と混色される。その結果、相対的に青色光の放射強度が強く、5000Kの比較的色温度の高い照射光を得ることができる。
一方、制御部4が、LED2aのオンデューティを20%のままにして、LED2bのオンデューティを100%に制御したとする。図10(b)は、このときのLED2a,2bの出射光及び各蛍光材料92a,92b,93a,93bによる変換光の混光によって得られた白色光の分光スペクトルを示す。本例では、蛍光材料92a,92bの変換効率が高く、しかも濃度が高いので、LED2bから出射された紫色光は殆ど変換されて放射されない。そして、LED2aからの青色光及び蛍光材料92a,92b,93a,93bによって変換された青色〜赤色光が混色される。その結果、相対的に赤色光の放射強度が強く、3000Kの比較的色温度の低い照射光を得ることができる。
発光装置1の第2の構成例では、LED2aのオンデューティを所定値(本例では20%)に固定して点灯させ、LED2bの点灯パワーを可変とすることにより、出射光の色温度を変化させている。こうすると、出射光の色温度が変化するに伴って、LED2a,2bの点灯パワーが変わる。具体的には、色温度が5000Kから3000Kに低くなるにつれて、LED2a,2bのオンデューティの合計は、20%から120%に増加する。つまり、低出力時は高色温度の光を、高出力時は低色温度の光を照射する。
一般に、人は、暗い所では、色温度の高い光、つまり青みがかった光によって物体等が鮮やかに遠くまで視認することができ、明るい所では、色温度の低い光、つまり赤みがかった光を鮮やかに視認することができることが知られている。この視覚現象はプルキンエ現象と呼ばれ、例えば、街路灯に応用されている。従って、深夜等の人通りが少ないときは、青みがかった光を用いれば、低照度で視認性を高めることができるので、低電力で防犯性の高い効率的な照明を実現することができる。一方、夕暮れ後等の人通りが多いときは、高照度且つ色温度を低くすることで、活気ある照明空間を演出することができる。本発明の発光装置1の第2の構成例では、低出力時は高色温度の光を、高出力時は低色温度の光を照射するので、上記のプルキンエ現象を利用した街路灯に適用することができる。
なお、発光装置1の第2の構成例における、青色光成分は、主としてLED2aの自体の出射光に依存する。しかし、第3の蛍光体93は、励起波長域が広い一方で、波長変換効率は第1の蛍光体91に比べて低くなる。そのため、発光装置1の第2の構成例では、LED2aのオンデューティを上述した20%よりも大きくすると、青色光の放射強度が他の色光よりも強くなり過ぎることがある。しかしながら、上記のプルキンエ現象を利用した街路灯としては、明らかな青色光が照射光として用いられてもよく、発光装置1の第2の構成例は、照明器具10の使用環境において白色光に限られない場合には、好適に用いられ得る。
(第3の構成例)
次に、本発明の発光装置1の第3の構成例について、図11及び図12を参照して説明する。ここでも、LED2a(第1の固体発光素子)としてピーク波長450nmの青色光を出射する青色LEDを用い、LED2b(第2の固体発光素子)としてピーク波長400nmの紫色光を出射する紫色LEDを用いるものとする。そして、第2の蛍光体92の蛍光材料92aとして、ハロリン酸塩蛍光体が用いられる。この蛍光材料92aは、励起波長が400nmであり、青色に発光する。また、第1の蛍光体91の蛍光材料91a,91bとして、上記第1の構成例と同様、夫々CSO蛍光体(例えば、CaScCe)及びCaS蛍光体が用いられる。第3の蛍光体93の蛍光材料93a,93bとして、上記第2の構成例と同様、夫々BOSE蛍光体(例えば、Ba,Sr)SiO:Eu)、及びCASN蛍光体(例えば、CaAlSiN:Eu)が用いられる。なお、この構成例では、上記蛍光材料のうち、第2の蛍光体92の蛍光材料92a(青色発光)及び第1の蛍光体91の蛍光材料91b(赤色発光)の濃度が高いものとする。
ここで、制御部4が、LED2bのオンデューティを40%に、LED2aのオンデューティを0%に制御したとする。図12(a)は、このときの各蛍光材料92a,93a,93bによる変換光の混光によって得られた白色光の分光スペクトルを示す。LED2bからの出射光は、第2の蛍光体92(蛍光材料92a)及び第3の蛍光体93(蛍光材料93a,93b)によって変換される。本例では、第2の蛍光体92(蛍光材料92a)の濃度が高いため、相対的に青色光の放射強度が高くなる。その結果、相対的に青色光の放射強度が強く、5000Kの比較的色温度の高い照射光を得ることができる。
一方、制御部4が、LED2bのオンデューティを40%のままにして、LED2aのオンデューティを100%に制御したとする。図12(b)は、このときのLED2aの出射光及び各蛍光材料91a,91b,92a,93a,93bによる変換光の混光によって得られた白色光の分光スペクトルを示す。本例では、蛍光材料92aの変換効率が高く、しかも濃度が高いので、LED2bから出射された紫色光は殆ど変換されて放射されない。そして、蛍光材料91a,91b,92a,93a,93bによって変換された青色〜赤色光が夫々混色される。その結果、相対的に赤色光の放射強度が強く、3000Kの比較的色温度の低い照射光を得ることができる。
本発明の発光装置1の第3の構成例では、LED2bのオンデューティを所定値(本例では40%)に固定して点灯させ、LED2aの点灯パワーを可変とすることにより、出射光の色温度を変化させている。本発光装置1の第3の構成例における、青色光成分は、主としてLED2bの出射光を変換する第2の蛍光体92(蛍光材料92a)の発光に依存する。このLED2bの出射光は、第3の蛍光体93(蛍光材料93a,93b)によっても変換されるので、高色温度を実現しながらも、白色光を構成する各色光のバランスがよく、物体を明確に視認することができる照明が可能となる。
また、本例では、第3の蛍光体93(蛍光材料93a,93b)がいずれのLED2a,2bを点灯させたときにも発光するので、LED2a,2bの出力比を急に変化させた場合でも、大幅な色度変化が生じ難くなる。そのため、色温度をよりスムーズに変化させることができる。例えば、第3の蛍光体93として、緑〜黄色に発光する蛍光材料を用いれば、図7に示した色度図において、照射光の色温度を5000〜3000Kの間で変化させるとき、照射光の色度は、図中「GY」で示す矢印方向にシフトし易くなる。つまり、本例では、図7に示すA点及びB点を結ぶ直線より矢印GY方向に色度がシフトするので、照射光の色度が黒体放射軌跡に沿って推移し、照射光を自然な白色光としたまま、その色温度を変化させることができる。
上述した実施形態においては、1つの光源2にLED2a,2bを夫々1つ実装した構成を示したが、LED2a,2bは夫々複数設けられてもよい。また、例えば、LED2a,2bは、図13(a)に示すように、種類の異なるものが隣り合うように交互に配置されてもよい。この構成によれば、LED2a,2bの各出射光が混光し易くなるので、更に色度が均一な白色光を得ることができる。また、図13(b)に示すように、LED2a,2bは、夫々グループとして分離配置されてもよい。本実施形態においては、複数の蛍光体9による波長変換に伴って色度ムラが生じ難いので、このように、各LED2a,2b分離して配列してもよく、この場合、基板5の回路構成が容易となり、LED2a,2bの実装工程も簡易になり、製造効率を向上させることができる。
また、LED2a,2bの夫々の個数は、図示したような同数でなく、一方が他方よりも多く用いられてもよい。例えば、発光装置1の第2の構成例のように、LED2aのオンデューティを20%に固定し、LED2bのオンデューティを0〜100%の範囲で可変とする場合、LED2aとLED2bとの個数比を、例えば1:5にして、LED2a,2bのそれぞれに付加される電力を均一化してもよい。
なお、本発明は、上記実施形態に限らず、種々の変形が可能である。例えば、上記実施形態においては、光源2の3つの構成例を挙げたが、これらの2例以上を1つの照明装置に組み込んでもよい。また、出射光のピーク波長が異なる2種のLED2a,2bを用いた構成を示したが、LEDは3種以上用いられてもよい。例えば、ピーク波長が350nmの近紫外光を出射するLEDと、近紫外光を青色光に変換する蛍光体とを更に追加し、これらによって、紫〜青色領域の光量を補ってもよい。この場合、波長変換部22における第1及び第2の蛍光体91,92の濃度を高め、LED2a,2bの出射光がより長波長側の光に変換することにより、発光装置の最大照明強度を大きくすることができる。また、上記各LEDの点灯パワーを制御することにより、色温度の可変領域を更に広くすることができる。
上記実施形態では、第1〜3の蛍光体が、夫々励起波長が共通であって発光ピーク波長が互いに異なる2つの蛍光材料を含むものにした。しかし、本発明はそれらに限られず、第1〜3の蛍光体は励起波長が共通であって発光波長が互いに異なる三つ以上の蛍光材料を含むものとしてもよい。また、第1〜3の蛍光体のうち、1つ或いは2つのみが励起波長が共通し、発光波長が互いに異なる複数の蛍光材料を含んでもよい。例えば、第1の構成例において、第1及び第2の蛍光体のうち何れの1つのみが励起波長が共通し、発光波長が互いに異なる2つ以上の蛍光材料を含んでもよい。
上記実施形態では、図3に示すように、SMD(Surface Mounted Device)タイプの発光装置が説明されたが、本発明はこれに限られない。本発明の発光装置は、例えば、複数のLEDチップが実装基板に実装されたCOB(Chip On Board)タイプで提供されてもよく、図3に示すようなSMDタイプの発光装置を複数個の実装基板に実装したものであってもよい。
また、上記実施形態では、図1及び図2に示したように、本発明の発光装置を照明器具に装着し、照明器具の電源ユニットに内蔵された制御部によって発光装置を点灯制御することを説明した。しかし、本発明はこれに限られず、LED電球やランプユニットや電源回路内蔵型LEDユニットのような照明装置に適用することもできる。以下、本発明の発光装置を用いる照明装置及びシステムの例を説明する。
図14(a)は照明装置の一例であって、LED電球200を示す。同図に示すように、発光装置1がホルダ220上に保持される。ホルダ220はアルミニウム等の優秀な熱伝導性材料から成り、発光装置1からの熱をハウジング270側に伝達する熱伝導部材として機能する。制御部4は、電源回路ユニット230に内蔵される。グローブ260はほぼドーム状であり、発光装置1を覆うように設けられ、その開口側端部が接着剤によってハウジング体270及びホルダ220に固定されている。ハウジング270は、例えば円筒状であり、一方の開口側に発光装置1が配置され、他方の開口側に口金250が配置されている。当該筐体270は、発光装置1からの熱を放散させる放熱部材(ヒートシンク)として機能させるために、熱伝導性のよい材料、例えば、アルミニウムを基材として形成されている。
図14(a)に示す照明装置の場合、上記発明の効果に加えて、口金により白熱電球に用いられるソケットに取り付けることができ、白熱電球との互換性を確保することができる。
図14(b)は本発明の発光装置を複数個用いる照明装置の例を示す。同図に示すように、照明装置300は2つの発光装置1A,1Bを備える。照明装置300は、長尺筒状の筐体301と、筐体301内に配置された基台302と、基台302に搭載された発光装置1A,1Bと、筐体301の両端部に取り付けられた一対の口金304,305とを備える。
筐体301は、両端部に開口を有する長尺筒状であって、基台302及び発光装置1A,1Bが収容されている。筐体301の材質は特に限定されるものではないが、透光性材料であることが好ましく、透光性材料としては、例えば、プラスチックのような樹脂やガラス等が挙げられる。なお、筐体301の横断面形状は特に限定されず、円環状であってもよいし、多角形の環状であってもよい。
基台302は、発光装置1A,1Bの熱を放熱するためのヒートシンクとして機能することが好ましく、そのためには金属等の高熱伝導性材料によって形成されていることが好ましい。
図14(b)に示す照明装置の場合、上記発明の効果に加えて、口金により直管型蛍光ランプに用いられるソケットに取り付けることができ、直管型蛍光ランプとの互換性を確保することができる。
図15(a)は、図1に示した照明装置100を備える照明器具101を示す。同図に示すように、照明器具101は、例えば、天井1012に埋め込むようにして取り付けられるダウンライトである。照明装置100はフレーム1013のランプ収容部内で着脱自在に取り付けられる。制御部4は、電源回路ユニット1004内に設けられ、ユーザーによる色温度設定部3の操作に基づいて照明装置100を制御するようになっている。
図15(a)に示す照明装置の場合、上記発明の効果に加えて、照明器具に着脱可能な薄型の照明装置とすることができる。
図15(b)は本願発明の発光装置1が用いる天井直付け型の照明器具102を示す。照明器具102は天井材(図示せず)に取り付けられる器具本体1021を有する。発光装置1は器具本体1021に板状の取付部材1023を介在して取り付けられる。また、発光装置1はプラスチックのような樹脂又はガラスからなる透光性カバー1022によって覆われる。
図15(b)に示す照明装置の場合、上記発明の効果に加えて、直管型蛍光ランプを用いた照明器具に代替した効率のよい照明器具とすることができる。
以上、本発明の発光装置を備える照明装置と照明器具を示したが、これらは例示に過ぎない。本発明の発光装置が、多様な形態の照明装置及び照明器具に用いられることができるのは言うまでもない。
1,1A,1B 発光装置
10,101,102 照明器具
100,200,300 照明装置
2 光源
22 波長変換部材
22A 第1層
22B 第2層
23 封止樹脂
2a LED(第1の固体発光素子)
2b LED(第2の固体発光素子)
4 制御部
9 蛍光体
91 第1の蛍光体
91a、91b 蛍光材料
92 第2の蛍光体
92a、92b 蛍光材料
93 第3の蛍光体
93a、93b 蛍光材料

Claims (12)

  1. 互いに出射光のピーク波長が異なる複数種の固体発光素子と、前記固体発光素子からの出射光の波長を変換する蛍光体を含む波長変換部と、を備えた発光装置であって、
    前記波長変換部は、前記複数種の固体発光素子を併せて被覆するように設置され、
    前記蛍光体は、前記複数種の固体発光素子のうち長波長側に出射光のピーク波長を有する固体発光素子からの出射光により励起される第1の蛍光体と、前記複数種の固体発光素子のうち短波長側に出射光のピーク波長を有する固体発光素子からの出射光によって励起される第2の蛍光体と、前記複数種の固体発光素子のいずれの固体発光素子からの出射光によっても励起される第3の蛍光体と、のうち2つ以上の組み合せから成ることを特徴とする発光装置。
  2. 前記第1の蛍光体、第2の蛍光体又は第3蛍光体は、励起波長が共通で発光ピーク波長が互いに異なる複数の蛍光材料の組み合わせから成ることを特徴とする請求項1に記載の発光装置。
  3. 前記波長変換部は、前記第1の蛍光体、第2の蛍光体又は第3の蛍光体のうち、相対的に長波長側に励起波長を有する蛍光体を含有する封止樹脂から成る第1層と、上記第1層に比べて相対的に短波長側に励起波長を有する蛍光体を含有する封止樹脂から成る第2層と、を備え、
    前記第1層は、前記固体発光素子を覆うように設けられ、
    前記第2層は、前記第1層上に設けられてい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。
  4. 前記複数種の固体発光素子は、相対的に長波長側に出射光のピーク波長を有する少なくとも一つの第1の固体発光素子と、相対的に短波長側に出射光のピーク波長を有する少なくとも一つの第2の固体発光素子と、を備え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。
  5. 前記第1の蛍光体は、前記第2の個体発光素子の出射光を散乱させ、前記第2の蛍光体は前記第1の個体発光素子の出射光を散乱させることを特徴とする請求項4に記載の発光装置。
  6. 前記第1の固体発光素子及び第2の固体発光素子は、種類の異なるものが隣り合うように交互に配置されることを特徴とする請求項4又は請求項5に記載の発光装置。
  7. 前記第1の固体発光素子及び第2の固体発光素子は、夫々グループとして分離配置されることを特徴とする請求項4又は請求項5に記載の発光装置。
  8. 請求項4乃至請求項7のいずれか一項に記載の発光装置と、前記複数種の固体発光素子の点灯パワーを夫々制御することにより、前記固体発光素子の各出射光の混色光の色温度を変化させる制御部と、を備えることを特徴とする照明装置。
  9. 前記制御部は、前記第1の固体発光素子及び第2の固体発光素子の両方の点灯パワーを可変とすることにより、各出射光の混色光の色温度を変化させることを特徴とする請求項8に記載の照明装置。
  10. 前記制御部は、前記第1の固体発光素子又は第2の固体発光素子のいずれか一方の点灯パワーを所定値に固定して点灯させ、他方の点灯パワーを可変とすることにより、各出射光の混色光の色温度を変化させることを特徴とする請求項8に記載の照明装置。
  11. 請求項1乃至請求項7のいずれか一項に記載の発光装置と、前記複数種の固体発光素子の点灯パワーを夫々制御することにより、前記固体発光素子の各出射光の混色光の色温度を変化させる制御部と、を備えることを特徴とする照明器具。
  12. 請求項8乃至請求項10のいずれか一項に記載の照明装置を含む照明器具。
JP2013044509A 2012-03-09 2013-03-06 発光装置、これを用いた照明装置及び照明器具 Pending JP2013214735A (ja)

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